JP2012026441A - ハイブリッド発電システム及びその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジンシステムと超臨界ランキンサイクルシステムを含むハイブリッド発電システムを提供する。
【解決手段】ガスタービンエンジンシステム１２の第１の圧縮機１８は、入口気流３０を圧縮して第１の圧力の第１の出口気流３２を生成し、中間冷却器３４は、第１の圧縮機１８を出る第１の出口気流３２を冷却して第２の出口気流３６を生成し、第２の圧縮機２０は、中間冷却器３４を出る第２の出口気流３６を圧縮して第２の圧力の第３の出口気流３８を生成する。超臨界ランキンサイクルシステム１４は、中間冷却器３４に結合されており、作動流体を第１の出口気流３２と熱交換を行い循環させ、作動流体は超臨界圧で加熱され、第１の圧縮機１８を出る第１の出口気流３２は冷却される。
【選択図】図１

Description

本発明は、概して発電システムに関し、特にガスタービンシステムとランキンサイクルシステムとを備えたハイブリッド発電システムに関する。

膨大な量の廃熱が、多様な産業的及び商業的なプロセスと活動により生じる。廃熱源の例として、暖房装置、蒸気ボイラ、エンジン、及び冷却システムからの熱が含まれる。例えば温度が摂氏３００度（華氏５７０度）未満の廃熱のように、廃熱が低度の場合、従来の排熱回収システムは、エネルギー回収を費用効果的に行えるだけの十分な効率で機能しない。最終的な結果として、莫大な量の廃熱が大気中、地中、又は水中に廃棄されてしまう。

一般に、ガスタービンエンジンシステムでは、空気を圧縮機又は多段圧縮機内で圧縮する。圧縮空気は、天然ガス又は軽油等の燃料と混合され、燃焼室内で燃焼する。燃焼により発生する排気ガスは、タービンの駆動に用いられ、これを用いて、発電したり回転を生じたりできる。暖かい日には、圧縮機入口の空気温度が高くなるので、ガスタービンの性能が低下することがある。圧縮段どうしの間で空気を中間冷却することにより、エンジン効率を高めることができる。従来、圧縮段どうしの間の空気の中間冷却による熱は、冷却塔を用いて大気中に排出される。中間冷却器の熱は、冷却塔から環境へと排出されると通常は無駄になる。また、この熱を低温で大気中に排出するには、大型の熱交換器とファンが必要になる。

別の用途において、ランキンサイクルシステムを用いて、ガスタービンの排気ガスの排出量を増加させることなく発電することもできる。基本的なランキンサイクルは通常、ターボ発電機、蒸発器／ボイラ、復水器、液体ポンプを含む。従来的に、このようなランキンサイクルシステムでは、作動流体が予熱され、気化され、過熱された後に膨張プロセスが実施される。しかし、作動流体の加熱にあたり、熱の大部分が沸点で取り出されるので、作動流体を加熱することにより取り出される熱の量が制限される「ピンチポイント」の問題、即ち空気と作動流体との温度差が許容可能な最小平均温度差になる問題に繋がる。

米国特許第６１３４８８０Ａ号

したがって、上記の欠点を克服する、改善されたシステム及び方法が必要である。

本発明の一実施例により、ハイブリッド発電システムを開示する。このハイブリッド発電システムは、ガスタービンエンジンシステムと超臨界ランキンサイクルシステムとを含む。ガスタービンエンジンシステムは、第１の圧縮機と中間冷却器と第２の圧縮機とを含む。第１の圧縮機は、入口気流を圧縮して、第１の圧力の第１の出口気流を生成する。中間冷却器が、第１の圧縮機に結合されており、第１の圧縮機を出る第１の出口気流を冷却して、第２の出口気流を生成するように構成されている。第２の圧縮機が、中間冷却器に結合されており、中間冷却器を出る第２の出口気流を圧縮して、第２の圧力の第３の出口気流を生成するように構成されている。超臨界ランキンサイクルシステムが、ガスタービンエンジンシステムに結合されている。超臨界ランキンサイクルシステムが中間冷却器に結合されており、作動流体を第１の出口気流と熱交換を行い循環させることで、作動流体が超臨界圧で第１の温度から作動流体の臨界温度よりも高い第２の温度に加熱されると共に、第１の圧縮機を出る第１の出口気流が冷却される。

