JP7652437B2 - ガスタービン - Google Patents

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本開示は、ガスタービンに関する。
本願は、２０２０年５月１８日に、日本に出願されたＰＣＴ／ＪＰ２０２０／０１９６９３号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

下記特許文献１には、天然ガスとアンモニアを燃焼器で混焼させる燃焼装置及びガスタービンシステムが開示されている。この燃焼装置等は、気体のアンモニアを燃焼用アンモニアとして燃焼器で混焼させると共に燃焼ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）を還元するために還元用アンモニアとしてタービンの下流側かつ還元触媒チャンバの上流側に供給する。
また、下記特許文献２には、アンモニアを主燃焼器で唯一の燃料として燃焼（専焼）させると共に再熱器に供給して排ガスの窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）の濃度を低減する再熱型アンモニアガスタービンが開示されている。このガスタービンは、再熱器の排ガスを、脱硝触媒を介して再熱ガスタービンに供給する。

日本国特開２０１８－１６２７５２号公報 日本国特開２０１５－０３１２１５号公報

ところで、上述した各ガスタービンでは、還元触媒チャンバあるいは脱硝触媒を用いて燃焼ガスあるいは排ガスの窒素酸化物濃度を低減させるが、アンモニアを燃料として燃焼させるので、アンモニア（ＮＨ_３）に含まれる窒素原子由来の窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）の生成が不可避である。すなわち、アンモニア燃焼型のガスタービンでは、大型の排気脱硝装置が不可欠である。

しかしながら、排気脱硝装置の大型化は、コスト、スペース、総合効率の低下及び負荷変動追従性の悪化等、様々な問題を招来させる。したがって、排気脱硝装置の前段で燃焼ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）の濃度を低減する必要がある。

また、アンモニアは燃焼時に二酸化炭素（ＣＯ_２）を発生しないが、再生可能エネルギ由来のＣＯ_２フリーアンモニアは製造量が限られるため、その効率的利用、すなわち熱効率の向上が必要である。大型ガスタービンほど熱効率向上が容易であるが、大型ガスタービンほどアンモニア使用量も大きいため、製造量の限られるＣＯ_２フリーアンモニアを大量消費する大型ガスタービンは適合しにくい。したがって、アンモニア燃焼の特性を生かした中小型ガスタービンの熱効率の向上策が必要である。

本開示は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、以下の点を目的とする。
（１）排気脱硝装置の大型化させることなく窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）の濃度を排出基準に適合させる。
（２）アンモニアを燃料とするガスタービンの熱効率の向上を図る。

本開示の上記第１の態様のガスタービンは、圧縮機、燃焼器及びタービンを少なくとも備え、アンモニアを燃料として燃焼器で燃焼させるガスタービンであって、アンモニアの燃焼によって発生する水蒸気を回収して燃焼器に循環供給する水蒸気循環手段を備える。

本開示の上記第１の態様のガスタービンにおいて、水蒸気循環手段は、タービンの排ガスに含まれる水蒸気を水として回収する回収装置と、水を気化させて燃焼器に供給する水蒸気供給装置とを備え、排ガスと水との熱交換によって水蒸気を凝縮させると共に水を気化させてもよい。

本開示の上記第１の態様のガスタービンにおいて、回収装置は、排ガスを水と熱交換させる熱交換器と、該熱交換器から出力される水と排ガスの残ガスとを気液分離する気液分離器とを備え、水蒸気供給装置は、気液分離器から出力される水を熱交換器に供給する水ポンプと、熱交換器とを備えてもよい。

本開示の上記第１の態様のガスタービンにおいて、前記水蒸気供給装置が前記燃焼器に供給する水蒸気の少なくとも一部を、前記燃焼器に燃料として供給される前の前記アンモニアに混合させる第１混合手段を備えてもよい。

本開示の上記第１の態様のガスタービンにおいて、前記燃焼器に燃料として供給される前のアンモニアの少なくとも一部を、前記回収装置が回収した水に混合させる第２混合手段を備えてもよい。

本開示の上記第１の態様のガスタービンにおいて、前記燃焼器に燃料として供給される前のアンモニアの一部を、前記タービンに燃焼ガス中の窒素酸化物を還元する還元剤として供給する還元剤供給手段を備えてもよい。

