(57)【要約】本発明は、圧縮機（Ｃ）、タービン（Ｔ）及び反応炉（１）を有するガスタービン設備に関する。空気が圧縮機（Ｃ）で圧縮され、燃焼を維持するために燃料と共に反応炉に運ばれる。反応炉で熱せられた空気がタービン（Ｔ）を駆動させる。それでタービン（Ｔ）の負荷の制御が、圧縮機（Ｃ）の出口とガスタービン（Ｔ）の入口の間に配置された調整弁（Ｖ）を用いて、反応炉（１）からの高温空気と圧縮機からの空気を混ぜることによりタービン（Ｔ）への入口温度を制御することで実現される。
2006515047.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機（Ｃ）、タービン（Ｔ）及び反応炉（１）を有し、空気が圧縮機（Ｃ）で圧縮され、燃焼を維持するために燃料と共に反応炉に運ばれ、反応炉で熱せられた空気がタービン（Ｔ）を駆動させるガスタービン設備において、
タービン（Ｔ）の負荷の制御が、圧縮機（Ｃ）の出口とガスタービン（Ｔ）の入口の間に配置された調整弁（Ｖ）を用いて、反応炉（１）からの高温空気と圧縮機からの空気を混ぜることによりタービン（Ｔ）への入口温度を制御することから成る
ことを特徴とするガスタービン設備。
【請求項２】
反応炉が（１）がＭＣＭ反応炉であることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン設備。
【請求項３】
調整弁（Ｖ）が反応炉（１）の空気回路をバイパスするラインに取り付けられることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスタービン設備。
【請求項４】
調整弁がバイパスラインの冷たい側の近くに取り付けられることを特徴とする請求項３に記載のガスタービン設備。
【請求項５】
ＭＣＭ反応炉（１）が、空気の酸素を薄膜の反対側の高温ガスに運ぶ薄膜（Ｍ）の第１の側に沿って圧縮機（Ｃ）から空気を導く空気回路を有し、
空気回路の空気が反応炉を通過する際に、反応炉（１）内の熱交換器（ＶＶＸ）で加熱される
ことを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載のガスタービン設備。
【請求項６】
反応炉（１）が、燃料が燃焼する少なくとも１つのバーナー（４）を有する掃引回路（５）を有し、また掃引回路において高温ガスを発生し、
高温ガスが、前記薄膜（Ｍ）の他方の側の反応炉に供給され、
高温ガスは酸素が豊富にあり、
冷えたガスが出口（６）に運ばれる前に、掃引回路における高温ガスが熱交換器（ＶＶＸ）の空気に熱を放出する
ことを特徴とする請求項５に記載のガスタービン設備。
【請求項７】
掃引回路が吹出し弁（７）を有することを特徴とする請求項６に記載のガスタービン設備。
【請求項８】
空気回路が吹出し弁（８）を有することを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載のガスタービン設備。
【請求項９】
反応炉（１）が反応炉の全負荷に対応する温度で保たれることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン設備。
【請求項１０】
前記温度が反応炉を通る空気及び燃料の流れを制御することにより維持されることを特徴とする請求項９に記載のガスタービン設備。
【請求項１１】
−空気が圧縮機（Ｃ）で圧縮され、
−圧縮された空気が、ＭＣＭ薄膜（Ｍ）を有する反応炉（１）内の空気回路に供給され、
−高温ガスがバーナーでの燃焼により作られる反応炉（１）内の掃引回路（５）のバーナー（４）に、燃料が運ばれ、
−高温ガスは、反応炉（１）内の熱交換器を介して空気回路の空気に熱を放出し、
−反応炉（１）では、高温ガスは、薄膜（Ｍ）を介して空気回路の空気から掃引回路に運ばれる酸素が豊富にあり、
−反応炉（１）で熱せられた空気は、ガスタービンを駆動させるためにガスタービン（Ｔ）の入口に導入される、
各ステップを有するガスタービン設備の負荷を制御するための方法において、
−圧縮機（Ｃ）の出口からの直接の空気を反応炉（１）からの高温空気と混ぜることができる調整弁（Ｖ）を制御することにより、設備における負荷の制御が実現し、それでガスタービン（Ｔ）の入口への空気の温度が、ガスタービン（１）からの負荷の持ち上げに対して制御される
ことを特徴とする方法。
【請求項１２】
調整弁が、ガスタービンへの入口の温度を４５０℃〜１２５０℃の間で設定することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
