JP2006526736A - ガスタービン組の運転方法 - Google Patents

Abstract

コンプレッサとタービンとから成る第１ガスタービン組と、第１ガスタービン組のコンプレッサとタービンとの間の気体の流れの中に置かれた燃焼装置を含む第２ガスタービン組とを具備し、第２ガスタービン組は、コンプレッサ、燃料噴射装置、燃焼室およびタービンから成り、ガスタービン組の少なくとも一方が有効仕事を取出すための装置を有して、水または蒸気の第１流れが、第１組のタービンの排ガスからの熱によって加熱され、更なる量の水および／または蒸気が、第１組のコンプレッサにより圧縮された気体の流れからの熱によって加熱され、生成された水または蒸気が、流れ内の空気中に含まれる酸素の少なくとも６０％が燃焼装置内の燃焼を通じて消費されるように気体の流れに噴射され、第２ガスタービン組のタービンに供給される燃焼ガスが、５〜３０ＭＰａの圧力を有するガスタービン発電所の運転方法。

Description

本発明は、第１の請求項の導入分に記載されている分野のガスタービンサイクルの運転方法に関する。

請求項１に記載の技術のガスタービンサイクルによって、特定の場合に同じ運転条件を達成し、運転の間に水および／または蒸気を前記ガスタービンサイクルの膨張機からの排ガスによって加熱することが知られている。

従来のガスタービンでは、空気が作動流体として用いられている。吸気が高圧に圧縮され、その後、圧縮空気に燃料が混合される。この混合気が、次いで、燃焼室で燃焼され、タービンを通じて膨張される。このタービンが仕事を生成し、その一部がコンプレッサ駆動に用いられ、残りが有効仕事として取出される。このプロセスの効率は、有効仕事と使用した燃料のエネルギとの間の比として記述される。従来のガスタービンサイクルでは、多大な過剰空気を以て燃焼プロセスが行われ、その結果、吸気の大部分は、その含有酸素を利用することなくサイクルを通過する。

所謂、加湿サイクルとして構成されたガスタービン発電所が公知となっている。加湿サイクルでは、作動流体に水が混合される。この水は、蒸気および／または温水として噴射され、圧縮空気流れの一部または全体を加湿するために用いられる。蒸気は、通常、タービンからの排ガスの熱を用いる熱回収蒸気発生器内で生成される。

然しながら、実際上、作動流体として乾燥空気で作動するよう最適化された従来の「乾燥」ガスタービンは、作動流体中に多量の水が噴射されると、許容できない動作特性を示す。これは、タービン膨張機を通過する気体の流れが、設計流量よりも著しく大きくなるためである。

従来のガスタービンは、従って、加湿サイクルとして運転できない。蒸気噴射を利用できる少数のガスタービンでも、作動流体中に噴射できる蒸気量は制限され、従って、熱回収蒸気発生器からの利用可能な蒸気の全てを使用することはできない。

加湿サイクルを実現するためには、変更した流れの分配およびコンプレッサとタービンとの間の容量の不釣り合いに対応するために、ガスタービン機械を大きく改修し多額の費用が必要となる。

更に、従来のガスタービンは、コンプレッサからの低温の冷却空気を用いて、タービンの高温領域をしばしば冷却しており、従って、この冷却空気を作るために、コンプレッサは過剰な容量を有している。加湿サイクルでは、然しながら、冷却のために圧縮空気ではなく蒸気を用いており非常に有利である。蒸気冷却を導入すると、コンプレッサとタービンとの間の容量の不釣り合いは大きくなるので、蒸気冷却によってガスタービンの改修の程度は更に大きくなる。従って、既存の空冷ガスタービンを一層効率的な蒸気冷却に適合させるためには、別の手段が必要となる。

請求項１の導入部分に記載されているように使用され運転されるガスタービンサイクルは公知となっているが、本発明の目的は、上述した加湿サイクルに関連する改修の問題を除去し、高効率で好ましい運転条件を提供する構成を提案することである。

本発明の更なる目的は、第１のガスタービン組が乾燥サイクルに最適化された構成を有していても、加湿サイクルでの第１のガスタービン組の最適に近い運転を得られるように、第２のガスタービン組を効率的に運転できるようにした方法を提供することである。

