WO2024018579A1 - Cold heat utilizing gas turbin power generation system - Google Patents

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Abstract

A cold heat utilizing gas turbine power generation system 100 is provided with: an air liquefaction and separation device 10, a gas turbine power generator 20, a bottoming cycle 30, a pressurized oxygen supply line 52, and a pressurized nitrogen supply line 54. The air liquefaction and separation device 10 liquefies air Air by cold heat of liquid hydrogen LH2 to manufacture, in addition to a required amount of hydrogen gas H2, liquid oxygen LO2 and liquid nitrogen LN2. The gas turbine power generator 20 performs oxygen-enriched combustion of the hydrogen gas H2 to generate power. The bottoming cycle 30 has a reheat combustor 32 and a nitrogen cycle 40. The pressurized oxygen supply line 52 pressurizes the liquid oxygen LO2 in a liquid state, and supplies the pressurized liquid oxygen LO2 to the gas turbine combustor 24 as pressurized oxygen gas after heating the same with a nitrogen gas cooler 48. The pressurized nitrogen supply line 54 pressurizes the liquid nitrogen LN2 in a liquid state, and supplies the pressurized liquid nitrogen LN2 to an exit side of a nitrogen gas compressor 42 as pressurized nitrogen gas after heating the same with the nitrogen gas cooler 48.

Description

冷熱利用ガスタービン発電システムCold energy gas turbine power generation system
 本発明は、液体水素の冷熱を利用したガスタービン発電システムに関する。 The present invention relates to a gas turbine power generation system that utilizes the cold energy of liquid hydrogen.
 地球温暖化の要因となる炭酸ガスの排出が無いカーボンニュートラルな火力発電法として、水素燃焼によるグラーツサイクル(Graz Cycle)を2018年グラーツ工科大学が発表している。また、新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)は、グラーツサイクルを基にした水素酸素燃焼タービン発電システムの検討を開始している(2020~2022年)。
 水素酸素燃焼タービン発電システムは、例えば、非特許文献1-3に開示されている。
In 2018, Graz University of Technology announced the Graz Cycle, which uses hydrogen combustion, as a carbon-neutral thermal power generation method that does not emit carbon dioxide gas, which causes global warming. Additionally, the New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) has begun studying a hydrogen-oxygen combustion turbine power generation system based on the Graz cycle (2020-2022).
Hydrogen-oxygen combustion turbine power generation systems are disclosed, for example, in Non-Patent Documents 1-3.
 非特許文献1は、水素酸素燃焼の特徴を利用したグラーツサイクルのエキセルギー解析を行っている。グラーツサイクルは、水素酸素燃焼により作動流体を水蒸気のみとすることで、ブレイトンサイクルとランキンサイクルの複合サイクルをセミクローズドで構成するものである。
 最新鋭の1600℃級ガスタービンの燃焼のエキセルギー損失は26.8%であり、ガスタービンコンバインドサイクル(GTCC)の送電端のエキセルギー効率は56.5%である。
 これに対しグラーツサイクルでは、タービン入口温度1450℃、燃焼圧力13.8MPaの燃焼器のエキセルギー損失は16.9%、送電端のエキセルギー効率は61.4%であり、1600℃級ガスタービンよりも大きく改善できる。
 また、液化水素は発熱量のエキセルギー116.8MJ/kgの他に冷熱のエキセルギー13.3MJ/kgを併せ持つ。この冷熱を空気の深冷分離に利用した場合、グラーツサイクルの送電端のエキセルギー効率をさらに2.1%改善できる、としている。
Non-Patent Document 1 performs an exergy analysis of the Graz cycle using the characteristics of hydrogen-oxygen combustion. The Graz cycle is a semi-closed combination of the Brayton cycle and the Rankine cycle, using only water vapor as the working fluid through hydrogen-oxygen combustion.
The combustion exergy loss of a state-of-the-art 1600°C class gas turbine is 26.8%, and the exergy efficiency at the transmission end of a gas turbine combined cycle (GTCC) is 56.5%.
On the other hand, in the Graz cycle, the exergy loss of the combustor with a turbine inlet temperature of 1450°C and combustion pressure of 13.8 MPa is 16.9%, and the exergy efficiency at the transmission end is 61.4%, which is higher than that of a 1600°C class gas turbine. It can be greatly improved.
In addition, liquefied hydrogen has exergy of 116.8 MJ/kg as a calorific value and exergy as cold energy of 13.3 MJ/kg. If this cold energy is used for cryogenic separation of air, the exergy efficiency at the transmission end of the Graz cycle can be further improved by 2.1%.
 非特許文献2は、酸素水素燃焼発電サイクルは、空気水素燃焼GTCCと比べて、熱効率は2-11%高くなる。しかし、酸素製造動力を考慮すると、送電端効率は発電端効率と比べて4-6%低下する。そのため、送電端効率では、空気水素燃焼GTCCと同程度になる可能性が高い、としている。
 また、非特許文献2では、酸素水素量論完全燃焼を仮定したが、実際には当量比1では完全燃焼できない、としている。
Non-Patent Document 2 states that the oxygen-hydrogen combustion power generation cycle has a thermal efficiency that is 2-11% higher than that of the air-hydrogen combustion GTCC. However, when oxygen production power is taken into account, the transmission net efficiency decreases by 4-6% compared to the generation net efficiency. Therefore, the transmission net efficiency is likely to be on the same level as air-hydrogen combustion GTCC.
Furthermore, Non-Patent Document 2 assumes oxygen-hydrogen stoichiometric complete combustion, but states that complete combustion is not actually possible at an equivalence ratio of 1.
 図1は、非特許文献3に開示された水素酸素燃焼タービン発電システムの全体構成図である。この図において、Aは深冷分離酸素製造プラント、Bは水素酸素燃焼タービン、である。
 深冷分離酸素製造プラントAは、圧力の異なる2つの蒸留塔(ダブルカラムと呼ばれる)を用い、空気を低温にして蒸発しやすい窒素を気体中に、蒸発しにくい酸素を液体中に濃縮し、空気の気液平衡を利用して酸素と窒素を分離する。分離された酸素ガスは、水素酸素燃焼タービンBの水素酸素燃焼器(以下、燃焼器)に供給される。
 液体水素は、水素輸送船などで搬入されて液化水素タンクに貯蔵され、気化器で気化した水素ガスが、燃焼器に供給される。
 水素酸素燃焼タービンBの燃焼器には、水素ガス、酸素ガス、及び水が供給される。燃焼器において、水素の燃焼により高温水蒸気を発生し、タービンを駆動して発電する。水蒸気の一部はタービンから抽気され圧縮機で圧縮されて燃焼器に再循環される。タービンを出た残りの水蒸気は復水器で冷却されて水(凝縮水)となり、その一部は復水ポンプと給水ポンプにより燃焼器に供給され、残部は外部に排出される。
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a hydrogen-oxygen combustion turbine power generation system disclosed in Non-Patent Document 3. In this figure, A is a cryogenic separation oxygen production plant, and B is a hydrogen-oxygen combustion turbine.
Cryogenic separation oxygen production plant A uses two distillation columns (called double columns) with different pressures to lower air to a low temperature, concentrating easily evaporable nitrogen into a gas and hard-to-evaporate oxygen into a liquid. Separates oxygen and nitrogen using the vapor-liquid equilibrium of air. The separated oxygen gas is supplied to the hydrogen-oxygen combustor (hereinafter referred to as combustor) of the hydrogen-oxygen combustion turbine B.
Liquid hydrogen is carried in by a hydrogen transport ship and stored in a liquefied hydrogen tank, and hydrogen gas vaporized in a vaporizer is supplied to a combustor.
The combustor of the hydrogen-oxygen combustion turbine B is supplied with hydrogen gas, oxygen gas, and water. In the combustor, hydrogen is combusted to generate high-temperature steam, which drives a turbine and generates electricity. A portion of the water vapor is extracted from the turbine, compressed by a compressor, and recycled to the combustor. The remaining water vapor leaving the turbine is cooled in a condenser and becomes water (condensed water), part of which is supplied to the combustor by a condensate pump and a feed water pump, and the remainder is discharged to the outside.
 上述した水素酸素燃焼タービン発電システムには、以下の問題点があった。
 (1)酸素製造プラントによるエネルギーロスが大きい。
 水素酸素燃焼タービンでは、完全燃焼の場合に2モルの水素ガスに対し1モルの酸素ガスを必要とする。従って、重量比では、完全燃焼の場合に水素:酸素=1:8であり、安定燃焼のためにはそれ以上の酸素ガスを必要とする。
 一方、1kgの液化水素の冷熱により空気を液化分離しても、得られる酸素ガスは約2kg程度にすぎない。そのため、酸素製造プラントでは、大部分を冷熱利用以外の動力源を必要とし、このエネルギーロスが大きい。
 また、酸素製造プラントで発生する大量の窒素ガス(副生窒素)が発電に寄与しない。
 そのため、酸素製造プラントを含めた発電効率をさらに高めることが要望されていた。
 (2)水素と酸素を量論比で燃焼させなければ燃焼ガス中に残酸素(もしくは残水素)の非凝縮ガスが混在するためシステムが成立できない難点がある。また実際には当量比1では完全燃焼できない。
 (3)タービンは実質的に水蒸気タービンであり、エネルギー回収のため最終段は減圧作動のため大型化する。また、水素酸素燃焼器で発生しタービンを出た水蒸気を水(凝縮水)まで冷却する必要があるため、復水器が大型となり、これに用いる大量の冷却水を必要とする。また、水処理の保守管理が必要である。
 そのため、大量の冷却水が得られない内陸設置が困難であった。
The hydrogen-oxygen combustion turbine power generation system described above has the following problems.
(1) Energy loss due to oxygen production plants is large.
Hydrogen-oxygen combustion turbines require 1 mole of oxygen gas for every 2 moles of hydrogen gas for complete combustion. Therefore, in terms of weight ratio, hydrogen:oxygen=1:8 for complete combustion, and a larger amount of oxygen gas is required for stable combustion.
