JP2007500810A - ガスタービン設備の効率向上を図る方法とガスタービン設備 - Google Patents

Abstract

本発明は、ガスタービン（２）の排ガス（ＡＧ）の熱の少なくとも一部を、非等温的的な蒸発及び凝縮を起こす作動物質を熱力学サイクルに使用して、少なくとも２つの物質に伝達することにより、ガスタービン設備（１）の効率を向上させる方法を提供する。このサイクルを使用して、排ガス（ＡＧ）、特に１００〜２００℃の範囲の温度を持つ排ガスの余熱を、付加的電気或いは機械エネルギーの生産に利用可能となる。この種の循環過程の実施装置は、既存の設備にも容易に追加装備できる。

Description

本発明は、請求項１に基づくガスタービン設備の効率の向上を図る方法とそれに適合する請求項５に基づくガスタービン設備に関する。

近年の集中的な開発研究により、ガスタービンを利用して今日、効率、即ち生産可能な電力或いは機械力は、使用される燃料（の）約４０％の効率を達成できている。例えば欧州特許出願公開第０８９８６４１号明細書で公知のガス及び蒸気タービン設備（以下ＧｕＤ設備と略称）は、５５％を超える効率を可能にしている。それにも拘らず、この種の設備の効率を更に高めようとする要求がある。

これは、特に過去において小、中及び大規模の出力範囲で建設された、蒸気を発生しないガスタービン設備並びにＧｕＤ設備に該当する。このようなＧｕＤ設備は、燃料の一層の活用のため一部に遠隔熱熱結合部を備えてきた。それにも拘らず、それらの旧式な設備は、近年のガスタービン設備よりも著しく低い効率を有するに過ぎない。それ故、その法外な出費の重圧により、特に旧式な低効率な設備を有する経営者は、その設備の経費の改善を強いられている。
そのため、蒸気を発生しないガスタービン設備の経営者は、そのプロセスもしくは設備を部分的に拡大し、蒸気発生部を備えようとしている。こうして可能な付加的電気又は機械エネルギーの生産により、使用する燃料の有効利用と、同時に設備の効率を改善する。勿論このような旧式な設備の経営者にとって、ガスタービン設備の効率をより一層改善することが望ましい。特にこのような効率の向上は、現に存在するガスタービン設備もしくはＧｕＤ設備で、実現できることが望ましい。

それ故本発明の課題は、ガスタービン設備の効率を向上する方法とそれに適したガスタービン設備とを提供することにあり、その際効率の向上を既存の設備を少ない経費で、特に既存の設備に左程手を加えることなく、効率の向上を可能にしようとするものである。

この方法に対する課題は、本発明の請求項１に記載の方法により解決される。本方法の有利な実施形態を、その従属請求項２から６に示す。ガスタービン設備に対する課題は、請求項７に基づくガスタービン設備により解決される。本発明のガスタービン設備の有利な実施形態は従属請求項８から１７の対象である。

本発明は、多くのガスタービン又はＧｕＤ設備が、１００℃以上の温度の排ガス（例えば煙道ガス）を持つという認識から出発する。これは、それら設備が排ガス中に含まれ、なお利用可能な余熱を活用していないことを意味する。これは、高い排ガスの熱の損失であり、同時にまた経費を高めることになる。特に多くのＧｕＤ設備は、排ガス温度が低いと所期の経済性が得られないため、１２０〜１５０℃の排ガス温度で稼動されている。

従ってガスタービン設備の効率は、ガスタービンの排ガスの熱の少なくとも一部を更に利用することで改善できる。これは、熱力学サイクルの非等温的な蒸発及び凝縮する作動物質を利用し、その排ガスの熱を少なくとも２つの物質に伝達することで可能となる。かかる循環過程で、排ガス温度を５０〜７０℃迄低下させ、ガスタービン設備の効率の改善を図り、同時に設備の経済性をも改善し、高効率で、機械力又は電力の生産が可能になる。

