WO2017158636A1 - ガスタービン設備 - Google Patents

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WO2017158636A1
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combustor
combustion gas
pipe
carbon dioxide
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優一 森澤
秀幸 前田
恭明 中村
岩井　保憲
伊東　正雄
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Toshiba Corp
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    • F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
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    • F05D2260/213—Heat transfer, e.g. cooling by the provision of a heat exchanger within the cooling circuit
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    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/16—Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to gas turbine equipment.
  • FIG. 8 is a system diagram of a conventional gas turbine installation 300.
  • FIG. 9 is a view schematically showing a vertical cross section of a combustor 313 provided in the conventional gas turbine equipment 300. As shown in FIG. In the conventional gas turbine equipment 300, a turbine is operated using carbon dioxide and steam generated in the combustor as working fluid, and a part of carbon dioxide discharged from the turbine is circulated.
  • oxygen separated from an air separator (not shown) is introduced into a pipe 340. Then, the oxygen is boosted by the compressor 310 and the flow rate is controlled by the flow rate adjustment valve 311. The oxygen that has passed through the flow rate adjustment valve 311 is heated in the heat exchanger 312 by receiving heat from a combustion gas described later, and is supplied to the combustor 313.
  • the fuel is led to the pipe 341 from a fuel supply source (not shown). Then, the fuel is adjusted in flow rate by the flow rate adjustment valve 314 and supplied to the combustor 313.
  • This fuel is a hydrocarbon.
  • the oxygen supplied from the pipe 340 and the fuel supplied from the pipe 341 react (combust) in the combustor 313.
  • This combustion produces a combustion gas containing carbon dioxide and water vapor.
  • the flow rates of fuel and oxygen are adjusted so as to be in the stoichiometric mixing ratio (theoretical mixing ratio) in a state in which each is completely mixed.
  • the combustion gas generated by the combustor 313 is introduced into the turbine 315.
  • a generator 319 is connected to the turbine 315, for example.
  • the combustion gas that has performed expansion work in the turbine 315 passes through the heat exchanger 312. At this time, heat is released to heat the oxygen flowing through the pipe 340 and the carbon dioxide flowing through the pipe 343.
  • the combustion gas having passed through the heat exchanger 312 passes through the cooler 316. At this time, the water vapor in the combustion gas condenses to be water. Water is discharged to the outside through the pipe 342.
  • the carbon dioxide separated from the water vapor is pressurized by the compressor 317 interposed in the pipe 343 and becomes a supercritical fluid.
  • a portion of the pressurized carbon dioxide is introduced into a pipe 344 branched from the pipe 343.
  • the carbon dioxide introduced into the pipe 344 is adjusted in flow rate by the flow rate adjustment valve 318 and extracted outside.
  • the remainder of the carbon dioxide flows through the pipe 343. Then, the carbon dioxide is heated in the heat exchanger 312 and is supplied into the combustor casing 350 containing the combustor 313, as shown in FIG.
  • the temperature of carbon dioxide that has passed through the heat exchanger 312 is about 700.degree.
  • the combustor casing 350 is configured of an upstream side casing 351a and a downstream side casing 351b.
  • the carbon dioxide introduced into the upstream casing 351 a flows toward the turbine 315 between the downstream casing 351 b and the combustor liner 352 and the transition piece 353 (tail sleeve).
  • the carbon dioxide cools the combustor liner 352 and the transition piece 353.
  • These coolings are performed by, for example, porous membrane cooling. Part of the carbon dioxide is introduced into the combustor liner 352 and the transition piece 353 from the holes 354 and 356 of the porous film cooling unit and the dilution holes 355 as shown in FIG.
  • the carbon dioxide is also used to cool the stationary blades 360 and the blades 361 of the turbine 315.
  • the carbon dioxide introduced into the combustor liner 352 and into the transition piece 353 is introduced into the turbine 315 together with the combustion gas generated by the combustion. In this manner, carbon dioxide other than that discharged from the pipe 344 circulates in the system.
  • the upstream side casing 351a and the downstream side casing 351b are exposed to high temperature carbon dioxide. Therefore, the upstream side casing 351a and the downstream side casing 351b are made of an expensive Ni-based alloy.
  • the combustor casing 350 exposed to high temperature carbon dioxide must be constructed of an expensive Ni-based alloy. Therefore, the manufacturing cost of the gas turbine equipment increases.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a gas turbine installation capable of forming a casing provided around the combustor with an inexpensive material.
  • the gas turbine equipment includes a casing, a combustor provided in the casing for burning fuel and an oxidant, surrounding the periphery of the combustor, and a space between the casing and the combustor. It has a cylinder which divides and a turbine rotated by combustion gas discharged from the burner.
  • the gas turbine equipment heats the heat exchanger for cooling the combustion gas discharged from the turbine, and a part of the combustion gas cooled by the heat exchanger through the heat exchanger, and the cylinder body And a low temperature combustion gas supply pipe for guiding another portion of the combustion gas cooled by the heat exchanger between the casing and the cylinder, and a heat exchanger for cooling the low temperature combustion gas supply pipe. And a discharge pipe for discharging the remaining portion of the combustion gas to the outside.
  • FIG. 6 is a cross section corresponding to the cross section AA of FIG.
  • FIG. 6 is a cross section corresponding to the B-B cross section of FIG. 5 and is a view showing a part of another flow path in a combustor casing of a gas turbine installation of a second embodiment. It is a systematic diagram of the conventional gas turbine installation. It is the figure which showed typically the longitudinal cross-section of the combustor provided in the conventional gas turbine installation.
  • FIG. 1 is a system diagram of a gas turbine installation 10 according to a first embodiment.
  • the gas turbine equipment 10 includes a combustor 20 for burning fuel and an oxidant, a pipe 40 for supplying the fuel to the combustor 20, and a pipe 41 for supplying the oxidant to the combustor 20.
  • the pipe 40 is provided with a flow control valve 21 that adjusts the flow rate of the fuel supplied to the combustor 20.
  • hydrocarbons such as methane and natural gas are used as the fuel, for example.
  • a coal gasification gas fuel containing, for example, carbon monoxide and hydrogen can be used.
  • the pipe 41 is provided with a flow control valve 22 for adjusting the flow rate of the oxidant supplied to the combustor 20.
  • the pipe 41 is provided with a compressor 23 for pressurizing the oxidant.
  • oxygen separated from the atmosphere by an air separation device (not shown) is used. The oxidant flowing through the pipe 41 is heated through the heat exchanger 24 and supplied to the combustor 20.
  • the fuel and the oxidant led to the combustor 20 react (combustion) in the combustion region to become combustion gas.
  • the flow rates of the fuel and the oxidant are adjusted to be, for example, the stoichiometric mixing ratio (equivalent ratio 1).
  • the equivalent ratio referred to here is an equivalent ratio (equivalent ratio in overall) when it is assumed that fuel and oxygen are uniformly mixed.
  • the gas turbine equipment 10 includes a turbine 25 which is rotated by the combustion gas discharged from the combustor 20.
  • a generator 26 is connected to the turbine 25, for example.
  • the combustion gas discharged from the combustor 20 is a combustion product generated by the fuel and the oxidant, and carbon dioxide (combustion gas from which water vapor has been removed) supplied to the combustor 20 as described later. Is included.
  • the combustion gas discharged from the turbine 25 is led to the pipe 42 and cooled by passing through the heat exchanger 24. At this time, the oxidant flowing through the pipe 41 and the carbon dioxide flowing through the pipe 42 are heated by the heat released from the combustion gas.
  • the combustion gas that has passed through the heat exchanger 24 passes through the cooler 27.
  • the combustion gas passes through the cooler 27 to remove the water vapor contained in the combustion gas.
  • the water vapor in the combustion gas condenses into water. This water is discharged to the outside through, for example, the pipe 43.
  • the component of the combustion gas (dry combustion gas) from which the water vapor is removed is substantially carbon dioxide It is carbon.
  • the combustion gas from which water vapor is removed may contain, for example, a trace amount of carbon monoxide of 0.2% or less, but hereinafter, the combustion gas from which water vapor is removed is simply referred to as carbon dioxide.
