説明

ガスタービンコジェネレーションシステムおよびその使用方法

【課題】ガスタービンの排熱を有効利用して、熱効率を向上したガスタービンコジェネレーションシステムおよびその使用方法を提供する。
【解決手段】圧縮空気を昇温する再生器4を備えたガスタービン3と、このガスタービン3のタービン排気を流通して蒸気を発生させるボイラ5と、発生した蒸気を動力に用いて冷水を製造する吸収冷凍機8と、上記ボイラ5から排出されるボイラ排気で乾燥再生される一方で空気を流通して乾燥空気を製造するデシカント空調機6と、上記乾燥空気を冷却水で冷却して冷却乾燥空気を製造しつつ温水を製造する顕熱冷却器7と、上記冷却乾燥空気を上記吸収冷凍機8で製造された冷水と熱交換して冷房用の低温乾燥空気を製造する乾燥冷風発生器9とから構成されたガスタービンコジェネレーションシステムである。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は分散電源として使用されるガスタービンコジェネレーションシステムおよびその使用方法に関する。
【背景技術】
【0002】
ガスタービンは、ビル等に設置されて分散電源として使用されている。このガスタービンは一般に吸気流量が小さく、圧縮機での圧縮比を大きくすることができないため、燃焼器で高温のガスにしてタービンを回しても、ガス温度を十分に下げることができない。そのため、ガスタービンにおいては、通常、再生器と呼ばれる熱交換器を設置し、この再生器を圧縮空気の予熱に利用することにより投入燃料を低減し、サイクルの熱効率を向上する再生式ガスタービンが採用されている。
【特許文献1】特開平11−205814号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
近年、省エネルギーの観点から、ガスタービン等のエネルギー機器の高性能化が要求されている。しかしながら、ガスタービンは、再生式ガスタービンを用いても熱効率は最大で30%程度と低熱効率である。また、ガスタービンは事業用の大型コンバインドサイクル発電プラントのように、排熱回収ボイラを用いて熱回収してタービンを回すほどの熱量も有していない。そのため、ガスタービンの熱効率を向上させる方法としては、排熱の有効利用が有効な手段とされている。
【0004】
そのため、ガスタービンを用いて電力を出力するだけでなく、排熱を利用して蒸気や温水の製造あるいは空調システムに使用するガスタービンコジェネレーションシステムの普及が進んでいる。
【0005】
ガスタービンコジェネレーションシステムにおけるタービン排熱の有効利用としては、例えば、タービン排気をボイラに流通して蒸気を発生し、このボイラ蒸気を吸収冷凍機の駆動蒸気として使用し、冷水を製造する等の利用方法がある。
【0006】
しかしながら、ボイラ排気の温度は、ボイラ構成部品の腐食対策および蒸気を製造する目的から、120℃〜150℃程度が限界とされ、高いエネルギー効率で排熱を回収するものではなかった。従って、従来のガスタービンコジェネレーションシステムにおけるタービン排熱の十分有効な利用方法については、まだ改良の余地があった。
【0007】
一方、ガスタービンコジェネレーションシステムに組み入れられる空調システムについても、エネルギー効率を高めるために様々な工夫が検討されている。
【0008】
一般に空調システムにおける省エネルギーを目的とした改良としては、脱湿を目的として使用されるデシカント剤の乾燥再生工程の改良がある。このデシカント剤の乾燥再生工程を改良した空調システムとしては、例えば、特開平11−205814号公報(特許文献1という。)に記載されたものがあり、同公報には、ヒートポンプの高温熱源を利用してデシカント剤の乾燥再生を行う空調システムが開示されている。
【0009】
しかしながら、空調システムを組み込んだガスタービンコジェネレーションシステムのエネルギー効率を改良し、排熱を無駄なく利用し、熱効率を向上する技術はまだ提供されていなかった。
【0010】
