JP2003193865A - ガスタービン発電システム及びガスタービン動力システムおよびその起動方法 - Google Patents

ガスタービン発電システム及びガスタービン動力システムおよびその起動方法

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JP2003193865A JP2001396111A JP2001396111A JP2003193865A JP 2003193865 A JP2003193865 A JP 2003193865A JP 2001396111 A JP2001396111 A JP 2001396111A JP 2001396111 A JP2001396111 A JP 2001396111A JP 2003193865 A JP2003193865 A JP 2003193865A
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gas
compressor
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Kiyomi Tejima
清美 手島
Kenjiro Suzuki
健二郎 鈴木
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Kansai Technology Licensing Organization Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の再生式マイクロガスタービンと比較し
て更なる熱効率の向上を図ったガスタービン発電システ
ムを提供する。 【解決手段】 吸気圧縮機、予熱又は燃焼装置、タービ
ン、再生器及び発電機を有するガスタービン発電システ
ムにおいて、タービンの排気側に第２のタービンと復圧
圧縮機からなる第２の熱サイクル機構を併設し、タービ
ンの排ガスを第２のタービンに供給しその出口圧を大気
圧以下迄過膨張させた後、この出口ガスを再生器を介し
た後復圧圧縮機に導入してその排出圧力を大気圧付近ま
で上昇させて大気中に放出させると共に発電機を駆動す
る。上記構成により入力された熱エネルギーの内仕事に
変換されずに外部へ放出される熱量を少なくし、出力増
大させると共にエネルギー利用効率を改善する。更に第
２の熱サイクル機構において第２のタービンの排ガスを
再生器とガス冷却器を介した後復圧圧縮機に導けば更な
る出力増大と熱効率向上が図られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービン発電
システム、特に、再生式マイクロガスタービン発電シス
テムの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来型の電力政策は、大型火力発電装置
や原子力発電装置などの大規模な発電装置をコアとする
集中型発電システムが主流であったが、近年における電
力需要の増加に対応するため、電力の必要な各場所にマ
イクロガスタービン（ガスタービンを小型化したもの。
およそ300kW以下の定格出力を有するものを総称してこ
う呼んでいる。）による発電装置を設置して電力供給を
行う分散型発電システムが実施されつつある。
【０００３】このマイクロガスタービンによる発電シス
テムは、発電コストが低廉なことから、さらなる普及が
期待される技術分野である。現在、マイクロガスタービ
ンの多くは、その熱効率を向上させるためタービン排ガ
スで燃焼用空気を予熱する再生式ガスタービンサイクル
を採用している。
【０００４】ここで従来例のガスタービンによる発電装
置を添付図面に基づいて説明をする。先ず、図１はガス
タービンの構成略図を示す。吸気圧縮機Ｃで吸気された
空気ａ１（およそ15℃、100kPa。以下同様）は圧縮され
て高圧空気ａ２(約150℃，300kPa)になり、この空気ａ
２は再生器Ｒに導かれて温度上昇し、この温度上昇した
空気ａ３(約700℃，300kPa)は燃焼器ＣＣに導かれ、燃
料源から投入された燃料がこの空気ａ３と混合して燃焼
することにより高温高圧ガスａ４(約1000℃，290kPa)と
なる。このガスａ４は膨張タービンＴに導かれて、その
熱エネルギーをブレードの運動エネルギー（回転）に変
換して膨張し、低圧（略大気圧）になった排ガスａ５
(約800℃，100kPa)は再生器Ｒに導かれる。この再生器
Ｒに導かれたガスａ５の排熱は空気ａ２の温度上昇に利
用され、大気ａ６(約280℃，100kPa)に排出される。こ
の場合、膨張タービンＴの出力軸に連結される発電機Ｇ
は、概ね膨張タービン（Ｔ）出力から吸気圧縮機（Ｃ）
入力を差し引いた量の入力を受け、これを電気エネルギ
ーに変換することになる。次に、図２はＴ−Ｓ線図を示
す。縦軸Ｔは温度を示し、横軸Ｓはエントロピーを示す
ものであって、上記した空気ａ１、ａ２、ａ３及びガス
ａ４、ａ５、ａ６の温度とエントロピーの状態をプロッ
トして実線で結んだもので、これらの線分で囲んだ面積
が仕事量となる。
【０００５】次に、ガスタービン機関と燃料電池とを併
せ用いたガスタービン発電システムの別の従来例につい
て図３及び図４に基づいて説明をする。図３はその構成
略図であり、また図４はそのＴ−Ｓ線図である。ただ
し、Ｔ−Ｓ線図によっては燃料電池の部分は表現できな
いため、図４はガスタービン部のＴ−Ｓ線図のみを示し
ている。吸気圧縮機Ｃで吸気された空気ｂ１は圧縮され
て高圧空気ｂ２になり、この空気ｂ２は再生器Ｒに導か
れて温度上昇して空気ｂ３になる。この空気ｂ３を空気
加熱器（空気予熱器ＡＨ）に導き、燃料を投入して加熱
することにより約１０００℃の高温空気ｂ４として排出
する。この高温空気ｂ４を燃料電池ＦＣの空気極側に導
き、燃料極側には水素等の燃料Ｆ２を導入する。そし
て、空気ｂ４中の酸素と、燃料Ｆ２中の水素との化学反
応を利用して直流電流を発生させる。この直流電流は交
流に変換して利用しても良い。この燃料電池ＦＣから排
出された高温空気ｂ５は、未だ未燃焼燃料を含むため、
これを燃焼器ＣＣに導いて完全燃焼させたその燃焼ガス
ｂ６を膨張タービンＴに導く。膨張タービンＴで燃焼ガ
スｂ６は膨張して低圧（略大気圧）の排ガスｂ７とな
り、この排ガスｂ７は再生器Ｒに導かれ、空気ｂ２の温
度上昇に利用される。この場合、燃料電池ＦＣによる電
気出力と膨張タービンＴに直結された発電機Ｇの電気出
力の合計が電気出力となり、ガスタービン単独で発電シ
ステムを構成した場合に比べてより多くの電気出力が得
られる。
【０００６】しかしながら、上記のガスタービン機関に
おけるエネルギー変換効率は現状ではまだ十分に高いと
は言えず、今後さらなる普及を図るに当たってはこれを
引き上げることが欠かせない技術課題となっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】従って本発明の課題
は、従来の再生式マイクロガスタービンと比較してさら
なる熱効率の向上を図ったガスタービン発電システムを
提供することにある。本発明者らは、再生式ガスタービ
ン機関において、膨張タービンの排気を大気圧以下の圧
力になるまで過膨張させ、それによって得られた排気を
