WO2018143310A1 - 水素酸素当量燃焼タービンシステム - Google Patents

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和彦 谷村
光 佐野
中山　智
直樹 三宅
顕久 岡
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Definitions

  • the present invention relates to a hydrogen oxygen equivalent combustion turbine system applicable to a combined cycle power plant.
  • CCPP combined cycle power plant
  • hydrogen turbine hydrogen-oxygen equivalent combustion turbine
  • the combustion temperature reaches 3000 ° C, so the combustion chamber temperature can be protected and the temperature of the combustion gas must be lowered to the extent that the turbine section can be established by steam cooling technology.
  • the CCPP includes a gas turbine engine, an exhaust gas boiler (heat exchanger) that recovers heat of the exhaust gas from the gas turbine engine with steam, and a steam turbine, upstream of the steam turbine.
  • a heater combustor
  • Patent Document 1 a hydrogen oxygen equivalent combustion system
  • steam from the exhaust heat boiler is supplied to the steam turbine.
  • hydrogen and oxygen are equivalently combusted in the heater, and the combustion gas is diluted and cooled with high-temperature and high-pressure steam from the exhaust gas boiler, and this steam is supplied to the steam turbine.
  • An object of the present invention is to provide a hydrogen-oxygen equivalent combustion turbine system capable of realizing low CO 2 and improved output and thermal efficiency.
  • a hydrogen-oxygen equivalent combustion turbine system includes a high-pressure steam turbine, a low-pressure steam turbine, and a heater between them, and the heater performs equivalent combustion of hydrogen and oxygen.
  • the combustion gas (high-temperature steam) resulting from the equivalent combustion of hydrogen and oxygen is quenched (rapidly cooled) by the relatively low-temperature exhaust steam discharged from the high-pressure steam turbine.
  • the steam temperature supplied to the low-pressure steam turbine is adjusted to be equal to or lower than the heat resistance limit of the metal part of the steam turbine that is steam-cooled by the same cooling structure as that of the gas turbine engine.
  • CO 2 reduction is realized by using a hydrogen turbine.
  • the combustion section injects the exhaust steam by injecting high temperature steam (combustion gas) from the combustion chamber in which the hydrogen and oxygen are equivalently combusted into the mixing chamber formed in the mixing section.
  • the mixing section may include a diffuser that expands and mixes and pressurizes the vapor from the ejector. According to this configuration, steam having an appropriate temperature and pressure can be obtained with a simple structure.
  • the combustion section has a combustion chamber for equivalent combustion of hydrogen and oxygen, and a cooling chamber for cooling the combustion chamber from the outside, and is supplied to the high-pressure steam turbine in the cooling chamber.
  • a part of the steam may be introduced as cooling steam.
  • the combustion chamber can be cooled by effectively using the main steam as the refrigerant without using a separate refrigerant.
  • a steam outlet hole may be formed in the combustion chamber wall that forms the combustion chamber so that the cooling steam in the cooling chamber is led out to the combustion chamber and the inner surface of the combustion chamber wall is film-cooled.
  • the gas turbine engine further connected to the low-pressure steam turbine and the high-pressure steam turbine, and an exhaust gas boiler using the exhaust gas of the gas turbine engine as a heat source, the main steam obtained by the exhaust gas boiler is
  • the high-pressure steam turbine may be supplied.
  • the exhaust gas from the gas turbine engine can be effectively used without waste by combining both the steam turbines, the gas turbine engine, and the exhaust gas boiler. As a result, a system with high output and high efficiency can be obtained.
  • the secondary steam obtained in the intermediate part of the exhaust gas boiler may be supplied to the intermediate stage of the low-pressure steam turbine.
  • the steam pressure after the intermediate stage in the low-pressure steam turbine can be increased to improve the output.
  • a generator driven by the low-pressure steam turbine, the high-pressure steam turbine, and the gas turbine engine may be further provided. According to this structure, since the rotational force from both steam turbines is added to the rotational force obtained by the gas turbine engine, the generator can be driven with a larger rotational force. As a result, a large output and high efficiency power generation system can be obtained.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a hydrogen-oxygen equivalent combustion turbine system according to a first embodiment of the present invention. It is a longitudinal cross-sectional view of the heater used with the system. It is an enlarged longitudinal cross-sectional view which shows the principal part of the combustion part of the heater.
  • a turbine system includes a steam turbine 1 including a hydrogen oxygen equivalent combustion steam turbine (commonly referred to as “hydrogen turbine”), a gas turbine engine 30, an exhaust gas boiler 50, a condenser 70, and the like. It has.
  • a hydrogen oxygen equivalent combustion steam turbine commonly referred to as “hydrogen turbine”
  • a gas turbine engine 30 an exhaust gas boiler 50, a condenser 70, and the like. It has.
  • the hydrogen turbine 1 includes a high-pressure steam turbine 2, a low-pressure steam turbine 3, and a heater 5 disposed between both the steam turbines 2 and 3.
  • the exhaust steam S1 from the high-pressure steam turbine 2 is supplied to the low-pressure steam turbine 3 via the heater 5.
  • a part of the steam from the high-pressure steam turbine 2 is introduced into the low-pressure steam turbine 3 as turbine cooling steam S11.
  • the heater 5 introduces an exhaust steam S ⁇ b > 4 (FIG. 1) from the high-pressure steam turbine 2 into the combustion section 53 that performs equivalent combustion of hydrogen H 2 and oxygen O 2 .
  • a mixing section 55 that supplies the low-pressure steam turbine 3.
  • the mixing unit 55 includes a diffuser 51 and a box-shaped main body 52 that supports the diffuser 51.
  • the diffuser 51 has, for example, a partial conical shape in which the passage area is substantially constant from the inlet to the intermediate portion in the flow direction, and the passage area gradually increases from the intermediate portion toward the discharge side.
