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JP2971378B2 - 水素燃焼ガスタービンプラントおよびその運転方法 - Google Patents

水素燃焼ガスタービンプラントおよびその運転方法

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Publication number
JP2971378B2
JP2971378B2 JP7306129A JP30612995A JP2971378B2 JP 2971378 B2 JP2971378 B2 JP 2971378B2 JP 7306129 A JP7306129 A JP 7306129A JP 30612995 A JP30612995 A JP 30612995A JP 2971378 B2 JP2971378 B2 JP 2971378B2
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temperature heat
hydrogen
cycle
working fluid
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祐志 佐伯
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Toshiba Corp
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/005—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for the working fluid being steam, created by combustion of hydrogen with oxygen

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は水素を燃料とするガ
スタービンを用いた発電プラントおよびその運転方法に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】水素を燃料とするガスタービンプラント
は、従来の化石燃料を用いたプラントとは異なり、地球
温暖化の原因とされている炭酸ガス（ＣＯ2 ）を排出し
ないため、新しい世代のクリーンエネルギー源として注
目されている。また、水素は燃焼した後に不活性な水蒸
気となるために、水蒸気または他の不活性なガスを作動
流体としたクローズドサイクルで利用すると、高温酸化
による問題を回避することができる。現在の化石燃料を
用いるオープンサイクルガスタービンプラントは、作動
流体に燃料より生じた酸化ガスや、作動流体に相当量残
存する酸素が原因となり高温酸化による高温部品の劣化
が問題となっている。
【０００３】高温酸化は、タービンを構成する部品、特
に作動流体に接する部品の温度が高くなるほど進行が早
くなる。このため、当該部品に対しては冷却を行う必要
があるが、この冷却に使用する冷却媒体が増加するほど
ガスタービンプラントの熱効率は低下することが知られ
ており、現に作動流体の高温化に伴い、少ない冷却媒体
量で冷却を行うための技術開発が盛んに行われてきた。
【０００４】一方、ガスタービンプラントでは、最高温
度を高めるほど熱効率が上昇することが知られており、
前述の冷却技術開発の成果と併せて、この最高温度は近
年加速度的に上昇してきた。しかしながら、冷却に対す
る技術開発にも最近では限界が見られ、最高温度を上昇
させることで得られる熱効率の上昇分が、冷却媒体量の
増加に伴う熱効率の低下に見合わなくなってきており、
最高温度の上昇は頭打ちになろうとしている。
【０００５】水素を燃料とする発電プラントは、別の意
味でも注目されている。水素は電力があれば、化石燃料
とは異なり、どのような場所でも生産が可能であるとい
う点である。このことは、水力等の潜在的な電力資源が
豊富にもかかわらず、それを必要とする産業・民需が不
足している発展途上国が、水素というエネルギー源を生
産し輸出することにより産業の活性化を図ることが可能
