JP2856552B2 - 液化天然ガスを燃料とする改良された共同サイクルプラント - Google Patents

液化天然ガスを燃料とする改良された共同サイクルプラント

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Description

【発明の詳細な説明】
発明の分野 本発明は、ガスタービンへの供給空気の冷却・高密度
化に使用される熱交換用流体を冷却し、且つスチームタ
ービンからの排スチームを凝縮するため、共同サイクル
プラント（combined cycle plant）に組み合わされた液
化天然ガス（LNG）の使用方法と装置に関する。再ガス
化されたLNGは、ガスタービンの燃料として、また所望
により他の動力プラントへの供給や天然ガス分配系に使
用される。
【発明の背景と要旨】
ガスタービンプラントに廃熱ボイラーを拡張設備し、
ガスタービンプラントとスチームタービンを組み合わせ
ることは、当該技術分野で従来より知られている。ガス
タービンとスチームタービンは、各々がそれ自身の発電
機を駆動させる、又は共通のシャフトによって１つだけ
の発電機を駆動させる。共同サイクルプラントと称され
るこれらの組み合わせプラントは、一般に約50〜52％の
レベルの非常に高い転換効率によって特徴づけられる。
これらの高効率は、ガスタービンと少なくとも１つのス
チームタービン回路との共同によって得られる。ガスタ
ービン排ガスは廃熱ボイラーを通り、これら排ガスの残
存熱エネルギーは、スチームタービンに供給するに必要
なスチームを発生させるために利用される。LNGは、燃
焼エネルギー源として共同サイクルプラントに使用され
る。 LNGは一般に、特殊な容器中の極低温液体として海上
輸送される。一般に約大気圧で約−160℃の温度のこの
極低温の液体を受け入れるターミナルにおいては、再ガ
ス化させ、外界温度と一般に80気圧までの適当な高圧で
配送系に供給する必要がある。液体は、熱を加えられて
再ガス化したとき、得られた天然ガスの圧縮が必要ない
ように、必要な圧力にポンプ加圧される。 LNGの大きな低温ポテンシャルを利用するため、多く
の提案がなされ、いくつかの装置が製作されてきたが、
殆どの受入れターミナルにおいて、低温ポテンシャルは
無駄にされ、LNGは氷の生成を避ける方法で供給される
必要がある大量の海水の流れによって単に加熱される。 例えば、Mandrinらは、米国特許第3978663号におい
て、供給空気を液体冷却剤で冷却することによってガス
タービンの効率を改良する方法を開示している。タービ
ンの供給部に入る空気が濾過され、冷却用交換器によっ
て冷却される。フレオンのような冷却剤が空気から熱を
運び、熱交換器によってLNGを蒸発させる。熱交換器の
中での氷の閉塞を防ぐため、氷結防止装置のような混合
装置によって空気にメタノールが導入され、捕集用手段
で分離される。メタノールと水の混合物から分離された
水を蒸発させるため、廃熱が利用される。その後のMand
rinの米国特許第4036028号において、オープン式ガスタ
ービン装置に関連させた多種の作用の液体を使用するこ
とが開示されている。LNGの超低温が、熱交換器とフレ
オン搬送流体によって供給空気から熱を奪うために使用
される。メタノールのような非凍結性の流体が、熱交換
器内の凍結を防ぐために注入される。この参照文献は、
コンプレッサーとインラインに配置された蒸気タービン
を開示している。 また、米国特許第4995234号に、Kooyらによる動力発
生装置が開示されている。この特許は、タービン用供給
空気の冷却、凝縮された二酸化炭素に接触させて流すこ
とによるLNGの加温、ガスタービンを駆動するために使
用される加熱物質用のガスタービン排気系の使用を開示
している。 同様に、ノザワらは米国特許第4330998号、同4429536
号、同4422298号において、超低温天然ガス−冷媒発電
装置を開示している。概して、これらの特許は、圧縮・
加熱されるフレオンの供給を教示している。圧縮・加熱
されたフレオンは、次に高圧タービンを駆動させるため
に使用される。フレオンは再び加熱され、窒素及び／又
はLNGの流れに対抗して熱交換器の中で冷却される前
に、低圧タービンを通る。 Woolleyの米国特許第3605405号に、Kellerらの米国特
許第4953479号に、共同のガスとスチームの動力プラン
トが開示されている。Kellerらの特許は、ガスタービン
