JP2010166805A - 複合電力増強システム及び方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ピーカサイクル熱排気回収を利用することによりピーク需要期間中に電力を発生する。
【解決手段】第1のガスタービン(324)と、第1のガスタービンに結合され且つ高圧過熱器出力端を有する高圧過熱器(318)を含む熱回収用蒸気発生器(330)とを含む発電システム。発電システムは、第2のガスタービン(306)と、第2のガスタービンに結合された出力導管(308)と、出力導管の内部に配置され且つ高圧過熱器出力端に熱結合された補助高圧過熱器(312)とを更に含む。
【選択図】図3

Description

本発明は、電力を発生することに関し、特に、ピーカサイクル熱排気回収を利用することによりピーク需要期間中に電力を発生することに関する。
ベース負荷(ベースロード又はベース負荷需要とも言われる)は、電力会社又は配電会社が顧客に対して利用可能にしなければならない電力の最小限の量、あるいは妥当な顧客需要電力量予測に基づく最小需要を満たすために必要とされる電力の量である。多くの商業地域及び工業地域において、ベース負荷値は通常刻々と変化する。ベース負荷は、いわゆる「ベース負荷発電装置」により発生される。
顧客電力需要におけるピーク又はスパイクは、ベース負荷電力装置より小型で、応答の速いピーカ発電装置と呼ばれる発電装置により処理される。当然、ベース負荷発電装置はピーカ発電装置と同一の場所に配置されてもよい。ピーカ発電装置が動作する時間は、その地域の送電系統の条件に応じて一日に何時間にも及ぶ場合もあり、あるいは年間数時間と短いこともある。効率のよい発電装置を製造するには多くの費用がかかるので、ピーカ発電装置が短時間しか稼動しないか又は稼働時間の長さに著しい相違があることがわかっている場合、ピーカ発電装置の効率をベース負荷発電装置と同等にすることは、経済的観点から見て無意味である。更に、ピーカ発電装置における条件の変動は発電装置の機器に過酷な負担を課すため、ベース負荷発電装置において使用される機器及び燃料は、ピーカ発電装置で使用するのに適さない場合が多い。このような理由により、原子力発電装置、地熱発電装置、廃棄物エネルギー化発電装置、石炭火力発電装置及びバイオマス発電装置がピーカ発電装置として稼動されることは稀である。
一般に、ピーカ発電装置は、天然ガスを燃焼するガスタービンである。ディーゼル油及びジェット燃料などの石油系液体を燃焼するガスタービンも若干あるが、通常、それらの燃料は天然ガスより高価であるので、使用は限定される。
効率を向上するために、排気側に熱回収蒸気発生器(HRSG)が追加される。これは複合サイクル発電装置として知られる。廃熱発電は、排気熱を処理又は他の加熱用途に利用する。それらのオプションは共に、通常より長期間にわたり動作されることが予定される発電装置でのみ使用される。
従来、動作持続時間及び最大要求電力に応じて種々の技術によりピーク負荷条件への適合が実現されてきた。そのうちいくつかを以下に説明する。
従来の解決方法の1つは、いわゆる「導管燃焼」方式である。ピーク負荷動作中、ボトミングサイクルにおいて更に多くの熱を発生することにより蒸気流れを増加し、それに伴って電力出力を増加するために、熱回収蒸気発生器(HRSG)の上流側の排気スタックにおいて更に多くの燃料を燃焼する。排気ガスは酸素欠乏状態であるので、燃焼の効率は高くない。更に、温度分布が不均一であるため、HRSG管の寿命は短くなる。また、ピーク負荷動作中に流れが増加することを考慮して、タービンはわずかに「設計外」条件で動作し、その結果、通常の複合サイクルモード動作の効率が低下し、出力は減少する。
