JP5460040B2 - 排気ガスの再循環とｃｏ２の分離を行う複合サイクル発電所及びそのような複合サイクル発電所の動作方法 - Google Patents

Description

本発明は、発電分野に属する。請求項１の上位概念にもとづく複合サイクル発電所及びそのような複合サイクル発電所の動作方法に関する。

ガスタービンの排気ガス内のＣＯ_２成分が比較的少ないことは、排気ガスからＣＯ_２を分離することに関して不利である。熱回収蒸気発生器を備えた複合サイクル発電所において、ＣＯ_２成分の増加とＣＯ_２分離用機器内で処理しなければならない流体質量の低減の両方を行うために、ガスタービンから出た排気ガスを熱回収蒸気発生器に貫流させた後ガスタービンの入口に再循環させることが、従来技術（例えば、特許文献１と２を参照）において周知である。排気ガスの温度は、熱回収蒸気発生器の出口で約１００°Ｃになり、その後ＣＯ_２の分離のために、５０°Ｃ以下に低下させなければならない。

図１に図示されている（従来技術では、熱回収蒸気発生器１６に統合されている、燃料供給ライン３０を備えた補助燃焼部１７が、そこに無いものと看做さなければならない）システムの原理的に最も簡単な直列構成は、排気ガスを再循環させる複合サイクル発電所に適している。図１の複合サイクル発電所１０は、コンプレッサ１２を備えたガスタービン１１、燃料供給ライン３４を備えた１段式又は多段式燃焼室１４及びタービン１３を有するほか、その下流では、給水入口を経由して供給される給水を蒸気に変換する熱回収蒸気発生器１６も接続されており、その蒸気は、一つ以上の生蒸気出口１８を経由して蒸気タービン１９に流れている。コンプレッサ１２は、空気入口１５を経由して空気を吸引して圧縮している。その圧縮空気を用いて、燃料供給ライン３４を経由して供給されるガス状及び／又は液体状の燃料を燃焼室１４内で燃焼させている。熱い排気ガスは、タービン１３内で膨張して、動力を発生させ、その後関連する水／蒸気サイクル３４用の蒸気を生成するための熱回収蒸気発生器１６を通して移送されている。熱回収蒸気発生器１６から排出された排気ガスは、第一の熱交換機２２内で冷却されてから二つのフローに分割されている。一方のフローは、排気ガス再循環ライン２８を経由してガスタービン１１の入口に戻されて、そうする中で第二の熱交換機２９内で更に冷却されている。他方のフローは、コンプレッサ２４を用いて圧縮されて、ＣＯ_２分離プラント２５を通して移送され、そこでＣＯ_２の大部分が排気ガスから分離されている。分離されたＣＯ_２は、ＣＯ_２出口２７を経由して排出され、ＣＯ_２の大部分を取り除かれた排気ガスは、排気ガスライン２６を経由して排出されている。その分離に必要な蒸気は、蒸気タービン１９又は熱回収蒸気発生器１６で抽出されて、蒸気抽出ライン２３を経由してＣＯ_２分離プラント２５に供給されている。ＣＯ_２分離プラント２５の蓄積された凝縮物は、凝縮物再循環ライン３５を経由して複合プラントの水／蒸気サイクル３４に再び供給されている。図１ａに図示されている通り、熱を必要としないＣＯ_２分離プラント２５に関しては、蒸気抽出ライン２３も凝縮物再循環ライン３５も省略することができる。

特別なケースでは、排気ガスを直接大気に排出することを可能とする排気ガスバイパスライン２１を熱回収蒸気発生器１６とその次の熱交換機２２の間に配備することができる。

このようなＣＯ_２濃度強化方式の場合、約５０％の再循環率で再循環させる排気ガスのフローとそれと関連する排気ガスダクト及び熱交換機の設備コストが高いことが欠点であり、ＣＯ_２の分離と関連する発電出力の低下も不利である。

欧州特許公開第１７５２６１６号明細書 ドイツ特許公開第１０２９７３６５号明細書

以上のことから、本発明の課題は、前述した方式の複合サイクル発電所を更に改善して、ＣＯ_２の濃度を大きく低下させること無く、再循環させる排気ガスを低減すると同時に、発電出力を増加することができるようにすることと、そのような複合サイクル発電所の動作方法を提示することである。

