JP2017535713A - ダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラントの応答性を向上させるシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

１００パーセント負荷未満の部分負荷状態における１つ以上のガスタービンエンジン（１４）と、１つ以上の蒸気タービンエンジン（１６）と、この蒸気タービンエンジン（１６）の上流における排熱回収ボイラ（２０）に付加的な熱を供給する１つ以上の補助バーナ（１８）と、の作動を介して、ダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラント（１２）の応答性を向上させるシステム及び方法が開示されている。部分負荷状態におけるガスタービンエンジン（１４）と一緒に作動する蒸気タービンエンジン（１６）と補助バーナ（１８）の組み合わせにより、このシステムは迅速に出力を変化させて、ダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラント（１２）の出力需要の変化に適応することができる。１つ以上のガスタービンエンジン（１４）を部分負荷状態で作動させることにより、ガスタービンエンジン（１４）を、ダクト燃焼を介して増大された出力に依存するよりも迅速にコンバインドサイクル発電プラント（１２）の正味出力を増加させるように使用することができる。

Description

発明の分野
本発明は、概してガスタービンシステム、特にダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラントに関する。

発明の背景
過去１０年間で、米国や欧州のような主要市場の電力網に加えられる再生可能エネルギの供給量が増加している。再生可能エネルギの利用における課題の１つは、断続的かつ予測不可能であるという性質上、供給中断を防ぐために、エネルギ貯蔵を利用して再生可能エネルギ源を補完しなければならないことである。別の課題は、異なる季節に家を冷暖房する電気が必要であり、かつ電力網の様々なセクションの運用戦略が必要であることにある。季節的な電力の使用は、再生可能な資源からの電力の利用可能性と必ずしも一致しない。電力供給に影響を及ぼすこれらすべての要因により、コンバインドサイクル発電プラントは、需要に応じて迅速にその出力を増減させることができなければならない。これは、発電プラントが、電力網事業者によって要求された負荷に達することができない場合に、金銭的なペナルティが適用される場合に特に当てはまる。

従来の発電システムは、迅速な増減間隔を要求する負荷を処理するためには、シンプルサイクル発電プラントを使用してきた。シンプルサイクル発電プラントは出力を迅速に変化させることができるが、シンプルサイクル発電プラントは、総合効率がコンバインドサイクル発電プラントよりも低いので運転コストがよりかかり、シンプルサイクル発電プラントの設置に伴うエミッションのような環境配慮も、その価値を損なう恐れがある。別の従来のコンバインドサイクル発電システムは、蒸気タービンエンジンからの出力を増大させるために、排熱回収ボイラで発生する蒸気を増大させるために、排熱回収ボイラでダクト燃焼を使用してきた。このシステムは、追加の蒸気が生成されるために、さらには追加の蒸気入力が受け取られると蒸気タービンエンジンがより大きな出力で応答するために、必要な時間によってシステムが熱力学的に制限されるので、応答時間が遅い。現在、最大増加能力は、毎分５メガワット未満でしかない。しかしながら、電力網制御装置によっては、毎分５メガワットよりもずっと速い割合での増加がたびたび要求されている。従ってより速い増加速度が可能な発電プラントの必要性が存在する。

発明の概要
１００パーセント負荷未満の部分負荷状態における１つ以上のガスタービンエンジンと、１つ以上の蒸気タービンエンジンと、この蒸気タービンエンジンの上流における排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）に付加的な熱を供給する１つ以上の補助バーナと、の作動を介して、ダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラントの応答性を向上させるシステム及び方法が開示されている。部分負荷状態におけるガスタービンエンジンと一緒に作動する蒸気タービンエンジンと補助バーナの組み合わせにより、このシステムは迅速に出力を変化させて、ダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラントの出力需要の変化に適応することができる。部分負荷状態で１つ以上のガスタービンエンジンを作動させることにより、ガスタービンエンジンを、ダクト燃焼を介して増大された出力に依存するよりも迅速にコンバインドサイクル発電プラントの正味出力を増加させるように使用することができる。

