JP5868113B2 - 二酸化炭素収集システムを備えた複合サイクル発電プラント - Google Patents

Description

本明細書に開示した主題は、複合サイクル発電プラントに関し、より具体的には、二酸化炭素収集システムを備えた複合サイクル発電プラントに関する。

複合サイクル発電プラント（ＣＣＰＰ）では、ガスターボ機械が発電機を駆動し、発電機が発電を行なう。ガスターボ機械からの排熱を使用して、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）内で蒸気を発生させ、次にこの蒸気を使用して、蒸気タービンにより付加的な電気を発電させる。より具体的には、複合サイクルは、１つより多い熱力学サイクルを使用する発電エンジン又はプラントに特徴がある。ガスターボ機械のような熱機関は、それらの燃料が発生するエネルギーの一部分（通常は５０％より少ない）のみを使用することができる。燃焼によるあらゆる残留熱（例えば、高温排気ガス）は一般的に、廃棄される。ブレイトンサイクル（ガス）及びランキンサイクル（蒸気）のような２以上の「サイクル」を組合せることにより、出力効率の向上が得られる。

米国特許第７１９４９８６号明細書

本発明の１つの態様によると、複合サイクル発電プラントは、圧縮機入口及び圧縮機出口を備えた圧縮機セクションと、圧縮機セクションに作動連結されたタービンセクションとを含む。タービンセクションは、タービン入口及びタービン出口を含む。熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）が、タービン出口に流体連結される。燃焼器が、ヘッド端部及び燃焼器吐出口を含む。ヘッド端部は圧縮機出口に流体連結され、また燃焼器吐出口はタービン入口に流体連結される。二酸化炭素収集システムが、圧縮機出口及び燃焼器のヘッド端部の少なくとも１つに流体連結される。二酸化炭素収集システムは、圧縮機出口及び燃焼器のヘッド端部の少なくとも１つから流れるほぼ酸素がない流体流れから二酸化炭素を含む第１の流体並びに第２の流体を抽出するように構成されかつ配置される。

本発明の別の態様によると、複合サイクル発電プラントを運転する方法は、圧縮機セクションを通して流体流れを流して加圧流体流れを形成するステップと、加圧流体流れを圧縮機出口から燃焼器のヘッド端部に案内するステップと、燃焼器内で形成された燃焼ガスをタービンセクションの入口に導くステップと、排気ガスをタービンセクションの出口から熱回収蒸気発生器に排出するステップと、加圧流体流れのほぼ酸素がない部分を圧縮機出口及び燃焼器のヘッド端部の１つから二酸化炭素収集システムに流すステップと、加圧空気流のほぼ酸素がない部分から二酸化炭素を含む第１の流体並びに第２の流体を抽出するステップとを含む。

本発明のさらに別の態様によると、ターボ機械システムは、圧縮機入口及び圧縮機出口を有する圧縮機セクションと、圧縮機セクションに作動連結されたタービンセクションとを含む。タービンセクションは、タービン入口及びタービン出口を含む。燃焼器が、ヘッド端部及び燃焼器吐出口を含む。ヘッド端部は圧縮機出口に流体連結され、また燃焼器吐出口はタービン入口に流体連結される。二酸化炭素収集システムが、圧縮機出口及び燃焼器のヘッド端部の少なくとも１つに流体連結され、二酸化炭素収集システムは、圧縮機出口及び燃焼器のヘッド端部の少なくとも１つから流れるほぼ酸素がない流体流れから二酸化炭素を含む第１の流体並びに第２の流体を抽出するように構成されかつ配置される。

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。

本発明と見なされる主題は、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説明から明らかである。

例示的な実施形態による、二酸化炭素収集システムを備えた複合サイクル発電プラントを示すブロック図。 本例示的な実施形態の１つの態様による、二酸化炭素収集システムを備えた複合サイクル発電プラントを示すブロック図。

