JP2018517096A - 新規なマルチループ・ガスタービン及びその作動方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(a)熱効率が改善される範囲で、CO2排出比が減らされる。石炭ベースのプラントは、概して、ガスベースのプラントに環境的観点から競合関係に立つためには、67%高い熱効率で作動しなければならない。
(b)天然ガスの燃焼中に生成される水の回収は、特定の場合には重要となりうる。
(c)再生可能な熱エネルギで作動する小規模プラント(例えば、太陽熱発電)は、適度又は低い最高温度及び入手可能な圧力比で作動する。
(d)水が不足している場合、または全く利用できない場合には、ボトミング・ランキンサイクル無しで対応することが必要になる。
第1の圧縮器及び第2の圧縮器と、
第1の再生器及び第2の再生器と、
第1の燃焼ユニット及び第2の燃焼ユニットと、
第1のタービン及び第2のタービンと、を備え、
第1の圧縮器は、第1の再生器と動作的に連通して、第1の圧縮器から第1の再生器に圧縮ガスを供給し、
第1の再生器は、第1の燃焼ユニットと動作的に連通して、第1の再生器から第1の燃焼ユニットに加熱ガスを供給し、
第1の燃焼ユニットは、第1のタービンと動作的に連通して、第1の燃焼ユニットから第1のタービンに排気ガスを供給し、
第2の圧縮器は、第2の再生器と動作的に連通して、第2の圧縮器から第2の再生器に圧縮ガスを供給し、
第2の再生器は、第2の燃焼ユニットと動作的に連通して、第2の再生器から第2の燃焼ユニットに加熱ガスを供給し、
第2の燃焼ユニットは、第2のタービンと動作的に連通して、第2の燃焼ユニットから第2のタービンに排気ガスを供給し、
第1のタービンは、第2の燃焼ユニットと動作的に連通して、第1のタービンから第2の燃焼ユニットに膨張ガスを供給し、
第2のタービンは、第1の再生器及び第2の再生器と動作的に連通して、第2のタービンから第1の再生器及び第2の再生器に膨張ガスを供給することを特徴とする。
第1の圧縮器、第2の圧縮器及び第3の圧縮器と、
第1の再生器、第2の再生器及び第3の再生器と、
第1の燃焼ユニット、第2の燃焼ユニット及び第3の燃焼ユニットと、
第1のタービン、第2のタービン及び第3のタービンと、を備え、
第1の圧縮器は、第1の再生器と動作的に連通して、第1の圧縮器から第1の再生器に圧縮ガスを供給し、
第1の再生器は、第1の燃焼ユニットと動作的に連通して、第1の再生器から第1の燃焼ユニットに加熱ガスを供給し、
第1の燃焼ユニットは、第1のタービンと動作的に連通して、第1の燃焼ユニットから第1のタービンに排気ガスを供給し、
第2の圧縮器は、第2の再生器と動作的に連通して、第2の圧縮器から第2の再生器に圧縮ガスを供給し、
第2の再生器は、第2の燃焼ユニットと動作的に連通して、第2の再生器から第2の燃焼ユニットに加熱ガスを供給し、
第2の燃焼ユニットは、第2のタービンと動作的に連通して、第2の燃焼ユニットから第2のタービンに排気ガスを供給し、
第3の圧縮器は、第3の再生器と動作的に連通して、第3の圧縮器から第3の再生器に圧縮ガスを供給し、
第3の再生器は、第3の燃焼ユニットと動作的に連通して、第3の再生器から第3の燃焼ユニットに加熱ガスを供給し、
第3の燃焼ユニットは、第3のタービンと動作的に連通して、第3の燃焼ユニットから第3のタービンに排気ガスを供給し、
第1のタービンは、第2の燃焼ユニットと動作的に連通して、第1のタービンから第2の燃焼ユニットに膨張ガスを供給し、
第2のタービンは、第3の燃焼ユニットと動作的に連通して、第2のタービンから第3の燃焼ユニットに膨張ガスを供給し、
第3のタービンは、第1の再生器、第2の再生器及び第3の再生器と動作的に連通して、第3のタービンから第1の再生器、第2の再生器及び第3の再生器に膨張ガスを供給することを特徴とする。
その数がnに等しくnは1より大きい整数である、複数の機能ユニットを備え、
複数の機能ユニットは、それぞれ、圧縮器と、再生器と、燃焼ユニットと、タービンとを備え、
圧縮器は、再生器と動作的に連通して圧縮器から再生器に圧縮ガスを供給し、
再生器は燃焼ユニットと動作的に連通して、再生器から燃焼ユニットに加熱ガスを供給し、
燃焼ユニットは、タービンと動作的に連通して、燃焼ユニットからタービンに排気ガスを供給し、
第n番目の機能ユニット以外の複数の機能ユニットのそれぞれにおいて、タービンは、後の機能ユニットの燃焼ユニットと動作的に連通して、タービンから後の機能ユニットの燃焼ユニットに膨張ガスを供給し、
第n番目の機能ユニットにおいて、タービンは、前の機能ユニットの再生器と動作的に連通して、タービンから前の機能ユニットの再生器に膨張ガスを供給することを特徴とする。
第1の圧縮器から第1の再生器に圧縮ガスを導くこと、
第1の再生器から第1の燃焼ユニットに加熱ガスを導くことと、