本開示の第２の態様のガスタービンは、圧縮機、燃焼器及びタービンを少なくとも備え、アンモニアを燃料として燃焼器で燃焼させるガスタービンであって、燃焼器とタービンとの間の燃焼ガス流路あるいは／及びタービンに燃焼ガス中の窒素酸化物を還元する還元剤を供給する還元剤供給装置を備える。

本開示の上記第２の態様のガスタービンにおいて、タービンは、複数の個別タービンが組み合わされた多段タービンであり、還元剤供給装置は、脱硝効果が期待される段の個別タービンあるいは／及び個別タービンを接続する個別燃焼ガス流路に還元剤を供給してもよい。

本開示の上記第２の態様のガスタービンにおいて、タービンに冷却流体を供給する冷却流体供給装置をさらに備え、還元剤は冷却流体に混合されて供給してもよい。

本開示の上記第２の態様のガスタービンにおいて、還元剤はアンモニアであってもよい。

本開示によれば、排気脱硝装置の大型化させることなく窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）の濃度を排出基準に適合させることが可能である。
また、本開示によれば、アンモニアを燃料とするガスタービンの熱効率の向上を図ることが可能である。

本開示の第１実施形態に係るガスタービンの全体構成を示すシステム構成図である。 本開示の第１実施形態におけるタービン構成及び還元剤注入箇所を示す第１の模式図である。 本開示の第１実施形態におけるタービン構成及び還元剤注入箇所を示す第２の模式図である。 本開示の第１実施形態における脱硝率のシミュレーション結果を示すグラフである。 本開示の第２実施形態に係るガスタービンの全体構成を示すシステム構成図である。 本開示の第３実施形態に係るガスタービンの全体構成を示すシステム構成図である。

以下、図面を参照して、本開示の実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
最初に、本開示の第１実施形態について図１～図３を参照して説明する。第１実施形態に係るガスタービンＡは、図１に示すように、圧縮機１、燃焼器２、タービン３、燃料供給装置４、冷却空気供給装置５、還元剤供給装置６、排熱回収ボイラ７及び排気脱硝装置８を備える。このガスタービンＡは、燃料供給装置４から供給されるアンモニアを燃焼器２で唯一の燃料Ｘ３として燃焼（専焼）させるアンモニア専焼型のガスタービンである。

圧縮機１は、例えば回転軸に沿って多段かつ交互に配置された動翼と静翼とを備える軸流圧縮機であり、大気から取り込んだ空気Ｘ１を所定圧まで昇圧して燃焼器２に供給する。この圧縮機１は、上記回転軸がタービン３の回転軸と軸結合しており、当該タービン３によって回転駆動される。

燃焼器２は、圧縮機１から供給される圧縮空気Ｘ２と燃料供給装置４から供給される燃料Ｘ３とをチャンバ内に噴射するバーナを備え、圧縮空気Ｘ２を酸化剤として燃料Ｘ３を燃焼させる。この燃焼器２は、燃料Ｘ３の燃焼反応によって発生する高温かつ高圧な燃焼ガスＸ４を駆動流体としてタービン３に供給する。

タービン３は、例えば回転軸に沿って多段かつ交互に配置された動翼と静翼とを備える軸流タービンであり、燃焼ガスＸ４（駆動流体）の運動エネルギを動力に変換する原動機である。このタービン３は、自らが発生させた動力によって上記回転軸が軸結合する圧縮機１を回転駆動する。また、このタービン３は、負荷に接続される出力軸を備えており、負荷を回転駆動する。

このようなタービン３は、図２Ａ、図２Ｂに示すように、複数（４つ）の個別タービン３ａ～３ｄと５つの燃焼ガス流路３ｅ～３ｉを備えており、これら個別タービン３ａ～３ｄ及び燃焼ガス流路３ｅ～３ｉが組み合わされた多段タービンである。このタービン３は、各段の個別タービン３ａ～３ｄで動力回収した後の排ガスＸ５を排熱回収ボイラ７に排出する。

４つの個別タービン３ａ～３ｄのうち、個別タービン３ａは、燃焼ガスＸ４の流れ方向において最上流に位置する第１段タービンである。この個別タービン３ａは、燃焼ガスＸ４の流入口が燃焼ガス流路３ｅを介して燃焼器２の流出口に接続されている。また、この個別タービン３ａは、燃焼ガスＸ４の流出口が燃焼ガス流路３ｆを介して個別タービン３ｂの流入口に接続されている。

