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JPH0586898A - 半開放サイクル動作型天然ガス蒸気タービンシステム - Google Patents

半開放サイクル動作型天然ガス蒸気タービンシステム

Info

Publication number
JPH0586898A
JPH0586898A JP4061571A JP6157192A JPH0586898A JP H0586898 A JPH0586898 A JP H0586898A JP 4061571 A JP4061571 A JP 4061571A JP 6157192 A JP6157192 A JP 6157192A JP H0586898 A JPH0586898 A JP H0586898A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
steam
natural gas
semi
turbine system
open cycle
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP4061571A
Other languages
English (en)
Inventor
Remi Guillet
ギイエ レミ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Engie SA
Original Assignee
Gaz de France SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Gaz de France SA filed Critical Gaz de France SA
Publication of JPH0586898A publication Critical patent/JPH0586898A/ja
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D1/00—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/20—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using a special fuel, oxidant, or dilution fluid to generate the combustion products
    • F02C3/30—Adding water, steam or other fluids for influencing combustion, e.g. to obtain cleaner exhaust gases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/08—Heating air supply before combustion, e.g. by exhaust gases
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/14—Combined heat and power generation [CHP]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
  • Acyclic And Carbocyclic Compounds In Medicinal Compositions (AREA)
  • Fats And Perfumes (AREA)
  • Gas Separation By Absorption (AREA)
  • Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Industrial Gases (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 使用される回転機械の大きさを小型化すると
ともに、機械的な、さらに機械・熱エネルギー同時発生
の場合には、熱的な面からみたエネルギー効率をも改善
することができ、同時に環境保護にも優れた、天然ガス
タービンシステムを提供する。 【構成】 天然ガスタービンシステムは、少なくとも１
つの燃焼室１と、膨脹タービン２と、上記膨脹タービン
２により駆動される空気圧縮機と、上記膨脹タービン２
