(57)【要約】【課題】安定した運転と信頼性の高い運用のできるガスタービンシステムを提供する。【解決手段】本発明に係るガスタービンシステムは、燃焼用酸素を含む流体を圧縮する圧縮機３４と、この圧縮された流体で燃料を燃焼させるガスタービン燃焼器２４と、燃焼ガスを膨張させて動力を得るガスタービン２５と、ガスタービン２５から排出される排ガスの少なくとも一部を熱源として原燃料の少なくとも一部を化学的に改質する改質器２８と、この改質器２８に蒸気を供給する蒸気発生器３１と、原燃料の一部をガスタービン燃焼器２４に直接供給する系統とを備えたガスタービンシステムにおいて、蒸気発生器３１の出口部に気液分離器３０と、その下流に蒸気過熱器２９を具備する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼用酸素を含む流体を圧縮する圧縮機と、この圧縮された流体で燃料を燃焼させるガスタービン燃焼器と、燃焼ガスを膨張させて動力を得るガスタービンと、ガスタービンから排出される排ガスの少なくとも一部を熱源として原燃料の少なくとも一部を化学的に改質する改質器と、この改質器に蒸気を供給する蒸気発生器と、原燃料の一部をガスタービン燃焼器に直接供給する系統とを備えたガスタービンシステムにおいて、前記蒸気発生器の出口部に気液分離器と、その下流に蒸気過熱器を具備したことを特徴とするガスタービンシステム。
【請求項２】
燃焼用酸素を含む流体を圧縮する圧縮機と、この圧縮された流体で燃料を燃焼させるガスタービン燃焼器と、燃焼ガスを膨張させて動力を得るガスタービンと、ガスタービンから排出される排ガスの少なくとも一部を熱源として原燃料の少なくとも一部を化学的に改質する改質器と、この改質器に蒸気を供給する蒸気発生器と、原燃料の一部をガスタービン燃焼器に直接供給する系統とを備えたガスタービンシステムにおいて、前記改質器を通過させる燃料を流すときには、改質用燃料に対する改質用蒸気の質量流量割合を８以下とすることを特徴とするガスタービンシステム。
【請求項３】
蒸気発生器は、発生した蒸気を直接、ガスタービン燃焼器に導入する系統を具備したことを特徴とする請求項２記載のガスタービンシステム。
【請求項４】
燃焼用酸素を含む流体を圧縮する圧縮機と、この圧縮された流体で燃料を燃焼させるガスタービン燃焼器と、燃焼ガスを膨張させて動力を得るガスタービンと、ガスタービンから排出される排ガスの少なくとも一部を熱源として原燃料の少なくとも一部を化学的に改質する改質器と、この改質器に蒸気を供給する蒸気発生器と、原燃料の一部をガスタービン燃焼器に直接供給する系統と、前記蒸気発生器で発生させた蒸気を直接ガスタービン燃焼器に導入する系統とを備えたガスタービンシステムにおいて、前記蒸気発生器は、発生した蒸気を前記ガスタービン燃焼器の下流側に注入することを特徴とするガスタービンシステム。
【請求項５】
燃焼用酸素を含む流体を圧縮する圧縮機と、この圧縮された流体で燃料を燃焼させるガスタービン燃焼器と、燃焼ガスを膨張させて動力を得るガスタービンと、ガスタービンから排出される排ガスの少なくとも一部を熱源として原燃料の少なくとも一部を化学的に改質する改質器と、この改質器に蒸気を供給する蒸気発生器と、原燃料の一部をガスタービン燃焼器に直接供給する系統と、前記蒸気発生器で発生させた蒸気を直接ガスタービン燃焼器に導入する系統とを備えたガスタービンシステムにおいて、原燃料をガスタービン燃焼器の中心近傍のノズルから噴出させ、燃焼用空気の一部を前記ノズルの周囲に旋回を与えるように傾けた複数個の孔から供給し、改質燃料を前記燃焼用空気の間に同じ旋回を与えるように傾けて複数個の孔から噴出させることを特徴とするガスタービンシステム。
【請求項６】
燃焼用酸素を含む流体を圧縮する圧縮機と、この圧縮された流体で燃料を燃焼させるガスタービン燃焼器と、燃焼ガスを膨張させて動力を得るガスタービンと、ガスタービンから排出される排ガスの少なくとも一部を熱源として原燃料の少なくとも一部を化学的に改質する改質器と、この改質器に蒸気を供給する蒸気発生器と、原燃料の一部をガスタービン燃焼器に直接供給する系統とを備えたガスタービンシステムにおいて、前記原燃料に５００℃以上に過熱した蒸気を混合させ、その混合流体を前記改質器に収容されている改質触媒を通過させたことを特徴とするガスタービンシステム。
【請求項７】
燃焼用酸素を含む流体を圧縮する圧縮機と、この圧縮された流体で燃料を燃焼させるガスタービン燃焼器と、燃焼ガスを膨張させて動力を得るガスタービンと、ガスタービンから排出される排ガスの少なくとも一部を熱源として原燃料の少なくとも一部を化学的に改質する改質器と、この改質器に蒸気を供給する蒸気発生器と、原燃料の一部をガスタービン燃焼器に直接供給する系統とを備えたガスタービンシステムにおいて、前記改質器は、改質触媒を収容するとともに、前記蒸気発生器から発生した蒸気を加熱源として前記改質触媒を加熱して触媒反応を促進させることを特徴とするガスタービンシステム。
【請求項８】