冷却した後、再び大気圧近傍まで別の圧縮機を用いて圧
縮してから大気中に放出するという一連の工程を付加す
ることにより、ガスタービン機関から機械的な仕事に変
換されることなく外部に放出されて行く熱量を減少させ
ることができ、ガスタービン機関の燃費と比出力を向上
させることが可能となることを見い出し、本発明を完成
した。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明のガスタービン発電システムは、大気を吸入
圧縮する吸気圧縮機と、この吸気圧縮機を介して取り込
まれた圧縮空気を燃料ガスと混合して予熱または燃焼さ
せる装置（以下燃焼器という）と、この燃焼器からの高
温高圧ガスで駆動されるタービンとを備え、タービンの
排ガスを再生器を介して前記吸気圧縮機の出口空気と熱
交換して、これを冷却し低温排ガスとして大気中に放出
させるガスタービンシステムにおいて、前記タービン
（以下第１のタービンという）の排気側に、第２のター
ビン（以下過膨張タービンという）と復圧圧縮機からな
る第２の熱サイクル機構を併設し、前記第１のタービン
の排ガスを第２のタービンに供給しその出口圧を大気圧
以下まで過膨張させたのち、この出口ガスを復圧圧縮機
に導入してその排出圧力を大気圧付近まで上昇させて大
気中に放出させるとともに、前記第１及び第２のタービ
ンの一方または双方の出力によって発電機を駆動するこ
とを特徴とするものである。さらに、前記吸気圧縮機を
介して取り込まれた圧縮空気を再生器を介して燃焼器に
導くとともに、過膨張タービンの排ガスを前記再生器に
導き、過膨張された排ガスと吸気圧縮機の出口空気との
間で熱交換したのち、この排ガスを冷却器を通して更に
冷却したのち復圧圧縮機に導くようにすることで、本発
明のガスタービン発電システムの出力増大、及び熱効率
のさらなる向上を図ることが可能となる。
【０００９】このような、本発明の第２の熱サイクル機
構による過膨張・復圧圧縮工程を付加したガスタービン
サイクルは、従来の再生式ガスタービンサイクルと比較
して、入力された熱エネルギーの内、仕事に変換される
ことなく外部へ放出されて行く熱量が少なくなるのでエ
ネルギー利用効率を改善できると同時に、電気出力をよ
り多く取り出すことができる。またさらに、水素燃料を
使用した場合には二酸化炭素排出量はゼロとなる。また
構成主要機器は圧縮機、タービン、燃焼器、熱交換器及
び発電機であって、特別な技術や機器を必要とすること
無く簡便にシステムを構成することが可能である。加え
て本発明のガスタービン発電システムは、燃料電池と簡
単に組み合わせることが可能であって、さらなるエネル
ギー利用効率の向上を図ることが可能となる。
【００１０】さらに本発明のガスタービン発電システム
をマイクロガスタービン発電システムへ適用することを
考慮すれば、前記ガスタービン発電システムからの軸
出力を300kW以下、前記吸気圧縮機の吸入流量を3.0kg
/sec以下、とし、また前記吸気圧縮機の圧力比を2.0
乃至5.0の範囲とし、前記ガスタービン発電システム
のタービン部が第１のタービン（通常の膨張タービン
部）と第２のタービン（過膨張タービン部）からなる場
合において前記第２タービンの圧力比を1.5乃至2.0の範
囲とするか、又はタービン全体（第１のタービンと第
２のタービン）の最大圧力と最小圧力との比を3.0乃至1
0.0の範囲とすることが好ましい。このように構成する
ことで本発明のガスタービン発電システムは、入口側タ
ービン（第１のタービン）の圧力比、過膨張タービン
（第２のタービン）の圧力比がともに小さいので、特別
な耐圧構造や機密構造をとる必要がなく、経済的な設計
が可能となる。さらに、吸気流量が少なく、過膨張ター
ビンの圧力比が小さいことは容積流量の最大値も小さい
ことを意味しており、低圧側の機器を2ケーシングに分
割する必要がなく、コンパクトな設計を実現できる。
【００１１】又上述の特徴を有する本発明のガスタービ
ン発電システムの起動方法としては、大気を吸入圧縮す
る吸気圧縮機と、この吸気圧縮機を介して取り込まれた
圧縮空気を燃料ガスと混合して予熱または燃焼させる装
置（以下燃焼器という）と、この燃焼器からの高温高圧
ガスで駆動されるタービンと、このタービンの排気側に
接続され電動発電機を駆動する過膨張タービンと、この
過膨張タービンの排ガスを再度圧縮する復圧圧縮機と、
この復圧圧縮機の入口側流路に外気を直接取り入れるた
めの補助吸気弁とを備えたガスタービン発電システムを
起動する方法であって、 a) まず補助吸気弁を開いた状態で、電動発電機に電力
を供給し吸気圧縮機及びタービンを電動で始動する工
程、 b) タービン軸の回転速度が上昇するに従って増大する
吸気圧縮機の吸気量とその出口圧力の上昇を監視する工
程、 c) この出口圧力が所定値に達したとき、燃焼器に燃料
を投入して着火する工程、 d) 燃料を徐々に増量して定格回転に達するまで燃料を
増やす工程、 e) 徐々に補助吸気弁を閉じ、復圧圧縮機の入口圧が徐
々に負圧になることによってタービン軸に動力が発生
し、電動発電機がモーターから発電機へと移行していく
状況を監視する工程、 f) この状態から更に燃料を投入し、投入燃料量に応じ
て発電出力を増加させ、最終的に定格出力にもたらす工
程、を経て定常運転状態に到達させるようにしたことを
特徴とするものである。
【００１２】このように、本発明のガスタービンシステ
ムは熱効率が高く、従来のガスタービンシステムより軸
駆動力を多く取り出せるため、動力システムとしても有
用である。従って、第２の熱サイクル機構を併設した本
発明のガスタービン発電システムにおいて、発電機に代
え、また発電機と共に、出力タービンの軸端にプロペラ
等の回転機械負荷を接続して第１及び第２のタービンの
一方または双方から動力を取り出すようにすれば、本発
明のガスタービンシステムを発電用途以外にも使用し得
るガスタービン動力システムとして活用できる。さらに
前記第２の熱サイクル機構において、過膨張タービンの
排ガスを再生器とガス冷却器を介して冷却したのち復圧
圧縮機に導くようにすることで、このガスタービン動力
システムの出力増大と、熱効率のさらなる向上を図るこ
とが可能となる。尚本発明は上記構成に限定されず、上
記構成に基づくさらなる別の構成並びにそれに対応した
起動方法をも、それぞれ特徴とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明を実施するに当たり
好適なガスタービン発電システムの構成例を、図面を参
照しながら順に示して説明する。
【００１４】第１実施形態 図５は、本発明のガスタービン発電システムの一実施形
態を示すものである。この図は本発明によるガスタービ
ン発電システムの構成略図であり、また図６はそのＴ−
Ｓ線図である。本実施例においてガスタービン発電シス
テム５０は吸気圧縮機Ｃ１、再生器Ｒ、燃焼器ＣＣ、膨
張タービンＴ１、過膨張タービンＴ２、ガス冷却器Ｇ
Ｃ、復圧圧縮機Ｃ２及び電動発電機Ｇとからなる。以下
において、膨張タービンＴ１及び過膨張タービンＴ２を
経て行う膨張を、単一のタービンによって行っても良
く、この場合であっても作動原理は同様である。また、
