JP2012145108A - ガスタービンからの酸素排出量を制御するための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンからの酸素排出量を制御するための装置及び方法を提供する。
【解決手段】複合サイクル発電プラント１０は、加圧作動流体２２を発生させる第１の圧縮機１６と、第１の圧縮機１６の下流に配置されたタービン２０とを含む。タービン２０は、固定回転部品及び回転部品を備えかつ排出ガス３８を発生させる。タービン２０の下流に配置された熱交換器３２が、該タービン２０から排出ガス３８を受け、また熱交換器３２の下流に配置された第２の圧縮機４８が、該熱交換器３２から排出ガス３８を受けかつ該排出ガス３８の流れをタービン２０に供給する。ガスタービン１２からの酸素排出量を低減させる方法は、タービン２０から熱交換器３２に排出ガス３８を流し排出ガス３８から熱を取除くステップと、排出ガス３８の圧力を増大させて加圧排出ガスを発生させて、加圧排出ガスをタービン２０に流して該タービン２０から熱を取除くステップとを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、総括的にガスタービンからの酸素排出量を制御するための装置及び方法に関連する。具体的には、本発明の様々な実施形態は、複合サイクル発電プラントにおけるガスタービンからの酸素排出量を制御するための装置及び方法を提供する

複合サイクル発電プラントは、多くの場合に１以上の発電用ガスタービンを含む。一般的なガスタービンは、前部における圧縮機と、中間部の周りの１以上の燃焼器と、後部におけるタービンとを含む。圧縮機は、作動流体（例えば、空気）に運動エネルギーを与えて、作動流体を高エネルギー状態にする。加圧作動流体は、圧縮機から流出しかつ燃焼器に流れ、燃焼器において、燃料と混合されかつ燃焼されて、高い温度及び圧力を有する燃焼ガスを発生する。燃焼ガスはタービンに流れ、タービンにおいて、燃焼ガスが膨張して仕事を産生する。燃焼プロセスは、加圧作動流体内に存在する大量の酸素を取除く。その結果、タービンから流出する排出ガスは一般的に、低レベルの酸素を有する。

ガスタービンの熱力学的効率は、作動温度つまり燃焼ガス温度が高くなるにつれて増大する。具体的には、より高い温度の燃焼ガスは、より多くのエネルギーを含有しかつ該燃焼ガスがタービン内で膨張する時により多くの仕事を産生する。しかしながら、より高い温度の燃焼ガスは、様々なタービン部品の溶融温度に達する又はそれを超えるおそれがある過度の温度をタービン内に生じさせる可能性がある。タービン内の温度を低下させるために、空気を圧縮機から抽出し、燃焼器の周りを迂回させかつタービン内に噴射させることができる。抽出空気は、燃焼ガスのストリーム内に直接噴射し及び／又はタービン部品の内部を通して循環させてタービン段に対して伝導及び／又は対流冷却を行なうことができる。

燃焼器を迂回してタービン部品を冷却する抽出空気は、燃焼器で発生する燃焼ガスのボリュームを減少させ、従ってガスタービンの全体出力及び効率を低下させる。加えて、抽出空気は最終的に、タービンを通って流れる燃焼ガスと合流してタービンから流出する排出ガス内の酸素レベルを増大させる。タービンから流出する排出ガス内の高い酸素のレベルは、排出ガスを受ける補助システムに対して問題を発生する可能性がある。排出ガス内の酸素のレベルを低下させることは、下流の排出量制御装置に有利なものとすることができまた低い酸素を必要とするその他の産業プロセスで排出ガスを使用する場合に有利なものとすることができる。

米国特許第７０８０５１５号明細書

その結果、タービンから流出する排出ガスの酸素含有量を増加させずにタービン部品から熱を取除くことができる制御システムは、有用であると言える。

本発明の態様及び利点は、以下において次の説明に記載しており或いはそれらの説明から自明なものとして理解することができ、或いは本発明に実施により学ぶことができる。

本発明の一実施形態は、複合サイクル発電プラントであり、本発電プラントは、加圧作動流体を発生させる第１の圧縮機と、第１の圧縮機の下流に配置されたタービンとを含む。タービンは、固定回転部品及び回転部品を備えかつ排出ガスを発生させる。タービンの下流に配置された熱交換器が、該タービンから排出ガスを受け、また熱交換器の下流にかつタービンの上流に配置された第２の圧縮機が、該熱交換器から排出ガスを受けかつ該排出ガスの流れをタービンに供給する。

