JP5662755B2 - 発電システム - Google Patents

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Description

本発明は、炭素隔離に関し、より具体的には発電システムにおいて炭素を隔離することに関する。
発電システムは、多くの場合、炭酸（二酸化炭素）排気ガスを放出する。炭素隔離システムは、排気ガスから炭酸ガスを除去しかつ二酸化炭素を貯蔵する。
排気ガスからの炭酸ガスの除去は、そうでなければ有用なシャフト出力の発生に利用されることになるエネルギーを消費する。
米国特許第６６７２０７５号明細書
システムが炭素を隔離しかつより効率的に作動するのを可能にする方法及びシステムが、望まれている。
本発明の１つの態様によると、発電のためのシステムは、排気ガスを出力するように作動するエンジンと、排気ガスから二酸化炭素（ＣＯ2）を除去してＣＯ2を出力するように作動する炭素捕捉手段と、ＣＯ2を受け取ってエンジンの部品を冷却する加圧ＣＯ2を出力するように作動する加圧器とを含む。
本発明の別の態様によると、発電システムを作動させる方法は、エンジンから排気ガスを出力するステップと、排気ガスから二酸化炭素（ＣＯ2）を除去するステップと、ＣＯ2を加圧するステップと、加圧ＣＯ2でエンジンの部品を冷却するステップとを含む。
これらの及びその他の利点並びに特徴は、図面と関連させて行った以下の説明から一層明らかになるであろう。
本発明は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲において具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の前述の及びその他の特徴並びに利点は、添付図面と関連させて行った以下の詳細な説明から明らかである。
発電のための例示的なシステム及び方法を示す図。 発電のためのシステム及び方法の例示的な別の実施形態を示す図。 図１及び図２のエンジンの例示的な実施形態のブロック図。
詳細な説明は、図面を参照しながら実施例によって、本発明の実施形態をその利点及び特徴と共に説明する。
炭素捕捉手段及び隔離部（ＣＣＳ）は、システム排気ガスからＣＯ2を除去しかつ隔離（sequestration）部位内にＣＯ2を貯蔵するために使用される。ＣＣＳ方法は、多くの場合にエネルギーを消費してシステム効率の損失を引起す。例えば、燃焼後のアミン式ＣＯ2除去は、熱回収蒸気発生器又は蒸気タービン抽気による熱エネルギーのような溶媒生成のためにエネルギーを使用し、また隔離のためのＣＯ2を加圧する加圧器を駆動するために用いる動力を使用する。ガスタービンエンジンは、多くの場合にエンジン部品を冷却するために燃焼前加圧空気（ブリード空気）を使用する。ブリード空気の使用は、ガスタービンエンジンの性能、つまり出力及び熱効率を低下させる。
図１は、ＣＣＳを使用する発電システムの効率を増大させるための例示的なシステム及び方法を示す。これに関して、システム１００は、エンジン１０２を含み、エンジン１０２は熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）１０６を介して炭素捕捉手段１０４に対して燃焼後排気ガスを出力する。この図示した例示的な実施形態は、排気ガス１０３を冷却しかつ蒸気を出力するＨＲＳＧ１０６を含んでいるが、他の実施形態は、ＨＲＳＧ１０６を含まないものとすることができる。この図示した例示的な実施形態における炭素捕捉手段１０４は、例えばアミン系システムとすることができ、このアミン系システムは、例えばＨＲＳＧ１０６から蒸気を受けることができる。しかしながら、あらゆるその他の好適な炭素捕捉手段方法を使用して、排気ガス１０３からＣＯ2を抽出することができる。炭素捕捉手段１０４は、排気ガス１０３からＣＯ2を除去する。参照符号１０５におけるＣＯ2は、加圧器１０８によって加圧されかつ隔離部位１１０に送られる。隔離部位１１０は、例えば地下貯蔵場所を含むことができ、この地下貯蔵場所は、例えば発電プラントから数百フィート又は数百マイル離れたものとすることができる。加圧ＣＯ2の一部分は、適切に設計した配管システムを介してガスタービンから送給しまた該ガスタービンに戻すのに適した圧力でＣＯ2加圧器内のポートから抽出される。抽出したＣＯ2は、熱交換器１１２を通して（第１の流体通路１１１を介して）送られ、熱交換器１１２において、ＣＯ2は、第２の流体通路１１３内のＣＯ2によってガスタービン１０２を冷却するのに適した温度（例えば、６００°Ｆ）に加熱される。第１の流体通路１１１からのＣＯ2は、ガスタービン１０２の冷却ガス入口１０７に流入し、ガスタービンエンジン１０２の部品を冷却しかつより高い温度(例えば、１１００°Ｆ)でガスタービン１０２の冷却ガス出口１０９から流出する。ＣＯ2は、膨張器１１４内で膨張し、膨張器１１４は、ＣＯ2の温度を低下させる（例えば、６５０°Ｆ）。膨張器１１４からのＣＯ2は、熱交換器１１２に送られ、熱交換器１１２において、ＣＯ2は、第２の流体通路１１３に流入しかつ第１の流体通路１１１内のＣＯ2を加熱する。ＣＯ2は、熱交換器１１２の第２の流体通路１１３から流出しかつ加圧器１０８入口に送られる。この図示した例示的な実施形態は、ガスタービンエンジン１０２を使用しているが、他の同様なシステムは、排気ガスを出力しかつＣＯ2によって冷却されるその他のタイプのエンジンを使用することができる。
図２は、システム２００の別の実施形態を示している。システム２００は、上記したシステム１００と同様の方式で作動する。システム２００では、ＣＯ2膨張器１１４は、蒸気発生器１１５で置換えられ、蒸気発生器１１５は、例えばガスタービン１０２から戻る高温ＣＯ2から抽出した熱を利用して好適な圧力の蒸気を発生させるケトルリボイラとすることができる。蒸気発生器１１５内で発生した蒸気は、例えば複合サイクル蒸気タービン（図示せず）に流入させ、或いは付加的発電のための別個の蒸気タービン内で利用することができる。
図３は、蒸気タービン１０２の例示的な実施形態のブロック図である。ガスタービン１０２は、圧縮機部分２０２、燃料を燃焼させるように作動する燃焼器部分２０４、及び出力タービン部分２０６を含む。ＣＯ2は、冷却ガス入口１０７に流入し、例えば第１タービン段ステータ（ノズル）２０８又は燃焼器トランジションピース２１０などの高温ガス通路（ＨＧＰ）部品のようなエンジン部品を冷却し、かつ冷却ガス出口１０９を介してエンジンから流出する。
閉ループ内でＣＯ2を使用してガスタービン１０２のＨＧＰ部品を冷却することにより、ガスタービン１０２の出力及び効率が増大する。ＣＯ2は、加圧空気に優る良好な熱伝達特性、つまりより高い比熱を有していて、より少ない冷却媒体流量でガスタービン１０２のＨＧＰ部品の冷却を達成する。タービン冷却媒体としてＣＯ2を使用して圧縮機からのブリード空気と置換えることにより、一層多くの加圧空気をシャフト出力発生のために燃焼及びタービン膨張に使用することが可能になる。圧縮機からのブリード空気は一般的に、ガス流路に流入しかつ第１段ロータ入口の上流で高温燃焼ガスと混合し、その高温燃焼ガスは、膨張を介して有用な仕事の産生を開始する。上記のようなＣＯ2の使用は、ブリード空気と混合させることによってタービン入口温度の望ましくない低下を回避しかつガスタービン１０２のタービン入口及びロータ入口（燃焼温度）間の温度差を減少させる。ＣＯ2によって冷却した時のガスタービン１０２の効率及び出力の増大は、ＣＣＳプロセスによってシステム１００内に生じる非効率の一部分を相殺する。従って、ガスタービン出力の増大は、排気ガスからＣＯ2を捕捉するために使用した熱エネルギーのため浪費した蒸気タービン出力及び捕捉したＣＯ2を隔離のために加圧するために使用した寄生出力消費を含む全体ＣＣＳ出力損失の一部分を相殺する。
限られた数の実施形態に関してのみ本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応するあらゆる数の変形、変更、置換え又は均等な構成を組込むように改良することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって限定されるものと見なすべきではなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。
１００ システム
１０２ ガスタービンエンジン
１０３ 燃焼後排気ガス
１０４ 炭素捕捉手段
１０６ 熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）
１０５ ＣＯ2
１０７ 冷却ガス入口
１０８ 加圧器
１０９ 冷却ガス出口
１１０ 隔離部位
１１１ 第１の流体通路
１１２ 熱交換器
１１３ 第２の流体通路
１１４ 膨張器
１１５ 蒸気発生器
２００ システム
２０２ 圧縮機部分
２０４ 燃焼器部分
２０６ 出力タービン
２０８ ステータ（ノズル）
２１０ トランジションピース