  • the carbon dioxide is pressurized by the compressor 28 interposed in the pipe 42 to become a supercritical fluid. A portion of the pressurized carbon dioxide flows through the pipe 42 and is heated in the heat exchanger 24. Then, the carbon dioxide is introduced into the cylinder 80 surrounding the combustor 20. The temperature of carbon dioxide that has passed through the heat exchanger 24 will be about 700.degree.
  • the pipe 42 for guiding the high temperature carbon dioxide into the cylinder 80 functions as a high temperature combustion gas supply pipe.
  • Another part of the pressurized carbon dioxide is introduced into the pipe 44 branched from the pipe 42.
  • the flow rate of carbon dioxide introduced into the pipe 44 is adjusted by the flow control valve 29 and is introduced as a cooling medium between the combustor casing 70 and the cylinder 80.
  • the temperature of carbon dioxide introduced between the combustor casing 70 and the cylinder 80 by the pipe 44 is about 400.degree.
  • the pipe 44 functions as a low temperature combustion gas supply pipe.
  • the remainder of the pressurized carbon dioxide is introduced into the pipe 45 branched from the pipe 42.
  • the flow rate of the carbon dioxide introduced into the pipe 45 is adjusted by the flow control valve 30, and the carbon dioxide is discharged to the outside.
  • the pipe 45 functions as a discharge pipe.
  • the carbon dioxide emitted to the outside can be used, for example, for EOR (Enhanced Oil Recovery) adopted at oil mining sites.
  • FIG. 2 is the figure which showed typically the longitudinal cross-section of the combustor 20 and the combustor casing 70 which are provided in the gas turbine installation 10 of 1st Embodiment.
  • the combustor 20 includes a fuel nozzle portion 60, a combustor liner 61 and a transition piece 62 (tail sleeve).
  • the fuel nozzle unit 60 ejects the fuel supplied from the pipe 40 and the oxidant supplied from the pipe 41 into the combustor liner 61. For example, fuel is ejected from the center and oxidant is ejected from the periphery.
  • the combustor 20 is housed inside the combustor casing 70.
  • the combustor casing 70 is provided along the longitudinal direction of the combustor 20 so as to surround the combustor 20.
  • the combustor casing 70 is divided into, for example, two in the longitudinal direction of the combustor 20.
  • the combustor casing 70 includes, for example, an upstream side upstream casing 71 and a downstream side downstream casing 72.
  • the combustor casing 70 functions as a casing.
  • the upstream side casing 71 is, for example, a cylinder whose one end (upstream end) is closed and the other end (downstream end) is opened. At the center of one end, an opening 71a for inserting the fuel nozzle portion 60 is formed. Further, a pipe 44 is connected to the side portion of the upstream casing 71. The pipe 44 is, for example, fitted in and joined to an opening 71 b formed in the side portion of the upstream casing 71.
  • the downstream side casing 72 is comprised by the cylinder which both ends opened. One end of the downstream side casing 72 is connected to the upstream side casing 71, and the other end of the downstream side casing 72 is connected to, for example, a casing surrounding the turbine 25.
  • a cylinder 80 surrounding the combustor 20 and defining a space between the combustor casing 70 and the combustor 20.
  • a predetermined space is provided between the combustor 20 and the cylindrical body 80.
  • One end (upstream end) of the cylindrical body 80 is closed, and an opening 81 for inserting the fuel nozzle portion 60 is formed.
  • the other end (downstream end) of the cylindrical body 80 is closed, and an opening 82 is formed to penetrate the downstream end of the transition piece 62.
  • the cylindrical body 80 is formed, for example, by joining a plate-like lid member 80a having an opening 71a to a cylindrical main body member 80b.
  • the cylinder 80 is assembled as follows, for example.
  • the fuel nozzle portion 60 is made to penetrate the opening 71a of the lid member 80a.
  • the combustor casing 70 provided with the fuel nozzle portion 60 is inserted into the main body member 80b.
  • the lid member 80a is joined to the main body member 80b.
  • the assembly configuration of the cylindrical body 80 is not limited to this. As long as the cylindrical body 80 is a structure surrounding the periphery of the combustor 20 as shown in FIG. 2, the assembly configuration of the cylindrical body 80 is not limited.
  • the inner circumferential surface of the opening 82 on the downstream side of the cylindrical body 80 is in contact with the outer circumferential surface of the downstream end of the transition piece 62.
  • a pipe 42 is connected to the upstream side portion of the cylindrical body 80.
  • the pipe 42 passes through the inside of the pipe 44 connected to the side portion of the upstream casing 71 and is connected to the side portion of the cylindrical body 80, as shown in FIG.
  • the part where the pipe 42 penetrates the inside of the pipe 44 has a double pipe structure.
  • the pipe 42 is, for example, inserted into the pipe 44 through an opening 44 a formed in the pipe 44. And the piping 42 is joined with the piping 44 in the opening part which has the opening 44a. Further, the double pipe structure of the pipe 42 and the pipe 44 is not limited to one, and a plurality of pipes may be possessed in the circumferential direction.
  • the carbon dioxide introduced into the cylinder 80 from the pipe 42 flows downstream in the annular space between the combustor liner 61 and the cylinder 80. At this time, the carbon dioxide cools the combustor liner 61 and the transition piece 62.
  • carbon dioxide is introduced into the combustor liner 61 and into the transition piece 62 from the burner liner 61 and the transition piece 62, for example, the holes 63 and 64 and the dilution holes 65 of the porous film cooling unit.
  • the entire amount of carbon dioxide introduced from the pipe 42 is introduced into the combustor liner 61 and into the transition piece 62.
  • the carbon dioxide introduced into the combustor liner 61 and into the transition piece 62 is introduced into the turbine 25 together with the combustion gas generated by the combustion.
  • the temperature of carbon dioxide introduced from the pipe 42 is about 700.degree.
  • the temperature of this carbon dioxide is lower than the temperature of the combustion gas to which the combustor liner 61 and the transition piece 62 are exposed. Therefore, the combustor liner 61 and the transition piece 62 are sufficiently cooled by the carbon dioxide. Furthermore, since the temperature of carbon dioxide is about 700 ° C., the carbon dioxide introduced into the combustor liner 61 does not deteriorate the combustion state.
  • the carbon dioxide introduced from the pipe 42 is introduced into the turbine 25 without flowing out from the cylindrical body 80 surrounding the periphery of the combustor 20 to the combustor casing 70 side.
  • the low temperature carbon dioxide flowing through the pipe 44 is led to a double pipe constituted by the pipe 42 and the pipe 44.
  • the carbon dioxide introduced into the double pipe passes through the pipe 44 and is introduced between the combustor casing 70 and the cylinder 80.
  • the carbon dioxide introduced into the double pipe passes through the annular passage between the pipe 42 and the pipe 44 and is introduced between the combustor casing 70 and the cylindrical body 80.
  • the carbon dioxide flowing between the pipe 42 and the pipe 44 cools the joint portion between the pipe 42 and the pipe 44 and the pipe 42 penetrating through the pipe 44.
  • low temperature carbon dioxide flows around the piping 42, heat transfer from the piping 42 through which high temperature carbon dioxide flows to the combustor casing 70 is suppressed.
  • the carbon dioxide introduced between the combustor casing 70 and the cylinder 80 flows downstream in the annular space between the combustor casing 70 and the cylinder 80. At this time, the carbon dioxide cools the combustor casing 70 and the cylinder 80.
  • the carbon dioxide is also used, for example, to cool the stationary blades 85 and the moving blades 86 of the turbine 25. Such cooling causes the temperature of the combustor casing 70 to be, for example, 400 ° C. or less.
  • the combustor casing 70 is cooled by the low temperature carbon dioxide without being exposed to the high temperature carbon dioxide. Therefore, the combustor casing 70 is made of, for example, an Fe (iron) -based heat-resistant steel such as CrMoV steel or CrMo steel.
  • the combustor casing 70 is exposed to high temperature carbon dioxide. It will not be done. Further, by flowing low temperature carbon dioxide between the combustor casing 70 and the cylindrical body 80, the temperature rise of the combustor casing 70 can be suppressed.
  • the combustor casing 70 can be made of, for example, inexpensive Fe-based heat resistant steel. Therefore, the manufacturing cost of the gas turbine equipment 10 can be reduced.
