JP4246624B2 - 空気分離ユニットと結合したガスタービンによるエネルギー生産のための方法および設備 - Google Patents

空気分離ユニットと結合したガスタービンによるエネルギー生産のための方法および設備 Download PDF

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Description

本発明は、空気分離ユニットと結合したガスタービンによりエネルギーを生産するための方法および設備に関する。
通常の方式では、ガスタービンは、圧縮機、燃焼チャンバ、および圧縮機を駆動させるための圧縮機と結合する膨張タービンを備える。燃焼チャンバは、大気への窒素酸化物の放出を最小化させることを可能とするように燃焼チャンバ中の火炎温度を低下させる目的で、ある程度の量の窒素とともに燃焼ガスを受容する。
公知の方式で、燃焼ガスは、ガス化により、すなわち、石炭またはかわりに石油産業由来の残渣のような炭素含有製品の酸化により入手し得る。この酸化は、気化器として知られる独立のユニットの中で行われる。
通常の方式では、ガスタービンと空気分離ユニットを結びつけることが可能である。少なくとも１つの蒸留塔を備える通常極低温ユニットである空気分離ユニットは、空気から空気中のガスの少なくとも１つ、特におもに酸素または窒素からなる少なくとも１つのガス流を供給することが可能である。
その空気分離ユニットをガスタービンと組み合わせることは、２つの前述のガス流の少なくとも一方を良好に使用することからなる。このために、空気分離ユニットの中で製造される酸素および窒素は、気化器および燃焼チャンバのそれぞれに導入される。
特許文献１および特許文献２は、酸素および窒素圧縮機により圧縮されるガスの圧力が一定である方法を記載する。
特許文献３は、窒素圧縮機に直接作用する手段はないが、その下流に、窒素流量を変化させるための圧縮機に間接的に作用する弁を有する。
ＵＳ−Ａ−５５０１０７８ ＥＰ−Ａ−０７７３４１６ ＵＳ−Ａ−５８０２８７５
本発明は、特に電力要求の点で特に経済的である方式の、上記タイプの方法を用いることを提案する。
この目的のために、本発明の主題は、空気分離ユニットと結合したガスタービンを用いてエネルギーを生産するための方法であって、空気を前記分離ユニットに導入し、酸素または窒素から本質的になる少なくとも１つのガス流を前記分離ユニットから引き出し、そのガス流を、窒素の場合にはガスタービンの燃焼チャンバに向け、酸素の場合には気化器に向け、それぞれのガス流と関連する少なくとも１つのパラメーターを前記空気分離ユニットの下流に位置するそのガス流のための圧縮機に対する直接作用により制御し、前記ガスタービンに対する負荷を代表する関数として変動する可変的な整定値それぞれのパラメーターに割り当てることを特徴とする方法である。
圧縮装置は、圧縮装置の羽を変えることにより、または羽を駆動させるタービンの速度を変えることにより直接作用され得る。
本発明の他の特徴によれば、
−前記ガス流または前記ガス流の少なくとも１つと関連するパラメーターは、流量である。
−前記ガス流が本質的に酸素からなり、その酸素を炭素含有製品をも受容する気化器に導入し、タービンにかかる負荷を代表する値が前記気化器に導入される炭素含有製品の流量である。
−前記ガス流が本質的に窒素からなり、その流れを燃焼チャンバに導入し、タービンにかかる負荷を代表する値がその燃焼チャンバに導入される燃料ガスの流量である。好ましくは、圧縮装置と燃焼チャンバとの間に調節弁は存在しない。
−圧縮装置では窒素圧力の制御は実施されない。
−前記ガス流または前記ガス流の少なくとも１つと関連するパラメーターが圧力である。
−タービンにかかる負荷を代表する値が、特にタービンに連結された圧縮機と燃焼チャンバとの間を走行する配送回路における、ガスタービンの取り込み側の特定圧力値（ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｖａｌｕｅ）である。
−ガス流が本質的に窒素からなり、第１の安全値により増加された特定圧力に等しい第１の整定値（ｓｅｔｐｏｉｎｔ ｖａｌｕｅ）を、その流れの圧力に割り当てる。
−第１の安全値は、０．１ないし１０バール、特に０．３ないし２バールである。
−ガス流が本質的に酸素からなり、第２の安全値により増加された特定圧力に等しい第２の整定値を酸素圧力に割り当てる。
−第２の安全値は、２ないし２０バール、特に３ないし１０バールである。
−燃焼チャンバに燃料ガスを供給する気化器の内部の圧力をも、これに特定の圧力値の関数として変動する可変的な設定値を割り当てることにより制御する。
−整定値は、第３の安全値が加算される特定圧力に等しい。
