動力発生設備
【課題】従来の動力発生設備はプラント効率が低く、化学吸収式炭酸ガス回収装置を必要とし、温暖化効果ガスやオゾン層破壊ガスや大気汚染物質等の環境影響物質を排出する。
【解決手段】酸素燃焼蒸気発生装置と、その発生蒸気を駆動流体とする蒸気タービンと、炭化水素系燃料と酸素による加圧燃焼により発生する燃焼ガスと前記蒸気タービン排気（蒸気タービンを設置しない場合は蒸気発生装置発生蒸気、蒸気発生装置を設置しない場合は給水）との直接混合により混合流体を生成する燃焼器と、その混合流体を駆動流体とする混合流体タービンと、混合流体タービンの排気を冷却し蒸気を凝縮し炭酸ガスを主成分とする非凝縮燃焼ガスを分離する復水器と、復水器から非凝縮ガスを連続排出する回収装置と、復水の水質浄化処理装置と、燃焼により生成した余剰水の回収装置と、給水の加熱装置と、給水を昇圧する給水装置と、により動力発生設備を構成する。
【解決手段】酸素燃焼蒸気発生装置と、その発生蒸気を駆動流体とする蒸気タービンと、炭化水素系燃料と酸素による加圧燃焼により発生する燃焼ガスと前記蒸気タービン排気（蒸気タービンを設置しない場合は蒸気発生装置発生蒸気、蒸気発生装置を設置しない場合は給水）との直接混合により混合流体を生成する燃焼器と、その混合流体を駆動流体とする混合流体タービンと、混合流体タービンの排気を冷却し蒸気を凝縮し炭酸ガスを主成分とする非凝縮燃焼ガスを分離する復水器と、復水器から非凝縮ガスを連続排出する回収装置と、復水の水質浄化処理装置と、燃焼により生成した余剰水の回収装置と、給水の加熱装置と、給水を昇圧する給水装置と、により動力発生設備を構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は炭化水素系燃料（以下燃料と呼称する）の酸化剤として酸素を用いる酸素燃焼動力発生設備に係り、蒸気タービンを駆動した水蒸気（排気と呼称する）または加熱器等で加熱された水（給水と呼称する）と燃焼器において酸素燃焼により生成した燃焼ガスを混合した水蒸気と燃焼ガスの混合流体（以下混合流体と呼称する）により混合流体タービンを駆動し動力を発生させ、その排気を復水器に導入し冷却し、混合流体中の水蒸気を凝縮により水（液体）にし、燃焼生成水を回収するとともに、炭酸ガスを主成分とし環境影響物質を含有する非凝縮ガス（気体）を分離回収し、化学吸収式炭酸ガス回収装置を必要としない動力発生設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１に実用化された技術の中で最も高い効率が得られ、また本発明に最も類似していると思われる炭酸ガス回収機能保有ガスタービン複合発電設備（すなわち、発電機を駆動する動力発生設備）のシステム構成を示す。このシステムは、公知のガスタービン複合発電設備に、排熱回収蒸気発生装置６８から排出される燃焼ガス中に含まれる炭酸ガスを分離回収するための化学薬品を吸収剤として使用する化学吸収式炭酸ガス分離回収装置７０が設置された発電設備である。図１に示される従来技術による炭酸ガス分離回収発電設備の特徴及び問題点は次のとおりである。
【０００３】
上記従来の動力発生設備の構成は次のとおりである。
【０００４】
除塵装置６１が装備された吸込み風道６２を経て流入する空気は、ガスタービン６６により駆動される空気圧縮機６３により所定の圧力(通常３ＭＰａ以下)に加圧され、空気圧縮機出口連結管６４を経て、同じく加圧されて供給される燃料（例えば、天然ガス等の炭化水素系燃料）とガスタービン燃焼器６５において混合し燃焼し高温（通常１６００℃以下）燃焼ガスとなりガスタービン６６に導入され、大気圧近傍（おおよそ０．１ＭＰａ）まで膨張し、ガスタービンを駆動し空気圧縮機６３及び発電機７３の駆動動力を発生する。ガスタービン６６から排出される燃焼排ガス（通常ガス温度は７００℃以下）はその保有熱を回収するために排熱回収蒸気発生装置６８に導入され、該排熱回収蒸気発生装置６８に供給される給水を加熱し蒸気を発生し、該蒸気は蒸気管７１を経て蒸気タービン７２に供給され、蒸気タービンにおいて復水器７５器内圧力まで膨張し蒸気タービン７２を駆動し発電機７３駆動動力を発生する。図１に示す従来の動力発生設備（ガスタービン複合発電設備）はガスタービン６６、空気圧縮機６３、蒸気タービン７２及び発電機７３がタービン発電機車軸７４で連結されている一軸型の例を示す。一方排熱回収蒸気発生装置６８からの燃焼排ガス（その温度は通常２００℃以下）は蒸気発生装置出口煙道６９を経て化学吸収式炭酸ガス分離装置７０に導入され、排ガス中の炭酸ガスが化学吸収（アルカリ性化学薬品による吸収）により分離され回収される。回収された炭酸ガスは炭酸ガス回収管８９に装備された炭酸ガス圧力制御弁９０により吸込み圧力を制御し、炭酸ガス圧縮機９１で加圧し、炭酸ガス送気管９２を経て系外に回収し、吸収塔において吸収されなかった炭酸ガス以外の成分、すなわち窒素（Ｎ２）、酸素（Ｏ２）及びアルゴン（Ａｒ）等の空気中の微量成分及び大気汚染物質である窒素酸化物（ＮＯＸ）やオゾン層破壊物質である亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）等の燃焼生成物質を含有する燃焼ガスは化学吸収式炭酸ガス分離装置出口煙道９３を経て煙突９４から大気に放出される。
【０００５】
上記従来の動力発生設備の機能及び問題点は次のとおりである。
【０００６】
前記ガスタービン複合発電設備の温度―エントロピー線図（Ｔ−Ｓ線図）を図２に示す。排熱回収蒸気発生装置を設置しガスタービンの排ガス保有エネルギーを回収して蒸気を発生し、蒸気タービンによる追加的動力発生（図中「蒸気タービンサイクル」と記載）を行う複合サイクルでは、ガスタービンだけの単一サイクルより大きな出力と高いプラント効率（送電端効率）が得られるが（図２において「ガスタービンサイクル」及び「蒸気タービンサイクル」と記入し斜線を施した面積が有効仕事量を示す）、燃焼排ガス保有熱のうち排熱回収蒸気発生装置に回収されない熱損失及び蒸気タービン排気の復水器熱損失（灰色で示す）が生じる。ガスタービン複合発電方式においては、空気圧縮機の圧力比がその製作上制限され（圧力比は通常３０以下）ガスタービン燃焼排ガス温度が高いので、排熱回収蒸気発生装置を設置し排熱回収により発生した蒸気により蒸気タービンを駆動し排熱を利用するが、燃焼排ガスが比較的高温（通常２００〜８０℃）大気圧で大気に放出されることによる熱損失が生じるとともに蒸気タービン駆動蒸気の高温高圧化が制約され蒸気タービン効率が低い欠点がある。
【０００７】
また、ガスタービン燃焼排ガスは炭酸ガスの分離回収のため、排熱回収蒸気発生装置及び蒸気発生装置出口煙道を経て化学吸収式炭酸ガス分離回収装置に導入される。化学吸収式炭酸ガス分離回収装置（その詳細説明及び図等は省略する）において、燃焼排ガスは冷却水ポンプにより供給される冷却水により冷却され、昇圧送風機により昇圧され、炭酸ガス吸収塔に供給され、ここで燃焼ガス中の炭酸ガスは吸収剤と反応し炭酸ガス吸収液（以下吸収液）に固定された状態となり、吸収液循環ポンプにより昇圧され、再生吸収液ポンプにより供給される高温の再生吸収液と熱交換して加熱され、炭酸ガス脱着塔に供給される。炭酸ガス脱着塔で熱水供給ポンプにより供給される熱水により加熱され、炭酸ガスは吸収液から分離放出される。放出された炭酸ガスは炭酸ガス冷却水ポンプにより供給される冷却水により冷却され、湿分が除去され、炭酸ガス圧縮機で所定圧力に加圧され系外に回収され、炭酸ガスを放出した再生吸収液は循環ポンプにより昇圧され前記熱交換器で吸収液と熱交換して低温となり炭酸ガス吸収塔に供給され循環する。一方炭酸ガス吸収塔で吸収されなかった炭酸ガス以外の燃焼排ガス成分は化学吸収式炭酸ガス分離装置出口煙道を経て煙突から大気に放出される。このように化学吸収式炭酸ガス分離装置において、燃焼排ガス昇圧送風機、燃焼排ガス冷却水ポンプ、吸収液循環ポンプ、再生吸収液循環ポンプ、熱水供給ポンプ、炭酸ガス冷却水ポンプ及び炭酸ガス圧縮機等の多数の機器駆動に要する動力及び炭酸ガスの吸収液からの脱着に必要な大量の熱エネルギーを消費する。この動力及び熱エネルギー消費量は、次項に示すようにガスタービンの排ガス量が大きいこととあいまって通常発電設備入熱量の約１２〜２０％に相当し、プラント効率が炭酸ガス吸収分離装置を設置しないプラント効率に比べ通常約１２〜２０％低下する欠点がある。
【０００８】
ガスタービンの空気比すなわちガスタービン圧縮機からガスタービンに導入される空気量の理論空気量に対する比率は、最新型の１６００℃級の高温ガスタービンにおいても２以上、通常２．５〜３.５であるので理論酸素量の約１０倍以上の空気量を必要とし、例えば天然ガス（以下単純化のためその成分をメタンガス１００％と近似する）を燃料とする場合における発生燃焼ガス量は、次の化学反応式に示されるように理論酸素燃焼の場合の約２１/３≒７倍以上（モル数基準）となる。
理論酸素量燃焼の場合の燃焼ガス量は、
ＣＨ４＋２Ｏ２＝ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ
空気比２の空気燃焼により生じる燃焼ガス量は、
ＣＨ４＋２（２（Ｏ２＋７８.１/２０.９Ｎ２＋０.９/２０.９Ａｒ＋空気中湿分））
≒ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ＋２Ｏ２＋１５Ｎ２＋０．７Ａｒ＋４空気中湿分
で示されるように、空気燃焼では酸素燃焼の約７倍以上の大量の燃焼ガス量が発生する。燃焼ガスには燃焼反応により生成される炭酸ガス及び水蒸気のほか、空気中の窒素、燃焼に関与しなかった余剰酸素、空気中のアルゴン及び燃焼過程で発生する窒素酸化物や亜酸化窒素等の微少成分が含まれている。ガスタービンを主機とする動力発生設備における化学吸収式炭酸ガス分離装置はこの大量の燃焼ガスを処理しなければならない欠点がある。
【０００９】
このように炭酸ガス分離回収装置は、流量の大きな燃焼ガスを処理しなければならないので、構成機器が大型化し建設費が増加し、炭酸ガスの分離回収に要する動力および熱エネルギー消費量が増加し、プラント効率が大きく低下し、炭酸ガス吸収剤（たとえば、アミン、アミノ酸塩、炭酸カリ等の塩基性薬品）及びその溶液用の水を必要とし、運転経費が増加する等の問題がある。
【００１０】
前記のようにガスタービンは空気比２以上の空気を使用して高温燃焼（一般に１６００〜１３００℃）するので、大気汚染物質である窒素酸化物（ＮＯＸ）のやオゾン層破壊物質である亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）等が生成し大気に放出される問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許公開２００８−２５５８２２、コンバインド発電プラント、および熱交換器
【特許文献２】特許公開２００９−１５６０３３、コンバインドサイクル複合発電設備とその運転方法
【特許文献３】United States Patent、Patent Number 5,265,410、Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ、ｐ1Ｆｉｇ.1
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】複合発電（改訂版） ｐ２５−ｐ４９、（社）火力原子力発電技術協会、平成１０年６月
【非特許文献２】コンバインドサイクル発電、電気事業連合会ウェブサイト、２００９．８
【非特許文献３】GE Combined-Cycle、ＧＥウェブサイト、２００９．８
【非特許文献４】“FutureGen” Initial Conceptual Design Report Revision 2 May 2007、“FutureGen”Alliance USA（P2.1、Figure 2.1）
【非特許文献５】B208 ＣＯ２回収対応次世代型IGCCシステムの提案、日本機械学会（No08-6）第13回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集、（1頁、図1）
【非特許文献６】CO2 Separation Technique for Conventional Plants、Ｓｉｅｍｅｎｓウェブサイト、２００９．８
【非特許文献７】ＣＯ２回収装置、製品情報、三菱重工ウェブサイト、2009.8
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従来型炭酸ガス回収動力発生（または発電）設備は化学吸収式炭酸ガス分離回収装置を必要とし、プラント効率が低く、システムが複雑かつ大型のため高価で、炭酸ガスの分離回収に多量のエネルギー（動力及び熱）と化学薬品（アミノ酸塩、アミン、炭酸カリ等のアルカリ性吸収剤）と用水を必要とし、環境影響物質である窒素酸化物等やオゾン層破壊物質である亜酸化窒素等を排出し、動力発生設置に広い敷地を必要とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、上記問題を解決するための手段として、特許請求の範囲に記載の動力発生設備を提供する。
【００１５】