電動発電機Ｇは高周波電力を取扱い得るもので有ればよ
い。また電動発電機Ｇは通常の発電機単独のものとし、
初期駆動を吸気圧縮機Ｃ１に直結した電動機Ｍまたは他
の適当な起動装置で行っても良い（図５に破線で示
す）。次に、上記構成からなる本実施形態のガスタービ
ン発電システムの作動原理を説明する。吸気c1（およそ
15℃、100kPa。以下同様）は吸気圧縮機C1において圧縮
されて高圧空気c2(約130℃，250kPa)となり再生器Rの空
気側に入って排気ガスと熱交換して温度が上昇する(空
気c3，約700℃，250kPa)。その後燃焼器CCに入り、燃焼
器では投入された燃料Fが空気と混合されて燃焼し、燃
焼器CCを出た排ガスは高温・高圧ガスc4(約1000℃，240k
Pa)となって膨張タービンT1に導かれる。膨張タービン
で燃焼ガスは膨張して低圧(略大気圧)の排ガスc5(約830
℃，100kPa)となる。排ガスc5はさらに過膨張タービンT
2に導かれて大気圧以下の圧力になるまで過膨張される
(排ガスc6，約750℃，68kPa)。この時、燃焼器出口(c4)
から過膨張タービン出口(c6)までの膨張比を小さく設定
すれば過膨張タービン出口(c6)の排気温度が大幅に低下
しない状態で再生器Rに入る。また燃焼器出口(c4)から
過膨張タービン出口(c6)までの膨張を単一のタービンで
行うこともできる。再生器Rで排ガスc6は吸気圧縮機出
口空気(c2)と熱交換してさらに温度が下がる(排気c7，
約200℃，67kPa)。再生器を出たガスc7はガス冷却器GC
に入りさらに大気温度に近付けるように冷却されて復圧
圧縮機C2に入る(排気c8，約35℃，66kPa)。次いで復圧
圧縮機によって大気圧まで圧縮された後、大気に放出さ
れる(排気c9，約85℃，100kPa)。尚ガス冷却器の伝熱面
積を大きくすれば排気c8の排ガス温度を常温近くまで下
げることも可能である。さらに、より低温の冷媒を使用
することによって排気c9の排ガス温度を常温付近まで下
げることも可能である。この時の電気出力は概ねタービ
ン出力(T1とT2の和)から圧縮機入力(C1とC2の和)を引い
た差として取り出される。
【００１５】図６は、図５に対応したＴ−Ｓ線図を示し
ている。縦軸Ｔは温度を示し、横軸Ｓはエントロピーを
示している。この図は、上記した空気（ガス）の温度及
びエントロピーの状態をプロットして実線で結んだもの
であって、これらの線分で囲んだ全体面積が仕事量とな
るため、面積が大きい程発電電力量も多くなる。従来例
である図２と比較すれば、与えた熱量は同じながら、仕
事に変換されずに放出される熱量が低減されており、本
発明のガスタービン機関はエネルギー利用効率が向上し
ていることがわかる。
【００１６】続いて、本実施形態のガスタービン発電シ
ステムの特性について説明する。本実施形態に関する特
性計算を行った結果の一例を図７及び図８に示す。本発
明はいわゆるマイクロガスタービンシステムとしての適
用を想定しており、以下の計算例についても数kWから数
十kW程度の定格出力を有するマイクロガスタービンシス
テムを構成した場合を想定して計算を行った。図７は発
電効率を、図８は比出力を示す。図中の３０(四角プロ
ット)は本発明によるガスタービン発電システム、３１
(丸プロット)は従来技術によるガスタービン発電システ
ムの特性を示している。尚従来技術との比較のため、計
算条件は以下のように揃えてある。さらに復圧圧縮機の
圧力比は1.5とした。
【００１７】
【表１】
【００１８】このような条件で計算を行った結果、本発
明のガスタービン発電システムの発電効率は圧力比が2.
5において最大効率を示し約３２-３３%である。最大比
出力は圧力比4で約135kJ/kgであり、圧力比2.5では約12
5kJ/kgである。これを図中の従来技術と比較すると、最
大効率を示す圧力比のところで比較すると発電効率で約
５ポイント上回っており、比出力では約３０kJ/kg上回
っていることになる。
【００１９】第２実施形態 図９は、ガスタービン機関と燃料電池とを併せ用いて本
発明のガスタービン発電システムを構成した場合の好適
な実施形態を示すものである。この図は本発明によるガ
スタービン発電システムの構成略図であり、また図１０
はそのＴ−Ｓ線図である。ただし、従来例で示した通
り、図１０はガスタービン部のＴ−Ｓ線図のみを表わす
ものである。本実施形態においてガスタービン発電シス
テム５０は吸気圧縮機Ｃ１、再生器Ｒ、空気予熱器Ａ
Ｈ、燃料電池ＦＣ、燃焼器ＣＣ、膨張タービンＴ１、過
膨張タービンＴ２、ガス冷却器ＧＣ、復圧圧縮機Ｃ２及
び電動発電機Ｇとからなる。燃料電池FCは、空気極Caに
通じられる作動気体が高温・高圧である点を考慮すれ
ば、加圧型燃料電池であることが好ましい。また、この
加圧型燃料電池としては、固体電解質型や溶融炭酸塩型
のものを用いることが好ましい。尚、燃料電池の空気極
及び燃料極のそれぞれに入力される作動気体の入り口圧
力および温度は、略同一であることが好ましい。又燃料
の予熱には燃料予熱器(H)を用いることが適当である。
以下の実施形態等についても同様である。次に、上記構
成からなる本実施形態のガスタービン発電システムの作
動原理を説明する。吸気d1は吸気圧縮機C1において圧縮
されて高圧空気d2となり再生器Rに入って、後述する過
膨張タービンT2からの排出ガスd8と熱交換して温度が上
昇する(排気d3)。しかる後排気d3を空気加熱器（空気予
熱器AH）に導いて燃料F1を導入して約1,000℃の高温空
気とし、これを燃料電池FCの空気極側Caに導く（排気d
4）。一方、燃料電池の燃料極側Anでは、燃料予熱器Hを
用いて略同温度に予熱された水素などの燃料F2が投入さ
れ、これらが燃料電池内で化学反応を起こして直流電流
を発生させる。通常はこれをインバータINVにより商用
周波数の交流へと変換して利用する。尚、燃料F1乃至F3
は同一のもので、燃料電池との親和性を考えればメタン
系燃料、或いは水素系燃料が好ましい。ただし、メタン
系燃料の場合には燃料改質器が必要である。さらに、燃
料電池は発熱反応であるため、これを冷却する必要があ
る。この冷却熱を用いて再生器Rを出たd3の空気をさら
に予熱すれば予熱燃料F1の低減に役立てることができ
る。燃料電池を出たガスd5には、10-20%の未燃焼燃料が
含まれている。これを燃焼器CCに導き、未燃燃料を完全
燃焼させるために要すれば若干量の補助燃料F3を追加し
てこれらを完全燃焼させ、その排ガスを膨張タービンT1
に導く(排気d6)。燃焼ガスd6は膨張タービンT1で膨張し
て低圧(略大気圧)の排ガスd7となり、さらに過膨張ター
ビンT2で大気圧以下の圧力になるまで過膨張した後再生
器Rへ導かれる(排気d8)。排気d8は圧縮機出口空気d2と
熱交換してさらに温度が下がる(排気d9)。これをさらに
ガス冷却器GCに導いて大気温度に近付くように冷却して
排気d10とした後復圧圧縮機C2により大気圧近くまで圧
縮して大気へ放出させる（排気d11）。
【００２０】図１０は、図９に対応したＴ−Ｓ線図を示
す。第１実施形態と類似の形で示した。図４に示す従来
例のＴ−Ｓ線図と同じく、図９はガスタービン部のＴ−
Ｓ線図のみを示している。従って、このＴ−Ｓ線図の面
