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JP6407079B2 - 高湿分空気利用ガスタービンシステム及びその排ガス処理システム - Google Patents

高湿分空気利用ガスタービンシステム及びその排ガス処理システム Download PDF

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Description

本発明は、高湿分空気利用ガスタービンシステム及びその排ガス処理システムに関する。
出力増加と発電効率の向上を図ることができるガスタービンシステムとして、ガスタービンに水又は蒸気を注入して作動流体の流量を増加させる高湿分空気利用ガスタービンシステムが知られている。従来の高湿分空気利用ガスタービンシステムにおいては、排ガス中の湿分が高いため、排ガスが煙突から放出される際に、場合によっては、白い湯気からなる白煙を生ずることがある。白煙の発生は美観を損ねるので、白煙を発生させないように排ガスを放出したいという要求がある。
係る背景技術として、例えば、湿分を多量に含むガスタービンの排ガスの一部を水回収装置で冷却して排ガス中の湿分の一部を分離回収し、残りの排ガスを水回収装置で冷却せずにバイパスさせて水回収装置を経由した排ガスと混合させ、その後、混合した排ガスを煙突等から大気に放出するガスタービンの排気処理装置がある（特許文献１の図５等参照）。
特開平１０−１１０６２８号公報
上記の排気処理装置においては、水回収装置で冷却された排ガス中に含まれる水分が排ガス温度の飽和条件で水回収装置から排出されることになるので、水回収装置をバイパスする配管を水回収装置の下流の煙突又は排ガス流路に接続することにより、冷却された排ガスを水回収装置をバイパスした高温の排ガスで加熱している。これにより、水回収装置を経由した排ガスを加熱するための加熱器（熱交換器）を更に設置することなく、白煙発生の防止が可能であると記載されている。
しかしながら、一般的に、水回収装置の下流の煙突や排ガス流路は、排ガスの大気への拡散を考慮して１０〜２０ｍ／ｓの高流速設計とする必要がある。このため、上記の排気処理装置のように、水回収装置の下流の煙突や排ガス流路に水回収装置をバイパスする配管を単純に接続する構造では、水回収装置を経由した排ガスと水回収装置をバイパスした排ガスとの十分な混合を図ることができず、結果的に白煙の発生を防止することができないと考えられる。
本発明は、上記の問題点を解消するためになされたものであり、その目的は、冷却された排ガスを加熱するための加熱器を設置することなく、白煙の発生の防止が可能な高湿分空気利用ガスタービンシステム及びその排ガス処理システムを提供することにある。
上記課題を解決するため、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、作動流体が加湿されるガスタービンシステムから排出される排ガス中に含まれる湿分を処理する高湿分空気利用ガスタービンシステムの排ガス処理システムであって、前記ガスタービンシステムから排出された排ガスが流通する排ガス流路と、前記排ガス流路に接続され、前記排ガス流路から流入した排ガスを冷媒で冷却することにより排ガス中に含まれる湿分を回収する水回収装置と、前記排ガス流路からの排ガスの一部が前記水回収装置内における冷媒による冷却を回避するように流通するバイパス流路とを備え、前記水回収装置は、前記排ガス流路が接続され、排ガスを冷却する領域を有する容器本体部と、流路断面積が前記容器本体部より小さくなるように形成され、排ガスの排出される排出部と、前記容器本体部と前記排出部とを繋ぐ絞り流路部とを備え、前記バイパス流路の下流側端部は、前記水回収装置の前記容器本体部内における、排ガスの冷却される領域よりも排ガスの流れ方向下流側に位置することを特徴とする。
本発明によれば、水回収装置の下流の煙突や排ガス流路よりも排ガスの流れが低速である水回収装置内における、排ガスの冷却される領域よりも排ガスの流れ方向下流側に、水回収装置内の冷却を回避するバイパス流路の下流側端部を位置させることにより、冷却された排ガスをバイパス流路からの高温の排ガスと十分に混合させることができるので、冷却された排ガスを加熱するための加熱器を設置することなく、白煙の発生の防止が可能となる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本発明の高湿分空気利用ガスタービンシステムの第１の実施の形態及びその排ガス処理システムを示す構成図である。 図１に示す本発明の高湿分空気利用ガスタービンシステムの排ガス処理システムの第１の実施の形態を示す構成図である。 図２に示す本発明の高湿分空気利用ガスタービンシステムの排ガス処理システムの第１の実施の形態の一部を構成する水回収装置をIII−III矢視から見た概略横断面図である。 本発明の高湿分空気利用ガスタービンシステムの第１の実施の形態における排ガス温度と絶対湿度との関係を示す特性図である。 本発明の高湿分空気利用ガスタービンシステムの排ガス処理システムの第１の実施の形態の変形例を示す構成図である。 本発明の高湿分空気利用ガスタービンシステムの排ガス処理システムの第２の実施の形態を示す構成図である。 図６に示す本発明の高湿分空気利用ガスタービンシステムの排ガス処理システムの第２の実施の形態の一部を構成する水回収装置をVII−VII矢視から見た概略横断面図である。 本発明の高湿分空気利用ガスタービンシステムの排ガス処理システムの第３の実施の形態を示す構成図である。 図８に示す本発明の高湿分空気利用ガスタービンシステムの排ガス処理システムの第３の実施の形態の一部を構成する水回収装置をIX−IX矢視から見た概略横断面図である。 本発明の高湿分空気利用ガスタービンシステムの排ガス処理システムのその他の実施の形態の一例を示す構成図である。 本発明の高湿分空気利用ガスタービンシステムの排ガス処理システムのその他の実施の形態の別の一例を示す構成図である。
