JP4585142B2

JP4585142B2 - Gas turbine system

Info

Publication number: JP4585142B2
Application number: JP2001143765A
Authority: JP
Inventors: 垣隆雄中; 本浩一川; 川斗小; 田東彦平; 橋幸夫大; 中耕太郎田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-05-14
Filing date: 2001-05-14
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2021-05-14
Also published as: JP2002339763A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン排熱を用いてガスタービン燃料を水素含有ガスに変換する改質器を備えたガスタービンシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
出力が３００ｋＷ以下の小型のガスタービンは、安価で操作も単純なことから、分散型電源として普及し始めている。とりわけ、ＵＳＰ−５６８５１５６やＵＳＰ−６０３１２９４等に開示されている円筒型の小型ガスタービンエンジンは、完成度が高く、システムとしてコンパクトにまとまっている。
【０００３】
図１７に、円筒型の小型ガスタービンエンジンの従来例の断面図を示す。燃料ガス１０３が、燃料供給口１１２を経由して燃料ノズル１０９から燃焼器１０８へ供給される。一方、空気１０６が、コンプレッサ１１５により圧縮され、空気再生器１１４で排ガス１０５から排熱回収した後、燃焼器１０８に導入される。燃焼器１０８内では、燃料ガス１０３と空気１０６とにより燃焼ガスが発生し、当該ガスがタービン１０７で断熱膨張することでコンプレッサ１１５に動力が与えられ、発電機が回って発電がなされる。この後、排ガス１０５は、裏蓋１２１でＵターンし、空気再生器１１４にて空気１０６と熱交換する。
【０００４】
一方、炭化水素から水素リッチなガスを生成する水蒸気改質反応が良く知られている。例えば、天然ガスの主成分であるメタンは、以下の（１）式及び（２）式の反応により、水素リッチなガスに転換される。
【０００５】
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ ⇔ ＣＯ＋３Ｈ_２（水蒸気改質反応）（１）
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ ⇔ ＣＯ_２＋Ｈ_２（水性ガスシフト反応）（２）
（１）式の反応は、吸熱反応である。従って、小型ガスタービンの燃焼器内圧力が数気圧程度であれば、６００℃でも５０％程度の転化が見込まれる。
【０００６】
（１）式及び（２）式の反応を用いると、特開２０００−８０９２７に開示されているように、図１８に示すようなガスタービン排熱回収発電システムを構成することができる。図１８のシステムにおいては、水１０４が蒸発器１０２によって水蒸気１０４ａとなり、ガスタービン燃料１０３と混合されて改質器１０１へ導入される。改質器１０１では、タービン排ガス１０５の熱によって（１）式及び（２）式の反応が生じ、当該反応で生じた水素含有ガス１０３ａが、吸熱反応によりタービン排ガス１０５から熱を回収しつつ燃焼器１０８へ導入される。
このため、システムの効率が向上する。
【０００７】
従来の小型のガスタービンシステムは、発電効率が３０％以下と低く、排気ガス中の窒素酸化物濃度が高い。このことが、当該小型ガスタービンシステムの普及への障害となっている。この問題点を解決するため、本件発明者は、化学的な排熱回収システムを当該小型ガスタービンシステムに組込むことについて鋭意検討を重ねた。従来、円筒型の小型ガスタービンシステムはその構造が特殊であり、改質器や蒸発器をこれに組み込んだシステムは何ら提供乃至開示されていない。
【０００８】
本発明は、このような点を考慮し、化学的排熱回収システムを組込んだ小型ガスタービンシステムを提供することを目的とする。
【０００９】
本発明は、燃焼用ガスの燃焼によって回転すると共にタービン排ガスを放出するタービンと、前記タービンに隣接して設けられた改質器と、前記タービン及び前記改質器を収容するケーシングと、を備え、前記改質器は、第１流路及び第２流路を有しており、前記第１流路は、前記タービン排ガスが通過するようになっており、前記第２流路は、燃料ガスと水蒸気との混合ガスが導入されるようになっており、かつ、前記第１流路と少なくとも部分的に隣接していて、前記第１流路を通過するタービン排ガスからの熱伝達によって、前記混合ガスを燃焼用ガスに転化生成させるようになっており、前記第２流路にて生成された燃焼用ガスが、前記タービンを回転させるべく燃焼するようになっており、前記改質器は、改質器の軸方向に平行に延びた複数の貫通管によって貫かれた円筒型容器として形成されており、前記貫通管内が第１流路を構成しており、前記容器内が第２流路を構成しており、前記第２流路には、周方向の仕切り板が設けられていて、前記混合ガスが少なくとも部分的に当該円筒型容器の周方向に旋回するようになっていることを特徴とするガスタービンシステムである。
あるいは、本発明は、燃焼用ガスの燃焼によって回転すると共にタービン排ガスを放出するタービンと、前記タービンに隣接して設けられた改質器と、前記タービン及び前記改質器を収容するケーシングと、を備え、前記改質器は、第１流路及び第２流路を有しており、前記第１流路は、前記タービン排ガスが通過するようになっており、前記第２流路は、燃料ガスと水蒸気との混合ガスが導入されるようになっており、かつ、前記第１流路と少なくとも部分的に隣接していて、前記第１流路を通過するタービン排ガスからの熱伝達によって、前記混合ガスを燃焼用ガスに転化生成させるようになっており、前記第２流路にて生成された燃焼用ガスが、前記タービンを回転させるべく燃焼するようになっており、前記改質器は、改質器の軸方向に平行に延びた複数の貫通管によって貫かれた円筒型容器として形成されており、前記貫通管内が第１流路を構成しており、前記容器内が第２流路を構成しており、前記第２流路には、半径方向の仕切り板が設けられていて、前記混合ガスが少なくとも部分的に当該円筒型容器の半径方向に流れるようになっていることを特徴とするガスタービンシステムである。
あるいは、本発明は、燃焼用ガスの燃焼によって回転すると共にタービン排ガスを放出するタービンと、前記タービンに隣接して設けられた改質器と、前記タービン及び前記改質器を収容するケーシングと、を備え、前記改質器は、第１流路及び第２流路を有しており、前記第１流路は、前記タービン排ガスが通過するようになっており、前記第２流路は、燃料ガスと水蒸気との混合ガスが導入されるようになっており、かつ、前記第１流路と少なくとも部分的に隣接していて、前記第１流路を通過するタービン排ガスからの熱伝達によって、前記混合ガスを燃焼用ガスに転化生成させるようになっており、前記第２流路にて生成された燃焼用ガスが、前記タービンを回転させるべく燃焼するようになっており、前記改質器は、改質器の軸方向に平行に延びた複数の貫通管によって貫かれた円筒型容器として形成されており、前記貫通管内が第１流路を構成しており、前記容器内が第２流路を構成しており、前記第２流路は、軸方向に２室以上に分離されていることを特徴とするガスタービンシステムである。
