JP2013160226A - 複合サイクルシステムのための蒸気噴射組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】複合サイクルシステムのための蒸気噴射組立体を提供する。
【解決手段】複合サイクルシステムのための蒸気噴射組立体が、蒸気供給物を生成するように構成される少なくとも１つの過熱器を有する熱回収システムを含む。さらに、入口および圧縮機を有するガスタービンシステムが含まれ、入口が、組み合わされて圧縮機内に噴射されるための空気供給物と蒸気供給物とを受け取る。
【選択図】図１

Description

本明細書で開示される主題は複合サイクルシステムに関し、より詳細には、蒸気を生成することおよび蒸気をこのシステム内に噴射することに関する。

ガスタービンエンジンはより多量のベース負荷発電を担うようになっていることから、電力負荷の需要が大きく変動することが予想され、その結果、より多くのガスタービンパワープラントがオフピーク時に部分負荷条件で運転させられることになる。部分負荷運転に伴う問題は、ガスタービンの流量倍率が増加することにより通常はＮＯｘ排出が増加し、さらには、負荷が低下するときのタービン燃料効率が低下することである。

米国特許第８０１５８１８号公報

複合サイクルシステムのための蒸気噴射組立体を提供する。

本発明の一態様によると、複合サイクルシステムのための蒸気噴射組立体が、蒸気供給物を生成するように構成される少なくとも１つの過熱器を有する熱回収システムを含む。さらには、入口および圧縮機を有するガスタービンシステムが含まれ、ここでは、入口が、組み合わされて圧縮機内へと噴射されるための空気供給物と蒸気供給物とを受け取る。

本発明の別の態様によると、複合サイクルシステムのための蒸気噴射組立体が、圧縮機と、燃焼器と、タービンとを有するガスタービンシステムを含む。さらに、ガスタービンシステムから熱排気を受け取って処理するように構成される熱回収システムが含まれる。さらに、熱回収システム内に配置されて蒸気供給物を生成するように構成される少なくとも１つの過熱器が含まれる。さらに、蒸気供給物の流量および温度を制御するために少なくとも１つの過熱器に動作可能に接続される少なくとも１つのバルブが含まれる。さらに、圧縮機の近傍に配置され、圧縮機へと噴射されるための空気供給物および蒸気供給物を受け取るように構成される入口が含まれる。

本発明のさらに別の態様によると、複合サイクルシステムのための蒸気噴射組立体が、圧縮機と、燃焼器と、タービンとを有するガスタービンシステムを含む。さらに、蒸気を生成して蒸気供給物を熱回収システムから分配するように構成される熱回収システムが含まれる。さらに、圧縮機の近傍に配置される入口組立体が含まれ、ここでは、この入口組立体は、圧縮機内へと噴射される前に空気供給物および蒸気供給物を受け取って混合する。

これらのおよび別の利点および特徴が、図面と併せた以下の説明からより明白となる。

本発明とみなされる主題は、本明細書の最後の特許請求の範囲で特に明示されて明確に特許請求される。本発明の上記および別の特徴および利点が、添付図面と併せた以下の詳細な説明より明白となる。

タービンシステムと熱回収システムとを有する複合サイクルシステムを示す概略図である。 熱回収システムを示す概略図である。 タービンシステムのための入口ノズルを示す前方斜視図である。 タービンシステムのための入口ノズルを示す後方斜視図である。

以下の詳細な説明は、例として図面を参照して利点および特徴と併せて本発明の実施形態を説明する。

図１を参照すると、複合サイクルシステム１０が概略的に示されている。この複合サイクルシステムは、全体的に１１で示されるガスタービンシステムを含む。ガスタービンシステム１１は、空気を圧縮するための圧縮機１２と、燃料を受け取ることができる燃焼器組立体１４とを含む。燃料および圧縮空気が点火され、高温・高圧の燃焼生成物または空気ストリームが生成され、これはタービン１６を駆動させるのに使用される。タービン１６は、圧縮機／タービンシャフト１８（ロータと称される場合がある）を介して動作的に圧縮機１２に接続される複数の回転組立体またはステージ（図示せず）を含む。