積のみではシステム全体の総発電量は表現できないが、
燃料電池の発電量が加わるため総発電量は増大してい
る。
【００２１】続いて、本実施形態のガスタービン発電シ
ステムの特性について説明する。本実施形態について
も、第１実施形態と同様の特性計算を行った。計算に用
いたパラメータについては上述の第１実施形態と同様の
値を用いている。ただし本実施形態では燃料電池を併用
しているため、燃料は水素とし、改質器を必要としない
システム構成を考慮して計算を行った。その結果、本実
施形態のガスタービン発電システムによれば発電効率は
圧力比が4.0において最大効率を示し約60％である。最
大比出力は圧力比4.0で約670kJ/kgであり、また圧力比
2.5では約530kJ/kgである。これを従来技術と比較すれ
ば発電効率で約2ポイント上回っており比出力では約200
kJ/kg上回っていることになる。
【００２２】第３実施形態 またさらなる熱効率の向上を図ったガスタービンサイク
ルとして、燃焼器CCを外して膨張タービンT1と過膨張タ
ービンT2の間に再燃器RHを設置すると、再熱・再生・中間
冷却サイクルが実現し、さらなるエネルギー利用効率向
上を図ることが可能となる。その構成略図とＴ−Ｓ線図
を図１１及び図１２に示す。ここでは燃料電池を併せ用
いた第２実施形態のシステムに再燃器を導入した場合を
示している。尚本実施形態の作動原理につき、上記した
第２実施形態と相違する部分を説明する。この実施形態
では、燃料電池FCの空気極Caの出口ガスe5を燃料極Anか
ら出た燃料とともに膨張タービンT1に導入する。膨張タ
ービン(T1)出口では膨張して低圧（略大気圧）になった
排ガスe6が排出される。このガスe6を再燃器RHに導入
し、燃料F3を混入して燃焼することによって再び昇温さ
せた高温高圧ガスe7を過膨張タービンT2に導く。
【００２３】なお、再燃器RHを設置する圧力ポイントに
ついては、通常、膨張タービン(T1)入口温度と過膨張タ
ービン(T2)入口温度は略同一されるが、この場合におい
て膨張タービンT1の圧力比と過膨張タービンT2の圧力比
の積の平方根となるポイントに選択されることが好まし
い。このとき、発電効率は最大となる。
【００２４】図１２は、図１１に対応したＴ−Ｓ線図を
示す。このようにガスe6を再び加熱する再熱工程を組み
込むことによって、本実施形態においてはガスタービン
発電システムを再熱・再生・中間冷却サイクルを用いて
運転でき、エネルギー効率の優れたガスタービンとする
ことが可能となる。また、再燃器RHの出口温度を変える
ことによって、ガスタービン側の負荷調整を容易に出来
ると言う特徴がある。
【００２５】このように、本発明による過膨張・復圧圧
縮工程を付加したガスタービンサイクルにおいては、従
来の再生式ガスタービンサイクルと比較して仕事に変換
されずに放出される熱量を削減できるのでエネルギー利
用効率を高めることができる。Ｔ−Ｓ線図で見た場合、
本発明のガスタービンサイクルでは大気圧以下の領域で
作動する範囲が新たに得られ、この部分が従来のガスタ
ービンサイクルと比較して利得となっていることが分か
る。以下、本発明のガスタービン発電システムを具体的
に実用に供するに当たり、発電システムの起動方法、補
機・付帯設備、ガスタービン発電システムのさらなる別
の構成例、また発電装置でなく機械駆動用動力源として
使用する場合の構成例、および燃料電池の別の適用例に
関する好ましい実施例について、順に例示しつつ説明す
る。
【００２６】
【実施例】まず、本発明のガスタービン発電システムの
起動方法について説明する。尚本発明のガスタービン発
電システムは再生器を使用しており、起動時にはこれを
バイパスさせた方が熱容量の大きな箇所を通過しなくて
済むため起動を短時間で行うことが出来るのは明らかで
ある。
【００２７】実施例１ 第１実施形態の起動方法 図１３及び図１４は、上述した第１実施形態による本発
明のガスタービン発電システムを起動するための一構成
例を示している。これらはそれぞれ、図５に示すガスタ
ービン発電システムの起動に用いる為の弁等を適宜追加
して描き示したものである。
【００２８】実施例１−１ 以下では、第１実施形態に示したガスタービン発電シス
テムの起動方法の一例につき図１３に沿って説明する。
本実施例は、ガス冷却器GCと復圧圧縮機(C2)入口をつな
ぐガス用配管の中間に外気を直接吸入し得るよう補助吸
気弁V1を設置したものである。起動時はV1は開としてお
く。本実施例はシステム構造が簡単になる利点があるの
で急速起動・急速負荷取りを必要としない場合には有用
である。起動時には電動発電機Gが起動用モーターとし
て作動する。以下の各実施例においても同様である。本
実施例によるガスタービン発電システムの起動は次の手
順に沿って行われる。まず、V1は開としておき、ター
ビン軸と同軸連結された電動発電機Gを起動モーターと
して用いてこれを起動する。回転速度が上昇するにし
たがって、吸気圧縮機C1の吸気量と出口圧力が上昇す
る。吸気圧縮機の出口圧力が所望の圧力に達したとこ
ろで、燃焼器に燃料を投入し着火する。燃料を徐々に
増量してゆき、定格回転数に達するまで、燃料を増や
す。その後、徐々にV1を閉じてゆくと復圧圧縮機(C2)
入口c8の圧力が徐々に負圧になることによってタービン
−圧縮機系が機械的出力を生じることにより、電動発電
機がモーターから発電機へと移行してゆく。この状態
からさらに燃料を投入し、投入燃料量に応じて発電出力
を増加させ、最終的に定格出力を得ることが出来る。
【００２９】実施例１−２ 上記した起動方法では、構成は簡単ながら、起動時も作
動ガスが熱容量の大きい再生器を通過するので、起動に
要する時間が長い可能性がある。そこで、次の図１４に
示すような起動方法によれば、起動に要する時間を短縮
することができる。本実施例においては、ガス冷却器GC
と復圧圧縮機(C2)入口をつなぐガス用配管の中間に外気
を直接吸入し得るよう補助吸気弁V1を設置するととも
に、再生器Rをバイパスするように吸気圧縮機(C1)出口c
2と燃焼器(CC)入口c3との間に空気配管BP1を設け、そこ
に流量調節弁V2を設置する。また、空気配管BP1が分岐
した後再生器(R)入口に至るまでの主配管M1に流量調節
弁V3を設置する。起動時にはV1及びV2は開、またV3は閉
としておく。このような構成を用いた起動方法によれ
ば、起動時には作動ガスが熱容量の大きい再生器をバイ
パスするので、起動時間を短縮することができる。本実
施例によるガスタービン発電システムの起動は次の手順
に沿って行われる。まず、V1、V2は開、V3は閉として
おき、タービン軸と同軸連結された電動発電機Gを起動
モーターとして用いてこれを起動する。回転速度が上
昇するにしたがって、吸気圧縮機C1の吸気量と出口圧力
が上昇する。吸気圧縮機の出口圧力が所望の値に達し
たところで、燃焼器CCに燃料を投入し着火する。燃料
を徐々に増量してゆき、定格回転数に達するまで、燃料
を増やす。その後、徐々にV1を閉じてゆくと復圧圧縮
機(C2)入口c8の圧力が徐々に負圧になることによってタ
ービン−圧縮機系が機械的出力を生ずることにより、電
動発電機がモーターから発電機へと移行してゆく。そ
