(57)【要約】【課題】小型高性能、簡単構造、低コストのガスタービン、ガスタービン発電システム及びガスタービン発電システムの運転方法を提供することを目的とする。【解決手段】空気圧縮機１２とタービン１４，１６を収納したタービンハウジング１８に燃焼器本体２０を配置し、燃焼器本体内に蒸気発生部２４，燃料加熱部２６とを配置して、燃料加熱部で燃料を高温燃料ガスとし、一方、タービンを冷却して回収した過熱蒸気を燃焼室に噴射することでタービン出力の増加を図る。また、燃焼器本体の燃料加熱部で蒸気混合燃料ガスを生成してこれを原料ガスとして、燃焼器に配置した水蒸気改質部３０で水素リッチ燃料を生成して排ガスのクリーン化を実現する。【選択図】図２
2004316623.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮空気を供給する空気圧縮機と、飽和蒸気で冷却しながら過熱蒸気を生成する蒸気冷却通路を備えていて動力ガスを膨張させて出力軸に動力を発生させるタービンと、前記空気圧縮機と前記タービンとに連通して配置されていて前記タービンに過熱蒸気混合動力ガスを供給する燃焼器本体とを備え、前記燃焼器本体が前記過熱蒸気混合動力ガスを発生するための燃焼室と、前記燃焼室に隣接して配置されていて給水から前記飽和蒸気を生成して前記蒸気冷却通路に供給する蒸気発生部と、前記蒸気冷却通路に連通していて前記過熱蒸気を前記燃焼室に噴射する過熱蒸気導入部と、前記燃焼室に隣接して配置されていて燃料を加熱して高温燃料ガスを生成して前記燃焼室に供給する燃料加熱部とを備えるガスタービン。
【請求項２】
請求項１において、さらに、前記ガスタービンが前記燃焼器室を所定の温度まで暖機運転するためのコントローラを備え、前記燃焼器本体がさらに、前記コントローラにより暖機運転時に前記燃焼室に暖機用燃料を供給する暖機用燃料噴射ノズルと、通常運転時に前記燃料加熱部に燃料を供給する通常運転用燃料供給ノズルとを備えるガスタービン。
【請求項３】
請求項２において、前記燃料が炭化水素燃料からなり、前記燃焼器本体が、さらに、前記燃焼室に隣接して配置されていて前記過熱蒸気導入部と前記燃料加熱部に連通して蒸気混合燃料ガスを生成する蒸気燃料混合部と、前記蒸気燃料混合部に連通して前記燃焼室に隣接して配置されていて前記蒸気混合燃料ガスから水素リッチ燃料を生成する水蒸気改質部を備えるガスタービン。
【請求項４】
請求項３において、さらに、前記空気圧縮機と前記タービンを収納したタービンハウジングと、前記タービンハウジングに連結されて前記燃焼器本体を支持する固定支持部とを備え、前記固定支持部が前記蒸気発生部に連通していて前記蒸気冷却通路に前記飽和蒸気を供給する飽和蒸気供給ポートと、前記蒸気冷却通路に連通していて前記過熱蒸気を前記過熱蒸気導入部へ回収する過熱蒸気回収ポートとを有するガスタービン。
【請求項５】
圧縮空気を供給する空気圧縮機と、動力ガスを膨張させて出力軸に動力を発生させるタービンと、前記空気圧縮機と前記タービンとに連通して配置されていて前記動力ガスを生成する燃焼器本体と、前記燃焼器本体を所定温度まで暖機運転するコントローラとを備え、前記燃焼器本体が前記動力ガスを発生する燃焼室と、前記燃焼室に配置されて前記コントローラにより暖機運転時に暖機用燃料を供給する暖機用燃料噴射ノズルと、前記燃焼室の壁部に隣接して配置された燃料加熱部と、前記コントローラにより制御されて通常運転時に前記燃料加熱部に燃料を噴射して高温燃料ガスを生成する燃料供給ノズルと、前記燃料加熱部と連通していて前記燃焼室に前記高温燃料ガスを供給する燃料噴射部とを備えるガスタービン。
【請求項６】
圧縮空気を供給する空気圧縮機と、飽和蒸気で冷却しながら過熱蒸気を生成する蒸気冷却通路を備えていて過熱蒸気混合動力ガスを膨張させて出力軸に動力を発生させるタービンと、前記空気圧縮機と前記タービンとに連通して配置されていて前記タービンに前記過熱蒸気混合動力ガスを供給する燃焼器本体と、前記燃焼器本体の暖機運転を制御するコントローラと、前記出力軸により駆動されて発電出力を得る発電機とを備え、前記燃焼器本体が前記過熱蒸気混合動力ガスを発生するための燃焼室と、前記燃焼室に隣接して配置されていて給水から前記飽和蒸気を生成して前記蒸気冷却通路に供給する蒸気発生部と、前記蒸気冷却通路に連通していて前記過熱蒸気を前記燃焼室に噴射する過熱蒸気導入部と、前記燃焼室に隣接して配置されていて炭化水素燃料から高温燃料ガスを生成して前記燃焼室に供給する燃料加熱部とを備えるガスタービン発電システム。
【請求項７】
ガスタービン発電システムの運転方法であって、空気圧縮機とタービンとに連通して燃焼器本体を配置するとともに前記燃焼器本体内に燃料と圧縮空気から動力ガスを発生する燃焼室と、前記燃焼室に隣接して燃料加熱部と蒸気発生部とを準備する工程と、暖機運転時に前記燃焼室に暖機運転用燃料を供給して前記燃焼室を所定温度まで暖機運転する工程と、前記暖機運転終了後に前記燃料加熱部に燃料を供給して高温燃料ガスを生成して前記燃焼室に噴射する工程と、前記暖機運転終了後に前記蒸気発生部に給水して飽和蒸気を生成する工程と、前記飽和蒸気を前記タービンに供給して前記タービンとの熱交換により過熱蒸気を生成する工程と、前記過熱蒸気を回収して前記燃焼室に供給する工程と、前記過熱蒸気の存在下で前記燃焼室にて前記燃料と前記圧縮空気から過熱蒸気混合動力ガスを生成する工程と、前記過熱蒸気混合動力ガスを前記タービンで膨張させて出力軸に動力を発生させる工程と、前記動力で発電機を駆動して発電出力を得る工程とを備えるガスタービン発電システムの運転方法。
