JPH09506946A - 性能が向上したガスタービン発電プラント - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ガスタービン駆動式の発電プラント（１０）は、下流方向への空気の流れを生成するための１または２以上のコンプレッサ（２０、２２）と、コンプレッサ（２０、２２）の下流で且つ側流冷却ライン（５０）の上流に配置されたコンプレッサ熱交換器（３４）と、熱交換器（３４）及び側流冷却ライン（５０）の下流に配置された再生用熱交換器（５８）と、当該再生用熱交換器（５８）の下流に配置された燃焼室（４８）と、当該燃焼室（４８）の下流に配置され、コンプレッサ（２０、２２）に機械的に結合された１または２以上のタービン（２４、２８）と、当該タービン（２４、２８）の下流に配置された出力タービン（３２）と、を備えている。可燃流出液が熱交換器（３４）及び燃焼室（４８）を流れ、コンプレッサ（２０、２２）から放出される空気が熱交換器（３４）を介して冷却ライン（５０）及び再生用熱交換器（５８）に至る。熱がコンプレッサ放出空気から可燃流出液に伝達され、これによって、空気が冷却されるとともに、可燃燃料が加熱される。熱交換器（３４）は、熱交換器の代わりに、メタン／スチーム改質器とすることができ、これによって、水素リッチで低ＮＯxのスチーム希釈可燃流出液を生成する。他の例では、冷却された圧縮空気を燃焼室（４８）に直接注入することによって電力出力を増加させ、タービン（２４、２８、３２）を流れる質量流量を増加させる。そして、慣用の貫流式熱再生装置（１１８）で、可燃流出液及び水または水及び空気をを用いて排気熱を再生する。さらに他の例では、低温空気の小部分を、熱再生装置（１１８）内の再生水と混合して、熱交換経路の開始部分において水を気化するとともに、燃焼室（４８）への水及び空気の２相供給経路を形成する。さらに、全ての例において、冷却された圧縮空気の一部をコンプレッサ／エキスパンダによって処理して、低温空気をタービン、コンプレッサ及び補助設備に供給することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 性能が向上したガスタービン発電プラント 関連出願の相互参照 本出願は、１９９３年１０月１９日に出願された同時継続出願シリアルＮo.08 /139,525のファイルラッパー・コンティニュエーション・イン・パートである。 発明の背景 １． 発明の分野 本発明は、ガスタービン駆動式発電プラント、より詳細には、熱交換を用いて 、高温コンプレッサ放出空気を冷却するとともに燃焼室用の燃料及び水の混合物 を加熱及び改質またはその何れか一方を行うガスタービン駆動式発電プラントに 関するものである。熱交換器から排出される低温圧縮空気は超低温空気を供給し て、金属構成部分を冷却して、通常排除される他の発電プラントの補助動作から 生じる低温の熱を再生するとともに、板型伝熱式熱交換器を介して出力タービン 排気熱を再生して燃焼室に供給する。熱交換器から排出される高温燃料混合物を 、直接燃焼室に供給または最初に化学的に改質して、低汚染度の燃料ガスを生成 することができる。代案として、冷却された圧縮空気の大部分を板型伝熱式熱交 換器に供給する代わりに、熱交換器からの低温空気を直接燃焼室に供給すること ができる。低温空気とともに排気熱を利用（再生）する代わりに、他の燃料／水 の混合物を用いて排気熱を利用（再生）することができる。最終的な加熱燃料ガ スによって、タービンの質量流量が増加 して、これに比例してパワー出力が増加する。 ２． 背景技術の説明 ガスタービンエンジンは広く使用されており、しばしば主要部分として選択さ れている。たとえば、ジェットエンジンはガスタービンの成功応用例である。そ の理由は、ガスタービンエンジンは、大型の飛行機にパワーを供給することに関 して右に出る物がないからである。現在のジェットエンジンは５０年に亘るエン ジン開発の産物であるが、ジェットエンジンは空を飛ぶ物であり、従って、性能 を向上させるための設計部分は必然的に限定される。他方、進歩した飛行機用ガ スタービンエンジンを地上で応用することによって、他の性能を向上させるため の技術を使用することができる。しかしながら、空中であっても、地上であって も、発電プラントの性能を向上させるための時間の多くは、エンジン圧縮比をよ り高くすること、及び焼成温度をより高くすることに費やされてきた。 焼成温度をより高くすることは、タービンの冷却用に使用されるコンプレッサ ブリード空気（bleed air）などの一連の画期的な冷却設計によって、タービン の金属合金における温度を許容可能な限界値に保持できるようにして発展した。 しかしながら、ブリード空気によって、ガスタービンのパワー及び性能が低下し てしまう。また、圧縮比をより高くしなければならないために、ブリード空気に よる冷却能力を制限する必要があり、同様の金属冷却を行うために他の高温高圧 のブリード空気流を必要とする。以下の説明で明らかなように、本発明は、周辺 温度またはほぼ周辺温度のコンプレッサの排気を用いて、金属構成部分の冷却を 可能にするものである。以下で説明する新冷却方式によって、必要なブリード空 気をかなり減少さ せること、及び焼成温度をかなり増加させることの両方または何れか一方が可能 となる。この新冷却方式によって、低温ヒートシンクを構成することが可能とな る。低温の熱は、一般的に再生及びリサイクルされるには低温すぎる。従って、 この低温の熱は、クーリングタワーなどによって周囲に連続的に除去されなけれ ばならない。このような熱は、補助発電プラント設備の動作中に、発電器及びガ スタービンのベアリングの摩擦などの熱源から発生して、潤滑油を高温にする。 また、低温の熱は、発生する電気的エネルギーの0.5乃至1.5パーセントの量に相 当する「銅損」の形態で発電器の巻線によって発生して、一般的に、水冷ループ によって連続的に除去される。また、電気変圧器は、当該変圧器の鉄製のコアに 生じるヒステリシス効果により「鉄損」を発生する。この大きな熱負荷は、循環 する変圧器オイルによって除去され、高温オイル中の熱は、エアブラスト（空気 吹き付け式）熱交換器によって大気中に排出される。この低温の熱を合理的に再 生してサイクルに戻すことは、本発明によって達成される低温ヒートシンクなく しては不可能である。 地上での応用例の場合、ガスタービンの排気中に残存する熱の再生、リサイク ル及び変換は、発電プラントの全体的な性能をより高めるための別のルートであ った。高温のタービン排気熱は、通常、慣用のスチーム上昇技術によって再生さ れるが、旧型の低圧ガスタービン発電プラントの場合、より高温のタービン排気 ガスの流れに対してより低温のコンプレッサ放出空気の向流を用いて、再生用熱 交換器（板型空気・ガス熱交換器）によって再生される。しかしながら、新型の ガスタービンではコンプレッサの放出空気温度が増加してしまうため、再生用熱 交換器の熱再生効率には限界がある。進歩した飛行機用エンジンから考案された ガスタービンの場合、コン プレッサ放出温度が、タービンの放出温度よりも高い華氏２００乃至３００度で ある。したがって、再生用熱交換器を使用する必要もない。高圧のタービン駆動 式発電プラントの場合、慣用のボイラー内にスチームを上昇させ、排気熱を抽出 して、ボイラーにリサイクルされる凝縮物とともに、復水スチームタービンに供 給される。このガスタービンとスチームタービンボトミングサイクル（bottomin g cycle）の組み合わせを、複合サイクル発電プラントと称する。以下に説明す るように、本発明は、進歩した航空機用エンジンによって駆動されるガスタービ ン内のより高いコンプレッサ放出空気温度を利用して、発電プラントからの比較 的効果の少ないスチームサイクルを排除するものである。 代案として、タービン排気熱からボイラー内に発生する熱再生スチームは、燃 焼室前のガスタービンフロー経路に単に注入され、パワーを増加させる。ガスタ ービンエンジンの焼成温度及び圧縮比をより増加させることによって、スチーム ボトミングサイクルに亘ってスチーム注入効果を熱力学的に供給することができ る。さらに、ガスタービン燃焼室にスチームを直接注入することによって、復水 スチームタービン、コンデンサ、クーリングタワー及び相互接続循環ウォーター パイプを購入及び動作させる必要がなくなる。スチームボトミングサイクル及び これに関連する設備を除去することによって、プラント全体の耐久性、信頼性、 有用性及び保全性を高めることができる。以下で説明するように、本発明におい ては、再生された熱が高エネルギースチームとしてガスタービン燃焼室に戻され 、スチームサイクルに亘ってスチームを注入することによる前記すべての効果を 高めることができる。 進歩したガスタービンエンジンの場合焼成温度が上昇するので、指数関数的な 増加速度で窒素酸化物(ＮＯx)が生成される。燃焼室における排気をより厳格な 大気保全規準内に抑制することが、燃焼室の開発に関する主な問題点である。燃 焼室内のピーク温度は、燃料及び空気が反応する火炎面で発生する。燃焼室の前 で燃料を希釈するために、火炎温度が制約を受ける。