WO2013151029A1 - 有機媒体を利用するガスタービンエンジン装置 - Google Patents

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田中良造
杉本隆雄
森下浩志
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ボーン・ディーター
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川崎重工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a combined gas turbine engine apparatus including an organic Rankine cycle engine that uses an organic substance as a working medium.
  • an object of the present invention is to provide a combined gas turbine engine apparatus that can obtain high efficiency by utilizing the heat of the gas turbine engine extremely effectively in order to solve the above-described problems.
  • a gas turbine engine apparatus includes a compressor that compresses a first working medium, a heater that heats the compressed first working medium with an external heat source, and A turbine that extracts power from the first working medium, and intermediate cooling that is provided in the compressor and that cools the first working medium compressed by the low-pressure compression unit of the compressor and supplies the first working medium to the high-pressure compression unit of the compressor And an organic Rankine cycle engine using an organic substance as a cooling medium of the intermediate cooler as a second working medium.
  • the low boiling point organic substance is used as the working medium of the Rankine cycle engine combined with the gas turbine engine, the heat of the relatively low temperature working medium passing through the compressor can be effectively used.
  • the engine device as a whole can have extremely high efficiency.
  • a heat exchanger provided in a discharge path for discharging the first working medium discharged from the turbine and using the first working medium discharged from the turbine as a heating medium
  • the heater may include a solar heater that heats the first working medium using sunlight as a heat source. According to this structure, the efficiency of an engine apparatus can be improved using the sunlight which is natural energy, suppressing the load to an environment.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a gas turbine engine apparatus according to an embodiment of the present invention. It is a block diagram which shows the modification of the gas turbine engine apparatus of FIG.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a gas turbine engine apparatus (hereinafter simply referred to as “engine apparatus”) E according to an embodiment of the present invention.
  • the engine apparatus E includes three engine units, a gas turbine engine unit GU, a first Rankine cycle engine unit RU1, and a second Rankine cycle engine unit RU2.
  • Each engine unit GU, RU1, RU2 is a generator.
  • Drive loads such as GE1, GE2, and GE3.
  • the gas turbine engine unit GU includes a compressor 1 that compresses the first working medium M1, a combustor 3 that is a heater that heats the first working medium M1 compressed by the compressor 1, and the burned first operation.
  • the first turbine 5 that extracts power from the medium M1 is provided.
  • air is used as the first working medium M1.
  • the compressor 1 includes a low-pressure compressor 1a and a high-pressure compressor 1b, and an intermediate cooler 9 is provided between the low-pressure compressor 1a and the high-pressure compressor 1b.
  • an intermediate cooler 9 is provided between the low-pressure compressor 1a and the high-pressure compressor 1b.
  • the high-pressure first working medium M1 discharged from the compressor 1 is sent to the combustor 3 after passing through the regenerative heat exchanger 13.
  • the regenerative heat exchanger 13 preheats the first working medium M1 from the compressor 1 toward the combustor 3 using the heat of the high-temperature first working medium M1 discharged from the first turbine 5.
  • a heat exchanger 15 is further provided downstream of the regenerative heat exchanger 13 in the discharge path 11 for discharging the first working medium M1 discharged from the first turbine 5 to the outside.
  • the first working medium M1 discharged from the regenerative heat exchanger 13 is discharged outside after passing through the heat exchanger 15 as a heating medium.
  • the first Rankine cycle engine unit RU1 drives the second turbine 17 with the second working medium M2 that is heated and turned into gas by using the heat of the first working medium M1 that passes through the intercooler 9 as a heat source. Remove power from 17.
  • the second working medium M2 discharged from the second turbine 17 is condensed by the first condenser 19 and then supplied to the intermediate cooler 9 and the second turbine 17 again.
  • the first Rankine cycle engine unit RU1 is configured as an organic Rankine cycle engine that uses an organic substance as the second working medium M2.
  • a low-boiling organic medium such as HFC-134a, HFC-245fa, or HFC-365mfc is used.
  • the second Rankine cycle engine unit RU2 drives the third turbine 21 by the third working medium M3 heated using the heat of the first working medium M1 passing through the heat exchanger 15 as a heating medium as described above, as described above. Power is extracted from the third turbine 21.
  • the third working medium M3 discharged from the third turbine 21 is condensed by the second condenser 23 and then supplied to the heat exchanger 15 and the third turbine 21 again.
  • the second Rankine cycle engine unit RU2 is also configured as an organic Rankine cycle engine using an organic substance as the third working medium M3.
  • the first working medium M1 which is the exhaust gas discharged from the first turbine 5, is maintained at a relatively high temperature of about 200 ° C. to 300 ° C. even after passing through the regenerative heat exchanger 13, so that the second working medium M2
  • an organic medium having a high boiling point and in this example, a petroleum organic medium such as butane or pentane is used.
  • the second Rankine cycle engine unit RU2 may be configured as a normal steam turbine that uses water as the third working medium M3.
  • the second Rankine cycle engine unit RU2 may be omitted, but using the organic medium as in the present embodiment, not only the heat of the first working medium M1 passing through the compressor 1, but also the first turbine 5 Since the power is taken out using the heat of the first working medium M1 discharged from the engine device E as a whole, higher efficiency can be obtained.
  • the solar light SL is added to the upstream side of the combustor 3.
  • the compressor is obtained by using the low boiling point organic substance as the working medium M2 of the Rankine cycle engine (particularly, the first Rankine cycle engine RU1) combined with the gas turbine engine unit GU. Since the heat of the relatively low temperature working medium passing through 1 can be effectively used, the engine device E as a whole can have extremely high efficiency.

