JPH0466703A - 発電プラント - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、発電プラント、より詳細には水素を燃料とし
、酸素を酸化剤として燃焼させ、これにより発生した水
蒸気を作動流体としてタービンを駆動して発電するよう
にした低公害・高効率の発電プラントに関する。

従来の技術 第１２図はこのような発電プラントの従来例の一例を示
し、１か燃焼器で、この燃焼器１には水素と酸素が供給
されて燃焼され、この水素と酸素の燃焼に後述する再生
熱交換器４から送られてくる蒸気が混入され、これによ
り所定の温度とされた水蒸気がタービン２に導入されて
仕事をすることにより、発電機３が駆動される。

そして、タービン２から排気された水蒸気は再生熱交換
器４を経て復水器５に供給されて凝縮され、その水が給
水ポンプ６により前述した再生熱交換器４に供給されて
タービン排気（水蒸気）によって加熱されて蒸気となり
、この蒸気が燃焼器１に供給されるようになっている。

第１３図は他の従来例を示し、第１２図に示した発電プ
ラントにおける再生熱交換器４を省略したものである。

この従来例は、タービン排気（水蒸気）の温度か低い場
合に適用されるものであって、タービン２から排気され
た水蒸気はそのまま復水器５に供給されて凝縮され、そ
の水か給水ポンプ６により燃焼器１に供給されるように
なっている。なお、３は発電機である。

発明が解決しようとする課題 以上述べた従来技術では、水素と酸素ゐ燃焼に水又は蒸
気を入れて所定の温度とした水蒸気をタービンに導いて
仕事をさせ、タービン排気（水蒸気）は温度が高ければ
再生し、また低ければそのままで、いずれも最終的には
復水器で凝縮させて水とするため、この潜熱分は全てロ
スとなっていた。

しかし、加圧は水の状態で行うため、加圧仕事はタービ
ン仕事に比べ無視できる程小さく、このためこの方式か
最良とされてきた。

ところが、この方式では、タービン出口は真空となり、
またタービン入口は効率向上のため高圧化され、したか
ってタービンの圧力比は極めて大きい（例えば、入口圧
力１００ｋｇ　／　ｃｍ　２ａ、出口圧力０．１ｋｇ／
ｃｍ”ａでは圧力比１０００）ものとなった。また、水
蒸気は比熱が大きいため、他の作動流体に比べて同じ圧
力比でも翼段数が多い。このため、翼設計は極めて複雑
なものとなり、タービン効率を下げることなくタービン
を設計することはほとんと不可能となった。

本発明は、このような従来技術の課題を解決するために
なされたもので、タービンの圧力比か小さいままでも効
率が達成できる方式とし、これによりタービンは高効率
を維持できて結果的に高効率が実現できる水蒸気循環型
の発電プラントを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段 上記の課題を解決するために、本発明による発電プラン
トは、水素と酸素を燃焼させ、水蒸気が混入される燃焼
器と、この燃焼器からの水蒸気によって駆動されるター
ビンと、このタービンから排気される水蒸気を加圧して
前記燃焼器へ循環させる圧縮機と、前記タービンにより
駆動される発電機とを包含する。

また、本発明は、好適には、タービンの後流に熱回収装
置を備えている。

さらに、本発明は、好適には、圧縮機に水又は水蒸気を
吹き込む装置を備えている。

作用 上記の手段によれば、作動流体を飽和蒸気前後の過熱蒸
気まで下げて、これを圧縮機で加圧することで、圧縮機
仕事がロスとなる代りに、従来凝縮させることで捨てて
いたロス熱量はなくなる。

また、タービン排気圧力を大気圧とし、かつ飽和温度も
真空時に比べて高くなるため、タービンの後流に熱回収
装置を設けることで、排熱利用か有効に行える。

さらに、圧縮機に水又は水蒸気を吹き込むことにより、
作動流体を冷やし、圧縮機仕事を大幅に低下させること
ができる。

実施例 以下図面を参照して本発明の実施例について詳述する。

第１図は本発明の第１実施例を示し、本発明による発電
プラントの基本系統を示している。

第１図において、１１は本発明にしたかって発電プラン
トに組み込まれた圧縮機であり、この圧縮機はタービン
２から排気された水蒸気を加圧して燃焼器１へ循環させ
るものである。

