JP2007170307A - ガスタービンコンバインドサイクルプラント及び発電方法。 - Google Patents

ガスタービンコンバインドサイクルプラント及び発電方法。 Download PDF

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Abstract

【課題】 低い窒素酸化物(NOx)濃度、高い効率を実現した上で、圧縮機の入口付近での液滴発生を防止した排気再循環型ガスタービンコンバインドサイクルプラントを提供することを目的とする。
【解決手段】 外気から導入される空気を圧縮する圧縮機2と、圧縮空気と燃料とを混合燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器4と、燃焼ガスにより駆動するガスタービン7と、ガスタービン7から排気される排ガスから熱回収する排熱回収ボイラ8と、排熱回収ボイラ8の蒸気により駆動する蒸気タービン16,18と、排熱回収ボイラ8から排気される排ガスの一部を抽気して再循環排ガスとする抽気手段23と、再循環排ガスを加熱する昇温手段26と、昇温手段26で昇温した再循環排ガスを空気に混合する混合手段31と、を備えたガスタービンコンバインドサイクルプラントとした。
【選択図】 図1

Description

本発明は、ガスタービンコンバインドサイクルプラント及び発電方法に関し、特に、圧縮機の吸気側における水蒸気の凝縮の防止に関するものである。
燃焼ガスによるガスタービンの出力に加え、ガスタービンからの排出ガスで蒸気を生成して蒸気タービンを回転させることによって発電を行うガスタービンコンバインドサイクル発電が知られている。このガスタービンコンバインドサイクル(以下「GTCC」と略す)の効率向上のためには、燃焼器出口温度が高いことが必要である。しかし、燃焼器の出口温度を高めると窒素酸化物(NOx)の排出濃度が高くなってしまう。この問題を解決する方法としてガスタービンの排ガスを圧縮機の入口に戻して吸気中の酸素濃度を下げる、排気再循環ガスタービンが知られている。
図19に従来の排気再循環型GTCCプラントが示されている。燃焼用の空気は圧縮機202に供給圧縮され、その圧縮された空気は、燃焼器204に供給され燃料と混合され燃焼する。燃焼器204で発生した排ガスは、ガスタービン207を回転させる。ガスタービン207の回転により発電機206が発電を行う。ガスタービン207を通った排ガスは排熱回収ボイラ208に供給される。排ガスは、排熱回収ボイラ208で高圧蒸気タービン216、低圧蒸気タービン218の蒸気を生成した後、ライン222へ排気される。排気された排ガスの一部はライン223に再循環排ガスとして引き抜かれ、ブロワ228により空気と混合され、再び圧縮機202に供給される。(例えば、特許文献1)
特開平6−26362号公報(図3)
ところが、既存の排気再循環ガスタービンでは燃焼ガスの一部が圧縮機に戻り、湿度が高くなるため、圧縮機の入口付近で水分が一部凝縮又は凝結し、圧縮機翼損傷の原因となる問題点があった。特に燃焼器出口温度の高いプラントでは燃空比が高く、排ガス中の水蒸気濃度が高くなる。このため圧縮機の入口付近で水分が凝縮、水滴となって圧縮機に損傷を与える可能性があった。
表3には、第1、第7、第8の計測点における温度(℃)、乾燥空気、水分、合計流量が示されている。乾燥空気、水分、合計流量は、第8計測点における合計流量との比で示されている。
Figure 2007170307
第1、第7、第8の計測点は、図19にそれぞれ[1]、[7]、[8]として示されている。
第1計測点では、ライン229に設けられた再循環排ガスを計測する。
第7計測点では、外部から取り入れられた空気を計測する。
第8計測点では、圧縮機2の入口付近において再循環排ガスと空気との混合流体を計測する。
第8計測点の温度は34℃であり、乾燥空気と水分とから計算される重量絶対湿度は0.041/0.959=0.043kg/kgである。一方、温度34℃における飽和水蒸気量の重量絶対湿度は0.034kg/kgである。圧縮機の入口付近の流体は、飽和水蒸気量を上回っていることになる。このため、飽和水蒸気量を上回った分の水分は凝縮して、その液滴が圧縮機を損傷する原因となる。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、低い窒素酸化物(NOx)濃度、高い効率を実現した上で、圧縮機の入口付近での液滴発生を防止した排気再循環型GTCCを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明のGTCCは以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる第1の形態は、外気から導入される空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮空気を用いて燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼ガスにより駆動するガスタービンと、前記ガスタービンから排気される排ガスから熱回収する排熱回収ボイラと、前記排熱回収ボイラの蒸気により駆動する蒸気タービンと、前記排熱回収ボイラから排気される排ガスの一部を抽気して再循環排ガスとする抽気手段と、前記再循環排ガスを加熱する昇温手段と、前記昇温手段で昇温した再循環排ガスを前記空気に混合する混合手段と、を備えたGTCCプラントを構成とする。
排ガスの一部を昇温して、空気と混合して圧縮機に送り込むことによって、高い効率を維持したまま、窒素酸化物(NOx)の排出濃度を押さえることができる。また、昇温手段によって再循環排ガスを加熱するので、圧縮機の入口付近での凝縮による液滴発生を防止した排気再循環型GTCCを提供することができる。
本発明にかかる第2の形態は、前記昇温手段は、前記排熱回収ボイラの中段より抽気した排ガスを混合して昇温させる第1の形態に記載のGTCCプラントを構成とする。
二つの温度の異なる排ガスを抽気して排ガスを混合することで、再循環排ガスの温度を調整することができ、圧縮機の入口付近での水蒸気の凝縮を防止することができる。
