JP7160493B2 - コンバインドサイクル発電所のための有機ランキンサイクル - Google Patents

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Description

本明細書は概して、限定ではないが、ガスタービンエンジン、排熱回収蒸気発生器、および蒸気タービンを利用するコンバインドサイクル発電所に関連する。より具体的には、限定ではないが、本出願は、ガスタービンから抽出された圧縮機空気を冷却するためのシステムに関し、これは、コンバインドサイクル発電所システムの他の部分を冷却するために使用できる。本明細書はまた、液化天然ガスの冷熱エネルギー利用に関連する。
Ｊシリーズエンジンなどの高度なガスタービンを備えたガスタービンコンバインドサイクル（ＧＴＣＣ）発電所に関し、圧縮機セクションから抽出された冷却空気は、典型的には、冷却空気をタービンセクションおよび／またはガスタービンの燃焼器へ送る前に、熱交換器を使用して冷却器で冷却される。例えば典型的にはタービン冷却空気（ＴＣＡ）冷却器および強化冷却空気（ＥＣＡ）冷却器が使用されており、ここでは、抽出された圧縮機空気が、排熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）からの高圧（ＨＰ）給水によって冷却される。高温の抽出された圧縮機空気によって加熱されたＨＰ給水は、ＨＲＳＧでの中圧（ＩＰ）および低圧（ＬＰ）の蒸気生成量を増加させるよう使用できる。
天然ガスは、ガスタービンエンジンのための燃料としてＧＴＣＣ発電所で頻繁に使用されている。天然ガスは世界的に２番目に大きなエネルギー源であり、かつ当面はその地位に留まると予想される。天然ガス市場の主要な成分は、世界中に天然ガスを輸送するために使用される液化天然ガス（ＬＮＧ）である。典型的には、ＬＮＧは現在、ＬＮＧを受け取る受取りターミナルで海水からの熱を使用してオープンラック式気化器を介して再ガス化される。再ガス化プロセスは海水の局所的な冷却を引き起こし、それには海洋生物への悪影響を含む環境問題が存在する。
ＬＮＧ冷熱エネルギー利用を伴うコンバインドサイクル発電所の例は、Wenらによる特許文献１、McQuigganによる特許文献２、Amirによる特許文献３、Kellerによる特許文献４に記載されている。
米国特許第６，３６７，２５８号明細書 米国特許第７，３９８，６４２号明細書 米国特許第７，９００，４５１号明細書 米国特許出願公開第２００３／０００５６９８号明細書
本願の発明者は、とりわけ、ＧＴＣＣ発電所で解決されるべき問題に、利用されていないＬＮＧからの固有の冷熱エネルギーだけでなくＴＣＡおよびＥＣＡ冷却システムの非効率的なエネルギーの利用が含まれ得ることを認識した。例えば、ＨＰ給水は、給水を気化させ得る典型的なＨＲＳＧ工程の制限に起因して、特定の温度までしか加熱できない。この温度制限により、ＴＣＡおよびＥＣＡの効果が抑制される。また、低温ＬＮＧ（約－１６０℃）を生成するべく天然ガスを冷却しかつ液化するために大量のエネルギーが消費される。低温ＬＮＧから得ることができる固有の低温エネルギー／エクセルギーは、再ガス化中に利用されない。
本発明の主題は、ガスタービン冷却空気を熱源として利用しかつＬＮＧをコールドシンクとして利用するために有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）を使用するなどによって、この問題や他の問題の解決策を提供するのに役立つことができる。吸熱温度を上げて放熱温度を下げることによって、パワーサイクル性能の大幅な改善を実現できる。
一例では、ガスタービンコンバインドサイクル発電所は、ガスタービンエンジンと、排熱回収蒸気発生器と、蒸気タービンと、燃料再ガス化システムと、有機ランキンサイクルシステムとを備えることができる。ガスタービンエンジンは、圧縮空気を発生させるための圧縮機と、燃焼ガスを生成するために燃料および圧縮空気を受け取ることができる燃焼器と、燃焼ガスを受け取って排気ガスを発生させるためのタービンと、を備えることができる。排熱回収蒸気発生器は、排気ガスを利用して水から蒸気を発生させるよう構成できる。蒸気タービンは、排熱回収蒸気発生器からの蒸気から動力を生成するよう構成できる。燃料再ガス化システムは、燃焼器に入る前に燃料を液体から気体に転換するよう構成できる。有機ランキンサイクルシステムは、タービンおよび燃焼器を冷却するために圧縮機から抽出された圧縮空気を冷却し、かつ燃料再ガス化システムに入る液体燃料を加熱するよう構成できる。
別の例では、ガスタービンコンバインドサイクル発電所で運転するための有機ランキンサイクルシステムは、流体を圧送するための流体ポンプと、流体ポンプによって圧送される流体を加熱するための加熱器と、加熱器で加熱された流体を膨張させるためのタービンと、ガスタービンコンバインドサイクル発電所の圧縮機から抽出された圧縮空気を用いて流体を加熱するために加熱器とタービンの入口との間に配置された第１の熱交換器と、タービンの出口とポンプの入口との間で流体を冷却するよう構成された燃料のための再ガス化システムと、を備えることができる。
