JP2008045483A - ガスタービン設備 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービン設備に使用する燃料の特質に基づき圧縮機の駆動出力を抑制し、高効率化を図ることができるガスタービン設備を提供することである。
【解決手段】空気を圧縮して圧縮空気を得る第１の圧縮機１１ａと、第１の圧縮機１１ａで得られた圧縮空気の熱量を用いて吸熱反応で改質される燃料を改質するための改質器１５と、改質器１５で熱交換され冷却された圧縮空気を再度圧縮する第２の圧縮機１１ｂと、改質器１５で改質された燃料及び第２の圧縮機１１ｂで得られた圧縮空気を混合して燃焼する燃焼器１２と、燃焼器１２の燃焼ガスで駆動されるガスタービン単体１３とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明はガスタービン設備に関する。

近年においては、火力発電設備の燃料も多様化しており、石油、石炭、ＬＮＧに加えてバイオマス燃料などの新エネルギーの導入が図られている。ガスタービン設備においてもＬＮＧに換わる燃料が使用されている。重質油を高温・高圧水と反応させて改質燃料を製造する重質油改質装置を適用したガスタービン発電システムがある（例えば、特許文献１参照）。

図３は、ガスタービン設備の説明図である。圧縮機１１で空気Ａｉｒが圧縮され、圧縮機１１で圧縮された温度Ｔ１の圧縮空気は燃焼器１２に供給され、一方、燃焼器１２には燃料も供給される。燃焼器１２では、圧縮空気と燃料とを混合して燃料を燃焼させ、その燃焼ガスでガスタービン単体１３を駆動する。そして、ガスタービン単体１３に連結された発電機１４を駆動して発電する。また、ガスタービン単体１３で仕事を終えた温度Ｔ２の排ガスは外部に排出される。

ガスタービン単体１３は圧縮機１１と発電機１４とを駆動するので、ガスタービン単体１３の出力Ｐｔは、圧縮機１１を駆動するのに必要な駆動出力Ｐｃと発電機出力Ｐｇとの和とほぼ等しくなり、発電機出力Ｐｇは（１）式で示される。

Ｐｇ≒Ｐｔ−Ｐｃ …（１）
つまり、燃料が保有するエネルギーは、燃焼によりガスタービン単体１３の出力Ｐｔに変換され、その出力Ｐｔから圧縮機１１を駆動するのに必要な駆動出力Ｐｃを差し引いたものが発電機出力Ｐｇとなる。

一方、このようなガスタービン設備においては高効率化が要請されている。ガスタービン設備の高効率化は、一般に、燃焼器での燃焼温度を上昇させて高効率化を図るようにしている。
特開２００５−３３７２１４号公報

しかし、高温に耐える材料の開発が必要となることから、高効率化のために燃焼温度を高温化するにも限度がある。一方、新しい燃料を使用する場合にあっても高効率を維持できるようにすることが望まれるが、ガスタービン設備では、圧縮機１１を有していることから圧縮機１１を駆動する駆動出力も必要となる。つまり、燃料の保有するエネルギーは発電機１４だけでなく圧縮機１１を駆動するエネルギーとしても使用されることになる。従って、圧縮機１１の駆動出力を抑制することによってもガスタービン設備の高効率化を図ることは可能となる。

本発明の目的は、ガスタービン設備に使用する燃料の特質に基づき圧縮機の駆動出力を抑制し、高効率化を図ることができるガスタービン設備を提供することである。

請求項１の発明に係わるガスタービン設備は、空気を圧縮して圧縮空気を得る第１の圧縮機と、前記第１の圧縮機で得られた圧縮空気の熱量を用いて吸熱反応で改質される燃料を改質するための改質器と、前記改質器で熱交換され冷却された圧縮空気を再度圧縮する第２の圧縮機と、前記改質器で改質された燃料及び前記第２の圧縮機で得られた圧縮空気を混合して燃焼する燃焼器と、前記燃焼器の燃焼ガスで駆動されるガスタービン単体とを備えたことを特徴とする。

請求項２の発明に係わるガスタービン設備は、請求項１の発明において、吸熱反応で改質する燃料は、ジメチルエーテル、メタノールまたはエタノールであることを特徴とする。

本発明によれば、吸熱反応で改質される燃料を使用するにあたり、第１の圧縮機と第２の圧縮機とを設け、第１の圧縮機で得られた圧縮空気の熱量を用いて燃料を改質し、その改質により温度が低下した圧縮空気を第２の圧縮機で圧縮して燃焼器に供給するので、圧縮機全体の効率を高めることができる。従って、圧縮機の駆動出力を抑制することができ、ガスタービン設備全体の効率を高めることができる。

図１は本発明の実施の形態に係わるガスタービン設備の構成図である。図３に示した従来例に対し、２台の圧縮機１１ａ、１１ｂを設けると共に、燃料を改質する改質器１５を追加して設けたものである。図３と同一要素には、同一符号を付し重複する説明は省略する。