本発明にかかる第3の形態は、前記昇温手段は、前記圧縮機の圧縮空気の排熱により加熱する熱交換手段である第1の形態に記載のGTCCプラントを構成とする。
再循環排ガスを圧縮機の出口から取り出した高温部品冷却用の冷却空気と熱交換させた後、圧縮機の入口空気と混合させることで、冷却空気の温度を下げ、ガスタービン高温部品を効果的に冷却することができる。また、再循環排ガスの温度を高めて圧縮機の入口付近での水蒸気の凝縮を防止することができる。
冷却が必要な箇所で発生した熱を、遠くに移送することなく、加熱が必要な箇所で利用することができ、高い効率が得られる。
本発明にかかる第4の形態は、前記昇温手段は、前記排熱回収ボイラの排ガスの排熱により加熱する加熱手段である第1の形態に記載のGTCCプラントを構成とする。
再循環しない排ガスの排熱を利用して再循環排ガスを加熱することで、排熱の有効利用ができる。
本発明にかかる第5の形態は、前記圧縮機は、圧縮機上流段と圧縮機下流段からなる二段式の圧縮機であり、前記昇温手段は、前記圧縮機上流段の圧縮空気の排熱により加熱する熱交換手段である第1の形態に記載のGTCCプラントを構成とする。
再循環排ガスを前記圧縮機上流段の圧縮空気の排熱により加熱する熱交換手段とすることで、再循環排ガスの温度を高めて圧縮機の入口付近での水蒸気の凝縮を防止することができる。例えば、熱交換手段として、中間冷却器の排熱を利用することができ、中間冷却器の排熱を利用することにより、高い効率が得られる。
本発明にかかる第6の形態は、前記昇温手段の前段に前記再循環排ガスを冷却する降温手段を備えた請求項1乃至請求項5のいずれかに記載のGTCCプラントを構成とする。
再循環排ガスを冷却して、飽和水蒸気量を上回る分の水分を除去した後、昇温手段で再循環排ガスの温度を高め、これを空気と混合して圧縮機に供給すれば、その混合流体の圧縮機の入口付近での湿度は十分低くなり、水分の凝集を防止できる。
本発明にかかる第7の形態は、前記昇温手段は、前記降温手段の排熱を熱源とする請求項6に記載のガスタービンコンバインドサイクルプラントを構成とする。
再循環排ガスを冷却して水分を除去した後、再循環排ガスを昇温させるために、冷却前に再循環排ガスが有していた熱を利用する。再循環排ガスの昇温のために、別に熱源を用意する必要がなく、GTCCの効率を上げることができる。
本発明にかかる第8の形態は、前記降温手段は、多段式の冷却手段を備え、最終段の冷却手段は、水冷又は空冷によって行われる第7の形態に記載のガスタービンコンバインドサイクルプラント。
多段式の冷却手段とすることで、冷却の排熱を順次、再循環排ガスの昇温に利用できる。最終段の冷却手段を水冷又は空冷とすることで、最終段で回収した再循環排ガスの排熱をGTCC外に搬出し、再循環排ガスの冷却と加熱を確実にする。
本発明にかかる第9の形態は、前記降温手段は、前記蒸気タービンの給水により冷却する冷却手段である第6の形態に記載のガスタービンコンバインドサイクルプラントを構成とする。
降温手段の排熱を蒸気タービンの給水の加熱に用いことができ、排熱を有効に利用することにより効率を向上することができる。
本発明にかかる第10の形態は、外気から導入される空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮空気を用いて燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼ガスにより駆動するガスタービンと、前記ガスタービンから排気される排ガスから熱回収する排熱回収ボイラと、前記排熱回収ボイラの蒸気により駆動する蒸気タービンと、前記排熱回収ボイラから排気される排ガスの一部を抽気して再循環排ガスとする抽気手段と、前記再循環排ガスの除湿を行う除湿手段と、前記除湿手段によって除湿された再循環排ガスを前記空気に混合する混合手段と、を備えたGTCCプラントを構成とする。
再循環排ガスに吸湿剤を散布することにより水分を除去する。再循環排ガスの水分を除
去することにより圧縮機の入口付近での水分の凝縮を防止することができる。
本発明にかかる第11の形態は、前記除湿手段は、再循環排ガスに吸湿剤を散布する吸湿剤散布手段と、前記吸湿剤散布手段で散布されて、水分を吸収した使用済み吸湿剤を再生する吸湿剤再生手段と、前記吸湿剤再生手段で再生された吸湿剤を再び前記吸湿剤散布手段に移送する第10の形態のGTCCプラントを構成とする。
使用済みの吸湿剤は、加熱して水分を蒸散させて除去し、再び吸湿剤として利用する。少量の吸湿剤を使い回すことができ経済的である。
本発明にかかる第12の形態は、前記吸湿剤再生手段は、前記排熱回収ボイラ内の排ガス又は前記圧縮機で圧縮される空気の熱を利用して吸湿剤を加熱する第11の形態のGTCCプラントを構成とする。
排熱回収ボイラの排熱又は圧縮空気の排熱を用いることで、別の熱源を用意することなく吸湿剤を加熱でき、効率を高めることができる。
本発明にかかる第13の形態は、前記吸湿剤再生手段は、複数段からなり、後段の吸湿剤生成手段で発生する蒸気により前段の吸湿剤を加熱する第11の形態又は第12の形態に記載のGTCCプラントを構成とする。
吸湿剤再生装置の後段の吸湿剤を再生する際に生じる蒸気を、前段の吸湿剤の加熱に利用することで、効率を高めることができる。吸湿剤の加熱にGTCCのサイクル外からの熱を利用することができ、装置の単純化、熱の有効利用ができる。
本発明にかかる第14の形態は、前記吸湿剤は、ディスク状又はシート状に加工され、回転することにより再循環排ガスの除湿と吸湿剤の再生が行われる第11の形態に記載のガスタービンコンバインドサイクルを構成とする。
吸湿剤を保持したディスクやシートを再循環排ガスの流路と吸湿剤再生装置である加熱手段の間を往復させることにより、再循環排ガスの水分を除去することができる。また、比較的単純な装置で再循環排ガス中の水分を除去し、吸湿剤の再生も行うことができる。
本発明にかかる第15の形態は、前記除湿手段は、中空糸膜方式である第10の形態に記載のGTCCプラントを構成とする。
除湿手段として、中空糸膜方式除湿装置を用いることで、耐久性に優れ、性能劣化がほとんどなく、吸着剤方式より低コストで運用できる。また、電源不要で単純な構造、小型、軽量であるため取り付けが容易である。
