JP2013148095A - ガスタービン圧縮機水洗浄システム - Google Patents

Abstract

【課題】本出願は、ガスタービンエンジンの圧縮機と共に使用するための水洗浄システムを提供する。
【解決手段】水洗浄システムは、圧縮機と連通状態にある複数のスプレーノズルと、熱回収蒸気発生器と、熱回収蒸気発生器からの加熱水の流れと、加熱水の流れを圧縮機に送出するため、加熱水の流れおよび複数のスプレーノズルと連通状態にあるタップオフラインとを含むことができる。
【選択図】図１

Description

本出願およびその結果生じる特許は、一般に、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、コンバインドサイクルシステムまたはシンプルサイクルシステムにおいて使用するための寄生損失を低減したガスタービン圧縮機水洗浄および清掃システムに関する。

一般的に述べると、コンバインド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合せを使用して電力を生成する、または負荷を駆動する。特に、熱回収蒸気発生器（「ＨＲＳＧ」）および同様なものによってガスタービンサイクルを蒸気タービンサイクルと作動可能に組合すことができる。ＨＲＳＧは、ガスタービン排気の熱い燃焼ガスによって蒸気発生プロセス用の給水を加熱することを可能にする熱交換器である。コンバインドサイクル機構の効率のため、主に、普通なら「廃棄される(wasted)」ガスタービンエンジンの熱を利用する。特に、ＨＲＳＧの効率は、ガスタービン燃焼ガス（「熱い側(hot side)」）と給水および蒸気（「冷たい側(cold side)」）との間の熱伝達の効率に関連する。

コンバインドサイクルシステムは効率的であるが、全システム作動に関わる多くのタイプの寄生損失が存在する。たとえば、ＨＲＳＧからの高圧水を、ガスタービンエンジンへの燃料の流れを加熱するために使用して、全タービン性能を改善することができる。しかし、この高圧水は、一般に、凝縮器内の圧力エネルギーの全てを利用することなく、燃料を加熱した後に凝縮器に直接ダンプされる。

寄生損失の別の例は、圧縮機洗浄システムである。圧縮機のファウリングに起因するガスタービン性能の損失を、電力出力の減少ならびに発熱率と燃料消費の両方の増加によって検出することができる。結果として、オンラインとオフラインの両方の洗浄システムを使用することができる。これらの洗浄システムは、一般に、汚染物質および同様なものの圧縮機ブレードを清掃するために、圧縮機内に水液滴を噴霧する。これらの水洗浄システムは、一般に、圧縮機入口内に水の流れを送るために、鉱質除去水タンク、洗浄剤供給源、水洗浄スキッド上に配置した１つまたは複数のポンプ、および同様なものを含む。こうした水洗浄システムは、総合圧縮機効率を改善するが、水洗浄システムの作動もまた、寄生損失である。

米国特許出願公開第２０１１／０２０９４７９号公報

したがって、寄生損失を低減し、コンバインドサイクルシステムおよび／またはシンプルサイクルシステムを改善する必要がある。たとえば、総合システム効率を改善するために圧縮機水洗浄システムに関連する寄生損失を低減する、かつ／または、なくすことができる。同様に、有用な仕事を提供するために普通なら廃棄される熱を使用することができる。

したがって、本出願およびその結果生じる特許は、ガスタービンエンジンの圧縮機と共に使用するための水洗浄システムを提供する。水洗浄システムは、圧縮機と連通状態にある複数のスプレーノズルと、熱回収蒸気発生器と、熱回収蒸気発生器からの加熱水の流れと、加熱水の流れを圧縮機に送出するために、加熱水の流れと複数のスプレーノズルと連通状態にあるタップオフラインとを含むことができる。

本出願およびその結果生じる特許は、さらに、ガスタービンエンジンの圧縮機用の水洗浄システムを作動させる方法を提供する。方法は、熱回収蒸気発生器からの加熱水の流れを変向させるステップと、ガスタービンエンジンの燃焼器用の燃料の流れを加熱するために、加熱水の変向された流れを、高性能加熱器に通過させるステップと、加熱水の変向された流れを、圧縮機の入口の周りに配置された複数のスプレーノズルに流すステップとを含むことができる。

