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JP2018123811A - 水素酸素当量燃焼タービンシステム - Google Patents

水素酸素当量燃焼タービンシステム Download PDF

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Abstract

【課題】コンバインドサイクル発電プラントに適用でき、簡単な構造で低CO2化と出力および熱効率の向上とを図ることができる水素酸素当量燃焼タービンシステムを提供する。【解決手段】高圧蒸気タービン2と低圧蒸気タービン3とこれら両者間の加熱器5とを備え、加熱器5は、水素と酸素を当量燃焼させる燃焼部53と、この燃焼部53からの燃焼ガスRに高圧蒸気タービン2からの排出蒸気S4を混入して低圧蒸気タービン3に供給する混合部55とを有する。【選択図】図1

Description

本発明は、コンバインドサイクル発電プラントに適用できる水素酸素当量燃焼タービンシステムに関する。
従来、CCPP(コンバインドサイクル発電プラント)は、地球温暖化防止、気候変動抑制のためにCO削減を図る技術として注目されている。このコンバインドサイクル発電プラントに水素酸素当量燃焼タービン(通称「水素タービン」)を利用することが提唱されている。しかし、水素酸素当量燃焼タービンでは、燃焼温度が3000℃にも達するので、燃焼器の燃焼室を保護、更にタービン部も蒸気冷却技術で成立可能な範囲まで、燃焼ガスの温度を下げる要請がある。
このような要請の下で、CCPPとして、ガスタービンエンジンと、前記ガスタービンエンジンからの排ガスを蒸気で熱回収する排ガスボイラ(熱交換器)と、蒸気タービンとを備え、前記蒸気タービンの上流側に水素酸素当量燃焼方式の加熱器(燃焼器)を設けたシステムも提案されている(例えば特許文献1)。このシステムでは、排熱ボイラからの蒸気が蒸気タービンに供給されるが、このとき、前記加熱器では水素と酸素とを当量燃焼させるとともに、その燃焼ガスが前記排ガスボイラからの高温・高圧蒸気で希釈・冷却され、この蒸気が蒸気タービンに供給される。
特開平7−208192号公報
しかし、前記特許文献1のコンバインドサイクル発電プラント技術の場合、水素と酸素の当量燃焼により生成した燃焼ガス(通常2800〜3000℃)を、排ガスボイラからの排出蒸気(通常500〜600℃)で薄めても依然として高温である。この高温の燃焼ガスを蒸気タービンに導入すると、蒸気タービンの金属製の各パーツの耐熱性上問題であり、これを回避するためには水素と酸素の当量燃焼量を減らす必要がある。しかしながら、水素と酸素の当量燃焼量を減らすと、発電プラントの出力および熱効率が低下する。
本発明の目的は、低CO化と出力および熱効率の向上とを実現できる水素酸素当量燃焼タービンシステムを提供することにある。
前記目的を達成するために、本発明に係る水素酸素当量燃焼タービンシステムは、高圧蒸気タービンと低圧蒸気タービンとこれら両者間の加熱器とを備え、前記加熱器は、水素と酸素を当量燃焼させる燃焼部と、この燃焼部からの燃焼ガス(高温蒸気)に前記高圧蒸気タービンからの排出蒸気を導入して前記低圧蒸気タービンに供給する混合部とを有する。
この構成によれば、水素と酸素の当量燃焼による燃焼ガス(高温蒸気)を高圧蒸気タービンから排出される比較的低温の排出蒸気でクエンチすることで、低圧蒸気タービンに供給する蒸気温度を、ガスタービンエンジンと同様な冷却構造によって蒸気冷却される蒸気タービンの金属製パーツの耐熱限度以下に調節でき、かつ、低CO化と出力および熱効率の向上とを実現できる。
本発明において、好ましくは、前記燃焼部が、水素と酸素を当量燃焼させる燃焼室と、この燃焼室からの高温蒸気(燃焼ガス)を前記混合部に形成された混合室内に噴射して前記排出蒸気を吸引させるエゼクタとを有し、前記混合部が、このエゼクタからの蒸気を膨張させて混合、昇圧するディフューザ、を有する。この構成によれば、簡単な構造で適切な温度、圧力の蒸気が得られる。
本発明において、好ましくは、前記燃焼部は、水素と酸素を当量燃焼させる燃焼室と、この燃焼室を外側から覆って冷却する冷却室とを有し、前記冷却室に前記高圧蒸気タービンに供給される主蒸気の一部が冷却用蒸気として導入される。この場合、別途、冷媒を用いなくとも、主蒸気を冷媒として有効利用して燃焼室を冷却できる。
