JP2001526352A - サイクル内で電気エネルギーを発生するための多段蒸気パワー／作動プロセスおよびそれを実行するための構成 - Google Patents

サイクル内で電気エネルギーを発生するための多段蒸気パワー／作動プロセスおよびそれを実行するための構成

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JP2001526352A
JP2001526352A JP2000524569A JP2000524569A JP2001526352A JP 2001526352 A JP2001526352 A JP 2001526352A JP 2000524569 A JP2000524569 A JP 2000524569A JP 2000524569 A JP2000524569 A JP 2000524569A JP 2001526352 A JP2001526352 A JP 2001526352A
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ハラジーム、ウォルフガング
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レルム コグニティオ ゲーエムベーハー ゲゼルシャフト フュール マークティンテグラツィオーン ドイチャー イノバツィオーネン ウント フォルシュンクスプロダクテ
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    • Y02E20/16—Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]

Abstract

(57)【要約】 本発明の目的は、効率が高められ、使用される作動液に関する全体圧力および温度条件が実質的に減少するように発電用密閉サイクルをさらに改良することである。本発明は、負荷条件の変動に関係なく定格出力での連続運転の条件に整合する改良技術的解決法をも提供しようとするものである。これは、サイクルの作動液の圧力、温度および体積を増大させるために付加的ガス状エネルギーキャリヤを使用し、連続的に過熱した蒸気が作動液として使用されるようにサイクルの作動液を再循環させることによってサイクルで電力を発生するための多段蒸気パワー／作動プロセスを通じて達成される。本発明は、サイクルで電力を発生させるのに使用される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、パワープロセスでの作動液の圧力、温度および質量を増大させるた
めの付加的ガス状エネルギーキャリヤの使用によってサイクルで電気エネルギー
を発生し、作動プロセスで作動液を再循環させるための多段蒸気パワー／作動プ
ロセスに関する。
【０００２】 このような技術的解決法は、主にパワー節減の領域で望まれる。
【０００３】 熱エネルギーの機械的エネルギーへの変換中、その効率は、燃焼中に放出され
た排気ガスの燃焼の、および使用された冷媒の温度で決定される最大値に制限さ
れる。適用されたエネルギー変換プロセスにおける材料制限は、それぞれの従来
技術による理論的に達成可能な効率と実際に実現される効率との間の差に影響を
及ぼす。ターボ機関の研究は非常に高レベルの開発段階の域にもうすでに達して
いるので、予想される顕著な改良は、本質的にサイクルの熱力学に関わるものと
なる。
【０００４】 最大燃焼温度から開始すると、先の知識レベルによれば、エネルギー変換プロ
セスでの一般温度は、エネルギー分を増すために増大されなければならない。さ
らに、化石燃料がガスタービンプロセスで使用される場合、その高燃焼温度が酸
化窒素の排出に影響を及ぼす。
【０００５】 電気エネルギーの発生のために、蒸気タービンランキンサイクル、ガスタービ
ンサイクルおよび、両方の基本的プロセスの組合せとしてガス／蒸気複合プロセ
ス（ＣＣＰＰプロセス）は、大規模で好結果であることが分かっている。
【０００６】 最先端蒸気パワープロセスによって、意図した効率の改良が、作動液の圧力お
よび温度を３００バール以上および７００℃以上まで増すことによって達成され
ても良い。同時に、これは、これらのプロセスパラメータに巧く対処する材料に
