JP5951204B2 - 燃料加熱システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料加熱システムに関し、より具体的には、ガスタービンエンジンの始動中に燃料を加熱することに関する。
ガスタービンエンジンは、タービン翼の１つ以上の段の回転を駆動する、高温燃焼ガスを発生するために燃料及び空気の混合物を燃焼させる。そして、回転は、発電機等の負荷装置を駆動するために使用されてもよい。始動中、ガスタービンエンジンをその排気物質が関連規制に準拠する負荷レベルまで迅速に持って行くことが望ましい。ガスタービンがこのいわゆる「排気量に準拠した」負荷レベルに速く到達するほど、有害排気物質の総量が少なくなる。負荷率は、ガスタービンの燃焼器の安定した動作に依存し、これは主に燃料温度によって制御される。現代のガスタービンにおいて、通常の基本負荷動作の間、熱効率を向上させるために気体燃料が加熱される。この加熱は一般的に、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）から抽出される高温給水によって実現される。残念ながら、十分に長い停止時間の後のプラント始動中には、ＨＲＳＧは、安定した燃焼器動作に必要とされるレベルまで加熱する気体燃料に必要な温水を提供することができない。
米国特許第６９２０７６０Ｂ２号
独自に請求される発明の範囲に相当する特定の実施形態は、以下に要約される。これらの実施形態は、請求される発明の範囲を限定するように意図されるものではなく、むしろこれらの実施形態は、発明の可能な形態の概要を提供することのみを意図する。実際、本発明は、以下に示される実施形態と類似又は異なる様々な形態を包含してもよい。
第一の実施形態において、システムは、プラントの動作中に第一プラント部品からの第一加熱水を貯蔵するように構成された断熱水タンク、及び熱交換器を備える燃料加熱器を含む。熱交換器は、プラントの始動中に、第一加熱水からガスタービンエンジンの燃料に、熱を伝達するように構成されている。
第二の実施形態において、装置は、燃料を燃焼させるように構成された燃焼システム、燃焼システムの動作中に発生した熱で第一流体を加熱するように構成された第一部品、及び第一流体を加熱状態で貯蔵するように構成された断熱タンクを含む。装置は、燃焼システムの始動中に断熱タンクに貯蔵された第一流体から燃料に熱を伝達するように構成された熱交換器を備える、燃料加熱器も含む。
第三の実施形態において、システムは、燃焼システムの始動中に、燃料加熱器の熱交換器を通る断熱貯蔵タンクからの第一加熱流体の第一の流れを可能にするように構成された、燃料加熱コントローラを含む。燃料加熱コントローラは、燃焼システムの始動後に、燃料加熱器の熱交換器を通る第二加熱流体の第二の流れを可能にするように構成されている。
本発明の上記及びその他の特徴、態様、及び利点は、図面を通じて類似の符号が類似の要素を示す以下の添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことで、より良く理解されるであろう。
始動中に燃料を加熱するシステムを組み込んだ、ガス化複合発電（ＩＧＣＣ）発電所の実施形態の図である。 始動中に燃料を加熱するシステムの実施形態の図である。 始動中に燃料を加熱するシステムの実施形態の図である。 始動中に燃料を加熱するシステムの実施形態の図である。 始動中に燃料を加熱するシステムの実施形態の図である。
本発明の１つ以上の特定の実施形態が、以下に記載される。これらの実施形態の簡潔な記述を提供することを目指して、実際の実施における全ての特徴が本明細書に記載されなくてもよい。いずれの開発又は設計企画でもそうであるように、そのような実際の実施の展開において、実施毎に異なるであろうシステム関連及びビジネス関連規制の準拠等、開発者の具体的な目標を実現するために、多くの実施特有の判断がなされなければならないことは、理解されるべきである。更に、このような開発努力は複雑で時間がかかるかも知れないが、この開示の恩恵を有する当業者にとって、設計、組み立て、及び製造の型どおりの仕事であることも、理解されるべきである。
本発明の様々な実施形態の要素を紹介する際に、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、及び「ｓａｉｄ」は、要素のうち１つ以上が存在することを意味するように意図されている。用語「備える」、「含む」、及び「有する」は、包括的であると意図され、記載された要素の他に付加的な要素が存在してもよいことを意味する。
開示される実施形態は、プラントにおける燃料ベースシステムの始動中に燃料を加熱するシステムを対象とする。例えば、開示される実施形態は、燃料システム及び様々なプラント機器の始動中に、ガスタービンエンジン等の燃焼システムの燃料を加熱するために使用される。燃料加熱システムは様々な用途を有するが、以下の議論は、ガス化装置、ガス処理システム、ガスタービンエンジン、熱回収蒸気発生（ＨＲＳＧ）システム、蒸気タービン、及び様々な関連プラント機器を含む、ガス化複合発電（ＩＧＣＣ）システム又はプラントに関わる燃料加熱システムを提示する。プラントの通常動作中、燃料加熱システムは、始動中の熱源として後に使用するために、断熱タンク内に加熱流体（例えば水）を貯蔵する。停止後、プラント及びその様々な機器は冷却され、それにより、断熱タンクに貯蔵された加熱流体以外に、燃料を予備加熱するためのいずれの可能な熱源も排除される。このため、始動中に、貯蔵された加熱流体は、貯蔵された加熱流体がなくてもプラントが自立した熱源を提供できるようになるまで、燃焼用の燃料を加熱するのに十分な熱エネルギーを提供する。いくつかの実施形態において、断熱タンクは、長時間にわたって閾値を超える温度を維持するようになっている補助加熱器を含み、それによって断熱タンク内の熱損失を減少させる。