本発明において、好ましくは、前記燃焼室を形成する燃焼室壁に、前記冷却室内の前記冷却蒸気を前記燃焼室へ導出させて前記燃焼室壁の内面をフィルム冷却する蒸気導出孔が形成されている。これにより、燃焼室を形成する燃焼室壁がフィルム冷却されるので、燃焼室壁に蒸気導出孔を設けるだけの簡単な構造で燃焼室壁の高温化を抑制できる。
本発明において、好ましくは、さらに、前記低圧蒸気タービンおよび前記高圧蒸気タービンに連結されたガスタービンエンジンと、このガスタービンエンジンの排ガスを熱源とする排ガスボイラとを備え、前記排ガスボイラで得られた主蒸気が前記高圧蒸気タービンに供給される。このように、両蒸気タービンと、ガスタービンエンジンおよび排ガスボイラとの組合せにより、ガスタービンエンジンからの排ガスを無駄なく有効利用でき、大出力、高効率のシステムが得られる。
本発明において、前記排ガスボイラの中間部で得られた副蒸気が前記低圧蒸気タービンの中間段に供給されるようにすることが好ましい。このようにすることで、低圧蒸気タービン内の中間段以降の蒸気圧を増大させて出力を向上させることができる。
本発明において、さらに、前記低圧蒸気タービンと前記高圧蒸気タービンと前記ガスタービンエンジンとにより駆動される発電機を備えていることが好ましい。このように構成することで、ガスタービンエンジンにより得られた回転力に両蒸気タービンからの回転力が加わるので、より大きな回転力で発電機を駆動でき、大出力、高効率の発電システムが得られる。
本発明によれば、水素と酸素の当量燃焼による燃焼ガス(高温蒸気)を高圧蒸気タービンからの比較的低温の排出蒸気でクエンチすることで、低圧蒸気タービンに供給する蒸気温度を蒸気冷却される金属製パーツの耐熱限度以下に調節でき、かつ、低CO化と出力および熱効率の向上とを実現できる。
本発明の好ましい実施形態にかかる水素酸素当量燃焼タービンシステムを示す概略構成図である。 同システムで用いる加熱器の縦断面図である。 同加熱器の燃焼部の要部を示す拡大縦断面図である。
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら詳述する。図1に示すように、本発明にかかるタービンシステムは、水素酸素当量燃焼蒸気タービン(通称「水素タービン」)からなる蒸気タービン1と、ガスタービンエンジン30と、排ガスボイラ50と、凝縮器70とを備えている。
水素タービン1は、高圧蒸気タービン2と、低圧蒸気タービン3と、これら両蒸気タービン2,3の間に配置された加熱器5とを有する。高圧蒸気タービン2からの排出蒸気S1は加熱器5を経て低圧蒸気タービン3に供給される。高圧蒸気タービン2からの蒸気の一部は、タービン冷却蒸気S11として低圧蒸気タービン3に導入される。
図2に示すように、加熱器5は、水素Hと酸素Oを当量燃焼させる燃焼部53と、この燃焼部53に高圧蒸気タービン2からの排出蒸気S4を導入して低圧蒸気タービン3に供給する混合部55とを備えている。混合部55はディフューザ51と、これを支持する箱状の本体52とを有する。ディフューザ51は、例えば、入口から流れ方向の中間部分までは通路面積がほぼ一定で、中間部分から吐出側に向かって通路面積が徐々に大きくなる部分円錐形である。混合部55の内側に形成された混合室55aの下面は開口58となっており、高圧蒸気タービン2の出口から排出される排出蒸気S1が、前記開口58から混合室55aに導入される。
ここで、ディフューザ51とこれを支持する箱状の本体52とは、本体52の一側面に設けた取付ボス52aの挿入孔52bに、ディフューザ51の基端部51aを嵌め込み、この基端部51aの外周に設けたねじ孔付きフランジ51bを本体52の取付ボス52aに当てがい、基端部51aに植設したスタッドボルトBTをねじ孔付きフランジ51bの挿通孔に挿通してナットNTで締め付けることにより、連結されている。
燃焼部53は、燃焼ヘッド56と、その出口に連なるエゼクタ57とを備えている。燃焼ヘッド56は横断面形状が例えば円形である。エゼクタ57は例えば、下流に向かって横断面積が大きくなる部分円錐形である。混合部本体52への燃焼部53の取り付けは、本体52にディフューザ51と同一軸心Cの取付孔52cを設け、この取付孔52cに、燃焼ヘッド56の中間部である、燃焼ヘッド56とエゼクタ57との境界部分64を嵌め込み、溶接することで取り付けられている。境界部分64は燃焼ヘッド56とエゼクタ57との境界線BLを含む。エゼクタ57は燃焼ヘッド56からの燃焼ガス(高温蒸気)Rを混合室55a内に噴射して、高圧蒸気タービン2の出口から排出される排出蒸気S1の一部をエゼクタ効果により吸引する。エゼクタ57も同一軸心Cを有する。
