JP2009299682A - 発生した排熱をターボ機械の補助システムによって回収するためのシステム - Google Patents

Abstract

【課題】発生した排熱を補助冷却システムにより回収することによって発電プラントの効率を高めるシステムを提供する。
【解決手段】本システムは、復水ループ（１７７）及び熱回収ループ（２３０）を含むことができる。これらのループ（１７７、２３０）は、ガスタービン（１００）の補助冷却システムを発電プラントの排熱回収ボイラ（１６５）と結合することができる。この結合により、より小型のエコノマイザセクションを可能にすることができ、それにより、発電プラントの効率を高めることができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、総括的には発電プラントの効率を高めるためのシステムに関し、より具体的には、それに限定されないが、発生した排熱を発電プラントによって利用して排熱回収ボイラが行う仕事量を軽減するためのシステムに関する。

一般的に、発電プラントの多くの部品及び／又はシステムは、冷却することを必要とする。これらの部品には、それに限定されないが、例えば発電機、潤滑油システム、変圧器、タービン入口冷却システム、圧縮機中間冷却システム及び同様のものを含むことができる。これらの部品及びシステムは、非効率性（ウィンデージ、軸受、電気加熱など）により発生した熱を廃棄する。一般的に、これらの冷却機能は、発電プラントの性能及び効率に直接影響を与える。

普通、これらのシステムは、空冷式又は水冷式熱交換器を利用することができる個々のスキッドを用いる。それに限定されないが、例えば発電機冷却水スキッドは、冷却媒体として水を有する熱交換器を使用することができる。潤滑油スキッドは、水冷式熱交換器を利用することができる。圧縮機中間冷却スキッドは、周囲温度の水を利用することができる。変圧器冷却スキッドは、空冷式熱交換器を使用することによって変圧器を冷却することができる。これらの独立した冷却スキッドは、前述の発電プラント部品及びシステムの冷却により生じた排熱を廃棄する。

複合サイクル発電プラントは、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）を利用する。発電プラントは、ガスタービンからの排出ガスを使用してＨＲＳＧ内で水を加熱し、蒸気を発生させる。蒸気は、蒸気タービン又はその他のプロセスで使用した後に、凝縮し、凝縮器に流れる。凝縮した蒸気（以下においては、「復水」又は同様のもの）は、再加熱するために復水ループ内をＨＲＳＧのセクションに流れる。ＨＲＳＧは一般的に、瞬間蒸発させて蒸気にする前に、復水を中間温度まで加熱するエコノマイザセクションを有する。ＨＲＳＧにおいてエコノマイザを使用することにより、発電プラントの全体的効率が低下する。現在までのところ、発電プラントの部品に結合して、前述の排熱を使用して復水を加熱しかつエコノマイザの使用を排除又は減少させる周知のシステムは存在しない。

米国特許第６９０９３４９号明細書 米国特許第６９３８４１７号明細書 米国特許出願公開第２００５／０１８８７０７号明細書

上述の理由から、排熱放出を発電プラント補助システムによって回収するシステムに対する必要性が存在する。このシステムでは、排熱を使用してＨＲＳＧ内を流れる復水の温度を上昇させなければならない。

本発明の実施形態によると、少なくとも１つのガスタービン（１００）及び排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）（１６５）を含む発電プラントの効率を高めるためのシステムを提供し、本システムは、発電プラントの少なくとも１つの部品と流体連通しておりかつ該発電プラントの少なくとも１つの部品から受けた排熱を取出す少なくとも１つの補助システムと、ＨＲＳＧ（１６５）と結合されており、該ＨＲＳＧ（１６５）から復水を受けかつ該復水の一部分を少なくとも１つの補助システムの入口部分に移送する復水ループ（１７７）を含む凝縮器（１７５）と、復水を利用して排熱を少なくとも１つの補助システムからＨＲＳＧ（１６５）に移送する熱回収ループ（２３０）とを含み、熱回収ループ（２３０）が、ＨＲＳＧ（１６５）に戻すのに先立って復水の温度を上昇させ、それにより、該ＨＲＳＧ（１６５）が行う仕事量を減少させて発電プラントの効率を高める。

本発明のこれらの及びその他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の要素を表わしている添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより、一層良好に理解されるであろう。

