JP6162002B2

JP6162002B2 - グリッド周波数制御のための電力増大システムおよび方法

Info

Publication number: JP6162002B2
Application number: JP2013178740A
Authority: JP
Inventors: インドラジット・マズムダール; ラジャルシ・サハ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-09-04
Filing date: 2013-08-30
Publication date: 2017-07-12
Anticipated expiration: 2033-08-30
Also published as: JP2014051974A; US9279365B2; CH706939A2; DE102013109147A1; US20140060067A1

Description

本出願および得られる特許は概してガスタービンエンジンに関し、より詳細には、過渡事象などの際のグリッド周波数の迅速な反応および制御のためのガスタービン電力増大（ｐｏｗｅｒａｕｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ）システムおよび方法に関する。

電力プランオペレーション（ｐｏｗｅｒｐｌａｎｏｐｅｒａｔｉｏｎ）中、比較的短時間で全体の電力出力を迅速に増大させることが望まれるような状況が発生する場合がある。例えば、グリッド周波数の規定外変動（ｇｒｉｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙｅｘｃｕｒｓｉｏｎ）中に電力使用需要がグリッド内への電力供給量を超える場合、グリッド周波数が約５０Ｈｚまたは６０Ｈｚのローカル目標周波数（ｌｏｃａｌｔａｒｇｅｔｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）未満に低下する可能性がある。タービンベースの電力プラントの場合、通常、グリッド周波数が減少するとタービンの電力能力が低下する。しかし、多くの送電系統運用規則（ｇｒｉｄｃｏｄｅ）では、低周波数時に非常に短い反応時間で電力出力を迅速に増大させる必要がある。熱慣性により蒸気タービンの出力がグリッド周波数の規定外変動中に変更され得えないかまたは迅速に反応できない場合、全体の出力反応はガスタービンエンジンから得られなければならない。

ガスタービンエンジンの出力を増大させるための従来の技術には、オンライン水洗浄を介して圧縮機の質量流量を増大させること、オーバーファイアリングのために燃焼器への燃料流れを増大させること、および、圧縮機への入口案内翼を開けること（部分負荷運転中）が含まれる。圧縮機の質量流量を増大させることは、圧縮機サージマージンなどの運転制約によって制限される可能性がある。オーバーファイアリングの手法は迅速な反応を可能とするが、通常の燃焼温度を超えてタービンを運転させることにより、高温ガス経路部品を劣化させる可能性があり、また、メンテナンスコストを増大させる可能性がある。また、圧縮機への空気流れは、ガスタービンがベース負荷未満で運転される場合にのみ、増大され得る。

過渡的なグリッド周波数の規定外変動に対応するための改善されたガスタービン電力増大システムおよび方法が所望される。好適には、この改善されるシステムおよび方法は、構成要素の寿命およびメンテナンス要求に関して妥協することなく、現存の送電系統運用規則要求内でこのような過渡事象に対応することができる。

米国特許出願公開第２０１１／００１８２６５号公報

したがって、本出願および得られる特許は複合サイクルシステムを提供する。この複合サイクルシステムは、圧縮機および水洗浄流れ（ｗａｔｅｒｗａｓｈｆｌｏｗ）に連通される圧縮機水洗浄システムと、燃焼器および噴射流れに連通される燃焼器水噴射システムと、圧縮機、燃焼器および補給水流れに連通される一時的電力増大システムと、を有することができる。

本出願および得られる特許は、ガスタービン電力出力を増大させる方法をさらに提供する。この方法は、圧縮機に水洗浄流れを提供するステップと、燃焼器に噴射流れを提供するステップと、水洗浄流れおよび／または噴射流れを増大させるために熱回収蒸気発生器からの補給水流れを提供するステップとを含むことができる。

本出願および得られる特許は、複合サイクルシステムをさらに提供する。この複合サイクルシステムは、圧縮機と、圧縮機に連通される圧縮機水洗浄システムと、燃焼器と、燃焼器に連通される燃焼器水噴射システムと、熱回収蒸気発生器と、圧縮機、燃焼器および熱回収蒸気発生器に連通される一時的電力増大システムとを有することができる。