図3により、燃焼部53の具体的な構造を説明する。同図に示すように、この燃焼部53の燃焼ヘッド56は、その中央部分に形成した水素Hと酸素Oを当量燃焼させる燃焼室60と、この燃焼室60を外側から覆って冷却する冷却室61とを備えている。冷却室61は燃焼ヘッド56の外壁54により覆われている。これら燃焼室60と冷却室61とは燃焼室60を形成する燃焼室壁63で仕切られている。
エゼクタ57は、燃焼室60からの燃焼ガスを噴出する噴射通路66と、この噴射通路66を外側から覆って冷却する冷却室61Aとを備えている。冷却室61Aは外壁67により覆われ、噴射通路66と冷却室61Aとがエゼクタ内壁68で仕切られている。前記両冷却室61、61Aは連通している。エゼクタ57の冷却室61Aの下流端は、外壁67と内壁68の両下流端部間を連結する端壁により閉止されている。両外壁54,67は連続した壁材で形成され、燃焼室壁63とエゼクタ内壁68も連続した壁材で形成されている。つまり、燃焼ヘッド56とエゼクタ57が一体形成されている。ただし、両者56,57は別体で形成して溶接のような接合手段で互いに接合してもよい。
冷却室61,61Aには、後述するように、冷却用蒸気S6が冷却用配管77によって導入される。燃焼室壁63とエゼクタ内壁68には多数の蒸気導出孔65が形成されており、蒸気導出孔65を通って燃焼室60内および噴射通路66に導出した後述する冷却用蒸気S6により、燃焼室壁63およびエゼクタ内壁68の内面がフィルム冷却される。
図2に示すように、燃焼室60への水素Hと酸素Oの導入は、図示しない水素ボンベのような水素源および酸素ボンベのような酸素源から、燃焼室60内に差し込まれた各ノズルを介して導入される。
一方、図1のガスタービンエンジン30は、圧縮機31とタービン32と燃焼器33とを有し、タービン32からの排ガスGが排気通路81内に配置された排ガスボイラ50に供給されるようになっている。排ガスボイラ50は、排ガスGの上流側の第1ボイラ50Aと、下流側の第2ボイラ50Bとを有する。他方、低圧蒸気タービン3からの排出蒸気S3が凝縮器70で復水化される。凝縮器70で得られた水が、配管78,79を通ってポンプ71,71により排ガスボイラ50の第1ボイラ50Aおよび第2ボイラ50Bにそれぞれ供給され、排ガスボイラ50内の水路を流れる間に排ガスGと熱交換が行われる。
熱交換により得られた蒸気(過熱蒸気)は第1ボイラ50Aでは第1タンク74Aに溜められ、この蒸気S4が配管72より高圧蒸気タービン2の入り口に主蒸気として供給される。第2ボイラ50Bで得られた蒸気(過熱蒸気)、つまり排ガスボイラ50の中間部75で得られた比較的低温の蒸気S5は、第2タンク74Bに溜められ、配管73より低圧蒸気タービン3の中間段80に副蒸気として供給される。加熱器5で加熱された再熱蒸気S2は約900〜1200℃の温度を有しており、低圧蒸気タービン3を駆動する十分なエネルギーを保有している。
ガスタービンエンジン30のタービン32側には減速機35が配置され、水素タービン1の高圧蒸気タービン側には減速機(クラッチ付き)7が配置され、これら減速機7,35の間に負荷である発電機36が配置されている。これらすべての機器1,7,30,35および36は共通の回転軸6で一体的に接続されている。ガスタービンエンジン30の圧縮機31とタービン32も共通の回転軸6で接続されているが、別の回転軸によって接続してもよい(二軸型)。
つぎに、上記構成にかかる水素酸素当量燃焼タービンシステムの動作について説明する。図1に示すガスタービンエンジン30の稼働時、タービン32から配管76により排ガスGが排ガスボイラ50に送られる。排ガスGは排気通路81内をその上流側から下流側に流れる。一方、水素タービン1の稼働時、低圧蒸気タービン3から排出される排出蒸気S3は凝縮器70で復水化されたのち、この復水Fが配管78,79を経由して排ガスボイラ50に供給される。
このとき、排気通路81の上流側の第1ボイラ50Aからはサイクル中最高圧の排出蒸気(主蒸気)S4が得られ、その大部分は配管72を経由して水素タービン1の高圧蒸気タービン2の入口に供給される。この配管72の途中からは冷却用配管77が分岐しており、この冷却用配管77を経由して主蒸気S4の一部が、図3に示す冷却用蒸気S6として加熱器5の冷却室61に導入される。これにより、別途、冷媒を用いなくとも、冷却用蒸気S6を冷媒として有効利用して燃焼室60を冷却できる。燃焼室60の内圧は、冷却用蒸気S6よりも少し低めの圧力に制御することで、後述のフィルム冷却を可能とし、かつ低圧蒸気タービン入口よりも十分高圧にすることで、低圧蒸気タービン入口の昇圧効果を期待できる高速噴流を実現する。