あるいは、本発明は、燃焼用ガスの燃焼によって回転すると共にタービン排ガスを放出するタービンと、前記タービンに隣接して設けられた改質器と、前記タービン及び前記改質器を収容するケーシングと、を備え、前記改質器は、第１流路及び第２流路を有しており、前記第１流路は、前記タービン排ガスが通過するようになっており、前記第２流路は、燃料ガスと水蒸気との混合ガスが導入されるようになっており、かつ、前記第１流路と少なくとも部分的に隣接していて、前記第１流路を通過するタービン排ガスからの熱伝達によって、前記混合ガスを燃焼用ガスに転化生成させるようになっており、前記第２流路にて生成された燃焼用ガスが、前記タービンを回転させるべく燃焼するようになっており、前記第２流路に導入される混合ガスは、高出力用の混合ガスとなっており、前記タービンは、低出力用の混合ガスが直接に選択的に導入され得るようになっていることを特徴とするガスタービンシステムである。
【００１０】
本発明によれば、第１流路を通過するタービン排ガスと第２流路を通過する混合ガスとの熱交換を効果的に利用できる一方で、ケーシングの構造をコンパクトにすることが容易である。また、本発明によれば、タービン排ガスおよび混合ガス（あるいは転化後の燃焼用ガス）の圧力損失を小さく抑えることが容易で、改質器として極めて高い伝熱性能を提供することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１２】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るガスタービンエンジンシステムの断面を示す図である。図２は、図１の改質器１の正面図である。また、図３は、図１のガスタービンシステムの概略系統図を示す。
【００１３】
図１に示すように、改質器１は、タービン７と裏蓋２１との間に設置されている。改質器１は、図１及び図２に示すように、円筒状の容器状に構成されており、中央部においてタービン７と同径の中央貫通管孔１ｃを一つ有すると共に、周辺部においてそれより小さい周辺貫通管１ｐを複数個有する。改質器１は、支持部材１９によって、円筒形状のケーシング１７に対してこれと同心に固定されている。
【００１４】
これにより、タービン排ガス５が、タービン７を出た後、改質器１の中央貫通管１ｃを通過して裏蓋２１に達し、Ｕターンしながら環状に広がり、今度は改質器１の周辺貫通管１ｐを通過して、あるいは、改質器１とケーシング１７との間の隙間Ｇを通過して、空気再生器１４へ流通するようになっている。
【００１５】
また、燃料ガス３と水蒸気４ａとの混合ガスが、燃料供給口１２から導入されて改質器１内を通過するときに、当該改質器１の内部に充填された触媒（図示せず）に接触し、水素リッチガス３ａに変化するようになっている。水素リッチガス３ａは、改質器出口１３を介して燃料ノズル９に導入されるようになっている。
【００１６】
また、空気再生器１４では、コンプレッサ１５で圧縮された空気６が排ガス５から熱回収するようになっている。熱回収した空気６は、燃焼器８で水素リッチガス３ａと共に燃焼するようになっている。
【００１７】
本実施の形態では、図１に示すように、排ガス５の温度が最も高い位置に改質器１を設置し、次に空気再生器１４、最後に蒸発器２（図３参照）を配置している。最終的な排出煙道においても排ガス５の温度は３００℃程度あるため、このような配置であっても蒸発器２は十分に水蒸気を生成することができる。
【００１８】
次に、本実施の形態の作用について説明する。
【００１９】
図３に示すように、水４が、蒸発器２にて水蒸気４ａとされ、燃料ガス３と共に混合ガスとなって改質器１に導入される。改質器１では、タービン７からのタービン排ガス５の熱を利用して、前記混合ガスが水素リッチガス３ａ（燃焼用ガス）に転化される。
【００２０】
一方、改質器１を経たタービン排ガス５は、コンプレッサ１５で圧縮された空気６を空気再生器１４にて加熱した後、蒸発器２にて水４の加熱に利用される。
【００２１】
水素リッチガス３ａと空気再生器１４にて加熱された圧縮空気とは、燃焼器８に供給され、当該燃焼器８内で燃焼し、タービン７を回転させ、発電を行う。
【００２２】
以上のような構成の改質器１は、円筒状ガスタービンエンジンの従来の排ガスの流通路を生かして、非常にコンパクトに設計、構成されている。このような改質器１は、排ガス５の圧力損失を小さく抑えると共に、水素リッチガス３ａへの転化のための熱量を多くとることができる最適な形態である。
【００２３】
また、改質器１の貫通管１ｃ及び１ｐがリブとしても機能するため、燃焼器圧力とタービン排ガス圧力との差圧に対する強度を十分に確保することができる。
【００２４】
なお、貫通管の断面は、図２では円形として示してあるが、楕円または矩形であっても効果に変わりはない。また、管径について、一定である必要はない。さらに、管の内側あるいは外側にフィンなどがついていてもよい。
【００２５】
次に、本発明の第２の実施の形態について、図４および図５を用いて説明する。図４は、本発明の第２の実施の形態に係るガスタービンエンジンシステムの断面を示す図である。図５は、図４のガスタービンシステムの概略系統図を示す。
【００２６】
本実施の形態では、図４に示すように、改質器１および蒸発器２が、タービン７と裏蓋２１との間に、裏蓋２１に近い方から改質器１、蒸発器２の順で設置されている。
【００２７】
そして、蒸発器２も、改質器１と同様に図２に示すような円筒状の容器で構成され、中央部においてタービン７と同径の中央貫通管孔２ｃを一つ有すると共に、周辺部においてそれより小さい周辺貫通管２ｐを複数個有する。この場合、改質器１と蒸発器２とは略同径であり、各周辺貫通孔１ｐの配置位置と各周辺貫通孔２ｐの配置位置とが略一致している。
【００２８】
これにより、タービン排ガス５が、タービン７を出た後、蒸発器２の中央貫通管２ｃ及び改質器１の中央貫通管１ｃを通過して裏蓋２１に達し、Ｕターンしながら環状に広がり、今度は改質器１の周辺貫通管１ｐを通過して、あるいは、改質器１とケーシング１７との間の隙間Ｇを通過して、更に蒸発器２の周辺貫通管２ｐを通過して、あるいは、蒸発器２とケーシング１７との間の隙間を通過して、空気再生器１４へ流通するようになっている。
【００２９】
なお、本実施の形態において、改質器１、蒸発器２及びケーシング１７は、いずれも同心に配置されている。
【００３０】
また、蒸発器２において、水４は注入口１０から蒸発器（容器）２内部に導入されるようになっており、生成された水蒸気４ａは、蒸気出口１１を介して改質器１に導入されるようになっている。
【００３１】
その他の構成は、図１乃至図３を用いて説明した第１の実施の形態と略同様である。本実施の形態において、第１の実施の形態と同様の部材には同様の符号を付して、詳細な説明は省略する。
【００３２】
本実施の形態によれば、蒸発器２をもガスタービンシステムにコンパクトに組込むことができる。蒸発器２での交換熱量は、水の蒸発潜熱がほとんどであって、空気６に比べて流量も少ないため、本実施の形態のような配置構成であっても、空気再生器１４へ導入される排ガス５の温度は４５０℃以上が確保され、空気６を十分に予熱することができる。
【００３３】
なお、蒸気出口１１は、蒸発器２のエントレインメント防止のため、なるべく容器上部に配置することが好ましい。
【００３４】
また、円筒状の改質器１及び蒸発器２の厚み（長さ）をそれぞれ調整することにより、伝熱面積を適宜に変更することができる。すなわち、詳細な伝熱設計が容易である。
【００３５】
次に、本発明の第３の実施の形態について、図６を用いて説明する。図６は、本実施の形態における改質器１の概略断面図であり、改質器１内における燃料ガス３および水蒸気４ａ（あるいは転化後の水素リッチガス３ａ）の流れを矢印で書き込んである。
【００３６】
図６に示すように、本実施の形態の燃料供給口１２は、軸方向に見て、改質器出口１３の近傍に設けられている。そして、改質器１の内部において、中央貫通孔１ｃから当該燃料供給口１２と当該改質器出口１３との間の周縁面に向かって、半径方向に延びる第１仕切り板２０が設けられている。
【００３７】
これにより、燃料供給口１２からの燃料ガス３および水蒸気４ａ（あるいは水素リッチガス３ａ）の流れが、改質器出口１３へとショートカットしないで、改質器１内を周方向に旋回するようになっている。
【００３８】
