JP2000514149A - 太陽熱および燃料燃焼によるハイブリッド発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 発電システムは、ガスタービン発電機（１１）を太陽熱利用プラント（１５）と組み合わせ、ガスタービンの排ガス（１４）を蒸気の過熱および供給水の加熱のみに利用する。太陽熱加熱器は、供給水の沸騰または蒸発のためだけに利用され、供給水は、あらかじめタービンの排ガスの下流部分で加熱される。水と蒸気の比熱の差を釣り合わせてシステムを最適化するために、蒸気は、タービンの排ガスの上流部分で過熱（１６）されてまず高圧蒸気タービン（２１）を駆動し、次に同じ排ガスによって同じ温度域で再加熱されて低圧蒸気タービン（２３）を駆動する。

Description

【発明の詳細な説明】 太陽熱および燃料燃焼によるハイブリッド発電システム 本発明は、太陽熱および燃料燃焼によるハイブリッド発電システムに関し、よ り詳しくは、発電所の燃料部分がガスタービンであり、発電に加えてタービンの 高温排ガスが太陽熱ユニットと組み合わせされて蒸気タービン発電機用の蒸気の 生成に用いられるシステムに関する。 発明の背景 太陽熱およびガスタービン・ユニットを組み合わせて用いたサイクル式発電シ ステムは、アメリカ合衆国特許第５４４９７２号に示されており、おそらく公知 である。さらに、カリフオルニア州サンフランシスコのべッチェル・コーポレー ションが、標準的なゼネラル・エレクトリック社のガスタービン発電所（ちなみ に、これは、はやり高圧および低圧蒸気タービンを使用するものである）に太陽 熱蒸発器を加えたデザインを開発したと考えられている。しかし、上の施設のい ずれにおいても、システム全体を最適化するための具体的な努力は払われていな い。そうではなくて、最初のガスタービン蒸気発電設備と最初の燃料燃焼用サイ クル式レイアウトに単にシステムの太陽熱エネルギー部分が加えられて、組み合 わせのサイクル式システムとなったものに過ぎない。 発明の目的および概要 本発明の目的は、広くは、改良された太陽熱および燃料燃焼によるハイブリッ ドな発電システムを提供することである。 上の目的にもとづいて、高温排ガス流を有するガスタービン発電機からなり、 共通のマスフローを得るためのほぼ閉じた水／蒸気供給路を有する発電システム が提供される。高温排ガスの下流部分に配置された第一の熱交換手段が、供給さ れた水をほぼその蒸発温度まで加熱する。該第一の熱交換器に接続された太陽熱 ボイラー手段が、供給水を蒸発させる。低圧排気を生じる高圧蒸気タービン発電 機および低圧蒸気タービン発電機が、凝縮器に接続され、この凝縮器が給水を行 なう。少なくとも一部がタービンの高温排ガスの上流部分に配置された第二の高 温熱交換器が、太陽熱ボイラー手段から蒸発した供給水を受けとり、また低圧蒸 気タービンの排気を受けとり、前記高圧および低圧蒸気タービンの両者を駆動さ せるためにそれをあらかじめ定められた温度まで過熱させる。第二の熱交換器に よって供給される温度上昇１度当たりの絶対熱エネルギーは、前記供給水を前記 蒸発温度まで熱するために第一の熱交換器によってあたえられる温度上昇１度当 たりの熱エネルギーとほぼ等しい。 図面の簡単な説明 第１図は、システム全体の概要図である。 第２図は、本発明のコンセプトを説明するために用いるグラフである。 第３図は、本発明の実際の作動を示す特性曲線のグラフである。 第４および５図は、理論的にのぞましくない作動モードを示す第３図と同様な 曲線のグラフである。 第６図は、本発明を示す温度−エントロピーのグラフである 第７図は、第１図のシステムの変形例であるシステムの概要図である。 第８図は、第７図を説明するために第６図のグラフを修正して示したグラフで ある。 好ましい実施形態の説明 第１図は、本発明の発電システムを示す図で、該システムは、その重要な構成 要素として、発電機１２を駆動する燃料動力式ガスタービンおよび太陽熱ボイラ ー１３を有する。