JP2013092146A - 排熱回収ボイラを動作させるシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】排熱回収ボイラを動作させるシステム及び方法を提供する。
【解決手段】システム１００は、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）１３８と、前記ＨＲＳＧ１３８に結合され、熱を前記ＨＲＳＧ１３８からパージ流１４４に伝達し、加熱パージ流１４４を生成するように構成された排熱熱交換器と、前記加熱パージ流１４４を前記排熱熱交換器から前記ＨＲＳＧ１３８の入口に移動させるように構成された加熱パージ流路とを含んでいる。
【選択図】図１

Description

本明細書に開示されている主題は、熱交換器を動作させることに関し、より具体的には、排熱回収ボイラを動作させるシステム及び方法に関する。

熱交換器は、様々な産業で、熱をある媒体から他の媒体に伝達するために使用される。排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）は、熱交換器の一例であり、複合サイクル発電プラントや同様のプラントで使用することができる。ＨＲＳＧは、水を蒸気に変換するために、ガスタービンエンジンの排気から熱エネルギーを伝達することができる。このように、ＨＲＳＧは、通常動作中には非常に高い温度で動作することができる。しかしながら、起動時、動作停止時、又は動作不調時には、ＨＲＳＧを、はるかにより低い温度のガスによりパージすることができる。例えば、動作中でないとき、ＨＲＳＧをパージするために周囲空気を使用することができる。残念なことに、ＨＲＳＧをこのような比較的低い温度のガスによってパージすることは、ＨＲＳＧの特定の構成要素が急速に冷却される原因となる可能性があり、その結果、急速な冷却によって生じる応力のため、構成要素の寿命を潜在的に短くする。

米国特許出願公開第２０１０／０２４２４３０号明細書

当初に特許請求されている発明と整合する範囲内の特定の実施形態が、以下でまとめられている。これらの実施形態は、特許請求されている本発明の範囲を限定するものではなく、むしろこれらの実施形態は、本発明の可能な形態の簡単な概要を提供することのみを意図している。実際に、本発明は、以下に述べる実施形態と類似してもよく又は異なってもよい様々な形態を含むことができる。

第１の実施形態では、システムは、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）と、ＨＲＳＧに結合され、加熱パージ流を生成するためにＨＲＳＧからパージ流に熱を伝達するように構成された排熱熱交換器と、加熱パージ流を排熱熱交換器からＨＲＳＧの入口に運ぶように構成された加熱パージ流路とを含んでいる。

第２の実施形態では、システムは、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）と、ＨＲＳＧに結合され、ＨＲＳＧ内に配置された排熱熱交換器にパージ流を運ぶように構成された送風機とを含んでいる。排熱熱交換器は、加熱パージ流を生成するためにＨＲＳＧからパージ流に熱を伝達するように構成されている。このシステムはまた、排熱熱交換器からＨＲＳＧの入口に加熱パージ流を運ぶように構成された加熱パージ流路と、ＨＲＳＧ内に配置されたセンサからのフィードバックに応じて加熱パージ流の流量を調節するように構成されたコントローラとを含んでいる。

第３の実施形態では、方法は、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）に結合された排熱熱交換器を介してパージ流を流す工程と、加熱パージ流を生成するために、ＨＲＳＧから排熱熱交換器内のパージ流に熱を伝達する工程と、加熱パージ流を、加熱パージ流路を介してＨＲＳＧの入口に流す工程と、ＨＲＳＧを加熱パージ流でパージする工程とを含んでいる。

本発明のこれら及び他の特徴、態様、及び利点は、以下の詳細な説明を添付図面の参照と共に読むと、よりよく理解されるであろう。添付図面では、図面を通じて同様の記号は同様の部分を表している。

複合サイクル発電プラントで使用されるＨＲＳＧの一実施形態のブロック図である。 内部に排熱熱交換器を含むＨＲＳＧの一実施形態のブロック図である。 ＨＲＳＧの一実施形態内のパージ時間の関数としての温度のグラフである。 誘引通風機を有するＨＲＳＧの一実施形態のブロック図である。 ＨＲＳＧの排気筒に結合された誘引通風筒を含む誘引通風機を有するＨＲＳＧの一実施形態のブロック図である。 吸気筒を有するＨＲＳＧの一実施形態のブロック図である。 ＨＲＳＧの一実施形態内の位置の関数としての温度のグラフである。

本発明の１つ以上の特定の実施形態が以下に説明される。これらの実施形態の簡潔な説明を提供しようとして、実際の実施の特徴のすべてが明細書に記載されているわけではないかもしれない。なにかそのような実際の実施の開発では、任意の工学又は設計プロジェクトでのように、ある実施と他の実施との間で変わるかもしれないシステム関連及びビジネス関連の制約の遵守など、開発者の特定の目標を達成するために多数の実施固有の決定を行わなければならないことを認識すべきである。さらに、このような開発努力は複雑で時間がかかるかもしれないが、それにもかかわらず、この開示の利益を有する当業者にとって設計、製作、及び製造の日常的な仕事であることを認識すべきである。

本発明の種々の実施形態の要素を導入する場合、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」及び「ｓａｉｄ」は、１つ以上の要素が存在することを意味することを意図している。用語「備える」、「含む」及び「有する」は、包括的であり、列挙されている要素以外の追加の要素が存在してもよいことを意味することを意図している。

