JP2002201959A - ガスタービン並びに該ガスタービンを運転するための方法 - Google Patents
ガスタービン並びに該ガスタービンを運転するための方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 燃焼室2において炭化水素を、酸素を富化さ
れたCO2雰囲気内で燃焼させて煙ガス21にし、煙ガ
スを、燃焼室2に後置された少なくとも1つの第1のタ
ービン段3内で膨張させ、次いでコンプレッサ段18で
圧縮し、後置された凝縮器4で部分的に凝縮させ、煙ガ
スの少なくとも一部を液状化させ、凝縮されなかった煙
ガス構成要素と一緒に部分的に導出し、CO2の、導出
されなかった部分をポンプユニット1を用いて圧縮し、
この部分をレキュベレータ段11において予加熱して燃
焼室2に再び供給するようにして、CO2を作動媒体と
して用いてガスタービン装置を運転するための方法を改
良して、ほぼ閉鎖されたCO 2回路内部における効率を
最適化する手段を提供する。 【解決手段】 ポンプユニット1によって圧縮されたC
O2の主部分を燃焼圧力にまで前膨張させ、燃焼圧力
で、圧縮されたCO2の主部分を燃焼のために燃焼室2
に供給する。
れたCO2雰囲気内で燃焼させて煙ガス21にし、煙ガ
スを、燃焼室2に後置された少なくとも1つの第1のタ
ービン段3内で膨張させ、次いでコンプレッサ段18で
圧縮し、後置された凝縮器4で部分的に凝縮させ、煙ガ
スの少なくとも一部を液状化させ、凝縮されなかった煙
ガス構成要素と一緒に部分的に導出し、CO2の、導出
されなかった部分をポンプユニット1を用いて圧縮し、
この部分をレキュベレータ段11において予加熱して燃
焼室2に再び供給するようにして、CO2を作動媒体と
して用いてガスタービン装置を運転するための方法を改
良して、ほぼ閉鎖されたCO 2回路内部における効率を
最適化する手段を提供する。 【解決手段】 ポンプユニット1によって圧縮されたC
O2の主部分を燃焼圧力にまで前膨張させ、燃焼圧力
で、圧縮されたCO2の主部分を燃焼のために燃焼室2
に供給する。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、少なくとも1つの
燃焼室において炭化水素を、酸素を富化されたCO2雰
囲気内で燃焼させて主にCO2とH2Oとから成る煙ガ
スにし、該煙ガスを、燃焼室に後置された少なくとも1
つの第1のタービン段内で膨張させ、次いでコンプレッ
サ段で圧縮し、後置された凝縮器で少なくとも部分的に
凝縮させ、CO2とH2Oの少なくとも一部を液状化さ
せ、凝縮されなかった煙ガス構成要素と一緒に部分的に
導出し、液状化されたCO2の、導出されなかった主部
分をポンプユニットを用いて圧縮し、該主部分を少なく
とも1つのレキュベレータ段において予加熱して燃焼室
に再び供給するようにして、CO2を作動媒体として用
いてガスタービン装置を運転するための方法に関する。
燃焼室において炭化水素を、酸素を富化されたCO2雰
囲気内で燃焼させて主にCO2とH2Oとから成る煙ガ
スにし、該煙ガスを、燃焼室に後置された少なくとも1
つの第1のタービン段内で膨張させ、次いでコンプレッ
サ段で圧縮し、後置された凝縮器で少なくとも部分的に
凝縮させ、CO2とH2Oの少なくとも一部を液状化さ
せ、凝縮されなかった煙ガス構成要素と一緒に部分的に
導出し、液状化されたCO2の、導出されなかった主部
分をポンプユニットを用いて圧縮し、該主部分を少なく
とも1つのレキュベレータ段において予加熱して燃焼室
に再び供給するようにして、CO2を作動媒体として用
いてガスタービン装置を運転するための方法に関する。
【0002】さらに本発明は、作動媒体としてのCO2
を有するガスタービン装置であって、少なくとも1つの
燃焼室が設けられており、該燃焼室において炭化水素
が、酸素で富化されたCO2雰囲気内において酸素共々
燃焼可能であって主にCO2とH2Oとから成る煙ガス
に成るようになっており、燃焼室に後置された少なくと
も1つの第1のタービン段が設けられていて、該タービ
ン段内で前記煙ガスが膨張するように成っており、前記
第1のタービン段に後置された少なくとも1つのコンプ
レッサ段と、該コンプレッサ段に後置された、分離ユニ
ットを有する1つの凝縮器とが設けられており、該分離
ユニットによって、凝縮器の内部で液状化されたCO2
の一部と、凝縮されなかった煙ガス構成要素とが分離可
能であり、凝縮器に後置されたポンプユニットが設けら
れており、該ポンプユニットが、少なくとも1つのレキ
ュベレータを介して燃焼室に結合されている形式のもの
に関する。
を有するガスタービン装置であって、少なくとも1つの
燃焼室が設けられており、該燃焼室において炭化水素
が、酸素で富化されたCO2雰囲気内において酸素共々
燃焼可能であって主にCO2とH2Oとから成る煙ガス