第1の燃焼ユニットから第1のタービンに排気ガスを導くことと、
第2の圧縮器から第2の再生器に圧縮ガスを導くことと、
第2の再生器から第2の燃焼ユニットに加熱ガスを導くことと、
第2の燃焼ユニットから第2のタービンに排気ガスを導くことと、
第1のタービンから第2の燃焼ユニットに膨張ガスを導くことと、
第2のタービンから第1の再生器及び第2の再生器に膨張ガスを導くことと、を含むことを特徴とする。
第1の圧縮器から第1の再生器に圧縮ガスを導くことと、
第1の再生器から第1の燃焼ユニットに加熱ガスを導くことと、
第1の燃焼ユニットから第1のタービンに排気ガスを導くことと、
第2の圧縮器から第2の再生器に圧縮ガスを導くことと、
第2の再生器から第2の燃焼ユニットに加熱ガスを導くことと、
第2の燃焼ユニットから第2のタービンに排気ガスを導くことと、
第3の圧縮器から第3の再生器に圧縮ガスを導くことと、
第3の再生器から第3の燃焼ユニットに加熱ガスを導くことと、
第3の燃焼ユニットから第3のタービンに排気ガスを導くことと、
第1のタービンから第2の燃焼ユニットに膨張ガスを導くことと、
第2のタービンから第3の燃焼ユニットに膨張ガスを導くことと、
第3のタービンから第1の再生器、第2の再生器及び第3の再生器に膨張ガスを導くことと、を含むことを特徴とする。
それぞれ、圧縮器と、再生器と、燃焼ユニットと、タービンとを備え、その数がnに等しくnは1より大きい整数である、複数の機能ユニットを設けることと、
複数の機能ユニットのそれぞれにおいて、圧縮器から再生器に圧縮ガスを導くことと、
複数の機能ユニットのそれぞれにおいて、再生器から燃焼ユニットに加熱ガスを導くことと、
複数の機能ユニットのそれぞれにおいて、燃焼ユニットからタービンに排気ガスを導くことと、
第n番目の機能ユニット以外の複数の機能ユニットのそれぞれにおいて、タービンから後の機能ユニットの燃焼ユニットに膨張ガスを供給することと、
第n番目の機能ユニットにおいて、タービンから前の機能ユニットの再生器に膨張ガスを供給することと、を含むことを特徴とする。
付録Aは、本願明細書において用いられる各種の用語を記載する。
しかしながら、圧力は、それぞれπΡ0、π2/3P0及びπ1/3P0であって異なる。本実施形態のすべての加熱ユニットは、同じ上限温度と下限温度の間で作動するが、質量流容量及び圧力レベルにおいて異なる。本実施形態の第1のループの加熱ユニットは、圧力πΡ0かつ質量流wで作動する。本実施形態の加熱ユニットの数は、タービンの数と同一である。
A フロー面積(m2)
B バーナ
BRO ブレイトンオープンサイクル
C 圧縮機
CC 燃焼室
Cp 定圧比熱(kJ/kg/K)
Cv 定積比熱(kJ/kg/K)
ERC エリクソンサイクル
Et,Eta 熱効率(ηと同じ)
GT ガスタービン
Ln 自然対数
m 動作段数
MJ メガジュール
n 膨張/圧縮段の数
NCn n段の新規なクローズドサイクル
NG 天然ガス
NOn n段の新規なオープンサイクル
NOCn n段の新規なオープン/クローズドサイクル
NRE 経常外設備
P0 周囲圧力(kPa)
Pmax 最大サイクル圧力(kPa)
Pmin 最小サイクル圧力(kPa)
PR サイクルまたは圧縮圧力比(πと同じ)
QB 熱供給速度(kW)
QBT 総熱供給速度(kW)
QT タービンへの熱供給速度(kW)
R 気体定数(kJ/kg/K)
REta 単純ブレイトンサイクルに対する相対熱効率
RGi 熱交換器番号i
RW 単純ブレイトンサイクルに対する相対比出力
T タービン
Tmax 最大サイクル温度(K)
Tmin 最低サイクル温度(K)
T0 周囲温度(K)
w 空気質量流量(kg/s)
WC 圧縮動力(kW)
WCE エリクソンサイクルにおける圧縮動力(kW)
Wcm 第m段の圧縮動力(kW)
WCT 総圧縮動力(kW)
WCy サイクル出力(kW)
WT タービン出力(kW)
WTE エリクソンサイクルにおけるタービン出力(kW)
WTT 総タービン出力(kW)
γ 比熱比
η 熱効率
π サイクルまたは圧縮圧力比
τ 断熱圧縮温度比
θ サイクル温度比
ω サイクル比出力の無次元形またはWCpT0に対するサイクル比出力
BRO、ERC、およびRGOサイクルについての相対比サイクル出力ω(無次元形またはWCpT0基準)およびサイクル熱効率ηは、
ωBRO=(θ−τ)(1−1/τ);ηBRO=1−1/τ (1a)
ωERC=[(θ−1)Ln(τ)];ηERC=1−1/θ (1b)
ωRGO=(θ−τ)(1−1/τ);ηRGO=1−τ/θ (1c)
であると、解析によって明らかにすることができる。
周囲温度T0=300Kを仮定し、θ=6(Tmax=1800K)およびθ=3(Tmax=900K)という典型的な高/低の値について、上記の3つのサイクルのωおよびηの挙動が、サイクル圧力比πの典型的な変化について、図B−1および図B−2に示される。