詳細な説明では、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。

例示的な実施形態によると、図１に示す複合サイクル発電プラント（ＣＣＰＰ）２は、化学量論的条件下で又はその近くで運転することができる。化学量論的条件下での運転というのは、燃焼プロセスを例えば酸素などの十分な酸化剤のみで行なって、完全燃焼を促進することを意味していることを理解されたい。燃焼は、炭化水素（燃料ストリーム）を酸素で燃焼させて、二酸化炭素及び水を生成させるプロセスである。完全燃焼は、酸素での炭化水素の燃焼により生成された副生成物が二酸化炭素及び水のみであると定義される。燃料分子の近傍での酸素の可用度のような完全燃焼が行なわれるか否か、また振動、ダイナミック事象、衝撃波などのような何らかの混乱状態が生じるか否かに影響を与える多くの要因が存在する。一酸化炭素形成ではなく二酸化炭素形成を促進するためには、通常必要とされるものよりも多い酸素を燃料ストリーム内に供給して、完全燃焼反応を促進する。

ＣＣＰＰ２は、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）１０を介して蒸気ターボ機械システム６に作動連結されたガスターボ機械システム４を含む。ＨＲＳＧ１０は、ブローオフベント１２を有する排出部分１１を含む。ガスターボ機械システム４はまた、オフボード圧縮機１４及び発電機１５に作動結合される。蒸気ターボ機械システム６は、発電機１６に結合される。ガスターボ機械システム４は、圧縮機入口２１及び圧縮機出口２２を有する圧縮機セクション２０を含む。圧縮機入口２１は、圧縮機１４から加圧空気流を受ける。圧縮機セクション２０は、圧縮機入口２１内に流れる加圧空気流をさらに加圧しかつ圧縮機出口２２を通して加圧流体流れを吐出する。ガスターボ機械システム４はまた、加圧流体流れの一部分を受けて冷却しかつシールするようにするタービン入口２９及びタービン出口３０を有するタービンセクション２８を含む。圧縮機セクション２０は、シャフト３２を介してタービンセクション２８に作動連結される。圧縮機セクション２０はまた、その２つを参照符号３４及び３５で示す複数の燃焼器を通してタービンセクション２８に付加的な冷却を与える二次流れシステム３３を介して該タービンセクション２８に流体連結される。この図示した例示的な実施形態では、燃焼器３４が、圧縮機１４に流体連結された補助圧縮機３６から加圧空気流を受ける。各燃焼器３４、３５は、圧縮機セクション２０から加圧流体流れの別の部分を受ける対応するヘッド端部３７及び３８、並びに燃焼ガスをタービンセクション２８に流す対応する燃焼器吐出口４０及び４１を含む。ＣＣＰＰ２はまた、ＥＧＲシステム４５をＨＲＳＧ１０及び圧縮機入口２１間にＥＧＲシステム４５を流体連結した排気ガス再循環（ＥＧＲ）ループ４３を含むものとして図示している。ＥＧＲシステム４５は、ＨＲＳＧ１０から圧縮機セクション２０内に戻るように排気ガスを循環させて、より完全な燃焼を促進する。さらに図１に示すように、蒸気ターボ機械システム６は、第２の蒸気タービンセクション５５に作動連結された第１の蒸気タービンセクション５４を含む。第１及び第２の蒸気タービンセクション５４及び５５は、第１のシャフト６０を介して蒸気タービンセクション５７に作動連結される。言うまでもなく、蒸気タービンセクション５７はまた、第２の蒸気タービンセクション５５に直接連結することができることを理解されたい。蒸気タービンセクション５７はまた、複流セクションを含むことができる。第２のシャフト６２が、蒸気タービンセクション５７を発電機１６と作動連結する。

さらにこの例示的な実施形態によると、ＣＣＰＰ２は、導管７２を介してガスターボ機械システム４に作動連結された二酸化炭素収集システム７０を含む。熱交換部材７４が、ガスターボ機械システム４及び二酸化炭素収集システム７０間で導管７２内に配置される。熱交換部材７４は、あらゆる残留一酸化炭素及び酸素と反応してＯ₂レベルをさらに微量まで低減するＣＯ触媒７５を含む。このようにして、ほぼ酸素がない流体流れが、熱交換部材７４から流出しかつ二酸化炭素収集システム７０に流れる。熱交換部材７４はまた、二酸化炭素収集システム７０に流れるほぼ酸素がない流体流れ内に同伴されている熱の一部分を取除く。この例示的な実施形態の１つの態様によると、熱交換部材７４は、ほぼ酸素がない流体流れの温度を約２２０°Ｆ（１０４．４℃）に低下させる。