別の方法は単純サイクルガスタービンである。著しく長い期間にわたり高いピーク負荷を要求する用途の場合、補助単純サイクルベースガスタービンが使用される。そのようなタービンの始動時間は、7〜10分の範囲と短くなければならず、それが重要な設計条件である。そのようなシステムは、例えば約37%の動作効率及び175MWの電力出力で動作してもよい。しかし、排気側で熱が回収されないため、システムのピーク負荷効率は低い。更に、ピーカサイクルのNOx生成を減少するために、高価ではあるが信頼性の低い高温選択触媒還元(SCR)触媒を使用する必要がある。高温SCR用の排気ファンは高価であり、高い補助需要電力を必要とする欠点がある。ピーカシステムにおいてアンモニア噴射系統が使用される場合、アンモニア噴射系統に使用される外部スキッドは非常に高価である。
米国特許第4,353,207号公報 米国特許第4,872,307号公報 米国特許第5,098,689号公報 米国特許第5,437,851号公報 米国特許第5,778,675号公報 米国特許第6,273,120号公報 米国特許第6,442,924号公報 米国特許第7,069,716号公報 米国特許出願公開第2001/0015060号明細書 米国特許出願公開第2007/0130952号明細書 国際公開第WO9310334号
本発明の1つの面によれば、発電システムが提供される。システムは、第1のガスタービンと、ガスタービンに結合された熱回収蒸気発生器とを含む。熱回収蒸気発生器は、高圧過熱器出力端を有する高圧過熱器を含む。システムは、第2のガスタービンと、第2のガスタービンに結合された出力導管とを更に含む。システムは、出力導管の中にあり且つ高圧過熱器出力端に熱結合された補助高圧過熱器と、高圧過熱器出力端と補助高圧過熱器との間に結合された過熱低減器とを更に含む。
本発明の1つの面によれば、発電システムが提供される。この面のシステムは、複合サイクル及びピーカサイクルを含む。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とを含む。熱回収蒸気発生器は、中圧過熱器出力端を有する中圧過熱器と、低圧過熱器出力端を有する低圧過熱器とを含む。ピーカサイクルは、ピーカガスタービンと、ピーカガスタービンに結合された出力導管とを含む。ピーカサイクルは、出力導管の内部に配置され且つ中圧過熱器出力端に熱結合された補助中圧過熱器と、出力導管の内部に配置され且つ低圧過熱器出力端に熱結合された補助低圧過熱器とを更に含む。
本発明の更に別の面によれば、ガスタービン及びガスタービンに結合された熱回収蒸気発生器を含む複合サイクルと、ピーカガスタービン及び出力導管を含むピーカサイクルとを含むシステムを動作させる方法が提供される。方法は、熱回収蒸気発生器において高圧出力生成物を過熱することと;出力生成物が熱回収蒸気発生器において過熱された後、出力生成物が別のタービンに供給される前に、出力生成物を出力導管の内部の補助高圧過熱器で過熱することと;出力生成物が補助高圧過熱器において過熱される前に、過熱低減器において出力生成物を水と混合することとを含む。
上記の利点及び特徴並びに他の利点及び特徴は、添付の図面と関連させた以下の説明から更に明らかになるだろう。
発明であるとみなされる主題は、本明細書に添付される特許請求の範囲において特定して指示され且つ明確に特許請求される。本発明の上記の特徴及び利点並びに他の特徴及び利点は、添付の図面と関連させた以下の詳細な説明から明らかである。
図1は発電システムを示したシステム図である。 図2は過熱低減器を含む図1に示されるシステムを示したシステム図である。 図3は本発明の別の実施形態に係る発電システムを示したシステム図である。 図4は本発明の別の実施形態に係る発電システムを示したシステム図である。
以下の説明は、図面を参照しながら本発明の実施形態を利点及び特徴と共に例示して説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る発電システム100の一例を示す。システム100は複合サイクル102及びピーカサイクル104を含む。
複合サイクル102は、吸気口107を含む圧縮機106を含んでもよい。圧縮機106は燃焼器108に結合される。燃焼器108は、圧縮空気の流れの中でガス又は燃料油を燃焼する。燃焼器108はガスタービン110に結合される。ガスタービン110は、ガス又は燃料の燃焼により発生した高温ガスの流れからエネルギーを抽出する。一実施形態において、抽出されたエネルギーは電気に変換される。
