太陽能輔助燃氣輪機系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的目的在于提供一種太陽能輔助燃氣輪機系統(tǒng)，其大幅度減少集熱裝置的數(shù)量，并且縮小了設置集熱裝置所需的用地面積。本發(fā)明的特征在于，設有：燃氣輪機裝置（100)，包括壓縮空氣的壓縮機（1)、使由該壓縮機壓縮了的空氣和燃料燃燒的燃燒器（3)、以及利用由該燃燒器產(chǎn)生的燃燒氣體進行驅(qū)動的渦輪機（2);集熱裝置(200)，對太陽能進行集熱并生成高壓溫水；蓄熱槽（57)，儲存升溫后的上述被加熱介質(zhì)；熱交換器（24)，對上述被加熱介質(zhì)和水進行熱交換而生成溫水；以及噴霧裝置（300)，將由該熱交換器生成的溫水向攝入上述壓縮機的空氣進行噴霧。
【專利說明】太陽能輔助燃氣輪機系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及將太陽熱能用于燃氣輪機的太陽能輔助燃氣輪機系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來，要求盡量抑制作為地球變暖物質(zhì)之一的二氧化碳(CO2)的排出量。在這種動向之中，利用可再生能源的發(fā)電系統(tǒng)受到關(guān)注。作為可再生能源的代表例，存在水力、風力，地熱、太陽(光/熱)能等，其中尤其與利用太陽能的發(fā)電系統(tǒng)有關(guān)的技術(shù)開發(fā)非?；钴S。太陽能利用發(fā)電系統(tǒng)一般采用的方式是利用由集熱器集熱而產(chǎn)生的蒸汽來驅(qū)動汽輪機。作為這種現(xiàn)有技術(shù)，例如有專利文獻I所記載的技術(shù)。
[0003]另一方面，作為以天然氣或石油等石化資源作為燃料的系統(tǒng)，存在燃氣輪機系統(tǒng)。此外已知，在燃氣輪機系統(tǒng)中，在夏季等大氣溫度上升的條件下壓縮機中的空氣的進氣量減少，隨之發(fā)電輸出功率也下降。作為用于抑制伴隨大氣溫度的上升而產(chǎn)生的輸出功率下降的一個方法，例如有專利文獻2的技術(shù)。具體而言，涉及再生循環(huán)的一種的HAT(Humid AirTurbine)循環(huán)的燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)，并且公開了如下技術(shù)，將在該循環(huán)內(nèi)(再生循環(huán)特有的設備即壓縮機出口的后置冷卻器、對壓縮空氣進行加濕的加濕器、對加濕器加濕水進行加熱的熱交換器等)生成的高壓高溫水在設置于壓縮機入口的噴霧裝置中利用減壓沸騰來進行噴霧。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)文獻
[0005]專利文獻
[0006]專利文獻1:日本特開2008 - 39367號公報
[0007]專利文獻2:日本特開2001 - 214757號公報


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]發(fā)明要解決的問題
[0009]然而，在上述的太陽能利用發(fā)電系統(tǒng)中，需要用于對蒸汽的熱源即太陽能進行集熱的集熱裝置。作為集熱方式，存在使太陽光集中在設置于曲面鏡之前的集熱管上進行集熱的槽型、使由被稱為定日鏡的多個平面鏡反射的太陽光集中在塔上的塔型等各種方式。然而，與集熱方式無關(guān)，為了使汽輪機實現(xiàn)高效化(高溫化)、高輸出功率化，需要龐大的集熱裝置(反射鏡)。這即意味著需要用于設置集熱裝置的寬大的用地。例如，在輸出功率50MW的發(fā)電設備的情況下，據(jù)說作為集熱裝置的設置面積需要1.2平方公里。
[0010]另一方面，若從成本方面著眼于太陽能利用發(fā)電系統(tǒng)，則由于所設置的集熱裝置的數(shù)量龐大，因此目前狀況是占據(jù)整個系統(tǒng)的集光、集熱裝置的比例為80%左右。所以，想要減少成本則需要大幅度減少集熱裝置的數(shù)量，但存在的問題是減少集熱裝置的設置數(shù)量與太陽能利用發(fā)電系統(tǒng)中的高效化、高輸出功率化的目的相反。
[0011]本發(fā)明的目的是提供一種太陽能輔助燃氣輪機系統(tǒng)，其大幅度減少集熱裝置的數(shù)量，并且縮小了設置集熱裝置所需的用地面積。
[0012]為解決問題的方法
[0013]為達到上述目的，本發(fā)明的太陽能輔助燃氣輪機系統(tǒng)的特征在于，設有:燃氣輪機，包括壓縮空氣的壓縮機、使由該壓縮機壓縮了的空氣與燃料燃燒的燃燒器、以及利用由該燃燒器產(chǎn)生的燃燒氣體進行驅(qū)動的渦輪機；集熱裝置，對太陽能進行集熱并使被加熱介質(zhì)升溫；蓄熱槽，儲存升溫后的上述被加熱介質(zhì)；熱交換器，對上述被加熱介質(zhì)和水進行熱交換而生成溫水；以及噴霧裝置，將由該熱交換器生成的溫水向攝入上述壓縮機的空氣進行噴霧。
[0014]發(fā)明效果
[0015]根據(jù)本發(fā)明，能夠提供大幅度減少集熱裝置的數(shù)量，并且縮小了設置集熱裝置所需的用地面積的太陽能輔助燃氣輪機系統(tǒng)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是太陽能輔助燃氣輪機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖(實施例1)。
[0017]圖2是現(xiàn)有的燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)的大氣溫度一發(fā)電輸出功率特性圖。
[0018]圖3是太陽能輔助燃氣輪機系統(tǒng)的壓縮機入口進氣冷卻的說明圖。
[0019]圖4是水溫與飽和壓力、運用壓力例的關(guān)系圖。
[0020]圖5是太陽能輔助燃氣輪機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖(實施例2)。
[0021]圖6是表示壓縮機內(nèi)的壓縮空氣的溫度分布的圖。
[0022]圖7是表示壓縮過程中的空氣溫度與絕對濕度的關(guān)系的圖。
[0023]圖8是表示進氣溫度與進氣重量流量的關(guān)系的圖。
[0024]圖9是熱循環(huán)的比較圖。
[0025]圖10是燃氣輪機的詳細結(jié)構(gòu)圖。
[0026]圖11是水滴噴霧量與燃氣輪機輸出功率的增加率的關(guān)系圖。
[0027]圖12是噴霧前后的壓縮機出口溫度差的概略圖。

【具體實施方式】
[0028]首先，說明本發(fā)明人等完成本發(fā)明的研究過程、以及本發(fā)明的基本思想。