図１は、ＩＧＣＣシステム１００の始動中に燃料を予備加熱する能力を含む、ガス化複合発電システム１００の実施形態の図である。以下に詳細に論じられるように、ＩＧＣＣシステム１００は、ＩＧＣＣシステム１００の通常動作及び始動の間に燃料を加熱するように構成された、燃料加熱システム１０１を含む。例えば、燃料加熱システム１０１は、ガスタービンエンジン１１８の性能を向上させるために、燃料に熱を伝達できる燃料加熱器１４４を含む。具体的には、燃料加熱器１４４は、ＩＧＣＣシステム１００の通常動作中に、加熱プラント水１４６から燃料に熱を伝達させ、その一方で燃料加熱器１４４は、ＩＧＣＣシステム１００の始動中に、水タンク１４８に貯蔵された加熱プラント水１５０から熱を伝達させる。ＩＧＣＣシステム１００に関する以下の議論は、燃料加熱システム１０１の１つの可能な状況を提供するが、ただし燃料加熱システム１０１の実施形態は、ＩＧＣＣシステム１００に限定されない様々なプラント、設備、及びシステムに使用されてもよいと考えられる。
図１に示されるように、ＩＧＣＣシステム１００は、原料又は燃料源１０２をガス化し、蒸気及びガスタービンを駆動し、電気を発生させるように構成されている。燃料源１０２は、固体状又は液体状の、石炭又は炭化水素等の、様々な炭素質燃料を含む。例えば、固体状の燃料源１０２を粉砕、破砕、及び微粉砕することによって、ガス化用の燃料を準備するために、原料準備装置１０４が含まれる。しかし、燃料源１０２が液状である場合には、原料準備装置は省略されてもよい。
原料は、原料準備装置１０４からガス化装置１０６に渡される。ガス化装置１０６は、原料を、例えば一酸化炭素（ＣＯ）及び水素の混合物等の合成ガスに変換する。この合成されたガスは、例えばＨ2Ｓを含むので、未処理合成ガスと称される。ガス化装置１０６は、スラグ１０８等の廃棄物も生成し、これは湿った灰材である。未処理合成ガスを浄化するために、ガス清浄機１１０が利用される。ガス清浄器１１０は、未処理合成ガスからＨＣｌ、ＨＦ、ＣＯＳ、ＨＣＮ、及びＨ2Ｓを除去するために未処理合成ガスを磨き、これは硫黄処理装置１１２内の硫黄１１１の分離を含む。更に、ガス清浄器１１０は、未処理合成ガスから利用可能な塩１１３を生成するために水浄化技術を利用する水処理装置１１４を通じて、未処理合成ガスから塩１１３を分離する。その後、ガス清浄器１１０からのガスは、微量のその他の化学物質、例えばＮＨ3（アンモニア）及びＣＨ4（メタン）を含む、処理済み合成ガス（例えば、硫黄１１１が合成ガスから除去されている）を含む。
いくつかの実施形態において、炭素捕捉システム１１６は、合成ガスに含まれる炭素質ガス（例えば、体積でおよそ８０〜１００又は９０〜１００％純度の二酸化炭素）を除去及び処理する。その硫黄含有組成物及びその二酸化炭素の大部分の除去が行われた処理済み合成ガスはその後、可燃燃料として、ガスタービンエンジン１１８の、例えば燃焼室等の燃焼器１２０に送られる。
ＩＧＣＣシステム１００は、空気分離装置（ＡＳＵ）１２２を更に含む。ＡＳＵ１２２は、例えば蒸留技術によって、空気を分離して成分ガスにするために動作する。ＡＳＵ１２２は、追加空気圧縮器１２３から供給される空気から酸素を分離し、ＡＳＵ１２２は、分離した酸素をガス化装置１０６に送る。又、ＡＳＵ１２２は、希釈用窒素（ＤＧＡＮ）圧縮器１２４に、分離した窒素を送る。
ＤＧＡＮ圧縮器１２４は、合成ガスの適正な燃焼を阻害しないように、少なくとも燃焼器１２０内のものと等しい圧力レベルまで、ＡＳＵ１２２から受け取った窒素を圧縮する。このため、一旦ＤＧＡＮ圧縮器１２４が窒素を適切なレベルまで十分に圧縮すると、ＤＧＡＮ圧縮器１２４は圧縮された窒素をガスタービンエンジン１１８の燃焼器１２０に送る。窒素は、例えば排気量の制御を容易にする希釈剤として使用される。
先に記載したように、圧縮された窒素は、ＤＧＡＮ圧縮器１２４からガスタービンエンジン１１８の燃焼器１２０に送られる。ガスタービンエンジン１１８は、タービン１３０、駆動軸１３１、及び圧縮器１３２、並びに燃焼器１２０を含む。燃焼器１２０は、燃料ノズルから加圧状態で注入される、合成ガス等の燃料を受け取る。この燃料は、圧縮空気、並びにＤＧＡＮ圧縮器１２４からの圧縮窒素と混合され、燃焼器１２０内で燃焼される。この燃焼は、高温加圧排ガスを生成する。
燃焼器１２０は、排ガスをタービン１３０の排気口に向ける。燃焼器１２０からの排ガスがタービン１３０内を通過すると、排ガスはタービン１３０内のタービン翼を動作させて、ガスタービンエンジン１１８の軸に沿って駆動軸１３１を回転させる。駆動軸１３１は、ロータを形成するために、タービン１３０を圧縮器１３２に接続する。圧縮器１３２は、駆動軸１３１に結合された翼を含む。このため、タービン１３０内のタービン翼の回転は、タービン１３０を圧縮器１３２に接続する駆動軸１３１に、圧縮器１３２内で翼を回転させる。圧縮器１３２内の翼のこの回転は、圧縮器１３２に、圧縮器１３２内の吸気口を通じて受け取った空気を圧縮させる。圧縮空気はその後燃焼器１２０に供給され、より高効率の燃焼を可能にするために、燃料及び圧縮窒素と混合される。駆動軸１３１は、例えば発電所内の、電力を発生させるための発電機等、固定負荷装置である、負荷装置１３４にも接続される。実際、負荷装置１３４は、ガスタービンエンジン１１８の回転出力によって動力供給される、いずれかの適切な装置である。