付加的な例では、ガスタービンコンバインドサイクル発電所を運転する方法は、作動ポンプを使用して閉ループを通して作動流体を循環させるステップと、第１の外部熱源を用いて作動流体を加熱するステップと、第１の外部熱源によって加熱された作動流体を用いて第１の熱交換器においてガスタービンコンバインドサイクル発電所の圧縮機からの圧縮空気を冷却するステップと、加熱された流体をタービンを通して膨張させるステップと、タービンを用いて電力を生成するステップと、液体燃料再ガス化システムを用いてタービンから出る流体を凝縮するステップと、を含むことができる。
この概要は、本特許出願の主題の概要を提供するよう意図されている。本発明の排他的または網羅的な説明を提供することを意図するものではない。詳細な説明が本特許出願に関するさらなる情報を提供するために包含されている。
排熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）からの水を圧縮機空気のための冷却源として使用し、かつ海水を液化天然ガス（ＬＮＧ）のための熱源として使用する、従来のガスタービンコンバインドサイクル（ＧＴＣＣ）発電所を例示する概略図である。 コールドシンクとして液化天然ガス（ＬＮＧ）と併せて使用することができる、熱源として圧縮空気を使用するＯＲＣシステムを有する本出願のガスタービンコンバインドサイクル（ＧＴＣＣ）発電所を例示する概略図である。 図２のＯＲＣシステムを例示する概略図である。 図３のＯＲＣシステムの温度エントロピー（Ｔ－ｓ）図を示すグラフである。 図３のＯＲＣシステムの凝縮器／再ガス化装置の温度プロファイルを示すグラフである。 図３のＯＲＣシステムを運転するための方法のステップを例示する線図である。
図面では、必ずしも一定の縮尺で描かれておらず、同様の参照符号は異なる図面で類似の構成要素を表し得る。異なる文字の添え字を持つ同様の参照符号は、類似の構成要素の異なる実施例を表し得る。図面は概して、限定ではなく例示として、本明細書で説明される様々な実施形態を例示する。
図１は、ガスタービンエンジン（ＧＴＥ）１２と排熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）１４と蒸気タービン１６とを有する従来のガスタービンコンバインドサイクル（ＧＴＣＣ）発電所１０を例示する概略図である。ＧＴＥ１２は発電機１８と併せて使用でき、かつ蒸気タービン１６は発電機２０と併せて使用できる。発電所１０はまた、凝縮器２２およびグランド蒸気凝縮器（ＧＳＣ）２４と、蒸発冷却器２６と、燃料ガス加熱器３０と、タービン冷却空気（ＴＣＡ）冷却器３２と、強化冷却空気（ＥＣＡ）冷却器３４および３６と、強化冷却空気圧縮機３８と、凝縮ポンプ４０と、給水ポンプ４２と、を含むことができる。ＨＲＳＧ１４は、低圧セクション４４と、中圧セクション４６と、高圧セクション４８と、を含むことができる。凝縮器２２は、冷却システムの一部を形成することができ、海水の貫流冷却を伴う表面凝縮器を備えることができる。ＧＴＥ１２は、圧縮機５０と、燃焼器５２と、タービン５４とを含むことができる。蒸気タービン１６は、ＩＰ／ＨＰスプール５６およびＬＰスプール５８を含むことができる。
以下で図１を参照してより詳細に説明されるように、ＴＣＡ冷却器３２とＥＣＡ冷却器３４および３６とは、圧縮機５０から抽出された圧縮空気を冷却して燃焼器５２およびタービン５４を冷却するために、ＨＲＳＧ１４からの水を利用することができる。以下で図２および図３を参照してより詳細に説明されるように、ＴＣＡ冷却器３２およびＥＣＡ冷却器３４および３６での冷却は、ＨＲＳＧ１４からの水を使用する代わりに、本出願のＯＲＣシステムを用いて実施できる。
周囲空気を、蒸発冷却器２６を通して圧縮機５０に入れることができる。圧縮空気は、燃焼器５２に供給され、天然ガスまたは再ガス化されたＬＮＧの供給源にできる燃料源６０からの燃料と混合される。圧縮機５０からの圧縮空気は、タービン５４を回転させるべく高エネルギーガスを生成するように、燃焼器５２で燃焼するために燃料と混合される。タービン５４の回転は、圧縮機５０および発電機１８を駆動するよう回転シャフト動力を生成するために使用される。排気ガスＥはＨＲＳＧ１４へ誘導され、そこで排気ガスＥは、蒸気を生成するために、高圧セクション４８と中圧セクション４６と低圧セクション４４との中をパイプで送られる適切な水／蒸気と相互作用する。蒸気は、発電機２０を作動させるための回転シャフト動力を生成するために、蒸気ライン６１Ｃ、６１Ｂおよび６１Ａを介して蒸気タービン１６のＩＰ／ＨＰスプール５６およびＬＰスプール５８に送られる。排気ガスＥは、スタックなどの適切な排気手段を利用してＨＲＳＧ１４から出ることができる。ＨＲＳＧ１４は、付加的に、環境に有害な可能性のある物質を除去するために排気ガスＥを調整するための適切な手段を含むことができる。例えば、ＨＲＳＧ１４は、選択的触媒還元（ＳＣＲ）排出削減ユニットを含むことができる。