本発明は、燃料の酸素燃焼による燃焼熱を熱源とする蒸気発生装置により発生した蒸気により蒸気タービンを駆動し動力（一次動力）を発生させ、その排気、または蒸気発生装置発生蒸気、または給水と、系外から供給される燃料を系外から供給される酸素による燃焼で発生した酸素燃焼ガスと、蒸気発生装置燃焼排ガスと、を混合した混合流体により混合流体タービンを駆動し動力（二次動力）を発生させ、その排気を復水器に導入し、混合流体の主成分である水蒸気を凝縮させ復水し、大気汚染物質である窒素酸化物やオゾン層破壊物質である亜酸化窒素の発生を避けるとともに地球温暖化の主要因物質である炭酸ガスを主成分とする非凝縮ガスを分離回収することを主要な特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
動力発生設備を上述の構成とし運転することにより、従来の設備に比し次のような優れた効果が得られる。
（第１の効果）駆動流体の流れを蒸気タービン次いで混合流体タービン（蒸気及び燃焼ガスの混合流体を駆動流体とする）とし高圧高温化し、混合流体タービン排気を低圧（高真空度）復水器に導入する高効率の新熱サイクルの適用によりプラント効率（発電端基準）が向上する。燃料の酸化剤を空気ではなく酸素とし昇圧を液体で行うことによる昇圧動力の低減と大量のエネルギー（動力及び熱）を消費する化学吸収式炭酸ガス分離装置の廃止とにより、液体酸素製造動力及び非凝縮ガス加圧動力増分が発生するが、所内消費動力が低減する。以上によりプラント効率（正味）が従来方式より５〜１０％向上する。
（第２の効果）化学吸収式炭酸ガス分離回収装置の廃止により、大幅に簡素化されコンパクトな、信頼性の高い、経済的な動力発生設備となる。
（第３の効果）化学吸収式炭酸ガス分離回収装置の廃止により、炭酸ガス分離回収のためのエネルギー（動力及び熱）消費量が低減する。
（第４の効果）化学吸収式炭酸ガス分離回収装置の廃止により、炭酸ガス分離に必要な炭酸ガス吸収剤（アミノ酸塩、アミン等のアルカリ性化学薬品）が不要となる。
（第５の効果）化学吸収式炭酸ガス分離回収装置の廃止により炭酸ガス分離に必要な炭酸ガス吸収剤の溶液が不要となり、廃液処理の問題がない。
（第６の効果）化学吸収式炭酸ガス分離回収装置の廃止により、その設置に必要な広大な敷地が不要となり、動力発生設備の立地が容易になる。
（第７の効果）燃料の酸化剤として酸素を使用することにより大気汚染物質である窒素酸化物（ＮＯＸ）及びオゾン層破壊物質である亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）が発生しない。
【００１７】
前記第１の効果が得られる理由は次のように説明される。
【００１８】
本発明の第一の実施例に対応する概略の温度−エントロピー線図（Ｔ−Ｓ線図）図４に示す。蒸気発生装置で発生した高圧高温蒸気は蒸気タービンに導入され高圧燃焼器圧力まで膨張し該タービンを駆動し動力を発生し（図中斜線部蒸気タービンに相当する）、高圧混合流体タービン燃焼器において系外から供給される燃料を系外から供給される酸素で燃焼した燃焼ガスとの直接混合により高圧混合流体タービンの許容する高温の駆動流体となり高圧混合流体タービンで膨張し該タービンを駆動し動力を発生し（図中斜線部高圧混合流体タービンに相当する）、高圧混合流体タービン排気は蒸気発生装置から導入される燃焼排ガス及び系外から供給される燃料を系外から供給される酸素で燃焼した燃焼ガスとの直接混合による高温の混合流体となり中圧混合流体タービンに導入され膨張し該タービンを駆動して動力を発生し（図中斜線部中圧混合流体タービンに相当する）、中圧混合流体タービン排気は低圧混合流体タービンに導入され復水器圧力まで膨張し該タービンを駆動して動力を発生する（図中斜線部低圧混合流体タービンに相当する）。復水器圧力は復水器が冷却水により冷却水温度プラスα（通常３〜８℃）に冷却され、非凝縮ガスが連続排出されることにより復水器温度に対応する飽和蒸気圧の高真空度に維持される。このように蒸気発生装置により発生した超高圧高温蒸気を、蒸気タービンで膨張して仕事をさせ（一次動力の発生）、低温になった該排気を燃料の酸素燃焼による燃焼ガスと直接混合して高温混合流体となし高圧混合流体タービンで膨張して仕事をさせ（二次動力の発生）、低温になった該混合流体タービン排気と蒸気発生装置からの燃焼排ガスと燃料の酸素燃焼による燃焼ガスを直接混合して中圧高温混合流体となし中圧混合流体タービンで膨張して仕事をさせ（三次動力の発生）、該中圧混合流体タービン排気を低圧タービンに導入し高真空度の復水器圧力まで膨張して仕事をさせる（４次動力の発生）ので高圧高温多段再燃効果（復水器損失の相対的減少）による高い発電効率が得られる。燃焼ガスと蒸気の混合した駆動流体を器内圧力の低い（高真空度）復水器に導入し膨張比を大きくすることにより低圧混合流体タービンの仕事量が増加する。因みに従来のガスタービン複合発電設備におけるガスタービン燃焼ガスは排熱回収蒸気発生装置を経てほぼ大気圧で相対的に高温（通常約２００〜８０℃）の状態で大気に放出される。また蒸気発生装置は高圧高温蒸気を発生させるだけでなく、加圧燃焼方式としてその燃焼排ガスは中圧燃焼器発生燃焼ガスと直接混合し高温化し中圧混合流体タービン駆動流体となし動力発生に利用される。また各混合流体タービン駆動流体の入口温度はそれぞれ許容最高温度とし高圧混合流体タービン入口圧力は低圧混合流体タービン排気が復水器圧力まで膨張し若干の湿り度を有する飽和蒸気になるように最適化される。このように蒸気タービン、高圧混合流体タービン、中圧混合流体タービン、低圧混合流体タービン及び復水器を設置し運転条件を最適化することにより、排熱回収蒸気発生装置の燃焼排ガス損失が発生せず復水器熱損失が減少し、プラント効率が向上する。液体酸素製造動力及び非凝縮ガス加圧動力増分が発生するが、化学吸収式炭酸ガス分離装置の廃止により所内消費動力が低減する。
【００１９】
本発明の第二の実施例に対応する概略の温度−エントロピー線図（Ｔ−Ｓ線図）を図６に示す。第二の実施例の第一の実施例との相違点は、高圧混合流体タービンを廃止し、蒸気タービン排気を中圧燃焼器燃焼ガスと混合して中圧混合流体タービン入口駆動流体温度を該タービン許容最高温度にし、圧力を駆動流体が低圧混合流体タービンで復水器圧力まで膨張して若干の湿り度有する状態になるように設定する。このように中圧混合流体タービン入口駆動流体条件を設定することにより混合流体タービンの最高効率を得ることができる。高圧混合流体タービンの廃止により蒸気タービンの排気圧力を下げ蒸気タービンの膨張比を大きくすることにより蒸気タービンの仕事量が増え効率が向上する。このように蒸気タービン、中圧混合流体タービン及び低圧混合流体タービンを設置し運転条件を最適化することにより、排熱回収蒸気発生装置の燃焼排ガス損失が発生せず復水器熱損失が減少し、プラント効率が向上する。液体酸素製造動力及び非凝縮ガス加圧動力増分が発生するが、化学吸収式炭酸ガス分離装置の廃止により所内消費動力が低減する。
【００２０】
本発明の第三の実施例に対応する概略の温度−エントロピー線図（Ｔ−Ｓ線図）を図８に示す。第三の実施例の第二の実施例との相違点は、蒸気発生装置及び蒸気タービンを廃止して、混合流体タービンの抽気により加熱した給水またはそれを減圧弁により蒸気となし中圧燃焼器燃焼ガスと混合して中圧混合流体タービン入口駆動流体温度を該タービン許容最高温度にし、圧力を駆動流体が低圧混合流体タービンで復水器圧力まで膨張して若干の湿り度有する状態になるように設定する。このように中圧混合流体タービン及び低圧混合流体タービンを設置し運転条件を最適化することにより、排熱回収蒸気発生装置の燃焼排ガス損失が発生せず復水器熱損失が減少し、プラント効率が向上する。液体酸素製造動力及び非凝縮ガス加圧動力増分が発生するが、化学吸収式炭酸ガス分離装置の廃止により所内消費動力が低減する。
【００２１】
前記第２の効果が得られる理由は次のように説明される。
【００２２】
本発明は蒸気または水と燃焼器において酸素燃焼により発生した燃焼ガスを混合して混合流体タービンの駆動流体としその排気を復水器に導入し冷却し、混合流体中の蒸気を凝縮させ液体にすることにより、炭酸ガスを主成分とする非凝縮ガスを分離回収する。したがって、従来方式で使用される大型化学プラントである化学吸収式炭酸ガス分離回収装置及び煙突が不要になる。本発明では酸素製造のための空気分離装置が必要であるが、動力発生設備が簡素化され、大きな建設費を必要とする化学吸収式炭酸ガス分離回収装置が不要になることにより設備がコンパクトになり経済的な信頼性の高い設備となる。
【００２３】
前記第３の効果が得られる理由は次のように説明される。
【００２４】
本発明は蒸気または水と酸素燃焼により発生した燃焼ガスを燃焼器において混合し混合流体タービンの駆動流体とし動力を発生させ、その排気を復水器に導入し冷却し、混合流体中の蒸気を凝縮させ液体にすることにより、炭酸ガスを主成分とする非凝縮ガスを分離回収する。したがって従来の大量の燃焼ガスを化学的処理するため多くの大型機器で構成される化学吸収式炭酸ガス回収装置が不要である。すなわち化学吸収式炭酸ガス回収装置において必要である燃焼ガスの昇圧送風機、吸収液及び再生液循環ポンプ、熱水供給ポンプ、燃焼排ガス及び炭酸ガス冷却水ポンプ等の消費動力および吸収液に吸収された炭酸ガスの加熱分離に要する大量の熱エネルギー等が不要となり、本発明では酸素製造のため空気分離装置における動力及び非凝縮ガスの圧縮動力増加が必要になるが、炭酸ガス分離回収に消費するエネルギー量が減少する。
【００２５】
前記第４の効果が得られる理由は次のように説明される。
【００２６】
本発明は蒸気と燃焼器において酸素燃焼により発生した燃焼ガスを混合して混合流体タービンの駆動流体としその排気を復水器に導入し冷却し、混合流体中の蒸気を凝縮させ液体にすることにより、炭酸ガスを主成分とする非凝縮ガスを分離回収する。したがって従来の化学吸収式炭酸ガス回収装置が不要であり、炭酸ガス吸収剤（アミノ酸塩、アミン、炭酸カリ等のアルカリ性薬品）が不要である。
【００２７】
前記第５の効果が得られる理由は次のように説明される。
【００２８】
本発明は蒸気と燃焼器において酸素燃焼により発生した燃焼ガスを混合して混合流体タービンの駆動流体としその排気を復水器に導入し冷却し、混合流体中の蒸気を凝縮させ液体にすることにより、炭酸ガスを主成分とする非凝縮ガスを分離回収する。したがって化学吸収式炭酸ガス回収装置で使用される炭酸ガス吸収剤（アミノ酸塩、アミン、炭酸カリ等のアルカリ性薬品）溶液用の水が不要となり廃水が発生しない。
【００２９】
前記第６の効果が得られる理由は次のように説明される。
【００３０】
本発明は蒸気または水と燃焼器において酸素燃焼により発生した燃焼ガスを混合して混合流体タービンの駆動流体としその排気を復水器に導入し冷却し、混合流体中の蒸気を凝縮させ液体にすることにより、炭酸ガスを主成分とする非凝縮ガスを分離回収する。したがって大型機器で構成され広い敷地面積（おおよそ動力発生設備と同等の敷地面積）を必要とする化学吸収式炭酸ガス回収装置および煙突が不要となり、設備建設に必要な敷地面積が大きく減少しその立地が容易になる。
【００３１】
前記第７の効果が得られる理由は次のように説明される。
【００３２】
従来方式では燃料の酸化剤として空気（窒素約７０％酸素約２１％アルゴン約０．９％で構成される）を使用し高温燃焼していたので大気汚染物質である窒素酸化物（ＮＯx）及びオゾン層破壊物質である亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）が生成され煙突から大気に放出されていたが、燃料の酸化剤として酸素を使用し（酸素燃焼）、さらに復水器において非凝縮ガスを分離回収するので窒素酸化物及び亜酸化窒素が生成されることもなく大気に放出されることもない。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】ガスタービン複合発電設備に炭酸ガス分離回収装置を設置した従来型炭酸ガス回収発電設備のシステム図である。
【図２】同発電設備の温度−エントロピー線図（Ｔ−Ｓ線図）である。
【図３】本発明の第一の実施例を示す動力発生設備のシステム図である。
【図４】同動力発生設備の温度−エントロピー線図（Ｔ−Ｓ線図）である。
【図５】本発明の第二の実施例を示す動力発生設備のシステム図である。
【図６】同動力発生設備の温度−エントロピー線図（Ｔ−Ｓ線図）である。
【図７】本発明の第三の実施例を示す動力発生設備のシステム図である。
【図８】同動力発生設備の温度−エントロピー線図（Ｔ−Ｓ線図）である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下に本発明の炭酸ガスを主成分とする非凝縮ガス回収動力発生設備実施の形態を詳細に説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品、寸法、配置、固定方法などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる例示に過ぎない。
【実施例１】
【００３５】
以下に第一の実施例について説明する。
【００３６】
