JP2010190217A

JP2010190217A - 低ｂｔｕ応用における外部燃焼加熱器を用いたタービン吸入空気の予熱及び機外ブリードの低減方法

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Publication number: JP2010190217A
Application number: JP2010028381A
Authority: JP
Inventors: Vinod Kumar Baikampady Gopalkrishna; ヴィノド・クマール・バイカンパディ・ゴパルクリシュナ; Aslam Basha; アスラム・バシャ; Shivaprasad Lokanath; シヴァプラサド・ロカナス; Rajarshi Saha; ラジャルシ・サハ; Indrajit Mazumder; インドラジット・マズムデール
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-02-16
Filing date: 2010-02-12
Publication date: 2010-09-02
Also published as: EP2218889A3; EP2218889A2; CN101881219A; US20100205967A1

Abstract

【課題】低温の周囲条件でガスタービンを運転している間の機外ブリードの大幅な低減又は排除を提供すること。
【解決手段】幾つかの実施形態において、システムは、空気加熱システム（６８）を含む。空気加熱システム（６８）は、タービンエンジン（１２）の外部にある廃熱源（２２、３２、１２４、１２６、１３８）によって生成された廃熱により空気（７２）を加熱するよう構成される。空気加熱システム（６８）はまた、タービンエンジン（１２）の圧縮機
（２０）に加熱空気（７２）を供給するよう構成される。
【選択図】図１

Description

本明細書で開示される発明の対象は、ガスタービン吸入空気温度の調節に関し、より具体的には、低温の周囲条件又はＩＳＯ（国際標準化機構）標準日中温度よりも低い周囲温度でガスタービンを運転している間の機外ブリードの相当な低減又は排除をもたらす、外部燃焼加熱器を用いたタービン吸入空気の予熱に関する。

特定の応用（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）において、ガスタービンの圧力比は、ガスタービンの圧縮機の限界に達する場合がある。例えば、ガスタービンの燃焼室において、又は低温周囲温度によって特徴付けられる場所において、低ＢＴＵ（イギリス熱単位）燃料が燃料源として使用される応用では、圧縮機の圧力比は、ガスタービンのタービンの圧力比よりも低くなる場合がある。圧縮機圧力比保護を可能にするために（例えば、圧縮機ストールの可能性を低減するため）、圧縮機から吐出される空気は、機外ブリード空気として抜き取ることができる。しかしながら、圧縮機内で空気圧力を高めるために消費したエネルギーは回収されないので、圧縮機から吐出される加圧空気をブリードすると、正味効率が低下する可能性がある。

米国特許第４，６７７，８２９号公報

機外ブリードによる効率の低減又はその排除。

独自性をもって特許請求した本発明に技術的範囲において相応する一部の実施形態について、下記に概説する。これらの実施形態は、特許請求した本発明の技術的範囲を限定することを意図するものではなく、むしろそれらの実施形態は、本発明の実施可能な形態の簡潔な概要を示すことのみを意図している。当然のことながら、本発明は、下記に説明した実施形態と同様のもの又は該実施形態と異なるものとすることができる様々な形態を含むことができる。何れかの技術又は設計プロジェクトと同様に、このような何らかの実際の実装の開発において、システム及びビジネスに関連した制約への準拠など、実装毎に異なる可能性のある開発者の特定の目標を達成するために、多数の実装時固有の決定を行う必要がある点は理解されたい。更に、このような開発の取り組みは、複雑で時間を要する可能性があるが、本開示の利点を有する当業者にとっては、設計、製作、及び製造の日常的な業務である。

１つの実施形態において、システムはタービンエンジンを含む。本システムはまた、タービンエンジンの空気吸入口に結合された空気加熱システムを含む。空気加熱システムは、タービンエンジンの外部にある廃熱源によって生成された廃熱によって空気入口に供給される空気を加熱するよう構成される。

第２の実施形態において、システムは空気加熱システムを含む。空気加熱システムは、タービンエンジンの外部にある廃熱源によって生成された廃熱によって空気を加熱するよう構成される。空気加熱システムはまた、タービンエンジンの圧縮機に加熱空気を供給するよう構成される。

第３の実施形態において、方法は、タービンエンジンの外部にある廃熱源によって生成された廃熱により空気を加熱する段階を含む。本方法はまた、タービンエンジンの圧縮機に加熱空気を供給する段階を含む。

ガスタービン、蒸気タービン、熱回収蒸気発生（ＨＲＳＧ）システム、燃料ガスシステム、及び空気加熱システムを有する複合サイクル発電システムの１つの実施形態の概略流れ図。燃料ガスシステム内で使用するために燃料ガス資源を生成することができる製鋼所の１つの実施形態のプロセス流れ図。図１の燃料ガスシステムの１つの実施形態の概略流れ図。ガスタービンの燃焼室内への燃料ガスの配送を示す、図１の複合サイクル発電システムのガスタービン、ＨＲＳＧ、及び燃料ガスシステムの１つの実施例の概略流れ図。ガスタービンの圧縮機に入る吸入空気の温度を上昇させるため、廃熱の外部供給源として外部燃焼加熱器及び関連する空気予加熱装置の使用を示す、ガスタービン、ＨＲＳＧ、燃料ガスシステム、及び空気加熱システムの１つの実施例の概略流れ図。ガスタービンの圧縮機内に入る吸入空気の温度を上昇させるための複数の外部廃熱源の利用を示す、ガスタービン、ＨＲＳＧ、燃料ガスシステム、及び空気加熱システムの１つの実施形態の概略流れ図。

本発明のこれらの及びその他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の部分を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読む時、より良好に理解されるようになるであろう。

