JP6072356B2 - Ｓｔｉｇ発電所コンセプトにおける熱水処理方法および熱水処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、プロセス水のための原水及び／又は凝縮水の熱水処理のための方法に関する。

さらに本発明は、蒸気注入部を有するガスタービンと、廃熱蒸気発生器と、ボイラーと、さらに少なくとも蒸発器及び凝縮器を有する水処理装置とからなる装置に関する。

ガスタービンは、発電所内の発電機を駆動するために使用されるだけでなく、ジェット推進機関内のプロペラや、コンプレッサー若しくはポンプの駆動のためにも使用される。熱電コジェネレーションの分野では、ガスタービンが、その高温の排ガスを熱発生に使用するために適用される。ガスタービンは、主に、コンプレッサーと、燃焼室と、タービンとからなる組み合わせから構成されており、ここで、タービンとは単にガスタービンの拡張部として分類される。ガスタービンの設計と運転条件に応じて、タービンから排出される排ガスは、４００℃から６５０℃の範囲の温度を有する。従来技術によれば、ガスタービンには、排ガスの熱エネルギーを使用して蒸気を発生するための廃熱蒸気発生器が後置接続されている。蒸気は、再び燃焼室に供給され、高められた質量流量によってガスタービンの出力が増加する。さらに、蒸気の供給によって、排ガス中の窒素酸化物濃度が低下する。従って、全体として、ガスタービンの効率が向上する。この方法はＳＴＩＧコンセプト又はチェン・プロセスと呼ばれる。廃熱蒸気発生器の後方では、排ガスは、典型的には、２つ乃至は３つの圧力回路においては７０℃から２００℃の低い温度レベルにあり、１つの圧力回路においては約１００℃〜２５０℃にある。ガスタービンへの水の注入のために、水に高い品質が必要である。ＳＴＩＧコンセプトの水処理のために、従来技術では、種々の複雑な方法があり、コストは原水の品質に依存する。可能な方法としては、まず、イオン交換と逆浸透が挙げられる。しかし、どちらの方法も原水に高負荷がかかる場合に制限を有する。有機負荷があると、イオン交換における非可逆性の吸着プロセス乃至は逆浸透の透過水量の低下が生じる。従っていずれの方法でも、条件によっては、コストのかかる別のステップが予め施される。ＳＴＩＧコンセプトのさらなる欠点は、水蒸気の損失であり、ひいては、ガスタービンの排ガス中の水分の損失である。そのため、蒸気注入に際して要求される品質のプロセス水を、恒常的に用意し続けなければならない。従って、ＳＴＩＧプロセスは、連続運転には適用されず、専ら短期的な出力上昇に用いられる。例えば一時的に電力需要が増加した場合において用いられる。

本発明の解決しようとする課題は、ＳＴＩＧコンセプトにおける熱水処理の運転のための方法であって、廃熱蒸気発生器後の排ガスの低い熱エネルギーを使用可能にする方法を提供することである。本発明のさらなる課題は、この使用を実現する装置を提供し、上述した欠点を回避することである。

この課題は、本発明の請求項１に記載された方法及び請求項１１に記載された装置により解決される。

本発明の熱水処理装置の運転のための方法によれば、以下のステップが実行される：
− ガスタービンにより第１の排ガスを生成するステップ、
− 前記第１の排ガスを第２の排ガスのために廃熱蒸気発生器によって７０℃から２５０℃の温度範囲に冷却するステップ、
− 第１の温水を凝縮器から蒸発器へ水処理装置内において輸送するステップ、
− 排ガス熱を第１の温水に伝達するために前記第２の排ガスをボイラーへ導くステップ。

