JP2010249502A - 複合サイクルプラントを含むシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】いくつかの熱エネルギー源を用いて蒸気を発生させ、複合サイクルプラントの効率を高めるシステムおよび方法を提供する
【解決手段】蒸気の供給源から蒸気を受け入れ、蒸気の供給源に水を出力する働きをする第１の排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）と、蒸気の供給源から蒸気を受け入れ、蒸気の供給源に水を出力する働きをする第２のＨＲＳＧと、第１のＨＲＳＧから蒸気の供給源に出力される水の流量を調節する働きをする第１の水流量制御弁と、第２のＨＲＳＧから蒸気の供給源に出力される水の流量を調節する働きをする第２の水流量制御弁とを備えている。
【選択図】図１

Description

本明細書に開示される主題は発電に関し、具体的には、複合サイクルシステムに関する。

複合サイクル発電プラントは、いくつかの熱エネルギー源を用いて蒸気を発生させることができる。例えばガスタービン発電機は、排気を排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）に出力して蒸気を発生させることができる。その蒸気によって、発電機に接続されたタービンを駆動することができる。他の熱エネルギー源を用いて蒸気の出力を高め、複合サイクルシステムの効率を上げることも可能である。

米国特許出願公開第２００８０１２７６４７号公報

本発明の一態様によれば、システムは、蒸気の供給源から蒸気を受け入れ、蒸気の供給源に水を出力する働きをする第１の排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）と、蒸気の供給源から蒸気を受け入れ、蒸気の供給源に水を出力する働きをする第２のＨＲＳＧと、第１のＨＲＳＧから蒸気の供給源に出力される水の流量を調節する働きをする第１の水流量制御弁と、第２のＨＲＳＧから蒸気の供給源に出力される水の流量を調節する働きをする第２の水流量制御弁とを備えている。

本発明の他の態様によれば、システムを制御するための方法は、第１の排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）が受け入れた蒸気の流量（ＦＳ１）の値、および第２のＨＲＳＧが受け入れた蒸気の流量（ＦＳ２）の値を受け取るステップと、ＦＳ１がＦＳ２より大きいかどうかを判定するステップと、ＦＳ１がＦＳ２より大きいと判定されたことに応答して、第１のＨＲＳＧからの水の流量（ＦＷ１）を所望の上限位置に適合するように調節するステップと、第２のＨＲＳＧから出力される水の流量（ＦＷ２）の値をＦＳ１とＦＳ２の関数として計算するステップと、第２のＨＲＳＧから出力される水の流量を計算されたＦＷ２の値にほぼ等しくなるように調節するステップとを含む。

本発明のさらに他の態様によれば、システムを制御するための方法は、第１の排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）によって出力された水の流量（ＦＷ１）の値、および第２のＨＲＳＧによって出力された水の流量（ＦＷ２）の値を受け取るステップと、ＦＷ１がＦＷ２より大きいかどうかを判定するステップと、ＦＷ１がＦＷ２より大きいと判定されたことに応答して、第１のＨＲＳＧへの蒸気の流量（ＦＳ１）を所望の上限位置に適合するように調節するステップと、第２のＨＲＳＧへの蒸気の流量（ＦＳ２）の値をＦＷ１とＦＷ２の関数として計算するステップと、第２のＨＲＳＧへの蒸気の流量を計算されたＦＳ２の値にほぼ等しくなるように調節するステップとを含む。

これらおよび他の利点ならびに特徴は、図面と共に取り上げる以下の説明からより明らかになるであろう。

本発明と見なされる主題は、本明細書の末尾の特許請求の範囲において特に指摘し明確に請求する。前述および他の本発明の特徴ならびに利点は、添付図面と共に取り上げる以下の詳細な説明から明らかになる。

複合サイクル蒸気システムの高レベルのブロック図である。 図１の熱エネルギー源の例を示す図である。 システムをさらに詳しく示す、システムの図である。 図１のシステムを制御するための例示的な方法を示すブロック図である。 図１のシステムを制御するための例示的な方法を示すブロック図である。