ＨＲＳＧ１４で使用される水は、ＴＣＡ冷却器３２とＥＣＡ冷却器３４および３６とにおける冷却源として使用できる。例えば、低圧セクション４４からの水は、給水ポンプ４２によってライン６２Ａを介してＴＣＡ冷却器３２に供給でき、ライン６２Ｂを介して高圧セクション４８に戻ることができる。同様に、給水ポンプ４２からの水は、矢印２’－２’によって示されるように、ライン６４Ａを介してＥＣＡ冷却器３４に供給することができ、続いて、矢印３’－３’によって示されるように、ライン６４Ｂを介して高圧セクション４８に戻すことができる。ＧＳＣ２４からの水はまた、圧縮空気を冷却するために、ライン６５を介してＥＣＡ冷却器３６に提供することができる。
ＨＲＳＧ１４からの水はまた、矢印５’－５’によって示されるように送水ライン６６Ａを用いて燃料ガス加熱器３０で燃料の加熱を実行するために使用でき、続いて水は、ライン６６Ｃおよび６６Ｄを介して低圧セクション４４に戻ることができる。
ＴＣＡ冷却器３２およびＥＣＡ冷却器３４内の水に加えられる熱は、ＨＲＳＧ１４でより多くの蒸気を生成する際にいくつかの効率上の利点をもたらす。しかしながら、上述のＨＲＳＧ１４内の水の上限温度に起因して、蒸気を作り出すためのＴＣＡ冷却器３２およびＥＣＡ冷却器３４の有効性には限界がある。本開示では、ＯＲＣシステム７０（図３）は、圧縮機５０から抽出された圧縮空気を冷却するために、ＧＴＥ１２の高温の圧縮空気および再ガス化システム７２（図３）からの低温のＬＮＧと熱連通状態で関連付けられ得る。
図２は、図１のガスタービンコンバインドサイクル（ＧＴＣＣ）発電所１０を例示する概略図であり、熱源として圧縮空気を使用しかつコールドシンクとして再ガス化システム７２（図３）からの液化天然ガス（ＬＮＧ）を使用するＯＲＣシステム７０（図３）を含むように本出願に基づいて変更されている。図２は、図１と同じかまたは機能的に同等の構成要素を示すことが適切である場合には同じ参照符号を利用しており、変更によって結果的にそうした構成要素が削除される場合には参照符号を省略する。付加的な構成要素を示すために、新しい参照符号が追加されている。
とりわけ、水をＥＣＡ冷却器３４へ供給しかつＥＣＡ冷却器３４から引き出すための矢印２’－２’および３’－３’によって形成されたライン６４Ａおよび６４Ｂは削除されて、ライン（２）および（３）に置き換えられている。水をＴＣＡ冷却器３２へ供給しかつＥＣＡ冷却器３４から引き出すためのライン６２Ａおよび６２Ｂが削除されて、ライン（２）および（３）に置き換えられている。加えて、ＧＳＣ２４からの送水ライン６５は、ＥＣＡ冷却器３６をバイパスしてライン６６Ｄに直接接続するよう経路付けられている。ＴＣＡ冷却器３２およびＥＣＡ冷却器３４および３６に水を提供する代わりに、作動流体が、ライン（２）、（３）、（１１）および（１２）を使用してＯＲＣシステム７０から提供され、これらラインは、ＯＲＣシステム７０におけるライン（２）、（３）、（１１）および（１２）によって示されるように熱交換セクションを介して圧縮空気と熱連通状態で結びつけることができる。作動流体は、図３に示されるように、ＨＲＳＧ１４からの煙道ガスおよびＬＮＧと熱を交換することができる。ライン（２）、（３）、（８）、（１１）および（１２）は、図３に示されるＯＲＣシステム７０の内部の位置に関連する。
図３は、ＯＲＣシステム７０および再ガス化システム７２を例示する概略図である。ＯＲＣシステム７０は、ＴＣＡ冷却器３２と、ＥＣＡ冷却器３４および３６（３２および３４はまとめて「第１の熱交換器」と称することができ、３６は「第２の熱交換器」と称することができる）と、ポンプ７４と、加熱器７６と、レキュペレータ７８と、タービン８０と、熱交換器８２と、を備えることができる。再ガス化システム７２は、ポンプ８４と、熱交換器８６と、加熱器８８と、を備えることができる。
図１のシステムと比較すると、付加的な加熱面が、ＯＲＣシステム７０のための熱交換器８２に設けられており、これは、低圧セクション４４においてＨＲＳＧ１４の低温エコノマイザ（ＬＴＥ）領域と並列に配置できる。したがって、ＨＲＳＧ１４の排気ガスＥ（または煙道ガス）は、ライン（６）で熱交換器８２に入ることができ、かつライン（７）で熱交換器８２から出ることができる。ＯＲＣシステム７０の作動流体は、ライン（８）で熱交換器８２に入ることができ、かつライン（２）で熱交換器８２から出ることができる。結果として、図２のシステムのスタック温度は、図１のような従来のＧＴＣＣ発電所よりも低くすることができ、それは、以下で説明するように、ＬＮＧが硫黄を含まないためＬＮＧ燃料の燃料品質が向上されることによって許容可能となる。
