JP2007507639A

JP2007507639A - 発電

Info

Publication number: JP2007507639A
Application number: JP2006529456A
Authority: JP
Inventors: ニグロ、ネロ
Original assignee: ビーエイチピービリトンイノベーションプロプライアタリーリミテッド
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2004-09-29
Publication date: 2007-03-29
Also published as: WO2005031136A1; CN1886582A; UA88280C2; US20070084209A1; US7739874B2; ZA200602809B; NO20061570L; CA2540583A1; CN100529360C; EP1687518A1

Abstract

炭層メタン５１と、酸素５３と、ガス・タービン７から生成され、熱回収蒸気発生器２７を通して送られる主にＣＯ_２の燃焼ガス５５の一部とが、すべて圧力をかけて、ガス・タービン７の燃焼器５に供給される。熱回収蒸気発生器２７は熱い燃焼ガスを受け取り、蒸気タービン２９を駆動するための蒸気５７を発生させる。熱回収蒸気発生器２７を通る燃焼ガス流の他の一部は好適な地下貯蔵領域３に供給される。

Description

本発明は、電力を発生させるためにガス・タービン及び蒸気タービンを駆動するためのエネルギー源として炭層メタン（coal bed methane）・ガスを使用することに基づく、電力を発生させるための方法及び装置に関する。

「炭層メタン」という用語は、本明細書では、地下石炭源から得られる、体積単位で少なくとも７５％のメタン・ガスを含有するガスを意味するものと理解される。

本発明によれば、ガス・タービン及び蒸気タービンを介して電力を発生させる方法であって、
（Ａ）
（ａ）炭層メタンと、酸素含有ガスと、前記ガス・タービン内で生成された燃焼ガスとを、すべて圧力をかけて、前記ガス・タービンの燃焼器に供給し、前記炭層メタンを燃焼させ、加熱された燃焼生成物及び前記燃焼ガスを使用して前記ガス・タービンを駆動するステップと、
（ｂ）前記ガス・タービン内で生成された熱い燃焼ガス流を熱回収蒸気発生器に供給し、前記燃焼ガスの熱を使用して、前記蒸気発生器に供給された水との熱交換によって蒸気を発生させるステップと、
（ｃ）前記蒸気発生器からの蒸気を蒸気タービンに供給し、前記蒸気を使用して前記蒸気タービンを駆動するステップと、
（ｄ）（ｉ）前記熱回収蒸気発生器を通る、前記ガス・タービンからの前記燃焼ガス流の一部を前記ガス・タービンの前記燃焼器に供給し、（ｉｉ）前記熱回収蒸気発生器を通る、前記ガス・タービンからの前記燃焼ガス流の別の一部を好適な地下貯蔵領域に供給するステップと
を備える第１の作動モードと、
（Ｂ）
（ａ）炭層メタンと前記ガス・タービンの空気圧縮機からの空気とを、両者に圧力をかけて、前記ガス・タービンの燃焼器に供給し、前記炭層メタンを燃焼させ、加熱された燃焼生成物及び前記燃焼ガスを使用して前記ガス・タービンを駆動するステップと、
（ｂ）前記ガス・タービン内で生成された熱い燃焼ガス流を熱回収蒸気発生器に供給し、前記燃焼ガスの熱を使用して、前記蒸気発生器に供給された水との熱交換によって蒸気を発生させるステップと、
（ｃ）前記蒸気発生器からの蒸気を蒸気タービンに供給し、前記蒸気を使用して前記蒸気タービンを駆動するステップと、
を備える第２の作動モードと
を含む方法が提供される。

本発明の方法及び装置の特徴の１つは、大気中にＣＯ_２を放出することなく作動できることである。

例として、ガス・タービンの燃焼器に供給されない、必然的にかなりの量のＣＯ_２を含有する燃焼ガスのすべてを好適な地下貯蔵所に供給することは、大気中へのＣＯ_２の放出を防ぐための、環境に悪影響を及ぼさない有効な選択肢である。

