JP5787838B2 - 排気ガス再循環を備えるガスタービン発電プラント及びその作動方法 - Google Patents
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Description
ガスタービンの排気ガスの再循環の際に、排気ガスの主要な割合は、全排気ガス流量から分岐され、且つ、典型的に、冷却および浄化の後に、ガスタービンの入口質量流に、または圧縮機に供給され、その際、再循環された排気ガス流が、新鮮な周囲空気と混合され、且つ、この混合物が、引き続いて、圧縮機に供給される。
この方法において、目標排気ガス再循環割合が規定され、その際、この排気ガス再循環割合が、ターボ機械の入口流の排気ガスの割合として定義され、実際値が、目標値へと制御される。
それぞれの周囲条件、即ち吸気される周囲空気の温度および相対的な空気湿度、および、ガスタービン作動状態に応じて、この混合の場合に、著しい水滴形成という事態になり得る。
これら水滴は、吸気流と共に、圧縮機内へと到達し、且つ腐食被害を誘起する。
本発明の核心は、排気ガス再循環を備えるガスタービンを作動するための方法であり、この方法の場合、再循環された排気ガスが、再冷却の後、圧縮機吸気流への周囲空気との混合の前に、再加熱(wiedererwaermt)される。
このガスタービンプロセスは、自身で、
その方法の場合、圧縮機が入口側で吸入空気を吸気し、且つ、出口側で使用に供せられる圧縮機終端空気(Verdichterendluft)へと圧縮する該方法と、
その燃焼室内において圧縮機終端空気の使用のもとで、燃料が高温ガスの形成のもとで燃焼される該燃焼室と、並びに、
そのタービン内においてこの高温ガスが作業出力のもとで解放される該タービンとを備えている。
排気ガス再循環を備えるガスタービン発電機の作動のために提案され、
このガスタービン発電機が、
ガスタービンと、
廃熱回収ボイラーと、
および、
ガスタービン発電機の排気ガスを、ガスタービンの圧縮機吸気流内への再循環のための第1の排気ガス部分流と、周囲環境への放出のための第2の排気ガス部分流とに分割する、流動分割装置と、
第1の排気ガス部分流を制御するための制御要素と、
並びに、
圧縮機吸気流への、周囲空気とのこの第1の排気ガス部分流の混合の前に、第1の排気ガス部分流を冷却するための排気ガス再冷却装置(Rueckkuehler)とを備えている。
本発明は、第1の排気ガス部分流が、排気ガス再冷却装置27内における再冷却の後、および、周囲空気との混合の前に再加熱されることによって特徴付けられている。
この再加熱によって、
再冷却された、排気ガス内において含まれる蒸気状の水の凝縮は、周囲空気との混合の結果としての冷却の際に回避される。
第2の排気ガス部分流は、直接的に、周囲環境に放出され(angegeben)、または、後処理へと引渡される。例えば、残余流が周囲環境に放出される前に、この第2の排気ガス部分流から、CO2 が分離されることは可能である。
再循環された排気ガスと周囲空気の均質な混合が、実際的には困難な状態で実現され得るので、温度上昇は、有利にはより大きく選択されるべきであり、
従って、再循環された排気ガスと周囲空気の混合の際に、その吸気流が、平均的に、95%よりも小さい相対的な空気湿度を有している該吸気流が作り出される。
不完全な混合を有する設備のために、温度上昇は、
再循環された排気ガスと周囲空気の均質な混合の際に、その吸気流が、平均的に、90%よりも小さい相対的な空気湿度を有しているか、またはそれどころか、80%よりも小さい相対的な空気湿度を有している該吸気流が作り出されるように、選択されるべきである。
冷却器、例えば発電機冷却器(Generatorkuehler)、冷却空気冷却器(Kuehlluftkuehler)、またはオイル冷却器(Oelkuehler)の廃熱が使用される。
