JP5383708B2 - 低炭素排出複合サイクル発電プラント及び方法 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、気候保護技術、特に、ガスタービン機関からの廃熱が蒸気タービンのための蒸気を発生させるために使用される複合サイクル発電プラントにおける炭素捕捉の減じられた複雑さ及び高められた効率に関する。

発明の背景
渦ノズル（サイクロニックセパレータとも呼ばれる）の形式の低温分離ユニットを使用してガス流から二酸化炭素（ＣＯ₂）を生成及び分離するための装置は、過去に公開された特許出願である国際公開第０３／０２９７３９号パンフレット及び米国特許出願公開第２００３／０１４５７２４号明細書から公知である。周囲温度で効率的に作動するために、このような渦ノズルには、渦ノズルへの入口において少なくとも２又は３ｂａｒに加圧された冷却されたガス流が供給される必要がある。渦ノズルにおいて、ガスは著しく低い圧力に急速に膨張し、ガスを急激に冷却する。２００６年８月７日に出願された我々の過去の特許出願ＰＣＴ／ＥＰ２００７／０５７４３４は、化石燃料を燃焼させるガスタービン機関からの排気等のガス流からＣＯ₂を分離するための改良された方法において渦ノズルを使用する。一般的な観点において、この方法は、ガス流を約２〜３ｂａｒの圧力に圧縮し、ガス流を約−４０℃〜−５０℃に冷却し、渦ノズルを介してガスを超音速で膨張させこれにより、固体ＣＯ₂がガス流の残りの部分から遠心力で分離し、さらなる処理、例えば隔離（sequestration）の準備のためにＣＯ₂を渦ノズルの外壁から排出する。

図１は、複合サイクル発電プラントに関連して使用するために特に適応されたＣＯ₂捕捉方法のためのプラント構成部材の、公知の形式の連続的な配列を概略的に示している。ガスタービン機関１０は、吸入空気１１を圧縮機１２において圧縮し、燃料を圧縮空気１３中で燃焼器１４において燃焼させ、共通のシャフト１７を介して圧縮機１２を駆動するタービン１６において燃焼ガス１５から仕事を得る。タービン１６において発生された機械的な力の大部分は、発電機Ｇを駆動するために使用される。タービン１６を通って膨張した後、排気ガス１８は通常ほぼ大気圧であり、約３〜４体積％のＣＯ₂を含んでいる。高温の排気又は煙道ガス１８は、タービン１６の排気ダクトから排出され、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）１９を通過させられる。ＨＲＳＧは、蒸気タービン２１が取り付けられたシャフトを介して駆動される発電機Ｇからさらに電力を発生させるために、蒸気タービン２１を通じて膨張するための蒸気２０を発生させる。蒸気タービン２１から排出された後、湿った蒸気２２は凝縮器２３を通過させられ、凝縮水２４が次いでポンプＰによってＨＲＳＧ１９にリサイクルされる。ＨＲＳＧ１９において熱のほとんどを放出した後、煙道ガス２５はほぼ大気圧のままであるが、約８０〜１２０℃の温度に低下させられている。ガス２５は次いで熱交換器２６においてほぼ周囲温度（通常は使用可能な冷却水＋１０Ｋの温度）に冷却される。熱交換器２６において使用される冷却水は例えば、１つ又は２つ以上の冷却塔において再冷却されるか、又は河川、湖沼又は海洋からの環境水を、煙道ガス２５を冷却するために使用することができる。