に成るようになっており、燃焼室に後置された少なくと
も1つの第1のタービン段が設けられていて、該タービ
ン段内で前記煙ガスが膨張するように成っており、前記
第1のタービン段に後置された少なくとも1つのコンプ
レッサ段と、該コンプレッサ段に後置された、分離ユニ
ットを有する1つの凝縮器とが設けられており、該分離
ユニットによって、凝縮器の内部で液状化されたCO2
の一部と、凝縮されなかった煙ガス構成要素とが分離可
能であり、凝縮器に後置されたポンプユニットが設けら
れており、該ポンプユニットが、少なくとも1つのレキ
ュベレータを介して燃焼室に結合されている形式のもの
に関する。
【0003】
【従来の技術】内燃機関と作動媒体としてのCO2のた
めのほぼ閉鎖された回路とを有するガスタービン装置
は、エネルギを得るもしくは変換するための環境に優し
い有望な技術の例である。エネルギを得るために化石燃
料を使用し大量のCO2を放出する従来のガスタービン
装置とは異なり、ほぼ閉鎖されたCO2回路を有するこ
のガスタービンは、空気中酸素と、炭素を含有する燃料
との燃焼によって生じるCO2の放出と窒素酸化物の放
出を著しく減少させることができる。それ自体公知の形
式では燃焼過程において生じる煙ガスは冷却されて、再
循環によって、内燃機関に続くガスタービン装置の吸込
領域に再び供給される。しかし燃焼過程により生じるC
O2のこのような再循環は、燃焼過程中に存在する空気
中酸素も消費される分量でしか行われない。燃焼過程で
は空気中酸素が補給されるので、燃焼時に生じる煙ガス
には空気中窒素が混入したままであり、これによりCO
2の排出問題は、副次的に軽減されるだけにすぎず、こ
のような場合には生じた煙ガス中にCO2が窒素酸化物
と混合されているので、CO2を回路から取り除くこと
はより困難となる。
めのほぼ閉鎖された回路とを有するガスタービン装置
は、エネルギを得るもしくは変換するための環境に優し
い有望な技術の例である。エネルギを得るために化石燃
料を使用し大量のCO2を放出する従来のガスタービン
装置とは異なり、ほぼ閉鎖されたCO2回路を有するこ
のガスタービンは、空気中酸素と、炭素を含有する燃料
との燃焼によって生じるCO2の放出と窒素酸化物の放
出を著しく減少させることができる。それ自体公知の形
式では燃焼過程において生じる煙ガスは冷却されて、再
循環によって、内燃機関に続くガスタービン装置の吸込
領域に再び供給される。しかし燃焼過程により生じるC
O2のこのような再循環は、燃焼過程中に存在する空気
中酸素も消費される分量でしか行われない。燃焼過程で
は空気中酸素が補給されるので、燃焼時に生じる煙ガス
には空気中窒素が混入したままであり、これによりCO
2の排出問題は、副次的に軽減されるだけにすぎず、こ
のような場合には生じた煙ガス中にCO2が窒素酸化物
と混合されているので、CO2を回路から取り除くこと
はより困難となる。
【0004】環境保護のためのCO2の処理と同時に前
記した窒素問題を解決するためには、図5に概略的に示
したようなCO2プロセスを有するガスタービンが提供
されている。この図示したほぼ閉鎖された、CO2が過
給されるCO2プロセスは燃焼室2を有している。この
燃焼室2内において、供給管路6を介して供給される化
石燃料例えば天然ガス(CH4)は、供給管路7を介し
て純粋酸素(O2)だけを加えられて燃焼する。この純
粋酸素O2だけが酸化体として使用され空気中酸素は燃
焼されないので、その結果窒素化合物は続く燃焼サイク
ルでは生じない。燃焼室2から生じる煙ガス21はガス
タービン3を駆動する。このガスタービン3は軸19を
介して電流を発生させるためのジェネレータ5に結合さ
れている。ガスタービン3内部で膨張する煙ガス21は
排気ガス20としてガスタービン3から流出され、外部
で冷却する熱交換器13を介して直接コンプレッサ18
に到達する。このコンプレッサ18内では排気ガス20
が圧縮され、コンプレッサ18から流出した後、凝縮器
4に供給される。コンプレッサ18は図5に示した実施
例ではタービン3とジェネレータ5との共通の軸19上
に配置されている。コンプレッサ18によって圧縮され
た排気ガスは凝縮器4に流入する前に伝熱式の熱吸収が
熱交換器14によって行われるので、凝縮器4内でCO
2の凝縮点を下回り、これにより圧縮されて冷却された
CO2が液体状態に移行する。選択的に制御弁10を介
して水を凝縮点で分離することができる。熱交換器12
を有している凝縮器4から、一方では凝縮されていない
ガス部分が制御弁9を介して回路プロセスから取り除か
れ、他方では制御弁8を介して液状のCO2の部分流が
取り除かれる。いずれにしろ循環回路からのCO2の制
御された流出によって、過給率ひいては循環プロセスの
出力を制御することができる。環境保護の点では、この
プロセスから分離されたCO2を凝縮することによっ
