JP2011202657A

JP2011202657A - チラー復水系

Info

Publication number: JP2011202657A
Application number: JP2011062673A
Authority: JP
Inventors: Rahul Chillar; ラーウル・チラー; Julio Mestroni; フリオ・メストローニ; Steven Hartman; スティーブン・ハートマン; Siddharth Upadhyay; シダース・ウパジャヤイ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-03-24
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2011-10-13
Also published as: US20110232313A1; EP2375207A2; EP2375207A3

Abstract

【課題】既存の凝縮水流から有用な作用を得ることができるチラー復水系を提供すること。
【解決手段】本願は、チラー復水系（２３０）を提供する。チラー復水系（２３０）は、凝縮水流（２１０）を生成するチラー（１７０）と、凝縮水流（２１０）を収集するためにチラー（１７０）の周辺に配置された凝縮水排出システム（１９０）と、凝縮水流（２１０）が流通するように凝縮水排出システム（１９０）と連通している熱交換器（２４０）とを含んでいてもよい。
【選択図】図３

Description

本願は、一般に、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、冷却目的で使用されるチラー復水系を備えたガスタービンエンジンに関する。

ガスタービンエンジンの出力は、流入空気の質量流量に正比例する。流入空気の質量は、流入空気の密度、したがって空気の温度に左右される。したがって、既知のガスタービンエンジンは、チラーシステムを使用して圧縮機入口の周辺の空気温度を低下させることができる。流入空気温度を低下させることにより、流入空気の密度を増大させることができ、圧縮機への質量流量が増加する可能性がある。したがって、より高い質量流量により、ガスタービンエンジンの出力が増大する。

チラーシステムは、一般に、一連のコイルを使用して流入空気を冷却する。流入空気から、チラーコイルを通って循環している低温水への顕熱伝達により、流入空気が冷却される。チラーの動作中、水分が、冷却効果によりコイル上で凝縮する傾向がある。その凝縮水は、キャリオーバが下流に流れ圧縮機内に進入するのを回避するように排出され収集される。凝縮水は、一般に、雰囲気中に放出されるかまたは別途処分される。凝縮水の温度は、華氏約５０度から約６０度（摂氏約１０度から約１５．６度）である可能性があるが、他の温度が用いられてもよい。典型的なチラーシステムが全負荷で動作している場合、凝縮水の体積は、１分当たり約７５ガロン（１分当たり約２８４リットル）となり得る。他の凝縮水体積が用いられてもよい。

米国特許第６３８９７９４号公報

したがって、この既存の凝縮水流から有効な作用を得ることが望まれている。具体的には、既存の凝縮水を使用することにより、依然として適切に流入空気を冷却しながら、ガスタービンエンジンおよび関連する機器の全体的な効率を向上させることができる。

したがって、本願は、チラー復水系を提供する。チラー復水系は、凝縮水流を生成するチラーと、凝縮水流を収集するためにチラーの周囲に配置された凝縮水排出システムと、凝縮水流が流通するように凝縮水排出システムと連通している熱交換器とを含んでいてもよい。

したがって、本願は、チラー復水系を提供する。チラー復水系は、凝縮水流を生成するチラーと、凝縮水流を収集するためにチラーの周囲に配置された凝縮水排出システムと、凝縮水流を通して噴霧するために凝縮水排出システムと連通しているノズルとを含んでいてもよい。

本願は、さらに、冷却塔を提供する。冷却塔は、凝縮水の噴霧をもたらすノズルと閉冷却回路とを備えたチラー復水系を含んでいてもよい。凝縮水の噴霧により、閉冷却回路が冷却されてもよい。

いくつかの図面および添付の特許請求の範囲を併用して以下の詳細な説明を検討すると、本願のこれらおよび他の特徴ならびに改良点が、当業者に明らかになるであろう。

ガスタービンエンジンの概略図である。凝縮水収集排出システムを備えた、本明細書において特許請求するチラー復水系の部分の概略図である。復水熱交換器システムの概略図である。空調システムと共に使用される復水熱交換器システムの概略図である。蒸気タービン復水器と共に使用される復水熱交換器システムの概略図である。タービンコンパートメントと共に使用される復水熱交換器システムの概略図である。排気フレームおよび軸受冷却システムと共に使用される復水熱交換器システムの概略図である。ノズル冷却システムと共に使用される復水熱交換器システムの概略図である。凝縮水噴霧システムの概略図である。冷却塔と共に使用される凝縮水噴霧システムの概略図である。