  • a mixing chamber 55 a is formed inside the mixing unit 55.
  • the lower surface of the mixing chamber 55a is an opening 58.
  • Exhaust steam S1 discharged from the outlet of the high-pressure steam turbine 2 is introduced from the opening 58 into the mixing chamber 55a.
  • An attachment boss 52a is provided on one side of the main body 52, and an insertion hole 52b is formed in the attachment boss 52a.
  • a stud bolt BT is implanted in the mounting boss 52a.
  • On the outer periphery of the base end portion 51a of the diffuser 51 a threaded flange 51b is provided.
  • a base end portion 51 a of the diffuser 51 is fitted into the insertion hole 52 b of the mounting boss 52 a of the main body 52.
  • a threaded flange 51b on the outer periphery of the base end 51a is applied to the mounting boss 52a of the main body 52.
  • the combustion unit 53 includes a combustion head 56 and an ejector 57 connected to the outlet.
  • a boundary portion 64 between the combustion head 56 and the ejector 57 constitutes an intermediate portion of the combustion head 56.
  • the combustion head 56 has a circular cross-sectional shape, for example.
  • the ejector 57 has, for example, a partial cone shape whose cross-sectional area increases toward the downstream side.
  • the main body 52 is provided with a mounting hole 52c having the same axis C as that of the diffuser 51.
  • a boundary portion 64 of the combustion portion 53 is fitted into the mounting hole 52c of the main body 52, and is fixed by welding. As described above, the combustion unit 53 is attached to the main body 52 of the mixing unit 55.
  • the boundary portion 64 includes a boundary line BL between the combustion head 56 and the ejector 57.
  • the ejector 57 injects combustion gas (high-temperature steam) R from the combustion head 56 into the mixing chamber 55a, and sucks a part of the exhaust steam S1 discharged from the outlet of the high-pressure steam turbine 2 by the ejector effect.
  • the ejector 57 also has the same axis C.
  • the combustion head 56 of the combustion section 53 includes a combustion chamber 60 formed in the center portion thereof, and a cooling chamber 61 that covers the combustion chamber 60 from the outside.
  • the cooling chamber 61 cools the combustion chamber 60 from the outside.
  • the cooling chamber 61 is covered by the outer wall 54 of the combustion head 56.
  • the combustion chamber 60 and the cooling chamber 61 are partitioned by a combustion chamber wall 63 that forms the combustion chamber 60.
  • the ejector 57 includes an injection passage 66 for injecting combustion gas from the combustion chamber 60, and a cooling chamber 61A for covering and cooling the injection passage 66 from the outside.
  • the cooling chamber 61 ⁇ / b> A is covered with an outer wall 67 of the ejector 57.
  • the injection passage 66 and the cooling chamber 61 ⁇ / b> A are partitioned by the inner wall 68 of the ejector 57. Both cooling chambers 61 and 61A are in communication.
  • the downstream end of the cooling chamber 61 ⁇ / b> A of the ejector 57 is closed by an end wall 69 (FIG. 2) that connects between the downstream end portions of the outer wall 67 and the inner wall 68 of the ejector 57.
  • Both outer walls 54 and 67 are formed of a continuous wall material, and the combustion chamber wall 63 and the inner wall 68 of the ejector 57 are also formed of a continuous wall material. That is, the combustion head 56 and the ejector 57 are integrally formed. However, both the members 56 and 57 may be formed separately and joined by a joining means such as welding.
  • the cooling steam 61 is introduced into the cooling chambers 61, 61 ⁇ / b> A via a cooling pipe 77 as will be described later.
  • a plurality of vapor outlet holes 65 are formed in the combustion chamber wall 63 and the inner wall 68 of the ejector 57. Through this steam outlet hole 65, a cooling steam S6 described later is led into the combustion chamber 60 and the injection passage 66.
  • the cooling steam S6 causes film cooling of the inner surfaces of the combustion chamber wall 63 and the inner wall 68 of the ejector 57.
  • hydrogen H 2 and oxygen O 2 are inserted into the combustion chamber 60 from a hydrogen source (not shown) such as a hydrogen cylinder and an oxygen source (not shown) such as an oxygen cylinder. It is introduced into the combustion chamber 60 through a nozzle.
  • the exhaust gas boiler 50 includes a first boiler 50A on the upstream side in the flow direction of the exhaust gas G and a second boiler 50B on the downstream side.
  • the exhaust steam S3 from the low-pressure steam turbine 3 is condensed by the condenser 70. Water obtained by the condenser 70 is pressurized by the pumps 71 and 71 from the pipes 78 and 79 and supplied to the first boiler 50A and the second boiler 50B of the exhaust gas boiler 50. While this water flows through the water channel in the exhaust gas boiler 50, heat exchange with the exhaust gas G is performed.
  • Steam (superheated steam) obtained by heat exchange is stored in the first tank 74A in the first boiler 50A.
  • the steam S4 is supplied as main steam to the inlet of the high-pressure steam turbine 2 through a main pipe 72 (hereinafter, “pipe” is used synonymously with “passage”) forming a main supply passage.
  • the steam (superheated steam) obtained in the second boiler 50B that is, the relatively low-temperature steam S5 obtained in the intermediate portion 75 of the exhaust gas boiler 50 is stored in the second tank 74B.
  • This steam S5 is supplied as sub-steam to the intermediate stage 80 of the low-pressure steam turbine 3 through a sub-pipe 73 that forms a sub-supply passage.
  • the reheated steam S2 heated by the heater 5 has a temperature of about 900 to 1200 ° C. and has sufficient energy to drive the low-pressure steam turbine 3.
  • a reduction gear 35 is disposed on the turbine 32 side of the gas turbine engine 30.