[0029]本發(fā)明人等在研究減少集熱裝置的數(shù)量及用地面積時，不僅對太陽能的集熱裝置進行研究，而且對還包含太陽能的利用設備(發(fā)電裝置)側(cè)的整個系統(tǒng)進行了綜合研究。首先，在以作為研究基礎(chǔ)的一般的集熱裝置作為熱源的汽輪機方式中，作為驅(qū)動用蒸汽的熱源需要產(chǎn)生幾百。C (例如300°C左右)的蒸汽。在此，若著眼于水的蒸發(fā)過程，則在使水進行狀態(tài)變化為蒸汽時，作為蒸發(fā)潛熱(還稱為氣化潛熱、氣化熱)需要大量的熱量。例如，300°C蒸汽中的潛伏熱量的明細如下，從常溫15°C到100°C的顯熱、100°C時的蒸發(fā)潛熱、從100°C蒸汽到300°C的蒸汽的顯熱這三者的熱量比率為1.3%:83.8%:14.9%，蒸發(fā)潛熱占據(jù)整體的80%以上。由此，在汽輪機方式中，可以說其結(jié)構(gòu)為，根據(jù)其原理，需要蒸汽，且作為用于產(chǎn)生蒸汽的蒸發(fā)潛熱需要大量的能量。實際上，在汽輪機方式中，計算出將由集熱裝置收集的全部熱量的70?80%作為蒸發(fā)潛熱來消耗。這就是集熱裝置的數(shù)量以及設置集熱裝置所需的用地面積龐大的主要原因。
[0030]于是，本發(fā)明人等作為有效利用太陽所具有的熱能，并且大幅度減少現(xiàn)有的太陽能利用發(fā)電系統(tǒng)中成為問題的蓄熱裝置的數(shù)量及設置面積，進行了以下發(fā)明。即，根據(jù)在汽輪機方式中為產(chǎn)生蒸汽而需要大量的能量(蒸發(fā)潛熱)的見解，不是對由太陽能產(chǎn)生蒸汽的系統(tǒng)，而是在集熱裝置中限制在不需要蒸發(fā)潛熱的高壓溫水(例如150?200°C)的生成上，并且以有效利用該高壓溫水的技術(shù)的觀點，進行了各種研究。其結(jié)果得到的結(jié)論是，作為能夠有效利用比現(xiàn)有的太陽能利用發(fā)電系統(tǒng)處于低溫且處于液相狀態(tài)的高壓溫水的系統(tǒng)，能夠應用于燃氣輪機系統(tǒng)。
[0031]具體而言，將由太陽能生成的高壓溫水應用于對燃氣輪機的進入氣體進行冷卻的噴霧裝置的噴霧水，并且在噴霧裝置中的液滴的微細化方面利用作為高壓溫水而蓄熱的太陽能。尤其，在噴霧液滴的微細化方面，其原理是通過使高壓溫水減壓沸騰來實現(xiàn)。
[0032]根據(jù)上述方式，在本發(fā)明中，由于是太陽能進行集熱相當于用于生成高壓溫水的顯熱(用于不改變物質(zhì)的狀態(tài)而使溫度發(fā)生變化的熱量)的量即可的太陽能利用系統(tǒng)，因此可以不使用現(xiàn)有系統(tǒng)中必須的作為蒸發(fā)潛熱的大量的能量。其結(jié)果，能夠大幅度減少為對大量的能量進行集熱而設置的集熱裝置的數(shù)量、以及用于設置集熱裝置的用地面積。
[0033]接下來，說明在本發(fā)明中應用太陽熱能的太陽能輔助燃氣輪機系統(tǒng)。
[0034]燃氣輪機系統(tǒng)的基本的結(jié)構(gòu)要素包括:壓縮空氣的壓縮機；使由該壓縮機壓縮了的空氣和燃料燃燒的燃燒器；以及利用由該燃燒器生成的燃燒氣體進行驅(qū)動的渦輪機。通常，在燃氣輪機上連接有作為負載設備的被驅(qū)動設備。尤其，在燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)的情況下，對于上述的結(jié)構(gòu)要件，追加通過上述渦輪機的旋轉(zhuǎn)來驅(qū)動的發(fā)電機。在以下說明中，作為太陽能輔助發(fā)電系統(tǒng)，以燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)作為代表例來進行說明，但也能應用于對發(fā)電機以外的被驅(qū)動設備(泵、壓縮機等)進行驅(qū)動的燃氣輪機系統(tǒng)。
[0035]首先，對以后詳細敘述的本發(fā)明的實施方式中通用的基本概念進行說明。
[0036]在壓縮空氣的壓縮機中，為了在吸入空氣的進氣管道內(nèi)部或進氣管道的上游側(cè)將空氣溫度下降至大氣溫度以下，對壓縮機入口空氣進行高壓溫水噴霧來混入高壓溫水。在此，高壓溫水是利用太陽能對集熱裝置的集熱管內(nèi)的水進行加熱而生成，并且供給到壓縮機上游部。已知一般常溫的水噴霧也能降低壓縮機入口空氣溫度，但是從進氣性能及設備可靠性(旋轉(zhuǎn)機平衡)的觀點出發(fā)，優(yōu)選在作為旋轉(zhuǎn)機的壓縮機內(nèi)部，不形成水滴等，快速使噴霧水氣化。根據(jù)該觀點，在本實施例中，其特征在于，進行乍一看與降低壓縮機入口空氣溫度的目的相反方向的溫水的噴霧。即，利用高壓溫水所具有的熱量的約70?80%為氣化潛熱的情況，使其從高壓狀態(tài)(集熱管內(nèi)部及噴霧噴嘴內(nèi)部)急劇減壓到大氣壓狀態(tài)(壓縮機入口部)而使溫水進行減壓沸騰。在此情況下，若是常溫的水則由于氣化潛熱的吸熱作用而成為冰點以下且容易在壓縮機入口部產(chǎn)生結(jié)冰，而且噴霧后的粒徑難以變小，有可能產(chǎn)生在壓縮機內(nèi)部無法進行快速的氣化的狀態(tài)。于是如本實施例那樣，為了在減壓沸騰時促進微粒化，采取利用高壓溫水進行噴霧的方式。本實施例由于利用太陽能來生成高壓溫水，因此具有不使用新的石化燃料而能夠抑制作為地球變暖的一個原因的CO2增加的效果。
[0037]以下，使用附圖詳細說明本發(fā)明的實施方式。
[0038]實施例1
[0039]使用圖1說明本發(fā)明的實施例1。圖1是在燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)中設有利用太陽能的溫水的噴霧裝置的太陽能輔助燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
[0040]在圖1中，本實施例的太陽能輔助燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)大致包括:燃氣輪機裝置100 ;對太陽能進行集熱并對作為被加熱介質(zhì)的油進行升溫的集熱裝置200 ;以及根據(jù)用集熱裝置200升溫的油生成高壓溫水并對進入氣體進行噴霧的噴霧裝置300。
[0041]燃氣輪機裝置100在壓縮機I的上游側(cè)設有進氣管道6。此外，有時在進氣管道6的上游側(cè)設置用于攝入空氣的進氣室(未圖示)。大氣條件下的空氣5經(jīng)過進氣管道6被導入到壓縮機I。用壓縮機I加壓了的壓縮空氣7流入到燃燒器3。在燃燒器3中壓縮空氣7與燃料8進行燃燒，產(chǎn)生高溫的燃燒氣體9。燃燒氣體9流入到渦輪機2，經(jīng)由渦輪機2和軸11使發(fā)電機4旋轉(zhuǎn)，利用其驅(qū)動來進行發(fā)電。對渦輪機2進行了驅(qū)動的燃燒氣體9作為燃燒廢氣10從渦輪機2排出。