本発明の１つ又はそれ以上の特定の実施形態について、以下に説明する。これら実施形態の簡潔な説明を行うために、本明細書では、実際の実施態様の全ての特徴については説明しないことにする。

本発明の種々の実施形態の要素を導入する場合に、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、及び「ｓａｉｄ」は、要素の１つ又はそれ以上が存在することを意味するものとする。用語「備える」、「含む」、及び「有する」は、包括的なものであり、記載した要素以外の付加的な要素が存在し得ることを意味する。

開示される実施形態は、ガスタービンの外部の供給源によって発生した廃熱を用いてガスタービンの圧縮機への吸入空気を加熱するシステム及び方法を含む。例えば、幾つかの実施形態において、高炉ガス及びコーク炉ガスのガス混合気によって燃料供給された燃焼加熱器からの廃熱は、ガスタービンの圧縮機への吸入空気を加熱するのに用いることができる。しかしながら、以下でより詳細に説明するように、吸入空気を加熱するために、種々の外部供給源からの廃熱を用いることができる。実際に、幾つかの実施形態において、複数の外部供給源からの廃熱を用いて、吸入空気を加熱することができる。従って、本明細書で提示されるシステム及び方法の１つの態様は、ガスタービン圧縮機の吸入空気を予熱することである。このようにすることによって、ガスタービンの圧縮比限界及び所望の燃焼室出口温度限界を維持しながら、ガスタービンの機外ブリード流れを最小限にすることができる。機外ブリード流れを低減することによって、ガスタービン、及び更に外ガスタービンが内部で作動することができる複合サイクル発電システムの全体の性能を高めることができる。これは、ガスタービンがＩＳＯ標準日中温度を下回る周囲温度で運転している場合に特に当てはまる。

図１は、ガスタービン、蒸気タービン、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）システム、燃料ガスシステム、及び空気加熱システムを有する複合サイクル発電システム１０の１つの実施形態の概略流れ図である。以下でより詳細に説明するように、燃料ガスシステムは、例えば、製鋼所からの高炉ガス及びコーク炉ガスなど、複数の副生成ガスを配合することによる燃料ガスをガスタービンに供給するよう構成することができる。加えて、同様に以下でより詳細に説明するように、空気加熱システムは、外部廃熱を利用して、周囲吸入空気を加熱することができ、これをガスタービンに供給することができる。

システム１０は、第１の負荷１４を駆動するためのガスタービン１２を含むことができる。第１の負荷１４は、例えば、電力を生成するための発電機とすることができる。ガスタービン１２は、タービン１６、燃焼器又は燃焼室１８、及び圧縮機２０を含むことができる。システム１０はまた、第２の負荷２４を駆動するための蒸気タービン２２を含むことができる。第２の負荷２４もまた、電力を発生する発電機とすることができる。しかしながら、第１及び第２の負荷１４、２４は共に、ガスタービン１２及び蒸気タービン２２によって駆動可能な他のタイプの負荷であってもよい。加えて、ガスタービン１２及び蒸気タービン２２は、図示の実施形態に示すように、別個の負荷１４及び２４を駆動することができるが、単一のシャフトにより単一の負荷を駆動するよう、縦一列の形態で利用することができる。図示の実施形態では、蒸気タービン２２は、１つの低圧セクション２６（ＬＰＳＴ）、１つの中圧セクション２８（ＩＰＳＴ）、及び１つの高圧セクション３０（ＨＰＳＴ）を含むことができる。しかしながら、蒸気タービン２２並びにガスタービン１２の特定の構成は、実装時固有とすることができ、セクションのあらゆる組み合わせを含むことができる。

システム１０はまた、多段ＨＲＳＧ３２を含むことができる。図示の実施形態におけるＨＲＳＧ３２の構成要素は、ＨＲＳＧ３２を簡略化して描かれており、限定を意図するものではない。むしろ、図示のＨＲＳＧ３２は、こうしたＨＲＳＧシステムの一般的な運転を伝えるために示されている。ガスタービン１２からの加熱排気ガス３４は、ＨＲＳＧ３２に移送され、蒸気タービン２２に動力を供給するのに用いることができる。蒸気タービン２２の低圧セクション２６からの排気は、凝縮器３６に配向することができる。次いで、凝縮器３６からの凝縮物は、凝縮ポンプ３８を用いてＨＲＳＧ３２の低圧セクションに配向することができる。

次に、凝縮物は、低圧エコノマイザ４０（ＬＰＥＣＯＮ）、すなわち、ガスと共に給水を加熱するよう構成され、凝縮物を加熱するのに用いることができる装置を通って流れることができる。凝縮物の一部は、低圧エコノマイザ４０から、低圧蒸発器４２（ＬＰＥＶＡＰ）内に配向することができ、同時に、残りを中圧エコノマイザ４４（ＩＰＥＣＯＮ）に向けてポンプ送給することができる。低圧蒸発器４２からの蒸気は、蒸気タービン２２の低圧セクション２６に戻すことができる。同様に、凝縮物の一部は、中圧エコノマイザ４４から中圧蒸発器４６（ＩＰＥＶＡＰ）内に配向することができ、同時に、残りは、高圧エコノマイザ４８（ＨＰＥＣＯＮ）に向けてポンプ送給することができる。加えて、中圧エコノマイザ４４からの蒸気は、燃料ガス加熱器（図示せず）に送ることができ、ここで蒸気を用いて、ガスタービン１２の燃焼室１８で使用するための燃料ガスを加熱することができる。中圧蒸発器４６からの蒸気は、蒸気タービン２２の中圧セクション２８に送ることができる。この場合も同様に、図示の実施形態は、本発明の固有の態様を利用することができるＨＲＳＧシステムの一般的な運転の単なる例証に過ぎないので、エコノマイザ、蒸発器、及び蒸気タービン２２間の接続は、実施毎に異なることができる。

