JP5847708B2 - 複合サイクル動力装置 - Google Patents

Description

本発明は、凝縮蒸気タービンからの排気圧が高い複合サイクル動力装置に関する。

以下の説明では、本発明の様々な実施形態を十分に理解するために、多くの具体的詳細について述べる。しかしながら、本発明は、それら１以上の具体的詳細を用いることなく、あるいはその他の方法、構成要素、材料等を用いても実施可能であることを、当業者は理解できるであろう。また、本発明の態様が分かりにくくならないよう、周知の構造、材料又は動作については、詳細に示したり記述したりしない場合もある。さらに、記述する特徴、構造又は特性は、１以上の代替的な実施形態において、適切な方法で組み合わせることもできる。

蒸気タービンからの排気圧が高い複合サイクル動力装置の実施形態を、本明細書に開示する。蒸気タービンからの排出ガスは、凝縮、冷却、再利用してもよい。蒸気タービンからの高排気圧により、凝縮液の圧力および温度は上昇する。ある実施形態では、顕熱を、空冷システムによって凝縮液から取り除く。空冷システムは、複合サイクル動力装置の水消費量を削減し、他の点でも有利である。上昇した凝縮液の温度は、凝縮液と外気との間に大きな温度差をもたらす。空冷システムによって放散される熱量は、伝熱面積、及び凝縮液と外気との間の温度差に比例する。より大きな温度差の結果、より高温の凝縮液で動作するよう構成したより小さな冷却システムを、低温の凝縮液に対応するよう構成したより大きな冷却システムに代わって利用する。冷却システムのサイズを小さくすることにより、複合サイクル動力装置全体のサイズも小さくすることができる。

本発明の一実施形態による、複合サイクル動力装置の簡略化した線図的説明図である。

図１は、例示的な複合サイクル動力装置１００の簡略化した線図的説明図である。複合サイクル動力装置１００は、複数の熱力学的サイクルを採用して、電気的又は機械的な出力を発生する。一実施形態において、動力装置１００は、ブレイトンサイクル及びランキンサイクルを組み合わせて利用する。

作動にあたり、複合サイクル動力装置１００は、外部の空気を入口フィルタ１０１に取り込む。その後、空気を蒸発冷却器１０２で冷却する。蒸発冷却器１０２は、流入空気の温度を下げる他の形態、例えばフォギング又はチリングで代用することもできる。空気は、蒸発冷却器１０２から燃焼タービン１２４に流入する。燃焼タービン１２４には、空気圧縮機１０３、燃焼器１１６、及びガスタービン１０４を組み込む。空気圧縮機１０３は、圧縮空気の流れを発生し、この圧縮空気を燃焼器１１６に送給する。燃焼器１１６は、燃料を圧縮空気の流れに添加し、燃料を燃焼させる。燃焼タービン１２４は、市販の様々なシステム、例えばコネチカット州フェアフィールドのゼネラル・エレクトリック・カンパニーから入手可能な型番７ＦＡ．０３、７ＦＡ．０４及び７ＦＡ．０５で構成することができる。

燃料の燃焼により、燃焼タービン１２４を経て流れる燃焼空気の温度、流速および容積を上昇させる。燃焼空気を、燃焼器１１６からガスタービン１０４に指向させ、このガスタービンでブレード（図示なし）が燃焼空気と相互作用して機械的な力を発生する。この機械的な力を用いて空気圧縮機１０３に動力を供給し、また燃焼タービン出力部１３３において有用な仕事を行う。燃焼タービン１２４の燃焼タービン出力部１３３を発電機１０５に連結し、燃焼タービン１２４によって生ずる有用な仕事を、電力に変換する。

燃料は、燃料供給源１３２によって複合サイクル動力装置１００に供給する。ある実施形態において、複合サイクル動力装置１００は、天然ガス又は蒸留液を燃料として利用する。ガス燃料は、燃料圧縮機１１８で圧縮し、燃焼タービン１２４に供給する前に燃料加熱器１１９で加熱する。ある実施形態においては、＃２ディーゼル及びケロシンのような蒸留燃料を、燃焼タービン１２４の燃料として用いる。このような実施形態では、ダクト着火は通常採用せず、当業者に既知の若干の変更を、複合サイクル動力装置１００に加える。燃料加熱器１１９は、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）から抽出した蒸気又は水の流れを受け入れる、または別の熱源から熱を受け入れ、燃料に熱を伝達することができる。

