JP2010216478A

JP2010216478A - 連続複合サイクル作動型発電プラントおよび方法

Info

Publication number: JP2010216478A
Application number: JP2010055242A
Authority: JP
Inventors: Joel Donnell Holt; ジョエル・ドンネル・ホルト; Christopher John Morawski; クリストファー・ジョン・モラウスキ; Michael James O'connor; マイケル・ジェームス・オコナー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-03-16
Filing date: 2010-03-12
Publication date: 2010-09-30
Also published as: US20100229523A1; CN101839175A; EP2423470A2

Abstract

【課題】連続複合サイクル作動型発電プラントおよび方法を提供する。
【解決手段】複合サイクル発電プラント（１００）が、ガスタービン（１０２）と、蒸気タービン（１１０）と、ガスタービン（１０２）に結合される発電機（１０４）と、蒸気タービン（１１０）に結合される発電機（１１２）と、蒸気タービン（１１０）に動作可能に結合される補助ボイラ（１４０）とを含む。この発電プラント（１００）は、初めに蒸気タービン（１１０）を始動させることにより、ガスタービン（１０２）の作動中に複合サイクルモードにおいて連続的に作動される。
【選択図】図１

Description

本発明は、概して、複合サイクル発電プラント技術に関する。より詳細には、本発明は、複合サイクル発電プラントについての連続作動の実施に関する。

複合サイクル発電プラントは、エネルギーを生成するために、ガスタービンおよび蒸気タービンを使用する。効率を高めるために、ガスタービンの排気ガスは、排熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）において蒸気を発生させるために使用され、次いでこの蒸気は、蒸気タービンに供給される。

複合サイクルプラントに関する１つの難点は、蒸気タービンおよびガスタービンが、大きく異なる始動要件を有する点である。始動要件が異なることにより、プラントの始動が全体的に遅れ、それにより、エネルギーの浪費が生じ、非効率的になる。たとえば、プラントの始動の際に、ガスタービンは、常に初めに始動される。これは、少なくとも２つの理由による。第１に、ガスタービンは、比較的小型の機械であり、蒸気タービンよりも迅速に作動状態になる。その結果として、ＨＲＳＧもまた、ガスタービンが始動された直後に作動状態となる。第２に、蒸気タービンを始動させるのに必要な蒸気には、一般的に、ガスタービンが作動状態になることが、すなわち、ガスタービンが作動状態になることによって、ＨＲＳＧが適切な条件で蒸気を発生することが必要となる。しかし、蒸気タービンは、比較的大型の機械であり、作動中の温度変化に対する影響をより被りやすい。その結果、蒸気タービンは、過度なストレスおよびその結果による故障を回避するように、適切に漸進的な態様で暖機されなければならない。この課題に対応するためには、複合サイクル発電プラントは、蒸気タービン温度が変化し得るスピードを制限し、ある期間におけるプラントの始動回数を制限する仕様で、設計されなければならない。さらに、たとえば前方流およびストレスピークへの移行などの、蒸気タービンについての移行点が、時として、熱過渡によるプラントの始動の進行の低速化を余儀なくする。蒸気タービンの始動によって課されるこれらの制約の結果として、（ＨＲＳＧを介する）ガスタービンの排出ガスにより発生される蒸気は、即座に十全には使用することができず、その結果、蒸気タービンの始動の際には、効率は低下する。すなわち、蒸気タービンが始動の際に暖機を行うことにより、ガスタービンがＨＲＳＧからの蒸気の形態の燃料を燃焼することから得られるエネルギーの一部が浪費される（凝縮されて水へと戻される）。複合サイクルプラント全体の始動時間が、悪影響を被る。

複合サイクルの始動時間の課題は、多様な様式で対応されてきた。あるアプローチは、蒸気タービンが暖機される間に、ガスタービンを低負荷に保つ。すなわち、ガスタービンは、その各発電機を完全には駆動させない。この場合には、ガスタービンは、蒸気タービンの準備が整った際にようやく完全に負荷をかけられ、これは非効率的である。別のアプローチにおいては、補助ボイラが、蒸気タービンの予熱およびＨＲＳＧの予熱用に設けられる。この補助ボイラにより行われる予熱は、蒸気タービンを始動させるには不十分である。さらに、このアプローチでは、蒸気タービンがＨＲＳＧによる蒸気の発生を受けることが可能になるまでは、ガスタービンの負荷を低下させる必要があり、これは非効率的である。さらに別のアプローチによれば、始動シーケンスにおいて、ガスタービンから蒸気タービンを「切り離す」ことが企図される。このアプローチにより、蒸気タービンが暖機されて始動される間に、負荷制約をほとんど伴うことなく、ガスタービンを単一サイクルモードで作動させることになる。このアプローチは、蒸気温度制御のための追加の装備、および、蒸気タービンに対するおよび弁の変更／追加を要する。

