JPH08261012A - 発電用ガスタービン装置、及びガスタービン装置における発電方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 付加的な燃料を燃焼することにより排ガスの
温度を上昇する必要なく、加熱のため排ガスを利用する
改質器部内で蒸気及び炭化水素ガス燃料の混合物を加熱
する装置及び方法を提供する。 【構成】 ガスタービン装置は、タービン部５からの膨
張ガス２０，２１を用いて熱回収蒸気発生器７内で蒸気
を発生すると共に改質器部６において蒸気・炭化水素ガ
ス燃料混合物３２を加熱する。改質器部６で、炭化水素
ガスを燃焼部４内で燃焼させる一酸化炭素と水素とに変
換する。蒸気発生器７からの蒸気１３を用いてタービン
部の静翼を冷却し、それにより過熱された蒸気１４を、
加熱器部６の上流側で炭化水素ガスと混合する。タービ
ン部５から排出される膨張ガスの温度を上昇する必要性
を無くして炭化水素の効果的な変換が達成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電力を発生するための
ガスタービン装置に関し、特に、熱化学的に熱が回収さ
れて蒸気で冷却されるガスタービン装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術及びその問題点】ガスタービンは、圧縮空
気を発生する圧縮機部と、次いで燃料を燃焼することに
より該圧縮空気を加熱する燃焼部とから構成されてい
る。燃焼部からの熱ガスはタービン部に送られ、そこで
熱ガスは電力を発生するためにロータを駆動するのに用
いられる。

【０００３】タービン部では、一般に、円周方向に列の
形態で配列された複数個の静翼もしくは固定羽根が用い
られている。このような固定羽根は、燃焼部から排出さ
れる熱ガスに露出されるので、これ等の固定羽根の冷却
は極めて重要である。従来、この冷却は圧縮機部で発生
される圧縮空気を抽気し、本質的に中空である固定羽根
の翼状部に形成されている中心通路を通して流すことに
より達成されていた。典型的には、固定羽根の翼状部内
には、上記中心通路から固定羽根の表面、例えば前縁及
び後縁或は負圧面及び正圧面のような表面にまで延在す
る多数の小さい通路が形成されている。これ等の固定羽
根の通路から流出した後、冷却空気はタービン部を流れ
ている熱ガスに流入し該熱ガスと混合する。

【０００４】しかし、タービン羽根を冷却するための従
来の方式は、ガスタービンの熱効率に対し有害な影響を
与えている。上記冷却空気は、最終的にはタービン内で
膨張する熱ガスと混合するが、燃焼過程をバイパスする
ので、圧縮された冷却空気の膨張で回収されうる仕事量
は、燃焼器内で加熱された圧縮空気の膨張から得られる
仕事量よりも非常に小さい。実際、圧力降下及び機械的
効率に起因する損失の結果として、冷却空気から得られ
る仕事量は、圧縮機内で空気を圧縮するのに要求される
仕事量よりも相当に小さい。従って、圧縮空気を抽気す
る必要なく固定羽根を冷却することができればこれは望
ましいことである。

【０００５】燃焼部で燃焼される最も一般的な燃料の一
つは天然ガスである。この天然ガスの主成分は、典型的
にはメタンである。しかし、高温下で且つ典型的にはニ
ッケルをベースとする触媒の存在下で、メタンは蒸気と
反応して水素及び一酸化炭素に変換されることが判明し
ている。これに関連して、かかる改質もしくはリホーム
された燃料は、天然ガスを加熱するためにタービンから
排出される燃焼排ガスを用いてガスタービンの燃焼器内
で有利に生成し燃焼して、それにより、ガスタービンの
効率を高めると共にＮＯｘの生成を低減し得ることが既
に提案されている。例えば、米国特許第５,１１３,１８
０号明細書を参照されたい。

