JP6008966B2 - ガスタービン装置、発電所および該発電所の運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部に記載の形式のガスタービン装置と、このようなガスタービン装置を備えた発電所と、請求項１５の前提部に記載の、該発電所の運転方法とに関する。

ガスタービン発電所では燃料、たとえば天然ガスがガスタービン内で燃焼される。ガスタービンは、発電機を電力生成のために駆動する。ガスタービン発電所は、ガスタービン−蒸気タービン発電所に比べて低い効率を有しているものの、特に低コストであり、融通性がある。この場合に特に重要なのは、数分で停止状態から全負荷運転にまで移行することができる、ガスタービン発電所の短い始動時間である。それゆえに、ガスタービン発電所は特にスタンバイ設備として、かつ電力網におけるピーク負荷をカバーするために適している。

現在、ガスタービン発電所は、３５％〜４０％の効率を達成しており、つまり一次エネルギの６０％〜６５％が排熱として失われている。ガスタービン−蒸気タービン発電所に基づき公知の排熱利用法、たとえば排熱蒸気発生器の使用は、該排熱蒸気発生器がガスタービン発電所の始動時間を増長しかつ少なからぬ投資コストをもたらすので、不可能である。

本発明の根底を成す課題は、請求項１の前提部に記載のガスタービン装置、該ガスタービン装置を有する発電所、ならびに請求項１５の前提部に記載の方法を改良して、高められた効率を有するガスタービン運転を、融通性およびコスト効率を制限することなしに可能にすることである。

この課題は、請求項１の特徴部に記載の特徴を有するガスタービン装置、請求項１２に記載の特徴を有する発電所ならびに請求項１５に記載の特徴を有する方法により解決される。

このようなガスタービン装置は、燃焼空気を圧縮する圧縮機を有している。圧縮機は、１つの軸を介して機械的にタービンに連結されている。燃料を圧縮された空気と共に燃焼することによって形成可能な燃焼ガスはタービンを駆動し、排ガス経路を介して周囲に排出される。本発明によれば、少なくとも１つの熱電発電機が排ガス経路内に配置されていることが規定されている。

熱電発電機は、ペルティエ効果とゼーベック効果とを組み合わせた作用によって、該熱電発電機を通じて案内される熱流を直接に直流電流に変換する。したがって、本発明に係るガスタービン装置は、排ガスの排熱からのエネルギの回収、ひいてはガスタービン装置の総効率の増大を可能にする。同一の燃料使用量で、使用可能なより多くの電気的なエネルギが提供され得るので、本発明に係るガスタービン装置は先行技術と比較してさらに減じられたＣＯ_２排出量を有していて、したがって特に環境および気候にやさしい。

排ガスの残留熱を使用することによって、さらに排ガス温度が低下させられるので、本発明に係るガスタービン装置は、排ガス経路内で熱電発電機の下流側に配置された、たとえば選択触媒還元法による触媒式の排ガス処理設備の使用をさらに可能する。この触媒式の排ガス処理設備も、本発明の対象物の特別な環境配慮性のために寄与する。

さらに、熱電発電機の特に短い始動時間に基づいて、ガスタービン装置の融通性は、その排熱利用法によって損なわれることがないので、本発明に係るガスタービン装置は特にスタンバイ発電所およびピークロード発電所における使用のために適している。

熱電発電機による排熱利用は、さらに可動部材なしに、かつ付加的な、場合によっては有毒なまたは可燃性の運転媒体なしに行われ、したがって特にメンテナンスが少なく、耐摩耗性である。複数の熱電発電機をモジュール式に構成することもできるので、さらに使用すべき排ガス量および排ガス温度に関して問題の無くスケーリング（拡大・縮小）することが可能である。

