JP5154822B2 - ガスタービン吸気調整システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、負荷及び周囲温度範囲全体にわたって電力出力及び効率を最大にする目的で、ガスタービンに供給される圧縮機吸入空気を加熱及び冷却するためのシステム及び方法に関する。

その最も簡単な形態の複合サイクル発電プラントは、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）を含み、ガスタービン及び蒸気タービンは、単一のシャフト上に縦一列の形態で単一の発電機に結合されている。１つ又はそれ以上のガスタービン発電機と共通の蒸気タービン発電機とを有する多軸形構成も利用されている。複合サイクル発電プラントの熱効率は、その熱回収ボトミングサイクルと組合せたガスタービンの性能によって決まる。

ガスタービンは、作動範囲全体にわたって最大出力及び効率を達成するのに障害となる可能性がある２つの特性を有する。

第１には、ガスタービンは一定体積流量の機械であることである。このことは、それら機械に対して、空気がより高密度であるより低温日におけるよりも空気がより低密度である温暖日において空気質量流量及び出力をより低下させるという固有の特性を与える。この点に関して、空気密度は温度の低下につれて高くなり、ガスタービンを通る質量流量がより大きくなる。ガスタービン出力は、空気質量流量の増加につれて増大する。従って、多くの場合に温暖日には一般的に吸入空気温度を低下させることによって空気質量流量を増加させて出力を増大させるのが望ましいことが分かる。

第２には、作動流体は、補正速度、補正空気流量及び可変案内ベーン設定値の関数として作動圧縮比を制約する空気機械作動限界値を有する空気圧縮機によってサイクルに供給されることである。タービン吸気体積流量、従って圧縮機圧力比は、燃焼温度を維持した状態では（最大効率の場合に）供給空気質量流量が圧縮機吸気温度の低下につれて増加するので、より低温日において増加する。従って、圧縮機作動限界値は、より低温日において問題となる可能性がある。

圧縮機作動限界値はまた、これもまたタービン体積流量、従って圧縮機圧力比を増加させることになる希薄燃料を燃焼させる使用法において一層容易に侵される。こうした状況は、天然ガスの僅か５分の１しか濃くない燃料ガスを生成することになる低級燃料の燃料組成又はガス化の結果として発生する可能性がある。

ガスタービン圧縮機は、圧縮機吸入空気流量を減少させるように調整することができる１つ又はそれ以上の列の可変案内ベーンを含むことにも注目されたい。これは、圧縮機圧力比を制限する、従って圧縮機作動限界値を回避する手段を提供するように思われるが、作動限界値それ自体は、案内ベーン設定値の関数であって、その限界値は、このような方法で空気流量を減少させた時に一層深刻なものになる。
米国特許第７４４８２１７号明細書

本発明は、複合サイクル発電プラントにおいて電力出力及び効率を最大にするために、ガスタービンに供給される圧縮機吸入空気を選択的に加熱する或いは選択的に加熱又は冷却するためのシステム及び方法を提供する。

本発明は、圧縮機を備えたガスタービン及び蒸気タービンを含みかつそれらタービンが１つ又はそれ以上の発電用の発電機に駆動結合された複数のタービンと、蒸気タービン内で膨張した蒸気を復水させるための凝縮器とを有する複合サイクル発電システムにおいて、ガスタービン圧縮機に流入する周囲空気を選択的に加熱する方法として具現化することができ、本方法は、周囲空気の温度よりも高い温度を有する選択流体を蒸気タービン及び凝縮器の少なくとも１つから抽出する段階と、選択流体から直接的又は間接的に熱を受けるようになった熱交換機を通して周囲空気を導き、それによって熱交換機内で周囲空気の温度を高める段階とを含む。

本発明はまた、複合サイクル発電システムとして具現化することができ、本複合サイクル発電システムは、圧縮機を備えたガスタービンと、蒸気タービンと、蒸気タービン内で膨張した使用済み蒸気を復水させるための凝縮器と、圧縮機への吸入空気の温度を制御するための熱交換器と、熱交換器を通る作動流体用の流路を形成しかつ蒸気タービン及び凝縮器の１つに作動結合されて吸入空気の温度を高めるために熱交換器によって作動流体を選択的に加熱するようにする構造体とを含む。