  • FIG. 3 is the figure which showed typically the longitudinal cross-section of the combustor 20 provided in the gas turbine installation 10 of 1st Embodiment, and the combustor casing 70 of another structure.
  • FIG. 3 shows an example when such a double casing structure is adopted.
  • the combustor casing 70 includes, for example, an upstream side casing 71 on the upstream side and a downstream side casing 72 on the downstream side.
  • the downstream casing 72 includes an outer casing 90 and an inner casing 91 inside thereof.
  • a cylindrical sleeve 92 is provided on the inner circumference between the outer casing 90 and the inner casing 91 along the longitudinal direction of the combustor 20.
  • annular seal ring 93 is fitted between the sleeve 92 and the inner casing 91.
  • the seal ring 93 By providing the seal ring 93, leakage of carbon dioxide from between the outer casing 90 and the inner casing 91 is prevented.
  • the outer casing 90 and the sleeve 92 are connected to the downstream end surface of the upstream casing 71.
  • the low temperature carbon dioxide introduced between the combustor casing 70 and the cylinder 80 is downstream between the cylinder 80 and the upstream casing 71, the sleeve 92 and the inner casing 91. Flow toward At that time, the low temperature carbon dioxide cools the upstream side casing 71, the cylinder 80, the sleeve 92, and the inner casing 91.
  • the upstream side casing 71, the sleeve 92, and the inner casing 91 can be made of, for example, inexpensive Fe-based heat resistant steel.
  • the outer casing 90 provided on the outer circumferential side of the sleeve 92 and the inner casing 91 can also be made of inexpensive heat resistant steel based on Fe.
  • FIG. 4 is a system diagram of the gas turbine equipment 11 according to the second embodiment.
  • FIG. 5 is the figure which showed typically the longitudinal cross-section of the combustor 20 and the combustor casing 70 which are provided in the gas turbine installation 11 of 2nd Embodiment.
  • symbol is attached
  • a portion of the carbon dioxide pressurized by the compressor 28 flows through the pipe 42 and is heated in the heat exchanger 24.
  • the carbon dioxide is then introduced into the inner space 100 partitioned by the cylinder 130.
  • the pipe 42 functions as a high temperature combustion gas supply pipe.
  • the pipe 44 is connected to the combustor casing 70 that forms the inner space 100. Although described in detail later, the pipe 44 is in communication with the flow passage formed inside the thick wall of the combustor casing 70 forming the inner space 100.
  • the carbon dioxide introduced into the pipe 44 is introduced into the flow path as a cooling medium.
  • the flow passage communicates with the outer space 101 partitioned by the cylinder 130.
  • the pipe 44 functions as a low temperature combustion gas supply pipe.
  • a cylinder 130 is provided between the combustor casing 70 and the combustor 20 to partition this space.
  • the cylindrical body 130 is provided between the combustor casing 70 and the combustor 20 along the longitudinal direction of the combustor 20.
  • One end (upstream end) of the cylindrical body 130 is open. Further, one end of the cylindrical body 130 has, for example, an annular portion 131 bent toward the outer peripheral side.
  • the outer peripheral surface 131 a of the annular portion 131 is, for example, joined to the inner peripheral surface of the upstream side casing 71.
  • the other end (downstream end) of the cylindrical body 130 is closed, and an opening 132 is formed to penetrate the downstream end of the transition piece 62.
  • the inner circumferential surface of the opening 132 on the downstream side of the cylindrical body 130 is in contact with the outer circumferential surface of the downstream end of the transition piece 62.
  • the cylindrical body 130 divides the space between the combustor casing 70 and the combustor 20 into the inner space 100 and the outer space 101.
  • the inner space 100 is a space on the side of the combustor liner 61 (on the side of the fuel nozzle portion 60) divided by the cylinder 130.
  • the inner space 100 is also formed by the inner surface of a part of the upstream side casing 71.
  • the outer space 101 is a space on the side of the combustor casing 70 divided by the cylindrical body 130.
  • an opening 71a for inserting the fuel nozzle portion 60 is formed. Further, a flow passage 110 communicating with the outer space 101 is formed in the thick-walled inside of the upstream side casing 71.
  • the flow path 110 is in communication with the pipe 44 through an opening 74 formed in one end surface 73 of the upstream side casing 71.
  • the outlet 111 of the flow passage 110 is open to the outer space 101.
  • the outlet 111 is, for example, in the form of a slit or a plurality of holes.
  • the portion of the upstream casing 71 having the flow passage 110 functions as a flow passage forming portion 78.
  • the thick inner portion of the upstream side casing 71 is a thick portion between the inner surface and the outer surface of the upstream side casing 71.
  • a pipe 42 is connected to the upstream side of the upstream casing 71.
  • the pipe 42 communicates with the inner space 100. That is, the position where the pipe 42 is connected is on the upstream side of the position where the annular portion 131 of the cylindrical body 130 is connected to the inner circumferential surface of the upstream casing 71.
  • the pipe 42 is connected, for example, through the flow path forming portion 78.
  • the structure of the flow path 110 in the thickness inside of the upstream side casing 71 is not restricted to an above-described structure.
  • the structure of the flow path 110 may be any structure that can cool the upstream side casing 71 facing the inner space 100 and to which the pipe 42 is connected by the low temperature carbon dioxide flowing in the flow path 110.
  • the structure of the flow path 110 may be any structure that guides the carbon dioxide having passed through the flow path 110 to the outer space 101.
  • the upstream side casing 71 is formed, for example, by joining two cylindrical structures of an inner structure 75 and an outer structure 76.
  • the upstream casing 71 is formed, for example, as follows.
  • the annular ring 77 is held between the inner structural body 75 and the outer structural body 76 at a portion constituting the opening 71a into which the fuel nozzle portion 60 is inserted, and welding is performed from the inner surface side of the opening 71a.
  • An annular ring is sandwiched between the inner structure 75 and the outer structure 76 in a portion constituting the outlet 111 of the flow passage 110, and welding is performed from the inner surface side of the upstream casing 71.
  • the annular ring forming the outlet 111 is formed with a slit, a hole, and the like.
  • a gap of a predetermined distance is formed between the inner structural body 75 and the outer structural body 76. That is, the flow passage 110 is formed in the thick-walled inside of the upstream side casing 71.
  • a through hole for inserting the pipe 42 is processed. Then, the pipe 42 is inserted into the through hole, and for example, welding is performed from the inside of the upstream side casing 71 and the outside of the upstream side casing 71.
  • the formation method of the flow path 110 in the thickness inside of the upstream side casing 71 is not restricted to an above-described method. That is, as long as the flow path 110 can be formed in the thick-walled interior of the upstream side casing 71, any other method may be used.
  • the carbon dioxide introduced into the inner space 100 from the pipe 42 flows downstream in the annular space between the combustor liner 61 and the cylinder 130. At this time, the carbon dioxide cools the combustor liner 61 and the transition piece 62.
  • the carbon dioxide is introduced into the combustor liner 61 and the transition piece 62 as described in the first embodiment. At this time, the combustor liner 61 and the transition piece 62 are cooled. The entire amount of carbon dioxide introduced from the pipe 42 is introduced into the combustor liner 61 or into the transition piece 62.
  • the low temperature carbon dioxide flowing through the pipe 44 is led to the flow path 110 through the opening 74 of the upstream casing 71.
  • the carbon dioxide introduced into the flow path 110 flows toward the outlet 111 while spreading throughout the flow path 110. At this time, carbon dioxide cools the upstream casing 71.
  • the carbon dioxide flowing through the flow path 110 also flows around the pipe 42 penetrating the flow path forming portion 78. Therefore, the heat conduction from the piping 42 through which the high temperature carbon dioxide flows to the upstream casing 71 is suppressed.
  • the carbon dioxide is also used, for example, to cool the stationary blades 85 and the moving blades 86 of the turbine 25. By such cooling, the temperature of the combustor casing 70 (the upstream casing 71 and the downstream casing 72) becomes, for example, 400 ° C. or less.