反応炉（１）が、ガスタービン（Ｔ）の負荷変動を制御する際、全負荷に対応する温度で操作することができることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の方法。
【請求項１４】
調整弁（Ｖ）を完全に開けることにより設備の急停止が実現でき、それで圧縮機からの実質的に全ての空気が反応炉（１）をバイパスすることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
調整弁（Ｖ）を完全に開けることによりガスタービン（Ｔ）の急停止が実現でき、それで圧縮機からの実質的に全ての空気が反応炉（１）をバイパスすることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば燃料供給を制御することにより、燃料の燃焼が遅い反応炉、すなわち負荷変動がある場合に急に制御できない反応炉で行われるガスタービンに関する。本発明は具体的には、このような反応炉の使用の際に生じる様々な操作状況においてガスタービンを制御するための装置と方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特別なガスタービンに基づく電力発生プロセスは、略語ＡＺＥＰ（新無排気動力装置）により知られたコンセプトにより提案される。このプロセスは、局所的な排気及び全世界の排気を減少させる費用効果の高い方法を表す。前記プロセスが基づく革新的サイクルにより、二酸化炭素（ＣＯ２）の放出を１００％減少させることができる。多数の補足的付加により、従来の空気ベースのガスタービン装置を電力発生のために用いることができる。設備効率における損失は２％以下である。これらの目的を達成するための鍵は、酸素（Ｏ２）が反応炉内で空気から分離され、それで燃料の燃焼が窒素のない環境で行われる、ガスタービンと一体化した反応炉の開発である。
【０００３】
ＡＺＥＰのコンセプトは知られたプロセスを説明しているので、この文章ではこれ以上述べない。従来技術の例として、非特許文献１を参照されたい。これにより、当該文献に記述された内容は本明細書に組み込まれる。
【０００４】
ＡＺＥＰのコンセプトは無排気で電力を発生させるプロセスを提案する。いわゆる混合導電性薄膜（ＭＣＭ）がこれに対する解決法を与える。この薄膜は空気から純粋な酸素を作る。これら酸素選択薄膜に焦点を当てた研究が近年著しく増加している。ＭＣＭ薄膜が、空格子点と酸素イオンを有する複雑な結晶構造で形成され、酸素イオンが薄膜を介して運ばれる原理は表面吸収を伴う。表面吸収に、イオン空格子点の連続占有によって薄膜を介して運ばれるイオンへの分解が後続する。イオンの輸送は反対方向の薄膜を介する電子の流れによって釣り合う。原動力は、薄膜の両面における酸素の分圧の差である。さらに、この輸送は７００℃を上回る高温を必要とする。
【０００５】
ＭＣＭテクノロジーを動力装置に組み入れることは様々な手段によって実現できる。異なるサイクル効率で特徴付けられる分離サイクルを用いた多数の解決法が研究されており、最良の既存のテクノロジーと比較される。これが示すには、ＭＣＭ反応炉の最も効率のよい、費用効果と将来性のある用途は、それを従来のガスタービンに組み入れることである。図１に示すように、酸素分離、燃焼及び熱伝達のプロセスを結合するＭＣＭ反応炉は、標準設計のガスタービン動力装置における従来のバーナーに取って代わることを予定されている。ガスタービンセットとその補助装置は標準装置からなる。図１は、ＭＣＭ反応炉でのメタン燃焼を用いるガスタービンを有する前記コンセプトの基本構成を示す。空気が圧縮機Ｃに供給される。圧縮機から圧縮され熱せられた空気が反応炉１に運ばれる。反応炉１では、ガスが、この場合はメタンが燃焼する。燃焼による熱が、反応炉に供給される空気の温度を上昇させる。次いで、高温空気がガスタービンＴを駆動させる。実用的な電力は、圧縮機及びガスタービンと同じ軸上に設置された発電機Ｇで利用される。反応炉の長さにわたって延びているのは、ＭＣＭ薄膜Ｍである。酸素は、図の薄膜を介して、反応炉１のいわゆる空気回路から反応炉の掃引回路に向かって運ばれる。掃引回路では、ガスが酸素と反応して燃える。次いで、燃焼ガス、主に二酸化炭素と水が熱交換器を介して熱を放出し、次いでこれらは燃焼ガスで駆動するタービンＴ２に運ばれる。次いで、水と二酸化炭素は出口２の下流側にある装置（図示せず）で回収される。
【０００６】