以下に詳細に論じるように、開示されている実施形態は、ＨＲＳＧを動作させるシステム及び方法を提供する。例えば、システムは、ＨＲＳＧと、ＨＲＳＧに結合された排熱熱交換器とを含むことができる。排熱熱交換器は、熱をＨＲＳＧから、排熱熱交換器を通って流れるパージ流に伝達し、加熱パージ流を生成することができる。システムは、加熱パージ流を排熱熱交換器からＨＲＳＧの入口に移動させる加熱パージ流路を含むこともできる。加熱パージ流を、その後、ＨＲＳＧをパージするために使用することができる。例えば、ＨＲＳＧの停止後、ＨＲＳＧ内の残留する可燃性ガスを、ＨＲＳＧを再起動する前に、加熱パージ流によってＨＲＳＧからパージすることができる。ＨＲＳＧの停止の例は、保守事象、強制冷却事象、水洗浄事象を含むが、これらに限定されない。強制冷却事象は、特定の保守活動のためにＨＲＳＧを急速に冷却することを指す。水洗浄事象は、ガスタービン入口を水洗浄することを指す。ＨＲＳＧをパージするために空気などの非可燃性ガスを使用すると、結果としてＨＲＳＧから実質的に可燃性ガスをなくすことができ、これは、保守、起動、又は再起動に適した状況であるかもしれない。特定の実施形態では、システムは、パージ流を加熱するために排熱熱交換器に運ぶ、ＨＲＳＧに結合された送風機を含むこともできる。特定の実施形態では、送風機は、周囲空気をパージ流として使用することができる。他の実施形態では、システムは、ＨＲＳＧ内に配置されたセンサからのフィードバックに応じて加熱パージ流の流量を調節するコントローラを含むことができる。例えば、センサは、可燃性ガスのレベルを感知することができ、コントローラは、検出された可燃性ガスのレベルがしきい値を下回るまで、ＨＲＳＧを通して加熱パージ流を流すことができる。

ＨＲＳＧをパージするために排熱熱交換器を使用すると、ＨＲＳＧをパージする他の方法に比べていくつかの利点を提供することができる。例えば、加熱パージ流を発生するためにＨＲＳＧからの熱が使用されるため、加熱パージ流の温度をＨＲＳＧの温度により近づけることができる。したがって、ＨＲＳＧをパージするために排熱熱交換器からの加熱パージ流を使用することによって、ＨＲＳＧの温度が高い構成要素の、急速冷却を指す急冷（ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）を避けることができる。ＨＲＳＧの構成要素の急冷を最小化すると、構成要素は熱膨張及び収縮によって生じる応力と歪みをより少なくしか受けないため、構成要素の寿命を改善する、すなわち長くすることができる。加えて、ＨＲＳＧをパージするために加熱パージ流を使用すると、パージするために周囲空気のパージ流を使用する場合に生じるかもしれない、ＨＲＳＧ内部の凝縮する蒸気の量を減らすことができる。凝縮物は、蒸気より高い熱伝導率を有するかもしれず、これによってＨＲＳＧ内により高い応力を形成する。さらに、起動時間を短縮するために、ＨＲＳＧを高温に維持することが望ましいかもしれない。したがって、加熱パージ流によってパージすることは、起動時間を短縮する及び／又はＨＲＳＧ内の応力を低減するなど、いくつかの利点を提供することができる。ＨＲＳＧの構成要素の寿命を長くすることによって、構成要素を交換及び／又は修理することに関連した費用及び停止時間を避けることができる。加えて、ＨＲＳＧの動作効率を、ＨＲＳＧをパージするために加熱パージ流を使用することによって改善することができる。

図１は、複合サイクル発電プラント１００の一部の一実施形態のブロック図であり、複合サイクル発電プラント１００は、合成ガス、あるいは、天然ガス、液体燃料、又は、燃焼目的のために利用することができる任意の同様の燃料などの、しかしこれらに限定されない他の流体（すなわち、気体又は液体）を生産し、燃焼させることができる。発電プラント１００の例は、発電所、コジェネレーションプラント、熱電併給（ＣＨＰ）プラント等を含むが、これらに限定されない。以下に詳細に論じるように、加熱パージ流１４４を、ＨＲＳＧをパージするために使用することができる。加熱パージ流１４４を、ＨＲＳＧのなどの発電プラント１００内の種々の熱源を使用して加熱することができる。加熱パージ流１４４は、空気、酸素、窒素、又はそれらの任意の組合せを含むことができるが、これらに限定されない。図１には示されていない発電プラント１００の他の部分で、合成ガス、例えば、一酸化炭素、水素、及び他の成分の組合せを生成するために、燃料を燃焼させることができる。合成ガスを、例えばＨ₂Ｓを含んでいるため、未処理合成ガスと呼ぶことができる。未処理合成ガスを、その硫黄含有成分と、その二酸化炭素の大部分とが除去された処理済み合成ガス１２２を生成するために処理することができる。処理済み合成ガス１２２を、その後、ガスタービンエンジン１１８の燃焼器１２０、例えば燃焼室に、可燃性燃料として送ることができる。他の実施形態では、処理済み合成ガス１２２を、図１に示すように、タービンへの燃料１２２と、より一般的に呼ぶことができる。圧縮器又は他の窒素源を、圧縮された窒素１２４をガスタービンエンジン１１８の燃焼器１２０に送るために使用することができる。窒素１２４を、例えば、排気の制御を容易にするための希釈剤として使用することができる。ガスタービンエンジン１１８は、燃焼器１２０だけでなく、タービン１３０と、駆動軸１３１と、圧縮器１３２とを含むことができる。燃焼器１２０は、燃料ノズルから圧力下で注入することができる処理済み合成ガス１２２などの燃料を受けることができる。この燃料を、圧縮された窒素１２４だけでなく、圧縮された空気と混合し、燃焼器１２０内で燃焼させることができる。この燃焼は、高温加圧排気ガスを生成することができる。

燃焼器１２０は、排気ガスをタービン１３０の排気口の方に導くことができる。燃焼器１２０からの排気ガスがタービン１３０を通過するとき、排気ガスは、タービン１３０のタービンブレードに駆動軸１３１をガスタービンエンジン１１８の軸に沿って回転させるように強制する。例示されているように、駆動軸１３１は、圧縮器１３２を含むガスタービンエンジン１１８の種々の構成要素に接続されている。駆動軸１３１は、ロータを形成するためにタービン１３０を圧縮器１３２に接続することができる。圧縮器１３２は、駆動軸１３１に結合されたブレードを含むことができる。したがって、タービン１３０のタービンブレードの回転は、タービン１３０を圧縮器１３２に接続する駆動軸１３１に、圧縮器１３２内のブレードを回転させることができる。圧縮器１３２内のブレードのこの回転は、空気取入口を経て圧縮器１３２内に受け入れられた空気１３３を圧縮器１３２に圧縮させる。圧縮された空気を、その後、燃焼器１２０に供給し、より高い効率の燃焼を可能にするために、燃料及び圧縮窒素１２４と混合することができる。駆動軸１３１を、負荷１３４にも接続することができ、負荷１３４は、例えば発電プラント内で電力を生成するための発電機などの定常負荷であってもよい。実際に、負荷１３４は、ガスタービンエンジン１１８の回転出力によって動力を供給される任意の適切なデバイスであってもよい。