本発明の別の実施形態は、複合サイクル発電プラントであり、本発電プラントは、加圧作動流体を発生させる第１の圧縮機と、第１の圧縮機の下流に配置されたタービンとを含む。タービンは、複数のステータを備えかつ排出ガスを発生させる。タービンの下流に配置された熱交換器が、該タービンから排出ガスを受け、また熱交換器の下流にかつタービンの上流に配置された第２の圧縮機が、該熱交換器から排出ガスを受けかつ該排出ガスの流れをタービンに供給する。

本発明はまた、ガスタービンからの酸素排出量を低減させる方法を含む。本方法は、タービンから熱交換器に排出ガスを流すステップと、排出ガスから熱を取除くステップとを含む。本方法はさらに、排出ガスの圧力を増大させて加圧排出ガスを発生させるステップと、加圧排出ガスをタービンに戻るように流して該タービンから熱を取除くステップとを含む。

本明細書を精査することにより、当業者には、そのような実施形態の特徴及び態様並びにその他がより良好に理解されるであろう。

添付図面の図を参照することを含む本明細書の以下の残り部分において、当業者に対する本発明の最良の形態を含む本発明の完全かつ有効な開示をより具体的に説明する。

本発明の一実施形態による複合サイクル発電プラントの簡略ブロック図。 本発明の一実施形態によるタービンの簡略断面図。 本発明の別の実施形態によるタービンの簡略断面図。

次に、その１以上の実施例を添付図面に示している本発明の現時点での実施形態を詳細に説明する。詳細な説明では、図面中の特徴要素を示すために参照符号及び文字表示を使用している。本発明の同様な又は類似した部品を示すために、図面及び説明において同様な又は類似した表示を使用している。

各実施例は、本発明の限定ではなくて本発明の説明として示している。実際には、本発明においてその技術的範囲及び技術思想から逸脱せずに修正及び変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として例示し又は説明した特徴要素は、別の実施形態で使用してさらに別の実施形態を生成することができる。従って、本発明は、そのような修正及び変更を特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するものとして保護することを意図している。

本発明の様々な実施形態は、ガスタービンからの酸素排出量を低減させる複合サイクル発電プラント及び方法を提供する。例えば、図１は、本発明の一実施形態による複合サイクル発電プラント１０の簡略ブロック図を示している。複合サイクル発電プラント１０は一般的に、当技術分野で公知なように熱回収システム１４に連結されたガスタービン１２を含む。例えば、図１に示すように、ガスタービン１２は、第１の圧縮機１６と、第１の圧縮機１６の下流に配置された少なくとも１つの燃焼器１８と、燃焼器１８の下流に配置されたタービン２０とを含む。本明細書で使用する場合に、「上流」及び「下流」という用語は、流体通路内における部品の相対的位置を意味する。例えば、流体が部品Ａから部品Ｂに流れている場合には、部品Ａは、部品Ｂの上流に位置している。逆に、部品Ｂが部品Ａから流体流れを受ける場合には、部品Ｂは、部品Ａの下流に位置している。第１の部品１６は、燃焼器１８に流れる加圧作動流体２２を発生させる。燃焼器１８は一般的に、加圧作動流体２２を燃料２４及び／又は希釈剤の供給と組合せかつその混合気を点火燃焼させて、燃焼ガス２６を発生させる。供給燃料２４は、高炉ガス、コークス炉ガス、天然ガス、蒸発液化天然ガス（ＬＮＧ）、プロパン及びあらゆる形態の流体燃料のような、商用燃焼エンジンによって使用されるあらゆる好適な燃料とすることができる。希釈剤は、加圧空気、蒸気、空気又は別の不活性ガスのような燃料を希釈或いは冷却するのに好適なあらゆる流体とすることができる。燃焼ガス２６は、タービン２０に流れ、タービン２０において、燃焼ガス２６は膨張して仕事を産生する。例えば、タービン２０内における燃焼ガス２６の膨張は、発電機３０に連結されたシャフト２８を回転させて、電気を生成する。