を用いたメタコール集積共同サイクルパワープラントと
スチームタービン装置を開示しており、ガスタービン装
置からの排気は、スチームタービンを駆動させるスチー
ムを発生させるために使用される。次いで使用されたス
チームは凝縮され、排気系によって再加熱される。 LNGを利用する前記の又はその他の動力発生装置はい
ずれも、ガスを動力とするタービンの効率と容量を最大
限にする問題に取り組んでいない。より具体的には、前
記の文献はいずれも、気温が最高のときに電力消費のピ
ークが生じるといった、温かい天候のときにガス動力タ
ービンの効率と容量を最大限にする問題に取り組んでい
ない。典型的に、ガスタービンの効率と容量は、空気温
度が高くなると低くなる。 したがって、本発明の目的は、LNGのような超低温の
液化物質から電力と気相炭化水素を発生させるためのコ
ジュネシステムを提供することである。 本発明のもう一つの目的は、LNGのような超低温の液
化物質を使用し、温かい天候においてガスタービンの効
率と容量を最大限にするために供給空気を高密度化させ
るコジュネシステムを提供することである。 本発明は、特に外界温度が60゜Fを超えたときに、共同
サイクルプラントの容量を９％まで、そのプラントの効
率を約２％まで改良する装置と方法を広範囲に包含す
る。LNG燃料供給装置は、共同サイクルプラントと併用
される。共同サイクルプラントは、ガスタービンプラン
ト、廃熱ボイラー、及びスチームタービンプラントを含
む。第一熱交換流体は、LNG燃料供給系で冷却され、次
いでガスタービンへの供給空気を冷却・高密度化させる
ためにガスタービンプロセスに使用される。また、第一
熱交換流体は、スチームタービンからの排スチームを凝
縮させるため、スチームタービンプロセスにおいて利用
される。最後的に第一熱交換流体は、LNG燃料供給系に
リサイクルされ、そこで冷却される。第一熱交換流体
は、供給空気を冷却・高密度化させながら、スチームタ
ービンから放出されてLNG燃料供給系で再冷却されたス
チームを凝縮させながら閉ループを流れる。 LNG燃料供給系は、LNG供給器、再ガス化器、冷却器を
含んでなる。LNG燃料供給系には、閉ループを流れる第
二熱交換流体が存在する。第二熱交換流体は、LNGが天
然ガスに転化される再ガス化器と、第一熱交換流体が冷
却される冷却器の両方と熱交換する。ガスタービンプラ
ントの燃焼器の燃料として、天然ガスが部分的に使用さ
れる。第二熱交換流体は、膨張するLNGによってガス化
器中で冷却され、冷却器中で第一熱交換流体を冷却す
る。LNGは、高額の海水再ガス化器及び／又は熱源用燃
料の必要なしに再ガス化される。 本発明の好ましい態様において、第一熱交換流体の水
が、LNG燃料供給系の水冷却器（熱交換器）を通って流
れる。第二熱交換流体の水／グリコールの混合物は第一
熱交換流体を冷却し、次いでその第一熱交換流体はガス
タービンプラントの熱交換器に流れる。再ガス化LNGを
燃料とするガスタービンプラントは、発電機を駆動させ
る。このガスタービンプラントは、供給空気ダクト、熱
交換器、水分離器、空気コンプレッサー、燃焼器、ガス
タービン、及び排気部を有する。熱交換器は、空気供給
ダクト内に配置される。第一熱交換流体は熱交換器を通
り、空気コンプレッサーへの空気供給流れの高密度化と
冷却のための、冷却された冷媒を提供する。 廃熱ボイラーは、ガスタービンの排気部の下流にあっ
て、その排気部と流通する。ガスタービンの排気は、ボ
イラーを流通する水の流れを高圧スチームに変える。 スチームタービンプラントは、スチームタービンと、
排スチームの復水器を含む。ボイラーからの高圧スチー
ムは、スチームタービンを駆動させるために使用され
る。タービンからの排スチームは復水器に流入する。第
一熱交換流体は復水器の中を流れ、排スチームを凝縮さ
せる。次いで第一熱交換流体は、LNG燃料供給系の冷却
器に戻り、その中を流れる。 図面の簡単な説明 図は、本発明を具体的に表現するシステムのプロセス
フロー図である。 好ましい態様の説明 図面に関し、本発明を具体的に表現するシステムは、
液化天然ガス（LNG）燃料供給系８、ガスタービンプラ
ントを含む共同サイクル発電プラント10、スチームター
ビンプラント40、及び二つのプラント間に位置する廃熱
ボイラー36を含む。熱交換流体を循環させるポンプは図
示されていない。 LNG燃料供給系８は、供給タンク12、ポンプ14、再ガ
