JP2011001954A - 単純サイクルプラントにおけるタービン燃料を加熱するシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】単純サイクルプラントにおけるタービン燃料を加熱するシステム及び方法を提供すること。
【解決手段】特定の実施形態において、システムは、燃料ヒータ（１２）を含む。燃料ヒータ（１２）は、圧縮機（２６）からの加圧空気（４０）を受け入れ且つ加圧空気（４０）から冷却中間伝熱媒体（５２、６０）に熱を伝達し、加熱中間伝熱媒体（５４）を生成するよう構成された第１の熱交換器を含む。燃料ヒータ（１２）はまた、第１の熱交換器（３６）から加熱中間伝熱媒体（５４）を受け入れ且つ加熱中間伝熱媒体（５４）から燃料（１４）に熱を伝達するよう構成された第２の熱交換器（３８）を含む。第１の熱交換器（３６）は、第２の熱交換器（３８）から冷却中間伝熱媒体（６０）を受け取るよう構成される。
【選択図】 図３

Description

本発明は、単純サイクルタービン用の燃料の加熱に関する。

単純サイクルプラントにおけるガスタービンは通常、燃焼用に燃料及び加圧空気の混合気を使用している。しかしながら、場合によっては、燃料は比較的低温であり、他方、加圧空気は比較的高温であることがある。低い燃料温度は、性能を低下させ、効率が下がり、ガスタービンのエミッションが増大する可能性がある。従って、燃料を加圧空気と混合する前に燃料を加熱し、性能、効率及びガスタービンエミッションを改善すること、或いは、燃料成分のばらつきを補償することが望ましいとすることができる。

米国特許第７１４３５８１号明細書

本願出願当初の特許請求の範囲に記載された発明の幾つかの実施形態について要約する。これらの実施形態は、特許請求の範囲に記載された発明の技術的範囲を限定するものではなく、本発明の可能な形態を簡単にまとめたものである。実際、本発明は、以下に記載する実施形態と同様のものだけでなく、異なる様々な実施形態を包含する。

第１の実施形態において、システムはガスタービンエンジンを含む。ガスタービンエンジンは、空気を受け入れて加圧するよう構成された圧縮機を含む。ガスタービンエンジンはまた、圧縮機からの加圧空気の第１の流れと燃料とを受け入れるよう構成された燃焼器を含み、該燃焼器は、加圧空気及び燃料の混合気を燃焼して排出ガスを生成するよう構成される。ガスタービンエンジンは更に、燃焼器からの排出ガスを受け入れ、排出ガスを利用してシャフトを回転させるよう構成されたタービンを含む。システムはまた、圧縮機からの加圧空気の第２の流れを受け入れ、加圧空気の第２の流れを用いて中間伝熱媒体を加熱し、中間伝熱媒体からの熱を用いて燃料を加熱し、更に、燃料を燃焼器に送給する用構成された燃料加熱システムを含む。中間伝熱媒体は、燃料加熱システム内を排他的に流れるようにする。

第２の実施形態において、システムは燃料ヒータを含む。燃料ヒータは、圧縮機から加圧空気を受け入れ且つ加圧空気から冷却中間伝熱媒体に熱を伝達し、加熱中間伝熱媒体を生成するよう構成された第１の熱交換器を含む。燃料ヒータはまた、第１の熱交換器から加熱中間伝熱媒体を受け入れ且つ加熱中間伝熱媒体から燃料に熱を伝達するよう構成された第２の熱交換器を含む。第１の熱交換器は、第２の熱交換器から冷却中間伝熱媒体を受け取るよう構成される。

第３の実施形態において、方法は、圧縮機からの加圧空気を第１の熱源として用いて第１の熱交換器内で中間伝熱媒体を加熱する段階を含む。本方法はまた、第１の熱交換器からの中間伝熱媒体を第２の熱源として用いて第２の熱交換器内で燃料を加熱する段階を含む。本方法は更に、第１の熱交換器及び第２の熱交換器を有する閉ループで中間伝熱媒体を循環させる段階を含む。

燃料加熱システムを有する単純サイクルタービンシステムの例示的な実施形態のブロック図。 図１に示すような単純サイクルタービンシステムの例示的な実施形態の側断面図。 図１の単純サイクルタービンシステム及び燃料加熱システムの１つの実施形態の概略流れ図。 図１の単純サイクルタービンシステム及び燃料加熱システムの別の実施形態の概略流れ図。 単純サイクルタービンシステムの圧縮機からの加熱空気を熱源として用いて、燃料加熱システムにおいて燃料を加熱する方法の１つの実施形態のフローチャート。

本発明の上記その他の特徴、態様及び利点については、図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができるであろう。図面を通して、同様の部材には同様の符号を付した。