燃焼部53の燃焼室60では水素Hと酸素Oの当量燃焼が行われて燃焼ガスRが生成される。これに対し、燃焼室60はその外側から冷却室61で覆われ、燃焼室60を形成する燃焼室壁63に多数の蒸気導出孔65が形成されているので、多数の蒸気導出孔65から導出される冷却用蒸気S6が燃焼室壁63の内面に沿って流れることによってフィルム冷却される。エゼクタ内壁68も同様に、蒸気導出孔65から導出される冷却用蒸気S6によってフィルム冷却される。これにより、燃焼ガスRによる燃焼室壁63およびエゼクタ内壁68の熱的障害が避けられる。
また、冷却用蒸気S6が冷却後に外部に廃棄されるのではなく、燃焼室61および噴射通路66において燃焼ガスRに混入されるので、加熱器5から低圧蒸気タービン3に供給される再熱蒸気S2の量が減少して低圧蒸気タービン3の出力が低下するのを抑制できる。なお、エゼクタ57は、その外面が排出蒸気S1によって冷却されるので、冷却室61Aを省略し、単純な部分円錐状の一重管としてもよい。
一方、高圧蒸気タービン2の出口からの排出蒸気S1が、図2に示すように、混合部55下面の開口58から混合室55aに導入される。水素酸素当量燃焼による燃焼ガス(高温蒸気)Rはエゼクタ57の噴射通路66を経て混合室55a内に拡散噴射される。このとき、エゼクタ57による吸引効果によって混合室55aに導入された排出蒸気S1は矢印Aで示すように吸引され、水素酸素当量燃焼による燃焼ガスRとともにディフューザ51に導かれる。このディフューザ51を通過するとき、水素酸素当量燃焼による高温ガスRと排出蒸気S1が混合されるとともに、その圧力が上昇し温度が下がる。
こうして、ディフューザ51からの水素酸素当量燃焼による燃焼ガスRは排出蒸気S1(300℃程度)で十分薄められ、図1に示す再熱蒸気S2(約900〜1200℃)として低圧蒸気タービン3に供給され、低圧蒸気タービン3の駆動エネルギーとして利用される。なお、低圧蒸気タービン3は従前の蒸気タービンとは異なり、1200℃の蒸気温度に耐えられるよう、別途タービン冷却蒸気S11を利用した(蒸気冷却)、ガスタービンと同様な内部冷却構造を備えている。
低圧蒸気タービン3に再熱蒸気S2が供給されることで、低圧蒸気タービン3の入口の蒸気温度および圧力が上昇して出力および熱効率が向上する。この低圧蒸気タービン3から排出される蒸気S3は凝縮器70に導入されて復水し、前述のとおり、排ガスボイラ50を経て再び蒸気化されて水素タービン1に供給される。ここで、水素酸素当量燃焼により水素タービン1内で増加する水については、一方のポンプ71から排水管85を経て外部に適宜排出される。こうして、低CO化と出力および熱効率が向上した水素酸素当量燃焼タービンシステムを実現できる。
上記構成によれば、加熱器5の燃焼部53での水素と酸素の当量燃焼による燃焼ガス(高温蒸気)Rを、混合部55において、高圧蒸気タービン2からの排出蒸気S1でクエンチすることで、低圧蒸気タービン3に供給する蒸気温度を蒸気冷却された金属製パーツの耐熱限度以下に調節でき、かつ、低CO化と出力および熱効率の向上とを実現できる。
また、図2に示す燃焼ヘッド56からの高温蒸気Rを噴射して排出蒸気S1を吸引するエゼクタ57と、このエゼクタ57からの排出蒸気R+S1を混合させて降温するディフューザ51とを有しているので、簡単な構造で適切な温度、圧力の蒸気が得られる。
また、加熱器5の燃焼部53は、水素と酸素を当量燃焼させる燃焼室60と、この燃焼室60を外側から覆って冷却する冷却室61とを有し、冷却室61に高圧蒸気タービン2に供給される主蒸気S4の一部が冷却用蒸気S6として導入されるので、別途、冷媒を用いなくとも、冷却用蒸気S6を冷媒として有効利用して燃焼室60を冷却できる。
さらに、図3に示す燃焼室60を形成する燃焼室壁63に、冷却室61内の冷却用蒸気S3を導出させて燃焼室壁63の内面を冷却する蒸気導出孔65が形成されるという簡単な構造で燃焼室壁63の高温化を抑制でき、適切な温度になるように効果的に冷却できる。