ガスタービン110の出力112である排気ガスは、複合システム110の他のサイクルにおいて使用されてもよい。排気ガスは、例えば蒸気タービン(図示せず)で使用するための蒸気を加熱するために使用されてもよい。そのために、複合サイクルはHRSG114を含む。HRSG114は高圧過熱器116、中圧過熱器118及び低圧過熱器120を含んでもよい。HRSG114は低圧過熱器120のみを含んでもよく、あるいは低圧過熱器120及び別の過熱器の任意の組み合わせを含んでもよい。
排気ガスは約1,150°Fの温度になることもある。排気ガスがスタック126を通って放出される前に排気ガスを処理するための低温SCR124を含む排気導管122の中で、排気ガスは最終的に処理される。
先に説明したように、システム100はピーカサイクル104を更に含む。しかし、従来の技術において、そのようなシステムのピーク負荷効率は低い。そのように低効率である原因の1つは、ピーカサイクルにおいて排気ガスからの熱が未回収になることである。更に、従来のシステムでは、信頼性が低く高価な高温SCR触媒及び排気ガスを高温SCRの温度レベルまで冷却するための別の高価な外部冷却ファンを利用しなければならなかった。また、従来のシステムは、高温SCRを有効に作用させるためのアンモニア噴射装置に使用される外部スキッドを通常必要としていた。
ピーカサイクル104はピーカガスタービン130を含む。ピーカガスタービン130は、ピーカ燃焼器134によりピーカ圧縮機132に結合される。ピーカ排気ガス140の出力温度は約1,150°Fであり、ピーカ排気導管142を通って送り出される。ピーカ排気導管142は、低圧補助過熱器136及びピーカ低温SCR138を含む。当然、ピーカHRSG142はスタック126に結合されてもよい。
低圧過熱器114の出力端は、補助低圧過熱器136の入力端に結合される。低圧過熱器の入力端は低圧復水器(図示せず)に結合されてもよい。
低圧過熱器114の出力生成物(通常は蒸気)の温度は、通常約600°Fである。ピーカガスタービン130からの排気ガスは、ピーカ排気導管142を通過する間に出力生成物を約1,050°Fまで加熱し、それによりガス自体は約650°Fまで冷却される。ピーカガスタービン130の排気ガスがこの温度まで冷却されることにより、高温SCRではなく、常温SCRを使用できるようになる。更に、補助低圧過熱器136において出力生成物が加熱されているので、ピーカサイクル104からの廃熱は回収されたことになり、従って、複合サイクル及びピーカサイクルの正味効率は改善される。
補助低圧過熱器136の出力は、低圧タービン入口ノズルに供給される。任意の一実施形態において、破線の矢印144により示される通り、補助低圧過熱器136の出力は、例えば米国特許第6,442,924号公報で教示されるように低圧タービンの種々の段に向けて方向転換されてもよい。
図2は、オプションである低圧水流れ202を含む図1に示されるシステムに類似する発電システム200の一例を示す。オプションの低圧水流れ202は、水ポンプ204及び低圧蒸気過熱低減器206を含む。オプションの低圧水流れ202は、低圧タービンに導入される前の出力生成物の温度を低下するように作用してもよい。例えば、低圧蒸気過熱低減器206に流入する出力生成物の温度は約1,050°Fであり、低圧蒸気過熱低減器206から放出される際には約700〜800°Fであってもよい。
以上の説明から、システムはピーカサイクルからのエネルギーの回収を可能にすることが理解されるだろう。特に、ピーカタービンからの排気ガスは、低圧蒸気を過熱するために使用され、過熱後の蒸気は後に複合システムにより使用され、その結果、複合サイクルシステムの効率は向上する。
