JP2016070126A - ガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】
水素ガスと水蒸気との予混合気が燃焼室に導入して燃焼させるガスタービンにおいて、水蒸気が燃焼室に導入する前に凝縮するのを防止する。
【解決手段】
本発明に係るガスタービン１００は、水素ガスと水蒸気の混合気を燃焼室に導入する燃料噴射ノズル２３と、燃料噴射ノズル２３に水蒸気を供給して燃焼温度を低下させる水蒸気供給ユニット４０と、燃料噴射ノズル２３に供給される水素ガスを加熱する加熱装置６０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素ガスを燃料とするガスタービンに関する。

水素ガスを燃料とするガスタービンは、燃焼による二酸化炭素や一酸化炭素は排出されず、排気ガスがクリーンであるという利点がある（特許文献１参照）。

特表２０１０−５３５３０３号公報

ところで、水素は極低温で貯蔵されるため、水素ガスを燃料とするガスタービンでは、水素ガスが低温の状態で供給されることが想定される。この場合、水素ガスと水蒸気との予混合気が燃焼室内に導入される前に水蒸気の一部が凝縮し、水滴化する結果、燃焼室に供給される水蒸気量が減少して燃焼温度が高くなり、ＮＯｘの発生量を抑えることができなくなる。

本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、水素ガスと水蒸気との予混合気が燃焼室に導入して燃焼させるガスタービンにおいて、水蒸気が燃焼室に導入する前に凝縮するのを防止することを目的とする。

本発明のある形態に係るガスタービンは、水素ガスと水蒸気の混合気を燃焼室に導入する燃料噴射ノズルと、前記燃料噴射ノズルに水蒸気を供給する水蒸気供給ユニットと、前記燃料噴射ノズルに供給される水素ガスを加熱する加熱装置と、を備えている。

かかる構成によれば、加熱装置により加熱された水素ガスと水蒸気が混合するため、水蒸気が燃焼室に導入される前に凝縮せず、燃焼室に供給される水素ガスに十分な量の水蒸気が含まれて燃焼温度が抑制される。したがって、燃焼反応によるＮＯｘの発生量をより確実に抑制することができる。

また、上記のガスタービンにおいて、前記加熱装置は、当該ガスタービンの排気ガスの熱を前記水素ガスに供給する熱交換部を有していてもよい。

かかる構成によれば、排気ガスの熱を水素ガスの加熱のために有効に利用することができるとともに、加熱装置の熱源をガスタービンの外部から得る必要がない。

また、上記のガスタービンにおいて、前記水蒸気供給ユニットは、当該水蒸気供給ユニットに供給される水を加熱して前記燃焼器に供給する水蒸気を生成する水蒸気生成装置を有し、前記水蒸気供給ユニットに供給される水の少なくとも一部は、前記熱交換部において前記水素ガスに熱を供給した排気ガスから発生した凝縮水であってもよい。

水素ガスを燃料とするガスタービンの場合、燃焼による化学反応によって多くの水が発生する。そのため、上記の構成によれば、排気ガスに含まれる水蒸気を有効に利用することができる。

上述のとおり、上記のガスタービンによれば、水蒸気が燃焼室に導入する前に凝縮するのを防止することができる。

図１は、実施形態に係るガスタービンの概略構成図である。

以下、本発明の実施形態について図を参照しながら説明する。以下では、全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同じ符号を付して、重複する説明は省略する。

図１は、ガスタービン１００の概略構成図である。図中の破線は燃料（水素ガス）の流路を示しており、実線は空気の流路を示しており、一点鎖線は燃焼ガス及び排気ガスの流路を示しており、点線は水及び水蒸気の流路を示している。

本実施形態に係るガスタービン１００は、発電機１０１を駆動する発電用のガスタービンであり、その排熱は蒸気タービン発電に利用される。つまり、ガスタービン１００は、コンバインドサイクル発電システムの一部を構成する。また、本実施形態に係るガスタービン１００は水素ガスを燃料としており、ガスタービン１００には低温の水素ガスが供給される。なお、ここでいう「低温」とは、例えば０゜Ｃ以下を意味する。

図１に示すように、ガスタービン１００は、圧縮機１０と、燃焼器２０と、タービン３０と、水蒸気供給ユニット４０と、空気乾燥装置５０と、加熱装置６０と、を備えている。以下、これらの各構成要素について順に説明する。