燃焼用酸素を含む流体を圧縮する圧縮機と、この圧縮された流体で燃料を燃焼させるガスタービン燃焼器と、燃焼ガスを膨張させて動力を得るガスタービンと、ガスタービンから排出される排ガスの少なくとも一部を熱源として原燃料の少なくとも一部を化学的に改質する改質器と、この改質器に蒸気を供給する蒸気発生器と、原燃料の一部をガスタービン燃焼器に直接供給する系統とを備えたガスタービンシステムにおいて、前記改質器を複数段に区画する多段用改質器に形成するとともに、複数段に区画する多段用改質器の各段毎に、前記蒸気発生器からの蒸気を熱源として前記多段改質器に収容する改質触媒を加熱させる多段改質器用熱交換器を備える一方、多段改質器用熱交換器に対応して、前記改質触媒を加熱させた後の蒸気を前記ガスタービンから排出される排ガスで再び加熱させる蒸気回収加熱用熱交換器を備えたことを特徴とするガスタービンシステム。
【請求項９】
多段用改質器は、器内に収容する改質触媒を蒸気発生器からの蒸気と多段改質器用熱交換器で熱交換させて加熱させ、熱交換後温度の低くなった前記蒸気をガスタービンからの排ガスと蒸気回収加熱用熱交換器で再び加熱させた後、原燃料に混合して前記改質触媒を通過させることを特徴とする請求項８記載のガスタービンシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンシステムに係り、特に排ガスの熱エネルギで燃料を改質し、燃料消費を低減する化学再生式のガスタービンシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近のガスタービンのうち、大型ガスタービンは、ガスタービン排熱で蒸気を発生させ、その蒸気を蒸気タービンに供給して動力を回収する、いわゆるコンバインドサイクルに適用することが多くなっている。
【０００３】
他方、中小型ガスタービンは、シンプルサイクルと称して膨張仕事後のガスタービン排熱を大気に放出しているため、熱効率が低いものの、電力需要が高いときの非常用として適用することが多くなっている。
【０００４】
また、最近の中小型ガスタービンは膨張仕事後のガスタービンに排熱を利用して蒸気を発生させ、発生した蒸気をガスタービンに回収させる、チェンサイクルが開発され、熱効率も高くなってきている。
【０００５】
また、最近の中小型ガスタービンでは、燃料に蒸気を加えて水素リッチな燃料に改質し、改質した水素リッチな燃料をガスタービン燃料として利用する、いわゆる化学再生式のものが提案されている。
【０００６】
この化学再生式のガスタービンは、チェンサイクルを採用するガスタービンに較べて動力回収率が高い点で注目されており、その構成として図２に示すものがある。
【０００７】
この化学再生式の、例えば発電プラントは、大別してガスタービンプラント１、排熱回収部２、燃料供給部３等を備える構成になっている。
【０００８】
ガスタービンプラント１は、空気圧縮機４、ガスタービン燃焼器５、ガスタービン６、発電機７を備え、空気圧縮機４で吸い込んだ空気（大気）Ａを圧縮して高圧化し、その高圧空気に燃料供給部３および排熱回収部２のそれぞれから供給される燃料を加えてガスタービン燃焼器５に供給し、ここで燃焼ガスを生成し、ガスタービン６で生成した燃焼ガスに膨張仕事をさせ、その際に発生する動力（回転トルク）で発電機７を駆動する。
【０００９】
また、排熱回収部２は、筒状のダクト（煙道）８に改質器９および蒸気発生器１０を収容し、改質器９でガスタービン６からの排熱（排ガス）を熱源とし、燃料供給部３および蒸気発生器１０のそれぞれから供給される燃料および蒸気を混合させ、その混合気を熱交換させ、その際に改質される水素リッチな燃料をガスタービン燃焼器５に供給する。
【００１０】
また、燃料供給部３は、燃料圧縮機１１、モータ１２を備え、モータ１２の駆動力で燃料圧縮機１１を駆動し、原燃料Ｆを圧縮して高圧にし、その高圧燃料に蒸気発生器１０からの蒸気を加えて混合させ、その混合気を改質器９に供給する。
【００１１】
なお、燃料供給部３は、起動時等、排熱回収部２の改質器９が熱源の確保ができないとき、原燃料Ｆを燃料圧縮機１１で圧縮後、燃料系１３の燃料弁１４を介して流量コントロールし、ガスタービン燃焼器５に供給する。
【００１２】
また、排熱回収部２は、改質器９で熱源として利用したガスタービン６からの排熱を、再び蒸気発生器１０の熱源として利用している。
【００１３】
この蒸気発生器１０は、例えば純水装置（図示せず）から純水ポンプ１５を介して昇圧された純水Ｗをガスタービン６からの排熱を熱源として蒸気発生器１０で熱交換させ、熱交換後に発生する蒸気の一部を蒸気調節弁１６を介して燃料供給部３からの燃料に混合させる一方、残りの蒸気を他の機器（図示せず）に供給している。なお、符号１７は、煙突である。
【００１４】
このように、化学再生式の中小型ガスタービンは、ガスタービンから回収した排熱で原燃料を水素リッチな燃料に改質し、発熱量の高いガスタービン燃料として使用するので、プラント熱効率を高くすることができた。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