複数の図面および添付の特許請求の範囲と併せて以下の詳細な説明を読むことにより、当業者には、本出願および得られる特許のこれらの特徴および改善ならびに別の特徴および改善が明らかとなる。

ガスタービンエンジンと、蒸気タービンと、熱回収蒸気発生器とを備える複合サイクルシステムを示す概略図である。ガスタービンの一部分と、蒸気タービンと、熱回収蒸気発生器と、水噴射システムと、水洗浄システムとを示している、図１の複合サイクルシステムを示す概略図である。ガスタービンの一部分と、蒸気タービンと、熱回収蒸気発生器と、水噴射システムと、水洗浄システムと、電力増大システムとを示している、本明細書で説明され得る複合サイクルシステムを示す概略図である。

次に、複数の図を通して同様の参照符号が同様の要素を示している図面を参照すると、図１が、複合サイクルシステム１０の概略図を示している。この複合サイクルシステム１０はガスタービンエンジン１２を有することができる。ガスタービンエンジン１２は圧縮機１４を有することができる。圧縮機１４が入ってくる空気流れ１６を圧縮する。圧縮機１４が圧縮された空気流れ１６を燃焼器１８に送出する。燃焼器１８が、圧縮された空気流れ１６を加圧された燃料流れ２０と混合してその混合物を点火して燃焼ガス２２の流れを生成する。単一の燃焼器１８が示されるが、ガスタービンエンジン１２は任意の数の燃焼器１８を有することができる。次いで、燃焼ガス２２の流れがタービン２４に送出される。燃焼ガス２２の流れがタービン２４を駆動させ、それにより機械仕事が生成される。タービン２４で生成された機械仕事がシャフト２６を介して圧縮機１４を駆動させ、さらには、発電機などの外部負荷２８を駆動させる。ガスタービンエンジン１２は、天然ガス、液体燃料、種々の種類の合成ガス、および、別の種類の燃料を使用することができる。ガスタービンエンジン１２は多様な構成を有することができ、また、別の種類の構成要素を使用することができる。

複合サイクルシステム１０はまた、蒸気タービン３０を有することができる。蒸気タービン３０は、高圧力セクション３２、中間圧力セクション３４、および、１つまたは複数の低圧力セクション３６を有することができ、異なる圧力のところに複数の蒸気入口ポイントを備える。低圧力セクション３６は復水器３８内に排気することができる。本明細書では、１つまたは複数のシャフト２６が使用され得る。本明細書では、別の構成および別の構成要素も使用され得る。

複合サイクルシステム１０はまた、熱回収蒸気発生器４０を有することができる。熱回収蒸気発生器４０は、低圧力セクション４２、中間圧力セクション４４および高圧力セクション４６を有することができる。各セクション４２、４４、４６は、一般に、１つまたは複数の、エコノマイザ、蒸発器および過熱器を有する。復水器３８からの復水が復水ポンプ４８を介して熱回収蒸気発生器４０に送られ得る。この復水が熱回収蒸気発生器４０のセクション４２、４４、４６を通過し、ガスタービンエンジン１２からの燃焼ガス２２の流れと熱交換を行う。熱回収蒸気発生器４０で生成される蒸気は、蒸気タービン３０を駆動させるのに使用され得る。同様に、熱回収蒸気発生器４０で生成される高温高圧の水が、燃焼器１８に入る燃料流れ２０を加熱するためにパフォーマンスヒータ（ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｈｅａｔｅｒ）５０内で使用され得る。パフォーマンスヒータ５０で使用される水は一般に使用後に復水器３８へ排出される。本明細書では、別の構成要素および別の構成が使用され得る。

図２は、複合サイクルシステム１０の一部をより詳細に示す。具体的には、パフォーマンスヒータ５０内で使用されるための加熱水５２の流れが中間圧力エコノマイザ５４の下流にありかつ中間圧力蒸気器５６の手前にある熱回収蒸気発生器４０の中間圧力セクション４４から取られ得る。加熱水５２の流れはパフォーマンスヒータ５０を通過することができ、ここで加熱水５２が燃料流れ２０と熱交換を行い、その後、燃料流れ２０が燃焼器１８に入る。加熱水５２は高圧力下にあってよい。上で説明したように、次いで、加熱水５２は復水器３８内に排出されてよく、さらに使用されることはない。

