JP2022551715A

JP2022551715A - 発電及び海水淡水化のためのコージェネレーションタービン

Info

Publication number: JP2022551715A
Application number: JP2022521753A
Authority: JP
Inventors: アタ，シェリフ
Original assignee: Atta sherif
Current assignee: Atta sherif
Priority date: 2019-10-11
Filing date: 2020-10-06
Publication date: 2022-12-13
Also published as: EP4041686A4; WO2021070041A1; CN114641452A; AU2020362987A1; WO2021070041A8; EP4041686A1; KR20220097880A; CA3058596A1

Abstract

オープンサイクル式ガスタービン（Ａ）とクローズドサイクル式ガス／空気（又は窒素）タービン（Ｂ）をカスケード方式で使用することにより、オープンサイクル式ガスタービン（Ａ）から排ガスで転流させた熱を用いて、クローズドサイクル式ガス／空気タービン（Ｂ）の熱交換器チャンバ（熱を付加するため）に必要な熱を得ることができる。また、可能であれば、オープンサイクル式ガスタービン（Ａ）の代わりに原子力発電所から熱を得ることができる。クローズドサイクル式ガス／空気タービン（Ｂ）でタービンから流出した高温の空気は、熱交換器チャンバ（空気を冷却するため）で複数の熱交換器内の海水を使用して冷却され、その熱を用いて海水を淡水化し、最終的にはオープン及びクローズドガスタービンで同時に淡水と電力を生成することができる。

Description

本発明は、発電及び海水淡水化のためのコージェネレーションタービンに関する。

淡水化については、いくつかの発明が知られている。それらのすべては、太陽から熱を得ることに焦点を当てている（すなわち、太陽エネルギ）。しかし、これでは、熱源の時間が限られることから（夜間や曇天の影響）、十分な量の淡水を生成したり、エネルギを安定的に供給したりすることができないであろう。

本発明は、上記のような事情に鑑みなされたものであり、十分な量の淡水を生成するとともに、エネルギを安定的に供給することを目的とする。

本発明者は、熱源としてオープンサイクル式ガスタービン（Ａ）を使用し、その熱源を、クローズドサイクルの１つの段階（熱交換器Ｂ２，Ｂ３）において熱を必要とするクローズドサイクル式ガス／空気タービン（Ｂ）に供給することを提案するものである。

タービン（Ｂ４）から流出した高温の空気は、コンプレッサ（Ｂ１）へ流入する前に冷却される必要があるが、これは、通常、２つ目の熱交換器内のドラフト空気によって行われる。

本発明者は、この点、複数の熱交換器群（Ｂ６，Ｂ７，Ｂ８）を通過して海水を使用することを提案するものであり、海水を淡水化するとともに、コンプレッサ（Ｂ１）へ流入する前にクローズドサイクルの高温の空気をその海水で冷却する態様とする。

これにより、本発明によれば、オープン及びクローズドサイクル式ガスタービンのコージェネレーションは、共に電力を生成することができるとともに、クローズドサイクル式ガス／空気タービン（Ｂ）は、海水から淡水を同時に生成することができる。

また、熱交換器群のうちの熱交換器（Ｂ３）において、オープンサイクル式ガスタービン（Ａ）からの熱と連携して太陽熱を第２の熱源として使用する構成を追加した態様では、オープンサイクル式ガスタービン（Ａ）に要するエネルギを節約することができる。

本発明の一実施形態に係る発電及び海水淡水化のためのコージェネレーションタービンの構成を示す。図１における熱交換器（Ｂ２）の平面断面及び側面断面を示す。図１における熱交換器（Ｂ３）の平面断面及び側面断面を示す。図１における熱交換器（Ｂ６）の正面視及び側面視の立面断面を示す。図１における熱交換器（Ｂ７）の正面視及び側面視の立面断面を示す。図１における熱交換器（Ｂ８）の正面視の立面断面を示す。

図１に示すように、コージェネレーションタービンのうちのオープンサイクル式ガスタービン（Ａ）では、空気は、コンプレッサ（Ａ１）、次いで、燃焼チャンバ（Ａ２）へ流入し、そして、燃焼チャンバ（Ａ２）からの高温高圧のガスは、タービン（Ａ３）に衝突し、タービン（Ａ３）から高温の排出ガスとして流出していく。