すなわち、この燃焼器１には水素と酸素が供給されて燃
焼され、この水素と酸素の燃焼に前述した圧縮機１１か
ら循環してきた水蒸気が均等に混入される。そして、タ
ービン２はこの燃焼器１からの水蒸気を作動流体とし、
発電機３及び圧縮機１１を駆動する。

なお、タービン排気の残りすなわち余剰の水蒸気は、制
御弁１２を・経て復水器１３に供給されて凝縮され、そ
の水は排水ポンプ１４によって排出される。

第２図は本発明の第２実施例を示し、第１図に示した発
電プラントにおけるタービン２の後流に熱回収装置とし
て再生熱交換器１５及び排ガスボイラ兼冷却器１６を設
けたものである。

再生熱交換器１５はタービン２から排気された水蒸気を
圧縮機１１からの吐出水蒸気と熱交換させるものである
。また、排ガスボイラ兼冷却器１６は、再生熱交換器１
５を通過してきたタービン排気（水蒸気）の熱で水蒸気
を発生させると共に、排気側を適切な温度に冷却するも
のである。

そして、この排ガスボイラ兼冷却器１６で発生される蒸
気のクローズドサイクルシステムを構成して発電を行う
ようになっている。すなわち、排ガスボイラ兼冷却器１
６で発生した蒸気は作動流体としてタービン１７に供給
されて仕事を行い、発電機１８か駆動される。このター
ビン１７にて仕事をなした蒸気は、それから、復水器１
９に供給されて凝縮され、その水か給水ポンプ２０によ
って排ガスボイラ兼冷却器１６へ供給されるようになっ
ている。

第３図及び第４図はそれぞれ第２図に示した実施例の変
形例を示す。

すなわち、第３図は第２図中の排ガスボイラ兼冷却器１
６を省略して再生熱交換器１５のみを熱回収装置として
設けたものである。また、第４図は、逆に、第２図中の
再生熱交換器１５を省略して排ガスボイラ兼冷却器１６
のみを熱回収装置として設けたものである。

そして、タービン２の入口温度、圧力の値及びタービン
の用途に応じて、第２図、第３図及び第４図に示した発
電プラントのいずれかを選択することができる。

第５図は第２図に示した実施例のＨ−８線図、第６図は
第４図に示した実施例のＨ−３線図である。

これらの図において、ａは圧縮機入口状態、ｂは圧縮機
出口状態、Ｃは再生熱交換器出口状態、ｄはタービン入
口状態、ｅはタービン出口状態、ｆは再生熱交換器出口
状態を示す。

そして、第５図はｄの圧力が５〜３０ｋｇ／ｃｍ２程度
で温度が１０００℃以上程度のケースで、ｅの温度がｂ
の温度に比べ十分高い場合である。また、第６図はｄの
圧力が４０ｋｇ　／　ｃｍ　２以上程度のケースで、ｅ
の温度がｂの温度に比べ十分には高くないか、又は低い
場合である。

以上述べたように、作動流体を水蒸気とし、圧縮機で加
圧し、燃焼器にてこの加圧水蒸気に燃焼エネルギー（プ
ラス燃焼生成水蒸気）を与え、タービンで仕事をし、残
エネルギーを再生及び排熱利用して、最終的に、飽和蒸
気前後の過熱蒸気とするクローズドサイクル（この状態
で燃焼生成水蒸気分は排出する）とすることで、水素／
酸素燃焼を利用した陸上（大気圧下）での発電システム
としては、比較的低圧（５〜１００ｋｇ　／　ｃｍ　２
）のタービン入口蒸気圧力で最も高い効率（再生、排熱
利用骨も含む）を得ることができる。−例として、第７
図は、第２図に示した本発明の実施例と第１２図に示し
た従来例との効率比較を示している。

