(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
純酸素と水素を当量燃焼させた熱で蒸気を発生させ、該蒸気を複数段のタービンに順次導入してこれらを駆動し、最終段のタービンの出口蒸気を全量復水させて前記純酸素と水素の当量燃焼で発生した水分を系外へ排出してから再び給水する水素燃焼タービンシステムにおいて、高圧タービンと低圧タービンとの間に少なくとも２段以上の中圧タービンを設けると共に各中圧タービンに純酸素と水素を当量燃焼させて前段のタービンの出口蒸気を再加熱する水素燃焼器をそれぞれ設ける一方、前記各中圧タービンの出口蒸気を熱源として前記各熱交換器で給水の一部を加熱して蒸気を発生させ、その発生蒸気の全量を高圧タービンに導入すると共に前記高圧タービンの出口蒸気を上流側の前記水素燃焼器に導入して再加熱すると共に上流側の中圧タービンに導入してこれを駆動し、更に該上流側の中圧タービンの出口蒸気を下流側の前記熱交換器の熱源とした後に下流側の前記水素燃焼器で再加熱してから下流側の中圧タービンに導入してこれを駆動し、かつ該下流側の中圧タービンの出口蒸気を下流側の前記熱交換器の熱源として利用してから前記低圧タービンに導入してこれを駆動するようにしたことを特徴とする水素燃焼タービンシステム。
【請求項２】
前記上流側の熱交換器を通過して中圧タービンの出口蒸気を熱源として蒸発した蒸気を導入し、前記上流側の水素燃焼器で再加熱された蒸気を熱源として過熱する過熱器を前記上流側の水素燃焼器と中圧タービンとの間に設置したことを特徴とする請求項１記載の水素燃焼タービンシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、水素燃焼タービンシステムに関する。更に詳述すると、本発明は、水素を燃焼させて生成された燃焼ガスによってタービンを駆動し、このタービンを駆動した後の燃焼ガスの熱で発生させて蒸気によってタービンに連結された別のタービンを駆動させるように構成されたブレイトンサイクルとランキンサイクルとを組み合わせた型の水素燃焼タービンシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素燃焼タービンシステムは、水素を燃焼して生成された高温の水蒸気を利用したＣＯ２  排出の無いクリーンな発電サイクルとして注目されている。この水素燃焼タービンシステムとして、従来、種々の方式が提案されているが、そのうちでも例えば図４に示すようなシステムが高効率化を可能にしたものとして知られている。
【０００３】
このシステムは、グラーツ工科大によって提案されたもので、ブレイトンサイクルとランキンサイクルとを並列に組み合わせている。即ち、このシステムは、水素と酸素とを燃焼させる水素燃焼器１０１と、この水素燃焼器１０１で再加熱された蒸気を導入して駆動される中圧タービン１０２と、この中圧タービン１０２の出口蒸気を熱源として給水を過熱して蒸気を生成する熱交換器（蒸気発生器）１０３と、熱交換器１０３を通過した中圧タービンの出口蒸気の一部（約２／３）を導入して駆動される低圧タービン１０４と、低圧タービン１０４の出口蒸気を復水器１０７で復水させた給水を熱交換器１０３で蒸気にして導入し駆動される高圧タービン１０５と、中圧タービン１０２の出口蒸気の一部（約１／３）を分岐させてこれを昇圧させるコンプレッサ１０６とを備え、蒸気の全量を復水せずに一部の蒸気（１／３）を圧縮して再使用するようにしている。尚、符号１０８は発電機を示している。このサイクルの場合、図５に示すようなＴ−Ｓ線図が得られた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図４のサイクルは蒸気量が不足するため、蒸気の全量を復水せずに一部をコンプレッサ１０６で昇圧させて使用しなければならないことから、酸素製造動力等の他に所内動力を必要とする。
