JP6291245B2 - Ｈｒｓｇおよびファンへの空気流バイパスを備えた過給結合サイクルシステム - Google Patents
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Description
本明細書において開示される主題は、結合サイクル電力システムに関し、より詳細には、空気流バイパスを備えた過給結合サイクルシステムに関する。
結合サイクル電力システムおよびコージェネレーション設備は、ガスタービンを利用して発電している。これらのガスタービンは、通常、蒸気を生成する熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）に運ばれる高温排気ガスを生成する。蒸気を使用して蒸気タービンを駆動して、より多くの電力を生成し、および／または他のプロセスに使用するための蒸気を提供することができる。
電力システムを最大効率で運転することは、あらゆる発電設備にとって優先度が高い。負荷条件、設備の劣化および周囲の条件を始めとする要因は、最適条件未満の状態で発電装置を運転することになる。ガスタービンの容量を大きくするための方法としてタービンシステムに過給する（その結果、入口圧が周囲圧より高くなる）ことは知られている。過給タービンシステムは、通常、ガスタービン入口に配置された、蒸気への排気廃熱の変換によって引き出される蒸気エネルギーによって駆動される可変速過給ファンを含む。ガスタービン軸の馬力を大きくすることができるよう、ガスタービンに流入する空気の質量流量を多くするために過給ファンが使用されている。
従来の過給結合サイクルシステムが抱えている問題は、主として優勢な「スパークスプレッド」のため、それらが経済的ではないことである。スパークスプレッドは、所与の量の電気の販売価格からその所与の量の電気を生成するのに必要な燃料のコストを引いたガス燃焼発電装置の総収益である。運転、維持、資本および他の財政コストは、このスパークスプレッドから賄わなければならない。従来の過給システムが抱えているもう１つの問題は、入口ファンの制御が困難なことである。多くの場合、このようなシステムの投資収益率は魅力的ではない。従来の過給結合サイクルシステムは、十分なシステム柔軟性、アウトプットおよび効率を、システムのライフサイクルにわたって顧客に提供していない。さらに、これらのシステムにはかなりの修正が必要であり、また、場合によっては過去から受け継いだシステムと両立しないことがある。
非制限の一例示的実施形態によれば、本発明は、圧縮機および排気を提供する出力側を有するガスタービンサブシステムと、入口を有する熱回収蒸気発生サブシステムとを含んだ結合サイクルシステムに関している。排気ダクトは、ガスタービンシステム、および排気を熱回収蒸気発生システムに輸送するための入口に結合されている。また、システムは、空気流を生成する制御可能空気流源と、該制御可能空気流源に結合された、空気流の少なくとも一部を圧縮機に運ぶためのダクトアセンブリとを含む。また、制御可能空気流源および排気ダクトに結合された、空気流の少なくとも一部を選択的に入口に運ぶように適合されたバイパスが同じく提供されている。
他の実施形態では、可変空気流を提供する強制通風ファンを含んだ過給システムが提供される。また、空気流の少なくとも一部を圧縮機へ導くダクト、および空気流の少なくとも一部を熱回収蒸気発生器に向けるバイパスサブシステムが同じく提供される。システムは、バイパスサブシステムおよび強制通風ファンに結合された制御システムを含む。
他の実施形態では、結合サイクルシステムを運転する方法は、第１の運転状態を決定するステップと、所望の運転状態を決定するステップとを含む。この方法は、所望の運転状態を達成するために、圧縮機に提供される空気の第１の質量流量および熱回収蒸気発生器に提供される空気の第２の質量流量を決定するステップを含む。この方法は、制御可能空気流源を提供するステップと、空気の第１の質量流量を圧縮機に選択的に運ぶステップと、空気の第２の質量流量を熱回収蒸気発生器に選択的に運ぶステップとを含む。
他の実施形態では、結合サイクルシステムが提供される。結合サイクルシステムは、圧縮機、および排気を提供する出力側を有するガスタービンサブシステムと、ガスタービンサブシステムに結合された排気ダクトと、排気ダクトに結合された熱回収蒸気発生サブシステムとを有する。空気流を生成するファンが、駆動排気を有する原動機によって駆動される。ファンに結合され、空気流の少なくとも一部を圧縮機に運ぶためのダクトアセンブリが提供される。これに加えて、ファンおよび排気ダクトに結合され、空気流の少なくとも一部を排気ダクトに選択的に運ぶように適合されたメインバイパスと、ファンおよび原動機に結合され、空気流の少なくとも一部を原動機に選択的に運ぶように適合された駆動バイパスが提供される。原動機は、航空転用ガスターン、ガスタービン、往復機関、蒸気タービンおよび誘導モータのうちの１つであってよい。