詳細な説明では、本発明の実施形態を利点および特徴と共に、例示的なものとして図面を参照しながら説明する。

排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）を用いて蒸気を発生させることにより、複合サイクル蒸気システム内のガスタービン機関からの熱エネルギーを効率的に利用することができる。例えば太陽エネルギー、地熱エネルギー、および産業システムからの「廃棄物」熱エネルギーなどの他の熱エネルギー源を用いて、複合サイクル蒸気システムに蒸気を供給することもできる。複合サイクル蒸気システムに別の熱エネルギー源を組み込むと、システムにいくつかのＨＲＳＧを用いる場合に複雑になる。

図１は、例示的な複合サイクル蒸気システム１００の高レベルのブロック図を示している。システム１００は、第１のガスタービン発電機（ＧＴＧ）１０６に関連付けられた第１のＨＲＳＧ１０２、および第２のＧＴＧ１０８に関連付けられた第２のＨＲＳＧ１０４を含む。システム１００は、タービン１１０、凝縮器１１２、蒸気の供給源（ボイラ）１１４および熱エネルギー源１１６も含む。動作時には、ＧＴＧ１０６および１０８が、排気をＨＲＳＧ１０２および１０４に出力する。ＨＲＳＧ１０２および１０４は水を蒸気に変え、その蒸気をタービン１１０に出力する。蒸気はタービン１１０から、蒸気をＨＲＳＧ１０２および１０４に入力される水に変える凝縮器１１２に出力される。ボイラ１１４は、凝縮器１１２からＨＲＳＧ１０２および１０４を介して水を受け取り、熱エネルギー源１１６から熱エネルギーを受け取ることによって、その水を蒸気に変える。システム１００は、１つの例示的な実施形態を示している。他の実施形態は、任意の数のＨＲＳＧ１０２、ＧＴＧ１０６、タービン１１０、凝縮器１１２、ならびに例えばポンプ、タンクおよび熱交換器などの追加的な関連するシステムの構成要素を含めた、システムの構成要素のいくつかの異なる組み合わせを含むことができる。蒸気の供給源１１４は、ボイラ、または他のタイプの蒸気発生器もしくは蒸気の供給源を含むことができる。

図２は、熱エネルギー源の例を示している。熱エネルギー源１１６は、例えば太陽エネルギー源２０２、地熱エネルギー源２０４または産業的な熱エネルギー源２０６を含むことができる。例示的な太陽エネルギー源２０２は、例えば太陽エネルギーを流体を加熱する熱交換器に向かって反射する太陽電池を含むことができる。例示的な地熱エネルギー源は、例えば地熱エネルギーを用いて流体を加熱する熱交換器を含むことができる。例示的な産業的な熱エネルギー源２０６は、例えば化学的または機械的な製造プロセスなどの産業プロセスから生じ、熱交換器で交換される加熱された流体を含むことができる。これらおよび他のタイプの熱エネルギー源を単独でまたは組み合わせて使用して、熱エネルギー源１１６を形成することができる。

図１を参照すると、典型的な熱エネルギー源１１６が、システム１００に安価な熱エネルギーを供給する。したがって、システム１００の動作時には、ボイラ１１４が、熱エネルギー源１１６によって出力される利用可能なエネルギーの量に対応する速度で蒸気を発生させることを可能にすることが望ましい。所望の速度で蒸気を発生させるために、ボイラ１１４は、システム１００内のＨＲＳＧ１０２および１０４から水を引き出し、ＨＲＳＧ１０２および１０４からボイラ１１４に入力される水の量に対応する量の蒸気を出力する。例えばシステム１００が第１のＨＲＳＧ１０２のみを用いて動作する場合には、第１のＨＲＳＧ１０２からボイラ１１４への水の引き出しは、ボイラ１１４から第１のＨＲＳＧ１０２への蒸気の出力によって質量を釣り合わせる。しかし、例えばＨＲＳＧ１０２と１０４の両方が動作している場合には、ボイラ１１４が第１のＨＲＳＧ１０２から第１の量の水を受け入れ、異なる量の蒸気を第１のＨＲＳＧ１０２に送り返す可能性があり、その場合、第１のＨＲＳＧ１０２および第２のＨＲＳＧ１０４の水および蒸気の質量が釣り合わなくなる（蒸気および水の質量の差分が、第２のＨＲＳＧ１０４に対して出力および入力される）。水および蒸気の質量が釣り合わない状態でＨＲＳＧシステムを動作させることは望ましくない。したがって、ボイラが熱エネルギー源１１６を用いて動作するのを可能にすると同時に、システムにおいて複数のＨＲＳＧからの水および蒸気の入力および出力を質量が釣り合った状態に保つシステムおよび方法について以下に説明する。