【０００６】しかし、上記のように天然ガスのリホーミ
ングプロセスに対する熱源としてタービンの燃焼排ガス
を利用するためには、該燃焼排ガスの温度は６５０℃
（１２００°Ｆ）、そして最適には８１５℃（１５００
°Ｆ）を越えていなければならないと考えられていた。
これに対し、ガスタービン装置のタービン部から排出さ
れるガスの温度は、一般に、５４０℃（１０００°Ｆ）
よりも低い。従って、高圧タービン部と低圧タービン部
とを有し、これ等の間に再熱燃焼器（改質器）が配設さ
れているタービン装置を使用することが提案されてい
る。この場合、再熱燃焼器は、低圧タービン部内に流入
するガスを、その排ガスが、天然ガスを上記のようにリ
ホームするのに適した温度範囲となるように加熱するこ
とができる。しかし、低温タービンは一般に、このよう
な高温運転を行うことはできない。別法として、燃焼排
ガスを所要の温度範囲に加熱するために、改質器の上流
にダクト式バーナを設けることが提案されている。しか
し、ダクト式バーナで燃焼される付加的な燃料は、ガス
タービン装置の熱力学的効率に負の要因を与える。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従って、付加的な燃料
を燃焼することにより排ガスの温度を上昇する必要な
く、加熱のためにタービン排ガスを利用する改質器部内
で蒸気及び炭化水素ガス燃料の混合物を加熱するための
装置及び方法を得ることが望ましい。

【０００８】従って、本発明の一般的な目的は、付加的
な燃料を燃焼することにより排ガスの温度を上昇する必
要なく、加熱の目的でタービン排ガスを利用する改質器
部内で蒸気及び炭化水素ガス燃料の混合物を加熱する装
置及び方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】簡略に述べると、本発明
の上述及び他の目的は、タービン部と蒸気発生器と改質
器部とを含む発電用のガスタービン装置において達成さ
れる。上記タービン部は、圧縮された熱ガスを膨張させ
て、それにより軸動力及び膨張ガスを発生し、該膨張ガ
スを排出する。タービン部は、圧縮された熱ガスに露出
される複数の構成要素を備えており、これ等の構成要素
の少なくとも一部分には流体流路が形成されている。ま
た、蒸気発生器は膨張ガスからの熱を給水に伝達して蒸
気を発生する。更に、上記改質器部は、膨張ガスからの
熱を炭化水素ガスに伝達し、該炭化水素ガスを加熱され
た冷却蒸気と接触させることにより炭化水素ガスを水素
と一酸化炭素に変換するための変換手段を有する。ま
た、ガスタービン装置は、蒸気発生器からの蒸気の少な
くとも第１の部分をタービン部の冷却流体流路に送り、
該流路に流れるようにする通流手段を備えており、それ
により蒸気の第１の部分は冷却蒸気を形成する。このよ
うに、冷却蒸気が冷却流体流路を流れる結果として、該
冷却蒸気は加熱され、他方、上記構成要素は冷却され
る。

【００１０】本発明の１つの好適な実施例においては、
上記冷却流体流路が形成される構成要素には、タービン
部内に円周方向に配設された複数個の静翼もしくは固定
羽根が含まれる。この実施例において、各静翼の内部
に、蒸気が流れる通路（冷却流体流路）が形成されてい
る。

【００１１】

【実施例】以下、図面を参照し、本発明の好適な実施例
に関して説明する。図１は、本発明によるガスタービン
装置の構成を示す概略図である。このガスタービン装置
の主たる構成要素には、圧縮機部１、燃焼部４、タービ
ン部５、ロータ３、改質器部６、蒸気発生手段である熱
回収蒸気発生器（ＨＲＳＧとも略称する）７及び排気筒
８が含まれる。

【００１２】運転中、圧縮機の低圧部１’には周囲空気
９が吸い込まれる。部分的に圧縮された後、空気は冷却
水を供給される中間冷却器２内で冷却される。冷却され
部分的に圧縮された空気は次いで、圧縮機の高圧部１”
内で更に圧縮される。圧縮機部１から、圧縮空気１０は
燃焼部４に送られ、そこで、追って詳述するように少な
くとも部分的に改質もしくはリホームされた燃料３３が
燃焼されて、圧縮された熱ガス１９が発生する。既存の
ガスタービンにおいては、燃焼部４から排出する圧縮さ
れた熱ガスの温度は１３７０℃（２５０°Ｆ）を越えて
いる。次いで、圧縮された熱ガス１９はタービン部５に
送られて、そこで膨張し、ロータ３を駆動する仕事をす
ると共に膨張ガス２０を発生する。ロータ３は圧縮機部
１及び電力を発生する発電機（発電手段）１６を駆動す
る。