従って本発明のタービン設備は、熱力学サイクルを実施する１つの装置内に、ガスタービンの排ガス側に後置接続された少なくとも１つの熱交換機を持ち、この場合、その装置は非等温（non isothermal）的に蒸発し、凝縮する少なくとも２成分から成る作動物質を含んでいる。

従って既存の設備で効率を改善するには、後置接続した少なくとも１つの熱交換器と、熱力学サイクルを実施する装置だけは増設せねばならない。これは、例えばＧｕＤ設備に拡大する枠内で、既存のガスタービン設備で行い得る。例えばガスタービンの排ガスを蒸気ボイラ内で後から燃焼させる蒸気の生産と組合せた既存のガスタービン設備や、１００℃以上の煙道ガス温度を有するＧｕＤ設備の場合にも、電力又は機械力の生産に熱力学サイクルを実施する装置を装備することで、排ガスの余熱が容易に利用可能となる。従って同量の燃料で、より大きな電力又は機械力を得、同時に効率を高め得る。更にこうすると、発電する電気エネルギーの、ｋＷ時当たりのＣＯ₂放出量の削減にもつながる。

蒸気の発生と組合せたガスタービン設備並びにＧｕＤ設備の場合、排ガス側のみ、即ちガスタービン設備の排ガスライン内のみに、少なくとも１つの付加的熱交換器を取付けることを必要とし、こうして主な装置に手を加えずに効率の向上を図り得る。従ってこの少なくとも１つの熱交換器並びに熱力学サイクルを実施する設備のシステムアップを、その主な装置を修正する枠内の僅かな費用で実施できる。

非等温的に蒸発し、凝縮する少なくとも２成分より成る作動物質を使用することで、一方で少なくともこの２成分の濃度を介して、また他方でその熱力学サイクルの作動物質の圧力と温度を極く僅かに適合させることにより、容易に、異なる排ガス温度を有する、異なるガスタービン設備に適合させることが可能になる。

それ故、この熱力学サイクルを実施する装置は、特に極めて多様なガスタービン設備内での使用に適し、またそのため低価格で形成可能な標準ユニットとするとよい。

高い効率と、同時に、異なる排ガス温度でこのプロセスを実施する、このプロセスもしくはこの装置の容易な適合性は、例えばS.Koehler及びA.Saadatによる論文、地熱テクノロジーの開発における、「地熱による電流の生産の可能性と展望」−地球構造学及びエネルギー工学の出発点；地球研究センター、在ポツダム、ＳＴＲＯＯ／２３、２０００、第７−２８頁から公知の、熱力学サイクルとしてカリーナサイクルを使用することにより可能となる。このサイクルでは、作動物質として、例えばアンモニアと水より成る２成分の混合物を使用し、この場合水は溶媒の役目を果たす。

特に１４０〜２００℃の排ガス温度に適した本発明の実施形態では、その熱力学サイクルを、少なくとも以下に記載する処理工程を有する方法で行う。即ち
作動物質の液状流体をポンプで圧力を高めて汲み上げ、
加圧した液状の作動流体を第１の部分流体と第２の部分流体に分割し、
第１の部分流体を排ガスの冷却により生じた熱を利用して一部蒸発させ、
圧力を低下させた作動流体の一部凝縮により生じる熱を利用して、第２の部分流体を一部蒸発させ、
この一部蒸発させた第１と第２の部分流体を一部蒸発させた作動流体に一体化し、
排ガスの冷却により生じる熱を利用して、一部蒸発させた作動流体の完全蒸発、場合によっては一部過熱によりガス状の作動流体を生成し、
このガス状の作動流体の圧力を低下させ、そのエネルギーを使用可能な形に変換して圧力の低下した作動流体を生成し、そして
一部凝縮し、圧力の低下した作動流体を、液状の作動流体を生成すべく凝縮させる。