熱回収システム１４は、既存のガスタービンに改造取付け又は付加して、ガスタービンの全体熱力学的効率を増大させると同時に酸素排出量もまた低減させることができる。熱回収システム１４は、例えば蒸気発生器、蒸気タービン３４及び復水器３６のような熱交換器３２を含むことができる。熱交換器又は蒸気発生器３２は、タービン２０の下流に設置することができ、またタービン２０からの排出ガス３８は、蒸気発生器３２を通って流れて蒸気４０を発生させることができる。蒸気タービン３４は、蒸気発生器３２の下流に設置することができ、また蒸気発生器３２からの蒸気４０は、蒸気タービン３４内で膨張して仕事を産生する。復水器３６は、蒸気タービン３４の下流にかつ蒸気発生器３２の上流に設置して、蒸気タービン３４から流出する蒸気４０を復水４２に凝縮し、復水４２を蒸気発生器３２に戻すようにすることができる。復水器３６及び蒸気発生器３２間における１以上の復水ポンプ４４は、蒸気発生器３２と流体連通状態にして、復水器３６からの復水４２を蒸気発生器３２に供給する。

図１に示すように、蒸気発生器３２から流出する排出ガス４６の一部分は、タービン２０を通るように戻して再循環させて、タービン部品に対して冷却を行なうことができる。再循環排出ガス４６は、第２の圧縮機４８及び熱交換器５０を通って流れて、タービン２０を通って流れる前に再循環排出ガス４６の圧力及び温度を調整することができる。再循環排出ガス４６の酸素レベルは、圧縮機１６から流出する加圧作動流体２２の酸素レベルより大幅に小さくなる。幾つかの実施形態では、再循環排出ガス４６の酸素含有量は、圧縮機１６から流出する加圧作動流体２２の酸素含有量よりもほぼ５０％、７５％或いは９０％少なくすることができる。従って、低減した酸素排出量は、タービン２０を冷却するのに使用する空気の酸素含有量を減少させることによって達成することができる。

図２は、本発明の一実施形態による例示的なタービン６０の簡略断面図を示している。図２に示すように、タービン６０は、ケーシング６２によって囲まれた固定及び回転部品を含むことができる。固定部品は、例えばケーシング６２に取付けられた固定ノズル又はステータ６４を含むことができる。回転部品は、例えばボルト７０によってロータ７２に取付けられた回転翼形部６６及び／又は回転スペーサ６８を含むことができる。ロータ７２は、ロータ−ロータ空洞７４及びロータ−ステータ空洞７６と呼ばれる様々な空洞を含むことができる。ステータ６４及び回転スペーサ６８間のダイアフラムシール７８は、隣接するロータ−ステータ空洞間の流れを阻止又は制限するロータ−ステータ空洞のための境界部を形成することができる。同様に、ロータ７２の内部におけるバリヤ８０は、ロータ７２内における隣接するロータ−ロータ空洞７４間の流れを阻止する又は制限する。燃焼器１８からの燃焼ガス２６は、図２に示すようにタービン２０を貫通して左方から右方に高温ガス通路に沿って流れる。燃焼ガス２６が第一段の翼形部６６上を流れるにつれて、燃焼ガス２６は膨張して、翼形部６６、スペーサ６８、ボルト７０及びロータ７２を回転させる。燃焼ガス２６は次に、ステータ６４を横切って流れ、ステータ６４が燃焼ガス２６を次の回転翼形部６６の列に向けて導き直し、また後続段においてこのプロセスが繰返される。