化学再生式の中小型ガスタービンは、回収した排熱で水素リッチな燃料を生成し、発熱量の高い燃料として使用され、熱効率を高くできる点で優れているものの、以下のことが問題点として残されていた。
【００１６】
化学再生式の中小型ガスタービンは、排熱回収部２の改質器９に供給される混合燃料に水滴等の湿分が含まれていると、改質器９の触媒層で燃料改質させる際、蒸気量が変動し、安定した発熱量を維持した改質ガスが得られにくい問題点があった。
【００１７】
また、改質器９には、燃料調節弁１８および蒸気調節弁１６のそれぞれを介して燃料および蒸気のそれぞれが供給されるが、改質器９と燃料調節弁１８および蒸気調節弁１６との容積を較べた場合、改質器９の容積が著しく大きくなっている。
【００１８】
このため、ガスタービンを緊急停止させるとき、燃料調節弁１８および蒸気調節弁１６が閉じても下流側の改質器９の容積内の残圧を外部に排出する際、長時間を要し、直ぐさま停止できない等の問題があった。
【００１９】
さらに、この種のガスタービンは、コジェネレーションに用いられることが多いが、状況により、電気出力割合と熱供給の需要の割合が変動する。このため、発生する蒸気をできる限りガスタービン燃焼器側に供給し、電気出力を最大限に確保することも可能であるが、蒸気と原燃料との混合割合が８を超えると、燃焼性が悪くなることを実験で確認しており、この点が問題として残されている。
【００２０】
また、ガスタービンからの排熱がダクト内を流れ、改質ガスと熱交換しているが、改質器にリークがあると、ダクト内での着火や最悪の場合、爆発の危険性がある。
【００２１】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、安定した運転と信頼性の高い運用のできるガスタービンシステムを提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るガスタービンシステムは、上述の目的を達成するため、請求項１に記載したように、燃焼用酸素を含む流体を圧縮する圧縮機と、この圧縮された流体で燃料を燃焼させるガスタービン燃焼器と、燃焼ガスを膨張させて動力を得るガスタービンと、ガスタービンから排出される排ガスの少なくとも一部を熱源として原燃料の少なくとも一部を化学的に改質する改質器と、この改質器に蒸気を供給する蒸気発生器と、原燃料の一部をガスタービン燃焼器に直接供給する系統とを備えたガスタービンシステムにおいて、前記蒸気発生器の出口部に気液分離器と、その下流に蒸気過熱器を具備したものである。
【００２３】
また、本発明に係るガスタービンシステムは、上述の目的を達成するため、請求項２に記載したように、燃焼用酸素を含む流体を圧縮する圧縮機と、この圧縮された流体で燃料を燃焼させるガスタービン燃焼器と、燃焼ガスを膨張させて動力を得るガスタービンと、ガスタービンから排出される排ガスの少なくとも一部を熱源として原燃料の少なくとも一部を化学的に改質する改質器と、この改質器に蒸気を供給する蒸気発生器と、原燃料の一部をガスタービン燃焼器に直接供給する系統とを備えたガスタービンシステムにおいて、前記改質器を通過させる燃料を流すときには、改質用燃料に対する改質用蒸気の質量流量割合を８以下とすることを特徴とするものである。
【００２４】
また、本発明に係るガスタービンシステムは、上述の目的を達成するため、請求項３に記載したように、蒸気発生器は、発生した蒸気を直接、ガスタービン燃焼器に導入する系統を具備したものである。
【００２５】
また、本発明に係るガスタービンシステムは、上述の目的を達成するため、請求項４に記載したように、燃焼用酸素を含む流体を圧縮する圧縮機と、この圧縮された流体で燃料を燃焼させるガスタービン燃焼器と、燃焼ガスを膨張させて動力を得るガスタービンと、ガスタービンから排出される排ガスの少なくとも一部を熱源として原燃料の少なくとも一部を化学的に改質する改質器と、この改質器に蒸気を供給する蒸気発生器と、原燃料の一部をガスタービン燃焼器に直接供給する系統と、前記蒸気発生器で発生させた蒸気を直接ガスタービン燃焼器に導入する系統とを備えたガスタービンシステムにおいて、前記蒸気発生器は、発生した蒸気を前記ガスタービン燃焼器の下流側に注入するものである。
【００２６】
また、本発明に係るガスタービンシステムは、上述の目的を達成するため、請求項５に記載したように、燃焼用酸素を含む流体を圧縮する圧縮機と、この圧縮された流体で燃料を燃焼させるガスタービン燃焼器と、燃焼ガスを膨張させて動力を得るガスタービンと、ガスタービンから排出される排ガスの少なくとも一部を熱源として原燃料の少なくとも一部を化学的に改質する改質器と、この改質器に蒸気を供給する蒸気発生器と、原燃料の一部をガスタービン燃焼器に直接供給する系統と、前記蒸気発生器で発生させた蒸気を直接ガスタービン燃焼器に導入する系統とを備えたガスタービンシステムにおいて、原燃料をガスタービン燃焼器の中心近傍のノズルから噴出させ、燃焼用空気の一部を前記ノズルの周囲に旋回を与えるように傾けた複数個の孔から供給し、改質燃料を前記燃焼用空気の間に同じ旋回を与えるように傾けて複数個の孔から噴出させるものである。
