JP2008274939A

JP2008274939A - ガス加湿制御のための方法及びシステム

Info

Publication number: JP2008274939A
Application number: JP2008111926A
Authority: JP
Inventors: John Reuben Aiton; ジョン・リューベン・エイトン; Michael Joseph Alexander; マイケル・ジョセフ・アレキサンダー; Matthew Charles Prater; マシュー・チャールズ・プレイター; William Randolph Hurst; ウィリアム・ランドルフ・ハースト
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-05-01
Filing date: 2008-04-23
Publication date: 2008-11-13
Anticipated expiration: 2028-04-23
Also published as: CN101298933A; DE102008021118A1; CN101298933B; JP5265240B2; US20080271460A1; CH702925B1; US7788930B2

Abstract

【課題】
加湿システムを提供する。
【解決手段】
本加湿システムは、複数のガス負荷にガスの流れを供給するように構成された複数のガス源（１０２、１０４）と、再循環水にエネルギーを付加するように構成された複数の熱源（２２６、２２８）と、複数のガス源及び複数のガス負荷に流れ連通状態で結合されかつ所定の水分含量を有するガスの流れを複数のガス負荷に供給するように構成された単一のガス加湿装置（１１２）と、所定の水分含量を維持するように構成された制御システムとを含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、総括的には複合サイクル発電システムに関し、より具体的には、複合サイクル発電システムのガスストリーム内の水分含量を制御するための方法及びシステムに関する。

少なくとも幾つかの公知の複合サイクル発電システムは、比較的乾燥したガス流に加湿流体を加えるように構成された加湿サブシステムを含む。一般的に、ガスは、炭素質又は水素ベースの燃料ガスを含み、加湿流体は、水又は蒸気であることが多い。一般的には、加湿塔又は飽和器が、ガスタービンに燃料ガスを供給するプロセスガス装置列間に直列に配置される。単一のガス源と単一のガス負荷との間でガスストリーム内の水分を制御することは比較的単純な作業であるが、しかしながら、他の構成により、材料及び操業経費におけるコスト削減が得られる可能性がある。ガス負荷に供給されるガスは、ガス源、加湿装置及びガス負荷のその他の構成を使用する場合でも依然として所定の仕様規格を満たさなければならない。単純な水分制御法は、これらの構成の必ずしも全ての運転条件において適切なものであるとはいえず、例えば１つ又はそれ以上のガス源及び／又は供給源を伴う運転始動、停止或いは過渡状態時において不適切なものになる可能性がある。
米国特許第６，６９４，７４４号公報米国特許第６，５０２，４０２号公報米国特許第６，３８９，７９４号公報米国特許第６，３７０，８８０号公報

必要なものは、複数のガス源から複数のガス負荷までに１つ又はそれ以上の加湿装置を含む、システムのガスストリーム内の水分を制御しかつ複数の熱源からの入熱を制御するように構成された制御システムである。

１つの実施形態では、加湿システムは、複数のガス負荷にガスの流れを供給するように構成された複数のガス源と、複数のガス源及び複数のガス負荷に流れ連通状態で結合された単一のガス加湿装置とを含む。単一のガス加湿装置は、所定の水分含量を有するガスの流れを複数のガス負荷に供給するように構成され、また制御システムは、所定の水分含量を維持するように構成される。

別の実施形態では、加湿装置を用いてガスストリーム供給システム内の水分を制御する方法は、加湿装置出口での所定の目標水分含量に対応する目標加湿装置出口温度を決定する段階と、加湿装置のヒートバランスに基づいたフィードフォワード制御を用いて、その決定した目標加湿装置出口温度に対応する加湿装置水入口の目標温度を予測する段階とを含む。本方法はまた、目標加湿装置出口温度と実加湿装置出口温度との差を決定し、またフィードバックコントローラを用いて、フィードフォワード制御によって計算した加湿装置水入口の目標温度を補正するフィードバック制御を含む。