本発明は、上述したような事情を考慮してなされたものであり、ガスタービンの排熱を有効利用して、熱効率を向上させたガスタービンコジェネレーションシステムおよびその使用方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明に係るガスタービンコジェネレーションシステムは、上述した課題を解決するために、圧縮空気を昇温する再生器を備えたガスタービンと、このガスタービンのタービン排気を流通して蒸気を発生させるボイラと、この蒸気を動力に用いて冷水を製造する吸収冷凍機と、上記ボイラから排出されるボイラ排気で乾燥再生される一方で空気を流通して乾燥空気を製造するデシカント空調機と、上記乾燥空気を冷却水で冷却して冷却乾燥空気を製造しつつ温水を製造する顕熱冷却器と、上記冷却乾燥空気を上記吸収冷凍機で製造された冷水と熱交換して冷房用の低温乾燥空気を製造する乾燥冷風発生器とから構成されたことを特徴とするものである。
【0012】
また、本発明に係るガスタービンコジェネレーションシステムは、上述した課題を解決するために、前記顕熱冷却器の上流または下流に乾燥空気または冷却乾燥空気を調湿する湿度調整器を設置したことを特徴とするものである。
【0013】
さらに、本発明に係るガスタービンコジェネレーションシステムは、上述した課題を解決するために、前記吸収冷凍機で製造した冷水を流通してタービン吸気を冷却する吸気冷却器を備えたことを特徴とするものである。
【0014】
また、本発明に係るガスタービンコジェネレーションシステムは、上述した課題を解決するために、前記吸収冷凍機から排出される凝縮水を流通して、前記顕熱冷却器で製造される温水を加温する温水加温器を備えたことを特徴とするものである。
【0015】
さらに、本発明に係るガスタービンコジェネレーションシステムは、上述した課題を解決するために、前記顕熱冷却器に燃料を流通する配管を設け、燃料加熱器としたことを特徴とするものである。
【0016】
また、本発明に係るガスタービンコジェネレーションシステムは、上述した課題を解決するために、前記デシカント空調機の乾燥再生に使用された高湿度ガスの一部を回収してタービン吸気配管に合流させるブロワと、タービン吸気配管に接続されてタービン吸気を冷却水で冷却する吸気冷却器を備えたことを特徴とするものである。
【0017】
また、本発明に係るガスタービンコジェネレーションシステムの使用方法は、上述した課題を解決するために、圧縮空気を昇温する再生器を備えたガスタービンのタービン排気をボイラに流通して蒸気を発生させる工程と、この蒸気を動力に用いて吸収冷凍機を運転して冷水を製造する工程と、上記ボイラから排出されるボイラ排気でデシカント空調機を乾燥再生させる工程と、乾燥再生したデシカント空調機に空気を流通して乾燥空気を製造する工程と、上記乾燥空気を顕熱冷却器により冷却水で冷却して冷却乾燥空気を製造しつつ温水を製造する工程と、上記冷却乾燥空気を上記吸収冷凍機で製造された冷水と熱交換して冷房用の低温乾燥空気を製造する工程とを備えることを特徴とする使用方法である。
【0018】
さらに、本発明に係るガスタービンコジェネレーションシステムの使用方法は、上述した課題を解決するために、前記顕熱冷却器の上流または下流に湿度調整器を設置し、乾燥空気または冷却乾燥空気を調湿することを特徴とする使用方法である。
【0019】
また、本発明に係るガスタービンコジェネレーションシステムの使用方法は、上述した課題を解決するために、前記吸収冷凍機で製造した冷水の一部をタービン吸気の冷却に使用することを特徴とする使用方法である。
【0020】
一方、本発明に係るガスタービンコジェネレーションシステムの使用方法は、上述した課題を解決するために、前記吸収冷凍機から排出される凝集水を使用して、前記顕熱冷却器で製造される温水を加温することを特徴とする使用方法である。
【0021】
また、本発明に係るガスタービンコジェネレーションシステムの使用方法は、上述した課題を解決するために、前記顕熱冷却器で前記燃焼器に供給する燃料を加温することにより燃料使用量を低減することを特徴とする使用方法である。
【0022】
さらに、本発明に係るガスタービンコジェネレーションシステムの使用方法は、上述した課題を解決するために、前記デシカント空調機の乾燥再生に使用された高湿度ガスの一部をブロワで回収してタービン吸気に合流させ、このタービン吸気を冷却水で冷却することにより飽和状態に近いタービン吸気を製造し、タービンの電気出力を増大することを特徴とする使用方法である。
