(57)【要約】  本発明は、ガスタービン（６）と、該ガスタービン（６）に続く廃熱蒸気発生器（８）と、排ガスブロワ（１０）と、排ガスから、排ガスに含有された二酸化炭素を分離し、該二酸化炭素を二酸化炭素出口（１４）へ排出する二酸化炭素分離プラントと、を備えるガスタービン発電プラント（１）に関する。バイパス煙突（１２）は、ガスタービン発電プラント（１）において、廃熱蒸気発生器（８）の出口と排ガスブロワ（１０）との間に配置されており、かつ排ガスライン（７）からバイパス煙突（１２）への貫流方向と、バイパス煙突（１２）から排ガスライン（７）への貫流方向とにおいて、フェイルセーフ開放接続部に接続されている。本発明は、さらに、排ガスブロワ（１０）が、排ガスライン（７）の内部と、排ガスライン（７）へのバイパス煙突（１２）の接続部における周囲環境との間の差圧が、所望の圧力しきい値よりも低いままであるように調整される、このタイプのガスタービン発電プラント（１）を運転する方法に関する。
2015505929.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン発電プラント（１）であって、ガスタービン（６）と、該ガスタービン（６）に続く廃熱蒸気発生器（８）と、排ガスブロワ（１０）と、排ガスから、排ガスに含有された二酸化炭素を分離し、該二酸化炭素を二酸化炭素出口（１４）へ排出する二酸化炭素分離プラント（１１）と、煙突（１３）とを備え、前記ガスタービン（６）と、廃熱回収ボイラ（８）と、前記排ガスブロワ（１０）と、前記二酸化炭素分離プラント（１１）と、前記煙突（１３）とは、排ガスライン（７）によって接続されている、ガスタービン発電プラント（１）において、バイパス煙突（１２）は、前記廃熱蒸気発生器（８）の出口と前記排ガスブロワ（１０）との間に配置されており、かつ前記排ガスライン（７）から前記バイパス煙突（１２）への貫流方向と、前記バイパス煙突（１２）から前記排ガスライン（７）への貫流方向とにおいて、フェイルセーフ開放接続部に接続されていることを特徴とする、ガスタービン発電プラント（１）。
【請求項２】
前記排ガスライン（７）への前記バイパス煙突（１２）の接続部は、所定の圧力しきい値を有し、この圧力しきい値を超えると、前記排ガスライン（７）から前記バイパス煙突（１２）へのガス貫流は妨げられない、請求項１記載のガスタービン発電プラント（１）。
【請求項３】
前記排ガスライン（７）への前記バイパス煙突（１２）の接続部は、フラップ（１７）およびストッパ（１８）を含み、該ストッパ（１８）は、前記フラップ（１７）が完全に閉鎖せずかつ閉鎖位置においても最小開放（１９）を有するように配置されている、請求項１または２記載のガスタービン発電プラント（１）。
【請求項４】
前記排ガスライン（７）への前記バイパス煙突（１２）の接続部は、主フラップ（２０）と、二次フラップ（２２）とを有し、前記主フラップ（２０）は、前記排ガスライン（７）から前記バイパス煙突（１２）への貫流方向で開放する、すなわちフェイルセーフであり、前記二次フラップ（２２）は、前記バイパス煙突（１２）から前記排ガスライン（７）への貫流方向で開放する、すなわちフェイルセーフである、請求項１または２記載のガスタービン発電プラント（１）。
【請求項５】
前記排ガスライン（７）への前記バイパス煙突（１２）の接続部は、複数の交互に配置された、外方へ開放するサブフラップ（２４）と、内方へ開放するサブフラップ（２５）とを含み、前記外方へ開放するサブフラップ（２４）は、前記排ガスライン（７）から前記バイパス煙突（１２）への貫流方向で開放する、つまりフェイルセーフであり、前記内方へ開放するサブフラップ（２５）は、前記バイパス煙突（１２）から前記排ガスライン（７）への貫流方向で開放する、つまりフェイルセーフである、請求項１または２記載のガスタービン発電プラント（１）。
【請求項６】
前記バイパス煙突（１２）は、前記排ガスライン（７）への接続部において、隔壁（２６）によって２つのダクトに分割されており、一方のダクトには、前記排ガスライン（７）から前記バイパス煙突（１２）への貫流方向で開放する、つまりフェイルセーフの出口フラップ（２７）が配置されており、第２のダクトには、前記バイパス煙突（１２）から前記排ガスライン（７）への貫流方向で開放する、つまりフェイルセーフの入口フラップ（２８）が配置されている、請求項１または２記載のガスタービン発電プラント（１）。
【請求項７】
前記バイパス煙突（１２）は、煙突エルボ（３０）を介して前記排ガスライン（７）に接続されており、前記煙突エルボ（３０）は、下方から前記排ガスライン（７）に接続されており、かつＵ字形のたわみを有しており、該Ｕ字形のたわみは、前記バイパス煙突（１２）へ接続している、請求項１から６までのいずれか１項記載のガスタービン発電プラント（１）。