以下、本発明の１以上の特定の実施形態について説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するため、現実の実施に際してのあらゆる特徴について本明細書に記載しないこともある。実施化に向けての開発に際して、あらゆるエンジニアリング又は設計プロジェクトの場合と同様に、実施毎に異なる開発者の特定の目標（システム及び業務に関連した制約に従うことなど）を達成すべく、実施に特有の多くの決定を行う必要があることは明らかであろう。さらに、かかる開発努力は複雑で時間を要することもあるが、本明細書の開示内容に接した当業者にとっては日常的な設計、組立及び製造にすぎないことも明らかである。

本発明の様々な実施形態の構成要素について紹介する際、単数形で記載したものは、その構成要素が１以上存在することを意味する。「含む」、「備える」及び「有する」という用語は内包的なものであり、記載した構成要素以外の追加の要素が存在していてもよいことを意味する。

開示される実施形態は、単純サイクルガスタービンの圧縮機からの加熱空気を熱源として用いて単純サイクルガスタービン用の燃料を加熱するシステム及び方法を含む。例えば、特定の実施形態において、圧縮機からの加圧空気は、第１の熱交換器に配向することができ、ここで加圧空気を用いて、水などの中間伝熱媒体を加熱する。加えて、中間伝熱媒体は、塩水、油、フレオン、不活性ガス、水グリコール、合成有機ベース流体、アルキル化芳香族伝熱流体などを含む。次に、第１の熱交換器からの加熱中間伝熱媒体は、第２の熱交換器に配向することができ、ここで加熱中間伝熱媒体を用いて燃料を加熱した後、該燃料が燃焼のために単純サイクルガスタービンに供給される。最後に、第２の熱交換器からの冷却された中間伝熱媒体は、第１の熱交換器に戻すことができ、ここで中間伝熱媒体は単純サイクルガスタービンの圧縮機からの加熱空気により加熱することができる。加えて、特定の実施形態において、蓄熱装置を用いて、第１及び第２の熱交換器との間で伝達される中間伝熱媒体を一時的に蓄えることができる。中間伝熱媒体を利用することにより、第１及び第２の熱交換器において加圧空気と燃料を組み合わせる可能性が低減される。更に、熱伝導装置（例えば、補助ボイラー、油浴熱交換器、電気露点ヒータ、触媒ヒータなど）の必要性を低減又は更に排除することができる。種々の中間伝熱媒体を含む代替の熱交換器構成を使用してもよい。

図１は、燃料加熱システム１２を有する単純サイクルタービンシステム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、燃料加熱システム１２は、燃料１４を単純サイクルタービンシステム１０に供給する前に加熱するよう構成することができる。詳細には、燃料加熱システム１２は、単純サイクルタービンシステム１０の圧縮機からの加熱された加圧空気を用いて中間伝熱媒体を加熱する第１の熱交換器と、第１の熱交換器からの加熱中間伝熱媒体を用いて燃料１４を加熱するための第２の熱交換器３８とを含むことができる。

天然ガス及び／又は水素リッチ合成ガスなどの液体又はガス燃料１４を使用することができる。図示のように、複数の燃料ノズル１６は、供給燃料１４を吸い込み、燃料を空気と混合し、空気燃料混合気を燃焼器１８に分配する。空気燃料混合気は燃焼器１８内の燃焼室において燃焼し、これにより高温の加圧排出ガスを生成する。燃焼器１８は、タービン２０を介して排気出口２２に排出ガスを配向する。排出ガスがタービン２０を通過すると、この排出ガスによって１つ又はそれ以上のタービンブレードが、単純サイクルタービンシステム１０の軸線に沿ってシャフト２４を回転させる。図示のように、シャフト２４は、圧縮機２６を含む単純サイクルタービンシステム１０の種々の構成部品に接続することができる。圧縮機２６はまた、シャフト２４に結合することができるブレードを含む。シャフト２４が回転するにつれて、圧縮機２６内のブレードも回転し、これにより吸気口２８からの空気が圧縮機２６によって加圧され、燃料ノズル１６及び／又は燃焼器１８に流入する。シャフト２４はまた、負荷３０に接続することもでき、負荷３０は、例えば、車両、発電プラント内の発電機のような静止負荷、或いは航空機のプロペラとすることができる。負荷３０は、単純サイクルタービンシステム１０の回転出力によって駆動可能なあらゆる好適なデバイスを含むことができる。

図２は、図１に示す単純サイクルタービンシステム１０の例示的な実施形態の側断面図である。単純サイクルタービンシステム１０は、１つ又はそれ以上の燃焼器１８内部に配置された１つ又はそれ以上の燃料ノズル１６を含む。作動時には、空気は吸気口２８を通って単純サイクルタービンシステム１０に入り、圧縮機２６において加圧される。次いで、加圧された空気は、燃焼器１８内で燃焼するためにガスと混合することができる。例えば、燃料ノズル１６は、最適な燃焼、エミッション、燃料消費量及び動力出力を得るのに好適な比率で燃料−空気混合気を燃焼器１８内に噴射させることができる。燃焼により高温の加圧排出ガスが発生し、これがタービン２０内の１つ又はそれ以上のブレード３２を駆動して、シャフト２４を、従って、圧縮機２６及び負荷３０を回転させる。タービンブレード３２の回転により、シャフト２４の回転が起こり、これによって圧縮機２６内のブレード３４が吸気口２８によって受けられる空気を引き込んで加圧する。

