JP7423552B2 - エキスパンダを備えた拡張ガスタービンプロセス - Google Patents
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Description
本発明は、発電プラントおよびその運転方法に関する。
多くの国で市場の要求が変化しているため、設備効率の最大化は、将来的には必ずしも成功を約束されているとは思われない。ドイツまたはヨーロッパ市場の現状を考慮すると、回生エネルギー発電の拡大の増加により従来の発電所の運転時間が大幅に少なくなり、新規発電所の建設にあたって膨大なコスト圧力が予期されることを前提とすることができる。
設備の複雑性の低減とこれに伴うコストの減少、さらにはまさに低温状態からの迅速な起動能力の改善は、たとえこれが設備効率の悪化をもたらすとしても、この関係において非常に有望なアプローチであると思われる。
これまでのところ、上述した問題提起に対して、本当に説得力のある回答はない。勿論迅速起動能力を保証するガスエンジンベースの発電所に代わるものがあるが、このような設備に対する投資コストは、これまでしばしば好まれてきたコンバインドサイクル発電（ＧｕＤ＝ガスおよび蒸気発電）と比較して比較的高く、また、効率は著しく低い。
コンバインドサイクル発電設備では、発電所のｕＤ部分、すなわち蒸気タービン部分を省略することにより、設備の複雑さの低減を達成することができる。しかし、蒸気サイクルのない単純なガスタービンプロセスは、プロセスの経済的には表せない明らかな劣化をもたらす。中間冷却型圧縮による復熱ジュールプロセスは、プロセスが最適に設計されてもコンバインドサイクルの基準プロセスと比較して効率のある程度の低下をもたらす。複雑さが大幅に低減されるため、大幅なコスト削減が可能に見える。このコンセプトの経済性は、将来の市場の要求に際して現行のコンバインドサイクルのコンセプトやガスエンジン発電に対して明らかにポジティブであろうと期待される。この経済性の向上は、ガスタービンプロセスの拡張が単純なガスタービンプロセスと同様の開始時間を有し、従ってコンバインドサイクルプロセスよりも著しく速いという事実によるものでもある。さらに、システムが相応に設計されている場合、起動に先立って設備コンポーネントのそれなりの冷却を伴う長い停止があるかどうかは、起動時間およびコンポーネントの耐用年数には関係ない。特に、より長い停止状態（コールドスタート条件）の後、拡張ガスタービンプロセスは、コンバインドサイクルプロセスと比較して、その特に良好なクイックスタート能力を示すので有利である。また、部分負荷挙動に関しては、効率と負荷変化率の向上が期待される。
本発明の課題は、上述の拡張ガスタービンプロセスを備えた発電プラントをさらに改善することにある。本発明の別の課題は、そのような発電プラントの運転方法を相応に改良することにある。
本発明は、圧縮機と、燃焼室と、タービンとを備えたこのような発電プラントにおいて、発電プラントはさらに圧縮機を燃焼室に接続する圧縮機空気導管と、圧縮機導管およびタービンから分岐する排気導管に接続される第１の熱交換器とを備え、第１のエキスパンダが第１の熱交換器と燃焼室との間の圧縮機空気導管に配置され、第１のエキスパンダと圧縮機とが一つの共通軸線上に配置されることにより、発電プラントに向けられた課題を解決する。ここで「一つの共通軸線上に配置される」とは、エキスパンダおよび圧縮機が少なくとも共通のトランスミッションを介して連結され得ることを意味することもできる。