このため、連続作動可能な改良された複合サイクル発電プラントが求められる。

本開示の第１の態様は、発電機に結合されるガスタービンと、発電機に結合される蒸気タービンと、ガスタービンからの排気から第１の蒸気流を生成するための熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）と、蒸気タービンを始動させるのに適した特性を有する第２の蒸気流を生成するための、蒸気タービンに動作可能に結合される補助ボイラと、蒸気タービンに対する第１の蒸気流の供給を制御するための第１の制御弁と、蒸気タービンに対する第２の蒸気流の供給を制御するための第２の制御弁と、ガスタービンの作動中に、補助ボイラから蒸気タービンに第２の蒸気流を供給するように第２の制御弁を制御することにより蒸気タービンを始動させ、次いで、ガスタービンおよびＨＲＳＧを始動させ、次いで、ＨＲＳＧから蒸気タービンに第１の蒸気流を供給することによって、複合サイクルにおいてこのプラントを連続的に作動させるための制御装置とを備える、複合サイクル発電プラントを提供する。

本開示の第２の態様は、ガスタービンと、蒸気タービンと、ガスタービンに結合される発電機と、蒸気タービンに結合される発電機と、蒸気タービンに動作可能に結合される補助ボイラとを含む複合サイクル発電プラントを提供するステップと、補助ボイラを使用して、蒸気タービンを始動させるのに十分な第１の蒸気流を生成するステップと、ガスタービンを始動させる前に、第１の蒸気流を使用して蒸気タービンを始動させるステップであって、第１の制御弁を制御することを含むステップと、複合サイクルを達成するためにガスタービンを始動させるステップと、ガスタービンからの排気を使用して第２の蒸気流を生成するステップと、蒸気タービンに第２の蒸気流を供給するステップであって、第２の制御弁を制御することを含むステップとを含む方法を提供する。

本開示の第３の態様は、ガスタービンと、蒸気タービンと、ガスタービンに結合される発電機と、蒸気タービンに結合される発電機と、蒸気タービンに動作可能に結合される補助ボイラとを含む複合サイクル発電プラントを提供するステップと、ガスタービンの作動中に、複合サイクルモードにおいて複合サイクル発電プラントを連続的に作動させるステップとを含む方法を提供する。

本開示の実施形態による複合サイクル発電プラントの概略ブロック図である。本開示による一方法の実施形態の流れ図である。

本明細書においては、ガスタービンの作動中に複合サイクルモードにおいて連続的に作動する複合サイクル発電プラントを説明する。

図１を参照すると、本開示の実施形態による例示的な複合サイクル（ＣＣ）発電プラント１００が図示されている（図１に図示されている発電プラントは、説明のために簡略化されていることに留意されたい）。一実施形態においては、発電プラント１００は、発電機１０４に結合される１つまたは複数のガスタービン（ＧＴ）１０２を含む。ガスタービン１０２は、任意の現時点において既知の、もしくは後に開発される（１つまたは複数の）燃料燃焼タービンを含むことができ、発電機１０４は、任意の現時点において既知の、もしくは後に開発される（１つまたは複数の）発電機を含むことができる。ガスタービン１０２により回転シャフト１０６が回転されることによって発電できるように、ガスタービン１０２は、回転シャフト１０６によって発電機１０４に動作可能に結合される。発電プラント１００は、発電機１１２に結合される蒸気タービン（ＳＴ）１１０を含むこともできる。蒸気タービン１１０は、任意の現時点において既知の、または後に開発される燃料燃焼タービンを含むことができ、発電機１１２は、任意の現時点において既知の、または後に開発される発電機を含むことができる。蒸気タービン１１０により回転シャフト１１４が回転されることによって発電できるように、蒸気タービン１１０は、回転シャフト１１４によって発電機１１２に動作可能に結合される。別個の発電機１０４、１１２が図示されているが、両タービン１０２、１１０は、同一の発電機を作動させることが可能である。

ガスタービン１０２からの排気１２４から第１の蒸気流１２２を生成するために、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）１２０を設けることができる。すなわち、ガスタービン１０２からの排気１２４を使用して、水を加熱して、蒸気流１２２を生成し、この蒸気流１２２が、蒸気タービン１１０に供給される。ＨＲＳＧ１２０は、水を加熱して蒸気流１２２に変えるために、排気１２４のエネルギーを変換するための、任意の現時点において既知の、または後に開発される熱交換器を含むことができる。ＨＲＳＧ１２０と蒸気タービン１１０との間のいくつかの蒸気流ラインが、明瞭化のために省略されていることに留意されたい。