【００１３】膨張ガス２０はタービン部５を流れる間に
その温度が低下するが、依然として比較的に高温、典型
的には少なくとも４８０℃〜５８０℃（９００°Ｆ〜１
０００°Ｆ）である。本発明によれば、膨張ガス２０は
ダクト１７を介して改質器部（変換手段）６に送られ
る。この改質器部６においては、追って詳述するように
蒸気と炭化水素ガスの混合物３２に膨張ガス２０から熱
が伝達される。このようして、部分的に冷却された膨張
ガス２１は次いでダクト２３を介してＨＲＳＧ（熱回収
蒸気発生器）７に送られる。該ＨＲＳＧ７にはポンプ３
５により給水１８が供給されている。給水１８は、膨張
ガス２１に露出した複数個の管３０を経て流れ、それに
より膨張ガスから熱が給水に伝達されて蒸気１２が発生
される。尚、簡略にするために図１には貫流式ＨＲＳＧ
７を示すに留どめたが、当該技術分野において良く知ら
れているように、脱気器並びに１つ又は複数のエコノマ
イザ、蒸発装置、蒸気ドラム及び過熱器を含む循環式Ｈ
ＲＳＧも利用可能である。好適な実施例においては、Ｈ
ＲＳＧ７は、該ＨＲＳＧ７から排出される蒸気１２、１
３が飽和蒸気となるように過熱器を具備してはいない。
ＨＲＳＧ７から排出された膨張ガス２２は、この時点で
更に冷却されており、排気筒８を介して大気に排出され
る。

【００１４】ＨＲＳＧ（熱回収蒸気発生器）７内で発生
された蒸気１２は、単に或る長さの管もしくは室とする
ことができる混合部３６に送られる。この混合部３６に
おいて蒸気１２はやはり該混合部に供給されるメタンに
富む天然ガスのような炭化水素ガス燃料１１と混合され
る。本発明の１つの重要な様相によれば、ＨＲＳＧ７か
らの蒸気（第１の部分もしくは冷却蒸気）１３はタービ
ン部５に送られる。追って詳述するように、該タービン
部５においては、蒸気１３は燃焼部４からの圧縮された
熱ガス１９に露出される構成要素を貫流する。その結
果、蒸気１３はこれ等の構成要素から熱を吸収して、該
構成要素を冷却する。好適な実施例においては、約１０
９０℃（２０００°Ｆ）に熱せられた過熱蒸気（加熱さ
れた冷却蒸気）１４はタービン部５から排出されて混合
部３６に送られ、そこで炭化水素ガス燃料１１及び飽和
蒸気１２と混合し、該混合物の温度を上昇する。好適な
実施例においては、蒸気・炭化水素ガス混合物３２は約
４８０℃（９００°Ｆ）に加熱される。

【００１５】混合部３６から、蒸気・炭化水素ガス混合
物３２は改質器部６に送られる。該改質器部６は、ター
ビン部５から排出された膨張ガス２０に露出される複数
個の管（変換手段もしくは接触手段）３１を収容してい
る。蒸気・炭化水素ガス混合物３２は、これ等の管３１
を貫流し、それにより膨張ガス２０から熱が蒸気・炭化
水素ガス混合物３２に伝達され、それにより該混合物は
更に加熱される。改質器部６における加熱の結果とし
て、炭化水素ガス燃料１１内の少なくともメタンの一部
分並びに燃料内のエタン及び他の高分子量炭化水素と蒸
気とは化学的に反応して次式で表されるように水素及び
一酸化炭素を生成する。 ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ → ３Ｈ₂＋ＣＯ