複合サイクルシステム１０はまた、ガスタービンエンジン１２の圧縮機１４の周りに配置される圧縮機水洗浄システム６０を使用することができる。一般的に、圧縮機水洗浄システム６０は、中に脱イオン水の供給源を備える水タンク６２と、中に洗浄剤を含む洗浄剤タンク６４と、水洗浄ポンプ６６とを有することができる。エダクタ６８または別の種類の供給機構が、オフラインモードで洗浄剤タンク６４から洗浄剤を供給するのに使用され得る。水タンク６２、洗浄剤タンク６４と、水洗浄ポンプ６６、エダクタ６８、および、別の構成要素は、水洗浄スキッド７０上に配置されるかまたは別のところに配置され得る。

圧縮機水洗浄システム６０はまた、多数のスプレーシステム７２を有することができる。スプレーシステム７２は圧縮機１４の入口の周りに配置され得る。スプレーシステム７２は、オンライン水洗浄システム７４、オフライン水洗浄システム７６、および、グリッド周波数制御オンライン水洗浄システム７８を有することができる。圧縮機洗浄システム６０はまた、多数のバルブ８０を有することができる。バルブ８０は、洗浄スプレーなどの圧力を変化させるのに使用され得る。したがって、圧縮機水洗浄システム６０はオンラインモードまたはオフラインモードで動作することができ、水洗浄ポンプ６６およびバルブ８０が多様な圧力および速度で圧縮機１４に水を提供する。例えば、オンライン水洗浄は地域条件および別のパラメータに応じて一日約１５分から３０分使用される。オフライン水洗浄は定期的に行われてよく、または、停止期間中に行われてもよい。本明細書では、多くの異なるパラメータおよび運転手順が使用され得る。本明細書では、別の構成要素および別の構成も使用され得る。

複合サイクルシステム１０はまた、燃焼器１８に連通される水噴射システム８２を有することができる。水噴射システム８２は、脱イオン水供給源８４と、高圧力水噴射ポンプ８６と、多数のバルブ８８とを有することができる。特定の種類のデュアル燃料燃焼器１８では、水は、適用され得る変動率（ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ）に適合するように全体の排出量を維持するために約３０パーセントの負荷を超える液体燃料運転中に、供給され得る。本明細書では、多くの異なるパラメータおよび運転手順が使用され得る。本明細書では、別の構成要素および別の構成も使用され得る。

図３は、本明細書で説明され得る複合サイクルシステム１００の一実施例の概略図である。複合サイクルシステム１００は、上述したガスタービンエンジンに類似するガスタービンエンジン１１０を有することができる。ガスタービンエンジン１１０は、圧縮機１２０と、燃焼器１３０と、タービン１４０とを有することができる。本明細書では別の構成要素および別の構成が使用され得る。複合サイクルシステム１００はまた、上述した蒸気タービンに類似する蒸気タービン１５０を有することができる。蒸気タービン１５０は、低圧力セクション１６０と、復水器１７０と、ポンプ１８０と、上述した別の構成要素とを有することができる。

同様に、複合サイクルシステム１００は、上で説明したものに類似にする熱回収蒸気発生器１９０を有することができる。熱回収蒸気発生器１９０は、燃料流れ２０を加熱するために補給水２００の流れをパフォーマンスヒータ２１０へと進路変更させることができる。補給水２００の流れは中間圧力エコノマイザ２３０の下流にありかつ中間圧力蒸発器２４０の手前にある熱回収蒸気発生器１９０の中間圧力セクション２２０から取られ得る。補給水２００の別の供給元も使用され得る。本明細書では別の構成要素および別の構成も使用され得る。

複合サイクルシステム１００はまた、燃焼器１３０に連通される水噴射システム２５０を有することができる。上で説明したものと同様に、水噴射システム２５０は、脱イオン水供給源２６０と、高圧力水噴射ポンプ２７０と、多数のバルブ２８０とを有することができる。したがって、水噴射システム２５０は、水供給源２６０または別のところから燃焼器１３０まで脱イオン水の噴射流れ２８５を提供する。本明細書では別の構成要素および別の構成が使用され得る。