熱電発電機は定義された１つの作業方向を有しているので、熱電発電機の高温側、つまり発電機の運転中に熱が流入する側が燃焼ガスの流れ通路に熱的に結合されている、つまり積極的に伝熱するように、熱電発電機を構成すると有利である。これに対して低温側は、有利には冷却媒体管路に面していて、該冷却媒体管路に熱的に結合されている。低温側を積極的に冷却することにより、熱電発電機にわたる急な温度勾配が得られ、これにより効率が改善される。

効率をさらに改善するためには、熱電発電機の高温側を燃焼ガスに熱的に結合させる複数の熱伝達エレメントを設けると有利である。この場合、熱伝達エレメントは、たとえば表面積を拡大するリブまたは類似の構造であってよい。したがって、特に大きな熱量が燃焼ガスの流れから取り出され、電気的なエネルギを熱起電式に形成するために使用され得る。

このような熱伝達エレメントは、熱電発電機の作業温度を、該熱電発電機の最適な運転点に調節するために、さらに有利に使用され得る。特に、接触面の適切な寸法設計により、熱伝達エレメントの、流れ通路に面した表面における熱伝導値（つまり自由な排ガス流と、該排ガス流に面した、熱伝達器の外側の表面との間の熱伝導値）が、熱伝達エレメントの、対応配置された熱電発電機に面した側における熱伝導値（つまり外側の表面と内側の表面との間の熱伝導値）よりも小さく形成されていると有利である。これにより、必要となる温度差の大部分は、燃焼ガスの流れ境界層における対流熱伝達時に達成される。この構成によって、燃焼ガスが極めて高温である場合にも、熱電発電機の許容可能な最高運転温度が超過されないことが確実にされ得る。

この場合、熱伝達エレメントと、熱電発電機の高温側との間の面積比は、熱電発電機の延在長さに沿った平均的なガス温度に合わせて設計される。熱伝達エレメントの熱伝導性に基づいて、全面積にわたる温度補償が生じるので、熱電発電機の局所的な過熱も阻止される。

ガスタービン装置の運転中の熱流量を正確に調節するためには、モジュール式の構成が特に好適である。モジュール式の構成では、複数の熱電発電機が燃焼ガスの流れ方向で相前後して配置されている。このことは、複数の熱電発電機のそれぞれ個別の熱電発電機のための熱状態を個別に調節することを可能にする。この場合、複数の熱電発電機は互いに熱的に互いに分離されている、つまり伝熱しないようになっていると特に有利である。

このような配置では、それぞれ隣り合う熱電発電機のために、流れ方向で上流側の熱電発電機が、流れ方向で下流側に配置された熱電発電機におけるよりも、対応配置された熱伝達エレメントのガス流に面した表面積と、熱電発電機の高温側の表面積との間で小さな比を有していると有利である。これによって、熱電発電機への熱伝達に基づくガス流の冷却を考慮することができるので、各熱電発電機は、その位置とは無関係に、該熱電発電機の最適な運転点で運転され得る。

本発明の好適な実施の形態では、少なくとも１つの熱電発電機が冷却媒体管路の外周面を取り囲んでいる。特に好適には、熱電発電機が、円形の横断面を有する冷却媒体管路の外周面に配置されている。換言すれば、熱電発電機は、排ガス流内に配置された管形熱交換器に組み込まれている。これは、特に単純かつ頑丈な配置構造である。熱電発電機は、本実施の形態において、たとえば特に簡単に、ｐ型およびｎ型にドープされた半導体エレメントを交互に管周面に被着させるように射出成形することによって製造され得る。

択一的には、プレート形の熱電発電機モジュールも使用され得る。これらのモジュールは、たとえば以下のように配置されている。すなわち冷却媒体管路が、向かい合った一対のプレート形の熱電発電機の間の隙間として形成されている。このサンドイッチ状の構造形式によって、モジュールにはそれぞれの対で同じ温度の冷却媒体が供給される。このことは特に効率的な冷却を可能にする。同時に、この実施の形態は、慣用のリブ形熱交換器を備え得る通常は平坦な構造形態のモジュールの使用を可能にし、したがって特に低コストである。