本出願およびその結果生じる特許は、さらに、圧縮機および燃焼器を有するガスタービンエンジンと共に使用するための水洗浄システムを提供する。水洗浄システムは、圧縮機と連通状態にある複数のスプレーノズルと、燃焼器と連通状態にある水供給部と、水供給部の下流の高圧ポンプとを含むことができる。水供給部は、高圧ポンプを介して前記複数のスプレーノズルと連通状態にある。

いくつかの図面および添付特許請求の範囲に関連して考えると、本出願およびその結果生じる特許のこれらのまた他の特徴および改善が、当業者には、以下の詳細な説明を検討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、および熱回収蒸気発生器を有するコンバインドサイクルシステムの略図である。 ガスタービンエンジン、蒸気タービン、熱回収蒸気発生器、および水洗浄システムの所定部分を示す図１のコンバインドサイクルシステムの略図である。 ガスタービンエンジン、蒸気タービン、熱回収蒸気発生器、および水洗浄システムの所定部分を示す本明細書で述べられることができるコンバインドサイクルシステムの略図である。 本明細書で述べられることができるコンバインドサイクルシステムの代替の実施形態の略図である。 ガスタービンエンジンおよび水洗浄システムを示す本明細書で述べられることができるシンプルサイクルシステムの略図である。

図面をここで参照すると、いくつかの図全体を通して同じ数字が同じ要素を指しているが、図１は、コンバインドサイクルシステム１０の略図を示す。コンバインドサイクルシステム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、入って来る空気流１６を圧縮する。圧縮機１４は、圧縮された空気流１６を燃焼器１８に送出する。燃焼器１８は、圧縮された空気流１６を、加圧された燃料流２０と混合し、混合物に点火して、燃焼ガス流２２を生成する。単一燃焼器１８だけが示されるが、ガスタービンエンジン１２は、任意の数の燃焼器１８を含むことができる。燃焼ガス流２２は次にタービン２４に送出される。燃焼ガス流２２は、タービン２４を駆動して、機械的仕事を生成する。タービン２４で生成される機械的仕事は、シャフト２６を介して圧縮機１４を、また、発電機などのような外部負荷２８を駆動する。ガスタービンエンジン１２は、天然ガス、種々のタイプの合成ガス、および他のタイプの燃料を使用することができる。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使用することができる。

コンバインドサイクルシステム１０は、蒸気タービン３０も含む。蒸気タービン３０は、高圧セクション３２、中間圧力セクション３４、および複数の蒸気導入点が異なる圧力にある１つまたは複数の低圧セクション３６を含むことができる。低圧セクション３６は、凝縮器３８内に排気することができる。１つまたは複数のシャフト２６を本明細書で使用することができる。他の構成および他の構成要素を、本明細書で使用することができる。

コンバインドサイクルシステム１０はまた、熱回収蒸気発生器４０（「ＨＲＳＧ」）を含むことができる。ＨＲＳＧ４０は、低圧セクション４２、中間圧セクション４４、および高圧セクション４６を含むことができる。各セクション４２、４４、４６は、一般に、１つまたは複数の節減器、蒸発器、および過熱器を含む。凝縮器３８からの凝縮物を、凝縮物ポンプ４８を介してＨＲＳＧ４０に送給することができる。凝縮物は、ＨＲＳＧ４０のセクション４２、４４、４６を通過し、熱を、ガスタービンエンジン１２からの燃焼ガス流２２と交換する。ＨＲＳＧ４０で生成する蒸気を、その後、蒸気タービン３０を駆動するために使用することができる。同様に、ＨＲＳＧで生成する、熱い高圧水を、燃焼器１８への入って来る燃料流２０を加熱するために高性能加熱器５０で使用することができる。高性能加熱器５０で使用する水を、一般に、使用後に凝縮器３８にダンプする。他の構成要素および他の構成を、本明細書で使用することができる。

