特許 7008296 逆ブレイトンサイクルによる空気ガスタービン装置及びその制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-01-13

(45)【発行日】2022-01-25

(54)【発明の名称】逆ブレイトンサイクルによる空気ガスタービン装置及びその制御方法

(51)【国際特許分類】

   F02C 7/08 20060101AFI20220118BHJP

   F01D 17/00 20060101ALI20220118BHJP

   F02C 7/057 20060101ALI20220118BHJP

   F02C 9/16 20060101ALI20220118BHJP

   F01D 17/04 20060101ALI20220118BHJP

   F01D 17/10 20060101ALI20220118BHJP

   F02G 5/02 20060101ALI20220118BHJP

   F02C 7/00 20060101ALI20220118BHJP

【ＦＩ】

F02C7/08 B

F01D17/00 Q

F02C7/057

F02C9/16 A

F01D17/00 A

F01D17/04

F01D17/10 G

F02G5/02 B

F02C7/00 G

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2017193063

(22)【出願日】2017-10-02

(65)【公開番号】P2019065786

(43)【公開日】2019-04-25

【審査請求日】2020-09-29

(73)【特許権者】

【識別番号】591245185

【氏名又は名称】丸和電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100079164

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 勇

(72)【発明者】

【氏名】二階 勲

(72)【発明者】

【氏名】立石 仁

(72)【発明者】

【氏名】谷口 学

(72)【発明者】

【氏名】柴▲崎▼ 康司

【審査官】所村 陽一

(56)【参考文献】

【文献】特開昭５６－０６６４２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】仏国特許出願公開第０２９１４０１１（ＦＲ，Ａ１）

【文献】仏国特許出願公開第０３０３２７４７（ＦＲ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０２Ｃ ７／０８

Ｆ０１Ｄ １７／００

Ｆ０２Ｃ ７／０５７

Ｆ０２Ｃ ９／１６

Ｆ０１Ｄ １７／０４

Ｆ０１Ｄ １７／１０

Ｆ０２Ｇ ５／０２

Ｆ０２Ｃ ７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

大気圧の空気を導入する加熱管と、
燃焼用の空気を用い燃料を燃焼させることにより、前記加熱管に導入された前記大気圧の空気を加熱する燃焼器と、
前記加熱管で加熱された空気を膨張させることにより回転運動を生成するタービンと、
前記タービンで生成された回転運動によって動作し、前記タービンで膨張しかつ冷却された空気を圧縮して排出する圧縮機と、
前記タービンで膨張した空気を高温側とし、前記圧縮機から排出された空気を低温側とし、前記高温側から前記低温側へ熱を移動させることにより、前記タービンで膨張した空気を冷却するとともに、前記圧縮機から排出された空気を加熱して前記燃焼用の空気として前記燃焼器へ供給する再生熱交換器と、
前記タービンで生成された回転運動によって動作する負荷と、
前記圧縮機から排出される空気の流量を調整する流量調整弁と、
前記圧縮機と前記流量調整弁との間に設けられ、前記圧縮機から排出される空気を大気中に放出する排気弁と、
大気圧の空気を前記燃焼用の空気として前記燃焼器へ供給する吸気弁及び空気ブロワーと、
を備えた逆ブレイトンサイクルによる空気ガスタービン装置。

【請求項2】

前記タービンは、前記加熱管で加熱された空気を膨張させることにより回転運動を生成する第一のタービンと、この第一のタービンで膨張した空気を更に膨張させることにより回転運動を生成する第二のタービンとからなり、
前記負荷は前記第一のタービン及び前記第二のタービンの一方で生成された回転運動によって動作し、前記圧縮機は前記第一のタービン及び前記第二のタービンの他方で生成された回転運動によって動作する、
請求項１記載の逆ブレイトンサイクルによる空気ガスタービン装置。

