JP2000514518A - 電力用原動機の廃熱を有効利用する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明により、−５〜＋５℃の外気温度の電力消費装置分野で作動するエネルギッシュなガスタービンをの効率を改善することができる、方法と装置が提供される。この場合、熱の必要量が増大したときに、技術水準のように、吸込み系全体から熱を取り出すのではなく、ガス圧縮機（３）では先ず最初に発電機（２）によって暖められた排気が吸込みシャフト（１２，１２’）内の吸込み空気を暖めるために使用され、その後で熱回路の終わりに発生する廃熱装置（８）の熱から他の熱が取り出される。熱が付加的に必要なときには、バイパス管路（２０）を経て圧縮機（３）から熱が取り出される。

Description

【発明の詳細な説明】 電力用原動機の廃熱を有効利用する方法及び装置 本発明は、電力用原動機の廃熱を有効利用する方法及び装置、特にエネルギッ シュなガスタービンの空気吸込み装置の凍結を防止するための凍結防止系に関す る。 エネルギッシュなガスタービンのこのような凍結防止装置は技術水準でよく知 られている。タービン作業空気吸込み系及びフィルター系と発電機冷却系内での 凍結や過冷却をさけるための公知の凍結防止系の場合には、タービンの燃焼室に 空気を供給するために役立つ圧縮機の後で部分空気流が取り出される。取り出さ れた部分空気流は出力の低下を生じる。この出力の低下は吸込み温度の上昇と、 圧縮機の端部における多量の空気取出しによって生じる。これは勿論、エネルギ ー形態の発生のための作動系の全体エネルギー収支に不利に作用する。 一般的に、エネルギーを発生する電力用機械（発電機）はガスタービンによっ て駆動される。この場合、圧縮機、燃焼室及びタービンは共通の一つのケーシン グ内に収納されている。作業機械、ここではガスタービンは、作業媒体として多 量の外気を必要とする。この外気はろ過しなければならない。電力用機械、ここ では発電機は、運転中非常に暖められ、従って特別なガス冷却系によって冷却し なければならない。ガスとしては一般的に外気が使用される。その際、低過ぎる 所定の外気温度の場合及び高過ぎる相対空気湿度の場合、空気吸込み系全体に氷 が形成されるという問題がある。この氷は作動系内に重大な有害作用を生じるこ とになる。この凍結を回避するために、技術水準では、熱の必要量が増大したと きに、すなわち外気温度が低下したときに、所定の調節弁を介して圧縮機の端部 から暖かい空気が取出され、空気流入装置に再び供給される。この手段により、 空気吸込み系の空気入口範囲の温度は約３〜５℃に保たれる。その際、圧縮機か ら取り出されたガス量は４００℃のときに約５ｋｇ／秒になる。従って、ガスタ ービンには少ない作業空気が供され、それによって最終的には発電機の端子電力 が低下する。 この電力の損失が非常に大きいので、本発明の目的は、凍結防止装置の使用に よる電力損失を最低限に抑えることである。 従って、本発明の課題は、ガスタービン装置の凍結防止系の熱の必要量が増す ときに、電力用機械の有効電力の損失を最低限に抑える、方法と装置を提供する ことである。 この課題は本発明に従い、独立請求項記載の特徴によって解決される。 作動系全体内の既に暖められたガスを使用してガス混合気管路系内の凍結を防 止する本発明による方法は、作動系の有効出力が最適化されるように、熱がエネ ルギー的に望ましい個所から所定の順序で取り出されることを特徴とする。 本発明による方法に従って作動する装置は、 電力機械の冷却系の排気通路内に配置された、異なる管路のガス流を必要に応 じて配分する多通路型ガス案内装置と、 作動系の廃熱装置の熱を取り出すための調節装置と、 ガス圧縮機出口と吸込み系のガス入口との間に設けられた、調節弁を有するバ イパス管路とを備えていることを特徴とする。 作動系内の既に暖められた空気の熱取出しの有利な順序は、先ず最初に、電力 用機械から出る暖められた発電機排気が空気吸込み装置に供給され、熱必要量が 更に増大すると、作動系の熱回路の終端の廃熱装置から熱が取り出され、他の可 能性では、ガス−圧縮装置から熱が取り出される。