JPH06511061A - 電気エネルギを環境適合式に発生させる方法及びこの方法を実施する設備 - 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】 電気エネルギを環境適合式に発生させる方法及びこの方法を実施する設備 本発明は、組み合わせられたガス・蒸気式動力設備において電気エネルギを環境 適合式に発生させる方法であって、ガスタービンにおいて高圧縮された作業媒体 を、作業出力を出しながら膨張させることによって、かつ蒸気タービンにおいて 化石燃料燃焼式の蒸気発生装置の高圧縮されかつ過熱された蒸気を、作業出力円 しながら膨張させることによって、電気エネルギを発生させる形式の方法、及び この方法を実施する設備に関する。

ガスタービンと蒸気タービンとを使用して組み合わせて電気エネルギを発生させ る公知の方法では、ガスタービンの、オイル燃焼式又はガス燃焼式の燃焼室にお いて生じる圧縮された作業ガスは、１０００°Ｃを越える温度でまず初めガスタ ービンにおいて出力を出しながら膨張させられ、なお酸素過剰状態である高温の タービンガスは、蒸気発生装置のための燃焼空気として使用される。組み合わせ られたガス・蒸気式動力設備は、純然たる蒸気式動力設備に対して改善された効 率を有していて、ひいては出力に関連して減じられたＣＯ２エミッションを有し ている。ガスタービン排ガスの酸素過剰は、ガスタービンのために必要な質量流 を利用するために、本来の燃焼空気量を著しく上回る空気量が必要であるという ことに、起因している。

燃焼室における燃焼は酸素過剰及び高温において行われるので、ガスタービン排 ガスは、多量の窒素酸化物を有しており、これらの窒素酸化物によって、蒸気発 生装置の煙道ガス・窒素除去設備の相応な設計が必要になる。

しかしながらまた、ガスタービン排ガスは、新鮮空気に対してわずかな０２含有 量を有している。これによって、蒸気発生装置の出力が等しい場合には、蒸気発 生装置及び公知の構成成分、例えば電子フィルタ、吸込み装置、窒素除去設備及 び煙道ガス硫黄除去設備のような構成成分を通る排ガス質量流もしくは煙道ガス 質量流は、蒸気発生装置燃焼のために新鮮空気を使用する場合に比べて、５０％ にまで高められる。これによってまた発電所設備の出力・固有需要が高められ、 この結果、ガスタービンと蒸気発生装置との組み合わせによって得られる効率改 善のうちの一部は再び消費されてしまう。溶融室型燃焼装置では、煙道ガス質量 流の上昇は制限された範囲においてしか可能でない。それというのは、特に溶融 流が燃焼室において不都合な影響を受けるからである。したがって溶融室型燃焼 装置を蒸気式動力設備に設けることは、まったく不可能であるか又は条件付けら れてしか可能でない。

ゆえに本発明の課題は、組み合わせられたガス・蒸気式動力設備において電気エ ネルギを発生させる、冒頭に述べた形式の方法を改良して、効率を高めることが でき、固有のＣＯｔエミッションを減じることができ、かつ窒素酸化物エミッシ ョンを減じることができるようにすることである。

この課題を解決するために本発明の方法では、ガスタービンの、作業出力を出し ながら膨張する作業媒体の検出可能な熱を、蒸気発生装置の燃焼空気に伝達する ようにした。

本発明による方法によって、タービン排ガスに含まれる熱を利用することが可能 になり、しかもこの際に、蒸気発生装置及び後置の構成成分を通る煙道ガス質量 流を高める必要がない。したがってこれにより、組み合わせによって得ることの できる効率改善を完全に利用することができる。さらにまた本発明による方法に よれば、溶融室型燃焼装置を備えた古い設備にも簡単に後から設けることができ る。ガスタービンの燃焼室における窒素酸化物の形成を著しく減じるために、本 発明の別の特徴によれば、ガスタービンの、作業出力を出しながら膨張されかつ 冷却された作業媒体の一部、つまり新鮮空気に比べて酸素の少ないガスタービン 排ガスの一部を、圧縮される新鮮空気に加えて混合し、該新鮮空気と共にガスタ ービンの燃焼室に戻すようにした。このような処置によって、新鮮空気の一部、 つまり先行技術による方法では主としてガスタービンのための質量流としてのみ 設けられていた、新鮮空気の一部の代わりに、ガスタービンの酸素の少ない排ガ スが用いられ、この結果、燃焼室における燃焼を著しくわずかな酸素過剰状態に おいて行うことが可能である。これによってさらに、ガスタービンの燃焼室にお いてはもはやほとんど熱的な窒素酸化物は発生しなくなる。

