JP2001502399A

JP2001502399A - 水素燃料発電所

Info

Publication number: JP2001502399A
Application number: JP10519333A
Authority: JP
Inventors: バニスター，ロナルド，レオ; ニューバイ，リチャード，アレン; ヤング，ウェン，チン
Original assignee: シーメンス・ウエスチングハウス・パワー・コーポレイション
Priority date: 1996-10-21
Filing date: 1997-08-13
Publication date: 2001-02-20
Also published as: US5775091A; EP1007823A1; KR20000052674A; WO1998017897A1; CA2269322A1

Abstract

(57)【要約】高圧燃焼器（２）において水素を酸素と燃焼させて蒸気を発生させ、この蒸気を冷却用蒸気（３０）と混合して高圧膨脹器（１２）に送り、膨脹器が蒸気を膨脹させて回転軸出力を発生させる発電所。膨脹した蒸気は、中圧燃焼器において水素と酸素の燃焼により生じた蒸気と混合された後、中圧タービン（１４）で膨脹して、さらに回転軸出力を発生させる。中圧タービンからの蒸気は熱回収蒸気発生器（１８）へ送られて、そこで冷却されると共に水流を加熱して、タービン及び燃焼器の少なくとも１つを冷却する冷却流（５８）を発生させる。冷却された蒸気は、蒸気発生器から低圧タービン（２０）へ送られて、さらに回転軸出力を発生させると共に凝縮されて水流となり、蒸気発生器内において加熱されて、冷却用蒸気となる。

Description

【発明の詳細な説明】水素燃料発電所発明の背景発明の分野本発明は、水素と酸素を燃料とする発電所に関する。関連技術の説明発電所は、圧縮空気と混合された留出油または天然ガスのような炭化水素燃料が１個または２個以上の燃焼器の中で燃焼する燃焼部を有する。しかしながら、この燃焼により、窒素の酸化物（ＮＯｘ）、炭酸ガス（ＣＯ₂）、一酸化炭素（ＣＯ）及び大気汚染物質と考えられる他の微量の成分が形成される。窒素酸化物は、水素を純粋な酸素中で燃やすと発生しない。ロケットエンジンの燃焼器は通常、液体酸素中で液体水素を燃焼することにより作動される。しかしながら、電力用タービンは劣化なしに長時間作動する必要がある。従って、ガスタービン燃焼器の冷却は、ロケットエンジン燃焼器には存在しない困難な問題を提供する。この問題は、経済的理由により、また取扱い及び供給の容易さの観点から液体酸素でなくて圧縮酸素ガスを用いる場合さらに深刻なものとなる。通常、ロケットエンジン燃焼器は液体酸素の低温を利用して冷却を行っている。タービン部分の冷却も水素／酸素燃料発電所にとって解決すべき問題であるが、これは電力出力を最適化するためにタービン入口の温度を９００乃至１６００ ℃にするのが望ましいからである。燃焼タービンに常用される冷却は、発電所の効率にとってマイナスの影響を与える。従って、水素と酸素を燃焼させてエネルギーを発生させる高効率の発電所を提供することが望ましい。発明の概要従って、本発明の主要目的は、開または閉ループ蒸気冷却システムによってタービン構成要素を効率的且つ有効に冷却する水素燃焼発電所を提供することにある。換言すると、本発明の上記並びに他の目的は、冷却用蒸気、水素及び酸素の第１の流れを高圧燃焼器に供給して水素と酸素を燃焼させることにより高圧蒸気を発生させて回転軸出力を発生させる方法により達成される。この高圧蒸気は、冷却用蒸気の第１の流れにより冷却されてプロセス蒸気の第１の流れを発生させる。プロセス蒸気の第１の流れは、高圧タービン内で膨脹して回転軸出力及びプロセス蒸気の第２の流れを発生させる。プロセス蒸気の第２の流れは、中圧タービンからの冷却用蒸気の第３の流れと混合されて中圧燃焼器に送り込まれ、そこで水素と酸素の燃焼による蒸気と混合されてプロセス蒸気の第３の流れを発生させる。プロセス蒸気の第３の流れは、中圧タービンに供給されてプロセス蒸気の第４の流れと回転軸出力を発生させる。中圧タービンは冷却用蒸気の第２の流れにより冷却されるが、この第２の流れは冷却用蒸気の第３の流れとしてタービンを出る。プロセス蒸気の第４の流れは、熱回収蒸気発生器を通って給水の２つの流れを加熱することにより冷却用蒸気の第１及び第２の流れを発生させる。プロセス蒸気の第４の流れは蒸気発生器内で冷却されてプロセス蒸気の第５の流れとなり、低圧タービンへ供給される。低圧タービンは、回転軸出力を発生させると共に膨脹したプロセス蒸気の第５の流れをプロセス蒸気の第６の流れとして送り出す。プロセス蒸気の第６の流れが凝縮され、余分の水が抽出された後、残りの水が蒸気発生器へ圧送されて冷却用蒸気となる。図面の簡単な説明図１は、中圧タービンにおいて閉ループ蒸気冷却システムを用いる水素燃料発電所の略図である。図２及び３は、高圧及び中圧タービンにおいて閉ループ蒸気冷却システムを用いる水素燃料発電所の略図である。図４は、図３の高圧タービンの一部の概略的縦方向断面図である。図５は、タービン入口近傍を示す図４の拡大図である。図６は、高圧燃焼器の概略的断面図である。