複合サイクルシステム１００はまた、上で説明したものに類似する圧縮機水洗浄システム２９０を有することができる。圧縮機水洗浄システム２９０は、オンライン水洗浄システム３００、オフライン水洗浄システム３１０および／またはグリッド周波数制御オンライン水洗浄システム３２０に水洗浄流れ２９５を提供することができる。圧縮機水洗浄システム２９０は水タンク３２５および／または別の水の供給元に連通され得る。圧縮機水洗浄システム２９０はまた、中に洗浄剤流れを含む洗浄剤タンク３３０と、エダクタ３４０または別の種類の供給機構と、水洗浄ポンプ３４５とを有することができる。圧縮機水洗浄システム３００、３１０、３２０は、中にある水洗浄流れ２９５を提供するために圧縮機１２０の入口の周りに配置され得る。本明細書では別の構成要素および別の構成も使用され得る。

複合サイクルシステム１００はまた、一時的電力増大システム３５０を有することができる。一時的電力増大システム３５０はタップオフライン３６０を有することができる。タップオフライン３６０は、熱回収蒸気発生器１９０または別のところからの補給水２００の流れに連通され得る。タップオフライン３６０は、パフォーマンスヒータ２１０の下流にありかつ蒸気タービン１５０の復水器１７０の手前にある補給水２００の流れを捕捉することができる。本明細書では補給水２００の別の供給元が使用され得る。タップオフライン３６０は、燃焼器１３０に連通される燃焼器ライン３７０と、グリッド周波数制御水洗浄マニホルド３２０に連通されるグリッド周波数制御水洗浄マニホルドライン３８０とに通じていてよい。したがって、補給水２００の流れは、圧縮機１２０に内に追加の質量流量を提供することと、燃焼器１３０を追加的に冷却することとの両方を迅速かつ効率的に行うことができる。本明細書では、１つまたは複数の減圧バルブおよび／またはオン／オフバルブ３９０も使用され得る。本明細書では、従来の構成要素と比較してより大型のマニホルド３２０および付随のノズルが必要となる可能性がある。本明細書では別の構成要素および別の構成が使用される。

したがって、使用時、複合サイクルシステム１００は、過渡事象時に追加の電力を提供するために一時的電力増大システム３５０を使用することができる。具体的には、一時的電力増大システム３５０は、周波数のグリッド事象（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｇｒｉｄｅｖｅｎｔ）に応答する電力全体の反応を迅速にすることを可能にする。このようなグリッド事象（ｇｒｉｄｅｖｅｎｔ）時に利用され得る従来のオンライン水洗浄技術およびオーバーファイア技術（ｏｖｅｒ−ｆｉｒｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）に加えて、一時的電力増大システム３５０は、熱回収蒸気発生器１９０の中間圧力セクション２２０または別のところからの補給水２００の流れを燃焼器ライン３７０を介して燃焼器１３０に提供し、さらに、グリッド周波数制御水洗浄マニホルドライン３８０を介して圧縮機１２０に提供する。したがって、一時的電力増大システム３５０は、高温周囲条件かつ低周波数時の定格出力低下の必要性を軽減するかまたは排除することになる。さらに、グリッドの需要に適合させるためのオーバーファイアの率（ｆｉｒｅｏｖｅｒｒａｔｅ）が低下されることから、メンテナンスの必要性も軽減され得る。

したがって、一時的電力増大システム３５０は、グリッド事象時に利用され得る、水洗浄システム２９０の水洗浄流れ２９５から分離される追加の電力源となり得る。具体的には、グリッド事象時に電力プラント全体を適用可能な送電系統運用規則に適合させた状態を維持できるように、追加の電力が提供され得る。したがって、ガスタービンエンジン３１０は、オーバーファイアリングを制限してそれによりメンテナンスを軽減しながら、ベース負荷で運転され得る。

上述が本出願および得られる特許の特定の実施形態のみに関連することは明白であろう。以下の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される本発明の一般的な趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書では当業者により多くの変更および修正がなされ得る。

