JP4185326B2 - ガス・空気複合タービン設備 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は原動所並びに原動所の運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電機を駆動するための原動所や作業機械を駆動する工業設備では、通常、公知のように蒸気タービンを採用している。そのため、蒸気タービンに流れ媒体として使用する高温高圧の蒸気を導入する。該蒸気は蒸気タービンにおいて仕事をしながら膨張する。膨張後に蒸気を、通常蒸気タービンに後置接続した復水器において凝縮させる。その際に生じた復水を給水としてボイラに導入し、その蒸発後にあらためて蒸気タービンに送る。これによって通常、水・蒸気閉回路が生じる。そのために必要な構成要素、即ち特に蒸気タービンとボイラとを備えた設備は、蒸気タービン或いは蒸気原動所とも呼ばれている。
【０００３】
ガスタービンプロセスを蒸気タービンプロセスと共通設備に複合した原動所構想も公知である。かかるガス・蒸気複合タービンプロセスの場合、ガスタービンの排ガス側に廃熱ボイラを後置接続し、ガスタービンからの排ガスを廃熱ボイラで水を蒸発するために用いる。廃熱ボイラでガスタービンからの排ガスの廃熱を利用して発生した蒸気を、廃熱ボイラに後置接続され通常複数の蒸気タービンを有する蒸気タービン設備において利用する。そのようなプロセスは純粋なガスタービンプロセスに比べ大きな利点を持つ。その主な利点は高い効率と出力上昇にある。最新のガス・蒸気複合タービン設備で５６〜５８％の効率が得られる。
【０００４】
もっとも蒸気原動所並びにガス・蒸気複合タービン設備は、蒸気を発生するためにかなりの量の淡水或いは又少なくとも脱塩処理海水を必要とする。従って、淡水が乏しい国、例えばアフリカの砂漠地帯で、蒸気原動所並びにガス・蒸気複合タービン設備の運転に問題が生ずる。そのような地域では一般に、蒸気を基礎とする通常の原動所構想はその淡水需要のために採用できず、純粋なガスタービン式原動所しか採用できない。しかし、かかるガスタービン式原動所の効率は、複合原動所あるいは通常の蒸気原動所に比べてかなり低い。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、改善された高い効率でのガスタービン運転が可能な原動所を提供することにある。またそのような原動所の運転方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この原動所に関する課題は、本発明に基づき、ガスタービンと空気タービンとを備え、ガスタービンの排ガス側に空気を加熱する熱交換器の一次側を後置接続し、この熱交換器の二次側に空気タービンを後置接続することで解決される。
【０００７】
本発明では、ガスタービンプロセスと連結した蒸気プロセスを持つ通常の複合原動所に比べ、蒸気プロセスを介することなく、ガスタービンの排ガスの廃熱を利用できる。ガスタービン設備の効率を高めるため、ガスタービンからの排ガスの廃熱を、全く新たな複合プロセスで、即ちガス・空気複合タービンプロセスで利用する。本発明に基づくガス・空気複合タービン設備は、淡水の利用をやめたことで、限られた量の淡水しか利用できないか高価な経費をかけねば用意できない地域で特に有用である。その場合、特に既存のガスタービン原動所を、予測可能な費用で、ガス・空気複合タービン設備に改築できる大きな利点がある。純粋なガスタービン設備に比較した効率上の利点は、その改築処理に対する投資費用を非常に短期間で回収できる点にある。ガス・空気複合タービン設備の効率は、最初の評価によれば約９〜１０％高まる。このガス・空気複合プロセスを基礎とする複合設備の出力は、純粋なガスタービンプロセスに比べ２４％高まる。
