JP2014074402A - 発電装置の燃料加熱システム及び燃料加熱方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発電装置内の燃料を加熱する。
【解決手段】発電装置１０の燃料加熱システムは、排気ガス２６を受け取るための内部領域３０を有する排気構造２８を有する。本システムは更に、流体３４を送るための第１の流体ダクト４０であって、排気構造２８の内部領域３０の少なくとも一部分に延在して燃料４４を加熱する第１の流体ダクト４０を有する、燃料注入構造３２を有する。本システムは、更に、流体３４と液体燃料４４を受け取る熱交換器４２であって、液体燃料４４が熱交換器４２を通過する際に流体３４が液体燃料を加熱する熱交換器４２を有する。
【選択図】図１

Description

本明細書に開示の主題は発電装置に関し、特に、かかる発電装置の燃料加熱システム、並びに、発電装置内の燃料加熱方法に関する。

発電装置は、少なくとも１つの燃焼器とその他のセクションの中でもタービンセクションとを有する、ガスタービンシステムを有する。かかる発電装置は、更に、少なくとも１つの燃焼器に水を注入することにより排出制御を行うために用いる、ウォーターインジェクションシステムを有する。この水は、通常、少なくとも１つの燃焼器に、周囲温度又は周囲温度付近の温度で注入される。加えて、発電装置は、少なくとも１つの燃焼器に注入する液体燃料を収容するように構成された一構造を備えた、燃料注入システムを有する。燃料注入に先立って、所望の粘度が得られ、これを維持するように、液体燃料を通常は１つ以上の電気ヒータで加熱する。

米国特許出願公開第２０１０／００３１６２４号

しかし、上記の１つ以上の電気ヒータには、比較的コストがかかる他、これが適当に動作するためにはかなりの消費電力を要する。

本発明の一態様によると、発電装置の燃料加熱システムは、排気ガスを受け取るための内部領域を有する排気構造を有する。本システムは更に、流体を送るための第１の流体ダクトであって、排気構造の内部領域の少なくとも一部分に延在して燃料を加熱する第１の流体ダクトを有する、燃料注入構造を有する。本システムは更に、流体と液体燃料を受け取る熱交換器であって、液体燃料が熱交換器を通過する際に流体が液体燃料を加熱する熱交換器を有する。

本発明の別の態様によると、発電装置の燃料加熱システムは、排気ガスを放出する排気出口を有する、タービンセクションを有する。本システムは、排気ガスを受け取るための排気出口に作動的に連結された第１の熱交換器であって、更に、燃料注入構造から排気ガスにより加熱された流体を受け取る、第１の熱交換器を有する。本システムは更に、液体燃料を受け取るように構成された第２の熱交換器であって、第１の熱交換器内の排気ガスによる加熱後の流体を受け取るために、第１の熱交換器に作動的に結合されており、この流体が第２の熱交換器内で液体燃料を加熱する、第２の熱交換器を有する。

本発明のまた別の態様のよると、発電装置の燃料加熱方法を提供する。本方法は、燃料を発電装置のタービンセクションの排気ガスを用いて加熱することを含む。本方法は、排気ガスにより加熱された流体を熱交換器に送ることを更に含む。本方法は、液体燃料供給部から熱交換器に液体燃料を送ることを更に含む。本方法は、液体燃料を熱交換器内の流体を用いて加熱することをまた更に含む。

これら及びその他の利点及び特徴は、添付図面に関連する下記の記述からより明確になる。

本発明とみなされる主題は、本明細書の結びの特許請求の範囲において特記され、明確に主張されている。本発明の上記及びその他の特徴及び利点は、添付図面に関連する下記の詳細な記述から明らかである。

第１の実施形態に係る、燃料加熱システムを有する発電装置の概略図である。 様々な周囲温度における、発電装置負荷の関数としての、燃料加熱システム内の水注入温度を示すプロットである。 第２の実施形態に係る燃料加熱システムを有する発電装置の概略図である。 発電装置内の燃料加熱方法を示すフロー図である。

発明を実施するための形態では、図面を参照しながら、本発明の実施形態をその利点及び特徴と併せて例示目的で説明する。

図１を参照すると、第１の実施形態に係る発電装置が概略的に示され、その全体が符号１０で示されている。発電装置１０は、ガスタービンシステム１２等のタービンシステムを有し、ガスタービンシステム１２は、コンプレッサセクション１４、燃焼器セクション１６、タービンセクション１８、及びロータ２０を有する。なお、ガスタービンシステム１２の一実施形態は、複数のコンプレッサ１４、燃焼器１６、タービン１８、及びロータ２０を有するものでよい。コンプレッサセクション１４とタービンセクション１８は、ロータ２０によって結合されている。ロータ２０は、単一のシャフト又は相互に結合されてロータ２０を形成する複数のシャフトセグメントから成る。