燃料の希釈は、空気、スチ ーム、または任意の非可燃ガスとともに行われる。前記パワーを増大させること に加えて、スチームまたは水を注入することによって、燃焼室内のＮＯxの生成 を低減させることができる。希釈は燃焼室内で行われるが、改良された混合によ り燃焼室へ注入する前に、燃料スチーム内のみで行われるとより効果的である。 現在、空気を用いての燃料希釈は、特別に設計された予混合「乾燥低ＮＯx」ま たは「乾燥低排気」の燃焼室内で行われている。しかしながら、天然ガスまたは 液体燃料を用いると、燃焼に関する問題点は、燃焼室のフレームアウト前に行わ れる燃料の希釈量に絞られる。燃料１ポンドに対してスチーム２ポンドの燃料希 釈レベルよりも高い燃料希釈レベルで動作した場合、ガスタービンの製造保証が 無効となる場合がある。このフレームアウト希釈でのＮＯx濃度は、依然として 、カリフォルニア及びその他の管轄地域での合法的な動作時の濃度の何倍も大き い。燃焼が次第に不完全になるので、一酸化炭素、ホルムアルデヒド、及びその 他の不燃生成物も、スチームの使用とともにかなり増加してしまう。好適な触媒 とともにアンモニアを注入することによって、排気ガス流中のＮＯxをさらに低 減させることができる。排気ガス中の一酸化炭素も、好適な触媒と接触酸化され る。アンモニアを用いて選択的接触還元（ＳＣＲ）を行うことによって排気を制 御することは、かなりコストがかかり、信頼性に問題がある。その理由は、アン モニアは高価であるとともに危険な有毒物質であり、現 在もなお取り扱いに関して安全性の問題があるからである。認識されている全て の欠点を考慮しても、（より優れた付加機能なしで）ＳＣＲは、「最も優れた適 用可能制御技術（Ｂest Ａvailable Ｃontrol Ｔechnology（ＢＡＣＴ））」と 考えられ、幾つかの管轄地域において合法と見なされている。以下に説明するよ うに、本発明は、ＳＣＲまたは酸化触媒を使用せずに、全ての潜在的な汚染に関 して所望の排気レベルを達成することができる。 以前より知られているガスタービンエンジンの性能を向上させるための設計技 術としては、中間冷却される圧縮と、出力タービンの前での再熱燃焼室でのファ イアリングとの２つがある。中間冷却は、性能を向上させるものの、設計が複雑 になるとともに、開発作業に費用がかかる。再熱は、パワー出力を増加させるも のの、出力タービンによって温度が上昇して、正味の効率ゲインをかなり減少さ せる低温空気流を必要とする。慣用の再熱開発コストは、中間冷却のコストより も高い場合がある。以下で説明するように、本発明は、中間冷却または慣用の再 熱に関連する開発コストを必要としない。さらに、本発明は、現存のガスタービ ンエンジンにほとんど変更を施す必要なく、再熱を実現可能な新規な方法を提供 するものである。 したがって、より高い焼成温度で低ＮＯxを生成する高効率のガスタービン駆 動式発電プラントが必要である。本発明は、当該問題点及びここに記載されてい る他の問題点を解消するとともに、慣用の設計における欠点を克服するものであ る。 本発明の概要 慣用のガスタービン駆動式発電プラントの場合、高温コンプレッサの排出空気 は、主に直接的に燃焼室に供給されるが、高圧空気の大部分は、金属構成部分を 冷却するのに使用される。コンプレッサの排出空気は、高温であるが、高圧ター ビンの高温部分に必要な冷却を行うのに十分な圧力でのみ得られる。タービンの 排気流中の熱の再生は独立の動作である。必要とされる燃料の燃焼室への供給も 、他の独立の動作である。排気の低減もさらに他の独立した動作である。最適な 方法で、ガスタービンのパワーを増加させることも、さらに他の独立の動作であ る。本発明では、以下で説明するように、性能を向上させる方法で、これらの独 立したガスタービン発電プラントの機能を統合させている。 本発明を限定するものではないが、一例として、本発明では、熱交換器を高圧 コンプレッサの下流に配置している。この装置は、圧縮された高温空気の熱エネ ルギーを低温の可燃物／水（燃料）混合物の向流に供給して、極めて望ましい低 排気で高温の希釈された（潜在的に水素リッチの）燃料を生成して燃焼室に供給 する。これと同時に、当該装置は、高温の圧縮空気を約華氏１０００度だけ冷却 する。このようにして、熱交換器は、標準的な冷却されていない高圧空気よりも かなり効果的な、タービンの金属構成部分の冷却媒体を提供する。また、この冷 却媒体は、ベアリング、変圧器、発電器の巻線に発生する熱などの他の発電プラ ント動作からの低温（低グレード）の熱が燃焼室に供給され、当該燃焼室で、シ ステム中で最も高温の熱が補われる。このことによって、これらの動作に関する 冷却設備のコストが低減または除去される。冷却に必要とされない（慣用のガス タービン中よりも多い）残りの低温圧縮空気は、再生用熱交換器（板型伝熱式熱 交換器）で再熱される。当該再生用熱交換器 は、高温のタービンの排気から熱を抽出するとともに、燃焼室へ侵入する以前に 、圧縮された空気の向流を再熱する。代案として、板型伝熱式熱交換器によって 冷却された圧縮空気の大部分を供給する代わりに、熱交換器からの低温空気を燃 焼室に直接供給する。低温の空気を用いて排気熱を再生する代わりに、燃料／水 の混合物の他の流れによって排気熱を再生する。最終的な過熱燃料ガスは、ター ビンの質量流量を増加させ、これに比例してパワー出力を増加させる。 排気熱を再生する他の変形例では、２相の空気／水供給を使用する。ここで、 低温空気の大部分が直接燃焼室に供給されるとともに、低温空気の小部分が再生 水と混合され、水及び空気の排気熱再生スチーム発電機への２相供給が形成され る。この熱再生スチーム発電機からの過熱空気／スチーム流出液は、直接燃焼室 に供給される。（水とともに空気またはメタンを使用する）２相供給の効果は、 水の気化が熱交換経路の最初の部分で開始することである。空気またはメタンの ガス相は、フラッシュされた（flashed）水蒸気のための容積を提供する。この ことは、燃料の熱供給能力を大きく高めるとともに、熱交換器の低温端部におけ る熱力学的な共通の問題点を軽減する。水を加熱される液体としてのみ使用する と、水の温度は、温度差が実用的な最小値（ピンチポイント（pinchpoint））に 到達するまで、加熱する液体の温度に線形的に到達する。このことによって、必 要な熱交換器の表面積が決定される。気化を容易にするために、２相供給によっ て、非線形の温度変化で加熱液体の温度に到達させることで、加熱面をかなり小 さくできるとともに、熱力学的な不可逆性を減少させることができる。 ここでは、本発明に関して７つの実施の形態が開示されている。初めの４つの 実施の形態は、それぞれ、コスト及び複雑さを増加させるものであるが、性能を 向上させるものであり、コンプレッサアフタクーリング熱交換器からの冷却され た圧縮空気の大部分を使用して、排気流からの熱を再生するものである。後の３ つの実施の形態は、ほとんどまたは全くコストを増加させることなく生成される パワーを増加させるために、異なる方法で前記と同様な冷却された圧縮空気を使 用するものである。これらの後の３つの実施の形態では、冷却された圧縮空気が 直接燃焼室内に注入されて、より大量の燃料／スチーム混合物が燃焼され、これ によってタービンの質量流量を増加させ、電力出力を増加させる。これらの後の ３つの実施の形態では、排気熱は熱交換器内で再生され、当該熱交換器が、排気 流を冷却するとともに、他の燃料／スチーム混合物または空気／スチーム混合物 を加熱して、燃焼室に注入される。概略的に、各実施の形態は共通の構成要素を 有している。 全ての実施の形態において、熱交換器は、約華氏１０００度だけコンプレッサ の排気温度を低下させる。圧縮された空気の最終的な温度は、全ての実施の形態 において、可燃物／水の混合燃料供給の熱交換気への入力温度によって決定され る。これは、周囲の温度（約華氏５９度）と仮定される。冷却された圧縮空気の 熱交換気排気温度は、燃料供給温度に近づくように設計される。仮定に基づく設 計アプローチは約華氏８６度であり、圧縮された空気の温度は約華氏１４５度の ままである。これは、全ての実施の形態において、冷却された圧縮空気の温度で ある。この一部は、金属構成部分の冷却デューティ及び低温の熱の再生デューテ ィのために供給される。その残りは、本発明の初めの４つの実施の形態の再生用 熱交換器（板型 伝熱式熱交換器）、または後の３つの実施の形態の燃焼室に直接供給される。し かし、全ての実施の形態において、冷却デューティは以下の方法で行われる。熱 交換器から排出される低温の圧縮空気は、注入されて、高圧タービンブレード及 びベーンの冷却を行うのにすでに十分な圧力であり、低圧タービン及び出力ター ビンのブレード及びベーンの冷却を行うのに必要とされる低温空気圧よりも高い 。しかしながら、熱交換器の空気通路における低温空気の圧力は、最終的な高圧 コンプレッサ段のブレードを冷却するのには不十分である。高圧コンプレッサを 冷却するための固有の条件を実現するために、２つの方法のうちの１つが用いら れる。その第１の方法では、熱交換器から排出される低温圧縮空気の側流の一部 が高圧タービンに供給され、前記側流の残りが、シングルシャフトブースターの コンプレッサ／エクスパンダのコンプレッサ部分とエクスパンダ部分とに分割さ れる。