【０００８】
更に、本発明に基づくガス・空気複合タービン設備は、通常のガス・蒸気複合タービン設備に比べて、例えば熱交換器および空気タービンのような非常に安価な設備構成要素を使用するので、かなり安価に製造できる。それに比べて、ガス・蒸気複合タービン設備における、例えば蒸気タービン、これに後置接続される水・蒸気回路およびボイラは、材料費に関しても非常に高価である。
【０００９】
ガス・空気複合タービン設備では、選定したガスタービン形式に応じ、約４５〜５０％の効率が生ずる。従って水源の乏しい国で、「ガス・空気複合」プロセスを基礎とするこの設備構想は特に価値がある。ガスタービンからの排ガスの廃熱が、ガスタービンの排ガス側に後置接続された熱交換器で、二次側に導入された空気の加熱のために利用される。そのようにして加熱された空気が、熱交換器に後置接続された空気タービンに導入され、そこで仕事をしながら膨張する。
【００１０】
有利な実施態様では、空気圧縮機を熱交換器の二次側に前置接続し、空気圧縮機からの圧縮空気を、その加熱のため熱交換器に導入する。その際、空気圧縮機で１バールの空気を約５〜６バールに圧縮する。そのように圧縮した空気を、これを加熱すべく熱交換器に導入する。空気圧縮機の採用により、空気タービンに導入すべき作動媒体、即ち圧縮し加熱した空気の圧力・温度状態を高めることができる。この結果、空気タービンを駆動する空気に大きなエネルギを与え、該エネルギを空気タービンにエネルギを発生する仕事をするために放出させる。
【００１１】
排ガス側で、熱交換器の下流に、空気加熱用の第２熱交換器の一次側を後置接続するとよい。こうすると、ガスタービンから流出する排ガスの廃熱を多重利用できる。廃熱の一部を、まず第１熱交換器で空気タービンの作動媒体、即ち空気の加熱に利用する。後置接続した第２熱交換器プロセスで、廃熱の残り部分を第２熱交換器で排ガスから取り出し、空気に伝達する。この多段プロセスで、廃熱ボイラと同じく、「廃熱空気発生器」が実現でき、排ガス・排気熱交換段で加熱した空気の圧力・温度状態に応じて、特別にそれに合わせた空気タービンを採用する。多段運転により、ガス・空気複合タービン設備の出力を、簡単に各時点のエネルギ需要に合わせ、高い有用性を得られるという利点も生ずる。
【００１２】
空気タービンの排気側を第２熱交換器に接続するとよい。空気タービンの排気は、熱交換プロセスで利用可能なある熱量をなお有している。空気タービンで部分的に膨張し冷却された排気の第２熱交換器への導入は、第２熱交換器の一次側で行うので、第２熱交換器の二次側で廃熱を媒体に、例えば低温レベルの空気のような別の作動媒体に伝達できる。これに伴い、第２熱交換器の一次側に、ガスタービンからの部分的に冷却された排ガスと空気タービンからの部分的に冷却された空気が導入される。この組合せで、ガスタービンからの排ガスと空気タービンからの排気の廃熱を特に有効に利用できる。その排気流と排ガス流は、第２熱交換器で別個に、即ち別個の一次側配管系に導入するか、排ガス・排気混合気として一緒に導入する。後者の場合、既に部分的に冷却された排ガス流を空気タービンからの排気流と合流させる混合器を設ける。その混合器の下流で、第２熱交換器での熱交換プロセスを行い、その際、排ガス・排気混合気の熱を、第２熱交換器の二次側を導かれる媒体、例えば空気に放出させる。第２熱交換器の二次側を導かれる媒体、例えば空気をそれに応じて加熱し、ガス・空気複合タービンプロセスにおいてエネルギ発生に利用する。
【００１３】