発電プラント１００は、蒸気タービンエンジン１３６と、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）システム１３８とを含むこともできる。蒸気タービンエンジン１３６は、第２負荷１４０を駆動することができる。第２負荷１４０も、電力を生成するための発電機であってもよい。しかしながら、第１負荷１３４及び第２負荷１４０の両方は、ガスタービンエンジン１１８及び蒸気タービンエンジン１３６によって駆動することができる他の形式の負荷であってもよい。加えて、ガスタービンエンジン１１８及び蒸気タービンエンジン１３６は、例示されている実施形態で示されているように、別個の負荷１３４及び１４０を駆動することができるが、ガスタービンエンジン１１８及び蒸気タービンエンジン１３６を、単一の軸を介して単一の負荷を駆動するように直列で使用することもできる。ガスタービンエンジン１１８と同様に、蒸気タービンエンジン１３６の具体的な構成は、実装に固有であってもよく、部分の任意の組合せを含むことができる。

ガスタービンエンジン１１８からの加熱された排気ガス１４１を、ＨＲＳＧ１３８中に運び、水を加熱して蒸気タービンエンジン１３６に動力を供給するために使用される蒸気を発生させるために使用することができる。他の実施形態では、ＣＨＰプラント、化学プラント、精製所、地域暖房システム、あるいは、蒸気を使用する任意の他の形式の蒸気消費者又はシステムなどの、しかしこれらに限定されない外部プロセス１３９によって蒸気を使用することができる。加熱された排気ガス１４１は、ＨＲＳＧ１３８を通過した後、排気１４６として大気に排出される。特定の実施形態では、排気１４６を、排出前に排ガス規制法規を遵守するために処理することができる。加えて、例えば、蒸気タービンエンジン１３６の低圧部からの排気を、凝縮器１４２内に導くことができる。凝縮器１４２は、加熱された水を冷水と交換するために、冷却塔１２８を利用することができる。冷却塔１２８は、蒸気タービンエンジン１３６から凝縮器１４２に運ばれた蒸気を凝縮するのを助けるために、凝縮器１４２に冷たい水を供給するように作動する。凝縮器１４２からの凝縮物を、次に、ＨＲＳＧ１３８に導くことができる。再び、ガスタービンエンジン１１８からの排気１４１を、凝縮器１４２からの水を加熱し、蒸気を生成するために、ＨＲＳＧ１３８内に導くこともできる。

発電プラント１００などの複合サイクルシステムでは、高温の排気１４１はガスタービンエンジン１１８から流れてＨＲＳＧ１３８に進むことができ、ＨＲＳＧ１３８では、高温の排気１４１を、高圧で高温の蒸気を生成するために使用することができる。ＨＲＳＧ１３８によって生成された蒸気に、その後、発電のための蒸気タービンエンジン１３６を通過させることができる。加えて、発生された蒸気を、未処理合成ガスを生成するために燃料を燃焼させるのに使用されるガス化装置などの、蒸気を使用することができる任意の他のプロセスに供給することもできる。ガスタービンエンジン１１８の発電サイクルは、しばしば「トッピングサイクル」と呼ばれ、蒸気タービンエンジン１３６の発電サイクルは、しばしば「ボトミングサイクル」と呼ばれる。これらの２つのサイクルを組み合わせることにより、両方のサイクルでより高い効率をもたらすことができる。特に、トッピングサイクルからの排気熱を取り込み、ボトミングサイクルで使用する蒸気を生成するために使用することができる。

図２は、ＨＲＳＧ１３８を含むシステム１６０の一実施形態のブロック図である。図２に示すように、ＨＲＳＧ１３８は、高圧部１６２と、中間圧部１６４と、低圧部１６６とを含んでいる。高圧部１６２は高圧蒸気を生成し、中間圧部１６４は中間圧蒸気を生成し、低圧部１６６は低圧蒸気を生成する。高圧部１６２は、ＨＲＳＧ１３８の入口部１６８の近くに配置されている。ガスタービンエンジン１１８からの加熱された排気ガス１４１の温度は高圧部１６２の近くで最も高くなるため、高圧部１６２は高圧蒸気を発生させる。すなわち、高圧部１６２近くの加熱された排気ガス１４１の高い温度は、高圧蒸気を生成するのに十分な熱を提供する。図１に示すように、ガスタービンエンジン１１８からの加熱された排気ガス１４１は、入口部１６８においてＨＲＳＧ１３８に入る。加熱された排気ガス１４１が、高圧部１６２、中間圧部１６４、及び低圧部１６６を通過した後、加熱された排気ガス１４１は、ＨＲＳＧ排気筒１７０によってＨＲＳＧ１３８から出ていく。したがって、排気１４６は、ＨＲＳＧ排気筒１７０から大気中に出ていくことができる。他の実施形態では、中間圧部１６４を省略することができ、あるいは、ＨＲＳＧ１３８を単圧システムとして構成することができる。

