JPH02504411A - 圧縮空気貯蔵装置用単純サイクルガスタービンのレトロフィット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 圧縮空気貯蔵装置用単純サイクルガスタービンのレトロフィツト 見］Ｌ二ｆ見 本発明は、圧縮空気エネルギの貯蔵およびその後の使用に関し、詳細には圧縮空 気貯蔵装置用の単純サイクルガスタービンのレトロフィツトに関する。

動力装置において必要とされる負荷の総量は基本的負荷から日によって著しく変 動することは公知である９しかし、ピーク時の短期間の要求を満足させることは 高価で無駄が多く、基本的負荷を発生する基本的負荷の動力装置が効率的である 。

単純サイクルガスタービン（ＳＣＧＴｓ）の使用によって付加的なピーク動力を 全体として経済的に与える動力装置が提案されている。単純サイクルガスタービ ン（Ｓ　ＣＧ　Ｔ　ｓ　）はピーク動力を与えるためにタービン技術の分野で公 知である。その主要素は空気圧縮機とタービンと燃焼器とである。使用者に要求 を満足するために５ＣＧＴｓは発電機に連結されピーク負荷時に基不的負荷動力 装置に付加的な動力を与える。

近年、全体的な高いコスト効率性でこのピーク動力を与えるために圧縮空気エネ ルギ貯蔵装置（ＣＡＥＳ）が提案されている。ＣＡＥＳ装置は比較的安価なニネ ルギ源、例えば石炭、原子力基本的負荷装置の非ピーク時のエネルギを、空気を 貯蔵装置例えば地下洞窟、貯槽などの貯蔵装置内に圧縮することによって貯蔵す る。地下貯槽は硬い岩、岩塩層、岩塩洞窟、含水層などに形成することができる 。

非ピーク時の貯蔵後に、空気は貯蔵装置から引出され、加熱され、燃料と混合さ れ、膨張機すなわちタービンで膨張されて所要のピークまたは中間負荷を発生す る。安価な非ピーク時エネルギを空気圧縮のために使用するから付加的な燃料、 例えば中性ガス、輸入油などは通常のガスタービンに比して約２／３となる、非 ピーク時二ネルギをその後のピーク時エネルギの発生のために使用することは明 らかに望ましく、非ピーク時エネルギはピーク時エネルギより遥かに安価である 。

ＣＡＥＳ装置の圧縮機とタービンとはクラッチを介して発電機／モータ装置など の同期機に連結され、圧縮機単独またはタービン単独で選択された期間の運転発 電機／モータ装置によって駆動される。このとき発電機／モータ装置はモータと して動力装置から動力を受取る。圧縮された空気は冷却され貯蔵される。

ピーク時または中間負荷時にはタービンのクラッチが係合し、空気は貯槽から燃 焼器に送られる。燃焼器は予熱された圧縮空気を燃料、例えば２号燃料油と混合 し、燃料と圧縮空気との混合物をタービン内で膨張せしめ、タービンは発電機／ モータを駆動することによって動力を発生する０発電機／モータは発電機として 作用し、動力を動力グリッドに与える。ＣＡＥＳの熱効率を改善するために低圧 タービンの排気からの廃熱が回復器内での高圧タービン入口空気の予熱に利用さ れる。

ＣＡＥＳ装置の詳細な説明は、ナームキン氏等の論文（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ　 Ａｉｒ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｓｔｏｒａｇｅ：　Ｐｌａｎｔ　Ｉｎｔｅｇｒａ−ｔｊ Ｏｎ、　丁ｕｒｂｏｍａｃｈｉｎａｒｙ　　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ）　　　Ａ ＳＭＥ誌　（ＡＳＭＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　　Ｇａｓ　　Ｔｕｒｂｉｎ ｅ　　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　　＆　　Ｅｘｈｉｂｉｔｉｏｎ。