先行技術の発電プラント補助システムにおいて排熱を取出すために使用する独立した冷却スキッドを示す概略図。 本発明の実施形態による、排熱を使用してＨＲＳＧ内で復水を加熱するシステムを示す概略図。

好ましい実施形態の以下の詳細な説明は、本発明の特定の実施形態を示す添付図面を参照している。異なる構造及び作用を有するその他の実施形態も、本発明の技術的範囲から逸脱するものではない。

本明細書では、専ら読者の便宜のために特定の用語を使用しており、本発明の技術的範囲に対する限定として捉えるべきではない。例えば、「上部」、「下部」、「左側」、「右側」、「前方」、「後方」、「頂部」、「底部」、「水平方向」、「垂直方向」、「上流側」、「下流側」、「前部」、「後部」及び同様のもののような用語は、図に示す構成を単に説明しているに過ぎない。実際に、本発明の実施形態の１つ又は複数の要素は、あらゆる方向に配向することができ、従って、特に明記しない限り、この用語は、種々の変形形態を含むものとして理解されたい。

本発明は、排熱を放出する発電プラントの部品に結合することによってＨＲＳＧの中を流れる復水の温度を上昇させる技術的効果を有する。本発明の実施形態は、排熱を回収して復水を加熱することができるシステムの形態を採る。本発明の実施形態は、本発明が曝される運転環境に耐えることができるあらゆる材料で製作することができる。

本発明は、少なくとも１つの燃焼タービン（ガスタービン、航空転用タービン又は同様のもの）、少なくとも１つの排熱回収ボイラ（ボイラ、ＨＲＳＧ又は同様のもの）、及び少なくとも１つの凝縮器を有する広範な発電プラントに適用することができる。以下に述べるものは、それに限定されないが、本発明が適用される発電プラント構成の形式の実施例である。本発明の実施形態は、ガスタービン、蒸気タービン、ＨＲＳＧ及び凝縮器を有する発電プラントに適用することができる。この場合、発電プラントは、他のプロセスのためにＨＲＳＧが発生した蒸気を使用することができる。

次に、幾つかの図を通して様々な参照符号が同様の要素を表わしている図を参照すると、図１は、先行技術の発電プラントにおいて排熱を取出す独立した冷却スキッドを示す概略図である。図１は、ガスタービン１００、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）１６５、蒸気タービン１７０、凝縮器１７５、及び発電機１５５を含む発電プラントを示す。

ガスタービン１００は、ロータシャフト１２０を有する軸流圧縮機１１０を含む。吸入空気１０５は、参照符号１１０で示す圧縮機に流入し、加圧され、次いで燃焼システム１３０に吐出され、該燃焼システム１３０において、天然ガスのような燃料１３５を燃焼させて高エネルギー燃焼ガス１４０を形成し、この高エネルギー燃焼ガス１４０により、タービンセクション１４５を駆動する。タービンセクション１４５において、高温ガス１４０のエネルギーが仕事に転換され、その仕事の幾らかを使用してシャフト１２０を介して圧縮機１１０を駆動し、その仕事の残りの部分は、発電機１５５のような負荷を駆動するのに利用できる。変圧器１６０は、発電機１５５に対して物理的に結合され、かつ該発電機が発生する電圧を調整する。

ＨＲＳＧ１６５は、タービンセクション１４５から排出ガス１５０を受けることができる。排出ガス１５０からの熱により、ＨＲＳＧ１６５の復水ループ１７７内を流れる復水（図示せず）を加熱する。復水は次に、蒸気に瞬間蒸発し、蒸気は、蒸気タービン１７０に流れることができる。トルクを発生させた後に、蒸気は、凝縮器１７５に向かって流れ、凝縮器１７５において、蒸気は凝縮して復水の形態に戻ることができる。ボイラ給水ポンプ（図示せず）又は同様のものは、復水ループ１７７内で復水を移動させてＨＲＳＧ１６５に再流入させ、このＨＲＳＧ１６５において、前述の流れプロセスを繰り返すことができる。

