(57)【要約】【課題】  コンプレッサによって圧縮された圧縮空気を、酸素分離膜ユニットを通過させて高い純度の酸素を抽出すると共に、コンプレッサによって圧縮された空気の一部をタービンへ供給可能なバイパス経路を具備したガスタービンエンジンにおいて、タービンの出力の低下を防ぐことを目的とする。【解決手段】  高純度の酸素を製造可能なガスタービンエンジン１において、コンプレッサ５によって圧縮された空気中に存在している酸素を固体電解質型酸素分離膜９を用いて分離可能であると共に、固体電解質型酸素分離膜９を通過しない残りの空気をタービン７に供給可能な酸素分離膜ユニット３と、コンプレッサ５によって圧縮された空気の一部をタービン７へ供給可能なバイパス経路ＰＨ１と、酸素分離膜ユニット３とタービン７との間に設けられ、酸素分離膜ユニット３からタービン７へ供給される空気の圧力を上昇させることが可能なエゼクタ２３とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高純度の酸素を製造可能なガスタービンエンジンにおいて、
固体電解質型酸素分離膜によって仕切られた第１空間と第２空間とを具備し、上記ガスタービンエンジンのコンプレッサによって圧縮された空気を上記第１空間に導入し、上記圧縮空気中に存在している酸素を上記固体電解質型酸素分離膜を用いて上記第２空間に分離可能であると共に、上記第１空間に供給された空気のうちで、上記固体電解質型酸素分離膜を通過しない残りの空気を、上記ガスタービンエンジンのタービンに供給可能な酸素分離膜ユニットと；
上記コンプレッサによって圧縮された空気の一部を上記酸素分離膜ユニットを通過させることなく上記ガスタービンエンジンのタービンへ供給可能なバイパス経路と；
上記酸素分離膜ユニットの第１空間と上記タービンとの間に設けられ、上記第１空間から上記タービンへ供給される空気の圧力を上昇させることが可能なエゼクタと；
を有することを特徴とするガスタービンエンジン。
【請求項２】
請求項１に記載のガスタービンエンジンにおいて、
上記エゼクタは、上記ガスタービンエンジンの排熱ボイラによって生成された蒸気、上記第２空間から排出された高温の酸素によって生成された蒸気のうちの少なくとも一方を用いて、上記第１空間から上記タービンへ供給される空気の圧力を上昇させることが可能なエゼクタであることを特徴とするガスタービンエンジン。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のガスタービンエンジンにおいて、
上記コンプレッサと上記酸素分離膜ユニットとの間に設けられ、上記コンプレッサによって圧縮された空気に燃料を加えて燃焼させる第１燃焼器と；
上記エゼクタと上記タービンとの間に設けられ、上記第１空間に供給された空気のうちで、上記固体電解質型酸素分離膜を通過しない残りの空気に、燃料を加えて燃焼させる第２燃焼器と；
を有し、上記第１空間へは、上記第１燃焼器で生成された燃焼ガスを含む空気が供給され、上記タービンへは、上記第２燃焼器で生成された燃焼ガスを含む空気が供給され、上記バイパス経路は、上記コンプレッサと上記第１燃焼室との間から圧縮空気の一部を抜き取って、この抜き取った圧縮空気を、上記第１空間と上記エゼクタとの間または上記エゼクタと上記第２燃焼器との間または上記第２燃焼器と上記タービンとの間に供給するバイパス経路であることを特徴とするガスタービンエンジン。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のガスタービンエンジンにおいて、
上記コンプレッサによって圧縮された空気の一部を、上記酸素分離膜ユニットを通過させることなく、プロセス空気として取り出すことが可能であることを特徴とするガスタービンエンジン。
【請求項５】
高純度の酸素を製造可能なガスタービンエンジンの運転方法において、
上記ガスタービンエンジンのコンプレッサによって空気を圧縮する空気圧縮段階と；
固体電解質型酸素分離膜によって仕切られた第１空間と第２空間とを具備している酸素分離膜ユニットの上記第１空間に上記圧縮された空気を導入して、上記第２空間へ上記圧縮空気中の酸素の一部を分離する酸素分離段階と；
上記第１空間に供給された空気のうちで、上記固体電解質型酸素分離膜を通過しない残りの空気を、上記ガスタービンエンジンのタービンに供給する第１の圧縮空気供給段階と；
エゼクタを用いて、上記第１空間から上記タービンへ供給される空気の圧力を上昇させる圧力上昇段階と；