図３は本発明の第一の実施例の動力発生設備の基本構成を示す。図３において１は蒸気発生装置燃焼器、２は蒸気発生装置、３は蒸気管、４は蒸気タービン、５は蒸気タービン排気管、６は高圧燃焼器、７は高圧混合流体タービン、８は高圧混合流体タービン冷却蒸気管、９は高圧混合流体タービン排気管、１０は蒸気発生装置燃焼排ガス管、１１は中圧燃焼器、１２は中圧混合流体タービン、１３は中圧混合流体タービン冷却管、１４は中圧混合流体タービン排気管、１５は低圧混合流体タービン、１６は発電機、1７は４蒸気タービン、７高圧混合流体タービン、１２中圧混合流体タービン、１５低圧混合流体タービン及び１５発電機を連結するタービン発電機車軸、１８は復水器、１９は非凝縮ガス吸込み管、２０は非凝縮ガス圧力制御弁、２１は非凝縮ガス圧縮機、２２は非凝縮ガス送気管、２３は復水浄化処理装置、２４は復水ポンプ、２５は低圧給水管、２６は回収水排出制御弁、２７は回収水排出管、２８は低圧給水加熱器、２９は低圧給水加熱器抽気管、３０は低圧給水加熱器ドレン管、３１は給水ポンプ、３２は高圧給水加熱器、３３は高圧給水加熱器抽気管、３４は高圧給水加熱器ドレン管、３５は給水管、３６は燃料供給母管、３７は酸素供給母管、３８は蒸気発生装置燃料供給管、３９は同燃料制御弁、４０は同酸素供給管、４１は同酸素制御弁、４２は同燃料酸素比率設定器、４３は高圧燃焼器燃料供給管，４４は同燃料制御弁、４５は同酸素供給管、４６は酸素制御弁、４７は同燃料酸素比率設定器、４８は中圧燃焼器燃料供給管，４９は同燃料制御弁、５０は同酸素供給管、５１は酸素制御弁、５２は同燃料酸素比率設定器、である。
【００３７】
以下に第一の実施例における設備構成の動作を説明する。蒸気発生装置燃焼器１において系外から供給される燃料を系外から供給される酸素で燃焼して発生した燃焼ガスと高圧混合流タービン７排気の混合流体を加熱源として蒸気発生装置２で発生した高圧高温蒸気(例えば、３５ＭＰａ×６５０℃の蒸気)は蒸気管３を経て蒸気タービン４に供給され、高圧燃焼器６の入口圧力（例えば、１０ＭＰａ）まで膨張し機械エネルギーとなって該蒸気タービンを駆動し動力を発生し、蒸気タービン排気管５により高圧混合流体タービン燃焼器（以下高圧燃焼器と呼称する６）に導入される。蒸気発生装置２における蒸発量すなわち給水量はプラント負荷（必要出力）に応じて制御されるか高圧混合流体タービン入口流体温度が所定温度になるように制御される。
【００３８】
高圧燃焼器６において、前記の蒸気タービン排気は系外から供給される燃料（例えば,天然ガス等の炭化水素系燃料）が系外から燃料の酸化剤として供給される酸素により燃焼して発生する燃焼ガスと混合し高温（例えば、１６００℃）の蒸気燃焼ガスの混合流体となり、高圧混合流体タービン７に導入され、中圧燃焼器１１圧力まで膨張し機械エネルギーとなって該タービンを駆動し動力を発生する。前記蒸気タービン４より抽気された一部の蒸気は蒸気冷却管８により供給され高圧混合流体タービン７の高温要素（たとえば、燃焼器や高温翼）を冷却した後高圧燃焼器６に投入され高圧混合流体タービン駆動流体となる。
【００３９】
前記高圧燃焼器６に供給される燃料量は前記蒸気タービン４排気と混合後の蒸気燃焼ガス混合流体の温度が高圧混合流体タービン７の最高許容温度以下の所定温度(例えば、１６００℃)になるように制御されるかプラント負荷に応じて制御され、酸素供給量は燃料供給量と理論当モル比近傍になるように制御される。このようにして高圧混合流体タービン駆動流体は、水蒸気及び炭酸ガスを主成分とし、ごく微少量の酸素、またはメタンまたは一酸化炭素または水素及びアルゴン等の物質を含む混合流体である。
【００４０】
高圧混合流体タービン７排気は蒸気発生装置燃焼器１に導入され、系外から供給される燃料が系外から燃料酸化剤として供給される酸素により燃焼して発生する燃焼ガスと混合し高温混合流体となり、蒸気発生装置２に導入され給水の加熱源となり前記の蒸気を発生した後、蒸気発生装置排気管１０により中圧燃焼器１１に導入され、中圧燃焼器１１において系外から供給される燃料が系外から燃料酸化剤として供給される酸素により燃焼して発生する燃焼ガスと混合し高温（混合流体が低圧混合流体タービンにおいて復水器１８の入口圧力まで膨張し排気が若干の湿り度を持つ飽和温度となる温度）の混合流体となり、中圧混合流体タービン１２に導入され膨張し機械エネルギーとなって該タービンを駆動し動力を発生する。前記高圧混合流体タービン７より抽気された一部の混合流体は中圧混合流体タービン冷却管１３により中圧混合流体タービン１２に導入されその高温要素（たとえば、燃焼器や高温翼）を冷却した後中圧燃焼器１１に投入され中圧混合流体タービン１２の駆動流体となる。
【００４１】
中圧混合流体タービンで膨張して仕事をした混合流体は低圧(例えば、０．５ＭＰa)となり、中圧混合流体タービン排気管１４を経て低圧混合流体タービン１５に供給され、復水器圧力(例えば、０．００５ＭＰａ)まで膨張し機械エネルギーとなって動力を発生し、排気は復水器１８に導入される。中圧混合流体タービンまたは低圧混合流体タービン入口及びその中間段より抽気した混合流体は、それぞれ高圧給水加熱器抽気管３３及び低圧給水加熱器抽気管２９を経て高圧給水加熱器３２及び低圧給水加熱器３１に供給され蒸気発生装置２に供給される給水を加熱する。本発明の実施の形態では、蒸気タービン４、高圧混合流体タービン７、中圧混合流体タービン１２、低圧混合流体タービン１５及び発電機１６がタービン発電機車軸１７により一軸で結合され、発電機を駆動し電力を発生する例を示している。中圧混合流体タービンの入口圧力が高くない(例えば、３ＭＰａ以下)場合や中圧タービン容量が大きくない(例えば３００MW以下)場合は、中圧タービンと低圧タービンを一体化することもできる。
【００４２】
復水器には非凝縮ガス吸込み管１９、非凝縮ガス圧力制御弁２０、非凝縮ガス圧縮機２１及び非凝縮ガス送気管２２等より構成される非凝縮ガス回収装置が装備される。低圧混合流体タービン１５排気は復水器１８器内圧力まで膨張し若干の湿り度を持つ飽和流体となって復水器に流入し、冷却され水蒸気は潜熱を冷却水に放出して凝縮し水になるので、非凝縮ガスが受動的に分離される。非凝縮ガスは非凝縮ガス圧縮機２１により非凝縮ガス送気管２２を経て系外に回収され、非凝縮ガス吸込み管１９における吸込み圧力は復水器圧力と同等圧力になるように非凝縮ガス圧力制御弁２０により制御される。このように非凝縮ガスの連続排出により、復水器１８の器内圧は復水器冷却水温度プラスα(通常３〜８℃)の温度に対応する飽和圧力に保持される。
【００４３】
復水器１８で凝縮した復水は復水浄化処理装置２３において必要な水質になるように処理され、復水ポンプ２４で昇圧され、蒸気発生装置燃焼器１及び高圧燃焼器７及び中圧燃焼器７において燃料の燃焼により生成される蒸気量に相当する余剰水は回収水制御弁２６により制御され回収水排出管２７を経て系外に回収され、残りはサイクル流体として低圧給水管２５を経て低圧給水加熱器２８に供給される。
【００４４】
低圧混合流体タービン１５の比較的低温部より抽気し低圧給水加熱器抽気管２９を経て低圧給水加熱器２８へ供給される相対的に低温の混合流体及び高圧給水加熱器ドレン管３４より流入する高圧給水加熱器ドレンを加熱源として低圧給水が加熱され、低圧給水加熱器ドレンは低圧給水加熱器ドレン管３０を経て復水器１８に回収される。加熱された低圧給水は給水ポンプ３１により蒸気タービン４の入口蒸気が所定の圧力になるように昇圧され高圧給水加熱器３２に供給され、低圧混合流体タービン入口ないしはその高温部から抽気し高圧給水加熱器抽気管３３を経て供給される相対的に高温の混合流体を加熱源として所定温度に加熱され給水管３５を経て蒸気発生装置２へ供給される。
【００４５】
このように、本発明の第一の実施例の動力発生設備は、高圧給水が供給され、酸素燃焼による燃焼ガスを加熱源とする蒸気発生装置により発生した高圧高温蒸気で駆動される蒸気タービンと、蒸気タービン排気と高圧燃焼器で発生する酸素燃焼ガスが混合した高圧高温の混合流体で駆動される高圧混合流体タービンと、蒸気発生装置からの燃焼排ガス（混合流体）と中圧燃焼器で発生する酸素燃焼ガスが混合した混合流体で駆動される中圧混合流体タービンと、中圧混合流体タービン排気を駆動流体とする低圧混合流体タービンと、これらのタービンと同一軸で連結され駆動される発電機で構成され、炭酸ガスを主成分とする非凝縮ガスを水蒸気の凝縮により分離する復水器を設置した動力発生設備である。
【実施例２】
【００４６】
以下に第二の実施例について説明する。
【００４７】
図５は本発明の第二の実施例の非凝縮ガス回収動力発生設備の基本構成を示す。図５において１は蒸気発生装置燃焼器、２は蒸気発生装置、３は蒸気管、４は蒸気タービン、５は蒸気タービン排気管、１０は蒸気発生装置排気管、１１は中圧燃焼器、１２は中圧混合流体タービン、１３は中圧混合流体タービン冷却管、１４は中圧混合流体タービン排気管、１５は低圧混合流体タービン、１６は発電機、1７は４高圧蒸気タービン、１２中圧混合流体タービン、１５低圧混合流体タービン及び１６発電機を連結する車軸、１８は復水器、１９は非凝縮ガス吸込み管、２０は非凝縮ガス圧力制御弁、２１は非凝縮ガス圧縮機、２２は非凝縮ガス送気管、２３は復水浄化処理装置。２４は復水ポンプ、２５は低圧給水管、２６は回収水排出制御弁、２７は回収水排出管、２８は低圧給水加熱器、２９は低圧給水加熱器抽気管、３３は低圧給水加熱器ドレン管、３１は給水ポンプ、３２は高圧給水加熱器、３３は高圧給水加熱器抽気管、３４高圧給水加熱器ドレン管、３５は給水管、３６は燃料供給母管、３７は酸素供給母管、３８は蒸気発生装置燃料供給管、３９は同燃料制御弁、４０は同酸素供給管、４１は同酸素制御弁、４２は同燃料酸素比率設定器、４８は中圧燃焼器燃料供給管、４９は同燃料制御弁、５０は同酸素供給管、５１は酸素制御弁、５２は同燃料酸素比率設定器、である。このように本発明の第二の実施形態の動力発生設備の第一の実施形態の動力発生設備との基本的違いは、高圧燃焼器及び高圧混合流体タービンを設置していないことである。
【００４８】
以下に第二の実施例における設備構成の動作を説明する。蒸気発生装置燃焼器１において系外から供給される燃料を系外から供給される酸素で燃焼して発生した燃焼ガスと中圧混合流体タービン排気の混合流体を加熱源として蒸気発生装置２で発生した高圧高温蒸気(例えば、３５ＭＰａ×６５０℃の蒸気)は蒸気管３を経て蒸気タービン４に供給され、中圧燃焼器６の入口圧力（例えば、３〜８ＭＰａ）まで膨張し機械エネルギーとなって該蒸気タービンを駆動し動力を発生し、蒸気タービン排気管５により中圧燃焼器１１に導入される。
【００４９】
中圧燃焼器１１において、前記の高圧蒸気タービン排気は系外から供給される燃料（例えば,天然ガス等の炭化水素系燃料）が系外から燃料酸化剤として供給される酸素により燃焼して発生する燃焼ガスと混合し高温（例えば、１６００℃）の蒸気燃焼ガスの混合流体となり、中圧混合流体タービン１２に導入されほぼ低圧混合流体タービン１５入口圧力まで膨張し機械エネルギーとなって該タービンを駆動し動力を発生する。中圧混合流体タービン入口圧力は、混合流体が低圧混合流体タービンにおいて復水器１８器内圧力まで膨張し排気が若干の湿り度を持つ飽和温度となる圧力に設定される。前記蒸気タービン４より抽気された一部の蒸気は蒸気冷却管１３により中圧混合流体タービン１２に導入されその高温要素（たとえば、燃焼器や高温翼）を冷却した後中圧燃焼器１１に投入され中圧混合流体タービン駆動流体となる。
【００５０】
前記中圧燃焼器１１に供給される燃料量は、プラント負荷に応じまたはその発生燃焼ガスと前記蒸気タービン４排気の混合後の温度が中圧混合流体タービン１２の最高許容温度以下の所定温度になるように供給され、酸素供給量は燃料量と理論当モル比またはその近傍に制御される。このように中圧混合流体タービン駆動流体は、水蒸気及び炭酸ガスを主成分とし、ごく微少量の酸素、またはメタンまたは一酸化炭素または水素及びアルゴン等の物質を含む混合流体である。
【００５１】
中圧混合流体タービン１２の排気は前記のように蒸気発生装置燃焼器１に供給され、ここで系外から供給される燃料と同じく系外から供給される酸素との燃焼により発生する燃焼ガスと混合し、蒸気発生のための加熱源として蒸気発生装置２に導入される。蒸気発生装置２からの燃焼排ガスは蒸気発生装置排気管１０により低圧混合流体タービン１５に導入されその駆動流体となる。
【００５２】
低圧混合流体タービン１５に供給された混合流体は、復水器圧力(例えば、０．００５ＭＰａ)まで膨張し機械エネルギーとなって動力を発生し、排気は復水器１８に導入される。中圧混合流体タービンまたは低圧混合流体タービン入口及び低圧混合流体タービン中間段より抽気した混合流体は、それぞれ高圧給水加熱器抽気管３３及び低圧給水加熱器抽気管２９を経て高圧給水加熱器及び低圧給水加熱器に供給され蒸気発生装置２に供給される給水を加熱する。本発明の実施の形態では、蒸気タービン４、中圧混合流体タービン１２、低圧混合流体タービン１５及び発電機１６がタービン発電機車軸１７により一軸で結合され、発電機を駆動し電力を発生する例を示している。中圧タービンの入口圧力が高くない(例えば、３ＭＰａ以下)場合や中圧及び低圧混合流体タービン容量が大きくない(例えば３００MW以下)場合は、中圧混合流体タービンと低圧混合流体タービンを一体化する。
【００５３】