On the other hand, even if air is liquefied and separated by the cold heat of 1 kg of liquefied hydrogen, only about 2 kg of oxygen gas is obtained. For this reason, oxygen production plants require power sources other than cold energy for the most part, resulting in large energy losses.
Furthermore, large amounts of nitrogen gas (by-product nitrogen) generated in oxygen production plants do not contribute to power generation.
Therefore, it has been desired to further increase the power generation efficiency including oxygen production plants.
(2) Unless hydrogen and oxygen are combusted in a stoichiometric ratio, there is a problem in that the system cannot be established because non-condensable gas such as residual oxygen (or residual hydrogen) is mixed in the combustion gas. Furthermore, in reality, complete combustion is not possible at an equivalence ratio of 1.
(3) The turbine is essentially a steam turbine, and the final stage is large in size due to pressure reduction operation for energy recovery. Furthermore, since the steam generated in the hydrogen-oxygen combustor and exiting the turbine needs to be cooled down to water (condensed water), the condenser becomes large and requires a large amount of cooling water. Also, maintenance and management of water treatment is necessary.
For this reason, it has been difficult to install inland where large amounts of cooling water are not available.
 本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の第1の目的は、水素の完全燃焼が可能でありかつ液体水素の冷熱を利用して発電効率を高めることができる冷熱利用ガスタービン発電システムを提供することにある。
 また、本発明の第2の目的は、大量の冷却水が得られない内陸に設置可能な冷熱利用ガスタービン発電システムを提供することにある。
The present invention was devised to solve the above-mentioned problems. That is, a first object of the present invention is to provide a cold energy gas turbine power generation system that can completely burn hydrogen and increase power generation efficiency by using the cold energy of liquid hydrogen.
A second object of the present invention is to provide a gas turbine power generation system using cold heat that can be installed inland where a large amount of cooling water is not available.
 本発明によれば、液体水素の冷熱により空気を液化して必要量の水素ガスと共に、液体酸素と液体窒素を製造する空気液化分離装置と、
 前記水素ガスを酸素富化燃焼させて発電するガスタービン発電機と、
 残存酸素で前記水素ガスを燃焼させ前記ガスタービン発電機の排ガスを加熱する追焚き燃焼器と、
 前記液体酸素及び前記液体窒素との間で熱交換して低圧窒素ガスを冷却する窒素ガスクーラーを有し、窒素ガスを循環させて発電動力を回収する窒素サイクルと、
 前記空気液化分離装置で製造した前記液体酸素を液体状態で加圧し、加圧された前記液体酸素を前記窒素ガスクーラーで加熱して加圧酸素ガスとして前記ガスタービン発電機に供給する加圧酸素供給ラインと、
 前記空気液化分離装置で製造した前記液体窒素を液体状態で加圧し、加圧された前記液体窒素を前記窒素ガスクーラーで加熱して加圧窒素ガスとして前記窒素サイクルの高圧窒素ガスに追加供給する加圧窒素供給ラインと、を有する、冷熱利用ガスタービン発電システムが提供される。
According to the present invention, an air liquefaction separation device that liquefies air using the cold heat of liquid hydrogen to produce a required amount of hydrogen gas, as well as liquid oxygen and liquid nitrogen;
a gas turbine generator that generates electricity by oxygen-enriching combustion of the hydrogen gas;
a reheating combustor that burns the hydrogen gas with residual oxygen and heats the exhaust gas of the gas turbine generator;
a nitrogen cycle that includes a nitrogen gas cooler that cools low-pressure nitrogen gas by exchanging heat with the liquid oxygen and the liquid nitrogen, and that circulates the nitrogen gas and recovers power generation;
Pressurizing the liquid oxygen produced in the air liquefaction separation device in a liquid state, heating the pressurized liquid oxygen in the nitrogen gas cooler, and supplying pressurized oxygen to the gas turbine generator as pressurized oxygen gas. supply line and
The liquid nitrogen produced by the air liquefaction separation device is pressurized in a liquid state, the pressurized liquid nitrogen is heated by the nitrogen gas cooler, and the pressurized nitrogen gas is additionally supplied to the high-pressure nitrogen gas of the nitrogen cycle. A cold energy gas turbine power generation system is provided having a pressurized nitrogen supply line.
 本発明の構成によれば、空気液化分離装置において液体水素の冷熱により空気を液化して必要量の水素ガスを製造するので、空気液化分離装置のエネルギーロスを最小限に抑えることができる。 According to the configuration of the present invention, the air is liquefied by the cold heat of liquid hydrogen in the air liquefaction separation device to produce the necessary amount of hydrogen gas, so that energy loss in the air liquefaction separation device can be minimized.
 水素ガスと共に空気液化分離装置で製造した液体酸素は、ガスタービン発電機での必要酸素量より少ない。しかしこの液体酸素は、加圧酸素供給ラインにより液体状態で加圧され、窒素ガスクーラーで加熱して加圧酸素ガスとしてガスタービン発電機に供給される。これにより、ガスタービン発電機で圧縮する空気量のうち加圧酸素ガスの約5倍に相当する量の圧縮動力を低減できる。
 また、ガスタービン発電機において、空気液化分離装置で製造した水素ガスを圧縮空気と加圧酸素ガスで酸素富化燃焼するので、水素ガスを十分な酸素量で安定して完全燃焼できる。
The liquid oxygen produced in the air liquefaction separator along with the hydrogen gas is less than the amount of oxygen required by the gas turbine generator. However, this liquid oxygen is pressurized in a liquid state by a pressurized oxygen supply line, heated by a nitrogen gas cooler, and then supplied to the gas turbine generator as pressurized oxygen gas. As a result, it is possible to reduce the compression power by an amount equivalent to about five times the amount of pressurized oxygen gas out of the amount of air compressed by the gas turbine generator.
Furthermore, in the gas turbine generator, the hydrogen gas produced by the air liquefaction separation device is subjected to oxygen-enriched combustion using compressed air and pressurized oxygen gas, so that the hydrogen gas can be stably and completely combusted with a sufficient amount of oxygen.
 また、空気液化分離装置で製造した液体窒素は、加圧窒素供給ラインにより液体状態で加圧され、窒素ガスクーラーで加熱して加圧窒素ガスとして窒素サイクルの高圧窒素ガスに追加供給される。これにより、窒素サイクルにおける圧縮動力を低減することができ、窒素サイクルによる発電量を増やすことができる。 In addition, the liquid nitrogen produced by the air liquefaction separation device is pressurized in a liquid state by a pressurized nitrogen supply line, heated by a nitrogen gas cooler, and additionally supplied to the high-pressure nitrogen gas of the nitrogen cycle as pressurized nitrogen gas. Thereby, the compression power in the nitrogen cycle can be reduced, and the amount of power generated by the nitrogen cycle can be increased.
 また、追焚き燃焼器により残存酸素で空気液化分離装置で製造した水素ガスを燃焼させて排ガス温度を加熱するので、この高温排ガスで窒素サイクルの高圧窒素ガスを十分に加熱することができ、窒素サイクルの効率を高めることができる。 In addition, the reheating combustor burns the hydrogen gas produced by the air liquefaction separation device using residual oxygen to heat the exhaust gas temperature, so this high-temperature exhaust gas can sufficiently heat the high-pressure nitrogen gas in the nitrogen cycle, and the nitrogen Cycle efficiency can be increased.
 すなわち、空気液化分離装置において必要量の水素ガスと共に製造した液体酸素は、ガスタービン発電機の動力低減と酸素富化燃焼に寄与し、液体窒素は窒素サイクルによる発電量の増大に寄与する。 That is, liquid oxygen produced together with the necessary amount of hydrogen gas in the air liquefaction separation device contributes to reducing the power of the gas turbine generator and oxygen-enriched combustion, and liquid nitrogen contributes to increasing the amount of power generated by the nitrogen cycle.
 従って全体として液体水素の冷熱を利用して燃焼用の酸素を製造しかつ発電効率を高めることができる。 Therefore, overall, the cold heat of liquid hydrogen can be used to produce oxygen for combustion and increase power generation efficiency.
非特許文献3に開示された水素酸素燃焼タービン発電システムの全体構成図である。FIG. 2 is an overall configuration diagram of a hydrogen-oxygen combustion turbine power generation system disclosed in Non-Patent Document 3. 本発明による冷熱利用ガスタービン発電システムの第1実施形態図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagram of a first embodiment of a gas turbine power generation system using cold energy according to the present invention. 空気液化分離装置の全体構成図である。FIG. 1 is an overall configuration diagram of an air liquefaction separation device. 窒素サイクルの全体構成図である。FIG. 1 is an overall configuration diagram of a nitrogen cycle. 本発明による冷熱利用ガスタービン発電システムの第2実施形態図である。It is a 2nd embodiment figure of the cold heat utilization gas turbine power generation system by this invention. 炭酸ガスサイクルの全体構成図である。FIG. 1 is an overall configuration diagram of a carbon dioxide gas cycle.
 以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail based on the accompanying drawings. Note that common parts in each figure are given the same reference numerals, and redundant explanation will be omitted.
 開発中の水素酸素燃焼タービン発電システムの主な仕様は、以下の通りである。
 (1)燃料は純水素(H)、酸化剤は純酸素(O)を理論量論比(すなわちH+1/2O→HOでモル比ではH:O=1:0.5)で燃焼させる。
 (2)水素ガスは、液化水素の形態で供給を受けて、液化水素を圧縮後に気化して使用する。
 (3)酸素ガスは、深冷空気分離法(CAS)、圧力スイング吸着法(PSA)、高温酸素分離膜(OTM)の3種の空気分離法を想定して空気から酸素ガスを分離して使用する。
 (4)空気分離法の何れでも酸素ガス純度を100%まで高められないため理論量論燃焼ができない。そのため酸素ガスを追加する必要があり、燃焼器圧力までの酸素ガスの圧縮動力は発電効率に反映していない。
 (5)発電効率を計算する際の機器効率は、圧縮機効率:89%、ガスタービン効率:92%、蒸気タービン効率:84%~89%、機械効率:99%、発電機効率:99.5%、液化水素の圧縮ポンプ効率:100%に設定している。
 (6)燃焼ガス(すなわち水蒸気)をガスタービンと蒸気タービンで膨張させるコンバインドサイクルを採用する。
 (7)以上の条件でタービン入口温度/圧力:1550℃/3.3MPaの発電効率は、CASを用いた場合に62%、PSAを用いた場合に63%、OTMを用いた場合に65%と試算されている。
The main specifications of the hydrogen-oxygen combustion turbine power generation system under development are as follows.