【発明の効果】
【0023】
本発明に係るガスタービンコジェネレーションシステムおよびその使用方法によれば、ガスタービン排熱の熱量を無駄なく有効に利用することが可能であるので、熱効率が高く、省エネルギーのガスタービンコジェネレーションシステムおよびその使用方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0024】
本発明に係るガスタービンコジェネレーションシステムの実施の形態について添付図面を参照して説明する。
【0025】
[第1の実施形態]
図1に本発明に係るガスタービンコジェネレーションシステムの第1の実施形態を示す。
【0026】
ガスタービンコジェネレーションシステム10は、ガスタービンプラント部15と、排熱利用プラント部16とから構成される。
【0027】
ガスタービンプラント部15は、吸気を圧縮する圧縮機1と、燃料を燃焼して高温高圧ガスを製造する燃焼器2と、高温高圧ガスを作動流体として回転駆動するガスタービン3と、タービン排気の排熱を利用して吸気を予熱する再生器4と、ガスタービン3の駆動により電力を出力する発電機Gとから構成される。
【0028】
排熱利用プラント部16は、タービン排気を熱源として蒸気を発生するボイラ5と、外気を乾燥させて乾燥空気を製造するデシカント空調機6と、乾燥空気を熱源として温水を製造する顕熱冷却器7と、ボイラ5で発生させた蒸気を用いて冷水を製造する吸収冷凍機8と、冷水との熱交換により冷却乾燥空気を冷却して冷房用低温乾燥空気を製造する乾燥冷風発生器9とから構成される。
【0029】
ガスタービンコジェネレーションシステム10は、まず圧縮機1で吸気した外気(タービン吸気TA)を圧縮して圧縮空気PAを作り、燃焼器2で燃料FFを燃焼して900℃程度の高温高圧ガスHGを取りだし、これを作動流体としてガスタービン3を駆動して発電機Gを回転駆動させ、電気を出力する。このガスタービン3からの排気TGは高温であるので、タービン排気TGを再生器4に流通し、再生器4で圧縮機1からの圧縮空気PAと熱交換して、燃焼器2に送入する燃焼用圧縮空気PAを予熱して熱効率を高める構成となっている。
【0030】
再生器4で熱交換され、冷却されたタービン排気TGは300℃程度の温度を有している。タービン排気TGはボイラ5に案内され、このタービン排気TGによりボイラ5内で、蒸気BSを発生させる。
【0031】
ボイラ5で熱交換されたボイラ排気BGは、熱交換により冷却され、150℃程度の気体となる。このボイラ排気BGがデシカント空調機6に流通されてデシカント空調機6内部のデシカント剤の乾燥再生を行う。デシカント空調機6に使用されるデシカント剤としては、例えばシリカゲルやゼオライト等の吸湿媒体が好適に使用される。
【0032】
デシカント空調機6の乾燥再生に用いられたボイラ排気BGは、50℃〜80℃,80%RHの程度の高湿度ガスEGとして排気される。
【0033】
乾燥再生されたデシカント空調機6に冷房用空気OAを流通し、乾燥空気DAとする。この乾燥工程において乾燥空気DAは高温となるので、この乾燥空気DAを顕熱温水器7に案内して、室温程度に冷却した冷却乾燥空気CAを製造する。ここで顕熱温水器7において乾燥空気DAとの熱交換により温水HWが製造される。
【0034】
一方、ボイラ5で生成された蒸気BSは、吸収冷凍機8の駆動手段として使用され、この吸収冷凍機8によって冷水CWが製造される。
【0035】
顕熱冷却器7により製造された冷却乾燥空気CAは乾燥冷風発生器9に流入する。一方、吸収冷凍機8により製造された冷水CWは冷水ポンプ11の作用により乾燥冷風発生器9に流入する。冷却乾燥空気CAが冷水CWとの熱交換によって冷却され、冷房用低温乾燥空気SAが製造される。
【0036】
このガスタービンコジェネレーションシステム10においては、タービン排熱を適切に回収し有効利用することが可能である。
【0037】