他の有利な実施態様では、第２熱交換器の二次側に前置接続して空気圧縮機を設け、その圧縮空気を加熱すべく第２熱交換器に導入することで、第２熱交換器での有効な熱利用が行える。空気圧縮機での圧縮により、第２熱交換器で加熱した空気の高い圧力・温度状態が得られる。これは、ガス・空気複合タービンプロセスでの、そのように加熱し圧縮した空気の一層の利用に対し特に有利である。このために利用する空気圧縮機は、第１熱交換器の二次側に前置接続した空気圧縮機と別個のものでもよい。
【００１４】
しかし、第１および第２熱交換器の二次側に前置接続する空気圧縮機は、同一の空気圧縮機でもよい。その場合、空気圧縮機で圧縮した空気の部分流を、各々第１および第２熱交換器の二次側に導入する。第１および第２熱交換器に、異なった圧力状態の圧縮空気を、空気圧縮機の圧力段にある各々の抽出口を通して導入してもよい。ここでは、空気圧縮機の有用性或いはガス・空気複合タービン設備の効率および出力についての要求に応じ、設備構想の柔軟な適合を図る。別の空気圧縮機或いは場合により同じ空気圧縮機の第２圧力段から取り出した圧縮空気は、代表的には約２〜２．５バールの圧力状態にある。
【００１５】
特に有利な実施態様では、第２熱交換器の二次側に第２空気タービンを後置接続する。この結果、第２熱交換器で利用可能な、排気ないし排ガスからの廃熱を特に良好に利用できる。そのため、第２熱交換器で、排ガスから排ガス・排気混合気の熱を、二次側を導かれる圧縮空気に伝達し、そのようにして熱交換で加熱した圧縮空気を、別の空気タービンで膨張して仕事をさせるべく利用する。従って、ガス・空気複合タービン設備の総合効率が、少なくとも第２空気タービンの存在に伴い一層高まる。その場合、熱交換器或いは熱交換器段に各々空気タービンを付属させ、これによって、ガスタービンの有用な廃熱を特に有効利用し、ガス・空気複合タービン設備の多段運転を達成する。
【００１６】
好適には、ガス・空気複合タービン設備は、機械エネルギを電気エネルギに変換するための発電機を備える。
【００１７】
原動所の運転方法に関する課題は、本発明に基づき、原動所、特に上述のガス・空気複合タービン設備において、ガスタービンの排ガスにおける廃熱を、空気タービンを駆動する仕事のために利用することにより解決される。
【００１８】
ガスタービンからの排ガスの廃熱を空気と熱交換し、その空気を熱交換で加熱し、加熱済み空気を空気タービンに導入する。
【００１９】
更にまた、空気を排ガスおよび／又は排ガス・排気混合気との熱交換で加熱すると有利である。
【００２０】
本発明に基づく方法の有利な実施態様では、空気を圧縮し、特に空気を熱交換前に圧縮する。これによって、加熱済み圧縮空気を空気タービンにおいて膨張して仕事をするために利用できる。
【００２１】
本発明に基づく方法の利点は、上述したガス・空気複合タービン設備の利点と同じように生ずる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下図示の実施例を参照して、本発明を詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本発明に基づくガス・空気複合タービン設備１の配管系統を示す。このガス・空気複合タービン設備１はガスタービン３を備える。ガスタービン３はタービン２３、該タービン２３に前置接続した圧縮機２１および燃料燃焼用の燃焼器１９を含む。またガス・空気複合タービン設備１は、空気タービン７とこの空気タービン７に前置接続した付属の空気圧縮機９とを含む。ガスタービン３、空気タービン７および空気圧縮機９は共通の軸２５上に配置されている。しかしこれら構成要素を共通の軸上に配置せず、種々の軸上に設けても差支えない。電気エネルギを発生するため、ガス・空気複合タービン設備１は軸２５を介して駆動される発電機１７を備える。ガスタービン３の排ガス側に第１熱交換器５が後置接続されている。