JP2000054855A - 外部加熱式ガスタービン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型ガス化燃焼式焼却炉の排ガスをガスター
ビン圧縮空気の加熱に高率よく利用することができる外
部加熱式ガスタービンを提供する。 【解決手段】 ガスタービン圧縮機５、内部燃焼器８及
び再生器９を備える開放サイクルガスタービン７と、ご
み一括投入型ガス化燃焼式焼却炉１と、該焼却炉の排ガ
ス通路に外部加熱器２とを有し、該圧縮機５からの圧縮
空気４が再生器バイパス回路に接続する再生器バイパス
弁１２を介して、前記外部加熱器３を通り、内部燃焼器
８を経てガスタービン７に至る圧縮空気経路を備える外
部加熱式ガスタービンにおいて、前記外部加熱器の出口
温度空気を検知１３し、該加熱器の出口温度を高温に保
つように再生器に通す圧縮空気４′の量を再生器バイパ
ス弁１０で制御する制御装置１５を備えたものであり、
前記焼却炉の起動停止時に再生器に通す圧縮空気量を増
やし、外部加熱器に入る圧縮空気の温度を上昇させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、外部加熱式ガスタ
ービンに係り、特に、小型焼却炉の高温の燃焼ガスと空
気の熱交換を行う発電用の外部加熱式ガスタービンに関
する。

【０００２】

【従来の技術】外部加熱式ガスタービンは、圧縮機出口
空気を石炭や木材など固体燃料の燃焼排ガスにより加熱
し、内部燃焼器の燃料使用量を減少させることを目的と
して開発されている。外部加熱式ガスタービンの実施事
例として、１２００℃の微粉炭バーナー燃焼ガスによ
り、１０００℃に空気を加熱して、５００ｋＷガスター
ビンを運転できることが実証されている。このプロジェ
クトは、アメリカエネルギー省の補助プロジェクトであ
り、既設の１０万ｋＷ以下の石炭炊きボイラー・蒸気タ
ービンシステムの高効率化を目的としている。このプロ
ジェクトのガスタービン用外部加熱器には、セラミック
製のシェル＆チューブ方式の熱交換器が用いられてい
る。

【０００３】一方、電気と燃料の両方を使うハイブリッ
ド自動車用として、小型ガスタービン発電機の開発が行
われ、出力５０ｋＷ程度のガスタービン発電機の商用化
が可能となっている。このような小型のガスタービンは
マイクロガスタービンと呼ばれ、ガスエンジンに較べ
て、部品点数が１０分の１以下で格段に少なく、保守費
用が安価なコージェネレーション用原動機として期待さ
れている。マイクロガスタービンは、圧力比が４程度、
タービン入口温度が１０００℃であるので、安価な外部
加熱器が得られれば、木くずなどバイオマスの熱源を有
効に活用できるようになる。

【０００４】また、ダイオキシンの原因となる塩化ビニ
ールが混入しないように分別された小型ガス化燃焼方式
焼却炉は、燃焼ガス温度を８００℃以上に保持し、煙、
ばいじん及びダイオキシン発生量が極めてすくない小型
焼却炉であり、焼却炉起動停止時も排ガス温度を高温に
維持する外部燃料バーナを備えることができる。また、
ごみ焼却能力が２００ｋｇ／ｈ未満の焼却炉の排熱回収
は、温水回収が一般的であり、安価に電力に変換する方
法がなかった。小型の焼却炉では、ごみを一括投入する
バッチ式が採用されており、大型の連続式焼却炉で使用
されるボイラー・蒸気タービン式は発電効率、稼働率の
面から実施されることはなかった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来技
術に鑑み、小型ガス化燃焼式焼却炉の排ガスをガスター
ビン圧縮空気の加熱に高率よく利用することができる外
部加熱式ガスタービンを提供することを課題とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明では、ガスタービン圧縮機、内部燃焼器及び
再生器を備える開放サイクルガスタービンと、ごみ一括
投入型ガス化燃焼式焼却炉と、該焼却炉の排ガスとガス
タービン圧縮機からの圧縮空気を熱交換する外部加熱器
とを有し、該圧縮機からの圧縮空気が再生器バイパス回
路に接続する再生器バイパス弁を介して、前記外部加熱
器を通り、内部燃焼器を経てガスタービンに至る圧縮空
気経路を備える外部加熱式ガスタービンにおいて、前記
外部加熱器の出口温度空気を検知し、該加熱器の出口温
度を高温に保つように再生器に通す圧縮空気の量を再生
器バイパス弁で制御する制御装置を備えたことを特徴と
する外部加熱式ガスタービンとしたものである。

