JP2010038163A - 複合サイクル発電プラントにおいて燃料を予熱するための高温水抽出システム及びアセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】複合サイクル発電プラントにおいて燃料を予熱するシステム及びアセンブリに関する。
【解決手段】燃料供給システムが提供されるが、本燃料供給システムは、多段熱交換器配列からの蒸気及び／又は水の漸次高品位の加熱流を混合することによって水流を加熱するように構成された水ヒータアセンブリ（３４）、燃料流を受け入れるように構成された燃料入口流路、及び燃料入口流路と流体連通して連結された第１流路と、水ヒータアセンブリと流体連通して連結された第２流路（２３０）を有する燃料ヒータを備えており、燃料ヒータは水流から燃料流に熱を伝達するように構成されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は一般に発電システムに関し、特に複合サイクル発電プラントにおいて燃料を予熱するためのシステム及びアセンブリに関する。

少なくとも一部の公知の発電システムは、ガスタービンエンジンの排気中の連続段の各々から漸次低品位の蒸気を発生するように構成された多段排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）を備えている。ＨＲＳＧへのガス入口での比較的高品位の熱は、ＨＲＳＧの高圧段又はセクションで比較的高圧の蒸気を発生させることができる。高圧段のガスから熱を除去した後、ガスは中圧段に送られるが、そこでは比較的低温のガスで比較的低圧又は中圧の蒸気を発生させることしかできない。

米国特許第７１３１２５９号明細書 米国特許第６６０８３９５号明細書 米国特許第６４９９３０２号明細書 米国特許第６３８９７９４号明細書 米国特許第６２６９６２６号明細書 米国特許第６１７８７３４号明細書 米国特許第６１７３５６３号明細書 米国特許第５６４９４１６号明細書

ガスタービンエンジンの燃料消費量を低減するため、燃料は通例予熱される。燃料の予熱では、各ＨＲＳＧセクションからの１以上の水流を用いて多段燃料ヒータ内の燃料を加熱する。しかし、単段又は多段燃料ヒータを用いて燃料に加わる熱量は限られている。

一実施形態では、燃料供給システムは、多段熱交換器配列からの蒸気及び／又は水の漸次高品位の加熱流を混合することによって水流を加熱するように構成された水ヒータアセンブリ、燃料流を受け入れるように構成された燃料入口流路、及び燃料入口流路と流体連通して連結された第１流路と水ヒータアセンブリと流体連通して連結された第２流路とを有する燃料ヒータを備えており、燃料ヒータは、水流から燃料流に熱を伝達するように構成される。

別の実施形態では、水ヒータアセンブリは、多段熱交換器配列からの蒸気及び／又は水の漸次高品位の加熱流を混合することによって水流を加熱するように構成されている。水ヒータアセンブリは、多段熱交換器配列内に配置された比較的低圧の熱交換器から復水流を受け入れるように構成された入口、及び複数の入口流路と１つの出口とを有するフラッシュタンク混合容器を備える。フラッシュタンク混合容器は、複数の入口流路の各々に流体連通して連結された多段熱交換器配列内の各熱交換機からの蒸気及び／又は水流を受け入れるように構成される。

さらに別の実施形態では、燃料ヒータアセンブリは、多段熱交換器配列からの蒸気及び／又は水の漸次高品位の加熱流を混合することによって水流を加熱するように構成されている。燃料ヒータアセンブリは、多段熱交換器配列内に配置された各熱交換機から水及び蒸気の少なくとも１つの流れを受け入れるように構成された複数の入口流路を有する水ヒータアセンブリを含んでおり、各熱交換器は、多段熱交換器配列における複数の異なる品位の熱に対応する。水ヒータアセンブリは、該水ヒータアセンブリから復水の加熱流を送るように構成された出口を有する。燃料ヒータアセンブリは、燃料流と流体連通して連結されるように構成された第１流路と、出口と流体連通して連結されるように構成された第２流路とを有し、燃料ヒータは、水流から燃料流に熱を伝達するように構成される。

