JPS62214235A - メタノ−ルを燃料に用いるガスタ−ビン発電システム - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明はメタノールを燃料に用いるガスタービン発電
システムの改良に関するものである。

〔従来の技術〕

天然ガスや石炭ガスを合成して得られるメタノールは、
常温の場合、液体状であって、輸送、貯蔵などの取扱い
に石油盤みの有利性がｓｂ、近年。

石油代替燃料として注目されているところである。

しかし表から、一方でこの原料メタノールは、それ自身
の有する発熱量が比較的低いことから、他の一般的な同
種燃料９例えばＬＮＧなどに比較するとき、同一の燃焼
熱量を得るのには、約２倍の供給量を必要とするなどの
不利を有しており、この点を補なうために１従来の場合
、原料メタノールに対して、予め熱、または熱および蒸
気を与え、これを分解、または改質（何れも反応熱は吸
熱的である）することによシ、その発熱量を高めて使用
する手段が採用されている。

ここで、前記手段を採用した従来例での、メタノールを
燃料に用いるガスタービン発電システムの概要構成を第
２図および第３図に示す。

これらの第２図および第３図において、符号２１は空気
圧縮機、２２はこの空気圧縮機２１に同軸結合された高
圧ガスタービン、２３はこの高圧ガスタービン２２によ
って回転駆動される発電機であシ、また２４は前記空気
圧縮機２１から管路２５を経て供給される圧縮空気と、
別の管路２６を経て供給される燃料としての原料メタノ
ールとを混合燃焼させ、その燃焼ガスエネルギーを管路
２７によシ前記高圧ガスタービン２２に供給して、この
高圧ガスタービン２２．ひいては発１機２３を回転駆動
させる燃焼器、２８は前記高圧ガスタービン２２の排出
ガス管路２９中に介在された排熱回収用の熱交換器を示
し、第２図構成では、この熱交換器２８に前記原料メタ
ノールの供給管路２６を通すことによって、供給される
原料メタノールを高圧ガスタービン２２からの排出ガス
中の排熱によシ加熱し、分解反応を生じさせて発熱量を
高めるようにし、第３図構成では、この熱交換器２８に
前記原料メタノールの供給管路２６．ならびに水供給管
路３０を通して、同様に排出ガス中の排熱によシそれぞ
れに加熱させると共に、水供給管路２０を経て得られる
蒸気を、加熱された原料メタノールに加え、これを改質
させて発熱量を高めるようにしたものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

すなわち、第２図従来例構成は、原料メタノールに対し
て前記した分解方式を、また第３図従来例構成は、同様
に改質方式をそれぞれに適用した場合であって、何れの
場合にあっても、高圧ガスタービンの排出ガスエネルギ
ーを、燃料として供給される原料メタノールにより回収
させ、この排熱回収によシ原料メタノールに対し、前記
の必要とされる反応熱を与えて発熱量を高めるように改
善するもので、このようにして得られる燃料改善率は、
前者分解方式の場合が約２２％、後者改質方式の場合が
約１５４となシ、原料メタノールを直接燃焼させる場合
に比較して、これらの改善された化学反応を伴なう各方
式では、両者共にその熱効率を約１０％（相対値で約３
０係）程度以上に向上し得るのである。

なお、前者分解方式の燃料改善率に比較して、後者改質
方式のそれが低いのＫも拘わらず、熱効率面で両者が同
等の値を示すのは、後者改質方式の場合、最終的に高圧
ガスタービンに供給される高圧ガス量が、加えられる蒸
気量相当分だけ多くなシ、結果的には燃料それ自身の改
善率を上廻って、熱効率向上に寄与するものと考えられ
る。

ここでこの種のガスタービン発電システムにおいては、
結果的に排出ガスエネルギーの熱回収を如何に効率化さ
せるかが、全体としての熱効率向上に大きく関係するが
、しかし一方では、前記各従来システムの場合、何れの
方式にあっても、原料メタノールを排出ガスエネルギー
の温度レベルで反応させるのには、何等かの触媒を用い
ない限シネ可能である。しかも、メタノールをガスター
ビン排熱により分解、改質ガス反応を効率的に行わせる
ためにはよシ低圧であること、また触媒の耐熱性などの
点からあまシ高温域は好ましくない。

近い将来ガスタービン入口温度が１３５０℃レベルに技
術が進展すると分解、改質ガスの供給圧力が、ガスター
ビンの高温化に伴なって、高圧化することにカシ、ガス
タービン単機効率向上策（前述の高温ガスタービン）と
メタノールのガスタービン排ガスによる反応系を伴なっ
た分解、改質型のガスタービン発電は矛盾することとな
る。