廃熱装置からの熱の有利な取 出し個所は、ガスの温度が１２０〜２００℃の個所である。更に、後続のプロセ スの熱交換器の後で廃熱装置から熱が取り出されると有利である。しかし、充分 に高い温度レベルで取り出される。 暖められた発電機排気が多通路型ガス案内装置を経て案内されると有利である 。この場合、多通路型ガス案内装置は一般的には三方制御弁である。 同様に、廃熱装置の熱が調節装置を経て案内されると有利である。従って、取 り出される熱必要量は、所定の規定に従って調節可能である。 熱の必要量が更に増大するとき、又は第１の両部分系が不充分であるとき、又 は特殊な運転の場合、本発明に従って、圧縮機の端部から所定の量の熱が取り出 される。それによって、空気吸込み系内の凍結を防止するために作動温度が３〜 ５℃に保たれる。 個々の熱装置から取り出される熱は本発明では、所定の機能規定に従って決定 される。外気に通じる廃熱ガスに対する発電機ガス排気の有利な混合比は、空気 吸込み系の危険個所で相対空気湿度がその最高値に達しないときに与えられる。 個々のガス流の最適な混合比を決める際本発明に従い、例えば外気温度（Ｔ_a） や相対空気湿度（Ｗ_rel）のようないろいろなパラメータが、他の演算にとって 重要である。このパラメータは勿論、例示的なパラメータであり、決定機能にお いて、他の重要で必要な多数のパラメータによって補われる。 個々の熱供給管路内のガス流の有利な調節は、制御弁や空気フラップ弁のよう なアクチュエータによって制御される。 他の有利な本発明による特徴は従属請求項から推察可能である。 次に、図に基づいて本発明を詳しく説明する。 図１は、凍結防止系のための増大する熱必要量が圧縮機（３）から取り出され る、発電機（２）とタービン（５）を備えた、技術水準のブロック線図で運転さ れる作動系（１）を示す図、 図２は、増大する熱必要量が作動系（１）のいろいろな熱源から取り出される 、本発明による作動系（１）のブロック線図を示す図である。 図１には、技術水準で一般的であるガスタービン装置の作動系１がブロック線 図で示してある。発電機２、圧縮機３及びタービン５は共通の１本の軸２１上に 軸承されている。圧縮機３とガスタービン５のための図示していない共通のケー シングは、前側の軸受台とタービン出口ケーシングとの間の２つのケーシング区 間からなっている。圧縮機３は管路２３からなる空気案内系から必要な空気量を 得る。必要な量の空気は空気流入装置１２’と空気フィルタ２４を経て約１４０ ｍ³／秒で圧縮機３に達する。外気温度が＋５〜−５℃で、相対空気湿度が７０ ％よりも高いときに、管路２３内の空気の温度は約３℃になる。この場合、そこ の空気湿度は９５％よりも低くすべきである。空気案内装置は実質的に空気吸込 みシャフト１２，１２’と、多数の空気ノズル１１，１１’からなっている。こ の空気ノズルは、装置の空気吸込み系内の熱必要量が増大するときに、温風を空 気吸込みシャフト１２，１２’に吹き込み、それによって、場合によっては 温度を上昇させ、空気フィルタ２４，２４’における凍結を防止する。 圧縮機３内の圧縮された空気又は圧縮されたガスは燃焼室４に供給され、この 燃焼室４内で可燃ガスが燃焼し、発生したエネルギーがタービン５を駆動する。 従って、タービン５と発電機２が１本の軸に固定されているので、発電機の端子 電力がタービン５の出力によって決定されるか又は左右される。その後で、ター ビン５から出る熱はいわゆる廃熱装置８に供給される。本例の場合、廃熱装置８ は、凝縮液予熱器と他の熱交換器を備えた２段の蒸気発生器である。この熱交換 器内には多数のコイル状管が収納されている。廃熱装置８の熱交換後の残りの余 熱は再び大気に放出される。 凍結防止装置は一般的に、系の凍結を回避するために、−５〜＋５℃の外気温 度の際に使用しなければならない。そのために、圧縮機３の端部１３から調節弁 １４を経て部分空気流が取り出され、管路２０とノズル１１，１１’を経て空気 流入装置１２，１２’に供給される。