蒸気タービンを始動させるのに適する特性を有する第２の蒸気流１４２を生成するための補助ボイラ１４０が、蒸気タービン１１０に動作可能に結合される。任意選択で、必要に応じて、たとえば補助ボイラ１４０により生成される飽和蒸気状態などから蒸気流１４２を過熱するために、過熱器（ＳＨ）１４４を設けることができる。蒸気タービン１１０を始動させるために必要な蒸気流１４２の特性は、蒸気タービンの設計によって大幅に異なることがあり、たとえば特定の範囲の圧力、温度、流量などを含むことがある。たとえば、蒸気タービン１１０は、１時間当たり約６０，０００ポンド（ｌｂｓ．）以上の蒸気からなる補助ボイラからの蒸気流１４２、および／または約４００ｆｔ^３／ｍｉｎ以上の蒸気からなる蒸気流を使用することによって始動することができる。代替としては、蒸気流１４２の特性を、この蒸気タービンに関するフル稼働時蒸気流量に関連して述べることも可能である。たとえば、蒸気タービン１１０は、この蒸気タービンに関するフル稼働時蒸気流量の約５％（＋／−０．５％）である補助ボイラからの蒸気流を使用することによって始動することができる。前述の点に鑑みて、および蒸気タービン１１０を始動させるために必要な蒸気流１４２のこれらの特性が当業者による判断の範囲内に十分に含まれることに鑑みて、本明細書においては、特定の特性をさらには説明しない。蒸気タービン１１０および／またはＨＲＳＧ１２０を予熱するために使用される従来の補助ボイラとは異なり、補助ボイラは、かなり大型である。たとえば、補助ボイラ１４０は、１時間当たり約１００，０００ｌｂｓを出力することが可能であり、これは、蒸気タービン１１０および／またはＨＲＳＧ１２０を予熱するために使用される補助ボイラの３倍の規模となる。

さらに、発電プラント１００は、蒸気タービン１１０に対する第１の蒸気流１２２の供給を制御するための第１の制御弁１５０と、蒸気タービンに対する第２の蒸気流１４２の供給を制御するための第２の制御弁１５２とを含む。第１および第２の制御弁１５０、１５２は、少なくとも電気油圧式に制御することが可能な、および、中を通過する蒸気の条件に耐えることが可能な、任意の現時点において既知の、または後に開発される制御弁を含むことができる。

制御装置１６０が、発電プラント１００の作動を制御し、とりわけ、ガスタービン１０２の作動中に、補助ボイラ１４０から蒸気タービンに第２の蒸気流１４２を供給するように第２の制御弁１５２を制御することにより蒸気タービン１１０を始動させ、次いで、ガスタービン１０２およびＨＲＳＧ１２０を始動させ、次いで、ＨＲＳＧ１２０から蒸気タービンに第１の蒸気流１２２を供給することによって、複合サイクルにおいてこのプラントを連続的に作動させる（制御装置１６０から各構成要素への連結ラインが、明瞭化のために省略されている）。制御装置１６０は、各構成要素に電気的にリンクされ、たとえば制御弁１５０、１５２などの、各構成要素の作動を制御する任意の機構を制御することが可能なコンピュータ制御システムを含むことができる。

図２を参照すると、本発明の実施形態による方法をさらに示す流れ図が示されている。プロセスＰ１０において、補助ボイラ１４０は、蒸気タービン１１０を始動させるのに十分な蒸気流１４２を生成する。従来のＣＣ発電プラントの始動とは異なり、プロセスＰ１２において、蒸気タービン１１０は、ガスタービン１０２を始動させる前に、蒸気流１４２を使用することによって始動される。蒸気タービン１１０の始動は、制御装置１６０によって制御できるような、温度調節のために蒸気を供給することによる予熱、他の制御弁の開口、回転シャフト１１４の回転の開始など、他の任意の従来の技術を含むことができる。一実施形態においては、蒸気タービン１１０は、過熱器１４４によって過熱できる中圧（ＩＰ）蒸気（たとえば約１５０〜８００ＰＳＩ）を使用することによって始動される。次いで、プロセスＰ１４において、ガスタービン１０２は、複合サイクルを達成するように始動される。ガスタービン１０２は、制御装置１６０によって制御できるような、燃料供給弁の開口、点火プロトコルの実行、回転シャフト１０４の回転の開始など、他の任意の従来の技術を使用することによって始動することができる。ガスタービン１０２が、作動状態になると、ＨＲＳＧ１２０は、蒸気を発生させ始め、その後に、蒸気ラインを予熱することができ、蒸気温度を限度内で確立することができる。プロセスＰ１６において、ガスタービン１０２からの排気１２４を利用して、（ＨＲＳＧ１２０に供給することにより）蒸気流１２２を生成することができ、次いで、この蒸気流１２２は、制御弁１５０を介して蒸気タービン１１０に供給することができる。

