JP2005188509A - 中間冷却式ガスタービンエンジンを用いて地域暖房するためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、中間冷却式ガスタービンエンジン（１１）から熱エネルギーを回収するためのシステム（１０）及び方法を提供する。
【解決手段】 本システム（１０）は、（ａ）少なくとも１つのガスタービンエンジン（１１）と、（ｂ）少なくとも１つのガスタービンエンジン（１１）からエネルギーを受けた加圧空気流（３８）と、（ｃ）加圧空気流（３８）からエネルギーを抽出する少なくとも１つのインタクーラ（３０）と、（ｄ）少なくとも１つの暖房地域とを含む。本システム（１０）においては、少なくとも１つのインタクーラ（３０）と少なくとも１つの暖房地域（３６）とは、作動流体循環ループ（４０）によって接続されて少なくとも１つのインタクーラ（３０）で抽出したエネルギーを少なくとも１つの暖房地域（３６）に移送する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、中間冷却式ガスタービンエンジンからエネルギーを回収するためのシステム及び方法に関する。具体的には、本発明は、少なくとも１つのインタクーラを用いてガスタービンエンジンと関連する加圧空気流から熱エネルギーを抽出し、次にその熱エネルギーを少なくとも１つの暖房地域に移送するためのシステム及び方法に関する。

ガスタービンエンジンは、高効率で大量の動力を必要とするような多様な目的のために使用される。ガスタービンエンジンは、この特性の故に一般的に航空機輸送において使用されるが、ガスタービンエンジンはさらに、マリンクラフト及び地上設置型発電装置を含む他の用途に対する動力を得るためにも使用することができる。これらのエンジンは、単一の出力軸上で作動するか又は複数の軸を使用して高出力エネルギーを効率的に得るように作動させることができる一連の段を含む。一般的に、これらの段は、流入空気がそれらを通過する順序で、低圧圧縮機、高圧圧縮機、燃焼器、高圧タービン及び低圧タービンを含む。特許文献１を参照されたい。

ガスタービンエンジンの効率は、インタクーラと呼ばれる装置を使用して特に圧縮段間の空気流を冷却することによって向上させることが可能であることは分かっている。インタクーラは、流動空気流からエネルギーを取出しかつ該流動空気流を冷却すると同時に、流動ガスがガスタービン圧縮機の段から段に流れる時に該流動ガスの高密度すなわち加圧度を維持する。

インタクーラは、一般的に低圧圧縮機と高圧圧縮機との間で使用されて高圧圧縮機における加圧に必要な仕事量を低減する。特許文献２を参照されたい。インタクーラは、正味出力に利用できる仕事を行い、コアエンジン（すなわち、高圧圧縮機、燃焼器及び高圧タービン段）の温度を制御する。インタクーラは、コアエンジンの作動温度が該コアエンジンの構成部品に対する所望の作動温度限界値を越えないように保つ。これらの段間で中間冷却することはさらに、高圧圧縮機に流入する空気流を高密度低温度化することになり、このことが、圧縮機の性能及びエンジンの全体効率を高める。

高圧圧縮機を通過することになる空気の高い質量流量を可能にすることによって、インタクーラはまた、圧縮機吐出口における温度を低下させる。このことは、タービン冷却用空気の温度を低下させてより高いタービン入口温度を可能にする。この全ての正味効果により、ガスタービンエンジンの出力が単サイクルエンジンと比較してほぼ二倍になり、中間冷却式エンジンの通常の効率が４０％を越えて５０％に近づく。

出力軸エネルギーに加えて、中間冷却式ガスタービンエンジンは、他の２つの使用可能なエネルギー流、すなわち（１）タービン排気ガスエネルギーと（２）インタクーラによって加圧空気流から抽出した熱とをもたらす。タービン排気ガスエネルギーは、一般的に熱回収蒸気発生器によって回収されてきた。蒸気発生器の実施例は、非特許文献１において見ることができる。これと対照的に、インタクーラによって加圧空気流から抽出した熱は、通常は大気に放出される。

ガスタービンエンジンの経済的な運転のためには、ガス発生プロセスにおいて使用する燃料の効率を最大にしてガスタービンエンジンの経済的有効度を最大にするのが望ましい。インタクーラは、一般的にガスタービンエンジンからの全入力エネルギーの約５％〜約２０％程度を取出すか又は抽出する。通常は、このガスタービンエンジンの入力エネルギーは中間冷却プロセスを通して失われるので、この失われたエネルギーを再取得すなわち回収することは、ガスタービンエンジンのエンジン全体効率に対して著しく寄与することができる。
特開平０６−０１０７０３号 米国特許第５７２４８０６号 http://www.portalenergy.com/caddet/ee/Ｒ350.pdf