本発明の別の有利な方法では、ガスタービンの排ガスの戻されない残留ガスは、 蒸気発生装置の煙道ガスと混合させられ、該煙道ガスと共に煙突もしくは冷却塔 を介して導出させられる。ガスタービン排ガスはもはや実質的に有害物質を含ん でいないので、蒸気発生装置の煙道ガスへのガスタービン排ガスの混合を煙道ガ スのクリーニング後に行うことが可能であり、この結果ガスタービン排ガスの混 合は、ガスタービン排ガスがほぼｓｏ’ｃの温度を有していることに基づいて、 煙道ガスの浮力を高めるために役立つ。本発明の別の特徴によれば、蒸気発生装 置から取り出された蒸気をその膨張の前に、付加的な流動床型燃焼装置の燃焼室 に配置された熱交換器においてさらに加熱するようになっており、このようにす ると、効率をさらに付加的に高めることができる。付加的な流動床型燃焼装置に おいて蒸気を後でさらに加熱するは、流動層における改善された熱伝達と流動床 における均一な温度とに基づいて、蒸気発生装置自体において可能であるよりの 低い燃焼室温度で行うことが可能である。したがって蒸気は、より高い蒸気温度 に加熱され、ブロック効率が改善され、しかもこの場合に、高圧縮された水蒸気 によって貫流される熱交換器管の材料に関する問題は発生しない。

本発明の別の有利な方法では、流動床型燃焼装置の煙道ガスを、窒素酸化物をさ らに減少させるために蒸気発生装置の燃焼室に導入するようにした。蒸気発生装 置への流動床型燃焼装置の煙道ガスの導入によって、窒素酸化物が減じられるの みならず、流動床型燃焼装置の燃料として、単独で又は例えば石炭と混合させて 、問題のなく有機的な物質を含有する廃棄物を使用することが可能になる。場合 によっては発生して煙道ガスと一緒に連行される有害物質は、蒸気発生装置の燃 焼装置において１０００°Ｃを上回る温度に加熱されるかもしくは燃焼させられ 、この際に再び破壊される。

本発明の別の特徴によれば、ガスタービン排ガスの冷却を水の露点の範囲にまで 行い、少なくとも、ガスタービン排ガスから凝縮された水の一部を、ガスタービ ン設備に戻して、噴射水として使用する。

水を噴射することによって、一方ではガスタービンの出力ひいては効率が高めら れ、他方ではガスタービン排ガスの窒素酸化物濃度が減じられ、この場合本発明 によれば、噴射水はガスタービン排ガスから戻されて、回路内において案内され る。

ガスタービン排ガスから凝縮された水分の一部、つまり噴射水に関する需要を上 回っていて、主としてガスタービン・燃料の炭化水素の燃焼によって生じる水分 の一部は、例えば漏れ損失を補償するために、蒸気式動力設備の水・蒸気回路内 に供給されることが可能である。

本発明の有利な方法では、ガスタービンの出力がもはや全設備の出力のほぼ２０ パ一セント未満である。

この出力範囲において蒸気発生装置の燃焼空気質量流は、ガスタービン排ガス質 量流を明らかに上回っている。すなわち、ガスタービン排ガスは既に、蒸気発生 装置の燃焼空気との熱交換において水の露点の範囲にまで冷却されることができ 、付加的な冷却出力に対する需要は最小になるか、又は場合によってはまった（ なくなる。

本発明による方法を実施する組み合わせられたガス・蒸気式動力設備は、ガスタ ービンと、化石燃料燃焼式の蒸気発生装置と、蒸気タービンとを備えており、そ してこの場合次のこと、すなわち、再生熱交換器が設けられており、該再生熱交 換器が一次側において、ガスタービンの膨張する作業媒体のための排ガス導管に 一体に組み込まれていて、かつ二次側において、蒸気発生装置の新鮮空気導管に 一体に組み込まれていることを特徴とする。