図２に示すように、プレナム８２は、ロータ７２のいずれか一方又は両側に連結して、再循環排出ガス４６のための流体連通を形成してロータ７２及びその他の回転部品内にかつ／又はそれらを通して再循環排出ガスを流すことができる。制御装置８４は、ロータ−ロータ空洞７４内へのかつ／又はそれらを通る再循環排出ガス４６の流れを調整するようにプレナム８２内の制御バルブ８６の位置決めを指示することができる。再循環排出ガス４６は、あらゆる高温燃焼ガスからロータ−ロータ空洞７４をパージしかつロータ−ロータ空洞７４及び回転翼形部６６のようなその他の回転部品に対する冷却を行ない、それによってタービン２０の回転部品を冷却することができる。加えて、高温ガス通路内に漏洩するいかなる再循環排出ガス４６も、タービン排出ガス３８の酸素含有量を増加させることはない。

制御装置８４は、複数源のいずれかから信号を受信して、回転部品に対する所望の冷却を達成するように制御バルブ８６の適切な位置を決定することができる。例えば、ロータ７２は、ロータ−ロータ空洞７４内にセンサ８８を含むことができる。センサ８８は、ロータ−ロータ空洞７４内の圧力又は温度を反映した信号を制御装置８４に送信することができ、また制御装置８４は次に、ロータ−ロータ空洞７４内の所望の圧力又は温度を達成するように制御バルブ８６の位置を調整することができる。さらに別の実施形態では、制御装置８４は、圧縮機１６、燃焼器１８又はタービン２０の作動レベルを反映した信号を受信しかつ所定の出力レベルにおけるタービン２０に対する所望の冷却を達成するように事前プログラムスケジュールに従って制御バルブ８６を調整することができる。

図３は、本発明の別の実施形態による、図２に示す例示的なタービン６０の簡略断面図を示している。タービン６０の部品は、図２に関して前述したのと同様である。この実施形態では、再循環排出ガス４６は、ケーシング６２及びステータ６４を貫通して流れて、ステータ６４及び／又はロータ−ステータ空洞７６のようなタービン２０の固定部品に到達する。制御装置８４はここでも同様に、再循環排出ガス４６の流れを調整するように各プレナム８２内の制御バルブ８６の位置決めを指示する。再循環排出ガス４６は、あらゆる高温燃焼ガス２６からロータ−ステータ空洞７６をパージし、運転時にあらゆる高温燃焼ガス２６がロータ−ステータ空洞７６に流入するのを防止し、かつステータ６４及び／又はロータ−ステータ空洞７６に対する冷却を行ない、それによってタービン２０の固定部品を冷却する。

図２に示す実施形態に関して前述したように、制御装置８４は、複数源のいずれかから、圧縮機１６、燃焼器１８又はタービン２０の作動レベルのような信号を受信して、タービン２０に対する冷却を達成するように制御バルブ８６の適切な位置を決定することができる。

図１〜図３に説明しかつ図示した実施形態はまた、ガスタービン１２からの酸素排出量を低減させる方法を提供する。本方法は、タービン２０から熱交換器３２に排出ガス３８を流すステップと、排出ガス３８から熱を取除くステップとを含むことができる。本方法はさらに、排出ガス３８の圧力を増大させて再循環又は加圧排出ガス４６を発生させるステップと、加圧排出ガス４６をタービン２０に戻るように流して該タービン２０から熱を取除くステップとを含むことができる。特定の実施形態では、本方法は、ガスタービン１２の温度、圧力又は出力レベルに従ってタービン２０の回転又は固定回部品に対する加圧排出ガス４６の流れ（流量）を制御することができる。

本明細書は最良の形態を含む実施例を使用して、本発明を開示し、また当業者が、あらゆる装置又はシステムを製作しかつ使用しまたあらゆる組込み方法を実行することを含む本発明の実施を行なうことを可能にもする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲により定めており、また当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を含むか又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する均等な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲内に属することを意図している。

