JP3897674B2

JP3897674B2 - Gas turbine plant

Info

Publication number: JP3897674B2
Application number: JP2002301671A
Authority: JP
Inventors: 雅博小林; 宗弥若井; 靖毛利
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-10-16
Filing date: 2002-10-16
Publication date: 2007-03-28
Anticipated expiration: 2022-10-16
Also published as: JP2004137929A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンの動力を用いて発電等を行うガスタービンプラントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンプラントは、図１に示すように、圧縮機２０、燃焼器２１、タービン２２の要素からなる原動機とされたガスタービンを備え、且つ、発電用の発電機１０、及び、ガスタービンに関わる燃料供給用の回路等を含んで構成されている。このガスタービンの燃料には、一般に天然ガス（液化ガス）が用いられるが、天然ガスは液化された状態の液化天然ガス（以下、「ＬＮＧ」と称す。）としてガスタービンプラント１の近隣に貯蔵されて供給されるため、これを気化させて用いる必要がある。したがって、ガスタービンプラントにはＬＮＧを気化するための設備が備えられて構成されることが一般的である。また、ガスタービンから排出された排出ガスを可能な限り無害にして大気中に放出するための様々な設備も備えられている。
【０００３】
ガスタービンの動作について説明すると、図に示すように、圧縮機２０には大気中の空気が取り込まれ、この圧縮作用によって圧縮された後、燃焼器２１に送られる。燃焼器２１には、圧縮された空気の他に海水との熱交換によって気化した天然ガスが供給され、これらが混合された混合ガスの状態で燃焼が行われる。
燃焼器２１での燃焼によって生成された燃焼ガスは、高い温度状態のままタービン２２に供給され、膨張することでタービン２２を回転させる。そして、タービン２２の回転によって回転軸１２が回転し、この回転軸１２が繋がる発電機１０による発電が行われる。
【０００４】
その際、タービン２２から排出される排出ガスは、主に窒素（Ｎ２）、二酸化炭素（ＣＯ_２）、一酸化窒素（ＮＯ）や二酸化窒素（ＮＯ_２）等の窒素酸化物（ＮＯｘ）、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）の成分からなり、この多くが数百℃の高温状態のまま大気中に放出される。
【０００５】
さて、上述のように、使用段階の燃料となる天然ガスをＬＮＧと海水との間の熱交換によって生成することを説明したが、この場合、ＬＮＧの冷熱を海水に投棄していることになるので、エネルギーの有効利用の観点において問題となっていた。また、これに伴って海水の温度低下が生じ、海洋の生態系に悪影響を及ぼすことが懸念されていた。
【０００６】
上記問題を解決すべく、ＬＮＧの冷熱を有効利用して発電を行う装置の一例が既に開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
この構成によると、ＬＮＧの冷熱を用いて二酸化炭素を冷却することで液化を促し、液化した二酸化炭素を用いて排出ガスを冷却することで排出ガス中の二酸化炭素を分離する。そして、排出ガスの冷却に用いることで気化した二酸化炭素を再びガスタービンに戻して循環させている。
【０００７】
これにより、二酸化炭素がガスタービンの作動流体として循環する閉回路が構成されることになり、ガスタービンへの吸入側に二酸化炭素と酸素と気化したＬＮＧとをそれぞれ導入することにより、燃焼を制御して窒素酸化物の発生も抑えることができるとされている。また、ガスタービンに供給される二酸化炭素が比較的低温であり、且つ既に高圧であるために圧縮機を必要としないとも開示されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−１５９３１８号公報（第２１−３０段落、第１図）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
さて、上述したガスタービンプラントにおいて、そのほとんどはＬＮＧの冷熱を海水に投棄しているため、海水の温度低下によって生じる海洋の生態系に悪影響を及ぼすことが懸念されていた。また、海水を利用するため、ＬＮＧを気化させるための設備が腐食しやすく、さらには海中生物の発生による気化設備の故障等の弊害も懸念されていた。
【００１０】
このため、上述の特許文献１に開示されているようにＬＮＧの冷熱を利用して排出ガスを冷却し、二酸化炭素を液体として取り出しつつ循環させる方法が検討されているが、ガスタービンプラントにおけるエネルギー効率をさらに向上させる方法においてはさらなる改良の余地がある。
【００１１】
すなわち、ガスタービンプラントにおいて二酸化炭素を循環させる場合、空気を導入してガスタービンを運転することと異なり、この起動において二酸化炭素が関与することにより困難である。
また、二酸化炭素とＬＮＧとの間で熱交換を行うことが主たる作用として明記されているが、これらの沸点を比べた場合、図４に示すように二酸化炭素の沸点が約−７９℃（固体→気体）であることに対し、ＬＮＧの沸点が約−１６２℃と大幅に離れているため、冷熱エネルギーの利用の点において最良であるとは言い難い。
また、窒素酸化物の排出を抑えることについては、燃焼の制御によるものであり、完全なる除去は困難であるためこの点についてもさらなる改善の余地がある。
【００１２】