  • a reduction gear (with a clutch) 7 is disposed on the high-pressure steam turbine side of the hydrogen turbine 1.
  • a generator 36 as a load is disposed between the speed reducers 7 and 35. All these devices 1, 7, 30, 35 and 36 are integrally connected by a common rotating shaft 6.
  • the compressor 31 and the turbine 32 of the gas turbine engine 30 are also connected by the common rotating shaft 6, but may be connected by another rotating shaft (two-shaft type).
  • the exhaust gas G is sent from the turbine 32 to the exhaust gas boiler 50 through a pipe 76.
  • the exhaust gas G flows in the exhaust passage 81 from the upstream side to the downstream side.
  • the exhaust steam S3 discharged from the low-pressure steam turbine 3 during operation of the hydrogen turbine 1 is condensed by the condenser 70, and then the condensed water F passes through the pipes 78 and 79 to the exhaust gas boiler 50. Supplied.
  • exhaust steam (main steam) S4 having the highest pressure in the cycle is obtained from the first boiler 50A upstream of the exhaust passage 81.
  • Most of the exhaust steam S4 is supplied to the inlet of the high-pressure steam turbine 2 of the hydrogen turbine 1 via the main pipe 72.
  • a cooling pipe 77 is branched from the middle of the main pipe 72.
  • a part of the main steam S4 is introduced into the cooling chamber 61 of the heater 5 through the cooling pipe 77 as the cooling steam S6 shown in FIG.
  • the combustion chamber 60 can be cooled by effectively using the cooling steam S6 as a refrigerant without using a separate refrigerant.
  • film cooling described later becomes possible.
  • by making the internal pressure of the combustion chamber 60 sufficiently higher than that of the low-pressure steam turbine inlet it is possible to realize a high-speed jet that can be expected to increase the pressure at the low-pressure steam turbine inlet.
  • combustion chamber 60 of the combustion section 53 equivalent combustion of hydrogen H 2 and oxygen O 2 is performed, and combustion gas R is generated.
  • the combustion chamber 60 is covered with a cooling chamber 61 from the outside, and a plurality of vapor outlet holes 65 are formed in the combustion chamber wall 63.
  • the cooling steam S6 led out from the plurality of steam lead-out holes 65 flows along the inner surface of the combustion chamber wall 63, whereby the combustion chamber wall 63 is film-cooled.
  • the inner wall 68 of the ejector 57 is film-cooled by the cooling steam S6 led out from the steam lead-out hole 65.
  • the cooling steam S6 is not discarded outside after cooling, but is mixed into the combustion gas R in the combustion chamber 61 and the injection passage 66. Thereby, it can suppress that the quantity of the reheated steam S2 supplied to the low pressure steam turbine 3 from the heater 5 reduces, and the output of the low pressure steam turbine 3 falls. Since the outer surface of the ejector 57 is cooled by the exhaust steam S1, the cooling chamber 61A may be omitted and a simple partial conical single tube may be used.
  • the exhaust steam S1 from the outlet of the high-pressure steam turbine 2 is introduced into the mixing chamber 55a from the opening 58 on the lower surface of the mixing section 55 as shown in FIG.
  • Combustion gas (high temperature steam) R by hydrogen oxygen equivalent combustion is diffused and injected into the mixing chamber 55 a through the injection passage 66 of the ejector 57.
  • the exhaust steam S1 introduced into the mixing chamber 55a by the suction effect of the ejector 57 is sucked as indicated by an arrow A, and is led to the diffuser 51 together with the combustion gas R by hydrogen oxygen equivalent combustion.
  • the hot gas R and the exhaust steam S1 produced by hydrogen-oxygen equivalent combustion are mixed, and the pressure rises and the temperature falls.
  • the combustion gas R resulting from the hydrogen oxygen equivalent combustion from the diffuser 51 is sufficiently diluted with the exhaust steam S1 (about 300 ° C.), and is supplied to the low-pressure steam turbine 3 as the reheated steam S2 (about 900 to 1200 ° C.) shown in FIG. It is supplied and used as driving energy for the low-pressure steam turbine 3.
  • the low-pressure steam turbine 3 is provided with an internal cooling structure similar to that of the gas turbine, which separately uses turbine cooling steam S11 (steam cooling) so as to withstand a steam temperature of 1200 ° C. ing.
  • the steam temperature and pressure at the inlet of the low-pressure steam turbine 3 are increased, and the output and thermal efficiency are improved.
  • the steam S3 discharged from the low-pressure steam turbine 3 is introduced into the condenser 70 and condensed, and is again vaporized through the exhaust gas boiler 50 and supplied to the hydrogen turbine 1 as described above.
  • the water that increases in the hydrogen turbine 1 due to the hydrogen-oxygen equivalent combustion is appropriately discharged to the outside through the drain pipe 85. In this way, it is possible to realize a hydrogen-oxygen equivalent combustion turbine system that achieves both low CO 2 and improved output and thermal efficiency.
  • the combustion gas (high-temperature steam) R resulting from the equivalent combustion of hydrogen and oxygen in the combustion section 53 of the heater 5 is quenched (rapidly cooled) by the exhaust steam S1 from the high-pressure steam turbine 2 in the mixing section 55. Is done.
  • the steam temperature supplied to the low-pressure steam turbine 3 can be adjusted to be equal to or lower than the heat resistance limit of the steam-cooled metal part.
  • CO 2 reduction is realized by using a hydrogen turbine.
  • the combustion section 53 of the heater 5 includes a combustion chamber 60 that performs equivalent combustion of hydrogen and oxygen, and a cooling chamber 61 that covers and cools the combustion chamber 60 from the outside, and the cooling chamber 61 includes the high-pressure steam turbine 2.