他の実施形態では、空気流を提供するファンと、ファンに結合された原動機を有する過給システムが提供される。過給システムはまた、空気流の第１の部分をガスタービンシステムに導くダクトと、空気流の第２の部分を熱回収蒸気発生器へと向けるメインバイパスサブシステムと、空気流の第３の部分を原動機へと向ける駆動バイパスサブシステムとを含む。
他の実施形態では、結合サイクルシステムを運転する方法が提供される。方法は、第１の運転状態を決定するステップと、所望の運転状態を決定するステップとを含む。方法は、所望の運転状態を達成するために、ガスタービン圧縮機に提供される空気の第１の質量流量を決定するステップと、所望の運転状態を達成するために、熱回収蒸気発生器に提供される空気の第２の質量流量を決定するステップと、所望の運転状態を達成するために、原動機に提供される空気の第３の質量流量を決定するステップとを含む。この方法はまた、原動機によってファンを駆動させることで空気流を提供するステップと、この空気流を空気の第１の質量流量に関連する第１の質量流量部分と、空気の第２の質量流量に関連する第２の質量流量部分と、空気の第３の質量流量に関連する第３の質量流量部分とに分割するステップとを含む。この方法は、第１の質量流量部分を圧縮機に運ぶステップと、空気の第２の質量流量を熱回収蒸気発生器に運ぶステップと、空気の第３の質量流量を原動機に運ぶステップとをさらに含む。
本発明の他の特徴および利点は、一例として本発明の特定の態様の原理を示す添付の図面に関連して行う、好ましい実施形態についての以下のより詳細な説明から明らかになるであろう。
図１は、本発明の一実施形態による、空気バイパスを備えた過給結合サイクルシステム（ＳＣＣＡＢシステム１１）の略図を示したものである。ＳＣＣＡＢシステム１１はガスタービンサブシステム１３を含み、このガスタービンサブシステム１３は、圧縮機入口１６を有する圧縮機１５、燃焼器１７およびタービン１９を含む。排気ダクト２１は、タービン１９および熱回収蒸気発生器サブシステム（ＨＲＳＧ２３）に結合することができる。ＨＲＳＧ２３は、蒸気を生成するために、ＨＲＳＧ入口２４を介して運ばれるタービン１９からの排気ガスから熱を回収する。また、ＨＲＳＧ２３は、ＨＲＳＧ２３に追加エネルギーを提供するための二次バーナ２５を含むことも可能である。ＨＲＳＧ２３からの蒸気および排気の一部は、スタック２７に通気することができ、あるいは蒸気タービン２６を駆動し、かつ、追加電力を提供するために使用することができる。ＨＲＳＧ２３からの蒸気の一部は、他のプロセスのために使用するべく、プロセス蒸気出口ヘッダ２８を介して輸送することができる。ＳＣＣＡＢシステム１１は、入口ハウスおよび冷却システム２９を含むことも可能である。入口ハウスおよび冷却システム２９を使用して、圧縮機入口１６に流入する空気が冷却され、かつ、フィルタリングされ、それにより電力が増加し、また、圧縮機１５の損傷が回避される。
また、ＳＣＣＡＢシステム１１は、空気を圧縮機１５へ強制する正圧を生成するために使用される強制通風ファン３０を含む。強制通風ファン３０は、固定ブレードファンまたは可変ブレードファン（図示せず）、およびブレードを駆動するための電動機（図示せず）を有することができる。強制通風ファン３０は、原動機３１によって駆動することができる。強制通風ファン３０は、ダクトアセンブリ３２を介して制御可能空気流源を提供し、また、この強制通風ファン３０を使用して圧縮機１５に流入する空気の質量流量を多くすることができる。圧縮機に流入する空気の量は、原動機３１によって制御される。圧縮機入口１６は、従来の設計による若干の負圧と比較すると、若干の正圧に適応するように構成することができる。
また、ＳＣＣＡＢシステム１１は、強制通風ファン３０からの空気流の一部を排気ダクト２１に向けるバイパス３３（このバイパス３３は外部ダクト配管を含むことができる）を含むことも可能である。増加したこの空気流により、二次バーナ２５に追加酸素が提供され、それによりフレームアウトまたは最適未満の燃焼が回避される。バイパス３３は、流量センサ３５およびバイパス３３を通る空気流を制御するための制動弁３７を備えることができる。制御システム３９を提供することにより、流量センサ３５からデータを受け取り、かつ、制動弁３７および原動機３１を制御することができる。制御システム３９は、ＳＣＣＡＢシステム１１の運転を制御するために使用されるより大きい制御システムの中に統合することができる。バイパスからの空気流は排気ダクト２１へ運ばれ、この排気ダクト２１でＨＲＳＧ２３に流入する結合された空気および排気の温度を調節することができる。
図２は、一対のガスタービンサブシステム１３を含んだＳＣＣＡＢシステム１１の他の実施形態を示したものである。この実施形態では、この一対のガスタービンサブシステム１３の排気を使用して蒸気タービン２６が駆動される。この実施形態では、入口ハウス４１は強制通風ファン３０の上流側に配置されており、また、ファンからの空気流を冷却することができる冷却システム４３は、強制通風ファン３０の下流側に配置されている。バイパス３３は冷却システム４３に結合されている。この実施形態では２つのガスタービンサブシステム１３が説明されているが、任意の数の蒸気タービン２７と組み合わせた任意の数のガスタービンサブシステム１３を使用することができることは当業者には認識されよう。