この例示的な実施形態の１つの態様によると、圧縮機入口２１に吸込まれた流体は、排気ガス及び空気の混合物であり、この抽気内の酸素は、１８％の酸素質量分率まで低減された状態になっている。この例示的な実施形態の別の態様によると、圧縮機入口２１は外気に対して閉鎖され、１００％排気ガスが圧縮機セクション２０を通って流れる。この構成では、二次流れシステム３３のみが、ほぼ酸素がない排気ガスを圧縮機セクション２０の周りで二次流れ回路（図示せず）を通してタービンセクション２８に輸送する。二次流れシステム３３を外気から隔離することにより、燃焼器３４及び３５のヘッド端部３７及び３８を介してオフボード圧縮機１４及び補助圧縮機３６よって酸素のみがタービンセクション２８に流入することが保証される。完全燃焼に近いケースでは、タービンセクション２８は、圧縮機セクション２０の機能拡大及び二酸化炭素収集システム７０への抽気により、酸素から隔離される。この例示的な実施形態のこの態様によると、抽気内には、２体積％よりも少ない酸素が存在する。さらにこの例示的な態様によると、１対２の酸素対一酸化炭素の比率で、排気ガスが維持される。このようにして、酸素は、熱交換部材７４内に設けられたＣＯ触媒７５によってさらに低いレベルに低減される。

二酸化炭素収集システム７０は、ガスターボ機械システム４を通って流れる流体流れの一部分から、二酸化炭素（ＣＯ₂）を含む第１の流体ストリーム、並びに窒素（Ｎ₂）、アルゴン（Ａｒ）及び本来ほぼ酸素がない流体流れ内に同伴される様々なその他の成分を含有する第２の流体ストリームを分離する。この例示的な実施形態の１つの態様によると、ほぼ酸素がない流体流れは、燃焼器３４及び３５の各ヘッド端部３７、３８から抽出される。この例示的な実施形態の別の態様によると、流体流れは、圧縮機出口２２において又はその近くで抽出される。抽出位置に関係なく、ＣＯ₂は、二酸化炭素収集システム７０から中間冷却を含むことができる加圧部材８０を通って流れて加圧ＣＯ₂形成する。加圧ＣＯ₂は、オイル抽出プロセス、ビバレージ炭酸化プロセス、又は加圧ＣＯ₂を利用するあらゆるその他のプロセスで使用することができる。Ｎ₂、Ａｒ及び様々なその他の成分は、一連の加圧部材８３〜８５を通して流される。加圧部材８３〜８５は、中間冷却の使用などにより圧縮機８５の出口においてＮ₂、Ａｒ及び様々なその他の成分の所望の温度を生じさせるために使用する複数の加圧ステップを行なう。

二酸化炭素収集システム７０は、熱交換器７４の上流に配置された絞り及び制御弁９０を介してガスターボ機械システム４に流体連結される。絞り及び制御弁９０は、開放位置及び閉鎖位置間で選択的に位置決めされて、ガスターボ機械システム４から二酸化炭素収集システム７０に流体流れを送給する。二酸化炭素収集システムが閉塞状態になるか又はバルブ９０が閉鎖された場合には、ＣＣＰＰ２は、ブローアウト弁９２及びタービンバイパス弁９４のような弁を含む。タービンバイパス弁９４は、絞り及び制御弁９０の上流の導管７２並びにＨＲＳＧ１０間で延びるバイパス導管１００に流体連結される。タービンセクション２８をバイパスさせることにより、流体流れが完全燃焼に悪影響を与えることがない、従ってＣＣＰＰ２を化学量論的運転から遠ざけることにならないことが保証される。この構成では、制御弁９０及び／又はタービンバイパス弁９４が作動不良になった場合に、ブローアウト弁９２が開放して、二酸化炭素抽出システム７０が過剰圧力状態になって圧縮機セクション２０にサージングを引き起こすのを防止する。タービンバイパス弁９４が開放しかつ制御弁９０が閉鎖している、例えばガスターボ機械４が１００％排気流れで運転している場合には、ＨＲＳＧ１０の排出部分１１に流体連結されたブローオフベント１２が、開放してＥＧＲループ４３内における如何なる過剰圧力条件も防止する。