前述のように、渦ノズルにおける二酸化炭素の分離は、ガスが少なくとも２〜３ｂａｒに加圧されることを必要とする。したがって、冷却された煙道ガス２７は、ガスタービン１０と蒸気タービン２１とによって発生される電気によって駆動されるモータＭ１によって駆動されるガス圧縮機２８において圧縮される。その代わりに、ガス圧縮機２８は、ガスタービン又は蒸気タービンのシャフトに直接に連結されていてもよい。圧縮された煙道ガス２９は次いで、互いに平行な、煙道ガスを受け取るように入口が配置されている渦ノズル３８のセット（１つだけのノズルが示されている）において低温で分離されることができる。これは、３段階のプロセスにおいて作動する煙道ガス冷却システムによって達成される。第１の冷却段階において、圧縮された煙道ガスは、適切な熱交換装置３０において周囲温度（再び、通常は使用可能な冷却水の温度＋１０Ｋ）まで冷却される。第２及び第３の段階は、能動的冷却サイクル又はその他の冷却装置を有する。この実施例では、概して符号３３及び３６によって示されたヒートポンプが使用されている。公知のように、各ヒートポンプ３３／３６は、蒸発器３３１／３６１と、モータＭ２によって駆動される圧縮機３３２／３６２と、凝縮器３３３／３６３と、調量弁３３４／３６４とを有している。これにより、第２の冷却段階において、第１の冷却段階からの煙道ガス３１は能動的冷却サイクル３３の蒸発器３３１を通過する。煙道ガス３４は、水の凝固点よりも２〜５Ｋ高い温度で蒸発器３３１から排出され、蒸発器には、煙道ガスから凝縮した水を分離するための適切な公知の手段が具備されている。第３の冷却段階において、第２の段階からの煙道ガス３４はさらに第２の能動的冷却サイクル３６の蒸発器３６１によって−４０℃〜−５０℃の所要の温度に冷却される。蒸発器３６１は、煙道ガスの冷却中に熱交換器表面に堆積された氷を除去するための適切な手段が具備されていなければならない。最後に、圧縮され冷却された煙道ガス３７は渦ノズル３８に進入し、この渦ノズル３８において煙道ガスは膨張によって冷却され、ＣＯ₂流３９と残りの煙道ガス流４３とに遠心分離される。ＣＯ₂流３９は、浄化され、ガス圧縮機４０によって圧縮され、貯蔵のためにパイプライン４１に供給されるのに対し、残りの煙道ガス４４は、必要ならば、さらなる環境的な浄化作業を受けた後に、煙道、排気筒（Ｓ）又は同様のものを通じて大気中に排出される。

システムの効率を高めるために、第２の能動的冷却サイクルにおける冷媒のための凝縮器３６３は、渦ノズル３８から排出された低温の、ＣＯ₂が除去された煙道ガス４３がヒートシンクとして使用されることができるように、渦ノズル３８の下流に配置されている。

ＣＯ₂捕捉／分離プロセスは、我々の上述の過去の特許出願及びその他の従来技術において十分に説明されているので、ここではさらに説明しない。

図１におけるＣＯ₂捕捉機器が設けられていない場合、煙道ガスは、ＨＲＳＧ１９から出た後に単に大気中に排出される。しかしながら、渦ノズル３８に供給するために必要な低温の加圧された煙道ガスを得るためには、圧縮機２８及び冷却ユニット２６，３０，３３１，３６１が必要とされ、その結果、プラントの複雑さ及び建設、運転及び保守のコストを生じる。

発明の概要
本発明によれば、低炭素排出複合サイクル発電プラントは、極低温において煙道ガスから二酸化炭素を分離するために渦ノズルを利用し、プラントの複雑さは、プラントのガスタービン機関部分を、少なくとも２ｂａｒの渦ノズルへの入口圧力を保証するのに十分に高い、タービン排気圧力と、タスタービン機関と渦ノズルとの間に配置されたプラントの下流部分の圧力とを用いて運転することによって、最小限に押さえられる。その結果、タービン排気圧は、渦ノズルの所望の入口圧力に、タービン出口と渦ノズルの入口との間の全ての構成部材及びダクトの圧力損失を加えたものである。

プラントのこのような下流部分は好適には排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）及びガス冷却システムを含む。ガス冷却システムは好適には、ＨＲＳＧから受け取られた煙道ガスを通常周囲温度に近い温度に冷却するために働く熱交換装置と、煙道ガスを約−４０℃〜−５０℃の温度範囲にさらに冷却するために働く能動的冷却装置とを有している。

より詳細には、低炭素排出複合サイクル発電プラントは、
炭素含有燃料が供給され、タービン排気ダクトから二酸化炭素含有煙道ガスを排出するために働くガスタービン機関と、
タービン排気ダクトから受け取られた煙道ガスを冷却することによって蒸気を発生させるために働く排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）と、
ＨＲＳＧから受け取られた蒸気からシャフト動力を発生するために働く蒸気タービンと、
ＨＲＳＧから受け取られた煙道ガスを通常周囲温度に近い温度に冷却するために働く熱交換装置と、
煙道ガスを約−４０℃〜−５０℃の温度範囲にさらに冷却するために働く能動的冷却装置と、
複数の渦ノズルとを有しており、各渦ノズルが、能動的冷却装置から煙道ガスを受け取るための入口を有しておりかつ受け取られた煙道ガスから極低温で二酸化炭素を分離するためにかつ二酸化炭素が除去された煙道ガスを排出するために働き、
使用時に、ガスタービン機関排気ダクトと、ＨＲＳＧと、熱交換装置と、能動的冷却装置とが、少なくとも約２ｂａｒ、好適には約２〜４ｂａｒの範囲の圧力での渦流の渦ノズルへの煙道ガスの進入を保証するのに十分に高い圧力で作動する。