[0042]集熱裝置200主要包括:對太陽光進行集光的集光板40 ;以及利用由集光板40集光及集熱的太陽光對被加熱介質(zhì)進行加熱的集熱管41 (集熱裝置200從狹義上講是指集光板40及集熱管41的集合體，但以下將包括與這些集合體連接的系統(tǒng)和設備在內(nèi)適當稱為集熱裝置)。此外，在集熱管41的上游，經(jīng)由配管43連接有用于供給作為被加熱介質(zhì)的油的油泵42，由集熱管41加熱的油經(jīng)過配管44并經(jīng)由三通閥45利用配管46及配管47返回到油泵42。而且，三通閥45另一方出口側(cè)經(jīng)由配管48與下一個三通閥49連接。三通閥49的一方經(jīng)由配管56與高溫油蓄熱槽57連接。而且，三通閥49的另一方側(cè)經(jīng)由配管50設有高溫蓄熱油泵51。在該配管50上，從高溫油蓄熱槽57的底部經(jīng)由閥58連接有配管59。高溫蓄熱油泵51的出口配管52被引導至油/水熱交換器24，并利用配管53與低溫油蓄熱槽54連接。而且，從低溫油蓄熱槽54的底部經(jīng)由閥55與配管47連接。另一方面，水箱20的水經(jīng)由配管21并利用水泵22從配管23輸送至油/水熱交換器24。用油/水熱交換器24加熱的水經(jīng)由油/水熱交換器24的出口配管25并且經(jīng)由升壓泵26及流量調(diào)整閥27、配管28而與后述的噴霧裝置300的噴霧母管31連接。
[0043]噴霧裝置300包括:在位于壓縮機I的上游側(cè)的進氣管道6的內(nèi)部所設置的噴霧母管31 ；以及與噴霧母管31連接的多個噴霧噴嘴32。噴霧母管31與上述的供水管30連接，從集熱裝置200供給高壓溫水。此外，圖1中表示了將噴霧裝置300的噴霧噴嘴32配置在進氣管道6內(nèi)的例子，但是也可以設置在未圖示的進氣室內(nèi)。在將消聲器配置在進氣室內(nèi)的情況下，優(yōu)選使噴霧噴嘴32位于消聲器的下游側(cè)。另外，在配置有過濾網(wǎng)等的情況下，從噴霧液滴附著于過濾網(wǎng)的觀點看，優(yōu)選在過濾網(wǎng)的下游側(cè)設置噴霧噴嘴32。
[0044]在如上所述構(gòu)成的本實施例的結(jié)構(gòu)中，由集光板40集光的太陽光被照射到集熱管41上，通過該太陽光照射而對供給到集熱管41內(nèi)的油進行加熱。以該油作為加熱介質(zhì)，利用油/水熱交換器24對水進行加熱。由油/水熱交換器24加熱的水利用升壓泵26作為高壓溫水而加壓輸送至配管28。配管28的下游與設置在進氣管道6內(nèi)部的噴霧母管31連接，而且在噴霧母管31上設有多個噴霧噴嘴32。流經(jīng)配管28的高壓溫水經(jīng)由噴霧母管31從噴霧噴嘴32向進氣管道6內(nèi)部進行噴霧(為了表示噴霧噴嘴32的狀況，圖1的進氣管道6用局部剖視圖來表示。)。
[0045](動作、作用、效果)
[0046]接下來，說明圖1的實施例的動作。
[0047]在本實施例中，利用油泵42向集熱管41內(nèi)部供給作為被加熱介質(zhì)的油，將該油的熱經(jīng)由油/水熱交換器24提供給由水泵22輸送的水而使其升溫到適當溫度之后，利用升壓泵26提高至適于噴霧的壓力，并且利用流量調(diào)整閥27控制水量，從而保持適于噴霧的水壓并將水溫及水量保持在適當范圍，并且輸送至進氣管道6內(nèi)部的噴霧母管31。在進氣管道6內(nèi)部通過從噴霧噴嘴32噴霧的高壓溫水的減壓沸騰效果而空氣5被冷卻，壓縮機I的進氣流量增加，并且燃氣輪機2的輸出功率增大。此外，在油的集熱過程中被過度加熱的油被儲存在高溫油蓄熱槽57中，用于彌補如陰天那樣的集熱不充分的時間帶。此外，三通閥45根據(jù)配管44內(nèi)的油溫來進行開閉。即，在配管44內(nèi)的油溫為預定溫度以下的情況下，三通閥45將與油/水熱交換器24側(cè)連接的配管48側(cè)關(guān)閉，僅打開作為向集熱管41側(cè)返回的系統(tǒng)的配管46，使集熱管41內(nèi)的油進行循環(huán)直至配管44內(nèi)的油溫上升為止。之后，在配管44內(nèi)的油溫成為預定溫度以上的情況下，三通閥45打開配管48側(cè)，并關(guān)閉配管46側(cè)。而且，在三通閥49中，通常與油/水熱交換器24側(cè)連接的配管50和與高溫油蓄熱槽57側(cè)連接的配管56這雙方打開，油/水熱交換器24所需的油量利用高溫蓄熱油泵51被輸送至配管52。在三通閥49中升溫的剩余的油經(jīng)由配管56被儲存在高溫油蓄熱槽57中。位于高溫油蓄熱槽57的底部的閥58以及位于低溫油蓄熱槽54的底部的閥55 —般均處于打開的狀態(tài)，根據(jù)需要使由向下游流動。用油/水熱交換器24進行熱交換而溫度下降的油經(jīng)由配管53流入到低溫油蓄熱槽54，并利用油泵42再次被供給到集熱管41后被升溫。
[0048]在本實施例中，以在水壓5MPa、水溫150°C下的運用為例進行說明。
[0049]圖2是作為比較例表示現(xiàn)有的燃氣輪機系統(tǒng)中的大氣溫度與發(fā)電輸出功率的關(guān)系的圖。例如，若以燃氣輪機壓縮機入口的大氣溫度15°C為基準來考慮，則以夏季為例35°C時的燃氣輪機發(fā)電輸出功率比率下降約10%。如果壓縮機入口溫度如此保持大氣條件，則在夏季等高的情況下，空氣密度會下降，因此吸入空氣流量減少，相應地渦輪機輸出功率下降并且輸出到外部的發(fā)電輸出功率減少。
[0050]于是，為了抑制如上所述的大氣溫度的上升所引起的發(fā)電輸出功率下降，作為使壓縮機入口的空氣溫度下降的方法，利用溫水氣化時從周圍奪取熱量的蒸發(fā)潛熱，并且在其噴霧液滴的微細化方面利用了太陽熱能，這就是本實施例的特征。即，如圖3的太陽能輔助燃氣輪機系統(tǒng)的壓縮機入口部的剖視圖所示，將以由集熱管41加熱的油作為熱源來生成的高壓溫水導入到設置于進氣管道6內(nèi)的噴霧裝置300的噴霧母管31，從設置在噴霧母管31上的多個噴霧噴嘴32在進氣管道6內(nèi)進行噴霧。例如，高壓溫水的噴霧流量為壓縮機入口空氣5的流量的I % (質(zhì)量流量比)。此時，在噴霧噴嘴32的上游，5MPa、150°C的高壓溫水剛從噴霧噴嘴32噴出之后在大氣壓下被減壓，因此在導入到進氣管道6內(nèi)部的空氣5的氣流內(nèi)進行減壓沸騰，液滴33的一部分氣化，由此從周圍的流體吸熱(一 Q)。然后，35°C的空氣5、通過由溫水氣化而成的液滴的一部分氣化而溫度下降(一 15°C )的空氣5、與未氣化的液滴33的混合流體34被導入到壓縮機I內(nèi)。另外，在導入到壓縮機之前未氣化的剩余的液滴在壓縮機I的內(nèi)部流下的過程中全部氣化。該混合流體34流經(jīng)壓縮機I的靜葉35與動葉36的間隙并作為壓縮空氣7導入到燃燒器3。此外，如圖4所示，噴霧噴嘴32的上游壓力例如被設定為運用壓力線以上的壓力，以便相對于水溫成為飽和壓力以上，并且維持高壓溫水的狀態(tài)。此外，也可以說明為，集熱裝置200將升壓后的水的溫度加熱至高于大氣壓下的沸點且低于升壓后的壓力下的沸點的溫度，并生成噴霧用的高壓溫水。
[0051]并且，用于獲得該高壓溫水的加熱量為水的顯熱量，因此，與獲得需要達到蒸發(fā)潛熱的加熱量的蒸汽本身的情況相比，太陽光的集光板40的面積只需要幾分之一的設置空間即可。