別の実施例によると、超臨界ランキンサイクルシステムが、伝熱流体を循環させるように構成された中間流体ループによりガスタービンエンジンシステムに結合される。伝熱流体は第１の出口気流と熱交換を行い循環し、作動流体は伝熱流体と熱交換を行い循環し、これによって、作動流体が超臨界圧で第１の温度から作動流体の臨界温度よりも高い第２の温度に加熱されると共に、第１の圧縮機を出る第１の出口気流が冷却される。

本発明のまた別の実施例によると、上記のハイブリッド発電システムに関する、ハイブリッド発電の方法を開示する。

全図面を通じて同様の部品を同様の符号で表した添付図面を参照しながら、以下の発明を実施するための形態を読むと、本発明のこれらとその他の特徴、態様、及び利点をより深く理解できよう。

本発明の一実施例による、ガスタービンエンジンシステムと超臨界ランキンサイクルシステムとを備えたハイブリッド発電システムの線図である。 従来の亜臨界ランキンサイクルシステムと本発明の一実施例による超臨界ランキンサイクルシステムとを比較する、温度（Ｔ）とエントロピー（Ｓ）との関係を示したグラフである。 本発明の一実施例による向流式中間冷却器の線図である。 本発明の一実施例による向流式中間冷却器の線図である。 本発明の一実施例による、中間流体ループにより超臨界ランキンサイクルシステムに結合されたガスタービンエンジンシステムを備えた、ハイブリッド発電システムの線図である。

本発明の態様により、ハイブリッド発電システムを開示する。このハイブリッド発電システムは、ガスタービンエンジンシステムと超臨界ランキンサイクルシステムとを含む。ガスタービンエンジンシステムは、第１の圧縮機、中間冷却器、第２の圧縮機、燃焼器とタービンを含む。第１の圧縮機は、入口気流を圧縮して第１の圧力の第１の出口気流を生成する。中間冷却器は、第１の圧縮機に結合されており、第１の圧縮機を出る第１の出口気流を冷却して第２の出口気流を生成するように構成される。第２の圧縮機は、中間冷却器に結合されており、中間冷却器を出る第２の出口気流を圧縮して第２の圧力の第３の出口気流を生成するように構成される。超臨界ランキンサイクルシステムが中間冷却器に結合されており、作動流体を第１の出口気流と熱交換を行い循環させることで、作動流体が超臨界圧で第１の温度から作動流体の臨界温度よりも高い第２の温度に加熱されると共に、第１の圧縮機を出る第１の出口気流が冷却される。一部の実施例では、超臨界ランキンサイクルシステムが中間流体ループにより中間冷却器に結合される。本明細書に記載のように、ガスタービンエンジン圧縮機の中間冷却による熱を利用した、超臨界ランキンサイクルシステムを介した発電が可能である。加えて、超臨界ランキンサイクルシステムにより、ガスタービンエンジンシステムの２つの圧縮段の間の圧縮空気を適切に冷却できる。

図１を参照しながら、ハイブリッド発電システム１０の一例を開示する。このハイブリッド発電システム１０は、ガスタービンエンジンシステム１２と超臨界ランキンサイクルシステム１４とを含む。本発明の態様によるガスタービンエンジンシステム１２はガスタービンエンジン１６を含む。ガスタービンエンジン１６は、ガスタービン軸２４によって互いに結合された第１の圧縮機（即ち低圧圧縮機）１８、第２の圧縮機（即ち高圧圧縮機）２０、タービン２２を含む。第２の圧縮機２０は燃焼器２６に結合されている。燃焼器２６の出口はタービン２２の入口に結合されている。負荷発電機２８は、タービン２２に機械的に結合され、発電するように構成される。ガスタービンエンジン１６は、負荷発電機２８が所望の速度又は負荷に維持されるように動作する。