図２は、コンバインドサイクルシステム１０の所定部分をより詳細に示す。特に、高性能加熱器５０で使用するための加熱水５２の流れを、中間圧力節減器の下流でかつ中間圧力蒸発器５６の前で、ＨＲＳＧ４０の中間圧力セクション４４から取込むことができる。加熱水５２の流れは、高性能加熱器５０を通過することができ、加熱水５２は、燃料流２０が燃焼器１８に入る前に燃料流２０と熱を交換する。加熱水５２は、高圧下にあるとすることができる。加熱水５２を、その後、さらに使用することなく、凝縮器３８にダンプすることができる。

コンバインドサイクルシステム１０はまた、ガスタービンエンジンの圧縮機１４の周りで圧縮機水洗浄システム６０を使用することができる。一般的に述べると、圧縮機水洗浄システム６０は、水タンク６２であって、水タンク６２内に鉱質除去水供給部を有する水タンク６２と、洗浄剤タンク６４であって、洗浄剤タンク６４内に洗浄剤を有する洗浄剤タンク６４と、水洗浄ポンプ６６とを含むことができる。エダクタ６８または他のタイプの供給機構を、洗浄剤タンク６４から洗浄剤をオフラインモードで供給するために使用することができる。水タンク６２、洗浄剤タンク６４、水洗浄ポンプ６６、エダクタ６８、および他の構成要素を、水洗浄スキッド７０または他の所に配置することができる。

圧縮機水洗浄システム６０はまた、複数のスプレーノズル７２を含むことができる。スプレーノズル７２を、圧縮機１４の入口の周りに配置することができる。圧縮機水洗浄システム６０は、複数の弁７４も含むことができる。水スプレーおよび同様なものの圧力を変えるために弁７４を使用することができる。圧縮機水洗浄システム６０は、オンラインモードまたはオフラインモードで作動することができ、水洗浄ポンプ６６および弁７４は異なる圧力および速度で水を提供する。オンライン水洗浄は、一般に、圧縮機１４の入口案内翼の角度が約７０°より大きく、かつ、入口温度が華氏５０°（摂氏約１０°）より大きいときに実施することができる。オンライン水洗浄を、１日当たり約１５分〜約３０分の間、関与させることができる。オフライン水洗浄は、定期的にまたは停電中に行うことができる。オフライン水洗浄は、始動回転速度で行うことができる。多くの異なるパラメータおよび作動プロシージャを、本明細書で使用することができる。他の構成要素および他の構成を、本明細書で使用することができる。

コンバインドサイクルシステム１０はまた、水注入システム７６を含むことができる。水注入システム７６は、鉱質除去水供給部７８、高圧水注入ポンプ８０、および複数の弁８２を含むことができる。いくつかのタイプの２重燃料燃焼器１８では、当てはまる規則を順守して総排出物を維持するために、約３０％負荷を超える液体燃料作動中に水を適用することができる。多くの異なるパラメータおよび作動プロシージャを、本明細書で使用することができる。他の構成要素および他の構成を、本明細書で使用することができる。

図３は、本明細書で述べることができるコンバインドサイクルシステム１００の例の略図である。コンバインドサイクルシステム１００は、上述したものと同様のガスタービンエンジン１１０を含むことができる。ガスタービンエンジン１１０は、圧縮機１２０、燃焼器１３０、およびタービン１４０を含むことができる。他の構成要素および他の構成を、本明細書で使用することができる。コンバインドサイクルシステム１００は、上述したものと同様の蒸気タービン１４２も含むことができる。蒸気タービン１４２は、上述したように、低圧セクション１４４、凝縮器１４６、ポンプ１４８、および他の構成要素を含むことができる。

同様に、コンバインドサイクルシステム１００は、上述したものと同様の熱回収蒸気発生器１５０（「ＨＲＳＧ」）を含むことができる。ＨＲＳＧ１５０は、燃料流２０を加熱するために、高性能加熱器１７０に加熱水１６０の流れを変向する(divert)ことができる。加熱水１６０の流れを、中間圧力節減器１９０の下流でかつ中間圧力蒸発器２００の前で、ＨＲＳＧ１５０の中間圧力セクション１８０から取込むことができる。他の構成要素および他の構成を、本明細書で使用することができる。