を少なくとも１つの機械的エネルギーの外部受容器４に
接続するための手段とを備えている。天然ガスタービン
システムは、さらに、燃焼室内に熱的バラストを構成す
るための水を噴射する手段を備え、用いられる圧縮空気
の量を理論的燃焼に要求される酸化空気の量に近付けて
いる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、気体燃料と酸化空気の
供給を受けるバーナーを設けた少なくとも１つの燃焼室
と、燃焼ガスが加えられる羽根翼を有する膨脹タービン
と、膨脹タービンにより駆動され上記バーナーに与えら
れる酸化空気流を圧縮するための空気圧縮機と、膨脹タ
ービンを少なくとも１つの機械的エネルギーの外部受容
器に接続するための手段とを備えた天然ガスタービンシ
ステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】ここ数年、定置型ガスタービンは、特に
蒸気タービンと組合わせて電力製造用に、そして、特に
エネルギー同時発生的用途、すなわち、機械的仕事と熱
エネルギーを同時に供給するような用途に用いられてい
る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】現在、最新式のガスタ
ービンの総合的な機械効率は蒸気タービンの機械効率と
同程度に良好である。しかし、空気を圧縮するための仕
事を生産する必要があることから、ガスタービンの効率
は膨脹タービンについては低下する。
【０００４】また、過度に高温のガスによるタービンの
破損を防ぐためには余剰分の空気を酸化空気とともに圧
縮する必要があり、この余剰分はしばしば酸化空気の容
積の２倍以上にもなる。このことから、空気を圧縮する
ための仕事はよりいっそう増加することになる。現在、
膨脹タービンが許容可能な最大限界温度は１０００℃よ
り高いが、約１２５０℃以上には上げることができな
い。
【０００５】また、ガスタービンの総合的な機械効率
は、ターボ圧縮機のポリトロープ効率に非常に大きく影
響される。
【０００６】さらに、同じ出力においては、まず圧縮機
を駆動するための仕事を生産しなければならない「ガス
タービン」の膨脹タービンは、蒸気タービンよりもかな
り大きくなり、機械効率の低下にともない急激に増大す
る。
【０００７】最後に、ガスタービンの軸により駆動され
る空気圧縮機を設けなければならない。そして、圧縮機
の大きさは、圧縮機の機械効率の低下にともない急激に
増大する。
【０００８】また、現在、環境保護の目的のため燃焼熱
機関について酸化窒素の放出を減少させるための努力が
なされていることも忘れてはならない。
【０００９】公知の技術のひとつは、反応領域にできる
限り近い位置で、炎を液状水または水蒸気で「消炎」す
ることにより発生源に働きかけることである。
【００１０】しかしながら、消炎現象を起こすために水
を噴射することから、噴射を正確に制御するとともに量
的に制限することにより、適正燃焼の妨害を回避、特
に、一酸化炭素発生を回避する必要がある。
【００１１】さらに、炎の「消炎」は、反応領域内での
最大温度または断熱燃焼温度に影響するものではなく、
結合して酸化窒素（ＮＯｘ）を構成し得る元素が高温に
さらされる時間を左右するにすぎないことから、その効
率は限られている。
【００１２】そこで、本発明の技術的課題は、上述の欠
点を除き、使用される回転機械を小型化するとともに、
機械的な、さらにエネルギー同時発生の場合には、熱的
な面からみたエネルギー効率をも改善することができ、
同時に環境保護にも優れた、天然ガスタービンシステム
を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、気体燃
料と酸化空気の供給を受けるバーナーを設けた少なくと
も１つの燃焼室と、燃焼ガスが加えられる羽根翼を有す
る膨脹タービンと、上記膨脹タービンにより駆動され上
記バーナーに与えられる酸化空気流を圧縮するための空
気圧縮機と、上記膨脹タービンを少なくとも１つの機械
的エネルギーの外部受容器に接続するための手段とを備
え、上記膨脹タービンからの排気ガスの通路に設けられ
た復熱凝縮器から到来する燃焼生成物と、導入される大
気との間で熱交換するための質量熱交換器を設けて、上
記空気圧縮機に入る前に大気を予め加湿できるようにし
たことを特徴とする、天然ガス及び蒸気を用いた半開放
サイクル動作型タービンシステムにより達成される。
【００１４】上記システムに、さらに、以下の手段のひ