第１の圧縮機１８は、フィルタ（図示せず）を介して吸気３０（即ち周囲空気）を引き込み、空気３０を圧縮して第１の圧力の第１の出口気流３２を生成する。空気３０の温度は圧縮により上昇する。ガスタービンエンジンシステム１２は、第１の圧縮機１８と第２の圧縮機２０との間に結合された中間冷却器３４を含む。第１の圧縮機１８からの圧縮空気（即ち第１の出口気流）３２は、中間冷却器３４を通過する。運転時、圧縮空気３２が中間冷却器３４を通り、空気の温度が低下した後に第２の圧縮機２０に送給されるようになっている。この実施例では、超臨界ランキンサイクルシステム１４内で循環する作動流体を利用して、圧縮空気からの熱除去を促進することで、第２の出口気流３６を生成する。中間冷却器３４からの冷却された圧縮空気（即ち第２の出口気流）３６は、第２の圧縮機２０に供給される。第２の圧縮機２０は、冷却された空気３６を圧縮して、第１の圧力よりも高い第２の圧力の第３の出口気流３８を生成するように構成される。

燃料４０は、第２の圧縮機２０からの圧縮空気（即ち第３の出口気流）３８と混合され、エンジンシステム１２の燃焼器２６内で燃焼し、これによって、第３の出口気流３８の温度が上昇する。燃焼器２６からの燃焼排気ガス４２はタービン２２に供給される。タービン２２は、排気ガス４２の膨張によりエネルギーを取り出して、圧縮機１８、２０及び発電機２８に結合されたガスタービン軸２４を回転させる。膨張したガス４４は、タービン２２の出口から排出される。

図示の実施例では、超臨界ランキンサイクルシステム１４が中間冷却器３４に結合されている。作動流体は、超臨界ランキンサイクルシステム１４を通って循環する。一部の実施例において、超臨界ランキンサイクルシステム１４は超臨界有機ランキンサイクルシステムであり、作動流体は有機作動流体である。有機作動流体には、ブタン、プロパン、ペンタン、シクロヘキサン、シクロペンタン、チオフェン、ケトン、芳香族化合物、及びＲ１３４ａ、Ｒ２４５ｆａ等の冷媒、又はこれらを組み合わせたものが含まれ得る。その他の一部の実施例では、作動流体に非有機的な作動流体が含まれる。

超臨界ランキンサイクルシステム１４は、作動流体が第１の出口気流３２と熱交換を行い循環するように、中間冷却器３４に結合される。一部の実施例では、作動流体と第１の出口気流３２とが中間冷却器３４を通って向流方向に循環する。作動流体は、自身の臨界圧よりも高い圧力で第１の温度から自身の臨界温度よりも高い第２の温度に加熱される。同時に、第１の圧縮機を出る第１の出口気流が適切に冷却される。超臨界ランキンサイクルシステム１４の作動流体を中間冷却器３４で冷媒として用いることで、第１の圧縮機１８から供給される圧縮空気３２の熱の除去を促進できる。第１の圧縮機１８からの圧縮空気３２は、第２の圧縮機２０に流入する前に冷却され、作動流体が加熱される。

超臨界状態の作動流体は、その後、膨張機４６（一例では半径流式膨張機を含む）を通り、発電用に構成された発電機４８を駆動させる。膨張プロセス中、作動流体は膨張して低圧化し、通常は過熱流体の状態になる。なお、本明細書において、このときの圧力は、亜臨界ランキンサイクルシステムにおける膨張後の作動流体の圧力と比べて低いものとして述べている。その他の一部の実施例において、膨張機４６は、軸流式膨張機、半径流式膨張機、又は高温スクリュー式膨張機、往復動式膨張機、又はこれらを組み合わせたものであってよい。膨張機４６を通過した後、相対的に低圧且つ低温の作動流体蒸気は、復水器５０に送られる。復水器５０において、作動流体の蒸気が凝縮されて液体になった後、この液体はポンプ５２により中間冷却器３４にポンプ送りされる。その後は、このサイクルが繰り返される。サイクルの設計に応じて、作動流体が復水器５０に流入する前にレキュペレータ５１を通るようにして、液状の作動流体を予熱してもよい。こうした実施例において、レキュペレータ５１は、復水済み作動流体を膨張機４６から供給される膨張した作動流体と熱交換を行い循環させることによって、復水器５０から供給される復水済み作動流体が予熱された後、中間冷却器３４に供給されるように構成される。