運転中、ＳＣＣＡＢシステム１１は、増加した空気流をＨＲＳＧ２３に提供し、それにより多くの利点が得られる。ＳＣＣＡＢシステム１１は、結合サイクルプラント柔軟性、効率およびライフサイクル経済学を最適化する能力をオペレータに提供することができる。例えばガスタービンサブシステム１３の入口圧力を昇圧することにより、出力性能および熱消費率性能が改善される。ＳＣＣＡＢシステム１１の劣化に見合う量だけ過給（および強制通風ファン３０を駆動するための寄生負荷）のレベルを常に高くすることにより、ＳＣＣＡＢシステム１１のライフサイクルを通してＳＣＣＡＢシステム１１の出力性能を平らに維持することができる（劣化しない）。ＳＣＣＡＢシステム１１によって得られる他の利点は、蒸気の生成に対する発電比率包絡線の拡張である。これは、ＨＲＳＧ入口２４の排気ガス温度を強制通風ファン３０からの空気を使用して調節することによって達成することができる。ＳＣＣＡＢシステム１１によって得られる他の利点は、パージサイクル（蓄積したガスの除去）におけるリダクションの結果として、スタートアップレートが改善されることである。また、ＳＣＣＡＢシステム１１によれば、バイパス３３を介して提供される強制通風ファン３０からの空気を使用して排気ダクト２１の排気温度を調節することにより、負荷ランプレートを改善することも可能である。また、ＳＣＣＡＢシステム１１の強制通風ファン３０は、ガスタービンサブシステム１３およびＨＲＳＧ２３を強制冷却するための有効な手段を提供し、それにより保守サービス中断時間が短縮され、かつ、システム可用性が改善される。強制通風ファン３０は、すべてのガスタービンサブシステム１３のための単純なサイクル構成および結合サイクル構成に対して、適度の資本コストで、高温周囲条件の下で、２０％出力改善の範囲内で引き渡すための匹敵する利点を提供する。
ＳＣＣＡＢシステム１１は、図３を参照して示されるように経時的に結合サイクルプラントの出力を維持する方法を実施することができる（方法５０）。ステップ５１では、方法５０は、現在の状態を決定し、ステップ５３では、方法５０は、所望の状態を決定することができる。所望の状態は、性能損失を補償するために常に公称出力を維持するためのものであってもよい。性能損失は、通常、ガスタービンのコンポーネントが常に摩耗することによって生じる。これらの損失は、測定または計算することができる。ステップ５５では、方法５０は、所望の出力を維持するために必要な増加した空気の質量の流れを決定することができる。ステップ５７では、方法５０は、その決定に基づいて、圧縮機入口１６に流入する空気の質量を調整することができる。ステップ５９では、方法５０は、ＨＲＳＧ入口２４に流入する結合をされた空気および排気の質量を調整することができる。
図４は、従来の結合サイクルシステムおよびＳＣＣＡＢシステム１１の時間に対する出力および熱消費率の損失（百分率で示されている）を示したものである。ガスタービンは、ガスタービンのコンポーネントの摩耗の結果として、常に出力損失の問題を抱えている。この損失は、一部には、タービンおよび圧縮機のクリアランスの増加、ならびに表面仕上げおよびエーロフォイル輪郭の変化によるものである。通常、保守または圧縮機洗浄ではこの損失を回復することはできず、それどころか、その解決法は、推奨検査間隔で影響を受けた部品を交換する以外にはない。しかしながら、強制通風ファン３０を使用して過給のレベルを高くすることにより、強制通風ファン３０を駆動するための寄生負荷によるコストはかかるが、出力性能を維持することは可能である。一番上の曲線（二重実線）は、従来の結合サイクルシステムの典型的な出力損失を示している。第２の曲線（二重破線）は、定期検査およびルーチン保守を使用した期待出力損失を示したものである。一番下の曲線（三重破線）は、ＳＣＣＡＢシステム１１の出力損失をほぼ０％に維持することができることを示している。同様に、従来の結合サイクルシステムの熱消費率劣化（一本の実線曲線）は、ＳＣＣＡＢシステム１１を使用して著しく改善することができる。
図５は、ＳＣＣＡＢシステム１１の蒸気出力を制御する方法を示している（方法６０）。ステップ６１において、方法６０は、最初に現在の状態を決定することができる。ステップ６３では、方法６０はまた、所望の出力および蒸気流を決定することも可能である。ステップ６５では、方法６０は、圧縮機入口１６およびＨＲＳＧ入口２４への必要な増加空気流を決定することができる。ステップ６７では、方法６０は次に、所望の蒸気出力を提供するために、圧縮機入口１６に流入する空気流を調整し、かつステップ６９ではＨＲＳＧ入口２４に流入する結合された排気および空気流を調整することができる。