(1) The fuel is pure hydrogen (H 2 ) and the oxidizer is pure oxygen (O 2 ) in a stoichiometric ratio (i.e., H 2 + 1/2O 2 → H 2 O, and the molar ratio is H 2 :O 2 =1: 0.5).
(2) Hydrogen gas is supplied in the form of liquefied hydrogen, and the liquefied hydrogen is compressed and then vaporized for use.
(3) Oxygen gas is separated from air using three types of air separation methods: cryogenic air separation method (CAS), pressure swing adsorption method (PSA), and high temperature oxygen separation membrane (OTM). use.
(4) Since oxygen gas purity cannot be increased to 100% in any of the air separation methods, stoichiometric combustion cannot be achieved. Therefore, it is necessary to add oxygen gas, and the compression power of oxygen gas up to the combustor pressure is not reflected in power generation efficiency.
(5) Equipment efficiency when calculating power generation efficiency is compressor efficiency: 89%, gas turbine efficiency: 92%, steam turbine efficiency: 84% to 89%, mechanical efficiency: 99%, generator efficiency: 99. 5%, and liquefied hydrogen compression pump efficiency: 100%.
(6) A combined cycle is adopted in which combustion gas (that is, steam) is expanded by a gas turbine and a steam turbine.
(7) Under the above conditions, the power generation efficiency at turbine inlet temperature/pressure: 1550℃/3.3MPa is 62% when using CAS, 63% when using PSA, and 65% when using OTM. It is estimated that.
 以下、水素ガスをH2、液化水素をLH2、酸素ガスをO2、液体酸素をLO2、窒素ガスをN2、液体窒素をLN2と記載する。 Hereinafter, hydrogen gas will be referred to as H2, liquefied hydrogen as LH2, oxygen gas as O2, liquid oxygen as LO2, nitrogen gas as N2, and liquid nitrogen as LN2.
(WETタイプ)
 図2は、本発明による冷熱利用ガスタービン発電システム100の第1実施形態図である。以下、第1実施形態のシステムをWETタイプと呼ぶ。
 この図において、冷熱利用ガスタービン発電システム100は、空気液化分離装置10、ガスタービン発電機20、及び、ボトミングサイクル30を備える。
(WET type)
FIG. 2 is a diagram of a first embodiment of a gas turbine power generation system 100 utilizing cold energy according to the present invention. Hereinafter, the system of the first embodiment will be referred to as a WET type.
In this figure, a cold energy gas turbine power generation system 100 includes an air liquefaction separation device 10, a gas turbine generator 20, and a bottoming cycle 30.
 空気液化分離装置10は、液体水素LH2の冷熱により空気Airを液化して必要量の水素ガスH2と共に、液体酸素LO2と液体窒素LN2を製造する。 The air liquefaction separation device 10 liquefies air Air using the cold heat of liquid hydrogen LH2 to produce liquid oxygen LO2 and liquid nitrogen LN2 along with the required amount of hydrogen gas H2.
 ガスタービン発電機20は、水素ガスH2を酸素富化燃焼させて発電する。
 この例で、ガスタービン発電機20は、ガスタービン圧縮機22、ガスタービン燃焼器24、及びガスタービン26を有する。
The gas turbine generator 20 generates electricity by oxygen-enriching combustion of hydrogen gas H2.
In this example, gas turbine generator 20 includes a gas turbine compressor 22, a gas turbine combustor 24, and a gas turbine 26.
 ガスタービン圧縮機22は、空気Airを圧縮する。すなわち酸化剤としての空気は、既存GTCCと同一方法(ガスタービン圧縮機22により常圧空気を既存GTCCの圧力比)で圧縮されてガスタービン燃焼器24に送られる。なおこの例では1600℃級GTCCIIの圧力比23を採用する。 The gas turbine compressor 22 compresses air Air. That is, air as an oxidizer is compressed in the same manner as the existing GTCC (normal pressure air is compressed by the gas turbine compressor 22 at the pressure ratio of the existing GTCC) and sent to the gas turbine combustor 24. In this example, a pressure ratio of 23 for 1600°C class GTCCII is adopted.
 ガスタービン燃焼器24は、空気液化分離装置10で気化した水素ガスH2を圧縮空気及び加圧酸素ガス(加圧された酸素ガスO2)を用いて酸素富化燃焼する。すなわちガスタービン燃焼器24では、空気液化分離された加圧酸素ガスを圧縮空気と混合して酸素富化空気として利用する。燃焼後の残酸素濃度は既存LNGコンバインドサイクルと同等の16%となるように圧縮空気量を調節する。 The gas turbine combustor 24 performs oxygen-enriched combustion of the hydrogen gas H2 vaporized in the air liquefaction separation device 10 using compressed air and pressurized oxygen gas (pressurized oxygen gas O2). That is, in the gas turbine combustor 24, pressurized oxygen gas that has been liquefied and separated from the air is mixed with compressed air and used as oxygen-enriched air. The amount of compressed air will be adjusted so that the residual oxygen concentration after combustion is 16%, which is the same as in the existing LNG combined cycle.
 ガスタービン26は、燃焼ガスG1で発電動力を得て、図示しない発電機を駆動して発電する。
 すなわちガスタービン発電機20の燃料は水素ガスH2、酸化剤は空気と酸素ガスO2であり、燃焼は既存GTCC(LNGコンバインドサイクル)と同一方法で排ガス中の残酸素濃度16%(dry)の空燃比で燃焼させる。
The gas turbine 26 obtains power generation from the combustion gas G1 and drives a generator (not shown) to generate electricity.
In other words, the fuel of the gas turbine generator 20 is hydrogen gas H2, the oxidizing agent is air and oxygen gas O2, and combustion is performed using the same method as the existing GTCC (LNG combined cycle), with the residual oxygen concentration in the exhaust gas being 16% (dry). Burn at the fuel ratio.
 ボトミングサイクル30は、ガスタービン26の排ガスG2から発電動力を回収する。
 この図において、ボトミングサイクル30は、追焚き燃焼器32、窒素ガスタービンサイクル(以下、窒素サイクル40)、及び水蒸気タービンサイクル(以下、水蒸気サイクル60)を有する。
 すなわちこの例では、ガスタービン発電機20と水蒸気サイクル60の中間に、追焚き燃焼器32の燃焼ガスを熱源とした窒素サイクル40を追加した2段ボトミングサイクルによるコンバインドサイクルを採用する。
The bottoming cycle 30 recovers power generated from the exhaust gas G2 of the gas turbine 26.
In this figure, the bottoming cycle 30 includes a reheating combustor 32, a nitrogen gas turbine cycle (hereinafter referred to as nitrogen cycle 40), and a steam turbine cycle (hereinafter referred to as steam cycle 60).
That is, in this example, a combined cycle with a two-stage bottoming cycle is adopted, in which a nitrogen cycle 40 using the combustion gas of the reheating combustor 32 as a heat source is added between the gas turbine generator 20 and the steam cycle 60.
 追焚き燃焼器32は、ガスタービン26の排ガス中の残存酸素で水素ガスH2を燃焼させ、ガスタービン26の排ガスG2を加熱する。加熱温度は、ボトミングサイクル30の入口部で650~700℃であるのがよい。
 追焚き水素量は窒素サイクル40における窒素ガスN2の加熱量に相当する少量(ガスタービン発電機20の水素燃料量の4%程度)とするのがよい。
The reheating combustor 32 burns the hydrogen gas H2 with residual oxygen in the exhaust gas of the gas turbine 26, and heats the exhaust gas G2 of the gas turbine 26. The heating temperature at the entrance of the bottoming cycle 30 is preferably 650 to 700°C.
The amount of hydrogen to be reheated is preferably a small amount (approximately 4% of the amount of hydrogen fuel in the gas turbine generator 20) corresponding to the amount of heating of nitrogen gas N2 in the nitrogen cycle 40.
 窒素サイクル40は、窒素ガスN2を循環させて発電動力を回収する。
 この例で、窒素サイクル40は、追焚き燃焼器32の直近の下流側に位置し、窒素ガス圧縮機42、窒素ガス加熱器44、窒素ガスタービン46、及び窒素ガスクーラー48を有する。
The nitrogen cycle 40 circulates nitrogen gas N2 and recovers power generation.
In this example, the nitrogen cycle 40 is located immediately downstream of the reheating combustor 32 and includes a nitrogen gas compressor 42, a nitrogen gas heater 44, a nitrogen gas turbine 46, and a nitrogen gas cooler 48.
 窒素ガス圧縮機42は、低圧窒素ガス(低圧の窒素ガスN2)を圧縮する。
 窒素ガス加熱器44は、高圧窒素ガス(高圧の窒素ガスN2)を追焚き燃焼器32の高温排ガス(高温の排ガスG2)で加熱する。
 窒素ガスタービン46は、図示しない発電機を駆動し、加熱された高圧窒素ガスから発電動力を回収する回収する。
The nitrogen gas compressor 42 compresses low pressure nitrogen gas (low pressure nitrogen gas N2).
The nitrogen gas heater 44 heats high-pressure nitrogen gas (high-pressure nitrogen gas N2) with high-temperature exhaust gas (high-temperature exhaust gas G2) from the reheating combustor 32.
The nitrogen gas turbine 46 drives a generator (not shown) and recovers power generated from the heated high-pressure nitrogen gas.
