Hydrogen combustion gas turbine plant

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は水素燃焼ガスタービンプラント、すなわち水素を燃料とするガスタービンを用いた発電プラントに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】水素を燃料とするガスタービンプラントは、従来の化石燃料を用いたプラントとは異なり、地球温暖化の原因とされている炭酸ガス（ＣＯ ₂ ）を排出しないため、新しい世代のクリーンエネルギー源として注目されている。 また、水素は燃焼した後に不活性な水蒸気となるために、水蒸気または他の不活性なガスを作動流体としたクローズドサイクルで利用すると、高温酸化による問題を回避することができる。 現在の化石燃料を用いるオープンサイクルガスタービンプラントは、作動流体に燃料より生じた酸化ガスや、作動流体に相当量残存する酸素が原因となり高温酸化による高温部品の劣化が問題となっている。

【０００３】高温酸化は、タービンを構成する部品、特に作動流体に接する部品の温度が高くなるほど進行が早くなる。 このため、当該部品に対しては冷却を行う必要があるが、この冷却に使用する冷却媒体が増加するほどガスタービンプラントの熱効率は低下することが知られており、現に作動流体の高温化に伴い、少ない冷却媒体量で冷却を行うための技術開発が盛んに行われてきた。

【０００４】一方、ガスタービンプラントでは、最高温度を高めるほど熱効率が上昇することが知られており、
前述の冷却技術開発の成果と併せて、この最高温度は近年加速度的に上昇してきた。 しかしながら、冷却に対する技術開発にも最近では限界が見られ、最高温度を上昇させることで得られる熱効率の上昇分が、冷却媒体量の増加に伴う熱効率の低下に見合わなくなってきており、
最高温度の上昇は頭打ちになろうとしている。

【０００５】水素を燃料とする発電プラントは、別の意味でも注目されている。 水素は電力があれば、化石燃料とは異なり、どのような場所でも生産が可能であるという点である。 このことは、水力等の潜在的な電力資源が豊富にもかかわらず、それを必要とする産業および民需が不足している発展途上国が、水素というエネルギー源を生産し輸出することにより産業の活性化を図ることが可能であるということである。

【０００６】水素燃焼を行うガスタービンにおいて現状では、水素を製造するコストが化石燃料を製造するコストを上回るため、化石燃料を使用するガスタービンプラントよりも高い効率を達成しなければ実用的にならなない。

【０００７】高い効率を得るためには、従来のガスタービンプラントよりも高い最高温度にしなければならない。 水蒸気は不活性であるため、これを作動流体とする場合には高温酸化問題に特に制限されることなく、最高温度を上げることができる。 しかし水蒸気は、従来のガスタービンプラントの作動流体である燃焼空気に比べて比熱が非常に大きいため、冷えにくい特性がある。 このため、タービンの段落数、特に冷却が必要な段落数が増加し、システム全体の熱効率が低下し、最高温度を上昇させた効果を相殺することになる。 また、水蒸気を非常に高温な状態で使用すると、流体通路部で水蒸気腐食が生じる問題がある。

【０００８】温度を上げる別の手段として、作動流体の大半を不活性ガスにして、そこに酸素と水素とを燃料として投入し、反応により生じる水蒸気または、水を作動流体に加える方法がある。 この場合、燃焼ガスと同等の比熱を有するアルゴンや窒素等の不活性ガスを用いることにより、従来と同等のタービンの冷却段落数とすることができ、この場合には水蒸気のみを用いた場合と異なり効率が下がらない。 また、水蒸気の割合も減少するため、水蒸気腐食による通路部品の劣化もある程度解決できる。 しかし、不活性ガスを用いる場合、システムは基本的にクローズドサイクルとなるので、循環する作動流体の全てを復水器に通すことになり、放出熱量が大きくなるため効率が上がらない。

【０００９】ここで、以上の問題を解決するガスタービン発電プラントの従来技術の一例を図７によって説明する。

【００１０】この図７に示されるプラトシステムは、大きく分けて２つの部分からなる。 一つは不活性ガスを作動流体とするブレイトンサイクルの部分であり、他は水蒸気または水を作動流体とするランキンサイクルの部分である。

【００１１】ブレイトンサイクルは、圧縮機１、高温熱交換器５、背圧タービン２および低温熱交換器６から構成される。 まず、圧縮機１で圧縮された高温高圧の不活性ガスは高温熱交換器５に導かれ、水素と酸素からなる燃料１１の燃焼による高熱ガスと熱交換されて、更に高温にされる。 この非常に高温高圧な不活性ガスは、背圧タービン２に導かれ、膨張して高温低圧の不活性ガスになる一方、出力軸１２を介して圧縮機１を駆動するとともに、発電機７を駆動して電力を発生させる。 背圧タービン２から出た高温低圧の不活性ガスは低温熱交換器６
を経て冷却され、低温低圧の不活性ガスとなり再び圧縮機１に導かれる。

【００１２】ランキンサイクルは、高温熱交換器５、高圧タービン４、低温熱交換器６、復水タービン３、復水器８および復水ポンプ９からなる。 高温熱交換器５には水素と酸素からなる燃料１１が投入されて燃焼が行われ、非常に高温の蒸気が発生する。 この非常に高温高圧な水蒸気は、高圧タービン４に導かれて膨張し、低温低圧の水蒸気になる。 そして、この低温低圧の水蒸気は低温熱交換器６でブレイトンサイクル側から加熱されて高温低圧の水蒸気となった後に、復水タービン３に導かれて膨張し、低温で非常に低圧の水蒸気となる。 この低温で非常に低圧の水蒸気は、復水器８に導かれて水に戻され、復水ポンプ９により移送される。 この水は一部を排水１０として系外に排出される。 また、背圧タービン２
と高圧タービン４、復水タービン３からの出力は、出力軸１２により発電機７を駆動して電力を発生させる。