本方法は、水処理装置内で、廃熱蒸気発生器の後段での第２の排ガスの熱の好適な利用を実現するものであって、例えば、プロセス水のための原水及び／又は凝縮水の水処理のためのものである。蒸発熱を同時に回収しつつ、清潔なプロセス水を凝縮させるために、対向方向に流れる空気内で、対流を助ける蒸発器内での水の蒸発の原理と、水冷の凝縮器とを組み合わせて、水処理装置を運転することは有利である。そのため、水処理装置は少なくとも凝縮器と蒸発器とを備えている。水処理装置は、４００℃から６５０℃の温度範囲の第１の排ガスを生成するガスタービンとの組み合わせで運転される。ここで、ガスタービンは蒸気注入部を有するガスタービンであってもよい。さらに、ガスタービンによって生成された第１の排ガスは、廃熱蒸気発生器によって７０℃から２５０℃の低い温度レベルに冷却される。その際、廃熱蒸気発生器は好適に蒸気を生成する。廃熱蒸気発生器内で冷却された第１の排ガスに相当し、７０℃から２５０℃の低い温度範囲にある第２の排ガスは、さらに、水処理装置内のボイラーに導かれる。第２の排ガスの廃熱は、蒸発器と凝縮器との間の循環路にある第１の温水に排ガスの熱を伝達するボイラーによって利用される。ボイラーは、特に熱交換器として構成されることができる。特に好ましくは、第２の排ガスの少ない廃熱が、上述したような水処理装置の運転をカバーする。特に好ましい実施形態では、複数のそのような水処理装置が直列に接続され、多段で実施される。これによって温度差が低減され、高い効率へと導かれる。

本発明に係る装置は、蒸気注入部を有するガスタービンと、廃熱蒸気発生器と、ボイラーと、少なくとも１つの凝縮器と蒸発器とを有する水処理装置とを備えており、さらに、上記の方法を実施できるように構成されている。

有利な実施形態では、水処理装置は、蒸発熱を同時に回収しつつ、清潔なプロセス水を凝縮させるために、対向方向に流れる空気内で、対流を助ける蒸発器内での水の蒸発の原理と、水冷の凝縮器との組み合わせによって運転される。

本発明による、ＳＴＩＧ発電所コンセプトにおける水処理の有利な実施形態及び発展形態は、従属請求項によって明らかとなる。それによれば、方法は、さらに次のステップを有する。

水処理装置は、第１の冷却剤、特に水によって運転される冷却器を備えることができる。プロセス水を凝縮させるために、対向方向に流れる空気内で、対流を助ける蒸発器内の水の蒸発の原理と、水冷の凝縮器とを組み合わせて、水処理装置が運転されると、水処理装置の水循環路の冷却に好適である。これにより、水処理装置を恒常的に運転することが可能である。第２の温水が、冷却水としての使用のために凝縮器の中で冷却されねばならないからである。有利には、蒸発熱の回収が同時に生ずる。

有利な実施形態としては、排ガス凝縮器内での冷却のために適用される第２の冷却剤が、さらに、冷却器内の冷却剤として使用される。換言すれば、第１及び第２の冷却剤は、同一である。構成要素の数が抑えられるので、装置全体の構成がシンプルに保たれる。さらに、温度冷却剤の温度差が高められ、流量当たりの入熱の比熱量が上昇する。

有利な発展形態では、ボイラーの後段の第３の排ガスが、少なくとも１つの排ガス凝縮器内において、第２の冷却剤により、特に冷却水により、さらに冷却されることができる。これにより、第３の排ガス内の水蒸気は、第２の凝縮水へと凝縮される。例えば、この冷却は、５℃以下に冷却されると好適である。特に有利には、第３の排ガスは、自身の飽和温度まで冷却される。

有利な発展形態では、第１の冷却剤は、さらに、冷却器内の冷却のために使用され、続いて、排ガス凝縮器内の冷却剤として使用されることができる。これにより、構成要素の数が抑えられる。結果として生じる冷却剤の温度差によって、さらに、流量当たりの比熱量が上昇する。

原水、及び／又は、ボイラーからの第１の凝縮水、及び／又は、排ガス凝縮器の第２の凝縮水は、水処理装置内でプロセス水へと処理される。水処理装置の運転のために、廃熱蒸気発生器の後段での、第２の排ガスの廃熱のボイラーによる使用によって、第２の排ガスの温度は低下し、水の凝縮が好適に行われる。この第１の凝縮水を、水処理装置内で処理すると好適である。これにより、例えば、ガスタービン内に注入される蒸気として、水が回収されると有利である。さらに、燃料の燃焼中にガスタービン内に発生する水を得ることができれば特に有利である。第２の凝縮水は、排ガス凝縮器によって得ることができる。ボイラー内で冷却された第２の排ガスに相当する第３の排ガスは、排ガス凝縮器へと導かれ、その中で排ガス中に存在する残りの水蒸気の凝縮が、少なくとも部分的に生じる。排ガス凝縮器によって得られた第２の凝縮水は、さらに、水処理装置内でさらなるプロセス水として処理されうる。複数の排ガス凝縮器を使用することももちろん可能である。