圧縮機１０は、後述する空気乾燥装置５０を通過した空気（外気）を圧縮し、圧縮した空気を燃焼器２０に供給するように構成されている。圧縮機１０には発電機１０１が接続されており、圧縮機１０の回転に伴って発電機１０１が回転し、これにより発電が行われる。

燃焼器２０は、ハウジング２１と、燃焼筒２２と、燃料噴射ノズル２３とを有している。なお、本実施形態の燃焼器２０は、空気と燃焼ガスが逆方向に流れる逆流缶型であるが、逆流缶型以外の構造を採用してもよい。ハウジング２１は、円筒状の形状を有しており、その内部に燃焼筒２２が配置されている。燃焼筒２２も円筒状の形状を有しており、内部には燃焼室２４が形成されている。燃料噴射ノズル２３は、ハウジング２１及び燃焼筒２２を貫通し、燃焼室２４に水素ガスを噴射するように構成されている。

ハウジング２１と燃焼筒２２の間には環状の空気通路２５が形成されており、圧縮機１０で圧縮された空気は空気通路２５を紙面左側に向かって流れる。空気通路２５を通過した空気は、燃焼筒２２のうち燃料噴射ノズル２３の周辺に形成された空気孔２６を介して燃焼室２４に供給される。燃焼室２４では、水素ガスと空気が燃焼することで燃焼ガスが生成される。生成された燃焼ガスは、燃焼室２４内を紙面右側に向かって流れる。

タービン３０には、燃焼器２０で生成された高温高圧の燃焼ガスが供給される。タービン３０は、燃焼ガスのエネルギによって回転する。タービン３０は連結軸３１を介して圧縮機１０と接続されており、タービン３０が回転するのに伴って圧縮機１０も回転する。タービン３０を通過した燃焼ガス、すなわち排気ガスは蒸気タービン発電用のボイラ１０２に供給される。また、排気ガスの一部は、加熱装置６０へ供給される。

水蒸気供給ユニット４０は、燃焼器２０に水蒸気を供給して燃焼温度を低下させるユニットである。水蒸気供給ユニット４０は、流量調整バルブ４１と、送水ポンプ４２と、水蒸気生成装置４３と、を有している。流量調整バルブ４１は、水蒸気供給ユニット４０に供給される水の量を調整するバルブである。つまり、流量調整バルブ４１は、燃焼器２０に供給する水蒸気量を調整することができる。送水ポンプ４２は、流量調整バルブ４１の下流に位置し、水蒸気供給ユニット４０に供給された水を水蒸気生成装置４３に送るポンプである。水蒸気生成装置４３は、供給された水を加熱して水蒸気を生成する装置である。なお、水蒸気生成装置４３の熱源は特に限定されないが、ガスタービン１００から排出される排気ガスを利用してもよい。

本実施形態の水蒸気供給ユニット４０は、生成した水蒸気を燃料噴射ノズル２３に供給する。つまり、水蒸気は、燃料噴射ノズル２３を介して燃焼室２４に供給される。これにより、水蒸気は水素ガスと混合された状態で燃焼室２４に供給される。このように、燃焼室２４に供給する前に予め水蒸気を水素ガスと混合させることで、燃焼室２４において燃焼が行われる燃焼エリアと水蒸気が供給されるエリアが一致することになる。そのため、水蒸気が燃焼エリア全体に分布し、ＮＯｘの発生を有効に抑えることができる。なお、本実施形態では、水蒸気供給ユニット４０は燃料噴射ノズル２３に直接水蒸気を供給しているが、水素ガスの流路上であって燃料噴射ノズル２３の上流に水蒸気を供給してもよい。

また、本実施形態では、給水タンク４４、空気乾燥装置５０、及び加熱装置６０から水蒸気供給ユニット４０へ水が供給される。このうち、空気乾燥装置５０、及び加熱装置６０から供給される水については後で説明する。なお、本実施形態では、水蒸気供給ユニット４０へは、給水タンク４４、空気乾燥装置５０、及び加熱装置６０の全てから水が供給されるが、これらの一部のみから水が供給されてもよい。例えば、加熱装置６０のみから水蒸気供給ユニット４０に水が供給されるようにしてもよい。