ここで、いくつかの図面を通じて同様の参照番号が同様の要素を指す図面を参照すると、図１は、ガスタービンエンジン１００の概略図を示す。知られているように、ガスタービンエンジン１００は、流入空気流を圧縮する圧縮機１１０を含んでいてもよい。圧縮機１１０は、圧縮された空気流を燃焼器１２０へ送達する。燃焼器１２０は、圧縮された空気流を圧縮された燃料流と混合し、その混合物に点火する。燃焼器１２０が１つだけ示されているが、ガスタービンエンジン１００は、任意の数の燃焼器１２０を含んでいてもよい。高温燃焼ガスはタービン１３０へ送達される。高温燃焼ガスは、機械的作用を生み出すようにタービン１３０を駆動する。タービン１３０で生み出される機械的作用は、圧縮機１１０および例えば発電機等の外部負荷１４０を駆動する。ガスタービンエンジン１００は、天然ガス、様々な種類の合成ガス、および他の種類の燃料を使用してもよい。本明細書において、他のガスタービンエンジン構成が使用されてもよい。

ガスタービンエンジン１００はまた、チラーシステム１５０を含んでいてもよい。チラーシステム１５０は、圧縮機１１０の入口の周辺に配置されていてもよい。前述の通り、チラーシステム１５０は、流入空気流１６０を所望の温度まで冷却する。様々なタイプのチラーシステム１５０が知られている。

図２は、本明細書に記載されている改良型チラーシステム１７０を示す。チラーシステム１７０は、複数のコイル１８０を含んでいてもよい。前述の通り、流入空気流１６０を冷却するために、水がコイル１８０を通過する。チラーシステム１７０はまた、凝縮水排出システム１９０を含んでいてもよい。凝縮水排出システムは、コイル１８０の各々の周辺に配置されているコイルドレン（ｃｏｉｌｄｒａｉｎ）２００を含んでいてもよい。凝縮水流２１０が、各コイルドレン２００上へ移動する。コイルドレン２００は、凝縮水を受け取る樋または類似の構造物の形をとってもよい。コイルドレン２００は、復水管２２０または他のタイプの中央水溜め（ｃｅｎｔｒａｌｂａｓｉｎ）に繋がっていてもよい。前述の通り、凝縮水流２１０は、１分当たり約７５ガロン（１分当たり約２８４リットル）である可能性がある。本明細書において、他の凝縮水体積が用いられてもよい。

図３は、本明細書で特許請求するチラー復水系２３０の例を示す。この例では、チラー復水系２３０は、復水熱交換器システム２３５の形態であってもよい。具体的には、復水熱交換器システム２３５は、凝縮水排出システム１９０を備えたチラーシステム１７０を含む。コイルドレン２００からの凝縮水流２１０は、復水管２２０により熱交換器２４０へ送られる。熱交換器２４０は、シェルアンドチューブ熱交換器、プレート熱交換器、プレートフィン熱交換器、エアコイル、直接接触、断熱熱交換器（ａｄｉａｂａｔｉｃｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒ）等を含む任意のタイプの熱交換器デバイスであってもよい。熱交換器２４０は、以下に記載されている例に類似した方法で、空気流、タービン部品または他の構造物などの任意の種類の負荷２４５と熱交換する。ポンプ２５０が、復水管２２０の周囲に配置されていてもよい。凝縮水流２１０は、次いで、付加的な熱交換器２４０へと流動し、放出され、または別途使用されてもよい。

