(57)【要約】【課題】熱源として改質器に供給する排ガスの温度をより上昇させる。【解決手段】第１の燃焼ガスによって回転駆動される第１タービン３Ａと、第２の燃焼ガスによって回転駆動される第２タービン３Ｂと、酸素含有ガスを圧縮して圧縮酸素含有ガスを出力する圧縮機１と、第２タービン３Ｂの排ガスを用いて水を気化させて水蒸気を出力する蒸気発生器７と、第２タービン３Ｂの排ガスを用いて炭化水素と水蒸気とを反応させて改質ガスを出力する改質器５と、燃料ガスを圧縮酸素含有ガスと改質ガスと共に燃焼させて第１の燃焼ガスを第１タービン３Ａに出力する第１燃焼器２と、改質ガスを第１タービン３Ａの排ガスと共に燃焼させて第２の燃焼ガスを第２タービン３Ｂに出力する第２燃焼器４とを具備する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の燃焼ガスによって回転駆動される第１タービン（３Ａ）と、
第２の燃焼ガスによって回転駆動される第２タービン（３Ｂ）と、
酸素含有ガスを圧縮して圧縮酸素含有ガスを出力する圧縮機（１）と、
前記第２タービン（３Ｂ）の排ガスを用いて水を気化させて水蒸気を出力する蒸気発生器（７）と、
前記第２タービン（３Ｂ）の排ガスを用いて炭化水素と前記水蒸気とを反応させて改質ガスを出力する改質器（５）と、
燃料ガスを前記圧縮酸素含有ガスと改質ガスと共に燃焼させて前記第１の燃焼ガスを第１タービン（３Ａ）に出力する第１燃焼器（２）と、
改質ガスを前記第１タービン（３Ａ）の排ガスと共に燃焼させて第２の燃焼ガスを前記第２タービン（３Ｂ）に出力する第２燃焼器（４）と
を具備することを特徴とする動力装置。
【請求項２】
改質器（５）において炭化水素に対する水蒸気の割合を所定値以上とする場合には、第２燃焼器（４）を触媒燃焼器とすることを特徴とする請求項１記載の動力装置。
【請求項３】
蒸気発生器（７）から出力される水蒸気と圧縮酸素含有ガスとを混合させた混合ガスを第２タービン（３Ｂ）の排ガスを用いて加熱して第１燃焼器（２）に供給する熱交換器（６）をさらに備えることを特徴とする請求項１または２記載の動力装置。
【請求項４】
水を第２タービン（３Ｂ）の排ガスを用いて予熱して蒸気発生器（７）に供給する予熱器（８）をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の動力装置。
【請求項５】
炭化水素はメタン（ＣＨ４）を主成分とすることを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の動力装置。
【請求項６】
ガスタービンを回転駆動させて動力を発生させるに際して、前記ガスタービンの排ガス中の熱エネルギーを利用して炭化水素と水蒸気とを反応させて改質ガスを発生させ、この改質ガスを燃料ガスと共に燃焼させて前記ガスタービンを回転駆動させる動力発生方法であって、
前記ガスタービンとして再熱サイクルガスタービン（Ｔ）を用いることを特徴とする動力発生方法。
【請求項７】
炭化水素に対する水蒸気の割合を所定値以上に設定して改質ガスを発生させる場合には、改質ガスを触媒を作用させて燃料ガスと共に燃焼させることを特徴とする請求項７記載の動力発生方法。
【請求項８】
水蒸気と圧縮酸素含有ガスとを混合させた混合ガスをガスタービンの排ガスを用いて加熱し、この加熱したガスを改質ガスと燃料ガスと共に燃焼させることを特徴とする請求項７または８記載の動力発生方法。
【請求項９】
水をガスタービンの排ガスを用いて水を予熱した後にさらに加熱して水蒸気を発生させることを特徴とする請求項７〜９いずれかに記載の動力発生方法。
【請求項１０】