個別タービン３ｂは、燃焼ガスＸ４の流れ方向において上流から２番目に位置する第２段タービンである。この個別タービン３ｂは、燃焼ガスＸ４の流入口が燃焼ガス流路３ｆを介して個別タービン３ａの流出口に接続されている。また、この個別タービン３ｂは、燃焼ガスＸ４の流出口が燃焼ガス流路３ｇを介して個別タービン３ｃの流入口に接続されている。

個別タービン３ｃは、燃焼ガスＸ４の流れ方向において上流から３番目に位置する第３段タービンである。この個別タービン３ｃは、燃焼ガスＸ４の流入口が燃焼ガス流路３ｇを介して個別タービン３ｂの流出口に接続されている。また、この個別タービン３ｃは、燃焼ガスＸ４の流出口が燃焼ガス流路３ｈを介して個別タービン３ｄの流入口に接続されている。

個別タービン３ｄは、燃焼ガスＸ４の流れ方向において最下流に位置する第４段タービンである。この個別タービン３ｄは、燃焼ガスＸ４の流入口が燃焼ガス流路３ｈを介して個別タービン３ｃの流出口に接続されている。また、この個別タービン３ｄは、燃焼ガスＸ４の流出口が燃焼ガス流路３ｉを介して排熱回収ボイラ７の流入口に接続されている。

燃料供給装置４は、燃料タンクと燃料ポンプとを少なくとも備え、所定流量の燃料Ｘ３を燃焼器２に供給する。より具体的には、燃料供給装置４は、アンモニアを単独の燃料Ｘ３として燃焼器２に供給する。なお、アンモニアは、周知のように液化ガスとして一般的に流通している。燃料供給装置４は、このようなアンモニアを燃料Ｘ３として外部から受け入れて燃焼器２に供給する。

冷却空気供給装置５は、少なくとも空気縮機を備え、冷却空気Ｘ６を冷却流体としてタービン３に供給する。この冷却空気Ｘ６は、タービン３を構成する動翼及び静翼等の内部に供給され、当該内部から外部に流出することによって高温な燃焼ガスに曝されるタービン３の疲労劣化を抑制する。このような冷却空気供給装置５は、本開示の冷却流体供給装置に相当する。

還元剤供給装置６は、還元剤タンクと還元剤ポンプとを少なくとも備え、所定流量の還元剤Ｘ７をタービン３及び排気脱硝装置８に供給する。この還元剤Ｘ７は、燃焼ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）について還元作用が期待できる物質であり、例えばアンモニアである。より具体的には、還元剤供給装置６は、上述した個別タービン３ａ～３ｄあるいは／及び燃焼ガス流路３ｅ～３ｉの何れかに選択的に還元剤Ｘ７を供給する。

すなわち、還元剤供給装置６は、燃焼器２とタービン３との間の燃焼ガス流路あるいは／及びタービン３のうち、脱硝効果が期待される段の個別タービンあるいは／及び個別燃焼ガス流路に還元剤Ｘ７を供給する。このような還元剤供給装置６は、本開示の還元剤供給装置に相当する。

排熱回収ボイラ７は、排ガスＸ５が流通するガス流通管と水が流通する水流通管とを少なくとも備え、タービン３から供給される排ガスＸ５を熱源として水蒸気を発生させる蒸気発生器である。排熱回収ボイラ７は、排熱回収後の排ガスＸ８を排気脱硝装置８に排出する。

排気脱硝装置８は、脱硝触媒が充填された触媒チャンバと脱硝触媒の前段に還元剤Ｘ７を噴霧する噴霧器とを少なくとも備え、排ガスＸ８を還元剤Ｘ７と共に脱硝触媒に流通させることにより排ガスＸ８中に含まれる窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）を分解する。排気脱硝装置８は、窒素酸化物の濃度が環境基準まで低減された排ガスＸ９を大気放出する。

このような排気脱硝装置８は、排ガスＸ８の流量あるいは／及び排ガスＸ８に含まれる窒素酸化物の濃度に依存して装置規模が大型化する性質を有する。すなわち、排気脱硝装置８は、排ガスＸ８の流量が増えると排ガスＸ９を環境基準に適合させるために装置規模が大きくなり、また排ガスＸ８における窒素酸化物の濃度が上昇すると、排ガスＸ９を環境基準に適合させるために装置規模が大きくなる。