燃焼器セクション１６では、液体燃料等の可燃燃料を用いてガスタービンシステム１２を稼働させる。例えば、複数の燃料ノズルが、コンプレッサ１４及び液体燃料供給ライン２４を出る主流と流体的に連通している。これらの燃料ノズルが、空気−燃料混合物を生成し、この空気−燃料混合物を燃焼器セクション１６に排出することにより、高温の加圧された排気ガスを創出する燃焼が生じる。燃焼器セクション１６は、この高温の加圧排気ガスを、トランジションピースを経て、タービンノズル（又は「第１段ノズル」）と、その他の段のバケット及びノズルへと導き、タービンセクション１８の外側ケーシング内のタービンブレードを回転させる。高温の排気ガス２６は、タービンセクション１８から、排気バイパス又は排気スタック等の排気構造２８へと放出される。排気構造２８は、高温の排気ガス２６を受け取るように構成された内部領域３０を有する。高温の排気ガス２６の温度は可変であり、一実施例においては約８００°Ｆ（約４２７°Ｃ）超である。

発電装置１０は、水３４等の燃料を高圧で燃焼器セクション１６に注入するように構成された燃料注入構造３２を有する。なお、流体の一実施例は水であるが、その他の流体の使用も考えられる。水３４は、燃焼器セクション１６で蒸気に変換され、ＮＯｘ削減等の所望の排出制御が行われる。水３４は、脱塩貯水タンク等の流体供給部３６から、水３４を操作するための数々の部品を内蔵する流体注入スキッド３８へと送られる。これらの部品には、例えばポンプ及びフィルタが含まれる。流体注入構造３２は、水３４を流体注入スキッド３８から排気構造２８の内部領域３０の少なくとも一部分に送る第１の流体ダクト４０を有する。水３４が内部領域３０の少なくとも一部分を通る間、第１の流体ダクト４０、したがって水３４は、高温の排気ガス２６に曝される。水３４は、高温の排気ガス２６に曝されると、第１の温度から第２の温度へと加熱される。水３４が排気構造２８の内部領域３０に入る前に計測される、水３４の第１の温度は、通常は周囲温度付近であり、多くの環境では約７０°Ｆ（約２１°Ｃ）に相当するが、この第１の温度は周囲条件に依存することを理解されたい。水３４が排気構造２８の内部領域３０から出た後に計測される水３４の第２の温度は、第１の温度よりも高く、ガスタービンシステム１２の負荷状態、並びに水３４の飽和温度を決める周囲条件に依存することを理解されたい。

排気構造２８内での加熱後、水３４は熱交換器４２に送られる。熱交換器４２は、液体燃料注入構造４３と連通しており、液体供給部４６からの液体燃料４４を、液体燃料供給ライン２４を介して受け取るように構成される。液体燃料４４が熱交換器４２に流入する前に、液体燃料４４は、液体燃料４４を操作するための数々の部品を内蔵する液体燃料転送スキッド４７に送られる。これらの部品には、例えばポンプ及びフィルタが含まれる。液体燃料４４は、詳細を上述したように、熱交換器４２内で、排気構造２８で高温の排気ガス２６によって加熱された水３４によって加熱される。液体燃料４４の加熱は、燃焼器セクション１６への注入に適した液体燃料４４の粘度を得るために必要である。液体燃料４４は、熱交換器４２によって様々な温度まで及び様々な温度から上昇し、一実施例において、その温度は約８０°Ｆ（約２７°Ｃ）から約１８０°Ｆ（約８２°Ｃ）に上昇する。液体燃料４４及び水３４のいずれもが、熱交換器４２から燃焼器セクション１６に送られる。液体燃料４４は、液体燃料供給ライン２４に沿って、液体燃料選択スキッド５０及び／又は液体燃料噴霧空気スキッド５２等の１つ以上の部品を通る。最終的には、液体燃料４４は燃焼器セクション１６へと導かれる。

