JP2010031868A - 発電プラントの始動にヒートパイプを使用する装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複合サイクル又はランキンサイクル発電プラントの始動運転を促進するための装置を提供する。
【解決手段】この装置は、各々がそれぞれ、熱源から放出される排気と熱的に連通する第１部分（１０１）と、第１部分（１０１）と熱的に連通する第２部分（１０２）を含む複数のヒートパイプ（１００）と、ヒートパイプ（１００）の第２部分（１０２）を冷却するための冷却ユニットと、冷却ユニットを制御して、ヒートパイプ（１００）の第２部分（１０２）を冷却することによって、ヒートパイプ（１００）の第１部分（１０１）を介して排気から熱を除去するように構成される制御装置（５０）とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複合サイクル又はランキンサイクル発電プラントの高速始動を促進するためにヒートパイプを使用する装置、システム及び方法に関する。

複合サイクル又はランキンサイクル発電プラントの始動運転中、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）は熱応力を受ける場合があり、この熱応力により、始動運転を比較的短期間で終了する必要がある。

一般的に、始動運転時には、発電プラントの様々な部品、例えばＨＲＳＧは急速な温度上昇を受ける。そのような温度上昇は、制御されていない場合、ＨＲＳＧ管及びヘッダに構造的な損傷をもたらすことがある。この損傷を防ぐために、ガスタービン始動運転をゆっくりにすることが試みられてきたが、発電の低下に関する関連コストがかかる。他の場合では、ＨＲＳＧ内の流体に対する温度計の使用と高温の上昇率に耐え得る高価なＨＲＳＧシステムの設計も提案されてきたが、その実施には費用がかかり、困難である。

本発明の一態様において、複合サイクル又はランキンサイクル発電プラントの始動運転を促進するための装置を提供する。この装置は、各々がそれぞれ、熱源から放出される排気と熱的に連通する第１部分と、第１部分と熱的に連通する第２部分を含む複数のヒートパイプと、ヒートパイプの第２部分を冷却するための冷却ユニットと、冷却ユニットを制御して、ヒートパイプの第２部分を冷却することによって、ヒートパイプの第１部分を介して排気から熱を除去するように構成される制御装置とを含む。

本発明の別の態様において、複合サイクル又はランキンサイクル発電プラントの始動運転を促進するためのシステムを提供する。このシステムは、排気が出力される熱を発生させるための熱源と、熱源に流動的に連結されており、出力された排気の流れを受け入れるように構成される排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）と、各々がそれぞれ、ＨＲＳＧに延在する第１部分と、第１部分と一体的に接続され、ＨＲＳＧから取り除かれる第２部分を含む複数のヒートパイプと、ヒートパイプの第２部分に近接して配置されて、開位置と閉位置の間を占有及び移動するゲートと、ゲートが開位置を占有している時に回転することによって、ヒートパイプの第２部分に向けてその上に案内される冷却空気流を発生させるように構成されたファンと、ファン及びゲートに連結されており、始動運転中にゲートを開き、ファンを駆動して冷却空気流を発生させて、ヒートパイプを冷却することによって、排気から熱を除去するように構成される制御装置とを含む。

本発明の別の態様において、始動運転中に複合サイクル又はランキンサイクル発電プラントを制御する方法を提供する。この方法は、ヒートパイプの部分の上に流れるように案内される排気を出力する熱源を作動させるステップと、ヒートパイプの他の部分に近接するゲートを開くステップと、ヒートパイプの他の部分を通り越してゲートを通過する冷却空気流を発生させるためのファンを作動させるステップとを含む。

本発明の主題が、明細書に添付の特許請求の範囲において特に指摘され明確に請求されている。本発明の前述及びその他の態様、特徴及び利点は、添付図面と併せて以下の詳細な説明から明らかとなるであろう。

本発明による、複合サイクル又はランキンサイクル発電プラントの始動運転を促進するための例示的な装置の概略図である。 図１の装置の一部の断面図である。 例示的な制御されていないガスタービン排気状態と、ヒートパイプ制御を用いた例示的なガスタービン排気状態のデータを示すグラフである。

以下に記載する装置１は、例えば、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）１０を備えた複合サイクル又はランキンサイクル発電プラントの始動運転を促進する。

図１及び２を参照すると、装置１は複数のヒートパイプ１００を含む。ヒートパイプ１００の各々は、それぞれ熱源から放出される排気の流れと熱的に連通する第１部分１０１を含む。ヒートパイプ１００の各々は、第２部分１０２をさらに含む。各ヒートパイプ１００の第２部分１０２は、対応するヒートパイプ１００の第１部分１０１と熱的に連通しており、排気の流れが第２部分１０２に直接影響を与えないように排気の流れから取り除かれる。