本発明の別の特徴は、作動モード（Ａ）において、ガス・タービンからの燃焼ガス流の一部をガス・タービンの燃焼器内で使用することにより、ガス・タービンの燃焼器内における空気の使用を低減すること、好ましくはすべて置換することが可能になることである。酸素をもつ空気と、この動作モードでは主にＣＯ_２である燃焼ガスとの完全な置換により、空気の使用に関する重大な問題が克服される。例えば、空気を使用すると、ガス・タービンからの燃焼ガス流がかなりの量（一般に少なくとも７０体積％）の窒素と、ある量（一般に１０体積％）の酸素と、ある量（一般に５〜１０体積％）のＣＯ_２とを含有することになる。窒素と酸素とＣＯ_２との混合物は、燃焼ガス流を適切に処理するために重大なガス分離の問題を提示する。この作動モードにおいて酸素をもつ空気と燃焼ガスとを置換すると、熱回収蒸気発生器からの燃焼ガス流は主にＣＯ_２と水になり、ガス・タービンからの燃焼ガスの処理要件が大幅に簡略化され、その結果、主にＣＯ_２である燃焼ガス流を生成し、その流れをガス・タービンの燃焼器に供給することが比較的簡単な作業になる。

好ましくは、作動モード（Ａ）においてガス・タービンの燃焼器に供給される酸素含有ガスは酸素である。

好ましくは、作動モード（Ａ）においてガス・タービンの燃焼器に供給される燃焼ガス流は主にＣＯ_２である。

好ましくは、作動モード（Ａ）のステップ（ｄ）は、燃焼ガス流の一部をガス・タービンの燃焼器に供給し、燃焼ガス流の残りを地下貯蔵所に供給するステップを含む。

好ましくは、作動モード（Ａ）のステップ（ｄ）は、燃焼ガス流を液相として地下貯蔵領域に供給するステップを含む。

好ましくは、地下貯蔵領域は炭層（coal bed seam）である。

より好ましくは、地下貯蔵領域は、ガス・タービンを作動させるための炭層メタンが取り出される炭層である。このような状況において、炭層メタンを取り出すための既存の井戸構造を使用して燃焼ガスを液相又は気相で地下貯蔵領域に移送することができる。

好ましくは、作動モード（Ａ）のステップ（ｄ）は、炭層メタンを地下貯蔵領域から取り出すための既存の井戸構造を介して燃焼ガス流を地下貯蔵領域に供給するステップを含む。

好ましくは、作動モード（Ａ）のステップ（ｄ）は、燃焼ガスから水を分離するステップを含む。

作動モード（Ａ）のステップ（ｄ）は、
（ｉ）燃焼ガス流を第１の圧力（一般に２〜３ＭＰａ（２０〜３０ｂａｒ））に圧縮するステップと、
（ｉｉ）圧縮された燃焼ガス流の一部をガス・タービンの燃焼器に供給するステップと
をさらに含むことができる。

作動モード（Ａ）のステップ（ｄ）は、
（ｉ）圧縮された燃焼ガス流の別の一部を第２のより高い圧力（一般に少なくとも７ＭＰａ（７０ｂａｒ）、より一般には少なくとも７．３ＭＰａ（７３ｂａｒ））に圧縮するステップと、
（ｉｉ）ステップ（ｉ）からの加圧された燃焼ガス流を冷却し、液相を形成するステップと、
（ｉｉｉ）液相を地下貯蔵領域に供給するステップと
をさらに含むことができる。

