JP4346149B2 - 複合サイクル発電システムの効率を高める方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【技術分野】
この発明は、複合サイクル発電所で膨張させられ且つ再生された多成分作業流体を使って、熱源からのエネルギを利用し得る形に変換する方法、特に、発電所に対する燃料消費量及び熱消費率を減少した結果として、効率改善をもたらすことに関する。
【０００２】
【発明の背景】
最近の何年か、多成分作業流体を用いると共に、吸収、凝縮、蒸発及び伝熱式熱交換動作の組合せを用いて、普通のランキン・サイクル（Ｒankine cycles）の典型的な非可逆損失を減らす熱力学サイクルに実質的な改良があった。一般的に、このような改良された熱力学サイクルはカリナ・サイクル（Ｋalina cycles）の名前で知られており、熱力学サイクルの効率に実証し得る実質的な改善をもたらしている。カリナ・サイクルは２つの相互作用するサブシステムを使う。第１のサブシステムは、例えば予熱、蒸発、再熱、再生供給加熱及び発電で構成された、多成分作業流体に対する熱獲得過程を用いる。第２のサブシステムは蒸溜／凝縮サブシステム（ＤＣＳＳ）で構成される。ランキン・サイクルに比べたカリナ・サイクルの効率の改善は、多成分作業流体、好ましくはアンモニア／水混合物を使った結果であり、各成分は同じ圧力で異なる沸点を有する。蒸気及び液体の流れの組成がサイクル全体に亘る異なる点で変化し、このシステムは作業流体のエンタルピー温度特性と作業流体を蒸発させるのに使われる熱源及び作業流体を凝縮させる為に使われるヒートシンクとの一層厳密な釣合いを可能にする。
【０００３】
熱獲得サブシステムでは、カリナ・システムは、作業流体がボイラの中を通るときの熱源及び作業流体のエンタルピー温度特性の不釣合いを閉め出す。ランキン・サイクルに典型的なこういうエネルギ損失が、蒸発するときの多成分作業流体の変化する温度ーエンタルピ特性を活用することによって減少させられる。
第２のサブシステム、即ちカリナ・システムのＤＣＳＳでは、タービンの中で膨張した後の使用済み作業流体は、圧力が低すぎると共にアンモニア濃度が高すぎて、利用し得る冷却材の温度では直接的に凝縮することが出来ない。従って、作業流体は部分的にしか凝縮させることが出来ず、希薄溶液を伝熱式熱交換器からの予め凝縮させた２相の流れと混合し、こうして利用し得る冷却材の温度で完全に凝縮させることが出来る一層低い濃度のアンモニア／水混合物を形成する。この後、希薄凝縮物をタービンの排気に対して復熱式に蒸溜して、この熱獲得サブシステムに対する作業組成を再生する。カリナ・サイクルは多数の特許の対象で、その特許の中には米国特許第４、５８６、３４０号、同第４、６０４、８６７号、同第５、０９５、７０８号及び同第４、７３２、００５号があるが、その開示をここで引用する。
【０００４】
複合サイクル発電所は、最も簡単な形では、ガスタービン、蒸気タービン、発電機及び熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）で構成され、ガスタービン及び蒸気タービンが１本の軸上で１台の発電機に縦続的に結合されている。１台又は更に多くのガスタービンー発電機及び共通の蒸気タービン発電機を持つ多軸構成が用いられている。複合サイクル発電所の熱効率は、ボトミング（ｂｏｔｔｏｍｉｎｇ）・サイクルに関連するガスタービンの性能の関数である。カリナ型熱力学ボトミング・サイクルが、複合サイクルに用いるように研究されている。ボトミング・サイクルの熱源を普通のランキン・ボトミング・サイクル発電所で燃料を加熱する為に用いる。しかし、これまでは、カリナ・ボトミング・サイクルの高い効率は、燃料の加熱によるそれ以上の効率改善を閉め出していると考えられていた。