図４は、負荷２４５の例である空調システム２６０と共に復水熱交換器システム２３５を使用する場合を示す。具体的には、復水熱交換器システム２３５の熱交換器２４０は、空調システム２６０のファン２７０または他のタイプの空気移動デバイス（ａｉｒｍｏｖｅｍｅｎｔｄｅｖｉｃｅ）の周辺に配置されていてもよい。熱交換器２４０は、通過する空調流２８０を冷却してもよい。復水熱交換器システム２３５は、このように、凝縮水流２１０を使用して、空調の形態で冷却を実現する。さらに、復水熱交換器システム２３５を使用することにより、空調目的でのみ使用される可能性がある、外部で生成される冷却水の必要が低減する。本明細書において、他の空調構成およびシステムが使用されてもよい。

図５は、蒸気タービン復水器２９０と共に復水熱交換器システム２３５を使用する場合を示す。熱交換器２４０は、このように、復水器２９０を貫通する管または他のタイプの経路の形をとってもよい。一般的に記述されているには、内部で蒸気経路３００を通過する蒸気流を膨張させることにより、蒸気タービン復水器２９０内に真空が維持される。熱交換器２４０により復水器２９０内部の温度を低下させることにより、膨張により真空が維持され得る。したがって、復水器２９０内の背圧が低下する可能性がある。より低い背圧により、蒸気はより低い温度まで膨張し、したがってより多くの出力をもたらす可能性がある。凝縮水流２１０はまた、復水器２９０を通り抜けて既存の周囲流動に付加される可能性がある。本明細書において、他の蒸気タービン復水器構成および他の構造物が使用されてもよい。

図６は、タービンコンパートメント３１０と共に復水熱交換器システム２３５を使用する場合を示す。タービンコンパートメント３１０は、内部にタービン機器を備えた任意の形状の筺体であってもよい。タービンケーシングおよび他の構成要素からの熱が、内部の機器の安全上の問題および耐用年数の問題を引き起こす可能性がある。タービンコンパートメント３１０は、したがって、貫通して延在している冷却空気経路３２０を含んでいてもよい。復水熱交換器システム２３５の熱交換器２４０は、冷却空気経路３２０の周辺に、または冷却空気経路３２０に沿って流入空気流３２５を冷却するように、配置されていてもよい。あるいは、熱交換器２４０は、タービンコンパートメント内の特定の機器のいずれかの周辺に配置されていてもよい。本明細書において、他のタービンコンパートメント構成が使用されてもよい。

図７は、排出フレームおよび軸受システム３３０と共に復水熱交換器システム２３５を使用する場合を示す。排出フレームおよび軸受システム３３０は、ロータ３５０を支持している軸受ハウジング３４０を含んでいてもよい。軸受ハウジング３４０は、貫通して延在している高温ガス路３７０を備えた排出フレーム３６０の内部に配置されていてもよい。排出フレームおよび軸受システム３３０はまた、貫通して延在している冷却空気経路３８０を含んでおり、流入空気流３８５を用いて軸受ハウジング３４０および排出フレーム３６０を冷却してもよい。復水熱交換器システム２３５の熱交換器２４０は、冷却空気経路３８０の周囲に配置されて流入空気流３８５を冷却してもよい。さらに、熱交換器２４０は、排出フレームおよび軸受システム３３０の内部のどこか他の所に配置されていてもよい。冷却により、軸受ハウジング３４０、排出フレーム３６０、ならびに軸受システムおよび排出フレーム内のその他の構成要素の耐用年数が増える可能性がある。本明細書において、他の排出フレームおよび軸受システム構成が用いられてもよい。

図８は、ノズル冷却システム３９０と共に復水熱交換器システム２３５を使用する場合を示す。圧縮機１１０の例えば第９段４００および第１１段４１０から抽出された空気が使用されて、複数の抽出ライン４４０を経由してタービン１３０の第３段ノズル４２０および第２段ノズル４３０を冷却してもよい。復水熱交換器システム２３５の熱交換器２４０は、抽出ライン４４０内の空気抽出４５０を冷却するために、抽出ライン４４０の周囲に配置されていてもよい。ノズル４２０、４３０をより良好に冷却することにより、構成要素の耐用年数が増える可能性がある。熱交換器２４０はまた、ノズル冷却システム３９０の周辺のどこか他の所に配置されていてもよい。同様に、他の種類の抽出が用いられてもよい。また、本明細書において、他のタイプのノズル冷却構成が使用されてもよい。

