(57)【要約】【課題】ガスタービンで発生するＮＯＸをタービン冷却に支障を来すことなく効果的に低減でき、これにより更なる高温化が図れ、プラント効率を向上できるガスタービンシステムを提供する。【解決手段】空気圧縮機１から吐出された高圧空気を燃焼器２に供給し、該燃焼器２で別途供給された燃料との燃焼により発生した高温、高圧の燃焼ガスでタービン３を駆動し、該タービン３から排出された排ガスの熱を排ガスボイラ４で回収するようにしたガスタービンシステムにおいて、前記排ガスボイラ４で熱回収された排ガスの一部を圧縮する排ガス圧縮機８を設け、該排ガス圧縮機８から吐出された高圧排ガスを前記燃焼器２に供給するようにした。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気圧縮機から吐出された高圧空気を燃焼器に供給し、該燃焼器で別途供給された燃料との燃焼により発生した高温、高圧の燃焼ガスでガスタービンを駆動し、該ガスタービンから排出された排ガスの熱を排ガスボイラで回収するようにしたガスタービンシステムにおいて、前記排ガスボイラで熱回収された排ガスの一部を圧縮する排ガス圧縮機を設け、該排ガス圧縮機から吐出された高圧排ガスを前記燃焼器に供給するようにしたことを特徴とするガスタービンシステム。
【請求項２】
前記排ガス圧縮機を前記空気圧縮機からの抽気空気で冷却する冷却系を設けたことを特徴とする請求項１記載のガスタービンシステム。
【請求項３】
前記排ガス圧縮機からの抽気ガスで前記ガスタービンを冷却する冷却系と、前記空気圧縮機からの抽気空気で前記ガスタービンを冷却する冷却系の少なくとも何れか一方を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載のガスタービンシステム。
【請求項４】
前記排ガス圧縮機からのガスの一部を熱交換器にて空気圧縮機からの空気で冷却した後前記ガスタービンを冷却する冷却系と、前記空気圧縮機からの抽気空気で前記ガスタービンを冷却する冷却系の少なくとも何れか一方を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載のガスタービンシステム。
【請求項５】
前記空気圧縮機と排ガス圧縮機とガスタービンとを一軸上に設けたことを特徴とする請求項１，２，３又は４記載のガスタービンシステム。
【請求項６】
前記ガスタービンから同心的に導出される二軸のうちの一方軸上に前記空気圧縮機を設け、他方軸上に前記排ガス圧縮機を設けたことを特徴とする請求項１，２，３又は４記載のガスタービンシステム。
【請求項７】
前記空気圧縮機と蒸気タービンとを同一軸上に設けると共に、前記排ガス圧縮機とガスタービンとを同一軸上に設けたことを特徴とする請求項１，２，３又は４記載のガスタービンシステム。
【請求項８】
前記空気圧縮機とガスタービンとを同一軸上に設けると共に、前記排ガス圧縮機と蒸気タービンとを同一軸上に設けたことを特徴とする請求項１，２，３又は４記載のガスタービンシステム。
【請求項９】
前記排ガスボイラの出口側に前記排ガス圧縮機への排ガス吹き込みと大気吹き込みをガスタービンの運転状態に応じて切り換えるダンパを設けたことを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６，７又は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、ガスタービンの排ガス（排気）を排ガスボイラに導き、その熱を回収して蒸気を発生させて蒸気タービンを駆動するガスタービンコンバインドプラント（複合発電プラント）としてのガスタービンシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種ガスタービンシステムとして、従来、例えば図１１に示すようなものがある。
【０００３】
図示のように、ガスタービンシステムは空気圧縮機１と燃焼器２とガスタービン３とを有しており、空気圧縮機１から吐出された高圧空気を燃焼器２に供給し、該燃焼器２で別途供給された燃料（ガス）との燃焼により発生した高温、高圧の燃焼ガスでガスタービン３を駆動して図示しない発電機等を運転する。そして、このガスタービン３で発生した高温の排ガスは排ガスボイラ４に送られて蒸気を生成し、生成された蒸気を蒸気タービン５に送って図示しない発電機等を運転する。
【０００４】