最後に、高圧エコノマイザ４８からの凝縮物は、高圧蒸発器５０（ＨＰＥＶＡＰ）に配向することができる。高圧蒸発器５０から出る蒸気は、１次高圧過熱器５２及び最終高圧過熱器５４に配向することができ、ここで蒸気が過熱されて、最終的には蒸気タービン２２の高圧セクション３０に送られる。蒸気タービン２２の高圧セクション３０からの排気は、蒸気タービン２２の中圧セクション２８に配向することができる。蒸気タービン２２の中圧セクション２８からの排気は、蒸気タービン２２の低圧セクション２６に配向することができる。

１次高圧過熱器５２と最終高圧過熱器５４との間に段間過熱防止装置５６を配置することができる。段間過熱防止装置５６は、最終高圧過熱器５４からの蒸気の排気温度のよりロバストな制御を可能にすることができる。詳細には、段間過熱防止装置５６は、最終高圧過熱器５４から出る蒸気の排気温度が予め定められた値を超えたときには常に、最終高圧過熱器５４の上流側の過熱蒸気に低温の給水噴霧を噴射することによって、最終高圧過熱器５４から出る蒸気の温度を制御するよう構成することができる。

加えて、蒸気タービン２２の高圧セクション３０からの排気は、１次再加熱装置５８及び２次再加熱装置６０に配向することができ、ここで、蒸気タービン２２の中圧セクション２８に配向される前に再加熱することができる。１次再加熱装置５８及び２次再加熱装置６０はまた、再加熱装置からの排気蒸気温度を制御するために段間過熱防止装置６２と関連付けることができる。詳細には、段間過熱防止装置６２は、２次再加熱装置６０から出る蒸気の排気温度が予め定められた値を超えたときには常に、２次再加熱装置６０の上流側の過熱蒸気に低温の給水噴霧を注入することによって、２次再加熱装置６０から出る蒸気の温度を制御するよう構成することができる。

システム１０のような複合サイクルシステムにおいて、高温の排気３４がガスタービン１２から流れてＨＲＳＧ３２を通過することができ、これを用いて高圧高温の蒸気を生成することができる。次に、ＨＲＳＧ３２によって生成される蒸気は、電力発生のために蒸気タービン２２を通過することができる。加えて、生成された蒸気はまた、過熱蒸気を用いることが可能な他のあらゆるプロセスに供給することができる。ガスタービン１２のサイクルは、「トッピングサイクル」と呼ばれることが多く、蒸気タービン２２の生成サイクルは、「ボトミングサイクル」と呼ばれることが多い。図１に示すようにこれら２つのサイクルを組み合わせることによって、複合サイクル発電システム１０が両サイクルのより高い効率をもたらすようにすることができる。詳細には、トッピングサイクルからの排熱を取り込み、これを用いて、ボトミングサイクルで使用する蒸気を生成することができる。

ガスタービン１２は、燃料ガスシステム６４からの燃料を用いて運転することができる。詳細には、燃料ガスシステム６４は、燃料ガス６６をガスタービン１２に供給することができ、該燃料ガスがガスタービン１２の燃焼室１８内で燃焼することができる。加えて、以下でより詳細に説明するように、空気加熱システム６８を用いて、ＩＳＯ標準日中温度を下回る温度になる場合がある周囲吸入空気７０の温度を上昇させ、加熱吸入空気７２を生成することができ、該加熱吸入空気は、ガスタービン１２の圧縮機２０内で加圧することができる。

天然ガスは、ガスタービン１２の燃焼室１８内で使用するのに好ましい燃料ガスとすることができるが、あらゆる好適な燃料ガス６６を用いることができる。燃料ガスシステム６４は、ガスタービン１２内で使用するために燃料ガス６６を様々な方法で生成することができる。幾つかの実施形態において、燃料ガスシステム６４は、他の炭化水素資源から燃料ガス６６を生成することができる。例えば、燃料ガスシステム６４は、石炭ガス化プロセスを含むことができ、ここでガス化装置は、蒸気との反応及びガス化装置内の高温高圧によって石炭を化学的に分解する。このプロセスから、ガス化装置は、主としてＣＯ及びＨ_２の燃料ガス６６を生成することができる。この燃料ガス６６は、「シンガス」と呼ばれることが多く、ガスタービン１２の燃焼室１８内で天然ガスとほとんど同様に燃焼することができる。

しかしながら、他の実施形態では、燃料ガスシステム６４は、他のプロセスから燃料ガス資源を受け取り、更に処理し、ガスタービン１２が使用する燃料ガス６６を生成することができる。例えば、幾つかの実施形態において、燃料ガスシステム６４は、製鋼所が生成した燃料ガス資源を受け取ることができる。図２は、燃料ガスシステム６４内で使用する燃料ガス資源を生成することができる製鋼所７４の実施形態のプロセス流れ図である。製鋼所７４の鉄鋼生産プロセスは通常、副生成物により大量の特殊ガスを生成する。

例えば、図２に示すように、鉄鋼生産において３つの主要処理過程があり、その全てがガスを発生する。詳細には、コークス炉７６は、坑口炭などの石炭７８を受け取り、酸素の無い条件で石炭７８の乾留を用いてコークス８０を生成することができる。コーク炉ガス８２はまた、コーク炉７６内でコークス８０を生産するプロセスの副生成物として生成することができる。次に、コーク炉７６により生成されたコークス８０並びに鉄鉱８４は、溶鉱炉８６に配向することができる。溶鉱炉８６内では、銑鉄８８を発生することができる。加えて、高炉ガス９０は、溶鉱炉８６の副生成物として生成することができる。次いで、溶鉱炉８６により生成された銑鉄８８は、転炉９２に配向することができ、ここで銑鉄８８は、酸素及び空気を用いて鉄鋼９４に精錬することができる。加えて、転炉ガス９６が転炉９２内の鉄鋼９４の生産プロセスにおける副生成物として発生することができる。