であるということである。
【０００６】このように非常に注目されている水素を燃
料としたガスタービン発電プラントの従来技術の一例を
図６に示す。図６に示されるプラトシステムは、大きく
分けて２つの部分に分類される。
【０００７】１つは圧縮機１、高温熱交換器５および背
圧タービン２から構成されるブレイトンサイクルの部分
であり、この中では作動流体として不活性ガスが用いら
れている。
【０００８】まず、圧縮機１で圧縮された高温・高圧の
不活性ガスは高温熱交換器５に導かれ、水素と酸素から
なる燃料１１が投入され、更に高温にされる。この非常
に高温・高圧な不活性ガスは、背圧タービン２に導か
れ、膨張して高温・低圧の不活性ガスになる一方、出力
軸１２を介して圧縮機１を駆動するとともに発電機６を
駆動して電力を発生させる。背圧タービン２から出た高
温・低圧の不活性ガスは低温熱交換器７を経て冷却さ
れ、低温・低圧の不活性ガスとなり再び圧縮機１に導か
れる。
【０００９】システムを構成するもう１つの部分は高温
熱交換器５、高圧タービン３、低温熱交換器７、復水タ
ービン４、復水器８、復水ポンプ９および加圧ポンプ１
０である。この部分はランキンサイクルの部分であり、
作動流体は水と水蒸気である。
【００１０】加圧ポンプ１０で昇圧された水は、高温熱
交換器５に導かれる。高温熱交換器５には水素と酸素か
らなる燃料１１が投入され高温熱交換器５に導かれた水
を非常に高温・高圧な水蒸気にする。この非常に高温・
高圧な水蒸気は、高圧タービン３に導かれて膨張し、低
温・低圧の水蒸気になる。そして、この低温・低圧の水
蒸気は低温熱交換器７でブレイトンサイクル側から加熱
されて高温・低圧の水蒸気となった後に、復水タービン
４に導かれ膨張し、低温で非常に低圧の水蒸気となる。
この低温で非常に低圧の水蒸気は、復水器８に導かれて
水に戻され、復水ポンプ９により移送される。この水は
一部を排水１３として系外に排出した後に再び加圧ポン
プ１０に導かれる。
【００１１】この排水１３は、燃料１１として投入され
る水素と酸素が反応してできる水蒸気と同じ量であり、
結果としてサイクル内を循環する水および水蒸気の総量
は一定値に保たれる。また、背圧タービン２と高圧ター
ビン３、復水タービン４からの出力は、出力軸１２によ
り発電機６を駆動して電力を発生させる。
【００１２】水素燃焼を行うガスタービンプラントにお
いては、水素を製造するコストが現状では化石燃料を製
造するコストを上回るため、化石燃料を使用する従来型
のガスタービンプラントよりも高い効率を達成しなけれ
ば実用的ではない。従って、ガスタービンプラントの起
動から運転、停止のあらゆる状態におけるプラントの総
合的熱効率の向上を図らなければならない。しかし、図
６に示されるサイクルは、ブレイトンサイクル側の圧縮
機、背圧タービンとランキンサイクル側の高圧タービ
ン、復水タービンが全て一軸で結合されているため、起
動時に無駄なエネルギーが消費されることになる。それ
は、起動時に回転運動のエネルギーが必要なものはブレ
イトンサイクル側の圧縮機だけであり、その他のタービ
ン、特にランキンサイクル側の高圧タービン、復水ター
ビンは、起動時に回転運動のエネルギーは必要としない
からである。故に、圧縮機以外の機器に回転運動エネル
ギーを与えることは無駄となり、総合的に見たプラント
熱効率を低下させてしまう。
【００１３】また、圧縮機の回転数が０から定格に達す
るまでには、圧縮機内でサージとチョークの状態になる
限界線が比較的接近する危険な領域があり、その領域を
短時間で通過する必要がある。このため、起動時には圧
縮機に対してかなり大きな動力を与える必要があるが、
ランキンサイクル側の各タービンのように起動時に動力
を必要としない機器を接続すると無駄な動力は更に増大
し、総合的に見たプラント熱効率は更に低下する。
【００１４】水素燃焼ガスタービンプラントにおいて供
給される燃料は酸素と水素であるが、これが例えば液体
酸素と液体水素の形で供給されるものとすれば、この冷
熱を利用することによってプラント熱効率の向上が図れ
る。この液体水素の冷熱容量は、現在のオープンサイク
ルガスタービンに使用されているＬＮＧと比較して約５