空気乾燥装置５０は、燃焼器２０に供給する空気を乾燥状態にする装置である。本実施形態の空気乾燥装置５０は、空気の流路上において圧縮機１０の上流に位置している。そのため、空気乾燥装置５０は、外部から取り込んだ空気（外気）を乾燥状態にして圧縮機１０へ供給する。乾燥状態の空気は圧縮機１０で圧縮された後、燃焼器２０に供給される。なお、本実施形態では、乾燥させた空気を圧縮しているが、圧縮した空気を乾燥させてもよい。つまり、空気の流路上において、空気乾燥装置５０を圧縮機１０の下流に設置してもよい。ただし、本実施形態のように圧縮機１０に供給する空気を乾燥させることで、圧縮機１０の負荷を減らすことができる。

本実施形態の空気乾燥装置５０は、水素ガスを用いて空気を乾燥させている。具体的には、空気乾燥装置５０は、水素ガスと空気の熱交換を行う第１熱交換部５１を有している。例えば、第１熱交換部５１に−２０゜Ｃの水素ガスと常温の空気を供給し、水素ガスが空気の熱を奪って空気を５゜Ｃにまで冷却する。これにより、空気に含まれる水蒸気が凝縮して取り除かれ、空気は乾燥状態となる。また、空気からは凝縮水が発生するが、本実施形態では、この凝縮水を水蒸気供給ユニット４０に供給している。なお、水素ガスと空気の熱交換によって空気を乾燥させる場合、水素ガスの温度は−２０゜Ｃから０゜Ｃであることが望ましい。水素ガスの温度が−２０゜Ｃよりも低くければ、空気の流路側に氷が発生して流路が詰まるおそれがあるからである。また、水素ガスの温度が０゜Ｃよりも高ければ、空気を十分に乾燥できないおそれがあるからである。

ここで、水素ガスを燃料とするガスタービン１００は、燃焼による化学反応によって水が発生するが、そのうえ上記のようにＮＯｘの排出量を抑えるために燃焼器２０に水蒸気を供給すれば、排気ガスには非常に多くの水蒸気が含まれることになる。そのため、排気ガスが供給されるボイラ１０２には結露が発生し、ボイラ１０２の伝熱性能の低下や腐食の発生を招くおそれがある。これを防ぐためには、水蒸気供給ユニット４０から燃焼器２０へ供給する水蒸気量と燃焼器２０へ供給する空気に含まれる水蒸気量を合わせた量（以下、「総水蒸気量」という）を調整する必要がある。

しかしながら、燃焼器２０へ供給する空気に含まれる水蒸気量を測定するのは容易ではないことから、当然ながら総水蒸気量を調整することも容易ではない。そこで、本実施形態では、上記のように燃焼器２０に供給する空気を乾燥状態とすることで、空気に含まれる水蒸気量を考慮することなく（すなわち、燃焼器２０に供給される空気には水蒸気は含まれないと想定して）、総水蒸気量を調整することができる。つまり、ガスタービン１００の運転状態によって決まる流量調整バルブ４１の開度制御のみで、総水蒸気量を調整することができ、総水蒸気量の調整が容易となる。

加熱装置６０は、燃料噴射ノズル２３に供給される水素ガスを加熱するとともに、水素ガスを介して燃料噴射ノズル２３を加熱する装置である。加熱装置６０は水素ガスの流路上において空気乾燥装置５０の下流に位置している。つまり、空気乾燥装置５０を通過した水素ガスが、加熱装置６０に流入する。本実施形態の加熱装置６０は、排気ガスを用いて水素ガスを加熱している。具体的には、加熱装置６０は、水素ガスと排気ガスの熱交換を行う第２熱交換部６１を有している。第２熱交換部６１では、排気ガスの熱が水素ガスに供給され、水素ガスは加熱される。そのため、排気ガスの熱を有効に利用することができ、また、ガスタービンの外部から加熱装置６０の熱源を得る必要もない。

本実施形態では、水蒸気供給ユニット４０から供給される水蒸気が水素ガスと接触したとき又は燃料噴射ノズル２３と接触したときに凝縮しない温度にまで水素ガスを加熱する。具体的には、水素ガスの温度が水蒸気供給ユニット４０から供給される水蒸気の供給温度以上であって、その水蒸気の供給温度に１０゜Ｃを加えた温度以下となるようにする。例えば、水蒸気供給ユニット４０から供給される水蒸気の温度が２２０゜Ｃであるとすると、加熱装置６０は、２２０゜Ｃ以上で２３０゜Ｃ以下になるように水素ガスを加熱する。なお、水蒸気供給ユニット４０の水蒸気生成装置４３と加熱装置６０の熱源が同じであれば、水蒸気供給ユニット４０から供給される水蒸気と燃料噴射ノズル２３に供給される水素ガスの温度を同じにすることができる。