本発明のこれらの及びその他の目的及び利点は、添付図面と関連してなされる本発明の現時点での好ましい例示的な実施形態の以下のより詳細な説明を注意深く検討することによってさらに完全に理解されかつ納得されるであろう。

背景技術によると、また図１の概略図を参照すると、典型的な複合サイクルガスタービンは、直列流れ関係で、空気１０のための取入又は吸入口と、圧縮機１８と、燃焼器２０と、タービン２２と、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）と、その関連する蒸気タービン２８とを含む。従って、吸入空気１０は、周囲温度の状態で軸流圧縮機１８に流入する。周囲温度状態は、場所毎にまた日毎に変化する。従って、比較目的のために、ガスタービン業界では標準状態が使用される。その標準状態とは、５９°Ｆ（１５°Ｃ）、１４．６９６ｐｓｉａ（１．０１３ｂａｒ（１０１．３ｋＰａ））及び６０％相対湿度である。この標準状態は、国際標準化機構（「ＩＳＯ」）によって制定され、一般的にはＩＳＯ条件と呼ばれている。

加圧空気１２は、燃焼システム２０に流入し、そこで燃料が噴射されて燃焼が発生する。燃焼混合気１４は、燃焼システムを出てタービン２２に流入する。タービンセクションでは、高温ガスのエネルギーが仕事に変換される。この変換は、２つの段階で行われる。高温ガスは膨張し、熱エネルギーの一部分はタービンのノズルセクション内で運動エネルギーに変換される。次に、タービンのバケットセクションにおいて、運動エネルギーの一部分は、回転バケットに伝えられて仕事に変換される。タービン２２によって発生した仕事の一部分は圧縮機１８を駆動するために使用されるが、その残りの部分は、発電用の発電機２４に使用可能である。排出ガス１６は、タービンを出てＨＲＳＧ２６に流れる。

多くの要因が、ガスタービン性能に影響を与える。上述のように、空気温度はガスタービン性能における重要な要因となる。ガスタービンは吸入空気として周囲空気を受けるので、その性能は、圧縮機への空気取入れの質量流量に影響を与えるあらゆるものによって変化することになり、その変化は、５９°Ｆ（１５°Ｃ）及び１４．６９６ｐｓｉｓ（１０１．３ｋＰａ）の基準状態からの変化である。各タービンモデルは、サイクルパラメータ及び構成部品効率並びに空気質量流量によって決まるそれ自体の温度効果曲線を有する。

通常、温暖日におけるガスタービン出力を増大させるために、幾つかの手段が用いられる。その大半は、質量流量及び出力を増すためにガスタービン吸入空気温度を低下させることを含む。これは、吸入空気を直接接触させる（空気が湿潤充填媒体を通過する）か又は吸入空気内に水を直接噴射するかのいずれかを行い、次ぎに水滴が蒸発する時に空気を冷却する（吸気噴霧法）（図２）ことによる吸入空気の蒸発冷却によって達成することができる。これらの方法は、空気が飽和状態（例えば、１００°Ｆ−４０％ＲＨの日の場合で７９°Ｆ）になった時のその湿球温度以下には吸入空気を冷却することができない。この温度以上での過剰スプレーにより、圧縮機に流入する水滴が形成される。圧縮の間におけるこのような水滴の蒸発作用は中間冷却作用による利点があるが、これら水滴の圧縮機ブレードへの衝突による有害な作用が、性能及び機械健全性を持続することに対して問題となるおそれがある。

別の方法は、通常はガスタービン吸入ダクト内に配置されかつ機械式冷却システム（図３）から冷水が供給されるコイル管を介して間接的に吸入空気を冷却することである。市場で購入可能な２つの主な機械式冷却システムには、吸収式冷却装置と機械（例えば、電気モータ）駆動式冷却圧縮機を備えたパッケージ式冷却装置とがある。これらのシステムは、空気を露点（例えば、１００°Ｆ−４０％ＲＨの日の場合で８１°Ｆ）まで冷却することができる。十分な冷却装置能力を備えている場合には、周囲湿度を凝縮させることによって、露点以下にさらに冷却することが可能になる。

