JP2880925B2 - 水素燃焼ガスタービンプラント - Google Patents

水素燃焼ガスタービンプラント

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JP2880925B2
JP2880925B2 JP7030727A JP3072795A JP2880925B2 JP 2880925 B2 JP2880925 B2 JP 2880925B2 JP 7030727 A JP7030727 A JP 7030727A JP 3072795 A JP3072795 A JP 3072795A JP 2880925 B2 JP2880925 B2 JP 2880925B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は水素を燃料とするガスタ
ービンを用いた水素燃焼ガスタービンプラントに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】一般に、水素を燃料とするガスタービン
プラントは、従来の化石燃料を用いたプラントとは異な
り、地球温暖化の原因とされている炭酸ガス（ＣＯ2 ）
を排出しないため、新しい世代のクリーンエネルギー源
として注目されている。また、水素は燃焼した後に不活
性な水蒸気となるために、水蒸気または他の不活性なガ
スを作動流体としたクローズドサイクルで利用すると、
高温酸化による問題を回避することができる。現在の化
石燃料を用いるオープンサイクルガスタービンプラント
は、燃料により生じた酸化ガスや、作動流体に相当量残
存する酸素が原因で作動流体が高温酸化し、この高温酸
化による高温部品の劣化が問題となっている。
【０００３】高温酸化は、タービンを構成する部品、特
に作動流体に接する部品の温度が高くなるほど進行が速
くなる。このため、当該部品に対しては冷却を行う必要
があるが、この冷却に使用する冷却媒体が増加するほ
ど、ガスタービンプラントの熱効率は低下することが知
られており、現に作動流体の高温化に伴い、少ない冷却
媒体量で冷却を行うための技術開発が盛んに行われてき
た。
【０００４】一方、ガスタービンプラントでは、最高温
度を高めるほど熱効率が上昇することが知られており、
前述の冷却技術開発の成果と併せて、この最高温度は近
年加速度的に上昇してきた。しかしながら、冷却に対す
る技術開発にも最近では限界が見られ、最高温度を上昇
させることで得られる熱効率の上昇分が、冷却媒体量の
増加に伴う熱効率の低下に見合わなくなってきており、
最高温度の上昇は頭打ちになろうとしている。
【０００５】水素を燃料とする発電プラントは、別の意
味でも注目されている。すなわち、水素は電力があれ
ば、化石燃料とは異なり、どのような場所でも生産が可
能であるという点である。このことは、水力等の潜在的
な電力資源が豊富にも拘らず、それを必要とする産業・
民需が不足している発展途上国が、水素というエネルギ
ー源を生産し輸出することにより産業の活性化を図るこ
とが可能であるということである。
【０００６】以上の点より、水素を燃料とした発電シス
テムは注目されており、我が国でも国家プロジェクトと
して、水素の生産から輸送・貯蔵、そして利用の技術の
研究開発がスタートしている。
【０００７】このように非常に注目されている水素を燃
料としたガスタービン発電プラントの従来技術の一例を
図６に示す。
【０００８】図６に示される発電プラントシステムの作
動流体は全て水蒸気または水で、大きく分けて２つの部
分に分類される。
【０００９】その１つは圧縮機１、燃焼器５および背圧
タービン２から構成されるブレイトンサイクルの部分で
あり、この中の作動流体は全て水蒸気である。
【００１０】まず、圧縮機１で圧縮された高温・高圧の
水蒸気は燃焼器５に導かれた後、この燃焼器５に水素と
酸素からなる燃料１３が投入され、さらに高温にされ
る。この非常に高温・高圧な水蒸気は背圧タービン２に
導かれ、膨張し高温・低圧の水蒸気になる一方、出力軸
１４を介して圧縮機１を駆動するとともに、発電機６を
駆動し電力を発生させる。背圧タービン２から出た高温