圧縮機３の端部１３から取り出される暖め られた圧縮ガス量は、４００℃のときに最高５ｋｇ／秒である。これは約１，４ ００時間の中間の運転時間の際に毎年ガスタービン効率を低下させることになる 。従って、この時間の間電気的仕事は約７，０００ＭＷｈだけ低下し、約２５０ ，０００ｍ³の天然ガスを多く消費することになる。この場合、上記の仕事損失 を補償するために凝縮仕事の高い割合の作用が加熱周期に含まれていない。 発電機２のエネルギーを発生する間、多くの熱が発生するため、コイルと発電 機全体を、ガス又は比較的に乾燥した空気で冷却する必要がある。これは約２４ ｍ³／秒の空気流で行われる。必要な冷却空気は空気流入装置１２とフィルタ２ ４を経て発電機２に達する。発電機では空気が約５０℃に加熱され、続いて大気 に放出される。 図２には、本発明による空気案内系を備えた作動系１がブロック線図で示して ある。ガスタービン５の運転と、それに関連する圧縮機３の運転と、発電機２の 運転に関する機能は原理的には、図１のブロック線図の機能と同じであるので、 ここでは繰り返さない。 凍結防止装置は上述のように、外気温度が＋３℃よりも低くなるときに運転さ れる。これは若干の例外を除いて通常は冬の月である。本発明では、作動系１ の装置全体の空気案内系内の熱の必要量が増大するときに、発電機２の暖められ た排気が三方弁７を経て案内される。この三方弁は図示していないアクチュエー タによって、空気量を管路１８，１９に分配する。管路１９は大気に通じ、管路 １８は暖められたガスを発電機２から空気流入装置１２，１２’の空気吸込みシ ャフトに戻す。それによって、そこにある空気が暖められる。導入すべき暖めら れた空気量は、本発明による機能によって決定される。この機能はオンラインで 受信した所定の測定データとパラメータを評価する。熱の必要量が更に増大する と、すなわち外気温度が更に低下すると、発電機排気からの熱量は、空気冷却系 内の危険な凍結を防止するためにはもはや充分でない。熱の多量の必要量を補償 するために、本発明では、廃熱装置８の適当な個所１６から熱が取り出される。 この適当な個所は、吸込み路内の湿気の除去を不可能にする温度ポテンシャルで 選択すべきである。更に、適当な個所はボイラ蒸気発生を損なわないように選択 すべきである。更に、空気流の量と、それに関連する、廃熱装置８から取り出さ なければならない熱の量は、受信したパラメータ又は測定データを評価する制御 機能によって決定される。調節装置９，１０は廃熱装置８からの必要な空気量を 制御する。この場合、フラップ弁１０と送風機９は管路２６に直列に接続配置さ れている。 本発明による制御機能は、所定の基準点における外気温度（Ｔ_a）と相対空気 湿度（Ｗ_rel）の多重測定のほかに、平均値からの最大偏差を有する測定を考慮 しなければならない。この場合、吸込み通路２３内の空気湿度の最大値の演算が きわめて重要である。発電機空気戻し部のフラップ弁が最終位置に達すると、こ の部分系は１００％の開放されたままであり、加熱量の一層の増大が煙道ガス戻 し送風機９の回転数変更によって達成される。他の重要なパラメータが予案内装 置１０の位置と、戻された煙道ガスの全量とからなる演算関数に供給される。こ の量は、過剰の湿気が混合された吸込み空気内に生じないように制限すべきであ る。ＣＯ値が高い場合には系が遮断される。 必要な場合には、最後に介入する上位の予備機能として、管路２０と調節弁１ ４を経て圧縮機３から熱量が取り出され、空気流入装置１２，１２’に供給され る。上記の本発明による方法と、そのために役立つ本発明による装置は普遍妥 当性を有し、この原理に従って作動するすべての機械及び装置のために使用可能 である。

