JP2010249132A

JP2010249132A - ハイブリッド・パワー・プラントを伴うシステム

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Publication number: JP2010249132A
Application number: JP2010088258A
Authority: JP
Inventors: Mark S Schroder; マーク・スチュワート・シュローダー; Joseph Alexander Michael; マイケル・ジョセフ・アレクサンダー; Scott Francis Johnson; スコット・フランシス・ジョンソン; David August Snider; デヴィッド・オーガスト・スナイダー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-04-14
Filing date: 2010-04-07
Publication date: 2010-11-04
Also published as: EP2423461A3; EP2423461A2; US20100257837A1; CN101865031A

Abstract

【課題】ハイブリッド・パワー・プラントにおける効率的なパワー発生。
【解決手段】システムが、上流側吸気ダクト部分（１０１）を有する第１の熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）（１０２）と、第１の排気ダクトに接続された第１のガス・タービン・エンジン（１０６）であって、第１の排気ダクトは、第１のガス・タービン・エンジン（１０６）から出た排気を第１のＨＲＳＧ（１０２）の上流側吸気ダクト部分（１０１）に出力するように動作する第１のガス・タービン・エンジン（１０６）と、第２の排気ダクトに接続された第２のガス・タービン・エンジン（１０４）であって、第２の排気ダクトは、第２のガス・タービン・エンジン（１０４）から出た排気を第１のＨＲＳＧ（１０６）の上流側吸気ダクト部分（１０１）に出力するように動作する第２のガス・タービン・エンジン（１０４）と、を備える。
【選択図】図１

Description

本明細書で開示する主題はパワー発生に関し、より詳細にはハイブリッド・パワー・プラントにおけるパワー発生に関する。

蒸気タービンを用いるパワー・プラントは、ガス・タービン・エンジンを備えていることが多い。ガス・タービン・エンジンは、プラントを低温始動させる間に用いること、およびプラント動作中のパワー発生を増加させるために用いることがある。ハイブリッド・プラントでは、ガス・タービン・エンジンから出る排気を熱サイクル内に取り入れて、プラントの蒸気発生の効率を増加させる場合がある。ガス・タービンの動作仕様（たとえば、排気温度、燃料消費量、および排出量）は、ハイブリッド・プラントの効率に影響を及ぼす。

米国特許第６，６０６，８４８号明細書

ハイブリッド・パワー・プラントにおける効率的なパワー発生が求められる。

本発明の一態様によれば、システムが、上流側吸気ダクト部分を有する第１の熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）と、第１の排気ダクトに接続された第１のガス・タービン・エンジンであって、第１の排気ダクトは、第１のガス・タービン・エンジンから出た排気を第１のＨＲＳＧの上流側吸気ダクト部分に出力するように動作する第１のガス・タービン・エンジンと、第２の排気ダクトに接続された第２のガス・タービン・エンジンであって、第２の排気ダクトは、第２のガス・タービン・エンジンから出た排気を第１のＨＲＳＧの上流側吸気ダクト部分に出力するように動作する第２のガス・タービン・エンジンと、を備える。

本発明の別の態様によれば、システムが、上流側吸気ダクト部分を有する第１の熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）と、第１の排気ダクトに接続された第１のガス・タービン・エンジンであって、第１の排気ダクトは、第１のガス・タービン・エンジンから出た排気を第１のＨＲＳＧの上流側吸気ダクト部分に出力するように動作する第１のガス・タービン・エンジンと、第１のガス・タービン・エンジンの出力排気を加熱するように動作するダクト・バーナー部分と、第２の排気ダクトに接続された第２のガス・タービン・エンジンであって、第２の排気ダクトは、第２のガス・タービン・エンジンから出た排気を第１のＨＲＳＧの上流側吸気ダクト部分に出力するように動作する第２のガス・タービン・エンジンと、を備える。