ＩＧＣＣシステム１００は、蒸気タービンエンジン１３６及び熱回収蒸気発生（ＨＲＳＧ）システム１３８も含む。蒸気タービンエンジン１３６は、第二負荷装置１４０を駆動する。第二負荷装置１４０も又、電力を発生させるための発電機である。しかし、第一負荷装置１３０及び第二負荷装置１４０の両方が、ガスタービンエンジン１１８及び蒸気タービンエンジン１３６によって駆動される別のタイプの負荷装置であってもよい。又、ガスタービンエンジン１１８及び蒸気タービンエンジン１３６は個別の負荷装置１３４及び１４０を駆動し、図示の実施形態に示されるように、ガスタービンエンジン１１８及び蒸気タービンエンジン１３６は、単一の軸を通じて単一の負荷装置を駆動するために、連携して利用される。ガスタービンエンジン１１８と同様に、蒸気タービンエンジン１３６の特定の構成は、実施固有であってもよく、いずれの部分組合せを含んでもよい。
システム１００は、ＨＲＳＧ１３８も含む。ガスタービンエンジン１１８からの加熱排ガスは、ＨＲＳＧ１３８に搬送され、水を加熱して、蒸気タービンエンジン１３６に動力供給するために使用される蒸気を生成する。例えば、蒸気タービンエンジン１３６の低圧部からの排気は、復水器１４２内に向けられる。復水器１４２は、温水を冷水と交換するために、冷却塔１２８を利用する。冷却塔１２８は、蒸気タービンエンジン１３６から復水器１４２に送られる蒸気を凝縮するのに役立てるために、今度は、ＨＲＳＧ１３８内に向けられる。再び、ガスタービンエンジン１１８からの排気は、復水器１４２からの水を加熱して蒸気を発生するために、ＨＲＳＧ１３８内に向けられる。
ＩＧＣＣシステム１００等の、複合サイクルシステムにおいて、高温排気は、ガスタービンエンジン１１８から流れてＨＲＳＧ１３８を通過し、ここで高圧高温蒸気を発生させるために使用される。ＨＲＳＧ１３８によって生成された蒸気はその後、発電のため、蒸気タービンエンジン１３６を通過する。又、生成された蒸気は、ガス化装置１０６等、蒸気が使用されるその他の処理にも供給される。ガスタービンエンジン１１８発電サイクルは、「トッピングサイクル」と称され、その一方で蒸気タービンエンジン１３６発電サイクルは「ボトミングサイクル」と称されることが多い。図１に示されるこれら２つのサイクルを組み合わせることによって、ＩＧＣＣシステム１００は、両方のサイクルにおいてより良い効率をもたらすかも知れない。具体的には、トッピングサイクルからの熱交換が捕捉され、ボトミングサイクルで使用するための蒸気を生成するために使用される。
上述のように、通常動作中のガスタービン及びプラントの効率を改善するために、燃料加熱システム１０１は、ガスタービンエンジン１１８での燃焼に先立って燃料を加熱するように構成されている。図示の実施形態において、ガスタービンエンジン１１８は、始動中及び動作中に、加熱燃料を受け取る。上昇した燃料温度は、燃料（すなわち、燃料発熱量及び顕熱）によって供給される総エネルギー量を増加させ、与えられた燃焼器出口温度に必要とされる燃料の量を減少させる。このため、ほぼ同じガスタービン出力（低燃料流量及び次の低タービンガス流量のためわずかに少ない）のためには、より少ないエネルギーが消費され、その結果より良い効率をもたらす。効率が改善されると、与えられた電力出力レベルのための燃焼燃料の量を減少させることによって総排気物質にとっても有益であることは、特筆されるべきである。実際、プラント効率を改善することは、化石燃料を燃やす発電所からの有害排気物質を減少させる最も簡単な方法であり、議論の残りにおいて、改善された効率は、排気の減少を暗示すると理解されるべきである。
通常動作中、ガスタービン１１８は、燃料加熱器１４４から加熱燃料を受け取る。燃料加熱器１４４は、加熱プラント水１４６とガス清浄器１１０から出る燃料との間の熱交換器の役割を果たす。加熱プラント水１４６を加熱するエネルギーは、ガス化装置１０６、ガスタービンエンジン１１８、空気分離装置１２２、熱回収蒸気発生器１３８、圧縮器１２３及び１２４、又はガス清浄器１１０等、様々なプラント部品から来る。このように、温水は、ＩＧＣＣシステム１００の動作中、連続的に生成される。停止後、ＩＧＣＣシステム部品は冷却され、もはやプラント水１４６を加熱することはできない。ＩＧＣＣシステム１００を始動すると、プラント水１４６は、ガスタービン１１８用の燃料を加熱し始めるのに十分な温度ではないかも知れない。これは、できるだけ迅速にガスタービンを始動して、排気量に準拠した負荷に到達させるという要望にとって有害である。これは、安定した動作のために特定の温度になるため、ガスタービン燃焼器が与えられた成分及び発熱量の燃料を必要とするという事実による。習慣的に、この要求は、「修正ウォッベ指数」（ＭＷＩ）によって決定されるが、これは、固定圧力比における燃焼器へのエネルギー入力の相対的測定であり、燃料調整及び注入システムの、成分及び発熱量のばらつきに対応する能力を決定する。開始を含む全ての動作モードにおいて必要な燃料ノズル圧力比を有する燃料注入システムの適切な動作を確保するために、ＭＷＩの許容範囲が存在する。このため、燃料温度が低すぎてＭＷＩのばらつきが許容範囲外である場合、ガスタービンは、必要な燃料加熱に利用可能なＨＲＳＧ（又はその他のプラント部品）からの十分に熱い水を有するのを待つ間、排気量に準拠した負荷点に到達するのに、はるかに長い時間がかかることになる。これは、総プラント排気量に悪影響を及ぼすことになる。
開始時のシステムの温水１４６の欠乏を補うために、燃料加熱器１４４は断熱水タンク１４８から温水を受け取り、これはＩＧＣＣシステム１００の動作中に十分な量の温水を貯蔵する。タンク１４８内の温水はその後、ＩＧＣＣシステム１００が自身で維持する量の温水１４６を提供できるようになるまで、燃料を加熱するために使用される。例えば、システム１００が燃料加熱器１４４に自身で維持する量の温水１４６を提供できるようにするのに十分なレベルまでプラント水１４６の温度を上昇させるために、始動中に少なくともおよそ１０、２０、３０、６０、又は９０分かかる。このため、予想される始動時間に応じて、水タンク１４８は、少なくともおよそ１０、２０、３０、６０、又は９０分以上にわたってＩＧＣＣシステム１００を加熱するのに十分な量の加熱プラント水１５０を貯蔵できるサイズである。