この課題は、請求項１、１１及び１３の個々の特徴全体を用いて達成される。炭素質燃料の燃焼によってＣＯ_２成分を含む追加の排気ガスを生成して、その排気ガスを熱回収蒸気発生器を通して移送する補助燃焼部が、熱回収蒸気発生器と関連付けられていることが、本発明には不可欠である。この場合、排気ガスの再循環又は排気ガスの再利用と補助燃焼部との組み合わせを二つの異なる手法で用いることができる。第一のケースでは、補助燃焼部により発電出力を増加するとともに、排気ガスを再循環する比率を低下させることが目的である。このケースで低下させる比率は、極端な場合ゼロとすることができる。排気ガスの再利用を完全に行わない場合、そのために配備された排気ガス再循環ラインを省略することさえ可能である。第二のケースでは、ＣＯ_２分離時の出力と効率の間のバランスをとることができる柔軟な動作方式が実現される。

本発明による複合サイクル発電所の一つの実施形態は、補助燃焼部が熱回収蒸気発生器に統合されていることを特徴とする。その結果特にコンパクトな構造が実現される。

本発明の別の実施形態は、排気ガスが、熱回収蒸気発生器から排出された後で、かつ排気ガス再循環ライン及びＣＯ_２分離プラントに供給される前に、第一の熱交換機を通して移送されることを特徴とする。その結果実現される排気ガス温度の低下は、その次のプラントにおけるＣＯ_２の効果的な分離を保証することとなる。

この場合、熱回収蒸気発生器と第一の熱交換機の間で排気ガスバイパスラインを分岐させることが、プラント全体の安全で柔軟な動作のために有利である。

第二の熱交換機を排気ガス再循環ライン内に配置した場合、ガスタービンの入口での温度を低下させるとともに、出力を増加することが可能となる。

本発明による別の実施形態では、排気ガス用のコンプレッサが、ＣＯ_２分離プラントの上流に配置される。

必要な場合には、蒸気タービン又は熱回収蒸気発生器から蒸気抽出ラインを経由してＣＯ_２分離プラントに蒸気を誘導する。

有利には、制御弁として構成される、排気ガス再循環ライン内に配置された、再循環率を調整するための第一の手段によって、特に柔軟な動作が可能となる。

更に、補助燃焼部を制御するための第二の手段を配備することができる。

請求項１１に記載された方法の実施形態は、再循環させる排気ガスの量をゼロに保持することを特徴とする。

請求項１３に記載された方法の実施形態は、再循環させる排気ガスの量及び／又は補助燃焼部の出力を逆向きに変化させることを特徴とする。そのようにして、排気ガス内のＣＯ_２濃度を一定に保持することができる。

別の実施形態は、複合サイクル発電所の出力を一時的に増加するために、再循環させる排気ガスの量の低減及び／又は補助燃焼部の出力の増加を行うことを特徴とする。

本発明の第一の実施例による補助燃焼部を備えた複合サイクル発電所の非常に簡略化したレイアウト図 蒸気を必要としないＣＯ_２分離プラントを使用した、補助燃焼部を備えた複合サイクル発電所の図１との比較図 排気ガス再循環ライン内での別個の冷却機を省略した、補助燃焼部を備えた複合サイクル発電所の図１との比較図 蒸気タービンを省略して、例えば、工業プロセスに蒸気を供給する、補助燃焼部を備えた複合サイクル発電所の図１との比較図 ＣＯ_２分離プラント用の蒸気を熱回収蒸気発生器から直接抽出する、補助燃焼部を備えた複合サイクル発電所の図１との比較図 本発明の第二の実施例による補助燃焼部を備えた複合サイクル発電所の図１との比較図

以下において、図面と関連した実施例にもとづき本発明を詳しく説明する。

図１には、本発明の第一の実施例による補助燃焼部を備えた複合サイクル発電所１０の非常に簡略化したレイアウト図が図示されている。この場合、補助燃焼部１７は、ガスタービン１１の下流でそれと接続された熱回収蒸気発生器１６に統合されており、その補助燃焼部は、燃料供給ライン３０を経由して供給される炭素質燃料を燃焼させて、熱回収蒸気発生器１６を通して誘導される排気ガスフローを再加熱するとともに、そのフローにＣＯ_２成分を含む排気ガスを更に追加している。補助燃焼部１７が無いと、排気ガスは、例えば、１００°Ｃの温度で熱回収蒸気発生器から排出されて、その次の熱交換機では５０°Ｃにまで冷えてしまうこととなる。そして、冷えた排気ガスフローの半分（５０％の再循環率）は、排気ガス再循環ライン２８を経由してガスタービン１１の入口に戻されて、そうする中で熱交換機２９内で更に２５°Ｃにまで冷えてしまう。

