JP2013148092A - 液体燃料加熱システム - Google Patents

Abstract

【課題】寄生損失が低減された複合サイクルシステムを提供すること。
【解決手段】本出願は、ガスタービンエンジン用の燃料流を加熱する液体燃料加熱システムを提供する。液体燃料加熱システムは、蒸気流と、燃料流及び蒸気流と連通してこれらと共に混合するためのエジェクタ／エダクタと、エジェクタ／エダクタの下流側の高圧ポンプと、を含むことができる。
【選択図】 図４

Description

本出願及び結果として得られる特許は、全体的に、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、排熱回収ボイラ又はその他の場所から得られた蒸気流による液体燃料ストリームへの蒸気噴射を用いた液体燃料加熱システムに関する。

一般的に述べると、複合サイクル発電プラントは、ガスタービンと蒸気タービンの組み合わせを用いて電気を生成し、或いは負荷を駆動する。具体的には、ガスタービンサイクルは、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）及び同様のものを用いて蒸気タービンと動作可能に組み合わせることができる。ＨＲＳＧは、ガスタービン排出の高温燃焼ガスにより蒸気発生プロセス用の給水を加熱することのできる熱交換器である。複合サイクル構成の効率の最も重要なものは、ガスタービンエンジンの他の「利用していない」熱の利用度である。具体的には、ＨＲＳＧの効率は、（「高温側」の）ガスタービン燃焼ガスと（「低温側」の）供給水及び蒸気との間の熱伝達効率に関連する。

複合サイクルシステムは効率的ではあるが、複合サイクルシステムの運転全体に伴って多様な寄生損失が存在する。例えば、電気ヒータを用いてガスタービンエンジンへの燃料流を加熱し、全体のタービン性能を改善することができる。燃料流の加熱によりガスタービン性能全体が改善されるが、電気ヒータの作動もまた寄生損失である。

従って、寄生損失が低減された複合サイクルシステムに対する改善の要求がある。例えば、全体のシステム効率を改善するために燃料流用の電気ヒータに関連した寄生損失を低減及び／又は排除することができる。同様に、他の廃熱も用いて有用な仕事を提供することができる。

従って、本出願及び結果として得られる特許は、ガスタービンエンジン用の燃料流を加熱する液体燃料加熱システムを提供する。液体燃料加熱システムは、蒸気流と、燃料流及び蒸気流と連通してこれらと共に混合するためのエジェクタ／エダクタと、エジェクタ／エダクタの下流側の高圧ポンプと、を含むことができる。

本出願及び結果として得られる特許は更に、ガスタービンで使用するための燃料流を加熱する方法を提供する。本方法は、燃料流をポンプ送給するステップと、排熱回収ボイラから蒸気流を送給するステップと、エジェクタ／エダクタにおいて燃料流と蒸気流を混合し、混合した流れにおいて燃料流を加熱するステップと、混合流をガスタービンにポンプ送給するステップと、を含むことができる。

本出願及び結果として得られる特許は更に、複合サイクルシステムを提供する。複合サイクルシステムは、ガスタービンエンジンと、蒸気流を生成するための排熱回収ボイラと、ガスタービンエンジン用の燃料流を加熱するための液体燃料加熱システムと、を含むことができる。液体燃料加熱システムは、燃料流及び蒸気流と連通してこれらと共に混合するためのエジェクタ／エダクタを含むことができる。

本出願及び結果として得られる特許のこれら及び他の特徴並びに改善は、当業者であれば複数の図面及び添付の請求項を参照しながら以下の詳細な説明を精査することによって明らかになるであろう。

ガスタービンエンジン、蒸気タービン、及び排熱回収ボイラを備えた複合サイクルシステムの概略図。 電気ヒータを備えた公知の液体燃料加熱システムの概略図。 本明細書で記載される液体燃料加熱システムの概略図。 図３の液体燃料加熱システムの別の概略図。

次に、幾つかの図全体を通して様々な参照符号が同様の要素を表す図面を参照すると、図１は、複合サイクルシステム１０の概略図を示す。複合サイクルシステム１０は、ガスタービンエンジン１２を含むことができる。ガスタービンエンジン１２は、圧縮機１４を含むことができる。圧縮機１４は、流入する空気流１６を圧縮する。圧縮機１４は、圧縮空気流１６を燃焼器１８に送給する。燃焼器１８は、圧縮空気流１６を加圧燃料流２０と混合して該混合気を点火し、燃焼ガス２２の流れを生成する。単一燃焼器１８のみが図示されているが、ガスタービンエンジン１２は、あらゆる数の燃焼器１８を含むことができる。次いで、燃焼ガス２２の流れがタービン２４に送給される。燃焼ガス２２の流れは、タービン２４を駆動し、機械的仕事を産出するようにする。タービン２４にて産出される機械的仕事は、シャフト２６を介して圧縮機１４並びに発電機及び同様のものなどの外部負荷２８を駆動する。ガスタービンエンジン１２は、天然ガス、種々のタイプのシンガス、及び他のタイプの燃料を用いることができる。ガスタービンエンジン１２は、異なる構成を有することができ、他のタイプの構成要素を用いることができる。