  • a part of the main steam S4 supplied to is introduced as cooling steam S6. Therefore, the combustion chamber 60 can be cooled by effectively using the cooling steam S6 as a refrigerant without using a separate refrigerant.
  • a steam outlet hole 65 is formed in the combustion chamber wall 63 forming the combustion chamber 60 shown in FIG. 3, and the cooling steam S3 in the cooling chamber 61 is introduced into the combustion chamber 60 from the steam outlet hole 65, and this cooling is performed.
  • the inner surface of the combustion chamber wall 63 is cooled by the steam S3 for use.
  • the hydrogen-oxygen equivalent combustion turbine system shown in FIG. 1 includes a gas turbine engine 30 and an exhaust gas boiler 50 using the exhaust gas G of the gas turbine engine 30 as a heat source, and the main steam S1 obtained by the exhaust gas boiler 50 is The high pressure steam turbine 2 is supplied.
  • the exhaust gas G from the gas turbine engine 30 can be effectively used without waste, and a system with high output and high efficiency can be obtained.
  • the sub-steam S5 obtained in the intermediate part 75 of the exhaust gas boiler 50 is supplied to the intermediate stage 80 of the low-pressure steam turbine 3 through the sub-pipe 73.
  • the steam pressure after the intermediate stage 80 in the low-pressure steam turbine 3 can be increased to improve the output.
  • the hydrogen oxygen equivalent combustion turbine system of this embodiment includes a generator 36 driven by the high pressure steam turbine 2, the low pressure steam turbine 3, and the gas turbine engine 30. Therefore, since the rotational force from the high-pressure steam turbine 2 and the low-pressure steam turbine 3 is added to the rotational force obtained by the gas turbine engine 30, a large output and high-efficiency power generation system can be obtained.
  • the gas turbine engine 30 is used as a turbine provided in combination with the hydrogen turbine 1 of FIG. 1 .
  • An incineration turbine of a garbage incineration facility or other turbines may be provided.
  • a hydrogen-oxygen equivalent combustion turbine system that achieves low CO 2 and improved thermal efficiency can be obtained.
  • the gas turbine engine side can also realize a complete CO 2 -free power generation system by using hydrogen as fuel.

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Abstract

水素酸素当量燃焼タービンシステムは、高圧蒸気タービン（２）と、低圧蒸気タービン（３）と、これら両者間の加熱器（５）とを備えている。加熱器（５）は、水素と酸素を当量燃焼させる燃焼部（５３）と、この燃焼部（５３）からの燃焼ガス（Ｒ）に高圧蒸気タービン（２）からの排出蒸気（Ｓ４）を混入して低圧蒸気タービン（３）に供給する混合部（５５）とを有する。