の後は投入燃料量に応じて出力が増加する。すなわち単
純サイクルガスタービンとして作動する。 の操作
と平行してあるいは、その後の適切な時点において、V2
を徐々に閉じると同時にV3を徐々に開いてゆくと、再生
器Rに圧縮空気が通過するようになり、単純サイクルで
の運転から正規の再生サイクルによる運転状態に近づ
き、V2が全閉、V3が全開となると定常時と同様の運転状
態が得られる。なお、弁V2を閉じると同時にV3を開き始
めて行く適切な時点は、タービン−圧縮機系が定格回転
数に達するか、あるいは再生器の平均温度がC2の温度と
略同一になった時点であることが好ましい。
【００３０】実施例２ 第２実施形態の起動方法 図１５及び図１６は、上述した第２実施形態による本発
明のガスタービン発電システムを起動するための一構成
例を示している。これらはそれぞれ、図９に示すガスタ
ービン発電システムの起動に用いる為の弁等を適宜追加
して描き示したものである。
【００３１】実施例２−１ 図１５に示す本実施例は、起動用の構成要素として、図
９に示すガスタービン発電システムにガス冷却器GCと復
圧圧縮機(C2)入口をつなぐガス用配管の中間に外気を直
接吸入し得るよう補助吸気弁V1を設置するとともに、燃
料電池FCをバイパスするように再生器(R)出口と燃焼器
(CC)入口との間に空気配管BP2を設け、その間に流量調
整弁V4を設けたものである。さらに、空気配管BP2が分
岐した後空気予熱器(AH)入口に至るまでの配管M2に流量
調整弁V5を設置したものである。起動開始時点におい
て、各弁は図中に白抜きで示したものは開放されており
(V1、V4)、反対に黒く塗りつぶしたものは閉鎖されてい
る(V5)。まずはじめに、ガスタービン機関自体の起動手
順の一例を説明する。まず、V1、V4を開、V5を閉とし
ておき、タービン軸と同軸連結された電動発電機Gを起
動モーターとして用いてこれを起動する。回転速度が
上昇するにしたがって、吸気圧縮機(C1)の吸気量と出口
圧力が上昇する。吸気圧縮機の出口圧力が所望の値に
達したところで、燃焼器CCに燃料F3を投入し着火する。
燃料を徐々に増量してゆき、定格回転数に達するま
で、燃料を増やす。その後、徐々にV1を閉じてゆくと
復圧圧縮機(C2)入口の圧力が徐々に負圧になることによ
ってタービン−圧縮機系が機械的出力を生ずることによ
り、電動発電機がモーターから発電機へと移行してゆ
く。この状態でさらに燃料を投入すると投入燃料量に
応じて出力が増加し、最終的には定格運転の状態が得ら
れる。次に、燃料電池の暖機、運転手順の一例について
説明する。ガスタービンが単独運転の状態に入った後、
V4を徐々に閉じると同時にV5を徐々に開いて行くと燃
料電池側に圧縮空気d3が通過するようになる。この状態
で必要に応じて空気予熱用燃料F1を投入して暖機運転を
行うことができる。ついで燃料電池用燃料F2を投入す
ることによって、定常時に相当する運転状態が得られ
る。この場合、燃焼器CCに投入された燃料F3はガスター
ビン入口温度が過大にならないよう、必要に応じて徐々
に減らして行けば良い。この実施例によれば、弁数が少
なく制御系も簡単なガスタービンの起動システムを構成
できるので、急速起動を必要としない場合には効果的で
ある。またガスタービン単独運転時においても高い発電
効率を維持できると共に、ガスタービン単独運転中に必
要に応じて燃料電池を暖機・起動し、ガスタービンと燃
料電池とのバイブリッド運転を実現することが可能とな
る。
【００３２】実施例２−２ 次の図１６に示した実施例によれば、先に示した実施例
２−１よりガスタービンの短時間起動を実現することが
可能となる。すなわち本実施例の構成によれば起動時に
は作動ガスは熱容量の大きい再生器をバイパスして行く
ので起動時間を短縮できる。本実施例においては、ガス
タービン起動用に追加された構成要素は弁V1、V2、V4及
びV5、並びにバイパス配管BP1及びBP2からなり、補助吸
気弁V1は上記各実施例と同様の位置に設けられ、流量調
節弁V5は、再生器(R)出口−空気予熱器(AH)入口間に設
けられる。またバイパス配管BP1が空気圧縮機(C1)出口
と燃焼器(CC)入口とを直結するように設けられ、その中
間に流量調節弁V2が配置されるほか、さらなるバイパス
配管BP2が再生器(R)出口−流量調節弁(V5)入口間と、燃
料電池(FC)出口−燃焼器(CC)入口間とを直結するように
設けられ、その途中に流量調節弁V4が配置される。起動
開始時点において、各弁は図中に白抜きで示したものは
開放されており(V1、V2)、反対に黒く塗りつぶしたもの
は閉鎖されている(V4、V5)。ガスタービン機関、及び燃
料電池の起動の手順は以下の通りであって、まずガスタ
ービン機関を起動した後、燃料電池を起動する。ガスタ
ービン機関自体の起動は、まず、V1、V2を開、V4、V5
を閉としておき、タービン軸と同軸連結された電動発電
機Gを起動モーターとして用いてこれを起動する。回
転速度が上昇するにしたがって、吸気圧縮機C1の吸気量
と出口圧力が上昇する。吸気圧縮機の出口圧力が所望
の値に達したところで、燃焼器CCに燃料F3を投入し着火
する。燃料を徐々に増量してゆき、定格回転数に達す
るまで、燃料を増やす。その後、徐々にV1を閉じてゆ
くと復圧圧縮機(C2)入口の圧力が徐々に負圧になること
によってタービン−圧縮機系が機械的出力を生ずること
により、電動発電機がモーターから発電機へと移行して
ゆく。その後、徐々にV2を閉じてV4を開いてゆくと圧
縮空気d2は再生器Rを通過するようになり、熱効率は上
昇する。ガスタービンは投入燃料量に応じて出力が増
加し、最終的に定格運転の状態に到達する。これがガス
タービンの単独運転である。引き続いて燃料電池の暖機
を行い、その起動・運転を行うが、その手順を以下に説
明する。ガスタービンが単独運転の状態に入った後、
V4を徐々に閉じると同時にV5を徐々に開いてゆくと燃料
電池(FC)側に圧縮空気d3が通過するようになる。この
状態で必要に応じて空気予熱用燃料F1および燃料電池用
燃料F2を投入することにより、定常時に相当する運転状
態が得られる。この場合、燃焼器CCに投入された燃料F3
はタービン入口温度が過大にならないよう、必要に応じ
て徐々に減らして行けば良い。
【００３３】実施例３ 第３実施形態の起動方法 また、第３実施形態に対応した本発明のガスタービン発
電システムについても、以下にその起動手順を説明す
る。図１７は図１１にガスタービン起動用の構成要素を
追加した構成略図である。本実施例によれば早期起動が
実現できるほか、ガスタービン単独でも、さらに燃料電
池を併せ用いた場合でも再生サイクルを用いて運転可能
なガスタービン発電システムを提供できる。本実施例に
おいては、ガスタービン起動用に追加された構成要素は
弁V1、V3、V5、V6及びV7、補助燃焼器B、並びにバイパ
ス配管BP3及びBP4からなり、補助吸気弁V1は上記各実施
例と同様の位置に設けられ、流量調節弁V5は、再生器
(R)出口−空気予熱器(AH)入口間の中間に設けられる。
またバイパス配管BP3が吸気圧縮機(C1)出口−再生器(R)
入口間と、燃料電池(FC)出口−タービン(C1)入口間とを