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、液化された燃料の冷熱を有効利用するとともに、二酸化炭素及び窒素酸化物の排出を皆無としたエネルギー利用効率の高いガスタービンプラントを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
【００１５】
請求項１に記載の発明は、導入される気体を圧縮する圧縮機と、前記気体と燃料とを混合燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼ガスにより回転するタービンとを備えたガスタービンプラントにおいて、前記タービンより排出された排出ガスを取り込むとともに前記圧縮機に排出ガス中の窒素を供給する窒素循環回路が備えられてなり、該窒素循環回路には、前記タービンから排出された排出ガス中の窒素酸化物を取り除く脱硝手段と、前記燃料の冷熱を用いて前記排出ガス中の水分を凝縮する脱水手段と、前記燃料の冷熱を用いて排出ガス中の二酸化炭素を固化する脱炭酸ガス手段とが備えられ、前記脱炭酸ガス手段を経た窒素を圧縮して前記燃料と混合燃焼させることを特徴とする。
【００１６】
このような構成によれば、タービンから排出された排出ガスは、脱硝手段、脱水手段、及び脱炭素ガス手段により、この一部が既に含まれた窒素と同一な窒素（Ｎ_２）に生成され、得られた窒素が窒素循環回路を流通することで圧縮機に供給される。そして、該圧縮機で圧縮された窒素は燃焼器に供給されることになる。すなわち、排出ガスに含まれる窒素及び排出ガスから生成された窒素は、ガスタービンプラントの作動流体の一部として略閉回路とされた窒素循環回路を流通し、圧縮機、燃焼器、及びタービンを辿ることになる。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載のガスタービンプラントにおいて、前記窒素循環回路には、該回路内を流通する窒素と燃料との間で熱交換を行う窒素冷却用熱交換器が備えられてなることを特徴とする。
【００１８】
このような構成によれば、圧縮機に供給される窒素は、燃料との熱交換を行うことにより、燃料の冷熱を奪って冷却されることになり、また、燃料は、窒素が有する熱を奪って加熱されることになる。
【００１９】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２記載のガスタービンプラントにおいて、前記窒素循環回路には、該回路内を流通する排出ガスと前記圧縮機にて圧縮された前記気体との間で熱交換を行う再生器が備えられてなることを特徴とする。
【００２０】
このような構成によれば、タービンから排出された窒素を有する排出ガスは、圧縮機によって圧縮された気体との熱交換によって該気体の熱を奪って冷却されることになり、また、圧縮機にて圧縮された窒素を有する気体は排熱を奪って加熱されることになる。なお、熱交換が行われる温度域が共に高いことが予想されるため、再生器の配置については、窒素循環回路の上流側に位置させることが望ましい。
【００２１】
請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のガスタービンプラントにおいて、前記脱炭酸ガス手段には、生成される二酸化炭素の固体を撹拌するＣＯ_２撹拌手段が備えられてなることを特徴とする。
【００２２】
このような構成によれば、脱炭酸ガス手段に導入された排出ガスは、燃料の冷熱を奪って低温となった窒素と効率的に混ざり合うことになり、二酸化炭素の沸点以下に到達した段階で固化する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る実施形態について図面を用いて説明する。
図１は本実施形態のガスタービンプラント１の構成図である。このガスタービンプラント１には、導入される気体として窒素（Ｎ_２）を圧縮する圧縮機２０と、窒素及び酸素と燃料である天然ガスとを混合燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器２１と、燃焼ガスにより回転するタービン２２とが備えられ、圧縮機２０とタービン２２とは発電機１０に繋がる回転軸１２にて接続される。なお、図においては発電機１０の手前に変速機１１が設けられている。
【００２４】
圧縮機２０には、本発明の特徴である窒素がガスタービンの作動流体として供給される構成とされており、該窒素は、ここで圧縮された後、燃焼器２１に送られる。なお、圧縮機２０に供給される窒素はタービン２２から排出される排出ガス中に含まれる窒素及び窒素酸化物から生成されるものであり、排出ガスから窒素が生成される過程については後で説明する。
【００２５】
燃焼器２１には、上述の圧縮機２０にて圧縮された窒素と、気化状態とされた常温のＬＮＧ、すなわち天然ガスとが供給されることに加え、常温の酸素（Ｏ２）が供給される。
上記天然ガスは、紙面下方に記載されたＬＮＧ貯蔵タンク５０からポンプ５１によって供給されており、供給される過程で排出ガス等との熱交換を行うことによって気化し燃焼器２１に送られる。
また、上記酸素は、酸素製造用熱交換器３５における極低温なＬＮＧと大気中の空気との熱交換によって分離されることで得られるものである。この方法は深冷分離法と呼ばれる。なお、深冷分離法で得られた窒素は無害であるので大気中に放出される。
【００２６】
燃焼器２１に窒素、天然ガス、及び酸素が供給されて混合されると、該混合ガスに対して点火が行われ、燃焼に伴って発生した約１０００℃の燃焼ガスはタービン２２に供給される。そして、この燃焼ガスは、タービン２２内で膨張する過程でタービン２２を回転させ、タービン２２の排出側から排出ガスとして約５００℃の高温状態のまま排出される。
なお、タービン２２から排出される排出ガスは、燃焼ガスと同等成分で構成され、その成分は、窒素（Ｎ_２）、二酸化炭素（ＣＯ_２）、一酸化炭素（ＮＯ）、二酸化窒素（ＮＯ_２）、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）である。
【００２７】