図６は、一定の蒸気流を維持するための拡張運転包絡線を示したものである。縦軸はＭＷ単位の出力であり、横軸は蒸気の質量の流れである。内側の領域（明るい縦のクロスハッチ）は、従来の結合サイクルシステムの包絡線を示している。ＳＣＣＡＢシステム１１の包絡線は対角線のクロスハッチで示されており、また、より大きい領域は、ＨＲＳＧ２３内における二次着火と組み合わせたＳＣＣＡＢシステム１１の性能を示している。
図７は、最小負荷およびベース負荷における従来の結合サイクルシステムと比較した、特定の室温でのＳＣＣＡＢシステム１１の改良された運転性能を示すチャートである。横軸はＭＷ単位の出力であり、縦軸は熱消費率（１ｋＷｈの電気を生成するのに必要な燃料からの熱エネルギー（ＢＴＵ単位））である。このチャートは、ＳＣＣＡＢシステム１１によって引き渡される改良された効率を示している。
図８に示されているのは、本発明の他の実施形態による結合サイクルシステム１１１の略図である。結合サイクルシステム１１１は、圧縮機入口１１６を有する圧縮機１１５と、燃焼器１１７およびタービン１１９とを含むガスタービンサブシステム１１３を含む。排気ダクト１２１が、ガスタービンサブシステム１１３および熱回収蒸気発生器サブシステム（ＨＲＳＧ１２３）に結合されてよい。ＨＲＳＧ１２３は、ＨＲＳＧ入口１２４を介して運ばれるガスタービンサブシステム１１３からの排気ガスから熱を回収して蒸気を生成する。ＨＲＳＧ１２３からの蒸気および排気の一部を使用して蒸気タービン１２６を駆動させ追加の電力を提供し、あるいはスタック１２７に通気することができる。ＨＲＳＧ１２３からの蒸気の一部は、プロセス蒸気出口ヘッダ１２８を介して輸送されて他のプロセスに使用することができる。
また、結合サイクルシステム１１１は、空気を圧縮機１１５へ強制する正圧を生成するために使用される強制通風ファン１３０を含む。強制通風ファン１３０は、固定ブレードファンまたは可変ブレードファンであってよい。強制通風ファン１３０は、原動機１３１によって駆動させることができる。強制通風ファン１３０は、ダクトアセンブリ１３２を介して制御可能な空気流源を提供し、また強制通風ファン１３０を使用してガスタービンサブシステム１１３に流入する空気の質量流量を多くすることができる。ガスタービンサブシステム１１３に流入する空気の量は、原動機１３１によって制御される。
また、燃焼サイクルシステム１１１は、入口ハウス１４１および冷却システム１４３を含むことができる。入口ハウス１４１および冷却システム１４３は、ガスタービンサブシステム１１３に流入する空気を冷却しフィルタリングすることで電力を増加させ、圧縮機に対する損傷を防ぐことができる。いくつかの実施形態において、入口ハウス１４１および冷却システム１４３は結合され、強制通風ファン１３０から下流に配設することができる。
また、結合サイクルシステム１１１は、強制通風ファン１３０からの空気流の一部を排気ダクト１２１に向けるバイパス１３３（このバイパス１３３は外部ダクト配管を含むことができる）を含むことも可能である。バイパス１３３は、流量センサ１３９およびバイパス１３３を通る空気流を制御するためのバイパス制動弁１３７を備えることができる。バイパスからの空気流は、排気ダクト１２１へ運ばれ、この排気ダクト１２１でＨＲＳＧ２３に流入する結合された空気および排気の温度を調整することができる。
また、結合サイクルシステム１１１は、原動機１３１に結合された駆動バイパス１４５を含むことができる。駆動バイパス１４５は駆動制動弁１４６および駆動システムセンサ１４７を備えている。また、原動機１３１は、二次制動弁１４９および二次センサ１５０を有する二次導管１４８を備える場合もある。原動機は、導管１５１によって強制通風ファン１３０に結合される。いくつかの実施形態において、原動機１３１の排気は、駆動排気導管１５５を介してＨＲＳＧ２３に運ぶことができる。
運転中、原動機１３１は、強制通風ファン１３０を駆動させ、所定の質量流量で空気流を提供する。この空気流は、冷却システム１４３によって冷却することができる。空気流は、圧縮機入口１１６に運ぶべき第１の質量流量、排気ダクト１２１に運ぶべき第２の質量流量、および一部のケースでは原動機１３１に運ぶべき第３の質量流量に分割することができる。第１の質量流量、第２の質量流量および第３の質量流量の制御は、バイパス制動弁１３７、駆動制動弁１４６および二次制動弁１４９を制御することによって行われる。第１の質量流量、第２の質量流量および第３の質量流量を制御することによって、結合サイクルシステム１１１の動作包絡線のより効果的な制御がオペレータに提供される。