【請求項８】
請求項７において、さらに、前記過熱蒸気を前記高温燃料ガスと混合して蒸気混合燃料ガスを前記燃焼室に供給する工程を備えるガスタービン発電システムの運転方法。
【請求項９】
請求項８において、前記燃料が炭化水素燃料からなり、前記燃焼器本体がさらに前記燃焼室に隣接して配置された水蒸気改質部を備え、さらに、前記燃焼室との熱交換により前記水蒸気改質部を水蒸気改質して前記蒸気混合燃料ガスから水素リッチ燃料を生成する工程とを備えるガスタービン発電システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明はガスタービンに関し、とくに、熱効率を高めたガスタービン、ガスタービン発電システムおよびガスタービン発電システムの運転方法に関する。
【０００２】
【従来技術】米国特許第４９３２２０４号、同第５０９５６９３号、同第５８２６４３０号、同第６０６５２８０号、同第６１０１９８２号及び同第６２６９６２６号にはガスタービンの排気側に排熱回収器を設けて蒸気又は高温熱水を生成して排熱エネルギーを回収し、この熱媒体を利用してガスタービンの外部に配置した熱交換器で燃料を予熱して熱効率を改善するようにしたガスタービンが開示されている。これらガスタービンにおいて、燃料を予熱するための排熱回収装置は装置が大型で多数の配管や関連バルブ部材から構成されているため、ガスタービンの全体構造が極めて複雑・大型化する。しかも、これら配管やバルブ類から大量の排熱エネルギーが外部に漏洩するため、排熱回収効率が著しく低下して、ガスタービンの熱効率を効果的に改善することが困難であった。
【０００３】米国特許第５８４５４８１号にはガスタービンの排気側スタックに排熱回収熱交換器を配置して、燃料供給ラインを該排熱回収熱交換器に接続して燃料を加熱して気化するとともに燃料を介して排熱エネルギーを回収する構造が開示されている。この構造においても、前述のガスタービンと同じく、複雑な配管構造を備えるため、ガスタービンの小型高性能化と熱効率の改善が困難となっていた。
【０００４】さらに、米国特許第５６１７７１６号にはガスタービンの燃焼器に対して液体燃料油を加熱気化して供給することでＮＯｘの削減を図るようにしたガスタービンへの気化燃料供給方法が開示されている。このガスタービンでは、ガスタービンの排気側に配置された排熱回収器と、外部の蒸気発生源とを利用して気化チャンバに蒸気を供給して液体燃料油を気化させているが、排熱回収器自体が極めて大型構造を有するとともに製造コストが著しく上昇する。しかも、燃料油気化用の外部の蒸気発生源をさらに採用しているため、ガスタービンは益々構造が複雑となり、製造コストが増加する。また、燃料油気化部は燃焼器から独立して配置されているため、気化部自体が大型化するとともに、該気化部から熱エネルギーが外部へ漏出することとなり、熱効率低下の要因となる。しかも、液体燃料ポンプと気化部との間にはさらに高温の潤滑油を利用した熱交換器と、高温のスチームを利用した熱交換器とが直列に接続されていて液体燃料油を予熱するための予熱器が配置されており、この予熱器は複雑な配管と関連のバルブ部材を必要とするため、ガスタービンの構造が益々複雑化して、更なるコストアップの要因となっていた。
【０００５】さらに、米国特許第５０４８２８４号、同第５５９０５１８号、同第５７２９９６７号、同第５８９６７３８号、同第６２２３５１９号及び同第６３３８２３９号には蒸気と燃料ガスとを混合して改質ガスに変換する水蒸気改質装置を組み込んだガスタービンが開示されている。これらガスタービンでは、ガスタービンの排気側に多数の配管類を備えた大型の排熱回収熱交換器を設置して水蒸気改質用の蒸気を生成しているため、ガスタービンの全体構造が複雑化して極めて大型化し、製造コストも著しく上昇する。しかも、水蒸気改質部はガスタービンの排気熱を利用して水蒸気改質を行うように設定されているが、水蒸気改質部に供給される排気熱は一般に５５０〜６５０℃の温度であるため、反応温度が低く、水蒸気改質を効率よく継続させることは困難であった。
【０００６】さらに、特開平０７−２６９３７１号、特開平第０８−２６１０１２号及び特開平第２００２−１９５０５１号にも前述と同様の水蒸気改質装置を組み込んだガスタービンが開示されている。これらガスタービンでは、前述のように、ガスタービンの全体構造が極めて大型化するとともに、水蒸気改質効率が低かった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来のガスタービンでは、燃料加熱や水蒸気改質用にガスタービンの排気側に設置した大型の排熱回収器を利用しているため、ガスタービンのコンパクト化、低コスト化並びに熱効率の改善が困難となり、自動車や船舶、航空機等の車両用の動力源並びに小型分散型発電機用の動力源として有用な小型高性能で低コストのガスタービンやガスタービン発電システムを実用化することが困難であった。