図１において、第１の圧縮機１１ａで空気Ａｉｒが圧縮され、第１の圧縮機１１ａで圧縮された温度Ｔ１１の圧縮空気は改質器１５に供給される。一方、燃焼器１２には、燃料としてジメチルエーテルＤＭＥ（ＣＨ_３ＯＣＨ_３）が供給される。ジメチルエーテルＤＭＥは一定の温度下での吸熱反応で改質される燃料である。改質に必要とする一定温度（約３００℃）を確保するために、第１の圧縮機１１ａで圧縮された温度Ｔ１１の圧縮空気が供給される。すなわち、第１の圧縮機１１ａでは、圧縮空気の温度Ｔ１１が改質に必要な一定温度（約３００℃）となるように空気Ａｉｒを圧縮し、その圧縮空気を改質器１５に供給する。燃料であるジメチルエーテルＤＭＥの改質は一定温度下での吸熱反応であり、以下の化学式で示される。

ＣＨ_３ＯＣＨ_３＋ＣＯ_２＋５８ｋｃａｌ／ｍｏｌ→３ＣＯ＋３Ｈ_２
すなわち、改質器１５では、ジメチルエーテルＤＭＥを改質して水素Ｈ_２及び一酸化炭素ＣＯを得る。その際に、第１の圧縮機１１ａからの圧縮空気により改質に必要な温度での熱量の供給を受ける。つまり、改質器１５で熱交換され圧縮空気は冷却される。従って、改質器１５の出口の圧縮空気の温度Ｔ１２は、改質器１５の入口温度Ｔ１１より低い値となる。改質器１５の出口の圧縮空気は、第２の圧縮機１１ｂで再び圧縮され、燃焼器１２での燃焼に必要な圧力まで昇圧されて温度Ｔ１３の圧縮空気となって燃焼器１２に供給される。

一方、改質器１５で改質して得られた水素Ｈ_２及び一酸化炭素ＣＯは燃焼器１２に供給され、第２の圧縮機１１ｂで圧縮された圧縮空気と混合して燃焼する。この燃焼ガスによりガスタービン単体１３を駆動し、ガスタービン単体１３に連結された発電機１４を駆動する。

ガスタービン単体１３は第１の圧縮機１１ａ、第２の圧縮機１１ｂ、発電機１４を駆動するので、ガスタービン単体１３の出力Ｐｔは、第１の圧縮機１１ａを駆動するのに必要な駆動出力Ｐｃ１、第２の圧縮機１１ｂを駆動するのに必要な駆動出力Ｐｃ２、発電機出力Ｐｇとの和とほぼ等しくなる。従って、発電機出力Ｐｇは（２）式で示される。

Ｐｇ≒Ｐｔ−（Ｐｃ１＋Ｐｃ２） …（２）
ここで、本発明の実施の形態では、圧縮機１１を第１の圧縮機１１ａと第２の圧縮機１１ｂの２段にして、中間段で燃料の改質のために燃料に熱量を供給し圧縮空気を冷却している。また、圧縮機１１は温度が低いと効率がよくなるという特性を有する。このことから、第１の圧縮機１１ａと第２の圧縮機１１ｂとを駆動するのに必要な駆動出力Ｐｃ’は、１台の圧縮機１１を駆動するのに必要な駆動力Ｐｃよりも小さくなる。以下、この点について説明する。

図２は、圧縮機１１のエンタルピーｈとエントロピーｓとの特性図である。Ｐ１は圧縮機入口圧力等圧線、Ｐ２は圧縮機出口圧力等圧線、Ｐ３は圧縮機中間段圧力等圧線である。図２から分かるように、圧縮機出口圧力等圧線Ｐ２、圧縮機中間段圧力等圧線Ｐ３は、圧縮機入口圧力等圧線Ｐ１に対しエンタルピーｓが大きくなると、勾配が大きくなる開き気味の特性となっている。また、圧縮機１１で空気を圧縮したときのエンタルピーｈの変化は、原則的に等エントロピーで変化するが、実際には損失があるのでエントロピーが増大する特性を有する。例えば、圧縮機１１での圧縮前の状態がＡ１点であった場合に、圧縮機１１で空気を圧縮するとＡ２点に遷移する。

すなわち、圧縮機１１での圧縮前の空気のエンタルピーｈがｈ１でエントロピーｓがｓ１であるＡ１点の状態で空気を圧縮すると、圧縮機１１の出口における圧縮空気のエンタルピーｈはｈ２となりエントロピーｓはｓ２となるＡ２点に遷移する。この場合の圧縮機中間段のＡ３点では、エンタルピーｈがｈ３でエントロピーｓがｓ３である。従って、圧縮機１１を駆動するのに必要な駆動出力Ｐｃは、圧縮機１１の入口のＡ１点から圧縮機の中間段のＡ３点までのエンタルピー変化Ｈ１と、圧縮機１１の中間段のＡ３点から圧縮機の出口のＡ２点までのエンタルピー変化Ｈ２との和（Ｈ１＋Ｈ２）となる。