【請求項3】

前記負荷が発電機である、
請求項１又は２記載の逆ブレイトンサイクルによる空気ガスタービン装置。

【請求項4】

請求項１記載の逆ブレイトンサイクルによる空気ガスタービン装置を制御する方法であって、
当該空気ガスタービン装置の起動時には、前記排気弁及び前記吸気弁を開放状態にし、前記流量調整弁を閉鎖状態にし、前記負荷としての発電機を電動機として作動させることにより前記圧縮機の回転数を上げて駆動し、同時に前記空気ブロワーの回転数を徐々に上げながら送られる前記燃焼用の空気の流量に見合う前記燃料を供給し、その後、前記排気弁及び前記吸気弁を徐々に閉め、前記空気ブロワーの回転数を徐々に下げて当該空気ブロワーで送られる前記燃焼用の空気の流量を減じ、同時に前記流量調整弁を徐々に開いて、通常運転への移行を成し、
更に、前記排気弁及び前記吸気弁を閉鎖状態にし、前記流量調整弁を開放状態にした通常運転中に前記発電機の出力を変動させるときには、前記流量調整弁及び前記排気弁の開度を調整することにより、前記圧縮機及び前記タービンの最大効率を得る流量及び圧力比を設定するとともに、前記吸気弁の開度と前記空気ブロワーの回転数とを調整することにより、適正な前記燃焼用の空気の流量を得る、
逆ブレイトンサイクルによる空気ガスタービン装置の制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガスタービン装置に関し、詳しくは、逆ブレイトンサイクルによる空気ガスタービン装置に関する。以下、各図において、実質的に同一の部分は同一の符号を付すことにより、重複説明を省略する。また、関連技術及び実施形態では、空気ガスタービン装置の一例として、負荷に発電機を用いた空気ガスタービン発電装置を採り上げる。

【背景技術】

【0002】

ガスタービン装置は、一般に、燃料などの燃焼エネルギーを用い、熱力学サイクルの原理に従い、熱エネルギーを動力に変換する熱機関である。主流となるガスタービン装置は、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮された空気を用いて燃料を燃焼させる燃焼器と、燃焼ガスを膨張させるタービンと、を組み合わせたものである。以下に、負荷として発電機を用いたガスタービン発電装置の関連技術１、２について説明する。

【0003】

＜関連技術１＞図６は、関連技術１のガスタービン発電装置を示すブロック図である。以下、この図面に基づき説明する。

【0004】

本関連技術１のガスタービン発電装置６０は、圧縮機６１、再生熱交換器６２、燃焼器６３、タービン６４及び発電機６５を備えており、オープンサイクル再生型ガスタービン発電装置とも呼ばれる。ガスタービン発電装置６０は、次のように動作する。圧縮機６１は、外気６０１を圧縮し、高圧になった空気を燃焼器６３へ送る。燃焼器６３は、高圧になった空気を用いて燃料６０２を燃焼させ、得られた高圧かつ高温の燃焼ガス６０３をタービン６４へ送る。タービン６４は、燃焼ガス６０３を膨張させることによって動力を得る。タービン６４には、同軸又は多軸で圧縮機６１及び発電機６５が連結されている。そのため、タービン６４で発生した動力は、一部が圧縮機６１の駆動に充てられ、残りが発電機６５の駆動に充てられる。

【0005】

タービン６４からの排気６０４は、高温を保っていて、熱エネルギーを有している。この熱エネルギーを有効に利用するため、再生熱交換器６２を配することにより、圧縮機６１から燃焼器６３へ供給される空気の温度を上昇させる。これにより、燃料６０２の供給量を削減できるので、システム全体の省エネルギーが図れる。

【0006】

＜関連技術２＞図７は、関連技術２のガスタービン発電装置を示すブロック図である。図８は関連技術２のガスタービン発電装置における動作を示し、図８[Ａ]はＰ（圧力）－Ｖ（体積）線図であり、図８[Ｂ]はＴ（温度）－ｓ（エントロピー）線図である。以下これらの図面に基づき説明する。

【0007】

関連技術１では、圧縮機６１→燃焼器６３→タービン６４の順（ブレイトンサイクル）に作動ガスである外気（空気）６０１と燃焼ガス６０３が流れる。これに対して、本関連技術２のガスタービン発電装置７０は、燃焼器６３→タービン６４→圧縮機６１の順（逆ブレイトンサイクル）に燃焼ガス６０３が流れ、再生型逆ブレイトンサイクル発電装置とも呼ばれる（例えば特許文献１参照）。ガスタービン発電装置７０は、次のように動作する。燃焼器６３は、外気６０１（大気圧の空気）を用いて燃料６０２を燃焼させ、得られた大気圧かつ高温の燃焼ガス６０３をタービン６４へ送る。タービン６４は、燃焼ガス６０３を膨張させることによって動力を得る。圧縮機６１は、大気圧以下になったタービン６４の排気を、再生熱交換器６２で燃焼器６０２に導く外気を加熱した後、これを圧縮して大気圧に戻して排気６０４として排出する。