・低圧の水蒸気は高温熱交換器７および低温熱交換器８
を経て、冷却され低温・低圧の水蒸気となり、再び圧縮
機１に導かれる。
【００１１】発電プラントシステムを構成するもう１つ
の部分は高圧タービン４と燃焼器５、背圧タービン２、
復水タービン３、復水器９、復水ポンプ１０および加圧
ポンプ１１である。この部分はランキンサイクルの部分
であり、作動流体は水と水蒸気である。
【００１２】まず、加圧ポンプ１１で昇圧された水は低
温熱交換器８と高温熱交換器９を経て加熱され、高温で
非常に高圧の蒸気となる。この高温で非常に高圧の蒸気
は高圧タービン４で膨張し、低温で高圧の蒸気となる。
そして燃焼器５に導かれ、水素と酸素からなる燃料１３
が投入されて非常に高温にされる。この非常に高温・高
圧な水蒸気は、背圧タービン２に導かれ、膨張し高温・
低圧の水蒸気になる。そして、この高温・低圧の蒸気は
高温熱交換器７で冷却された後に、復水タービン３に導
かれ膨張し、低温で非常に低圧の水蒸気となる。この低
温で非常に低圧の水蒸気は復水器９に導かれ、水に戻さ
れ復水ポンプ１０により移送される。この水は一部を排
水１２として系外に排出した後に再び加圧ポンプ１１に
導かれる。
【００１３】この排水１２は、燃料１３として投入され
る水素と酸素が反応して生成される水蒸気と同じ量であ
り、結果としてサイクル内を循環する水および水蒸気の
総量は一定値に保たれる。また、高圧タービン４と背圧
タービン２、復水タービン３からの出力は出力軸１４に
より発電機６を駆動し、電力を発生させる。
【００１４】水素燃焼を行うガスタービンプラントにお
いては、水素を製造するコストが化石燃料を製造するコ
ストを現状では上回るため、化石燃料を使用する従来型
のガスタービンプラントよりも高い効率を達成しなけれ
ば実用的ではない。したがって、従来型のガスタービン
プラントよりも高い最高温度としなければならない。こ
のため、高温酸化に対して抜本的な対策を施す必要が生
じるが、図６に示されるサイクルは水蒸気という不活性
な作動流体を用いることで解決している。
【００１５】しかしながら、上記のようなガスタービン
発電プラントでは、高温の水蒸気を作動流体としてター
ビンを駆動する点において問題がある。すなわち、水蒸
気は従来型のガスタービンプラントの作動流体である燃
焼空気よりも比熱が非常に大きいために、冷えにくいと
いう性質がある。このため、タービンの段落数、特に冷
却が必要な段落数が増加する。
【００１６】このタービンの冷却段落数の増加は、シス
テム全体の熱効率を低下させることが知られており、現
にタービンに冷却段落を採用するようになってからは、
冷却を行う以前と比較して少ない段落数を採用するよう
になっている。水蒸気を作動流体とした場合の冷却段落
数は、従来型と比較して２倍以上となるため、このサイ
クルでは最高温度を上昇させた効果を、相殺してしま
う。
【００１７】また、水蒸気はこのサイクルのように、非
常に高温な状態で使用すると水蒸気腐食を生じ、作動流
体に接する部品の急激な劣化を引き起こすことが生じ
る。したがって、長時間運転に対する信頼性という点で
も問題がある。
【００１８】そこで、この問題を解決するために案出さ
れた従来例を図７に示す。
【００１９】図７に示されるプラントシステムの作動流
体はほとんどが不活性ガスである。不活性ガスに燃料と
して投入される酸素と水素が反応して生じる水蒸気また
は水が混合している。
【００２０】まず、圧縮機１で圧縮された不活性ガス
は、再生熱交換器１５に導かれ加熱された後に、燃焼器
５に導かれる。そして、燃焼器５では水素と酸素からな
る燃料１３が投入された非常に高温で高圧の不活性ガス
と水蒸気の混合ガスとなる。この非常に高温で高圧の混
合ガスは背圧タービン２に導かれ、膨張して高温で低圧
の混合ガスとなる一方、出力軸１４を介て圧縮機１を駆
動するとともに、発電機６を駆動し電力を発生させる。
【００２１】背圧タービン２からの高温で低圧の混合ガ
スは再生熱交換器１５に導かれ、一旦冷却された後、排
熱回収ボイラ（以下、ＨＲＳＧという。）１６に導かれ
てさらに冷却され、低温で低圧の混合ガスとなる。この
低温で低圧の混合ガスは復水器９に導かれ、さらに冷却