本発明のさらに別の態様によれば、システムが、上流側吸気ダクト部分と下流側吸気ダクト部分とを有する第１の熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）と、第１のＨＲＳＧの上流側吸気ダクト部分に排気を出力するように動作する第１のガス・タービン・エンジンであって、第１のガス・タービン・エンジンから出た排気は第１のＨＲＳＧを第１の温度まで加熱するように動作する第１のガス・タービン・エンジンと、第１のＨＲＳＧの上流側吸気ダクト部分に排気を出力するように動作する第２のガス・タービン・エンジンであって、第２のガス・タービン・エンジンから出た排気は第１のＨＲＳＧを第２の温度まで加熱するように動作する第２のガス・タービン・エンジンと、を備える。

これらおよび他の優位性および特徴が、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。

ハイブリッド・パワー・システムの代表的な実施形態である。ハイブリッド・パワー・システムの代替的な代表的な実施形態である。ハイブリッド・パワー・システムの別の代替的な代表的な実施形態である。ハイブリッド・プラントのシミュレートされた出力のグラフである。

詳細な説明において、本発明の実施形態を、優位性および特徴とともに、図面を参照して一例として説明する。

ハイブリッド・プラントは、パワーを発生させるために発電機に接続された重構造（ｈｅａｖｙｆｒａｍｅ）の航空転用（ａｅｒｏｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）ガス・タービン・エンジンを備える。航空転用ガス・タービン・エンジンを、たとえば、ピーク消費電力の期間中に用いて、蒸気タービンが発生させるパワーを増加させる場合がある。蒸気タービンとガス・タービン・エンジンとを有するハイブリッド・パワー・プラントは、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）を組み込んでいる場合がある。熱回収蒸気発生器は、航空転用ガス・タービン・エンジンの排気ガスから得られる熱を用いて付加的な蒸気を発生させ、蒸気タービンにパワー供給するものである。航空転用ガス・タービン・エンジンから出た排気ガスを用いることによって、部分負荷においてハイブリッド・プラントの効率が増加するとともに、パワー・プラントの充填および排出の間の燃料消費量および汚染が減る場合がある。

典型的なプラントの低温始動の間、重構造ガス・タービン・エンジンを低温のＨＲＳＧの予熱に適した状態で動作させると、望ましくないレベルの汚染物質が排出される結果になる。航空転用ガス・タービン・エンジンを、排気温度を低温のＨＲＳＧの予熱に適したレベルまで下げる動作パラメータで用いると、望ましくない汚染物質排出レベルが効率的に減少する。

ハイブリッド・プラントに対する低温始動手順の間、航空転用ガス・タービン・エンジンから出た排気を用いてＨＲＳＧを予熱する。ＨＲＳＧの予熱は低温のＨＲＳＧから始まる。低温のＨＲＳＧを、航空転用ガス・タービン・エンジンから出た排気によって徐々に加熱することを、ＨＲＳＧが通常の動作温度に達するまで行なう。ＨＲＳＧを予熱するように航空転用ガス・タービンを動作させることによって、重構造が低負荷で動作する時間が短くなるため、望ましくない汚染物質の総パワー・プラント排出量が減少する。ＨＲＳＧの始動および通常動作における動作温度を規定するために用いるパラメータは通常、特定のプラントおよび付随するシステム構成要素の設計仕様によって規定される。たとえば、プラントの蒸気タービンのデザインによって、ＨＲＳＧを動作させるために用いる仕様が規定されることが多い。ハイブリッド・プラントを効率的に予熱および動作させるためのシステムについて以下に述べる。

図１に、ハイブリッド・パワー・システム１００の代表的な実施形態を例示する。システムは、上流側吸気ダクト部分１０１と下流側吸気ダクト部分１０３とを有するＨＲＳＧ１０２、重構造ガス・タービン・エンジン１０４、軽構造（ｌｉｇｈｔｆｒａｍｅ）ガス・タービン・エンジン１０６、蒸気タービン１０８、凝縮器１１０、空気吸入口１１２、交流発電機／発電機１１４、交流発電機／発電機１１６、配電網１０５、上流側吸気ダクト・ダンパ１１８、下流側吸気ダクト・ダンパ１２０、およびバイパス煙突１２２を備える。