図７は、中圧燃焼器の概略的断面図である。好ましい実施例の説明同一参照数字が同一構成要素を示す図面を参照して、図１は水素燃料発電所１を示す。発電所１の主要構成要素は、高圧燃焼器２、ロータ軸１６が貫通する高圧蒸気タービン１２、中圧燃焼器４、中圧蒸気タービン１４、熱回収蒸気発生器１８、低圧蒸気タービン２０及び凝縮器２２である。各タービンは、従来通り、発電機（図示せず）のような負荷を駆動する。高圧燃焼器２は、気体または液体状（即ち、極低温）の水素の第１の流れ６と、酸素の第１の流れ８を受ける。水素６及び酸素８が気体の場合、圧縮器を用いて気体を圧縮してもよい。高圧燃焼器２内では、水素６と酸素８が燃焼して高温高圧の蒸気が発生する。燃焼は、その結果本質的に純粋な蒸気が得られるような化学量論的条件に近い状態で行わせるのが好ましい。以下に述べるように発生される冷却用蒸気の第１の流れ３０も高圧燃焼器２へ送られる。この冷却用蒸気３０は、水素６と酸素８の燃焼により発生する蒸気と混合して、燃焼器２の構成要素の過熱を防止すると共にプロセス蒸気５０の第１の流れを発生させる。図６を参照して、本発明の好ましい実施例によると、冷却用蒸気の一部３０と水素６は燃焼器２の入口室３０２で予め混合されて低燃焼熱値の燃料３０４を生成させる。この燃料３０４は軸方向管３０６Ａを流れるが、この軸方向管は別の軸方向管３０６Ｂにより囲まれており、それらの間に環状通路３０６Ｃが形成される。酸素８は半径方向管３０８を流れてこの環状通路３０６Ｃに流入する。燃料及び酸素は渦流器３０９Ａ及び３０９Ｂを流れて、燃焼生成物３２２を発生する強く逆混合される燃焼ゾーン３１０を形成する。燃焼ゾーンの温度はほぼ１６００℃である。蒸気３０の別の部分はオリフィス３１６を通って燃焼器に流入し、胴部３１４とライナー３１４の間の空間３１３を循環してこのライナーを冷却する。ライナー３１２はその中を流れる蒸気３０の一部によっても冷却される。空間３１３内の蒸気３０の大部分は、燃焼ゾーン３１０の出口３２１を囲む渦流器３２０を通過して燃焼生成物３２２を稀釈化し、この生成物は出口を出るとプロセス蒸気の第１の流れ５０となる。図１を参照して、高圧燃焼器２へ送られる質量流は、プロセス蒸気５０の第１の流れの温度範囲が５００℃乃至９００℃、圧力範囲が２００バー乃至５００バーとなるようなものである。５００℃の下方限界は発電所の良好な総合熱消費率を達成するのに必要な最低温度値である。９００℃の温度の上方限界は高圧タービン１２を冷却なしに運転するための最高温度値である。タービン１２の冷却は、タービンが最新の合金により製造されこの温度範囲の上限の所で運転される場合不要である。プロセス蒸気の第１の流れ５０の温度はほぼ６５０℃であるのが好ましい。プロセス蒸気の第１の流れ５０の圧力範囲は、蒸気タービンの過去の商用運転経験に基づき良好な熱効率と仕事を可能にする。高圧蒸気タービン１２は、高圧燃焼器２からプロセス蒸気の第１の流れ５０を受ける。この燃焼器２は、タービン１２の外部に、しかしながらその近くに結合して設けるのが好ましい。プロセス蒸気５０は、タービン１２内で膨脹してロータ軸１６に回転出力を発生させると共にプロセス蒸気４８の第２の流れを発生させる。タービン１２は、高さがほぼ０．９乃至ほぼ２．６インチの１２列の動翼を有する。プロセス蒸気４８は、高圧タービン１２から中圧燃焼器４にとって適当な圧力であるほぼ４０バーの圧力で送出される。中圧燃焼器４は、以下に説明するように生成される冷却用蒸気の第３の流れ４６と混合されたプロセス蒸気４８の第２の流れを受ける。中圧燃焼器４はまた、水素の第２の流れ７と酸素の第２の流れ９を受けるが、これらの流れは燃焼器内部で燃焼して蒸気となる。この蒸気は、プロセス蒸気４８及び冷却用蒸気４６と混合されて燃焼器４の構成要素の過熱を防止すると共にプロセス蒸気の第３の流れ５２となる。図７を参照して、本発明の好ましい実施例によると、中圧燃焼器４は軸方向管４０４のオリフィス４０２を介して水素７の供給を受ける。この燃焼器４はまた、結合されて蒸気４１４となる冷却用蒸気４６及びプロセス蒸気４８（図示せず）を受ける。蒸気４１４は燃焼器の胴部４０８とライナー４１０の間の空間４０９を流れて燃焼器を冷却する。蒸気４１４の一部はライナー４１０を流れてライナーを冷却する。蒸気４１４の残りと水素７は予混合室４０６に流入して低燃焼熱値の燃料４２２となる。燃料４２２は、予混合室４０６から軸方向管４１５Ｂにより囲まれた軸方向管４１５Ａに流入する。半径方向管４２０は酸素９をこの軸方向管４１５Ｂへ送り出す。酸素９は、オリフィス４１８により半径方向管４２０へ送り込まれる。酸素９と燃料４２２の流れは、渦流器４２４Ａ及び４２４Ｂを通過することにより強く逆混合されたゾーン４１２を形成し、このゾーンは燃焼生成物４１６を生成する。図１を参照して、プロセス蒸気５２の第３の流れは、ほぼ１５００℃乃至ほぼ１７００℃の温度範囲と、ほぼ２０バー乃至ほぼ４０バーの圧力範囲を有する。ほぼ１５００℃の下方温度限界は良好な熱効率を得るためのものである。ほぼ１７００℃の上方温度限界は蒸気冷却タービンの限界値である。プロセス蒸気の第３の流れ５２の温度はほぼ１７００℃であるのが好ましい。プロセス蒸気の第３の流れ５２の圧力範囲は、蒸気タービンの過去の商用運転経験に基づき良好な熱効率及び仕事を可能にする。