【請求項８】
前記排ガスラインへの前記バイパス煙突（１２）の接続部にまたは前記バイパス煙突（１２）においてウォータバリア（２９）が配置されており、該ウォータバリア（２９）は、少なくとも部分的に水が充填された容器を含み、前記排ガスライン（７）から、上方から前記容器内へブローアウトダクト（３２）が延びており、前記バイパス煙突（１２）から、上方から前記容器内へブローインダクト（３３）が延びており、前記ウォータバリア（２９）の閉鎖状態において、前記ブローアウトダクト（３２）および前記ブローインダクト（３３）は、水面よりも下方に到達しており、これにより、前記ウォータバリア（２９）をガスは流過せず、それぞれのダクト（３２，３３）における過圧の結果、前記容器から少なくとも部分的に水が押しのけ可能であり、前記ウォータバリア（２９）を、その結果、ガスが前記ウォータバリア（２９）を流過することができる開放状態へ移行させることができる、請求項１から７までのいずれか１項記載のガスタービン発電プラント（１）。
【請求項９】
スタービン発電プラント（１）であって、ガスタービン（６）と、該ガスタービン（６）に続く廃熱蒸気発生器（８）と、排ガスブロワ（１０）と、排ガスから、該排ガスに含有された二酸化炭素を分離し、該二酸化炭素を二酸化炭素出口（１４）へ排出する二酸化炭素分離プラント（１１）と、煙突（１３）とを備え、前記ガスタービン（６）と、排熱回収ボイラ（８）と、前記排ガスブロワ（１０）と、前記二酸化炭素分離プラント（１１）と、前記煙突（１３）とは、排ガスライン（７）によって接続されており、バイパス煙突（１２）は、前記廃熱蒸気発生器（８）の出口と前記排ガスブロワ（１０）との間に配置されており、かつ前記排ガスライン（７）から前記バイパス煙突（１２）への貫流方向と、前記バイパス煙突（１２）から前記排ガスライン（７）への貫流方向とにおいて、フェイルセーフ開放接続部に接続されている、ガスタービン発電プラント（１）を運転する方法において、
前記排ガスブロワ（１０）は、前記排ガスライン（７）の内部と、該排ガスライン（７）への前記バイパス煙突（１２）の接続部における周囲環境との間の差圧が、圧力しきい値よりも低いままであるように調整され、前記圧力しきい値は、前記廃熱蒸気発生器（８）の設計差圧よりも低いことを特徴とする、ガスタービン発電プラント（１）を運転する方法。
【請求項１０】
前記圧力しきい値は、設計条件下での前記廃熱回収ボイラの圧力損失の３分の１よりも低い、請求項９記載のガスタービン発電プラント（１）を運転する方法。
【請求項１１】
前記圧力しきい値は、３〜１０ｍｂａｒである、請求項９記載のガスタービン発電プラント（１）を運転する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排ガスからの二酸化炭素分離を備えたガスタービンコンバインドサイクル発電プラント用の排ガスシステムに関する。
【０００２】
従来技術
地球温暖化にかなり寄与する温室効果ガスとしての二酸化炭素エミッションが公知である。ガスタービン発電プラントの二酸化炭素エミッションを低減し、これにより、地球温暖化を防止するために、様々な装置および方法が提案されてきた。最も技術的に進歩した方法は、吸収または吸着によって発電プラントの排ガス流から二酸化炭素が分離される方法である。通常、ガスタービンからの有効な廃熱は、後続の排熱回収ボイラにおいてエネルギ回収のために有利な形式でさらに利用される。排ガスはこれにより冷却されるが、通常、吸収または吸着に必要な温度レベルにまだ到達せず、したがって、通常、二酸化炭素分離プラントに導入される前に再冷器においてさらに冷却される。二酸化炭素分離プラントにおいて、二酸化炭素は、排ガスから分離され、さらなる利用のために排出される。二酸化炭素の少ない排ガスは、煙突を通じて環境中へ放出される。この形式のプラントは、例えば国際公開第２０１１／０３９０７２号から公知である。
【０００３】
さらに、二酸化炭素分離プラントの圧力損失を克服するためのブロワの使用は、欧州特許第２０６７９４１号明細書から公知である。
【０００４】
しかしながら、二酸化炭素分離プラントの圧力損失を克服するためのブロワの使用は、問題がある。このタイプのブロワは、大きな体積の流れを搬送しなければならず、対応し、大きな寸法および高い慣性を有する。
【０００５】
発明の提示