本方法は、前記ガス・タービンの前記燃焼器からの空気を供給し、前記作動モード（Ａ）の間前記プラント内に酸素を生成するステップを含むことができる。

本発明によれば、ガス・タービン及び蒸気タービンを介して電力を発生させるための装置であって、
（ａ）空気圧縮機とエキスパンダと燃焼器を含むガス・タービンと、
（ｂ）酸素を生成する空気分離プラントと、
（ｃ）前記ガス・タービンの燃焼器に次の物質、すなわち、炭層メタンと、前記空気分離プラントからの酸素と、前記ガス・タービンの前記空気圧縮機からの空気と、前記ガス・タービン内で生成された燃焼ガスとを、すべて圧力をかけて、前記ガス・タービンの燃焼器に供給し、前記炭層メタンを燃焼させ、加熱された燃焼生成物及び前記燃焼ガスを使用して前記ガス・タービンを駆動するための手段と、
（ｄ）前記ガス・タービンからの燃焼ガスとの熱交換によって、前記蒸気発生器に供給された水から蒸気を発生させるための熱回収蒸気発生器と、
（ｅ）前記蒸気発生器内で発生した蒸気によって駆動されるように構成された蒸気タービンと、
（ｆ）装置が前記炭層メタンと前記空気分離プラントからの酸素と前記ガス・タービン内で生成される燃焼ガスとが前記ガス・タービンの前記燃焼器へ供給されている時に、（ｉ）前記熱回収蒸気発生器を通る、前記ガス・タービンからの燃焼ガス流の一部を前記ガス・タービンの前記燃焼器に供給し、（ｉｉ）前記熱回収蒸気発生器を通る、前記ガス・タービンからの前記燃焼ガス流の別の一部を好適な地下貯蔵領域に供給するための手段と
を備える装置も提供される。

好ましくは、燃焼ガス流の一部をガス・タービンの燃焼器に供給し、燃焼ガス流の別の一部を好適な地下貯蔵領域に供給するための手段が、好適な地下貯蔵領域に供給すべき燃焼ガスを気相から液相に変換するための手段を含む。

好ましくは、本装置は、前記ガス・タービンの前記空気圧縮機からの空気を前記空気分離プラントへ酸素供給源として供給する手段を含む。

本発明によれば、さらに、ガス・タービン及び蒸気タービンを介して電力を発生させる方法であって、
（ｅ）ガス・タービンの空気圧縮機からの空気を酸素プラントへ供給して酸素ガスを生成するステップと、
（ｆ）炭層メタンと、前記酸素プラントからの酸素と、主に前記ガス・タービン内で生成されたＣＯ _２である燃焼ガスとを、すべて圧力をかけて、前記ガス・タービンの燃焼器に供給し、前記炭層メタンを燃焼させ、加熱された燃焼生成物及び前記燃焼ガスを使用して前記ガス・タービンを駆動するステップと、
（ｇ）前記ガス・タービン内で生成された熱い燃焼ガス流を熱回収蒸気発生器に供給し、前記燃焼ガスの熱を使用して、前記蒸気発生器に供給された水との熱交換によって蒸気を発生させるステップと、
（ｈ）前記蒸気発生器からの蒸気を蒸気タービンに供給し、前記蒸気を使用して前記蒸気タービンを駆動するステップと、
（ｅ）（ｉ）前記熱回収蒸気発生器を通る、前記ガス・タービンからの前記燃焼ガス流の一部を前記ガス・タービンの前記燃焼器に供給し、（ｉｉ）前記熱回収蒸気発生器を通る、前記ガス・タービンからの前記燃焼ガス流の別の一部を好適な地下貯蔵領域に供給するステップと
を含む方法も提供される。

本発明の発電方法及び装置の、唯一ではない一実施例である添付図面を参照して、本発明についてさらに説明する。

図を参照すると、本方法は、参照番号７によって全体的に識別されるガス・タービンの燃焼器５に、以下のガス流、すなわち
（ａ）地下源３から専用の炭層メタン圧縮ステーション（図示せず）及び供給ライン５１を通る炭層メタンと、
（ｂ）空気分離プラント１１の形態の酸素プラントで生成され、ライン５３を通る、化学量論的燃焼に必要な量の酸素と、
（ｃ）ライン５５を通り、以下に説明する、タービン７からの燃焼ガス流から供給された、主にＣＯ_２である燃焼ガスと
を供給するステップを含む。