【００１６】このように変換されるメタンの量は、メタ
ンに対する蒸気の割合、混合物が加熱される温度及び混
合物の圧力に依存する。好適な実施例においては、炭化
水素ガスに対する蒸気の割合は少なくとも１．５であ
り、蒸気・炭化水素ガス混合物の圧力は約７００〜１３
８０ＫＰａ（１００〜２００ｐｓｉ）の範囲内にある。
好適な実施例においては、相当大きな量の過剰蒸気が得
られ、その結果として改質器部６から排出される変換さ
れた燃料３３は、変換されていないメタン、一酸化炭素
及び水蒸気をも含む水素に富む気体燃料となる。加える
に、ニッケル・ベースの触媒とすることができる触媒
を、反応を更に促進するために改質器部６で用いること
ができる。好適な実施例においては、該触媒は、薄い層
の形態で改質器部６の熱交換表面に塗布されたクロム−
ニッケルをベースとする合金である。好適な触媒は、例
えば、インペリアル・ケミカル・インダストリーズ（Im
perialChemical Industries)社から入手することができ
る。変換燃料３３は広い可燃性範囲を有し、有効着火温
度が低いので、ＮＯｘの形成は相当に低減する。

【００１７】本発明の１つの重要な様相によれば、ター
ビン部５における過熱により発生される高温度の蒸気１
４を使用する結果として、タービン部５から排出される
膨張ガス２０の温度を上昇するのに付加的な燃料を消費
する必要なく、適切な炭化水素ガス変換率が得られる。

【００１８】図２は、本発明によるガスタービンの圧縮
機部１、燃焼部４及びタービン部５の一部分の縦断面図
である。図に見られるように、ロータ３が中心に配置さ
れていて、上記３つの各部を貫通している。圧縮機の高
圧部１”は、静翼６５及び動翼６４の交互の列を囲繞す
る円筒体６６から構成されている。静翼６５は円筒体６
６に固定されており、動翼６４はロータ３に取り付けら
れたディスク６３に固定されている。

【００１９】燃焼部は室６０を画成する外殻７０を含
み、該室６０内には複数個の燃焼器６１と、該燃焼器を
タービン部５に接続するダクト６２とが配置されてい
る。変換された燃料３３は、ノズル７２を介して燃焼器
６１内に流入して、そこで燃焼される。燃焼部４を貫通
するロータ３の部分は円筒状の外殻８７によって囲繞さ
れている。

【００２０】タービン部５は内側の円筒体８１を囲繞す
る外側の円筒体８０から構成されていて、円筒体８０及
び８１の間には外側の環状マニホルド７６が形成されて
いる。また、内側の円筒体８１は静翼（構成要素）７４
の列及び動翼７５の列を収容している。静翼７４は、内
側の円筒体８１に固定され、動翼７５は、ロータ３のタ
ービン部の一部分を形成する円板７９に固定されてい
る。

【００２１】圧縮空気１０は燃焼器６１に形成されてい
る開口を経て該燃焼器６１内に流入する。燃焼器６１内
で、変換された燃料３３は圧縮空気１０を混合されて燃
焼し、それにより、圧縮された熱ガス１９が生成され
る。圧縮された熱ガス１９はダクト６２に、次いでター
ビン部５における構成要素即ち静翼（固定羽根）７４及
び動翼（回転羽根）７５の列（並びに図示はしないが下
流側の追加の静翼列及び動翼列）を流れて、そこでガス
は膨張しロータ３を駆動する仕事を発生する。

【００２２】図２に示すように、ＨＲＳＧ７からの飽和
蒸気は外側の環状マニホルド（通流手段もしくは冷却・
加熱手段）７６に送られる。このマニホルドから該蒸気
は内側の円筒体８１の周囲に分散して設けられた複数個
の孔（通流手段もしくは冷却・加熱手段）７８を経て流
れ次いで静翼７４を経て流れる。図３に示すように、静
翼７４の各々は、その端部にそれぞれ形成されている内
側及び外側シュラウド８３及び８４を有する翼状部８６
を有している。本発明によれば、この翼状部８６は中空
であって、その内部に通路（冷却流体流路）８５が形成
されている。この通路８５は外側シュラウド８４に形成
された入口と内側シュラウド８３に形成された出口とを
有する。