短時間で排ガス体積流量の大きな変化につながるガスタービンの作動条件の急速な変化の際に、ブロワは、付加的な手段なしには急速な移行に追従することはできない。特に、ガスタービンの負荷制限または緊急停止（トリップ）の際に、圧縮機のガイドベーンの急速な閉鎖および排ガス温度の低下の結果、排ガス体積流量は数秒間で著しく減少する。緊急停止の間、排ガス体積流量は、５〜１０秒間で、全負荷排ガス流量の５０％以下に減少する。典型的な排ガスブロワは、調節可能なガイドベーンを有さず、その駆動装置が即座にスイッチオフされたとしても、その高い慣性のためにゆっくりと減速し、依然として、ガスタービンの減少した排ガス流量よりも著しく高い体積流量を搬送する。体積流量のこの差の結果、危険な真空が排熱回収ボイラおよび排ガスラインに生ぜしめられ、最悪の場合には、排熱回収ボイラの内破につながる恐れがある。
【０００６】
本開示の１つの目的は、排ガスからの二酸化炭素分離を備えたガスタービン発電プラントであって、運転条件の急速な変化の際にも、廃熱回収ボイラにおける排ガス側もしくは排ガスダクトと、周囲環境との間に危険な差圧が本来的に生じない、ガスタービン発電プラントを提供することである。ガスタービン発電プラントに加え、このタイプのガスタービン発電プラントを作動させる方法も、発明の主体である。
【０００７】
二酸化炭素分離を備えたガスタービン発電プラントは、ガスタービンと、ガスタービンに続く廃熱蒸気発生器と、排ガスボイラと、排ガスから、排ガスに含有された二酸化炭素を分離し、この二酸化炭素を二酸化炭素出口へ排出する二酸化炭素分離プラントと、煙突と、を備える。
【０００８】
さらに、廃熱回収ボイラと、排ガスブロワとの間には通常、排ガス再冷器が配置されている。ガスタービンと、廃熱回収ボイラと、排ガス再熱器と、排ガスブロワと、二酸化炭素分離プラントと、煙突とは、排ガスラインまたは排ガスダクトによって接続されている。排ガスブロワは通常、排ガス再冷器の下流に配置されている。なぜならば、ブロワは次いで、より少ない体積流量を搬送しなければならず、より低い温度にも曝されるからである。
【０００９】
二酸化炭素分離を備えたガスタービン発電プラントの１つの態様によれば、バイパス煙突は、廃熱蒸気発生器の出口と排ガスブロワとの間に配置されており、かつ排ガスラインからバイパス煙突への貫流方向と、バイパス煙突から排ガスラインへの貫流方向とにおいて、フェイルセーフ開放接続部に接続されている。開口は、両方の貫流方向においてフェイルセーフであり、有利にはバイパス煙突に接続している。なぜならば、開口の危険な領域（高温ガスの流出または高温排ガスライン内への吸い込み）が、確実に保護されるからである。
【００１０】
二酸化炭素分離を備えたガスタービン発電プラントの別の態様によれば、排ガスラインへのバイパス煙突の接続は、所定の圧力しきい値を有し、この圧力しきい値を超えると、排ガスラインからバイパス煙突へのガス貫流は妨げられない。妨げられない手段は、例えば、煙突内への入口損失に加えて、入口損失それ自体（すなわち、付加的なフィッティングを備えない煙突における排ガスラインからの入口圧力損失）よりも高い付加的な圧力損失は入口において生じない、または付加的な圧力損失はせいぜい入口圧力損失よりも一桁（one order of magnitude）だけ大きい。
【００１１】
さらに、過剰圧力および過少圧力のための圧力しきい値は、排ガスシステムにおける圧力損失に関して選択することができる。例えば、しきい値は、排熱回収ボイラの圧力損失の３分の１までの大きさのオーダ（order of magnitude）にあるべきである。通常、確実な作動を補償するために、３〜１０ｍｂａｒ、好適には約５ｍｂａｒの圧力しきい値が適切である。
【００１２】
排ガスライン内部と、この圧力しきい値よりも低い周囲環境との間の差圧の場合、バイパス煙突を通る貫流を無視することができ、すなわち排ガスラインを通る貫流全体の１０％未満である。特定の態様および運転状態に応じて、定常運転の間、排ガスラインを通る貫流全体の２０％までのバイパス煙突を通る貫流を許容することができる。
【００１３】
二酸化炭素分離を備えたガスタービン発電プラントの１つの態様によれば、排ガスラインへのバイパス煙突の接続部は、フラップおよびストッパを有し、ストッパは、閉鎖位置においても最小開口を有するようにフラップが完全に閉鎖しないように配置されている。この最小開口は、バイパス煙突から排ガスラインへの貫流方向での貫流を許容する。バイパス煙突から排ガスラインへの最小開口を通る貫流量は、通常、フラップが開放した状態での、排ガスラインからバイパス煙突への貫流方向での貫流量のせいぜい１０％である。フラップはこの場合、所定の圧力しきい値を超過するやいなや排ガスラインからバイパス煙突への貫流方向で開放する。
【００１４】