復水器には非凝縮ガス吸込み管１９、非凝縮ガス圧力制御弁２０、非凝縮ガス圧縮機２１及び非凝縮ガス送気管２２等より構成される非凝縮ガス回収装置が装備される。低圧混合流体タービン１５排気は復水器１８器内圧力まで膨張し若干の湿り度を持つ飽和流体となって復水器に流入し、冷却され水蒸気は潜熱を冷却水に放出して凝縮し水になり、非凝縮ガスが受動的に分離される。非凝縮ガスは非凝縮ガス圧縮機２０により非凝縮ガス送気管２２を経て系外に回収され、非凝縮ガス吸込み管１９における吸込み圧力は復水器圧力と同等圧力になるように非凝縮ガス圧力制御弁２０により制御される。このように復水器１８の内圧は復水器冷却水温度プラスα(通常３〜８℃)の温度の飽和圧力に保持される。
【００５４】
復水器１８で凝縮した復水は復水浄化処理装置２３において必要な水質になるように処理され、復水ポンプ２４で昇圧され、蒸気発生装置燃焼器１及び中圧燃焼器１１において燃料の燃焼により生成される蒸気量に相当する余剰水は回収水制御弁２６により制御され回収水排出管２７を経て系外に回収され、残りはサイクル流体として低圧給水管２５を経て低圧給水加熱器２８に供給される。
【００５５】
低圧混合流体タービン１５の比較的低温部より抽気し低圧給水加熱器抽気管２９を経て低圧給水加熱器２８へ供給される相対的に低温の混合流体及び高圧給水加熱器ドレン管３４より流入する高圧給水加熱器ドレンを加熱源として低圧給水が加熱され、低圧給水加熱器ドレンは低圧給水加熱器ドレン管３０を経て復水器１８に回収される。加熱された低圧給水は給水ポンプ３１により蒸気タービン４の入口蒸気が所定の圧力になるように昇圧され高圧給水加熱器３２に供給され、中圧混合流体タービンまたは低圧混合流体タービン入口ないしはその高温部から抽気し高圧給水加熱器抽気管３３を経て供給される相対的に高温の混合流体を加熱源として所定温度に加熱され給水管３５を経て蒸気発生装置２へ供給される。
【００５６】
このように、本発明の第二の実施例の動力発生設備は、酸素燃焼による燃焼ガスと中圧混合流体タービン排気の混合流体を高圧給水の加熱源とする蒸気発生装置により発生した高圧高温蒸気で駆動される蒸気タービンと、蒸気タービン排気と中圧燃焼器で発生する酸素燃焼ガスが混合した高圧高温の混合流体で駆動される中圧混合流体タービンと、中圧混合流体タービン排気と蒸気発生装置からの酸素燃焼排ガスの混合流体を加熱源とする蒸気発生装置からの排ガス(混合流体)を駆動流体とする低圧混合流体タービンと、これらのタービンと同一軸で連結され駆動される発電機と、炭酸ガスを主成分とする非凝縮ガスを水蒸気の凝縮により分離する復水器を設置した動力発生設備である。
【実施例３】
【００５７】
以下に本発明の第三の実施例について説明する。
【００５８】
図７は本発明の第三の実施例の動力発生設備の基本構成を示す。図７において３５は給水管、５３は給水減圧弁、１１は中圧燃焼器、１２は中圧混合流体タービン、１３は中圧混合流体タービン冷却管、１４は中圧混合流体タービン排気管、１５は低圧混合流体タービン、１６は発電機、1７は中圧混合流体タービン、低圧混合流体タービン及び発電機を連結するタービン発電機車軸、１８は復水器、１９は非凝縮ガス吸込み管、２０は非凝縮ガス圧力制御弁、２１は非凝縮ガス圧縮機、２２は非凝縮ガス送気管、２３は復水浄化装置。２４は復水ポンプ、２５は低圧給水管、２６は回収水排出制御弁、２７は回収水排出管、２８は低圧給水加熱器、２９は低圧給水加熱器抽気管、３３は低圧給水加熱器ドレン管、３１は給水ポンプ、３２は高圧給水加熱器、３３は高圧給水加熱器抽気管、３４高圧給水加熱器ドレン管、３５は給水管、３６は燃料供給母管、３７は酸素供給母艦、４８は中圧燃焼器燃料供給管，４９は同燃料制御弁、５０は同酸素供給管、５１は酸素制御弁、５２は同燃料酸素比率設定器、である。このように本発明の第三の実施形態の動力発生設備の前記第二の実施形態との基本的な違いは、蒸気発生装置及び蒸気タービンを設置していないことである。
【００５９】
以下に第三の実施例における設備構成の動作を説明する。中圧混合流体タービン１２の入口混合流体温度を制御する給水は、給水ポンプ３１により昇圧され給水加熱器３２で加熱され高温水または蒸気となって中圧燃焼器１１に導入される。高圧高温水の場合は給水管３５に装備された給水減圧弁５３により中圧燃焼器１１圧力まで減圧され蒸気となって中圧燃焼器１１に導入される。
【００６０】
中圧燃焼器１１において、前記の蒸気または給水は系外から供給される燃料（例えば、天然ガス等の炭化水素系燃料）が系外から燃料酸化剤として供給される酸素により燃焼して発生する燃焼ガスと混合し高温（例えば、１６００℃）の蒸気燃焼ガスの混合流体となり、中圧混合流体タービン１２に導入され低圧混合流体タービン１５入口圧力まで膨張し機械エネルギーとなって該タービンを駆動し動力を発生する。中圧混合流体タービン入口圧力は、混合流体が低圧混合流体タービンにおいて復水器１８器内圧力まで膨張し排気が若干の湿り度を持つ飽和温度となる圧力に設定される。前記給水の減圧により発生した蒸気の一部は蒸気冷却管１３により中圧混合流体タービン１２に導入されその高温要素（たとえば、高温翼や燃焼器）を冷却した後中圧燃焼器１１に投入され中圧混合流体タービン駆動流体となる。
【００６１】
前記中圧燃焼器１１に供給される給水の減圧等により発生した蒸気または給水の供給量は発電設備の負荷に応じまたは中圧混合流体タービン入口温度が所定の温度になるように制御され、燃料量は燃焼器において系外から供給される燃料（例えば、天然ガス等の炭化水素系燃料）が系外から燃料酸化剤として供給される酸素により燃焼して発生する酸素燃焼ガスと前記の蒸気または給水が混合した混合流体の中圧混合流体タービン入口温度が最高許容温度以下の所定の温度になるようにまたは発電設備の負荷に応じ制御される。また酸素供給量は燃料量と理論当モル比またはその近傍に制御される。このように中圧混合流体タービン駆動流体は、水蒸気及び炭酸ガスを主成分とし、ごく微少量の酸素、またはメタンまたは一酸化炭素または水素及びアルゴン等の物質を含む混合流体である。
【００６２】
中圧混合流体タービン１２の排気は中圧混合流体タービン排気管を経て低圧混合流体タービンに導入されその駆動流体となる。
【００６３】
低圧混合流体タービンに供給された混合流体は、復水器圧力(例えば、０．００５ＭＰａ)まで膨張し機械エネルギーとなって動力を発生し、排気は復水器に導入される。中圧混合流体タービンまたは低圧混合流体タービン入口及び低圧混合流体タービン中間段より抽気した混合流体は、それぞれ高圧給水加熱器抽気管３３及び低圧給水加熱器抽気管２９を経て高圧給水加熱器及び低圧給水加熱器に供給され蒸気発生装置２に供給される給水を加熱する。本発明の実施の形態では、中圧混合流体タービン１２、低圧混合流体タービン１５及び発電機１６がタービン発電機車軸１７により一軸で結合され、発電機を駆動し電力を発生する例を示している。中圧混合流体タービンの入口圧力が高くない(例えば、８ＭＰａ以下)場合や中圧及び低圧混合流体タービン容量が大きくない(例えば３００MW以下)場合は、中圧混合流体タービンと低圧混合流体タービンを一体化することもできる。このように本発明の第三の実施形態は蒸気発生装置及び蒸気タービンを設置せず、高温高圧の混合流体を復水器圧力まで膨張させ高い発電効率を得ると共に復水器において非凝縮ガスを分離回収する簡潔な動力発生設備である。
【実施例４】
【００６４】
（実施例１）の動力発生設備において、前記蒸気発生装置から供給される燃焼ガスを第二の混合流体タービン排気と混合して第三の混合流体タービンの駆動流体とする動力発生装置。（実施例１）の動力発生設備と比較しプラント効率が僅かに低下するが、蒸気発生装置の加熱側圧力が低下するので蒸気発生装置の設備費が低下する。
【実施例５】
【００６５】
（実施例２）の動力発生設備において、第一の燃焼器において蒸気タービン排気と前記蒸気発生装置から供給される燃焼ガスと酸素を燃料酸化剤として燃焼した燃焼ガスとを混合し、第一の混合流体タービンの駆動流体とする動力発生設備。（実施例２）の動力発生設備と比較しプラント効率が上昇するが、蒸気発生装置の加熱側圧力が増加するので蒸気発生装置の設備費が増加する。
【実施例６】
【００６６】
（実施例１）、（実施例２）、（実施例３）、（実施例４）及び（実施例５）において、給水量を動力発生設備の負荷（出力）に応じて制御し、蒸気発生装置出口蒸気温度が所定の温度になるように蒸気発生装置燃焼器への燃料供給量を制御し、混合流体タービン入口の混合流体温度が所定温度になるように第一及び第二燃焼器への燃料供給量を制御することを特徴とする動力発生設備。
【実施例７】
【００６７】
（実施例１）、（実施例２）、（実施例３）、（実施例４）及び（実施例５）において、第一燃焼器への燃料供給量を動力発生設備の負荷（出力）に応じて制御し、蒸気発生装置への給水量を第一混合流体タービン入口混合流体温度が所定温度になるように制御し、蒸気発生装置出口蒸気温度が所定の温度になるように蒸気発生装置燃焼器への燃料供給量を制御し、第二燃焼器への燃料供給量を第二混合流体タービン入口混合流体温度が所定温度になるように制御することを特徴とした動力発生設備。
【実施例８】
【００６８】
（実施例１）、（実施例２）、（実施例３）、（実施例４）及び（実施例５）において、酸素供給量を燃料供給量の理論当モル比またはその近傍の一定比率となるように制御することを特徴とした動力発生設備。
【実施例９】
【００６９】
（実施例１）、（実施例２）、（実施例３）、（実施例４）及び（実施例５）において、第一の混合流体タービン入口圧力を、最終の混合流体タービンにおいて復水器圧力まで膨張した混合流体が復水器圧力に対応する若干の湿り度を持つ飽和温度になるように制御することを特徴とした動力発生設備。
【実施例１０】
【００７０】
（実施例１）及び（実施例４）において、第二の混合流体タービン入口温度を、最終の混合流体タービンにおいてが復水器圧力まで膨張した混合流体が復水器圧力に対応する若干の湿り度を持つ飽和温度になるように第二燃焼器への燃料供給量を制御することを特徴とした動力発生設備。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
火力発電及び工場等における固定動力発生設備
【００７２】
化石燃料の燃焼により発生する炭酸ガスの分離回収設備
【符号の説明】
【００７３】
本発明の実施例を示す図３、図５及び図７の符号を以下に説明する。
1 蒸気発生装置燃焼器 28 低圧給水加熱器
2 蒸気発生装置 29 低温抽気管
3 蒸気管 30 低圧給水加熱器ドレン管
4 蒸気タービン 31 給水ポンプ
5 蒸気タービン排気管 32 高圧給水加熱器
6 高圧燃焼器 33 高温抽気管
7 高圧混合流体タービン 34 高圧給水加熱器ドレン管
8 高圧混合流体タービン冷却蒸気管 35 給水管
9 高圧混合流体タービン排気管 36 燃料供給母管
10 蒸気発生装置排気管 37 酸素供給母管
11 中圧燃焼器 38 蒸気発生装置燃料管
12 中圧混合流体タービン 39 蒸気発生装置燃料制御弁
13 中圧合流体タービン冷却管 40 蒸気発生装置酸素管
14 中圧混合流体タービン排気管 41 蒸気発生装置酸素制御弁
15 低圧混合流体タービン 42 蒸気発生装置燃料酸素比率設定器
16 発電機 43 高圧混合流体タービン燃料管
17 タービン発電機車軸 44 高圧混合流体タービン燃料制御弁
18 復水器 45 高圧混合流体タービン酸素管
19 非凝縮ガス吸込み管 46 高圧混合流体タービン酸素制御弁
20 非凝縮ガス圧力制御弁 47 高圧混合流体タービン燃料酸素比率設定器
21 非凝縮ガス圧縮機 48 中圧混合流体タービン燃料管
22 非凝縮ガス送気管 49 中圧混合流体タービン燃料制御弁
23 復水浄化処理装置 50 中圧混合流体タービン酸素管
24 復水ポンプ 51 中圧混合流体タービン酸素制御弁
25 低圧給水管 52 中圧混合流体タービン燃料酸素比率設定器
26 回収水排出制御弁 53 給水減圧弁
27 回収水排出管
【００７４】
本発明の背景技術を示す図１の符号を以下に説明する。
61 空気除塵装置 78 低圧給水管
62 吸込み風道 79 低圧給水加熱器
63 空気圧縮機 80 低温抽気管
64 空気圧縮機出口連結管 81 低圧給水加熱気ドレン管
65 ガスタービン燃焼器 82 給水ポンプ
66 ガスタービン 83 高圧給水加熱器
67 ガスタービン排気管 84 高温抽気管
68 排熱回収蒸気発生装置 85 高圧給水加熱気ドレン管
69 蒸気発生装置出口煙道 86 給水管
70 化学吸収式炭酸ガス回収装置 87 燃料供給管
71 蒸気管 88 燃料制御弁
72 蒸気タービン 89 化学吸収式炭酸ガス回収装置出口排出管
73 発電機 90 炭酸ガス圧力制御弁
74 タービン発電機車軸 91 炭酸ガス圧縮機
75 復水器 92 炭酸ガス送気管
76 復水ポンプ 93 化学吸収式炭酸ガス回収装置出口煙道
77 復水浄化処理装置 94 煙突
【技術分野】
【０００１】