排気の流れはガスタービン等の熱源から放出されるものであり、排気の流れとはガスタービンから放出された排気ガス（例えば、図１に示すようなＧＴ排気）を指す。そのようなガスタービンは、入口１１及び本体１２を含んでいる排気ダクト１０、例えば排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）に連結される。入口１１は排気の流れを流動的に受け入れるように構成され、本体１２に一体的に接続される。ヒートパイプ１００の第１部分１０１は本体１２に延在しており、このようにすることによって、排気ダクト１０の本体１２内に案内される排気の流れは、さらにヒートパイプ１００の第１部分１０１の上を流れるように案内される。

ファン２０等の冷却ユニットは、ヒートパイプ１００の第２部分１０２に案内される冷却空気流を発生させるように構成される。制御装置５０は、装置１の始動運転中にファン２０を駆動するように構成される。従って、ファン２０の駆動により、ヒートパイプ１００を冷却する冷却空気流が発生し、その結果、排気の流れから熱が除去される。

ここでは、冷却ユニットはファン２０及び／又はその他の冷却装置を含み得ることに留意されたい。そのような冷却装置としては、これらに限定されないが、ヒートシンク、冷蔵装置、周囲空気吸気弁及び／又は他の適当な装置を挙げることができる。ここでは、様々な部品は、各種の冷却効果を得るために、別々に、又は互いに組み合わせて使用してもよい。

多くの実施形態において、ヒートパイプ１００には液体ヒートパイプ又は固体ヒートパイプが含まれる。液体ヒートパイプにおいて、パイプは、例えば、水、エタノール、アセトン、ナトリウム又は水銀だがこれらに限らない作動流体又は冷却液で内部を密封される。液体ヒートパイプの一部分が加熱されると、熱源の熱の一部が除去されて流体に伝達されて、液体ヒートパイプの別の部分で蒸発及び凝結する。このプロセスは、液体ヒートパイプのその部分と熱接触している媒体に熱を放出する。そのため、媒体が冷却されればされるほど、ますます熱が熱源から関連して除去される。固体ヒートパイプは、内面をＱｕ材料で被覆された密閉真空管を含む。Ｑｕ材料は熱を伝えるため、固体ヒートパイプは上記の液体ヒートパイプと同じように作動する。

図２（縮尺通りではない）を特に参照すると、ヒートパイプ１００を、ヒートパイプ１００の外面と、排気ダクト１０の本体１２内の排気の流れだけでなくファン２０によって発生した冷却空気流との間の熱的連通を促進する様々な構成及び配置で互いに対して配置してもよいことに留意されたい。これらの構成には、図示するような円形構成、又は代わりに長方形構成が含まれる。構成そのものの中で、ヒートパイプ１００は、図示するように、互いに一直線か、又は代わりに互いに対して交互に構成してもよい。

装置１は少なくとも１つの外側フランジ３１及び少なくとも１つの内側フランジ３２をさらに含んでおり、ヒートパイプ１００の少なくとも第２部分１０２をそれぞれの位置で支持する。一実施形態では、内側フランジ３２は排気ダクト１０の本体１２の側面に当接しており、外側フランジ３１は予め選択された距離だけ側面から離れている。そのため、内側フランジ３２及び外側フランジ３１は、ヒートパイプ１００の第２部分１０２に対するブックエンドとしての機能を果たすことができる。さらに、内側フランジ３２及び外側フランジ３１は、装置１の特定の複合サイクル運転中に熱源で用いる燃料ガスの通路をヒートパイプ１００の第２部分１０２の上で維持することもできる。

制御装置５０は、ファン２０を駆動するための制御信号を伝達して、ファン２０を回転させることによって、ヒートパイプ１００の第２部分１０２の上に案内される冷却空気流を発生させるように構成される。様々な実施形態において、制御装置５０は、特定の予め選択された状態に従ってファン２０を駆動する。例えば、制御装置５０は、始動運転のタイミング、又は例えば排気流及び／又はヒートパイプ１００の第２部分１０２の測定温度に基づいて判断される始動運転の終了程度に従って、様々な速度で回転するようにファン２０を駆動することができる。ここでは、熱電対等の温度測定装置５１が制御装置５０に連結され、排気ダクト１０の入口１１又は本体１２内に、あるいはヒートパイプ１００の第２部分１０２に沿って配置される。制御装置５０は、熱電対５１によって測定される、排気流又はヒートパイプ１００が予め選択された温度よりも高温／低温だと判断された場合、より高速又は低速で回転するようにファン２０を駆動させて、冷却効果を増加／低下させることができる。

さらなる実施形態では、制御装置５０は、始動運転が終了したと判断された場合、ファン２０の運転を中止する。そのような判断は、装置１が熱平衡状態に到達した場合に行なわれる。ここでは、排気ダクト１０の露出面が排気の流れの温度と実質的に同様の温度に到達して、排気ダクト１０内の熱応力が実質的に減少する。この時、ヒートパイプ１００の第２部分１０２は、例えば燃料ガス加熱運転用に利用することができる。