燃焼タービン１２４からの排出ガスは、熱状態の大量のエネルギーを含んでおり、このエネルギーを少なくとも部分的に熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）１０６によって取り込む。燃焼タービン１２４からの排出ガスを、排出ガスダクト１１５によってＨＲＳＧ１０６に送給する。ＨＲＳＧ１０６は、水及び排出ガスから蒸気を発生し、この蒸気を使用して、蒸気タービン１０７を駆動することができる。

ＨＲＳＧ１０６は、１以上の圧力レベルで蒸気を発生するよう構成する。図示の実施形態において、ＨＲＳＧ１０６は、高圧蒸気及び中圧蒸気の両方を発生する。凝縮器１０９の温水槽から水をＨＲＳＧ１０６に供給する。高圧ドラム１２１に接続した蒸気回路は高圧蒸気を発生し、中圧ドラム１２０に接続した蒸気回路は中圧蒸気を発生する。別の実施形態において、より多くの又はより少ない数の圧力回路を設けることもできる。高圧蒸気は、高圧蒸気ライン１２２を介して蒸気タービン１０７に送給し、中圧蒸気は、中圧蒸気ライン１２３を介して蒸気タービン１０７に送る。蒸気タービン１０７は、高圧蒸気及び中圧蒸気を利用し機械的エネルギーを発生し、このエネルギーを発電機１０８に転送する。発電機１０８は、蒸気タービン１０７によって発生した機械的エネルギーを電力に変換する。

ある実施形態では、ＨＲＳＧ１０６はダクトバーナー１１２を有する。ダクトバーナー１１２は、ＨＲＳＧ１０６を流れる排出ガスに付加的な熱を追加して与える。ダクトバーナー１１２が作動するとき、ＨＲＳＧ１０６は付加的な蒸気を発生し、蒸気タービン１０７の出力を増加させる。ＨＲＳＧによって取得されない熱は、ＨＲＳＧ出口１２７から排出される。ＨＲＳＧ１０６は、酸化窒素を削減する選択的接触還元（ＳＣＲ）システム１１４、及び／又は一酸化炭素を除去する酸化触媒システム１１３を設けることができる。

一実施形態において、蒸気タービン１０７は、約１０００〜１４００ｐｓｉｇかつ５３７゜Ｃ（１０００°Ｆ）の主蒸気条件で作動するよう構成した、単一ケースの非再加熱ユニットを備える。さらに、蒸気タービン１０７には、非制御の吸気部を設け、約２００ｐｓｉｇかつ２０４．４゜Ｃ（４００°Ｆ）の中圧蒸気を受け入れるようにする。蒸気タービン１０７は、ＨＲＳＧ１０６及び蒸気タービン１０７の制限条件に基づいて、約８００ｐｓｉｇの最低作動圧で、効率的な部分負荷動作のための変動圧力モードにおいて作動するよう構成することができる。

蒸気は、蒸気タービン１０７を通過した後、蒸気タービン排出ライン１３０を介して凝縮器１０９に排出される。凝縮器１０９は、冷却によって蒸気を水に凝縮する。凝縮器１０９は、冷却システム１１０と連係動作する。凝縮水ポンプ１３５は、凝縮器１０９と冷却システム１１０との間において水をポンプ送給する。蒸気を凝縮する際に、蒸気内の潜熱を凝縮冷却剤に伝える。冷却システム１１０は、凝縮冷却剤を冷却する。当業者に既知の様々な冷却システムを採用でき、例えば表面凝縮器、及び貫流冷却塔あるいは湿式（又はハイブリッドの湿式／乾式）冷却塔の何れか、直接接触スプレー凝縮器及び乾式冷却塔（ヘラーシステム：Heller System）、又は空冷凝縮器がある。ヘラーシステムの場合、凝縮器は脱気装置としても機能することができ、したがって、別個の装置としての脱気装置が必要でなくなる。凝縮ポンプ１３４は、冷却した凝縮液をグランド蒸気凝縮器１１１に転送する。

図示の実施形態において、冷却システム１１０は空冷システムである。外部の空気１２５を、冷却システムファン１３１によって冷却システム１１０を介して取り込む。プロセス中、外部の空気１２５は、空冷システムの排出空気１２６の流れにおいて過剰熱を運び去る。凝縮器１０９からの冷却した凝縮液は、凝縮液帰還ライン１２９を経てＨＲＳＧ１０６に戻る。ボイラー送給ポンプ１２８を使用して、ＨＲＳＧ１０６が使用する水をポンプ送給する。冷却した凝縮液を再利用することにより、複合サイクル動力装置１００が消費する水を削減できる。

ある実施形態において、複合サイクル動力装置１００は、蒸気タービン１０７をバイパスするよう構成し、急速起動が可能となるようにする。したがって、凝縮器１０９及び冷却システム１１０は、蒸気タービン１０７をするよう完全にバイパス構成されている。一実施形態では、ガスタービン１２４は、起動から１０分以内に定格負荷の７５％を発生することができる。