その他の構成は、図１乃至図３を用いて説明した第１の実施の形態と略同様である。本実施の形態において、第１の実施の形態と同様の部材には同様の符号を付して、詳細な説明は省略する。
【００３９】
本実施の形態によれば、燃料ガス３および水蒸気４ａが改質器１内を周方向に旋回することにより、容器内に充填されている触媒全体が有効に用いられ、水素リッチガス３ａへの転化がより確実になされ得る。
【００４０】
次に、本発明の第４の実施の形態について、図７を用いて説明する。図７は、本実施の形態における改質器１の概略断面図であり、改質器１内における燃料ガス３および水蒸気４ａ（あるいは転化後の水素リッチガス３ａ）の流れを矢印で書き込んである。
【００４１】
図７に示すように、本実施の形態の改質器１の内部においては、燃料供給口１２と改質器出口１３との間の周縁面から中央貫通管１ｃに向かって半径方向に、両者の間隔の略１／２の長さだけ延びる第２仕切り板２２と、第２仕切り板に連続して改質器１の周方向に略５／６周だけ延びる周方向仕切り板２１と、周方向仕切り板２１の端部から所定間隔だけ離れた位置で、改質器１の周縁面から中央貫通管１ｃに向かって半径方向に延びる第３仕切り板２３と、が設けられている。
【００４２】
図７の場合、第３仕切り板２３は、周辺貫通孔１ｐの存在を優先して複数部分に分割されているが、周辺貫通孔１ｐを避けて一部材で形成され得ることは勿論である。また、半径方向に延びる仕切り板２２、２３は、平坦状である必要はない。
【００４３】
その他の構成は、図６を用いて説明した第３の実施の形態と略同様である。本実施の形態において、第３の実施の形態と同様の部材には同様の符号を付して、詳細な説明は省略する。
【００４４】
本実施の形態によれは、燃料ガス３および水蒸気４ａ（あるいは水素リッチガス３ａ）の流路を、周方向に外側と内側とに分割しているため、非常に長い触媒接触流路を確保することができる。
【００４５】
なお、図７の場合、流路は周方向に２分割されているが、３分割以上であってもよい。
【００４６】
次に、本発明の第５の実施の形態について、図８を用いて説明する。図８は、本実施の形態における改質器１の概略断面図であり、改質器１内における燃料ガス３および水蒸気４ａ（あるいは転化後の水素リッチガス３ａ）の流れを矢印で書き込んである。
【００４７】
図８の場合、構造の単純化のため、ケーシング１７が改質器１の周縁面と一体に構成されており、すなわち、改質器１の周縁面が裏蓋２１と同径となっている。
【００４８】
また、周辺貫通管１ｐの一部が、円筒管状でない形状で構成されている、すなわち、改質器１の周縁面から内側に凹状の大流路１ｒが４箇所に形成されている。
【００４９】
その他の構成は、図６を用いて説明した第３の実施の形態と略同様である。本実施の形態において、第３の実施の形態と同様の部材には同様の符号を付して、詳細な説明は省略する。
【００５０】
本実施の形態によれば、伝熱面積を確保しながらも改質器１の部品数を減らすことができ、製造コストを削減することができる。
【００５１】
次に、本発明の第６の実施の形態について、図９を用いて説明する。図９は、本実施の形態における改質器１の概略断面図であり、改質器１内における燃料ガス３および水蒸気４ａ（あるいは転化後の水素リッチガス３ａ）の流れを矢印で書き込んである。
【００５２】
図９の場合、燃料ガス３および水蒸気４ａ（あるいは水素リッチガス３ａ）の流れを更に拘束し、触媒との接触通路を更に長くするように工夫したものである。具体的には、図６に示す第１仕切り板２０に加えて、放射状の部分仕切り板２４ａ〜２４ｇが配置されており、半径方向に往復するような流路が設定されている。
【００５３】
その他の構成は、図６を用いて説明した第３の実施の形態と略同様である。本実施の形態において、第３の実施の形態と同様の部材には同様の符号を付して、詳細な説明は省略する。
【００５４】
本実施の形態によれば、燃料ガス３と水蒸気４ａの混合ガスがより長く触媒に接触するため、水素リッチガス３ａヘの転化率も向上し、容器（改質器１）内に充填されている触媒全体がより有効に用いられ得る。
【００５５】
次に、本発明の第７の実施の形態について、図１０及び図１１を用いて説明する。図１０は、本実施の形態における改質器１の概略断面図であり、改質器１内における燃料ガス３および水蒸気４ａ（あるいは転化後の水素リッチガス３ａ）の流れを矢印で書き込んである。図１１は、図１０の改質器１のＡ−Ａ線断面を示した図である。
【００５６】
図１０及び図１１に示した本実施の形態は、燃料ガス３および水蒸気４ａ（あるいは水素リッチガス３ａ）の流路を円筒形状軸方向に２室に分けて、触媒との接触通路を更に長くするように工夫したものである。
【００５７】
軸方向に分離された２室は、水素リッチガス通気孔３１によって接続されており、燃料供給口１２より導入された燃料ガス３と水蒸気４ａは、改質器１の第１室１ａを周回しながら水素リッチガス３ａへ転化し、水素リッチガス通気孔３１を介して、第２室１ｂへと移動するようになっている。水素リッチガス３ａは、更に第２室１ｂを周回して改質器出口１３より燃焼器８へと送られるようになっている。
【００５８】
その他の構成は、図６を用いて説明した第３の実施の形態と略同様である。本実施の形態において、第３の実施の形態と同様の部材には同様の符号を付して、詳細な説明は省略する。
【００５９】
本実施の形態によれば、燃料ガス３と水蒸気４ａの混合ガスがより長く触媒に接触するため、水素リッチガス３ａヘの転化率も向上し、容器（改質器１）内に充填されている触媒全体がより有効に用いられ得る。
【００６０】
次に、本発明の第８の実施の形態について、図１２を用いて説明する。図１２は、本実施の形態における蒸発器２の断面図である。
【００６１】
図１２の場合、水４が、蒸発器２の上部及び下部に設けられた注水口１０ａ及び１０ｂから注入されるようになっている。
【００６２】
その他の構成は、図４及び図５を用いて説明した第２の実施の形態と略同様である。本実施の形態において、第２の実施の形態と同様の部材には同様の符号を付して、詳細な説明は省略する。
【００６３】
本実施の形態の蒸発器２内では、気液界面が形成され、界面より上の気相部分が蒸気過熱器として機能する。従って、上部注水口１０ａから水４が落下注入される場合には、タービン排ガス５の温度に近い貫通管２ｃ、２ｐの外壁に水４が直接接触し得るため、蒸発が著しく促進される。
【００６４】
なお、上部注入口１０ａから水４を噴霧して蒸発促進を図る手段も有効である。
【００６５】
次に、本発明の第９の実施の形態について、図１３を用いて説明する。図１３は、本実施の形態における改質器１及び蒸発器２の断面図である。
【００６６】
図１３の場合、改質器１の下方側が蒸発器２として構成されている。すなわち、図４における改質器１と蒸発器２とが一体の円筒状容器として構成され、改質器１と蒸発器２とを分離するために略水平にメッシュ板３２が設けられている。
【００６７】
改質器１と蒸発器２とが一体となっている本実施の形態の円筒状容器において、注水口１０と燃料ガス供給口１６が、容器下部に設けられている。一方、改質器出口１３は、容器上方に設けられている。また、改質器１内には、触媒が充填されている。
【００６８】
これにより、燃料ガス供給口１６を介して容器内に導入される燃料ガス３は、蒸発器２の部分の液相内をバブリングしながら、水４から生成される水蒸気４ａと共に改質器１に流れ込むようになっている。
【００６９】
その他の構成は、図４及び図５を用いて説明した第２の実施の形態と略同様である。本実施の形態において、第２の実施の形態と同様の部材には同様の符号を付して、詳細な説明は省略する。
【００７０】
本実施の形態では、第２の実施の形態と比べて、改質器１及び蒸発器２におけるタービン排ガス５との伝熱面積が半減するが、必要な伝熱面積は、円筒の厚さ（長さ）方向で適宜に設計変更可能であるため、伝熱ロスを小さくすることで、全体としては、改質器１と蒸発器２とが分離された実施の形態よりもコンパクトなシステムとすることができる。
【００７１】