Description

水素酸素当量燃焼タービンシステム 関連出願
　この出願は、２０１７年２月３日出願の特願２０１７－０１８４７２の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。
　本発明は、コンバインドサイクル発電プラントに適用できる水素酸素当量燃焼タービンシステムに関する。
　従来、ＣＣＰＰ（コンバインドサイクル発電プラント）は、地球温暖化防止、気候変動抑制のためにＣＯ２削減を図る技術として注目されている。このコンバインドサイクル発電プラントに水素酸素当量燃焼タービン（通称「水素タービン」）を利用することが提唱されている。しかしながら、水素酸素当量燃焼タービンでは、燃焼温度が３０００℃にも達するので、燃焼器の燃焼室を保護可能で、且つタービン部も蒸気冷却技術で成立可能な範囲まで、燃焼ガスの温度を下げる要請がある。
　このような要請の下で、ＣＣＰＰとして、ガスタービンエンジンと、前記ガスタービンエンジンからの排ガスを蒸気で熱回収する排ガスボイラ（熱交換器）と、蒸気タービンとを備え、前記蒸気タービンの上流側に水素酸素当量燃焼方式の加熱器（燃焼器）を設けたシステムも提案されている（例えば特許文献１）。このシステムでは、排熱ボイラからの蒸気が蒸気タービンに供給される。このとき、前記加熱器では水素と酸素とを当量燃焼させるとともに、その燃焼ガスが前記排ガスボイラからの高温・高圧蒸気で希釈・冷却され、この蒸気が蒸気タービンに供給される。
特開平７－２０８１９２号公報
　しかしながら、特許文献１のコンバインドサイクル発電プラントの場合、水素と酸素の当量燃焼により生成した燃焼ガス（通常２８００～３０００℃）を、排ガスボイラからの排出蒸気（通常５００～６００℃）で薄めても依然として高温である。この高温の燃焼ガスを蒸気タービンに導入すると、蒸気タービンの金属製の各パーツの耐熱性上問題であり、これを回避するためには水素と酸素の当量燃焼量を減らす必要がある。しかしながら、水素と酸素の当量燃焼量を減らすと、発電プラントの出力および熱効率が低下する。
　本発明の目的は、低ＣＯ２化と出力および熱効率の向上とを実現できる水素酸素当量燃焼タービンシステムを提供することにある。
　前記目的を達成するために、本発明に係る水素酸素当量燃焼タービンシステムは、高圧蒸気タービンと低圧蒸気タービンとこれら両者間の加熱器とを備え、前記加熱器は、水素と酸素を当量燃焼させる燃焼部と、この燃焼部からの燃焼ガス（高温蒸気）に前記高圧蒸気タービンからの排出蒸気を導入して前記低圧蒸気タービンに供給する混合部とを有する。
　この構成によれば、水素と酸素の当量燃焼による燃焼ガス（高温蒸気）が、高圧蒸気タービンから排出される比較的低温の排出蒸気でクエンチ（急冷）される。これにより、低圧蒸気タービンに供給される蒸気温度が、ガスタービンエンジンと同様な冷却構造によって蒸気冷却される蒸気タービンの金属製パーツの耐熱限度以下に調節される。しかも、水素と酸素の当量燃焼量を減らす必要がないので、出力および熱効率の向上を実現できる。また、水素タービンを用いることで低ＣＯ２化が実現される。
　本発明において、前記燃焼部が、水素と酸素を当量燃焼させる燃焼室と、この燃焼室からの高温蒸気（燃焼ガス）を前記混合部に形成された混合室内に噴射して前記排出蒸気を吸引させるエゼクタとを有し、前記混合部が、このエゼクタからの蒸気を膨張させて混合、昇圧するディフューザを有していてもよい。この構成によれば、簡単な構造で適切な温度、圧力の蒸気が得られる。
　本発明において、前記燃焼部は、水素と酸素を当量燃焼させる燃焼室と、この燃焼室を外側から覆って冷却する冷却室とを有し、前記冷却室に前記高圧蒸気タービンに供給される主蒸気の一部が冷却用蒸気として導入されてもよい。この場合、別途、冷媒を用いなくとも、主蒸気を冷媒として有効利用して燃焼室を冷却できる。
　本発明において、前記燃焼室を形成する燃焼室壁に、前記冷却室内の前記冷却蒸気を前記燃焼室へ導出させて前記燃焼室壁の内面をフィルム冷却する蒸気導出孔が形成されていてもよい。これにより、燃焼室を形成する燃焼室壁がフィルム冷却されるので、燃焼室壁に蒸気導出孔を設けるだけの簡単な構造で燃焼室壁の高温化を抑制できる。
　本発明において、さらに、前記低圧蒸気タービンおよび前記高圧蒸気タービンに連結されたガスタービンエンジンと、このガスタービンエンジンの排ガスを熱源とする排ガスボイラとを備え、前記排ガスボイラで得られた主蒸気が前記高圧蒸気タービンに供給されていてもよい。このように、両蒸気タービンと、ガスタービンエンジンおよび排ガスボイラとの組合せにより、ガスタービンエンジンからの排ガスを無駄なく有効利用できる。その結果、大出力、高効率のシステムが得られる。
　本発明において、前記排ガスボイラの中間部で得られた副蒸気が前記低圧蒸気タービンの中間段に供給されるようにしてもよい。これにより、低圧蒸気タービン内の中間段以降の蒸気圧を増大させて出力を向上させることができる。
　本発明において、さらに、前記低圧蒸気タービンと前記高圧蒸気タービンと前記ガスタービンエンジンとにより駆動される発電機を備えていてもよい。この構成によれば、ガスタービンエンジンにより得られた回転力に両蒸気タービンからの回転力が加わるので、より大きな回転力で発電機を駆動できる。その結果、大出力、高効率の発電システムが得られる。
　請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。
　本発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明からより明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、本発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。本発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の部品番号は、同一または相当部分を示す。
