(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機（２）で圧縮した空気の一部を燃焼器（３）の手前で抽気し、蒸気と混合しタービン排熱で加熱した後、この混合ガスを燃焼器に注入する部分再生式二流体ガスタービンにおいて、
圧縮機を出た圧縮空気の一部を燃焼器の手前で抽気する抽気ポートと、
前記混合ガスを燃焼器に導入する空気導入ポートと、
抽気ポートから抽気した圧縮空気と水蒸気とを混合する混合器（２２）と、該混合器による混合ガスをタービン排熱で加熱後、空気導入ポートに導く混合ガスライン（２４）とを備え、
前記燃焼器は、燃焼域（３１ａ）と該燃焼域の下流側に設けられた希釈域（３１ｂ）とを内側に有する燃焼器ライナー（３２）を備え、
前記空気導入ポートは前記燃焼域より下流側の位置から前記希釈域に前記混合ガスを導入し、
これにより、燃焼器の燃焼用空気を燃焼器に直接導入し、残りの圧縮空気を抽気ポートから抽気して蒸気と混合し、この混合ガスをタービン排熱で加熱後、空気導入ポートに導入する、ことを特徴とする圧損低減型部分再生式二流体ガスタービン。
【請求項２】
前記抽気ポートは燃焼域より上流側に設けられ、
前記空気導入ポートは前記燃焼器ライナーの希釈域に直接連通しており、
これにより、圧縮空気の一部を抽気ポートから抽気し、圧縮空気と蒸気との混合ガスを空気導入ポートから希釈域に直接導入する、ことを特徴とする請求項１に記載の圧損低減型部分再生式二流体ガスタービン。
【請求項３】
前記燃焼器は、燃焼域（３１ａ）と希釈域（３１ｂ）の中間位置で燃焼器ケーシング（３８）と燃焼器ライナーの間を仕切る隔壁（３９）を備え、
希釈域（３１ｂ）の燃焼器ライナーはケーシングとの隙間と連通する開口（３２ａ）を有し、これにより、燃焼用空気を隔壁の燃焼域側に供給して燃焼域に直接流入させ、圧縮空気と蒸気との混合ガスを隔壁の希釈域側に供給し、開口（３２ａ）を通して希釈域に流入させる、ことを特徴とする請求項１に記載の圧損低減型部分再生式二流体ガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電と水蒸気生成を行うガスタービン発電設備に係り、更に詳しくは、ガスタービンに水蒸気を噴射する部分再生式二流体ガスタービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンへ水蒸気を注入する二流体サイクルガスタービンとしては、例えば特公昭５４−３４８６５号の「二作動流体ヒートエンジン」が知られている。
この二流体サイクルガスタービン（以下、発明者の名前からチエン・サイクルと呼ぶ）は、図５に例示するように、絞り弁１、コンプレッサー２、燃焼室３、水処理装置４、ポンプ５、熱交換器６、タービン７、８、コンデンサー９、等から構成され、大気中から吸入した空気をコンプレッサー２で圧縮して燃焼室３に供給し、この圧縮空気で燃料を燃焼させて高温の燃焼ガスを発生し、この燃焼ガスによりタービン７、８を駆動してコンプレッサー４及び負荷を駆動し、更にタービンを出た燃焼ガスにより熱交換器６で水蒸気を発生させ、コンデンサー９で水分を回収して大気中に放出するようになっている。
かかるチエン・サイクルは、燃焼室３に熱交換器６で発生した水蒸気Ｓを噴射するためタービンに流入する燃焼ガスの流量が増大し、かつ燃焼ガスの比熱が増大することからタービンの出力と熱効率を高めることができる特徴を有している。
【０００３】
また、このチエン・サイクルを改善した二流体サイクルガスタービンとして、本願発明の発明者は、特公平８−２６７８０号を創案し出願している。
【０００４】
特公平８−２６７８０号の「部分再生式二流体ガスタービン」は、図６に模式的に示すように、空気を圧縮する圧縮機２と、燃料を燃焼させる燃焼器３と、燃焼ガスにより駆動され圧縮機を駆動するタービン７とからなるガスタービンと、水蒸気Ｓ（飽和蒸気）を駆動源として圧縮空気を昇圧しかつ両流体を混合する混合器１０と、タービン７の下流に設けられ混合器１０による混合ガスをタービン排気で加熱するための過熱器６と、過熱器６の下流に設けられタービン排気を熱源として水を蒸発させる排熱ボイラ１２と、圧縮機２による圧縮空気の一部を燃焼器３へその残部を混合器１０に導くための空気ライン１３と、排熱ボイラ１２による水蒸気Ｓの一部を混合器に送る主蒸気ライン１４と、混合器１０による混合ガスを過熱器６を介して燃焼器３に導くための混合ガスライン１５と、を備えたものである。
【０００５】