また、蒸気タービン５から排出された蒸気を復水器６で復水した後、排ガスボイラ４に戻して加熱し、再び蒸気を生成して蒸気タービン５に送っている。一方、前記排ガスボイラで熱回収された排ガスは適宜浄化されて煙突７から大気に放出される。また、前記空気圧縮機１からの抽気空気で前記ガスタービン３が冷却されるようになっている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−１３２０５５号公報（第３頁、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、ガスタービンシステムの高効率化（高温化）に伴いガスタービン入口温度は、１５００℃にも達しており、適切な冷却を行う必要があると共に、燃焼器２で発生するＮＯＸ（窒素酸化物）が増加するという問題がある。
【０００７】
ＮＯＸを低減する手段として、排ガスボイラ４で熱回収された排ガスの一部を空気圧縮機１に戻す所謂ＥＧＲ（排気環流）システム（図１１中のＥＧＲ通路２０参照）の採用が考えられる。
【０００８】
ところが、ＥＧＲシステムを採用すると、作動流体の酸素濃度の低減により燃焼温度を下げられるので、ＮＯＸ低減に非常に効果が有るが、そのまま採用するだけでは、排ガスを再循環させるために空気圧縮機１からの吐出ガス温度が高くなり、冷却面で問題が生じる。そこで、空気圧縮機１からの抽気ガスをクーラ等で冷却してタービン冷却を図れば、今度は熱損失が増大してサイクル効率が悪化することになる。
【０００９】
本発明は、前述した状況に鑑みてなされたもので、ガスタービンで発生するＮＯＸをタービン冷却に支障を来すことなく効果的に低減でき、これにより更なる高温化が図れ、プラント効率を向上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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
斯かる目的を達成するための本発明に係るガスタービンシステムは、空気圧縮機から吐出された高圧空気を燃焼器に供給し、該燃焼器で別途供給された燃料との燃焼により発生した高温、高圧の燃焼ガスでガスタービンを駆動し、該ガスタービンから排出された排ガスの熱を排ガスボイラで回収するようにしたガスタービンシステムにおいて、前記排ガスボイラで熱回収された排ガスの一部を圧縮する排ガス圧縮機を設け、該排ガス圧縮機から吐出された高圧排ガスを前記燃焼器に供給するようにしたことを特徴とする。
【００１１】
また、前記排ガス圧縮機を前記空気圧縮機からの抽気空気で冷却する冷却系を設けたことを特徴とする。
【００１２】
また、前記排ガス圧縮機からの抽気ガスで前記ガスタービンを冷却する冷却系と、前記空気圧縮機からの抽気空気で前記ガスタービンを冷却する冷却系の少なくとも何れか一方を設けたことを特徴とする。
【００１３】
また、前記排ガス圧縮機からのガスの一部を熱交換器にて空気圧縮機からの空気で冷却した後前記ガスタービンを冷却する冷却系と、前記空気圧縮機からの抽気空気で前記ガスタービンを冷却する冷却系の少なくとも何れか一方を設けたことを特徴とする。
【００１４】
また、前記空気圧縮機と排ガス圧縮機とガスタービンとを一軸上に設けたことを特徴とする。
【００１５】
また、前記ガスタービンから同心的に導出される二軸のうちの一方軸上に前記空気圧縮機を設け、他方軸上に前記排ガス圧縮機を設けたことを特徴とする。
【００１６】
また、前記空気圧縮機と蒸気タービンとを同一軸上に設けると共に、前記排ガス圧縮機とガスタービンとを同一軸上に設けたことを特徴とする。
【００１７】
また、前記空気圧縮機とガスタービンとを同一軸上に設けると共に、前記排ガス圧縮機と蒸気タービンとを同一軸上に設けたことを特徴とする。
【００１８】
また、前記排ガスボイラの出口側に前記排ガス圧縮機への排ガス吹き込みと大気吹き込みをガスタービンの運転状態に応じて切り換えるダンパを設けたことを特徴とする。
【００１９】
【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を実施例により図面を用いて詳細に説明する。
【００２０】
［第１実施例］
図１は本発明の第１実施例を示すガスタービンシステムの系統図である。
【００２１】
図１に示すように、本ガスタービンシステムは空気圧縮機１と燃焼器２とガスタービン（以下、単にタービンという）３とを有し、空気圧縮機１から吐出された高圧空気を燃焼器２に供給し、該燃焼器２で別途供給された燃料（ガス）との燃焼により発生した高温、高圧の燃焼ガスでタービン３を駆動して図示しない発電機等を運転するようになっている。