【００１３】このシステムでは、高温高圧ブレイトンサイクル部分の作動流体を不活性ガスとしており、冷却段落数の増加を制限し、効率の低下を防ぐことができる。
また、最高温度が不活性ガスのブレイトンサイクル側にあるため、水蒸気腐食の問題も解決される。 復水器８を通る作動流体はランキンサイクル側の水蒸気に限られ、
排熱熱量の増加を抑えられる。

【００１４】しかし、このシステムにおいては、不活性ガスを使用するブレイトンサイクルと水蒸気を使用するランキンサイクルとの間で熱の授受を行う高温熱交換器５の条件が厳しくなる問題がある。 つまり、ランキンサイクル側では、高温熱交換器５の下流に高圧タービン４
および背圧タービン２が配設されているため、高温熱交換器５内が非常に高圧となってブレイトンサイクル側との圧力差が非常に大きくなり、熱交換器の成立が技術的に困難になる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、不活性ガスによるブレイトンサイクルと水蒸気によるランキンサイクルとを併用した従来の水素燃焼ガスタービンプラントにおいては、高温熱交換器における作動流体間の圧力差が大きく、熱交換が技術的に困難になる。

【００１６】そこで、本発明が解決しようとする課題は、不活性ガスによるブレイトンサイクルと水蒸気によるランキンサイクルとを併用しつつ、高温熱交換器での作動流体間の圧力差を抑制して高温熱交換を技術的に可能とし、あわせて熱効率および出力の上昇を図ることにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するために、請求項１の発明は、不活性ガスを作動流体とするブレイトンサイクルと、水素と酸素からなる燃料の燃焼によって発生する水蒸気を作動流体とするランキンサイクルとを複合したシステム構成を有する水素燃焼ガスタービンプラントにおいて、前記燃料の燃焼ガスと不活性ガスとを熱交換させる高温熱交換器を設け、ブレイトンサイクル側では圧縮機、前記高温熱交換器、背圧タービン、低温熱交換器を不活性ガス配管によって順に接続したクローズドサイクルを形成する一方、ランキンサイクル側では前記高温熱交換器、復水タービン、復水器および復水ポンプを蒸気配管によって順に接続したオープンサイクルと、前記復水ポンプの下流側から分岐した分岐管を介して加圧ポンプ、前記低温熱交換器、高圧タービン、前記高温熱交換器および前記復水タービンを順に接続したクローズドサイクルとを形成したことを特徴とする水素燃焼ガスタービンプラントにある。

【００１８】請求項２の発明は、不活性ガスを作動流体とするブレイトンサイクルと、水素と酸素からなる燃料の燃焼によって発生する水蒸気を作動流体とするランキンサイクルとを複合したシステム構成を有する水素燃焼ガスタービンプラントにおいて、前記燃料を燃焼させてランキンサイクルに燃焼ガスを供給するするための燃焼器と、前記燃料の燃焼ガスと不活性ガスとを熱交換させる高温熱交換器とを別に設け、ブレイトンサイクル側では圧縮機、前記高温熱交換器、背圧タービン、低温熱交換器を不活性ガス配管によって順に接続したクローズドサイクルを形成する一方、ランキンサイクル側では前記燃焼器、高圧タービン、低温熱交換器、復水タービン、
復水器および復水ポンプを蒸気配管によって順に接続したオープンサイクルと、前記復水ポンプの下流側から分岐した分岐管を介して加圧ポンプ、前記燃焼器、前記高圧タービン、前記低温熱交換器、前記復水タービン、前記復水器、前記復水ポンプを順に接続したクローズドサイクルとを形成し、かつ前記高温熱交換器から燃焼ガスである蒸気を前記復水タービンの入口配管に供給する蒸気供給配管を設けたことを特徴とする水素燃焼ガスタービンプラントにある。

【００１９】請求項３の発明は、不活性ガスを作動流体とするブレイトンサイクルと、水素と酸素からなる燃料の燃焼によって発生する水蒸気を作動流体とするランキンサイクルとを複合したシステム構成を有する水素燃焼ガスタービンプラントにおいて、前記燃料を燃焼させてランキンサイクルに燃焼ガスを供給するするための燃焼器と、前記燃料の燃焼ガスと不活性ガスとを熱交換させる高温熱交換器とを別に設け、ブレイトンサイクル側では圧縮機、前記高温熱交換器、背圧タービン、低温熱交換器を不活性ガス配管によって順に接続したクローズドサイクルを形成する一方、ランキンサイクル側では前記燃焼器、高圧タービン、低温熱交換器、復水タービン、
復水器および復水ポンプを蒸気配管によって順に接続したオープンサイクルと、前記復水ポンプの下流側から分岐した分岐管を介して加圧ポンプ、前記燃焼器、前記高圧タービン、前記低温熱交換器、前記復水タービン、前記復水器、前記復水ポンプを順に接続したクローズドサイクルを形成したことを特徴とする水素燃焼ガスタービンプラントにある。