−その第３の安全値は、０．５ないし１０バール、とくに１ないし５バールである。
本発明のもう１つの主題は、空気分離ユニットと結合したガスタービンによりエネルギーを生産するための設備であって、本質的に酸素または窒素である空気ガスからなる少なくとも１つのガス流を分離ユニットから引き出す手段、および前記ガス流を窒素の場合にはガスタービンの燃焼チャンバに向けて、酸素の場合には気化器に向けて配送するための手段を備え、前記ガス流と関連する少なくとも１つのパラメーターを制御するための制御手段が設けられ、前記手段はそのガス流のための圧縮機に対して直接作用することが可能であり、前記制御手段はガスタービンに対する負荷を代表する値の関数として変動する可変的な整定値を有することを特徴とする設備である。
本発明の他の特徴によれば、
−制御手段は、流量を制御するための手段である。
−その制御手段が、燃焼チャンバに供給することが意図される気化器に通じるラインに沿って流れる酸素の流量を制御することが可能であり、その気化器はまた、炭素含有製品を配送するためのラインと連通して配置され、気化器に導入される炭素含有製品の流量を制御するための手段が設けられ、それらの手段は、酸素流量を制御するための手段を制御することが可能である。
−その制御手段が燃焼チャンバに通じる管に沿って流れる窒素の流れの流量を制御することが可能であり、また、燃料ガスを配送するための管と連通して配置され、燃料ガスの流量を制御するための手段が設けられ、その手段は窒素の流れの流量を制御するための手段を制御することが可能である。
−その制御手段は、前記ガス流または前記ガス流の少なくとも１つの圧力を制御するための手段である。
−特にタービンに接続された圧縮機と燃焼チャンバとの間を走行する配送回路の中のガスタービンの入口側で特定の圧力値を計測するための測定手段が設けられ、圧力を制御するための手段が測定手段に従動されるように操作手段がさらに設けられている。
−気化器の圧力を制御するための手段が、それらの制御手段を測定手段に従動させる操作手段とともにさらに設けられている。
以下、非限定的な例としてのみ与えられる添付の図面を参照して本発明を記載する。図１および２は、本発明の２つの態様による設備を例示する模式図である。
それらの図において、太線でかかれている線は、流体を配送するためのものであり、一方、点線でかかれている線は、制御ラインである。
図１に示されている設備は、全体として参照番号２で示されているガスタービンを備え、そのガスタービンは、通常のように、空気圧縮機４、圧縮機４に連結した膨張タービン６、および燃焼チャンバ８を備える。
このガスタービン２はまた、圧縮機４とタービン６に共通のシャフト１２により駆動される交流発電機１０も備える。ガスタービンにかかる負荷を測定するための装置、すなわち、タービンにかかる電力の需要を測定するための装置は、交流発電機１０の近くに位置するボックス１４として示されている。
図１の設備はまた参照番号１６により全体が示される空気分離ユニットも備える。公知のタイプである空気分離ユニットは、管１８により空気を供給される。空気分離ユニットは極低温で操作され、その目的のために図示されていないいくつかの蒸留塔を有する。
ライン２０は、残留窒素（数％の酸素を含む窒素）の第１の流れＷをユニット１６から取り出し得る。そのライン２０は、圧縮機２２に通じ、この圧縮器の下流には、燃焼チャンバ８に開口する２４が存在する。
さらに、ライン２６は、ユニット１６から酸素富化ガス流ＧＯＸを取り出し得る。そのライン２６は、圧縮機２８に通じ、この圧縮器の下流には管３０が存在する。管３０は、通常のタイプの気化器３２に通じ、この気化器は、また、調節弁３５を備えるライン３４を介して、石炭のような炭素含有製品を含む容器３６により供給される。
気化器３２の下流を走行する管３８は、前述の炭素含有製品の酸化から生じる燃料ガスを配送する。この管３８は、ガスタービンの燃焼チャンバ８と連通して配置される。
負荷を測定するための装置１４は、指令ライン４０により弁３５に接続される。他の表現でこのことが何を意味するかと言うと、負荷１４の増加は、ライン３４で配送される炭素含有製品の流量の増加を伴うということである。さらに、ライン３４は、指令ライン４４を介して、管３０の中の酸素流量を制御するための装置４６と連通して配置された流量を制御するための装置４２を備える。
最後に、管３８は、その中を流れる燃料ガスの流量を制御するための装置４８を備える。装置４８は、指令ライン５０を介して、管２４の中を流れる残留窒素の流量を制御するための装置５２と連通して配置されている。
以後図１の設備の操作全体を記載する。
ある程度の流量の炭素含有製品をガスタービンにかかる負荷の関数としてライン３４を介して気化器３２に流入させる。管３８により配送される燃料ガスを生成させるために酸素もまた気化器に流入させる。炭素含有製品と酸素とのそれぞれの流量の間の予め決められた燃焼比Ｒ１が存在する。