上記のように、中間冷却式ガスタービンエンジンシステムでは、中間冷却器の熱は通常無駄になり、こうした熱を低温で排出するには大型熱交換器及びファンが必要になる。また、ランキンサイクルシステムでは従来的に、作動流体を予熱、気化、及び過熱した後に膨張プロセスが実施される。これは、作動流体を加熱することによって空気から取り出すことができる熱の量が制限される「ピンチポイント」の問題、即ち空気（第１の出口気流）と作動流体との温度差が許容可能な最小平均温度差になる問題に繋がる。第１の出口気流３２と作動流体との温度差の制御は、ポンプ５２を用いて中間冷却器３４を通る作動流体の質量流量を制御することによって行われる。

本発明の態様によると、超臨界ランキンサイクルシステムの作動流体は、作動流体を相変化させることなく、超臨界圧で第１の温度から作動流体の臨界温度よりも高い第２の温度に加熱される。換言すると、作動流体は、等温蒸発を伴うことなく超臨界圧で加熱される。こうして、「ピンチポイント」問題が回避される。よって、空気（第１の出口気流）と作動流体との間の平均温度差がより小さい状態で熱をより効率的に取り出すことができる。熱交換プロセスの不可逆性の度合いが小さくなるので、熱をより効率的に取り出すことができ、作動流体温度と作動流体の質量流量とが相対的に増加する。発電効率が高まり、中間冷却器の冷却要件が適切に満たされる。

図２を参照すると、従来の亜臨界ランキンサイクルシステムと本発明の実施例による超臨界ランキンサイクルシステムとを比較する、温度（Ｔ）とエントロピー（Ｓ）との関係を表したグラフを示す。作動流体の液体領域、二相領域、蒸気領域を、それぞれ参照符号２３、２５、２７で示す。従来の亜臨界ランキンサイクルシステムを表す曲線を参照符号２９で示す。本発明の実施例による超臨界ランキンサイクルシステムを表す曲線を参照符号３１で示す。第１の圧縮機から供給される第１の出口気流を表す冷却曲線を参照符号３３で示す。

なお、本明細書では、図２のグラフにおいて、第１の出口気流の冷却曲線３３と超臨界ランキンサイクルシステムの加熱曲線３１との間隔が狭まると、空気と作動流体との間の平均温度差がより小さい状態でより効率的な熱の抽出を行える。蒸気線の正の勾配に伴って作動流体は膨張し、通常は過熱流体の状態となる。

図３を参照して、本発明の実施例による中間冷却器３４を開示する。図示の実施例において、中間冷却器３４は向流式熱交換器である。高温の第１の出口気流３２と低温の第２の出口気流３６とが一方向に沿って示されており、蛇行コイル管３５を通る作動流体の流れは逆の方向に沿って示されている。

図４を参照して、本発明の実施例による中間冷却器３４を開示する。図示の実施例において、中間冷却器３４は向流式熱交換器である。中間冷却器３４は圧力シェル３９の内側に配置されるフィン付き管コイル３７を含む。作動流体はフィン付き管コイル３７を通る。高温の第１の出口気流３２と低温の第２の出口気流３６とが作動流体の流れに対向する流れ方向に沿って示されている。

図５を参照しながら、ハイブリッド発電システム１０の一例を開示する。システム１０は、ランキンサイクルシステム１４が中間流体ループ５４によりガスタービンエンジンシステム１２に結合される点を除いて、図１に示した実施例と同様である。図示の実施例では、伝熱流体が中間流体ループ５４を通って循環する。一実施例において、伝熱流体は水である。別の実施例において、伝熱流体は熱媒油である。こうした実施例を用いると、いかなる漏れが生じた場合でも作動流体を空気から分離できる。

中間ループ５４は、伝熱流体が第１の出口気流３２と熱交換を行い循環するように、間冷却器３４に結合されている。一部の実施例では、伝熱流体と第１の出口気流３２とが中間冷却器３４を通って向流方向に循環する。中間冷却器３４を用い、第１の出口気流３２によって伝熱流体を相対的に高温に加熱する。これによって、第１の出口気流３２も適切に冷却され、第２の出口気流３６が生成される。第２の出口気流３２は、その後、上記の実施例で述べたように第２の圧縮機２０に供給される。