【0008】

図８において、各線は損失の無い理想的な逆ブレイトンサイクルを示し、「１」は外気６０１、「２」は燃焼器６３の出口（すなわちタービン６４の入口）、「３」はタービン６４の出口、「４」は圧縮機６１の入口、「５」は圧縮機６１の出口の各点である。図８からわかるように、ガスタービン発電装置７０によれば、作動媒体が大気圧Ｐｏ以下の燃焼ガス６０３であることから、圧縮機６１、再生熱交換器６２、燃焼器６３及びタービン６４に耐圧性が要求されないので、構造を簡素化できるとともに、安価で信頼性のある材質を用いることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【文献】特許第４６１９５６３号公報（図２等）「ウルトラタービン」

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

しかしながら、関連技術２のガスタービン発電装置７０では、燃焼器６３で発生した高温の燃焼ガス６０３がタービン６４内に導かれることにより、燃焼ガス６０３に含まれる高温の酸性物質等が燃焼器６３、タービン６４、再生熱交換器６２及び圧縮機６１の材質を腐食させるので、耐久性及び安全性に不具合を生ずるという問題があった。これに加え、関連技術２のガスタービン発電装置７０には、熱効率の更なる向上が求められていた。

【0011】

そこで、本発明の目的は、耐久性及び安全性を向上し、かつ熱効率をも向上し得る、逆ブレイトンサイクルによる空気ガスタービン装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明に係る逆ブレイトンサイクルによる空気ガスタービン装置は、
大気圧の空気を導入する加熱管と、
燃焼用の空気を用い燃料を燃焼させることにより、前記加熱管に導入された前記大気圧の空気を加熱する燃焼器と、
前記加熱管で加熱された空気を膨張させることにより回転運動を生成するタービンと、
前記タービンで生成された回転運動によって動作し、前記タービンで膨張しかつ冷却された空気を圧縮して排出する圧縮機と、
前記タービンで膨張した空気を高温側とし、前記圧縮機から排出された空気を低温側とし、前記高温側から前記低温側へ熱を移動させることにより、前記タービンで膨張した空気を冷却するとともに、前記圧縮機から排出された空気を加熱して前記燃焼用の空気として前記燃焼器へ供給する再生熱交換器と、
前記タービンで生成された回転運動によって動作する負荷と、
前記圧縮機から排出される空気の流量を調整する流量調整弁と、
前記圧縮機と前記流量調整弁との間に設けられ、前記圧縮機から排出される空気を大気中に放出する排気弁と、
大気圧の空気を前記燃焼用の空気として前記燃焼器へ供給する吸気弁及び空気ブロワーと、
を備えたものである。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、加熱管→タービン→再生熱交換器（高温側）→圧縮機→再生熱交換器（低温側）→燃焼器と流れる作動媒体が酸性物質等を含まない空気であることにより、高温又は低温の空気が触れる加熱管、タービン、再生熱交換器及び圧縮機の材質に耐食性が要求されないので、高温耐久性及び安全性を向上できる。更に、高温にさらされる加熱管とタービンの高温腐食耐久性が向上するので、燃焼ガスの温度をより高くして燃焼器の発熱温度を上げられるので、熱効率と動力を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】実施形態１の空気ガスタービン発電装置を示すブロック図である。

【図2】実施形態２の空気ガスタービン発電装置を示すブロック図である。

【図3】実施形態１の空気ガスタービン発電装置の実施例１を示すブロック図である。

【図4】実施形態１の空気ガスタービン発電装置の実施例２を示すブロック図である。

【図5】実施形態１の空気ガスタービン発電装置の実施例３を示すブロック図である。

【図6】関連技術１のガスタービン発電装置を示すブロック図である。

【図7】関連技術２のガスタービン発電装置を示すブロック図である。

【図8】関連技術２のガスタービン発電装置における動作を示し、図８[Ａ]はＰ（圧力）－Ｖ（体積）線図であり、図８[Ｂ]はＴ（温度）－ｓ（エンタルピー）線図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