さらに、図1に示す水素酸素当量燃焼タービンシステムは、高圧蒸気タービン2および低圧蒸気タービン3に連結されたガスタービンエンジン30と、このガスタービンエンジン30の排ガスGを熱源とする排ガスボイラ50とを備え、排ガスボイラ50で得られた主蒸気S1が高圧蒸気タービン2に供給されるので、ガスタービンエンジン30からの排ガスGを無駄なく有効利用でき、大出力、高効率のシステムが得られる。
また、排ガスボイラ50の中間部75で得られた副蒸気S5が配管73を通って低圧蒸気タービン3の中間段80に供給されるので、低圧蒸気タービン3内の中間段80以降の蒸気圧を増大させて出力を向上させることができる。
さらに、この実施形態の水素酸素当量燃焼タービンシステムは、高圧蒸気タービン2と低圧蒸気タービン3とガスタービンエンジン30とにより駆動される発電機36を備えているから、ガスタービンエンジン30により得られた回転力に、高圧蒸気タービン2と低圧蒸気タービン3とからの回転力が加わるので、大出力・高効率の発電システムが得られる。
この実施形態の水素酸素当量燃焼タービンシステムでは、図1の水素タービン1に組み合わせて併設するタービンとして、ガスタービンエンジン30を使用した例を説明したが、ガスタービンエンジン30に限定されず、例えばゴミ焼却施設の焼却タービンやその他のタービンを併設してもよく、いずれの場合でも、低CO化と熱効率の向上とを実現する水素酸素当量燃焼タービンシステムが得られる。また、ガスタービンエンジン側も水素を燃料とすることで完全COフリー発電システムを実現することができる。
以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、当業者であれば、本件明細書を見て、自明な範囲内で種々の変更および修正を容易に想定するであろう。したがって、そのような変更および修正は、添付の特許請求の範囲から定まるこの発明の範囲内のものと解釈される。
1…蒸気タービン(水素タービン)
2…高圧蒸気タービン
3…低圧蒸気タービン
5…加熱器
6…回転軸
7…減速機(クラッチ付き)
30…ガスタービンエンジン
32…タービン
35…減速機
50…排ガスボイラ
51…ディフューザ
53…燃焼部
55…混合部
55a…混合室
60…燃焼室
61…冷却室
63…燃焼室壁
R…燃焼ガス(高温蒸気)
S1…高圧蒸気タービン出口からの蒸気
S2…再熱蒸気
S4…排出蒸気(主蒸気)
S5…排出蒸気(副蒸気)
S6…冷却用蒸気

Claims (7)

  1. 高圧蒸気タービンと低圧蒸気タービンとこれら両者間の加熱器とを備え、
    前記加熱器は、水素と酸素を当量燃焼させる燃焼部と、この燃焼部からの高温蒸気に前記高圧蒸気タービンからの排出蒸気を混入して前記低圧蒸気タービンに供給する混合部とを有する、水素酸素当量燃焼タービンシステム。
  2. 請求項1に記載の水素酸素当量燃焼タービンシステムにおいて、前記燃焼部は、水素と酸素を当量燃焼させる燃焼室と、前記燃焼室からの高温蒸気を前記混合部に形成された混合室内に噴射して前記排出蒸気を吸引させるエゼクタを有し、前記混合器は前記エゼクタからの蒸気を膨張させて昇圧、降温するディフーザを有する、水素酸素当量燃焼タービンシステム。
  3. 請求項1に記載の水素酸素当量燃焼タービンシステムにおいて、前記燃焼部は、水素と酸素を当量燃焼させる燃焼室と、この燃焼室を外側から覆って冷却する冷却室とを有し、前記冷却室に前記高圧蒸気タービンに供給される主蒸気の一部が冷却用蒸気として導入される、水素酸素当量燃焼タービンシステム。
  4. 請求項3に記載の水素酸素当量燃焼タービンシステムにおいて、前記燃焼室を形成する燃焼室壁に、前記冷却室内の前記冷却蒸気を前記燃焼室へ導出させて前記燃焼室壁の内面をフィルム冷却する蒸気導出孔が形成されている、水素酸素当量燃焼タービンシステム。
  5. 請求項1から4のいずれか一項に記載の水素酸素当量燃焼タービンシステムにおいて、さらに、前記低圧蒸気タービンおよび前記高圧蒸気タービンに連結されたガスタービンエンジンと、このガスタービンエンジンの排ガスを熱源とする排ガスボイラとを備え、
    前記排ガスボイラで得られた主蒸気が前記高圧蒸気タービンに供給される、水素酸素当量燃焼タービンシステム。
  6. 請求項5に記載の水素酸素当量燃焼タービンシステムにおいて、前記排ガスボイラの中間部で得られた副蒸気が前記低圧蒸気タービンの中間段に供給される、水素酸素当量燃焼タービンシステム。