本発明は、さらに上述のようなガスタービンを有する発電所に関する。

このような発電所では、少なくとも１つの熱電発電機により運転中に提供される電気的なエネルギは、パワーエレクトロニクスを介して、タービン装置により駆動される発電機によって運転中に提供される電気的なエネルギと共に、発電所に接続された電力網に供給され得る。これにより、発電所の総効率を高め、より多くの電源網エネルギを提供することができる。

択一的には、少なくとも１つの熱電発電機により運転中に提供される電気的なエネルギは、発電所に対応配置された消費器に給電するために発電所内部の電力網に供給可能である。このことも、所望の効率上昇をもたらし、場合によっては存在する、発電所消費器の外部電力源への依存を減じることができ、これにより直接的なコールドスタート期間外では発電所の自立した運転が可能にされるという付加的な利点を有している。

最後に、本発明は、ガスタービン装置を備えた発電所の運転方法に関する。ガスタービン装置において、燃料を圧縮機により圧縮された燃焼空気と共に燃焼させ、燃焼ガスによって、圧縮機に機械的に連結されたタービンを駆動し、燃焼ガスを排ガス経路を介して周辺に排出する。本発明によれば、排ガスの残留熱を少なくとも１つの熱電発電機を用いて少なくとも部分的に電気的なエネルギに変換する。

既に本発明に係るガスタービン装置につき説明したように、これにより発電所の総効率が高められるので、同じエネルギ出力のままで少ない燃料が消費され、かつ少ないＣＯ_２および別の汚染物質が環境に排出される。この場合も、本発明に係る発電所の実施の形態につき説明された、得られた電気的なエネルギの供給に関する可能性および利点が得られる。

以下に本発明およびその実施の形態を図面につき詳しく説明する。

本発明に係るガスタービン装置の実施の形態を示す概略図である。 本発明に係るガスタービン装置の実施の形態に用いられるプレート形の熱電発電機を示す斜視図である。 図２に示した複数の発電機モジュールを示す概略図である。 本発明に係るガスタービン装置の実施の形態に用いられる管形の熱電発電機の製造時の製造ステップを示す概略図である。 図４に示した熱電発電機モジュールの断面図である。

全体を符号１０で示された、発電所のためのガスタービン装置は、圧縮機１２を有している。圧縮機１２内では、矢印１４の方向で流入する燃焼空気が圧縮される。燃焼室１６内では、矢印１８の方向で流入する燃料が圧縮された空気と共に燃焼される。この場合、高温の燃焼ガスがタービン２０を駆動するために利用される。この構成において、圧縮機１２とタービン２０とは、１つの共通の軸２２を介して連結されている。この軸２２によって、さらに発電機２４が電気的なエネルギを生成するために駆動される。

タービン２０を通過した後に、燃焼ガスは排ガス経路２６を介して周辺に排出され、この場合、場合によってはさらに清浄化される。排ガス経路２６内には、熱交換器２８が設けられており、熱交換器２８は熱電発電機３０を介して、冷却媒体管路３２に熱的に結合されている、つまり積極的に伝熱するようになっている。

高温の燃焼ガスからの熱エネルギは、熱交換器２８と冷却媒体管路３２との間の勾配に沿って熱電発電機３０を通過する。この場合、ゼーベック効果およびペルティエ効果の組合せにより、電気的なエネルギが生成される。パワーエレクトロニクス３４を介して熱電発電機３０は発電機２４の出力部に連結されるので、燃焼ガスの排熱から回収されたエネルギを、発電機２４により生成されたエネルギと共に電力網に供給することができる。

排熱利用により、ガスタービン装置１０の効率を高め、ひいては汚染物質排出量を減じることができる。この場合、熱電発電機３０の迅速な始動特性に基づいて、急速なロード変動もしくは急速な始動工程に関するガスタービン装置の融通性が損なわれることはないので、ガスタービン装置１０は特にピークロード発電所またはスタンバイ発電所のために適している。