以下、本発明の高湿分空気利用ガスタービンシステム及びその排ガス処理システムの実施の形態を図面を用いて説明する。
［第１の実施の形態］
まず、本発明の高湿分空気利用ガスタービンシステムの第１の実施の形態のシステム構成を図１を用いて説明する。
図１は本発明の高湿分空気利用ガスタービンシステム及びその排ガス処理システムの第１の実施の形態を示す構成図である。図１中、矢印は高湿分空気利用ガスタービンシステムの作動流体や排ガス、投入される水分、回収された水分等の流れの向きを示している。
図１において、高湿分空気利用ガスタービンシステムは、ガスタービンシステム１と、ガスタービンシステム１の作動流体の加湿及び予熱を行う増湿再生サイクルシステム２と、ガスタービンシステム１から排出される排ガス中に含まれる湿分を処理する排ガス処理システム３とを備えている。ガスタービンシステム１には、ガスタービン発電機５が機械的に接続されている。
ガスタービンシステム１は、例えば、吸気を加湿する吸気加湿装置１１と、吸気加湿装置１１からの空気を圧縮する空気圧縮機１２と、空気圧縮機１２からの圧縮空気を支燃剤として燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生させる燃焼器１３と、燃焼器１３からの燃焼ガスにより駆動されて空気圧縮機１２及びガスタービン発電機５を駆動するタービン１４とから構成されている。
増湿再生サイクルシステム２は、空気圧縮機１２から吐出された圧縮空気に加湿する増湿塔２１と、増湿塔２１からの高湿分の圧縮空気をタービン１４の排ガスと熱交換させて予熱する再生器２２とを備えている。また、増湿再生サイクルシステム２は、例えば、空気圧縮機１２からの圧縮空気を加湿する加湿水として、増湿塔２１に保有している水を再利用するための循環系統を更に備えている。循環系統は、例えば、増湿塔２１に保有している水をタービン１４の排ガスと熱交換させる節炭器２３と、増湿塔２１に保有している水を空気圧縮機１２からの圧縮空気と熱交換させる空気冷却器２４と、増湿塔２１に保有している水を節炭器２３及び空気冷却器２４に送出して増湿塔２１に再度供給する増湿塔循環水ポンプ２５とで構成されている。また、増湿再生サイクルシステム２は、例えば、後述する水回収装置３２で回収した回収水を増湿塔２１に補給する増湿塔補給水ポンプ２６を更に備えている。
排ガス処理システム３は、タービン１４から排出されて再生器２２及び節炭器２３を通過した排ガスが流通するダクトや配管等の排ガス流路３１と、排ガス流路３１に接続され、排ガス流路３１から流入した排ガスを冷却水（冷媒）で冷却することにより、排ガス中に含まれる湿分、つまり増湿塔２１で投入した水分や燃料の燃焼により生成された水分などを回収する水回収装置３２と、水回収装置３２で排ガスから回収した水や冷却水として使用済みの水等の回収水を冷却水として水回収装置３２に循環させる循環冷却系統３３とを備えている。循環冷却系統３３は、水回収装置３２の回収水を冷却する水回収循環水冷却器３４と、水回収装置３２と水回収循環水冷却器３４の入口側とに接続された回収水送出管路３５と、水回収循環水冷却器３４の出口側と水回収装置３２とに接続された冷却水供給管路３６と、回収水送出管路３５に設けられ、水回収装置３２の回収水を水回収循環水冷却器３４に送出して水回収装置３２に供給する水回収循環水ポンプ３７とを備えている。また、排ガス処理システム３は、上流側が排ガス流路３１に接続されると共に下流側が水回収装置３２に接続され、排ガス流路３１からの排ガスの一部が流通するバイパス配管４０を更に備えている。
次に、本発明の高湿分空気利用ガスタービンシステムの排ガス処理システムの第１の実施の形態の詳細な構成を図２及び図３を用いて説明する。
図２は図１に示す本発明の高湿分空気利用ガスタービンシステムの排ガス処理システムの第１の実施の形態を示す構成図、図３は図２に示す本発明の高湿分空気利用ガスタービンシステムの排ガス処理システムの第１の実施の形態の一部を構成する水回収装置をIII−III矢視から見た概略横断面図である。図２及び図３中、矢印は排ガスや排ガス処理システムの循環冷却系統の流れの方向を示している。なお、図２及び図３において、図１に示す符号と同符号のものは、同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
図２において、排ガス処理システム３の水回収装置３２は、下部に排ガス流路３１が接続され、排ガスが流入する容器本体部５１と、容器本体部５１の上側に位置し、排ガスが排出される排出部５２と、容器本体部５１と排出部５２とを繋ぐ絞り流路部５３と、容器本体部５１内における排ガス流路３１との接続部分よりも上側（排ガスの流れ方向下流側）に配設され、冷却水供給管路３６からの冷却水を散布する散水部５４とを備えている。水回収装置３２は、さらに、容器本体部５１内における排ガス流路３１との接続部分と散水部５４との間に配設され、多数の孔や溝や切欠きなどを有する水回収装置充填物５５とを備えている。水回収装置３２は、下向きに散布された冷却水に対して排ガスが下から上向きに流れる対向流方式の縦型の装置である。