Claims (8)

  1. 発電システム（１００）であって、
    排気ガス（１０３）を出力するように作動するエンジン（１０２）と、
    前記排気ガス（１０３）から二酸化炭素（ＣＯ2）を除去してＣＯ2（１０５）を出力するように作動する炭素捕捉手段（１０４）と、
    ＣＯ2（１０５）を受け取って前記エンジン（１０２）の部品を冷却する加圧ＣＯ2を出力するように作動する加圧器（１０８）と、
    第１の流体通路（１１１）及び第２の流体通路（１１３）を有する熱交換器（１１２）であって、前記加圧器（１０８）から出力された加圧ＣＯ2を第１の流体通路（１１１）内に受け取ってエンジンの冷却ガス入口（１０７）に対して第１の流体通路（１１１）からより高温のＣＯ2を出力するように作動する熱交換器（１１２）と
    を含むシステム。
  2. 前記エンジン（１０２）の冷却ガス出口（１０９）からＣＯ2を受け取って前記熱交換器（１１２）の第２の流体通路（１１３）に対してより低温の膨張したＣＯ2を出力するように作動する膨張器（１１４）をさらに含む、請求項１記載のシステム。
  3. 前記エンジン（１０２）の冷却ガス出口（１０９）からＣＯ2を受け取って前記熱交換器（１１２）の第２の流体通路（１１３）に対してより低温の膨張したＣＯ2を出力するように作動する蒸気発生器（１１５）をさらに含む、請求項１記載のシステム。
  4. 前記炭素捕捉手段（１０４）が、アミン系システムである、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のシステム。
  5. 前記熱交換器（１１２）が、前記加圧器（１０８）に対して第２の流体通路（１１３）からＣＯ2を出力するようにさらに作動する、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のシステム。
  6. 前記エンジン（１０２）から排気ガス（１０３）を受け取って、該排気ガス（１０３）を冷却しかつ炭素捕捉手段（１０４）に対して冷却した排気ガス（１０３）を出力するように作動する熱回収蒸気発生器（１０６）をさらに含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のシステム。
  7. 前記エンジン（１０２）の部品を冷却する加圧ＣＯ 2 を出力するように作動する前記加圧器（１０８）から出力された加圧ＣＯ2を受け取って貯蔵するように作動する炭素隔離部位（１１０）をさらに含む、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のシステム。
  8. 前記エンジン（１０２）の部品が、燃焼器（２０４）の下流に位置するタービン高温ガス通路部品である、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載のシステム。
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