横軸:サイクル圧力比、シータ=3,6
縦軸:比出力
凡例:WBRO6
WERC6
WRGO6
WBRO3
WERC3
WRGO3
横軸:サイクル圧力比、シータ=3
縦軸:熱効率
凡例:EtBRO6
EtERC6
EtRGO6
EtBRO3
EtERC3
EtRGO3
[CO2排出の感受性]
石炭および天然ガスという2つの典型的な化石燃料を考える。文献[3]によれば、比CO2(単位は、g/MJ)は、石炭について約100、天然ガスについて約60であり、(kg/kWh)では、石炭について約(0.36/η)、天然ガスについて(0.216/η)になる。天然ガスを燃料としたときに生じる比水は、約(0.162/η)(単位は、kg/kWh)となり、重要であるならば無視できない量である。図B−3が、これらの燃料について、熱効率に対する比CO2およびH2Oの変化を示している。石炭ベースのプラントが天然ガスに比肩するためには、環境保護に対応できるように、約67%高い熱効率(30%→50%)で稼働しなければならない。
横軸:熱効率
凡例:CO2−NG
H2O−NG
CO2−石炭
新規なクローズドおよび新規なオープン一般サイクル(NOCn)ならびにn個の同等のエリクソンサイクル(ERCn)の両方についての相対比サイクル出力ω(無次元形またはWCpT0基準)およびサイクル熱効率ηは、
ωNOCn=1/2・n(n+1)[θ(1−1/τ1/n)−Ln(τ1/n)] (2a)
ωERCn=1/2・n(n+1)(θ−1)Ln(τ) (2b)
ηNOCn={1−Ln(τ1/n)/[θ(1−1/τ1/n)]} (2c)
ηERCn=1−1/θ (2d)
n=1,2,3,・・・
であると、解析によって明らかにすることができる。
先の検討と同じθ=6およびθ=3という典型的な高/低の値について、ωおよびηの挙動が、同じサイクル圧力比πの典型的な変化について、図C−1(a)、C−1(b)、C−2(a)、およびC−2(b)に示される。
横軸:サイクル圧力比、シータ=3
縦軸:比出力
凡例:WNOC1
WNOC2
WNOC3
WERC1
WERC2
WERC3
横軸:サイクル圧力比、シータ=6
縦軸:比出力
凡例:WNOC1
WNOC2
WNOC3
WERC1
WERC2
WERC3
横軸:サイクル圧力比、シータ=6
縦軸:熱効率
凡例:EtNOC1
EtNOC2
EtNOC3
EtERC
横軸:サイクル圧力比、シータ=3
縦軸:熱効率
凡例:EtNOC1
EtNOC2
EtNOC3
EtERC
同じπおよびθのためのn個の同等のエリクソンサイクルの合計に対し、n個の圧縮/膨張段ならびに典型的な圧力比π=10、20、30、40およびθ=3、6における比出力および熱効率の変化が、図C−3および図C−4に示される。
横軸:膨張段の数n
縦軸:相対比出力
凡例:PR=10 θ=3
PR=20 θ=3
PR=30 θ=3
PR=40 θ=3
PR=10 θ=6
PR=20 θ=6
PR=30 θ=6
PR=40 θ=6
横軸:膨張段の数n
縦軸:相対熱効率
凡例:PR=10 θ=3
PR=20 θ=3
PR=30 θ=3
PR=40 θ=3
PR=10 θ=6
PR=20 θ=6
PR=30 θ=6
PR=40 θ=6
メタンは、石炭と比べて燃焼により多くの酸素を必要とする。炭化水素成分が多いと、メタンよりもさらに多くの酸素が必要になるが、それらの質量割合はきわめて小さい。単純化のために、燃料をメタンだけであると考える。新規な一般的なオープンサイクルの構成について、燃焼室(CCnm)における2および3段の膨張についての相対空気対燃料比の変化が、図C−5にθ=6という高い値について示されている。空気対燃料混合物が、前段のタービン排気の混合ゆえに、連続するバーナにおいて濃くなることが明らかである。最後のバーナの相対空気対燃料比は、安定かつ完全な燃焼の実現可能範囲になければならない。この問題は、θの値がより小さいほど重要でなくなり、外部加熱を有するクローズドサイクルにおいては重要でない。
横軸:サイクル圧力比、シータ=6
縦軸:相対空気/燃料比
凡例:CC21
CC22
CC31
CC32
CC33
図C−1(a)、C−1(b)、C−2(a)、およびC−2(b)を参照する。ボトミング・ランキンサイクルを必要とせずに高い比出力およびカルノー熱効率への接近を同時に達成するという新規なガスタービン・サイクルについて述べた基本目的が、充分に実現されている。比出力が、圧力比につれて単調に増加し、熱効率が低下するが、比出力の増加の速度は、熱効率の低下と比べてはるかに大きい。圧縮/膨張段の数が1、2、3と増加するとき、一般的なサイクルの比出力とエリクソンサイクルの同等の和との間の差は、小さくなる。熱効率の傾向も、同様である。