以下で説明するように、ガスタービンの排ガスの熱とともに用 いられる太陽熱は、各々を個別に用いて得られるより、あるいは上に述べた最適 化されない組み合わせ式あるいはハイブリッド・システムを用いて得られるより はるかに多くの蒸気の力をつくり出す。第１図では、蒸気の流れは鎖線で示され ている。一般的にいって、本発明は、ガスタービンの排ガスの熱が、所与のデー タからその熱の１パーセントを失ってその温度が１パーセント下がるため、それ が一定温度での沸騰に用いられずに、給水を蒸発温度に加熱しまた蒸気を過熱さ せるためのみに用いられるべきであることを実現するものである。他方、太陽熱 による加熱は、一定温度近くで行なわれるため、それは、主として沸騰あるいは 供給水を蒸発温度まで加熱するために用いるのが最善である。太陽熱ボイラーは 、 ガスタービンの排ガスと異なり、熱をシステムから除去しても一定温度を保つと いう原子カボイラーと同様な特性をもつため、第１図に示すように、これを原子 力ボイラーに代えてもよい。 次に、第１図のシステムのハードウエア構成を参照して、ガスタービン１１の 排ガス１４は、まず、高圧過熱器１６および低圧再加熱器へ送られる。図示のよ うに、これらは、実際には、管シートの形をした差し込み式加熱器である。高圧 過熱器１６は、太陽熱ボイラー１３で生成された高圧蒸気を過熱する。したがっ て、太陽熱ボイラーの温度は、蒸発温度に近く、また過熱器１６は、得られた蒸 気を、高圧蒸気タービン発電機２１を駆動するために用いられる最大アプローチ 温度まで加熱する。 高圧蒸気タービン２１の中での膨張のあと、流出ライン２２は、まだ太陽熱ボ イラー１３の最初の流出温度で過熱されている。低圧再加熱器１７は、蒸気を最 大アプローチ温度まで再加熱し、低圧蒸気タービン発電機２３を駆動する。再加 熱された蒸気は、次に、膨張して、低圧蒸気タービンを介して凝縮器ユニット２ ４へ送られ、水を凝縮させた後、ポンプ２６によって汲み出されて水加熱器（あ るいは、熱交換器２７）へ送られる。これは、ガスタービンの排ガス１４の下流 部分２８に配置されている。供給水は、この排ガスを用いて、再びその沸点近く まで加熱され、太陽熱ボイラー１３へ送られて、閉じた水／蒸気供給路を一巡す る。これは、当然のことながら閉じた供給路であるから、システムにはそこを通 る共通のマスフローが存在することになる。過熱器および再加熱器１６、１７は 、高温排ガス流１４の上流すなわちより高温部分に配置されている。 理論的には、水の加熱および過熱のためにガスタービンの排ガスの熱のみを用 いる場合には、最良の熱力学的効果を得るために、冷やされるタービンのガス流 とこのガス流から熱を奪って加熱される逆流の水および蒸気の流れの間にほぼ一 定の温度差があることがのぞましい。しかし、温度−エントロピー（Ｈ）特性を 示す第２図は、そこに内在する問題を示している。排ガスの比熱（Ｃｐ）は、約 ０．２５である。他方、蒸気の比熱と水の比熱は、それぞれ約０．５と１．００ である。水が蒸気の比熱の約二倍の比熱を有することから、インバランスを生じ る。すなわち、ガス流の１度当たりの熱吸収量に釣り合う水流の１度当たりの熱 吸収量は、ガス流の１度当たりの熱放出量に釣り合う蒸気流の１度当たりの熱放 出量の約半分に過ぎない。 上に述べたように、理想的な最適の熱力学的効果は、タービンのガス流と蒸気 および水の間の熱交換に一定の温度が保たれるときに得られる。第３図は、蒸気 、水、ガスの間のこの関係を示したもので、横軸は時間当たりのＢＴＵ単位であ らわした熱交換量、縦軸は゜Ｆであらわした温度である。具体的な温度の値は、 下で説明する一例として挙げたものである。第３図の理想的な特性は、以下で詳 細に検討する用に蒸気の各１ポンドを同じ温度域で二度加熱することによって実 現される。しかし、そうしなければ、第４または５図に示すように理論的にのぞ ましくない結果が生じる。