JP2015206359A - 複合サイクルガスタービンと共に使用するための燃料加熱システム - Google Patents

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Abstract

【課題】排ガスの流れを熱回収蒸気発生器へと導くように構成されたタービン出口を含む複合サイクルガスタービンと共に使用するための燃料加熱システムを提供する。【解決手段】燃料加熱システムは、内部を通る燃料124の流れを導くように構成された熱交換器130と、各々が、排ガスの流れと熱的に連通する蒸発器部136と、燃料の流れに選択的に熱的に接触する凝縮器部140とを含む複数の伝熱装置132とを含む。複数の伝熱装置の各々は、排ガスからの異なるグレードの熱を伝導して、燃料の温度を調整するように構成される。【選択図】図1

Description

本開示は、一般的には、複合サイクル発電システムに関し、より具体的には、複合サイクルガスタービン内で燃料を加熱する際に使用するためのシステムに関する。
少なくともいくつかの公知の発電システムは、燃焼排ガスを利用して、連続する各段階から次第にグレードが低くなる蒸気を発生させる多段熱回収蒸気発生器(HRSG)を含む。HRSGに通じる排ガス入口の所の比較的高いグレードの熱は、HRSGの高圧段階またはセクションにおいて、比較的高圧の蒸気を発生させることができる。高圧段階において排ガスから熱が除去された後、排ガスは、比較的低温の排ガスによって比較的低圧または中圧の蒸気を発生させることができる中圧段階に導かれる。排ガスは、その後、HRSGの低圧段階に導かれ、低圧の蒸気を発生させる。
少なくともいくつかの公知の発電システムではまた、直接的または間接的に排ガスを利用して、複合サイクルガスタービン内で使用するための燃料の予熱を容易にし、熱効率を向上させている。排ガスの温度は、ガスタービンの運転条件および/または排ガスの多段HRSGにおける位置に応じて変動しうる。したがって、燃料の温度を所定の温度範囲内に調整することが難しいことがある。
米国特許第8,425,223号公報
一つの態様では、排ガスの流れを熱回収蒸気発生器へと導くように構成されたタービン出口を含む複合サイクルガスタービンと共に使用するための燃料加熱システムが提供される。システムは、内部を通る燃料の流れを導くように構成された熱交換器と、各々が、排ガスの流れと熱的に連通する蒸発器部と、燃料の流れに選択的に熱的に接触する凝縮器部とを含む複数の伝熱装置とを含む。複数の伝熱装置の各々は、排ガスからの異なるグレードの熱を伝導して、燃料の温度を調整するように構成される。
別の態様では、複合サイクル発電システムが提供される。システムは、タービン出口を備えるガスタービンと、タービン出口から排出される排ガスの流れを受容するように構成された熱回収蒸気発生器と、燃料加熱システムとを含む。燃料加熱システムは、内部を通る燃料の流れを導くように構成された熱交換器と、各々が、排ガスの流れと熱的に連通する蒸発器部と、燃料の流れに選択的に熱的に接触する凝縮器部とを含む複数の伝熱装置とを含む。複数の伝熱装置の各々は、排ガスからの異なるグレードの熱を伝導して、燃料の温度を調整するように構成される。
さらに別の態様では、複合サイクル発電システム内で使用するための燃料加熱アセンブリを組み立てる方法が提供される。複合サイクル発電システムは、ガスタービンと、ガスタービンから排出される排ガスの流れを受容するように構成された熱回収蒸気発生器とを含む。方法は、内部を通る燃料の流れを導くように構成された熱交換器を提供することと、熱回収蒸気発生器と熱交換器との間で熱的に連通する複数の伝熱装置を結合することとを含む。結合することは、排ガスの流れと熱的に連通する複数の伝熱装置の第1の端部を結合することと、燃料の流れと熱的に連通する複数の伝熱装置の第2の端部を結合することとを含む。第1の端部は、複数の伝熱装置の蒸発器部を画定し、第2の端部は、燃料の流れに選択的に熱的に接触するように構成された、複数の伝熱装置の凝縮器部を画定する。複数の伝熱装置の各々は、排ガスからの異なるグレードの熱を伝導して、燃料の温度を調整するように構成される。