加熱プラント水１４６と同様に、加熱プラント水１５０は、ＩＧＣＣシステム１００の通常動作中に、様々なプラント部品（例えばガス化装置、ガスタービン、熱回収蒸気発生器、空気分離器、ボイラ等）から来る。ＩＧＣＣシステムが停止すると、加熱プラント水１５０は水タンク１４８内に残る。始動中のＩＧＣＣシステム１００はその後、システム１００が燃料を加熱するのに必要な温水１４６を提供できるようになるまで、燃料加熱器１４４内の燃料を加熱するために、温水１５０を放出する。時折、停止と始動との間の時間が重要であることがあり、始動時に燃料を加熱するのに十分な閾値温度を下回るまで温水１５０の温度を低下させてしまう。これらの状況では、加熱プラント水１５０の温度を水タンク１４８内の閾値温度以上に維持するために、水加熱器１５２が動作する。
図２は、燃焼システム１６２の通常動作及び始動の間に燃料を加熱するための、水加熱システム１６０のブロック図である。先の議論と同様に、燃焼システム１６２（例えば、ガス化装置、ガスタービン、ボイラ、又は炉）は、燃料流量を減少させて効率を改善するために、加熱燃料を使用する。通常のプラント動作中、燃焼のために燃料温度を上昇させるための熱は、プラント部品１６４によって加熱された熱伝達媒体（例えば水）から得られる。例えば、プラント部品１６４は、ガス化装置、ガス清浄器又は処理システム、空気分離装置（ＡＳＵ）、圧縮器、ガスタービン、ボイラ、炉、又はその他のいずれかの熱源を含む。プラント部品１６４は、熱伝達媒体（例えば水）に熱を伝達するために熱交換器１６６を使用し、熱伝達媒体はその後燃料１７０に熱を伝達するために燃料加熱器１６８の内部を流れる。本実施形態において、熱伝達媒体は水であるが、別の実施形態が異なる流体を含んでもよいことは理解される。燃料加熱器１６８を出る燃料１７０は加熱燃料（例えば、温度上昇した燃料）であり、これは実質的に、燃焼システム１６２内の燃料１７０の燃焼中の望ましくない排気を減少させる。燃料加熱器１６８を出る水はその後、処理を繰り返すためにプラント部品１６４に戻る水復帰路１７２に移動する。
プラント部品１６４が最初に始動するとき、熱交換器１６６内で十分な温水を生成することができないかも知れない。システム１６０は、燃料加熱器１６８用の温水を提供する断熱水タンク１７４を含むことによって、この問題を解決する。例えば、断熱水タンク１７４は、例えば温水を貯蔵するための容積を完全に封入する、断熱の内層及び／又は外層を備える金属製の囲いである。水タンク１７４は、プラント部品１６４が燃料加熱器１６８用の温水の安定した流れを提供できるようになるまで燃料加熱器１６８内の燃料１７０を加熱するのに十分な量の温水を含む。例えば、水タンク１７４は、システムの様々なパラメータに応じて、少なくともおよそ１０、２０、３０、６０、又は９０分以上にわたって燃料１７０を加熱するのに十分な水を含む。このため、水タンク１７４が燃料加熱器１６８に温水を提供している間、プラント部品１６４は、燃料加熱器１６８が水タンク１７４から独立して動作するのに十分な温度まで、徐々に水を加熱する。水タンク１７４はプラント部品１７６から温水を受け取るが、これはプラント部品１６４又は燃焼システム１６２と同じであっても異なっていてもよい。例えば、燃料システム１６２、プラント部品１６４、及びプラント部品１７６は全て同じであってもよい。このため、燃焼システム１６２は、通常動作中に燃料加熱器１６８内の燃料１７０を加熱するために温水を提供し、その一方で始動中に使用されるために水タンク１７４用の水も加熱する。
コントローラ１８０は、通常動作中及び始動中に、システム内の温水の流量を制御する。例えば、コントローラ１８０は、始動中に弁１８２及び１８４を閉鎖して弁１８６を開放し、それによってプラント部品１６４から燃料加熱器１６８及び水タンク１７４内への冷水の流れを遮断し、一方で水タンク１７４から燃料加熱器１６８への貯蔵温水の流れを可能にする。このため、水タンク１７４内の温水は燃料加熱器１６８に侵入し、そこで燃焼システム１６２内の燃焼用の燃料１７０を加熱する。一旦プラント部品１６４が燃料１７０を加熱するのに十分なだけ水を加熱できるようになると、コントローラ１８０は弁１８６を閉鎖して弁１８２を開放する。弁１８２が開いているので、プラント部品１６４からの温水は、燃料加熱器１６８内の燃料を加熱できる。コントローラ１８０は、弁１８６を閉鎖しながら、弁１８２及び１８４を同時に開放してもよい。このようにして、温水は、プラント部品１７６からの温水で水タンク１７４を再充填しながら、燃料加熱器１６８内の燃料を加熱できる。或いは、コントローラ１８０は、システム１６０の動作中の別の時点で弁１８４を開放してもよい。例えば、弁１８４は、例えば１日の終わり等、システムの停止の少し前に開放する。
特定の実施形態において、水タンク１７４は、熱損失を補償するための水加熱器１８８を含む。長期の停止期間中及び／又は水タンク１７４の場合に、過剰な熱損失が生じる可能性がある。このため、閾値温度より高く水の温度を維持するために、又は場合によっては水の温度を上昇させるために、水加熱器１８８が含まれる。コントローラ１８０は、水タンク１７４内の水が更なるエネルギーを必要とする時を示す、１つ以上の温度センサに応えて、水加熱器１８８の制御を維持する。
特定の実施形態において、システム１６０は、タンク１７４から燃料加熱器１６８を通る温水の循環を容易にするためのポンプ１９０を含む。例えば、コントローラ１８０は始動中に連続的にポンプ１９０を稼働し、或いはコントローラ１８０は、水タンク１７４内の水圧が閾値圧力を下回った後にポンプ１９０を稼働してもよい。例えば、タンク１７４内の一定割合の水が燃料加熱器１６８を通じて排出及び流出した後に、コントローラ１８０は、タンク１７４から燃料加熱器１６８を通る水の適切な流れを維持するために、圧力を増加するようにポンプ１９０を動作させる。