本発明は炭化水素系燃料（以下燃料と呼称する）の酸化剤として酸素を用いる酸素燃焼動力発生設備に係り、蒸気タービンを駆動した水蒸気（排気と呼称する）または加熱器等で加熱された水（給水と呼称する）と燃焼器において酸素燃焼により生成した燃焼ガスを混合した水蒸気と燃焼ガスの混合流体（以下混合流体と呼称する）により混合流体タービンを駆動し動力を発生させ、その排気を復水器に導入し冷却し、混合流体中の水蒸気を凝縮により水（液体）にし、燃焼生成水を回収するとともに、炭酸ガスを主成分とし環境影響物質を含有する非凝縮ガス（気体）を分離回収し、化学吸収式炭酸ガス回収装置を必要としない動力発生設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１に実用化された技術の中で最も高い効率が得られ、また本発明に最も類似していると思われる炭酸ガス回収機能保有ガスタービン複合発電設備（すなわち、発電機を駆動する動力発生設備）のシステム構成を示す。このシステムは、公知のガスタービン複合発電設備に、排熱回収蒸気発生装置６８から排出される燃焼ガス中に含まれる炭酸ガスを分離回収するための化学薬品を吸収剤として使用する化学吸収式炭酸ガス分離回収装置７０が設置された発電設備である。図１に示される従来技術による炭酸ガス分離回収発電設備の特徴及び問題点は次のとおりである。
【０００３】
上記従来の動力発生設備の構成は次のとおりである。
【０００４】
除塵装置６１が装備された吸込み風道６２を経て流入する空気は、ガスタービン６６により駆動される空気圧縮機６３により所定の圧力(通常３ＭＰａ以下)に加圧され、空気圧縮機出口連結管６４を経て、同じく加圧されて供給される燃料（例えば、天然ガス等の炭化水素系燃料）とガスタービン燃焼器６５において混合し燃焼し高温（通常１６００℃以下）燃焼ガスとなりガスタービン６６に導入され、大気圧近傍（おおよそ０．１ＭＰａ）まで膨張し、ガスタービンを駆動し空気圧縮機６３及び発電機７３の駆動動力を発生する。ガスタービン６６から排出される燃焼排ガス（通常ガス温度は７００℃以下）はその保有熱を回収するために排熱回収蒸気発生装置６８に導入され、該排熱回収蒸気発生装置６８に供給される給水を加熱し蒸気を発生し、該蒸気は蒸気管７１を経て蒸気タービン７２に供給され、蒸気タービンにおいて復水器７５器内圧力まで膨張し蒸気タービン７２を駆動し発電機７３駆動動力を発生する。図１に示す従来の動力発生設備（ガスタービン複合発電設備）はガスタービン６６、空気圧縮機６３、蒸気タービン７２及び発電機７３がタービン発電機車軸７４で連結されている一軸型の例を示す。一方排熱回収蒸気発生装置６８からの燃焼排ガス（その温度は通常２００℃以下）は蒸気発生装置出口煙道６９を経て化学吸収式炭酸ガス分離装置７０に導入され、排ガス中の炭酸ガスが化学吸収（アルカリ性化学薬品による吸収）により分離され回収される。回収された炭酸ガスは炭酸ガス回収管８９に装備された炭酸ガス圧力制御弁９０により吸込み圧力を制御し、炭酸ガス圧縮機９１で加圧し、炭酸ガス送気管９２を経て系外に回収し、吸収塔において吸収されなかった炭酸ガス以外の成分、すなわち窒素（Ｎ２）、酸素（Ｏ２）及びアルゴン（Ａｒ）等の空気中の微量成分及び大気汚染物質である窒素酸化物（ＮＯＸ）やオゾン層破壊物質である亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）等の燃焼生成物質を含有する燃焼ガスは化学吸収式炭酸ガス分離装置出口煙道９３を経て煙突９４から大気に放出される。
【０００５】
上記従来の動力発生設備の機能及び問題点は次のとおりである。
【０００６】
前記ガスタービン複合発電設備の温度―エントロピー線図（Ｔ−Ｓ線図）を図２に示す。排熱回収蒸気発生装置を設置しガスタービンの排ガス保有エネルギーを回収して蒸気を発生し、蒸気タービンによる追加的動力発生（図中「蒸気タービンサイクル」と記載）を行う複合サイクルでは、ガスタービンだけの単一サイクルより大きな出力と高いプラント効率（送電端効率）が得られるが（図２において「ガスタービンサイクル」及び「蒸気タービンサイクル」と記入し斜線を施した面積が有効仕事量を示す）、燃焼排ガス保有熱のうち排熱回収蒸気発生装置に回収されない熱損失及び蒸気タービン排気の復水器熱損失（灰色で示す）が生じる。ガスタービン複合発電方式においては、空気圧縮機の圧力比がその製作上制限され（圧力比は通常３０以下）ガスタービン燃焼排ガス温度が高いので、排熱回収蒸気発生装置を設置し排熱回収により発生した蒸気により蒸気タービンを駆動し排熱を利用するが、燃焼排ガスが比較的高温（通常２００〜８０℃）大気圧で大気に放出されることによる熱損失が生じるとともに蒸気タービン駆動蒸気の高温高圧化が制約され蒸気タービン効率が低い欠点がある。
【０００７】
また、ガスタービン燃焼排ガスは炭酸ガスの分離回収のため、排熱回収蒸気発生装置及び蒸気発生装置出口煙道を経て化学吸収式炭酸ガス分離回収装置に導入される。化学吸収式炭酸ガス分離回収装置（その詳細説明及び図等は省略する）において、燃焼排ガスは冷却水ポンプにより供給される冷却水により冷却され、昇圧送風機により昇圧され、炭酸ガス吸収塔に供給され、ここで燃焼ガス中の炭酸ガスは吸収剤と反応し炭酸ガス吸収液（以下吸収液）に固定された状態となり、吸収液循環ポンプにより昇圧され、再生吸収液ポンプにより供給される高温の再生吸収液と熱交換して加熱され、炭酸ガス脱着塔に供給される。炭酸ガス脱着塔で熱水供給ポンプにより供給される熱水により加熱され、炭酸ガスは吸収液から分離放出される。放出された炭酸ガスは炭酸ガス冷却水ポンプにより供給される冷却水により冷却され、湿分が除去され、炭酸ガス圧縮機で所定圧力に加圧され系外に回収され、炭酸ガスを放出した再生吸収液は循環ポンプにより昇圧され前記熱交換器で吸収液と熱交換して低温となり炭酸ガス吸収塔に供給され循環する。一方炭酸ガス吸収塔で吸収されなかった炭酸ガス以外の燃焼排ガス成分は化学吸収式炭酸ガス分離装置出口煙道を経て煙突から大気に放出される。このように化学吸収式炭酸ガス分離装置において、燃焼排ガス昇圧送風機、燃焼排ガス冷却水ポンプ、吸収液循環ポンプ、再生吸収液循環ポンプ、熱水供給ポンプ、炭酸ガス冷却水ポンプ及び炭酸ガス圧縮機等の多数の機器駆動に要する動力及び炭酸ガスの吸収液からの脱着に必要な大量の熱エネルギーを消費する。この動力及び熱エネルギー消費量は、次項に示すようにガスタービンの排ガス量が大きいこととあいまって通常発電設備入熱量の約１２〜２０％に相当し、プラント効率が炭酸ガス吸収分離装置を設置しないプラント効率に比べ通常約１２〜２０％低下する欠点がある。
【０００８】
ガスタービンの空気比すなわちガスタービン圧縮機からガスタービンに導入される空気量の理論空気量に対する比率は、最新型の１６００℃級の高温ガスタービンにおいても２以上、通常２．５〜３.５であるので理論酸素量の約１０倍以上の空気量を必要とし、例えば天然ガス（以下単純化のためその成分をメタンガス１００％と近似する）を燃料とする場合における発生燃焼ガス量は、次の化学反応式に示されるように理論酸素燃焼の場合の約２１/３≒７倍以上（モル数基準）となる。
理論酸素量燃焼の場合の燃焼ガス量は、
ＣＨ４＋２Ｏ２＝ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ
空気比２の空気燃焼により生じる燃焼ガス量は、
ＣＨ４＋２（２（Ｏ２＋７８.１/２０.９Ｎ２＋０.９/２０.９Ａｒ＋空気中湿分））
≒ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ＋２Ｏ２＋１５Ｎ２＋０．７Ａｒ＋４空気中湿分
で示されるように、空気燃焼では酸素燃焼の約７倍以上の大量の燃焼ガス量が発生する。燃焼ガスには燃焼反応により生成される炭酸ガス及び水蒸気のほか、空気中の窒素、燃焼に関与しなかった余剰酸素、空気中のアルゴン及び燃焼過程で発生する窒素酸化物や亜酸化窒素等の微少成分が含まれている。ガスタービンを主機とする動力発生設備における化学吸収式炭酸ガス分離装置はこの大量の燃焼ガスを処理しなければならない欠点がある。
【０００９】
このように炭酸ガス分離回収装置は、流量の大きな燃焼ガスを処理しなければならないので、構成機器が大型化し建設費が増加し、炭酸ガスの分離回収に要する動力および熱エネルギー消費量が増加し、プラント効率が大きく低下し、炭酸ガス吸収剤（たとえば、アミン、アミノ酸塩、炭酸カリ等の塩基性薬品）及びその溶液用の水を必要とし、運転経費が増加する等の問題がある。
【００１０】
前記のようにガスタービンは空気比２以上の空気を使用して高温燃焼（一般に１６００〜１３００℃）するので、大気汚染物質である窒素酸化物（ＮＯＸ）のやオゾン層破壊物質である亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）等が生成し大気に放出される問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許公開２００８−２５５８２２、コンバインド発電プラント、および熱交換器
【特許文献２】特許公開２００９−１５６０３３、コンバインドサイクル複合発電設備とその運転方法
【特許文献３】United States Patent、Patent Number 5,265,410、Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ、ｐ1Ｆｉｇ.1
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】複合発電（改訂版） ｐ２５−ｐ４９、（社）火力原子力発電技術協会、平成１０年６月
【非特許文献２】コンバインドサイクル発電、電気事業連合会ウェブサイト、２００９．８
【非特許文献３】GE Combined-Cycle、ＧＥウェブサイト、２００９．８
【非特許文献４】“FutureGen” Initial Conceptual Design Report Revision 2 May 2007、“FutureGen”Alliance USA（P2.1、Figure 2.1）
【非特許文献５】B208 ＣＯ２回収対応次世代型IGCCシステムの提案、日本機械学会（No08-6）第13回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集、（1頁、図1）
【非特許文献６】CO2 Separation Technique for Conventional Plants、Ｓｉｅｍｅｎｓウェブサイト、２００９．８
【非特許文献７】ＣＯ２回収装置、製品情報、三菱重工ウェブサイト、2009.8
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従来型炭酸ガス回収動力発生（または発電）設備は化学吸収式炭酸ガス分離回収装置を必要とし、プラント効率が低く、システムが複雑かつ大型のため高価で、炭酸ガスの分離回収に多量のエネルギー（動力及び熱）と化学薬品（アミノ酸塩、アミン、炭酸カリ等のアルカリ性吸収剤）と用水を必要とし、環境影響物質である窒素酸化物等やオゾン層破壊物質である亜酸化窒素等を排出し、動力発生設置に広い敷地を必要とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、上記問題を解決するための手段として、特許請求の範囲に記載の動力発生設備を提供する。
【００１５】
本発明は、燃料の酸素燃焼による燃焼熱を熱源とする蒸気発生装置により発生した蒸気により蒸気タービンを駆動し動力（一次動力）を発生させ、その排気、または蒸気発生装置発生蒸気、または給水と、系外から供給される燃料を系外から供給される酸素による燃焼で発生した酸素燃焼ガスと、蒸気発生装置燃焼排ガスと、を混合した混合流体により混合流体タービンを駆動し動力（二次動力）を発生させ、その排気を復水器に導入し、混合流体の主成分である水蒸気を凝縮させ復水し、大気汚染物質である窒素酸化物やオゾン層破壊物質である亜酸化窒素の発生を避けるとともに地球温暖化の主要因物質である炭酸ガスを主成分とする非凝縮ガスを分離回収することを主要な特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
動力発生設備を上述の構成とし運転することにより、従来の設備に比し次のような優れた効果が得られる。
（第１の効果）駆動流体の流れを蒸気タービン次いで混合流体タービン（蒸気及び燃焼ガスの混合流体を駆動流体とする）とし高圧高温化し、混合流体タービン排気を低圧（高真空度）復水器に導入する高効率の新熱サイクルの適用によりプラント効率（発電端基準）が向上する。燃料の酸化剤を空気ではなく酸素とし昇圧を液体で行うことによる昇圧動力の低減と大量のエネルギー（動力及び熱）を消費する化学吸収式炭酸ガス分離装置の廃止とにより、液体酸素製造動力及び非凝縮ガス加圧動力増分が発生するが、所内消費動力が低減する。以上によりプラント効率（正味）が従来方式より５〜１０％向上する。
（第２の効果）化学吸収式炭酸ガス分離回収装置の廃止により、大幅に簡素化されコンパクトな、信頼性の高い、経済的な動力発生設備となる。
（第３の効果）化学吸収式炭酸ガス分離回収装置の廃止により、炭酸ガス分離回収のためのエネルギー（動力及び熱）消費量が低減する。
（第４の効果）化学吸収式炭酸ガス分離回収装置の廃止により、炭酸ガス分離に必要な炭酸ガス吸収剤（アミノ酸塩、アミン等のアルカリ性化学薬品）が不要となる。
（第５の効果）化学吸収式炭酸ガス分離回収装置の廃止により炭酸ガス分離に必要な炭酸ガス吸収剤の溶液が不要となり、廃液処理の問題がない。
