JP2010031867A - 複合サイクル発電プラント用排熱回収ボイラ - Google Patents
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Abstract
【課題】複合サイクル発電プラント用の高効率廃熱回収ボイラを開示する。
【解決手段】複合サイクル発電プラント２は第２の温度のガスから動力を抽出する少なくとも１つの蒸気タービン４０、５０、６４を含む蒸気ターボ機械システム６を有する。複合サイクル発電プラント２はさらに、ガスタービン９に流体接続された主ハウジング９４を有する排熱回収ボイラ９０を有する。排熱回収ボイラ９０は複数のヒートパイプ１１０、１１５を含んでおり、それらは第１の温度のガスと流体接続された主ハウジング９４内に延在している。複数のヒートパイプ１１０、１１５も第２の温度のガスと流体接続されている。複数のヒートパイプ１１０、１１５により第１の温度のガスから熱を吸収し、この熱を第２の温度のガスに受け渡すことで、第３の温度のガスが生成される。
【選択図】図１
【解決手段】複合サイクル発電プラント２は第２の温度のガスから動力を抽出する少なくとも１つの蒸気タービン４０、５０、６４を含む蒸気ターボ機械システム６を有する。複合サイクル発電プラント２はさらに、ガスタービン９に流体接続された主ハウジング９４を有する排熱回収ボイラ９０を有する。排熱回収ボイラ９０は複数のヒートパイプ１１０、１１５を含んでおり、それらは第１の温度のガスと流体接続された主ハウジング９４内に延在している。複数のヒートパイプ１１０、１１５も第２の温度のガスと流体接続されている。複数のヒートパイプ１１０、１１５により第１の温度のガスから熱を吸収し、この熱を第２の温度のガスに受け渡すことで、第３の温度のガスが生成される。
【選択図】図１
Description
本発明の例示的な実施形態は複合サイクル発電プラントに関し、特に、複合サイクル発電プラント用排熱回収ボイラに関する。
従来の複合サイクル発電プラントは、蒸気タービンシステムに動作可能に連結されたガスタービンシステムを採用している。ガスタービンシステムは、ガスタービンに連結された圧縮機を有する。蒸気タービンシステムは、中圧（ＩＰ）タービンに動作可能に連結された高圧（ＨＰ）タービン部を有し、一方では低圧（ＬＰ）タービンに連結されている。一般に、ＨＰ、ＩＰ及びＬＰタービンは発電機の駆動に用いられる。典型的な複合サイクル発電プラントでは、ガスタービンからの排気ガスは排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）に送られる。ＨＲＳＧは、高性能の複合サイクル発電プラントでは３つの蒸気タービン圧、すなわちＨＰ、ＩＰ及びＬＰに対応する３つの異なるヒータを含んでいる。ＨＲＳＧはさらに、ＨＰ蒸気タービンから通過するＨＰ蒸気タービン排気から低エネルギ蒸気を受ける。低エネルギ蒸気を用いて異なる圧力のヒータ内の蒸気を再加熱することで、効率を高める。再加熱された蒸気は次いで蒸気タービンの低圧段に動力を与えるために戻される。
従来のＨＲＳＧシステムでは、水及び／又は蒸気が通り流れるフィン付き管を使用する。フィン付き管はガスタービンからの高温排気ガスにさらされる。フィン付き管に流れる高温排気ガスにより水／蒸気の温度が上昇し、高エネルギ蒸気が発生する。高エネルギ蒸気を用いて、蒸気タービンに動力を供給し、複合サイクル発電プラントの効率を高める。水／蒸気がフィン付き管を通り流れることで大幅な圧力降下が生ずる。圧力降下によって設計上の制約が生じ、これは再加熱された蒸気のうちのどれほど多くを蒸気タービンに再導入できるかに影響する。