【０００８】本発明は、小型高性能、コンパクト、低コスト並びに高い熱効率を実現可能なガスタービン、ガスタービン発電システム及びガスタービン発電システムの運転方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本願第１の発明は，ガスタービンが、圧縮空気を供給する空気圧縮機と、飽和蒸気で冷却しながら過熱蒸気を生成する蒸気冷却通路を備えていて動力ガスを膨張させて出力軸に動力を発生させるタービンと、前記空気圧縮機と前記タービンとに連通して配置されていて前記タービンに過熱蒸気混合動力ガスを供給する燃焼器本体とを備え、前記燃焼器本体が前記過熱蒸気混合動力ガスを発生するための燃焼室と、前記燃焼室に隣接して配置されていて給水から前記飽和蒸気を生成して前記蒸気冷却通路に供給する蒸気発生部と、前記蒸気冷却通路に連通していて前記過熱蒸気を前記燃焼室に噴射する過熱蒸気導入部と、前記燃焼室に隣接して配置されていて燃料を加熱して高温燃料ガスを生成して前記燃焼室に供給する燃料加熱部とを備えるものである。
【００１０】請求項１の発明によれば、燃焼器本体内部に燃焼室に隣接して蒸気発生部を配置して飽和蒸気を発生させ、さらに、燃焼室に隣接して配置した燃料加熱部で高温燃料ガスを生成して、タービンから回収した過熱蒸気と高温燃料ガスとを燃焼室に噴射させることで、熱効率を改善するとともに、均一な混合気を生成して比較的低温の約１２００℃で完全燃焼させて質量の大きな過熱蒸気混合動力ガスを発生させたため、ＣＯ２やＮＯｘの排出量が極めて少ない、低コストで小型高性能のガスタービンを実現可能としたものである。
【００１１】請求項２の発明は、請求項１に記載のガスタービンであって、前記ガスタービンが前記燃焼器室を所定の温度まで暖機運転するためのコントローラを備え、前記燃焼器本体がさらに、前記コントローラにより暖機運転時に前記燃焼室に暖機用燃料を供給する暖機用燃料噴射ノズルと、通常運転時に前記燃料加熱部に燃料を供給する通常運転用燃料供給ノズルとを備えるものである。
【００１２】請求項２の発明によれば、燃焼器本体が燃焼室に配置された暖機用燃料噴射ノズルと、燃料加熱部に設けた燃料供給ノズルを備え、ガスタービン起動時にコントローラにより燃焼室を所定の温度まで暖機した後に燃料加熱部で通常運転用の燃料から高温燃料ガスを生成することで、簡単な構造により、燃焼室の暖機運転を可能としたものである。燃焼器本体内に蒸気燃料混合部を配置したことで、従来必要としていた外部の大型の蒸気燃料混合装置を不要とし、ガスタービンの小型化を実現しようとするものである。なお、過熱蒸気と炭化水素燃料とを接触させて高温燃料ガスを生成したため、均質な混合気を生成可能とし、排ガス中の未燃成分やＮＯｘを大幅に削減可能とするとともに動力ガスへの過熱蒸気導入により大幅な出力アップが得られる。
【００１３】請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のガスタービンであって、前記燃料が炭化水素燃料からなり、前記燃焼器本体が、さらに、前記燃焼室に隣接して配置されていて前記過熱蒸気導入部と前記燃料加熱部に連通して蒸気混合燃料ガスを生成する蒸気燃料混合部と、前記蒸気燃料混合部に連通して前記燃焼室に隣接して配置されていて前記蒸気混合燃料ガスから水素リッチ燃料を生成する水蒸気改質部を備えるものである。
【００１４】請求項３の発明によれば、燃焼器本体内に蒸気燃料混合部を配置したことで、従来必要としていた外部の大型の蒸気燃料混合装置を不要とし、ガスタービンの小型化を実現しようとするものである。なお、過熱蒸気と炭化水素燃料とを接触させて高温燃料ガスを生成したため、均質な混合気を生成可能とし、排ガス中の未燃成分やＮＯｘを大幅に削減可能とするとともに動力ガスへの過熱蒸気導入により大幅な出力アップが得られる。燃焼器本体内に燃焼室に隣接して、さらに、水蒸気改質部を設けたことにより、外部の大型の水蒸気改質装置の設置を不要として、ガスタービンの小型高性能化と大幅なコストダウンを実現可能とするものである。しかも、水蒸気改質部の吸熱反応を利用して燃焼器本体を効率的に冷却して長寿命化を図り、同時に、その余剰熱で水蒸気改質部を加温することで、水蒸気改質部を最適反応温度に維持して水蒸気改質効率を改善するとともにガスタービンの排熱側の排熱エネルギーをコジェネ用その他にさらに有効活用できるようにしてガスタービンのさらなる熱効率の改善を図るようにしたものである。
【００１５】請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のガスタービンであって、さらに、前記空気圧縮機と前記タービンを収納したタービンハウジングと、前記タービンハウジングに連結されて前記燃焼器本体を支持する固定支持部とを備え、前記固定支持部が前記蒸気発生部に連通していて前記蒸気冷却通路に前記飽和蒸気を供給する飽和蒸気供給ポートと、前記蒸気冷却通路に連通していて前記過熱蒸気を前記過熱蒸気導入部へ回収する過熱蒸気回収ポートとを有するものである。
【００１６】請求項４に記載の発明によれば、シンプルな構造の固定支持部で燃焼器本体をタービンハウジングに固定支持するようにし、該固定支持部に飽和蒸気供給ポートと過熱蒸気回収ポートを配置したため、複雑な配管や複雑な冷却通路を用いることなくタービンと燃焼器本体との間で飽和蒸気並びに過熱蒸気のやりとりを可能としたため、部品点数の大幅な削減と低コスト化を可能としたものである。
