JP2010144725A - 太陽熱加熱システムを使用した燃料加熱のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボマシンで消費される燃料の加熱に伴う所内負荷を低減する。
【解決手段】集光型太陽熱発電は広い面積の太陽光を集束して小型の集光された光ビームを形成するために、複数のレンズ、鏡、またはそれらの組み合わせ、および追従システムを組み込む。集光された光は、熱源として使用され得る。本発明の一実施形態において、熱源は部分的にまたは全面的にターボマシン１００で消費される燃料１３０を加熱するために使用され得る。集光型太陽熱発電システムは、ソーラートラフ式システム、パラボリックディッシュ式システム、ソーラー発電タワーシステム、などの形態を取ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は動作中にターボマシンで消費される燃料に関し、より詳細には、ターボマシンで消費される燃料を加熱するための太陽熱加熱システムを利用するシステムおよび方法に関する。

ターボマシンで消費される燃料の温度は通常、特定の範囲内にあることが要求される。この燃料は、様々なタイプの燃料油、天然ガス、または合成ガスを含むことができるが、それらには限定されない。ある種のターボマシンの燃焼システムは、加熱天然ガスのような「加熱された」燃料を必要とする。天然ガスの供給装置は通常、天然ガスをターボマシンが必要とする温度に加熱しない。そこで、ターボマシンの要求に合致するように天然ガスの温度を上昇させるために、燃料加熱器が使用される。燃料加熱器は、動作するためにエネルギー源が必要である。いくつかの燃料加熱器は、５から７メガワットの間の出力を供給するエネルギー源を必要とする。通常、エネルギー源は、ターボマシンに連結された発電機、熱回収蒸気発生器からの加熱水などのターボマシンに由来するが、それらには限定されない。

太陽エネルギーは再生可能なエネルギー源であり、その応用と利用が増加しつつある。太陽エネルギーを利用することは、ターボマシンが十分な量の太陽光にさらされる地域において有利となり得る。太陽エネルギーを利用するいくつかの利点として、ターボマシンの出力と効率を上昇しターボマシンの排気を減らすことが含まれるが、それらには限らない。

太陽エネルギーシステムの効率は、使用するソーラー技術の種類によって異なる。この違いによって、ソーラー技術を追加することによりターボマシンのサイト費用が高額になることがある。

上述の理由により、ターボマシンで消費される燃料の加熱に伴う所内負荷を低減するシステムが必要とされている。このシステムは、ターボマシンで消費される燃料の温度を上昇させるために、相対的に効率のよいソーラー技術を組み込むべきである。

本発明の一実施形態にしたがって、燃料（１３０）の温度を上昇させるための本システムは、燃料（１３０）を燃焼させるための燃焼システム（１１０）を含むターボマシン（１００）と、燃料（１３０）を加熱するように構成され、燃焼システム（１１０）の上流に配置された燃料供給システム（１３３）と一体化された少なくとも１つの太陽熱加熱システム（１７５）とを含み、少なくとも１つの太陽熱加熱システム（１７５）は、燃料（１３０）を第１の温度から第２の温度まで加熱する。

本発明の一実施形態が動作し得る環境を示す概略図である。 本発明の一実施形態にしたがって太陽熱加熱システムの例を示す概略図である。 本発明の代替実施形態にしたがって太陽熱加熱システムの例を示す概略図である。

以下に記す好ましい実施形態の説明は添付する図面を参照しており、図面は本発明の特定の実施形態を例示するものである。異なる構造と動作を有する他の実施形態は、本発明の範囲から逸脱するものではない。

本明細書で特定の用語は読者の便宜のためにのみ使用されるものであり、本発明の範囲を限定するものとして理解されるべきではない。例えば、「上」、「下」、「左」、「右」、「前」、「後」、「頂部」、「底部」、「水平」、「垂直」、「上流」、「下流」、「前部」、「後部」など、のような語は単に図に示された構造を説明するためのものである。実際、本発明の一実施形態の単一のまたは複数の要素は、任意の方向に向けることが可能であり、したがって用語は、別途定めのない限りそのような変更を含むものと理解されるべきである。