これらのガスは、クローズドサイクル式ガス／空気タービン（Ｂ）の１つ目の熱交換器（Ｂ２）へ流入し、図２に示すように、鉄製のパイプ群を通過していく。パイプ群は、熱交換チャンバ（以下、単に「チャンバ」という）内でそれぞれの周囲が断熱材で被覆された２、３又はそれ以上のパイプ群に分岐している。

パイプ群は、再び１つのパイプに戻って、熱交換器（Ｂ２）のチャンバを出ていき、熱交換器（Ｂ３）へ向かう。

熱交換器（Ｂ３）から流出する中温の圧縮された空気（又は窒素）は、熱交換器（Ｂ２）のチャンバへ流入し、銅製のチューブを通過していく。チューブは、チャンバ内で鉄製のパイプ群のそれぞれの内部でコイルチューブ群に分岐している。コイルチューブ群は、パイプの壁部に触れないように鉄製のパイプ群の中央に配置される必要がある。

パイプ群の終端でコイルチューブ群が再び合流し、形成された１つのパイプは、熱交換器（Ｂ２）から出ていき、高温の圧縮された空気は、タービン（Ｂ４）へ流出する。

空気と高温のガスは、互いに反対方向に流れる。熱交換器（Ｂ３）のチャンバは、図３に示すように、空気がコンプレッサ（Ｂ１）から熱交換器（Ｂ３）へ流入し、銅製のパイプ群内の圧縮された中温又は高温の空気として熱交換器（Ｂ２）へ流出していくこと、及び、不十分に高温のガスが熱交換器（Ｂ２）から熱交換器（Ｂ３）のチャンバの各パイプの中央にある銅製のコイルチューブ群へ流入し、一つのチューブに再び合流した反対側から排出ガスとして流出していくことを除いて、熱交換器（Ｂ２）のチャンバと構成において類似である。

パイプ群は、直接的な断熱材に代えて、太陽熱によって高温を得ることができ、空気が流れているチューブに太陽熱を伝達可能な材料でパックされている。これらの材料は、溶岩石又は石炭とすることができる。

熱交換器（Ｂ３）のチャンバの外壁部は、上部と両側壁部がガラスから形成されており、反射用の鏡群によって方向付けが可能とされた日中の太陽光を入射させる。これらのガラスのパネルは、日没後、日の出まで、断熱材で覆うことができる。熱交換器（Ｂ３）のチャンバの底部は鉄製で、パイプ群を支えるためのステーがあり、パイプ群は、図に示す熱交換器（Ｂ３）のように、内部のコイルチューブ群を支えるための支持体を有する。

空気は、タービン（Ｂ４）から流出した後、冷却のために複数の熱交換器群（Ｂ６，Ｂ８）へ流入し、海水を使用して熱交換器群（Ｂ６，Ｂ８）内で空気から熱が吸収され、そして、冷却された空気は、コンプレッサ（Ｂ１）へ流出し、サイクルが再開される。

熱交換器（Ｂ６）のチャンバは、図４に示すように、タービン（Ｂ４）からの高温の空気を取り込むコイルチューブ群の複数のセット群を有し、高温の空気は、熱交換器（Ｂ６）のチャンバにあるいくつかのコイルチューブ群を通過する。チューブ群は、そこから出て、熱交換器（Ｂ８）へ向かう中温の空気を有する１つのチューブとなる。

熱交換器（Ｂ８）からパイプによって移送された不完全に中温の海水は、熱交換器（Ｂ６）のチャンバの壁部にあるいくつかの噴霧器に供給され、内部に高温の空気が存在するチューブ群のセット群の上部に対し、チャンバ内で滴下する水滴として噴霧される。

ほとんどの水滴は、パイプ群内の空気から熱を引き出すことによって蒸発して、ガスの形態で熱交換器（Ｂ６）のチャンバの湾曲したドームに上昇し、パイプを通過してチャンバの外側に吸引ファンによって熱交換器（Ｂ７）へ導出される。残りの水滴は、落下して熱交換器（Ｂ６）の底部に集まり、パイプを通過して熱交換器群（Ｂ７，Ｂ８）から来る中温の海水に合流し、再び噴霧器へ向かう。