（第６の効果）化学吸収式炭酸ガス分離回収装置の廃止により、その設置に必要な広大な敷地が不要となり、動力発生設備の立地が容易になる。
（第７の効果）燃料の酸化剤として酸素を使用することにより大気汚染物質である窒素酸化物（ＮＯＸ）及びオゾン層破壊物質である亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）が発生しない。
【００１７】
前記第１の効果が得られる理由は次のように説明される。
【００１８】
本発明の第一の実施例に対応する概略の温度−エントロピー線図（Ｔ−Ｓ線図）図４に示す。蒸気発生装置で発生した高圧高温蒸気は蒸気タービンに導入され高圧燃焼器圧力まで膨張し該タービンを駆動し動力を発生し（図中斜線部蒸気タービンに相当する）、高圧混合流体タービン燃焼器において系外から供給される燃料を系外から供給される酸素で燃焼した燃焼ガスとの直接混合により高圧混合流体タービンの許容する高温の駆動流体となり高圧混合流体タービンで膨張し該タービンを駆動し動力を発生し（図中斜線部高圧混合流体タービンに相当する）、高圧混合流体タービン排気は蒸気発生装置から導入される燃焼排ガス及び系外から供給される燃料を系外から供給される酸素で燃焼した燃焼ガスとの直接混合による高温の混合流体となり中圧混合流体タービンに導入され膨張し該タービンを駆動して動力を発生し（図中斜線部中圧混合流体タービンに相当する）、中圧混合流体タービン排気は低圧混合流体タービンに導入され復水器圧力まで膨張し該タービンを駆動して動力を発生する（図中斜線部低圧混合流体タービンに相当する）。復水器圧力は復水器が冷却水により冷却水温度プラスα（通常３〜８℃）に冷却され、非凝縮ガスが連続排出されることにより復水器温度に対応する飽和蒸気圧の高真空度に維持される。このように蒸気発生装置により発生した超高圧高温蒸気を、蒸気タービンで膨張して仕事をさせ（一次動力の発生）、低温になった該排気を燃料の酸素燃焼による燃焼ガスと直接混合して高温混合流体となし高圧混合流体タービンで膨張して仕事をさせ（二次動力の発生）、低温になった該混合流体タービン排気と蒸気発生装置からの燃焼排ガスと燃料の酸素燃焼による燃焼ガスを直接混合して中圧高温混合流体となし中圧混合流体タービンで膨張して仕事をさせ（三次動力の発生）、該中圧混合流体タービン排気を低圧タービンに導入し高真空度の復水器圧力まで膨張して仕事をさせる（４次動力の発生）ので高圧高温多段再燃効果（復水器損失の相対的減少）による高い発電効率が得られる。燃焼ガスと蒸気の混合した駆動流体を器内圧力の低い（高真空度）復水器に導入し膨張比を大きくすることにより低圧混合流体タービンの仕事量が増加する。因みに従来のガスタービン複合発電設備におけるガスタービン燃焼ガスは排熱回収蒸気発生装置を経てほぼ大気圧で相対的に高温（通常約２００〜８０℃）の状態で大気に放出される。また蒸気発生装置は高圧高温蒸気を発生させるだけでなく、加圧燃焼方式としてその燃焼排ガスは中圧燃焼器発生燃焼ガスと直接混合し高温化し中圧混合流体タービン駆動流体となし動力発生に利用される。また各混合流体タービン駆動流体の入口温度はそれぞれ許容最高温度とし高圧混合流体タービン入口圧力は低圧混合流体タービン排気が復水器圧力まで膨張し若干の湿り度を有する飽和蒸気になるように最適化される。このように蒸気タービン、高圧混合流体タービン、中圧混合流体タービン、低圧混合流体タービン及び復水器を設置し運転条件を最適化することにより、排熱回収蒸気発生装置の燃焼排ガス損失が発生せず復水器熱損失が減少し、プラント効率が向上する。液体酸素製造動力及び非凝縮ガス加圧動力増分が発生するが、化学吸収式炭酸ガス分離装置の廃止により所内消費動力が低減する。
【００１９】
本発明の第二の実施例に対応する概略の温度−エントロピー線図（Ｔ−Ｓ線図）を図６に示す。第二の実施例の第一の実施例との相違点は、高圧混合流体タービンを廃止し、蒸気タービン排気を中圧燃焼器燃焼ガスと混合して中圧混合流体タービン入口駆動流体温度を該タービン許容最高温度にし、圧力を駆動流体が低圧混合流体タービンで復水器圧力まで膨張して若干の湿り度有する状態になるように設定する。このように中圧混合流体タービン入口駆動流体条件を設定することにより混合流体タービンの最高効率を得ることができる。高圧混合流体タービンの廃止により蒸気タービンの排気圧力を下げ蒸気タービンの膨張比を大きくすることにより蒸気タービンの仕事量が増え効率が向上する。このように蒸気タービン、中圧混合流体タービン及び低圧混合流体タービンを設置し運転条件を最適化することにより、排熱回収蒸気発生装置の燃焼排ガス損失が発生せず復水器熱損失が減少し、プラント効率が向上する。液体酸素製造動力及び非凝縮ガス加圧動力増分が発生するが、化学吸収式炭酸ガス分離装置の廃止により所内消費動力が低減する。
【００２０】
本発明の第三の実施例に対応する概略の温度−エントロピー線図（Ｔ−Ｓ線図）を図８に示す。第三の実施例の第二の実施例との相違点は、蒸気発生装置及び蒸気タービンを廃止して、混合流体タービンの抽気により加熱した給水またはそれを減圧弁により蒸気となし中圧燃焼器燃焼ガスと混合して中圧混合流体タービン入口駆動流体温度を該タービン許容最高温度にし、圧力を駆動流体が低圧混合流体タービンで復水器圧力まで膨張して若干の湿り度有する状態になるように設定する。このように中圧混合流体タービン及び低圧混合流体タービンを設置し運転条件を最適化することにより、排熱回収蒸気発生装置の燃焼排ガス損失が発生せず復水器熱損失が減少し、プラント効率が向上する。液体酸素製造動力及び非凝縮ガス加圧動力増分が発生するが、化学吸収式炭酸ガス分離装置の廃止により所内消費動力が低減する。
【００２１】
前記第２の効果が得られる理由は次のように説明される。
【００２２】
本発明は蒸気または水と燃焼器において酸素燃焼により発生した燃焼ガスを混合して混合流体タービンの駆動流体としその排気を復水器に導入し冷却し、混合流体中の蒸気を凝縮させ液体にすることにより、炭酸ガスを主成分とする非凝縮ガスを分離回収する。したがって、従来方式で使用される大型化学プラントである化学吸収式炭酸ガス分離回収装置及び煙突が不要になる。本発明では酸素製造のための空気分離装置が必要であるが、動力発生設備が簡素化され、大きな建設費を必要とする化学吸収式炭酸ガス分離回収装置が不要になることにより設備がコンパクトになり経済的な信頼性の高い設備となる。
【００２３】
前記第３の効果が得られる理由は次のように説明される。
【００２４】
本発明は蒸気または水と酸素燃焼により発生した燃焼ガスを燃焼器において混合し混合流体タービンの駆動流体とし動力を発生させ、その排気を復水器に導入し冷却し、混合流体中の蒸気を凝縮させ液体にすることにより、炭酸ガスを主成分とする非凝縮ガスを分離回収する。したがって従来の大量の燃焼ガスを化学的処理するため多くの大型機器で構成される化学吸収式炭酸ガス回収装置が不要である。すなわち化学吸収式炭酸ガス回収装置において必要である燃焼ガスの昇圧送風機、吸収液及び再生液循環ポンプ、熱水供給ポンプ、燃焼排ガス及び炭酸ガス冷却水ポンプ等の消費動力および吸収液に吸収された炭酸ガスの加熱分離に要する大量の熱エネルギー等が不要となり、本発明では酸素製造のため空気分離装置における動力及び非凝縮ガスの圧縮動力増加が必要になるが、炭酸ガス分離回収に消費するエネルギー量が減少する。
【００２５】
前記第４の効果が得られる理由は次のように説明される。
【００２６】
本発明は蒸気と燃焼器において酸素燃焼により発生した燃焼ガスを混合して混合流体タービンの駆動流体としその排気を復水器に導入し冷却し、混合流体中の蒸気を凝縮させ液体にすることにより、炭酸ガスを主成分とする非凝縮ガスを分離回収する。したがって従来の化学吸収式炭酸ガス回収装置が不要であり、炭酸ガス吸収剤（アミノ酸塩、アミン、炭酸カリ等のアルカリ性薬品）が不要である。
【００２７】
前記第５の効果が得られる理由は次のように説明される。
【００２８】
本発明は蒸気と燃焼器において酸素燃焼により発生した燃焼ガスを混合して混合流体タービンの駆動流体としその排気を復水器に導入し冷却し、混合流体中の蒸気を凝縮させ液体にすることにより、炭酸ガスを主成分とする非凝縮ガスを分離回収する。したがって化学吸収式炭酸ガス回収装置で使用される炭酸ガス吸収剤（アミノ酸塩、アミン、炭酸カリ等のアルカリ性薬品）溶液用の水が不要となり廃水が発生しない。
【００２９】
前記第６の効果が得られる理由は次のように説明される。
【００３０】
本発明は蒸気または水と燃焼器において酸素燃焼により発生した燃焼ガスを混合して混合流体タービンの駆動流体としその排気を復水器に導入し冷却し、混合流体中の蒸気を凝縮させ液体にすることにより、炭酸ガスを主成分とする非凝縮ガスを分離回収する。したがって大型機器で構成され広い敷地面積（おおよそ動力発生設備と同等の敷地面積）を必要とする化学吸収式炭酸ガス回収装置および煙突が不要となり、設備建設に必要な敷地面積が大きく減少しその立地が容易になる。
【００３１】
前記第７の効果が得られる理由は次のように説明される。
【００３２】
従来方式では燃料の酸化剤として空気（窒素約７０％酸素約２１％アルゴン約０．９％で構成される）を使用し高温燃焼していたので大気汚染物質である窒素酸化物（ＮＯx）及びオゾン層破壊物質である亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）が生成され煙突から大気に放出されていたが、燃料の酸化剤として酸素を使用し（酸素燃焼）、さらに復水器において非凝縮ガスを分離回収するので窒素酸化物及び亜酸化窒素が生成されることもなく大気に放出されることもない。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】ガスタービン複合発電設備に炭酸ガス分離回収装置を設置した従来型炭酸ガス回収発電設備のシステム図である。
【図２】同発電設備の温度−エントロピー線図（Ｔ−Ｓ線図）である。
【図３】本発明の第一の実施例を示す動力発生設備のシステム図である。
【図４】同動力発生設備の温度−エントロピー線図（Ｔ−Ｓ線図）である。
【図５】本発明の第二の実施例を示す動力発生設備のシステム図である。
【図６】同動力発生設備の温度−エントロピー線図（Ｔ−Ｓ線図）である。
【図７】本発明の第三の実施例を示す動力発生設備のシステム図である。
【図８】同動力発生設備の温度−エントロピー線図（Ｔ−Ｓ線図）である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下に本発明の炭酸ガスを主成分とする非凝縮ガス回収動力発生設備実施の形態を詳細に説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品、寸法、配置、固定方法などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる例示に過ぎない。
【実施例１】
【００３５】
以下に第一の実施例について説明する。
【００３６】
図３は本発明の第一の実施例の動力発生設備の基本構成を示す。図３において１は蒸気発生装置燃焼器、２は蒸気発生装置、３は蒸気管、４は蒸気タービン、５は蒸気タービン排気管、６は高圧燃焼器、７は高圧混合流体タービン、８は高圧混合流体タービン冷却蒸気管、９は高圧混合流体タービン排気管、１０は蒸気発生装置燃焼排ガス管、１１は中圧燃焼器、１２は中圧混合流体タービン、１３は中圧混合流体タービン冷却管、１４は中圧混合流体タービン排気管、１５は低圧混合流体タービン、１６は発電機、1７は４蒸気タービン、７高圧混合流体タービン、１２中圧混合流体タービン、１５低圧混合流体タービン及び１５発電機を連結するタービン発電機車軸、１８は復水器、１９は非凝縮ガス吸込み管、２０は非凝縮ガス圧力制御弁、２１は非凝縮ガス圧縮機、２２は非凝縮ガス送気管、２３は復水浄化処理装置、２４は復水ポンプ、２５は低圧給水管、２６は回収水排出制御弁、２７は回収水排出管、２８は低圧給水加熱器、２９は低圧給水加熱器抽気管、３０は低圧給水加熱器ドレン管、３１は給水ポンプ、３２は高圧給水加熱器、３３は高圧給水加熱器抽気管、３４は高圧給水加熱器ドレン管、３５は給水管、３６は燃料供給母管、３７は酸素供給母管、３８は蒸気発生装置燃料供給管、３９は同燃料制御弁、４０は同酸素供給管、４１は同酸素制御弁、４２は同燃料酸素比率設定器、４３は高圧燃焼器燃料供給管，４４は同燃料制御弁、４５は同酸素供給管、４６は酸素制御弁、４７は同燃料酸素比率設定器、４８は中圧燃焼器燃料供給管，４９は同燃料制御弁、５０は同酸素供給管、５１は酸素制御弁、５２は同燃料酸素比率設定器、である。
【００３７】
以下に第一の実施例における設備構成の動作を説明する。蒸気発生装置燃焼器１において系外から供給される燃料を系外から供給される酸素で燃焼して発生した燃焼ガスと高圧混合流タービン７排気の混合流体を加熱源として蒸気発生装置２で発生した高圧高温蒸気(例えば、３５ＭＰａ×６５０℃の蒸気)は蒸気管３を経て蒸気タービン４に供給され、高圧燃焼器６の入口圧力（例えば、１０ＭＰａ）まで膨張し機械エネルギーとなって該蒸気タービンを駆動し動力を発生し、蒸気タービン排気管５により高圧混合流体タービン燃焼器（以下高圧燃焼器と呼称する６）に導入される。蒸気発生装置２における蒸発量すなわち給水量はプラント負荷（必要出力）に応じて制御されるか高圧混合流体タービン入口流体温度が所定温度になるように制御される。