特に有利な発展形態としては、プロセス水の一部から、廃熱蒸気発生器を介して、蒸気が生成される。電力需要が少ないときには、例えば、建物での供給のための熱調達として、又は、産業におけるプロセス蒸気としての蒸気の利用が有利である。これにより、システム全体の効率が向上する。

廃熱蒸気発生器から生成された蒸気の少なくとも一部は、ガスタービンに供給されうる。これによって、ガスタービンの出力及び効率が、投入された燃料量に関連して向上するようになる。有利には、排ガス中の水分が回収されるので、蒸気注入部を有するガスタービンの運転によって生じる水蒸気乃至は蒸気の需要は、完全に賄うことができる。

有利な発展形態によれば、第１の及び／又は第２の凝縮水は、有利には、水処理装置での処理の前に、揮発性の物質及び／又はその他の汚染物を浄化され、あるいは、処理装置内で処理される。水処理装置での処理の後の処理も好適である。特に、ガスタービンの排ガスから得られた凝縮水は、硝酸及び／又は硫酸を含有しているため、これらの化学物質は、プロセス水中に集積する。さらに、有機酸類の汚染、特に酢酸及び／又は炭酸の汚染もあり得る。後置接続された構成要素内において、特にガスタービン内で、これらは腐蝕に繋がる。

凝縮器内での凝縮及び／又は蒸発器内での蒸発は、複数の段階で行われることができる。それによって、温度差が低減され、高い効率へと導かれる。さらに、多段階の実施は、共通の水循環によって、実現されることができる。

方法を実施するための装置は、さらなる要素を備える。

方法を実施するための装置は、冷却器を含むことができる。有利には、冷却器は、水処理装置内の循環路内に存在する第２の温水を冷却する。

方法を実施するための装置は、排ガス凝縮器を含むことができる。有利な実施形態では、排ガス凝縮器は第３の排ガスの冷却のためにボイラーの後段に適用される。これにより、第３の排ガスからの水蒸気の凝縮に至り、水を回収することができる。

本発明を、引き続き、２つの有利な実施形態にそって、次の添付の図面を参照して説明する。

熱水処理装置の第１の装置を示す図である。 熱水処理装置の第２の装置を示す図である。 有利な水処理装置の構成を模式的に示す図である。

図１は、ＳＴＩＧコンセプトにおける熱水処理装置２の第１の実施形態を示す。ガスタービン２８は、第１の排ガス３を発生させ、第１の排ガス３は廃熱蒸気発生器４へ導かれる。廃熱蒸気発生器４によって生成された蒸気２２は、例えば、熱２５として用いられる、及び／又は、直接に最終生成物として受け渡される。有利には、廃熱蒸気発生器４は、水処理装置２からのプロセス水２０を使用する。水処理装置２は、例えばタンク２１の中に、蒸気２２を得るために貯蔵されている。第２の排ガス６は、廃熱蒸気発生器４の後段で、７０℃から２５０℃の範囲の低い温度を有しており、ボイラー１４へ移送される。特に、ボイラー１４は、熱交換器として構成されうる。ボイラー１４は、この実施形態では、特に、原料水１６を水処理装置２内でプロセス水２０に処理するために使用される。特に、プロセス水２０は、これによって脱イオン化されうる。第２の排出ガス６をボイラー１４内で第３の排出ガス７へと冷却することで、第１の凝縮水１８のための水蒸気を凝縮することができる。この実施形態では、第１の凝縮水１８は水処理装置２内で、さらなるプロセス水２０へと処理される。ボイラー１４の後段で、冷却された第３の排ガス７は、まだ、さらなる蒸気を含んでいる。この水を回収するために、第３の排ガス７は、排ガス凝縮器３０へ導かれる。排ガス凝縮器３０では、さらなる水が凝縮され第２の凝縮水１９となり、第２の凝縮水１９は、再び水処理装置２でプロセス水２０へと処理される。プロセス水２０は、さらに、例えば後の利用のためにタンク２１にその場で蓄えられる。第３の排ガス７は、さらに、排ガス凝縮器３０を離れ、さらに冷却され乾燥された第４の排ガス１５となる。