[0052]能夠利用本實施例的噴霧裝置300，增加燃氣輪機的輸出功率。其理由可以根據(jù)進入氣體噴霧的增加輸出功率機理進行如下說明。
[0053]I)進入氣體在流入到壓縮機之前被冷卻而密度增大，流入到壓縮機的空氣的重量流量增加，渦輪機輸出功率增加的效果。
[0054]2)液滴在壓縮機內(nèi)蒸發(fā)時，從周圍的氣體中奪取蒸發(fā)潛熱，抑制被壓縮而溫度上升的空氣的溫度上升，從而壓縮機的壓縮功減少的效果。
[0055]3)在渦輪機側(cè)流量增加相當于液滴蒸發(fā)量的量，渦輪機輸出功率增加的效果。
[0056]4)通過比熱容大于空氣的水蒸汽混入到其中，混合氣體的比熱容增大，被壓縮的混合氣體在渦輪機膨脹時輸出的功增大的效果。
[0057](通過進入氣體噴霧冷卻來抑制輸出功率下降的原理)
[0058]接下來，對通過微細液滴的噴霧來抑制輸出功率下降的原理進行詳細說明。
[0059]本實施例中所使用的噴霧裝置的特征在于，對供給到壓縮機的氣體進行液滴的噴霧，使進入到壓縮機的氣體的溫度比外部空氣溫度低，并使其與該氣體一起導入到壓縮機內(nèi)，在壓縮機內(nèi)流下的過程中進行了上述噴霧的液滴氣化。由此，能夠利用適于實用的簡單的設備，在導入到壓縮機的入口的進入氣體中進行液滴的噴霧，實現(xiàn)輸出功率的提高和熱效率的提高這雙方。
[0060]由此，能夠利用適于實用的簡單的設備，對壓縮機進入氣體供給微細液滴，能夠使水滴良好地加入到供給至壓縮機的進氣氣流中，能夠有效地將包含液滴的氣體從壓縮機入口搬運到壓縮機內(nèi)。而且，能夠使導入到壓縮機內(nèi)的液滴以良好的狀態(tài)進行氣化。由此，能夠提高燃氣輪機的輸出功率及熱效率。
[0061]圖6表不壓縮機內(nèi)的壓縮空氣的溫度分布。就壓縮機I出口的空氣溫度T而言，進行水噴霧并在壓縮機I內(nèi)使水滴氣化的情況81與未混入水滴的情況80相比，下降更多。在壓縮機內(nèi)也連續(xù)地下降。
[0062]根據(jù)本實施例的增加輸出功率機構(gòu)定性而言能夠如下進行整理。
[0063]I)導入到壓縮機I的進入氣體在進氣室內(nèi)且在等濕球溫度線上進行冷卻；2)通過導入到壓縮機I內(nèi)的液滴的氣化來冷卻內(nèi)部氣體；3)相當于壓縮機I內(nèi)的氣化量的經(jīng)過渦輪機2和壓縮機I的工作流體量之差；4)通過混入恒壓比熱容大的水蒸汽而使混合氣體的低壓比熱容增大等。
[0064]圖10表示具備本發(fā)明的燃氣輪機的詳細結(jié)構(gòu)圖。由噴霧噴嘴32噴出到進入氣體中的噴霧液滴乘著氣流從壓縮機入口流入。流經(jīng)進氣室的進入氣體的平均空氣流速例如為lOm/s。液滴33沿著流線在壓縮機I的葉片之間移動。在壓縮機內(nèi)，進入氣體通過絕熱壓縮而被加熱，液滴由于該熱而從表面發(fā)生氣化的同時減少粒徑并向后級葉片側(cè)被輸送。在該過程中，氣化所需的氣化潛熱從壓縮機內(nèi)的空氣中提供，因此壓縮機內(nèi)的空氣的溫度與未應用本發(fā)明的情況相比而下降(參照圖6)。液滴若粒徑大則與壓縮機I的葉片或殼體碰撞，從金屬獲得熱量而氣化，從而有可能阻礙工作流體的降溫效果。因此，從這種觀點出發(fā)，優(yōu)選液滴的粒徑較小。
[0065]在噴霧液滴上存在粒徑的分布。從抑制與壓縮機I的葉片或殼體碰撞、以及防止葉片的燒蝕的觀點出發(fā)，使進行噴霧的液滴主要成為50 μ m以下的粒徑。從進一步減少作用于葉片的影響的觀點出發(fā)，優(yōu)選最大粒徑為50μπι以下。
[0066]而且，粒徑小的液滴能夠更加均勻地分布到流入空氣中，并且從抑制產(chǎn)生壓縮機內(nèi)的溫度分布的觀點出發(fā)，優(yōu)選索特平均粒徑(SMD)為30 μ m以下。從噴霧噴嘴噴出的液滴由于存在粒度的分布，因此以上述最大粒徑難以進行計測，因此實際上能夠適應如上所述用索特平均粒徑(SMD)測定的粒徑。此外，優(yōu)選粒徑較小，但是形成較小粒徑的液滴的噴霧噴嘴需要高精度的制作技術(shù)，因此直到技術(shù)上能夠減小的下限為止成為上述粒徑的實用范圍。因而，從該觀點出發(fā)，例如，上述主要的粒徑、最大粒徑或者平均粒徑在計測精度上下限分別為lym。而且，大多情況下液滴的粒徑越細，用于制造的能量越多，因此也可以考慮用于制造液滴的使用能量，來確定上述下限。若設置成懸浮在大氣中且難以落下的程度的大小，則一般而言接觸表面的狀態(tài)也良好。
[0067]通過液滴氣化，工作流體的重量流量增加。若在壓縮機內(nèi)氣化結(jié)束，則壓縮機I內(nèi)的氣體進一步受到絕熱壓縮。此時水蒸汽的恒壓比熱容在壓縮機內(nèi)的代表性的溫度(3000C )附近，具有空氣的大約2倍的值，因此在熱容量方面，以空氣換算而言，具有與氣化的水滴的重量的大約2倍的空氣作為工作流體增加的情況等效的效果。即，在壓縮機的出口空氣溫度T2'下降上具有效果(升溫仰制效果)。如此，通過水滴在壓縮機內(nèi)氣化而產(chǎn)生壓縮機出口的空氣溫度下降的作用。壓縮機的動力與壓縮機出入口的空氣的焓之差相等，空氣焓與溫度成正比，因此若壓縮機出口的空氣溫度下降，則能夠減少壓縮機的所需動力。
[0068]用壓縮機進行加壓的工作流體(空氣)通過用燃燒器燃燒燃料而升溫之后，流入到渦輪機進行膨脹功。該功被稱為渦輪機的軸輸出功率，且與渦輪機的出入口空氣的焓差相等。燃料的投入量被控制成渦輪機入口的氣體溫度不超過預定的溫度。例如，根據(jù)渦輪機出口的廢氣溫度和壓縮機出口的壓力Pcd的實測值來計算渦輪機入口溫度，以使計算值與應用本實施例之前的值相等的方式控制流向燃燒器3的燃料流量。若進行這種燃燒溫度恒定控制，則如上所述，燃料投入量增加與壓縮機出口的氣體溫度T2'下降相當?shù)牧?。另外，如果燃燒溫度不變且水噴霧的重量比例為進入氣體的百分之幾左右，則渦輪機入口部的壓力和壓縮機出口壓力在噴霧前后近似不變，因此渦輪機出口的氣體溫度T4也不發(fā)生變化。由此，渦輪機的軸輸出功率在噴霧的前后不發(fā)生變化。另一方面，燃氣輪機的有效輸出功率是從渦輪機的軸輸出功率減去壓縮機的動力的值，因此結(jié)果，通過應用本發(fā)明，壓縮機的動力減少，相應地能夠增加燃氣輪機的有效輸出功率。
[0069]渦輪機2的電輸出功率QE通過從渦輪機2的軸輸出功率Cp (T3 一 T4)減去壓縮機I的功Cp (T2 - Tl)而獲得，用以下公式近似表示。
[0070][數(shù)I]
[0071]QE/Cp = T3-T4- (T2-T1) …(數(shù) I)
[0072]通常，以燃燒溫度T3恒定的方式進行運轉(zhuǎn)，因此燃氣輪機出口溫度T4不發(fā)生變化，渦輪機的軸輸出功率Cp (T3 - T4)也恒定。此時若壓縮機出口溫度T2通過水噴霧的混入而下降至T2' (<T2)，則獲得與壓縮機功的下降量等效的增加輸出功率T2 — T2'。另一方面，燃氣輪機的效率H用如下公式近似提供。
[0073][數(shù)2]
[00 7 4 ] , 養(yǎng) mm mmmmmmmmmmmmmmmw:...^ ^
