JP2010159762A - ピーカー・サイクル用のアンモニア噴射システム - Google Patents

Abstract

【課題】 ピーカー・サイクルによって生じる排気ガスを処理する。
【解決手段】 アンモニア水を貯蔵するように適合されたアンモニア水貯蔵器（１５２）を備えるアンモニア噴射システム。前記システムは、アンモニア水貯蔵器に結合された入力とポンプ出力とを有するアンモニア・ポンプ（１５４）も備える。前記システムは、ポンプ出力に結合されたアンモニア気化器（１５８）であって、低圧過熱器の出力と接続するように構成された気化器入力を有し、アンモニア噴射グリッドと接続するように適合されたグリッド出力を備えるアンモニア気化器（１５８）も備える。
【選択図】図１

Description

本明細書に開示される主題は、電力の発生に関し、特にピーカー・サイクルによって生じる排気ガスの処理に関する。

ベース負荷（ベースの負荷、またはベース負荷要求とも言う）は、電力会社または配電会社が、その顧客が利用できるようにしておかなければならない電力の最少量、または顧客の要求の正当な期待に基づく最小限の要求を満足させるために必要な電力の量である。ベース負荷値は通常、ほとんどの商業および工業地域において時々刻々変化する。ベース負荷は、いわゆる「ベース負荷発電所」によって発生される。

顧客の電力要求のピークまたはスパイクは、より小さくて応答性に優れるタイプの発電所（ピーキング発電所と言う）によって対処される。当然のことながら、ベース負荷発電所がピーキング発電所と同じ場所に設けられている場合がある。

効率を大きくするために、発電所によっては、その排気管に熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）が加えられている。これは、複合サイクル発電所として知られている。熱電併給では、排気廃熱をプロセスまたは他の加熱用途に対して用いる。これらのオプションを両方とも用いるのは、通常よりも長時間動作させることが意図される発電所においてのみである。

米国特許第６，４４２，９２４号明細書

ピーク負荷要求は従来、継続時間および最大電力要求に応じて種々の技術を用いて満たされてきた。解決方法の１つは、単純サイクル・ガス・タービンを用いることを伴うものである。高いピーク負荷を著しく長い時間に渡って必要とする用途の場合には、補足的な単純サイクル・ベースのガス・タービンが用いられる。このようなタービンに対する起動時間は短くなければならず、７〜１０分間の範囲であり、これは重要なデザイン要求である。このようなシステムは、たとえば、動作効率約３７％および電力出力１７５ｍＷで動作する場合がある。しかし、このようなシステムは、その排気における熱の未回収に起因してピーク負荷効率が低い場合がある。加えて、これらのシステムは、高価でそれほど信頼性が高くない高温の選択的接触還元（ＳＣＲ）触媒を用いて、ピーカー・サイクルＮＯ_ｘ生成を減らす必要がある場合がある。さらに、高温ＳＣＲ用の排気ファンは非常に高価で、それ自体が、高い補助的な要求の電力ペナルティを課す。アンモニア噴射システムをピーカー・システムにおいて用いる場合、アンモニア噴射システムに対する外部スキッドは非常に高い。

本発明の一態様によれば、複合サイクルとピーカー・サイクルとを備える発電システムが提供される。複合サイクルは、蒸気出口を有する低圧過熱器を備える。ピーカー・サイクルは、アンモニア噴射グリッドを備える出力ダクトと、蒸気出口とアンモニア噴射グリッドとに結合されたアンモニア気化器を備えるアンモニア噴射システムとを備える。

本発明の別の態様によれば、アンモニア噴射システムが提供される。本システムは、アンモニア水を貯蔵するように適合されたアンモニア水貯蔵器と、アンモニア水貯蔵器に結合された入力とポンプ出力とを有するアンモニア・ポンプとを備える。また本システムは、ポンプ出力に結合されたアンモニア気化器であって、低圧過熱器の出力と接続するように構成された気化器入力を有し、アンモニア噴射グリッドと接続するように適合されたグリッド出力を備える。

本発明のさらに別の態様によれば、発電システムが提供される。本システムは、複合サイクルとピーカー・サイクルとを備える。複合サイクルは、ガス・タービンと、ガス・タービンに結合された熱回収蒸気発生器であって、低圧過熱器出力を有する低圧過熱器を備える熱回収蒸気発生器とを備える。ピーカー・サイクルは、ピーカー・ガス・タービンと、ピーカー・ガス・タービンに結合された出力ダクトとを備える。出力ダクトはアンモニア噴射グリッドを備える。ピーカー・サイクルは、出力ダクト内の補足的な低圧過熱器であって、前記低圧過熱器出力に熱的に結合された補足的な低圧過熱器を備える。またピーカー・サイクルは、前記低圧過熱器出力とアンモニア噴射グリッドとに結合されたアンモニア気化器を備えるアンモニア噴射システムを備える。