炭化水素はメタン（ＣＨ４）を主成分とすることを特徴とする請求項７〜１０いずれかに記載の動力発生方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、動力装置及び動力発生方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
例えば、特開２０００−３２８９６０には、単純サイクルガスタービンからの排熱を燃料の改質に利用するガスタービンシステム（動力装置）が開示されている。このガスタービンシステムでは、ガスタービンの排ガスを熱源として改質器に供給することにより排ガスの排熱を利用して燃料ガスを水蒸気とを反応させて改質ガスを生成し、この改質ガスを燃焼器に供給して水蒸気及び圧縮空気と共に燃焼させてガスタービンを回転駆動する。
【０００３】
ところで、上記ガスタービンシステムでは、ガスタービンから排出される排ガスの温度が７５０Ｋ（ケルビン）程度であり、燃料ガスが十分に改質されない。すなわち、上記ガスタービンシステムは、燃料ガスの改質効率が悪いために、動力装置としての効率が悪い。また、燃料ガスの改質効率が悪いということは改質ガス中に含まれる水素ガス濃度が低いということと等価なので、動力装置としての効率を向上させるためには多量の水蒸気を燃焼器に供給する必要があり、この結果、燃焼器が失火し易いという問題点もある。
【０００４】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、以下の点を目的とするものである。
（１）熱源として改質器に供給する排ガスの温度をより上昇させる。
（２）動力の発生効率を向上させる。
（３）燃焼器の失火を防止する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、動力装置に係わる第１の手段として、第１の燃焼ガスによって回転駆動される第１タービン（３Ａ）と、第２の燃焼ガスによって回転駆動される第２タービン（３Ｂ）と、酸素含有ガスを圧縮して圧縮酸素含有ガスを出力する圧縮機（１）と、前記第２タービン（３Ｂ）の排ガスを用いて水を気化させて水蒸気を出力する蒸気発生器（７）と、前記第２タービン（３Ｂ）の排ガスを用いて炭化水素と前記水蒸気とを反応させて改質ガスを出力する改質器（５）と、燃料ガスを前記圧縮酸素含有ガスと改質ガスと共に燃焼させて前記第１の燃焼ガスを第１タービン（３Ａ）に出力する第１燃焼器（２）と、改質ガスを前記第１タービン（３Ａ）の排ガスと共に燃焼させて第２の燃焼ガスを前記第２タービン（３Ｂ）に出力する第２燃焼器（４）とを具備する構成を採用する。
【０００６】
動力装置に係わる第２の手段として、上記第１の手段において、改質器（５）において炭化水素に対する水蒸気の割合を所定値以上とする場合には、第２燃焼器（４）を触媒燃焼器とするという構成を採用する。
【０００７】
動力装置に係わる第３の手段として、上記第１または第２の手段において、蒸気発生器（７）から出力される水蒸気と圧縮酸素含有ガスとを混合させた混合ガスを第２タービン（３Ｂ）の排ガスを用いて加熱して第１燃焼器（２）に供給する熱交換器（６）をさらに備えるという構成を採用する。
【０００８】
動力装置に係わる第４の手段として、上記第１〜第３いずれかの手段において、水を第２タービン（３Ｂ）の排ガスを用いて予熱して蒸気発生器（７）に供給する予熱器（８）をさらに備えるという構成を採用する。
【０００９】
動力装置に係わる第５の手段として、上記第１〜第４いずれかの手段において、炭化水素はメタン（ＣＨ４）を主成分とするという構成を採用する。
【００１０】
一方、本発明では、動力発生方法に係わる第１の手段として、ガスタービンを回転駆動させて動力を発生させるに際して、前記ガスタービンの排ガス中の熱エネルギーを利用して炭化水素と水蒸気とを反応させて改質ガスを発生させ、この改質ガスを燃料ガスと共に燃焼させて前記ガスタービンを回転駆動させる動力発生方法であって、前記ガスタービンとして再熱サイクルガスタービン（Ｔ）を用いるという構成を採用する。
