特許 7241794 中間冷却復熱式ガスタービン及び冷媒複合ボトミングサイクルの複合化システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-03-09

(45)【発行日】2023-03-17

(54)【発明の名称】中間冷却復熱式ガスタービン及び冷媒複合ボトミングサイクルの複合化システム

(51)【国際特許分類】

   F01K 23/10 20060101AFI20230310BHJP

   F01K 25/10 20060101ALI20230310BHJP

   F02C 7/08 20060101ALI20230310BHJP

   F02C 7/143 20060101ALI20230310BHJP

   F01K 7/32 20060101ALI20230310BHJP

【ＦＩ】

F01K23/10 A

F01K25/10 E

F01K25/10 K

F02C7/08 Z

F02C7/143

F01K25/10 Z

F01K7/32

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2021052787

(22)【出願日】2021-03-26

(65)【公開番号】P2021162019

(43)【公開日】2021-10-11

【審査請求日】2021-11-30

(31)【優先権主張番号】202010237872.5

(32)【優先日】2020-03-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(73)【特許権者】

【識別番号】521129093

【氏名又は名称】郭宣▲華▼

(74)【代理人】

【識別番号】100130993

【弁理士】

【氏名又は名称】小原 弘揮

(72)【発明者】

【氏名】郭宣▲華▼

【審査官】北村 一

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１９－５１１６６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００６－５０６５７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１１７４４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－０６５６２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－０９７０４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０２６４４１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０１Ｋ ２３／００－２７／０２

Ｆ０２Ｃ １／００－ ９／５８

Ｆ２３Ｒ ３／００－ ７／００

Ｆ０１Ｋ １／００－２１／０６

Ｆ０３Ｇ １／００－ ７／１０

Ｆ２５Ｂ １／００－ ７／００

Ｆ２５Ｂ ９／００－１１／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

中間冷却復熱式ガスタービン（ＩＣＲ ＧＴ）と、超臨界冷媒のランキンサイクル（ＲＲＣ）及び蒸気圧縮式冷凍サイクル（ＶＣＲＣ）とを備える組合せシステムであって、
ＩＣＲ ＧＴが、
ガス圧縮機部分が複数の中間冷却器１０で仕切られるコンプレッサと、
燃料の燃焼又は伝熱を介して圧縮ガスを加熱する燃焼器又はヒータと、
出力パワーを発生するためのタービンと、
冷媒の作動流体を介して圧縮空気を冷却する複数の中間冷却器１０と、
燃焼器又はヒータに入る前に圧縮空気を加熱する主復熱器１１と、
タービンを冷却する前にコンプレッサからの冷却空気を加熱する幾つかのタービン冷却空気（ＣＡ）復熱器と、を備え、
超臨界冷媒のランキンサイクル（ＲＲＣ）が、
超臨界冷媒の流体を予熱する冷媒の流体の予熱器１２と、臨界温度以上に加熱する冷媒－煙ヒータ２からなる超臨界冷媒－煙熱交換器１２、２と、
冷媒の流体が膨張することで出力パワーを発生する１つ又は複数の冷媒の流体のタービン３と、
気体状態の流体を液状に凝縮し、又は超臨界冷媒を冷却する冷媒の流体のコンデンサ４と、
冷媒の流体を臨界圧力以上に加圧する圧力ポンプ５と、
冷媒の流体のタービン３が排出する廃熱を回収するための選択可能な冷媒の復熱器と、を備え、
ＶＣＲＣが、
空気の密度を向上する吸気冷却器９と、
中間冷却器１０の冷媒温度を調整するための冷媒の流体の内部熱交換器８と、
冷媒の流体の温度を低減するスロットル弁又はエキスパンダ６、１３と、
冷媒の蒸気を冷媒の超臨界冷媒のランキンサイクル（ＲＲＣ）と共有するコンデンサ４に加圧する、第１のコンプレッサ７及び第２のコンプレッサ１４からなる冷媒の流体のコンプレッサ１４、７と、を備え、
冷媒－煙ヒータ２が中間冷却復熱式ガスタービンの主復熱器１１から煙を受け、加熱後の冷媒の流体を冷媒の流体のタービン３に供与し、膨張後の冷媒をコンデンサ４に排出し、コンデンサ４がそこに冷却又は凝縮してから圧力ポンプ５に供給され、その後、これらのポンプが超臨界冷媒を中間冷却器１０及び冷媒の流体の予熱器１２に加圧し予熱し、最後に予熱された冷媒を冷媒－煙ヒータ２に供与し臨界温度以上に加熱し、
スロットル弁又はエキスパンダ６、１３がコンデンサ４から冷媒を受け、それらが冷却された冷媒をさらに吸気冷却器９に供給し、そこで冷媒がタービンの給気の熱量を吸収し蒸発し、気化後の冷媒がコンデンサ４に到達する前に、第１のコンプレッサ７及び第２のコンプレッサ１４を経過し、スロットル弁又はエキスパンダ６、１３がさらに冷媒の内部熱交換器８に冷却した冷媒を供給し、冷媒の内部熱交換器８において、蒸発冷却した冷媒を介して中間冷却器１０の冷媒温度まで低減し、最後に、蒸発した冷媒を第１のコンプレッサ７に導き、コンデンサ４に排出することを特徴とする、組合せシステム。