これらのおよび他の優位性および特徴は、図面とともに以下の説明からより明らかとなる。

本発明と考えられる主題は、特に明細書の終わりの請求項において指摘され明瞭に請求される。本発明の前述および他の特徴および優位性は、添付図面とともに以下の詳細な説明から明らかである。

本発明の実施形態による発電システムのシステム概略図である。

詳細な説明では、本発明の実施形態を、優位性および特徴とともに、一例として図面を参照して説明する。

図１に、本発明の一実施形態による発電システム１００の例を示す。システム１００は、複合サイクル１０２とピーカー・サイクル１０４とを備える。

複合サイクル１０２は、空気取入口１０７を備える圧縮機１０６を備えていても良い。圧縮機１０６は、圧縮空気のストリームにおいてガスまたは燃料油を燃焼する燃焼器１０８に結合されている。圧縮機１０８は、ガス・タービン１１０に結合されている。ガス・タービン１１０は、ガスまたは燃料の燃焼によって生じる高温ガスの流れからエネルギーを取り出す。一実施形態においては、取り出したエネルギーを電気に変換する。

ガス・タービン１１０の出力１１２は、複合システム１００の他のサイクルにおいて用いても良い排気ガスである。排気ガスを用いて、たとえば、蒸気タービン（図示せず）で用いる蒸気を加熱しても良い。したがって複合サイクルは、ＨＳＲＧ１１４を備える。ＨＳＲＧ１１４は、高圧過熱器１１６、中圧過熱器１１８、および低圧過熱器１２０を備えていても良い。ＨＳＲＧ１１４は、低圧過熱器１２０のみを備えていても良いし、低圧過熱器１２０と別の過熱器との任意の組み合わせを備えていても良い。

排気ガスは、温度がほぼ１１３２°Ｆであっても良い。最終的に、排気ガスは排気ダクト１２０において処理される。排気ダクト１２０は、排気ガスを、排気筒１２６を通して放出する前に処理する低温ＳＣＲ１２４を備える。

前述したように、システム１００は、ピーカー・サイクル１０４も備えている。しかし従来技術では、このようなシステムはピーク負荷効率が低かった。この低い効率に対する原因の１つは、ピーカー・サイクルにおける排気ガスからの熱の未回収に起因する場合がある。加えて、これらのシステムは、それほど信頼性が高くない高価な高温ＳＣＲ触媒と、高温ＳＣＲレベルへの排気ガスを冷却するための付加的な外部の高コストの冷却ファンとを用いる必要があった。さらに、このようなシステムは通常、高温ＳＣＲを効果的に動作させるためにアンモニア噴射システム用の外部スキッドを必要とした。

ピーカー・サイクル１０４は、ピーカー・ガス・タービン１３０を備えている。ピーカー・ガス・タービン１３０は、ピーカー燃焼器１３４によってピーカー圧縮機１３２に結合されている。ピーカー排気ガス１４０の出力温度は、約１１５０°Ｆであり、ピーカー排気ダクト１４２を通過する。ピーカー排気ダクト１４２は、低圧の補足的な過熱器１３６とピーカー低温ＳＣＲ１３８とを備えている。当然のことながら、ピーカーＨＳＲＧ１４２を排気筒１２６に結合しても良い。

低圧過熱器１１４の出力が、補足的な低圧過熱器１３６の入力に結合されている。低圧過熱器の入力を、低圧凝縮器（図示せず）に結合しても良い。

低圧過熱器１１４の出力生成物（通常蒸気）の温度は通常、約６００°Ｆである。ピーカー・ガス・タービン１３０からの排気ガスがピーカー排気ダクト１４２を通過するときに、出力生成物を約１０５０°Ｆまで加熱し、一方でガス自体は約６５０°Ｆまで温度が下がる。ピーカー・ガス・タービン１３０の排気ガスがこの温度まで下がることによって、常温（高温ではなく）のＳＣＲをそこで実行させることができる。すなわち、常温（高温ではなく）のＳＣＲ触媒を用いても良い。加えて、出力生成物が補足的な低圧過熱器１３６において加熱されているため、ピーカー・サイクル１０４からの廃熱が回収されており、したがって、複合サイクルの効率が向上する。

補足的な低圧過熱器１３６の出力が、低圧タービン入口ノズルに送られる。１つの任意的な実施形態においては、また１４４で標示される波線矢印で示すように、補足的な低圧過熱器１３６の出力を、低圧タービンの種々の段に方向転換しても良い。これはたとえば、米国特許第６，４４２，９２４号明細書に教示されている。