さらに別の実施形態では、ガス加湿装置システム内の水分を制御する方法は、加湿装置出口での所定の目標水分含量に対応する目標加湿装置出口温度を決定する段階と、加湿装置のヒートバランスを用いて、所定の流出ガス水分含量を得るための加湿装置水入口温度を予測する段階とを含む。予測温度は、実加湿装置出口温度と所定の水分含量に対応する出口温度との間の差で作用するフィードバックコントローラによって補正される。入口水温度は、第１及び第２の熱源を用いて補正目標に向けて制御され、第２の熱源が入熱限界値に達した時に、第１の熱源から加湿装置内への入熱を高めるために必要に応じて水対ガス比率が補正される。この実施形態では、水対ガス比率の増大により、第１の熱源内に過剰の熱伝達能力が設計されている場合に第２の熱源についての熱伝達要求量を減少させるように、目標水温度が調整される。

図１は、例えば統合ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）発電システムのような例示的な複合サイクル発電システム１００の一部分の概略図である。システム１００は一般的に、その各々が比較的乾燥した合成ガスの流れを生成する、ガス化システムのような複数のガス源１０２、１０４を含む。図１には、２つのガス源１０２及び１０４のみを有するシステム１００を示しているが、別の実施形態では、あらゆる数のガス源を含むことができる。ガス源１０２及び１０４の各々で発生した合成ガスは、それぞれの導管１０６及び１０８を通して共通ヘッダ１１０にかつ単一のガス加湿装置サブシステム１１２に送られる。別の実施形態では、その他のガス源及び加湿装置の組合せが利用される。例えば、１つの実施形態では、３つのガス源が２つの加湿装置に流れ連通状態で結合される。別の例示的な実施形態では、５つのガス源が３つの加湿装置に流れ連通状態で結合される。加湿合成ガスは、加湿装置サブシステム１１２から共通ヘッダ１１４を通してそれぞれのガスタービンエンジン１２０及び１２２への入口１１６及び１１８に送られる。他の実施形態では、加湿装置サブシステム１１２は、その他のガスタービンエンジンの組合せに加湿合成ガスを供給する。

図２は、加湿装置サブシステム１１２（図１に示す）の例示的な実施形態の概略図である。この例示的な実施形態では、加湿装置サブシステム１１２は、加湿塔２０２、水再循環サブシステム２０４、乾燥ガス入口２０６及び湿潤ガス出口２０８を含む。水再循環サブシステム２０４は、再循環ポンプ２１０を含み、再循環ポンプ２１０は、塔ボトム２１２から吸引して、塔オーバヘッド２１２に設置された液分配器２１４に加熱水を吐出する。ボトム水は、再循環サブシステム２０４の１つ又はそれ以上の加熱レッグ２１８及び２２０を通して送られる。各レッグは、それぞれ流量制御バルブ２２２及び２２４、第１の熱交換器２２６及び２２８、第２の熱交換器２３０及び２３２、並びにバイパスバルブ２３４及び２３６を含む。本明細書では熱交換器として記載しているが、第１の熱交換器２２６及び２２８並びに第２の熱交換器２３０及び２３２は代わりに、例えばそれに限定されないが電気ヒータ及び／又は燃料ヒータのようなヒータとして具体化することができ、或いはヒータ及び熱交換器の組合せとすることができる。

加湿装置サブシステム１１２は、温度制御サブシステム２３８及び水対ガス比率制御サブシステム２４０を含む。この例示的な実施形態では、温度制御サブシステム２３８は、乾燥ガスの流量２４２及び２４４並びに温度２４６と、ボトム水の流量２４８及び温度２５０と、再循環流量２５２及び２５４と、本明細書ではオーバヘッド圧力及びオーバヘッド温度とも呼ぶ加湿塔２０２からの湿潤ガス出口の圧力２６０及び温度２６２とから入力を受ける。水対ガス比率制御サブシステム２４０は、乾燥ガス流量２４２及び２４４と、それぞれバイパスバルブ２３４及び２３６の各々からのバルブ開度位置指標２６４及び２６６とから入力を受ける。

運転の間、乾燥ガスは、加湿塔２０２のような加圧カラムの内部の一連の平衡ステージでガスと水とを接触させることによって水で加湿される。幾つかの要因が、ガスが加湿塔２０２を流出する時のガス加湿の度合に影響を及ぼす。それらの要因としては、塔圧力、ガス及び水の入口温度、水対ガス流量比率、並びに加湿塔２０２に流入する乾燥ガス組成が挙げられる。