プロセス蒸気の第３の流れ５２の圧力はほぼ３９バーであるのが好ましい。中圧蒸気タービン１４は、中圧燃焼器４から送出されたプロセス蒸気の第３の流れ５２を受ける。その後、プロセス蒸気５２は膨脹して付加的な軸出力を発生させると共にプロセス蒸気の第４の流れ５４となる。中圧タービン１４から出るプロセス蒸気５４はほぼ１バーであるのが好ましい。熱回収蒸気発生器１８は、中圧タービン１４からプロセス蒸気の第４の流れ５４を受ける。この蒸気発生器１８の内部において、プロセス蒸気５４の熱の一部が高圧給水流１０２と低圧給水流１０４へ伝達される。このように熱が伝達されるとプロセス蒸気の第４の流れ５４が冷却され、プロセス蒸気の第５の流れ６０として蒸気発生器から送出される。熱回収蒸気発生器１８内では、プロセス蒸気６０がほぼ１１０℃まで冷却されるように十分な熱が伝達される。熱回収蒸気発生器１８は、以下に説明するように、高圧給水流１０２から冷却用蒸気の第１の流れ３０を、また低圧給水流１０４から冷却用蒸気の第２の流れ５８を発生させる。冷却用蒸気の第１の流れ３０は、ほぼ４４０℃の温度及びほぼ４７０バーの圧力で高圧燃焼器へ送られる。中圧タービン１４は、冷却用蒸気の第２の流れ５８により冷却する。図１に示す本発明の実施例では、図４及び５を参照して説明するように、中圧タービン１４が閉ループ蒸気冷却システムを有する。閉ループ蒸気冷却システムでは、冷却用蒸気がタービン内で膨脹中のプロセス蒸気と接触することなくタービン構成要素を流れる。従って、冷却用蒸気の第２の流れ５８はタービン１４を流れるにつれて加熱され、冷却用蒸気の第３の流れ４６としてタービンから送出される。この閉ループ蒸気冷却システムでは、冷却用蒸気の第２の流れ５８の温度はほぼ２６０℃圧力はほぼ４５バーである。本発明の他の実施例では、このタービン１４が開ループ蒸気冷却システムを備えたものがある。開ループ蒸気冷却システムは、冷却用蒸気をタービン構成要素を通過させてタービンを流れるプロセス蒸気内に流入させることにより、タービン静翼または回転動翼を冷却する。これらのタービン構成要素の典型的な開ループ蒸気冷却法については、共に全体を本明細書の一部を形成するものとして引用する米国特許第５．４８８，８２５号（発明者："Davisetal．；発明の名称：Ga s Turbine Vane with Enhanced Cooling"）及び米国特許第５，５１１，９３７号（発明者：Papageorgiou；発明の名称："Gas Turbine Airfoil with a Coolin g Air Regulating Seal"）に記載がある。冷却用蒸気がプロセス蒸気内に流入するため、中圧タービン１４の開ループ蒸気冷却システムを有する本発明の実施例（図示せず）では冷却用蒸気４６の第３の流れは存在しない。中圧タービン１４の開ループ蒸気冷却システムを有する水素燃料発電所１の運転パラメータは、タービンの閉ループ蒸気冷却システムを有する発電所の運転パラメータから修正を行う必要がある。低圧タービン２０はプロセス蒸気の第５の流れ６０を受けるが、この流れはさらに膨脹して、さらに付加的な軸出力とプロセス蒸気の第６の流れ６２を発生させる。プロセス蒸気６２の温度はほぼ３５℃圧力はほぼ０．１バーであるのが好ましい。凝縮器２２は、プロセス蒸気６２を凝縮して給水１００に変える。給水１００の流れは、第１の部分１０５、第２の部分１０６、及び余剰部分１０３に分けられる。第１の部分１０５と第２の部分１０６はそれぞれ、高圧給水ポンプ２４及び低圧給水ポンプ２５へ送られる。余剰部分１０３は、発電所１から排出して水素と酸素の反応により発電所へ加えられる蒸気と相殺する必要があるため抽出する。高圧給水ポンプ２４は、給水流の第１の部分１０５を昇圧して高圧水流１０２とする。高圧水流１０２の圧力は、プロセス蒸気の第１の流れ５０よりも大きいのが好ましい。高圧水流１０２は熱回収蒸気発生器１８へ送られる。この蒸気発生器１８において、高圧水流１０２が冷却用蒸気の第１の流れ３０となる。低圧給水ポンプ２５は、給水流の第２の部分１０６を昇圧して低圧水流１０４とする。低圧水流１０４の圧力は、プロセス蒸気の第３の流れ５２の圧力よりも高い。低圧水流１０４は熱回収蒸気発生器１８へ送られる。この蒸気発生器１８では、低圧水流１０４が冷却用蒸気の第２の流れ５８となる。５００メガワットの発電所では、本発明は高い水素燃焼熱値に基づき約６１％の、また低い水素燃焼熱値に基づき約７３％の効率を有する。図２を参照して、発電所１’は本発明の別の実施例であり、発電所１と類似する。２つの発電所の主な物理的相違点は、タービン１２の代わりであるタービン１２’が冷却用蒸気の第４の流れ３２で冷却されることである。冷却用蒸気３２は、高圧水流１０２を加熱して冷却用蒸気の第１の流れ３０と、冷却用蒸気の第４の流れ３２とに分割する熱回収蒸気発生器１８により発生される。冷却用蒸気の第４の流れ３２により高圧タービン１２’が冷却される。図２に示す本発明の実施例では、図４及び５を参照して説明するように、閉ループ蒸気冷却システムにより高圧タービン１２’を冷却する。閉ループ蒸気冷却システムにおいて、冷却用蒸気はタービン内で膨脹中のプロセス蒸気に接触せずにタービン構成要素内を流れる。