複合サイクルシステム１０はまた、蒸気タービン３０を含むことができる。蒸気タービン３０は、高圧セクション３２と、中圧セクション３４と、異なる圧力の複数の蒸気流入点を備えた１つ又はそれ以上の低圧セクション３６と、を含むことができる。低圧セクション３６は、復水器３８に排出することができる。ここでは１つ又は複数のシャフト２６を用いることができる。本明細書において、他の構成要素及び他の構成も用いてもよい。

複合サイクルシステム１０はまた、排熱回収ボイラ４０（「ＨＲＳＧ」）を含むことができる。ＨＲＳＧ４０は、複数のセクションを含むことができる。ＨＲＳＧ４０の各セクションは、１つ又はそれ以上のエコノマイザ、蒸発器、及び過熱器を含むことができる。復水器３８からの復水の流れ３９は、ＨＲＳＧ４０に送給することができる。復水流３９は、ＨＲＳＧ４０を通過してガスタービンエンジン１２からの排出ガス２２の流れと熱交換し、蒸気の流れ４１に変わる。ＨＲＳＧ４０にて生成された蒸気流４１は、蒸気タービン３０を駆動ため、又は他の目的で用いることができる。本明細書において、他の構成要素及び他の構成も用いてもよい。

図２は、公知の液体燃料加熱システム４２の一実施例を示している。燃料流２０は、一般に、燃料スキッド上又は燃料タンク４４内に貯蔵される。燃料タンク４４は、ガスタービンエンジン１２から遠隔に位置する場合がある。燃料流２０は、前方ポンプユニット４６を介して燃料ヒータ５０に、次いでガスタービンエンジン１２に隣接する補機ベース又はスキッド４８にポンプ送給することができる。燃料ヒータ５０は、電気ヒータ及び同様のものとすることができる。従って、燃料ヒータ５０は、燃料流２０を加熱するエネルギー要件を考慮すると寄生損失と考えられる。本明細書において、他の構成要素及び他の構成も用いてもよい。

複合サイクルシステム１０はまた、水噴射システム５２を含むことができる。水噴射システム５２は、脱鉱水供給源、高圧水噴射ポンプ５４、及び複数のバルブを含むことができる。特定のタイプの二重燃料燃焼器１８において、水は、約３０％負荷を上回る液体燃料運転中に供給し、適用規制に応じた全体エミッションを維持するようにすることができる。水噴射ポンプ５４はまた、全体のシステム効率の減少の寄生要因とみなすことができる。本明細書において、他の構成要素及び他の構成も用いてもよい。

図３は、複合サイクルシステム１０５と共に用いるために本明細書で説明されるような液体燃料加熱システムの概略図を示している。液体燃料加熱システム１００は、燃料スキッド又は燃料タンク１１０内に位置付けられる燃料流２０を含むことができる。燃料流２０は、１つ又はそれ以上の前方ポンプユニット１３０を介して補機スキッド１２０にポンプ送給することができる。補機スキッド１２０は、ガスタービンエンジン１２に隣接することができる。補機スキッド１２０はまた、ＨＲＳＧ４０又は他の場所からの蒸気流１３５と連通することができる。補機スキッド１２０は、燃料ヒータ５０及び水噴射システム５２を使用すること以外は、上述の補機スキッド４８と同様とすることができる。本明細書において、他の構成要素及び他の構成も用いてもよい。

図４は、液体燃料加熱システム１００の補機スキッド１２０の概略図である。高圧ポンプ１４０は、補機スキッド１２０上に位置付けることができる。高圧ポンプ１４０は、上述の水噴射システム５２の高圧ポンプ５４と同様とすることができる。

液体燃料加熱システム１００はまた、補機スキッド１２０の周りに位置付けられたエジェクタ／エダクタ１５０を含むことができる。エジェクタ／エダクタ１５０は、あらゆる可動部品のない機械装置である。その代わりに、エジェクタ／エダクタ１５０は、駆動流体と吸入流体との間の運動量移動に基づいて２つの流体ストリームを混合する。エジェクタ／エダクタ１５０はまた、吸入口１７０を含むことができる。吸入口１７０は、ＨＲＳＧ４０からの蒸気流１３５と連通することができる。従って、燃料流２０は、蒸気流１３５に負圧をもたらす駆動流体である。エジェクタ／エダクタ１５０はまた、混合管１８０と、ディフューザ１９０とを含む。他のタイプの混合器、混合ポンプ、及び同様のものもエジェクタ／エダクタ１５０として用いることができる。