エクスパンダに、低圧タービンの低温空気要件を具備するのに十分な流量 が供給される。この小さなエキスパンジョン（膨張）によって駆動されるシャフ トの動きにより、空気がわずかに冷却され、ブースタコンプレッサが必要とする シャフト動作を提供する。残りの空気は、ブースタコンプレッサに供給される。 ブースタコンプレッサから排出される空気の一部は、高圧コンプレッサを冷却す るのに利用される。ブースタコンプレッサから排出される残りの空気は、ガスタ ービン発電機の補助設備（たとえば、ベアリング、変圧器及び発電器の巻線）に 生じる低温の熱を許容できるように利用される。この圧力の増加された空気は、 表面コンデンサ（surface condenser）の管の側部の冷却用として用いられる。 コンデンサは、前記低温の熱源での気化によって生じる冷媒蒸気を濃縮する。（ 代案としてのヒートシンク設計は、好適な熱交換媒体を使用することができる。 ）この低温の熱を許容するブースターによっ て圧縮された空気は、当該システム内の最も高温の熱を補う燃焼室に送り戻され る。当該低温の熱用のシンクは、単に熱をサイクルに戻すのみならず、当該低温 の熱を排除するための資本及び動作コストを低減または削除することができる。 また、当該ヒートシンクは、発電機を合理的に冷却して抵抗損失を低減させるこ とができる。第２の方法では、冷却されて圧縮された空気の全側流を、上記のよ うにシングルシャフトブースタコンプレッサ／エクスパンダに供給すること、及 び高圧タービンを、圧力が増加された空気の一部によって冷却することができる 。 第１の実施の形態において、本発明は、下流方向への空気流を生成する少なく とも一つのコンプレッサと、当該コンプレッサの下流に配置され、冷却及び圧縮 された高熱部分の低温空気の側流の前段に配置された熱交換器と、前記側流の下 流に配置された再生用熱交換器（板型伝熱式熱交換器）と、前記再生用熱交換器 の下流に配置された燃焼室と、当該燃焼室の下流に配置された少なくとも一つの タービンと、当該タービンの下流に近接して配置された出力タービンと、を有し ているガスタービンエンジンを備えて構成される。出力タービンから再生用熱交 換器を介しての排気流は、冷却され、排気管から排出される。熱交換器は、可燃 成分及び水の混合物を気化させるとともに過熱する。熱交換器からの加熱された 可燃流出液である希釈された低ＮＯx燃料ガスは、ガスタービン低ＮＯx燃焼室に 燃料を供給する。出力タービンのシャフトは、潜在的に発生する仕事を負荷に伝 達する。高圧コンプレッサの後段に配置された熱交換器を、より効率的な熱交換 を行うために、慣用の高温空気・燃料熱交換器とすることができる。また、より 優れた水素リッチの燃料を順次に生成することを、メタン／スチーム改質器に置 き換えること ができる。触媒メタン／スチーム改質器を使用することは、このような改質器に おいて高吸熱反応が生じる点で有利であり、燃焼室に供給される燃料用の水素を 最終的に生成することによって、ＮＯxの生成を低くしつつ、焼成温度をより高 くすることができる。 熱交換器でメタン／スチーム改質器を使用しない場合には、水素リッチの低Ｎ Ｏx燃料を得るための代案を用いる。熱交換器から排出される高温スチーム／燃 料混合物は、スチーム改質触媒のベッドを通過する。この場合、熱交換器がリフ ォーマフィード予備加熱器として機能する以下に記載するすべての実施の形態で は、以下の構成が好ましい。 熱交換器から排出されるスチーム／燃料混合物が、燃料室に入り込むのに十分 な圧力を有していなければならない。熱交換器に入る水及び可燃物は、十分な圧 力（燃焼室の圧力よりも高い約５０乃至１００psia）まで上げられる。熱交換器 は、理想的には以下の２つの要件を満たすべきである。(1)第１の要件は、圧縮 された空気の温度を実用最低値にまで下げなければならないことであり、(2)第 ２の要件は、所望の圧力において、できる限り多くのスチーム／燃料混合物を生 成しなければならないことである。熱交換器内の空気温度を実用最低値にまで引 き下げるには、複数の圧力でスチームを生成させなければならない。しかしなが ら、この場合、スチーム／燃料混合物が燃焼室に侵入する圧力を１つのみ使用し て、空気側から抽出される全ての熱を所望の圧力のスチームに変換することが好 ましい。所望の圧力で燃焼室にスチーム／燃料を注入する要件を具備しつつ、複 数の圧力でスチーム／燃料の抽出ができるように、新規な構成が用いられる。す なわち、以下の構成に限定されるものではな いが、一例として、熱交換器内の４点においてスチーム／燃料混合物が除去され る場合、前記４つの圧力値のうちの２つが所望の圧力値よりも大きく、他の２つ の圧力値が所望の圧力値よりも小さくなるように４つの圧力値を設定する。比較 的圧力の高い２つのスチーム／燃料の流れは、スチームタービンに供給される。 これらのスチームタービンは、シャフトによってスチームコンプレッサに接続さ れる。スチームコンプレッサには、比較的圧力の低い２つのスチーム／燃料混合 物の流れが供給される。比較的圧力の高いスチーム／燃料混合物によってタービ ン及びコンプレッサが駆動され、タービン及びコンプレッサから排出されるスチ ーム／燃料の混合物が所望の圧力で１つの流れに合成される。この例では、単一 のシャフトを一つのスピードで使用する。効率を高めるためのオプションとして 、２つの同心シャフトを２つの異なる速度で使用することができる。効率が低下 するにも拘わらず、スチームジェットコンプレッサ（イジェクタ（ejector）） を使用することによって、同一の単一圧力のプロダクトスチーム（product stea m）を生成できる。この場合には、移動部分を設けずに圧縮を行うが、低圧スチ ームに対する高圧スチームの比率を高くする必要がある。 他の実施の形態において、本発明は、下流方向への空気流を生成する少なくと も一つのコンプレッサと、当該コンプレッサの下流に配置され、冷却及び圧縮さ れた高熱部分の低温空気の側流の前段に配置された第１メタン／スチーム改質器 と、前記側流の下流に配置された再生用熱交換器（板型伝熱式熱交換器）と、前 記再生用熱交換器の下流に配置された燃焼室と、当該燃焼室の下流に配置された 少なくとも一つのタービンと、当該タービンの下流に近接して配置された出力タ ービンと、前記排気流内に前記再生用熱交換器に近接 して配置された第２メタン／スチーム改質器と、を有しているガスタービンエン ジンを備えて構成される。 当該第２の実施の形態において、出力タービンからの排気は、再生用熱交換器 と、第２メタン／スチーム改質器のコイルとにそれぞれ分割される。（第１メタ ン／スチーム改質器からの冷却された圧縮空気及び排気ガスの予想圧力及び体積 を仮定して）再生用熱交換器を機械的に設計し、十分な出力タービン排気熱が再 生用熱交換器に供給され、冷却された圧縮空気がほぼ排気流の温度に上昇すると ともに、排気流の温度を低温圧縮空気の温度にほぼ下げる。出力タービン排気流 に含まれる残りの熱は、第２メタン／スチーム改質器に使用することができる。 当該第２メタン／スチーム改質器は、十分な熱を抽出して、排気流の第２部分を 、再生用熱交換器から排出された排気流とほぼ同一の温度にまで冷却できるよう に設計されている。排気ガスの流れを２つの平行な流れに分割することによって 、熱力学的に整合のとれた熱交換を行う再生用熱交換器を提供することができる 。 第２メタン／スチーム改質器のコイルからの可燃性流出液は、第１メタン／ス チーム改質器のコイルからの可燃性流出液と混合して、低ＮＯxの燃料をガスタ ービンの低ＮＯx燃焼室に供給する。両方の改質器に、メタン（パイプライン天 然ガス）及び水の混合物が供給される。さらに下流において、再生用熱交換器／ 改質器セクションから排出される２つの平行に流れる冷却された出力タービン排 気流は、再び結合して、少なくとも１つの排気管から排出される。出力タービン のシャフトは、潜在的に発生する仕事を負荷に伝達する。 さらに他の実施の形態において、本発明は、下流方向への空気流を生成する少 なくとも一つのコンプレッサと、当該コンプレッサの下流に配置され、冷却及び 圧縮された高熱部分の低温空気の側流の前段に配置された第１リフォーマフィー ド予熱交換器と、前記側流の下流に配置された再生用熱交換器（板型伝熱式熱交 換器）と、前記再生用熱交換器の下流に配置された燃焼室と、当該燃焼室の下流 に配置された少なくとも一つのタービンと、当該タービンの下流に近接して配置 された出力タービンと、前記排気流内に配置されたメタン／スチーム改質器と、 当該メタン・スチーム改質器の下流の排気流に、前記再生用熱交換器に近接して 配置された第２リフォーマフィード予熱交換器と、を有しているガスタービンエ ンジンを備えて構成される。 当該第３の実施の形態において、出力タービンの全排気ガス流は、メタン／ス チーム改質器のコイルに亘って流れ、メタン／スチームリフォーマに、２つのリ フォーマフィード予熱交換器からの流出液が供給される。当該実施の形態では、 タービンの排気温度が前の実施の形態よりも高くなることに伴い、焼成温度がか なり上昇するものと予想される。 ２つのリフォーマフィード予熱交換器に、低温のメタン及び水の混合物が供給 される。メタン／スチーム改質器のコイルからの可燃性流出液である、低ＮＯx 燃料は、ガスタービンの低ＮＯx燃焼室に燃料を供給する。改質器セクションの 下流において、部分的に冷却された出力タービンの排気ガス流は、前記第２の実 施の形態に関する説明で記載している設計原理に従って、再生用熱交換器と、第 ２リフォーマフィード予熱交換器とにそれぞれ分割される。排気ガス 流を分割することによって、熱力学的に整合のとれた熱交換を行う再生用熱交換 器を提供することができる。さらに下流において、再生用熱交換器／予備加熱器 セクションから排出される、平行に流れる２つの冷却された、出力タービンの排 気流が再び結合され、少なくとも１つの排気管から排出される。出力タービンの シャフトは、潜在的に生じる仕事を負荷に伝達する。 さらに他の実施の形態において、本発明は、下流方向への空気流を生成する少 なくとも一つのコンプレッサと、当該コンプレッサの下流に配置され、冷却及び 圧縮された金属構成部分冷却空気の側流の前段に配置された高圧リフォーマフィ ード予熱交換器と、前記側流の下流に配置された再生用熱交換器（板型伝熱式熱 交換器）と、前記再生用熱交換器の下流に配置された燃焼室と、当該燃焼室の下 流に配置された少なくとも一つのタービンと、当該タービンの下流に近接して配 置されたフリー出力タービンと、前記タービンと前記フリー出力タービンとの間 に設けられた再熱燃焼室と、排気ガス流内に配置された高圧メタン／スチーム改 質器と、当該高圧メタン／スチーム改質器に近接して排気流中に配置された低圧 メタン／スチーム改質器と、前記高圧及び低圧のメタン／スチーム改質器の下流 の排気流に、前記再生用熱交換器に近接して配置された低圧リフォーマフィード 予熱交換器と、を有しているガスタービンエンジンを備えて構成される。 当該第４の実施の形態においては、低圧メタン／スチーム改質器からの流出液 によって燃料が供給される低圧再熱燃焼室を使用する。この再熱は、コンプレッ サの排出温度よりもかなり高く、タービンの排気温度を上昇させるものである。 さらに、出力タービンから排 出される排気流は、高圧メタン／スチーム改質器を加熱するコイルと、低圧メタ ン／スチーム改質器を加熱するコイルとに分割される。この排気流の分割は、上 記の原理による設計によって達成され、熱力学的に整合のとれた熱交換を行う再 生用熱交換器を提供することができる。 高圧改質器には、高圧予熱交換器から、順次に、メタン及び水の低温混合物が 供給される。低圧改質器には、低圧再熱交換器から、順次、メタン及び水の低温 混合物が供給される。高圧改質器コイルからの可燃流出液である低ＮＯx燃料は 、ガスタービンの低ＮＯx燃焼室に燃料を供給する。低圧改質器コイルからの可 燃流出液は、再熱低ＮＯx燃焼室に燃料を供給する。再熱燃焼は、主気体流経路 の、タービンの前段で出力タービンへの侵入の前に発生する（以下のパラグラフ 参照）。前記２つの改質器の下流において、出力タービンからの部分的に冷却さ れ平行に流れる排気流が、再生用熱交換器及び低圧リフォーマフィード予熱交換 器（上記参照）をそれぞれ平行に流れる。当該排気流は、前記２つの高圧改質器 及び低圧改質器から排出された後に分割される。さらに下流において、平行に流 れる２つの冷却された、再生用熱交換器及び低圧リフォーマフィード予熱交換器 における排気流が再結合され、少なくとも１つの排気管から排出される。出力タ ービンのシャフトは、潜在的に発生する仕事を負荷に伝達する。 本発明の当該実施の形態は、固有の再熱燃焼手続きを用いて、１ポンドの排気 流に対する発電量を増加させるものである。低圧メタン／スチーム改質器からの 高温水素リッチの低圧燃料ガス流出液は、低圧タービンの固定ベーン及び回転ブ レードまたはその何れか一方 の後縁から、出力タービンのストリームに至るガスタービンの流経路に供給され る。水素成分の固有の燃焼特性、低ＮＯx燃料が高温であること、及び空気温度 が高いことにより、燃料は、（火炎保持器を必要としないで）自動点火して、空 気流へのインジェクション後、公称距離において完全燃焼する。このため、再熱 燃焼が、使用可能な固定ベーン及び回転ブレードまたはその何れか一方を内部空 気冷却通路とともに用いて容易に行われ、金属冷却を行うとともに、主なガス流 へのインジェクション用の後縁インジェクションオリフィス（orifice）に低Ｎ Ｏxの燃料を供給して、迅速且つ完全な燃焼を保証するとともに、最大限の燃料 の希釈／混合によりＮＯxの発生可能性を最小にする。 上記のように、本発明の後の３つの実施の形態は、タービンにおける質量流量 を増加させて電力出力を増加させるものである。このことは、金属構成部分の冷 却及び低温の熱再生には不要な低温圧縮空気を燃焼室内に直接注入することによ って実現される。このためには、より多くの燃料が燃焼され、タービンが動作す るように設計された焼成温度を達成しなければならない。燃料の需要が高まるこ とによって、注入するスチームも増加する。そして、この付加的な燃料及び水は 、排気熱を再生するのに使用される。したがって、再生用熱交換器（板型伝熱式 熱交換器）を使用する代わりに、慣用の貫流式向流熱再生装置において可燃物及 び水、または水及び空気の向流を用いて排気熱を再生している。 第５の実施の形態では、熱交換器から排出される低温圧縮空気は、上記の冷却 機能（たとえば、エンジン高温部の金属構成部分の冷却などベアリング、変圧器 及び発電器の巻線に生じる低温の熱をサイ クル（循環）に戻すためのヒートシンクとしての機能）を果たす。熱交換器及び 排気熱回復装置からの流出液は混合されて、慣用の断熱触媒メタンスチーム改質 器に供給される。当該改質器は、十分な水素成分を生成して、高い希釈度で燃焼 を高め、ＮＯxの生成量を低減する。この低熱量の燃料ガスは、改質器から排出 されて燃焼室に注入される。 第６の実施の形態において、冷却デューティ及び燃焼室への低温空気の流れは 、第５の実施の形態と同一である。当該実施の形態では、熱交換器から排出され る高温の燃料ガス流出液が、慣用の断熱触媒メタンスチーム改質器を流れる。こ のことは、燃料ガス流出液の水素成分を増大させるとともに、流出液の温度を約 華氏２００乃至３００度低下させる。この低温燃料ガス流は、排気熱再生装置内 の燃料ガスがほぼ同一の温度となる所で、排気熱再生装置内の燃料ガスの向流と 混合される。混合された流れは、排気熱の残りの高温部分を利用（再生）する。 当該実施の形態の目的は、必要とされる排気熱再生用の水の量を最小にすること である。 当該燃料ガスの混合された流れの水素成分が高希釈度燃焼を維持するのに十分 な場合、燃料ガスの流れは、燃焼室に直接供給される。しかしながら、他の水素 が必要な場合、水素は、燃料ガスが燃焼室に供給される以前に、オートサーマル （auto-thermal）改質器を燃料ガス流が通過することによって生成される。必要 ならば、オートサーマル改質器は、改質触媒ベッドを通過する間に燃料ガス温度 を保持するために、冷却された高圧の空気を少量付加する。 最後の実施の形態における冷却デューティ及び燃焼室への低温空 気の流れは、少量の低温空気が熱再生用の水と混合され、水及び空気の排気熱再 生スチーム発電機への２相供給経路を形成している点を除いて、第５及び第６の 実施の形態と同一である。（水とともに空気またはメタンの何れかを使用する） ２相供給の効果は、水の気化が、熱交換経路の初めの部分で発生することである 。気化を容易にすることによって、２相供給により、温度は、加熱液体の温度に 非線形に接近するので、加熱面をかなり減少できるとともに、熱力学的な不可逆 性を低減することができる。 本発明の目的は、変更及び開発の時間並びに費用を最小にして(すなわち、中 間冷却及び必要とされる慣用の再熱を行わずに)、地上ベースの発電プラントの 主要部分として、シリアル製造可能な最も効率的な飛行機エンジンを使用するこ とである。 本発明の他の目的は、通常のガスタービン設計において使用可能な低温空気の 温度よりも約華氏１０００度低い高圧低温空気の有効なソース（すなわち、かな り高い焼成温度を得るとともにブリード空気の必要性を低くする、またはその何 れか一方を行うための手段）を提供することである。 本発明のさらに他の目的は、低ＮＯx燃料を生成して、当該燃料が低ＮＯx燃焼 室内で燃焼した時にＮＯxの排気量が低減して、ＳＣＲ／アンモニアを使用する ことなく（すなわち、水素リッチ無硫黄の高スチーム希釈燃料を生成して）、空 気品質排気規制に適合またはこれを上回ることである。 本発明のさらに他の目的は、入力空気の単位質量流量に対して、 従前のガスタービン発電プラントより多くのパワー（熱発生）をガスタービンに 発生させること（本発明を用いることによって得られるより高い焼成温度、及び 本発明を用いることによって得られる希釈燃料を使用することによって、酸素の 実用値を減少させること）である。 本発明のさらに他の目的は、無人で動作するものの、従前のガスタービン発電 プラントによって達成されるよりも高いレベルの耐久性、信頼性、有用性、及び 保全性を実現可能な（すなわち、スチームサイクルを使用せずに、貫流式の熱交 換器を使用する）ガスタービン発電プラントを提供することである。 