蒸気が蒸気タービン１０７から排出される際の圧力は、凝縮器１０９に送られる排出蒸気の温度に影響を与える。複合サイクル動力装置１００において、蒸気タービン１０７は、従来の複合サイクル蒸気タービンに比べてより高い圧力で排出する。蒸気が蒸気タービン１０７から排出される際の高い圧力によって、生成する凝縮液の温度と外気温との温度差を一層大きくする。この大きな温度差により、特に、冷却システム１１０を空冷システムとして構成する場合に、冷却システム１１０をよりコンパクトな設計にすることが可能になる。よりコンパクトな設計の冷却システム１１０により、複合サイクル動力装置１００が作動していないときには減圧される小さなシステムを設けることによって、より経済的な動作が可能となる。更に、その小さなシステムにより、より迅速な起動ができる。迅速な起動時間によれば、複合サイクル動力装置１００がピークとなるサービス時又は負荷安定サービス時に求められる状況（即ち、複合サイクル動力装置１００が迅速に応答して、ピーク要求を満たす、または風力のような更新されるエネルギー生成の変動を補償するようにしなければならない状況）において、有利である。

蒸気タービン１０７の作動中、蒸気がグランドから漏れる場合がある。この漏洩蒸気は、配管によりグランド蒸気凝縮器１１１に送ることができる。グランド蒸気凝縮器はグランド蒸気を凝縮し、そのグランド蒸気を凝縮器１０９に送る。凝縮の潜熱が、凝縮液に熱を付加する。グランド蒸気は、蒸気タービン１０７からグランド蒸気ライン１１７を経てグランド蒸気凝縮器１１１に送る。

蒸気排出圧力は、外気温及び到来する蒸気温度によって影響を受ける。一実施形態において、燃焼タービン１２４がフル稼働しているとき、及び外気温が３２．２〜３７．８゜Ｃ（９０〜１００゜Ｆ）であるとき、蒸気タービン１０７から排出される蒸気の圧力は、約８〜１６ＰＳＩＡである。以下の表は、示した条件のもとで、複合サイクル動力装置１００の熱収支（ヒートバランス）を計算する４つのシミュレーションの結果を示す。以下の表に示すアルファベット文字は、図１に示したポイントに対応する。表１の気温は、華氏で示し、圧力はＰＳＩＡで示す。

表１に示すように、蒸気が蒸気タービン１０７から排出されるポイントＨでの圧力は、８．０１４〜１５．７５ＰＳＩＡの範囲である。さらに、凝縮器１０９によってポイントＩで形成される凝縮液は、１８２．９〜２１５．５°Ｆである。したがって、シミュレーションでは、凝縮液は外気温に対して、それぞれ９２．９°Ｆ及び１１５．５°Ｆの温度差を有する。凝縮液の温度と外気温との間の大きな温度差によって、比較的コンパクトな冷却システム１１０を容易に利用できる。

蒸気タービン１０７の高排気圧により、凝縮液の温度と凝縮液を冷却するために用いられる空気温度との間の大きな差を利用し、冷却システム１１０の表面積を有利に最小化することができる。凝縮圧力が低ければ低いほど、特に、乾式冷却が採用する場合に、冷却システム１１０の冷却器のサイズは大きくなる。したがって、小さな設置面積しか求められない用途の場合、より高い凝縮圧力によって、凝縮液温度がより高くなる。これは、凝縮液と最高外気温の空気との間に、より大きな温度差をもたらし、最終的に小さな冷却システム１１０で同一の熱遮断が可能になる。

一実施形態において、蒸気タービン１０７の出力部における高排気圧は、蒸気タービン１０７の段数を減らすことによって達成される。例えば、最終段のブレード及びノズルを蒸気タービン１０７から取り除くことによって、タービンの排気圧は上昇する。蒸気タービン１０７に含まれる段数は、排気圧が約８〜１６ＰＳＩＡになるように当業者が調整する。蒸気タービンの排気圧を調整するために、その他の技術も採用できることを、当業者は理解するであろう。

複合サイクル動力装置１００によれば、冷却システム１１０の設置に関して幅広い融通性が得られる。一実施例において、冷却システム１１０は、凝縮液を凝縮器１０９の温水槽から複数の外部乾式冷却器に送り込むことによって作動する。複数の乾式冷却器は、フレーム内に設置されたラジエーターのパネルとして構成し、フレームにはそのパネルを介して空気を取り込む冷却システムファン１３１を設ける。冷却された凝縮液は、凝縮器１０９に帰還する。よって、冷却システム１１０の区域は、複合サイクル動力装置１００内の都合の良い場所に配置する。乾式冷却区域の設置は、凝縮液を地下の望ましい場所へポンプ送給することによって行うことができる。