本発明にかかる第16の形態は、前記混合手段は、前記ガスタービンの入口温度が所定の温度以上の場合、再循環排ガスを前記空気と混合する第1の形態乃至第16の形態いずれかに記載のGTCCプラントを構成とする。
再循環排ガス量を増加させると窒素酸化物は低減できるが、効率が低下するため、所定の温度以上になった場合に、タービンの入口温度で再循環排ガスの量を調整する。窒素酸化物の濃度が低減でき、高い部分負荷効率を両立させる。
本発明にかかる第17の形態は、外部から吸気した空気を圧縮空気とする圧縮工程と、前記圧縮空気を用いて燃料を燃焼し排ガスとする燃焼工程と、前記排ガスを取り入れてガスタービンを駆動して第1発電工程と、前記第1発電工程で使われた前記排ガスの排熱を利用して給水を蒸気とする蒸気発生工程と、前記蒸気を取り入れて蒸気タービンを駆動して第2発電工程と、前記第2発電工程で使われた前記蒸気を給水として前記蒸気発生工程に戻す復水工程と、前記蒸気発生工程を経た前記排ガスの一部を抽気して再循環排ガスとする抽気工程と、前記再循環排ガスを加熱する再循環ガス加熱工程と、を備えた発電方法を構成とする。
本発明にかかる第18の形態は、前記抽気工程で抽気された前記再循環排ガスは、冷却して飽和水蒸気量を上回る水分を除去してから前記再循環ガス加熱工程に戻される第17の形態に記載の発電方法を構成とする。
本発明にかかる第19の形態は、外部から吸気した空気を圧縮空気とする圧縮工程と、前記圧縮空気を用いて燃料を燃焼し排ガスとする燃焼工程と、前記排ガスを取り入れてガスタービンを駆動して第1発電工程と、前記第1発電工程で使われた前記排ガスの排熱を利用して給水を蒸気とする蒸気発生工程と、前記蒸気を取り入れて蒸気タービンを駆動して第2発電工程と、前記第2発電工程で使われた前記蒸気を給水として前記蒸気発生工程に戻す復水工程と、前記蒸気発生工程を経た前記排ガスの一部を抽気して再循環排ガスとする抽気工程と、前記再循環排ガスを除湿する除湿工程と、を備えた発電方法を構成とする。
排ガスの一部を再循環排ガスとして昇温し、空気と混合して圧縮機に送り込むことによって、窒素酸化物(NOx)の排出濃度を抑えることができ、高い効率を維持したまま発電することができる。更に、圧縮機の入口付近での液滴発生を防止でき、設備の保守に費用を抑えて発電することができる。
再循環排ガスを一度冷却して、水分を除去することにより、外気から取り入れる空気の湿度が高い場合でも、圧縮機の入口付近での液滴発生を防止しして発電することができる。
排ガスの一部を再循環排ガスとして、圧縮機が吸気する空気に混合して供給することで、窒素酸化物の排出濃度を抑えることでき、高い効率のままGTCCプラントを運転できる。加えて、再循環排ガスの湿度を低下させるため、圧縮機の入口付近に液滴の発生を防止することができる。再循環排ガスの湿度を下げるために加熱や冷却を行う際、GTCCで発生する熱を有効に利用することができる。
以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
[第一実施形態]
以下、本発明の第一実施形態について、図1を用いて説明する。
図1には、本実施形態の排気再循環型GTCCプラントが示されている。
GTCCプラントは、ガスタービン部とガスタービンの排熱回収ボイラ部と蒸気タービン部とから構成されている。
ガスタービン7を駆動するため、圧縮機2は外部から取り入れられた空気を圧縮する。圧縮された空気は燃焼器4に送られ、燃料とともに燃焼される。燃焼器4から排出される排ガスはガスタービン7を駆動する。ガスタービン7は、接続された発電機6を回転させ発電を行う。
次にガスタービン7を駆動させた排ガスは、排熱回収ボイラ(HRSG)8へ移送される。排熱回収ボイラ8は、蒸気タービンで駆動するための蒸気を発生させている。排熱回収ボイラ8から排気される排ガスの一部は、ガスタービンに再循環排ガスとして再循環される。
排熱回収ボイラ8の内部には、低圧節炭器9、低圧蒸発器10、低圧過熱器11、高圧節炭器12、高圧蒸発器13、高圧過熱器14が内装されている。
節炭器は、ボイラの排出ガスの熱を使って蒸気ボイラの給水を加熱し、ボイラの効率を向上させる。蒸発器は、液体に戻っていた水を再び蒸気とする。過熱器は蒸発器から発生した蒸気を乾き蒸気にするための加熱装置である。
低圧節炭器9と低圧蒸発器10と低圧過熱器11により低圧蒸気が生成される。発生した低圧蒸気により、低圧蒸気タービン16を駆動する。発電機19は低圧蒸気タービン18の回転エネルギーを電力に変換する。
低圧節炭器9から低圧蒸発器10へラインは、途中より高圧節炭器12へのラインが分岐して、ポンプ15により高圧節炭器12にもボイラ給水が供給される。
高圧節炭器12と高圧蒸発器13と高圧過熱器14により高圧蒸気が生成される。発生した高圧蒸気により、高圧蒸気タービン16を駆動する。発電機17は高圧蒸気タービン16の回転エネルギーを電力に変換する。高圧蒸気タービン16で使用された蒸気は、低圧過熱器11から供給される低圧蒸気に混合され、低圧蒸気タービン18を駆動する。
低圧蒸気タービン18を駆動させた蒸気は、復水器20により給水に戻される。この給水はポンプ21により再び排熱回収ボイラ8の低圧節炭器9に供給される。
排熱回収ボイラ8で蒸気を発生させた後の排ガスは、ライン22へと排気される。ライン22から、排ガスの一部がブロワ28によってライン23へ再循環排ガスとして引き抜かれる。このライン23からライン27への途中には再循環排ガスの流量を調整する弁24が設けられている。
さらに、ライン27には、ライン25が接続されている。ライン25は、排熱回収ボイラ8の中段から排ガスを再循環排ガスとして引き抜く。その抜き口は、例えば、図1のように、排熱回収ボイラの高圧節炭器12と低圧過熱器11の間に設けることができる。ライン25の途中には再循環排ガスの流量を調整する弁26が設けられている。
ブロワ28は、ライン23とライン25から供給される再循環排ガスをライン29を通して圧縮機2に供給する。
