JP5357866B2 - ガスタービンおよび回転再生熱交換器によって力、特に電力を生成するシステム - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、圧縮機と、膨張タービンと、圧縮機から出た圧縮ガスを加熱して膨張タービンに送るのを可能にする装置とを含むガスタービンを有する、力、特に電力を生成するシステムに関する。

電力の生成は一般に、このガスタービンの膨張タービンに結合された発電装置によって行われる。

この電力生成システムに使用される高温ガス供給源は、炉などの工業プロセスにおける高温熱回収またはバーナ型燃焼室装置内のバイオマスなどの固体燃料の燃焼によって得ることができる。

発明の背景
特にＰＣＴ第０２／０５５８５５号で公知のこのようなシステムは、一方では、バイオマスを主成分とする燃料を使用するバーナからの高温の噴煙を通過させ、他方では、圧縮機から出た圧縮ガスを通過させる熱交換器を圧縮ガス加熱装置として使用する。

したがって、噴煙によって運ばれた熱量は、圧縮ガスが、膨張タービンを回転させるのに十分な温度および圧縮で膨張タービンに到達するように、圧縮ガスに伝達される。この回転の作用で、このタービンは、それに結合された電流生成装置を駆動する。

この種のシステムは満足行く結果を与えるが、重要でないとは言えないいくつかの欠点を有する。

すなわち、使用される熱交換器は、圧縮ガスの温度をかなり上昇させるのに十分な熱量を伝達することはできず、公知のように、膨張タービンに送られるガスの温度が高いほど電気効率が高くなる。したがって、このシステムによって得られる電気効率はそれほど高くなく、２０％より低い。

さらに、チューブ熱交換器のような、このようなシステムで従来使用されている熱交換器の技術は、この用途に対してそれほど適切な技術ではない。チューブは、高温に耐える特殊な鋼で作らなければならず、したがって、この装置は非常に高価になる。さらに、熱交換器の出口の所で圧縮ガスが達する最高温度は依然として７５０℃に制限されており、工場に適切な電気効率を得ることはできない。

本発明の目的は、圧縮ガス加熱温度を上昇させることのできる高性能熱交換器を使用して高いエネルギー効率を得るのを可能にする電力生成システムによって上述の欠点を解消することである。

したがって、本発明は、少なくとも１つの圧縮ステージを有する少なくとも１つの圧縮機と、少なくとも１つの膨張タービンと、圧縮機と膨張タービンとの間の熱交換器と、高温ガス供給源と、を含むガスタービンを有する、力、特に電力を生成するシステムにおいて、熱交換器が、高温ガス供給源からの高温のガスおよび圧縮機からの圧縮ガスが通過する回転再生熱交換器であることを特徴とする、力、特に電力を生成するシステムに関する。

回転再生熱交換器は、高温のガスおよび圧縮ガスが交互に通過する多数の半径方向セクタを含む円板を有してよい。

再生熱交換器は、圧縮ガス入口ボックスおよび高温ガス入口ボックス、ならびに圧縮ガス出口ボックスおよび高温ガス出口ボックスを有してよい。

電力生成システムは、熱交換器から出た高温のガスが通過する高温流体生成装置を有してよい。

電力生成システムは、圧縮機と熱交換器との間に配置された高温流体生成装置を有してよい。

圧縮機は少なくとも２つの圧縮ステージを有してよく、高温流体生成装置は２つのステージの間に配置することができる。

高温ガス供給源は燃焼室を有することができることが好ましい。

燃焼室は、膨張タービンから来る空気の少なくとも１つの入口を有してよい。

燃焼室は、少なくとも１つの新鮮空気吸気口を有してよい。

新鮮空気吸気口は、配管によって膨張タービンに連結することができ、この配管はインタークーラ内を通って延びることができる。燃焼室は固体燃料用の入口を有してよい。

有利なことに、燃料はバイオマスを含んでよい。

高温ガス供給源は、工業プロセスにおける高温熱回収によって得ることができる。

熱交換器は逐次型回転再生熱交換器であることが好ましい。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照して、非制限的な例による以下の説明を読むことによって明らかになろう。

本発明による電力生成システムを示す図である。 本発明によるシステムで使用される熱交換器の詳細斜視図である。 図１のシステムの第１の変形実施形態の図である。 図３のシステムの他の変形実施形態を示す図である。 図４のシステムの他の変形実施形態を示す図である。