１０複合サイクルシステム
１２ガスタービンエンジン
１４圧縮機
１６空気流れ
１８燃焼器
２０燃料流れ
２２燃焼ガス
２４タービン
２６シャフト
２８負荷
３０ストリームタービン
３２高圧力セクション
３４中間圧力セクション
３６低圧力セクション
３８復水器
４０ＨＲＳＧ
４２低圧力セクション
４４中間圧力セクション
４６高圧力セクション
４８ポンプ
５０パフォーマンスヒータ
５２加熱水の流れ
５４中間圧力エコノマイザ
５６中間圧力蒸発器
６０圧縮機水洗浄システム
６２水タンク
６４洗浄剤タンク
６６水洗浄ポンプ
６８エダクタ
７０水スキッド
７２スプレーノズル
７４オンライン水洗浄
７６オフライン水洗浄
７８ＧＲＣ水洗浄
８０バルブ
８２水噴射システム
８４脱イオン水供給源
８６ポンプ
８８バルブ
１００複合サイクルシステム
１１０ガスタービンエンジン
１２０圧縮機
１３０燃焼器
１４０タービン
１５０蒸気タービン
１６０低圧力セクション
１７０復水器
１８０ポンプ
１９０ＨＲＳＧ
２００加熱水の流れ
２１０パフォーマンスヒータ
２２０中間圧力セクション
２３０中間圧力エコノマイザ
２４０中間圧力蒸発器
２５０水噴射システム
２６０脱イオン水供給源
２７０ポンプ
２８０バルブ
２８５噴射流れ
２９０圧縮機水洗浄システム
２９５水洗浄流れ
３００オンライン水洗浄
３１０オフライン水洗浄
３２０ＧＲＣ水洗浄
３２５水タンク
３３０洗浄剤タンク
３４０エダクタ
３４５ポンプ
３５０一時的電力増大システム
３６０タップオフライン
３７０燃焼器ライン
３８０ＧＲＣ水洗浄ライン
３９０バルブ

Claims

複合サイクルシステムであって、
圧縮機、燃焼器およびタービンを備えるガスタービンエンジンと、
復水器を備える蒸気タービンエンジンと、
前記圧縮機および水洗浄流れに連通される圧縮機水洗浄システムと、
前記燃焼器および噴射流れに連通される燃焼器水噴射システムと、
中間圧力セクションを備える熱回収蒸気発生器であって、前記中間圧力セクションが中間圧力エコノマイザおよび中間圧力蒸発器を備える、前記熱回収蒸気発生器と、
前記中間圧力エコノマイザの下流且つ、前記中間圧力蒸発器の上流の第１の位置で前記中間圧力セクションから取った補給水流れと、
前記熱回収蒸気発生器の下流にあるパフォーマンスヒータであって、前記補給水流れが、前記第１の位置から前記パフォーマンスヒータに供給されて、前記燃焼器への燃料の流れを加熱する、前記パフォーマンスヒータと、
前記パフォーマンスヒータの下流の一時的電力増大システムと、
を備え、
前記一時的電力増大システムが、前記パフォーマンスヒータの下流にありかつ前記復水器の上流にある第２の位置で補給水の流れを捕捉するタップオフラインを備え、
前記補給水の流れは、前記タップオフラインと連通する燃焼器ラインにより前記燃焼器に供給され、
前記補給水の流れは、前記タップオフラインと連通する水洗浄ラインにより前記圧縮機水洗浄システムに供給される、
複合サイクルシステム。
前記燃焼器水噴射システムが、前記噴射流れに連通される脱イオン水供給源を備える、請求項１記載の複合サイクルシステム。
前記圧縮機水洗浄システムが、前記水洗浄流れに連通される、オンライン水洗浄システムおよびオフライン水洗浄システムを備える、請求項１または２に記載の複合サイクルシステム。
前記圧縮機水洗浄システムが、前記水洗浄流れに連通されるグリッド周波数制御水洗浄ラインを備える、請求項１乃至３のいずれかに記載の複合サイクルシステム。
前記圧縮機水洗浄システムが、前記水洗浄流れに連通される水タンクを備える、請求項１乃至４のいずれかに記載の複合サイクルシステム。
前記圧縮機水洗浄システムが、前記水タンクの下流に配置される、洗浄剤タンクおよびエダクタを備える、請求項５記載の複合サイクルシステム。
前記一時的電力増大システムがオン／オフバルブを備える、請求項１乃至６のいずれかに記載の複合サイクルシステム。