直結するように設けられ、その中間に上流側から流量調
節弁V6及び補助燃焼器Bが順に配置されるほか、吸気圧
縮機(C1)出口と再生器(R)入口をつなぐ空気配管の中間
でかつ上記バイパス配管BP3が分岐した後流側に流量調
節弁V3が配置される。さらに流量調節弁(V6)出口−補助
燃焼器(B)入口間と、再生器(R)出口−流量調節弁(V5)入
口間とを直結するバイパス配管BP4が設けられ、その中
間に流量調節弁V7が設けられる。起動開始時点におい
て、各弁は図中に白抜きで示したものは開放されており
(V1、V6)、反対に黒く塗りつぶしたものは閉鎖されてい
る(V3、V5、V7)。ガスタービン機関の起動は、まず、
V1、V6は開、V3、V5、V7は閉としておき、タービン軸と
同軸連結された電動発電機Gを起動モーターとして用い
てこれを起動する。回転速度が上昇するにしたがっ
て、吸気圧縮機C1の吸気量と出口圧力が上昇する。吸
気圧縮機の出口圧力が所望の値に達したところで、補助
燃焼器Bに燃料F4を投入し着火する。燃料を徐々に増
量してゆき、定格回転数に達するまで、燃料を増やす。
その後、徐々にV1を閉じてゆくと復圧圧縮機(C2)入口
の圧力が徐々に負圧になることによってタービン−圧縮
機系が機械的出力を生ずることにより、電動発電機がモ
ーターから発電機へと移行してゆく。この状態でさらに
燃料を投入すると、投入燃料量に応じて出力が増加す
る。ここで補助燃焼器Bへの燃料投入に加えてさらに
再燃器RHへ燃料を投入することで所望の発電量を得るこ
とができる。その後、V6を徐々に閉じると同時にV3、
V7を徐々に開いてゆくと、再生器R側に空気が流れてゆ
き、V6が全閉、V3、V7が全開になると、再熱・再生型ガ
スタービンサイクルが形成され、このままガスタービン
単独で運転可能な状態となる。以下の燃料電池の暖機・
起動についても上記各実施例と同様であって、ガスター
ビンが単独運転の状態に入った後、V7を徐々に閉じる
と同時にV5を徐々に開いて行くと燃料電池の空気極Ca側
に再生器Rを出た予熱空気e3が通過するようになる。 こ
のとき必要に応じて燃料極An側に燃料電池用燃料F2を供
給することによって定常時と同様の運転状態に達するこ
とができる。また再燃器RHに投入された燃料F3はタービ
ン入口温度が過大にならないよう必要に応じて徐々に減
らして行けば良い。
【００３４】実施例４ 補機・付帯設備 以下に、凝縮水の収集・排除設備について例を示して説
明する。図１８はガスタービン発電システムにおいて生
ずる凝縮水の収集・排除設備の好適な一例を示したもの
である。ガスタービンサイクルにおける作動ガス中に
は、吸気に含まれる水分、燃料中の炭化水素と酸素との
燃焼反応によって生じる水分が含まれる。それが低圧下
でガス冷却器を通過して、低温・低圧状態になると凝縮
水として現れて、いわゆる２相流状態になる可能性があ
る。この状態で復圧圧縮機に入ると圧縮機性能が低下す
るだけでなく、配管の腐食や羽根車のエロージョンが発
生する可能性がある。この危険を避けるためにガス中の
凝縮水を的確に除去する必要がある。そこで、この凝縮
水の除去手段として次のようなものが考えられる。 １）まず第１の手段は、ガス冷却器GCと復圧圧縮機(C2)
入口をつなぐ配管の最も低い位置にドレン溜りを設け
て、ここに溜まったドレンを小型の排水ポンプによって
外部に排出する手段である。 ２）また第２の手段は、ガス冷却器GCと復圧圧縮機(C2)
入口をつなぐ配管の途中に汽水分離器を設置して、ガス
中の水分を分離する手段である。図１８はこの手段を用
いた凝縮水除去設備の一例を示したものである。汽水分
離器としては、導き板などによる気流の方向転換、
遠心力作用、または、邪魔板への衝撃作用を利用する
もの等を使用し得る。 ３）更に第３の手段として、ガス冷却器GC出口−復圧圧
縮機(C2)入口の間を繋ぐ配管の一部分を拡大配管として
気流の速度を下げ、その部分に波板の邪魔板や金網のス
クラバーを設けてガス中の水分を分離する手段を用いて
も良い。 上記いずれの手段によってもドレン水の除去は可能であ
るほか、これらを組み合わせた場合であっても同様であ
る。また、上記手段によって捕集されたドレン水のドレ
ン溜りからの排水手段としては、小型の排水ポンプの
ほかに、蒸気が使える場合には、蒸気駆動のエジェク
ターを使用すればよい。特に、メタン燃料を改質する場
合には蒸気を必要とするので、そこから分岐して利用す
ることが合理的である。また圧縮空気駆動のエジェク
ターを使用する方法も可能である。圧縮空気は吸気圧縮
機の出口空気の一部を利用すれば、特別な付属設備が不
要となる利点がある。
【００３５】実施例５ 本発明の簡易・経済的実施形態 上記第１実施形態乃至第３実施形態とは別の構成例とし
て、第２の熱サイクル機構を構成する過膨張タービンT2
と復圧圧縮機C2を、システム本体から切り離して本発明
のガスタービン発電システムを構成することも可能であ
る。図１９及び図２０にその一例を示す。図１９は過膨
張タービンと復圧圧縮機を分離した本発明のガスタービ
ン発電システム、また図２０はこれに燃料電池を併せ用
いたガスタービン発電システムを示している。この第２
の熱サイクル機構（過膨張タービンT2と復圧圧縮機C2と
の組み合わせ）は、汎用の過給機をそのまま利用するこ
とによって代用でき、過給機は自動車エンジンや船舶用
エンジンのターボチャージャーとして用いられているも
のを使用し得る。その場合、図１９及び図２０において
破線で囲んだ部分が過給機に置き換えられる。こうすれ
ば、通常の再生式マイクロガスタービンと汎用過給機と
を組み合わせることで本発明のガスタービン発電システ
ムを構成することができるため、簡易に構成可能であり
ながら、従来よりエネルギー利用効率を高めた経済的な
システムとすることができる。さらに過給機部分は発電
機が接続される軸と別軸にできるので、過給機を最も効
率良い回転数近傍で常時駆動することも可能となる。そ
のほか、第３実施形態の様に、膨張タービンT1と過膨張
タービンT2の間に再燃器を入れてさらにエネルギー利用
効率を高めることができる。また、過給機(T2とC2)の部
分を切り離し、図中のX点とY点との間を適宜バイパス配
管BP5でつないで膨張タービンT1の出口を再生器Rのガス
側入口に繋ぎ、再生器Rのガス側出口からの排気c7又はd
9を破線で示したようにそのまま大気中に放出すれば、
従来の再生式ガスタービンサイクルが形成されるので、
例えば、冬季や寒冷地などのように排熱利用の需要が大
きい場合には運転状況の切り替えによって随時対応で
き、有用である。
【００３６】実施例６ 機械駆動用動力源としての実施例 本発明のガスタービンシステムは熱効率が高く、従来の
ガスタービンシステムよりも軸駆動力を多く取り出せる
ので動力システムとしても有用である。従って発電機に
代え、また発電機と共に、出力タービンの軸端にプロペ
ラ等の回転機械負荷を接続することにより、本発明のガ
スタービンシステムを発電用途以外、例えば機械駆動用
動力源として使用することが可能である。特に、船舶の
駆動動力源及び電源として、また排水ポンプの原動機と
しての使用が適当であると考えられる。さらに図２１に
