JP2013538032A - 発電プラント装置 - Google Patents
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Abstract
本発明は、発電のための発電プラント装置（１）に関し、ガスタービン（３）によって駆動される少なくとも一つの第１の発電機（２）と、往復ピストンエンジン（５）によって駆動される少なくとも一つの第２の発電機（４）とを含んでいる。本発明によれば、少なくとも一つの第１の発電機（２）と少なくとも一つの第２の発電機（４）は、電力を共同ネットワーク（６）に供給し、それによって共同ネットワーク（６）が電気消費者（８）に電気的に接続されるセクションスイッチ（７）が提供されている。
【選択図】図１
【選択図】図１
Description
本発明は、電力を発生させる発電プラント装置と、この種の発電装置を少なくとも一つ有する発電プラントと、発電プラント装置またはこの種の発電プラントの操作方法とに関する。
発電プラント（発電所）技術において、電力を発生させるために幅広い多様な技術や方法が利用されている。一般的に化石燃料で作動する火力発電プラントは、ここでは相対的に大きな割合を占めている。代表的なものには、石炭燃料発電プラント、重油またはディーゼル燃料およびガス燃料発電プラントがある。ガス燃料発電プラントは、様々な理由から近年市場が拡大しており、将来重要性が増し続けると考えられている。
ガス燃料発電プラントの場合、主な代表例は、ガスタービン発電プラントであり、急速に増加しつつあるが、複合サイクル発電プラント（ＣＣＰＰ）である。ガスエンジンは、相対的に小さな出力範囲で幅広く使用されている。
熱発電プラントで現在達成されているものでは、ＣＣＰＰは、最も効率的であり、約６０％まで達成している。コストの理由で、この技術は、３００ＭＷ以上の発電プラント出力でのみコスト効率よく使用される。
特に、ガスタービンプラントの設置および運転コストは非常に低いが、効率は、３５％から４０％の間でのみ達成される。ガスタービンプラントは、主として消費ピークをカバーし、平衡化用エネルギーを発生させるために使用されている。
ガスタービンプラントとＣＣＰＰの主な問題領域は、相対的に低い部分負荷効率と、負荷下（特に運用負荷挙動）での非常に劣った制御挙動とを含んでいる。
４８％までの効率性の約１００ＭＷまでの発電プラント出力では、往復ピストンエンジンプラントは、非常にコスト効率が良い。出力に対するこの非常に高い全負荷効率に加えて、ガスエンジンは、ディーゼルエンジンに匹敵する部分負荷における非常に良好な効率性と、負荷下における相対的に良好な制御挙動とを有する。
ガスエンジンプラントの欠点は、ガスタービンと比較して、相対的に高い運転、作業および維持コスト、および非常に多い汚染物質排出量である。
これらのガス発電プラント技術のそれぞれは、特定の利点と欠点を有し、その結果最も適切な変形は、特定の必要性と限界条件に依存している。
その発電機が往復ピストンエンジンによって駆動される発電プラントは、消費者ブリッドの突然のショートインタラプション（short interruption）の場合、公共グリッドのものと比較して、発電機セットの周波数に相対的に急速な変化が発生する可能性があり、よって、グリッド電圧が回復したとき、発電機とグリッドとの間の不適合な位相シフトが発生することがある。そのような場合、発電機セットの部材へ損傷を与えるか、または停電につながることがある。
本発明の目的は、例えば公共電気グリッドなどの電力消費者による、電力消費のショートインタラプションの場合にも、許容可能な制限範囲内の周波数の偏移のみが発生する、コスト効率が良い電力発電プラント装置の提供である。
この目的は、請求項１の特徴を有する発電プラント装置によって達成される。
本発明によれば、特にガスエンジンである往復ピストンエンジンおよびガスタービンは、それぞれの場合に発電機を駆動し、その電力は、共同グリッドへと供給される。この共同グリッドは、例えば公共グリッドなどの電気消費者にセクションスイッチによって接続できる。セクションスイッチが開かれるか、または公共グリッドなどの電気消費者が脱活性化されると、共同グリッドの周波数が本質的にガスタービンの挙動によって決定され、ガスタービンロータの惰性によって、それは非常に安定した状態で制御される。このようにして、グリッドに対するショートインタラプションの場合にも、共同グリッドの電圧周波数を許容範囲内に保つことが可能である。
本発明の別な有利な実施態様は、従属請求項において定義されている。
それぞれが一つの発電機を駆動させる、一つのガスタービンと一つの往復ピストンエンジンをそれぞれの発電プラント装置に提供することが想定できる。しかしながら、変形例も想定可能である。例えば、それぞれがそれ自体の発電機を駆動させる、少なくとも二つの往復ピストンエンジンをそれぞれのガスタービンのために提供できる。