倍であり、沸点もかなり低い。図６に示されるサイクル
においても、この液体酸素および液体水素の冷熱を利用
することを明言しているが、復水器の吸熱源への使用や
圧縮機の入口冷却の吸熱源としての使用など、一台の冷
却装置に対しての使用しか述べられていない。これで
は、液体酸素および液体水素の持つ大きな冷熱容量を生
かし切れていないばかりか、温度の低い燃料を燃焼させ
ねばならなくなるため余分な燃料を使用することにな
り、プラント熱効率を低下させてしまう。
【００１５】また、図６に示されるサイクルでは、圧縮
機１の入口温度は高圧タービン３の出口温度と同程度に
なるが、高圧タービン３の作動流体は水蒸気であり露点
以下での使用には問題があるため、ある程度の温度以下
では使用できない。この温度は、現在の化石燃料を用い
たガスタービンの圧縮機入口温度よりもはるかに高い。
ガスタービンプラントには圧縮機の入口温度が高いほど
出力が低下するという特徴があるので、図６に示される
プラントは、現在の化石燃料を用いた同規模のガスター
ビンプラントよりも低い出力しか出すことができない。
【００１６】水素燃焼ガスタービンプラントは、その性
格上大きく複雑なものとなるため、現在の化石燃料を用
いた同規模のガスタービンプラントより高い出力を出さ
ないと実用的にはならない。このため、図６に示される
サイクルでは、圧縮機の入口冷却を行うなどの対策を明
言しているが、これだけでは十分とは言えず、更に出力
を向上させるようなできる限りの対策を講じる必要があ
る。
【００１７】更に、図６に示されるサイクルでは、水素
と純酸素の燃焼であることから高温燃焼が行われること
になるので、復水器８で水蒸気を水にするためには大量
の熱を捨てなければならない。この排熱を極力少なくす
ることを考えなければ、プラント熱効率を低下すること
になる。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】以上のように、水素を
燃料とするガスタービンプラントでは、起動、停止を含
めたプラントの総合効率をより高めたり、現在の化石燃
料を用いる同規模のガスタービンプラントよりも出力を
大きくしなければ実用的にならない。また、燃料として
供給される酸素と水素の冷熱を有効に利用しなければ、
プラント熱効率を向上することができないばかりか逆に
低下してしまうことになる。
【００１９】そこで、本発明の課題は、水素燃焼ガスタ
ービンプラントの総合的熱効率の向上を目指して起動特
性を向上し、燃料として供給される酸素及び水素の冷熱
を有効に利用し、化石燃料を用いた同規模のガスタービ
ンプラントよりも高出力を発生させることを可能とし、
更に熱効率を上昇させることにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに、請求項１の発明は、不活性ガスを作動流体とする
ブレイトンサイクルと、水素と酸素からなる燃料の燃焼
によって発生する水蒸気を作動流体とするランキンサイ
クルとを複合したシステム構成を有し、前記ブレイトン
サイクル側は圧縮機、高温熱交換器、背圧タービン、低
温熱交換器の順に接続されてクローズドサイクルを形成
する一方、ランキンサイクル側は高温熱交換器、高圧タ
ービン、低温熱交換器、復水タービン、復水器、復水ポ
ンプの順に接続されて作動流体を全て排出するか、又は
復水ポンプから排水する間に分岐を設け、加圧ポンプ、
高温熱交換器の順に接続してクローズドサイクルを形成
するものにおいて、前記ブレイトンサイクル側の軸とラ
ンキンサイクル側の軸とを分離した構成にしたことを特
徴とする水素燃焼ガスタービンプラントにある。
【００２１】請求項２の発明は、不活性ガスを作動流体
とするブレイトンサイクルと、水素と酸素からなる燃料
の燃焼によって発生する水蒸気を作動流体とするランキ
ンサイクルとを複合したシステム構成を有し、前記ブレ
イトンサイクル側は圧縮機、高温熱交換器、背圧タービ
ン、低温熱交換器の順に接続されてクローズドサイクル
を形成する一方、ランキンサイクル側は高温熱交換器、
高圧タービン、低温熱交換器、復水タービン、復水器、
復水ポンプの順に接続されて作動流体を全て排出する