従って、インタクーラによって抽出されたこの損失又は廃棄エネルギーを有用な用途に利用するために再取得すなわち回収して、ガスタービンエンジンのエンジン全体効率を向上させることができることは、望ましいと言える。

本発明の実施形態は、中間冷却式ガスタービンエンジンから熱エネルギーを回収しかつ回収した熱エネルギーを地域暖房において使用するために供給するためのエネルギー回収システムに関する。本システムは、（１）少なくとも１つのガスタービンエンジンと、（２）少なくとも１つのガスタービンエンジンからエネルギーを受けた加圧空気流と、（３）加圧空気流からエネルギーを抽出する少なくとも１つのインタクーラと、（４）少なくとも１つの暖房地域とを含む。本システムでは、作動流体循環ループが、少なくとも１つのインタクーラと少なくとも１つの暖房地域とを接続して少なくとも１つのインタクーラで抽出したエネルギーを少なくとも１つの暖房地域に移送する。

本システムの別の実施形態は地域暖房システムを含み、該地域暖房システムは、少なくとも１つのガスタービンエンジンと、少なくとも１つのガスタービンエンジンからエネルギーを取出すための少なくとも１つのインタクーラと、エネルギーを少なくとも１つのインタクーラから暖房地域に移送するための少なくとも１つの循環ループとを含む。

本発明のさらに別の実施形態は、インタクーラを装備したガスタービンエンジンのインタクーラからの廃棄熱を使用して地域暖房する方法を含み、該方法は、少なくとも１つの暖房地域に廃棄エネルギーを供給する流体循環ループを設ける段階を含む。

本発明のさらに別の実施形態は、地域暖房システムにエネルギーを供給する方法を含み、該方法は、（ａ）少なくとも１つのインタクーラを用いて少なくとも１つのガスタービンエンジンのガス流の流れからエネルギーを取出す段階と、（ｂ）取出したエネルギーを用いて作動流体を加熱する段階と、（ｃ）加熱した流体を少なくとも１つの地域暖房システムを通して循環させて該地域暖房システムにエネルギーを供給する段階とを含む。

本発明のさらに別の実施形態は、運転中の中間冷却式ガスタービンエンジンから取出す熱エネルギーと出力軸エネルギーとの比率を制御する方法を含み、該方法は、少なくとも１つのインタクーラによってガスタービンエンジンの流動ガス流から取出すエネルギー量を変化させる段階を含む。

本明細書で使用する場合、「地域暖房」というのは通常、スペース暖房を含む様々な用途にエネルギーを供給する方法を意味し、そこでは、熱が多数の使用現場に分配される。地域暖房は、多くの場合、特に多数の建物が互いに密集して配置されている場合にそれら多数の建物からの熱エネルギー需要が存在するような状態において使用される。例えば、カレッジ及び大学は、中央蒸気生成設備を有しかつ多数の建物内の暖房装置に直接蒸気を供給することによって構内のスペース暖房を行うことが多い。同様に、地域暖房は、建物が互いに密集しかつスペース暖房を必要とするような都市内で行うことができる。さらに、地域暖房は、建物群に限定されるものでなく、エネルギーを必要としかつ水、蒸気、ガス又は他の任意の熱移送媒体のような作動媒体すなわち作動流体の循環により遠隔地からエネルギーを供給することによってエネルギーが利用可能になるようなあらゆる区域として定義することができることを理解されたい。例えば、清掃、客室暖房、料理又はその他の用途のために遠く離れて船上で必要とされる蒸気は、本発明によって供給できるような暖房地域を構成することができる。

中間冷却式ガスタービンエンジンでは、インタクーラは、熱交換器である。インタクーラは、ガスタービンエンジンの流動ガス流からエネルギーを取出す。そのようにして取出されたエネルギーは、一般的にインタクーラから地上の大気に放出され、この放出エネルギーは、多くの場合、熱エネルギー、廃棄エネルギー又は廃熱エネルギーと呼ばれる。従来の中間冷却式ガスタービンエンジンでは、低圧圧縮機すなわちブースタからの加圧空気流は、例えばインタクーラ熱交換器内の水によって冷却される。この水は、次に冷却塔に導かれ、そこで水は大気への蒸発によって冷却される。