その際装置の効率、同時にまたガスタービン設備の効率は、第１の部分流体と液状の作動流体がほぼ同じ温度を持ち、こうして電流を発生する、排ガスの熱の最善の利用を可能にすることにより更に改善できる。

熱力学サイクルの高い効率、即ち排ガス中に含まれる熱の電力又は機械力への高効率での変換は、少なくとも１つの熱交換器で、ガスタービンの排ガスが１００〜２００℃、特に１４０〜２００℃の温度を示すときに可能になる。

本発明並びに本発明の従属請求項の特徴に基づくその他の有利な実施形態を、一実施例につき図を参照して以下に詳述する。

図１は、ガスタービン２を有するガス及び蒸気タービン設備１と、ガスタービン２の熱した排ガスＡＧにより貫流される廃熱ボイラ３を示す。このガスタービン２は開放型のガスタービンプロセスにより駆動される。

ガス及び蒸気タービン設備１の排気煙突６内に、非等温的に蒸発及び凝縮する少なくとも２つの成分を含む作動物質により熱力学サイクルを行う装置９（簡略化して示す）に、排ガスＡＧの熱の少なくとも一部を伝達する２つの熱交換器ＨＥ４、ＨＥ５がある。この熱力学サイクルが、例えばカリーナサイクルであることが重要である。

排ガス側の、ガスタービン（２）と熱交換器ＨＥ４、ＨＥ５との間において、ガス及び蒸気タービン設備１の水と蒸気の循環経路４に３つの熱交換器５ａ、５ｂ、５ｃが接続されている。該熱交換器５ａ、５ｂ、５ｃは廃熱ボイラ３内に配置されており、排ガスＡＧの熱の一部を水／蒸気サイクル４に伝達する。

この装置９により、排ガスＡＧ中に含まれる余熱を付加的な発電に利用でき、こうしてガス及び蒸気タービン設備１の効率を増大できる。この装置９を後置接続することで生ずる、ガスタービン２内に電力損を招く排ガスＡＧ中の圧力損は、装置９による電力の生成により、むしろそれ以上に補償される。

装置９の作動物質への排ガスの熱の特に優れた伝達は、熱交換器ＨＥ４、ＨＥ５を集合管型熱交換器として形成することで可能となる。

熱交換器ＨＥ４とＨＥ５を排気煙突６内に配置することで、熱交換器と、それに接続された装置９を、本来の設備に手を加えずに、即ちガスタービン２を付随する構成要素と水／蒸気循環路４と共に後から設けることが可能になる。熱交換器ＨＥ５の手前の排ガス温度が１００〜２００℃、特に１４０〜２００℃であるとよい。排ガスＡＧを熱交換器ＨＥ５、ＨＥ４で冷却することで、排ガスの温度は熱交換器ＨＥ４の後方で例えば５０〜７０℃に低下する。

図２は、１４０〜２００℃の排ガス温度に特に適した、図１に基づく熱力学サイクルを実施する装置９の接続図である。

この装置９は熱交換器ＨＦ５を備え、該交換器の一次側をガスタービンの排ガス（煙道ガス）ＡＧが貫流し、交換器の二次側が一方でミキサ３５と、他方でタービン３２と接続されている。タービン３２は出口側で、熱交換器（復水器）ＨＥ１の一次側と接続された熱交換器ＨＥ２に接続されている。復水器ＨＥ１は、一次側の出口で、場合によっては復水タンクを介し、ポンプ３３を経て分流器３４と接続されている。該分流器３４は、一方では熱交換器ＨＥ２の一次側を経て、また他方では熱交換器ＨＥ４の二次側を経てミキサ３５と接続されている。排ガスＡＧはまず熱交換器ＨＥ５の一次側を、その後熱交換器ＨＥ４の一次側を貫流する。

