JP5357588B2

JP5357588B2 - ターボ機械のターンダウンレンジを拡張するためのシステム

Info

Publication number: JP5357588B2
Application number: JP2009069336A
Authority: JP
Inventors: レンファ・ワン; グレゴリー・エル・ディアントニオ; アーウィング・カレロス; ツンポ・リン; ティー・フィッシャー・ウィリアム
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-03-24
Filing date: 2009-03-23
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2029-03-23
Also published as: EP2105598A2; CN101545404A; CN101545404B; EP2105598A3; US20090235634A1; JP2009228678A

Description

本発明は、ターボ機械の運転に関し、より具体的には、吸入空気を加熱することによってターンダウンレンジを拡張するためのシステムに関する。

ガスタービン、航空転用タービン又は同様のもののようなターボ機械は通常、複合サイクル及び／又はコージェネレーションモードで運転される。複合サイクル運転では、蒸気を発生させる熱回収蒸気発生装置は、ターボ機械から排出ガスを受け、蒸気は次に、蒸気タービンに向かって流れ、蒸気タービンが、付加的電気を発生させる。コージェネレーション運転では、熱回収蒸気発生装置で発生された蒸気の一部分は、蒸気を必要とする別個のプロセスに送られる。

複合サイクル及びコージェネレーションプラントは、ベース負荷で運転させながら、最大エネルギー（機械的、電気的など）量を発生するように定格されている。しかしながら、ベース負荷運転は、オペレータには望ましいものではあるが、必ずしも実用可能ではない。ベース負荷で発生されるエネルギーの全てがエネルギーマーケット（電力網又は同様のもの）において必ずしも要求されない場合がある。この場合には、発電プラントは、運転停止させるか又は最大エネルギー量以下が発生されるような部分負荷で運転させるかのいずれかとしなければならない。

ターボ機械は一般的に、発電しながら、エミッションコンプライアンスを維持することが必要である。部分負荷で運転するターボ機械は、部分負荷範囲全体（スピンニングリザーブからベース負荷近くまで）にわたってはエミッションプライアンスを維持することができない。ターンダウンレンジは、ターボ機械がエミッションコンプライアンスを維持する負荷範囲と考えることができる。広いターンダウンレンジにより、オペレータはエミッションコンプライアンスを維持し、燃料消費量を最少にし、かつ発電プラントの運転停止と関連した熱的過渡を回避することが可能になる。

前述の理由により、ターンダウンレンジを拡張するためのシステムの必要性が存在する。そのシステムは、部分負荷範囲で運転させながらターボ機械が消費する燃料を減少させるべきである。そのシステムは、ターボ機械に対して大幅な変更を必要とすべきでない。

本発明の実施形態によると、部分負荷で運転するターボ機械のターンダウンレンジを拡張するためのシステムを提供し、本システムは、吸入空気を受ける圧縮機、燃焼システム及びタービンセクションを含みかつ排出ガスを発生するターボ機械と、排出ガスの一部分を受けかつ蒸気を発生させる熱回収蒸気発生装置（ＨＲＳＧ）と、少なくとも１つの熱交換セクションを含みかつ吸入空気が圧縮機に流れる前に該吸入空気を加熱する少なくとも１つの空気予熱器とを含み、少なくとも１つの熱交換セクションの一部分が、吸入空気の加熱を可能にする温度でありかつターボ機械外部の源から流れる流体を受け、吸入空気を加熱することにより、ターボ機械の出力を低下させかつターンダウンレンジを拡張する。

本発明の第１の実施形態による、ターボ機械のターンダウンレンジを拡張するためのシステムの実施例を示す概略図。本発明の第２の実施形態による、ターボ機械のターンダウンレンジを拡張するためのシステムの実施例を示す概略図。本発明の第３の実施形態による、ターボ機械のターンダウンレンジを拡張するためのシステムの実施例を示す概略図。本発明の第４の実施形態による、ターボ機械のターンダウンレンジを拡張するためのシステムの実施例を示す概略図。

好ましい実施形態の以下の詳細な説明では、本発明の特定の実施形態を示す添付図面を参照する。異なる構造及び作動を有するその他の実施形態は、本発明の技術的範囲から逸脱するものではない。