従って、冷却用蒸気の第４の流れ３２はタービン１２’を流れるにつれて加熱され、冷却用蒸気の第５の流れ５１としてタービンから流出する。冷却用蒸気の第５の流れ５１は、冷却用蒸気の第１の流れ３０と混合されて冷却用蒸気４９の結合流となる。高圧燃焼器２は冷却用蒸気の結合流４９を受ける。冷却用蒸気４９は、水素６及び酸素８の燃焼により生成される蒸気と混合されて燃焼器２の構成要素の過熱を防止すると共にプロセス蒸気の第１の流れ５０となる。本発明の他の実施例では、タービン１２’及びタービン１４の一方または両方が、上述したような開ループ蒸気冷却システムを有する。そのため、タービン１４が開ループ蒸気冷却システムを備えておれば冷却用蒸気の第３の流れ４６は無いし、またタービン１２’が開ループ蒸気冷却システム（図示せず）を備えておれば冷却用蒸気の第５の流れ５１は存在しない。タービン１２’及び１４のいずれかまたはその両方に開ループ蒸気冷却システムを備えた水素燃料発電所１’の運転パラメータは、閉ループ蒸気冷却システムを有する発電所１’の運転パラメータを修正する必要がある。冷却用蒸気の第４の流れ３２による高圧タービン１２’を冷却すると、発電所１の場合と比べて発電所１’のその他の蒸気の流れの好ましい温度及び圧力が異なるものとなる。発電所１’の好ましい温度及び圧力は、以下の表Ｉに示す通りである。表１発電所１’の蒸気流の好ましい温度及び圧力蒸気流好ましい温度概略値好ましい圧力概略値プロセス蒸気の第１の流れ５０１６００℃ ２５０バープロセス蒸気の第２の流れ４８９３５℃ ２５バープロセス蒸気の１６００℃〜２４バー第３の流れ５２１７００℃ プロセス蒸気の第４の流れ５４８４０℃ １バープロセス蒸気の第５の流れ６０１１０℃ １バープロセス蒸気の第６の流れ６２３３℃ ０．０５バー冷却用蒸気の第１の流れ４８４００℃ ２６０バー冷却用蒸気の第２の流れ５８３７５℃ ３０バー冷却用蒸気の第３の流れ４６６５０℃ ２７バー冷却用蒸気の第４の流れ３２４００℃ ３１０バー冷却用蒸気の第５の流れ５１６５０℃ ２８０バー図３を参照して、発電所１”は本発明のさらに別の実施例であり、発電所１’ と類似する。これら２つの発電所の主な物理的相違点は、発電所１２’が冷却用蒸気の多数の流れにより冷却されるタービン１２”により置き換えられたことである。本発明では、冷却用蒸気の第４の流れ３２はさらに２つの流れ３５及び３６に分割され、それらの流れが共に冷却用蒸気として高圧タービン１２”へ送られる。以下に説明するように、冷却用蒸気３５は静翼を冷却し、冷却用蒸気３６はロータ１６を冷却する。静翼冷却用蒸気３５は、３つの流れ３８，３９，４０に分割される。これらの蒸気流３８，３９，４０はそれぞれ、高圧タービン１２”の高圧、中圧、低圧の静翼の冷却を担当し、それらは冷却プロセスでさらに加熱される。これらの蒸気流３８，３９，４０は、冷却プロセスを経たあとそれぞれ加熱されて蒸気流４４，４２，４３としてタービン１２”から送り出される。高圧静翼の冷却用蒸気４４は、高圧タービン１２”から排出されて温度緩和用蒸気の第２の部分４７となり、高圧燃焼器２へ送られる。その第１の部分は冷却用蒸気の第１の流れ３０となる。中圧静翼冷却用蒸気４２は、上述したように、高圧タービン１２から排出されて熱回収蒸気発生器１８により発生され冷却用蒸気の第２の流れ５８と結合され、結合流５６となる。この蒸気結合流５６はその後中圧タービン１４へ送られ、高圧タービン１２”の冷却に関し以下に説明する方法でタービン構成要素を冷却する。中圧タービン１４からの、好ましくはほぼ６５０℃に加熱された冷却用蒸気の第３の流れ４６は、高圧タービン冷却用蒸気４３，７８と共に、高圧タービン１２からの蒸気４８と結合されて、中圧燃焼器４への温度緩和用蒸気の残部となる。冷却用蒸気の第２の流れ３６は、高圧タービンのロータ１６の動翼を冷却した後、ロータから２つの流れ７８，４５として排出される。高圧タービン１２の低圧動翼を冷却した蒸気流７８は、上述したように、低圧静翼冷却用蒸気４３と結合され、中圧燃焼器４の温度を緩和する。高圧タービン１２の高圧動翼冷却用蒸気４５は、高圧静翼冷却用蒸気４４と結合されて、高圧燃焼器２へ送られる温度緩和用蒸気の第３の部分４７となる。この好ましい実施例において、高圧タービン１２”の冷却は全て、蒸気３２により行われるため、熱力学的に非常に効率のよいシステムが実現される。以上より明らかなように、冷却システムは閉ループである。即ち、偶発的な漏洩を除き、冷却用として高圧タービン１２”へ送られる蒸気３２の全部が冷却中に吸収した熱と共にサイクルに戻される。高圧蒸気タービン１２”の閉ループ蒸気冷却システムの詳細を図４及び５を参照して説明する。静翼の冷却を最初に説明する。図４に示すように、高圧タービン１２”は外側胴部１７により囲まれ、この胴部は内側胴部１９を取り囲む。これら内側及び外側胴部１７，１９はウエブにより連結されて３つのプレナム１２０，１２２，１２４を形成し、これらのプレナムは冷却用蒸気流３８，３９，４０をそれぞれ差し向ける働きがある。高圧燃焼器２は外側胴部１７の前端部に固着してある。ダクト１２６は、プレナム１２０を貫通して蒸気流５０を高圧燃焼器２からタービンの作動流体流路の入ロへ送り込む。