JP2005315244A - 圧縮機の排熱を利用するための装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガスを圧縮するための単数または複数の直列に接続された圧縮機（１、２）または圧縮機段群の排熱を中間冷却器（３）によって利用するための装置を産業用圧縮機プラント用に利用可能とすることである。
【解決方法】 ガスを圧縮するための各２つの圧縮機（１、２）または２つの圧縮機段群の間のガス流中に、伝熱面（６）を備えた中間冷却器（３）が配置され、第２圧縮機（２）の下流側には伝熱面（７）を備えた後部冷却器（５）が配置されている。冷却器（３、５）内に溜まる排熱を利用するために、中間冷却器（３）および後部冷却器（５）の伝熱面（６、７）は、伝熱面が蒸気発生器（９）の給水ポンプ（４０、５９）と接続されるように蒸気発生器（９）に一体化されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガスを圧縮するための単数または複数の直列に接続された圧縮機または圧縮機段群の排熱を中間冷却器によって利用するための装置であって、中間冷却器がガス流中でそれぞれ第１圧縮機と第２圧縮機との間または２つの圧縮機段群の間に配置されかつ伝熱面を備えており、これらの伝熱面が発電機を駆動する蒸気タービン用の蒸気発生器と接続されており、この蒸気発生器が単数または複数の給水予熱器と単数または複数の蒸発器と単数または複数の過熱器と１つの凝縮器と１つの脱気器と１つの給水ポンプとを有する装置に関する。

圧縮プロセスにおいて、圧縮された媒体の中間冷却によって圧縮機の駆動動力を著しく低減することができる。従来は一般に、排出されるべき中間冷却器熱は利用されることなく大気中に放出される。

ガスタービンの燃焼室に供給される燃焼用空気を圧縮するための２段圧縮機を備えた複合ガス・蒸気発電プラントが特許文献１により公知である。両方の圧縮機段の間に中間冷却器が配置されており、この中間冷却器の伝熱面はガスタービンの後段に設けられる廃熱ボイラの水‐蒸気サイクルに一体化されている。事前にその圧力を昇圧ポンプによって高められた給水が中間冷却器に供給される。中間冷却器内で加熱された給水が蒸気ドラムに供給され、そのなかで一部蒸発する。こうして得られる蒸気が過熱器に導入され、水が混合予熱器に導入される。熱分離(Wameauskopplung)の原理はドラム内で循環する冷却水の再蒸発によって行われる。こうして熱分離の値はドラム内のその時々の蒸気圧力によって強く影響を受ける。

圧縮機排熱を利用する特許文献１により公知の複合プラントは、元々設けられている給水ポンプの他に、冷却サイクル用の付加的昇圧ポンプを必要とする。圧縮機排熱の利用はプラント固有の媒体、つまり圧縮された燃焼用空気で行われる。利用されるのは中間冷却器内に溜まる圧縮機熱だけである。

純粋の発電プロセスが検討される特許文献１による技術の現状とは異なり、本発明で問題とするのは例えば石油化学における、またはパイプラインによるガス輸送時の、産業用圧縮機プロセスへの発電プロセスの統合である。
欧州特許第０５９７３０５号明細書