例示的な複合サイクル発電システムの概略図。 本発明の例示的な実施形態に係る図１に示す水ヒータアセンブリの概略図。

添付図面に、本願で開示するシステム及びアセンブリの例示的な実施形態を示す。

以下の詳細な説明では、本発明の実施形態を限定ではなく例示を目的として示す。本発明は、産業用、商用及び住宅用燃焼器への燃料流の予熱に漸次高品位の熱を用いることによる燃焼及び発電システムの効率改善に汎用性を有する。本明細書で用いる高品位熱（high grade heat）とは比較的高温の熱を意味し、低品位熱（low grade heat）とは比較的低温の熱を意味し、中品位熱（intermediate grade heat）とは低品位熱と高品位熱との間の温度の熱を意味する。

本明細書では、単数形で記載された要素又はステップは、除外する旨明示されていない限り、複数の要素又はステップを除外するものではない。さらに、本発明の「一実施形態」という表現は、記載された特徴が組み込まれた実施形態が他に存在しないことを意味するものではない。

図１は、例示的な複合サイクル発電システム５の概略図である。発電システムはガスタービンエンジンアセンブリ７を備えていて、該アセンブリ７は、圧縮機１０と、燃焼器１２と、燃焼器１２で発生した高温ガスを膨張させることによって作動して発電機１４を駆動するタービン１３とを含んでいる。ガスタービン１３からの排気ガスは導管１５を通して排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）１６に供給され、排気ガスから排熱を回収する。ＨＲＳＧ１６は、高圧（ＨＰ）セクション２４と中圧（ＩＰ）セクション２６と低圧（ＬＰ）セクション３０とを含む。ＨＲＳＧ１６は、排気ガスから漸次低品位の熱を、各々、漸次圧の低いセクションを循環する水へと伝達するように構成されている。ＨＰ、ＩＰ及びＬＰセクション２４、２６及び３０は、各々、エコノマイザ、蒸発器、過熱器及び／又は給水器を含んでいてもよいし、或いは各セクションに付随する他の予熱器、例えば特に限定されないが、高圧セクション予熱器などを含んでいてもよく、予熱器を複数の熱交換器に分割し、次いで１以上のセクション（ＨＰ、ＩＰ、ＬＰ）に配置してもよい。セクションエコノマイザは通常、例えば蒸発器で水を蒸気へと変換する前に水を予熱するためのものである。

水は導管２１を通してＨＲＳＧ１６へと供給され、蒸気を発生する。ＨＲＳＧに供給された排気ガスから回収される熱はＨＲＳＧ１６内の水／蒸気へと伝達されて蒸気を発生し、その蒸気をライン１７を通して蒸気タービン１８に供給して発電機１９を駆動する。ライン１７は、様々な圧力レベルで生成した蒸気のための、ＨＲＳＧ１６と蒸気タービン１８の間の複数の蒸気ラインを表す。ＨＲＳＧ１６からの冷却ガスは、出口ダクト３１及び排気筒（図示せず）を介して大気中に放出される。

例示的な実施形態では、複合発電プラント５は、さらに、ＨＲＳＧ１６とは別個の独立型装置として配置される水ヒータアセンブリ３４を含む。別の実施形態では、水ヒータアセンブリ３４はＨＲＳＧ１６内に配置される。ＨＲＳＧの１以上のセクションから水及び／又は蒸気を抽出して、水ヒータアセンブリ３４に送られる。燃料加熱用の水３６の流れは水ヒータアセンブリ３４から燃料ヒータ３８へと導かれる。燃料流４０は燃料ヒータ３８へと送られ、そこで燃料流４０は、燃料加熱用水３６の流れから伝達された熱を受け取る。加熱された燃料は燃焼器１２へと送られる。冷却された燃料加熱用水３６の流れは、復水器２０へと送られる。