関する解決法が必要となる。
【０００７】 最先端ガスタービンプロセスによって、その目標は、１５００℃以上までター
ビン適用温度を増大させ、機関冷却のための十分な技術的解決法によって使用さ
れる材料の安定性を得ることである。
【０００８】 周知のガス／蒸気複合プロセス（ＣＣＰＰ）では、両者の基本的プロセスの分
野での技術的開発からの利益が得られる。
【０００９】 エネルギー変換において目標とした効率の改良を達成する努力過程において、
サイクルを利用することによってエネルギー変換の最良の望ましい構成のための
解決法を見つけるべく試みがなされている。
【００１０】 故に、ＵＳ ３ ８４１ １００は、作動プロセスがターボ圧縮機内で起こり
、パワープロセスがガスタービン内で起こる、空気、水素、ヘリウムまたは他の
気体など、様々な気体を使用する密閉ガスタービンプロセスを説明する。この場
合、意図した効率の改良は、夜間に高められた大気の冷却容量がそれによって利
用できる極めて大きな冷却剤貯留器の使用を通じて達成されても良い。同時に、
定格負荷でのそのプラントの連続運転が確実に行われるようになる。これは、効
率の比較的僅かな改良を得るために行われる最大の技術的努力を示す。
【００１１】 本発明の目的は、故に、周知の従来技術の欠点が克服されるとと共に、効率の
改良が達成されるように電気エネルギーを発生させるための密閉サイクルを開発
することである。使用される作動液の一般温度および圧力条件は、周知技術と比
べて極めて低減可能なものでなければならない。
【００１２】 同時に、負荷条件の変動にも関わらず、その目的は、定格負荷での連続運転の
ための先行条件で、開発されるべき技術的解決法を提供することである。
【００１３】 本発明によれば、その目的は、請求項１および６に記載の特徴により実質的に
達成される。故に、サイクルで作動液の圧力、温度および質量を増すための付加
的ガス状エネルギーキャリヤの使用によってサイクルで電気エネルギーを発生し
、サイクルで作動液を再循環させるための多段蒸気パワーおよび蒸気作動プロセ
スは、連続的に過熱された蒸気が作動液として使用されるように構成される。
【００１４】 作動液のこの選択で、比熱に関する、比圧力損失に関するおよび熱伝導率に関
する蒸気の好ましい特性が利用される。
【００１５】 パワープロセスは、密閉多段ガスタービンプラントで実行され、使用される蒸
気は、適用される過熱された状態で、益々ガス状の挙動を示す。
【００１６】 この作動液は、原動機と被駆動機との間に配置された作動液格納容器内に起動
前および停止後に凝縮液として格納される。この目的のために、この作動液格納
容器は、凝縮液を蒸発させるため、または必要な場合にその蒸気を冷却するため
の技術的手段を備えている。
【００１７】 さらに、提案された技術的解決法は、作動液の、および付加的に使用されたガ
ス状エネルギーキャリヤの格納済みエネルギーの機械的エネルギーへの変換が密
閉ガスタービンプラントによって実行されることを特徴とする。このサイクルは
、付加的ガス状エネルギーキャリヤとしての水素および酸素の使用、およびガス
タービン内で起こる酸水素気体反応の結果として得られる蒸気によって維持され
る。
【００１８】 使用された水素と酸素との内部燃焼の結果得られる付加的蒸気状作動液は、多
段ガスタービンの翼配列に直ぐ近くの全作動液の圧力、温度および質量を増大さ
せるための過熱された蒸気として使用される。酸水素気体反応の多段ガスタービ
ンの個別段階への移行のため、最小限の伝達損失で、そのプロセスで生じる高圧
および温度が、維持されなければならない全サイクルの全体圧力および温度レベ
ルも無くパワープロセスに利用される。
【００１９】 ガスタービン内での膨張後に、使用された過熱蒸気は、サイクルの圧縮段階に
制御した酸水素気体反応からの変換生成物としての過熱された蒸気と共に作動液
として送られる。
【００２０】 膨張したガスタービン排出蒸気の熱エネルギーは、作動液として圧縮した過熱
蒸気を予備過熱するための熱交換器によって使用されることは本発明には重要で
ある。この場合、作動液の望ましい冷却は、それが意図したターボ圧縮機内で使
用される前に同時に行われる。
【００２１】 サイクル内での冷却タスクのかなりの部分が、故に、高温度の膨張作動液と低