本発明の課題は、圧縮機排熱を利用するための冒頭に述べたタイプの装置を産業用圧縮機プラント用に利用可能とすることである。

この課題を解決するために、本発明に係る装置は、上記のものにおいて、第２圧縮機の後段に後部冷却器が設けられており、中間冷却器の伝熱面と後部冷却器の伝熱面が蒸気発生器の給水ポンプと接続されていることを特徴とするものである。
また、本発明に係る装置は、請求項１記載のものにおいて、中間冷却器の伝熱面の少なくとも１つが、蒸気発生器の高圧給水ポンプと接続された給水予熱器として接続されていることを特徴とする。
また、本発明に係る装置は、請求項１または２記載のものにおいて、蒸気発生器の給水予熱器の前段に、または中間冷却器の給水予熱器として接続される伝熱面の前段に、水／水‐熱交換器が設けられていることを特徴とする。
また、本発明に係る装置は、請求項１ないし３のいずれか１項記載のものにおいて、圧縮機がガスタービンによって駆動され、高圧部と低圧部とを有する廃熱ボイラがこのガスタービンの後段に設けられており、中間冷却器および後部冷却器の伝熱面が給水を流通させかつガスタービンの廃熱ボイラの高圧部の単数または複数の給水予熱器と接続されていることを特徴とする。
また、本発明に係る装置は、請求項４記載のものにおいて、廃熱ボイラが補助火炉を備えていることを特徴とする。
そしてまた、本発明に係る装置は、請求項１記載のものにおいて、中間冷却器内に伝熱面として給水予熱器と第１蒸発器が配置され、後部冷却器内に伝熱面として、ボトルまたは蒸気ドラムを介して第１蒸発器と並列に接続された第２蒸発器と過給式低圧蒸気発生器の過熱器が配置されていることを特徴とする。
さらにまた、本発明に係る装置は、請求項６記載のものにおいて過熱器が蒸気管路を介して低圧蒸気タービンの入口側と接続されていることを特徴とする。
そしてさらに、本発明に係る装置は、請求項６または７記載のものにおいて、低圧蒸気タービンへの入口の前で蒸気管路から分岐管路が分岐して低圧蒸気発生器の脱気器へと通じていることを特徴とするものである。

本発明に係る装置は廃熱ボイラを後段に設けたガスタービンによって駆動される圧縮機プラントにおいても電動駆動式圧縮機プラントにおいても応用することができる。最初に指摘した事例において本発明は、高圧給水としての冷却水量の輸送が元々設けられている給水ポンプによって行われるので、冷却サイクル用循環ポンプが省かれることによるエネルギー低減を特徴としている。さらに、その他では同じ境界条件のもとで燃料投入量が減少する。電動駆動式圧縮機では、蒸気タービンによって駆動される発電機が回路網にエネルギーを供給できるので、回路網から算入可能な動力供給が減少する。

本発明の実施例を中心として図面を参照しながら以下で詳しく説明する。

図示された圧縮機ステーションは２つの直列に接続された圧縮機１、２または圧縮機段群からなる。圧縮機ステーションは石油化学プラントにおいて、またはガス輸送パイプラインの中間ステーションまたは類似の応用においてガスを圧縮するのに役立つ。圧縮機１、２用駆動動力を減らすためにガス流中で圧縮機１、２の間に中間冷却器３が配置され、ガス温度を制限するために第２圧縮機２の下流側で、最終負荷に通じた管路４内に後部冷却器５が配置されている。中間冷却器３と後部冷却器５は伝熱面６、７を備えている。２つを超える数の圧縮機または圧縮機段群を圧縮機ステーション内に設けることもでき、２つの圧縮機の間にそれぞれ１つの中間冷却器３が配置され、最終圧縮機の下流側に後部冷却器５が配置されている。

図１に示す圧縮機ステーションはガスタービンプラント８によって駆動され、このガスタービンプラントの後段には廃熱ボイラ９が蒸気タービン１０と接続して設けられている。ガスタービンプラント８は燃焼用空気圧縮機１１と燃焼室１２と本来のガスタービン１３とからなる。ガスタービン１３の出力軸は伝動装置１４を介して圧縮機１、２と結合されている。ガスタービン１３の出力軸に配置されるガスタービン発電機１５は工場独自の電力網または公共電力網に電気エネルギーを供給する。出力等級１０〜２５ＭＷのガスタービンを利用する場合圧縮機１、２の所要の総駆動動力は蒸気タービン１０の比較的高い動力を介してのみ、従って廃熱ボイラ９内の高められた火炉温度によって達成することができる。その場合、ガスタービン１３と蒸気タービン１０は単軸列として構成されている。図示簡素化の理由からこのような単軸列は示していない。