拡張されたガスタービンプロセスに重要なことは、復熱の統合が燃焼室セクションに入る前の最大許容空気温度によって制限されることである。これはプロセス効率の悪化につながる。エキスパンダを備えた拡張ガスタービンプロセスの提案は、まさにここから始まる。全ての燃焼温度ひいてはガスタービン出力で最大の復熱を達成するためには、前置接続された圧縮機の自由設計では、出口圧力は必要なタービン入口圧力より高くなるように選択される（生産ラインにより規定）。これにより得られる圧力勾配は、燃焼前の空気側の付加的な膨張に利用される。この場合復熱器内の圧縮空気は排気ガスの流れによって最大許容出口温度まで予熱され、次いで第１のエキスパンダに送られる。タービン圧力レベルへの膨張のため、燃焼室セクションの最大許容値まで温度が下がり、同時に付加的に出力の放出が生じる。圧縮機のまだ残っている駆動軸は、第１のエキスパンダとの連結に使用できる。
有利な実施形態では、圧縮機は圧縮機段間に第２の熱交換器が圧縮機中間冷却器として配置される多段中間冷却形圧縮機である。これにより圧縮のための経費を軽減できる。
拡張ガスタービンプロセスに対するこれらの変更は次のような利点をもたらす。
１）最大のプロセス効率（拡張ガスタービンプロセスと比較して＋１．５％ポイント）を伴う最大復熱と、拡張ガスタービンプロセスと比較して４～７％の最大出力、
２）既存のガスタービン生産ラインへの柔軟な対応、
３）第１のエキスパンダを最適な回転数を有するギアド圧縮機に機械的に接続することによって簡単に一体化すること。
１）最大のプロセス効率（拡張ガスタービンプロセスと比較して＋１．５％ポイント）を伴う最大復熱と、拡張ガスタービンプロセスと比較して４～７％の最大出力、
２）既存のガスタービン生産ラインへの柔軟な対応、
３）第１のエキスパンダを最適な回転数を有するギアド圧縮機に機械的に接続することによって簡単に一体化すること。
これらの改善には、高温空気タービンおよび接続パイプラインの僅かな追加コストが見込まれるにすぎない。運用上の柔軟性は損なわれることはないであろう。
また、第１の熱交換器が２つの熱交換器モジュールを備え、その両方が圧縮機空気導管および排気導管内に直列配置され、熱交換器モジュール間に水噴射装置が圧縮機空気導管内に配置されると有利である。これは伝達可能な熱量に対してもその後の燃焼に対しても有利である。
本発明の有利な実施形態では、圧縮機段の間に配置された第２の熱交換器は、地域熱供給回路に接続される。このようにすれば、圧縮空気を中間冷却し、同時に水を地域熱供給回路のため再加熱することができる。
燃料予熱のため、第３の熱交換器が熱交換器モジュール間の排気導管内に配置されると有利である。燃料予熱に際して燃料の顕熱が増加するため、燃料の必要量が減少する。
また、第４の熱交換器が圧縮機への空気導管に配置され、発電プラントの冷却回路に接続されると有利である。空気導管に第４の熱交換器を配置することにより、既に空気を圧縮する前に空気を比較的高い温度レベルにすることができ、これはその後の熱利用に有益である。
地域熱供給回路への熱の統合を伴う発電プラントに対する本発明の別の実施形態では、発電プラントは、熱駆動される冷却器をさらに含み、その高温入力側は蒸気発生器を介して排気導管および圧縮機中間冷却器の戻り口に接続され、その低温出力側を圧縮機中間冷却器の少なくとも一部の入口に接続される。この変形態様は、圧縮空気の中間冷却が改善されるという大きな利点を有する。
この場合冷却器が少なくとも１つの蒸気噴射ノズルを有すると有利である。可動部品と駆動装置がないため、このような蒸気噴射冷却器は特に単純で堅牢であり、通常他の冷却システムよりも安価である。
この場合特に有利なのは、冷却器が２つの蒸気噴射ノズルを有し、それらの混合流出口が合流するようにし、蒸発器（フラッシュ・エバポレータ）が蒸気噴射ノズルのそれぞれの吸引端子に前置接続され、一方の蒸発器の水出口が他方の蒸発器の水入口に接続されるように相互接続されることである。このようにすれば、使用水の特に良好な冷却を達成することができ、従って、これに対応して圧縮空気の良好な冷却も達成することができる。