 窒素ガスクーラー48は、空気液化分離装置10から供給される液体酸素LO2及び液体窒素LN2との間で熱交換して低圧窒素ガスを冷却(吸気冷却)する。すなわち、窒素ガスクーラー48は、液体酸素LO2及び液体窒素LN2を加熱すると共に低圧窒素ガスを冷却する熱交換器である。 The nitrogen gas cooler 48 cools the low-pressure nitrogen gas (intake air cooling) by exchanging heat with liquid oxygen LO2 and liquid nitrogen LN2 supplied from the air liquefaction separation device 10. That is, the nitrogen gas cooler 48 is a heat exchanger that heats the liquid oxygen LO2 and the liquid nitrogen LN2 and cools the low-pressure nitrogen gas.
 図2において、冷熱利用ガスタービン発電システム100はさらに、加圧酸素供給ライン52と、加圧窒素供給ライン54と、を有する。 In FIG. 2, the cold energy gas turbine power generation system 100 further includes a pressurized oxygen supply line 52 and a pressurized nitrogen supply line 54.
 加圧酸素供給ライン52は、空気液化分離装置10で製造した液体酸素LO2を液体状態で加圧する液体酸素ポンプ52aを有し、加圧された液体酸素LO2を窒素ガスクーラー48で加熱して加圧酸素ガスとしてガスタービン燃焼器24に供給する。
 液体酸素ポンプ52aによる加圧圧力は、ガスタービン燃焼器24の内部圧力以上に設定する。
 空気液化分離装置10で得られる酸素は液体酸素LO2なので液化状態で圧縮することで燃焼器入口圧力までの加圧動力は無視できる程度に小さい。
The pressurized oxygen supply line 52 has a liquid oxygen pump 52a that pressurizes the liquid oxygen LO2 produced in the air liquefaction separation device 10 in a liquid state, and heats the pressurized liquid oxygen LO2 with the nitrogen gas cooler 48 and pressurizes it. It is supplied to the gas turbine combustor 24 as pressurized oxygen gas.
The pressurizing pressure by the liquid oxygen pump 52a is set to be higher than the internal pressure of the gas turbine combustor 24.
Since the oxygen obtained by the air liquefaction separation device 10 is liquid oxygen LO2, by compressing it in a liquefied state, the pressurizing power up to the combustor inlet pressure is negligibly small.
 加圧窒素供給ライン54は、空気液化分離装置10で製造した液体窒素LN2を液体状態で加圧する液体窒素ポンプ54aを有し、加圧された液体窒素LN2を窒素ガスクーラー48で加熱して加圧窒素ガスとして窒素ガス圧縮機42の出口側に供給する。
 液体窒素ポンプ54aによる加圧圧力は、窒素ガス圧縮機42の出口圧力以上に設定する。
 空気液化分離装置10で得られる液体窒素LN2を液化状態で圧縮することで窒素ガス圧縮機42の出口圧力以上までの加圧動力は無視できる程度に小さい。
The pressurized nitrogen supply line 54 has a liquid nitrogen pump 54a that pressurizes the liquid nitrogen LN2 produced by the air liquefaction separation device 10 in a liquid state, and heats the pressurized liquid nitrogen LN2 with the nitrogen gas cooler 48 and pressurizes it. It is supplied to the outlet side of the nitrogen gas compressor 42 as pressurized nitrogen gas.
The pressurizing pressure by the liquid nitrogen pump 54a is set to be higher than the outlet pressure of the nitrogen gas compressor 42.
By compressing the liquid nitrogen LN2 obtained by the air liquefaction separation device 10 in a liquefied state, the power for pressurizing the nitrogen gas to the outlet pressure or higher of the nitrogen gas compressor 42 is negligibly small.
 水蒸気サイクル60は、加圧ポンプ62、水蒸気加熱器64、水蒸気タービン66、及び復水器68を有する。
 加圧ポンプ62は凝縮水W1を加圧する。水蒸気加熱器64は加圧水W2を窒素ガス加熱器44の高温排ガスで加熱して高圧高温水蒸気(高圧高温の水蒸気S)を発生させる。水蒸気タービン66は、高圧高温の水蒸気Sから発電動力を回収する。
 復水器68は、低圧の水蒸気Sを冷却して凝縮水W1を得る。
Steam cycle 60 includes a pressure pump 62, a steam heater 64, a steam turbine 66, and a condenser 68.
The pressurizing pump 62 pressurizes the condensed water W1. The steam heater 64 heats the pressurized water W2 with the high-temperature exhaust gas from the nitrogen gas heater 44 to generate high-pressure, high-temperature steam (high-pressure, high-temperature steam S). The steam turbine 66 recovers power generation from the high-pressure, high-temperature steam S.
The condenser 68 cools the low-pressure steam S to obtain condensed water W1.
 なお上述した窒素ガス加熱器44と水蒸気加熱器64は、追焚き燃焼器32の排気経路内に設置され、全体として熱回収用熱交換器(HRHEX)として機能する。 Note that the nitrogen gas heater 44 and steam heater 64 described above are installed in the exhaust path of the reheating combustor 32, and function as a heat recovery heat exchanger (HRHEX) as a whole.
 図3は、空気液化分離装置10の全体構成図である。
 空気分離は、加熱再生方式(TSA)による前処理とLH2と空気の熱交換法で液化・分離する。この方法による消費電力は、従来の深冷空気分離法の1/2程度と少ないことが利点である。
FIG. 3 is an overall configuration diagram of the air liquefaction separation device 10.
The air is liquefied and separated by pretreatment using the thermal regeneration method (TSA) and heat exchange between LH2 and air. An advantage of this method is that the power consumption is as low as about 1/2 of the conventional cryogenic air separation method.
 図3において、空気液化分離装置10は、空気圧縮機11、窒素ガス冷却器12、ヘリウムガス冷却器14、膨張弁15、気液分離器16、及び、ガス圧縮機17を有する。 In FIG. 3, the air liquefaction separation device 10 includes an air compressor 11, a nitrogen gas cooler 12, a helium gas cooler 14, an expansion valve 15, a gas-liquid separator 16, and a gas compressor 17.
 空気圧縮機11は、給気(空気)を所定圧力(例えば600kPa)まで圧縮する。 The air compressor 11 compresses supply air (air) to a predetermined pressure (for example, 600 kPa).
 窒素ガス冷却器12は、冷熱熱交換器12aとN2循環機12bを有し、液体水素LH2と空気との間で窒素ガスN2を循環させて空気を間接冷却する。
 ヘリウムガス冷却器14は、液化熱交換器14aとHe循環機14bを有し、液体水素LH2と空気との間でヘリウムガスHeを循環させて空気を間接冷却する。
 窒素ガス冷却器12とヘリウムガス冷却器14により空気は例えば-176℃まで冷却される。
The nitrogen gas cooler 12 includes a cold heat exchanger 12a and a N2 circulator 12b, and indirectly cools the air by circulating nitrogen gas N2 between the liquid hydrogen LH2 and the air.
The helium gas cooler 14 includes a liquefaction heat exchanger 14a and a He circulator 14b, and indirectly cools the air by circulating helium gas He between the liquid hydrogen LH2 and the air.
The air is cooled to -176° C. by the nitrogen gas cooler 12 and the helium gas cooler 14, for example.
 膨張弁15は、冷却された空気を断熱膨張させてさらに極低温(例えばー194℃)まで冷却する。
 気液分離器16は、例えばダブルカラムを用い、液体窒素LN2と液体酸素LO2を分離する。
 ガス圧縮機17は、残存するガスを圧縮し、空気圧縮機11で圧縮された空気に混入する。
The expansion valve 15 adiabatically expands the cooled air and further cools it to an extremely low temperature (for example, -194° C.).
The gas-liquid separator 16 uses, for example, a double column to separate liquid nitrogen LN2 and liquid oxygen LO2.
The gas compressor 17 compresses the remaining gas and mixes it into the air compressed by the air compressor 11.
 上述した空気液化分離装置10の構成により、給気(空気)の液化に中間媒体として窒素とヘリウムを用いるので、水素と空気の直接接触を回避して安全性を高めることができる。
 すなわち、水素ガスH2は、液体水素LH2の形態で供給を受ける。液体水素LH2は予め5.7MPa(既存GTCCと同一)まで液圧縮した後、その気化冷熱を利用して空気液化分離を行ってガスタービン燃焼器24の燃焼室に送られる。
With the configuration of the air liquefaction separation device 10 described above, nitrogen and helium are used as intermediate media to liquefy the supply air (air), so direct contact between hydrogen and air can be avoided and safety can be improved.
That is, hydrogen gas H2 is supplied in the form of liquid hydrogen LH2. The liquid hydrogen LH2 is compressed in advance to 5.7 MPa (same as the existing GTCC), and then air is liquefied and separated using the cold heat of vaporization, and then sent to the combustion chamber of the gas turbine combustor 24.
 表1は、空気液化分離装置10におけるマテリアルバランスを示している。
 この表に示すように、試算結果によれば1kg/sの液体水素LH2の冷熱を利用して、3.9kg/sの液体窒素LN2と1.2kg/sの液体酸素LO2を液化分離できる。
Table 1 shows the material balance in the air liquefaction separation device 10.
As shown in this table, according to the trial calculation results, 3.9 kg/s of liquid nitrogen LN2 and 1.2 kg/s of liquid oxygen LO2 can be liquefied and separated using the cold energy of 1 kg/s of liquid hydrogen LH2.
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 表2は、1kg/sの液体水素LH2の冷熱を利用する際の空気液化分離装置10の必要動力を示している。
 この表から、給気(空気)を所定圧力(例えば645kPa)まで圧縮する空気圧縮機11の動力が95%以上を占めていることがわかる。また、断熱圧縮と断熱膨張により液化する従来の空気分離装置と比較してエネルギーロスが大幅に小さいことがわかる。
Table 2 shows the required power of the air liquefaction separation device 10 when using the cold energy of the liquid hydrogen LH2 at 1 kg/s.