【００２２】
そして、このタービン３で発生した高温の排ガスは排ガスボイラ４に送られて蒸気を生成し、生成された蒸気を蒸気タービン５に送って図示しない発電機等を運転するようにもなっている。また、蒸気タービン５から排出された蒸気を復水器６で復水した後、排ガスボイラ４に戻して加熱し、再び蒸気を生成して蒸気タービン５に送っている。
【００２３】
一方、前記排ガスボイラ４で熱回収された排ガスは適宜浄化されて煙突７から大気に放出される。ここまでは従来のガスタービンシステムと同様である。
【００２４】
本実施例では、前記排ガスボイラ４で熱回収された排ガスの一部を圧縮する排ガス圧縮機８が設けられ、該排ガス圧縮機８から吐出された高圧排ガスが前記燃焼器２に供給されるようになっている。
【００２５】
また、前記排ガス圧縮機８を前記空気圧縮機１からの抽気空気で冷却する冷却系９が設けられると共に、前記排ガス圧縮機８の抽気ガスで前記タービン３を冷却する冷却系１０が設けられる。
【００２６】
本実施例はこのように構成され、排ガスボイラ４で熱回収された排ガスの一部を一旦排ガス圧縮機８で圧縮し、この排ガス圧縮機８から吐出された高圧排ガスを空気圧縮機１からの吐出空気とともに燃焼器２に供給するので、燃焼器２では、所謂ＥＧＲにより酸素濃度の低減で燃焼温度を下げられ、ＮＯＸの発生が抑制・低減される。
【００２７】
また、排ガス圧縮機８の吐出ガス温度は非常に高くなるが、この排ガス圧縮機８は空気圧縮機１からの温度の低い抽気空気で効果的に冷却される。そして、冷却された排ガス圧縮機８からの抽気ガスで、前記タービン３が冷却されるので、前記空気圧縮機１からの抽気空気でさらに前記タービン３を冷却するのに比べてサイクル効率（性能）が向上される。
【００２８】
このようにして本実施例では、タービン３で発生するＮＯＸをタービン冷却に支障を来すことなく効果的に低減でき、これにより更なる高温化が図れ、プラント効率を向上させられる。
【００２９】
尚、上記実施例において、場合によっては、排ガスボイラ４で熱回収された排ガスの一部を排ガス圧縮機８で圧縮する代わりに、タービン３から排出された排ガスの一部を直に排ガス圧縮機８で圧縮しても良い。また、排ガス圧縮機８が耐熱性に富んでいれば、空気圧縮機１からの抽気空気で冷却しなくても良い。
【００３０】
また、前記排ガス圧縮機８の抽気ガスで前記タービン３を冷却する冷却系１０に加えて、前記空気圧縮機１からの抽気空気で前記タービン３を冷却する冷却系１１を設けて、ガスタービンの運転状態に応じて、これら冷却系１０，１１を切り換えたり、同時使用したりしても良い。
【００３１】
［第２実施例］
図２は本発明の第２実施例を示すガスタービンシステムの系統図である。
【００３２】
これは、第１実施例の空気圧縮機１及び排ガス圧縮機８と燃焼器２の間に熱交換器１９を設置し、第１実施例における排ガス圧縮機８の抽気ガスで前記タービン３を冷却する冷却系１０に代えて、前記排ガス圧縮機８からのガスの一部を前記熱交換器１９にて空気圧縮機１からの空気で冷却した後前記タービン３を冷却する冷却系１１’を設けた例である。そして、熱交換器１９を出た圧縮空気は排ガス圧縮機８からの圧縮ガスと共に燃焼器２に供給される。その他の構成は第１実施例と同様であるので、図１と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略する。
【００３３】
これによれば、第１実施例と同様にタービン３の冷却系に汎用性を持たせることができると共に、排ガス圧縮機８からのガス温度を熱交換器１９にて降温さててタービン３を効果的に冷却することができる一方で、空気圧縮機１からの空気温度を熱交換器１９にて昇温させて燃焼器２へ供給できるのでサイクル上有利となる。
【００３４】
［第３実施例］
図３は本発明の第３実施例を示すガスタービンシステムの要部系統図、図１０は冷却方式の構造説明図である。
【００３５】
これは、第１実施例における排ガス圧縮機８を前記空気圧縮機１からの抽気空気で冷却する冷却系９の一例として、排ガス圧縮機８のロータに前記抽気空気を流し、ここから図１０の（ａ）に示す放出式によりディスク１６や翼１７を冷却して排ガス圧縮機８の圧縮排ガスと混合させるようにした例である。
【００３６】
これによれば、第１実施例と同様の作用・効果に加えて、抽気空気と圧縮排ガスとの混合が良くなり、燃焼器２で燃焼が安定するという利点がある。
【００３７】
［第４実施例］