【０００５】
【発明の要約】
この発明のひとつは、電力を発生する１台又は更に多くの発電機を駆動し又は機械的な仕事をする、第１及び第２の蒸気タービン及びガスタービンを含む複数個のタービンを持つ複合サイクル発電システムで、このシステムの効率を高める方法に於て、（イ）作業流体を第１の蒸気タービンの中で膨張させ、（ロ）第１の蒸気タービンからの膨張した作業流体を再熱し、（ハ）再熱した作業流体を第２の蒸気タービンの中で膨張させ、（ニ）第２の蒸気タービンから排出された作業流体を冷却し、（ホ）燃料を前記第２のタービンの中で膨張した作業流体と熱交換させることにより、ガスタービンで燃焼させる燃料を加熱する工程を含む方法である。
この発明は、カリナ形熱力学サイクルを用いる複合サイクル発電所でガスタービンに対する燃料ガスを加熱して、発電所の全体的な効率を改善する方法を提供する。この効率改善は、燃料の顕熱を高める為に低レベルの熱を使うことによる燃料消費量の減少によるものである。この発明の３つの形式の全部に於て、カリナ・ボトミング・サイクルでの燃料加熱が、カリナ形熱力学サイクルを用いる複合サイクル発電所の全体的な効率を高める。
【０００６】
この発明の好ましい実施例では、１台又は更に多くの電力を発生する発電機を駆動し又は機械的な仕事を行わせる、第１及び第２の蒸気タービン、及びガスタービンを含む複数個のタービンを持つ複合サイクル発電システムで、第１のタービンで気相作業流体を膨張させ、第１のタービンからの膨張した蒸気を再熱し、再熱した蒸気を第２のタービンで膨張させ、第２のタービンから排出される気相作業流体を冷却し、ガスタービンで燃焼させる為の燃料を、再生ボイラから排出される気相の作業流体の一部分と熱交換するように燃料を通すことによって加熱する工程を含む、システムの効率を高める方法が提供される。
【０００７】
この発明の別の好ましい実施例では、電力を発生する１台又は更に多くの発電機を駆動し、又は機械的な仕事をする、第１及び第２のタービン及びガスタービンを含む複数個のタービンを持つ複合サイクル発電システムで、同一の圧力で異なる沸点を持つ異質成分の混合物で構成された気相作業流体を第１のタービンで膨張させ、第１のタービンからの気相作業流体混合物を再熱し、再熱した蒸気を第２のタービンで膨張させ、ガスタービンで燃焼させる燃料を、第２のタービンで膨張させた作業流体混合物の一部分と熱交換するようにこの燃料を通すことによって加熱し、燃料を加熱した後、作業流体を凝縮の為に蒸溜／凝縮サブシステムに通す工程を含む、システムの効率を高める方法が提供される。
【０００８】
従って、この発明の主な目的は、カリナ形熱力学サイクルを用いるカリナ形複合サイクル発電所で燃料を加熱する新規な方法を提供することである。
【０００９】
【発明の開示】
図１には、発電機Ｇ、ガスタービンＧＴ、及び第１の高圧タービンＨＰ、第２の中圧タービンＩＰ及び第３の低圧タービンＬＰで構成されていて、これらのタービンが何れも電力を発生する１台又は更に多くの発電機Ｇに結合されるか又はその代りに機械的な仕事をするように結合されているカリナ型熱力学サイクルを用いた複合サイクル発電所が示されている。システムは、ＨＰ、ＩＰ並びに随意選択によってはＬＰの各タービン、予熱器１４、蒸発器１６、再熱器１８及び過熱器２０を含むボイラ１２を含むカリナ・ボトミング・サイクル、即ち熱力学サイクルを含む。システムは、再生ボイラ２２及び蒸溜／凝縮サブシステム２４（ＤＣＳＳ）をも含む。前にカリナ・サイクルについて述べたところから判るように、低沸点流体及び比較的高い沸点の流体で構成された多成分作業流体混合物が使われる。例えば、アンモニア／水の混合物を使うことが出来るが、当業者にはこの他の混合物も考えられよう。