例示的な複合サイクル発電システムの概略図である。 図1に示された複合サイクル発電システムと共に使用されうる例示的な燃料加熱システムの第1の動作モードの概略図である。 図2に示された燃料加熱システムの第2の動作モードの概略図である。 図1に示された複合サイクル発電システムと共に使用されうる代替の燃料加熱システムの概略図である。
本開示の実施形態は、ガスタービンへと向かう燃料を予熱する際に使用するための統合燃料加熱システムを含む発電システムに関する。例示的な実施形態では、燃料加熱システムは、発電システムの熱回収蒸気発生器(HRSG)と内部を通る燃料の流れを導く熱交換器との間で熱的に連通するように結合される複数の伝熱装置を含む。具体的には、伝熱装置の蒸発器部は、伝熱装置が、HRSG内を導かれる様々な温度の高温の排ガスに接触するように、HRSGの軸方向における様々な位置に配置される。燃料の流れは、異なるグレードの熱が燃料に伝達されるように、伝熱装置の凝縮器部を通るように導かれる。さらに、伝熱装置は、燃料の流れに選択的に熱的に接触して、燃料の温度の調整を容易にする。したがって、温度調整によって、燃料の温度を所定の温度範囲内で上昇させるおよび/または維持することが容易になる。
図1は、例示的な複合サイクル発電システム100の概略図である。発電システム100は、圧縮器104と、燃焼器106と、燃焼器106内で生成される膨張する高温ガスを動力とする、発電機110を駆動するためのタービン108とを含む、ガスタービンエンジンアセンブリ102を含む。排ガス112は、タービン108から、排ガスから廃熱を回収するための熱回収蒸気発生器(HRSG)114へと導かれる。HRSG114は、高圧(HP)蒸気セクション116と、中圧(IP)蒸気セクション118と、低圧(LP)蒸気セクション120とを含む。HRSG114は、排ガスからの次第にグレードが低くなる熱を、次第に圧力が低くなる各セクション内を循環する水/蒸気に伝達する。HP、IP、およびLPセクション116、118、および120の各々は、エコノマイザと、蒸発器と、過熱器、または、限定はされないが、複数の熱交換器に分割されうる高圧セクション予熱器等のそれぞれのセクションに関連する他の予熱器とを含んでもよい。代替の実施形態では、HRSG114は、発電システム100を本明細書中に記載のように機能させることができる任意の数の圧力セクションを有していてもよい。
発電システム100は、燃料供給源126から燃料加熱システム122へと導かれる燃料124の流れを予熱する燃料加熱システム122をさらに含む。より具体的には、燃料加熱システム122は、予熱燃料128の流れが燃焼器106へと導かれるように、燃料124の温度の調整を容易にする。燃料加熱システム122は、下記により詳細に記載するように、燃焼器106と燃料供給源126との間で流体的に連通するように結合される熱交換器130と、HRSG114と熱交換器130との間で熱的に連通するように結合される複数の伝熱装置132とを含む。さらに、一実施形態では、燃料加熱システムは、外部熱源133と、外部熱源133と熱交換器130との間で熱的に連通するように結合される伝熱装置132とを含む。例示的な外部熱源は、限定はされないが、発電機冷却システム、再生可能エネルギー源、蒸気サイクルからの廃熱等である。したがって、燃料加熱システム122は、タービン108から排出され、HRSG114内を流れる排ガス112からの熱エネルギーを利用して、燃焼器106へと導かれる燃料の予熱を容易にする。