本発明の更なる目的は、第１のガスタービン組が従来の独立型のガスタービンユニットであっても、加湿サイクルとして運転可能な構成を提供することである。こうして、ガスタービンユニットは、第２のガスタービンユニットによって補完／改装可能な既設の装置とすることができる。代替的に、ガスタービンユニットは、従前に製造、運用されている公知の広く用いられている構成から新規に製造され、望ましい運転特性、良好な効率、および、既存の保守、点検設備を有している。

本発明の更なる目的は、ガスタービン組の性能に好ましく影響する運転パラメータを提供することである。

これらの目的は、本発明により全体的または部分的に達成される。
本発明は、請求項１に記載されている。

本発明の複数の構成が従属請求項に記載されている。本発明の付加的な目的は、請求項１或いは１または複数の従属請求項により全体的または部分的に得られる。

第１のガスタービン組は、「乾燥」運転のために十分に試験し最適化したユニットから構成することができる。近時、これら「乾燥」ガスタービンの長期運転、性能および保守についての多くの経験がある。更に、コンプレッサとタービンとの組合せ運転は、従来の（非加湿サイクル）の運転において十分に理解されている。燃焼装置および第２のガスタービン組は、第１のガスタービン組が、加湿サイクルの一部となっても、最適運転できるような大きさを有している。重要な比率は、例えば、生成された仕事の少なくとも１０％、好ましくは２０％が、好ましくは、第２のガスタービン組の動力伝達装置から得られる。

第１のガスタービン組は、既存のプラント内の非加湿条件で運転される既設ユニットとすることができ、該既設ユニットは、第２のガスタービン組、燃焼装置および蒸気噴射装置および／または加湿装置を補完して、全体のガスタービンサイクルに対して加湿サイクルを実現する。

代替的に、加湿サイクルは、共通の軸に設けられたコンプレッサおよびタービンとを備え、非加湿条件での運転に十分に実績のある第１のガスタービン組に基づいて、新規に設計、製造することができる。

コンプレッサとタービンユニットの選択を通じて、第２のガスタービン組は、入口、出口間の気体の流れの間で望ましい圧力分布を与えるよう容易に適合させることができる。第２のガスタービン組によって第１のガスタービン組を補完することによって、第１のガスタービン組は、加湿サイクルに転換することにより新規の概ね最適な運転条件を得る。

実際上、出口の排ガスの体積流量は、第１のガスタービン組が作られた当初の運転範囲内に維持されている。このタービン出口流れの大部分は、加湿サイクルの蒸気であるので、当初のコンプレッサからの空気の質量流量は、従って低減される。この低減は、後述するように、コンプレッサのステージを除去するか、或いは、入口ガイドベーンを調節することによって、達成することができる。何れの方法でも、第１のガスタービン組のコンプレッサの圧力比は、当初の設計と比較して低減される。従って、コンプレッサおよびタービン部分に対して概ね同じ圧力比を有することから、新規の加湿構成では、第１のガスタービン組のコンプレッサは、当初の設計よりも著しく小さな圧力比を有することとなる。

上述した構成では、加湿ガスタービンサイクルに対して潜在的な最良の効率を与える。先ず、第１の組のタービンは、速度三角形および損失レベルに関して当初の最適な設計パラメータの近くで作動する。第２に、コンプレッサを通過する質量流量が、上述したように低くなるので、圧力比が低下し、従って、消費動力が低減される。こうして、第１のガスタービン組から得られる有効仕事量が、加湿ガスタービンサイクルに関連して可能な程度まで増加する。

また、第１のガスタービン組のコンプレッサの圧力比が低くなることから、コンプレッサ内の気体の流れの密度が低下する。従って、コンプレッサを通過する質量流量が低下しても、気体の流れはコンプレッサの当初の構成に好ましく適合する。この好ましい効果は、コンプレッサの入口第１段では小さいので、コンプレッサを調整することに替えて、コンプレッサのステージを除去することが一層効果的である。加湿サイクルに切り換えることにより圧力比が低下しコンプレッサの負荷が低下することから、後者もまた可能である。

第２のガスタービン組は、冷却が必要で、かつ、蒸気または加湿された低温空気を用いることによって有利に提供可能な温度領域で作動する。蒸気は、先ず、燃焼室へ導入される前に、高温要素を冷却することによって、非常に有利な方法で、このプロセスに参加するようにできる。こうして、この蒸気は、膨張プロセスに参加し、付加的仕事を提供する。然しながら、蒸気の一部は、必然的に、対流が必要な冷却負荷を与えない部分ではフィルム冷却に用いられる。蒸気が気体の流れと金属との間の保護層として作用する該フィルム冷却は、加湿された混合気体と比較して高い蒸気の熱容量のために、蒸気を用いた場合に非常に効果的である。