【０００７】

【発明の実施の形態】小型焼却炉では、ごみを一括投入
するバッチ方式が一般的であり、ガス化室からのガス量
は起動から停止までの間、一定ではない。小型ガス化燃
焼方式焼却炉の２次燃焼室は、２次空気と灯油などのク
リーン燃料が投入され、完全燃焼するとともに、燃焼温
度が８００℃以上に保持されるが、排ガス量は起動から
停止までの間、変動している。一方、ガスタービン発電
機が、圧縮機、タービン、発電機が同一軸にある１軸式
ガスタービンの場合、軸回転数は交流発電機の同期回転
数と同一となり、圧縮機出口流量、温度は発電量とは無
関係に一定に保たれている。発電出力は、燃焼器におけ
る燃料投入量を増加させることにより、圧縮機出口空気
を加熱すると、タービン入口温度があがり、発電量がふ
える。外部加熱器は、小型ガス化燃焼方式焼却炉の排ガ
スを熱回収し、燃焼器室への灯油などのクリーン燃料の
使用量を減らすことができる。発電量が一定とすると外
部加熱器からの戻り空気温度が高いほど、クリーン燃料
の使用量を減らすことができる。

【０００８】外部加熱器の伝熱面積、圧縮機出口流量、
圧縮機出口温度、焼却炉排ガス温度が与えられると、焼
却炉排ガス量から加熱空気温度は決められる。焼却炉の
設計排ガス量、排ガス温度とガスタービン圧縮空気流
量、ガスタービン圧縮機出口温度が与えられると、加熱
器の熱交換材料許容温度より、加熱器許容出口温度が決
められる。ガスタービン再生器を全量バイパスされてい
る状態で、加熱器許容出口温度が決められているとする
と、焼却炉の起動停止時は燃焼排ガス量が少なく、加熱
器出口温度は設計値よりも下がり、ガスタービン発電量
が一定ならば、灯油等の追加燃料の消費量が増えてしま
う。本発明は、圧縮器出口空気の一部を再生器に導き、
加熱器入口温度を高くすることにより、焼却炉排ガス量
が定格値より少ない時でも、加熱器出口空気温度を加熱
器チューブ材料の許容値限度近くに保持する。

【０００９】外部加熱器のないマイクロガスタービンの
再生器のバイパス弁は、再生器出口に設置された温水熱
交換器の温水量を制御することに使用され、温水需要が
少ない時は再生熱量を増やし、再生器出口ガスタービン
排気温度を下げることにより、温水量を制御している。
外部加熱器を備えた本発明のガスタービンシステムで
は、再生器バイパス弁は加熱器入口温度を上げる手段と
して使用される。温水の制御は、加熱器出口温度制御を
優先させるため、温水温度があがりすぎる時は放熱回路
により、放熱される。温水の放熱回路は、温水熱交換器
のチューブの保護のために必要な装置であり、ディーゼ
ルエンジンやガスエンジンのジャケット冷却装置と同様
に、温水需要がない時に放熱させる機能をもつ。

【００１０】以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明
する。図１は、本発明の外部加熱式ガスタービンを用い
た発電装置の一例を示す概略構成図である。図１におい
て、１は一括ごみ投入形ガス化燃焼焼却炉、２は高温加
熱器、３は焼却炉の燃焼排ガス、４はガスタービン用の
空気、４′はバイパス回路空気、５は圧縮機、６は発電
機、７はタービン、８は内部燃焼器、９は再生器、１０
は温水熱交換器、１１はガスタービン排ガス、１２は再
生器バイパス弁である。図１のガスタービン発電では、
圧縮機５とガスタービン７と発電機６は同一の軸につな
がり、１．５ｔ／ｈの空気４は圧縮機５により圧力０．
４ＭＰａ・ａｂｓ、温度２３０℃に圧縮加温される。焼
却炉１が定格運転されている時は、再生器バイパス弁１
２は全量の圧縮空気４を高温加熱器２に導く。高温加熱
器２の焼却炉排ガス温度は、１２００℃から７５０℃に
冷却される。圧縮空気４は２３０℃から７５０℃に加熱
される。