図１において、電力生成システムは、少なくとも１つの圧縮ステージを有するガス圧縮機１２と、以下に詳しく説明する再生型熱交換器１４と、軸１８によって圧縮機に連結された膨張タービン１６と、膨張タービンによって制御される電力生成手段２０と、を含むガスタービン１０を有している。図１の例では、この電力生成手段は、軸２４によって膨張タービン１６に連結された発電装置２２を有している。

圧縮機は、空気入口配管２８に連結された、ここでは外気などのガス用の入口２６と、配管３２によって熱交換器１４の圧縮空気入口３４に連結された圧縮空気出口３０とを有している。この熱交換器の圧縮空気出口３６は、配管３８によって膨張タービン１６の入口４０に連結されている。このタービンの出口４２は、高温の膨張ガスを任意の適切な手段に排出するのを可能にする配管４４に連結されている。

熱交換器１４は、工業プロセスにおける高温熱回収または固体燃料の燃焼によって得られるような高温のガスの入口４６であって、配管４８によって高温ガス供給源に連結された高温ガス入口４６を有している。高温のガスは、この熱交換器内を流れた後、出口５０および配管５２を通して煙突（不図示）のような任意の排出・処理手段に排出される。

図２は、一例として米国特許第１５２２８２５号に記載されたようなＬｕｇｊｓｔｒｏｍ型回転熱交換器の原則に基づく再生熱交換器の実施形態を示している。

この熱交換器は、電気モータ（不図示）のような任意の公知の手段によってその軸ＸＸの周りを、連続的または逐次的な動きによって回転駆動される回転熱交換円板５４を有している。この円板は、圧縮機１２からの圧縮空気および高温ガス配管４８からの高温のガスが交互に通過する多数の半径方向熱交換セクタ５８、ここでは１２個の３０°セクタに、半径方向の隔壁５６によって分割されている。各セクタは、ムライトやコーディエライト型セラミックのような、熱量を貯蔵しかつ放出するのを可能にする材料を含んでいる。

図２に示されているように、円板の各面は、固定流体入口ボックスおよび固定流体出口ボックスに連結されている。したがって、図１の左側の面６０は、配管３２に連結された入口３４を備えた圧縮空気入口ボックス６２および配管５２に連結された高温ガス出口５０を備えた高温ガス出口ボックス６４に連結されている。他方の面６６は、配管３８に連結された出口３６を有する圧縮空気出口ボックス６８および配管４８に連結された高温ガス入口４６を有する高温ガス入口ボックス７０を有している。

有利なことに、各ボックスは、半円形を有し、２つのボックスは、円板の各面上に互いに向かい合って配置されており、したがって、この２つのボックスは、円板の対象となる面全体を覆っている。

各面とボックスとを密封し、様々な部品間をほぼ完全に密封する装置があることが好ましい。このような装置は、特に米国特許第５２５９４４４号に記載された装置であってよい。

一例として、４分の１回転程度の円板５４の逐次回転が行われる。したがって、高温のガスは、（図２で考えた場合）円板の上半分のセクタ５８を通って入口４６と出口５０の間を流れ、一方、このようなガスに含まれる熱量が収集され、したがって、これらのセクタは、高温のセクタになり、一方、圧縮機からの圧縮空気は、他方の半分のセクタ５８を通って入口３４と出口３６の間を流れ、したがって、この圧縮空気は、これらの様々なセクタ６６に含まれる熱量によって高温に加熱される。この位置は、一方では、噴煙が、円板の上半分の各セクタの構成部材に最大熱量を伝達しつつ冷却され、他方では、円板の下半分の各セクタに含まれる熱量が、圧縮空気に伝達され圧縮空気を高温に加熱するのに必要な十分な時間にわたって維持される。

この時間の経過後、円板は、電気モータの作用でその軸ＸＸの周りを４分の１回転するように駆動され、上述のように必要十分な時間にわたってこの位置に維持される。その後、この４分の１回転運動はタービンの動作全体にわたって繰り返される。

図１に示されているシステムの動作の間、外気、好ましくは周囲温度および圧力の外気は、入口２６および圧縮機１２を通過させられ圧縮される。この圧縮空気は次に、配管３２を通して回転再生熱交換器の入口３４に送られ、上述のように加熱される。圧縮空気は（９００℃程度の）高温となって熱交換器から出て、配管３８によって膨張タービン１６の入口４０に送られる。この非常に高温の圧縮空気は、このタービンを回転させ、タービンが、軸１８によって圧縮機１２を回転駆動すると共に、軸２６によって発電装置２４を回転駆動する。膨張タービン１６から出た膨張した空気は、ほぼ大気圧で、配管４４を通して任意の適切な手段に送られる。