【００１７】請求項５に記載の発明は、ガスタービンが、圧縮空気を供給する空気圧縮機と、動力ガスを膨張させて出力軸に動力を発生させるタービンと、前記空気圧縮機と前記タービンとに連通して配置されていて前記動力ガスを生成する燃焼器本体と、前記燃焼器本体を所定温度まで暖機運転するコントローラとを備え、前記燃焼器本体が前記動力ガスを発生する燃焼室と、前記燃焼室に配置されて前記コントローラにより暖機運転時に暖機用燃料を供給する暖機用燃料噴射ノズルと、前記燃焼室の壁部に隣接して配置された燃料加熱部と、前記コントローラにより制御されて通常運転時に前記燃料加熱部に燃料を噴射して高温燃料ガスを生成する燃料供給ノズルと、前記燃料加熱部と連通していて前記燃焼室に前記高温燃料ガスを供給する燃料噴射部とを備えるものである。
【００１８】請求項５の発明によれば、燃焼室に隣接して配置した燃料加熱部に液状炭化水素燃料を噴射することで、高温燃料ガスを生成したため、効率的に燃料を気化して均質な混合気を得ることにより、前記燃焼室で約１２００℃の比較的低温燃焼を可能として大幅なＮＯｘ削減を可能とする。しかも、燃料と空気の均質な混合気ができるため、希薄燃焼が可能となって、燃費を改善するとともにＣＯ２の排出量を低減し、地球温暖化対策にも貢献する。
【００１９】請求項６に記載の発明は、ガスタービン発電システムが、圧縮空気を供給する空気圧縮機と、飽和蒸気で冷却しながら過熱蒸気を生成する蒸気冷却通路を備えていて過熱蒸気混合動力ガスを膨張させて出力軸に動力を発生させるタービンと、前記空気圧縮機と前記タービンとに連通して配置されていて前記タービンに前記過熱蒸気混合動力ガスを供給する燃焼器本体と、前記燃焼器本体の暖機運転を制御するコントローラと、前記出力軸により駆動されて発電出力を得る発電機とを備え、前記燃焼器本体が前記過熱蒸気混合動力ガスを発生するための燃焼室と、前記燃焼室に隣接して配置されていて給水から前記飽和蒸気を生成して前記蒸気冷却通路に供給する蒸気発生部と、前記蒸気冷却通路に連通していて前記過熱蒸気を前記燃焼室に噴射する過熱蒸気導入部と、前記燃焼室に隣接して配置されていて炭化水素燃料から高温燃料ガスを生成して前記燃焼室に供給する燃料加熱部とを備えることを特徴とする。
【００２０】請求項６の発明によれば、燃焼器本体に燃焼室に隣接して配置した蒸気発生部で飽和蒸気を発生させ、さらに、燃焼室に隣接して配置した燃料加熱部で高温燃料ガスを生成して、タービンからの過熱蒸気と高温燃料ガスとを燃焼室に噴射させることで、均質な混合気を比較的低温で燃焼させることにより、ＣＯ２やＮＯｘの排出量の少ない小型高性能のガスタービン発電システムを実現可能としたものである。
【００２１】請求項７の発明は、ガスタービン発電システムの運転方法が、空気圧縮機とタービンとに連通して燃焼器本体を配置するとともに前記燃焼器本体内に燃料と圧縮空気から動力ガスを発生する燃焼室と、前記燃焼室に隣接して燃料加熱部と蒸気発生部とを準備する工程と、暖機運転時に前記燃焼室に暖機運転用燃料を供給して前記燃焼室を所定温度まで暖機運転する工程と、前記暖機運転終了後に前記燃料加熱部に燃料を供給して高温燃料ガスを生成して前記燃焼室に噴射する工程と、前記暖機運転終了後に前記蒸気発生部に給水して飽和蒸気を生成する工程と、前記飽和蒸気を前記タービンに供給して前記タービンとの熱交換により過熱蒸気を生成する工程と、前記過熱蒸気を回収して前記燃焼室に供給する工程と、前記過熱蒸気の存在下で前記燃焼室にて前記燃料と前記圧縮空気から過熱蒸気混合動力ガスを生成する工程と、前記過熱蒸気混合動力ガスを前記タービンで膨張させて出力軸に動力を発生させる工程と、前記動力で発電機を駆動して発電出力を得る工程とを備えたものである。
【００２２】請求項７の発明によれば、従来必要としていた蒸気発生のための大型の排熱回収装置と燃料予熱器並びに関連の複雑な配管やバルブ類を不要としたものである。さらに、燃焼室を暖機運転した後に、燃焼器本体内部で燃焼室の余剰熱を利用して高温燃料ガスと飽和蒸気を生成し、該飽和蒸気でタービンとの熱交換により過熱蒸気を生成し、前記高温燃料ガスと前記過熱蒸気とを燃焼室に噴射することにより、ＮＯｘの排出量を大幅に低減しながら燃料の未燃成分を削減してＨＣ，ＣＯの有害成分の排出量を大幅に削減可能としたものである。しかも、前記タービンの余剰熱を吸収した過熱蒸気を燃焼室に噴射したことにより、タービンの余剰熱を回収して過熱蒸気混合動力ガスとして再生したため、ガスタービンの熱効率を飛躍的に高めるようにしたものである。
【００２３】請求項８に記載の発明は、請求項７に記載のガスタービン発電システムの運転方法であって、さらに、前記過熱蒸気を前記高温燃料ガスと混合して蒸気混合燃料を前記燃焼室に供給する工程を備えることを特徴とする。
【００２４】請求項８の発明によれば、前記過熱蒸気を前記高温燃料ガスと混合することにより、均一な蒸気混合燃料ガスを生成することにより、タービン効率の改善と地球温暖化対策を効率的に行うようにしたものである。
【００２５】請求項９に記載の発明は、請求項８に記載のガスタービン発電システムの運転方法において、前記燃料が炭化水素燃料からなり、前記燃焼器本体がさらに前記燃焼室に隣接して配置された水蒸気改質部を備え、さらに、前記燃焼室との熱交換により前記水蒸気改質部を水蒸気改質して前記蒸気混合燃料ガスから水素リッチ燃料を生成する工程とを備えるものである。