とつを設けることができる。
【００１５】ａ）膨脹タービンの直後の排気ガスの通路
に設けられた復熱式蒸気発生過熱器により製造される蒸
気を噴射するために、空気圧縮機出口とバーナー入口の
間の圧縮酸化空気領域に配置された、蒸気噴射装置。
【００１６】ｂ）膨脹タービンの直後の排気ガスの通路
に設けられた復熱式蒸気発生過熱器により製造される蒸
気を噴射するために、燃焼室内の燃焼領域の後かつ膨脹
タービンの第１段の羽根翼の前に配置された、蒸気噴射
装置。
【００１７】ｃ）膨脹タービンからの排気ガスの通路に
設けられ排気ガスの顕熱及び潜熱の両方を集める復熱凝
縮器において生成された凝縮水をリサイクルすることに
より得られる液状水を噴射するために、空気圧縮機出口
とバーナー入口の間の圧縮酸化空気領域に配置された、
液状水噴射装置。
【００１８】ｄ）膨脹タービンからの排気ガスの通路に
設けられ排気ガスの顕熱及び潜熱の両方を集める復熱凝
縮器において生成された凝縮水をリサイクルすることに
より得られる液状水を噴射するために、燃焼室内の燃焼
領域の後かつ膨脹タービンの第１段の羽根翼の前に配置
された、液状水噴射装置。
【００１９】すべての噴射水により燃焼室内における熱
的バラストが構成されるため、使用される圧縮空気の量
は理論的燃焼の所要量に近づく。
【００２０】燃焼から生じる高温圧縮ガスを膨脹タービ
ンの最大許容入口温度以下に保つために通常必要とされ
る余剰燃焼空気に代わる熱的バラストを構成するすべて
の噴射水は、質量熱交換器すなわち「蒸気ポンプ」によ
りリサイクルされる水を除き、液相状態において圧縮さ
れるので、そのための機械的エネルギーの量はほとんど
無視できる。
【００２１】本システムは、膨脹タービンの直後の排気
ガスの通路上に配置された復熱式蒸気発生過熱器を含
み、この復熱式蒸気発生過熱器は、空気圧縮機出口とバ
ーナー入口の間の圧縮酸化空気領域内に配置された蒸気
噴射装置と、燃焼室内の燃焼領域の後かつ膨脹タービン
の第１段の羽根翼の前に配置された蒸気噴射装置の両方
に蒸気を供給するものである。
【００２２】また、本システムは、復熱凝縮器を含み、
この復熱凝縮器は、膨脹タービンからの排気ガスの通路
に配置され、排気ガスの顕熱と潜熱の両方を集め、凝縮
液収集器に凝縮液を供給する。凝縮液収集器には、再生
水タンクに液状水として供給される水の水質を維持し調
節するための装置が設けられている。再生水タンクから
復熱式蒸気発生過熱器に加圧リサイクル水を供給するた
めに、供給ダクトが設けられている。液状水は同じタン
クから、空気圧縮機出口とバーナー入口の間の圧縮酸化
空気領域に配置された液状水発射装置と、燃焼室内の燃
焼領域の後かつ膨脹タービンの第１段の羽根の前に配置
された液状水発射装置の双方に対しても、リサイクルさ
れる。
【００２３】復熱式蒸気発生過熱器と復熱凝縮器は、膨
脹タービンからの排気ガスの通路にこの順序で前後して
配置される。
【００２４】また、液状水を加圧状態で供給するため、
本システムは、液状水を再生水タンクからリサイクルさ
せるためのダクトに、少なくとも１つのポンプを設けて
いる。
【００２５】本発明の特別の態様によれば、膨脹タービ
ン出口と復熱凝縮器との間に配置され、膨脹タービンか
らの排気ガスを利用する復熱式蒸気発生過熱器は、シス
テム内の蒸気噴射装置に供給する以外の目的のために蒸
気を製造するものとしても充分に役立つものである。
【００２６】必要に応じ、本システムに、燃料ガスと酸
化空気の供給を受ける補助バーナーを、復熱式蒸気発生
過熱器と組合わせて設けてもよい。
【００２７】さらに、外部水源から液状水噴射装置に水
を供給するための手段を設けることもできる。
【００２８】本発明は、さらに、多段式空気圧縮機を設
けたシステムにも適用できる。この場合、複数個の液状
水あるいは蒸気噴射装置を、圧縮機の多数段の間に分布
させる。
【００２９】本発明は、現存のシステム、たとえば、２
つのガスタービンの組合せに対して圧縮機をひとつだけ
作動させるものにも適用することができる。
【００３０】本発明は、また、気体燃料と酸化空気の供
給を受けるバーナーをそれぞれ設けた第１及び第２の燃
焼室と、それぞれ上記第１及び第２の燃焼室から燃焼ガ
スが与えられる第１及び第２の膨脹タービンと、１つの
復熱式蒸気発生過熱器と、１つの復熱凝縮器と、１つの
質量熱交換器とを備え、上記復熱式蒸気発生過熱器と上
記復熱凝縮器と上記質量熱交換器は上記第１及び第２の