まず、ボイラ5によりタービン排気TGの熱回収を行って蒸気BSを発生させ、この発生した蒸気BSを用いて吸収冷凍機8を作動して冷水CWを製造する。この冷水CWを低比熱で結露しにくい低湿度の冷却乾燥空気CAと熱交換するため、需要先に対して直接冷水CWを供給する場合に比較して冷水CWの単位供給空気量に対する冷熱負荷が軽減される。
【0038】
また、ボイラ5の排熱をデシカント空調機6の乾燥再生に利用するため、熱効率が高く、省エネルギーな空調システムとすることができる。
【0039】
さらに、デシカント空調機6の乾燥再生によりデシカント剤に蓄熱された熱量により、冷房用空気OAをデシカント空調機6に案内して乾燥させる際に冷房用空気OAが昇温されるが、この熱は、顕熱冷却器7において温水HWと冷却乾燥空気CAの製造に使用されるため、タービン排熱を無駄なく有効に利用することが可能であり、冷房能力が増大する。
【0040】
すなわち、ガスタービンコジェネレーションシステム10によれば、ガスタービンの排熱を有効に利用することが可能であり、従来のガスタービンコジェネレーションシステムに比較して、より熱効率の高いガスタービンコジェネレーションシステムを提供することが可能である。
【0041】
[第2の実施形態]
本発明のガスタービンコジェネレーションシステムの第2の実施形態について、図2を用いて説明する。
【0042】
このガスタービンコジェネレーションシステム20は、第1の実施形態に示された小型ガスタービンコジェネレーションシステム10において、排熱利用プラント部16Aの顕熱冷却器7と乾燥冷風発生器9との間に湿度調整器21を設置したものである。あるいは、顕熱冷却器7の前に湿度調整器21を設置する構成としてもよい。湿度調整器21としては、例えば水噴霧装置等が使用される。他の構成は第1の実施形態で示したガスタービンコジェネレーションシステム10と実質的に異ならないので、同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。
【0043】
このガスタービンコジェネレーションシステム20においては、湿度調整器21により、冷却乾燥空気CAの湿り度を調湿し、乾燥冷風発生器9で結露しない程度に調湿を行うことが可能である。
【0044】
[第3の実施形態]
本発明のガスタービンコジェネレーションシステムの第3の実施形態について図3を用いて説明する。
【0045】
このガスタービンコジェネレーションシステム30は、排熱利用プラント部16Bの吸収冷凍機8で製造された冷水CWのうちの一部を分岐配管31により吸気冷却器32に送入し、タービン吸気TAを冷却する構成としたものである。他の構成は第1の実施形態で示したガスタービンコジェネレーションシステム10と実質的に異ならないので、同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。
【0046】
このように吸気冷却器32を設けてタービン吸気TAを冷却する構成としたのは、冷却によりタービン吸気TAの密度を増して、タービン吸気流量を増大することによりガスタービン3の出力を向上するためである。
【0047】
このガスタービンコジェネレーションシステム30は、タービン排熱を利用して製造した冷水CWをさらに効率的に使用するので、ガスタービン3の性能を向上し、熱効率を改善することが可能である。
【0048】
[第4の実施形態]
本発明のガスタービンコジェネレーションシステムの第4の実施形態について図4を用いて説明する。
【0049】
このガスタービンコジェネレーションシステム40は、ボイラ排熱をさらに有効に使用するものである。ボイラ5で熱交換されて製造された蒸気BSは吸収冷凍機8の駆動に使用された後、80℃程度の温度を有する凝縮水RWとなる。そこで、この凝縮水RWを配管41によって温水加熱器42に流入し、温水HWの製造に使用する。
【0050】
すなわち、排熱利用プラント部16Cのデシカント空調機6により乾燥された乾燥空気DAとの熱交換により顕熱冷却器7で製造された温水HWを温水加熱器42に送入し、この温水加熱器42に凝集水RWを流入して熱交換することによって温水HWをさらに昇温する。全体的な構成は、第1の実施形態で示されたガスタービンコジェネレーションシステム10と温水加熱器42を除いて異ならないので、同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。
