(57)【要約】【課題】液化された燃料の冷熱を有効利用するとともに、二酸化炭素及び窒素酸化物の排出を皆無としたエネルギー利用効率の高いガスタービンプラントを提供すること。【解決手段】タービン２２から排出された排出ガス中の窒素酸化物を取り除く脱硝手段３０と、燃料の冷熱を用いて排出ガス中の水分を凝縮する脱水手段３１と、燃料の冷熱を用いて排出ガス中の二酸化炭素を固化する脱炭酸ガス手段３２と、を備えて排出ガスから窒素を生成するとともに、これら各手段を連通させ、生成された窒素を圧縮機に供給する窒素循環回路１００が窒素の略閉回路として構成されたガスタービンプラント１を構成した。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導入される気体を圧縮する圧縮機と、前記気体と燃料とを混合燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼ガスにより回転するタービンとを備えたガスタービンプラントにおいて、
前記タービンより排出された排出ガスを取り込むとともに前記圧縮機に排出ガス中の窒素を供給する窒素循環回路が備えられてなることを特徴とするガスタービンプラント。
【請求項２】
導入される気体を圧縮する圧縮機と、前記気体と燃料とを混合燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼ガスにより回転するタービンとを備えたガスタービンプラントにおいて、
前記タービンより排出された排出ガスを取り込むとともに前記圧縮機に排出ガス中の窒素を供給する窒素循環回路が備えられてなり、
該窒素循環回路には、前記タービンから排出された排出ガス中の窒素酸化物を取り除く脱硝手段と、　前記燃料の冷熱を用いて前記排出ガス中の水分を凝縮する脱水手段と、
前記燃料の冷熱を用いて排出ガス中の二酸化炭素を固化する脱炭酸ガス手段と、が備えられてなることを特徴とするガスタービンプラント。
【請求項３】
請求項２記載のガスタービンプラントにおいて、
前記窒素循環回路には、該回路内を流通する窒素と燃料との間で熱交換を行う窒素冷却用熱交換器が備えられてなることを特徴とするガスタービンプラント。
【請求項４】
請求項２又は請求項３記載のガスタービンプラントにおいて、
前記窒素循環回路には、該回路内を流通する排出ガスと前記圧縮機にて圧縮された前記気体との間で熱交換を行う再生器が備えられてなることを特徴とするガスタービンプラント。
【請求項５】
請求項２から請求項４のいずれか１項に記載のガスタービンプラントにおいて、
前記脱炭酸ガス手段には、生成される二酸化炭素の固体を撹拌するＣＯ２撹拌手段が備えられてなることを特徴とするガスタービンプラント。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンの動力を用いて発電等を行うガスタービンプラントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンプラントは、図１に示すように、圧縮機２０、燃焼器２１、タービン２２の要素からなる原動機とされたガスタービンを備え、且つ、発電用の発電機１０、及び、ガスタービンに関わる燃料供給用の回路等を含んで構成されている。このガスタービンの燃料には、一般に天然ガス（液化ガス）が用いられるが、天然ガスは液化された状態の液化天然ガス（以下、「ＬＮＧ」と称す。）としてガスタービンプラント１の近隣に貯蔵されて供給されるため、これを気化させて用いる必要がある。したがって、ガスタービンプラントにはＬＮＧを気化するための設備が備えられて構成されることが一般的である。また、ガスタービンから排出された排出ガスを可能な限り無害にして大気中に放出するための様々な設備も備えられている。
【０００３】