本明細書及び特許請求の範囲における「備える」とは、明示した構成要素以外の構成要素を備える場合も含まれる。「有する」や「含む」なども同様である。本明細書及び特許請求の範囲における「接続する」とは、明示した構成要素以外の構成要素を介して接続する場合も含まれる。例えば、要素Ａに接続するとは、要素Ａに直接接続する場合の他に、要素Ａに要素Ｂ等を介して接続する場合も含まれる。「連結する」なども同様である。以下、添付図面を参照しながら、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という。）について説明する。

【0016】

＜実施形態１＞図１は、実施形態１の空気ガスタービン発電装置を示すブロック図である。以下、この図面に基づき説明する。

【0017】

本実施形態１の逆ブレイトンサイクルによる空気ガスタービン発電装置１０は、大気圧の空気（外気１０１）を導入する加熱管１１と、燃焼用の空気（燃焼空気１０２）を用い燃料１０３を燃焼させることにより、加熱管１１に導入された大気圧の空気を加熱する燃焼器１２と、加熱管１１で加熱された空気を膨張させることにより回転運動を生成するタービン１３と、タービン１３で生成された回転運動によって動作し、タービン１３で膨張しかつ冷却された空気を圧縮して排出する圧縮機１４と、タービン１３で膨張した空気を高温側とし、圧縮機１４から排出された空気を低温側とし、高温側から低温側へ熱を移動させることにより、タービン１３で膨張した空気を冷却するとともに、圧縮機１４から排出された空気を加熱して燃焼用の空気（燃焼空気１０２）として燃焼器１２へ供給する再生熱交換器１５と、タービン１３で生成された回転運動によって動作する負荷（発電機１６）と、を備えたものである。

【0018】

本実施形態１によれば、加熱管１１→タービン１３→再生熱交換器１５（高温側）→圧縮機１４→再生熱交換器１５（低温側）→燃焼器１２と流れる作動媒体が酸性物質等を含まない空気であることにより、高温又は低温の空気が触れる加熱管１１、タービン１３、再生熱交換器１５及び圧縮機１４の材質に耐食性が要求されないので、耐久性及び安全性を向上できる。特に高温の空気が触れるタービン１３の材質に高温腐食耐食性が要求されないことは、その効果が大きい。更に、高温にさらさせる加熱管とタービンの高温腐食耐久性が向上するので、燃焼ガスの温度をより高くして燃焼器１２の発熱温度を上げられるので、熱効率を向上できる。

【0019】

また、空気ガスタービン発電装置１０は、作動媒体が大気圧以下の空気であることから、加熱管１１、タービン１３、再生熱交換器１５及び圧縮機１４に耐圧性が要求されないばかりか、作動媒体が酸性物質等を含まない空気であることから耐食性も要求されないので、構造をより簡素化できるとともに、より安価でより信頼性のある材質を用いることができる。

【0020】

次に、本実施形態１の空気ガスタービン発電装置１０について、更に詳しく説明する。

【0021】

空気ガスタービン発電装置１０は、燃焼器１２による間接加熱再生型逆ブレイトンサイクル発電装置であり、燃焼器１２内に設置した加熱管１１に外気１０１を導き、燃焼器１２で得られる燃焼ガス１０４で加熱管１１を加熱し、高温化した空気をタービン１３へ導くことにより、動力を発生させる。

【0022】

タービン１３で動力を得るには、タービン１３の出口の空気圧力をタービン１３の入口の空気圧力より低く保つ必要がある。そのため、タービン１３の出口側に圧縮機１４を設ける。圧縮機１４は、タービン１３から排出される空気を低圧に保つとともに、吸引圧縮した空気を流量調整弁１７を経由して燃焼空気１０２として燃焼器１２へ送る。

【0023】

タービン１３に導かれた高温の空気は、タービン１３で断熱膨張による仕事をして、温度が低下するものの、まだ高温を維持している。この熱エネルギーを有効に利用するために、タービン１３と圧縮機１４との間に再生熱交換器１５を設ける。再生熱交換器１５では、タービン１３から排出された高温の空気と、圧縮機１４から流量調整弁１７を経由して排出された空気（排気１０５）とを、熱交換させる。これにより、排気１０５は高温化して燃焼空気１０２となり、タービン１３から排出された高温の空気は低温となって圧縮機１４に導かれる。