さて、タービン２２から排出された排出ガスから窒素のみをガスタービンの作動流体の一部として取り出すため、タービン２２から圧縮機２０に戻る略閉回路とされた窒素循環回路１００内には各種の装置が備えられている。なお、この窒素循環回路１００は、完全なる閉回路を構成するものではなく、窒素以外の流体を取り入れて流通させることや、余剰分の窒素を放出することも可能とされている。
【００２８】
まず、排出ガス中には一酸化窒素や二酸化窒素などの有害とされた窒素酸化物が含まれているので、これを除去すべく、排出ガスにアンモニア（ＮＨ_３）を微量に添加して窒素酸化物を除去するＮＨ_３添加ＳＣＲ法を用いた脱硝装置３０（脱硝手段）が備えられる。この脱硝装置３０は、タービン２２の排出側からほど近い窒素循環回路１００の上流側に備えられる。
ＮＨ_３添加ＳＣＲ法とは、窒素酸化物に対する還元物としてアンモニアを用い、これを添加することによって窒素酸化物を窒素（Ｎ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）とに分解することが可能である。
【００２９】
脱硝装置３０から送り出された排出ガスは、この段階で窒素と、二酸化炭素と、水蒸気となるため、次に窒素を取り出すために脱水装置３１（脱水手段）を用いて水分除去を実施する。この脱水装置３１は、ＬＮＧの冷熱を用いて水分を凝縮するものであり、ＬＮＧを気化するＬＮＧ蒸発器の役目を兼ねて備えられるものである。
【００３０】
脱水装置３１の機能によって、排出ガス中の水分が除去されることになり、脱水装置３１を通過した段階で排出ガスの主たる成分は窒素と二酸化炭素になる。また、脱水装置３１における冷却作用によって窒素と二酸化炭素とからなる排出ガスの温度は、タービン２２からの排出段階における約５００℃から−１０℃〜３０℃まで低下する。
【００３１】
次に、二酸化炭素を除去するべく、脱水装置３１の下流側に備わるセパレータ３２（脱炭酸ガス手段）を用いて窒素と二酸化炭素とを分離する。なお、セパレータ３２に到達する段階の窒素及び二酸化炭素からなる排出ガスの温度は、脱水装置３１の冷却作用により約−１０〜３０℃付近である。
【００３２】
セパレータ３２による窒素と二酸化炭素との分離には、それぞれが有する沸点の差を用いるため、このセパレータ３２における温度域をさらに低下させる必要がある。したがって、これを可能とするべく、ＬＮＧの冷熱によって極低温に冷却された窒素をセパレータ３２内にさらに供給する。
この極低温とされた追加供給される窒素は、セパレータ３２によって分離された窒素の一部を窒素冷却用熱交換器３４に取り込み、ここを通過するＬＮＧと熱交換することによって得られるものであり、温度は約−１３０〜−１４０℃に達する。
【００３３】
さらに、セパレータ３２の内部で窒素と二酸化炭素との分離を効率よく行うため、本実施形態に示されるセパレータは遠心分離方式を採用している。
すなわち、窒素と二酸化炭素からなる排出ガスが導入されることと同時に、送風機３３を用いてセパレータ３２の内部に上述した極低温な窒素を勢いよく吐出することとしている。また、吐出された極低温な窒素がセパレータ３２の内部で旋回して導入された排出ガスを撹拌する作用を促すようにセパレータ３２が形成されている。なお、このような送風機３３及びセパレータ３２の内部構造は本発明に係るＣＯ_２撹拌手段を指すものである。
【００３４】
セパレータ３２による約−１４０℃という極低温環境下に窒素と二酸化炭素からなる排出ガスがさらされることで、この成分の１つである二酸化炭素は微粒子となったダイヤモンドダストのように固化し、次第にセパレータ３２の下方に堆積する。
一方、排出ガス中の窒素、及び別途供給された冷却用の窒素は、窒素循環回路１００を通って圧縮機２０に供給されることになり、ガスタービンの作動流体として窒素循環回路１００内を循環することになる。なお、余剰分の窒素は無害であるため必要に応じて適宜大気中に放出される。
【００３５】
また、ＬＮＧの流れについて追加して説明すると、ＬＮＧは、ＬＮＧ貯蔵タンク５０から深冷分離法を用いる酸素製造用熱交換器３５に送られて気化する経路を辿ったり、脱水装置３１に送られて気化する経路を辿ったり、セパレータ３２に供給する窒素を冷却するための熱交換器３４に送られて気化する経路を辿ったりする。この際、各熱交換器に対してＬＮＧを供給する回路を並列に組むことが望ましい。
そして、気化したＬＮＧである天然ガスは、図示しないバルブにて供給量が調節されながらガスタービンの燃焼器２１に供給されるとともに、余剰分は他の供給先に適宜送られる。
【００３６】
以上説明した本実施形態におけるガスタービンプラント１によれば、以下の効果を奏することができる。
ＬＮＧの冷熱をガスタービンプラント内で有効に利用することができる。これに伴って、海洋の生態系に対して悪影響を与えることもなくなる。また、二酸化炭素及び窒素酸化物を大気中に放出することがなくなり、環境を保全することができる。
また、窒素を作動流体として用いることにより、ＬＮＧの冷熱エネルギーを有効且つ効率的に利用することができ、ガスタービンプラントにおける熱効率の向上を図ることができる。また、二酸化炭素を作動流体として用いる従来型のガスタービンプラントに比較して、ガスタービンの起動を空気による起動と同様に行うことができる。さらに、圧縮機に供給する気体の温度を低く保つことも可能となり、吸入側の温度低下による出力の増大、すなわち、熱効率の向上による発電効率を高めることができる。また、ＬＮＧの冷熱による酸素の製造方法であるため、酸素の製造コストを抑えることができる。
【００３７】
なお、本実施形態の変形例として、以下の構成としてもよい。
図２は本実施形態の変形例を説明するガスタービンプラント１の構成図である。本変形例は再生器３６を備えることが図１に示した構成と異なるので、この点について説明するものとし、その他の構成については同様であるので、説明を省略する。
【００３８】
再生器３６は、圧縮機２０から吐出された圧縮された窒素を、タービン２２から排出された排出ガスの排熱を用いて加熱するために備えられるものであり、これに伴って、タービン２２から排出された排出ガスを冷却する役目を担っている。また、再生器３６が配置される窒素循環回路１００内の位置を特定すると、脱硝装置３０の下流側に位置し、脱水装置３１の上流側に位置している。なお、タービン２２と脱硝装置３０との間に位置させることとしてもよい。
