JP2013160227A - ガスタービンのＮＯｘ排出の改良のためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンで複雑な低ＮＯｘ燃焼器を使用することを必要としない、吸気直接接触式加熱加湿システムと一体化したガスタービンシステムを提供すること。
【解決手段】本開示の一実施形態では、ＮＯｘ排出を削減し、部分負荷効率を改善するためのガスタービンシステムを説明する。システムは、吸気を受ける圧縮器を有するガスタービンを含む。吸気が圧縮器に流れる前に、直接接触式熱交換器が吸気を加熱しかつ加湿する。吸気を加熱することで、ガスタービンの出力が低下してターンダウン範囲が拡大される。吸気を加湿することで、ガスタービンユニットからのＮＯｘ排出を低減することができる。
【選択図】 図１

Description

本明細書で開示する主題は、一般にガスタービンに関し、具体的にはガスタービンの運転方法及び装置に関する。

本発明は、ガスタービンの運転、特にガスタービンにおけるＮＯｘ排出の改良のためのシステム及び方法に関する。

ガスタービン、航空転用型ガスタービンなどのターボ機械は、通例、コンバインドサイクル及び／又はコージェネレーションモードで運転される。コンバインドサイクル運転では、ガスタービンからの排ガスを排熱回収ボイラに送って蒸気を発生させ、次いで蒸気を蒸気タービンに流して追加の電気を発生させる。コージェネレーション運転では、排熱回収ボイラで発生した蒸気の一部分を、蒸気を要する別のプロセスに送る。

ガスタービンは、通例、発電中に排出規制遵守を維持する必要がある。部分負荷で運転されるガスタービンでは、部分負荷範囲全域（運転予備（スピニングリザーブ）乃至ベース負荷近くまで）で排出規制遵守を維持できないことがある。ターンダウン範囲は、ガスタービンが排出規制遵守を維持する負荷範囲とみなすことができる。ターンダウン範囲が広いと、オペレータは排出規制遵守を維持し、燃料消費を最小限に抑え、発電所のシャットダウンに付随する熱過渡を避けることができる。

吸気加熱加湿システムによって、ガスタービンの運転に付随する上述の短所をある程度軽減することができる。従来の取り組みは、燃焼プロセスにおけるＮＯｘ生成量を減少させるための乾式リーンＮＯｘ（ＤＬＮ）技術のように燃焼プロセス制御に焦点を当てていた。そこで、ハードウェア及び設備を最小限に抑える方法があれば望ましい。

米国特許出願公開第２０１０／０２８１８９６号

以上の理由から、ガスタービンで複雑な低ＮＯｘ燃焼器を使用する必要がなく、吸気直接接触式加熱加湿システムと一体化したガスタービンシステムが必要とされている。これに関連した方法は、ＮＯｘ排出を減少させる。

本発明の態様及び利点については、一部は以下の詳細な説明で開示するが、以下の詳細な説明から自明であろうし、本発明を実施することによって明らかとなろう。

本開示の一実施形態では、ＮＯｘ排出を改善するためのガスタービンシステムを説明する。本システムは、吸気を受ける圧縮器を有するガスタービンを含む。吸気が圧縮器に流れる前に、直接接触式熱交換器が吸気を加熱・加湿する。吸気を加熱すると、吸気密度及びタービンの質量流量が減少し、ガスタービンの出力が低下してターンダウン範囲が拡大される。本開示の幾つかの態様では、ガスタービンシステムの熱交換器で吸気を加湿してＮＯｘ排出を減少させることができる。

別の実施形態では、ＮＯｘ排出を改善するためガスタービンシステムの運転を制御する方法を説明する。本方法は、吸気がガスタービンの圧縮器に流れる前に、吸気を加熱・加湿するために直接接触式熱交換器を使用して、吸気密度及びタービンの質量流量を減少させ、吸気の水分含量を増加させ、それによりＮＯｘ排出を低下させることを含む。さらに、本開示の幾つかの態様では、本方法は、熱交換器を使用し、吸気を加湿してＮＯｘ排出を減少させることを含む。

本発明の上記その他の特徴、態様及び利点については、以下の詳細な説明及び特許請求の範囲を参照することによって理解を深めることができるであろう。なお、本願の内容の一部をなす添付の図面には、本発明の実施形態を例示するとともに、発明の詳細な説明と併せて本発明の原理を説明する。

本発明を当業者が実施できるように、以下の詳細な説明では、図面を参照しながら、本発明を最良の形態を含めて十分に開示する。

本開示の様々な態様に係るガスタービンの概略図である。

以下、本発明の実施形態について詳しく説明するが、その１以上の実施例を図面に示す。各実施例は例示にすぎず、本発明を限定するものではない。実際、本発明の技術的範囲又は技術的思想から逸脱せずに、本発明に様々な修正及び変形をなすことができることは当業者には明らかであろう。例えば、ある実施形態の一部として例示又は説明した特徴を、別の実施形態に用いてさらに別の実施形態としてもよい。従って、本発明は、かかる修正及び変形を特許請求の範囲で規定される技術的範囲及びその均等の範囲に属するものとして包含する。

