JP2013160233A - ガスタービン入口空気加熱システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービン入口空気加熱システム及び方法を提供すること。
【解決手段】本開示の一実施形態では、入口内及び圧縮機入口での部分負荷効率改善及び氷結防止のためのガスタービンシステムが記載される。本システムは、入口空気を受け取る圧縮機を備えるガスタービンを含む。直接接触熱交換器が、入口空気が入口を通って圧縮機に流入する前に該入口空気を加熱する。入口空気を加熱することにより、ガスタービンの出力が低下し且つターンダウンレンジが延長し、また、入口内及び圧縮機入口ベルマウスでの氷形成が回避される。直接接触熱交換器はまた、蒸発冷却器又は空気チラーとして機能し、又は液体乾燥剤を使用するように構成することができる。
【選択図】 図１

Description

本明細書で開示される主題は、全体的に、ガスタービンに関し、より具体的には、ガスタービンを作動させる方法及び装置に関する。

本発明は、ガスタービンの作動に関し、より詳細には、ガスタービンの氷結防止及び部分負荷効率改善のシステム及び方法に関する。

ガスタービン、航空機転用エンジンなどのようなターボ機械は、一般に、複合サイクル及び／又はコジェネレーションモードで作動する。複合サイクル運転において、蒸気を発生する排熱回収ボイラは、ガスタービンから排出ガスを受け取り、次いで、蒸気は蒸気タービンに流れ、該蒸気タービンが付加的電気を生成する。コジェネレーション運転では、排熱回収ボイラによって生成された蒸気の一部は、蒸気を必要とする別個のプロセスに送られる。

複合サイクル及びコジェネレーションプラントは、ベース負荷で作動している間、最大エネルギー（機械、電気、その他）量を生成するような定格にされる。しかしながら、ベース負荷運転は、オペレータによって要求されても常に実現可能とは限らない。ベース負荷にて生成されるエネルギーの全てについて必ずしもエネルギー市場（電力網など）で需要があるとは限らない可能性がある。この場合、発電プラントは、シャットダウンするか、又は部分負荷で運転しなければならず、最大エネルギー量よりも少ない量が生成される。さらに、部分負荷運転は、全体効率が低下し、発電プラントの発熱量が増える傾向がある。

ガスタービンは通常、発電中に入口内で、特に圧縮機入口ベルマウスにおいて氷形成状態を回避する必要がある。低い周囲温度でのガスタービン運転は、氷結しない入口空気流を維持することができない場合がある。入口の加熱は、入口及び圧縮機入口内に氷結しない空気流を維持し、これにより圧縮機ブレードの氷形成又は氷剥離に起因した過剰な圧力低下を回避できるようになると考えられる。

入口空気加熱システムは、部分負荷又は低周囲温度条件でガスタービンを作動させることに伴う上述の欠点の程度を軽減することができる。従来の手法は、排熱回収ボイラからの排出ガスを利用すること、或いは入口加熱コイルのような別個の加熱機構を付加することに集中しており、これらは極めて高コストとなる可能性がある。従って、ハードウェア及び設置を最小限にする手法が望ましい。

ガスタービンは、ピーク需要に対応するために高温且つベース負荷運転で高出力を必要とする可能性がある。これは通常、入口空気蒸発冷却器又はチラーシステムを利用することによって達成される。現行の手法は、入口加熱システムとは別個のこれらの増強選択肢がある。ガスタービン入口内の別個のシステムの追加は、システムコストアップ、複雑化、及び入口圧力低下の一因となる。

上述の理由から、入口空気直接接触加熱システムを備えるガスタービンに対する必要性がある。これに関連した方法は、入口及び圧縮機入口の氷結防止及びターンダウンレンジの延長を可能にすることになろう。本システム及び方法は、部分負荷範囲で作動しながらガスタービンによって消費される燃料を低減できる。さらに、本方法及びシステムは、同じ構造内で入口空気蒸発冷却及びチリングを提供してベース負荷でのガスタービン出力を柔軟に増大させることができるはずである。