され、含有する水蒸気の露点以下の温度になる。そして
水蒸気は水となり排水１２として系外に排出される。水
が分離された後の不活性ガスは再び圧縮機１に導かれ
る。
【００２２】また、ＨＲＳＧ１６では、混合ガスから得
られた熱で蒸気を発生させ、図には示されていない蒸気
タービンを駆動させ電力を発生させる。
【００２３】このプラントシステムにおいては、不活性
ガスに従来型のガスタービンプラントの作動流体である
燃焼ガスと比熱が同等のもの、例えばアルゴンや窒素を
用いることにより従来型と同等のタービンの冷却段落数
とすることができる。このため、図６に示す発電プラン
トシステムで生じた冷却段落数が増加するという問題点
は生じない。また、作動流体に含まれる水蒸気の割合
は、図６に示すサイクルと比較して非常に少ないため、
水蒸気腐食に対する問題もある程度解決できる。
【００２４】しかしながら、図６のシステムでは系内を
循環する作動流体の一部を復水器９に通すのみである
が、図７のシステムでは系内を循環する作動流体の全て
を復水器９に通す。また、ＨＲＳＧ１６で発生した蒸気
も最終的には図には示されていない復水器に通す。
【００２５】図６および図７に示されるシステムは基本
的にはクローズドサイクルシステムであるため、系外に
放出される熱量は復水器９から放出される熱量のみであ
る。したがって、復水器９から放出される熱量が少ない
ほどプラントの熱効率は上昇する。図７に示されるプラ
ントシステムは、図６に示されるものよりも多く、冷却
段落数を従来型と同等とできる効果を相殺してしまう。
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来例
として示した水素を燃料とするガスタービンプラントに
おいては、作動流体を全て水蒸気または水とすると、冷
却タービンの段落数が増加することにより、プラントの
熱効率が減少するという問題点が生じている。また、水
蒸気腐食により長時間運転に対する信頼性が低下すると
いう問題点も生じている。
【００２７】一方、作動流体に不活性ガスを用いると系
内の作動流体全てを復水器９に通すため、放出する熱量
が増加しプラントの熱効率が減少するという問題点が生
じている。
【００２８】そこで、本発明は上記事情を考慮してなさ
れたもので、冷却タービンの段落数を増加させず、水蒸
気腐食に対する問題を解決し、さら系内の作動流体の一
部のみを復水器に通すことにより、プラントの熱効率を
向上させる水素燃焼ガスタービンプラントを提供するこ
とを目的とする。
【００２９】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の請求項１では、不活性ガスを作動流体と
したブレイトンサイクルと、水素と酸素を燃焼させた結
果発生する水蒸気を作動流体としたランキンサイクルと
から構成され、上記ブレイトンサイクルの高温熱源は、
高温熱交換器によりランキンサイクル側から供給される
供給熱とする一方、上記ブレイトンサイクルの低温熱源
は、低温熱交換器によりランキンサイクル側に吸収され
る吸収熱としたことを特徴とする。
【００３０】請求項２では、請求項１記載のブレイトン
サイクル側は、圧縮機、高温熱交換器、背圧タービンお
よび低温熱交換器の順に接続してクローズドサイクルを
構成する一方、ランキンサイクル側は、高温熱交換器、
高圧タービン、低温熱交換器、復水タービン、復水器お
よび復水ポンプの順に接続するとともに、この復水ポン
プから排水する間に分岐管を設け、この分岐管に加圧ポ
ンプ、上記高温熱交換器の順に接続してクローズドサイ
クルを構成したことを特徴とする。
【００３１】請求項３では、請求項２記載の水素燃焼ガ
スタービンプラントにおいて、ブレイトンサイクル側の
低温熱交換器と圧縮機との間に、冷却器を介装したこと
を特徴とする。
【００３２】請求項４では、請求項１記載のブレイトン
サイクル側は、圧縮機、高温熱交換器、背圧タービンお
よび低温熱交換器の順に接続してクローズドサイクルを
構成する一方、ランキンサイクル側は、高温熱交換器、
高圧タービン、低温熱交換器、復水タービン、復水器お