か、又は復水ポンプから排水する間に分岐を設け、加圧
ポンプ、高温熱交換器の順に接続してクローズドサイク
ルを形成するものにおいて、前記ブレイトンサイクル側
の低温熱交換器と圧縮機の間に冷却器を設置し、この冷
却器の吸熱源は液体水素および液体酸素の少くともいず
れか一方であることを特徴とする水素燃焼ガスタービン
プラントにある。
【００２２】請求項３の発明は、不活性ガスを作動流体
とするブレイトンサイクルと、水素と酸素からなる燃料
の燃焼によって発生する水蒸気を作動流体とするランキ
ンサイクルとを複合したシステム構成を有し、前記ブレ
イトンサイクル側は圧縮機、高温熱交換器、背圧タービ
ン、低温熱交換器の順に接続されてクローズドサイクル
を形成する一方、ランキンサイクル側は高温熱交換器、
高圧タービン、低温熱交換器、復水タービン、復水器、
復水ポンプの順に接続されて作動流体を全て排出する
か、又は復水ポンプから排水する間に分岐を設け、加圧
ポンプ、高温熱交換器の順に接続してクローズドサイク
ルを形成するものにおいて、前記ブレイトンサイクル側
の圧縮機に中間冷却器を設置したことを特徴とする水素
燃焼ガスタービンプラントにある。
【００２３】請求項４の発明は、不活性ガスを作動流体
とするブレイトンサイクルと、水素と酸素からなる燃料
の燃焼によって発生する水蒸気を作動流体とするランキ
ンサイクルとを複合したシステム構成を有し、前記ブレ
イトンサイクル側は圧縮機、高温熱交換器、背圧タービ
ン、低温熱交換器の順に接続されてクローズドサイクル
を形成する一方、ランキンサイクル側は高温熱交換器、
高圧タービン、低温熱交換器、復水タービン、復水器、
復水ポンプの順に接続されて作動流体を全て排出する
か、又は復水ポンプから排水する間に分岐を設け、加圧
ポンプ、高温熱交換器の順に接続してクローズドサイク
ルを形成するものにおいて、前記ランキンサイクル側の
復水タービンと復水器との間に復水冷却器を設置し、そ
の吸熱源として復水後の排水であることを特徴とする水
素燃焼ガスタービンプラントにあるる。
【００２４】請求項５の発明は、請求項１、２、３、４
のいずれか２項以上の構成を組合せてなることを特徴と
する水素燃焼ガスタービンプラントにある。
【００２５】請求項６の発明は、請求項１記載の水素燃
焼ガスタービンプラントの各軸毎に発電機を連結して運
転を行い、その起動に際し、ブレイトンサイクル側の軸
のみを外部力で強制的に回転させることを特徴とする水
素燃焼ガスタービンプラントの運転方法にある。
【００２６】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る水素燃焼ガス
タービンプラントおよびその運転方法について、第１〜
第５の実施の形態をそれぞれ図１〜図５を参照して説明
する。なお、従来の技術と同一の構成部分には図６と同
一符号を付して説明する。
【００２７】第１実施形態（図１） 図１は本発明に係る水素燃焼ガスタービンプラントの第
１実施形態を示す系統図である。
【００２８】この実施形態は、不活性ガスを作動流体と
するブレイトンサイクルと、水素と酸素からなる燃料の
燃焼によって発生する水蒸気を作動流体とするランキン
サイクルとを複合したシステム構成を有し、ブレイトン
サイクル側は圧縮機１、高温熱交換器５、背圧タービン
２、低温熱交換器７の順に接続されてクローズドサイク
ルを形成している。
【００２９】一方、ランキンサイクル側は高温熱交換器
５、高圧タービン３、低温熱交換器７、復水タービン
４、復水器８、復水ポンプ９の順に接続されて作動流体
を外部に排水１３として排出するととに、復水ポンプ９
の排水管部を分岐して、加圧ポンプ１０、高温熱交換器
５の順に接続してクローズドサイクルを形成している。
【００３０】即ち、高温熱交換器５に燃料１１として供
給される水素（Ｈ2 ）と酸素（Ｏ2）とが、その高温熱
交換器５内またはその上流で燃焼し、水蒸気を発生す
る。ブレイトンサイクル側とランキンサイクル側とは、
この高温熱交換器５において熱の授受が行われるだけ
で、両者の作動流体が直接混合することはない。つま
り、ブレイトンサイクルの高温熱源は、高温熱交換器５