【００１１】
動力発生方法に係わる第２の手段として、上記第１の手段において、炭化水素に対する水蒸気の割合を所定値以上に設定して改質ガスを発生させる場合には、改質ガスを触媒を作用させて燃料ガスと共に燃焼させるという構成を採用する。
【００１２】
動力発生方法に係わる第３の手段として、上記第１または第２の手段において、水蒸気と圧縮酸素含有ガスとを混合させた混合ガスをガスタービンの排ガスを用いて加熱し、この加熱したガスを改質ガスと燃料ガスと共に燃焼させるという構成を採用する。
【００１３】
動力発生方法に係わる第４の手段として、上記第１〜第３いずれかの手段において、水をガスタービンの排ガスを用いて水を予熱した後にさらに加熱して水蒸気を発生させるという構成を採用する。
【００１４】
動力発生方法に係わる第５の手段として、上記第１〜第４いずれかの手段において、炭化水素はメタン（ＣＨ４）を主成分とするという構成を採用する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係わる動力装置及び動力発生方法の一実施形態について説明する。
【００１６】
図１は、本実施形態に係わる動力装置のシステム構成図である。この図において、符号Ｔは、再熱サイクルガスタービン（ガスタービン）であり、圧縮機１、第１燃焼器２、第１タービン３Ａ、第２タービン３Ｂ、第２燃焼器４とから構成されている。また、符号５は改質器、６は熱交換器、７は蒸気発生器、８は予熱器である。圧縮機１は、第１タービン３Ａと同軸回転するものであり、外部から供給される空気（酸素含有ガス）を圧縮し、圧縮空気（圧縮酸素含有ガス）として第１燃焼器２及び熱交換器６に出力する。第１燃焼器２は、外部から供給される燃料を上記圧縮空気、改質器５から供給される改質ガス及び熱交換器６から供給される混合ガスと共に燃焼させることにより高圧の燃焼ガス（第１の燃焼ガス）を発生させ、この第１の燃焼ガスを第１タービン３Ａに出力する。
【００１７】
第１タービン３Ａは、上記第１の燃焼ガスによって回転駆動されるものであり、当該駆動に寄与した後の排ガスを第２燃焼器４に出力する。第２タービン３Ｂは、第２燃焼器４から供給される燃焼ガス（第２の燃焼ガス）によって回転駆動されるものであり、当該駆動に寄与した後の排ガスを改質器５、熱交換器６、蒸気発生器７及び予熱器８に熱源として出力する。この第２タービン３Ｂは、上記第１タービン３Ａと同軸回転するものであるが、同軸回転しない構造のものであっても良い。
【００１８】
第２燃焼器４は、改質器５から供給される改質ガスを上記第１タービン３Ａから入力される排ガスと共に燃焼させることにより高圧の燃焼ガス（第２の燃焼ガス）を発生させ、この第２の燃焼ガスを上記第２タービン３Ｂに出力する。改質器５は、第２タービン３Ｂから供給された排ガスを熱源として外部から供給される炭化水素と蒸気発生器７から供給される水蒸気とを反応させて改質ガスを生成し、この改質ガスを第１燃焼器２及び第２燃焼器４に出力する。
【００１９】
熱交換器６は、圧縮機１から出力される圧縮空気と蒸気発生器７から出力される水蒸気との混合ガスを第２タービン３Ｂから供給された排ガスと熱交換させることにより加熱し、高温状態の混合ガスを上記第１燃焼器２に出力する。蒸気発生器７は、予熱器８から供給された加熱状態の水を第２タービン３Ｂから供給された排ガスの熱（排熱）を用いて気化させて水蒸気を発生させ、この水蒸気を改質器５及び熱交換器６に出力する。予熱器８は、外部から供給された水（水道水）を第２タービン３Ｂから供給された排ガスを用いて加熱（予熱）して蒸気発生器７に出力する。
