JPS62501790A - ハイブリッド・スチ−ム／ガスタ−ビン機械装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ハイブリッド・スチーム／ガスタービン機械装置光哩の背景 本発明は一般的な汚染物質、ＮＯｘの排出を排除するように設計したユニークな ガスタービン、システムに関する。　より詳細に本発明は、従来のガス（スチー ム）タービンを通過する際、有用なエネルギーを生成するのに必要な熱ガスを発 生する燃焼室設計における新規なコンセプトに関する。　この設計のユニークさ は、燃焼生成物を水、液体または蒸気と直接接触させて過熱蒸気を生成し、これ を利用することにより発生させた熱をもって、更にイヒ学旦論的割合に近い最適 燃料／酸素比率をもって燃料を燃焼させることにある。　このことが、ガスター ビンと関連して用いられる従来の燃焼室において通常必要とされる酸素の量につ いて顕著な減少をもたらすものである。　このコンセプトは広範な用途を有し、 また従来の電力生産に利用される定置ガスタービン、特殊な用途ならびに屡々遠 隔地、たとえば海洋掘削リグ、パイプライン・ステーションおよび共生成プラン トにおいて用いられる小型ガスタービンに関して利用される。 １９７７年、環境保護片（Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ 　Ａｇｅｎｃｙ　）はガスタービン燃焼システムの排出減少に関して、大気汚染 防止法を発効させるために基準を公表した。　当時、−ｍに使用されていた燃焼 システムは２５０　ｐｐｍ程の大量のＮＯｘを含有する排気ガスを発生しており 、これは１９８２年中に２７０，０００　トン／年の汚染レベルを生成すると概 算されたレベルであった。　ＥＰＡの規定に適合させるための努力に際して、ガ スタービン製造業者はＮＯｘ発生の原因を明らかにするための顕著なリサーチ努 力ならびにＮＯｘの排出を最低実用レベルに減少させるための設計変更の実施を 開始した。　これらの努力の結果は著しいものであった。　ガスタービン燃焼シ ステムは今や、ＮＯｘ排出の生成址を初期レベルから７０％減少し、現在の機械 装置をＥＰＡ規定の７５ｐｐｍに従うものとして入手可能である。　排出の減少 は、燃焼システム中でＮＯｘ生成の原因となるキー因子の以下の認識によって達 成された。　これらの因子は十分に実証されており、かつ２個のキー変数、すな わち反応域温度および燃料／酸素比により支配されている。　ＮＯｘは下記の反 応により生成されることが知られている：Ｎ２＋ｘＯ□　＝　２ＮＯｘ 上式から両元素、すなわち窒素および酸素は、生成される筈のＮＯｘのためには 反応域内に存在せねばならないことが明らかである。　窒素の主要源は反応域に 供給される燃焼用空気であるが、燃料それ自体に含まれる窒素は適当な条件下の ＮＯｘへの変換により得られる。 多くの大都市地域においてＥＰＡにより要求されるＮＯｘ排出の減少を達成する ためには、ＮＨ３によるＮＯｘの接触還元にたよる必要がある。　これは高価な 解決であると共に、最高でも９０％の効果である。　ＮＯｘ汚染の顕著な排除は 、燃焼域中に存在する窒素の量を減少させるか、更により良好にしてそれを完全 に除去することによってのみ達成することができる。 光咀の！祢 多年に亘り、ガスタービンからの高レベルのＮＯｘ排出が環境に対し有害である ことは認識されて来たが、これらの排出を受容可能なレベルに減少させるための 先行の努力は成功には程遠かった。　従って、本発明の主目的はガスタービン用 燃焼器に供給されるガスを含む新規かつ改良された設計コンセプトを提供するこ とにある。　この設計は汚染物質ＮＯｘの生成を排除する可能性を有する一方、 同時にｆｉｌ装置の全熱効率を減じるものではない、　本発明の目的を達成する ために、その燃焼器は燃料を化学量論的量に近い酸素（空気）をもって燃焼させ 、またそうすることによってＮＯｘの生成を大幅に最少化するように設計される 。　タービン機械装置に対する損傷を回避するために、本発明による燃焼ガスは その熱燃焼ガス中に水または蒸気を直接噴射することにより冷却される。　