少なくとも１つの実施形態では、このシステムは、ダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラントの応答性を向上させる方法を含んでいてよく、これによりガスタービンエンジンは部分負荷でのみ作動していて、これによりコンバインドサイクル発電プラントの出力を変化させるために、ガスタービンエンジンの出力を増減させる能力が提供される。従って、ガスタービンエンジンの出力は、コンバインドサイクル構造における蒸気タービンエンジンの出力よりも迅速に変化することができるので、ガスタービンエンジンの出力が変化するとき、コンバインドサイクル発電プラントの出力は、より迅速に変化することができる。少なくとも１つの実施形態では、ダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラントの応答性を向上させる方法は、１００パーセント負荷未満の部分負荷状態で１つ以上のガスタービンエンジンを作動させるステップと、ガスタービンエンジンにより発生させられた熱により少なくとも部分的に形成された蒸気を介して１つ以上の蒸気タービンエンジンを作動させるステップとを含んでいてよい。この方法は、さらに、蒸気タービンエンジンの上流にある排熱回収ボイラに付加的な熱を提供するための１つ以上の補助バーナを点火するステップを含んでいてよく、これにより部分負荷におけるガスタービンエンジンと、上流で、排熱回収ボイラの上流の補助バーナの点火により発生した付加的な蒸気入力を有した蒸気タービンエンジンとの組み合わされた出力は、１００パーセントの負荷状態におけるガスタービンエンジンと１００パーセントの負荷状態における蒸気タービンエンジンとを作動させるのと少なくとも同程度に大きい。この方法はさらに、ダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラントの出力需要の変化に適応するためにガスタービンエンジンの出力を変化させるように、ガスタービンエンジンを制御するステップを含んでいてよい。

少なくとも１つの実施形態では、出力需要の変化に適応するためにガスタービンエンジンの出力を変化させるように、ガスタービンエンジンを制御するステップは、出力需要の増大に適応するためにダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラントの出力を増大させるようにガスタービンエンジンの出力を増大させるステップを含む。特に、出力需要の増大に適応するために、ダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラントの出力を増大させるステップは、少なくとも毎分５メガワットの割合で、ダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラントの出力を増大させるステップを含んでいてよい。別の実施形態では、出力需要の増大に適応するために、ダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラントの出力を増大させるステップは、少なくとも毎分１０メガワットの割合で、ダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラントの出力を増大させるステップを含んでいてよい。さらに別の実施形態では、出力需要の増大に適応するために、ダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラントの出力を増大させるステップは、少なくとも毎分１５メガワットの割合で、ダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラントの出力を増大させるステップを含んでいる。

この方法は、１００パーセント負荷未満で１つ以上のガスタービンエンジンを作動させるステップを含んでいてよく、従って、ガスタービンエンジンは、９０〜９５パーセントの負荷未満の部分負荷状態で作動させられる。この方法はさらに、補助バーナの出力の増大を伴う、ガスタービンエンジンの出力が増大するランプアッププロセスを含んでいてよい。この方法は、ガスタービンエンジンの出力が減少するランプダウンプロセスを含んでいてよい。ガスタービンエンジンの出力が減少するランプダウンプロセスは、補助バーナの出力の減少を伴っていてよい。

この方法は、ガスタービンエンジンが、排熱回収ボイラがより迅速に暖まることができ、余剰蒸気をグランドシールとコンデンサとに供給することができるように作動を開始する始動プロセスで、少なくとも１つの補助バーナを点火することにより、上流で、排熱回収ボイラに付加的な熱を供給するために少なくとも１つの補助バーナを点火するステップを含んでいてよい。

このシステムの利点は、コンバインドサイクル発電プラントを、１つのガスタービンエンジンの出力の調節による極めて迅速な負荷変更能力によって作動させることができることにある。

このシステムの別の利点は、プラントの出力を毎分３０メガワット程度増減させることのできる能力によって、コンバインドサイクル発電プラントを作動させることができることにある。

これらの実施形態及びその他の実施形態を以下により詳細に説明する。

図面の簡単な説明
本明細書に組み込まれ、明細書の一部を成す添付の図面は、本発明の実施形態を示しており、詳細な説明と共に、本発明の原理を開示している。

ダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラントを示す概略図である。 ダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラントの応答性を向上させるシステムを示す概略図である。 ダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラントのベース負荷の再分配を示すグラフである。 ダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラントの提案されたランプアップを示すグラフである。 ダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラントの提案されたランプダウンを示すグラフである。