これらの図の曲線は、単に概念を単純化して示してあ るが、実際の状況にはマッチしない。第４図では、水とガスの互いの逆流は、マ ッチするが、蒸気はミスマッチである。第５図では、蒸気とガスはマッチするが 、水はミスマッチである。 第６図は、温度−エントロピー特性は、第３図の理想的な特性を達成した本発 明の方法を簡潔に示している。第６図の主要な曲線３１は、標準的な温度−エン トロピー曲線で、吊り鐘状の曲線の内側は、左が液体の濡れた領域で、右が乾い た領域すなわち過熱領域と蒸気領域である。 第１図のシステムを第６図のグラフに関係付けると、供給水加熱器２７は、供 給水を３３で示す沸点まで加熱する曲線３２で示されており、この沸点は、本発 明の例では、１１９０ｐｓｉの圧力で約５６６°Ｆである。上は３３から絶対温 度０度までの曲線の下の陰影を付けた部分Ａ１は、その段階で供給される熱エネ ルギーを示す。水平の線３５は、３６で水すなわち液相から蒸気への変化が生じ る太陽熱ボイラー１３内部の蒸発の最後の熱を示す。吊り鐘状の曲線３１の反対 側では、３７で示す鎖線３７は、５ｐｓｉａ、１００ｐｓｉa)および１０００ｐ ｓｉａの等圧線である。ほぼ１０００ｐｓｉａの線に添った実線３８は、最初の 圧力１１３０ｐｓｉａにほぼ等しい圧力で１０５０°Ｆで示す温度まで蒸気を過 熱させる過熱器１６の作動を示す。次に、線２２では、これが、高圧蒸気タービ ン２２上の通常の弁手段およびタービンの作用自身によって、１５０ｐｓｉａお よび最初の蒸発温度の５６６゜Ｆまで低下する。低圧蒸気ｏｓは、実線３９で 示すように低圧再加熱器１７によってほぼ１５０ｐｓｉで１０５０°まで再加熱 される。次に、低圧タービンならびに凝縮器２４の作用によって（線４１参照） 排ガスは、約１００°Ｆの温度でほぼ１ｐｓｉａまで下がる。低圧タービン２３ の排ガスを示すこの線４１が図示の位置で曲線３１と交わり、完全に乾燥してお らずまた湿り過ぎてもいない排ガスを供給する温度と圧力の組み合わせが存在す ることが重要である。 すなわち、陰影を付けた部分を参照して、高圧過熱器１６で付加される熱は、 区域Ａ２で示され、低圧再加熱器１７で付加される熱は、区域Ａ３で示される。 下の式で示すように、効率を最適にするためには、区域Ａ１を温度上昇Ｔ２−Ｔ １で割った値が、Ａ２とＡ３の和を温度上昇Ｔ３−Ｔ２’で割った値と等しいこ とがのぞましい。これが実現すれば、上に述べた水の比熱と蒸気の比熱の差が効 率的に補償されて、第３図の理想的な特性曲線が得られるようになる。 このことは、下の三つの式を用いて説明することができる。 （１） Ｍ＊Ｃｐｗ ＝ Ｍ＊Ｃｐｇ （２） ΣＭ＊Ｃｐｓ ＝ Ｍ＊Ｃｐｇ （３） ΣＭ＊Ｃｐｓ ＝ Ｍ＊Ｃｐｗ ただし、Ｍ＝マスフロー、 Ｃｐ＝平均比熱 式（１）は、マスフローと水の比熱の積とガス流の釣り合いを示し、式（２） は、過熱蒸気とガスの釣り合いを示し、式（３）は、式１および式２を成り立た せるために必要な条件を示す。ガスの比熱と水の比熱は等しくないので（一方が 他の二倍）、蒸気を最初の高圧で次に低圧でと二度過熱させることによって、式 （３）の条件が効果的に満たされる。 すなわち、一般的な設計規準としては、以下の通りとなる。１）蒸気を水と比 較して二度再加熱する、２）高圧過熱器１６と低圧再加熱器１７の両方に同じ温 度域を用いる、３）トラフ型の安価な太陽熱ボイラーを構成するように、上の例 では５６６゜で示されるような太陽熱ボイラーの温度を選ぶ（また、太陽熱ボイ ラーの出力とよく両立させるために１１９０ｐｓｉａの圧力が選ばれている）、 ４）凝縮器まで圧力が低下する低圧タービンは、乾燥もしておらずまた濡れ過ぎ てもいない、５）高圧タービン２１への入口圧力、例えば１１３０ｐｓｉａは、 商用タービンとしては高すぎない、６）加熱器１６および１７の圧力は、供給水 の過熱とのぞましい等化が得られるように選ばれる。 本発明にもとづくシステムを理論的に設計した。