ガスタービンの動作について説明すると、図に示すように、圧縮機２０には大気中の空気が取り込まれ、この圧縮作用によって圧縮された後、燃焼器２１に送られる。燃焼器２１には、圧縮された空気の他に海水との熱交換によって気化した天然ガスが供給され、これらが混合された混合ガスの状態で燃焼が行われる。燃焼器２１での燃焼によって生成された燃焼ガスは、高い温度状態のままタービン２２に供給され、膨張することでタービン２２を回転させる。そして、タービン２２の回転によって回転軸１２が回転し、この回転軸１２が繋がる発電機１０による発電が行われる。
【０００４】
その際、タービン２２から排出される排出ガスは、主に窒素（Ｎ２）、二酸化炭素（ＣＯ２）、一酸化窒素（ＮＯ）や二酸化窒素（ＮＯ２）等の窒素酸化物（ＮＯｘ）、水蒸気（Ｈ２Ｏ）の成分からなり、この多くが数百℃の高温状態のまま大気中に放出される。
【０００５】
さて、上述のように、使用段階の燃料となる天然ガスをＬＮＧと海水との間の熱交換によって生成することを説明したが、この場合、ＬＮＧの冷熱を海水に投棄していることになるので、エネルギーの有効利用の観点において問題となっていた。また、これに伴って海水の温度低下が生じ、海洋の生態系に悪影響を及ぼすことが懸念されていた。
【０００６】
上記問題を解決すべく、ＬＮＧの冷熱を有効利用して発電を行う装置の一例が既に開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
この構成によると、ＬＮＧの冷熱を用いて二酸化炭素を冷却することで液化を促し、液化した二酸化炭素を用いて排出ガスを冷却することで排出ガス中の二酸化炭素を分離する。そして、排出ガスの冷却に用いることで気化した二酸化炭素を再びガスタービンに戻して循環させている。
【０００７】
これにより、二酸化炭素がガスタービンの作動流体として循環する閉回路が構成されることになり、ガスタービンへの吸入側に二酸化炭素と酸素と気化したＬＮＧとをそれぞれ導入することにより、燃焼を制御して窒素酸化物の発生も抑えることができるとされている。また、ガスタービンに供給される二酸化炭素が比較的低温であり、且つ既に高圧であるために圧縮機を必要としないとも開示されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−１５９３１８号公報（第２１−３０段落、第１図）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
さて、上述したガスタービンプラントにおいて、そのほとんどはＬＮＧの冷熱を海水に投棄しているため、海水の温度低下によって生じる海洋の生態系に悪影響を及ぼすことが懸念されていた。また、海水を利用するため、ＬＮＧを気化させるための設備が腐食しやすく、さらには海中生物の発生による気化設備の故障等の弊害も懸念されていた。
【００１０】
このため、上述の特許文献１に開示されているようにＬＮＧの冷熱を利用して排出ガスを冷却し、二酸化炭素を液体として取り出しつつ循環させる方法が検討されているが、ガスタービンプラントにおけるエネルギー効率をさらに向上させる方法においてはさらなる改良の余地がある。
【００１１】
すなわち、ガスタービンプラントにおいて二酸化炭素を循環させる場合、空気を導入してガスタービンを運転することと異なり、この起動において二酸化炭素が関与することにより困難である。
また、二酸化炭素とＬＮＧとの間で熱交換を行うことが主たる作用として明記されているが、これらの沸点を比べた場合、図４に示すように二酸化炭素の沸点が約−７９℃（固体→気体）であることに対し、ＬＮＧの沸点が約−１６２℃と大幅に離れているため、冷熱エネルギーの利用の点において最良であるとは言い難い。
また、窒素酸化物の排出を抑えることについては、燃焼の制御によるものであり、完全なる除去は困難であるためこの点についてもさらなる改善の余地がある。
【００１２】
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、液化された燃料の冷熱を有効利用するとともに、二酸化炭素及び窒素酸化物の排出を皆無としたエネルギー利用効率の高いガスタービンプラントを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