１０ 複合サイクル発電プラント
１２ ガスタービン
１４ 熱回収システム
１６ 第１の圧縮機
１８ 燃焼器
２０ タービン
２２ 加圧作動流体
２４ 燃料
２６ 燃焼ガス
２８ シャフト
３０ 発電機
３２ 熱交換器
３４ 蒸気タービン
３６ 復水器
３８ タービンからの排出ガス
４０ 蒸気
４２ 復水
４４ 復水ポンプ
４６ 熱交換器からの排出ガスの一部分
４８ 第２の圧縮機
５０ 熱交換器
６０ タービン
６２ ケーシング
６４ ステータ
６６ 翼形部
６８ スペーサ
７０ ボルト
７２ ロータ
７４ ロータ−ロータ空洞
７６ ロータ−ステータ空洞
７８ ダイアフラムシール
８０ バリヤ
８２ プレナム
８４ 制御装置
８６ 制御バルブ
８８ センサ

Claims (12)

1. 発電プラント（１０）であって、
   ａ．加圧作動流体（２２）を発生させる第１の圧縮機（１６）と、
   ｂ．前記第１の圧縮機（１６）の下流に配置され、固定回転部品（６４）及び回転部品（６６、６８）を備えかつ排出ガス（３８）を発生させるタービン（２０）と、
   ｃ．前記タービン（２０）の下流に配置されかつ該タービン（２０）から前記排出ガス（３８）を受ける熱交換器（３２）と、
   ｄ．前記熱交換器（３２）の下流にかつ前記タービン（２０）の上流に配置された第２の圧縮機（４８）と
   を備えており、
   ｅ．前記第２の圧縮機（４８）が、前記熱交換器（３２）から前記排出ガス（３８）を受けかつ該排出ガスの流れを前記タービン（２０）に供給する、
   発電プラント（１０）。
2. 前記第２の圧縮機（４８）が、前記排出ガスの流れを前記タービン（２０）の固定構成（６４）に供給する、請求項１記載の発電プラント（１０）。
3. 前記第２の圧縮機（４８）が、前記排出ガスの流れを前記タービン（２０）の回転部品（６６、６８）に供給する、請求項１又は請求項２記載の発電プラント（１０）。
4. 前記第２の圧縮機（４８）の下流にかつ前記タービン（２０）の上流に配置された制御バルブ（８６）をさらに含み、
   前記制御バルブ（８６）が、前記固定構成（６４）又は回転部品（６６、６８）の少なくとも１つへの前記排出ガスの流れを調整する、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の発電プラント（１０）。
5. 前記制御バルブ（８６）が、圧力又は温度に従って前記排出ガスの流れを制御する、請求項４記載の発電プラント（１０）。
6. 制御バルブ（８６）が、前記第１の圧縮機（１６）又はタービン（２０）の少なくとも１つの出力レベルに従って前記排出ガスの流れを調整する、請求項４又は請求項５記載の発電プラント（１０）。
7. 前記第２の圧縮機（４８）から前記タービン（２０）に供給される前記排出ガスが、前記加圧作動流体（２２）の酸素含有量よりも少なくともほぼ５０％少ない酸素含有量を有する、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の発電プラント（１０）。
8. 前記第２の圧縮機（４８）から前記タービン（２０）に供給される前記排出ガスが、前記加圧作動流体（２２）の酸素含有量よりも少なくともほぼ７５％少ない酸素含有量を有する、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の発電プラント（１０）。
9. ガスタービン（１２）からの酸素排出量を制御する方法であって、
   ａ．タービン（２０）から熱交換器（３２）に排出ガス（３８）を流すステップと、
   ｂ．前記排出ガス（３８）から熱を取除くステップと、
   ｃ．前記排出ガス（３８）の圧力を増大させて、加圧排出ガス（３８）を発生させるステップと、
   ｄ．前記加圧排出ガス（３８）を前記タービン（２０）に戻るように流して、該タービン（２０）から熱を取除くステップと
   を含む方法。
10. 前記加圧排出ガス（３８）を前記タービン（２０）の回転部品（６６、６８）に流すステップをさらに含む、請求項９記載の方法。
11. 前記加圧排出ガス（３８）を前記タービン（２０）の固定部品（６４）に流すステップをさらに含む、請求項９又は請求項１０記載の方法。
12. 前記ガスタービン（１２）の出力レベルに従って前記タービン（２０）への前記加圧排出ガス（３８）の流れを制御するステップをさらに含む、請求項９乃至請求項１１のいずれか１項記載の方法。