図１に戻ると、単純サイクルタービンシステム１０は、燃料加熱システム１２からの燃料１４を用いて動作することができる。詳細には、燃料加熱システム１２は、単純サイクルタービンシステム１０に燃料１４を供給することができ、該燃料を単純サイクルタービンシステム１０の燃焼器１８内で燃焼させることができる。燃料１４は、液体燃料、ガス燃料又はこれらの組み合わせを含むことができる。タービン２０の燃焼器１８内での燃料１４の燃焼効率を高めるために、特定の実施形態では、燃料加熱システム１２は、燃料１４を燃焼器１８に送給する前に燃料１４を加熱する設備を含むことができる。より具体的には、燃料１４を燃焼器１８に送給する前に該燃料１４を加熱することにより、単純サイクルタービンシステム１０の性能、効率及びエミッションを改善することができる。また、特定の実施形態において、燃料１４の可変制御加熱を利用して、燃料１４の成分のばらつきを補償することができ、これは、燃料１４のエネルギー密度に影響を及ぼし、ひいては、エミッション、燃焼安定性及び結果としてハードウェア寿命に影響する他の燃焼ダイナミックスに影響を及ぼす可能性がある。

燃料１４を加熱するための１つの解決策は、熱源として通常蒸気、ガス又は電気を用いる補助ボイラー、油浴熱交換器、電気露点ヒータ又は触媒ヒータなどの補助的な熱源を使用することである。しかしながら、燃料１４を加熱するために３つのタイプの設備を使用することは、場合によっては幾つかの欠点を伴うことがある。例えば、補助熱源を利用するために設備を設置する資本コストは、補助的な施設は実際に必要とされるよりもより大きくなることが一般的である点で、リソースの最も効率的な利用とはならない可能性がある。本明細書で開示される実施形態は、全体的に、これらの欠点に取り組むことを対象としている。詳細には、以下で詳細に説明するように、開示される実施形態は、単純サイクルタービンシステム１０の圧縮機２６からの加熱された加圧空気を用いて、中間伝熱媒体を加熱し、該媒体を用いて、単純サイクルタービンシステム１０の燃焼器１８に送給するまえに燃料１４を加熱することができるようにする。

図３は、図１の単純サイクルタービンシステム１０及び燃料加熱システム１２の１つの実施形態の概略流れ図である。図示のように、燃料加熱システム１２は、第１の熱交換器３６及び第２の熱交換器３８を含むことができる。以下でより詳細に説明するように、第１の熱交換器３６を利用して、単純サイクルタービンシステム１０の圧縮機２６からの加熱された加圧空気を熱源として用いて中間伝熱媒体を加熱することができる。加えて、第２の熱交換器３８を利用して、加熱中間伝熱媒体を熱源として用いて燃料を利用することができる。従って、一般に、燃料加熱システム１２は、単純サイクルタービンシステム１０の圧縮機２６から加熱された加圧空気を受け取ることができ、単純サイクルタービンシステム１０の燃焼器１８用に加熱空気を生成することができる。

単純サイクルタービンシステム１０の圧縮機２６からの加熱された加圧空気を用いた燃料１４を加熱するプロセスをより良好に例証するために、単純サイクルタービンシステム１０が全体的にどのように動作するかに関する概要を再度説明する。図示のように、タービン２０及び圧縮機２６は、共通シャフト２４に結合することができ、該共通シャフトは、負荷３０に接続することができる。圧縮機２６はまた、シャフト２４に結合することができるブレードを含む。シャフト２４が回転するにつれて、圧縮機２６内のブレードも回転し、これにより吸気口２８からの吸入空気が加圧される。加圧空気４０は、単純サイクルタービンシステム１０の燃焼器１８内に配向することができ、ここで加圧空気４０は、燃焼器１８内で燃焼するために燃料１４と混合される。より具体的には、複数の燃料ノズル１６は、最適な燃焼、エミッション、燃料消費量及び動力出力を得るのに好適な比率で燃料−空気混合気を燃焼器１８内に噴射させることができる。空気燃料混合気は燃焼器１８内で燃焼し、これにより高温の加圧排出ガスを生成する。燃焼器１８は、タービン２０を通して排出ガス４２を配向する。排出ガス４２がタービン２０を通過すると、この排出ガスによって１つ又はそれ以上のタービンブレードが、シャフト２４、並びに圧縮機２６及び負荷３０を回転させる。より具体的には、タービンブレードの回転により、シャフト２４の回転が起こり、これによって圧縮機２６内のブレードが吸気口２８によって受けられる空気を引き込んで加圧するようにする。

