(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気を作動媒体とするガスタービンと蒸気タービンのコンバインドサイクルにおいて、
水が貯蔵されているタンクと、該タンクから水を汲み上げるポンプと、該ポンプから所定圧力で供給される水を外部の低質の熱エネルギーとの熱交換により一部液相を含む加圧された水蒸気を生成する第１の熱交換器と、該第１の熱交換器から供給される水蒸気を再度の熱交換により完全気化状態の水蒸気に生成する第２の熱交換器と、該第２の熱交換器の後段に配置され前記完全気化状態の水蒸気に圧力を加えて昇圧・昇温する蒸気圧縮機と、前記蒸気圧縮機の後段に配置され前記蒸気圧縮機から供給される水蒸気を、前記ガスタービンから供給される高温の蒸気と熱交換して昇温する再熱器と、前記ガスタービンの入口部に配置され前記再熱器から供給される昇温された前記水蒸気を燃焼による直接的な加熱によりさらに昇温する燃焼器と、該燃焼器から供給される水蒸気で駆動されるガスタービンと、該ガスタービンから送出され前記再熱器及び第２の熱交換器を通過した水蒸気で駆動される蒸気タービンと、冷却水が供給され前記蒸気タービンから供給された水蒸気を液化し、得られた水を前記タンクに戻す凝縮器と、を備えたことを特徴とするタービンシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、作動媒体に水蒸気を用いるタービンシステムによって、これまで無駄に大気へ放出されていた熱エネルギーを利用して、高効率な動力発生を行う技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のガスタービンと蒸気タービンのコンバインドサイクルでは、廃熱ボイラを用いて高温高圧水蒸気を発生させ、蒸気タービンを駆動し、高効率化を進めてきたが、蒸気タービンを駆動するに当たって、間接加熱であるため、水蒸気の温度が制限され、熱の利用が十分行われていない。また、主として動力を取り出すガスタービンを駆動するため、多くの動力を使って圧縮機（コンプレッサー）で空気を圧縮しており、取り出される出力はガスタービンの出力から圧縮機の動力を差し引いた物となるため、結果的に効率の向上に限界がある。
【０００３】
また、類似するシステムとして、水蒸気を作動媒体とした水素燃焼タービンシステムがあるが、廃熱を再生するシステムではない。さらに、スーパーゴミ発電のシステムが類似しているが、熱回収ボイラの後に蒸気圧縮機を設けることによって、低温の熱を利用できる点と、酸素燃焼を利用した水蒸気直接加熱型で、熱エネルギーの再生を行っている点が異なる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
現在、二酸化炭索排出抑制が大きな課題となっており、エネルギーの高度利用の必要性が一層高まっている。一方、現在のエネルギー利用においては、その多くが最終的に熱として捨てられ、有効に利用されていないのが現状である。また、従来のガスタービンでは、本来動力として有効に使える良質のエネルギーを使ってコンプレッサにより空気を圧縮しており、結果として取り出される出力はガスタービンの出力からコンプレッサ動力を差し引いた物となるため、結果的に効率の向上に限界がある。
【０００５】
これまでの、水素燃焼タービンにおいては、熱バランスの関係で、ガスタービン部分のコンプレッサによって多くの良質のエネルギーが消費されており、結果的に高効率化に限界がある。また、スーパーゴミ発電では、類似のシステムとなっているが、廃熱回収ボイラと、ガスタービンの間にコンプレッサがなく、元々動力の取り出せる温度域の熱を利用し、かつ、ガスタービンの高温廃熱を間接加熱に用いているため、効率が制限されている。
【０００６】