一方、本発明の実施の形態のように、圧縮機１１を第１の圧縮機１１ａと第２の圧縮機１１ｂの２段にして、中間段で改質のために熱量を放出し冷却すると、中間段である第２の圧縮機１１ｂの入口のエントロピーｓが減少する。

いま、圧縮前の状態がＡ１点であった場合に、第１の圧縮機１１ａで空気を圧縮したとするとＡ３点に遷移する。そして、中間段で改質のための冷却により中間段でのエントロピーｓが減少し、空気のエントロピーｓがｓ４となるＡ４点に遷移したとする。このＡ４点の状態で、第２の圧縮機１１ｂで空気を圧縮すると、第２の圧縮機１１ｂの出口における圧縮空気のエンタルピーｈはｈ５となりエントロピーｓはｓ５となるＡ５点に遷移する。

従って、第１の圧縮機１１ａを駆動するのに必要な駆動出力Ｐｃ１は、第１の圧縮機１１ａの入口のＡ１点から第１の圧縮機１１ａの出口のＡ３点までのエンタルピー変化Ｈ１となる。一方、第２の圧縮機１１ｂを駆動するのに必要な駆動出力Ｐｃ２は、第２の圧縮機１１の入口のＡ４点から第２の圧縮機１１ａの出口のＡ５点までのエンタルピー変化Ｈ３となる。このことから、第１の圧縮機１１ａと第２の圧縮機１１ｂとの双方を駆動するのに必要となる駆動力Ｐｃ’は、これらの和（Ｈ１＋Ｈ３）となる。

ここで、圧縮機中間段圧力等圧線Ｐ３は、圧縮機出口圧力等圧線Ｐ２に対しエンタルピーｓが大きくなると、勾配が大きくなる開き気味の特性となっていることから、エントロピーｓが小さい領域では、エンタルピーｈの変化も小さくなる。つまり、Ｈ３＜Ｈ２となり、第１の圧縮機１１ａと第２の圧縮機１１ｂとを駆動するのに必要な駆動出力Ｐｃ’は、１台の圧縮機１１を駆動するのに必要な駆動力Ｐｃよりも小さくなる。

このように、吸熱反応で改質される燃料であるジメチルエーテルＤＭＥを使用するにあたり、第１の圧縮機１１ａで得られた圧縮空気の熱量を用いてジメチルエーテルＤＭＥを改質し、その改質により温度が低下した圧縮空気を第２の圧縮機１１ｂで圧縮して燃焼器１２に供給するので、圧縮機１１ａ、１１ｂ全体の効率を高めることができる。

以上の説明では、吸熱反応で改質する燃料としてジメチルエーテルＤＭＥを用いた場合について説明したが、ジメチルエーテルＤＭＥに代えて、メタノール、エタノール、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、ガソリン、軽油等の吸熱反応で改質できる燃料を用いてもよい。また、石炭をガス化する際も吸熱反応であることから、ガス化した燃料を燃焼器で燃焼させる場合には、石炭ガス化に必要な熱量を第１の圧縮機１１ａから供給するようにしてもよい。

第１の実施の形態によれば、第１の圧縮機１１ａと第２の圧縮機１１ｂとを設け、第１の圧縮機１１ａで得られた圧縮空気の熱量を用いて燃料を改質し、その改質により温度が低下した圧縮空気を第２の圧縮機１１ｂで圧縮して燃焼器１２に供給するので、圧縮機１１全体の効率を高めることができ、ガスタービン設備全体の効率を高めることができる。

本発明の実施の形態に係わるガスタービン設備の構成図。 圧縮機のエンタルピーｈとエントロピーｓとの特性図。 ガスタービン設備の説明図。

符号の説明

１１…圧縮機、１１ａ…第１の圧縮機、１１ｂ…第２の圧縮機、１２…燃焼器、１３…ガスタービン単体、１４…発電機、１５…改質器

Claims (2)

1. 空気を圧縮して圧縮空気を得る第１の圧縮機と、
   前記第１の圧縮機で得られた圧縮空気の熱量を用いて吸熱反応で改質される燃料を改質するための改質器と、
   前記改質器で熱交換され冷却された圧縮空気を再度圧縮する第２の圧縮機と、
   前記改質器で改質された燃料及び前記第２の圧縮機で得られた圧縮空気を混合して燃焼する燃焼器と、
   前記燃焼器の燃焼ガスで駆動されるガスタービン単体と、
   を備えたことを特徴とするガスタービン設備。
2. 吸熱反応で改質する燃料は、ジメチルエーテル、メタノールまたはエタノールであることを特徴とする請求項１記載のガスタービン設備。
   

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