よび復水ポンプの順に接続し、上記ブレイトンサイクル
側の背圧タービンに必要な冷却媒体として、上記ランキ
ンサイクル側の高圧タービンと低温熱交換器との間の蒸
気を用い、再び上記ランキンサイクル側に戻すことを特
徴とする。
【００３３】請求項５では、請求項２または３記載の水
素燃焼ガスタービンプラントにおいて、ランキンサイク
ル側の高温熱交換器の上流側に酸素封入器を設置し、作
動流体に酸素を溶け込ませたことを特徴とする。
【００３４】
【作用】本発明の請求項１の特徴を有するプラントであ
れば、プラントの最高温度は不活性ガスを作動流体とし
たブレイトンサイクル側にあるため、冷却タービンの段
落数を従来型と同レベルとすることができ、冷却段落の
増加によるプラント熱効率の低下を防ぐことができる。
【００３５】そして、復水器を通過する作動流体の流量
は、系内の一部であるため、放出する熱量の増加、ひい
てはプラントの熱効率の低下を防ぐことができる。
【００３６】また、プラントの最高温度は不活性ガスを
作動流体としたブレイトンサイクル側にあるため、水蒸
気腐食による長時間運転に対する信頼性の低下を極度に
防止することができる。
【００３７】よって、図６および図７で示した従来のプ
ラントと比較して、プラント熱効率を上昇させ、さらに
長時間運転に対する信頼性を向上させることができる。
【００３８】さらに、請求項２によれば、ランキンサイ
クル側とブレイトン側の作動流体の流量比を自由に調節
することができる。流量比を調節することができない場
合、ランキンサイクル側とブレイトン側の各機器の圧
力、温度は、高温熱交換器と低温熱交換器を通して授受
される熱量のみで決定されてしまうため、必ずしも熱効
率の上で最適な運転点を選定できない可能性がある。請
求項２の構成により、流量比の調節機能を持たせること
で、この問題点を解決し、さらにプラントの熱効率を高
めることができる。
【００３９】しかしながら、請求項１および請求項２の
構成を有するプラントでは、圧縮機の入口の温度は、ラ
ンキンサイクル側の高圧タービンの出口温度程度とな
る。ランキンサイクル側の作動流体である蒸気は露点以
下での使用には問題があるため、ある程度の温度以下で
は使用できない。したがって圧縮機の入口温度もこの温
度以下では使用できないが、この温度は現在の化石燃料
を用いたガスタービンプラントの圧縮機入口温度を遥か
に上回る。ガスタービンは圧縮機の入口温度が上昇する
ほど出力が低下するという特徴を持つため、請求項１お
よび請求項２の構成を有するプラントでは、同じ規模の
現在の化石燃料を用いたガスタービンプラントよりも低
い出力しか出せない。
【００４０】そこで、請求項３においては、ブレイトン
サイクル側の低温熱交換器と圧縮機との間に冷却器を介
装し、圧縮機入口の温度を下げることにより、現在の化
石燃料を用いたガスタービンプラントと同等、またはそ
れ以上の出力を得ることができる。
【００４１】ブレイトンサイクルの背圧タービンは、冷
却が必須であるが、従来のプラントでは冷却媒体として
ブレイトンサイクル内の作動流体、例えば圧縮機の途中
または出口の作動流体を使用することが一般的であっ
た。しかしながら、この方法を用いた場合タービンの通
路部内部に冷却媒体を放出し主流と混合させることにな
るが、この混合により圧力損失が生じ、タービンの断熱
効率を低下させ、ひいてはプラントの熱効率の低下の要
因となる。
【００４２】そこで、請求項４のように、ランキンサイ
クル側の作動流体、例えば高圧タービンと低温熱交換器
との間の蒸気を使用し、再びランキンサイクル側に戻す
ことにより、この混合による圧力損失を防止させること
ができる。
【００４３】一般に、水または水蒸気を用いる発電プラ
ントにおいては、スケールの付着により系統および各機
器の圧力損失が経年的に増加し、プラント熱効率を低下
させてしまうという問題点がある。これは、水または水
蒸気に酸素を封入することで、ある程度防止できること
が知られている。しかしながら、酸素を封入すること
は、高温で使用される機器に適用した場合に、高温酸化
を生じさせるという問題点がある。
【００４４】そこで、請求項５のように、ランキンサイ