Abstract

　太陽光を熱源として利用しながら高い効率が得られるガスタービンエンジン装置を提供する。第１作動媒体（Ｍ１）を圧縮する圧縮機（１）と、前記圧縮された第１作動媒体を外部からの熱源によって加熱する加熱器（３）と、前記第１作動媒体から動力を取り出すタービン（５）と、前記圧縮機（１）に設けられて、前記圧縮機の低圧圧縮部（１ａ）で圧縮された第１作動媒体を冷却して前記圧縮機の高圧圧縮部に供給する中間冷却器（９）とを備えるガスタービンエンジン装置（Ｅ）において、前記中間冷却器（９）の冷却媒体である有機物を第２作動媒体（Ｍ２）とするオーガニック・ランキンサイクルエンジン（ＲＵ１）を設ける。

Description

有機媒体を利用するガスタービンエンジン装置 関連出願
　本出願は、２０１２年４月５日出願の特願２０１２－０８６２１０の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。
　本発明は、有機物を作動媒体として利用するオーガニック・ランキンサイクルエンジンを備える複合型のガスタービンエンジン装置に関する。
　近年、環境問題やエネルギー問題の一解決策として、電力需要者の近くに比較的小規模な発電設備を設置して電力供給を行う分散型のエネルギー供給システムが提案されている。分散型エネルギー供給システムの一翼を担う電源の一つとして、中・小型ガスタービンエンジンを利用することが考えられている（例えば、特許文献１）。分散型電源では、特に効率を向上させることが重要な課題となる。
特開２００７－１５９２２５号公報
　しかし、中・小型ガスタービンの効率を向上させる方法として、高温化や高圧力比化はサイズ上の制約から困難である。また、ガスタービンの排熱を、作動ガスの予熱に利用する再生サイクル化や、蒸気タービンの熱源として利用するコジェネレーションシステム化によって、システム全体の効率を総合的に向上させることが従来から行われているが、再生サイクルに適した低圧力比のエンジン開発や、コジェネレーションシステムに利用する低出力・高効率の蒸気タービンの開発によってさらなる高効率化を図ることはきわめて困難である。
　そこで、本発明の目的は、上記の課題を解決するために、ガスタービンエンジンの熱を極めて有効に利用することにより高い効率を得られる複合型のガスタービンエンジン装置を提供することにある。
　上記目的を達成するために、本発明に係るガスタービンエンジン装置は、第１作動媒体を圧縮する圧縮機と、前記圧縮された第１作動媒体を外部からの熱源によって加熱する加熱器と、前記第１作動媒体から動力を取り出すタービンと、前記圧縮機に設けられて、前記圧縮機の低圧圧縮部で圧縮された第１作動媒体を冷却して前記圧縮機の高圧圧縮部に供給する中間冷却器と、前記中間冷却器の冷却媒体である有機物を第２作動媒体とするオーガニック・ランキンサイクルエンジンとを備えている。
　この構成によれば、ガスタービンエンジンに組み合わせるランキンサイクルエンジンの作動媒体として低沸点の有機物を用いることにより、圧縮機を通過する比較的低温の作動媒体の熱を有効に利用することができるので、エンジン装置全体としてきわめて高い効率を得ることができる。
　本発明の一実施形態において、前記タービンから排出される前記第１作動媒体を排出する排出路に設けられて、前記タービンから排出された第１作動媒体を加熱媒体とする熱交換器と、この熱交換器の受熱媒体である有機物を第３作動媒体とするオーガニック・ランキンサイクルエンジンとをさらに備えることが好ましい。この構成によれば、有機媒体を用いて、圧縮機を通過する作動媒体の熱のみならず、タービンから排出された作動媒体の熱も利用して動力を取り出すので、エンジン装置全体として一層高い効率を得ることができる。