【請求項2】

前記中間冷却復熱式ガスタービン（ＩＣＲ ＧＴ）が開放式ブレイトンサイクル又は密閉式ブレイトンサイクルであり、作動流体として大気又は他のガスを用いることを特徴とする、請求項１に記載の組合せシステム。

【請求項3】

投資、運営コスト及び安全の原因により、中間冷却器１０、煙道及びタービンの入口の空気経路が間接熱交換を用い、加圧水又は油類を有する熱媒体流体の熱伝達回路により実現し、トッピングサイクルとボトミングサイクルとの間の漏れを最小化することができることを特徴とする、請求項１に記載の組合せシステム。

【請求項4】

何れか１つの超臨界冷媒－煙熱交換器１２、２を省略し、中間冷却器１０又は冷媒の流体の予熱器１２を介して超臨界冷媒の流体を臨界温度以上に加熱することができることを特徴とする、請求項１に記載の組合せシステム。

【請求項5】

スロットル弁の入口の物流と、タービンの入口の空気冷却器又は冷媒の内部交換器の冷媒の出口の物流との間に復熱器を増加させ、冷凍能力を強化し、スロットル弁が、電力を回収するように、膨張機に代用されてもよいことを特徴とする、請求項１に記載の組合せシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、トッピングサイクルとしての中間冷却復熱式ガスタービン及び超臨界冷媒複合ボトミングサイクルの統合化システムに関する。

【背景技術】

【0002】

１９５０年代、中間冷却復熱式ガスタービン（ＩＣＲ ＧＴ）が陸上発電所、されに船用推進装置においてよく見られるものであったが、１９６０年代以来、ガス－蒸気コンバインドサイクルが発展して以来、中間冷却器及び復熱器の体積が大きく、総サイクル効率が低く、ＩＣＲ ＧＴが急速に消えた。原因としては、管式熱交換技術によって制限されることと、適切なボトミングサイクルが不足することである。近年来、ロールス・ロイスＷＲ－２１エンジンがプレートフィン型熱交換器のコンパクト性を実証したが、ＩＣＲ ＧＴは依然として強いボトミングサイクル機能を欠いており、トッピングサイクルの余熱を十分に利用して、さらに三圧再熱ガス－蒸気コンバインドサイクルと設計点（即ち全負荷）の効率において競争を展開することができない。また、間欠性再生可能エネルギーがますます重要な役割を果たすにつれて、火力発電所の部分負荷効率、始動時間及び可変負荷速度が肝心な指標となっており、ガス－蒸気コンバインドサイクルは、部分負荷効率が低下することや、負荷変化期間に応答が遅いという重大な問題がある。単純サイクルはピーク調節において優れているが、効率が低下している。暑い天気に、社会の電力需要がピークに達する場合、従来の単純サイクル及びガス－蒸気コンバインドサイクルの電力出力が大幅に低減している。報道によれば、ロールス・ロイスＷＲ－２１艦用中間冷却復熱式ガスタービンの熱帯海洋における電力出力も急激に低下する。