【００３９】
このような構成によれば、タービン２２から排出された窒素を有する排出ガスの排熱を再生器３６にて再利用することができ、圧縮機２０にて圧縮された窒素を加熱して燃焼器２１に送ることで、燃焼器２１における必要熱量の削減を図ることができる。
また、窒素循環回路１００内を流れる窒素等の温度を低く抑えることができ、圧縮機の吸入側の温度低下による出力の増大、すなわち、熱効率の向上による発電効率を高めることができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明した本発明のガスタービンプラントにおいては以下の効果を奏する。
【００４１】
請求項１記載の発明によれば、燃料の冷熱を効率的に用いて排出ガスの成分を分離することができ、海水による燃料の生成作業を回避して海の生態系に対して悪影響を及ぼすことがない。また、窒素酸化物、及び二酸化炭素を大気中に放出することがなくなり、環境を保全することができる。また、燃料の冷熱を無駄なく効率的に利用することができ、ガスタービンプラントの熱効率を向上させることができる。
【００４２】
請求項２記載の発明によれば、ガスタービンプラントの作動流体である窒素の温度を低く保つことで圧縮機の吸入側の温度低下による出力の増大、すなわち、熱効率の向上による発電効率を高めることができる。また、燃料の冷熱を無駄なく効率的に利用することができる。
【００４３】
請求項３記載の発明によれば、タービンから排出された排熱を再生器にて放出することで排出ガスの温度を低く抑えることができ、圧縮機の吸入側の温度低下による出力の増大、すなわち、熱効率の向上による発電効率を高めることができる。また、圧縮された気体を加熱して燃焼器に送ることで、燃焼器における必要熱量の削減を図ることができる。
【００４４】
請求項４記載の発明によれば、排出ガス中の二酸化炭素は、ＣＯ_２撹拌手段によって極低温な窒素と効率的に混ざり合うことになり、排出ガス中の二酸化炭素を固体として素早く分離することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施形態のガスタービンプラントの構成を説明する構成図である。
【図２】本発明に係る実施形態の変形例を説明するガスタービンプラントの構成図である。
【図３】従来のガスタービンプラントの構成を説明する構成図である。
【図４】二酸化炭素の状態図を示したグラフ線図である。
【符号の説明】
１ガスタービンプラント
１０発電機
２０圧縮機
２１燃焼器
２２タービン
３０脱硝装置（脱硝手段）
３１脱水装置（脱水手段）
３２セパレータ（脱炭酸ガス手段）
３３送風機（ＣＯ_２撹拌手段）
３４窒素冷却用熱交換器
３５酸素製造用熱交換器
３６再生器
１００窒素循環回路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas turbine plant that generates power using the power of a gas turbine.
[0002]
[Prior art]
As shown in FIG. 1, the gas turbine plant includes a gas turbine that is a prime mover including elements of a compressor 20, a combustor 21, and a turbine 22, and is related to the generator 10 for power generation and the gas turbine. It includes a fuel supply circuit and the like. Natural gas (liquefied gas) is generally used as fuel for the gas turbine, but the natural gas is stored in the vicinity of the gas turbine plant 1 as liquefied natural gas (hereinafter referred to as “LNG”) in a liquefied state. Since it is supplied, it is necessary to vaporize and use it. Therefore, a gas turbine plant is generally provided with a facility for vaporizing LNG. There are also various facilities for releasing the exhaust gas discharged from the gas turbine into the atmosphere as harmless as possible.
[0003]
The operation of the gas turbine will be described. As shown in the figure, air in the atmosphere is taken into the compressor 20, compressed by this compression action, and then sent to the combustor 21. In addition to the compressed air, the combustor 21 is supplied with natural gas vaporized by heat exchange with seawater, and combustion is performed in a mixed gas state in which these are mixed.