ガスを使用する設備内で許容可能な設計特性を達成するためには、非凝縮性ガス内の水分含量の正確な制御が必要となる可能性がある。２つ又はそれ以上の例えばガス化システムのような独立製造ユニットからの乾燥ガス供給ストリームは、混合されかつ単一の加湿塔２０２によって加湿される。加湿されたガスは次に、分割されかつ下流の消費ユニット又はガス負荷に供給される。加湿ガスの水の仕様規格は、上流又は下流ユニットのいずれかの運転における過渡状態の間に、所定の目標の例えば±１．０％のような精密な許容差範囲内に維持される。本システムはまた、限られた熱可用性の期間の間にも水分を制御することができる。

温度制御サブシステム２３８は、供給条件が変化した時のオーバヘッド水分の変化を予測し、該温度制御サブシステム２３８は、加湿塔２０２の頂部への再循環水戻り温度を適切に調節する。必要に応じて、この制御戦略は、水分変動を最小にするために水対ガス比率を高める。このような作動は、単一の加湿塔２０２が、２つ又はそれ以上の独立したガス供給ストリームを加湿しかつ２つ又はそれ以上の独立した下流ユニットの運転に供給することを可能にする。フィードバックオンリー制御戦略は、急激に変化する運転条件において精密な水分制御許容差を可能にするのには応答が遅すぎる可能性がある。温度制御サブシステム２３８及び水対ガス比率制御サブシステム２４０は、水温度の制御と水対ガス流量比率とを組合せて全ての運転期間の間に許容可能な水分制御を可能にする。

図３は、温度制御サブシステム２３８及び水対ガス比率制御サブシステム２４０の例示的な実施形態（図２に示す）の概略ブロックデータ流れ図３００である。

この例示的な実施形態では、目標水分値３０２は、加湿塔２０２の出口について特定される。目標水分値３０２は、目標塔温度３０４を決定するために使用される。加湿塔２０２から流出する加湿ガスの水分は、加湿塔２０２内でのオーバヘッド圧力及びオーバヘッド温度によって決定される。１つの実施形態では、塔温度に対する目標水分の相関曲線が、目標塔温度３０４を決定するために使用される。決定された目標塔温度３０４は、塔ヒートバランス計算部３０６及びフィードバックコントローラ３０８に伝送される。塔ヒートバランス部３０６は、温度制御サブシステム２３８のフィードフォワード制御部分３０９を計算する。塔ヒートバランス部３０６は、複数の入力間の決定可能な関係を使用して、所期の制御応答を迅速に得るために制御パラメータに対する出力を予測する。フィードバック制御部分は、実測定温度２６２を使用して、目標塔温度３０４で温度２６２を正確に維持するように制御パラメータを調整する。

塔ヒートバランス部３０６は、乾燥ガスの流量２４２及び２４４並びに温度２４６と、ボトム温度２５０と、再循環水流量２５２及び２５４と、圧力２６０及び温度２６２を用いて予測した現在の流出ガス水分含量とを含む入力から再循環水温度目標３１０を決定する。

塔ヒートバランス部３０６は、温度、流量及び圧力の入力を使用して再循環水温度目標３１０を決定する。この例示的な実施形態では、加湿塔２０２の平衡状態時には、加湿塔２０２に流入する熱流量は、該加湿塔２０２から流出する熱流量に等しく、