本発明のさらに他の目的は、ガスタービン駆動式の発電プラントの排気温度を 露点にまで引き下げること（すなわち、その後の合理的な再生及び排気流中の水 蒸気のリサイクルを容易にすること）である。 本発明のさらに他の目的は、一般的なガスタービン発電プラントでは使用され ていない低温熱用のシンクを設け、低温熱をサイクルに戻すことである。 本発明のさらに他の目的は、高圧コンプレッサの構成部分がより高い温度及び 圧力で動作できるようにすることである。 本発明の他の目的及び効果は、当該明細書の以下の部分で説明する。ここで、 以下の詳細な説明は、本発明の好適な実施の形態を開示するためのもで、本発明 を何ら限定するものではない。 図面の簡単な説明 以下図面を参照して本発明を説明する。 図１は、本発明によるガスタービン駆動式発電プラントの略図であり、コンプ レッサの下流に配置された熱交換器と、当該熱交換器の下流に配置された再生用 熱交換器とを示している。 図２乃至図４は、図１に示すガスタービン駆動式発電プラントの他の実施の形 態を示す略図である。 図５は、スチームを上昇させるために構成された、本発明の熱交換器部分の略 図である。 図６乃至図８は、図１に示すガスタービン駆動式発電プラントの他の実施の形 態を示す略図であり、ここでは、冷却された圧縮空気が直接燃焼室に直接供給さ れ、再生用熱交換器の代わりに、貫流式の排気熱再生装置が使用される。 図９は、燃焼室への２相式の空気／水供給を用いている、図１に示すガスター ビン駆動式発電プラントの他の一例を示す略図である。 図１０は、ガスタービンの冷却に使用され、出力タービンを有しているガスタ ービン駆動式の発電プラント内の補助設備を冷却するための本発明によるコンプ レッサ／エキスパンダ部分を示す略図である。 図１１は、出力タービンを使用しないガスタービン駆動式発電プラント用に構 成された、図１０のコンプレッサ／エキスパンダの略図である。 好適な実施の形態の説明 以下、図面を参照して、図１から図１１に概略的に示されている装置につき、 本発明を詳細に説明する。図１から図１１において、同様の構成要素には、同一 の参照番号を付す。ここに開示されている本発明の基本的概念を逸脱することな く、パーツの構成及び細目に関して前記装置を変更できることは明らかである。 図１に、ガスタービン駆動式発電プラント１０を示している。当該ガスタービ ン駆動式発電プラント１０は、シャフト１４によって、発電機などの負荷１２に 接続されている。電力を抽出可能な他の装置を作動させるのに、当該発電プラン ト１０を使用できることは当該分野における当業者にとって明らかである。 一般的に、発電プラント１０は、圧縮用のフィルタ処理された空気１８を受け 入れるためのコンプレッサ吸気口１６を備えている。低圧コンプレッサ２０は吸 気口１６の下流に配置され、高圧コンプレッサ２２は低圧コンプレッサ２０の下 流に配置され、高圧・高温の下流方向への流れを生成する。高圧タービン２４は 、シャフト２６によって高圧コンプレッサ２２に機械的に結合される。低圧ター ビン２８は、高圧タービン２４の下流に配置され、シャフト３０によって低圧コ ンプレッサ２０に機械的に結合される。空気力学的に 結合された出力タービン３２は、低圧タービン２８の下流に配置され、シャフト １４に結合される。使用されるコンプレッサ及びタービンは、慣用の航空機用の 設計、またはガスタービン駆動式発電プラントに一般的に使用される種類のもの とすることができる。他のコンプレッサ及びタービンを使用可能であることは当 該分野における当業者にとって明らかである。 熱交換器３４は、高圧コンプレッサ２２の下流に配置され、空気入力ダクト３ ６によって高圧コンプレッサ２２の出力に結合される。熱交換器３４は、慣用の 貫流式向流熱交換器など、または必要な場合には、慣用の触媒を用いたメタン／ スチーム改質器（methane/steam reformer）とすることができる。熱交換器３４ は、燃料入口４０及び燃料出口４２に結合されている燃料供給コイル３８を備え ている。水供給口４４も設けられ、水と入力される燃料とが混合される。また、 コイル３８と交差して熱交換器３４から排出される空気を排出するために、空気 出力ダクト４６を設ける。 高温の圧縮された空気がコイル３８上を通過すると、コイル３８を通る燃料及 び水の混合物に熱が伝達する。慣用の設計のコンプレッサを使用すると、高圧コ ンプレッサから放出される空気の温度は約華氏１１００乃至１２００度になり、 空気圧は、約４０乃至５０気圧になる。しかしながら、熱交換器３４を通過した 後の空気の温度は、約華氏１４０乃至１５０度の範囲になる。同時に、コイル３ ８を流れる燃料／水の混合物の温度は、約華氏１０００度だけ増加する。一般的 に、燃料温度は、高温コンプレッサ２２から放出される空気の温度よりも低い、 約華氏２０乃至５０度の温度に上昇する。高温の燃料が、燃料出口４２を介して 燃焼室４８の燃料入口に供給 される。燃料は燃焼室４８において燃焼される。代案として、燃焼する前に、前 記燃料を、水素リッチの燃料ガスとすることもできる。 熱交換器３４から排出された、低温圧縮空気は２つの流れに分流される。第１ の流れは、冷却ライン５０を流れる側流であり、コンプレッサ及びタービン中の 高温の金属構成部分を冷却するための空気を供給する。たとえば、図１に示すよ うに、低温空気は分流され、高圧タービン冷却ライン５２、低圧タービン冷却ラ イン５４及び出力タービン冷却ライン５６をそれぞれ流れる。この低温空気は、 コンプレッサ及びタービンのブレード（blade）及びベーン（vane）を好適に冷 却する役割を果たす。このようにして、慣用のガスタービン駆動式の発電プラン トと比較して、燃焼温度を高くすることができる。慣用の発電プラントの場合、 一般的に、高圧コンプレッサから放出される高温の空気を用いて冷却が行われる 。従って、本発明においては、冷却温度を、慣用のガスタービン発電プラントよ りも低い約華氏１０００度とすることができる。 残りの冷却された圧縮空気は、熱交換器３４及び冷却ライン５０の下流に配置 された慣用の再生用熱交換器（regenerator）（板型伝熱式熱交換器（plate-fin recuperator））５８に供給される。冷却された空気は、空気供給コイル６０を 流れ、空気ダクト６２を介して燃焼室４８に供給される。出力タービン３２から 排気ダクトを介して排出される排気は、コイル６０と交差して再生用熱交換器５ ８を通り、単排気管６４から排出される。このようにして、コイル６０上を通過 する排気からの熱は、コイル６０を通る空気に伝達され、当該空気を加熱する。 当該空気は、排気ガスの温度にまで加熱され、燃焼室４８の燃焼空気として使用 するのに好適である。従って、冷 却された空気が燃焼空気として使用されるために再加熱されるのみならず、排気 ガスも、単排気管６４から排出される前に冷却される。 前記のように、熱交換器３４は、慣用の高温空気・燃料熱交換器、または、好 ましくは、慣用の触媒を用いたメタン／スチーム改質器とすることができる。高 圧コンプレッサ２２から放出される空気は、その温度が華氏１１００乃至１２０ ０度のオーダになるので、改質された燃料の生成に使用するのに好適である。改 質触媒は、天然ガスまたはナフサなどの炭化水素燃料とともに反応するものであ ることが好ましい。慣用の改質器が、硫黄によって作用不能になり得るニッケル ベースの触媒を利用しているので、使用される燃料は、硫黄分を除去するか、ま たはその硫黄成分を極めて低くする必要がある。さらに、水は、スチーム駆動式 の発電プラントで使用される水の基準に相当する基準まで浄化しなければならな い。水は加熱されてスチームとなり、吸熱的に燃料及び触媒と反応して水素リッ チの可燃流出液を生成する。その後、メタン／スチーム改質器からの水素リッチ の可燃流出液は、燃焼室に燃料を供給するのに使用され、燃焼室は低ＮＯxの燃 焼生成物を生成する。 図２に、本発明の他の例を示す。ここで、熱交換器３４を、メタン／スチーム 改質器としている。当該例において、出力タービン３２からの排気は、再生用熱 交換器５８と、第２メタン／スチーム改質器６８の燃料供給コイル６６とにそれ ぞれ分割される。（第１メタン／スチーム改質器３４からの冷却された圧縮空気 及び排気ガスの予想圧力及び体積を仮定して）再生用熱交換器５８を機械的に設 計し、十分な出力タービン排気熱が再生用熱交換器５８に供給され、第１メタン ／スチーム改質器３４からの冷却された圧縮空気が、ほ ぼ排気流の温度に上昇するとともに、排気流の温度を、メタン／スチーム改質器 ３４から排出された低温圧縮空気の温度にほぼ下げる。出力タービン排気流に含 まれる残りの熱は、第２メタン／スチーム改質器６８に使用することができる。 当該第２メタン／スチーム改質器６８は、十分な熱を抽出して、排気流の第２部 分を、再生用熱交換器５８から排出された排気流とほぼ同一の圧力及び温度にま で冷却できるように設計されている。排気ガスの流れを２つの平行な流れに分割 することによって、熱力学的に整合のとれた熱交換を行う再生用熱交換器を提供 することができる。 