JPS595761B2 - 熱を仕事に変換する装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は熱を仕事に変換する装置特に発電用火力発電
所で電気を発生する装置に関する。

熱的に電気エネルギを発生させるため、水のような流体
をボイラの中で加圧下に蒸発させこれを同期発電機に連
結された蒸気タービンの中で膨張させ、次にこれを凝縮
させ冷却させたのちにボイラに戻す閉じた熱力学的回路
が使用できる。

蒸発のための熱は適当な量の燃焼空気（燃焼のための空
気）の存在下に炭化水素等の燃料を燃焼させることによ
って生成される。

このような蒸気によって駆動されるタービン発電機ユニ
ットの熱力学的効率は比較的良好であるが、装置の経費
が非常に高く、これはこの型の火力発電所から供給され
るキロワット時当りの原価で償却費が著るしく大きい割
合を占めるということを示している。

太きい出力の発電機の駆動に必要なトルクは開いた熱力
学的回路を有するガスタービンによっても供給できる。

この種の装置においては、外気から取入れられた空気が
圧縮機の中で圧縮され、この空気が燃焼室の中で燃料の
燃焼に用いられ、これによって生じた燃焼ガスがタービ
ンを通るときに膨張することによってタービンが駆動さ
れる。

なお、この種の装置においては燃料としてＬＰＧ。

石油などが用いられ、圧縮機と発電機はタービンの軸に
連結されている。

ガスタービン装置の比消費量（供給されるキロワット時
当りの燃料消費量）は蒸気タービンユニットの比消費量
より非常に大きい。

しかしその投資費用は非常に少なく、それ故火力発電所
における尖頭負荷発電機用または予備発電機用としてガ
スタービンユニットがしばしば使用される。

在来の工業用ガスタービンの効率が低い理由の１つは、
タービン羽根の機械的堅牢性および適当な寿命を確保す
るために、タービンの入口温度を約８００℃すなわち通
常使用される燃焼の焔温度の約三分の−に制限すること
が望ましいと考えられるからである。

在来のガスタービンにおいてはタービンの入口温度の制
限は、燃焼室から出る燃焼のガスを約４倍の量の新鮮な
圧縮された空気で希釈することによって達成され、その
結果純粋の損失としてガスのエントロピが大きく増加す
る。

さらに、この際に圧縮機を駆動させるために必要なエネ
ルギは、空気と燃料の理論空気比に相当する量の燃焼空
気を圧縮するに必要なエネルギより５倍太きい。

圧縮の際に吸収されるエネルギは理論的には膨張の際に
取戻されるが、前述したような変化は実際には可逆的か
らはほど遠く、工業用ガスタービンにおける大きな希釈
度はその効率を低下させる。

最後に、タービンにより排出されるガスは比較的高温で
、使用できるエネルギがこのことによってさらに失なわ
れる。

失なわれるエネルギの量を低減させるため、蒸気タービ
ンユニットと結合された希釈型ガスタービンを有するい
わゆる温合式火力発電所が提案された。

そしてこの火力発電所では、ガスタービンから排出され
る比較的酸素に富んだ高温ガス混合物が燃焼ガスまたは
その１部を形成し、蒸気タービンユニットのボイラへ供
給される燃料がこの燃焼ガスの中で燃焼する。

この方法によれば、ガスタービンから排出されるガスの
残留エネルギの非常に多くの部分が蒸気タービンの軸端
で回収される。

かつこのようにして、比較的廉価なガスタービンユニッ
トによって、これが蒸気タービンユニットと組合わされ
ていない場合に得られるよりも有効なガスタービンに供
給される燃料の使用が達成される。

ガスタービンユニットと蒸気タービンユニットの相対的
投資費用を考慮すれば、上述した種類の混合式装置のガ
スタービンユニットの出力に対する寄与が蒸気タービン
ユニットのそれに較べてできるだけ大きいことが有利で
ある。

しかしながらガスタービンユニットの容量を上げると、
前述のごとく空気による希釈量が増加し損失熱量の増大
を招き、また蒸気タービンユニットで回収スる場合でも
該ユニットのボイラ上流側での系外からの燃料量が増大
することになり、結果として綜合効率が低下する。