二酸化炭素分離を備えたガスタービン発電プラントの別の態様によれば、排ガスラインへのバイパス煙突の接続部は、主フラップおよび二次フラップを有する。この場合、主フラップは、排ガスラインからバイパス煙突への貫流方向で開放する、つまりフェイルセーフであり、二次フラップは、バイパス煙突から排ガスラインへの貫流方向で開放する、つまりフェイルセーフである。主フラップ及び二次フラップは、圧力しきい値を超えるやいなやそれぞれの貫流方向で開放する。この圧力しきい値は、両フラップに対して同じであってもよいし、またはそれぞれ別々に規定されていてもよい。
【００１５】
二酸化炭素分離を備えたガスタービン発電プラントの別の態様によれば、排ガスラインへのバイパス煙突の接続部は、複数の交互に配置された、外方へ開放するサブフラップと、内方へ開放するサブフラップとを有する。外方へ開放するサブフラップはそれぞれ、排ガスラインからバイパス煙突への貫流方向で開放する、つまりフェイルセーフである。内方へ開放するサブフラップはそれぞれ、バイパス煙突から排ガスラインへの貫流方向で開放する、つまりフェイルセーフである。
【００１６】
これらのフラップも、圧力しきい値を超えるやいなやそれぞれの貫流方向で開放し、この場合、圧力しきい値は、両方の貫流方向に対して別々に規定されていてもよい。
【００１７】
二酸化炭素分離を備えたガスタービン発電プラントの１つの態様によれば、バイパス煙突は、排ガスラインへの接続部において、隔壁によって２つのダクトに分割されており、一方のダクトには、排ガスラインからバイパス煙突への貫流方向で開放する、つまりフェイルセーフの出口フラップが配置されており、第２のダクトには、バイパス煙突から排ガスラインへの貫流方向で開放する、つまりフェイルセーフの入口フラップが配置されている。
【００１８】
隔壁によって、バイパス煙突は、この隔壁が終わる前に、例えばその高さの２０％まで２つのダクトに分割されており、煙突はさらに１つのダクトとして先端部へ延びている。２つのダクトへの分離の結果、それぞれのフラップの横断面の狭まりは、減じられるかまたはさらには完全に回避され、これにより、開放したフラップにおける圧力損失を減じることができる。
【００１９】
これらのフラップも、圧力しきい値を超えるやいなやそれぞれの貫流方向で開放し、この場合、圧力しきい値は、両方の貫流方向に対して別々に規定されていてもよい。
【００２０】
二酸化炭素分離を備えたガスタービン発電プラントの別の態様によれば、バイパス煙突は、煙突エルボを介して排ガスラインに接続されている。煙突エルボは、下方から排ガスラインに接続されており、Ｕ字形たわみを有し、このＵ字形たわみは、バイパス煙突へ接続している。
【００２１】
二酸化炭素分離を用いた通常運転において、排ガスは、煙突エルボにおけるガスよりも高温である。したがって、煙突エルボにおけるガスは、より重く、エルボ内への排ガスの流入に反作用する。排ガスが、乱流の結果として煙突エルボの接続領域に流入するとしても、この排ガスは、この場合に生じる熱的差圧により、流し戻される。さらに、Ｕ字形たわみは、付加的な圧力損失につながり、これにより、圧力条件が平衡させられていると、プラントの通常の定常運転の間、実質的にガスはバイパス煙突を流過しない。しかしながら、煙突エルボが高温の排ガスで充填され、たわみの結果としての圧力損失が克服されるやいなや、排ガスは、バイパス運転の目的でバイパス煙突を通って、さらなる損失なく、流出することができる。この意味で、例えば、排ガスラインは、バイパス煙突の下流においてフラップによって閉鎖されている。
【００２２】
さらに、排ガスラインにおける過少圧力の際に、循環する空気は、バイパス煙突および煙突エルボを通って排ガスラインに容易に流入することができる。このために、過少圧力は、単に、たわみの圧力損失および入口圧力損失を克服するために十分に大きくなければならない。
【００２３】
二酸化炭素分離を備えたガスタービン発電プラントの別の態様において、ウォータバリアは、排ガスラインへのバイパス煙突の接続部にまたはバイパス煙突において配置されており、少なくとも部分的に水が充填された容器を有し、この容器内へ、ブローアウトダクトが排ガスラインから上方から延びており、ブローインダクトがバイパス煙突から上方から延びている。ウォータバリアの閉鎖状態では、ブローアウトダクトおよびブローインダクトの壁部は水面よりも下位に達しており、これにより、ガスはウォータバリアを流過することができない。それぞれのダクトにおける過圧の結果、水は少なくとも部分的に容器から押しのけ可能であり、ウォータロックを開放状態へ移行させることができる。それぞれのダクト端部の下方をガスが流過する程度の量の水が押しのけられるやいなや、ウォータバリアは開放され、ガスはウォータバリアを流過することができる。排ガスラインにおける十分に高い過圧の場合、水はバイパス煙突の方向に押しのけられ、排ガスがブローアウトダクトの下縁に到達するやいなや、バイパス運転が可能となる。排ガスラインに十分に高い過少圧力が生じると、水は、排ガスラインの方向へ押しのけられ、バイパス煙突からのガスがブローインダクトの下縁に到達するやいなや、空気はバイパス煙突から吸い込まれることができる。ガスの貫流が可能になる水柱の高さは、両貫流方向のための圧力しきい値を決定する。