本発明の例示的な実施形態によれば、複合サイクル発電プラントは、圧縮機と、第１の温度のガスから動力を抽出するガスタービンとを有するガスターボ機械システムを含む。複合サイクル発電プラントはさらに、第２の温度のガスから動力を抽出する少なくとも１つの蒸気タービンを含む蒸気ターボ機械システムを含む。複合サイクル発電プラントはさらに、ガスタービンに流体接続された主ハウジングを有する排熱回収ボイラを含む。排熱回収ボイラは複数のヒートパイプを含んでおり、それらの少なくとも一部は第１の温度のガスと流体接続された主ハウジング内に延在している。これら複数のヒートパイプも第２の温度のガスと流体接続されている。この構成によって、複数のヒートパイプが第１の温度のガスから熱を吸収し、この熱が第２の温度のガスに受け渡されることで、第３の温度のガスが生じる。
本発明の別の例示的な実施形態によれば、複合サイクル発電プラントで熱を処理する方法は、第１の温度のガスをガスタービンから排熱回収ボイラへと送るステップを含む。第１の温度のガスは、排熱回収ボイラ内に配管された複数のヒートパイプの第１の端部に至る。これら複数のヒートパイプは第１の温度のガスから熱を吸収する。熱は複数のヒートパイプの第１の端部から複数のヒートパイプの第２の端部へと伝播する。第２の温度のガスは複数のヒートパイプの第２の端部に至る。熱は複数のヒートパイプの第２の端部から第２の温度のガスに伝播し、第３の温度のガスが生じる。
本発明のさらに別の例示的な実施形態によれば、排熱回収ボイラは主ハウジングと、複数のヒートパイプとを含み、それらの少なくとも一部は主ハウジング内に延在している。複数のヒートパイプにより、第１の温度のガスから熱が吸収され、第２の温度のガスに熱が伝播され、第３の温度のガスが生じる。
図１に、本発明の例示的な実施形態により構成された複合サイクル発電プラントを全体として参照符号２で示す。発電プラント２は、蒸気ターボ機械システム６に動作可能に接続されたガスターボ機械システム４を含む。図示のように、ガスターボ機械システム４は、吸気部１２と排気部１４とを有するガスタービン９を含む。ガスタービン９は、シャフト１９を介して圧縮機１７に動作可能に連結されている。圧縮機１７は、吸気部２２及び排気部２４を含む。ガスターボ機械システム４はさらに燃焼器２７を含む。この構成により、圧縮機１７の吸気部２２に流入する吸気３０を圧縮し、燃焼器２７内で燃料と混合した後、点火することで、高圧、高温のガス流が生成される。高温、高圧のガス流はガスタービン９に送られる。ガスタービン９は高温、高圧のガス流から動力を抽出し、回転エネルギを生成する。高温ガスはガスタービン９の排気部１４から第１の温度の排気ガスとして流れる。
図１にさらに示すように、蒸気ターボ機械システム６は、シャフト４２を介して圧縮機１７に動作可能に連結された高圧（ＨＰ）タービンセクション４０を含む。ＨＰタービンセクション４０は吸気又は高圧段部分４５と、排気又は低圧段部分４７とを含む。ＨＰタービンセクション４０もシャフト５４を介して中圧（ＩＰ）タービンセクション５０に動作可能に連結されている。上述のように、ＩＰタービンセクション５０は吸気部分５６と排気部分５８とを含む。排気部分５８における蒸気は吸気部分５６における蒸気よりも低圧である。ＩＰタービンセクション５０も、上述のように、シャフト６６を介して低圧（ＬＰ）タービンセクション６４に動作可能に接続されている。ＬＰタービンセクション６４は吸気部分６８と排気部分７０とを含む。排気部分７０における蒸気は吸気部分６８における蒸気よりも低圧である。図示の例示的な実施形態では、ＬＰタービンセクション６４はシャフト７８を介して発電機７５に動作可能に連結されている。蒸気ターボ機械６は発電機７５を駆動させるための作動流体として蒸気を利用する。