特定の実施形態では、周囲パージ流１７３を排熱熱交換器１７４内に運ぶために、送風機１７２を使用することができる。周囲パージ流１７３は、発電プラント１００の周囲の温度に対応する温度であってもよい。他の実施形態では、周囲パージ流１７３は、周囲より高い温度であるが、ＨＲＳＧ１３８又は他の熱源の温度より低い温度であってもよい。上述したように、他の実施形態では、周囲パージ流１７３は、空気１３３、酸素、窒素、又はこれらの任意の組合せを含むことができる。特定の実施形態では、排熱熱交換器１７４をＨＲＳＧ排気筒１７０内に配置することができる。他の実施形態では、排熱熱交換器１７４を、図２中で破線によって示されているように、低圧部１６６の下流に配置することができる。他の実施形態では、ＨＲＳＧ１３８からの熱を、排熱熱交換器１７４を通って流れる周囲パージ流１７３に移すことができるようなＨＲＳＧ１３８内のどこにでも、排熱熱交換器１７４を配置することができる。さらに他の実施形態では、排熱熱交換器１７４を、熱が周囲パージ流１７３を加熱するために利用可能な発電プラント１００内の他のどこにでも配置することができる。排熱熱交換器１７４は、管形熱交換器、プレート式熱交換器、プレートフィン熱交換器、又は任意の他の形式の熱交換器であってもよい。排熱熱交換器１７４は、熱をＨＲＳＧ１３８から周囲パージ流１７３に移して、加熱パージ流１４４を生成し、加熱パージ流１４４を、加熱パージ流路１７６を使用して排熱熱交換器１７４から運ぶことができる。特定の実施形態では、加熱パージ流路１７６の第１部分１７８は、加熱パージ流１４４を入口部１６８に運ぶことができる。加熱パージ流１４４を、その後、以下に詳細に論じるように、ＨＲＳＧ１３８から可燃性ガス及び／又は燃焼生成物をパージするために使用することができる。他の実施形態では、図２中で破線によって示されているように、加熱パージ流路１７６の第２部分１８０は、加熱パージ流１４４をガスタービンエンジン１１８に運ぶことができ、その後、ガスタービンエンジン１１８は、加熱パージ流１４４を入口部１６８に運ぶ。ガスタービンエンジン１１８を使用して加熱パージ流１４４を運ぶ場合、ガスタービンエンジン１１８を点火することなく、ガスタービンエンジン１１８を動作させることができる。代わりに、負荷転流形インバータ（ＬＣＩ）などのドライバ又はモータを使用して、ガスタービンエンジン１１８を回転させることができ、これによってガスタービンエンジン１１８をファンとして動作させる。したがって、どのような可燃性ガス及び／又は燃焼生成物も生成することなく、加熱パージ流１４４を、ＨＲＳＧ１３８を介して運ぶために、ガスタービンエンジン１１８が使用される。以下の議論を通して、作動している又はパージするために動作されているガスタービンエンジン１１８を参照するとき、ガスタービンエンジン１１８に点火することなくガスタービンエンジン１１８を回すために、ＬＣＩ又は他の装置が使用される。特定の実施形態では、周囲パージ流１７３を加熱パージ流１４４と混合し、両方のガスを、ガスタービンエンジン１１８を使用してＨＲＳＧ１３８に運ぶことができる。典型的には、第１部分１７８及び第２部分１８０の一方のみを同時に使用することができる。加えて、第２部分１８０を使用することと比べて第１部分１７８を使用することの１つの利点は、より少ない配管を使用することができ、したがって、環境に消失する熱がより少ないことである。

他の実施形態では、排熱熱交換器１７４を、ＨＲＳＧ１３８又はＨＲＳＧ排気筒１７０に可逆的に結合することができる。すなわち、排熱熱交換器１７４を、加熱パージ流１４４を生成するためにＨＲＳＧのパージ中にＨＲＳＧ１３８中に可逆的に挿入され、例えばＨＲＳＧ１３８の通常動作中、パージが使用されていないときにＨＲＳＧ１３８から可逆的に取り除かれるように構成することができる。したがって、排熱熱交換器１７４は、着脱式又は格納式であってもよい。通常の動作中にＨＲＳＧ１３８から排熱熱交換器１７４を取り除くことによって、ＨＲＳＧ１３８を介する加熱された排気ガス１４１の流れに対する、排熱熱交換器１７４に関連するどのような圧力低下又は制限も避けることができる。他の実施形態では、排熱熱交換器１７４を取り外しできるように構成しなくてもよいが、排熱熱交換器１７４に関連するどのような圧力低下も最小限にすることができる。

他の実施形態では、排熱熱交換器１７４によって生成される加熱パージ流１４４は、任意の加熱流体（例えば、ガス又は液体）を含むことができる。例えば、排熱熱交換器１７４は、ガスタービンエンジン１１８などのシステム１６０の特定の構成要素を水洗浄するために使用される水を加熱することができる。加熱された水を使用することによって、ガスタービンエンジン１１８の温度低下を最小化することができる。したがって、ＨＲＳＧ１３８での急冷の影響も、ガスタービンエンジン１１８をより高い温度で起動することによって低減することができる。洗浄の目的のために加熱された水を使用することは、水の周囲温度が低い場合、特に望ましいことがある。

