JPH08189310A - 再生式ガスタービンコンバインド・サイクル発電方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 発電効率を向上させた再生式ガスタービンコ
ンバインド・サイクル発電方法に関する。 【構成】 高温高圧の燃焼ガスでガスタービンを駆動し
て発電すると共に、ガスタービンを駆動した燃焼排ガス
を廃熱回収ボイラに導いて前記ガスタービンの燃焼器に
供給する圧縮空気の加熱及びスチームタービンによる発
電のためのスチーム発生の熱源とする再生式ガスタービ
ンコンバインド・サイクル発電において、前記燃焼器と
ガスタービンとの間に前記高温高圧の燃焼ガスを加熱源
とするチューブ状スチーム過熱器を設け、廃熱回収ボイ
ラで発生させたスチームを導いて過熱し、得られた過熱
スチームを前記スチームタービンに供給することを特徴
とする再生式ガスタービンコンバインド・サイクル発電
方法 【効果】 再生式ガスタービンコンバインド・サイクル
発電のシステムの一部を変更するのみで発電効率を著し
く向上させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は著しく発電効率を向上さ
せた改良再生式ガスタービンコンバインド・サイクル発
電方法に関する。さらに詳しくは高温高圧の燃焼ガスの
熱エネルギを有効利用し、スチームタービンに供給する
スチームの温度を上昇させ、ガスタービン及びスチーム
タービンの両者の熱効率を上昇させ、結果的に廃棄され
る熱エネルギを低減させ、システム全体として発電効率
を著しく向上させた改良再生式ガスタービンコンバイン
ド・サイクル発電方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃焼によるエネルギを原動機を通じて電
気エネルギに変換する主な方法には、ガスタービンによ
る発電方法とスチームタービンにによる発電方法とがあ
る。ガスタービンを用いる場合は、圧縮した空気と燃料
の燃焼により得られる高温高圧ガスでガスタービンを回
転させ、回転するタービン軸から動力を取出している。
一方スチームタービンを用いる場合は、ボイラで発生さ
せた高温高圧のスチームでタービンを回転させ、回転す
るタービン軸から動力を取出すこととなる。両者の熱効
率を比較すると、ガスタービンの熱効率がスチームター
ビンのそれを上回るが、ガスタービンによる場合は５０
０〜６００℃の高温の排熱が排出される。そこで両者の
利点を組合せたガスタービンコンバインド・サイクル発
電方法が開発され、実用化されている。すなわち、１０
万キロワット級のガスタービンを複数稼働させて効率よ
く発電すると共に、得られた排ガスの廃熱でスチームを
発生させスチームタービンを用いて発電し、燃焼ガスの
持つ熱エネルギを二度にわたって回収して発電する方法
である。

【０００３】また最近、ガスタービンによる発電の改良
型として、ガスタービンを駆動した後の高温排ガスとガ
スタービンの燃焼器に供給する圧縮空気を熱交換器で熱
交換させて圧縮空気を加熱し、ガスタービンの燃料を低
減して結果的にガスタービンの熱効率（発電効率）を向
上させる再生式サイクル発電が知られるようになってき
た。そして、特開平５−３３２１６４号公報には、ガス
タービンの出力をさらに向上させる目的で、低い温度レ
ベルまでガスタービンの排気エネルギを回収するため、
圧縮空気中に水を噴霧するなどの冷却手段を設ける技術
が提案されている。また、特開平６−２１２９０９号公
報には、ガスタービンの排ガスを燃焼用空気としてボイ
ラに投入する複合発電プラントにおいて、ボイラの排ガ
ス熱でガスタービンの燃焼器に投入される空気又は燃料
を加熱する技術が提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ガスタービンコンバイ
ンド・サイクル発電は、従来の発電方法に比べ熱効率が
４３〜４７％（ＨＨＶベース、ＨＨＶ：高位発熱量）と
高いものの、未だ満足のいくものではない。特に、エネ
ルギ需要の電力へのシフト傾向を示す電力化率が年々上
昇している現状では、発電効率の向上は発電原価の低
減、化石燃料の使用量減少、燃焼排ガスによる大気汚染
の低減にも関連する重要な問題である。電力に変換され
なかったエネルギが温排水の原因ともなっている現状か
ら、燃焼エネルギから効率よく電力エネルギを回収し得
る発電システムの開発が熱望されている。また、前記の
ように、ガスタービン自体の熱効率を上げるための再生
式ガスタービンも知られているが、ガスタービンコンバ
インド・サイクル発電システム全体としての熱効率を一
層向上させることが求められている。

