JPS6310286B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は効率の向上化を図れるようにした複合
原動システムに関する。

〔発明の技術的背景〕

近時、ガスタービンと、その排熱エネルギによ
り駆動される蒸気タービンとを組合せた複合原動
システムが、LNG気化ガス等のクリーン燃料の
有効利用を図り得る新らしい技術として注目され
ている。第１図は、この種のシステムを組込んだ
発電プラントの概略構成を示すブロツク図であ
り、第２図はその構成例を示す図である。燃焼器
１は供給された燃料ａと、燃焼用空気ｂとを混合
して燃焼させ、その燃焼エネルギによりガスター
ビン系２を駆動させる。このガスタービン系２
は、ガスタービン２ａと、このガスタービン２ａ
の出力によつて駆動され、前記燃焼用空気ｂを圧
縮する圧縮機２ｂとで構成され、上記ガスタービ
ン２ａに発電機２ｃを連結して発電出力ｅを得て
いる。しかして、ガスタービン系２の排熱ガスｃ
は、排熱ボイラ系３の煙道３ａを通して排出され
る。この煙道３ａ内には、給水予熱器３ｂおよび
蒸気発生器３ｃが設けられており、前記排熱ガス
ｃの熱エネルギを回収して蒸気ｓを生成するよう
にしている。この蒸気ｓは蒸気タービン系４の蒸
気タービン４ａに供給される。そして、蒸気ター
ビン４ａに連結された発電機４ｂからタービン出
力ｆを得るようにしている。尚、上記蒸気タービ
ン４ａを通つた蒸気ｓは復水器５に供給され、冷
却水ｄによつて冷却されたのち冷却水ポンプ６を
介して前記給水予熱器３ｂに供給される。これに
より、蒸気ｓは排熱ガスｃの熱エネルギを回収し
ながら循環する。

第３図は上記構成のシステムにおけるエネルギ
の関係を模式的に示すもので、Ｆは燃料ａが有す
るエネルギ、L₁はガスタービン２ａでの損失エ
ネルギ、L₂は蒸気タービン４ａでの損失エネル
ギ、W₁，W₂は発電機２ｃ，４ｂを介して得られ
る発電エネルギを示している。

このような原動システムによると、ガスタービ
ン系２で取出すことのできなかつたエネルギの一
部を蒸気タービン系４にて取出すことができ、そ
の結果、変換効率つまり発電効率の向上と燃料ａ
の有効利用を図ることができる。

〔背景技術の問題点〕

ところが、上記システムは一般に燃料ａとして
LGN気化ガス、つまり主としてメタン（CH₄）
を用いることを想定して開発されている。これに
対して最近では、メタノール（CH₃OH）等の炭
素数の少ないアルコールを燃料ａとして用いるこ
とが試みられている。このメタノールは、天然ガ
ス、石炭、褐炭、亜炭、重質油、石油コークス、
木材等の多様な炭化水素質源を出発原料として製
造され、石油代替燃料として注目されている。そ
して、常温下では液体であり、ガソリン並みの性
状を示す。また、その製造時に硫黄等の不純物が
除去された純度の高い含酸素炭化水素化合物であ
り、所謂クリーン燃料として有用である。

しかしながら、前記メタン（CH₄）の燃焼熱が
高位ベースで212.8Kcal／molであるのに対して
メタノール（CH₃OH）のそれは182.6Kcal／mol
と低い。そして、単位燃焼熱当りの水蒸気生成比
率が高く、煙道ガスの放出時の損失熱量が多い等
の問題を有している。この為、メタノールを燃料
とした場合、変換効率、つまり発電効率が低くな
ると云う問題があつた。

〔発明の目的〕

本発明はこのような事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、ガスタービン
と、このガスタービンの排熱エネルギにより駆動
される蒸気タービンとを備えた複合原動システム
において、上記ガスタービンに供給される燃料の
一部または全部を上記ガスタービンの排熱エネル
ギの一部を用いて化学的に反応させ、上記燃料よ
り燃焼エネルギの高い二次燃料に変換して前記ガ
スタービンに供給するようにして、例えばメタノ
ール等を燃料とする場合であつてもその効率を十
分に高くすることができ、しかも安全性および保
守等の面において勝れた複合原動システムを提供
することにある。