クル側の高温熱交換器の上流側に酸素封入器を設置し、
作動流体である水に酸素を溶け込ませることにより、ス
ケールの付着を防止する一方、封入した酸素を高温熱交
換器またはその上流で、供給される水素と反応させるこ
とで不活性な水蒸気に変換され、高温酸化を防止するこ
とができる。
【００４５】
【実施例】以下、本発明に係る水素燃焼ガスタービンプ
ラントの実施例を図面を参照して説明する。なお、従来
の構成と同一の部分には同一の符号を用いて説明する。
【００４６】［実施例１］図１は本発明に係る水素燃焼
ガスタービンプラントの実施例１を示す構成図である。
【００４７】（実施例１の構成）図１に示されるプラン
トシステムは大きく分けて２つの部分から構成される。
その１つは圧縮機１、高温熱交換器７、背圧タービン
２、低温熱交換器８を順次接続して構成されるブレイト
ンサイクルの部分であり、このサイクルの作動流体は不
活性ガス、例えばアルゴンガスまたは窒素等である。
【００４８】システムを構成するもう１つの部分は高温
熱交換器７、高圧タービン４、低温熱交換器８、復水タ
ービン３、復水器９および復水ポンプ１０が順次接続さ
れている。この部分はランキンサイクルの部分であり、
このサイクルの作動流体は水蒸気と水である。
【００４９】すなわち、本実施例は、不活性ガスを作動
流体としたブレイトンサイクルと、水素と酸素を燃焼さ
せた結果発生する水蒸気を作動流体としたランキンサイ
クルとから構成され、これらの作動流体は高温熱交換器
７および低温熱交換器８を介して熱の授受が行われるだ
けで、直接混合することがない。
【００５０】そして、ブレイトンサイクルの高温熱源
は、高温熱交換器７によりランキンサイクル側から供給
される供給熱とする一方、ブレイトンサイクルの低温熱
源は、低温熱交換器８によりランキンサイクル側に吸収
される吸収熱としている。
【００５１】（実施例１の作用）ブレイトンサイクル側
では、圧縮機１で圧縮された高温・高圧の不活性ガスは
高温熱交換器７に導かれて加熱され、非常に高温で高圧
の不活性ガスとなる。この非常に高温で高圧の不活性ガ
スは、背圧タービン２に導かれて膨張し高温・低圧の不
活性ガスになる一方、出力軸１４を介して圧縮機１を駆
動するとともに、発電機６を駆動して電力を発生させ
る。背圧タービン２から出た高温・低圧の不活性ガス
は、低温熱交換器８に導かれて冷却され、低温・低圧の
不活性ガスとなり、再び圧縮機１に導かれる。
【００５２】他方、ランキンサイクル側では、燃料１３
として供給される水素と酸素は高圧に加圧され、高温熱
交換器７に供給され燃焼を行い、ブレイトンサイクル側
に熱を供給し、高温・高圧の水蒸気となる。この高温・
高圧の水蒸気は高圧タービン４で膨張し、低温で低圧の
水蒸気となる。この低温で低圧の水蒸気は低温熱交換器
８でブレイトンサイクル側から加熱され、高温で低圧の
水蒸気となる。この高温・低圧の水蒸気は復水タービン
３で膨張し、非常に低圧で低温の水蒸気となる。この非
常に低温で低圧の水蒸気は復水器９に導かれ冷却され水
となる。そして復水ポンプ１０により、排水１２として
系外に放出される。
【００５３】（実施例１の効果）このように本実施例に
よれば、最高温度は背圧タービン２の入口となり、背圧
タービン２の作動流体は不活性ガスであるため、冷却タ
ービンの段落数を従来型と同レベルとすることができ、
冷却段落数の増加によるプラント熱効率の低下を防ぐこ
とができる。
【００５４】また、復水器９を通過する作動流体の流量
は系内の作動流体全体の一部であるため、放出する熱量
の増加、ひいてはプラントの熱効率の低下を防ぐことが
できる。したがって、図６および図７で示した従来のプ
ラントと比較してプラント熱効率を上昇させることがで
きる。
【００５５】さらに、プラントの最高温度は不活性ガス
を作動流体としたブレイトンサイクル側にあるため、水
蒸気腐食による長時間運転に対する信頼性の低下を極度
に防止することができる。
【００５６】［実施例２］図２は本発明に係る水素燃焼
ガスタービンプラントの実施例２を示す構成図である。
既に説明した実施例１と同一の部分には同一の符号を付
し、実施例１と異なる構成および作用についてのみ説明