【００２４】
ガスタービン発電プラントに加え、二酸化炭素分離を備えたガスタービン発電プラントであって、ガスタービンと、ガスタービンに続く廃熱蒸気発生器と、排ガスボイラと、排ガスから、排ガスに含有された二酸化炭素を分離し、この二酸化炭素を二酸化炭素出口へ排出する二酸化炭素分離プラントと、煙突と、を備えるガスタービン発電プラントを運転する方法も、開示の主体である。典型的には、この形式の発電プラントはさらに、廃熱蒸気発生器と排ガスブロワとの間に排ガス再冷器を有する。この形式のガスタービン発電プラントでは、ガスタービンと、廃熱回収ボイラと、排ガス再熱器と、排ガスブロワと、二酸化炭素分離プラントと、煙突とは、排ガスラインによって接続されている。バイパス煙突は、廃熱蒸気発生器の出口と排ガスブロワとの間に配置されており、かつ排ガスラインからバイパス煙突への貫流方向と、バイパス煙突から排ガスラインへの貫流方向とにおいて、フェイルセーフ開放接続部に接続されている。調整可能な排ガスブロワによって、排ガスラインの内部と、排ガスラインへのバイパス煙突の接続部における周囲環境との間の差圧は、所定の圧力しきい値よりも低いままであるように調整することができる。圧力しきい値は、常時安全運転が保証されるように選択されるべきである。特に、圧力しきい値は、廃熱蒸気発生器の安全運転が保証されるように選択されなければならない。この目的のために、選択された圧力しきい値は、廃熱蒸気発生器の設計差圧よりも低くなければならない。これは、廃熱回収ボイラにおける排ガス圧力と、廃熱回収ボイラがそのために設計されている周囲圧力との差である。したがって、圧力しきい値は、廃熱蒸気発生器における排ガス圧力と、周囲圧力との最大許容差よりも低い。好適には、２つの圧力しきい値、すなわち過剰圧力のための圧力しきい値と、過少圧力のための圧力しきい値とは、排ガスラインまたは廃熱回収ボイラにおいて使用される。廃熱蒸気発生器とバイパス煙突との間の圧力損失は、有利には、圧力しきい値を規定する際に考慮されてもよい。
【００２５】
二酸化炭素分離を備えた通常運転の間、ガスは、バイパス煙突を通って逃げ出すべきではなく、新鮮な周囲空気も、バイパス煙突を通って吸い込まれるべきではない。
【００２６】
排ガスラインからバイパス煙突への貫流方向でフェイルセーフ開放接続部に接続されたバイパス煙突は、二酸化炭素分離が作動していないときに、廃熱回収ボイラを備えたガスタービンのバイパス運転を許容する。さらに、典型的には、この運転モードの場合、排ガスラインにおいてバイパス煙突の下流にフラップが配置されている。さらに、フェイルセーフ開放接続は、排ガスブロワの故障の際に、廃熱回収ボイラにおける圧力と、ガスタービンのための背圧とが、設計圧力よりも高くなるという状況を防止する。
【００２７】
バイパス煙突から排ガスラインへの貫流方向でフェイルセーフ開放接続部に接続されたバイパス煙突は、排ガスブロワの体積流量が高すぎる際に、排ガスライン、ボイラ、およびガスタービンと排ガスボイラとの間の排ガス再冷器における圧力が低くなりすぎ、これが、排ガス通路の内破のリスクにつながるという状況を防止する。このような運転状態は、例えば、ガスタービンの排ガス体積流量が短時間で、すなわち数秒間で低下させられ、排ガスブロワがゆっくりと減速し、依然として高い体積流量を、例えば１０〜２０秒間搬送するときのガスタービンの緊急停止の間に生じる。負荷制限の際に、圧縮機ガイドベーンが極めて迅速に閉鎖され、排ガス質量流量がこれにより短時間で、すなわち数秒のオーダの間に明らかに減じられる場合、排ガスラインおよび廃熱回収ボイラにおいて過少圧力が生じ得る。設計および運転形式に応じて、排ガス質量流量は、例えば負荷制限の間に５０％以下だけ減じられる。排ガス温度は同時に低下するので、体積流量は、さらに大きく低下し、これにより、低速の調整特性を備えた排ガスブロワは、排ガス通路から、多すぎる排ガスを搬送し、危険な運転状態が同様に生じ得る。
【００２８】
説明された利点は、それぞれの場合に特定された組合せだけでなく、発明の範囲から逸脱することなく、その他の組合せにおいてまたは単独で使用することもできる。例えば、ウォータバリアは、Ｕ字形煙突接続、または説明された全てのその他のフェイルセーフ開放接続と組み合わされてもよい。煙突エルボも、説明された全てのその他のフェイルセーフ開放接続と組み合わされてもよい。
