JP2010031859A - 複合サイクル発電プラントを作動させるための方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジン発電システムを提供する。
【解決手段】本ガスタービンエンジン発電システムは、第１のシャフトを介して発電機（３４）に結合されかつ圧縮機（２８）、燃焼室、並びに該圧縮機及び発電機に駆動結合されたタービンを備えたガスタービンエンジン（２０）を含むガスタービンエンジンシステムと、可変速度ブースタ（２０８）の入口と流体連通して結合された該圧縮機からのブリード空気源と、可変速度ブースタの出口と流体連通して結合された空気分離ユニット（１４）とを含み、該可変速度ブースタは、第２のシャフトを介して可変速度駆動機械に結合される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、総括的には発電システムに関し、より具体的には、大型の可変速度処理装置を含む複合サイクル発電プラントに関する。

少なくとも幾つかの公知の統合型ガス化複合サイクル発電プラントは、ガス化プロセスのための酸化剤の流れを発生させるために空気分離ユニットを使用している。適正作動のために、空気分離ユニットは、比較的一定した流量及び圧力の加圧空気源を必要とする。一般的に、モータ駆動式圧縮機を使用して、必要な流量及び圧力の加圧空気を供給する。しかしながら、モータ駆動式圧縮機は、大量の電力を使用する高価な装置である。ガスタービンエンジン圧縮機は、別の加圧空気源である。しかしながら、ガスタービンエンジン圧縮機によって供給される空気流量及び圧力は、発電機の負荷に基づいて可変である。

米国特許第７１７３３９９号明細書 米国特許第６９６０９００号明細書 米国特許第６８６６０９２号明細書 米国特許第６５０４２６１号明細書 米国特許第６３３３６２２号明細書 米国特許第５７８３９３２号明細書 米国特許第５５５９４２１号明細書 米国特許第４９６７０９６号明細書 米国特許第４８７０３３８号明細書 米国特許第４４０３２９２号明細書 米国特許第４１１９８６１号明細書 米国特許出願公開第２００６／０２８３２０６号明細書 米国特許出願公開第２００６／０２３２２５０号明細書 米国特許出願公開第２００５／０１１６６８９号明細書 米国特許出願公開第２００１／００５４８２３号明細書

１つの実施形態では、ガスタービンエンジン発電システムを作動させるためのシステムは、第１のシャフトを介して発電機に結合されたガスタービンエンジンを備えたガスタービンエンジンシステムを含み、この場合、ガスタービンエンジンは、圧縮機、燃焼室、並びに該圧縮機及び発電機に駆動結合されたタービンを含む。本システムはまた、それに限定されないが、第２のシャフトを介して負荷に結合されたタービン駆動装置又は電気モータのような可変速度駆動機械を含む。本システムはさらに、ガスタービンエンジン発電システムの第１の構成としてガスタービンエンジンシステムの始動シーケンス時に可変速度駆動機械に対してまた該ガスタービンエンジン発電システムの第２の構成として可変速度駆動機械に対して選択可能に結合可能である可変速度駆動システムを含む。

別の実施形態では、エンジン発電機システムを作動させる方法は、可変速度駆動装置の出力をエンジン発電機に電気的に結合するステップと、可変速度駆動装置を使用してエンジン発電機を所定の回転速度に駆動してエンジンを始動させるステップと、エンジン始動時に可変速度駆動装置の出力をエンジン発電機から負荷に切り換えて該負荷の始動及び可変速度作動が可変速度駆動装置を使用して制御されるようにするステップとを含む。

さらに別の実施形態では、統合型ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）発電システムは、圧縮機とガスタービンに対して駆動結合された発電機とを備えたガスタービンエンジン発電機システムを含む。本システムはまた、圧縮機と空気分離ユニットとの間に流体連通して結合された可変速度ブースタを含み、この場合、可変速度ブースタは、可変流量及び圧力の加圧空気の流れを受けかつほぼ一定の流量及びほぼ一定の圧力の加圧空気の流れを空気分離ユニットに対して発生するように構成される。可変速度ブースタは、可変速度駆動モータに駆動結合される。本システムはまた、ガスタービンエンジン発電機システムの始動時に発電機に対してまた該ガスタービンエンジン発電機システムが始動中でない時に可変速度駆動モータに対して結合可能である可変速度駆動装置を含む。

以下の図面を参照して、本方法及びシステムの実施形態を説明する。

例示的な統合型ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）発電システムの概略線図。 本発明の例示的な実施形態による図１に示すシステムの一部分の概略ブロック図。 エンジン発電機システムを作動させる例示的な方法のフロー図。