一般に、本開示は、ガスタービンにおいてＮＯｘ排出を改善するためのシステム及び方法を対象とする。本明細書で説明するシステム及び方法は、ガスタービンの圧縮器に入る空気（以下、「吸気」という）を加熱・加湿することによって、ＮＯｘ排出を減少させるという技術的効果を有する。以下で説明する通り、吸気は、多くのガスタービンに付属して既に存在する熱交換器によって加熱・加湿する。

ベース負荷運転時には、燃焼システムは、排気筒から流出する排ガスが現場での排出規制を満足するように担保できる。ガスタービンのターンダウン範囲によっては、ある部分負荷運転で現場での排出規制に違反するおそれがあり、ガスタービンの許容運転限界が設定される。この運転限界が電力需要を上回って、大型ガスタービンが非ピーク需要期間に送電網に電力を供給できなくなってしまうことがある。ターンダウン範囲が増大すると、排出規制遵守を維持しかつ燃料消費量を下げながら、ガスタービンを低い負荷で運転することができる。

本開示によれば、吸気の加湿によって、燃焼器内のピーク火炎温度が低下し、ひいてはＮＯｘ排出量が低下する。ベース負荷及び部分負荷のいずれの運転条件においても排出規制を満足することが重要である。

図１は、本開示の様々な態様に係るガスタービン入口加熱加湿システム１０の概略図であり、システムはガスタービン１２に動作可能に接続される。ガスタービン１２は、圧縮器１３、燃焼器１４及びタービン１５を備える。ガスタービン１２は、例えば、２以上の圧縮器、２以上の燃焼器及び２以上のタービン（図示せず）を備えていてもよい。ガスタービン１２は、ガスタービン入口１６を備えていてもよい。入口１６は、ガスタービンの吸気流１８を受けるように構成できる。例えば、一実施形態では、入口１６は、ガスタービン入口のフィルタハウスであってもよい。ガスタービン１２は、ガスタービン排気口１７をさらに備えていてもよい。排気口１７は、ガスタービンの排気流１９を吐出するように構成することができる。一実施形態では、排気流１９を、排熱回収ボイラ（「ＨＲＳＧ］）（図示せず）に導くことができる。別の実施形態では、排気流１９を、周囲空気中に分散させてもよい。別の実施形態では、本明細書でさらに説明するように、排気流１９を熱交換器に直接導いてもよい。

本システムは、例えば熱源として廃熱を使用すれば、高いエネルギー効率とすることができる。例えば、一実施形態では、熱源２９はガスタービン１２で生成させることができる。例えば、熱源２９はガスタービンの排気１９とし得る。別の実施形態では、熱源２９はＨＲＳＧで生成させることができる。例えば、熱源２９はＨＲＳＧ水又はＨＲＳＧ蒸気とし得る。他の実施形態では、熱源２９は、蒸気タービンシール蒸気、廃温水、発電機冷却水のような任意の廃棄蒸気、或いは任意の発熱プロセスで生成する熱流とし得る。熱源２９は、廃熱及び排気熱源に限定されるものではなく、例えば、太陽光加熱、補助ボイラ加熱又は地熱加熱など、任意の加熱法によって供給することができる。

熱源２９は、熱交換器２０で加熱用流体流２５を加熱するのに使用される。この場合、ガスタービン入口加熱システム１０は熱交換器３０を含む。一実施形態では、熱交換器３０は、加熱用流体流２５が熱交換器３０を通過できるように構成すればよい。例えば、熱交換器３０は加熱用流体入口３１と加熱用流体出口３２を備える。一実施形態では、加熱用流体入口３１はノズルとし得る。別の実施形態では、加熱用流体入口３１は複数の加熱用入口３１とし得る。例えば、加熱用流体入口３１は複数のノズルであってもよい。加熱用流体入口３１は、加熱用流体流２５を熱交換器３０へと連通せしめる働きをする。

一実施形態の例示的な態様では、加熱用流体出口３２は、加熱用流体流２５の方向で熱交換器３０の下流に位置する水槽を備えていてもよい。水槽は、熱交換器３０を通過した後の加熱用流体流２５を回収するように構成できる。

熱交換器３０は、吸気流１８を受けるように構成することができる。例えば、一実施形態では、熱交換器３０は、吸気流１８の方向でガスタービン入口１６の上流に配置すればよい。一実施形態では、熱交換器３０はガスタービン入口１６に隣接して配置してもよい。別の実施形態では、熱交換器３０はガスタービン入口１６の内部に配置できる。吸気流１８は、ガスタービン入口１６又は圧縮器１３に入る前に熱交換器３０に流す。