【００１０】
図１に示すように、完全に凝縮した作業流体が、ＤＣＳＳ ２４から配管２６を介して予熱器１４を通る。配管２８で示すガスタービンの排気から、ボイラ１２に熱が供給されるが、他のシステムから利用出来れば、この熱を増強することが出来ることが理解されよう。予熱された作業流体が、配管３０を介して蒸発器１６に入る第１の流れと、配管３２を介して再生ボイラ２２に入る第２の流れに分割される。蒸発器１６内の第１の流れ３０が、ガスタービンからの向流の排気ガスによって加熱される。再生ボイラ２２に流れる第２の流体の流れが、配管３４を介して中圧タービンＩＰから来る排気の流れによって加熱される。この流れは、第２の流れ３２の流れに対して向流で再生ボイラに流れる。その後、第１及び第２の流れの蒸発した流体がボイラ１２内で再び組合される。第２の流れの流体は配管３５を介してボイラ２２から来る。作業流体の再び組合された流れが過熱器を通り、そこでガスタービンの排気流２８の一部分との熱交換によって最終的に過熱され、高圧タービンＨＰの入口へ流れて、そこで膨張して、熱エネルギをタービンを駆動する機械的なエネルギに変換する。高圧タービンＨＰからの膨張した作業流体の流れが、配管３６を介してボイラ１２へ流れ、再熱器１８により、配管２８を介して来るガスタービンの排気との熱交換によって再熱される。この後、再熱された作業流体が、配管４０を介して中圧タービンＩＰの入口へ流れる。中圧タービンＩＰで膨張した作業流体が、配管３４を介して再生ボイラ２２へ通過し、配管３２を介して再生ボイラ２２に供給される液相の作業流体の流れと熱交換する。この為、ＩＰタービンからの作業流体蒸気が冷却され、配管３２内の作業流体を蒸発させるのに必要な熱の一部分を供給する。作業流体は、再生ボイラ２２から、配管４２を介して低圧タービンＬＰの入口へ通過し、そこで最終的な流体圧力レベルまで膨張する。低圧タービンＬＰからの膨張した流体が、配管４４を介して蒸溜／凝縮サブシステム２４へ通過し、そこで流体の流れが凝縮し、一層高い圧力に圧送されて、配管２６を介して予熱器１４に送られ、サイクルを続ける。
【００１１】
カリナ・サイクルＤＣＳＳシステムは、ＬＰ蒸気タービンを出ていく作業流体を吸収し、凝縮させ、再生する為に使われる。ＤＣＳＳシステムは、異なる２種類の組成を持つ作業流体混合物が完全に凝縮する最小限２つの圧力レベル、即ち、ＨＰ部分７３及びＬＰ部分７１を有する。更に効率の良いＤＣＳＳシステムは、完全な凝縮が起る３つの圧力レベル及び混合物の組成、即ち、図示のＨＰ部分７３、ＩＰ部分６９及びＬＰ部分７１を有する。ＤＣＳＳ混合物の流れが、その流れの圧力を定める最終的な凝縮器を決定することによって、特定の圧力部分に指定される（例えば、ＬＰ凝縮器が、蒸気タービンの排出配管の圧力を設定し、従って、蒸気タービン排出配管はＤＣＳＳのＬＰ部分にあると考えられる）。ここで説明する発明は、２つ又は更に多くの圧力レベル凝縮器を持つ任意のＤＣＳＳシステムに用いることが出来る。
【００１２】