容器本体部５１は、排ガスを冷却水と十分に混合して冷却することで排ガスから湿分を効率的に回収するために、水回収装置３２の下流の煙突や排ガス流路よりも排ガスの流速が低速となる流路断面積を有している。一方、排出部５２は、その下流の排ガスの流速を考慮して、その流路断面積が容器本体部５１より小さくなるように形成されている。散水部５４は、図２及び図３に示すように、冷却水供給管路３６に接続される複数の冷却水枝管５４ａと、各冷却水枝管５４ａにそれぞれ間隔をあけて設けられ、冷却水供給管路３６からの冷却水を下向きに噴出する複数の水回収装置散水ノズル５４ｂとで構成されている。
バイパス配管４０は、その下流側端部に、容器本体部５１内における散水部５４よりも上側（排ガスの流れ方向下流側）に配置された排ガス混合部を有している。排ガス混合部は、複数のバイパス枝管部４１と、各バイパス枝管部４１にそれぞれ間隔をあけて設けられ、バイパス配管４０からの排ガスを上向きに噴出する複数の排ガスバイパスノズル４２とで構成されている。詳細は後述するが、バイパス配管４０は、排ガス流路３１からの排ガスの一部が容器本体部３１内における冷却水による冷却を回避するように流通するバイパス流路として機能する。また、バイパス配管４０の排ガス混合部は、バイパス配管４０を流通した排ガスと容器本体部５１内で冷却された排ガスとの均一な混合を促進するための構造体である。
次に、本発明の高湿分空気利用ガスタービンシステムの第１の実施の形態の動作を図１を用いて説明する。
図１において、吸入された空気は、吸気加湿装置１１により加湿された後、空気圧縮機１２により圧縮される。この圧縮空気は、後段の増湿塔２１での増湿作用を高効率で行うために空気冷却器２４で冷却された後、増湿塔２１に流入して増湿される。高湿分になった圧縮空気は再生器２２でタービン１４の排ガスと熱交換して加熱され、圧縮空気中の湿分は完全に蒸発する。この圧縮空気は燃焼器１３に導かれて燃料と混合・燃焼し、高温の燃焼ガスが発生する。この燃焼ガスはタービン１４を駆動し、熱エネルギーが動力エネルギーに変換される。この動力エネルギーは、空気圧縮機１２を駆動することで消費されると共に及びガスタービン発電機５により電気エネルギーに変換される。
タービン１４から排出された排ガスは、吸気加湿装置１１及び増湿塔２１での加湿及び増湿により、多量の湿分を含んだものとなっている。この排ガスは、再生器２２において増湿塔２１で増湿された圧縮空気を加熱することで、その熱エネルギーの一部が回収される。さらに、排ガスは、節炭器２３において増湿塔２１の加湿水を加熱することで、その熱エネルギーの一部が回収される。このように、ガスタービンシステム１から排出された排ガスの熱エネルギーの一部を再生器２２及び節炭器２３で回収することにより、システムの熱効率の向上を図っている。
節炭器２３を通過した排ガスは、水回収装置３２に導入されて湿分の一部が回収された後、大気中に放出される。水回収装置３２で回収された水分の一部は、増湿塔補給水ポンプ２６により増湿塔２１に補給される。このように、ガスタービンシステム１の作動流体に追加された水分を水回収装置３２で回収することにより、水資源の有効活用を図っている。
次に、本発明の高湿分空気利用ガスタービンシステムの排ガス処理システムの第１の実施の形態の作用を図２及び図３を用いて説明する。
節炭器２３（図１参照）を通過した排ガスは、その大部分が排ガス流路３１から水回収装置３２の容器本体部５１の下部に流入する一方、その一部分がバイパス配管４０を介して容器本体部５１内における散水部５４よりも上側に流入する。
排ガス流路３１から流入した排ガスは、容器本体部５１内に配設された水回収装置充填物５５を通過する。このとき、水回収装置３２内において、散水部５４の水回収装置散水ノズル５４ｂから下方に向かって冷却水が散布されており、散水部５４の下側に配設された水回収装置充填物５５の表面上を冷却水が流下している。このため、水回収装置充填物５５を下方から上方に通過する排ガスは、水回収装置充填物５５の表面上の冷却水との気液接触により冷却されて湿り蒸気となり、その排ガス中の湿分の一部は凝縮して回収される。その後、上方の散水部５４側に向かって流れる排ガスは、散水部５４から散布された冷却水との気液接触によっても冷却され、その排ガス中の湿分の一部が凝縮して回収される。つまり、排ガス流路３１から容器本体部５１内に流入した排ガスは、散水部５４（水回収装置散水ノズル５４ｂ）より下側の領域において冷却水により冷却される。このように、排ガス流路３１から容器本体部５１内に流入した排ガス中に含まれる湿分の一部は凝縮して回収され、その結果、排ガス中の湿分含有率が低下する。
水回収装置充填物５５は、多数の孔や溝や切欠きなどを有しており、その表面積が大きいので、排ガスと冷却水との気液接触の効率を高めることができる。また、散水部５４は、複数の冷却水枝管５４ａと、各冷却水枝管５４ａにそれぞれ設けた複数の水回収装置散水ノズル５４ｂとで構成されているので、容器本体部５１内の排ガスの通過部分に対して均一に冷却水を散布することができる。その結果、排ガスと冷却水との気液接触の効率を高めることができる。
一方、バイパス配管４０を流通した一部の排ガスは、複数の排ガスバイパスノズル４２から上方に向かって容器本体部５１内に噴出し、容器本体部５１内における散水部５４よりも上側の領域において、容器本体部５１内で冷却された排ガスと混合する。混合された排ガスは、水回収装置３２の絞り流路部５３を経て排出部５２から排出される。