配管４８を通して熱交換器１４に送られる高温のガスは、円板５４のセクタ５８の一部にガスの熱の大部分を与えつつ、この熱交換器内を通って入口４６と出口５０の間を流れる。冷却されたガスは、熱交換器１４から出て、配管５２を通して煙突に送られる。

このシステムは、熱交換器１４が（９７％を超える）非常に高い熱効率を得るのを可能にし、それによって、膨張タービンに送るべき流体を（９００℃を超える）非常に高温に加熱することができ、したがって、発電システムでは３０％を超える電気効率を得ることができる。

図３の変形実施形態は、一方では燃焼による高温のガスの供給源の構成、他方では熱水を生成するのを可能にする装置が、図１に示されているシステムと異なる。

したがって、この供給源は有利なことに、酸化剤入口７４および燃料入口７６を有するバーナ型燃焼室７２である。図３の構成では、膨張タービン１６からの膨張した空気が配管４４を介してバーナによって酸化性物質として使用されるが、外部空気供給源のような、このバーナに酸化性物質を送る任意の他の構成を使用することができる。有利なことに、燃料入口７６は、バイオマスなどの固体燃料を供給する送出配管７８に連結されているが、バイオガスのような任意の他の種類の燃料を使用してよい。したがって、この酸化性物質は、バーナ７２の入口７６に送り込まれたバイオマスと混合し、火炎のような任意の手段の作用によって燃焼を生じさせる。このバーナは、燃焼の結果として得られる高温のガス（または噴煙）用の端部であって、配管４８に連結された排出端部８２も有している。

このシステムは、熱水のような高温の流体の生成装置８４も有しており、熱交換器１４から出た噴煙が生成装置８４を通過し、かつ生成装置８４が、バーナ７２によって発生した熱の一部を使用してこの熱水を生成するのを可能にする。一般に、この生成装置は、熱交換器から出て配管５２内を循環する噴煙と、液体形態で配管８６を通して供給され、加熱形態で配管８８を通って流出する水と、が流れるラジエータから成っている。この場合、ガスタービンはコジェネレーションタービン（電気＋加熱）と呼ばれる。

この図に示されているシステムの動作は、図１に関連して説明した動作と同じであり、生成装置８４による熱水生成およびバーナによる高温の噴煙の生成についての追加のステージを有している。

したがって、このシステムは、圧縮機１２による空気の圧縮と、熱交換器１４の円板５４の半径方向セクタの一部を通過することによるこの圧縮空気の加熱と、膨張タービン１６を回転させることによる膨張タービン１６内の高温の圧縮空気の膨張と、を実現し、したがって、発電装置２２を回転させて電気を生成するのを可能にする。

タービンから出た膨張した空気は次に、バーナ７２に送られ、バーナ７２において、供給されたバイオマス型燃料によって燃焼が生じる。この燃焼によって生じた噴煙は、冷却されながら熱交換器１４の半径方向セクタの他の部分を通って流れ、次に熱水生成装置８４を通って流れ、熱水生成装置８４に入っている水を加熱する。

図４の変形実施形態は、同時に噴煙の熱ではなく圧縮空気によって水などの流体を加熱するのを可能する、圧縮機１２から出る圧縮空気の冷却と、膨張タービン１６から出る膨張した空気の一部の冷却が、図３の変形実施形態と異なる。

したがって、図３で配管５２上に配管された生成装置８４は、図４の場合には、圧縮機１２の出口３０と熱交換器１４の入口３４との間に配置される。

これによって、一方では、圧縮空気の温度を熱交換器１４の入口の所で約２５℃に低下させることができ、この熱交換器を通って流れる燃焼噴煙から大量の熱を回収することができる。他方では、圧縮空気の温度はほぼ一定のレベルであり、それによって伝達される熱量は、著しく変動することのある噴煙の温度にかかわらず、生成装置出口の所で熱水を得るのに使用される。

この変形実施形態は、膨張タービン１６から来る膨張した空気の一部を冷却し、この空気を、すでに配管４４を通して入口７４の所で噴射された膨張した空気と共にバーナ７２の入口に噴射するのも可能にする。したがって、配管４４の点９２と吸気口９４をバーナ７２のレベルで連結するバイパス配管９０が設けられている。インタークーラ９６が、この配管上に配置されており、インタークーラ９６内を通って流れる膨張した空気の温度を、たとえば外気との熱交換によって周囲温度レベルに低下させる。