【００２０】
次に、このように構成された動力装置の動作及び性能について、図２をも参照して詳しく説明する。
【００２１】
このような動力装置では、第１燃焼器２から供給される高圧の第１の燃焼ガスによって第１タービン３Ａが回転駆動されることにより動力が発生する。そして、この動力発生に寄与することによってエネルギー損失を受けた第１の燃焼ガスは、排ガスとして第１タービン３Ａから第２燃焼器４に供給され改質ガスと共に燃焼して高圧の第２の燃焼ガスとされる。第２タービン３Ｂは、この第２の燃焼ガスの供給を受けて動力を発生し、その排ガスを改質器５、熱交換器６、蒸気発生器７及び予熱器８に熱源として出力する。
【００２２】
ここで、第２タービン３Ｂから出力される第２の燃焼ガスのケルビン温度は約１０００Ｋである。改質器５、熱交換器６、蒸気発生器７及び予熱器８は、約１０００Ｋの排ガスを熱源として利用することにより、上述した所望の機能を実現している。
【００２３】
すなわち、改質器５は、約１０００Ｋという高温の排ガスの熱（排熱）を用いて炭化水素と水蒸気とを反応させて改質ガスを生成する。例えば炭化水素にメタン（ＣＨ４）を使用した場合、このメタン（ＣＨ４）は、水蒸気（Ｈ２Ｏ）と反応し、一炭化酸素ガス（ＣＯ）と水素ガス（Ｈ２）とを成分とする改質ガスが生成される。したがって、第１燃焼器２では、燃料ガスと空気とに改質ガスの成分である一炭化酸素ガス（ＣＯ）及び水素ガス（Ｈ２）並びに混合ガスの成分である加熱された水蒸気（Ｈ２Ｏ）及び空気が混合された状態で燃焼が行われる。この第１燃焼器２における燃焼反応によって生成された高圧の第１の燃焼ガスは、第１タービン３ａに供給されて回転動力を発生する。
【００２４】
そして、第１タービン３Ａの排ガスは、第２燃焼器４に供給され、上記一炭化酸素ガス（ＣＯ）と水素ガス（Ｈ２）とを成分とする改質ガスと混合した状態で燃焼し、高圧の第２の燃焼ガスとして第２タービン３Ｂに供給されて回転動力を発生する。そして、この回転動力の発生に寄与した第２タービン３Ｂの排ガス（約１０００Ｋ）は、改質器５、熱交換器６、蒸気発生器７及び予熱器８に供給されて熱源として作用する。
【００２５】
図２は、上記改質器５における炭化水素の温度変化に対する改質効率を説明する特性図である。この図において、温度領域Ｔ１は、単純サイクルガスタービンの排ガスの温度範囲を示し、温度領域Ｔ２は、本動力装置における再熱サイクルガスタービンＴの排ガスの温度範囲を示している。ここで、改質効率とは、改質器５に投入した炭化水素の量と改質器５から排出される改質された炭化水素の量の比率である。
【００２６】
すなわち、温度領域Ｔ１が約７５０Ｋ〜８５０Ｋであるのに対して、温度領域Ｔ２は、約１０００Ｋであり、温度領域Ｔ１よりも約２００Ｋ程度高い温度である。そして、４つの特性曲線Ｒ１〜Ｒ４は、改質効率の温度に対する変化を改質時の水蒸気量をパラメータとして示している。なお、水蒸気量は、Ｒ１＞Ｒ２＞Ｒ３＞Ｒ４の関係になっている。この特性図から、再熱サイクルガスタービンＴの排ガスの温度範囲では、単純サイクルガスタービンの排ガスの温度範囲よりも改質効率が高く、しかも同一温度で比較した場合には水蒸気量が多い方が改質効率が高いことが解る。
【００２７】
したがって、本動力装置のように再熱サイクルガスタービンＴを用いることにより、単純サイクルガスタービンを用いた場合によりも炭化水素の改質効率を向上させることができる。そして、本動力装置によれば、このように改質効率が向上することによって、動力の発生効率を向上させることが可能である。
【００２８】
