JP2013117209A - ガスタービン及びガスタービンプラント - Google Patents

Abstract

【課題】ガスコンプレッサーでの昇圧度を下げて負荷を低減でき、コスト削減できるガスタービン及びガスタービンプラントを提供する。
【解決手段】ガスタービン１１及びガスタービンプラント１０は、圧縮空気を生成する圧縮機１５と、圧縮機１５で生成した圧縮空気と燃料とが混合したガスを燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼器１６と、燃焼器１６で生成した燃焼ガスで回転駆動するタービン１７と、燃料と蒸気発生源１２から供給した蒸気とを混合して燃焼器１６に燃料を供給する混合部１８と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービンコンバインドサイクルや汽力発電所のリパワリングシステム等の火力発電に適用するガスタービン及びガスタービンプラントに関する。

給水加熱器と蒸発器と過熱器とを備える少なくとも１つの蒸気発生器と、必要に応じて個々に接続され、燃料が順々に導かれる複数の燃料加熱段とを備えるガスタービンプラントがある（例えば、特許文献１参照）。特許文献１は、加熱済み給水の少なくとも一部が給水入口管を経て燃料加熱段に供給され、かつ給水出口管を経て燃料加熱段から排出される。特許文献１は、燃料加熱装置が３つの燃料加熱段を備え、第１燃料加熱段が給水入口管を経て復水加熱器、第２燃料加熱段が中圧給水加熱器、第３燃料加熱段が高圧給水加熱器に各々接続されている。従って、特許文献１は、種々のガスタービン設備に採用でき、且つその加熱出力について所定の燃料加熱需要に迅速及び経済的に適合できる。

また、ガスタービンの排気ガスを熱回収蒸気発生器において蒸気タービン用の蒸気を発生させるために使用し、このガスタービンの排気が熱回収蒸気発生器の入口端部から出口端部へと流れるガスタービンプラントがある（例えば、特許文献２参照）。特許文献２は、燃料ガスを水によって飽和させ且つ燃料ガスを過熱する燃料ガス飽和器組体を具備し、熱回収蒸気発生器は、排気ガスからの熱によって水を加熱し、燃料ガス飽和器組体の熱源を規定する第１の水加熱器を備える。特許文献２は、ガスタービンに供給するために、燃料ガス飽和器組体により飽和され且つ加熱された燃料ガスを過熱する燃料ガス過熱器を含む。特許文献２は、燃料ガスを飽和させるための水加熱部を熱回収蒸気発生器の低圧エコノマイザと並列して設けている。従って、特許文献２は、高温の熱交換流と低温の熱交換流との温度の不一致を最も圧力の低い蒸発器の温度以下に改善することができる。

特許第３９９３８２３号公報 特許第４７００７８６号公報

ところで、図５に示すように、特許文献１、特許文献２と同様に、ガスタービン１０１の排熱を用いて燃料を予熱するガスタービンプラント１００が提案されている。ガスタービンプラント１００は、ガスタービン１０１の排熱を回収する排熱回収ボイラ１０２を排気ガスの流路内に備えており、給水源１０３から送給された水が排熱回収ボイラ１０２内において加熱され、蒸気が燃料加熱器１０４内を流通する。そして、加熱された蒸気が燃料加熱器１０４内を流通することにより、この燃料加熱器１０４において蒸気の熱が燃料ガスに伝わって燃料ガスを加熱し、予熱した燃料ガスを燃焼器１０５に送る。ここで、排熱回収ボイラ１０２は、加熱された蒸気の一部を蒸気タービン１０６に送給して蒸気タービン１０６を駆動する。燃焼器１０５は、圧縮機１０７により圧縮した空気と、予熱した燃料ガスとを混合してガスタービン１０１に送給するために、空気と燃料ガスとを燃焼させることによりガスタービン１０１が駆動する。蒸気タービン１０６が発生した動力及びガスタービン１０１が発生した動力は発電に用いる。このようなガスタービンプラント１００において、ガスタービン１０１は、一般に燃料と圧縮空気との混合物を使用して燃焼するが、場合によっては燃料が相対的に低温となる一方で、圧縮空気は相対的に高温となることがある。低い燃料温度は、ガスタービン１０１の性能を低下させるとともに効率を低下させるために、ガスタービン１０１からの排気ガスを利用して燃料を予熱する。そして、燃料は、通常、燃焼器１０５に投入される前に不図示のガスコンプレッサーで圧縮される。ところが、ガスタービンプラント１００は、このガスコンプレッサーの動力が大きく、コスト高となる。従って、ガスタービンプラント１００は、ガスコンプレッサーの負荷を低減することが望まれる。