添付の第１表は、その作動パ ラメーターを示す。 例えば第１表に示すように、第１図の実施形態は、正しい温度および圧力で用 いた場合、最適の効率を示す。例えば、施設によっては、２１５０ｐｓｉａの圧 力ですぐれた効率を示すものがある。第７図は、第１図の実施形態の変形例を示 すが、このものは、付加的な低圧太陽熱ボイラー４１を有し、給水の構成が変更 されている。これは、現存の給水加熱器を低温／高圧および高温／高圧部４０お よび４２ならびに低温／低圧部４３に分割したものを含む。部４０および４３へ の給水は、それぞれ凝縮器２４から給水を受け取る高圧ポンプ４４および低圧ポ ンプ４６を介して行なわれる。高温部４２も、供給水をその蒸発温度まで加熱し 、高圧太陽熱ボイラー１３がその水を蒸気に変えるように作動する。次に、ボイ ラー１３から出た蒸気は、前と同様に高圧過熱器１６へ進む。ただし、この変形 例では、低温／低圧部４３は、新しい低圧太陽熱ボイラー４１へ給水を行ない、 このボイラーが、供給水をその蒸発点まで加熱し、次に、追加の新しい低温／低 圧過熱器部分４７が、蒸気を過熱してそれをライン４８を介して低圧再加熱器１ ７の入カライン２２へ送る。 供給水加熱ユニット４２および４０、ならびに過熱器４７および低温加熱器４ ３は、ガスタービン１１から排ガスの流れ１４の低温部分に直列に接続されてい る。したがって、第８図の温度−エントロピーのグラフに適切に示されているよ うに、実際には、二つの新しい熱供給源が配設されることになる。ここでは、区 域Ａ４へ供給されて供給水をその蒸発温度まで上昇させる熱エネルギーは、低圧 ／低温加熱器４３によって供給されるもので、次に、低圧太陽熱ボイラー４１が 、蒸発の潜熱を供給し、それが、次に、過熱器４７へ送られ、線４８で示すよう に、実際には第７図に示す低圧加熱器１７への入力２２である等圧線３９と合わ さる。過熱器４７によって供給される温度上昇度は、Ａ’１である。第６図の式 を参照して、これが、それぞれ、マスフローのための調節を行なって式の左辺に 加えら れる。この実施形態では、「ピンチ」温度とも呼ばれる高圧沸点で式の釣り合い が生じる。第６図を参照して、これは、約５６６°Ｆである。第７および８図の 方法は、効率では劣るが、供給水の単位温度の上昇当たりの加熱と過熱との釣り 合いをさまざまに異なる方法で行なうことができるという本発明の考えを示すも のである。 以上のようにして、改良された太陽熱および燃料燃焼によるハイブリツド発電 システムが得られる。 第１表 過熱器１６入口蒸気温度（Ｆ） ５６６ 過熱器１６出口蒸気温度（Ｆ） １０５０ 過熱器１６入ロガス温度（Ｆ） １１０９ 過熱器１６出口ガス温度（Ｆ） ５９１ 再加熱器１７入口蒸気温度（Ｆ） ５６７ 再加熱器１７出口蒸気温度（Ｆ） １０５０ 再加熱器１７入ロガス温度（Ｆ） １１０９ 再加熱器１７出口ガス温度（Ｆ） ５９１ 供給水加熱器２７入口水温度（Ｆ） １０４ 供給水加熱器２７出口水温度（Ｆ） ５５４ 供給水加熱器２７ガス入口温度（Ｆ） ５９１ 供給水加熱器２７ガス出口温度（Ｆ） １５０ 太陽熱ボイラー１３仕事量（Ｂｔｕ／時） ２．３０Ｅ＋０．８ 太陽熱ボイラー１３蒸気生成量（ボンド／時） ３．６５Ｅ＋０．５ 合計正味動力（ＭＷ） １４１．７４ ＧＴ（ガスタービン）１１動力（ＭＷ） ７０．９５ ＳＴ（蒸気タービン）２１、２３動力（ＭＷ） ７０．８ ＧＴ（ガスタービン）１１熱入力（Ｂｔｕ／時） ６．８４Ｅ＋０．８ プラント熱率（Ｂｔｕ／時） ４８２８ プラント効率（％） ７０．７ 調節後熱率（Ｂｔｕ／時） ６４４７．７ 標準蒸気タービン動力 １０８．３ 蒸気タービン出口質 ０．９９８ 太陽熱ボイラー圧力（Ｐｓｉａ） １１９０ ＨＰ蒸気タービン入口圧力（Ｐｓｉａ） １１３０．５ ＨＰ（高圧）蒸気タービン再加熱圧力（Ｐｓｉａ） １５９ ＬＰ（低圧）蒸気タービン入口圧力（Ｐｓｉａ） １５０．４ 蒸気タービン凝縮器圧力（Ｐｓｉａ） １