第１のガスタービン組は、冷却を必要としない条件、或いは、最大でも限定された冷却量しか必要としない条件で作動する。このタービン組の当初の「乾燥」構成で存在する冷却空気の分布は、従って、タービン内の大量の作動流体を許容しながら著しく低減される。従って、第１のガスタービン組を加湿サイクルへ変更するために必要な有利な開発は、第２のガスタービン組に集約される。第１のガスタービン組は、ただ、重要ではない小変更のみが必要となる。変更は、以下の通りである。すなわち、加圧空気の第２の組への取出点、既存の燃焼室を新規の「低温」入口分配ダクトへの置換、および、新規の一層強力な軸の導入である。

乾燥プロセス、例えば、従来のガスタービンサイクル、の最適効率は、比較的低圧比で得られている。然しながら、加湿サイクルでは最適効率はかなり高い圧力比で得られる。従って、加湿ガスタービンサイクルでは、最適な運転条件に到達するために、圧力比を高めることが重要である。示唆されたサイクルの適切な圧力範囲は５〜３０MPa（５０〜３００bar）、好ましくは６〜２０MPa（６０〜２００bar）、最も望ましくは８〜１５MPa（８０〜１５０bar）である。温度レベルは、１０００〜２０００Ｋ、好ましくは１２００〜１８００Ｋである。

本発明により示唆される特定の加湿サイクル構成では、燃焼が実際上可能な限り化学量論条件に近い、例えば、空気中の空気の概ね全てを利用するような燃焼を生じるように水が点火される。示唆されたサイクルを運転する場合に、これが、最も基本的な目標の１つとなる。

化学量論に近い条件によって、効果的で、小型の費用効果率の高いサイクルが導かれる。プロセスに参加した水は外気に放出されず、排ガスの凝縮によってサイクル内に留められる。得られた凝縮水は、連続的に処理され発電サイクルに再循環される。排ガスの凝縮プロセスは、水の自給自足を可能とする。排ガスからの水の凝縮は、また、粒子の除去、および、ある程度、排ガスからの汚染物質の除去を助ける。従って、環境への影響力の可能性は最小となる。化学量論での燃焼によって、外気への排ガス流れは最小となる。発電所からの排ガスから二酸化炭素を分離することは、本発明では著しく安くなる。と言うのは、浄化プロセスを通過する流れが低減され、かつ、二酸化炭素の含有率が高くなるからである。プラントの運転は、吸気した空気に含まれる酸素の少なくとも７０％、適切には８０％、好ましくは９０％を消費するよう構成されなければならない。これは、既存技術からの主要な違いであり、また、上述した利点を与える。

サイクル中の水は再循環される。水は部分的に２つの圧力レベルでボイラで蒸発し、該ボイラは、高温の排ガスから、および、第１のガスタービン組のコンプレッサの空気を冷却することにより熱を奪う。冷却された排ガスは、気体の流れから通常、プラントの水を自給自足する量を以て水を凝縮する排ガス凝縮器に導かれる。この水を凝縮する際に得られる多量の熱は、例えば、地域暖房ネットワークで用いたり、吸収冷凍機を駆動するために用いることができる。

従来のガスタービン内に蒸気を導入することにより最終には、効率を高め有効仕事量を増加することとなる。蒸気噴射をしない、最新の十分に開発された従来のガスタービンは、通常３５〜４０％の効率を有する。同じような圧力、温度レベルで作動する十分に開発された加湿ガスタービンサイクルは、通常、５０〜５５％の効率を達成する。一層高い圧力レベルの加湿サイクルは、５５〜６５％の効率を達成し、対応する従来のガスタービンサイクルよりも２〜３倍の有効仕事が取出される。

サイクルを効率的に運転し、５〜３０MPa（５０〜３００bar）の圧力比、少なくとも２つの最大レベルを可能とするためには、回転速度の異なる３つの軸が必要となる。高圧コンプレッサおよびタービンが高速回転する。こうして、複軸構成は、一軸上で作動する従来のガスタービンユニットと、高速回転する別の軸上で作動する愛二のコンプレッサおよびタービンと、化学量論近くで燃焼させて好ましくは蒸気により冷却される高圧、高温で作動する燃焼室とから成る。蒸気および／または水は、燃焼室前に高圧蒸気の噴射、加湿タワー内で空気を加湿すること、最終圧縮段の前に中間圧力の蒸気および／または水を噴射することを通じて導入可能である。