伝熱装置132は、燃料加熱システム122を本明細書中に記載のように機能させることができる任意の伝熱装置であってもよい。例示的な伝熱装置132は、限定はされないが、熱パイプ(例えば、定コンダクタンス型、可変コンダクタンス型、および/または圧力制御型)や、熱サイホン等である。例示的な実施形態では、各伝熱装置132は、蒸発器部136を画定する第1の端部134と、凝縮器部140を画定する第2の端部138とを含む。各伝熱装置132の蒸発器部136は、HRSG114内を導かれる排ガス112の流れと熱的に連通するように結合され、凝縮器部140は、熱交換器130内を導かれる燃料124の流れに選択的に熱的に接触する。
例示的な実施形態では、伝熱装置132は、排ガス112からの異なるグレードの熱を伝導して、燃焼器106へと導かれる予熱燃料128の温度の調整を容易にする。具体的には、燃料124は、所定の温度範囲に予熱される。上記のように、HRSG114は、排ガス112からの次第にグレードが低くなる熱を、次第に圧力が低くなる各セクション内を循環する水/蒸気に伝達する。したがって、伝熱装置132によって伝導される熱のグレードは、少なくとも部分的には、各伝熱装置132の蒸発器部136のHRSG114の軸方向における位置に基づく。例えば、例示的な実施形態では、第1の伝熱装置142の蒸発器部136は、HPセクション116の上流に配置され、第2の伝熱装置144の蒸発器部136は、IPセクション118とLPセクション120との間に配置され、第3の伝熱装置146の蒸発器部136は、LPセクション120の下流に配置される。したがって、第1、2、および3の伝熱装置142、144、および146は、タービン108とそれぞれの蒸発器部136との間の距離が増加するにつれて、排ガス112からの次第にグレードが低くなる熱を伝導する。図では、3つの伝熱装置が含まれるように示されているが、燃料加熱システム122を本明細書中に記載のように機能させることができる、HRSG114の軸方向における任意の位置に配置される任意の数の伝熱装置が含まれてもよい。
図2は、燃料加熱システム122の第1の動作モード148の概略図であり、図3は、燃料加熱システム122の第2の動作モード150の概略図である。例示的な実施形態では、熱交換器130は、第1、2、および3の伝熱装置142、144、および146の第2の端部138を収容するような大きさに作られる。より具体的には、燃料124が各凝縮器部140を通って流れるように、第2の端部138は熱交換器130の内部空洞152内に延在し、燃料124は内部空洞152内を導かれる。したがって、熱交換器130内を導かれる燃料124は、所定の温度範囲内に加熱され、そこから予熱燃料128として排出される。
上記のように、第1、2、および3の伝熱装置142、144、および146は、各伝熱装置132によって所定量だけ燃料124の温度を上昇させることのみが可能なように、排ガス112からの異なるグレードの熱を燃料124に伝達する。例えば、例示的な実施形態では、第1の伝熱装置142は、最も高いグレードの熱を伝導して、予熱燃料128の所定の温度範囲を超えて、燃料124の温度を上昇させる。第2の伝熱装置144は、中グレードの熱を伝導して、第1の伝熱装置142ほどではないが、予熱燃料128の所定の温度範囲を超えて、燃料124の温度を上昇させる。第3の伝熱装置146は、最も低いグレードの熱を伝導して、予熱燃料128の所定の温度範囲未満で、燃料124の温度を上昇させる。そのようにして、また下記により詳細に記載するように、各伝熱装置132の凝縮器部140は、燃料124に選択的に熱的に接触して、燃料124の温度の調整を容易にする。選択的な接触は、少なくとも部分的には、ガスタービン102の運転状態および/またはそれぞれの伝熱装置132のHRSGにおける位置に基づく。さらに、燃料124の温度を上昇させるために、一般的に、より高いグレードの熱の前に、より低いグレードの熱がまず使用され、より高いグレードの熱は、所定の温度範囲内および/または目標温度に、燃料124の温度を調整するために使用される。