本実施の形態においては、バイパス配管４０の下流側端部のバイパス枝管部４１及び排ガスバイパスノズル４２を、散水部５４よりも上側、すなわち排ガスが冷却水で冷却される領域よりも排ガスの流れ方向下流側に配置しているので、バイパス配管４０を介して水回収装置３２内に流入する排ガスは、散水部５４からの冷却水による冷却を回避することができる。つまり、バイパス配管４０は、排ガス流路３１からの排ガスの一部が水回収装置３２内における冷却水による冷却を回避するように流通する（水回収装置充填物５５及び散水部５４を迂回する）バイパス流路として機能する。このため、バイパス配管４０からの排ガスは、容器本体部５１内で冷却された排ガスよりも高温となっている。したがって、冷却された排ガスは、バイパス配管４０からの高温の排ガスと混合されることにより加熱される。
ところで、水回収装置の下流の煙突や排ガス流路は、一般的に、大気への拡散を考慮して１０〜２０ｍ／ｓの高流速設計がなされている。このため、高温の排気ガスを、水回収装置を迂回させて水回収装置の下流の煙突等に流入するように構成しても、水回収装置を迂回させた高温の排ガスと水回収装置を通過して冷却された排ガスとの十分な混合を図ることができない。それに対して、本実施の形態においては、水回収装置の下流の煙突や排ガス流路よりも排ガスの流速が低速である容器本体部５１にバイパス配管４０を接続しているので、バイパス配管４０からの排ガスと容器本体部５１内で冷却された排ガスとの十分な混合を図ることができる。
また、バイパス配管４０は、その下流側端部に複数の排ガスバイパスノズル４２を設けたバイパス枝管部４１を複数有しているので、バイパス配管４０を介して流入した高温の排ガスと容器本体部５１内で冷却された排ガスとの均一な混合を図ることができる。このため、冷却された排ガスの全体が確実に加熱され、冷却された排ガスの一部が湿り蒸気のまま水回収装置３２から排出されることを防止することができる。
このように、本実施の形態の構成の特徴は、水回収装置３２の下流の煙突や排ガス流路よりも排ガスの流速が低速である水回収装置３２内に、水回収装置充填物５５及び散水部５４を通過した排ガスとこれらをバイパスした排ガスとの均一な混合を図ることができるバイパス配管４０の排ガス混合部（バイパス枝管部４１と排ガスバイパスノズル４２）を配置した点にある。
また、水回収装置３２で回収した回収水は、水回収循環水ポンプ３７により回収水送出管路３５を介して水回収循環水冷却器３４に送出される。この回収水は、水回収循環水冷却器３４で冷却された後、冷却水供給管路３６を介して水回収装置３２に冷却水として再び供給される。
なお、この排ガス処理システム３のうち、水回収装置３２と循環冷却系統３３は、増湿塔２１（図１参照）でガスタービンシステム１（図１参照）に投入した水分や燃料の燃焼により生成された水分など排ガスに含まれる湿分を回収する水回収システムと見なすことができる。
次に、本発明の高湿分空気利用ガスタービンシステムの排ガス処理システムの第１の実施の形態における白煙の発生の防止効果を図２及び図４を用いて説明する。
図４は本発明の高湿分空気利用ガスタービンシステムの第１の実施の形態における排ガス温度と絶対湿度との関係を示す特性図である。図４中、縦軸ｈは絶対湿度を、横軸Ｔは排ガス温度を示している。図中の太線ａは水の飽和線を、矢印は排ガス状態の大気放出までの推移を示している。なお、図４において、図１乃至図３に示す符号と同符号のものは、同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
図４において、飽和線ａよりも下側の領域で排ガスの状態が推移すれば、白煙の発生を防止できる。図２に示す水回収装置３２内で冷却された排ガスは、水回収装置３２内の散水部５４における温度（混合前の温度）の飽和線上の位置αにある。飽和線上の位置αにある排ガスは、水回収装置充填物５５及び散水部５４（排ガスの冷却される領域）をバイパス配管４０を介してバイパスした排ガスとの均一な混合により、水回収装置３２の排出部５２における温度（混合後の温度）の位置βに移動する。この理由は、水回収装置充填物５５及び散水部５４をバイパスした排ガスは、水回収装置充填物５５及び散水部５４を通過したガスよりも高温であるため、混合した排ガスの温度は、混合前の冷却された排ガスの温度よりも上昇する。また、水回収装置充填物５５及び散水部５４をバイパスした排気ガスは、水回収装置充填物５５及び散水部５４を通過したガスよりも絶対湿度が高いため、混合後の排ガスの絶対湿度は、混合前の冷却された排ガスの絶対湿度よりも増加するが、飽和線ａよりも下側に位置する。この状態から煙突を介して大気へ排出された排気ガスは、大気中へ水分を放出しながら大気温度まで低下する。白煙は、飽和線ａに接触したところで大気中に水分を急速に放出し飽和しきれなかった分が生じて発生するので、図４で示す状態変化をたどれば、白煙が発生することはない。
このように、排ガス流路３１から水回収装置３２内に流入した排ガスは、散水部５４からの冷却水より冷却されて湿り蒸気となり、その排ガス中の湿分の一部が凝縮して回収される。絶対湿度の低下した湿り蒸気の排ガスは、バイパス配管４０を介して水回収装置３２内に流入した高温の排ガスと均一に混合されることにより全体が確実に加熱される。このため、混合された排ガスは、大気中に放出されても、その状態が飽和線ａよりも下側の領域で推移するので、白煙の発生が防止される。
上述したように、本発明の高湿分空気利用ガスタービンシステム及びその排ガス処理システムの第１の実施の形態によれば、水回収装置３２の下流の煙突や排ガス流路よりも排ガスの流れが低速である水回収装置３２内における、散水部５４よりも上側（排ガスの冷却される領域よりも排ガスの流れ方向下流側）に、水回収装置３２内の冷却を回避するバイパス配管（バイパス流路）４０の下流側端部を位置させることにより、冷却された排ガスをバイパス配管（バイパス流路）４０からの高温の排ガスと十分に混合させることができるので、冷却された排ガスを加熱するための加熱器を設置することなく、白煙の発生の防止が可能となる。