【００３８】
高圧燃焼器６において、前記の蒸気タービン排気は系外から供給される燃料（例えば,天然ガス等の炭化水素系燃料）が系外から燃料の酸化剤として供給される酸素により燃焼して発生する燃焼ガスと混合し高温（例えば、１６００℃）の蒸気燃焼ガスの混合流体となり、高圧混合流体タービン７に導入され、中圧燃焼器１１圧力まで膨張し機械エネルギーとなって該タービンを駆動し動力を発生する。前記蒸気タービン４より抽気された一部の蒸気は蒸気冷却管８により供給され高圧混合流体タービン７の高温要素（たとえば、燃焼器や高温翼）を冷却した後高圧燃焼器６に投入され高圧混合流体タービン駆動流体となる。
【００３９】
前記高圧燃焼器６に供給される燃料量は前記蒸気タービン４排気と混合後の蒸気燃焼ガス混合流体の温度が高圧混合流体タービン７の最高許容温度以下の所定温度(例えば、１６００℃)になるように制御されるかプラント負荷に応じて制御され、酸素供給量は燃料供給量と理論当モル比近傍になるように制御される。このようにして高圧混合流体タービン駆動流体は、水蒸気及び炭酸ガスを主成分とし、ごく微少量の酸素、またはメタンまたは一酸化炭素または水素及びアルゴン等の物質を含む混合流体である。
【００４０】
高圧混合流体タービン７排気は蒸気発生装置燃焼器１に導入され、系外から供給される燃料が系外から燃料酸化剤として供給される酸素により燃焼して発生する燃焼ガスと混合し高温混合流体となり、蒸気発生装置２に導入され給水の加熱源となり前記の蒸気を発生した後、蒸気発生装置排気管１０により中圧燃焼器１１に導入され、中圧燃焼器１１において系外から供給される燃料が系外から燃料酸化剤として供給される酸素により燃焼して発生する燃焼ガスと混合し高温（混合流体が低圧混合流体タービンにおいて復水器１８の入口圧力まで膨張し排気が若干の湿り度を持つ飽和温度となる温度）の混合流体となり、中圧混合流体タービン１２に導入され膨張し機械エネルギーとなって該タービンを駆動し動力を発生する。前記高圧混合流体タービン７より抽気された一部の混合流体は中圧混合流体タービン冷却管１３により中圧混合流体タービン１２に導入されその高温要素（たとえば、燃焼器や高温翼）を冷却した後中圧燃焼器１１に投入され中圧混合流体タービン１２の駆動流体となる。
【００４１】
中圧混合流体タービンで膨張して仕事をした混合流体は低圧(例えば、０．５ＭＰa)となり、中圧混合流体タービン排気管１４を経て低圧混合流体タービン１５に供給され、復水器圧力(例えば、０．００５ＭＰａ)まで膨張し機械エネルギーとなって動力を発生し、排気は復水器１８に導入される。中圧混合流体タービンまたは低圧混合流体タービン入口及びその中間段より抽気した混合流体は、それぞれ高圧給水加熱器抽気管３３及び低圧給水加熱器抽気管２９を経て高圧給水加熱器３２及び低圧給水加熱器３１に供給され蒸気発生装置２に供給される給水を加熱する。本発明の実施の形態では、蒸気タービン４、高圧混合流体タービン７、中圧混合流体タービン１２、低圧混合流体タービン１５及び発電機１６がタービン発電機車軸１７により一軸で結合され、発電機を駆動し電力を発生する例を示している。中圧混合流体タービンの入口圧力が高くない(例えば、３ＭＰａ以下)場合や中圧タービン容量が大きくない(例えば３００MW以下)場合は、中圧タービンと低圧タービンを一体化することもできる。
【００４２】
復水器には非凝縮ガス吸込み管１９、非凝縮ガス圧力制御弁２０、非凝縮ガス圧縮機２１及び非凝縮ガス送気管２２等より構成される非凝縮ガス回収装置が装備される。低圧混合流体タービン１５排気は復水器１８器内圧力まで膨張し若干の湿り度を持つ飽和流体となって復水器に流入し、冷却され水蒸気は潜熱を冷却水に放出して凝縮し水になるので、非凝縮ガスが受動的に分離される。非凝縮ガスは非凝縮ガス圧縮機２１により非凝縮ガス送気管２２を経て系外に回収され、非凝縮ガス吸込み管１９における吸込み圧力は復水器圧力と同等圧力になるように非凝縮ガス圧力制御弁２０により制御される。このように非凝縮ガスの連続排出により、復水器１８の器内圧は復水器冷却水温度プラスα(通常３〜８℃)の温度に対応する飽和圧力に保持される。
【００４３】
復水器１８で凝縮した復水は復水浄化処理装置２３において必要な水質になるように処理され、復水ポンプ２４で昇圧され、蒸気発生装置燃焼器１及び高圧燃焼器７及び中圧燃焼器７において燃料の燃焼により生成される蒸気量に相当する余剰水は回収水制御弁２６により制御され回収水排出管２７を経て系外に回収され、残りはサイクル流体として低圧給水管２５を経て低圧給水加熱器２８に供給される。
【００４４】
低圧混合流体タービン１５の比較的低温部より抽気し低圧給水加熱器抽気管２９を経て低圧給水加熱器２８へ供給される相対的に低温の混合流体及び高圧給水加熱器ドレン管３４より流入する高圧給水加熱器ドレンを加熱源として低圧給水が加熱され、低圧給水加熱器ドレンは低圧給水加熱器ドレン管３０を経て復水器１８に回収される。加熱された低圧給水は給水ポンプ３１により蒸気タービン４の入口蒸気が所定の圧力になるように昇圧され高圧給水加熱器３２に供給され、低圧混合流体タービン入口ないしはその高温部から抽気し高圧給水加熱器抽気管３３を経て供給される相対的に高温の混合流体を加熱源として所定温度に加熱され給水管３５を経て蒸気発生装置２へ供給される。
【００４５】
このように、本発明の第一の実施例の動力発生設備は、高圧給水が供給され、酸素燃焼による燃焼ガスを加熱源とする蒸気発生装置により発生した高圧高温蒸気で駆動される蒸気タービンと、蒸気タービン排気と高圧燃焼器で発生する酸素燃焼ガスが混合した高圧高温の混合流体で駆動される高圧混合流体タービンと、蒸気発生装置からの燃焼排ガス（混合流体）と中圧燃焼器で発生する酸素燃焼ガスが混合した混合流体で駆動される中圧混合流体タービンと、中圧混合流体タービン排気を駆動流体とする低圧混合流体タービンと、これらのタービンと同一軸で連結され駆動される発電機で構成され、炭酸ガスを主成分とする非凝縮ガスを水蒸気の凝縮により分離する復水器を設置した動力発生設備である。
【実施例２】
【００４６】
以下に第二の実施例について説明する。
【００４７】
図５は本発明の第二の実施例の非凝縮ガス回収動力発生設備の基本構成を示す。図５において１は蒸気発生装置燃焼器、２は蒸気発生装置、３は蒸気管、４は蒸気タービン、５は蒸気タービン排気管、１０は蒸気発生装置排気管、１１は中圧燃焼器、１２は中圧混合流体タービン、１３は中圧混合流体タービン冷却管、１４は中圧混合流体タービン排気管、１５は低圧混合流体タービン、１６は発電機、1７は４高圧蒸気タービン、１２中圧混合流体タービン、１５低圧混合流体タービン及び１６発電機を連結する車軸、１８は復水器、１９は非凝縮ガス吸込み管、２０は非凝縮ガス圧力制御弁、２１は非凝縮ガス圧縮機、２２は非凝縮ガス送気管、２３は復水浄化処理装置。２４は復水ポンプ、２５は低圧給水管、２６は回収水排出制御弁、２７は回収水排出管、２８は低圧給水加熱器、２９は低圧給水加熱器抽気管、３３は低圧給水加熱器ドレン管、３１は給水ポンプ、３２は高圧給水加熱器、３３は高圧給水加熱器抽気管、３４高圧給水加熱器ドレン管、３５は給水管、３６は燃料供給母管、３７は酸素供給母管、３８は蒸気発生装置燃料供給管、３９は同燃料制御弁、４０は同酸素供給管、４１は同酸素制御弁、４２は同燃料酸素比率設定器、４８は中圧燃焼器燃料供給管、４９は同燃料制御弁、５０は同酸素供給管、５１は酸素制御弁、５２は同燃料酸素比率設定器、である。このように本発明の第二の実施形態の動力発生設備の第一の実施形態の動力発生設備との基本的違いは、高圧燃焼器及び高圧混合流体タービンを設置していないことである。
【００４８】
以下に第二の実施例における設備構成の動作を説明する。蒸気発生装置燃焼器１において系外から供給される燃料を系外から供給される酸素で燃焼して発生した燃焼ガスと中圧混合流体タービン排気の混合流体を加熱源として蒸気発生装置２で発生した高圧高温蒸気(例えば、３５ＭＰａ×６５０℃の蒸気)は蒸気管３を経て蒸気タービン４に供給され、中圧燃焼器６の入口圧力（例えば、３〜８ＭＰａ）まで膨張し機械エネルギーとなって該蒸気タービンを駆動し動力を発生し、蒸気タービン排気管５により中圧燃焼器１１に導入される。
【００４９】
中圧燃焼器１１において、前記の高圧蒸気タービン排気は系外から供給される燃料（例えば,天然ガス等の炭化水素系燃料）が系外から燃料酸化剤として供給される酸素により燃焼して発生する燃焼ガスと混合し高温（例えば、１６００℃）の蒸気燃焼ガスの混合流体となり、中圧混合流体タービン１２に導入されほぼ低圧混合流体タービン１５入口圧力まで膨張し機械エネルギーとなって該タービンを駆動し動力を発生する。中圧混合流体タービン入口圧力は、混合流体が低圧混合流体タービンにおいて復水器１８器内圧力まで膨張し排気が若干の湿り度を持つ飽和温度となる圧力に設定される。前記蒸気タービン４より抽気された一部の蒸気は蒸気冷却管１３により中圧混合流体タービン１２に導入されその高温要素（たとえば、燃焼器や高温翼）を冷却した後中圧燃焼器１１に投入され中圧混合流体タービン駆動流体となる。
【００５０】
前記中圧燃焼器１１に供給される燃料量は、プラント負荷に応じまたはその発生燃焼ガスと前記蒸気タービン４排気の混合後の温度が中圧混合流体タービン１２の最高許容温度以下の所定温度になるように供給され、酸素供給量は燃料量と理論当モル比またはその近傍に制御される。このように中圧混合流体タービン駆動流体は、水蒸気及び炭酸ガスを主成分とし、ごく微少量の酸素、またはメタンまたは一酸化炭素または水素及びアルゴン等の物質を含む混合流体である。
【００５１】
中圧混合流体タービン１２の排気は前記のように蒸気発生装置燃焼器１に供給され、ここで系外から供給される燃料と同じく系外から供給される酸素との燃焼により発生する燃焼ガスと混合し、蒸気発生のための加熱源として蒸気発生装置２に導入される。蒸気発生装置２からの燃焼排ガスは蒸気発生装置排気管１０により低圧混合流体タービン１５に導入されその駆動流体となる。
【００５２】
低圧混合流体タービン１５に供給された混合流体は、復水器圧力(例えば、０．００５ＭＰａ)まで膨張し機械エネルギーとなって動力を発生し、排気は復水器１８に導入される。中圧混合流体タービンまたは低圧混合流体タービン入口及び低圧混合流体タービン中間段より抽気した混合流体は、それぞれ高圧給水加熱器抽気管３３及び低圧給水加熱器抽気管２９を経て高圧給水加熱器及び低圧給水加熱器に供給され蒸気発生装置２に供給される給水を加熱する。本発明の実施の形態では、蒸気タービン４、中圧混合流体タービン１２、低圧混合流体タービン１５及び発電機１６がタービン発電機車軸１７により一軸で結合され、発電機を駆動し電力を発生する例を示している。中圧タービンの入口圧力が高くない(例えば、３ＭＰａ以下)場合や中圧及び低圧混合流体タービン容量が大きくない(例えば３００MW以下)場合は、中圧混合流体タービンと低圧混合流体タービンを一体化する。
【００５３】
復水器には非凝縮ガス吸込み管１９、非凝縮ガス圧力制御弁２０、非凝縮ガス圧縮機２１及び非凝縮ガス送気管２２等より構成される非凝縮ガス回収装置が装備される。低圧混合流体タービン１５排気は復水器１８器内圧力まで膨張し若干の湿り度を持つ飽和流体となって復水器に流入し、冷却され水蒸気は潜熱を冷却水に放出して凝縮し水になり、非凝縮ガスが受動的に分離される。非凝縮ガスは非凝縮ガス圧縮機２０により非凝縮ガス送気管２２を経て系外に回収され、非凝縮ガス吸込み管１９における吸込み圧力は復水器圧力と同等圧力になるように非凝縮ガス圧力制御弁２０により制御される。このように復水器１８の内圧は復水器冷却水温度プラスα(通常３〜８℃)の温度の飽和圧力に保持される。
【００５４】
復水器１８で凝縮した復水は復水浄化処理装置２３において必要な水質になるように処理され、復水ポンプ２４で昇圧され、蒸気発生装置燃焼器１及び中圧燃焼器１１において燃料の燃焼により生成される蒸気量に相当する余剰水は回収水制御弁２６により制御され回収水排出管２７を経て系外に回収され、残りはサイクル流体として低圧給水管２５を経て低圧給水加熱器２８に供給される。
【００５５】
低圧混合流体タービン１５の比較的低温部より抽気し低圧給水加熱器抽気管２９を経て低圧給水加熱器２８へ供給される相対的に低温の混合流体及び高圧給水加熱器ドレン管３４より流入する高圧給水加熱器ドレンを加熱源として低圧給水が加熱され、低圧給水加熱器ドレンは低圧給水加熱器ドレン管３０を経て復水器１８に回収される。加熱された低圧給水は給水ポンプ３１により蒸気タービン４の入口蒸気が所定の圧力になるように昇圧され高圧給水加熱器３２に供給され、中圧混合流体タービンまたは低圧混合流体タービン入口ないしはその高温部から抽気し高圧給水加熱器抽気管３３を経て供給される相対的に高温の混合流体を加熱源として所定温度に加熱され給水管３５を経て蒸気発生装置２へ供給される。
【００５６】