特定の実施形態では、システム１６０は、システム１６０の特定の面を制御するために使用することができるコントローラ１８２を含むことができる。例えば、コントローラ１８２は、ＨＲＳＧ１３８内に配置された１つ以上のセンサ１８６から信号１８４を受信することができる。特定の実施形態では、センサ１８６を、入口部１６８に、高圧部１６２、中間圧部１６４、又は低圧部１６６の１つ以上に隣接して、あるいは、ＨＲＳＧ排気筒１７０内に配置することができる。センサ１８６は、可燃性ガスのレベル、酸素のレベル、温度、又はこれらの任意の組合せを感知することができる。コントローラ１８２は、センサ１８６から受信した情報を使用して、システム１６０の１つ以上の構成要素に送信する信号１８４を生成することができる。具体的には、コントローラ１８２は、信号１８４をガスタービンエンジン１１８又は送風機１７２に送信することができる。例えば、ＨＲＳＧ１３８を保守又は他の理由のために停止するとき、ガス１４１は、可燃性ガスや、燃焼生成物や、保守又は操作人員に望ましくないかもしれない他のガスを含んでいるため、加熱された排気ガス１４１をＨＲＳＧ１３８からパージすることができる。任意の可燃性ガス及び／又は燃焼生成物をパージするために、送風機１７２及び／又はガスタービンエンジン１１８を使用して、加熱パージ流１４４を、ＨＲＳＧ１３８を介して運ぶことができる。典型的には、ＨＲＳＧ１３８内の可燃性ガス及び／又は燃焼生成物のレベルを人員に対する許容可能なしきい値未満に減らすために、数倍の体積の空気、又は空気の交換を使用することができる。ＨＲＳＧ１３８のパージの間、コントローラ１８２は、ＨＲＳＧ１３８内の可燃性ガス及び／又は燃焼生成物の高いレベルを示す信号１８４を受信することができる。コントローラ１８２は、ガスタービンエンジン１１８又は送風機１７２に、ＨＲＳＧ１３８のパージの速度を加速させるようにその速度を上昇させるために、信号１８４を送信することができる。同様に、コントローラ１８２は、酸素の最小しきい値に達するまで、ＨＲＳＧ１３８のパージを続けることができる。さらに、コントローラ１８２は、入口部１６８内のしきい値より低い温度を示す信号１８４を受信することができる。コントローラ１８２は、入口部１６８の温度を維持するのを助けるように加熱パージ流１４４の流量を調節するために、信号１８４をガスタービンエンジン１１８又は送風機１７２に送信することができる。

図３は、システム１６０内のパージ時間の関数としての温度のグラフである。具体的には、ｘ軸１８７は、システム１６０のパージ中の経過時間を表し、ｙ軸１８８は、ＨＲＳＧ１３８の過熱器の金属の温度を表している。特定の実施形態では、過熱器を、高圧部１６２、中間圧部１６４、低圧部１６６、又はＨＲＳＧ１３８の任意の他の部分に配置することができる。過熱器を、通常の動作中にＨＲＳＧ１３８を流れる加熱された排気ガス１４１からの熱を使用して、過熱蒸気を生成するように構成することができる。パージ完了線１８９は、パージの終わり、例えば、ＨＲＳＧ１３８内の可燃性ガスレベルがしきい値を下回るときを表している。蒸気凝縮線１９０は、蒸気がＨＲＳＧ１３８の過熱器内で凝縮しうる温度を表している。すなわち、蒸気凝縮線１９４より下でのＨＲＳＧ１３８の動作は、結果として、望ましくないかもしれない液体凝縮物の形成を生じるかもしれない。第１曲線１９２は、排熱熱交換器１７４が使用されていないとき、すなわち、周囲パージ流１７３を使用してＨＲＳＧ１３８をパージしているときの、過熱器の温度変化を表している。図３に示すように、過熱器の金属の温度は、第１曲線１９２が点１９４で蒸気凝縮温度１９０と交差するまで、パージが続くにつれて徐々に低下する。周囲パージ流１７３を使用するＨＲＳＧ１３８のパージが続くにつれて、過熱器の金属の温度が蒸気凝縮温度１９０を下回り、これは過熱器内に凝縮物の形成を引き起こすかもしれない。過熱器内の凝縮物の存在は、結果として、ＨＲＳＧ１３８内の高い応力及び歪みの発達を生じるかもしれない。周囲パージ流１７３を使用するＨＲＳＧ１３８のパージは、第１曲線１９２が点１９５でパージ完了線１８９と交差するところで完了する。

これに対し、図３の第２曲線１９６は、排熱熱交換器１７４が使用されているとき、すなわち、上述したように加熱パージ流１４４を使用してＨＲＳＧ１３８をパージしているときの、過熱器の金属の温度変化を表している。図３に示すように、過熱器の金属の温度は、第２曲線１９６が蒸気凝縮温度１９０より上のパージ完了線１８９と交差する点１９８に達するまで、加熱パージ流１４４によるパージが続くにつれて徐々に低下する。したがって、ＨＲＳＧ１３８を加熱パージ流１４４でパージするために排熱熱交換器１７４が使用されている場合、凝縮物は過熱器内で形成されず、これにより、周囲パージ流１７３などによる、ＨＲＳＧ１３８をパージする従来の方法と比較して、ＨＲＳＧ１３８内の応力及び歪みが減少する。図３に示すように、加熱パージ流１４４を使用する過熱器の金属の温度の全体的な低下は、周囲パージ流１７３を使用する場合より小さい。すなわち、第１曲線１９２及び第２曲線１９６は、同じ温度で始まってもよいが、第２曲線１９６の点１９８は、第１曲線１９２の点１９５より高い温度であってもよい。特定の実施形態では、点１９８は、加熱パージ流１４４を使用する場合、蒸気凝縮線１９０より下であってもよいが、点１９８は、点１９５より高い温度のままであってもよい。他の実施形態では、コントローラ１８２は、低圧部１６６の下流の加熱パージ流１４４の温度が蒸気凝縮温度より高くなるように、加熱パージ流１４４の流量を調節することができる。