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ， ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，Ｇ Ｂ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ， ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，Ｎ Ｏ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ， ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 共通のマスフローを得るためにほぼ開じた水／蒸気供給路を有する発電 システムにおいて、 高温排ガス流を有するガスタービン発電機、 前記供給水をほぼその蒸発温度まで加熱するために前記高温排ガスの下流部分 に配置された低温熱交換器、 前記供給水を蒸発させるために前記低温熱交換器に接続された太陽熱ボイラー 、 高圧蒸気タービン発電機および低圧蒸気タービン発電機、 前記タービンの前記高温排ガスの上流部分に配置された第一および第二の高温 熱交換器であって、前記第一の高温熱交換器は、前記太陽熱ボイラーから蒸発し た供給水を受け取って前記高圧蒸気タービンを駆動するためにそれをあらかじめ 定められた温度まで過熱し、高圧蒸気タービンは、前記蒸発温度に近い温度の低 圧排ガスを有し、前記第二の高温熱交換器は、前記高圧タービンから排ガスを受 け取って前記低圧蒸気タービンを駆動するためにそれをほぼ前記あらかじめ定め られた温度まで再加熱し、前記低圧蒸気タービンの排ガスは、凝縮器に接続され 、そこで蒸気が水に変えられ、次に高圧供給水ポンプによって前記低圧熱交換器 へ送られる構成の第一および第二の高温熱交換器、を有し、 前記第一および第二の高温熱交換器によって供給されまた前記高圧および低圧 蒸気タービンによって利用される１度の温度上昇当たりの絶対熱エネルギーは、 前記供給水を前記蒸発温度まで加熱するために供給水熱交換器によってあたえら れる熱エネルギーとほぼ等しいシステム。 ２． 前記低温蒸気タービンの前記排ガスは、周囲の空気圧とほぼ等しいかま たはそれより低いが、排ガスが完全に乾燥もせずまた濡れ過ぎもしないある温度 にある請求の範囲１に記載のシステム。 ３． 前記第一および第二の高温熱交換器の圧力は、前記１度の温度上昇当た りの熱エネルギー入力の等しさを得るように選ばれる請求の範囲１に記載のシス テム。 ４． 前記太陽熱ボイラーは、前記供給水の状態を液体から蒸気に変えるため に必要なほぼすべての熱を供給する請求の範囲１に記載のシステム。 ５． 共通のマスフローを得るためにほぼ閉じた水／蒸気供給路を有する発電 システムにおいて、 高温排ガス流を有するガスタービン発電機、 前記供給水をほぼその蒸発温度まで加熱するために前記高温排ガスの下流部分 に配置された第一の温熱交換器手段、 前記供給水を蒸発させるために前記第一の温熱交換器手段に接続された太陽熱 ボイラ一手段、 凝縮器に接続された低圧排ガスを有し、該凝縮器がそれによって前記供給水を 供給する構成の高圧蒸気タービン発電機および低圧蒸気タービン発電機、 前記太陽熱ボイラー手段からの蒸発した供給水および前記低圧蒸気タービンの 低圧排ガスを受け取って前記高圧および低圧の両蒸気タービン駆動するためにそ れをあらかじめ定められた温度に過熱させるために前記タービンの前記高温排ガ スの上流部分に配置された第二の熱交換器手段、を有し、 高圧沸点より上まで過熱させるために第二の熱交換器手段によって供給される １度の温度上昇当たりの絶対熱エネルギーは、前記供給水を前記蒸発温度までま た前記高圧沸点より低い温度まで加熱するために前記第一の熱交換器手段によっ てあたえられる１度の温度上昇当たりの熱エネルギーとほぼ等しいシステム。