また出力ダクト１４２はアンモニア噴射グリッド１５０を備える。アンモニア噴射グリッド１５０は、ピーカー・ガス・タービン１３０によって生じる排気ガスを、アンモニアと混合させる。アンモニア噴射グリッド１５０に供給されるアンモニアを、アンモニア貯蔵器１５２に貯蔵しても良い。一実施形態においては、アンモニアは液体（水性）の形態であり、アンモニア貯蔵器１５２から、アンモニア貯蔵器１５２に結合されたアンモニア・ポンプ１５４によってポンピングされる。アンモニア・ポンプ１５４はアンモニア気化器１５８に結合されている。アンモニア・ポンプ１５４は、アンモニア水をポンピングして、アンモニア気化器１５８内に送る。

またアンモニア気化器１５８は、低圧過熱器１２０の出力に結合されている。低圧過熱器１２０を出る蒸気の一部は、アンモニア気化器１５８内へと方向転換されている。前述したように、残りの蒸気は、補足的な低圧過熱器１３６まで移動する。

アンモニア気化器１５８へと方向転換された蒸気は、アンモニア気化器１５８においてアンモニアと混合して、アンモニア水を気化および希釈することを、起動および通常動作の両方の間に行なう。低圧蒸気と気化されたアンモニアとの混合物は、既設のアンモニア噴射グリッド１５０を用いて噴射される。

この実施形態によるシステムでは、以下の優位性のうち１つまたは複数を実現する場合がある。従来のアンモニア噴射スキッドの外部スキッドの排除、システムの過度デザインを伴うことなく高速起動動作の間の効率的なＮＯ_ｘ制御、煙道ガスとのアンモニア蒸気の向上した混合、アンモニアおよびＮＯ_ｘにおける最小限のスリップを確実にすること、およびアンモニア噴射システムにおける向上した信頼性および制御である。低圧蒸気の損失に対する可能性のあるわずかな電力損失も、外部スキッド（たとえば、２つの再循環ファン、噴霧スキッド、および静的ミキサを含んでいても良い）の排除によって実現されるエネルギー節約によって補償される場合がある。

本発明を、限られた数の実施形態にのみ関連して詳細に説明してきたが、本発明は、このような開示された実施形態に限定されないことが容易に理解されるはずである。むしろ本発明を変更して、これまで説明していないが本発明の趣旨および範囲に対応する任意の数の変化、変更、置換、または等価な配置を取り入れることができる。さらに、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様には、説明した実施形態の一部のみが含まれる場合があることを理解されたい。したがって、本発明は、前述の説明によって限定されると考えるべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。

Claims (8)

1. 発電システム（１００）であって、
   蒸気出口を有する低圧過熱器（１２０）を備える複合サイクル（１０２）と、
   ピーカー・サイクル（１０４）とを備え、
   前記ピーカー・サイクル（１０４）は、
   アンモニア噴射グリッド（１５０）を備える出力ダクト（１４２）と、
   アンモニア噴射システムとを備え、
   前記アンモニア噴射システムは、
   蒸気出口とアンモニア噴射グリッド（１５０）とに結合されたアンモニア気化器（１５０）であって、供給ＮＨ_３蒸気を出力ダクトに噴射するアンモニア気化器（１５０）を備える、発電システム（１００）。
2. アンモニア噴射システムはさらに、
   ポンプ入力と、ポンプ出力とを有するアンモニア・ポンプ（１５４）であって、ポンプ出力はアンモニア気化器（１５８）に結合されている、アンモニア・ポンプ（１５４）と、
   ポンプ入力に結合されたアンモニア水を貯蔵するためのアンモニア貯蔵器（１５２）と、を備える請求項１に記載のシステム。
3. アンモニア気化器（１５８）においてアンモニア水と蒸気とが一緒に混合されてアンモニア蒸気を生成し、アンモニア蒸気はアンモニア噴射グリッド（１５０）に供給される請求項２に記載のシステム。
4. 出力ダクト（１４２）は選択的接触還元触媒を備える請求項１に記載のシステム。
5. 選択的接触還元触媒は常温の選択的接触還元触媒である請求項４に記載のシステム。
6. アンモニア水を貯蔵するように適合されたアンモニア水貯蔵器（１５２）と、
   アンモニア水貯蔵器に結合された入力とポンプ出力とを有するアンモニア・ポンプ（１５４）と、
   ポンプ出力に結合されたアンモニア気化器（１５８）であって、低圧過熱器の出力と接続するように構成された気化器入力を有し、アンモニア噴射グリッドと接続するように適合されたグリッド出力を備えるアンモニア気化器（１５８）と、を備えるアンモニア噴射システム。
7. アンモニア噴射グリッド（１５０）をさらに備える請求項６に記載のシステム。
8. アンモニア貯蔵器はその内部に配置されたアンモニア水を備える請求項７に記載のシステム。

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