膨脹タービンからの排気ガスの通路上にこの順序で連続
して配置され、さらに、上記第１及び第２の膨脹タービ
ンにより駆動される１つの空気圧縮機と、上記第１及び
第２の燃焼室に取りつけられた各バーナーに空気を分配
するための酸化空気分配器とを備え、上記酸化空気分配
器は、空気圧縮機出口の下流にある圧縮酸化空気領域に
配置された蒸気噴射装置の下流に、かつ、空気圧縮機出
口の下流にある圧縮酸化空気領域に配置された液状水噴
射装置の上流に配置され、上記質量熱交換器は、上記第
１及び第２の膨脹タービンからの排気ガスの通路に配置
された上記復熱凝縮器からの燃焼生成物と導入される大
気との間の熱交換を行ない、圧縮機に入るまえに大気を
予め加湿できるようにしたことを特徴とするシステムを
提供するものである。
【００３１】本発明のシステムによれば、膨脹ガスが復
熱凝縮器を通過した結果として凝縮後に回収される水の
再噴射（蒸気と液体の両方の状態において、異なるレベ
ルで水質を監視したのち）を行なうため、ガスタービン
を半開放サイクルで動作させることが可能となる。再噴
射された水は、従来の余剰空気の位置を占めそれに置き
換わる熱的バラストを構成する。したがって、究極的に
は、理論的燃焼に厳密に要求される量以上の余剰酸化空
気を使用しないで済むことになる。
【００３２】両方の状態における水の量の相対比率を調
整することにより、圧縮機出口及び膨脹タービン入口に
おける圧力条件及び温度条件を最適値に保つことが可能
となる。
【００３３】本発明の利点の中で、まず、従来のガスタ
ービンにおける圧縮機にくらべて使用する圧縮機の大き
さを大幅に減少できることがあげられる。これは、大量
の余剰空気を燃焼室内に噴射する必要がないためであ
る。
【００３４】さらに、一定の寸法や熱力学的条件に対し
て、タービンから得られる機械的出力は大幅に増加し、
従来のガスタービンにくらべて約６０％の出力増がみら
れる。
【００３５】質量熱交換器（蒸気ポンプとも呼ばれる）
を用いることにより、機械効率はさらに増加し、従来の
ガスタービンの機械効率よりも常に大きくなる。そし
て、最大顕熱と潜熱を蒸気から有効に回収することによ
りエネルギー同時発生が行なわれる場合には、総合的な
熱効率は「総」すなわち「高」発熱量（ＨＣＶ）で９０
％を越える。
【００３６】本発明において提起された手段は、環境保
護の観点からも非常に好ましいものである。なぜなら、
公知のガスタービンと比較して、酸化空気が燃焼に先立
って冷却され、燃焼は湿潤空気すなわち不活性ガス含有
空気を用いて行なわれ、断熱燃焼温度が低下するからで
ある。
【００３７】上述の２つの要因により、約３対１の割合
で酸化窒素（ＮＯｘ）形成の減少が実現できる。
【００３８】本発明の半開放サイクルシステムは、たと
えば、膨脹タービンにわずかに過負荷をかけることが許
容可能であれば現存の機械をそのまま用い、あるいは、
２つの機械を用いる場合にはそのうち１方の圧縮機のみ
を使用することにより、現存のターボ圧縮機に適用する
こともできる。
【００３９】本発明のその他の特徴と利点は、２つの実
施例に基づく以下の説明から明らかにされる。但し、本
発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００４０】
【実施例】次に、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。
【００４１】図１に示す本発明の実施例の装置によれ
ば、天然ガスからなる燃料から仕事と熱の両方を得るこ
とができる。機械的仕事は膨脹タービン２から得られ、
交流発電機などの機械的エネルギー受容器４に受容され
る。熱エネルギーは膨脹タービンからの膨脹高熱ガスか
ら得られる。
【００４２】図１の装置において、従来と同様、燃焼室
１には、噴射器１７を介して燃料ガス、圧縮空気供給ダ
クト３１を介して酸化空気の供給を受けるバーナー１９
が取りつけられている。燃焼室１からの燃焼生成物は、
受容器４と空気圧縮機３の両方を駆動する膨脹タービン
２の羽根翼に印加される。空気圧縮機３は、主ダクト３
０から取り入れた大気を圧縮し、圧縮空気をダクト３１
に供給するものである。
【００４３】本発明の装置においては、従来の装置と異
なり、理論的燃焼の所要量に近似した量の酸化空気のみ
をダクト３１を介してバーナー１９に供給すれば充分で
あり、空気圧縮機３を小型化できる。したがって、膨脹
タービン２から得られる機械的有効出力は、大幅に増大
する。