図５に示すように、高圧静翼冷却用蒸気３８は、通路１１０を介して外側胴部１７内に流入し、パイプ１４１により円周方向に延びるパイプ１４２へ送られる。このパイプ１４２は、冷却用蒸気１８を３つの流れ６４，６５，６６に分割してパイプ１４４，１４６，１４８へ配分するマニホルド１４０を形成する。蒸気６４は、マニホルド１４０からパイプ１４４により内側胴部１９に形成した通路１５０へ送られる。通路１５０は蒸気６４を第１列の静翼１８０へ送り、その後静翼に形成した冷却通路１７０を流れるようにする。図示のように、各冷却通路１７０は単純なＵ字形である。しかしながら、当業者は容易に理解できるように、冷却通路１７０は蛇状のような種々の形態をとることが可能である。冷却通路１７０を通過すると、燃焼器からの蒸気５０から静翼１８０へ伝達される熱の一部が静翼１８０から冷却用蒸気６４へ伝達されて静翼を冷却すると共に冷却用蒸気が加熱される。加熱された蒸気６７は、静翼冷却通路１７０から通路１５２によりプレナム１２０へ送られる。同様に、パイプ１４６，１４８はそれぞれ、蒸気６５，６６をマニホルド１４０から内側胴部１９に形成した通路１３４，１５８へ差し向ける。通路１５４，１５８はそれぞれ、第２列の静翼１８２及び第３列の静翼１８４に形成した通路１７４，１７８へ蒸気を差し向けることによってこれらの静翼を冷却する。それぞれ冷却通路１７４，１７８から送られる加熱された蒸気６８，６９は、内側胴部１９に形成された通路１５６，１６０によりプレナム１２０へ送られる。図４に示すように、プレナム１２０からの、加熱された冷却用蒸気６７，６８，６９の結合流４４は、プレナムによりダクト１２６を経て高圧燃焼器２へ送られ、そこで、前述したように、燃焼器の温度を緩和して冷却する。引き続き図４を参照して、高圧タービン１２”の中圧静翼冷却用蒸気３９は、高圧静翼冷却用蒸気３８に関連して説明したと同じ態様で、通路１１２を通って外側胴部内１７に流入し、パイプによりプレナム１２２内のマニホルドを形成する円周方向パイプへ送られる。このマニホルドは、冷却用蒸気３９を２つの流れ７０，７１に分割するが、これらの流れはその後内側胴部１９の通路を経て第４及び第５列の静翼の冷却通路へ至るパイプへ配分される。内側胴部１９に形成されたさらに別の通路は、加熱された蒸気７２，７３を静翼冷却通路からプレナム１２２へ差し向ける。外側胴部１７の通路１１６は、加熱された冷却用蒸気７２をプレナム１２２から排出する。上述したように、加熱された中圧静翼冷却用蒸気７２は熱回収蒸気発生器１８からの冷却用蒸気の第２の流れ５８と混合された後、中圧タービン１４へ送られ、そこでさらに冷却作用を行う。高圧タービン１２の低圧静翼冷却用蒸気４０は、中圧静翼冷却用蒸気３９に関連して上述したと同じ態様で、通路１１４を通って外側胴部１７内へ流入した後、パイプにより、プレナム１２４内のマニホルドを形成する円周方向パイプへ送られる。このマニホルドは冷却用蒸気４０を２つの流れ７４，７５に分割するが、これら２つの流れはその後内側胴部１９内の通路を通って最終的に第６及び第７列静翼の冷却通路へ至る通路へ差し向けるパイプに配分される。内側胴部１９に形成されたさらに別の通路は、加熱された冷却用蒸気７６，７７を静翼冷却通路からプレナム１２４へ差し向ける。外側流れ案内手段１２８と内側胴部１９との間に形成されたギャップ１２５は、加熱された冷却用蒸気の流れ７６，７７をプレナム１２４から作動流体流路へ送り込み、そこで高圧タービン１２からの部分的に膨脹した流れ４８と混合させる。上述したように、冷却用蒸気の流れ４３はその後さらに加熱され、膨脹した蒸気流４８もその後さらに中圧燃焼器４内において再加熱される。回転動翼のための閉ループ蒸気冷却システムを説明する。図４に示すように、熱回収蒸気発生器１８からの冷却用蒸気３２の一部３６は、ロータ１４内に流入した後、マニホルド１３０を形成する円周方向に分布した複数の通路を介して軸方向に上流に向って流れる。或いはマニホルド１３０を単一の円形環状通路としてもよい。マニホルド１３０は、冷却用蒸気３６を高圧タービン１２のロータ１６の動翼の各列に配分する。図５を参照して、冷却用蒸気３６の一部８６は、ロータ１６に形成した半径方向通路１６２によりマニホルド１３０から第１列の回転動翼１８６へ送られた後、さらにその動翼に形成した冷却通路１７２を流れる。ブッシング１９０は、冷却用蒸気８６が直接マニホルド１３４内に流入するのを阻止する。図示のように、各冷却通路１７２は簡単なＵ字形である。しかしながら、当業者であれば容易に理解できるように、冷却通路１７２は蛇状のような種々の形態をとることができる。冷却通路１７２を流れる結果、燃焼器から流れ５０から動翼１８６へ伝達された熱の一部がこれらの動翼１８６から冷却用蒸気８６へ伝達されて、これらの動翼が冷却されると共に加熱用蒸気が加熱される。動翼冷却通路１７２から、加熱された蒸気９４が通路１６４によりマニホルド１３４へ送られる。同様に、第２列の動翼１８８のための冷却用蒸気８５は、通路１６６及びブッシング１９２を介して第２列の動翼１８８に形成された冷却通路１７６へ流れる。通路１６８は、加熱された冷却用蒸気９３をマニホルド１３４へ差し向ける。図４を参照して、冷却用蒸気８４は、同様に、第３列の動翼へ送られる。