From this table, it can be seen that the power of the air compressor 11 that compresses the supply air (air) to a predetermined pressure (for example, 645 kPa) accounts for 95% or more. Additionally, it can be seen that the energy loss is significantly smaller than in conventional air separation devices that liquefy through adiabatic compression and expansion.
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 図4は、窒素サイクル40の全体構成図である。窒素サイクル40は、3段膨張とし、高圧段では超臨界窒素タービンを適用する。
 この図において、窒素ガス加熱器44は、追焚き燃焼器32を出た高温の排ガスG2に対し上流側から順に位置する第1ガス加熱器44a、第2ガス加熱器44b、及び第3ガス加熱器44cを有する。
 また、窒素ガスタービン46も同様に、高温の排ガスG2に対し上流側から順に位置する第1膨張機46a、第2膨張機46b、及び第3膨張機46cを有する。窒素ガスタービン46は、超臨界窒素タービンであるのがよい。
FIG. 4 is an overall configuration diagram of the nitrogen cycle 40. The nitrogen cycle 40 has three stages of expansion, and a supercritical nitrogen turbine is used in the high pressure stage.
In this figure, the nitrogen gas heater 44 includes a first gas heater 44a, a second gas heater 44b, and a third gas heater, which are located in order from the upstream side with respect to the high-temperature exhaust gas G2 exiting the reheating combustor 32. It has a container 44c.
Similarly, the nitrogen gas turbine 46 includes a first expander 46a, a second expander 46b, and a third expander 46c, which are located in this order from the upstream side with respect to the high-temperature exhaust gas G2. Nitrogen gas turbine 46 may be a supercritical nitrogen turbine.
 またこの例で、窒素サイクル40は、第1膨張機46aの出口に窒素ガス熱交換器49を有し、さらにその後段(下流側)に窒素ガスクーラー48を有する。
 窒素ガス熱交換器49は、第1膨張機46aの出口ガスにより第3ガス加熱器44cの入口ガスを予熱して熱回収するものである。
 窒素ガスクーラー48は、窒素ガス圧縮機42の圧縮動力を削減するため圧縮機入口ガスを冷却するものである。
Further, in this example, the nitrogen cycle 40 includes a nitrogen gas heat exchanger 49 at the outlet of the first expander 46a, and further includes a nitrogen gas cooler 48 at the subsequent stage (downstream side).
The nitrogen gas heat exchanger 49 preheats the inlet gas of the third gas heater 44c using the outlet gas of the first expander 46a and recovers the heat.
The nitrogen gas cooler 48 cools the compressor inlet gas in order to reduce the compression power of the nitrogen gas compressor 42.
 また、この図において、窒素サイクル40は、加圧窒素ガス(加圧された窒素ガスN2)を補充する補充口43と、余剰の低圧窒素ガス(低圧の窒素ガスN2)を外部に抜き出す抽出口45と、を有する。
 補充口43は、窒素ガス圧縮機42の出口と窒素ガス加熱器44の入口(この例では、窒素ガス熱交換器49の入口)との間に設けられる。
 抽出口45は、窒素ガスタービン46の出口(この例では、窒素ガス熱交換器49の出口)と窒素ガスクーラー48の入口との間に設けられる。
In addition, in this figure, the nitrogen cycle 40 includes a replenishment port 43 for replenishing pressurized nitrogen gas (pressurized nitrogen gas N2) and an extraction port for extracting excess low-pressure nitrogen gas (low-pressure nitrogen gas N2) to the outside. 45.
The refill port 43 is provided between the outlet of the nitrogen gas compressor 42 and the inlet of the nitrogen gas heater 44 (in this example, the inlet of the nitrogen gas heat exchanger 49).
The extraction port 45 is provided between the outlet of the nitrogen gas turbine 46 (in this example, the outlet of the nitrogen gas heat exchanger 49) and the inlet of the nitrogen gas cooler 48.
 また、この例で、窒素サイクル40の窒素ガス熱交換器49では、補充口43で合流した低温(例えば-12℃)の窒素ガスと抽出口45から排出する前の中温(例えば10℃)の窒素ガスとの間で熱交換する。 In this example, in the nitrogen gas heat exchanger 49 of the nitrogen cycle 40, the low temperature (for example, -12°C) nitrogen gas that has joined at the replenishment port 43 and the intermediate temperature (for example, 10°C) nitrogen gas before being discharged from the extraction port 45 are used. Heat exchanges with nitrogen gas.
 上述したように、窒素サイクル40の窒素ガスクーラー48では、空気液化分離装置10により空気分離された液体窒素LN2と液体酸素LO2の気化冷熱を利用して還流する窒素ガスN2を予冷する。
 なお、窒素サイクル40は、気化した加圧窒素ガスを補充口43から窒素サイクル40のN2循環系へ合流するとともに、同量の還流N2を抽出口45から排出する再生式セミクローズドガスタービンサイクルである。
As described above, the nitrogen gas cooler 48 of the nitrogen cycle 40 precools the refluxing nitrogen gas N2 using the cold heat of vaporization of the liquid nitrogen LN2 and liquid oxygen LO2 that have been air-separated by the air liquefaction separation device 10.
The nitrogen cycle 40 is a regenerative semi-closed gas turbine cycle in which vaporized pressurized nitrogen gas flows into the N2 circulation system of the nitrogen cycle 40 from a replenishment port 43, and the same amount of refluxed N2 is discharged from an extraction port 45. be.
 表3は、追焚き燃焼器32で0.22kg/sの水素ガスH2を燃焼する際の窒素サイクル40の主な軸動力と発電出力を示している。
 この表から、窒素サイクル40において、膨張機軸動力と圧縮機軸動力の差に発電機効率と機械効率を乗じて得られる発電出力が大きいことがわかる。すなわち、膨張機軸動力/圧縮機軸動力≒5.7であり、一般の回転発電機(例えばガスタービンなどでは2.0以下)に比べて大きい。
 また、液体窒素LN2を液体状態で加圧し、加圧された液体窒素LN2を窒素ガスクーラー48で加熱して加圧窒素ガスとして窒素サイクル40の高圧窒素ガスに追加供給することから、窒素サイクル40は後述するように高い熱効率が得られる。
Table 3 shows the main shaft power and power generation output of the nitrogen cycle 40 when the reheating combustor 32 burns hydrogen gas H2 at 0.22 kg/s.
From this table, it can be seen that in the nitrogen cycle 40, the power generation output obtained by multiplying the difference between the expander shaft power and the compressor shaft power by the generator efficiency and the mechanical efficiency is large. That is, expander shaft power/compressor shaft power is approximately 5.7, which is larger than that of a general rotary generator (for example, 2.0 or less in a gas turbine).
In addition, the liquid nitrogen LN2 is pressurized in a liquid state, and the pressurized liquid nitrogen LN2 is heated in the nitrogen gas cooler 48 and is additionally supplied as pressurized nitrogen gas to the high pressure nitrogen gas of the nitrogen cycle 40. As will be described later, high thermal efficiency can be obtained.
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
 表4は、第1実施形態(WETタイプ)の冷熱利用ガスタービン発電システム100における計算条件と試算結果を示している。
 なお、発電性能を計算する際の各機器効率は、圧縮機効率:89.5%、ガスタービン(GT)効率:91%、蒸気タービン(ST)効率:90%、機械効率:94%、発電機効率:98%、LH2/LO2/LN2圧縮ポンプ効率:70%に設定した。
 また、機械効率について、実機では蒸気凝縮器の冷却水ポンプ、水質管理の諸機器、各種回転機の潤滑・冷却、計測制御管理機器などの損失を考慮する必要があり、この例では既存GTCC並みの94%を採用した。
Table 4 shows calculation conditions and trial calculation results for the cold energy gas turbine power generation system 100 of the first embodiment (WET type).
The efficiency of each device when calculating power generation performance is: compressor efficiency: 89.5%, gas turbine (GT) efficiency: 91%, steam turbine (ST) efficiency: 90%, mechanical efficiency: 94%, Machine efficiency: 98%, LH2/LO2/LN2 compression pump efficiency: 70%.
In addition, regarding mechanical efficiency, it is necessary to consider losses in the steam condenser cooling water pump, water quality control equipment, lubrication and cooling of various rotating machines, measurement control management equipment, etc. in the actual machine. 94% of them were adopted.
 表4から、約5.8kg/sの液体水素LH2を用いた場合の総発電出力は約487MWであり、かつ高い発電効率が得られることがわかる。 From Table 4, it can be seen that the total power generation output when using liquid hydrogen LH2 of about 5.8 kg/s is about 487 MW, and high power generation efficiency can be obtained.
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
(DRYタイプ)
 図5は、本発明による冷熱利用ガスタービン発電システム100の第2実施形態図である。以下、第2実施形態のシステムをDRYタイプと呼ぶ。
 この図において、ボトミングサイクル30は、上述した追焚き燃焼器32と窒素サイクル40の下流側に、水蒸気サイクル60の替わりに炭酸ガスサイクル70を有する。
(DRY type)
FIG. 5 is a diagram of a second embodiment of a gas turbine power generation system 100 utilizing cold energy according to the present invention. Hereinafter, the system of the second embodiment will be referred to as a DRY type.
In this figure, the bottoming cycle 30 has a carbon dioxide cycle 70 instead of the steam cycle 60 on the downstream side of the reheating combustor 32 and the nitrogen cycle 40 described above.