次に、本発明の第１０の実施の形態について、図１４を用いて説明する。図１４は、第１０の実施の形態のガスタービンシステムの系統図である。
【００７２】
図１４において、燃料ガス３は、低出力用燃料供給ライン３ｂと高出力用燃料供給ライン３ｃによって燃焼器８へ供給される。
【００７３】
低出力用燃料供給ライン３ｂは、ガスタービンの起動時や、低負荷運転時に用いられるラインであり、タービン排ガス５の流量が少ない。このため、改質器１や蒸発器２を燃料供給系に組み込むとシステムが不安定になりやすいため、直接燃焼器８へ導入するように構成されている。
【００７４】
一方、高出力用燃料供給ライン３ｃは、蒸発器２で発生した水蒸気４ａと共に改質器１を経由し、燃料ガスを水素リッチガス３ａに転化させて燃焼器８に導入するためのラインである。
【００７５】
本実施の形態によれば、起動時や低負荷運転時においても、ガスタービンシステムを安定して運転することが可能となり、特に高負荷運転時には、発電の効率および出力を向上させることができる。
【００７６】
次に、本発明の第１１の実施の形態について、図１５を用いて説明する。図１５は、第１１の実施の形態のガスタービンシステムの系統図である。
【００７７】
円筒型ガスタービンエンジンを用いるシステムでは、負荷変動にともなって、燃焼器内の圧力も変動する。負荷が小さくなり高出力用燃料ライン３ｃから低出力用燃料ライン３ｂに切り替わる場合は、燃焼器８の内圧が下がり、改質器１内に残留している水素リッチガス３ａが燃焼器８へ流れ込んでくる。しかし、この状態から、再度負荷が上昇し、燃焼器８の内圧が上昇すると、燃焼器８内の排ガス５が改質器１へ逆流し、改質器１内で燃焼する恐れがある。これを防ぐ手段として、本実施の形態では、高出力用燃料供給ライン３ｃに弁３３が設けられている。
【００７８】
本実施の形態によれば、燃焼器８内の排ガス５が改質器１内へ逆流しないようにすることができる。これにより、低負荷用と高負荷用２系統の燃料供給ラインを有する円筒型ガスタービンシステムであっても、水素リッチガスによる発電の効率および出力の向上を、より安全に実現することができる。
【００７９】
なお、図１４に示したように、低出力用燃料ガス供給ライン３ｂおよび高出力用燃料ガスライン３ｃの２系統構成であって、高出力用燃料ガス供給ライン３ｃのみ改質器１を経由する場合は、低出力用燃料ガス供給ライン３ｂのみ使用される起動停止時および低負荷運転時に、改質器１内を水蒸気４ａでパージしておくことが好ましい。この場合について、システムが最も不安定になりやすい負荷の切り替え時における改質器１と燃焼器８の状態を、図１６を用いて説明する。
【００８０】
図１６は、低負荷から高負荷への変動が生じた時、低出力用燃料ガス供給ライン３ｂから高出力用燃料ガスライン３ｃへ切り替えた場合における、低出力用および高出力用それぞれの燃料ガス供給ライン流量と燃焼器内の水蒸気濃度の時間変化を示す。
【００８１】
図１６に示すように、低出力用燃料ガス流量は時間と共に減少し、高出力用燃料ガスは時間と共に増大する。このとき、水蒸気濃度は、燃焼器内の可燃限界以下であり、かつ、改質反応の際の副反応として生じるカーボン析出危険下限以上である必要がある。
【００８２】
一方、この２系統の供給ラインには、バーナの保炎のためのオーバーラップタイムを持たせることが一般的である。この場合、オーバーラップタイム中は、燃焼器８内に２系統からのガスが混在することになる。従って、図１６に示すように、水蒸気濃度は結果的に可燃範囲内に納まる。また、改質器１内が水蒸気４ａでパージされていれば、図１６に示すように、低水蒸気濃度の領域を瞬時に通過するので、カーボン析出の危険もない。
【００８３】
水蒸気４ａによって改質器１をパージすることの別な効果として、改質器１内に充填されている触媒の劣化防止があげられる。触媒は、一般に高温で酸素が存在すると、表面の触媒金属が酸化して活性が劣化する。このため、窒素、アルゴン、水蒸気などの不活性ガス、あるいは水素などの還元性ガスでパージしておく必要がある。従って、蒸発器２で発生した蒸気４ａを用いて改質器１内をパージしておけば、窒素、アルゴン等のガスが不要である。
【００８４】
【発明の効果】
上述したように、本発明で提供する小型ガスタービンシステムは、システム内に内蔵され得る改質器及び／または蒸発器を用いることで、ガスタービンエンジンのパッケージングを損なうことなく効率向上と出力増大を達成することができる。
【００８５】
また、水素リッチガスは、燃焼性が良く、水蒸気も多分に含まれるため、サーマルＮＯｘの発生を抑えることができ、低公害も実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態のガスタービンシステムの概略側断面図。
【図２】図１のガスタービンシステムの改質器の概略断面図。
【図３】図１のガスタービンシステムの系統図。
【図４】本発明の第２の実施の形態のガスタービンシステムの概略側断面図。
【図５】図４のガスタービンシステムの系統図。
【図６】本発明の第３の実施の形態のガスタービンシステムの改質器の概略断面図。
【図７】本発明の第４の実施の形態のガスタービンシステムの改質器の概略断面図。
【図８】本発明の第５の実施の形態のガスタービンシステムの改質器の概略断面図。
【図９】本発明の第６の実施の形態のガスタービンシステムの改質器の概略断面図。
【図１０】本発明の第７の実施の形態のガスタービンシステムの改質器の概略断面図。
【図１１】図１０のＡ−Ａ線断面図。
【図１２】本発明の第８の実施の形態のガスタービンシステムの蒸発器の概略断面図。
【図１３】本発明の第９の実施の形態のガスタービンシステムの改質器及び蒸発器の概略断面図。
【図１４】本発明の第１０の実施の形態のガスタービンシステムの系統図。
【図１５】本発明の第１１の実施の形態のガスタービンシステムの系統図。
【図１６】低出力用および高出力用それぞれの燃料ガス供給ライン流量と燃焼器内の水蒸気濃度の時間変化を示す図。
【図１７】小型ガスタービンエンジンの従来例の断面図。
【図１８】従来のガスタービン排熱回収発電システムの系統図。
【符号の説明】
１改質器
１ａ第１室
１ｂ第２室
１ｃ中央貫通管孔
１ｐ周辺貫通管
１ｒ凹状大流路
２蒸発器
２ｃ中央貫通管孔
２ｐ周辺貫通管
３燃料ガス
３ａ水素リッチガス
３ｂ低出力用燃料ガス供給ライン
３ｃ高出力用燃料ガス供給ライン
４水
４ａ水蒸気
５排ガス
６空気
７タービン
８燃焼器
９燃料ノズル
１０、１０ａ、１０ｂ注水口
１１蒸気出口
１２燃料供給口
１３改質器出口
１４空気再生器
１５コンプレッサ
１６燃料ガス供給口
１７ケーシング
１９支持部材
２０第１仕切り板
２１周方向仕切り板
２２第２仕切り板
２３第３仕切り板
２４ａ〜２４ｄ部分仕切り板
３１水素リッチガス通気孔
３２メッシュ板
３３弁[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas turbine system including a reformer that converts gas turbine fuel into a hydrogen-containing gas using gas turbine exhaust heat.
[0002]
[Prior art]
Small gas turbines with an output of 300 kW or less are becoming popular as distributed power sources because they are inexpensive and simple to operate. In particular, the small cylindrical gas turbine engine disclosed in USP-5585156, USP-603294, etc. has a high degree of completion and is compact as a system.