温暖日での出力はまた、ブースト圧縮機（吸入空気を加圧してその密度を上昇させる）よって又は燃焼器（ここでは図示せず）において付加するための二次空気流を加圧する増強圧縮機によって高めることができる。

ガスタービン内の燃焼温度を高めることは、単位質量流量当たりの出力をより高くして高い複合サイクル効率を可能にする上での主要な要素である。さらに、所定の燃焼温度の場合に、複合サイクル効率を最大にする最適サイクル圧力比が存在する。最適サイクル圧力比は、燃焼温度の上昇につれて常により高くなる傾向を理論的に示すことになる。従って、このようなタービンの圧縮機は、最少部品数、操作の簡単さ及び低い全体コストの目標と同時に、より高いレベルの圧力比の要求を受ける。さらに、圧縮機は、全体サイクル効率を増大させる圧縮効率でこのような高いレベルのサイクル圧力比を可能にしなければならない。結局、圧縮機は、複合サイクル運転の様々な電力出力特性と関連する広範囲の質量流量の下で空気力学的にかつ空気機械的に安定した状態で作動しなければならない。

産業用ガスタービンエンジンによって消費される空気は常に、未知の量の空中浮遊の固体及び液体微粒子を含有する。これら微粒子には、ほこり、ちり、花粉、昆虫、オイル、海水塩、すす、未燃炭化水素などが含まれる。これらの空中浮遊物質がブレードに及び互いに付着すると、圧縮機ターボ機械ブレード上に堆積物が形成され、ブレードの空気力学的輪郭、ブレード表面状態及び流れ入射角に変化をもたらす。このような付着物により、質量流量、熱力学効率、圧力比及びサージ圧力比の性能パラメータにおける付随した低下が生じる。このサージ圧力比への影響は、作動圧力比とサージラインとの間の一般的にサージマージンと呼ばれるマージンの低下を引き起こすおそれがある。

圧縮機が連続稼働で送給することができる最大圧力比は一般的に、サージ圧力比ラインからのマージンに関して定まる。圧縮機サージは、流れがブレードから剥離しかつ機械を通る流れ方向に逆流する、すなわち流れが所定の速度での圧縮機作動に対する物理的限界としての作用をするような流れの低周波振動である。

圧縮機保護に対する従来の方法は、新規かつ明瞭な圧縮機サージ境界線からのマージンをもたらすいわゆる作動限界ラインをガスタービン制御装置内にプログラムすることにある。このマージンを設定する際の考慮すべき事項の１つは、予測レベルの圧縮機付着物及びそれに対応するサージマージンへの影響に対する一定の許容差である。一旦設定されると、この許容差は、時間及び／又は作動条件にわたって変更されない。

図４を参照すると、圧力比対流量のプロットである典型的なガスタービン圧縮機マップを示している。圧縮機マップは、１４．６９６ｐｉｓａ及び５１８．６７°ＲのＩＳＯ条件に補正された一定の回転速度の幾つかのラインによって構成される。

図４のマップはさらに、サージ圧力比のラインによって構成される。上述のように、サージラインは、流れがブレードから剥離しかつその方向が逆になる圧力比、すなわち所定の速度における圧縮機の限界値である。

作動限界ラインは、サージ圧力比及び流れロールバックの両方を考慮して、作動限界値に関連する圧力比から所望のマージンが得られるように定められる。これらの作動限界値には、サージライン近くの高い圧力比における回転ストールの始まり及び過度のブレード変形の始まりが含まれる。作動限界ライン以上での作動は、ガスタービン制御システムによって許容されない。従って、作動限界ラインは、ガスタービンの製造業者によって圧縮機の最大作動限界値として設定されたラインである。

公称（ベース負荷）作動ラインは、タービン及び圧縮機が様々な補正速度で作動することになる作動条件である。圧力比及び流量の許容可能な組合せの公称作動ラインは、低温日での状態において所望のサージマージンが得られるように選択された第１段タービンノズル領域によって定められる。設計温度は、１００％補正速度ラインと公称作動ラインとの交差位置として決められる。