【００４４】膨脹タービン２に印加されるガスは、燃焼
室１の出口において、約１５バールの供給圧のもとで膨
脹タービン２の羽根翼に対して高すぎない温度、すなわ
ち、約１２５０℃を越えない温度に保たれなければなら
ない。本発明では、蒸気または液状水を噴射することに
より燃焼室１内に熱バラストを構成している。
【００４５】このため、図１に示すように、蒸気噴射装
置１３を圧縮機３の出口とバーナー１９との間に設けて
いる。
【００４６】さらに、蒸気噴射装置１４が燃焼室１内に
設けられ、燃焼領域の後かつ膨脹タービン２の第１段の
羽根翼の前に配置されている。
【００４７】第１の液状水噴射装置１５が、圧縮機３の
出口をバーナーに連結するダクト３１に設けられ、たと
えば、蒸気噴射装置１３の上流に配置されている。
【００４８】さらに、第２の液状水噴射装置１６が燃焼
室１内に設けられ、燃焼領域の後かつ膨脹タービンの第
１段の羽根翼の前に配置され、燃焼室１内に水を直接噴
射できるようになっている。
【００４９】調整弁２１及び２２は、動作条件を最適化
するために、噴射装置１５及び１６により噴射される水
の量を調整するものである。
【００５０】燃焼領域内に噴射される液状水と蒸気は、
第１に圧縮機３の出口とバーナー１９の入口の間に、第
２に燃焼室１内に直接噴射されるが、この液状水と蒸気
の比率を調整することにより、燃焼室１内に充分な熱バ
ラストを構成して余剰空気を不要とすることができると
ともに、圧縮機３の出口及び膨脹タービン２の入口にお
ける圧力と温度条件を最適に保つことができる。
【００５１】空気圧縮機３が複数段を備えている場合に
は、空気圧縮機の各段に分配される水を液状及び蒸気と
して噴射するための装置１５及び１３を複数個設けて、
等温圧縮状態に近づかせる。
【００５２】液状水噴射装置１５及び１６あるいは復熱
式蒸気発生過熱器５のために、ひとつ以上のポンプ９を
液状水供給ダクトに設け、噴霧に必要な圧力まで、ある
いは、その蒸発圧力まで、液状水の圧力を上昇させるこ
とができるようになっている。
【００５３】図１において、復熱式蒸気発生過熱器５
は、膨脹タービン２の出口からの排気ガスを排気するた
めのダクト４０上に設けられている。復熱式蒸気発生過
熱器５において製造された蒸気は、第１に、外部使用の
ための蒸気として出口弁２５へ、第２に、蒸気噴射装置
１３及び１４へ、ダクト１２により送出される。弁２５
は、特に、蒸気噴射装置１３及び１４に与えられる蒸気
流の速度を調節するために用いられる。同様に、調整弁
２１及び２２により、噴射装置１５及び１６により噴射
される液状水の流速を調節できる。
【００５４】必要に応じ、噴射装置１３及び１４に供給
するための蒸気の生成を最適化するために、復熱式蒸気
発生過熱器５に補助バーナー２０を設けることもでき
る。補助バーナー２０は、燃料ガス噴射装置１８と、蒸
気ポンプ７から到来する湿潤酸化空気を供給するための
ダクト３２に連結される。このダクト３２は、圧縮機３
に大気を供給する主ダクト３０からの分岐でかまわな
い。
【００５５】復熱凝縮装置６が、膨脹タービン２の出口
からのガスを排気するためのダクト４０に設けられ、復
熱式蒸気発生過熱器５の下流に配置されている。復熱凝
縮装置６は、外部の熱運搬流体のための入口２３と出口
２４を有し、さらに、凝縮液を凝縮液収集容器８に送る
ための出口４３を有している。
【００５６】外部に開放したダクト２６が、凝縮液収集
器８内に入っている。このダクト２６は、弁２５から取
り出した蒸気を外部で用いたときにシステム外部で発生
する凝縮液のための帰還路を構成する。
【００５７】水質を監視し、特にｐＨを調節するため
に、ｐＨ調節装置２７が凝縮液収集器８に取りつけられ
ている。収集器８内の凝縮液は、ｐＨ調節装置２７を通
過した後、タンク２８に集められる。タンク２８は、調
整弁２１及び２２を介して噴射装置１５及び１６に対し
て、そして、復熱式蒸気発生過熱器５に対して液状水を
供給するためのポンプ９を介して、システム内に再噴射
するための水源となる。
【００５８】特に起動時など、必要に応じ、タンク２８
にシステム外部の水源から補助的に液状水を送るように
してもよい。しかし、本システムの通常の動作中におい
ては、水を自給自足でき、実際のところ余剰の水を生成
するほどである。
【００５９】本発明の重要な態様によれば、本システム
は、質量熱交換器７を有し、この質量熱交換器７は、煙
道ガス出口１１から排気するためのダクト４０に設けら
れた復熱器５及び６を出る排気ガスと、大気入口１０か