図４は本発明の第４実施例を示すガスタービンシステムの要部系統図、図１０は冷却方式の構造説明図である。
【００３８】
これは、第１実施例における排ガス圧縮機８を前記空気圧縮機１からの抽気空気で冷却する冷却系９の一例として、排ガス圧縮機８のロータに前記抽気空気を流し、ここから図１０の（ｂ）に示す回収式により環状（中空）のディスク１６ａ及び円板状のディスク１６ｂを循環させて冷却し、この後回収して排ガス圧縮機８の吐出ガスと混合させるようにした例である。
【００３９】
これによれば、第１実施例と同様の作用・効果に加えて、ディスク１６ａ，１６ｂの冷却性能が向上するという利点がある。
【００４０】
［第５実施例］
図５は本発明の第５実施例を示すガスタービンシステムの要部系統図、図１０は冷却方式の構造説明図である。
【００４１】
これは、第１実施例における排ガス圧縮機８を前記空気圧縮機１からの抽気空気で冷却する冷却系９の一例として、排ガス圧縮機８のロータに前記抽気空気を流し、ここから図１０の（ｂ）に示す回収式により環状（中空）のディスク１６ａ及び円板状のディスク１６ｂを循環させて冷却し、この後回収して燃焼器２の内筒や尾筒を冷却してから排ガス圧縮機８の吐出ガスと混合させるようにした例である。
【００４２】
これによれば、第１及び第４実施例と同様の作用・効果に加えて、空気圧縮機１からの低温の抽気空気で燃焼器２を効果的に冷却できるという利点がある。
【００４３】
［第６実施例］
図６は本発明の第６実施例を示すガスタービンシステムにおける駆動方式の説明図である。
【００４４】
これは、第１実施例におけるタービン３から同心的に導出される二軸のうちの一方軸１２上に空気圧縮機１を設け、他方軸１３上に排ガス圧縮機８を設けて、空気圧縮機１と排ガス圧縮機８とを独立して回転制御できるようにした例である（この場合タービン３は高圧側３Ａと低圧側３Ｂとに分離される）。
【００４５】
［第７実施例］
図７は本発明の第７実施例を示すガスタービンシステムにおける駆動方式の説明図である。
【００４６】
これは、第１実施例における空気圧縮機１と排ガス圧縮機８とタービン３とを一本の軸１４上に設けて、システムの簡略化を図った例である。
【００４７】
［第８実施例］
図８は本発明の第８実施例を示すガスタービンシステムにおける駆動方式の説明図である。
【００４８】
これは、第１実施例における空気圧縮機１と蒸気タービン５とを同一軸１８Ａ上に設けると共に、排ガス圧縮機８とタービン３とを同一軸１３上に設け（図８の（ａ）の場合）、又は空気圧縮機１とタービン３とを同一軸１２上に設けると共に、排ガス圧縮機８と蒸気タービン５とを同一軸１８Ｂ上に設け（図８の（ｂ）の場合）て、蒸気タービン５の有効利用を図った例である。
【００４９】
［第９実施例］
図９は本発明の第９実施例を示すガスタービンシステムにおける要部の構成概念図である。
【００５０】
これは、第１実施例における排ガスボイラ４の出口側に排ガス圧縮機８への排ガス吹き込みと大気（空気）吹き込みをガスタービンの運転状態（起動中や負荷等）に応じて切り換えるダンパ１５を設けて、特に、起動中は排ガスボイラ４の圧力レベルがかわるために、排ガス圧縮機８へ大気吹き込みをすることで排ガス圧縮機８のサージマージンを確保するようにした例である。
【００５１】
尚、本発明は上記各実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、各種変更が可能であることはいうまでもない。例えば、図１０の（ａ），（ｂ）に示すタービン冷却方式は、ガスタービンコンバインドプラント（複合発電プラント）における圧縮機やタービン等に限らず、航空機エンジンの圧縮機やタービン等にも適用することができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明の請求項１に係る発明は、空気圧縮機から吐出された高圧空気を燃焼器に供給し、該燃焼器で別途供給された燃料との燃焼により発生した高温、高圧の燃焼ガスでガスタービンを駆動し、該ガスタービンから排出された排ガスの熱を排ガスボイラで回収するようにしたガスタービンシステムにおいて、前記排ガスボイラで熱回収された排ガスの一部を圧縮する排ガス圧縮機を設け、該排ガス圧縮機から吐出された高圧排ガスを前記燃焼器に供給するようにしたので、ガスタービンで発生するＮＯＸをガスタービン冷却に支障を来すことなく効果的に低減でき、これにより更なる高温化が図れ、プラント効率を向上できる。
【００５３】