米国特許第７６４４５７３号明細書

本発明の態様及び利点は、その一部を以下の説明に記載しており、又はその説明から自明なものとすることができ、或いは本発明を実施することにより知ることができる。

本開示の一実施形態では、直接接触熱交換器のためのガスタービンシステムが記載される。本システムは、入口空気を受け取る圧縮機を有するガスタービンを含む。直接接触熱交換器は、入口空気が圧縮機に流入する前に該入口空気を加熱する。入口空気を加熱することにより、入口空気密度及びタービン質量流量が低減され、従って、ガスタービンの出力が低下し、ターンダウンレンジが延長される。

別の実施形態では、入口及び圧縮機入口ベルマウスでの部分負荷効率改善及び氷結防止のためガスタービンシステムの運転を制御する方法が記載される。本方法は、入口空気がガスタービン圧縮機に流入する前に直接接触熱交換器を利用して入口内で入口空気を加熱し、入口空気密度及びタービン質量流量を低減し、従って、出力を低下させ、ターンダウンレンジを延長するステップを含む。

本発明の代替の実施形態では、入口及び圧縮機入口ベルマウスでの部分負荷効率改善及び氷結防止のためガスタービンシステムの運転を制御し、且つベース負荷での入口空気の蒸発冷却又は冷却を可能にする能力を提供する方法が記載される。本方法は、ターンダウンレンジの延長、低温の周囲温度での氷結防止、又はベース負荷でのタービン出力の増大を目的として、入口空気がガスタービン圧縮機に流入する前に直接接触熱交換器を利用して入口内で入口空気を加熱、冷却、又はチリングするステップを含む。

本発明のこれら並びに他の特徴、態様、及び利点は、以下の説明及び添付の請求項を参照すると一層よく理解されるであろう。本明細書に組み込まれ且つその一部を構成する添付図面は、本発明の実施形態を例証しており、本明細書と共に本発明の原理を説明する役割を果たす。

添付図を参照した本明細書において、当業者に対してなしたその最良の形態を含む本発明の完全且つ有効な開示を説明する。

本開示の種々の態様によるガスタービンの概略図。

次に、その１以上の実施例を図面に示している本発明の実施形態について詳細に説明する。各実施例は、本発明の限定ではなく、例証として提供される。実際に、当業者であれば、本発明の範囲又は技術的思想から逸脱することなく、種々の修正及び変形を本発明において実施できる点は理解されるであろう。例えば、一実施形態の一部として例示され又は説明される特徴は、別の実施形態と共に使用してさらに別の実施形態を得ることができる。従って、本発明は、そのような修正及び変形を特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するものとして保護することを意図している。

本発明は、入口空気を加熱することによりターンダウンレンジを拡張する。本開示によれば、延長したターンダウンレンジは、ガスタービンの最大定格負荷の約５％〜約７０％である。一般に、ガスタービンの出力（電気的、機械的など）は、圧縮機に流入する質量流量によって規定される。質量流量は、圧縮機に流入する入口空気の密度と体積の積とみなされる。圧縮機に流入する体積流量は、周囲温度条件及びガスタービンの可変入口ガイドベーン（ＩＧＶ）（存在する場合）の角度によって変わる可能性がある。ＩＧＶ角度は、圧縮機の入口での流れ面積を決定付けることができる。ＩＧＶ角度は、最小角度まで縮小されて、ターンダウン量を制限することができる。最小ＩＧＶ角度では、対応する最小体積流量が圧縮機に引き込まれる。

本開示によれば、入口空気を加熱することにより密度が低下し、低密度の入口空気が圧縮機に流入できるようになる。この場合、所与の負荷点では、圧縮機に流入する体積流量は、一定のままとすることができるが、入口空気の密度の減少に起因して質量流量は減少する。考察されるように、ガスタービンの出力は、ガスタービンに流入する質量流量によって決定付けることができ、従って、入口空気を加熱しない場合と比べて、入口空気の加熱により生成される出力が少なくなる。

図１は、本開示の種々の態様によるガスタービン入口加熱システム１０の概略図であり、本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、圧縮機１３、燃焼器１４、及びタービン１５を含むことができる。ガスタービン１２はさらに、例えば、２以上の圧縮機、２以上の燃焼器、及び２以上のタービン（図示せず）を含むことができる。ガスタービン１２は、ガスタービン入口１６を含むことができる。入口１６は、ガスタービン入口空気流１８を受け取るように構成することができる。例えば、一実施形態では、入口１６は、ガスタービン入口フィルタハウスとすることができる。ガスタービン１２はさらに、ガスタービン排気出口１７を含むことができる。出口１７は、ガスタービン排気流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は、排熱回収ボイラ（「ＨＲＳＧ」）（図示せず）に配向することができる。別の実施形態では、排気流１９は、周囲空気に分散させることができる。別の実施形態では、排気流１９は、本明細書でさらに説明されるように、熱交換器に直接配向することができる。