 炭酸ガスサイクル70は、炭酸ガスを循環させて発電動力を回収する。
 この例で、炭酸ガスサイクル70は、炭酸ガス圧縮機72、炭酸ガス加熱器74、炭酸ガス膨張機76、及び炭酸ガスクーラー78を有する。
 炭酸ガス圧縮機72は、炭酸ガスを圧縮する。炭酸ガス加熱器74は、加圧された炭酸ガスを窒素ガス加熱器44の高温排ガスで加熱して高圧高温の炭酸ガスを発生させる。炭酸ガス膨張機76は、図示しない発電機を駆動し、高圧高温の炭酸ガスから発電動力を回収する。炭酸ガスクーラー78は、炭酸ガス圧縮機72の入口の炭酸ガスを冷却する。
 炭酸ガスクーラー78における低圧の炭酸ガスの冷却には、大量の冷却水が不要な冷却塔73を用いるのがよい。
The carbon dioxide cycle 70 circulates carbon dioxide gas and recovers power generation.
In this example, the carbon dioxide cycle 70 includes a carbon dioxide compressor 72, a carbon dioxide heater 74, a carbon dioxide expander 76, and a carbon dioxide cooler 78.
The carbon dioxide compressor 72 compresses carbon dioxide. The carbon dioxide gas heater 74 heats pressurized carbon dioxide gas with the high temperature exhaust gas from the nitrogen gas heater 44 to generate high pressure and high temperature carbon dioxide gas. The carbon dioxide expander 76 drives a generator (not shown) and recovers power generated from the high-pressure, high-temperature carbon dioxide gas. The carbon dioxide cooler 78 cools the carbon dioxide gas at the inlet of the carbon dioxide compressor 72.
For cooling the low-pressure carbon dioxide gas in the carbon dioxide gas cooler 78, it is preferable to use the cooling tower 73, which does not require a large amount of cooling water.
 図6は、炭酸ガスサイクル70の全体構成図である。炭酸ガスサイクル70は、3段膨張とし、高圧段では超臨界炭酸ガスタービンを適用する。
 この図において、炭酸ガス加熱器74は、窒素ガス加熱器44を出た高温の排ガスG2に対し上流側から順に位置する第1ガス加熱器74a、第2ガス加熱器74b、及び第3ガス加熱器74cを有する。
 また、炭酸ガス膨張機76も同様に、高温の排ガスG2に対し上流側から順に位置する第1膨張機76a、第2膨張機76b、及び第3膨張機76cを有する。炭酸ガス膨張機76は超臨界炭酸ガスタービンであるのがよい。
FIG. 6 is an overall configuration diagram of the carbon dioxide cycle 70. The carbon dioxide gas cycle 70 has three stages of expansion, and a supercritical carbon dioxide gas turbine is used in the high pressure stage.
In this figure, the carbon dioxide gas heater 74 includes a first gas heater 74a, a second gas heater 74b, and a third gas heater 74a, which are located in order from the upstream side with respect to the high-temperature exhaust gas G2 that has exited the nitrogen gas heater 44. It has a container 74c.
Similarly, the carbon dioxide expander 76 includes a first expander 76a, a second expander 76b, and a third expander 76c, which are located in order from the upstream side with respect to the high-temperature exhaust gas G2. The carbon dioxide expander 76 is preferably a supercritical carbon dioxide gas turbine.
 さらに、炭酸ガス圧縮機72は、炭酸ガスの低圧側から順に位置する第1ガス圧縮機72a、第2ガス圧縮機72b、及び第3ガス圧縮機72cを有する。
 また、炭酸ガスクーラー78も同様に、炭酸ガスの低圧側から順に位置する第1クーラー78a、第2クーラー78b、及び第3クーラー78cを有する。
 すなわち第1ガス圧縮機72a、第2ガス圧縮機72b、及び第3ガス圧縮機72cの上流側にはそれぞれ冷却塔73による炭酸ガスクーラー78が設けられている。
Further, the carbon dioxide compressor 72 includes a first gas compressor 72a, a second gas compressor 72b, and a third gas compressor 72c located in order from the low pressure side of carbon dioxide gas.
Similarly, the carbon dioxide cooler 78 includes a first cooler 78a, a second cooler 78b, and a third cooler 78c, which are located in order from the low pressure side of carbon dioxide.
That is, a carbon dioxide gas cooler 78 using a cooling tower 73 is provided upstream of the first gas compressor 72a, the second gas compressor 72b, and the third gas compressor 72c, respectively.
 また、この例で、炭酸ガスサイクル70は、第1膨張機76aで膨張した炭酸ガスと第3ガス圧縮機72cの出口の炭酸ガスとの間で熱交換する炭酸ガス熱交換器79を有する。
 その他の構成は、第1実施形態と同様である。
Furthermore, in this example, the carbon dioxide cycle 70 includes a carbon dioxide heat exchanger 79 that exchanges heat between the carbon dioxide gas expanded in the first expander 76a and the carbon dioxide gas at the outlet of the third gas compressor 72c.
The other configurations are the same as those in the first embodiment.
 表5は、炭酸ガスサイクル70の上流に設けられた窒素サイクル40から排出される排ガス温度603℃、排ガス量742kg/sの場合の炭酸ガスサイクル70の主な軸動力と発電出力を示している。
 この表から、炭酸ガスサイクル70において、膨張機軸動力と圧縮機軸動力の差に発電機効率と機械効率を乗じて得られる発電出力が大きいことがわかる。すなわち、膨張機軸動力/圧縮機軸動力≒2.5であり、一般の回転発電機(例えばガスタービンなどでは2.0以下)に比べて大きい。
Table 5 shows the main shaft power and power generation output of the carbon dioxide cycle 70 when the temperature of the exhaust gas discharged from the nitrogen cycle 40 provided upstream of the carbon dioxide cycle 70 is 603° C. and the amount of exhaust gas is 742 kg/s. .
From this table, it can be seen that in the carbon dioxide cycle 70, the power generation output obtained by multiplying the difference between the expander shaft power and the compressor shaft power by the generator efficiency and mechanical efficiency is large. That is, expander shaft power/compressor shaft power≈2.5, which is larger than a general rotary generator (for example, 2.0 or less in a gas turbine).
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
 表6は、第2実施形態(DRYタイプ)の冷熱利用ガスタービン発電システム100における計算条件と試算結果を示している。
 この表から、約6.2kg/sの液体水素LH2を用いた場合の総発電出力は約487MWであり、かつ高い発電効率が得られることがわかる。
Table 6 shows calculation conditions and trial calculation results for the cold energy gas turbine power generation system 100 of the second embodiment (DRY type).
From this table, it can be seen that the total power generation output when using liquid hydrogen LH2 of about 6.2 kg/s is about 487 MW, and high power generation efficiency can be obtained.
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
 上述した第1、第2実施形態の冷熱利用ガスタービン発電システム100は、水素酸素燃焼タービン発電システムに対し、以下の利点を有する。 The cold heat utilization gas turbine power generation system 100 of the first and second embodiments described above has the following advantages over the hydrogen-oxygen combustion turbine power generation system.
 (1)水素酸素燃焼タービン発電システムでは、酸素製造プラントで水素ガスの燃焼に必要な酸素ガスを製造する必要があり、酸素製造プラントによるエネルギーロスが大きい。
 これに対し、冷熱利用ガスタービン発電システム100では、液体水素の冷熱を利用して空気液化分離装置10により必要量の水素ガスのみを製造(分離)するため、空気液化分離装置10の必要動力が小さい。
(1) In the hydrogen-oxygen combustion turbine power generation system, it is necessary to produce oxygen gas necessary for combustion of hydrogen gas in an oxygen production plant, and the energy loss caused by the oxygen production plant is large.
On the other hand, in the cold energy gas turbine power generation system 100, only the required amount of hydrogen gas is produced (separated) by the air liquefaction separation device 10 using the cold energy of liquid hydrogen, so the power required for the air liquefaction separation device 10 is reduced. small.
 (2)水素酸素燃焼タービン発電システムでは、水素と酸素(純酸素)の燃焼ではタービン入口温度が高温になるため、水蒸気又は水の再循環が不可欠となる。そのため、圧縮機動力が増大し、かつタービン及び復水器が大型化する。
 冷熱利用ガスタービン発電システム100では、加圧酸素供給ライン52により、空気液化分離装置10で製造した液体酸素LO2を液体状態で加圧し、窒素ガスクーラー48で加熱して加圧酸素ガスとしてガスタービン燃焼器24に供給する。
 そのため、ガスタービン燃焼器24で不足する酸素に相当する空気のみをガスタービン圧縮機22で圧縮するだけで、水蒸気又は水の再循環なしで、タービン入口温度を適正化でき、ガスタービン圧縮機22及びガスタービン26を小型化できる。
(2) In a hydrogen-oxygen combustion turbine power generation system, the combustion of hydrogen and oxygen (pure oxygen) causes the turbine inlet temperature to become high, so recirculation of steam or water is essential. Therefore, the compressor power increases and the turbine and condenser become larger.
In the cold energy gas turbine power generation system 100, the liquid oxygen LO2 produced in the air liquefaction separation device 10 is pressurized in a liquid state through the pressurized oxygen supply line 52, heated by the nitrogen gas cooler 48, and supplied to the gas turbine as pressurized oxygen gas. It is supplied to the combustor 24.
Therefore, the turbine inlet temperature can be optimized without recirculating steam or water by simply compressing the air corresponding to the oxygen that is insufficient in the gas turbine combustor 24 with the gas turbine compressor 22. And the gas turbine 26 can be downsized.
 (3)水素酸素燃焼タービン発電システムは、ブレイトンサイクルとランキンサイクルの複合サイクルであり、ランキンサイクルの上流に他のボトミングサイクルを適用できない。
 これに対し、冷熱利用ガスタービン発電システム100では、ガスタービンの排ガスを利用するボトミングサイクルが自由に設定でき、特に上述した窒素サイクル40では97%以上の発電効率が得られる。
(3) The hydrogen-oxygen combustion turbine power generation system is a combined cycle of a Brayton cycle and a Rankine cycle, and no other bottoming cycle can be applied upstream of the Rankine cycle.
On the other hand, in the cold energy gas turbine power generation system 100, the bottoming cycle that utilizes the exhaust gas of the gas turbine can be freely set, and in particular, the above-mentioned nitrogen cycle 40 can achieve a power generation efficiency of 97% or more.