この発明の目的は、上述した従来の欠点を除去した熱を
仕事に変換する新規な装置を提供することにある。

この発明によれば、燃焼室とこの燃焼室から供給される
ガスによって駆動されるように配備されたタービンとを
それぞれ有する２つのガスタービンユニット、およびタ
ービンのおのおのから排出されるガスを受取るように連
結された別の燃焼装置を包含し、燃焼室の双方ではなく
１方がこれに供給される燃料の完全燃焼を阻止する装置
を備えていることを特徴とする熱を仕事に変換する装置
が提供される。

１方のタービンに供給される過剰の空気と別のタービン
に供給される過剰の燃料とは燃焼室からタービンへ供給
される燃焼ガスを薄めてこれの温度を低くシ、すなわち
この温度は理論空燃比に対応する燃焼温度よりも低く保
持され、これに伴ってタービン羽根が過熱によって損傷
する危険が低減する。

この新規の配備はさらに、圧縮される空気の量が燃焼室
内で燃焼される燃料の量だけに関連して決定できるから
圧縮機の使用効率という点から見て有利であり、過剰燃
料の中のエネルギのかなりの部分はタービンから排出さ
れて後続の燃焼装置の中で燃焼されるまでに回収される
。

この後続の燃焼室では高い焔温度が使用できる。

例示のため、この発明の実施例について図面を参照しな
がら以下に説明する。

第２図に線図で示したこの発明による装置は、蒸気ター
ビンユニット１０、第１ガスタービンユニツト１１およ
び第２ガスタービンユニツト１２を有する。

蒸気タービンユニット１０は在来の構造のものである。

これは高圧タービン段１５および低圧タービン段１６を
有し、これらは同期発電機に連結された共通の伝動軸１
７を作動する。

タービン−・ウジフグ１６内で膨張した蒸気は凝縮器１
８の中で冷却され凝縮され、次にポンプ２０によって在
来の水害熱器２１および２２へ向い、これら再熱器にお
いて低圧タービン段１６の種種の段から抽出された蒸気
によって加熱される。

水害熱器で加熱された水は次にボイラ１９の中へ進む。

ボイラ１９は過熱器２３、再過熱器２４、節減器２５お
よび排ガス冷却器２６を有する。

図に示されるように、再熱器２１から来る水は最初に排
ガス冷却器２６を通過し次いで水害熱器２２から来る水
と共に蒸発器２５を通り蒸気に変えられその後に過熱器
２３の中で過熱蒸気になる。

この蒸気は次に高圧タービン段１５の中で部分的に膨張
し、次いで再過熱器２４を通りその後に低圧タービン段
１６の中で最終的に膨張する。

第１ガスタービンユニツト１１は空気圧縮機３１、燃焼
室３２およびタービン３３を有する。

圧縮機３１には入口ダクト３４を通って外気が供給され
る。

圧縮機は伝動軸３５を介してタービン３３によって駆動
される。

伝動軸３５は蒸気タービンユニットの伝動軸１７に結合
でき、あるいは独立の同期発電機（図示なし）を駆動す
る。

圧縮機３１によって圧縮された空気の一部は、供給管３
６を通って燃焼室３２に供給される液体または気体の燃
料の燃焼を確保するに使用される。

圧縮された空気の残部は、タービンの入口温度を適当な
値に維持するために燃焼ガスを希釈するに使用される。

高温ガスの混合物はタービン３３を通るときに膨張する
。

希釈されたためにまだ酸素を大きな比率で有している膨
張後に排出されるガスは、燃焼空気として用いるために
管３７を通って蒸気タービンユニットのボイラ１９へ送
られる。

第２ガスタービンユニツト１２は、その燃焼室４２が供
給管４６によってこれに供給される燃料の燃焼を維持す
るための触媒内張り（図示なし）を有し、かつその圧縮
機４１が後述の反応式に従う一部燃焼を確保するのにち
ょうど必要な燃焼空気の比較的少ない量を供給するよう
に設計されている点において、前述のタービンユニット
１１から著しく異なっている。

蒸気噴射装置（図示なし）が圧縮機４１内でのすすの形
成を阻止するために設けられる。

圧縮機４１とタービン４３は同期発電機を駆動できる共
通の伝動軸４５によって連結できるが、ボイラ１９への
供給に必要な燃料の流量と独立に圧縮空気の流量を変え
れるようにするために圧縮機が可変速度の駆動装置によ
って独立して駆動されてもよい。