本発明は、高荷重ガスタービン、航空機転用ガスタービンなどのような、但しそれに限定はされない、気体状の流体を生産する様々なターボマシンに適用可能である。本発明の一実施形態は単一のターボマシンまたは複数のターボマシンに適用可能である。本発明の一実施形態は、単純サイクルまたは複合サイクルの構成で動作するターボマシンに適用可能である。

本発明の一実施形態は、ターボマシンで消費される燃料を加熱するために、少なくとも１つの太陽熱加熱システムを使用し得るシステムと方法の形態を取る。本発明の要素は、太陽熱加熱システムがその環境下で機能し動作し得る動作環境に耐えることが可能な、任意の材料で製造することができる。

本発明の一実施形態は、集光型太陽熱発電（ＣＳＰ）を組み込むことができる。ＣＳＰシステムは通常、広い面積の太陽光を集束して小型の集光された光ビームを形成するために、複数のレンズ、鏡、またはそれらの組み合わせ、および追従システムを組み込む。集光された光は、熱源として使用することができる。本発明の一実施形態において、熱源は部分的にまたは全面的に、ターボマシンで消費される燃料を加熱するために使用することができる。ＣＳＰシステムは、ソーラートラフ式システム、パラボリックディッシュ式システム、ソーラー発電タワーシステム、などの形態を取ることができる。

ここで図に戻ると、多くの番号がいくつかの図を通して同様の要素を示す。図１は、本発明の一実施形態が動作し得る環境を例示する概略図である。図１は、複合サイクル構成内のターボマシン１００と、少なくとも１つの太陽熱加熱システム１７５とを示す。ターボマシン１００は通常、圧縮機１０５、燃焼システム１１０、およびタービンセクション１１５を含む。スタック１４０はタービンセクション１１５の下流に配置されてよい。

圧縮機１０５は通常、図１に矢印で表示された流入空気を受け入れ圧縮する。圧縮された空気は下流に流れて燃焼システム１１０に達し、圧縮された空気はそこで、天然ガスなどの、但しそれらに限定されない、燃料１３０と混合され、次いで燃焼させられる。燃焼工程の間に放出されたエネルギーは下流に流れ、タービンセクション１１５を駆動する。発電機１２５などの、但しそれらに限定されない、負荷がターボマシン１００に結合されてよく、タービンセクション１１５内で発生した機械的トルクは発電機１２５を駆動することができる。

ターボマシン１００の動作の間に発生した排気１２０は、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）１３５に向かって下流に流れ得る。ＨＲＳＧ１３５は、熱交換工程を利用して排気１２０内の熱の一部を復水１６５に移送し、蒸気１４５を生成する。蒸気１４５は下流に流れて蒸気タービン１５０に達し、蒸気タービンは発電機１５５などの、但しそれらに限定されない、負荷に結合され得る。蒸気タービン１５０の動作時に、蒸気１４５は復水器１６０内で凝縮し、復水１６５を生成し得る。ボイラ供給ポンプなどの、但しそれらに限定されない、ポンプ１７０は、復水１６５をＨＲＳＧ１３５内に駆動することが可能であり、そこで前述の工程が繰り返され得る。排気１２０はＨＲＳＧ１３５を貫流した後、スタック１４０を貫流し得る。

ターボマシン１００は燃料供給システム１３３から燃料１３０を受け入れる。燃料供給システム１３３は、サイトに燃料１３０が供給される場所から始まることが可能であり、燃料圧縮機１８０を貫流して、次いで燃焼システム１１０に至る。上で検討したように一部のターボマシン１００は、性能および／または他の理由によって、加熱された燃料を必要とした。ここに、燃料ガス加熱器１８５は、燃料１３０を所望の動作範囲に加熱するために、燃料供給システム１３３に沿って配置され得る。燃料ガス加熱器１８５がＨＲＳＧからのＩＰ水で加熱される場合は通常、ターボマシン１００によって生産されたエネルギーのおよそ２〜８メガワットを消費する。