また、このように改質効率が向上するということは、水蒸気を用いた炭化水素の改質反応が吸熱反応であることから、再熱サイクルガスタービンＴから改質器５に供給される排ガスの熱エネルギーを改質反応においてより多く利用することになるので、排ガスの熱エネルギーの利用効率が上昇し、本動力装置としての全体的なエネルギー効率を向上させることができる。
【００２９】
さらに、再熱サイクルガスタービンＴを用いた場合であっても、改質器５に送り込む水蒸気量が多い方が改質効率が高い（すなわち動力の発生効率が高い）ので、改質器５における水蒸気量を極力大きく設定すべきである。しかしながら、改質器５に供給する水蒸気量を増大させた場合、改質ガス中に含まれる未反応の水蒸気が増加するので、このような改質ガスを第１燃焼器２及び第２燃焼器４に供給した場合に、失火の可能性が高まるという弊害が発生する。このような弊害に対して、本実施形態では、第２燃焼器４に触媒を燃焼反応に介在させる触媒燃焼器を用いることにより、水蒸気量の増大による第２燃焼器４の失火を防止することができる。
【００３０】
このように大量の水蒸気を用いて改質を行う場合には、空気温度が低い第１燃焼器２で改質ガスを燃焼させることはできない。すなわち、第１燃焼器２に触媒燃焼器を用いても、空気温度が低いために触媒が活性化されなので、燃焼が困難である。したがって、大量の水蒸気を用いて改質を行う場合には、第２燃焼器４を触媒燃焼器とし、第２燃焼器４のみに改質ガスを供給して燃焼させる。第２燃焼器４は、第１燃焼器２に比べて低圧なので、改質を低圧で行うことが可能であり、この結果、改質効率が向上する。
【００３１】
なお、熱交換器６では圧縮空気と水蒸気との混合ガスが第２タービン３Ｂの排ガスを熱源として加熱され、第１燃焼器２に供給される。蒸気発生器７では、同様に第２タービン３Ｂの排ガスを熱源として予熱器８によって予熱された水が気化して水蒸気に状態変換されて、改質器５及び熱交換器６の入口配管に供給される。
【００３２】
また、炭化水素としては、メタンに限定されることなく、灯油、ナフサあるいはＬＰＧ等を用いることができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、第１の燃焼ガスによって回転駆動される第１タービンと、第２の燃焼ガスによって回転駆動される第２タービンと、酸素含有ガスを圧縮して圧縮酸素含有ガスを出力する圧縮機と、第２タービンの排ガスを用いて水を気化させて水蒸気を出力する蒸気発生器と、第２タービンの排ガスを用いて炭化水素と水蒸気とを反応させて改質ガスを出力する改質器と、燃料ガスを圧縮酸素含有ガスと改質ガスと共に燃焼させて前記第１の燃焼ガスを第１タービンに出力する第１燃焼器と、改質ガスを第１タービンの排ガスと共に燃焼させて第２の燃焼ガスを第２タービンに出力する第２燃焼器とを具備する。
すなわち、従来の単純サイクルガスタービンに代えて再熱サイクルガスタービンの排ガスを熱源として改質器で改質ガスを生成するようにしたので、従来よりも高温環境下で改質ガスを生成することが可能であり、したがって改質器における改質効率を向上させることが可能である。この結果、動力の発生効率を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係わる動力装置のシステム構成図である。
【図２】本発明の一実施形態における炭化水素の改質効率を説明する特性図である。
【符号の説明】
Ｔ……再熱サイクルガスタービン（ガスタービン）
１……圧縮機
２……第１燃焼器
３Ａ……第１タービン
３Ｂ……第２タービン
４……第２燃焼器
５……改質器
６……熱交換器
７……蒸気発生器
８……予熱器
【図１】
2004060471.tif 000003
【図２】
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