また、本実施の形態によれば、バイパス配管４０の上流側端部を水回収装置３２の上流にある排ガス流路３１に接続すると共に、その下流側端部を水回収装置３２内の散水部５４よりも上側（排ガスの冷却される領域よりも排ガスの流れ方向下流側）に配置するので、バイパス配管４０を流通する排ガスは、散水部５４から散布された冷却水による影響を確実に回避することができる。
［第１の実施の形態の変形例］
次に、本発明の高湿分空気利用ガスタービンシステム及びその排ガス処理システムの第１の実施の形態の変形例を図５を用いて説明する。
図５は本発明の高湿分空気利用ガスタービンシステムの排ガス処理システムの第１の実施の形態の変形例を示す構成図である。図５中、矢印は排ガスや排ガス処理システムの循環冷却系統の流れの方向を示している。なお、図５において、図１乃至図４に示す符号と同符号のものは、同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
図５に示す本発明の高湿分空気利用ガスタービンシステム及びその排ガス処理システムの第１の実施の形態の変形例は、第１の実施の形態の構成に追加して、バイパス配管４０に、排ガスのバイパス流量を調整する排ガスバイパスダンパ４３を設けたものである。排ガス処理システム３Ａにおいては、煙突出口（図示せず）の白煙の発生の有無に応じて排ガスバイパスダンパ４３の開度を制御することにより、バイパス配管４０を流通する排ガスのバイパス流量と水回収装置３２内で冷却される排ガスの流量とを適切な比率に調整する。
上述した本発明の高湿分空気利用ガスタービンシステム及びその排ガス処理システムの第１の実施の形態の変形例によれば、前述した第１の実施の形態と同様な効果を得ることができる。
また、本実施の形態によれば、水回収装置３２内の水回収装置充填物５５及び散水部５４（排ガスの冷却される領域）をバイパスするバイパス配管４０に排ガスの流量を調整する排ガスバイパスダンパ４３を設けたので、排ガスバイパスダンパ４３で排ガスのバイパス流量を調整することにより、白煙の発生を確実に防止することができる。
［第２の実施の形態］
次に、本発明の高湿分空気利用ガスタービンシステム及びその排ガス処理システムの第２の実施の形態を図６及び図７を用いて説明する。
図６は本発明の高湿分空気利用ガスタービンシステムの排ガス処理システムの第２の実施の形態を示す構成図、図７は図６に示す本発明の高湿分空気利用ガスタービンシステムの排ガス処理システムの第２の実施の形態の一部を構成する水回収装置をVII−VII矢視から見た概略横断面図である。図６及び図７中、矢印は排ガスや排ガス処理システムの循環冷却系統の流れの方向を示している。なお、図６及び図７において、図１乃至図５に示す符号と同符号ものは、同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
図６及び図７に示す本発明の高湿分空気利用ガスタービンシステム及びその排ガス処理システムの第２の実施の形態は、第１の実施の形態のバイパス配管４０の代わりに、水回収装置３２の容器本体部５１内に配設した複数の内部バイパス管路４０Ｂを用いるものである。具体的には、図６に示すように、排ガス処理システム３Ｂの各内部バイパス管路４０Ｂは、上下方向（排ガスの流れ方向）に延在して水回収装置充填物５５を貫通している。内部バイパス管路４０Ｂの上側端部（下流側端部）は、散水部５４より上側（排ガスの流れ方向下流側）に位置している。これら複数の内部バイパス管路４０Ｂは、図７に示すように、千鳥状に配置されている。
次に、本発明の高湿分空気利用ガスタービンシステムの排ガス処理システムの第２の実施の形態の作用を図６及び図７を用いて説明する。
図６に示す排ガス流路３１から水回収装置３２の下部に流入した排ガスのうち、その大部分は、第１の実施の形態と同様に、水回収装置充填物５５を通過することで、冷却水との気液接触により冷却されて湿り蒸気となり、その排ガス中の湿分の一部は凝縮して回収される。さらに、散水部５４から散布された冷却水との気液接触によっても冷却され、その排ガス中の湿分の一部が凝縮して回収される。
一方、残りの排ガスは、複数の内部バイパス管路４０Ｂを介して散水部５４の上方に流出し、容器本体部５１内における散水部５４よりも上側の領域において、容器本体部５１内で冷却された排ガスと混合する。各内部バイパス管路４０Ｂを流通する排ガスは、水回収装置充填物５５及び散水部５４をバイパスするので、散水部５４からの冷却水による冷却を回避することができる。つまり、内部バイパス管路４０Ｂは、排ガス流路３１からの排ガスの一部が水回収装置３２内における冷却水による冷却を回避するように流通するバイパス流路として機能する。このため、内部バイパス管路４０Ｂからの排ガスは、容器本体部５１内で冷却された排ガスよりも高温となっており、冷却された排ガスを加熱することができる。
本実施の形態においては、水回収装置の下流の煙突や排ガス流路よりも排ガスの流速が低速である容器本体部５１内において、内部バイパス管路４０Ｂからの排ガスと容器本体部５１内で冷却された排ガスとが混合されるので、これらの排ガスの十分な混合を図ることができる。