上述のように、新規のクローズド/オープンサイクルは、レイアウトの複雑さならびに回転および不動の部品の数が増すが、効率および比出力の両方に関して性能を大幅に向上させる。これは、複合サイクル方式および比較のために上記で検討した同等のエリクソンサイクル方式の和にも当てはまる。ガスタービンのハードウェアの主要なコスト要素は、軸流圧縮機およびタービン、とりわけ冷却されるタービンのロータおよびステータブレードの異なる種類の数である。同じ部品をより多数使用することで、「原型」、「金型」、治具および固定具、工作機械、ならびにバランス用リグの1回限りのNREコストが分担されるため、全体としてのコストが低くなる。この特徴を、主要な部品について説明する。
圧縮機:例えば、n=3の図7および図10を参照する。すべての圧縮機は、同じ質量流量および吸入状態で動作する。第1のループの圧縮機は、3段圧縮機であり、すなわち直列なC1、C2、およびC3の各々がπ1/3という圧縮比を有する。第2のループの圧縮機は、各々がπ1/3という圧縮比を有する直列なC1およびC2を備える。第3のループの圧縮機は、π1/3という圧縮比を有するC1だけである。したがって、合計の圧縮機ハードウェアが(3C1+2C2+C3)である基準のサイクルと同様に、ロータおよびステータベーンの同じ組がより多数必要である。
AT1∝{[W(RθT0)1/2]/[πP0f(πT,γ)]}∝W/π (3a)
AT2∝2(W/π)πT (3b)
AT3∝3(W/π)πT 2 (3c)
したがって、タービンT2およびT3について、T1の複数のユニットを使用することができる。例えば、π=27およびπT=3の場合、T2についての6つのT1ユニットおよびT3についての27個のT1ユニットが必要になる。π=8およびπT=2の低い圧力比の場合、T2についての4つのT1ユニットおよびT3についての12個のT1ユニットが必要になる。したがって、基準のサイクルと同じロータおよびステータブレードの組が必要であるが、数量は大幅に多くなる。このように、π=27および8において、総タービンハードウェアはそれぞれ(34T1または14T1)になる。これらの数字は、大きすぎて現実的でないように思えるが、最終決定を下す前に、全体としてのプラントの複雑さおよびコストを精査する必要がある。当然ながら、圧縮機、タービン、および負荷の間の機械的なシャフトの接続が、何らかの革新的な解決策を必要とすることは確かである。そのような概念は、例えば分散型の推進力によるブレンデッドウイングボディにおいて考慮される。
熱交換器:図7を参照する。すべての熱交換器は、高温側のフロー条件が同じである。低温側において、質量流量および温度はやはり同じであるが、圧力はそれぞれπP0、π2/3P0、およびπ1/3P0と異なる。(タービンの場合と)同様の等エントロピー圧縮流の解析により、以下を推定できる。
ARG1∝W/π (4a)
ARG2∝W/π2/3 (4b)
ARG3∝W/π1/3 (4c)
第1の熱交換器RG1が、基準のサイズとなり、他の2つの熱交換器RG2およびRG3を、RG1の複数のユニットで製作できる。実用性のための革新的なパッケージングの解決策が必要である。
AB1∝W/π (5a)
AB2∝2W/π2/3 (5b)
AB3∝3W/π1/3 (5c)
したがって、必要なバーナ/ヒータユニットの数は、式3(a)〜3(c)のように、使用されるそれぞれのタービンユニットと同じになる。
式の導出
本書類に示される式の詳細な導出が、とりわけ新規なサイクル方式に関して、完全を期すためにここに添付される。すべてのサイクルに共通の乾燥周囲条件は、圧力P0(単位は、kPa)および温度T0(単位は、K)である。空気質量流量は、win(kg/s)であり、気体定数R(単位は、kJ/kg/K)、定圧比熱Cp(単位は、kJ/kg/K)、および比熱比γ=Cp/Cvの各特性は、一定であると仮定される。さらに2つの変数、すなわちサイクル温度比θおよびサイクル圧力比πが、すべてのサイクルを定める。θは、サイクル温度比(Tmax/Tmin)であり、πは、サイクル圧力比(Pmax/Pmin)である。サイクル圧力比πは、全体としての圧縮圧力比でもあり、したがって等エンタルピ圧縮温度比τは、πγ−1/γに等しく、ここでγは、比熱比Cp/Cvである。下記に見られるとおり、解析的導出において、「τ」は、τT=const=1のときに[R・Ln(π)=Cp・Ln(τ)]として「等温」プロセスについても「π」より便利な変数である。新規なサイクルは、もう1つのパラメータn、すなわち圧縮/膨張段の数(n=1,2,3,など)を必要とする。したがって、膨張段圧力比はπ1/nであり、圧縮段圧力比はπm/nになり、mはnから1へ減少する。「SI」単位系が使用され、したがって(wCpT0)の単位はkWsである。
図2を参照する。断熱圧縮機動力(単位は、kW)は、
WC=wCpT0(τ−1) (a1)
によって与えられる。
断熱タービン出力(単位は、kW)は、