する。以下の各実施例についても同様である。
【００５７】（実施例２の構成）本実施例は、実施例１
のランキンサイクル側に復水ポンプ１０から排水１２の
間に分岐管２０を設け、この分岐管２０から加圧ポンプ
１１を経由して高温熱交換器７に至る経路２１を設け、
クローズドサイクルを形成したものである。
【００５８】（実施例２の作用）実施例１の作用に加え
て、排水１２の上流側で分岐した水は加圧ポンプ１１に
より加圧され、高温熱交換器７に導かれる。
【００５９】そして、高温熱交換器７における水は、燃
料１３として供給される水素および酸素の燃焼により加
熱されると同時に、ブレイトンサイクル側に熱を供給
し、高温・高圧の水蒸気となる。
【００６０】（実施例２の効果）実施例１の構成では、
ランキンサイクル側とブレイトンサイクル側の各機器の
圧力、温度は高温熱交換器７と低温熱交換器８を通して
授受される熱量のみで決定されてしまうため、必ずしも
熱効率の上で最適な運転点を選定できない可能性があ
る。これに対し、実施例２の構成によりランキンサイク
ル側とブレイトンサイクルの作動流体の流量比を自由に
調節することができる。これにより各機器の運転点を熱
効率の上で最適なものに選定することができる。
【００６１】［実施例３］図３は本発明に係る水素燃焼
ガスタービンプラントの実施例３を示す構成図である。
【００６２】（実施例３の構成）本実施例は実施例２の
低温熱交換器８と圧縮機１との間に冷却器１７を介装
し、この冷却器１７の冷却媒体として加圧ポンプ１１と
高温熱交換器７との間の経路２１の水を用いたものであ
る。
【００６３】（実施例３の作用）実施例２の作用に加え
て、低温熱交換器８から出た低温・低圧の不活性ガスは
冷却器１７に導かれて冷却され、さらに低温で低圧の不
活性ガスとなり、圧縮機１に導かれる。
【００６４】一方、加圧ポンプ１１から出た水は冷却器
１７に導かれ、不活性ガスを冷却して温水となり、高温
熱交換器７に導かれる。
【００６５】（実施例３の効果）実施例２の構成では、
圧縮機１の入口温度は高圧タービン４の出口温度と同程
度になる。高圧タービン４の作動流体は水蒸気であるた
め、露点以下での使用には問題があるため、ある程度の
温度以下では使用できない。したがって、圧縮機１の入
口温度は、この温度以下とはならないが、この温度は現
在の化石燃料を用いたガスタービンプラントの入口温度
を大幅に上回る。ガスタービンは圧縮機の入口温度が上
昇するほど出力が低下するという特徴を有するため、実
施例２の構成では、同じ規模では現在の化石燃料を用い
たガスタービンプラントよりも低い出力しか出せない。
【００６６】実施例３によれば、ブレイトンサイクル側
の低温熱交換器８と圧縮機１との間に冷却器を介装し、
圧縮機１の入口温度を下げることにより、現在の化石燃
料を用いたガスタービンプラントと同等、またはそれ以
上の出力を得ることができる。
【００６７】さらに、冷却器１７での発生熱量は、加圧
ポンプ１１の後の水を加熱し、さらにその結果生じる温
水は高温熱交換器７に導かれるため、系外に放出される
熱を発生させず、プラントの熱効率を低下させることは
ない。
【００６８】なお、実施例３で示した方法を行うと、冷
却器１７により吸収される熱量が系外に放出されてしま
うため、プラントの熱効率を低下させてしまう。そこ
で，ランキンサイクル側の作動流体、例えば復水ポンプ
下流側の水を用いて冷却することで、吸収熱の系外への
放出を防止することができる。したがって、出力上昇の
ために低下したプラント熱効率を回復または増加するこ
とができる。
【００６９】また、冷却器１７の冷却媒体は、燃料とし
て供給される水素や酸素、例えばこれらが液体水素や酸
素で供給された場合の気化に必要な冷熱を使用すること
によっても同じ効果が得られる。
【００７０】さらに、復水器９の吸熱源として、供給さ
れる燃料（水素や酸素）、例えばこれらが液体水素や酸
素で供給された場合の気化に必要な冷熱を利用すること
により、系外に出る熱を全くなくすことができ、プラン
ト熱効率を大幅に増加することができる。
【００７１】［実施例４］図４は本発明に係る水素燃焼
ガスタービンプラントの実施例４を示す構成図である。