  • the combustor casing 70 By flowing low temperature carbon dioxide in the flow path 110, it is possible to suppress an increase in temperature of the upstream casing 71 exposed to high temperature carbon dioxide. Furthermore, the combustor casing 70 facing the outer space 101 is cooled by the low temperature carbon dioxide without being exposed to the high temperature carbon dioxide. Therefore, the combustor casing 70 is made of, for example, an Fe (iron) -based heat-resistant steel such as CrMoV steel or CrMo steel.
  • the gas turbine equipment 11 of the second embodiment by providing the flow path 110, it is possible to suppress an increase in temperature of the upstream casing 71 exposed to high temperature carbon dioxide. Moreover, by providing the cylinder 130, the combustor casing 70 facing the outer space 101 is not exposed to high temperature carbon dioxide. Further, by flowing low temperature carbon dioxide into the outer space 101, an increase in temperature of the combustor casing 70 can be suppressed.
  • the combustor casing 70 can be made of, for example, inexpensive Fe-based heat resistant steel. Therefore, the manufacturing cost of the gas turbine equipment 10 can be reduced.
  • the configuration of the flow channel 110 is not limited to the above-described configuration.
  • 6 is a cross section corresponding to the cross section AA of FIG. 5 and is a view showing a part of another flow path 110 in the combustor casing 70 of the gas turbine equipment 11 of the second embodiment.
  • FIG. 7 is a cross section corresponding to the B-B cross section of FIG. 5 and is a view showing a part of another flow passage 110 in the combustor casing 70 of the gas turbine equipment 11 of the second embodiment.
  • a plurality of flow path walls 120, 121, 122 may be provided in the flow path 110.
  • the flow path walls 120, 121, 122 are formed of, for example, plate-like ribs.
  • the heights of the flow path walls 120, 121, 122 correspond to the distance between the inner structure 75 and the outer structure 76.
  • the flow path wall 120 divides the space between the internal structure 75 and the external structure 76 into a plurality of concentric flow paths. And the flow path 110 is divided into the left half side and the right half side, for example, by the flow path wall 121 provided in the diameter direction.
  • a plurality of flow path walls 122 are provided at predetermined intervals in the flow path 110 on the side.
  • the row of the flow path walls 122 provided in such a circumferential direction is provided in a plurality of stages in the longitudinal direction of the flow path 110 (the longitudinal direction of the combustor 20).
  • the position of the flow path between the flow path walls 122 in the circumferential direction is shifted in the circumferential direction with respect to the position of the flow path in the adjacent row.
  • carbon dioxide can be prevented from flowing linearly in the longitudinal direction without spreading in the circumferential direction.
  • the carbon dioxide introduced into the flow channel 110 from the opening 74 of the upstream casing 71 passes around the flow channels on the left half side and the right half side as shown in FIG. It flows from the inside to the outside while flowing in the direction.
  • the carbon dioxide that has flowed into the outer peripheral flow channel turns in the longitudinal direction (longitudinal direction of the combustor 20) and flows toward the outlet 111. At this time, as shown in FIG. 7, carbon dioxide flows in the longitudinal direction while expanding in the circumferential direction between the flow path walls 122. Then, it flows out to the outer space 101 from the outlet 111.
  • the arrangement configuration of the flow path walls 120, 121, 122 is not limited to the above-described configuration.
  • the arrangement configuration of the flow path walls 120, 121, 122 may be any structure that guides the carbon dioxide introduced into the flow path 110 so as to spread throughout the flow path 110.
  • a through hole may be formed to penetrate from the external structure 76 to the internal structure 75 via the flow path wall 122.