【００２９】
以下に、説明目的のみで機能しかつ制限的に解釈されるべきではない図面によって発明の好適な実施の形態が説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】排ガスブロワおよびバイパス煙突を備えたガスタービン発電プラントの概略図である。
【図２】排ガスブロワおよびバイパス煙突を備えがガスタービン発電プラント、ならびに排ガスラインにおける圧力分布の概略図である。
【図３】閉鎖位置においても最小開放を有するフラップを備えたバイパス煙突の概略図である。
【図４】主フラップおよび二次フラップを備えたバイパス煙突の概略図である。
【図５】複数の交互に配置された、外方へ開放したサブフラップおよび内方へ開放したサブフラップを備えたバイパス煙突の概略図である。
【図６】隔壁によって２つのダクトに分割されおり、それぞれのダクトには出口フラップまたは入口フラップが配置されているバイパス煙突の概略図である。
【図７】下方から排ガスラインに接続されており、Ｕ字形たわみの後にバイパス煙突内へ突出している煙突エルボを備えたバイパス煙突の概略図である。
【図８】ウォータバリアを備えたバイパス煙突の概略図である。
【００３１】
発明を実施する方法
図１は、本発明によるガスタービン発電プラントの基本的な要素の概略図を示している。ガスタービン６は、圧縮機２を備え、圧縮機２において圧縮された燃焼用空気は、燃焼室３へ供給され、燃焼室３において、燃料５とともに燃焼させられる。高温の燃焼ガスは、その後、タービン４において膨張させられる。次いで、ガスタービン６において発生された有効エネルギは、例えば、同じ軸に配置された発電機（図示せず）によって、電気エネルギに変換される。
【００３２】
タービン４から出た高温の排ガスは、廃熱蒸気発生器８（排熱回収ボイラ、ＨＲＳＧ）における、まだ排ガスに含まれているエネルギの最適な利用のために、排ガスライン７を通じて案内され、給水１６を蒸発させ、かつ蒸気タービン（図示せず）またはその他のプラントのための新鮮な蒸気１５を発生するために利用される。蒸気回路は、廃熱回収ボイラ８によって単に概略的に示されている。蒸気タービン、コンデンサ、様々な圧力段、給水ポンプなどは、本発明の主体ではないので図示されていない。
【００３３】
廃熱蒸気発生器８からの排ガスは、排ガス再冷器９における排ガスライン７を通じて、排熱蒸気発生器８の下流においてさらに案内される。コンデンサが装備されていてよいこの排ガス再冷器９において、排ガスは、周囲温度よりも幾分高く（典型的には５℃〜２０℃に）冷却される。排ガスライン７におけるこの排ガス再冷器９の下流には、排ガスブロワ１０が配置されており、この排ガスブロワ１０に二酸化炭素分離プラント１１が続いている。この二酸化炭素分離プラント１１において、二酸化炭素は、排ガスから分離され、二酸化炭素出口１４を通じて排出される。次いで、分離された二酸化炭素は、例えば、さらなる搬送のために圧縮することができる。二酸化炭素分離プラント１１からの、二酸化炭素濃度が低い排ガス３７は、煙突を通じて周囲環境へ放出される。二酸化炭素分離プラント１１の圧力損失を、排ガスブロワ１０によって克服することができる。ガスタービン６または廃熱蒸気発生器８の設計および背圧に応じて、さらに、再冷器９、排ガスライン７、煙突１３および／または廃熱蒸気発生器の圧力損失も、排ガスブロワ１０によって克服することができる。
【００３４】
排ガス再冷器９の上流にはバイパス煙突１２が配置されており、このバイパス煙突１２は、二酸化炭素分離プラント１１が例えばメンテナンス作業のために作動していないときにガスタービンおよび廃熱回収ボイラを運転することを可能にする。通常運転においては、バイパス煙突１２への入口は閉鎖されており、これにより、全ての排ガスは再冷器９、排ガスブロワ１０、二酸化炭素分離プラント１１および煙突１３を通じて周囲環境へ放出される。バイパス運転においては、バイパス煙突１２への入口は開放されており、これにより、排ガスを、バイパス煙突１２を介して直接に周囲環境へ放出することができる。排ガス流を調整するために、排ガスライン７およびバイパス煙突１２にはフラップまたは弁が配置されていてもよい。例えば、二酸化炭素分離プラント１１の停止の際に再冷器への流れを抑制するために、排ガスライン７において、バイパス煙突と排ガス再冷器９との間にフラップ（図示せず）が配置されていてもよい。
【００３５】