図２は、本発明の例示的な実施形態に係る水ヒータアセンブリ３４（図１に示す）の概略図である。例示的な実施形態では、水ヒータアセンブリ３４は、ＬＰセクション３０内のエコノマイザのような第１の熱交換器２０４からの蒸気及び／又は水流を受け入れるように構成された第１の入口を含む。例示的な実施形態では、水は、復水ポンプ２０６から導管２１を通して熱交換器２０４に供給される。熱交換器２０４の出口からの導管２０８は、熱交換器２０４で加熱された水をＬＰセクション３０よりも上流側の熱交換器へと送る流路２１０に供給するために分岐している。導管２０８は、熱交換器２０４からの水を入口２０２へと送る導管２１２にも分岐している。流路は入口２０２から分岐して、導管２１６及び流量制御弁２１８を通してＩＰセクション２６内の熱交換器２１４に水を供給する。流量制御弁２１８は、熱交換器２１に送られる流量の制御に用いられ、熱交換器２１４から水流に伝達される熱量を制御する。ＩＰセクション２６は、ＨＲＳＧ１６内での流れに関して、上流、下流及び／又は同じ流れ位置（evenstream）に配置された他の熱交換器及び予熱器を含んでいてもよい。入口２０２に入る水流は、導管２２０を通してブースタポンプ２２４の吸込部２２２にも分岐される。ブースタポンプ２２４は、フラッシュタンク混合容器を通して水ヒータアセンブリ３４の出口２２８に水を送るための十分な水圧を与える。

水ヒータアセンブリ３４は、熱交換器２１４から制御弁２３１を通してフラッシュタンク混合容器２２６へと至る第２流路２３０と、ＨＰセクション２４内に配置された熱交換器２３４から制御弁２３６を通してフラッシュタンク混合容器２２６へと至る第３流路２３２とを含む。例示的な実施形態では、３つの流路だけを示したが、他の実施形態では、使用するＨＲＳＧ熱交換器の数は増減でき、ＨＲＳＧ１６内の熱交換器からフラッシュタンク混合容器２２６に至る流路の数はそれに応じて増減される。さらに、複数の熱交換器セクションを、各セクションから所定の量の熱がフラッシュタンク混合容器２２６にもたらされるように、並列、直列又はそれらの組合せとして流体連通して連結してもよい。制御弁２１８、２３０及び２３６は、ＨＲＳＧ１６の各セクションの熱寄与度及びこれらのセクション内に配置された様々な熱交換器の熱寄与度をガスタービンエンジン１３の負荷に基づいて修正するために使用することができる。

作動中、復水は低圧エコノマイザ２０４によって加熱される。低圧エコノマイザ２０４を通過した流れの一部は、特に限定されないが、他のＨＲＳＧセクションの過熱器、蒸発器及び／又は予熱器のような上流側の熱交換器に送られる。低圧エコノマイザ２０４からの流れの残りは、ポンプ２２４及びフラッシュタンク混合容器２２６に、或いは制御弁２１８を通して熱交換器２１４に送られる。熱交換器２１４を通過した流れは、ＩＰセクション２６内の排気ガスから追加の高品位熱を受け取る。熱交換器２１４を通過した流れは、例示的な実施形態では、制御弁２３１を用いて制御される。熱交換器２１４を通過した流れは、フラッシュタンク混合容器２２６のもう一つの入口に送られる。給水流は、ＨＲＳＧ１６のＨＰセクションに配置された熱交換器２３４、制御弁２３６を通して、第３の入口からフラッシュタンク混合容器２２６に送られる。本明細書では、「フラッシュタンク混合容器」とは、様々な品位の熱の流体の流れを受け入れてそれらを合流させ、フラッシュタンク混合容器の出口からの流れが、導入された流れの合流及び混合で得られる温度及び圧力となるように構成された容器を意味する。従って、例示的な実施形態では、システム５は、入口流の任意の組合せを用いてフラッシュタンク混合容器の出口温度及び圧力を制御するように構成されたコントローラ２４０を含み、システム５の作動モードに基づいて出口温度及び圧力を制御することができる。本明細書では、「作動モード」とは、ガスタービンエンジン１３及び／又は蒸気タービン１８の具体的な機器ラインアップ及び／又は電力レベル出力を意味する。例示的な実施形態では、コントローラ２４０は、本明細書で記載した行為を実行するための命令を含むようにプログラム可能なプロセッサ２４２を含む。一実施形態では、コントローラ２４０は独立型コントローラである。別の実施形態では、コントローラ２４０は、特に限定されないが、例えば分散制御システム（ＤＣＳ）のような大型コントローラシステムの下位要素又はモジュールである。