圧縮機作動限界問題を回避する対応策として、３つの形態が取られる。それらは、燃焼温度（タービン吸気体積流量、従って圧縮機圧力比を減少させるように低下させることができる）と、機外圧縮機ブリード（一定の案内ベーン設定値において圧力比を減少させる）と、圧縮機吸入空気加熱（空気流量及び圧力比を減少させる）とである。吸気ブリード加熱は、高温の圧縮機吐出ブリード空気を吸気内に吐出することによってこれらの方策のうちの２つを組合せて吸入空気温度を上昇させる。図２及び図３は、圧縮機作動限界マージン保護のための吸気ブリード加熱を温暖日のための吸気噴霧蒸発冷却又は機械式冷却と組合せた２つの先行技術のシステムを示す。

発電プラント設計では常に当てはまるように、温暖日での出力を向上させ又は圧縮機作動マージンを維持するために選んだ特定の解決策は、サイト特有の周囲温度及び作動条件、各競合システムから入手可能な性能、並びに実装及び稼働するのに必要なコストと相関関係にある。

本発明は、ガスタービン複合サイクル設備の周囲温度及び負荷範囲全体にわたって温暖日での出力を増大させること及び圧縮機作動マージンを維持することの両方を可能にする改良型のシステムを提供する。提案した解決策は、その両方の目標を圧縮機の吸入空気温度の操作によって満たすことができるという事実を利用する。具体的には、本システムは、温暖日に吸入空気を冷却するように、また周囲空気の低温時に又は希薄燃料を燃焼させる時に安全な圧縮機作動マージンを維持する必要がある場合に吸入空気を加熱することもできるように少ない付加的増分コストで設計されたシステムとして、具現化することができる。

本発明を具現化した複合サイクル用途の実例システム構成を、図５に示している。本システムは、例えば温暖日での出力増強のための市場で購入可能な吸収式液体冷却装置（ＡＬＣ）を抽出加熱器３２と組合せて利用しており、抽出加熱器３２は、必要に応じて蒸気タービン２８から符号３４で抽出した蒸気を使用して、より多くの圧縮機作動限界マージンが必要な時には吸気冷却／加熱コイル管３６によってガスタービン吸入空気１０を加熱する。

吸収式液体冷却装置（ＡＬＣ）３０は、その発生器における熱源として蒸気タービン抽出蒸気３４を利用して溶液から冷媒蒸気を分離する（実例としての好適なＡＬＣは、Ｔｒａｎｅによって製造されたＨｏｒｉｚｏｎ（登録商標）Ｓｉｎｇｌｅ−Ｓｔａｇｅ Ｓｔｅａｍ−Ｆｉｒｅｄ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｕｎｉｔである）。

ＡＬＣは、空冷又は水冷パッケージ式冷却装置のような他の機械式冷却システムに比較して、蒸気圧縮、従って大規模寄生電力消費体の必要性を排除する点で有利である。サンプル予測によると、抽出蒸気による蒸気タービン出力損失は僅少であり、またＡＬＣの非常に小さいポンプ動力要求量は無視可能であることを示している。従って、同一の吸気冷却仕事量及び出力増強の場合には、ＡＬＣを備えたシステムが、より良好な複合サイクル正味効率をもたらす。

上述のように、この図示したシステムでは、ガスタービン吸気冷却装置コイル管３６の冷却媒体ループ３８内に抽出加熱器３２が配置される。抽出加熱器は、圧縮機作動限界マージンを増大させることが必要な時に冷却媒体ループ３８内の流体（従って、吸入空気１０）を代わりに加熱するように使用することができる。従って、冷却モードでは、抽出蒸気３４のみが冷却装置３０に供給され、また加熱モードでは、抽出蒸気３４のみが加熱器３２に供給される。この構成により、抽出蒸気３４は蒸気タービン内においてその仕事の大部分を既に行った後にその残りの熱（主として潜熱）が吸入空気１０を加熱するか又はＡＬＣ３０に対して熱を供給するために使用されるので、加熱及び冷却モードの両方において極めて効率的な作動が得られる。

これらの目的のために抽出蒸気３４を使用する二次的な利点は、凝縮器４０の熱廃棄、従って凝縮器圧力及び蒸気タービン排出損失が減少することであり、この両方は、蒸気３４を膨張させないことによる出力損失を出力になるように補うことに役立つ。冷却媒体として空気を用いる使用法では、ＡＬＣ３０に対する抽出蒸気３４の使用によって高い周囲温度時における凝縮器熱廃棄が減少することはまた、必要な空気凝縮器寸法を縮小ことによる資本コストの利点の可能性を有する。