例えば、ときには往復ピストンエンジンは、ガスエンジンの形態であることが想定される。
本発明では、両方の構造体の最大の相乗効果が達成されるよう、ガスタービンとガスエンジンを一つの発電プラント装置内に一体化させることができ、このようにしてコストを減少させ、性能を向上させることができる。すなわちプランと全体の運転性能が向上する。
ガスエンジンとガスタービンの汚染物質排出を削減させるため、好適にはガスエンジンに排出を減少させるための適切な技術が提供される。これは、例えば、酸化触媒コンバータとＳＣＲ触媒コンバータの組合せの利用、またはガスエンジンの燃料の改質および超希薄運転プロセスの使用のいずれかによって実行される。発電プラント装置内に配置される追加の装備が両者の排出低減法に必要である。
好適には、ガスタービン構造体によって、発電プラント装置の全負荷出力の約８０％が提供される。これは、２０％以下の負荷需要の場合にはタービンのスイッチが切られ、電力を非常に高いエンジン効率（往復ピストンエンジンの全負荷範囲内で）で発生させることができる。
この発電プラント装置のコンセプトは、特に、約４００ＭＷまでの出力容量の発電プラント複合体のためのモジュール式サブユニットを形成するように設計されていることである。そのようなサブユニットから形成される発電プラント装置で、微細段階での全出力に関して、構造体出力は、構造体が全負荷での運用状態のままで、追加または除去されることができる。
以下の機器は、発電プラント部品のための標準的な機械ホールまたは建築物である。
・ガスタービン発電機セット：出力範囲３０ＭＷから７０ＭＷ
・ガスエンジン発電機セット：出力範囲５ＭＷから２０ＭＷ。
・ガスエンジンまたは排気後処理装置のプロペラントのためのＨ２再生成装置。
・酸化触媒コンバータとＳＣＲ触媒コンバータとの組合せ。
・全ての発電プラント部材および部品のための制御、調節およびモニター装置。
・ガスエンジンおよびガスタービンのためのプロペラント制御および安全システム。
・両発電機構造体の始動および運用のための補助装置。
・両発電機構造体のための共通の吸気フィルター。
・エンジンルーム換気装置。
・熱交換機。
・パイプライン経路。
・ガスタービン発電機セット：出力範囲３０ＭＷから７０ＭＷ
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・熱交換機。
・パイプライン経路。
以下の機器は、例えば機械ホールのための建築物の屋根上に配置される。
・エンジンクーラント、エンジンオイル、および注入空気のためのドライクーラーまたは大気熱交換機。
・ガスタービンのコンプレッサのための空気の中間冷却装置（オプション）。
・吸気サイレンサを備えた吸気ボックス。
・排気スタックを備えた排気サイレンサ。
以下のように提供されているとさらに有利である。
・ガスエンジンおよびガスタービンが吸気、吸気消音および燃焼空気の濾過のために同じ装置を使用する。
・ガスエンジンおよびガスタービンが排気消音およびスタックシステムのために同じ装置を使用する。
・エンジンルーム換気装置がガスタービンとガスエンジンの両方のために設計されている。
・全ての部品のための制御、調節および安全機能が共通の中央処理装置によって実行される。
・消費者グリッドに電圧を適応させるよう、ガスエンジン構造体とガスタービン構造体とが共通の変圧器を有する。
・実際の温度レベルに応じて、冷却装置の使用がガスエンジンとガスタービンによって共用される。
・ガス制御および安全システムの使用がガスエンジンとガスタービンによって可能な限り共用される。
・ガスエンジンとガスタービンに、空気および排気ダクトを始動前と停止後にフラッシュ処理する（安全性の理由）共通のフラッシュ空気装置が供給される。
・エンジンクーラント、エンジンオイル、および注入空気のためのドライクーラーまたは大気熱交換機。
・ガスタービンのコンプレッサのための空気の中間冷却装置（オプション）。
・吸気サイレンサを備えた吸気ボックス。
・排気スタックを備えた排気サイレンサ。
以下のように提供されているとさらに有利である。
・ガスエンジンおよびガスタービンが吸気、吸気消音および燃焼空気の濾過のために同じ装置を使用する。
・ガスエンジンおよびガスタービンが排気消音およびスタックシステムのために同じ装置を使用する。
・エンジンルーム換気装置がガスタービンとガスエンジンの両方のために設計されている。
・全ての部品のための制御、調節および安全機能が共通の中央処理装置によって実行される。
・消費者グリッドに電圧を適応させるよう、ガスエンジン構造体とガスタービン構造体とが共通の変圧器を有する。
・実際の温度レベルに応じて、冷却装置の使用がガスエンジンとガスタービンによって共用される。