この部分再生式二流体ガスタービンでは、ガスタービンの排熱を回収して生成された水蒸気Ｓで圧縮空気の一部を吸引・混合し、更に過熱器６でガスタービンの排熱回収を行った後、燃焼器内に噴射するので、ガスタービンの排熱回収で温度を高められた空気の分、チエン・サイクルより多くのエネルギー回収ができ、サイクル効率を向上させることができる。
【０００６】
図７は、上述した部分再生式二流体ガスタービンの排熱回収線図である。この図において、横軸はガスタービン排ガスを基準とした交換熱量、縦軸は温度である。なお、横軸は具体的にはガスタービン排ガスの０℃を基準とするエンタルピーに相当する。
この図において、ガスタービン排ガスは、約５５０℃から約１５０まで冷却され、その熱量で水が飽和温度まで加熱され、飽和温度で蒸発して飽和蒸気となり、更に加熱されて過熱蒸気となる。
【０００７】
蒸発後の熱回収が、チエン・サイクルでは蒸気のみの加熱であるのに対して、部分再生式二流体ガスタービンでは蒸気と空気の混合ガスの加熱となる。そのため、図７では、圧縮空気の混合により温度が上昇し、更に混合ガスの流量が増大するので温度上昇勾配が緩くなる。その結果、図７に斜線で示す領域に相当する分の有効エネルギーの回収がチエン・サイクルより多くなり、その分サイクル効率が向上する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図６の部分再生式二流体ガスタービンでは、サイクル効率を向上させるため、混合器１０で吸引される圧縮空気を増加させる必要がある。ところが、圧縮機２の抽気ポート（図中ａ点）と、燃焼器３の導入ポート（図中ｂ点）は、構造上近接しており、その間の圧力損失（以下、圧損）は数百ｍｍＡｑ程度にすぎないが、これに対して、過熱器６における圧損は、数千ｍｍＡｑ（例えば約３０００ｍｍＡｑ）に達する。このため、抽気空気を増加させるためには、混合器の昇圧性能を大幅に上げる必要があり、混合器に供給する駆動蒸気圧力を大幅に高める必要があった。
【０００９】
すなわち、混合器により排熱回収熱交換器（過熱器６）の圧損および燃焼器への導入ポートの静圧に打勝って、空気／蒸気吸引比を増加させる必要があるが、混合器の昇圧性能には限度があり、吸引比の大幅な増加は困難であった。
【００１０】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、駆動蒸気圧力を高めることなく、抽気空気を大幅に増加させることができ、これにより空気／蒸気吸引比を大幅に増加させ、排熱回収部のエクセルギー・ロスを減少させ、発電効率を向上させることができる部分再生式二流体ガスタービンを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
燃焼器自体の圧損、すなわち燃焼器を構成するスワールの圧損と、燃焼域における燃焼時の流速増加による圧損の総和は、通常、数千ｍｍＡｑ（例えば約３０００ｍｍＡｑ）に達する。本発明者は、この部分をバイパスさせることにより、吸引比の増大が可能であることに着眼した。本発明はかかる新規の知見に基づくものである。
【００１２】
すなわち、本発明によれば、圧縮機（２）で圧縮した空気の一部を燃焼器（３）の手前で抽気し、蒸気と混合しタービン排熱で加熱した後、この混合ガスを燃焼器に注入する部分再生式二流体ガスタービンにおいて、圧縮機を出た圧縮空気の一部を燃焼器の手前で抽気する抽気ポートと、前記混合ガスを燃焼器に導入する空気導入ポートと、抽気ポートから抽気した圧縮空気と水蒸気とを混合する混合器（２２）と、該混合器による混合ガスをタービン排熱で加熱後、空気導入ポートに導く混合ガスライン（２４）とを備え、前記燃焼器は、燃焼域（３１ａ）と該燃焼域の下流側に設けられた希釈域（３１ｂ）とを内側に有する燃焼器ライナー（３２）を備え、前記空気導入ポートは前記燃焼域より下流側の位置から前記希釈域に前記混合ガスを導入し、これにより、燃焼器の燃焼用空気を燃焼器に直接導入し、残りの圧縮空気を抽気ポートから抽気して蒸気と混合し、この混合ガスをタービン排熱で加熱後、空気導入ポートに導入する、ことを特徴とする圧損低減型部分再生式二流体ガスタービンが提供される。
【００１４】
上記本発明の構成によれば、抽気ポートａから抽気した抽気空気を、蒸気と混合し加熱後に空気導入ポートｃから燃焼域をバイパスして直接導入でき、これにより、抽気して導入するラインの圧損が、燃焼域を通過する圧損と同等になる。従って、燃焼による圧損と過熱器を経由する圧損とが並列となり、混合器の昇圧性能を高めることなく、混合器の吸引比（空気／蒸気比）を大幅に増大させることができる。これにより、排熱回収に使用できる圧縮空気を増加させることができ、その結果として、サイクル効率を増加させることができる。