【発明の概要】

【0003】

従来技術のデメリットに鑑みて、本発明は、中間冷却復熱式ガスタービンと超臨界冷媒複合ボトミングサイクルの統合化システムを提供して、コンバインドサイクルの部分負荷、始動時間、可変負荷速度及び暑い天気等にあった問題を解決する。全負荷効率において、三圧再熱ガス－蒸気コンバインドサイクルが初めて超えられ、他の従来システムでは、例えば単圧亜臨界ＲＲＣをボトミングサイクルとしての単段式中間冷却の中間冷却復熱式ガスタービンは、本発明と同様な性能を達成することができない。本発明において、トッピングサイクルの中間冷却器及び煙から生成した廃熱がボトミングサイクルによって完全に利用され、後者も冷凍機能を提供して暑い天候におけるガスタービンの出力パワーの低下に対応する。

【0004】

当該組合せシステムは中間冷却復熱式ガスタービン（ＩＣＲ ＧＴ）と、超臨界ＲＲＣ／ＶＣＲＣ複合ボトミングサイクルから構成される。ＩＣＲ ＧＴは、コンプレッサ、燃焼器／ヒータ及びタービン、並びに複数の中間冷却器、主復熱器及びタービン冷却空気（ＣＡ）復熱器を備える。複合ボトミングサイクルは、冷媒の流体のタービン、冷媒の流体のコンデンサ、圧力ポンプ及びスロットル弁（又は膨張機）、冷媒の流体のコンプレッサ、冷媒の内部熱交換器及びＧＴの入口及び煙道ガス熱交換器を備える。

【0005】

本発明の利点は下記の通りである。

【0006】

１．単段式中間冷却ＧＴに比べ、複数の中間冷却器を用いる場合、ガス圧縮機の圧縮仕事をより多く減少し、コンプレッサの排気温度（ＣＤＴ）をさらに低減して、より良い復熱効果を得る。そのため、より低い煙温度を実現して、トッピングサイクルの効率及び電力比を改善することができる。このように、全体のコンバインドサイクル性能を最適化することができる。

【0007】

２．水の高潜熱を考え、蒸気ランキンサイクルがＩＣＲ ＧＴに適さない。煙が、中間冷却器からの予熱された多くの給水を蒸発させるのに十分なエネルギーが不足するためである。良い中間冷却効果のために、中間冷却器に蒸発現象が現れることを回避すべきであり、中間冷却器は作動媒体を蒸発するのではなく予熱すべきである。蒸発潜熱が存在しないので、予熱された超臨界冷媒が煙道廃ガスによってさらに予熱期間に臨界温度以上に加熱されやすく、単一圧力さらにマルチ圧力等級の亜臨界冷媒のボトミングサイクルに比べ、超臨界流体と煙道廃ガスとの温度適合性もより良くなる。複数の中間冷却器と一緒に使用する場合、超臨界冷媒の流体が最大限に中間冷却効果を強化できるのは、中間冷却器において予熱する場合、超臨界流体が亜臨界流体より高い圧縮空気の温度に耐えることが可能であるので、コンプレッサの後部の設計圧力比を低減し、ＣＤＴを低減し、より良く複合効率を向上できることからである。

【0008】

３．複数の中間冷却器が多くの超臨界冷媒の流体を予熱したので、低ＣＤＴによる相対的に冷たい煙及び臨界点付近に急増した比熱に加え、冷媒の流体のタービンは相対的に低い温度で運転し、始動時間を短縮させることができる。同時に亜臨界ＲＲＣの内部蒸発サイクル（自然的又は強制的なもの）及びスチームドームを省略し、冷媒の流体の加圧ポンプだけを制御すれば超臨界ＲＲＣのトッピングサイクルの可変負荷期間における動的応答を大幅に向上することができる。相対的に低い作動温度及び高圧も有機冷媒の流体の熱分解を抑制し、運転コストを低減した。

【0009】

４．ＩＣＲ ＧＴの特有のメリットは５０％と低い部分負荷でも依然として安定的な効率を有することである。トッピングサイクルは統合化システムの総出力の９０％程度を占め、その上複数の冷媒の流体のタービンの配置を用いることができるので、発電所全体は広い運転範囲に安定的な効率を保持することができる。