高圧運転中は、コンプレッサ間の空気の冷却の必要性、コンプレッサ内の温度レベルおよび材料に対する要求を部分的に低減する必要性、コンプレッサの必要仕事量を部分的に低減する必要がある。

中間圧力の空気温度を低減することにより、燃焼に対して一層有利な条件が得られる。温度を低下する最も簡単な方法は、圧縮空気流れに水を噴霧することである。代替的に、ボイラ内で圧縮空気に含まれる熱を用いて蒸気を生成することもできる。更に、特に効果的な方法は、所謂加湿タワーを使用することである。この装置では、高圧の圧縮空気が温水に対向流として直接接触する。温水は、このプロセスによって冷却され、次いで、排ガスまたは中間圧力空気から熱を収集することができ、これによってサイクル損失が低減される。

加湿サイクル内に更なる量の水を導入するために、コンプレッサへの吸気を加湿してもよい。この方法は、ガスタービンサイクルから低温熱を取出すこと、例えば地域暖房に関連して特に有利である。排ガスからの熱を、この加湿プロセスに使用することができる。すなわち、エネルギをサイクル内で循環して、このプロセスでのエネルギ使用量を高めるのである。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

図１は、コンプレッサ１２とタービン１３とを連結する軸１１を具備した第１のガスタービン組１０を示している。第１のガスタービン組１０は、作動流体としての空気と共に従来の作用に適した従来のガスタービンとしての大きさおよび構成を有している。発電機１５は軸１１に連結されている。代替的に、軸１１を介してガスタービン組１０から仕事を他の装置へ取出すこともできる。

図１は、また、タービン２３、コンプレッサ２２、軸２１を含む第２のガスタービン組２０を示している。軸２１は、発電機２５または軸２１を介して伝達された仕事を利用できる他の装置に連結されている。

第１のガスタービン組１０に連結された軸１１、および、第２のガスタービン組２０に連結された軸２１の双方は、前記２つのガスタービン組によって提供される仕事を利用する共通の装置に連結するようにしてもよい。

大気から空気が４１を介してコンプレッサ１２へ取り込まれ、流れ４２となってコンプレッサ２２へ供給され、次いで、４３を介して燃焼室３５へ供給される。該燃焼室には５１を介して燃料が、そして６１を介して水または蒸気が供給される。また、燃焼室３５の手前で、４３内の流れに蒸気を６２を介して供給、混合することができる。４４を介して燃焼ガスが取出され、タービンユニット２３へ供給される。

タービンの高温部分を冷却するために、蒸気の流れの一部が６３を介してタービンユニット２３へ供給される。タービン２３で主流に混合されなかった蒸気の一部は、例えば管路６８を介して燃焼室へ供給される。

４８を介してタービン２３からの排気が他のタービン１３へ供給される。４９を介してタービン１３からの排気がボイラ７３、熱交換器７０、および、それらの下流の排ガスコンデンサ７１へ供給される。排ガスから凝縮された水は、熱交換器７０を貫通する管路８１から更に管路８２、８３へ供給される。脱気器７２は、ボイラ７３、７４へ供給する水から確実に酸素を除去する。

コンプレッサ出口抽出装置４２によって、加圧された空気が集められ第１のガスタービン組のコンプレッサ１２から高圧コンプレッサ２２へ供給される。タービン入口装置４８によって、タービン２３からの排ガスが第１のガスタービン組のタービン１３へ供給される。これらの装置の双方は、軸１１から隔離されており、２つの装置間で差圧が形成される。該構成では、戻り装置４８内の圧力は、抽出装置４２内の圧力よりも典型的に１０−４０％高くなっている。この点が、コンプレッサ１２の後の圧力がタービン１３の前の圧力よりも僅かに高いだけの従来のガスタービンと大きく異なる点である。

図１において、熱交換器７０内で加熱された凝縮水の一部を、管路８２を介して断熱加湿器９１へ供給することができ、そこで、該水が４２内の空気の流れに噴霧される。噴霧式加湿器は、好ましくは、熱交換器７４の後の流れ４２に配設される。