第２メタン／スチーム改質器６８のコイル６６は、燃料入口７０及び燃料出口 ７２に結合されている。水供給口７４は、入力された燃料と水とを混合するため に設けられている。燃料出口７２は、燃料出口４２（または、燃料室４８の燃料 入力）に結合され、第２メタン／スチーム改質器６８からの水素リッチの可燃流 出液が、第１メタン／スチーム改質器３４からの水素リッチの可燃流出液と結合 して燃焼室４８に燃料を供給できるようにしている。さらに、再生用熱交換器５ ８及び第２メタン／スチーム改質器６８から排出される２つの平行に流れる冷却 された排気流は、再び結合して、単排気管６４から排出される。 図３に、熱交換器３４を熱交換器のままとして、メタン／スチーム改質器７６ が出力タービン３２からの排気流の下流に配置されている、本発明のさらに他の 例を示す。ここで、全ての排気流は、メタン／スチーム改質器７６の燃料供給コ イル７８を流れる。当該例においては、熱交換器３４からの燃料出口４２は、メ タン／スチーム改質器７６の燃料入口に直接結合されている。このようにして、 熱交換器３４は、第１リフォーマ・フィード予熱交換器（reformer feed reheat exchanger）として機能して、改質前に燃料温度を増加させるとともに、コンプ レッサの放出空気を冷却する役割を果たす。このようにすることによって、改質 された燃料の水素成分が増加して、より質の高い可燃流出液を供給することがで きる。メタン／スチーム改質器７６からの水素リッチの可燃流出液は、燃料出口 ８０を介して燃焼室４８に供給される。 メタン／スチーム改質器７６の下流において、出力タービン３２からの部分的 に冷却された排気流が、再生用熱交換器５８と、第２リフォーマ・フィード予熱 交換器８２とにそれぞれ機械的に分割される。排気流は、上記と同様の方法で分 割される。第２リフォーマ・フィード予熱交換機８２の燃料供給コイル８４の一 端を、燃料入口７０及び水供給口７４に結合し、他端を、メタン／スチーム改質 器７６のコイル７８に結合する。従って、可燃燃料の第２の流れは、第２リフォ ーマ・フィード予熱交換器８２を通過して、メタン／スチーム改質器７６に燃料 を供給する。さらに、平行に流れる２つの冷却された、再生用熱交換器５８及び 第２リフォーマ予熱交換器８２から排出される排気流は、再び結合され、単排気 管６４から排出される。 図４に、熱交換器３４を熱交換器のままとして、メタン／スチーム改質器７６ が出力タービン３２からの排気流の下流に配置されている本発明の他の一例を示 す。しかしながら、図３の例に示すように全ての排気流がメタン／スチーム改質 器７６のコイル７８に亘って流れるのではなく、出力タービン３２の排気流は、 （高圧改質器である）第１メタン／スチーム改質器７６と、（低圧改質器である ） 第２メタン／スチーム改質器とに機械的に分割される。 高圧メタン／スチーム改質器７６及び低圧メタン／スチーム改質器８６の下流 に、出力タービン３２からの部分的に冷却され平行に流れる排気流が、再生用熱 交換器５８及び低圧リフォーマフィード予熱交換器９０をそれぞれ平行に流れる 。上記のように、排気流は、再生用熱交換器５８と、低圧リフォーマフィード予 熱交換器９０とに機械的に分割される。さらに下流において、平行に流れる２つ の冷却された、再生用熱交換器５８及び低圧リフォーマフィード予熱交換器９０ における排気流が再結合され、単排気管６４から排出される。 当該例において、熱交換器３４からの燃料出口４２は、高圧メタン／スチーム 改質器７６の入力端子に直接結合され、高圧メタン／スチーム改質器７６からの 水素リッチの可燃流出液が、燃料出口８０を介して燃焼室４８に供給される。 可燃燃料の第２の流れは、低圧リフォーマフィード予熱交換器９０を通過して 、低圧メタン／スチーム改質器８６に燃料を供給する。低圧フィード予熱交換器 ９０の燃料供給コイル９２の一端は、燃料入口７０及び水供給口７４に結合され 、他端は、低圧メタン／スチーム改質器８６の燃料供給コイル８８に結合される 。低圧メタン／スチーム改質器８６からの水素リッチの可燃流出液は、低圧燃料 出口９４を介して、低圧タービン２８と出力タービン３２との間に配置されてい るＮＯx再熱燃焼室９６の燃料入口に供給される。 低圧メタン／スチーム改質器８６からの高温水素リッチの低圧燃 料ガス流出液は、低圧タービン２８の固定ベーン及び回転ブレードまたはその何 れか一方の後縁から、出力タービン３２のストリームに至るガスタービンの流経 路に供給されることが好ましい。水素成分の固有の燃焼特性、低ＮＯx燃料が高 温であること、及び空気温度が高いことにより、燃料は、（火炎保持器を必要と しないで）自動点火して、空気流へのインジェクション後、公称距離において完 全燃焼する。このため、再熱燃焼が、使用可能な固定ベーン及び回転ブレードま たはその何れか一方を内部空気冷却通路とともに用いて容易に行われ、金属冷却 を行うとともに、主なガス流へのインジェクション用の後縁インジェクションオ リフィス（orifice）に低ＮＯxの燃料を供給して、迅速且つ完全な燃焼を保証す るとともに、最大限の燃料の希釈／混合によりＮＯxの発生可能性を最小にする 。 本発明の上記例における設計上の選択肢の中から１つを製造時に選択する場合 、燃料の種類、排気規制、予想負荷係数及び経済上の問題などの多くの要素が考 慮される。一般的に、最も好適でない例から最も好適な例に順番に実施の形態は 説明される。連続的に説明されている各例は、以下の３つの理由により、メタン ／スチーム改質反応による化学的な熱の再生による効果をより多く利用している 。(1)その第１の理由は、最終的な水素リッチの燃料は確実に燃焼して、ＮＯxを 発生させることなく、焼成温度を高くすることができ、このため、後端部にクリ ーンアップ設備を設ける必要がないからである。(2)第２の理由は、メタン／ス チーム改質処理によって、より小さな水／燃料比を用いて、伝統的なスチーム注 入型のガスタービンから得られるのと同等の質量流量パワー増加効果が得られる からである。また、水の使用がより少ないことにより、排気筒における潜熱の漏 れがより少なくなり、燃料から電気への全体的な変換効率を高める ことができるからである。(3)第３の理由は、吸熱メタン／スチーム改質反応を より多くすることが、排気熱を収集するのに使用される熱交換器及びコンプレッ サ・アフタークーリング（compressor-aftercooling）熱交換器の両方における 熱を迅速に伝達するのに理想的だからである。 最終的には、（高圧及び低圧の）２つのメタン／スチーム改質器が用いられて 、メタン／スチーム改質が低温でより多く発生するようにする。この二重の改質 器設計により、上記再熱構成を使用することが可能になり、これによって、低圧 改質器からの水素リッチの燃料が、低圧タービンの固定ベーン及びブレードまた はその何れか一方の冷却オリフィスに供給され、前記タービンを冷却するととも に、自動点火してクリーンに燃焼する再熱燃料を供給する。このことによって、 製造者は、出力タービンを設計変更せずに、再熱を効果的に利用することができ る。メタン／スチーム改質反応も温度の関数であるため、当該再熱によっても、 排気流からの熱の化学的再生を向上させることができる。 図１、図３及び図４において、熱交換器３４にメタン／スチーム改質器が使用 されない場合、熱交換器３４から排出される高温のスチーム／燃料混合物をスチ ーム改質触媒のベッド（図示せず）に通すことによって、水素リッチの低ＮＯx 燃料が得られる。 さらに、図５においても、熱交換器３４が（リフォーマフィード予熱交換器と しての機能を備える）熱交換器としてのみ機能する全ての場合、熱交換器３４か ら排出されるスチーム／燃料混合物が、燃料室４８に入り込むのに十分な圧力を 有していなければならない ことに留意しなければならない。熱交換器３４に入る水及び可燃物は、十分な圧 力（燃焼室の圧力よりも高い約５０乃至１００psia）まで上げられる。熱交換器 ３４は、理想的には以下の２つの要件を満たすべきである。(1)第１の要件は、 圧縮された空気の温度を実用最低値にまで下げなければならないことであり、(2 )第２の要件は、所望の圧力において、できる限り多くのスチーム／燃料混合物 を生成しなければならないことである。 複数の圧力でスチームを生成することによって、空気の温度を実用最低値にま で引き下げることができるように、熱交換器３４の性能を高めることができる。 しかしながら、この場合、スチーム／燃料混合物が燃焼室４８に侵入する圧力を １つのみ使用して、空気側から抽出される全ての熱を所望の圧力のスチームに変 換することが好ましい。所望の圧力で燃焼室４８にスチーム／燃料を注入する要 件を具備しつつ、複数の圧力でスチーム／燃料の抽出ができるように、スチーム 上昇手段が用いられる。 たとえば、熱交換器３４は、一般的に複数のコイルセクションを備えることが できる。コイルセクションの栓を選択的に開けることによって、４つの異なる圧 力値に相当する４点９８、１００、１０２及び１０４において、スチーム／燃料 混合物が除去される。前記４つの圧力値のうちの２つが所望の圧力値よりも大き く、他の２つの圧力値が所望の圧力値よりも小さくなるように、熱交換器３４の 栓が開かれることが好ましい。