従って、製鋼所７４は、例えば、コーク炉ガス８２、高炉ガス９０、及び転炉ガス９６の３つの別個の副生成物ガスを発生することができ、その全てが異なる化学的組成及び性質によって特徴付けることができる。例えば、コーク炉ガス８２は、一般に、約５０〜７０％の水素（Ｈ_２）と２５〜３０％のメタン（ＣＨ_４）から構成することができ、約４，２５０ｋｃａｌ／Ｎｍ^３の低発熱量（ＬＨＶ）を有することができる。逆に、高炉ガス９０は、一般に、約５％の水素と２０％の一酸化炭素（ＣＯ）とから構成することができ、約７００ｋｃａｌ／Ｎｍ^３のＬＨＶしか有することができない。加えて、転炉ガス９６は一般に、約６０＋％の一酸化炭素から構成することができ、約２，５００ｋｃａｌ／Ｎｍ^３のＬＨＶを有することができる。従って、高炉ガス９０は、コーク炉ガス８２及び転炉ガス９６よりもかなり低いＬＨＶを有するとすることができる。しかしながら、燃料ガスシステム６４は、高炉ガス９０をコーク炉ガス８２と配合し、ガスタービン１２の最小及び最大許容可能ＬＨＶ閾値に適合する燃料ガス６６を生成することができる。

図３は、図１の燃料ガスシステム６４の実施形態の概略流れ図である。高炉ガス（ＢＦＧ）９０をコーク炉ガス（ＣＯＧ）８２は、例えば、ＢＦＧ供給ライン９８及びＣＯＧ供給ライン１００それぞれ別個の供給ラインを通じて燃料ガスシステム６４が受け取ることができる。ＢＦＧ分離バルブ１０２を用いて、高炉ガス９０のＢＦＧ供給ライン９８への流れを制御することができ、ＣＯＧ分離バルブ１０４を用いて、コーク炉ガス８２のＣＯＧ供給ライン１００への流れを制御することができる。より詳細には、ＢＦＧ分離バルブ１０２及びＣＯＧ分離バルブ１０４は、「オン」と「オフ」との間で燃料ガス６６のガスタービン１２への流れを調整するのに用いることができる。

燃料ガスシステム６４はまた、ＢＦＧ・ＣＯＧ混合点１０８の上流側のＣＯＧ供給ライン１００においてＣＯＧ流量制御バルブ１０６を含むことができる。ＣＯＧ流量制御バルブ１０６は、流量レギュレータとして機能することができ、コーク炉ガス８２を制御及び流量調整して、ガスタービン１２で使用される燃料ガス６６のＬＨＶが全運転条件中の許容可能限界内に確実にあるようにすることができる。詳細には、ＣＯＧ流量制御バルブ１０６は、高ＢＴＵコーク炉ガス８２を制御及び流量調整して低ＢＴＵ高炉ガス９０と配合し、ガスタービン１２運転限界内で燃料ガス６６混合気のＬＨＶを引き上げることができる。

図２に関して上記で説明されたように、鉄鋼生産によって、大量の低ＢＴＵ高炉ガス９０が生成されることになる。例えば、高炉ガス９０は、約７００ｋｃａｌ／Ｎｍ^３のＬＨＶを有することができ、大気圧を僅かに上回る圧力で利用可能にすることができる。コーク炉ガス８２、すなわち、より少量で生産される製鋼所７４の別の副生成物は、低ＢＴＵ高炉ガス９０と配合され、燃料ガス６６混合気の発熱量を約１，０５０ｋｃａｌ／Ｎｍ^３又はガスタービン１２に必要な別の最小許容可能ＬＨＶにまで高めることができる。例えば、高炉ガス９０及びコーク炉ガス８２は、互いに配合されて、質量流量がそれぞれ、約２５０及び１０ポンド／秒（ｐｐｓ）程度になるようにする。しかしながら、コーク炉ガス８２は、大量のタール及びパーティキュレートを包含する場合がある。従って、燃料ガスシステム６４はまた、幾つかの実施形態において、燃料ガス６６の圧縮及びガスタービン１２への供給前に、燃料ガス６６からタール、塵埃、及びパーティキュレートを除去するよう構成することができる。

燃料ガスシステム６４において清浄化され配合された後、燃料ガス６６がガスタービン１２の燃焼室１８内に注入される前に、燃料ガス６６混合気の低い圧力を昇圧することができる。図示のように、燃料ガスシステム６４は、２つ又はそれ以上の段、例えば、第１の圧縮機１１０及び第２の圧縮機１１２を含むことができる。第１及び第２の圧縮機１１０、１１２は、例えば、遠心圧縮機とすることができ、第２の圧縮機１１２からの燃料ガス６６の吐出圧がガスタービン１２の燃料圧力要件を満足するように設計することができる。幾つかの実施形態において、各圧縮機は、それぞれのサージ制御バルブと、それぞれの圧縮機１１０、１１２の部分負荷（すなわち、通常流量よりも少ない）運転中のサージ保護のための最小体積流量を再循環させる再循環ラインとに関連付けることができる。

加えて、図示のように、燃料ガスシステム６４は、例えば、高圧中間冷却器１１４、低圧中間冷却器１１６、及びトリム冷却器１１８など、一連の熱交換器又は冷却器を含むことができる。幾つかの実施形態において、これら３つの冷却器１１４、１１６、１１８は、第１の圧縮機１１０の下流側で且つ第２の圧縮機１１２の上流側に位置付けることができる。冷却器１１４、１１６、１１８を用いて、第２の圧縮機１１２に入る燃料ガス６６の温度を予め定められた温度レベルを確実に下回って維持されるようにすることができる。例えば、第２の圧縮機１１２に入る燃料ガス６６は、１０４°Ｆ未満に保持することができる。