【００２６】請求項９の発明によれば、前記燃焼器本体がさらに前記燃焼室に隣接して配置された水蒸気改質部を備えていて、前記燃焼室の壁部との熱交換を利用して水蒸気改質を行わせたため、大型の外部装置を用いることなく、効率よく水素リッチ燃料を生成可能として、地球温暖化対策を行いながら効率的に発電出力を得るようにしたものである。
【００２７】
【発明の実施の形態】以下、本発明のガスタービン発電システムの望ましい実施例につき図面を参照しながら説明する。図１において、ガスタービン発電システム１０は空気圧縮機１２およびタービン１４，１６を収納したタービンハウジング１８と、該タービンハウジング１８に配置された燃焼器本体２０とを備えたガスタービン２２からなる。該燃焼器本体２０は内部に蒸気発生部２４と、燃料加熱部２６と、過熱蒸気導入部２８と、水蒸気改質触媒が充填された水蒸気改質部３０と、燃焼室３２とを収納したものとして図示されている。ただし、タービン１６はタービン１４から分離してパワータービンとして機能するように構成しても良い。なお、内部に配置したものとして説明されているが、必ずしも、タービンハウジングの１８の内部に配置しなくても良く、例えば、タービンハウジング１８外部に配置しても良い。なお、空気圧縮器１２およびタービン１４，１６はアキシャル型のもとして図示されたが、これらはラジアル型またはアキシャル型とラジアル型との組み合わせたものでも良い。
【００２８】燃焼室３２は暖機用燃料噴射ノズル３２ａを備え、燃料ポンプ４０及び燃料開閉弁４４を介してガスタービン２２の起動時に暖機運転を行うための炭化水素燃料Ｆが噴射され、空気圧縮機１２から供給された圧縮空気Ａと混合されて動力ガスＭＧが生成されてタービン１４，１６からなる膨張機１７で膨張されて出力軸３８に動力が発生する。炭化水素燃料Ｆ（以下、単に、燃料と称する）は重油、軽油、ガソリン、灯油、ジェット燃料、メタノール或いはエタノール等の液体炭化水素液体燃料か、メタン、都市ガス、ＬＰガス等のガス状炭化水素燃料からなる。暖機運転から通常運転に移行した時点で燃料加熱部２６には燃料制御弁４２を介して燃料供給ノズル２６ａから燃料が供給され、後述の如く、燃焼室３２の壁部に噴射されて該壁部との熱交換により高温燃料ガスとなる。暖機運転終了後には、蒸気発生部２４に給水ポンプ４６及び給水制御弁４８を介して水噴射ノズル２４ａから給水Ｈ２Ｏが噴射され、後述の熱交換部を介して、燃焼室３２の円弧状壁部との熱交換により飽和蒸気Ｓｓを生成する。この飽和蒸気Ｓｓは冷却蒸気Ｓｓとしてタービン１４，１６のタービンブレード並びにステータ用蒸気冷却通路に供給され、該タービン１４，１６の余剰熱エネルギーを過熱蒸気Ｓｒとして回収した後、過熱蒸気導入部２８に導入される。回収された過熱蒸気の一部は燃料加熱部２６に導入されて高温燃料ガスと混合されて蒸気混合燃料ガスＳＦが生成されて水蒸気改質部３０に供給され、残部動力ガスの質量を増加させて出力を増大させるとともにＮＯｘを低減するため燃焼室３２に後述の如く噴射される。
【００２９】水蒸気改質部３０は、後述の如く、燃焼室３２の壁部との熱交換により高温（例えば、１０００℃〜１１００℃）の水蒸気改質に最適な温度に加熱される。水蒸気改質部３０に供給された蒸気混合燃料ガスは高温の水蒸気反応温度で水蒸気改質されて水素リッチ燃料が生成され、燃焼室３２の燃料噴射部３２ｂから燃焼室３２に噴射される。このとき、燃焼室３２内には蒸気噴射ノズル３２ｃを介して過熱蒸気が噴射される。このため、燃焼室３２内では過熱蒸気混合動力ガス（以下、動力ガスと称する）ＭＧが生成される。動力ガスＭＧはタービン１４，１６で膨張して出力軸３８に動力を発生し、この動力により、発電機５０が駆動されて発電出力が得られる。出力軸３８は空気圧縮機１２と連結されたものとして示されているが、前述したように、出力軸をパワータービン１６にのみ連結するように構成しても良い。動力ガス総流量に対する過熱蒸気Ｓｒの流量が１０％、２０％でタービン出力はそれぞれ１５０％、２２０％に上昇する。
【００３０】ガスタービン発電システム１０は、さらに、ガスタービン２２の起動運転、燃焼器本体２０の暖機運転およびガスタービン２２の通常運転を制御するためのコントローラ６０を備える。コントローラ６０は入力回路６０ａ、ガスタービンのスタータモータ（図示せず）のＯＮ／ＯＦＦ、給水制御弁４８及び燃料制御弁４２の開度、燃料開閉弁４４のＯＮ／ＯＦＦ，燃料ポンプ４０及び給水ポンプ４６のＯＮ／ＯＦを制御するためのプログラムを実行するＣＰＵ６０ｂ、ＣＰＵの演算結果を一時記憶するＲＡＭ６０ｃ、ＣＰＵが実行する制御プログラムを格納するＲＯＭ６０ｄ及び出力回路６０ｅからなる周知のマイクロコンピュータを主要部として構成される。