本発明の第１実施形態にかかる水素酸素当量燃焼タービンシステムを示す概略構成図である。 同システムで用いる加熱器の縦断面図である。 同加熱器の燃焼部の要部を示す拡大縦断面図である。
　以下、本発明の第１実施形態について図面を参照しながら詳述する。図１に示すように、本発明にかかるタービンシステムは、水素酸素当量燃焼蒸気タービン（通称「水素タービン」）からなる蒸気タービン１と、ガスタービンエンジン３０と、排ガスボイラ５０と、凝縮器７０とを備えている。
　水素タービン１は、高圧蒸気タービン２と、低圧蒸気タービン３と、これら両蒸気タービン２，３の間に配置された加熱器５とを有する。高圧蒸気タービン２からの排出蒸気Ｓ１は、加熱器５を経て低圧蒸気タービン３に供給される。高圧蒸気タービン２からの蒸気の一部は、タービン冷却蒸気Ｓ１１として低圧蒸気タービン３に導入される。
　図２に示すように、加熱器５は、水素Ｈ２と酸素Ｏ２を当量燃焼させる燃焼部５３と、この燃焼部５３に高圧蒸気タービン２からの排出蒸気Ｓ４（図１）を導入して低圧蒸気タービン３に供給する混合部５５とを備えている。混合部５５は、ディフューザ５１と、これを支持する箱状の本体５２とを有する。ディフューザ５１は、例えば、入口から流れ方向の中間部分までは通路面積がほぼ一定で、中間部分から吐出側に向かって通路面積が徐々に大きくなる部分円錐形である。混合部５５の内側に、混合室５５ａが形成されている。この混合室５５ａの下面は開口５８となっている。高圧蒸気タービン２の出口から排出される排出蒸気Ｓ１が、この開口５８から混合室５５ａに導入される。
　本体５２の一側面に、取付ボス５２ａが設けられ、取付ボス５２ａに挿入孔５２ｂが形成されている。取付ボス５２ａに、スタッドボルトＢＴが植設されている。ディフューザ５１の基端部５１ａの外周に、ねじ孔付きフランジ５１ｂが設けられている。本体５２の取付ボス５２ａの挿入孔５２ｂに、ディフューザ５１の基端部５１ａが嵌め込まれている。基端部５１ａの外周のねじ孔付きフランジ５１ｂが本体５２の取付ボス５２ａに当てがわれる。この状態で、基端部５１ａのスタッドボルトＢＴが、ねじ孔付きフランジ５１ｂの挿通孔（図示せず）に挿通され、ナットＮＴで締め付けられている。以上により、ディフューザ５１と、これを支持する箱状の本体５２とは連結されている。
　燃焼部５３は、燃焼ヘッド５６と、その出口に連なるエゼクタ５７とを備えている。燃焼ヘッド５６とエゼクタ５７との境界部分６４が、燃焼ヘッド５６の中間部を構成する。燃焼ヘッド５６は、その横断面形状が、例えば、円形である。エゼクタ５７は、例えば、下流に向かって横断面積が大きくなる部分円錐形である。本体５２に、ディフューザ５１と同一軸心Ｃの取付孔５２ｃが設けられている。この本体５２の取付孔５２ｃに燃焼部５３の境界部分６４が嵌め込まれ、溶接で固着されている。以上により、混合部５５の本体５２に燃焼部５３が取り付けられている。
　境界部分６４は、燃焼ヘッド５６とエゼクタ５７との境界線ＢＬを含む。エゼクタ５７は、燃焼ヘッド５６からの燃焼ガス（高温蒸気）Ｒを混合室５５ａ内に噴射して、高圧蒸気タービン２の出口から排出される排出蒸気Ｓ１の一部をエゼクタ効果により吸引する。エゼクタ５７も同一軸心Ｃを有する。
　図３により、燃焼部５３の具体的な構造を説明する。同図に示すように、燃焼部５３の燃焼ヘッド５６は、その中央部分に形成された燃焼室６０と、この燃焼室６０を外側から覆う冷却室６１とを備えている。燃焼室６０で、水素Ｈ２と酸素Ｏ２が当量燃焼される。冷却室６１は、この燃焼室６０を外側から冷却する。冷却室６１は、燃焼ヘッド５６の外壁５４により覆われている。これら燃焼室６０と冷却室６１とは、燃焼室６０を形成する燃焼室壁６３で仕切られている。
　エゼクタ５７は、燃焼室６０からの燃焼ガスを噴出する噴射通路６６と、この噴射通路６６を外側から覆って冷却する冷却室６１Ａとを備えている。冷却室６１Ａは、エゼクタ５７の外壁６７により覆われている。噴射通路６６と冷却室６１Ａとは、エゼクタ５７の内壁６８で仕切られている。両冷却室６１、６１Ａは連通している。エゼクタ５７の冷却室６１Ａの下流端は、エゼクタ５７の外壁６７と内壁６８の両下流端部間を連結する端壁６９（図２）により閉止されている。両外壁５４，６７は連続した壁材で形成され、燃焼室壁６３とエゼクタ５７の内壁６８も連続した壁材で形成されている。つまり、燃焼ヘッド５６とエゼクタ５７が一体形成されている。ただし、両者５６，５７を別体で形成して、溶接のような接合手段で接合してもよい。
　冷却室６１，６１Ａには、後述するように、冷却用蒸気Ｓ６が冷却用配管７７を介して導入される。燃焼室壁６３とエゼクタ５７の内壁６８には、複数の蒸気導出孔６５が形成されている。この蒸気導出孔６５を通って、後述する冷却用蒸気Ｓ６が、燃焼室６０内および噴射通路６６に導出される。この冷却用蒸気Ｓ６により、燃焼室壁６３およびエゼクタ５７の内壁６８の内面がフィルム冷却される。
　図２に示すように、水素Ｈ２および酸素Ｏ２は、水素ボンベのような水素源（図示せず）および酸素ボンベのような酸素源（図示せず）から、燃焼室６０内に差し込まれたノズルを介して燃焼室６０に導入される。
　図１のガスタービンエンジン３０は、圧縮機３１とタービン３２と燃焼器３３とを有している。タービン３２からの排ガスＧが、排気通路８１内に配置された排ガスボイラ５０に供給されている。排ガスボイラ５０は、排ガスＧの流れ方向上流側の第１ボイラ５０Ａと、下流側の第２ボイラ５０Ｂとを有する。低圧蒸気タービン３からの排出蒸気Ｓ３は、凝縮器７０で復水化される。凝縮器７０で得られた水が、配管７８，７９からポンプ７１，７１で加圧されて、排ガスボイラ５０の第１ボイラ５０Ａおよび第２ボイラ５０Ｂに供給される。この水が、排ガスボイラ５０内の水路を流れる間に排ガスＧと熱交換が行われる。