システム１００は多くの異なるモードで動作しても良い。たとえば、低温プラント始動、通常動作、ならびにピーク出力動作およびターンダウン動作などである。典型的な低温プラント始動手順では、システム１００は低温の非動作プラントから始まる。軽構造ガス・タービン・エンジン１０６を、上流側吸気ダクト・ダンパ１１８と下流側吸気ダクト・ダンパ１２０とが閉じた状態で始動させる。バイパス煙突１２２は開いている。周囲空気を、空気吸入口１１２によって受け取って、燃料と混合して、軽構造ガス・タービン・エンジン１０６において燃焼させる。交流発電機／発電機１１６を稼働状態にして、交流発電機／発電機１１６から得られるパワーを送電網１０５に送っても良い。軽構造ガス・タービン・エンジン１０６から出た排気をバイパス煙突１２２から出力させる。上流側吸気ダクト・ダンパ１１８を開けて、バイパス煙突１２２を閉じ、軽構造ガス・タービン・エンジン１０６から出た排気をＨＲＳＧ１０２の上流側吸気ダクト部分１０１に送る。軽構造ガス・タービン・エンジン１０６から出た排気が、ＨＲＳＧ１０２および／または蒸気タービンの予熱を開始する。

軽構造ガス・タービン・エンジン１０６は、効率的にかつ汚染排出量が低い状態で動作する一方で、排気ガスをＨＲＳＧ１０２および付随する蒸気タービンの予熱温度仕様内の温度で出力するようにデザインされている。いったんＨＲＳＧ１０２が、軽構造ガス・タービン・エンジン１０６の排気温度に付随する温度閾値まで予熱されると、重構造ガス・タービン・エンジン１０４が始動する。重構造ガス・タービン・エンジン１０４は、効率的にかつ軽構造ガス・タービン・エンジン１０６よりも高い排気温度で動作するとともに、ＨＲＳＧ１０２の上流側吸気ダクト部分１０１内により高い温度の排気を出力する。いったん重構造ガス・タービン・エンジン１０４が所望の周波数で動作していれば、交流発電機／発電機１１４を稼働状態にして送電網１０５にパワーを送出しても良く、軽構造ガス・タービン・エンジン１０６を停止しても良く、上流側吸気ダクト・ダンパ１１８を閉じる。重構造ガス・タービン・エンジン１０４の排気は、引き続きＨＲＳＧ１０２を予熱する。いったんＨＲＳＧ１０２が所望の温度まで予熱されたら、ＨＲＳＧ１０２は蒸気タービン１０８に対する蒸気を生成しても良い。通常動作では、蒸気タービン１０８はシステム１００内の別のボイラー（図示せず）から蒸気を受け取っても良く、重構造ガス・タービン・エンジン１０４を停止させても良い。あるいは、重構造ガス・タービン・エンジン１０４を動作させ続けて、送電網１０５および排気ガスにパワーを与え、ＨＲＳＧ１０２を加熱しても良い。

ピーク動作時には、軽構造ガス・タービン・エンジン１０６を交流発電機／発電機１１６とともに用いて、付加的なパワーを送電網１０５に与えても良い。ピーク動作時には、重構造ガス・タービン・エンジン１０４が効率的に動作して、交流発電機／発電機１１４を回転させ、排気をＨＲＳＧ１０２の上流側吸気ダクト部分１０１に出力している。軽構造ガス・タービン・エンジン１０６は、上流側吸気ダクト・ダンパ１１８および下流側吸気ダクト・ダンパ１２０が閉じてバイパス煙突１２２が開いている状態で始動させる。いったん軽構造ガス・タービン・エンジン１０６が所望の出力で動作していれば、下流側吸気ダクト・ダンパ１２０を開けて、バイパス煙突１２２を閉じ、軽構造ガス・タービン・エンジン１０６から出た排気をＨＲＳＧ１０２の下流側吸気ダクト部分１０３へ送る。