また、図１において、熱交換器７０で加熱された水は、前記通路６１、６２、および／または６３を介して燃焼室３５へ供給する前に、管路８３を介して、熱交換器７３および／または熱交換器７４へ供給することができる。熱交換器７３、７４はボイラであり、７４は、コンプレッサ１２、２２間の空気の流れを冷却するために、ガス通路４２に配設されており、７３は、排ガスを冷却するために排ガス通路４９に配設されている。生成した蒸気は、こうしてコンプレッサを通過する必要がなくなる。

図２は代替実施形態を示しており、コンプレッサ間の空気流れおよび排ガス流れ中の熱回収が、２つの圧力レベルで作用するボイラによって部分的に行われ、これによって、蒸気をコンプレッサ間のガス通路４２へ噴射できるように、低圧蒸気圧が設定される。

図２は、外部プロセスで使用するために、低圧レベルからの蒸気が管路６６を通じて抽気されるようにしたサイクルを示している。

図２は、また、冷却されたコンプレッサ空気を加湿容器中の水を蒸発させるために用いるようにした、コンプレッサの出口冷却形態を示しており、コンプレッサ１２からの加圧された空気の一部が加湿プロセスに加わる。図２に示すように、加湿に先立って空気を冷却すること、および、排ガスを冷却することにより加湿回路へ熱が一部輸送される。この熱は、加湿タワーの圧力での沸点を超えることはないが、上記熱は、プロセス全体で最適な温度レベルで加湿回路へ輸送される。

図１、２において、６１を介して燃焼室のための冷却媒体として、そして、６３を介して高温タービン部のための冷却媒体として高圧蒸気を利用すること、若しくは６２を介して燃焼室３５の入口へ高圧蒸気を直接噴射することができる。冷却用に十分な蒸気量を確保できない場合（例えば起動時や部分負荷時）には、（燃料５６および空気５７により）ボイラ５５を外部で点火して、ボイラ７３、７４による蒸気生成量を補充し、十分な量の冷却媒体を利用できるようにできる。熱交換器７３、７４および／または５５に供給され予熱された水流れ７０により好ましく生成することができる蒸気が、１または複数の管路６１−６３に供給される。システムの加湿レベルが低い作動条件（例えば、外部プロセスのための大部分の蒸気が抽気される場合）では、最終圧縮段階の後に高圧蒸気を噴射することにより、作動流体中の水を補充することができる。最終圧縮段階の前に低圧蒸気を噴射したり、既述したように外部プロセス蒸気のために部分的に低圧蒸気を利用することができる。

外部で点火されるボイラ５５は、既述した３つの目的の全てに用いることができ、実際上、起動時や部分負荷時には重要である。更に、ボイラ５５からの蒸気は、プロセスの停止時の高温状態での、システムの構成要素、特にタービン組を保守するために用いることができる。そのようにすることにより、システムの起動時間を著しく短縮可能となる。図２、３では、ボイラ５５は独立したユニットとして示されているが、同じ目的を有する代替的構成では、図１に示した例で必要となったときに、補助燃料５６および空気５７を用いて流れ４９内のボイラ７３を点火することができる。

図２において、加湿タワー９７の下方部位からの比較的低温の水が、熱交換器９６、いわゆるインタークーラを貫流するよう供給される。該熱交換器では、水を加熱する一方コンプレッサ１２から抽気された空気流れ４５が冷却される。この熱は、次いで、水の流れの一部を加湿タワー９７内の圧縮空気内へ蒸発させるために用いられる。同様に、加湿タワー９７からの低温出口水の一部を用いて、熱交換器９８内で空気流れ９２から熱が抽出される。これにより、入口空気を確実に低温にして、９７内での加湿プロセスを補助する。加湿タワー９７の下方部位から取出された水の流れ９４が熱交換器９８を貫流するように供給され、空気の流れ９２が冷却されると共に、水の流れ９４が加熱される。その後、この熱は、タワー９７内で水の流れの一部を圧縮された空気内に蒸発させるために用いられる。また、ユニット７０から得られた温水を加湿タワー９７内で用いることができる。