て、特に温室効果問題に関連した環境保護の観点におい
て、発生したCO2を簡単に処理できるガスの集積状態
を形成することができる。
記した窒素問題を解決するためには、図5に概略的に示
したようなCO2プロセスを有するガスタービンが提供
されている。この図示したほぼ閉鎖された、CO2が過
給されるCO2プロセスは燃焼室2を有している。この
燃焼室2内において、供給管路6を介して供給される化
石燃料例えば天然ガス(CH4)は、供給管路7を介し
て純粋酸素(O2)だけを加えられて燃焼する。この純
粋酸素O2だけが酸化体として使用され空気中酸素は燃
焼されないので、その結果窒素化合物は続く燃焼サイク
ルでは生じない。燃焼室2から生じる煙ガス21はガス
タービン3を駆動する。このガスタービン3は軸19を
介して電流を発生させるためのジェネレータ5に結合さ
れている。ガスタービン3内部で膨張する煙ガス21は
排気ガス20としてガスタービン3から流出され、外部
で冷却する熱交換器13を介して直接コンプレッサ18
に到達する。このコンプレッサ18内では排気ガス20
が圧縮され、コンプレッサ18から流出した後、凝縮器
4に供給される。コンプレッサ18は図5に示した実施
例ではタービン3とジェネレータ5との共通の軸19上
に配置されている。コンプレッサ18によって圧縮され
た排気ガスは凝縮器4に流入する前に伝熱式の熱吸収が
熱交換器14によって行われるので、凝縮器4内でCO
2の凝縮点を下回り、これにより圧縮されて冷却された
CO2が液体状態に移行する。選択的に制御弁10を介
して水を凝縮点で分離することができる。熱交換器12
を有している凝縮器4から、一方では凝縮されていない
ガス部分が制御弁9を介して回路プロセスから取り除か
れ、他方では制御弁8を介して液状のCO2の部分流が
取り除かれる。いずれにしろ循環回路からのCO2の制
御された流出によって、過給率ひいては循環プロセスの
出力を制御することができる。環境保護の点では、この
プロセスから分離されたCO2を凝縮することによっ
て、特に温室効果問題に関連した環境保護の観点におい
て、発生したCO2を簡単に処理できるガスの集積状態
を形成することができる。
【0005】分離されなかった、液体状のCO2の主部
分はポンプ1によって圧縮され、管路17を介して様々
なレキュベレータ段14,15,16を通り抜けた後、
相応して予加熱されてかつ圧縮された形で燃焼室2に再
び供給される。
分はポンプ1によって圧縮され、管路17を介して様々
なレキュベレータ段14,15,16を通り抜けた後、
相応して予加熱されてかつ圧縮された形で燃焼室2に再
び供給される。
【0006】上記したほぼ閉鎖されたCO2プロセスを
技術的に妥当な効率で駆動することができるように、有
利な形式ではCO2全体の完全な凝縮を保証することが
できる。CO2の液相を凝縮器4において形成すること
ができるように、コンプレッサ18と凝縮器4との間の
結合管路において60〜70バールの圧力状況にしなけ
ればならない。凝縮器4に進入する前のCO2の凝縮開
始におけるこのように高い出力圧は、凝縮器4に後置さ
れたポンプ1による圧縮過程では250〜300バール
の上方の循環圧力を生ぜしめる。しかしこのような高い
圧力レベルは燃焼室の内部で、そこで生じる非常に高い
燃焼温度に対して許容されない。
技術的に妥当な効率で駆動することができるように、有
利な形式ではCO2全体の完全な凝縮を保証することが
できる。CO2の液相を凝縮器4において形成すること
ができるように、コンプレッサ18と凝縮器4との間の
結合管路において60〜70バールの圧力状況にしなけ
ればならない。凝縮器4に進入する前のCO2の凝縮開
始におけるこのように高い出力圧は、凝縮器4に後置さ
れたポンプ1による圧縮過程では250〜300バール
の上方の循環圧力を生ぜしめる。しかしこのような高い
圧力レベルは燃焼室の内部で、そこで生じる非常に高い
燃焼温度に対して許容されない。
【0007】前記したガスタービン装置の運転時におけ
る別の問題は高圧で負荷されているCO2の非常に高い
熱容量である。この熱容量は圧力状況が上昇すると同様
に上昇する。したがってCO2を燃焼室内への流入前
に、相応した予加熱温度にまで加熱するためには、図5
に示された伝熱式熱交換的に作用する3つの熱交換器1
4,15,16ですらCO2流のためには十分ではな
い。
る別の問題は高圧で負荷されているCO2の非常に高い
熱容量である。この熱容量は圧力状況が上昇すると同様
に上昇する。したがってCO2を燃焼室内への流入前
に、相応した予加熱温度にまで加熱するためには、図5
に示された伝熱式熱交換的に作用する3つの熱交換器1
4,15,16ですらCO2流のためには十分ではな
い。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、冒頭