ス化器16、冷却器（熱交換器）18を含む。閉じたループ
20は、再ガス化器16と冷却器18の間の水／グリコールの
混合流体の流通を提供する。再ガス化器16からの天然ガ
スは、ガスタービンプラント10と、他の動力プラント及
び／又は天然ガス分配系に流れる。ガスタービンプラン
トは、空気供給ダクト22、その中に配置された熱交換器
24、その下流で空気コンプレッサー28の上流にある水−
粒子フィルター26を含む。 LNG燃料供給系８の冷却器18からの水は、熱交換器24
の中を流れる。供給空気は、熱交換器を横切って流れ、
冷却・高密度化される。冷却・高密度化された空気は、
空気コンプレッサー28に流入する。 燃焼器30は、空気コンプレッサー28からの供給空気を
受入れ、それと再ガス化器16からの天然ガスを混合し、
高温の燃焼ガスをガスタービン32に送り込む。 燃焼ガスは、ガスタービン32と、関連の発電機34を駆
動させる。好ましくは、空気コンプレッサー28、ガスタ
ービン32、及び発電機34は同じ駆動シャフトに装着され
る。 ガスタービン32からの排ガスは廃熱ボイラー36に排気
され、そこで管38の中を流れる水が高圧スチームに変え
られる。 スチームタービンプラント40は、スチームタービン42
と、関連の発電機44を含み、スチームタービン42と発電
機44の両者が、好ましくは同じ駆動シャフトに装着され
る。あるいは、大型の１つの発電機が、ガスタービンと
スチームタービンの共通シャフトに装着されてもよい。
タービン42の下流に復水器46があり、その中を第一熱交
換流体が流れる。LNG供給系がオフライン、又は必要な
冷却作用が比較的不適切な場合、補助的復水器48を用意
する。復水器46は、スチームタービン42からのアウトプ
ット（排スチーム）を凝縮し、そのアウトプットが廃熱
ボイラー36に再循環されて戻される。第一熱交換流体は
流れて冷却器18に戻る。 好ましい態様において、第一と第二の流体の流れは、
それぞれ閉じたループの中に存在する。水は、共同サイ
クルプラントの中の第一熱交換流体として、LNG燃料供
給系と共同サイクルプラントの間に使用される。水は、
いかなるときも凍結温度より高く保たれ、必要により腐
食を防止する処理がなされる。 LNG再ガス化器を運転しない場合、全体の凝縮負荷を
賄うに充分な外的冷却水を提供することにより、LNG再
ガス化器と独立して、共同サイクルプラントを運転する
ことができる。共同サイクルプラントが運転されない場
合、循環水を加熱するための外的予備加熱器を用意する
ことにより、共同サイクルプラントと独立して、LNG再
ガス化器を運転することができる。 第二熱交換流体、例えば水／グリコールは、LNG燃料
供給系の純粋な水が凍結する可能性を避けるために使用
される。共同サイクルプラントで95゜F以上に加温された
水は、LNGを例えば70゜Fの再ガス化に充分なある温度ま
で第二流体を加熱するために使用される。この水は、今
度は第二流体によって例えば35゜Fまで冷却され、タービ
ン燃焼空気を予備冷却するために共同サイクルプラント
に戻される。 LNG再ガス化系の中の再ガス化器16と冷却器18（熱交
換器）は対向流であり、25゜Fの最小接近温度を使用す
る。冷たい端の壁温度は32゜Fより幾分低く、氷の薄い層
が、氷の外側を32゜Fまで上げるに充分な熱伝導率を下げ
るであろう。 冷却器18の温度は次の如きであろう。 ・水（入） 95゜F（復水器46より） ・水／グリコール（出） 70゜F（95−25） ・水（出） 35゜F（熱交換器24へ） ・水／グリコール（入） 10゜F（35−25） LNG再ガス化器16の温度は次の如きであろう。 ・水／グリコール（入） 70゜F（水冷却器18より） ・天然ガス（出） 45゜F（70−25） ・水／グリコール（出） 10゜F（水冷却器18へ） 冷却器18から出る水の温度は、水の出口流れの制御弁
（図示せず）を調節し、利用できる冷却物が減少すると
即ちLNG流量が減少すると、水量を減らすことにより制
御される。水の入口温度は共同サイクルプラントによっ
て制御される。 LNG燃料供給系は、共同サイクルプラントの冷却及び
内部冷却のための大量の冷却を提供することができる。
逆に言えば、共同サイクルプラントは、共同サイクルプ
ラントの性能を全く低下させずにLNG燃料供給系に大量
の熱を提供することができる。共同サイクルプラントと
LNG燃料供給系の間を循環する水が、このことを可能に