高圧中間冷却器１１４及び低圧中間冷却器１１６は、周囲条件において最適な性能を満たすような大きさにすることができる。加えて、高圧中間冷却器１１４及び低圧中間冷却器１１６は、性能向上のために複合サイクル発電システム１０の他の構成部品と一体化することができる。詳細には、高圧中間冷却器１１４の冷却源は、ＨＲＳＧ３２の高圧給水ポンプからの水とすることができ、出口水は、ＨＲＳＧ３２の高圧エコノマイザ４８に配向することができる。加えて、低圧中間冷却器１１６用の入口冷却源は、凝縮ポンプ３８からの凝縮水とすることができ、出口水は、ＨＲＳＧ３２の低圧エコノマイザ４０に再循環させて戻すことができる。

トリム冷却器１１８は、複合及び単純サイクル運転の両方に適合する大きさにすることができる。トリム冷却器１１８は、冷却水回路からの水又は冷却される回路内の別の冷却媒体を利用することができる。水出口は、排熱システム内に吐出することができる。高圧中間冷却器１１４及び低圧中間冷却器１１６が作動していない単純サイクル運転の間、トリム冷却器１１８は、最大の熱交換を実施し、例えば、第１の圧縮機１１０の吐出部からの約４５０°Ｆから、第２の圧縮機１１２の入口での約１０４°Ｆまで燃料ガス６６を冷却するように設計することができる。しかしながら、これらの最大及び最小温度は単に例証に過ぎず、応用特有の動作条件に応じて大きく異なる可能性がある。正常状態での複合サイクル運転中、これら冷却器１１４、１１６、１１８全てが作動状態になることができる。

圧縮機１１０、１１２の機械的限界内に留まるために、圧縮機１１０、１１２の最大出口温度は、予め定められた温度レベル（例えば、４００°Ｆ、４２５°Ｆ、４５０°Ｆ、４７５°Ｆ、５００°Ｆ、その他）を下回って維持することができる。入口温度は、周囲条件に応じて変わることが予想されるので、トリム冷却器１１８の低温側流量制御バルブは、トリム冷却器１１８の出口温度を最大温度レベル（例えば、８０°Ｆ、１００°Ｆ、１２０°Ｆ、１４０°Ｆ、１６０°Ｆ、その他）に制御する役割を担うことができる。同様に、幾つかの実施形態において、各圧縮機は、セパレータと関連付けることができ、これを用いて、高圧中間冷却器１１４、低圧中間冷却器１１６、及びトリム冷却器１１８にわたる温度低下に起因して燃料ガス６６中に導入される可能性がある凝縮水を燃料ガス６６から除去することができる。

燃料ガスシステム６４はまた、ガスタービン１２への燃料ガス６６の緊急遮断を可能にする安全遮断バルブ（ＳＳＯＶ）を含むことができる。燃料ガス６６の圧力が燃料ガスシステム６４において昇圧された後、燃料ガス６６は、一連の相互接続配管、マニホルド、及びパージシステム（図示せず）を通ってガスタービン１２の燃焼室１８内に配向することができる。図４は、図１の複合サイクル発電システム１０のガスタービン１２、ＨＲＳＧ３２、及び燃料ガスシステム６４の１つの実施例の概略流れ図であり、ガスタービン１２の燃焼室１８内への燃料ガス６６の配送を示している。より低温の周囲温度では、ガスタービン１２の圧縮機２０は、ＩＳＯ標準日中温度である５９°Ｆよりも低い温度とすることができる周囲空気７０を受け取り且つ加圧することができる。圧縮機２０は、加圧空気をガスタービン１２の燃焼室１８に配向することができる。燃料源６６は、圧縮機２０から受け取った加圧空気と混合され、燃焼室１８内で燃焼することができる。次いで、燃焼室１８からの高温ガスがガスタービン１２のタービン１６に配向することができる。高温ガスの圧力／流れは、タービン１６のブレードを駆動してシャフトを回転させて、負荷１４を駆動する。

幾つかの実施形態において、ガスタービン１２の圧力比は、圧縮機２０の限界に近づく場合がある。例えば、ガスタービンの燃焼室１８において、又は低温周囲温度によって特徴付けられる場所において、低ＢＴＵ燃料が燃料源として使用される応用では、圧縮機２０の圧力比（例えば、圧縮機２０に入る空気圧力に対する圧縮機２０から出る空気圧力の比）は、ガスタービン１６のタービンの圧力比（例えば、タービン１６に入る高温ガス圧力に対する、タービン１６から出るガス圧力の比）よりも低くなる場合がある。圧縮機２０圧力比保護を可能にするため（例えば、圧縮機２０ストールの可能性を低減するため）、圧縮機２０から吐出される空気は、機外ブリード空気１２２ラインにより抜き取ることができる。

圧縮機２０からブリードされる空気の量は、周囲条件及びガスタービン１２出力の関数とすることができる。より具体的には、ブリード空気の量は、周囲温度及びガスタービン１２負荷の低下に伴って増大することができる。加えて、上述のように、低ＢＴＵ燃料ガス６６を利用するガスタービン１２応用において、燃料ガス６６の流量は、一般に、比較可能な天然ガス燃料応用におけるよりも遙かに大きくなる。これは主に、同程度の加熱又は所望の燃焼温度を得るためには、より低いＢＴＵ燃料を使用しなければならないことに起因する。従って、圧縮機２０に対して、付加的な背圧を加える場合がある。これらの応用において、圧縮機２０から吐出される空気はまた、背圧を低減し、圧縮機２０のストールマージン（例えば、ストールを防ぐための設計エラーのマージン）を向上させるようブリードすることができる。