本発明は、前述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、ガスコンプレッサーでの昇圧度を下げて負荷を低減でき、コスト削減できるガスタービン及びガスタービンプラントを提供することにある。

本発明に係るガスタービンは、圧縮空気を生成する圧縮機と、前記圧縮機で生成した圧縮空気と燃料とが混合したガスを燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器で生成した燃焼ガスで回転駆動するタービンと、前記燃料と蒸気発生源から供給した蒸気とを混合して前記燃焼器に燃料を供給する混合部と、を備える。

本発明に係るガスタービンプラントは、前記ガスタービンと、前記蒸気発生源と、前記蒸気発生源で発生した蒸気を利用する蒸気利用手段と、を備え、前記蒸気発生源で発生した一部の蒸気を前記混合部に供給する。

本発明に係るガスタービン及びガスタービンプラントによれば、ガスコンプレッサーでの昇圧度を下げて負荷を低減でき、コスト削減できるという効果を奏する。

本発明に係る第１実施形態のガスタービン及びガスタービンプラントのブロック構成図である。 本発明に係る第２実施形態のガスタービン及びガスタービンプラントのブロック構成図である。 本発明に係る第２実施形態のガスタービン及びガスタービンプラントの具体的構成図である。 本発明に係る第３実施形態のガスタービン及びガスタービンプラントのブロック構成図である。 従来のガスタービンプラントの概略構成図である。

以下、本発明に係る複数の実施形態のガスタービン及びガスタービンプラントについて図面を参照して説明する。図１に示すように、本発明に係る第１実施形態のガスタービン１１を装備するガスタービンプラント１０は、ガスタービン１１と、蒸気発生源であって熱交換器１２を内蔵した排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）１３と、を備える。ガスタービンプラント１０は、排熱回収ボイラ１３の熱交換器１２で発生した蒸気を利用する蒸気利用手段である蒸気タービン１４を備える。ガスタービン１１は、圧縮空気を生成する圧縮機１５と、圧縮機１５で生成した圧縮空気と燃料ガスとが混合した混合ガスを燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼器１６と、燃焼器１６で生成した燃焼ガスで回転駆動するタービン１７と、を備える。ガスタービン１１は、燃料ガスと熱交換器１２から供給した蒸気とを混合して燃焼器１６に燃料ガスを供給する混合部であるエジェクター１８と、ガスコンプレッサー１９と、を備える。

ガスタービン１１は、その燃料として天然ガスを主燃料としており、ガスパイプラインのガスが途絶えた場合でも安定して電力が供給可能なようにバックアップとして、軽油も焚けるＤＵＡＬ ＦＵＥＬ ＦＩＲＩＮＧシステムを採用するのが好ましい。熱交換器１２は、上流側に給水源２０を連通接続しており、下流側に蒸気タービン１４を連通接続するとともに出力バルブ２１を通じてエジェクター１８を連通接続している。熱交換器１２は、ガスタービン１１からの高温排気を取り入れて給水した水を加熱することにより発生した蒸気を、出力バルブ２１を通じてエジェクター１８に送給する。このとき、熱交換器１２から抽出した蒸気の一部を蒸気タービン１４に送給する。蒸気タービン１４は、熱交換器１２から抽出した蒸気の一部により不図示のタービンが駆動して発電を行う。