軽構造ガス・タービン・エンジン１０６と重構造ガス・タービン・エンジン１０４とがそれぞれ効率的な出力レベルで動作しているとき、ガス・タービン・エンジンの排気温度は異なっている。通常、所望の効率で動作している軽構造ガス・タービン・エンジン１０６の排気温度は、所望の効率で動作している重構造ガス・タービン・エンジン１０４の温度よりも低い。軽構造ガス・タービン・エンジン１０６の低温排気を送って、重構造ガス・タービン・エンジン１０４の高温排気とＨＲＳＧ１０２の上流側吸気ダクト部分１０１で混合することは望ましくない。なぜならば、軽構造ガス・タービン・エンジン１０６の低温排気によって、重構造ガス・タービン・エンジン１０４の高温排気の有効性が低下するからである。重構造ガス・タービン・エンジン１０４から出た排気がＨＲＳＧ１０２を通って下流へ流れるときに、排気はＨＲＳＧ１０２内で蒸気を発生させることによって温度が下がる。最終的に、重構造ガス・タービン・エンジン１０４から出た排気は、軽構造ガス・タービン・エンジン１０６の排気の温度に効果的にマッチする温度に達する。重構造ガス・タービン・エンジン１０４から出た排気が軽構造ガス・タービン・エンジン１０６の排気の温度に効果的にマッチする温度に達する領域は、ＨＲＳＧ１０２の下流側吸気ダクト部分１０３に対する入力領域である。

その結果、重構造ガス・タービン・エンジン１０４の排気は軽構造ガス・タービン・エンジン１０６の排気と、ＨＲＳＧ１０２の下流側吸気ダクト部分１０３において類似の温度で混合する。軽構造ガス・タービン・エンジン１０６の排気を送って、重構造ガス・タービン・エンジン１０４の排気と、ＨＲＳＧ１０２内で排気温度がマッチする領域において混合することによって、重構造ガス・タービン・エンジン１０４と軽構造ガス・タービン・エンジン１０６とは、効率的な出力レベルで動作することができ、送電網１０５にパワーが送られ、ＨＲＳＧ１０２に排気ガスが効率的に与えられる。

図２に、ハイブリッド・パワー・システムの代替的な代表的な実施形態を例示する。システム２００は前述のシステム１００に類似しており、第２のＨＲＳＧ１０２が第２の重構造ガス・タービン・エンジン１０４と交流発電機／発電機１１４とに接続されている。動作時には、システム２００は、システム１００と同様に動作し、ＨＲＳＧ１０２（とともに重構造ガス・タービン・エンジン１０４および交流発電機／発電機１１４）の組み合わせを単独でまたは一列に並べて用いて動作しても良い。

図３に、ハイブリッド・パワー・システムの別の代替的な代表的な実施形態を例示する。システム３００は前述のシステム１００に類似するものであり、ダクト・バーナー１２４を備えているが、図１の下流側吸気ダクト部分１０３と下流側吸気ダクト・ダンパ１２０とは備えていなくても良い。ダクト・バーナー１２４は、図１の軽構造ガス・タービン・エンジン１０６の排気経路内に配置されている。ダクト・バーナーによって、ガス・タービン・エンジン１０６から出る排気流の温度を上げて、ガス・タービン・エンジン１０４の排気流温度にマッチさせても良い。結果として生じる混合排気流の温度は所定の設計点温度に維持され、最適なＨＲＳＧ蒸気製造が実現される。