図４は、誘引通風機２００を有するシステム１６０の一実施形態のブロック図である。図２中に示されているものと共通の図４中の要素は、同じ参照符号が付されている。図４に示すように、誘引通風機２００を、ダクト２０２を介してＨＲＳＧ１３８に結合することができる。誘引通風機２００を、ＨＲＳＧ１３８からガスを排出するために使用することができる。すなわち、誘引通風機２００は、ガスを、ＨＲＳＧ１３８を介して誘引通風筒２０４内に引き込むのを助ける。したがって、例示されている実施形態では、ＨＲＳＧ１３８のパージ中、排気１４６は誘引通風筒２０４から大気中に出ていく。特定の実施形態では、誘引通風機２０２を使用しないときはＨＲＳＧ１３８から遮断又は分離するために、誘引通風ダンパ２０６をダクト２０２内に配置することができる。図４に示すように、排熱熱交換器１７４を誘引通風筒２０４内に配置することができる。排熱熱交換器１７４からの加熱パージ流１４４は、第１部分１７８を通って入口部１６８内に流れることができる。代わりに又は加えて、加熱パージ流１４４は、第２部分１８０を通ってガスタービンエンジン１１８に流れることができる。しかしながら、ガスタービンエンジン１１８は、誘引通風機２００が使用されている場合、作動していなくてもよい。代わりに、加熱パージ流１４４はガスタービンエンジン１１８に流れ、それによって、ガスタービンエンジン１１８に残された残留熱を使用して、加熱パージ流１４４をさらに加熱する。ガスタービンエンジン１１８を作動する代わりにＨＲＳＧ１３８をパージするために誘引通風機２００を使用することによって、ガスタービンエンジン１１８の寿命を、ガスタービンエンジン１１８の動作時間及び摩耗を減少することによって延ばすことができる。特定の実施形態では、ＨＲＳＧ１３８をパージするために、周囲パージ流１７３を加熱パージ流１４４と組み合わせることができる。他の実施形態では、コントローラ１８２は、ＨＲＳＧ１３８のパージを制御するために、送風機１７２及びガスタービンエンジン１１８に加えて、誘引通風ダンパ２０６又は誘引通風機２００に信号を送信することができる。

図５は、誘引通風筒２０４の異なった構成を含むシステム１６０の一実施形態のブロック図である。具体的には、誘引通風筒２０４をＨＲＳＧ排気筒１７０に結合することができる。したがって、排熱熱交換器１７４を、誘引通風筒２０４又はＨＲＳＧ排気筒１７０のどちらに配置することもできる。誘引通風筒２０４をＨＲＳＧ排気筒１７０に結合することによって、誘引通風筒２０４に関連する費用を減らすことができる。加えて、誘引通風機２００及び関連機器を改造するために、より少ない変更をシステム１６０に行うだけでよい。図示していないが、図５のシステム１６０は、ＨＲＳＧ１３８のパージを制御するコントローラ１８２を含むこともできる。その他の点では、図５に示すシステム１６０は、図２及び３に示すシステム１６０と類似している。

図６は、ＨＲＳＧ１３８の入口部１６８に結合することができるバイパス筒２２０を含むシステム１６０の一実施形態のブロック図である。バイパス筒２２０を、加熱された排気ガス１４１をガスタービンエンジン１１８から大気中に運ぶために使用することができ、それによってＨＲＳＧ１３８をバイパスする。例えば、ＨＲＳＧ１３８を短い期間で停止することができ、ガスタービンエンジン１１８を停止しないことが望ましいかもしれない。ガスタービンエンジン１１８が動作していないとき、ＨＲＳＧ１３８をパージするためにバイパス筒２２０を使用することができる。具体的には、バイパス筒２２０は、バイパス筒２２０を分離するための第１ダンパ２２２を含むことができる。加えて、ガスタービンエンジン１１８を分離するために第２ダンパ２２４を使用することができ、ＨＲＳＧ１３８を分離するために第３ダンパ２２６を使用することができる。ガスタービンエンジン１１８が作動していて、ＨＲＳＧ１３８がバイパスされているとき、第１ダンパ２２２は開位置であってもよく、第２ダンパ２２４は開位置であってもよく、第３ダンパ２２６は閉位置であってもよい。ガスタービンエンジン１１８が作動しておらず、バイパス筒２２０がＨＲＳＧ１３８をパージするために使用されているとき、第１ダンパ２２２は開位置であってもよく、第２ダンパ２２４は閉位置であってもよく、第３ダンパ２２６は開位置であってもよい。バイパス筒２２０が使用されていないとき、第１ダンパ２２２は閉位置であってもよく、第２ダンパ２２４は開位置であってもよく、第３ダンパ２２６は開位置であってもよい。誘引通風機２００がＨＲＳＧ１３８をパージするために使用されているとき、第１ダンパ２２２は開位置であってもよく、第２ダンパ２２４は閉位置であってもよく、第３ダンパ２２６は開位置であってもよく、誘引通風ダンパ２０６は開位置であってもよい。ＨＲＳＧ１３８をパージしているとき、排熱熱交換器１７４からの加熱パージ流１４４は、加熱パージ流路１７６を経てバイパス筒２２０に運ばれる。加えて、特定の実施形態では、周囲パージ流１７３を、バイパス筒２２０に運ばれる加熱パージ流１４４と混合することができる。さらに、図６に示すコントローラ１８２は、第１ダンパ２２２、第２ダンパ２２４、又は誘引通風ダンパ２０６を開閉するために、信号１８４を送信することができる。図６に示すシステム１６０の利点の１つは、ＨＲＳＧ１３８をパージするためのガスタービンエンジン１１８の使用に関連する摩耗を減らすことである。代わりに、ＨＲＳＧ１３８をパージするために誘引通風機２００を使用することができる。加えて、誘引通風機２００に関連する保守及び運用費用は、ガスタービンエンジン１１８に関するものより少ないかもしれない。さらに、図６に示すシステム１６０は、第１ダンパ２２２及び第２ダンパ２２４の使用によって、ＨＲＳＧ１３８に関連するすべての作業から独立した、ガスタービンエンジン１１８に関して生じる保守又は他の作業を可能にする。