発明の詳細な説明
図１〜図５に示したように、１００パーセント負荷未満の部分負荷状態における１つ以上のガスタービンエンジン１４と、１つ以上の蒸気タービンエンジン１６と、この蒸気タービンエンジン１６の上流で排熱回収ボイラ２０に付加的な熱を提供する１つ以上の補助バーナ１８と、の作動を介して、ダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラント１２の応答性を向上させるシステム１０及び方法が開示されている。部分負荷状態におけるガスタービンエンジン１４と一緒に作動する蒸気タービンエンジン１６と補助バーナ１８の組み合わせにより、このシステム１０は迅速に出力を変化させて、ダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラント１２の出力需要の変化に適応することができる。１つ以上のガスタービンエンジン１４を部分負荷状態で作動させることにより、ガスタービンエンジン１４を、ダクト燃焼を介して増大された出力に依存するよりも迅速にコンバインドサイクル発電プラント１２の正味出力を増加させるように使用することができる。

少なくとも１つの実施形態では、システム１０は、ダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラント１２の応答性を向上させる方法を含み、これによりガスタービンエンジン１４は部分負荷でのみ作動していて、これによりコンバインドサイクル発電プラント１２の出力を変化させるために、ガスタービンエンジン１４の出力を増減させる能力が提供される。従って、ガスタービンエンジン１４の出力は、蒸気タービンエンジン１６の出力よりも迅速に変化することができるので、ガスタービンエンジン１４の出力が変化するときに、コンバインドサイクル発電プラント１２の出力は、より迅速に変化することができる。少なくとも１つの実施形態では、システム１０は、１００パーセント負荷未満の部分負荷状態での１つ以上のガスタービンエンジン１４の作動と、１つ以上の蒸気タービンエンジン１６の作動とを含んでいてよい。少なくとも１つの実施形態では、蒸気タービンエンジン１６は、ガスタービンエンジン１４により発生した熱により少なくとも部分的に形成された蒸気によって作動されてよい。この方法は、図２に示したように、蒸気タービンエンジン１６の上流で排熱回収ボイラ２０に付加的な熱を提供するための１つ以上の補助バーナ１８の点火を含んでいてよく、これにより部分負荷におけるガスタービンエンジン１４と、上流で、排熱回収ボイラ２０の上流の補助バーナ１８の点火により発生した付加的な蒸気入力を有した蒸気タービンエンジン１６との組み合わされた出力は、１００パーセントの負荷状態におけるガスタービンエンジン１４と１００パーセントの負荷状態における蒸気タービンエンジン１６とを作動させるのと少なくとも同程度に大きい。この方法はさらに、コンバインドサイクル発電プラント１２が接続されている電力網の制御装置による、又は別の意志決定者等の制御による、ダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラント１２における出力需要の変化に適応するようにガスタービンエンジン１４の出力を変化させるようにガスタービンエンジン１４を制御することを含む。

このシステム１０内で使用されるガスタービンエンジン１４は、ガスタービンエンジン１４が燃料源で作動し、電力をつくり出す発電機に連結された軸の回転運動を発生させることのできる任意の適切な構造を有していてよい。少なくとも１つの実施形態では、出力需要の変化に適応するためにガスタービンエンジン１４の出力を変化させるようにガスタービンエンジン１４を制御することは、出力需要の増大に適応するためにダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラント１２の出力を増大させるようにガスタービンエンジン１４の出力を増大させることを含む。少なくとも１つの実施形態では、ガスタービンエンジン１４は、少なくとも毎分５メガワットの割合で、ダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラント１２の出力を増加させることにより出力需要の変化に適応することができる。別の実施形態では、ガスタービンエンジン１４は、少なくとも毎分１０メガワットの割合で、ダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラント１２の出力を増加させることにより出力需要の変化に適応することができる。さらに別の実施形態では、ガスタービンエンジン１４は、少なくとも毎分１５メガワットの割合で、ダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラント１２の出力を増加させることにより出力需要の変化に適応することができる。