発電プラントの有利な実施形態では、第８の熱交換器が排気の流れ方向に第１の熱交換器の熱交換器モジュールの後で排気導管に接続され、入口側で圧縮機中間冷却器の戻り口に、出口側で蒸発器の一方に接続される。これにより排気ガスの残留熱を熱駆動冷却器に使用することができる。
さらなる有利な発電プラントでは、第８の熱交換器は第１の熱交換器の熱交換器モジュール間で排気導管に接続され、入口側で圧縮機中間冷却器の戻り口に接続され、この戻り口に出口側でも接続される。このような第８の熱交換器の配置により、排気導管の下流配置よりも高い蒸気圧レベルが可能となり、蒸気噴射冷却器（熱作動冷却器）の効率アップにつながる。さらに高温復熱は、中間接続された外部の熱交換器により圧縮空気出口温度のより良い部分負荷特性をもたらす。
さらに、第２の別のエキスパンダが第１のエキスパンダの下流に配置され、入口側が第１のエキスパンダの後方の位置で圧縮機空気導管に接続され、出口側で排気導管に開口するようにすると有利である。これにより発電プラントの効率が改善される。特にこれにより、「乾燥」プロセス、すなわち水－蒸気サイクルを伴わないプロセスの最大効率ポテンシャルを達成することができる。第２のエキスパンダのタービン設計は、４８０℃未満の空気入口における温度に対して行うことができる。というのも回路が直列接続として設計されているからであり、すなわち第２のエキスパンダは並列に接続されておらず、第１のエキスパンダの後に直列に接続されている。最後に、（第１のエキスパンダと同様に）トランスミッションを介して第２のエキスパンダを空気圧縮機に接続することにより、費用対効果の高い設計が達成される。
方法に関する課題は、圧縮機、燃焼室およびタービンを備えた発電プラントを運転する方法であって、いわゆる圧縮空気エネルギー貯蔵(Compressed Air Energy Storage)システム、すなわち空気も圧縮されるが再び膨張され、その際両工程が時間的に分離され、対応する圧縮空気貯蔵器が介在されるシステムとは異なり、圧縮機の出口圧力が所要のタービン入口圧力よりも高くなるように選択され、圧縮機空気が燃焼前に膨張されて圧縮機を駆動するように用いられることによって解決される。本発明では、圧縮空気は、後の使用のために一時的に貯蔵されるのではなく、圧縮直後のガスタービンプロセスで使用される。
圧縮機空気が、膨張される前に、発電プラントの排気との熱交換で材料技術的に最大許容出口温度に予熱され、その結果エキスパンダの出口空気が燃焼室入口に対して過度に熱くならないようにすると有利である。
さらに、圧縮機空気をタービン圧力レベルまで膨張させて、燃焼室に許容される最高温度まで下げれば有利である。これにより、圧縮空気中の余剰エネルギーを活用すると同時に、燃焼のための空気パラメータを最適に設定することができる。
さらに、排気および圧縮機中間冷却器からの廃熱が、圧縮機の中間冷却を改善する目的で熱利用冷却器を駆動するために使用されると有利である。
特に、水が排気および圧縮空気と熱交換して加熱され、次いで少なくとも部分的に蒸発され、さらに、加熱水が蒸発される少なくとも１つの蒸発器に少なくとも１つの蒸気噴射ノズルを蒸気の吸い上げのために接続し、蒸発時に冷却された水が圧縮機中間冷却器の少なくとも一部に供給されることにより、水が冷却されるようにすると、有利である。
本発明の実施例を図面を参照して詳述する。図は概略表示であり、実寸通りではない。
図１は従来技術による拡張ガスタービンプロセスを概略的かつ例示的に示す図である。発電プラント１は、圧縮機２と、燃焼室３と、タービン４とを備える。圧縮機空気導管５は、圧縮機２を燃焼室３に接続する。第１の熱交換器７は、圧縮機空気導管５と、タービン４から分岐された排気導管６に接続される。図１において、第１の熱交換器７は２つの熱交換器モジュール１３を備え、これらのモジュールはそれぞれ圧縮機空気導管５および排気導管６に直列に配置され、水噴射器１４が熱交換器モジュール１３間の圧縮機空気導管５に配置されている。