酸素及び燃焼ガスの流れは燃焼器５の上流にある混合器９で予混合される。

炭層メタン及び酸素／燃焼ガスの流れは、１．６ＭＰａ（１６ｂａｒ）と２．８ＭＰａ（２８ｂａｒ）との間の予め選択された圧力で燃焼器５に供給される。燃焼器は任意の好適な圧力で作動できることに注意されたい。

炭層メタンは燃焼器５内で燃焼され、燃焼生成物及び燃焼ガスがタービン７のエキスパンダ１３に送られ、エキスパンダ１３の中にあるタービン・ブレード（図示せず）を駆動する。

タービン７の出力部は発電機１５及び多段燃焼ガス圧縮機列１７に連結され、それらを駆動する。

発電方法がこのモードで行われているとき、タービン７の空気圧縮機２１内の空気は、約０．５ＭＰａ（５ｂａｒ）の圧力で抽気され、空気分離プラントに送られ、ガス・タービン７の燃焼器５用の酸素を生成するために使用される。

タービン７からの出力ガス流、すなわち燃焼ガスは、大気圧であり、一般に５４０℃程度の温度である。

タービン７からの燃焼ガスは、熱回収蒸気発生器２７に通され、蒸気発生器２７に供給される脱塩水及び復水（condensate return）から一般に約７５ｂａｒすなわち７．５ＭＰａの高圧蒸気を生成するための熱源として使用される。

高圧蒸気はライン５７を介して蒸気ターボ発電機２９に供給され、ターボ発電機２９を運転し、電力を発生させるために使用される。

熱回収蒸気発生器２７からの、主にＣＯ_２及び水である燃焼ガスは、一般に１２５℃の温度で、湿った燃焼ガスとして出口１９を通って蒸気発生器から出る。

次いで、湿った燃焼ガスは分離器３３に通され、蒸気から水を分離し、乾燥した燃焼ガス流を生成する。

次いで、乾燥した燃焼ガスは多段燃焼ガス圧縮機列１７に通される。

圧縮の第１段で、燃焼ガスはタービン７の燃焼器５に必要な圧力、すなわち本例では２．２ＭＰａ（２２ｂａｒ）に圧縮される。

第１段の出口からの圧縮された燃焼ガスは、混合器９、一般には混合バルブを介してタービン７の燃焼器５に供給され、燃焼器５に供給される前に空気分離器１１からの酸素と混合する。

燃焼ガスの残りは、図中に「第２段」で示された第２圧縮段に供給され、一般に７．３ＭＰａ（７３ｂａｒ）より高い高圧に圧縮され、次いで圧縮された燃焼ガスの流れは凝縮器３５に通される。凝縮器３５は燃焼ガス流の温度を３１℃より低く冷却し、それによって燃焼ガスを液相に変換する。

凝縮器を出た液体燃焼ガス流は、（必要な場合）加圧され、次いで既存の採掘井戸（field wells）に注入される。

発電システムが上述のモードで作動していない場合、より詳細には予混合された酸素及び燃焼ガスの流れを受け取っていない場合、タービン７は普通に作動して、空気は、タービン空気取入れ口（図示せず）を通して引き込まれ、空気圧縮機２１内で圧縮され、その後燃焼器５に送られ、炭層メタン及び燃焼器５内で燃焼された混合物と混合される。