それに限定されないが、ガスタービン１００、発電機１５５及び変圧器１６０のような発電プラントの部品は、除去する必要がある排熱を発生する。これら部品は一般的に、排熱を除去する熱交換器又は同様のものを含む補助システムを有する。補助システムは、それに限定されないが、空気、オイル及び水のような流体を使用して、補助システムが排熱を除去するために使用する流体を冷却することができる。下記のものは、それに限定されないが、特定の補助システムが通常使用する流体の実施例である。圧縮機１１０内の部品の温度を低下させるために、冷却流体として水を組込んだ圧縮機中間冷却スキッド（ＣＩＳ）１８０を使用している。ＣＩＳ１８０は、ＣＩＳ高温管路１８１及びＣＩＳ低温管路１８３を有し、該ＣＩＳ高温管路１８１は、加熱加圧空気を取出し、ＣＩＳ１８０を通して加熱加圧空気を流しかつ該ＣＩＳ１８０において冷却させ、また該ＣＩＳ低温管路１８３は、その冷却空気を圧縮機１１０に戻す。ガスタービン１００及び発電機１５５内で使用する潤滑油の温度を低下させるために、潤滑油冷却スキッド（ＬＯＣＳ）１８５を使用する。ＬＯＣＳ１８５は、水冷式熱交換器によって周囲温度の空気を使用して該ＬＯＣＳ１８５から熱を除去する。ＬＯＣＳ１８５は、該ＬＯＣＳ１８５を通して潤滑油を循環させる管路１８７、１８９、１９１を有し、より低温の潤滑油がガスタービン１００に戻れるようにする。発電機１５５は、冷却水スキッド（ＣＷＳ）１９３を使用して内部部品の温度を低下させる。ＣＷＳ１９３は、該ＣＷＳ１９３及び発電機１５５を通して冷却流体を循環させるＣＷＳ高温管路１９５及びＣＷＳ低温管路１９７を含む。変圧器１６０の部品は、変圧器冷却スキッド（ＴＣＳ）２００によって冷却される。ＴＣＳ２００は、冷却媒体としてオイルを利用することができる。ＴＣＳ２００は、ＴＣＳ高温管路２０１及びＴＣＳ低温管路２０３を利用して、前述のプロセスと同様に排熱を除去することができる。

これらの補助システム、すなわちＣＩＳ１８０、ＬＯＣＳ１８５、ＣＷＳ１９３及びＴＣＳ２００は一般的に、復水ループ１７７内の復水を加熱するようには結合されない。これらのシステムによって取出された排熱は回収されず、従って熱エネルギーが無駄になる。

図２は、本発明の実施形態による、排熱を使用してＨＲＳＧ内で復水を加熱するシステムを示す概略図である。説明したように、本発明は、少なくとも１つの燃焼タービン（ガスタービン、航空転用タービン又は同様のもの）、少なくとも１つの排熱回収ボイラ（ボイラ、ＨＲＳＧ又は同様のもの）、及び少なくとも１つの凝縮器を有する広範な発電プラントに適用することができる。本発明の実施形態は、図１に示す発電プラント構成に適用される。図２の説明は、本発明に限定されることになる。

本発明は、補助システムの熱交換器で使用する冷却流体の供給源として凝縮器１７５から流出する復水を利用する。このような機構により、熱交換器に対して様々な冷却流体（オイル、水、空気又は同様のもの）を供給する必要性が排除される。本発明はまた、熱交換器の吐出物（加熱された冷却流体）をＨＲＳＧ１６５の入口部分に移送する。このような機構により、復水の温度を上昇させて蒸気を発生させるためにＨＲＳＧ１６５で必要となる仕事量が大幅に低減される。

本発明の実施形態は、少なくとも１つの補助システムによって排熱放出を回収する。本発明の実施形態は、補助システムをＨＲＳＧ１６５で使用する復水の流路と結合する。図２に示すように、本発明の実施形態は、復水ループ１７７と流体連通した熱回収ループ２３０を含むことができる。

本発明の実施形態では、復水ループ１７７は、凝縮器１７５の出口から始まることができる。復水は、凝縮器１７５から、復水内に含まれる空気の大部分を除去することができるエアレータ２１０に流すことができる。次に、この復水は、復水ループ１７７の「ヘッダ」セクション又は同様のものに流すことができる。ヘッダセクションは一般的に、復水ループ１７７と補助システムの熱交換器との間における個々の連結を可能にする。図２に示すように、前述の補助システム、すなわちＣＩＳ１８０、ＬＯＣＳ１８５、ＣＷＳ１９３及びＴＣＳ２００の各々は、復水ループ１７７のヘッダと結合することができる。説明したように、このような機構により、復水を各補助システムへの冷却流体供給源として役立てることができる。従って、本発明の実施形態では、ＣＩＳ１８０はＣＩＳ復水供給源２１２を含み、ＬＯＣＳ１８５はＬＯＣＳ復水供給源２１６を含み、ＣＷＳ１９３はＣＷＳ復水供給源２２０を含み、またＴＣＳ２００はＴＣＳ復水供給源２２４を含む。