に示した形式のガスタービン装置、並びにこのガスター
ビン装置を作動媒体としてのCO2によって運転するた
めの方法を改良して、ほぼ閉鎖されたCO2回路内部に
おける効率ひいてはこれに関連したプロセスパラメータ
を最適化する手段、特に燃焼室の過負荷を運転条件に関
連して防止しようとする手段を提供することである。
に示した形式のガスタービン装置、並びにこのガスター
ビン装置を作動媒体としてのCO2によって運転するた
めの方法を改良して、ほぼ閉鎖されたCO2回路内部に
おける効率ひいてはこれに関連したプロセスパラメータ
を最適化する手段、特に燃焼室の過負荷を運転条件に関
連して防止しようとする手段を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に本発明の構成では、ポンプユニットと燃焼室との間に
少なくとも1つの第2のタービン段が設けられており、
該タービン段において、ポンプユニットによって圧縮さ
れたCO2の残留部分が、燃焼圧力にまで前膨張可能で
あり、該燃焼圧力下で前記CO2残留部分が、燃焼のた
めに燃焼室に供給可能であるようにした。
に本発明の構成では、ポンプユニットと燃焼室との間に
少なくとも1つの第2のタービン段が設けられており、
該タービン段において、ポンプユニットによって圧縮さ
れたCO2の残留部分が、燃焼圧力にまで前膨張可能で
あり、該燃焼圧力下で前記CO2残留部分が、燃焼のた
めに燃焼室に供給可能であるようにした。
【0010】さらに前記課題を解決するために本発明の
方法では、ポンプユニットによって圧縮されたCO2の
主部分を燃焼圧力にまで前膨張させ、該燃焼圧力で該圧
縮されたCO2の主部分を燃焼のために燃焼室に供給す
るようにした。
方法では、ポンプユニットによって圧縮されたCO2の
主部分を燃焼圧力にまで前膨張させ、該燃焼圧力で該圧
縮されたCO2の主部分を燃焼のために燃焼室に供給す
るようにした。
【0011】本発明による基本思想を有利な形式で改良
する構成は従属請求項並びに実施例の説明からも得られ
る。
する構成は従属請求項並びに実施例の説明からも得られ
る。
【0012】
【発明の効果】本発明による手段に基づき、一般的には
ポンプユニットの後、250〜300バールの圧力レベ
ルにある、ポンプユニットによって圧縮されたCO2の
主部分を前膨張させることによって、CO2の高い圧力
レベルを70〜100バールの圧力値にまで減少させる
ことができ、これにより燃焼室の安全かつ効果的な運転
が保証される。
ポンプユニットの後、250〜300バールの圧力レベ
ルにある、ポンプユニットによって圧縮されたCO2の
主部分を前膨張させることによって、CO2の高い圧力
レベルを70〜100バールの圧力値にまで減少させる
ことができ、これにより燃焼室の安全かつ効果的な運転
が保証される。
【0013】圧力減少は一般的にはタービン段によっ
て、ほぼ閉鎖されたCO2回路内部で行われる。このタ
ービン段はポンプユニットに後置されていて、CO2ガ
スを燃焼室に流入する前に効果的に放圧する。
て、ほぼ閉鎖されたCO2回路内部で行われる。このタ
ービン段はポンプユニットに後置されていて、CO2ガ
スを燃焼室に流入する前に効果的に放圧する。
【0014】付加的なタービン段は有利な形式でCO2
回路において、燃焼室に対して流れ方向すぐ上流に配置
されていて、そこで所望の圧力減少を提供する。ポンプ
ユニットと前記したタービン段の装置との間には、同様
に有利な形式で多段式の、有利には3段式のレキュベレ
ータ(伝熱式熱交換器)が設けられている。このレキュ
ベレータはポンプユニットによって圧縮されたCO2ガ
スを、燃焼のために所望される温度にまで予加熱する。
このためにレキュベレータ段が作用し、これらのレキュ
ベレータ段は、燃焼室に直接後置されたタービン段から
膨張して流出する熱い排気ガスから、かつ/または凝縮
器に流入する前にコンプレッサ段から流出する温かいC
O2ガスから、前膨張させるために別のタービン段に流
入するCO2ガスへの所望の熱伝導を提供する。
回路において、燃焼室に対して流れ方向すぐ上流に配置
されていて、そこで所望の圧力減少を提供する。ポンプ
ユニットと前記したタービン段の装置との間には、同様
に有利な形式で多段式の、有利には3段式のレキュベレ
ータ(伝熱式熱交換器)が設けられている。このレキュ
ベレータはポンプユニットによって圧縮されたCO2ガ
スを、燃焼のために所望される温度にまで予加熱する。
このためにレキュベレータ段が作用し、これらのレキュ
ベレータ段は、燃焼室に直接後置されたタービン段から
膨張して流出する熱い排気ガスから、かつ/または凝縮
器に流入する前にコンプレッサ段から流出する温かいC
O2ガスから、前膨張させるために別のタービン段に流
入するCO2ガスへの所望の熱伝導を提供する。
【0015】