また、本実施の形態においては、図７に示すように、複数の内部バイパス管路４０Ｂを千鳥状に配置しているので、内部バイパス管路４０Ｂからの高温の排ガスと容器本体部５１内で冷却された排ガスとの均一な混合を図ることができる。このため、冷却された排ガスの全体が確実に加熱され、冷却された排ガスの一部が湿り蒸気のまま水回収装置３２から排出されることを防止することができる。
上述した本発明の高湿分空気利用ガスタービンシステム及びその排ガス処理システムの第２の実施の形態によれば、前述した第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
また、本実施の形態よれば、散水部５４からの冷却水による冷却を回避するためのバイパス流路として、水回収装置３２内に配設する内部バイパス管路４０Ｂを用いるので、水回収装置３２の据付前に内部バイパス管路４０Ｂを予め水回収装置３２に設置することができる。このため、水回収装置３２及び排ガス流路３１に接続しなければならないバイパス配管４０をバイパス流路として用いる第１の実施の形態の場合よりも施工が容易となる。
さらに、本実施の形態よれば、容器本体部５１内で冷却された排ガスとバイパスした排ガスとの均一な混合を図る構造体を、水回収装置３２内に配設した複数の内部バイパス管路４０Ｂで構成しているので、複数のバイパス枝管部４１と、各バイパス枝管部４１に設けた複数の排ガスバイパスノズル４２とで構成する第１の実施の形態の場合と比較して、簡素な構成となり、その結果、製造コストを低減することができる。
［第３の実施の形態］
次に、本発明の高湿分空気利用ガスタービンシステム及びその排ガス処理システムの第３の実施の形態を図８及び図９を用いて説明する。
図８は本発明の高湿分空気利用ガスタービンシステムの排ガス処理システムの第３の実施の形態を示す構成図、図９は図８に示す本発明の高湿分空気利用ガスタービンシステムの排ガス処理システムの第３の実施の形態の一部を構成する水回収装置をIX−IX矢視から見た概略横断面図である。図８及び図９中、矢印は排ガスや排ガス処理システムの循環冷却系統の流れの方向を示している。なお、図８及び図９において、図１乃至図７に示す符号と同符号ものは、同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
図８及び図９に示す本発明の高湿分空気利用ガスタービンシステム及びその排ガス処理システムの第３の実施の形態は、第２の実施の形態の内部バイパス管路４０Ｂの代わりに、水回収装置３２の容器本体部５１の側壁面部（排ガスの流れ方向に平行な壁面部）の内側に沿って形成された内部バイパス流路４０Ｃを用いるものである。
具体的には、図８及び図９に示すように、排ガス処理システム３Ｃの内部バイパス流路４０Ｃは、容器本体部５１の側壁面部と、容器本体部５１の側壁面部の内側に間隔をあけて側壁面部に対向するように設置された内部仕切部材４４とで形成されている。内部仕切部材４４は、上下方向（排ガスの流れ方向）において、少なくとも、水回収装置充填物５５の下端から水回収装置散水ノズル５４ｂよりも上側（排ガスの流れ方向下流側）に延在している。また、内部仕切部材４４は、例えば、略立方体状の容器本体部５１の対向する側壁面部にそれぞれ設置されている。つまり、内部バイパス流路４０Ｃが２つ形成されている。
本実施の形態においては、内部バイパス流路４０Ｃを、散水部５４よりも上側に延在するように形成しているので、内部バイパス流路４０Ｃを流通する排ガスは、散水部５４からの冷却水による冷却を回避することができる。つまり、内部バイパス流路４０Ｃは、排ガス流路３１からの排ガスの一部が水回収装置３２内における冷却水による冷却を回避するように流通するバイパス流路として機能する。このため、内部バイパス流路４０Ｃから流出した排ガスは、容器本体部５１内で冷却された排ガスよりも高温となっており、冷却された排ガスを加熱することができる。
また、本実施の形態においても、水回収装置３２の下流の煙突や排ガス流路よりも排ガスの流速が低速である容器本体部５１において、内部バイパス流路４０Ｃからの排ガスと容器本体部５１内で冷却された排ガスとが混合されるので、これらの排ガスの十分な混合を図ることができる。
上述した本発明の高湿分空気利用ガスタービンシステム及びその排ガス処理システムの第３の実施の形態によれば、前述した第２の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
また、本実施の形態によれば、容器本体部５１の側壁面部の内側に内部仕切部材４４を設置することにより内部バイパス流路４０Ｃを形成することができるので、水回収装置３２内に複数の内部バイパス管路４０Ｂを配設する第２の実施の形態の場合よりも、部材点数を削減することができ、その結果、水回収装置３２内の施工も容易となる。
［その他の実施形態］
なお、上述した第１乃至第３の実施の形態においては、水回収装置として、下から上向きに排ガスが流れる縦型の水回収装置３２を用いた例を示したが、例えば、図１０に示すように、排ガスが横方向（図１０では、左から右方向）に流れる横型の水回収装置３２Ｄを用いることも可能である。排ガス流路３１から容器本体部５１内に流入した排ガスは、散水部５４の延在している左右方向の領域において冷却されて湿り蒸気となり、その排ガス中の湿分の一部は凝縮して回収される。
図１０は本発明の高湿分空気利用ガスタービンシステムの排ガス処理システムのその他の実施の形態の一例を示す構成図である。図１０中、矢印は排ガスや排ガス処理システムの循環冷却系統の流れの方向を示している。なお、図１０において、図１乃至図９に示す符号と同符号ものは、同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