本発明は、それに限定されないが、ガスタービン、航空機転用燃焼タービン及び同様のものを含む広範囲の各種ターボ機械に適用することができる。本発明の実施形態は、ターボ機械（以下においては「ガスタービン」という）に流入する空気を加熱してターンダウンレンジを拡張することができる用途及びプロセスの形態をとる。

本発明の実施形態は、ガスタービンの圧縮機に流入する空気（以下においては「吸入空気」という）を加熱することによってターンダウンレンジを拡張する技術的効果を有する。下記に説明するように、吸入空気は、ガスタービン外部のエネルギー源によって加熱される。

次に、幾つかの図を通して様々な符号が同様の要素を表わしている図を参照すると、図１は、本発明の第１の実施形態による、ガスタービン１０５のターンダウンレンジを拡張するためのシステム１００の実施例を示す概略図である。

図１は、ガスタービン１０５、熱回収蒸気発生装置（ＨＲＳＧ）１１０、スタック１１５及び空気予熱器１５５を含むサイトを示している。一般的に、ガスタービン１０５は、シャフト１２５を有する軸流圧縮機１２０を含む。吸入空気１３０は、圧縮機１２０に流入して加圧され、次に燃焼システム１３５に吐出され、燃焼システム１３５において、天然ガスのような燃料１４０が燃焼させられて高エネルギー燃焼ガスを形成し、この燃焼ガスが、タービンセクション１４５を駆動する。タービンセクション１４５では、高温ガスのエネルギーは、仕事に転換され、その仕事の幾らかは、シャフト１２５を介して圧縮機１２０を駆動するために使用され、その仕事の残りは、発電機、機械駆動装置又は同様のもの（そのいずれも図示せず）のような負荷を駆動する有用な仕事に利用可能である。次いで、タービンセクション１４５からの排出ガス１５０は、ＨＲＳＧ１１０に流れることができ、このＨＲＳＧ１１０は、排出ガス１５０エネルギーの一部分を蒸気（図示せず）に伝達することができる。

ベース負荷運転時には、燃焼システム１３５は、スタック１１５から流れる排出ガス１５０が、サイトエミッション要件を満たすのを保証することができる。ガスタービン１０５のターンダウンレンジに応じて、一部の部分負荷運転は、サイトエミッション要件を満たさない場合があり、それにより、ガスタービン１０５の運転停止が必要となる可能性がある。ターンダウンレンジの増大により、ガスタービン１０５を運転停止させる必要性を回避することができる。また、拡張ターンダウンレンジにより、エミッションコンプライアンスを維持しかつより少ない燃料１４０を消費しながら、より低負荷でガスタービン１０５を運転することが可能になる。

本発明は、吸入空気１３０を加熱することによってターンダウンレンジを拡張する。一般的に、ガスタービン１０５の出力（電気的、機械的又は同様のもの）は、圧縮機１２０に流入する質量流量によって管理される。質量流量は、圧縮機１２０に流入する吸入空気１３０の密度及び体積流量の積と考えることができる。圧縮機１２０に流入する体積流量は、周囲温度状態及びガスタービン１０５上に設けられている場合には可変式入口案内ベーン（ＩＧＶ）の角度に基づいて変化させることができる。このＩＧＶ角度は、圧縮機１２０の入口における流れ面積を決定することができる。ＩＧＶ角度は、最小角度まで減少させてターンダウン量を制限することができる。この最小ＩＧＶ角度においては、対応する最小体積流量が、圧縮機１２０内に引き込まれる。

本発明において、吸入空気１３０の加熱は、密度を低下させて、より低密な吸入空気１３０が圧縮機１２０に流入するのを可能にする。この場合に、所定の負荷ポイントにおいて、圧縮機１２０に流入する体積流量は、一定の状態を保つことができるが、吸入空気１３０の密度の低下に起因して質量流量は減少する。上述したように、ガスタービン１０５の出力は、該ガスタービン１０５に流入する質量流量によって決定することができ、従って、吸入空気１３０を加熱しないのに比較して、該吸入空気１３０を加熱することにより一層低い出力が生成される。