例示するように、吸気圧縮機C1と膨張タービンT1及び復
圧圧縮機C2を一本の第１の駆動軸に繋いでガス発生器と
し、他方、過膨張タービンT2を第１の駆動軸とは別の第
２の駆動軸に繋いだ出力タービンとして構成すること
で、本発明のガスタービンシステムをいわゆる二軸式ガ
スタービンとすることも可能である。このように構成す
れば第２の駆動軸は第１の駆動軸の回転数に支配され
ず、第２の駆動軸に接続される回転機械負荷を所望の回
転数で駆動できる。
【００３７】実施例７ 燃料電池の別の適用例 本発明のガスタービン発電システムにおいてガスタービ
ン機関と併せ用いている燃料電池については、上述の例
では高圧・高温度を利用し得る点から加圧型燃料電池を
挙げて説明を行ったが、本発明においては次に述べるよ
うな形態で常圧型燃料電池を適用することも可能であ
る。図２２に本発明のガスタービンサイクルと常圧型燃
料電池とを併せ用いたガスタービン発電システムの好適
な一実施例を示す。常圧型燃料電池は略大気圧の常圧近
傍で作動するので、本発明のガスタービン発電システム
において適用する場合には、膨張タービンT1を出た排気
が略大気圧である点を考慮すれば膨張タービンT1と過膨
張タービンT2との中間に配置可能である。本発明のガス
タービン発電システムにこの常圧型燃料電池を併せ用い
た場合、ガスタービンの単独運転から燃料電池とガスタ
ービンとの併用運転への移行が常圧のガスを取り扱うこ
とによって行われるため安全、かつ、容易に実行できる
点で有利である。すなわち、ガスタービンの単独運転時
にはV8を開くと共にV9を閉じて運転すればよい。他方、
燃料電池とガスタービンとの併用運転時にはV9を開くと
共にV8を閉じて運転すればよい。また、ガスタービンの
単独運転から燃料電池とガスタービンとの併用運転への
移行時には、V8、V9の開度を適当に調整することで燃料
電池側に行くガス量を調節できるので、移行時初期の燃
料電池の暖機運転から、定常状態における定格出力での
運転、さらには両者の負荷調整を容易に行うことが可能
である。なお、燃料電池出口後の未燃燃料を完全燃焼さ
せるために、要すれば過膨張タービンT2の前に再燃器を
設置する。
【００３８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のガスター
ビン発電システムによれば、従来のガスタービン発電シ
ステムと比較した場合、与える熱量・燃料量は同一であ
っても、仕事に変換されることなく外部に放出される熱
量が低減されるため、結果としてガスタービン機関の燃
費が向上すると同時に、電気出力をより多く取り出すこ
とができるという顕著な効果が得られることとなり、特
に発電原価の削減に大いに寄与するものとなる。特に小
型分散型エネルギーシステムを構築するに当たっては最
も効果的である。さらに二酸化炭素排出量の低減にも結
果として寄与することが可能であることも上記より明ら
かである。また本発明のガスタービンシステムは発電用
途以外にも活用し得るものであり、ガスタービン動力シ
ステムとして高い熱効率と大きな軸駆動力を得ることが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来例を示す構成略図である。
【図２】 従来例を示すＴ−Ｓ線図である。
【図３】 別の従来例を示す構成略図である。
【図４】 別の従来例を示すＴ−Ｓ線図である。
【図５】 本発明の第１実施形態を示す構成略図であ
る。
【図６】 本発明の第１実施形態を示すＴ−Ｓ線図であ
る。
【図７】 発電効率を比較したグラフである。
【図８】 比出力を比較したグラフである。
【図９】 本発明の第２実施形態を示す構成略図であ
る。
【図１０】 本発明の第２実施形態を示すＴ−Ｓ線図で
ある。
【図１１】 本発明の第３実施形態を示す構成略図であ
る。
【図１２】 本発明の第３実施形態を示すＴ−Ｓ線図で
ある。
【図１３】 起動用構成要素を組み込んだ一実施例を示
す図である。
【図１４】 起動用構成要素を組み込んだ一実施例を示
す図である。
【図１５】 起動用構成要素を組み込んだ一実施例を示
す図である。
【図１６】 起動用構成要素を組み込んだ一実施例を示
す図である。
【図１７】 起動用構成要素を組み込んだ一実施例を示
す図である。
【図１８】 凝集水の排除手段の一例を示した図であ
る。
【図１９】 過膨張タービンと復圧圧縮機を分離したガ
スタービンシステムを示す図である。
【図２０】 過膨張タービンと復圧圧縮機を分離した燃
料電池とガスタービンとのハイブリッド発電システムを
示す図である。
【図２１】 本発明を二軸式ガスタービンシステムとし
て構成した一例を示す図である。
【図２２】 常圧型燃料電池を組み込んだ一実施例を示
す図である。
【符号の説明】
A 吸気 An 燃料極 AH 空気予熱器 BP1 バイパス配管 BP2 バイパス配管 BP3 バイパス配管 BP4 バイパス配管 BP5 バイパス配管 C1 吸気圧縮機 C2 復圧圧縮機 Ca 空気極 CC 燃焼器 F 燃料 F1 燃料 F2 燃料電池用燃料 F3 燃料 F4 燃料 FC 燃料電池 G 電動発電機 GC ガス冷却器 H 燃料予熱器 M 電動機 M1 主配管 M2 主配管 R 再生器 T1 膨張タービン T2 過膨張タービン V1 補助吸気弁 V2 流量調節弁 V3 流量調節弁 V4 流量調節弁 V5 流量調節弁 V6 流量調節弁 V7 流量調節弁 V8 流量調節弁 V9 流量調節弁 a1 圧縮機入口 a2 圧縮機出口 a3 再生器出口(空気側) a4 燃焼器出口 a5 膨張タービン出口 a6 再生器出口(ガス側) b1 圧縮機入口 b2 圧縮機出口 b3 再生器出口(空気側) b4 空気予熱器出口 b5 燃料電池出口 b6 燃焼器出口 b7 膨張タービン出口 b8 再生器出口(ガス側) c1 圧縮機入口 c2 圧縮機出口 c3 再生器出口(空気側) c4 燃焼器出口 c5 膨張タービン出口 c6 過膨張タービン出口 c7 再生器出口(ガス側) c8 ガス冷却器出口 c9 復圧圧縮機出口 d1 圧縮機入口 d2 圧縮機出口 d3 再生器出口(空気側) d4 空気予熱器出口 d5 燃料電池出口 d6 燃焼器出口 d7 膨張タービン出口 d8 過膨張タービン出口 d9 再生器出口(ガス側) d10 復圧圧縮機入口 d11 復圧圧縮機出口 e1 圧縮機入口 e2 圧縮機出口 e3 再生器出口(空気側) e4 空気予熱器出口 e5 燃料電池出口 e6 膨張タービン出口 e7 再燃器出口 e8 過膨張タービン出口 e9 再生器出口(ガス側) e10 復圧圧縮機入口 e11 復圧圧縮機出口 ３０ 本発明のガスタービン発電システムによって得ら
れる特性 ３１ 従来のガスタービン発電システムによって得られ
る特性 ３２ 汽水分離器 ３３ ドレン溜 ３４ ポンプ ３５ 機械負荷 ３６ 過給機 ５０ ガスタービン発電システム
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｃ 7/08 Ｆ０２Ｃ 7/08 Ｂ 9/00 9/00 Ａ Ｈ０１Ｍ 8/00 Ｈ０１Ｍ 8/00 Ｚ

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 大気を吸入圧縮する吸気圧縮機と、この
