JP2581825B2 - パワープラント - Google Patents

パワープラント

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JP2581825B2 JP2093263A JP9326390A JP2581825B2 JP 2581825 B2 JP2581825 B2 JP 2581825B2 JP 2093263 A JP2093263 A JP 2093263A JP 9326390 A JP9326390 A JP 9326390A JP 2581825 B2 JP2581825 B2 JP 2581825B2
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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、パワープラントに関し、さらに詳しくは
スチームを用いて相当な量の水素および水蒸気を含有す
る燃料を生成し、この燃料のガスタービンエンジンに注
入して性能を向上させ、汚染成分排出量を低減する化学
的回復（chemical recuperation）方式の発電プラント
に関する。
発明の背景 ガスタービンエンジンは、発電事業や工業的動力用途
など種々の目的に使用されている。パワープラントの酸
化窒素（NOx）や一酸化炭素（CO）のような粒子の排出
量を規制する法律が施行されている。NOx排出量を低減
するために、パワープラントに、スチームまたは水を燃
焼器に注入するエンジンを組み込んでいる。スチームを
燃焼器に注入することにより、燃料の燃焼により加熱す
る空気の温度を下げる。NOx排出量はスチーム注入によ
り著しく低減する。NOx排出量は火炎温度の低下につれ
て減少するからである。残念なことに、NOxが最低レベ
ルに下がるのに応じて、一酸化炭素排出量が著しく増加
することを見出した。
NOxおよびCO排出量を低くしたパラープラントシステ
ムの１例に選択的触媒還元（SCR）を利用したシステム
がある。しかし、このシステムは大きな設備投資と運転
費用を要し、またこのシステムも残念ながら、有害かつ
比較的高価なアンモニアの工業的輸送を伴なう。
改質器または化学的レキュペレータ（回復器）は、天
然ガスのような燃料を水素含有量の高いスチームに変換
し、アンモニアの生成に使用したり、水素を必要とする
製油工程に使用したりする。これらの改質器には、改質
器を対流および輻射により加熱する耐火レンガを利用し
た加熱システムを組み入れる。しかし、これらの耐火レ
ンガ方式は通常高価で、その運転温度もガスタービンと
組合わせるのに望ましい温度より著しく高い。
ガスタービンエンジン技術、特に航空機から誘導した
エンジンを改質器と組合わせることは、通常、コスト、
効率および設計上の考慮から実用的でないと考えられて
いる。再熱中間冷却スチーム注入ガスタービンエンジン
と呼ばれる最新の発電プラントが提案されている。この
パワープラントでは、ガスタービンエンジンの低圧およ
び高圧圧縮機により下流方向への流体流れを生成し、中
間冷却器を両圧縮機間に配置する。流体流れはその流体
を加熱する燃焼器を通過し、その後流体流れは圧縮機を
駆動する高圧および低圧タービンを通過する。再熱燃焼
器が低圧タービンの下流に位置し、さらに流体流れを加
熱する。その後、流体流れはパワータービンを通過し、
パワータービンからの出力流れは改質器に熱を与える。
改質器は中間冷却器により加熱された水を受け取り、ま
た改質器は中間冷却器の加熱された水を利用する燃料ヒ
ータにより加熱されたメタンも受け取る。改質器は改質
燃料を生成し、この改質燃料を第１燃焼器および再熱燃
焼器両方に供給する。ボイラからのスチームもタービン
に冷却目的で注入する。このシステムはNOxおよびCO排
出量を低減することができるが、残念なことにこのシス
テムは複雑である。たとえば、改質器を加熱するパワー
タービンからの排出ガスは、代表的には621〜677℃（約
1150〜1250゜F）以上、一般的には648〜983℃（約1200
〜1800゜F）でなければならない。しかし、ガスタービ
ンエンジンからの排出ガスは代表的には482℃（約900゜
F）にすぎない。したがって、再熱燃焼器は温度がこれ
らの温度より高い流体流れを生成しなければならず、パ
ワータービンをこの範囲の温度に耐えるように設計する
必要がある。しかし、従来再熱燃焼器は通常ガスタービ
ン構成に組み込まれていないので、再熱燃焼器のあらた