以下の詳細な説明は、限定としてではなく例示として本発明の実施形態を説明している。本発明は、工業的、商業的及び家庭的用途において電気駆動装置を含む可変速度機械を作動させる一般的用途を有することを意図している。

本明細書で使用する場合に、数詞を付していない要素又はステップは、特にそうでないことを明記していない限り、複数の要素又はステップを除外するものではないと理解されたい。さらに、本発明の「１つの実施形態」という表現は、記載した特徴を同様に組み入れた別の実施形態の存在を排除するものとして解釈されることを意図していない。

図１は、例示的な統合型ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）発電システム１０の概略線図である。ＩＧＣＣシステム１０は一般的に、主空気圧縮機１２と、圧縮機１２に流体連通して結合された空気分離ユニット（ＡＳＵ）１４と、ＡＳＵ１４に流体連通して結合されたガス化装置１６と、ガス化装置１６に流体連通して結合されたシンガス冷却器１８と、シンガス冷却器１８に流体連通して結合されたガスタービンエンジン２０と、シンガス冷却器１８に流体連通して結合された蒸気タービン２２とを含む。様々な実施形態では、ガス化装置１６及びシンガス冷却器１８は、結合されて単一の一体形容器内に納められる。

作動中に、圧縮機１２は、周囲空気を加圧し、加圧空気は次に、ＡＳＵ１４に送られる。この例示的な実施形態では、圧縮機１２からの加圧空気に加えて、ガスタービンエンジン圧縮機２４からの加圧空気がＡＳＵ１４に供給される。それに代えて、圧縮機１２からの加圧空気ではなく、ガスタービンエンジン圧縮機２４からの加圧空気がＡＳＵ１４に供給される。この例示的な実施形態では、ＡＳＵ１４は、加圧空気を使用して、ガス化装置１６で使用される酸素を生成する。より具体的には、ＡＳＵ１４は、加圧空気を、酸素（Ｏ_２）と「プロセスガス」とも呼ばれる気体副生成物との別個の流れに分離する。Ｏ_２流れは、ガス化装置１６に送られて部分燃焼状態ガスを生成」するのに使用され、この部分燃焼状態ガスは、本明細書では「シンガス」と呼び、この燃焼ガスは、一層詳しく後述するように、ガスタービンエンジン２０で燃料として使用される。

ＡＳＵ１４で生成されたプロセスガスは、窒素を含んでおり、本明細書では「窒素プロセスガス」（ＮＰＧ）と呼ぶことにする。ＮＰＧはまた、それに限定されないが、酸素及び／又はアルゴンのようなその他の気体を含むことができる。例えば、この例示的な実施形態では、ＮＰＧは、約９５％〜約１００％の窒素を含む。この例示的な実施形態では、ＮＰＧ流れの少なくとも幾らかは、ＡＳＵ１４から大気に放出され、またＮＰＧ流れの少なくとも幾らかは、エンジン２０のエミッションを制御するのを可能にするために、またより具体的には燃焼温度を低下させかつエンジン２０からの窒素酸化物エミッションを低減するのを可能にするために、ガスタービンエンジン燃焼器２６内の燃焼域（図示せず）内へ噴射される。この例示的な実施形態では、ＩＧＣＣシステム１０は、窒素プロセスガス流れがガスタービンエンジン燃焼器２６の燃焼域内に噴射される前に該窒素プロセスガス流れを加圧するための圧縮機２８を含む。

この例示的な実施形態では、ガス化装置１６は、燃料供給源３０から供給された燃料、ＡＳＵ１４によって供給されたＯ_２、蒸気、及び／又は石灰石の混合物を、ガスタービンエンジン２０で燃料として使用されるシンガスの生成物に変換する。ガス化装置１６はあらゆる燃料を使用することができるが、この例示的な実施形態では、ガス化装置１６は、石炭、石油コークス、残油、オイルエマルジョン、タールサンド、及び／又はその他の同様な燃料を使用する。さらに、この例示的な実施形態では、ガス化装置１６で生成されたシンガスには、二酸化炭素が含まれる。ガス化装置１６は、固定床ガス化装置、流動床ガス化装置、及び／又は完全噴流床ガス化装置とすることができる。