管３８により運ばれる燃料ガスを、ガスタービンの燃焼チャンバ８に通じる。その燃焼チャンバはまた、管２４からの残留窒素を受容する。燃料ガスと残留窒素の流量の間の比に相当する希釈比をＲ２とする。
燃焼チャンバ８はまた、管５３を介して圧縮装置４からの圧縮された空気を受容する。対応する燃焼から生じ、残留窒素と混合されたガスは、ガスが膨張するところの膨張タービン６の入口側に送られ、そのタービンを駆動する。これはまた、シャフト１２を介して圧縮機４および交流発電機１０を駆動し、交流発電機は、例えば、図示されていない電気分配回路網に電力供給する。
ガスタービン２にかかる負荷が変動するとき、このことは、ライン３４に沿って流れる炭素含有製品の流量の対応する変動を引き起こす。その流量は装置４２を介して制御され、装置４２は次いで、ライン４４を介して制御装置４６に指令を送り、その結果、管３０の中の酸素の流量がそれに応じて調節され、燃焼比Ｒ１が維持されることとなる。
流量を制御するための装置４６は、それ自体公知の方式で圧縮機２８に対して、例えばその羽根に対して直接作用する。圧力の制御はその圧縮機２８の出口側では実施されないことに注意すべきである。さらに、管３０に対して弁は必要とされない。
従って、管３０を通って流れる酸素の圧力は、特に、ガスタービンの、そして圧縮機２８の特性の関数として自然に確立されるようになる。
それゆえ、管３０を通って流れる酸素の流量は、ライン３４により配送される炭素含有製品の流量の関数として変動する可変的な整定値に割り当てられ、ライン３４の流量は、タービンにかかる負荷を介してそれ自体指令され、それゆえ、その負荷を代表する。
さらに、負荷にそのような変動が存在するときは、それにしたがって、炭素含有製品と酸素の流量の変動のために管３８の中を流れる燃料ガスの流量も変動する。燃料ガスの流量は装置４８を介して制御され、次いで、その装置４８はライン５０を介して装置５２に指令を送り、それにより装置５２は、ライン２４に沿って流れる残留窒素の流量を制御し、それにより比Ｒ２が維持される。制御装置５２は、装置４６と圧縮機２８に関して記載したことと同様の方式で圧縮機２２に対して直接作用する。
圧縮機２８の場合におけるように、残留窒素圧力の制御は、圧縮機２２では実施されないことに注意すべきである。それゆえ、その圧力は、特にガスタービンと圧縮機２２の特性の関数として自然に確立される。さらに、ライン２４では弁は必要とされない。
それゆえ、ライン２４を通って流れる残留窒素の流量は、燃料ガスの流量の関数として変動する可変的な整定値を割り当てられ、燃料ガスの流量は、それ自体タービンにかかる負荷を代表する。
図２は、本発明の態様の別形態を示す。
この別形態の態様は、制御装置４６と同様の制御装置４６’が圧縮機２８に対してではなく、管３０上に配置された注入弁５４に対して作用するという点で図１の設備とは異なる。さらに、その管３０は、酸素圧力を制御するために圧縮機２８に対して作用する装置５６を備える。
図２の設備はまた、装置５２と同様の流量を制御するための装置５２’が圧縮装置２２に対してではなく、管２４上に配置された弁５８に対して作用するという点でも図１の設備とは異なる。その管２４は、圧縮機２２に対して直接作用する、残留窒素圧力を制御するための装置６０もまた備える。
最後に、図２の設備は、気化器３２がその気化器の内部の圧力を制御するための装置６２を備えるという点で図１の設備とは異なる。その装置６２は、燃料ガス管３８が設けられている弁６４に対して作用する。
様々の制御装置５６、６０および６２に割り当てられた整定値は、ガスタービンに対する負荷の関数として変動する可変的な値を有する。
この目的のために、センサー６６が空気配送回路中の圧力を測定するために用いられ、その空気配送回路は、圧縮機４を燃焼チャンバ８と連通状態に置く。このとき装置５６、６０および６２の整定値は、安全値ΔＰが加算されているセンサー６６により測定される圧力値に対応する。このために、それらの装置５６、６０および６２は、参照番号６８、７０および７２に割り振られているそれぞれの指令ラインによりセンサー６６に接続されている。
例として、残留窒素圧力を制御するための制御装置６０についての整定値は、０．１ないし１０バール、好ましくは０．３ないし２バールの安全値ΔＰ１が加算されているセンサー６６により測定される圧力Ｐに対応する。
酸素圧力を制御するための装置５６についての整定値は、２ないし２０バール、好ましくは３ないし１０バールの安全値ΔＰ２が加算されているセンサー６６により測定される値に対応する。