幾つかの使用法では、蒸気タービン抽出３４によるＡＬＣ３０の付加性能の利点は、例えば電気モータ駆動式蒸気圧縮を用いたパッケージ式冷却装置システムと比較してより高い冷却装置コストによって正当化することができない。このことにより、図６に示す別の実施形態が案出され、この実施形態は、圧縮機作動限界制御のための抽出加熱器３２を依然として有するが、ＡＬＣを機械式冷却装置４２と置き換えている。この実施形態は、その他の点では図５の実施形態に相当している。

図７に示すさらに別の実施形態は、消費者サイト状態又はプラント設計が温暖日での出力強化を必要なものと全く評価せず、抽出加熱器３２及び加熱流体流れループ１３８を組み込んだ加熱システムのみに依存するような状況に対処するものである。このシステムは、先行技術の吸気ブリード加熱システムと比較して低温日での効率の向上をもたらす。

図８に示す最後の実例実施形態は、圧縮機の作動限界が、使用済み凝縮器冷却水４４がガスタービン吸入空気を加熱するのに十分なほど（蒸気タービン抽出蒸気３４の代わりになるほど）高温であるような低温日に発生するような状況に対処するものである。この構成は、蒸気タービン抽出配管４６、抽出加熱器３２及びドレン配管４８（温暖日での増強のためにパッケージ式冷却装置４２を使用する場合の）を排除し、代わりにガスタービン吸入口コイル管３への流体流れループ２３８に対して凝縮器吐出水給送装置５０を配置する。これは、ガスタービン吸入口コイル管３６が既に十分なほど大きく（温暖日での冷却のために大きくされた）かつ作動限界マージンに必要なガスタービン吸気温度が凝縮器冷却水吐出４４温度よりも常に十分に低いような場合でのより安いコストの解決策とすべきである。図８のシステムもやはり、低温日での効率対先行技術の吸気ブリード加熱システムの改良を提供し、幾つかの状況においては図５の実施形態のものに優るものとなることができる。

温暖な周囲温度での性能は、サイト周囲湿度と資本投資の経済効果対発電量による付加価値とに大きな相関関係がある。本発明は、先行技術と比較してそれ自体が温暖な周囲温度での性能を向上させないが、温暖な周囲温度での出力増大（吸気冷却）のための従来型のシステムに対して有効な加熱能力を付加することによって圧縮機作動限界に対処する相乗的解決策もたらす。

本提案発明の低い周囲温度での出力は、本質的に吸気ブリード加熱システムにより達成可能なものと同一である。しかしながら、本提案発明の低い周囲温度での熱消費率性能は、従来型の吸気ブリード加熱システムの場合よりも著しく良好である。この熱消費率の利点は、目標ガスタービン吸気温度を効率を最大にするように設定することができるので部分負荷において大きくなる（圧縮機作動マージンを必要な最小値以上に増大させることができる）が、一方、吸気ブリード加熱で達成可能な最良の効率は、機械がその最低作動マージン（最低吸気ブリード加熱）で作動している状態よりも決して良好にはならない。また、吸気ブリード加熱システムは一般的に、一様な圧縮機吸気温度プロフィールに必要な最低ターンダウンを有し、このことは、ユニットが僅かな向上のみ（例えば、丁度２０°Ｆ以下）を必要とする時にシステムを最低吸気ブリード流量以上で作動させることを必要とする。

現時点で最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものについて本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。

複合サイクルガスタービンの概略図。 吸気ブリード加熱及び噴霧法の組合せを使用した従来型のシステムの概略図。 吸気ブリード加熱及び機械式冷却法の組合せを使用した従来型のシステムの概略図。 産業用ガスタービン圧縮機の性能特性を概略的に示す圧縮機マップ及び作動限界ラインを示す図。 本発明の実例実施形態による、圧縮機吸入空気の加熱及び冷却を備えた複合サイクルガスタービンの概略図。 本発明の別の実例実施形態による、圧縮機吸入空気の加熱及び冷却を備えた複合サイクルガスタービンの概略図。 本発明のさらに別の実例実施形態による、圧縮機吸入空気の加熱を備えた複合サイクルガスタービンの概略図。 本発明のさらに別の実例実施形態による、圧縮機吸入空気の加熱及び冷却を備えた複合サイクルガスタービンの概略図。