〔発明の実施例〕

以下、図面を参照して本発明システムの一実施
例につき説明する。

第４図は本システムを発電プラントに組込んだ
例の概略構成を示すブロツク図で、第５図はその
構成例を示す図である。尚、前述した従来システ
ムと同一部分には同一符号を付してその詳しい説
明は省略する。このシステムが特徴とするところ
は、ガスタービン系２の排ガス通路に熱媒加熱器
７を設け、この熱媒加熱器７内を通流する熱媒に
よつて取り出された排ガスエネルギで熱媒加熱式
クラツキング反応器８を作動させ、このクラツキ
ング反応器８内にガスタービン系２へ供給される
燃料ａを通してクラツキング反応させ、これによ
つて上記燃料ａをより燃焼エネルギの高い二次燃
料a′に変換して前記ガスタービン２ａに供給する
ようにしたものである。具体的には、前記排熱ボ
イラ系３の煙道３ａ内に、内部を通流する熱媒Ｈ
の加熱を行なう熱媒加熱器７を設け、煙道３ａ外
に上記熱媒Ｈにより加熱を受ける熱媒加熱式クラ
ツキング反応器を設け、この反応器８内の燃料気
化器８ｂに燃料ａを通流させて上記燃料ａをクラ
ツキング（分解）反応させたのち、その二次燃料
a′を燃焼器１に供給するようにしたものである。
なお図中９は熱媒Ｈを循環させるポンプを示し、
また１０は燃料ａを予熱する予熱器を示してい
る。

〔発明の効果〕

このような構成のシステムによれば、第６図に
そのエネルギの入出力関係を模式的に示すよう
に、排熱エネルギ回収熱Ｒを有効に用いてガスタ
ービン２ａから得るエネルギW′₁を多くすること
ができ、ここに総合効率、すなわち総合発電効率
を高めることが可能となる。尚、第６図において
は前記熱媒加熱式クラツキング反応器８からの熱
放散に伴なう熱エネルギ損失については省略して
ある。

即ち今、燃料ａとしてメタノール（CH₃OH）
を例にとつて説明すると、上記メタノールは適当
な触媒の存在下において、比較的おだやかな反応
条件、例えば大気圧下300℃〜400℃で次のように
分解する。

CH₃OH→CO＋2H₂ この反応は吸熱反応であり、反応の温度範囲と
して、前記ガスタービンの排熱ガス（約508℃）
を十分利用することができる。しかして、この燃
焼生成熱量は、例えば第７図に示すように、液体
メタノールでE₁、気体メタノールでE₂、COと
2H₂との混合ガスでE₃となり E₁＜E₂＜E₃ なる関係がある。ここで、その熱量差ΔH₁、
ΔH₂は、 ΔH₁＝E₂−E₁＞０ ΔH₂＝E₃−E₂＞０ として示され、メタノール気化熱量およびメタノ
ール分解熱量にそれぞれ相当する。従つて、燃料
ａとしてのメタノールをガスタービン２ａの排熱
エネルギを利用してクラツキングし、（CO＋
2H₂）からなる混合ガスを二次燃料a′としてガス
タービン系に供給するようにすれば、その見掛上
のメタノールが有する発熱量を（ΔH₁＋ΔH₂）
分だけ高くすることができる。この結果、従来
LNG気化ガスよりも若干不利であつたメタノー
ルの利用効率を、逆に上記LNG気化ガスよりも
優位にすることが可能となる。

尚、上記メタノールのクラツキング、つまり化
学的反応プロセスにおいては適当な触媒を必要と
するが、この触媒については従来より知られたも
のを適宜用いればよい。また、この触媒として
は、例えば本出願人が先に特開昭57−68140号公
報等に紹介しているもの等を用いることが好適で
ある。

かくして、メタノールを燃料ａとして用いた場
合であつても本発明システムによれば、クラツキ
ング反応器８によつて上記メタノールがその分解
に必要な熱エネルギをガスタービンの排熱ガスよ
り得て（CO＋2H₂）なる混合ガスに分解されて
熱的エネルギが高められてガスタービン系に供給
されることになる。従つて、ガスタービン系２よ
り得られるタービン出力ｅを増大させることがで
きる。尚、この場合、蒸気タービン系３にて蒸気
エネルギに変換されるエネルギ量が減少し、蒸気
タービン出力ｆが減少するが、全体的にはタービ
ン出力の増大を図ることが可能となる。つまり、
大気中に放出される廃エネルギ量が略々同じであ
るとしても、本発明システムにおける総合効率、
つまり総合発電量を増大させることができる。