したがって、排気脱硝装置８の大型化を抑制するためには、排気脱硝装置８の前段、つまり燃焼ガスＸ４あるいは排ガスＸ５，Ｘ８，Ｘ９が流通する燃焼器２から排熱回収ボイラ７までの間で窒素酸化物の濃度を十分に低減させる必要がある。

次に、第１実施形態に係るガスタービンＡの動作について、図３をも参照して詳しく説明する。

図３は、アンモニア（燃料Ｘ３）を専焼させた場合に燃焼器２で発生する燃焼ガスＸ４について、還元剤Ｘ７の存在場（還元場）における温度（Ｋ）及び圧力（ｂａｒ）に対する脱硝率の変化をシミュレーションした結果である。なお、この図３において、実線は圧力が１ｂａｒの場合を示し、点線は圧力が１０ｂａｒの場合を示し、また破線は圧力が２０ｂａｒの場合を示している。

より具体的には、燃焼ガスＸ４は、窒素（Ｎ_２）内に１７％の酸素（Ｏ_２）、６％の水蒸気（Ｈ_２Ｏ）及び５００ｐｐｍの一酸化窒素（ＮＯ）を含む混合ガスである。このシミュレーションでは、一酸化窒素（ＮＯ）と等量である５００ｐｐｍのアンモニア（ＮＨ_３）を燃焼ガスＸ４に転化した場合の脱硝率の変化を求めた。なお、１ｂａｒ（バール）は周知のように０．１ＭＰａ（メガパスカル）である。

このシミュレーション結果は、圧力が高い程に脱硝率が大きいことを示し、また所定の温度範囲で脱硝率が正の値を取り、当該範囲を超える温度域では脱硝率が負の値を取ることを示している。すなわち、このシミュレーション結果は、つまり１１００℃近傍～１５００℃近傍の温度範囲では窒素酸化物濃度が低下し、１５００℃近傍を超える温度域では窒素酸化物濃度が逆に上昇することを示している。

本第１実施形態に係るガスタービンＡは、このようなシミュレーション結果に鑑みたものであり、還元剤供給装置６は、図２Ａ、図２Ｂに示すように、タービン３において脱硝率が正の値を取り得る箇所に還元剤Ｘ７を供給する。

図２Ａは、比較的大型のガスタービンに本第１実施形態に係るガスタービンＡを適用した場合を示している。この場合、燃焼器２の出口における燃焼ガスＸ４の性状は、圧力：２０ｂａｒ、温度：１６７３Ｋ、窒素酸化物濃度：５００ｐｐｍである。また、各個別タービン３ａ～３ｄのタービン膨張率を１．７とした場合、各個別タービン３ａ～３ｄの入口及び出口における圧力、温度及び窒素酸化物濃度は、上下三段に示した数値の通りとなる。

すなわち、第１段の個別タービン３ａの入口における圧力は、燃焼器２の出口と同様に圧力：２０ｂａｒ、温度：１６７３Ｋ、窒素酸化物濃度：５００ｐｐｍであり、第１段の個別タービン３ａの出口及び第２段の個別タービン３ｂの入口における圧力は、圧力：１１．８ｂａｒ、温度：１４８０Ｋである。

また、第２段の個別タービン３ｂの出口及び第３段の個別タービン３ｃの入口における圧力は、圧力：６．９ｂａｒ、温度：１３１０Ｋであり、第３段の個別タービン３ｃの出口及び第４段の個別タービン３ｄの入口における圧力は、圧力：４．１ｂａｒ、温度：１１５９Ｋであり、さらに第４段の個別タービン３ｄの出口における圧力は、圧力：２．４ｂａｒ、温度：１０２５Ｋである。

このような各個別タービン３ａ～３ｄの入口及び出口における圧力及び温度のうち、脱硝率が正の値を取るという条件を満足する箇所は、第２段の個別タービン３ｂの出口及び第３段の個別タービン３ｃの入口、また第３段の個別タービン３ｃの出口及び第４段の個別タービン３ｄの入口である。

すなわち、本第１実施形態における還元剤供給装置６は、図示するように２段の個別タービン３ｂの出口及び第３段の個別タービン３ｃの出口に還元剤Ｘ７を供給する。この結果、第３段の個別タービン３ｃの入口における窒素酸化物濃度は２４０ｐｐｍまで低下し、また第４段の個別タービン３ｄの入口における窒素酸化物濃度は１５４ｐｐｍまで低下する。