また、タービン入口圧力が比較的低圧とでき、かつター
ビン出口圧力（任意に選べる）も大気圧前後とすること
で、圧力比を比較的小さく（５〜３０ｋｇ／ｃｍ２）で
き、したがってタービン動静翼設計及び構造設計が容易
となり、高効率が実現できる。

さらに、圧縮機に入る蒸気を飽和蒸気前後の過熱蒸気（
大気圧前後の圧力にて）とすることで、水蒸気ボトミン
グサイクル、メタノール改質装置、メタノール分解装置
等の排熱利用システムへの排熱利用上も、最も有利なシ
ステムとなる。

第８図は本発明の第３実施例を示し、第２図に示した第
２実施例をさらに改良し、作動流体が水蒸気であるメリ
ットを活用して、排ガスボイラによって発生した加圧水
蒸気をタービンに吹き込む方式を付加したものである。

すなわち、第８図において、排ガスボイラ２１か第２図
中の排ガスボイラ兼冷却器１６に代えて設置されている
。そして、この排ガスボイラ２１を通過したタービン排
気（水蒸気）の一部が制御弁２２を経て復水器２３に供
給されて凝縮され、その水が給水ポンプ２４によって排
ガスボイラ２１へ供給されてタービン排気（水蒸気）に
よって加熱され、これにより発生した水蒸気がタービン
２に吹き込まれるようにされている。その他の構成は第
２図に示したものと同様であるので、同一の要素には同
一の符号を付して重複する説明は省略する。

第９図はこの第８図に示した実施例のＨ−８線図であり
、第５図及び第６図と同様に、ａは圧縮機入口状態、ｂ
は圧縮機出口状態、Ｃは再生熱交換器出口状態、ｄはタ
ービン入口状態、ｅはタービン出口状態、ｆは再生熱交
換器出口状態を示す。

なお、変形例として、排ガスボイラ２１に代えて設置し
た他の適当な排熱利用システムによって発生した加圧水
蒸気を、又は他のプラント等から無駄に捨てられる加圧
水蒸気をタービン２に吹き込むようにすることもできる
。

このように、作動流体が水蒸気であるメリットを活用し
て、排ガスボイラ等の排熱利用システムによって発生し
た加圧水蒸気又は他のプラント等から無駄に捨てられる
加圧水蒸気をタービンに吹き込んで仕事をさせることに
より、容易にタービン仕事を増加させ、かつ排熱利用シ
ステムのタービン発電機が不要となり、システムを簡素
化できる。

また、このシステムは従来のガスタービンと異なり作動
流体が元々水蒸気であるので、上記方式がタービン等の
設計変更をはとんとせすにスケールの変更だけで容易に
できる。

さらに、タービン入口温度の高温化に対して、吹き込み
蒸気は冷却効果をももたらすので、効率向上のためのタ
ービン入口温度上昇が容易に実行できる。

第１Ｏ図は本発明の第４実施例を示し、第２図に示した
第２実施例をさらに改良し、作動流体か水蒸気であるメ
リットを活用して、圧縮機の圧縮過程に水を吹き込む方
式を付加したものである。

すなわち、第１Ｏ図において、圧縮機１１には水か供給
ポンプ３１によって吹き込まれるようになっている。そ
の他の構成は第２図に示したものと同様であるので、同
一の要素には同一の符号を付して重複する説明は省略す
る。

第１１図はこの第１Ｏ図に示した実施例のＨ−Ｓ線図で
あり、第５図、第６図及び第９図と同様に、ａは圧縮機
入口状態、ｂは圧縮機出口状態、Ｃは再生熱交換器出口
状態、ｄはタービン入口状態、ｅはタービン出口状態、
ｆは再生熱交換器出口状態を示す。

なお、変形例として、加圧水に代えて低温の水蒸気例え
ば他のプラント等から無駄に捨てられている加圧蒸気（
飽和蒸気又は低温の過熱蒸気）を圧縮機１１に吹き込む
ことができる。