作動物質として、装置９内で水とアンモニアの２成分の混合物が使用される。この作動物質は復水器ＨＥ１の後方で、液状の作動流体１３として液体の状態で存在する。この液状の作動流体１３は、ポンプ３３で圧力を高めて汲み上げられ、加圧された液状の作動流体１４が生ずる。この液状の作動流体は分流器３４により第１の部分流体１６と第２の部分流体１７に分割される。

第１の部分流体１６は熱交換器ＨＥ４の二次側に供給され、既に熱交換器ＨＥ５内で冷却された排ガスＡＧの冷却により生じた熱で一部蒸発し第１の部分流体１６ａを生ずる。第２の部分流体１７は熱交換器ＨＥ２の一次側に供給され、二次側に供給された圧力の低下した作動流体１１の部分的凝縮により生じる熱を利用して一部蒸発され、一部蒸発した第２の部分流体１７ａを生ずる。これら一部蒸発した第１と第２の部分流体１６ａ、１７ａは、引続きミキサ３５内で一部蒸発した作動流体１８に合流する。この際熱交換器ＨＥ２とＨＥ４の寸法は、第１と第２の一部蒸発した部分流体１６ａ又は１７ａが、略同温で同じ蒸気含有量を有するよう定められる。

一部蒸発した作動流体１８は、引続き熱交換器ＨＥ５の二次側に供給され、一次側での排ガスＡＧの冷却に伴い完全に蒸発し、場合によっては一部過熱されて、ガス状の作動流体１０を生ずる。該流体１０は、引続きタービン３２内で圧力低下し、そのエネルギーを使用可能な形、例えば発電機（図示せず）で電流に変換され、圧力の低下した作動流体１１が生ずる。この低圧の作動流体１１は熱交換器ＨＥ２内で一部凝縮し、低圧の作動流体１２が生ずる。部分的に凝縮し、圧力の低下した作動流体１２は、引続き熱交換器（復水器）ＨＥ１内で、流入する冷却水流２５により凝縮され、液状の作動流体１３を生ずる。低圧の作動流体１２により冷却水流２５に伝達された熱は、流出する冷却水流２６により搬出される。

加圧された液状の部分流体１４は、別の熱交換器（図示せず）を経て、既に熱交換器ＨＥ２内で一部凝縮し、圧力の低下した作動流体１２の更なる部分的凝縮で予熱される。

この排ガスの熱の特に有効な利用と、同時にこのサイクルの特に高い効率は、予熱をやめ、もって第１の部分流体１６を液状の作動流体１３と略同温にすることで達成できる。

この際、装置９は、例えば図３に略示する如く、標準化したユニット４０として形成するとよい。その際、標準化ユニット４０は、熱交換器ＨＥ４、ＨＥ５を除き、このサイクルの全ての構成要素を含むサイクルモジュール４１より成る。この構成要素に、熱交換器（復水器）ＨＥ１、熱交換器ＨＥ２、タ−ビン３２、ポンプ３３、タービンと接続された発電機、更にこのサイクルの制御、調整及び監視に必要な別の装置をも含む。

熱交換器ＨＥ４及びＨＥ５は、例えばガスタービン設備の排気煙突内に組込み可能な熱交換器モジュール４２内に配置されている。
このサイクルモジュール４１は、対応する配管接続端子対４３’及び４４’への接続管を熱交換器モジュール４２に接続するために配管接続対端子４３及び４４を備える。更にこのモジュール４１は、冷却水を熱交換器（復水器）ＨＥ１に供給し、又はＨＥ１から排出するための配管接続部４５を有する。電気的な端子４６により、サイクルモジュール４１で生じた電流を取り出す。それら電気接続端子４７は、このモジュール４１を制御、調整及び監視し、更にポンプ（３３）の電力供給のため電流を供給する役目をする。このような外部の電力供給は、サイクルモジュール４１自体によりカバーできる迄、少なくとも必要である。それとは異なり、その所内需要は外部の電力供給による代りに、このサイクルモジュール４１に蓄電池を設けることでもカバーできる。１つの操作素子５１を経て、この作動物質の成分濃度を、また操作素子５２及び５３を介してこのサイクル内の作動物質の温度や圧力を調整できる。