圧縮機２６によって生成される加圧空気４０は、高圧時だけでなく、高温時でも存在することができる。例えば、特定の実施形態において、圧縮機２６によって生成される加圧空気４０は、約５００°Ｆ（例えば、単純サイクルタービンシステム１０にかかる最小負荷において）から約８５０°Ｆ（例えば、単純サイクルタービンシステム１０にかかる最大負荷において）の範囲で存在することができる。しかしながら、加圧空気４０の温度は、実装及び動作ポイント毎に変わる可能性があり、特定の実施形態において、少なくとも約４００°Ｆ、４５０°Ｆ、５００°Ｆ、５５０°Ｆ、６００°Ｆ、６５０°Ｆ、７００°Ｆ、７５０°Ｆ、８００°Ｆ、８５０°Ｆ、９００°Ｆ、９５０°Ｆ、１０００°Ｆなどとすることができる。加えて、加圧空気４０の温度は、圧縮機２６の異なる段間で変わる可能性がある。

よって、加圧空気４０は一般に、特に、周囲温度とすることができる燃料１４と比べて高温になる。従って、加圧空気４０の全体の流れが単純サイクルタービンシステム１０の燃焼器１８内に配向されるのではなく、熱源として第１の熱交換器３６内で使用するために、加圧空気４０の特定量を加熱空気４４として燃料加熱システム１２内に配向又はバイパスすることができる。例えば、特定の実施形態において、加圧空気４０の特定の割合（例えば、約０から２０％）を第１の熱交換器３６に向けて配向することができる。特定の実施形態において、加圧空気４０の主流から取られる加熱空気４４の割合は、ほぼ１％から３％とすることができる。しかしながら、加圧空気４０の主流から取られる加熱空気４４の割合はまた、実装及び動作ポイント毎に変わる可能性があり、特定の実施形態において、約０．５％、１．０％、１．５％、２．０％、２．５％、３．０％、３．５％、４．０％、４．５％、５．０％などとすることができる。これらの割合はまた、容積、圧力、質量などなど、加圧空気４０の種々の特性に基づくことができる。実際には、第１の熱交換器３６に再配向される特定の割合に加えて、燃料１４を加熱するのに必要な特定の質量流量は、どれ程の加熱空気４４を第１の熱交換器３６に配向すべきであるかを決定付けることができる。

特定の実施形態において、単純サイクルタービンシステム１０の燃焼器１８と燃料加熱システム１２の第１の熱交換器３６との間の加圧空気４０の分布は、第１の熱交換器３６の下流側のバルブ４６により制御することができる。詳細には、バルブ４６は、第１の熱交換器３６に送給すべき加熱空気４４の量を制御することができる。特定の実施形態において、コントローラ４８を用いて、加熱空気４４の流れを制御することができる。詳細には、コントローラ４８は、バルブ４６を作動させて燃料加熱システム１２の第１の熱交換器３６への加圧空気４０の流れを制御する制御ロジックを含むことができる。特定の実施形態において、加圧空気４０及び加熱空気４４の流れは、第１の熱交換器３６及び第２の熱交換器３８内の状態に少なくとも部分的に基づいて、コントローラ４８により調整することができる。例えば、燃焼器１８と第１の熱交換器３６との間の加圧空気４０の分布は、第２の熱交換器３８から燃焼器１８に送給される燃料１４の温度に基づいて、コントローラ４８により制御することができ、該温度は、温度センサ５０により測定することができる。

上述のように、第１の熱交換器３６に配向される加熱空気４４は、中間伝熱媒体５２を加熱するのに用いることができる。中間伝熱媒体５２は、加熱空気４４からの熱を受け取ることができる何れかの液体又はガス状流体とすることができる。例えば、中間伝熱媒体５２は、水、塩水、油、フレオン、不活性ガス、水グリコール、合成有機ベース流体、アルキル化芳香族伝熱流体などを含むことができる。一般に、第１の熱交換器３６内で加熱される中間伝熱媒体５２は、単純サイクルタービンシステム１０の圧縮機２６からの加熱空気４４よりも実質的に低温とすることができる。例えば、特定の実施形態において、中間伝熱媒体５２の温度は、約８０°Ｆから３００°Ｆとすることができる。しかしながら、この場合も同様に、中間伝熱媒体５２の温度は、実装及び動作ポイント毎に変わる可能性があり、特定の実施形態において、約６０°Ｆ、８０°Ｆ、１００°Ｆ、１２０°Ｆ、１４０°Ｆ、１６０°Ｆ、１８０°Ｆ、２００°Ｆ、２２０°Ｆ、２４０°Ｆ、２６０°Ｆ、２８０°Ｆ、３００°Ｆ、３２０°Ｆ、３４０°Ｆなどとすることができる。