The combustion gas generated by the combustion in the combustor 21 is supplied to the turbine 22 in a high temperature state, and expands to rotate the turbine 22. And the rotating shaft 12 rotates with rotation of the turbine 22, and the electric power generation by the generator 10 to which this rotating shaft 12 is connected is performed.
[0004]
At that time, the exhaust gas discharged from the turbine 22 is mainly nitrogen (N 2), carbon dioxide (CO ₂ ), nitrogen oxides (NO x) such as nitrogen monoxide (NO) and nitrogen dioxide (NO ₂ ), and water vapor. It consists of a component of (H ₂ O), most of which is released into the atmosphere at a high temperature of several hundred degrees Celsius.
[0005]
Now, as described above, it has been described that the natural gas used as the fuel in the use stage is generated by heat exchange between the LNG and the seawater. In this case, the cold heat of the LNG is dumped into the seawater. Therefore, it has been a problem in terms of effective use of energy. In addition, there has been concern that the temperature of the seawater will be lowered and the marine ecosystem will be adversely affected.
[0006]
In order to solve the above problem, an example of an apparatus for generating electricity by effectively using the cold heat of LNG has already been disclosed (see, for example, Patent Document 1).
According to this configuration, the liquefaction is promoted by cooling the carbon dioxide using the cold heat of LNG, and the carbon dioxide in the exhaust gas is separated by cooling the exhaust gas using the liquefied carbon dioxide. Then, the carbon dioxide vaporized by being used for cooling the exhaust gas is returned to the gas turbine and circulated again.
[0007]
As a result, a closed circuit in which carbon dioxide circulates as a working fluid of the gas turbine is configured, and combustion is controlled by introducing carbon dioxide, oxygen, and vaporized LNG, respectively, on the suction side of the gas turbine. Thus, it is said that generation of nitrogen oxides can be suppressed. It is also disclosed that the compressor is not required because the carbon dioxide supplied to the gas turbine is relatively cold and already at high pressure.
[0008]
[Patent Document 1]
JP 2001-159318 A (paragraph 21-30, FIG. 1)
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In most of the gas turbine plants described above, most of the cold LNG is dumped into seawater, and there has been concern about adverse effects on the marine ecosystem caused by the temperature drop of seawater. In addition, since seawater is used, facilities for vaporizing LNG are likely to corrode, and there are concerns about harmful effects such as failure of the vaporization equipment due to generation of marine organisms.
[0010]
For this reason, as disclosed in the above-mentioned Patent Document 1, a method for cooling the exhaust gas using the cold heat of LNG and circulating it while taking out carbon dioxide as a liquid has been studied. There is room for further improvement in the method of further improving the efficiency.
[0011]
That is, when carbon dioxide is circulated in a gas turbine plant, it is difficult to start the gas turbine by introducing carbon dioxide, unlike when the gas turbine is operated by introducing air.
Moreover, although it is specified as a main effect | action that heat exchange is performed between carbon dioxide and LNG, when these boiling points are compared, as shown in FIG. 4, the boiling point of carbon dioxide is about −79 ° C. (solid → Gas) On the other hand, the boiling point of LNG is far from about −162 ° C., so it is difficult to say that it is the best in terms of utilization of cold energy.
Further, the suppression of the emission of nitrogen oxides is due to the control of combustion, and since complete removal is difficult, there is room for further improvement in this respect.
[0012]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a gas turbine plant with high energy utilization efficiency that effectively utilizes the cold energy of liquefied fuel and eliminates the discharge of carbon dioxide and nitrogen oxides. For the purpose.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The present invention employs the following means in order to solve the above problems.
[0015]
The invention described in claim 1 includes a compressor that compresses an introduced gas, a combustor that generates combustion gas by mixing and burning the gas and fuel, and a turbine that is rotated by the combustion gas. In the gas turbine plant, a nitrogen circulation circuit for taking in exhaust gas discharged from the turbine and supplying nitrogen in the exhaust gas to the compressor is provided, and the nitrogen circulation circuit is exhausted from the turbine. Denitrification means for removing nitrogen oxides in the exhaust gas, dehydration means for condensing moisture in the exhaust gas using the cold heat of the fuel, and denitrification for solidifying carbon dioxide in the exhaust gas using the cold heat of the fuel A carbon dioxide gas means, and compresses nitrogen through the decarbonation gas means and mixes and burns with the fuel .
[0016]
According to such a configuration, the exhaust gas discharged from the turbine is generated into the same nitrogen (N ₂ ) as the nitrogen already contained in part by the denitration means, the dehydration means, and the decarbonization gas means. The obtained nitrogen is supplied to the compressor through the nitrogen circulation circuit. Then, the nitrogen compressed by the compressor is supplied to the combustor. That is, the nitrogen contained in the exhaust gas and the nitrogen generated from the exhaust gas circulate through a nitrogen circulation circuit that is a substantially closed circuit as part of the working fluid of the gas turbine plant, and the compressor, the combustor, and the turbine Will follow.
[0017]
According to a second aspect of the invention, in the gas turbine plant according to claim 1, wherein, in the nitrogen circulation circuit, the nitrogen cooling heat exchanger for exchanging heat between the nitrogen and the fuel flowing through the said circuit It is characterized by being provided.