WT=wCpT0θ(1−1/τ) (a2)
によって与えられる。
サイクル出力は、
WCy=WT−WC=wCpT0[θ(1−1/τ)−(τ−1)] (a3)
によって与えられる。
比出力ωは、WCy/(wCpT0)として定められ、あるいは
ωBRO=(θ−τ)(1−1/τ) (1a)
である。
熱入力速度(単位は、kW)は、
QB=wCpT0(θ−τ) (a4)
によって与えられ、したがってサイクル熱効率は、
ηBRO=WCy/QB=(1−1/τ) (1a)
によって与えられる。
図3を参照する。等温圧縮機動力(単位は、kW)は、断熱圧縮温度比τ=πγ−1/γに関して、
WC=wRT0Ln(π)=wCpT0Ln(τ) (a5)
によって与えられる。
圧縮の際の排熱の速度は、QC=WCである。
同様に、等温タービン出力(単位は、kW)は、
WT=wCpT0θLn(τ) (a6)
によって与えられる。
膨張時の熱供給速度は、QT=WTになる。
サイクル出力は、
WCy=WT−WC=wCpT0Ln(τ)(θ−1) (a7)
である。
比出力は、ω=WCy/(wCpT0)、または
ωERC=Ln(τ)(θ−1) (1b)
である。
サイクル熱効率は、η=WCy/QT、または、
ηERC=(1−1/θ) (1b)
である。
図4を参照する。断熱圧縮機動力(単位は、kW)は、
WC=wCpT0(τ−1) (a8)
によって与えられる。
断熱タービン出力(単位は、kW)は、
WT=wCpT0θ(1−1/τ) (a9)
によって与えられる。
サイクル出力は、
WCy=WT−WC=wCpT0[θ(1−1/τ)−(τ−1)] (a10)
である。
比出力は、ω=WCy/(wCpT0)、または
ωRGO=(θ−τ)(1−1/τ) (1c)
である。
空気が熱交換器においてタービン出口温度まで加熱されることに注目して、熱入力速度(単位は、kW)は、
QB=wCpT0(θ−θ/τ) (a11)
になる。
したがって、サイクル熱効率は、η=WCy/QBになり、
ηRGO=(θ−τ)/θ=(1−τ/θ) (1c)
である。
図5〜10を参照する。すべての圧縮段は、処理する空気/ガスの質量流量が同じであり、等温的に動作する。連続する圧縮段は、πm/nという減少した圧縮比にて動作し、ここでmはnから1へ減少する。したがって、各段の圧縮動力は、
WCm=wRT0Ln(πm/n) (a12)
と表すことができる。
したがって、総圧縮動力を、
WCT=wRT0Ln(π)Σ(m)/n (a13)
と表すことができる。
さらにΣ(m)=1/2・n(n+1)、τ=πγ−1/γ、およびτ=(τ1/n)nに注目して、総圧縮動力についての式を、
WCT=1/2・n(n+1)wCpT0Ln(τ1/n) (a14)
と書くことができる。
すべてのタービンは、同じ入口温度T0θ、同じ(π1/n)という圧力比または(τ1/n)という温度比で動作する。連続する各段の質量流量は、累積的である。したがって、総タービン出力を、
WTT=wCpT0θ(1−1/τ1/n)Σ(m)
=1/2・n(n+1)wCpT0θ(1−1/τ1/n) (a15)
と表すことができる。
サイクル出力は、
WCy=WTT−WCT
=1/2・n(n+1)wCpT0[θ(1−1/τ1/n)−Ln(τ1/n)] (a16)
になる。
比出力は、ω=WCy/(wCpT0)、または
ωNOCn=1/2・n(n+1)[θ(1−1/τ1/n)−Ln(τ1/n)] (2a)
である。
バーナ/ヒータは、(T0θ−T0θ/τ1/n)という同じ温度差の間で動作するが、それらの空気および燃料の質量流量は、累積的である。両方の種類について加えられる熱の総速度は、
QBT=1/2・n(n+1)wCpT0θ(1−1/τ1/n) (a17)
に同様に等しい。
サイクル熱効率は、η=WCy/QBTになり、あるいは
ηNOCn={1−Ln(τ1/n)/[θ(1−1/τ1/n)]} (2c)
である。
n段の新規な一般的サイクルは、n個のエリクソンサイクルの集まりと同等であると考えられる。各々は、同じサイクル温度比θで動作するが、圧力比はπm/nであり、ここでmはnから1へ減少する。
Σ(m/n)=1/2・(n+1)であるため、n個のサイクルの全体の圧縮、膨張、およびサイクル出力は、
WCE=1/2・(n+1)wCpT0Ln(τ) (a18)
WTE=1/2・(n+1)wCpT0θLn(τ) (a19)
WCY=1/2・(n+1)wCpT0(θ−1)Ln(τ) (a20)
となる。
ωERCn=1/2・(n+1)(θ−1)Ln(τ) (2b)
ηERCn=1−1/θ (2d)
n=1,2,3,・・・
[1]Horlock,J.H.,2003,“Advanced Gas Turbine Cycles,”Pergamon,Elsevier Science Ltd.,Amsterdam.