例示的な実施形態では、第1、2、および3の伝熱装置142、144、および146は、可変コンダクタンス型熱パイプ(図示されず)である。より具体的には、各伝熱装置132は、ある量の非凝縮性ガス(NCG)154を内部に含む。各伝熱装置132内のNCG154の量は動的に選択され、各伝熱装置132の凝縮器部140の部分を塞ぐことによって、伝熱装置132の熱コンダクタンスを変動させる。例えば、伝熱装置132の熱コンダクタンスは、内部のNCG154の量が増加するにつれて、減少する。逆も成り立つ。したがって、凝縮器部140の選択的な接触および伝熱能力は、少なくとも部分的には、各伝熱装置132内のNCG154の量に基づく。
図2を参照すると、燃料加熱システム122は、発電システム100(図1に図示)の始動中にあたる第1の動作モード148にある。より具体的には、第1の動作モード148では、伝熱装置132は、NCG154を少量しか含まない、または全く含まないため、燃料124が各伝熱装置132から熱を抽出することができる。各伝熱装置132から熱を抽出することができるため、燃料124の温度が所定の温度範囲および/または目標温度に上昇できる速さを上げることが容易になる。燃料124の温度を所定の温度範囲に急速に上昇させることによって、発電システム100の効率を上げることが容易になる。
図3を参照すると、燃料加熱システム122は、発電システム100(図1に図示)の定常運転中にあたる第2の動作モード150にある。上記のように、第1の伝熱装置142は、第2および3の伝熱装置144および146と比べて最も高いグレードの熱を燃料124に伝達することができる。いくつかの実施形態では、最も高いグレードの熱を燃料124に伝達することによって、予熱燃料128の温度を、所定の温度範囲外に上昇させることになる。したがって、各伝熱装置132内のNCG154の量を選択することによって、予熱燃料128の温度を所定の温度範囲内に調整することが容易になる。
例えば、例示的な実施形態では、第1の量のNCG154が、第1の伝熱装置142内に存在し、第1の量よりも少ない第2の量のNCG154が、第2の伝熱装置144内に存在し、第2の量よりも少ない第3の量のNCG154が、第3の伝熱装置146内に存在する。発電システム100が、始動から定常運転に移行するにつれて、各伝熱装置132内のNCG154の量を変動させることで、予熱燃料128の温度の調整が容易になる。より具体的には、予熱燃料128が所定の温度範囲に達した後、1つまたは複数の伝熱装置132内のNCG154の量を増加させることで、それぞれの凝縮器部140の燃料124への接触を変化させ、燃料124がそこから抽出できる熱の量を低減させることが容易になる。例えば、第2の動作モード150では、凝縮器部140が熱を燃料124に伝達することを阻害するように、第1の伝熱装置142内のNCG154の第1の量は増加される。さらに、第2および3の伝熱装置144および146内のNCG154の量が選択され、それぞれの凝縮器部140の燃料124への接触を変化させる。
いくつかの実施形態では、燃料124は、より低いグレードの熱を伝導する伝熱装置132を通った後に、比較的高いグレードの熱を伝導する伝熱装置132を通る。例えば、例示的な実施形態では、燃料124は、第3の伝熱装置146、そして第2の伝熱装置144を通った後に、第1の伝熱装置142を通る。したがって、熱は最初にHRSG114のより低い圧力段階から抽出されるため、HRSG114のより高い圧力段階の効率損失を低減することが容易になる。
図4は、代替の燃料加熱システム156の概略図である。例示的な実施形態では、燃料加熱システム156は、第1の熱交換サブアセンブリ158と、第2の熱交換サブアセンブリ160と、バルブシステム162とを含む。第1の熱交換サブアセンブリ158は、第2および3の伝熱装置144および146の第2の端部138を収容するような大きさに作られる第1の熱交換器164を含み、第2の熱交換サブアセンブリ160は、第1の伝熱装置142の第2の端部138を収容するような大きさに作られる第2の熱交換器166を含む。第2および3の伝熱装置144および146の第2の端部138は、第3の伝熱装置146が燃料124の温度を所定の温度範囲に上昇させられない場合、第2の伝熱装置144が燃料124の加熱を補足できるように、第1の熱交換器164内に収容される。