本発明のシステムは、例えば、熱源として廃熱を使用する場合の熱効率を向上させることができる。例えば、一実施形態では、熱源２９は、ガスタービン１２によって生成することができる。例えば、熱源２９は、ガスタービン排出ガス１９とすることができる。別の実施形態では、熱源２９は、ＨＲＳＧによって生成することができる。例えば、熱源２９は、ＨＲＳＧ水又はＨＲＳＧ蒸気とすることができる。他の実施形態では、熱源２９は、蒸気タービンシール蒸気、高温廃水、発電機冷却水、又は何らかの熱発生プロセスによって生じる熱流など、何れかの廃棄蒸気とすることができる。熱源２９は、廃熱及び排出熱源に限定されず、例えば、ソーラー加熱、補助ボイラー加熱、又は地熱加熱などのあらゆる加熱方法を通じて供給することができる点は理解されたい。

熱源２９は、熱交換器２０における加熱流体流２５を加熱するために利用される。例えば、一実施形態では、熱交換器２０は、流体流２５を加熱する吸収式チラープラントシステムとすることができる。この点に関して、ガスタービン入口加熱システム１０は、開放式熱交換器３０を含む。一実施形態では、熱交換器３０は、加熱流体流２５が熱交換器３０を通過できるように構成することができる。例えば、熱交換器３０は、加熱流体入口３１及び加熱流体出口３２を含むことができる。一実施形態では、加熱流体入口３１は、ノズルとすることができる。別の実施形態では、加熱流体入口３１は、複数の加熱入口３１とすることができる。例えば、加熱流体入口３１は、複数のノズルとすることができる。加熱流体入口３１は、加熱流体流２５を熱交換器３０に連通させるよう機能することができる。

一実施形態の例示的な態様において、加熱流体出口３２は、加熱流体流２５の方向で熱交換器３０の下流側に配置されたサンプを含むことができる。サンプは、加熱流体流２５が熱交換器３０を通過した後に該加熱流体流２５を収集するように構成することができる。

熱交換器３０は、入口空気流１８を受け入れ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、入口空気流１８の方向でガスタービン入口１６の上流側に位置することができる。一実施形態では、熱交換器３０は、ガスタービン入口１６に隣接して位置することができる。別の実施形態では、熱交換器３０は、ガスタービン入口１６の内部に位置することができる。入口空気流１８は、ガスタービン入口１６又は圧縮機１３に入る前に熱交換器３０を通って配向することができる。

熱交換器３０は、入口空気流１８が熱交換器３０を通過したときに該入口空気流１８を加熱するように構成することができる。例えば、熱交換器３０は、熱交換器３０を通過する入口空気流１８が加熱流体流２５と相互作用し、これにより入口空気流１８を加熱することができるように構成することができる。一実施形態では、入口空気流１８は、加熱流体流２５を通って配向することができ、入口空気流１８から加熱流体流２５に冷却が伝達されることにより、入口空気流１８を加熱する。

一実施形態の別の例示的な態様において、熱交換器３０は、直接接触熱交換器とすることができる。例えば、熱交換器３０は、媒体式直接熱交換器とすることができる。媒体は、構造化パターン、不規則パターン、又は当該技術分野で公知のあらゆるパターンで配列することができる。媒体は、セルロースベース媒体、プラスチックベース媒体、金属ベース媒体、セラミックベース媒体、ガラス繊維ベース媒体、合成繊維ベース媒体、又は当該技術分野で公知のあらゆる媒体又は媒体の組み合わせを含むことができる。一実施形態では、加熱流体流２５は、媒体表面にわたってほぼ下流側方向に配向することができる。一実施形態では、入口空気流１８は、加熱流体流２５の方向に実質的に垂直な方向で熱交換器３０を通して配向することができる。