少なくとも１つの太陽熱加熱システム１７５の第１の実施形態は、図１および２に示すように、パラボリックトラフ式システム２００を含み得る。パラボリックトラフ式システム２００の一実施形態は、パラボリック反射鏡２０５の焦点線に沿って配置されたレシーバ２１０上に太陽光を集光する複数の直線状パラボリック反射鏡２０５を含み得る。直線状パラボリック反射鏡２０５は、少なくとも１つの軸に沿って追従することにより、昼光時の間は太陽光を追跡するように設計される（図示せず）。レシーバ２１０は、その中を燃料１３０が貫流し得る管を含み得る。ここに、少なくとも１つの太陽熱加熱システム１７５は、強制対流、自然対流などのような、但しそれらに限定されない、対流型の熱伝達を介して、燃料１３０を加熱することができる。

少なくとも１つの太陽熱加熱システム１７５の第２の実施形態は、図３に示すように、ソーラータワー式システム３００を含み得る。ソーラータワー式システム３００の一実施形態は、タワー３１５の頂部付近の中心レシーバ３１０上に太陽光を集光する複数の追従反射鏡３０５を組み込むことができる。レシーバ３１０は、その中を燃料１３０が貫流し得る管を含み得る。ここに、少なくとも１つの太陽熱加熱システム１７５は、強制対流、自然対流などのような、但しそれらに限定されない、対流型の熱伝達を介して、燃料１３０を加熱することができる。

少なくとも１つの太陽熱加熱システム１７５は使用時に、燃料１３０を第１の温度から第２の温度に加熱することができる。ここに、第１の温度は燃料１３０の未加熱温度と理解してよい。本発明の一実施形態において、第１の温度は最大華氏約１５０度となり得る。さらに第２の温度は燃料１３０の加熱された温度と理解してよい。本発明の一実施形態において、第２の温度は最大華氏約７００度となり得る。

少なくとも１つの太陽熱加熱システム１７５は、複数の利益を使用者に与え得る。本発明の一実施形態において、少なくとも１つの太陽熱加熱システム１７５は、典型的な高荷重ターボマシンによって発電されるものと同等の最大約８メガワットのエネルギーを供給することができる。本発明の一実施形態において、少なくとも１つの太陽熱加熱システム１７５は、最大約８５％の効率を有し得る。

本発明の代替実施形態は、少なくとも１つの太陽熱加熱システム１７５と既存の燃料ガス加熱器１８５とを一体化し得る。少なくとも１つの太陽熱加熱システム１７５が、燃料を加熱するのに必要なすべてのエネルギーを供給するために使用できることになっている場合に、この実施形態によって燃料１３０の連続加熱が可能となり得る。例えば理想的太陽光未満の延長時間の間に、但しそれらに限定されない間に、燃料１３０を加熱するために少なくとも１つの太陽熱加熱システム１７５および燃料ガス加熱器１８５を一緒に動作することができる。

第２の代替実施形態は、ＨＲＳＧ１３５に入る前に復水１６５を加熱するために、太陽エネルギーを使用することを含む。これによって、蒸気を製造するために必要な仕事が少なくなり、ＨＲＳＧ１３５の効率を増加させることができる。こうして、燃料１３０を加熱するために使用された少なくとも１つの太陽熱加熱システム１７５は復水ループと一体化することができる。これによって、前述の少なくとも１つの太陽熱加熱システム１７５が、燃料１３０および復水１６５を加熱することができる。

代替案として、復水加熱システム１９０は復水１６５を加熱するために復水ループと一体化されてよい。復水加熱システム１９０は独立した太陽エネルギーシステムとして動作可能である。復水加熱システム１９０は先に記したように、少なくとも１つの太陽熱加熱システム１７５の形態および機能を含み得る。

代替案として、太陽光が十分にあるときには蒸気１４５の発生を増加するために、燃料ガス加熱器１８５は過剰熱エネルギーを太陽熱から復水１６５に移送することができる。こうして、燃料ガス加熱器１８５は燃料冷却器として機能し得る。