図７は、システム１６０内の位置の関数としての温度のグラフである。具体的には、ｘ軸２４２はシステム１６０内の位置又は点を表し、ｙ軸２４４はこれらの点でシステム１６０を流れるパージ流の温度を表している。第１曲線２４６は、排熱熱交換器１７４が使用されていないときのパージ流の温度変化を表し、第２曲線２４８は、排熱熱交換器１７４が使用されているときのパージ流の温度分布を表している。すなわち、第１曲線２４６を発生させるようにＨＲＳＧ１３８をパージするために周囲パージ流１７３を使用することができ、第２曲線２４８を発生させるように加熱パージ流１４４を使用することができる。点２５０はガスタービンエンジン１１８の入口に対応し、点２５２はガスタービンエンジン１１８の出口に対応している。点２５４は入口部１６８の温度を表し、点２５６は高圧部１６２と中間圧部１６４の間の温度を表し、点２５８は中間圧部１６４と低圧部１６６の間の温度を表している。最後に、点２６０は低圧部１６６の下流の温度を表している。第１曲線２４６を参照すると、ガスタービンエンジン１１８の高い温度からの残留熱のため、点２５０と点２５２の間でガスタービンエンジン１１８を流れる周囲パージ流１７３は温度が上昇する。重要な熱源がないかもしれないため、点２５２と２５４の間で高圧部１６２の上流の周囲パージ流１７３の温度は、比較的平坦なままであるかもしれない。周囲パージ流１７３が高圧部１６２を横切るにつれて、周囲パージ流１７３の温度は点２５４と点２５６の間で急速に上昇する。すなわち、点２５４と点２５６の間のＨＲＳＧ１３８の構成要素を、急速に冷却、又は急冷することができ、それによって、通過する周囲パージ流１７３に熱を伝達する。中間圧部１６４及び低圧部１６６によって生成される熱は高圧部１６２によって生成される熱より少ないため、点２５６と点２６０の間の周囲パージ流１７３の温度上昇は、点２５４と点２５６の間より小さい。したがって、追加の急冷が点２５６と点２６０の間でも起こるかもしれないが、急冷の影響は点２５４と点２５６の間に集中している。

次に、排熱熱交換器１７４を使用するときに発生される第２曲線２４８に目を向けると、排熱熱交換器１７４によって加熱パージ流１４４に伝達される熱のため、ガスタービンエンジン１１８に入る加熱パージ流１４４の温度はより高くなる。加熱パージ流１４４は、ガスタービンエンジン１１８からの何らかの残留熱のため、点２５０と点２５２の間で温度が上昇し続けるかもしれない。第１曲線２４６と同様に、点２５２と点２５４の間の温度は、比較的一定のままであるかもしれない。高圧部１６２を横切る加熱パージ流１４４の温度は、点２５４と点２５６の間で上昇する。しかしながら、加熱パージ流１４４の温度は周囲パージ流１７３の温度より高いため、点２５４と点２５６の間の温度上昇は、第１曲線２４６について同じ点の間で見られるものより小さい。すなわち、点２５４と点２５６の間のＨＲＳＧ１３８の構成要素はより少なく冷却される。したがって、点２５４と点２５６の間の急冷の影響は、ＨＲＳＧ１３８を加熱パージ流１４４でパージするために排熱熱交換器１７４が使用される場合、減少する。図７に示すように、加熱パージ流１４４の温度は、点２５６と点２６０の間でわずかに上昇するかもしれない。点２５６と点２６０の間の温度上昇は小さいため、急冷の影響も小さいかもしれない。したがって、ＨＲＳＧ１３８をパージするために使用されるパージ流を加熱するために排熱熱交換器１７４を使用することによって、ＨＲＳＧ１３８内の全体的な急冷の影響を、周囲パージ流１７３でパージするのに比べて大幅に低減することができる。加えて、特定の実施形態では、加熱パージ流１４４を生成するために排熱熱交換器１７４を使用する場合に達成される急冷の影響の低減は、ＨＲＳＧ１３８内の金属表面の温度を、図３の参照と共に上述したような蒸気凝縮温度より高く維持するのを助けることができる。

上述したように、システム１６０の特定の実施形態を、排熱熱交換器１７４を使用してＨＲＳＧ１３８をパージするために使用することができる。排熱熱交換器１７４を、加熱パージ流１４４を生成するためにＨＲＳＧ１３８の熱い部分から周囲パージ流１７３に熱を伝達するために使用することができる。可燃性ガス及び／又は燃焼生成物をＨＲＳＧ１３８からパージするために、加熱パージ流１４４をＨＲＳＧ１３８の入口部１６８に運ぶことができる。特定の実施形態では、排熱熱交換器１７４を介して周囲パージ流１７３を運ぶために、送風機１７２を使用することができる。他の実施形態では、ガスタービンエンジン１１８又は誘引通風機２００のいずれかを、ＨＲＳＧ１３８を介して加熱パージ流１４４を運ぶために使用することができる。加えて、特定の実施形態は、ＨＲＳＧ１３８内に配置されたセンサ１８６からの信号１８４に応じて、ＨＲＳＧ１３８を通る加熱パージ流１４４の流量を調節するために、ガスタービンエンジン１１８、送風機１７２、誘引通風機２００、及び／又は、システム１６０の他の構成要素を制御するコントローラ１８２を含むことができる。したがって、コントローラ１８２を、ＨＲＳＧ１３８のパージを制御するために使用することができる。ＨＲＳＧ１３８をパージするために使用されるガスの温度を上げることによって、ＨＲＳＧ１３８の急冷の影響を避けることができる。したがって、ＨＲＳＧ１３８の内部の構成要素の寿命を、排熱熱交換器１７４を使用することによって延ばすことができる。加えて、ＨＲＳＧ１３８の動作効率を、起動時間を短くすることによって改善することができる。

本明細書は、例を使用して、最良の形態を含む本発明の実施形態を開示し、また当業者が本発明を実施できるようにしており、この実施は任意の装置を作成及び使用することと、任意の組み込まれた方法を実行することとを含んでいる。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が想到する他の例を含むことができる。このような他の例は、それらが請求項の文言と異ならない構造的要素を有する場合、又は、それらが請求項の文言と実質的に異ならない同等の構造的要素を有する場合、特許請求の範囲内であるものとする。