温度の圧縮作動液との間での熱交換で覆われる。
【００２２】 本発明のある実施例では、原動機と被駆動機との間の作動液は、プラントの起
動前にエネルギーの外部供給によって作動液格納容器内で蒸発させられる。この
場合、作動液格納容器内の作動液は、蒸気凝縮液の状態である。
【００２３】 他の実施例では、水素と酸素との燃焼反応から生成された蒸気の量にほぼ相当
する過剰作動液が、原動機と被駆動機との間のサイクルから抽出されるようにし
てある。
【００２４】 原則として、全サイクルは、故に、過剰作動液の放出に適しており、いずれの
場合も、抽出された作動液の効率的利用、例えば、加熱目的の実条件に従って、
タービン冷却に使用された圧縮蒸気がそのサイクルから除去されて良い。
【００２５】 水素と酸素とを生成するためのサイクル内で発生された電気エネルギーの過剰
部分を使用することも可能である。これは、減少負荷条件にも関わらず、そのサ
イクルが最高の予想される効率を利用するために定格負荷で維持される場合には
、特に適している。
【００２６】 同様に、そのサイクルの圧縮段階から蒸気の状態で取り出された作動液が、ガ
スタービンの軸および翼配列を冷却する目的に使用されるようにしてある。
【００２７】 要約すれば、この方法に関する提案された解決法の利点は、サイクルからの大
気汚染を回避し、しかも連続運転が、ガス／蒸気複合プロセスの周知技術的利点
を失わずに作動液として過熱された蒸気で実行されるということにある。さらに
、この利点は、密閉サイクルの全体圧力および温度レベルが、同等の技術的プラ
ントと比べて著しく低減されるということにある。これによって、より費用効果
的な機械解決法が可能となり、さらに、疲労強度をも増大させる。さらに、過熱
された蒸気の有利な物理的特性は、被駆動機や原動機など、プラント構成要素、
連絡管路または熱交換器領域を比較的小さな比寸法にするための決定的な先行条
件となる。
【００２８】 説明した方法による多段蒸気パワーおよび蒸気作動プロセスを実行するための
提案された構成は、原動機としての多段ガスタービン、被駆動機としての、ター
ビン軸上に配置された、多段ターボ圧縮機、および作動液循環用の連絡管路から
成る。
【００２９】 この場合、ガス状水素とガス状酸素との供給装置は、翼配列に直ぐ近くの個々
のタービン段階に配置される。
【００３０】 膨張タービン排出蒸気から圧縮作動液に熱を伝達するように作用する熱交換器
は、被駆動機と原動機との間に配置される。
【００３１】 さらに、作動液格納容器は、被駆動機と原動機との間に配置される。圧縮した
作動液を冷却するように作用するこのような熱交換器領域は、ターボ圧縮機プラ
ントの個々の段階に同様に配置される。
【００３２】 多段蒸気パワーおよび蒸気作動プロセスを実行するための構成の特別な態様で
は、プラント起動用に働き且つ作動液用に意図された蒸発プラントは、作動液格
納容器内に配置される。
【００３３】 多段蒸気パワーおよび蒸気作動プロセスを実行するための構成のさらなる態様
は、圧縮ユニットの定質量流量を制御するように働く作動液抽出装置を原動機と
被駆動機との間に配置されるように提供する。
【００３４】 前記特徴を備えたエネルギー変換プラントは、多数の利点を特徴とする。作動
液として過熱された蒸気の限定的使用のため、この作動液の周知の物理的利点が
、サイクルを実行するために必要なプラント構成要素の単純且つ費用効果的な構
成のために利用できる。
【００３５】 ガスタービンの個々の段階の翼配列に直ぐ近くにガス状水素とガス状酸素との
供給装置を配置する構成は、不都合な負荷ピークを大きく排除でき、使用された
プラント構成要素の必要な高圧力および温度抵抗を、対応するタービン段階に制
限できるようにする。
【００３６】 さらに、サイクルの作動液として過熱された蒸気を均一に使用すると、作動液
の有利な特徴を比較的小さな寸法の熱交換器領域の配置のために利用できるよう
になる。
【００３７】 ユニットを冷却し、作動液を格納し、作動液を取り出すように作用する構成要
素が、過熱された蒸気または蒸気凝縮液の使用のために単独で設計されることが
利点と見なされても良い。
【００３８】 全体としての提案された解決法は、故に、比較的低比機械コストで高エネルギ