効率をさらに改善するために本発明では、流動床型燃焼装置の燃焼室に熱交換器 が配置されており、該熱交換器の入口が蒸気発生装置の蒸気出口と結合されてい て、かつ該熱交換器の出口が蒸気タービンの蒸気入口と結合されている。この場 合さらに有利には、流動床型燃焼装置と蒸気発生装置の燃焼室との間に、流動床 型燃焼装置の煙道ガスのための接続導管が設けられている。

以下においては本発明による方法及び本発明による装置を、第１図及び第２図に 示された実施例を参照しながら説明する。

第１図の実施例において、導管１を介して供給される新鮮空気はコンプレッサ２ においてほぼ６〜２０バールに圧縮され、燃焼空気としてオイル又はガス燃焼式 の燃焼室３に導入される。燃焼室３において生せしめられる高温のガスは、ガス タービン４の作業媒体として働き、このガスタービン４において高温ガスは作業 出力を出しながら膨張する。ガスタービン４は発電機５とコンプレッサ２とを駆 動する。

導管２２を介して流出する膨張した作業媒体の温度は、はぼ３００〜６００°Ｃ である。

本発明によれば、導管２２に流出する膨張したガスタービン４の作業媒体の残留 熱は、化石燃料燃焼式の蒸気発生装置３０の燃焼空気に伝達される。このために 熱交換器１４、有利には図面に示されている再生熱交換器のような熱交換器１４ は、流出するガスタービン４の作業媒体のための導管２２と、蒸気発生装置３０ の燃焼空気のための導管１８とに接続されている。

これによってタービン排ガスに含まれている残留熱を、化石燃料燃焼式の蒸気発 生装置３０のための燃焼空気を予加熱するために利用することが可能であり、し かもこの場合に、煙道ガス質量流を蒸気発生装置３０及び後置された構成成分に よって高める必要がない。

本発明による方法は、特に、組み合わせられたガス・蒸気式動力設備の利点を、 図示の実施例におけるように溶融室型燃焼装置を備えた古い設備においても、ガ スタービン回路を単純に前置することによって得ることを、可能にしている。そ れというのは、溶融室型燃焼装置では煙道ガス質量流の上昇、つまり全タービン 排ガスの貫通案内は、燃焼室３１における溶融流不都合な影響に基づいて、不可 能であるからである。

別の特徴によれば、ガスタービン排ガスの窒素酸化物を減じるために、導管２２ を介して流出する膨張した、熱交換器１４においてほぼ４０〜８０６Ｃに冷却さ れたガスタービン排ガスの部分流は、導管２０を介して連続的にガスタービン４ のための新鮮空気と混合され、この新鮮空気と一緒に燃焼室３に戻される。戻さ れる排ガス部分流の量は、この場合、ガスタービン４の最適な出力のために必要 な質量流に基づいて測定され、全排ガス量の５０％にまで達することができる。

最適な設計では、さらに、燃焼室３における燃焼のために必要な量の新鮮空気だ けが供給され、ガスタービン４のための質量流として必要とされる付加量は、戻 される酸素の少ない排ガスによって補足される。このようにして、燃焼室３にお ける燃焼を著しくわずかな酸素過剰で行うことが可能になり、この結果、熱的な 窒素酸化物の形成はほぼ０になる。

ガスタービン排ガスの戻されない部分は、引き続き導管２２を介して排出され、 有利には、通常は湿式クリーニングされた蒸気発生装置３０の煙道ガスに加えら れて混合され、この煙道ガスと共に煙突又は冷却塔を介して大気中に排出される 。そしてその残留熱の結果として、ガスタービン排ガスは全煙道ガス量の浮力を 高めるために役立つ。

蒸気発生装置３０、図示の実施例では燃焼室３１と燃料供給部３２とを備えた溶 融室型ボイラでは、加熱面３３．３４において、水・蒸気回路のための高圧蒸気 が生せしめられる。この水・蒸気回路は、加熱面３３．３４の外に、別の主構成 成分として、発電機１０を備えた蒸気タービン１１と、蒸気復水器１２と、供給 水ポンプ１３と、供給水を予加熱するための別の熱交換器２４とを有している。