【0024】

高温化した燃焼空気１０２が燃焼器１２に導かれて燃料１０３を燃焼させることにより、更に高温の燃焼ガス１０４が発生する。燃焼ガス１０４は、加熱管１１内の空気に熱を与えて温度が低下し、排気ガス１０６となって大気中に排出される。このように高温化した燃焼空気１０２によって燃焼ガス１０４が更に高温化されることにより、ガスタービン発電装置１０の熱効率が向上するので、燃料消費率を低下できる。

【0025】

タービン１３には、同軸又は多軸を介して圧縮機１４が連結され、同軸又は歯車装置を介して発電機１６が連結されている。タービン１３で発生する動力は、一部が圧縮機１４の駆動に供され、その残りが発電機１６を駆動して電力を発生させる。

【0026】

空気ガスタービン発電装置１０には、圧縮機１４の排気１０５を大気に放出するための排気弁１８と、外気１０１を燃焼器１２に供給するための吸気弁１９とが、設置されている。空気ガスタービン発電装置１０の通常運転時では、排気弁１８及び吸気弁１９を閉鎖状態にし、流量調整弁１７を開放状態にする。

【0027】

空気ガスタービン発電装置１０の起動時には、通常運転とは逆に、排気弁１８及び吸気弁１９を開放状態にし、流量調整弁１７を閉鎖状態にする。これに伴い、発電機１６を電動機として作動させるなどして圧縮機１４の回転数を上げて駆動し、この作動過程で得られる燃焼空気１０２の流量に見合う燃料１０３を供給する。その後、排気弁１８及び吸気弁１９を徐々に閉め、同時に流量調整弁１７を徐々に開いて、通常運転に移行する。

【0028】

通常運転中に発電機１６の出力を変動させるには、流量調整弁１７及び排気弁１８の開度を調整することにより、圧縮機１４及びタービン１３の最大効率を得る流量及び圧力比を設定するとともに、吸気弁１９の開度を調整することにより、適正な燃焼空気１０２の流量を得る制御を実施する。つまり、流量調整弁１７、排気弁１８及び吸気弁１９を設けることによって、スタートアップ制御、圧縮機１４とタービン１３のマッチング制御、及び、最適燃焼空気流量制御が可能になるので、様々な作動条件で高効率な運転を実現できる。

【0029】

＜実施形態２＞図２は、実施形態２の空気ガスタービン発電装置を示すブロック図である。以下、この図面に基づき説明する。

【0030】

本実施形態２の空気ガスタービン発電装置２０では、実施形態１におけるタービン１３（図１）が、加熱管１１で加熱された空気を膨張させることにより回転運動を生成する第一のタービン（パワータービン２１）と、第一のタービンで膨張した空気を更に膨張させることにより回転運動を生成する第二のタービン（タービン２２）とからなる。そして、負荷（発電機１６）は、第一のタービン及び第二のタービンの一方（パワータービン２１）で生成された回転運動によって動作する。圧縮機１４は、第一のタービン及び第二のタービンの他方（タービン２２）で生成された回転運動によって動作する。

【0031】

換言すると、本実施形態２の空気ガスタービン発電装置２０は、実施形態１におけるタービン１３を二基に分離して、加熱管１１で加熱された空気が流入し断熱膨張するパワータービン２１、及び、パワータービン２１の排気が流入し断熱膨張するタービン２２としたものである。パワータービン２１は、同軸又は歯車装置を介して連結された発電機１６を駆動する。タービン２２は、同軸又は多軸で連結された圧縮機１４を駆動する。

【0032】

空気ガスタービン発電装置２０によれば、パワータービン２１とタービン２２とが同軸でないため、それぞれの回転数を発電機１６及び圧縮機１４の特性に合わせて設定できるので、要求電力に合致させた高効率の作動が可能となる。