な設計、開発が必要であり、それに伴なう経費も必要で
ある。さらに、パワータービンは、現在、通常このよう
な温度に耐えることができないので、高度な冷却技術を
組み込んだタービンの再設計、交換が必要であり、した
がって経費が増大する。さらに、改質器に加熱された入
力を与える中間冷却器および燃料ヒータも設計の複雑さ
と経費を増す結果となり、現存のシステムを改変する上
での困難を増す。
したがって、燃料を改質しその改質燃料を利用するこ
とができ、現行のシステムに大きな設計変更も経費もな
しで適用することができ、極めて高温度のパワータービ
ンを使用しなくてよい、NOxおよびCO排出量の低減した
ガスタービン発電プラントを提供することが望まれてい
る。
発明の要旨 この発明のパワープラントは、圧縮機、上記圧縮機の
吐出端に連結された燃焼器、上記燃焼器の出力端に連結
された駆動用タービンおよび上記駆動用タービンの下流
にあって、上記駆動用タービンの流体出力に結合された
パワータービンを含むガスタービンエンジンと、上記パ
ワータービンの下流に配置されて、上記パワータービン
の流体出力の少なくとも一部を受けとって上記改質器を
加熱する第１加熱手段とするように連結された改質器
と、上記パワータービンの下流に配置され、上記改質器
を加熱する第２加熱手段と、出力が上記改質器の入力に
連結されているスチーム発生手段とを有していて、上記
改質器が上記燃焼器に結合された改質された燃料出口を
有している。
実施例の記載 第１図にこの発明のパワープラントの概略を示す。こ
のパワープラント10を構成するエンジン20は、低圧圧縮
機30aおよび高圧圧縮機30bからなる下流方向への流れを
生成する圧縮機30、圧縮機30の下流に位置する燃焼器3
4、そして高圧圧縮機30bに駆動連結された高圧タービン
38aおよび低圧圧縮機30aに駆動連結された低圧タービン
38bからなるタービン38を含む。タービン38の下流に自
由パワータービン40が配置され、このパワータービン40
はタービン38に空気力学的に結合されかつタービン38に
隣接して位置するので、タービン38とパワータービン40
との間に再熱燃焼器のような加熱手段が入らない。パワ
ータービン40の流体または空気出力の少なくとも一部が
ダクト44を通して燃料入口49を有するバーナ48に連結さ
れている。バーナ48は改質器50に熱力学的に結合されて
いる。改質器50は第１入力手段52、第２入力手段54およ
び改質燃料出口56を有する。燃料を供給する手段58が第
１入力手段52に連結されている。スチームを供給する手
段60は水入口62を有し、代表的には高圧ボイラ60aおよ
び低圧ボイラ60bから構成される。スチーム供給手段60
は、代表的には改質器50の下流に位置し、その出口が改
質器50の第２入力手段54に連結されている。スチーム供
給手段60は、代表的には燃焼器34およびタービン38にも
連結され、改質燃料出口56も燃焼器34に連結されてい
る。
圧縮機30、燃焼器34およびタービン38は発電プラント
に用いられるどのような形式のものでもよい。航空機エ
ンジンに使用されているものから誘導した構成要素が代
表的である。パワータービン40は代表的には標準材料か
らつくり、代表的には発電機その他そこから動力を抽出
する装置のような負荷64に連結されている。自由回転パ
ワータービンは3600または3000rpmの同期速度で回転し
て60または50Hzの電気を生成する。ダクト44は、タービ
ン38からその空気の少なくとも一部または全部を改質器
50に輸送できるものであれば、どのような形式のダクト
であってもよい。ダクト44は、加熱されたエンジン流体
を改質器50に輸送することにより、改質器50を加熱する
第１加熱手段として作用する。バーナ48は改質器50を加
熱する第２加熱手段として作用する。バーナ48の燃料入
口49は燃焼に適当な燃料を受け取る。代表的には、バー
ナー48の燃料入口49を改質器50の改質燃料出口56に連結
する。しかし、改質燃料のすべての燃焼器34に注入し、
バーナ48の燃料入口49を別の燃料供給源に連結すると、
性能がさらに向上する。このような性能の向上が得られ
るのは、改質燃料中の水蒸気がすべてのタービンおよび
パワータービンを通過し、その結果動力出力が増大する
からであり、またこのシステムでは、燃料器中の改質燃
料からの汚染成分排出量が著しく少ないので、簡単な設
計のバーナを使用することもできる。別の例では、バー
ナ48の燃料入口49を天然ガスまたはメタンの外部供給源
に連結することができる。バーナ48はパワータービンの