吸入空気１３０を加熱することによりまた、圧縮機１２０から流出する空気１３０の温度（以下においては、「圧縮機吐出温度」という）が高められる。加熱吸入空気１３０は次に、燃焼システム１３５に流入する。加熱空気１３０は、ガスタービン１０５の全普遍基準温度（「燃焼温度」）に到達するのに役立つ。加熱吸入空気１３０により、ガスタービン１０５がより少ない燃料１４０を消費して燃焼温度を取得することが可能になる。この場合、非加熱吸入空気１３０が圧縮機１２０に流入する場合には、より多くの燃料１４０が消費されることになる。

全体として、本発明では、少なくとも１つの空気予熱器１５５が組込まれ、少なくとも１つの空気予熱器１５５は、圧縮機１２０の上流に設置することができる。空気予熱器１５５は、熱交換器又は同様のものとすることができる。空気予熱器１５５は、ターンダウンレンジを増大させる温度まで吸入空気１３０を適切に加熱するような寸法にすることができる。

一般的に、非加熱吸入空気１３０の温度は、周囲状態又は空気予熱器１５５の上流に設置したあらゆる空気調整システム（図示せず）の出口温度によって判定することができる。本発明の実施形態は、吸入空気１３０の温度を空気予熱器１５５が可能とするあらゆる温度に上昇させることができる。しかしながら、吸入空気１３０の温度の上昇は、それに限定されないが、空気予熱器１５５の幾何学的制約条件或いは熱的、作動的又は機械的制約条件を満たさない可能性がある温度、或いは同様のもののような幾つかのファクタの少なくとも１つによって制限される可能性がある。例えば、それに限定されないが、システム１００は、吸入空気１３０の温度を約５９°Ｆから約１２０°Ｆまで上昇させることができる。この場合には、吸入空気１３０は、３，０００，０００ポンド／時間の吸入流量を有することができる。

図１に示すシステム１００は、少なくとも１つの空気予熱器１５５、予熱器供給管路１６０及び予熱器排出管路１６５を含む。予熱器供給管路１６０により、排出ガス１５０の一部分、或いは、それに限定されないが、水、蒸気又は同様のもののようなその他の流体を、ＨＲＳＧ１１０から空気予熱器１５５に流すことが可能になる。本発明のこの第１の実施形態では、予熱器供給管路１６０の端部は、ＨＲＳＧ１１０の一部分に連結され、このＳＲＳＧ１１０において、排出ガス１５０を取り出すことができる。予熱器供給管路１６０は、ＨＲＳＧ１１０から排出ガス１５０の一部分を受ける。排出ガス１５０は、予熱器供給管路１６０を通って流れることができ、この予熱器供給管路１６０は、空気予熱器１５５の一部分に連結された反対側端部を有することができる。

本発明のこの第１の実施形態では、ユーザは、ＨＲＳＧ１１０上から排出ガス１５０を取り出す場所を決定することが可能になる。本発明により、ユーザは、排出ガス１５０を取り出しかつ空気予熱器１５５に送るＨＲＳＧ１１０上の位置を最適化するのを可能にすることができる。ユーザは、ＨＲＳＧ１１０の最適位置を決定する場合に種々のファクタを考慮することができる。これらのファクタには、それに限定されないが、次のものを含むことができる。例えば、温度であり、吸入空気１３０の温度を上昇させるために使用する流体（排出ガス１５０、水、蒸気又は同様のもの）の温度は、吸入空気１３０を空気予熱器１５５が高めることができる最大所望温度よりも高いものでなければならない。この最大所望温度は、空気予熱器１５５の寸法選定のために使用することができる。例えば、流量であり、流体の流量は、ＨＲＳＧ１１０又は同様のものからのその他の要求に対して十分な流量を維持しながら、空気予熱器１５５に供給するのに十分なものでなければならない。例えば、流体タイプであり、吸入空気１３０の温度を上昇させるための流体として利用可能であれば水を使用することは、最適なものと言え、より少ない質量流量及び比較的より小さい寸法の空気予熱器を必要とすることになる可能性がある。例えば、エネルギー源であり、流体は、吸入空気１３０を加熱する利点全体に悪影響を与えないで利用することができるエネルギー源から導出させることができる。エネルギー源には、それに限定されないが、例えば凝縮器又は燃料加熱器１７６からの出口流体、パッキング流れ又は同様のもの、或いは排出ガス１５０、或いはスタック１１５からの排気、或いはボトミングサイクル外部のあらゆるその他のエネルギー源を含むことができる。