さらに、図示の例示的な実施形態によれば、発電プラント２はガスタービン９に流体接続された排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）９０を含む。ＨＲＳＧ９０は、加熱室１０６を経て排気口１００に繋がる吸気口９７を有する主ハウジング９４を含む。ＨＲＳＧ９０はさらに、第１の複数のヒートパイプ１１０と、第２の複数のヒートパイプ１１５とを含む。なお、ここでの「ヒートパイプ」という用語は気密管を意味するものと解釈されたい。真空ポンプを用いて全ての流体（気体と液体の双方）が気密管の内部から排出され、その後、管は水、エタノール、アセトン、ナトリウム、又は水銀を含むがそれらに限定されない僅かな質量比の作動流体又は冷却液で満たされる。部分真空は作動流体の蒸気圧に近いか、又はそれ未満であって、一部の流体が液相となり、一部が気相となる。流体を吸収することができるウイック（図示せず）が気密管内に配置されている。熱エネルギはウイック内の蒸発流体によってヒートパイプに伝播する。ヒートパイプの別の例として、内部に作動流体を有していない気密管が含まれる。このようなヒートパイプは代わりに、熱伝導率が極めて高い「Ｑｕ−材料」を含んでいる。「Ｑｕ−材料」は典型的に、ヒートパイプの内側表面上にコーティングとして施される。
いずれの場合も、第１の複数のヒートパイプ１１０は各々、加熱室１０６を介して第２の端部１２２へと延在する第１の端部１１９を含んでおり、第２の端部１２２は主ハウジング９４から外側に延在している。より具体的には、第２の端部１２２は各々、主ハウジング９４から第１の再加熱部材１２９内に延在している。第１の再加熱部材１２９は、蒸気導管１３７を介してＨＰタービンセクション４０の高圧部分４５に流体接続されている吸気部材１３６を有する本体１３３を含む。吸気部材１３６は第２の温度のガス、例えば蒸気を受け取る。第２の温度の蒸気は内室１４０を通って排気部材１４１に送られる。以下により詳細に記載するように、第２の温度のガスは第１の複数のヒートパイプ１１０に至り、熱を吸収し、第３の温度のガスとして排気部材１４１から排出される。本発明の一態様によれば、ガスは再加熱された蒸気として再加熱部材から流出する。
同様に、第２の複数のヒートパイプ１１５は各々、加熱室１０６を介して第２の端部１５６へと延在する第１の端部１５４を含んでおり、第２の端部１５６は主ハウジング９４から外側に延在している。より具体的には、第２の端部１５６は各々、主ハウジング９４から第２の再加熱部材１６０内に延在している。第２の再加熱部材１６０は、蒸気導管（図示せず）を介して第１の再加熱部材１２９に流体接続されている吸気部材１６７を有する本体１６４を含む。吸気部材１６７は、内室１７１を経て排気部材１７２に送られる第１の再加熱部材１２９からの第３の温度のガス、例えば蒸気を受け取る。以下により詳細に記載するように、第３の温度のガスは第２の複数のヒートパイプ１１５に至り、熱を吸収し、第４の温度のガスとして排気部材１３８から排出される。本発明の一態様によれば、ガスは再加熱された蒸気として再加熱部材から流出する。次いでガスは蒸気導管１７８を経てＩＰタービンセクション５０の吸気部分５６に戻される。ガスはさらにＨＲＳＧから、個別には符号が付されていないその他の導管を経て蒸気タービンのその他の構成部品に至る。
この構成により、タービン９から流れる排気ガスはＨＲＳＧ９０の主ハウジング９４に流入する。排気ガスは第１及び第２の複数のヒートパイプ１１０、１１５のそれぞれの第１の端部１１９と１５４とに流れる。排気ガスからの熱は複数のヒートパイプ１１０及び１１５によって吸収される。熱は第１の端１１９及び１５４から再加熱部材１２９及び１６０のそれぞれの内部のそれぞれの第２の端部１２２及び１５６に向かって伝播する。ＨＰ部分４０から再加熱部材１２９及び１６０へと通過する蒸気はそれぞれの第２の端部１２２、１５６に至り、熱を吸収する。次いで熱は、ターボ機械の効率を高めるために再加熱された蒸気としてＩＰタービンセクション５０に再流入する。