下流にあり、したがって比較的低い圧力で作動するの
で、このバーナが生成する汚染成分の量は少量である。
さらに、改質燃料を燃焼器34に連結した場合、改質燃料
から生じる汚染成分排出量が著しく少ないので、簡単な
設計を利用することができる。CO排出量をさらに減少さ
せたいときには、改質燃料をバーナ48にも供給するのが
よい。しかし、当業界でよく知られた別のバーナ設計も
等しく適用できる。たとえば、改質燃料をバーナ48に供
給する場合には、個別のバーナを配列して構成したよう
な簡単なバーナを利用することができる。
改質器50は、当業界でよく知られているように、メタ
ンまたは任意の他の炭水化物燃料と代表的には水または
スチームを利用して改質燃料を生成する、通常ステンレ
ス鋼製の改質器とするのが好ましい。これらの改質器で
改質燃料を生成するためには、通常593℃（1100゜F）以
上、代表的には648〜983℃）約1200〜1800゜F）への加
熱が必要である。したがって、バーナに供給する熱の量
は、改質器が所望の成分と燃料を生成するのに必要な反
応温度と、通常482℃（約900゜F）であるパワータービ
ンから出る流体の温度との両方によって決まる。なお、
異なる構成または超活性化ニッケル触媒のような触媒を
組み込んだ別の改質器設計では、必要な反応温度が低く
なる。したがって、改質器の必要反応温度が下がるにつ
れて、バーナ48が供給する熱は少なくてよい。バーナ48
が供給する熱を減少させて大体ゼロにするのが好ましい
が、通常バーナ48はタービンから出る流体の温度を121
〜316℃（約250〜600゜F）上昇させる。高圧ボイラ60a
および低圧ボイラ60bともに当業界で周知のどのような
形式のボイラとしてもよい。高圧ボイラ60aの出力は、
代表的には改質過程を目的として改質器50に連結し、ま
たスチームを、スチームの一部が冷却目的で燃焼器34の
まわりに噴射されるように燃焼器34に注入することもで
きる。高圧ボイラ60aから出るスチームは、飽和温度よ
り10℃（約50゜F）高いのが好ましく、代表的には、高
圧タービン38aにタービンブレードおよびベーンの冷却
目的で導入する。低圧ボイラ60bからのスチームも低圧
タービン38bに冷却およびスチーム注入の目的で導入す
る。スチーム供給手段60からのスチームは、NOx抑制お
よび冷却用のスチームを提供するだけでなく、大きなパ
ワー出力につながる大きな質量流れも提供する。過剰な
スチームを外部プロセスに使用してもよい。
第３〜５図にこの発明の他の実施例を示す。第１図と
同様の要素は同じ符号で示す。第２図に示すエンジンは
参考例として示すもので、単一圧縮機30および単一ター
ビン38を有し、非改質燃料を供給する手段210が燃焼器3
4に連結され、改質燃料出口がバーナ48に連結されてい
る。このシステムは、パワータービン40から排出される
空気または流体を燃焼させることによりCO排出量を減少
させるとともに、燃焼器34にスチームを注入することに
よりNOxを減少させ、しかも改質器の必要寸法を著しく
小さくできる。さらに、改質燃料を用いると、高圧圧縮
機の作動曲線をその所望の作動点を超えて増大させるな
どにより、エンジンの作動曲線が著しく変更されるエン
ジンでは、このシステムは燃焼器34にそのまま標準燃料
を使用することができ、これにより汚染成分排出を抑え
ながら、現行エンジンへの変更を最小にとどめることが
できる。
第３図においては、中間冷却器310が低圧圧縮機30aと
高圧圧縮機30bとの間の流路に配置されている。中間冷
却器310は、その燃料水加熱器312、給水加熱器314およ
び最終中間冷却器段316がすべて水供給源320に連結され
ている。燃料水加熱器312の出力は、改質器50またはバ
ーナ48に供給される燃料を加熱する燃料加熱器322に連
結されている。燃料加熱器322からの加熱された水は代
表的には廃棄するか、水供給源320の入力に導入する。
したがって、バーナ48では供給燃料または改質燃料を燃
焼する。給水加熱器314はスチーム供給手段60、たとえ
ば高圧ボイラ60aおよび低圧ボイラ60bの入力に連結され
ている。最終中間冷却器段316は代表的には水冷却器ま
たは他の加熱された水を処理する適当な手段に連結され
ている。このシステムでは、中間冷却器310が空気また
は流体流れを冷却し、これによりパワー出力を増大さ
せ、また流体流れを冷却するのに使用した水を利用して
燃料を加熱するとともにボイラに入る水を加熱し、これ
によりエネルギー損失を最小にし、効率を上げる。