当業者には、本発明の基本原理から逸脱することなく、上述した実施形態の細部に多くの変更を加えることができることは明らかであろう。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲により決まる。

Claims (19)

1. 複合サイクル動力装置において、
   燃焼タービンであって、
   外部の空気を用いて圧縮空気を生成するよう構成した圧縮機、
   前記圧縮空気内で燃料を燃焼させて燃焼空気を生成する燃焼器、
   前記燃焼空気を膨張させて機械的エネルギー及び排出ガスを発生するガスタービンを有する、該燃焼タービンと、
   前記排出ガスを受け入れ、該排出ガスからの熱を水に伝達して、蒸気流を発生するよう構成した熱回収蒸気発生器と、
   前記蒸気流から機械的エネルギーを発生するよう構成した蒸気タービンであって、
   前記熱回収蒸気発生器からの前記蒸気を受け入れる入力部、および
   約８〜１６ＰＳＩＡの圧力で排出蒸気を排出する出力部を有する、該蒸気タービンと、
   前記蒸気タービンからの前記排出蒸気を受け入れ、該排出蒸気を凝縮して凝縮液を生成する凝縮器であって、前記凝縮液は、約８２．２゜Ｃ（１８０゜Ｆ）よりも高温となるようにした、該凝縮器と、
   前記凝縮器に接続し、前記凝縮液を約３２．２〜３７．８゜Ｃ（９０〜１００゜Ｆ）の周囲温度で冷却するよう構成した乾式冷却システムと
   を備え、
   前記熱回収蒸気発生器は、さらに、前記排出ガスに熱を付加し、その温度を上昇させるよう構成したダクトバーナーを有する構成とし、
   前記排出蒸気は、前記ダクトバーナーがフル稼働しているとき、約３７．８゜Ｃ（１００゜Ｆ）の周囲温度での稼動時に、大気圧を超える約１６ＰＳＩＡの圧力で排出され、また、前記排出蒸気は、前記ダクトバーナーがフル稼働しているとき、約３２．２゜Ｃ（９０゜Ｆ）の周囲温度での稼動時に、前記排出蒸気を大気圧を下回る約１２ＰＳＩＡの圧力で排出される、複合サイクル動力装置。
2. 請求項１に記載の複合サイクル動力装置において、
   前記熱回収蒸気発生器からの前記蒸気は、約３７８゜Ｃ（１０００゜Ｆ）の温度を有する、複合サイクル動力装置。
3. 請求項１に記載の複合サイクル動力装置において、
   前記ダクトバーナーがフル稼働しているとき、前記排出蒸気は、約９３．３゜Ｃ（２００゜Ｆ）よりも高温となるようにした、複合サイクル動力装置。
4. 請求項１に記載の複合サイクル動力装置において、
   前記ダクトバーナーがフル稼働しているとき、前記蒸気タービンの出力は、１２〜１６ＰＳＩＡとなるようにした、複合サイクル動力装置。
5. 請求項１に記載の複合サイクル動力装置において、さらに、
   前記ガスタービンによって生ずる前記機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換するよう構成した発電機を備えた、複合サイクル動力装置。
6. 請求項１に記載の複合サイクル動力装置において、
   前記蒸気タービンによって生じた前記機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換するよう構成された発電機を備えた、複合サイクル動力装置。
7. 請求項１に記載の複合サイクル動力装置において、
   前記燃料は、天然ガスとした、複合サイクル動力装置。
8. 請求項１に記載の複合サイクル動力装置において、
   前記燃料は、蒸留燃料とした、複合サイクル動力装置。
9. 複合サイクル動力装置において、
   燃焼タービンであって、
   約３２．２〜３７．８゜Ｃ（９０〜１００゜Ｆ）の周囲温度で圧縮空気を生成するよう構成した圧縮機、
   前記圧縮空気内の燃料を燃焼させて燃焼空気を生成する燃焼器、および
   前記燃焼空気を膨張させて機械的エネルギー及び排出ガスを発生させるガスタービン
   を有する、該燃焼タービンと、
   前記排出ガスを受け入れ、該排出ガスからの熱を水に伝達して、蒸気流を発生するよう構成した熱回収蒸気発生器と、
   前記蒸気から機械的エネルギーを発生するよう構成した蒸気タービンであって、
   前記熱回収蒸気発生器からの前記蒸気を受け入れるよう構成した入力部、および
   前記ガスタービンがフル稼働しているときに、約８〜１６ＰＳＩＡの圧力で排出蒸気を排出する出力部