によりランキンサイクル側から供給される供給源であ
り、さらに、ブレイトンサイクルの低温熱源は、低温熱
交換器７によりランキンサイクル側に供給される吸収熱
である。
【００３１】このものにおいて、ブレイトンサイクル側
の出力軸１２ａとランキンサイクル側の出力軸１２ｂと
が分離した構成とされ、各出力軸１２ａ，１２ｂにそれ
ぞれ個別に発電機６ａ，６ｂが連結されている。
【００３２】この第１の実施形態においては、ブレイト
ンサイクル側の圧縮機１および背圧タービン２と、ラン
キンサイクル側の高圧タービン３および復水タービン４
が別々の軸で接続されているので、起動時にはブレイト
ンサイクル側だけを図示しない起動モーターで回転すれ
ばよい。そして、定格回転数に到達し、運転が安定して
きたところでランキンサイクル側を起動させればよい。
【００３３】したがって、起動時にはブレイトンサイク
ル側のみを回転させることによって起動することができ
るので、一軸のプラントに比べて少ない起動モーター動
力で始動でき、それによって起動モーターの出力の軽減
が図れ、プラントの総合的熱効率を向上させることがで
きる。
【００３４】第２実施形態（図２） 図２は本発明に係る水素燃焼ガスタービンプラントの第
２実施形態を示す系統図である。
【００３５】この実施形態は、図６に示したプラントと
同様に一軸形のものであるが、図２に示すように、プラ
ントのブレイトンサイクル側に入口冷却器１４を設け、
燃料１１ａとして供給する液体水素と液体酸素とを、こ
の入口冷却器１４の吸熱源として用いるとともに、さら
にランキンサイクル側の復水器８の吸熱源として用い、
その後高温熱交換器５に導いて燃焼させるようにしたも
のである。
【００３６】この第２実施形態では、圧縮機１と低温熱
交換器７との間の不活性ガスが入口冷却器１４で冷却さ
れる。供給燃料１１ａは液体酸素と液体水素であるので
冷熱容量が大きく、入口冷却器１４で不活性ガスを冷却
した後も、十分に復水器８の吸熱源として利用可能であ
る。また、２つの装置の吸熱源として使用することによ
って、燃料１１ａは十分に気化して更にその温度は上昇
する。
【００３７】以上の第２実施形態によれば、供給燃料１
１ａを２つの装置の吸熱源として使用することによっ
て、冷熱容量の大きな液体酸素および水素を十分に利用
することができる。また、圧縮機入口冷却を行うことに
よってガスタービンの出力が上昇できるとともに、系外
への排熱を防ぐことができる。更に、２つの装置の吸熱
源として燃料１１ａを十分に気化させてその温度を高め
ることができるので、燃焼の際の無駄な燃料消費を抑え
ることができ、これによって、プラント熱効率の向上と
出力の上昇が図れる。
【００３８】第３実施形態（図３） 図３は本発明に係る水素燃焼ガスタービンプラントの第
３実施形態を示す系統図である。
【００３９】この実施形態は、ブレイトンサイクル側の
圧縮機１に中間冷却器１５を設置したものである。
【００４０】このように、中間冷却器１５を設置して圧
縮機１内の不活性ガスの温度を下げることにより、圧縮
された不活性ガスの温度を下げ、高温熱交換器５の温度
（水素と酸素の燃焼温度）と圧縮機１の吐出ガス温度と
の差を大きくすることができる。この中間冷却器１５の
吸熱源としては、第２実施形態と同様に燃料として供給
される液体酸素および水素や、ランキンサイクル側の作
動流体（復水ポンプ９と加圧ポンプ１０との間の水）、
あるいは第２実施形態で使用した入口冷却器１４および
復水器８の吸熱源として使用した後の燃料等が考えられ
る。
【００４１】以上の第３実施形態によれば、圧縮機１の
中間冷却を行うことによって圧縮機１の吐出ガス温度と
高温熱交換器５の温度との差を増加し、これによりブレ
イトンサイクルへの入熱を増加させ、結果としてプラン
ト出力を上昇させることができる。また、この吸熱源と
して作用で述べた系内の冷熱を利用することによって排
熱を回収し、またその熱を燃料の予熱やランキンサイク
ル側の水の予熱に使用することによって、プラント熱効
率の向上を図ることができる。
【００４２】なお、本実施形態において、中間冷却器１
５の吸熱源に、燃料として供給される酸素と水素を用い
た場合には、その大きな冷熱容量を利用して十分に圧縮
