JP2012132454A - ボトミング蒸気サイクルにおいてガスタービン中間冷却器熱を使用するためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸気サイクル発電プラント（１００）を提供する。
【解決手段】本蒸気サイクル発電プラント（１００）は、ガスタービン（１０）と、ガスタービン中間冷却器（５０）と、蒸気タービン（１１０）と、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）（１０４）とを含む。ガスタービン中間冷却器（５０）は、ガスタービン（１０）により発生された未使用熱を回収しかつかつその回収した熱のほぼ全てを伝達して、蒸気タービン（１１０）を駆動するための追加蒸気を生成するようにする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には、蒸気サイクルにおいてガスタービンの中間冷却器から熱を取出しかつその熱を使用するためのシステム及び方法に関する。

ガスタービンエンジンは一般的に、直列流れ配置で、エンジンを通って流れる空気を加圧するようになった高圧圧縮機と、その中で燃料を加圧空気と混合しかつ点火燃焼させて高温ガスストリームを形成する燃焼器と、高圧タービンとを含む。高圧圧縮機、燃焼器及び高圧タービンは、まとめてコアエンジンと呼ばれることもある。少なくとも一部の公知のガスタービンエンジンはまた、加圧空気を高圧圧縮機に供給するようになった低圧圧縮機又はブースタを含む。

ガスタービンエンジンは、航空機、発電及び船舶用途を含む多くの用途で使用される。言うまでもなく、所望のエンジン作動特性は、用途毎で変化する。より具体的には、一部の用途の範囲内では、ガスタービンエンジンは、窒素酸化物（ＮＯｘ）エミッションを低減させるのを可能にする水噴射を備えた単一の環状燃焼器を含むことができる。それに代えて、他の公知の用途の範囲内では、ガスタービンエンジンは、乾式低エミッション（ＤＬＥ）燃焼器を含むことができる。

高温排気ガスが外気に放出されるので、ガスタービンは単独では限られた効率を有しかつ多量の有用なエネルギーが浪費されている。ガスタービン発電プラントの効率を向上させかつこの熱を更なる発電に使用するために、多くのガスタービンには、熱回収蒸気発生器及び蒸気サイクルが装備されている。これは、複合サイクルとして知られている。

中間冷却式ガスタービンエンジンは、単一の環状燃焼器、缶−アニュラ燃焼器又はＤＬＥ燃焼器とすることができる燃焼器を含むことができる。中間冷却器を使用することにより、エンジンの効率を高めることが可能になるが、中間冷却器によって廃棄された熱は、ガスタービンエンジンによって利用されず、また中間冷却式ガスタービン又は圧縮機からの中間冷却器熱は通常、廃棄される。一部の用途では、冷却タワーが、低温度レベルで中間冷却器熱を外気に放出する。

米国特許第５，６３２，１４３号明細書

蒸気サイクルにおいてガスタービンの中間冷却器から熱を取出しかつその熱を使用するためのシステム及び方法に対する必要性が存在する。

１つの実施形態によると、複合ガス及び蒸気タービン発電プラントは、ガスタービンと、ガスタービン中間冷却器と、蒸気タービンと、ガスタービン中間冷却器から受けた加熱流体に応答して、蒸気タービンを駆動するための蒸気を生成するように構成された熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）とを含む。

別の実施形態によると、複合ガス及び蒸気タービン発電プラントは、ガスタービンと、ガスタービン中間冷却器と、蒸気タービンと、蒸気サイクルにおいて低圧ガスタービン圧縮機の下流にかつ高圧ガスタービン圧縮機の上流に連結された熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）とを含み、ＨＲＳＧは、ガスタービン中間冷却器を介して受けた伝熱媒体に応答して、蒸気タービンを駆動するための蒸気を生成するように構成される。

本発明のさらに別の実施形態によると、複合ガス及び蒸気タービン発電プラントは、ガスタービンと、ガスタービン中間冷却器と、蒸気タービンと、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）とを含み、ガスタービン中間冷却器は、中間冷却熱を回収しかつその回収した熱のほぼ全てを使用して、蒸気タービンを駆動するための高温水及び蒸気を生成するように構成される。

本発明のこれらの及びその他の特徴、態様並びに利点は、添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより一層良好に理解されるようになるであろう。

中間冷却器システムを備えたガスタービンエンジンのブロック図。 １つの実施形態による複合サイクル発電プラントを示す図。

上記の図面の図は、幾つかの特定の実施形態を表しているが、以下の説明において述べるように本発明のその他の実施形態もまた考えられる。全てのケースにおいて、本開示は、本発明の例示した実施形態を限定としてではなく説明として提示している。当業者には、多くのその他の変更形態及び実施形態を案出することができるが、それらもまた、本発明の原理の技術的範囲及び技術思想の範囲内に属する。