好適には、プラントはさらに、
渦ノズルから受け取られた分離された二酸化炭素を圧縮してこの二酸化炭素を貯蔵部へ搬送するためのパイプラインに送るために働くガス圧縮機と、
二酸化炭素が除去された煙道ガスを受け取りこの煙道ガスを、選択的に煙道ガスからさらなる汚染物の除去の後に大気中へ排出するための煙道ガス排出筒又は同様のものとを有している。

この種のプラントにおいて、複数の渦ノズルが、能動的冷却装置から受け取られたガスを処理するために互いに平行に配置されている。

ガスタービン機関の排気ガスにおける二酸化炭素の割合を高め、これにより二酸化炭素除去プロセスをより効率的にするために、プラントには、ＨＲＳＧと熱交換装置との間に配置された、圧縮機の圧力が再循環されるガスの圧力とほぼ同じである位置においてガスタービン機関の圧縮機（ＧＴ圧縮機）内に噴射することによって、ＨＲＳＧを通過するガスの所定の割合（例えば、１０％、２０％、３０％、４０％、又は５０％以下）を再循環させるように働く、流れ分流器が設けられていてよい。

プラントは、プラントが採用したい熱力学サイクルに従って選択された所望の温度においてＧＴ圧縮機に再循環ガスを噴射するように、設計者によって適応させられてよい。つまり、ＧＴ圧縮機における混合損失を最小限に抑えるために、再循環される噴射されるガスの温度と、噴射位置におけるＧＴ圧縮機の空気の温度とは、互いにほぼ同じであるべきである。その代わりに、再循環ガスが、噴射位置ＬにおけるＧＴ圧縮機の空気の温度よりも実質的に低い温度でＧＴ圧縮機内に噴射されるならば、圧縮機の中間冷却によるものと同様に熱力学サイクルが高められる。再循環される煙道ガスのこのような冷却は、ＧＴ圧縮機及び燃焼器の温度限界を超えることなく、機関の電力出力と、サイクル熱効率とを高めることができる。

ＨＲＳＧが煙道ガスをＧＴ圧縮機内への噴射のための所望の温度に冷却することができるようにＨＲＳＧの設計を適応させることが可能である。その代わりに、ＨＲＳＧは、所望の温度の手前まで煙道ガスを冷却することができ、分流器とＧＴ圧縮機との間のガス冷却装置がガスをさらに所望の温度まで冷却することができる。

１つの実施形態において、ＨＲＳＧは、ガスが完全にＨＲＳＧを通過する前に煙道ガスの所望の割合がＧＴ圧縮機に分流されるように分流器を有している。入口と流れ分流器との間のＨＲＳＧの部分が、ＧＴ圧縮機に煙道ガスを噴射するための所望の温度まで煙道ガスを冷却することができないならば、分流された煙道ガスを所望の温度にさらに冷却するためにＨＲＳＧにおける分流器とＧＴ圧縮機との間にガス冷却装置が設けられることができる。

プラントにおいて使用されるガスタービン機関は、複数のタービン段を有しかつ約１ｂａｒのタービン排気ダクトにおける圧力で作動する既存の機関の変更された形式であってよく、この変更された形式は、既存の機関よりも少ない少なくとも１つのタービン段を有しており、変更された形式は、渦ノズルの前記所要の入口圧力に、ガスタービン機関と渦ノズルとの間に配置されたプラントの下流部分の圧力損失を加えたものであるタービン排気の圧力で作動する。

本発明は、機関が二酸化炭素含有煙道ガスを排出するように炭素含有燃料が供給されるガスタービン機関を有する複合サイクル発電プラントからの低炭素排気を得るための方法をも含んでおり、この方法はさらに、
シャフト動力を発生するために蒸気タービンを駆動するための蒸気を発生させるために煙道ガスを使用することにより煙道ガスが冷却される第１の冷却ステップと、
煙道ガスが通常大気温度に近い温度にさらに冷却される第２の冷却ステップと、
煙道ガスが約−４０℃〜−５０℃の温度範囲にさらに冷却される第３の冷却ステップと、
煙道ガスから二酸化炭素を分離し、二酸化炭素が除去された煙道ガスを排出することを含む極低温分離ステップとを含んでおり、
ガスタービン機関からの煙道ガスの排出と、煙道ガスの冷却とが、少なくとも約２ｂａｒの極低温分離ステップへの進入を保証するために、十分に高い圧力において生じる。