ＭＣＭ反応炉を有するガスタービンを駆動させるために克服しなければならない１つの問題は、どのようにして設備を制御するかということである。本設備における高温空気の発生とは異なって、高温ガスを発生する従来のガスタービンでは、負荷要件に従って圧縮機とガスタービンの間の１つ又は複数のバーナーへの燃料供給を調整することで、ガスタービンはすぐに制御される。このような制御は、ＭＣＭ反応炉で表される非常に遅いタイプの反応炉を用いては不可能である。すなわち、それがガスタービンに伝える電力出力の急な変化は可能でない。本発明の目的はこの問題に対する解決法を実証することである。
【０００７】
【非特許文献１】２００１年１０月２６日にイェーテボリで開かれた”Second Nordic Minisymposium on Carbon Dioxide Capture and Storage”からの論文で、タイトルは”AZEP - Development of an Integrated Air Separation Membrane - Gas Turbine”, 著者は Sundkvist, Griffin 及び Thorsaug
【発明の開示】
【０００８】
本発明の第一の面はガスタービンを制御するための装置を説明する。バーナーは好ましくは一定温度に保たれた反応炉から成る。この装置は、装置（デバイス）の独立請求項に従う独特な特徴で特徴付けられている。
【０００９】
本発明の第二の面は、方法の独立請求項に従う前記設備を制御するための方法を説明する。
【００１０】
ガスタービンから分離したＡＺＥＰ反応炉を配置することにより、負荷に関してガスタービンの反応炉からの急な分離が実現できる。
【００１１】
本発明の面の全般的な目的は、反応炉バーナーからの出力を非常に簡単に制御し、また反応炉の掃引回路を介するマスフローも制御することにより、反応炉の温度を安定に保つことである。掃引回路の圧力は、反応炉の空気ダクトの圧力に対して一定レベルに保たれる。これは通常のガス出力を制御し、また極端な状況ではガス吹出し弁を制御することで実現する。ガスタービンの圧縮機からの圧力の上昇が、燃料を掃引回路に供給することで作られるよりも早いと、反応炉への別な蒸気噴射を考慮しなければならない。
【００１２】
タービンとその圧縮機は、従来の吹出し出口と圧縮機内の回転可能な案内羽根を用い、またタービンの入口温度を制御することにより制御される。本発明の面によれば、温度は、反応炉からの高温空気と圧縮機からの空気の混合を制御する弁セットにより制御される。圧縮機は、弁セットを介して反応炉をバイパスするように作られている。反応炉をバイパスする調整弁が完全に開いている際、空気が反応炉を通って流れる際の空気流の抵抗が、タービンへの空気の温度が全ての負荷に対して十分低くなるようであれば、１組の弁で十分である。反応炉を通る流れ抵抗が低すぎる場合、付加的な弁セットが反応炉への冷たい空気の通路に配置されなければならない。
【００１３】
反応炉の遅れとは別に、設備を制御する際に反応炉を高温で維持できることの主な利点は、付加的な酸素を供給する必要なく、掃引回路での燃焼プロセスのために空気から酸素を取り出せることである。これは、反応炉における温度が反応炉の運転を調整して設備を制御する試みにより下がる場合に必要になる。
【００１４】
開示したガスタービン制御の仕組みの別な例とその様々な操作状況での適用を、以下の実施例に則して実証していく。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明を添付図面に則して以下に記述する。本発明の面に従って制御されるガスタービン設備の形式の装置が図１に示される。
【００１６】
前記設備を制御するための装置が図２に概略的に示される。前記記号Ｃは空気を圧縮するための圧縮機を示す。空気は圧縮後、増加した圧力とより高い温度で従来技術に従うＭＣＭ反応炉１に送られる。反応炉では、燃料が、この場合はメタンガスが燃える。反応炉は、反応炉の掃引回路からの熱を薄膜Ｍを介して空気回路の空気に与える熱交換器を有する。薄膜は反応炉を掃引回路側と空気回路側に分ける。それにより、空気の温度は約１２５０℃まで増加する。この熱せられた空気がガスタービンＴを駆動させる。この設備を確実に様々なタイプの操作状況において制御するために、本発明の面に従えば、調整弁Ｖが反応炉１と平行に配置される。調整弁Ｖは空気回路の冷たい側に位置するのが好ましい。従って、調整弁Ｖは、反応炉１上の空気流を短絡させるのに用いることができる。これにより、圧縮機Ｃの出口の低めの温度と反応炉１の出口の高めの温度とで定められる温度範囲全体で、ガスタービンＴへの入口の温度を制御することが可能である。温度は通常約１２５０℃に保たれる。前記のように、だいたい一定の高温で反応炉におけるプロセスを維持すると有利である。このようにして、反応炉の操作は、ガスタービンからの負荷の持ち上げ（ロードアプテーク）の実際の制御から孤立する。圧縮機Ｃからの冷たい空気を反応炉１からの高温空気と混ぜるために調整弁Ｖを用いて、ガスタービンＴの負荷を望み通りに制御することができる。