上記コンプレッサによって圧縮された空気の一部を、上記酸素分離膜ユニットを通過させることなく、バイパス経路で導くことにより、第１の圧縮空気供給段階で供給される空気と混合して、上記ガスタービンエンジンのタービンへ供給する第２の圧縮空気供給段階と；
上記第１の圧縮空気供給段階と上記第２の圧縮空気供給段階とによって供給される圧縮空気によってタービンを駆動するタービン駆動段階と；
を有することを特徴とするガスタービンエンジンの運転方法。
【請求項６】
請求項５に記載のガスタービンエンジンの運転方法において、
上記圧力上昇段階は、上記ガスタービンエンジンの排熱ボイラによって生成された蒸気、上記第２空間から排出された高温の酸素によって生成された蒸気のうちの少なくとも一方を用いて上記エゼクタを駆動し、上記第１空間から上記タービンへ供給される空気の圧力を上昇させる段階であることを特徴とするガスタービンエンジンの運転方法。
【請求項７】
請求項５または請求項６に記載のガスタービンエンジンの運転方法において、
上記酸素分離段階は、上記圧縮空気供給段階で圧縮された空気に燃料を加えて第１の燃焼をさせることによって発生した燃焼ガスを含む空気を、上記酸素分離膜ユニットに供給して酸素を分離する段階であり、
上記タービン駆動段階は、上記圧力上昇段階で圧力が上昇した圧縮空気に燃料を加え第２の燃焼をさせることによって発生した燃焼ガスを含む空気で、上記タービンを駆動する段階であり、
上記第２の圧縮空気供給段階は、上記圧力上昇段階によって圧力が上昇する前の空気に圧縮空気を供給し、または、上記圧力上昇段階によって圧力が上昇した空気であって上記第２の燃焼をさせる前の空気に圧縮空気を供給し、または上記第２の燃焼をした後の燃焼ガスに圧縮空気を供給する段階であることを特徴とするガスタービンエンジンの運転方法。
【請求項８】
請求項５〜請求項７のいずれか１項に記載のガスタービンエンジンの運転方法において、
上記空気圧縮段階で圧縮された圧縮空気の一部を、上記酸素分離膜ユニットへ供給することなく、プロセス空気として取り出すプロセス空気抽出段階を有することを特徴とするガスタービンエンジンの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンエンジンおよびガスタービンエンジンの運転方法に係り、特に、ガスタービンエンジンのコンプレッサによって圧縮された圧縮空気から、固体電解質型酸素分離膜を用いて高純度（高濃度）の酸素を生産可能なガスタービンエンジンおよび上記ガスタービンエンジンの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガスタービンエンジンのコンプレッサによって圧縮された圧縮空気を、固体電解質型酸素分離膜を備えた酸素分離膜ユニットに供給し、酸素のみを通過させる上記固体電解質型酸素分離膜を用いて高い純度の酸素を抽出すると共に、たとえば、酸素の生産量を適宜調整すべく、上記コンプレッサによって圧縮された空気の一部を上記酸素分離膜ユニットを通過させることなく上記ガスタービンエンジンのタービンへ供給可能なバイパス経路を具備したガスタービンエンジンが知られている（たとえば特許文献１参照）。
【０００３】
上記従来のガスタービンエンジンにおいては、上記酸素分離膜ユニットを通過した圧縮空気と、上記バイパス経路を通過した圧縮空気とを、上記タービンの前で混合している。
【０００４】
ここで、上記酸素分離膜ユニットでの圧力損失により、上記酸素分離膜ユニットを通過した圧縮空気の圧力のほうが、上記バイパス経路を通過した圧縮空気の圧力よりも値が小さくなっており、上記混合をするときに、上記２つの経路を流れてきた圧縮空気を合流点でそのまま混合すると、たとえば、上記バイパス経路を通ってきた圧縮空気が上記酸素分離膜ユニットのほうに逆流する等して圧縮空気の流量のバランスがとれなくなる。
【０００５】
そこで、上記従来のガスタービンエンジンでは、上記バイパス経路の途中に絞り弁等で構成された流量制御器を設け、上記合流点の前で上記バイパス経路を通ってきた圧縮空気の圧力を、上記酸素分離膜ユニットを通ってきた圧縮空気の圧力とほぼ同じになるまで低下させている。