図３は、図２に示した加湿用構成の更に他の実施形態を示している。本実施形態では、燃焼室３５内での燃焼に先立って加湿タワーが適用される。排ガスおよび圧縮空気からの熱は、コンプレッサ２２からの圧縮空気の全てまたは一部が供給される加湿装置８７内での補完的な加湿のために用いられる。加湿タワー９７により補助される復熱装置８８が、コンプレッサ２２と燃焼室３５との間の流れ４３に配設されている。図３に示すように、コンプレッサ１２とコンプレッサ２２との間の流れ４２に配設された熱交換器９５から熱が加湿回路へ輸送される。好ましくは、熱交換器９５は、ボイラ７４と図２に示した加湿タワー９７との間に配設される。更に、熱交換器９０を介して排ガスから熱が加湿回路へ輸送される。流れ８５を介して熱が加湿回路８６へ更に加えられる。この熱は、加湿タワーの圧力での沸点を超えることはないが、プロセス全体にとって最適な温度レベルで加湿回路へ輸送される。コンプレッサ２２と加湿装置８７との間に配設された熱交換器８８は、燃焼室３５へ流入する前の流れ５３の温度損失を最小としながらユニット８７での加湿を補完する。加湿装置８７への入口空気は、熱交換器８８へ供給され加湿装置８７からの加湿された出口空気により冷却される。こうして、熱交換器８８は、燃焼室３５への空気を再加熱し、補助加湿装置８７により可能な性能改善を最大とする。

特に有利な構成において、第１の組のタービン１３へ流入する気体は、最大１２００℃の温度、好ましくは４００℃〜１０００℃の温度と、０.５〜６MPa（５〜６０bar）の圧力を有する。更に、タービン１３からの排ガス温度が２００℃〜５００℃の範囲となるように、システムを好ましく設計できる。

第１のタービン組１０のコンプレッサ１２からの出口温度は、高圧タービン２３および／または燃焼室３５を冷却するための蒸気を確実に生成するよう選択、設計される。システムの動作特性は、空気の流れ４１−４３に含まれる酸素の少なくとも６０％、好ましくは７０〜８０％、最も望ましくは９０％が、燃焼中に消費されるように選択される。ガスタービンサイクルで生成された仕事の少なくとも１０％が、第２のガスタービン組２０の動力伝達を介して伝達される。より好ましくは、有効仕事の２０％が、第２のガスタービン組２０から伝達される。既述した特に有利な構成では、有効仕事の３０〜４０％のシステム出力が第２のガスタービン組２０の動力伝達を介して伝達される。

上述したガスタービンの構成は、既存プラントであっても新設プラントであっても、既存のガスタービンを最小の設計変更で加湿運転に適合可能とすることができる。然しながら、第１のガスタービン組を特に加湿サイクルのために著しく再設計することができる。こうした再設計の１つには、第１のガスタービン組の膨張機１３が、その対応するコンプレッサ１２を駆動するために十分な動力のみ生成するように、タービンステージを除去することによって第１のガスタービン組の膨張機１３を横断する圧力比を低減することがある。こうして、この構成では、図２に示すように、第２のガスタービン組２０の軸からのみ有効仕事が取出され、ガスタービンサイクルの全体の運転および構成が幾分単純化される。既述したように、この構成は、既存のガスタービン発電所に適用するには、非常に大きな再設計が必要となり、一層難しく、また、費用が高くなるであろう。

こうした再設計の他の１つには、第２のガスタービン組の膨張機２３が、その対応するコンプレッサ２２を駆動するために十分な動力のみ生成するように、タービンステージを加えることによって第２のガスタービン組の膨張機２３を横断する圧力比を高くすることがある。こうして、この構成では、図３に示すように、第１のガスタービン組１０の軸からのみ有効仕事が取出され、ガスタービンサイクルの全体の運転および構成が幾分単純化される。この構成は、また、既存のガスタービン発電所に適用するには、非常に大きな再設計が必要となり、一層難しく、また、費用が高くなるであろう。

ボイラ７４により、そして、更に、コンプレッサ１２、２２間の空気の流れに水を噴射することによって、第１のガスタービン組のコンプレッサ１２の後の熱を利用するようにした、本発明によるガスタービンサイクルの略示図である。 図１のガスタービンサイクルの更なる変形例であり、蒸気の二段階生成、上流のインタークーラからの熱を利用するコンプレッサ間の空気の最終加湿、および、有効仕事を第２のガスタービン組２０からのみ取出すようにした構成が示されている。 図２のガスタービンサイクルの更なる変形例であり、第１のガスタービン組のコンプレッサ１２の下流に配設された一段のボイラによって熱を利用し、排ガスエコノマイザ７０からの熱を利用してコンプレッサ間の空気の流れを加湿し、更に、コンプレッサのインタークーラ９５からの熱および排ガスエコノマイザ９０から熱を再利用するようにしてコンプレッサ２２と燃焼装置３５との間の空気の流れを加湿し、および、有効仕事を第２のガスタービン組２０からのみ取出すようにした構成が示されている。