別の特徴によれば、蒸気発生装置３０において得られた蒸気は、加熱面３３の後 で導管２５を介して別の熱交換器７に案内される。

この熱交換器７は、燃料供給部９を備えた付加的な流動床型燃焼装置８に配置さ れている。熱交換器７において蒸気はほぼ５６０〜６００°Ｃの温度にさらに加 熱され、その後で初めてガスタービン１１にさらに案内され、そこで膨張させら れる。

熱交換器７もしくは流動床型燃焼装置８における水蒸気の過熱は、いまや、蒸気 発生装置３０に比べて低い燃焼室温度と均一な温度分布において行うことができ るので、さもないと高い圧力と不均一な燃焼室温度とが同時に存在していること によって発生するような、熱交換器管のための材料の問題を、回避することが可 能である。そしてこれによって、流動床型燃焼装置８において水蒸気をさらに過 熱することにより、蒸気タービン１１の出力を、５〜１０％にまで上昇させるこ とができる。

流動床型燃焼装置８において必要な燃焼空気は、導管２６とブロア２７とを介し て、導管１８に流入する蒸気発生装置３０のための新鮮空気から、熱交換器１４ の後ろで分岐される。流動床型燃焼装置８の煙道ガスは、導管２３を介して蕎気 発生装置３０の燃焼室３１に導入され、そして蒸気発生装置３０の酸化窒素を減 じるために役立てられる。

蒸気発生装置３０から流出する煙道ガスは、次々と電子フィルタ１５、吸込みブ ロア２８及び硫黄除去設備１６とを通過して、さらに、タービン排ガスのための 導管２２が開口している導管１７を介して流れ、最終的には煙突又は冷却塔を介 して大気中に排出される。付加的な窒素酸化物の減少を目的として、ガスタービ ン４におけるように、蒸気発生装置３０のクリーニングされた煙道ガス流の一部 が、導管２１を介して流動床型燃焼装置８に戻されるようになっていると、有利 である。また場合によっては、熱交換器２４の前に付加的に窒素除去装置２８を 設けることも可能である蒸気発生装置３０の燃焼空気のための導管１８に熱交換 器１４の上流において示されている熱交換器６を介して、ブロア１９から供給さ れかつ圧縮された新鮮空気には、付加的に熱が供給され得る。この熱交換器６は したがって、ガスタービン４の出力変化を補償するためもしくはガスタービン４ の部分負荷又は低負荷時における燃焼空気の付加的な予加熱のための調整機構と して働（。

第２図に示されている実施例では、ガスタービン排ガスは、水の露点の範囲にま で冷却され、凝縮された水は、ガスタービン出力を高めるため及び窒素酸化物の 形成を減じるために導管３６を介して戻され、燃焼室３にか又は、別の適当な箇 所においてガスタービン４の高圧縮された作業媒体内にに噴射される。

基本的には水の露点の範囲にまでのガスタービン排ガスの冷却は、１段階式に、 つまり直接的に熱交換器１４において蒸気発生装置３０の燃焼空気との熱交換に よって、行うことが可能である。しかしながらこのことは、ガスタービン排ガス 流に対する燃焼空気質量流の比率が十分に大きいことを前提条件としている。

このことはいずれにせよ、ガスタービン設備の出力が全設備の出力のほぼ２０％ よりも高くない場合に、保証されることである。

しかしながらガスタービン排ガス質量流に対する燃焼空気質量流の比率が、もっ ばら燃焼空気との熱交換において露点にまで冷却できるほど、十分に大きくない 場合には、ガスタービン排ガスの冷却は二段階式に行わねばならない。すなわち この場合、露点範囲までの残りの冷却を後置された付加冷却装置３５において行 う必要がある。ガスタービン排ガスの残りの冷却のために働く付加冷却装置３５ のためには、この場合においても別体の冷却媒体が、例えば蒸気式動力設備の冷 却回路からの冷却水が必要である。