上記課題を解決するために本発明は、廃熱などの低質の熱エネルギーを利用して、加圧された水蒸気を生成し、これを作動媒体として用いることによって、コンプレッサでの動力を飛躍的に減らし効率を向上すると同時に、水の蒸発によって熱を回収する部分の圧力をコントロールして、回収可能な熱の温度を引き下げ、かつ多くの熱を回取することが可能な廃熱利用タービンシステムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、水蒸気を作動媒体とするガスタービンと蒸気タービンのコンバインドサイクルにおいて、水が貯蔵されているタンクと、該タンクから水を汲み上げるポンプと、該ポンプから所定圧力で供給される水を外部の低質の熱エネルギーとの熱交換により一部液相を含む加圧された水蒸気を生成する第１の熱交換器と、該第１の熱交換器から供給される水蒸気を再度の熱交換により完全気化状態の水蒸気に生成する第２の熱交換器と、該第２の熱交換器の後段に配置され前記完全気化状態の水蒸気に圧力を加えて昇圧・昇温する蒸気圧縮機と、前記蒸気圧縮機の後段に配置され前記蒸気圧縮機から供給される水蒸気を、前記ガスタービンから供給される高温の蒸気と熱交換して昇温する再熱器と、前記ガスタービンの入口部に配置され前記再熱器から供給される昇温された前記水蒸気を燃焼による直接的な加熱によりさらに昇温する燃焼器と、該燃焼器から供給される水蒸気で駆動されるガスタービンと、該ガスタービンから送出され前記再熱器及び第２の熱交換器を通過した水蒸気で駆動される蒸気タービンと、冷却水が供給され前記蒸気タービンから供給された水蒸気を液化し、得られた水を前記タンクに戻す凝縮器と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明により、外部の低質の熱エネルギーを利用することによって、水素燃焼タービンでの熱バランスの問題を解決でき、飛躍的な高度エネルギー利用が可能であることと、スーパーゴミ発電などの廃熱回取システムの高効率化と、焼却場のなどの熱よりも低質な熱を高効率に利用する事が出来る。また、回収した熱エネルギーを酸素燃焼により再生して、ガスタービンで利用し、同じ作動媒体で、蒸気タービンまで利用することができ、高効率を実現できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明に係る実施の形態の一例を添付図面に基づいて説明する。図１は水素燃料に利用した場合の本発明に係る熱再生型タービンシステムの系統図を示す。図１において、タンク１には水温２５．０℃の水が貯蔵されている。このタンク１の水はポンプ２で汲み上げられて、熱交換器３に温度２５．０℃、圧力１．００ＭＰａの水Ｐ１が供給される。熱交換器３には、油等の媒体により工場の廃熱などの低質の熱エネルギーが回収されて供給され、熱交換により、一部の液相を含むが７０％が水蒸気になった状態（乾度０．７、温度１８９．３℃、圧力１．００ＭＰａ）の中程度に加圧された水蒸気Ｐ２が生成され、この水蒸気Ｐ２が熱交換器４に供給される。
【００１０】
熱交換器４には、後述するがガスタービン８からの高熱な水蒸気Ｐ８が再熱器６を介して供給されており、再度の熱交換により、水は全て気化し、１００％水蒸気になった完全気化状態の水蒸気（乾度１．０、温度１８９．３℃、圧力１．００ＭＰａ）Ｐ３が蒸気圧縮機５に供給される。蒸気圧縮機５は、供給された完全気化状態の水蒸気Ｐ３に圧力を加えて昇圧、昇温し、さらに高圧、高温の水蒸気（温度４３１．８℃、圧力５．００ＭＰａ）Ｐ４にする。これら熱交換器３と熱交換器４は廃熱回収ボイラを構成している。
【００１１】
この水蒸気Ｐ４は、ガスタービン８から水蒸気Ｐ４より高温の水蒸気（温度６５７．８℃、圧力０．２０ＭＰａ）Ｐ７が供給される再熱器６を通過してこの再熱器６での熱交換されることにより、加熱されてさらに昇温し、さらに高温の水蒸気（温度６００．０℃、圧力５．００ＭＰａ）Ｐ５となり、燃焼器７に供給される。燃焼器７には、水素と酸素の気体が供給されており、両気体の燃焼による直接的な加熱により、燃焼器７ではさらに昇温され、さらに高温の水蒸気（温度１３２３℃、圧力５．００ＭＰａ）Ｐ６となり、ガスタービン８に供給される。
【００１２】