次に、等式（４）が、加湿塔２０２に流入する再循環水の温度でありかつ温度制御スブシステム２３８によって制御されるパラメータである、Ｔ_Ｈ２Ｏについて解かれる。

Ｔ_Ｈ２Ｏは、図３に示す再循環水温度目標３１０である。決定された再循環水温度目標３１０は、フィードバックコントローラ３０８の出力３１２と加算機能部３１４内で組合されて、補正再循環水温度目標３１６が決定される。補正再循環水温度目標３１６は、再循環バイパスバルブ２３４及び２３６を制御して、温度２６２を決定した目標塔温度３０４にほぼ維持するために使用される。低い熱可用性の期間の間又はその他の過渡状態の間には、再循環バイパスバルブ２３４及び２３６を閉鎖するように命令して、熱交換器２３０及び２３６からより大量の熱を抽出することができる。限られた熱可用性の場合に、再循環バイパスバルブ２３４及び２３６は、閉鎖方向の移動の終点に到達して、温度制御ができないようになるおそれがある。しかしながら、本発明の様々な実施形態では、再循環バイパスバルブ２３４及び２３６の開度位置が監視されて、例えば１０％ストロークのような所定の開度位置を過ぎて移動すると、増大水流量信号３１８を送信して水対空気比率を上昇させるようにする。水対ガス比率が高まると、フィードフォワードヒートバランス３０６によって計算される再循環水温度要求値が低下される。２つの熱源２２６及び２２８のうちの第１のものが過大でありかつ過剰の熱伝達容量を有している場合に、再循環水流量を増大させかつ温度要求値を低下させることは、再循環バイパスバルブ２３４及び２３６を開く傾向になり、再循環バイパスバルブ２３４及び２３６をより制御可能なスパン範囲内に位置させる。

図４は、温度制御サブシステム２３８及び水対ガス比率制御サブシステム２４０との例示的な実施形態（図２に示す）の制御図４００及び４０１である。この例示的な実施形態では、目標塔温度は、例えば加湿塔２０２内の選択可能な水分設定値４０２及び現在の圧力２６０からの入力を用いて生成される。目標塔温度３０４は、塔ヒートバランス部３０６とフィードバックコントローラ３０８とに伝送される。塔ヒートバランス部は、目標塔温度３０４、乾燥ガス流量２４２及び２４４、乾燥ガス温度２４６、ボトム水流量２４８、ボトム水温度２５０、再循環水流量２５２及び２５４、湿潤ガス出口圧力２６０、並びに湿潤ガス出口温度２６２を使用する。モル百分率で表した現在の水分入力４０４は、塔オーバヘッド温度２６２及び塔オーバヘッド圧力２６０を調べることによって生成され、かつ相関関係を用いて水分含量に変換される。

塔ヒートバランス部３０６は、再循環水目標温度３１０を生成し、この再循環水目標温度３１０は、該再循環目標温度３１０を温度フィードバック補正３１２と組合せることによって再循環水目標温度３１６に補正される。ヒートバランス入力のいずれかにおける急激な変化の間における制御の混乱を防止するために、予測温度３１０は、ランプ処理部４０６を用いて上昇されてその予測値とされる。補正再循環水目標温度３１６は、バイパスバルブ２３４及び２３６の開度位置を制御するために使用される。制御図４０１におけるバイパスバルブ２３４又は２３６の開度位置が、例えば１０％開度のような所定の開度位置限界に到達した場合には、コンパレータ３１８、クランプ３１９及び乗算器３２０は、その最終値まで上昇されかつベース水対ガス比率に付加される水対ガス比率バイアスを生成する。この増大した比率は、そのバルブ出力が閾値限界値以下に低下したレッグに適用される。乾燥ガス流量２４２及び２４４を用いると、必要な水設定値がフローバルブ２２２及び２２４に送られる。増大した水対ガス比率は、塔ヒートバランス部３０６に供給され、再循環水目標温度３１０を低下させるようにする。このことにより、バイパスバルブ２３４及び２３６がより低い目標温度に制御され、従ってバイパスバルブ２３４及び２３６が所定の開度位置限界値よりも大きい開度位置まで開くのを可能にする。コントローラのワインドアップを防止するために制御ロジックを適切に初期化することが、ブロック４１０及び４１２によって要求される。

上記のガス加湿システム及び方法は、費用効果がありかつ高い信頼性がある。本方法は、過渡状態及び定常状態条件時に複数のガス負荷を精密な許容差で水分制御することを可能とする。本システム及び方法は、予測的フィードフォワード要素を構成することによってかつ水温度及び水対ガス比率に基づいて制御を行うことによって、正確な水分制御が維持されることを保証する。本システム及び方法は、１つの加湿カラムが、２つの独立したガスタービンに供給される２つの独立したガスストリームを加湿するのを可能にする。従って、本明細書に記載したシステム及び方法は、費用効果がありかつ信頼性がある方法で複合サイクルシステムを運転するのを可能にする。