そのためタービン２３からの排ガス管３７が熱交換器５の一次側３３に通じている。空気圧縮機９の出口から空気タービン７に配管４１が通じている。この配管４１は、熱交換器５の二次側に接続されている。空気圧縮機９で圧縮された空気Ｌの流れ方向において、熱交換器５の二次側に空気タービン７が後置接続されている。空気タービン７の排気側に排気管３９が接続され、空気タービン７で部分的に膨張し部分的に冷却された排気Ａ_Lが、その排気管３９を介して排出される。排気管３９は排気Ａ_Lの流れ方向に見て下流の混合器２７で、ガスタービン３に付属する排ガス管３７に開口している。かくして、ガスタービン３からの排ガスＡ_Gが空気タービン７からの排気Ａ_Lと混合され、混合器２７で排ガス・排気混合気Ａ_GLが形成される。混合器２７の下流で、排ガス管３７が別の（第２）熱交換器１１の一次側３３に開口している。従って、第１熱交換器５の排ガス側の下流に第２熱交換器１１の一次側が後置接続されている。空気タービン７の排気側も同様に第２熱交換器１１に接続されている。その場合、排ガス管３７と排気管３９を図示のように混合器２７で合流させず、熱交換器１１の一次側３３に別々に接続してもよい。排ガス・排気混合気Ａ_GLを案内する第２熱交換器１１の一次側出口は煙突２９に開口している。第２熱交換器１１の二次側３５に空気圧縮機１３が前置接続されている。この結果、空気圧縮機１３で圧縮された空気Ｌが第２熱交換器１１に導入される。第２熱交換器１１の二次側３５にもう１つの第２空気タービン１５が後置接続されている。空気圧縮機１３で圧縮され第２熱交換器１１で加熱された空気Ｌが第２空気タービン１５に供給され、この空気Ｌで第２空気タービン１５が駆動される。第２空気タービン１５で仕事をしながら膨張した後の空気Ｌは、空気タービン１５から排気Ａ_L′として空気出口３１を経て大気中に放出される。
【００２４】
ガス・空気複合タービン設備１の運転中、ガスタービン３の圧縮機２１により新鮮空気Ｌが大気から吸い込まれる。該空気Ｌは圧縮機２１で圧縮され、これに伴い同時に加熱される。空気Ｌは、液状又は気体状の燃料と共に燃焼器１９に供給されて燃焼する。その際生じる高温燃焼ガスはタービン３３に導入される。その高温ガスに対し、約７５０〜１２００℃のタービン入口温度が得られる。タービン２３で高温ガスの膨張とある程度の冷却が行われる。その高温ガスは、タービン２３の詳細には図示しないタービン段を貫流する。ガスタービン３からのなお高温の排ガスＡ_Gと、空気圧縮機９において約５〜６バールに圧縮された空気とが、第１熱交換器５に導かれる。その場合、排ガス管３７は第１熱交換器５の一次側に接続され、空気圧縮機９からの空気Ｌを案内する配管４１は、第１熱交換器５の二次側に接続されている。
【００２５】
第１熱交換器５で、排ガスＡ_Gの有用な廃熱の少なくとも一部を、空気圧縮機９で圧縮した空気Ｌに伝達する。そのようにして加熱した圧縮空気Ｌを空気タービン７に導入する。空気Ｌは空気タービン７で膨張し、機械的な仕事をする。第１熱交換器５での熱交換過程中に、部分的に冷却された排ガスＡ_Gと空気タービン７からの排気Ａ_Lを混合器２７において混合し、そのようにして形成した排ガス・排気混合気Ａ_GLを、続いて排ガス管３７を介して第２熱交換器１１の一次側３３に導入する。この第２熱交換器１１の二次側３５に空気圧縮機１３で圧縮した空気Ｌを導入する。この空気Ｌを排ガス・排気混合気Ａ_GLとの熱交換過程中に加熱する。空気圧縮機１３で圧縮した空気Ｌは約２〜２．５バールの圧力を有する。第２熱交換器１１で加熱した空気Ｌは第２空気タービン１５に導入され、そこで仕事をしながら膨張する。ガスタービン３および空気タービン７、１５の機械エネルギは発電機１７により電気エネルギに変換される。単軸構造に設計されていないガス・空気複合タービン設備１の場合、各々のタービン３、７、１５に発電機を設けること、即ち複数の発電機を設けることもできる。