一実施形態では、ＯＲＣシステム７０の作動流体は、アンモニア（ＮＨ３）とすることができる。アンモニアは、不燃性であるという利点を有する。しかしながら他の実施形態では、他の流体を使用することができる。例えば、さまざまな有機化合物を使用できる。他の実施形態では、ＣＯ２、炭化水素流体、およびＨ２Ｓを使用することができる。他の流体は熱効率の増大をもたらし得るが、当産業ではアンモニアが一般的に使用されている。
ＯＲＣシステム７０の運転について、図３を参照して作動流体としてアンモニアを使用して説明する。ＯＲＣシステム７０は、熱交換器８６で始動でき、熱交換器８６は、ＯＲＣシステム７０のための凝縮器および再ガス化システム７２のための再ガス化装置として機能することができる。熱交換器８６では、アンモニアガスを液体に凝縮することができ、かつ（２０）でアンモニアポンプ７４に流入させることができる。液体アンモニアは、（２１）でより高い圧力となるようポンプで圧送でき、続いて（２２）で加熱器７６を使用してより高い温度へ予熱できる。加熱器７６は、工業プロセスまたは商業プロセスなどの外部システムからの外部熱源を含むことができる。続いて、液体アンモニアは、接合部９０で２つの部分に分割できる。一実施形態では、アンモニアの大部分は、（１５）と（９）との間でレキュペレータ７８内で加熱される。残りのアンモニアは、（１２）から（１１）へかけてＥＣＡ冷却器３６からの熱によって加熱できる。圧縮機５０（図２）からの冷却空気は、（１０）と（１３）との間で（ＴＣＡ冷却器３４を介して）ＥＣＡ冷却器３６へ流入することができる。２つのアンモニア流は、（８）で統合することができ、（８）から（２）へかけて熱交換器８２によってさらに加熱することができる。熱交換器８２は、ＨＲＳＧ１４の内部に配置することができ、（６）から（７）へかけてＨＲＳＧ１４からの排気ガスＥを用いて加熱することができる。（１）から（４）に流れる圧縮機５０からの冷却空気は、（２）から（３）へかけてＴＣＡ冷却器３２およびＥＣＡ冷却器３４の両方においてアンモニアを最終的に加熱するよう使用することができる。したがって、冷却器３２および３４は、アンモニア過熱器を備えることができる。そのため、（３）においてアンモニアは、タービン８０（本明細書では「ＯＲＣタービン」とも称される）へ入るためにより高い圧力およびより高い温度になされる。タービン８０は、発電機をタービン８０の出力シャフトに結合することなどによって発電に使用できる。タービン８０から排出されたアンモニアガスは、（５）から（１４）へかけてレキュペレータ７８内で冷却され、続いて熱交換器８６で凝縮することができ、熱交換器８６は、（２０）においてアンモニアをその初期状態に戻すためにアンモニア凝縮器として機能することができる。
（１９）におけるＬＮＧは、ガスタービン１２の燃焼器５２の天然ガス圧力と一致させるためにポンプ８４を使用して（１８）でより高い圧力までポンプで圧送することができる（図２）。ＬＮＧは、（１８）と（１７）との間で熱交換器８６でガス化することができ、最終的に（１７）から（１６）へかけて加熱器８８で加熱することができる。加熱器８８の後、再ガス化されたＬＮＧまたは天然ガスは、燃焼のために燃焼器５２（図２）へ進むことができる。
加熱器８８は、ＬＮＧトリムヒータ、または工業プロセスもしくは商業プロセスなどの外部システムからの熱を含むことができる。加熱器８８の熱源は、凝縮器２２などの蒸気タービン排気冷却凝縮器からのものとすることができる。代替的に、低温燃料ガス（１７）は、利用可能な場合に、食品貯蔵施設などの冷却ユーザに冷却エネルギーを提供できる。同様に、（２１）における液体アンモニアは低温とすることができ、かつ蒸気タービン排気冷却凝縮器で予熱するか、または別のユーザに冷却エネルギーを提供することができる。
ＧＴＣＣ発電所１０およびＯＲＣシステム７０の動作は、ソフトウェアでモデル化でき、一例ではＥｂｓｉｌｏｎソフトウェアでモデル化されている。例示的な発電所は、上級クラスのガスタービンに基づいた１対１のＧＴＣＣ発電所を含んでもよい。蒸気ボトミングサイクルは、再加熱を伴う３つの圧力レベル（ＨＰ、ＩＰおよびＬＰ）を特徴とする典型的なＨＲＳＧ構成に基づいている。そのシミュレーションは、ＩＳＯ周囲条件：１．０１３ｂａｒ、１５℃の乾球温度および６０％の相対湿度に基づいている。ＬＮＧは純粋なメタン（ＣＨ４）からなると想定される。
２つのケースがシミュレートされている。第１のベースケースでは、図１の従来のＧＴＣＣ発電所１０は、メタン燃料を使用してシミュレートされている。第２の改善されたケースでは、図２の変更されたＧＴＣＣ発電所１０は、ＬＮＧ燃料、ＯＲＣシステム７０、および再ガス化システム７２を使用してシミュレートされている。シミュレーション結果は、１．４％の有効電力量の増加と０．８６％ポイントのプラント正味効率（ＬＨＶ）の増加を達成できることを示した。