熱交換器３０は、吸気流１８が熱交換器３０を通過する際に吸気流１８を加熱するように構成できる。例えば、熱交換器３０は、吸気流１８が熱交換器３０を通過して加熱用流体流２５と相互作用し、吸気流１８が加熱されるように構成できる。一実施形態では、加熱用流体流２５を通して吸気流１８を導いて、吸気流１８から加熱用流体流２５に冷却を伝達し、吸気流１８が加熱されるようにしてもよい。

一実施形態の別の例示的態様では、熱交換器３０は、直接接触式熱交換器であってもよい。例えば、熱交換器３０は、媒体型直接接触式熱交換器であってもよい。媒体は、組織化パターン、ランダムパターン又は当技術分野で公知の任意のパターンに配置できる。媒体は、セルロース系媒体、プラスチック系媒体、金属系媒体、セラミック系媒体、ガラス繊維系媒体、合成繊維系媒体又は当技術分野で公知の任意の媒体若しくは媒体の組合せを含む。一実施形態では、加熱用流体流２５を媒体表面上を略下方に流す。一実施形態では、吸気流１８を、熱交換器３０を通して、加熱用流体流２５の方向と略垂直方向に送る。

一実施形態のさらに別の例示的な態様では、熱交換器３０は、室温に近い温度の水流２８を受けるだけであってもよい。非加熱水流２８が吸気１８と直接接触するので、熱交換器３０は、当技術分野で公知の蒸発式冷却器として機能し得る。

例えば、加熱用流体流が媒体表面に接触すると、熱及び水分が空気流に放出される。ある実施形態では、吸気の温度及び湿度の上昇は、ガスタービンの排気中のＮＯｘ排出量を低減させる。例えば、適切な相対湿度は約６０〜約９９％である。ある実施形態では、加熱用流体は、純水、無機添加剤を加えた水、グリコールを加えた水、液体乾燥剤を加えた水その他当業者に公知の任意の流体又は流体の組合せであってもよい。一実施形態では、加熱用流体流２５は、液体乾燥剤成分を含有し、液体乾燥剤は、吸気中への水蒸気の放出を抑制し、所要のＮＯｘ排出挙動に基づいて相対湿度を適切に制御することができる。

一般に、非加熱吸気１８の温度は、周囲条件によって、或いは本入口加熱システム１０の上流に位置する空調システム（図示せず）の出口温度によって決定できる。本発明の一実施形態は、吸気の温度を、入口加熱システムで可能な任意の温度まで高めることができる。例えば、システム１０は、吸気１８の温度を約５９〜約１２０°Ｆ上げることができる。ある実施形態では、吸気を、非加熱吸気の温度よりも約１０°Ｆ〜約２００°Ｆ高い温度まで加熱する。ある実施形態では、吸気を、非加熱吸気の温度よりも約５０°Ｆ〜約１００°Ｆ高い温度まで加熱する。

一実施形態の他の例示的な態様では、フィルタ４５を、吸気流１８の方向で熱交換器３０の上流に配置してもよい。フィルタ４５は、熱交換器３０及びガスタービン１２に入る前の吸気流１８から微粒子が除去されるように構成できる。別の実施形態では、フィルタ４５は、吸気流１８の方向で熱交換器３０の下流に配置してもよい。フィルタ４５は、ガスタービン１２に入る前の吸気流１８から、微粒子、ガス及び／又は流体小滴が除去されるように構成できる。一実施形態では、ドリフト除去装置３３を、吸気流１８の方向で熱交換器３０の下流に配置してもよい。ドリフト除去装置３３は、ガスタービン１２に入る前のガスタービンの吸気流１８から流体の小滴を除去する働きをする。一実施形態では、ポンプ４６を、加熱用流体流２５の方向で熱交換器３０の下流に配置してもよい。ポンプ４６は、加熱用流体流２５が熱交換器３０から加熱用流体用ヒーター２０に連通するように構成できる。

ガスタービン入口加熱システム１０は、特定の条件に関してシステム１０の運転を制御するように構成できる。例えば、システムを制御するため、コントローラ５０をガスタービン入口加熱加湿システム１０に動作可能に接続してもよい。一実施形態では、コントローラ５０は、熱交換器に動作可能に接続され、熱交換器２０の運転を制御するように構成できる。ガスタービン入口加熱加湿システム１０及び熱交換器２０の運転及び制御のために、コントローラ５０は、種々の制御アルゴリズム及び制御方式を用いてプログラミングできる。

