JPS5882006A - 熱を仕事に変換する装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は熱を仕事に変換する装ｗ％に発電用熱的に電
気エネルギを発生させるため、水のような流体をボイラ
の中で加圧下に蒸発させこれを同期発電機に連結された
蒸気タービンの中で膨張させ、次にこれ倉凝縮させ冷却
させたのちにボイラに戻す閉じた熱力学的回路が使用で
きる。蒸発のための熱は適当な量の溶焼空気（燃焼のた
めの空気）の存在下に炭化水素等の燃料を燃焼させるこ
とによって生成される。このような蒸気によって駆動さ
れるタービン発電機ユニットの熱力学的効率は比較的良
好でおるが、装置の経費が非常に高く、これはこの型の
火力発電所から供給されるキロワット時当シの原価で償
却費が着るしく大きい割合を占めるということを示して
いる◎大きい出力の発１１機の駆動に必要々トルクは開
いた熱力学的回路を有するガスタービンによっても供給
できる。この開いた熱力学的回＃は天然ガスまたは液体
石油溜升などあ燃料を混合した空気を熱力学的媒体とす
る。この種の装置においては、外気から取入れられた空
気が圧縮機の中で圧縮されＫよって生じたガスがタービ
ンを通るときに膨張する。圧縮機と発電機はこのタービ
ンの軸に連結されている。

ガスノービン装置の比消費量（供給されるキロワット時
当り）は蒸気タービンユニットの比消費量よ転非常に大
きい。しかしその投資費用は非常に少なく、それ故火力
発電所における尖頭負荷発電機用または予備発電機用と
してガスタービンユニットがしばしは使用される・在来
の工業用ガスタービンの効率が低い理由の１つは、ター
ビン羽根の機械的堅牢性および適当な寿命を確保するた
めに１タービンの入口温度を約８００＠Ｃすなわち通常
使用される燃焼の焔温度の約三分の−に制限することが
望ましいと考えられるからである。在来のガスタービン
にお−てはタービンの入口温度の制限は、燃焼室から出
る燃焼のガスを約４倍の量の新鮮な圧縮された空気で希
釈することＫよって達成され、その緒条純粋め損失とし
てガスのエントロピが大きく増加する・さらに、この際
に圧縮機を駆動させるために必要なエネルギは、空気圧
縮に必要なエネルギより５倍大きい。圧縮の際に吸収さ
れるエネルギは理論的には膨張の際に砲戻されるが、前
述したような変化は実際には可逆的からはほど遠く、工
業用ガスタービンにおける大きな希釈度はその効率を低
下させる。最後に、タービンにより排出されるガスは比
較的熱く、使用できるエネルギがこのことによってさら
に失なわれる。

失なわれるエネルギの量を低減させるため、蒸気タービ
ンユニットと結合された希釈型ガスタービンを有するい
わゆる混合式火力発電所が提案され九〇そしてこの火力
発電所では、ガスタービンから排出される比較的酸素に
富んだ高温ガス混合物が燃焼ガスまたはその１部を形成
し、蒸気タービンユニットのボイラへ供給される燃料が
この燃焼ガスの中で燃φする０この方法によれに１ガス
タービンから排出されるガスの残留エネルギの非常に多
くの部分が蒸気タービンの軸端で回収される。かつこの
ようにして、比較的囃価なガスタービンユニットによっ
て、これが蒸気タービンユニットと組合わされていない
場合に得られるより本有効なガスタービンに供給される
燃料の使用が達成される。　− ガスタービンＳニットと蒸気タービンユニットの相対的
投貴費用を考慮すれば、上述した一類の混合式装置のガ
スタービンユニットの出力に対する寄与が蒸気タービン
ユニットのそれに較べてできるだけ大きいことが有利で
ある。しかるに理−的に見出したところＫよれば、ガス
タービンユニットの排出ガスが蒸気タービンユニットの
ボイラへ供給される燃料の全体を提供するときに達成さ
れるこの寄与の最大値は、この装置によって供給される
全動力の約１２−以上になることはできない・ この発明の目的は、上述した従来の欠点を除去した熱を
仕事に変換する新規な装置を提供することＫある・ この発明によれば、燃焼室とこの燃焼室から供給される
ガスによって駆動されるように配備されたタービンとを
それぞれ有する２つのガスタービンユニット、およびタ
ービンのおのおのから排出されるガスを受取るように連
結された別の燃焼装置を包含し、燃焼室の双方ではなく
１方がこれに供給される燃料の完全燃焼を阻止する装置
を備えていることを特徴とする熱を仕事に変換する装置
が提供される。