或い は水（蒸気）の一部を、酸素とのその接触ならびに結果的な燃焼反応に先立って 燃料と混合させてもよい。 本発明を先行技術から区別するユニークな特徴は、タービン機械装置の冶金学的 限界の超過を回避するように排気ガスの温度を低下させる目的で燃焼器内に噴射 させる水の量である。　従来のガスタービン機械装置は大量の過剰空気および少 量の水を使用して、燃焼ガスの所望出口温度を達成している。　本発明において は、少量または非過剰空気ならびに大量の水を使用して、所望出口ガス温度を達 成する。　燃焼反応において消費される酸素の各ボンドについては、約２乃至６ ボンドの液体である水を添加すべきである。　水が気相（蒸気）において添加さ れる用途に際して、水対消費される酸素の割合は消費酸素の各ボンドについて水 １５ボンド程度に高くてもよい。 熱力学的最適値を圧縮比的１５において有する従来のガスタービンとは異なって 、本発明は最適圧縮比を著しく増加させる。　空気の場合、圧縮比４０が略最適 であるが、３４　（５００ｐｓｉａ）未満の比は殆ど効果を示さない、　圧縮空 気の代わりに純粋酸素が使用される場合には、最適圧縮比は更に上昇して、２０ ０を優に超える。　熱変換効率における全体的な改良は劇的なものである。　空 気燃焼の場合、熱エネルギーから電力への変換はタービン内へ入るガスの温度が 約１６００°Ｆ以上であるとすれば、５０％に近付く可能性がある。　純粋酸素 燃焼の場合には、変換効率は更に約６０％に増加する。　比較によれば、従来の ガスタービンは僅かに２８％の熱効率を有するものであり、従って本発明の適用 は電力の生成に際して消費される燃料を換算係数２０乃至４５％だけ減少させる ポテンシャルを有する。 上に示した高い総体的な圧縮比の達成は圧縮の数段階を必要とするであろうこと は明白である。　圧縮工程が進行する際、圧縮段階間に中間冷却工程を設けるこ とは有利となり、また実際に望ましい、　この種の冷却は圧縮工程の効率を著し く増加し、また中間冷却に際して排除された熱は、引き続いて燃焼室内へ噴射さ れる水の温度を有利に上昇させるために利用することができる。 中間冷却は新しいコンセプトではなく、またそれ自体進歩性のあるものとも考え られないが、それはガスタービン燃焼ザイクルにおいて従来用いられている低圧 ガスの冷却を伴う高圧損失の故で、中間冷却が産業的には従来のガスタービン機 械装置において利用されていないという認識されｔ：事実を示している。 本発明に関連して、中間冷却を効果的に利用させるのは非常な高圧であり、そし て本質的にこれが本発明の不可欠な部分となっている。 本発明は高圧、高温蒸気流を生成し、これはタービンを通過させることにより動 力源として利用可能である。　この流れは通常、蒸気的４０−９５％から成って おり、そしてそれだけでスチームタービン発電分野の当業者によって数多くの特 徴が十分に認識される。　本発明区別の目安となる特徴は、前記スチーム混合物 が、従来の凡ゆる動力装置に不可欠な部分である高価な高圧ボイラーを使用する ことなく生成されるという事実である。　従来のボイラーの排除は、本発明に対 し従来のテクノロジーを超える顕著なコスト効果をもた−らし、更に現代の産業 社会を支えるのに必要な大量の電気の生成に際して非常に型置しい改良された熱 力学効率をもたらすものである。　本発明は特に、非常な高温において過熱水蒸 気を生成し、引き続きタービンを通過して動力を発生する直接接触熱交換器を利 用することにより従来の動力装置の能力を増加させ、かつその効率を改良するた めに適用可能である。 日のｉ−か＝日お　び　ましい　、ＩＩ−上に述べたように、本発明は直接接触 過熱蒸気発生装置を利用するハイブリッド・スチーム／ガスタービンｆＦＪ装置 の設計に関し、前記蒸気発生装置は燃焼室を構成し、該燃焼室は時化字量論的量 の酸素と共に燃焼すべき燃料を準備し、また二次流体、すなわち水または水蒸気 に直接熱伝達することにより和らげられた、このように生成された極端な炎温度 を提供するものである。　