図２はまた、ＨＲＬ２３０の流路を示している。ＨＲＬ２３０は、複数の補助システム内において排熱で加熱した復水をＨＲＳＧ１６５に移送するのに利用される。ＨＲＬ２３０は、復水ループ１７７のヘッダセクションと同様に、各補助システムとの個々の連結を可能にするヘッダセクションを含むことができる。図２に示すように、前述の補助システムの各々、すなわちＣＩＳ１８０、ＬＯＣＳ１８５、ＣＷＳ１９３及びＴＣＳ２００は、ＨＲＬ２３０のヘッダと結合することができる。従って、本発明の実施形態では、ＣＩＳ１８０はＣＩＳ復水戻り２１４を含み、ＬＯＣＳ１８５はＬＯＣＳ復水戻り２１８を含み、ＣＷＳ１９３はＣＷＳ復水戻り２２２を含み、またＴＣＳ２００はＴＣＳ復水戻り２２６を含む。ＨＲＬ２３０流路は一般的に、ヘッダセクションから始まり、ＨＲＳＧ１６５で終端することができる。

説明したように、本発明は、ＨＲＳＧ１６５のエコノマイザセクションが行う仕事量を低減する。それに限定されないが、例えば図１に示すように、現在公知のエコノマイザセクションは、凝縮器１７５から戻る水を加熱する。エコノマイザセクションが行うこのような「顕熱作用」は、復水を約１２０°Ｆから約１９０°Ｆまで上昇させることができ、その後、復水は、瞬間蒸発させて蒸気にすることができる。ここでは、エコノマイザセクションは、復水を約７０°Ｆに加熱する。

本発明により、発電プラントの１つ又は複数の補助システムが顕熱作用の大部分を行うことができる。これ迄の実施例に続けて、エコノマイザセクションが復水を１９０°Ｆまで加熱することを必要とする場合に、本発明の実施形態は、復水を約１５０°Ｆまで加熱することができる。この場合に、エコノマイザセクションは、復水を大きな差である約４０°Ｆほど加熱しなければならないだけである。このような本発明の利点により、本発明の実施形態を組込んでいない同様な装備の発電プラントと比較して、ＨＲＳＧ１６５の比較的より小さい寸法のエコノマイザセクションが可能になる。

より小型のエコノマイザを備えた発電プラントを作動させた場合には、オペレータは、幾つかの利点を受けることができる。小型のエコノマイザは、発生する背圧をより小さくすることができる。一般的に、背圧が低ければ低いほど、排出ガス１５０をＨＲＳＧ１６５に流し込むのにガスタービン１００が行う仕事量がより少なくなる。背圧の低下により、負荷（発電機、機械駆動装置又は同様のもの）を駆動するより多くのエネルギーが可能になり、それにより、ガスタービン１００の効率を高めることができる。

その幾つかの例示的な実施形態のみに関して本発明をかなり詳細に図示しかつ説明してきたが、本発明の新規な教示及び利点から実質的に逸脱することなくかつ特に前述の教示に照らして開示の実施形態に対して様々な変更、省略及び付加を行うことができるので、本発明をそれら実施形態に限定することを意図するものではないことを当業者には理解されたい。従って、全てのそのような変更、省略及び付加は、特許請求の範囲に定める本発明の技術思想及び技術的範囲内に含むことができるものとして保護することを意図している。