ー効率の小型エネルギー変換プラントを提供するための先行条件となる。
【００３９】 本発明を、代表的実施例でより詳細に以下で説明する。
【００４０】 実施例 電気エネルギーは、多段ガスタービン１とターボ圧縮機３とから成る、エネル
ギー変換プラント内の密閉サイクルで発生されるべきである。
【００４１】 このために、最初に、作動液格納容器８内に収容された蒸気凝縮液は、外部エネ
ルギーの供給による蒸発プラント１０によって蒸発させられるべきである。
【００４２】 外部に格納されたガス状水素と外部に格納されたガス状酸素とは、対応する供
給装置６を介して、この場合では四段設計のものである、ガスタービン１の個々
のタービン段階の翼配列５に直ぐ近くに送られる。酸水素気体反応の変換生成物
として、生成された過熱蒸気は、作動液格納容器８の内容物の蒸発からの過熱さ
れた蒸気と共にタービン軸２上に配置された四段ターボ圧縮機３に送られる。個
々の圧縮機段階は、冷却剤の使用によって冷却される。作動液として、ターボ圧
縮機３を出た後、この圧縮された蒸気は、ガスタービン１を出てくる膨張した蒸
気によって熱交換器７内で予備過熱され、次にガスタービン１に送られ、その中
で、個々のタービン段階の翼配列に直ぐ近くの、局所のさらなる過熱および分圧
増加がそこで使用された水素と酸素との燃焼反応により影響を受ける。この場合
、タービン軸２の、およびタービン翼配列５の冷却は、圧縮機段階から抽出され
た蒸気分で確実に行われる。作動液格納容器８からの蒸発した蒸気凝縮液と、酸
水素気体反応中に生成された蒸気からの部分を含む過熱された蒸気状の作動液の
よく混じった混合物は、ガスタービン１とターボ圧縮機３との間の連絡管路内に
導かれ、熱交換器９内を貫流するとターボ圧縮機３によって圧縮された冷却作動
液によって冷却される。
【００４３】 ターボ圧縮機３に送られた作動液の質量流量を制御するために、作動液抽出装
置１１が提供され、それによって、例えば、外部熱利用のための作動液が、追加
的に導入された蒸気の範囲までそのプロセスから抽出される。
【００４４】 このようなタスクは、少なくとも部分的にガスタービン１内の冷却目的のため
に使用された蒸気の予想される放出により実行される。
【００４５】 最後に、ターボ圧縮機３に送られた冷却剤は、外部熱利用にも使用されるので
、従来型のエネルギー変換プラントと比べて改良効率が総合的に達成される。比
較的低圧力および比較的低温度の過熱された蒸気の均一な使用に関して、サイク
ルの構成要素に課せられた機械条件は、制御可能な限界内に維持される。
【００４６】
【符号の説明】
1 多段ガスタービン ２ タービン軸 ３ ターボ圧縮機 ４ 連絡管路 ５ 翼配列 ６ ガス状水素と酸素との供給装置 ７ タービン排出蒸気と圧縮された作動液との間の熱交換器 ８ 作動液格納容器 ９ ターボ圧縮機内の熱交換器領域 １０ 蒸発プラント
【図面の簡単な説明】
【図１】 四段ターボ圧縮機、四段ガスタービン、作動液用熱交換器、およ
び作動液格納容器を備えたサイクルの構成要素の概略ブロック図を示す。
【図２】 四段ガスタービンの軸上に配置された四段ターボ圧縮機を備えた
サイクル内での電気エネルギーの発生用エネルギー変換プラントについての概略
縦断面図を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 １９８ ０３ ０４９．５ (32)優先日 平成10年１月28日(1998．1．28) (33)優先権主張国 ドイツ（ＤＥ） (31)優先権主張番号 １９８ １４ ５１０．１ (32)優先日 平成10年４月１日(1998．4．1) (33)優先権主張国 ドイツ（ＤＥ） (31)優先権主張番号 １９８ ４３ ８４８．６ (32)優先日 平成10年９月24日(1998．9．24) (33)優先権主張国 ドイツ（ＤＥ） (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＵ，ＣＡ，Ｃ Ｎ，ＪＰ，ＵＳ

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 パワープロセスで作動液の圧力、温度および質量を増し、作
    動プロセスで前記作動液を再循環させるための付加的ガス状エネルギーキャリヤ