ちなみに、燃料投入量を熱量換算した量をＦと
し、ガスタービン２ａの入口における投入熱量を
Ｐとすると、従来システムではＦとＰとが等し
い。そして、ガスタービン２ａの排熱エネルギ量
をＱとすると、 Ｆ＝Ｐ＝L₁＋W₁＋Ｑ なる関係が成立する。また、蒸気サイクルでの損
失をL₂、蒸気タービン出力をW₂とすると Ｑ＝L₂＋W₂ なる関係がある。しかして、ガスタービン２ａで
の損失係数をεg、発電機を連結したときの発電
効率をηg、蒸気タービン４ａに発電機を連結し
たときの発電効率をηsとすると L₁＝εg・Ｐ W₁＝ηg・Ｐ Ｑ＝Ｐ・（１−εg−ηg） L₂＝Ｐ・（１−εg−ηg）・（１−ηs） W₂＝Ｐ・（１−εg−ηg）・ηs で示されるから、総合発電エネルギ量Ｗは Ｗ＝W₁＋W₂ ＝Ｐ・ηg＋Ｐ（１−εg−ηg）・ηs として与えられる。例えばεg＝0.05、ηg＝0.295、
ηs＝0.2として与えられるものとすると、 Ｗ＝0.426P となり、その総合発電効率ηは η＝Ｗ／Ｆ×100％＝42.6％ となる。

これに対して本発明システムによれば、ガスタ
ービン２ａの排熱エネルギの一部Ｒを回収して燃
料a′のガスタービン２ａの入口でのエネルギが高
められ P′＝Ｆ＋Ｒ＝Ｐ＋Ｒ として与えられる。そして、このときの各エネル
ギは L′₁＝εg・P′＝εg・（Ｐ＋Ｒ）＞L₁ W′₁＝ηg・P′＝ηg・（Ｐ＋Ｒ） ＝W₁＋ηg・Ｒ＞W₁ となり、ガスタービン２ａでの損失L₁が若干増
加するが、これにも増してタービン出力W′₁が増
大することになる。そして、蒸気サイクル系での
入口熱量Ｓは、前記従来システムにおける熱量Ｑ
より減少し、 Ｓ＝Q′−Ｒ＝P′・（１−ηg−εg）−Ｒ ＝（Ｐ＋Ｒ）・（１−ηg−εg）−Ｒ ＝＝Ｐ・（１−ηg−εg）−Ｒ（ηg＋εg） ＝Ｑ−Ｒ・（ηg＋εg）＜Ｑ となる。またここで、 L′₂＝Ｓ・（１−ηs） W′₂＝Ｓ・ηs ＝W₂−Ｒ・（ηg＋εg）・ηs＜W₂ W′＝W′₁＋W′₂ ＝W₁＋W₂＋ηg・Ｒ−Ｒ（ηg＋εg）・ηs として示される。従つて、総合的に発電エネルギ
量W′の増大が図られることになる。そして、Ｒ
＝0.176×Ｐとして与えられるものとすると、総
合発電エネルギ量は W′＝0.466・Ｐ となり、その効率η′は η′＝W′／Ｆ×100％＝46.6％ となる。従つて、投入エネルギ量の約17.6％をリ
サイクルするものとすれば、発電効率の点で Δη＝（η′−η）×100％≒４％ の向上を図ることができ、その相対値としては、 δ＝（0.466P／0.426P）×100％≒109.3％ とし、約9.4％の発電効率向上を図ることができ
る。

また、本発明システムによると、熱媒Ｈを加熱
する熱媒加熱器７を煙道３ａ内に設け上記熱媒加
熱器７を通つた熱媒Ｈで加熱される熱媒加熱式ク
ラツキング反応器８を煙道３ａ外に設け、この反
応器８内に燃料ａを通すようにしているので、可
燃性物質である燃料ａや二次燃料a′を高温の煙道
内に通す必要がなく、したがつてこれらの漏洩に
よつて起こる事故に対しての対策が容易で、かつ
安全性の高いシステムを実現することができる。
さらに、上記構成であると、熱媒Ｈの温度つま
り、反応器８内の温度制御を容易化できる。した
がつて、反応触媒を使用する場合等において、作
動温度の空間的分布を均一にすることができ、触
媒が高温下で作動したときに起こる劣化を防止す
ることができる。

なお、本発明は、上述した実施例に限定される
ものではなく、種々変形することができる。たと
えば、第８図に示すように、第５図に示した予熱
器１０に代えて煙道３ａ内に熱媒加熱器１７を設
けるとともに煙道３ａ外に上記熱媒加熱器１７内
を通つた熱媒Ｌから熱供給を受ける間接式燃料予
熱器１８を設け、この予熱器１８内に配置された
予熱管１８ａに燃料ａを通すことによつて予熱を
行なわせるようにしてもよい。なお、図中９ａは
熱媒Ｌを循環させるポンプを示している。

このような構成であると、前記実施例と同様な
効果が得られることは勿論のこと煙道３ａ内に燃
料ａや二次燃料a′を全く通す必要がないのでより
安全性の向上化を図ることができる。