Ｂｅｉｊｉｎｇ、　Ｐｅａｐｌｅｓ’　Ｒｅｐｕｂｌｉｃ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ、 　１９８５および同じくナームキン氏等の論文（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｃｌ　Ａｉ ｒ　ＥｎｅｒｇｙＳｔｏｒａｇｅ　（ＣＡＥＳ）：　　Ｏｖｅｒｖｉｅｗ、　Ｐ ｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎｃｌ　Ｃｏ５ｔＤａｔａ　ｆｏｒ　２５Ｍ１１１ｔ ｏ　２２０ＭＷ　Ｐｌａｎｔｓ；　Ｊｏｉｎｔ　Ｐｏｖｅｒ　Ｇｅｎｅ−ｒａｔ ｉｏｎ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、丁ｏｒｏｎｔｏ、　Ｃａｎａｄａ　１９８４　 に記載されている。

５ＣＧＴｓ装置はＣＡＥＳ装置に対比して同等なピーク出力を与えるために実質 的に多量の燃料を必要とする。適切な運転のために必要な燃料消費および貯蔵さ れたエネルギの有効利用という点でＣＡＥＳ装置は有利である。併し多くのＳ　 ＣＧ　Ｔ　ｓ装置が実際に使用されピーク出力を与えている。

ＣＡＥＳ装置は建設費が高価であるから、現存する単純サイクルガスタービン装 置をＣＡＥＳ装置に変換することが望ましい。

しかしＳＣ０丁Ｓ装置をＣＡ　Ｅ　Ｓ装置の圧縮および膨張列に直接適用するこ とは単純サイクルガスタービンの最大サイクル圧力が通常、代表的な地下貯蔵圧 力に対して、およびＣＡＥＳ空気貯蔵および作動装置の圧縮空気圧力に対比して 低すぎることにより、困難である。ＣＡＥＳ装置にＳＣＧτＳを直接的に使用す る別の問題点として、地下空気貯蔵装置内の圧力低下がある。

１−朋−９−薦二皇一 本発明の目的は現存する単純サイクルガスタービン５ＣＧＴｓを利用してＣＡＥ Ｓ装置としてピーク出力を与えるようにするにある。

望ましい実施例によれば、第１の通常のガスタービンが圧縮列を与えるように改 変され、第２のガスタービンが膨張列を与えるように改変される。第１のガスタ ービンの圧縮機はモータで駆動されて空気を初期所望圧力に圧縮する。モータは ガスタービンで駆動されていた以前の発電機とすることができ、モータとして作 動するように改変される。圧縮された空気は次に付加的な圧縮機の入力となり、 圧縮機はモータで駆動されで空気を貯蔵装置に貯蔵されるに適した高圧力に圧縮 し、空気は必要に応じてＣＡＥＳ装置の膨張列に使用される。本発明によれば第 １のタービンを駆動するための動力消費を最小とするために第１のタービンのタ ービン素子は動力消費圧縮段に使用するためにデブレード（ｄｅｂｌａｄｅ）さ れる。モータは非ピーク時に電気的に駆動されるから、ピーク動力発生時に燃焼 せしめられガスタービンのタービン素子内で膨張せしめられた燃料などはＣＡＥ Ｓ装置のエネルギ消費膨張列に使用されない。

同様に第２のガスタービンの圧縮機は動力発生膨張段に使用するためにデブレー ドされる。第２のガスタービンは圧縮機から圧縮空気を受取るようになされてい たが、ＣＡＥＳ装置に接続されて圧縮装置から圧縮空気を回復器と燃焼器とを介 して受取る。