図９は、バイパス制動弁１３７、駆動制動弁１４６および二次制動弁１４９を制御するのに使用される制御システム１６１を示している。制御システム１６１は、流量センサ１３９、駆動システムセンサ１４７および二次センサ１５０から読み取り値を受信する。制御システム１６１は、従来式のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｓｐｅｅｄｔｒｏｎｉｃ（登録商標）ＶＩ Ｇａｓ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍであってよい。ＳｐｅｅｄＴｒｏｎｉｃ制御装置は、種々のセンサおよびガスタービンに関連する他の機器を監視する。例えば燃料流量などの特定のタービンの機能の制御に加えて、ＳｐｅｅｄＴｒｏｎｉｃ制御装置は、そのタービンセンサからデータを生成し、そのデータをタービンオペレータに対して表示するために提示する。このデータは、データチャートおよび他のデータ表示を生成するソフトウェア、例えばＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｉｍｐｌｉｃｉｔｙ（登録商標）ＨＭＩソフトウェア製品を使用して表示することができる。
Ｓｐｅｅｄｔｒｏｎｉｃ（登録商標）制御システムは、ヒトであるオペレータからのセンサ入力および指示を使用してガスタービンの運転を制御するようにプログラムを実行するマイクロプロセッサを含むコンピュータシステムである。制御システムは、論理ユニット、例えばサンプルおよびホールドユニットならびに和差ユニットを含んでおり、これらはソフトウェアまたはハードウェア論理回路内に実装することができる。制御システムプロセッサによって生成されたコマンドによって、ガスタービン上のアクチュエータに、例えば燃焼室に燃料を供給する燃料制御システムを調整させ、圧縮機に対して入口ガイドベーンを設定させ、ガスタービンに対する他の制御設定を調整させる。
制御システム１６１は、コンピュータプロセッサと、プロセッサによって実行される種々のアルゴリズムを使用してセンサ読み取り値をデータに変換するデータ記憶装置とを含む。アルゴリズムによって生成されたデータは、ガスタービンの種々の運転条件を示している。このデータは、例えばオペレータディスプレイに電気的に結合されたコンピュータワークステーションなどのオペレータディスプレイ１６３上に提示することができる。ディスプレイおよび／または制御装置は、例えばＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｉｍｐｌｉｃｉｔｙ（登録商標）ｄａｔａ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎなどのソフトウェアを使用してデータディスプレイおよびデータプリントアウトを生成することができる。
図１０は、原動機１３１がガスタービン１７１である一実施形態を示したものである。ガスタービン１５９は、他のタイプの原動機１３１に対して特定の利点を提供する。これらの利点には、特に持続した高い電力出力が要求される用途における信頼性の向上、および高負荷において高効率であることが含まれる。ガスタービン１７１を原動機１３１として使用することの欠点には、部分負荷でエンジンを往復運動させたときにコストが上がるといった効率が低下する点が含まれる。運転中、ガスタービン１７１は、駆動バイパス１４５を介して過給冷却空気を受け取り、その排気は、駆動排気導管１５５を介してＨＲＳＧ１２３に運ばれることで最良のサイクル効率および柔軟性を実現することができる。これにより、優れた全負荷および部分負荷効率ならびに運転柔軟性がもたらされる。ガスタービン１７１によって駆動される強制通風ファン１３０は、出力の劣化を埋め合わせるための交換効率によって経時的に出力劣化をなくす。また、ガスタービン１７１によって駆動される強制通風ファン１３０は、蒸気の生成に対する発電比率包絡線を拡張する能力をオペレータに提供する。さらにガスタービン１７１によって駆動される強制通風ファン１３０は、ガスタービンサブシステム１１３結合サイクルシステム１１１の有効電力生成および効率を改善する。動作包絡線を拡張することによって、オペレータは、一部の出力の不足が生じているマルチユニットの電力ブロックにおいてユニットを追加するのに必要な資本および運転コストのマイナスの影響を抑えることができる。ガスタービン１７１の使用は、資本および維持コストが高いという欠点を有する。ガスタービン１７１は、固定された過給機ブーストでの高いサイクル効率および極めて高いピーク出力と共に中程度の複雑度のサブシステムを提供する。