吸気された周囲空気の相対的な空気湿度が高くなればなる程に、より容易に、混合の際の湿気は凝縮される。
本発明の方法の実施形態により、従って、吸気される周囲空気(2)の相対的な空気湿度(R2)に依存して制御される
更に別の実施形態において、再加熱は、排気ガス再循環割合に依存して制御される。
1つの実施形態において、再加熱は、排気ガス再循環割合、および、周囲空気の温度、及び/または周囲空気の相対的な空気湿度に依存して制御される。
本発明の方法の実施形態に従い、再加熱による温度上昇は、再冷却の後の、第1の排気ガス部分流の温度に依存して制御される。
再加熱による温度上昇は、圧縮機吸気流の相対的な空気湿度が、95%よりも小さい。
従って、本発明の方法の1つの実施形態において、新鮮な周囲空気との、再冷却され再循環された排気ガスの混合の後の混合の後の、吸気流内における空気湿度は、他の測定、及び/または作動パラメータから算出される。これらは、例えば、再冷却され再循環された排気ガス、および新鮮な周囲空気の温度、質量流量である。
相対的、および絶対的な湿度は、圧縮機内において、または、この圧縮機の分岐部内において、問題無く測定され得る。何故ならば、相対的な空気湿度は、混合の際に、加熱、および圧縮に基づいて、迅速に低下するからである。飽和されたガスの場合に生じる、測定技術的な問題は、従って発生しない。
圧縮機内において、水が、例えば、出力上昇のために供給された場合、吸気容積流量に関する、供給された水流量は、絶対的な入口湿度の算出の際に差し引かれるべきである。
この圧縮機入口温度は、自体、圧力比、および公知の圧縮機の特性マップを介して、この圧縮機内における状態量を出発点として、近似され得る。このことは、入口温度測定の高信頼性が、温度測定における凝縮によって阻害されている場合に有利である。
更に、空気が、圧縮機端部に至るまで混ぜ合わされ、従って、混合物温度は、単に1つまたは少数の測定位置でもって、高い信頼性で測定され得る。
周囲環境の空気と典型的な比較的に熱い再循環された排気ガスとの均質の混合が、圧縮機入口において、実際的に可能ではないので、混合物温度の測定は、この圧縮機入口において、ただ多数の測定位置でもって、および大きな手間暇に相応してだけで可能である。
本発明の方法の1つの実施形態に従い、再加熱による温度上昇は、位置調節可能な圧縮機案内ベーン列の位置に依存して制御される。
上記圧縮機が、吸気ガスを圧縮し、
燃料がこの燃焼室内において圧縮されたガスと共に、高温ガスへと燃焼され、
この高温ガスが、タービン内において、作業放出のもとで解放され、且つ、
このタービンが、上記圧縮機を駆動し、且つ使用可能な出力を発する。
即ち、一つまたは多数の圧縮機、第1の燃焼室、高圧タービン、第2の燃焼室(一連の燃焼室)、および低圧タービンを備えるガスタービンに使用可能である。
この様式の発電機は、
圧縮機、燃焼室およびタービン、並びに制御器を有するガスタービンと、
廃熱回収ボイラーと、および、
排気ガスを、ガスタービンの圧縮機吸気流内への再循環のための第1の排気ガス部分流と、周囲環境への放出のための第2の排気ガス部分流とに分割する、流動分割装置と、並びに、
排気ガス質量流量の分配を制御するための制御要素とを備えている。
本発明に従い、この様式の発電機は、再循環された排気ガスの再冷却のための熱交換器と並んで、
排気ガス再冷却装置と、圧縮機吸気流内への第1の排気ガス部分流の混合部との間の、再循環導管内において、再循環された排気ガスの再加熱のための熱交換器を、再冷却の後に備えている、
ことによって特徴付けられている。
流下式冷却器または噴霧式冷却器の使用は、
必要な温度差が極めて小さく、且つ、再循環されたガスが同時に洗浄され、且つ従って、
潜在的に有害な汚染物が、ガスタービン内への再循環されるガスの再導入の前に、除去されることの利点を有している。