請求項１に記載の発明は、導入される気体を圧縮する圧縮機と、前記気体と燃料とを混合燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼ガスにより回転するタービンとを備えたガスタービンプラントにおいて、前記タービンより排出された排出ガスを取り込むとともに前記圧縮機に排出ガス中の窒素を供給する窒素循環回路が備えられてなることを特徴とする。
【００１４】
このような構成とすることで、排出ガスを取り込んで流通する過程で生成された窒素が窒素循環回路によって再び圧縮機に供給され、該圧縮機で圧縮された後に燃焼器に供給されることになる。すなわち、窒素は、作動流体として略閉回路とされた窒素循環回路を循環することで、圧縮機、燃焼器、及びタービンを辿ることになる。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、導入される気体を圧縮する圧縮機と、前記気体と燃料とを混合燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼ガスにより回転するタービンとを備えたガスタービンプラントにおいて、前記タービンより排出された排出ガスを取り込むとともに前記圧縮機に排出ガス中の窒素を供給する窒素循環回路が備えられてなり、該窒素循環回路には、前記タービンから排出された排出ガス中の窒素酸化物を取り除く脱硝手段と、前記燃料の冷熱を用いて前記排出ガス中の水分を凝縮する脱水手段と、前記燃料の冷熱を用いて排出ガス中の二酸化炭素を固化する脱炭酸ガス手段と、が備えられてなることを特徴とする。
【００１６】
このような構成によれば、タービンから排出された排出ガスは、脱硝手段、脱水手段、及び脱炭素ガス手段により、この一部が既に含まれた窒素と同一な窒素（Ｎ２）に生成され、得られた窒素が窒素循環回路を流通することで圧縮機に供給される。そして、該圧縮機で圧縮された窒素は燃焼器に供給されることになる。すなわち、排出ガスに含まれる窒素及び排出ガスから生成された窒素は、ガスタービンプラントの作動流体の一部として略閉回路とされた窒素循環回路を流通し、圧縮機、燃焼器、及びタービンを辿ることになる。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、請求項２記載のガスタービンプラントにおいて、前記窒素循環回路には、該回路内を流通する窒素と燃料との間で熱交換を行う窒素冷却用熱交換器が備えられてなることを特徴とする。
【００１８】
このような構成によれば、圧縮機に供給される窒素は、燃料との熱交換を行うことにより、燃料の冷熱を奪って冷却されることになり、また、燃料は、窒素が有する熱を奪って加熱されることになる。
【００１９】
請求項４に記載の発明は、請求項２又は請求項３記載のガスタービンプラントにおいて、前記窒素循環回路には、該回路内を流通する排出ガスと前記圧縮機にて圧縮された前記気体との間で熱交換を行う再生器が備えられてなることを特徴とする。
【００２０】
このような構成によれば、タービンから排出された窒素を有する排出ガスは、圧縮機によって圧縮された気体との熱交換によって該気体の熱を奪って冷却されることになり、また、圧縮機にて圧縮された窒素を有する気体は排熱を奪って加熱されることになる。なお、熱交換が行われる温度域が共に高いことが予想されるため、再生器の配置については、窒素循環回路の上流側に位置させることが望ましい。
【００２１】
請求項５に記載の発明は、請求項２から請求項４のいずれか１項に記載のガスタービンプラントにおいて、前記脱炭酸ガス手段には、生成される二酸化炭素の固体を撹拌するＣＯ２撹拌手段が備えられてなることを特徴とする。
【００２２】
このような構成によれば、脱炭酸ガス手段に導入された排出ガスは、燃料の冷熱を奪って低温となった窒素と効率的に混ざり合うことになり、二酸化炭素の沸点以下に到達した段階で固化する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る実施形態について図面を用いて説明する。