【００３１】入力回路６０ａには運転パラメータ検出手段として機能する、排ガス温度センサ６２，ハウジング温度センサ６４及び軸速度センサ６６から排ガス温度検出信号、タービンハウジング温度検出信号並びに軸速度信号等の運転パラメータ信号が入力される。軸速度信号は軸速度に関連するパラメータであれば、出力軸３８の回転数或いは発電機５０の出力周波数を検出してその出力信号を軸速度信号として利用しても良い。出力回路６０ｅは給水ポンプ４６及び燃料ポンプ４０，給水制御弁４８，燃料制御弁４２，燃料開閉弁４４に接続される。ガスタービン２２を暖機運転して所定時間経過後、あるいは排ガス温度センサ６２またはハウジング温度センサ６４の出力信号（すなわち、運転パラメータ）が所定値に達したときに暖機運転が停止されてコントローラ６０から通常運転モードの指令信号が出される。このとき、燃料開閉弁４４が遮断され、一方、燃料制御弁４２が開放されて軸速度の増加に応じて燃料制御弁４２の開度を徐々に増加して燃料の流量を徐々に増加するように制御する。排ガス温度が所定温度（例えば６５０〜６８０℃）に達した時点でコントローラ６０から給水ポンプ４６が始動され、給水制御弁４６の開度は軸速度センサ６６からの軸速度パラメータ信号の増加に応じて徐々に増加するように制御される。すなわち、給水流量は予め、実験により定めた最適制御マップに応じて軸速度を所定回転数になるようにコントローラ６０により制御される。
【００３２】図２において、燃焼器本体２０が環状構造となっていて、その内周部及び外周部が環状の固定支持部材８０の環状フランジ８０ｂによって、タービンハウジング１８に固定支持される。固定支持部８０は出力軸の中心軸ＣＬに沿って延びる円筒部８０ａと、円筒部８０ａの前端部において径方向に延びていて燃焼器本体２０の半径方向内側を支持する環状フランジ部８０ｃを備える。環状フランジ部８０ｃは周方向に等間隔で形成された複数の空気通路８０ｃ’を有する。
【００３３】さらに、固定支持部材８０は蒸気発生部２４の内径側蒸気発生室２４Ａに開口する飽和蒸気供給ポート８２Ａと、蒸気発生部２４の外径側蒸気発生室２４Ｂに開口する飽和蒸気供給ポート８２Ｂと、過熱蒸気導入部２８の内径側蒸気導入室２８Ａに開口する過熱蒸気回収ポート８４Ａと、過熱蒸気導入部２８の外径側蒸気導入室２８Ｂに開口する過熱蒸気回収ポート８４Ｂとが形成されている。飽和蒸気供給ポート８２Ａはタービン１４，１６（図２ではタービン１４のみ図示）の第１蒸気冷却通路８２Ａ’に供給されてこれらタービンを冷却しながら、熱エネルギーを回収して過熱蒸気として第１過熱蒸気リターン通路８４Ａ’から過熱蒸気回収ポート８４Ａを介して内径側蒸気導入室２８Ａに回収される。同様に、飽和蒸気供給ポート８２Ｂはタービン１４，１６の第２蒸気冷却通路８２Ｂ’（すなわち、ステータの冷却通路）を介してステータ８６及びステータブレード８６Ａに供給されてこれらを冷却しながら、過熱蒸気としてこれらの熱エネルギーを回収して、第２過熱蒸気リターン通路８４Ｂ’から過熱蒸気回収ポート８４Ｂを介して外径側蒸気導入室２８Ｂに回収される。
【００３４】図２において、燃焼器本体２０は断面Ｕ形状の環状アウターケース１００と、環状アウターケース１００の内部に同心的に配置されて内部に燃焼室３２が形成された環状インナーケース１０２とを備える。環状アウターケース１００の前縁にネジその他の固定金具（図示せず）で着脱可能に環状フロントパネル１０４が接続される。環状フロントパネル１０４には圧縮空気を燃焼３２内に導入するため周方向に等間隔で配置された複数の空気通路管１０６，１０６が配置され、これら空気通路管により、多数の燃料噴射孔を有する環状燃料噴射部３２ｂが支持される。また、燃料噴射部３２ｂの一部には起動用の燃料噴射ノズル３２ａが支持される。
【００３５】図２，図３において、環状インナーケース１０２の大径部１０２ａと小径部１０２ｂとの間には環状燃焼室３２が形成される。なお、環状アウターケース１００の大径部１００ａと、環状インナーケース１０２の大径部１０２ａとの間には大径環状チャンバ１０８が形成され、環状アウターケース１００の小径部１００ｂと、環状インナーケース１０２の小径部１０２ｂとの間には小径環状チャンバ１１０が形成される。環状アウターケース１００の大径部１００ａと環状インナーケース１０２の大径部１０２ａとの間には圧縮空気を燃焼室３２内に導入するための、大径環状チャンバ１０８の径方向に延びるように周方向に実質的に等間隔で配置された複数の空気通路管１１２が形成され、環状アウターケース１００の小径部１００ｂと環状インナーケース１０２の小径部１０２ｂとの間には圧縮空気を燃焼室３２内に導入するための、小径環状チャンバ１１０の径方向に延びるように周方向に実質的に等間隔で配置された複数の空気通路管１１４が形成される。
【００３６】水蒸気改質部３０は大径環状チャンバ１０８に形成された改質ゾーン１１４と、該改質ゾーン１１４に充填された水蒸気改質触媒層１１６とを備える。水蒸気改質触媒はルテニウム触媒、もしくは、ニッケルにコバルト、白金、パラジウム、イリジウムをマグネシア、アルミナ、シリカ等の担体に担持させたものが用いられる。大径環状チャンバ１０８には、さらに、改質ゾーン１１４に隣接して多孔壁１１７を介して硫黄吸着ゾーン１１８が配置され、硫黄吸着ゾーン１１８には硫黄を吸着するための酸化亜鉛（ＺｎＯ）が充填される。符号１２０は燃料噴射部３２ｂに近接した先端部を有する点火プラグを示す。本実施形態において、水蒸気改質部が燃焼室と一体構造のものとして説明されたが燃焼室に隣接してケーシング内に独立して配置しても良い。