前述した実施形態では典型的なシステムを示している。他の実施形態では、ガス・タービン・エンジン、ＨＲＳＧ、および蒸気タービンの種々の組み合わせを含んでいても良い。実施形態は、たとえば１つまたは２つのＨＲＳＧには限定されず、しかし任意の数のＨＲＳＧ、ガス・タービン・エンジン、および付随する機器を含んでいても良い。用語軽構造および重構造ガス・タービン・エンジンは、限定するものではなく、説明を目的として使用されている。たとえば所望の設計仕様を有する重構造ガス・タービン・エンジンの代わりに、軽構造ガス・タービン・エンジンを用いても良い。同様に、用途によっては、軽構造ガス・タービン・エンジンの代わりに、ガス・タービン・エンジンの航空転用分岐内で用いても良い重構造ガス・タービン・エンジンまたは他の任意のガス・タービン・エンジンを用いても良い。

図４に、前述した実施形態に類似するハイブリッド・プラントのシミュレートした出力のグラフを例示する。グラフでは、出力をキロワット（ｋＷ）で、発熱率を英国熱量単位／キロワット時間（Ｂｔｕ／ＫＷｈ）で、および入熱を（ＭＭＢｔｕ／ｈｒ）で例示する。プラント複合発熱率関数は、ハイブリッド・プラントの実施形態の発熱率をｋＷの関数として示すものである。１００、０００ｋＷ未満では、プラントは、軽構造ガス・タービン・エンジン１０６が稼働状態で動作して、低温プラントからパワーを発生させる。約１２５、０００ｋＷにおいて、重構造ガス・タービン・エンジン１０４が稼働状態になって、軽構造ガス・タービン動作とヘビー・デューティ・ガス・タービン動作との間の移行が始まる。その後、軽構造ガス・タービン・エンジン１０６を非稼働状態にしても良い。ピーク動作が約５２５、０００ｋＷに示されている。ここでは、軽構造ガス・タービン・エンジン１０６が稼働状態になって、システムのピーク・パワー出力が増加している。グラフの下部の関数は、システムの入熱をｋＷの関数として例示している。非複合プラント発熱率の関数を例示している。これは、軽構造ガス・タービン・エンジン１０６を用いないときのシステムの発熱率を表わしている。約１００、０００ｋＷにおける非複合プラント発熱率はプラント複合物発熱率よりも高く、非複合プラントは１００、０００ｋＷ未満ではパワーを発生させない。なぜならば、軽構造ガス・タービン・エンジン１０６が動作していないからである。また非複合プラントの上端のｋＷ出力は、複合プラントよりも低い。

図４に示す関数が例示しているのは、前述したシステムの実施形態によって、軽構造ガス・タービン・エンジン１０６が動作しているときにプラント始動からの効率の増加が得られること、および軽構造ガス・タービン・エンジン１０６と重構造ガス・タービン・エンジン１０４との両方が動作しているときにピーク・プラント出力の増加が得られることである。パワー・システムにおいて軽構造および重構造ガス・タービンの両方を用いることによって、柔軟性、システム効率の増加が得られ、汚染総排出量の低下がより広いパワー出力範囲に渡って得られる。

動作時には、図３のシステム３００の低温プラント始動手順は、ダクト・バーナーが非稼働状態で、図１のシステム１００の低温プラント始動手順と同様である。ピーク動作時には、重構造ガス・タービン・エンジン１０４と軽構造ガス・タービン・エンジン１０６とが効率的な出力レベルで動作する。上流側吸気ダクト・ダンパ１１８を開けて、ダクト・バーナーを始動させる。ダクト・バーナーは、燃料を、軽構造ガス・タービン・エンジン１０６から出た排気と混合して混合物を燃焼させる。その結果、軽構造ガス・タービン・エンジン１０６から出た排気の温度が上がって、重構造ガス・タービン・エンジン１０４の排気の温度と効果的にマッチする。重構造ガス・タービン・エンジン１０４の排気は、軽構造ガス・タービン・エンジン１０６の排気とＨＲＳＧ１０２の上流側吸気ダクト部分１０１内で混合し、排気混合物が、ＨＲＳＧ１０２を通って流れてＨＲＳＧ１０２内で蒸気を発生させる。ダクト・バーナー１２４を用いた軽構造ガス・タービン・エンジン１０６の排気の加熱を、軽構造ガス・タービン・エンジン１０６の排気を重構造ガス・タービン・エンジン１０４の排気と混合する前に行なうことによって、ＨＲＳＧ１０２が効率的に動作することが可能になり、一方で、軽構造ガス・タービン・エンジン１０６と重構造ガス・タービン・エンジン１０４との両方がピーク効率時の動作レベルで動作する。