[0075]在此情況下，T2r < T2，因此右邊第二項減少，由此可知通過水噴霧而效率也提高。換言之，從燃氣輪機之類的熱機廢棄到系統(tǒng)外的熱能Cp (Τ4 - Tl)(數(shù)2的第二項的分子)在本實施例的應用前后沒有很大差別，另一方面，所投入的燃料能量Cp(T3 — Τ2')在應用本實施例時，增加了大致Cp(T2 — T2')左右、即大致壓縮機功的下降量。另一方面，如上所述，壓縮機功的下降量與增加輸出功率相等，因此該燃料增加量實質(zhì)上全部有助于燃氣輪機的輸出功率增加。即，增加輸出功率量的熱效率為100%。因此，能夠提高燃氣輪機的熱效率。如此，在本實施例中，為了減少在對進入氣體進行冷卻的現(xiàn)有技術(shù)中沒有明確指出的壓縮機的功，使水噴霧混入到壓縮機I的進入氣體中，能夠提高燃氣輪機的總輸出功率。另一方面，對燃燒器3入口注入水的現(xiàn)有技術(shù)是通過增加工作流體來實現(xiàn)輸出功率的增加，但壓縮機I的功不會減少，因此效率反而下降。
[0076]圖9表示將本實施例的熱循環(huán)與其他熱循環(huán)進行比較的情況。循環(huán)圖的封閉區(qū)域的面積表示每單位進氣流量的燃氣輪機輸出功率、即比功率。圖的各號碼表示對應的循環(huán)圖的各個地方的工作流體。在圖9中，I表示壓縮機入口，I'表示走出第一級壓縮機并朝向中間冷卻器的入口，I "表示走出中間冷卻器且是第二級壓縮機的入口，2表示布雷敦循環(huán)中的燃燒器入口，2'表示走出第二級壓縮機且是燃燒器的入口，3表示走出燃燒器且是渦輪機的入口，4表示渦輪機出口。
[0077]圖9下欄的溫度T 一熵S線圖表示在對各循環(huán)的上述1、3及t/ 4的位置的溫度T一熵S的值進行了固定時的特性的比較。
[0078]從圖中可知，比功率的大小是:如本實施例那樣在壓縮機的進氣室對上述的微細水滴進行噴霧而使水滴從壓縮機入口導入的順序、如日本特開平6 - 10702號公報所公開的中間冷卻循環(huán)、通常的布雷敦循環(huán)的順序。尤其是，與中間冷卻循環(huán)的不同在于，本發(fā)明源于導入到壓縮機內(nèi)的水滴從壓縮機入口部連續(xù)地汽化的情況，并顯現(xiàn)在循環(huán)的形狀上。
[0079]中間冷卻循環(huán)的熱效率在布雷敦循環(huán)方面較差，對此，如上所述，本實施例在布雷敦循環(huán)方面優(yōu)異，因此本發(fā)明與中間冷卻循環(huán)相比其熱效率高。
[0080]—般而言,噴霧液滴在壓縮機I內(nèi)氣化的位置越接近壓縮機I的入口，壓縮機I出口的空氣溫度越是下降，在輸出功率增加、效率提高方面是有利的。從而，若使用在作為進入氣體的空氣5中混合噴霧的方法，則噴霧粒徑越小越有效。這是因為，噴霧在流入到壓縮機I之后迅速氣化。另外，噴霧液滴懸浮在氣體中，隨同進入氣體順利地導入到壓縮機。
[0081]因此，由噴霧噴嘴32噴出的液滴的大小優(yōu)選為直到到達壓縮機I出口為止實質(zhì)上全部量都氣化的程度。實質(zhì)上，直到雖然低于100%但根據(jù)上述結(jié)構(gòu)能夠完成的上限即可。實際上在壓縮機出口有90%以上氣化即可。
[0082]例如，在壓縮機I的出口壓力PCd為0.84MPa時，考慮到根據(jù)外部空氣條件估計的壓縮機I的出口的絕對濕度與在EGV(Exit guide vane)位置的絕對濕度的測定值的相互關(guān)系而計算氣化比例，則上述液滴直到壓縮機出口為止有95%以上產(chǎn)生了氣化。
[0083]空氣經(jīng)過壓縮機內(nèi)的時間極短，從在此期間使液滴良好地氣化并提高氣化效率的觀點出發(fā)，優(yōu)選索特平均粒徑(SMD)為30 μ m以下。
[0084]此外，形成較小粒徑的液滴的噴霧噴嘴要求高精度的制作技術(shù)，因此直到技術(shù)上能夠減小的下限為止成為上述粒徑的下限。例如，從計測精度上而言為I μ m。
[0085]這是因為，若液滴過大，則在壓縮機內(nèi)液滴難以進行良好的氣化。
[0086]液滴的導入量能夠根據(jù)溫度及濕度或者輸出功率增加的程度來進行調(diào)整?？紤]噴霧后液滴在從噴霧部位到壓縮機入口的期間氣化的量，能夠?qū)脒M氣重量流量的0.2wt%以上。就上限而言，從設置成能夠良好地維持壓縮機的功能的程度的觀點出發(fā)，規(guī)定上限。例如，能夠?qū)⑸舷拊O為5wt%，并將導入范圍設置在該上限以下。
[0087]能夠考慮夏季等干燥條件等來進行調(diào)整，而為了進一步增加輸出功率等，還能夠?qū)?.8wt%以上5wt%以下。
[0088]以往的液滴噴霧裝置為了使導入到壓縮機入口的空氣溫度下降，只是對導入空氣進行液滴(例如，100?150 μ m等)的噴霧，并對噴霧后的水進行回收之后再次用于噴霧，與這種類型的以往的液滴噴霧裝置相比，在本實施例中，僅進行少量的液滴的噴霧就足以。
[0089]就噴霧水的消耗量而言，在夏季高溫時將下降的輸出功率恢復至額定值的情況下成為最大使用量。當生成噴霧時供給空氣的情況下的加壓空氣消耗量作為消耗動力是無法忽視的，作為目標優(yōu)選為消耗水量以下。從而，只要滿足粒徑條件，為了形成上述粒徑的液滴，不供給氣體是更經(jīng)濟的。
[0090]根據(jù)本實施例，根據(jù)外部空氣溫度來調(diào)節(jié)噴霧流量，從而能夠提供全年能夠抑制輸出功率變動的發(fā)電成套設備。例如，以與導入到壓縮機的空氣溫度低時相比在該空氣溫度高時增加噴霧流量的方式，對調(diào)節(jié)閥(未圖示)的開度進行調(diào)節(jié)。
[0091]并且，在進行等燃燒溫度運轉(zhuǎn)時，優(yōu)選以供給上述液滴的方式進行運轉(zhuǎn)。由此，能夠提高效率，并且提高輸出功率。
[0092]另外，在不以發(fā)電為目的的燃氣輪機、用于獲得由燃氣輪機的驅(qū)動所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的燃氣輪機中，能夠降低燃燒溫度而下降渦輪機軸輸出功率。尤其，在進行部分負載運轉(zhuǎn)時，通過應用本實施例，能夠節(jié)省燃料。
[0093]在本實施例中，即使在受到外部空氣溫度的限制的輸出功率以上的范圍內(nèi)，也能夠根據(jù)所需負載來調(diào)整輸出功率。
[0094]而且，不使燃燒溫度上升也能提高輸出功率，因此還能夠提供壽命長的燃氣輪機。
[0095]另外，根據(jù)本實施例，能夠?qū)嚎s機內(nèi)的氣體進行冷卻。由此，在應用該原理使用壓縮機抽氣來對燃氣輪機的葉片進行冷卻的情況下，能夠減少冷卻用的抽氣量。并且，由此能夠進一步增加燃氣輪機內(nèi)的工作流體量，因此能夠期待高效率、增加輸出功率。
[0096]圖7、圖8分別表示在外部空氣導入到壓縮機I并被壓縮的過程中的工作流體的狀態(tài)變化、以及進氣溫度與進氣重量流量之間的關(guān)系。
[0097]圖7表示在將外部空氣條件設為30°C、70%濕度(R.H.)的情況下的狀態(tài)變化。