しかして、一般のガスタービンの場合、圧縮機へ水又は
蒸気を吹き込むことは作動流体の特性に大きな影響を与
えるので実用上困難かあるか、本発明のガスタービンで
は作動流体か水蒸気であるメリットを活用して、本方式
では圧縮機へ水又は蒸気を吹き込むことで、圧縮機作動
流体の温度を下げ、圧縮機仕事を低下させて、システム
の効率向上を図ることができる。すなわち、圧縮機での
加圧仕事は作動流体の温度（エンタルピ）が高い程、高
くなり、この圧縮機仕事はロスとなる。したがって、圧
縮機仕事を低下させることはシステムの効率向上につな
がるものである。

なお、圧縮機に吹き込む流体が加圧水の場合は、タービ
ン、排熱利用等で仕事した後、凝縮排出する必要がある
ので、この分がロスとなり、したがって小量の使用とす
る必要がある。

発明の効果 以上述べたように、水素を燃料とし、酸素を酸化剤とし
て燃焼させ、これにより発生した水蒸気を作動流体とし
てタービンを駆動して発電するようにした発電プラント
において、従来技術ではタービンの作動流体を一旦凝縮
させて加圧していたのに対して、本発明では、作動流体
のうち燃焼器へ入った水素と酸素によって発生した水蒸
気のみを凝縮させ、大半の水蒸気は飽和蒸気前後の過熱
蒸気とし、圧縮機によって加圧する方式としたので、圧
縮機仕事かロスとなる代りに、従来凝縮させることで捨
てていたロス熱量はなくなり、加圧圧力か低い範囲では
本発明のメリットか優ってくる。

また、タービン排気圧力を大気圧とできるので、シール
上も楽で、かつ飽和温度も真空時に比べ高くなるため、
タービン後流に熱回収装置を設けることで排熱利用が有
効に行える。

以上のことから、圧力比が低くても（従来技術が圧力比
１０００程度に対し、本発明は圧力比約２０程度となる
）効率が保てるため、タービン翼設計は従来のガスター
ビンと同等となり、したがって高いタービン効率か期待
できる。

さらに、圧縮機に水又は水蒸気で吹き込むことにより作
動流体を冷やすことで、圧縮機仕事を低下させ、これに
よりシステムの効率向上を図ることかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す系統図、第２図は本
発明の第２実施例を示す系統図、第３図及び第４図はそ
れぞれ該第２実施例の異なる２つの変形例を示す系統図
、第５図は第２図に示した実施例のＨ−８線図、第６図
は第４図に示した実施例のＨ−３線図、第７図は第２図
に示した本発明の実施例と後述する第１２図に示す従来
例との効率比較図、第８図は本発明の第３実施例を示す
系統図、第９図はそのＨ−３線図、第１０図は本発明の
第４実施例を示す系統図、第１１図はそのＨ−３線図、
第１２図及び第１３図はそれぞれ２つの異なる従来例を
示す系統図である。 １・・燃焼器、２・・タービン、３・・発電機、１１・
・圧縮機、１２・・制御弁、１３・・復水器、１４・・
排水ポンプ、１５・・再生熱交換器、１６・・排ガスボ
イラ兼冷却器、１７・・タービン、１８・・発電機、１
９・・復水器、２０・・給水ポンプ、２１・排ガスボイ
ラ、２２・・制御弁、２３・・復水器、２４・・給水ポ
ンプ、３１・・水給水ポンプ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　水素と酸素を燃焼させ、水蒸気が混入される燃焼器
   と、この燃焼器からの水蒸気によって駆動されるタービ
   ンと、このタービンから排気される水蒸気を加圧して前
   記燃焼器へ循環させる圧縮機と、前記タービンにより駆
   動される発電機とを包含することを特徴とする発電プラ
   ント。 ２　請求項１記載の発電プラントにおいて、前記タービ
   ンの後流に熱回収装置を備えたことを特徴とする発電プ
   ラント。 ３　請求項１又は２記載の発電プラントにおいて、前記
   圧縮機に水又は水蒸気を吹き込む装置を備えたことを特
   徴とする発電プラント。