最初の３列の動翼からの加熱された冷却用蒸気９２，９３，９４の流れ４５は、マニホルド１３４によりプレナム１２０へ差し向けられる。プレナム１２０から、高圧動翼冷却用蒸気４５は、高圧静翼冷却用蒸気４４と共にプレナムによりダクト１２６を介して高圧燃焼器２へ送られ、そこで、前述したようにこれら蒸気流４４及び４５が温度を緩和する。図４にも示すように、ロータのマニホルド１３０もまた、蒸気流８０−８３を第４乃至第７列の回転動翼へ配分する。これらの列からの加熱された冷却用蒸気８７−９０の流れは、マニホルド１３２により内側流れ案内手段１２９とロータ１６との間に形成されたギャップ１２７へ送られる。このギャップ１２７からの、高圧タービン１２”の低圧動翼からの加熱された冷却用蒸気の結合流７８はその後作動流体流路へ差し向けられ、そこで高圧タービン１２”からの部分的に膨脹した蒸気４８と混合される。上述したように、低圧動翼冷却用蒸気７８は、低圧静翼冷却用蒸気４３と共に中圧燃焼器４内においてさらに加熱される。前述した高圧タービンの閉ループ蒸気冷却システムにより、非常に効率的な冷却が可能となり、それにより高圧タービン内のプロセス蒸気の第１の流れの膨脹が可能となる。さらに、冷却用蒸気の本質的に全部がサイクルに帰還するため、従来型の静翼及び動翼冷却方式に付随する熱力学的損失がなくなる。さらに、本発明を高圧タービンに関連して説明したが、発電所の他のタービンにも利用可能である。発電所１及び１’について前述したように、本発明の他の実施例は発電所１” の中圧タービン１４が開ループまたは閉ループの蒸気冷却システムを備え、図３に示す本発明の実施例は閉ループ蒸気冷却システムを備えている。発電所１”が開ループ蒸気冷却システムを備えている場合、冷却用蒸気４６の第３の流れは存在せず、発電所１”の運転パラメータの修正が必要となる。本発明による発電所は、本発明の構成要素の閉ループによる蒸気冷却を利用するため水素の燃焼による高効率の発電が可能となる。従って、本発明はその精神及び本質的特徴から逸脱することなく他の形態で実現することが可能であり、かくして本発明の技術的範囲の解釈については上記明細書の説明よりも後記の請求の範囲を参照されたい。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ニューバイ，リチャード，アレンアメリカ合衆国，ペンシルベニア州 15235 ピッツバーグ，スプリング・グローブ・ロード 149 (72)発明者ヤング，ウェン，チンアメリカ合衆国，ペンシルベニア州 15632 エクスポート，マウント・バーノン・アヴェニュー 236

Claims

【特許請求の範囲】１．（ａ）冷却用蒸気の第１の流れ、水素の第１の流れ、酸素の第１の流れを高圧燃焼器に供給し、（ｂ）高圧燃焼器において、水素の第１の流れと酸素の第１の流れを燃焼して高圧蒸気を発生させ、この高圧蒸気を冷却用蒸気の第１の流れと混合してプロセス蒸気の第１の流れを発生させ、（ｃ）高圧タービンにおいて、プロセス蒸気の第１の流れを膨脹させて軸出力及びプロセス蒸気の第２の流れを発生させ、（ｄ）プロセス蒸気の第２の流れ、水素の第２の流れ、酸素の第２の流れを中圧燃焼器に供給し、（ｅ）中圧燃焼器において、水素の第２の流れと酸素の第２の流れを燃焼して低圧蒸気を発生させ、この低圧蒸気をプロセス蒸気の第２の流れと混合してプロセス蒸気の第３の流れを発生させ、（ｆ）中圧タービンにおいて、プロセス蒸気の第３の流れを膨脹させて軸出力及びプロセス蒸気の第４の流れを発生させ、（ｇ）熱回収蒸気発生器において、プロセス蒸気の第４の流れを冷却してプロセス蒸気の第５の流れを発生させ、（ｈ）低圧タービンにおいて、プロセス蒸気の第５の流れを膨脹させて軸出力及びプロセス蒸気の第６の流れを発生させ、（ｉ）凝縮器において、プロセス蒸気の第６の流れを凝縮して給水流を発生させ、（ｊ）給水流の第１の部分と第２の部分をそれぞれ高圧給水ポンプと低圧給水ポンプに供給して高圧水流と低圧水流を形成し、（ｋ）高圧給水ポンプからの高圧水流を熱回収蒸気発生器に圧送して冷却用蒸気の第１の流れを発生させ、（ｌ）低圧給水ポンプからの低圧水流を熱回収蒸気発生器に圧送して冷却用蒸気の第２の流れを発生させ、（ｍ）中圧タービンを冷却用蒸気の第２の流れで冷却し、（ｎ）給水流の余剰部分を抽出するステップよりなる回転軸出力を発生する方法。２．中圧タービンは、開ループ蒸気冷却システムを含む請求項１の方法。３．さらに、（ｏ）高圧タービンを冷却用蒸気の第４の流れで冷却し、高圧タービンは開ループ蒸気冷却システムよりなり、さらに、（ｋ）冷却用蒸気の第１の流れと冷却用蒸気の第４の流れを発生させるステップを含む請求項２の方法。４．中圧タービンは閉ループ蒸気冷却システムよりなり、ステップ（ｄ）はさらに、プロセス蒸気の第３の流れを中圧燃焼器に供給するステップを含み、ステップ（ｅ）はさらに、中圧燃焼器において低圧蒸気を冷却用蒸気の第３の流れと混合してプロセス蒸気の第３の流れを発生させるステップを含み、ステップ（ｍ）はさらに、中圧タービンを冷却用蒸気の第２の流れで冷却して冷却用蒸気の第３の流れを発生させるステップを含む請求項１の方法。５．