・ガス制御および安全システムの使用がガスエンジンとガスタービンによって可能な限り共用される。
・ガスエンジンとガスタービンに、空気および排気ダクトを始動前と停止後にフラッシュ処理する（安全性の理由）共通のフラッシュ空気装置が供給される。
一体型発電プラント装置の運転管理および機能（オプション）：
・以下の理由により、ガスエンジンは、ガスタービンよりも長時間にわたって運転される。
・以下の理由により、ガスエンジンは、ガスタービンよりも長時間にわたって運転される。
ガスエンジンの効率は、約４８％であり、このようにガスタービンのそれ（約３８％）よりもかなり高い。この差は、部分負荷で大幅に増加する。
発電プラントの部分負荷需要のため、タービンは、タービンの名目上の負荷の２０％以下でスイッチが切られ、この結果、基準発電出力は、非常に効率良く発電できる。
・ガスタービン発電機セットの始動のため、特に始動装置であるが、ガスタービンの補助装置を起動させるため、既に運転しているエンジンが使用される。
・エンジンからの廃棄熱とタービンからの廃棄熱は、それぞれのレベルで共に回収され、環境中に放出されるか、または様々な消費者ネットワークに供給される。例えば、エンジンの冷却熱、エンジンとタービンのオイル熱、エンジンおよびガスタービンの熱交換機の高温段階からの熱、および（共通の）廃棄熱ボイラからの熱は、約９０℃の温度レベルでの加熱のために熱消費者に供給される。
・しかしながら、ガスエンジンおよびガスタービンからの排気ガスのエネルギーは、例えば、電気エネルギーをさらに発生させるよう（有機ランキンサイクルなどを介して）、共通の蒸気プロセスにも供給できる。
・急速な負荷適用または負荷衝撃が関与する利用の場合には、エンジンは、その結果、負荷衝撃前の低負荷で運転され、ガスタービンと比較してかなり良好であるガスエンジンの設計負荷容量が大いに利用できる。
・ガスタービン発電機セットの始動のため、特に始動装置であるが、ガスタービンの補助装置を起動させるため、既に運転しているエンジンが使用される。
・エンジンからの廃棄熱とタービンからの廃棄熱は、それぞれのレベルで共に回収され、環境中に放出されるか、または様々な消費者ネットワークに供給される。例えば、エンジンの冷却熱、エンジンとタービンのオイル熱、エンジンおよびガスタービンの熱交換機の高温段階からの熱、および（共通の）廃棄熱ボイラからの熱は、約９０℃の温度レベルでの加熱のために熱消費者に供給される。
・しかしながら、ガスエンジンおよびガスタービンからの排気ガスのエネルギーは、例えば、電気エネルギーをさらに発生させるよう（有機ランキンサイクルなどを介して）、共通の蒸気プロセスにも供給できる。
・急速な負荷適用または負荷衝撃が関与する利用の場合には、エンジンは、その結果、負荷衝撃前の低負荷で運転され、ガスタービンと比較してかなり良好であるガスエンジンの設計負荷容量が大いに利用できる。
本発明の有利な面は、投資コストが、発電プラント装置の装置と部品の使用を可能な限り最大限に共有するガスタービンとガスエンジンによって減少することである。
さらに、本発明では、標準化された発電プラント装置を、発電プラント複合体または発電プラントを形成するように組み合わせることができるように構築可能にし、高い製造量と高度なプレハブ工法による非常に低い製造コストを可能にする。
さらに、利点は、大規模な発電プラントと比較してより少ない熱が生産されるという結果でもあり、したがって、適切な消費者ネットワークでの廃棄熱の処分のためにさらなる可能性が存在する。これは分散化をより実行可能にする。
ガスタービンとガスエンジンの一体結合の効率は、全負荷範囲で、純粋なガスタービンプラントよりも約２％高い。部分負荷運転が実行される方法で、例えば、当初はガスエンジンのみが部分負荷で運転されるか、またはガスタービンのみか、または両システムが同時的に運転されるかはプラントの効率性に影響を及ぼさない。例えば、
ａ）ガスエンジン出力のみを減少させることによってプラント出力が減少し、ガスタービンは全負荷で運転を継続する。
ａ）ガスエンジン出力のみを減少させることによってプラント出力が減少し、ガスタービンは全負荷で運転を継続する。
ｂ）ガスタービン出力のみを減少させることによってプラント出力が減少さし、ガスエンジンは全負荷で運転を継続する。
ｃ）ガスエンジンとガスタービンの出力を同程度減少させることで、プラント出力が減少される。
現在のガスエンジンは、おおむね排気ガス中の汚染物排出量が少なく、この点でディーゼルエンジンよりもはるかに環境に優しい。しかしながら、ガスタービンからの放出は、さらに大幅に少ない。特に、ＮＯｘと不燃状態の炭化水素の場合、対応する排気後処理がないガスエンジンからの放出は、ガスタービンからの放出よりもかなり多い。