この新鮮な空気の噴射は特に、高い入口空気温度に耐えられない格子型バーナへの一次空気噴射を対象としている。

図４のシステムの動作は、図３のシステムの動作と同じであり、したがって、以下では概略的にのみ説明する。

したがって、このシステムは、圧縮機１２による空気の圧縮と、熱水を生成しながら生成装置８４を通過させることによるこの空気の冷却と、熱交換器１４の一部によるこの圧縮空気の加熱と、膨張タービン１６内での高温の圧縮空気の膨張と、を実現し、このタービンおよび発電装置２２を回転させて電気を生成するのを可能にする。タービンから出た膨張した空気は次に、一部については直接バーナ７２に送られ、他の部分についてはインタークーラ９６を通過して冷却された後でバーナ７２に送られる。この膨張した空気は次に、バーナに送り込まれるバイオマスによって燃焼を生じさせるのに使用される。この燃焼によって生じた噴煙は、冷却されながら熱交換器の他の部分を通って流れ、煙突に排出される。

図５の変形実施形態は、システムの全体的な効率が圧縮作業を軽減させることによって高くなるように構成されている点で、図４の変形実施形態と異なる。

したがって、図４から、圧縮機１２は、２つのステージ１２ａおよび１２ｂを有する圧縮機と交換されるようになっている。第１ステージ１２ａの入口は外気入口配管２８に連結されており、第２ステージ１２ｂの出口は、生成装置８４を通過しつつ配管３２を通して熱交換器１４に連結され、配管８は、第１のステージの出口を第２の圧縮ステージの入口に連結している。追加的な高温流体生成装置８４ａが、配管９８上の、２つの圧縮ステージの間に配置されている。

したがって、配管２８を通過させられる外気は、第１の圧縮ステージ１２ａによって第１のレベルに圧縮される。この第１のステージの出口の所で、高温の圧縮空気は、配管９８内を循環し、追加的な生成装置８４ａを通って流れ、熱水を生成することによって、圧縮空気が伝達する熱量を、生成装置８４ａ内を循環する水と交換する。追加的な生成装置から出た冷却された圧縮空気は次に、第２の圧縮ステージに進入し、第２の圧縮ステージから流出し、熱交換器１４に入る前に生成装置８４内を通って流れることによって配管３２内を循環する。図５のシステムは次に、図４に関連して説明したのと同様に動作する。

本発明は、上述の例に限定されず、任意の変形実施形態または等価実施形態を包含する。

Claims (4)

1. 少なくとも１つの圧縮ステージを有する少なくとも１つの圧縮機（１２；１２ａ、１２ｂ）と、少なくとも１つの膨張タービン（１６）と、前記圧縮機と前記膨張タービンとの間の熱交換器（１４）と、高温ガス供給源（４８、７２）と、を含むガスタービン（１０）を有する、電力を生成するシステムにおいて、
   前記高温ガス供給源は、膨張タービン（１６）から来る空気の少なくとも１つの空気入口（７４、９４）と、固体燃料入口（７６）と、高温のガス用の出口とを有する燃焼室（７２）を有しており、
   前記燃料はバイオマスを含んでおり、
   前記熱交換器は、前記高温のガス用の出口からの高温のガスおよび前記圧縮機からの圧縮ガスが通過する回転再生熱交換器（１４）であり、
   前記回転再生熱交換器（１４）は、前記高温のガスおよび前記圧縮ガスが交互に通過する多数の半径方向セクタ（５８）を含む円板（５４）と、圧縮ガス入口ボックス（６２）および高温ガス入口ボックス（７０）と、圧縮ガス出口ボックス（６８）および高温ガス出口ボックス（６４）を有しており、
   圧縮機（１２；１２ｂ）と熱交換器（１４）との間に、前記圧縮機（１２；１２ｂ）から出た前記高温のガスが通過する高温流体生成装置（８４）を有しており、
   前記圧縮機は少なくとも２つの圧縮ステージ（１２ａ、１２ｂ）を有し、高温流体生成装置（８４）は前記２つのステージの間にも配置されていることを特徴とする、電力を生成するシステム。
2. 燃焼室（７２）は、少なくとも１つの新鮮空気吸気口（９４）を有することを特徴とする、請求項１に記載の電力生成システム。
3. 新鮮空気吸気口（９４）は、配管（９０）によって膨張タービン（１６）に連結され、この配管はインタークーラ（９６）内を通って延びることを特徴とする、請求項２に記載の電力生成システム。
4. 前記熱交換器は逐次型回転再生熱交換器であることを特徴とする、請求項１に記載の電力生成システム。

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