例示的な実施形態では、バルブシステム162は、第1の熱交換サブアセンブリ158と第2の熱交換サブアセンブリ160との間で流体的に連通するように結合される第1のバルブ168と、第1の熱交換サブアセンブリ158の下流にあるバイパス管路172と流体的に連通するように結合される第2のバルブ170と、第2の熱交換サブアセンブリ160の下流で流体的に連通するように結合される第3のバルブ174とを含む。バルブシステム162内の各バルブは、伝熱装置132の第2の端部138および/または凝縮器部140を燃料124に選択的に熱的に接触させて、予熱燃料128の温度の調整を容易にするように、選択的に作動可能である。
運転中、バルブシステム162内のバルブは、燃料124をそれぞれの伝熱装置132の凝縮器部140に選択的に通すように作動する。例えば、発電システム100(図1に図示)が、始動モードである場合、燃料124が第1および2の熱交換サブアセンブリ158および160の両方に導かれるように、第1および3のバルブ168および174は開放され、第2のバルブ170は閉鎖される。したがって、燃料124は、各伝熱装置132の凝縮器部140からの熱に接触して抽出することができ、燃料124の温度が予熱燃料128の所定の温度範囲に上昇できる速さを上げることが容易になる。発電システム100が、始動から通常運転に移行するにつれて、第1の熱交換サブアセンブリ158から排出される燃料124が、バイパス管路172を通り、第2の熱交換サブアセンブリ160は通らずに流れるように、第1および3のバルブ168および174は閉鎖され、第2のバルブ170は開放される。したがって、燃料124は、第2および3の伝熱装置144および146の凝縮器部140からの熱にのみ接触して抽出することができる。
本明細書中に記載のシステムおよび方法は、複合サイクルガスタービンへと導かれる燃料の温度の調整を容易にする。例示的な実施形態では、伝熱装置の蒸発器部は、熱回収蒸気発生器(HRSG)内を導かれるタービン排ガスが伝熱装置と熱的に連通するように、熱回収蒸気発生器(HRSG)の軸方向における様々な位置に配置される。伝熱装置はHRSGの軸方向における様々な位置に配置されるため、熱がHRSGの複数の段階から抽出されるにつれて、次第にグレードが低くなる熱が伝導される。したがって、次第にグレードが低くなる熱が、伝熱装置の凝縮器部を通って導かれる燃料の流れに伝達される。さらに、伝熱装置の凝縮器部を燃料の流れに選択的に接触させることによって、燃料の温度が調整されてもよい。したがって、本明細書中に記載のシステムおよび方法は、発電システムの運転条件に応じて燃料の温度を調整することによって、複合サイクル発電システムの効率を上げることを容易にする。
本明細書では、最良の形態を含む本開示の実施形態を開示するために、また任意の当業者による、任意の装置またはシステムの製造および使用ならびに任意の組み込まれた方法の実施を含む、本開示の実施形態の実施を可能にするために、実施例が挙げられる。本明細書中に記載の実施形態の特許を受けられる範囲は、請求項によって定められ、当業者が思いつく他の実施例を含みうる。そのような他の実施例は、請求項の文言と相違ない構成要素を有する場合、または請求項の文言と実質的な相違のない同等の構成要素を含む場合、特許請求の範囲内であることが意図される。
100 発電システム
102 ガスタービンエンジンアセンブリ
104 圧縮器
106 燃焼器
108 タービン
110 発電機
112 排ガス
114 熱回収蒸気発生器(HRSG)
116 高圧セクション
118 中圧セクション
120 低圧セクション
122 燃料加熱システム
124 燃料
126 燃料供給源
128 予熱燃料
130 熱交換器
132 伝熱装置
133 外部熱源
134 第1の端部
136 蒸発器部
138 第2の端部
140 凝縮器部
142 第1の伝熱装置
144 第2の伝熱装置
146 第3の伝熱装置