次に、この例示的な実施形態の１つの態様による二酸化炭素収集システム１２０を説明するのに、それぞれの図において同じ参照符号が対応する部分を表している図２を参照することにする。二酸化炭素収集システム１２０は、冷凍機１２９に流体連結された加圧部材１２５を含み、冷凍機１２９は、ガスターボ機械システム４から流れる流体流れの温度をさらに低下させる。冷凍機１２９は、熱交換器又は再生熱交換器１３３に流体連結され、熱交換器又は再生熱交換器１３３は、流体の温度を約２５°Ｆ（−３．８９℃）〜約−１５３°Ｆ（−１０２．７８℃）に低下させる。再生熱交換器１３３は、流体を膨張部材１３７内に吐出し、膨張部材１３７は、流体の温度を約−２００°Ｆ（−１２８．８９℃）まで低下させ、この温度において、流体は、２つのストリーム、つまり非気体状ＣＯ₂ストリーム及び気体状Ｎ₂／Ａｒストリームに分離される。２つの分離された流体ストリーム（別個には符号付けせず）は、再生熱交換器１３３に戻って、冷凍機１２９から膨張部材１３７に向けて該再生熱交換器１３３を通る流れによって加熱される。ここにおいて、再生熱交換器１３３は、ＣＯ₂気体ストリーム及び可能性がある様々なその他の成分を伴ったＮ₂／Ａｒ気体ストリームを含む２つの別個の気体（ガス）ストリームとして流体を吐出する。ＣＯ₂ガスストリームは、加圧部材８０に流され、一方、Ｎ₂／Ａｒガスストリームは、中間冷却を使用するもの又は使用しないものとすることができる加圧部材８３〜８５を通して流される。

この構成では、この例示的な実施形態によるＣＣＰＰは、化学量論的運転の結果として排気エミッションをより低下させるだけでなく、様々な産業で利用することができる加圧ＣＯ₂及びＮ₂／Ａｒガスストリームを提供する。オイル収集のケースでは、ＣＣＰＰは、オイル抽出に必要であるあらゆる加圧ＣＯ₂及びＮ₂を提供する。従って、ＣＣＰＰは、油田における必要な動力を提供するだけでなく、付加的なＣＯ₂及びＮ₂収集並びに／或いは貯蔵の必要性を排除する。

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。

２ 複合サイクル発電プラント
４ ガスターボ機械システム
６ 蒸気ターボ機械システム
１０ 熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）
１２ ブローオフベント
１６ 発電機
２０ 圧縮機セクション
２１ 圧縮機入口
２２ 圧縮機出口
２８ タービンセクション
２９ タービン入口
３０ タービン出口
３２、６０、６２ シャフト
３４、３５ 燃焼器
３７、３８ 燃焼器のヘッド端部
４０、４１ 燃焼器吐出口
４５ 排気ガス再循環システム（ＥＧＲ）
５４ 第１の蒸気圧縮機セクション
５５ 第２の蒸気圧縮機セクション
５７ 蒸気タービンセクション
７０、１２０ 炭素収集／分離システム
７４ 熱交換部材
８０、８３、８４、８５ 加圧部材
９０ 絞り／制御弁
９２ブローアウト弁
９４ タービンバイパス弁
１２５ 加圧部材
１２９ 冷凍機
１３３ 再生熱交換器
１３７ 膨張部材

Claims (7)