ステップ（ｂ）はさらに、プロセス蒸気の第１の流れを５００℃乃至９００ ℃の温度に加熱し、また２００バー乃至５００バーの圧力に加圧するステップを含み、ステップ（ｃ）はさらに、プロセス蒸気の第２の流れをほぼ４０バーの圧力に加圧するステップを含み、ステップ（ｅ）はさらに、プロセス蒸気の第３の流れを１５００℃乃至１７００℃の温度に加熱し、また２０バー乃至４０バーの圧力に加圧するステップを含み、ステップ（ｆ）はさらに、プロセス蒸気の第４の流れをほぼ１バーの圧力に加圧するステップを含み、ステップ（ｇ）はさらに、プロセス蒸気の第５の流れをほぼ１１０℃の温度に加熱するステップを含み、ステップ（ｈ）はさらに、プロセス蒸気の第６の流れをほぼ３５℃の温度に加熱し、またほぼ０．１バーの圧力に加圧するステップを含み、ステップ（ｋ）はさらに、冷却用蒸気の第１の流れをほぼ４４０℃の温度に加熱し、またほぼ４７０バーの圧力に加圧するステップを含み、ステップ（ｌ）はさらに、冷却用蒸気の第２の流れをほぼ２６０℃の温度に加熱し、またほぼ４５バーの圧力に加圧するステップを含む請求項４の方法。６．ステップ（ｂ）はさらに、プロセス蒸気の第１の流れをほぼ６５０℃の温度に加熱し、またほぼ３００バーの圧力に加圧するステップを含み、ステップ（ｅ）はさらに、プロセス蒸気の第３の流れをほぼ１７００℃の温度に加熱し、また３９バーの圧力に加圧するステップを含む請求項５の方法。７．さらに、ステップ（ｏ）は、高圧タービンを冷却用蒸気の第４の流れで冷却して冷却用蒸気の第５の流れを発生させ、高圧タービンは閉ループ蒸気冷却システムよりなり、ステップ（ａ）はさらに、冷却用蒸気の第５の流れを高圧燃焼器に供給するステップを含み、ステップ（ｂ）はさらに、高圧燃焼器内において、水素の第１の流れと酸素の第１の流れを燃焼して高圧蒸気を発生させ、この高圧蒸気を冷却用蒸気の第５の流れと混合するステップを含み、ステップ（ｋ）はさらに、冷却用蒸気の第１の流れと冷却用蒸気の第４の流れを発生させるステップを含む請求項４の方法。８．ステップ（ｂ）はさらに、プロセス蒸気の第１の流れをほぼ１６００℃の温度に加熱し、またほぼ２５０バーの圧力に加圧するステップを含み、ステップ（ｃ）はさらに、プロセス蒸気の第２の流れをほぼ９３５℃の温度に加熱し、またほぼ２５バーの圧力に加圧するステップを含み、ステップ（ｅ）はさらに、プロセス蒸気の第３の流れをほぼ１６００℃乃至１７００℃の温度に加熱し、またほぼ２４バーの圧力に加圧するステップを含み、ステップ（ｆ）はさらに、プロセス蒸気の第４の流れをほぼ８４０℃の温度に加熱し、またほぼ１バーの圧力に加圧するステップを含み、ステップ（ｇ）はさらに、プロセス蒸気の第５の流れをほぼ１１０℃の温度に加熱し、またほぼ１バーの圧力に加圧するするステップを含み、ステップ（ｈ）はさらに、プロセス蒸気の第６の流れをほぼ３３℃の温度に加熱し、またほぼ０．０５バーの圧力に加圧するステップを含み、ステップ（ｋ）はさらに、冷却用蒸気の第１の流れと冷却用蒸気の第４の流れをほぼ４００℃の温度に加熱し、冷却用蒸気の第１の流れをほぼ２６０バーの圧力に加圧し、また冷却用蒸気の第４の流れをほぼ３１０バーの圧力に加圧するステップを含み、ステップ（ｌ）はさらに、冷却用蒸気の第２の流れをほぼ３７５℃の温度に加熱し、またほぼ３０バーの圧力に加圧するステップを含み、ステップ（ｍ）はさらに、冷却用蒸気の第３の流れをほぼ６５０℃の温度に加熱し、またほぼ２７バーの圧力に加圧するステップを含み、ステップ（ｏ）はさらに、冷却用蒸気の第５の流れをほぼ６５０℃の温度に加熱し、またほぼ２８０バーの圧力に加圧するステップを含む請求項７の方法。９．高圧タービンは複数の構成要素を含み、ステップ（ｋ）はさらに、冷却用蒸気の第１の流れと冷却用蒸気の第４の流れを発生させるステップを含み、さらに、（ｑ）冷却用蒸気の第４の流れの第１の部分をタービン構成要素の少なくとも第１の部分に差し向けてタービン構成要素の第１の部分から冷却用蒸気の第４の流れの第１の部分へ熱を伝達させることにより、加熱された冷却用蒸気の第１の流れを発生させ、（ｒ）加熱された冷却用蒸気の第１の流れをプロセス蒸気の第１の流れと混合し、（ｓ）冷却用蒸気の第４の流れの第２の部分をタービン構成要素の第２の部分へ差し向けてタービン構成要素の第２の部分から冷却用蒸気の第４の流れの第２の部分へ熱を伝達させることにより、加熱された冷却用蒸気の第２の流れを発生させ、（ｔ）加熱された冷却用蒸気の第２の流れを冷却用蒸気の第２の流れと混合し、（ｕ）冷却用蒸気の第４の流れの第３の部分をタービン構成要素の第３の部分に差し向けてタービン構成要素の第３の部分から冷却用蒸気の第４の流れの第３の部分へ熱を伝達させることにより、加熱された冷却用蒸気の第３の流れを発生させ、（ｖ）加熱された冷却用蒸気の第３の流れをプロセス蒸気の第２の流れと混合するステップを含む請求項７の方法。１０．タービン構成要素の第１、第２及び第３の部分はそれぞれ、静翼及び回転動翼の第１、第２及び第３の部分よりなる請求項９の方法。１１．さらに、（ｏ）高圧タービンを冷却用蒸気の第４の流れで冷却し、高圧タービンは開ループ蒸気冷却システムよりなり、さらに、（ｋ）冷却用蒸気の第１の流れと冷却用蒸気の第４の流れを発生させるステップを含む請求項４の方法。１２．