【００７２】（実施例４の構成）本実施例は実施例１の
構成に加えて、高圧タービン４の出口を分岐させ、この
分岐管２３を背圧タービン２に導き、背圧タービン２の
冷却媒体として用い、低温熱交換器８の上流側で合流さ
せる経路を追加したものである。
【００７３】（実施例４の作用）高圧タービン４を出た
低温・低圧の水蒸気は分岐し、背圧タービン２に導か
れ、冷却媒体として使用され、やや温度が上昇した後、
低温熱交換器８の上流側で合流する。
【００７４】なお、冷却媒体として使用される蒸気は、
背圧タービン２の主流には放出されず、主流との混合が
ないため、主流ガスは混合による圧力損失を生じない。
【００７５】（実施例４の効果）冷却タービンでの冷却
媒体の主流との混合は、主流ガスの圧力損失を生じさ
せ、タービンの断熱効率の低下、ひいてはプラントの熱
効率の低下を生じさせる。しかしながら、本実施例によ
れば、上記のように主流との混合を行わないため、従来
と比較してプラントの熱効率を高めることができる。
【００７６】［実施例５］図５は本発明に係る水素燃焼
ガスタービンプラントの実施例５を示す構成図である。
【００７７】（実施例５の構成）本実施例は実施例３に
加えて、冷却器１７の上流側に酸素封入器１８を設置
し、作動流体である水に酸素を溶け込ませたものであ
る。
【００７８】（実施例５の作用）酸素封入器１８で水に
封入された酸素は、系統や機器のスケール付着を防止す
る。さらに、高温熱交換器７で燃料１３として供給され
る水素と反応し、不活性な水蒸気となる。
【００７９】（実施例５の効果）このように本実施例に
よれば、スケールの付着が防止されることにより、系統
や機器で経年的に圧力損失が増加することを防止するこ
とができ、プラントの熱効率の経年的低下を防止するこ
とができる。さらに、供給された酸素は、高温熱交換器
７内で不活性な水蒸気となるため、高温酸化による機器
の劣化を防止すことができる。
【００８０】
【発明の効果】以上説明したように本発明の請求項１に
よれば、不活性ガスを作動流体としたブレイトンサイク
ルと、水素と酸素を燃焼させた結果発生する水蒸気を作
動流体としたランキンサイクルとから構成され、上記ブ
レイトンサイクルの高温熱源は、高温熱交換器によりラ
ンキンサイクル側から供給される供給熱とする一方、上
記ブレイトンサイクルの低温熱源は、低温熱交換器によ
りランキンサイクル側に吸収される吸収熱としたことに
より、冷却タービンの段落数を増加させず、さらに系内
の作動流体の一部のみを復水器に通すことにより、従来
プラントに比べてプラントの熱効率を増加させる水素燃
焼ガスタービンプラントを提供することができる。
【００８１】また、水蒸気腐食による長時間運転に対す
る信頼性を従来プラントと比較して高めることができ
る。したがって、従来のプラントと比較して、熱効率を
向上させ、一段と長時間運転に対する信頼性を向上させ
ることができる。
【００８２】請求項２によれば、復水ポンプから排水す
る間に分岐管を設け、この分岐管に加圧ポンプ、高温熱
交換器の順に接続してクローズドサイクルを構成したこ
とにより、ランキンサイクル側とブレイトン側の作動流
体の流量比を自由に調節することができる。これによ
り、各機器の運転点熱効率の上で最適なものに選定する
ことができ、プラントの熱効率を高めることができる。
【００８３】請求項３によれば、ブレイトンサイクル側
の低温熱交換器と圧縮機との間に冷却器を介装し、圧縮
機入口の温度を下げることにより、現在の化石燃料を用
いたガスタービンプラントと同等、またはそれ以上の出
力を得ることができる。また、冷却器での発生熱量は、
加圧ポンプの後の水を加熱し、さらその結果生じる温水
は高温熱交換器に導かれるため、系外に放出される熱を
発生させず、プラントの熱効率を低下させることはな
い。
【００８４】請求項４によれば、ランキンサイクル側の
作動流体、例えば高圧タービンと低温熱交換器との間の
蒸気を使用し、再びランキンサイクル側に戻すことによ
り、この混合による圧力損失を防止させることができ
る。また、主流との混合を行わないため、従来と比較し
てプラントの熱効率を高めることができる。