比較的圧力の高い２つのスチーム／燃料の流れ９ ８、１００は、それぞれスチームタービン１０６、１０８に供給される。これら のスチームタービン１０６、１０８は、シャフト１１０、１１２によってスチー ムコンプレッサ１１４、１ １６に接続される。スチームコンプレッサ１１４、１１６には、比較的圧力の低 い２つのスチーム／燃料混合物の流れ１０２、１０４が供給される。比較的圧力 の高いスチーム／燃料混合物によってタービン及びコンプレッサが駆動され、こ れによって圧力が低減される。次に、コンプレッサは、比較的圧力の低いスチー ム／燃料混合物を圧縮して、これによって圧力が増加される。コンプレッサ及び タービンの出力は合成され、燃料出力４２を介してタービン及びコンプレッサか ら排出されるスチーム／燃料の混合物が所望の圧力で１つの流れに合成される。 従って、ここから明らかなように、コンプレッサ及びタービンは、比較的低い圧 力を増大させ、比較的高い圧力を低減させ、スチーム／燃料混合物の圧力を等し くするための手段として機能する。さらに、スチーム／燃料混合物内のスチーム の量は増加する。 図６乃至図８において、金属構成部分の冷却及び低温の熱再生には不要な低温 圧縮空気を燃焼室４８内に直接注入することによって、タービンにおける質量流 量を増加させて、電力出力を増加させることもできる。このためには、より多く の燃料が燃焼され、タービンが動作するように設計された焼成温度を達成しなけ ればならない。燃料の需要が高まることによって、注入するスチームも増加する 。そして、この付加的な燃料及び水は、排気熱を再生するのに使用される。した がって、再生用熱交換器（板型伝熱式熱交換器）を使用する代わりに、これらの 例では、慣用の貫流式向流熱再生装置（熱交換器）１１８において可燃物及び水 、または水及び空気の向流を用いて排気熱を再生している。 図６において、熱交換器３４から排出される低温圧縮空気は、エ ンジン高温部の金属構成部分の冷却などの他の冷却機能に使用される小部分を除 いて、燃焼室４８に直接供給され、以下に説明するように、ベアリング、変圧器 及び発電器の巻線に生じる低温の熱をサイクル（循環）に戻すためのヒートシン クとして機能する。上記のように、燃料及び水は、それぞれ燃料入口４０及び水 供給口４４を介して、熱交換器３４の燃料供給コイル３８に供給される。熱交換 器３４の設計及び構造と同様に、熱再生装置１１８は、燃料入口１２２及び水供 給口１２４に結合された流出液供給コイル１２０を備えている。熱交換器３４か ら燃料出口４２へ流れる加熱された流出液及び熱回復装置１１８から燃料出口１ ２６へ流れる加熱された流出液は混合されて、慣用の断熱触媒メタンスチーム改 質器１２８の入口に供給される。当該改質器１２８は、十分な水素成分を生成し て、高い希釈度で燃焼を高め、ＮＯxの生成量を低減する。この低熱量の燃料ガ スは改質器１２８から排出されて、燃料出口１３０を介して燃焼室４８に注入さ れる。 図７に示す他の例では、燃料出口４２を介して熱交換器３４から排出される高 温の燃料ガス流出液が、上記のように、慣用の断熱触媒メタンスチーム改質器１ ２８を流れる。しかしながら、ここでは、流出液は、燃焼室４８に供給される以 前に加熱される。改質器１２８を使用することによって、流出液の温度が約華氏 ２００乃至３００度低下するので、燃焼室に供給する前に温度を上昇させておく ことが好ましい。この低温燃料ガス流は、排気熱再生装置１１８内の燃料ガスが ほぼ同一の温度となる所で、排気熱再生装置１１８内の燃料ガスの向流と混合さ れる。混合された流れは、燃料出口１３２を介して燃焼室４８に供給される。混 合された流れは、排気熱の残りの高温部分を利用して（再生して）、必要とされ る排気熱交換水 の量を最小にする。 当該燃料ガスの混合された流れが高希釈度燃焼を維持するのに十分な場合、燃 料ガスの流れは、燃焼室に直接供給される。しかしながら、他の水素が必要な場 合、水素は、燃料ガスが燃焼室に供給される以前に、オートサーマル（auto-the rmal）改質器（図示せず）を燃料ガス流が通過することによって生成される。必 要ならば、オートサーマル改質器は、改質触媒ベッドを通過する間に燃料ガス温 度を保持するために、冷却された高圧の空気を少量付加する。 図８に示すように、熱再生装置１１８で燃料及び水を混合する代わりに、熱交 換器３４からの少量の低温空気が熱交換水と混合され、水及び空気の２相供給経 路を形成する。ここで、燃料出口４２を介して改質器１２８に流れる熱交換器３ ４からの流出液、及び最終的な水素リッチの燃料は、燃料出口１３０を介して燃 焼室４８に供給される。空気排出ダクト４６からの低温空気の側流は、空気ダク ト１３４を介して、熱再生装置１１８の流出液供給コイル１２０に供給される。 最終的な空気／スチームの混合物は、スチームダクト１３６を介して燃焼室４８ に直接供給される。図９に示すように、図１の例において、図８に示す２相供給 経路を設けることによる効果の一部を実現することもできる。このことは、水供 給口１３６によって、空気排出ダクト４６を流れる低温空気に水を供給すること によって実現される。 したがって、排気熱再生で使用される２相供給経路を、図１乃至図４に示す例 にも用いることができることは、当該分野における当業者にとって明らかである 。 さらに、図１、３及び４に示す例の熱交換器３４が、慣用の高温空気・燃料熱 交換器または慣用のメタン／スチーム改質器の何れか一方を備えているが、代案 として、慣用の向流熱交換器を使用することもできる。慣用の向流熱交換器が用 いられる場合、燃料入口４０を介して燃料が供給される代わりに、熱交換器３４ を介して２相供給経路に空気を供給することもできる。同様に、このような２相 供給経路を図６乃至図９に示す例に用いることもできる。２相供給経路に対して 熱交換器３４が使用されているこれらの例では、燃料が独立の供給路によって燃 焼室４８に供給される。このことは、慣用の方法で直接的にまたは改質器によっ て実現される。 図１０において、空気排出ダクト４６を流れる低温空気の一部を、高圧コンプ レッサ２２を冷却するとともに発電プラントと関連する補助設備を冷却するのに 使用することもできる。しかしながら、この場合、熱交換器３４を通過する空気 の流れにより、低温空気の圧力が、高圧コンプレッサ２２のブレードを冷却する のには不十分であることに留意すべきである。従って、空気の圧力を大きくする 必要がある。図１０に示す例の場合、空気の一部は、高圧タービン２４及び低圧 タービン２８の両者に供給され、その残りが、図に示すように、シングルシャフ トブースターのコンプレッサ／エクスパンダのコンプレッサ１３８部分とエクス パンダ１４０部分とに分割される。エクスパンダ１４０に、出力タービン３２の 低温空気要件を具備するのに十分な流量が供給される。この小さなエキスパンジ ョン（膨張）によって駆動されるシャフトの動きにより、圧力が低減され、空気 がわずかに冷却され、ブースタコンプレッサ１３８が必要とするシャフト動作を 提供する。残りの空気は、ブースタコンプ レッサ１３８に供給される。ブースタコンプレッサ１３８から排出される空気の 一部は、高圧コンプレッサ２２を冷却するのに利用される。ブースタコンプレッ サ１３８から排出される残りの空気は、ガスタービン発電機の補助設備（たとえ ば、ベアリング、変圧器及び発電器の巻線）に生じる低温の熱を許容できるよう に利用される。この圧力の増加された空気は、補助設備入力ライン１４４及び補 助設備出力ライン１４６を備えている表面コンデンサ（surface condenser）１ ４２の管の側部の冷却用として用いられる。コンデンサ１４２は、前記低温の熱 源での気化によって生じる冷媒蒸気を濃縮する。この低温の熱を許容するブース ターによって圧縮された空気は、当該システム内の最も高温の熱を補う燃焼室４ ８に送り戻される。代案として、冷却されて圧縮された空気の全側流を、上記の ようにシングルシャフトブースタコンプレッサ／エクスパンダに供給すること、 及び高圧タービンを、圧力が増加された空気の一部によって冷却することができ る。 図面から明らかなように、図１０は、出力タービン３２を利用するガスタービ ン駆動式発電プラントを示している。図１１に示す例では、高圧タービン及び低 圧タービンのみが用いられている。このような構成の場合、低温空気の一部は、 高圧タービン２４を冷却するのに供給される。その残りは、コンプレッサ１３８ とエクスパンダ１４０との間で分割される。そして、エクスパンダ１４０からの 圧力の低減された流れが、低圧タービン２８の冷却要件を具備するように用いら れる。 図１０及び図１１の構成をここに記載されている全ての例に適用できることは 、当該分野における当業者にとって明らかである。 従って、本発明によって、優れたタービン冷却能力を備えた、高効率で低汚染 のガスタービン駆動式の発電プラントを提供できることは明らかである。これま での記述は、多くの特徴を備えているが、これらは本発明の範囲を限定するもの ではなく、単に本発明のここでの好適例の幾つかを説明しているにすぎない。