【0010】

５．超臨界冷媒のランキンサイクルは、さらに蒸気圧縮式冷凍サイクルとカスケード結合され、冷凍してＧＴの入口の空気の温度及び中間冷却器の冷却液の温度を調整し、暑い天気に小さな効率損失で明らかにより高い電力出力を実現し、かつ多軸型ＧＴを用いる場合の操作安定性に寄与する。

【0011】

６．冷却空気（ＣＡ）の復熱を介して、ＣＡ温度と圧力との間の結合を解除し、「エクセルギ」損失をもたらすスロットリング現象を回避することができ、それぞれのＣＡ物流がガスタービンに送られる前に、全て温度の最適化をすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

従来技術に本発明の実施例又は技術的手段をより明確に説明するために、以下に実施例又は従来技術の添付図面を簡単に説明する。全ての添付図面において、同一の素子又は部材は、通常同一の記号で表示されるものである。添付図面において、実際の比例に応じて各素子又は部材をプロットするとは限らない。例えば、ガスタービンの性能に非常に大きな貢献を有しても、複数のガスタービン冷却空気（ＣＡ）復熱器は、図１及び図２において省略される。

【0013】

【図1】図１は本発明の実施形態１の全体構成図である。

【図2】図２は本発明の実施形態２の全体構成図を示す。

【図3】図３は同様な現在の科学技術レベルの従来のガス－蒸気コンバインドサイクルと当該新規の統合化サイクルを用いて効率低下を比較することを示す。

【発明を実施するための形態】

【0014】

添付図面を参照して本発明の技術的手段の実施例を詳しく説明する。以下の実施例は本発明の技術的手段をより明確に説明するためのものに過ぎないので、一例に過ぎず、本発明の保護範囲を制限することに使用され得ない。

【0015】

なお、特に明記しない限り、本発明に用いられる技術又は科学用語は当業者に理解される通常の意味を有すべきである。

【0016】

実施例

【0017】

図１及び図２に示すように、通常のＧＴと同様に、ＩＣＲ ＧＴも、コンプレッサと、燃焼器／ヒータと、タービンとを備えるとともに、１つの中間冷却器を配置する場合よりも多くの圧縮仕事を減少するように、圧縮空気を冷却する複数の中間冷却器１０が設けられている。複数の中間冷却器１０は、さらに、低いコンプレッサの排気温度（ＣＤＴ）に繋がり、これは主な圧縮空気及び冷却空気を再加熱することが要求される。燃焼／エネルギー注入及びガスタービンの冷却はガスタービンの最も大きな２つのエクセルギ損失の源であるからである。冷却器９に給気された後、給気がコンプレッサの幾つかの部分を貫通し、複数の中間冷却器１０において廃熱をボトミングサイクルに放出した後、ガスタービンの主復熱器１１に流れ込み加熱し、その後、燃焼器／ヒータに入る。複数の冷却空気（ＣＡ）物流がタービンの一部の廃ガスを介して熱交換してもよく、これらの小型のＣＡ復熱器は、煙の経路に並列接続されることが有利であっても、具体的な状況に応じて適切に配置されるべきである。プレートフィン型熱交換器（ＰＦＨＸ）では、主復熱器及び複数のＣＡ復熱器を１つの熱交換設備に収納することは非常に便利であり、ＰＦＨＸが同時に複数の物流を加熱できるからである。タービンから排出された廃ガスは、まず、主復熱器１１及び複数のＣＡ復熱器を経由してから、冷媒のガスヒータ２及び冷媒の流体の予熱器１２に排出した後、周りの大気に排出し、又は密閉するブレイトンサイクルにおいてリサイクルする。冷媒の流体の予熱器１２及びガスヒータ２が煙の廃熱を底部の超臨界ＲＲＣに伝達することに使用される。

【0018】

超臨界ＲＲＣでは、中間冷却器１０及び冷媒の流体の予熱器１２が冷媒の流体を予熱するためのものである。その後、超臨界流体をタービン３に輸送する前に、冷媒－ガスヒータ２を用いて冷媒の流体を臨界温度以上に加熱する。タービン３から排出された後、冷媒の流体が気体状態から液状に凝縮し、又はコンデンサ４において冷却された後、冷媒の流体が圧力ポンプ５に送られて臨界圧力以上に加圧されてから、中間冷却器１０及び冷媒の流体の予熱器１２に流れる。