【００２７】
また、本発明に係るガスタービンシステムは、上述の目的を達成するため、請求項６に記載したように、燃焼用酸素を含む流体を圧縮する圧縮機と、この圧縮された流体で燃料を燃焼させるガスタービン燃焼器と、燃焼ガスを膨張させて動力を得るガスタービンと、ガスタービンから排出される排ガスの少なくとも一部を熱源として原燃料の少なくとも一部を化学的に改質する改質器と、この改質器に蒸気を供給する蒸気発生器と、原燃料の一部をガスタービン燃焼器に直接供給する系統とを備えたガスタービンシステムにおいて、前記原燃料に５００℃以上に過熱した蒸気を混合させ、その混合流体を前記改質器に収容されている改質触媒を通過させたものである。
【００２８】
また、本発明に係るガスタービンシステムは、上述の目的を達成するため、請求項７に記載したように、燃焼用酸素を含む流体を圧縮する圧縮機と、この圧縮された流体で燃料を燃焼させるガスタービン燃焼器と、燃焼ガスを膨張させて動力を得るガスタービンと、ガスタービンから排出される排ガスの少なくとも一部を熱源として原燃料の少なくとも一部を化学的に改質する改質器と、この改質器に蒸気を供給する蒸気発生器と、原燃料の一部をガスタービン燃焼器に直接供給する系統とを備えたガスタービンシステムにおいて、前記改質器は、改質触媒を収容するとともに、前記蒸気発生器から発生した蒸気を加熱源として前記改質触媒を加熱して触媒反応を促進させるものである。
【００２９】
また、本発明に係るガスタービンシステムは、上述の目的を達成するため、請求項８に記載したように、燃焼用酸素を含む流体を圧縮する圧縮機と、この圧縮された流体で燃料を燃焼させるガスタービン燃焼器と、燃焼ガスを膨張させて動力を得るガスタービンと、ガスタービンから排出される排ガスの少なくとも一部を熱源として原燃料の少なくとも一部を化学的に改質する改質器と、この改質器に蒸気を供給する蒸気発生器と、原燃料の一部をガスタービン燃焼器に直接供給する系統とを備えたガスタービンシステムにおいて、前記改質器を複数段に区画する多段用改質器に形成するとともに、複数段に区画する多段用改質器の各段毎に、前記蒸気発生器からの蒸気を熱源として前記多段改質器に収容する改質触媒を加熱させる多段改質器用熱交換器を備える一方、多段改質器用熱交換器に対応して、前記改質触媒を加熱させた後の蒸気を前記ガスタービンから排出される排ガスで再び加熱させる蒸気回収加熱用熱交換器を備えたものである。
【００３０】
また、本発明に係るガスタービンシステムは、上述の目的を達成するため、請求項９に記載したように、多段用改質器は、器内に収容する改質触媒を蒸気発生器からの蒸気と多段改質器用熱交換器で熱交換させて加熱させ、熱交換後温度の低くなった前記蒸気をガスタービンからの排ガスと蒸気回収加熱用熱交換器で再び加熱させた後、原燃料に混合して前記改質触媒を通過させるものである。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るガスタービンシステムの実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００３２】
図１は、本発明に係るガスタービンシステムの第１実施形態を示す概略系統図である。
【００３３】
本実施形態に係るガスタービンシステムは、ガスタービンプラント２０、排熱回収部２１、燃料供給部２２等を備える構成になっている。
【００３４】
ガスタービンプラント２０は、空気圧縮機２３、ガスタービン燃焼器２４、ガスタービン２５、発電機２６を備え、空気圧縮機２３で吸い込んだ空気（大気）Ａを圧縮して高圧化し、その高圧空気を燃料供給部２２または排熱回収部２１からの燃料とともにガスタービン燃焼器２４に供給し、ここで燃焼ガスを生成し、ガスタービン２５で生成した燃焼ガスに膨張仕事をさせ、その際に発生する動力で発電機２６を駆動する。
【００３５】
また、排熱回収部２１は、筒状のダクト（煙道）２７内に改質器２８、過熱器２９、器外の気液分離器３０に接続する蒸気発生器３１はを収容するとともに、改質器２８に遮断弁３２を介装した改質燃料系３３を介してガスタービン燃焼器２４に接続する構成になっている。なお、排熱回収部２１の出口側には、改質器２８、蒸気発生器３１等で熱交換後の排熱を大気に排出させる煙突４５が設けられている。
【００３６】
一方、燃料供給部２２は、例えばＬＮＧ、都市ガス等の原燃料Ｆを圧縮する燃料圧縮機３４と、例えばモータ等の駆動機３５とを備え、駆動機３５で燃料圧縮機３４を駆動し、原燃料Ｆを高圧化する構成になっている。
【００３７】
また、燃料供給部２２は、燃料圧縮機３４で高圧化した原燃料Ｆを燃料弁３６を介装してガスタービン燃焼器２４に供給する第１原燃料系３７と、燃料調節弁３８を介装して排熱回収部２１の改質器２８に供給する第２原燃料系３９とを備えている。