従ってこの発明の目的とするところは、既存技術を効果
的に利用して（既存の触媒などの利用）、排出ガスエネ
ルギーの熱回収効率を高め、簡略化されたシステム構成
によシ、効率的でかつ信頼性に富む、この符のメタノー
ルを燃料に用いるガスタービン発電システムを提供する
ことである。将来的に高温に耐える触媒が開発されれば
なお一層高効率なメタノールを燃料とするガスタービン
発電システムを提供することが可能になる。

〔問題点を解決するための手段〕

前記目的を達成するため、この発明は、相互に同軸結合
させた空気圧縮機、前段の高圧ガスタービン、および後
段の低圧ガスタービンと、低圧ガスタービンによって回
転駆動される発電機とを設け、また低圧ガスタービンの
排出ガス系には、上流の比較的高温側に第１のメタノー
ル燃料供給系。

下流の比較的低温側に第２のメタノール燃料供給系をそ
れぞれに配した排熱回収用の熱交換器を、さらに空気圧
縮機からの圧縮空気と第１の燃料供給系からの供給燃料
とを混合燃焼させて、その燃焼高圧ガスを高圧ガスター
ビンに供給する第１の燃焼器、および高圧ガスタービン
からの排出ガスと第２の燃料供給系からの供給燃料とを
混合燃焼させて、その燃焼低圧ガスを低圧ガスタービン
に供給する第２の燃焼器をそれぞれに設けたものである
。

〔作用〕

すなわち、この発明の場合、第１の燃焼器においては、
高温下での触媒が開発されればメタノール燃料を比較的
高温に加熱処理して得た分解、改質ガスまたは現状の触
媒しか得られぬ場合は予熱未反応ガスを燃料に用い、ま
た第２の燃焼器においては、メタノール燃料を現状触媒
で比較的低温に加熱処理して得た分解、改質反応ガスを
燃料に用いて、前者によシ高圧ガスタービン、また後者
によシ低圧ガスタービンをそれぞれに回転駆動させるこ
とができ、これらの総合された回転駆動力によシ発電機
を作動させて所期の発電作用を得られるのであシ、シか
もここでのメタノール燃料に対する加熱処理には、排気
系での排熱回収によって得た熱エネルギーを利用する。

〔実施例〕

以下、この発明に係るメタノールを燃料に用いるガスタ
ービン発電システムの一実施例につき、第１図および第
４図を参照して詳細に説明する。

第１図はこの実施例による装置プラントの概要桐成を原
理的に示すブロック図であり、また第４図はこの実施例
プラントと前記従来例プラントとの排出ガスエネルギー
の熱回収効率を説明する熱交換特性図である。

この第１図実施例構成において、符号１は空気圧縮機、
２．および３はこの空気圧縮機１に順次同軸結合された
前段の高圧ガスタービン、および後段の低圧ガスタービ
ン、４はこの低圧ガスタービン３によって回転駆動され
る発電機である。また５は前記空気圧縮機１から管路６
を経て供給される圧縮空気と、第１の燃料供給管路７を
経て供給される後述の燃料とを混合燃焼させ、その燃焼
ガスエネルギーを管路８により前記高圧ガスタービン２
に供給する第１の燃焼器、９は前記高圧ガスタービン２
から管路１０を経て排出される排出ガスと、第２の燃料
供給管路１１を経て供給される後述の燃料とを混合燃焼
させ、その燃焼ガスエネルギーを管路１２により前記低
圧ガスタービン３に供給する第２の燃焼器である。さら
に１３は前記低圧ガスタービン３の排出ガス管路１４中
に介在された排熱回収用の熱交換器であり、上流の比較
的高温側に前記第１の燃料供給管路７を、下流の比較的
低温側に前記第２の燃料供給管路１１をそれぞれに配し
たものである。

しかしてこの第１図実施例構成の場合、第１゜および第
２の燃料供給管路γ、および１１から供給される燃料と
しての原料メタノールは、排熱回収用の熱交換器１３内
での排出ガスとの熱交換によシ、排熱を回収して次のよ
うに加熱処理される。

すなわち、まず上流、つまり排出ガスの入口側に近付け
た比較的高温雰囲気にある第１の燃料供給管路Ｔにおい
ては、予め比較的高温に加熱処理されて、ここでは高温
触媒を用いることが可能なとき分解、改質ガスまたは高
温触媒が得られぬ場合予熱未反応ガスとなシ、またこの
第１の燃料供給管路７での熱交換によって温度低下され
た下流。