【発明の実施の形態】次に本発明を、本発明の基本思想
の制限なく実施例に基づき図面を参照して例示的に説明
する。
の制限なく実施例に基づき図面を参照して例示的に説明
する。
【0016】図1には概略的な、ほぼ閉鎖されたCO2
回路図が示されている。このCO2回路は、図5に参照
される従来技術によるCO2回路に比較可能なほぼ類似
した構造である。重複を避けるためにすでに図5におい
て使用された同じ構成部材には同じ部材番号を付与し
た。図1に示したガスタービン装置の新しい構成部材は
別のタービン段22であり、このタービン段22はほぼ
閉鎖されたCO2回路においてポンプユニット1と燃焼
室2との間に配置されている。ポンプユニット1から流
出した後の、高い圧力にまで圧縮されたCO2ガスは熱
交換ユニット11を介して通される。この熱交換ユニッ
ト11ではCO2ガスは第2のタービン段22に進入し
て膨張する前に、タービン段3から流出する熱い排気ガ
スとの熱的な連結によって付加的に加熱される。次いで
タービン段22によって膨張されたCO2ガスは70〜
100バールの圧力で燃焼室2に到達する。この燃焼室
2ではCO2ガスは別の燃焼のために提供される。
回路図が示されている。このCO2回路は、図5に参照
される従来技術によるCO2回路に比較可能なほぼ類似
した構造である。重複を避けるためにすでに図5におい
て使用された同じ構成部材には同じ部材番号を付与し
た。図1に示したガスタービン装置の新しい構成部材は
別のタービン段22であり、このタービン段22はほぼ
閉鎖されたCO2回路においてポンプユニット1と燃焼
室2との間に配置されている。ポンプユニット1から流
出した後の、高い圧力にまで圧縮されたCO2ガスは熱
交換ユニット11を介して通される。この熱交換ユニッ
ト11ではCO2ガスは第2のタービン段22に進入し
て膨張する前に、タービン段3から流出する熱い排気ガ
スとの熱的な連結によって付加的に加熱される。次いで
タービン段22によって膨張されたCO2ガスは70〜
100バールの圧力で燃焼室2に到達する。この燃焼室
2ではCO2ガスは別の燃焼のために提供される。
【0017】図1に示した機械群の装置を、図示したよ
うに単軸的に配置することができる。つまり単一の軸1
9にタービン段3と別のタービン段22とポンプユニッ
ト1とコンプレッサ段18とジェネレータ5とを配置す
ることができる。しかしこれに対して択一的に、タービ
ン段3とコンプレッサ18とジェネレータ5もしくは駆
動される他の負荷とを1つの共通の軸に配置することも
可能である。さらに別個の軸においてタービン22をポ
ンプユニット1に連結することもでき、この場合、有利
な形式では自由な回転数で回転するこの別の軸に、さら
に例えばトランスバータを介して連結された電気機械の
ような別の負荷を取り付けることもできる。
うに単軸的に配置することができる。つまり単一の軸1
9にタービン段3と別のタービン段22とポンプユニッ
ト1とコンプレッサ段18とジェネレータ5とを配置す
ることができる。しかしこれに対して択一的に、タービ
ン段3とコンプレッサ18とジェネレータ5もしくは駆
動される他の負荷とを1つの共通の軸に配置することも
可能である。さらに別個の軸においてタービン22をポ
ンプユニット1に連結することもでき、この場合、有利
な形式では自由な回転数で回転するこの別の軸に、さら
に例えばトランスバータを介して連結された電気機械の
ような別の負荷を取り付けることもできる。
【0018】図2には図1に示したCO2回路の熱力学
的な特性を表したT/Sグラフが示されている。このグ
ラフ内においてアルファベットA,B,C,D,K,
I,H,J,Mで示した位置は、図1に示したそれらア
ルファベットの点に相応する作業点を示している。特徴
付けられている値は例えば膨張段階G−Jである。この
膨張段階G−Jは一方では温度低下を生ぜしめ、同時に
他方では圧力減少を生ぜしめる。これにより引き続き行
われる燃焼過程J−Cを、技術的に許容された領域限度
において実施することができる。図2に破線で示したプ
ロセス経過は図5に示したように燃焼過程前に膨張が行
われない燃焼過程を示している。本発明による前膨張に
よって、図5に示した従来の装置と同等の高い燃料温度
が、従来の装置に比べて著しく低い圧力で達成可能であ
るのがよく分かる。
的な特性を表したT/Sグラフが示されている。このグ
ラフ内においてアルファベットA,B,C,D,K,
I,H,J,Mで示した位置は、図1に示したそれらア
ルファベットの点に相応する作業点を示している。特徴
付けられている値は例えば膨張段階G−Jである。この
膨張段階G−Jは一方では温度低下を生ぜしめ、同時に
他方では圧力減少を生ぜしめる。これにより引き続き行
われる燃焼過程J−Cを、技術的に許容された領域限度
において実施することができる。図2に破線で示したプ
ロセス経過は図5に示したように燃焼過程前に膨張が行