ベースケース（図１）と比較すると、ＨＰ給水がもはやＧＴ冷却空気によって加熱されないため、ＨＲＳＧ１４における中圧セクション４６および低圧セクション４４での蒸気生成量が減少するので、改善されたケースの蒸気タービン出力は潜在的に低下する可能性がある。しかしながら、ＯＲＣシステム７０は、改善されたケース（図２）に関してタービン８０で追加出力を発生させることができる。この追加出力は、改善されたケースに、ベースケースよりも大きい全体的な総出力をもたらす。その結果、改善されたケースに関してはプラント正味効率を、０.８６％ポイントまで増加することができる。
シミュレーションではまた、ＴＣＡ／ＥＣＡ冷却器の負荷が大幅に増大する可能性があるため、ＴＣＡ／ＥＣＡ冷却器の負荷とＬＮＧ蒸発の負荷とが選択されたＯＲＣと一致しない可能性があることが判明した。一例では、この研究のＯＲＣシステム７０のシミュレーションは、２つのＧＴのＬＮＧ量の要件を持つ１つのＧＴの冷却空気に基づいて実行されており、これは、モデル化された特定のシステムに関して、２つのパワートレインのうち１つのみの性能が、ＯＲＣシステム７０の適用によって改善されることを意味している。そうした状況では、他のＧＴは、従来のＴＣＡ／ＥＣＡ冷却器を用いるタービンおよび燃焼器の圧縮空気冷却を利用できる。
本出願の改善されたケースでは、ＨＲＳＧ１４のスタック温度を従来のコンバインドサイクルよりも低くすることができる。シミュレートされたケースでは、スタック温度は約５３℃に下げることができる。これは典型的な最低スタック温度よりも低いが、そうした温度は以下の理由で許容される：理由Ａ）ＬＮＧは「硫黄を含まない」燃料と見なされるため、煙道ガスの露点に関する懸念が軽減される；理由Ｂ）スタック温度は、適正な浮力を伴ってスタックへ排出するために最低煙道ガス温度よりも依然として高い（典型的には５０℃）。
図４は、図３のＯＲＣシステム７０の温度エントロピー（Ｔ－ｓ）図を示すグラフである。図４は、臨界前のランキンパワーサイクルが達成されたことを示す。タービン８０（図３）の入口および出口の両方は、点（５）の位置によって示されるように、「乾燥」（過熱）状態にある。点（５）は、従来のシステムと比較して、図４のさらに右側に位置している。そうした状態は、タービンの運転に有益である。乾燥状態でのタービン８０の運転は、タービンブレードを損傷する可能性のある液体を含むガスを回避することによって恩恵を受ける。
図５は、図３のＯＲＣシステム７０の熱交換器８６の温度プロファイルを示すグラフである。図５は、熱交換器８６によって表されるアンモニア凝縮器／ＬＮＧ再ガス化装置の温度プロファイルを示す。図５は、高温側（ＮＨ３）と低温側（ＬＮＧ）との間の温度差が、火力発電所の典型的な蒸気凝縮器よりもはるかに大きく、一方でターミナル温度差が満足のいくものであることを示す。相変化（ＮＨ３の凝縮）は凝縮器の高温側で起こる。これらの要因は、より小さな伝熱表面積をもたらす。（従来の蒸気凝縮器の真空圧に対する）高温側における大気圧は、より小さなサイズのＮＨ３凝縮器を使用できるようにする。その結果、ＮＨ３凝縮器はコンパクトで安価なものにすることができる。
図６は、図３のＯＲＣシステム７０を運転するための方法１００のステップを示す線図である。ステップ１０２では、有機作動流体を、ポンプ７４などのポンプを使用して閉回路ループを通して循環させることができる。ステップ１０４では、ポンプ７４を出た有機作動流体を、別のシステムからの熱源などの外部熱源を使用して熱交換器７６によって加熱することができる。
ステップ１０６では、外部熱源によって加熱された有機作動流体の第１の流れを、レキュペレータ７８などのレキュペレータを使用して加熱することができる。ステップ１０８では、外部熱源によって加熱された有機作動流体の第２の流れを、ＧＴＥの圧縮機から抽出された圧縮空気を使用して加熱することができ、それによって圧縮空気を冷却する。この時点で冷却された圧縮空気を、ＧＴＥの燃焼器に送ることができる。ステップ１１０では、第１および第２の流れからの有機作動流体を、ＨＲＳＧ１４などの排熱回収蒸気発生器の排気ガスまたは煙道ガスからの熱を使用して、熱交換器８２などの熱交換器で加熱することができる。ステップ１１２では、熱交換器８２からの有機作動流体を、ＧＴＥの圧縮機から抽出された圧縮空気を使用して加熱することができ、それによって圧縮空気を冷却する。この時点で冷却された圧縮空気を、ＧＴＥの燃焼器に送るためにさらに冷却される部分とともに、ＧＴＥのタービンセクションに送ることができる。
ステップ１１４では、作動流体を減圧しかつ冷却するために、有機作動流体を、ＯＲＣタービン８０などのタービンで膨張させることができる。ステップ１１６では、タービン８０を、発電機のシャフトを回転させるなどによって電気を発生させるために使用することができる。ステップ１１８では、有機作動流体を、レキュペレータ７８でさらに冷却することができる。ステップ１２０では、有機作動流体を、凝縮器８６などの凝縮器で付加的に冷却することができる。有機作動流体を閉ループを通して再循環させてＯＲＣ運転を継続するために、ステップ１０２では有機作動流体をポンプ７４に戻すことができる。