本第１実施形態によれば、比較的大型のガスタービンについて、トータル的に約６９％の脱硝率を確保することが可能であり、また１５４ｐｐｍという窒素酸化物濃度は通常規模の排気脱硝装置８で処理可能なレベルである。したがって、本第１実施形態によれば、比較的大型のガスタービンについて、排気脱硝装置８の大型化させることなく窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）の濃度を排出基準に適合させることが可能である。

また、図２Ｂは、中小型のガスタービンに本第１実施形態に係るガスタービンＡを適用した場合を示している。この場合には、燃焼器２の出口における燃焼ガスＸ４の性状は、圧力：２０ｂａｒ、温度：１３７３Ｋ、窒素酸化物濃度：５００ｐｐｍである。また、各個別タービン３ａ～３ｄのタービン膨張率を１．７とした場合、各個別タービン３ａ～３ｄの入口及び出口における圧力、温度及び窒素酸化物濃度は、上下三段に示した数値の通りとなる。

すなわち、第１段の個別タービン３ａの入口における圧力は、燃焼器２の出口と同様に圧力：２０ｂａｒ、温度：１３７３Ｋ、窒素酸化物濃度：５００ｐｐｍであり、第１段の個別タービン３ａの出口及び第２段の個別タービン３ｂの入口における圧力は、圧力：１１．８ｂａｒ、温度：１２１５Ｋである。

また、第２段の個別タービン３ｂの出口及び第３段の個別タービン３ｃの入口における圧力は、圧力：６．９ｂａｒ、温度：１０７５Ｋであり、第３段の個別タービン３ｃの出口及び第４段の個別タービン３ｄの入口における圧力は、圧力：４．１ｂａｒ、温度：９５１Ｋであり、さらに第４段の個別タービン３ｄの出口における圧力は、圧力：２．４ｂａｒ、温度：８４１Ｋである。

このような各個別タービン３ａ～３ｄの入口及び出口における圧力及び温度のうち、脱硝率が正の値を取るという条件を満足する箇所は、燃焼器２の出口及び第１段の個別タービン３ａの入口、また第１段の個別タービン３ａの出口及び第２段の個別タービン３ｂの入口である。

したがって、還元剤供給装置６は、図示するように燃焼器２の出口及び第１段の個別タービン３ａの出口に還元剤Ｘ７を供給する。この結果、第１段の個別タービン３ａの入口における窒素酸化物濃度は２７６ｐｐｍまで低下し、また第２段の個別タービン３ｂの入口における窒素酸化物濃度は１３２ｐｐｍまで低下する。

本第１実施形態によれば、中小型のガスタービンについて、トータル的に約７４％の脱硝率を確保することが可能であり、また１３２ｐｐｍという窒素酸化物濃度は通常規模の排気脱硝装置８で処理可能なレベルである。したがって、本第１実施形態によれば、中小型のガスタービンにおいても、排気脱硝装置８の大型化させることなく窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）の濃度を排出基準に適合させることが可能である。

また、本第１実施形態によれば、アンモニアを燃料Ｘ３と還元剤Ｘ７とに共用することができるので、装置構成を単純化することが可能である。また、冷却能力に優れたアンモニアを還元剤Ｘ７としてタービン３に供給するので、タービン３の冷却能力を向上させることが可能である。

〔第２実施形態〕
次に、本開示の第２実施形態について図４を参照して説明する。
なお、この図４では、上述した図１の機能構成要素と同一な機能構成要素については同一符号を付している。

第２実施形態に係るガスタービンＢは、図４に示すように、圧縮機１、燃焼器２、タービン３及び燃料供給装置４に加え、熱交換器１２、気液分離器１３及び水ポンプ１４を備える。燃料供給装置４は、燃料タンク１０と、燃料ポンプ１１とを備える。新たな機能構成要素である熱交換器１２、気液分離器１３及び水ポンプ１４は、本開示の水蒸気循環手段を構成するものであり、燃料Ｘ３であるアンモニアの燃焼によって発生する水蒸気を回収して燃焼器２に循環供給する。

下式（１）に示すように、アンモニアの燃焼反応で発生する燃焼ガスＸ４には多量の水分が含まれる。本第２実施形態に係るガスタービンＢは、このようなアンモニアの燃焼反応の特徴を熱効率の向上に利用するものである。
４ＮＨ_４＋３Ｏ_２→２Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ （１）