図２は、特に、電力需要が高い場合に、ガスタービン２８の急速な出力上昇を起こさせる第２の実施形態を示す。図２の構成は、同様に、水処理装置２、ガスタービン２８、廃熱蒸気発生器４、ボイラー１４、排ガス凝縮器３０、及び、タンク２１を備える。ここで、蒸気２２は、廃熱蒸気発生器４からガスタービン２８への蒸気注入部２６のために利用される。ここで、蒸気２２は、廃熱蒸気発生器４によってプロセス水から生成される。このプロセス水は、タンク２１に貯蔵され、有利には、電力需要が低い際に、図１に示される実施形態により得られたものである。蒸気注入部２６により、ガスタービン２８の出力は上昇し、従って、より大きい電力が発電される。さらに、蒸気注入部２６によって、ガスタービン２８の後段の第１の排ガス３中の水分量が増加し、それに伴って、第２の排ガス６、場合によっては第３の排ガス７中の水分量も増加する。これらは、水処理装置２でプロセス水２０へと処理されうる、第１の凝縮水１８の生成量、及び、場合によって第２の凝縮水１９の生成量を有意に増大させる。水処理装置２の運転のために、ボイラー１４の熱が利用され、ボイラー１４は、逆に、廃熱蒸気発生器４の後の第２の排ガス６の熱を利用する。蒸気注入部２６によって注入されたプロセス水２０を第２及び第３の排ガスから回収すること、及び、その水処理装置２での処理によって、蒸気注入部２６の水需要は、完全に賄われうる。水処理装置２の熱需要も、水処理装置２にボイラー１４によって供給される熱によって賄われる。図２は、図１に加えて、第１及び／又は第２の凝縮水１８、１９の揮発性又はその他の物質を、除去し若しくは浄化し、又は、処理するための処理装置３４を含む。これは、ガスタービン２８で蒸気注入部２６によって注入された蒸気を、例えば、無機及び有機の酸から浄化するために必要となり得る。図示されていない可能性としては、廃熱蒸気発生器４への供給前に行われる、プロセス水２０の処理を行う処理装置がある。また、水処理装置２の前又は後の共通の処理も有利である。

図３は、水処理装置２を模式的に表す図である。水処理装置内で、原水１６及び／又は第１及び／又は第２の凝縮水１８、１９は、プロセス水２０へと処理される。第１の温水１３は、凝縮器１０と蒸発器１２の間にある循環路の中にあり、ボイラー１４で加熱される。ここで、ボイラー１４は第２の排ガス６の熱を利用する。この実施形態では、水処理装置２は、清潔なプロセス水２０を凝縮させるために、対向方向に流れる空気１１内で、対流を助ける蒸発器１２内の水の蒸発の原理と水冷凝縮器１０とを組み合わせて、運転される。さらに、蒸発熱は、有利な方法で回収される。空気１１は送風機３６の助けにより循環する。水処理装置２内では、冷水８が冷却水として凝縮器１０内で利用され、プロセス水２０が凝縮され、さらに冷却水が温まる。即ち第１の温水１３に相当する、温められた冷却水は、ボイラー１４によってさらに加熱され加熱水２７となり、さらに蒸発器１２に引き込まれる。蒸発及び空気への熱伝達によって熱が奪われるので、下方へ流れる水の温度は、上から下に向かって下がる。これに反して、対向方向に流れる空気１１の温度は、蒸発器の下から上に向かって上昇する。ボイラー１４によって加熱された第１の温水１３と対向方向に流れる空気１１とは、この実施形態において、向流熱交換器を形成し、この向流熱交換器では、第２の排ガス６の熱、及び、その７０℃から２５０℃の範囲の低い温度は、最適に利用されることができる。恒常的な運転を可能にするために、蒸発器１２の下部に集積する温められた水９は、再び、原水１６、第１の凝縮水１８、又は、第２の凝縮水１９と混合され、第２の温水１７となり、凝縮器１０内でのさらなる利用の前に、冷水８へと冷却される。第２の温水１７の冷却は、冷水２３を使用する冷却器３２によって行われる。さらに、冷水２３を排ガス凝縮器３０内の冷却剤２４として適用することができる。排ガス凝縮器３０内で、ボイラー１４の後でさらに冷却された第３の排ガス７は、第２の凝縮水１９の凝縮に用いられる。第３の排ガス７及び冷却剤２４は、続いて、さらに冷却され乾燥された第４の排ガス及び第３の冷却剤３１として、排ガス凝縮器３０から離れる。排ガス凝縮器３０は、ここでは図示されていない、さらなる冷却剤源によって、特に第２の冷却水によって稼働される。排ガス凝縮器３０の冷却水２３を、冷却器３２での冷却のために導入する前に、先ず、第２の凝縮水１９の凝縮のために使用することもできる。