従って、加熱空気４４を用いて中間伝熱媒体５２を加熱して、加熱中間伝熱媒体５４を生成することができ、これは、第２の熱交換器３８に配向することができる。プロセス中、加熱空気４４は、ある程度まで冷却され、冷却空気５６を生成することになる。特定の実施形態において、冷却空気５６は、単純サイクルタービンシステム１０に戻すことができる。詳細には、冷却空気５６は、単純サイクルタービンシステム１０の吸入口及び排出口に配向することができる。より具体的には、特定の実施形態において、冷却空気５６は、単純サイクルタービンシステム１０の圧縮機２６を通って戻すことができる。しかしながら、他の実施形態では、冷却空気５６は、他の外部プロセスに配向してもよい。

特定の実施形態において、中間伝熱媒体５２の温度は、約４２５°Ｆまで増大することができ、加熱空気４４の温度は、約１４０°Ｆから２４０°Ｆにまで減少することができる。上述のように、熱交換の量は、実装及び動作ポイント毎に変わることになる。従って、第２の熱交換器３８に送給される加熱中間伝熱媒体５４の温度は、約３５０°Ｆ、３７５°Ｆ、４００°Ｆ、４２５°Ｆ、４５０°Ｆ、４７５°Ｆ、５００°Ｆなどの間で変わることができ、冷却空気５６の温度は、約１００°Ｆ、１２０°Ｆ、１４０°Ｆ、１６０°Ｆ、１８０°Ｆ、２００°Ｆ、２２０°Ｆ、２４０°Ｆ、２６０°Ｆ、２８０°Ｆ、３００°Ｆなどの間で変わることができる。従って、特定の実施形態において、中間伝熱媒体５２の温度は、ランキン度で１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００％又はそれ以上増大させることができ、加熱空気４４の温度は、ランキン度で１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００％又はそれ以上減少させることができる。

第２の熱交換器３８に配向される加熱中間伝熱媒体５４を用いて、源燃料５８を加熱することができる。一般に、第２の熱交換器３８内で加熱される源燃料５８は、第１の熱交換器３６からの加熱中間伝熱媒体５４よりも実質的に低い温度とすることができる。例えば、特定の実施形態において、源燃料５８の温度は、約６０°Ｆとすることができる。しかしながら、この場合も同様に、源燃料５８の温度は、実装及び動作ポイント毎に変わることができ、特定の実施形態において、約４０°Ｆ、５０°Ｆ、６０°Ｆ、７０°Ｆ、８０°Ｆ、９０°Ｆ、１００°Ｆ、１１０°Ｆ、１２０°Ｆなどとすることができる。

従って、加熱中間伝熱媒体５４を用いて、源燃料５８を加熱して加熱燃料１４を生成することができ、該加熱燃料は、単純サイクルタービンシステム１０の燃焼器１８内に配向することができる。プロセス中、加熱中間伝熱媒体５４はある程度まで冷却され、冷却中間伝熱媒体６０が生成されることになる。特定の実施形態において、源燃料５８の温度は、約３７５°Ｆまで増大することができ、加熱中間伝熱媒体５４の温度は、約１２０°Ｆまで減少することができる。上述のように、熱交換の量は、実装及び動作ポイント毎に変わることになる。従って、単純サイクルタービンシステム１０の燃焼器１８に送給されることになる加熱燃料１４の温度は、約３００°Ｆ、３２５°Ｆ、３５０°Ｆ、３７５°Ｆ、４００°Ｆ、４２５°Ｆ、４５０°Ｆなどの間で変わることができ、冷却中間伝熱媒体６０の温度は、約８０°Ｆ、９０°Ｆ、１００°Ｆ、１１０°Ｆ、１２０°Ｆ、１３０°Ｆ、１４０°Ｆ、１５０°Ｆ、１６０°Ｆ及び同様のものとすることができる。従って、特定の実施形態において、源燃料５８の温度は、ランキン度で１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００％又はそれ以上増大させることができ、加熱中間伝熱媒体５４の温度は、ランキン度で５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０％又はそれ以上減少させることができる。

加えて、特定の実施形態において、加熱燃料１４は、本質的に燃料１４のＢＴＵ（Ｂｒｉｔｉｓｈ ｔｈｅｒｍａｌ ｕｎｉｔ：英国温度単位）含有量を一定値に調整する方法である、ワイドウォッベ（ｗｉｄｅ ｗｏｂｂｅ）制御を用いて制御され、これにより源燃料５８の成分のばらつきを補償することができる。詳細には、特定の実施形態において、ワイドウォッベ制御は、ガスクロマトグラフ又は他のＢＴＵ測定装置６２を用いて及びコントローラ４８を用いて、中間伝熱媒体５２の流量を調整し、燃料１４のＢＴＵ含有量がほぼ一定値に確実に維持されるのを容易にすることができる。ワイドウォッベ制御は、同時係属の米国特許出願公開第２００９／００３１７３１号で説明されており、該出願は引用により本明細書に組み込まれる。