図３は、燃焼システム２０２の通常動作及び始動の間に燃料を加熱するための、水加熱システム２００のブロック図である。先の議論と同様に、燃焼システム２０２（例えば、ガス化装置、ガスタービン、ボイラ、又は炉）は、燃料流量を減少させて効率を改善するために、加熱燃料を使用する。通常のプラント動作中、燃焼のために燃料温度を上昇させるための熱は、例えば加熱プラント水２０４等、熱伝達媒体から得られる。加熱プラント水２０４は、燃料２０８に熱を伝達するために、燃料加熱器２０６の内部を流れる。本実施形態において、熱伝達媒体は水であるが、別の実施形態が異なる流体を含んでもよいことは理解される。燃料加熱器２０６を出る燃料２０８は加熱燃料（例えば、温度上昇した燃料）であり、これは実質的に、燃焼システム２０２内の燃料２０８の燃焼中の望ましくない排気を減少させる。燃料加熱器２０６を出る水はその後、プラント内の処理フローに戻るために、水復帰路２１０に移動する。
燃焼システム２０２の始動中、プラント水２０４は、燃料２０８に加熱を提供するために十分加熱されていないかも知れない。システム２００は、燃料加熱器２０６用の温水を提供する断熱水タンク２１２を含むことによって、この問題を解決する。例えば、断熱水タンク２１２は、例えば温水を貯蔵するための容積を完全に封入する、断熱の内層及び／又は外層を備える金属製の囲いである。水タンク２１２は、プラント水２０４がタンク２１２内に貯蔵された水を用いることなく燃料２０８を予備加熱するために十分加熱されるまで燃料加熱器２０６内の燃料２０８を加熱するのに十分な量の温水を含む。例えば、水タンク２１２は、システムの様々なパラメータに応じて、少なくともおよそ１０、２０、３０、６０、又は９０分以上にわたって燃料２０８を加熱するのに十分な水を含む。このため、水タンク２１２が燃料加熱器２０６に温水を提供している間、プラント水２０４は、プラント部品及び／又は燃焼システム２０２の動作温度の上昇に応えて、徐々に温度を上昇させる。最終的に、燃料加熱器２０６は、水タンク２１２内に貯蔵された水よりも、むしろ加熱プラント水２０４から燃料２０８に熱を伝達する。この時点以降、水タンク２１２は、加熱プラント水２１４で再充填される。加熱プラント水２０４及び２１４は、互いに同じであっても異なっていてもよい。いずれの場合も、加熱プラント水２０４及び２１４は、ガス化装置、ガス清浄器又は処理システム、空気分離装置（ＡＳＵ）、圧縮器、ガスタービン、ボイラ、炉、又はその他のいずれかの熱源に由来する。例えば、加熱プラント水２０４及び２１４は、燃焼システム２０２に由来する。このため、燃焼システム２０２は、通常動作中に燃料加熱器２０６内の燃料２０８を加熱するために温水を提供し、その一方で始動中に使用されるために水タンク２１２用の水も加熱する。これに加えて又は代替として、水タンク２１２は、加熱補助水２１６を単独で、或いは加熱プラント水２１４と共に、受け取ってもよい。加熱補助水２１６は、外部太陽集熱器、遠隔熱源、又は独立プラント部品等、様々な源に由来する。
コントローラ２１８は、通常動作中及び始動中に、システム内の温水の流量を制御する。例えば、コントローラ２１８は、始動中に弁２２０、２２２、及び２２４を閉鎖して弁２２６を開放し、それによって燃料加熱器２０６及び水タンク２１２内への冷水２１４、２１６、及び２０４の流れを遮断し、一方で水タンク２１２から燃料加熱器２０６への貯蔵温水の流れを可能にする。このため、水タンク２１２内の温水は燃料加熱器２０６に侵入し、そこで燃焼システム２０２内の燃焼用の燃料２０８を加熱する。一旦プラント水２０４が燃料２０８を加熱するのに十分なだけ温度上昇すると、コントローラ２１８は弁２２６を閉鎖して弁２２４を開放する。弁２２４が開いているので、加熱プラント水２０４は、燃料加熱器２０６内の燃料を加熱できる。コントローラ２１８は、弁２２６を閉鎖しながら、弁２２０及び／又は２２２を同時に開放してもよい。このようにして、温水２０４は、別の始動手順の間に続けて使用するために温水２１４及び／又は２１６が水タンク２１２を再充填する間、燃料加熱器２０６内の燃料２０８を加熱できる。或いは、コントローラ２１８は、システム２００の動作中の別の時点で弁２１４及び／又は２１６を開放してもよい。例えば、弁２１４及び／又は２１６は、例えば１日の終わり等、システムの停止の少し前に開放する。
特定の実施形態において、水タンク２１２は、熱損失を補償するための水加熱器２２８を含む。長期の停止期間中に、過剰な熱損失が生じる可能性がある。このため、閾値温度より高く水の温度を維持するために、又は場合によっては水の温度を上昇させるために、水加熱器２２８が含まれる。コントローラ２１８は、水タンク２１２内の水が更なるエネルギーを必要とする時を示す、１つ以上の温度センサに応えて、水加熱器２２８の制御を維持する。
特定の実施形態において、システム２００は、タンク２１２から燃料加熱器２０６を通る温水の循環を容易にするためのポンプ２３０を含む。例えば、コントローラ２１８は始動中に連続的にポンプ２３０を稼働し、或いはコントローラ２１８は、水タンク２１２内の水圧が閾値圧力を下回った後にポンプ２３０を稼働してもよい。例えば、タンク２１２内の一定割合の水が燃料加熱器２０６を通じて排出及び流出した後に、コントローラ２１８は、タンク２１２から燃料加熱器２０６を通る水の適切な流れを維持するために、圧力を増加するようにポンプ２３０を動作させる。