より詳細には、多段燃焼ガス圧縮機列１７をタービン７から切り離すことによって、より普通に作動する選択肢が利用可能になる。

図に示された本発明のプロセス及び装置の上述の実施例の基本構成要素は、以下の通りである。
（ａ）空気分離プラントこのユニットは、タービン燃焼器内で炭層メタンを燃焼させるための酸素を生成するのに必要である。一般に、このプラントは、炭層メタンの完全燃焼に必要なＯ_２に対応した大きさの標準的な既製のユニットである。
（ｂ）ガス・タービン／発電機一般に、このユニットは標準的な燃焼器を装備した標準的なガス・タービンである。多段燃焼ガス圧縮機はクラッチ・ユニットと同じシャフトに嵌合され、タービンが普通に作動している場合、圧縮機を切り離すことが可能になる。ガス・タービン・ユニットに大型の多段圧縮機を取り付けることは、鉄鋼業では全く一般的なことであり、低Ｂｔｕの鉄鋼所ガスが、燃焼のために燃焼器に送られる前にこれらのユニットによって圧縮される。
（ｃ）熱回収蒸気発生器一般に、このユニットは標準的な二重圧力非加熱ユニット（double pressure unfired unit）である。
（ｄ）蒸気タービン／発電機一般に、蒸気サイクル付属品を備えたこのユニットは標準的な蒸気タービン・ユニットである。
（ｅ）燃焼ガス再循環及びＣＯ_２地下貯蔵システム一般に、このシステムは以下のものを含有する。
（ｉ）水分離器／ノックアウトユニット（water separator/knockout unit）一般に、このユニットは、燃焼ガス流が多段圧縮機ユニットに入る前に、燃焼ガス流から水がノックアウトされる単純な水分離プラントである。
（ｉｉ）ＣＯ_２多段圧縮機列図１に示された実施例では、一般に、このユニットは、圧縮の第１段における全燃焼ガス流と、地下貯蔵所用の燃焼ガスのより少ない流れとに対処するように設計されている。このより少ない流れは凝縮器に送られる前に７．３ＭＰａ（７３ｂａｒ）より高く加圧されることになる。
（ｉｉｉ）凝縮器このユニットは、主にＣＯ_２である液体燃焼ガスを、地下井戸に注入する前に、生成するのに必要である。

本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく上述の本発明の実施例に多くの変更を加えることができる。

例として、本発明の方法及び装置の、唯一ではない他の可能な、別の一実施例では、蒸気発生器２７からの燃焼ガスは回収熱交換器（recuperator）に通され、ある温度、一般に８０℃まで冷却され、その後水分離器３３に移送される。さらに、乾燥した燃焼ガスは、図に示された実施例の場合のように、多段燃焼ガス圧縮機列１７内の第１段の後で２つの流れに分割されることがない。そうではなく、水分離器３３からの乾燥した燃焼ガスの全部が圧縮機列１７内で圧縮され、次いで凝縮器３５に通される。次いで、凝縮器３５からの液体流は、２つの流れに分割され、一方の流れは地下貯蔵領域に供給され、他方の流れは回収熱交換器３１に通され、蒸気発生器２７からの燃焼ガスとの熱交換によって気相に変換される。次いで、回収熱交換器３１からの改質燃焼ガスは混合器９を介して燃焼器５に供給される。