本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明する目的のためにのみ用いられ、本発明を限定することは意図していない。本明細書で使用される場合、単数形の「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」および「特定の（ｔｈｅ）」は、その文脈において明らかに別のことを意味しない限り、複数形も同様に含むことを意図している。本明細書において使用されるとき、「含む」および／または「含んでいる」という用語は、記述された特性、完全体（ｉｎｔｅｇｅｒｓ）、ステップ、動作、要素、および／または構成要素、の存在を意味するが、１つまたは複数の別の特性、完全体、ステップ、動作、要素、構成要素および／またはそれらの群、の存在または追加を排除するものではない。

本明細書に特定の実施形態が例示され説明されてきたが、同じ目的を達成するように意図された任意の編成はここに示された特定の実施形態に替わり得るものであり、本発明は別の環境において別の応用物があると理解すべきである。この応用物は本発明の任意の改作または変形を包含することを意味する。添付の特許請求の範囲は、本明細書に記述された特定の実施形態に対して本発明の範囲を限定することを、何ら意図していない。

１００ ターボマシン
１０５ 圧縮機
１１０ 燃焼システム
１１５ タービン部
１２０ 排気
１２５ 発電機
１３０ 燃料
１３３ 燃料供給システム
１３５ ＨＲＳＧ
１４０ スタック
１４５ 蒸気
１５０ 蒸気タービン
１５５ 発電機
１６０ 復水器
１６５ 復水
１７０ ポンプ
１７５ 太陽熱加熱システム
１８０ 燃料圧縮機
１８５ 燃料ガス加熱器
１９０ 復水加熱システム
２００ パラボリックトラフ式システム
２０５ 直線状パラボリック反射鏡
２１０ レシーバ
３００ ソーラータワー式システム
３０５ 追従反射鏡
３１０ レシーバ
３１５ タワー

Claims (10)

1. 燃料（１３０）の温度を上昇させるためのシステムにおいて、
   燃料（１３０）を燃焼させるための燃焼システム（１１０）を含むターボマシン（１００）と、
   前記燃料（１３０）を加熱するように構成され、前記燃焼システム（１１０）の上流に配置された燃料供給システム（１３３）と一体化された少なくとも１つの太陽熱加熱システム（１７５）とを含み、
   前記少なくとも１つの太陽熱加熱システム（１７５）は、前記燃料（１３０）を第１の温度から第２の温度まで加熱する、システム。
2. 前記少なくとも１つの太陽熱加熱システム（１７５）が、前記燃料供給システム（１３３）と一体化され、パラボリックトラフ式システム（２００）、ソーラータワー式システム（３００）、またはそれらの組み合わせの少なくとも１つを含む請求項１記載のシステム。
3. 前記燃料（１３０）を加熱することにより前記少なくとも１つの太陽熱加熱システム（１７５）を支援するための燃料ガス加熱器（１８５）をさらに含む、請求項１記載のシステム。
4. 前記燃料（１３０）の前記第１の温度が最大華氏約１５０度である、請求項１記載のシステム。
5. ＨＲＳＧ（１３５）の復水を加熱するために少なくとも１つの復水加熱システム（１９０）をさらに含む、請求項１記載のシステム。
6. 前記少なくとも１つの復水加熱システム（１９０）が、パラボリックトラフ式システム（２００）、ソーラータワー式システム（３００）、またはそれらの組み合わせの少なくとも１つを含む、請求項５記載のシステム。
7. 前記少なくとも１つの太陽熱加熱システム（１７５）が、前記燃料（１３０）を加熱し、ＨＲＳＧ（１３５）の復水（１６５）を加熱する、請求項１記載のシステム。
8. 前記少なくとも１つの太陽熱加熱システム（１７５）が加熱用の対流システムを利用する、請求項７記載のシステム。
9. 前記少なくとも１つの太陽熱加熱システム（１７５）が最大約８メガワットの太陽エネルギーを供給する、請求項１記載のシステム。
10. 前記少なくとも１つの太陽熱加熱システム（１７５）の効率が最大約８５％有効である、請求項１記載のシステム。

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