ガスタービン発電機は、
温度、及び/または、排気ガス再冷却装置と吸気流内への第1の排気ガス部分流の混合部との間の相対的な空気湿度の測定のための、少なくとも1つの測定器具を備えている。
この測定器具は、熱交換器の前または後ろに、第1の排気ガス部分流(21)の再加熱のために設けられている。
本発明に従うガスタービン発電機は、
温度、及び/または、吸気流内への第1の排気ガス部分流の混合部と、圧縮機入口との間の相対的な空気湿度の測定のための測定器具を備えている。
温度、及び/または、周囲環境から吸気された周囲空気の相対的な空気湿度の測定のための測定器具を備えている。
第1の排気ガス部分流の再加熱のための熱交換器は、
導管を介して、水蒸気循環回路と、および、発電機、ガスタービン設備の冷却空気冷却器、またはオイル冷却器の冷却循環回路とに結合されている。
それぞれに与えられた組み合わせだけでなく、他の組み合わせまたは単独の状態でも使用可能である。
例えば、再加熱の後での相対的な湿度の測定の代わりに、
排気ガス再冷却装置の前の相対的な湿度、および温度、
再循環された排気ガスの質量流量、
排気ガス再冷却装置内において分離された凝縮量、並びに、
再加熱の後の温度が測定され得、且つ、従ってこの相対的な湿度が算出され得る。
ガスタービン6は、圧縮機(コンプレッサー)1を備えており、その内において圧縮された燃焼用空気が、燃焼室4に供給され、且つ、そこで、燃料5と共に燃焼される。引き続いて、高温の燃焼ガスは、タービン7内において解放される。
このタービン7内において形成された有用エネルギーは、次いで、例えば、同じ軸の上に設けられた、第1の発電機25でもって、電気的なエネルギーに変換される。圧縮機1の圧縮機吸気流3は、位置調節可能な案内ベーン38を介して制御される。
水蒸気循環回路39は、この実施例内において、簡略化されており、且つ、単に概略的に、凝縮器14および供給水導管16でもって図示されている。異なる圧縮段階、供給水ポンプ、等は、図示されていない。何故ならば、本発明の対象ではないからである。
この第1の排気ガス部分流21は、ガスタービン6の吸気導管内へと再循環され、且つ、そこで、周囲空気2と混合される。再循環されない第2の排気ガス部分流20は、煙突32を介して、周囲環境に放出される。
排気ガス導管の圧力損失を克服するために、および、排気ガス流の分配の更に別の制御可能性として、選択的に、排気ガスブロワー11、または制御可能な排気ガスブロワー11が設けられている。
この再循環された排気ガス部分流が、周囲空気2と混合され、且つ、ガスタービン6に、圧縮機吸気流3として供給される前に、この再循環された排気ガス部分流21は、熱交換器37内において、この再循環された排気ガス部分流の相対的な湿度を低減するために再加熱される。
本発明は、制限無しに、同様に、例えば特許文献3から公知のような、一連の燃焼室、および排気ガス再循環を有するガスタービンのためにも使用可能である。
図2内において、概略的に、一連の燃焼室を有するガスタービン発電機のための1つの実施例が示されている。
このガスタービン燃焼室4に、高圧タービン33が後に続いている。この高圧タービン33の、作業放出(Arbeitsabgabe)のもとで部分解放された流出ガスを、第2の燃焼室34内において、再度、燃料5が供給され、且つ燃焼される。この第2の燃焼室34の高温の燃焼ガスは、低圧タービン35内において、作業放出のもとで再び解放される。
廃熱の利用、並びに再循環、および、再加熱は、図1の実施例と類似して行われる。単に、付加的な制御要素36が、再循環流の制御のために、再循環導管内において設けられている。この配設の場合、流動分割装置29は、制御機能無しに構成され得る。