さらに、従来第２のガスタービンに関連した発電機は約２倍の能力のものに代替 せしめられる。タービンは圧縮機がデブレードされることによって約２倍の能力 を発生する。

従って本発明によれば新規かつ改良されたエネルギ貯Ｒ装置が得られる。

本発明によればピーク動力を与える費用を低減することができる。

本発明によれば現存するガスタービンをＣＡＥＳ装置に改変することができる。

本発明によれば複数の現存するガスタービンを安価な費用でＣＡＥＳ装置に改変 することができる。

本発明によれば複数のガスタービンを安価な費用でＣＡＥＳ装置の圧縮および膨 張列に使用するために改変することができる。

の　　　　　　な　　　日 本発明の目的、特性および効果は以下の説明によってさらに明らかとなされる。

第１図は単純サイクルガスタービンをＣＡＥＳ装置に改変する概略図である。

日の詳細な　ロ 第１図に本発明の望ましい実施例を示し、２つのガスタービン１０，１００が改 変され、付加的な機器と共にＣＡＥＳ装置となされる。

ガスタービンは基本的には空気圧縮器とタービン部と燃焼器とを含む、タービン 部は全組立体の１素子であり、全組立体はガスタービンと総称される。単純単一 軸ガスタービンの作動時に空気は圧縮機で圧縮されて燃焼室に入り、ここで燃料 の燃焼によって温度が増加するが圧力は実質的に一定である。高温の空気はター ビン部から排出されるが、このとき典型的にはタービンブレードを回転せしめて 仕事を行う、タービンは通常発電機を駆動し、発電機はタービン部の回転エネル ギを電気に変換する。

本発明によれば第１図の２つのガスタービンをそれぞれ以下のように改変する。

第１のガスタービン１０はモータ駆動の圧縮機となされて実施例の圧縮列の一部 となり、第２のガスタービン１００はターボ膨張機となされて実施例の膨張列の 一部となる。

ガスタービン１０は、タービン素子１５と軸３０で連結された圧縮機４０とを含 む。クラッチ装置４５．５０がガスタービン１０に設けられて圧縮機４０とター ビン素子１５とモータ３５とを隔離する、望ましくはモータ３５はガスタービン によって駆動されていた以前の発電機とするが、モータとして作動するようにな される。

本発明によれば第１のガスタービンのタービン素子１５はエネルギ発生のために 使用されないから、予めデブレードされる。すなわちエネルギ吸収圧縮段におい て燃焼器２ｏには燃料が供給されない９タービン素子１５のデブレードによって 発生する軸方向推力の不平衡を補償するために付加的な推力軸受２５が軸３０に 外部的に配置される、＠３０は同期電気機１例示的にはモータ３５、からの回転 エネルギをタービン素子１５と圧縮機４０と推力軸受２５とに伝達する９圧縮機 の排出フランジ（図示しない）が通常のガスタービンの圧縮機に設けられて圧縮 された空気を燃焼器２０に指向する。併し本発明によれば燃焼器２０への圧縮空 気入力は除去され、圧縮空気はライン４２を介して中間冷却器５５に指向される 。

ガスタービン１０の上述変更に加えて、中間冷却器５５とモータ駆動高圧圧縮機 ６ｏと後部冷却器７５とが設けられて圧縮列を完成する。

中間冷却器５５は高圧圧縮機６０に入る圧縮空気を冷却し、高圧圧縮に必要な仕 事を減少せしめ、圧縮機部品に高価な耐熱材料の使用を避ける。

高圧圧縮機６ｏは低圧圧縮機として作用する圧縮機４０からの空気を更に圧縮す る。適切な空気貯蔵と装置の作動とに必要な圧縮空気圧力は空気貯蔵装置の形式 と深さとによって著しく変化する。代表的には圧力範囲は約４５０ｒｎ　（１５ ００ｆｔ）の深さの岩塩洞窟または水性洞窟の場合２８〜１０５　ｋｇ／ｃｊ　 （４００−１５００ｐｓｉ）である。

高圧圧縮機６０は望ましくはクラッチ６５を介してモータ７ｏで駆動される。別 法として高圧圧縮機６０をモータ３５で駆動する。

後部冷却器７５が高圧圧縮機６ｏを出た圧縮空気を空気貯蔵装置２００に入る以 前に冷却する。高温で圧縮空気を貯蔵することは熱効率を向上させるが、高温は 地下貯蔵装置に関連して望ましくない地質学的構造問題などを招くおそれがある 。