[0003]
FIG. 17 shows a cross-sectional view of a conventional example of a cylindrical small gas turbine engine. The fuel gas 103 is supplied from the fuel nozzle 109 to the combustor 108 via the fuel supply port 112. On the other hand, the air 106 is compressed by the compressor 115 and exhaust heat is recovered from the exhaust gas 105 by the air regenerator 114 and then introduced into the combustor 108. In the combustor 108, combustion gas is generated by the fuel gas 103 and the air 106, and the gas is adiabatically expanded by the turbine 107, so that power is supplied to the compressor 115, and the generator rotates to generate power. Thereafter, the exhaust gas 105 makes a U-turn at the back cover 121 and exchanges heat with the air 106 at the air regenerator 114.
[0004]
On the other hand, a steam reforming reaction that produces a hydrogen-rich gas from a hydrocarbon is well known. For example, methane, which is the main component of natural gas, is converted into a hydrogen-rich gas by the following reactions (1) and (2).
[0005]
CH₄+ H₂O ＣＯ CO + 3H₂(Steam reforming reaction) (1)
CO + H₂O ＣＯ CO₂+ H₂(Water gas shift reaction) (2)
The reaction of formula (1) is an endothermic reaction. Therefore, if the pressure in the combustor of the small gas turbine is about several atmospheres, about 50% conversion is expected even at 600 ° C.
[0006]
When the reactions of formulas (1) and (2) are used, a gas turbine exhaust heat recovery power generation system as shown in FIG. 18 can be configured as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-80927. In the system of FIG. 18, water 104 is converted into water vapor 104 a by the evaporator 102, mixed with the gas turbine fuel 103, and introduced into the reformer 101. In the reformer 101, the reaction of the equations (1) and (2) occurs due to the heat of the turbine exhaust gas 105, and the hydrogen-containing gas 103a generated by the reaction burns while recovering heat from the turbine exhaust gas 105 by an endothermic reaction. Introduced into the vessel 108.
For this reason, the efficiency of the system is improved.
[0007]
The conventional small gas turbine system has a low power generation efficiency of 30% or less and a high concentration of nitrogen oxides in the exhaust gas. This is an obstacle to the spread of the small gas turbine system. In order to solve this problem, the present inventor has made extensive studies on incorporating a chemical exhaust heat recovery system into the small gas turbine system. Conventionally, the structure of a cylindrical small gas turbine system is special, and no system that incorporates a reformer or an evaporator is provided or disclosed.
[0008]
In consideration of such points, an object of the present invention is to provide a small gas turbine system incorporating a chemical exhaust heat recovery system.
[0009]
  The present invention includes a turbine that rotates by combustion of combustion gas and discharges turbine exhaust gas, a reformer that is provided adjacent to the turbine, and a casing that houses the turbine and the reformer. The reformer has a first flow path and a second flow path, the turbine exhaust gas passes through the first flow path, and the second flow path is a fuel gas. A mixed gas of water and water vapor is introduced, and at least partially adjacent to the first flow path, and by heat transfer from the turbine exhaust gas passing through the first flow path, the The mixed gas is converted into combustion gas, and the combustion gas generated in the second flow path is combusted to rotate the turbine.The reformer is formed as a cylindrical container that is penetrated by a plurality of through pipes extending in parallel to the axial direction of the reformer, and the inside of the through pipe constitutes a first flow path, The container constitutes a second flow path, and a circumferential partition plate is provided in the second flow path, and the mixed gas is swirled at least partially in the circumferential direction of the cylindrical container. Is supposed toThis is a gas turbine system.
  Alternatively, the present invention provides a turbine that rotates by combustion of a combustion gas and releases turbine exhaust gas, a reformer provided adjacent to the turbine, a casing that houses the turbine and the reformer, The reformer has a first flow path and a second flow path, the first flow path is configured to allow the turbine exhaust gas to pass through, and the second flow path is A mixed gas of fuel gas and water vapor is introduced, and at least partially adjacent to the first flow path, by heat transfer from turbine exhaust gas passing through the first flow path The mixed gas is converted into a combustion gas, and the combustion gas generated in the second flow path is combusted to rotate the turbine. Is the axial direction of the reformer Are formed as a cylindrical container that is penetrated by a plurality of through pipes extending in parallel with each other, the inside of the through pipe constitutes a first flow path, and the inside of the container constitutes a second flow path, In the gas turbine system, a radial partition plate is provided in the second flow path, and the mixed gas flows at least partially in a radial direction of the cylindrical container. is there.
  Alternatively, the present invention provides a turbine that rotates by combustion of a combustion gas and releases turbine exhaust gas, a reformer provided adjacent to the turbine, a casing that houses the turbine and the reformer, The reformer has a first flow path and a second flow path, the first flow path is configured to allow the turbine exhaust gas to pass through, and the second flow path is A mixed gas of fuel gas and water vapor is introduced, and at least partially adjacent to the first flow path, by heat transfer from turbine exhaust gas passing through the first flow path The mixed gas is converted into a combustion gas, and the combustion gas generated in the second flow path is combusted to rotate the turbine. Is the axial direction of the reformer Are formed as a cylindrical container that is penetrated by a plurality of through pipes extending in parallel with each other, the inside of the through pipe constitutes a first flow path, and the inside of the container constitutes a second flow path, In the gas turbine system, the second flow path is separated into two or more chambers in the axial direction.
  Alternatively, the present invention provides a turbine that rotates by combustion of a combustion gas and releases turbine exhaust gas, a reformer provided adjacent to the turbine, a casing that houses the turbine and the reformer, The reformer has a first flow path and a second flow path, the first flow path is configured to allow the turbine exhaust gas to pass through, and the second flow path is A mixed gas of fuel gas and water vapor is introduced, and at least partially adjacent to the first flow path, by heat transfer from turbine exhaust gas passing through the first flow path The mixed gas is converted into combustion gas, and the combustion gas generated in the second flow path is combusted to rotate the turbine. Mixture introduced into the flow path Gas is a mixture gas for higher output, the turbine is a gas turbine system characterized by mixed gas for low output is adapted to be selectively introduced directly.
[0010]
According to the present invention, heat exchange between the turbine exhaust gas passing through the first flow path and the mixed gas passing through the second flow path can be effectively used, while the casing structure is easily made compact. . Further, according to the present invention, it is easy to suppress the pressure loss of the turbine exhaust gas and the mixed gas (or the combustion gas after conversion) to be small, and it is possible to provide extremely high heat transfer performance as a reformer.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0012]
FIG. 1 is a view showing a cross section of a gas turbine engine system according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a front view of the reformer 1 of FIG. FIG. 3 shows a schematic system diagram of the gas turbine system of FIG.
[0013]
As shown in FIG. 1, the reformer 1 is installed between the turbine 7 and the back cover 21. As shown in FIGS. 1 and 2, the reformer 1 is configured in a cylindrical container shape, and has one central through-tube hole 1 c having the same diameter as the turbine 7 in the central portion, and in the peripheral portion. A plurality of smaller peripheral through pipes 1p are provided. The reformer 1 is fixed concentrically to the cylindrical casing 17 by a support member 19.
[0014]
As a result, after the turbine exhaust gas 5 exits the turbine 7, it passes through the central through pipe 1 c of the reformer 1 and reaches the back cover 21, and spreads in an annular shape while making a U-turn. It passes through the through pipe 1p or passes through the gap G between the reformer 1 and the casing 17, and flows to the air regenerator 14.
[0015]
Further, when a mixed gas of the fuel gas 3 and the water vapor 4a is introduced from the fuel supply port 12 and passes through the reformer 1, a catalyst (not shown) filled in the reformer 1 is filled. To be changed to hydrogen rich gas 3a. The hydrogen rich gas 3 a is introduced into the fuel nozzle 9 via the reformer outlet 13.
[0016]
In the air regenerator 14, the air 6 compressed by the compressor 15 recovers heat from the exhaust gas 5. The heat-recovered air 6 is combusted together with the hydrogen rich gas 3a in the combustor 8.