排ガス流中でガスタービン１３の下流側に有利には天然ガス運転式補助火炉１７を新気ファン１６付きで設けることができる。前記単軸列においてプラントの制御は専ら補助火炉を介して行われ、これにより圧縮機１、２の部分負荷運転時および吸引条件が変化するとき最高の柔軟性が達成される。ガスタービンの駆動動力が圧縮機１、２にとって十分である場合、蒸気タービンサイクルは純然たる発電に利用されまたは熱併給形コンバインド発電プラントとして利用される。相応するガスタービン部分負荷のときまたはガスタービン１３をトリップアウトする場合、設置された補助火炉１７と新気ファン１６とを介して蒸気タービンサイクルの条件は一定に保つことができる。前記課題を有して単軸列としてプラントを実施する場合、図１に示すガスタービン発電機はモータ／発電機系として構成することができる。蒸気タービン１０およびガスタービン１３が故障した場合、圧縮機１、２の所要の駆動動力は回路網から用意することができる。その場合モータ／発電機系はいわゆるモータ運転で作動する。さらに、総プロセスの電気効率は負荷の低下に伴って上昇する。というのも、総動力に占めるガスタービンの割合が高まるからである。

廃熱ボイラ９は燃焼室配管付きまたはなしの混圧ボイラとして構想されており、図１に略示するように高圧部１８と低圧部１９とを含む。高圧部と低圧部はそれぞれ給水予熱器２０、２１と蒸発器２２、２３と過熱器２４、２５とを有する。高圧部１８の給水予熱器２０は第１給水予熱器２０．１と第２給水予熱器２０．２とからなる。各給水予熱器２０．２、２１と蒸発器２２、２３と過熱器２４、２５は、これらの構成要素が自然循環または強制循環で運転されるとき、外側に設けられる蒸気ドラム２６、２７とそれぞれ接続されている。

高圧部１８の過熱器２４は高圧蒸気管路２８を介して蒸気タービン１０の入口部または高圧部と接続され、低圧部１９の過熱器２５は低圧蒸気管路２９を介して蒸気タービン１０の低圧部と接続されている。蒸気タービン１０はこの実施例においてエネルギー発生用発電機３０を駆動する。

蒸気タービン１０の出口は凝縮器３１と接続されている。凝縮器３１に凝縮液管路３２が接続されており、この管路中に配置された凝縮液ポンプ３３は水／水‐熱交換器３４を介して脱気器３５に通じている。脱気器３５は、低圧給水ポンプ３７の配置された低圧給水管路３６を介して廃熱ボイラ９の低圧部１９の給水予熱器２１と接続されている。

凝縮液の脱気は廃熱ボイラ９の低圧部１９からの低圧蒸気によって行われる。低圧蒸気の他の部分は、低圧蒸気管路２９から分岐する分岐管路３８を介して有利には外部熱を供給し燃料を予熱するためにまたはプロセス蒸気として外部負荷に供給することができる。

中間冷却器３および後部冷却器５内に溜まる排熱ポテンシャルを有益に活用するために、中間冷却器３および後部冷却器５の伝熱面６，７はガスタービン１３の後段に設けられる廃熱ボイラ９の水‐蒸気‐サイクルに一体化されている。このため脱気器３５に接続された高圧給水管路３９中に高圧給水ポンプ４０が配置されている。高圧給水管路３９は水／水‐熱交換器３４に挿通され、廃熱ボイラ９の高圧部１８の第１給水予熱器２０．１に接続されている。この給水予熱器は廃熱ボイラ９の出口領域に配置されており、この出口でタービン排ガスはその最も低い温度に達している。廃熱ボイラ９の外側にある水／水‐熱交換器３４において第１給水予熱器２０．１への入口で給水の温度は凝縮液によって、廃熱ボイラ９下流側で排ガス温度をさらに下げることができるほどに低下される。第１給水予熱器２０．１はこの協動において廃熱ボイラ９の冷末端で付加的ヒートシンクとなる。このようなヒートシンクは経済的ガス出口温度を達成するために不可欠である。なぜならば、さもないと圧縮機１、２の外部排熱の利用は、高圧部１８の廃熱ボイラ９の高温部内にある第２給水予熱器２０．２内での予備蒸発を避ける場合タービン排ガスの排熱利用低下を生じるであろう。