[0098]外部空氣狀態(tài)用點A來表示。如果在流入到壓縮機之前外部空氣的狀態(tài)沿著等濕球溫度線被加濕冷卻而達到飽和濕潤狀態(tài)，則進入氣體在壓縮機I入口移動到狀態(tài)B。從增大導入壓縮機前的氣化的觀點出發(fā)，通過上述液滴的噴霧而導入到壓縮機I內(nèi)的氣體的濕度優(yōu)選為上升至90%以上的程度。從進一步實現(xiàn)進入氣體的冷卻的觀點出發(fā)，優(yōu)選進一步設為95%以上。未在進氣管道6內(nèi)氣化的液滴在從B到C的壓縮過程中連續(xù)氣化。假設氣化的過程保持飽和狀態(tài)，則在狀態(tài)C沸騰結(jié)束，在從C到D的過程中進入單層壓縮過程而升溫。假設氣化為等熵變化，在沸騰結(jié)束點到達狀態(tài)C'的過飽和狀態(tài)。實際上認為，從液滴開始氣化的氣化速度有限，因此狀態(tài)變化在熱量方面是不平衡的，偏離飽和線而沿著虛線的軌跡。相對于此，在一般的壓縮過程中狀態(tài)沿著從A到D'的軌跡。
[0099]在圖7中，設A處的溫度為Tl且B處的溫度為Tl'，則溫度從Tl下降到Tl'而引起的進氣流量的增大如圖8的模式圖所示，從W增加到W'。剩余的液滴被導入到壓縮機I內(nèi)而被氣化，從而有助于減少壓縮機I的功。
[0100]圖11表不水滴噴霧量與燃氣輪機輸出功率的增加率之間的關(guān)系。圖11(a)表不相對于進氣溫度的輸出相對值的變化，圖11(b)表示噴霧量與增加輸出功率之間的關(guān)系。
[0101]例如，計算條件為外部空氣條件35°C、53%相對濕度、壓縮機風量特性417kg/s、壓縮機多變效率0.915、渦輪機絕熱效率0.89、燃燒溫度1290°C、壓縮機抽氣量20%、排出壓力1.48MPa、氣化階段壓力0.25MPa時的值。若對常溫水進行噴霧，則進氣流量的0.35%在流入壓縮機之前在進氣室中進行氣化。因此，進氣溫度下降且空氣的密度提高，結(jié)果，壓縮機的吸入空氣重量流量增加百分之幾，有助于燃氣輪機的增加輸出功率。剩余的噴霧水隨同氣流在保持液滴的狀態(tài)下被吸引到壓縮機中并在其內(nèi)部進行氣化，有助于減少壓縮機的功。
[0102]2.3%噴霧時的熱效率提高率以相對值為2.8%。將燃氣輪機輸出功率恢復至5°C基本負載運轉(zhuǎn)時的輸出功率所需的消耗水量是進氣重量流量的2.3wt%左右。如此，當進行了將燃氣輪機輸出功率恢復至最大值的運轉(zhuǎn)時的增加輸出功率的明細估算如下，根據(jù)進入到壓縮機I之前的冷卻的功率為約35%，根據(jù)由壓縮機內(nèi)部氣化引起的冷卻的功率為約37%，根據(jù)經(jīng)過渦輪機和壓縮機內(nèi)的工作流體量之差、以及包含水蒸汽而引起的低壓比熱容的增大的功率為約28%。
[0103]雖然在圖的刻度上未記載，但是通過進一步增加噴霧水量，能夠以5wt%&右的噴霧流量獲得直至合格輸出功率水平的增加輸出功率。噴霧量越增大，與壓縮機I外的作用(冷卻作用)相比，壓縮機I內(nèi)的水滴的氣化作用越是更加大大地影響輸出功率的增加。
[0104]另外，圖12表示相對于噴霧量的噴霧前后的壓縮機出口溫度差的關(guān)系。由此可知，進入到壓縮機I之前的氣化、冷卻以小流量有效地進行。流入到壓縮機I入口的進入氣體的到達濕度為約95%左右。實線表示根據(jù)假設流入到壓縮機I內(nèi)的液滴全部氣化時求出的壓縮機I的出口氣體的絕對濕度和壓縮機I的出口氣體焓與噴霧前的值相等這兩個條件來計算出的、壓縮機I的出口氣體溫度與噴霧前的溫度之差。該線是假設動力沒有減少的情況下的線。但是，用空白圓圈(為了便于理解而畫了虛線)表示的實際的值超過了該線，實際在存在動力的減少。這是因為，由氣化引起的溫度下降量在氣化點以后的階段的壓縮過程中會放大。
[0105]由此認為，優(yōu)選由上述噴霧噴嘴32導入的液滴在前級側(cè)的氣化量大于在后級側(cè)的氣化量，通過使導入到壓縮機I的液滴主要在前級側(cè)氣化，能有效地減少動力。
[0106]液滴以使從壓縮機I排出的壓縮空氣的溫度比噴霧前下降5°C以上的程度進行噴霧。從進一步實現(xiàn)輸出功率的增加的觀點出發(fā)，設為使溫度下降25°C以上的程度。此外，上限可以根據(jù)實際應用的立場來確定。例如，設為50°C以下比較妥當。
[0107](由減壓沸騰引起的液滴的微細化的原理)
[0108]接下來，對由減壓沸騰引起的噴霧液滴的微細化的原理進行詳細說明。
[0109]在以上內(nèi)容中，對在流入壓縮機之前的空氣中對微細的液滴進行噴霧，并且使一部分液滴在壓縮機入口之前蒸發(fā)，使剩余的液滴在壓縮機內(nèi)蒸發(fā)的進氣噴霧裝置進行了說明。根據(jù)該噴霧裝置，當液滴在壓縮機內(nèi)蒸發(fā)時，從周圍的氣體奪取蒸發(fā)潛熱，具有抑制已壓縮的空氣的溫度上升的效果。因此，進氣噴霧裝置可以看做具有與HAT (Humid AirTurbine)循環(huán)中的中間冷卻器相同的功能的設備。只是，當在壓縮機入口對液滴進行噴霧時，需要對所噴霧的液滴直徑充分地進行微?；?，以免噴霧后的液滴對壓縮機的葉片帶來損傷，并且能夠使液滴在壓縮機的內(nèi)部完全蒸發(fā)掉。
[0110]在流入壓縮機之前的空氣(支燃燒氣體)中進行液滴的噴霧的燃氣輪機設備中，如上所述，當液滴蒸發(fā)時，從周圍的氣體奪取蒸發(fā)潛熱，具有抑制壓縮后的空氣的溫度上升的效果，壓縮所需的動力減少，是有效的方法。
[0111]在設置這種噴霧裝置的情況下，優(yōu)選的噴霧方式是對噴霧的液滴的粒徑進一步進行微粒化，并且噴霧的液滴的微?；璧膭恿π?，且結(jié)構(gòu)簡單。此外，作為微?；囊焕?，存在將水與加壓空氣一起進行噴霧的方法。但是，該噴霧方法的問題在于，額外需要用于供給加壓空氣的動力，噴霧的效果所引起的減少壓縮機動力的效果變小。
[0112]于是，在本實施例中，將供給到噴霧裝置的噴霧水的溫度設為供給到壓縮機的空氣的壓力(大氣壓)下的水的沸點以上，而且通過減壓沸騰使該高壓溫水進行微?；?，將由此生成的微細液滴對壓縮機的進入氣體進行噴霧。具體而言，例如利用噴霧噴嘴來進行直至大氣壓的減壓，通過在噴嘴內(nèi)的減壓沸騰來產(chǎn)生氣泡，從而對液滴進行微粒化。只是將噴霧水供給到噴霧噴嘴，因此結(jié)構(gòu)非常簡單，并且也不需要加壓空氣等。因此，減少壓縮機動力的效果較大，具有能夠達到循環(huán)的高效化效果。
[0113]如果采用如上所述的噴霧方式，會促進所噴霧的液滴的微粒化，能夠減少設為作為目標的液滴直徑所需的動力。即，從直徑DN的單一噴口噴嘴進行噴霧的面積平均液滴直徑D利用噴流速度U、表面張力σ、氣體密度P G、液體粘性系數(shù)η、液體密度P L表示成如下公式3。
[0114][數(shù)3]
[0115]I J 1 I 331...........Γ................2...................................(數(shù) 3)
u.A3 ,丨 { 具 iS::...)