エジェクター１８は、不図示の入力ノズル、入力ポートと、排気ポートとを有する簡素な構造であり、入力ノズルを出力バルブ２１に連通接続し、排気ポートをガスコンプレッサー１９に連通接続し、入力ポートを燃料源２２に連通接続している。エジェクター１８は、熱交換器１２からの蒸気の圧力エネルギーを入力ノズルにより運動エネルギーに変換して減圧及び加速して排気ポートに向けて噴射することにより負圧を発生する。そして、エジェクター１８は、発生した負圧により入力ポートから吸引した燃料ガスと入力ポートからの蒸気との混合ガスを減速、昇圧及び加湿して排気ポートからガスコンプレッサー１９に吐出する。

ガスコンプレッサー１９は、エジェクター１８によりあらかじめ昇圧した燃料ガスと蒸気との混合ガスをさらに昇圧して燃焼器１６に送給する。このとき、ガスコンプレッサー１９は、エジェクター１８によりあらかじめ昇圧した燃料ガスと蒸気との混合ガスを与えられるために昇圧度を低減できる。従って、低い昇圧度を有するガスコンプレッサー１９を適用できるために、小さい動力のものでよくなり、コスト面で有利にできる。

燃焼器１６は、ガスコンプレッサー１９から送給した混合ガスと、圧縮機１５が生成した圧縮空気とを燃焼して高温高圧の燃料ガスをガスタービン１１に送給する。ガスタービン１１は、燃焼器１６からの高温高圧となった燃料ガスをノズルから噴射して圧力や温度を低下すると同時に速度を増加し、この燃料ガスをタービンブレードに当ててブレードに力を加え、この力をトルクとしてタービン１７を回転させて発電を行う。

以上、説明したように、一実施形態のガスタービン１１によれば、燃料と熱交換器１２から供給された蒸気とを混合させる混合部としてのエジェクター１８を通じて燃焼器１６に燃料ガスを供給する。従って、ガスタービン１１によれば、エジェクター１８により、燃料ガスをあらかじめ昇圧させてガスコンプレッサー１９に送給するために、ガスコンプレッサー１９での昇圧度を低減して負荷を減らすことができ、コスト削減を図れる。

また、ガスタービン１１によれば、エジェクター１８により燃料ガスと蒸気とを混合することにより、燃料ガスを効率的に加熱、加湿、昇圧することができる。

そして、ガスタービン１１によれば、混合部が、熱交換器１２から供給する蒸気の圧力によって燃料源２２から燃料を吸い込んで混合するエジェクター１８であるために、コスト面で有利にできる。

さらに、ガスタービン１１によれば、燃料ガスを加湿することにより、燃料ガスの質量流量を増加し、その結果、パワー出力を増加できる。

そして、ガスタービンプラント１０によれば、蒸気利用手段としての蒸気タービン１４に送給する熱交換器１２からの蒸気の一部でエジェクター１８を駆動するために、ガス蒸気複合タービン設備の効率を向上できる。

加えて、ガスタービンプラント１０によれば、蒸気発生源として熱交換器１２がガスタービン１１の排熱を利用して蒸気を発生するために、省スペースなプラントを構築できる。

さらにまた、ガスタービンプラント１０によれば、ガスタービン１１の排熱を回収して燃料ガスを予熱することにより、燃焼器１６で消費する燃料の量を削減でき、効率を改善できる。

次に、本発明に係る第２実施形態のガスタービン及びガスタービンプラントについて説明する。なお、以下の各実施形態において、前述した第１実施形態と重複する構成要素や機能的に同様な構成要素については、図中に同一符号あるいは相当符号を付することによって説明を簡略化あるいは省略する。