燃料流２０は、駆動流体として駆動入口１６０に流入し、吸込流が加速されたときに圧力が蒸気流１３５の圧力を下回って低下する。流れは、混合管１８０において混合され、混合流１９５としてディフューザ１９０を通って流れる。混合流１９５は、駆動ストリームよりも低いが吸入ストリームよりも高い圧力で吐出することができる。従って、吸入口１７０での蒸気噴射は、負圧又は真空とすることができる。具体的には、エジェクタ／エダクタ１５０の全体の吸入能力は、利用可能な正味吸入ヘッドに基づくことができる。本明細書において、他の構成要素及び他の構成も用いてもよい。

エジェクタ／エダクタ１５０は、高圧ポンプ１４０の直ぐ上流側に位置付けることができる。入口温度センサ２００及び出口温度センサ２１０は、エジェクタ／エダクタ１５０の周りに位置付けることができる。流量メータ及び同様のものは、吸入口１７０の周りに位置付けることができる。本明細書において、他のタイプの制御デバイスを用いてもよい。また、本明細書において、蒸気流１３５と連通した蒸気バルブ２３０及び混合流１９５用の高圧ポンプ２４０の下流側の安全バルブ２４０などの１つ又はそれ以上の制御バルブを用いてもよい。本明細書において、他の構成要素及び他の構成も用いてもよい。

温度センサ２００、２１０に基づいて、蒸気流１３５の温度及び熱出力の変化を監視することができる。吸入口１７０付近のバルブ２３０は、ガスタービンエンジン１２の要求に応じて開放又は閉鎖することができる。例えば、燃料流２０の温度、燃料流２０の粘度、及び液体燃料の含水量を考慮することができる。また、流量計２２０を用いて、液体燃料の含水量を求めることができる。具体的には、液体燃料の含水量は、流量計２２０を介して監視及び制御することができる。本明細書において、他の構成要素及び他の構成も用いてもよい。アルゴリズムを用いて、作動変数及び燃料特性などの複数の変数に基づき燃料システムへの蒸気の付加を制御することができる。本明細書において、他のタイプの制御システムを用いることもできる。

電気ヒータ５０及び水噴射システム５２を用いるのではなく、蒸気流１３５の直接噴射により、液体燃料加熱システム１００が燃料流２０を加熱する。蒸気流１３５が燃料流２０を加熱し、粘度を約１０〜２０センチストーク未満程度にすることができる。蒸気流１３５によって燃料流２０に提供されるあらゆる付加熱は、ガスタービンエンジン１２の全体出力を増大させるための燃料流２０の追加エネルギーの形態となる。燃料流２０に噴射される蒸気流１３５の量は、含水量が燃焼ハードウェア閾値を確実に超えないように制御することができる。蒸気流１３５は、高圧ポンプ１４０の入口の前に燃料流２０に噴射され、適切な混合を確保し、且つ蒸気ポケットが確実に生じることのないようにすることができる。蒸気流１３５が噴射されると、混合燃料２０に内部のエネルギー全てが与えられ、液体燃料温度が上昇する。

従って、液体燃料加熱システム１００は、燃料ヒータ５０により一般に被った寄生損失を排除する。むしろ、液体燃料加熱システム１００は、ＨＲＳＧ４０又は他の場所から利用していない蒸気流１３５を用いることができる。従って、液体燃料加熱システム１００は、燃料流２０を加熱し、電気ヒータなしで内部に追加のエネルギーを与える。その上、高温ガス経路の部品に対する亀裂又は損傷を阻止するために燃焼ハードウェアの上流側で蒸気流１３５を噴射することにより、全体の構成要素の寿命が延びることができる。従って、複合サイクルシステム１１０の全体効率を高めることができる。ガスタービン燃焼器に流入する蒸気／水の実際の状態は、燃料ノズル出口オリフィスにおける結果として生じる混合気の物理的及び化学的特性に相関することができる。蒸気の化学的性質はまた、ガスタービンへの噴射に好適な化学的品質とすることができる。

上記のことは、本出願及びその結果として得られる特許の特定の実施形態にのみに関連している点を理解されたい。添付の請求項及びその均等物によって定められる本発明の全体的な技術的思想及び範囲から逸脱することなく、当業者によって多くの変更及び修正を本明細書において行うことができる。