コンバインドサイクルシステム１００はまた、水注入システム２１０を含むことができる。上述した水注入システムと同様に、水注入システム２１０は、鉱質除去水供給部２２０、高圧水注入ポンプ２３０、および複数の弁２４０を含むことができる。したがって、水注入システム２１０は、鉱質除去水を、燃焼器１３０および同様なものに提供する。他の構成要素および他の構成を、本明細書で使用することができる。

コンバインドサイクルシステム１００は、圧縮機水洗浄システム２５０も含むことができる。圧縮機水洗浄システム２５０は、洗浄剤タンク２６０であって、洗浄剤タンク２６０内に洗浄剤を有する洗浄剤タンク２６０と、エダクタ２７０または他のタイプの供給機構、および複数のスプレーノズル２８０を含むことができる。スプレーノズル２８０を、圧縮機１２０の入口の周りに配置することができる。他の構成要素および他の構成を、同様に本明細書で使用することができる。

水スキッド７０上で独立型水タンク６２を使用する代わりに、本明細書で述べる圧縮機水洗浄システム２５０は、水注入システム２１０と連通状態にあるとすることができる。特に、鉱質除去水供給部２２０および高圧水注入ポンプ２３０は、複数の弁、すなわち、オン／オフ弁２９０、圧力逃がし弁３００、および同様なものを介してスプレーノズル２８０と連通状態にあるとすることができる。他の構成要素および他の構成を、本明細書で使用することができる。圧縮機水洗浄システム２５０はまた、タップオフライン３１０を介して加熱水１６０の流れと連通状態にあるとすることができる。タップオフライン３１０は、高性能加熱器１７０の下流でかつ蒸気タービン１４４の凝縮器１４８の前で、加熱水１６０の流れを捕捉することができる。そのため、タップオフライン３１０は、スプレーノズル２８０と連通状態にあるとすることができる。タップオフライン３１０は、フィルタ３２０、オン／オフ弁３３０、１つまたは複数の圧力逃がし弁３４０、および同様なものを有することができる。他の構成要素および他の構成を、本明細書で使用することができる。

使用時、ＨＲＳＧ１５０の中間圧力セクション１８０からの加熱水１６０の流れを、タップオフライン３１０を介して圧縮機水洗浄システム２５０においてオンラインモードで使用することができる。圧力逃がし弁３４０および同様なものを介して加熱水１６０のこの流れの圧力を調節することができる。そのため、関連するポンプを使用することなくまた寄生エネルギー損失なしで、加熱水１６０の流れの圧力エネルギーを有用な仕事のために捕捉することができる。

加熱水１６０の流れが、ＨＲＳＧの中間圧力セクション１８０から利用可能でない場合、または、加熱水１６０の流れを、その高温のせいで使用することができない場合、圧縮機水洗浄システム２５０はまた、鉱質除去水供給部２２０、および、圧力逃がし弁３４０および同様なものを介して調節する水注入システム２１０の高圧水注入ポンプ２３０をオンラインモードで使用することができる。さらに、圧縮機水洗浄システム２５０はまた、水注入システム２１０をオフラインで使用することができる。特に、エダクタ２７０は、洗浄剤タンク２６０から洗浄剤を付加することができる。そのため、水注入システム２１０を使用すれば、別個の水洗浄ポンプおよびタンクの使用をなくせる。水は、その後、鉱質除去水供給部２２０および同様なものに戻るように再循環させることができる。他の構成要素および他の構成を、本明細書で使用することができる。

図４は、本明細書で述べることができるコンバインドサイクルシステム３５０のさらなる実施形態を示す。コンバインドサイクルシステム３５０は、上述したものと同様とすることができる。この例では、圧縮機水洗浄システム２５０は、タップオフライン３８０上に圧力交換器３７０を含むことができる。特に、圧力交換器３７０は、正変位圧力交換デバイスである。知られているように、圧力交換器３７０は、ロータ回転および同様なものを介して流体流間の圧力を交換する。タップオフライン３８０は、高性能加熱器１７０の下流からスプレーノズル２８０まで延在することができる。圧力交換器３７０はまた、鉱質除去水供給部２２０または他のタイプの水供給部と連通状態にあるとすることができる。そのため、圧力交換器３７０は、鉱質除去水供給部２２０と連通状態の低圧鉱質除去水入力部３９０およびスプレーノズル２８０と連通状態の高圧鉱質除去水出力部４００を有することができる。同様に、圧力交換器３７０は、高性能加熱器１７０と連通状態の高圧加熱水入力部４１０および凝縮器１４８と連通状態の低圧加熱水出力部４２０を含むことができる。圧力交換器３７０は、それぞれの流体ストリームを混合することなく、高い効率の圧力交換を提供する。特に、こうして、加熱水１６０の圧力エネルギーを間接的に利用すれば、圧力交換器３７０によってスプレーノズル２８０を駆動することが可能になる。