【0033】

なお、本実施形態２では、第一のタービンをパワータービン２１、第二のタービンをタービン２２としたが、これとは逆に、第一のタービンをタービン２２、第二のタービンをパワータービン２１としてもよい。すなわち、作動媒体である空気の流れに沿って、タービン２２、パワータービン２１の順に配置してもよい。この場合も前述と同様の効果を奏する。

【0034】

＜実施例１＞図３は、実施形態１の空気ガスタービン発電装置の実施例１を示すブロック図である。以下、この図面に基づき説明する。

【0035】

本実施例１は、石炭火力発電設備である微粉炭燃焼発電装置であり、空気ガスタービン発電装置１０における燃焼器１２（図１）として、石炭を燃焼する微粉炭燃焼ボイラーシステム３０を用いている。微粉炭燃焼ボイラーシステム３０は、微粉炭機３１、微粉炭ボイラー３２等を備えている。

【0036】

石炭３０１は、微粉炭機３１で粉砕されて微粉炭３０２となり、微粉炭ボイラー３２へ送られる。微粉炭３０２は、微粉炭ボイラー３２内で燃焼し、石炭灰３０３及び高温の燃焼ガス１０４となる。燃焼ガス１０４は、微粉炭ボイラー３２内に設置された加熱管１１を加熱する。これにより、加熱管１１内に導入された外気１０１は、高温の空気となって、タービン１３に送られる。その高温の空気がタービン１３内で膨張することによって、動力が得られる。タービン１３の排気は、再生熱交換器１５を経て、タービン１３と同軸で連結されている圧縮機１４に吸引かつ圧縮される。圧縮機１４で圧縮された空気は、流量調整弁１７を経て再び再生熱交換器１５に送られることにより、タービン１３の排気で加熱されて高温の燃焼空気１０２となる。燃焼空気１０２は、微粉炭ボイラー３２に送られ、微粉炭３０２の燃焼に用いられる。

【0037】

タービン１３には、圧縮機１４に加えて、同軸又は歯車装置（図示せず）を介して発電機１６が連結されている。タービン１３で得られる動力から圧縮機１４の駆動に必要な動力を差し引いた残りの動力で、発電機１６を駆動して電力を得る。起動時や通常運転中で発電機１６の出力を変動させる時は、実施形態１の説明で述べたように、流量調整弁１７、排気弁１８及び吸気弁１９を操作する。

【0038】

更に、空気ガスタービン発電装置１０には、空気ブロワー３３が吸気弁１９の上流に設置されている。流量調整弁１７を閉鎖し、排気弁１８及び吸気弁１９を開放することにより、圧縮機１４から大気圧の排気１０５を放出するとともに、空気ブロワー３３で外気１０１を取り込んで燃焼空気１０２として微粉炭ボイラー３２へ供給することができる。その場合は、逆ブレイトンサイクルの作動媒体である空気と燃焼に供する空気（燃焼空気１０２）との系統が分離されているため、前者の空気流量を圧縮機１４の回転数で、後者の空気流量を空気ブロワー３３の回転数で、それぞれ独立して制御できるので、広範囲な運転領域を実現できる。

【0039】

微粉炭ボイラー３２の燃焼ガス１０４の温度を、現在のタービン温度の限界と考えられている１４００℃の空気を供給できる程度に上昇できれば、微粉炭ボイラー効率＝９８％、タービン断熱効率＝９０％、圧縮機断熱効率＝８５％、機械効率＝９８％、発電機効率＝９８％、再生熱交換器の熱伝達温度差＝５０℃、タービンの膨張比を１．８～２．２としたとき、在来の微粉炭ボイラー発電装置の熱効率４０％を超える、５４％の高い熱効率を達成できる。

【0040】

本実施例１における空気ガスタービン発電装置１０は、実施形態２の空気ガスタービン発電装置２０（図２）に置き換えることもできる。また、空気ガスタービン発電装置１０は、本実施例１に示す石炭火力発電に限らず、石油火力発電や天然ガス火力発電など、あらゆるボイラー発電に適用できる。

【0041】

＜実施例２＞図４は、実施形態１の空気ガスタービン発電装置の実施例２を示すブロック図である。以下、この図面に基づき説明する。

【0042】

本実施例２は、廃棄物処理発電装置であり、空気ガスタービン発電装置１０における燃焼器１２（図１）として、乾留ガス化焼却システム４０を用いている。乾留ガス化焼却システム４０は、乾留ガス化炉４１、燃焼炉４２（バーナー部と燃焼部とからなる）、サイクロン４３、薬剤サイロ４４、バグフィルター４５、誘引ファン４６、煙突４７等を備えている。