熱交換器（Ｂ８）のチャンバには、図６に示すように、海水に浸されたコイルチューブ群のセット群があり、海水は、熱交換器（Ｂ８）のチャンバを完全に満たしており、底部から上部へ向かってチャンバへ流入するように、ポンプによって海から揚水され、チャンバの上部から、中温となって空気中の残りの熱を抽出した後、熱交換器（Ｂ６）へ流出する。空気は、チャンバを出て冷却されて、コンプレッサ（Ｂｌ）へ流出する。

熱交換器（Ｂ７）では、図５に示すように、ガスの形態の高温の水蒸気は、形成された淡水の水位より上方の側壁部からチャンバへ流入する。高温のガスは、チャンバ内に水平に架けられたパイプ群のセット群の間を上昇して、ポンプによって直接的に海中へ押し出される。

中温の海水は、熱を交換し、上昇する途中の水蒸気を冷却した後、１つのパイプで熱交換器（Ｂ７）のチャンバから流出し、大量の水蒸気は、凝縮し、重力によってチャンバの水盤状の底部に淡水として落下し、引き出される。

残りの水蒸気は、チャンバの上部側面からパイプで流出し、高温の水蒸気のパイプに合流し、再びチャンバへ流入し、サイクルを繰り返す。

１．Ａ：オープンサイクル式ガスタービン
Ａ１：コンプレッサ
Ａ２：燃焼チャンバ
Ａ３：タービン
Ａ４：発電機
２．Ｂ：クローズドサイクル式ガス／空気タービン
Ｂ１：コンプレッサ
Ｂ２：熱交換器（熱を加えるため）
Ｂ３：予熱用の熱交換器（熱を加えるため）
Ｂ４：タービン
Ｂ５：発電機
Ｂ６：熱交換器（熱を引き出すため）
Ｂ７：熱交換器（海水の淡水化）
Ｂ８：予熱用の熱交換器（熱を引き出すため）