サイクルモジュール４１は、特に２０’又は４０’コンテナ形式を有するとよく、従ってトラック、鉄道又は船で迅速かつ容易に使用地に搬送でき、この熱力学サイクルを実施する装置９の組み立ては、既存のＧｕＤ設備で僅かな時間と費用とで実施可能である。

上記の有利な実施例に基づき記載したが、本発明は、全体としてこれら実施例に限定されない。むしろ本発明又はそれらの実施例に多数の変形及び修正が可能である。例えばこの熱力学サイクルを実施する装置９内に、幾つか熱交換器を増設することも、また追加のバルブ及びセパレータを循環路内に接続することも可能である。更に、例えばガス状の作動流体１０は、例えば２つの相前後して接続したタービンを介して１段階だけでなく、複数段階で圧力の低下を図ることも可能である。

本発明によるＧｕＤ設備を示す図。 本発明の熱力学サイクルを行うための設備を単純化して示す循環経路図。 本発明の熱力学サイクルを行う装置を標準ユニットとして形成した例を示す図。

符号の説明

１ ガス／蒸気タービン設備、２、３２ ガスタービン、３ 廃熱ボイラ、４ 水／蒸気循環経路、５ａ、５ｂ、５ｃ 熱交換器、６ 排気煙突、９ 熱力学サイクル実施装置、１０〜１８ 作動流体、３３ ポンプ、３４ 分流器、３５ ミキサ、４０ 基準設定ユニット、４１ サイクルモジュール、４２ 熱交換器モジュール、４３、４４、４３′、４４′ 配管接続対、４５〜４７ 端子、５１ 濃度操作素子、５２ 温度操作素子、５３ 質圧力操作素子、ＨＥ１〜ＨＥ５ 熱交換器

Claims (17)