図２に示すように、本発明に係る第２実施形態のガスタービン３１を装備するガスタービンプラント３０は、ガスタービン３１と、蒸気発生源であって高圧熱交換器３２、中圧熱交換器３３、低圧熱交換器３４を内蔵した排熱回収ボイラ１３と、を備える。ガスタービンプラント３０は、高圧熱交換器３２が高圧出力バルブ３５を通じて高圧エジェクター３６に接続し、中圧熱交換器３３が中圧出力バルブ３７を通じて中圧エジェクター３８に接続している。ガスタービンプラント３０は、低圧熱交換器３４が低圧出力バルブ３９を通じて低圧エジェクター４０に接続しており、高圧エジェクター３６、中圧エジェクター３８及び低圧エジェクター４０がガスコンプレッサー１９に接続している。なお、ガスコンプレッサー１９は、高圧エジェクター３６の下流側に配置するのに代えて、各エジェクター３６，３８，４０の間、または、低圧エジェクター４０の上流に配置することもできる。

図３に示すように、ガスタービンプラント３０は、具体的に、高圧蒸気タービン４１に高圧蒸気を送給し、高圧出力バルブ３５に高圧蒸気を送給する高圧過熱器４２と、中圧蒸気タービン４３に中圧蒸気を送給する再熱器４４と、を備える。ガスタービンプラント３０は、高圧過熱器４２に高圧蒸気を送給する高圧蒸発器４５と、高圧蒸発器４５への給水を予熱する高圧節炭器４６と、を備える。ガスタービンプラント３０は、再熱器４４及び中圧出力バルブ３７に中圧蒸気を送給する中圧過熱器４７と、中圧過熱器４７に中圧蒸気を送給する中圧蒸発器４８と、を備える。

ガスタービンプラント３０は、中圧蒸発器４８及びポンプ４９を通じて高圧節炭器４６に中圧蒸気を送給する中圧節炭器５０と、低圧蒸気タービン５１に低圧蒸気を送給し、低圧出力バルブ３９に低圧蒸気を送給する低圧過熱器５２と、を備える。ガスタービンプラント３０は、低圧蒸気タービン５１に中圧蒸気タービン４３から低圧蒸気が送給される。ガスタービンプラント３０は、低圧過熱器５２に低圧蒸気を送給する低圧蒸発器５３と、低圧蒸発器５３及びポンプ５４を通じて中圧節炭器５０に低圧蒸気を送給する低圧節炭器５５と、を備える。

ガスタービンプラント３０は、低圧蒸気タービン５１から送給した低圧蒸気を、冷却媒体を通じて復水処理してポンプ５６を通じて低圧節炭器５５に復水を送給する復水器５７を備える。なお、低圧エジェクター４０に対して、低圧出力バルブ３９を通じて低圧過熱器５２から低圧蒸気を送給するのに代えて、低圧蒸発器５３から低圧出力バルブ３９を通じて低圧蒸気を送給することもできる。また、中圧エジェクター３８に対して、中圧出力バルブ３７を通じて中圧過熱器４７から中圧蒸気を送給するのに代えて、中圧蒸発器４８から中圧出力バルブ３７を通じて中圧蒸気を送給することもできる。さらに、高圧エジェクター３６に対して、高圧出力バルブ３５を通じて高圧過熱器４２から高圧蒸気を送給するのに代えて、高圧蒸発器４５から高圧出力バルブ３５を通じて高圧蒸気を送給することもできる。低圧エジェクター４０には、その入力ポートが出力バルブ５８を通じて燃料源２２に連通接続されている。

なお、ガスタービンプラント３０は、実際の温度レベルを考慮して、中圧過熱器４７を高圧節炭器４６よりも高温側（排ガス側から見て上流側）に配置することができる。また、ガスタービンプラント３０は、各過熱器４２，４７，５２や各節炭器４６，５０，５５を分割して交互に配置（例えば、高温側から高圧過熱器→再熱器→高圧過熱器→再熱器の順に配置等）することができる。そのため、ガスタービンプラント３０は、排ガスの熱エネルギーを効率的に回収する観点やコストの観点から配置することが可能である。さらに、ガスタービンプラント３０は、３圧再熱ボトミングサイクルとしているが、性能面やコスト面を勘案し、非再熱、複圧等、ボトミングサイクルを自由に選定できる。