【0043】

廃棄物４０１は、乾留ガス化炉４１でガス化して乾留ガス４０２となり、燃焼炉４２へ送られる。乾留ガス４０２は、燃焼炉４２内で燃焼し、高温の燃焼ガス１０４となる。燃焼ガス１０４は、燃焼炉４２内に設置された加熱管１１を加熱する。これにより、加熱管１１内に導入された外気１０１は、高温の空気になってタービン１３に送られる。その高温の空気がタービン１３内で膨張することによって、動力が得られる。タービン１３の排気は、再生熱交換器１５を経て、タービン１３と同軸で連結されている圧縮機１４によって吸引かつ圧縮される。圧縮機１４で圧縮された空気は、流量調整弁１７を経て再び再生熱交換器１５に送られることにより、タービン１３の排気で加熱されて高温の燃焼空気１０２となる。燃焼空気１０２は、燃焼炉４２に送られ、乾留ガス４０２の燃焼に用いられる。

【0044】

排気ガス１０６は、誘引ファン４６によってサイクロン４３、薬剤サイロ４４、バグフィルター４５に導かれ、煙突４７から排気４０３となって排出される。サイクロン４３では粒子が分離され、薬剤サイロ４４では酸化物などを中和するために中和剤が加えられ、バグフィルター４５では微粒子が除去される。

【0045】

なお、タービン１３と圧縮機１４及び発電機１６との関係、並びに、流量調整弁１７、排気弁１８、吸気弁１９及び空気ブロワー３３の操作による作用及び効果は、実施例１で説明したとおりである。本実施例２における空気ガスタービン発電装置１０は、実施形態２の空気ガスタービン発電装置２０（図２）に置き換えることもできる。

【0046】

＜実施例３＞図５は、実施形態１の空気ガスタービン発電装置の実施例３を示すブロック図である。以下、この図面に基づき説明する。

【0047】

本実施例３は、バイオマス燃焼発電装置であり、空気ガスタービン発電装置１０における燃焼器１２（図１）として、バイオマス燃焼システム５０を用いている。バイオマス燃焼システム５０は、木質チップ供給装置５１、木質チップ供給コンベアー５２、木質燃焼ボイラー５３、サイクロン５４、バグフィルター５５、誘引ファン５６、煙突５７、灰運搬コンベアー５８等を備えている。

【0048】

木質チップ５０１は、木質チップ供給装置５１及び木質チップ供給コンベアー５２によって木質燃焼ボイラー５３に送られる。木質チップ５０１は、木質燃焼ボイラー５３内で燃焼し、高温の燃焼ガス１０４となる。燃焼ガス１０４は、木質燃焼ボイラー５３内に設置された加熱管１１を加熱する。これにより、加熱管１１内に導入された外気１０１は、高温の空気になってタービン１３に送られる。その高温の空気がタービン１３内で膨張することによって、動力が得られる。タービン１３の排気は、再生熱交換器１５を経て、タービン１３と同軸で連結されている圧縮機１４によって吸引かつ圧縮される。圧縮機１４で圧縮された空気は、流量調整弁１７を経て再び再生熱交換器１５に送られることにより、タービン１３の排気で加熱されて高温の燃焼空気１０２となる。燃焼空気１０２は、木質燃焼ボイラー５３に送られ、木質チップ５０１の燃焼に用いられる。

【0049】

排気ガス１０６は、誘引ファン５６によってサイクロン５４、バグフィルター５５に導かれ、煙突５７から排気５０３となって排出される。サイクロン５４では粒子が分離され、バグフィルター５５では微粒子が除去される。サイクロン５４で分離された粒子からなる灰５０２は、灰運搬コンベアー５８によって集積される。

【0050】

なお、タービン１３と圧縮機１４及び発電機１６との関係、並びに、流量調整弁１７、排気弁１８、吸気弁１９及び空気ブロワー３３の操作による作用及び効果は、実施例１で説明したとおりである。本実施例３における空気ガスタービン発電装置１０は、実施形態２の空気ガスタービン発電装置２０（図２）に置き換えることもできる。