１方のタービンに供給される過剰の空気と別のタービン
に供給される過剰の燃料とけ燃焼室からタービンへ供給
される燃焼ガスを薄めてこれの温度を低くシ、すなわち
この温度は正確な正規組成比に対応する温度よりも低く
保持され、これに伴ってタービン羽根が過熱によって損
傷する危険が低減する。この新規の配ＩＩはさらに、圧
縮される空気の量がＩＩ！％熔室内で燃焼される燃料ｏ
ｎだけに関連して決定できるから圧ａｍ轡の使用効率と
いう点から見て有利であり、過剰燃料の中のエネルギの
かなりの部分はタービンから排出されて後続の燃焼装置
の中で燃φされるまでに回収される。この後続の燃焼室
では高い焔温度が使用できる。

例示のため、この発明の実施例について図面を参照しな
がら以下に説明する。

第２図ＫＭ図で示したこの発明による装置は、蒸気ター
ビンユニット１０、第１ガスタービンユニツト１１およ
び第２ガスタービンユニツト１２を有する。

蒸気タービンユニット１０は在来の構造のものである。

これは高圧タービン段１５および低圧タービン段１６を
有し、これらは同期発電様に連結された共通の伝動軸１
７を作動する・タービンハウジング１６内で膨張した蒸
気社凝縮器１Ｂの中で冷却され凝縮され、次にポンプ２
０によって在来の水呑熱器２１および２２へ向い、これ
ら再熱器において低圧タービン段１４０糧−の段から抽
出された蒸気によって加熱される。再熱器で加熱された
水は次にメイラ１９の中へ進む。ボイラ１９は過熱器２
３、再過熱器２４．１１減器２５および排ガス冷却器２
６を有する０図に示されるように１再熱器２１から来ゐ
水は最初に排ガス冷却器２６を通過し次いで再熱器２２
かも来る水と共気に変えられる。この蒸気は次に高圧タ
ービン段１５の中て部分的に膨張し、次いで再過熱器２
４を通夛その後に低圧タービン段１６の中で最終的に膨
張する。

餉１ガスタービンユニット１１は空気圧縮機３１、燃焼
室６２およびタービン３３を有する。

圧縮＊３１ＫＦ１入ロダクト５４を通って外気が供給さ
れる。圧縮機は伝動軸３５を介してタービン５５によっ
て駆動される。伝動軸′５５は蒸気タービンユニットの
伝動軸１７に結合でき、あるいけ独立の同期発電機（Ｉ
ｉｉｉ３示なし）を駆動する。

圧縮機３１によって圧縮された空気の一部は、供給管５
６を通って燃善室５２に供給される液体または気体の燃
料の燃善を確保するに使用される。

圧縮された空気の残部は、タービンの入口温度を適当な
値に維持するために燃φガスを希釈するに使用される。

高温ガスの混合物はタービン３３を通るときに膨張する
。希釈されたためにまだ徽章を大きな比率で有している
膨張後に排出されるガスは、燃φ空気として用いるため
に管３７を造って蒸気タービンユニットのボイラ１９へ
送られる。

第２ガスタービンユニツト１２は、その燃焼室４２が供
給管４６によってこれに供給される燃料の燃焼を正確に
制限するための触媒内張り（図示表し）を有し、かつそ
の圧縮機４１が後述の反応式に従う一部燃焼を確保する
のにちょうど必要な燃焼空気の比較的小さい流れを供給
するように設計されている点において、前述のタービン
ユニット１１から著しく異なっている。蒸気噴射装胃（
図示なし）が圧縮機４１内でのすすの形成を阻止するた
めに設けられる。圧縮機４１とタービン４３は同期発電
機を駆動できる共通の伝動軸４５によって連結できるが
、ボイラ１９への供給に必要な燃料Ｇ流量と独立に圧縮
空気の流量を変えれるようにするために圧縮機が可変速
度の駆動装賃によって独立して駆動されてもよい・膨張
稜タービン４３から排出されるガスは、／（−す（図示
なし）を端部に有する管４７を通ってボイラ１９へ送ら
れる。このガスはまだ高［Ｋ燃婢でき、これはこの場合
にはボイラー９へ供給される燃料のすべてとなっている
０もちろん、管６７および４７を遡るそれぞれのガスの
流量Ｆｉ最終燃焼が正規組成で行なわれるように選ばれ
る０ 第１図のグラフは、燃料を一定速度で燃φさせる燃焼室
から工業用ガスタービンへ供給される燃焼用空気の流ｔ
Ｑに対してタービンの入口温度をプロットしたものを示
す。曲線の頂点は最高燃焼温度ｔ、　Ｋ相当する。この
温度は次の式で示される完全燃焼反応のための燃焼用空
気と燃料の正規組成比に対応する空気の流量Ｑ、　にお
いて得られるＯ ＣｎＨ２ｍｍ＋２＋　想＋１０２ｎ　ＣＯ２＋　（ｎ＋
１　）Ｈ２Ｏ２ 従って完全燃瞬を確保するためには流量ＱをＱ。