ガスタービン８では、タービン入口温度１３２３℃、タービン入口圧力５ＭＰａの高温、高圧の水蒸気Ｐ６が供給され、ガスタービン８は駆動される。このガスタービン８の駆動によりガスタービン８に付属する発電機等の付属機器も駆動される。水蒸気Ｐ６はガスタービン８の駆動により、熱及び圧力エネルギー成分が消費されて温度及び圧力が降下した水蒸気（温度６５７．８℃、圧力０．２０ＭＰａ）Ｐ７は、再熱器６に供給される。
【００１３】
再熱器６には前述したように蒸気圧縮機５から若干温度の低い水蒸気Ｐ４が供給されているので、ガスタービン８から供給された水蒸気Ｐ７は、再熱器６を通過してさらに温度が下げられた水蒸気Ｐ８（温度５１１．４℃、圧力０．２０ＭＰａ）となり、水蒸気Ｐ８は熱交換器４に供給される。熱交換器４には前述したように熱交換器３からさらに温度の低い一部液相を含む水蒸気Ｐ２が供給されているので、再熱器６から供給された水蒸気Ｐ８は、熱交換器４を通過してさらに温度が下げられた水蒸気（温度２５３．９℃、圧力０．２０ＭＰａ）Ｐ９となり、蒸気タービン９に供給される。
【００１４】
水蒸気Ｐ９が供給されると蒸気タービン９は駆動され、この蒸気タービン９の駆動により蒸気タービン９に付属する発電機等の付属機器も駆動される。水蒸気Ｐ９は蒸気タービン９の駆動により、再び、熱及び圧力エネルギー成分が消費されて温度及び圧力がさらに降下した水蒸気（温度４６．３℃、圧力０．０１ＭＰａ、乾度０．９６４）Ｐ１０となり、凝縮器１０に供給される。凝縮器１０には冷却水が供給されており、水蒸気Ｐ１０は、さらに温度及び圧力が下げられて液化し、（温度２５．０℃、圧力０．０１ＭＰａ）の水Ｐ１がタンク１に戻される。
【００１５】
本発明に係る実施の形態のシステムをシステム解析ソフトで解析した緒果、燃焼器入口での温度６００℃、タービン入口温度１３２３℃、タービン入口圧力５ＭＰａ、回収する廃熱の温度レベル２００℃以下で、熱効率は、回収した熱を含めた場合、４１％程度であるが、温度レベルから利用価値のない物と考え、これらを含めずに水素のみで効率を検討すると、７５％以上の高効率である。（効率の計算に、水素、酸素の圧縮や、冷却水や、廃熱循環用の動力は含まれていない。）
【００１６】
繰り返しになるが、回収した熱は利用価値の低いエネルギーであり、製鉄や清掃、化学工場などで多くが利用されないまま排出されているレベルのエネルギーであり、地熱や太陽熱からも容易に供給可能なレベルの温度域である。
【００１７】
この例では、水素を燃料としたが、凝縮器の後に、二酸化炭素回収用真空ポンプを設けることによってメタンなどの炭化水素系燃料も利用できる。
【００１８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなとおり、本発明は、作動媒体に水蒸気を用いた熱再生型タービンシステム、および、熱回収時に水の蒸発を用いる際に、その後段にコンプレッサを用いて回収熱温度を引き下げ、多くの熱を回収する機構、および、その水蒸気を酸素燃焼によって直接加熱しガスタービンと蒸気タービンに用いている。このように、回収した熱エネルギーを酸素燃焼により再生して、ガスタービンで利用し、同じ作動媒体で、蒸気タービンまで利用することができ、高効率を実現できる。
【００１９】
この発明による熱回収システムを用いれば、現在、無駄になっている低質の熱エネルギーを有効に利用することができ、かつ、燃料の有効利用にもつながり、飛躍的な省エネルギー効果がある。そして、このタービンシステムによって、工場や焼却所の廃熱や、地熱、太陽光などのエネルギーを有効に利用することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係るタービンシステムの系統図である。
【符号の説明】
１  タンク
２  ポンプ
３  熱交換器
４  熱交換器
５  蒸気圧縮機
６  再熱器
７  燃焼器
８  ガスタービン
９  蒸気タービン
１０  凝縮器
Ｐ１  水
Ｐ２〜Ｐ１０  水蒸気
【図１】
0003882068.tif 000002