【０００５】本発明は上記技術水準に鑑みなされたもの
であって、従来の発電効率と比較して高い発電効率が得
られ、廃棄エネルギ量の少ない再生式ガスタービンコン
バインド・サイクル発電方法を提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記の目
的を達成するためガスタービンコンバインド・サイクル
発電システム、更には再生式ガスタービン発電システム
を詳細に検討した結果、既存の再生式ガスタービンとス
チームタービンとを組合わせた再生式ガスタービンコン
バインド発電システムにおいて、スチームタービンシス
テムの熱効率を上げるためのチューブ状スチーム過熱器
を燃焼器とガスタービンとの間に配備し、スチームター
ビンに供給するスチームを過熱することにより、再生式
ガスタービンの効率と相まってスチームタービンによる
発電効率を上昇させ、結果的に廃棄エネルギ量を低下さ
せ、システム全体の発電効率を飛躍的に向上させ得るこ
とを見出し、本発明を完成させるに至った。

【０００７】すなわち、本発明は圧縮空気と燃料を燃焼
器に供給して得られる高温高圧の燃焼ガスでガスタービ
ンを駆動して発電すると共に、ガスタービンを駆動した
燃焼排ガスを熱交換器を備えた廃熱回収ボイラに導いて
前記ガスタービンの燃焼器に供給する圧縮空気の加熱及
びスチームタービンによる発電のためのスチーム発生の
熱源とする再生式ガスタービンコンバインド・サイクル
発電において、前記燃焼器とガスタービンとの間に前記
高温高圧の燃焼ガスを加熱源とするチューブ状スチーム
過熱器を設け、廃熱回収ボイラで発生させたスチームを
導いて過熱し、得られた過熱スチームを前記スチームタ
ービンに供給することを特徴とする再生式ガスタービン
コンバインド・サイクル発電方法である。

【０００８】

【作用】再生式ガスタービンによる発電をガスタービン
コンバインド・サイクル発電に応用したものでは、ガス
タービンコンバインド・サイクル発電の発電効率は向上
するものの、スチームタービンの熱効率は低下する。し
かし本発明によれば、そのいずれをも向上させることが
でき、システム全体として飛躍的に熱効率を向上させる
ことができる。

【０００９】以下、本発明の発電方法について図面を用
いて詳細に説明する。図１は本発明によるチューブ状ス
チーム過熱器を組合せた再生式ガスタービンコンバイン
ド・サイクル発電の発電システムの１例を示す説明図で
ある。なお、図１では主要設備のみを示し、付属設備は
省略してある。

【００１０】図１において、取り込まれた大気１はエア
コンプレッサ２で圧縮されて圧縮空気１５となり、廃熱
ボイラ１０の加熱器１１に導かれ、加熱された圧縮空気
１６として燃焼器４に送り込まれる。燃焼器４には燃料
３が供給されている。なお、燃料としては天然ガスが好
適であるが、重金属含有量などの品質問題がなければ他
の炭化水素含有燃料を用いてもよい。燃焼器４で発生し
た高温高圧の燃焼ガス５はおよそ１４５０℃であり、こ
れをチューブ状スチーム過熱器６に導く。

【００１１】ここにいうチューブ状スチーム過熱器６と
は、一種の熱交換器である。チューブ状スチーム過熱器
６内に配置された多数の細管内に低温スチーム１２を導
入し、過熱器の内部であって、かつ前記細管の外側に高
温・高圧の燃焼ガス５を導入し、その高温・高圧の燃焼
ガス５と低温のスチーム１２との間で熱交換を行わせ、
細管出口から過熱された高温・高圧の過熱スチーム１４
を取出すものである。一方、チューブ状スチーム過熱器
６内の細管の外側で、熱交換により熱を奪われた燃焼ガ
スは、過熱器の他端から燃焼ガス７として排出される。
細管は熱交換器内で温度約１４５０℃、圧力約２０ａｔ
ａと高負荷を受けているが、過熱器内の細管に導入され
る低温スチーム１２が約３００〜４００℃と比較的低温
であり、細管表面で熱交換が行われるため、前記高温の
燃焼ガス５による細管の破損等を発生させることなく熱
交換による過熱が可能となる。

【００１２】本発明の特徴は燃焼器４とガスタービン９
との間にこのチューブ状スチーム過熱器６を設置したこ
とにある。具体的には廃熱回収ボイラ１０においてスチ
ーム加熱器１３で発生された温度約３００〜４００℃の
低温スチーム１２と温度１４５０℃の燃焼ガス５との熱
交換が行われる。この結果、チューブ状スチーム過熱器
６から温度約１３５０℃の燃焼ガス７と温度約６００℃
の過熱スチーム１４とが排出されることとなる。