しかしながら、圧縮機２０内で吸入空気７０圧力を高めるために消費したエネルギーはガスタービン１２の燃焼室１８及びタービン１６によって回収されないので、圧縮機２０から吐出される加圧空気をブリードすると、複合サイクル発電システム１０の正味効率が低下する可能性がある。但し、圧縮機２０から吐出される機外ブリード空気１２２内に導入されるエネルギーを無駄にする必要はない。むしろ、機外ブリード空気１２２内のエネルギーは回収することができる。

機外ブリード空気１２２内のエネルギーを回収する１つの技術は、ガスタービン１２のタービン１６からの加熱された排出ガス３４の流れに機外ブリード空気１２２を導入するものとすることができる。機外ブリード空気１２２をガスタービン１２からの加熱された排出ガス３４と組み合わせることによって、機外ブリード空気１２２内の熱エネルギーをＨＲＳＧ３２内に回収することができる。具体的に、機外ブリード空気１２２内のエネルギーを用いて、図１に関して上記で詳細に説明された、高圧エコノマイザ４８、高圧蒸発器５０、１次高圧過熱器５２（ＰＨＰＳＨ）、最終高圧過熱器５４（ＦＨＰＳＨ）、及びＨＲＳＧ３２の他の熱伝達構成部品を介して、蒸気タービン２２で使用するための蒸気を発生するのを助けることができる。従って、この技術は、機外ブリード空気１２２の熱及び質量流量を用いて、複合サイクル発電システム１０のボトミングサイクル内に追加のエネルギーを回収することができるので、単に機外ブリード空気１２２を大気に通気するよりも優れた利点を有する。

低温周囲条件中に機外ブリード空気１２２流れ要件を低減する１つの技術は、ガスタービン１２の圧縮機２０の上流側にある吸入空気７０の温度をある最適な値にまで上昇させることができる。例えば、ＩＳＯ標準日中温度に基づく吸入空気７０の温度は５９°Ｆである。これらの標準条件下では、例えば、約８９０ｐｐｓの吸入空気７０から、５０ポンド／秒（ｐｐｓ）程度の機外ブリード空気１２２を抜き出すことができる。更に低温の周囲条件中には、圧縮機２０の出口から抜き出される空気の量は、更に多くのものとすることができる。しかしながら、低温周囲条件中に吸入空気７０の温度が、例えば１０°Ｆだけ上昇すると、機外ブリード空気１２２をかなり低減することができる。これらの質量流量及び温度は、単に、機外ブリード空気１２２の流れ要件の例証に過ぎず、限定を意図するものではない。事実、実際の機外ブリード空気１２２の流れ及び温度は、実施毎に変わることができる。

幾つかの実施形態において、より低温の周囲条件で動作しているガスタービン１２の圧縮機２０に入る吸入空気７０の温度は、ガスタービン１２の外部にある供給源からの廃熱を利用することによって上昇させることができる。例えば、図５は、ガスタービン１２、ＨＲＳＧ３２、燃料ガスシステム６４、及び空気加熱システム６８の１つの実施例の概略流れ図であり、ガスタービン１２の圧縮機２０に入る吸入空気７０の温度を上昇させるため、廃熱の外部供給源として外部燃焼加熱器１２４及び関連する空気予加熱装置１２６の使用を示している。図示のように、燃料ガス６６混合気（例えば、高炉ガス９０及びコーク炉ガス８２）の一部１２８は、混合ポイント１０８の下流側で且つ燃料ガスシステム６４の第１の圧縮機１１０の上流側で燃料ガスシステム６４から分流することができる。詳細には、上述のように、正常状態下で約２５０ｐｐｓの高炉ガス９０は、約１０ｐｐｓのコーク炉８２と混合することができる。この２６０ｐｐｓの混合気のうち、約１．５ｐｐｓの燃料ガス６６混合気が分流することができる。加えて、幾つかの実施形態において、高炉ガス９０だけが燃焼加熱器１２４に向けて分流することができる。これは、上述のように一般にコーク炉ガス８２よりも高炉ガス９０の方が容易に利用可能な場合が多いので、有効であると立証することができる。更に、燃焼加熱器１２４は、発熱量が低いにも関わらず、高炉ガス９０を燃焼するよう構成することができる。

燃料ガス混合気６６の分流部分１２８は、周囲空気１３０と組み合わされ、燃焼加熱器１２４内で燃焼することができる。幾つかの実施形態において、周囲空気１３０の圧力は、燃焼加熱器１２４の上流側の圧縮機１３２内で増大することができる。燃焼加熱器１２４からの高温燃料ガス１３４は、空気予加熱装置１２６内の吸入空気７０を予加熱するのに用いることができ、ガスタービン１２の圧縮機２０内で使用するための加熱吸入空気７２を生成する。換言すると、燃焼加熱器１２４による燃料ガス１３４からの熱は、外部廃熱として用いて、低温の日中に吸入空気７０の温度を例えば約１０°Ｆだけ上昇させるようにすることができる。空気予加熱装置１２６は、燃料ガス１３４から吸入空気７０に熱を伝達するための何らかの適切な熱交換器構成部品とすることができる。

吸入空気７０を低温周囲温度から約１０°Ｆだけ加熱するよう上述したが、この加熱量は、ガスタービン１２、燃料ガスシステム６４、空気加熱システム６８、及びその他の具体的な設計、並びに特定の周囲空気条件及び作動条件に依存することができる。例えば、幾つかの実施形態において、吸入空気７０は、特定の環境に応じて、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０度又はそれ以上だけ加熱することができる。