なお、蒸気サイクルとしては単圧、複圧、再熱三重圧型のいずれとしてもよい。また、排熱回収ボイラ8は、温度条件次第では、高温ガス上流から高圧過熱器、高圧蒸発器、高圧節炭器、低圧過熱器、低圧蒸発器、低圧節炭器の並び方を変更することも可能である。圧縮機、ガスタービン、蒸気タービンの一部、又は全部を同一軸としても良い。ガスタービン、蒸気タービンを同一軸として発電機を共用としても良い。
表1には、第1、第6、第7、第8、第12の計測点における流体の温度(℃)、乾燥空気、水分、合計流量が示されている。乾燥空気、水分、合計流量は、第8計測点における合計質量流量との比で示されている。
Figure 2007170307
第1、第6、第7、第8、第12の計測点は、図1にそれぞれ[1]、[6]、「7」、[8]、[12]と表示されている。
第1計測点では、ライン22から引き抜かれた再循環排ガスを計測する。
第6計測点では、ライン26から引き抜かれた再循環排ガスとライン23から引き抜かれた再循環排ガスとが混合された再循環排ガスを計測する。
第7計測点では、外部から取り入れられた空気を計測する。
第8計測点では、圧縮機2の入口付近の再循環排ガスと空気との混合流体を計測する。
第8計測点の混合流体は、温度44℃、乾燥空気比0.959、水分比0.041である。乾燥空気比と水分比とから計算される重量絶対湿度は0.041/0.959=0.043kg/kgである。一方、温度44℃における飽和水蒸気量の重量絶対湿度は0.061kg/kgであるから、第8計測点を流れる流体は、飽和水蒸気量の重量絶対湿度を下回り、水分が飽和していない。
このように、排ガスを排熱回収ボイラ8の下流と中流の2箇所より引き抜き、温度の異なる2種類の再循環排ガスの混合比を変化させて空気に混合して供給することにより、圧縮機2の入口付近での水蒸気の凝縮を防止することができ、圧縮機の損傷を防止することができる。
排熱回収ボイラ8中流から引き抜く排ガスは、下流で引き抜く排ガスよりも温度が高いため、圧縮機2により高い温度を供給することができる。このため、この構成とすると別途加熱手段を用いることなく、簡素な設備で圧縮機入口温度を十分に高めることができる。
[第二実施形態]
次に、本発明の第二実施形態について、図2を用いて説明する。
図2には、本実施形態の排気再循環型GTCCプラントの概略図が示されている。
なお、以下に説明する各実施形態について、第一実施形態と同じ構成は、同一の符号を付してその説明を省略する。
排熱回収ボイラ8から排ガスがライン22へ排気され、その一部がブロワ28により再循環排ガスとして引き抜かれる。引き抜かれた再循環排ガスは、熱交換手段30aに供給される。熱交換手段30aは、圧縮機2から供給された空気とライン29からの再循環排ガスの熱交換を行う。冷却された圧縮空気は、冷却空気として、ガスタービン7に供給される。加熱された再循環排ガスはライン31を通して、圧縮機2に供給される空気と混合される。
圧縮された空気は熱交換器30aにより温度が低下し、ガスタービン7の高温部品を冷却することができる。再循環排ガスは熱交換器30aにより温度が上昇して、圧縮機2入口付近の温度を高めて水蒸気の凝縮を防止することができる。冷却が必要な箇所で発生した熱を回収して利用することができるので、GTCCの効率を高めることができる。
[第三実施形態]
次に、本発明の第三実施形態について、図3を用いて説明する。
図3には、本実施形態の排気再循環型GTCCプラントの概略図が示されている。
第三実施形態は、圧縮機が圧縮機上流段2aおよび圧縮機下流段2bの二段構成となっている。空気は、まず圧縮機上流段2aに供給され圧縮される。圧縮された空気は、中間冷却器32aにより熱交換を行う。熱交換を行った空気は圧縮機下流段2bに供給され更に圧縮される。圧縮機下流段2bにより圧縮された空気は燃焼器4へと運ばれる。圧縮機上流段2aと圧縮機下流段2bとガスタービン7と発電機6とは同軸に構成されている。
中間冷却器32aは、ライン29から供給される再循環排ガスと圧縮機上流段2aによる圧縮された空気と熱交換を行う。加熱された再循環排ガスは、圧縮機上流段2aに供給される空気と混合される。
再循環排ガスの温度を中間冷却器32aで高めることができるので、圧縮機2aの入口付近での水蒸気の凝縮を防止することができる。中間冷却器32aの排熱を利用することができるので、GTCCの効率を高めることができる。
[第四実施形態]
次に、本発明の第四実施形態について、図4を用いて説明する。
図4には、本実施形態の排気再循環型GTCCプラントの概略図が示されている。
第四実施形態は、第三実施形態と熱交換手段33の構成において異なる。熱交換手段33は、圧縮機上流段2aから圧縮機下流段2bへのライン34で圧縮された空気を抽気して、ライン29から供給される再循環排ガスと熱交換する。再循環排ガスを加熱した抽気空気は、外部35に放出される。
再循環排ガスの温度を熱交換手段33で高めることができるので、圧縮機2aの入口付近での水蒸気の凝縮を防止することができる。熱交換手段33の排熱を利用することができるので、GTCCの効率を高めることができる。
また、既存の二段式の圧縮機を備えるGTCCプラントを簡素な装置で改修して、再循環排ガスを加熱する構成とすることができる。安価な設備投資で効率を高めることができる。
[第五実施形態]
次に、本発明の第五実施形態について、図5を用いて説明する。
図5には、本実施形態の排気再循環型GTCCプラントの概略図が示されている。
排ガスは、排熱回収ボイラ8からライン22に排気され、ライン22から再循環排ガスとして一部が引き抜かれ、冷却手段36aに供給される。冷却手段36aで冷却された再循環排ガスは、ブロワ28により加熱手段37aにより加熱される。その後、再循環排ガスは、ライン31により圧縮機2に供給される空気と混合される。
冷却手段36aは、例えば、水冷式や空冷式とすることができる。本実施形態では、復水器20の給水がポンプ21により冷却手段36aの(A)に供給され、再循環排ガスを冷却するとともに、その排熱は蒸気タービンの給水を加熱する。その後、給水は冷却手段36aの(B)から、排熱回収ボイラ8に戻される。再循環排ガスから除去された水分は、冷却手段36aから排出される。