熱交換器１２は、タービン３から供給される排ガスＸ５と水ポンプ１４から供給される水Ｘ１１を熱交換させることにより、排ガスＸ５に含まれる水蒸気を選択的に凝縮させて気液混合水Ｘ１０を生成すると共に水Ｘ１１を気化させて水蒸気Ｘ１３にする。この熱交換器１２は、気液混合水Ｘ１０を気液分離器１３に供給し、水蒸気Ｘ１３を燃焼器２に供給する。

気液分離器１３は、気液混合水Ｘ１０を気液分離することにより水Ｘ１１と気液混合水Ｘ１０における水Ｘ１１以外の残ガスＸ１２とを分離する。気液分離器１３は、水Ｘ１１を水ポンプ１４に供給し、残ガスＸ１２を後続する排熱回収ボイラまたは排気脱硝装置（図示略）に排出する。

すなわち、上記熱交換器１２及び気液分離器１３は、本開示の回収装置を構成しており、タービン３の排ガスＸ５に含まれる水蒸気つまりアンモニアの燃焼によって発生する水蒸気を水Ｘ１１として回収する。

水ポンプ１４は、気液分離器１３から供給される水Ｘ１１を加圧して熱交換器１２に供給する。この水Ｘ１１は、熱交換器１２で加熱されることにより気化して水蒸気Ｘ１３となり、燃焼器２に供給される。すなわち、上記熱交換器１２及び水ポンプ１４は、本開示の水蒸気供給装置を構成しており、水Ｘ１１を気化させて燃焼器２に供給する。

このように構成されたガスタービンＢを出力１１ＭＷ級の中小型のガスタービンに適用した場合に関してトータル的な熱効率をシミュレーションによって求めると、３５．７％となる。このシミュレーションにおける条件は以下の通りである。

（１）燃料Ｘ３（アンモニア）供給量：１２３ｋｍｏｌ／ｈ
（２）燃料（アンモニア）供給温度：常温
（３）燃料（アンモニア）供給圧：１０ａｔｍ
（４）タービン３の入口温度：１１００℃
（５）タービン３の入口圧：２０ａｔｍ

また、このシミュレーション結果として上記熱効率（３５．７％）と共に得られる燃料供給装置４の動力（供給ポンプ動力）は１ｋＷ、水ポンプ１４の動力は６ｋＷ、圧縮機１の動力は２２８１ｋＷ（空気流量：６００ｋｍｏｌ／ｈ）、タービン３の出力は６１５６ｋＷ、また正味出力は３８６７ｋＷである。

このようなシミュレーション結果に対して、ガスタービンＢから熱交換器１２、気液分離器１３及び水ポンプ１４つまり本開示の水蒸気循環手段を削除し、排ガスＸ５と燃料Ｘ３（アンモニア）とを熱交換させる熱交換器を付加したガスタービンについて熱効率を求めると、２９．０％となる。なお、この場合のシミュレーション条件は、上述したガスタービンＢの場合と略同様であるが、タービン３の入口温度が１４００℃である。

また、このシミュレーション結果として上記熱効率（２９．０％）と共に得られる燃料供給装置４の動力（供給ポンプ動力）は１ｋＷ、圧縮機１の動力は４０６８ｋＷ（空気流量：１０７０ｋｍｏｌ／ｈ）、タービン３の出力は７２０７ｋＷ、また正味出力は３１３８ｋＷである。

すなわち、本第２実施形態に係るガスタービンＢよれば、燃料Ｘ３（アンモニア）の燃焼によって発生する水蒸気を回収して燃焼器２に循環供給するので、アンモニアを燃料Ｘ３とする場合熱効率の向上を図ることが可能である。

また、このガスタービンＢよれば、燃焼器２に水蒸気Ｘ１３を供給するので、燃焼ガスＸ４の温度を低下させることが可能であり、よってタービン３の腐食を抑制することが可能である。また、このガスタービンＢよれば、同じく燃焼器２に水蒸気Ｘ１３を供給するので、燃焼器２への空気の供給量を削減することが可能であり、よって圧縮機１の動力を下げることが可能である。

〔第３実施形態〕
次に、本開示の第３実施形態について図５を参照して説明する。
なお、この図５では、上述した図４の機能構成要素と同一な機能構成要素については同一符号を付している。