圧縮機２は多段中間冷却圧縮機２であり、圧縮機段９間には第２の熱交換器１０が圧縮機中間冷却器１１として配置されている。
さらに、圧縮機２は圧縮機段９の間に燃焼室３および／またはタービン４を冷却するためのタップ３３を有する。
最後に、図１の発電プラント１はトランスミッション３５を介してタービン４に接続される発電機３４を備える。
図２は、本発明による第１のエキスパンダ８を備えた拡張ガスタービンプロセスを示す。第１のエキスパンダ８は、圧縮機空気導管５内の第１の熱交換器７と燃焼室３との間に配置されており、共通のトランスミッション１２を介して圧縮機２に連結することができる。
圧縮時に発生する熱をより良好に利用するために、第２の熱交換器１０は地域熱供給回路１５に接続されている。地域熱供給回路１５への熱の供給は、以下のように行われる。地域熱供給回路１５からの低温戻り水流は分流される。第１の部分流は圧縮機２の中間冷却器１１のために第２の熱交換器１０に供給され、第２の部分流は排気導管６に配置された第５の熱交換器３６に供給される。加熱後２つの部分流はまとめられて第６の熱交換器３７に導かれ、この熱交換器３７は同様に第５の熱交換器３６の上流の排気導管６内に排気ガスの流れ方向に配置される。そこでさらに加熱された水流は、地域熱供給回路１５に再び導かれる。
地域熱供給が不要な場合には、圧縮時に発生する熱は、例えばフィンファン冷却器や冷却塔を介して環境に放出される。この目的のために、図２の発電プラント１には第７の熱交換器３９を備えたバイパス導管が設けられている。
図２はまた、排気導管６内の熱交換器モジュール１３の間に配置される燃料予熱用の第３の熱交換器１７を示す。
さらに、第４の熱交換器１８も圧縮機２への給気導管１９に配置され、発電プラント１の冷却回路２０に接続される。
図３の実施形態は熱駆動冷却器２１を備え、これはその入力側２２で第８の熱交換器４２を介して排気導管６と、圧縮機中間冷却器１１の戻り回路２４とに接続されている。
圧縮機中間冷却器１１の戻り回路２４からの水流は分流される。第１の部分流は、熱交換器４２を通過し、排気導管６から熱を吸収する。加熱後この部分流は、蒸発器２９（フラッシュ・エバポレータ）に供給され、そこで発生する蒸気は蒸気噴射ノズル２７の駆動材端子４３に供給され、残りの水は圧縮機中間冷却器１１の戻り回路２４からの水の第２の部分流に供給される。この再結合された流れは、第７の熱交換器３９で冷却された後に再び分流され、第１の部分流は、最後の圧縮機段９に供給される空気を冷却し、第２の部分流は蒸発器２９（フラッシュ・エバポレータ）に供給される。発生蒸気は蒸気噴射ノズル２７の吸入端子３０に供給され、残りの水は圧縮機中間冷却器１１の流入口に供給され、最後の圧縮機段９を除いて残りの圧縮機段９の全てに冷却水を供給する。
蒸気噴射ノズル２７の混合流出口から出る蒸気は、噴射冷却器を有する噴射凝縮器４０に送られる。得られた凝縮水は、第７の熱交換器３９の前で圧縮機中間冷却器１１からの水流と混合される。噴射凝縮器４０に必要な水は、第７の熱交換器３９後の導管から取られる。
図４は、図３の実施例に対して熱交換器４２が熱交換器モジュール１３の間で排気導管６におけるその配置に関して上方にシフトされる実施例を示す。図３の実施例と比較してこの個所での排気温度が高いためより高い蒸気圧力レベルが可能であり、従って熱的に作動する蒸気噴流冷却器の効率が向上する。さらに、圧縮空気出口温度のより良い部分負荷制御特性が間に接続された外部の熱交換器を介しての高温復熱から生じる。
冷却プロセスは必ずしも噴射蒸気で行う必要はない。吸収または吸着プロセスも同様に可能である。