【００３８】
他方、排熱回収部２１に収容する過熱器２９は、蒸気調節弁４０を介装し、混合部４１で蒸気と第２原燃料系３９の燃料調節弁３８からの原燃料Ｆとを混合させる第１蒸気系４２と、残りの蒸気を蒸気弁４３を介装して他の機器（図示せず）に供給する第２蒸気系４４とを備えている。
【００３９】
次に、本実施形態に係るガスタービンシステムの作用を説明する。
【００４０】
起動時、排熱回収部２１の熱源が確保されていないので、ガスタービンシステムは、駆動機３５を駆動して燃料圧縮機３４を回転させ、原燃料Ｆを圧縮して高圧化させ、高圧原燃料Ｆを第１原燃料系３７の燃料弁３６を介してガスタービン燃焼器２４に供給し、ここで、空気圧縮機２３からの高圧空気の酸化剤を利用して燃焼ガスを生成させる。
【００４１】
生成された燃焼ガスは、ガスタービン２５で膨張仕事をした後、排熱（排ガス）として排熱回収部２１に回収される。
【００４２】
排熱回収部２１に供給されたガスタービン２５からの排熱は、改質器２８、過熱器２９、蒸気発生器３１を加熱した後、煙突４５を介して大気に排出される。
【００４３】
排熱温度が高温化し、発電機２６からの負荷（出力）が増加してくると、ガスタービンシステムは、第１原燃料系３７の燃料弁３６を閉じ、第２原燃料系３９の燃料調節弁３８を開口させて混合部４１に高圧の原燃料Ｆを供給する。
【００４４】
他方、起動前から蒸気発生器３１に純水Ｗを純水ポンプ４６を介して供給していた排熱回収部２１は、ガスタービン２５からの排熱が高温化するにつれ、純水Ｗと熱交換して蒸気を発生させ、気液分離器３０で発生した蒸気のうち、気体部分と液体部分とに分離し、液体部分を再循環させるとともに、気体部分を過熱器２９で加熱して温度５００℃以上の過熱蒸気にした後、第１蒸気系４２の蒸気調節弁４０を介して混合部４１に供給し、残りの過熱蒸気を第２蒸気系４４の蒸気弁４３を介して他の機器に供給する。
【００４５】
混合部４１で原燃料Ｆと温度５００℃以上の過熱蒸気とが混合した混合気は、改質器２８に供給され、ここで触媒層の触媒力の下、水素リッチな燃料に改質される。水素リッチに改質された燃料は、改質燃料系３３の遮断弁３２を介して、空気圧縮機２３からの高圧空気とともに、ガスタービン燃焼器２４に供給され、燃焼ガスが生成される。
【００４６】
ガスタービン燃焼器２４で生成された燃焼ガスは、ガスタービン２５で膨張仕事をした後、熱源として排熱回収部２１に供給され、定格運転に至らしめる。
【００４７】
このように、本実施形態は、排熱回収部２１の蒸気発生器２１に気液分離器３０を設け、蒸気発生器２１で発生した蒸気のうち、液体部分を分離し、気体部分を過熱器２９、混合部４１を介して高圧の原燃料Ｆとともに、改質器２９に供給し、触媒層で蒸気と高圧の原燃料Ｆとの混合気に含まれる液体部分を排除し、液体部分による蒸発を防止したので、発熱量の安定した水素リッチな燃料に改質することができる。
【００４８】
その際、本実施形態は、気液分離器３０の出口側に過熱器２９を設け、この過熱器２９により蒸気に含まれる液体部分を排除し、気体部分のみにしているので、改質器２８の触媒層に供給する高圧の原燃料Ｆを気体部分として維持させることができ、蒸気と高圧の原燃料との適正配分の下、良質の水素リッチな燃料に改質することができる。
【００４９】
また、本実施形態は、排熱回収部２１の改質器２８をガスタービン燃焼器２４に接続させる改質燃料系３３に遮断弁３２を設け、緊急停止時、遮断弁３２を閉じて改質燃料の供給を断つので、ガスタービン２５の急速停止を実現することができる。
【００５０】
したがって、本実施形態によれば、蒸気に含まれる液体部分の確実な排除により原燃料Ｆを良質な水素リッチな燃料に改質することができる。
【００５１】
また、本実施形態によれば、改質燃料系３３に遮断弁３２を設けることにより、緊急時の際、ガスタービン２５に急速停止を行わせることができる。
【００５２】
図３は、本発明に係るガスタービンシステムの第２実施形態を示す概略系統図である。
【００５３】
なお、第１実施形態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００５４】
本実施形態に係るガスタービンシステムは、燃料圧縮機３４から第２原燃料系３９の燃料調節弁３８を介して混合部４１に供給する原燃料Ｆと過熱器２９から第１蒸気系４２の蒸気調節弁４０を介して混合部４１に供給する蒸気との混合比率が原燃料Ｆの１に対し、蒸気を８以内の質量流量の割合に維持する流量コントロールを燃料調節弁３８と蒸気調節弁４０とで行っているが、この場合、過熱器２９から出る蒸気が過剰になることを考慮したもので、過熱器２９の出口側から分岐し、蒸気調節弁は４６を介装してガスタービン燃焼器２４はに接続する第３蒸気系４７を設けたものである。なお、混合部４１は、原燃料Ｆの１に対し、蒸気を８倍以上にすると、燃焼の際、未燃部分が出ることを実験により確認したことに基づいている。
【００５５】