図３を再度参照すると、チラー復水系２３０はまた、燃料加湿器（ｆｕｅｌｍｏｉｓｔｕｒｉｚｅｒ）４５５と共に使用されてもよい。燃料加湿器システムは、複合サイクル発電所において、出力および熱力学的効率を高めるために使用されてきた。そのようなシステムでは、天然ガスが水で飽和され、その加湿された燃料は、設計ガス圧での飽和条件まで加熱される。水分の添加により増加したガス質量流量は、結果として、ガスタービンおよび蒸気タービンからの出力を増大させる可能性がある。この例では、凝縮水流２１０は、飽和器４５５へ方向付けられて、飽和器内の燃料流を飽和させてもよい。凝縮水流２１０は、飽和器４５５へ直接流動し、熱交換器２４０と熱交換し、または別途暖められてもよい。そのような加湿により、ガスタービンエンジン１００の全体的な効率が向上する可能性がある。また、本明細書において、ポンプ２５０が使用されてもよい。

図９は、チラー復水系２３０の更なる例を示す。チラー復水系２３０は、本明細書に記載されている可能性がある凝縮水噴霧システム４６０の形態であってもよい。凝縮水噴霧システム４６０は、熱交換器２４０に類似した方法で負荷４９０に対する冷却目的で凝縮水２１０の噴霧４８０をもたらすために、１つまたは複数の噴霧ノズル４７０を含んでいてもよい。噴霧ノズル４７０は、任意の形態の噴霧４８０をもたらす任意のタイプのデバイスであってもよい。例えば、噴霧４８０は、霧、流動、または任意の種類の出力の形をとってもよい。噴霧ノズル４７０はまた、熱交換器２４０と共に使用するために熱交換器２４０の下流に配置されていてもよい。本明細書において、他の配置および構成要素が使用されてもよい。また、本明細書において、ポンプ２５０が使用されてもよい。

図１０は、冷却塔５００と共に凝縮水噴霧システム４６０を使用する場合を示す。冷却塔５００は、貫通して延在している水管束５１０を含んでいてもよい。（本図では水管が１つだけ示されているが、水管束５１０は、任意の数の管を有していてもよい。）水管束５１０は、閉冷却回路５２０の一部であってもよい。閉冷却回路５２０は、１つまたは複数の熱交換器５３０を含んでいてもよい。本明細書において、任意のタイプの熱交換器または熱交換デバイスが使用されてもよい。

水管束５１０は、冷却塔５００の内部に配置されている複数のファン５５０または他の種類の空気移動デバイスによって引き込まれる流入空気流５４０により冷却されてもよい。凝縮水噴霧システム４６０の１つまたは複数のノズル４７０は、空気流５４０に対する噴霧４８０をもたらすために、空気流５４０の周辺に配置されていてもよい。凝縮水２１０の噴霧４８０を用いて空気流５４０を冷却することにより、水管束５１０をさらに冷却する可能性がある。したがって、熱交換器５３０および閉冷却回路５２０の全体的な動作を向上させる可能性がある。

閉冷却回路５２０の熱交換器５３０を使用して、例えば流体流、構成要素等の任意の種類の更なる負荷５６０を冷却してもよい。例えば、熱交換器５３０は、潤滑油熱交換器、発電機熱交換器もしくは発電機冷却器、蒸気復水器、またはそれらとの熱交換のための任意の種類の構成要素であってもよい。潤滑油のより良好な冷却により潤滑油の耐用年数が延びる可能性があり、ワニス皮膜の形成（ｖａｒｎｉｓｈｉｎｇ）が防止される可能性がある。同様に、発電機のための付加的な冷却により、発電機の効率性が高まる可能性がある。同様に、復水器のより良好な冷却により、蒸気のより良好な膨張に起因して、出力が増大する可能性がある。本明細書において、付加的な（かつ自由な）冷却の他の利点が見出される可能性がある。