再循環されない排気ガス部分流20は、典型的に、排気ガス再冷却装置23内において更に冷却され、且つ、この二酸化炭素分離システム18に供給される。この二酸化炭素分離システムから、二酸化炭素の少ない排気ガス22が、煙突32を介して、周囲環境に放出される。
この二酸化炭素分離システム18、および排気ガス導管の圧力損失を克服するために、
排気ガスブロワー10が設けられている。この二酸化炭素分離システム18内において分離された二酸化炭素31は、典型的に、圧縮機(図示されていない)内において圧縮され、且つ、収納または更に別の処理のために導出される。
この二酸化炭素分離システム18は、蒸気抽出装置(Dampfextraktion)15を介して、
蒸気、典型的には、蒸気タービン13から分岐された中圧蒸気または低圧蒸気を供給される。この蒸気は、水蒸気循環回路に、エネルギー放出の後、二酸化炭素分離システム18内において、液状の水の様式において、または蒸気として、もしくは水と蒸気の混合物として、再び供給される。
図示された実施例において、この蒸気は凝縮され、且つ、凝縮物・戻し案内導管(Kondensat-Rueckfuehrleitung)17を介して、供給水に供給される。
2 周囲空気
3 圧縮機吸気流
4 燃焼室、第1の燃焼室
5 燃料
6 ガスタービン
7 タービン
8 ガスタービンの高温の排気ガス
9 廃熱回収ボイラー(heat recovery steam generator, HRSG)
10 (二酸化炭素分離システムまたは煙突への)第2の部分的な排気ガス部分流のための排気ガスブロワー
11 第1の排気ガス部分流(排気ガス再循環)のための排気ガスブロワー
12 バイパス調節蓋または弁
13 蒸気タービン
14 凝縮器
15 二酸化炭素分離システムのための蒸気抽出装置
16 供給水導管
17 凝縮物・戻し案内導管
18 二酸化炭素分離システム
19 熱回収ボイラーからの排気ガス
20 第2の排気ガス部分流
21 第1の排気ガス部分流(排気ガス再循環)
22 二酸化炭素の少ない排気ガス
23 (第2の排気ガス部分流のための)排気ガス再冷却装置
24 煙突への排気ガスバイパス
25 第1の発電機
26 第2の発電機
27 (第1の排気ガス部分流のための)排気ガス再冷却装置
29 流動分割装置
30 生蒸気
31 分離された二酸化炭素
32 煙突
33 高圧タービン
34 第2の燃焼室
35 低圧タービン
36 制御要素
37 熱交換器
38 位置調節可能な案内ベーン(圧縮機案内ベーン列)
39 水蒸気循環回路
T1 再加熱の後の温度
T2 吸気された周囲空気の温度
T3 圧縮機吸気流の温度
R1 再加熱の後の相対的な湿度
R2 吸気された周囲空気の相対的な湿度
R3 圧縮機吸気流の相対的な湿度
Claims (15)
- 排気ガス再循環を備えるガスタービン発電プラントを作動する方法であって、
このガスタービン発電プラントが、
ガスタービン(6)と、
廃熱回収ボイラー(9)と、
ガスタービン発電プラントの排気ガス(19)を、ガスタービン(6)の圧縮機吸気流(3)内への再循環のための第1の排気ガス部分流(21)と、周囲環境への放出のための第2の排気ガス部分流(20、24)とに分割する、流動分割装置(29)と、
第1の排気ガス部分流(21)を制御するための制御要素(11、29、36)と、
圧縮機吸気流(3)への、周囲空気(2)とのこの第1の排気ガス部分流の混合の前に、第1の排気ガス部分流(21)を冷却するための排気ガス再冷却装置(27)とを備えている方法において、
再冷却された、排気ガス内において含まれる蒸気状の水の凝縮を、周囲空気(2)との混合の結果としての冷却の際に回避するために、
第1の排気ガス部分流(21)が、排気ガス再冷却装置(27)内における再冷却の後、および、周囲空気(2)との混合の前に再加熱されることを特徴とする方法。 - 再加熱による温度上昇は、