  • the pipe 42 is joined to the side surface of the external structure 76 so as to communicate with the through hole.
  • oxygen which is an oxidizing agent is supplied to the combustor 20 via the pipe 41
  • the present invention is not limited to this configuration.
  • a part of carbon dioxide pressurized by the compressor 28 may be supplied into the pipe 41.
  • a new pipe branched from the pipe 42 on the downstream side of the compressor 28 is provided.
  • the branched pipe is connected to the pipe 41, for example, between the flow control valve 22 and the heat exchanger 24, as shown in FIG. That is, a mixed gas consisting of an oxidant and carbon dioxide is led to the combustor 20. The mixed gas is heated by passing through the heat exchanger 24.
  • the casing provided around the combustor can be made of an inexpensive material.

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Abstract

実施形態のガスタービン設備１０は、燃焼器ケーシング７０と、ケーシング内に設けられた燃焼器２０と、燃焼器２０の周囲を包囲し、燃焼器ケーシング７０と燃焼器２０との間の空間を区画する筒体８０と、燃焼器２０から排出された燃焼ガスによって回動されるタービン２５と、タービン２５から排出された燃焼ガスを冷却する熱交換器２４と、熱交換器２４で冷却された燃焼ガスの一部を熱交換器２４を通して加熱し、筒体内に導く配管４２と、熱交換器２４で冷却された燃焼ガスの他の一部を燃焼器ケーシング７０と筒体８０との間に導く配管４４と、熱交換器２４で冷却された燃焼ガスの残部を外部に排出する配管４５とを備える。

Description

ガスタービン設備
　本発明の実施形態は、ガスタービン設備に関する。
　発電プラントの高効率化は、二酸化炭素の削減や省資源などの要求から進められている。具体的には、ガスタービンや蒸気タービンの作動流体の高温化、コンバインドサイクル化などが積極的に進められている。また、二酸化炭素の回収技術についても、研究開発が進められている。
　図８は、従来のガスタービン設備３００の系統図である。図９は、従来のガスタービン設備３００に設けられる燃焼器３１３の縦断面を模式的に示した図である。従来のガスタービン設備３００では、燃焼器において生成した二酸化炭素と水蒸気を作動流体としてタービンを稼動し、タービンから排出された二酸化炭素の一部を循環させている。
　図８に示すように、従来のガスタービン設備３００において、空気分離機（図示しない）から分離された酸素は、配管３４０に導入される。そして、酸素は、圧縮機３１０によって昇圧され、流量調整弁３１１によって流量が制御される。流量調整弁３１１を通過した酸素は、熱交換器３１２において、後述する燃焼ガスからの熱を受けて加熱され、燃焼器３１３に供給される。
　燃料は、燃料供給源（図示しない）から配管３４１に導かれる。そして、燃料は、流量調整弁３１４によって流量が調節され、燃焼器３１３に供給される。この燃料は、炭化水素である。
　燃焼器３１３において、図９に示すように、配管３４０から供給された酸素および配管３４１から供給された燃料は、燃焼器３１３内で反応（燃焼）する。この燃焼によって、二酸化炭素と水蒸気を含む燃焼ガスが生成される。燃料および酸素の流量は、それぞれが完全に混合した状態において量論混合比（理論混合比）となるように調整されている。
　燃焼器３１３で生成した燃焼ガスは、タービン３１５に導入される。なお、図８に示すように、タービン３１５には、例えば、発電機３１９が連結されている。タービン３１５において膨張仕事をした燃焼ガスは、熱交換器３１２を通る。この際、熱を放出し、配管３４０を流れる酸素や配管３４３を流れる二酸化炭素を加熱する。
　熱交換器３１２を通過した燃焼ガスは、冷却器３１６を通る。この際、燃焼ガス中の水蒸気が凝縮して水となる。水は、配管３４２を通り外部に排出される。
　水蒸気と分離された二酸化炭素は、配管３４３に介在する圧縮機３１７で昇圧され、超臨界流体となる。昇圧された二酸化炭素の一部は、配管３４３から分岐した配管３４４に導入される。配管３４４に導入された二酸化炭素は、流量調整弁３１８によって流量が調節され、外部に抽出される。
　一方、二酸化炭素の残部は、配管３４３を流れる。そして、二酸化炭素は、熱交換器３１２において加熱され、図９に示すように、燃焼器３１３を収容する燃焼器ケーシング３５０内に供給される。熱交換器３１２を通過した二酸化炭素の温度は、７００℃程度になる。ここで、燃焼器ケーシング３５０は、上流側ケーシング３５１ａと、下流側ケーシング３５１ｂとで構成されている。
　上流側ケーシング３５１ａ内に導かれた二酸化炭素は、下流側ケーシング３５１ｂと、燃焼器ライナ３５２およびトランジションピース３５３（尾筒）との間をタービン３１５に向かって流れる。
　二酸化炭素が下流側ケーシング３５１ｂと、燃焼器ライナ３５２およびトランジションピース３５３との間を流れる際、二酸化炭素は、燃焼器ライナ３５２およびトランジションピース３５３を冷却する。これらの冷却は、例えば、多孔式膜冷却などによって行われる。二酸化炭素の一部は、図９に示すように、多孔式膜冷却部の孔３５４、３５６や希釈孔３５５などから燃焼器ライナ３５２内やトランジションピース３５３内に導入される。また、この二酸化炭素は、タービン３１５の静翼３６０や動翼３６１の冷却にも使用される。
　燃焼器ライナ３５２内やトランジションピース３５３内に導入された二酸化炭素は、燃焼によって生成された燃焼ガスとともにタービン３１５に導入される。このように、配管３４４から排出される以外の二酸化炭素は、系統内を循環する。
　ここで、上流側ケーシング３５１ａや下流側ケーシング３５１ｂは、高温の二酸化炭素に曝される。そのため、上流側ケーシング３５１ａや下流側ケーシング３５１ｂは、高価なＮｉベースの合金で構成されている。
特開２０００－３３７１０７号公報
　上記したように、従来のガスタービン設備３００においては、高温の二酸化炭素に曝される燃焼器ケーシング３５０を高価なＮｉベースの合金で構成しなければならない。そのため、ガスタービン設備の製造コストが増加する。
　本発明が解決しようとする課題は、燃焼器の周囲に備えられるケーシングを安価な材料で構成することができるガスタービン設備を提供するものである。
　実施形態のガスタービン設備は、ケーシングと、前記ケーシング内に設けられ、燃料と酸化剤を燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器の周囲を包囲し、前記ケーシングと前記燃焼器との間の空間を区画する筒体と、前記燃焼器から排出された燃焼ガスによって回動されるタービンとを備える。
　さらに、ガスタービン設備は、前記タービンから排出された前記燃焼ガスを冷却する熱交換器と、前記熱交換器で冷却された前記燃焼ガスの一部を前記熱交換器を通して加熱し、前記筒体内に導く高温燃焼ガス供給管と、前記熱交換器で冷却された前記燃焼ガスの他の一部を前記ケーシングと前記筒体との間に導く低温燃焼ガス供給管と、前記熱交換器で冷却された前記燃焼ガスの残部を外部に排出する排出管とを備える。
第１の実施の形態のガスタービン設備の系統図である。 第１の実施の形態のガスタービン設備に設けられる燃焼器および燃焼器ケーシングの縦断面を模式的に示した図である。 第１の実施の形態のガスタービン設備に設けられる燃焼器および他の構成の燃焼器ケーシングの縦断面を模式的に示した図である。 第２の実施の形態のガスタービン設備の系統図である。 第２の実施の形態のガスタービン設備に設けられる燃焼器および燃焼器ケーシングの縦断面を模式的に示した図である。 図５のＡ－Ａ断面に相当する断面であり、第２の実施の形態のガスタービン設備の燃焼器ケーシングにおける他の流路の一部を示す図である。 図５のＢ－Ｂ断面に相当する断面であり、第２の実施の形態のガスタービン設備の燃焼器ケーシングにおける他の流路の一部を示す図である。 従来のガスタービン設備の系統図である。 従来のガスタービン設備に設けられる燃焼器の縦断面を模式的に示した図である。
　以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
　（第１の実施の形態）