[0017]
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the reformer 1 is installed at a position where the temperature of the exhaust gas 5 is the highest, and then the air regenerator 14 and finally the evaporator 2 (see FIG. 3) are arranged. ing. Since the temperature of the exhaust gas 5 is about 300 ° C. also in the final exhaust flue, the evaporator 2 can sufficiently generate water vapor even in such an arrangement.
[0018]
Next, the operation of the present embodiment will be described.
[0019]
As shown in FIG. 3, the water 4 is converted into water vapor 4 a in the evaporator 2 and introduced into the reformer 1 as a mixed gas together with the fuel gas 3. In the reformer 1, the heat of the turbine exhaust gas 5 from the turbine 7 is used to convert the mixed gas into the hydrogen rich gas 3a (combustion gas).
[0020]
On the other hand, the turbine exhaust gas 5 that has passed through the reformer 1 is used to heat the water 4 by the evaporator 2 after the air 6 compressed by the compressor 15 is heated by the air regenerator 14.
[0021]
The hydrogen rich gas 3a and the compressed air heated by the air regenerator 14 are supplied to the combustor 8, burned in the combustor 8, rotate the turbine 7, and generate electric power.
[0022]
The reformer 1 having the above-described configuration is designed and configured in a very compact manner by making use of a conventional exhaust gas flow path of a cylindrical gas turbine engine. Such a reformer 1 is an optimal form that can keep the pressure loss of the exhaust gas 5 small and can take a large amount of heat for conversion into the hydrogen-rich gas 3a.
[0023]
Moreover, since the through pipes 1c and 1p of the reformer 1 also function as ribs, it is possible to sufficiently ensure the strength against the differential pressure between the combustor pressure and the turbine exhaust gas pressure.
[0024]
In addition, although the cross section of the through pipe is shown as a circle in FIG. 2, the effect is not changed even if it is an ellipse or a rectangle. Also, the tube diameter need not be constant. Further, fins or the like may be attached to the inside or outside of the tube.
[0025]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is a view showing a cross section of a gas turbine engine system according to a second embodiment of the present invention. FIG. 5 shows a schematic system diagram of the gas turbine system of FIG.
[0026]
In the present embodiment, as shown in FIG. 4, the reformer 1 and the evaporator 2 are disposed between the turbine 7 and the back cover 21 from the side closer to the back cover 21 of the reformer 1 and the evaporator 2. They are installed in order.
[0027]
The evaporator 2 is also formed of a cylindrical container as shown in FIG. 2 like the reformer 1, and has one central through-hole 2c having the same diameter as the turbine 7 in the central portion, and a peripheral portion. And a plurality of smaller peripheral through-tubes 2p. In this case, the reformer 1 and the evaporator 2 have substantially the same diameter, and the arrangement positions of the respective peripheral through holes 1p and the arrangement positions of the respective peripheral through holes 2p substantially coincide with each other.
[0028]
Thus, after the turbine exhaust gas 5 exits the turbine 7, it passes through the central through pipe 2 c of the evaporator 2 and the central through pipe 1 c of the reformer 1, reaches the back cover 21, and spreads in an annular shape while making a U-turn. This time, it passes through the peripheral through pipe 1p of the reformer 1, or passes through the gap G between the reformer 1 and the casing 17, and further passes through the peripheral through pipe 2p of the evaporator 2. Alternatively, it passes through the gap between the evaporator 2 and the casing 17 and flows to the air regenerator 14.
[0029]
In the present embodiment, the reformer 1, the evaporator 2, and the casing 17 are all arranged concentrically.
[0030]
In the evaporator 2, the water 4 is introduced into the evaporator (container) 2 from the inlet 10, and the generated steam 4 a is introduced into the reformer 1 through the steam outlet 11. It has come to be.
[0031]
Other configurations are substantially the same as those of the first embodiment described with reference to FIGS. In the present embodiment, members similar to those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0032]
According to this Embodiment, the evaporator 2 can also be integrated in a gas turbine system compactly. The amount of heat exchanged in the evaporator 2 is mostly the latent heat of evaporation of water, and the flow rate is smaller than that of the air 6. Therefore, even in the arrangement configuration of the present embodiment, it is introduced into the air regenerator 14. The temperature of the exhaust gas 5 to be secured is 450 ° C. or higher, and the air 6 can be sufficiently preheated.
[0033]
In addition, it is preferable to arrange | position the vapor | steam outlet 11 in the container upper part as much as possible in order to prevent the entrainment of the evaporator 2. FIG.
[0034]
Further, by adjusting the thickness (length) of the cylindrical reformer 1 and the evaporator 2, the heat transfer area can be appropriately changed. That is, detailed heat transfer design is easy.
[0035]
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the reformer 1 in the present embodiment, and the flow of the fuel gas 3 and the water vapor 4a (or the hydrogen-rich gas 3a after conversion) in the reformer 1 is written by arrows.
[0036]
As shown in FIG. 6, the fuel supply port 12 of the present embodiment is provided in the vicinity of the reformer outlet 13 when viewed in the axial direction. And inside the reformer 1, the 1st partition plate 20 extended in a radial direction is provided toward the peripheral surface between the said fuel supply port 12 and the said reformer exit 13 from the center through-hole 1c. Yes.
[0037]
As a result, the flow of the fuel gas 3 and the water vapor 4a (or the hydrogen rich gas 3a) from the fuel supply port 12 turns in the reformer 1 in the circumferential direction without shortcut to the reformer outlet 13. ing.
[0038]
Other configurations are substantially the same as those of the first embodiment described with reference to FIGS. In the present embodiment, members similar to those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0039]
According to the present embodiment, the fuel gas 3 and the water vapor 4a are swirled in the circumferential direction in the reformer 1, so that the entire catalyst filled in the container is effectively used and converted into the hydrogen rich gas 3a. Can be made more reliably.
[0040]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of the reformer 1 in the present embodiment, in which the flow of the fuel gas 3 and the water vapor 4a (or the hydrogen-rich gas 3a after conversion) in the reformer 1 is written with arrows.
[0041]
As shown in FIG. 7, in the inside of the reformer 1 of the present embodiment, both of them radially from the peripheral surface between the fuel supply port 12 and the reformer outlet 13 toward the central through pipe 1c. A second partition plate 22 extending by a length of approximately ½ of the distance between the second partition plate, a circumferential partition plate 21 extending approximately 5/6 in the circumferential direction of the reformer 1 continuously to the second partition plate, A third partition plate 23 extending in the radial direction from the peripheral surface of the reformer 1 toward the central through pipe 1c is provided at a position separated from the end portion of the direction partition plate 21 by a predetermined interval.
[0042]
In the case of FIG. 7, the third partition plate 23 is divided into a plurality of parts with priority given to the existence of the peripheral through hole 1p, but it is needless to say that the third partition plate 23 can be formed as one member while avoiding the peripheral through hole 1p. Further, the partition plates 22 and 23 extending in the radial direction do not need to be flat.
[0043]
Other configurations are substantially the same as those of the third embodiment described with reference to FIG. In the present embodiment, members similar to those in the third embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0044]
According to the present embodiment, the flow path of the fuel gas 3 and the water vapor 4a (or the hydrogen rich gas 3a) is divided into the outer side and the inner side in the circumferential direction, so that a very long catalyst contact flow path is ensured. Can do.
[0045]
In the case of FIG. 7, the flow path is divided into two in the circumferential direction, but may be divided into three or more.
[0046]
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of the reformer 1 in the present embodiment, in which the flows of the fuel gas 3 and the water vapor 4a (or the hydrogen-rich gas 3a after conversion) in the reformer 1 are written with arrows.
[0047]
In the case of FIG. 8, the casing 17 is configured integrally with the peripheral surface of the reformer 1 for simplification of the structure, that is, the peripheral surface of the reformer 1 has the same diameter as the back cover 21. .