われない燃焼過程を示している。本発明による前膨張に
よって、図5に示した従来の装置と同等の高い燃料温度
が、従来の装置に比べて著しく低い圧力で達成可能であ
るのがよく分かる。
【0019】同時に著しく高いエントロピ値が達成可能
であるので、燃焼室内の燃焼圧力が著しく減少されると
いう利点を有する。
であるので、燃焼室内の燃焼圧力が著しく減少されると
いう利点を有する。
【0020】技術的に受入れ可能な効率を有する、ほぼ
閉鎖されたCO2回路の実現化において重要な点はCO
2が凝縮器4に進入する前に凝縮開始に至ることであ
る。この凝縮開始は作業点Hで規定されている。この作
業点Hは、T/SグラフにおいてCO2の液化した状態
(平行斜線領域)を限定する包絡線の1点である。特に
凝縮開始Hは未臨界的な気相における前圧縮K−Iと、
続く中間冷却I−Hとによって達成される。このような
形式でBとAとの間の圧縮比の割合、つまりポンプユニ
ット1によって生ぜしめられる圧力上昇を全体圧縮比B
/Kに対して著しく減少することが可能である。
閉鎖されたCO2回路の実現化において重要な点はCO
2が凝縮器4に進入する前に凝縮開始に至ることであ
る。この凝縮開始は作業点Hで規定されている。この作
業点Hは、T/SグラフにおいてCO2の液化した状態
(平行斜線領域)を限定する包絡線の1点である。特に
凝縮開始Hは未臨界的な気相における前圧縮K−Iと、
続く中間冷却I−Hとによって達成される。このような
形式でBとAとの間の圧縮比の割合、つまりポンプユニ
ット1によって生ぜしめられる圧力上昇を全体圧縮比B
/Kに対して著しく減少することが可能である。
【0021】図1では、タービン段22内への進入前
に、ポンプユニット1から流出するCO2ガスを伝熱式
熱変換的に予加熱することは単に一段式のレキュベレー
タ11だけで行われている。このレキュベレータ11の
予加熱出力は高い圧縮比と、この圧縮比に関連して、高
圧で負荷されたCO2の高い熱容量とに基づき制限され
ているにすぎない。点Gにおいてつまりタービン段22
への進入前に生じる温度損失を効果的に減少させるため
に、図3に示したCO2回路では3つの熱交換器11,
14,15から成る3段式のレキュベレータが設けられ
ている。
に、ポンプユニット1から流出するCO2ガスを伝熱式
熱変換的に予加熱することは単に一段式のレキュベレー
タ11だけで行われている。このレキュベレータ11の
予加熱出力は高い圧縮比と、この圧縮比に関連して、高
圧で負荷されたCO2の高い熱容量とに基づき制限され
ているにすぎない。点Gにおいてつまりタービン段22
への進入前に生じる温度損失を効果的に減少させるため
に、図3に示したCO2回路では3つの熱交換器11,
14,15から成る3段式のレキュベレータが設けられ
ている。
【0022】これにより熱交換器14はポンプユニット
1から至るCO2ガス流の一方の部分流を放熱部I−
H′によって予加熱することができる。ポンプユニット
1から至るCO2ガス流の他方の部分流は加熱部L−M
によって、熱交換器14に対して並列に配置された熱交
換器15において予加熱を行う。点Fにおける温度は両
加熱部の合成値として調節される。
1から至るCO2ガス流の一方の部分流を放熱部I−
H′によって予加熱することができる。ポンプユニット
1から至るCO2ガス流の他方の部分流は加熱部L−M
によって、熱交換器14に対して並列に配置された熱交
換器15において予加熱を行う。点Fにおける温度は両
加熱部の合成値として調節される。
【0023】点FにおけるCO2ガスの温度上昇によ
り、低圧側と高圧側との間の比熱の相違がさらに少なく
なった後、単一の熱交換器11で別の予加熱F−Gを行
うことができる。この熱交換器11はDとLとの間の熱
エネルギを利用する。
り、低圧側と高圧側との間の比熱の相違がさらに少なく
なった後、単一の熱交換器11で別の予加熱F−Gを行
うことができる。この熱交換器11はDとLとの間の熱
エネルギを利用する。
【0024】このような伝熱式熱交換の手段によって図
3および図4に示された回路の点Gでは図1または図2
に基づいた回路の相応した点における熱レベルよりも高
い熱レベルが得られる。これによりプロセス全体の良好
な効率が生じる。
3および図4に示された回路の点Gでは図1または図2
に基づいた回路の相応した点における熱レベルよりも高
い熱レベルが得られる。これによりプロセス全体の良好
な効率が生じる。
【0025】有利な形式ではCO2回路の低圧領域にお
いて凝縮器4に進入する直前に付加的な中間冷却部8′
が設けられていてよい。この中間冷却部8′は点Hにお
けるCO2の凝縮開始が達成されるように、前記した熱
交換器によって導出可能できなかった付加的な熱を導出
する。コンプレッサ18の出力消費を最小限にするため
に、予備冷却部13が設けられている。