【0051】

＜総括＞本発明の構成、作用及び効果については、上記各実施形態及び各実施例で述べたとおりであるが、ここで言葉を換えて総括する。

【0052】

本発明に係る空気ガスタービン発電装置は、次の効果を奏する。［１］逆ブレイトンサイクルの作動媒体が不純物を含まない空気（外気）であるため、高温で高速回転するタービンや高温の再生熱交換器の構成材料が腐食して破壊に至ることがなく、装置の安全性と耐久性が向上する。［２］燃焼器を用いた間接加熱による逆ブレイトンサイクル発電装置であるため、高温化によってサイクル効率を向上できるので、在来の逆ブレイトンサイクル発電装置と同様に燃料消費を小さくできる。［３］作動媒体である大気を燃焼器で加熱することにより、排気ガスが低温になるので、熱利用率及び熱効率が向上する。［４］圧縮機の圧力比を低減できることにより、圧縮機の断熱効率が向上するので、圧縮機動力の低減によって、発電装置の省エネルギーに資する。［５］発電装置の全体を負圧にすることにより、構造部品の耐圧強度を低減できるので、装置製作のコストを削減できる。［６］火力発電所に適用すると、ボイラーの燃焼温度を上昇させることにより、熱効率を大幅に向上できるので、燃料消費を低減できる。併せて、単位発電電力当たりの炭酸ガス発生量を低下できるので、地球温暖化抑制に寄与する。

【0053】

以上、上記各実施形態及び各実施例を参照して本発明を説明したが、本発明は上記各実施形態及び各実施例に限定されるものではない。本発明の構成や詳細については、当業者が理解し得るさまざまな変更を加えることができる。また、本発明には、上記各実施形態及び各実施例の構成の一部又は全部を相互に適宜組み合わせたものも含まれる。

【産業上の利用可能性】

【0054】

本発明に係る空気ガスタービン装置は、発電用のみならず、機械駆動用にもなり得る。また、本発明に係る間接加熱逆ブレイトンサイクル発電装置は、低圧でクリーンな作動媒体で稼働するので、種々の圧力下で作動する燃焼器で生成する熱エネルギーを熱源とする発電設備に供することができる。特に５００℃以上の広範囲な温度レベルの熱エネルギーを、高効率で電力や動力更には同時に発生する熱エネルギーにも変換することができるので、その適用範囲は広い。

【符号の説明】

【0055】

＜実施形態＞
１０，２０ 空気ガスタービン発電装置（空気ガスタービン装置）
１１ 加熱管
１２ 燃焼器
１３ タービン
１４ 圧縮機
１５ 再生熱交換器
１６ 発電機（負荷）
１７ 流量調整弁
１８ 排気弁
１９ 吸気弁
２１ パワータービン（第一のタービン）
２２ タービン（第二のタービン）
１０１ 外気
１０２ 燃焼空気
１０３ 燃料
１０４ 燃焼ガス
１０５ 排気
１０６ 排気ガス
＜実施例＞
３０ 微粉炭燃焼ボイラーシステム
３１ 微粉炭機
３２ 微粉炭ボイラー
３３ 空気ブロワー
３０１ 石炭
３０２ 微粉炭
３０３ 石炭灰
４０ 乾留ガス化焼却システム
４１ 乾留ガス化炉
４２ 燃焼炉
４３ サイクロン
４４ 薬剤サイロ
４５ バグフィルター
４６ 誘引ファン
４７ 煙突
４０１ 廃棄物
４０２ 乾留ガス
４０３ 排気
５０ バイオマス燃焼システム
５１ 木質チップ供給装置
５２ 木質チップ供給コンベアー
５３ 木質燃焼ボイラー
５４ サイクロン
５５ バグフィルター
５６ 誘引ファン
５７ 煙突
５８ 灰運搬コンベアー
５０１ 木質チップ
５０２ 灰
５０３ 排気
＜関連技術＞
６０，７０ ガスタービン発電装置
６１ 圧縮機
６２ 再生熱交換器
６３ 燃焼器
６４ タービン
６５ 発電機
６０１ 外気
６０２ 燃料
６０３ 燃焼ガス
６０４ 排気

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】