[0018]
According to such a configuration, the nitrogen supplied to the compressor is cooled by taking heat from the fuel by exchanging heat with the fuel, and the fuel takes heat of nitrogen. It will be stolen and heated.
[0019]
According to a third aspect of the present invention, in the gas turbine plant according to the first or second aspect , the nitrogen circulation circuit includes an exhaust gas flowing through the circuit and the gas compressed by the compressor. A regenerator for exchanging heat between the two is provided.
[0020]
According to such a configuration, the exhaust gas having nitrogen exhausted from the turbine is cooled by taking heat of the gas by heat exchange with the gas compressed by the compressor, and the compressor The gas having nitrogen compressed in step 2 is deprived of heat and heated. In addition, since it is anticipated that the temperature range in which heat exchange is performed is high, it is desirable to position the regenerator on the upstream side of the nitrogen circulation circuit.
[0021]
According to a fourth aspect of the present invention, in the gas turbine plant according to any one of the first to third aspects of the present invention, the decarbonation gas means is a CO ₂ stirrer that stirs the generated carbon dioxide solid. Means are provided.
[0022]
According to such a configuration, the exhaust gas introduced into the decarbonation means effectively mixes with the low-temperature nitrogen by taking the cold heat of the fuel, and has reached the stage below the boiling point of carbon dioxide Solidify with.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, an embodiment according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a configuration diagram of a gas turbine plant 1 of the present embodiment. The gas turbine plant 1 includes a compressor 20 that compresses nitrogen (N ₂ ) as a gas to be introduced, and a combustor 21 that generates combustion gas by mixing and burning nitrogen, oxygen, and natural gas as fuel. The turbine 22 is rotated by combustion gas, and the compressor 20 and the turbine 22 are connected by a rotary shaft 12 connected to the generator 10. In the figure, a transmission 11 is provided in front of the generator 10.
[0024]
The compressor 20 is configured to be supplied with nitrogen, which is a feature of the present invention, as a working fluid of the gas turbine. The nitrogen is compressed here and then sent to the combustor 21. Note that the nitrogen supplied to the compressor 20 is generated from nitrogen and nitrogen oxides contained in the exhaust gas discharged from the turbine 22, and the process of generating nitrogen from the exhaust gas will be described later. To do.
[0025]
The combustor 21 is supplied with room temperature oxygen (O 2) in addition to nitrogen compressed in the compressor 20 and vaporized normal temperature LNG, that is, natural gas. .
The natural gas is supplied by a pump 51 from an LNG storage tank 50 described below in the drawing, and is vaporized by exchanging heat with exhaust gas or the like in the process of being supplied.
The oxygen is obtained by being separated by heat exchange between a cryogenic LNG and air in the atmosphere in the heat exchanger 35 for oxygen production. This method is called a cryogenic separation method. Since nitrogen obtained by the cryogenic separation method is harmless, it is released into the atmosphere.
[0026]
When nitrogen, natural gas, and oxygen are supplied to the combustor 21 and mixed, the mixed gas is ignited, and the combustion gas generated at about 1000 ° C. accompanying combustion is supplied to the turbine 22. . The combustion gas rotates in the course of expansion in the turbine 22 and is discharged from the discharge side of the turbine 22 as an exhaust gas in a high temperature state of about 500 ° C.
The discharge gas discharged from the turbine 22 is composed of a combustion gas equivalent component, that component is nitrogen _(N 2), carbon dioxide _(CO 2), and carbon monoxide (NO), nitrogen dioxide (NO ₂ ), Water vapor (H ₂ O).
[0027]
Now, in order to take out only nitrogen from the exhaust gas discharged from the turbine 22 as a part of the working fluid of the gas turbine, various devices are provided in the nitrogen circulation circuit 100 which is a substantially closed circuit returning from the turbine 22 to the compressor 20. Is provided. The nitrogen circulation circuit 100 does not constitute a complete closed circuit, and it is possible to introduce a fluid other than nitrogen and circulate it, or to discharge excess nitrogen.
[0028]
First, since the exhaust gas contains harmful nitrogen oxides such as nitrogen monoxide and nitrogen dioxide, a small amount of ammonia (NH ₃ ) is added to the exhaust gas to remove it. A denitration apparatus 30 (denitration means) using an NH ₃ added SCR method for removing oxides is provided. The denitration device 30 is provided on the upstream side of the nitrogen circulation circuit 100 that is close to the discharge side of the turbine 22.
In the NH ₃ addition SCR method, ammonia is used as a reduction product for nitrogen oxide, and by adding this, nitrogen oxide can be decomposed into nitrogen (N ₂ ) and water (H ₂ O). .
[0029]
Since the exhaust gas sent out from the denitration device 30 becomes nitrogen, carbon dioxide, and water vapor at this stage, water is removed using a dehydrator 31 (dehydration means) to take out nitrogen next. The dehydrating device 31 condenses moisture using the cold heat of LNG, and also serves as a LNG evaporator that vaporizes LNG.
[0030]
The moisture in the exhaust gas is removed by the function of the dehydrating device 31, and the main components of the exhaust gas become nitrogen and carbon dioxide after passing through the dehydrating device 31. In addition, the temperature of the exhaust gas composed of nitrogen and carbon dioxide is lowered from about 500 ° C. to −10 ° C. to 30 ° C. in the exhaust stage from the turbine 22 by the cooling action in the dehydrator 31.