こ のため、本発明の範囲は、添付の請求の範囲及びその法律的な均等物によって決 定されるべきである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ)，ＡＭ， ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＮ，ＣＺ，Ｅ Ｅ，ＦＩ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＮＯ， ＮＺ，ＰＬ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，Ｔ Ｔ，ＵＡ，ＵＺ，ＶＮ 【要約の続き】 とができ、これによって、水素リッチで低ＮＯxのスチ ーム希釈可燃流出液を生成する。他の例では、冷却され た圧縮空気を燃焼室（４８）に直接注入することによっ て電力出力を増加させ、タービン（２４、２８、３２） を流れる質量流量を増加させる。そして、慣用の貫流式 熱再生装置（１１８）で、可燃流出液及び水または水及 び空気をを用いて排気熱を再生する。さらに他の例で は、低温空気の小部分を、熱再生装置（１１８）内の再 生水と混合して、熱交換経路の開始部分において水を気 化するとともに、燃焼室（４８）への水及び空気の２相 供給経路を形成する。さらに、全ての例において、冷却 された圧縮空気の一部をコンプレッサ／エキスパンダに よって処理して、低温空気をタービン、コンプレッサ及 び補助設備に供給することができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．（a）下流方向への空気流を生成するコンプレッサ手段と、 （b）当該コンプレッサの下流に配置され、燃料供給コイルを有している第１熱 交換器と、 （c）当該第１熱交換器の下流に配置された再生用熱交換器と、 （d）前記第１熱交換器の下流及び前記再生用熱交換器の上流に配置され、前記 第１熱交換器からの冷却された空気の側流を供給するための冷却手段と、 （e）前記再生用熱交換器の下流に配置され、前記第１熱交換器の燃料供給コイ ルに結合された燃料入口を有している燃焼室と、 （f）前記燃焼室の下流に配置されたタービンと、 を備えているガスタービン駆動式発電プラント。 ２．前記第１熱交換器の燃料供給コイルを流れるスチームの圧力増加及び均一化 を行うためのスチーム上昇手段をさらに備えている請求項１に記載の発電プラン ト。 ３．前記スチーム上昇手段が、 （a）前記第１熱交換器に結合された燃料入口と、前記燃焼室の燃料入口に結合 された燃料出口とを有しているスチームタービンと、 （b）前記第１熱交換器に結合された燃料入口と、前記燃焼室の燃料入口に結合 された燃料出口とを有しているコンプレッサと、 を備えている請求項２に記載の発電プラント。 ４．前記タービンの下流に配置された出力タービンをさらに備えている請求項１ に記載の発電プラント。 ５．前記再生用熱交換器を、前記出力タービンの下流に配置している請求項４に 記載の発電プラント。 ６．前記冷却手段が、前記タービンに低温空気を供給する請求項４に記載の発電 プラント。 ７．前記冷却手段が、前記コンプレッサに低温空気を供給する請求項６に記載の 発電プラント。 ８．（a）前記出力タービンの下流に配置され、前記第１熱交換器の燃料供給コ イルと、前記燃焼室の燃料入口との間に配置された燃料供給コイルを有している メタン／スチーム改質器と、 （b）当該メタン／スチーム改質器の下流に配置され、当該メタン／スチーム改 質器の燃料供給コイルに結合された燃料供給コイルを備えている第２熱交換器と 、 をさらに備えている請求項５に記載の発電プラント。 ９．（a）前記出力タービンの下流に配置され、前記第１熱交換器の燃料供給コ イルと前記燃焼室の燃料入口との間に配置された燃料供給コイルを有している第 １メタン／スチーム改質器と、 （b）前記出力タービンの下流に配置され、燃料供給コイルを有している第２メ タン／スチーム改質器と、 （c）当該第２メタン／スチーム改質器の下流に配置され、前記第２メタン／ス チーム改質器の燃料供給コイルに結合された燃料供給コイルを備えている第２熱 交換器と、 （d）前記タービンの下流で且つ前記出力タービンの上流に配置さ れ、前記第２メタン／スチーム改質器の燃料供給コイルに結合された燃料入口を 有している再熱燃焼室と、 を備えている請求項５に記載の発電プラント。 １０．（a）下流方向への空気流を生成するためのコンプレッサ手段と、 （b）当該コンプレッサ手段の下流に配置され、燃料入口及び燃料出口を有して いるメタン／スチーム改質器と、 （c）当該メタン／スチーム改質器の下流に配置された再生用熱交換器と、 （d）前記メタン／スチーム改質器の下流で且つ前記再生用熱交換器の上流に配 置され、前記メタン／スチーム改質器からの空気を冷却して、当該冷却された空 気の側流を供給するための冷却手段と、 （e）前記再生用熱交換器の下流に配置され、前記メタン／スチーム改質器の燃 料出力に結合された燃料入口を有している燃焼室と、 （f）当該燃焼室の下流に配置されたタービンと、 を備えている化学的熱的に再生可能なガスタービン駆動式発電プラント。 １１．前記タービンの下流に配置された出力タービンをさらに備えている請求項 １０に記載の発電プラント。 １２．前記再生用熱交換器を、前記出力タービンの下流に配置している請求項１ １に記載の発電プラント。 １３．前記冷却手段が低温空気を前記タービンに供給する請求項１１に記載の発 電プラント。 １４．前記冷却手段が低温空気を前記コンプレッサに供給する請求項１３に記載 の発電プラント。 １５．（a）前記出力タービンの下流に配置され、燃料入口及び燃料出口を有し ている第２メタン／スチーム改質器をさらに備え、 当該第２メタン／スチーム改質器の燃料出口を、前記燃焼室の燃料入口に結合 している請求項１０に記載の発電プラント。 １６．（a）高温空気の入口及び低温空気の入口と、燃料及び水を受け入れるた めの複数のコイル手段とを有する、高温空気・燃料熱交換器と、 （b）当該熱交換器に結合された燃料入口と、燃料出口とを有しているスチーム タービンと、 （c）前記熱交換器に結合された燃料入口と、前記スチームタービンの燃料出口 に結合された燃料出口とを有しているコンプレッサと、 を備えているスチーム上昇熱交換装置。 １７．前記コイル手段が、可変圧力で燃料／水の混合物を供給し；前記タービン によって排出される燃料の圧力が、前記タービンへの燃料入力圧よりも低く；前 記コンプレッサによって排出される燃料の圧力が、前記コンプレッサへの燃料入 力圧よりも高く；前記タービン及び前記コンプレッサによって排出される燃料が 混合して、単一の圧力の燃料を形成する請求項１６に記載の装置。 １８．（a）下流方向への空気流を生成するコンプレッサ手段と、 （b）当該コンプレッサ手段の下流に配置された熱交換器と、 （c）当該熱交換器の下流に配置された燃焼室と、 （d）当該燃焼室の下流に配置されたタービンと、 を備えているガスタービン駆動式発電プラント。 １９．前記タービンの下流に配置され、流出液供給コイルを有している排気熱再 生装置を備えている請求項１８に記載の発電プラント。 ２０．前記熱交換器が燃料供給コイルを備えている請求項１８に記載の発電プラ ント。 ２１．前記燃料供給コイルを流れるスチームの圧力増加及び均一化を行うための スチーム上昇手段をさらに備えている請求項２０に記載の発電プラント。 ２２．前記スチーム上昇手段が、 （a）前記熱交換器に結合された燃料入口と、改質器手段に結合された燃料出口 とを有しているスチームタービンと、 （b）前記熱交換器に結合された燃料入口と、前記改質器手段に結合された燃料 出口とを有しているコンプレッサと、 を備えている請求項２１に記載の発電プラント。 ２３．前記燃料供給コイルから燃料を受け入れるとともに、水素リッチの流出液 を生成して、前記燃焼室に燃料を供給するためのメタン／スチーム改質器手段を さらに備えている請求項２０に記載の発電プラント。 ２４．前記改質器手段が、前記流出液供給コイルから流出液を受け 入れる請求項２３に記載の発電プラント。 ２５．前記流出液供給コイルが、前記改質器手段から水素リッチの流出液を受け 入れ、且つ前記流出液供給コイルが、前記燃焼室に結合されている請求項２３に 記載の発電プラント。 ２６．低温空気の側流を前記流出液供給コイルに供給するためのエアダクト手段 をさらに備え、前記改質器手段が前記燃焼室に結合され、前記流出液供給コイル が前記燃焼室に結合され、且つ空気及び水の混合物が前記流出液供給コイルから 前記燃焼室へ流れる請求項２３に記載の発電プラント。 ２７．前記タービンの下流に配置された出力タービンをさらに備えている請求項 １８に記載の発電プラント。 ２８．前記出力タービンの下流に配置された熱再生装置をさらに備えている請求 項２７に記載の発電プラント。 ２９．前記熱交換手段からの低温空気の圧力を増加させ、前記コンプレッサを冷 却するためのコンプレッサ／エキスパンダ手段をさらに備えている請求項１、１ ０または１８に記載の発電プラント。 ３０．前記コンプレッサ／エキスパンダ手段からの低温空気を供給して、補助的 なプラント設備を冷却するためのコンデンサ手段をさらに備えている請求項２９ に記載の発電プラント。