 (4)水素酸素燃焼タービン発電システムでは、上述したように、水素と酸素を量論比で燃焼させなければ燃焼ガス中に残酸素(もしくは残水素)が混在するためシステムが成立できない難点がある。また実際には当量比1では完全燃焼できない。
 これに対し、冷熱利用ガスタービン発電システム100では、燃焼は既存GTCCと同一方法で排ガス中の残酸素濃度16%(dry)の空燃比で安定した完全燃焼ができる。
(4) As mentioned above, hydrogen-oxygen combustion turbine power generation systems have the disadvantage that unless hydrogen and oxygen are combusted in a stoichiometric ratio, residual oxygen (or residual hydrogen) is mixed in the combustion gas, making it impossible to establish the system. . Furthermore, in reality, complete combustion is not possible at an equivalence ratio of 1.
On the other hand, in the cold heat utilization gas turbine power generation system 100, stable complete combustion can be performed at an air-fuel ratio with a residual oxygen concentration of 16% (dry) in the exhaust gas using the same method as the existing GTCC.
 上述したように、本発明の実施形態によれば、空気液化分離装置10において液体水素LH2の冷熱により空気を液化して必要量の水素ガスH2を製造するので、空気液化分離装置10のエネルギーロスを最少限に抑えることができる。 As described above, according to the embodiment of the present invention, the air is liquefied by the cold heat of the liquid hydrogen LH2 in the air liquefaction separation device 10 to produce the necessary amount of hydrogen gas H2, so that the energy loss of the air liquefaction separation device 10 is reduced. can be kept to a minimum.
 水素ガスH2と共に空気液化分離装置10で製造した液体酸素LO2は、ガスタービン発電機20での必要酸素量より少ない。しかしこの液体酸素LO2は、加圧酸素供給ライン52により液体状態で加圧され、窒素ガスクーラー48で加熱して加圧酸素ガスとしてガスタービン発電機20に供給される。これにより、ガスタービン発電機20で圧縮する空気量のうち加圧酸素ガスの約5倍に相当する量の圧縮動力を低減できる。
 また、ガスタービン発電機20において、空気液化分離装置10で製造した水素ガスH2を圧縮空気と加圧酸素ガスで酸素富化燃焼するので、水素ガスH2を十分な酸素量で安定した燃焼ができる。
The liquid oxygen LO2 produced together with the hydrogen gas H2 in the air liquefaction separation device 10 is smaller than the amount of oxygen required by the gas turbine generator 20. However, this liquid oxygen LO2 is pressurized in a liquid state by the pressurized oxygen supply line 52, heated by the nitrogen gas cooler 48, and supplied to the gas turbine generator 20 as pressurized oxygen gas. Thereby, the compression power of the amount of air compressed by the gas turbine generator 20 can be reduced by an amount equivalent to about five times the amount of pressurized oxygen gas.
In addition, in the gas turbine generator 20, the hydrogen gas H2 produced by the air liquefaction separation device 10 is oxygen-enriched and combusted using compressed air and pressurized oxygen gas, so that the hydrogen gas H2 can be stably combusted with a sufficient amount of oxygen. .
 また、空気液化分離装置10で製造した液体窒素LN2は、加圧窒素供給ライン54により液体状態で加圧され、窒素ガスクーラー48で加熱して加圧窒素ガスとして窒素サイクル40の高圧窒素ガスに追加供給される。これにより、窒素サイクル40における圧縮動力を低減することができ、窒素サイクル40による発電量を増やすことができる。 In addition, the liquid nitrogen LN2 produced by the air liquefaction separation device 10 is pressurized in a liquid state by the pressurized nitrogen supply line 54, heated by the nitrogen gas cooler 48, and converted into pressurized nitrogen gas to be used as high-pressure nitrogen gas in the nitrogen cycle 40. Additional supply will be provided. Thereby, the compression power in the nitrogen cycle 40 can be reduced, and the amount of power generated by the nitrogen cycle 40 can be increased.
 また、追焚き燃焼器32により残存酸素で空気液化分離装置10で製造した水素ガスH2を燃焼させて排ガス温度を加熱するので、この高温排ガスで窒素サイクル40の高圧窒素ガスを十分に加熱することができ、窒素サイクル40の効率を高めることができる。 In addition, since the reheating combustor 32 burns the hydrogen gas H2 produced by the air liquefaction separation device 10 using residual oxygen to heat the exhaust gas temperature, the high-pressure nitrogen gas in the nitrogen cycle 40 can be sufficiently heated with this high-temperature exhaust gas. This makes it possible to improve the efficiency of the nitrogen cycle 40.
 すなわち、空気液化分離装置10において必要量の水素ガスH2と共に製造した液体酸素LO2は、ガスタービン発電機20の動力低減と酸素富化燃焼に寄与し、液体窒素LN2は窒素サイクル40による発電量の増大に寄与する。 That is, the liquid oxygen LO2 produced together with the necessary amount of hydrogen gas H2 in the air liquefaction separation device 10 contributes to power reduction and oxygen-enriched combustion of the gas turbine generator 20, and the liquid nitrogen LN2 contributes to the amount of power generated by the nitrogen cycle 40. Contribute to increase.
 さらに窒素サイクル40の下流側に水蒸気サイクル60又は炭酸ガスサイクル70を有することで、全体として液体水素LH2の冷熱を有効利用して燃焼用の酸素を製造しかつ発電効率を高めることができる。 Further, by having the steam cycle 60 or the carbon dioxide cycle 70 downstream of the nitrogen cycle 40, it is possible to effectively utilize the cold heat of the liquid hydrogen LH2 as a whole to produce oxygen for combustion and increase power generation efficiency.
 本発明の第1実施形態(WETタイプ)によれば、1600℃級LNG焚きGTCCと同一のタービン入口温度/圧力条件下で発電効率:70.2%(LHV)と試算され、水素酸素燃焼タービン発電システムの約62%~65%より5.5~8ポイント高い発電効率が得られる。 According to the first embodiment (WET type) of the present invention, power generation efficiency is estimated to be 70.2% (LHV) under the same turbine inlet temperature/pressure conditions as a 1600°C class LNG-fired GTCC, and a hydrogen-oxygen combustion turbine The power generation efficiency is 5.5 to 8 points higher than the approximately 62% to 65% of power generation systems.
 また第2実施形態(DRYタイプ)の冷熱利用ガスタービン発電システム100は、蒸気タービンを使用しないため、以下の利点を有する。
 (1)保守管理が難しい水処理系が不要となる。
 (2)蒸気タービンに必要な大量の凝縮用冷却水が不要となる。
 (3)海水などの冷却水資源が少ない内陸設置が可能で、発電所設置の自由度が増す。
 (4)蒸気タービンの最終段は減圧作動のため大型化するが、第1実施形態の窒素サイクル40及び炭酸ガスサイクル70は高圧作動なので小型化できる。
Further, the cold heat utilization gas turbine power generation system 100 of the second embodiment (DRY type) does not use a steam turbine, and therefore has the following advantages.
(1) A water treatment system that is difficult to maintain and manage becomes unnecessary.
(2) A large amount of condensing cooling water required for the steam turbine becomes unnecessary.
(3) It is possible to install the power plant inland, where there are few cooling water resources such as seawater, increasing the degree of freedom in installing the power plant.
(4) Although the final stage of the steam turbine becomes larger due to its reduced pressure operation, the nitrogen cycle 40 and carbon dioxide cycle 70 of the first embodiment operate at high pressure and can therefore be made smaller.
 なお、第2実施形態の発電効率は第1実施形態に比べて約4.6%低下して65.6%となるが、依然として水素酸素燃焼タービン発電システムよりも高い。そのため、第2実施形態も、発電所設置の自由度が高いコンパクトな高効率発電システムであるといえる。 Although the power generation efficiency of the second embodiment is 65.6%, which is approximately 4.6% lower than that of the first embodiment, it is still higher than the hydrogen-oxygen combustion turbine power generation system. Therefore, the second embodiment can also be said to be a compact and highly efficient power generation system with a high degree of freedom in installing a power plant.
 なお本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。 Note that the present invention is not limited to the embodiments described above, and it goes without saying that various changes can be made without departing from the gist of the present invention.