【００２０】請求項４の発明は、不活性ガスを作動流体とするブレイトンサイクルと、水素と酸素からなる燃料の燃焼によって発生する水蒸気を作動流体とするランキンサイクルとを複合したシステム構成を有する水素燃焼ガスタービンプラントにおいて、前記燃料を燃焼させてランキンサイクルに燃焼ガスを供給するするための燃焼器と、前記燃料の燃焼ガスと不活性ガスとを熱交換させる高温熱交換器とを別に設け、ブレイトンサイクル側では圧縮機、前記高温熱交換器、背圧タービン、低温熱交換器を不活性ガス配管によって順に接続したクローズドサイクルを形成する一方、ランキンサイクル側では前記燃焼器、高圧タービン、低温熱交換器、復水タービン、
復水器および復水ポンプを蒸気配管によって順に接続したオープンサイクルと、前記復水ポンプの下流側から分岐した分岐管を介して加圧ポンプ、前記燃焼器、前記高圧タービン、前記低温熱交換器、前記復水タービン、前記復水器、前記復水ポンプを順に接続したクローズドサイクルとを形成し、かつ前記高温熱交換器から燃焼ガスである蒸気を前記復水タービンに前記燃焼器からの蒸気供給配管と異なる位置に供給する蒸気供給配管を設けたことを特徴とする水素燃焼ガスタービンプラントにある。

【００２１】請求項５の発明は、不活性ガスを作動流体とするブレイトンサイクルと、水素と酸素からなる燃料の燃焼によって発生する水蒸気を作動流体とするランキンサイクルとを複合したシステム構成を有する水素燃焼ガスタービンプラントにおいて、前記燃料を燃焼させてランキンサイクルに燃焼ガスを供給するするための燃焼器と、前記燃料の燃焼ガスと不活性ガスとを熱交換させる高温熱交換器とを別に設け、ブレイトンサイクル側では圧縮機、前記高温熱交換器、背圧タービン、低温熱交換器を不活性ガス配管によって順に接続したクローズドサイクルを形成する一方、ランキンサイクル側では前記燃焼器、高圧タービン、低温熱交換器、復水タービン、
復水器および復水ポンプを蒸気配管によって順に接続したオープンサイクルと、前記復水ポンプの下流側から分岐した分岐管を介して加圧ポンプ、前記燃焼器、前記高圧タービン、前記低温熱交換器、前記復水タービン、前記復水器、前記復水ポンプを順に接続したクローズドサイクルとを形成し、かつ前記高温熱交換器から燃焼ガスである蒸気を前記復水タービンの入口配管に供給する蒸気供給配管を設け、さらにブレイトンサイクル側の前記低温熱交換器から前記圧縮器に還流する作動流体をランキンサイクル側の前記加圧ポンプから前記燃焼器に供給される加圧水で冷却する冷却器を設けたことを特徴とする水素燃焼ガスタービンプラントにある。

【００２２】請求項６の発明は、不活性ガスを作動流体とするブレイトンサイクルと、水素と酸素からなる燃料の燃焼によって発生する水蒸気を作動流体とするランキンサイクルとを複合したシステム構成を有する水素燃焼ガスタービンプラントにおいて、前記燃料を燃焼させてランキンサイクルに燃焼ガスを供給するするための燃焼器と、前記燃料の燃焼ガスと不活性ガスとを熱交換させる高温熱交換器とを別に設け、ブレイトンサイクル側では圧縮機、前記高温熱交換器、背圧タービン、低温熱交換器を不活性ガス配管によって順に接続したクローズドサイクルを形成する一方、ランキンサイクル側では前記燃焼器、高圧タービン、低温熱交換器、復水タービン、
復水器および復水ポンプを蒸気配管によって順に接続したオープンサイクルと、前記復水ポンプの下流側から分岐した分岐管を介して加圧ポンプ、前記燃焼器、前記高圧タービン、前記低温熱交換器、前記復水タービン、前記復水器、前記復水ポンプを順に接続したクローズドサイクルとを形成し、かつ前記高温熱交換器から燃焼ガスである蒸気を前記復水タービンの入口配管に供給する蒸気供給配管を設け、さらにブレイトンサイクル側の出力軸とランキンサイクル側の出力軸とを別にしてその各軸に各別に発電機を接続したことを特徴とする水素燃焼ガスタービンプラントにある。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る水素燃焼ガスタービンプラントについて、第１〜第６の実施の形態を図１〜図６を参照して説明する。 なお、従来の技術と同一の構成部分には図７と同一符号を付して説明する。

【００２４】 第１実施形態（図１）図１は本発明に係る水素燃焼ガスタービンプラントの第１実施形態を示す系統図である。

【００２５】この実施形態の水素燃焼ガスタービンプラントは、不活性ガスを作動流体とするブレイトンサイクルと、水素と酸素からなる燃料の燃焼によって発生する水蒸気を作動流体とするランキンサイクルとを複合したシステム構成を有し、燃料の燃焼ガスと不活性ガスとを熱交換させる高温熱交換器５が１基設けられている。 そして、ブレイトンサイクル側では、圧縮機１、高温熱交換器５、背圧タービン２、低温熱交換器６が不活性ガス配管２１によって順に接続されてクローズドサイクルが形成されている。

【００２６】一方、ランキンサイクル側では、高温熱交換器５、低圧の復水タービン３、復水器８および復水ポンプ９が蒸気配管２２によって順に接続されて復水を排水１０として排出するオープンサイクルが形成されるとともに、復水ポンプ９の下流側から分岐した分岐管２３
を介して加圧ポンプ１３、低温熱交換器６、高圧タービン４、高温熱交換器５および復水タービン３が順に接続されてクローズドサイクルが形成されている。