【００８５】請求項５によれば、ランキンサイクル側の
高温熱交換器の上流側に酸素封入器を設置し、作動流体
である水に酸素を溶け込ませることにより、スケールの
付着を防止する一方、封入した酸素を高温熱交換器また
はその上流で、供給される水素と反応させることで不活
性な水蒸気に変換され、高温酸化を防止することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る水素燃焼ガスタービンプラントの
実施例１を示す構成図。
【図２】本発明に係る水素燃焼ガスタービンプラントの
実施例２を示す構成図。
【図３】本発明に係る水素燃焼ガスタービンプラントの
実施例３を示す構成図。
【図４】本発明に係る水素燃焼ガスタービンプラントの
実施例４を示す構成図。
【図５】本発明に係る水素燃焼ガスタービンプラントの
実施例５を示す構成図。
【図６】従来のガスタービンプラントの一例を示す構成
図。
【図７】従来の他のガスタービンプラントを示す構成
図。
【符号の説明】
１ 圧縮機 ２ 背圧タービン ３ 復水タービン ４ 高圧タービン ５ 燃焼器 ６ 発電機 ７ 高温熱交換器 ８ 低温熱交換器 ９ 復水器 １０ 復水ポンプ １１ 加圧ポンプ １２ 排水 １３ 燃料 １４ 出力軸 １５ 再生熱交換器 １６ ＨＲＳＧ １７ 冷却器 １８ 酸素封入器
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F02C 3/34 F01K 23/06 F01K 23/16 F01K 25/00 F02C 3/22

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 不活性ガスを作動流体としたブレイトン
    サイクルと、水素と酸素を燃焼させた結果発生する水蒸
    気を作動流体としたランキンサイクルとから構成され、
    上記ブレイトンサイクルの高温熱源は、高温熱交換器に
    よりランキンサイクル側から供給される供給熱とする一
    方、上記ブレイトンサイクルの低温熱源は、低温熱交換
    器によりランキンサイクル側に吸収される吸収熱とした
    ことを特徴とする水素燃焼ガスタービンプラント。
  2. 【請求項２】 ブレイトンサイクル側は、圧縮機、高温
    熱交換器、背圧タービンおよび低温熱交換器の順に接続
    してクローズドサイクルを構成する一方、ランキンサイ
    クル側は、高温熱交換器、高圧タービン、低温熱交換
    器、復水タービン、復水器および復水ポンプの順に接続
    するとともに、この復水ポンプから排水する間に分岐管
    を設け、この分岐管に加圧ポンプ、上記高温熱交換器の
    順に接続してクローズドサイクルを構成したことを特徴
    とする請求項１記載の水素燃焼ガスタービンプラント。
  3. 【請求項３】 請求項２記載の水素燃焼ガスタービンプ
    ラントにおいて、ブレイトンサイクル側の低温熱交換器
    と圧縮機との間に、冷却器を介装したことを特徴とする
    水素燃焼ガスタービンプラント。
  4. 【請求項４】 ブレイトンサイクル側は、圧縮機、高温
    熱交換器、背圧タービンおよび低温熱交換器の順に接続
    してクローズドサイクルを構成する一方、ランキンサイ
    クル側は、高温熱交換器、高圧タービン、低温熱交換
    器、復水タービン、復水器および復水ポンプの順に接続
    し、上記ブレイトンサイクル側の背圧タービンに必要な
    冷却媒体として、上記ランキンサイクル側の高圧タービ
    ンと低温熱交換器との間の蒸気を用い、再び上記ランキ
    ンサイクル側に戻すことを特徴とする請求項１記載の水
    素燃焼ガスタービンプラント。
  5. 【請求項５】 請求項２または３記載の水素燃焼ガスタ
    ービンプラントにおいて、ランキンサイクル側の高温熱
    交換器の上流側に酸素封入器を設置し、作動流体に酸素
    を溶け込ませたことを特徴とする水素燃焼ガスタービン
    プラント。
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