本発明の別の態様は、以下の説明及び請求項を読むことにより明らかになるであろう。

本発明の典型的な実施形態がここで添付の図面を参照して説明される。

付加されたＣＯ₂捕捉設備を備えた公知の形式の複合サイクルプラントを例示するフローチャートである。 本発明の第１の実施形態による、図１のプラントの単純化された態様を例示するフローチャートである。 ガス再循環と、付加されたＣＯ₂捕捉設備とを備えた公知の形式の複合サイクルプラントを例示するフローチャートである。 本発明の第２の実施形態による図３のプラントの単純化された態様を例示するフローチャートである。 本発明の第３の実施形態による図３のプラントの単純化された態様を例示するフローチャートである。 本発明の第４の実施形態による図３のプラントの単純化された態様を例示するフローチャートである。

好適な実施形態の詳細な説明
図１から図４には、異なる図面において同じ又は類似であるプラント構成部材及び流体流れが同じ参照符号で示されており、これらがより早い図面のために説明されたならば、再び説明されない。

図２を参照し、図１と比較すると、プラントの複雑さは、ガス冷却装置２６と圧縮機２８とを省略することによって減じられていることが分かる。この単純化は、ガスタービン機関１０の元々のタービン１６と比較して、ガスタービン機関１０Ａのタービン１６Ａの排気圧力を高めることによって可能になっている。実際には、これは、少なくともタービン１６の最終段を排除することによって達成することができる。変更されたタービン１６Ａを達成するためにタービン１６から排除されるタービン段の数は、本発明に関して使用するために考慮される既存の機関の形式に依存するが、１つ又は２つであり、４つ以上の段ではない。

既存のガスタービン機関の変更の択一例として、もちろん排気圧力の所望の増大を提供することができる機関の新たな設計を提供することも可能である。変更された設計又は新たな設計において、利点は、複合サイクル電力プラントにおけるガスタービン機関にとって通常であるよりも少ないタービン段を有するタービン１６Ａによって生じ、これは、タービン１６Ａが、高められた質量流及び電力のために設計されることを許容する。この可能性は、タービン１６の最終段におけるタービン動翼のより大きな長さ及び重量により、翼及び翼が取り付けられたロータが、タービンにおける最も高い応力を受ける構成部材となるために生じる。したがって、翼及び翼が取り付けられたロータは、タービンの機械的な一体性の観点から、制限する要因である。

図２のタービン１６Ａが、図１のタービン１６よりも１つ〜３つ少ない段を有するならば、煙道ガスの圧力は依然としてＨＲＳＧ１９Ａの出口において２〜４ｂａｒであり、これにより、図２の後続のプロセスからの圧縮機の省略を可能にする。

タービン排気温度の上昇は、上昇したタービン排気圧力を伴う。その結果、図１のＨＲＳＧ１９と比較して、図２のＨＲＳＧ１９Ａは、タービン排気から出る煙道ガス１８Ａのより高い圧力及び温度に耐えるように構成されなければならない。ＨＲＳＧ１９Ａは、ＨＲＳＧ１９と比較して、上昇した温度及び圧力において作動するので、増大した熱流量を有し、より良い熱交換効率を有する。しかしながら、ガス冷却装置２６（図１）の排除を可能にするために、ＨＲＳＧ１９Ａに、ＨＲＳＧ１９よりも、著しく大きな熱交換面積を提供する必要がある。ＨＲＳＧ１９Ａの構成がどうであっても、熱交換器３０は、ＨＲＳＧ１９Ａから出る煙道ガス２５Ａをほぼ周囲温度（通常、使用可能な冷却水＋１０Ｋ）に冷却することができるように構成されるべきである。

図２におけるプロセスのその後の段は、図１において説明したプロセスと同じ又は類似であるので、さらに説明しない。

図２の実施形態の電力出力は、図１のプラントの定格電力出力とほぼ同じであるが、実質的により単純なプラント配列を備えている。

図２から図４Ｃまでは１つの渦ノズル３８のみを示しているが、実際には、互いに平行な、煙道ガスを受け取る渦ノズルの配列が存在している。

図３は、排気ガス再循環を有する複合サイクル発電プラントに関連して使用するために特に適応された、ＣＯ₂捕捉プロセスのためのプラント構成部材の公知の形式の連続的な配列を概略的に示している。図３は、図１におけるプラントの変更された形式を含んでおり、この形式において、以下のプラントパラメータは、図１及び図３において同じであると仮定される：
−タービン１６を通る質量流量
−ガスタービン機関１０及び蒸気タービン２１によって発生されるシャフト動力
−ＨＲＳＧ１９及びガス冷却装置２６の入口及び出口における煙道ガス圧力及び温度、並びに熱流量
−ＨＲＳＧ１９によって煙道ガスから回収される熱エネルギ。