しかしながら、図３に関して上述された単純サイクルタービンシステム１０及び燃料加熱システム１２の実施形態は、唯一の実施可能な設計という訳ではない。例えば、図４は、図１の単純サイクルタービンシステム１０及び燃料加熱システム１２の別の実施形態の概略流れ図である。図示のように、図３と同様にして第１の熱交換器３６において外部システムからの中間伝熱媒体５２を加熱するのではなく、第２の熱交換器３８からの冷却中間伝熱媒体６０を第１の熱交換器３６内で加熱することができる。従って、第１の熱交換器３６から第２の熱交換器３８に送られる加熱中間伝熱媒体５４と、第２の熱交換器３８から第１の熱交換器３６に送られる冷却中間伝熱媒体６０とは、平ループ加熱及び冷却システムを形成することができ、これにより、中間伝熱媒体５４、６０は、第１及び第２の熱交換器３６、３８それぞれによって交互に加熱される。換言すると、中間伝熱媒体５４、６０は、燃料加熱システム１２内で排他的に流れることができる。より具体的には、特定の実施形態において、中間伝熱媒体５４、６０は、ポンプ６４を用いて、最小限の介在設備で専用配管を通じて第１及び第２の熱交換器３６、３８との間で直接ポンプ輸送することができる。加えて、少なくとも１つの制御バルブ６６を用いて、平ループシステム内で中間伝熱媒体５４、６０の流れを制御することができる。特定の実施形態において、ポンプ６４及び制御バルブ６６は、適正な加熱量が確実に燃料１４に伝達されるように、コントローラ４８によって制御することができる。例えば、上述のように、特定の実施形態において、加熱燃料１４の熱含量は、例えば、第１の熱交換器３６に配向される加熱空気４４の量を調整することによって、比較的一定に保持することができる。

このような閉ループ加熱及び冷却システムは、外部熱伝導装置（例えば、電気ヒータ）及び外部中間伝熱媒体源（例えば、給水システムからの給水）の必要性が排除される点で、単純サイクルタービンシステム１０で使用する特定の利点があることを立証することができる。この閉ループ加熱及び冷却システムのタイプにおいて中間伝熱媒体５４、６０を用いると、単純サイクルタービンシステム１０の圧縮機２６による加熱空気４４から中間伝熱媒体（例えば、中間伝熱媒体５４、６０）、並びに燃料１４への熱伝達を簡素化することができる。第１及び第２の熱交換器３６、３８内で使用される中間伝熱媒体５４、６０は、加熱空気４４から燃料１４に熱を伝達するのに好適なあらゆるガス状又は液状流体とすることができる。例えば、中間伝熱媒体５４、６０は、水、塩水、油、フレオン、不活性ガス、水グリコール、合成有機ベース流体、アルキル化芳香族伝熱流体などを含むことができる。

加えて、特定の実施形態において、図４の閉ループ加熱及び冷却システムは、断熱蓄熱タンクのような、蓄熱装置６８を含むことができる。従って、第１の熱交換器３６からの加熱中間伝熱媒体５４は、第２の熱交換器３８に配向される前に、蓄熱装置６８に一時的に蓄えることができる。加熱中間伝熱媒体５４を蓄熱装置６８に蓄えることは、単純サイクルタービンシステム１０の始動時に燃料１４の加熱を促進するのに特に有用とすることができる。加えて、他の実施形態では、第２の又は代替の蓄熱装置を用いて、第１の熱交換器３６に戻されるまえに、第２の熱交換器３８からの冷却中間伝熱媒体６０を一時的に蓄えることができる。

更に、特定の実施形態において、燃料加熱システム１２は、本質的に、第１の熱交換器３６、第２の熱交換器３８及び第１及び第２の熱交換器３６、３８を相互接続する配管からなることができる。加えて、他の実施形態において、燃料加熱システム１２は、本質的に、第１の熱交換器３６、第２の熱交換器３８、１つ又はそれ以上のポンプ６４、１つ又はそれ以上の制御バルブ６６、１つ又はそれ以上の蓄熱装置６８、並びに第１及び第２の熱交換器３６、３８と１つ又はそれ以上の蓄熱装置６８を相互接続するための配管からなることができる。換言すると、上述のように、燃料加熱システム１２は、中間伝熱媒体が貫流する閉ループシステムを含むことができる。