通常、典型的な複合サイクル発電装置の中圧蒸気温度及び高圧蒸気温度は約1,050°Fである。そのため、ピーカ排気熱を利用して中圧蒸気及び高圧蒸気を更に過熱することは不可能になる。本発明の一実施形態において、複合サイクルからの高圧蒸気がピーカサイクル排気流路の補助高圧過熱器部分を通過する前に、蒸気の温度は、約1,050°Fから約650°Fまで低下される。その結果、高い熱‐仕事交換効率を有する高圧蒸気を使用してピーカサイクル排気熱(約1,150°Fの温度)を回収できる。それに加えて、複合サイクルのオプションの低圧蒸気回路も、排気熱を可能な限り低い温度まで低下するために使用される。総じて、本実施形態において、ピーカサイクル動作中の追加電力出力利得は50MWとなり、従来の構成の35MWと比較して高い利得を得ることができる。更に、触媒の上流側の温度レベルを、複合サイクル触媒の効率のよい作用を確保するために必要とされる最低限の温度に維持できる。
また、排気ガスからエネルギーが回収されているので、排気ガスの温度は低下し、従って、高温SCR触媒ではなく、常温SCR触媒で排気ガスを処理できる。以上の説明では、低圧蒸気を過熱する場合のみを説明した。以下に説明されるように、本発明の実施形態に従って高圧蒸気及び中圧蒸気が過熱されてもよいことは言うまでもない。本発明の種々の実施形態に従って、ピーカ排気ガスにより高圧蒸気のみ、中圧蒸気のみ、あるいは高圧蒸気及び中圧蒸気の組み合わせが過熱されてもよいのはもちろんのことである。すなわち、本発明の実施形態は、低圧蒸気、中圧蒸気及び高圧蒸気のうち1つ以上をピーカ排気ガスによって過熱することに関する。
図3は、本発明の別の実施形態に係るシステム300を示す。システムはピーカサイクル302を含む。本明細書において、ピーカサイクル302に含まれないシステム300の部分を複合サイクルと呼ぶ。
ピーカサイクル302は圧縮機303、燃焼器304及びガスタービン306を含む。先に説明したように、ガスタービン306は、ガス又は燃料の燃焼により発生する高温ガスの流れからエネルギーを抽出する。一実施形態において、抽出されたエネルギーは電気に変換される。ピーカサイクル302は出力導管308を更に含む。出力導管308は、ガスタービン306からの排気ガスが周囲環境へ放出される前に排気ガスを処理する。排気ガスの処理はSCR314により実行されてもよい。一実施形態において、SCR314は高温触媒ではなく、常温触媒を利用する。
出力導管308は、補助低圧過熱器310及び補助高圧過熱器312を更に含む。補助低圧過熱器310は、複合サイクルに含まれる低圧過熱器316の出力端に接続され、補助高圧過熱器312は、同様に複合サイクルに含まれる高圧過熱器の出力端に接続される。
複合サイクルは、吸気口321を含む圧縮機320を含んでもよい。圧縮機320は燃焼器322に結合される。燃焼器322は、圧縮空気の流れの中でガス又は燃料油を燃焼する。燃焼器322はガスタービン324に結合される。ガスタービン324は、ガス又は燃料の燃焼により発生した高温ガスの流れからエネルギーを抽出する。一実施形態において、抽出されたエネルギーは電気に変換される。
ガスタービン324の出力である排気ガスは、複合システムの他のサイクルにおいて使用されてもよい。排気ガスは、例えば高圧蒸気タービン326及び低圧蒸気タービン328で使用するための蒸気を加熱するために使用されてもよい。その目的のために、複合サイクルはHRSG330を含む。HRSG330は、低圧過熱器316及び高圧過熱器318を含んでもよい。
高圧過熱器318を通過した蒸気は、約1,050°Fの温度で排出される。蒸気は、高圧前過熱低減器332により水と混合される。一実施形態において、高圧前過熱低減器332を出る時点での蒸気の温度は約650°Fである。高圧前過熱低減器332は、蒸気を高圧過熱器318の出力端から受け取り、水を第1のポンプ336から受け取る。
低圧過熱器316を通過した蒸気は、約550°Fの温度で排出される。蒸気は、低圧前過熱低減器334により水と混合される。一実施形態において、低圧前過熱低減器334を出る時点での蒸気の温度は約350°Fである。低圧前過熱低減器334は、蒸気を低圧過熱器316の出力端から受け取り、水を第2のポンプ338から受け取る。過熱器316及び318は、第3のポンプ339から水を受け取る。