【００１７】
図３は本発明に従う設備を通るガス流及び空気流をより明瞭に示す。圧縮機Ｃからの圧縮空気が薄膜Ｍを有する炉心（コア）３を通して反応炉１に供給される。この薄膜は、空気とガスのための多数の平行な気孔ダクトを有する。各エアダクトはガスダクトで囲まれ、ガスダクトはエアダクトで囲まれる。空気の酸素をガスに運ぶための前記のプロセスは、エアダクトとガスダクトの間の材料において行われる。炉心３は高温ガスの熱を空気に伝える熱交換器ＶＶＸを有し、それで高温空気がタービンＴに運ばれる前に空気は約１２５０℃まで熱せられる。高温ガスは、反応炉１に含まれる１つ又は複数のバーナー４で作られる。実施例では、ガスはバーナー４で燃焼するメタンから成る。バーナー４を通っているのは掃引回路５である。掃引回路５のガスはバーナー４で作られる。次いで、高温ガスは反応炉１の炉心３内の熱交換器ＶＶＸを介して熱を出す。薄膜Ｍを介して空気回路の空気の酸素を加えることにより、掃引回路のガスは酸素が豊富になり、炉心３からガスが供給されるバーナー４での燃焼を維持することができる。熱を放出した後、ガスは、バーナー４に達する前に約４５０度まで冷却される。使用されたガスはライン６を介して、熱をさらに利用する図１に示されたタービンＴ２に案内される。次いで、ガスは二酸化炭素と水分の処理のためにさらに運ばれる。図は、掃引回路からのガスを開放するためのガス吹出し弁７も示している。また、空気回路からの空気を開放するための空気吹出し弁８も示されている。
【００１８】
多数の異なる設備の操作状況を以下に記述する。
【００１９】
負荷変動の場合、反応炉の掃引回路の温度は最大温度で一定に保たれなければならない。反応炉の掃引回路のマスフローは維持され、掃引回路の熱容量フローは反応炉の空気回路の熱容量フローに等しい。
【００２０】
反応炉へのアクセスが必要でない設備の高温停止の場合、反応炉１はタービンＴから孤立している。これは、反応炉上の空気流が調整弁Ｖを完全に開けることによって反応炉の外側へ短絡されることにより実現する。反応炉の温度グラフを保ち、掃引回路への入口のバーナーを全負荷温度に保つために、反応炉を通る小さい空気流がまだ維持される。
【００２１】
反応炉１は幾つかの異なる態様で停止できる。例えば、タービンの故障の結果の緊急停止は、高温停止と同様に反応炉からタービンを孤立させることで実現できる。しかしながら、この場合、反応炉はバーナーを停止させることで非常に簡単に停止する。必要ならば、掃引回路内の循環も停止できる。反応炉と炉心にもっと早くアクセスを可能にする、反応炉を停止させるための別な選択肢は、バーナーと掃引回路内の循環を停止させることであるが、タービンが反応炉から熱を徐々に得てもよく、従って反応炉は冷却される。
【００２２】
設備の高温停止を用いる必要があるガスタービントリップでは、ガスタービンＴへの入口温度が減少するように調整弁Ｖが完全に開けられ、ガスタービン内の温度を急速に下げるために空気吹出し弁８も開けられる。前記のように、本発明に従う調整弁Ｖは空気回路の熱い側と冷たい側の間に取り付けられる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】従来技術で提案されたＭＣＭ反応炉を有するガスタービン設備を示す図である。
【図２】本発明の面に従うガスタービン設備がどのように配置されるかを示す概略的な記号の図である。
【図３】ガスタービンと反応炉における様々なガス流をより明瞭に示す、本発明に従うガスタービン設備の図である。
【符号の説明】
【００２４】
１  反応炉
３  炉心
４  バーナー
５  掃引回路
６  ライン
７  ガス吹出し弁
８  空気吹出し弁
Ｃ  圧縮機
Ｇ  発電機
Ｍ  薄膜
Ｔ  ガスタービン
Ｔ２  タービン
Ｖ  調整弁
ＶＶＸ  熱交換器
【図１】
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【図２】
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【図３】
2006515047.tif 000005
【国際調査報告】
2006515047.tif 000006
2006515047.tif 000007