よ抄大圧することか必要であ抄、タービン入口温度がａ
　ｏ　ｏ’ｃ附近の値ｔＮ以上にならないようにする九
めＫは過剰の空気が前述したガスタービンエニット１１
の燃焼室５２を通過させられる。よってこのエニットは
希釈型ガスタービンユニットと称することができる・こ
のような空気の流量は正規組成の流量Ｑ、よ）邊かに大
きい（約５倍）ＱＤで示される。

しかし、第１図のグラフによれば、正規組成の流量Ｑ、
より小さい空気流量Ｑｅｐによる燃料の不完全燃焼によ
りてもｔ大タニビンの入口温度が安全温度ｔＮを越えな
いようにできることが判る。

これが第２ガスタービンユニツト１２で使用さかる方法
であ如、このユニットは一部燃焼型ガスタービンエニッ
トと称することができる。この株のユニットの中で燃焼
は次の反応で達成できる・ＣｎＨ，ｎ＋２＋ｎ０２ｎｃ
Ｏ＋　（Ｎ＋１）Ｈ。

一部燃焼が上述の反応式に従うようにするためＫは、適
当な触媒被覆が燃焼室の内壁を櫟い、かつすすの形成を
避ける丸め水蒸気が燃箭空気中に噴射できる。

第１図に示されるように、一部燃φ型ガスタービンエニ
ットの圧縮機を通過する燃焼空気の流量Ｑａ、け、希釈
蓋゛ガスタービンユニットの和尚する流量Ｑｎよ動基か
に小さい。故に顛１者のユニットの空気圧搾機によって
吸収される機械的動力は小さく成る場合には高温ガスの
膨張によって供給される動力のスの程度であり、これは
成る場合ＫＦｉ希釈型ユニットの中で膨張によって供給
される動力の４で表わされる。

両ガスタービンユニットの本造は実質上和睦し。

＜、’ＩＫいずれのユニットも天然ガスのような気体燃
料または充分に不純物（＃ｆに硫黄）のない液体燃料が
使用できる。

第２図の装置へ供給される燃料に天然ガスでよい。これ
は有害な不純物を実際上包含せず、比較的高圧で工業的
に自由に入手でき、従って、公称静圧が約１０気圧の程
度であるべき燃焼室５２および４２の中へ導入する以前
に圧縮する必要がない。しかし、燃料は一般に工業用ガ
スタービンで使用されるような重いまたは軽い石油溜升
よね成ること亀できる・ 第３図は一部燃焼型タービンユニット１２の変形１２ｍ
を示し、これによれＦｉ電い残留油分が燃料として使用
できる。このような燃料は、タービン羽根および蒸気タ
ービンユニット１０のボイラＯ熱交換面の上流で分離す
るのが望ましい硫黄勢の不純物を含んでいる。

ζこでタービンユニット１２０部分と同様のタービンユ
ニット１２＆の部分は同じ数字に添字ａを付して示され
る・このユニットｊ２ａにおいて、蒸溜されていない重
い石油が管４４ｍを通して一部燃煉室４２ａＫ供給され
、これから出るガスが管５２を通して処理室５１へ導入
される粉末状化学的脱硫剤によってこの処理室５１（Ｄ
中で脱硫される。この脱硫剤は燃焼室４２ａの中での不
完全燃焼によって遊離する硫化水素と反応して化合物を
形成し、この化合物は処理室５１から出るガスが通過す
る除塵器５５によって分離される０除應器５ｓＫよって
分離された硫化物は処理室５１に脱硫剤の形で再導入す
るため５４で示した再循環器によって再生される。精製
された高温ガスは次に出口５５を通ってタービン４５ａ
の中で膨張し、送出通酪４７　ａ　を通ってｌイン１９
の中で最終的に燃焼させられる。装置全体が比較的安価
な蒸溜されない燃料だけで作動されるようにするために
社、除塵器５３の出口５５へ流れる精製され九燃焼可能
のガスの一部をタービン４３ｍへ供給し、このガスの残
部を希釈型タービンユニット１１の燃焼室３２へ供給す
るようにすることができる◎これに伴って一部燃φ室４
２ｍに供給されなけれにならない精製されない燃料の流
１１は増大し、圧Ｉｉ＄４１ｍ１通る空気の流量はこれ
に適合するように調節されなけれはならないが、タービ
ンユニット１１の配置は本質的に不変のままである。