いて凝縮器4に進入する直前に付加的な中間冷却部8′
が設けられていてよい。この中間冷却部8′は点Hにお
けるCO2の凝縮開始が達成されるように、前記した熱
交換器によって導出可能できなかった付加的な熱を導出
する。コンプレッサ18の出力消費を最小限にするため
に、予備冷却部13が設けられている。
【0026】最終的に燃焼室内の高すぎる燃焼温度が生
じた際にタービン段3内の過熱を防止するために、付加
的なCO2を燃焼室とタービン段との間の回路内に冷却
目的で噴射することができる。このCO2は有利にはC
O2温度の相応して低いCO 2回路の位置から取り出さ
れる。
じた際にタービン段3内の過熱を防止するために、付加
的なCO2を燃焼室とタービン段との間の回路内に冷却
目的で噴射することができる。このCO2は有利にはC
O2温度の相応して低いCO 2回路の位置から取り出さ
れる。
【図1】レキュベレータを備えたCO2回路の概略図で
ある。
ある。
【図2】前記した回路のT/Sグラフである。
【図3】三段式のレキュベレータユニットを備えたCO
2回路の概略図である。
2回路の概略図である。
【図4】いわば閉鎖されている前記回路のT/Sグラフ
である。
である。
【図5】いわば閉鎖されている従来技術によるCO2回
路の概略図である。
路の概略図である。
1 ポンプユニット、 2 燃焼室、 3 タービン
段、 4 凝縮器、 5ジェネレータ、 6,7 管
路、 8,9,10 弁、 8′ 冷却ユニット、 1
1,12,13,14,15 熱交換器、 17 管
路、 18 コンプレッサ、 19 軸、 20 排気
ガス、 21 高温ガス、 22 タービン段、 A,
B,C,D,F,G,H,H′,I,J,K,L,M
作動点、 T温度、 S エントロピ
段、 4 凝縮器、 5ジェネレータ、 6,7 管
路、 8,9,10 弁、 8′ 冷却ユニット、 1
1,12,13,14,15 熱交換器、 17 管
路、 18 コンプレッサ、 19 軸、 20 排気
ガス、 21 高温ガス、 22 タービン段、 A,
B,C,D,F,G,H,H′,I,J,K,L,M
作動点、 T温度、 S エントロピ
Claims (13)
- 【請求項1】 少なくとも1つの燃焼室(2)において
炭化水素を、酸素を富化されたCO2雰囲気内で燃焼さ
せ主にCO2とH2Oとから成る煙ガス(21)にし、
該煙ガス(21)を、燃焼室(2)に後置された少なく
とも1つの第1のタービン段(3)内で膨張させ、次い
でコンプレッサ段(18)で圧縮し、後置された凝縮器
(4)で少なくとも部分的に凝縮させ、CO2とH2O
の少なくとも一部を液状化させ、凝縮されなかった煙ガ
ス構成要素と一緒に部分的に導出し、液状化されたCO
2の、導出されなかった主部分をポンプユニット(1)
を用いて圧縮し、該主部分を少なくとも1つのレキュベ
レータ段(11)において予加熱して燃焼室(2)に再
び供給するようにして、CO2を作動媒体として用いて
ガスタービン装置を運転するための方法において、 ポンプユニット(1)によって圧縮されたCO2の主部
分を燃焼圧力にまで前膨張させ、該燃焼圧力で該圧縮さ
れたCO2の主部分を燃焼のために燃焼室(2)に供給
することを特徴とする、ガスタービン装置を運転するた
めの方法。 - 【請求項2】 ポンプユニット(1)によって圧縮され
たCO2の主部分を、少なくとも1つのレキュベレータ
(11)に通した後、燃焼圧力まで前膨張させる、請求
項1記載の方法。 - 【請求項3】 燃焼圧力が70〜100バールである、
請求項1または2記載の方法。 - 【請求項4】 煙ガス(20)を凝縮器(4)に供給す
る前に、タービン段(3)によって膨張された煙ガス
(20)を圧縮した後に冷却する、請求項1から3まで
のいずれか1項記載の方法。 - 【請求項5】 凝縮器(4)内への煙ガスの進入前に未
臨界的な気相におけるCO2の凝縮開始が達成されるよ
うに、煙ガス(20)の圧縮と冷却とを行う、請求項4
記載の方法。 - 【請求項6】 圧縮されたCO2の主部分を前膨張させ
る前に、圧縮されたCO2の主部分の予加熱を、タービ
ン段(3)から膨張して流出する煙ガス、および/また
はコンプレッサ段(18)から圧縮されて流出する煙ガ
スとの熱交換によって行う、請求項1から5までのいず
れか1項記載の方法。 - 【請求項7】 タービン段(3)から膨張して流出する
煙ガスをコンプレッサ段(18)による圧縮前に、かつ
/またはコンプレッサ段(18)から圧縮されて流出す
る煙ガスを凝縮器(4)による凝縮前に、付加的な冷却
ユニット(13,8′)で冷却する、請求項6記載の方
法。 - 【請求項8】 タービン段(3)に流入する前に、燃焼
室(2)から流出する煙ガスに、該煙ガスの温度よりも
低い温度を有するCO2を混入する、請求項1から7ま
でのいずれか1項記載の方法。 - 【請求項9】 作動媒体としてのCO2を有するガスタ