　熱交換により得られた蒸気（過熱蒸気）は、第１ボイラ５０Ａでは第１タンク７４Ａに溜められる。この蒸気Ｓ４が、主供給通路を形成する主配管７２（以下、「配管」は「通路」と同義として用いる。）により高圧蒸気タービン２の入り口に主蒸気として供給される。第２ボイラ５０Ｂで得られた蒸気（過熱蒸気）、つまり、排ガスボイラ５０の中間部７５で得られた比較的低温の蒸気Ｓ５は、第２タンク７４Ｂに溜められる。この蒸気Ｓ５が、副供給通路を形成する副配管７３により低圧蒸気タービン３の中間段８０に副蒸気として供給される。加熱器５で加熱された再熱蒸気Ｓ２は、約９００～１２００℃の温度を有しており、低圧蒸気タービン３を駆動する十分なエネルギーを保有している。
　ガスタービンエンジン３０のタービン３２側には減速機３５が配置されている。水素タービン１の高圧蒸気タービン側には減速機（クラッチ付き）７が配置されている。これら減速機７，３５の間に、負荷である発電機３６が配置されている。これらすべての機器１，７，３０，３５および３６は共通の回転軸６で一体的に接続されている。ガスタービンエンジン３０の圧縮機３１とタービン３２も共通の回転軸６で接続されているが、別の回転軸によって接続してもよい（二軸型）。
　つぎに、上記構成にかかる水素酸素当量燃焼タービンシステムの動作について説明する。図１に示すガスタービンエンジン３０の稼働時、タービン３２から配管７６により排ガスＧが排ガスボイラ５０に送られる。排ガスＧは、排気通路８１内をその上流側から下流側に流れる。一方、水素タービン１の稼働時、低圧蒸気タービン３から排出される排出蒸気Ｓ３は、凝縮器７０で復水化されたのち、この復水Ｆが配管７８，７９を経由して排ガスボイラ５０に供給される。
　このとき、排気通路８１の上流側の第１ボイラ５０Ａからはサイクル中最高圧の排出蒸気（主蒸気）Ｓ４が得られる。排出蒸気Ｓ４の大部分は、主配管７２を経由して水素タービン１の高圧蒸気タービン２の入口に供給される。この主配管７２の途中からは冷却用配管７７が分岐している。この冷却用配管７７を経由して主蒸気Ｓ４の一部が、図３に示す冷却用蒸気Ｓ６として加熱器５の冷却室６１に導入される。これにより、別途、冷媒を用いなくとも、冷却用蒸気Ｓ６を冷媒として有効利用して燃焼室６０を冷却できる。燃焼室６０の内圧を、冷却用蒸気Ｓ６よりも少し低めの圧力に設定することで、後述のフィルム冷却が可能となる。また、燃焼室６０の内圧を、低圧蒸気タービン入口よりも十分高圧にすることで、低圧蒸気タービン入口の昇圧効果を期待できる高速噴流を実現できる。
　燃焼部５３の燃焼室６０では水素Ｈ２と酸素Ｏ２の当量燃焼が行われ、燃焼ガスＲが生成される。これに対し、燃焼室６０はその外側から冷却室６１で覆われ、燃焼室壁６３に複数の蒸気導出孔６５が形成されている。複数の蒸気導出孔６５から導出される冷却用蒸気Ｓ６が燃焼室壁６３の内面に沿って流れることにより、燃焼室壁６３がフィルム冷却される。エゼクタ５７の内壁６８も同様に、蒸気導出孔６５から導出される冷却用蒸気Ｓ６によってフィルム冷却される。これにより、燃焼ガスＲによる燃焼室壁６３およびエゼクタ内壁６８の熱的障害が避けられる。
　また、冷却用蒸気Ｓ６が冷却後に外部に廃棄されるのではなく、燃焼室６１および噴射通路６６において燃焼ガスＲに混入される。これにより、加熱器５から低圧蒸気タービン３に供給される再熱蒸気Ｓ２の量が減少して低圧蒸気タービン３の出力が低下するのを抑制できる。なお、エゼクタ５７は、その外面が排出蒸気Ｓ１によって冷却されているので、冷却室６１Ａを省略し、単純な部分円錐状の一重管としてもよい。
　高圧蒸気タービン２の出口からの排出蒸気Ｓ１が、図２に示すように、混合部５５の下面の開口５８から混合室５５ａに導入される。水素酸素当量燃焼による燃焼ガス（高温蒸気）Ｒは、エゼクタ５７の噴射通路６６を経て混合室５５ａ内に拡散噴射される。このとき、エゼクタ５７による吸引効果によって混合室５５ａに導入された排出蒸気Ｓ１は、矢印Ａで示すように吸引され、水素酸素当量燃焼による燃焼ガスＲとともにディフューザ５１に導かれる。このディフューザ５１を通過するとき、水素酸素当量燃焼による高温ガスＲと排出蒸気Ｓ１が混合されるとともに、その圧力が上昇し温度が下がる。
　こうして、ディフューザ５１からの水素酸素当量燃焼による燃焼ガスＲは、排出蒸気Ｓ１（３００℃程度）で十分薄められ、図１に示す再熱蒸気Ｓ２（約９００～１２００℃）として低圧蒸気タービン３に供給され、低圧蒸気タービン３の駆動エネルギーとして利用される。なお、低圧蒸気タービン３は、従前の蒸気タービンとは異なり、１２００℃の蒸気温度に耐えられるように、別途タービン冷却蒸気Ｓ１１（蒸気冷却）を利用した、ガスタービンと同様な内部冷却構造を備えている。
　低圧蒸気タービン３に再熱蒸気Ｓ２が供給されることで、低圧蒸気タービン３の入口の蒸気温度および圧力が上昇して出力および熱効率が向上する。この低圧蒸気タービン３から排出される蒸気Ｓ３は、凝縮器７０に導入されて復水し、前述のとおり、排ガスボイラ５０を経て再び蒸気化されて水素タービン１に供給される。ここで、水素酸素当量燃焼により水素タービン１内で増加する水は、排水管８５を経て外部に適宜排出される。こうして、低ＣＯ２化と、出力および熱効率の向上とを両立した水素酸素当量燃焼タービンシステムを実現できる。
　上記構成によれば、加熱器５の燃焼部５３での水素と酸素の当量燃焼による燃焼ガス（高温蒸気）Ｒが、混合部５５において、高圧蒸気タービン２からの排出蒸気Ｓ１でクエンチ（急冷）される。これにより、低圧蒸気タービン３に供給する蒸気温度を、蒸気冷却された金属製パーツの耐熱限度以下に調節できる。しかも、水素と酸素の当量燃焼量を減らす必要がないので、出力および熱効率の向上を実現できる。また、水素タービンを用いることで低ＣＯ２化が実現される。