Claims (13)

1. 熱水処理装置（２）と組み合わせられたガスタービン装置（２８）の運転のための方法であって、
   − ガスタービン（２８）により第１の排ガス（３）を生成するステップと、
   − 第２の排ガス（６）のために、前記第１の排ガス（３）を廃熱蒸気発生器（４）によって７０℃から２５０℃の温度範囲に冷却するステップと、
   − 第１の温水（１３）を、前記熱水処理装置（２）内で凝縮器（１０）から蒸発器（１２）へ輸送するステップと、
   − 排ガス熱を第１の温水（１３）に伝達するために前記第２の排ガス（６）をボイラー（１４）へ導くステップであって、空気（１１）を前記凝縮器（１０）から前記蒸発器（１２）へ送風機（３６）によって循環させ、前記ボイラー（１４）によって温められた第１の温水（１３）と前記空気（１１）とが前記蒸発器（１２）内の向流において熱を交換するステップと、を含む方法。
2. 冷却器（３２）によって、第１の冷却剤（２３）へ熱を受け渡すことにより、第２の温水（１７）を冷却し、前記第２の温水（１７）を冷水（８）にする、請求項１記載の方法。
3. 前記第１の冷却剤（２３）を、前記冷却器（３２）で利用した後、前記ボイラー（１４）の後段の第３の排ガス（７）の冷却のために、排ガス凝縮器（３０）で使用する、請求項２記載の方法。
4. 第２の冷却剤を、前記第３の排ガス（７）の冷却のために、前記ボイラー（１４）の後の排ガス凝縮器（３０）で使用する、請求項２記載の方法。
5. 前記第２の冷却剤を、前記排ガス凝縮器（３０）で利用した後、前記第２の温水（１７）の冷却のために冷却器（３２）内で使用する、請求項４記載の方法。
6. 原水（１６）、及び／又は、前記ボイラー（１４）からの第１の凝縮水（１８）、及び／又は、排ガス凝縮器（３０）からの第２の凝縮水（１９）を、前記熱水処理装置（２）内でプロセス水（２０）へと処理する、請求項１乃至５のいずれか一項記載の方法。
7. 前記熱水処理装置（２）の前記プロセス水（２０）の一部から、廃熱蒸気発生器（４）内で蒸気（２２）を生成する、請求項６記載の方法。
8. 前記蒸気（２２）の少なくとも一部を、蒸気注入部（２６）のために、前記ガスタービン（２８）へ戻す、請求項７記載の方法。
9. 前記第１の凝縮水（１８）及び／又は第２の凝縮水（１９）は、前記熱水処理装置（２）内での処理の前に、揮発性の物質を除去する、請求項６乃至８のいずれか一項記載の方法。
10. 前記凝縮器（１０）内での凝縮及び／又は前記蒸発器（１２）内での蒸発が、多段階で実施される、請求項６乃至９のいずれか一項記載の方法。
11. 請求項１乃至１０いずれか一項記載の方法を実施するための装置（１）であって、
    − 第１の排ガス（３）を生成する、蒸気注入部（２６）を備えたガスタービン（２８）と、
    − 前記第１の排ガス（３）を、７０℃から２５０℃の温度レベルを有する第２の排ガス（６）へ冷却する、廃熱蒸気発生器（４）と、
    − 少なくとも１つの凝縮器（１０）及び蒸発器（１２）を有する熱水処理装置（２）と、
    − 前記第２の排ガス（６）の廃熱を、前記熱水処理装置（２）の第１の温水（１３）に伝達するボイラー（１４）と、を備え、
    前記第１の温水（１３）は、前記凝縮器（１０）と前記蒸発器（１２）との間の、前記熱水処理装置（２）の循環路内にあり、
    前記送風機（３６）は、空気（１１）が前記凝縮器（１０）から前記蒸発器（１２）へ流れ、及び、前記凝縮器（１０）へ戻って循環するように構成されており、かつ、前記ボイラー（１４）によって温められた第１の温水（１３）と前記空気（１１）とが、前記蒸発器（１２）において向流熱交換器を構成している、装置。
12. 冷却器（３２）を有する、請求項１１記載の装置（１）。
13. 排ガス凝縮器（３０）を備えた、請求項１１又は１２記載の装置（１）。

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