ブロワ28は冷却手段36aで冷却された再循環排ガスを加熱手段37aに供給する。加熱手段37aは、再循環排ガスを加熱する。冷却手段36aで冷却された再循環排ガスは、水分が飽和状態であるから、そのまま圧縮機2に供給すれば、容易に水蒸気が凝集してしまうため再循環排ガスの加熱が必要となる。
冷却手段36aは、再循環排ガスの温度を低下させることにより、冷却前の再循環排ガスに含まれる水蒸気から、冷却後の飽和水蒸気量を超える分を除去することができる。熱交換の排熱を給水の加熱に用いることができるので、GTCCの効率を高めることができる。
加熱手段37aは、再循環排ガスの温度を上昇させることにより、圧縮機2の入口付近における水蒸気の凝縮を防止することができる。
なお、冷却手段36aは図6に示される冷却手段36bとすることができる。すなわちこの冷却手段36bは、蒸気タービンの給水を加熱しない。
加熱手段37aは、図6に示される加熱手段37b、図7に示される熱交換手段30b、あるいは、図8に示される中間冷却器32bと置き換えることができる。
図6に示される加熱手段37bは、冷却手段36bで冷却された再循環排ガスと、排熱回収ボイラ8から排気された再循環排ガスを熱交換する。加熱手段37bは、ライン22から供給される排ガスの熱を回収することができるので、GTCCの効率を高めることができる。
図7に示される熱交換手段30bは、圧縮機2から供給される圧縮された空気と冷却手段36bにより冷却された再循環排ガスを熱交換する。
圧縮された空気は熱交換器30bにより温度が低下し、冷却空気としてガスタービン7の高温部品を冷却することができる。再循環排ガスは熱交換器30bにより温度が上昇しているので、圧縮機2の入口付近の温度を高めて水蒸気の凝縮を防止することができる。冷却が必要な箇所で発生した熱を回収して利用することができるので、GTCCの効率を高めることができる。
図8に示される中間冷却器32bは、冷却手段36bで冷却された再循環排ガスと圧縮機上流段2aによる圧縮された空気と熱交換を行う。熱交換された再循環排ガスは、圧縮機上流段2aに供給される空気と混合される。
再循環排ガスの温度を中間冷却器32bで高めることができるので、圧縮機2aの入口付近での水蒸気の凝縮を防止することができる。中間冷却器32bの排熱を利用することができるので、GTCCの効率を高めることができる。
[第六実施形態]
次に、本発明の第六実施形態について、図9を用いて説明する。
図9には、本実施形態の排気再循環型GTCCプラントの概略図が示されている。
ライン23に再循環排ガスの水分を除去する冷却手段38a、冷却手段38b、冷却手段38cが設けられている。なお、冷却手段が多段に配置されていればよく、例えば、冷却手段は3段とすることができる。
冷却手段38aはライン23から導入される再循環排ガスを冷却し、冷却手段38bは冷却手段38aで冷却された再循環排ガスを更に冷却し、冷却手段38cは冷却手段38bで冷却された再循環排ガスを更に冷却する。冷却された再循環排ガスは、ブロワ28によりライン29に供給される。
本実施形態において、冷却手段38aと冷却手段38bは、冷媒として冷却手段38cで冷却された再循環排ガスを用いる構成とすることができる。冷却手段38cは、冷媒として、外部から導入される水を用いることができる。
ライン29は、ブロワ28を有して、冷却手段38bに冷却手段38cで冷却された再循環排ガスを送り込む。この再循環排ガスは、冷却手段38bで冷却途中にある再循環排ガスと熱交換され温められる。その後、冷却手段38bで温められた再循環排ガスは、冷却手段38aに導入され、冷却途中にある再循環排ガスと熱交換され温められる。
表2には、第1から第8の計測点における流体の温度(℃)、乾燥空気、水分、合計流量が示されている。また、第9から第11の計測点における水分温度と水分量が示されている。乾燥空気、水分、合計流量は、第8計測点における合計流量との比で示されている。
Figure 2007170307
第1〜第11の計測点は、図9にそれぞれ[1]〜[11]と表示されている。
第1計測点では、ライン22から引き抜かれた再循環排ガスを計測する。
第2計測点では、冷却手段38aで冷却された再循環排ガスを計測する。
第3計測点では、冷却手段38bで冷却された再循環排ガスを計測する。
第4計測点では、冷却手段38cで冷却された再循環排ガスを計測する。
第5計測点では、冷却手段38bで加熱された再循環排ガスを計測する。
第6計測点では、冷却手段38aで加熱された再循環排ガスを計測する。
第7計測点では、外部から取り入れられた空気を計測する。
第8計測点では、圧縮機2の入口付近で再循環排ガスと空気との混合流体を計測する。
第9計測点では、冷却手段38aで排出される水を計測する。
第10計測点では、冷却手段38bで排出される水を計測する。
第11計測点では、冷却手段38cで排出される水を計測する。
第1計測点における再循環排ガスは、温度90℃、乾燥空気比0.217、水分比0.033、合計流量比0.250である。
第2計測点における再循環排ガスは、温度70℃、乾燥空気比0.217、水分比0.033、合計流量比0.250である。
第1計測点と第2計測点の比較から、冷却手段38aでは、水は凝集しなかったが、再循環排ガスの温度が90℃から70℃に低下した。
第3計測点における再循環排ガスは、温度55℃、乾燥空気比0.217、水分比0.025、合計流量比0.242である。
第3計測点と第2計測点の比較から、冷却手段38bでは、水が凝集して、0.008だけ再循環排ガスから除去された。この水は第10計測点で計測される水分量と等しい。再循環排ガスの温度は70℃から55℃に低下した。
第4計測点における再循環排ガスは、温度40℃、乾燥空気比0.217、水分比0.011、合計流量比0.228である。
第4計測点と第3計測点の比較から、冷却手段38cでは、水が凝集して、0.014だけ再循環排ガスから除去された。この水は第11計測点で計測される水分量と等しい。再循環排ガスの温度は55℃から40℃に低下した。
第5計測点における再循環排ガスは、温度55℃、乾燥空気比0.217、水分比0.011、合計流量比0.228である。