Claims (21)

1. 機械的に連結されたコンプレッサ（１２）およびタービン（１３）とから成る第１のガスタービン組（１０）と、第１のガスタービン組（１０）のコンプレッサ（１２）とタービン（１３）との間の気体の流れ（４２、４８）の中に置かれた燃焼装置（３５）を含む第２のガスタービン組（２０）とを具備し、前記第２のガスタービン組（２０）は、コンプレッサ（２２）、燃料噴射装置（５１）、燃焼室（３５）およびタービン（２２）から成り、前記第２のガスタービン組（２０）のコンプレッサ（２２）とタービン（２３）とが機械的に連結され、前記ガスタービン組（１０、２０）の少なくとも一方が有効仕事を取出すための装置（１５、２５）を有して成るガスタービン発電所の運転方法であって、
   水または蒸気の第１の流れが、第１の組（１０）のタービン（１３）の排ガスからの熱によって加熱され、更なる量の水および／または蒸気が、第１の組（１０）のコンプレッサ（１２）により圧縮された気体の流れからの熱によって加熱され、生成された水または蒸気が、流れ（４２、４８）内の空気中に含まれる酸素の少なくとも６０％が燃焼装置（３５）内の燃焼を通じて消費されるように気体の流れ（４２、４８）に噴射され、第２のガスタービン組（２０）のタービン（２３）に供給される燃焼ガスが、５〜３０MPa（５０〜３００bar）の圧力を有することを特徴としたガスタービン発電所の運転方法。
2. 前記更なる量の水が、第１の組（１０）のコンプレッサ（１２）と第２のガスタービン組（２０）のコンプレッサ（２２）の間の気体の流れに導入されることを特徴とした請求項１に記載の方法。
3. 全体的にまたは部分的に蒸気の形態を有した更なる量の水が、気体の流れ（４２、４８）内の空気中に含まれる酸素の少なくとも６０％が燃焼装置（３５）内の燃焼を通じて消費されるように、第２のガスタービン組（２０）のコンプレッサ（２２）の下流において気体の流れ（４２、４３）に任意的に導入されることを特徴とした請求項２に記載の方法。
4. 第１のガスタービン組（１０）のタービン（１３）に流入する気体の流れ（４８）の温度が最大で１２００℃、好ましくは４００〜１０００℃、圧力が０.５〜６MPa（５〜６０bar）であるように運転特性が選択されることを特徴とした請求項１〜３の何れか１項に記載の方法。
5. 第１のガスタービン組（１０）のタービン（１３）からの排ガス出口温度が２００〜５００℃の範囲であるように運転特性が選択されることを特徴とした請求項１〜４の何れか１項に記載の方法。
6. 第１のガスタービン組（１０）が、非加湿運転に最適化されたガスタービンユニットであり、複軸を有することができ、場合によっては中間冷却可能であることを特徴とした請求項１〜５の何れか１項に記載の方法。
7. 第１の組（１０）が、加湿サイクルに関連した媒体および流れデータによって適切に運転されるように、第１のガスタービン組（１０）のコンプレッサ（１３）から第１のガスタービン組（１０）のタービン（１３）への気体の流れの圧力が再度割り当てられるように、第２のガスタービン組（２０）のタービン（２３）が構成され、かつ、運転されることを特徴とした請求項１〜６の何れか１項に記載の方法。
8. 第１のガスタービン組（１０）のコンプレッサ（１２）の入口ガイドベーンが、発電所の運転の間に得られた空気の流れを低減するように調整され、１または複数のコンプレッサステージの除去を通じて第１のガスタービン組（１０）のコンプレッサ（１２）の容量を低減してもよいことを特徴とした請求項６または７に記載の方法。
9. 第１のガスタービン組（１０）のコンプレッサ（１２）が、軸に対してシールされ圧縮空気を取出すために用いる抽気装置を更に具備し、第１のガスタービン組（１０）のタービン（１３）が、軸に対してシールされ排ガスを該第１のガスタービン組（１０）のタービン（１３）へ戻すための噴射装置（４８）を更に具備することを特徴とした請求項１〜７の何れか１項に記載の方法。