ら主ダクト３０に導入される新鮮な空気の間で熱交換を
行なうものである。
【００６０】蒸気ポンプとも呼ばれる質量熱交換器は、
熱的プロセスにより要求される酸化空気に対して、凝縮
発生器から出る燃焼生成物に含まれる顕在エネルギー及
び潜在エネルギーを、多少なりともリサイクルできるよ
うにするものである。いろいろな質量熱交換器の例は、
たとえば、フランス特許公報第２４４６４６０号、フラ
ンス特許公報第２５０８６１６号、フランス特許出願第
８９１３９４５号などに開示されている。
【００６１】蒸気ポンプ７の使用により、空気入口１０
を介して主ダクト３０内に噴射される大気は圧縮機３に
入る前に予め加湿され、残存エンタルピーのリサイクル
が可能となる。
【００６２】このような大気の予湿により、言い換えれ
ば、蒸気ポンプ７の使用により、総合的エネルギー及び
熱力学的効率の観点から、ならびに、酸化窒素の生成抑
制の観点からみたサイクルの効率をさらに改善すること
が可能となる。図１は、蒸気ポンプ７からの余剰凝縮液
がダクトを介して凝縮液収集器８に送られることを示し
ている。
【００６３】つぎに、本発明の実施例を２つの圧縮機を
含む装置に適用する場合について図２を参照して説明す
る。
【００６４】図２から明らかなように、それぞれ対応す
る燃焼室１に連結された２つの膨脹タービン２と組合わ
せて１つの空気圧縮機３を用いることが可能である。こ
のような構成により、１つ以上の受容器４への取出口に
おいて得られる機械的出力を増大させる。
【００６５】図２の構成は図１と類似しているため、同
様な部分には同様な参照番号を付し、その説明は省略す
る。
【００６６】加圧空気を供給するためのダクト３１が圧
縮機３の出口に配置され、噴射装置１５により水を液状
あるいは蒸気の状態でダクト３１内に噴射する。ダクト
３１は、２つの２次ダクト３３及び３４に分岐し、各２
次ダクトは対応する燃焼室１の各バーナー１９に対して
酸化空気を供給する。そらせ翼２９が、２つの２次ダク
ト３３及び３４が主ダクト３１につながる位置に設けら
れ、各バーナー１９に対する加圧湿潤空気の分配を調節
できるようになっている。
【００６７】さらに、各燃焼室１には、それぞれ液状水
噴射装置１６を設けてタンク２８内から水を取り出し、
また、それぞれ蒸気噴射装置１４を設けて復熱式蒸気発
生過熱器５からのダクト１２により供給される水を取り
込んでいる。復熱式蒸気発生過熱器５には、２つの膨脹
タービン２によりダクト４１及び４２を介してすべての
膨脹ガスが与えられる。図１の場合と同様、復熱凝縮装
置６は、復熱式蒸気発生過熱器５の下流に直列に配置さ
れている。
【００６８】図１と同様に、復熱凝縮装置６からの膨脹
燃焼ガスは、つぎに、蒸気ポンプ７を介して煙道ガス排
気出口１１に送られる。
【００６９】従来のガスタービンシステムと比較して、
本発明による天然ガス及び蒸気を用いた半開放サイクル
動作型タービンシステムの利点を明示するため、本発明
による天然ガス及び蒸気を用いたタービンシステムのさ
まざまな実施例の性能を比較する表を以下に示す。これ
は、従来のガスタービンＴＧと、本発明のシステムＴＧ
Ｖ０、ＴＧＶ４０、ＴＧＶ５５、ＴＧＶ７０とを、膨脹
タービン２の入口において同一の温度及び圧力条件下
（１２５０℃、１５バール）で動作させて比較したもの
である。
【００７０】
【表１】
【００７１】表において用いた省略形の表現について以
下に説明する。
【００７２】ＴＧ：基準としての従来のガスタービン、 ＴＧＶ０：蒸気ポンプを持たない天然ガス及び蒸気ター
ビン、 ＴＧＶ４０、５５、７０：蒸気ポンプ出口においてそれ
ぞれ４０℃、５５℃、７０℃の飽和酸化空気を製造する
蒸気ポンプを備えた天然ガス及び蒸気タービン、 Ｔ．Ｅ．：総合エネルギー効率（ＨＣＶとの比較。復熱
凝縮器において回収された熱により水を６５℃から８５
℃に加熱する場合のもの。）、 Ｒｍ０．８５：膨脹タービンと圧縮機のポリトロープ効
率がともに０．８５の場合のタービンの機械効率
（「純」あるいは「低」発熱量（ＬＣＶ）と比較した効
率）、 ＮＯｘ効果：従来のガスタービンＴＧと比較してのＮＯ
ｘ形成減少の予測最小値、 Ｔｄ０．８５及びＴｃ０．８５：従来のガスタービンＴ
Ｇと比較しての、膨脹タービンと圧縮機の各サイズ、で
ある。
【００７３】
【発明の効果】以上説明したとおり、本発明によれば、
噴射される水により燃焼室内における熱的バラストが構
成され、使用される圧縮空気の量を理論的燃焼の所要量