水３４の場合、第２の流体ダクト４８を用いて水３４を燃焼器セクション１６に送る。このとき、水３４は、液体燃料４４の加熱による損失の結果、幾分冷却されている。なお、第２の流体ダクト４８は、単に第１の流体ダクト４０を延長したものであってもよい。水３４の燃焼器セクション１６への注入温度は、上述のように周囲条件に依存し、その飽和温度は注入温度の上限を決定する。図２に、異なる周囲温度における２つの注入温度プロファイルを示す。ガスタービンの動作負荷が大きくなるほど、水３４の加熱のために存在する排気ガス２６の温度が高くなるため、流体注入温度が高くなることが見てとれる。このプロットでは、第１の温度プロファイル５４が約３２°Ｆ（約０°Ｃ）で、第２の温度プロファイル５６が約１２２°Ｆ（約５０°Ｃ）となっている。

次に図３を参照すると、第２の実施形態に係る発電装置が概略的に示され、その全体が符号１００で示されている。発電装置１００の第２の実施形態は、多くの点で第１の実施形態に類似しているため、各部品を更に詳細に又は繰り返し検討する必要はない。第１の実施形態の説明に用いたものを適用できる場合は、類似の参照符号を使用する。タービンセクション１８は、高温の排気ガス２６の全てを排気構造２８に放出するのではなく、高温の排気ガス２６の少なくとも一部分を排気出口１０２から、タービンセクション１８及び排気構造２８の外部に設置された第１の熱交換器１０４へと導く。また、第１の熱交換器１０４は、水３４を周囲温度付近で流体供給部３６から流体注入スキッド３８を介して受け取るように構成される。水３４は、第１の熱交換機１０４を通る間に、高温の排気ガス２６によって加熱される。第１の実施形態に関して上述したように、水３４の出口温度は、周囲条件に依存する飽和温度によって制限される。高温の排気ガス２６は、その後、第１の熱交換器１０４から排気構造２８又は環境へと放出される。

第１の熱交換器１０４内での加熱の後、水３４は、第２の熱交換器１０６へと送られる。第２の熱交換器１０６は、第１の実施形態の熱交換器４２と同様に、液体燃料注入構造４３と連通しており、液体供給部４６からの液体燃料４４を、液体燃料供給ライン２４を介して受け取るように構成される。その他の部品及び作用は、第１の実施形態と同様である。具体的には、液体燃料４４は、燃焼器セクション１６への注入に適した粘度を得るために、水３４により第２の熱交換器１０６内で加熱される。詳細を上述したように、水３４及び液体燃料４４はいずれも、その後、燃焼器セクション１６へと送られる。

有利には、発電装置１０、１００の第１及び第２の実施形態がいずれも、水３４と液体燃料４４を加熱するための効率的なシステムを提供する。加えて、周囲温度を上回る温度まで水３４を加熱すると、排出制御用の水の加熱時に燃焼器セクション１６で消費される潜熱が減少することにより、発電装置性能全体の効率が上昇する。総じて、装置及び稼働コストが削減される一方で、発電装置１０、１００の効率が上昇する。

図４のフロー図に示すように、図１〜図３を参照して、発電装置２００の燃料加熱方法を更に提供する。発電装置１０、１００の第１及び第２の実施形態は既に説明済みのため、具体的な構成要素を更に詳細に説明する必要はない。発電装置２００の燃料加熱方法は、発電装置２０２のタービンセクションの排気ガスを用いて燃料を加熱することを含む。燃料は、熱交換器２０４へと送られる。燃料が更に、液体燃料供給部２０６から熱交換器へと送られ、この液体燃料は熱交換器２０８内で流体によって加熱される。

限られた数の実施形態のみに関連して本発明を詳説したが、明らかなように、本発明はかかる開示の実施形態に限定されない。寧ろ、本発明を修正して変更、修正、置換、又はこれまで記載しなかった等価の構造を幾つ組み込んでもよく、これらも本発明の本質及び範囲内に相当する。加えて、本発明の様々な実施形態を説明したが、本発明の態様が、説明した実施形態の一部のみを含むものであってもよいことを理解されたい。したがって、本発明は、上記の説明により限定されるのではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるとみなされるべきである。

１０ 発電装置
１２ ガスタービンシステム
１４ コンプレッサセクション
１６ 燃焼器セクション
１８ タービンセクション
２０ ロータ
２４ 液体燃料供給ライン
２６ 高温の排気ガス
２８ 排気構造
３０ 内部領域
３２ 流体注入構造
３４ 水
３６ 流体供給部
３８ 流体注入スキッド
４０ 第１の流体ダクト
４２ 熱交換器
４３ 液体燃料注入構造
４４ 液体燃料
４７ 液体燃料転送スキッド
４８ 第２の流体ダクト
５０ 液体燃料選択スキッド
５４ 第１の温度プロファイル
１００ 発電装置の第２の実施形態
１０４ 第１の熱交換器
１０６ 第２の熱交換器
２００ 発電装置の燃料加熱方法
２０２ タービンセクションの排気ガスを用いて流体を加熱する
２０４ 熱交換器に送られる流体
２０６ 液体燃料供給部から熱交換器に送られる流体