運転中、空気が圧縮機１２内に流れ、空気は圧縮されて高圧ガスとなる。高圧ガスが燃焼器組立体１４に供給され、例えばプロセスガスおよび／または合成ガス（シンガス）などの燃料に混合される。燃料／空気すなわち可燃混合物が点火され、約摂氏５３８℃（華氏１０００°Ｆ）から摂氏１５９３℃（華氏２９００°Ｆ）の高圧・高温の燃焼ガスストリームが生成される。別法として、燃焼器組立体１４は、限定しないが天然ガスおよび／または燃料オイルを含む燃料を燃焼させることができる。いずれにしても、燃焼器組立体１４が燃焼ガスストリームをタービン１６まで運び、タービン１６が、熱エネルギーを、ジェネレータ２０などの電力源を駆動させることができる機械的な回転エネルギーに変換する。

次に図２を参照すると、複合サイクルシステム１０がさらに、タービン１６から熱排気ライン３４を介して熱排気３２を受け取ることができる熱回収システム３０を含む。熱回収システム３０は、通常は複数である少なくとも１つの圧力の過熱器３６、３８および４０を含む。示される実施形態では、熱回収システム３０は、第１すなわち高圧（ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ（ＨＰ））の過熱器３６，第２すなわち中間圧力（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ（ＩＰ））の過熱器３８、および、第３すなわち低圧（ｌｏｗ ｐｒｅｓｓｕｒｅ（ＬＰ））の過熱器４０を含む。過熱器３６、３８および４０の各々は、熱排気３２の一部を受け取り、それぞれ、第１の圧力の第１の蒸気４２、第２の圧力の第２の蒸気４４、および、第３の圧力の第３の蒸気４６を生成するように構成される。各圧力過熱器３６、３８および４０はそれぞれ、第１の蒸気ライン４８、第２の蒸気ライン５０、および、第３の蒸気ライン５２を介して移送を行い、第１の蒸気ライン４８、第２の蒸気ライン５０および第３の蒸気ライン５２は各々がバルブ５４を含む。各バルブ５４は、第１の蒸気４２、第２の蒸気４４および第３の蒸気４６の特性を制御するように調整され得、これらの特性には限定しないが流量および温度が含まれる。

複数の過熱器を有する組立体として熱回収システム３０を説明してきたが、熱の生成、したがって蒸気の生成が、補助ボイラまたはプロセス蒸気源などの代替の熱回収システム３０から得られてもよいことを認識されたい。

蒸気供給物６０が熱回収システム３０から出る。この蒸気供給物６０は、第１の蒸気４２、第２の蒸気４４および第３の蒸気４６のうちの１つまたは複数から構成される。上述したように、各蒸気４２、４４および４６は圧力が異なり、示される１つの配置構成では、第１の蒸気４２は第２の蒸気４４および第３の蒸気４６と比較して相対的に高い圧力を有し、第２の蒸気４４は具体的には第２の蒸気４２より低くかつ第３の蒸気４６より高い中間圧力を有し、第３の蒸気４６は相対的に低圧である。蒸気供給物６０は、選択的に、蒸気４２、４４または４６のうちの１つのみから構成されてよく、あるいは別法として、選択的に、蒸気４２、４４または４６の任意の組み合わせから構成されてもよい。蒸気およびそれらの相対的な圧力を特定の順番で説明および図示してきたが、過熱器および蒸気の実際の数さらにはそれらの互いの相対的な圧力が修正されてもよいことを認識されたい。

再び図１を参照すると、蒸気供給物６０を提供することに加えて、熱回収システム３０は、蒸気源７０を、補助ジェネレータ７４に動作可能に接続される蒸気タービン７２へと分配することができる。蒸気タービン７２は補助ジェネレータ７４を駆動させてさらにスチームベーパ（ｓｔｅａｍ ｖａｐｏｒ）を復水器７６へと排出し、復水器７６では、スチームベーパが凝縮されて少なくとも部分的に水になる。次いで、給水ポンプ７８により水が水ライン８０（図２）に沿って再び熱回収システム３０まで押し出され、次いでこの水は、蒸気供給物６０を生成するのを促進するために圧力過熱器３６、３８または４０のうちの少なくとも１つに導入される。

次いで、蒸気供給物６０が蒸気供給ライン９０を介して送られる。この蒸気供給ライン９０はガスタービンシステム１１の入口組立体１００の近傍の一方の端部のところで終端する。入口組立体１００は、蒸気供給物６０の温度より低い温度を有する周囲条件の空気供給物１０２を受け取るように構成される。ガスタービンシステム１１の具体的には圧縮機１２へと噴射されるのに備えるために、入口組立体１００内で蒸気供給物６０が空気供給物１０２に混合される。