例えば、それに限定されないが、サイトのオペレータは、凝縮器（図示せず）に向かって流れている排出ガス１５０の一部分を使用することができる。この場合には、このエネルギーは、蒸気を発生させるのに必要なエネルギーが、既に取り出されている可能性があるので、「低位発熱量」と考えることができる。しかしながら、別のサイトは、ＨＲＳＧ１１０の別の領域から排出ガス１５０を取り出すことができる。この場合には、それに限定されないが、例えばオペレータは、ＨＲＳＧ１１０のセクションに流入する排出ガス１５０の流れを制限する代わりに、該排出ガス１５０の一部分を空気予熱器１５５に向かって迂回させることを決定することができる。

使用中、システム１００は、ガスタービン１０５がベース負荷でない状態で運転される。ガスタービン１０５が無負荷である場合に、本発明では、予熱器供給管路１６０を介して排出ガス１５０の一部分を空気予熱器１５５に迂回させることができる。排出ガス１５０は、空気予熱器１５５の入口部分を通って流れることができる。吸入空気１３０が空気予熱器１５５を通って流れると、排出ガス１５０からの熱は、吸入空気１３０に伝達されかつ該吸入空気１３０の温度を上昇させる。空気予熱器１５５を通って流れた後に、排出ガス１５０は、予熱器排出管路１６５を通ってスタック１１５及び／又はＨＲＳＧ１１０に流れることができる。

図２〜図４は、本発明の別の実施形態を示している。本発明の全ての実施形態間の主要な差異は、吸入空気１３０の温度を上昇させるために使用するエネルギー源である。図２〜図４の説明は、各別の実施形態と図１に示す実施形態との間の差異に焦点を合わせている。

図２は、本発明の第２の実施形態による、ガスタービン１０５のターンダウンレンジを拡張するためのシステム２００の実施例を示す概略図である。この場合には、この第２の実施形態と第１の実施形態との間の主要な差異は、吸入空気１３０の温度を上昇させるためのエネルギーを供給する少なくとも１つの外部エネルギー源（ＥＥＳ）１７０の付加である。

ＥＥＳ１７０は、ターンダウンレンジを拡張するのを可能にする温度まで吸入空気１３０を加熱するのに十分なエネルギーを供給することができる。図２に示すように、ＥＥＳ１７０は、ＨＲＳＧ１１０から排出ガス１５０を取り出す必要性を排除することができる。この第２の実施形態では、排出ガス１５０は、その他の目的のために使用することができ、かつ／又はスタック１１５を通して流れることができる。それに代えて、ＥＥＳ１７０は、図１に示した実施形態と組み合わせて作動させることができる。この場合には、ＥＥＳ１７０は、吸入空気１３０の温度を上昇させるための主要なエネルギーシステムとして作動させることができ、またＨＲＳＧ１１０からの取り出しは、第２のエネルギーシステムとして役立てることができる（及び、その逆の場合もある）。

ＥＥＳ１７０は、以下のエネルギーシステム、すなわち風力タービン、ボイラ、エンジン、付加燃焼タービン、付加ＨＲＳＧ、発電プラント、太陽エネルギー源、地熱エネルギー源、燃料電池／化学反応、外部プロセス及びそれらの組合せの少なくとも１つを含むことができ、図２にはそれらのいずれも図示していない。前述のエネルギーシステムの各々は、吸入空気１３０の温度を間接的又は直接的に上昇させることができる。