１００ ガスタービン
１０５ 吸入空気
１１０ 圧縮機
１２０ シャフト
１３０ 燃焼システム
１３５ 燃料
１４０ 燃焼ガス
１４５ タービンセクション
１５０ 排出ガス
１５５ 発電機
１６０ 変圧器
１６５ ＨＲＳＧ
１７０ 蒸気タービン
１７５ 凝縮器
１７７ 復水ループ
１８０ 圧縮機中間冷却スキッド（ＣＩＳ）
１８１ ＣＩＳ高温管路
１８３ ＣＩＳ低温管路
１８５ 潤滑油冷却スキッド（ＬＯＣＳ）
１８７、１８９、１９１ ＬＯＣＳ管路
１９３ 冷却水スキッド（ＣＷＳ）
１９５ ＣＷＳ高温管路
１９７ ＣＷＳ低温管路
２００ 変圧器冷却スキッド（ＴＣＳ）
２０１ ＴＣＳ高温管路
２０３ ＴＣＳ低温管路
２１０ エアレータ
２１２ ＣＩＳ復水供給
２１４ ＣＩＳ復水戻り
２１６ ＬＯＣＳ復水供給
２１８ ＬＯＣＳ復水戻り
２２０ ＣＷＳ復水供給
２２２ ＣＷＳ復水戻り
２２４ ＴＣＳ復水供給
２２６ ＴＣＳ復水戻り
２３０ 熱回収ループ

Claims (10)

1. 少なくとも１つのガスタービン（１００）及び排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）（１６５）を含む発電プラントの効率を高めるためのシステムであって、当該システムが、
   前記発電プラントの少なくとも１つの部品と流体連通しておりかつ該発電プラントの少なくとも１つの部品から受けた排熱を取出す少なくとも１つの補助システムと、
   前記ＨＲＳＧ（１６５）と結合されており、該ＨＲＳＧ（１６５）から復水を受けかつ該復水の一部分を前記少なくとも１つの補助システムの入口部分に移送する復水ループ（１７７）を含む凝縮器（１７５）と、
   前記復水を利用して排熱を前記少なくとも１つの補助システムから前記ＨＲＳＧ（１６５）に移送する熱回収ループ（２３０）と
   を含備えており、前記熱回収ループ（２３０）が、前記ＨＲＳＧ（１６５）に戻すのに先立って前記復水の温度を上昇させ、それにより、該ＨＲＳＧ（１６５）が行う仕事量を減少させて前記発電プラントの効率を高める、システム。
2. 前記復水ループ（１７７）が、前記復水が前記凝縮器（１７５）から少なくとも１つのエアレータ（２１０）を通って前記少なくとも１つの補助システムの入口部分に流れるように構成される、請求項１記載のシステム。
3. 前記熱回収ループ（２３０）が、前記復水が前記少なくとも１つの補助システムの吐出部分から前記ＨＲＳＧ（１６５）の入口部分に流れるように構成される、請求項２記載のシステム。
4. 前記少なくとも１つの補助システムが、前記少なくとも１つのガスタービン（１００）と結合されておりかつ該少なくとも１つのガスタービン（１００）内の圧縮機部品の内部温度を調整する圧縮機中間冷却スキッド（ＣＩＳ）（１８０）を含む、請求項３記載のシステム。
5. 前記ＣＩＳ（１８０）の入口部分が、前記復水ループ（１７７）から第１の温度で復水を受け、かつ前記熱回収ループ（２３０）に対して第２の温度で復水を吐出する、請求項４記載のシステム。
6. 前記少なくとも１つの補助システムが、前記少なくとも１つのガスタービン（１００）と結合されておりかつ潤滑油の温度を調整する潤滑油冷却スキッド（ＬＯＣＳ）（１８５）を含む、請求項３記載のシステム。
7. 前記ＬＯＣＳ（１８５）の入口部分が、前記復水ループ（１７７）から第１の温度で復水を受け、かつ前記熱回収ループ（２３０）に対して第２の温度で復水を吐出する、請求項６記載のシステム。
8. 前記少なくとも１つの補助システムが、前記少なくとも１つのガスタービン（１００）と結合されておりかつ該少なくとも１つのガスタービン（１００）の冷却水システムの温度を調整する冷却水スキッド（ＣＷＳ）（１９３）を含む、請求項３記載のシステム。
9. 前記ＣＷＳ（１９３）の入口部分が、前記復水ループ（１７７）から第１の温度で復水を受け、かつ前記熱回収ループ（２３０）に対して第２の温度で復水を吐出する、請求項８記載のシステム。
10. 前記少なくとも１つの補助システムが、前記発電プラントガスタービン（１００）の少なくとも１つの変圧器と結合されておりかつ前記少なくとも１つの変圧器の冷却流体の温度を調整する変圧器冷却スキッド（ＴＣＳ）（２００）を含む、請求項３記載のシステム。

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