第5計測点と第4計測点の比較から、冷却手段38bにおいて、冷却後再び昇温させる再循環排ガスは、冷却前の再循環排ガスから熱をもらい、温度は40℃から55℃に上昇した。
第6計測点における再循環排ガスは、温度70℃、乾燥空気比0.217、水分比0.011、合計流量比0.228である。
第6計測点と第5計測点の比較から、冷却手段38aにおいて、冷却後再び昇温させる再循環排ガスは、冷却前の再循環排ガスから熱を奪い、温度は55℃から70℃に上昇した。
第7計測点における外部から取り入れた空気は、温度15℃、乾燥空気比0.764、水分比0.008、合計流量比0.772である。
第6計測点の再循環排ガスと第7計測点の空気が混合され、圧縮機2に供給される。
第8計測点(圧縮機2の入口付近)の混合流体は、温度27℃であり、乾燥空気比0.981、水分比0.019、合計流量比1.000である。
乾燥空気と水分とから計算される重量絶対湿度は0.019/0.981=0.019kg/kgである。一方、温度27℃における飽和水蒸気量の重量絶対湿度は0.023kg/kgであるから、第8計測点を流れる流体は、水分が飽和していない。
再循環排ガスを冷却して水分を除去した後、再循環排ガスを加熱する再循環型GTCCプラントで、冷却手段を多段とすれば、冷却の排熱を再加熱に有効に利用することができる。加熱に必要な熱を別に供給する必要がなくなり、効率が向上する。
[第七実施形態]
次に、本発明の第七実施形態について、図10を用いて説明する。
図10には、本実施形態における排気再循環型GTCCプラントが示されている。
ライン23に吸湿剤散布手段40が設けられている。この吸湿剤散布手段40内部では、吸湿剤39が散布され、吸湿剤散布手段40内部を通過する再循環排ガスの水分が吸湿剤39に吸着される。除湿された再循環排ガスは、ブロワ28により、吸湿剤散布手段40から引き抜かれ、圧縮機2に空気と混合され供給される。
吸湿剤散布手段40において水分を取った使用済み吸湿剤41aは、吸湿剤再生装置42aにおいて再生される。吸湿剤再生装置42aにおいて再生された吸湿剤39は、再び吸湿剤散布手段40に供給される。
吸湿剤散布手段40は、使用済み吸湿剤41aを加熱して、吸湿剤に吸着されていた水分を放出させる。水分は、水蒸気として吸湿剤散布手段40から取り出される。
吸湿剤39は、例えば、塩化リチウム水溶液、塩化カルシウム水溶液、臭化リチウム水溶液、臭化カルシウム水溶液、シリカゲルの粉末等を用いることができる。
吸湿剤39と再循環排ガスを接触させることにより再循環排ガス中の水分を除去でき、圧縮機2の入口付近による水分の凝集を防ぐことができる。使用後の吸湿剤は、加熱して水分を除去して再利用することができ、少量の吸湿剤を使って、再循環排ガスの水分を除去可能である。
なお、吸湿剤を使用して再循環排ガスから水分を除去する手段は、図11、図12のような構成としてもよい。
図11には、吸湿剤を保持したディスク43と、吸湿剤から水分を除去する加熱手段42bが示されている。
吸湿剤を保持したディスク43は回転することにより、ライン23の再循環排ガスの水分を吸着する。更に回転すると、吸湿剤を保持したディスク43は、加熱手段42bにより加熱され、水分を放出する。
図11のディスク43及び加熱手段42bの部分は、更に図12のような構成とすることができる。
図12には、吸湿剤を保持したシート44、シート駆動手段45、加熱手段42cが示されている。
吸湿剤を保持したシート44は、輪状に形成され、内側両端部にシート駆動手段45が設けられることにより回転している。シートの一部はライン23の再循環排ガス中を通り、再循環排ガスの水分を吸着している。更に、回転することにより、加熱手段42c内部で、水分を保持していた吸湿剤から水分が除去される。
このように、単純な装置で再循環排ガスから水分を除去でき、圧縮機2の入口付近における水分の凝集を防止できる。
[第八実施形態]
次に、本発明の第八実施形態について、図13を用いて説明する。
図13には、本実施形態における排気再循環型GTCCプラントが示されている。
本実施形態では、水分を吸着した吸湿剤を再生する際、排熱回収ボイラ8の熱を活用する。
ライン23中に設けられた吸湿剤散布手段40で吸湿剤39が散布される。吸湿剤39は、再循環排ガスの水分を吸着する。水分を吸着した使用済み吸湿剤41aは、加熱手段42dに送られ加熱され水分を放出する。この吸湿剤は、使用済み吸収剤41bとして、加熱手段42eに送られ更に加熱される。2段階の加熱プロセスにより吸着した水分を放出して再生され、吸湿剤39として、再び吸湿剤散布手段40で散布される。
ここで、加熱手段42eは、排熱回収ボイラ8の熱を利用している。排熱回収ボイラ8の中段には、熱回収部46が設けられ、水蒸気が加熱手段42eの(C)に送られる。使用済み吸湿剤41bは、水蒸気の凝縮潜熱で加熱される。水蒸気は水となって加熱手段42eの(D)より熱回収部46に戻される。
吸湿剤の加熱ではGTCCプラント内の別の箇所からの熱を利用することが装置の単純化され、熱の有効利用の点から好ましい。
一方、加熱手段42e内で発生する吸湿剤が放出した水蒸気は、加熱手段42dに送られ、使用済み吸湿剤41aを加熱する。
吸湿剤加熱手段を多段として、吸湿剤から見て下流側で発生した水蒸気が凝縮する際の凝縮熱を上流側の加熱手段の熱源として利用することで、少ない熱量で吸湿剤の水分を除去することが可能となる。
また、排熱回収ボイラ8の中間段の熱を利用する以外にも、図14のように、冷却空気を冷却する際の排熱や、図15のように圧縮機中間冷却の排熱を利用しても良い。
図14に示される熱交換手段30cは、圧縮機2から供給される圧縮された空気を冷却空気とし、タービン7に供給する。熱交換手段30cにおける排熱は、加熱手段42eで吸湿剤の再生に利用される。
吸湿剤の加熱のためにガスタービン高温部品冷却用の空気を用いることで、冷却空気の温度を下げて、ガスタービン高温部品を効果的に冷却すると共に、その排熱を有効に利用して使用済み吸湿剤から水分を除去することができる。
図15では、圧縮機が圧縮機上流段2a、圧縮機下流段2bの二段構成となっている。圧縮機上流段2aで圧縮された空気は中間冷却器32cによって冷却される。この排熱は、加熱手段42eで吸湿剤の再生に利用される。