Air 空気、G1 燃焼ガス、G2 排ガス、He ヘリウムガス、H2 水素ガス、LH2 液体水素、LO2 液体酸素、LN2 液体窒素、N2 窒素ガス、O2 酸素ガス、S 水蒸気、W1 凝縮水、W2 加圧水、10 空気液化分離装置、11 空気圧縮機、12 窒素ガス冷却器、12a 冷熱熱交換器、12b N2循環機、14 ヘリウムガス冷却器、14a 液化熱交換器、14b He循環機、15 膨張弁、16 気液分離器、17 ガス圧縮機、20 ガスタービン発電機、22 ガスタービン圧縮機、24 ガスタービン燃焼器、26 ガスタービン、30 ボトミングサイクル、32 追焚き燃焼器、40 窒素サイクル、42 窒素ガス圧縮機、44 窒素ガス加熱器、44a 第1ガス加熱器、44b 第2ガス加熱器、44c 第3ガス加熱器、46 窒素ガスタービン、46a 第1膨張機、46b 第2膨張機、46c 第3膨張機、48 窒素ガスクーラー、52 加圧酸素供給ライン、52a 液体酸素ポンプ、54 加圧窒素供給ライン、54a 液体窒素ポンプ、60 水蒸気サイクル、62 加圧ポンプ、64 水蒸気加熱器、66 水蒸気タービン、68 復水器、70 炭酸ガスサイクル、72 炭酸ガス圧縮機、72a 第1ガス圧縮機、72b 第2ガス圧縮機、72c 第3ガス圧縮機、73 冷却塔、74 炭酸ガス加熱器、74a 第1ガス加熱器、74b 第2ガス加熱器、74c 第3ガス加熱器、76 炭酸ガス膨張機、76a 第1膨張機、76b 第2膨張機、76c 第3膨張機、78 炭酸ガスクーラー、78a 第1クーラー、78b 第2クーラー、78c 第3クーラー、79 炭酸ガス熱交換器、100 冷熱利用ガスタービン発電システム
 
Air, G1 Combustion gas, G2 Exhaust gas, He Helium gas, H2 Hydrogen gas, LH2 Liquid hydrogen, LO2 Liquid oxygen, LN2 Liquid nitrogen, N2 Nitrogen gas, O2 Oxygen gas, S Water vapor, W1 Condensed water, W2 Pressurized water, 10 Air Liquefaction separation device, 11 air compressor, 12 nitrogen gas cooler, 12a cold heat exchanger, 12b N2 circulator, 14 helium gas cooler, 14a liquefaction heat exchanger, 14b He circulator, 15 expansion valve, 16 gas-liquid separator, 17 gas compressor, 20 gas turbine generator, 22 gas turbine compressor, 24 gas turbine combustor, 26 gas turbine, 30 bottoming cycle, 32 reheating combustor, 40 nitrogen cycle, 42 nitrogen gas compressor, 44 nitrogen gas heater, 44a first gas heater, 44b second gas heater, 44c third gas heater, 46 nitrogen gas turbine, 46a first expander, 46b second expander, 46c third expander, 48 Nitrogen gas cooler, 52 Pressurized oxygen supply line, 52a Liquid oxygen pump, 54 Pressurized nitrogen supply line, 54a Liquid nitrogen pump, 60 Steam cycle, 62 Pressure pump, 64 Steam heater, 66 Steam turbine, 68 Condensate device, 70 carbon dioxide gas cycle, 72 carbon dioxide compressor, 72a first gas compressor, 72b second gas compressor, 72c third gas compressor, 73 cooling tower, 74 carbon dioxide gas heater, 74a first gas heater , 74b second gas heater, 74c third gas heater, 76 carbon dioxide gas expander, 76a first expander, 76b second expander, 76c third expander, 78 carbon dioxide gas cooler, 78a first cooler, 78b Second cooler, 78c Third cooler, 79 Carbon dioxide heat exchanger, 100 Cold heat utilization gas turbine power generation system

Claims (8)

  1.  液体水素の冷熱により空気を液化して必要量の水素ガスと共に、液体酸素と液体窒素を製造する空気液化分離装置と、
     前記水素ガスを酸素富化燃焼させて発電するガスタービン発電機と、
     残存酸素で前記水素ガスを燃焼させ前記ガスタービン発電機の排ガスを加熱する追焚き燃焼器と、
     前記液体酸素及び前記液体窒素との間で熱交換して低圧窒素ガスを冷却する窒素ガスクーラーを有し、窒素ガスを循環させて発電動力を回収する窒素サイクルと、
     前記空気液化分離装置で製造した前記液体酸素を液体状態で加圧し、加圧された前記液体酸素を前記窒素ガスクーラーで加熱して加圧酸素ガスとして前記ガスタービン発電機に供給する加圧酸素供給ラインと、
     前記空気液化分離装置で製造した前記液体窒素を液体状態で加圧し、加圧された前記液体窒素を前記窒素ガスクーラーで加熱して加圧窒素ガスとして前記窒素サイクルの高圧窒素ガスに追加供給する加圧窒素供給ラインと、を有する、冷熱利用ガスタービン発電システム。
    an air liquefaction separation device that liquefies air using the cold heat of liquid hydrogen to produce the required amount of hydrogen gas, as well as liquid oxygen and liquid nitrogen;
    a gas turbine generator that generates electricity by oxygen-enriching combustion of the hydrogen gas;
    a reheating combustor that burns the hydrogen gas with residual oxygen and heats the exhaust gas of the gas turbine generator;
    a nitrogen cycle that includes a nitrogen gas cooler that cools low-pressure nitrogen gas by exchanging heat with the liquid oxygen and the liquid nitrogen, and that circulates the nitrogen gas and recovers power generation;
    Pressurizing the liquid oxygen produced in the air liquefaction separation device in a liquid state, heating the pressurized liquid oxygen in the nitrogen gas cooler, and supplying pressurized oxygen to the gas turbine generator as pressurized oxygen gas. supply line and
    The liquid nitrogen produced by the air liquefaction separation device is pressurized in a liquid state, the pressurized liquid nitrogen is heated by the nitrogen gas cooler, and the pressurized nitrogen gas is additionally supplied to the high-pressure nitrogen gas of the nitrogen cycle. A gas turbine power generation system using cold energy, which has a pressurized nitrogen supply line.
  2.  前記窒素サイクルの下流側に、水蒸気を循環させて前記排ガスから発電動力を回収する水蒸気サイクル、又は、炭酸ガスを循環させて前記排ガスから発電動力を回収する炭酸ガスサイクル、を有する、請求項1に記載の冷熱利用ガスタービン発電システム。 1 . The nitrogen cycle further comprises, downstream of the nitrogen cycle, a steam cycle that circulates water vapor and recovers power generation from the exhaust gas, or a carbon dioxide cycle that circulates carbon dioxide and recovers power generation from the exhaust gas. A gas turbine power generation system using cold energy as described in .
  3.  前記空気液化分離装置は、
     前記液体水素と前記空気との間で窒素ガスを循環させて前記空気を間接冷却する窒素ガス冷却器と、
     前記液体水素と前記空気との間でヘリウムガスを循環させて前記空気を間接冷却するヘリウムガス冷却器と、を有する、請求項1に記載の冷熱利用ガスタービン発電システム。
    The air liquefaction separation device includes:
    a nitrogen gas cooler that indirectly cools the air by circulating nitrogen gas between the liquid hydrogen and the air;
    The cold heat gas turbine power generation system according to claim 1, further comprising a helium gas cooler that indirectly cools the air by circulating helium gas between the liquid hydrogen and the air.
  4.  前記窒素サイクルは、さらに、低圧窒素ガスを圧縮する窒素ガス圧縮機と、高圧窒素ガスを前記追焚き燃焼器の高温排ガスで加熱する窒素ガス加熱器と、加熱された前記高圧窒素ガスから発電動力を回収する窒素ガスタービンと、を有する、請求項2に記載の冷熱利用ガスタービン発電システム。 The nitrogen cycle further includes a nitrogen gas compressor that compresses low-pressure nitrogen gas, a nitrogen gas heater that heats high-pressure nitrogen gas with high-temperature exhaust gas from the reburning combustor, and generates power from the heated high-pressure nitrogen gas. The cold heat utilization gas turbine power generation system according to claim 2, comprising: a nitrogen gas turbine that recovers nitrogen gas.
  5.  前記窒素サイクルは、
     前記窒素ガス圧縮機の出口と前記窒素ガス加熱器の入口との間に設けられ、前記加圧窒素ガスを補充する補充口と、
     前記窒素ガスタービンの出口と前記窒素ガスクーラーの入口との間に設けられ、余剰の低圧窒素ガスを外部に抜き出す抽出口と、を有する、請求項4に記載の冷熱利用ガスタービン発電システム。
    The nitrogen cycle is
    a replenishment port provided between the outlet of the nitrogen gas compressor and the inlet of the nitrogen gas heater and replenishing the pressurized nitrogen gas;
    The cold energy gas turbine power generation system according to claim 4, further comprising an extraction port provided between the outlet of the nitrogen gas turbine and the inlet of the nitrogen gas cooler, and extracting excess low-pressure nitrogen gas to the outside.
  6.  前記炭酸ガスサイクルは、炭酸ガスを圧縮する炭酸ガス圧縮機と、加圧された前記炭酸ガスを前記窒素ガス加熱器の高温排ガスで加熱して高圧高温の前記炭酸ガスを発生させる炭酸ガス加熱器と、高圧高温の前記炭酸ガスから発電動力を回収する炭酸ガス膨張機と、低圧の前記炭酸ガスを冷却する炭酸ガスクーラーと、を有する、請求項4に記載の冷熱利用ガスタービン発電システム。 The carbon dioxide cycle includes a carbon dioxide gas compressor that compresses carbon dioxide gas, and a carbon dioxide gas heater that heats the pressurized carbon dioxide gas with the high temperature exhaust gas of the nitrogen gas heater to generate the high pressure and high temperature carbon dioxide gas. 5. The cold heat gas turbine power generation system according to claim 4, comprising: a carbon dioxide gas expander that recovers power generation from the high-pressure and high-temperature carbon dioxide gas; and a carbon dioxide cooler that cools the low-pressure carbon dioxide gas.
  7.  前記水蒸気サイクルは、凝縮水を加圧する加圧ポンプと、加圧水を前記窒素ガス加熱器の高温排ガスで加熱して高圧高温の水蒸気を発生させる水蒸気加熱器と、高圧高温の前記水蒸気から発電動力を回収する水蒸気タービンと、低圧の前記水蒸気を冷却して前記凝縮水を得る復水器とを有する、請求項4に記載の冷熱利用ガスタービン発電システム。 The steam cycle includes a pressurizing pump that pressurizes condensed water, a steam heater that heats the pressurized water with high-temperature exhaust gas from the nitrogen gas heater to generate high-pressure, high-temperature steam, and generates power generation from the high-pressure, high-temperature steam. The cold heat gas turbine power generation system according to claim 4, comprising: a steam turbine for recovering water vapor; and a condenser for cooling the low-pressure steam to obtain the condensed water.
  8.  前記ガスタービン発電機は、空気を圧縮するガスタービン圧縮機と、前記水素ガスを圧縮空気と加圧酸素ガスで酸素富化燃焼するガスタービン燃焼器と、燃焼ガスで発電動力を得るガスタービンと、を有する、請求項1に記載の冷熱利用ガスタービン発電システム。
     
    The gas turbine generator includes a gas turbine compressor that compresses air, a gas turbine combustor that burns the hydrogen gas with oxygen enrichment using compressed air and pressurized oxygen gas, and a gas turbine that generates power using combustion gas. The cold heat utilization gas turbine power generation system according to claim 1, comprising:
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