[0031]
Next, in order to remove carbon dioxide, nitrogen and carbon dioxide are separated using a separator 32 (decarbonation gas means) provided downstream of the dehydrator 31. Note that the temperature of the exhaust gas composed of nitrogen and carbon dioxide at the stage of reaching the separator 32 is about −10 to 30 ° C. due to the cooling action of the dehydrator 31.
[0032]
In order to separate nitrogen and carbon dioxide by the separator 32, the difference in boiling point between the two is used. Therefore, it is necessary to further reduce the temperature range in the separator 32. Therefore, in order to enable this, nitrogen cooled to a very low temperature by the cold heat of LNG is further supplied into the separator 32.
The additionally supplied nitrogen having a very low temperature is obtained by taking a part of the nitrogen separated by the separator 32 into the nitrogen cooling heat exchanger 34 and exchanging heat with LNG passing therethrough. The temperature reaches about -130 to -140 ° C.
[0033]
Furthermore, in order to efficiently separate nitrogen and carbon dioxide inside the separator 32, the separator shown in the present embodiment employs a centrifugal separation method.
That is, simultaneously with the introduction of exhaust gas composed of nitrogen and carbon dioxide, the above-described cryogenic nitrogen is vigorously discharged into the separator 32 using the blower 33. The separator 32 is formed so as to promote the action of the discharged cryogenic nitrogen swirling inside the separator 32 and stirring the exhaust gas introduced. The internal structure of the blower 33 and the separator 32 is intended to refer to CO ₂ agitation means according to the present invention.
[0034]
When the exhaust gas composed of nitrogen and carbon dioxide is exposed to a cryogenic environment of about −140 ° C. by the separator 32, carbon dioxide, which is one of the components, is solidified like fine diamond dust. Deposited below the separator 32.
On the other hand, nitrogen in the exhaust gas and cooling nitrogen supplied separately are supplied to the compressor 20 through the nitrogen circulation circuit 100 and circulate in the nitrogen circulation circuit 100 as a working fluid of the gas turbine. Will do. In addition, since excess nitrogen is harmless, it is suitably discharged | emitted in air | atmosphere as needed.
[0035]
Further, the flow of LNG will be described in detail. The LNG is sent from the LNG storage tank 50 to the heat exchanger 35 for oxygen production using the cryogenic separation method to follow the vaporization route or sent to the dehydrator 31. The vaporization path is followed, or the nitrogen gas supplied to the separator 32 is sent to the heat exchanger 34 for cooling to follow the vaporization path. At this time, it is desirable to assemble a circuit for supplying LNG to each heat exchanger in parallel.
The natural gas, which is vaporized LNG, is supplied to the combustor 21 of the gas turbine while the supply amount is adjusted by a valve (not shown), and the surplus is appropriately sent to another supply destination.
[0036]
According to the gas turbine plant 1 in the present embodiment described above, the following effects can be obtained.
The cold heat of LNG can be used effectively in the gas turbine plant. Along with this, there is no negative impact on the marine ecosystem. Further, the environment can be preserved because carbon dioxide and nitrogen oxides are not released into the atmosphere.
Moreover, by using nitrogen as a working fluid, the LNG's cold energy can be used effectively and efficiently, and the thermal efficiency of the gas turbine plant can be improved. Further, compared to a conventional gas turbine plant using carbon dioxide as a working fluid, the gas turbine can be activated in the same manner as activation by air. Furthermore, it becomes possible to keep the temperature of the gas supplied to the compressor low, and it is possible to increase the output due to the temperature decrease on the suction side, that is, increase the power generation efficiency by improving the thermal efficiency. Moreover, since it is the manufacturing method of oxygen by the cold heat of LNG, the manufacturing cost of oxygen can be held down.
[0037]
Note that the following configuration may be adopted as a modification of the present embodiment.
FIG. 2 is a configuration diagram of the gas turbine plant 1 for explaining a modification of the present embodiment. Since this modification is different from the configuration shown in FIG. 1 in that the regenerator 36 is provided, this point will be described, and the other configurations are the same, and the description thereof will be omitted.
[0038]
The regenerator 36 is provided for heating the compressed nitrogen discharged from the compressor 20 using the exhaust heat of the exhaust gas discharged from the turbine 22, and accordingly, from the turbine 22. It plays the role of cooling the exhaust gas. Further, when the position in the nitrogen circulation circuit 100 where the regenerator 36 is disposed is specified, it is located on the downstream side of the denitration device 30 and located on the upstream side of the dehydration device 31. In addition, it is good also as positioning between the turbine 22 and the denitration apparatus 30.
[0039]
According to such a configuration, the exhaust heat of the exhaust gas having nitrogen exhausted from the turbine 22 can be reused by the regenerator 36, and the combustor is heated by heating the nitrogen compressed by the compressor 20. By sending to 21, the required heat quantity in the combustor 21 can be reduced.
In addition, the temperature of nitrogen or the like flowing in the nitrogen circulation circuit 100 can be kept low, and the output can be increased due to the temperature drop on the suction side of the compressor, that is, the power generation efficiency can be increased by improving the thermal efficiency.