図１に示したように、図３においてＨＲＳＧ１９から出る煙道ガス２５はさらにガス冷却装置２６において冷却される。ガス冷却装置２６の後、煙道ガス２７は、周囲圧力及び周囲温度であるか、又はその付近にある（すなわち、使用可能な冷却水＋１０Ｋ）。この時点で、煙道ガスは、分流器４５によって２つの流れに分割され、一方の流れ４６はガスタービン機関１０の圧縮機１２の入口へ戻され、他方の流れ４８は、渦ノズル３８に進入するための準備としてガス圧縮機２８と冷却ユニット３０，３３１，３６１へ送られる。圧縮機１２に進入する前に、再循環される煙道ガス流４６はガスミキサ４７において周囲空気１１Ａの流れと混合される。ここでは、煙道ガス２７の約５０％が再循環されると仮定されるが、より少ない割合、例えば１０％〜５０％の煙道ガス再循環も相当である。

排気ガス再循環の目的は、タービン排気ガス１８ＢにおけるＣＯ₂濃度を高め、これにより、渦ノズル３８におけるＣＯ₂のより効率的な分離を促進することである。図１と比較して、図３の装置は、５０％の再循環を仮定すると、煙道ガスのＣＯ₂含有量を約３〜４％から約６〜８体積％に高める。もちろん、より少ない割合の煙道ガスが再循環されるならば、煙道ガスのＣＯ₂含有量は対応して減少される。

再び５０％の再循環を仮定すると、図３における再循環されない煙道ガス流４８の質量流量は、図１における煙道ガス流２７の半分でしかなく、これは、圧縮機２８が、図１における圧縮機２８と比較して、プラントにパワードレインの半分しか課さないことを意味する。さらに、能動的冷却サイクル３３及び３６を運転するために必要とされる動力も半減される。５０％未満の再循環される煙道ガス４６の割合はもちろん、圧縮機２８及び能動的冷却サイクル３３及び３６におけるより低い電力節約を生じる。

図４Ａにおいて、より単純なプロセスが提案されている。図３と比較して、圧縮機２８と、冷却装置２６と、ガスミキサ４７とは、ガスタービン排気ガス１８Ｂの圧力と、ＨＲＳＧ１９Ａの冷却能力とを高めることにより排除されている。図２の実施形態の場合のように、高められた排気圧力は、図３のタービン１６の少なくとも最終段を排除することによって達成され、タービン１６Ａに関して既に述べた利点を提供する。図２の場合のように、温度の対応する上昇と、ＨＲＳＧ１９Ａの構成に対する対応する変更と共に、排気ガス圧力は２〜４ｂａｒに高められると仮定されている。

当業者は、排気ガス再循環プロセスにおいて、再循環されるガスが、ガスタービン機関の圧縮機内に、再循環されるガスの圧力が圧縮機における圧力と実質的に同じである位置において噴射されるべきである。したがって、図３において、大気圧の周囲空気と混合した後、再循環されるガス４６は圧縮機１２の吸入部内に噴射されるが、図４Ａにおいては、再循環されるガス４６Ａは、圧縮機の途中の中間段位置Ｌにおいて噴射される。

ガスタービン機関の圧縮機内に噴射される時の再循環されるガスの温度は、設計者によって採用される熱力学的サイクルに依存する。

第１の可能なサイクルにおいて、再循環される煙道ガス４６Ａは、噴射位置Ｌにおける圧縮機空気温度に実質的に合致する。この方式は圧縮機における混合損失を最小限に抑制する。

第２の可能なサイクルにおいて、再循環されるガス４６Ａは、噴射位置Ｌにおける圧縮機の温度よりも実質的に低い温度で圧縮機１２Ａ内に噴射される。この方式は、圧縮機の中間冷却によって達成されるものと同様の形式で熱力学的サイクルの改良を達成する、すなわち、この方式は、機関の圧縮機と燃焼器との温度限界を超えることなく機関の出力電力と熱効率とを高める。