[0048]
Further, a part of the peripheral through pipe 1p is formed in a shape that is not cylindrical, that is, four concave large flow paths 1r are formed inward from the peripheral surface of the reformer 1.
[0049]
Other configurations are substantially the same as those of the third embodiment described with reference to FIG. In the present embodiment, members similar to those in the third embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0050]
According to the present embodiment, it is possible to reduce the number of parts of the reformer 1 while securing the heat transfer area, and to reduce the manufacturing cost.
[0051]
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of the reformer 1 in the present embodiment, in which the flows of the fuel gas 3 and the water vapor 4a (or the hydrogen-rich gas 3a after conversion) in the reformer 1 are written with arrows.
[0052]
In the case of FIG. 9, the flow of the fuel gas 3 and the water vapor 4a (or hydrogen rich gas 3a) is further constrained so that the contact passage with the catalyst is further lengthened. Specifically, in addition to the first partition plate 20 shown in FIG. 6, radial partial partition plates 24 a to 24 g are arranged, and a flow path that reciprocates in the radial direction is set.
[0053]
Other configurations are substantially the same as those of the third embodiment described with reference to FIG. In the present embodiment, members similar to those in the third embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0054]
According to the present embodiment, since the mixed gas of the fuel gas 3 and the water vapor 4a is in contact with the catalyst for a longer time, the conversion rate to the hydrogen rich gas 3a is also improved, and the container (reformer 1) is filled. The entire catalyst can be used more effectively.
[0055]
Next, a seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of the reformer 1 in the present embodiment, in which the flow of the fuel gas 3 and the water vapor 4a (or the hydrogen-rich gas 3a after conversion) in the reformer 1 is written with arrows. FIG. 11 is a cross-sectional view taken along line AA of the reformer 1 of FIG.
[0056]
In the present embodiment shown in FIGS. 10 and 11, the flow path of the fuel gas 3 and the water vapor 4a (or hydrogen rich gas 3a) is divided into two chambers in the axial direction of the cylinder, and the contact passage with the catalyst is further lengthened. It is devised as such.
[0057]
The two chambers separated in the axial direction are connected by a hydrogen rich gas vent hole 31, and the fuel gas 3 and the water vapor 4 a introduced from the fuel supply port 12 circulate around the first chamber 1 a of the reformer 1. The gas is converted into the hydrogen rich gas 3a and moved to the second chamber 1b through the hydrogen rich gas vent 31. The hydrogen rich gas 3a further circulates in the second chamber 1b and is sent from the reformer outlet 13 to the combustor 8.
[0058]
Other configurations are substantially the same as those of the third embodiment described with reference to FIG. In the present embodiment, members similar to those in the third embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0059]
According to the present embodiment, since the mixed gas of the fuel gas 3 and the water vapor 4a is in contact with the catalyst for a longer time, the conversion rate to the hydrogen rich gas 3a is also improved, and the container (reformer 1) is filled. The entire catalyst can be used more effectively.
[0060]
Next, an eighth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a cross-sectional view of the evaporator 2 in the present embodiment.
[0061]
In the case of FIG. 12, the water 4 is injected from the water injection ports 10 a and 10 b provided in the upper part and the lower part of the evaporator 2.
[0062]
Other configurations are substantially the same as those of the second embodiment described with reference to FIGS. In the present embodiment, members similar to those in the second embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0063]
In the evaporator 2 of this Embodiment, a gas-liquid interface is formed and the gas phase part above an interface functions as a steam superheater. Therefore, when water 4 is dropped and injected from the upper water injection port 10a, the water 4 can directly contact the outer wall of the through pipes 2c and 2p close to the temperature of the turbine exhaust gas 5, so that evaporation is remarkably promoted.
[0064]
In addition, means for promoting evaporation by spraying water 4 from the upper inlet 10a is also effective.
[0065]
Next, a ninth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 13 is a cross-sectional view of the reformer 1 and the evaporator 2 in the present embodiment.
[0066]
In the case of FIG. 13, the lower side of the reformer 1 is configured as an evaporator 2. That is, the reformer 1 and the evaporator 2 in FIG. 4 are configured as an integral cylindrical container, and the mesh plate 32 is provided substantially horizontally to separate the reformer 1 and the evaporator 2.
[0067]
In the cylindrical container of the present embodiment in which the reformer 1 and the evaporator 2 are integrated, a water injection port 10 and a fuel gas supply port 16 are provided in the lower part of the container. On the other hand, the reformer outlet 13 is provided above the container. The reformer 1 is filled with a catalyst.
[0068]
As a result, the fuel gas 3 introduced into the container through the fuel gas supply port 16 is bubbled into the reformer 1 together with the water vapor 4a generated from the water 4 while bubbling in the liquid phase of the evaporator 2 portion. It comes to flow.
[0069]
Other configurations are substantially the same as those of the second embodiment described with reference to FIGS. In the present embodiment, members similar to those in the second embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0070]
In the present embodiment, the heat transfer area with the turbine exhaust gas 5 in the reformer 1 and the evaporator 2 is halved as compared with the second embodiment, but the necessary heat transfer area is the thickness of the cylinder ( Since the design can be changed as appropriate in the (length) direction, the heat transfer loss can be reduced to make the system more compact than the embodiment in which the reformer 1 and the evaporator 2 are separated as a whole. be able to.
[0071]
Next, a tenth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 14 is a system diagram of a gas turbine system according to the tenth embodiment.
[0072]
In FIG. 14, the fuel gas 3 is supplied to the combustor 8 through a low output fuel supply line 3b and a high output fuel supply line 3c.
[0073]
The low-output fuel supply line 3b is a line used when starting the gas turbine or during low-load operation, and the flow rate of the turbine exhaust gas 5 is small. For this reason, when the reformer 1 and the evaporator 2 are incorporated in the fuel supply system, the system is likely to be unstable, and therefore, the reformer 1 and the evaporator 2 are directly introduced into the combustor 8.
[0074]
On the other hand, the high-power fuel supply line 3 c is a line for converting the fuel gas into the hydrogen rich gas 3 a and introducing it into the combustor 8 through the reformer 1 together with the steam 4 a generated in the evaporator 2.
[0075]
According to the present embodiment, the gas turbine system can be stably operated even during start-up and low-load operation, and power generation efficiency and output can be improved particularly during high-load operation.
[0076]
Next, an eleventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 15 is a system diagram of a gas turbine system according to the eleventh embodiment.
[0077]
In a system using a cylindrical gas turbine engine, the pressure in the combustor varies with the load variation. When the load is reduced and the high output fuel line 3c is switched to the low output fuel line 3b, the internal pressure of the combustor 8 decreases, and the hydrogen rich gas 3a remaining in the reformer 1 flows into the combustor 8. come. However, if the load increases again from this state and the internal pressure of the combustor 8 increases, the exhaust gas 5 in the combustor 8 may flow backward to the reformer 1 and burn in the reformer 1. As means for preventing this, in the present embodiment, a valve 33 is provided in the high-power fuel supply line 3c.
[0078]
According to the present embodiment, the exhaust gas 5 in the combustor 8 can be prevented from flowing back into the reformer 1. Thereby, even in a cylindrical gas turbine system having two fuel supply lines for low load and high load, the efficiency and output of power generation by hydrogen rich gas can be more safely realized.
[0079]
As shown in FIG. 14, it has a two-system configuration of a low-output fuel gas supply line 3b and a high-output fuel gas line 3c, and only the high-output fuel gas supply line 3c passes through the reformer 1. In this case, it is preferable to purge the inside of the reformer 1 with the steam 4a at the time of start-stop and low-load operation where only the low-output fuel gas supply line 3b is used. In this case, the state of the reformer 1 and the combustor 8 at the time of switching the load where the system is most unstable will be described with reference to FIG.
[0080]
FIG. 16 shows low and high output fuel gas when the low output fuel gas supply line 3b is switched to the high output fuel gas line 3c when a change from a low load to a high load occurs. The time change of the supply line flow rate and the water vapor concentration in the combustor is shown.