[0116]根據(jù)該公式可知，如果將噴嘴直徑DN設為恒定值，則由噴霧產(chǎn)生的液滴直徑的支配因數(shù)是由流體的溫度和壓力的變化所引起的物理參數(shù)的變化、以及噴流速度U。如果噴霧的水的溫度提高，則表面張力σ、粘性系數(shù)η L變小，作為該水的物理參數(shù)的變化的綜合結(jié)果，根據(jù)公式3求出的液滴直徑變小。并且，由于存在噴霧前的壓力與噴霧環(huán)境之間的壓力差，由此噴流速度加快，因此液滴直徑變小。
[0117]從以上說明可知，通過使用溫度及壓力高的水，能促進噴霧液滴的微?；?。并且，在以噴霧水溫度比在噴霧后的周圍壓力下的水的沸點高的條件進行噴霧的情況下，產(chǎn)生在噴霧噴嘴內(nèi)及剛從噴嘴排出之后的噴流內(nèi)產(chǎn)生氣泡的減壓沸騰，液滴進一步被微?；Ｍㄟ^對液滴進行微?；旱蜗蚩諝庵械恼舭l(fā)加快，能夠在短時間內(nèi)獲得液滴的蒸發(fā)所產(chǎn)生的冷卻效果。
[0118]從液滴蒸發(fā)的觀點看，一般而言液滴的溫度越高，液滴的蒸發(fā)越快。在液滴在壓縮機內(nèi)蒸發(fā)的情況下，越是在靠近壓縮機的入口的位置進行蒸發(fā)，伴隨蒸發(fā)的冷卻效果越是反應到后級中，減少動力的效果增大，作為發(fā)電設備的效率提高。
[0119](本實施例的特征)
[0120]在本實施例中，作為用于噴霧水的高壓溫水的熱源利用太陽熱能，因此不需要用于生成高壓溫水所特別的熱源。并且，本實施例的噴霧裝置聽過減壓沸騰來對液滴進行微細化，因此不需要用于生成微細液滴所特別的噴霧裝置。
[0121]此外，在上述的專利文獻2中，涉及HAT循環(huán)的燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)，并且公開了將利用減壓沸騰的噴霧裝置設置在壓縮機入口的發(fā)明。然而，專利文獻2中的噴霧水的加熱源使用位于再生循環(huán)內(nèi)的再生循環(huán)特有的設備(壓縮機出口的后置冷卻器、對壓縮空氣進行加濕的加濕器、對加濕器加濕水進行加熱的熱交換器等)。即，專利文獻2中作為對象的循環(huán)為再生循環(huán)，并且具備在該循環(huán)內(nèi)生成高壓溫水的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，因此能夠?qū)⒃谠撗h(huán)內(nèi)生成的高壓溫水作為噴霧水來利用。
[0122]在這種原來就不具備在自身的循環(huán)內(nèi)生成高壓溫水的設備的燃氣輪機循環(huán)(例如，循環(huán)結(jié)構(gòu)由壓縮機、燃燒器、渦輪機這三個要素構(gòu)成的單循環(huán))中，由于將作為噴霧水的高壓溫水的熱源設為渦輪機廢棄的關(guān)系，要求燃氣輪機設備側(cè)具有大幅度的變更。具體而言，需要追加從燃氣輪機廢氣中回收廢熱的熱交換器、將由此生成的高壓溫水供給到噴霧裝置的供水系統(tǒng)等。
[0123]另外，在與電一起產(chǎn)生蒸汽(熱)的熱電聯(lián)供系統(tǒng)、以及組合了燃氣輪機和汽輪機的復合循環(huán)中，都是以將燃氣輪機的廢熱作為產(chǎn)生蒸汽的熱源作為前提的系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中，根據(jù)產(chǎn)生蒸汽所需的熱量來設計整個系統(tǒng)的熱平衡，因此如果利用燃氣輪機廢熱來生成進氣噴霧用的高壓溫水，則會導致整個系統(tǒng)的熱平衡的變動，有可能影響作為本來目的的蒸汽的生成。因此，不適合使用由于利用燃氣輪機廢熱而結(jié)果上對燃氣輪機的熱平衡帶來變動的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。由此，當將燃氣輪機應用于太陽能利用系統(tǒng)時，希望避免對熱平衡產(chǎn)生變動這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并且燃氣輪機裝置自身也要將相對于其基準結(jié)構(gòu)的變更點限制在最低限度。
[0124]另一方面，在本實施例中，由于將太陽熱能作為高壓溫水的熱源，因此當將燃氣輪機應用于太陽能利用發(fā)電系統(tǒng)時，燃氣輪機裝置相對于標準結(jié)構(gòu)能夠限制在最低限度的變更。即，作為新追加的設備結(jié)構(gòu)，只有設置在壓縮機的上游側(cè)(進氣室或進氣管道內(nèi))的噴霧裝置。而且，從熱平衡的觀點出發(fā)，高壓溫水并不利用燃氣輪機循環(huán)內(nèi)的熱，并且能夠與燃氣輪機裝置側(cè)無關(guān)地生成，因此不會對熱平衡產(chǎn)生變動。這可以通過位于燃氣輪機裝置側(cè)的最上游側(cè)、并且將太陽能用于壓縮機的進入氣體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。
[0125]如上所述，在本實施例中，將用太陽能生成的高壓溫水應用于對壓縮機的進入氣體進行液滴的噴霧來進行冷卻的噴霧裝置，并且在噴霧裝置中的噴霧液滴的微細化上利用高溫水所持有的能量。尤其，在噴霧液滴的微細化方面，其原理是通過使高溫水進行減壓沸騰來實現(xiàn)。
[0126]利用上述方式，根據(jù)本實施例，由于是對太陽能只要進行相當于用于生成高壓溫水的顯熱(不改變物質(zhì)的狀態(tài)而使溫度發(fā)生變化的熱量)量的集熱即可的發(fā)電系統(tǒng)，因此可以不使用以往系統(tǒng)中所必須的作為蒸發(fā)潛熱的大量的能量。其結(jié)果，能夠大幅度減少為進行大量的能量的集熱而設置的集熱裝置是數(shù)量、以及用于設置集熱裝置的用地面積。
[0127]具體而言，能夠?qū)⑵骄a(chǎn)生輸出功率的集熱裝置的設置面積設為原來的1/10以下。并且，能夠減少太陽能利用系統(tǒng)中的占據(jù)大部分成本的集熱裝置的數(shù)量，因此能夠大幅度減少成本。
[0128]另外，根據(jù)本實施例，作為使壓縮機入口空氣溫度下降的能量利用太陽能，因此不增加作為溫室效應氣體的CO2而能夠提高發(fā)電輸出功率，能夠提供有利于維護環(huán)境的發(fā)電系統(tǒng)。尤其，不需要液滴的微細化所特別的噴霧裝置。另外，本實施例的噴霧裝置使用減壓沸騰原理來對液滴進行微細化，并且作為其能量利用太陽能，因此對于一般的噴霧裝置能夠減少動力。而且，能夠通過減壓沸騰來對液滴進一步進行微細化，因此能夠大大地減少排水的排出量，并且有效地提高輸出功率。
[0129]另外，能夠?qū)κＳ嗟奶柲苓M行蓄熱并在熱量不足時利用該蓄熱來生成溫水，因此能夠提供穩(wěn)定的溫水溫度和溫水量，能夠維持燃氣輪機的增加輸出功率效果。
[0130]實施例2
[0131]接下來，使用圖5說明本發(fā)明的實施例2中的結(jié)構(gòu)。
[0132]在圖5中，其特征在于，為了抑制圖1的實施例1中的相對于日照變化的變動，設置了油/油熱交換器65、油循環(huán)泵66以及膨脹箱68。并且，具備:使利用集熱裝置升溫的第一被加熱介質(zhì)進行循環(huán)的第一系統(tǒng)；使第一被加熱介質(zhì)與第二被加熱介質(zhì)進行熱交換的第一熱交換器；使與第一被加熱介質(zhì)進行熱交換的第二被加熱介質(zhì)進行循環(huán)的第二系統(tǒng)；以及使第二被加熱介質(zhì)和水進行熱交換的第二熱交換器，將用第二熱交換器生成的溫水供給到噴霧裝置。不同于圖1的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下所示。
[0133]集熱裝置201主要包括:對太陽光進行集光的集光板40 ;利用由集光板40集光及集熱的太陽光對被加熱介質(zhì)進行加熱的集熱管41 ;以及油/油熱交換器65、高溫油蓄熱槽