【特許文献１】特許第３２４５０６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、高純度の酸素を製造可能な上記従来のガスタービンエンジンでは、上記タービンに入る圧縮空気の圧力を、低い圧力に合わせて調整しているので、すなわち、酸素分離膜ユニットを通ってきた圧力の低い圧縮空気の圧力に、上記バイパス経路を通ってきた圧縮空気の圧力を合わせているので、タービン入口の圧力が低下しタービンの膨張比が小さくなり、タービンの出力が低下するという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、ガスタービンエンジンのコンプレッサによって圧縮された圧縮空気を、固体電解質型酸素分離膜を備えた酸素分離膜ユニットを通過させて高い純度の酸素を抽出すると共に、上記コンプレッサによって圧縮された空気の一部を上記酸素分離膜ユニットを通過させることなく上記ガスタービンエンジンのタービンへ供給可能なバイパス経路を具備したガスタービンエンジンにおいて、上記ガスタービンエンジンのタービンの出力の低下を防ぐことができるガスタービンエンジンおよびガスタービンエンジンの運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の本発明は、高純度の酸素を製造可能なガスタービンエンジンにおいて、固体電解質型酸素分離膜によって仕切られた第１空間と第２空間とを具備し、上記ガスタービンエンジンのコンプレッサによって圧縮された空気を上記第１空間に導入し、上記圧縮空気中に存在している酸素を上記固体電解質型酸素分離膜を用いて上記第２空間に分離可能であると共に、上記第１空間に供給された空気のうちで、上記固体電解質型酸素分離膜を通過しない残りの空気を、上記ガスタービンエンジンのタービンに供給可能な酸素分離膜ユニットと、上記コンプレッサによって圧縮された空気の一部を上記酸素分離膜ユニットを通過させることなく上記ガスタービンエンジンのタービンへ供給可能なバイパス経路と、上記酸素分離膜ユニットの第１空間と上記タービンとの間に設けられ、上記第１空間から上記タービンへ供給される空気の圧力を上昇させることが可能なエゼクタとを有するガスタービンエンジンである。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のガスタービンエンジンにおいて、上記エゼクタは、上記ガスタービンエンジンの排熱ボイラによって生成された蒸気、上記第２空間から排出された高温の酸素によって生成された蒸気のうちの少なくとも一方を用いて、上記第１空間から上記タービンへ供給される空気の圧力を上昇させることが可能なエゼクタであるガスタービンエンジンである。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のガスタービンエンジンにおいて、上記コンプレッサと上記酸素分離膜ユニットとの間に設けられ、上記コンプレッサによって圧縮された空気に燃料を加えて燃焼させる第１燃焼器と、上記エゼクタと上記タービンとの間に設けられ、上記第１空間に供給された空気のうちで、上記固体電解質型酸素分離膜を通過しない残りの空気に、燃料を加えて燃焼させる第２燃焼器とを有し、上記第１空間へは、上記第１燃焼器で生成された燃焼ガスを含む空気が供給され、上記タービンへは、上記第２燃焼器で生成された燃焼ガスを含む空気が供給され、上記バイパス経路は、上記コンプレッサと上記第１燃焼室との間から圧縮空気の一部を抜き取って、この抜き取った圧縮空気を、上記第１空間と上記エゼクタとの間または上記エゼクタと上記第２燃焼器との間または上記第２燃焼器と上記タービンとの間に供給するバイパス経路であるガスタービンエンジンである。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のガスタービンエンジンにおいて、上記コンプレッサによって圧縮された空気の一部を、上記酸素分離膜ユニットを通過させることなく、プロセス空気として取り出すことが可能なガスタービンエンジンである。