図３は、（図１および２の）システム１００ついて、さらに詳しいシステムの図を示している。システムは、例えば処理装置、メモリおよび入出力デバイスを含むことができる制御装置（処理装置）３０２を含む。システムは、以下に説明するいくつかの弁およびセンサも含む。

動作時には、ボイラ１１４は、ボイラ１１４内のボイラ水の量を測定するボイラ水のレベル指示器（ＬＩ）を含む。水流量制御弁３０１は、所望のボイラ水のレベルを維持するようにボイラ１１４内へのボイラ水の流量を調節する働きをする。ボイラ１１４内の水は、熱エネルギー源１１６から受け取り、ボイラ１１４から出力される熱エネルギーの熱伝達によって蒸気に変えられる。熱エネルギー源からの利用可能な熱エネルギーの量は、変動する可能性がある（すなわち、熱エネルギー源として用いられる太陽電池は、太陽が昇るにつれてより多くの熱エネルギーを出力するようになる）が、熱エネルギー源は安価な熱エネルギーを供給するため、熱エネルギー源１１６によって供給されるエネルギーの増加（または減少）にかかわらず、ボイラ１１４が、所望のボイラ水のレベルを維持する速度でボイラ水をシステムに引き込むことが望ましい。動作条件によっては、バイパス流量制御弁３１１をボイラ１１４の蒸気の出力に接続し、ボイラ１１４からの蒸気の出力を凝縮器１１２に向けることができる。

ＨＲＳＧ１０２および１０４から出力される水の流量は、センサ３０４および３０６によって測定され、その値をそれぞれ（ＦＷ１）および（ＦＷ２）として示す。ボイラからＨＲＳＧ１０２および１０４に出力される蒸気の流量は、センサ３０８および３１０によって測定され、その値をそれぞれ（ＦＳ１）および（ＦＳ２）として示す。水の流量および蒸気の流量の値は、処理装置３０２に受け取られる。水流量制御弁ＦＣＶＷ１ ３０３およびＦＣＶＷ２ ３０５、ならびに蒸気流量制御弁ＦＣＶＳ１ ３０７およびＦＣＶＳ２ ３０９は、水および蒸気の流量を制御する働きをするものであり、処理装置３０２によって制御することができる。

ＨＲＳＧ１０２および１０４から出力される水、およびＨＲＳＧ１０２および１０４に入力される蒸気の流量値を受け取り、流量制御弁を制御することによって、処理装置は、ＨＲＳＧ１０２および１０４の水と蒸気の比率に関してシステムを質量が釣り合った状態に維持する働きをするが、その比率は、水流量制御弁３０１によってボイラ１１４内への水の流量の全体的な値を制御することとは無関係であり、その制御を妨げないものとすることができる。

この点について、ＨＲＳＧ間の質量の釣り合いを維持するために処理装置３０２が用いる例示的なロジックは、関数：ＦＷ１／ＦＷ２＝ＦＳ１／ＦＳ２を含む。その比率を維持することによって、ＨＲＳＧ間の質量の釣り合いが維持される。効率的な動作であるこの例では、（必要に応じて、水流量制御弁および蒸気流量制御弁を様々な位置に配置することができるが）水流量制御弁（３０３および３０５）の少なくとも１つを完全に開き、かつ蒸気流量制御弁（３０７および３０９）の両方を完全に開くことが望ましい（「完全に開く」という用語の使用は、例示的な目的のためであり、例えば１００％または１００％未満など、システム内の弁に対する所望の上限流量位置を指すのに用いることができる）。