148 第1の動作モード
150 第2の動作モード
152 内部空洞
154 非凝縮性ガス(NCG)
156 燃料加熱システム
158 第1の熱交換サブアセンブリ
160 第2の熱交換サブアセンブリ
162 バルブシステム
164 第1の熱交換器
166 第2の熱交換器
168 第1のバルブ
170 第2のバルブ
172 バイパス管路
174 第3のバルブ

Claims (10)

  1. 排ガス(112)の流れを熱回収蒸気発生器(114)へと導くように構成されたタービン出口を含む複合サイクルガスタービン(102)と共に使用するための燃料加熱システム(122)であって、
    前記システムは、
    内部を通る燃料(124)の流れを導くように構成された熱交換器(130)と、
    各々が、前記排ガスの流れと熱的に連通する蒸発器部(136)と、前記燃料の流れに選択的に熱的に接触する凝縮器部(140)とを備える複数の伝熱装置(132)であって、前記複数の伝熱装置の各々が、前記排ガスからの異なるグレードの熱を伝導して、前記燃料の温度を調整するように構成された、複数の伝熱装置(132)と
    を備える燃料加熱システム(122)。
  2. 前記複数の伝熱装置(132)の各々の蒸発器部(136)が、前記熱回収蒸気発生器(114)の軸方向における様々な位置に配置される、請求項1記載のシステム(122)。
  3. 前記複数の伝熱装置(132)の各々が、前記タービン出口と前記複数の伝熱装置の蒸発器部(136)との間の距離が増加するにつれて、前記排ガス(112)からの次第にグレードが低くなる熱を伝導するように構成された、請求項1記載のシステム(122)。
  4. 前記熱交換器(130)が、前記複数の伝熱装置(132)の凝縮器部(140)を収容するような大きさに作られる、請求項1記載のシステム(122)。
  5. 前記複数の伝熱装置(132)が、複数の可変コンダクタンス型熱パイプまたは複数の熱サイホンの少なくとも1つを備える、請求項1記載のシステム(122)。
  6. 前記凝縮器部(140)が、複数の可変コンダクタンス型熱パイプまたは複数の熱サイホンの前記少なくとも1つの内部に存在する非凝縮性ガス(154)の量に応じて、前記燃料(124)の流れに選択的に接触する、請求項5記載のシステム(122)。
  7. 前記熱交換器(130)が、前記燃料(124)の流れが、前記複数の伝熱装置(132)のそれぞれの凝縮器部(140)を通って選択的に流れるように、選択的に作動するように構成された複数のバルブ(162)を備える、請求項1記載のシステム(122)。
  8. 前記凝縮器部(140)が、前記複合サイクルガスタービン(102)の運転状態に応じて、前記燃料(124)の流れに選択的に接触する、請求項1記載のシステム(122)。
  9. 複合サイクル発電システム(100)であって、
    タービン出口を備えるガスタービン(102)と、
    前記タービン出口から排出される排ガス(112)の流れを受容するように構成された熱回収蒸気発生器(114)と、
    燃料加熱システム(122)であって、
    内部を通る燃料(124)の流れを導くように構成された熱交換器(130)と、
    各々が、前記排ガスの流れと熱的に連通する蒸発器部(136)と、前記燃料の流れに選択的に熱的に接触する凝縮器部(140)とを備える複数の伝熱装置(132)であって、前記複数の伝熱装置の各々が、前記排ガスからの異なるグレードの熱を伝導して、前記燃料の温度を調整するように構成された、複数の伝熱装置(132)と
    を備える燃料加熱システム(122)と
    を備える複合サイクル発電システム(100)。
  10. 前記複数の伝熱装置(132)の各々の蒸発器部(136)が、前記熱回収蒸気発生器(114)の軸方向における様々な位置に配置される、請求項9記載のシステム。
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