図４は、燃焼システム２４２の通常動作及び始動の間に燃料を加熱するための、水加熱システム２４０のブロック図である。先の議論と同様に、燃焼システム２４２（例えば、ガス化装置、ガスタービン、ボイラ、又は炉）は、燃料流量を減少させて効率を改善するために、加熱燃料を使用する。通常のプラント動作中、燃焼のために燃料温度を上昇させるための熱は、プラント部品２４４によって加熱された熱伝達媒体（例えば水）から得られる。例えば、プラント部品２４４は、ガス化装置、ガス清浄器又は処理システム、空気分離装置（ＡＳＵ）、圧縮器、ガスタービン、ボイラ、炉、又はその他のいずれかの熱源を含む。プラント部品２４４は、熱伝達媒体（例えば水）に熱を伝達するために熱交換器２４６を使用し、熱伝達媒体はその後燃料２５０に熱を伝達するために燃料加熱器２４８の内部を流れる。本実施形態において、熱伝達媒体は水であるが、別の実施形態では異なる流体を含んでもよいことは理解される。燃料加熱器２４８を出る燃料２５０は加熱燃料（例えば、温度上昇した燃料）であり、これは燃焼システム２４２に供給される。燃料加熱器２４８を出る水はその後、処理を繰り返すためにプラント部品２４４に戻る水復帰路２５２に移動する。
プラント部品２４４が最初に始動するとき、熱交換器２４６内で十分な温水を生成することができないかも知れない。システム２４０は、燃料加熱器２４８用の温水を提供する断熱水タンク２５４を含むことによって、この問題を解決する。例えば、断熱水タンク２５４は、例えば温水を貯蔵するための容積を完全に封入する、断熱の内層及び／又は外層を備える金属製の囲いである。水タンク２５４は、プラント部品２４４が燃料加熱器２４８用の温水の安定した流れを提供できるようになるまで燃料加熱器２４８内の燃料２５０を加熱するのに十分な量の温水を含む。例えば、水タンク２５４は、システムの様々なパラメータに応じて、少なくともおよそ１０、２０、３０、６０、又は９０分以上にわたって燃料２５０を加熱するのに十分な水を含む。このため、水タンク２５４が燃料加熱器２４８に温水を提供している間、プラント部品２４４は、燃料加熱器２４８が水タンク２５４から独立して動作するのに十分な温度まで、徐々に水を加熱する。
図示の実施形態において、給水部２５６は水タンク２５４に水を提供するが、これは集合的に又は単独でタンク２５４内の水を加熱するための、様々な加熱システムを含む。例えば、加熱システムは、水タンク２５４内に設けられた水加熱器２５８（例えば電気加熱素子）、水タンク２５４の外部のプラント部品２６０、及び水タンク２５４の外部の太陽集熱器２６２を含む。プラント部品２６０及び太陽集熱器２６２は、それぞれの熱交換器２６４及び２６６を通じて水タンク２５４内の水に熱を伝達する。作動流体は、プラント部品２６０及び太陽集熱器２６２からそれぞれの熱交換器２６４及び２６６にエネルギーを移動させる。可能な作動流体の例は、水、油、溶剤、又はその他の適切な熱交換流体を含む。いくつかの実施形態において、ポンプ２６８及び２７０は、熱交換器２６４及び２６６を通じて作動流体を循環させるために、一方向弁２７２及び２７４とともに動作する。このようにして、作動流体は、プラント部品２６０、太陽集熱器２６２、及びそれぞれの熱交換器２６４及び２６６の間で循環する。
コントローラ２７６は、通常動作中及び始動中に、システム内の温水の流量を制御する。例えば、コントローラ１７６は、始動中に弁２８２を開放して弁２７８を閉鎖し、それによってプラント部品２４４から燃料加熱器２４８及び水タンク２５４内への冷水の流れを遮断し、一方で水タンク２５４から燃料加熱器２４８への貯蔵温水の流れを可能にする。このため、水タンク２５４内の温水は燃料加熱器２４８に侵入し、そこで燃焼システム２４２内の燃焼用の燃料２５０を加熱する。特定の実施形態において、コントローラ２７６は、燃料加熱器２４８を通る温水の十分な流量を維持するために弁２８２を開放しながら、ポンプ２８４を作動する。一旦熱交換器２４６が始動後にプラント部品２４４から水に十分な熱を伝達すると、コントローラ２７６は弁２８２を閉鎖して弁２７８を開放する。弁２７８が開いているので、熱交換器２４６からの温水は、燃料加熱器２４８内の燃料２５０を加熱できる。コントローラ２７６は、水タンク２５４を温水で再充填するために、同時に弁２８０を開放し、ポンプ２６８及び／又は２７０を作動し、弁２８２を閉鎖する。具体的には、十分な水が水タンク２５６に侵入して満たした後、プラント部品２６０及び／又は太陽集熱器２６２はそれぞれの作動流体に熱を伝達し、これらはその後、タンク２５４内の水の温度を上昇させるために、熱交換器２６４及び２６６を通じて循環する。特定の実施形態において、水加熱器２５８は、タンク２５４内の水の温度を上昇させるために、単独で、又は熱交換器２６４及び２６６と共に、使用される。言い換えると、タンク２５４内の水は、プラント部品２６０と共に作動流体を循環させる熱交換器２６４、太陽集熱器２６２と共に作動流体を循環させる熱交換器２６６、タンク２５４内の水加熱器２５８、又はそれらのいずれかの組合せによって、加熱される。