上述し図示した以外の実施例も示される・例えば一部燃
煉型ガスタービンユニット１２．１２ａのタービンが実
際上２段であって、タービンへ供給されるガスの成る部
分が２段の中で次次と膨張させられ、このガスの残余が
第１段で膨張したのちに希釈型ガスタービンユニットの
中でさらに膨張させられるようになっていてもよい＠圧
縮を２段または多段で達成し１つの段と次の段の間で空
気を冷却すること本提案される。これによって圧縮に伴
なう仕事は低減し、冷却はガスの発生に使用すべき燃料
との熱交換によって達成できる。

前述し九すべての実施例において、一部燃鋳型ガスター
ビンから排出されるガスと希釈型ガスタービンから排出
されるガスとは燃料を燃焼させるボイラの燃φ室へそれ
ぞれ独立に供給される。別の実施例ではタービンから排
出されるガスの燃焼がボイラの加熱以外のために使用さ
れ、また別の実施例では一部燃鋳型ガスタービンから排
出されるガスが希釈型ガスタービンユニットの燃φ室の
中で燃料として使用される。

この発明は次のように集流できる。

１）供給される燃料の完全燃情を阻止する装置が燃φ室
の触媒内張りからなる特許請求の範囲にＰ載の装置・ （２１供給される燃料の完全燃情を阻止する装置を備見
え燃焼室と対応するタービンとの間にガス純化装置が設
けられる特許請求の範Ｉ！ｔＩまたは前記（１１に記載
の装置。

＋３１　　燃φ室のおのおのが圧縮機によって空気を供
給されるように連結され、圧縮機が燃φ室から生じるガ
スによって駆動されるタービンによって駆動されるよう
に連結される特許請求の範囲、繭重（１）、前記（２）
のいずれかに記載の装置。

（４１圧縮機のいずれかが２段であり、燃料を燃焼室へ
進める通路の中に熱交換器が配置され、段の間の空気を
燃焼室へ向う燃料との熱交換のため熱交換器へ導く装置
が設けられる前記（３）に記載の装置。

１５）　　別の燃φ装置がボイラを加熱するように配備
される特許請求の範囲または前記ｆｉ＋から（４）のい
ずれかにｔ’歌の装置。

【図面の簡単な説明】

第１図は燃料を一定速度で燃φさせる燃φ室から工業用
ガスタービンへ供給される燃焼用空気の流量とタービン
の入口温暖の関係を示すグラフ、第２図は２つのガスタ
ービンを有するこの発明による装置を示す線図、第３図
は第２図の装置の変形を示す線図である。 図中、１０は蒸気タービンユニット、１１ａ希釈型ガス
タービンエニツト、１２は一部燃鋳型ガスタービンユニ
ット、１５＃ｉ高圧蒸気タ一ビン段、１６は低圧蒸気タ
ービン段、１８は圧縮機、１９はボイラ、２０はポンプ
、２１．２２け再熱器、２３は過熱器、２４は再過熱器
、２５は節減器、２６は排ガス冷却器、３１は空気圧縮
機、３２は燃φ室、３Ｓはタービン、４１は圧縮機、４
２は燃焼室、４３はタービンを示す。 第１　区 菊３図 手続補正書（方式） 昭和５７年１１月　２４日 特許庁長官殿 １、事件の表示 昭和５７年　特許願　第１８６９０５号２、発明の名称 熱を仕事に変換する装置 ３、補正をする者 事件との関係　　　特許出願人 ４、代理人 〒１０５　　住所　東京都港区西新橋１丁目１番１５号
物産ビル別館　電話（５９１）　０２６１明細書 明細占の浄９．Ｊ容に変更７よし

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 第１および第２のガスタービンユニットを有し、各ガス
   タービンユニットが、燃焼室、・燃焼室から送出される
   ガスによって駆動されるガスタービン、およびガスター
   ビンで運転され燃焼用気体を燃焼室に供給する圧縮機を
   備え、第１ガスタービンユニツトｏ圧縮機が燃焼室での
   完全燃焼に必要な１よ抄過剰の燃焼用気体を燃焼室に供
   給するように構成され、第２ガスタービンエエツトの圧
   縮機か燃焼室での完全燃焼を達成できなめ少量のｅ焼用
   気体を燃焼室に供給するように構成され、両ガス２−°
   ビ、−＝ット。ガＸ、−ビ、を、過しえガラが共に別の
   燃焼装置へ供給されることを触徴とする熱を仕事に変換
   する装置。