機内の温度を下げることができる。これにより、大きな
出力上昇が見込まれるのみならず、系外への排熱もない
ため、プラント熱効率の低下を防止することができる。
【００４３】また、中間冷却器５の吸熱源にランキンサ
イクル側の作動流体を使用した場合には、出力上昇と排
熱回収が見込まれ、特に高温熱交換器５へ導かれる前の
水を用いることによってこの水の温度を高め、高温熱交
換器５での無駄な燃料消費を防ぐことができる。これに
よって、プラント熱効率の向上、ひいては出力の上昇が
図れる。
【００４４】さらに、中間冷却器１５の吸熱源として、
燃料である液体酸素と液体水素とを使用した場合には、
その大きな冷熱容量を利用して圧縮機１の入口冷却器、
復水器、圧縮機中間冷却器の３つの装置の吸熱源として
十分に利用することができ、系外への排熱を防ぎつつプ
ラント出力の上昇を図り、また、燃料を十分に気化して
更に温度を上げることによって、燃焼時の無駄な燃料消
費を抑えることができる。これによって、プラント熱効
率の向上、ひいては出力の上昇が図れる。
【００４５】第４実施形態（図４） 図４は本発明に係る水素燃焼ガスタービンプラントの第
４実施形態を示す系統図である。
【００４６】この実施形態は、復水タービン４と復水器
８との間に復水冷却器１６を設置し、その吸熱源として
復水ポンプ９と加圧ポンプ１０との間の水を用いる経路
を追加したものである。
【００４７】この第４実施形態においては、復水タービ
ン４を出た水蒸気が復水冷却器１６で冷却され、復水器
８に導かれる。また、復水タービン９を出て排水１３と
分岐した水は、復水冷却器１６の吸熱源として使用され
た後、加圧ポンプ１０に導かれる。
【００４８】以上の第４実施形態によれば、復水タービ
ン４を出た水蒸気を冷却することによって復水器８から
の排熱を抑え、また給水加熱を行うことによって高温熱
交換器５に入る水の温度を上昇させ、これにより高温熱
交換器５内での無駄な燃料消費を抑えることができるの
で、プラント熱効率の向上が図れる。
【００４９】第５実施形態（図５） 図５は本発明に係る水素燃焼ガスタービンプラントの第
５実施形態を示す系統図である。
【００５０】この実施形態は、図５に示すように、前述
した第１実施形態から第４実施形態までに示した構成を
総合したものである。
【００５１】即ち、ブレイトンサイクル側の出力軸１２
ａとランキンサイクル側の出力軸１２ｂとが分離し、各
出力軸１２ａ，１２ｂにそれぞれ個別に発電機６ａ，６
ｂが連結されている。また、ブレイトンサイクル側に入
口冷却器１４が設けられている。そして、燃料１１ａと
して供給する液体水素と液体酸素とが、この入口冷却器
１４の吸熱源として用いられるとともに、さらにランキ
ンサイクル側の復水器８の吸熱源として用いられ、その
後高温熱交換器５に導かれて燃焼されるようになってい
る。
【００５２】さらに、ブレイトンサイクル側の圧縮機１
に中間冷却器１５が設置され、この中間冷却器１５に入
口冷却器１４と共通な吸熱源が用いられるようになって
いる。さらにまた、復水タービン４と復水器８との間に
復水冷却器１６が設置され、その吸熱源として復水ポン
プ９と加圧ポンプ１０との間の水を用いる経路が追加さ
れている。
【００５３】このような第５実施形態によれば、前述し
た第１実施形態から第４実施形態までによって奏される
効果を総和した効果が得られるものである。
【００５４】他の実施形態 なお、上述した第５実施形態では、第１実施形態から第
４実施形態までの構成の全てを備えたものを示したが、
本発明はその他、図示しないが第１実施形態と第２実施
形態とを複合したもの、また第２実施形態と第３実施形
態とを複合したもの等、少くとも２つ以上を組合せた各
種の形態で実施することが可能である。
【００５５】
【発明の効果】以上で詳述したように、本発明によれ
ば、以下の効果が奏される。
【００５６】請求項１および請求項６の発明では、例え
ばブレイトンサイクル側の圧縮機、背圧タービンとラン
キンサイクル側の高圧タービン、復水タービンを別々の
軸で接続し、起動時にはブレイトンサイクル側だけを起
動モーターで回転して定格回転数に到達させ、運転が安