例えば、図１に示したように、ダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラント１２は、少なくとも１つの蒸気タービンエンジン１６と共に作動する少なくとも１つの補助バーナ１８と共に、１００パーセント未満の部分負荷で１つのガスタービンエンジン１４を作動させる１×１プラントであってよく、これにより、総プラント負荷は、少なくとも１つの補助バーナ１８がオフにされている、ガスタービンエンジン１４と１００パーセントで作動する少なくとも１つの蒸気タービンエンジン１６とによるプラント負荷に等しい。この場合、発電プラント１２は、１つのガスタービンと１つの蒸気タービンとから形成されている。別の態様では、２×１プラントが２つのガスタービンと１つの蒸気タービンとを有している。排熱回収ボイラ２０を使用することにより、ガスタービンエンジン１４のベース負荷運転の前に、補助バーナ１８が蒸気タービンエンジン１６と共にオンにされてよいので、１つ以上のガスタービンエンジン１４を部分負荷状態にすることができる。図３に示したように、ダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラント１２の出力は、プラント１２が、補助バーナ１８を使用せずに１００パーセント負荷におけるガスタービンエンジン１４により達成するのと同じ負荷レベルであってよい。例えば、ガスタービンエンジン１４が９０パーセントの負荷にあり、高速始動能力なしに、ガスタービンエンジンの燃焼温度及び効率に関してＦクラスである場合、ダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラント１２は、約毎分１０メガワットの割合の、１×１プラントでの極めて高速な負荷変更のために、約１５メガワットの柔軟性で作動させることができる。ガスタービンエンジン１４の出力が増加されるランプアッププロセスには、補助バーナ１８の出力の増大を伴ってよい。従って、増分ガスタービンエンジン出力の約１５メガワットは、毎分約３〜４メガワットの割合でガスタービンエンジン１４からの排出エネルギが増加する結果である、蒸気タービンエンジン１６の増分出力により増加させることができ、これにより、プラント１２には、毎分約１５〜２０メガワットの効果的なプラント増加能力が与えられる。

図４に示したような別の実施形態では、ダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラント１２は、補助バーナ１８をオフにして１００パーセントの負荷で作動するガスタービンエンジン１４の同等の総電力出力ではなく、９０パーセント未満の、例えば８０パーセントの負荷で１つ以上のガスタービンエンジン１４により作動されてよい。従って、ガスタービンエンジン１４は、ガスタービンエンジン１４の出力を増大させることにより、プラント１２の出力に加えることのできる柔軟に利用できる約３０メガワットの出力を有することができる。上述した割合に基づき、３０メガワットの付加的な出力は、約２〜３分間でプラント１２の出力に加えることができる。

システム１０を使用する方法は、ガスタービンエンジン１４の出力が減少するランプダウンプロセスを含んでいてよい。ガスタービンエンジン１４の出力が減少するランプダウンプロセスは、補助バーナ１８の出力の減少を伴ってよい。図５に示したようなシステム１０を使用する方法では、出力減少が最初にダクトバーナの切断によってしか制御されない従来のシステムよりも速い減少率で、ガスタービンエンジン１４の出力減少が行われる。特に図５では、ガスタービンエンジン１４の出力が毎分約１０〜１５メガワットの割合で減少し、約４〜５分で約７０メガワットの電力出力の総減少を伴うランプダウン過程が説明されている。

１つ以上のガスタービンエンジン１４が高速始動能力を有している実施形態では、ガスタービンエンジン１４は、毎分約３０メガワットの割合で出力を増減することができる。従って、ダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラント１２の出力を増減する過程は、補助バーナ１８や蒸気タービンエンジン１６ではなくガスタービンエンジン１４のみを使用して時間にして約１分にまで減じることができる。ガスタービンエンジン１４の出力増減率は、ダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラント１２全体の出力増減を駆動する。蒸気タービンエンジン１６は、ガスタービンエンジン１４の増減率に指向的に従うが、排熱回収ボイラ２０の時定数及びプラント１２のシステムのバランスによって駆動される割合で従う。蒸気タービンエンジン１６の変化率はさらに、特定のタービン製品の蒸気タービンエンジン移行要求によっても制限されている。

少なくとも１つの実施形態では、システム１０は、排熱回収ボイラ２０に付加的な熱を供給するために少なくとも１つの補助バーナ１８が点火され、補助バーナ１８は、ガスタービンエンジン１４が、排熱回収ボイラ２０がより迅速に暖まることができ、余剰蒸気をグランドシールとコンデンサとに供給することができるように作動を開始する始動プロセスで点火される。余剰蒸気をグランドシールとコンデンサとに供給できることにより、補助ボイラの需要が少なくなり、補助ボイラはあまり使用されなくてよくなる、又は補助ボイラはなくなってよい。システム１０はさらに、排熱回収ボイラ２０の加熱表面が、排熱回収ボイラ２０の設計全体を最良にするように配置されていてよく、これにより補助バーナ１８の下流の加熱表面からの蒸気の生成は最大となる。例えば、１×１のサイクル設計では、中圧過熱器は、補助バーナ１８の下流に位置していてよい。例えば、１×１のサイクル設計では、高圧過熱器は、補助バーナ１８の下流に位置していてよい。