【０００５】
また、コンプレッサ１０６で蒸気の一部を加圧して再使用するため、コンプレッサ１０６での結露を防止しなければならないことから負荷変化に弱い欠点がある。
【０００６】
更に、提案サイクルによれば、ブレイトンサイクルとランキンサイクルとを組み合わせることにより中圧蒸気に超高温蒸気を使用し、ボトミングサイクルであるランキンサイクルの効率を高くすることによって熱効率を上げるようにしたものであることから、圧力及び温度が高いという問題を有している。例えば、中圧タービン１０２に４９ｋｇ／ｃｍ２  Ａ、１２００℃の高温の蒸気を無冷却で使用しなければならず、更に圧力比１３．４２、吐出圧５１ｋｇ／ｃｍ２  Ａの蒸気圧縮機を使用しなければならないため、実現性に問題がある。
【０００７】
本発明は、中圧蒸気の温度を下げ超高温タービンの入口蒸気温度を上げることによって、実現性を高めたサイクルを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、本発明は、純酸素と水素を当量燃焼させた熱で蒸気を発生させ、該蒸気を複数段のタービンに順次導入してこれらを駆動し、最終段のタービンの出口蒸気を全量復水させて前記純酸素と水素の当量燃焼で発生した水分を系外へ排出してから再び給水する水素燃焼タービンシステムにおいて、高圧タービンと低圧タービンとの間に少なくとも２段以上の中圧タービンを設けると共に各中圧タービンに純酸素と水素を当量燃焼させて前段のタービンの出口蒸気を再加熱する水素燃焼器をそれぞれ設ける一方、前記各中圧タービンの出口蒸気を熱源として前記各熱交換器で給水の一部を加熱して蒸気を発生させ、その発生蒸気の全量を高圧タービンに導入すると共に前記高圧タービンの出口蒸気を上流側の前記水素燃焼器に導入して再加熱すると共に上流側の中圧タービンに導入してこれを駆動し、更に該上流側の中圧タービンの出口蒸気を下流側の前記熱交換器の熱源とした後に下流側の前記水素燃焼器で再加熱してから下流側の中圧タービンに導入してこれを駆動し、かつ該下流側の中圧タービンの出口蒸気を下流側の前記熱交換器の熱源として利用してから前記低圧タービンに導入してこれを駆動するようにしている。
【０００９】
また、本発明の水素燃焼タービンシステムは、上流側の熱交換器を通過して中圧タービンの出口蒸気を熱源として蒸発した蒸気を導入し、上流側の水素燃焼器で再加熱された蒸気を熱源として過熱する過熱器を上流側の水素燃焼器と中圧タービンとの間に設置するようにしている。
【００１０】
【作用】
高圧タービンと低圧タービンの他に少なくとも２段以上設置された中圧タービンの各入口蒸気は水素と純酸素とを当量燃焼させる水素燃焼器によってそれぞれ再加熱され、各中圧タービンへの入口蒸気温度を高くして熱効率を上げる。しかも、給水は、上流側の中圧タービンの出口蒸気を熱源とする熱交換器と下流側の中圧タービンの出口蒸気を熱源とする熱交換器とでそれぞれ比較的高温の蒸気の熱で加熱され蒸気とされる。したがって、サイクル全体で必要とする蒸気量を全量復水させることができ、蒸気の一部を圧縮するコンプレッサなどを必要としない。しかも、高温となる純酸素と水素との燃焼によって発生する高温の蒸気が前段のタービンの出口蒸気によってタービン翼が耐える温度まで希釈される。
【００１１】
また、請求項２の発明の場合、上流側の水素燃焼器で再加熱された蒸気を過熱器で高圧タービンの入口蒸気の過熱の熱源として利用した後にその温度を上流側の中圧タービンの入口蒸気温度として好適な温度まで下げることができる。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明の構成を図面に示す実施例に基づいて詳細に説明する。
【００１３】