装置１は、ヒンジ４１を介して内側フランジ３２又は外側フランジ３１の一方及び制御装置５０に連結されるゲート４０をさらに含む。制御装置５０はゲート４０に制御信号を伝達するように構成されており、冷却空気流が遮断される閉位置と、ファン２０によって発生した冷却空気流の少なくとも一部がヒートパイプ１００の第２部分１０２の上に流れることが可能になる開位置との間を占有及び移動するようにゲート４０を駆動する。

一実施形態において、装置１の始動運転の開始時はゲート４０が開位置を占有するのに対して、始動運転の終了時はゲート４０が閉位置を占有する。さらに、開位置におけるゲート４０の配向角θは、より多くの／より少ない冷却空気流がヒートパイプ１００の第２部分１０２を通り越すことができるように、制御装置５０によって変化させることができることを理解されたい。ゲート４０が閉位置を占有すると、ゲート４０は内側及び外側フランジ３２、３１と協働して装置１の特定の複合サイクル運転を行なうことができる。すなわち、ゲート４０が内側及び外側フランジ３２、３１と協働して燃料ガス通路を形成することによって、熱源で用いられる燃料ガスは、熱源への燃料ガスの噴射前にヒートパイプ１００によって加熱することができる。

さらなる実施形態では、ゲート４０のヒンジ４１は、内側フランジ３２又は外側フランジ３１のどちらか又は両方に配置してもよいことも理解されたい。ヒンジ４１が内側フランジ３２及び外側フランジ３１の両方に配置される場合、ゲート４０は反対方向に開閉する複数の部品で構成される。さらに、図１に示すように、ヒートパイプ１００の第２部分１０２は排気ダクト１０の両側に配置してもよい。この場合、ファン２０、外側フランジ３１、内側フランジ３２、ゲート４０及びヒンジ４１は、同様に排気ダクト１０の両側に配置される。

本発明の別の態様によれば、複合サイクル又はランキンサイクル発電プラントの始動運転を促進するためのシステムが提供されており、排気が出力される熱を発生させるための熱源（例えば、図１のＧＴ排気が放出されるガスタービン）と、熱源に流動的に連結されており、出力された排気ガスの流れを受け入れるように構成される排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）等の排気ダクト１０とを含む。複数のヒートパイプ１００は、各々がそれぞれ、排気ダクト１０に延在する第１部分１０１と、第１部分１０１と一体的に接続され、排気ダクト１０から取り除かれる第２部分１０２を含む。ゲート４０は、ヒートパイプ１００の第２部分１０２に近接して配置されて、開位置と閉位置の間を占有及び移動する。ファン２０は、ゲート４０が開位置を占有している時に回転することによって、ヒートパイプ１００の第２部分１０２に向けてその上に案内される冷却空気流を発生させるように構成される。制御装置５０は、ファン２０及びゲート４０に連結されており、始動運転中にゲート４０を開き、ファン２０を駆動するように構成される。上記のように、これにより、冷却空気流を発生させてヒートパイプ１００を冷却することによって、排気の流れから熱を除去する。

本発明のさらに別の態様によれば、始動運転中に複合サイクル又はランキンサイクル発電プラントを制御する方法が提供されており、ヒートパイプ１００の部分の上に流れるように案内される排気を出力する熱源（例えば、図１のＧＴ排気が放出されるガスタービン）を作動させるステップと、ヒートパイプ１００の他の部分に近接するゲート４０を開くステップと、ヒートパイプ１００の他の部分を通り越してゲート４０を通過する冷却空気流を発生させるためのファン２０を作動させるステップとを含む。この方法は、上記のように、始動運転が終了するまでファン２０を継続的に作動させるステップをさらに含む。すなわち、ファン２０が作動している間、この方法は、少なくとも排気及び／又はヒートパイプ１００の温度を測定するステップと、測定温度に基づいて、始動運転が終了したかどうかを判断するステップとを含む。始動運転が終了すると、ゲート４０が閉じ、ファン２０が停止する。

図３を参照すると、装置１の特定の運転時に、ヒートパイプ１００の第２部分１０２上の冷却空気流によって冷却されるガスタービン排気は、制御されていないガスタービン排気温度に比べて、始動運転の間中常に低温が維持される。特に、ゲート４０が開かれ、ファン２０が回転する、始動後約６０秒のガスタービン排気の温度は、本来のガスタービン排気よりも低い約２００°Ｆ（９３．３℃）である。そのため、排気ダクト１０内の熱応力は実質的に減少する。この温度差動は、約２００〜３００秒の間増加してから、始動後約６６０秒まで減少し、その時点で、冷却空気流の使用はもはや認められる効果がなくなる（例えば、装置１が平衡状態に到達する）。この時、ゲート４０が閉じ、ファン２０が停止して、エネルギを節約する。