補助燃焼部１７を導入した結果、そのような状況が一変して、排気ガスの温度が上昇するために、より多くの熱エネルギーを蒸気の生成に使用することが可能となる。従って、蒸気タービン１９の出力が増加する。排気ガス内のＣＯ_２濃度が上昇するために、排気ガスの再循環率を低減するか、或いは極端な場合完全にゼロに低下することさせ可能である。この結果、次の利点が得られる。
・排気ガスの再循環率の低減又は再循環率の完全にゼロへの低下によって、温度低下の防止と設備コスト（排気ガスラインと熱交換機）の削減が実現される。
・補助燃焼の結果、ＣＯ_２濃度が上昇するとともに、そのためにＣＯ_２分離時の効率が上昇する。
・補助燃焼の結果、ＣＯ_２の分離による内部電力損失を補償することができる。
・排気ガスの再循環率の低減又は再循環率の完全にゼロへの低下の結果、燃焼室１４及びタービン１３内の酸素量が上昇することとなる。それによって、保護酸化物層及び低い酸素量による燃焼のリスクが軽減される。

図１の実施例の場合、再循環率と補助燃焼は、固定的に設定・調整される。そのため、この発電所は、それに対応して、特に、排気ガス再循環ラインに関して、異なる形で設計することができる。

更に、図１ａでは、図１の複合サイクル発電所１０に対して、蒸気を必要としないＣＯ_２分離プラント２５を使用するものと考えている。その場合、蒸気抽出ライン２３と凝縮物再循環ライン３５が省略されている。

しかし、図１ｂでは、図１と比較して、複合サイクル発電所１０の排気ガス再循環ライン２８内における別個の冷却機２９も省略することが可能である。

更に、図１ｃでは、図１の複合サイクル発電所１０に対して、蒸気タービン１９を省略するとともに、生蒸気出口１８で抽出された生蒸気を工業プロセス等に供給するものと考えている。

図１ｄでは、ＣＯ_２分離プラント２５用の蒸気が、蒸気タービン１９からではなく、熱回収蒸気発生器１６から直接抽出することも可能である。

しかし、複合サイクル発電所の動作をその時々の境界条件にそれぞれ柔軟に適合させることができるように、再循環率と補助燃焼部を可変に設計することも考えている。そのような排気ガスの再利用を柔軟に調整する複合サイクル発電所の実施例が、図２に図示されている。図２の複合サイクル発電所１０’の場合、図１と比較して、再循環率と補助燃焼部１７を調整するための追加的な手段が配備されており、例として、補助燃焼部１７への燃料供給ライン３０と排気ガス再循環ライン２８内における制御弁３１と３２として構成されている。これらの制御弁３１と３２は、必要に応じて、再循環させる排気ガスフロー又は補助燃焼部１７への燃料フローを調整・制御する制御ユニット３３と接続されている。

この場合、補助燃焼部１７は、市場の電力需要が増加する期間において、発電所の出力を上昇させるために使用される。他方において、通常の動作では、高い再循環率と補助燃焼の無い形で発電所を動作させ、それによって、ＣＯ_２の非常に効率的な分離が可能となる。その場合、制御弁３２を用いて、再循環率を調整する。

（制御弁３２を部分的に閉じた結果として）再循環率を低下させるとともに、補助燃焼部１７を作動させた場合、発電所の発電出力は増加する。この場合、補助燃焼部１７は、排気ガス内における一定のＣＯ_２濃度を保証する。しかしながら、排気ガスの流体質量が増加して、より多くのＣＯ_２が生成されるので、ＣＯ_２分離プラント２５におけるＣＯ_２の分離率を低下させる。溶剤をベースとするＣＯ_２の分離例にもとづき、目標とするＣＯ_２分離率を低下させる理由を説明する。
１．流体質量が増加するために、分離塔を貫流する時の排気ガスの流速が速くなり、その結果溶剤によるＣＯ_２反応時間が短くなる。
２．溶剤内に吸収することができるＣＯ_２の量には限界が有るので、追加されたＣＯ_２量を吸収するのに十分な溶剤が無い。

再循環率を低下させた場合、出力の増加を一層改善することができる。十分に低い温度で同じ冷却能力を利用することが可能となることによって、再循環させる排気ガスを一層冷却することができる。その結果、ガスタービン１１の入口での温度が低下するとともに、発電電力が増加することとなる。