に近づけることができ、余剰空気が大幅に削減されるの
で、装置の小型化が可能となるとともに、余剰空気の圧
縮のための機械的エネルギーも節減されるため、エネル
ギー効率が改善される。また、質量熱交換器を用いるこ
とにより、燃焼生成物に含まれる顕在エネルギー及び潜
在エネルギーを有効に回収できるので、機械効率はさら
に増大する。さらに、酸化空気が燃焼に先立って冷却さ
れ、燃焼は湿潤空気すなわち不活性ガス含有空気を用い
て行なわれ、断熱燃焼温度が低下するので、酸化窒素
（ＮＯｘ）の形成を抑制することができ、環境保護の面
からも優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の機械・熱エネルギー同時発生型天然ガ
スタービンシステムの、１つのターボ圧縮機を用いた実
施例の概略全体図である。
【図２】本発明の機械・熱エネルギー同時発生型天然ガ
スタービンシステムの、２つのターボ圧縮機と１つの空
気圧縮機を用いた実施例の概略全体図である。
【符号の説明】
１…燃焼室 ２…膨脹タービン ３…空気圧縮機 ４…機械的エネルギーの外部受容器 ５…復熱式蒸気発生過熱器 ６…復熱凝縮器 ７…質量熱交換器 ８…凝縮液収集器 ９…ポンプ １３…蒸気噴射装置 １４…蒸気噴射装置 １５…液状水噴射装置 １６…液状水噴射装置 １９…バーナー ２０…補助バーナー ２７…ｐＨ調節装置 ２８…再生水タンク ２９…そらせ翼

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 気体燃料と酸化空気の供給を受けるバー
    ナーを設けた少なくとも１つの燃焼室と、 燃焼ガスが加えられる羽根翼を有する膨脹タービンと、 上記膨脹タービンにより駆動され上記バーナーに与えら
    れる酸化空気流を圧縮するための空気圧縮機と、 上記膨脹タービンを少なくとも１つの機械的エネルギー
    の外部受容器に接続するための手段とを備え、 上記膨脹タービンからの排気ガスの通路に設けられた復
    熱凝縮器から到来する燃焼生成物と、導入される大気と
    の間で熱交換するための質量熱交換器を設けて、上記空
    気圧縮機に入る前に大気を予め加湿できるようにしたこ
    とを特徴とする、天然ガス及び蒸気を用いた半開放サイ
    クル動作型タービンシステム。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の天然ガス及び蒸気を用い
    た半開放サイクル動作型タービンシステムにおいて、 上記膨脹タービンからの排気ガスの通路に配置され、排
    気ガスの顕熱と潜熱の両方を集め、凝縮液収集器に凝縮
    液を供給するための復熱凝縮器を有し、 上記凝縮液収集器には、再生水タンクに液状水として供
    給される水の水質を維持し調節するための装置を設けた
    ことを特徴とする天然ガス及び蒸気を用いた半開放サイ
    クル動作型タービンシステム。
  3. 【請求項３】 請求項２記載の天然ガス及び蒸気を用い
    た半開放サイクル動作型タービンシステムにおいて、 空気圧縮機出口とバーナー入口の間の圧縮酸化空気領域
    に配置された液状水噴射装置を有し、 噴射される液状水は上記再生水タンクから取り出される
    ことを特徴とする天然ガス及び蒸気を用いた半開放サイ
    クル動作型タービンシステム。
  4. 【請求項４】 請求項２または請求項３記載の天然ガス
    及び蒸気を用いた半開放サイクル動作型タービンシステ
    ムにおいて、 上記燃焼室内の燃焼領域の後かつ上記膨脹タービンの第
    １段の羽根翼の前に配置された液状水噴射装置を有し、 噴射される液状水は上記再生水タンクから取り出される
    ことを特徴とする天然ガス及び蒸気を用いた半開放サイ
    クル動作型タービンシステム。
  5. 【請求項５】 請求項２記載の天然ガス及び蒸気を用い
    た半開放サイクル動作型タービンシステムにおいて、 上記膨脹タービンの直後の排気ガスの通路上に配置され
    た復熱式蒸気発生過熱器と、 上記再生水タンク内の水からリサイクル水を取り出して
    上記復熱式蒸気発生過熱器に供給するための供給ダクト
    とを有することを特徴とする天然ガス及び蒸気を用いた
    半開放サイクル動作型タービンシステム。
  6. 【請求項６】 請求項５記載の天然ガス及び蒸気を用い
    た半開放サイクル動作型タービンシステムにおいて、 空気圧縮機出口とバーナー入口の間の圧縮酸化空気領域