廃熱ボイラ９の冷末端に配置される第１給水予熱器２０．１から高圧給水管路３９は中間冷却器３の伝熱面６へと通じ、そこからさらに後部冷却器５の伝熱面７へと通じている。後部冷却器５に続いて高圧給水管路３９は後部冷却器５の伝熱面７を廃熱ボイラ９の高圧部１８の第２給水予熱器２０．２と接続する。有利なことに、弁で遮断可能なバイパス管路４１を介して中間冷却器３および後部冷却器５内の伝熱面６、７は必要な場合に迂回することができ、これにより給水は高圧部１８の第１給水予熱器２０．１から第２給水予熱器２０．２内に直接達する。

図１に示すプラントでは、熱交換に関与する面の前記接続によって、中間冷却器３および後部冷却器５内に溜まる排熱は、高圧給水ポンプ４０によって冷却器３、５の伝熱面６、７を介して廃熱ボイラ９および蒸気タービン１０の高圧部内に供給される給水に伝達される。圧縮機１、２の排熱を利用することによって、同じ燃料投入量において蒸気タービンの電気動力は約２５％高めることができる。

ガスを圧縮するための圧縮機１、２が電動駆動式の場合、冷却器３、５を介して排出される圧縮機１、２の排熱は低圧蒸気発生器の図２に示す水‐蒸気‐サイクルによって有益に活用することができる。圧縮機１、２はそれぞれ電気モータ４２、４３と接続され、または直列に接続されて駆動装置としての単一の電気モータと接続されている。直列に接続される両方の圧縮機１、２または圧縮機段群の間のガス流中にやはり中間冷却器３が設けられ、最終負荷に至る管路４中に後部冷却器５が配置されている。冷却器３、５の伝熱面６、７は過給式低圧蒸気発生器の加熱面として接続されており、これにより、ここに存在する高い熱流密度のゆえに好ましいことに強制循環式蒸発器が利用される。

中間冷却器３内に、ガスの流れ方向に見て、強制循環式蒸発器として構成される第１蒸発器４４と給水予熱器４５が配置されている。後部冷却器５内にガスの流れ方向に見て過熱器４６と、強制循環式蒸発器として構成される第２蒸発器４７が配置されている。両方の蒸発器４４、４７は蒸気ドラム４８と接続されている。蒸気発生器は強制貫流式蒸発器として構成しておくこともできる。強制貫流式蒸発器の場合、蒸気ドラム４８は分離器ボトルに取り替えることができる。

過熱器４６は入口側が蒸気ドラム４８の蒸気室と接続され、出口側は蒸気管路４９を介して蒸気タービン５０の入口側と接続されている。蒸気タービン５０はこの実施例においてエネルギー発生用発電機５１を駆動する。

蒸気タービン５０の出口に凝縮液管路５２を介して凝縮器５３が接続されている。凝縮液ポンプ５４を配置された凝縮液管路５２は水／水‐熱交換器５５を介して脱気器５６へと通じている。蒸気管路４９から、蒸気タービン５０へのその入口前で蒸気分岐管路５７が分岐して脱気器５６へと通じている。

給水ポンプ５９を有する給水管路５８が脱気器５６に接続されている。給水管路５８は水／水‐熱交換器５５に挿通され、給水予熱器４５の入口と接続されている。

図１に示すプラントでは高圧給水を冷却媒体として使用することによって蒸気発生器の高圧側で熱分離が行われるのに対して、図２によるプラントではこれが低圧蒸気発生器の過熱器、蒸発器、給水予熱器等の構成要素によって行われる。従って電動駆動式圧縮機の場合蒸気ベースの熱分離は低圧系を介して行われる。発生される蒸気はこれ用に独自に構想された低圧蒸気タービンにおいて図２に示すように発電に利用され、または既存蒸気タービンの低圧側に送られる。それと並んで、発生された蒸気は外部熱、プロセス蒸気および燃料予熱の準備用に利用することができる。