このように、本実施形態は過熱器２９の出口側から分岐し、蒸気調節弁４６を介装してガスタービン燃焼器２４に接続する第３蒸気系４７を設け、第３蒸気系４７により蒸気の持つエネルギをガスタービン燃焼器２４に回収させたので、比較的少ない改質燃料で燃焼ガスを高温化させて出力を増加させることができ、エネルギの有効活用を図ることができる。
【００５６】
図４は、本発明に係るガスタービンシステムに適用するガスタービン燃焼器２４の第１実施形態を示す一部切欠断面図である。
【００５７】
本実施形態に係るガスタービン燃焼器２４は、空気圧縮機２３に連通し、横長状のケーシング４８で包囲形成された燃焼部４９を備えている。
【００５８】
この燃焼部４９は、燃焼器ライナ５０で筒状に形成した燃焼室５１と、燃焼室５１の頭部側に設けた燃料ノズル５２と、燃焼室５１の下流側に設けられガスタービン（図示せず）に接続するトランジションピース５３とを備えている。
【００５９】
また、燃焼部４９は、燃焼室５１であって、燃料ノズル５２から噴出する改質燃料により燃焼反応が完了した領域に蒸気供給管５４を備えている。
【００６０】
このような構成部品を備えるガスタービン燃焼器２４において、燃料ノズル５２から燃焼室５１に噴出した改質燃料は、空気圧縮機２５から供給された高圧空気の酸化剤の下、燃焼ガスを生成する。生成した燃焼ガスはトランジションピース５３を介してガスタービンに供給され、ここで膨張仕事が行われる。
【００６１】
その際、蒸気供給管５４では、排熱回収部２１で発生した蒸気を燃焼室５１に供給する。
【００６２】
このように、本実施形態は、燃焼室５１の改質燃料の燃焼反応が完了した領域、具体的には燃焼室５１の下流側に蒸気供給管５４からの蒸気を噴出させるので、燃焼ガス中に未燃部分が残ることもなく、燃焼ガスを高温化させてエネルギの有効活用を図ることができる。
【００６３】
図５は、本発明に係るガスタービンシステムに適用するガスタービン燃焼器２４の第２実施形態を示す概略部分断面図である。なお、図中、（ａ）はガスタービン燃焼器の一部切欠部分断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視方向から見た正面図である。
【００６４】
本実施形態に係るガスタービン燃焼器２４は、ケーシング５５の内径側に同心状に収容され、燃焼器ライナ５０で筒状に形成した燃焼室５１と、燃焼室５１の頭部側に形成する燃料供給部５６とを備えている。
【００６５】
燃料供給部５６は、燃焼室５１の頭部側の中央に設けた原燃料ノズル５７に連通し、原燃料通路５８を介して接続する原燃料口５９と、原燃料ノズル５７の外側に配置された改質燃料ノズル６０とスワラ６１とで構成されている。
【００６６】
改質燃料ノズル６０は、原燃料通路５８の外側に形成する改質燃料通路６２を介して改質燃料口６３に接続している。
【００６７】
また、スワラ６１は、改質燃料通路６２に設けた区画板６４を介して空気通路６５に連通し、空気圧縮機から空気通路６５を介して供給される高圧空気に旋回流を与えて原燃料ノズル５７からの原燃料または改質燃料ノズル６０からの改質燃料を撹拌し、拡散燃焼させるようになっている。
【００６８】
なお、改質燃料ノズル６０とスワラ６１とは、図５（ｂ）に示すように、原燃料ノズル５７に対し、放射状に、かつ互いが交互に配置されている。
【００６９】
一般に、原燃料を改質する際、原燃料に対する蒸気の割合を変化させると、改質ガスの単位体積あたりの発熱量が変化する。このとき、蒸気の占める割合が高いほど、平衡点のずれにより、炭化水素が水素と一酸化炭素に分化し易くなり、化学的に取り込まれる熱量が増加し、排熱のエネルギの動力回収効率が高くなる。つまり、ガスタービン燃焼器にとっては、如何に低い発熱量の燃料まで燃焼させることができるかがサイクルの効率化、運用の幅広さを決める重要なポイントになっている。
【００７０】
発熱量の低い燃料は、高い燃料に較べて同じガスタービン燃焼器出口温度を達成するためには、より多くの燃料を必要とする。この多量の燃料が空気と良好に混じり合い、接触して酸化しなければ未燃物として大気に排出される。
【００７１】
したがって、低い発熱量の燃料の燃焼のためには、燃料と空気との接触を効果的、かつ良好に行うことが高い燃焼性を維持するキーポイントになっている。
【００７２】
本実施形態は、このような点を充分に考慮してなされたもので、改質燃料ノズル６０とスワラ６１とを交互に配置し、改質燃料ノズル６０から噴出する改質燃料がスワラ６１から出る燃焼用空気の旋回方向と同じ方向に噴出するように構成したものである。
【００７３】
このように、本実施形態は、燃焼室５１の頭部側の中央に設けた原燃料ノズル５７に対し、放射状に、かつ互い違いに改質燃料ノズル６０とスワラ６１とを配置し、しかも改質燃料ノズル６０からの改質燃料を、スワラ６１からの燃焼用空気の旋回方向と同じ方向に噴出させる構成にしたので、燃焼用空気と改質燃料とが効果的かつ良好に接触し、未燃部分のない安定した燃焼ガスを生成することができる。
【００７４】