【００２７】このような構成において、ブレイトンサイクル側では、圧縮器１で圧縮された高温高圧の不活性ガスが高温熱交換器５に導かれて加熱され、非常に高温で高圧の不活性ガスとなる。 この非常に高温で高圧の不活性ガスが背圧タービン２に導かれて膨脹し、高温低圧の不活性ガスとなる一方、出力軸１２を介して圧縮機１を駆動するとともに、発電機７を駆動して電力を発生させる。 背圧タービン２から出た高温低圧の不活性ガスは低温熱交換器６に導かれ、冷却されて低温低圧の不活性ガスとなり、再び圧縮機１に導かれる。

【００２８】ランキンサイクル側では、燃料１１として供給される水素（Ｈ ₂ ）と酸素（Ｏ ₂ ）とが高圧状態で高温熱交換器５に供給されて燃焼され、ブレイトンサイクル側に熱を供給し、高温高圧の水蒸気となる。 この水蒸気は復水タービン３で膨脹し、低温で低圧の水蒸気となる。 この水蒸気は復水器８に導かれて冷却され、水となる。 燃料１１と等量の水が復水ポンプ９により排水１
０として系外に放出され、系内の作動流体量が一定に保たれる。

【００２９】残りの水は、加圧ポンプ１３を経由して低温熱交換器６に導かれ、ここでブレイトンサイクル側から加熱され、高温高圧の水蒸気となる。 この水蒸気が高圧タービン４に導かれて膨脹し、高温低圧の水蒸気となり、再び高温熱交換器５に導かれる。

【００３０】このような第１実施形態の水素燃焼ガスタービンプラントによると、水蒸気を作動流体とするランキンサイクル側において、復水タービン３を高温熱交換器５の直後に配置することで、高温熱交換器５においてランキンサイクル側の圧力が抑制され、作動流体間の圧力差が大きくなることがない。

【００３１】このことにより、水蒸気および不活性ガスサイクル分離併用型の水素燃焼ガスタービンプラントにおいて、高温熱交換器５の厳しい条件が緩和されて、プラントがより容易に成立できるようになる。 なお、最高温度で運転される背圧タービン２の作動流体が不活性ガスであることから、従来のプラント以上に冷却段落を増加する必要はなく、また復水器８の放出熱量を水蒸気の作動流体部分に限定できることでプラント熱効率を従来のプラント同様に維持することができる。

【００３２】 第２実施形態（図２）図２は本発明に係る水素燃焼ガスタービンプラントの第２実施形態を示す系統図である。

【００３３】この実施形態による水素燃焼ガスタービンプラントも、不活性ガスを作動流体とするブレイトンサイクルと、水素と酸素からなる燃料の燃焼によって発生する水蒸気を作動流体とするランキンサイクルとを複合したシステム構成を有する。

【００３４】但し、このプラントでは、燃料１１を燃焼させてランキンサイクルに燃焼ガスを供給するための燃焼器１４と、燃料１１の燃焼ガスと不活性ガスとを熱交換させる高温熱交換器５とが別に設けられている。

【００３５】そして、ブレイトンサイクル側では圧縮機１、高温熱交換器５、背圧タービン２、低温熱交換器６
が不活性ガス配管２１によって順に接続されて、クローズドサイクルが形成されている。

【００３６】一方、ランキンサイクル側では燃焼器１
４、高圧タービン４、低温熱交換器６、復水タービン３、復水器８および復水ポンプ９が蒸気配管２２によって順に接続されたオープンサイクルと、復水ポンプ９の下流側から分岐した分岐管２３を介して加圧ポンプ１
３、燃焼器１４、高圧タービン４、低温熱交換器６、復水タービン３、復水器８、復水ポンプ９を順に接続したクローズドサイクルとが形成されている。

【００３７】また、高温熱交換器５から燃焼ガスである蒸気を復水タービン３の入口配管２４に供給する蒸気供給配管２５が設けられている。

【００３８】このような構成において、ブレイトンサイクル側では、圧縮器１で圧縮された高温高圧の不活性ガスが高温熱交換器５に導かれて加熱され、非常に高温で高圧の不活性ガスとなる。 この非常に高温で高圧の不活性ガスが背圧タービン２に導かれて膨脹し、高温低圧の不活性ガスとなる一方、出力軸１２を介して圧縮機１を駆動するとともに、発電機７を駆動して電力を発生させる。 背圧タービン２から出た高温低圧の不活性ガスは低温熱交換器６に導かれ、冷却されて低温低圧の不活性ガスとなり、再び圧縮機１に導かれる。

【００３９】ランキンサイクル側では、燃料１１として供給される水素（Ｈ ₂ ）と酸素（Ｏ ₂ ）とが、高圧状態で高温熱交換器５および燃焼器１４に供給されて燃焼され、高温高圧の水蒸気となる。 高温熱交換器５ではブレイトンサイクル側に熱を供給する。