図５は２段の低圧蒸気と噴射凝縮器を備えた拡張ガスタービンプロセスを示す。冷却器２１は２つの蒸気噴射ノズル２７を備え、その混合流出口２８は一緒にされ、蒸発器２９が蒸気噴射ノズル２７のそれぞれの吸引端子３０に前置接続され、一方の蒸発器２９の水出口３１と、他方の蒸発器２９の水入口３２とが接続されるように相互接続される。このようにして圧縮機中間冷却器１１のための水は、図３の実施例におけるよりも強く冷却することができる。
図６は、少なくとも部分的に蒸気が蒸発器２９では生じないが、排気導管６に低圧蒸発器４４が配置されたさらなる変形例を示す。
さらに図７は、図４の噴射凝縮器４０の代替としての表面凝縮器４１を示す。その場合表面凝縮器４１は、第７の熱交換器３９と同様に、外部冷却によって供給されなければならないであろう。
最後に図８は第２のエキスパンダ４５を備えた本発明の実施形態を示し、これは第１のエキスパンダ８と同じ軸４６上に配置され、入口側で第１のエキスパンダ８の後方の位置で圧縮機空気導管５に接続され、出口側で排気導管６に開口する。軸４６上の配置は必須ではない。第２のエキスパンダ４５は、トランスミッションに統合されている固有の軸にも取り付けることができる。
エキスパンダ８、４５の接続は直列回路として設計されており、すなわち第２のエキスパンダ４５は、並列ではなく、第１のエキスパンダ８の後に直列に接続されている。
また第２のエキスパンダ４５は、第１のエキスパンダ８と同様に、トランスミッションを介して圧縮機２に接続されている。
１ 発電プラント
２ 圧縮機
３ 燃焼室
４ タービン
５ 圧縮機空気導管
６ 排気導管
７ 第１の熱交換器
８ 第１のエキスパンダ
９ 圧縮機段
１０ 第２の熱交換器
１１ 圧縮機中間冷却器
１２ トランスミッション
１３ 熱交換器モジュール
１４ 水噴射器
１５ 地域熱供給回路
１７ 第３の熱交換器
１８ 第４の熱交換器
１９ 給気導管
２０ 冷却回路
２１ 熱駆動冷却器
２７ 蒸気噴射ノズル
２９ 蒸発器
４２ 第８の熱交換器
４５ 第２のエキスパンダ
２ 圧縮機
３ 燃焼室
４ タービン
５ 圧縮機空気導管
６ 排気導管
７ 第１の熱交換器
８ 第１のエキスパンダ
９ 圧縮機段
１０ 第２の熱交換器
１１ 圧縮機中間冷却器
１２ トランスミッション
１３ 熱交換器モジュール
１４ 水噴射器
１５ 地域熱供給回路
１７ 第３の熱交換器
１８ 第４の熱交換器
１９ 給気導管
２０ 冷却回路
２１ 熱駆動冷却器
２７ 蒸気噴射ノズル
２９ 蒸発器
４２ 第８の熱交換器
４５ 第２のエキスパンダ
Claims (16)
- 圧縮機（２）、燃焼室（３）およびタービン（４）を備え、さらに前記圧縮機（２）を前記燃焼室（３）に接続する圧縮機空気導管（５）と、前記圧縮機空気導管（５）に接続される第１の熱交換器（７）と、前記第１の熱交換器（７）と前記燃焼室（３）の間の前記圧縮機空気導管（５）に配置される第１のエキスパンダ（８）とを備えた発電プラント（１）であって、
前記第１の熱交換器（７）がさらに前記タービン（４）から分岐する排気導管（６）に接続され、前記タービン（４）、前記第１のエキスパンダ（８）および前記圧縮機（２）が一つの共通軸線上に配置されており、前記第１のエキスパンダ（８）および前記圧縮機（２）が一つのトランスミッションを介して連結されていることを特徴とする発電プラント（１）。 - 前記圧縮機（２）が多段中間冷却形圧縮機（２）であり、圧縮機段（９）間に第２の熱交換器（１０）が圧縮機中間冷却器（１１）として配置されている、請求項１に記載の発電プラント（１）。
- 前記第１の熱交換器（７）が２つの熱交換器モジュール（１３）を備え、この２つの熱交換器モジュール（１３）がそれぞれ前記圧縮機空気導管（５）および前記排気導管（６）において直列に配置され、前記熱交換器モジュール（１３）間に水噴射器（１４）が前記圧縮機空気導管（５）内に配置されている、請求項１または２に記載の発電プラント（１）。