この場合、排出ガスの出口側に近付けた比較的低温雰囲
気にある第２の燃料供給管路１１においては、比較的低
温であるために従来の触媒で且つ低圧下で比較的良く分
解または改良され、ここでは反応ガスとなる。

そしてこの第４図実施例構成において、第１の燃焼器５
では、空気圧縮機１から構成される装置空気と、第１の
燃料供給管路７から供給されるところの、燃料としての
分解、改質ガスまたは予熱未反応ガスとを混合燃焼させ
て、その燃焼ガスエネルギーによシ高圧ガスタービン２
を、また第２の燃焼器９では、同高圧ガスタービン２か
ら排出される排出ガスと、第２の燃料供給管路１１から
別に供給されるところの、同様に燃料としての反応ガス
とを混合燃焼させて、その燃焼ガスエネルギーによシ低
圧ガスタービン３を、ひいては発電機４を回転駆動させ
て、所期の発電作用を得るのである。第１の燃焼器ある
いは第２の燃焼器へ改質ガスが供給される場合にあって
、改質ガスの組成上燃焼ガスのＨ２０分圧が高いので、
第２の燃焼器での酸素濃度が低くなる可能性があシ、そ
の場合その濃度如何によシ燃焼不可能ということがあり
得る。これを回避するためには、改質用の蒸気量を制御
する必要があるが図中には省略しである。

本発明の本質は、ガスタービン排ガスのエネルギーを如
何に多く回収して、メタノール燃料によるガスタービン
発電の高効率化を達成するかにあるが、その方策として
排ガスエネルギー回収系の熱交換過程を基本的に２つに
分けて、それぞれに応じて発生した燃料を高圧、低圧の
各々の燃焼器へ導くように構成したものであるが、熱交
換特性について以下に述べる。

ここで第４図として示す熱交換特性において、点線Ｂｌ
　　＋およびＢ２は、前記した従来方式での排熱回収に
基ずく排出ガスの温度降下特性、および原料メタノール
の加熱又は反応温度特性であシ、また実線ＡＩ＋および
Ａ２＋Ａ３は、この実施例方式での排熱回収に基ずく排
出ガスの温度降下特性。

および第１．第２の燃料供給管路７，１１における原料
メタノールのそれぞれ加熱反応温度特性である。

すなわち、この第４図の熱交換特性から明らかなように
、原理的には、従来方式による装置プラントの場合、熱
交換器２８の入口での排出ガス温度ＴＩは、供給管路２
６を通る原料メタノールとの熱交換によシ、その出口に
至って温度Ｔｅ２まで低下し、また反対に原料メタノー
ルは、常温ｔｏにおける点ｂ１からｂ２→ｂ３→ｂ４→
の温度ｔ３ｔで吸熱して昇温する。そしてまたとこで温
度１゜は、高圧ガスタービン２２の燃焼器２４に要求さ
れる圧力に基すいた蒸発温度、いわゆる飽和圧力であシ
、同温度１．上の点ｂ２におけるピンチポイント温度差
Δ’ｒｐを成る一定温度に設定するときには、前記の排
出ガス出口（放出）温度Ｔｅ２の値が自動的に決定され
て了りことになる。つｔ、ｂ換言すると、従来方式では
、排出ガスの放出温度Ｔｅ２が未だかなシの温度レベル
にあって、エネルギー損失が大きいことになる。

これに対して、この実施例方式による装置プラントの場
合には、第１の燃料供給管路７での原料メタノールの吸
熱が、従来方式と同様に常温ｔ。

の点Ｉｋｌから第１の燃焼器５の圧力に相当する飽和圧
力ｔｌ上の点ａ２　＋　１３を経て温度ｔ３の点＆４ま
で昇温し、また別に併せて、第２の燃料供給管路１１で
の原料メタノールの吸熱が、常温ｔｏの点１に＋１から
第２の燃焼器９の操作圧力に相当する蒸発温度＋２上の
点ａ１２　＋　ａｔａを経て温度ｔ４の点ａ１４まで昇
温し、その結果、この実施例方式では、熱交換器１３の
入口での排出ガス温度ＴＩが、従来方式のそれよシも充
分に低い排出ガス放出温度Ｔｅｌにまで降下する。つま
シ、ここではＴｅ　ｌ　＞Ｔｅ２であってその差が大き
く、ノってエネルギー損失を極少に抑え得る。そしてこ
の場合、蒸発開始点温度ｔ１　＋　＋２と、これに対応
する排出ガス温度との差であるところの、各ピンチポイ
ント温度差Δ’ｒｐは、共に同一程度とするのが効果的
である。