燃焼室に供給される燃料は気相あるいは液層であって よいが、好ましいのは引き続いてガスタービンを損傷させる可能性のある何らの 粒状物の生成を伴うことなしに、完全に燃焼させるべきことである。　燃焼室に 供給される酸素（空気）にとって好ましいのは燃焼域中の燃料と十分に混合され ることであり、そして液体燃料の場合には燃焼域への導入に先立つ燃料の気化の 有利であることが見出されている。 従来のガスタービンの操作温度限界は約２０００°Ｆである。　改良された燃焼 室内で生成されるガスは５００θ°Ｆに近付く可能性があるので、ガスタービン 機械装置を通過させる前に冷却せねばならない、　これは、本発明によれば、水 または水蒸気を燃焼域内または直ぐ下流に噴射することによって燃焼ガスを直接 冷却または急冷することにより達成される。　水が急冷用物質として選択される 応用に際しては、完全気化の屡々生ずることが期待される。　前記気化ならびに その工程中で水により吸収される関連の熱が、燃焼室を出て引き続きガスタービ ンに入るガスの所望出口温度を達成するのに要する噴射急冷用物質の旦を最小と する。 タービンを出て行くガスの混合物、主として水蒸気、窒素および二酸化炭素を部 分的に凝縮してそのタービンのエネルギー出力を最大にすることが可能である。 　或いはタービン排気ガスはプロセス加熱源として利用することができ、あるい は表面形成物中に噴射して石油、塩または他の鉱物の生産を高めることができる 。 そのパワー出力が、燃焼器への燃料の流れを調節することにより調整される従来 のガスタービン機械装置とは異なって、本発明のパワー出力は更に酸素で富化さ れた空気を燃焼器へ供給することにより調整することができ、前記調整はまた、 そのように供給される空気の富化の程度（酸素含有量）を変化させることにより 成就される。 本発明の方法は、下記の具体的ではあるが、例示的な実施例を参照することによ り更によく理解し得る。 夾施広−よ 直接接触過熱蒸気発生装置を電力生成の目的で利用する方法が第１図中に示され ている。　ターボ機械は拡張タービン（９）、燃料ガス・コンプレッサー（１） ならびに２段のエア・コンプレッション（２）および（６）から構成される。　 以下の例示は、本発明方法を利用し、かつ１３０メガワツトにレートを定めた発 電プラントに基づくものである。　電気の生成を行うために、１４８７λ１ｄ／ 時間の天然ガスをコンプレッサー１、多段機械装置であって、その天然ガスを１ ４７０　ｐｓｉａに圧縮し、それによりそのガスをバーナー中に噴射できるよう にするもの、および直接接触過熱蒸気発生装置（８）の一体的部分に供給する。 同時に、１４．１５６　Ｍｄの空気がエア・コンプレッサー（２）の第１段に供 給され、そこで圧力は断熱的に１４７　ｐｓｉａに上昇され、そして圧縮の仕事 に基因する温度が同時に７１３”　Ｆに上昇される。　熱圧縮空気は中間冷却器 （３）を通過し、そこで該熱圧縮空気は過熱蒸気発生装置フィードウォーター（ ２２０，０００ボンド／時間）の一部を用いて熱交換することにより冷却され、 それによって過熱蒸気発生装置フィードウォーターは温度７００”　Ｆに上昇さ れ、一方圧縮空気は同時に温度３８２°Ｆに降下される。　この部分的に冷却さ れた圧縮空気は空気冷却器（５）を通過し、そこで温度は更に！００°Ｆｃ′ニ ー降下する。　冷却され、部分的に圧縮された空気は第２段コンプレッサー（６ ）を経由して供給され、絶対圧力１４７０　ｐｓｉａおよび温度７１３’　Ｆを ６って出て行き、それがバーナーに供給されると、直接接触過熱蒸気発生装置（ ８）の一体的部分が天然ガスの燃焼を行う、　中間冷却器く３）から供給された 予熱した過熱蒸気発生装置フィードウォーターに加えて、付加的な予熱水４４５ ，０００ボンド／時間が二次フィードウォーター・ポンプにより直接接触過熱蒸 気発生装置（８）に送られる。 この直接接触過熱蒸気発生装置（８）内の天然ガスの略化学旦論的燃焼の結果、 １．５　ＫＭ　Ｂｔｕ／時間の熱が解放され、そして直接接触過熱蒸気発生装置 に供給される水の蒸発分行う、　その結果、主として水蒸気、二酸化炭素および 窒素から成る気相混合物は１６００°Ｆおよび１４７０　ｐｓｔａにおいて該過 熱蒸気発生装置分出る。　