【0051】
このガスタービンコジェネレーションシステム40においては、吸収冷凍機8の駆動に用いられた蒸気BSの熱量がさらに有効に使用され、従って、タービン排熱の有効利用が可能であり、熱効率がさらに向上する。
【0052】
[第5の実施形態]
本発明のガスタービンコジェネレーションシステムの第5の実施形態について、図5を参照して説明する。
【0053】
このガスタービンコジェネレーションシステム50は、排熱利用プラント部16Dの顕熱冷却器7を燃料加温器あるいは燃料気化器として用い、予熱した燃料FFを配管51により燃焼器2に供給する構成としたものである。他の構成は第1の実施形態で示したガスタービンコジェネレーションシステム10と実質的に異ならないので、同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。
【0054】
例えば、温水供給量が少なくてもよい設備においては、このような構成とすることによりタービン排熱の有効利用が可能である。
【0055】
このガスタービンコジェネレーションシステム50によれば、燃料供給量を低減することができる。従ってガスタービン3の性能が改善され、熱効率を向上することが可能である。
【0056】
[第6の実施形態]
本発明のガスタービンコジェネレーションシステムの第6の実施形態について、図6を参照して説明する。
【0057】
このガスタービンコジェネレーションシステム60は、排熱利用プラント部16Eのデシカント空調機6の乾燥再生に使用された高湿度の排気である高湿度ガスEGの一部をブロワ61で回収し、この高湿度ガスEGをガスタービン吸気系統に合流させて、さらに冷却水を用いて冷却した後、これをガスタービン3に供給するものである。他の構成は第1の実施形態で示したガスタービンコジェネレーションシステム10と実質的に異ならないので、同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。
【0058】
このガスタービンコジェネレーションシステム60において、タービン吸気TAは、水分が飽和状態に近い吸気となり、ガスタービン3の電気出力を増大することが可能となる。従ってガスタービンコジェネレーションシステムの熱効率をさらに向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【0059】
【図1】本発明に係るガスタービンコジェネレーションシステムの第1の実施形態のプロセスフローを示す説明図。
【図2】本発明に係るガスタービンコジェネレーションシステムの第2の実施形態のプロセスフローを示す説明図。
【図3】本発明に係るガスタービンコジェネレーションシステムの第3の実施形態のプロセスフローを示す説明図。
【図4】本発明に係るガスタービンコジェネレーションシステムの第4の実施形態のプロセスフローを示す説明図。
【図5】本発明に係るガスタービンコジェネレーションシステムの第5の実施形態のプロセスフローを示す説明図。
【図6】本発明に係るガスタービンコジェネレーションシステムの第6の実施形態のプロセスフローを示す説明図。
【符号の説明】
【0060】
1 圧縮機
2 燃焼器
3 ガスタービン
4 再生器
5 ボイラ
6 デシカント空調機
7 顕熱冷却器
8 吸収冷凍機
9 乾燥冷風発生器
10 ガスタービンコジェネレーションシステム
11 冷水ポンプ
15 ガスタービンプラント部
16,16A〜16E 排熱利用プラント部
20 ガスタービンコジェネレーションシステム
21 湿度調整器
30 ガスタービンコジェネレーションシステム
31 分岐配管
32 吸気冷却器
40 ガスタービンコジェネレーションシステム
41 配管
42 温水加温器
50 ガスタービンコジェネレーションシステム
51 配管
60 ガスタービンコジェネレーションシステム
61 ブロワ
BG ボイラ排気
BS ボイラ蒸気
CA 冷却乾燥空気
CW 冷水
DA 乾燥空気
EG 高湿度ガス
FF 燃料
HG 高温高圧ガス
HW 温水
PA 圧縮空気
SA 低温乾燥空気
RW 凝集水