【００３７】図２，図３に示すように、吸着ゾーン１１８と燃焼室３２の円弧状壁部（インナーケース１０２の大径部１０２ａ）に隣接して多孔壁１２０を介して環状チャンバからなる燃料加熱部２６が形成される。燃料加熱部２６は、後述の如く、過熱蒸気と高温燃料ガスとを混合して蒸気燃料ガスを生成するための蒸気燃料混合部としても機能する。このため、燃料供給ノズル２６ａが燃料加熱部２６の円弧状壁部１０２ａに対向して燃料を噴射するように配置される。このことにより、燃料供給ノズル２６ａから噴射された燃料の液滴は円弧状壁部１０２ａに衝突した後、一部は気化し、残部は外側の円弧状壁部１００ａに衝突する。このように、燃料は円弧状壁部１０２ａ、１００ａと順次接触しながら、これら壁部との熱交換により燃焼室３２の余剰熱を回収して均一な高温燃料ガスとなる。
【００３８】図２，図３，図４に示すように、燃焼室３２の下流側近辺において、環状インナーケース１０２の大径部１０２ａ及び小径部１０２ｂの後端部には軸方向に傾斜する環状テーパ部１２２，１２４と、これらテーパ部から軸方向に延びる環状リング部１２６が形成され、該環状リング部１２６内に周方向に等間隔で形成された複数のジェットノズル１２８と、ジェットノズル１２８からそれぞれ周方向に延びるテーパ状ガイド面１３０とを備える。環状アウターケース１００の環状底部１００ｃには環状リング１２６の後端部が当接するとともに、テーパ状ガイド面１３０の周方向端部にはそれぞれ円弧状ジェット開口部１３２が形成されて、ジェットノズル１２６から噴出した動力ガスをテーパ状ガイド面１３０に沿って周方向に案内して、円弧状ジェット開口部１３２から動力ガスを周方向（図４において反時計方向）に噴出させる。このとき、動力ガスは膨張しながら、１段目のタービンブレード１４に衝突し、次いで、ステータブレード８６Ａ（図２参照）で偏向されて第２段目のタービンブレード１６Ａ（図１参照）に衝突して出力軸に動力を発生させる。
【００３９】図２，図４に示すように、環状アウターケース１００と環状リング部１２６の内側及び外側にはそれぞれ環状熱交換部１４０，１４２が配置され、前述の蒸気発生部２４と過熱蒸気導入部２８を形成する。すなわち、熱交換部材１４０、１４２はそれぞれ環状ラジアル仕切部１４０ａ、１４２ａを備え、該ラジアル仕切部１４０ａ、１４２ａによって環状アウターケーシング１００との間のスペースを内径側蒸気発生部２４Ａおよび内径側過熱蒸気導入部２８Ａ、ならびに外形側蒸気発生室２４Ｂおよび過熱蒸気導入室２８Ｂに区画する。さらに、小径の環状熱交換部１４０には多数の径方向に延びる加熱フイン１４０ａが内径側蒸気発生室２４Ａに臨むように形成され、これら加熱フイン１４０ａの間には環状アウターケース１００の小径部１００ｂから径方向外側に延びる加熱フイン１４４が配置される。環状熱交換部１４０の内径側過熱蒸気導入室２８Ａに回収された過熱蒸気は環状フランジ１４６の通孔１４６ａ（図２参照）を介して小径環状チャンバ１１０に流入し、そこから蒸気噴射ノズル３２ｃを経て燃焼室３２内に噴射される。
【００４０】同様に、大径の環状熱交換部１４２には多数の径方向に延びる加熱フイン１４２ａが外形側蒸気発生室２４Ｂに臨むように形成され、これら加熱フイン１４２ａの間には環状アウターケース１００の大径部１００ａから径方向外側に延びる加熱フイン１４８が配置される。環状熱交換部１４２に形成された外径側過熱蒸気導入室２８Ｂに回収された過熱蒸気は環状フランジ１５０の通孔１５０ａを介して燃料加熱部２６からなる蒸気燃料混合部へ導入されて高温燃料ガスと混合されて蒸気混合燃料ガスを生成する。図４に示すように、外径側環状蒸気発生室２４Ｂと内径側蒸気発生室２４Ａとは仕切壁１５０を介して連通しており、外径側環状蒸気発生室２４Ｂの下部に流入した飽和蒸気は仕切壁１５０を介して内径側蒸気発生室２４Ａに流入する。
【００４１】本実施形態では燃焼器本体２０はアニュラー構造のものとして例示されているが、カン型またはカン・アニュラー型構造にしても良い。また、燃焼室３２に１つの燃料噴射ノズル３２ａを配置したものとして示されているが、複数の燃料噴射ノズルを配置しても良い。
【００４２】図５Ａ，図５Ｂは円弧状ジェット通路とタービンブレード及びステータブレードとの関係を示すものである。図５Ｂにおいて、ガイド面１３０から円弧状ジェット通路１３２に流入した動力ガスのジェット噴流はタービンの回転方向に高速で進行するが、このときジェット噴流は複数のタービンブレード１４Ａと一体となって回転し、大きな回転トルクを発生する。このとき、ジェット噴流はタービンブレード１４Ａの中で膨張し、ステータブレード８６Ａでさらに膨張して次段のタービンブレード１６Ａに所定角度で衝突して回転トルクを生ずる。この構造では、ほとんど全ての初段のブレードを同時に回転方向のジェット噴流と一体的に回転させたため、タービン効率を大きく改善することができる。
【００４３】次に、本発明によるガスタービン２２の作用につき図１〜図５Ｂを参照して説明する。ガスタービン２２の起動時にはコントローラ６０の指令により、暖機モードが選択される。暖機モードにおいて、起動モータ（図示せず）が起動されて空気圧縮機１２が起動される。起動時には、コントロール６０により燃料制御弁４２が遮断され、燃料開閉弁４４が開放される。このとき、燃料は暖機用燃料噴射ノズル３２ａから燃焼室３２内に噴射され、圧縮空気と混合された後、点火プラグ１２０により着火されてガスタービン２２が起動されて暖機運転モードになる。（図１、図２参照）。ガスタービン２２の暖機運転時に、所定時間経過後、あるいは排ガス温度センサ６２またはハウジング温度センサ６４の出力信号（すなわち、運転パラメータ）が所定値に達したときに暖機運転が停止される。