図１は本実施形態のガスタービンプラント１の構成図である。このガスタービンプラント１には、導入される気体として窒素（Ｎ２）を圧縮する圧縮機２０と、窒素及び酸素と燃料である天然ガスとを混合燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器２１と、燃焼ガスにより回転するタービン２２とが備えられ、圧縮機２０とタービン２２とは発電機１０に繋がる回転軸１２にて接続される。なお、図においては発電機１０の手前に変速機１１が設けられている。
【００２４】
圧縮機２０には、本発明の特徴である窒素がガスタービンの作動流体として供給される構成とされており、該窒素は、ここで圧縮された後、燃焼器２１に送られる。なお、圧縮機２０に供給される窒素はタービン２２から排出される排出ガス中に含まれる窒素及び窒素酸化物から生成されるものであり、排出ガスから窒素が生成される過程については後で説明する。
【００２５】
燃焼器２１には、上述の圧縮機２０にて圧縮された窒素と、気化状態とされた常温のＬＮＧ、すなわち天然ガスとが供給されることに加え、常温の酸素（Ｏ２）が供給される。
上記天然ガスは、紙面下方に記載されたＬＮＧ貯蔵タンク５０からポンプ５１によって供給されており、供給される過程で排出ガス等との熱交換を行うことによって気化し燃焼器２１に送られる。
また、上記酸素は、酸素製造用熱交換器３５における極低温なＬＮＧと大気中の空気との熱交換によって分離されることで得られるものである。この方法は深冷分離法と呼ばれる。なお、深冷分離法で得られた窒素は無害であるので大気中に放出される。
【００２６】
燃焼器２１に窒素、天然ガス、及び酸素が供給されて混合されると、該混合ガスに対して点火が行われ、燃焼に伴って発生した約１０００℃の燃焼ガスはタービン２２に供給される。そして、この燃焼ガスは、タービン２２内で膨張する過程でタービン２２を回転させ、タービン２２の排出側から排出ガスとして約５００℃の高温状態のまま排出される。
なお、タービン２２から排出される排出ガスは、燃焼ガスと同等成分で構成され、その成分は、窒素（Ｎ２）、二酸化炭素（ＣＯ２）、一酸化炭素（ＮＯ）、二酸化窒素（ＮＯ２）、水蒸気（Ｈ２Ｏ）である。
【００２７】
さて、タービン２２から排出された排出ガスから窒素のみをガスタービンの作動流体の一部として取り出すため、タービン２２から圧縮機２０に戻る略閉回路とされた窒素循環回路１００内には各種の装置が備えられている。なお、この窒素循環回路１００は、完全なる閉回路を構成するものではなく、窒素以外の流体を取り入れて流通させることや、余剰分の窒素を放出することも可能とされている。
【００２８】
まず、排出ガス中には一酸化窒素や二酸化窒素などの有害とされた窒素酸化物が含まれているので、これを除去すべく、排出ガスにアンモニア（ＮＨ３）を微量に添加して窒素酸化物を除去するＮＨ３添加ＳＣＲ法を用いた脱硝装置３０（脱硝手段）が備えられる。この脱硝装置３０は、タービン２２の排出側からほど近い窒素循環回路１００の上流側に備えられる。
ＮＨ３添加ＳＣＲ法とは、窒素酸化物に対する還元物としてアンモニアを用い、これを添加することによって窒素酸化物を窒素（Ｎ２）と水（Ｈ２Ｏ）とに分解することが可能である。
【００２９】
脱硝装置３０から送り出された排出ガスは、この段階で窒素と、二酸化炭素と、水蒸気となるため、次に窒素を取り出すために脱水装置３１（脱水手段）を用いて水分除去を実施する。この脱水装置３１は、ＬＮＧの冷熱を用いて水分を凝縮するものであり、ＬＮＧを気化するＬＮＧ蒸発器の役目を兼ねて備えられるものである。
【００３０】
脱水装置３１の機能によって、排出ガス中の水分が除去されることになり、脱水装置３１を通過した段階で排出ガスの主たる成分は窒素と二酸化炭素になる。また、脱水装置３１における冷却作用によって窒素と二酸化炭素とからなる排出ガスの温度は、タービン２２からの排出段階における約５００℃から−１０℃〜３０℃まで低下する。
【００３１】