様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは、当業者には分かるであろう。

例示的な複合サイクル発電システムの一部分の概略図。図１に示す加湿装置サブシステムの例示的な実施形態の概略図。図２に示す温度制御サブシステム及び水対ガス比率制御サブシステムの例示的な実施形態の概略ブロック流れ図。図２に示す温度制御サブシステム及び水対ガス比率制御サブシステムの例示的な実施形態の制御図。

符号の説明

１００サイクル発電システム
１０２ガス源
１０４ガス源
１０６導管
１０８導管
１１０共通ヘッダ
１１２加湿装置サブシステム
１１４共通ヘッダ
１１６入口
１１８入口
１２０ガスタービンエンジン
１２２タービンエンジン
２０２加湿塔
２０４水再循環サブシステム
２０６乾燥ガス入口
２０８湿潤ガス出口
２１０再循環ポンプ
２１２塔ボトム
２１４液分配器
２１６塔オーバヘッド
２１８加熱レッグ
２２０加熱レッグ
２２２流量制御バルブ
２２４制御バルブ
２２６第１の熱交換器又は熱源
２２８熱交換器又は熱源
２３０第２の熱交換器
２３２熱交換器
２３４バイパスバルブ
２３６バイパスバルブ
２３８温度制御サブシステム
２４０制御サブシステム
２４２乾燥ガス流量
２４４ガス流量
２４６乾燥ガス温度
２４８ボトム水流量
２５０ボトム水温度
２５２再循環流量
２５４水流量
２６０湿潤ガス出口圧力
２６２温度
２６４バルブ開度位置指標
２６６開度位置指標
３００流れ図
３０２目標水分値
３０４目標塔温度
３０６塔ヒートバランス部
３０８フィードバックコントローラ
３０９フィードフォワード制御部分
３１０再循環水温度目標
３１２温度フィードバック補正又は出力
３１４加算機能部
３１６再循環水目標温度
３１８水流量信号又はコンパレータ
３１９クランプ
３２０乗算器
４００制御図
４０１制御図
４０２選択可能水分設定値
４０４現在の水分入力
４０６ランプ処理部
４１０ブロック
４１２ブロック

Claims

複数のガス負荷にガスの流れを供給するように構成された複数のガス源（１０２、１０４）と、
再循環水にエネルギーを付加するように構成された複数の熱源（２２６、２２８）と、
前記複数のガス源及び複数のガス負荷に流れ連通状態で結合されかつ所定の水分含量を有するガスの流れを前記複数のガス負荷に供給するように構成された単一のガス加湿装置（１１２）と、
前記所定の水分含量を維持するように構成された制御システムと、
を含む加湿システム。
前記ガス加湿装置（１１２）が、直列流れ連通状態でポンプ（１０）、第１の熱交換器（２３０）及び第２の熱交換器を備えた再循環サブシステムを含む、請求項１記載のシステム。
前記第１の熱交換器（２２６）及び第２の熱交換器（２３０）が、ガス流路及び非接触加湿流体流路を含む、請求項２記載のシステム。
前記第１の熱交換器（２２６）が、前記ガス流路に関して前記第２の熱交換器（２３０）の下流に位置する、請求項３記載のシステム。
前記第２の熱交換器（２３０）が、前記加湿流体流路に関して前記第１の熱交換器（２２６）の下流に位置する、請求項３記載のシステム。
前記第２の熱交換器（２３０）からの前記加湿流体流の出口温度が、該第２の熱交換器の周りで該加湿流体流の量を迂回させることによって決定される、請求項３記載のシステム。
前記第２の熱交換器（２３０）を迂回する前記加湿流体流の流量が、バイパスバルブ（２３４、２３６）によって制御される、請求項６記載のシステム。
前記バイパスバルブ（２３４、２３６）の開度位置が、前記制御システムによって前記所定の水分含量を維持するように決定される、請求項６記載のシステム。
前記制御システムが、フィードフォワードフィードバック制御を含む、請求項１記載のシステム。