実験によれば、本実施形態に係る燃料供給部５６の構造を採用することにより、原燃料を１に対し、蒸気の占める質量流量割合を８まで高めた発熱量の低い燃料であっても、安定した燃焼ガスを生成できることが確認された。
【００７５】
図６は、本発明に係るガスタービンシステムの第３実施形態を示す概略系統図である。
【００７６】
なお、第１実施形態の構成部分と同一構成部分には同一符号を付す。
【００７７】
本実施形態に係るガスタービンシステムは、排熱回収部２１のダクト２７内に熱交換器６６、過熱器２９、気液分離器３０を備えた蒸気発生器３１等を収容するとともに、器外に設置した改質器２８に遮断弁３２を介装した改質燃料系３３を介してガスタービン燃焼器２４に接続させたものである。なお、他の構成部品は、第１実施形態の構成部品と同一なので、重複説明を省略する。
【００７８】
本実施形態は、ダクト２７内に収容した過熱器２９から発生した過熱蒸気のうち、一部を第２蒸気系４４の蒸気弁４３を介して他の機器に供給し、残りを第１蒸気系４２の蒸気調節弁４０を介して熱交換器６６に供給し、ここで、温度５００℃以上に過熱した後、混合部４１に供給する。
【００７９】
一方、燃料圧縮機３４で圧縮された高圧の原燃料Ｆは、起動時、第１原燃料系３７の燃料弁３６を介してガスタービン燃焼器２４に供給され、発電機２６の負荷（出力）が上昇すると、第２原燃料系３９の燃料調節弁３８を介して混合部４１に供給される。
【００８０】
混合部４１は、原燃料Ｆと蒸気とを混合させ、その混合気を改質器２８に供給し、ここで改質触媒（図示せず）の触媒能力の下、水素リッチな燃料に改質させる。水素リッチに改質した燃料は、改質燃料系３２の遮断弁３２を介してガスタービン燃焼器２４に供給される。
【００８１】
このように、本実施形態は、改質器２８を排熱回収部２１のダクト２７の器外に設置したので、高温の排熱に晒されてチューブの劣化を招くこともなく、長期間に亘って安全かつ安定運転を維持させることができる。なお、改質器２８をダクト２７の器外に設置した場合、改質器２８の改質触媒（図示せず）の触媒能力を検討しなければならないが、改質器２８の必要な温度が４００℃であり、熱交換器６５を通過する原燃料Ｆの温度が５００℃以上であるから改質触媒の触媒能力を充分に発揮させることができる。
【００８２】
図７は、本発明に係るガスタービンシステムの第４実施形態を示す概略系統図である。
【００８３】
なお、第１実施形態の構成部分と同一構成部分には同一符号を付す。
【００８４】
本実施形態に係るガスタービンシステムは、第３実施形態と同様に、改質器２８を上流側から下流側に向って第１段改質器２８ａ、第２段改質器２８ｂ、第３段改質器２８ｃ，…と複数段に区画形成する一方、複数段に区画形成した各段改質器２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，…毎に第１段改質器用熱交換器６７ａ、第２段改質器用熱交換器６７ｂ、第３段改質器用熱交換器６７ｃ，…と多段改質器用熱交換器６７を設け、各段改質器２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，…に収容する改質触媒（図示せず）を過熱器２９からの蒸気で熱交換して加熱させたものである。
【００８５】
また、本実施形態に係るガスタービンシステムは、排熱回収部２１のダクト２７内に、上述の第１段改質器用熱交換器６７ａ、第２段改質器用熱交換器６７ｂ、第３段改質器用熱交換器６７ｃ，…に対応させて第１段蒸気回収加熱用熱交換器６８ａ、第２段蒸気回収加熱用熱交換器６８ｂ、第３段蒸気回収加熱用熱交換器６８ｃ，…の多段蒸気回収加熱用熱交換器６８を設け、上述各段改質器６７ａ，６７ｂ，６７ｃ，…で熱交換して加熱させ、加熱後、熱を失って温度の下った蒸気を再び多段蒸気回収加熱用熱交換器６８でガスタービン２５からの排ガスを熱源として熱交換して加熱させ、その加熱した蒸気を原燃料に混合させて改質触媒して供給することにより、ガスタービン２５から出る排ガス（排熱）のエネルギの有効活用を図ったものである。
【００８６】
このように、本実施形態は、第３実施形態と同様に、改質器２８を排熱回収部２１のダクト２７の器外に設置したので、高温の排熱に晒されてチューブの劣化を招くこともなく、長期間に亘って安全かつ安定運転を維持することができる。
【００８７】
また、本実施形態は、改質器２８を多段用の改質器２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，…に区画形成し、区画形成した各段改質器２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，…毎に改質器用熱交換器６７ａ，６７ｂ，６７ｃ，…を設けるとともに、複数段の改質器用熱交換器６７に対応させて排熱回収部２１のダクト２７内に複数段の蒸気回収加熱用熱交換器６８を設け、混合部４１で混合させた原燃料Ｆと蒸気加熱用熱交換器６８、からの蒸気との混合気を改質触媒層の下、加熱させるので、良質で、かつ安定した水素リッチな燃料に改質することができる。