図１に本発明の水素燃焼タービンシステムの一実施例を示す。この水素燃焼タービンシステムは、発電機１４を駆動する高圧タービン９と低圧タービン８及び中高圧と中低圧との少なくとも２段の中圧タービン１，２が同軸上に設置され、各タービン９，１，２，８に順次蒸気を通すことによって回転駆動させ発電機１４に回転を与えるようにしている。
【００１４】
中高圧タービン１と中低圧タービン２の上流側（タービン入口側）には、純酸素で水素を当量燃焼させて前段のタービンの出口蒸気を再加熱する高圧水素燃焼器３と低圧水素燃焼器４とがそれぞれ設けられている。本実施例の場合、高圧タービン９の出口蒸気と中高圧タービン１を出て熱交換器６で熱利用された後の蒸気を再加熱するように設けられている。また、中高圧タービン１と中低圧タービン２の下流側（タービン出口側）には、各タービン１，２から出た蒸気を熱源として給水を蒸発させて蒸気とする熱交換器６，７が設けられている。即ち、高圧水素燃焼器３と低圧水素燃焼器４との再加熱によって高温にされた中高圧タービン１と中低圧タービン２の出口蒸気によって給水を蒸発させ蒸気を得るようにしている。
【００１５】
中低圧タービン２の下流の熱交換器７で給水を蒸発させるのに利用された後の蒸気は、最下段の低圧タービン８に導入されてこれを駆動する。また、低圧タービン８で使用された蒸気は、給水予熱器１１及び脱気器１２で使用するために抽気される分を除いてほぼ全量が復水器１０で復水される。そして、水素と酸素との燃焼で発生した水分を系外へ排出した残りを再び給水として循環させるように設けられている。
【００１６】
また、中高圧タービン１と高圧水素燃焼器３との間には熱交換器６で蒸発した蒸気を高圧水素燃焼器３からの蒸気を熱源として過熱する過熱器５が配置されている。そして、この過熱器５と熱交換器７とは高圧タービン９に連結されて発生蒸気の全量がそのまま高圧タービン９に導入されるように設けられている。
【００１７】
以上のように構成された水素燃焼タービンシステムによれば、次のように作動する。
【００１８】
給水ポンプ１３によって供給される給水は、中低圧タービン２から排出される蒸気を熱源とする熱交換器７と中高圧タービン１の出口蒸気を熱源とする熱交換器６に例えばほぼ半分ずつに分けて供給され、中高圧タービン１および中低圧タービン２の出口蒸気の熱を利用してそれぞれ蒸気とされる。このうち熱交換器６で発生した蒸気は更に高圧水素燃焼器３から吐出される高温・高圧の蒸気を熱源とする過熱器５に導入されて過熱される。そして、熱交換器６および７で得られた蒸気は合流してからそのまま高圧タービン９に導入されこれを駆動する。
【００１９】
次いで、高圧タービン９から排出される蒸気は高圧水素燃焼器３に導入されて再加熱される。この高圧水素燃焼器３では純酸素と水素とを当量燃焼させて熱を得る。したがって、燃焼熱は非常に高温となるが、高圧タービン９の出口蒸気によって希釈され、中高圧タービン１の入口蒸気温度よりも僅かに高い温度例えば８００℃程度にまで下げられる。そして、再加熱された蒸気は過熱器５での熱交換器６からの蒸気の過熱の熱源として利用され、その温度を中高圧タービン１の入口蒸気温度として好適な６００℃程度まで下げる。そして、中高圧タービン１に蒸気の全量が導入されてこれを駆動する。尚、高圧水素燃焼器３における水素と酸素の燃焼では、高温・高圧の蒸気が発生し、ＣＯ２  の発生がない。
【００２０】
中高圧タービン１から排出される蒸気は熱交換器６の熱源として利用され給水を蒸発させる。そして、低圧水素燃焼器４に導入されて純酸素と水素との当量燃焼によって再加熱され、昇温される。再加熱された蒸気は中低圧タービン２に導入されこれを駆動する。このとき、熱交換器６を通過した後の蒸気の一部はバイパス１５を通って低温のままタービン翼の冷却用蒸気として中低圧タービン２に導入される。
【００２１】