次に、二酸化炭素を除去するべく、脱水装置３１の下流側に備わるセパレータ３２（脱炭酸ガス手段）を用いて窒素と二酸化炭素とを分離する。なお、セパレータ３２に到達する段階の窒素及び二酸化炭素からなる排出ガスの温度は、脱水装置３１の冷却作用により約−１０〜３０℃付近である。
【００３２】
セパレータ３２による窒素と二酸化炭素との分離には、それぞれが有する沸点の差を用いるため、このセパレータ３２における温度域をさらに低下させる必要がある。したがって、これを可能とするべく、ＬＮＧの冷熱によって極低温に冷却された窒素をセパレータ３２内にさらに供給する。
この極低温とされた追加供給される窒素は、セパレータ３２によって分離された窒素の一部を窒素冷却用熱交換器３４に取り込み、ここを通過するＬＮＧと熱交換することによって得られるものであり、温度は約−１３０〜−１４０℃に達する。
【００３３】
さらに、セパレータ３２の内部で窒素と二酸化炭素との分離を効率よく行うため、本実施形態に示されるセパレータは遠心分離方式を採用している。
すなわち、窒素と二酸化炭素からなる排出ガスが導入されることと同時に、送風機３３を用いてセパレータ３２の内部に上述した極低温な窒素を勢いよく吐出することとしている。また、吐出された極低温な窒素がセパレータ３２の内部で旋回して導入された排出ガスを撹拌する作用を促すようにセパレータ３２が形成されている。なお、このような送風機３３及びセパレータ３２の内部構造は本発明に係るＣＯ２撹拌手段を指すものである。
【００３４】
セパレータ３２による約−１４０℃という極低温環境下に窒素と二酸化炭素からなる排出ガスがさらされることで、この成分の１つである二酸化炭素は微粒子となったダイヤモンドダストのように固化し、次第にセパレータ３２の下方に堆積する。
一方、排出ガス中の窒素、及び別途供給された冷却用の窒素は、窒素循環回路１００を通って圧縮機２０に供給されることになり、ガスタービンの作動流体として窒素循環回路１００内を循環することになる。なお、余剰分の窒素は無害であるため必要に応じて適宜大気中に放出される。
【００３５】
また、ＬＮＧの流れについて追加して説明すると、ＬＮＧは、ＬＮＧ貯蔵タンク５０から深冷分離法を用いる酸素製造用熱交換器３５に送られて気化する経路を辿ったり、脱水装置３１に送られて気化する経路を辿ったり、セパレータ３２に供給する窒素を冷却するための熱交換器３４に送られて気化する経路を辿ったりする。この際、各熱交換器に対してＬＮＧを供給する回路を並列に組むことが望ましい。
そして、気化したＬＮＧである天然ガスは、図示しないバルブにて供給量が調節されながらガスタービンの燃焼器２１に供給されるとともに、余剰分は他の供給先に適宜送られる。
【００３６】
以上説明した本実施形態におけるガスタービンプラント１によれば、以下の効果を奏することができる。
ＬＮＧの冷熱をガスタービンプラント内で有効に利用することができる。これに伴って、海洋の生態系に対して悪影響を与えることもなくなる。また、二酸化炭素及び窒素酸化物を大気中に放出することがなくなり、環境を保全することができる。
また、窒素を作動流体として用いることにより、ＬＮＧの冷熱エネルギーを有効且つ効率的に利用することができ、ガスタービンプラントにおける熱効率の向上を図ることができる。また、二酸化炭素を作動流体として用いる従来型のガスタービンプラントに比較して、ガスタービンの起動を空気による起動と同様に行うことができる。さらに、圧縮機に供給する気体の温度を低く保つことも可能となり、吸入側の温度低下による出力の増大、すなわち、熱効率の向上による発電効率を高めることができる。また、ＬＮＧの冷熱による酸素の製造方法であるため、酸素の製造コストを抑えることができる。
【００３７】
なお、本実施形態の変形例として、以下の構成としてもよい。
図２は本実施形態の変形例を説明するガスタービンプラント１の構成図である。本変形例は再生器３６を備えることが図１に示した構成と異なるので、この点について説明するものとし、その他の構成については同様であるので、説明を省略する。
【００３８】