    の使用によってサイクル内で電気エネルギーを発生するための多段蒸気パワー／
    作動プロセスであって、 前記サイクルが作動液としての蒸気で連続的に実行され、前記サイクルが密閉
    多段ガスタービンプラント内で実行され、前記作動液が作動液格納容器内の原動
    機と被駆動機との間で起動前および停止後に凝縮液として格納され、前記作動液
    の格納されたエネルギーと付加的ガス状エネルギーキャリヤとの機械的エネルギ
    ーへの変換が密閉ガスタービンプラントによって実行され、酸水素気体反応から
    の変換生成物が付加的蒸気状作動液として使用され、内部燃焼の結果生じる前記
    付加的蒸気状作動液が前記多段ガスタービンの翼配列の直ぐ近くの前記作動液の
    前記圧力、温度および質量を増すために使用され、使用された前記蒸気が前記酸
    水素気体反応からの前記変換生成物と共に作動液として前記サイクルの圧縮段階
    に送られ、膨張ガスタービン排出蒸気の熱エネルギーが作動液として前記圧縮過
    熱された蒸気を予備過熱するための熱交換器によって部分的に使用されることを
    特徴とする、多段蒸気パワー／作動プロセス。
  2. 【請求項２】 被駆動機と原動機との間の前記作動液が、起動前のエネルギ
    ーの供給によって作動液格納容器内で蒸発させられることを特徴とする、請求項
    １に記載の多段蒸気パワー／作動プロセス。
  3. 【請求項３】 水素と酸素との燃焼反応から生成された蒸気の量に相当する
    過剰作動液が、前記原動機と被駆動機との間の前記サイクルから抽出されること
    を特徴とする、請求項１および２のいずれかに記載の多段蒸気パワー／作動プロ
    セス。
  4. 【請求項４】 発生された電気エネルギーの過剰分が水素と酸素とを生成す
    るために使用されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の多
    段蒸気パワー／作動プロセス。
  5. 【請求項５】 前記サイクルの圧縮段階から抽出された蒸気が、前記ガスタ
    ービンの軸および翼配列を冷却するために使用されることを特徴とする、請求項
    １〜４のいずれか１項に記載の多段蒸気パワー／作動プロセス。
  6. 【請求項６】 作動液の循環用の連絡管路（４）を備えた、原動機としての
    多段ガスタービン（１）と、被駆動機としての、前記タービン軸（２）上に配置
    された多段ターボ圧縮機（３）とから成る、請求項１〜５に記載の前記多段蒸気
    パワー／作動プロセスを実行するための配置構成であって、ガス状水素とガス状
    酸素とを送るための供給装置（６）が前記翼配列（５）の直ぐ近くの個々のター
    ビン段階に配置され、膨張したタービン排出蒸気から圧縮された作動液への熱を
    伝達するように作用する熱交換器（７）が前記被駆動機（３）と前記原動機（１
    ）との間に配置され、作動液格納容器（８）が前記被駆動機（３）と前記原動機
    （１）との間に配置され、前記圧縮された作動液を冷却するように作用する熱交
    換器領域（９）が前記ターボ圧縮機プラント（３）の個々の段階に配置されるこ
    とを特徴とする、配置構成。
  7. 【請求項７】 蒸発プラント（１０）を起動するように作用し、前記作動液
    を意図した前記蒸発プラント（１０）が前記作動液格納容器（８）内に配置され
    ることを特徴とする、請求項６に記載の前記多段蒸気パワー／作動プロセスを実
    行するための配置構成。
  8. 【請求項８】 前記圧縮ユニット（３）の定質量流量を制御するように作用
    する作動液抽出装置（１１）が被駆動機（３）と原動機（１）との間に配置され
    ることを特徴とする、請求項６および７のいずれかに記載の前記多段蒸気パワー
    ／作動プロセスを実行するための配置構成。
JP2000524569A 1997-12-09 1998-12-09 サイクル内で電気エネルギーを発生するための多段蒸気パワー／作動プロセスおよびそれを実行するための構成 Pending JP2001526352A (ja)

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