次いで、この気相混合物はスチームタービン（９）を 通過して、退出およびその引き続く凝縮に先立って仕事を行う、　前記気相混合 物の一部（６３゜３００ボンド／時間）はスチームタービン中の中間段階から圧 力２００　ｐｓｉａで抜き出され、そしてミキサー（１３）内でポンプ（１２） により圧力を高められた３８３゜０００ボンド／時間の冷却凝縮水と混合される 。　凝縮物と水蒸気との混合物は温度３８２°Ｆで平衡に達し、その後更に二次 フィードウォーター・ポンプ（１４）により圧力１．４９７　ｐｓｉａに上昇さ れ、そして次に直接接触過熱蒸気発生装置中に噴射される。　動力タービン（９ ）に入る蒸気混合物の大部分は１５ｐｓｉａで退去し、そしてコンデンサー（！ ０）を通過し、そこでその温度は２００°Ｆに冷却される。　次に、熱水と二酸 化炭素との混合物はフラッシュ・セパレータ＜１１）を通過し、そこで窒素およ び二酸化炭素は大気中へ発散され、前記セパレータへ入る液体は液取り出し配管 を経由して退去し、そしてフローラインＴ（１５）において分割されて使用され る両分となり、それらの圧力は一次給水ボンブ（７）または二次給水ポンプ（１ ４）によって直接接触過熱蒸気発生装置中に噴射するために必要な圧力に高めら れる。　タービン（９）中の膨張ガスにより生成された動力は天然ガスおよびエ ア・コンプレッサーならびに３台のウォーターポンプを駆動するために利用する ことができる。　直接接触過熱蒸気発生装置の動作圧に高められたガスおよび水 において仕事のために必要とされない過剰のエネルギーは発電機（１６）におい て電力を生成するために利用される。 合計１３０メガワツトの電力がこれによって生成され、これは−次タービン３０ ．１％の変換効率と解釈される。　本実施例において使用される第１段エア・コ ンプレッサーは、ポピユラーなゼネラル・エレクトリック・フレーム・シックス （ｆ：ｅｎｅｒａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｆｒａｍｅ　５ｉｘ）ガスタービン発 電装置中に包含されるエア・コンプレッサーに匹敵する。　比較のために、この ゼネラル・エレクトリック・フレーム・シックス装置は公表された変換効率２８ ％において電力僅かに３８ｍｗを生成するに過ぎないことが理解される。　本発 明に起因する改良は７．５％、すなわち電気事業産業が年間の燃料コストにおい て何百万ドルも節約し得る増分である。　パワー出力における３倍以上の増加は また、空間が窮迫している場所、たとえば軍艦、都市地域および洋上石油プラッ トフォームにおける応用については重要なものとなる可能性がある。 以上述べた実施例は、本発明により得られる熱力学的改良を詳述するには十分で ある。　簡略化および例示の目的で、２段圧縮機械装置のみを説明した。 熱エネルギーから電気エネルギーへの変換における高められた効率は付加的な圧 縮工程を加えることにより得ることができ、その結果付加的な動力がタービンを 通過する水蒸気のボンドごと、ならびに消費される燃料のボンドごとに生成され ることになる。　第２および更に劇的な改良は、前述の実施例において用いた燃 焼空気を酸素富化空気または純粋酸素で置き換えることにより得られるであろう 、　酸素を使用することにより、５０％を優に超える熱変換効率を達成すること が可能であり、この値は電力の生産に関して現在実施され、あるいは提案されて いるテクノロジーまたはこれらテクノロジーの組合わせによっても全く達成し得 ないものである。　酸素富化空気を使用する第２の効果は、直接接触過熱蒸気発 生装置に供給されるガス（空気）の酸素含有量ならびに燃料の流れを単純に調節 することによりタービンのパワー出力を容易に調整できるというものである。 国際調査報告 ｍａｔｎｍａ＊ａ＋＾”””””ＰＣＴ／１ｌｓ８６／ＱＯ２ｅ＋