また、第５図および第８図に示した実施例の熱
媒加熱式クラツキング反応器８を蓄熱式のものに
してもよい。

このように蓄熱式の熱媒加熱式クラツキング反
応器を用いると、前述した効果が得られることは
勿論のこと、煙道３ａ内の排熱エネルギの変動を
吸収できるので燃料気化器８ａ内での化学反応を
安定かつ確実に行なわせることができる。

さらに、第９図に示すように蓄熱式の熱媒加熱
式クラツキング反応器８′の燃料気化器８ａと並
列的に予備燃料気化器８ｂを設けるとともにこれ
らに、切換え弁１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ
を設け、これら切換え弁１１ａ，１１ｂ，１１ｃ
及び１１ｄの操作により燃料ａの流れを前記燃料
気化器８ａおよび予備燃料気化器８ｂに切換え可
能としてもよい。

このような構成であると、燃料気化器８ａに触
媒が使用される場合に、触媒の交換あるいは再生
を行なうに際して、燃料ａの流れを燃料気化器８
ａより予備燃料気化器８ｂに切換えることによ
り、触媒の交換あるいは再生を行なえることがで
きる。さらに、予備燃料気化器８ｂを、予め燃料
気化器８ａと類似の条件にして待機させておき、
燃料ａの切換え通流と同時に速やかな機能を発揮
させることができる。

また、第１０図に示すように熱媒加熱式クラツ
キング反応器８に対応させて、予備の熱媒加熱式
クラツキング反応器２８を設け、これらを切換え
弁１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ並びに１２
ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄで切換使用できるよ
うにしてもよい。

このような構成であると、上記各弁を操作する
ことによつて反応器８および反応器２８を選択的
に熱供給源および燃料供給源から完全に遮断する
ことができるので触媒の再生あるいは交換などの
作業を容易化することができる。

また、本発明システムでは燃料ａとしてメタノ
ールのみならず、エタノール、ブタノール等のア
ルコール類や、プロパン、ブタン、ナフサ等の炭
化水素類を用いることもできる。また本発明シス
テムは、発電プラントのみならず、船舶等のガス
タービンを主機とするシステムにも適用でき、更
には一般産業用ガスタービン動力装置等にも幅広
く利用することができる。要するに本発明は、そ
の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施する
ことができる。

以上説明したように、本発明によれば、メタノ
ール等の炭素数の少ないアルコールを燃料とした
場合であつても、その効率を十分高くすることが
でき、しかも、安全性および保守性に勝れた複合
原動システムを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図は従来システムの一例を示す
もので、第１図は概略構成を示すブロツク図、第
２図はシステム構成図、第３図はエネルギの入出
力関係を示す模式図である。第４図乃至第７図は
本発明の一実施例システムを示すもので、第４図
はその概略構成を示すブロツク図、第５図はシス
テム構成図、第６図はエネルギの入出力関係を示
す模式図、第７図は燃料の燃焼生成熱量を対比し
て示す図である。第８図乃至第１０図は本発明の
それぞれ異なる実施例に係るシステム構成図であ
る。 １……燃焼器、２……ガスタービン系、２ａ…
…ガスタービン、２ｂ……圧縮機、３……排熱ボ
イラ系、３ａ……煙道、３ｂ……給水予熱器、３
ｃ……蒸気発生器、４……蒸気タービン系、４ａ
……蒸気タービン、４ｂ……発電機、５……復水
器、６……冷却水ポンプ、７……熱媒加熱器、８
……熱媒加熱式クラツキング反応器、８′……蓄
熱式の熱媒加熱式クラツキング反応器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ガスタービンと、このガスタービンの排熱エ
   ネルギによつて駆動される蒸気タービンとを備え
   た複合原動システムにおいて、上記ガスタービン
   の排熱エネルギの一部を熱媒を介して回収する手
   段と、この手段で回収された熱エネルギによつて
   機能する熱媒加熱式クラツキング反応器と、上記
   ガスタービンに供給される燃料の一部または全部
   を上記熱媒加熱式クラツキング反応器に通して上
   記燃料より燃焼エネルギの高い二次燃料に変換し
   た後上記ガスタービンに供給する手段とを具備し
   てなることを特徴とする複合原動システム。 ２ 前記熱媒加熱式クラツキング反応器は、蓄熱
   機能を備えたものであることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の複合原動システム。 ３ 前記蓄熱機能を備えた熱媒加熱式クラツキン
   グ反応器は、燃料の通流を切換えできる主反応系
   と予備反応系とを内部に備えたものであることを
   特徴とする特許請求の範囲第２項記載の複合原動
   システム。 ４ 前記熱媒加熱式クラツキング反応器は、熱媒
   の切換通流によつて機能する予備のクラツキング
   反応器を含んだものであることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の複合原動システム。