　図１は、第１の実施の形態のガスタービン設備１０の系統図である。図１に示すように、ガスタービン設備１０は、燃料と酸化剤を燃焼させる燃焼器２０と、この燃焼器２０に燃料を供給する配管４０と、燃焼器２０に酸化剤を供給する配管４１を備えている。
　配管４０には、燃焼器２０に供給される燃料の流量を調整する流量調整弁２１が備えられている。ここで、燃料として、例えば、メタン、天然ガスなどの炭化水素が使用される。また、燃料として、例えば、一酸化炭素および水素などを含む石炭ガス化ガス燃料を使用することもできる。
　配管４１には、燃焼器２０に供給される酸化剤の流量を調整する流量調整弁２２が備えられている。また、配管４１には、酸化剤を昇圧する圧縮機２３が設けられている。酸化剤としては、空気分離装置（図示しない）によって大気から分離された酸素が使用される。配管４１を流れる酸化剤は、熱交換器２４を通過して加熱され、燃焼器２０に供給される。
　燃焼器２０に導かれた燃料および酸化剤は、燃焼領域において反応（燃焼）を生じ、燃焼ガスとなる。ここで、ガスタービン設備１０においては、燃焼器２０から排出される燃焼ガスに、余剰の酸化剤（酸素）や燃料が残存しないことが好ましい。そこで、燃料および酸化剤の流量は、例えば、量論混合比（当量比１）になるように調整されている。なお、ここでいう当量比は、燃料と酸素が均一に混合したと想定したときの当量比（オーバーオールでの当量比）である。
　ガスタービン設備１０は、燃焼器２０から排出された燃焼ガスによって回動するタービン２５を備えている。このタービン２５には、例えば、発電機２６が連結されている。ここでいう、燃焼器２０から排出される燃焼ガスは、燃料と酸化剤とによって生成された燃焼生成物と、燃焼器２０に供給される後述する二酸化炭素（水蒸気が除去された燃焼ガス）とを含んだものである。
　タービン２５から排出された燃焼ガスは、配管４２に導かれ、熱交換器２４を通過することによって冷却される。この際、燃焼ガスからの放熱によって、配管４１を流れる酸化剤や配管４２を流れる二酸化炭素を加熱する。
　熱交換器２４を通過した燃焼ガスは、冷却器２７を通過する。燃焼ガスは、冷却器２７を通過することで、燃焼ガス中に含まれる水蒸気が除去される。この際、燃焼ガス中の水蒸気は、凝縮して水となる。この水は、例えば配管４３を通り外部に排出される。
　ここで、前述したように、燃料および酸化剤の流量を量論混合比（当量比１）になるように調整した場合、水蒸気が除去された燃焼ガス（ドライ燃焼ガス）の成分は、ほぼ二酸化炭素である。なお、水蒸気が除去された燃焼ガスには、例えば、０．２％以下の微量の一酸化炭素が混在する場合もあるが、以下、水蒸気が除去された燃焼ガスを単に二酸化炭素と称する。
　二酸化炭素は、配管４２に介在する圧縮機２８によって昇圧され、超臨界流体となる。昇圧された二酸化炭素の一部は、配管４２を流れ、熱交換器２４において加熱される。そして、二酸化炭素は、燃焼器２０の周囲を包囲する筒体８０内に導かれる。熱交換器２４を通過した二酸化炭素の温度は、７００℃程度になる。なお、この高温の二酸化炭素を筒体８０内に導く配管４２は、高温燃焼ガス供給管として機能する。
　昇圧された二酸化炭素の他の一部は、配管４２から分岐した配管４４に導入される。配管４４に導入された二酸化炭素は、流量調整弁２９によって流量が調節され、冷却媒体として、燃焼器ケーシング７０と筒体８０との間に導かれる。配管４４によって燃焼器ケーシング７０と筒体８０との間に導かれる二酸化炭素の温度は、４００℃程度である。なお、配管４４は、低温燃焼ガス供給管として機能する。
　一方、昇圧された二酸化炭素の残部は、配管４２から分岐した配管４５に導入される。配管４５に導入された二酸化炭素は、流量調整弁３０によって流量が調節され、外部に排出される。なお、配管４５は、排出管として機能する。外部に排出された二酸化炭素は、例えば、石油採掘現場で採用されているＥＯＲ（Enhanced Oil Recovery）などに利用することができる。
　次に、第１の実施の形態のガスタービン設備１０の燃焼器ケーシング７０内の構成について詳しく説明する。
　図２は、第１の実施の形態のガスタービン設備１０に設けられる燃焼器２０および燃焼器ケーシング７０の縦断面を模式的に示した図である。
　図２に示すように、燃焼器２０は、燃料ノズル部６０、燃焼器ライナ６１およびトランジションピース６２（尾筒）を備える。燃料ノズル部６０は、配管４０から供給された燃料および配管４１から供給された酸化剤を燃焼器ライナ６１内に噴出する。例えば、中央から燃料を噴出し、その周囲から酸化剤を噴出する。燃焼器２０は、燃焼器ケーシング７０の内部に収容されている。
　燃焼器ケーシング７０は、燃焼器２０を囲むように、燃焼器２０の長手方向に沿って設けられている。燃焼器ケーシング７０は、例えば、燃焼器２０の長手方向に２分割されている。燃焼器ケーシング７０は、例えば、上流側の上流側ケーシング７１および下流側の下流側ケーシング７２で構成される。なお、燃焼器ケーシング７０は、ケーシングとして機能する。
　上流側ケーシング７１は、例えば、一端（上流端）が閉塞され、他端（下流端）が開口された筒体で構成されている。一端の中央には、燃料ノズル部６０を挿入する開口７１ａが形成されている。また、上流側ケーシング７１の側部には、配管４４が連結されている。配管４４は、例えば、上流側ケーシング７１の側部に形成された開口７１ｂに嵌め込まれ、接合されている。
　下流側ケーシング７２は、両端が開口した筒体で構成されている。下流側ケーシング７２の一端は、上流側ケーシング７１に接続され、下流側ケーシング７２の他端は、例えば、タービン２５を囲むケーシングに接続されている。
　図２に示すように、燃焼器ケーシング７０内には、燃焼器２０の周囲を包囲し、燃焼器ケーシング７０と燃焼器２０との間の空間を区画する筒体８０が設けられている。燃焼器２０と筒体８０との間には、所定の空間を有している。
　筒体８０の一端（上流端）は、閉鎖され、燃料ノズル部６０を挿入する開口８１が形成されている。筒体８０の他端（下流端）は、閉鎖され、トランジションピース６２の下流端を貫通させる開口８２が形成されている。
　筒体８０は、例えば、開口７１ａを有する板状の蓋部材８０ａを筒状の本体部材８０ｂに接合して形成される。筒体８０は、例えば、次のように組み立てられる。蓋部材８０ａの開口７１ａに燃料ノズル部６０を貫通させる。そして、燃料ノズル部６０を備えた燃焼器ケーシング７０を本体部材８０ｂ内に挿入する。その後、蓋部材８０ａを本体部材８０ｂに接合する。
　なお、筒体８０の組立構成は、これに限られない。筒体８０は、図２に示すように、燃焼器２０の周囲を包囲する構造であれば、筒体８０の組立構成は、限定されない。
　筒体８０の下流側の開口８２の内周面は、トランジションピース６２の下流端部の外周面に接している。
　また、筒体８０の上流側の側部には、配管４２が連結されている。この配管４２は、図２に示すように、上流側ケーシング７１の側部に連結された配管４４内を貫通して、筒体８０の側部に連結されている。配管４２が配管４４の内部を貫通する部分は、二重管構造となっている。
　なお、配管４２は、例えば、配管４４に形成された開口４４ａを介して配管４４の内部に挿入されている。そして、開口４４ａを有する開口部において、配管４２は、配管４４と接合されている。また、配管４２と配管４４との二重管構造は、１箇所に限らず、周方向に複数個所有してもよい。
　ここで、配管４２および配管４４から導入された二酸化炭素の流れについて説明する。
　配管４２から筒体８０内に導入された二酸化炭素は、燃焼器ライナ６１と筒体８０との間の環状の空間を下流側へ流れる。この際、二酸化炭素は、燃焼器ライナ６１およびトランジションピース６２を冷却する。
　そして、二酸化炭素は、燃焼器ライナ６１およびトランジションピース６２の、例えば、多孔式膜冷却部の孔６３、６４や希釈孔６５などから燃焼器ライナ６１内やトランジションピース６２内に導入される。
　このように、配管４２から導入された二酸化炭素の全量が燃焼器ライナ６１内やトランジションピース６２内に導入される。なお、燃焼器ライナ６１内やトランジションピース６２内に導入された二酸化炭素は、燃焼によって生成された燃焼ガスとともにタービン２５に導入される。
　ここで、配管４２から導入される二酸化炭素の温度は７００℃程度である。この二酸化炭素の温度は、燃焼器ライナ６１およびトランジションピース６２が曝される燃焼ガスの温度に比べると低い。そのため、この二酸化炭素によって、燃焼器ライナ６１およびトランジションピース６２は、十分に冷却される。さらに、二酸化炭素の温度が７００℃程度であるため、燃焼器ライナ６１内に導入された二酸化炭素によって、燃焼状態が悪化することはない。
　このように、配管４２から導入された二酸化炭素は、燃焼器２０の周囲を包囲する筒体８０から燃焼器ケーシング７０側に流出することなく、タービン２５に導入される。
　一方、配管４４を流れる低温の二酸化炭素は、配管４２および配管４４で構成される二重管に導かれる。二重管に導かれた二酸化炭素は、配管４４を通り、燃焼器ケーシング７０と筒体８０との間に導かれる。具体的には、二重管に導かれた二酸化炭素は、配管４２と配管４４との間の環状の通路を通り、燃焼器ケーシング７０と筒体８０との間に導かれる。
　配管４２と配管４４との間を流れる二酸化炭素は、配管４２と配管４４との接合部や、配管４４内を貫通する配管４２を冷却する。また、配管４２の周囲には低温の二酸化炭素が流れているため、高温の二酸化炭素が流れる配管４２からの燃焼器ケーシング７０への熱伝達が抑制される。