Claims

発電及び海水淡水化のためのコージェネレーションタービンであって、
オープンサイクル式ガスタービン（Ａ）と、
クローズドサイクル式ガス／空気タービン（Ｂ）と、を備え、
前記オープンサイクル式ガスタービン（Ａ）から流出した高温のガス、又は原子力発電所からの熱は、前記クローズドサイクル式ガス／空気タービン（Ｂ）の熱交換器群（Ｂ２，Ｂ３）で使用されるべく向けられて、熱源として前記クローズドサイクル式ガス／空気タービン（Ｂ）の空気に付加され、
タービン（Ｂ４）から流出した高温の空気は、熱交換器群（Ｂ６，Ｂ８）へ流入し、当該熱交換器群（Ｂ６，Ｂ８）において海水によって冷却され、
前記海水は、蒸発し、その水蒸気は、熱交換器（Ｂ７）へ向けられ、海水によって冷却されて、凝縮して淡水になり、
前記熱交換器群（Ｂ６，Ｂ８）において冷却された空気は、コンプレッサ（Ｂ１）へ向けられ、前記クローズドサイクル式ガス／空気タービン（Ｂ）のサイクルが完了する、発電及び海水淡水化のためのコージェネレーションタービン。
前記オープンサイクル式ガスタービン（Ａ）によって生成された前記高温のガスは、前記熱交換器（Ｂ２）で使用されるべく向けられ、前記クローズドサイクル式ガス／空気タービン（Ｂ）の前記空気に必要な熱を付与する、請求項１に記載の発電及び海水淡水化のためのコージェネレーションタービン。
前記熱交換器（Ｂ２）は、断熱されたチャンバであって複数のパイプ群を備え、各パイプは、前記高温のガスを有し、前記高温のガスは、前記オープンサイクル式ガスタービン（Ａ）から前記熱交換器（Ｂ２）のチャンバを通過して前記熱交換器（Ｂ３）へ流入し、前記空気は、前記熱交換器（Ｂ３）から前記熱交換器（Ｂ２）のチャンバの前記パイプ群の各パイプの内側にある銅製のコイルチューブの内部へ向かい、高温の圧縮された空気として前記タービン（Ｂ４）へ流出する、請求項２に記載の発電及び海水淡水化のためのコージェネレーションタービン。
前記高温のガスは、前記熱交換器（Ｂ２）から流出し、予熱用の熱交換器である前記熱交換器（Ｂ３）のチャンバへ向かい、前記熱交換器（Ｂ３）のチャンバの複数のパイプ群の各パイプの内側にあるコイルチューブ群の内部へ流入し、
前記コンプレッサ（Ｂ１）から前記熱交換器（Ｂ３）のチャンバへ流入する前記空気は、前記熱交換器（Ｂ３）から排出される前記コイルチューブ群内の前記高温のガスとは反対方向に前記パイプ群へ流入し、前記パイプ群内の空気は、前記熱交換器（Ｂ２）の前記コイルチューブ群へ流出する、請求項１に記載の発電及び海水淡水化のためのコージェネレーションタービン。
前記熱交換器（Ｂ２）のように前記パイプ群の周囲の断熱材に代えて、前記熱交換器（Ｂ３）のチャンバは、前記熱交換器（Ｂ３）内で前記空気が流れている前記パイプ群に太陽熱を伝達可能な材料で前記パイプ群の周囲をパックされており、前記熱交換器（Ｂ３）のチャンバの側壁部と上部は、ガラスで形成されており、鏡群のセットによって前記ガラスを通過して前記熱交換器（Ｂ３）のチャンバへ向けられた太陽光を確保でき、太陽熱を用いることによって前記パイプ群内の前記空気に一層の熱を付加する、請求項４に記載の発電及び海水淡水化のためのコージェネレーションタービン。
前記熱交換器（Ｂ６）において、前記タービン（Ｂ４）から流出して前記熱交換器（Ｂ６）のチャンバ内のパイプ群を通過する前記高温の空気は、中温の海水によって冷却され、前記中温の海水は、前記熱交換器（Ｂ８）から流入して前記熱交換器（Ｂ６）から流出し、リサイクルして前記熱交換器（Ｂ６）へ再び流入する、請求項１に記載の発電及び海水淡水化のためのコージェネレーションタービン。
前記熱交換器（Ｂ６）のチャンバ内の前記海水は、前記熱交換器（Ｂ６）のチャンバの壁部に設けられた噴霧器によって噴霧され、前記高温の空気が流れている前記パイプ群上に落下し、前記海水の一部は、蒸発し、前記熱交換器（Ｂ６）のドームから集められ、水蒸気は、吸引ファンによって前記熱交換器（Ｂ６）から引き出され、前記熱交換器（Ｂ７）へ向けられる、請求項６に記載の発電及び海水淡水化のためのコージェネレーションタービン。
前記熱交換器（Ｂ６）からの前記高温の空気は、前記熱交換器（Ｂ８）のチャンバへ流入してコイルチューブ群のセットを通過し、冷却された空気は、前記熱交換器（Ｂ８）から流出して前記コンプレッサ（Ｂ１）へ向かい、前記熱交換器（Ｂ８）のチャンバは、空気が通過するコイルチューブ群のセットを備え、前記コイルチューブ群は、海水に浸され、前記海水は、ポンプによって海から前記熱交換器（Ｂ８）のチャンバの底部へ直接的に揚水され、そして、前記熱交換器（Ｂ８）のチャンバの上部から前記熱交換器（Ｂ６）へ流出する、請求項１に記載の発電及び海水淡水化のためのコージェネレーションタービン。
前記熱交換器（Ｂ７）は、前記海水を移送するパイプ群のセットを備え、前記海水は、ポンプによって海から直接的に揚水され、前記熱交換器（Ｂ７）から前記熱交換器（Ｂ８）へ流出する、請求項１に記載の発電及び海水淡水化のためのコージェネレーションタービン。
高温の水蒸気は、前記海水の前記パイプ群のセット群よりも下方の側壁部から前記熱交換器（Ｂ７）のチャンバへ流入し、前記水蒸気は、前記パイプ群の間を上昇し、ほとんどの前記水蒸気は、凝縮し、前記熱交換器（Ｂ７）の底部に淡水として落下して、前記熱交換器（Ｂ７）から集められ、残りの前記水蒸気は、前記熱交換器（Ｂ７）のチャンバの底部内に再び向き直される、請求項９に記載の発電及び海水淡水化のためのコージェネレーションタービン。