したがって、本明細書で述べるコンバインドサイクルシステム１００は、性能および効率を総合的に改善することを可能にするために、加熱水１６０の流れの廃棄熱を効率的に利用する。特に、加熱水１６０の流れに関連するエネルギーを、凝縮器１４８に直接ダンプされる代わりに、タップオフライン３１０を介して圧縮機水洗浄システム２５０で使用することができる。さらに、水注入ポンプ２３０がその間運転するほぼベース負荷またはベース負荷において、オンライン水洗浄を実施するため、タップオフも、水注入システム２１０の高圧水注入ポンプ２３０から取込むことができる。同様に、別個の水洗浄ポンプ６６および水洗浄スキッド７０がなくなるように、既存の高圧水注入ポンプ２３０をオフライン水洗浄のために使用することができる。水洗浄スキッド７０をなくすことは、フットプリント全体を減少させ、コスト節約を提供する。寄生損失の減少はまた、加熱水１６０の流れの廃棄エネルギーを使用することによって実現される。圧縮機水洗浄システム２５０の使用することが、鉱質除去水システムおよび／または補給水システム全体のサイズ決定および使用に対してほとんど影響を与えるべきでない。

図５は、本明細書で述べることができるシンプルサイクルシステム４５０の例の略図を示す。シンプルサイクルシステム４５０は、蒸気タービン１４４および熱回収蒸気発生器１５０を使用しないが、上述したコンバインドサイクルシステム１００と同様とすることができる。したがって、圧縮機水洗浄システム４６０は、オンライン使用とオフライン使用との両方のために鉱質除去水供給部２２０および水注入システム２１０の高圧水注入ポンプ２３０を使用する。こうして水注入システム２１０を使用することによって、別個の水洗浄ポンプおよびスキッドについての必要性もなくなる。他の構成要素および他の構成を、本明細書で使用することができる。

上記は、単に本出願のいくつかの実施形態およびその結果生じる特許に関連していることが明らかであろう。添付の特許請求の範囲およびその均等物によって規定される本発明の一般的な趣旨および範囲から逸脱することなく、当業者によって、複数の変更および修正を本明細書で行うことができる。

１０ コンバインドサイクルシステム
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 中間圧力セクション
３６ 低圧セクション
３８ 凝縮器
４０ ＨＲＳＧ
４２ 低圧セクション
４４ 中間圧力セクション
４６ 高圧セクション
４８ ポンプ
５０ 高性能加熱器
５２ 加熱水の流れ
５４ 中間圧力節減器
５６ 中間圧力蒸発器
６０ 圧縮機水洗浄システム
６２ 水タンク
６４ 洗浄剤タンク
６６ 水洗浄ポンプ
６８ エダクタ
７０ 水スキッド
７２ スプレーノズル
７４ 弁
７６ 水注入システム
７８ 鉱質除去水供給部
８０ ポンプ
８２ 弁
１００ コンバインドサイクルシステム
１１０ ガスタービンエンジン
１２０ 圧縮機
１３０ 燃焼器
１４０ タービン
１４２ 蒸気タービン
１４４ 低圧セクション
１４６ 凝縮器
１４８ ポンプ
１５０ ＨＲＳＧ
１６０ 加熱水の流れ
１７０ 高性能加熱器
１８０ 中間圧力セクション
１９０ 中間圧力節減器
２００ 中間圧力蒸発器
２１０ 水注入システム
２２０ 鉱質除去水供給部
２３０ ポンプ
２４０ 弁
２５０ 圧縮機水洗浄システム
２６０ 洗浄剤タンク
２７０ エダクタ
２８０ スプレーノズル
２９０ 弁
３００ 弁
３１０ タップオフライン
３２０ フィルタ
３３０ 弁
３４０ 弁
３５０ コンバインドサイクルシステム
３６０ 圧縮機水洗浄システム
３７０ 圧力交換器
３８０ タップオフライン
３９０ 低圧鉱質除去水入力部
４００ 高圧鉱質除去水出力部
４１０ 高圧加熱水入力部
４２０ 低圧加熱水出力部
４５０ シンプルサイクルシステム
４６０ 水洗浄システム