[2]Medina,A.,Sanchez−Orgaz,S.,Calvo Hernandez,A.,2013,“Solar−Driven Gas Turbine Power Plants,Renewable Energy and Power Quality Journal,No.11.
[3]Staffell,I.,2011,“The Energy and Fuel Data Sheet,”University of Birmingham,UK.
[4]――――――――,2005,“SOLGATE:Solar Hybrid Gas Turbine Electric Power System”,European Commission Report,EUR 21615.
[5]Muto,Y.,Ishizuka,T.,Aritomi,M.,Watanabe,N.,2014,“Comparison of Supercritical CO2 Gas Turbine Cycle and Brayton CO2 Gas Turbine Cycle for Solar Thermal Power Plants”,The 4th International Symposium − Supercritical CO2 Power Cycles,September 9−10,Pittsburgh,Pennsylvania,US.
[6]Sane,S.K.,“Novel Multiloop Gas Turbine and Method of Operation thereof”,Provisional Indian Patent Application No.1595/MUM/2015,dated 17 April 2015.
[7]Gas Turbine Engineering Handbook(4th Ed),Meherwan P.Boyce,ELSEVIER,Butterworth−Heinemann,2012.
[8]Industrial Gas Turbines,Performance and Operability includes CD−ROM by Gas Path Analysis Ltd,,A M Y Razak,in North America CRC Press,Woodhead Publishing Ltd,Cambridge,England,2007.
19世紀の中頃は、ガスタービンエンジンの開発への道を開くカルノー、ランキン、ブレイトン(ジュール)、およびエリクソン(スターリング)などの有名人に関係する。しかしながら、高い出力比および高い熱効率を同時に達成するという目標は、基本的なブレイトン方式では満たされていない。再生(回収)、再加熱、および等温(断熱ではなく)圧縮/膨張などのいくつかの付加物が、提案されている。実用限界も存在する。圧縮(サイクル)圧力比(π)は、空気力学的に制限され、最大ガス温度またはサイクル温度比(θ)は、利用可能な高価な高温材料および冷却技術によって制限される。単純なオープンサイクル・ガスタービンは、周囲圧力境界の間で動作し、大きな排気熱損失が常に伴う。複合サイクルは、ボトミング・ランキンサイクルを組み合わせることによってこれに対処するが、複雑さが増し、水が必要になる。
20世紀の後半においては、ガスタービン開発は、自然環境の悪化をあまり懸念することなく、主として経済的な要因のみにより、高いガス温度(1900K)、中程度に高い圧力比(20〜30)、高い燃料−送電線効率(≧60%)、および石炭ガス化戦略による大型の複合サイクルプラントをもたらした。次の50年のためのロードマップは、正味のgCO2/kWhの削減、分散型の発電/消費に向けたより小型のユニット、低温の再生可能熱源の使用、および手頃さを考慮しなければならない。水の利用可能性および使用も、将来において重要になりつつあり、したがって膨大な安価な石炭の埋蔵を無視するわけにはいかない。
Claims (26)
- 第1の圧縮器及び第2の圧縮器と、
第1の再生器及び第2の再生器と、
第1の燃焼ユニット及び第2の燃焼ユニットと、
第1のタービン及び第2のタービンと、を備え、
前記第1の圧縮器は、前記第1の再生器と動作的に連通して、前記第1の圧縮器から前記第1の再生器に圧縮ガスを供給し、
前記第1の再生器は、前記第1の燃焼ユニットと動作的に連通して、前記第1の再生器から前記第1の燃焼ユニットに加熱ガスを供給し、
前記第1の燃焼ユニットは、前記第1のタービンと動作的に連通して、前記第1の燃焼ユニットから前記第1のタービンに排気ガスを供給し、
前記第2の圧縮器は、前記第2の再生器と動作的に連通して、前記第2の圧縮器から前記第2の再生器に圧縮ガスを供給し、
前記第2の再生器は、前記第2の燃焼ユニットと動作的に連通して、前記第2の再生器から前記第2の燃焼ユニットに加熱ガスを供給し、