TA タービン吸気
TG タービン排気

【特許請求の範囲】
【請求項1】
圧縮空気を昇温する再生器を備えたガスタービンと、このガスタービンのタービン排気を流通して蒸気を発生させるボイラと、発生した蒸気を動力に用いて冷水を製造する吸収冷凍機と、上記ボイラから排出されるボイラ排気で乾燥再生される一方で空気を流通して乾燥空気を製造するデシカント空調機と、上記乾燥空気を冷却水で冷却して冷却乾燥空気を製造しつつ温水を製造する顕熱冷却器と、上記冷却乾燥空気を上記吸収冷凍機で製造された冷水と熱交換して冷房用の低温乾燥空気を製造する乾燥冷風発生器とから構成されたことを特徴とするガスタービンコジェネレーションシステム。
【請求項2】
前記顕熱冷却器の上流または下流に乾燥空気または冷却乾燥空気を調湿する湿度調整器を設置したことを特徴とする請求項1記載のガスタービンコジェネレーションシステム。
【請求項3】
前記吸収冷凍機で製造した冷水を流通してタービン吸気を冷却する吸気冷却器を備えたことを特徴とする請求項1記載のガスタービンコジェネレーションシステム。
【請求項4】
前記吸収冷凍機から排出される凝縮水を流通して、前記顕熱冷却器で製造される温水を加温する温水加温器を備えたことを特徴とする請求項1記載のガスタービンコジェネレーションシステム。
【請求項5】
前記顕熱冷却器に燃料を流通する配管を設け、燃料加熱器としたことを特徴とする請求項1記載のガスタービンコジェネレーションシステム。
【請求項6】
前記デシカント空調機の乾燥再生に使用された高湿度ガスの一部を回収してタービン吸気配管に合流させるブロワと、タービン吸気配管に接続されてタービン吸気を冷却水で冷却する吸気冷却器を備えたことを特徴とする請求項1記載のガスタービンコジェネレーションシステム。
【請求項7】
圧縮空気を昇温する再生器を備えたガスタービンのタービン排気をボイラに流通して蒸気を発生させる工程と、発生した蒸気を動力に用いて吸収冷凍機を運転して冷水を製造する工程と、上記ボイラから排出されるボイラ排気でデシカント空調機を乾燥再生させる工程と、乾燥再生したデシカント空調機に空気を流通して乾燥空気を製造する工程と、上記乾燥空気を顕熱冷却器により冷却水で冷却して冷却乾燥空気を製造しつつ温水を製造する工程と、上記冷却乾燥空気を上記吸収冷凍機で製造された冷水と熱交換して冷房用の低温乾燥空気を製造する工程とを備えることを特徴とするガスタービンコジェネレーションシステムの使用方法。
【請求項8】
前記顕熱冷却器の上流または下流に湿度調整器を設置し、乾燥空気または冷却乾燥空気を調湿することを特徴とする請求項7記載のガスタービンコジェネレーションシステムの使用方法。
【請求項9】
前記吸収冷凍機で製造した冷水の一部をタービン吸気の冷却に使用することを特徴とする請求項7記載のガスタービンコジェネレーションシステムの使用方法。
【請求項10】
前記吸収冷凍機から排出される凝縮水を使用して、前記顕熱冷却器で製造される温水を加温することを特徴とする請求項7記載のガスタービンコジェネレーションシステムの使用方法。
【請求項11】
前記顕熱冷却器で前記燃焼器に供給する燃料を加温することにより燃料使用量を低減することを特徴とする請求項7記載のガスタービンコジェネレーションシステムの使用方法。
【請求項12】
前記デシカント空調機の乾燥再生に使用された高湿度ガスの一部をブロワで回収してタービン吸気に合流させ、このタービン吸気を冷却水で冷却することにより飽和状態に近いタービン吸気を製造し、タービンの電気出力を増大することを特徴とする請求項7記載のガスタービンコジェネレーションシステムの使用方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【公開番号】特開2007−298192(P2007−298192A)
【公開日】平成19年11月15日(2007.11.15)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−124436(P2006−124436)
【出願日】平成18年4月27日(2006.4.27)
【出願人】(000003078)株式会社東芝 (54,554)
【Fターム(参考)】