以下に述べるような本発明のシステム及び方法の様々な実施形態では、インタクーラ熱交換器からの熱は、作動媒体によって回収することができる。この加熱媒体は、１つ又はそれ以上のスペースを含む暖房地域に導かれ、そこで補助熱交換器を使用してスペース暖房を含む様々なプロセスのために加熱媒体から熱を取出すことができる。幾つかの実施形態では、インタクーラは、既存の地域暖房システムと組み合わせて或いは１つ以上の暖房地域用エネルギー源を採用する一層複雑なシステムの一部として使用することができる。本システム内で循環する作動媒体の喪失を補充或いは補給するために、リザーバを設けて暖房地域からインタクーラに還流する循環作動媒体に作動媒体材料を追加することができる。

地域暖房は、これまでガスタービンエンジンの排気熱を利用して行われてきた。しかしながら、本発明のシステム及び方法の様々な実施形態は、インタクーラによってガスタービンエンジンから熱を取出すようにした地域暖房に特有かつ広範に向けられている。実際には、本発明の方法及びシステムの様々な実施形態においては、インタクーラを使用して、ガスタービンエンジンの加圧空気流から熱を抽出することに加えて、ガスタービンエンジンの加圧空気流の温度及び圧力を制御するようにする。

ガスタービンエンジン設備の経済的に競合できる運転のためには、ガス発生プロセスにおいて使用する燃料の効率を最大にしてガスタービンエンジン設備の経済的有効度を最大にするのが望ましい。ガスタービンエンジンの入力エネルギーの約５％〜約２０％が、中間冷却プロセスによって失われるので、損失エネルギーを有用な目的のために再取得することは、ガスタービンエンジンの燃料全体効率に対して著しく貢献することができる。従って、エンジン効率を最大にするためには、このように廃棄エネルギー流を取得又は回収することが望ましい。さらに、このようなガスタービンエンジンのオペレータは、インタクーラからこの廃棄エネルギーを取得又は回収するという経済的利益を得ることを好むようである。例えば、ガスタービンエンジンは、電気エネルギーを供給するための発電装置で使用される。この種のガスタービンエンジン駆動発電機を運転するのに使用する燃料に関して余分のエネルギー量価値を取得又は回収することの経済的利点により、発電事業計画における経済上の成功と失敗との違いが生じることになる。

この発明のシステム及び方法の様々な実施形態では、中間冷却式ガスタービンエンジンのインタクーラから廃棄熱の取得又は回収を行う。これらの様々な実施形態では、インタクーラは、地域暖房システムからの一般的に作動流体と呼ばれる作動媒体を使用してガスタービンエンジンのガス流から熱を取出すか又は抽出するように構成される。このことは、そうでなければ大気に放出又は廃棄されていたエネルギーを取得又は回収することによってガスタービンエンジンの全運転効率の増大をもたらすことができる。

図１を参照すると、符号１０で表した本システムの１つの実施形態がガスタービンエンジン１１を含むものとして概略的に示されており、ガスタービンエンジン１１は、低圧圧縮機すなわちブースタ１２、高圧圧縮機１４、燃焼器１６、高圧タービン１８及び低圧タービン２０を有する。システム１０はまた、熱交換器３０の形態のインタクーラ３０を含み、該インタクーラは、低圧圧縮機１２の出口に流体的に接続されてタービンエンジン加圧空気流３８を受け、該加圧空気流は次に高圧圧縮機１４の入口に戻される。インタクーラは、水などの作動流体を用いて加圧空気流３８を冷却し、従って加圧空気流から熱エネルギーを抽出する。

図１に示すように、システム１０はさらに、流体循環ループ４０を備えた地域暖房ループ３２を含み、流体循環ループ４０は、ポンプ３４を使用してインタクーラ３０を通して作動流体を循環させかつ加圧空気流３８から抽出した熱を暖房地域３６に供給する。図１にさらに示すように、必要に応じて循環ループ４０内の作動流体の何らかの喪失を補充しかつ補給するように追加することができる作動流体のリザーバ４２を設けることができる。