一実施形態のさらに別の例示的な態様において、熱交換器３０は、周囲に近接した温度の水流２８のみを受け取ることができる。非加熱水流２８が入口空気１８に直接接触しているので、熱交換器３０は、当該技術分野で公知の蒸発冷却器（チラー）として機能することができる。

また、別の例示的な実施形態では、熱交換器３０は、冷却された流体流２５のみを受け取ることができる。例えば、熱交換器２０は、流体流２５を冷却する吸収式チラープラントとすることができる。冷却流体流２５が入口空気１８に直接接触しているので、熱交換器３０は、当該技術分野で公知の空気チラーとして機能することができる。

特定の実施形態では、加熱流体は、純水、鉱物添加剤を備える水、グリコールを有する水、液体乾燥剤を有する水、又は当業者には公知の他の何れかの流体又は流体の組み合わせとすることができる。一実施形態では、加熱流体流２５は、液体乾燥剤成分を含有し、該液体乾燥剤は、入口空気に放出される可能性がある水蒸気を抑制し、これは、加熱流体からの水の蒸発は加熱の検知に好ましくない影響を及ぼすので有利なことである。

一般に、非加熱入口空気１８の温度は、周囲条件、或いは本発明の入口加熱システム１０の上流側に位置するあらゆる空調システム（図示せず）の出口温度によって決定付けることができる。本発明の一実施形態は、入口空気の温度を入口加熱システムによって許容されるあらゆる温度まで上昇させることができる。例えば、本システム１０は、入口空気１８の温度を約５９°Ｆから約１２０°Ｆまで上昇させることができる。特定の例示的な実施形態では、入口空気は、入口空気の非加熱温度を超える約１０から約２００°Ｆの範囲まで加熱される。特定の実施形態では、入口空気は、入口空気の非加熱温度を超える約５０から約１００°Ｆの範囲まで加熱される。別の特定の実施形態では、入口空気は、入口及び入口圧縮機の氷結防止の目的で入口空気の非加熱温度を超える約１から１０°Ｆの範囲まで加熱される。

別の例示的な実施形態では、フィルタ４５は、入口空気流１８の方向で熱交換器３０の上流側に配置することができる。フィルタ４５は、入口空気流１８が熱交換器３０及びガスタービン１２に流入する前に、該入口空気流１８から粒子を除去するように構成することができる。別の実施形態では、フィルタ４５は、入口空気流１８の方向で熱交換器３０の下流側に配置することができる。フィルタ４５は、入口空気流１８がガスタービン１２に流入する前に、該入口空気流１８から粒子、ガス、及び／又は流体液滴を除去するように構成することができる。一実施形態では、ドリフトエリミネータ３３は、入口空気流１８の方向で熱交換器３０の下流側に配置することができる。ドリフトエリミネータ３３は、ガスタービン入口空気流１８がガスタービン１２に流入する前に、該ガスタービン入口空気流１８から流体の液滴を除去するよう機能することができる。一実施形態では、ポンプ４６は、加熱流体流２５の方向で熱交換器３０の下流側に配置することができる。ポンプ４６は、熱交換器３０から加熱流体加熱器２０に加熱流体流２５を連通するように構成することができる。

ガスタービン入口加熱システム１０は、システム１０の作動が一定条件に関して調節されるように構成することができる。例えば、コントローラ５０は、ガスタービン入口加熱システム１０に動作可能に接続され、本システムを調節するように構成することができる。コントローラ５０は、ガスタービン入口加熱システム１０及び熱交換器２０を作動及び調節する種々の制御アルゴリズム及び制御方式でプログラムすることができる。

本開示は、本開示の入口加熱システムと統合されたガスタービンの作動を制御する作用を有するコントローラを企図している。本開示の特定の実施形態では、コントローラは、ガスタービンを自動的及び／又は連続的に監視し、加熱システムが作動すべきか否かを判定するように構成することができる。一実施形態では、コントローラ５０は、ガスタービン入口加熱システム１０又はガスタービン１２の他の部品に動作可能に接続され、ガスタービン１２の効率を最大にすることができる。