ステップ１２２では、低温の液化天然ガスを、ポンプ８４などのポンプを使用して熱交換器８６に圧送することができる。ステップ１２４では、ＯＲＣシステム７０の有機作動流体からの熱を使用して液体燃料を加熱するために、熱交換器８６を使用することができる。ステップ１２６では、再ガス化されたＬＮＧまたは天然ガスを、例えばトリムヒータ８８または外部システムからの熱を使用してさらに加熱することができる。続いてステップ１２８では、加熱された天然ガスをＧＴＥの燃焼器へ運ぶことができる。
本出願のシステムおよび方法は、ＬＮＧを燃料とするＧＴＣＣ発電所においてＯＲＣを適用することによって達成できる大幅な性能改善をもたらす。加えて、ＬＮＧ再ガス化プロセスでの海水の冷却を回避することによって環境保全上の利点を得ることができる。
本出願のシステムおよび方法では、ＴＣＡ冷却器およびＥＣＡ冷却器を、アンモニアなどの有機作動流体とともに使用するための特定のパラメーターに対処するように再設計することができる。加えて、有機作動流体は、上記ベースケースに関するＨＰ給水よりもさらに高い温度まで加熱され、ＯＲＣシステム７０で使用される熱交換器をそれに応じて設計することができる。同様に、タービン８０などのＯＲＣシステム７０の機器も特注設計できる。
さまざまな記録および実施例
実施例１は、ガスタービンエンジンと排熱回収蒸気発生器と蒸気タービンと燃料再ガス化システムと有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）システムとを備えることができるガスタービンコンバインドサイクル発電所などの主題を含むかまたは使用することができる。ガスタービンエンジンは、圧縮空気を発生させるための圧縮機と、燃焼ガスを生成するために燃料および圧縮空気を受け取ることができる燃焼器と、燃焼ガスを受け取って排気ガスを発生させるためのタービンと、を備えることができる。排熱回収蒸気発生器は、排気ガスからの熱を利用して水から蒸気を発生させるように構成できる。蒸気タービンは、排熱回収蒸気発生器からの蒸気から動力を生成するよう構成できる。燃料再ガス化システムは、燃焼器に入る前に燃料を液体から気体に転換するよう構成できる。ＯＲＣシステムは、ガスタービンエンジンを冷却するために圧縮機から抽出された圧縮空気を冷却するように、かつ燃料再ガス化システムに入る液体燃料を加熱するように構成できる。
実施例２は、流体を圧送するための流体ポンプと、流体ポンプによって圧送される流体を加熱するための加熱器と、加熱器で加熱された流体を膨張するためのＯＲＣタービンと、圧縮機から抽出された圧縮空気を用いて流体を加熱するために加熱器とＯＲＣタービンとの間に配置される第１の熱交換器と、ＯＲＣタービンとポンプとの間で流体を冷却するための冷却源と、を備えることができる有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）システムを任意選択的に含むように、実施例１の主題を含むことができるかまたは任意選択的に組み合わせることができる。
実施例３は、ＯＲＣタービンに入る流体とＯＲＣタービンから出る流体との間で熱交換するように流体ポンプと第１の熱交換器との間に配置することができるレキュペレータを任意選択的に含むように、実施例１および２の１つまたは任意の組み合わせの主題を含むことができるかまたは任意選択的に組み合わせることができる。
実施例４は、レキュペレータと第１の熱交換器との間に配置される煙道ガス加熱器を任意選択的に含むように、実施例１から３の１つまたは任意の組み合わせの主題を含むことができるかまたは任意選択的に組み合わせることができる。
実施例５は、レキュペレータと並列に配置される第２の熱交換器を任意選択的に含むように、実施例１から４の１つまたは任意の組み合わせの主題を含むことができるかまたは任意選択的に組み合わせることができる。
実施例６は、アンモニアを含む流体を任意選択的に含むように、実施例１から５の１つまたは任意の組み合わせの主題を含むことができるかまたは任意選択的に組み合わせることができる。
実施例７は、燃料再ガス化システムを備えることができる冷却源を任意選択的に含むように、実施例１から６の１つまたは任意の組み合わせの主題を含むことができるかまたは任意選択的に組み合わせることができる。
実施例８は、液化燃料を受け取るための燃料ポンプと、燃料ポンプから液体燃料を受け取るための熱交換器と、有機ランキンサイクルシステムの凝縮器として機能するよう構成された熱交換器と、熱交換器からのガス化燃料を加熱するためのトリムヒータと、を備えることができる燃料再ガス化システムを任意選択的に含むように、実施例１から７の１つまたは任意の組み合わせの主題を含むことができるかまたは任意選択的に組み合わせることができる。
実施例９は、液化天然ガスを含む液化燃料を任意選択的に含むように、実施例１から８の１つまたは任意の組み合わせの主題を含むことができるかまたは任意選択的に組み合わせることができる。