【００２６】
本発明は、ガス・空気複合タービン設備が推奨される原動所の新たな設備構想により特徴づけられる。このガス・空気複合タービン設備はガスタービン３を有し、そのガスタービン３の排ガス側に第１熱交換器５の一次側を、空気を加熱するために後置接続し、この第１熱交換器５の二次側に空気タービン７を後置接続している。ガス・空気複合タービン設備１の運転中、ガスタービン３の排ガスＡ_Gにおける廃熱を、空気タービン７、１５を駆動する仕事をするために利用する。その場合、空気Ｌを排ガスＡ_Gおよび／又は排ガス・排気混合気Ａ_GLとの熱交換によって加熱し、この加熱済み空気Ｌを空気タービン７、１５に導入する。本発明によれば、通常のガスタービン原動所を非常に簡単に増・改築することができ、その場合、新たな構想、つまり「ガス・空気複合」プロセスによって、（選択されたガスタービン形式に関係して）約４５〜５０％の非常に高い効率が得られる。従ってガス・空気複合タービン設備１は、通常の純粋なガスタービン設備に比べて大きな出力を有する点で優れている。公知のガス・蒸気複合タービン設備に比べ、製造費用がかなり安いという特長がある。本発明に基づくガス・空気複合タービン設備１は、限られた量の淡水しか存在しないか、特に高価な費用をかけねば水を調達できないような水源の乏しい地域における運転に特に適する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づくガス・空気複合タービン設備の配管系統図。
【符号の説明】
１ ガス・空気複合タービン設備
３ ガスタービン
５、１１ 熱交換器
７、１５ 空気タービン
９、１３ 空気圧縮機
１７ 発電機
１９ 燃焼器
２１ 圧縮機
２３ タービン
２５ 軸
２７ 混合器
２９ 煙突
３１ 空気出口
３３ 熱交換器の一次側
３５ 熱交換器の二次側
３７ 排ガス管
３９ 排気管
４１ 配管
Ａ_G 排ガス
Ａ_L、Ａ_L′ 排気
Ａ_GL 排ガス・排気混合気
Ｌ 空気／新鮮空気

Claims (5)

1. ガスタービン（３）と空気タービン（７）とを備え、ガスタービン（３）の排ガス側に空気（Ｌ）を加熱するための熱交換器（５）の一次側が後置接続され、この熱交換器（５）の二次側に空気タービン（７）が後置接続されたガス・空気複合タービン設備において、
   排ガス側において前記熱交換器（５）の下流に、空気（Ｌ）を加熱する第２熱交換器（１１）の一次側が後置接続され、かつ前記空気タービン（７）の排気側が前記第２熱交換器（１１）に接続され、さらに、前記熱交換器（５）と第２熱交換器（１１）とを接続する排ガス管（３７）と、前記空気タービン（７）の排気管（３９）とを、前記排ガス管に設けた混合器（２７）において接続してなることを特徴とするガス・空気複合タービン設備。
2. 空気圧縮機（９）が熱交換器（５）の二次側に前置接続して設けられ、空気圧縮機（９）からの圧縮空気（Ｌ）がこれを加熱するために熱交換器（５）に導入されることを特徴とする請求項１記載の設備。
3. 第２熱交換器（１１）の二次側に前置接続して空気圧縮機（１３）が設けられ、その圧縮空気（Ｌ）がこれを加熱するために第２熱交換器（１１）に導入されることを特徴とする請求項１又は２記載の設備。
4. 第２熱交換器（１１）の二次側に第２空気タービン（１５）が後置接続されたことを特徴とする請求項１から３の１つに記載の設備。
5. 機械エネルギを電気エネルギに変換する発電機（１７）を備えることを特徴とする請求項１から４の１つに記載の設備。

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