熱交換器２８および熱電発電機３０の設計時には、これらの構成要素が排ガス経路２６内で最大でも１００ｍｂａｒの背圧および有利には５０ｍｂａｒよりも小さな背圧を形成することが望ましいことに注意しなければならない。排ガス温度に基づいて、熱電発電機３０の耐熱性は２５０℃〜４５０℃であると望ましい。

この場合、熱電発電機３０の運転温度は、特に熱交換器２８の構成により、たとえば熱交換器２８の、ガス流に面している面積の、熱交換器２８と熱電発電機３０との間の接触面積に対する比に基づいて調節され得る。

熱交換器２８と熱電発電機３０とから成るモジュールユニット３６の第１の実施の形態が、図２および図３に示されている。このモジュールユニット３６は、リブ形熱伝達器の形態で設計されている。プレート形の２つの熱電発電機が、中心の隙間状の冷却媒体管路３２を取り囲んでおり、その低温側３８で冷却媒体管路３２に熱を伝達するように接触している。熱電発電機３０の高温側４０には同様に、表面積を拡大するための複数のリブ４２を備えたプレート形の熱交換器２８が配置されている。モジュールユニット３６は、矢印４４の方向で燃焼ガスにより流過されるのに対して、冷却媒体は矢印４６の方向で管路３２を貫流する。

排ガス経路２６内には、図３に示すように、このような多数のモジュールユニット３６が熱的には並列に、電気的には直列に接続されている。この場合、電気的な接触は、電熱発電機３０の個別のタップ電極４８を介して１つの共通の線路５０により行われる。図示の態様では、ガス流は図平面に対して垂直方向に延びている。

ガス流の方向でも、複数のモジュールユニット３６が相前後して配置され得る。流れ方向で上流側に位置するモジュールユニット３６が既にガス流を冷却するので、さらに下流側に位置するモジュールユニット３６は、熱電発電機３０における比較的小さな温度勾配を被る。このことは、熱交換器２８の構成によって、たとえばリブ４２の個数、厚さおよび面積により補償することができる。

その熱電発電機３０が２３０℃の最高の運転温度を有する、一貫して配置された複数のモジュールユニット３６により５７０℃〜２３０℃の排ガス温度範囲における排熱を利用するために、たとえば２ｃｍのリブ高さおよび１ｍｍのリブ厚さの場合には、熱交換器２８のガス側の表面と熱電発電機３０の高温側４０との間の面積比は約１２である。

これに対して、その流れ方向の長さが８ｃｍであり、熱的に分離された、つまり互いに断熱されたストリップ状の複数のモジュールユニット３６が使用された場合、排ガス経路２６内にガス流入側で配置されたモジュールユニット３６のためには、５である面積比が生じる。流れ方向でさらに下流側における中間の温度では、同様に１２である面積比が生じる。この態様では、熱電発電機の温度を補償する軸方向の熱伝達が必要とならないので、さらに材料を節約することができ、これによりこの実施の形態は投資額においてに特に有利である。

最後に、図４および図５は、モジュールユニット３６の択一的な実施の形態を示している。モジュールユニット３６は、管形熱交換器として形成されている。冷却媒体の流れ通路３２は、この場合、円筒管５２により形成されている。この円筒管５２の外周面５３には、熱電発電機３０を形成するために、ｐ型およびｎ型にドープされた半導体から成る交互に配置されたリング５４，５６が被着されている。このことは、たとえば射出成形法により行われる。熱電発電機の外周面４０には、最終的に熱交換器２８が被着される。