実施例１０は、ガスタービンコンバインドサイクル発電所で運転するための有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）システムなどの主題を含むかまたはそれを使用することができ、当該ガスタービンコンバインドサイクル発電所は、流体を圧送するための流体ポンプと、流体ポンプによって圧送される流体を加熱するための加熱器と、加熱器で加熱された流体を膨張させるためのＯＲＣタービンと、ガスタービンコンバインドサイクル発電所の圧縮機から抽出された圧縮空気を用いて流体を加熱するために加熱器とＯＲＣタービンの入口との間に配置される第１の熱交換器と、ＯＲＣタービンの出口とポンプの入口との間で流体を冷却するよう構成された燃料のための再ガス化システムと、を備えることができる。
実施例１１は、ＯＲＣタービンに入る流体とＯＲＣタービンから出る流体との間での熱交換のためにポンプの出口と第１の熱交換器の入口との間に配置されるレキュペレータを任意選択的に含むように、実施例１０の主題を含むことができるかまたは任意選択的に組み合わせることができる。
実施例１２は、レキュペレータと第１の熱交換器の入口との間に配置することができる煙道ガス加熱器を任意選択的に含むように、実施例１０または１１の１つまたは任意の組み合わせの主題を含むことができるかまたは任意選択的に組み合わせることができる。
実施例１３は、ポンプの出口に対してレキュペレータと並列に配置することができる第２の熱交換器を任意選択的に含むように、実施例１０から１２の１つまたは任意の組み合わせの主題を含むことができるかまたは任意選択的に組み合わせることができる。
実施例１４は、液化燃料を受け取るための燃料ポンプと、燃料ポンプからの液体燃料とレキュペレータの出口からの流体とを受け取るための熱交換器と、熱交換器からのガス化燃料を加熱するためのトリムヒータと、を備えることができる燃料再ガス化システムを任意選択的に含むように、実施例１０から１３の１つまたは任意の組み合わせの主題を含むことができるかまたは任意選択的に組み合わせることができる。
実施例１５は、流体のための凝縮器および液化燃料のための再ガス化装置として構成することができる燃料再ガス化システムの熱交換器を任意選択的に含むように、実施例１０から１４の１つまたは任意の組み合わせの主題を含むことができるかまたは任意選択的に組み合わせることができる。
実施例１６は、ガスタービンコンバインドサイクル発電所を運転する方法などの主題を含むかまたは使用することができ、当該方法は、作動ポンプを使用して閉ループを通して作動流体を循環させるステップと、第１の外部熱源を用いて作動流体を加熱するステップと、第１の外部熱源によって加熱された作動流体を用いて第１の熱交換器においてガスタービンコンバインドサイクル発電所の圧縮機からの圧縮空気を冷却するステップと、加熱された作動流体をタービンを通して膨張するステップと、タービンを用いて動力を発生させるステップと、液体燃料再ガス化システムを用いてタービンから出る作動流体を凝縮するステップと、を含むことができる。
実施例１７は、予熱器を用いて作動流体を加熱することによって第１の外部熱源を用いて作動流体を加熱するステップを任意選択的に含むように、実施例１６の主題を含むことができるかまたは任意選択的に組み合わせることができる。
実施例１８は、レキュペレータを用いてタービンから出る作動流体を冷却するステップを任意選択的に含むように、実施例１６または１７の１つまたは任意の組み合わせの主題を含むことができるかまたは任意選択的に組み合わせることができる。
実施例１９は、第１の熱交換器の上流の第２の熱交換器においてガスタービンコンバインドサイクル発電所の圧縮機からの圧縮空気を冷却するステップを任意選択的に含むように、実施例１６から１８の１つまたは任意の組み合わせの主題を含むことができるかまたは任意選択的に組み合わせることができる。
実施例２０は、作動ポンプの上流で作動流体と熱連通状態で再ガス化熱交換器を通して燃料ポンプを用いて液化天然ガスを圧送することによって液体燃料再ガス化システムを用いてタービンから出た流体を冷却するステップと、液化天然ガスをガス化して作動流体を凝縮するために熱交換器で液化天然ガスを加熱するステップと、ガス化した天然ガスをトリムヒータを用いて加熱するステップと、ガスタービンコンバインドサイクル発電所のガスタービンへガス化した天然ガスを提供するステップと、を任意選択的に含むように、実施例１６から１９の１つまたは任意の組み合わせの主題を含むことができるかまたは任意選択的に組み合わせることができる。
これらの非限定的な例の各々は、それ自体で有効となることができ、または他の１つ以上の例とさまざまな順でもしくは組み合わせで組み合わせることができる。