燃料ガス１３４から吸入空気７０に熱を伝達した後、排気燃料ガス１３６は、ガスタービン１２のタービン１６からの加熱排気ガス３４の流れと組み合わせることができる。排気燃料ガス１３６をガスタービン１２からの加熱排気ガス３４と組み合わせることによって、排気燃料ガス１３６内の熱をＨＲＳＧ３２内で回収することができる。しかしながら、これは、排出燃料ガス１３６内の熱を回収するための実施可能な解決策の１つに過ぎない。例えば、排出燃料ガス１３６は、ＨＲＳＧ３２内の別の場所に注入してもよい。加えて、幾つかの実施形態において、排気燃料ガス１３６は、複合サイクル発電システム１０のボトミングサイクル（例えば、蒸気タービン２２）の異なる給水源との熱統合に利用することができる。更に、他の別の実施形態では、排出燃料ガス１３６は、蒸気吸収式冷却器による冷却作用をもたらすのに用いられ、冷却負荷を用いて複合サイクル発電システム１０の効率を改善することができる。

燃焼加熱器１２４及び空気予加熱装置１２６を用いて、低温周囲条件中に吸入空気７０の温度を上昇させることにより、幾つかの利点をもたらすことができる。例えば、図４に関して説明した燃料ガスシステム６４及びガスタービン１２に関して、全体の熱消費量を維持することができる。しかしながら、燃料ガス６６混合気の質量流量は、分流部分１２８が燃料ガス６６混合気から取り除かれ、吸入空気７０を予加熱するのに使用されることに起因して減少する可能性がある。燃料ガス６６混合気の質量流量の減少は、燃料ガスシステム６４の第１及び第２の圧縮機１１０、１１２による出力使用量が少なくなる結果をもたらすことができる。上述のように、吸入空気７０の温度は、約１０°Ｆだけ上昇することができる。温度の上昇は、吸入空気７０よりも低密度の加熱吸入空気７２をもたらす。従って、ガスタービン１２の圧縮機２０による出力使用量が減少することになる。加えて、加熱吸入空気７２の温度がより高温になると、ガスタービン１２の燃焼室１８内での燃焼をより容易に促進させることができる。また、燃料ガス６６混合気の質量流量が減少するので、機外ブリード空気１２２の量を大幅に低減することができ、機外ブリード空気１２２の当該部分をガスタービン１２での燃焼に利用することができ、これは、ガスタービン１２によって生成される出力の増大をもたらすことができる。更に、排気燃料ガス１３６からの熱の回収は、ＨＲＳＧ３２、ボトミングサイクル（すなわち、蒸気タービン２２）、又は複合サイクル発電システム１０の他の構成部品内での性能向上をもたらすことができる。これらの利点の全ては、複合サイクル発電システム１０の正味出力及び効率の向上につなげることができる。

しかしながら、図５に示すような燃焼加熱器１２４及び関連の空気予加熱装置１２６の使用は、単に、外部廃熱源を利用して低温周囲条件中にガスタービン１２の圧縮機２０に入る吸入空気７０の温度を上昇させる１つの技術に過ぎない。実際に、他の複数の外部廃熱源を利用してもよい。例えば、幾つかの実施形態において、複合サイクル発電システム１０のＨＲＳＧ３２又はボトミングサイクル（すなわち、蒸気タービン２２）からの廃熱は、熱を吸入空気７０に伝達することによって回収することができる。これらの田尾実施形態では、廃熱は、何れかの好適な熱交換器構成部品を用いて吸入空気７０に伝達することができる。加えて、電気ヒーターなどの他の種々の外部廃熱源を用いてもよい。

しかしながら、これらの実施形態の各々において、廃熱は、周囲吸入空気のみに伝達される。換言すると、再循環される排出ガスは、加熱されず、ガスタービン１２の圧縮機２０に供給される。これは主に、周囲吸入空気は一般に、再循環される排出ガスよりも酸素リッチであることに起因する。加えて、他の理由のなかでも特に、このタイプの加熱があまり十分な効率の増大をもたらすことにはならないので、ガスタービン１２の加熱排出ガス３４からの廃熱は、廃熱源として使用されない。むしろ、吸入空気７０を加熱するのに使用される廃熱源は、ガスタービン１２の外部にある。

幾つかの実施形態において、複数の外部廃熱源を用いて、吸入空気７０の温度を上昇させることができる。例えば、図６は、ガスタービン１２、ＨＲＳＧ３２、燃料ガスシステム６４、及び空気加熱システム６８の１つの実施形態の概略流れ図であり、ガスタービン１２の圧縮機２０内に入る吸入空気７０の温度を上昇させるための複数の外部廃熱源１３８の利用を示している。例えば、１つの実施形態において、外部廃熱源＃１は、図５に関して説明された、燃焼加熱器１２４及び関連の空気予加熱装置１２６を含むことができ、外部廃熱源＃２は、ＨＲＳＧ３２の構成部品からの廃熱を含むことができ、更に、外部廃熱源＃Ｎは、複合サイクル発電システム１０のボトミングサイクル（すなわち、蒸気タービン２２）からの廃熱を含むことができる。

空気加熱システム６８が単一の外部廃熱源又は複数の外部廃熱源を含むかどうかに関わらず、コントローラ１４０を用いて、吸入空気７０から伝達される廃熱量を制御することができる。例えば、複数の外部廃熱源が使用される実施形態では、コントローラ１４０は、どの外部廃熱源を利用できるかに関しての優先度を決定するよう構成することができる。加えて、コントローラ１４０は、大気条件に基づき吸入空気７０の加熱を制御するよう構成することができる。