１００ 複合サイクル発電プラント
１１８ ガスタービンエンジン
１２０ 燃焼器
１２２ タービンへの燃料
１２４ 圧縮された窒素
１２８ 冷却塔
１３０ タービン
１３１ 駆動軸
１３２ 圧縮器
１３３ 空気
１３４ 負荷
１３６ 蒸気タービンエンジン
１３８ 排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）システム
１４０ 第２負荷
１４１ 加熱された排気ガス
１４２ 凝縮器
１４４ 加熱パージ流
１４６ 排気
１６０ ＨＲＳＧを含むシステム
１６２ 高圧部
１６４ 中間圧部
１６６ 低圧部
１６８ 入口部
１７０ ＨＲＳＧ排気筒
１７２ 送風機
１７３ 周囲パージ流
１７４ 排熱熱交換器
１７６ 加熱パージ流路
１７８ 加熱パージ流路の第１部分
１８０ 加熱パージ流路の第２部分
１８２ コントローラ
１８４ 信号
１８６ センサ
２００ 誘引通風機
２０２ ダクト
２０４ 誘引通風筒
２０６ 誘引通風ダンパ
２２０ バイパス筒
２２２ 第１ダンパ
２２４ 第２ダンパ
２２６ 第３ダンパ
２４２ ｘ軸
２４４ ｙ軸
２４６ 排熱熱交換器が使用されていないときの第１曲線
２４８ 排熱熱交換器が使用されているときの第２曲線
２５０ ガスタービンエンジンの入口に対応する点
２５２ ガスタービンエンジンの出口に対応する点
２５４ 入口部に対応する点
２５６ 高圧部と中間圧部の間の点
２５８ 中間圧部と低圧部の間の点
２６０ 低圧部の下流の点

Claims (20)

1. 排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）と、
   前記ＨＲＳＧに結合され、加熱パージ流を生成するために前記ＨＲＳＧからパージ流に熱を伝達するように構成された排熱熱交換器と、
   前記加熱パージ流を前記排熱熱交換器から前記ＨＲＳＧの入口に運ぶように構成された加熱パージ流路と
   を備えるシステム。
2. 前記排熱熱交換器は前記ＨＲＳＧの低圧部の下流に配置されている、請求項１記載のシステム。
3. 前記排熱熱交換器は前記ＨＲＳＧの排気筒内に配置されている、請求項１記載のシステム。
4. 前記加熱パージ流路は、前記排熱熱交換器から、前記ＨＲＳＧの前記入口に結合されたガスタービンエンジンに、前記加熱パージ流を運ぶように構成されている、請求項１記載のシステム。
5. 前記ＨＲＳＧの前記入口に配置された第１ダンパと、前記ＨＲＳＧの前記入口に配置された第２ダンパとを備え、前記第１ダンパは前記加熱パージ流の第１の流量を制御するように構成され、前記第２ダンパは前記ＨＲＳＧをガスタービンエンジンから遮断するように構成されている、請求項１記載のシステム。
6. 前記ＨＲＳＧの前記入口に結合され、前記ＨＲＳＧを介して前記加熱パージ流を運ぶように構成されたガスタービンエンジンを備える、請求項１記載のシステム。
7. 前記ＨＲＳＧの低圧部の下流に配置され、前記ＨＲＳＧを介して前記加熱パージ流を引き込むように構成された誘引通風機を備える、請求項１記載のシステム。
8. 前記誘引通風機の上流に配置され、前記誘引通風機を前記ＨＲＳＧから遮断するように構成されたダンパを備える、請求項７記載のシステム。
9. 前記誘引通風機の下流に配置された誘引通風筒を備え、前記排熱熱交換器は前記誘引通風筒内に配置されている、請求項７記載のシステム。
10. 前記誘引通風筒は前記ＨＲＳＧの排気筒に結合されている、請求項９記載のシステム。
11. 前記排熱熱交換器は前記ＨＲＳＧに可逆的に結合されるように構成され、前記排熱熱交換器は、前記加熱パージ流を生成するために前記ＨＲＳＧ内に可逆的に挿入され、前記排熱熱交換器は、前記ＨＲＳＧの通常動作中には前記ＨＲＳＧから可逆的に取り除かれる、請求項１記載のシステム。
12. 排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）と、
    前記ＨＲＳＧに結合され、前記ＨＲＳＧ内に配置された排熱熱交換器にパージ流を運ぶように構成された送風機であって、前記排熱熱交換器は、加熱パージ流を生成するために前記ＨＲＳＧから前記パージ流に熱を伝達するように構成されている、送風機と、
    前記排熱熱交換器から前記ＨＲＳＧの入口に前記加熱パージ流を運ぶように構成された加熱パージ流路と、
    前記ＨＲＳＧ内に配置されたセンサからのフィードバックに応じて前記加熱パージ流の流量を調節するように構成されたコントローラと
    を備えるシステム。
13. 前記センサは、可燃性ガス、燃焼生成物、排気ガス、酸素、又は温度、あるいはこれらの組合せの少なくとも１つを感知するように構成されている、請求項１２記載のシステム。
14. 前記加熱パージ流路は、前記加熱パージ流を前記パージ流と混合するように構成されている、請求項１２記載のシステム。
15. 前記送風機は、周囲空気を前記パージ流として前記排熱熱交換器に運ぶように構成されている、請求項１２記載のシステム。
16. 前記コントローラは、前記ＨＲＳＧの低圧部の下流の前記加熱パージ流の温度が蒸気凝縮温度より高くなるように前記加熱パージ流の流量を調節するように構成されている、請求項１２記載のシステム。
17. 排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）に結合された排熱熱交換器を介してパージ流を流す工程と、
    加熱パージ流を生成するために、前記ＨＲＳＧから前記排熱熱交換器内の前記パージ流に熱を伝達する工程と、
    前記加熱パージ流を、加熱パージ流路を介して前記ＨＲＳＧの入口に流す工程と、
    前記ＨＲＳＧを前記加熱パージ流でパージする工程と
    を含む方法。
18. 前記加熱パージ流を、前記ＨＲＳＧの前記入口に結合されたガスタービンエンジンに流す工程を含む、請求項１７記載の方法。
19. 前記ＨＲＳＧを前記加熱パージ流でパージする工程は、前記加熱パージ流を、誘引通風機を使用して前記ＨＲＳＧを介して引き込む工程を含む、請求項１７記載の方法。
20. 前記加熱パージ流を、前記加熱パージ流路を使用して前記パージ流と混合する工程を含む、請求項１７記載の方法。

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