【0019】

ＶＣＲＣでは、ＲＲＣと共有するコンデンサ４が周りの空気に熱量を排出するためのものである。冷凍サイクルは第１のスロットル弁６と、第２のスロットル弁１３と、第１のコンプレッサ７と、第２のコンプレッサ１４と、吸気冷却器９と、冷媒の内部熱交換器８とをさらに備える。コンデンサ４から排出される冷媒が第１のスロットル弁６及び第２のスロットル弁１３を流れ、ＧＴ吸気冷却器９に流れ込み、入口の空気の熱量を吸収し蒸発した後、気体状態の冷媒の流体が第１のコンプレッサ７及び第２のコンプレッサ１４を経過して圧縮された後、コンデンサ４に排出する。より良いガスタービンの中間冷却効果を実現するために、当該実施例では、冷媒の内部熱交換器８をさらに備える。中でも、中間冷却器の冷却剤の熱量が第１のスロットル弁６からの別の冷媒流に吸収され、暑い天気に中間冷却器の冷却剤の温度を調整して中間冷却効果を強化し、多軸型ガスタービンの操作不安定性を回避することができる。

【0020】

実施例において、冷媒の流体はＲ１３３６ｍｚｚ（Ｚ）を用い、かつ実施例中の冷媒の流体は他の有機又は無機流体をさらに使用してもよく、例えばブタン又は炭酸ガス（Ｒ７４４）のような天然冷媒を含む。

【0021】

図２に示す別の実施例において、低臨界温度及び低タービン圧力比の冷媒（例えば炭酸ガス）を用いる場合、中間冷却器１０及び冷媒の予熱器１２が冷媒を臨界温度以上に予熱できるので、一部の予熱流体が直接別の冷媒のタービン１５に導かれる。また、第１のタービン３の排出から廃熱を回収するように、冷媒の復熱器１６をさらに提供することができる。冷媒の復熱器１６が果たした役割は中間冷却器１０と同様に、流体を予熱することである。コンデンサから排出される冷媒は超臨界のものである場合、膨張機６及び１３は、スロットル弁に代えて余分の電力を発生することができる。コンデンサからのものは亜臨界液状の冷媒であれば、濃厚流体膨張機を選んで余分の電力を発生することができる。

【0022】

図３から、ＩＣＲ ＧＴは５０％と低い部分負荷でも依然として安定的な効率を有することが示される。トッピングサイクルは複合化システムの総出力の９０％程度を占め、その上複数の冷媒の流体のタービンの配置を用いることができるので、発電所全体は広い運転範囲に安定的な効率を保持することができる。

【0023】

本発明の外観、数及びサイズは、使用場所のサイズに応じて調整することができるが、内部構造及び原理は変わらない。

【0024】

なお、以上の実施例は本発明の技術的手段を説明するためのものに過ぎず、本発明はこれに制限されるものではない。前記実施例を参照して本発明を詳しく説明したが、前記実施例に説明される技術的手段を変形し、又は等価的に部分又は全ての技術特徴を置き換えることができることが当業者に理解されるべきである。変形及び置き換えは本発明の実施例の範囲にあるべきであり、その全ては、本発明の特許請求の範囲及び明細書の保護範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0025】

１ ＩＣＲ ＧＴとトッピングサイクル、ボトミングサイクルとの間の熱交換器
２ 冷媒－煙ヒータ
３ 冷媒の流体のタービン
４ コンデンサ
５ 圧力ポンプ
６ 第１のスロットル弁（膨張機）
７ 第１のコンプレッサ
８ 冷媒の内部熱交換器
９ 吸気冷却器
１０ 中間冷却器
１１ ガスタービンの主復熱器
１２ 煙の経路における冷媒の流体の予熱器
１３ 第２のスロットル弁（膨張機）
１４ 第２のコンプレッサ
１５ 第２の冷媒のタービン
１６ 冷媒の復熱器

【図1】

【図2】

【図3】