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、高純度の酸素を製造可能なガスタービンエンジンの運転方法において、上記ガスタービンエンジンのコンプレッサによって空気を圧縮する空気圧縮段階と、固体電解質型酸素分離膜によって仕切られた第１空間と第２空間とを具備している酸素分離膜ユニットの上記第１空間に上記圧縮された空気を導入して、上記第２空間へ上記圧縮空気中の酸素の一部を分離する酸素分離段階と、上記第１空間に供給された空気のうちで、上記固体電解質型酸素分離膜を通過しない残りの空気を、上記ガスタービンエンジンのタービンに供給する第１の圧縮空気供給段階と、エゼクタを用いて、上記第１空間から上記タービンへ供給される空気の圧力を上昇させる圧力上昇段階と、上記コンプレッサによって圧縮された空気の一部を、上記酸素分離膜ユニットを通過させることなく、バイパス経路で導くことにより、第１の圧縮空気供給段階で供給される空気と混合して、上記ガスタービンエンジンのタービンへ供給する第２の圧縮空気供給段階と、上記第１の圧縮空気供給段階と上記第２の圧縮空気供給段階とによって供給される圧縮空気によってタービンを駆動するタービン駆動段階とを有するガスタービンエンジンの運転方法である。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のガスタービンエンジンの運転方法において、上記圧力上昇段階は、上記ガスタービンエンジンの排熱ボイラによって生成された蒸気、上記第２空間から排出された高温の酸素によって生成された蒸気のうちの少なくとも一方を用いて上記エゼクタを駆動し、上記第１空間から上記タービンへ供給される空気の圧力を上昇させる段階であるガスタービンエンジンの運転方法である。
【００１４】
請求項７に記載の発明は、請求項５または請求項６に記載のガスタービンエンジンの運転方法において、上記酸素分離段階は、上記圧縮空気供給段階で圧縮された空気に燃料を加えて第１の燃焼をさせることによって発生した燃焼ガスを含む空気を、上記酸素分離膜ユニットに供給して酸素を分離する段階であり、上記タービン駆動段階は、上記圧力上昇段階で圧力が上昇した圧縮空気に燃料を加え第２の燃焼をさせることによって発生した燃焼ガスを含む空気で、上記タービンを駆動する段階であり、上記第２の圧縮空気供給段階は、上記圧力上昇段階によって圧力が上昇する前の空気に圧縮空気を供給し、または、上記圧力上昇段階によって圧力が上昇した空気であって上記第２の燃焼をさせる前の空気に圧縮空気を供給し、または上記第２の燃焼をした後の燃焼ガスに圧縮空気を供給する段階であるガスタービンエンジンの運転方法である。
【００１５】
請求項８に記載の発明は、請求項５〜請求項７のいずれか１項に記載のガスタービンエンジンの運転方法において、上記空気圧縮段階で圧縮された圧縮空気の一部を、上記酸素分離膜ユニットへ供給することなく、プロセス空気として取り出すプロセス空気抽出段階を有するガスタービンエンジンの運転方法である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ガスタービンエンジンのコンプレッサによって圧縮された圧縮空気を、固体電解質型酸素分離膜を備えた酸素分離膜ユニットを通過させて高い純度の酸素を抽出すると共に、上記コンプレッサによって圧縮された空気の一部を上記酸素分離膜ユニットを通過させることなく上記ガスタービンエンジンのタービンへ供給可能なバイパス経路を具備したガスタービンエンジンにおいて、上記ガスタービンエンジンのタービンの出力の低下を防ぐことができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図1は、本発明の実施形態に係るガスタービンエンジン１の概略構成を示すブロック図である。
【００１８】
ガスタービンエンジン１は、酸素分離膜ユニット３を備えており、この酸素分離膜ユニット３を用いて高純度の酸素を製造可能なようになっている。また、ガスタービンエンジン１は、コンプレッサ５とこのコンプレッサ５に連動連結されているタービン７とを備えている。
【００１９】
上記酸素分離膜ユニット３は、固体電解質型酸素分離膜９によって仕切られた第１空間（第１の部屋）１１と第２空間（第１の部屋）１３とを具備している。また、上記酸素分離膜ユニット３は、上記ガスタービンエンジン１のコンプレッサ５によって圧縮された高温の空気を上記第１空間１１に導入し上記圧縮空気中に存在している酸素の一部を、上記固体電解質型酸素分離膜９を用いて上記第２空間１３に分離可能であると共に、上記第１空間１１に供給された空気のうちで、上記固体電解質型酸素分離膜９を通過しない残りの空気（上記固体電解質型酸素分離膜９によって高純度の酸素が分離されて酸素の割合が減少した空気）を、上記ガスタービンエンジン１のタービン７に供給可能なようになっている。
【００２０】
なお、上記酸素分離膜ユニット３は、筐体１５を備え、この筐体１５によって外部とは仕切られた内部空間内に上記固体電解質型酸素分離膜９が設けられ、上記内部空間内に、上記第１空間１１と上記第２空間１３とが形成されている。