膨張後タービン４３から排出されるガスは、バーナ（図
示なし）を端部に有する管４７を通ってボイラ１９へ送
られる。

このガスはまだ高度に燃焼でき、これはこの場合にはボ
イラ１９へ供給される燃料のすべてとなっている。

もちろん、管３７および４７を通るそれぞれのガスの流
量は最終燃焼が理論空気比で行なわれるように選ばれる
。

第１図のグラフは、燃料を一定流量で燃焼させる燃焼室
から工業用ガスタービンへ供給される燃焼用空気の流量
Ｑに対してタービンの入口温度をプロットしたものを示
す。

曲線の頂点は最高燃焼温度ｔ８に相当する。

この温度は次の式で示される完全燃焼反応のための燃焼
用空気と燃料の理論空気比に対応する空気の流量Ｑ８に
おいて得られる。

ＣｎＨ２ｎ−＋−２＋３ｎ＋１０２ →ｎｃＯ２＋（ｎ
＋１）Ｈ２Ｏ従って完全燃焼を確保するためには流量Ｑ
をＱ８より大にすることが必要であり、タービン入口温
度が８００℃附近の値ｔＮ以上にならないようにするた
めには過剰の空気が前述したガスタービンユニット１１
の燃焼室３２を通過させられる。

よってこのユニットは希釈型ガスタービンユニットと称
することができる。

このような空気の流量は正規組成の流量Ｑ８ より遥か
に大きい（約５倍）ＱＤで示される。

しかし、第１図のグラフによれば、理論空気比の流量Ｑ
８より小さい空気流量Ｑｃｐ による燃料の不完全燃
焼によってもまたタービンの入口温度が安全温度ｔＮを
越えないようにできることが判る。

これが第２ガスタービンユニツト１２で使用される方法
であり、このユニットは一部燃焼型ガスタービンユニッ
トと称することができる。

この種のユニットの中で燃焼は次の反応で達成できる。

ＣｎＨ２ｎ＋２＋ｎ０２−−ラｎＣＯ＋（Ｎ＋１）Ｈ２
一部燃焼が上述の反応式に従うようにするためには、適
当な触媒被覆が燃焼室の内壁を覆い、かつすすの形成を
避けるため水蒸気が燃焼空気中に噴射できる。

第１図に示されるように、一部燃焼型ガスタービンユニ
ットの圧縮機を通過する燃焼空気の流量Ｑ ｃ ｐ
は、希釈型ガスタービンユニットの相当する流量ＱＤよ
り遥かに小さい。

故に前者のユニットの空気圧搾機によって吸収される機
械的動力は小さく成る場合には高温ガスの膨張によって
供給される動力の１／３の程度であり、これは成る場合
には希釈型ユニットの中で膨張によって供給される動力
の２／３で表わされる。

両ガスタービンユニットの構造は実質上相等しく、特に
いずれのユニットも天然ガスのような気体燃料または充
分に不純物（特に硫黄）のない液体燃料が使用できる。

第２図の装置へ供給される燃料は天然ガスでよい。

これは有害な不純物を実際上包含せず、比較、的高圧で
工業的に自由に入手でき、従って、公称静圧が約１０気
圧の程度であるべき燃焼室３２および４２の中へ導入す
る以前に圧縮する必要がない。

しかし、燃料は一般に工業用ガスタービンで使用される
ような重いまたは軽い石油溜分より成ることもできる。

第３図は一部燃焼型タービンユニット１２の変形１２ａ
を示し、これによれば重い残留油分が燃料として使用で
きる。

このような燃料は、タービン羽根および蒸気タービンユ
ニット１０のボイラの熱交換面の上流で分離するのが望
ましい硫黄等の不純物を含んでいる。

ここでタービンユニット１２０部分と同様のタービンユ
ニット１２ａの部分は同じ数字に添字ａを付して示され
る。

このユニツＮ２ａにおいて、蒸製されていない重い石油
が管４６ａを通して一部燃焼室４２ａに供給され、これ
から出るガスが管５２を通して処理室５１へ導入される
粉末状化学的脱硫剤によってこの処理室５１の中で脱硫
される。

この脱硫剤は燃焼室４２ａの中での不完全燃焼によって
遊離する硫化水素と反応して化合物を形成し、この化合
物は処理室５１から出るガスが通過する除塵器５３によ
って分離される。

除塵器５３によって分離された硫化物は処理室５１に脱
硫剤の形で再導入するため５４で示した再循環器によっ
て再生される。

精製された高温ガスは次に出口５５を通ってタービン４
３ａの中で膨張し、送出通路４７ａを通ってボイラ１９
の中で最終的に燃焼させられる。

装置全体が比較的安価な蒸製されない燃料だけで作動さ
れるようにするためには、除塵器５３の出口５５へ流れ
る精製された燃焼可能のガスの一部をタービン４３ａへ
供給し、このガスの残部を希釈型タービンユニット１１
の燃焼室３２へ供給するようにすることができる。