幾つかの実施形態において、コントローラ１４０の１つの態様は、加熱吸入空気７２の温度が実質的に一定に維持されるよう保証することができる。換言すると、加熱吸入空気７２の温度は、ごく少量だけ変化する温度範囲内（例えば、０．５、１、２、３、４、又は５度）に維持することができる。このようにすることによって、ガスタービン１２、並びに燃料ガスシステム６４及び他の関連する機器の動作は、周囲条件に関係なく実質的に一定に保持することができる。他の実施形態では、コントローラ１４０は、例えば、ガスタービン１２の圧縮機２０から出る他のパラメータに基づいて吸入空気７０の加熱を制御することができる。

幾つかの実施形態において、コントローラ１４０は、あらゆる好適なタイプの不揮発性メモリ、揮発性メモリ、又はこれらの組み合わせなどのメモリを含むことができる。メモリは、本明細書で説明される制御機能の何れかを実施するコード／ロジックを含むことができる。更に、コード／ロジックは、ハードウェア、ソフトウェア（有形の機械可読媒体上に記憶されるコードなど）、又はこれらの組み合わせにおいて実装することができる。

本発明の技術的作用は、外部廃熱源を利用してガスタービン１２の圧縮機２０内に入る吸入空気７０を加熱することを含む。例えば、図５に関して上述したように、燃焼加熱器１２４及び関連の空気予加熱装置１２６を用いて、吸入空気７０の温度を上昇させることができる。詳細には、燃料ガス６６混合気の一部１２８は、燃焼加熱器１２４内で燃焼することができ、生成された熱は、吸入空気７０の温度を上昇させるために空気予加熱装置１２６が用いて、加熱吸入空気７２を生成することができる。しかしながら、上述のように、他の複数の外部廃熱源もまた用いることができる。本発明の１つの態様は、低温周囲条件中にガスタービン１２の圧縮機２０からの機外ブリード空気１２２を実質的に低減することである。このようにすることによって、ガスタービン１２並びにガスタービン１２が作動することができる複合サイクル発電システム１０の全体効率を高めることができる。

本明細書で説明される実施形態の各々において、周囲吸入空気７０だけが外部廃熱によって加熱され、ガスタービン１２の圧縮機２０に供給される。換言すると、複合サイクル発電システム１０のプロセスからの排出ガスは、外部廃熱源によって加熱されない。周囲吸入空気７０にのみ外部廃熱源を適用するよう制限することにより、ガスタービン１２の燃焼室１８に供給される酸素含有量を最大にし、より安定した燃焼を可能にすることができる。

開示された実施形態は、低温周囲条件下にて、ガスタービン１２の吸入システムに対して軽微な修正で既存のガスタービン１２運転に利用できる点で、有利とすることができる。例えば、空気加熱システム６８は、ＩＳＯ標準日中温度（５９°Ｆ）よりも低い平均周囲温度の現場位置にて既存のガスタービン１２からのより高い効率及び出力を要望する顧客に対して、ガスタービン１２と一体化して、又はスタンドアロンの改造パッケージとして販売することができる。加えて、開示される実施形態は、複合サイクル発電システム１０においてだけでなく、単一ガスタービン応用において、又は機外ブリード空気１２２を用いることができる他の何れかの応用において実施することができる。更に、上述のように、過剰な外部廃熱を用いて、ＨＲＳＧ３２に入る排出ガス３４の入口温度を上昇させることができ、これにより、ＨＲＳＧ３２及びボトミングサイクル（すなわち、蒸気タービン２２）の効率を高めることができる。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること及びあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

１４負荷
１６タービン
１８燃焼室
２０圧縮機
２４負荷
３６凝縮器
６４燃料ガスシステム
６８空気加熱システム

Claims

タービンエンジン（１２）と、
前記タービンエンジン（１２）の空気入口に結合された空気加熱システム（６８）と、
を備え、
前記空気加熱システム（６８）が、前記タービンエンジン（１２）の外部にある廃熱源（２２、３２、１２４、１２６、１３８）によって生成された廃熱によって前記空気入口に供給される空気（７２）を加熱するよう構成されている、
システム。
前記空気加熱システム（６８）が、燃焼加熱器（１２４）からの廃熱によって前記空気（７２）を加熱するよう構成されている、
請求項１に記載のシステム。
前記燃焼加熱器（１２４）からの廃熱が、高炉ガス（９０）及びコーク炉ガス（８２）のガス混合気を用いることによって生成される、
請求項２に記載のシステム。
前記空気加熱システム（６８）が、熱回収蒸気発生システム（３２）からの廃熱によって前記空気（７２）を加熱
請求項１に記載のシステム。
前記空気加熱システム（６８）が、複合サイクル発電システム（１０）のボトミングサイクル（２２）からの廃熱によって前記空気（７２）を加熱するよう構成されている、
請求項１に記載のシステム。
加熱された前記空気（７２）が、前記タービンエンジン（１２）からの排出ガス（３４）を包含しない、
請求項１に記載のシステム。
前記空気加熱システム（６８）が、前記タービンエンジン（１２）の外部にある複数の廃熱源（２２、３２、１２４、１２６、１３８）からの廃熱によって前記空気（７２）を加熱するよう構成される、
請求項１に記載のシステム。
大気条件に基づき前記空気（７２）の加熱を制御するよう構成されるコントローラ（１４０）を備える、
請求項１に記載のシステム。
タービンエンジン（１２）の外部にある廃熱源（２２、３２、１２４、１２６、１３８）によって生成された廃熱により空気（７２）を加熱する段階と、
前記タービンエンジン（１２）の圧縮機（２０）に加熱空気を供給する段階と、
を含む方法。
複数の廃熱源（２２、３２、１２４、１２６、１３８）によって空気（７２）を加熱する段階を含む。