【００４０】燃焼器１４で発生した水蒸気は高圧タービン４に導かれて膨脹し、低温で低圧の水蒸気となる。 この水蒸気は低温熱交換器６に導かれ、ここでブレイトンサイクル側から再熱され、高温高圧の水蒸気となる。 この再熱された水蒸気が、復水タービン３の入口配管２４
で、高温熱交換器５から供給される水蒸気と合流し、復水タービン３に導かれて膨脹し、低温低圧の水蒸気となる。 この水蒸気は復水器８に導かれて冷却され、水となる。 燃料１１と等量の水が復水ポンプ９により排水１０
として系外に放出され、系内の作動流体量が一定に保たれる。

【００４１】残りの水は、加圧ポンプ１３を経由して燃焼器１４に導かれる。 ここで燃料１１の燃焼熱によって加熱されて高温高圧の水蒸気となり、燃焼により新たに発生した水蒸気とともに高圧タービン４に導かれて膨脹し、以後は前記と同様に作用する。

【００４２】このような第２実施形態の水素燃焼ガスタービンプラントによっても、水蒸気を作動流体とするランキンサイクル側において、復水タービン３を高温熱交換器５の直後に配置することで、高温熱交換器５においてランキンサイクル側の圧力が抑制され、作動流体間の圧力差が大きくなることがない。

【００４３】なお、前記の第１実施形態ではランキンサイクル側のタービンを通る作動流体の流量をそれぞれ自由に設定することができないのに対し、この第２実施形態では高圧タービン４および復水タービン３の温度と圧力条件を個別に設定することができ、しかもランキンサイクル側およびブレイトンサイクル側の作動流体の流量および流量比を自由に調節することも可能である。 したがって、本実施形態によればプラント全体の出力を向上させることができるとともに、熱効率上最適なプラントを選定することができるようになる。

【００４４】 第３実施形態（図３）図３は本発明に係る水素燃焼ガスタービンプラントの第３実施形態を示す系統図である。

【００４５】この実施形態による水素燃焼ガスタービンプラントも、不活性ガスを作動流体とするブレイトンサイクルと、水素と酸素からなる燃料の燃焼によって発生する水蒸気を作動流体とするランキンサイクルとを複合したシステム構成を有する。

【００４６】そして、このプラントにおいても、燃料１
１を燃焼させてランキンサイクルに燃焼ガスを供給するための燃焼器１４と、燃料１１の燃焼ガスと不活性ガスとを熱交換させる高温熱交換器５とが別に設けられている。

【００４７】ブレイトンサイクル側では圧縮機１、高温熱交換器５、背圧タービン２、低温熱交換器６が不活性ガス配管２１によって順に接続されて、クローズドサイクルが形成されている。

【００４８】また、ランキンサイクル側では燃焼器１
４、高圧タービン４、低温熱交換器６、高温熱交換器５、復水タービン３、復水器８および復水ポンプ９が蒸気配管２２によって順に接続されたオープンサイクルと、復水ポンプ９の下流側から分岐した分岐管２３を介して加圧ポンプ１３、燃焼器１４、高圧タービン４、低温熱交換器６、高温熱交換器５、復水タービン３、復水器８、復水ポンプ９を順に接続したクローズドサイクルとが形成されている。 また、高温熱交換器５から燃焼ガスである蒸気を復水タービン３に供給する蒸気供給配管２６が設けられている。

【００４９】このような構成において、ブレイトンサイクル側では、圧縮器１で圧縮された高温高圧の不活性ガスが高温熱交換器５に導かれて加熱され、非常に高温で高圧の不活性ガスとなる。 この非常に高温で高圧の不活性ガスが背圧タービン２に導かれて膨脹し、高温低圧の不活性ガスとなる一方、出力軸１２を介して圧縮機１を駆動するとともに、発電機７を駆動して電力を発生させる。 背圧タービン２から出た高温低圧の不活性ガスは低温熱交換器６に導かれ、冷却されて低温低圧の不活性ガスとなり、再び圧縮機１に導かれる。

【００５０】ランキンサイクル側では、燃料１１として供給される水素（Ｈ ₂ ）と酸素（Ｏ ₂ ）とが、高圧状態で高温熱交換器５および燃焼器１４に供給されて燃焼され、高温高圧の水蒸気となる。 高温熱交換器５ではブレイトンサイクル側に熱を供給する。

【００５１】燃焼器１４で発生した水蒸気は高圧タービン４に導かれて膨脹し、低温で低圧の水蒸気となる。 この水蒸気は低温熱交換器６に導かれ、ここでブレイトンサイクル側から再熱され、高温高圧の水蒸気となる。 この再熱された水蒸気が、高温熱交換器５に供給されて、
さらに加熱された後、復水タービン３に導かれて膨脹し、低温低圧の水蒸気となる。 この水蒸気は復水器８に導かれて冷却され、水となる。 燃料１１と等量の水が復水ポンプ９により排水１０として系外に放出され、系内の作動流体量が一定に保たれる。

【００５２】残りの水は、加圧ポンプ１３を経由して燃焼器１４に導かれる。 ここで燃料１１の燃焼熱によって加熱されて高温高圧の水蒸気となり、燃焼により新たに発生した水蒸気とともに高圧タービン４に導かれて膨脹し、以後は前記と同様に作用する。

【００５３】このような第３実施形態の水素燃焼ガスタービンプラントによっても、水蒸気を作動流体とするランキンサイクル側において、復水タービン３を高温熱交換器５の直後に配置することで、高温熱交換器５においてランキンサイクル側の圧力が抑制され、作動流体間の圧力差が大きくなることがない。