ガスタービン１００はタービン素子１１５と圧縮機１４０とこれらを連結する軸 １３０とを含む。クラッチ１４５，１５０がガスタービン１００に数けられて、 圧縮機１４０とタービン素子１１５とガスタービン発電機１３５とを隔離する０ 本発明により圧縮機１４０はデブレードされ、圧縮機１４０は空気の圧縮に使用 されない。圧縮機１４０のデブレードによる軸方向推力の不平衡は、軸１３０に 取付けた外部的な付加的の推力軸、受１２５によって補償される。軸１３０はタ ービン１１５の回転エネルギを同期的電気機、例えば発電機１３５と圧縮機１４ ０と推力軸受１２５とに伝達する。

上述変更以外に、従来ライン１４３を介して燃焼器１２０への入力となされた圧 縮機１４０の圧縮空気出力は除去されている。更に、弁１６０と関連する配管と が燃焼器１２０と空気貯蔵装置１２００との間に１２置されている。弁１６０と 空気貯蔵装置２００とは圧縮機１４０に代えて燃焼器１２０に対する圧縮空気源 として役立つ。望ましくは空気貯蔵装置２００からの圧縮空気は図示しない回復 器内で予熱されてから燃焼機１２０に供給される。タービン１００の排気は回復 器に強給されて熱源となる。

通常のガスタービンは予め定めた出力の電気的出力発生機に連結される。本発明 により通常のガスタービンの発電機は除去されて略２倍の出力の発電機１３５に 代替されるが、これはタービン１００は圧縮機がデブレードされると略２倍の出 力を持つようになることによる。すなわち、単−発を搬出力のＣＡＥＳ装置はそ れぞれ発電機を有する２つのガスタービンの総合効果と略同−の出力を有する。

本発明は他の技術分野にも適用可能であるが、２つのガスタービンを上述変更お よび付加によって改造することについて説明する。

詳細には本発明は主として２つのモード、圧縮モードと、膨張すなわち動力発生 モードとで作用する。圧縮モードにおいて、大気がモータ３５で駆動される圧縮 機４０に導入される。圧縮機は空気を圧縮しその容積を減少せしめ圧力を増加す る。圧縮機４ｏを出る圧縮空気は高温、例えば３７０℃（華氏７００度）となる 。

圧縮機４ｏを出る高温圧縮空気はうイン４２を通り。

中間冷却ａ５５で冷却され、高圧圧縮機６ｏに入る以前に所望の温度になされる 。高圧圧縮機６０は更に空気を圧縮し、後部（最終）冷却器７５がさらに冷却を 行い、空気は貯蔵装置２００に送られる。

影ＥＩＲ（動力発生）モードにおいて圧縮空気は貯蔵装置から弁１６０を経て、 タービン１１５に関連する燃焼器１２０に導かれる。高圧燃焼器は圧縮空気と燃 料とを混合して燃焼せしめて高温ガスを発生し、このガスが発電機１３５に連結 されたタービン１１５を駆動して電力を発生する。

圧縮機、タービン、燃焼器、冷却装置に関連する変数は特定装置の特性によって 定まり、前述した変数は端なる例示であり、これらの変数の相対的関係の理解を 容易とすることを目的とする。

以上により複数の通常のガスタービンを改変し、付加的の装置を設けることによ って、ＣＡＥＳ装置とした動力装置が得られる。

更に、本発明は各種装置として実施可能であり、装置の細部および作動手順にお いて各種の変形、改造が請求の範囲の技術的範囲内において可能である。例えば 、空気を圧縮するために任意の数のガスタービンを改変してもよい、更に、流体 ベッド燃焼器、動力発生時の蒸気の発生と利用、高圧空気の予熱を伴う再熱器お よび回復器の使用なども本発明の範囲内で実施可能である。