中間冷却器３４からの高温の伝熱流体は、熱交換器５６（即ち加熱器）によって、超臨界ランキンサイクルシステム１４の作動流体と熱交換を行い循環する。作動流体は、超臨界圧で第１の温度から作動流体の臨界温度よりも高い第２の温度に加熱される。同時に、熱交換器５６を出る伝熱流体が冷却される。超臨界ランキンサイクルシステム１４の作動流体は、熱交換器５６において冷媒として用いられ、伝熱流体による圧縮空気３２からの熱の除去を促進する。第２の圧縮機２０に流入する前に第１の圧縮機１８からの圧縮空気３２は冷却されるが、作動流体は伝熱流体により加熱される。

図１の実施例と同様に、超臨界状態の作動流体は、その後、膨張機４６を通り、発電用に構成された発電機４８を駆動させる。超臨界ランキンサイクルシステム１４の残りのステップは、図１の実施例と同様である。伝熱流体は、その後、ポンプ５８を用いて熱交換器５６から中間冷却器３４に送り返される。

従来のシステムとは異なり、図１及び２の実施例によると、作動流体は等温蒸発せず、単一相で（相変化せずに）加熱される。作動流体は「超臨界の高濃度蒸気状流体」として膨張機４６に供給される。膨張プロセス中、作動流体は膨張し、通常は過熱流体の状態となる。

本発明の一部の特徴のみを図示及び記述したが、当業者には多くの修正及び改変が想到されよう。したがって、添付の特許請求の範囲は、こうした修正及び改変も全て本発明の本質に含まれるものとして包含することを意図していると理解されたい。

１０ ハイブリッド発電システム
１２ ガスタービンエンジンシステム
１４ 超臨界ランキンサイクルシステム
１６ ガスタービンエンジン
１８ 第１の圧縮機
２０ 第２の圧縮機
２２ タービン
２３ 液体領域
２４ ガスタービン軸
２５ 二相領域
２６ 燃焼器
２７ 蒸気領域
２８ 負荷発電機
２９ 従来の亜臨界ランキンサイクルシステムを表す曲線
３０ 吸気
３１ 超臨界ランキンサイクルシステムを表す曲線
３２ 第１の出口気流
３３ 第１の圧縮機から供給される第１の出口気流を表す冷却曲線
３４ 中間冷却器
３５ 蛇行コイル管
３６ 第２の出口気流
３７ フィン付き管コイル
３８ 第３の出口気流
３９ 圧力シェル
４０ 燃料
４２ 燃焼排気ガス
４４ 膨張したガス
４６ 膨張機
４８ 発電機
５０ 復水器
５１ レキュペレータ
５２ ポンプ
５４ 中間流体ループ
５６ 熱交換器
５８ ポンプ

Claims (10)