1. ガスタービン（２）の排ガス（ＡＧ）の熱の少なくとも一部を、熱力学サイクルの非等温的に蒸発及び凝縮する作動物質を使用して、少なくとも２つの物質に伝達し、ガスタービン設備（１）の効率を向上させる方法。
2. 熱力学サイクルとしてカリーナサイクルを使用する請求項１記載の方法。
3. 少なくとも下記の諸工程により熱力学サイクルを実施する請求項１又は２記載の方法。
   作動物質の液状流体（１３）を圧力を高めてポンプで汲み上げ、
   加圧された液状の作動流体（作動物質流体）（１４）を第１の部分流体（１６）と第２の部分流体（１７）に分割し、
   第１の部分流体（１６）を排ガス（ＡＧ）の冷却により生じる熱を利用して一部蒸発させ、
   圧力を低下させた作動流体（１１）の一部凝縮により生じる熱を利用して、第２の部分流体（１７）を一部蒸発させ、
   一部蒸発した第１と第２の部分流体（１６ａもしくは１７ａ）を一部蒸発した作動流体（１８）に一体化し、
   排ガス（ＡＧ）の冷却により生じる熱を利用して、一部蒸発した作動流体（１８）の完全蒸発、場合によっては一部過熱により、ガス状の作動流体（１０）を生成し、
   ガス状の作動流体（１０）の圧力を低下させ、そのエネルギーを使用可能な形に変換して、圧力の低下した作動流体（１１）を生成し、更に
   一部凝縮（液化）し、圧力の低下した作動流体（１２）を、液状の作動流体（１３）を生成するため完全に液化する。
4. 第１の部分流体（１６）と液状の作動流体（１３）が同温である請求項３記載の方法。
5. ガスタービン（２）の排ガス（ＡＧ）の熱を更に部分的に蒸気タービンの水と蒸気の循環経路（４）に伝達する請求項１から４の１つに記載の方法。
6. ガスタービン（２）の排ガス（ＡＧ）が少なくとも１つの熱交換器（ＨＥ５）の手前で１００〜２００℃の温度を有する請求項１から５の１つに記載の方法。
7. １つの装置（９）内に熱力学サイクルを実施すべく、ガスタービン（２）の排ガス側に少なくとも１つの熱交換器（ＨＥ５）を後置接続したガスタービン設備（１）において、
   前記装置（９）が、非等温的に蒸発及び凝縮する少なくとも２つの物質より成る作動物質を含むガスタービン２の排ガス側に少なくとも１つの熱交換器（ＨＥ５）を有するガスタービン設備。
8. 熱力学サイクルがカリーナサイクルである請求項７記載のガスタービン設備。
9. 少なくとも、下記の装置を備える請求項７又は８記載のガスタービン設備。
   作動物質の液状流体（１３）を、圧力を高めて汲み上げるポンプ（３３）、
   加圧された液状の作動流体（１４）を、第１の部分流体（１６）と、第２の部分流体（１７）に分割する分流器（３４）、
   この第１の部分流体（１６）を吸収し、一部蒸発させた第１の部分流体（１６ａ）を排ガス（ＡＧ）の冷却により生成し、放出する第１の熱交換器（ＨＥ４）、
   圧力を低下させた作動流体（１１）と第２の部分流体（１７）を吸収し、この圧力の低下した作動流体（１１）を第２の部分流体（１７）に伝熱することにより冷却し、一部蒸発させた第２の部分流体（１７ａ）と、一部凝縮させた作動流体（１２）を放出する第２の熱交換器（ＨＥ２）、
   この一部蒸発した第１の部分流体（１６ａ）と一部蒸発した第２の部分流体（１７ａ）を、一部蒸発させた作動流体（１８）に一体化するためのミキサ（３５）、
   この一部蒸発させた作動流体（１８）を吸収し、ガス状の、場合によっては過熱した作動流体（１０）を、排ガス（ＡＧ）の冷却により生成し、放出する第３の熱交換器（ＨＥ５）、
   ガス状の作動流体（１０）の圧力を低下させ、そのエネルギーを利用可能な形に変換し、この圧力の低下した作動流体（１１）を放出する装置（３２）、および
   一部凝縮し、圧力を低下させた作動流体（１２）を吸収し、完全に凝縮し、この液状の作動流体（１３）を放出するための第４の熱交換器（復水器）（ＨＥ１）。
10. 第１の部分流体（１６）と液状の作動流体（１３）が同じ温度を有する請求項９記載のガスタービン設備。
11. ガスタービン（２）の排ガス（ＡＧ）が、少なくとも１つの熱交換器（ＨＥ５）の手前で１００〜２００℃の温度を有する請求項７から１０の１つに記載のガスタービン設備。
12. ガスタービン（２）の排ガス側と、少なくとも１つの熱交換器（ＨＥ５）との間に接続された蒸気タービンの水／蒸気サイクル（循環経路）（４）に別の熱交換器（５ａ、５ｂ、５ｃ）を有する請求項７から１１の１つに記載のガスタービン設備。
13. 少なくとも１つの熱交換器（ＨＥ５）がガスタービン設備（１）の排気煙突（６）内に配置された請求項７から１２の１つに記載のガスタービン設備。
14. 少なくとも１つのこの熱交換器（ＨＥ５）が、集合管型熱交換器として形成された請求項７から１３の１つに記載のガスタービン設備。
15. 熱力学サイクルを実施するための装置（９）が、標準ユニット（４０）として形成された請求項７から１４の１つに記載のガスタービン設備。
16. 標準ユニット（４０）が、熱交換器モジュール（４２）とサイクルモジュール（４１）を有する請求項１５記載のガスタービン設備。
17. サイクルモジュール（４１）がコンテナ形式を有する請求項１５又は１６記載のガスタービン設備。

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