例示的な実施形態を参照して本発明を説明してきたが、当業者には明らかなように、本開示の意図から逸脱することなく、かかる実施形態に様々な改変を加えたり、その構成要素を均等なもので置き換えることができる。また、本願発明の技術的範囲内で、本発明の教示内容を特定の条件又は材料に適合するよう様々に修正することもできる。従って、本発明を実施するための最良の態様として本明細書に開示した特定の実施形態にとどまらず、本発明は添付の特許請求の範囲の属するあらゆる実施形態を包含する。

１ 装置
１０ 排気ダクト
１１ 排気ダクトの入口
１２ 排気ダクトの本体
２０ ファン
３１ 外側フランジ
３２ 内側フランジ
４０ ゲート
４１ ヒンジ
５０ 制御装置
５１ 熱電対
１００ ヒートパイプ
１０１ ヒートパイプの第１部分
１０２ ヒートパイプの第２部分

Claims (10)

1. 複合サイクル又はランキンサイクル発電プラントの始動運転を促進するための装置（１）であって、
   各々がそれぞれ、熱源から放出される排気と熱的に連通する第１部分（１０１）と、第１部分（１０１）と熱的に連通する第２部分（１０２）を含む複数のヒートパイプ（１００）と、
   前記ヒートパイプ（１００）の第２部分（１０２）を冷却するための冷却ユニットと、
   前記冷却ユニットを制御して、前記ヒートパイプ（１００）の第２部分（１０２）を冷却することによって、前記ヒートパイプ（１００）の第１部分（１０１）を介して排気から熱を除去するように構成される制御装置（５０）とからなる装置。
2. 前記複数のヒートパイプ（１００）は液体ヒートパイプである、請求項１記載の装置。
3. 前記複数のヒートパイプ（１００）は固体ヒートパイプである、請求項１記載の装置。
4. 前記冷却ユニットは、前記ヒートパイプ（１００）の第２部分（１０２）に案内される冷却空気流を発生させるように構成されたファン（２０）である、請求項１記載の装置。
5. 前記制御装置（５０）は、始動運転の終了程度に従って様々な速度で回転するように前記ファン（２０）を駆動する、請求項４記載の装置。
6. 前記制御装置（５０）は、排気の温度に従って様々な速度で回転するように前記ファン（２０）を駆動する、請求項４記載の装置。
7. 前記制御装置（５０）は、前記始動運転の終了時に前記ファン（２０）の駆動を停止する、請求項４記載の装置。
8. 前記制御装置（５０）に連結されており、前記制御装置（５０）から制御信号を受信し、それに応じて前記冷却空気流が遮断される閉位置と、前記冷却空気流の少なくとも一部が前記ヒートパイプ（１００）の第２部分（１０２）の上に流れることを可能にする開位置の間を占有及び移動するゲート（４０）をさらに有する、請求項１記載の装置。
9. 複合サイクル又はランキンサイクル発電プラントの始動運転を促進するためのシステムであって、
   排気が出力される熱を発生させるための熱源と、
   前記熱源に流動的に連結されており、出力された排気の流れを受け入れるように構成される排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）と、
   各々がそれぞれ、前記ＨＲＳＧに延在する第１部分（１０１）と、第１部分（１０１）と熱的に連通し、前記ＨＲＳＧから取り除かれる第２部分（１０２）を含む複数のヒートパイプ（１００）と、
   前記ヒートパイプ（１００）の第２部分（１０２）に近接して配置されて、開位置と閉位置の間を占有及び移動するゲート（４０）と、
   前記ゲート（４０）が開位置を占有している時に回転することによって、前記ヒートパイプ（１００）の第２部分（１０２）に向けてその上に案内される冷却空気流を発生させるように構成されたファン（２０）と、
   前記ファン（２０）及び前記ゲート（４０）に連結されており、始動運転中に前記ゲート（４０）を開き、前記ファン（２０）を駆動して前記冷却空気流を発生させて、前記ヒートパイプ（１００）を冷却することによって、排気から熱を除去するように構成される制御装置（５０）とからなるシステム。
10. 始動運転中に複合サイクル又はランキンサイクル発電プラントを制御する方法であって、
    ヒートパイプ（１００）の部分の上に流れるように案内される排気を出力する熱源を作動させるステップと、
    前記ヒートパイプ（１００）の他の部分に近接するゲート（４０）を開くステップと、
    前記ヒートパイプ（１００）の前記他の部分を通り越して前記ゲート（４０）を通過する冷却空気流を発生させるためのファン（２０）を作動させるステップとからなる方法。

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