上に述べた複合サイクル発電所の効率を改善する為、配管４８を介してガスタービンＧＴの燃焼器４６に供給される燃料が、この発明に従って、再生ボイラの排出部及びＬＰタービンの入口の間で抽出された分割流と熱交換させられる。即ち、図示の様に、再生ボイラ２２からの排出作業流体が、５０のところで分割され、一部分が配管５２を介して熱交換器５４へ流れる。ガスタービンの燃焼器に対する燃料が、適当な供給源Ｓから配管５６を介して熱交換器５４へ流れ、燃料を加熱するのに必要な熱は、配管５２に流れる作業流体から利用出来る凝縮の潜熱によって供給され、こうして配管５２の流量を最小限に抑える。加熱された燃料は熱交換器５４から配管４８を通してガスタービンＧＴに対する燃焼器４６へ流れる。ガスタービンＧＴに対する燃料を予熱することにより、その結果として、ガスタービンの燃料消費量が減少し、こうして複合サイクルの効率が高くなる。更に、配管５２の作業流体の潜熱を抽出して燃料を加熱する為に使うことが出来ることにより、その結果として、低圧蒸気タービンに於ける動力損失が最小限に抑えられる。アンモニア／水混合物の非等温凝縮特性により、高温及び低温の流れの温度プロフィールが事実上平行になり、１成分流体の凝縮の場合に起るピンチの問題が解決される。熱交換器５４を出ていく２相流体混合物が、配管５８を介してＤＣＳＳのＩＰ又はＬＰ部分に送られ、完全に凝縮する。
【００１３】
図１には、燃料と熱交換する作業流体が示されていて、これは再生ボイラ２２から取出されるが、この発明の方法は、再生ボイラなしでも用いることが出来る。図１で、燃料はＬＰタービンの入口温度に近い温度まで加熱することが出来る。
図２には、図１と同様なシステムが示されており、同様な部分には前と同じ参照数字の後に添字”ａ”を付けてある。しかし、図２のシステムでは、ＩＰタービンの排出部からの膨張した作業流体の一部分から、再生ボイラに流れる前に顕熱が抽出される。即ち、ＩＰタービンからの膨張した流体の一部分の顕熱が、配管６２を介して熱交換器６０に抽出される。更に、熱交換器６４が、配管６６ａを介して来るガスタービン用の燃料と熱交換する。図示の様に、燃料が熱交換器６４から配管６８を通って熱交換器６０に流れる。燃料は、ＩＰタービンからの膨張した流体と熱交換するように通過するとき、余分の熱を得る。加熱された燃料が熱交換器６０から配管７０ａを介してガスタービンの燃焼器へ流れる。熱交換器６０で燃料を加熱する為の高温の流れは、（図１に破線６７で示すように）再生ボイラより手前で中圧排出物から抽出しても良いし、再生ボイラの中間点から（再生ボイラは多重殻体熱交換器である）抽出しても良い。熱交換器６４に対する高温の流れは、再生ボイラへの出口から、熱交換器６０から出てきた蒸気の流れから、又はその両方の流れの組合せから抽出することが出来る。同様に、図１の場合と同じく、熱交換器６４を出ていく湿った２相混合物が、凝縮の為に、ＤＣＳＳ ２４ａの中圧部分６９又は低圧部分７１へ送られる。
【００１４】
図３には、図１及び２と同様なシステムが示されており、同様な部分は前と同じ参照数字の後に添字”ｂ”を付けて表してある。図示の様に、図２の実施例の場合のように、再生ボイラ２２ｂに流れる前のＩＰタービンの排出部からの膨張した作業流体の一部分から、顕熱を抽出する。この膨張した作業流体の部分が、配管６２ｂを介して熱交換器６０ｂに通過する。熱交換器６０ｂは配管６６ｂを介して来るガスタービンに対する燃料と熱交換する。図示の様に、熱交換器６０ｂからの加熱された燃料が、配管７０ｂを介してガスタービンＧＴの燃焼器へ通過する。熱交換器６０ｂを通過した抽出された作業流体の部分が、配管４２ｂで、再生ボイラ２２ｂからの作業流体と一緒になり、低圧タービンＬＰの入口へ通過し、そこで最終的な流体圧力レベルまで膨張する。低圧タービンから排出される作業流体が、これまでの実施例と同じく、凝縮の為に、蒸溜／凝縮サブシステムへ通過する。
【００１５】