特定の実施形態において、コントローラ２７６は、晴天時又は十分な太陽光があるときに太陽集熱器２６２から熱を集めるためにポンプ２７０を作動するように構成され、その一方でコントローラ２７６は、例えば夜間又は太陽光が不十分なとき（例えば曇天時）等、太陽集熱器２６２が十分な熱を集められないときに、ポンプ２７０を停止する。同様に、コントローラ２７６は、タンク２５４内の水を加熱するのに十分な熱が利用できないときに、プラント部品２６０の動作期間中にポンプ２６８を作動するように構成され、その一方でコントローラ２７６は、プラント部品２６０が動作していないか又はタンク２５４内の水の温度を上昇させるのに十分な熱が欠乏しているときに、ポンプ２６８を停止する。いずれの場合も、それぞれのポンプ２６８及び／又は２７０は、水が閾値温度に到達するか又はこれを超えたことをコントローラ２７６が検知するまで、作動流体を循環させ続ける。水が閾値温度に到達すると、コントローラ２７６は、作動流体の循環を停止するようにポンプ２６８及び／又は２７０に指示する。水が閾値温度に到達してポンプ２６８及び／又は２７０が停止した後、プラント部品２６０が動作していないとき及び太陽集熱器２６２がエネルギーを提供できないとき（例えば夜間、曇天時等）に、水温を維持するために水加熱器２５８が使用される。言い換えると、コントローラ２７６はエネルギー消費を最小限に抑えるために加熱システムの優先順位を決め、例えば第一優先順位が太陽集熱器２６２、第二優先順位がプラント部品２６０、及び第三優先順位が水加熱器２５８である。しかし、タンク２５４内の水の加熱速度を増加するために、これらの加熱システムのうち２つ又は３つを組み合わせて使用してもよい。
図５は、一実施形態による燃料加熱始動システム３００のブロック図である。本実施形態において、燃料加熱始動システム３００は、異なる燃焼サブシステム３０２、３０４、４０６、３０８、３１０、及び３１２のために燃料を加熱する。これら燃焼サブシステム３０２〜３１０の各々は、それぞれの弁３１４、３１６、３１８、３２０、３２２、及び２３４を含む。これら弁の各々は、燃料を加熱するためにそれぞれの燃焼サブシステム３０２〜３１０に温水を侵入させる。燃焼サブシステム３０２〜３１０は、サブシステム３０２〜３１０内の温水を移動させるそれぞれのポンプ３２６、３２８、３３０、３３２、３３４、及び３３６を更に含む。各燃焼サブシステム３０２〜３１０は、燃料源３３８、３４０、３４２、３４４、３４６、及び３４８を含む。本実施形態においては個別の燃料源があるが、燃焼サブシステム３０２〜３１０の各々は同じ燃料源から燃料を受け取る。各燃焼サブシステム３０２〜３１０は、温水から燃料３３８〜３６０に熱を伝達する、燃料加熱器３５０、３５２、３５４、３５６、３５８、及び３６０を更に含む。このようにして、燃焼に先立って燃料が暖められ、効率を改善して排気を減少させる。最後に、燃焼サブシステム３０２〜３１０の各々は、加熱燃料を燃焼させる燃焼装置を含む。本実施形態において、燃焼サブシステム３０２及び３０４はガスタービン３６２及び３６４を含む；燃焼サブシステム３０６は燃焼機関３６６を含む；燃焼サブシステム３０８はガス化装置３０８を含む；燃焼サブシステム３１０はボイラを含む；そして燃焼サブシステム３１２は別の種類のプラント部品３７２を含む。
先に説明したように、温水は始動中に利用できないかも知れないので、温水を貯蔵するために断熱水タンク３７４が含まれる。水タンク３７４は、プラント部品３７６及び／又は補助熱源３７８等の様々な源からの温水を貯蔵する。プラント部品３７６は、燃焼装置３６２〜３７２のうちの１つ、又はそれらのいずれかの組合せを含む。更に、プラント部品３７６は、ガス清浄器又は処理システム、圧縮器、空気分離装置（ＡＳＵ）、又はそれらのいずれかの組合せを含む。プラント部品３７６は、熱交換器３８０を通じて、水タンクに侵入する水と熱を交換する。補助熱源３７８は、外部太陽集熱器、遠隔熱源、又は独立プラント部品等、様々な源を通じて、水タンク３７４に温水を提供する。
コントローラ３８２は、弁３８４及び３８６を制御することによって、プラント部品３７６及び／又は補助熱源３８７からの温水がタンクに侵入する時を決定する。このようにして、コントローラ３８２は、システム３００の必要性及び熱の利用可能性に応じて、プラント部品３７６及び／又は補助熱源３８７からの温水を受け入れるべきか否かを決定する。一旦水タンク３７４が温水で満たされると、コントローラ３８２は、水タンク３７４内で再び温水が必要とされるまで、弁３８４及び３８６を閉鎖する。燃焼サブシステム３０２〜３１２が始動すると、コントローラ３８２は対応する弁３１４〜３２４を開放する。開放弁３１４〜３２４はその後、対応する燃料加熱器３５０〜３６０内の燃料３３８〜３４８を加熱するために、水タンク３７４からの水を受け入れる。
特定の実施形態において、水タンク３７４は、熱損失を補償するための水加熱器３８８を含む。長期の停止期間中及び／又は水タンク３７４の場合に、過剰な熱損失が生じる可能性がある。このため、閾値温度より高く水の温度を維持するために、又は場合によっては水の温度を上昇させるために、水加熱器３８８が含まれる。コントローラ３８２は、水タンク３７４内の水が更なるエネルギーを必要とする時を示す、１つ以上の温度センサに応えて、水加熱器３８８の制御を維持する。
本発明の技術的効果は、燃焼システム（例えばガスタービン、ガス化装置、ボイラ等）の始動中に燃料を予備加熱する能力を含む。具体的には、開示される実施形態は、燃焼システムの始動中に、熱が浪費されずにむしろ後の使用のために貯蔵されるように、プラント又は部品の動作中に発生した熱を貯蔵する。特に、動作中に発生した熱は、断熱貯蔵タンク内の、水等の熱伝達媒体に貯蔵される。このため、さもなければ停止後に無駄になるであろう蓄熱量は始動中に使用され、それによって、始動中の燃料加熱に関わる費用を実質的に削減する。更に、貯蔵された熱は断熱貯蔵タンクから容易に利用できるので、貯蔵された熱は始動中の燃料加熱の性能を実質的に向上させるだろう。
この書面による説明は、最良の形態を含む本発明を開示するため、そして当業者が、いずれかの装置又はシステムの作成及び使用、並びにいずれかの組み込まれた方法の実行を含む、本発明を実行できるようにするために、例示を使用する。本発明の特許性のある範囲は、請求項によって定義され、当業者が想起するその他の例を含んでもよい。このようなその他の例は、請求項の文言と相違のない構造的要素を有している場合、又は請求項の文言とのわずかな相違を有する同等の構造的要素を含む場合に、請求項の範囲内であると意図される。