図３および４を参照すると、入口組立体１００が、空気供給物１０２との混合が行われる入口組立体１００内へと蒸気供給物６０を直接に噴射するためのインジェクタマニホルド（簡略化のため図示せず）を含む。蒸気供給物６０と空気供給物１０２との混合を促進するために、入口組立体１００は、空気供給物１０２と蒸気供給物６０とを効果的に混合するための少なくとも１つの音響ノズル（ａｃｏｕｓｔｉｃ ｎｏｚｚｌｅ）１０４を含む。音響ノズル１０４は、混合を行うために、さらには、蒸気供給物６０の流出速度を低下させるために、空気供給物１０２を入口組立体１００内へと誘導する。したがって、少なくとも１つの音響ノズル１０４は、噴射プロセスに付随する騒音を低減するという利点を有する。しかし、音響を制御するために別のタイプの音響ノズルが使用されてもよい。

有利には、複合サイクルシステム１０は、ガスタービンシステム１１内へと噴射する前に蒸気供給物６０を空気供給物１０２と混合することから、ガスタービンシステム１１の具体的には圧縮機１２に入る空気供給物１０２の温度および湿度が上がることになる。このような混合は圧縮機１２の上流で行われ得るかまたは圧縮機１２の近傍で行われ得る。空気供給物１０２に加えられる熱エネルギーにより、周囲条件で得られるような、高い体積流量の部分負荷条件で圧縮機１２が動作することが可能となり、それにより燃料効率が上がる。さらに、空気供給部１０２内に追加される水分がＮＯｘを減少させるのを促進する。さらに、用途要件に応じて、部分負荷範囲でＮＯｘを減少させることで、選択的触媒反応器（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅａｃｔｏｒ（ＳＣＲ））の需要を軽減することまたは可能性としてＳＣＲを排除することを促進することができる。

限定された数の実施形態のみに関連させて本発明を詳細に説明してきたが、本発明がこれらの開示される実施形態のみに限定されないことは容易に理解されよう。むしろ、本発明は、上述されないが本発明の趣旨および範囲に合致する任意の数の変形形態、変更形態、置換物または等価の配置構成を組み込むように修正され得る。さらに、本発明の種々の実施形態を説明してきたが、本発明の態様が説明された実施形態の一部のみを含むことができることも理解されたい。したがって、本発明は上述の説明によって限定されるものとしてみなされるべきではなく、添付の特許請求の範囲の範囲によってのみ限定される。

１０ 複合サイクルシステム
１１ ガスタービンシステム
１２ 圧縮機
１４ 燃焼器組立体
１６ タービン
１８ 圧縮機／タービンシャフト
２０ ジェネレータ
３０ 熱回収システム
３２ 熱排気
３４ 熱排気ライン
３６、３８、４０ 圧力過熱器
４２ 第１の蒸気
４４ 第２の蒸気
４６ 第３の蒸気
４８ 第１の蒸気ライン
５０ 第２の蒸気ライン
５２ 第３の蒸気ライン
５４ バルブ
６０ 蒸気供給物
７０ 蒸気源
７２ 蒸気タービン
７４ 補助ジェネレータ
７６ 復水器
７８ 給水ポンプ
８０ 水ライン
９０ 供給ライン
１００ 入口組立体
１０２ 空気供給物
１０４ 音響ノズル

Claims (20)