Claims

ガス・タービン及び蒸気タービンを介して電力を発生させる方法であって、
（ａ）炭層メタンと、酸素含有ガスと、前記ガス・タービン内で生成された燃焼ガスとを、すべて圧力をかけて、前記ガス・タービンの燃焼器に供給し、前記炭層メタンを燃焼させ、加熱された燃焼生成物及び前記燃焼ガスを使用して前記ガス・タービンを駆動するステップと、
（ｂ）前記ガス・タービン内で生成された熱い燃焼ガス流を熱回収蒸気発生器に供給し、前記燃焼ガスの熱を使用して、前記蒸気発生器に供給された水との熱交換によって蒸気を発生させるステップと、
（ｃ）前記蒸気発生器からの蒸気を蒸気タービンに供給し、前記蒸気を使用して前記蒸気タービンを駆動するステップと、
（ｄ）（ｉ）前記熱回収蒸気発生器を通る、前記ガス・タービンからの前記燃焼ガス流の一部を前記ガス・タービンの前記燃焼器に供給し、（ｉｉ）前記熱回収蒸気発生器を通る、前記ガス・タービンからの前記燃焼ガス流の別の一部を好適な地下貯蔵領域に供給するステップと
を含む方法。
前記ガス・タービンの前記燃焼器に供給される酸素含有ガスが酸素である、請求項１に記載の方法。
前記ガス・タービンの前記燃焼器に供給される前記燃焼ガス流が、主にＣＯ_２である、請求項１又は請求項２に記載の方法。
ステップ（ｄ）が、前記ＣＯ_２含有燃焼ガス流の一部を前記ガス・タービンの前記燃焼器に供給し、前記燃焼ガス流の残りを地下貯蔵所へ供給するステップを含む、前記請求項のいずれか一項に記載の方法。
ステップ（ｄ）が前記ガス流を液相として前記地下貯蔵領域に供給するステップを含む、前記請求項のいずれか一項に記載の方法。
前記地下貯蔵領域が炭層である、前記請求項のいずれか一項に記載の方法。
前記地下貯蔵領域が、前記ガス・タービンを作動させるための炭層メタンが取り出される前記炭層である、請求項６に記載の方法。
ステップ（ｄ）が、炭層メタンを前記地下貯蔵領域から取り出すための既存の井戸構造を介して前記燃焼ガス流を前記地下貯蔵領域に供給するステップを含む、請求項７に記載の方法。
ステップ（ｄ）が前記燃焼ガスから水を分離するステップを含む、前記請求項のいずれか一項に記載の方法。
ステップ（ｄ）が、
（ｉ）前記ガス流を第１の圧力（一般に２〜３ＭＰａ（２０〜３０ｂａｒ））に圧縮するステップと、
（ｉｉ）前記圧縮された燃焼ガス流の一部を前記ガス・タービンの前記燃焼器に供給するステップと
を含む、前記請求項のいずれか一項に記載の方法。
ステップ（ｄ）が、
（ｉ）前記圧縮された燃焼ガス流の別の一部を第２のより高い圧力（一般に少なくとも７ＭＰａ（７０ｂａｒ）、より一般に少なくとも７．３ＭＰａ（７３ｂａｒ））に圧縮するステップと、
（ｉｉ）ステップ（ｉ）からの前記加圧された燃焼ガス流を冷却し、液相を形成するステップと、
（ｉｉｉ）前記液相を前記地下貯蔵領域に供給するステップと
をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
ガス・タービン及び蒸気タービンを介して電力を発生させるための装置であって、
（ａ）ガス・タービンと、
（ｂ）炭層メタンと、酸素含有ガスと、前記ガス・タービン内で生成された燃焼ガスとを、すべて圧力をかけて、前記ガス・タービンの燃焼器に供給し、前記炭層メタンを燃焼させ、加熱された燃焼生成物及び前記燃焼ガスを使用して前記ガス・タービンを駆動するための手段と、
（ｃ）前記ガス・タービンからの燃焼ガスとの熱交換によって、前記蒸気発生器に供給された水から蒸気を発生させるための熱回収蒸気発生器と、
（ｄ）前記蒸気発生器内で発生した蒸気によって駆動されるように構成された蒸気タービンと、
（ｅ）（ｉ）前記熱回収蒸気発生器を通る、前記ガス・タービンからの燃焼ガス流の一部を前記ガス・タービンの前記燃焼器に供給し、（ｉｉ）前記熱回収蒸気発生器を通る、前記ガス・タービンからの前記燃焼ガス流の別の一部を好適な地下貯蔵領域に供給するための手段と
を備える装置。
前記燃焼ガス流の一部を前記ガス・タービンの前記燃焼器に供給し、前記燃焼ガス流の別の一部を前記好適な地下貯蔵領域に供給するための前記手段が、前記地下貯蔵領域に供給すべき前記燃焼ガスを気相から液相に変換するための手段を含む、請求項１２に記載の装置。
前記ガス・タービンの前記燃焼器用の前記酸素含有ガスが酸素を含む状況において、前記装置が酸素を生成するための酸素プラントをさらに含む、請求項１２又は請求項１３に記載の装置。