[0040]
【The invention's effect】
The gas turbine plant of the present invention described above has the following effects.
[0041]
According to the first aspect of the present invention, it is possible to efficiently separate the components of the exhaust gas by efficiently using the cold energy of the fuel, avoiding the generation of fuel by seawater and adversely affecting the marine ecosystem. There is nothing. Further, nitrogen oxides and carbon dioxide are not released into the atmosphere, and the environment can be preserved. Further, the cold energy of the fuel can be used efficiently without waste, and the thermal efficiency of the gas turbine plant can be improved.
[0042]
According to the second aspect of the present invention, the temperature of nitrogen, which is the working fluid of the gas turbine plant, is kept low to increase the output due to the temperature drop on the suction side of the compressor, that is, increase the power generation efficiency by improving the thermal efficiency. Can do. Further, the cold energy of the fuel can be used efficiently without waste.
[0043]
According to the third aspect of the invention, the exhaust heat discharged from the turbine is released by the regenerator so that the temperature of the exhaust gas can be kept low, and the output is increased due to the temperature decrease on the suction side of the compressor. That is, the power generation efficiency can be increased by improving the thermal efficiency. Moreover, the heat required for the combustor can be reduced by heating the compressed gas and sending it to the combustor.
[0044]
According to the invention of claim 4 , carbon dioxide in the exhaust gas is efficiently mixed with cryogenic nitrogen by the CO ₂ stirring means, and the carbon dioxide in the exhaust gas is quickly separated as a solid. Can do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a configuration of a gas turbine plant according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram of a gas turbine plant for explaining a modification of the embodiment according to the present invention.
FIG. 3 is a configuration diagram illustrating a configuration of a conventional gas turbine plant.
FIG. 4 is a graph diagram showing a state diagram of carbon dioxide.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gas turbine plant 10 Generator 20 Compressor 21 Combustor 22 Turbine 30 Denitration apparatus (denitration means)
31 Dehydration device (dehydration means)
32 Separator (Decarbonation means)
33 Blower (CO ₂ stirring means)
34 Heat exchanger for nitrogen cooling 35 Heat exchanger for oxygen production 36 Regenerator 100 Nitrogen circulation circuit

Claims

導入される気体を圧縮する圧縮機と、前記気体と燃料とを混合燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼ガスにより回転するタービンとを備えたガスタービンプラントにおいて、
前記タービンより排出された排出ガスを取り込むとともに前記圧縮機に排出ガス中の窒素を供給する窒素循環回路が備えられてなり、
該窒素循環回路には、前記タービンから排出された排出ガス中の窒素酸化物を取り除く脱硝手段と、前記燃料の冷熱を用いて前記排出ガス中の水分を凝縮する脱水手段と、前記燃料の冷熱を用いて排出ガス中の二酸化炭素を固化する脱炭酸ガス手段とが備えられ、
前記脱炭酸ガス手段を経た窒素を圧縮して前記燃料と混合燃焼させることを特徴とするガスタービンプラント。In a gas turbine plant comprising: a compressor that compresses a gas to be introduced; a combustor that generates combustion gas by mixing and burning the gas and fuel; and a turbine that is rotated by the combustion gas.
A nitrogen circulation circuit for taking in the exhaust gas discharged from the turbine and supplying nitrogen in the exhaust gas to the compressor;
The nitrogen circulation circuit includes a denitration means for removing nitrogen oxides in the exhaust gas discharged from the turbine, a dehydration means for condensing moisture in the exhaust gas using the cold heat of the fuel, and a cold heat of the fuel a decarbonation means for solidifying the carbon dioxide in the exhaust gas using a is provided,
A gas turbine plant characterized in that nitrogen that has passed through the decarbonation means is compressed and mixed with the fuel .

請求項１記載のガスタービンプラントにおいて、
前記窒素循環回路には、該回路内を流通する窒素と燃料との間で熱交換を行う窒素冷却用熱交換器が備えられてなることを特徴とするガスタービンプラント。The gas turbine plant according to claim 1 , wherein
A gas turbine plant, wherein the nitrogen circulation circuit is provided with a heat exchanger for cooling nitrogen that exchanges heat between nitrogen and fuel flowing in the circuit.

請求項１又は請求項２記載のガスタービンプラントにおいて、
前記窒素循環回路には、該回路内を流通する排出ガスと前記圧縮機にて圧縮された前記気体との間で熱交換を行う再生器が備えられてなることを特徴とするガスタービンプラント。 In the gas turbine plant according to claim 1 or 2 ,
The gas turbine plant, wherein the nitrogen circulation circuit is provided with a regenerator that exchanges heat between exhaust gas flowing through the circuit and the gas compressed by the compressor.

請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のガスタービンプラントにおいて、
前記脱炭酸ガス手段には、生成される二酸化炭素の固体を撹拌するＣＯ_２撹拌手段が備えられてなることを特徴とするガスタービンプラント。 In the gas turbine plant according to any one of claims 1 to 3 ,
A gas turbine plant characterized in that the decarbonation means is provided with CO ₂ agitation means for agitating a solid of carbon dioxide produced.