その圧縮機がガスタービンによって駆動される圧縮機プラントの概要図である。 圧縮機排熱を利用する電動駆動式圧縮機プラントの概要図である。

符号の説明

１ 第１圧縮機
２ 第２圧縮機
３ 中間冷却器
５ 後部冷却器
６ 伝熱面
７ 伝熱面
１０，５０ 蒸気タービン
２０．１，２０．２，２１，４５ 給水余熱器
２２，２３，４４，４７ 蒸発器
２４，２５，４６ 過熱器
３１，５３ 凝縮器
３５，５６ 脱気器
４０，５９ 給水ポンプ

Claims (8)

1. ガスを圧縮するための単数または複数の直列に接続された圧縮機（１、２）または圧縮機段群の排熱を中間冷却器（３）によって利用するための装置であって、中間冷却器がガス流中でそれぞれ第１圧縮機（１）と第２圧縮機（２）との間または２つの圧縮機段群の間に配置されかつ伝熱面（６）を備えており、これらの伝熱面（６）が発電機（３０、５１）を駆動する蒸気タービン（１０、５０）用の蒸気発生器と接続されており、この蒸気発生器が単数または複数の給水予熱器（２０．１、２０．２、２１、４５）と単数または複数の蒸発器（２２、２３、４４、４７）と単数または複数の過熱器（２４、２５、４６）と１つの凝縮器（３１、５３）と１つの脱気器（３５、５６）と１つの給水ポンプ（４０、５９）とを有するものにおいて、第２圧縮機（２）の後段に後部冷却器（５）が設けられており、中間冷却器（３）の伝熱面（６）と後部冷却器（５）の伝熱面（７）が蒸気発生器の給水ポンプ（４０、５９）と接続されていることを特徴とする装置。
2. 中間冷却器（３）の伝熱面（６）の少なくとも１つが、蒸気発生器の高圧給水ポンプ（４０）と接続された給水予熱器として接続されていることを特徴とする、請求項１記載の装置。
3. 蒸気発生器の給水予熱器（２０．１、２０．２、２１、４５）の前段に、または中間冷却器（３）の給水予熱器として接続される伝熱面（６）の前段に、水／水‐熱交換器（３４、５５）が設けられていることを特徴とする、請求項１または２記載の装置。
4. 圧縮機（１、２）がガスタービン（１３）によって駆動され、高圧部（１８）と低圧部（１９）とを有する廃熱ボイラ（９）がこのガスタービンの後段に設けられており、中間冷却器（３）および後部冷却器（５）の伝熱面（６、７）が給水を流通させかつガスタービン（１３）の廃熱ボイラ（９）の高圧部（１８）の単数または複数の給水予熱器（２０．１、２０．２）と接続されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項記載の装置。
5. 廃熱ボイラ（９）が補助火炉（１６、１７）を備えていることを特徴とする、請求項４記載の装置。
6. 中間冷却器（３）内に伝熱面（６）として給水予熱器（４５）と第１蒸発器（４４）が配置され、後部冷却器（５）内に伝熱面（７）として、ボトルまたは蒸気ドラム（４８）を介して第１蒸発器（４５）と並列に接続された第２蒸発器（４７）と過給式低圧蒸気発生器の過熱器（４６）が配置されていることを特徴とする、請求項１記載の装置。
7. 過熱器（４６）が蒸気管路（４８）を介して低圧蒸気タービン（５０）の入口側と接続されていることを特徴とする、請求項６記載の装置。
8. 低圧蒸気タービン（５０）への入口の前で蒸気管路（４９）から分岐管路（５７）が分岐して低圧蒸気発生器の脱気器（５６）へと通じていることを特徴とする、請求項６または７記載の装置。