させる。第二流体は、前記の低温で水を使用することを
可能にさせる。 共同サイクルプラントからの温水は、「はずみ車」と
して作用する大型タンク50に行き、そこから温水が冷却
器18にポンプ輸送される。また、この温水は、例えば95
゜F以下の「低級」の熱が必要な任意の他の場所に使用す
ることもできる。予備加熱器（図示せず）は、共同サイ
クルプラントから利用できない場合や、必要な熱を提供
するに充分な温水を維持するために使用することができ
る。 冷却器18で冷却された水は、主としてタービン32用の
燃焼空気を予備冷却するために使用される。また、この
冷却された水は、例えば35゜F以上の「低級」の冷却が必
要な任意の場所を含む種々のプラントの冷却目的に使用
することもできる。過度の冷却はスチーム復水器で戻さ
れる。 前記の説明は、本発明の特定の態様に限定されてき
た。しかしながら、本発明の効果の一部又は全部を含め
て本発明に変化や変更を加えることが可能なことは明ら
かであろう。したがって、本発明の範囲と真の技術的思
想に含まれるような全ての変化や変更は、本願の請求の
範囲の対象である。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−54710（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−370303（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−186908（ＪＰ，Ｕ) 米国特許4036028（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F01K 23/00 - 23/18 F01K 25/00 - 25/14

Claims (17)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】LNGを再ガス化して天然ガスに転化し、 第一熱交換流体と第二熱交換流体を熱交換させて第一熱
    交換流体を冷却し、第二熱交換流体はLNGから天然ガス
    への変化によって冷却され、 冷却された第一熱交換流体を熱交換ゾーンに通し、空気
    コンプレッサーへの供給空気を冷却・高密度化させるた
    めに前記ゾーンに供給空気を通し、 続いて第一熱交換流体を復水器に通し、高圧スチームタ
    ービンからの排スチームを凝縮させ、そして 続いて第一熱交換流体と第二熱交換流体を熱交換させ
    る、 各過程を含む、共同サイクルプラントの容量と効率を高
    める方法。
  2. 【請求項２】冷却・高密度化された空気を空気コンプレ
    ッサーで圧縮し、再ガス化されたLNGと圧縮された空気
    を燃焼器内で混合して高温燃焼ガスを生成させ、 高温燃焼ガスをガスタービンに送ってタービンを駆動さ
    せ、そして タービンから排ガスを放出する、 各過程を含む請求の範囲第１項に記載の方法。
  3. 【請求項３】ガスタービンからの排ガスを廃熱ボイラー
    に通し、 廃熱ボイラーに液体を通し、 排ガスと液体を熱交換させ、液体を高圧スチームに変化
    させ、そして 廃熱ボイラーから高圧スチームを放出する、 各過程を含む請求の範囲第２項に記載の方法。
  4. 【請求項４】高圧スチームをスチームタービンに通し、 スチームタービンから排スチームを取り出し、 第１熱交換流体を用いて排スチームを凝縮させて凝縮水
    を生成させ、 第１熱交換流体と排スチームを熱交換させて凝縮物を生
    成させ、 その後で第一熱交換流体と第二熱交換流体を熱交換させ
    ることによって第一熱交換流体を冷却する、 各過程を含む請求の範囲第３項に記載の方法。
  5. 【請求項５】共同サイクルプラントの容量を９％の値ま
    で改良することを含む請求の範囲第１項に記載の方法。
  6. 【請求項６】共同サイクルプラントの効率を２％まで高
    めることを含む請求の範囲第１項又は５項に記載の方
    法。
  7. 【請求項７】ガスタービンプラント、廃熱ボイラー、ス
    チームタービンプラント、及びLNG供給系を含み、前記L
    NG供給系は相互に熱交換する再ガス化器と冷却器を含む
    共同サイクルプラントにおいて、ガス化器内でLNGを再
    ガス化させ、それを天然ガスに転化させ、 第一熱交換流体を冷却器に通し、 LNGのガス化と第一熱交換流体の冷却の両方を制御する