それに限定されないが、例えば風力タービンは、吸入流体１３０の温度を間接的に上昇させることができる。この場合には、風力タービンによって発生されたエネルギーは、予熱器供給管路１６０と一体形になったタンク（図示せず）内の水を加熱することができる。加熱水は、予熱器供給管路１６０を通って空気予熱器１５５に流れることができる。空気予熱器１５５を通って流れた後に、加熱水は、ＥＥＳ１７０と一体形にすることができる予熱器排出管路１６５を通って流れることができる。それに代えて、それに限定されないが、例えばボイラは、吸入流体１３０の温度を直接上昇させることができる。この場合には、予熱器供給管路１６０は、ボイラの一部分と一体形にすることができる。ボイラによって発生された蒸気又は熱水は、予熱器供給管路１６０及び空気予熱器１５５を通って流れることができる。空気予熱器１５５を通って流れた後に、蒸気又は熱水は、ＥＥＳ１７０と一体形にすることができる予熱器排出管路１６５を通って流れることができる。

図３は、本発明の第３の実施形態による、ガスタービン１０５のターンダウンレンジを拡張するためのシステム３００の実施例を示す概略図である。この場合には、この第３の実施形態と第１の実施形態との間の主要な差異は、燃料加熱器１７５を付加したことにある。幾つかのガスタービン１０５では、性能を向上させる方法として加熱燃料１４０を使用している。燃料加熱器１７５は通常、ガスタービン１０５を設置したサイトで燃料１４０を加熱する。燃料加熱器１７５は、熱交換器又は同様のものの形態を有することができる。

図３に示すように、排出ガス１５０は、予熱器供給管路１６０を介してＨＲＳＧ１１０から流出させることができる。本発明の実施形態では、空気予熱器１５５は、複数の吸入流を可能にする複数部分を含むことができる。図３に示すように、空気予熱器１５５は、燃料加熱器排出管路１８５と一体形になった第１の入口部分と予熱器供給管路１６０と一体形になった第２の入口部分とを含むことができる。

この第３の実施形態では、予熱器供給管路１６０は、燃料加熱器供給管路１８０と一体形にすることができる。この場合には、排出ガス１５０の一部分は、燃料加熱器１７５内に流れることができる。この排出ガス１５０の別の部分は、空気予熱器１５５内に流れることができる。燃料加熱器１７５を通って流れた後に、排出ガス１５０は、燃料加熱器排出管路１８５を通って空気予熱器１５５に流れることができる。空気予熱器１５５に流れた後に、排出ガス１５０は次に、上述したように、予熱器排出管路１６５を通ってスタック１１５及び／又はＨＲＳＧ１１０に流れることができる。

図４は、本発明の第４の実施形態による、ガスタービン１０５のターンダウンレンジを拡張するためのシステム４００の実施例を示す概略図である。この場合、この第４の実施形態と第１の実施形態との間の主要な差異は、排出ガス１５０が、図１に示すようなＨＲＳＧ１１０とは対照的にスタック１１５から取り出されることである。

本発明のこの第４の実施形態では、予熱器供給管路１６０の端部は、排出ガス１５０を取り出すスタック１１５の一部分に連結される。排出ガス１５０は、予熱器供給管路１６０を通って流れることができ、この予熱器供給管路１６０は、空気予熱器１５５の一部分に連結された反対側端部を有することができる。

本発明で使用した用語は、具体的な実施形態を説明するためのみのものであり、本発明を限定することを意図するものではない。本明細書で使用する場合に、数詞のない表現は、文脈がそうでないことを明示していない限り、複数の形態も同様に含むことを意図している。さらに、本明細書で使用する場合に、「含む」及び／又は「有する」という用語は、そこに述べた形状部、完全体、ステップ、動作、要素及び／又は構成部品の存在を明示しているが、１つ又はそれ以上のその他の形状部、完全体、ステップ、動作、要素、構成部品及び／又はそれらの群の存在又は付加を排除するものではないことが分かるであろう。

本明細書では、特定の実施形態を図示しかつ説明してきたが、図示した特定の実施形態は、同一の目的を達成するために考えられるあらゆる構成と置き換えることができること、また本発明は、他の環境におけるその他の用途も有することを理解されたい。本出願は、本発明のあらゆる改造及び変更を保護することを意図している。提出した特許請求の範囲は、本発明の技術的範囲を本明細書に記載した特定の実施形態に限定することを決して意図するものではない。