定してきたところでランキンサイクル側を起動させれ
ば、一軸のプラントに比べて少ない起動モーター動力で
始動でき、プラントの総合的熱効率の向上を図ることが
できる。
【００５７】また、請求項２の発明では、燃料として液
体酸素と液体水素とを供給するとすれば、その大きな冷
熱容量を利用して圧縮機入口冷却器の吸熱源として使用
した後に復水器の吸熱源として使用することができ、ま
たこの逆の順序で使用することもできる。これにより、
圧縮機入口温度を下げてガスタービン出力の上昇を図
り、排熱を系外に放出することを防止できるばかりでな
く、燃料の液体酸素および液体水素の気化を十分に行っ
てさらにその温度を高めることができるので、燃焼させ
る際に無駄な燃料を消費することを防ぐことができる。
これによって、プラントの熱効率を向上させ、出力を上
昇させることができる。
【００５８】請求項３の発明では、ブレイトンサイクル
側の圧縮機に中間冷却器を設置して、圧縮された不活性
ガスの温度を下げることによって高温熱交換器の温度
（水素と酸素の燃焼温度）と圧縮機吐出ガス温度との差
を大きくすることができる。これによって、ブレイトン
サイクルへの入熱が増加し、結果として出力が増加する
ため、現在の化石燃料を用いた同規模のガスタービンプ
ラントよりも大きな出力を発生させることができるよう
になる。
【００５９】この場合、中間冷却器の吸熱源に燃料とし
て供給される酸素と水素を用い、その大きな冷熱容量を
利用して十分に圧縮機内の温度を下げることが可能であ
る。これにより、大きな出力上昇が見込まれるのみなら
ず系外への排熱もないため、プラント熱効率の低下を防
止できる。
【００６０】また、中間冷却器の吸熱源にランキンサイ
クル側の作動流体を使用することによって、出力上昇と
排熱回収が見込まれるので、特に高温熱交換器へ導かれ
る前の水を用いることによってこの水の温度を高め、高
温熱交換器での無駄な燃料消費を防ぐことができる。こ
れによって、プラント熱効率の向上、出力の上昇が図れ
る。
【００６１】請求項４の発明では、中間冷却器の吸熱源
として燃料である液体酸素と液体水素を供給すること
で、大きな冷熱容量を利用して圧縮機入口冷却器、復水
器、圧縮機中間冷却器の３つの装置の吸熱源として十分
に利用することができ、系外への排熱を防ぎつつプラン
ト出力の上昇を図り、また、燃料を十分に気化して更に
温度を上昇させることによって、燃焼時の無駄な燃料消
費を抑えることができる。これによって、プラント熱効
率の向上、出力の上昇が図れる。
【００６２】請求項５の発明では、ランキンサイクル側
の復水タービンと復水器との間の水蒸気を復水ポンプと
加圧ポンプとの間の水で冷却するので、復水器での排熱
を低減し、また給水加熱を行うことによって高温熱交換
器へ入る水の温度を上昇させ、無駄な燃料消費を抑える
ことでプラント熱効率の向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す系統図。
【図２】本発明の第２の実施形態を示す系統図。
【図３】本発明の第３の実施形態を示す系統図。
【図４】本発明の第４の実施形態を示す系統図。
【図５】本発明の第５の実施形態を示す系統図。
【図６】従来の水素燃焼ガスタービンプラントの系統を
示す図。
【符号の説明】 １ 圧縮機 ２ 背圧タービン ３ 高圧タービン ４ 復水タービン ５ 高温熱交換器 ６ａ，６ｂ 発電機 ７ 低温熱交換器 ８ 復水器 ９ 復水ポンプ １０ 加圧ポンプ １１，１１ａ 燃料 １２ａ，１２ｂ 出力軸 １３ 排水 １４ 入口冷却器 １５ 中間冷却器 １６ 復水冷却器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F01K 23/06 F01K 25/00 F02C 1/10 F02C 6/18 F02C 9/40

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 不活性ガスを作動流体とするブレイトン
    サイクルと、水素と酸素からなる燃料の燃焼によって発
    生する水蒸気を作動流体とするランキンサイクルとを複
    合したシステム構成を有し、前記ブレイトンサイクル側