第２実施形態のガスタービン３１及びガスタービンプラント３０によれば、複数の蒸気の供給温度、圧力状態を利用できるので、燃料の加熱度、昇圧度を簡単に調整できる。

また、ガスタービン３１及びガスタービンプラント３０によれば、複数段のエジェクター３６，３８，４０を用いるため、エジェクター１段あたりの昇圧度を小さくすることができ、各エジェクター３６，３８，４０を小型化できる。

（第３実施形態）
次に、本発明に係る第３実施形態のガスタービン及びガスタービンプラントについて説明する。図４に示すように、本発明に係る第３実施形態のガスタービン６１を装備するガスタービンプラント６０は、第２実施形態に加えて、ガスコンプレッサー１９の下流に熱交換器６２をさらに設置して燃料ガスを予熱する。熱交換器６２は、各エジェクター３６，３８，４０での燃料の予熱のほかに、燃料をさらに予熱する必要がある場合に適用され、高温熱源として圧縮機１５で圧縮した空気を抽出して予熱に使用する。熱交換器６２は、熱交換により相対的に低温となった圧縮空気を、例えば、ガスタービン１１のブレード等の冷却に使用される。

第３実施形態のガスタービン６１及びガスタービンプラント６０によれば、熱交換器６２により燃料ガスを再予熱することができるために、燃焼効率を向上できる。

また、ガスタービン６１及びガスタービンプラント６０によれば、圧縮機１５より抽出した空気を燃料ガスとの熱交換で相対的に低温にすることにより、ガスタービン１１のブレード等の冷却を効率よくできる。

なお、本発明のガスタービン及びガスタービンプラントは、前述した各実施形態に限定するものでなく、適宜な変形や改良等が可能である。

以上述べたように、本発明のガスタービン及びガスタービンプラントによれば、ガスコンプレッサーでの昇圧度を下げて負荷を低減でき、コスト削減できる。以上の結果として、限りある資源の有効利用を図り、本発明の産業上の利用可能性は大といえる。

１０ ガスタービンプラント
１１ ガスタービン
１２ 熱交換器（蒸気発生源）
１４ 蒸気タービン（蒸気利用手段）
１５ 圧縮機
１６ 燃焼器
１７ タービン
１８ エジェクター（混合部）
３０ ガスタービンプラント
３１ ガスタービン
３２ 高圧熱交換器（蒸気発生源）
３３ 中圧熱交換器（蒸気発生源）
３４ 低圧熱交換器（蒸気発生源）
３６ 高圧エジェクター（混合部）
３８ 中圧エジェクター（混合部）
４０ 低圧エジェクター（混合部）
４１ 高圧蒸気タービン（蒸気利用手段）
４３ 中圧蒸気タービン（蒸気利用手段）
５１ 低圧蒸気タービン（蒸気利用手段）
６０ ガスタービンプラント
６１ ガスタービン
６２ 熱交換器（蒸気発生源）

Claims (4)

1. 圧縮空気を生成する圧縮機と、
   前記圧縮機で生成した圧縮空気と燃料とが混合したガスを燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼器と、
   前記燃焼器で生成した燃焼ガスで回転駆動するタービンと、
   前記燃料と蒸気発生源から供給した蒸気とを混合して前記燃焼器に燃料を供給する混合部と
   を備えるガスタービン。
2. 前記混合部は、前記蒸気発生源から供給する蒸気の圧力によって燃料源から燃料を吸い込んで混合するエジェクターである
   請求項１に記載のガスタービン。
3. 請求項１又は２に記載のガスタービンと、
   前記蒸気発生源と、
   前記蒸気発生源で発生した蒸気を利用する蒸気利用手段と、を備え、
   前記蒸気発生源で発生した一部の蒸気を前記混合部に供給するガスタービンプラント。
4. 前記蒸気利用手段は、蒸気タービンであり、
   前記蒸気発生源は、前記ガスタービンの排熱を利用して蒸気を発生させる
   請求項３に記載のガスタービンプラント。

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