【００５４】なお、前記の第２実施形態では高温熱交換器５においてランキンサイクル側で燃料１１である水素と酸素とが燃焼し、温度が急激に上昇する可能性があり、高温熱交換器５における熱の授受についての技術上の困難性が考えられる。 これに対し、この第３実施形態では低温熱交換器６からの水蒸気を高温熱交換器５に向けるので、燃料１１の燃焼および熱交換がより容易となる利点が得られる。

【００５５】 第４実施形態（図４）図４は本発明に係る水素燃焼ガスタービンプラントの第４実施形態を示す系統図である。

【００５６】この実施形態による水素燃焼ガスタービンプラントも、不活性ガスを作動流体とするブレイトンサイクルと、水素と酸素からなる燃料の燃焼によって発生する水蒸気を作動流体とするランキンサイクルとを複合したシステム構成を有する。

【００５７】そして、このプラントでも、燃料１１を燃焼させてランキンサイクルに燃焼ガスを供給するするための燃焼器１４と、燃料１１の燃焼ガスと不活性ガスとを熱交換させる高温熱交換器５とが別に設けられている。

【００５８】ブレイトンサイクル側では圧縮機１、高温熱交換器５、背圧タービン２、低温熱交換器６が不活性ガス配管２１によって順に接続されて、クローズドサイクルが形成されている。

【００５９】一方、ランキンサイクル側では燃焼器１
４、高圧タービン４、低温熱交換器６、復水タービン３、復水器８および復水ポンプ９が蒸気配管２２によって順に接続されたオープンサイクルと、復水ポンプ９の下流側から分岐した分岐管２３を介して加圧ポンプ１
３、燃焼器１４、高圧タービン４、低温熱交換器６、復水タービン３、復水器８、復水ポンプ９を順に接続したクローズドサイクルとが形成されている。

【００６０】また、高温熱交換器５から燃焼ガスである蒸気を復水タービン３に供給する蒸気供給配管２６が設けられ、この蒸気供給配管２６は、分岐管２３の先端側である復水タービン３への入口配管２７とは蒸気の供給位置を異ならせている。 つまり、復水タービン３水蒸気を送り込む位置を、発生元の熱交換器毎に分けた構成となっている。

【００６１】このような構成においては、ブレイトンサイクル側では、圧縮器１で圧縮された高温高圧の不活性ガスが高温熱交換器５に導かれて加熱され、非常に高温で高圧の不活性ガスとなる。 この非常に高温で高圧の不活性ガスが背圧タービン２に導かれて膨脹し、高温低圧の不活性ガスとなる一方、出力軸１２を介して圧縮機１
を駆動するとともに、発電機７を駆動して電力を発生させる。 背圧タービン２から出た高温低圧の不活性ガスは低温熱交換器６に導かれ、冷却されて低温低圧の不活性ガスとなり、再び圧縮機１に導かれる。

【００６２】ランキンサイクル側では、燃料１１として供給される水素（Ｈ ₂ ）と酸素（Ｏ ₂ ）とが、高圧状態で高温熱交換器５および燃焼器１４に供給されて燃焼され、高温高圧の水蒸気となる。 高温熱交換器５ではブレイトンサイクル側に熱を供給する。

【００６３】燃焼器１４で発生した水蒸気は高圧タービン４に導かれて膨脹し、低温で低圧の水蒸気となる。 この水蒸気は低温熱交換器６に導かれ、ここでブレイトンサイクル側から再熱され、高温高圧の水蒸気となる。 この再熱された水蒸気が、入口配管２７を介し、高温熱交換器５から供給される水蒸気と位置を異ならせて復水タービン３に導かれて膨脹し、低温低圧の水蒸気となる。
この水蒸気は復水器８に導かれて冷却され、水となる。
燃料１１と等量の水が復水ポンプ９により排水１０として系外に放出され、系内の作動流体量が一定に保たれる。

【００６４】残りの水は、加圧ポンプ１３を経由して燃焼器１４に導かれる。 ここで燃料１１の燃焼熱によって加熱されて高温高圧の水蒸気となり、燃焼により新たに発生した水蒸気とともに高圧タービン４に導かれて膨脹し、以後は前記と同様に作用する。

【００６５】このような第４実施形態の水素燃焼ガスタービンプラントによっても、水蒸気を作動流体とするランキンサイクル側において、復水タービン３を高温熱交換器５の直後に配置することで、高温熱交換器５においてランキンサイクル側の圧力が抑制され、作動流体間の圧力差が大きくなることがない。

【００６６】なお、前記の第２実施形態では各熱交換器からくる水蒸気を混合してから復水タービン３に供給するので上流の各熱交換器の出口圧力が拘束されるが、この第４実施形態では復水タービン３への各水蒸気供給系統を分けることで、熱効率上で、各熱交換器の出口圧力の最適点がそれぞれ選定できる利点が得られる。

【００６７】 第５実施形態（図５）図５は本発明に係る水素燃焼ガスタービンプラントの第５実施形態を示す系統図である。

【００６８】この実施形態による水素燃焼ガスタービンプラントも、不活性ガスを作動流体とするブレイトンサイクルと、水素と酸素からなる燃料の燃焼によって発生する水蒸気を作動流体とするランキンサイクルとを複合したシステム構成を有する。

【００６９】そして、このプラントでも、燃料１１を燃焼させてランキンサイクルに燃焼ガスを供給するための燃焼器１４と、燃料１１の燃焼ガスと不活性ガスとを熱交換させる高温熱交換器５とが別に設けられている。