【００２１】
上記固体電解質型酸素分離膜９は、たとえば、固形電解質イオン伝導体膜（ｓｏｌｉｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  ｉｏｎｃ）または、混合型伝導体膜（ｍｉｘｅｄ  ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｍｅｍｂｒａｎｅ）で構成されており、これらをセリック（ＳＥＬＩＣ）膜という場合がある。
【００２２】
そして、上記固体電解質型酸素分離膜９の高酸素分圧側の表面（上記第１空間１１に接する面）では、Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−の反応がおこり、この反応によって生成された酸素イオン（２Ｏ２−）が、上記固体電解質型酸素分離膜９内を通って上記固体電解質型酸素分離膜９の低酸素分圧側の表面（上記第２空間１３に接する面）まで移動し、上記低酸素分圧側の表面で、２Ｏ２−→Ｏ２＋４ｅ−の反応がおこり、この反応によって生成された酸素（酸素分子）Ｏ２が、上記固体電解質型酸素分離膜９の低酸素分圧側の表面（第２空間１３に接する面）から離反して、上記第２空間１３内に放出されるようになっている。
【００２３】
また、上記固体電解質型酸素分離膜９の低酸素分圧側の表面（上記第２空間１３に接する面）で生成された電子（４ｅ−）は、上記固体電解質型酸素分離膜９内を通って上記固体電解質型酸素分離膜９の高酸素分圧側の表面（上記第１空間１１に接する面）まで移動し、上記固体電解質型酸素分離膜９の高酸素分圧側での酸素Ｏ２のイオン化に使用される。
【００２４】
すなわち、上記固体電解質型酸素分離膜９の高酸素分圧側の表面から低酸素分圧側の表面に向かう方向に酸素イオンが移動し、これとは逆方向、すなわち、低酸素分圧側の表面から高酸素分圧側の表面に向かう方向に電子が移動して、上記固体電解質型酸素分離膜９の高酸素分圧側から低酸素分圧側へ（第１空間１１から第２空間１３へ）酸素が移動するものである。
【００２５】
ガスタービンエンジン１のコンプレッサ５の下流側であってコンプレッサ５と酸素分離膜ユニット３との間には、上記コンプレッサ５によって圧縮された空気に燃料を加えて燃焼させる第１燃焼器１７が設けられており、上記酸素分離膜ユニット３の下流側であって上記酸素分離膜ユニット３と上記タービン７（第２燃焼器１９）との間には、上記第１空間１１から上記タービン７へ供給される気体（空気）の圧力を上昇させることが可能なエゼクタ２３が設けられている。
【００２６】
また、上記酸素分離膜ユニット３の下流側（上記エゼクタ２３とタービン７との間）には、上記酸素分離膜ユニット３の上記第１空間１１に供給された空気のうちで上記固体電解質型酸素分離膜９を通過しない残りの空気等、すなわち、上記酸素分離膜ユニット３によって高純度の酸素（体積比で９９％以上の酸素で構成された気体）が分離されて酸素の割合が減少した空気と上記エゼクタの駆動に使用された流体（たとえば、排熱ボイラ２４から供給された蒸気）とが混合した流体（気体）に燃料を加えて燃焼させる第２燃焼器１９とが設けられている。
【００２７】
そして、上記コンプレッサ５で圧縮された圧縮空気が上記第１燃焼器１７に供給され、上記第１燃焼器１７から排出された燃焼ガスを含む空気（たとえば、８５０℃〜９００℃であって体積比（分圧の比）で約１６〜１８％の酸素を含む空気）が、上記酸素分離膜ユニット３の第１空間１１に供給されて、酸素が上記第１空間１１から上記第２空間１３へ上記固体電解質型酸素分離膜９を介して分離されるようになっている。
【００２８】
また、上記第１空間１１から排出された空気（上記酸素分離膜ユニット３によって高純度の酸素が分離されて酸素の割合がたとえば約１３％〜１５％に減少した空気）が上記エゼクタ２３を通って上記第２燃焼器１９に供給され、上記第２燃焼器１９から排出された燃焼ガスを含む空気（たとえば、１１００℃〜１４００℃であって体積比で約１１〜１３％の酸素を含む空気）が、上記タービン７の供給されて上記タービン７が回転する。
【００２９】
なお、酸素分離膜ユニット３で純度の高い酸素を分離し、上記タービン７を回転駆動させることができるのであれば、上記各燃焼器１７、１９についての構成を変更してもよい。たとえば、上記各燃焼器１７、１９のうちいずれか一方の燃焼器を削除してもよい。
【００３０】