この場合、排ガス処理システム３Ｄのバイパス配管４０の下流側端部（バイパス枝管部４１及び排ガスバイパスノズル４２）を、水回収装置３２Ｄの容器本体部５１内における散水部５４の右側端部（排ガスの流れ方向の最下流端）よりも右側（排ガスの流れ方向下流側）に配置する。これにより、前述した第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。なお、バイパス配管４０の代わりに、第２の実施の形態の内部バイパス管路４０Ｂを水回収装置３２Ｄ内に横向きに延在するように配設することや第３の実施の形態の内部バイパス流路４０Ｃを水回収装置３２Ｄ内に横向きに延在するように形成するも可能である。
また、上述した実施の形態においては、水回収装置として、散水部５４から冷却水を散布して排ガスを気液接触により冷却する水回収装置３２を用いた例を示したが、例えば、図１１に示すように、熱交換器６１を介して排ガスを冷却する水回収装置３２Ｅを用いることも可能である。
図１１は本発明の高湿分空気利用ガスタービンシステムの排ガス処理システムのその他の実施の形態の別の一例を示す構成図である。図１１中、矢印は排ガスや熱交換器の冷媒の流れの方向を示している。なお、図１１において、図１乃至図１０に示す符号と同符号ものは、同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
具体的には、排ガス処理システム３Ｅにおいて、水回収装置３２Ｅの容器本体部５１内における排ガス流路３１との接続部分よりも上側（排ガスの流れ方向下流側）に、容器本体部５１内を流通する排ガスと伝熱管を流れる冷媒との間で熱交換を行う熱交換器６１が設置されている。熱交換器６１の冷媒は、ポンプ６２により冷却器６３に送られて冷却され、循環配管６４を介して再度熱交換器６１に流入する。排ガス流路３１から容器本体部５１内に流入した排ガスは、熱交換器６１の領域で冷却されて湿り蒸気となり、その排ガス中の湿分の一部は凝縮して回収される。
この場合、バイパス配管４０の下流側端部（バイパス枝管部４１及び排ガスバイパスノズル４２）を、容器本体部５１内における熱交換器６１の上側端部（排ガスの流れ方向の下流側端部）よりも上側（排ガスの流れ方向下流側）に配置する。これにより、前述した第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。なお、バイパス配管４０の代わりに、第２の実施の形態の内部バイパス管路４０Ｂや第３の実施の形態の内部バイパス流路４０Ｃを用いることも可能である。
また、上述した実施の形態においては、ガスタービンシステム１が吸気加湿装置１１を含むように構成された例を示したが、高湿分空気利用ガスタービンシステムのガスタービンシステムは、吸気加湿装置を含まない構成も可能である。ただし、吸気加湿装置１１を含む構成の方が、システムとして、出力増加と発電効率の向上を図ることができる。
なお、上述した実施の形態においては、増湿再生サイクルシステム２を、増湿塔２１と再生器２２と節炭器２３と空気冷却器２４と増湿塔循環水ポンプ２５と増湿塔補給水ポンプとで構成した例を示したが、増湿再生サイクルシステムは少なくとも増湿塔と再生器とを含む構成であればよい。また、例えば排熱回収ボイラのような別の増湿システムであっても良い。
また、上述した第１の実施の形態においては、バイパス枝管部４１及び排ガスバイパスノズル４２を容器本体部５１に配置した例を示したが、排出部５２よりも流路断面積の大きい絞り流路部５３にバイパス枝管部４１及び排ガスバイパスノズル４２を配置することも可能である。ただし、水回収装置充填物５５及び散水部５４を通過した排ガスとこれらをバイパスする排ガスとの均一な混合を図るためには、散水部５４と絞り流路部５３との間の空間にバイパス枝管部４１及び排ガスバイパスノズル４２を配置することが望ましい。
なお、上述した第２の実施の形態においては、内部バイパス管路４０Ｂを千鳥状に配置した例を示したが、水回収装置充填物５５及び散水部５４を通過した排ガスとそれらをバイパスした排ガスとの均一な混合が可能な配置であれば任意である。例えば、正方状の配置も好適である。少なくとも、複数の内部バイパス管路４０Ｂを互いに間隔をあけて配置することで均一な混合が可能である。
また、本発明は上述した第１乃至第３の実施の形態に限られるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記した実施形態は本発明をわかり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。例えば、ある実施形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。
１ ガスタービンシステム
２ 増湿再生サイクル
３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ 排ガス処理システム
１２ 空気圧縮機
１３ 燃焼器
１４ タービン
２１ 増湿塔
２２ 再生器
３１ 排ガス流路
３２、３２Ｄ、３２Ｅ 水回収装置
４０ バイパス配管（バイパス流路）
４０Ｂ 内部バイパス管路（バイパス流路）
４０Ｃ 内部バイパス流路（バイパス流路）
４１ バイパス枝管部
４２ 排ガスバイパスノズル
４３ 排ガスバイパスダンパ
４４ 内部仕切部材
５１ 容器本体部
５２ 排出部
５３ 絞り流路部

Claims (8)

  1. 作動流体が加湿されるガスタービンシステムから排出される排ガス中に含まれる湿分を処理する高湿分空気利用ガスタービンシステムの排ガス処理システムであって、