    に配置された蒸気噴射装置を有し、 噴射される蒸気は、上記膨脹タービンの直後の排気ガス
    の通路に設けられた上記復熱式蒸気発生過熱器により製
    造されることを特徴とする天然ガス及び蒸気を用いた半
    開放サイクル動作型タービンシステム。
  7. 【請求項７】 請求項５または請求項６記載の天然ガス
    及び蒸気を用いた半開放サイクル動作型タービンシステ
    ムにおいて、 上記燃焼室内の燃焼領域の後かつ上記膨脹タービンの第
    １段の羽根翼の前に配置された蒸気噴射装置を有し、 噴射される蒸気は、上記膨脹タービンの直後の排気ガス
    の通路に設けられた上記復熱式蒸気発生過熱器により製
    造されることを特徴とする天然ガス及び蒸気を用いた半
    開放サイクル動作型タービンシステム。
  8. 【請求項８】 請求項２または請求項５記載の天然ガス
    及び蒸気を用いた半開放サイクル動作型タービンシステ
    ムにおいて、 上記復熱式蒸気発生過熱器と上記復熱凝縮器とは、上記
    膨脹タービンからの排気ガスの通路にこの順序で連続し
    て配置されることを特徴とする天然ガス及び蒸気を用い
    た半開放サイクル動作型タービンシステム。
  9. 【請求項９】 請求項２記載の天然ガス及び蒸気を用い
    た半開放サイクル動作型タービンシステムにおいて、 液状水を上記再生水タンクからリサイクルさせるための
    ダクトに、少なくとも１つのポンプを設けたことを特徴
    とする天然ガス及び蒸気を用いた半開放サイクル動作型
    タービンシステム。
  10. 【請求項１０】 請求項５乃至請求項８記載のいずれか
    の天然ガス及び蒸気を用いた半開放サイクル動作型ター
    ビンシステムにおいて、 燃料ガスと酸化空気の供給を受ける補助バーナーを、上
    記復熱式蒸気発生過熱器と組合わせて設けたことを特徴
    とする天然ガス及び蒸気を用いた半開放サイクル動作型
    タービンシステム。
  11. 【請求項１１】 請求項３または請求項４記載の天然ガ
    ス及び蒸気を用いた半開放サイクル動作型タービンシス
    テムにおいて、 外部水源から上記液状水噴射装置に水を供給するための
    手段を設けたことを特徴とする天然ガス及び蒸気を用い
    た半開放サイクル動作型タービンシステム。
  12. 【請求項１２】 請求項１乃至請求項１１記載のいずれ
    かの天然ガス及び蒸気を用いた半開放サイクル動作型タ
    ービンシステムにおいて、 多段式圧縮機と、 上記圧縮機の多数段の間に分布させた複数個の液状水噴
    射装置及び蒸気噴射装置とを有することを特徴とする天
    然ガス及び蒸気を用いた半開放サイクル動作型タービン
    システム。
  13. 【請求項１３】 請求項１乃至請求項１２記載のいずれ
    かの天然ガス及び蒸気を用いた半開放サイクル動作型タ
    ービンシステムにおいて、 気体燃料と酸化空気との供給を受けるバーナーをそれぞ
    れ設けた第１及び第２の燃焼室と、 それぞれ上記第１及び第２の燃焼室から燃焼ガスが与え
    られる第１及び第２の膨脹タービンと、 １つの復熱式蒸気発生過熱器と、 １つの復熱凝縮器と、 １つの質量熱交換器とを備え、 上記復熱式蒸気発生過熱器と上記復熱凝縮器と上記質量
    熱交換器とは、上記第１及び第２の膨脹タービンからの
    排気ガスの通路上にこの順序で連続して配置され、 さらに、上記第１及び第２の膨脹タービンにより駆動さ
    れる１つの空気圧縮機と、 上記第１及び第２の燃焼室に取りつけられた各バーナー
    に空気を分配するための酸化空気分配器とを備え、 上記酸化空気分配器は、空気圧縮機出口の下流にある圧
    縮酸化空気領域に配置された蒸気噴射装置の下流に、か
    つ、空気圧縮機出口の下流にある圧縮酸化空気領域に配
    置された液状水噴射装置の下流に配置され、 上記質量熱交換器は、上記第１及び第２の膨脹タービン
    からの排気ガスの通路に配置された上記復熱凝縮器から
    の燃焼生成物と導入される大気との間の熱交換を行な
    い、圧縮機に入るまえに大気を予め加湿できるようにし
    たことを特徴とする天然ガス及び蒸気を用いた半開放サ
    イクル動作型タービンシステム。
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