符号の説明

１０ 吸入空気
１８ 圧縮機
２２ タービン
２８ 蒸気タービン
３０ 吸収式冷却装置
３２ 抽出加熱器
３４ 抽出蒸気
３６ 吸気冷却／加熱コイル管
３８ 冷却流体ループ
４０ 凝縮器
４６ 蒸気タービン抽出配管
４８ ドレン配管

Claims (10)

1. 圧縮機（１８）を備えるガスタービン（２２）と蒸気タービン（２８）とを含む複数のタービンにして１以上の発電力用の発電機に駆動結合した複数のタービンと、前記蒸気タービン内で膨張した蒸気を復水させるための凝縮器（４０）とを有する複合サイクル発電システムにおいて、前記ガスタービン圧縮機に流入する周囲空気（１０）を選択的に加熱する方法であって、
   前記蒸気タービン（２８）及び凝縮器（４０）の少なくとも１つから前記周囲空気の温度よりも高い温度を有する選択流体（３４、４４）を抽出する段階と、
   前記周囲空気の温度よりも高い温度を有する選択流体から直接的又は間接的に熱を受け取るための熱交換機（３６）を通して前記周囲空気（１０）を導いて前記熱交換機内で前記周囲空気の温度を高める段階と
   を含む方法。
2. 前記選択流体が、前記蒸気タービン（２８）から抽出された蒸気、又は水冷式である前記熱交換機（３６）に流入する周囲空気の温度よりも高い温度を有する使用済み凝縮器冷却水である、請求項１記載の方法。
3. 前記選択流体からの熱が、前記熱交換機を流れる作動流体に伝達される、請求項１又は請求項２記載の方法。
4. 抽出された選択流体が前記作動流体に直接添加される（５０）、請求項３記載の方法。
5. 前記作動流体を選択的に冷却して前記周囲空気を選択的に冷却する段階をさらに含む、請求項３記載の方法。
6. 前記作動流体が、吸収式液体冷却装置（３０）を用いて選択的に冷却される、請求項５記載の方法。
7. 前記選択流体が前記蒸気タービン（２８）から抽出された蒸気であり、抽出された蒸気が、吸収式液体冷却装置（３０）の発生器における熱源として送られる、請求項６記載の方法。
8. 圧縮機（１８）を備えるガスタービン（２２）と蒸気タービン（２８）とを含む複数のタービンにして１以上の発電力用の発電機に駆動結合した複数のタービンと、
   前記蒸気タービン内で膨張した蒸気を復水させるための凝縮器（４０）と、
   前記圧縮機への吸入空気としての周囲空気の温度を制御するための熱交換器（３６）と、
   前記熱交換器（３６）を通る作動流体用の流路（３８、１３８、２３８）を形成する構造体にして、前記蒸気タービン（２８）及び凝縮器（４０）の少なくとも１つに作動結合して前記吸入空気の温度を高めるために前記熱交換器によって前記作動流体を前記周囲空気の温度よりも高い温度へと選択的に加熱する構造体と
   を含む複合サイクル発電システム。
9. 前記作動流体用の流路（２３８）を形成する構造体が、前記蒸気タービン（２８）から抽出された蒸気（３４）用の流路と熱交換関係で配置されて前記抽出蒸気で前記作動流体を選択的に加熱するものであるか、或いは水冷式である前記凝縮器（４０）の使用済み凝縮器冷却水ストリーム（４４）に作動結合されて（５０）前記使用済み凝縮器冷却水の一部分を前記熱交換器に流す、請求項８記載の複合サイクル発電システム。
10. 前記作動流体を選択的に冷却するための吸収式液体冷却装置（３０）が、前記作動流体用の流路（３８）に沿って配置されて、該吸収式液体冷却装置の発生器における熱源として選択的に使用するために前記蒸気タービンから抽出された蒸気用の流路（３４）に作動結合される、請求項８記載の複合サイクル発電システム。
    

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