本開示の特定の態様において、部分負荷効率改善を求めてガスタービンシステムの作動を制御する方法が記載される。本方法は、本明細書で記載される直接接触熱交換器を利用して、入口空気がガスタービン圧縮機に入口空気流が流れる前に該入口空気を加熱するステップを含む。本方法はさらに、ガスタービン圧縮機に加熱された入口空気を送給するステップを含み、該加熱された入口空気がガスタービンの出力を低減し且つターンダウンレンジを拡張する。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、さらに、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

１０ ガスタービン入口加熱システム
１２ ガスタービン
１３ 圧縮機
１４ 燃焼器
１５ タービン
１６ ガスタービン入口
１８ ガスタービン入口空気流
１９ ガスタービン排気流
２０ 熱交換器
２５ 加熱流体流
９ 熱源２
３０ 熱交換器
３１ 加熱流体入口
３２ 加熱流体出口

Claims (20)

1. 入口内及び圧縮機入口での部分負荷効率改善及び氷結防止のためのガスタービンシステムであって、
   入口空気を受け取る圧縮機を備えるガスタービンと、
   前記入口空気が前記圧縮機に流入する前に該入口空気を加熱するように構成された直接接触熱交換器と
   を備え、前記入口空気を加熱することにより、前記入口システム内での氷形成を阻止することができ、ガスタービンの出力を低減し且つターンダウンレンジを延長する、システム。
2. 延長されるターンダウンレンジが、前記ガスタービンの最大定格負荷の約５％〜約７０％を含む、請求項１記載のシステム。
3. 前記入口空気が、該入口空気の非加熱温度を上回る約１０〜約２００°Ｆの範囲まで加熱される、請求項１記載のシステム。
4. 前記入口空気が、該入口空気の非加熱温度を上回る約１〜約１０°Ｆの範囲まで加熱される、請求項１記載のシステム。
5. 前記直接接触熱交換器が、蒸発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。
6. 前記直接接触熱交換器が、入口空気チラー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。
7. 前記入口空気がさらに、湿潤空気を含む、請求項１記載のシステム。
8. 前記直接接触熱交換器が、液体乾燥混合物を備える作動流体を利用する、請求項１記載のシステム。
9. 前記直接接触熱交換器が、前記入口空気の水分含有量を低減する、請求項１記載のシステム。
10. 前記熱交換器から液体を収集し、該液体を前記熱交換器に再循環して戻すように構成されたサンプをさらに備える、請求項１記載のシステム。
11. ドリフトエリミネータをさらに備え、前記サンプがまた、前記ドリフトエリミネータから液体を収集し、該液体を前記熱交換器に再循環して戻すように構成されている、請求項１０記載のシステム。
12. 入口内及び圧縮機入口での部分負荷効率改善及び氷結防止のためガスタービンシステムの運転を制御する方法であって、
    入口空気がガスタービン入口又はガスタービン圧縮機に流入する前に、直接接触熱交換器を利用して前記入口空気を加熱するステップと、
    前記加熱された入口空気を前記ガスタービン圧縮機に送給するステップと
    を含んでおり、前記加熱された入口空気が、前記ガスタービンの出力を低減し且つターンダウンレンジを延長する、方法。
13. 延長されるターンダウンレンジが、前記ガスタービンの最大定格負荷の約５％〜約７０％を含む、請求項１２記載の方法。
14. 前記入口空気を該入口空気の非加熱温度を上回る約１０〜約２００°Ｆの範囲まで加熱するステップをさらに含む、請求項１３記載の方法。
15. 前記入口空気を該入口空気の非加熱温度を上回る約１〜約１０°Ｆの範囲まで加熱する能力をさらに含む、請求項１３記載の方法。
16. 前記直接接触熱交換器が、蒸発冷却器として機能するように構成される、請求項１２記載の方法。
17. 前記直接接触熱交換器が、入口空気チラーとして機能するように構成される、請求項１２記載の方法。
18. 前記直接接触熱交換器が、液体乾燥混合物を備える作動流体を利用し、該液体乾燥混合物が前記入口空気の水分含有量を低減する、請求項１２記載の方法。
19. 前記熱交換器から液体を収集し、該液体を前記熱交換器に再循環して戻すサンプを利用するステップをさらに含む、請求項１２記載の方法。
20. 前記ガスタービン入口に前記加熱した入口空気を提供するステップをさらに含み、前記加熱された入口空気により前記入口内の氷形成が阻止される、請求項１２記載の方法。