本明細書で用いる「プロセッサ」という用語は、中央処理ユニット、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）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、ロジック回路その他本明細書に記載した機能を実行することができる回路又はプロセッサをいう。

本明細書で用いる「ソフトウェア」及び「ファームウェア」という用語は互換的であり、ＲＡＭメモリ、ＲＯＭメモリ、ＥＰＲＯＭメモリ、ＥＥＰＲＯＭメモリ及び不揮発性ＲＡＭ（ＮＶＲＡＭ）メモリを始めとするプロセッサ２４２による実行のためメモリ内に記憶されたコンピュータプログラムを包含する。上述のメモリ形式は例示にすぎず、コンピュータプログラムの記憶装置に使用できるメモリの形式を限定するものではない。

明細書の以上の説明から明らかな通り、本発明の上述の実施形態は、コンピュータソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア又はそれらの組合せもしくはサブセットを含むコンピュータプログラム又はエンジニアリング技術を用いて実施することができ、その技術的効果は、多段熱交換器と燃料流との間で伝達される熱の量を制御することである。コンピュータ読取り可能なコード手段を有するプログラムは、１以上のコンピュータ読取り可能な媒体で具現化又は提供され、本発明の実施形態に係るコンピュータプログラム製品、すなわち製品を作ることができる。コンピュータ読取り可能な媒体は、例えば、特に限定されないが、固定（ハード)ドライブ、ディスケット、光学ディスク、磁気テープ、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）のような半導体メモリ、及び／又はインターネットその他の通信ネットワークもしくはリンクのような送信／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、ある媒体から直接コードを実行することによって、ある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でコードを送信することによって製造及び／又は使用することができる。

上述の燃料流を加熱するためのシステム及びアセンブリの実施形態は、多段熱交換器からの漸次高品位の熱を用いて加熱した水を利用して発電システムの効率を向上させる経済的で信頼性の高い手段を提供する。具体的には、本明細書に記載したシステム及びアセンブリで流入燃料を所定の温度まで予熱することによって発電プラントの効率の改善が促される。さらに、上述のシステム及びアセンブリは、ガスタービン燃焼器への燃料入口温度を高めて、必要な燃焼温度を得るため燃焼プロセスで必要とされる燃料の量を低減し、発電サイクルの全体的効率を向上させる。その結果、本明細書に記載のシステム及びアセンブリは、経済性と高い信頼性をもって発電システムの効率の向上に役立つ。

以上、多段熱交換器からの漸次高品位の熱を用いて加熱した水を利用して燃料流を加熱するための例示的なシステム及びアセンブリについて説明してきた。ただし、かかるシステムは本明細書に記載の特定の実施形態に限定されるものではなく、各々の構成要素は本明細書に記載した他の構成要素から独立して別個に利用することができる。各システム構成要素は、他のシステム構成要素と組み合わせて使用することもできる。