少なくとも上で提案された熱力学的サイクルの第１において、おそらく第２においても、循環される煙道ガスの所要の温度は、ＨＲＳＧ１９Ａの適当な構造（例えば熱交換面積の大きさ）によって達成されることができる。その代わりに、図４Ｂは、再循環されるガス４６Ａの温度が、分流された後、噴射の前に、分流器４５と圧縮機１２Ａとの間に挿入されたガス冷却装置５０によって、さらに低下させられることを提案している。

発明の別の態様が図４Ｃに示されている。この場合、ＨＲＳＧ１９Ｂは、煙道ガスの所定の割合５２を圧縮機１２Ａにおける位置Ｌへ分流するために、図３から図４Ｂまでにおける分流器４５と同様に機能する分流器（図示せず）を有している。煙道ガス１８Ｂのための入口とＨＲＳＧの分流器との間のＨＲＳＧ１９Ｂの第１の部分は、煙道ガス１８Ｂを、位置Ｌにおける圧縮機の空気の温度に少なくとも近い（又は場合によってはより低い）温度に冷却するように設計されている。しかしながら、ＨＲＳＧ１９Ｂの第１の部分において冷却することによって達成可能な温度よりも低い煙道ガス噴射温度を達成することが必要であると考えられるならば、煙道ガスは、分流された後、ＨＲＳＧにおける分流器と圧縮機１２Ａにおける位置Ｌとの間に挿入されたガス冷却装置５４（破線で示されている）によってさらに冷却されてよい。ＨＲＳＧの分流器と煙道ガス２５Ａのための出口との間のＨＲＳＧ１９Ｂの第２の部分は、残りの煙道ガス２５Ｂを、ガス冷却装置３０が煙道ガスを少なくとも周囲空気に近い温度まで冷却することができるのに十分に低い温度まで冷却するように設計されている。

よく知られているように、再循環されるガスは圧縮機１２Ａにおける１箇所だけにおいて噴射されることはできない。実用上、位置Ｌは、圧縮機１２Ａ内の１つの軸方向位置を含むが、圧縮機の円周に沿って延びており、これにより、再循環されるガスの流入が少なくともほぼ均一に前記円周に沿って分配される。

図４Ａから図４Ｃまでの実施形態の利点は、圧縮機１２Ａに沿った途中の位置Ｌへの煙道ガスの再循環が、図３における圧縮機１２に対して、動力要求を減じるということである。圧縮機１２及び１２Ａからの質量流量が同じであるならば、図３における入口流れ１１Ａに対して、減じられた圧縮機入口流れ１１Ｂが存在するので、再循環されるガスが噴射される位置Ｌの前に段においてより短い圧縮機翼を有することが可能である。これは、材料及び製造出費を節約するだけではなく、圧縮機の動翼の先端速度も減じ、これに対応して、翼における応力が減じられる。

図４Ａから図４Ｃまでにおける冷却及びＣＯ₂除去プロセスの残りの部分は、図１に関して前に説明したようなものである。

図１から図４Ｃまでは、複合サイクルプラントの部分として、非再熱ガスタービン機関の標準的なタイプを概略的に示しているが、本発明は、もちろん、再熱ガスタービン機関を有する複合サイクルプラントにも適用可能である。このような機関は、より高い熱力学的効率のために、２つの連続して配置された燃焼段を有しており、高圧タービンは、ガスを再熱のための第２の燃焼段へ送る前に、第１の燃焼段からのガスからエネルギの一部を取り出すように配置されている。

本発明は、上に、純粋に例として説明されているが、請求項に記載された発明の範囲内での変更が可能である。本発明は、明細書において説明又は暗示された、又は図面に示された又は暗示されたあらゆる個々の特徴、及び発明の均等物にまで拡張する、あらゆるこのような特徴のあらゆる組合せ、又はあらゆるこのような特徴又は組合せのあらゆる一般化にもある。請求項及び図面を含む明細書に開示された各特徴は、そうでないことが明らかに述べられない限り、同じ、均等の又は同様の目的を果たす択一的な特徴によって置換されてよい。

明細書を通じて従来技術のあらゆる説明は、このような従来技術が広く知られているか又はその分野における共通の一般的な知識の一部を形成することを許容するものではない。

文脈が明らかにそうでないことを要求していない限り、明細書及び請求項を通じて、用語「含む」、「含んでいる」等は、排他的とは反対の包括的な意味で、すなわち「含むが、限定されない」の意味で解釈されるべきである。