このように、本発明の第二の実施例の動力発生設備は、酸素燃焼による燃焼ガスと中圧混合流体タービン排気の混合流体を高圧給水の加熱源とする蒸気発生装置により発生した高圧高温蒸気で駆動される蒸気タービンと、蒸気タービン排気と中圧燃焼器で発生する酸素燃焼ガスが混合した高圧高温の混合流体で駆動される中圧混合流体タービンと、中圧混合流体タービン排気と蒸気発生装置からの酸素燃焼排ガスの混合流体を加熱源とする蒸気発生装置からの排ガス(混合流体)を駆動流体とする低圧混合流体タービンと、これらのタービンと同一軸で連結され駆動される発電機と、炭酸ガスを主成分とする非凝縮ガスを水蒸気の凝縮により分離する復水器を設置した動力発生設備である。
【実施例３】
【００５７】
以下に本発明の第三の実施例について説明する。
【００５８】
図７は本発明の第三の実施例の動力発生設備の基本構成を示す。図７において３５は給水管、５３は給水減圧弁、１１は中圧燃焼器、１２は中圧混合流体タービン、１３は中圧混合流体タービン冷却管、１４は中圧混合流体タービン排気管、１５は低圧混合流体タービン、１６は発電機、1７は中圧混合流体タービン、低圧混合流体タービン及び発電機を連結するタービン発電機車軸、１８は復水器、１９は非凝縮ガス吸込み管、２０は非凝縮ガス圧力制御弁、２１は非凝縮ガス圧縮機、２２は非凝縮ガス送気管、２３は復水浄化装置。２４は復水ポンプ、２５は低圧給水管、２６は回収水排出制御弁、２７は回収水排出管、２８は低圧給水加熱器、２９は低圧給水加熱器抽気管、３３は低圧給水加熱器ドレン管、３１は給水ポンプ、３２は高圧給水加熱器、３３は高圧給水加熱器抽気管、３４高圧給水加熱器ドレン管、３５は給水管、３６は燃料供給母管、３７は酸素供給母艦、４８は中圧燃焼器燃料供給管，４９は同燃料制御弁、５０は同酸素供給管、５１は酸素制御弁、５２は同燃料酸素比率設定器、である。このように本発明の第三の実施形態の動力発生設備の前記第二の実施形態との基本的な違いは、蒸気発生装置及び蒸気タービンを設置していないことである。
【００５９】
以下に第三の実施例における設備構成の動作を説明する。中圧混合流体タービン１２の入口混合流体温度を制御する給水は、給水ポンプ３１により昇圧され給水加熱器３２で加熱され高温水または蒸気となって中圧燃焼器１１に導入される。高圧高温水の場合は給水管３５に装備された給水減圧弁５３により中圧燃焼器１１圧力まで減圧され蒸気となって中圧燃焼器１１に導入される。
【００６０】
中圧燃焼器１１において、前記の蒸気または給水は系外から供給される燃料（例えば、天然ガス等の炭化水素系燃料）が系外から燃料酸化剤として供給される酸素により燃焼して発生する燃焼ガスと混合し高温（例えば、１６００℃）の蒸気燃焼ガスの混合流体となり、中圧混合流体タービン１２に導入され低圧混合流体タービン１５入口圧力まで膨張し機械エネルギーとなって該タービンを駆動し動力を発生する。中圧混合流体タービン入口圧力は、混合流体が低圧混合流体タービンにおいて復水器１８器内圧力まで膨張し排気が若干の湿り度を持つ飽和温度となる圧力に設定される。前記給水の減圧により発生した蒸気の一部は蒸気冷却管１３により中圧混合流体タービン１２に導入されその高温要素（たとえば、高温翼や燃焼器）を冷却した後中圧燃焼器１１に投入され中圧混合流体タービン駆動流体となる。
【００６１】
前記中圧燃焼器１１に供給される給水の減圧等により発生した蒸気または給水の供給量は発電設備の負荷に応じまたは中圧混合流体タービン入口温度が所定の温度になるように制御され、燃料量は燃焼器において系外から供給される燃料（例えば、天然ガス等の炭化水素系燃料）が系外から燃料酸化剤として供給される酸素により燃焼して発生する酸素燃焼ガスと前記の蒸気または給水が混合した混合流体の中圧混合流体タービン入口温度が最高許容温度以下の所定の温度になるようにまたは発電設備の負荷に応じ制御される。また酸素供給量は燃料量と理論当モル比またはその近傍に制御される。このように中圧混合流体タービン駆動流体は、水蒸気及び炭酸ガスを主成分とし、ごく微少量の酸素、またはメタンまたは一酸化炭素または水素及びアルゴン等の物質を含む混合流体である。
【００６２】
中圧混合流体タービン１２の排気は中圧混合流体タービン排気管を経て低圧混合流体タービンに導入されその駆動流体となる。
【００６３】
低圧混合流体タービンに供給された混合流体は、復水器圧力(例えば、０．００５ＭＰａ)まで膨張し機械エネルギーとなって動力を発生し、排気は復水器に導入される。中圧混合流体タービンまたは低圧混合流体タービン入口及び低圧混合流体タービン中間段より抽気した混合流体は、それぞれ高圧給水加熱器抽気管３３及び低圧給水加熱器抽気管２９を経て高圧給水加熱器及び低圧給水加熱器に供給され蒸気発生装置２に供給される給水を加熱する。本発明の実施の形態では、中圧混合流体タービン１２、低圧混合流体タービン１５及び発電機１６がタービン発電機車軸１７により一軸で結合され、発電機を駆動し電力を発生する例を示している。中圧混合流体タービンの入口圧力が高くない(例えば、８ＭＰａ以下)場合や中圧及び低圧混合流体タービン容量が大きくない(例えば３００MW以下)場合は、中圧混合流体タービンと低圧混合流体タービンを一体化することもできる。このように本発明の第三の実施形態は蒸気発生装置及び蒸気タービンを設置せず、高温高圧の混合流体を復水器圧力まで膨張させ高い発電効率を得ると共に復水器において非凝縮ガスを分離回収する簡潔な動力発生設備である。
【実施例４】
【００６４】
（実施例１）の動力発生設備において、前記蒸気発生装置から供給される燃焼ガスを第二の混合流体タービン排気と混合して第三の混合流体タービンの駆動流体とする動力発生装置。（実施例１）の動力発生設備と比較しプラント効率が僅かに低下するが、蒸気発生装置の加熱側圧力が低下するので蒸気発生装置の設備費が低下する。
【実施例５】
【００６５】
（実施例２）の動力発生設備において、第一の燃焼器において蒸気タービン排気と前記蒸気発生装置から供給される燃焼ガスと酸素を燃料酸化剤として燃焼した燃焼ガスとを混合し、第一の混合流体タービンの駆動流体とする動力発生設備。（実施例２）の動力発生設備と比較しプラント効率が上昇するが、蒸気発生装置の加熱側圧力が増加するので蒸気発生装置の設備費が増加する。
【実施例６】
【００６６】
（実施例１）、（実施例２）、（実施例３）、（実施例４）及び（実施例５）において、給水量を動力発生設備の負荷（出力）に応じて制御し、蒸気発生装置出口蒸気温度が所定の温度になるように蒸気発生装置燃焼器への燃料供給量を制御し、混合流体タービン入口の混合流体温度が所定温度になるように第一及び第二燃焼器への燃料供給量を制御することを特徴とする動力発生設備。
【実施例７】
【００６７】
（実施例１）、（実施例２）、（実施例３）、（実施例４）及び（実施例５）において、第一燃焼器への燃料供給量を動力発生設備の負荷（出力）に応じて制御し、蒸気発生装置への給水量を第一混合流体タービン入口混合流体温度が所定温度になるように制御し、蒸気発生装置出口蒸気温度が所定の温度になるように蒸気発生装置燃焼器への燃料供給量を制御し、第二燃焼器への燃料供給量を第二混合流体タービン入口混合流体温度が所定温度になるように制御することを特徴とした動力発生設備。
【実施例８】
【００６８】
（実施例１）、（実施例２）、（実施例３）、（実施例４）及び（実施例５）において、酸素供給量を燃料供給量の理論当モル比またはその近傍の一定比率となるように制御することを特徴とした動力発生設備。
【実施例９】
【００６９】
（実施例１）、（実施例２）、（実施例３）、（実施例４）及び（実施例５）において、第一の混合流体タービン入口圧力を、最終の混合流体タービンにおいて復水器圧力まで膨張した混合流体が復水器圧力に対応する若干の湿り度を持つ飽和温度になるように制御することを特徴とした動力発生設備。
【実施例１０】
【００７０】
（実施例１）及び（実施例４）において、第二の混合流体タービン入口温度を、最終の混合流体タービンにおいてが復水器圧力まで膨張した混合流体が復水器圧力に対応する若干の湿り度を持つ飽和温度になるように第二燃焼器への燃料供給量を制御することを特徴とした動力発生設備。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
火力発電及び工場等における固定動力発生設備
【００７２】
化石燃料の燃焼により発生する炭酸ガスの分離回収設備
【符号の説明】
【００７３】
本発明の実施例を示す図３、図５及び図７の符号を以下に説明する。
1 蒸気発生装置燃焼器 28 低圧給水加熱器
2 蒸気発生装置 29 低温抽気管
3 蒸気管 30 低圧給水加熱器ドレン管
4 蒸気タービン 31 給水ポンプ
5 蒸気タービン排気管 32 高圧給水加熱器
6 高圧燃焼器 33 高温抽気管
7 高圧混合流体タービン 34 高圧給水加熱器ドレン管
8 高圧混合流体タービン冷却蒸気管 35 給水管
9 高圧混合流体タービン排気管 36 燃料供給母管
10 蒸気発生装置排気管 37 酸素供給母管
11 中圧燃焼器 38 蒸気発生装置燃料管
12 中圧混合流体タービン 39 蒸気発生装置燃料制御弁
13 中圧合流体タービン冷却管 40 蒸気発生装置酸素管
14 中圧混合流体タービン排気管 41 蒸気発生装置酸素制御弁
15 低圧混合流体タービン 42 蒸気発生装置燃料酸素比率設定器
16 発電機 43 高圧混合流体タービン燃料管
17 タービン発電機車軸 44 高圧混合流体タービン燃料制御弁
18 復水器 45 高圧混合流体タービン酸素管
19 非凝縮ガス吸込み管 46 高圧混合流体タービン酸素制御弁
20 非凝縮ガス圧力制御弁 47 高圧混合流体タービン燃料酸素比率設定器
21 非凝縮ガス圧縮機 48 中圧混合流体タービン燃料管
22 非凝縮ガス送気管 49 中圧混合流体タービン燃料制御弁
23 復水浄化処理装置 50 中圧混合流体タービン酸素管
24 復水ポンプ 51 中圧混合流体タービン酸素制御弁
25 低圧給水管 52 中圧混合流体タービン燃料酸素比率設定器
26 回収水排出制御弁 53 給水減圧弁
27 回収水排出管
【００７４】
本発明の背景技術を示す図１の符号を以下に説明する。
61 空気除塵装置 78 低圧給水管
62 吸込み風道 79 低圧給水加熱器
63 空気圧縮機 80 低温抽気管
64 空気圧縮機出口連結管 81 低圧給水加熱気ドレン管
65 ガスタービン燃焼器 82 給水ポンプ
66 ガスタービン 83 高圧給水加熱器
67 ガスタービン排気管 84 高温抽気管
68 排熱回収蒸気発生装置 85 高圧給水加熱気ドレン管
69 蒸気発生装置出口煙道 86 給水管
70 化学吸収式炭酸ガス回収装置 87 燃料供給管
71 蒸気管 88 燃料制御弁
72 蒸気タービン 89 化学吸収式炭酸ガス回収装置出口排出管
73 発電機 90 炭酸ガス圧力制御弁
74 タービン発電機車軸 91 炭酸ガス圧縮機
75 復水器 92 炭酸ガス送気管
76 復水ポンプ 93 化学吸収式炭酸ガス回収装置出口煙道
77 復水浄化処理装置 94 煙突
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素燃焼蒸気発生装置により発生する蒸気を駆動流体とする蒸気タービンと、該蒸気タービン排気(蒸気タービンを設置しない場合は酸素燃焼蒸気発生装置において発生する高圧高温蒸気、酸素燃焼蒸気発生装置を設置しない場合は高圧高温水またはその減圧により発生した蒸気)と酸素を燃料酸化剤として発生する燃焼ガスとを混合し蒸気燃焼ガス混合流体を生成する燃焼器と、該混合流体を駆動流体とする混合流体タービンと、該混合流体タービン排気を冷却し混合流体の含有する水蒸気を凝縮することにより非凝縮ガスを分離し回収する装置を具備した復水器と、復水の浄化処理装置と、余剰水を系外に回収する水回収装置と、前記混合流体タービンの抽気または排気を加熱源とする給水加熱器と、給水ポンプ等の給水設備と、を装備した動力発生設備。
【請求項１】
酸素燃焼蒸気発生装置により発生する蒸気を駆動流体とする蒸気タービンと、該蒸気タービン排気(蒸気タービンを設置しない場合は酸素燃焼蒸気発生装置において発生する高圧高温蒸気、酸素燃焼蒸気発生装置を設置しない場合は高圧高温水またはその減圧により発生した蒸気)と酸素を燃料酸化剤として発生する燃焼ガスとを混合し蒸気燃焼ガス混合流体を生成する燃焼器と、該混合流体を駆動流体とする混合流体タービンと、該混合流体タービン排気を冷却し混合流体の含有する水蒸気を凝縮することにより非凝縮ガスを分離し回収する装置を具備した復水器と、復水の浄化処理装置と、余剰水を系外に回収する水回収装置と、前記混合流体タービンの抽気または排気を加熱源とする給水加熱器と、給水ポンプ等の給水設備と、を装備した動力発生設備。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−５８４０３（Ｐ２０１１−５８４０３Ａ）
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０７７４１（Ｐ２００９−２０７７４１）
【出願日】平成２１年９月９日（２００９．９．９）
【出願人】（３０９０３２８５４）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月９日（２００９．９．９）
【出願人】（３０９０３２８５４）
【Ｆターム（参考）】
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