上記のとおり、水素ガスの温度を水蒸気供給ユニット４０から供給される水蒸気の温度以上とすることで、水素ガス又は燃料噴射ノズル２３に触れた水蒸気が凝縮することはない。ただし、水素ガスを加熱しすぎると、ガスタービン１００の排熱が無駄に使われるおそれがある。そのため、水素ガスの温度は水蒸気供給ユニット４０から供給される水蒸気の温度に１０゜Ｃを加えた温度以下となるようにするのが望ましい。

また、本実施形態のガスタービン１００は水素ガスを燃料としていることから、水素ガスが燃焼することで水が生成され、排気ガスには多くの水蒸気が含まれている。そのため、第２熱交換部６１での熱交換により温度が低下した排気ガスからは、多くの凝縮水が発生する。第２熱交換部６１から発生した凝縮水は、前述のとおり水蒸気供給ユニット４０に供給される。これにより、第２熱交換部６１から発生した凝縮水を有効に利用することができる。

なお、ＬＮＧ（天然ガス）を燃料とするガスタービンでは、排気ガスに二酸化炭素や一酸化炭素などが含まれる。これに対し、本実施形態のように水素ガスを燃料とするガスタービン１００では、排気ガスに二酸化炭素や一酸化炭素がほとんど含まれない。そのため、本実施形態の第２熱交換部６１から発生する凝縮水は、二酸化炭素等の不純物がほとんど溶け込んでおらず、燃焼器２０に供給する水蒸気として利用しても燃焼器２０に悪影響を及ぼすことはない。

なお、本実施形態では、空気乾燥装置５０の第１熱交換部５１と加熱装置６０の第２熱交換部６１は、いずれも熱交換によって水素ガスの温度を上昇させるものである。そのため、空気乾燥装置５０と加熱装置６０の位置を換え、水素ガスの流路上で加熱装置６０を空気乾燥装置５０よりも上流に配置することも考えられる。しかしながら、そのように配置すると、空気乾燥装置５０に流入する水素ガスの温度が高すぎて（上記の例でいえば水素ガスの温度は２２０゜Ｃ）、空気を冷却（上記の例でいえば冷却後の空気の温度は５゜Ｃ）することができない。そのため、加熱装置６０は、水素ガスの流路上で空気乾燥装置５０よりも下流に配置されている。

また、本実施形態では、空気乾燥装置５０は熱交換によって空気を乾燥しているが、熱交換以外の方法で空気を乾燥させてもよい。同様に、加熱装置６０も熱交換によって水素ガスを加熱しているが、熱交換以外の方法で水素ガスを乾燥させてもよい。

本発明によれば、水蒸気が燃焼室に導入する前に凝縮するのを防止することができる。よって、水素ガスと水蒸気との予混合気が燃焼室に導入して燃焼させるガスタービンの技術分野において有益である。

２３ 燃料噴射ノズル
２４ 燃焼室
４０ 水蒸気供給ユニット
４３ 水蒸気生成装置
６０ 加熱装置
６１ 第２熱交換部（熱交換部）
１００ ガスタービン

Claims (3)

1. 水素ガスと水蒸気の混合気を燃焼室に導入する燃料噴射ノズルと、
   前記燃料噴射ノズルに水蒸気を供給する水蒸気供給ユニットと、
   前記燃料噴射ノズルに供給される水素ガスを加熱する加熱装置と、を備えた、ガスタービン。
2. 前記加熱装置は、当該ガスタービンの排気ガスの熱を前記水素ガスに供給する熱交換部を有する、請求項１に記載のガスタービン。
3. 前記水蒸気供給ユニットは、当該水蒸気供給ユニットに供給される水を加熱して前記燃料噴射ノズルに供給する水蒸気を生成する水蒸気生成装置を有し、
   前記水蒸気供給ユニットに供給される水の少なくとも一部は、前記熱交換部において前記水素ガスに熱を供給した排気ガスから発生した凝縮水である、請求項２に記載のガスタービン。

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