図１１は、航空機転用ガスタービン１７３が原動機１３１として使用される他の実施形態を示している。航空機転用ガスタービン１７３は、航空機産業タービンに由来するガスタービンである。航空機転用ガスタービン１７３の使用の決断は主に、経済的および運転上の利点に基づいている。それらは比較的軽量であり、高い性能と効率を提供する。航空機転用ガスタービン１７３によって、集中制御の可能性と併せてトルクの有効な制御が可能になる。従来の重量のあるフレームガスタービン駆動装置と比較した航空機転用ガスタービン１７３の一般的な経済的／運転上の利点およびメリットは、効率が１０から１５パーセント改善されることである。航空機転用ガスタービン１７３は、滑らかな制御された始動を提供する。航空機転用ガスタービン１７３はより高い可用性および運転の信頼性を有し、その広範な負荷範囲によって、経済的に最適化された電力制御を可能にする。また、航空機転用ガスタービン１７３は、運転停止し、迅速にランプアップし、より効率的に負荷に対処できることにより、従来の重量のあるフレームガスタービン駆動装置に対する利点を提供する。航空機転用ガスタービン１７３は、固定された過給機ブーストにおいて高いサイクル効率および極めて高いピーク出力を提供する。このような用途向けの航空機転用ガスタービン１７３の利点は、一部の欠点を差し引くはずであり、これには高い資本コストおよび極めて高い維持コストが含まれる。
図１２は、蒸気タービン１７５が原動機１３１として使用される他の実施形態を示している。蒸気タービンは、加圧された蒸気から熱エネルギーを抽出し、それを使用して回転出力シャフトに対して機械的な仕事を行う装置である。蒸気タービン１７５の使用により、蒸気タービン１７５を駆動させるのに広範な燃料を使用することが可能であるという利点が提供される。他の原動機と比べると、蒸気タービンは、固定された過給機ブーストにおいて中程度の資本コスト、維持コスト、サイクル効率およびピーク出力を有する。蒸気タービン１７５はまた、サブシステムの高い複雑度を有する。しかしながら蒸気タービン１７５は、ボイラーおよび他の設備を必要とし、かつ費用性能比が大きくなるという欠点を有する。蒸気タービン１７５は、ゆっくりとした負荷変化挙動を有し、これはひとたび蒸気タービン１７５を稼働させると直ぐには停止させることができないことを意味している。その回転を減速させるには特定の時間量が必要である。また、蒸気タービン１７５は、部分負荷性能が芳しくない。
図１３は、誘導モータ１７７が原動機１３１として使用される他の実施形態を示している。誘導モータ１７７は、ＡＣモータの一種であり、他のタイプのモータでのように整流子またはスリップリングではなく、電磁誘導により電力がロータに供給される。誘導モータ１７７は、頑丈であり、運転し易く、資本および維持コストが低いという利点を有する。また、誘導モータ１７７は、複雑度の低いサブシステムを提供するという利点も有する。誘導モータ１７７の他の利点は、トルク出力を調節し、誘導モータ１７７のエネルギー出力を調節する能力である。誘導モータ１７７は、固定された過給機ブーストにおいて低い始動トルク、低サイクル効率および低いピーク出力を有するという欠点を有する。これに加えて、誘導モータ１７７の速度は、負荷が増加するにつれ低下する。
図１４は、往復機関１７９が原動機１３１として使用される他の実施形態を示している。また、往復機関１７９は、ピストンエンジンとしてもよく知られており、これは１つまたは複数の往復するピストンを使用して圧力を回転運動に変換するディーゼルエンジンなどの熱機関である。強制通風ファン１３０を駆動するために往復機関１７９を使用することは、部分負荷運転および高サイクル効率において高い効率を提供するという利点を有する。固定された過給機ブーストにおけるピーク出力は、往復機関１７９の場合極めて高い。これに加えて、往復機関１７９は、全負荷までのスタートアップ時間が短い。往復機関は、平均的な資本コストと維持コストを有する。サブシステムの複雑度は、他の原動機と比べて平均的である。
図１５に示されるのは、可変周波数ドライブ（ＶＦＤ１８１）が原動機１３１として使用される他の実施形態である。ＶＦＤ１８１は、電動機に供給される電力の周波数を制御することによって電動機の回転速度を制御するドライブである。ＶＦＤ１８１は、いくつかの利点を提供し、これにはサブシステムの低い複雑度および維持コストならびに公称速度未満の速度での運転によるエネルギーの節約が含まれる。ＶＦＤ１８１は、他の原動機と比べたとき平均的な資本コストを有し、平均的なサイクル効率を提供する。他の利点は、設備に対する応力を減少させる速度までＶＦＤ１８１を徐々にランプアップすることができることである。欠点は、固定された過給機ブーストにおいて平均ピーク出力がより低くなることである。
異なる原動機１３１の利点および欠点が、図１６で表にまとめられている。
図１７は、結合サイクルシステム１１１を運転するための方法２１１の流れ図である。
ステップ２１３で、オペレータは、第１の運転状態を決定する。
ステップ２１５で、オペレータは、所望の運転状態を決定する。所望の運転状態の一例は、結合サイクルシステム１１１の改善されたランプアップ性能であってよい。他の所望の運転状態は、結合サイクルシステム１１１に関して蒸気の生成に対する発電比が拡大することであり得る。さらに他の所望の運転状態は、経時的な出力の劣下が、結合サイクルシステム１１１の効率を犠牲にすることによって抑えられる運転状態であり得る。他の所望の運転状態は、結合サイクルシステム１１１の有効電力生成および効率が増大することであり得る。