再生器３６は、圧縮機２０から吐出された圧縮された窒素を、タービン２２から排出された排出ガスの排熱を用いて加熱するために備えられるものであり、これに伴って、タービン２２から排出された排出ガスを冷却する役目を担っている。また、再生器３６が配置される窒素循環回路１００内の位置を特定すると、脱硝装置３０の下流側に位置し、脱水装置３１の上流側に位置している。なお、タービン２２と脱硝装置３０との間に位置させることとしてもよい。
【００３９】
このような構成によれば、タービン２２から排出された窒素を有する排出ガスの排熱を再生器３６にて再利用することができ、圧縮機２０にて圧縮された窒素を加熱して燃焼器２１に送ることで、燃焼器２１における必要熱量の削減を図ることができる。
また、窒素循環回路１００内を流れる窒素等の温度を低く抑えることができ、圧縮機の吸入側の温度低下による出力の増大、すなわち、熱効率の向上による発電効率を高めることができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明した本発明のガスタービンプラントにおいては以下の効果を奏する。請求項１記載の発明によれば、空気の大部分を占める窒素をガスタービンプラントの作動流体として循環させることができ、空気を用いた場合と同様にガスタービンを起動させることも可能となる。このことは、二酸化炭素を用いた閉回路を有するガスタービンプラントにおいて困難とされていた起動の問題を解決できる。また、窒素の沸点が二酸化炭素に比較して低いため、該窒素の温度を低くして用いることによれば、圧縮機への吸入側の温度低下による出力の増大、すなわち、熱効率の向上による発電効率を高めることも容易に可能である。
【００４１】
請求項２記載の発明によれば、燃料の冷熱を効率的に用いて排出ガスの成分を分離することができ、海水による燃料の生成作業を回避して海の生態系に対して悪影響を及ぼすことがない。また、窒素酸化物、及び二酸化炭素を大気中に放出することがなくなり、環境を保全することができる。また、燃料の冷熱を無駄なく効率的に利用することができ、ガスタービンプラントの熱効率を向上させることができる。
【００４２】
請求項３記載の発明によれば、ガスタービンプラントの作動流体である窒素の温度を低く保つことで圧縮機の吸入側の温度低下による出力の増大、すなわち、熱効率の向上による発電効率を高めることができる。また、燃料の冷熱を無駄なく効率的に利用することができる。
【００４３】
請求項４記載の発明によれば、タービンから排出された排熱を再生器にて放出することで排出ガスの温度を低く抑えることができ、圧縮機の吸入側の温度低下による出力の増大、すなわち、熱効率の向上による発電効率を高めることができる。また、圧縮された気体を加熱して燃焼器に送ることで、燃焼器における必要熱量の削減を図ることができる。
【００４４】
請求項５記載の発明によれば、排出ガス中の二酸化炭素は、ＣＯ２撹拌手段によって極低温な窒素と効率的に混ざり合うことになり、排出ガス中の二酸化炭素を固体として素早く分離することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施形態のガスタービンプラントの構成を説明する構成図である。
【図２】本発明に係る実施形態の変形例を説明するガスタービンプラントの構成図である。
【図３】従来のガスタービンプラントの構成を説明する構成図である。
【図４】二酸化炭素の状態図を示したグラフ線図である。
【符号の説明】
１　ガスタービンプラント
１０　発電機
２０　圧縮機
２１　燃焼器
２２　タービン
３０　脱硝装置（脱硝手段）
３１　脱水装置（脱水手段）
３２　セパレータ（脱炭酸ガス手段）
３３　送風機（ＣＯ２撹拌手段）
３４　窒素冷却用熱交換器
３５　酸素製造用熱交換器
３６　再生器
１００　窒素循環回路
【図１】
2004137929.tif 000003
【図２】
2004137929.tif 000004
【図３】
2004137929.tif 000005
【図４】
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