【００７０】ブレイトンサイクル側では圧縮機１、高温熱交換器５、背圧タービン２、低温熱交換器６が不活性ガス配管２１によって順に接続されて、クローズドサイクルが形成されている。

【００７１】一方、ランキンサイクル側では燃焼器１
４、高圧タービン４、低温熱交換器６、復水タービン３、復水器８および復水ポンプ９が蒸気配管２２によって順に接続されたオープンサイクルと、復水ポンプ９の下流側から分岐した分岐管２３を介して加圧ポンプ１
３、燃焼器１４、高圧タービン４、低温熱交換器６、復水タービン３、復水器８、復水ポンプ９を順に接続したクローズドサイクルとが形成されている。

【００７２】また、高温熱交換器５から燃焼ガスである蒸気を復水タービン３の入口配管２４に供給する蒸気供給配管２５が設けられている。

【００７３】さらに、ブレイトンサイクル側の低温熱交換器６から圧縮器１に還流する作動流体をランキンサイクル側の加圧ポンプ１３から燃焼器１４に供給される加圧水で冷却する冷却器１５が設けられている。

【００７４】このような構成において、ブレイトンサイクル側では、圧縮器１で圧縮された高温高圧の不活性ガスが高温熱交換器５に導かれて加熱され、非常に高温で高圧の不活性ガスとなる。 この非常に高温で高圧の不活性ガスが背圧タービン２に導かれて膨脹し、高温低圧の不活性ガスとなる一方、出力軸１２を介して圧縮機１を駆動するとともに、発電機を駆動して電力を発生させる。 背圧タービン２から出た高温低圧の不活性ガスは低温熱交換器６に導かれ、冷却されて低温低圧の不活性ガスとなり、さらに冷却器１５で冷却されて再び圧縮機１
に導かれる。

【００７５】ランキンサイクル側では、燃料１１として供給される水素（Ｈ ₂ ）と酸素（Ｏ ₂ ）とが、高圧状態で高温熱交換器５および燃焼器１４に供給されて燃焼され、高温高圧の水蒸気となる。 高温熱交換器５ではブレイトンサイクル側に熱を供給する。

【００７６】燃焼器１４で発生した水蒸気は高圧タービン４に導かれて膨脹し、低温で低圧の水蒸気となる。 この水蒸気は低温熱交換器６に導かれ、ここでブレイトンサイクル側から再熱され、高温高圧の水蒸気となる。 この再熱された水蒸気が、復水タービン３の入口配管２４
で、高温熱交換器５から供給される水蒸気と合流し、復水タービン３に導かれて膨脹し、低温低圧の水蒸気となる。 この水蒸気は復水器８に導かれて冷却され、水となる。 燃料１１と等量の水が復水ポンプ９により排水１０
として系外に放出され、系内の作動流体量が一定に保たれる。

【００７７】残りの水は、加圧ポンプ１３を経由し、冷却器１５でブレイトンサイクル側からの熱を受けて予熱され温水となった後、燃焼器１４に導かれる。 ここで燃料１１の燃焼熱によって加熱されて高温高圧の水蒸気となり、燃焼により新たに発生した水蒸気とともに高圧タービン４に導かれて膨脹し、以後は前記と同様に作用する。

【００７８】このような第５実施形態の水素燃焼ガスタービンプラントによっても、水蒸気を作動流体とするランキンサイクル側において、復水タービン３を高温熱交換器５の直後に配置することで、高温熱交換器５においてランキンサイクル側の圧力が抑制され、作動流体間の圧力差が大きくなることがない。

【００７９】なお、前記の第２実施形態では圧縮器１の入口温度がランキンサイクル側の高圧タービン４の出口温度と同等であり、高圧タービン４は露点以下で使用できないため、この出口温度には下限があると同時に、圧縮器１の入口温度が上昇するにつれてブレイトンサイクル側の出力は低下する。 それに対し、この第５実施形態では圧縮機１の入口温度を下げてこの出力を維持することができる。 また、圧縮機１の入口の不活性ガスを、系内で燃焼器１４に向かう水によって冷却するため、系外への熱の放出がなく、プラント効率が維持できる。

【００８０】 第６実施形態（図６）図６は本発明に係る水素燃焼ガスタービンプラントの第６実施形態を示す系統図である。

【００８１】この実施形態による水素燃焼ガスタービンプラントも、不活性ガスを作動流体とするブレイトンサイクルと、水素と酸素からなる燃料の燃焼によって発生する水蒸気を作動流体とするランキンサイクルとを複合したシステム構成を有する。

【００８２】そして、このプラントでも、燃料１１を燃焼させてランキンサイクルに燃焼ガスを供給するための燃焼器１４と、燃料１１の燃焼ガスと不活性ガスとを熱交換させる高温熱交換器５とが別に設けられている。

【００８３】但し、ブレイトンサイクル側の出力軸１２
ａとランキンサイクル側の出力軸１２ｂとが別に構成され、その各軸１２ａ，１２ｂに各別に発電機７ａ，７ｂ
が接続されている。

【００８４】ブレイトンサイクル側では圧縮機１、高温熱交換器５、背圧タービン２、低温熱交換器６が不活性ガス配管２１によって順に接続されて、クローズドサイクルが形成されている。

【００８５】一方、ランキンサイクル側では燃焼器１
４、高圧タービン４、低温熱交換器６、復水タービン３、復水器８および復水ポンプ９が蒸気配管２２によって順に接続されたオープンサイクルと、復水ポンプ９の下流側から分岐した分岐管２３を介して加圧ポンプ１
３、燃焼器１４、高圧タービン４、低温熱交換器６、復水タービン３、復水器８、復水ポンプ９を順に接続したクローズドサイクルとが形成されている。