前述した柔軟な動作の結果、次の利点が得られる。
・システムが柔軟となり、出力電力とＣＯ_２分離効率の間のバランスをとることが可能となる。
・より多くの蒸気が生成されるために、蒸気タービンの出力が増加することによって、出力電力の増加を実現することができる。
・入口での温度が低下するために、ガスタービンの出力増加により出力電力の一層の増加を実現することができる。

１０，１０’ 複合サイクル発電所
１１ ガスタービン
１２ コンプレッサ
１３ タービン
１４ 燃焼室
１５ 空気入口
１６ 熱回収蒸気発生器
１７ 補助燃焼部
１８ 生蒸気出口
１９ 蒸気タービン
２０ 給水入口
２１ 排気ガスバイパスライン
２２，２９ 熱交換機
２３ 蒸気抽出ライン
２４ コンプレッサ
２５ ＣＯ_２分離プラント
２６ 排気ガスライン
２７ ＣＯ_２出口
２８ 排気ガス再循環ライン
３０，３４ 燃料供給ライン
３１，３２ 制御弁
３３ 制御ユニット
３４ 水／蒸気サイクル
３５ 凝縮物再循環ライン

Claims (11)

1. ガスタービン（１１）と、その下流でガスタービン（１１）と接続された、蒸気タービン（１９）に蒸気を供給する熱回収蒸気発生器（１６）と、ガスタービン（１１）の排気から熱回収蒸気発生器（１６）を通って流れる排気ガスの一部をガスタービン（１１）の入口に再循環させる排気ガス再循環ライン（２８）と、排気ガスの再循環されなかった部分から、その部分に含まれるＣＯ₂ を分離して、それをＣＯ₂ 出口に供給するＣＯ₂ 分離プラント（２５）とを備えた複合サイクル発電所（１０，１０’）において、
   炭素質燃料を燃焼させることによって、ＣＯ₂ 成分を含む追加の排気ガスを生成して、その排気ガスを熱回収蒸気発生器（１６）を通して移送する補助燃焼部（１７）が、熱回収蒸気発生器（１６）と関連付けられていることと、
   前記の排気ガスが、熱回収蒸気発生器（１６）から排出された後で、かつ排気ガス再循環ライン（２８）及びＣＯ ₂ 分離プラント（２５）に供給される前に、第一の熱交換機（２２）を通して移送されることと、
   排気ガスバイパスライン（２１）が、熱回収蒸気発生器（１６）と第一の熱交換機（２２）の間から分岐していることと、
   を特徴とする複合サイクル発電所。
2. 補助燃焼部（１７）が、熱回収蒸気発生器（１６）に統合されていることを特徴とする請求項１に記載の複合サイクル発電所。
3. 第二の熱交換機（２９）が、排気ガス再循環ライン（２８）内に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の複合サイクル発電所。
4. 当該の排気ガス用のコンプレッサ（２４）が、ＣＯ₂ 分離プラント（２５）の上流に配置されていることを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載の複合サイクル発電所。
5. 蒸気が、蒸気タービン（１９）又は熱回収蒸気発生器（１６）から蒸気抽出ライン（２３）を経由してＣＯ₂ 分離プラント（２５）に誘導されることを特徴とする請求項１から４までのいずれか一つに記載の複合サイクル発電所。
6. 当該の再循環率を調整するための第一の手段（３２）が、排気ガス再循環ライン（２８）内に配置されていることを特徴とする請求項１から５までのいずれか一つに記載の複合サイクル発電所。
7. 当該の再循環率を調整するための第一の手段（３２）が、制御弁（３２）で構成されていることを特徴とする請求項６に記載の複合サイクル発電所。
8. 第二の手段（３１）が、補助燃焼部（１７）を制御するために配備されていることを特徴とする請求項６又は７に記載の複合サイクル発電所。
9. 請求項１から８までのいずれか一つに記載の複合サイクル発電所の動作方法において、 再循環させる排気ガスの量と補助燃焼部（１７）の出力の中の一つ以上を一定に保持することと、
   再循環させる排気ガスの量をゼロに保持することと、
   を特徴とする方法。
10. 請求項１から８までのいずれか一つに記載の複合サイクル発電所の動作方法において、 再循環させる排気ガスの量と補助燃焼部（１７）の出力の中の一つ以上を逆向きに変化させることを特徴とする方法。
11. 複合サイクル発電所（１０’）の出力を一時的に増加するために、再循環させる排気ガスの量を低減するか、補助燃焼部（１７）の出力を増加するか、或いはその両方を行うことを特徴とする請求項１０に記載の方法。

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