要約すれば、チラー復水系２３０の復水熱交換器システム２３５および／または凝縮水噴霧システム４６０は、このように、ガスタービンエンジン１００の内部の任意の構成要素、ならびに動力装置の空調および他の種類の負荷２４５などの関連する構成要素を冷却するために使用されてもよい。したがって、別途処分される凝縮水により実現されるそのような冷却は、ガスタービンエンジンシステム１００の全体的な効率を向上させるのに役立つ。

上述の事項が本願の特定の実施形態にのみ関連していること、ならびに以下の特許請求の範囲およびその等価物により定められている本発明の全般的な精神および範囲から逸脱することなく、本明細書において当業者により多数の変更および修正が施されてもよいことは、明らかであろう。

１００ガスタービンエンジン
１１０圧縮機
１２０燃焼器
１３０タービン
１４０外部負荷
１５０、１７０チラーシステム
１６０、３２５、３８５、５４０空気流
１８０コイル
１９０凝縮水排出システム
２００コイルドレン
２１０凝縮水流
２２０復水管
２３０チラー復水系
２３５復水熱交換器システム
２４０、５３０熱交換器
２４５、４９０負荷
２５０ポンプ
２６０空調システム
２７０、５５０ファン
２８０空調流
２９０蒸気タービン復水器
３００蒸気経路
３１０タービンコンパートメント
３２０、３８０冷却空気経路
３３０排出フレームおよび軸受システム
３４０軸受ハウジング
３５０ロータ
３６０排出フレーム
３７０高温ガス路
３９０ノズル冷却システム
４００第９段
４１０第１１段
４２０第３段ノズル
４３０第２段ノズル
４４０抽出ライン
４５０空気抽出
４５５燃料加湿器／飽和器
４６０凝縮水噴霧システム
４７０噴霧ノズル
４８０噴霧
５００冷却塔
５１０水管束
５２０閉冷却回路
５６０更なる負荷

Claims

凝縮水流（２１０）を生成するチラー（１７０）と、
前記凝縮水流（２１０）を収集するために前記チラー（１７０）の周辺に配置された凝縮水排出システム（１９０）と、
前記凝縮水流（２１０）が流通するように前記凝縮水排出システム（１９０）と連通している熱交換器（２４０）と
を含む、チラー復水系（２３０）。
前記チラー（１７０）が複数のコイル（１８０）を含む、請求項１記載のチラー復水系（２３０）。
前記凝縮水排出システム（１９０）が、複数のコイルドレン（２００）と復水管（２２０）とを含む、請求項１記載のチラー復水系（２３０）。
前記凝縮水排出システム（１９０）と連通しているポンプ（２５０）をさらに含む、請求項１記載のチラー復水系（２３０）。
前記熱交換器（２４０）と連通している負荷（２４５）をさらに含む、請求項１記載のチラー復水系（２３０）。
前記負荷（２４５）が、空調システム（２６０）を含む、請求項５記載のチラー復水系（２３０）。
前記負荷（２４５）が、復水器（２９０）を含む、請求項５記載のチラー復水系（２３０）。
前記負荷（２４５）が、タービンコンパートメント（３１０）を含む、請求項５記載のチラー復水系（２３０）。
前記負荷（２４５）が、排出フレームおよび軸受システム（３３０）を含む、請求項５記載のチラー復水系（２３０）。
前記負荷（２４５）が、ノズル冷却システム（３９０）を含む、請求項５記載のチラー復水系（２３０）。
前記熱交換器（２４０）が、噴霧ノズル（４７０）を含む、請求項５記載のチラー復水系（２３０）。
前記負荷（２４５）が、閉冷却回路（５２０）を含む、請求項１１記載のチラー復水系（２３０）。
前記負荷（２４５）が、空気流（２８０）を含む、請求項５記載のチラー復水系（２３０）。
前記負荷（２４５）が、蒸気流（３００）を含む、請求項５記載のチラー復水系（２３０）。
前記負荷（２４５）が、流体流（５１０）を含む、請求項５記載のチラー復水系（２３０）。