【００１５】
また、本発明の好ましい実施形態によれば、前記抽気ポートは燃焼域より上流側に設けられ、前記空気導入ポートは前記燃焼器ライナーの希釈域に直接連通しており、これにより、圧縮空気の一部を抽気ポートから抽気し、圧縮空気と蒸気との混合ガスを空気導入ポートから希釈域に直接導入する、ことを特徴とする。
【００１６】
かかる燃焼器により、抽気ポート（３４）から大量の圧縮空気を抽気し、空気導入ポート（３６）から燃焼域をバイパスして大量の混合ガス（空気と蒸気）を低圧損で導入できる。
【００１７】
また、本発明の好ましい実施形態によれば、前記燃焼器は、燃焼域（３１ａ）と希釈域（３１ｂ）の中間位置で燃焼器ケーシング（３８）と燃焼器ライナーの間を仕切る隔壁（３９）を備え、希釈域（３１ｂ）の燃焼器ライナーはケーシングとの隙間と連通する開口（３２ａ）を有し、これにより、燃焼用空気を隔壁の燃焼域側に供給して燃焼域に直接流入させ、圧縮空気と蒸気との混合ガスを隔壁の希釈域側に供給し、開口（３２ａ）を通して希釈域に流入させる、ことを特徴とする。
【００１８】
この構成によっても、抽気ポートから大量の圧縮空気を抽気し、圧縮空気と蒸気との混合ガスを隔壁の希釈域側に供給し、開口（３２ａ）を通して希釈域に低圧損で流入させることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を使用する。
図１は、本発明による圧損低減型部分再生式二流体ガスタービンの全体構成図である。この図において、本発明による部分再生式二流体ガスタービンは、空気Ａを圧縮する圧縮機２と、燃料Ｆを燃焼させる燃焼器３と、燃焼ガスＥにより駆動され圧縮機２を駆動するタービン７とからなるガスタービンと、タービン７の下流に設けられた過熱器６と、圧縮機２による圧縮空気の一部を燃焼器へその残部を混合器に導く空気ライン１３とを備えている。
【００２０】
本発明の部分再生式二流体ガスタービンは、更に、圧縮機の抽気ポートａから抽気した圧縮空気と水蒸気と混合する混合器２２と、混合器２２による混合ガスをタービン排熱で加熱後、空気導入ポートｃに導く混合ガスライン２４とを備える。タービン７の下流に設けられた過熱器６は、混合器２２による混合ガスをタービン排気で更に加熱する。
【００２１】
この実施形態において、混合器２２は、主蒸気ライン１４により排熱ボイラ１２から供給される飽和水蒸気Ｓで駆動され圧縮空気を吸引するエジェクタである。なお、本発明において、混合器２２はエジェクタに限られず、空気ライン１３内の圧縮空気の逆流を防げるかぎりで、圧損の小さい他の形式の混合機器でもよい。
混合ガスライン２４は、混合器２２による混合ガス（空気と蒸気）を過熱器６内でタービン排熱で加熱後、空気導入ポートｃに導くようになっている。また。空気導入ポートｃは、燃焼器の燃焼域をバイパスした位置、すなわち圧縮機の抽気ポートａより数千ｍｍＡｑ（例えば約３０００ｍｍＡｑ）程度静圧が低くなった位置に設けられている。
【００２２】
上述した構成により、圧縮機の抽気ポートａから圧縮空気を大量（例えば全体の６〜７割）に抽気し、残りの空気を燃焼用空気として燃焼器に直接導入し、抽気した圧縮空気を蒸気と混合し、タービン排熱で加熱後、空気導入ポートｃに導入することができる。  この構成によれば、抽気して導入するラインの圧損が、燃焼域を通過する圧損と同等になるので、燃焼による圧損と過熱器を経由する圧損とが並列となり、混合器の昇圧性能を高めることなく、混合器の吸引比（空気／蒸気比）を大幅に増大させることができる。
【００２３】
図２は、図１の排熱回収線図である。この図において、横軸はガスタービン排ガスを基準とした交換熱量（ガスタービン排ガスの０℃を基準とするエンタルピー）であり、縦軸は温度である。
【００２４】
この図において、ガスタービン排ガスは、約５５０℃から約１６０℃まで冷却され、その熱量で水が飽和温度まで加熱され、飽和温度で蒸発して飽和蒸気となり、更に加熱されて過熱蒸気となる。
【００２５】
図１から明らかなように、排熱ボイラ１２には給水（例えば約５０℃）が供給され、その一部が低圧（例えば約２０ｋｇ／ｃｍ２ｇ）の飽和蒸気として、蒸気ドラム、主蒸気ライン１４を介して混合器２２に供給される。この蒸気の蒸発線は、図２における約２００℃の定温線である。