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．空気、酸素またはそれらの凡ゆる組合わせをもって、圧力５００ｐｓｉａ超 過において直接接触過熱水蒸気発生に要するエネルギーを提供するために燃料を 燃焼させるべく設計された燃焼室を組み込んだ改良されたガスタービン機械装置 ．その燃焼器を退去する気相燃焼生成物の温度は水を燃焼域に、あるいはそれに 直ぐ引き続いて導入することにより達成される直接冷却によって所望レベルに制 御される．燃焼生成物と水蒸気またはその一部とから得られた気相混合物は適切 なタービンを通過させることにより動力の生成のために引き続き利用される。 ２．燃焼ガスの冷却が、液体である水を直接接触過熱蒸気発生装置に噴射するこ とにより達成される請求の範囲第１項による方法。 ３．燃焼ガスの冷却が、水蒸気を直接接触過熱蒸気発生装置に噴射することによ り達成される請求の範囲第１項による方法。 ４．燃焼ガスの冷却が、水（水蒸気）との混合物における二酸化炭素を直接接触 過熱蒸気発生装置に噴射することにより達成される請求の範囲第１項による方法 。 ５．燃焼ガスの冷却が、温度１０００°Ｆ超過で気相混合物を生成するように制 御される請求の範囲第１項による方法。 ６．直接接触過熱蒸気発生装置に供給される気相酸素源が、２段以上の圧縮なら びに圧縮ガスおよび水冷却材間の間接熱交換により行われる中間冷却を利用して 加圧される請求の範囲第１項による方法。 ７．直接接触過熱蒸気発生装置に供給される酸素が、液体状で極低温ボンブによ り加圧される請求の範囲第１項による方法。 ８．直接接触過熱蒸気発生装置内で生成される気相混合物が、略大気圧で排気を 行うガス（スチーム）タービンを通過せしめられる請求の範囲第１項による方法 。 ９．動力タービンを退去するガスが、適切な液体であって、仕事エネルギーまた は動力の生成のために二次タービンを介して引き続き膨張するものを沸騰させる ことにより凝縮される請求の範囲第１項による方法。 １０．直接接触過熱蒸気発生装置に供給される酸素が、タービンのパワー出力を 制御するために調節された酸素の濃度を有する前記酸素により富化された空気か ら成っている請求の範囲第１項による方法。 １１．酸素をもって、圧力５００ｐｓｉａ超過において直接接触過熱水蒸気発生 に要するエネルギーを提供するために燃料を燃焼させるべく設計された燃焼室を 組み込んだ改良されたガスタービン機械装置。燃焼装置に供給される該酸素は酸 素７０容量パーセントを超える純度を有する。その直接接触過熱蒸気発生装置を 退去する燃焼生成物の温度は水を燃焼域に、あるいはそれに直ぐ引き続いて導入 することにより達成される直接冷却によって所望レベルに制御される。 燃焼生成物と水蒸気またはその如何なる部分とからも得られた気相混合物は適切 なタービンを通過させることにより動力の生成のために引き続き利用される。 １２．燃焼ガスの冷却が、液体である水を直接接触過熱蒸気発生装置に噴射する ことにより達成される請求の範囲第１１項による方法１３‘燃焼ガスの冷却が、 水蒸気を直接接触過熱蒸気発生装置に噴射することにより達成される請求の範囲 第Ｈ項による方法。 １４．燃焼ガスの冷却が、水（水蒸気）との混合物における二酸化炭素を直接接 触過熱蒸気発生装置に噴射することにより達成される請求の範囲第１１項による 方法。 １５．燃焼ガスの冷却が、温度１０００°Ｆ超過で気相混合物を生成するように 制御される請求の範囲第１１項による方法。 １６．直接接触過熱蒸気発生装置に供給される気相酸素源が、２段以上の圧縮な らびに複合ガスおよび冷却材フィードウォーター間の間接熱交換により行われる 中間冷却を利用して加圧される請求の範囲第１１項による方法。 １７．直接に供給される酸素が、極低温ポンプにより、かつ直接接触過熱蒸気発 生装置への噴射に先立って引き続き蒸発される請求の範囲第１１項による方法。 １８．直接接触過熱蒸気発生装置内で生成される気相混合物が、略大気圧で排気 を行うガス（スチーム）タービンを通過せしめられる請求の範囲第１１項による 方法。 １９．動力タービンを退去するガスが、適切な液体であって、仕事エネルギーま たは動力の生成のために二次タービンを介して引き続き膨張するものを沸騰させ ることにより凝縮される請求の範囲第１１項による方法。