ービン装置であって、少なくとも1つの燃焼室(2)が
設けられており、該燃焼室において炭化水素が、酸素で
富化されたCO2雰囲気内において酸素共々燃焼可能で
あって主にCO2とH2Oとから成る煙ガスに成るよう
になっており、燃焼室(2)に後置された少なくとも1
つの第1のタービン段(3)が設けられていて、該ター
ビン段(3)内で前記煙ガスが膨張するように成ってお
り、前記第1のタービン段(3)に後置された少なくと
も1つのコンプレッサ段(18)と、該コンプレッサ段
に後置された、分離ユニット(8,9)を有する1つの
凝縮器(4)とが設けられており、該分離ユニット
(8,9)によって、凝縮器(4)の内部で液状化され
たCO2の一部と、凝縮されなかった煙ガス構成要素と
が分離可能であり、凝縮器(4)に後置されたポンプユ
ニット(1)が設けられており、該ポンプユニット
(1)が、少なくとも1つのレキュベレータ(11)を
介して燃焼室(2)に結合されている形式のものにおい
て、 ポンプユニット(1)と燃焼室(2)との間に少なくと
も1つの第2のタービン段(22)が設けられており、
該タービン段(22)において、ポンプユニット(1)
によって圧縮されたCO2の残留部分が、燃焼圧力にま
で前膨張可能であり、該燃焼圧力下で前記CO2残留部
分が、燃焼のために燃焼室(2)に供給可能であること
を特徴とする、ガスタービン装置。 - 【請求項10】 第2のタービン段(22)が、燃焼室
(2)の前の、少なくとも1つのレキュベレータ(1
1)の後に配置されている、請求項9記載のガスタービ
ン装置。 - 【請求項11】 レキュベレータが三段式に形成されて
おり、該レキュベレータの第1のレキュベレータ段(1
4)が、コンプレッサ段(18)と凝縮器(4)との間
に位置しており、第2のレキュベレータ段(15)と第
3のレキュベレータ段(11)とが、第1のタービン段
(3)とコンプレッサ段(18)との間に位置してい
る、請求項9または10記載のガスタービン装置。 - 【請求項12】 第1のレキュベレータ段(14)と第
2のレキュベレータ段(15)とが、互いに対して並列
に接続されており、第3のレキュベレータ(11)が、
第1および第2のレキュベレータ段(14,15)に対
して直列に接続されている、請求項11記載のガスター
ビン装置。 - 【請求項13】 第1のタービン段(3)とコンプレッ
サ段(18)との間に、かつ該コンプレッサ段(18)
と前記凝縮器(4)との間にそれぞれ1つの冷却ユニッ
ト(13,8′)が配置されている、請求項9から12
までのいずれか1項記載のガスタービン装置。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10064270.5 | 2000-12-22 | ||
DE10064270A DE10064270A1 (de) | 2000-12-22 | 2000-12-22 | Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenanlage sowie eine diesbezügliche Gasturbinenanlage |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2002201959A true JP2002201959A (ja) | 2002-07-19 |
Family
ID=7668443
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2001390385A Pending JP2002201959A (ja) | 2000-12-22 | 2001-12-21 | ガスタービン並びに該ガスタービンを運転するための方法 |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US6684643B2 (ja) |
EP (1) | EP1219800B1 (ja) |
JP (1) | JP2002201959A (ja) |
AT (1) | ATE445090T1 (ja) |
DE (2) | DE10064270A1 (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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JP2021524897A (ja) * | 2018-05-22 | 2021-09-16 | シーメンス アクチエンゲゼルシヤフトSiemens Aktiengesellschaft | エキスパンダを備えた拡張ガスタービンプロセス |
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