これに伴って一部燃焼室４２ａに供給されなげればなら
ない精製されない燃料の流量は増大し、圧縮機４１ａを
通る空気の流量はこれに適合するように調節されなけれ
ばならないが、タービンユニット１１の配置は本質的に
不変のままである。

上述し図示した以外の実施例も示される。

例えバ一部燃焼型ガスタービンユニット１２，１２ａノ
ターヒンが実際上２段であって、タービンへ供給される
ガスの成る部分が２段の中で数次と膨張させられ、この
ガスの残余が第１段で膨張したのちに希釈型ガスタービ
ンユニットの中でさらに膨張させられるようになってい
てもよい。

圧縮を２段または多段で達成し１つの段と次の段の間で
空気を冷却することも提案される。

これによって圧縮に伴なう仕事は低減し、冷却はガスの
発生に使用すべき燃料との熱交換によって達成できる。

前述したすべての実施例において、一部燃焼型ガスター
ビンから排出されるガスと希釈型ガスタービンから排出
されるガスとは燃料を燃焼させるボイラの燃焼室へそれ
ぞれ独立に供給される。

別の実施例ではタービンから排出されるガスの燃焼がボ
イラの加熱以外のために使用され、また別の実施例では
一部燃焼型ガスタービンから排出されるガスが希釈型ガ
スタービンユニットの燃焼室の中で燃料として使用され
る。

この発明は次のように実施できる。

（リ 供給される燃料の完全燃焼を阻止する装置が燃焼
室の触媒内張りからなる特許請求の範囲に記載の装置。

（２）供給される燃料の完全燃焼を阻止する装置を備え
た燃焼室と対応するタービンとの間にガス純化装置が設
けられる特許請求の範囲または前記（１）に記載の装置
。

（３）燃焼室のおのおのが圧縮機によって空気を供給さ
れるように連結され、圧縮機が燃焼室から生じるガスに
よって駆動されるタービンによって駆動されるように連
結される特許請求の範囲、前記（１）、前記（２）のい
ずれかに記載の装置。

（４）圧縮機のいずれかが２段であり、燃料を燃焼室へ
進める通路の中に熱交換器が配置され、段の間の空気を
燃焼室へ向う燃料との熱交換のため熱交換器へ導（装置
が設けられる前記（３）に記載の装置。

（５）別の燃焼装置がボイラを加熱するように配備され
る特許請求の範囲または前記（１）から（４）のいずれ
かに記載の装置。

【図面の簡単な説明】

第１図は燃料を一定速度で燃焼させる燃焼室から工業用
ガスタービンへ供給される燃焼用空気の流量とタービン
の入口温度の関係を示すグラフ、第２図は２つのガスタ
ービンを有するこの発明による装置を示す線図、第３図
は第２図の装置の変形を示す線図である。 図中、１０は蒸気タービンユニット、１１は希釈型ガス
タービンユニット、１２は一部燃焼型ガスタービンユニ
ット、１５は高圧蒸気タービン段、１６は低圧蒸気ター
ビン段、１８は凝縮機、１９はボイラ、２０はポンプ、
２１，２２は再熱器、２３は過熱器、２４は再過熱器、
２５は蒸発器、２６は排ガス冷却器、３１は空気圧縮機
、３２は燃焼室、３３はタービン、４１は圧縮機、４２
は燃焼室、４３はタービンを示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 第１および第２のガスタービンユニットヲ有し、各
   ガスタービンユニットが、燃焼室、燃焼室から送出され
   るガスによって駆動されるガスタービン、およびガスタ
   ービンで運転され燃焼用気体を燃焼室に供給する圧縮機
   を備え、第１ガスタービンユニツトの圧縮機が燃焼室で
   の完全燃焼に必要な量より過剰の燃焼用気体を燃焼室に
   供給するように構成され、第２ガスタービンユニツトの
   圧縮機が燃焼室での完全燃焼を達成できない少量の燃焼
   用気体を燃焼室に供給するように構成され、両ガスター
   ビンユニットのガスタービンを通過したガスが共に別の
   燃焼装置へ供給されることを特徴とする熱を仕事に変換
   する装置。