この例示的な実施形態では、ガス化装置１６で生成されたシンガスは、一層詳しく後述するように、該シンガスを冷却するのを可能にするためにシンガス冷却器１８に送られる。冷却したシンガスは、その燃焼のためにガスタービンエンジン燃焼器２６に送られる前に、シンガス冷却器１８から浄化装置３２に送られて浄化される。二酸化炭素（ＣＯ_２）は、浄化の間にシンガスから分離することができ、またこの例示的な実施形態では、大気に放出することができる。ガスタービンエンジン２０は、電力網（図示せず）に電力を供給する発電機３４を駆動する。ガスタービンエンジン２０からの排気ガスは、蒸気タービン２２を駆動するための蒸気を発生する排熱回収ボイラ３６に送られる。蒸気タービン２２で発生した出力は、電力網に電力を供給する発電機３８を駆動する。この例示的な実施形態では、排熱回収ボイラ３６からの蒸気は、シンガスを生成するためにガス化装置１６に供給される。

ガスタービンエンジン２０の始動時に、負荷転流インバータ（ＬＣＩ）又は静止形周波数コンバータ（ＳＦＣ）のようなスタータ３５は、この例示的な実施形態では、回路遮断器４２及び電力変圧器４４を介して電力システムバス３７からＡＣ（交流）電力を受ける。スタータ３５は、ＡＣ電力をＤＣ（直流）電力に整流し、次にＤＣ電力を可変ＡＣ周波数を有するＡＣ電力へと変換して、断路スイッチ４６を介して発電機３４に供給する。発電機３４は、同期モータとして作動して、ガスタービンエンジン２０を始動するのに必要なトルク制御を行う。ガスタービンエンジン２０がそれ自身の燃焼エネルギーで維持することができる自立速度に達した時に、断路スイッチ４６が開放されてスタータ３５を発電機３４から切り離す。回路遮断器４２もまた開放されて、電力システムバス３７からの電力供給を遮断する。スタータ制御装置４８は様々な検知及び命令信号を受信し、ガスタービンエンジン２０の始動時に発電機３４がモータとして作動している時に、該スタータ制御装置４８は、それらの信号を処理して発電機３４の作動を調整する。スタータ３５は、発電機３４の調整可能な速度操作及び穏やかな始動を行う。穏やかな始動は、発電機３４及びガスタービンエンジン２０への機械的応力を低減して、ＡＣ電力システムバス３７上の電気的始動サージを排除するのを可能にする。出力変圧器は、スタータ３５があらゆる電圧機械で作動することを可能にする。

さらには、この例示的な実施形態では、システム１０は、排熱回収ボイラ３６からシンガス冷却器１８に沸騰水を供給して、ガス化装置１６から送られるシンガスを冷却するのを可能にするポンプ４０を含む。沸騰水は、シンガス冷却器１８を通して送られ、シンガス冷却器１８内で蒸気に変換される。シンガス冷却器１８からの蒸気は次に、ガス化装置１６、シンガス冷却器１８及び／又は蒸気タービン２２内で使用するために排熱回収ボイラ３６に戻される。

図２は、本発明の例示的な実施形態によるシステム１０の一部分の概略ブロック図である。この例示的な実施形態では、ガスタービンエンジン圧縮機２４からの加圧空気は、中間冷却器２０４及び例えば可変案内翼ブースタ２０８を通してＡＳＵ１４に供給される。具体的には、この例示的な実施形態では、高温加圧空気は、ガスタービンエンジン圧縮機２４から中間冷却器２０４の第１の流れ経路２０２を介して送られる。冷却流体の流れは、中間冷却器２０４を通る第２の流れ経路２０６を介して流れる。ＡＳＵ１４は、加圧空気を使用して、ガス化装置１６で使用するための酸素を生成する。より具体的には、ＡＳＵ１４は、加圧空気を、酸素（Ｏ_２）と「プロセスガス」とも呼ばれる気体副生成物との別個の流れに分離する。システム１０の全体効率を高めるのを可能にするために、ＡＳＵ１４に供給される加圧空気は、ガスタービンエンジン圧縮機２４から抽気（ブリード）され、かつ可変案内翼ブースタ２０８を使用して比較的一定の圧力に維持される。

作動時に、ガスタービンエンジン圧縮機２４は、加圧空気を燃焼器２６及びＡＳＵ１４に供給する。ガスタービンエンジン圧縮機２４から吐出された圧縮機ブリード空気流の圧力は、可変であり、かつ発電機３４の負荷と関係している。可変圧力圧縮機ブリード空気流をＡＳＵ１４に直接送る代わりに、可変案内翼ブースタ２０８を使用して、スタータ３５を用いて可変案内翼ブースタ２０８の速度を調整することによってＡＳＵ１４への入口圧力を調整し、また可変案内翼ブースタ２０８上の可変案内翼の組を使用して速度を変化させることによりＡＳＵ１４への空気流量を該ＡＳＵ１４に供給される空気流量がガスタービンエンジン２０の広い作動負荷範囲にわたってほぼ一定の圧力になるように調整する。