以上、様々な実施形態に関して本発明を説明してきたが、特許請求の範囲の要旨及び技術的範囲内で本願の開示内容に様々な変更を加えて実施できることは明らかであろう。

５ 複合サイクル発電システム
７ ガスタービンエンジンアセンブリ
１０ 圧縮機
１２ 燃焼器
１３ ガスタービンエンジン
１４ 発電機
１５ 導管
１６ 排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）
１７ ライン
１８ 蒸気タービン
１９ 発電機
２０ 復水器
２１ 導管
２４ 高圧（ＨＰ）セクション
２６ 中圧 （ＩＰ） セクション
３０ 低圧（ＬＰ）セクション
３１ 出口ダクト
３４ 水ヒータアセンブリ
３６ 燃料加熱水
３８ 燃料ヒータ
４０ 燃料
２０２ 入口
２０４ 低圧エコのマイザ
２０６ 復水ポンプ
２０８ 導管
２１０ 流路
２１２ 導管
２１４ 熱交換器
２１６ 導管
２１８ 流れ制御弁
２２０ 導管
２２２ 吸込部
２２４ ブースタポンプ
２２６ フラッシュタンク混合容器
２２８ 出口
２３０ 第２流路
２３１ 制御弁
２３２ 第３流路
２３４ 熱交換器
２３６ 制御弁
２４０ コントローラ
２４２ プロセッサ

Claims (10)

1. 多段熱交換器配列からの蒸気及び／又は水の漸次高品位の加熱流を混合することによって水流を加熱するように構成された水ヒータアセンブリ（３４）、
   燃料流を受け入れるように構成された燃料入口流路、及び
   前記燃料入口流路と流体連通して連結された第１流路と、前記水ヒータアセンブリと流体連通して連結された第２流路（２３０）とを有する燃料ヒータであって、前記水流から前記燃料流に熱を伝達するように構成されている燃料ヒータ
   を備える燃料供給システム。
2. 前記水ヒータアセンブリ（３４）が、多段熱交換器配列内に配置された相対的に低圧の熱交換器（２０４）からの復水流を受け入れるように構成されている、請求項１記載のシステム。
3. 前記水ヒータアセンブリ（３４）が、前記復水流を、ポンプ（２２４）を用いて、多段熱交換器配列内に配置された相対的に低圧の熱交換器（２０４）を通してフラッシュタンク混合容器（２２６）に送る第１の流路を含んでいる、請求項２記載のシステム。
4. 前記水ヒータアセンブリ（３４）が、前記復水流を、多段熱交換器配列内に配置された相対的に中圧の熱交換器（２１４）を通してフラッシュタンク混合容器（２２６）に送る第２の流路を含んでいる、請求項２記載のシステム。
5. 前記燃料流の温度が、前記中圧熱交換器への入口流を用いて制御される、請求項４記載のシステム。
6. 前記水ヒータアセンブリ（３４）が、多段熱交換器配列内に配置された相対的に高圧の熱交換器（２３４）からの給水流を受け入れるように構成されており、前記水ヒータアセンブリが、高圧熱交換器から前記フラッシュタンク混合容器（２２６）に至る第３の流路を含んでいる、請求項１記載のシステム。
7. 前記多段熱交換器配列が、該多段熱交換器配列内のガス流路方向において中圧蒸発器及び中圧過熱器の少なくとも一方の下流に配置された中圧熱交換器（２１４）を含む中圧セクションを備える、請求項１記載のシステム。
8. 前記多段熱交換器配列が、該多段熱交換器配列内のガス流路方向において高圧蒸発器及び高圧過熱器の少なくとも一方の下流に配置された高圧熱交換器（２３４）を含む高圧セクション（２４）を備える、請求項１記載のシステム。
9. 前記多段熱交換器配列が、該多段熱交換器配列内のガス流路方向において低圧蒸発器及び低圧過熱器の少なくとも一方の下流に配置された低圧熱交換器（２０４）を含む低圧セクション（３０）を備える、請求項１記載のシステム。
10. 前記多段熱交換器配列が、該多段熱交換器配列内のガス流路方向において中圧蒸発器及び中圧過熱器の少なくとも一方の下流にかつ中圧熱交換器に隣接して配置された高又は中圧熱交換器（２１４、２３４）を含む中圧セクション（２６）を備える、請求項１記載のシステム。