図１は、中間冷却器システム１２を備えたガスタービンエンジン１０のブロック図である。ガスタービンエンジン１０は、直列流れ関係で、低圧圧縮機又はブースタ１４と、高圧圧縮機１６と、缶−アニュラ燃焼器１８と、高圧タービン２０と、中間タービン２２と、出力タービン又はフリータービン２４とを含む。低圧圧縮機又はブースタ１４は、入口２６及び出口２８を有し、また高圧圧縮機１６は、入口３０及び出口３２を含む。各燃焼器缶１８は、高圧圧縮機出口３２とほぼ一致した入口３４、及び出口３６を有する。別の実施形態では、燃焼器１８は、環状燃焼器である。別の実施形態では、燃焼器１８は、乾式低エミッション（ＤＬＥ）燃焼器である。

高圧タービン２０は、第１のロータシャフト４０で高圧圧縮機１６に結合され、また中間タービン２２は、第２のロータシャフト４２で低圧圧縮機１４に結合される。ロータシャフト４０及び４２は各々、エンジン１０の長手方向中心軸線４３に対してほぼ同軸に整列している。エンジン１０を使用して、出力タービンシャフト４４に結合することができる負荷（図示せず）を駆動することができる。それに代えて、負荷は、ロータシャフト４２の前方延長部（図示せず）に結合することができる。

運転中に、低圧圧縮機入口２６内に吸込まれた外部空気は、加圧されかつ下流方向に高圧圧縮機１６に送られる。高圧圧縮機１６はさらに、この空気を加圧しかつ高圧空気を燃焼器１８に送給し、燃焼器１８において、この高圧空気を燃料と混合しかつその混合気を点火燃焼させて高温燃焼ガスを発生させる。燃焼ガスは、燃焼器１８から送られて、１つ又はそれ以上のタービン２０、２２及び２４を駆動する。

エンジン１０の出力は、ガス流路に沿った様々な位置におけるガス流の作動温度に少なくとも部分的に関連する。より具体的には、この例示的な実施形態では、高圧圧縮機出口３２におけるガス流の作動温度は、エンジン１０の運転時に緊密に監視される。高圧圧縮機１６に流入するガス流の作動温度を低下させることにより、高圧圧縮機１６が必要とする入力を減少させることが可能になる。

高圧圧縮機１６に流入するガス流の作動温度を低下させるのを可能にするために、中間冷却器システム１２は、流れ連通状態で低圧圧縮機１４に結合された中間冷却器５０を含む。低圧圧縮機１４からの空気流５３は、冷却空気が高圧圧縮機１６に戻されるのに先立って冷却されるように中間冷却器５０に送られる。

運転時に、中間冷却器５０は、それを通って流れて、ガス流路から取出したエネルギーを除去するようになった冷却流体５８を有する。１つの実施形態では、冷却流体５８は空気であり、また中間冷却器５０は空気対空気熱交換器である。別の実施形態では、冷却流体５８は水であり、また中間冷却器５０は空気対水熱交換器である。中間冷却器５０は、加圧空気流路５３から熱エネルギーを取出しかつ冷却加圧空気５５を高圧圧縮機１６に送る。より具体的には、この例示的な実施形態では、中間冷却器５０は、それを通って冷却流体５８が循環する複数のチューブ（図示せず）を含む。熱は、加圧空気５３から複数のチューブ壁（図示せず）を介して、入口６０を通って中間冷却器５０に供給される冷却流体５８に伝達される。従って、中間冷却器５０は、低圧圧縮機１４及び高圧圧縮機１６間で熱を除去するのを可能にする。高圧圧縮機１６に流入する空気の温度を低下させることにより、該空気を所望の作動圧力に加圧するのに高圧圧縮機１６が消費するエネルギーを減少させることができ、従って設計者がガスタービンエンジンの圧力比を増大させ、それによってガスタービンエンジン１０から取出すエネルギーの増加及びガスタービンエンジン１０の高い正味作動効率を生じさせるのを可能にすることができる。

例示的な実施形態では、給水が、中間冷却器５０を通って流れてガス流路５３から取出したエネルギーを除去するようにしかつ冷却流体５８として機能する。給水は、加熱されるか又は低圧（ＬＰ）蒸気に変換され、或いは本明細書にさらに詳述するようにそれらの組合せになる。このようにして、より高い温度で取出された場合には、理想的には高温加圧入口空気の温度に接近した取出し熱は、電気を発電するボトミングサイクルに有効に役立つものとすることができる。