図４は、例示的なロジックの流れ図を示している。ブロック４０２では、ＦＳ１およびＦＳ２の値を受け取る。ブロック４０４では、値ＦＳ１とＦＳ２を比較する。したがって、ＦＳ１≧ＦＳ２である場合、ブロック４０６において水流量制御弁ＦＣＶＷ１ ３０３は、処理装置３０２によって所望の上限位置まで開くように指示される。ブロック４０８では、処理装置３０２が、関数ＦＷ１／ＦＷ２＝ＦＳ１／ＦＳ２をＦＷ２の値について解く（ＦＷ２＝ＦＷ１（ＦＳ２／ＦＳ１））。ブロック４１０では、計算されたＦＷ２の値を用いて、関連付けられた水の流量を調節して計算されたＦＷ２の値に合わせるように、水流量制御弁ＦＣＶＷ２ ３０５の位置を設定する。同様に、ブロック４０４でＦＳ２＞ＦＳ１である場合、ブロック４１２において水流量制御弁ＦＣＶＷ２ ３０５は、処理装置３０２によって所望の上限位置まで開くように指示される。ブロック４１４では、処理装置３０２がＦＷ１の値について解く（ＦＷ１＝ＦＷ２（ＦＳ１／ＦＳ２））。ブロック４１６では、計算されたＦＷ１の値を用いて、関連付けられた水の流量を調節して計算されたＦＷ１の値に合わせるように、水流量制御弁ＦＣＶＷ１ ３０３の位置を設定する。

図５は、それを用いて蒸気の流量を調節することによってシステムにおける質量の釣り合いを維持することができる、別の例示的なロジックのブロック図を示している。この点に関して、ブロック５０２では、ＦＷ１の値およびＦＷ２の値を受け取る。ＦＷ１とＦＷ２の値を比較し、ブロック５０４でＦＷ１≧ＦＷ２を判定することによって、関数ＦＷ１／ＦＷ２＝ＦＳ１／ＦＳ２を維持する。「はい」である場合、ブロック５０６において蒸気流量制御弁ＦＣＶＳ１ ３０７は、処理装置３０２によって所望の上限位置まで開くように指示される。ブロック５０８では、処理装置３０２が比率ＦＷ１／ＦＷ２＝ＦＳ１／ＦＳ２をＦＳ２の値について解く（ＦＳ２＝ＦＳ１（ＦＷ２／ＦＷ１））。ブロック５１０では、計算されたＦＳ２の値を用いて、関連付けられた蒸気の流量を調節して計算されたＦＳ２の値に合わせるように、蒸気流量制御弁ＦＣＶＳ２ ３０９の位置を設定する。ブロック５０４でＦＷ２＞ＦＷ１である場合、ブロック５１２において水流量制御弁ＦＣＶＳ２ ３０９は、処理装置３０２によって所望の上限位置まで開くように指示される。ブロック５１４では、処理装置３０２がＦＳ１の値について解く（ＦＳ１＝ＦＷ１（ＦＳ２／ＦＳ１））。ブロック５１６では、計算されたＦＳ１の値を用いて、関連付けられた蒸気の流量を調節して決定されたＦＳ１の値に合わせるように、蒸気流量制御弁ＦＣＶＳ１ ３０７の位置を設定する。

本発明を、限られた数の実施形態についてのみ詳しく説明してきたが、本発明はそうした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。むしろ本発明は、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形態、変更形態、置換形態または等価な配置を組み込むように修正することが可能である。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様が説明した実施形態の一部のみを含むことも可能で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制限されると理解されるべきではなく、添付の特許請求の範囲の範囲によってのみ制限される。

１００ サイクル蒸気システム
１０２ ＨＲＳＧ
１０４ ＨＲＳＧ
１０６ ガスタービン発電機（ＧＴＧ）
１０８ ＧＴＧ
１１０ タービン
１１２ 凝縮器
１１４ 蒸気の供給源（ボイラ）
１１６ 熱エネルギー源
２０２ 太陽エネルギー源
２０４ 地熱エネルギー源
２０６ 産業的な熱エネルギー源
３０１ 水流量制御弁
３０２ 制御装置
３０３ ＦＣＶＷ１
３０４ センサ
３０５ ＦＣＶＷ２
３０６ センサ
３０７ ＦＣＶＳ１
３０８ センサ
３０９ ＦＣＶＳ２
３１０ センサ
３１１ バイパス流量制御弁
４０２ ブロック
４０４ ブロック
４０６ ブロック
４０８ ブロック
４１０ ブロック
４１２ ブロック
５０２ ブロック
５０４ ブロック
５０６ ブロック
５０８ ブロック
５１０ ブロック
５１２ ブロック
５１６ ブロック

Claims (10)