　本発明の一実施形態において、前記加熱器として、太陽光を熱源として前記第１作動媒体を加熱するソーラー式加熱器を備えていてもよい。この構成によれば、自然エネルギーである太陽光を利用して、環境への負荷を抑制しながらエンジン装置の効率を高めることができる。
　請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。
　この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明から、より明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の符号は、同一または相当する部分を示す。
本発明の一実施形態に係るガスタービンエンジン装置の概略構成を示すブロック図である。 図１のガスタービンエンジン装置の変形例を示すブロック図である。
　以下、本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態にかかるガスタービンエンジン装置（以下、単に「エンジン装置」という。）Ｅを示す概略構成図である。このエンジン装置Ｅは、ガスタービンエンジンユニットＧＵ、第１ランキンサイクルエンジンユニットＲＵ１、および第２ランキンサイクルエンジンユニットＲＵ２の３つのエンジンユニットを備えており、各エンジンユニットＧＵ，ＲＵ１，ＲＵ２それぞれが発電機ＧＥ１，ＧＥ２，ＧＥ３のような負荷を駆動する。
　ガスタービンエンジンユニットＧＵは、第１作動媒体Ｍ１を圧縮する圧縮機１、圧縮機１で圧縮された第１作動媒体Ｍ１を加熱する加熱器である燃焼器３、およびこの燃焼された第１作動媒体Ｍ１から動力を取り出す第１タービン５を有している。本実施形態では、第１作動媒体Ｍ１として空気を使用している。
　圧縮機１は、低圧圧縮部１ａと高圧圧縮部１ｂとからなり、これら低圧圧縮部１ａと高圧圧縮部１ｂとの間に、中間冷却器９が設けられている。この中間冷却器９によって低圧圧縮部１ａで圧縮された第１作動媒体Ｍ１を冷却することにより、高圧圧縮部１ｂの圧縮仕事が小さくなり、効率が向上する。圧縮機１から排出された高圧の第１作動媒体Ｍ１は、再生熱交換器１３を通過した後に、燃焼器３へ送られる。再生熱交換器１３は、第１タービン５から排出された高温の第１作動媒体Ｍ１の熱を利用して、圧縮機１から燃焼器３へ向かう第１作動媒体Ｍ１を予熱する。
　第１タービン５から排出される第１作動媒体Ｍ１を外部へ排出する排出路１１における、再生熱交換器１３の下流には、さらに熱交換器１５が設けられている。再生熱交換器１３から排出された第１作動媒体Ｍ１は、熱交換器１５を加熱媒体として通過した後に外部へ排出される。
　第１ランキンサイクルエンジンユニットＲＵ１は、中間冷却器９を通過する第１作動媒体Ｍ１の熱を熱源として加熱されて気体となった第２作動媒体Ｍ２によって第２タービン１７を駆動し、第２タービン１７から動力を取り出す。第２タービン１７から排出された第２作動媒体Ｍ２は、第１凝縮器１９によって凝縮された後に再び中間冷却器９、第２タービン１７に供給される。
　第１ランキンサイクルエンジンユニットＲＵ１は、第２作動媒体Ｍ２として有機物を用いるオーガニック・ランキンサイクルエンジンとして構成されている。特に、圧縮機１で圧縮される途中の第１作動媒体Ｍ１の温度は１００℃～２００℃程度で比較的低温であるので、第２作動媒体Ｍ２としては低沸点の有機媒体を用いることが好ましく、この例では、フロン系の有機媒体、例えば、ＨＦＣ－１３４ａ、ＨＦＣ－２４５ｆａ、またはＨＦＣ－３６５ｍｆｃ等を用いている。