第４図においては、高圧ボイラ410がバーナ48の下流
に位置し、高圧改質器412および低圧改質器414がその高
圧ボイラ410の下流に配置されている。低圧改質器414の
出力はバーナ48の燃料入口49に連結され、また高圧改質
器412の出力は燃焼器34に連結されている。このシステ
ムは高圧タービンのスチーム冷却を行ない、NOxおよびC
O両方の排出抑制を達成する。
第５図においては、圧縮機30を負荷に連結されたター
ビン38に連結し、タービン38の出力をダクト44を介して
改質器50に連結した基本配置としてこの発明を具体化し
ている。このシステムでも、再熱燃焼器を使用せず、こ
れにより再熱燃焼器の配置にともなう問題を回避する。
このシステムは、改質器50の必要な温度を代表的には62
1℃（約1150゜F）以下に下げる触媒を使用することで実
現され、タービン38の出力は改質器50に必要な温度を与
えるのに十分な高い温度にある。
再び第１図を参照すると、作動時には、圧縮機30は下
流方向への流体流れを生成し、燃焼器34は流体流れを加
熱し、その流体流れをタービン38に推進し、一方タービ
ン38により圧縮機30を駆動する。タービン38を通過した
後、流体流れはそれ以上加熱されることなく、パワータ
ービン40を駆動して出力パワーを生成し、その後流体流
れの少なくとも一部、好ましくは全部がダクト44に流入
する。流体流れを改質器50の直前でバーナ48により加熱
し、燃料を改質器50の入力に注入する。代表的には、メ
タン燃料を入口に注入し、またスチームまたは水を入口
に注入する。改質器50は、メタン、二酸化炭素、水蒸
気、一酸化炭素、水素など種々の成分を含有する燃料を
生成する。生成する成分の量、特に生成する水素の所望
量は、特定のシステム構成および所望の汚染成分排出レ
ベルによって決まる。代表的には、改質燃料は約５〜50
容量％、特に約15〜30容量％の水素を含有する。改質器
50の改質燃料出力の少なくとも一部を燃焼器34に注入し
て、エンジン20内で燃焼させる。改質器50の出力を、改
質器50の前で流体流れを加熱するためのバーナ48に注入
してもよい。流体流れはこの後、高圧ボイラ60aおよび
低圧ボイラ60bを加熱し、そしてこれらのボイラのスチ
ーム出力をエンジン20に注入し、また好ましくは改質器
50の入口にも注入する。初期のシステム始動の間は、シ
ステムが改質器を十分に加熱し、改質燃料を燃焼器に供
給できるようになるまで、適当な燃料を燃焼器34に供給
するのが普通である。このシステムはNOxおよびCOをと
もに少量しか排出しないシステムを提供する。たとえ
ば、特定の設計例では、NOx排出量を8ppm以下に、CO排
出量を22.7Kg/時（501b/時）以下に減少させることがで
きる。さらに、種々の構成要素を全体のシステムに組み
入れることにより、このシステムは効率への悪影響を最
小限に抑えてこのような汚染成分排出の低下をはかるこ
とができる。なお、ダクト燃焼では通常、燃料がバーナ
で消費されるので効率が下がる。しかし、化学的回復に
よりサイクル効率が上昇し、したがって、バーナを使用
した場合でも、化学的回復により得られる効率向上が効
率低下の一部を少なくとも相殺し、システム全体として
は効率の上昇となる。さらに、このシステムは有意な変
更なしに現存のエンジンに組み入れることができる。一
方、パワータービンの前段での再熱燃焼を目的として提
案された従来のシステムでは、再熱燃焼器を使用する必
要があり、このような再熱燃焼器を使用すると、システ
ムが大きな熱応力にさらされ、また普通では得られない
高度な冷却技術を伴なうパワータービンを必要とする高
度の技術を用いなくてはならなかった。しかし、パワー
タービンの下流に改質器50を加熱する追加の加熱手段、
たとえばバーナを付加することにより、燃料の改質過程
が生起するのに必要な余分の熱を得ることができる。パ
ワータービンの前段の再熱燃焼器をなくすことにより、
この発明のシステムは普通のパワータービンおよび他の
定評のある普通に得られる装置を全体のシステム構成に
使用して信頼性のある技術を確立し、パワータービンの
前段に再熱燃焼器を用いるシステムで必要とされるよう
な経費のかさむ未知の技術を避ける。
この発明は、改質器がタービンの出力に結合された単
一タービンを有する基本的システムから、多重のタービ
ン、圧縮機、改質器、ボイラ、中間冷却器およびパワー
タービンを有する複雑なシステムに及ぶ種々の構成に適
用できる。したがって、このような変更や改変もこの発