　燃焼器ケーシング７０と筒体８０との間に導かれた二酸化炭素は、燃焼器ケーシング７０と筒体８０との間の環状の空間を下流側へ流れる。この際、二酸化炭素は、燃焼器ケーシング７０および筒体８０を冷却する。この二酸化炭素は、例えば、タービン２５の静翼８５や動翼８６の冷却にも使用される。このような冷却によって、燃焼器ケーシング７０の温度は、例えば、４００℃以下となる。
　上記したように、燃焼器ケーシング７０は、高温の二酸化炭素に曝されずに、低温の二酸化炭素によって冷却される。そのため、燃焼器ケーシング７０は、例えば、ＣｒＭｏＶ鋼、ＣｒＭｏ鋼などのＦｅ（鉄）ベースの耐熱鋼で構成される。
　上記したように、第１の実施の形態のガスタービン設備１０によれば、筒体８０およびこの筒体８０に連結された配管４２を備えることで、燃焼器ケーシング７０が高温の二酸化炭素に曝されることがない。また、燃焼器ケーシング７０と筒体８０との間に低温の二酸化炭素を流すことで、燃焼器ケーシング７０の温度の上昇を抑えることができる。
　これによって、燃焼器ケーシング７０を、例えば、安価なＦｅベースの耐熱鋼で構成することができる。そのため、ガスタービン設備１０の製造コストを削減することができる。
　ここで、第１の実施の形態のガスタービン設備１０における燃焼器ケーシング７０の構成は、上記した構成に限られない。図３は、第１の実施の形態のガスタービン設備１０に設けられる燃焼器２０および他の構成の燃焼器ケーシング７０の縦断面を模式的に示した図である。
　例えば、超臨界流体の二酸化炭素を作動流体の一部とするときのように、ガスタービンの作動圧力が高圧となる場合、例えば、外部ケーシングと内部ケーシングの二重ケーシング構造を採用することが好ましい。図３には、このような二重ケーシング構造を採用したときの一例を示している。
　図３に示すように、燃焼器ケーシング７０は、例えば、上流側に上流側ケーシング７１および下流側に下流側ケーシング７２を備える。下流側ケーシング７２は、外部ケーシング９０と、その内側に内部ケーシング９１とを備える。さらに、外部ケーシング９０と内部ケーシング９１との間の内周には、燃焼器２０の長手方向に沿って、筒状のスリーブ９２が設けられている。
　スリーブ９２と内部ケーシング９１との間には、例えば、環状のシールリング９３が嵌合されている。シールリング９３を備えることによって、外部ケーシング９０と内部ケーシング９１との間からの二酸化炭素の漏洩が防止される。なお、ここでは、上流側ケーシング７１の下流側の端面に、外部ケーシング９０とスリーブ９２が接続されている。
　このような構成を備える場合、燃焼器ケーシング７０と筒体８０との間に導かれた低温の二酸化炭素は、筒体８０と、上流側ケーシング７１、スリーブ９２および内部ケーシング９１との間を下流に向かって流れる。その際、低温の二酸化炭素は、上流側ケーシング７１、筒体８０、スリーブ９２、内部ケーシング９１を冷却する。
　そのため、上流側ケーシング７１、スリーブ９２および内部ケーシング９１は、例えば、安価なＦｅベースの耐熱鋼で構成することができる。なお、スリーブ９２や内部ケーシング９１よりも外周側に設けられる外部ケーシング９０も、安価なＦｅベースの耐熱鋼で構成することができる。
　（第２の実施の形態）
　図４は、第２の実施の形態のガスタービン設備１１の系統図である。図５は、第２の実施の形態のガスタービン設備１１に設けられる燃焼器２０および燃焼器ケーシング７０の縦断面を模式的に示した図である。なお、第１の実施の形態のガスタービン設備１０の同一の構成部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する。
　図４に示すように、圧縮機２８によって昇圧された二酸化炭素の一部は、配管４２を流れ、熱交換器２４において加熱される。そして、二酸化炭素は、筒体１３０によって区画された内側空間１００に導かれる。なお、配管４２は、高温燃焼ガス供給管として機能する。
　昇圧された二酸化炭素の他の一部は、配管４２から分岐した配管４４に導入される。配管４４は、内側空間１００を形成する燃焼器ケーシング７０に連結される。なお、後に詳しく説明するが、配管４４は、内側空間１００を形成する燃焼器ケーシング７０の肉厚内部に形成された流路に連通している。
　そのため、配管４４に導入された二酸化炭素は、冷却媒体として、上記流路に導入される。なお、この流路は、筒体１３０によって区画された外側空間１０１に連通する。なお、配管４４は、低温燃焼ガス供給管として機能する。
　次に、第２の実施の形態のガスタービン設備１１の燃焼器ケーシング７０内の構成について詳しく説明する。
　図５に示すように、燃焼器ケーシング７０と燃焼器２０との間には、この空間を区画する筒体１３０が設けられている。この筒体１３０は、燃焼器ケーシング７０と燃焼器２０との間に、燃焼器２０の長手方向に沿って設けられている。
　筒体１３０の一端（上流端）は、開口している。また、筒体１３０の一端は、例えば、外周側に屈曲する環状部１３１を有する。この環状部１３１の外周面１３１ａは、例えば、上流側ケーシング７１の内周面に接合されている。
　筒体１３０の他端（下流端）は、閉鎖され、トランジションピース６２の下流端を貫通させる開口１３２が形成されている。筒体１３０の下流側の開口１３２の内周面は、トランジションピース６２の下流端部の外周面に接している。
　すなわち、筒体１３０は、燃焼器ケーシング７０と燃焼器２０との間の空間を、内側空間１００と外側空間１０１とに区画している。内側空間１００は、筒体１３０で区画された燃焼器ライナ６１側（燃料ノズル部６０側）の空間である。なお、内側空間１００は、上流側ケーシング７１の一部の内面によっても形成されている。外側空間１０１は、筒体１３０で区画された燃焼器ケーシング７０側の空間である。
　上流側ケーシング７１の一端の中央には、燃料ノズル部６０を挿入する開口７１ａが形成されている。また、上流側ケーシング７１の肉厚内部には、外側空間１０１に連通する流路１１０が形成されている。
　流路１１０は、上流側ケーシング７１の一端面７３に形成された開口７４を介して配管４４に連通している。流路１１０の出口１１１は、外側空間１０１に開口している。この出口１１１は、例えば、スリット状や複数の穴などで構成される。なお、上流側ケーシング７１の、流路１１０を有する部分は、流路形成部７８として機能する。
　ここで、上流側ケーシング７１の肉厚内部とは、上流側ケーシング７１の内面と外面との間の肉厚部分である。
　さらに、上流側ケーシング７１の上流側の側部には、配管４２が連結されている。この配管４２は、内側空間１００に連通する。すなわち、配管４２が連結される位置は、筒体１３０の環状部１３１が上流側ケーシング７１の内周面に接続される位置よりも上流側である。また、配管４２は、例えば、流路形成部７８を貫通して連結されている。
　なお、上流側ケーシング７１の肉厚内部における流路１１０の構造は、上記した構造に限られるものではない。流路１１０の構造は、内側空間１００に面し、配管４２が連結された上流側ケーシング７１を、流路１１０を流れる低温の二酸化炭素で冷却できる構造であればよい。さらに、流路１１０の構造は、流路１１０を通過した二酸化炭素を外側空間１０１に導く構造であればよい。
　ここで、上流側ケーシング７１は、図４に示すように、例えば、内部構造体７５と外部構造体７６の２つの筒状構造体を接合して形成される。具体的には、上流側ケーシング７１は、例えば、次のように形成される。
　燃料ノズル部６０を挿入する開口７１ａを構成する部分において、内部構造体７５と外部構造体７６との間に環状リング７７を挟持し、開口７１ａの内面側から溶接接合する。流路１１０の出口１１１を構成する部分において、内部構造体７５と外部構造体７６との間に環状リングを挟持し、上流側ケーシング７１の内面側から溶接接合する。出口１１１を構成する環状リングには、スリットや穴などが形成されている。
　このように形成することで、内部構造体７５と外部構造体７６との間に所定の間隔の隙間が形成される。すなわち、上流側ケーシング７１の肉厚内部に、流路１１０が形成される。
　続いて、配管４２を挿入するための貫通孔を加工する。そして、その貫通孔に配管４２を挿入し、例えば、上流側ケーシング７１の内側および上流側ケーシング７１の外側から溶接接合する。
　なお、上流側ケーシング７１の肉厚内部における流路１１０の形成方法は、上記した方法に限られるものではない。すなわち、上流側ケーシング７１の肉厚内部に流路１１０を形成できる方法であれば、他の方法であってもよい。
　ここで、配管４２および配管４４から導入された二酸化炭素の流れについて説明する。
　配管４２から内側空間１００に導入された二酸化炭素は、燃焼器ライナ６１と筒体１３０との間の環状の空間を下流側へ流れる。この際、二酸化炭素は、燃焼器ライナ６１およびトランジションピース６２を冷却する。
　そして、この二酸化炭素は、第１の実施の形態で説明したとおり、燃焼器ライナ６１内やトランジションピース６２内に導入される。この際、燃焼器ライナ６１およびトランジションピース６２を冷却する。なお、配管４２から導入された二酸化炭素の全量が燃焼器ライナ６１内やトランジションピース６２内に導入される。
　このように、配管４２から導入された二酸化炭素は、筒体１３０よりも燃焼器ケーシング７０側に流出することがない。