中低圧タービン２を駆動した後の蒸気は熱交換器７へ導入されて給水の一部を蒸発させる熱源として使用された後、低圧タービン８へ導入されてこれを駆動する。中低圧タービン２を駆動した後の蒸気は復水器１０で全量が復水された後、高圧水素燃焼器３及び低圧水素燃焼器４での燃焼によって発生した水分を系外へ排出する。また、低圧タービン８を駆動する蒸気の一部が抽気され、給水予熱器１１の熱源として使用される。これら給水予熱器１１で使用された蒸気は水となって給水系あるいは復水器１０へ還流される。復水された水は脱気器１２において脱気され、給水ポンプ１３で循環・給水される。
【００２２】
この結果、図３に示すようなＴ−Ｓ線図が得られる。
【００２３】
尚、上述の実施例は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、中高圧タービン１のタービン翼が高い入口蒸気温度に耐えることができるものである場合、図２に示すように、高圧水素燃焼器３で再加熱された蒸気を冷却せずに高温のまま中高圧タービン１に導入し、中高圧タービン２を駆動するようにしても良い。このとき、中高圧タービン１の出口蒸気によって蒸気にされる給水の一部は、蒸気にされた後そのまま過熱されずに高圧タービン９へ導入されるように設けられている。この場合、中高圧タービン１への入口蒸気温度が実施例１のものより高くなるため、熱効率がより高くなる。
【００２４】
また、本実施例では、中圧タービンとしては中高圧タービン１と中低圧タービン２との２段が設置されているが、これに特に限定されず、３段以上の中圧タービンを設けてそれぞれに前段のタービンの出口蒸気を水素と酸素の当量燃焼で再加熱する水素燃焼器と各中圧タービンの出口蒸気の熱を利用して蒸気を発生させる熱交換器とを設けるようにしても良い。
【００２５】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明の水素燃焼タービンシステムは、高圧タービンと低圧タービンの他に少なくとも２段以上の中圧タービンを設け、かつ各中圧タービンの入口蒸気を水素と純酸素とを当量燃焼させる水素燃焼器によってそれぞれ再加熱するようにしているので、サイクル全体で必要とする蒸気量を全量復水させることができ、蒸気の一部を圧縮するコンプレッサなどを必要としないし、各中圧タービンの入口蒸気温度を高くして熱効率を上げることができる。
【００２６】
しかも、高温となる純酸素と水素との燃焼によって発生する高温の蒸気が前段のタービンから排出される蒸気によってタービン翼が耐える温度まで希釈されるので、水素燃焼タービンシステムの実用化が容易である。
【００２７】
また、請求項２の発明の場合、上流側の水素燃焼器で再加熱された蒸気を過熱器で高圧タービンの入口蒸気の過熱の熱源として利用した後にその温度を上流側の中圧タービンの入口蒸気温度として好適な温度まで下げることができるようにしているので、現在実用化されている中圧タービンを使用しても過熱器で使用する熱分だけ熱効率を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水素燃焼タービンシステムの一実施例を示すサイクル構成図である。
【図２】本発明の水素燃焼タービンシステムの他の実施例を示すサイクル構成図である。
【図３】図１の実施例に係る水素燃焼タービンシステムのＴ−Ｓ線図である。
【図４】従来の水素燃焼タービンシステムの一実施例を示すサイクル構成図である。
【図５】図４の実施例に係る水素燃焼タービンシステムのＴ−Ｓ線図である。
【符号の説明】
１  中高圧タービン（上流側の中圧タービン）
２  中低圧タービン（下流側の中圧タービン）
３  高圧水素燃焼器（上流側の水素燃焼器）
４  低圧水素燃焼器（下流側の水素燃焼器）
６，７  熱交換器
８  低圧タービン
９  高圧タービン
１０  復水器
１３  給水ポンプ
１４  発電機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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