10. 第１のガスタービン組（１０）のコンプレッサ（１２）からの出口温度が、第２のガスタービン組（２０）のタービン（２３）および／または燃焼室（３５）を冷却するために使用可能な高圧蒸気を生成可能なように選択されることを特徴とした請求項１〜８の何れか１項に記載の方法。
11. 第２のガスタービン組（２０）のタービン（１３）に流入する燃焼ガスが５〜３０MPa（５０〜３００bar）、好ましくは６〜２０MPa（６０〜２００bar）、最も望ましくは８〜１５MPa（８０〜１５０bar）の範囲の圧力と、１０００〜２０００Ｋ、好ましくは、１２００〜１８００Ｋの範囲の温度を有することを特徴とした請求項１〜９の何れか１項に記載の方法。
12. 第２のガスタービン組（２０）のコンプレッサ（２２）からの出口気体流れが、第２のガスタービン組の燃焼装置（３５）に流入する前に、少なくとも該気体の流れの一部を加湿装置（８７）を通すことにより加湿され、前記加湿装置の入口および出口では気体の流れが復熱装置（８８）を介して熱交換され、加湿装置への入口水が、好ましくは、第１のガスタービン組（１０）のコンプレッサ（１２）および／またはタービン（１３）からの出口気体からの熱によって加熱されることを特徴とした請求項１〜１１の何れか１項に記載の方法。
13. 排ガスに含まれる水の少なくとも一部を用いて、プロセスに水および／または蒸気を提供することを特徴とした請求項１〜１２の何れか１項に記載の方法。
14. 加湿の程度を低減することによって一層低い出力を得るよう、前記気体の流れに輸送される水の量を変更することによって、プロセスからの仕事の出力を調整すること特徴とした請求項１〜１３の何れか１項に記載の方法。
15. 冷却に用いる蒸気の少なくとも一部を気体の流れ（４２、４８）、好ましくは、第２のガスタービン組（２０）の燃焼室へ導入して、作動流体として更に使用することを特徴とした請求項１〜１１の何れか１項に記載の方法。
16. 第２のガスタービン組（２０）のタービン（２３）と第１の組のタービン（１３）との間の気体の流れに有意な量の熱が輸送されないことを特徴とした請求項１〜１３の何れか１項に記載の方法。
17. 第２のガスタービン組（２０）のコンプレッサが、リードガイドベーンまたは軸の回転速度を調節することによって調節されることを特徴とした請求項１〜１６の何れか１項に記載の方法。
18. プロセスから得られた有効仕事の少なくとも１０％が、第２のガスタービン組（２０）の動力伝達装置を介して取出されることを特徴とした請求項１〜１７の何れか１項に記載の方法。
19. 水が貫流し該水を加熱する熱交換器が、第１のガスタービン組（１０）のコンプレッサの下流の高温空気流れの中に配設されており、該水は、排ガスコンデンサ（７１）の上流の排ガス熱交換器内で任意の予熱され、前記排ガスコンデンサを通じてガスタービン組からの排ガスが外気へ排出され、前記水は好ましくは排ガスコンデンサ（７１）により生成され、該水の流れの一部が好ましくは予熱された状態で、第１のガスタービン組（１０）のタービン（１３）からの排ガスが通過する熱交換器によって加熱され、熱交換器（７４、７３）によって水が加熱されて、場合によって少なくとも部分的に蒸気となり、燃焼室（３５）、第２のガスタービン組（２０）のタービン（１３）または第２のガスタービン組（２０）のコンプレッサ（２２）からの圧縮された気体に供給され、第２のガスタービン組（２０）のタービン（２３）を冷却するようにしたことを特徴とした請求項１〜１８の何れか１項に記載の方法。
20. 燃焼室（３５）に供給された水は、少なくとも部分的に水蒸気の形態を有していることを特徴とした請求項１９に記載の方法。
21. 外部ボイラ（５５）によって蒸気を生成し、該蒸気を燃焼室（３５）、第２のガスタービン組（２０）のタービン（２３）または第２のガスタービン組（２０）のコンプレッサ（２２）からの圧縮気体流れへ供給し、第２のガスタービン組（２０）のタービン（２３）を冷却することを特徴とした請求項１９または２０に記載の方法。

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