【００１１】高温加熱器のチューブは材料許容温度が１
０００℃以下のクロム含有量が２５％程度の耐熱鋼が使
用される。加熱器出口温度は７５０℃と低く設定されて
いるので、加熱伝熱面積を小さくすることができ、高価
なセラミックスではなく、安価な金属管が使用できる。
また、塩化ビニールを含まない分別ごみの燃焼ガスであ
るため、塩化水素による金属管高温腐食の恐れもない。
ガスタービンに入るガスの入口温度は、１０００℃であ
り、加熱器出口空気の７５０℃から１０００℃まで、内
部燃焼器８に外部燃料１６（灯油など）を投入して加熱
され、タービン７に導かれ、圧縮機５、発電機６を駆動
する。高温加熱器２がない単純開放サイクルガスタービ
ンと比較すると、２３０℃から７５０℃まで外部で加熱
されているので、内部燃焼器８の燃料使用量は６８％節
約される。

【００１２】上記の単純開放サイクルガスタービンの発
電効率を１５％とし、外部加熱器入熱を除いた外部燃料
の入熱量と発電量の比を外部燃料発電効率と定義する
と、本発明の外部加熱器を用いた発電効率は４７％にな
る。大形の最新鋭の単純解放サイクルのガスタービン、
ディーゼルエンジン、燃料電池の発電効率は４０％程度
であるので、本発明のマイクロガスタービンにより、廃
棄物の未利用エネルギの有効活用が図られた。ガスター
ビン再生器９は、焼却炉起動停止時に焼却炉排ガス量が
減った場合、圧縮機出口空気を加温するのに使用され
る。焼却炉排ガス量が減少すると、加熱器出口空気は７
５０℃以下に低下するため、再生器バイパス弁１２を再
生器側に動かし、圧縮器出口空気４′の一部を再生器９
に導き、加熱器２の空気入口温度を高くする。内部燃焼
器８に入る前の空気温度を検出する温度検知器１３を設
置し、温度設定値を７５０℃とする調節計１４の出力
を、再生器バイパス弁１２の駆動装置１５の入力とする
ことにより、加熱器出口空気を焼却炉の運転状態に係わ
らず、７５０℃一定に保つことができる。

【００１３】再生器バイパス弁が全量再生器に導かれた
場合、加熱器空気入口温度は５９０℃まで上がり、焼却
炉起動停止時、加熱器２の入熱が減っても、外部燃料１
６の使用量が増えないようにすることができる。再生器
９の出口にガスタービン排ガス１１と温水１７を熱交換
する温水熱交換器１０を設置し、温水回収を行い、この
温水を用いて温水駆動吸収式冷凍機を駆動することによ
り冷水をえることができる。ディーゼルエンジンやガス
エンジンのコージェネレーションでは、シリンダジャケ
ット冷却水を高温水とすることは、エンジン冷却に悪影
響があり通常行われていないが、ガスタービンの温水熱
交換器では、高温水取り出しすることが可能である。温
水取り出し温度を８３℃から１１０℃に挙げると、温水
吸収式冷凍機の成績係数は約７％向上する。

【００１４】

【発明の効果】本発明によれば、一括ごみ投入形ガス化
燃焼焼却炉を外部加熱形ガスタービンの外部加熱源とす
る場合、焼却炉の排ガスの変動に対して、ガスタービン
再生器と再生器バイパス弁により、外部加熱器に導入す
る空気温度を調整し、外部加熱器出口空気温度を一定に
保つことができ、焼却器の起動停止時においても、ガス
タービン燃焼器の外部燃料の使用量を減らすことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の外部加熱式ガスタービンを用いた発電
装置の一例を示す概略構成図。

【符号の説明】 １：一括ごみ投入形ガス化燃焼焼却炉、２：高温空気加
熱器、３：焼却炉排ガス、４：ガスタービン用空気、
４′：バイパス回路空気、５：圧縮機、６：発電機、
７：ガスタービン、８：内部燃焼器、９：再生器、１
０：温水熱交換器、１１：ガスタービン排ガス、１２：
再生器バイパス弁、１３：温度検出器、１４：温度調節
計、１５：再生器バイパス弁駆動部、１６：外部燃料、
１７：温水、

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスタービン圧縮機、内部燃焼器及び再
   生器を備える開放サイクルガスタービンと、ごみ一括投
   入型ガス化燃焼式焼却炉と、該焼却炉の排ガスとガスタ
   ービン圧縮機からの圧縮空気を熱交換する外部加熱器と
   を有し、該圧縮機からの圧縮空気が再生器バイパス回路
   に接続する再生器バイパス弁を介して、前記外部加熱器
   を通り、内部燃焼器を経てガスタービンに至る圧縮空気
   経路を備える外部加熱式ガスタービンにおいて、前記外
   部加熱器の出口温度空気を検知し、該加熱器の出口温度
   を高温に保つように再生器に通す圧縮空気の量を再生器
   バイパス弁で制御する制御装置を備えたことを特徴とす
   る外部加熱式ガスタービン。