57、低溫油蓄熱槽54。此外，在集熱管41的上游，經(jīng)由配管43連接有供給作為被加熱介質(zhì)的油的油循環(huán)泵66，用集熱管41加熱的油經(jīng)過配管44被導入到油/油熱交換器65并經(jīng)由配管67返回油循環(huán)泵66。在配管67的中途設有利用配管69連接的膨脹箱68。在油循環(huán)泵66中從配管44供給的高溫油的熱通過配管70提供給由油泵42供給的油之后，經(jīng)由配管71并經(jīng)由三通閥45利用配管46及配管47返回油泵42。而且，在三通閥45上連接有配管48，并經(jīng)由下一個三通閥49并經(jīng)由配管56與高溫油蓄熱槽57連接。另外，在三通閥49上經(jīng)由配管50設有高溫蓄熱油泵51。在該配管50上從高溫油蓄熱槽57的底部經(jīng)由閥58連接有配管59。高溫蓄熱油泵51的出口配管52被引導至油/水熱交換器24，利用配管53連接至低溫油蓄熱槽54。而且，從低溫油蓄熱槽54的底部經(jīng)由閥55與配管47連接。另一方面，水箱20的水經(jīng)由配管21并利用水泵22從配管23輸送到油/水熱交換器24。用油/水熱交換器24加熱的水經(jīng)由油/水熱交換器24的出口配管25并經(jīng)由升壓泵26及流量調(diào)整閥27、配管28而與后述的噴霧裝置300的噴霧母管31連接。
[0134](動作、作用、效果)
[0135]接下來說明圖5的實施例的動作。
[0136]在日照條件發(fā)生變動的情況下，集熱管41的溫度發(fā)生變動，最終使流向配管25的水溫發(fā)生變動。為了使用壓縮機I吸入的空氣5的溫度穩(wěn)定地下降，優(yōu)選將減壓沸騰效果維持恒定。為了實現(xiàn)該效果，需要盡量防止配管25的水溫變動，抑制上游側(cè)的油的溫度變動非常重要。
[0137]在圖1中為將用太陽能升溫的油利用油/水熱交換器24對水提供熱量的簡單的結(jié)構(gòu)。在圖5中通過設置油/油熱交換器65，根據(jù)太陽能的集熱狀況利用油循環(huán)泵66改變流量，將流經(jīng)油/油熱交換器65的出口配管71的油的溫度維持在一定范圍。此外，改變油泵42的流量也能控制流經(jīng)配管71的油的溫度，但是通過由最上游的太陽能集熱系統(tǒng)控制油溫度，以用圖1的結(jié)構(gòu)能夠操作的程度以上控制油的溫度的單元增加。此外，剩余的熱與圖1同樣地預先儲存在高溫油蓄熱槽57中，在陰天時等根據(jù)需要供給到油/水熱交換器24使配管25的水溫變得穩(wěn)定，從而能夠穩(wěn)定地進行壓縮機I的進入氣體冷卻。
[0138]根據(jù)本實施例，除了具有實施例1中的效果以外，不受由天氣的變化引起的影響而能夠穩(wěn)定地抑制燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)中的夏季的輸出功率下降，太陽能的利用率也提高，從而具有能夠有助于減少作為溫室效應氣體的CO2的效果。
[0139]產(chǎn)業(yè)上的可利用性
[0140]能夠用作太陽能輔助燃氣輪機系統(tǒng)。
[0141]附圖標記說明
[0142]I壓縮機
[0143]2渦輪機
[0144]3燃燒器
[0145]4發(fā)電機
[0146]5 空氣
[0147]6進氣管道
[0148]7壓縮空氣
[0149]8 燃料
[0150]9燃燒氣體
[0151]10燃燒廢氣
[0152]11 軸
[0153]20 水箱
[0154]21、23、25、28、43、44、46、47、48、50、52、53、56、59、67、69、70、71 配管
[0155]22 水泵
[0156]24油/水熱交換器
[0157]26升壓泵
[0158]27流量調(diào)整閥
[0159]31 噴霧母管
[0160]32 噴霧噴嘴
[0161]33 液滴
[0162]34混合流體
[0163]35 靜葉
[0164]36 動葉
[0165]40集光板
[0166]41集熱管
[0167]42 油泵
[0168]45、49 三通閥
[0169]51高溫蓄熱油泵
[0170]54低溫油蓄熱槽
[0171]55、58 閥
[0172]57高溫油蓄熱槽
[0173]65油/油熱交換器
[0174]66油循環(huán)泵
[0175]68膨脹箱
[0176]100燃氣輪機裝置
[0177]200,201 集熱裝置
[0178]300噴霧裝置
【權(quán)利要求】
1.一種太陽能輔助燃氣輪機系統(tǒng)，其特征在于，設有: 燃氣輪機，包括壓縮空氣的壓縮機、使由該壓縮機壓縮了的空氣與燃料燃燒的燃燒器、以及利用由該燃燒器產(chǎn)生的燃燒氣體進行驅(qū)動的渦輪機； 集熱裝置，對太陽能進行集熱并使被加熱介質(zhì)升溫； 蓄熱槽，儲存升溫后的上述被加熱介質(zhì)； 熱交換器，對上述被加熱介質(zhì)和水進行熱交換而生成溫水；以及 噴霧裝置，將由該熱交換器生成的溫水向攝入上述壓縮機的空氣進行噴霧。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能輔助燃氣輪機系統(tǒng)，其特征在于， 上述太陽能輔助燃氣輪機系統(tǒng)具備:使由該集熱裝置升溫的第一被加熱介質(zhì)進行循環(huán)的第一系統(tǒng)；使上述第一被加熱介質(zhì)與第二被加熱介質(zhì)進行熱交換的第一熱交換器；使與該第一被加熱介質(zhì)進行熱交換的第二被加熱介質(zhì)進行循環(huán)的第二系統(tǒng)；以及使上述第二被加熱介質(zhì)與水進行熱交換的第二熱交換器，并且將由上述第二熱交換器生成的溫水供給到上述噴霧裝置地構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能輔助燃氣輪機系統(tǒng)，其特征在于， 上述太陽能輔助燃氣輪機系統(tǒng)具備低溫蓄熱槽，該低溫蓄熱槽儲存在上述熱交換器中與水熱交換后的被加熱介質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的太陽能輔助燃氣輪機系統(tǒng)，其特征在于， 上述太陽能輔助燃氣輪機系統(tǒng)具備:使上述第一或第二被加熱介質(zhì)進行循環(huán)的循環(huán)泵；以及吸收上述第一或第二被加熱介質(zhì)的體積膨脹的膨脹箱。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的太陽能輔助燃氣輪機系統(tǒng)，其特征在于， 上述太陽能輔助燃氣輪機系統(tǒng)使用油作為被加熱介質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能輔助燃氣輪機系統(tǒng)，其特征在于， 上述太陽能輔助燃氣輪機系統(tǒng)具備三通閥，該三通閥切換為使經(jīng)由上述集熱裝置的被加熱介質(zhì)再次循環(huán)到上述集熱裝置的路線和供給到上述熱交換器或蓄熱槽的路線。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的太陽能輔助燃氣輪機系統(tǒng)，其特征在于， 上述太陽能輔助燃氣輪機系統(tǒng)具備三通閥，該三通閥切換為使經(jīng)由上述第一熱交換器的第二被加熱介質(zhì)再次循環(huán)到上述第一熱交換器的路線和供給到上述第二熱交換器或蓄熱槽的路線。
【文檔編號】F02C7/143GK104220727SQ201280070349
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2012年2月24日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月24日
【發(fā)明者】小山一仁, 楠見尚弘, 幡宮重雄, 高橋文, 夫關(guān)合孝朗 申請人:三菱日立電力系統(tǒng)株式會社