ここで、本発明の例示的な実施形態により構成されたＨＲＳＧは作製が簡単で保守が容易であることを理解されたい。さらに、熱交換の効率を高めるために、第１及び第２の複数のヒートパイプを多様なパターンで配管できることを理解されたい。すなわち、それぞれの気流に対して表面積の露出度が高まるように、ヒートパイプを様々な構成で配管することができる。その上、例示的な実施形態によるＨＲＳＧは、冷却材としての水や、それに関連する水処理設備を必要とせず、比較的小さい設置面積で構成可能である。
本明細書では概して、装置又はシステムを製造及び使用し、かつ付随する方法を実施することを含めて、当業者が本発明を実施できるように、最良の形態を含めた実施例を用いて本発明を開示してきた。本発明の特許性を有する範囲は特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の実施例も包含する。かかる他の実施例は、特許請求の範囲の記載と文言上差のない構成要素を有しているか或いは特許請求の範囲の記載と文言上実質的な差のない均等な構成要素を有する限り、本発明の例示的な実施形態の範囲に属する。
２ 複合サイクル発電プラント
４ ガスターボ機械システム
６ 蒸気ターボ機械システム
９ タービン
１２ タービン９の吸気部
１４ タービン９の排気部
１７ 圧縮機
１９ シャフト（本文中に参照符号１９なし）
２２ 圧縮機１７の吸気部
２４ 圧縮機１７の排気部
２７ 燃焼器
３０ 吸気
３３ 排気ガス
４０ 高圧タービンセクション
４２ シャフト
４５ 高圧タービンセクション４０の吸気部
４７ 高圧タービンセクション４０の排気部
５０ 中圧タービンセクション
５４ シャフト
５６ 中圧セクション５０の吸気部
５８ 中圧セクション５０の排気部
６４ 低圧タービンセクション
６６ シャフト
６８ 低圧タービンセクション６４の吸気部
７０ 低圧タービンセクション６４の排気部
７５ 発電機
７８ シャフト
９０ 排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）
９４ 主ハウジング
９７ 吸気口
１００ 排気口
１０６ 加熱室
１１０ 第１の複数のヒートパイプ
１１５ 第２の複数のヒートパイプ
１１９ 第１の端部
１２２ 第２の端部
１２９ 再加熱部材
１３３ 本体
１３６ 吸気部材
１３７ 蒸気導管
１３８ 排気部材
１４０ 内室
１５４ 第１の端部
１５６ 第２の端部
１６０ 第２の再加熱部材
１６４ 本体
１６７ 吸気部材
１６９ 排気部材
１７１ 内室
１７８ 蒸気導管
４ ガスターボ機械システム
６ 蒸気ターボ機械システム
９ タービン
１２ タービン９の吸気部
１４ タービン９の排気部
１７ 圧縮機
１９ シャフト（本文中に参照符号１９なし）
２２ 圧縮機１７の吸気部
２４ 圧縮機１７の排気部
２７ 燃焼器
３０ 吸気
３３ 排気ガス
４０ 高圧タービンセクション
４２ シャフト
４５ 高圧タービンセクション４０の吸気部
４７ 高圧タービンセクション４０の排気部
５０ 中圧タービンセクション
５４ シャフト
５６ 中圧セクション５０の吸気部
５８ 中圧セクション５０の排気部
６４ 低圧タービンセクション
６６ シャフト
６８ 低圧タービンセクション６４の吸気部
７０ 低圧タービンセクション６４の排気部
７５ 発電機
７８ シャフト
９０ 排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）
９４ 主ハウジング
９７ 吸気口
１００ 排気口
１０６ 加熱室
１１０ 第１の複数のヒートパイプ
１１５ 第２の複数のヒートパイプ
１１９ 第１の端部
１２２ 第２の端部
１２９ 再加熱部材
１３３ 本体
１３６ 吸気部材
１３７ 蒸気導管
１３８ 排気部材
１４０ 内室
１５４ 第１の端部
１５６ 第２の端部
１６０ 第２の再加熱部材
１６４ 本体
１６７ 吸気部材
１６９ 排気部材