本発明を、限られた数の実施形態のみに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形、変更、代用、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のみによって限定される。

Claims

上流側吸気ダクト部分（１０１）を有する第１の熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）（１０２）と、第１の排気ダクトに接続された第１のガス・タービン・エンジン（１０６）であって、第１の排気ダクトは、第１のガス・タービン・エンジン（１０６）から出た排気を第１のＨＲＳＧ（１０２）の上流側吸気ダクト部分（１０１）に出力するように動作する第１のガス・タービン・エンジン（１０６）と、第２の排気ダクトに接続された第２のガス・タービン・エンジン（１０４）であって、第２の排気ダクトは、第２のガス・タービン・エンジン（１０４）から出た排気を第１のＨＲＳＧ（１０６）の上流側吸気ダクト部分（１０１）に出力するように動作する第２のガス・タービン・エンジン（１０４）と、を備えるシステム。
前記システムは、第１のガス・タービン・エンジン（１０６）に接続された排気ダクトであって、第１のガス・タービン・エンジン（１０６）から出た排気を第１のＨＲＳＧ（１０６）の下流側吸気ダクト部分（１０３）に出力するように動作する排気ダクトをさらに備える請求項１に記載のシステム。
前記システムは、上流側吸気ダクト部分（１０１）を有する第２のＨＲＳＧ（１０６）をさらに備える請求項１に記載のシステム。
前記システムは、第１のガス・タービン・エンジン（１０６）に接続された排気ダクトであって、第１のガス・タービン・エンジン（１０６）から出た排気を第２のＨＲＳＧ（１０２）の上流側吸気ダクト部分（１０１）に出力するように動作する排気ダクトをさらに備える請求項３に記載のシステム。
前記システムは、第２のガス・タービン・エンジン（１０４）に接続された排気ダクトであって、第２のガス・タービン・エンジン（１０４）から出た排気を第２のＨＲＳＧ（１０２）の上流側吸気ダクト部分（１０１）に出力するように動作する排気ダクトをさらに備える請求項３に記載のシステム。
前記システムは、第１のガス・タービン・エンジン（１０６）に接続された排気ダクトであって、第１のガス・タービン・エンジン（１０６）から出た排気を第２のＨＲＳＧ（１０２）の下流側吸気ダクト部分（１０３）に出力するように動作する排気ダクトをさらに備える請求項３に記載のシステム。
第１のガス・タービン・エンジン（１０６）から第１のＨＲＳＧ（１０２）の上流側吸気ダクト部分（１０１）への出力排気は、第１のＨＲＳＧ（１０２）を加熱するように動作する請求項１に記載のシステム。
第２のガス・タービン・エンジン（１０４）から第１のＨＲＳＧ（１０２）の上流側吸気ダクト部分（１０１）への出力排気は、第１のＨＲＳＧ（１０２）を加熱するように動作する請求項１に記載のシステム。
第１のガス・タービン・エンジン（１０６）から第１のＨＲＳＧ（１０２）の下流側吸気ダクト部分（１０３）への出力排気の温度は、第２のガス・タービン・エンジン（１０４）から第１のＨＲＳＧ（１０２）の上流側吸気ダクト部分（１０１）への出力排気の温度よりも低い請求項１に記載のシステム。