１００ 複合発電システム
１０１ 燃料加熱システム
１０２ 燃料源
１０４ 原料準備装置
１０６ ガス化装置
１０８ スラグ
１１０ ガス清浄器
１１１ 硫黄
１１２ 硫黄処理装置
１１３ 塩
１１４ 水処理装置
１１６ 炭素捕捉システム
１１８ ガスタービンエンジン
１２０ 燃焼器
１２２ ＡＳＵ（空気分離装置）
１２３ 追加空気圧縮器
１２４ ＤＧＡＮ圧縮器
１２８ 冷却塔
１３０ タービン
１３１ 駆動軸
１３２ 圧縮器
１３４ 負荷装置
１３６ 蒸気タービンエンジン
１３８ ＨＲＳＧシステム
１４０ 第二負荷装置
１４２ 復水器
１４４ 燃料加熱器
１４６ 加熱プラント水
１４８ 水タンク
１５０ 加熱プラント水
１５２ 水加熱器
１６０ 水加熱システム
１６２ 燃焼システム
１６４ プラント部品
１６６ 熱交換器
１６８ 燃料加熱器
１７０ 燃料
１７２ 水復帰路
１７４ 断熱水タンク
１７６ プラント部品
１８０ コントローラ
１８２ 弁
１８４ 弁
１８６ 弁
１８８ 水加熱器
１９０ ポンプ
２００ 水加熱システム
２０２ 燃焼システム
２０４ 加熱プラント水
２０６ 燃料加熱器
２０８ 燃料
２１０ 水復帰路
２１２ 断熱水タンク
２１４ 加熱プラント水
２１６ 加熱補助水
２１８ コントローラ
２２０ 弁
２２２ 弁
２２４ 弁
２２６ 弁
２２８ 水加熱器
２３０ ポンプ
２４０ 水加熱システム
２４２ 燃焼システム
２４４ プラント部品
２４６ 熱交換器
２４８ 燃料加熱器
２５０ 燃料
２５２ 水復帰路
２５４ 断熱水タンク
２５６ 給水部
２５８ 水加熱器
２６０ プラント部品
２６２ 太陽集熱器
２６４ 熱交換器
２６６ 熱交換器
２６８ ポンプ
２７０ ポンプ
２７２ 一方向弁
２７４ 一方向弁
２７６ コントローラ
２７８ 弁
２８０ 弁
２８２ 弁
２８４ ポンプ
３００ 燃料加熱始動システム
３０２ 燃焼サブシステム
３０４ 燃焼サブシステム
３０６ 燃焼サブシステム
３０８ 燃焼サブシステム
３１０ 燃焼サブシステム
３１２ 燃焼サブシステム
３１４ 弁
３１６ 弁
３１８ 弁
３２０ 弁
３２２ 弁
３２４ 弁
３２６ ポンプ
３２８ ポンプ
３３０ ポンプ
３３２ ポンプ
３３４ ポンプ
３３６ ポンプ
３３８ 燃料源
３４０ 燃料源
３４２ 燃料源
３４４ 燃料源
３４６ 燃料源
３４８ 燃料源
３５０ 燃料加熱器
３５２ 燃料加熱器
３５４ 燃料加熱器
３５６ 燃料加熱器
３５８ 燃料加熱器
３６０ 燃料加熱器
３６２ ガスタービン
３６４ ガスタービン
３６６ 燃焼機関
３７２ プラント部品
３７４ 断熱水タンク
３７６ プラント部品
３７８ 補助熱源
３８０ 熱交換器
３８２ コントローラ
３８４ 弁
３８６ 弁
３８８ 水加熱器

Claims (10)

  1. その内部に第一加熱水を加熱する加熱器を含み、プラントの動作中に第一プラント部品（１７６）からの第一加熱水を貯蔵するように構成された断熱水タンク（１７４）と、
    第一熱交換器（１６８）を含む燃料加熱器（１６８）であって、前記第一熱交換器（１６８）が前記プラントの始動中に前記第一加熱水から第二プラント部品（１６２）用の気体燃料（１７０）に熱を伝達するように構成されている、燃料加熱器（１６８）と、
    前記断熱水タンク（１７４）内に配置され、第三プラント部品（２６０）からの熱で前記断熱水タンク（１７４）内の前記第一加熱水を加熱するように構成されている、第二熱交換器（２６４）と、
    を含むシステム。
  2. 気体燃料を燃焼するように構成された燃焼システムと、
    前記燃焼システムのの動作中に発生した熱で前記気体燃料を加熱するように構成された第一部品と、
    その内部に加熱器を含み、第二部品と熱的に連絡し、第一の液体を所定の加熱状態で貯蔵するように構成された断熱タンクと、
    前記燃焼システムの始動中に前記断熱タンクに貯蔵された第一の液体から前記気体燃料へ熱を伝達するように構成された第一熱交換器を含む燃料加熱器と、
    前記燃焼システムの停止後に前記第一の液体の温度を閾値レベル以上に維持するように前記加熱器の加熱を制御するコントローラと、
    を含むシステム。
  3. 前記第二プラント部品（１６２）がガスタービンエンジンである、請求項１に記載のシステム。
  4. 前記第一プラント部品が熱回収蒸気発生（ＨＲＳＧ）部品（１３８）又はガス化複合発電（ＩＧＣＣ）部品（１００）を含む、請求項１または３に記載のシステム。
  5. 前記第一プラント部品が太陽集熱器（２６２）を含む、請求項１、３、４のいずれかに記載のシステム。
  6. 太陽集熱器（２６２）を含み、
    前記断熱水タンク（１７４）内に配置され、前記太陽集熱器（２６２）からの熱で前記タンク（１７４）内を加熱するように構成されている、第三熱交換器（２６６）を含む、請求項１に記載のシステム。
  7. 前記第一熱交換器（１６８）が、前記プラントの始動後に第二加熱水から前記気体燃料（１７０）に熱を伝達するように構成されている、請求項１または６に記載のシステム。
  8. 始動中に前記第一熱交換器（１６８）を通る前記第一加熱水の第一の流れから、始動後に第一熱交換器を通る前記第二加熱水の第二の流れに移行するように構成されたコントローラ（１８０）を含む、請求項７に記載のシステム。
  9. 前記第二プラント部品（１６２）が、前記第一熱交換器（１６８）に前記第二加熱水を供給するように構成されている、請求項７に記載のシステム。
  10. 前記第二プラント部品（１６２）が、前記第二加熱水に前記断熱水タンク（１７４）を通る経路を取らせない、請求項９に記載のシステム。
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