図５は、単純サイクルタービンシステム１０の圧縮機２６からの加熱空気４４を熱源として用いて、燃料加熱システム１２の燃料を加熱する方法７０の１つの実施形態のフローチャートである。ステップ７２において、燃料加熱システム１２は、圧縮機２６からの加熱空気４４を受けることができる。上述のように、コントローラ４８を用いて、熱源として使用するためにどれほどの加熱空気４４を燃料加熱システム１２に送給すべきかを判断することができる。例えば、温度センサ５０によって測定された燃料１４の温度が目標値を下回る場合、コントローラ４８は、燃料加熱システム１２に送給される加熱空気４４の量を増大させるべきと判断することができる。従って、コントローラ４８は、燃料加熱システム１２への加熱空気４４の流量を増大させるようバルブ４６を駆動することができる。逆に、温度センサ５０によって測定された燃料１４の温度が目標値を上回る場合、コントローラ４８は、燃料加熱システム１２に送給される加熱空気４４の量を減少すべきである及び／又は、以下で説明されるステップ７６におけるように、中間伝熱媒体の流量の一部を蓄熱装置６８に分流することにより中間伝熱媒体の質量流量を低減すべきであると判断することができる。従って、コントローラ４８は、燃料加熱システム１２への加熱空気４４の流量を減少させるようバルブ４６を駆動することができる。

上述のように、中間伝熱媒体は、燃料１４を加熱するのに使用することができる。一般に、最初に第１の熱交換器３６において加熱空気４４を用いて中間伝熱媒体を加熱し、次に第２の熱交換器３８において加熱中間伝熱媒体を用いて源燃料５８を加熱する、２ステッププロセスは、燃料加熱システム１２において可燃性の空気燃料混合気が生成される確率が低くなる点で有利である。換言すると、中間伝熱媒体が使用されるので、加熱空気４４と源燃料５８が混合して、燃料加熱システム１２において望ましくない燃焼状態が生じる可能性は低い。

ステップ７４において、中間伝熱媒体は、単純サイクルタービンシステム１０の圧縮機２６からの加熱空気４４を熱源として用いて、第１の熱交換器３６内で加熱することができる。換言すると、熱は、加熱空気４４から第１の熱交換器３６内の中間伝熱媒体に伝達されることになる。加熱空気４４から中間伝熱媒体に熱を伝達することができるあらゆる好適な熱交換器を用いることができる。ステップ７４の間、中間伝熱媒体が加熱されて、加熱中間伝熱媒体５４になり、これが第２の熱交換器３８に配向され、加熱空気４４が冷却されて冷却空気５６になる。ステップ７６において、第１の熱交換器３６からの加熱中間伝熱媒体５４の一部は、任意選択的に、断熱蓄熱タンクのような、蓄熱装置６８内に蓄えることができる。特定の実施形態において、蓄熱装置６８を用いて、閉ループシステムとの間で熱を抽出及び／又は供給し、加熱燃料１４内の熱含量を調整するのを助けることができる。例えば、特定の実施形態において、コントローラ４８は、１つ又はそれ以上の蓄熱装置６８との間で分流及び／又は抽出し、加熱燃料１４内の熱含量を調整するよう構成することができる。次に、ステップ７８において、第１の熱交換器３６からの加熱中間伝熱媒体５４は、第２の熱交換器３８に送給することができる。

ステップ８０において、源燃料５８は、第１の熱交換器３６からの加熱中間伝熱媒体５４を熱源として用いて、第２の熱交換器３８内で加熱することができる。換言すると、熱は、第２の熱交換器３８内で加熱中間伝熱媒体５４から源燃料５８に伝達されることになる。加熱中間伝熱媒体５４から燃料１４に熱を伝達することができるあらゆる好適な熱交換器設計を用いることができる。ステップ８０の間、源燃料５８は、加熱されて、単純サイクルタービンシステム１０の燃焼器１８に配向される燃料１４になり、加熱中間伝熱媒体５４は、冷却されて、第１の熱交換器３６に戻すことができる冷却中間伝熱媒体６０となる。

ステップ８２において、第２の熱交換器３８内で加熱されてきた燃料１４は、単純サイクルタービンシステム１０の燃焼器１８に送給することができる。上述のように、特定の実施形態において、第２の熱交換器３８からの燃料１４の温度は、温度センサ５０を介してコントローラ４８により監視され、燃料加熱システム１２への加熱空気４４の流量を、とりわけ現在の流量で増大、減少又は維持すべきかどうかを判断することができる。最後に、ステップ８４において、冷却中間伝熱媒体６０は、第１の熱交換器３６に戻すことができる。

開示された実施形態の技術的作用は、単純サイクルガスタービンの圧縮機からの加圧空気を熱源として用いて、単純サイクルガスタービンで使用するための燃料を加熱するシステム及び方法を提供することを含む。より具体的には、第１の熱交換器を用いて、加熱した加圧空気で中間伝熱媒体を加熱することができる。次に、第１の熱交換器からの加熱中間伝熱媒体は、第２の熱交換器に配向することができ、ここで加熱中間伝熱媒体は、燃料を加熱するのに用いることができる。最後に、第２の熱交換器からの冷却中間伝熱媒体は、第１の熱交換器に戻すことができ、ここで冷却中間伝熱媒体は、単純サイクルガスタービンの圧縮機からの加熱された加圧空気によって加熱することができる。