第３実施形態に係るガスタービンＣは、図５に示すように、圧縮機１、燃焼器２、タービン３、燃料供給装置４、熱交換器１２、気液分離器１３及び水ポンプ１４に加え、第１混合配管２１、第２混合配管２２及び還元剤供給配管２３を備える。なお、新たな機能構成要素である第１混合配管２１、第２混合配管２２及び還元剤供給配管２３は、上述した図４のガスタービンＢに個別に追加しても構わない。つまり、図４のガスタービンＢに第１混合配管２１のみを追加してもよい。また、図４のガスタービンＢに第２混合配管２２のみを追加してもよい。また、図４のガスタービンＢに還元剤供給配管２３のみを追加してもよい。

第１混合配管２１は、熱交換器１２と燃焼器２とを接続する水蒸気供給配管３１から分岐し、燃料ポンプ１１と燃焼器２とを接続する燃料供給配管３２に接続された分岐配管である。第１混合配管２１及び水蒸気供給配管３１には、ガスタービンＣの様々な負荷に応じて、水蒸気の分配量を０～１００％で調整できる流量調整弁２１ａ，３１ａが設けられている。この第１混合配管２１は、水蒸気供給装置が燃焼器２に供給する水蒸気の少なくとも一部を、燃焼器２に燃料Ｘ３として供給される前のアンモニアに混合させる、本開示の第１混合手段に相当する。

第２混合配管２２は、燃料ポンプ１１と燃焼器２とを接続する燃料供給配管３２から分岐し、水ポンプ１４と熱交換器１２とを接続する水供給配管３３に接続された分岐配管である。第２混合配管２２及び燃料供給配管３２には、ガスタービンＣの様々な負荷に応じて、アンモニアの分配量を０～１００％で調整できる流量調整弁２２ａ，３２ａが設けられている。この第２混合配管２２は、燃焼器２に燃料Ｘ３として供給される前のアンモニアの少なくとも一部を、回収装置が回収した水に混合させる、本開示の第２混合手段に相当する。

還元剤供給配管２３は、燃料ポンプ１１と燃焼器２とを接続する燃料供給配管３２から分岐し、タービン３に接続された分岐配管である。還元剤供給配管２３には、アンモニアの流量を調整できる流量調整弁２３ａが設けられている。なお、還元剤供給配管２３のタービン３との接続位置は、上述した第１実施形態の還元剤供給装置６のタービン３との接続位置と同じであるとしてよい。この還元剤供給配管２３は、燃焼器２に燃料Ｘ３として供給される前のアンモニアの一部を、タービン３に燃焼ガス中の窒素酸化物を還元する還元剤として供給する、本開示の還元剤供給手段に相当する。

第１混合配管２１によれば、燃料Ｘ３となる液体のアンモニアと、回収した水蒸気を気液混合し、水蒸気を吸水した液体のアンモニアを燃焼器２に供給することができる。アンモニアは水と非常によく混ざり合うため、液体のアンモニアと回収した水蒸気を混合することができる。燃料Ｘ３となる液体のアンモニアに、水分が含まれることにより、発熱量が低下し、燃焼器２における燃焼時に局所の火炎温度が低下する。このため、アンモニアの燃焼で課題となる燃焼器２でのＮＯ_ｘの生成を低下させることができる。また、燃料Ｘ３となる液体のアンモニアと、回収した水蒸気との混合により、溶解熱が発生し、燃料Ｘ３の予熱になる。このため、ガスタービンＣの熱効率を向上させることができる。

また、第２混合配管２２によれば、燃料Ｘ３となる液体のアンモニアと、回収した水を混合し、熱交換器１２を通過させ、燃料供給配管３２を介して燃焼器２に供給することができる。アンモニアは水と非常によく混ざり合うため、液体のアンモニアと回収した水を混合することができる。燃料Ｘ３となる液体のアンモニアに、水分が含まれることにより、発熱量が低下し、燃焼器２における燃焼時に局所の火炎温度が低下する。このため、アンモニアの燃焼で課題となる燃焼器２でのＮＯ_ｘの生成を低下させることができる。また、燃料Ｘ３となる液体のアンモニアと、回収した水との混合により、溶解熱が発生し、燃料Ｘ３の予熱になる。この液液混合による溶解熱は、上述した気液混合による溶解熱よりも効果が大きい。また、燃料Ｘ３となる液体のアンモニアが熱交換器１２を通過することで、燃料Ｘ３の予熱および気化が可能となる。これらにより、ガスタービンＣの熱効率を向上させることができる。