給水加熱のみ又は蒸気生成が好ましいかどうかは、ボトミングサイクル構成、必要な給水質量流量及び中間冷却器温度により決まる。エネルギー考察によると、中間又は高圧給水加熱は中間冷却器熱から最も高い利用可能な仕事を産生させることができるが、加熱されることになる給水の量は、ボトミングサイクルが必要とするよりも多くなる可能性がありかつＨＲＳＧエコノマイザに匹敵するものとなる可能性がある。低圧予加熱及び蒸気生成は、代替手段である。エネルギー部分は、一般的な条件下での利用可能な中間冷却器熱の２０％よりも多くすることができる。

中間冷却器５０は、給水用途の場合に中間冷却空気から有用な熱を得る高効率の向流又は直交向流熱交換器を含むことができる。１つの好適な構成には、例えば圧力シェル内に囲まれた蛇行コイルフィンチューブ熱交換器を含むことができる。

１つの態様によると、中間冷却器５０を使用して、好適な熱交換器における高温空気からの利用可能な熱の大部分を利用することによって高温給水又は飽和蒸気を生成することができる。約１００℃ほどもの低い温度での蒸発を可能にする低い圧力におけるこの高温給水又は飽和蒸気は、図２を参照して本明細書でさらに詳述する熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）の蒸発器（高温給水の場合における）又は過熱器（飽和蒸気の場合における）内に供給され、またこれも本明細書でさらに詳述する低圧タービンに導入される。追加蒸気は次に、付加的電気を発電する。

図２は、１つの実施形態による複合サイクル発電プラント１００を示している。発電プラント１００は、燃焼システム１８を備えた高圧ガスタービンシステム１０と、タービン２０とを含む。ガス排出タービン２０は、１つの特定の用途の場合に例えば約４５ｐｓｉの圧力とすることができる。発電プラント１００はさらに、蒸気タービンシステム１１０を含む。蒸気タービンシステム１１０は、高圧セクション１１２と、中圧セクション１１４と、１つ又はそれ以上の低圧セクション１１６とを含む。低圧セクション１１６は、復水器１２０内に排出する。

蒸気タービンシステム１１０は、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）１０４と組合わされる。１つの実施形態によると、ＨＲＳＧ１０４は、給水がそれを通って流れる時にタービン１６からの排気ガスが熱を放出しかつより低温になるので、水が加熱されるようになった向流熱交換器である。ＨＲＳＧ１０４は、３つの異なる作動圧力（高、中及び低）を有し、蒸気が蒸気タービンシステム１１０の対応する段に供給される時に様々な圧力及び温度の蒸気を生成するための手段を備えている。しかしながら、本発明はそれに限定されるものではなく、また２つの圧力のＨＲＳＧを含む実施形態のようなその他の実施形態もまた本明細書に説明する原理を使用して作動することになることを理解されたい。ＨＲＳＧ１０４の各セクションは一般的に、１つ又はそれ以上のエコノマイザ、蒸発器及び過熱器を含む。

ＨＲＳＧ１０４は、タービン２０の排出ガスの熱を使用して、３つの蒸気ストリーム、つまり高圧蒸気ストリーム１２８、中圧蒸気ストリーム１３０及び低圧蒸気ストリーム１３２を生成する。これらの３つの蒸気ストリームは、高、中及び低圧蒸気タービン１１２、１１４及び１１６に流入して電力を生成する。高圧蒸気タービン１１２から取出された高圧蒸気ストリームは、ガスタービン燃焼器１８に噴射される。低圧蒸気タービン１１６からの排出に続いて、蒸気ストリームは復水器１２０に流入し、復水器１２０において、蒸気が液体水に凝縮される。復水器１２０から流出する液体水は、補給水１２２及びＨＲＳＧ１０４からの残留水と共に水収集器１２４に流入する。適当量の水が水収集器１２４からＨＲＳＧ１０４にポンプ圧送されて、ＨＲＳＧ１０４において、水が高圧ガスタービン排気からの熱を吸収して必要な蒸気ストリームを生成する。３つの蒸気ストリームは、蒸気タービン１１２、１１４、１１６に流入してボトミングサイクルを完了する。

１つの実施形態によると、複合サイクル発電プラント１００はさらに、本明細書で前に図１に関して説明したように作動するガスタービン中間冷却器５０を含む。中間冷却器５０は、例えば高温空気ストリーム５３からの利用可能な熱の大部分を利用することによって高温給水又は飽和蒸気１２６を生成する、本明細書で記述するような高い効率の向流又は直交向流熱交換器を含むことができる。約１００℃ほどもの低い温度での蒸発を可能にする低い圧力におけるこの高温給水又は飽和蒸気１２６は、ＨＲＳＧ１０４の蒸発器（高温給水の場合における）又は過熱器（飽和蒸気の場合における）内に供給され、続いて低圧タービン１１６に導入される。追加蒸気は次に、本明細書で記述するように付加的電気を発電する。このようにして、冷却システムの寸法を減少させると同時にシステム効率が高められる利点がある。