図２は、加圧空気流３８と流体循環ループ４０とが交差する、システム１０のインタクーラ３０の細部を示す。図２に示すように、インタクーラ３０は、加圧空気流３８が低圧圧縮機１２から流れて、冷却された後に高圧圧縮機１４の入口に戻る時に、該加圧空気流３８から熱を取出すか又は抽出する。加圧空気流３８から抽出した熱エネルギーは、地域暖房システム３２の循環ループ４０を介して循環する、符号４４で示した作動流体に伝達される。この抽出熱は、次ぎに暖房地域３６に供給され、そこで暖房地域のスペース暖房又は他の要求のためにその熱を使用することができる。その後、作動流体４４は循環ループ４０によってインタクーラ３０に戻るように還流すなわち再循環される。

図１は、低圧圧縮機１２と高圧圧縮機１４との間に配置されたインタクーラ３０を示しているが、インタクーラ３０は、ガスタービンエンジン１１から熱エネルギーを取出すのが望ましい任意の箇所に配置することができる。具体的には、インタクーラ３０は、加圧空気流３８を冷却することが望ましいか又は有利となる、ガスタービンエンジン１１に対する任意の箇所に配置することができ、その結果、循環ループ４０を介して作動媒体４４を循環させてインタクーラ３０からの熱エネルギーを暖房地域３６に移送することることによって地域暖房を行うことができるようになる。

インタクーラ３０の任意の組合せを使用して所望に応じて加圧空気流３８を冷却しかつ循環ループ４０を介して暖房地域３６に抽出熱を供給することができることも理解されたい。例えば、複数のインタクーラ３０を用いてガスタービンエンジンのガス流における複数の位置で加圧空気流３８から熱を抽出することができる。その場合、この複数のインタクーラ３０は、各々が異なる暖房地域３６又は１つの暖房地域３６の異なる部分に熱を供給するように接続された複数の循環ループ４０に接続することができる。

システム１０の別の実施形態では、流体循環ループ４０は、以前のエネルギー源と置き換わるように既存の地域暖房システム３６に接続することができる。

システム１０のさらに別の実施形態では、流体循環ループ４０を複数のエネルギー源を含む地域暖房システム３６内に接続して、少なくとも１つのガスタービンエンジン１１と少なくとも１つのインタクーラ３０とが少なくとも１つの熱エネルギー源となるようにすることができる。

システム１０のさらに別の実施形態では、インタクーラ３０を通り抜ける流体循環ループ４０を他のエネルギー源に接続して、複数の燃料又は複数の燃料によって動力を与えられる複数のエネルギー発生器から地域暖房システム３６にエネルギーを供給することができる。この実施形態では、少なくとも１つのガスタービンエンジン１１と少なくとも１つのインタクーラ３０とが、少なくとも１つのエネルギー源となる。

インタクーラによる地域暖房の経済的利点により、ガスタービンエンジン１１のオペレータは収益を最大にすることができる。インタクーラ３０によってエンジンから取出されるエネルギー量を調整することによって、ガスタービンエンジン１１の出力軸２２（図１参照）からのエネルギーを調整することができる。このことにより、ガスタービンエンジン１１のオペレータは、ガスタービンエンジン１１の産出物の相対的価値、この場合にはインタクーラ回収熱対軸出力エネルギーを受けることによって経済的収入を最大にすることができる。

上記システムの１つのこのような実施形態は、発電用ガスタービンエンジン１１の運転の場合であろう。年間の様々な時点において、インタクーラ３０から抽出した熱は、その経済的価値が変動するものであり、また軸出力エネルギーもその価値が変動する。従って、ガスタービンエンジン１１の作動限界内では、出力軸エネルギーと対照的に、より多くの（又はより少ない）熱エネルギーを抽出すのことが望ましい場合がある。例えば、夏期においては、空調のための電力需要が一層増えるが、建物を暖めるための熱エネルギー需要はより少なくなり、電力価格が一層高くなる。従って、オペレータは、インタクーラ３０で適当な（一般的にはより少ない）量のエネルギーを取出しながら、発電機の最大軸出力が得られるようにガスタービンエンジン１１を運転し、それによって経済的収入を最大にしたいと考えるであろう。反対に冬期には、暖房地域３６からのスペース暖房に対する需要が生じるのでインタクーラ３０からの熱の価格は一層高くなる。熱の価格が一層高くなるので、発電する電力の需要又は価格は、一般的に一層低下する。従って、オペレータはおそらく、出力軸２２からのエネルギーを減少させ（従って電気出力を低下させることになる）ながら、インタクーラ３０によって一層多くの熱を回収するようにガスタービンエンジン１１を運転して、システムからの収入を最大にしたいと考えるであろう。