また、上記コンプレッサ５によって圧縮された空気の一部を上記酸素分離膜ユニット３を通過させることなく上記ガスタービンエンジン１のタービン７へ供給可能なバイパス経路ＰＨ１が設けられている。
【００３１】
上記バイパス経路ＰＨ１は、上記コンプレッサ５と上記第１燃焼室１７との間から圧縮空気の一部を抜き取って、この抜き取った圧縮空気を、上記エゼクタ２３と上記第２燃焼器１９との間に供給可能な経路である。
【００３２】
換言すれば、上記バイパス経路ＰＨ１の上流側は、上記コンプレッサ５と上記第１燃焼器１７とを互いにつないでいる流体経路（圧縮空気が流れる経路）につながっており、上記バイパス経路ＰＨ１の下流側は、上記エゼクタ２３と上記第２燃焼器１９とを互いにつないでいる流体経路（酸素が減少した空気と蒸気とが流れる経路）につながっている。
【００３３】
なお、上記コンプレッサ５と上記第１燃焼室１７との間から圧縮空気の一部を抜き取って、この抜き取った圧縮空気を、上記第１空間１１と上記エゼクタ２３との間に供給する経路ＰＨ３を、上記バイパス経路ＰＨ１の代わりに設けてもよいし、上記コンプレッサ５と上記第１燃焼室１７との間から圧縮空気の一部を抜き取って、この抜き取った圧縮空気を、上記第２燃焼器１９と上記タービン７との間に供給する経路ＰＨ５を、上記バイパス経路ＰＨ１の代わりに設けてもよい。
【００３４】
すなわち、上流側が上記コンプレッサ５と上記第１燃焼器１７とを互いにつないでいる流体経路（圧縮空気が流れる経路）につながっており、下流側が上記第１空間１１と上記エゼクタ２３との間を互いにつないでいる流体経路（燃焼ガス等が流れる経路）につながっている経路ＰＨ３を、上記バイパス経路ＰＨ１の代わりに設けてもよいし、上流側が上記コンプレッサ５と上記第１燃焼器１７とを互いにつないでいる流体経路（圧縮空気が流れる経路）につながっており、下流側が上記第２燃焼器１９と上記タービン７とを互いにつないでいる流体経路（燃焼ガス等が流れる経路）につながっている経路ＰＨ５を、バイパス経路ＰＨ１の代わりに設けてもよい。
【００３５】
なお、上記各バイパス経路ＰＨ１、ＰＨ３、ＰＨ５において、上流側が上記第１燃焼室１７と上記酸素分離膜ユニット３とを互いにつないでいる流体経路（圧縮空気が流れる経路）につながっていてもよい。すなわち、上記各バイパス経路ＰＨ１、ＰＨ３、ＰＨ５において、上記第１燃焼室１７と上記酸素分離膜ユニット３との間から圧縮空気（燃焼ガスを含む圧縮空気）の一部を抜き取ってもよい。
【００３６】
次に、エゼクタ２３について説明する。
【００３７】
図２は、エゼクタ２３の概略構成を示す断面図である。
【００３８】
上記エゼクタ２３は、内部に空間２５を具備した筐体２７を備え、この筐体２７には、駆動流体（たとえば蒸気）を供給するための駆動流体供給孔２９と、流体（たとえば空気）を吸入するための流体吸入孔３１と、流体（たとえば、蒸気と空気とが混合された気体）を吐出するための流体吐出孔３３とが設けられている。
【００３９】
また、上記駆動流体供給孔２９から上記筐体の内部空間２５にかけて、ノズル３５が設けられており、上記流体吐出孔３３には、ディフューザ３７が設けられている。なお、上記ノズル３５と上記ディフューザ３７とは、ほぼ同一直線状にそれぞれが延伸して設けられており、上記ノズル３５の出口３５Ａと上記ディフューザ３７の入口３７Ａとは互いが対向している。
【００４０】
また、図１に示すように、エゼクタ２３の上記駆動流体供給孔２９は、上記排熱ボイラ２４（上記タービン７を駆動するために使用された燃焼ガスで蒸気を発生可能なボイラ）に接続されており、上記流体吸入孔３１は、上記第１空間１１に接続されており、上記ディフューザ３７の出口３７Ｂは、第２燃焼器１９に接続されている。なお、上記排熱ボイラ２４で生成された蒸気の一部をプロセス蒸気として使用してもよい。
【００４１】
そして、上記駆動流体供給孔２９に、たとえば、排熱ボイラ２４で生成された蒸気を供給すると、この蒸気が上記ノズル３５から吐出し、この吐出によるベンチェリ効果で、上記空間２５に負圧が発生し、この負圧によって、上記第１空間１１内の流体（圧縮空気）を吸引することができるようになっている。
【００４２】
また、上記筐体２７の内部空間２５内における上記ノズル３５の出口近傍で、上記駆動流体供給孔２９から供給された蒸気と上記流体吸入孔３１で吸引した空気とが混合され、この混合された流体が上記ディフューザ３７を通って上記ディフューザの出口３７Ｂから吐出され、上記第２燃焼器１９に供給されるようになっている。