このとき、燃料開閉弁４４が遮断され、燃料制御弁４２が開放されて燃料が熱部２６内に燃料が噴射される。燃料制御弁４２は軸速度の増加に応じて燃料制御弁４２の開度を徐々に増加して燃料の流量を徐々に増加するようにコントローラ６０によって制御される。排ガス温度が所定温度（例えば６５０〜６８０℃）に達した時点でコントローラ６０から通常運転指令信号が出力される。このとき、給水ポンプ４６が起動され、給水制御弁４６の開度は軸速度センサ６６からの軸速度パラメータ信号の増加に応じて徐々に増加するように制御される。すなわち、給水流量は予め、実験により定めた最適制御マップに応じて軸速度を所定回転数になるようにコントローラ６０により制御される。ガスタービンの通常運転中、環状熱交換部１４０，１４２が燃焼室３２の壁部との熱交換によって１０００〜１１００℃にまで加温されている。このとき、給水ノズル２４ａから外径側蒸気発生室２４Ｂに噴射された水滴は加熱フイン１４２ａ、１４８に順次、接触しながら飽和蒸気となる。
【００４４】次に、この飽和蒸気の一部は飽和蒸気供給ポート８２Ｂを通じてステータの蒸気冷却通路８２Ｂ’を経てステータ部を冷却して過熱蒸気を生成し、この過熱蒸気は過熱蒸気回収ポート８４Ｂ’を経て外径側過熱蒸気導入室２８Ｂに回収され、次いで、仕切壁１５０の開口部１５０ａを介して燃料加熱部２６に供給されて高温燃料ガスと混合して蒸気混合燃料ガスが生成される。この蒸気混合燃料ガスは原料ガスとして、吸着ゾーン１１８で硫黄化合物が吸着分離された後、水蒸気改質部３０で燃焼室３２の壁部との熱交換を通じて１０００〜１１００℃の高温に維持された状態で水蒸気改質されて水素リッチ燃料が生成される。
【００４５】この水素リッチ燃料はフロントパネル１０４に隣接して配置された多孔環状フランジ１６０を通じて燃料噴射部３２ｂから燃焼室３２に噴射される。上記の飽和蒸気の残部は大径の環状熱交換部１４２の周方向に下方側に進行し、連通部１５２を経て小径の環状熱交換部１４０に流入し、この中を周方向で上方に進行して飽和蒸気供給ポート８２Ａからタービン蒸気の冷却通路８２Ａ’に供給されてタービンを冷却しながら過熱蒸気に変換されて、この過熱蒸気は過熱蒸気回収ポート８４Ａ’を介して過熱蒸気導入部２８Ａの内径側過熱蒸気導入室２８Ａに回収され、次いで、環状チャンバ１１０及び蒸気噴射ノズル３２ｃを介して燃焼室３２に噴射される。このように、燃焼室３２に噴射された水素リッチ燃料と圧縮空気は混合されて過熱蒸気の存在下で燃焼して高温高圧の過熱蒸気混合動力ガスが生成される。動力ガスは前述したようにタービン１４，１６で膨張されて出力軸３８に動力を発生させる。
【００４６】本実施例では、燃焼器本体が蒸気発生部、水蒸気改質部及び過熱蒸気導入部を備えたものと説明したが、基本的には、燃焼器本体内に燃料加熱部を形成して、液体の炭化水素燃料を完全に気化させて燃焼器に導入しても良い。また、変形例においては、燃焼器本体の燃料加熱部に加えて蒸気発生部及び過熱蒸気導入部を形成して燃料加熱部で高温燃料ガスと過熱蒸気を混合して燃焼室内部に噴射するようにしても良い。
【００４７】本実施例では、燃料噴射部が燃焼室の上流側に配置されたものとして示したが、燃料加熱部に連通した領域で、燃焼室の軸方向の中間部において円周方向壁部に形成しても良い。
【００４８】本実施例では、燃焼器本体に水蒸気改質ゾーンに水蒸気改質触媒を配置したものとして説明したが、水蒸気改質ゾーンの下流側に、例えば、アルミナやシリカ等の担体にＭｏ，Ｐｔを担持させた水性ガスシフト触媒層を配置しても良い。
【００４９】本実施例において、燃焼器本体の水素改質部を構成する環状アウターケースとタービンハウジングとの間に加熱室を形成し、該加熱室と燃焼室とを加熱通路により連通して、水蒸気改質部の外径側も加熱する構造としても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガスタービン発電システムの運転方法が適用される本発明の実施例によるガスタービン発電システムのブロック図である。
【図２】図１のガスタービンの一部断面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線の断面図である。
【図４】図１のＩＶ−ＩＶ線の断面図である。
【図５Ａ】燃焼器本体とタービンの関係を示す概略断面図である。
【図５Ｂ】燃焼器本体とタービンの関係を示す概略平面図である。
【符号の説明】
１２    空気圧縮機
１４，１６  タービン
１８    タービンハウジング
２０    燃焼器本体
２２    ガスタービン
２４    蒸気発生部
２４ａ  給水ノズル
２６    燃料加熱部
２６ａ  燃料供給ノズル
２８    過熱蒸気導入部
３０    水蒸気改質部
３２    燃焼室
３２ａ  燃料噴射弁
３２ｂ  燃料噴射部
３２ｃ  蒸気噴射ノズル
５０    発電機
６０    コントローラ
１１６  水蒸気改質触媒
１１８  硫黄吸着触媒
１２８  噴射ノズル
１３０  ガイド面
１３２  円弧状ジェット開口部
１４２  熱交換部
１４４  熱交換部
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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