  7. 請求項5または6に記載の水素酸素当量燃焼タービンシステムにおいて、さらに、前記低圧蒸気タービンと前記高圧蒸気タービンと前記ガスタービンエンジンとにより駆動される発電機を備えた水素酸素当量燃焼タービンシステム。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024038723A1 (ja) * 2022-08-18 2024-02-22 株式会社 東芝 コンバインドサイクル発電設備
WO2024038724A1 (ja) * 2022-08-18 2024-02-22 株式会社 東芝 コンバインドサイクル発電設備
WO2024042917A1 (ja) * 2022-08-23 2024-02-29 株式会社 東芝 酸素水素燃焼を用いた蒸気タービン発電設備
JP2024513438A (ja) * 2021-04-15 2024-03-25 シーメンス エナジー グローバル ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング ウント コンパニー コマンディートゲゼルシャフト 水素と酸素からの電気エネルギーの発生
DE112018000670B4 (de) 2017-02-03 2025-01-02 Kawasaki Jukogyo Kabushiki Kaisha Stöchiometrisches wasserstoff-/sauerstoffverbrennungsturbinensystem

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6712672B1 (ja) * 2019-12-09 2020-06-24 新太郎 石山 超臨界co2ガスを用いた発電装置及び発電システム
US11732617B2 (en) 2020-01-29 2023-08-22 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Installation comprising an auxiliary module
EP4083501A1 (de) 2021-04-30 2022-11-02 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Verbrennungseinrichtung zur verbrennung von wasserstoff und verfahren zur durchführung der verbrennung
US11988114B2 (en) 2022-04-21 2024-05-21 Mitsubishi Power Americas, Inc. H2 boiler for steam system

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5499846A (en) * 1978-01-23 1979-08-07 Hitachi Zosen Corp Ejector-nozzle-type-turbine-used direct regenerating cycle system
JPS61149508A (ja) * 1984-12-13 1986-07-08 ザ ギヤレツト コーポレーシヨン 蒸気機関用の反応装置およびその蒸気機関
JPH07217447A (ja) * 1994-02-04 1995-08-15 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd クローズドサイクルガスタービンの燃焼方法及び装置
JPH09510276A (ja) * 1994-03-17 1997-10-14 シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト ガス及び蒸気タービン複合プラントの運転方法並びにこの方法により作動するプラント
JPH10306709A (ja) * 1997-05-08 1998-11-17 Toshiba Corp 水素燃焼タービンプラント

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT94317B (de) 1919-09-26 1923-09-25 Gustav De Grahl Verfahren zur Ausnutzung eines hoch überhitzten Gasverbrennungsgemisches.