従って、熱エネルギーの軸エネルギーに対する比率を変更することができることが望ましいと言える。このことは、少なくとも１つのインタクーラ３０からの熱出力を制御すること、従って高圧圧縮機１４（図１参照）の入力へのガス流３８の還流の温度を制御することによって達成することができる。還流ガスの温度は、タービンエンジン還流加圧空気流３８のエネルギー量に直接対応している。圧縮機の加圧空気流３８内の使用可能なエネルギーは、出力軸２２の軸出力エネルギーに使用可能なエネルギー量に直接影響する。本方法を使用して、インタクーラ３０によって抽出する熱エネルギー対出力軸２２の機械的出力エネルギーの比率を、制御することができる。

本発明の特定の実施形態について説明してきたが、特許請求の範囲に記載した本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなく本発明に対する様々な改良を行うことができることは当業者には明らかであろう。特許請求の範囲に記載した参照符号は、本発明の技術的範囲を狭めることを意図するものではなく、それらを容易に理解するためのものである。

本発明のシステムの実施形態の概略図。 図１のシステムの一部分の拡大図。

符号の説明

１０ エネルギー回収システム
１１ ガスタービンエンジン
１２ 低圧圧縮機
１４ 高圧圧縮機
１６ 燃焼器
１８ 高圧タービン
２０ 低圧タービン
２２ 出力軸
３０ インタクーラ
３２ 地域暖房ループ
３４ ポンプ
３６ 地域暖房システム
３８ 加圧空気流
４０ 流体循環ループ
４２ 作動流体のリザーバ

Claims (10)

1. （ａ）少なくとも１つのガスタービンエンジン（１１）と、
   （ｂ）前記少なくとも１つのガスタービンエンジン（１１）からエネルギーを受けた加圧空気流（３８）と、
   （ｃ）前記加圧空気流（３８）からエネルギーを抽出する少なくとも１つのインタクーラ（３０）と、
   （ｄ）少なくとも１つの暖房地域と、
   を含むエネルギー回収システム（１０）であって、
   前記少なくとも１つのインタクーラ（３０）と前記少なくとも１つの暖房地域（３６）とを接続して該少なくとも１つのインタクーラ（３０）で抽出したエネルギーを該少なくとも１つの暖房地域（３６）に移送する作動流体循環ループ（４０）を含む、
   ことを特徴とするエネルギー回収システム（１０）。
2. 前記暖房地域（３６）に供給されたエネルギーが、スペース暖房に使用されることを特徴とする、請求項１記載のシステム（１０）。
3. 必要に応じて前記流体循環ループ（４０）に付加した作動流体のリザーバ（４２）をさらに含むことを特徴とする、請求項１及び請求項２のいずれか１項記載のシステム（１０）。
4. 前記流体循環ループ（４０）が、少なくとも１つの既存の地域暖房システム（３６）に接続されていることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか１項記載のシステム（１０）。
5. 該システムが、複数のエネルギー源を有する地域暖房システム（３６）に接続されていることを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれか１項記載のシステム（１０）。
6. 前記作動流体（４０）が、本質的に水、蒸気、ポリマー流体及び液相金属からなる群の要素であることを特徴とする、請求項１から請求項５のいずれか１項記載のシステム（１０）。
7. 地域暖房システム（３６）にエネルギーを供給する方法であって、
   （ａ）少なくとも１つのインタクーラ（３０）を用いて少なくとも１つのガスタービンエンジン（１１）のガス流の流れ（３８）からエネルギーを取出す段階と、
   （ｂ）前記取出したエネルギーを用いて作動流体（４４）を加熱する段階と、
   （ｃ）前記加熱した流体を少なくとも１つの地域暖房システム（３６）を通して循環させて該地域暖房システムにエネルギーを供給する段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
8. 流体循環ループ（４０）を用いて前記作動流体（４４）を循環させることを特徴とする、請求項７記載の方法。
9. 前記流体循環ループ（４０）が、複数のエネルギー源に接続されていることを特徴とする、請求項７及び請求項８のいずれか１項記載の方法。
10. 運転中の中間冷却式ガスタービンエンジン（１１）から取出す熱エネルギーと出力軸エネルギーとの比率を制御する方法であって、
    少なくとも１つのインタクーラ（３０）によって前記ガスタービンエンジン（１１）の流動ガス流（３８）から取出すエネルギー量を変化させる段階、
    を含むことを特徴とする方法。

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