ステップ２１７で、方法２１１は、所望の運転状態を達成するためにガスタービン圧縮機に提供すべき空気の第１の質量流量を決定する。
ステップ２１９で、方法２１１は、所望の運転状態を達成するために熱回収蒸気発生器に提供すべき空気の第２の質量流量を決定する。
ステップ２２１で、方法２１１は、所望の運転状態を達成するために原動機に提供すべき空気の第３の質量流量を決定する。
ステップ２２３で、方法２１１は、原動機によって強制通風ファンを駆動させて空気流を提供する。
ステップ２２５で、方法２１１は、空気流を第１の質量流量に関連する第１の質量流量部分と、第２の質量流量に関連する第２の質量流量部分と、第３の質量流量に関連する第３の質量流量部分とに分割する。
ステップ２２７で、方法２１１は、第１質量流量部分を圧縮機内に運ぶ。
ステップ２２９で、方法２１１は、第２の質量流量部分を熱回収蒸気発生器に運ぶ。
ステップ２３１で、方法２１１は、第３の質量流量部分を原動機に運ぶ。
以上、システムおよび／または方法の様々な実施形態について、ブロック図、流れ図および／または例を使用して詳細に説明した。このようなブロック図、流れ図および／または例が１つまたは複数の機能および／または動作を含んでいる限り、このようなブロック図、流れ図または例の中の個々の機能および／または動作は、広範囲にわたるハードウェアによって個別におよび／または集合的に実施することができることは当業者には理解されよう。さらに、方法ステップは、本明細書においては、流れ図および／または例の中で特定の順序で示されているが、必ずしも示されている順序での実施に限定されないことは理解されよう。例えばこれらのステップは同時に実施することができ、あるいは本明細書において示されている順序とは異なる順序で実施することができ、このような変形形態は、本開示に照らして、当業者には明らかであろう。
本成文説明には、最良のモードを含む、本発明を開示するための例が使用されており、また、任意のデバイスまたはシステムの構築および使用、ならびに組み込まれている任意の方法の実施を含む、すべての当業者による本発明の実践を可能にするための例が使用されている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義されており、当業者に思い浮ぶ他の例を含むことができる。このような他の例には、それらが特許請求の範囲の文字言語と同じ構造エレメントを有している場合であっても、あるいはそれらが特許請求の範囲の文字言語とは実質的な差異のない等価構造エレメントを含んでいる場合であっても、特許請求の範囲に包含されることが意図されている。
１１ ｓｃｃａｂシステム
１３ ガスタービンサブシステム
１５ 圧縮機
１６ 圧縮機入口
１７ 燃焼器
１９ タービン
２１ 排気ダクト
２３ ｈｒｓｇ
２４ ｈｒｓｇ入口
２５ 二次バーナ
２６ 蒸気タービン
２７ スタック
２８ プロセス蒸気出口ヘッダ
２９ 冷却システム
３０ 強制通風ファン
３１ 原動機
３２ ダクトアセンブリ
３３ バイパス
３５ 流量センサ
３７ 制動弁
３９ 制御システム
４１ 入口ハウス
４３ 冷却システム
５０ 方法
５１ ステップ
５３ ステップ
５５ ステップ
５７ ステップ
５９ ステップ
６０ 方法
６１ ステップ
６３ ステップ
６５ ステップ
６７ ステップ
６９ ステップ
１１１ 結合サイクルシステム
１１３ ガスタービンサブシステム
１１５ 圧縮機
１１６ 圧縮機入口
１１７ 燃焼器
１１９ タービン
１２１ 排気ダクト
１２３ ｈｒｓｇ
１２４ ｈｒｓｇ入口
１２６ 蒸気タービン
１２７ スタック
１２８ プロセス蒸気出口ヘッダ
１３０ 強制通風ファン
１３１ 原動機
１３２ ダクトアセンブリ
１３３ バイパス
１３７ バイパス制動弁／制御バイパス制動弁
１３９ 流量センサ
１４１ 入口ハウス
１４３ 冷却システム
１４５ 駆動バイパス
１４６ 駆動制動弁
１４７ 駆動システムセンサ
１４８ 二次導管
１４９ 二次制動弁
１５０ 二次センサ
１５１ 導管
１５５ 駆動排気導管
１５９ ガスタービン
１６１ 制御システム
１７１ ガスタービン
１７３ 航空機転用ガスタービン
１７５ 蒸気タービン
１７７ 誘導モータ
１７９ 往復機関
１８１ ｖｆｄ
１３ ガスタービンサブシステム
１５ 圧縮機
１６ 圧縮機入口
１７ 燃焼器
１９ タービン
２１ 排気ダクト
２３ ｈｒｓｇ
２４ ｈｒｓｇ入口
２５ 二次バーナ
２６ 蒸気タービン
２７ スタック
２８ プロセス蒸気出口ヘッダ
２９ 冷却システム
３０ 強制通風ファン
３１ 原動機
３２ ダクトアセンブリ
３３ バイパス
３５ 流量センサ
３７ 制動弁
３９ 制御システム
４１ 入口ハウス
４３ 冷却システム
５０ 方法
５１ ステップ
５３ ステップ
５５ ステップ
５７ ステップ
５９ ステップ
６０ 方法
６１ ステップ
６３ ステップ
６５ ステップ
６７ ステップ
６９ ステップ
１１１ 結合サイクルシステム
１１３ ガスタービンサブシステム
１１５ 圧縮機