圧縮機中間空気を冷却することにより、圧縮機動力を削減し、大出力を得ることが可能となると共に、その排熱を有効に利用して使用済み吸湿剤から水分を除去することができる。
[第九実施形態]
次に、本発明の第九実施形態について、図16、図17を用いて説明する。
図16には、圧縮機入口温度調整手段55の制御フローが示されている。本制御フローは、第一実施形態から第八実施形態のいずれにも適用することができる。
圧縮機入口湿度検出手段/算出手段50によって、圧縮機入口湿度51が得られ、最適圧縮機入口温度算出手段53に入力される。
最適圧縮機入口温度算出手段53は、圧縮機入口湿度と圧縮機入口温度と線図が記憶されている。最適圧縮機入口温度算出手段53の湿度−露点温度の関係式には、一定のマージンが取られている。図16には、制御に用いられるマージンを持った湿度−露点温度の関係が実線で、理論上の湿度−露点温度の関係が破線で示されている。
最適圧縮機入口温度算出手段53により、圧縮機入口温度54が定められ、圧縮機入口温度調整手段55に出力される。圧縮機入口温度調整手段55は、再循環排ガスの流量、温度、外部から導入する空気量等を調整して、最適な圧縮機入口温度を得る。
図17には、圧縮機入口湿度調整手段60の制御フローが示されている。本制御フローは、第一実施形態から第八実施形態のいずれにも適用することができる。
圧縮機入口温度検出手段/算出手段56によって、圧縮機入口温度57が得られ、最適圧縮機入口湿度算出手段58に入力される。
最適圧縮機入口湿度算出手段58は、圧縮機入口温度と圧縮機入口湿度との線図が記憶されている。最適圧縮機入口湿度算出手段58の湿度−露点温度の関係式には、一定のマージンが取られている。図17では、制御に用いられるマージンを持った湿度−露点温度の関係が実線で、理論上の湿度−露点温度の関係が破線で示されている。
最適圧縮機入口湿度算出手段58により、圧縮機入口湿度59が定められ、圧縮機入口湿度調整手段60に出力される。圧縮機入口湿度調整手段60は、再循環排ガスの流量、温度、外部から導入する空気量等を調整して、最適な圧縮機入口湿度を得る。
圧縮機の損傷を防止するためには圧縮機入口温度を高くして圧縮機入口付近の水分の凝縮を防ぐ必要がある。一方で、高い効率、出力を得るためには圧縮機入口温度は低い方が好ましい。本実施例により制御を行うことにより、圧縮機の損傷を防止しつつ、高い効率、出力を得ることができる。
[第十実施形態]
次に、本発明の第十実施形態について、図18を用いて説明する。
図18には、再循環排ガスの最適流量の制御手段が示されている。本制御手段は、第一実施形態から第九実施形態のいずれにも適用することができる。
タービン7の入口温度47が、最適流量比算出手段48に入力される。最適流量比算出手段は、再循環排ガス流量Ggと空気流量GaとのGg/Ga比及びタービン入口温度の関係式に基づいて、ライン31に設けられた弁49を制御する。この関係式は、所定の温度まではGg/Ga=0とし、所定の温度以上でGg/Ga>0の関係となる。すなわち、タービン入口温度が低い場合、窒素酸化物の発生はないので弁49を閉じ、タービン入口温度が高い場合、窒素酸化物が発生するので弁49を開放する。
再循環量を増加させると窒素酸化物は低減できるが、効率も低下してしまう。タービン入口温度で再循環量を調整することにより、窒素酸化物濃度低減と高い部分負荷効率を両立させる。なお、弁で再循環排ガスの流量を調整してもよいが、ブロワ28の回転数を変える方法により再循環排ガスの流量を調整することができる。
本発明の第一実施形態の排気再循環型GTCC(GTCCプラント)の概略図である。 本発明の第二実施形態の排気再循環型GTCCプラントの概略図である。 本発明の第三実施形態の排気再循環型GTCCプラントの概略図である。 本発明の第四実施形態の排気再循環型GTCCプラントの概略図である。 本発明の第五実施形態の排気再循環型GTCCプラントの概略図である。 本発明の第五実施形態の排気再循環型GTCCプラントの再循環排ガスの加熱手段を変更した概略図である。 本発明の第五実施形態の排気再循環型GTCCプラントの再循環排ガスの加熱手段を熱交換手段とした概略図である。 本発明の第五実施形態の排気再循環型GTCCプラントの再循環排ガスの加熱手段を中間冷却器とした概略図である。 本発明の第六実施形態の排気再循環型GTCCプラントの概略図である。 本発明の第七実施形態の排気再循環型GTCCプラントが示されている。 本発明の第七実施形態の吸湿手段をディスク状にした排気再循環型GTCCプラントの概略図が示されている。 本発明の第七実施形態の吸湿手段をシート状にした再循環排ガスの除湿手段の概略図が示されている。 本発明の第八実施形態の排気再循環型GTCCプラントの概略図である。 本発明の第八実施形態の吸湿剤再生装置の一例を示す排気再循環型GTCCプラントの概略図である。 本発明の第八実施形態の吸湿剤再生装置の一例を示す排気再循環型GTCCプラントの概略図である。 本発明の第九実施形態の圧縮機入口温度調整手段の制御フロー図が示されている。 本発明の第九実施形態の圧縮機入口湿度調整手段の制御フロー図が示されている。 本発明の第十実施形態の再循環排ガスの最適流量の制御手段の概略図である。 従来の排気再循環型GTCCプラントである。
符号の説明
2 圧縮機
2a 圧縮機上流段
2b 圧縮機下流段
4 燃焼器
6 発電機
7 ガスタービン
8 排熱回収ボイラ(HRSG)
16 高圧蒸気タービン
17 発電機
18 低圧蒸気タービン
19 発電機
20 復水器
30a 熱交換手段
30b 熱交換手段
32a 中間冷却器
32b 中間冷却器
33 熱交換手段
36a 冷却手段
36b 冷却手段
37a 加熱手段
37b 加熱手段
38a 冷却手段
38b 冷却手段
38c 冷却手段
39 吸湿剤
40 吸湿剤散布手段
41a 使用済み吸湿剤
41b 使用済み吸湿剤
42a 吸湿剤再生装置
42b 加熱手段
42c 加熱手段
42d 加熱手段
42e 加熱手段
43 吸湿剤を保持したディスク
44 吸湿剤を保持したシート

Claims (19)