明の範囲に包含されると考える。
【図面の簡単な説明】
第１図はこの発明の１実施例のパワープラントを示すブ
ロック図、 第２図は参考例で、改質燃料出口をバーナに連結したパ
ワープラントを示すブロック図である。 第３〜５図はこの発明の他の実施例を示すブロック図で
ある。 主な符号の説明 10:パワープラント、20:エンジン、 30:圧縮機、34:燃焼器、 38:タービン、40:パワータービン、 44:ダクト、48:バーナ、 50:改質器、 52,54:入口、 56:改質燃料出口、 60:スチーム供給手段（ボイラ）、 64:負荷。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−108809（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−280824（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−122232（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−67239（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】圧縮機（30）、上記圧縮機の吐出端に連結
    された燃焼器（34）、上記燃焼器の出力端に連結された
    駆動用タービン（38）および上記駆動用タービン（38）
    の下流にあって、上記駆動用タービン（38）の流体出力
    に結合されたパワータービン（40）を含むガスタービン
    エンジン（20）を有するパワープラント（10）であっ
    て、上記パワータービンの下流に配置された改質器（5
    0）であって、上記パワータービン（40）の流体出力の
    少なくとも一部を受けとって上記改質器を加熱する第１
    加熱手段となるように連結された該改質器と、上記パワ
    ータービンの下流に配置され、上記改質器（50）を加熱
    する第２加熱手段（48）と、出力が上記改質器の入力
    （54）に連結されているスチーム発生手段（60）とを有
    していて、上記改質器（50）が上記燃焼器（34）に結合
    された改質された燃料出口（56）を有していること、を
    特徴とするパワープラント（10）。
  2. 【請求項２】上記第１加熱手段が上記パワータービン
    （40）の下流に位置するダクト（44）を含み、上記ダク
    トが上記パワータービン（40）の流体出力に連結された
    入口端および上記改質器（50）に連結された出力端を有
    し、上記第２加熱手段（48）が上記改質器に隣接して上
    記ダクト内に配置されたバーナであり、さらに高圧ボイ
    ラ（410）が上記バーナ（48）と上記改質器（50）との
    間に配置され、上記改質器が高圧改質器（412）と低圧
    改質器（414）とを含み、上記低圧改質器（414）の出力
    が上記バーナ（48）に結合され、上記高圧改質器（41
    2）の出力が上記燃焼器（34）に結合されている請求項
    １に記載のパワープラント（10）。
  3. 【請求項３】上記スチーム発生手段（60）が高圧ボイラ
    （60a）と低圧ボイラ（60b）とを含み、上記駆動用ター
    ビン（38）が高圧タービン（38a）と低圧タービン（38
    b）とを含み、上記高圧ボイラ（60a）の出力が上記燃焼
    器（34）に連結され、上記低圧ボイラ（60b）の出力が
    上記低圧タービン（38b）に連結された請求項１に記載
    のパラープラント（10）。
  4. 【請求項４】上記圧縮機（30）が低圧圧縮機（30a）と
    上記低圧圧縮機の流体出力に結合された高圧圧縮機（30
    b）とを含み、上記駆動用タービン（38）が、第１の軸
    を介して上記低圧圧縮機（30a）を駆動する低圧タービ
    ン（38b）と、第２の軸を介して高圧圧縮機（30b）を駆
    動する高圧タービン（38a）とを有し、さらに、上記低
    圧圧縮機（30a）と上記高圧圧縮機（30b）との間に配置
    され、圧縮機間の流体流を冷却し、さらに上記改質器に
    供給される燃料を加熱する熱を与える、中間冷却器（31
    0）を特徴とする請求項１に記載のパワープラント（1
    0）。
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