    は圧縮機、高温熱交換器、背圧タービン、低温熱交換器
    の順に接続されてクローズドサイクルを形成する一方、
    ランキンサイクル側は高温熱交換器、高圧タービン、低
    温熱交換器、復水タービン、復水器、復水ポンプの順に
    接続されて作動流体を全て排出するか、又は復水ポンプ
    から排水する間に分岐を設け、加圧ポンプ、高温熱交換
    器の順に接続してクローズドサイクルを形成するものに
    おいて、前記ブレイトンサイクル側の軸とランキンサイ
    クル側の軸とを分離した構成にしたことを特徴とする水
    素燃焼ガスタービンプラント。
  2. 【請求項２】 不活性ガスを作動流体とするブレイトン
    サイクルと、水素と酸素からなる燃料の燃焼によって発
    生する水蒸気を作動流体とするランキンサイクルとを複
    合したシステム構成を有し、前記ブレイトンサイクル側
    は圧縮機、高温熱交換器、背圧タービン、低温熱交換器
    の順に接続されてクローズドサイクルを形成する一方、
    ランキンサイクル側は高温熱交換器、高圧タービン、低
    温熱交換器、復水タービン、復水器、復水ポンプの順に
    接続されて作動流体を全て排出するか、又は復水ポンプ
    から排水する間に分岐を設け、加圧ポンプ、高温熱交換
    器の順に接続してクローズドサイクルを形成するものに
    おいて、前記ブレイトンサイクル側の低温熱交換器と圧
    縮機の間に冷却器を設置し、この冷却器の吸熱源は液体
    水素および液体酸素の少くともいずれか一方であること
    を特徴とする水素燃焼ガスタービンプラント。
  3. 【請求項３】 不活性ガスを作動流体とするブレイトン
    サイクルと、水素と酸素からなる燃料の燃焼によって発
    生する水蒸気を作動流体とするランキンサイクルとを複
    合したシステム構成を有し、前記ブレイトンサイクル側
    は圧縮機、高温熱交換器、背圧タービン、低温熱交換器
    の順に接続されてクローズドサイクルを形成する一方、
    ランキンサイクル側は高温熱交換器、高圧タービン、低
    温熱交換器、復水タービン、復水器、復水ポンプの順に
    接続されて作動流体を全て排出するか、又は復水ポンプ
    から排水する間に分岐を設け、加圧ポンプ、高温熱交換
    器の順に接続してクローズドサイクルを形成するものに
    おいて、前記ブレイトンサイクル側の圧縮機に中間冷却
    器を設置したことを特徴とする水素燃焼ガスタービンプ
    ラント。
  4. 【請求項４】 不活性ガスを作動流体とするブレイトン
    サイクルと、水素と酸素からなる燃料の燃焼によって発
    生する水蒸気を作動流体とするランキンサイクルとを複
    合したシステム構成を有し、前記ブレイトンサイクル側
    は圧縮機、高温熱交換器、背圧タービン、低温熱交換器
    の順に接続されてクローズドサイクルを形成する一方、
    ランキンサイクル側は高温熱交換器、高圧タービン、低
    温熱交換器、復水タービン、復水器、復水ポンプの順に
    接続されて作動流体を全て排出するか、又は復水ポンプ
    から排水する間に分岐を設け、加圧ポンプ、高温熱交換
    器の順に接続してクローズドサイクルを形成するものに
    おいて、前記ランキンサイクル側の復水タービンと復水
    器との間に復水冷却器を設置し、その吸熱源として復水
    後の排水であることを特徴とする水素燃焼ガスタービン
    プラント。
  5. 【請求項５】 請求項１、２、３、４のいずれか２項以
    上の構成を組合せてなることを特徴とする水素燃焼ガス
    タービンプラント。
  6. 【請求項６】 請求項１記載の水素燃焼ガスタービンプ
    ラントの各軸毎に発電機を連結して運転を行い、その起
    動に際し、ブレイトンサイクル側の軸のみを外部力で強
    制的に回転させることを特徴とする水素燃焼ガスタービ
    ンプラントの運転方法。
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