【００８６】また、高温熱交換器５から燃焼ガスである蒸気を復水タービン３の入口配管２４に供給する蒸気供給配管２５が設けられている。

【００８７】このような構成において、起動時には、ブレイトンサイクル側だけを起動して、定格回転数に到達して運転状態が安定した後に、ランキンサイクル側を起動すればよい。

【００８８】これにより、ブレイトンサイクル側では、
圧縮器１で圧縮された高温高圧の不活性ガスが高温熱交換器５に導かれて加熱され、非常に高温で高圧の不活性ガスとなる。 この非常に高温で高圧の不活性ガスが背圧タービン２に導かれて膨脹し、高温低圧の不活性ガスとなる一方、出力軸１２ａを介して圧縮機１を駆動するとともに、一方の発電機７ａを駆動して電力を発生させる。 背圧タービン２から出た高温低圧の不活性ガスは低温熱交換器６に導かれ、冷却されて低温低圧の不活性ガスとなり、再び圧縮機１に導かれる。

【００８９】ランキンサイクル側では、燃料１１として供給される水素（Ｈ ₂ ）と酸素（Ｏ ₂ ）とが、高圧状態で高温熱交換器５および燃焼器１４に供給されて燃焼され、高温高圧の水蒸気となる。 高温熱交換器５ではブレイトンサイクル側に熱を供給する。

【００９０】燃焼器１４で発生した水蒸気は高圧タービン４に導かれて膨脹し、低温で低圧の水蒸気となる。 この水蒸気は低温熱交換器６に導かれ、ここでブレイトンサイクル側から再熱され、高温高圧の水蒸気となる。 この再熱された水蒸気が、復水タービン３の入口配管２４
で、高温熱交換器５から供給される水蒸気と合流し、復水タービン３に導かれて膨脹し、低温低圧の水蒸気となる。 この水蒸気は復水器８に導かれて冷却され、水となる。 燃料１１と等量の水が復水ポンプ９により排水１０
として系外に放出され、系内の作動流体量が一定に保たれる。 そして、高圧タービン４および復水タービン３の回転により、出力軸１２ｂを介して他方の発電機７ｂが駆動され、電力が発生する。

【００９１】残りの水は、加圧ポンプ１３を経由して燃焼器１４に導かれる。 ここで燃料１１の燃焼熱によって加熱されて高温高圧の水蒸気となり、燃焼により新たに発生した水蒸気とともに高圧タービン４に導かれて膨脹し、以後は前記と同様に作用する。

【００９２】このような第６実施形態の水素燃焼ガスタービンプラントによっても、水蒸気を作動流体とするランキンサイクル側において、復水タービン３を高温熱交換器５の直後に配置することで、高温熱交換器５においてランキンサイクル側の圧力が抑制され、作動流体間の圧力差が大きくなることがない。

【００９３】なお、前記の各実施形態では起動時に不要であるランキンサイクル側の２つのタービンを回転起動するために、無駄なエネルギを消費することになり、総合的な熱効率が低下する可能性がある。 それに対し、この第６実施形態では、起動時にブレイトンサイクル側だけを起動して、定格回転数に到達して運転状態が安定した後に、ランキンサイクル側を起動するという運転方法が可能となるから、必要最小限の起動モータ動力でプラントを始動することができ、プラント運転上の総合的熱効率の向上が図れる。

【００９４】 他の実施形態なお、本発明は以上の各実施形態の構成を種々組合わせて実施することが可能である。 それによって、各構成に基づく作用効果を相乗的に奏することができるものである。

【００９５】

【発明の効果】以上で詳述したように、本発明によれば、不活性ガスによるブレイトンサイクルと水蒸気によるランキンサイクルとを併用した水素燃焼ガスタービンプラントにおいて、高温熱交換器内の作動流体の過大な圧力差を生じさせることなく、プラントの技術的信頼性を向上させることができるとともに、熱効率の向上、出力上昇等が図れる等の効果が奏される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る水素燃焼ガスタービンプラントの第１実施形態を示す系統図。

【図２】本発明に係る水素燃焼ガスタービンプラントの第２実施形態を示す系統図。

【図３】本発明に係る水素燃焼ガスタービンプラントの第３実施形態を示す系統図。

【図４】本発明に係る水素燃焼ガスタービンプラントの第４実施形態を示す系統図。

【図５】本発明に係る水素燃焼ガスタービンプラントの第５実施形態を示す系統図。

【図６】本発明に係る水素燃焼ガスタービンプラントの第６実施形態を示す系統図。

【図７】従来の水素燃焼ガスタービンプラントの系統を示す図。

【符号の説明】

１ 圧縮機 ２ 背圧タービン ３ 復水タービン ４ 高圧タービン ５ 高温熱交換器 ６ 低温熱交換器 ７，７ａ，７ｂ 発電機 ８ 復水器 ９ 復水ポンプ １０ 排水 １１ 燃料 １２，１２ａ，１２ｂ 出力軸 １３ 加圧ポンプ １４ 燃焼器 １５ 冷却器 ２１〜２７ 配管

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl. ⁶ ，ＤＢ名) F02C 3/22 F01K 23/06 F01K 23/16 F01K 25/00 F02C 3/34