要約して説明すると、本明細書では、ガスタービンボトミングサイクルにおいて多量の中間冷却器熱を取込みかつそれにより付加的電気を発電し、従ってその結果として熱の廃棄を排除するようになったシステム及び方法を説明している。蒸気高温給水の形態でボトミングサイクル内に熱を取込むので、大きな付加的投資は全く必要ない。本発明者達は、中間冷却器熱がその対応する低温のために殆んど利用されていないにもかかわらずまた中間冷却器を利用する大型ガスタービンの数が少ないにもかかわらず、前述の利点を見出した。

様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは、当業者には分かるであろう。

１０ ガスタービンエンジン
１２ 中間冷却器システム
１４ 低圧圧縮機
１６ 高圧圧縮機
１８ 燃焼器
２０ 高圧タービン
２２ 中間タービン
２４ 出力タービン
２６ 低圧圧縮機入口
２８ 低圧圧縮機出口
３０ 高圧圧縮機入口
３２ 高圧圧縮機出口
３４ 燃焼器入口
３６ 燃焼器出口
４０ 第１のロータシャフト
４２ 第２のロータシャフト
４３ 長手方向中心軸線
４４ 出力タービンシャフト
５０ 中間冷却器
５３ 空気流路
５５ 冷却加圧空気
５８ 冷却流体
６０ 中間冷却器入口
６２ 中間冷却器出口
１００ 複合蒸気サイクル発電プラント
１０４ 熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）
１１０ 蒸気タービン
１１２ 蒸気タービン高圧セクション
１１４ 蒸気タービン中圧セクション
１１６ 蒸気タービン低圧セクション
１２０ 復水器
１２２ 補給水
１２４ 水収集器
１２６ 高温給水又は飽和蒸気
１２８ 高圧蒸気ストリーム
１３０ 中圧蒸気ストリーム
１３２ 低圧蒸気ストリーム

Claims (10)

1. 複合ガス及び蒸気タービン発電プラント（１００）であって、
   ガスタービン（１０）と、
   ガスタービン中間冷却器（５０）と、
   蒸気タービン（１１０）と、
   前記ガスタービン中間冷却器（５０）から受けた加熱流体（１２６）に応答して、前記蒸気タービン（１１０）を駆動するための蒸気を生成するように構成された熱回収蒸気発生器（１０４）と、を含む、
   複合ガス及び蒸気タービン発電プラント（１００）。
2. 前記加熱流体（１２６）が水を含む、請求項１記載の複合ガス及び蒸気タービン発電プラント（１００）。
3. 前記加熱流体（１２６）が蒸気を含む、請求項１記載の複合ガス及び蒸気タービン発電プラント（１００）。
4. 複合ガス及び蒸気タービン発電プラント（１００）であって、
   ガスタービン（１０）と、
   ガスタービン中間冷却器（５０）と、
   蒸気タービン（１１０）と、
   蒸気サイクルにおいて低圧ガスタービン圧縮機（１４）の下流にかつ高圧ガスタービン圧縮機（１６）の上流に連結された熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）（１０４）と、を含み、
   前記ＨＲＳＧ（１０４）が、前記ガスタービン中間冷却器（５０）を介して受けた伝熱媒体（１２６）に応答して、前記蒸気タービン（１１０）を駆動するための蒸気を生成するように構成される、
   複合ガス及び蒸気タービン発電プラント（１００）。
5. 前記伝熱媒体（１２６）が水を含む、請求項４記載の複合ガス及び蒸気タービン発電プラント（１００）。
6. 前記伝熱媒体（１２６）が蒸気を含む、請求項４記載の複合ガス及び蒸気タービン発電プラント（１００）。
7. 前記ガスタービン中間冷却器（５０）が、向流又は直交向流熱交換器を含む、請求項４記載の複合ガス及び蒸気タービン発電プラント（１００）。
8. 前記ガスタービン中間冷却器（５０）が、圧力シェル内に囲まれた蛇行コイルフィンチューブ熱交換器を含む、請求項４記載の複合ガス及び蒸気タービン発電プラント（１００）。
9. 複合ガス及び蒸気タービン発電プラント（１００）であって、
   ガスタービン（１０）と、
   ガスタービン中間冷却器（５０）と、
   蒸気タービン（１１０）と、
   熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）（１０４）と、を含み、
   前記ガスタービン中間冷却器（５０）が、熱を回収しかつ該回収した熱のほぼ全てを使用して、前記蒸気タービン（１１０）を駆動するための高温水及び蒸気を生成するように構成される、
   複合ガス及び蒸気タービン発電プラント（１００）。
10. 前記伝熱媒体（１２６）が水又は蒸気である、請求項９記載の複合ガス及び蒸気タービン発電プラント（１００）。

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