１０ 複合サイクルシステム
１２ ガスタービンエンジン
１４ 圧縮機
１６ 空気流
１８ 燃焼器
２０ 燃料流
２２ 燃焼ガス
２４ タービン
２６ シャフト
２８ 負荷
３０ 蒸気タービン
３２ 高圧セクション
３４ 中圧セクション
３６ 低圧セクション
３８ 復水器
３９ 復水
４０ ＨＲＳＧ
４１ 蒸気流
４２ 液体燃料システム
４４ 燃料タンク
４６ ポンプ
４８ スキッド
５０ 燃料ヒータ
５２ 水噴射システム
５４ ポンプ
１００ 液体燃料加熱システム
１０５ 複合サイクルシステム
１１０ 燃料タンク
１２０ 補機スキッド
１３０ ポンプ
１３５ 蒸気流
１４０ 高圧ポンプ
１５０ エジェクタ
１６０ 駆動入口
１７０ 吸入入口
１８０ 混合管
１９０ ディフューザ
１９５ 混合流
２００ 入口温度センサ
２１０ 出口温度センサ
２２０ 流量計
２３０ 蒸気バルブ
２４０ 安全バルブ

Claims (20)

1. ガスタービンエンジン用の燃料流を加熱する液体燃料加熱システムであって、
   蒸気流と、
   前記燃料流及び前記蒸気流と連通してこれらと共に混合するためのエジェクタ／エダクタと、
   前記エジェクタ／エダクタの下流側の高圧ポンプと、
   を備える、液体燃料加熱システム。
2. 前記蒸気流用の排熱回収ボイラを更に備える、請求項１記載の液体燃料加熱システム。
3. 前記エジェクタ／エダクタ及び前記高圧ポンプを含む補機スキッドを更に備える、請求項１記載の液体燃料加熱システム。
4. 前記エジェクタ／エダクタが、前記燃料流と連通した駆動入口を含む、請求項１記載の液体燃料加熱システム。
5. 前記エジェクタ／エダクタが、前記蒸気流と連通した吸入口を含む、請求項１記載の液体燃料加熱システム。
6. 前記エジェクタ／エダクタが、前記高圧ポンプと連通したディフューザを含む、請求項１記載の液体燃料加熱システム。
7. 前記エジェクタ／エダクタの上流側にある入口温度センサと、前記エジェクタ／エダクタの下流側にある出口温度センサとを更に備える、請求項１記載の液体燃料加熱システム。
8. 前記蒸気流の周りに位置付けられた流量計を更に備える、請求項１記載の液体燃料加熱システム。
9. 前記蒸気流の周りに位置付けられた蒸気バルブを更に備える、請求項１記載の液体燃料加熱システム。
10. 前記高圧ポンプの下流側に位置付けられた安全バルブを更に備える、請求項１記載の液体燃料加熱システム。
11. ガスタービンで使用するための燃料流を加熱する方法であって、
    前記燃料流をポンプ送給するステップと、
    排熱回収ボイラから蒸気流を送給するステップと、
    エジェクタ／エダクタにおいて前記燃料流と前記蒸気流を混合し、混合した流れにおいて前記燃料流を加熱するステップと、
    前記混合流を前記ガスタービンにポンプ送給するステップと、
    を含む、方法。
12. 前記燃料流をポンプ送給するステップが、前記燃料流を補機スキッドにポンプ送給するステップを含む、請求項１１記載の方法。
13. 前記燃料流をポンプ送給するステップが、前記燃料流を前記エジェクタ／エダクタの駆動入口にポンプ送給するステップを含む、請求項１１記載の方法。
14. 前記蒸気流を送給するステップが、前記蒸気流を前記エジェクタ／エダクタの吸入口に送給するステップを含む、請求項１１記載の方法。
15. 前記エジェクタ／エダクタの上流側及び下流側の前記燃料流の温度を測定するステップを更に含む、請求項１１記載の方法。
16. 複合サイクルシステムであって、
    ガスタービンエンジンと、
    蒸気流を生成するための排熱回収ボイラと、
    前記ガスタービンエンジン用の燃料流を加熱するための液体燃料加熱システムと、
    を備え、前記液体燃料加熱システムが、前記燃料流及び前記蒸気流と連通してこれらと共に混合するためのエジェクタ／エダクタを含む、複合サイクルシステム。
17. 前記液体燃料加熱システムが、前記エジェクタ／エダクタの下流側に高圧ポンプを含む、請求項１６記載の複合サイクルシステム。
18. 前記エジェクタ／エダクタを含む補機スキッドを更に備える、請求項１６記載の複合サイクルシステム。
19. 前記エジェクタ／エダクタが、前記燃料流と連通した駆動入口を含む、請求項１６記載の複合サイクルシステム。
20. 前記エジェクタ／エダクタが、前記蒸気流と連通した吸入口を含む、請求項１６記載の複合サイクルシステム。