前記説明は、本発明を例示、説明及び記述するという目的で提供されている。これらの実施の形態に対する変更及び適応は、当業者に明らかになるであろうし、本発明の範囲又は思想から逸脱することなく成し得るものである。

Claims (10)

1. ダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラント（１２）の応答性を向上させる方法であって、
   １００パーセント負荷未満の部分負荷状態で少なくとも１つのガスタービンエンジン（１４）を作動させるステップと、
   少なくとも１つの蒸気タービンエンジン（１６）を、前記少なくとも１つのガスタービンエンジン（１４）により発生した熱によって少なくとも部分的に形成された蒸気によって作動させるステップと、
   前記少なくとも１つの蒸気タービンエンジン（１６）より上流の排熱回収ボイラ（２０）に付加的な熱を供給するために少なくとも１つの補助バーナ（１８）を点火するステップであって、前記点火が、部分負荷の前記少なくとも１つのガスタービンエンジン（１４）と、上流の前記排熱回収ボイラ（２０）より上流の前記少なくとも１つの補助バーナ（１８）の点火により発生した付加的な蒸気入力を有した前記少なくとも１つの蒸気タービンエンジン（１６）との合計出力が、１００パーセントの負荷状態の前記少なくとも１つのガスタービンエンジン（１４）と１００パーセントの負荷状態の前記少なくとも１つの蒸気タービンエンジン（１６）とを作動できる少なくとも同程度に大きいものとなる、ステップと、
   前記ダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラント（１２）の出力需要の変化に適応するために前記少なくとも１つのガスタービンエンジン（１４）の出力を変化させるように、前記少なくとも１つのガスタービンエンジン（１４）を制御するステップと、
   を有していることを特徴とする、ダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラント（１２）の応答性を向上させる方法。
2. 出力需要の変化に適応するために前記少なくとも１つのガスタービンエンジン（１４）の出力を変化させるように、前記少なくとも１つのガスタービンエンジン（１４）を制御するステップは、出力需要の増大に適応するために前記ダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラント（１２）の出力を増大させるように前記少なくとも１つのガスタービンエンジン（１４）の出力を増大させるステップを含む、請求項１記載の方法。
3. 出力需要の増大に適応するために、前記ダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラント（１２）の出力を増大させるステップは、少なくとも毎分５メガワットの割合で、前記ダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラント（１２）の出力を増大させるステップを含む、請求項２記載の方法。
4. 出力需要の増大に適応するために、前記ダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラント（１２）の出力を増大させるステップは、少なくとも毎分１０メガワットの割合で、前記ダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラント（１２）の出力を増大させるステップを含む、請求項２記載の方法。
5. 出力需要の増大に適応するために、前記ダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラント（１２）の出力を増大させるステップは、少なくとも毎分１５メガワットの割合で、前記ダクト燃焼式コンバインドサイクル発電プラント（１２）の出力を増大させるステップを含む、請求項２記載の方法。
6. １００パーセント負荷未満の部分負荷状態で前記少なくとも１つのガスタービンエンジン（１４）を作動させる前記ステップが、９０パーセントの負荷未満の部分負荷状態で前記少なくとも１つのガスタービンエンジン（１４）を作動させるステップを含む、請求項１記載の方法。
7. さらに、前記少なくとも１つのガスタービンエンジン（１４）の出力が増大するランプアッププロセスは、前記少なくとも１つの補助バーナ（１８）の出力の増大を伴う、請求項１記載の方法。
8. さらに、前記少なくとも１つのガスタービンエンジン（１４）の出力が減少するランプダウンプロセスを含む、請求項１記載の方法。
9. 前記少なくとも１つのガスタービンエンジン（１４）の出力が減少する前記ランプダウンプロセスは、前記少なくとも１つの補助バーナ（１８）の出力の減少を伴う、請求項８記載の方法。
10. 上流で、排熱回収ボイラ（２０）に付加的な熱を供給するための少なくとも１つの補助バーナ（１８）を点火する前記ステップは、前記少なくとも１つのガスタービンエンジン（１４）が、前記排熱回収ボイラ（２０）がより迅速に暖まることができ、余剰蒸気をグランドシールとコンデンサとに供給することができるような作動を開始する始動プロセス期間中、少なくとも１つの補助バーナ（１８）を点火するステップを含む、請求項１記載の方法。

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