    吸気圧縮機を介して取り込まれた圧縮空気を燃料ガスと
    混合して予熱または燃焼させる装置（以下燃焼器とい
    う）と、この燃焼器からの高温高圧ガスで駆動されるタ
    ービンとを備え、タービンの排ガスを再生器を介して前
    記吸気圧縮機の出口空気と熱交換して、これを冷却し低
    温排ガスとして大気中に放出させるガスタービンシステ
    ムにおいて、 前記タービン（以下第１のタービンという）の排気側
    に、第２のタービン（以下過膨張タービンという）と復
    圧圧縮機からなる第２の熱サイクル機構を併設し、前記
    第１のタービンの排ガスを第２のタービンに供給しその
    出口圧を大気圧以下まで過膨張させたのち、この出口ガ
    スを復圧圧縮機に導入してその排出圧力を大気圧付近ま
    で上昇させて大気中に放出させるとともに、前記第１及
    び第２のタービンの一方または双方の出力によって発電
    機を駆動することを特徴とするガスタービン発電システ
    ム。
  2. 【請求項２】 前記吸気圧縮機を介して取り込まれた圧
    縮空気を再生器を介して燃焼器に導くとともに、過膨張
    タービンの排ガスを前記再生器に導き、過膨張された排
    ガスと吸気圧縮機の出口空気との間で熱交換したのち、
    この排ガスを冷却器を通して更に冷却したのち復圧圧縮
    機に導くことを特徴とする請求項１に記載のガスタービ
    ン発電システム。
  3. 【請求項３】 空気極と燃料極からなる燃料電池と、空
    気予熱器とを併せ備え、前記吸気圧縮機を介して取り込
    まれた圧縮空気を空気予熱器を通して燃料電池の空気極
    に供給し、その出口ガスを助燃ガスと混合して燃焼させ
    たのち第１のタービンに導くことを特徴とする燃料電池
    を併用してなる請求項１または２に記載のガスタービン
    発電システム。
  4. 【請求項４】 前記燃料電池の燃料極に、吸気圧縮され
    た空気を燃焼させるための燃料ガスと同種の燃料を導入
    し、燃料極からの排出ガスによって第１のタービンへの
    給気を燃焼させることを特徴とする請求項３に記載のガ
    スタービン発電システム。
  5. 【請求項５】 過膨張タービンと復圧圧縮機からなる第
    ２の熱サイクル機構を過給機をもって構成してなる請求
    項１乃至４の何れかに記載のガスタービン発電システ
    ム。
  6. 【請求項６】 過膨張タービンと復圧圧縮機からなる第
    ２の熱サイクル機構を、前記第１のタービンの回転軸と
    は別の第２の回転軸に設置してなる請求項１乃至５の何
    れかに記載のガスタービン発電システム。
  7. 【請求項７】 第１のタービンと過膨張タービンとの接
    続流路に再燃器を設置し、第１のタービンの出口排ガス
    を再度燃焼させたのち過膨張タービンへ供給することを
    特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載のガスタービ
    ン発電システム。
  8. 【請求項８】 大気を吸入圧縮する吸気圧縮機と、この
    吸気圧縮機を介して取り込まれた圧縮空気を燃料ガスと
    混合して予熱または燃焼させる装置（以下燃焼器とい
    う）と、この燃焼器からの高温高圧ガスで駆動されるタ
    ービンとを備え、タービンの排ガスを再生器を介して前
    記吸気圧縮機の出口空気と熱交換して、これを冷却し低
    温排ガスとして大気中に放出させるガスタービンシステ
    ムにおいて、 前記タービン（以下第１のタービンという）の排気側
    に、第２のタービン（以下過膨張タービンという）と復
    圧圧縮機からなる第２の熱サイクル機構を併設し、前記
    第１のタービンの排ガスを第２のタービンに供給しその
    出口圧を大気圧以下まで過膨張させたのち、この出口ガ
    スを復圧圧縮機に導入しその排出圧力を大気圧付近まで
    上昇させて大気中に放出させるとともに、前記第１及び
    第２のタービンの一方または双方の出力軸から動力を取
    り出すことを特徴とするガスタービン動力システム。
  9. 【請求項９】 前記吸気圧縮機を介して取り込まれた圧
    縮空気を再生器を介して燃焼器に導くとともに、過膨張
    タービンの排ガスを前記再生器に導き、過膨張された排
    ガスと吸気圧縮機の出口空気との間で熱交換したのち、
    この排ガスを冷却器を通して更に冷却して復圧圧縮機に
    導くことを特徴とする請求項８に記載のガスタービン動
    力システム。
  10. 【請求項１０】 過膨張タービンと復圧圧縮機からなる
    第２の熱サイクル機構を過給機をもって構成してなる請
    求項８または９に記載のガスタービン動力システム。
  11. 【請求項１１】 過膨張タービンと復圧圧縮機からなる
    第２の熱サイクル機構を、前記第１のタービンの回転軸
    とは別の第２の回転軸に設置してなる請求項８乃至１０
    の何れかに記載のガスタービン動力システム。
  12. 【請求項１２】 第１のタービンと過膨張タービンとの
    接続流路に再燃器を設置し、第１のタービンの出口排ガ
    スを再度燃焼させたのち過膨張タービンへ供給すること
    を特徴とする請求項８乃至１１の何れかに記載のガスタ
    ービン動力システム。
  13. 【請求項１３】 大気を吸入圧縮する吸気圧縮機と、こ
    の吸気圧縮機を介して取り込まれた圧縮空気を燃料ガス
    と混合して予熱または燃焼させる装置（以下燃焼器とい
    う）と、この燃焼器からの高温高圧ガスで駆動されるタ
    ービンと、このタービンの排気側に接続され電動発電機
    を駆動する過膨張タービンと、この過膨張タービンの排
    ガスを再度圧縮する復圧圧縮機と、この復圧圧縮機の入
    口側流路に外気を直接取り入れるための補助吸気弁とを
    備えたガスタービン発電システムを起動する方法であっ
    て、 a) まず補助吸気弁を開いた状態で、電動発電機に電力
    を供給し吸気圧縮機及びタービンを電動で始動する工
    程、 b) タービン軸の回転速度が上昇するに従って増大する
    吸気圧縮機の吸気量とその出口圧力の上昇を監視する工
    程、 c) この出口圧力が所定値に達したとき、燃焼器に燃料
    を投入して着火する工程、 d) 燃料を徐々に増量して定格回転に達するまで燃料を
    増やす工程、 e) 徐々に補助吸気弁を閉じ、復圧圧縮機の入口圧が徐
    々に負圧になることによってタービン軸に動力が発生
    し、電動発電機がモーターから発電機へと移行していく
    状況を監視する工程、 f) この状態から更に燃料を投入し、投入燃料量に応じ
    て発電出力を増加させ、最終的に定格出力にもたらす工
    程、を経て定常運転状態に到達させることを特徴とする
    ガスタービン発電システムの起動方法。
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