１０，１０Ａ ガスタービン機関、 １１ 吸入空気、 １２，１２Ａ 圧縮機、 １３ 空気、 １４ 燃焼器、 １５ 燃焼ガス、 １６，１６Ａ タービン、 １７ シャフト、 １８，１８Ａ，１８Ｂ 排気ガス、 １９，１９Ａ 排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）、 ２０ 蒸気、 ２１ 蒸気タービン、 ２２ 蒸気、 ２３ 凝縮器、 ２４ 水、 ２５ 煙道ガス、 ２６ 熱交換器、 ２７ 煙道ガス、 ２８ ガス圧縮機、 ２９ 煙道ガス、 ３０ 熱交換装置、 ３３，３６ ヒートポンプ、 ３７ 煙道ガス、 ３８ 渦ノズル、 ３９ ＣＯ₂流、 ４０ ガス圧縮機、 ４１ パイプライン、 ４３ 煙道ガス流、 ４４ 残りの煙道ガス、 ４５ 分流器、 ４６ 一方の流れ、 ４６Ａ 煙道ガス、 ４７ ガスミキサ、 ４８ 他方の流れ、 ５０ ガス冷却装置、 ５２ 煙道ガスの割合、 ５４ ガス冷却装置、 Ｍ２ モータ

Claims (18)