- 前記第２の熱交換器（１０）が地域熱供給回路（１５）に接続されている、請求項２に記載の発電プラント（１）。
- 燃料予熱のため、第３の熱交換器（１７）が前記熱交換器モジュール（１３）間の前記排気導管（６）に配置されている、請求項３に記載の発電プラント（１）。
- 第４の熱交換器（１８）が前記圧縮機（２）への給気導管（１９）に配置されるとともに、発電プラント（１）の冷却回路（２０）に接続されている、請求項１から５のいずれか１項に記載の発電プラント（１）。
- さらに熱駆動冷却器（２１）を備え、その低温の出口側（２５）が前記圧縮機中間冷却器（１１）の少なくとも一部の入口（２６）に接続されている、請求項２または請求項２を引用する請求項３に記載の発電プラント（１）。
- 前記熱駆動冷却器（２１）が少なくとも１つの蒸気噴射ノズル（２７）を備えている、請求項７に記載の発電プラント（１）。
- 前記熱駆動冷却器（２１）が２つの蒸気噴射ノズル（２７）を備え、前記蒸気噴射ノズル（２７）は混合流出口（２８）が一緒になるように互いに接続されており、蒸発器（２９）が前記蒸気噴射ノズル（２７）のそれぞれの吸入端子（３０）に前置接続され、一方の蒸発器（２９）の水出口（３１）が他方の蒸発器（２９）の水入口（３２）に接続されている、請求項８に記載の発電プラント（１）。
- 第８の熱交換器（４２）が排気の流れ方向に前記第１の熱交換器（７）の熱交換器モジュール（１３）の後で前記排気導管（６）に接続されるとともに、入力側で前記圧縮機中間冷却器（１１）と、出力側で前記蒸発器（２９）の１つとに接続されている、請求項９に記載の発電プラント（１）。
- 前記第８の熱交換器（４２）が前記第１の熱交換器（７）の熱交換器モジュール（１３）の間で前記排気導管（６）に接続され、入口側で前記圧縮機中間冷却器（１１）の戻り口（２４）と前記蒸発器（２９）の戻り口に接続され、出力側でも前記蒸発器の戻り口に接続されている、請求項１０に記載の発電プラント。
- 第２のエキスパンダ（４５）が前記第１のエキスパンダ（８）の下流に配置され、入口側で前記圧縮機空気導管（５）に前記第１のエキスパンダ（８）の後ろの位置で接続され、出口側で前記排気導管（６）に開口している、請求項１から３のいずれか１項に記載の発電プラント（１）。
- 圧縮機（２）、燃焼室（３）およびタービン（４）を備えた、請求項１に記載の発電プラント（１）の運転方法であって、
前記圧縮機（２）の出口圧力が必要なタービン入口圧力より高くなるように選択され、さらに圧縮機空気が、熱交換で材料技術的に最大の許容出口温度まで予熱され、膨張され、燃焼されるようになっており、
前記圧縮機空気が前記発電プラント（１）の排気との熱交換で予熱されるとともに、燃焼前の前記圧縮機空気の膨張が前記圧縮機の駆動に利用されることを特徴とする発電プラントの運転方法。 - 前記圧縮機空気は膨張によってタービン圧力レベルおよび前記燃焼室（３）の最大許容温度まで低減される、請求項１３に記載の方法。
- 排気および圧縮機中間冷却器（１１）からの廃熱が前記圧縮機（２）の中間冷却を改善する目的で、熱駆動冷却器（２１）を駆動するために利用される、請求項１３または１４に記載の方法。
- 水が排気と圧縮機空気との熱交換により加熱され、次いで少なくとも部分的に蒸発され、さらに加熱された水が蒸発される少なくとも１つの蒸発器に少なくとも１つの蒸気噴射ノズルが蒸気を吸い出すために接続され、蒸発中に冷却された水が前記圧縮機中間冷却器の少なくとも一部に供給されることにより水が冷却される、請求項１５に記載の方法。
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