【００１３】熱交換後の燃焼ガス７は圧力１５〜２０ａ
ｔａの高圧高温エネルギを有しており、ガスタービン９
を駆動させ、タービン軸の回転動力が発電に使用され
る。本発明の発電方法においては、再生式ガスタービン
システムの構成を採用しているので、ガスタービン９か
ら排出される動力を取出した後の高温排ガス８は廃熱回
収ボイラ１０に導かれ、エアコンプレッサ２により圧縮
された温度約４００℃の圧縮空気１５を加熱器１１で加
熱する。排ガス８は、その後さらに復水器１８を経過し
たスチーム発生用の復水をスチーム加熱器１３で加熱し
て冷却され煙突２０から放出される。一方、チューブ状
スチーム過熱器６から排出された過熱スチーム１４はス
チームタービン１７を駆動させ、タービン軸の回転動力
が発電に使用される。スチームタービン１７を駆動した
後の低圧、低温のスチームは復水器１８で冷却され、負
圧を発生させることによりスチームタービンの回転を増
加させ、その後、スチーム発生のため廃熱回収ボイラ１
０に戻り、再利用される。

【００１４】従来のコンバインド・サイクル発電に再生
式ガスタービンシステムを組合せたシステムでは、図２
に示すように、燃焼器４から排出される高温の燃焼ガス
７は、直接ガスタービン９に送られていたが、燃焼ガス
の温度が高いとガスタービン９の寿命を短くするため、
エアコンプレッサ２からの圧縮空気量を増加し、およそ
１３５０℃以下に調整する必要があった。すなわち、エ
アコンップレッサ２により圧縮空気量を増加し温度を下
げた燃焼ガス７をガスタービン９に送り動力を取出す一
方、動力の一部をエアコンプレッサ２の空気圧縮に使用
し、残りの動力を発電に使用していた。一方、ガスター
ビンの排ガス８は、まず圧縮空気１５を加熱器１１で加
熱して加熱圧縮空気１６とし、次にスチーム加熱器１３
でスチームを加熱するので、発生するスチーム１４′は
温度約４００℃の低温のままスチームタービン１７に送
られていたため、スチームタービンの回転による発電量
の増加が望めなかった。しかし、本発明においてはチュ
ーブ状スチーム過熱器を導入することにより、ガスター
ビン９で発電するための燃焼ガス７の温度を低下させる
ことができると共に、スチームタービン１７で発電する
ためのスチーム１４′の温度を上昇させることができ
る。

【００１５】表１に、図１及び２のシステムにおいて、
特定の合理的な条件のもとに計算した燃料（天然ガス）
単位量当たりのエネルギ収支をまとめて示した。表１か
ら本発明の方法による図１のシステムでは、図２の従来
方式によるシステムに比較して燃料単位量当たりの総合
発電効率が高いことがわかる。

【００１６】

【表１】

【００１７】

【発明の効果】本発明においては、再生式ガスタービン
コンバインド・サイクル発電の発電装置のシステムの一
部を変更するのみで、発電効率を著しく向上させること
ができる。高効率化は、スチームタービンによる発電量
の増加と、廃棄エネルギの低減によるものであり、発電
量の増加による燃焼排ガスの減少、廃棄エネルギの低減
による温排水等による環境汚染の低減も可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法による再生式ガスタービンコンバ
インド・サイクル発電システムの１例を示す説明図。

【図２】従来方式による再生式ガスタービンコンバイン
ド・サイクル発電システムの１例を示す説明図。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮空気と燃料を燃焼器に供給して得ら
   れる高温高圧の燃焼ガスでガスタービンを駆動して発電
   すると共に、ガスタービンを駆動した燃焼排ガスを熱交
   換器を備えた廃熱回収ボイラに導いて前記ガスタービン
   の燃焼器に供給する圧縮空気の加熱及びスチームタービ
   ンによる発電のためのスチーム発生の熱源とする再生式
   ガスタービンコンバインド・サイクル発電において、前
   記燃焼器とガスタービンとの間に前記高温高圧の燃焼ガ
   スを加熱源とするチューブ状スチーム過熱器を設け、廃
   熱回収ボイラで発生させたスチームを導いて過熱し、得
   られた過熱スチームを前記スチームタービンに供給する
   ことを特徴とする再生式ガスタービンコンバインド・サ
   イクル発電方法。