1. 低炭素排出複合サイクル発電プラントにおいて、
   炭素を含有する燃料が供給されかつタービン（１６Ａ）の排気ダクトから二酸化炭素を含有する煙道ガスを排出するために働くガスタービン機関（１０Ａ）と、
   タービンの排気ダクトから受け取られた煙道ガスを冷却することによって蒸気を発生するために働く排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）（１９Ａ）と、
   ＨＲＳＧ（１９Ａ）から受け取られた蒸気からシャフト動力を発生するために働く蒸気タービン（２１）と、
   ＨＲＳＧから受け取られた煙道ガスを、通常の周囲温度に近い温度に冷却するために働く熱交換装置（３０）と、
   煙道ガスを−４０℃〜−５０℃の温度範囲にさらに冷却するために働く能動的冷却装置（３３１，３６１）と、
   複数の渦ノズル（３８）とが設けられており、各渦ノズルが、前記能動的冷却装置から煙道ガスを受け取るための入口を有しておりかつ、受け取られた煙道ガス（３７）から二酸化炭素（３９）を極低温で分離し、二酸化炭素が除去された煙道ガス（４３）を排出するために働くようになっている形式のものにおいて、
   前記ガスタービン機関は、渦ノズル（３８）への進入を保証するために十分に高い増大した排気圧力を用いて運転することができるように設計又は変更され、使用時に、タービン（１６Ａ）の排気ダクトと、ＨＲＳＧ（１９Ａ）と、熱交換装置（３０）と、能動的冷却装置（３３１，３６１）とが、少なくとも２ｂａｒの圧力での渦ノズル（３８）への流入を保証するように十分に高い圧力で作動することを特徴とする、低炭素排出複合サイクル発電プラント。
2. 煙道ガスにおける二酸化炭素の割合を高めるために、プラントに、ＨＲＳＧを通過する煙道ガスの所定の割合を、ガスタービン機関の圧縮機（ＧＴ圧縮機）における、該圧縮機の圧力が実質的に再循環されるガスの圧力と同じである位置へ再循環させるための、分流器が設けられている、請求項１記載のプラント。
3. ＧＴ圧縮機における混合損失を最小限に抑えるために、プラントが、煙道ガスを、ガスが再循環される圧縮機における位置におけるＧＴ圧縮機空気温度と実質的に同じ温度に冷却するように、適応されている、請求項２記載のプラント。
4. 機関の電力出力を最大化するために、プラントが、煙道ガスを、ガスが再循環されるＧＴ圧縮機における位置におけるＧＴ圧縮機空気温度よりも実質的に低い温度に冷却するように、適応されている、請求項２記載のプラント。
5. ＨＲＳＧが、煙道ガスを、ＧＴ圧縮機内へ噴射するための温度に冷却するように適応されている、請求項３又は４記載のプラント。
6. ＨＲＳＧが、煙道ガスの所定の割合を、該煙道ガスがＨＲＳＧを完全に通過する前にＧＴ圧縮機へ直接に分流するための分流器を有している、請求項５記載のプラント。
7. 渦ノズル（３８）から受け取られた、分離された二酸化炭素（３９）を圧縮し、該二酸化炭素を、貯蔵部へ搬送するためのパイプライン（４１）内へ圧送するように働くガス圧縮機（４０）と、
   渦ノズルから二酸化炭素が除去された煙道ガスを受け取り、該煙道ガスを大気中へ排出するための排出煙道（Ｓ）とが設けられている、請求項１記載のプラント。
8. 渦ノズルの入口における煙道ガスの圧力が、２〜４ｂａｒの範囲である、請求項１又は７記載のプラント。
9. ガスタービン機関が、複数のタービン段を有しておりかつ１ｂａｒのタービン排気ダクトにおける圧力で働く既存の機関の変更された形式であり、該変更された形式が、既存の機関よりも少ない少なくとも１つのタービン段を有しており、前記変更された形式が、渦ノズル（３８）の所要の入口圧力に、ガスタービン機関と渦ノズルとの間に配置されたプラントの下流部分（１９Ａ，３０，３３１，３６１）の圧力損失を加えたものであるタービン排気の圧力で、働くようになっている、請求項１から８までのいずれか１項記載のプラント。
10. 炭素を含有する燃料が供給されかつ二酸化炭素を含有する煙道ガス（１８Ａ）を排出するように働くガスタービン機関（１０Ａ）を有する複合サイクル発電プラントからの低炭素排気を得るための方法であって、さらに、
    シャフト動力を発生するために蒸気タービン（２１）を駆動するための蒸気を発生するために煙道ガスを使用することによって前記煙道ガスが冷却される第１の冷却ステップ（１９Ａ）と、
    煙道ガスが、通常の周囲温度に近い温度にさらに冷却される第２の冷却ステップ（３０）と、
    煙道ガスが、−４０℃〜−５０℃の温度範囲にさらに冷却される第３の冷却ステップ（３３１，３６１）と、
    煙道ガスから二酸化炭素を分離するために渦ノズルを利用し、二酸化炭素が除去された煙道ガスを排出することを含む極低温分離ステップ（３８）と、を含む方法において、
    ガスタービン機関からの煙道ガスの排出と、煙道ガスの冷却とが、少なくとも２ｂａｒの圧力での極低温分離ステップへの進入を保証するための十分な高い圧力で生じることを特徴とする、複合サイクル発電プラントからの低炭素排気を得るための方法。
11. 煙道ガスにおける二酸化炭素の割合を高めるために、第１の冷却ステップからの煙道ガスの所定の割合が、煙道ガスが第２の冷却ステップに達する前に分流されて、ガスタービン機関の圧縮機（ＧＴ圧縮機）内へ、該ＧＴ圧縮機の圧力が再循環される煙道ガスの圧力と実質的に同じである前記ＧＴ圧縮機における位置において噴射するために、再循環させられる、請求項１０記載の方法。
12. ＧＴ圧縮機における混合損失を最小限に抑えるために、再循環される煙道ガスが、該煙道ガスが再循環させられるＧＴ圧縮機における位置でのＧＴ圧縮機空気温度と実質的に同じ温度に冷却される、請求項１１記載の方法。
13. 機関の電力出力を最大化するために、再循環される煙道ガスが、該煙道ガスが再循環させられるＧＴ圧縮機における位置におけるＧＴ圧縮機空気温度よりも実質的に低い温度に冷却される、請求項１１記載の方法。
14. 分離された二酸化炭素が貯蔵のために圧縮される圧縮ステップ（４０）と、
    該圧縮ステップと並行する、二酸化炭素が除去された煙道ガスを大気中へ排出する排出ステップ（４４）とをさらに含む、請求項１０記載の方法。
15. 渦ノズル（３８）への入口圧力が、２〜４ｂａｒの範囲である、請求項１０又は１４記載の方法。
16. 煙道ガス（３７）から二酸化炭素（３９）を極低温で分離するための渦ノズル（３８）を用いる低炭素排出複合サイクル発電プラントにおいて、該プラントの複雑さが、
    プラントのガスタービン機関部分（１０Ａ）を、少なくとも２ｂａｒの渦ノズルへの入口圧力を保証するために十分に高い、タービン排気圧力と、ガスタービン機関と渦ノズルとの間に配置されたプラントの下流部分（１９Ａ，３０，３３１，３６１）の圧力とで、運転することによって、最小限に抑えられることを特徴とする、低炭素排出複合サイクル発電プラント。
17. プラントの下流部分が、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）（１９Ａ）及びガス冷却システム（３０，３３１，３６１）を含む、請求項１６記載の発電プラント。
18. 前記ガス冷却システムが、ＨＲＳＧから受け取られた煙道ガスを通常の周囲温度に近い温度に冷却するために働く熱交換装置（３０）と、煙道ガスを−４０℃〜−５０℃の温度範囲にさらに冷却するために働く能動的冷却装置（３３１，３６１）とを有する、請求項１７記載の発電プラント。

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