この場合、金属製の結合リング５８が、ｐ型およびｎ型にドープされたリング５４，５６の電気的なコンタクトを保証するのに対して、半導体は、絶縁層６０により管５２および熱交換器２８に対して電気的に絶縁される。管５２と、熱電発電機３０と、熱交換器２８との間の一貫した接続により、特に安定的なモジュールユニット３６が達成される。このモジュールユニット３６は、従来の排熱蒸気発生器の箇所において問題なく既存のガスタービン発電所のインフラストラクチャに組み込むことができる。

Claims (14)

1. 発電所用のガスタービン装置であって、
   燃焼空気を圧縮する圧縮機が設けられており、該圧縮機は１つの軸によりタービンに連結されており、該タービンは燃焼ガスにより駆動可能であり、該燃焼ガスは、圧縮された前記燃焼空気と共に燃料を燃焼することにより形成可能であり、
   排ガス経路が設けられており、該排ガス経路を通じて前記燃焼ガスが前記タービンの通流後に周囲に排出可能である、発電所用のガスタービン装置において、
   前記排ガス経路内に、前記燃焼ガスの残留熱から電気的なエネルギを生成する少なくとも１つの熱電発電機が設けられ、
   該熱電発電機の内側に、冷却媒体の流れ通路を形成する円筒管が配置され、該熱電発電機の外側に前記燃焼ガスと接触する熱交換器が配置されていることを特徴とする、発電所用のガスタービン装置。
2. 前記少なくとも１つの熱電発電機の低温側は、冷却媒体管路に面している、請求項１記載のガスタービン装置。
3. 前記少なくとも１つの熱電発電機の高温側は、前記燃焼ガス用の流れ通路に面している、請求項１または２記載のガスタービン装置。
4. 前記少なくとも１つの熱電発電機の高温側は、少なくとも１つの熱伝達エレメントによって前記流れ通路に熱的に結合されている、請求項３記載のガスタービン装置。
5. 前記熱伝達エレメントの、前記流れ通路に面した表面における熱伝達値は、前記熱伝達エレメントの、対応配置された前記熱電発電機に面した側における熱伝達値よりも小さくされている、請求項４記載のガスタービン装置。
6. 前記燃焼ガスの流れ方向で相前後して配置されている複数の熱電発電機が設けられている、請求項１から５までのいずれか１項記載のガスタービン装置。
7. 前記複数の熱電発電機は熱的に互いに分離されている、請求項６記載のガスタービン装置。
8. 前記少なくとも１つの熱電発電機の高温側は、前記燃焼ガス用の流れ通路に面し、少なくとも１つの熱伝達エレメントによって前記流れ通路に熱的に結合されており、それぞれ隣り合う熱電発電機のために、流れ方向で上流側に配置された熱電発電機は、流れ方向で下流側の熱電発電機におけるよりも、対応配置された前記熱伝達エレメントの、前記ガス流に面した表面積と、前記電熱発電機の前記高温側の表面積との間で小さな比を有している、請求項６または７記載のガスタービン装置。
9. 前記少なくとも１つの熱電発電機は、冷却媒体管路の外周面を取り囲んでいる、請求項２から８までのいずれか１項記載のガスタービン装置。
10. 前記熱電発電機は、円形の横断面を有する前記冷却媒体管路の外周面に配置されている、請求項９記載のガスタービン装置。
11. 前記冷却媒体管路が、向かい合った一対のプレート形熱電発電機の間の隙間として形成されている、請求項９記載のガスタービン装置。
12. 請求項１から１１までのいずれか１項記載のガスタービン装置を備えることを特徴とする発電所。
13. 前記少なくとも１つの熱電発電機により運転中に提供された電気的なエネルギがパワーエレクトロニクスを介して、前記タービン装置により駆動される発電機により運転中に提供される電気的なエネルギと共に、前記発電所に接続された電力網に供給可能である、請求項１２記載の発電所。
14. 前記少なくとも１つの熱電発電機により運転中に提供される電気的なエネルギは、前記発電所内部の電力網に、前記発電所に対応配置された消費器への給電のために供給可能である、請求項１２記載の発電所。

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