　また、前述のとおり、図２に示すエゼクタ５７から噴射された蒸気Ｒと、そのエゼクタ効果により吸引された排出蒸気Ｓ１とが、ディフューザ５１で混合されて降温するので、簡単な構造で適切な温度、圧力の蒸気が得られる。
　また、加熱器５の燃焼部５３は、水素と酸素を当量燃焼させる燃焼室６０と、この燃焼室６０を外側から覆って冷却する冷却室６１とを有し、冷却室６１に高圧蒸気タービン２に供給される主蒸気Ｓ４の一部が冷却用蒸気Ｓ６として導入されている。したがって、別途、冷媒を用いなくとも、冷却用蒸気Ｓ６を冷媒として有効利用して燃焼室６０を冷却できる。
　さらに、図３に示す燃焼室６０を形成する燃焼室壁６３に蒸気導出孔６５が形成され、この蒸気導出孔６５から冷却室６１内の冷却用蒸気Ｓ３が燃焼室６０に導入され、この冷却用蒸気Ｓ３により燃焼室壁６３の内面が冷却されている。これにより、簡単な構造で燃焼室壁６３の高温化を抑制でき、適切な温度になるように効果的に冷却できる。
　さらに、図１に示す水素酸素当量燃焼タービンシステムは、ガスタービンエンジン３０と、このガスタービンエンジン３０の排ガスＧを熱源とする排ガスボイラ５０とを備え、排ガスボイラ５０で得られた主蒸気Ｓ１が高圧蒸気タービン２に供給されている。これにより、ガスタービンエンジン３０からの排ガスＧを無駄なく有効利用でき、大出力、高効率のシステムが得られる。
　また、排ガスボイラ５０の中間部７５で得られた副蒸気Ｓ５が、副配管７３を通って低圧蒸気タービン３の中間段８０に供給されている。これにより、低圧蒸気タービン３内の中間段８０以降の蒸気圧を増大させて出力を向上させることができる。
　さらに、この実施形態の水素酸素当量燃焼タービンシステムは、高圧蒸気タービン２と低圧蒸気タービン３とガスタービンエンジン３０とにより駆動される発電機３６を備えている。したがって、ガスタービンエンジン３０により得られた回転力に、高圧蒸気タービン２と低圧蒸気タービン３とからの回転力が加わるので、大出力・高効率の発電システムが得られる。
　この実施形態の水素酸素当量燃焼タービンシステムでは、図１の水素タービン１に組み合わせて併設するタービンとして、ガスタービンエンジン３０を使用した例を説明したが、ガスタービンエンジン３０に限定されず、例えば、ゴミ焼却施設の焼却タービンやその他のタービンを併設してもよい。いずれの場合でも、低ＣＯ２化と熱効率の向上とを実現する水素酸素当量燃焼タービンシステムが得られる。また、ガスタービンエンジン側も水素を燃料とすることで完全ＣＯ２フリー発電システムを実現することができる。
　以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、当業者であれば、本件明細書を見て、自明な範囲内で種々の変更および修正を容易に想定するであろう。したがって、そのような変更および修正は、添付の特許請求の範囲から定まるこの発明の範囲内のものと解釈される。
１…蒸気タービン（水素タービン）
２…高圧蒸気タービン
３…低圧蒸気タービン
５…加熱器
６…回転軸
７…減速機（クラッチ付き）
３０…ガスタービンエンジン
３２…タービン
３５…減速機
３６…発電機
５０…排ガスボイラ
５１…ディフューザ
５３…燃焼部
５５…混合部
５５ａ…混合室
５７…エゼクタ
６０…燃焼室
６１…冷却室
６３…燃焼室壁
６５…蒸気導出孔
Ｒ…燃焼ガス（高温蒸気）
Ｓ１…高圧蒸気タービン出口からの蒸気
Ｓ２…再熱蒸気
Ｓ４…排出蒸気（主蒸気）
Ｓ５…排出蒸気（副蒸気）
Ｓ６…冷却用蒸気

Claims (7)

  1. 　高圧蒸気タービンと低圧蒸気タービンとこれら両者間の加熱器とを備え、
    　前記加熱器は、水素と酸素を当量燃焼させる燃焼部と、この燃焼部からの高温蒸気に前記高圧蒸気タービンからの排出蒸気を混入して前記低圧蒸気タービンに供給する混合部とを有する水素酸素当量燃焼タービンシステム。
  2. 　請求項１に記載の水素酸素当量燃焼タービンシステムにおいて、前記燃焼部は、水素と酸素を当量燃焼させる燃焼室と、前記燃焼室からの高温蒸気を前記混合部に形成された混合室内に噴射して前記排出蒸気を吸引させるエゼクタを有し、
    　前記混合器は、前記エゼクタからの蒸気を膨張させて昇圧、降温するディフーザを有する水素酸素当量燃焼タービンシステム。
  3. 　請求項１に記載の水素酸素当量燃焼タービンシステムにおいて、前記燃焼部は、水素と酸素を当量燃焼させる燃焼室と、この燃焼室を外側から覆って冷却する冷却室とを有し、
    　前記冷却室に、前記高圧蒸気タービンに供給される主蒸気の一部が冷却用蒸気として導入されている水素酸素当量燃焼タービンシステム。
  4. 　請求項３に記載の水素酸素当量燃焼タービンシステムにおいて、前記燃焼室を形成する燃焼室壁に、前記冷却室内の前記冷却蒸気を前記燃焼室へ導出させて前記燃焼室壁の内面をフィルム冷却する蒸気導出孔が形成されている水素酸素当量燃焼タービンシステム。
  5. 　請求項１から４のいずれか一項に記載の水素酸素当量燃焼タービンシステムにおいて、さらに、前記低圧蒸気タービンおよび前記高圧蒸気タービンに連結されたガスタービンエンジンと、このガスタービンエンジンの排ガスを熱源とする排ガスボイラとを備え、
    　前記排ガスボイラで得られた主蒸気が、前記高圧蒸気タービンに供給されている水素酸素当量燃焼タービンシステム。
  6. 　請求項５に記載の水素酸素当量燃焼タービンシステムにおいて、前記排ガスボイラの中間部で得られた副蒸気が、前記低圧蒸気タービンの中間段に供給されている水素酸素当量燃焼タービンシステム。
  7. 　請求項５または６に記載の水素酸素当量燃焼タービンシステムにおいて、さらに、前記低圧蒸気タービンと前記高圧蒸気タービンと前記ガスタービンエンジンとにより駆動される発電機を備えた水素酸素当量燃焼タービンシステム。
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