また、還元剤供給配管２３によれば、燃料Ｘ３となる液体のアンモニアと、上述した図１に示す還元剤Ｘ７（脱硝剤）となる液体のアンモニアを共有できる。このため、還元剤供給装置６を別途設置する必要がなくなり、装置規模の大型化を抑制することができる。

なお、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記各実施形態では、アンモニア専焼型のガスタービンＡ，Ｂについて説明したが、本開示はこれに限定されない。本開示は、アンモニアに他の燃料を混焼させるアンモニア混焼型のガスタービンにも適用可能である。

（２）上記各実施形態では、ガスタービンＡ，Ｂの用途について説明しなかったが、ガスタービンＡ，Ｂの用途は例えば発電用である。すなわち、タービン３の出力軸には発電機の回転軸が連結され、タービン３の動力によって発電機が駆動される。

（３）上記第１実施形態では、タービン３が４つ（４段）の個別タービン３ａ～３ｄを備える場合について説明してが、本開示はこれに限定されない。個別タービンの段数（個数）は、例えば高圧タービンと低圧タービンとからなる２段構成でも良い。

（４）上記第１実施形態では、還元剤Ｘ７と冷却空気Ｘ６（冷却流体）と個別にタービン３に供給したが、本開示はこれに限定されない。例えば、冷却空気Ｘ６に還元剤Ｘ７を混合させてタービン３に供給してもよい。この場合、冷却空気Ｘ６の流路に還元剤Ｘ７の吐出ノズルを設けたエゼクタを利用することが考えられる。このようなエゼクタを利用することにより、冷却空気Ｘ６の運動エネルギを用いて還元剤Ｘ７をタービン３に供給することができるので、還元剤Ｘ７の供給用動力を削減することが可能である。

（５）上記第１実施形態では、還元剤Ｘ７としてアンモニアを用いたが、本開示はこれに限定されない。窒素酸化物に対して還元作用を呈する物質であれば、アンモニア以外のものを用いてもよい。

（６）上記第２実施形態では、熱交換器１２、気液分離器１３及び水ポンプ１４を備える水蒸気循環手段を採用したが、本開示はこれに限定されない。また、水蒸気循環手段と別系統で給水した水を気体（アンモニアなど）に混合することも可能である。

本開示は、ガスタービンに利用することができる。

Ａ，Ｂ，Ｃ ガスタービン
１ 圧縮機
２ 燃焼器
３ タービン
３ａ～３ｄ 個別タービン
３ｅ～３ｉ 燃焼ガス流路
４ 燃料供給装置
５ 冷却空気供給装置
６ 還元剤供給装置
７ 排熱回収ボイラ
８ 排気脱硝装置
１０ 燃料タンク
１１ 燃料ポンプ
１２ 熱交換器
１３ 気液分離器
１４ 水ポンプ
２１ 第１混合配管
２２ 第２混合配管
２３ 還元剤供給配管

Claims (3)

1. 圧縮機、燃焼器及びタービンを少なくとも備え、アンモニアを燃料として前記燃焼器で燃焼させるガスタービンであって、
   前記アンモニアの燃焼によって発生する水蒸気を回収して前記燃焼器に循環供給する水蒸気循環手段と、
   前記水蒸気循環手段が前記燃焼器に供給する水蒸気の少なくとも一部を、前記燃焼器に燃料として供給される前の前記アンモニアに混合させる第１混合手段と、を備え、
   前記水蒸気循環手段は、
   前記タービンから排出された排ガスに含まれる水蒸気を凝縮させる熱交換器と、
   前記熱交換器が凝縮させた水と前記排ガスの残ガスとを気液分離する気液分離器と、
   前記気液分離器が分離した水を前記熱交換器に供給する水ポンプと、を備え、
   前記熱交換器は、前記水ポンプから供給された水を、前記排ガスとの熱交換によって気化させて前記燃焼器に供給する、
   ガスタービン。
2. 前記燃焼器に燃料として供給される前の前記アンモニアの少なくとも一部を、前記水ポンプから前記熱交換器に供給する水に混合させる第２混合手段を備える、
   請求項１に記載のガスタービン。
3. 前記燃焼器に燃料として供給される前の前記アンモニアの一部を、前記タービンに燃焼ガス中の窒素酸化物を還元する還元剤として供給する還元剤供給手段を備える、
   請求項１または２に記載のガスタービン。

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