【００４３】
ここで、上記混合された流体の流速は、上記ディフューザ３７の出口３７Ｂよりも入口３７Ａのほうで速く、一方、上記混合された流体の圧力は、上記ディフューザ３７の入口３７Ａよりも出口３７Ｂのほうで高い。つまり、上記ディフューザ３７によって、上記混合された流体の速度が圧力に変換されるようになっている。
【００４４】
したがって、上記ガスタービンエンジン１の排熱ボイラ２４によって生成された蒸気（たとえば、水蒸気）によってエゼクタ２３が駆動され、このエゼクタ２３によって、上記第１空間１１から上記タービン７へ供給される気体の圧力を、上記バイパス経路ＰＨ１から供給される圧縮空気の圧力に応じて（たとえば、上記バイパス経路ＰＨ１から供給される圧縮空気とほぼ等しくなるように）、上昇させることができるようになっている。
【００４５】
また、ガスタービンエンジン１では、上記コンプレッサ５によって圧縮された空気の一部を、上記酸素分離膜ユニット３を通過させることなく、プロセス空気として取り出すことができるようになっている。
【００４６】
次に、ガスタービンエンジン１の運転動作について説明する。
【００４７】
ガスタービンエンジン１が運転している状態においては、ガスタービンエンジン１のコンプレッサ５によって空気が圧縮され、この圧縮された空気の一部が、上記酸素分離膜ユニット３を通過することなく上記バイパス経路ＰＨ１に供給され、残りの空気が第１燃焼器１７に供給されている。
【００４８】
そして、上記第１燃焼器１７で、上記圧縮された空気に燃料を加えて第１の燃焼をさせ、この発生した燃焼ガスを含む空気を、上記酸素分離膜ユニット３に供給して酸素を分離している。
【００４９】
また、上記第１空間１１に供給された空気のうちで、上記固体電解質型酸素分離膜９を通過しない残りの空気を取り出して、この取り出した空気の圧力を、排熱ボイラ２４の蒸気で駆動されているエゼクタ２３を用いて上昇させている。
【００５０】
そして、たとえば、上記圧力の上昇した空気に、上記バイパス経路ＰＨ１を通ってきた圧縮空気を混合し、この混合された空気に第２燃焼器１９で燃料を加え第２の燃焼をさせることによって発生した燃焼ガスを含む空気で、上記タービン７が駆動されている。
【００５１】
ガスタービンエンジン１によれば、上記酸素分離膜ユニット３を通過してきた圧縮空気とバイパス経路ＰＨ１を通ってきた圧縮空気とを合流させるときに、上記酸素分離膜ユニット３を通過してきた圧縮空気の圧力を、エゼクタ２３を用いて上昇させているので、換言すれば、圧力の低いほうの圧縮空気（上記酸素分離膜ユニット３を通過してきた圧縮空気）の圧力を上昇させて、圧力高いほうの圧縮空気（バイパス経路ＰＨ１を通ってきた圧縮空気）に合わせているので、タービン７に入口の空気の圧力の低下が無くなりタービン７の膨張比が小さくなることが回避され、上記ガスタービンエンジン１のタービン７の出力の低下を防ぐことができる。
【００５２】
また、酸素分離膜ユニット３を付加するような改造を既存のガスタービンエンジンに施して、高純度の酸素を製造できるようにした場合、バイパス経路ＰＨ１に流量制御器を設ける上記従来の方式では、たとえば上記流量制御器で減圧された分だけ、上記改造前に比べてタービン７の入口の圧力が低下しタービン７の膨張比が小さくなり、タービン７周りの冷却空気の流れの減少、タービン７の出力の低下、タービン７のスラスト荷重の変化等、改造前の設計条件（当初の稼動条件）とは異なる条件でガスタービンエンジンが稼動することになり、ガスタービンエンジンの性能が低下し、また、耐久性が低下するおそれが生じる。
【００５３】
しかし、上記ガスタービンエンジン１によれば、酸素分離膜ユニット３を付加するような改造を既存のガスタービンエンジンに施して、高純度の酸素を製造できるようにしても、タービン７に供給される圧縮空気の圧力等は改造前とほぼ同じになりほとんど変わらないので、改造前の設計条件（当初の稼動条件）でガスタービンエンジンを稼動することができ、ガスタービンエンジンの性能が低下するおそれを回避することができ、また、耐久性が低下するおそれを回避することができる。
【００５４】
また、ガスタービンエンジン１によれば、上記第１空間１１から出てくる空気の圧力を高めるために、構成が簡素であるエゼクタ２３を用いているので、装置全体の構成が簡素になっている。
【００５５】