US4074708A (en) 1976-06-07 1978-02-21 Combustion Engineering, Inc. Burning hydrogen and oxygen to superheat steam
US4609328A (en) * 1980-06-18 1986-09-02 Ctp Partners Method and apparatus for total energy systems
JPH07208192A (ja) 1994-01-14 1995-08-08 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 水素酸素燃焼タービンプラント
JP3611596B2 (ja) * 1994-04-27 2005-01-19 財団法人電力中央研究所 水素燃焼タービンシステム
US5953900A (en) 1996-09-19 1999-09-21 Siemens Westinghouse Power Corporation Closed loop steam cooled steam turbine
US5775091A (en) * 1996-10-21 1998-07-07 Westinghouse Electric Corporation Hydrogen fueled power plant
JP3059115B2 (ja) * 1997-04-24 2000-07-04 株式会社東芝 水素燃焼タービンプラント
EP0900921A3 (en) * 1997-09-05 2000-01-26 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Hydrogen burning turbine plant
JPH1183017A (ja) * 1997-09-08 1999-03-26 Mitsubishi Heavy Ind Ltd ガスタービン用燃焼器
US6474069B1 (en) * 2000-10-18 2002-11-05 General Electric Company Gas turbine having combined cycle power augmentation
US7284362B2 (en) * 2002-02-11 2007-10-23 L'Air Liquide, Société Anonyme à Directoire et Conseil de Surveillance pour l'Étude et l'Exploitation des Procedes Georges Claude Integrated air separation and oxygen fired power generation system
JP2006017367A (ja) * 2004-06-30 2006-01-19 Toshiba Corp 水素・酸素燃焼方法および水素・酸素燃焼装置
CN101915163A (zh) * 2010-08-06 2010-12-15 沈阳航空航天大学 一种使用氢气燃料和燃气轮机进行氧燃料燃烧的方法及装备
CN102797515B (zh) * 2011-05-27 2017-04-19 张玉良 热力过程采用喷射抽气节能方法
JP5899846B2 (ja) * 2011-11-15 2016-04-06 東洋インキScホールディングス株式会社 活性エネルギー線硬化型積層体の製造方法および該製造方法を用いた積層体
JP6452275B2 (ja) * 2013-08-08 2019-01-16 株式会社ササクラ サーモコンプレッサ
DE102013221286B4 (de) * 2013-10-21 2021-07-29 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Brennkammer, insbesondere Gasturbinenbrennkammer, z. B. für ein Luftfahrttriebwerk
RU2561755C2 (ru) * 2013-11-07 2015-09-10 Открытое акционерное общество "Газпром" Способ работы и устройство газотурбинной установки
CN104061028B (zh) * 2014-06-24 2016-02-24 华北电力大学 氢氧与煤粉燃烧结合的二次再热联合循环发电系统及方法