補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の８）平成　１年１１月１３日 特許庁長官　吉　１）文　＠　搬 １、国際出願番号　　　ＰＣＴ／Ｕｓ　８８１０１５７９３、特許出願人 住　所　　　アメリカ合衆国　ニューヨーク　１０００１ニユーヨーク　ペン　 ブラザ　１１ 名　称　　　ギブス　アンド　ヒル　インコーホレーテッド代表者　（追って補 充） 国　籍　　　アメリカ合衆国 ５、補正書の提出年月日　　１９８９年（平成１年）６月３０日６、添付書類の 目録 「第２の電気機を第２のガスタービンの第２の軸に組合わせ、これに前記第２の タービン素子と第２のガスタービンの第２の圧縮機とを組合わせ可能とする、各 工程を含むことを特徴とする方法。

７、　　請求項６に記載の方法にして、第１の軸に第１の推力軸受を組合わせて 前記第１のタービン素子のデブレードを補償し、 第２の軸に第２の推力軸受を組合わせて前記第２の圧縮機のデブレードを補償す る、各工程を含むことを特徴とする方法。

８、　　請求項５に記載の方法にして、第１の圧縮機の圧縮空気８口と前記空気 貯蔵装置との間に後部冷却器を挿入する工程を含むことを特徴とする方法。

９、　　請求項５に記載の方法にして、付加的な圧縮機を前記第１の圧縮機の圧 縮空気比口に連結して第１の圧縮機で圧縮された空気をさらに圧縮し、該付加的 な圧縮機の圧縮空気比口を空気貯蔵装置に連結する工程を含むことを特徴とする 方法。

１０、　　圧縮空気エネルギ貯７ｉｉ１（ＣＡＥＳ）装置であって、 第１の軸と第１の圧ａ機とデブレードされたタービン素子とを有する第１のガス タービン圧縮段と、第２の軸と第２のタービン素子とデブレードされた圧縮機と を有する第２のガスタービン膨張段と、」国際調査報告