ガスタービン発電プラントのための放出ガイドラインは、ガスタービンで達成できる値に基づいており、その結果、ガスエンジンプラントは、対応する放出低減策なしでは、タービン装置と通常は結合できない。この目的のため、様々な方法が利用できる：例えば酸化および/またはＳＣＲ触媒コンバータによる排気後処理に加えて、例えば水素の再生成などの混合物の超希薄化および/または燃料の予備処理が使用される。
本発明のさらなる利点と詳細は、図面と図面に関連する説明から明らかになる。
図１は、本発明による発電プラント装置１の論理的設計の概略図であり、それぞれが発電機４と２をそれぞれ駆動させる、往復ピストンエンジン５とガスタービン３を含んでいる。ガスタービン３（圧縮ステージ３１、ガス供給器を備えた燃焼チャンバ３２、拡張ステージ３３、シャフト３４）の設計は、従来技術であるため、概略的にのみ示されている。
発電機２と４は、それらの電力を電気消費者８に電気的に接続できる共同グリッド６（ここでは公共グリッドとして例示）にセクションスイッチ７によって供給している。
図２は、発電プラント装置１内の発電プラント要素の基本的配置のレイアウトを示している。発電プラント装置１内には、ガスエンジン５の推進燃料とガスエンジン５の排気ガスそれぞれのための再生成装置または排気後処理装置９、ガスエンジン発電機構造体４と５、ガスタービン発電機構造体１と２、熱交換機と補助装置１０、電源装置１１および制御・調節キャビネット１２が存在する。
図３は、発電プラント装置１の概略図である。機械建築物１３の上方には、ドライクーラー装置１４、排気スタック１６を備えた排気サイレンサ１５および吸気空気のためのサイレンサスプリッタ１７が存在する。
Claims (10)
- 電力を発生させるための発電プラント装置（１）であって、
ガスタービン（３）によって駆動されるように設計された少なくとも一つの第１の発電機（２）と、
往復ピストンエンジン（５）によって駆動されるように設計された少なくとも一つの第２の発電機（４）と、
を含んでおり、前記少なくとも一つの第１の発電機（２）と前記少なくとも一つの第２の発電機（４）は、共同グリッド（６）に電力を供給し、該共同グリッド（６）を電気消費者（８）に電気的に接続するよう、セクションスイッチ（７）が提供されていることを特徴とする発電プラント装置（１）。 - 前記ガスタービンは、約３０ＭＷから約７０ＭＷの出力範囲用に設計されていることを特徴とする請求項１記載の発電プラント装置（１）。
- 前記往復ピストンエンジン（５）の出力は、前記ガスタービンの出力の約１５％から約２５％であることを特徴とする請求項１または２記載の発電プラント装置（１）。
- 前記ガスタービン（３）と前記往復ピストンエンジン（５）のための共通の吸気装置が提供されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の発電プラント装置（１）。
- 前記ガスタービン（３）と前記往復ピストンエンジン（５）のために共通の排気サイレンサ（１５）と、好適には共通の排気スタック（１６）とが提供されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の発電プラント装置（１）。
- 本発電プラント装置は、前記ガスタービン（３）と前記往復ピストンエンジン（５）の廃棄熱を共通の熱交換器（１０）に供給するように設計されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の発電プラント装置（１）。
- 前記ガスタービン（３）と前記往復ピストンエンジン（５）のために共通の排気後処理装置（９）が提供されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の発電プラント装置（１）。
- 前記往復ピストンエンジン（５）は、圧縮前空気のための少なくとも一つの換気入口を有し、前記ガスタービン（３）は、少なくとも一つの圧縮ステージ（３１）を有し、前記往復ピストンエンジン（５）の前記少なくとも一つの換気入口は、換気ラインを介して前記少なくとも一つの圧縮ステージ（３１）の出口に接続されていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の発電プラント装置（１）。
- 少なくとも一つの、好適には少なくとも二つの請求項１から８のいずれかに記載の発電プラント装置（１）を有する発電プラント。
- 請求項１から８のいずれかに記載の発電プラント装置（１）、または請求項９記載の発電プラントの操作方法であって、前記発電プラント装置（１）の部分負荷運転では、前記ガスタービン（３）は、その標準負荷の約２０％以下でスイッチが切られ、前記往復ピストンエンジン（５）は、単独で運転されることを特徴とする操作方法。
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