また、ガスタービンエンジン１によれば、エゼクタ２３の駆動を、上記ガスタービンエンジン１の排熱ボイラ２４によって生成される蒸気によって行うので、ガスタービンエンジン１を効率良く運転することができる。
【００５６】
つまり、たとえば、ガスタービンエンジン１のコンプレッサで生成された圧縮空気を用いる等により、ガスタービンエンジンのコンプレッサ５やタービン７の回転力を上記エゼクタ２３を駆動するために用いてはいないので、ガスタービンエンジン１のタービン７の回転力を発電等の本来の目的に効率良く用いることができる。
【００５７】
なお、上記ガスタービンエンジン１の排熱ボイラ２４によって生成された蒸気、上記第２空間１３へ分離された高温の酸素によって生成された蒸気のうちの少なくとも一方を用いて上記エゼクタ２３を駆動してもよい。すなわち、排熱ボイラ２４の代わりに、または排熱ボイラ２４と併用して、上記第２空間１３へ分離された高温の酸素と熱交換器によって蒸気を生成し、この生成した蒸気で上記エゼクタ２３を駆動してもよい。
【００５８】
このように高温の酸素で蒸気を生成すれば、上記第２空間１３へ分離された酸素の温度を下げることができ、上記第２空間１３へ分離された酸素の温度を下げる装置を別途設ける必要がなく、装置の構成を簡素化することができる。
【００５９】
また、ガスタービンエンジン１によれば、上記コンプレッサ５で圧縮された４００℃〜５００℃の圧縮空気に燃料を加えて上記第１燃焼器で燃焼させ、この燃焼で生成された燃焼ガスを含む８５０℃〜９００℃の空気を、８５０℃〜９００℃の温度で最も効率良く働く上記酸素分離膜ユニット３に供給するので、効率良く酸素を分離することができ、また、上記酸素分離膜ユニット３から出てきた空気に燃料を加えて上記第２燃焼器１９で燃焼させ、この燃焼で生成された燃焼ガスを含む１１００℃〜１４００℃の空気でタービン７を駆動するので、効率良く上記ガスタービンエンジン１を運転することができる。
【００６０】
さらに、上記バイパス経路ＰＨ１を通ってきた圧縮空気の圧力と上記酸素分離膜ユニット３を通ってきた圧縮空気の圧力との差は一般的に少ない。ガスタービンエンジン１では、酸素分離膜ユニット３を通ってきた圧縮空気に上記バイパス経路ＰＨ１を通ってきた圧縮空気を供給して各圧縮空気を互いに混合する位置（合流点）が、上記エゼクタ２３と第２燃焼器１９との間であるので、エゼクタ２３によって上昇させるべき圧縮空気の圧力は小さく、上記酸素分離膜ユニット３を通ってきた圧縮空気の圧力を、上記バイパス経路ＰＨ１を通ってきた圧縮空気の圧力に合わせることが容易である。
【００６１】
なお、上記バイパス経路ＰＨ１の代わりに、バイパス経路ＰＨ３を設け、上記バイパス経路ＰＨ３を通ってきた圧縮空気を、上記第１空間１１と上記エゼクタ２３との間で供給した場合には、圧力が上昇していない圧縮空気に、上記バイパス経路ＰＨ３を通ってきた圧縮空気を供給することになるが、上記第１空間１１と上記エゼクタ２３との間では、上記エゼクタ２３によって圧縮空気が吸引されているので、上記バイパス経路ＰＨ３を通ってきた圧縮空気が上記第１空間１１に逆流するおそれは少ない。
【００６２】
また、ガスタービンエンジン１によれば、上記コンプレッサ５によって圧縮された空気の一部を、上記酸素分離膜ユニット３を通過させることなく、プロセス空気として取り出すことが可能であるので、上記コンプレッサ５によって圧縮された空気の一部を他の機器（たとえば、エアーモータ）に供給することができ、また、このような供給をすることによって、上記タービン７へ供給されるべき圧縮空気の量が減少しても、上記エゼクタ２３に供給する蒸気の量を増やす等して上記タービン７へ供給される圧縮空気等の流体の量を減少させないでほぼ一定に容易に保つことができ、ガスタービンエンジン１のタービン７出力の低下を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施形態に係るガスタービンエンジンの概略構成を示すブロック図である。
【図２】エゼクタの概略構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６４】
１  ガスタービンエンジン
３  酸素分離膜ユニット
５  コンプレッサ
７  タービン
９  固体電解質型酸素分離膜
１１  第１空間
１３  第２空間
２１  排熱ボイラ
２３  エゼクタ
ＰＨ１、ＰＨ３、ＰＨ５  バイパス経路
【図１】
2005282397.tif 000003
【図２】
2005282397.tif 000004