   を有する、該蒸気タービンと、
   前記蒸気タービンからの前記排出蒸気を受け入れ、該排出蒸気を凝縮して凝縮液を生成する凝縮器と、
   前記凝縮器に接続し、前記凝縮液を冷却するよう構成した空冷システムとを備え、
   前記熱回収蒸気発生器は、前記排出ガスに熱を付加し、その温度を上昇させるよう構成したダクトバーナーを有する構成とし、
   前記排出蒸気は、前記ダクトバーナーがフル稼働しているとき、約３７．８゜Ｃ（１００゜Ｆ）の周囲温度での稼動時に、大気圧を超える約１６ＰＳＩＡの圧力で排出され、また、前記排出蒸気は、前記ダクトバーナーがフル稼働しているとき、約３２．２゜Ｃ（９０゜Ｆ）の周囲温度での稼動時に、前記排出蒸気を大気圧を下回る約１２ＰＳＩＡの圧力で排出される、複合サイクル動力装置。
10. 請求項９に記載の複合サイクル動力装置において、
    前記凝縮液は約８２．２゜Ｃ（１８０゜Ｆ）よりも高温となるようにした、複合サイクル動力装置。
11. 請求項９に記載の複合サイクル動力装置において、
    前記熱回収蒸気発生器からの前記蒸気は、約３７８゜Ｃ（１０００゜Ｆ）の温度を有する、複合サイクル動力装置。
12. 請求項９に記載の複合サイクル動力装置において、
    前記ダクトバーナーが稼働しているとき、前記排出蒸気は、約９３．３゜Ｃ（２００゜Ｆ）よりも高温となるようにした、複合サイクル動力装置。
13. 請求項９に記載の複合サイクル動力装置において、
    前記ダクトバーナーがフル稼働しているとき、前記蒸気タービンの出力は、１２〜１６ＰＳＩＡとなるようにした、複合サイクル動力装置。
14. 燃焼タービン、熱回収蒸気発生器及び蒸気タービンシステムを有する複合サイクル動力装置の作動方法であって、該方法は、
    前記燃焼タービンシステムを作動させて、圧縮空気を生成し、燃料及び排出ガス流を燃焼させ、また機械的エネルギーを発生させるステップと、
    排出ガス流を前記熱回収蒸気発生器に指向させ、前記排出ガスからの熱を水に伝達して、蒸気流を生ずるようにするステップと、
    前記蒸気流を蒸気タービンに指向させて、前記蒸気流から機械的エネルギーを発生させるステップと、
    前記蒸気タービンからの排出蒸気を約８〜１６ＰＳＩＡの圧力で排出するステップと、 前記排出蒸気を凝縮器に指向させる排出蒸気指向ステップであって、該排出蒸気は約８２．２゜Ｃ（１８０゜Ｆ）よりも高温となるようにする、該排出蒸気指向ステップと、
    乾式冷却システムを用いて、前記凝縮器からの過剰熱を放散するステップと
    を有し、さらに、該方法は、
    前記熱回収蒸気発生器内に配置したダクトバーナーを用いて、前記排出ガスに熱を付加するステップを有し、
    前記排出蒸気を、前記ダクトバーナーがフル稼働しているとき、約３７．８゜Ｃ（１００゜Ｆ）の周囲温度での稼動時に、大気圧を超える約１６ＰＳＩＡの圧力で排出し、また、前記排出蒸気を、前記ダクトバーナーがフル稼働しているとき、約３２．２゜Ｃ（９０゜Ｆ）の周囲温度での稼動時に、前記排出蒸気を大気圧を下回る約１２ＰＳＩＡの圧力で排出する方法。
15. 請求項１４に記載の方法において、
    前記蒸気タービンへの前記蒸気流は、約３７８゜Ｃ（１０００゜Ｆ）の温度を有する、方法。
16. 請求項１４に記載の方法において、
    前記ダクトバーナーがフル稼働しているとき、前記排出蒸気は、約９３．３゜Ｃ（２００゜Ｆ）よりも高温となるようにする、方法。
17. 請求項１４に記載の方法において、
    前記ダクトバーナーがフル稼働しているとき、前記蒸気タービンの出力は、１２〜１６ＰＳＩＡとなるようにする、方法。
18. 請求項１４に記載の方法において、さらに、
    前記ガスタービンによって生じた前記機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換するステップを有する、方法。
19. 請求項１４に記載の方法において、さらに、
    前記蒸気タービンによって生じた前記機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換するステップを有する、方法。

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