１００、２００、３００、４００システム
１１０熱回収蒸気発生装置
１１５スタック
１２０圧縮機
１２５シャフト
１３０吸入空気
１３５燃焼システム
１４０燃料
１４５タービンセクション
１５０排出ガス
１５５空気予熱器
１６０予熱器供給管路
１６５予熱器排出管路
１７０外部エネルギー源
１７５燃料加熱器
１８０燃料加熱器供給管路
１８５燃料加熱器排出管路

Claims

部分負荷で運転するターボ機械（１０５）のターンダウンレンジを拡張するためのシステム（１００、２００、３００、４００）であって、
圧縮機に流入する空気の体積を決定する可変式入口案内ベーン（ＩＧＶ）を備える圧縮機（１２０）と、
燃焼システム（１３５）と、
タービンセクション（１４５）と、
を含む、排出ガスを発生するターボ機械（１０５）と、
前記排出ガス（１５０）の一部分を受けかつ蒸気を発生させる熱回収蒸気発生装置（ＨＲＳＧ）（１１０）と、
前記圧縮機の上流に配置され、少なくとも１つの熱交換セクションとを含む少なくとも１つの空気予熱器（１５５）と、
を含み、
前記空気予熱器は、流体と吸入空気とが接触せずに、前記流体からの熱が加熱流体セクションから空気流セクションに伝達するように、前記空気流セクションと物理的に隔離された加熱流体セクションを備え、
前記空気予熱器は、前記空気流セクションを通って前記圧縮機に流れる前記吸入空気を加熱し、
前記加熱流体セクションは、
予熱器供給管路を介して高温の前記流体を受け取る予熱器供給部と、
予熱器排出管路を介してより低い温度の前記流体を排出する予熱器排出部と、
を備え、
前記少なくとも１つの空気予熱器は、前記吸入空気（１３０）が前記圧縮機（１２０）に流れる前に該吸入空気（１３０）を加熱し、
最小角度まで減少した前記ＩＧＶを用いて、前記少なくとも１つの空気予熱器が、ターンダウンレンジを拡張するように運転され、
前記流体が前記ターボ機械（１０５）外部の源から流れる、
システム（１００、２００、３００、４００）。
前記拡張ターンダウンレンジが、前記ターボ機械（１０５）の最大定格負荷の５％〜４０％を含む、請求項１記載のシステム（１００、２００、３００、４００）。
前記吸入空気（１３０）が、該吸入空気（１３０）の非加熱温度以上の−１２．２〜９３．９°Ｃの範囲に加熱される、請求項１に記載のシステム（１００、２００、３００、４００）。
前記流体が、前記ＨＲＳＧ（１１０）を通って流れる前記排出ガス（１５０）の一部分を含む、請求項１に記載のシステム（１００、２００、３００、４００）。
前記排出ガス（１５０）が、該排出ガス（１５０）が流出した後に前記ＨＲＳＧ（１１０）が作動を維持するのを可能にする最適位置において該ＨＲＳＧ（１１０）から流出する、請求項４に記載のシステム（１００、２００、３００、４００）。
少なくとも１つのファクタが、前記ＨＲＳＧ上の最適位置を決定する、請求項５に記載のシステム（１００、２００、３００、４００）。
前記少なくとも１つのファクタが、流体温度、流体流量、流体タイプ及びエネルギー源のうちの少なくとも１つを含む、請求項６に記載のシステム（１００、２００、３００、４００）。
前記流体を吐出する少なくとも１つの外部熱源をさらに含む、請求項１に記載のシステム（１００、２００、３００、４００）。
前記空気予熱器（１５５）の上流また前記ＨＲＳＧ（１１０）の下流に設置された燃料加熱器（１７５）をさらに含み、
前記少なくとも１つの燃料加熱器（１７５）が、前記ＨＲＳＧ（１１０）から流出した前記排出ガス（１５０）の一部分を受ける、
請求項１に記載のシステム（１００、２００、３００、４００）。
前記ＨＲＳＧ（１１０）から下流方向に流れる前記排出ガス（１５０）を受けるスタック（１１５）をさらに含む、請求項１に記載のシステム（１００、２００、３００、４００）。