中間伝熱媒体を用いることによって、第１及び第２の熱交換器において空気−燃料混合気の燃焼の可能性が実質的に低減又は排除される。加えて、単純サイクルガスタービンの圧縮機からの既存の空気を用いて燃料を加熱することができるので、外部の熱伝導装置（例えば、補助ボイラー、電気ヒータなど）の必要性が低減又は更に排除され、これにより資本コストが低減され、エネルギー消費量が減少し、制御性が向上し、プラント効率を維持することができる。更に、外部熱伝導装置として油浴ヒータの必要性を低減することで、エミッションを低減することができる。他の熱交換器構成及び／又は中間伝熱媒体は、開示されたシステム及び方法と共に使用できる点に留意されたい。

本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と実質的な差のない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。

１０ 単純サイクルタービンシステム
１２ 燃料加熱システム
１４ 燃料
１８ 燃焼器
２０ タービン
２６ 圧縮機
３０ 負荷
３８ 第２の熱交換器
３６ 第１の熱交換器
４８ コントローラ
５６ ＧＴ排出；又はＧＴ入口；又は外部プロセスへ

Claims (10)

1. ガスタービンエンジン（１０）を備えるシステムであって、該ガスタービンエンジンが、
   空気を受け入れて加圧するよう構成された圧縮機（２６）と、
   前記圧縮機（２６）からの加圧空気（４０）の第１の流れと燃料（１４）とを受け入れるよう構成され、前記加圧空気（４０）及び前記燃料（１４）の混合気を燃焼して排出ガス（４２）を生成するよう構成された燃焼器（１８）と、
   前記燃焼器（１８）からの排出ガス（４２）を受け入れ、該排出ガス（４２）を利用してシャフト（２４）を回転させるよう構成されたタービン（２０）と
   を備えており、当該システムが、前記圧縮機（２６）からの加圧空気（４０）の第２の流れ（４４）を受け入れ、前記加圧空気（４０）の第２の流れ（４４）を用いて中間伝熱媒体（５２）を加熱し、前記中間伝熱媒体（５２、５４、６０）からの熱を用いて前記燃料（１４）を加熱し、更に、前記燃料（１４）を前記燃焼器（１８）に送給するように構成された燃料加熱システム（１２）を更に備え、前記中間伝熱媒体（５２、５４、６０）が前記燃料加熱システム（１２）内を排他的に流れるようにする、システム。
2. 前記ガスタービンエンジン（１０）が単純サイクルガスタービンエンジンである、請求項１記載のシステム。
3. 前記燃料加熱システム（１２）への前記加圧空気（４０）の第２の流れ（４４）を調整するよう構成されたバルブ（４６）を備える、請求項１記載のシステム。
4. 前記燃料加熱システム（１２）からの燃料（１４）の温度に少なくとも部分的に基づいて前記バルブ（４６）を制御するよう構成されたコントローラ（４８）を更に備える、請求項３記載のシステム。
5. 前記燃料加熱システム（１２）が、前記加圧空気（４０）の第２の流れ（４４）を用いて前記中間伝熱媒体（５２、６０）を加熱するよう構成された第１の熱交換器（３６）と、前記第１の熱交換器（３６）からの前記中間伝熱媒体（５２）を用いて前記燃料（１４）を加熱するよう構成された第２の熱交換器（３８）とを備える、請求項１記載のシステム。
6. 前記燃料加熱システム（１２）が、前記第１の熱交換器（３６）からの前記中間伝熱媒体（５４）の一部を蓄えるよう構成された蓄熱装置（６８）を含む、請求項１記載のシステム。
7. 前記燃料加熱システム（１２）が閉ループ加熱及び冷却システムを含む、請求項１記載のシステム。
8. 前記燃料加熱システム（１２）が、前記ガスタービンエンジン（１０）の入口に前記加圧空気（４０）の第２の流れ（４４）を送給するよう構成されている、請求項１記載のシステム。
9. 前記中間伝熱媒体（５２、５４、６０）が水を含む、請求項１記載のシステム。
10. 圧縮機（２６）からの加圧空気（４０）を第１の熱源として用いて第１の熱交換器（３６）内で中間伝熱媒体（５２、６０）を加熱する段階と、
    前記第１の熱交換器（３６）からの中間伝熱媒体（５４）を第２の熱源として用いて第２の熱交換器（３８）内で燃料（１４）を加熱する段階と、
    前記第１の熱交換器（３６）及び前記第２の熱交換器（３８）を有する閉ループで前記中間伝熱媒体（５２、５４、６０）を循環させる段階と
    を含む方法。

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