図２は、図１のプラントをさらにより単純化した形式で示している。加えて、排ガスライン７、廃熱蒸気発生器８、排ガス再冷器９、排ガスブロワ１０および二酸化炭素分離プラント１１における圧力分布が、標準運転ＳおよびトリップＴ（緊急停止）の間の臨界運転状態に関して示されている。
【００３６】
標準運転Ｓのための圧力分布は、図示した例においては、バイパス煙突１２までは、慣用のガスタービンコンバインドサイクル発電プラントにおける圧力分布に対応するように選択されており、すなわち、タービンの出口における圧力ａは、廃熱回収ボイラ８の圧力損失がこれにより克服されるほどに高い。廃熱回収ボイラ８の下流では、圧力ｂは、実質的に周囲圧力と等しい。排ガス再冷器９の下流では、圧力ｃは、周囲圧力よりも低く低下し、その後、排ガスブロワ１０によって圧力ｄに高められ、この圧力ｄは、二酸化炭素分離プラント１１の圧力損失を克服しかつ排ガスを、煙突１３を通じて周囲環境へ放出するために十分に高い。排ガスブロワ１０は、バイパス煙突１２の入口における圧力が実質的に周囲圧力と等しくなるように調整される。
【００３７】
標準運転Ｓのための圧力分布から出発して、トリップＴの際の排ガス通路における圧力は、数秒間で低下する。なぜならば、排ガスブロワは、タービンから出てくるよりも高い排ガス流を搬送するからである。圧力は、タービン出口においてすでに周囲圧力よりも低くなる。圧力は、排ガスライン７、廃熱回収ボイラ８および排ガス再冷器９の圧力損失によりさらに低下する。廃熱回収ボイラ８および再冷器９、および排ガスライン７における過少圧力は、この場合、危険なほど高くなり得る。圧力は、排ガスブロワ１０によって、二酸化炭素分離プラント１１の、体積流量に比例して減じられた圧力損失を克服することができるような程度まで、再び高められる。
【００３８】
バイパス運転を許容し、かつ高い過少圧力を安全に回避するために、排ガスライン７からバイパス煙突１２への貫流方向およびバイパス煙突１２から排ガスライン７への貫流方向で開放している、すなわちフェイルセーフの、フェイルセーフ開放接続が提案される。
【００３９】
フェイルセーフ開放接続の典型的な実施の形態は、図３に示されている。これは、バイパス煙突１２が隣接する排ガスライン７の概略図を示している。バイパス煙突１２の接続領域には、フラップ１７が設けられており、このフラップ１７は、規定された圧力しきい値、すなわち開放差圧を超えると、バイパス煙突への流れ方向で開放する。開放差圧未満では、フラップ１７は閉鎖されている。しかしながら、フラップ１７の気密な閉鎖は、ストッパ１８によって防止されている。ストッパ１８が適切な位置にあることにより、バイパス煙突から排ガスラインへの、フラップ１７を流過することができる最小限の貫流を設定することができる。
【００４０】
バイパス煙突１２およびフラップ１７を通る最小貫流は、ガスタービン６と排ガスブロワ１０との間の排ガスライン７の体積に関して、ならびに廃熱回収ボイラ８および再冷器９に関して、ならびに排ガスブロワ１０の体積流量のランアウト特性とガスタービン６の体積流量のランアウト特性との差にも関して選択される。
【００４１】
排ガスブロワ１０の良好な調整により、フラップ１７における差圧１７は実質的にゼロであり、これにより、通常運転において、二酸化炭素含有排ガスがバイパス煙突を通じて逃げ出すことも、周囲空気がバイパス煙突を通じて吸い込まれることもない。バイパス煙突１２を通じた排ガスの流出は、二酸化炭素分離の有効性を低下させる。バイパス煙突１２を通じた吸い込みによる周囲空気の吸入は、二酸化炭素含有排ガスの希釈を生じ、その結果、二酸化炭素分離に関連する費用が増大する恐れがあり、プラントの効率が低下する。バイパス煙突における二次的な流れおよびサーマルは、ほとんど閉鎖されたフラップ１７によって実質的に防止することができる。
【００４２】
フェイルセーフ開放接続の第２の典型的な実施の形態は、図４に示されている。主フラップ２０および二次フラップ２２は、バイパス煙突１２の接続領域に配置されている。両フラップは、所定の圧力しきい値、すなわち所定の開放差圧を超えると開放する。主フラップ２０は、バイパス煙突への流れ方向で開放し、二次フラップ２２を開放させる。主フラップ２０は、開放した主フラップ２１として点線で示されており、二次フラップ２２は、開放した二次フラップ２３として点線で示されている。気密に閉鎖された位置は、図４ａに断面Ａ−Ａによって示されている。
【００４３】
開放差圧は、両貫流方向のために自由に規定することができ、これにより、確実な値は、排ガス通路の設計に関連して規定される。
【００４４】