    ために第二熱交換流体をガス化器と冷却の間に通し、 ガス化されたLNGをガスタービンプラントの燃焼器に流
    し、 冷却された第一熱交換流体を熱交換ゾーンに通し、その
    ゾーンをガスタービンプラント空気コンプレッサー用供
    給空気が通り、第一熱交換流体は前記供給空気を冷却・
    高密度化させ、 空気コンプレッサーからの空気を放出し、それとガス化
    LNGを燃焼器内で混合し、高温燃焼ガスを発生させ、 前記燃焼ガスを、ガスタービンプラント内のタービンに
    通し、タービンを駆動させ、 タービンから高温排ガスを放出し、そのガスを廃熱ボイ
    ラーに通し、 廃熱ボイラーを通る液体をスチームに転化させ、そのス
    チームを取り出し、 取り出されたスチームを、スチームタービンプラント内
    のスチームタービンに通し、排スチームを生成させ、 排スチームを復水器に導き、 空気コンプレッサーの上流の熱交換ゾーンからの第一熱
    交換流体を復水器に導き、排スチームを凝縮させ、そし
    て 復水器からの第一熱交換流体を、LNG供給系の冷却器に
    通す、 各過程を含む共同サイクルプラントの容量と効率を高め
    る方法。
  8. 【請求項８】第一熱交換流体を、供給空気と間接的に熱
    交換させる請求の範囲第７項に記載の方法。
  9. 【請求項９】第一熱交換流体が水である請求の範囲第７
    項に記載の方法。
  10. 【請求項１０】冷却器に入る水の温度が35℃（95゜F）で
    あり、冷却器を出る水の温度が２℃（35゜F）である請求
    の範囲第９項に記載の方法。
  11. 【請求項１１】第二熱交換流体が水とグリコールの混合
    物である請求の範囲第７項に記載の方法。
  12. 【請求項１２】水／グリコールの混合物が21℃（70゜F）
    でガス化器に入り、−12℃（10゜F）でガス化器を出る請
    求の範囲第11項に記載の方法。
  13. 【請求項１３】冷却器に入る水／グリコールの温度が21
    ℃（70゜F）であり、冷却を出る水／グリコールの混合物
    が−12℃（10゜F）であり、冷却を出る天然ガスが７℃
    （45゜F）である請求の範囲第11項に記載の方法。
  14. 【請求項１４】共同サイクルプラントの容量を９％まで
    の値で改良することを含む請求の範囲第７項に記載の方
    法。
  15. 【請求項１５】共同サイクルプラントの効率を２％まで
    高めることを含む請求の範囲第７項に記載の方法。
  16. 【請求項１６】LNG源、 LNG源と流体の流れで連通するLNG再ガス化器、 再ガス化器と熱交換する冷却器、 再ガス化器と冷却器の間に第二熱交換流体を通し、第一
    熱交換流体を冷却するための手段、 を含んで成るLNG燃料供給系、 空気コンプレッサー、 前記空気コンプレッサーの上流の空気供給ダクト、 空気供給系と熱交換するように配置された第二熱交換
    器、 空気ダクトを通ってコンプレッサーに流れる供給空気を
    冷却・高密度化させる、熱交換器に第一熱交換流体を通
    すための手段、 ガスタービン、 空気コンプレッサーとガスタービンの間に配置された燃
    焼器であって、ガスタービンを駆動させるエネルギーを
    供給する燃焼器、 ガスタービンに接続された発電機、及び ガスタービンからのガスを排気する手段、 を含んでなるガスタービンプラント、 ガスタービンからの排気ガスを排ガスボイラーに導くた
    めの手段、 高圧スチームを発生させる手段、及び 廃熱ボイラーからの高圧スチームを放出する手段、 を含んでなるガスタービンの下流の廃熱ボイラー、 廃熱ボイラーからの高圧スチームを受け入れるに適する
    下流のスチームタービン、 スチームタービンに連結されて駆動される発電機、 スチームタービンから排出された排スチームを凝縮させ
    るための復水器であって、第一熱交換流体が通る復水
    器、 凝縮物を廃熱ボイラーに再循環させる手段、及び 復水器から冷却器に第一熱交換流体を流すための手段、 を含んで成るスチームタービンプラント、 を含んでなるLNG共同サイクルプラント系。
  17. 【請求項１７】第一熱交換流体を供給空気と間接熱交換
    させる手段を含む請求の範囲第16項に記載の系。
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