1. 蒸気の供給源（１１４）から蒸気を受け入れ、前記蒸気の供給源（１１４）に水を出力する働きをする第１の排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）（１０２）と、
   前記蒸気の供給源（１１４）から蒸気を受け入れ、前記蒸気の供給源（１１４）に水を出力する働きをする第２のＨＲＳＧ（１０４）と、
   前記第１のＨＲＳＧ（１０２）から前記蒸気の供給源（１１４）に出力される前記水の流量を調節する働きをする第１の水流量制御弁（３０３）と、
   前記第２のＨＲＳＧ（１０４）から前記蒸気の供給源（１１４）に出力される前記水の流量を調節する働きをする第２の水流量制御弁（３０５）と
   を備えるシステム。
2. 前記システムが、前記第１の水流量制御弁（３０３）および前記第２の水流量制御弁（３０５）を制御することによって、前記第１のＨＲＳＧ（１０２）から前記蒸気の供給源（１１４）に出力される前記水および前記第１のＨＲＳＧ（１０２）が受け入れる前記蒸気と、前記第２のＨＲＳＧ（１０４）から前記蒸気の供給源（１１４）に出力される前記水および前記第２のＨＲＳＧ（１０４）が受け入れる前記蒸気との間の質量の釣り合いを維持する働きをするロジックを有する処理装置（３０２）をさらに備える請求項１記載のシステム。
3. 前記システムが、前記第１のＨＲＳＧ（１０２）が前記蒸気の供給源（１１４）から受け入れた蒸気の流量（ＦＳ１）の値、および前記第２のＨＲＳＧ（１０４）が前記蒸気の供給源（１１４）から受け入れた蒸気の流量（ＦＳ２）の値を受け取り、ＦＳ１がＦＳ２より大きいかどうかを判定し、ＦＳ１がＦＳ２より大きいと判定されたことに応答して、前記第１の水流量制御弁（３０３）を所望の上限位置まで開く働きをする信号を送り、前記第２のＨＲＳＧ（１０４）から前記蒸気の供給源（１１４）に出力される前記水の流量（ＦＷ２）の値をＦＳ１とＦＳ２の関数として計算し、前記第２のＨＲＳＧ（１０４）から前記蒸気の供給源（１１４）に出力される前記水の流量を前記計算されたＦＷ２の値にほぼ等しくなるように調節する信号を前記第２の水流量制御弁（３０５）に送る働きをする処理装置（３０２）さらに備える請求項１記載のシステム。
4. 前記ＦＳ１とＦＳ２の関数が、ＦＷ１／ＦＷ２＝ＦＳ１／ＦＳ２である請求項３記載のシステム。
5. 前記システムが、前記第１のＨＲＳＧ（１０２）が前記蒸気の供給源（１１４）から受け入れた蒸気の流量（ＦＳ１）の値、および前記第２のＨＲＳＧ（１０４）が前記蒸気の供給源（１１４）から受け取入れた蒸気の流量（ＦＳ２）の値を受け取り、ＦＳ１がＦＳ２より大きいかどうかを判定し、ＦＳ１がＦＳ２より大きくないと判定されたことに応答して、前記第２の水流量制御弁（３０５）を所望の上限位置まで開く働きをする信号を送り、前記第１のＨＲＳＧから前記蒸気の供給源（１１４）に出力される前記水の流量（ＦＷ１）の値をＦＳ１とＦＳ２の関数として計算し、前記第１のＨＲＳＧ（１０２）から前記蒸気の供給源（１１４）に出力される前記水の流量を前記計算されたＦＷ１の値にほぼ等しくなるように調節する信号を前記第１の水流量制御弁（３０２）に送る働きをする処理装置（３０２）さらに備える請求項１記載のシステム。
6. 前記蒸気の供給源（１１４）が、水を蒸気に変える働きをするボイラを含む請求項１乃至５のいずれか１項に記載のシステム。
7. 前記蒸気の供給源（１１４）が、太陽電池システム（２０２）から熱エネルギーを受け取る働きをする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のシステム。
8. 前記蒸気の供給源（１１４）が、地熱システム（２０４）から熱エネルギーを受け取る働きをする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のシステム。
9. 前記蒸気の供給源（１１４）が、熱交換器（２０６）から熱エネルギーを受け取る働きをする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のシステム。
10. 前記所望の上限位置が開放状態である請求項３記載のシステム。

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