　一方、配管４４を流れる低温の二酸化炭素は、上流側ケーシング７１の開口７４を介して流路１１０に導かれる。流路１１０に導かれた二酸化炭素は、流路１１０全体に広がりながら出口１１１に向かって流れる。この際、二酸化炭素は、上流側ケーシング７１を冷却する。
　また、流路１１０を流れる二酸化炭素は、流路形成部７８を貫通する配管４２の周囲も流れる。そのため、高温の二酸化炭素が流れる配管４２からの上流側ケーシング７１への熱伝導が抑制される。
　出口１１１から外側空間１０１に導かれた二酸化炭素は、燃焼器ケーシング７０と筒体１３０との間の環状の空間を下流側へ流れる。この際、二酸化炭素は、燃焼器ケーシング７０および筒体１３０を冷却する。この二酸化炭素は、例えば、タービン２５の静翼８５や動翼８６の冷却にも使用される。このような冷却によって、燃焼器ケーシング７０（上流側ケーシング７１および下流側ケーシング７２）の温度は、例えば、４００℃以下となる。
　流路１１０に低温の二酸化炭素を流すことで、高温の二酸化炭素に曝させる上流側ケーシング７１の温度の上昇を抑えることができる。さらに、外側空間１０１に面する燃焼器ケーシング７０は、高温の二酸化炭素に曝されずに、低温の二酸化炭素によって冷却される。そのため、燃焼器ケーシング７０は、例えば、ＣｒＭｏＶ鋼、ＣｒＭｏ鋼などのＦｅ（鉄）ベースの耐熱鋼で構成される。
　上記したように、第２の実施の形態のガスタービン設備１１によれば、流路１１０を備えることで、高温の二酸化炭素に曝させる上流側ケーシング７１の温度の上昇を抑えることができる。また、筒体１３０を備えることで、外側空間１０１に面する燃焼器ケーシング７０は、高温の二酸化炭素に曝させることがない。また、外側空間１０１に低温の二酸化炭素を流すことで、燃焼器ケーシング７０の温度の上昇を抑えることができる。
　これによって、燃焼器ケーシング７０を、例えば、安価なＦｅベースの耐熱鋼で構成することができる。そのため、ガスタービン設備１０の製造コストを削減することができる。
　ここで、流路１１０の構成は、上記した構成に限られるものではない。図６は、図５のＡ－Ａ断面に相当する断面であり、第２の実施の形態のガスタービン設備１１の燃焼器ケーシング７０における他の流路１１０の一部を示す図である。図７は、図５のＢ－Ｂ断面に相当する断面であり、第２の実施の形態のガスタービン設備１１の燃焼器ケーシング７０における他の流路１１０の一部を示す図である。
　図６および図７に示すように、流路１１０に複数の流路壁１２０、１２１、１２２を設けてもよい。流路壁１２０、１２１、１２２は、例えば、板状のリブなどによって構成される。流路壁１２０、１２１、１２２の高さは、内部構造体７５と外部構造体７６との間の距離に相当する。
　流路壁１２０は、例えば、図６に示すように、内部構造体７５と外部構造体７６との間の空間を同心円状の複数の流路に区画している。そして、流路１１０は、例えば、直径方向に設けられた流路壁１２１によって左半側および右半側に区画されている。
　一方、側部の流路１１０には、図７に示すように、複数の流路壁１２２が所定の間隔をあけて設けられている。このような周方向に設けられた流路壁１２２の列は、流路１１０の長手方向（燃焼器２０の長手方向）に複数段設けられている。例えば、周方向における流路壁１２２間の流路の位置は、隣接する列の流路の位置に対して周方向にずらされている。これによって、二酸化炭素が、周方向に広がらずに、長手方向に直線的に流れるのを防止できる。
　このような構成の流路１１０において、上流側ケーシング７１の開口７４から流路１１０内に導かれた二酸化炭素は、図６に示すように、左半側および右半側の流路間を周方向に流れつつ、内側から外側に向かって流れる。
　外周の流路に流入した二酸化炭素は、長手方向（燃焼器２０の長手方向）に向きを変え、出口１１１に向かって流れる。この際、二酸化炭素は、図７に示すように、流路壁１２２間の隙間を周方向に広がりながら長手方向に流れる。そして、出口１１１から外側空間１０１に流出する。
　このように、流路壁１２０、１２１、１２２を設けることで、流路１１０全体に亘って二酸化炭素を確実に導くことができる。また、流路壁１２０、１２１間の流路に二酸化炭素を流すことで、流路壁１２０、１２１を備えない場合に比べて、流速が増加する。これによって、熱伝達を向上させることができる。これらによって、上流側ケーシング７１を確実に冷却することができる。
　なお、流路壁１２０、１２１、１２２の配置構成は、上記した構成に限られるものではない。流路壁１２０、１２１、１２２の配置構成は、流路１１０内に導かれた二酸化炭素を、流路１１０内全体に行き渡るように導く構成であればよい。
　また、流路壁１２２を備える場合、図７において、外部構造体７６から流路壁１２２を介して内部構造体７５まで貫通する貫通孔を形成してもよい。この場合、貫通孔に連通するように、配管４２は、外部構造体７６の側面に接合される。
　なお、上記した第２の実施の形態における流路１１０および筒体１３０は、図３に示すような二重ケーシング構造の場合においても適用できる。
　ここで、上記した実施の形態のガスタービン設備１０、１１では、配管４１を介して燃焼器２０に酸化剤である酸素が供給される一例を示したが、この構成に限られない。例えば、圧縮機２８によって昇圧された二酸化炭素の一部を、配管４１内に供給する構成としてもよい。
　この場合、圧縮機２８の下流側の配管４２から分岐する新たな配管を備える。この分岐された配管は、図１を参照すると、例えば、流量調整弁２２と熱交換器２４との間で配管４１に連結される。すなわち、酸化剤および二酸化炭素からなる混合ガスが、燃焼器２０に導かれる。なお、この混合ガスは、熱交換器２４を通過することで加熱される。
　このような構成においても、上記した実施の形態のガスタービン設備１０、１１における作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
　以上説明した実施形態によれば、燃焼器の周囲に備えられるケーシングを安価な材料で構成することが可能となる。
　本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
　１０、１１…ガスタービン設備、２０…燃焼器、２１、２２、２９、３０…流量調整弁、２３…圧縮機、２４…熱交換器、２５…タービン、２６…発電機、２７…冷却器、２８…圧縮機、４０、４１、４２、４３、４４、４５…配管、４４ａ、７４、８１、８２…開口、６０…燃料ノズル部、６１…燃焼器ライナ、６２…トランジションピース、６３、６４…孔、６５…希釈孔、７０…燃焼器ケーシング、７１…上流側ケーシング、７１ａ、７１ｂ、１３２…開口、７２…下流側ケーシング、７３…一端面、７５…内部構造体、７６…外部構造体、７７…環状リング、７８…流路形成部、８０、１３０…筒体、８０ａ…蓋部材、８０ｂ…本体部材、８５…静翼、８６…動翼、９０…外部ケーシング、９１…内部ケーシング、９２…スリーブ、９３…シールリング、１００…内側空間、１０１…外側空間、１１０…流路、１１１…出口、１２０、１２１、１２２…流路壁、１３１…環状部、１３１ａ…外周面。

Claims (4)

  1. 　ケーシングと、
    　前記ケーシング内に設けられ、燃料と酸化剤を燃焼させる燃焼器と、
    　前記燃焼器の周囲を包囲し、前記ケーシングと前記燃焼器との間の空間を区画する筒体と、
    　前記燃焼器から排出された燃焼ガスによって回動されるタービンと、
    　前記タービンから排出された前記燃焼ガスを冷却する熱交換器と、
    　前記熱交換器で冷却された前記燃焼ガスの一部を前記熱交換器を通して加熱し、前記筒体内に導く高温燃焼ガス供給管と、
    　前記熱交換器で冷却された前記燃焼ガスの他の一部を前記ケーシングと前記筒体との間に導く低温燃焼ガス供給管と、
    　前記熱交換器で冷却された前記燃焼ガスの残部を外部に排出する排出管と
    　を具備することを特徴とするガスタービン設備。
  2. 　前記高温燃焼ガス供給管が、前記低温燃焼ガス供給管内を貫通し、
    　前記低温燃焼ガス供給管が、前記ケーシングに連結され、
    　前記低温燃焼ガス供給管を流れる前記燃焼ガスが、前記高温燃焼ガス供給管と前記低温燃焼ガス供給管との間を通り、前記ケーシングと前記筒体との間に導かれることを特徴とする請求項１記載のガスタービン設備。
  3. 　ケーシングと、
    　前記ケーシング内に設けられ、燃料と酸化剤を燃焼させる燃焼器と、
    　前記ケーシングと前記燃焼器との間に長手方向に設けられ、前記ケーシングと前記燃焼器との間の空間を外側空間と内側空間とに区画する筒体と、
    　前記燃焼器から排出された燃焼ガスによって回動されるタービンと、
    　前記タービンから排出された前記燃焼ガスを冷却する熱交換器と、
    　前記熱交換器で冷却された前記燃焼ガスの一部を前記熱交換器を通して加熱し、前記内側空間に導く高温燃焼ガス供給管と、
    　前記内側空間を形成する前記ケーシングの肉厚内部に形成され、前記外側空間に連通する流路と、
    　前記熱交換器で冷却された前記燃焼ガスの他の一部を前記流路に導く低温燃焼ガス供給管と、
    　前記熱交換器で冷却された前記燃焼ガスの残部を外部に排出する排出管と
    　を具備することを特徴とするガスタービン設備。
  4. 　前記高温燃焼ガス供給管が、前記ケーシングの、前記流路を有する流路形成部を貫通して連結されていることを特徴とする請求項３記載のガスタービン設備。
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