前記第2の燃焼ユニットは、前記第2のタービンと動作的に連通して、前記第2の燃焼ユニットから前記第2のタービンに排気ガスを供給し、
前記第1のタービンは、前記第2の燃焼ユニットと動作的に連通して、前記第1のタービンから前記第2の燃焼ユニットに膨張ガスを供給し、
前記第2のタービンは、前記第1の再生器及び前記第2の再生器と動作的に連通して、前記第2のタービンから前記第1の再生器及び前記第2の再生器に膨張ガスを供給することを特徴とする発電システム。 - 前記第1の燃焼ユニット及び前記第2の燃焼ユニットのそれぞれが燃焼を実行するために燃料供給源からの燃料を利用する請求項1記載の発電システム。
- 燃料供給源を含む燃料貯蔵部を更に備え、前記燃料貯蔵部は前記第1の燃焼ユニット及び前記第2の燃焼ユニットのそれぞれと動作的に連通する請求項2記載の発電システム。
- 燃料供給源は、(a)天然ガス、(b)メタン、(c)灯油、(d)ディーゼル燃料、(e)ガソリン、(f)石炭、(g)可燃性の油、(h)可燃性の木、(i)あらゆる可燃性材料、(j)液体炭化水素、(k)ガス状炭化水素、(1)水素、(m)ジェット燃料、および、(n)それらのあらゆる組み合わせ、からなる群から選択される請求項3記載の発電システム。
- 前記第1の圧縮器及び前記第2の圧縮器のそれぞれが冷却剤を利用する請求項1記載の発電システム。
- 前記第1の再生器は、前記第1の圧縮器から前記第1の圧縮器で使用された冷却剤の少なくとも一部を受け取るように構成され、
前記第2の再生器は、前記第2の圧縮器から前記第2の圧縮器で使用された冷却剤の少なくとも一部を受け取るように構成される請求項5記載の発電システム。 - 冷却剤回収貯蔵部を更に備え、前記冷却剤回収貯蔵部は前記第1の再生器及び前記第2の再生器のそれぞれに動作的に連通し、前記第1の再生器及び前記第2の再生器のそれぞれから回収した冷却材を受け取る請求項6記載の発電システム。
- 前記第1の圧縮器は、前記第1の再生器から回収された冷却剤を受け取るように構成され、
前記第2の圧縮器は、前記第2の再生器から回収された冷却剤を受け取るように構成される請求項6記載の再生器。 - 前記冷却剤は、(a)水、(b)メタノール、(c)エタノール、および、(d)それらのあらゆる組み合わせからなる群から選択される請求項7記載の発電システム。
- 前記第1の再生器は熱交換器であり、
前記第2の再生器は熱交換器である請求項1記載の発電システム。 - 各熱交換器が対向流式熱交換器である請求項1記載の発電システム。
- 前記第1の燃焼ユニットは、第1の内部燃焼バーナを備え、
前記第2の燃焼ユニットは、第2の内部燃焼バーナを備える請求項1記載の発電システム。 - 前記第1の燃焼ユニットは、第1の外部燃焼バーナを備え、
前記第2の燃焼ユニットは、第2の外部燃焼バーナを備える請求項1記載の発電システム。 - 前記第1の燃焼ユニットは、原子力を利用し、
前記第2の燃焼ユニットは、原子力を利用する請求項1記載の発電システム。 - 前記第1の燃焼ユニット及び前記第2の燃焼ユニットのそれぞれが再生可能な出力源を利用する請求項1の発電システム。
- 再生可能な出力源は、(a)太陽熱、(b)地熱、(c)バイオマス燃料、(d)海洋温度差、および、(e)それらのあらゆる組み合わせからなる群から選択される請求項15記載の発電システム。
- 前記第1の圧縮器は、多段圧縮機であり、
前記第2の圧縮器は、多段圧縮機であり、
前記第1の圧縮器は、前記第2の圧縮器より多くの段を有する請求項1記載の発電システム。 - 前記第1のタービンと動作的に連通し、前記第1のタービンの回転によって回転が生じる第1の発生器と、
前記第2のタービンと動作的に連通し、前記第2のタービンの回転によって回転が生じる第2の発生器と、を更に備える請求項1記載の発電システム。 - 前記第1の圧縮器からの前記圧縮ガスは空気であり、
前記第2の圧縮器からの前記圧縮ガスは空気である請求項1記載の発電システム。 - 第1の圧縮器、第2の圧縮器及び第3の圧縮器と、
第1の再生器、第2の再生器及び第3の再生器と、
第1の燃焼ユニット、第2の燃焼ユニット及び第3の燃焼ユニットと、
第1のタービン、第2のタービン及び第3のタービンと、を備え、
前記第1の圧縮器は、前記第1の再生器と動作的に連通して、前記第1の圧縮器から前記第1の再生器に圧縮ガスを供給し、
前記第1の再生器は、前記第1の燃焼ユニットと動作的に連通して、前記第1の再生器から前記第1の燃焼ユニットに加熱ガスを供給し、
前記第1の燃焼ユニットは、前記第1のタービンと動作的に連通して、前記第1の燃焼ユニットから前記第1のタービンに排気ガスを供給し、
前記第2の圧縮器は、前記第2の再生器と動作的に連通して、前記第2の圧縮器から前記第2の再生器に圧縮ガスを供給し、