蒸気タービン１１０が、ガスタービン１０２の始動前に始動されることにより、発電プラント１００は、ガスタービンの作動中に複合サイクルモードにおいて連続的に作動する。その結果、ＨＲＳＧ１２０を介してガスタービン１０２により生成される蒸気流１２２からの利用可能なエネルギーを浪費させる必要があるという問題が解消される。さらに、プラント始動時間全体が短縮されるとともに、始動効率が高められ、１日当たりの全熱消費率が改善され、これにより、複合サイクル発電プラント１００の競争力が、より高められ、複合サイクル発電プラント１００を、さらに多くの頻度で作動させることが可能となる。

本明細書において、「第１の」、「第２の」などの語は、いかなる順序、量、または重要度も示さず、ある要素を別の要素と区別するために使用される。本明細書において、「１つの（ａ、ａｎ）」という語は、量の限定を意味せず、参照されるアイテムが少なくとも１つ存在することを示す。量に関連して使用される「約」という修飾語は、述べられた値を含み、文脈により指示される意味を有する（たとえば、特定量の測定値に関連付けされる誤差の程度を含む）。本明細書において使用される際に、「（１つまたは複数の）（ｓ）」という接尾語は、それが修飾する語の単数および複数の両方を含むように意図され、したがって、１つまたは複数のその被修飾語を含む（たとえば、「（１つまたは複数の）金属（ｍｅｔａｌ（ｓ））」は、１つまたは複数の金属を含む）。本明細書において開示される範囲は、包括的なものであり、別個に組み合わせることが可能である（たとえば、「最大約２５重量％まで、またはより具体的には、約５重量％から約２０重量％まで」の範囲は、「約５重量％から約２５重量％まで」の範囲の端点およびすべての中間値を包括する、といった具合である）。

本明細書において種々の実施形態を説明したが、当業者は、それらの実施形態における要素のさまざまな組合せ、変更、または改良などを行うことが可能であり、それらの要素のさまざまな組合せ、変更、または改良が、本発明の範囲内に含まれることが、本明細書から理解できるであろう。さらに、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、ある特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるために、多数の修正を行うことができる。したがって本発明は、本発明を実施するために予期される最良の実施形態として開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、添付の特許請求の範囲内に含まれるすべての実施形態を含むことが意図されている。

１００発電プラント
１０２ガスタービン
１０４発電機
１０６回転シャフト
１１０蒸気タービン
１２２第１の蒸気流
１２４排気
１２０排熱回収蒸気発生器
１４０補助ボイラ
１４２第２の蒸気流
１４４過熱器
１５０第１の制御弁
１５２第２の制御弁
１６０制御装置