１１６ 圧縮機入口
１１７ 燃焼器
１１９ タービン
１２１ 排気ダクト
１２３ ｈｒｓｇ
１２４ ｈｒｓｇ入口
１２６ 蒸気タービン
１２７ スタック
１２８ プロセス蒸気出口ヘッダ
１３０ 強制通風ファン
１３１ 原動機
１３２ ダクトアセンブリ
１３３ バイパス
１３７ バイパス制動弁／制御バイパス制動弁
１３９ 流量センサ
１４１ 入口ハウス
１４３ 冷却システム
１４５ 駆動バイパス
１４６ 駆動制動弁
１４７ 駆動システムセンサ
１４８ 二次導管
１４９ 二次制動弁
１５０ 二次センサ
１５１ 導管
１５５ 駆動排気導管
１５９ ガスタービン
１６１ 制御システム
１７１ ガスタービン
１７３ 航空機転用ガスタービン
１７５ 蒸気タービン
１７７ 誘導モータ
１７９ 往復機関
１８１ ｖｆｄ
Claims (13)
- 圧縮機、および排気を提供する出力側を有するガスタービンサブシステムと、
前記ガスタービンサブシステムに結合された排気ダクトと、
前記排気ダクトに結合された熱回収蒸気発生サブシステムと、
空気流を生成するファンと、
前記ファンを駆動し、駆動排気を有する原動機と、
前記ファンに結合され、前記空気流の少なくとも一部を前記圧縮機に運ぶダクトアセンブリと、
前記ファンおよび前記排気ダクトに結合され、前記空気流の少なくとも一部を前記排気ダクトに選択的に運ぶメインバイパスと、
前記ファンおよび前記原動機に結合され、前記空気流の少なくとも一部を前記原動機に選択的に運ぶ駆動バイパスと、
を備え、
前記原動機が、駆動排気を提供し、前記駆動排気の一部を、前記熱回収蒸気発生サブシステムおよび前記ファンに運ぶ駆動ダクトアセンブリをさらに備える、
結合サイクルシステム。 - 前記原動機が航空機転用ガスタービンである、請求項１に記載の結合サイクルシステム。
- 前記原動機がガスタービンである、請求項１に記載の結合サイクルシステム。
- 前記原動機が往復機関である、請求項１に記載の結合サイクルシステム。
- 結合サイクルシステムのための過給システムであって、
前記結合サイクルシステムが、
圧縮機、および排気を提供する出力側を有するガスタービンサブシステムと、
前記ガスタービンサブシステムに結合された排気ダクトと、
前記排気ダクトに結合された熱回収蒸気発生サブシステムと、
を備え、
前記過給システムが、
空気流を提供するファンと、
前記ファンに結合された原動機と、
前記空気流の第１の部分をガスタービンシステムに導くダクトと、
前記空気流の第２の部分を前記排気ダクトへと向けるメインバイパスサブシステムと、
前記空気流の第３の部分を前記原動機へと向ける駆動バイパスサブシステムと、
を備え、
前記原動機が、駆動排気を提供し、前記駆動排気の一部を、前記熱回収蒸気発生サブシステムおよび前記ファンに運ぶ駆動ダクトアセンブリをさらに備える、
過給システム。 - 前記原動機が航空機転用ガスタービンである、請求項５に記載の過給システム。
- 前記原動機がガスタービンである、請求項５に記載の過給システム。
- 前記原動機が往復機関である、請求項５に記載の過給システム。
- 結合サイクルシステムを運転する方法であって、
第１の運転状態を決定するステップと、
所望の運転状態を決定するステップと、
前記所望の運転状態を達成するために、ガスタービン圧縮機に提供される空気の第１の質量流量を決定するステップと、
前記所望の運転状態を達成するために、ガスタービンに結合された排気ダクトに提供される空気の第２の質量流量を決定するステップと、
前記所望の運転状態を達成するために、原動機に提供される空気の第３の質量流量を決定するステップと、
前記原動機によってファンを駆動させることで空気流を提供するステップと、
前記ファンからの前記空気流を空気の前記第１の質量流量に関連する第１の質量流量部分と、空気の前記第２の質量流量に関連する第２の質量流量部分と、空気の前記第３の質量流量に関連する第３の質量流量部分とに分割するステップと、
前記第１の質量流量部分を圧縮機に運ぶステップと、
空気の前記第２の質量流量を前記排気ダクトに運ぶステップと、
空気の前記第３の質量流量を前記原動機に運ぶステップと、
前記原動機によって生じた排気を、熱回収蒸気発生器および前記ファンに運ぶステップと、
を含む、方法。 - 原動機によってファンを駆動する前記ステップが、航空機転用ガスタービンによって前記ファンを駆動するステップを含む、請求項９に記載の方法。
- 原動機によってファンを駆動する前記ステップが、ガスタービンによってファンを駆動するステップを含む、請求項９に記載の方法。
- 原動機によってファンを駆動する前記ステップが、往復機関によってファンを駆動するステップを含む、請求項９に記載の方法。
- 空気の前記第３の質量流量を選択的に運ぶ前記ステップが、駆動バイパスを介して前記原動機に空気の前記第３の質量流量を運ぶステップを含む、請求項９に記載の方法。
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