───────────────────────────────────────────────────── 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)，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，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，Ｆ Ｉ，ＧＢ，ＧＥ，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， ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．作動系（１）内の既に暖められたガスを使用してガス混合−案内系内の凍結 を防止するための方法であって、作動系（１）の有効出力が最適化されるよう に、熱がエネルギー的に望ましい個所から所定の順序で取り出されることを特 徴とする方法。 ２．ａ．先ず最初に暖められた発電機排気が空気吸込み装置（１２，１２’）に 供給され、 ｂ．熱必要量が更に増大すると、作動系（１）の熱回路の終端の廃熱装置（ ８）から熱が取り出され、 ｃ．熱の必要量が更に増大すると、ガス−圧縮装置（３）の適当な個所から 熱が取り出されることを特徴とする請求項１に記載の方法。 ３．暖められた発電機排気が多通路型ガス案内装置（７）を経て案内されること を特徴とする請求項１及び２に記載の方法。 ４．廃熱装置（８）の熱が調節装置（９，１０）を経て案内されることを特徴と する請求項１及び２に記載の方法。 ５．ガス圧縮機（３）の端部（１３）の熱が調節弁（１４）を経て空気流入装置 （１２）に供給されることを特徴とする請求項１及び２に記載の方法。 ６．吸込み管路（２３）内の空気の温度を調節できるように、装置（２，７，３ ）から取り出された熱が空気流入装置（１２，１２’）に供給されることを特 徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の方法。 ７．廃熱装置（８）の熱が、１２０〜２００℃の温度の個所から取り出されるこ とを特徴とする請求項１及び４に記載の方法。 ８．廃熱装置（８）の熱取出し個所（１６）が凝縮液予熱器（１７）の後に配置 されていることを特徴とする請求項７に記載の方法。 ９．吸込み管路（２３）内の最高空気湿度を超えないように、外気に至る廃熱ガ ス（煙道ガス）に対する発電機排気の混合比が調節されることを特徴とする請 求項１に記載の方法。 10．廃熱装置（８）から取り出される熱量が所定の値を超えないことを特徴とす る請求項１〜９のいずれか一つに記載の方法。 11．個々のガス流の混合比が所定のパラメータに依存して調節されることを特徴 とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載の方法。 12．少なくとも一つのパラメータが外気温度（Ｔ_a）と相対空気湿度（Ｗ_rel）で あることを特徴とする請求項１１に記載の方法。 13．空気流入装置（１２，１２’）内の温度が＋３〜＋５℃であり、かつ最高空 気湿度を上回らないように、個々のガス流の温度が調節されることを特徴とす る請求項１〜１２のいずれか一つに記載の方法。 14．既に暖められたガスを用いて空気／ガス混合系内の凍結を防止するための装 置であって、 電力機械（２）の冷却系の排気通路（６）内に配置された、異なる管路（１ ８，１９）のガス流を必要に応じて配分する多通路型ガス案内装置（７）と、 作動系（１）の廃熱装置（８）の熱を取り出すための調節装置（９，１０） と、 ガス圧縮機出口（１３）と吸込み系のガス入口（１２）との間に設けられた 、調節弁（１４）を有するバイパス管路（２０）とを備えていることを特徴と する装置。 15．多通路型ガス案内装置（７）が三方弁であることを特徴とする請求項１４に 記載の装置。 16．作動系（１）の廃熱装置（８）の熱を取り出すための調節装置（９，１０） が、少なくとも１個の送風機（９）とガス流遮断装置（１０）を備えているこ とを特徴とする請求項１４に記載の装置。 17．調節弁（１４）を有する第１のバイパス管路（２０）を備えていることを特 徴とする請求項１４に記載の装置。 18．第２の調節弁（２２）を有する第１のバイパス管路（２１）を備えているこ とを特徴とする請求項１４に記載の装置。