    前記ガスタービンシステムから排出された排ガスが流通する排ガス流路と、
    前記排ガス流路に接続され、前記排ガス流路から流入した排ガスを冷媒で冷却することにより排ガス中に含まれる湿分を回収する水回収装置と、
    前記排ガス流路からの排ガスの一部が前記水回収装置内における冷媒による冷却を回避するように流通するバイパス流路とを備え、
    前記水回収装置は、前記排ガス流路が接続され、排ガスを冷却する領域を有する容器本体部と、流路断面積が前記容器本体部より小さくなるように形成され、排ガスの排出される排出部と、前記容器本体部と前記排出部とを繋ぐ絞り流路部とを備え、
    前記バイパス流路の下流側端部は、前記水回収装置の前記容器本体部内における、排ガスの冷却される領域よりも排ガスの流れ方向下流側に位置する
    ことを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンシステムの排ガス処理システム。
  2. 請求項１に記載の高湿分空気利用ガスタービンシステムの排ガス処理システムにおいて、
    前記バイパス流路は、上流側が前記排ガス流路に接続されると共に下流側が前記水回収装置に接続されたバイパス配管である
    ことを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンシステムの排ガス処理システム。
  3. 請求項２に記載の高湿分空気利用ガスタービンシステムの排ガス処理システムにおいて、
    前記バイパス配管は、その下流側端部に、前記水回収装置の前記容器本体部内に配置された複数のバイパス枝管部と、前記複数のバイパス枝管部の各々にそれぞれ設けられた複数の排ガスバイパスノズルとを有する
    ことを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンシステムの排ガス処理システム。
  4. 請求項２又は３に記載の高湿分空気利用ガスタービンシステムの排ガス処理システムにおいて、
    前記バイパス配管に設けられ、前記バイパス配管を流通する排ガスの流量を調整する排ガスバイパスダンパを更に備える
    ことを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンシステムの排ガス処理システム。
  5. 請求項１に記載の高湿分空気利用ガスタービンシステムの排ガス処理システムにおいて、
    前記バイパス流路は、前記水回収装置の前記容器本体部内に配設され、排ガスの流れ方向に延在する複数の内部バイパス管路であり、
    前記複数の内部バイパス管路は、互いに間隔をあけて配置される
    ことを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンシステムの排ガス処理システム。
  6. 請求項１に記載の高湿分空気利用ガスタービンシステムの排ガス処理システムにおいて、
    前記バイパス流路は、前記水回収装置の前記容器本体部における排ガスの流れ方向に平行な壁面部と前記容器本体部の前記壁面部の内側に間隔をあけて設置された内部仕切部材とにより形成され、排ガスの流れ方向に延在する内部バイパス流路である
    ことを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンシステムの排ガス処理システム。
  7. 請求項１に記載の高湿分空気利用ガスタービンシステムの排ガス処理システムにおいて、
    前記水回収装置は、前記容器本体部における前記排ガス流路との接続部分よりも排ガスの流れ方向下流側に配設され、冷媒としての冷却水を散布する散水部を更に備え、
    前記バイパス流路の下流側端部は、前記容器本体部内における前記散水部よりも排ガスの流れ方向下流側に位置する
    ことを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンシステムの排ガス処理システム。
  8. 空気を圧縮する空気圧縮機、前記空気圧縮機からの圧縮空気と燃料とを燃焼させて燃焼ガスを発生させる燃焼器、前記燃焼器からの燃焼ガスにより駆動されるタービンを有するガスタービンシステムと、
    前記空気圧縮機から吐出された圧縮空気に加湿する増湿塔、前記増湿塔からの高湿分の圧縮空気を前記タービンの排ガスと熱交換させて予熱する再生器を有する増湿再生サイクルシステムと、
    前記タービンから排出されて前記再生器を通過した排ガスが流通する排ガス流路、前記排ガス流路に接続され、前記排ガス流路から流入した排ガスを冷媒で冷却することにより排ガス中に含まれる湿分を回収する水回収装置、前記排ガス流路からの排ガスの一部が前記水回収装置内における冷媒による冷却を回避するように流通するバイパス流路を有する排ガス処理システムとを備え、
    前記水回収装置は、前記排ガス流路が接続され、排ガスを冷却する領域を有する容器本体部と、流路断面積が前記容器本体部より小さくなるように形成され、排ガスの排出される排出部と、前記容器本体部と前記排出部とを繋ぐ絞り流路部とを備え、
    前記バイパス流路の下流側端部は、前記水回収装置の前記容器本体部内における、排ガスの冷却される領域よりも排ガスの流れ方向下流側に位置する
    ことを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンシステム。
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