その後、高圧前過熱低減器332及び低圧前過熱低減器334の出力は、ピーカサイクル302の出力導管308において過熱される。特に、高圧前過熱低減器332の出力端は、補助高圧過熱器312の入力端に接続される。一実施形態において、高圧前過熱低減器332の出力は、補助高圧過熱器312により約1,050°Fの温度まで過熱される。補助高圧過熱器312の出力端は、高/中圧蒸気タービン340の入力端に結合される。
低圧前過熱低減器334の出力端は、補助低圧過熱器310の入力端に接続される。一実施形態において、低圧前過熱低減器334の出力は、補助低圧過熱器310により約600°Fの温度まで過熱される。補助低圧過熱器310の出力端は、低圧蒸気タービン342の入力端に結合される。高/中圧蒸気タービン340及び低圧蒸気タービン342からの残余蒸気は復水器344において液化され、そこで生成された水は、ポンプ336、338及び339に供給される。
図4は、本発明の別の実施形態に係るシステム400を示す。システムはピーカサイクル402を含む。ピーカサイクル402に含まれないシステム400のその他の部分を複合サイクルと呼ぶ。
ピーカサイクル402は圧縮機403、燃焼器404及びガスタービン406を含む。先に説明したように、ガスタービン406は、ガス又は燃料の燃焼により発生する高温ガスの流れからエネルギーを抽出する。一実施形態において、抽出されたエネルギーは電気に変換される。ピーカサイクル402は出力導管408を更に含む。出力導管408は、ガスタービン406からの排気ガスが周囲環境へ排出される前に排気ガスを処理する。排気ガスの処理は、SCR414により実行されてもよい。一実施形態において、SCR414は高温触媒ではなく、常温触媒を利用する。
出力導管408は、補助低圧過熱器410及び補助中圧過熱器412を更に含む。補助低圧過熱器410は、複合サイクルに含まれる低圧過熱器416の出力端に接続され、補助中圧過熱器412は、同様に複合サイクルに含まれる中圧過熱器418の出力端に接続される。
複合サイクルは、吸気口421を含む圧縮機420を含んでもよい。圧縮機420は燃焼器422に結合される。燃焼器422は圧縮空気の流れの中でガス又は燃料油を燃焼する。圧縮機422はガスタービン424に結合される。ガスタービン424は、ガス又は燃料の燃焼により発生する高温ガスの流れからエネルギーを抽出する。一実施形態において、抽出されたエネルギーは電気に変換される。
ガスタービン424の出力である排気ガスは、複合システムの他のサイクルにおいて使用されてもよい。排気ガスは、例えば中圧蒸気タービン426及び低圧蒸気タービン428で使用するための蒸気を加熱するために使用されてもよい。その目的のために、複合サイクルはHRSG430を含む。HRSG430は、低圧過熱器416及び中圧過熱器418を含んでもよい。
中圧過熱器418を通過した蒸気は、約1,050°Fの温度で排出される。蒸気は、中圧前過熱低減器432により水と混合される。一実施形態において、中圧前過熱低減器432を出る時点での蒸気の温度は約550°Fである。中圧前過熱低減器432は蒸気を中圧過熱器418の出力端から受け取り、水を第1のポンプ436から受け取る。
低圧過熱器416を通過した蒸気は、約600°Fの温度で排出される。蒸気は、低圧前過熱低減器434により水と混合される。一実施形態において、低圧前過熱低減器434を出る時点での蒸気の温度は約350°Fである。低圧前過熱低減器434は蒸気を低圧過熱器416の出力端から受け取り、水を第2のポンプ438から受け取る。過熱器416及び418は第3のポンプ439から水を受け取る。
その後、中圧前過熱低減器432及び低圧前過熱低減器434の双方の出力は、ピーカサイクル402の出力導管408において過熱される。特に、中圧前過熱低減器432の出力端は、補助中圧過熱器412の入力端に接続される。一実施形態において、中圧前過熱低減器432の出力は、補助中圧過熱器412により約1,050°Fの温度まで過熱される。補助中圧過熱器412の出力端は、中圧蒸気タービン440の入力端に結合される。