　第２ランキンサイクルエンジンユニットＲＵ２は、上述のように熱交換器１５を加熱媒体として通過する第１作動媒体Ｍ１の熱を熱源として加熱された第３作動媒体Ｍ３によって第３タービン２１を駆動し、第３タービン２１から動力を取り出す。第３タービン２１から排出された第３作動媒体Ｍ３は、第２凝縮器２３によって凝縮された後に再び熱交換器１５、第３タービン２１に供給される。
　第２ランキンサイクルエンジンユニットＲＵ２も、第３作動媒体Ｍ３として有機物を用いるオーガニック・ランキンサイクルエンジンとして構成されている。第１タービン５から排出される排ガスである第１作動媒体Ｍ１は、再生熱交換器１３を通過した後も２００℃～３００℃程度の比較的高温に維持されるので、第２作動媒体Ｍ２よりも高沸点の有機媒体を用いることが可能であり、この例では、石油系の有機媒体、例えば、ブタンやペンタンを用いている。
　なお、第２ランキンサイクルエンジンユニットＲＵ２は第３作動媒体Ｍ３として水を用いる通常の蒸気タービンとして構成してもよい。あるいは、第２ランキンサイクルエンジンユニットＲＵ２は省略してもよいが、本実施形態のように有機媒体を用いて、圧縮機１を通過する第１作動媒体Ｍ１の熱のみならず、第１タービン５から排出された第１作動媒体Ｍ１の熱も利用して動力を取り出すので、エンジン装置Ｅ全体として一層高い効率を得ることができる。
　また、本実施形態の変形例として、図２に示すように、圧縮機１で圧縮された第１作動媒体Ｍ１を加熱する加熱器として、燃焼器３の上流側に追加して、太陽光ＳＬを熱源として利用するソーラー式加熱器３１を設けてもよい。このように構成して、自然エネルギーである太陽光ＳＬを利用して第１作動媒体Ｍ１を再度加熱することにより、エンジン装置Ｅの効率がさらに向上する。
　以上のように、本実施形態に係るエンジン装置Ｅでは、ガスタービンエンジンユニットＧＵに組み合わせるランキンサイクルエンジン（特に第１ランキンサイクルエンジンＲＵ１）の作動媒体Ｍ２として低沸点の有機物を用いることにより、圧縮機１を通過する比較的低温の作動媒体の熱を有効に利用することができるので、エンジン装置Ｅ全体としてきわめて高い効率を得ることができる。
　以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。
　１　圧縮機
　３　燃焼器（加熱器）
　５　第１タービン
　９　中間冷却器
　１３　再生熱交換器
　１５　熱交換器
　３１　ソーラー式加熱器
　Ｅ　ガスタービンエンジン装置
　ＧＵ　ガスタービンエンジンユニット
　ＲＵ１　第１ランキンサイクルエンジンユニット
　ＲＵ２　第２ランキンサイクルエンジンユニット
　Ｍ１　第１作動媒体
　Ｍ２　第２作動媒体
　Ｍ３　第３作動媒体

Claims (3)

  1. 　第１作動媒体を圧縮する圧縮機と、
    　前記圧縮された第１作動媒体を外部からの熱源によって加熱する加熱器と、
    　前記第１作動媒体から動力を取り出すタービンと、
    　前記圧縮機に設けられて、前記圧縮機の低圧圧縮部で圧縮された第１作動媒体を冷却して前記圧縮機の高圧圧縮部に供給する中間冷却器と、
    　前記中間冷却器の冷却媒体である有機物を第２作動媒体とするオーガニック・ランキンサイクルエンジンと
    を備えるガスタービンエンジン装置。
  2. 　請求項１において、前記タービンから排出される前記第１作動媒体を排出する排出路に設けられて、前記タービンから排出された第１作動媒体を加熱媒体とする熱交換器と、この熱交換器の受熱媒体である有機物を第３作動媒体とするオーガニック・ランキンサイクルエンジンとをさらに備えるガスタービンエンジン装置。
  3. 　請求項１において、前記加熱器として、太陽光を熱源として前記第１作動媒体を加熱するソーラー式加熱器を備えるガスタービンエンジン装置。
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