ＡＳＵ１４に導かれる空気流の圧力を調整するために、可変案内翼ブースタ２０８は、可変速度で回転してほぼ一定の出口圧力を維持する。ガスタービンエンジン圧縮機２４からＡＳＵ１４に流れる加圧空気の空気流量を調整するために、可変案内翼ブースタ２０８は、ＡＳＵ１４の回転速度要件及び回転当たり空気流量要件における変化に起因した流れ内の変動に適応するように案内翼を位置決めする。可変案内翼ブースタ２０８の作動は、ガスタービンエンジン２０の負荷の変動に起因した圧縮機ブリード空気の流量及び／又は圧力における広い変動を許しながら、ＡＳＵ１４の入口における必要空気流量と共にほぼ一定の空気圧力を維持する。

この例示的な実施形態では、可変案内翼ブースタ２０８は、可変速度電気モータ２１０によって駆動される。スタータ３５は、ガスタービンエンジン２０を始動するために使用された後には役務から外され、先行技術の発電システムでは、ガスタービンエンジン２０の次の始動まで待機状態に置かれることになる。しかしながら、本発明の様々な実施形態では、スタータ３５は、ガスタービンエンジン２０が始動した後におけるシステム１０の作動時には可変案内翼ブースタ２０８に可変速度出力を供給するように切り換えられる。例えば、スイッチ２１２は、スタータ３５の出力を発電機３４に対して又は可変案内翼ブースタ２０８に対して選択可能に連結することができる。別の実施形態では、スイッチ２１２は、それに限定されないが、例えば可変速度電力バスに結合可能な２以上の回路遮断器を含むことができる。この例示的な実施形態では、制御装置４８は、プロセッサ２１４を含み、かつ発電機３４又は可変案内翼ブースタ２０８と関連させてスタータ３５の作動を制御する命令を受けるように構成される。

本明細書で使用する場合に、プロセッサという用語は、本明細書に記載した機能を実行することができる中央処理装置、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、縮小命令セット回路（ＲＩＳＣ）、アプリケーション専用集積回路（ＡＳＩＣ）、論理回路、及びその他のあらゆる回路又はプロセッサを意味している。

本明細書において使用する場合に、「ソフトウェア」及び「ファームウェア」という用語は、互換性があり、かつＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＲＯＭ、及び不揮発性ＲＡＭ（ＮＶＲＡＭ）を含む記憶装置内にプロセッサ２１４による実行のために記憶されたあらゆるコンピュータプログラムを含む。上記のタイプの記憶装置は、例示したものに過ぎず、従ってコンピュータプログラムの記憶のために使用可能な記憶装置のタイプを限定するものではない。

図３は、エンジン発電機システムを作動させる例示的な方法３００のフロー図である。この例示的な実施形態では、方法３００は、可変速度駆動装置の出力をエンジン発電機に電気的に結合するステップ３０２と、可変速度駆動装置を使用してエンジン発電機を所定の回転速度に駆動してエンジンを始動させるステップ３０４と、エンジン始動時に可変速度駆動装置の出力をエンジン発電機から負荷に切り換えて該負荷の始動及び可変速度作動が可変速度駆動装置を使用して制御されるようにするステップ３０６とを含む。

以上の詳細説明から分かるように、本開示の上記の実施形態は、コンピュータソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、或いはそれらのあらゆる組合せ又はサブセットを含むコンピュータプログラミング又は工学技術を使用して実施することができ、この場合、その技術的効果は、それに限定されないが、モータ並びに同期及び非同期モータ駆動装置として作動する発電機のような複数の異なるタイプの可変速度負荷に結合可能な可変速度駆動装置を制御することである。コンピュータ可読コード手段を有するあらゆるそのような派生プログラムは、１以上のコンピュータ可読媒体内に具体化し又は構成し、それによって本開示の上記の実施形態に従ったコンピュータプログラムプロダクトつまり製品を作ることができる。コンピュータ可読媒体は、それに限定されないが、例えば固定（ハード）ドライブ、ディスケット、光ディスク、磁気テープ、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）のような半導体記憶装置、並びに／或いはインターネット又はその他の通信ネットワーク又はリンクのようなあらゆる送信／受信媒体とすることができる。コンピュータコードを含む製品は、１つの媒体からのコードを直接実行することによって、１つの媒体から他の媒体にコードをコピーすることによって、或いはネットワーク上でコードを送信することによって作成及び／又は使用することができる。