別の典型的な実施の形態が図５に示されている。図５は、バイパス煙突１２の概略図を示しており、排ガスダクト７へのバイパス煙突１２の接続部には、複数の交互に配置された、外方へ開放するサブフラップ２４と、内方へ開放するサブフラップ２５とが配置されている。外方へ開放するサブフラップ２４は、バイパス運転を許容する。内方へ開放するサブフラップ２５は、外部空気が排ガスライン７に流入することを可能にし、急速な移行の際に排ガス通路における大きすぎる過少圧力を防止する。
【００４５】
図６は、別の典型的な実施の形態を概略的に示している。この例では、バイパス煙突１２は、入口領域において隔壁２６によって２つのダクトに分割されており、それぞれダクトには出口フラップ２７または入口フラップ２８が配置されている。出口フラップ２７は、バイパス運転を許容する。内方フラップは、外部空気が排ガスライン７へ流入することを可能にし、その結果、急速な移行の際に排ガス通路における高すぎる過少圧力を防止する。
【００４６】
図７は、機械的なフラップを備えない典型的な実施の形態を示している。図７は、下方から排ガスライン７に接続されかつＵ字形たわみの後にバイパス煙突１２へ接続した煙突エルボ３０を備えたバイパス煙突１２の概略図を示している。通常運転において、煙突エルボ３０には、比較的低温のガスが充填されており、密度の差のため、高温の排気ガスが排ガスライン７から流れ込むことを防止する。二酸化炭素分離を用いた通常運転において、排ガスは、煙突エルボにおけるガスよりも高温である。したがって、煙突エルボにおけるガスは、より重く、エルボ内への排ガスの流入に反作用する。排ガスが、乱流の結果として煙突エルボの接続領域に流入するとしても、この排ガスは、生じるサーマルによって煙突エルボ３０の接続領域に保持される。圧力抵抗は、Ｕ字形管の高さによって設定することができる。さらに、Ｕ字形たわみは、付加的な圧力損失につながり、これにより、圧力条件が平衡させられていると、プラントの通常運転の間、実質的にガスはバイパス煙突を流過しない。たわみの上流のＵ字形管の直線部分は、例えば１ｍ〜３ｍの高さであってよい。より大きな差圧のための別の例において、Ｕ字形管の選択された直線部分は、例えば、３〜７ｍである。バイパス運転では、例えば、排ガスライン７は、フラップ（図示せず）によってバイパス煙突１２の下流で閉鎖されるまたは排ガスブロワ１０はスイッチオフされる。
【００４７】
図８は、別の実施の形態の概略図を示している。この例では、バイパス煙突１２は、ウォータバリア２９を有する。排ガスライン７へのバイパス煙突１２の接続部においてまたはバイパス煙突１２において、容器が配置されており、この容器は、少なくとも部分的に水が充填されており、排ガスライン７から分岐したブローアウトダクト３２が、上方から容器内へ延びている。さらに、バイパス煙突から、上方から容器内へ、ブローインダクト３３が延びている。ブローインダクト３３またはブローアウトダクト３２の壁部は水面よりも下位に達しており、これにより、ガスはウォータバリア２９を流過することができない。それぞれのブローインダクト３３またはブローアウトダクト３２における過圧により、水を少なくとも部分的に容器から押しのけることができ、これにより、ウォータバリア２９が開放する。ダクト壁部の浸漬深さまたはガスの貫流が可能になるウォータコラムの高さは、両貫流方向のための圧力しきい値を決定する。これは、２つの方向において別々に、ブローインダクト３３またはブローアウトダクト３２の壁部の貫通深さによって決定することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１  ガスタービン発電プラント
２  圧縮機
３  燃焼室
４  タービン
５  燃料
６  ガスタービン
７  排ガスライン
８  廃熱蒸気発生器（排熱回収ボイラ、ＨＲＳＧ）
９  排ガス再冷器
１０  排ガスブロワ
１１  二酸化炭素分離プラント
１２  バイパス煙突
１３  煙突
１４  二酸化炭素出口
１５  新鮮な蒸気
１６  給水
１７  フラップ
１８  ストッパ
１９  最小限の開放
２０  主フラップ（閉鎖されている）
２１  開放した主フラップ
２２  二次フラップ（閉鎖されている）
２３  開放した二次フラップ
２４  開放へ開放するサブフラップ
２５  内方へ開放するサブフラップ
２６  隔壁
２７  出口フラップ
２８  入口フラップ
２９  ウォータバリア
３０  煙突エルボ
３１  吸気
３２  ブローアウトダクト
３３  ブローインダクト
３７  二酸化炭素含有量が低い排ガス
Ｓ  標準運転
Ｔ  トリップ（緊急停止）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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