1. 入口気流（３０）を圧縮して第１の圧力の第１の出口気流（３２）を生成するように構成された第１の圧縮機（１８）と、
   前記第１の圧縮機（１８）に結合され、前記第１の圧縮機（１８）を出る前記第１の出口気流（３２）を冷却して第２の出口気流（３６）を生成するように構成された中間冷却器（３４）と、
   前記中間冷却器（３４）に結合され、前記中間冷却器（３４）を出る前記第２の出口気流（３６）を圧縮して第２の圧力の第３の出口気流（３８）を生成するように構成された第２の圧縮機（２０）と、を備えたガスタービンエンジンシステム（１２）と、
   前記ガスタービンエンジンシステム（１２）に結合された超臨界ランキンサイクルシステム（１４）であって、前記中間冷却器（３４）に結合され、作動流体を前記第１の出口気流（３２）と熱交換を行い循環させることで、前記作動流体が超臨界圧で第１の温度から前記作動流体の臨界温度よりも高い第２の温度に加熱され、前記第１の圧縮機（１８）を出る前記第１の出口気流（３２）が冷却される超臨界ランキンサイクルシステム（１４）と、
   を備えたハイブリッド発電システム（１０）。
2. 前記超臨界ランキンサイクルシステム（１４）は、超臨界有機ランキンサイクルシステムを含む、請求項１に記載のハイブリッド発電システム（１０）。
3. 前記作動流体は、前記作動流体の相変化を伴うことなく、超臨界圧で前記第１の温度から前記作動流体の前記臨界温度よりも高い前記第２の温度に加熱される、請求項１に記載のハイブリッド発電システム（１０）。
4. 前記超臨界ランキンサイクルシステム（１４）は、前記中間冷却器（３４）に結合されており、前記作動流体を前記第１の出口気流（３２）と熱交換を行い向流方向に循環させる、請求項１に記載のハイブリッド発電システム（１０）。
5. 前記超臨界ランキンサイクルシステム（１４）は、前記中間冷却器（３４）から受け取った前記加熱された作動流体を膨張させて低圧化するように構成された膨張器（４６）を含む、請求項１に記載のハイブリッド発電システム（１０）。
6. 前記超臨界ランキンサイクルシステム（１４）は、前記膨張機（４６）に結合された、前記膨張機（４６）から供給される前記作動流体を凝縮させるように構成された復水器（５０）を更に含む、請求項５に記載のハイブリッド発電システム（１０）。
7. 前記ガスタービンエンジンシステム（１２）は、前記第２の圧縮機（２０）に結合された、燃料（４０）と前記第２の圧縮機（２０）を出る前記第３の出口気流（３８）との混合物を燃焼させるように構成された燃焼器（２６）を更に含む、請求項１に記載のハイブリッド発電システム（１０）。
8. 前記ガスタービンエンジンシステム（１２）は、前記燃焼器（２６）に結合された、前記燃焼器（２６）を出る燃焼排気ガス（４２）を膨張させて発電するように構成されたタービン（２２）を更に含む、請求項１に記載のハイブリッド発電システム（１０）。
9. 入口気流（３０）を圧縮して第１の圧力の第１の出口気流（３２）を生成するように構成された第１の圧縮機（１８）と、
   前記第１の圧縮機（１８）に結合され、前記第１の圧縮機（１８）を出る前記第１の出口気流（３２）を冷却して第２の出口気流（３６）を生成するように構成された中間冷却器（３４）と、
   前記中間冷却器（３４）に結合され、前記中間冷却器（３４）を出る前記第２の出口気流（３６）を圧縮して第２の圧力の第３の出口気流（３８）を生成するように構成された第２の圧縮機（２０）と、を備えたガスタービンエンジンシステム（１２）と、
   伝熱流体を循環させるように構成された中間流体ループ（５４）により前記ガスタービンエンジンシステム（１２）に結合された超臨界ランキンサイクルシステム（１４）であって、前記伝熱流体を前記第１の出口気流（３２）と熱交換を行い循環させると共に、前記作動流体を前記伝熱流体と熱交換を行い循環させることで、前記作動流体が超臨界圧で第１の温度から前記作動流体の臨界温度よりも高い第２の温度に加熱されると共に、前記第１の圧縮機（１８）を出る前記第１の出口気流（３２）が冷却される超臨界ランキンサイクルシステム（１４）と、を備えたハイブリッド発電システム（１０）。
10. ハイブリッド発電システム（１０）の運転方法であって、
    第１の圧縮機（１８）で入口気流（３０）を圧縮し、第１の圧力の第１の出口気流（３２）を生成するステップと、
    中間冷却器（３４）で前記第１の圧縮機（１８）を出る前記第１の出口気流（３２）を冷却し、第２の出口気流（３６）を生成するステップと、
    第２の圧縮機（２０）で前記中間冷却器（３４）を出る前記第２の出口気流（３６）を圧縮し、第２の圧力の第３の出口気流（３８）を生成するステップと、を含み、
    前記第１の出口気流（３２）を冷却するステップは、超臨界ランキンサイクルシステム（１４）の作動流体を、前記第１の出口気流（３２）と熱交換を行い循環させ、前記作動流体を超臨界圧で第１の温度から前記作動流体の臨界温度よりも高い第２の温度に加熱するステップを含む、方法。