【００２３】従って、蒸気１３は静翼７４に形成されて
いる通路８５を経て流れ、それにより静翼から蒸気に熱
が伝達される。その結果、静翼７４は冷却され、蒸気１
３は加熱される。かかる蒸気冷却は、従来の羽根の冷却
に用いられている空気冷却よりも一層効果的であるの
で、熱ガス１９の温度を、静翼７４を過熱することなく
上昇することができる。更に、静翼７４を冷却するため
に圧縮機部１から圧縮空気を抽出する必要はない。従っ
て、ガスタービンの熱力学的性能は改善される。

【００２４】再び図２を参照するに、円筒状のシェル８
７から半径方向外向きに延び、静翼７４の内側シュラウ
ド８３と係合しているハウジング８２により内側環状マ
ニホルド７７が形成されている。従って、静翼７４から
流出すると、過熱された蒸気１４は内側マニホルド７７
内に流入する。この内側マニホルド７７から、過熱蒸気
１４は配管７３によりタービン部５から流出し、燃焼部
４を経て次いで外殻７０を流れる。管７３は既述のよう
に過熱蒸気１４を混合部３６に排出する。

【００２５】このように、本発明によれば、タービンか
ら排出される膨張ガス２０の温度を高める必要なく、適
切な炭化水素ガス燃料１１の変換効率が達成される。こ
れは、ＨＲＳＧ７によって発生される蒸気１３を予備加
熱し、この蒸気１３を燃料１１と混合すると共に、同時
にガスタービンの熱力学的性能を高めるような仕方で静
翼７４が効果的に冷却されるためである。尚、図２に
は、蒸気１３が最初の列の静翼７４だけを冷却するのに
用いられるものとして示してあるが、蒸気は、下流側の
翼列の冷却にも使用したり或は動翼（構成要素）７５や
他の高温度の構成要素を冷却するのにも使用可能である
ことを理解されたい。

【００２６】図４は、本発明の別の実施例を示してい
る。この実施例においては、変換された燃料の一部分３
４は、制御弁５３の調整下で、改質器部６の直ぐ上流に
配設されているダクト式バーナ５０に送られる。適宜な
ダクト式バーナ５０を使用することにより、必要なら
ば、例えば、部分負荷運転中或は起動時に膨張ガス２０
の補足的加熱を行うことができる。

【００２７】また、図４に示すように、タービン部５か
らの過熱蒸気１４の流量を調整するために制御弁５２が
設けられている。この制御弁５２を調節することによ
り、ＨＲＳＧ７から直接供給されて混合部３６に流入す
る飽和蒸気１２の量に対する過熱蒸気１４の量を調整
し、それにより、改質器部６に流入する蒸気・炭化水素
ガス混合物３２の温度を制御することができる。加える
に、制御弁５２は、静翼７４の温度或は蒸気１３によっ
て冷却される他の構成要素の温度を調節するのに使用す
ることができる。これと関連して、改質器部６に流入す
る混合物３２の温度及び冷却されるタービン構成要素の
温度を測定するために、改質器部６の入口及びタービン
部５にはそれぞれ温度センサ５４及び５５が配設されて
いる。これ等の温度センサからの信号は、所望の温度制
御を行うように制御弁５２を操作する制御装置３９に送
られる。

【００２８】また、図４に示すように、ＮＯｘを更に低
減し、タービンを流れる質量流量を増加して、その出力
を増大する目的で、過熱蒸気の一部分１５をタービン部
５から燃焼部、特に燃料器６１内に注入することを可能
にするように制御弁５１が用いられている。

【００２９】以上、本発明の好適な実施例に関して説明
したが、本発明は、その精神並びに本質的な属性の範囲
から逸脱することなく他の特定の対応で具現することが
可能であろう。従って、本発明は上に述べた好適な実施
例に関する記述に限定されるものでないことを付記す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明によるガスタービン装置の構成を示す
概略図である。