この発明を最も実用的で好ましい実施例と考えられるものについて説明したが、この発明がここに開示した実施例に制限されず、寧ろ、特許請求の範囲内に含まれる種々の変更及び同等の構成をもカバーするものであることを承知されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】カリナ形熱力学サイクルを用いる複合サイクル発電所の略図で、この発明によるガスタービンに対する燃料を加熱する方法を例示する。
【図２】図１と同様な図で、この発明の別の形式を示す。
【図３】図１と同様な図で、この発明の更に別の形式を示す。
【符号の説明】
Ｇ：発電機
ＨＰ，ＩＰ,ＬＰ：蒸気タービン
ＧＴ：ガスタービン

Claims (13)

1. 電力を発生する１台又は更に多くの発電機を駆動し又は機械的な仕事をする、第１及び第２の蒸気タービン及びガスタービンを含む複数個のタービンを持つ複合サイクル発電システムで、
   このシステムの効率を高める方法に於て、
   （イ）作業流体を第１の蒸気タービンの中で膨張させ、
   （ロ）第１の蒸気タービンからの膨張した作業流体を再熱し、
   （ハ）再熱した作業流体を第２の蒸気タービンの中で膨張させ、
   （ニ）第２の蒸気タービンから排出された作業流体を冷却し、
   （ホ）燃料を前記第２のタービンの中で膨張した作業流体と熱交換させることにより、ガスタービンで燃焼させる燃料を加熱する
   工程を含む方法。
2. 加熱する工程（ホ）が、第２のタービンの中で膨張させた作業流体を冷却する工程（ニ）の後に実施される請求項１記載の方法。
3. 加熱する工程（ホ）が、第２のタービンの中で膨張させた作業流体を冷却する工程（ニ）の前に実施される請求項１記載の方法。
4. 工程（ホ）の後に、凝縮の為に、作業流体を蒸溜／凝縮サブシステムに通すことを含む請求項１記載の方法。
5. 蒸溜／凝縮サブシステムが、異なる圧力レベルで作用し得る少なくとも２つの凝縮器を持ち、更に、作業流体を前記２つの凝縮器に通す工程を含む請求項４記載の方法。
6. 作業流体をガスタービンからの排気ガスと熱交換させてボイラで加熱し、第２の蒸気タービンから排出された作業流体を、前記ボイラを通る作業流体の一部分と熱交換させることによって冷却することを含む請求項１記載の方法。
7. 第３のタービンを含んでいて、前記第２のタービンで膨張した作業流体と熱交換させることによって、燃料を加熱した後に、冷却された作業流体を第３のタービンで膨張させる工程を含む請求項３記載の方法。
8. 同一の圧力で異なる沸点を持つ異質成分の混合物で構成された前記作業流体を前記第１の蒸気タービンで膨張させる工程を更に含む請求項１に記載の方法。
9. 第３のタービンを設け、燃料を第２のタービンで膨張させた作業流体混合物と熱交換するように通した後に、作業流体混合物を前記第３のタービンで膨張させる工程を含む請求項８記載の方法。
10. 加熱する工程が、第２のタービンで膨張させた作業流体を冷却する工程の前に実施される請求項８記載の方法。
11. 蒸溜／凝縮サブシステムが異なる圧力レベルで作用し得る少なくとも２つの凝縮器を持ち、前記２つの凝縮器に作業流体を通す工程を含む請求項８記載の方法。
12. 作業流体を前記ガスタービンからの排気ガスと熱交換させて第１のボイラで加熱し、作業流体の内、前記第２のタービンで膨張させた第１の部分を燃料と熱交換するように通すと共に、作業流体の内、第２のタービンで膨張させた第２の部分を再生ボイラに通して、前記第１のボイラに通した作業流体の一部分と熱交換させる工程を含む請求項８記載の方法。
13. 第３の蒸気タービンを設け、前記作業流体の第１及び第２の部分を組合せ、組合せた作業流体の各部分を前記第３のタービンで膨張させる工程を含む請求項１２記載の方法。

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