最後に、気化器の圧力を制御するための装置６２についての整定値は、０．５ないし１０バール、好ましくは１ないし５バールの安全値ΔＰ３が加算されているセンサー６６により測定される値に対応する。
それゆえ、本明細書で上述の３つの整定値は、配送回路中の圧力の関数として変動し、その圧力それ自体がタービンにかかる負荷を代表する。それらの整定値が設備の他のポイントでの圧力の関数として変化することが考えられる。従って、センサー６６と同様の図示されていないセンサーを、燃焼チャンバ８の中に設けることができる。
本発明は、記載され、図示された例には限定されない。
従って、図１を参照して記載される工程を用いて単に１つのガス流、すなわち、窒素または酸素の流量を制御することが考えられる。この場合には、他のガス流の圧力を図２を参照して記載された例により制御することができる。
空気分離ユニットから発生する単一のガス流を用いて燃焼チャンバ８に供給することもまた可能である。したがって、この空気分離ユニットにより作り出される残留窒素のみを用いることができ、燃焼ガスは、例えば、天然ガスである。
本発明は、前述の目的を達成することを可能とする。
具体的には、本出願人は、先行技術の実施は特に大きな電力消費を伴うことを見出した。これは、主に、空気分離ユニットの下流に位置する窒素および酸素圧縮装置および同様に気化器が、一定に保たれなければならないその出力圧力に関して一定の整定値に供されるという事実による。
ここで、ガスタービンが低下した能力で操作されているとき、燃焼チャンバの中の圧力はかなり低くなる。その結果一定の整定値を要求する先行技術において、注入弁の中の窒素、酸素および合成ガスのきわめて顕著な膨張が起こり、従って、エネルギーの顕著な損失をもたらす。
対照的に、タービンにかかる負荷の関数としての酸素および／または窒素の圧力および／または流量を変化させることで、それらのガスにより起こる膨張の程度を大幅に減少させることが可能となる。
特に、それらのガス流の流量を制御することにより、注入弁の使用に固有の圧力降下を回避することが可能となる。実際、本発明のこの態様によれば、前述の弁は、省略され得るかまたは代わりに、弁が広く開放しているので設備の稼動に影響を有さないであろう。
本発明の１態様による設備を例示する模式図である。 本発明の１態様による設備を例示する模式図である。
符号の説明
２…ガスタービン、４，２２…圧縮機、６…膨張タービン、８…燃焼チャンバ、１０…交流発電機、１２…シャフト、１６…空気分離ユニット、３２…気化器、３５…調節弁、３６…容器、４２，４６，４６’，４８，５２，５２’…流量制御装置、５６，６２…圧力制御装置、６６…センサー、６８，７０，７２…指令ライン

Claims (4)

  1. 空気分離ユニット（１６）と結合したガスタービン（２）を用いてエネルギーを生産するための方法であって、空気を管（１８）を介して前記分離ユニット（１６）に導入し、窒素から本質的になる少なくとも１種のガス流を、ライン(２０)を介して前記分離ユニットから引き出し、前記ガス流を、ガスタービン（２）の燃焼チャンバ（８）に向け、窒素流量制御手段（５２）は前記空気分離ユニット（１６）の下流に位置する窒素ガス流のための圧縮機（２２）に対する直接作用により流量を制御し、前記ガスタービン（２）に対する負荷を代表する関数として変動する可変的な整定値を窒素流量に割り当てることを特徴とする方法。
  2. 前記ガス流が本質的に窒素からなり、その流れを燃焼チャンバ（８）に導入し、タービン（２）にかかる負荷を代表する値がその燃焼チャンバに燃料ガスを配送するための管（３８)を介して導入される燃料ガスの流量であることを特徴とする請求項１記載の方法。
  3. 空気分離ユニット（１６）と結合したガスタービン（２）によりエネルギーを生産するための設備であって、窒素から本質的になる少なくとも１種のガス流を分離ユニットから引き出す手段、および前記ガス流をガスタービン（２）の燃焼チャンバ（８）に向けて、配送するための手段（２４、3 ８）を備え、流量を制御するための制御手段（４６、５２）が設けられ、前記手段はそのガス流のための圧縮機（２２、２８）に対して直接作用することが可能であり、前記制御手段はガスタービンに対する負荷（１４）を代表する値の関数として変動する可変的な整定値を有することを特徴とする設備。
  4. 前記制御手段（５２）が燃焼チャンバ（８）に通じる管（２４）に沿って流れる窒素の流れの流量を制御することが可能であり、また、燃料ガスを配送するための管（３８）と連通して配置され、燃料ガスの流量を制御するための手段（４８）が設けられ、その手段は窒素の流れの流量を制御するための手段（５２）を制御することが可能であることを特徴とする請求項３記載の設備。
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