1. 複合サイクル発電プラント（２）であって、
   圧縮機入口（２１）及び圧縮機出口（２２）を備える圧縮機セクション（２０）と、
   前記圧縮機セクション（２０）に作動連結されかつタービン入口（２９）及びタービン出口（３０）を備えるタービンセクション（２８）と、
   前記タービン出口（３０）に流体連結された熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）（１０）と、
   前記圧縮機出口（２２）に流体連結されたヘッド端部（３７、３８）及び前記タービン入口（２９）に流体連結された燃焼器吐出口（４０、４１）を備える燃焼器（３４、３５）と、
   前記圧縮機出口（２２）及び前記燃焼器（３４、３５）のヘッド端部（３７、３８）の少なくとも一方に流体連結された二酸化炭素収集システム（７０、１２０）であって、前記圧縮機出口（２２）及び前記燃焼器（３４、３５）のヘッド端部（３７、３８）の少なくとも一方から流れる実質的に無酸素の流体流れから二酸化炭素を含む第１の流体並びに第２の流体を抽出するように構成されかつ配置された二酸化炭素収集システム（７０、１２０）と、
   前記圧縮機セクション（２０）及び前記タービンセクション（２８）と流体連結された二次流れシステム（３３）であって、前記圧縮機セクション（２０）からの実質的に無酸素の冷却流れを前記タービンセクション（２８）に送る二次流れシステム（３３）と、
   前記ＨＲＳＧ（１０）と圧縮機セクション（２０）との間に流体連結された排気ガス再循環（ＥＧＲ）システム（４５）と、
   前記圧縮機出口（２２）及び前記燃焼器（３４、３５）のヘッド端部（３７、３８）の少なくとも一方と前記二酸化炭素収集システム（７０、１２０）との間に流体結合された熱交換部材（７４）と、
   前記圧縮機出口（２２）及び前記燃焼器（３４、３５）のヘッド端部（３７、３８）の少なくとも一方と前記熱交換部材（７４）との間に流体結合された絞り制御弁（９０）であって、絞り制御弁（９０）と
   前記ＨＲＳＧ（１０）に流体連結されたタービンバイパス弁（９４）であって、前記絞り制御弁（９０）が閉鎖されたときに前記ＥＧＲシステム（４５）の過剰圧力状態を防ぐために開放されるように構成されているタービンバイパス弁（９４）と
   を備える、複合サイクル発電プラント（２）。
2. 前記第２の流体が窒素を含む、請求項１記載の複合サイクル発電プラント（２）。
3. 前記二酸化炭素収集システム（７０、１２０）が、膨張部材（１３７）に流体連結された加圧部材（８０、８３、８４、８５）を含む、請求項１又は請求項２記載の複合サイクル発電プラント（２）。
4. 前記タービンバイパス弁（９４）に流体連結されたブローアウト弁（９２）をさらに含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の複合サイクル発電プラント（２）。
5. 前記ＨＲＳＧ（１０）の排出部分に配置されたブローオフベント（１２）をさらに含む、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の複合サイクル発電プラント（２）。
6. 前記二酸化炭素収集システム（７０、１２０）が、前記燃焼器（３４、３５）のヘッド端部（３７、３８）に流体連結される、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の複合サイクル発電プラント（２）。
7. 複合サイクル発電プラントの運転方法であって、
   流体流れを圧縮機セクションに流して加圧流体流れを生成させるステップと、
   圧縮機出口からの加圧流体流れを燃焼器のヘッド端部に案内するステップと、
   燃焼器で生成した燃焼ガスをタービンセクションの入口に導くステップと、
   排気ガスをタービンセクションの出口から排出して熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）に送るステップと、
   加圧流体流れの実質的に無酸素部分を圧縮機出口及び燃焼器のヘッド端部の一方から二酸化炭素収集システムに流すステップと、
   加圧空気流の実質的に無酸素部分から二酸化炭素を含む第１の流体と第２の流体とを抽出するステップと、
   前記圧縮機セクションから実質的に無酸素の冷却流れを直接前記タービンセクション（２８）に送るステップと、
   排気ガス再循環（ＥＧＲ）システムを介して前記ＨＲＳＧから圧縮機セクションに排気ガスを循環させるステップと、
   前記加圧流体流れの実質的に無酸素部分を絞り制御弁及び熱交換部材を介して前記二酸化炭素収集システムに送るステップと、
   前記絞り制御弁が閉鎖されたときに、前記ＥＧＲシステムの過剰圧力状態を防ぐために、前記ＨＲＳＧに流体連結されたタービンバイパス弁を開放するステップと
   を含む方法。