  1. 外気から導入される空気を圧縮する圧縮機と、
    前記圧縮空気を用いて燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、
    前記燃焼ガスにより駆動するガスタービンと、
    前記ガスタービンから排気される排ガスから熱回収する排熱回収ボイラと、
    前記排熱回収ボイラの蒸気により駆動する蒸気タービンと、
    前記排熱回収ボイラから排気される排ガスの一部を抽気して再循環排ガスとする抽気手段と、
    前記再循環排ガスを加熱する昇温手段と、
    前記昇温手段で昇温した再循環排ガスを前記空気に混合する混合手段と、
    を備えたガスタービンコンバインドサイクルプラント。
  2. 前記昇温手段は、前記排熱回収ボイラの中段より抽気した排ガスを混合して昇温させる請求項1に記載のガスタービンコンバインドサイクルプラント。
  3. 前記昇温手段は、前記圧縮機の圧縮空気の排熱により加熱する熱交換手段である請求項1に記載のガスタービンコンバインドサイクルプラント。
  4. 前記昇温手段は、前記排熱回収ボイラの排ガスの排熱により加熱する加熱手段である請求項1に記載のガスタービンコンバインドサイクルプラント。
  5. 前記圧縮機は、圧縮機上流段と圧縮機下流段からなる二段式の圧縮機であり、
    前記昇温手段は、前記圧縮機上流段の圧縮空気の排熱により加熱する熱交換手段である請求項1に記載のガスタービンコンバインドサイクルプラント。
  6. 前記昇温手段の前段に前記再循環排ガスを冷却する降温手段を備えた請求項1乃至請求項5のいずれかに記載のガスタービンコンバインドサイクルプラント。
  7. 前記昇温手段は、前記降温手段の排熱を熱源とする請求項6に記載のガスタービンコンバインドサイクルプラント。
  8. 前記降温手段は、多段式の冷却手段を備え、最終段の冷却手段は、水冷又は空冷によって行われる請求項7に記載のガスタービンコンバインドサイクルプラント。
  9. 前記降温手段は、前記蒸気タービンの給水により冷却する冷却手段である請求項6に記載のガスタービンコンバインドサイクルプラント。
  10. 外気から導入される空気を圧縮する圧縮機と、
    前記圧縮空気を用いて燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、
    前記燃焼ガスにより駆動するガスタービンと、
    前記ガスタービンから排気される排ガスから熱回収する排熱回収ボイラと、
    前記排熱回収ボイラの蒸気により駆動する蒸気タービンと、
    前記排熱回収ボイラから排気される排ガスの一部を抽気して再循環排ガスとする抽気手段と、
    前記再循環排ガスの除湿を行う除湿手段と、
    前記除湿手段によって除湿された再循環排ガスを前記空気に混合する混合手段と、
    を備えたガスタービンコンバインドサイクルプラント。
  11. 前記除湿手段は、再循環排ガスに吸湿剤を散布する吸湿剤散布手段と、
    前記吸湿剤散布手段で散布されて、水分を吸収した使用済み吸湿剤を再生する吸湿剤再生手段と、
    前記吸湿剤再生手段で再生された吸湿剤を再び前記吸湿剤散布手段に移送する請求項10に記載のガスタービンコンバインドサイクルプラント。
  12. 前記吸湿剤再生手段は、前記排熱回収ボイラ内の排ガス又は前記圧縮機で圧縮される空気の熱を利用して吸湿剤を加熱する請求項11に記載のガスタービンコンバインドサイクルプラント。
  13. 前記吸湿剤再生手段は、複数段からなり、後段の吸湿剤生成手段で発生する蒸気により前段の吸湿剤を加熱する請求項11又は請求項12に記載のガスタービンコンバインドサイクルプラント。
  14. 前記吸湿剤は、ディスク状又はシート状に加工され、回転することにより再循環排ガスの除湿と吸湿剤の再生が順次行われる請求項11に記載のガスタービンコンバインドサイクル。
  15. 前記除湿手段は、中空糸膜方式である請求項10に記載のガスタービンコンバインドサイクルプラント。
  16. 前記混合手段は、前記ガスタービンの入口温度が所定の温度以上の場合に、再循環排ガスを前記空気と混合する請求項1乃至請求項15いずれかに記載のガスタービンコンバインドサイクルプラント。
  17. 外部から吸気した空気を圧縮空気とする圧縮工程と、
    前記圧縮空気を用いて燃料を燃焼し排ガスとする燃焼工程と、
    前記排ガスを取り入れてガスタービンを駆動して第1発電工程と、
    前記第1発電工程で使われた前記排ガスの排熱を利用して給水を蒸気とする蒸気発生工程と、
    前記蒸気を取り入れて蒸気タービンを駆動して第2発電工程と、
    前記第2発電工程で使われた前記蒸気を給水として前記蒸気発生工程に戻す復水工程と、
    前記蒸気発生工程を経た前記排ガスの一部を抽気して再循環排ガスとする抽気工程と、
    前記再循環排ガスを加熱する再循環排ガス加熱工程と、
    前記再循環排ガス加熱工程を経た再循環排ガスを前記空気と混合する混合工程と、
    を備えた発電方法。
  18. 前記抽気工程で抽気された前記再循環排ガスは、冷却して飽和水蒸気量を上回る水分を除去してから前記再循環ガス加熱工程に戻される請求項17に記載の発電方法。
  19. 外部から吸気した空気を圧縮空気とする圧縮工程と、
    前記圧縮空気を用いて燃料を燃焼し排ガスとする燃焼工程と、
    前記排ガスを取り入れてガスタービンを駆動して第1発電工程と、
    前記第1発電工程で使われた前記排ガスの排熱を利用して給水を蒸気とする蒸気発生工程と、
    前記蒸気を取り入れて蒸気タービンを駆動して第2発電工程と、
    前記第2発電工程で使われた前記蒸気を給水として前記蒸気発生工程に戻す復水工程と、
    前記蒸気発生工程を経た前記排ガスの一部を抽気して再循環排ガスとする抽気工程と、
    前記再循環排ガスを除湿する除湿工程と、
    前記再循環排ガス加熱工程を経た再循環排ガスを前記空気と混合する混合工程と、
    を備えた発電方法。
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