JP6384916B2 (ja) * 2014-09-30 2018-09-05 東芝エネルギーシステムズ株式会社 ガスタービン設備
JP6471321B2 (ja) 2015-07-14 2019-02-20 株式会社ソフイア 遊技機
CN105240061B (zh) * 2015-10-19 2016-10-26 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 一种采用注氢燃烧混合式加热的超高温蒸汽动力循环系统
JP6783160B2 (ja) 2017-02-03 2020-11-11 川崎重工業株式会社 水素酸素当量燃焼タービンシステム

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5499846A (en) * 1978-01-23 1979-08-07 Hitachi Zosen Corp Ejector-nozzle-type-turbine-used direct regenerating cycle system
JPS61149508A (ja) * 1984-12-13 1986-07-08 ザ ギヤレツト コーポレーシヨン 蒸気機関用の反応装置およびその蒸気機関
JPH07217447A (ja) * 1994-02-04 1995-08-15 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd クローズドサイクルガスタービンの燃焼方法及び装置
JPH09510276A (ja) * 1994-03-17 1997-10-14 シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト ガス及び蒸気タービン複合プラントの運転方法並びにこの方法により作動するプラント
JPH10306709A (ja) * 1997-05-08 1998-11-17 Toshiba Corp 水素燃焼タービンプラント

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE112018000670B4 (de) 2017-02-03 2025-01-02 Kawasaki Jukogyo Kabushiki Kaisha Stöchiometrisches wasserstoff-/sauerstoffverbrennungsturbinensystem
JP2024513438A (ja) * 2021-04-15 2024-03-25 シーメンス エナジー グローバル ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング ウント コンパニー コマンディートゲゼルシャフト 水素と酸素からの電気エネルギーの発生
JP7728882B2 (ja) 2021-04-15 2025-08-25 シーメンス エナジー グローバル ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング ウント コンパニー コマンディートゲゼルシャフト 水素と酸素からの電気エネルギーの発生
WO2024038723A1 (ja) * 2022-08-18 2024-02-22 株式会社 東芝 コンバインドサイクル発電設備
WO2024038724A1 (ja) * 2022-08-18 2024-02-22 株式会社 東芝 コンバインドサイクル発電設備
JP2024027574A (ja) * 2022-08-18 2024-03-01 株式会社東芝 コンバインドサイクル発電設備
US12404805B2 (en) 2022-08-18 2025-09-02 Kabushiki Kaisha Toshiba Combined cycle power generation facility
JP7735234B2 (ja) 2022-08-18 2025-09-08 株式会社東芝 コンバインドサイクル発電設備
WO2024042917A1 (ja) * 2022-08-23 2024-02-29 株式会社 東芝 酸素水素燃焼を用いた蒸気タービン発電設備
JP2024030130A (ja) * 2022-08-23 2024-03-07 株式会社東芝 酸素水素燃焼を用いた蒸気タービン発電設備

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