1. 複合サイクルシステムのための蒸気噴射組立体であって：
   蒸気供給物を生成するように構成される少なくとも１つの過熱器を有する熱回収システムと；
   入口および圧縮機を有するガスタービンシステムであって、前記入口が、組み合わされて前記圧縮機内へと噴射されるための空気供給物と蒸気供給物とを受け取る、ガスタービンシステムと
   を含む蒸気噴射組立体。
2. 前記熱回収システムが複数の過熱器を含む、請求項１記載の蒸気噴射組立体。
3. 前記複数の過熱器の各々が異なる圧力の蒸気を生成する、請求項２記載の蒸気噴射組立体。
4. 前記熱回収システムが、第１の圧力の第１の蒸気を生成するための第１の過熱器、第２の圧力の第２の蒸気を生成するための第２の過熱器、および、第３の圧力の第３の蒸気を生成するための第３の過熱器を含む、請求項１記載の蒸気噴射組立体。
5. 前記第２の圧力が前記第１の圧力より低く、前記第３の圧力が前記第２の圧力より低い、請求項４記載の蒸気噴射組立体。
6. 前記蒸気供給物が、前記第１の蒸気、前記第２の蒸気および前記第３の蒸気のうちの少なくとも１つを含む、請求項５記載の蒸気噴射組立体。
7. 前記蒸気供給物が前記第２の蒸気および前記第３の蒸気を含む、請求項６記載の蒸気噴射組立体。
8. 前記入口がフィルタハウジングを含み、前記入口が、前記圧縮機内へと噴射される前に前記空気供給物および前記蒸気供給物を受け取って混合する、請求項１記載の蒸気噴射組立体。
9. 前記蒸気供給物が１つの蒸気温度を有し、前記空気供給物が１つの空気温度を有し、前記蒸気温度が前記空気温度より高い、請求項８記載の蒸気噴射組立体。
10. 前記熱回収システムから蒸気を受け取ってスチームベーパを排出する蒸気タービンと；
    前記スチームベーパを凝縮して水にするための復水器と；
    前記復水器から前記水を受け取って前記熱回収システムまで前記水を押し出すように構成される水ポンプと
    をさらに含む請求項１記載の蒸気噴射組立体。
11. 複合サイクルシステムのための蒸気噴射組立体であって：
    圧縮機と、燃焼器と、タービンとを有するガスタービンシステムと；
    前記ガスタービンシステムから熱排気を受け取って処理するように構成される熱回収システムと；
    前記熱回収システム内に配置されて蒸気供給物を生成するように構成される少なくとも１つの過熱器と；
    前記蒸気供給物の流量および温度を制御するために前記少なくとも１つの過熱器に動作可能に接続される少なくとも１つのバルブと；
    前記圧縮機の近傍に配置され、前記圧縮機へと噴射されるための空気供給物および前記蒸気供給物を受け取るように構成される入口と
    を含む蒸気噴射組立体。
12. 前記熱回収システムが、第１の圧力の第１の蒸気を生成するための第１の過熱器、第２の圧力の第２の蒸気を生成するための第２の過熱器、および、第３の圧力の第３の蒸気を生成するための第３の過熱器を含む、請求項１１記載の蒸気噴射組立体。
13. 前記第２の圧力が前記第１の圧力より低く、前記第３の圧力が前記第２の圧力より低い、請求項１２記載の蒸気噴射組立体。
14. 前記蒸気供給物が、前記第１の蒸気、前記第２の蒸気および前記第３の蒸気のうちの少なくとも１つを含む、請求項１３記載の蒸気噴射組立体。
15. 前記蒸気供給物が前記第２の蒸気および前記第３の蒸気を含む、請求項１４記載の蒸気噴射組立体。
16. 前記入口が、前記圧縮機内へと噴射される前に前記空気供給物および前記蒸気供給物を受け取って混合する、請求項１１記載の蒸気噴射組立体。
17. 前記蒸気供給物が１つの蒸気温度を有し、前記空気供給物が１つの空気温度を有し、前記蒸気温度が前記空気温度より高い、請求項１６記載の蒸気噴射組立体。
18. 複合サイクルシステムのための蒸気噴射組立体であって：
    圧縮機と、燃焼器と、タービンとを有するガスタービンシステムと；
    蒸気を生成して蒸気供給物を熱回収システムから分配するように構成される熱回収システムと；
    前記圧縮機の近傍に配置される入口組立体であって、前記入口組立体が、前記圧縮機内へと噴射される前に空気供給物および前記蒸気供給物を受け取って混合する、入口組立体と；
    を含む蒸気噴射組立体。
19. 前記熱回収システムが、第１の圧力の第１の蒸気を生成するための第１の過熱器、第２の圧力の第２の蒸気を生成するための第２の過熱器、および、第３の圧力の第３の蒸気を生成するための第３の過熱器を含む、請求項１８記載の蒸気噴射組立体。
20. 熱回収システムがボイラおよびプロセス蒸気源のうちの少なくとも１つを含む、請求項１９記載の蒸気噴射組立体。