Claims (20)

1. 発電装置の燃料加熱システムであって、
   排気ガスを受け取るための内部領域を有する排気構造と、
   燃料を送るための第１の燃料ダクトを有する燃料注入構造であって、該第１の燃料ダクトは、前記排気構造の前記内部領域の少なくとも一部分に延在して前記燃料を加熱する、燃料注入構造と、
   前記流体と液体燃料を受け取る熱交換器であって、前記液体燃料が前記熱交換器を通過する際に、前記流体が前記液体燃料を加熱する、熱交換器と
   を有する、燃料加熱システム。
2. 前記流体が水である、請求項１に記載の燃料加熱システム。
3. 前記流体を前記熱交換器から燃焼器へと送る第２の流体ダクトを更に有する、請求項１に記載の燃料加熱システム。
4. 前記液体燃料を前記熱交換器から受け取って前記液体燃料を燃焼器に送る液体燃料注入構造を更に有する、請求項１に記載の燃料加熱システム。
5. 前記排気ガスが前記発電装置のタービンセクションから前記排気構造へと放出される、請求項１に記載の燃料加熱システム。
6. 前記流体が前記排気構造の前記内部領域に第１の温度で流入し、前記排気構造の前記内部領域から、前記第１の温度よりも高い第２の温度で出る、請求項１に記載の燃料加熱システム。
7. 前記第１の温度が華氏約７０度である、請求項６に記載の燃料加熱システム。
8. 前記第２の温度が、前記流体の飽和温度未満である、請求項６に記載の燃料加熱システム。
9. 発電装置の燃料加熱システムであって、
   排気ガスを放出するための排気出口を有するタービンセクションと、
   前記排気ガスを受け取るための前記排気出口に作動的に連結された第１の熱交換器であって、該第１の熱交換器が更に、燃料注入構造から前記排気ガスにより加熱された流体を受け取る、第１の熱交換器と、
   液体燃料を受け取るように構成された第２の熱交換器であって、該第２の熱交換器は、前記第１の熱交換器内の前記排気ガスによる加熱後の前記流体を受け取るために、前記第１の熱交換器に作動的に結合されており、該流体は、前記第２の熱交換器内で前記液体燃料を加熱する、第２の熱交換器と、
   を有する燃料加熱システム。
10. 前記流体が水である、請求項９に記載の燃料加熱システム。
11. 前記第２の熱交換機から前記流体を受け取る燃焼器を更に有する、請求項９に記載の燃料加熱システム。
12. 前記第２の熱交換器から前記液体燃料を受け取って前記液体燃料を燃焼器に送る液体燃料注入構造を更に有する、請求項９に記載の燃料加熱システム。
13. 前記排気ガスを前記第１の熱交換器から受け取る排気構造を更に有する、請求項９に記載の燃料加熱システム。
14. 前記流体が前記第１の熱交換器に第１の温度で流入し、前記第１の熱交換器を、前記第１の温度よりも高い第２の温度で出る、請求項９に記載の燃料加熱システム。
15. 前記第１の温度が華氏約７０度である、請求項１４に記載の燃料加熱システム。
16. 前記第２の温度が、前記流体の飽和温度未満である、請求項１４に記載の燃料加熱システム。
17. 発電装置の燃料加熱方法であって、
    燃料を前記発電装置のタービンセクションの排気ガスを用いて加熱することと、
    前記排気ガスにより加熱された前記流体を熱交換器に送ることと、
    液体燃料供給部から前記熱交換器に液体燃料を送ることと、
    前記液体燃料を前記熱交換器内の前記流体を用いて加熱すること
    を含む、方法。
18. 前記タービンセクションから前記排気ガスを受け取るように構成された排気構造の内部領域内で前記燃料の加熱が生じる、請求項１７に記載の方法。
19. 前記タービンセクションの排気出口から前記排気ガスを受け取るように構成された流体熱交換器内で前記燃料の加熱が生じる、請求項１７に記載の方法。
20. 前記流体と前記液体燃料を前記熱交換器から燃焼器に送ることを更に含む、請求項１７に記載の方法。