Claims

複合サイクル発電プラント（１００）であって、
発電機（１０４）に結合されるガスタービン（１０２）と、
発電機（１１２）に結合される蒸気タービン（１１０）と、
前記ガスタービン（１０２）からの排気（１２４）から第１の蒸気流（１２２）を生成するための熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）（１２０）と、
前記蒸気タービン（１１０）を始動させるのに適した特性を有する第２の蒸気流（１４２）を生成するための、前記蒸気タービン（１１０）に動作可能に結合される補助ボイラ（１４０）と、
前記蒸気タービン（１１０）に対する前記第１の蒸気流（１２２）の供給を制御するための第１の制御弁（１５０）と、
前記蒸気タービン（１１０）に対する前記第２の蒸気流（１４２）の供給を制御するための第２の制御弁（１５２）と、
前記ガスタービン（１０２）の作動中に、
前記補助ボイラ（１４０）から前記蒸気タービン（１１０）に前記第２の蒸気流（１４２）を供給するように前記第２の制御弁（１５２）を制御することによって前記タービン（１１０）を始動させ、
次いで前記ガスタービン（１０２）および前記ＨＲＳＧ（１２０）を始動させ、
次いで前記ＨＲＳＧ（１２０）から前記蒸気タービン（１１０）に前記第１の蒸気流（１２２）を供給すること
によって、複合サイクルモードにおいて当該発電プラント（１００）を連続的に作動させるための制御装置（１６０）と
を備える、複合サイクル発電プラント（１００）。
前記蒸気タービン（１１０）が、１時間当たり約１００，０００ｌｂｓ．以上の蒸気からなる、前記補助ボイラ（１４０）からの蒸気流を使用することによって始動する、請求項１記載の発電プラント。
前記蒸気タービン（１１０）が、前記蒸気タービン（１１０）に関するフル稼働時蒸気流量の約５％である、前記補助ボイラ（１４０）からの蒸気流を使用することによって始動する、請求項１記載の発電プラント。
前記補助ボイラ（１４０）が、１時間当たり約１００，０００ｌｂｓ．を出力する、請求項１記載の発電プラント。
ガスタービン（１０２）と、蒸気タービン（１１０）と、前記ガスタービン（１０２）に結合される発電機（１０４）と、前記蒸気タービン（１１０）に結合される発電機（１１２）と、前記蒸気タービン（１１０）に動作可能に結合される補助ボイラ（１４０）とを含む複合サイクル発電プラント（１００）を提供するステップと、
前記補助ボイラ（１４０）を使用して、前記蒸気タービン（１１０）を始動させるのに十分な第１の蒸気流（１２２）を生成するステップと、
前記ガスタービン（１０２）を始動させる前に、前記第１の蒸気流（１２２）を使用して前記蒸気タービン（１１０）を始動させるステップであって、第１の制御弁（１５０）を制御することを含むステップと、
複合サイクルを達成するために前記ガスタービン（１０２）を始動させるステップと、
前記ガスタービン（１０２）からの排気（１２４）を使用して、第２の蒸気流（１４２）を生成するステップと、
前記蒸気タービン（１１０）に前記第２の蒸気流（１４２）を供給するステップであって、第２の制御弁（１５２）を制御することを含むステップと
を含む、方法。
前記排気（１２４）を使用する前記ステップが、熱回収蒸気発生器（１０４）に前記排気（１２４）を供給するステップを含む、請求項５記載の方法。
前記蒸気タービン（１１０）が、１時間当たり約６０，０００ｌｂｓ．以上の蒸気からなる、前記補助ボイラ（１４０）からの蒸気流を使用することによって始動する、請求項５記載の方法。
前記蒸気タービン（１１０）が、前記蒸気タービン（１１０）に関するフル稼働時蒸気流量の約５％である、前記補助ボイラ（１４０）からの蒸気流を使用することによって始動する、請求項５記載の方法。
前記補助ボイラ（１４０）が、１時間当たり約１００，０００ｌｂｓ．を出力する、請求項５記載の方法。
ガスタービン（１０２）と、蒸気タービン（１１０）と、前記ガスタービン（１０２）に結合される発電機（１０４）と、前記蒸気タービン（１１０）に結合される発電機（１１２）と、前記蒸気タービン（１１０）に動作可能に結合される補助ボイラ（１４０）とを含む複合サイクル発電プラント（１００）を提供するステップと、
前記ガスタービン（１０２）の作動中に、複合サイクルモードにおいて前記発電プラント（１００）を連続的に作動させるステップと
を含む、方法。
連続的に作動させる前記ステップが、
前記補助ボイラ（１４０）を使用して、前記蒸気タービン（１１０）を始動させるのに十分な第１の蒸気流（１２２）を生成するステップと、
前記ガスタービン（１０２）を始動させる前に、前記第１の蒸気流（１２２）を使用して前記蒸気タービン（１１０）を始動させるステップと、
複合サイクル作動を開始するために、前記ガスタービン（１０２）を始動させるステップと
を含む、請求項１０記載の方法。
第２の蒸気流（１４２）を生成するために、前記ガスタービン（１０２）からの排気（１２４）を使用するステップと、
前記蒸気タービン（１１０）に前記第２の蒸気流（１４２）を供給するステップと
をさらに含む、請求項１１記載の方法。
前記排気（１２４）を使用する前記ステップは、熱回収蒸気発生器（１０４）に前記排気（１２４）を供給するステップを含む、請求項１２記載の方法。
前記蒸気タービン（１１０）が、１時間当たり約１００，０００ｌｂｓ．以上の蒸気からなる、前記補助ボイラ（１４０）からの蒸気流を使用することによって始動する、請求項１１記載の方法。
前記蒸気タービン（１１０）が、前記蒸気タービン（１１０）に関するフル稼働時蒸気流量の約５％である、前記補助ボイラ（１４０）からの蒸気流を使用することによって始動する、請求項１１記載の方法。