【図２】 図１に示したガスタービン装置の燃焼部及び
タービン部の一部分における縦断面図である。

【図３】 図２に示したタービン静翼の断面図である。

【図４】 本発明の他の実施例によるガスタービン装置
の構成を示す概略図である。

【符号の説明】

５…タービン部、６…改質器部、７…蒸気発生器（蒸気
発生手段）、１１…炭化水素ガス、１２…蒸気、１３…
蒸気（第１の部分，冷却蒸気）、１４…過熱蒸気（加熱
された冷却蒸気の第１の部分）、１６…発電機（発電手
段）、１８…給水、１９…熱ガス、２０，２１…膨張ガ
ス、３１…管（変換手段もしくは接触手段）、７４…静
翼（構成要素）、７５…動翼（構成要素）、７６…マニ
ホルド（通流手段もしくは冷却・加熱手段）、７８…孔
（通流手段もしくは冷却・加熱手段）、８５…通路（冷
却流体流路）。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電力を発生するためのガスタービン装置
   において、 ａ） 圧縮された熱ガスを膨張し、それにより軸動力と
   膨張ガスを発生するタービン部であって、前記圧縮され
   た熱ガスに露出される複数個の構成要素を内部に有する
   と共に、該構成要素の少なくとも一部分に形成されてい
   る冷却流体流路を有する、前記膨張ガスを排出する前記
   タービン部と、 ｂ） 前記膨張ガスからの熱を給水に伝達して蒸気を発
   生するための蒸気発生器と、 ｃ） 前記蒸気の第１の部分を前記構成要素の前記一部
   分に形成されている前記冷却流体流路に送り該冷却流体
   流路を通流させる通流手段であって、前記蒸気の前記第
   １の部分は冷却蒸気を形成し、該冷却蒸気は加熱され
   て、加熱された冷却蒸気を形成し、前記構成要素の前記
   一部分は前記冷却蒸気が前記冷却流体流路を流れる結果
   として冷却される、前記通流手段と、 ｄ） 前記膨張ガスから熱を炭化水素ガスに伝達し且つ
   該炭化水素ガスを少なくとも前記加熱された冷却蒸気の
   第１の部分と接触させることにより該炭化水素ガスを水
   素と一酸化炭素に変換するための変換手段を有する改質
   器部と、 を含む発電用ガスタービン装置。
2. 【請求項２】 電力を発生するためのガスタービン装置
   において、 ａ） 複数個の構成要素を介して圧縮された熱ガスを流
   し、該圧縮された熱ガスを膨張して膨張ガスを形成する
   ことにより電力を発生するための発電手段を有するター
   ビン部と、 ｂ） 蒸気を発生するための蒸気発生手段と、 ｃ） 前記蒸気を前記構成要素を通して流すことによ
   り、該構成要素を冷却し且つ前記蒸気を加熱するための
   冷却・加熱手段と、 ｄ） 前記加熱された蒸気を炭化水素ガスと接触させ、
   それにより前記炭化水素ガスを加熱し且つ蒸気・炭化水
   素ガス混合物を形成するための接触手段と、 ｅ） 前記タービン部からの前記膨張ガスの熱を前記蒸
   気・炭化水素ガス混合物に伝達し該蒸気・炭化水素ガス
   混合物を更に加熱することにより前記炭化水素ガスの少
   なくとも一部分を水素と一酸化炭素とに変換するための
   変換手段と、 を含む発電用ガスタービン装置。
3. 【請求項３】 圧縮された熱ガスを膨張して、膨張ガス
   を発生するタービン部を有し、該タービン部は、前記圧
   縮熱ガスに露出される複数個の構成要素を内部に有する
   ガスタービン装置で電力を発生するための方法におい
   て、 ａ） 蒸気を前記構成要素を経て流れるように送り該構
   成要素から熱を前記蒸気に伝達して該蒸気を加熱すると
   共に前記構成要素を冷却するステップと、 ｂ） 前記加熱された蒸気を炭化水素ガスと接触させ、
   以て、前記炭化水素ガスを加熱し蒸気・炭化水素ガス混
   合物を形成するステップと、 ｃ） 前記タービン部によって発生される前記膨張ガス
   からの熱を前記蒸気・炭化水素ガス混合物に伝達して該
   蒸気・炭化水素ガス混合物を加熱することにより、前記
   炭化水素ガスの少なくとも一部分を水素及び一酸化炭素
   に変換するステップと、 を含むガスタービン装置における発電方法。