本発明では、本開示の入口加熱加湿システムと一体化したガスタービンの運転を制御する効果を有するコントローラも想定される。本開示のある実施形態では、コントローラは、ガスタービンを自動的及び／又は連続的にモニタリングして入口加熱加湿システムを運転するべきか否かを判定するように構成できる。他の実施形態では、ガスタービン１２の効率を最大限にするため、コントローラ５０を、ガスタービン入口加熱加湿システム１０又はガスタービン１２の他の構成要素に動作可能に接続してもよい。

本開示の幾つかの態様では、ＮＯｘ排出を改善するためにガスタービンシステムの運転を制御する方法を説明する。本方法は、吸気がガスタービンの圧縮器に流れる前に吸気を加熱・加湿するために、本明細書で説明した直接接触式熱交換器を使用することを含む。本方法は、ガスタービンの圧縮器に加熱・加湿した吸気を供給することをさらに含み、加熱・加湿した吸気はガスタービンのＮＯｘ排出を減少させてターンダウン範囲が拡大する。

本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と実質的な差のない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。

１０ 入口加熱システム
１２ ガスタービン
１３ 圧縮器
１４ 燃焼器
１５ タービン
１６ ガスタービン入口
１７ 排気口
１８ 吸気流
１９ 排気流
２０ 熱交換器
２５ 加熱用流体流
２８ 非加熱水流
２９ 熱源
３０ 熱交換器
３１ 加熱用流体入口
３２ 加熱用流体出口
３３ ドリフト除去装置
４５ フィルタ
４６ ポンプ
５０ コントローラ

Claims (20)

1. ＮＯｘ排出を改善するためのガスタービンシステムであって、
   吸気を受ける圧縮器を備えるガスタービンと、
   吸気が圧縮器に流れる前に吸気を加熱するように構成された直接接触式熱交換器と
   を備えており、吸気の加熱及び加湿によってガスタービンのＮＯｘ排出量が減少し、ターンダウン範囲が拡大される、ガスタービンシステム。
2. 拡大したターンダウン範囲が、ガスタービンの最大定格負荷の５〜７０％をなす、請求項１記載のシステム。
3. 吸気を、吸気の非加熱温度よりも１０〜２００°Ｆ高い温度まで加熱する、請求項１記載のシステム。
4. 直接接触式熱交換器が、蒸発式冷却器として機能するように構成される、請求項１記載のシステム。
5. 吸気が湿潤空気をさらに含む、請求項１記載のシステム。
6. 吸気の相対湿度が６０〜９９％である、請求項５記載のシステム。
7. 吸気の湿度によって、ガスタービンのＮＯｘ排出が減少し、ターンダウン範囲が拡大される、請求項６記載のシステム。
8. ＮＯｘ排出が、非加湿状態に比べて２０％以上低減する、請求項７記載のシステム。
9. ＮＯｘ排出が、非加湿状態に比べて４０％以上低減する、請求項７記載のシステム。
10. 熱交換器から液体を回収し、液体を熱交換器に戻して再循環させるように構成された水槽をさらに備える、請求項１記載のシステム。
11. ドリフト除去装置をさらに備えていて、水槽がドリフト除去装置からも液体を回収し、液体を熱交換器に戻して再循環させるように構成される、請求項１０記載のシステム。
12. ＮＯｘ排出を改善するためにガスタービンシステムの運転を制御する方法であって、
    吸気がガスタービンの圧縮器に流れる前に吸気を加熱・加湿するために直接接触式熱交換器を使用し、
    ガスタービンの圧縮器に加熱された吸気を供給する
    ことを含んでおり、加熱された吸気によって、ガスタービンのＮＯｘ排出が減少し、ターンダウン範囲が拡大される方法。
13. 拡大したターンダウン範囲が、ターボ機械の最大定格負荷の５〜７０％をなす、請求項１２記載の方法。
14. 吸気を、吸気の非加熱温度よりも１０〜２００°Ｆ高い温度まで加熱することをさらに含む、請求項１３記載の方法。
15. 吸気が湿潤空気をさらに含む、請求項１２記載の方法。
16. 吸気の湿度によって、ガスタービンのＮＯｘ排出が減少し、ターンダウン範囲が拡大される、請求項１５記載の方法。
17. ＮＯｘ排出が、非加湿状態に比べて２０〜４０％低減する、請求項１６記載の方法。
18. 熱交換器から液体を回収し、液体を熱交換器に戻して再循環させるために水槽を使用することをさらに含む、請求項１２記載の方法。
19. ドリフト除去装置をさらに備えていて、水槽が、ドリフト除去装置からも液体を回収し、液体を熱交換器に戻して再循環するためにも用いられる、請求項１８記載の方法。
20. 直接接触式熱交換器が、ＮＯｘ排出を削減するために、吸気の加湿を制御するための液体乾燥剤を使用する加熱用流体流を含む、請求項１７記載の方法。