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. １．第１および第２のガスタービンがそれぞれ動力を発生するようになされた形 式のガスタービン動力装置において、 第１のガスタービンの第１のタービン素子をデブレードし、 第１のガスタービンに付加的の圧縮機を組合わせ、該付加的の圧縮機は第１のガ スタービンの第１の圧縮機の圧縮空気出口に連結された空気入口と空気貯蔵装置 に連結された圧縮空気出口とを有し、前記第２のガスタービンの第２の圧縮機を デブレードし、 空気貯蔵装置から圧縮空気を第２のガスタービンの第２のタービン素子に、第２ の圧縮機からでなく、供給するようにした、前記各工程を含むことを特徴とする 方法。
2. ２．請求項１に記載の方法にして、 第１の電気機を第１のガスタービンの第１の軸に組合わせ、これに前記第１のタ ービン素子と第１のガスタービンの第１の圧縮機とを組合わせ可能とし、第２の 電気機を第２のガスタービンの第２の軸に組合わせ、これに前記第２のタービン 素子と第２のガスタービンの第２の圧縮機とを組合わせ可能とする、各工程を含 むことを特徴とする方法。
3. ３．請求項１に記載の方法にして、 第１の軸に第１の推力軸受を組合わせて前記第１のタービン素子のデブレードを 補償し、 第２の軸に第２の推力軸受を組合わせて前記第２の圧縮機のデブレードを補償す る、各工程を含むことを特徴とする方法。
4. ４．請求項１に記載の方法にして、 第１の圧縮機の圧縮空気出口と前記付加的な圧縮機の圧縮空気入口との間に中間 冷却器を挿入し、前記付加的な圧縮機の圧縮空気出口と空気貯蔵装置との間に最 終冷却器を婦人する、各工程を含むことを特徴とする方法。
5. ５．圧縮空気エネルギ貯蔵（ＣＡＥＳ）装置に使用するために複数のガスタービ ンを改変する方法において、 第１のガスタービンの第１のタービン素子をデブレードし、 第１のガスタービンの第１の圧縮機の圧縮空気出口からの圧縮空気を第１のガス タービンの第１のタービン素子でなく圧縮空気貯蔵装置に供給し、前記第２のガ スタービンの第２の圧縮機をデブレードし、 空気貯蔵装置から圧縮空気を第２のガスタービンの第２のタービン素子に、第２ の圧縮機からでなく、供給するようにした、前記各工程を含むことを特徴とする 方法。
6. ６．請求項５に記載の方法にして、 第１の電気機を第１のガスタービンの第１の軸に組合わせ、これに前記第１のタ ービン素子と第１のガスタービンの第１の圧縮機とを組合わせ可能とし、第２の 電気機を第２のガスタービンの第２の軸に組合わせ、これに前記第２のタービン 素子と第２のガスタービンの第２の圧縮機とを組合わせ可能とする、各工程を含 むことを特徴とする方法。
7. ７．請求項６に記載の方法にして、 第１の軸に第１の推力軸受を組合わせて前記第１のタービン素子のデブレードを 補償し、 第２の軸に第２の推力軸受を組合わせて前記第２の圧縮機のデブレードを補償す る、各工程を含むことを特徴とする方法。
8. ８．請求項５に記載の方法にして、 第１の圧縮機の圧縮空気出口と前記空気貯蔵装置との間に後部冷却器を挿入する 工程を含むことを特徴とする方法。
9. ９．請求項５に記載の方法にして、 付加的な圧縮機を前記第１の圧縮機の圧縮空気出口に連結して第１の圧縮機で圧 縮された空気をさらに圧縮し、該付加的な圧縮機の圧縮空気出口を空気貯蔵装置 に連結する工程を含むことを特徴とする方法。
10. １０．圧縮空気エネルギ貯蔵（ＣＡＥＳ）装置であって、 第１の軸と第１の圧縮機とデブレードされたタービン素子とを有する第１のガス タービンと、第２の軸と第２のタービン素子とデブレードされた圧縮機とを有す る第２のガスタービンと、第１の圧縮機からの圧縮空気出口から空気貯蔵装置へ の第１の接続部と、 前記空気貯蔵装置から第２のタービン素子への第２の接続部とを含むことを特徴 とする前記装置。
11. １１．請求項１０に記載のＣＡＥＳ装置にして、前記空気貯蔵装置と前記第２の タービン素子との間の第２の接続部に連結された燃焼器を含み、該燃焼器は燃料 と圧縮空気との混合物を燃焼せしめるに適していることを特徴とする前記装置。
12. １２．請求項１０に記載のＣＡＥＳ装置にして、前記第１の圧縮機と前記空気貯 蔵装置との間の第１の中間接続部に連結された付加的な圧縮機を含むことを特徴 とする前記装置。
13. １３．請求項１２に記載のＣＡＥＳ装置にして、前記第１の圧縮機と付加的な圧 縮機との間の第１の接続部に連結された中間冷却器を含むことを特徴とする前記 装置。
14. １４．請求項１２に記載のＣＡＥＳ装量にして、前記付加的な圧縮機と空気貯蔵 装置との間の第１の接続部に連結された最終冷却器を含むことを特徴とする前記 装置。
15. １５．請求項１０に記載のＣＡＥＳ装置にして、第１の軸に連結されて前記デブ レードされたタービン素子に関連する推力の変化を補償する第１の推力軸受と、 第２の軸に連結されて前記デブレードされた圧縮機に関連する推力の変化を補償 する第２の推力軸受と、を含むことを特徴とする前記装置。
16. １６．請求項１０に記載のＣＡＥＳ装置にして、前記第１の軸が第１の電気機に 連結されていることを特徴とする前記装置。
17. １７．請求項１０に記載のＣＡＥＳ装置にして、前記第２の軸が第２の電気機に 連結されていることを特徴とする前記装置。