複合サイクル発電プラントを作動させる方法及びシステムの上記の実施形態は、調整可能な流量及びほぼ一定の圧力を空気分離ユニットに供給するためのコスト効果がありかつ信頼性がある手段を提供する。より具体的には、本明細書に記載した方法及びシステムは、可変流量及び圧力の圧縮機ブリード空気を使用して空気分離ユニットに供給するのを可能にする。加えて、上記の方法及びシステムは、比較的高価な別個のモータ駆動圧縮機により空気分離ユニットに調整可能な流量及びほぼ一定の圧力を供給する必要がなく、比較的廉価なブースタを使用してガスタービンエンジン圧縮機の圧縮機流量及び圧力変動さえも調整するのを可能にする。その結果、本明細書に記載した方法及びシステムは、コスト効果がありかつ信頼性がある方法で発電プラントを作動させるのを可能にする。

以上、複合サイクル発電プラントを作動させるための例示的な方法及びシステムぬついて、詳細に説明している。例示したシステムは、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ各々の構成要素は、本明細書に記載したその他の構成要素とは独立してかつ別個に利用することができる。各システム構成要素はまた、その他のシステム構成要素と組合せて使用することができる。

本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、それらの開示事項は、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が分かるであろう。

１０ 統合型ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）システム
１２ 主空気圧縮機
１４ 空気分離ユニット（ＡＳＵ）
１６ ガス化装置
１８ シンガス冷却器
２０ ガスタービンエンジン
２２ 蒸気タービン
２４ ガスタービンエンジン圧縮機
２６ ガスタービンエンジン燃焼器
２８ 圧縮機
３０ 燃料供給源
３２ 浄化装置
３４ 発電機
３５ スタータ
３６ 排熱回収ボイラ
３７ 電力システムバス
３８ 発電機
４０ ポンプ
４２ 回路遮断器
４４ 電力変圧器
４６ 断路スイッチ
４８ スタータ制御装置
２０２ 第１の流れ経路
２０４ 中間冷却器
２０６ 第２の流れ経路
２０８ 可変案内翼ブースタ
２１０ 可変速度電気モータ
２１２ スイッチ
２１４ プロセッサ

Claims (10)

1. ガスタービンエンジン発電システムであって、
   第１のシャフトを介して発電機（３４）に結合されかつ圧縮機（２８）、燃焼室、並びに前記圧縮機及び発電機に駆動結合されたタービンを備えたガスタービンエンジン（２０）を含むガスタービンエンジンシステムと、
   可変速度ブースタ（２０８）の入口と流体連通して結合された前記圧縮機からのブリード空気源と、
   前記可変速度ブースタの出口と流体連通して結合された空気分離ユニット（１４）と、を含み、
   前記可変速度ブースタが、第２のシャフトを介して可変速度駆動機械に結合される、
   システム。
2. 該ガスタービンエンジン発電システムの第１の構成として前記ガスタービンエンジンの始動シーケンス時に前記発電機（３４）に対してまた該ガスタービンエンジン発電システムの第２の構成として可変速度電気モータ（２１０）に対して選択可能に結合可能である可変速度駆動装置をさらに含む、請求項１記載のシステム。
3. 前記可変速度駆動装置が、電力周波数コンバータを含む、請求項２記載のシステム。
4. 前記可変速度駆動装置が、負荷転流インバータ（ＬＣＩ）及び静止始動装置（ＳＳＥ）の少なくとも１つを含む、請求項２記載のシステム。
5. 前記可変速度ブースタ（２０８）が、該可変速度ブースタを通る流れを調整するように構成された１以上の列の可変案内翼を含む、請求項１記載のシステム。
6. 前記可変速度ブースタ（２０８）が、軸流ブースタ及び遠心ブースタの少なくとも１つを含む、請求項１記載のシステム。
7. ほぼ一定の圧力の加圧空気の流れを前記空気分離ユニット（１４）に送給するように構成された加圧空気供給システムをさらに含み、
   前記加圧空気供給システムが、直列流体連通して結合された、前記圧縮機（２４）からのブリード空気源と、中間冷却器（２０４）と、可変速度ブースタ（２０８）とを含む、
   請求項１記載のシステム。
8. 可変速度モータ（２１０）が、前記可変速度ブースタ（２０８）に駆動結合され、
   前記可変速度ブースタが、前記可変速度モータを使用して該ブースタの回転速度を制御して、ほぼ一定の圧力の加圧空気の流れを前記空気分離ユニット（１４）に送給するようにさらに構成される、
   請求項１記載のシステム。
9. 前記可変速度駆動機械が、負荷転流インバータを含む、請求項１記載のシステム。
10. 前記可変速度モータ（２１０）が、同期モータを含む、請求項２記載のシステム。

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