低圧前過熱低減器434の出力端は、補助低圧過熱器410の入力端に接続される。一実施形態において、低圧前過熱低減器434の出力は、補助低圧過熱器410により約600°Fの温度まで過熱される。補助低圧過熱器410の出力端は、低圧蒸気タービン442の入力端に結合される。中圧蒸気タービン440及び低圧蒸気タービン442からの残余蒸気は、復水器444において液化され、そこで生成された水はポンプ436、438及び439に供給される。
ごく限られた数の実施形態と関連させて本発明を詳細に説明したが、本発明が開示された実施形態に限定されないことは容易に理解できるはずである。本明細書では説明されなかったが、本発明の真の趣旨と一致する任意の数の変形、変更、置き換え又は同等の構成を取り入れるために本発明を変形することは可能である。更に、本発明の種々の実施形態が説明されたが、本発明の面は説明された実施形態の一部のみを含んでもよいことを理解すべきである。従って、本発明は以上の説明により限定されるとみなされず、添付の特許請求の範囲の範囲によってのみ限定される。
300 発電システム
302 ピーカサイクル
304 燃焼器
306 ガスタービン
308 出力導管
310 補助低圧過熱器
312 補助高圧過熱器
314 SCR
316 低圧過熱器
318 高圧過熱器
324 ガスタービン
330 熱回収用蒸気発生器(HRSG)
332 高圧前過熱低減器
334 低圧前過熱低減器
340 高/中圧蒸気タービン
400 発電システム
402 ピーカサイクル
404 燃焼器
406 ガスタービン
408 出力導管
410 補助低圧過熱器
412 補助中圧過熱器
414 SCR
416 低圧過熱器
418 中圧過熱器
424 ガスタービン
426 中圧蒸気タービン
428 低圧蒸気タービン
430 HRSG
432 中圧前過熱低減器
434 低圧前過熱低減器
440 中圧蒸気タービン
442 低圧蒸気タービン

Claims (9)

  1. 第1のガスタービン(320)と;
    前記第1のガスタービン(324)に結合され且つ高圧過熱器出力端を有する高圧過熱器(318)を含む熱回収用蒸気発生器(330)と;
    第2のガスタービン(306)と;
    前記第2のガスタービン(306)に結合された出力導管(314)と;
    前記出力導管(314)の内部に配置され且つ前記高圧過熱器出力端(318)に熱結合された補助高圧過熱器(308)と;
    前記高圧過熱器出力端と前記補助高圧過熱器との間に結合された過熱低減器(322)とを具備する発電システム。
  2. 前記補助高圧過熱器の出力端に結合された高圧蒸気タービン(340)を更に具備する請求項1記載のシステム。
  3. 前記熱回収用蒸気発生器は、中圧過熱器出力端を有する中圧過熱器(418)を更に含み、
    前記システムは、前記出力導管の内部に配置され且つ前記中圧過熱器出力端に熱結合された補助中圧過熱器(410)を更に具備する請求項1記載のシステム。
  4. 前記補助中圧過熱器の出力端に結合された中圧蒸気タービン(440)を更に具備する請求項3記載のシステム。
  5. 前記中圧過熱器出力端と前記補助中圧過熱器との間に結合された中圧過熱低減器(432)を更に具備する請求項4記載のシステム。
  6. 前記熱回収用蒸気発生器は、低圧過熱器出力端を有する低圧過熱器(316)を更に含み、
    前記システムは、前記出力導管の内部に配置され且つ前記低圧過熱器出力端に熱結合された補助低圧過熱器(310)を更に具備する請求項1記載のシステム。
  7. 前記補助高圧過熱器の出力端に結合された高圧蒸気タービン(340)を更に具備する請求項5記載のシステム。
  8. 前記出力導管は選択触媒還元触媒(314)を含む請求項1記載のシステム。
  9. 前記選択触媒還元触媒は高温選択触媒還元触媒ではない請求項8記載のシステム。
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