燃焼室３もしくはガスタービン４の作業媒体内に噴出される水の量に相当する分 量に加えて、ガスタービン燃料に含まれている炭化水素の燃焼によって生じる水 分が発生する。そして過剰な水分は、導管３７，３８を介して、新鮮水の代わり に漏れ損失を補償するために、蒸気式動力設備の水・蒸気回路に、有利には供給 水ポンプ１３の前において導入されかつ／又は、導管３９を介して場合によって は調整の前に、使用水回路に供給されることができる。

フロントページの続き （８１）指定国　ＥＰ（ＡＴ、ＢＥ、ＣＨ，ＤＥ。

ＤＫ、ＥＳ、ＦＲ，ＧＢ、ＧＲ，ＩＴ、ＬＵ、ＭＣ，ＮＬ、　ＳＥ）、　ＡＵ、 　ＣＡ、ＪＰ、　ＲＵ、　ＵＳ（７２）発明者　ブライフ、フリードリッヒドイ ツ連邦共和国　Ｄ−６６０７クヴイールシート　アカーツィエンヴエーク　２３ （７２）発明者　シュタデイー、ロタールドイツ連邦共和国　Ｄ−８５５２ヘー ヒシュテット　ゲルリッツァー　シュトラーセ（７２）発明者　ペッツエル、ハ シスーカールドイツ連邦共和国　Ｄ−６９４０ヴアインハイム　イム　ランゲヴ アン　２６

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．組み合わせられたガス・蒸気式動力設備において電気エネルギを環境適合式 に発生させる方法であって、ガスタービンにおいて高圧縮された作業媒体を、作 業出力を出しながら膨張させることによって、かつ蒸気タービンにおいて化石燃 料燃焼式の蒸気発生装置の高圧縮されかつ過熱された蒸気を、作業出力出しなが ら膨張させることによって、電気エネルギを発生させる形式の方法において、ガ スタービンの、作業出力を出しながら膨張する作業媒体の検出可能な熱を、蒸気 発生装置の燃焼空気に伝達することを特徴とする、電気エネルギを環境適合式に 発生させる方法。
2. ２．ガスタービンの、膨張されかつ冷却された作業媒体の一部を、ガスタービン の圧縮される新鮮空気に加えて混合する、請求項１記載の方法。
3. ３．蒸気発生装置から取り出された蒸気をその膨張の前に、付加的な流動床型燃 焼装置の燃焼室に配置された熱交換器においてさらに加熱する、請求項１又は２ 記載の方法。
4. ４．流動床型燃焼装置の煙道ガスを、蒸気発生装置の燃焼室に導入する、請求項 ３記載の方法。
5. ５．ガスタービン排ガスの冷却を水の露点の範囲にまで行い、少なくとも、ガス タービン排ガスから凝縮された水の一部を、ガスタービン設備に戻して、噴射水 として使用する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. ６．ガスタービン排ガスから凝縮された水の場合によっては生じる過剰を、少な くとも部分的に、蒸気式動力設備の水・蒸気回路内に供給する、請求項５記載の 方法。
7. ７．ガス・蒸気式動力設備の全出力に対するガスタービン出力の比が、０．２で ある、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. ８．請求項１から７までのいずれか１項記載の方法を実施する組み合わせられた ガス・蒸気式動力設備であって、ガスタービンと、化石燃料燃焼式の蒸気発生装 置と、蒸気タービンとを備えている形式のものにおいて、再生熱交換器（１４） が設けられており、該再生熱交換器（１４）が一次側において、ガスタービン（ ４）の膨張する作業媒体のための排ガス導管（２２）に一体に組み込まれていて 、かつ二次側において、蒸気発生装置（３０）の新鮮空気導管（１８）に一体に 組み込まれていることを特徴とする、組み合わせられたガス・蒸気式動力設備。
9. ９．流動床型燃焼装置（８）の燃焼室に熱交換器（７）が配置されており、該熱 交換器（７）の入口が蒸気発生装置（３０）の蒸気出口と結合されていて、かつ 該熱交換器（７）の出口が蒸気タービン（１１）の蒸気入口と結合されている、 請求項８記載の組み合わせられたガス・蒸気式動力設備。
10. １０．流動床型燃焼装置（８）と蒸気発生装置（３０）の燃焼室（３１）との間 に、流動床型燃焼装置（８）の煙道ガスのための接続導管（２３）が設けられて いる、請求項９記載の組み合わせられたガス・蒸気式動力設備。