【００２６】
次いで、その後の過熱器６における加熱では、混合器２２で大量の空気が低圧蒸気に混合されているので、空気量及び蒸気量とも従来より多く、温度上昇勾配が一層緩くなる。
【００２７】
この排熱回収線図を従来の図７と比較すると明らかなように、本発明の構成では、空気量及び蒸気量とも従来より多いため、蒸気と空気の混合ガスの温度上昇勾配が排ガスの温度勾配に一層近くなり、かつ相対的に蒸発水量が少なくなるため、蒸発完了位置の交換熱量が低くなっている。言い換えれば、蒸気と空気の混合ガスに回収される熱量が多くなり、結果として、図２に斜線で示す領域に相当する分のエネルギー回収が図７より増え、この例では、発電機端効率を従来の最大約３９．８％から更に約４１．０％に、サイクル効率で約５％向上させることができることがわかる。
【００２８】
図３は、本発明によるガスタービン用燃焼器の全体構成図である。この図に示すように、本発明のガスタービン用燃焼器３０は、燃焼域３１ａと希釈域３１ｂを内側に有する燃焼器ライナー３２と、燃焼域３１ａより上流側に設けられた抽気ポート３４と、燃焼器ライナー３２の希釈域３１ｂに直接連通した空気導入ポート３６とを備える。なおこの図で、Ｚ-Ｚは、圧縮機２とタービン７の回転中心である。
【００２９】
この構成により、圧縮空気の一部を抽気ポート３４から抽気し、圧縮空気と蒸気との混合ガスを空気導入ポート３６から希釈域に直接導入することができ、抽気ポート３４から大量の圧縮空気を抽気し、空気導入ポート３６から燃焼域をバイパスして大量の混合ガス（空気と蒸気）を低圧損で導入できる。
【００３０】
図４は、本発明によるガスタービン用燃焼器の別の模式図である。本発明のガスタービン用燃焼器３０は、燃焼域３１ａと希釈域３１ｂを内側に有する燃焼器ライナー３２と、燃焼域３１ａと希釈域３１ｂの中間位置で燃焼器ケーシング３８と燃焼器ライナーの間を仕切る隔壁３９とを備える。また、希釈域３１ｂの燃焼器ライナー３２はケーシング３８との隙間と連通する開口３２ａを有する。
【００３１】
この構成により、燃焼用空気を隔壁３９の燃焼域側に供給して燃焼域に直接流入させ、圧縮空気と蒸気との混合ガスを隔壁３９の希釈域側に供給し、開口３２ａを通して希釈域に流入させることができ、抽気ポートから大量の圧縮空気を抽気し、圧縮空気と蒸気との混合ガスを開口３２ａを通して希釈域に低圧損で流入させることができる。
【００３２】
上述したように本発明によれば、低圧損の混合器と低圧損でバイパス可能な燃焼器との組合わせでエクセルギ・ロスを抑えて効率よく空気／蒸気吸引比を大幅に増加させ、発電効率を向上させることができる。
【００３３】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００３４】
【発明の効果】
上述したように、本発明の圧損低減型部分再生式二流体ガスタービンは、駆動蒸気圧力を高めることなく、抽気空気を大幅に増加させることができ、これにより空気／蒸気吸引比を大幅に増加させ、排熱回収部のエクセルギー・ロスを減少させ、発電効率を向上させることができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による圧損低減型部分再生式二流体ガスタービンの全体構成図である。
【図２】図１の排熱回収線図である。
【図３】本発明によるガスタービン用燃焼器の全体構成図である。
【図４】本発明によるガスタービン用燃焼器の別の模式図である。
【図５】従来の二流体式ガスタービンの全体構成図である。
【図６】先行出願の部分再生式二流体式ガスタービンの全体構成図である。
【図７】図６の排熱回収線図である。
【符号の説明】
１  絞り弁
２  圧縮機（コンプレッサー）
３  燃焼器（燃焼室）
４  水処理装置
５  ポンプ
６  過熱器
７、８  タービン
９  コンデンサー
１０  混合器（エジェクタ）
１２  排熱ボイラ
１３  空気ライン
１４  主蒸気ライン
１５  混合ガスライン
２２  混合器
２４  混合ガスライン
３１ａ  燃焼域
３１ｂ  希釈域
３２  燃焼器ライナー
３４  抽気ポート
３６  空気導入ポート
３８  燃焼器ケーシング
Ａ  空気
Ｆ  燃料
Ｓ  蒸気
Ｅ  燃焼ガス
Ｗ  給水
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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