本発明の請求項２に係る発明は、前記排ガス圧縮機を前記空気圧縮機からの抽気空気で冷却する冷却系を設けたので、排ガス圧縮機を空気圧縮機からの温度の低い抽気空気で効果的に冷却できる。
【００５４】
本発明の請求項３に係る発明は、前記排ガス圧縮機からの抽気ガスで前記ガスタービンを冷却する冷却系と、前記空気圧縮機からの抽気空気で前記ガスタービンを冷却する冷却系の少なくとも何れか一方を設けたので、ガスタービンの冷却系に汎用性を持たせることができる。
【００５５】
本発明の請求項４に係る発明は、前記排ガス圧縮機からのガスの一部を熱交換器にて空気圧縮機からの空気で冷却した後前記ガスタービンを冷却する冷却系と、前記空気圧縮機からの抽気空気で前記ガスタービンを冷却する冷却系の少なくとも何れか一方を設けたので、ガスタービンの冷却系に汎用性を持たせることができると共に、排ガス圧縮機からのガス温度を下げてガスタービンを効果的に冷却することができる一方で、空気圧縮機からの空気温度を上げて燃焼器へ供給できサイクル上有利となる。
【００５６】
本発明の請求項５に係る発明は、前記空気圧縮機と排ガス圧縮機とガスタービンとを一軸上に設けたので、システムの簡略化が図れる。
【００５７】
本発明の請求項６に係る発明は、前記ガスタービンから同心的に導出される二軸のうちの一方軸上に前記空気圧縮機を設け、他方軸上に前記排ガス圧縮機を設けたので、空気圧縮機と排ガス圧縮機とを独立して回転制御できる。
【００５８】
本発明の請求項７に係る発明は、前記空気圧縮機と蒸気タービンとを同一軸上に設けると共に、前記排ガス圧縮機とガスタービンとを同一軸上に設けたので、蒸気タービンの有効利用が図れる。
【００５９】
本発明の請求項８に係る発明は、前記空気圧縮機とガスタービンとを同一軸上に設けると共に、前記排ガス圧縮機と蒸気タービンとを同一軸上に設けたので、蒸気タービンの有効利用が図れる。
【００６０】
本発明の請求項９に係る発明は、前記排ガスボイラの出口側に前記排ガス圧縮機への排ガス吹き込みと大気吹き込みをガスタービンの運転状態に応じて切り換えるダンパを設けたので、特に、起動中は排ガスボイラの圧力レベルがかわるために、排ガス圧縮機へ大気吹き込みをすることで排ガス圧縮機のサージマージンを確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示すガスタービンシステムの系統図である。
【図２】本発明の第２実施例を示すガスタービンシステムの系統図である。
【図３】本発明の第３実施例を示すガスタービンシステムの要部系統図である。
【図４】本発明の第４実施例を示すガスタービンシステムの要部系統図である。
【図５】本発明の第５実施例を示すガスタービンシステムの要部系統図である。
【図６】本発明の第６実施例を示すガスタービンシステムにおける駆動方式の説明図である。
【図７】本発明の第７実施例を示すガスタービンシステムにおける駆動方式の説明図である。
【図８】本発明の第８実施例を示すガスタービンシステムにおける駆動方式の説明図である。
【図９】本発明の第９実施例を示すガスタービンシステムにおける要部の構成概念図である。
【図１０】冷却方式の構造説明図である。
【図１１】従来のガスタービンシステムの系統図である。
【符号の説明】
１　空気圧縮機
２　燃焼器
３　タービン
４　排ガスボイラ
５　蒸気タービン
６　復水器
７　煙突
８　排ガス圧縮機
９　排ガス圧縮機を空気圧縮機からの抽気空気で冷却する冷却系
１０　排ガス圧縮機の抽気ガスでガスタービンを冷却する冷却系
１０’排ガス圧縮機からのガスの一部を熱交換器にて空気圧縮機からの空気で冷却した後ガスタービンを冷却する冷却系
１１　空気圧縮機からの抽気空気でガスタービンを冷却する冷却系
１２，１３，１４，１８Ａ，１８Ｂ　軸
１５　ダンパ
１６，１６ａ，１６ｂ　ディスク
１７　翼
１９　熱交換器
【図１】
2004108147.tif 000003
【図２】
2004108147.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2004108147.tif 000007
【図６】
2004108147.tif 000008
【図７】
2004108147.tif 000009
【図８】
2004108147.tif 000010
【図９】
2004108147.tif 000011
【図１０】
2004108147.tif 000012
【図１１】
2004108147.tif 000013