（ａ）高圧燃焼器が、（ｉ）冷却用蒸気の第１の流れと、水素の第１の流れと、酸素の第１の流れとを受ける手段と、（ｉｉ）水素の第１の流れと酸素の第１の流れを燃焼して高圧蒸気を発生させ、この高圧蒸気を冷却用蒸気の第１の流れと混合してプロセス蒸気の第１の流れを発生させる手段とを備え、（ｂ）高圧タービンがプロセス蒸気の第１の流れを受けて膨脹させることにより軸出力とプロセス蒸気の第２の流れを発生させる手段を備え、（ｃ）中圧燃焼器が、（ｉ）プロセス蒸気の第２の流れと、水素の第２の流れと、酸素の第２の流れを受ける手段と、（ｉｉ）水素の第２の流れと酸素の第２の流れを燃焼して低圧蒸気を発生させ、この低圧蒸気をプロセス蒸気の第２の流れと混合してプロセス蒸気の第３の流れを発生させる手段とを備え、（ｄ）中圧タービンが、（ｉ）プロセス蒸気の第３の流れを受けて膨脹させることにより軸出力とプロセス蒸気の第４の流れを発生させる手段と、（ｉｉ）中圧タービンを冷却用蒸気の第２の流れで冷却する手段とを備え、（ｅ）熱回収蒸気発生器が、（ｉ）プロセス蒸気の第４の流れを受けて冷却することによりプロセス蒸気の第５の流れを発生させる手段と、（ｉｉ）高圧水流を受けて冷却用蒸気の第１の流れを発生させる手段と、（ｉｉｉ）低圧水流を受けて冷却用蒸気の第２の流れを発生させる手段とを備え、（ｆ）低圧タービンがプロセス蒸気の第５の流れを受けて膨脹させることにより軸出力とプロセス蒸気の第６の流れを発生させる手段を備え、（ｇ）凝縮器がプロセス蒸気の第６の流れを受けて凝縮させることにより給水流を発生させる手段を備え、（ｈ）高圧ポンプが給水流の第１の部分を受けて高圧水流を発生させるポンプ手段を備え、（ｉ）低圧ポンプが給水流の第２の部分を受けて低圧水流を発生させるポンプ手段を備え、（ｊ）給水流の余剰部分を抽出する抽出手段よりなる発電所。１３．中圧タービンを冷却する手段は、冷却用蒸気の第２の流れを受ける手段と、冷却用蒸気の第２の流れをプロセス蒸気の第３の流れと混合する手段とを備えた開ループ蒸気冷却システムよりなる請求項１２の発電所。１４．熱回収蒸気発生器は、高圧水流を受けて冷却用蒸気の第４の流れを発生させる手段よりなり、高圧タービンは、冷却用蒸気の第４の流れを受ける手段と、冷却用蒸気の第４の流れをプロセス蒸気の第１の流れと混合する手段とを備えた開ループ蒸気冷却システムよりなる請求項１２の発電所。１５．中圧タービンを冷却する手段は、冷却用蒸気の第２の流れを受ける手段と、冷却用蒸気の第３の流れを発生させる手段とを備えた閉ループ蒸気冷却システムよりなり、中圧燃焼器は、冷却用蒸気の第３の流れを受けて冷却用蒸気の第３の流れを低圧蒸気と混合する手段を備えた請求項１２の発電所。１６．熱回収蒸気発生器は、高圧水流を受けて冷却用蒸気の第４の流れを発生させる手段よりなり、高圧タービンは、冷却用蒸気の第４の流れを受ける手段と、冷却用蒸気の第５の流れを発生させる手段とを備えた閉ループ蒸気冷却システムよりなり、高圧燃焼器は、冷却用蒸気の第５の流れを受けて高圧蒸気と混合する手段を備えた請求項１５の発電所。１７．熱回収蒸気発生器は、高圧水流を受けて冷却用蒸気の第１の流れと冷却用蒸気の第４の流れを発生させる手段を備え、高圧タービンは、（ｉ）タービン構成要素と、（ｉｉ）冷却用蒸気の第４の流れの第１の部分を受けて、タービン構成要素の第１の部分を冷却用蒸気の第４の流れの第１の部分で冷却することにより、加熱された冷却用蒸気の第１の流れを発生させる手段と、（ｉｉｉ）冷却用蒸気の第４の流れの第２の部分を受けて、タービン構成要素の第２の部分を冷却用蒸気の第４の流れの第２の部分で冷却することにより、加熱された冷却用蒸気の第２の流れを発生させる手段と、（ｉｖ）冷却用蒸気の第４の流れの第３の部分を受けて、タービン構成要素の第３の部分を冷却用蒸気の第４の流れの第３部分で冷却することにより、加熱された冷却用蒸気の第３の流れを発生させる手段とよりなる請求項１５の発電所。１８．タービン構成要素の第１、第２及び第３の部分はそれぞれ、静翼及び回転動翼の第１、第２及び第３の部分よりなる請求項１７の発電所。１９．高圧燃焼器は、加熱された冷却用蒸気の第１の流れを受ける手段と、加熱された冷却用蒸気の第１の流れを冷却用蒸気の第１の流れと混合する手段とを備え、中圧タービンは、加熱された冷却用蒸気の第２の流れを受ける手段と、中圧タービンを加熱された冷却用蒸気の第２の流れで冷却する手段とを備え、中圧燃焼器は、加熱された冷却用蒸気の第３の流れを受ける手段と、加熱された冷却用蒸気の第３の流れをプロセス蒸気の第２の流れと冷却用蒸気の第３の流れと混合する手段とを備えた請求項１７の発電所。２０．熱回収蒸気発生器は、高圧水流を受けて冷却用蒸気の第４の流れを発生させる手段よりなり、高圧タービンは、冷却用蒸気の第４の流れを受ける手段と、冷却用蒸気の第４の流れをプロセス蒸気の第１の流れと混合する手段とを備えた開ループ蒸気冷却システムよりなる請求項１５の発電所。２１．熱回収蒸気発生器は、高圧水流を受けて冷却用蒸気の第４の流れを発生させる手段よりなり、高圧タービンは、冷却用蒸気の第４の流れを受ける手段と、冷却用蒸気の第５の流れを発生させる手段とを備えた閉ループ蒸気冷却システムよりなり、高圧燃焼器は、冷却用蒸気の第５の流れを受けて高圧蒸気と混合する手段を備えた請求項１３の発電所。