【００８８】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明に係るガスタービンシステムは、ガスタービンからの排熱を回収して蒸気を発生させる排熱回収部に、発生した蒸気のうち、気体部分と液体部分とを分離する手段と、分離した気体部分を過熱する手段とを設けるとともに、排熱回収部に収容した改質器からガスタービン燃焼器に水素リッチな改質燃料を供給する系統に緊急時に対処して遮断する手段を設けたので、良質で、安定した水素リッチな燃料に改質することができ、緊急時により一層早くガスタービンを停止させることができる。
【００８９】
また、本発明に係るガスタービンシステムは、排熱回収部から発生した蒸気が過剰な場合、その過剰蒸気をガスタービン燃焼器に回収させる手段を備えたので、比較的少ない改質燃料で燃焼ガスを高温化させて出力の増加を図ることができ、エネルギの有効活用を図ることができる。
【００９０】
また、本発明に係るガスタービンシステムは、排熱回収部の部外に改質器を設置するとともに、改質器を複数段に区画形成し、区画形成した改質器の複数段毎に改質器用熱交換器を設け、熱交換後、各改質器用熱交換器の蒸気を回収し、回収した蒸気を再び加熱して改質器用熱交換器に戻す蒸気回収加熱用熱交換器を各改質器用熱交換器に対応させ設けたので、高温の排熱に晒されてチューブの劣化を招くこともなく、安全かつ安定な運転を維持することができ、また、エネルギの有効活用を図ることができる。
【００９１】
また、本発明に係るガスタービンシステムは、ガスタービン燃焼器の燃料供給部の中央に設けた原燃料ノズルから放射状に、かつ互いを交互に配置する改質燃料ノズルとスワラとを備え、スワラからの燃焼用空気の旋回方向と同じ方向に改質燃料ノズルからの改質燃料を噴出させるので、改質燃料と燃焼用空気とを良好に接触させることができ、安定した燃焼ガスを生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るガスタービンシステムの第１実施形態を示す概略系統図。
【図２】従来のガスタービンシステムを示す概略系統図。
【図３】本発明に係るガスタービンシステムの第２実施形態を示す概略系統図。
【図４】本発明に係るガスタービンシステムに適用するガスタービン燃焼器の第１実施形態を示す一部切欠断面図。
【図５】本発明に係るガスタービンシステムに適用するガスタービン燃焼器の第２実施形態を示す概略部分断面図で、（ａ）はガスタービン燃焼器の一部切欠部分断面図、（ｂ）は（ａ）Ａ−Ａ矢視方向から見た正面図。
【図６】本発明に係るガスタービンシステムの第３実施形態を示す概略系統図。
【図７】本発明に係るガスタービンシステムの第４実施形態を示す概略系統図。
【符号の説明】
１  ガスタービンプラント
２  排熱回収部
３  燃料供給部
４  空気圧縮機
５  ガスタービン燃焼器
６  ガスタービン
７  発電機
８  ダクト
９  改質器
１０  蒸気発生器
１１  燃料圧縮機
１２  モータ
１３  燃料系
１４  燃料弁
１５  純水ポンプ
１６  蒸気調節弁
１７  煙突
１８  燃料調節弁
２０  ガスタービンプラント
２１  排熱回収部
２２  燃料供給部
２３  空気圧縮機
２４  ガスタービン燃焼器
２５  ガスタービン
２６  発電機
２７  ダクト
２８  改質器
２８ａ  第１段改質器
２８ｂ  第２段改質器
２８ｃ  第３段改質器
２９  過熱器
３０  気液分離器
３１  蒸気発生器
３２  遮断弁
３３  改質燃料系
３４  燃料圧縮機
３５  駆動機
３６  燃料弁
３７  第１原燃料系
３８  燃料調節弁
３９  第２原燃料系
４０  蒸気調節弁
４１  混合部
４２  第１蒸気系
４３  蒸気弁
４４  第２蒸気系
４５  煙突
４６  蒸気調節弁
４７  第３蒸気系
４８  ケーシング
４９  燃焼部
５０  燃焼器ライナ
５１  燃焼室
５２  燃料ノズル
５３  トランジションピース
５４  蒸気供給管
５５  ケーシング
５６  燃料供給部
５７  原燃料ノズル
５８  原燃料通路
５９  原燃料口
６０  改質燃料ノズル
６１  スワラ
６２  改質燃料通路
６３  改質燃料口
６４  区画板
６５  空気通路
６７  多段改質器用熱交換器
６７ａ  第１改質器用熱交換器
６７ｂ  第２改質器用熱交換器
６７ｃ  第３改質器用熱交換器
６８  蒸気回収加熱用熱交換器
６８ａ  第１段蒸気回収加熱用熱交換器
６８ｂ  第２段蒸気回収加熱用熱交換器
６８ｂ  第３段蒸気回収加熱用熱交換器
【図１】
2004183602.tif 000003
【図２】
2004183602.tif 000004
【図３】
2004183602.tif 000005
【図４】
2004183602.tif 000006
【図５】
2004183602.tif 000007
【図６】
2004183602.tif 000008
【図７】
2004183602.tif 000009