Claims (20)

1. ガスタービンエンジンの圧縮機と共に使用するための水洗浄システムであって、
   前記圧縮機と連通状態にある複数のスプレーノズルと、
   熱回収蒸気発生器と、
   前記熱回収蒸気発生器からの加熱水の流れと、
   前記加熱水の流れを前記圧縮機に送出するために、前記加熱水の流れと前記複数のスプレーノズルと連通状態にあるタップオフラインとを備える水洗浄システム。
2. 前記熱回収蒸気発生器は中間圧力セクションを備え、前記加熱水の流れが前記中間圧力セクションから始まる請求項１記載の水洗浄システム。
3. 前記中間圧力セクションは中間圧力節減器を備え、前記加熱水の流れが前記中間圧力節減器の下流から始まる請求項２記載の水洗浄システム。
4. 前記ガスタービンエンジンの燃焼器用の燃料の流れと連通状態にある高性能加熱器をさらに備え、前記加熱水の流れは前記高性能加熱器と連通状態にある請求項１記載の水洗浄システム。
5. 前記高性能加熱器の下流に凝縮器をさらに備える請求項４記載の水洗浄システム。
6. 前記タップオフラインが、前記高性能加熱器と前記凝縮器との間から始まる請求項５記載の水洗浄システム。
7. 前記タップオフラインが、圧力調節器を備える請求項１記載の水洗浄システム。
8. 前記ガスタービンエンジンの燃焼器と連通状態にある水供給部をさらに備える請求項１記載の水洗浄システム。
9. 前記水供給部が、高圧ポンプを介して前記複数のスプレーノズルと連通状態にある請求項８記載の水洗浄システム。
10. 前記水供給部が、圧力逃がし弁を介して前記複数のスプレーノズルと連通状態にある請求項８記載の水洗浄システム。
11. 前記水供給部の下流に洗浄剤タンクをさらに備える請求項８記載の水洗浄システム。
12. 前記洗浄剤タンクと連通状態にあるエダクタをさらに備える請求項１１記載の水洗浄システム。
13. 前記タップオフラインが前記タップオフライン上に圧力交換器を備える請求項１記載の水洗浄システム。
14. 前記圧力交換器が水供給源および凝縮器と連通状態にある請求項１３記載の水洗浄システム。
15. ガスタービンエンジンの圧縮機用の水洗浄システムを作動させる方法であって、
    熱回収蒸気発生器からの加熱水の流れを変向させること、
    前記ガスタービンエンジンの燃焼器用の燃料の流れを加熱するために、前記加熱水の変向された流れを、高性能加熱器に通過させること、および、
    前記加熱水の変向された流れを、前記圧縮機の周りに配置された複数のスプレーノズルに流すことを含む方法。
16. 圧縮機および燃焼器を有するガスタービンエンジンと共に使用するための水洗浄システムであって、
    前記圧縮機と連通状態にある複数のスプレーノズルと、
    前記燃焼器と連通状態にある水供給部と、
    前記水供給部の下流の高圧ポンプとを備え、
    前記水供給部が、前記高圧ポンプを介して前記複数のスプレーノズルと連通状態にある水洗浄システム。
17. 前記水供給部が圧力逃がし弁を介して前記複数のスプレーノズルと連通状態にある請求項１６記載の水洗浄システム。
18. 前記水供給部の下流に洗浄剤タンクをさらに備える請求項１６記載の水洗浄システム。
19. 前記洗浄剤タンクと連通状態にあるエダクタをさらに備える請求項１８記載の水洗浄システム。
20. コンバインドサイクルシステムまたはシンプルサイクルシステムをさらに備える請求項１６記載の水洗浄システム。