１７１ 内室
１７８ 蒸気導管
Claims (13)
- 複合サイクル発電プラントであって、
圧縮機と、第１の温度のガスから動力を抽出するガスタービンとを含むガスターボ機械システムと、
第２の温度のガスから動力を抽出する少なくとも１つの蒸気タービンを含む蒸気ターボ機械システムと、
前記ガスタービンに流体接続された主ハウジングを有する排熱回収ボイラとを有し、
前記排熱回収ボイラは複数のヒートパイプを含み、前記ヒートパイプの少なくとも一部は第１の温度のガスと流体接続された前記主ハウジング内に延在し、前記複数のヒートパイプも第２の温度のガスと流体接続され、前記複数のヒートパイプは第１の温度のガスから熱を吸収し、この熱を第２の温度のガスに受け渡すことで第３の温度のガスを生成する、複合サイクル発電プラント。 - 前記複数のヒートパイプは各々、前記排熱回収ボイラの前記主ハウジングの内側に延在する第１の端部と、前記排熱回収ボイラの前記主ハウジングから外側に延在する第２の端部を有する、請求項１記載の複合サイクル発電プラント。
- 内室を画定する本体を含む少なくとも１つの再加熱部材をさらに備え、前記複数のヒートパイプの各々の第２の端部は前記内室の内側に延在し、第３の温度のガスが前記少なくとも１つの再加熱部材内に生成される、請求項２記載の複合サイクル発電プラント。
- 前記少なくとも１つの再加熱部材が、前記少なくとも１つの蒸気タービンの第１の圧力段に接続された吸気部材と、前記少なくとも１つの蒸気タービンの第２の圧力段に接続された排気部材とを含み、第３の温度のガスが、前記少なくとも１つの蒸気タービンの第２の圧力段に送られる、請求項３記載の複合サイクル発電プラント。
- 前記少なくとも１つの蒸気タービンは高圧タービンであり、第２の圧力段は第１の圧力段よりも低圧である、請求項４記載の複合サイクル発電プラント。
- 第１の温度のガスは前記ガスタービンからの排気ガスであり、第２の温度のガスは前記少なくとも１つの蒸気タービンからの蒸気であり、第１の温度は第２の温度よりも高温である、請求項１記載の複合サイクル発電プラント。
- 複合サイクル発電プラントにおいてガスを処理する方法であって、
第１の温度のガスをガスタービンから排熱回収ボイラへと送るステップと、
第１の温度のガスを前記排熱回収ボイラ内に配管された複数のヒートパイプの第１の端部へ流すステップと、
第１の温度のガスから複数のヒートパイプ内に熱を吸収するステップと、
前記複数のヒートパイプの第１の端部から前記複数のヒートパイプの第２の端部に向けて熱を伝播させるステップと、
第２の温度のガスを前記複数のヒートパイプの第２の端部へと送るステップと、
前記複数のヒートパイプの第２の端部から第２の温度のガスに熱を伝播させるステップとを含む方法。 - 第３の温度のガスを送るステップは、排気ガスを前記ガスタービンから前記排熱回収ボイラへと送るステップからなる、請求項７記載の方法。
- 第２の温度のガスを蒸気タービンの第１の段から抽出するステップをさらに含む、請求項７記載の方法。
- 第３の温度のガスを前記蒸気タービンの第２の段に送るステップをさらに含む、請求項９記載の方法。
- 第３の温度のガスを生成するステップは、再加熱された蒸気を生成するステップからなる、請求項７記載の方法。
- 前記複数のヒートパイプの第１の端部から前記複数のヒートパイプの第２の端部へと熱を伝播させるステップは、熱を前記複数のヒートパイプに沿って前記排熱回収ボイラから、前記排熱回収ボイラとは別個の再加熱部材内に送るステップからなる、請求項７記載の方法。
- 第２の温度のガスを前記複数のヒートパイプの第２の端部へと送るステップは、前記再加熱部材を介して第２の温度のガスを流すステップからなる、請求項１２記載の方法。
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