すなわち、これを要するに、排熱回収用熱交換器１３に
おいては、複数の蒸発又は反応圧力を得られるように構
成して、排出ガスの温度降下特性の傾斜を極力大きくす
ることによシ、排熱回収効率。

ひいては原料メタノールの熱効率を充分に向上できるの
である。

〔発明の効果〕

以上詳述したようにこの発明のシステム構成によるとき
は、相互に同軸結合させた空気圧縮機。

前段の高圧ガスタービン、および後段の低圧ガスタービ
ンと、低圧ガスタービンによって回転駆動される発電機
とを設け、また低圧ガスタービンの排出ガス系には、上
流の比較的高温側に第１のメタノール燃料供給系、下流
の比較的低温側に第２のメタノール燃料供給系をそれぞ
れに配した排熱回収用の熱交換器を、さらに空気圧縮機
からの圧縮空気と第１の燃料供給系からの供給燃料とを
混合燃焼させて、その燃焼高圧ガスを高圧ガスタービン
に供給する第１の燃焼器、および高圧ガスタービンから
の排出ガスと第２の燃料供給系からの供給燃料とを混合
燃焼させて、その燃焼低圧ガスを低圧ガスタービンに供
給する第２の燃焼器をそれぞれに設けたので、第１の燃
焼器においては、メタノール燃料を比較的高温に加熱処
理して得た分解、改質ガスまたは予熱未反応ガスを燃料
に用い、また第２の燃焼器においては、メタノール燃料
を比較的低温に加熱処理して得た分解、改質反応ガスを
燃料に用い、前者によシ高圧ガスタービン、また後者に
よシ低圧ガスタービンをそれぞれに回転駆動させること
ができ、これらの総合された回転駆動力によシ発電機を
作動させて、所期の電作用を得られるのであシ、そして
ここでのメタノール燃料に対する加熱処理には、排気系
での排熱回収によって得た熱エネルギーを利用しておシ
、しかもこのように第２の燃焼器の付加によって、よシ
低温化された排熱を相乗的、かつ効果的に利用できるた
めに１結果的には燃料としての原料メタノールの熱効率
を格段に向上し得る利点があシ、また併せて構成的にも
システム全体が比較的簡単で容易に実施できるなどの優
れた特長を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係るメタノールを燃料に用いるガス
タービン発電システムの一実施例による概要構成を示す
ブロック図、第２図および第３図は従来の各別個による
同上ガスタービン発電システムの概要構成を示すブロッ
ク図、第４図は実施例システムと従来例システムとの排
出ガスエネルギーの熱回収効率を説明する熱交換特性図
である。 １・・・・空気圧縮機、２・・・・高圧ガスタービン、
３・・・・低圧ガスタービン、４・・・・発電機、５・
・・・第１の燃焼器、７・・φ・第１のメタノール燃料
供給系、７′・・・・改質反応用給水系、９・・・・第
２の燃焼器、１１・・・・第２のメタノール燃料供給系
、１３・・・・排熱回収用熱交換器、１４・・・・排出
ガス系。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）相互に同軸結合された空気圧縮機、前段の高圧ガ
   スタービン、および後段の低圧ガスタービンと、同低圧
   ガスタービンによつて回転駆動される発電機と、前記低
   圧ガスタービンの排出ガス系に介在されて、上流の比較
   的高温側に第１のメタノール燃料供給系を、下流の比較
   的低温側に第２のメタノール燃料供給系をそれぞれに配
   した排熱回収用の熱交換器と、前記空気圧縮機から供給
   される圧縮空気、および前記第１の燃料供給系から供給
   される比較的高温に加熱された分解、改質ガスまたは予
   熱未反応ガスを混合燃焼させて、その燃焼高圧ガスを前
   記高圧ガスタービンに供給する第１の燃焼器と、前記高
   圧ガスタービンからの排出ガス、および前記第２の燃料
   供給系から供給される比較的低温に加熱された分解、改
   質反応ガスを混合燃焼させて、その燃焼低圧ガスを前記
   低圧ガスタービンに供給する第２の燃焼器とを備えたこ
   とを特徴とするメタノールを燃料に用いるガスタービン
   発電システム。