前記第2の再生器は、前記第2の燃焼ユニットと動作的に連通して、前記第2の再生器から前記第2の燃焼ユニットに加熱ガスを供給し、
前記第2の燃焼ユニットは、前記第2のタービンと動作的に連通して、前記第2の燃焼ユニットから前記第2のタービンに排気ガスを供給し、
前記第3の圧縮器は、前記第3の再生器と動作的に連通して、前記第3の圧縮器から前記第3の再生器に圧縮ガスを供給し、
前記第3の再生器は、前記第3の燃焼ユニットと動作的に連通して、前記第3の再生器から前記第3の燃焼ユニットに加熱ガスを供給し、
前記第3の燃焼ユニットは、前記第3のタービンと動作的に連通して、前記第3の燃焼ユニットから前記第3のタービンに排気ガスを供給し、
前記第1のタービンは、前記第2の燃焼ユニットと動作的に連通して、前記第1のタービンから前記第2の燃焼ユニットに膨張ガスを供給し、
前記第2のタービンは、前記第3の燃焼ユニットと動作的に連通して、前記第2のタービンから前記第3の燃焼ユニットに膨張ガスを供給し、
前記第3のタービンは、前記第1の再生器、前記第2の再生器及び前記第3の再生器と動作的に連通して、前記第3のタービンから前記第1の再生器、前記第2の再生器及び前記第3の再生器に膨張ガスを供給することを特徴とする発電システム。 - その数がnに等しくnは1より大きい整数である、複数の機能ユニットを備え、
前記複数の機能ユニットは、それぞれ、圧縮器と、再生器と、燃焼ユニットと、タービンとを備え、
前記圧縮器は、前記再生器と動作的に連通して前記圧縮器から前記再生器に圧縮ガスを供給し、
前記再生器は前記燃焼ユニットと動作的に連通して、前記再生器から前記燃焼ユニットに加熱ガスを供給し、
前記燃焼ユニットは、タービンと動作的に連通して、前記燃焼ユニットから前記タービンに排気ガスを供給し、
第n番目の機能ユニット以外の複数の機能ユニットのそれぞれにおいて、タービンは、後の機能ユニットの燃焼ユニットと動作的に連通して、前記タービンから後の機能ユニットの燃焼ユニットに膨張ガスを供給し、
前記第n番目の機能ユニットにおいて、タービンは、前の機能ユニットの再生器と動作的に連通して、前記タービンから前の機能ユニットの再生器に膨張ガスを供給することを特徴とする発電システム。 - 前記nが2、3または4である請求項21記載の発電システム。
- 第1の圧縮器から第1の再生器に圧縮ガスを導くこと、
前記第1の再生器から第1の燃焼ユニットに加熱ガスを導くことと、
前記第1の燃焼ユニットから第1のタービンに排気ガスを導くことと、
第2の圧縮器から第2の再生器に圧縮ガスを導くことと、
前記第2の再生器から第2の燃焼ユニットに加熱ガスを導くことと、
前記第2の燃焼ユニットから第2のタービンに排気ガスを導くことと、
前記第1のタービンから前記第2の燃焼ユニットに膨張ガスを導くことと、
前記第2のタービンから前記第1の再生器及び前記第2の再生器に膨張ガスを導くことと、を含むことを特徴とする発電方法。 - 第1の圧縮器から第1の再生器に圧縮ガスを導くことと、
前記第1の再生器から第1の燃焼ユニットに加熱ガスを導くことと、
前記第1の燃焼ユニットから第1のタービンに排気ガスを導くことと、
第2の圧縮器から第2の再生器に圧縮ガスを導くことと、
前記第2の再生器から第2の燃焼ユニットに加熱ガスを導くことと、
前記第2の燃焼ユニットから第2のタービンに排気ガスを導くことと、
第3の圧縮器から第3の再生器に圧縮ガスを導くことと、
前記第3の再生器から第3の燃焼ユニットに加熱ガスを導くことと、
前記第3の燃焼ユニットから第3のタービンに排気ガスを導くことと、
前記第1のタービンから前記第2の燃焼ユニットに膨張ガスを導くことと、
前記第2のタービンから前記第3の燃焼ユニットに膨張ガスを導くことと、
前記第3のタービンから前記第1の再生器、前記第2の再生器及び前記第3の再生器に膨張ガスを導くことと、を含むことを特徴とする発電方法。 - それぞれ、圧縮器と、再生器と、燃焼ユニットと、タービンとを備え、その数がnに等しくnは1より大きい整数である、複数の機能ユニットを設けることと、
前記複数の機能ユニットのそれぞれにおいて、前記圧縮器から前記再生器に圧縮ガスを導くことと、
前記複数の機能ユニットのそれぞれにおいて、前記再生器から前記燃焼ユニットに加熱ガスを導くことと、
前記複数の機能ユニットのそれぞれにおいて、前記燃焼ユニットから前記タービンに排気ガスを導くことと、
第n番目の機能ユニット以外の複数の機能ユニットのそれぞれにおいて、タービンから後の機能ユニットの燃焼ユニットに膨張ガスを供給することと、
第n番目の機能ユニットにおいて、タービンから前の機能ユニットの再生器に膨張ガスを供給することと、を含むことを特徴とする発電方法。 - 前記nが2、3または4である請求項25記載の発電方法。
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