吸気される周囲空気(2)の温度(T2)に依存して制御されることを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 再加熱による温度上昇は、
吸気される周囲空気(2)の相対的な空気湿度(R2)に依存して制御されることを特徴とする請求項1または2に記載の方法。 - 再加熱による温度上昇は、
全排気ガス質量流量に対する再循環された排気ガス質量流量の比率に依存して制御される
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか一つに記載の方法。 - 再加熱による温度上昇は、
再冷却の後の、第1の排気ガス部分流(21)の温度に依存して制御されることを特徴とする請求項1から4のいずれか一つに記載の方法。 - 再加熱による温度上昇は、
再冷却の後の、第1の排気ガス部分流(21)の相対的な空気湿度に依存して制御されることを特徴とする請求項1から5のいずれか一つに記載の方法。 - 再加熱による温度上昇は、
圧縮機吸気流(3)の温度(T3)に依存して制御されることを特徴とする請求項1から6のいずれか一つに記載の方法。 - 再加熱による温度上昇は、
圧縮機吸気流(3)の相対的な空気湿度(R3)に依存して制御されることを特徴とする請求項1から7のいずれか一つに記載の方法。 - 再加熱による温度上昇は、
圧縮機吸気流(3)の相対的な空気湿度(R3)が、100%よりも小さい、ように制御されることを特徴とする請求項8に記載の方法。 - 再加熱による温度上昇は、
圧縮機吸気流(3)の相対的な空気湿度(R3)が、95%よりも小さい、ように制御されることを特徴とする請求項8に記載の方法。 - 圧縮機入口における、圧縮機入口温度、及び/または相対的な湿度は、
圧縮機入口、またはこの圧縮機の中間段階における、圧力測定、温度測定、および湿度測定から算出されることを特徴とする請求項7から10のいずれか一つに記載の方法。 - 再加熱による温度上昇は、
位置調節可能な圧縮機案内ベーン列(38)の位置に依存して制御されることを特徴とする請求項1から11のいずれか一つに記載の方法。 - 排気ガス再循環を備えるガスタービン発電プラントであって、
このガスタービン発電プラントが、
制御器を有するガスタービン(6)と、
廃熱回収ボイラー(9)と、
排気ガス(19)を、ガスタービン(6)の圧縮機吸気流(3)内への再循環のための第1の排気ガス部分流(21)と、周囲環境への放出のための第2の排気ガス部分流(20、24)とに分割する、流動分割装置(29)と、
第1の排気ガス部分流(21)を制御するための制御要素(29、36)と、
圧縮機吸気流(3)への、周囲空気(2)とのこの第1の排気ガス部分流の混合の前に、第1の排気ガス部分流(21)を冷却するための排気ガス再冷却装置(27)とを備えるガスタービン発電プラントにおいて、
排気ガス再冷却装置(27)と、ガスタービンの圧縮機吸気流(3)内への第1の排気ガス部分流(21)の混合部との間の、再循環導管内において、
第1の排気ガス部分流(21)の再加熱のための熱交換器(37)が設けられていることを特徴とするガスタービン発電プラント。 - ガスタービン発電プラントは、
温度(T1)、及び/または、相対的な空気湿度(R1)の測定のための測定器具を、第1の排気ガス部分流(21)の再加熱のための熱交換器(37)の後ろで備えていることを特徴とする請求項13に記載のガスタービン発電プラント。 - 第1の排気ガス部分流の再加熱のための熱交換器(37)は、
水蒸気循環回路と、および、発電機、冷却空気冷却器、またはオイル冷却器の冷却循環回路とに結合されていることを特徴とする請求項13に記載のガスタービン発電プラント。
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