[0081]
As shown in FIG. 16, the low-power fuel gas flow rate decreases with time, and the high-power fuel gas increases with time. At this time, the water vapor concentration needs to be not more than the flammability limit in the combustor and not less than the lower limit of the risk of carbon deposition that occurs as a side reaction during the reforming reaction.
[0082]
On the other hand, the two supply lines are generally provided with an overlap time for holding the burner flame. In this case, the gas from the two systems is mixed in the combustor 8 during the overlap time. Accordingly, as shown in FIG. 16, the water vapor concentration is within the combustible range as a result. Further, if the interior of the reformer 1 is purged with the water vapor 4a, as shown in FIG. 16, since it passes through the low water vapor concentration region instantaneously, there is no danger of carbon deposition.
[0083]
Another effect of purging the reformer 1 with the steam 4a is prevention of deterioration of the catalyst filled in the reformer 1. In general, when oxygen is present at a high temperature, the catalyst metal on the surface is oxidized to deteriorate the activity. For this reason, it is necessary to purge with an inert gas such as nitrogen, argon or water vapor or a reducing gas such as hydrogen. Therefore, if the inside of the reformer 1 is purged using the vapor 4a generated in the evaporator 2, a gas such as nitrogen or argon is unnecessary.
[0084]
【The invention's effect】
As described above, the small gas turbine system provided by the present invention uses a reformer and / or an evaporator that can be incorporated in the system, thereby improving efficiency and increasing output without impairing the packaging of the gas turbine engine. Can be achieved.
[0085]
In addition, since the hydrogen-rich gas has good combustibility and contains a large amount of water vapor, generation of thermal NOx can be suppressed and low pollution can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional side view of a gas turbine system according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a reformer of the gas turbine system of FIG.
3 is a system diagram of the gas turbine system of FIG. 1. FIG.
FIG. 4 is a schematic sectional side view of a gas turbine system according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a system diagram of the gas turbine system of FIG. 4;
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a reformer of a gas turbine system according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic sectional view of a reformer of a gas turbine system according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic sectional view of a reformer of a gas turbine system according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a reformer of a gas turbine system according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a schematic sectional view of a reformer of a gas turbine system according to a seventh embodiment of the present invention.
11 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
FIG. 12 is a schematic sectional view of an evaporator of a gas turbine system according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view of a reformer and an evaporator of a gas turbine system according to a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a system diagram of a gas turbine system according to a tenth embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a system diagram of a gas turbine system according to an eleventh embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a diagram showing temporal changes in the flow rates of fuel gas supply lines for low output and high output and the water vapor concentration in the combustor.
FIG. 17 is a sectional view of a conventional example of a small gas turbine engine.
FIG. 18 is a system diagram of a conventional gas turbine exhaust heat recovery power generation system.
[Explanation of symbols]
1 Reformer
1a Room 1
1b Second chamber
1c Central through-hole
1p peripheral through pipe
1r concave large flow path
2 Evaporator
2c Central through-hole
2p peripheral through pipe
3 Fuel gas
3a Hydrogen rich gas
3b Low output fuel gas supply line
3c Fuel gas supply line for high output
4 Water
4a water vapor
5 exhaust gas
6 Air
7 Turbine
8 Combustor
9 Fuel nozzle
10, 10a, 10b Water inlet
11 Steam outlet
12 Fuel supply port
13 Reformer outlet
14 Air regenerator
15 Compressor
16 Fuel gas supply port
17 Casing
19 Support member
20 First partition plate
21 Circumferential partition plate
22 Second partition plate
23 Third partition plate
24a-24d Partial partition plate
31 Hydrogen rich gas vent
32 mesh board
33 valves

Claims

A turbine that is rotated by combustion of combustion gas and that emits turbine exhaust gas;
A reformer provided adjacent to the turbine;
A casing for housing the turbine and the reformer;
With
The reformer has a first flow path and a second flow path,
The first flow path is configured to allow the turbine exhaust gas to pass through,
The second flow path is adapted to introduce a mixed gas of fuel gas and water vapor, and is at least partially adjacent to the first flow path and passes through the first flow path. The mixed gas is converted into combustion gas by heat transfer from the turbine exhaust gas,
The combustion gas generated in the second flow path burns to rotate the turbine ,
The reformer is formed as a cylindrical container penetrated by a plurality of through pipes extending in parallel to the axial direction of the reformer,
The inside of the through pipe constitutes the first flow path,
The inside of the container constitutes the second flow path,
A circumferential partition plate is provided in the second flow path, and the mixed gas is swirled at least partially in the circumferential direction of the cylindrical container. Gas turbine system.

A turbine that is rotated by combustion of combustion gas and that emits turbine exhaust gas;
A reformer provided adjacent to the turbine;
A casing for housing the turbine and the reformer;
With
The reformer has a first flow path and a second flow path,
The first flow path is configured to allow the turbine exhaust gas to pass through,
The second flow path is adapted to introduce a mixed gas of fuel gas and water vapor, and is at least partially adjacent to the first flow path and passes through the first flow path. The mixed gas is converted into combustion gas by heat transfer from the turbine exhaust gas,
The combustion gas generated in the second flow path burns to rotate the turbine ,
The reformer is formed as a cylindrical container penetrated by a plurality of through pipes extending in parallel to the axial direction of the reformer,
The inside of the through pipe constitutes the first flow path,
The inside of the container constitutes the second flow path,
A radial partition plate is provided in the second flow path, and the mixed gas flows at least partially in the radial direction of the cylindrical container. Gas turbine system.

A turbine that is rotated by combustion of combustion gas and that emits turbine exhaust gas;
A reformer provided adjacent to the turbine;
A casing for housing the turbine and the reformer;
With
The reformer has a first flow path and a second flow path,
The first flow path is configured to allow the turbine exhaust gas to pass through,
The second flow path is adapted to introduce a mixed gas of fuel gas and water vapor, and is at least partially adjacent to the first flow path and passes through the first flow path. The mixed gas is converted into combustion gas by heat transfer from the turbine exhaust gas,
The combustion gas generated in the second flow path burns to rotate the turbine ,
The reformer is formed as a cylindrical container penetrated by a plurality of through pipes extending in parallel to the axial direction of the reformer,
The inside of the through pipe constitutes the first flow path,
The inside of the container constitutes the second flow path,
The gas turbine system , wherein the second flow path is separated into two or more chambers in the axial direction .

A turbine that is rotated by combustion of combustion gas and that emits turbine exhaust gas;
A reformer provided adjacent to the turbine;
A casing for housing the turbine and the reformer;
With
The reformer has a first flow path and a second flow path,
The first flow path is configured to allow the turbine exhaust gas to pass through,
The second flow path is adapted to introduce a mixed gas of fuel gas and water vapor, and is at least partially adjacent to the first flow path and passes through the first flow path. The mixed gas is converted into combustion gas by heat transfer from the turbine exhaust gas,
The combustion gas generated in the second flow path burns to rotate the turbine ,
The mixed gas introduced into the second flow path is a mixed gas for high output,
The gas turbine system , wherein the turbine is configured such that a mixed gas for low output can be directly and selectively introduced .

The gas turbine system according to any one of claims 1 to 4, wherein the casing has a cylindrical shape concentric with the reformer.

The casing also houses the evaporator,
The evaporator has a third flow path and a fourth flow path,
The third flow path is configured to allow the turbine exhaust gas to pass through,
The fourth flow path is configured such that water is introduced and at least partially adjacent to the third flow path, by heat transfer from the turbine exhaust gas passing through the third flow path. The water is turned into steam,
The gas turbine system according to any one of claims 1 to 5 , wherein water vapor generated in the fourth flow path is introduced into the second flow path.

The gas turbine system according to claim 6 , wherein the reformer and the evaporator are formed in an integral cylindrical container.