上述の詳細な説明は、詳細な説明の一部を形成する添付の図面への参照を含む。図面は、例示として、本発明を実施できる特定の実施形態を示している。これらの実施形態は、本明細書では「実施例」とも称される。そうした例は、図示または説明される要素に加えて複数の要素を含むことができる。なお、本発明の発明者はまた、図示または説明される要素のみが提供されている例も考慮している。さらに、本発明の発明者はまた、特定の例（またはその１つ以上の態様）に関連してあるいは本明細書で図示されかつ説明される他の例（またはその１つ以上の態様）に関連して、図示または説明されるこれら要素（またはその１つ以上のその態様）の組み合わせもしくは並べ替えを使用する例も考慮している。
本文書と参照により組み込まれる任意の文書との間に一貫性のない使用法がある場合には、本文書での使用法が優先される。
本文書において、「ある(a)」または「ある(an)」との用語は、特許文書で一般的であるように、「少なくとも１つ(at least one)」または「１つ以上(one or more)」の任意の他の例または使用と独立して、１つまたは２つ以上を含むように使用される。本文書では、「または(or)」との用語は、非排他的なまたは(or)を指すよう使用されており、それによって、その他の点で指摘されない限り、「ＡまたはＢ」は「ＡであるがＢではない」、「ＢであるがＡではない」および「ＡおよびＢ」を含む。本文書では、「含む(including)」および「の場合に(in which)」との用語は、それぞれ「備える(comprising)」および「このものにおいて(wherein)」との用語の平易な英語の等価物として使用される。同様に、添付の特許請求の範囲では、「含む(including)」および「備える(comprising)」との用語は、無制限である、つまり請求項においてそうした用語の後に挙げられる要素に加えて複数の要素を含むシステム、デバイス、物品、構成、製法またはプロセスは、依然として請求項の範囲内に入ると考えられる。さらに、添付の特許請求の範囲では、「第１の(first)」、「第２の(second)」および「第３の(third)」との用語などは、単にラベルとして使用されており、その対象物に対して数値要件を課すことを意図していない。
本明細書で説明される方法の例は、少なくとも部分的に、機械でまたはコンピュータで実施することができる。いくつかの例は、その例で説明されるような方法を実施するよう電子デバイスを構成するように使用可能な命令をエンコードされるコンピュータ可読媒体または機械可読媒体を含むことができる。そうした方法の実施例は、マイクロコード、アセンブリ言語コード、高レベル言語コードなどのコードを含むことができる。そうしたコードは、さまざまな方法を実施するためのコンピュータ可読命令を含むことができる。コードは、コンピュータプログラム製品の一部を形成してもよい。さらに一例では、コードを、実行中にまたは事前に１つ以上の揮発性の持続的な可読媒体に有形で格納するかまたは不揮発性の有形のコンピュータ可読媒体に格納することができる。これら有形のコンピュータ可読媒体は、ハードディスク、取外し可能な磁気ディスク、取外し可能な光ディスク（例えばコンパクトディスクおよびデジタルビデオディスク）、磁気カセット、メモリカードまたはスティック、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）などを含むことができるが、それに限定されない。
上述の説明は、例示であって制限するものではないことを意図されている。例えば、上述の例（またはその１つ以上の態様）は、互いに組み合せて使用されてもよい。他の実施形態は、上述の説明を検討して当業者の一人などによって使用されてもよい。要約は、読者が技術的開示の性質を迅速に確認できるように、３７Ｃ．Ｆ．Ｒ．§１．７２（ｂ）に適合するように提供される。要約は、請求項の範囲または意味を解釈するかまたは制限するために使用されないという理解の下に提出される。また、上述の詳細な説明では、さまざまな特徴は、開示を簡素化するためにともにグループ化されてもよい。これは、請求項に記載されていない開示された特徴が、任意の請求項に必須であることを意図するとして解釈されるべきでない。むしろ、本発明の主題は、特定の開示される実施形態のすべての特徴より少ない特徴にある可能性がある。したがって、以下の請求項はそれによって例示または実施形態として詳細な説明に組み込まれ、各請求項はそれ自体が別個の実施形態として存在しており、そうした実施形態は、さまざまな組み合わせまたは順序で互いに組み合わせることができると予期されている。本発明の範囲は、そうした請求項が権利を与えられる同等物の全範囲とともに、添付の特許請求の範囲を参照して決定されるべきである。
１０ ガスタービンコンバインドサイクル（ＧＴＣＣ）発電所
１２ ガスタービンエンジン（ＧＴＥ）
１４ 排熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）
１６ 蒸気タービン
１８、２０ 発電機
２２ 凝縮器
２４ グランド蒸気凝縮器（ＧＳＣ）
２６ 蒸発冷却器
３０ 燃料ガス加熱器
３２ タービン冷却空気（ＴＣＡ）冷却器
３４ 強化冷却空気（ＥＣＡ）冷却器
３６ 強化冷却空気（ＥＣＡ）冷却器
３８ 強化冷却空気圧縮機
４０ 凝縮ポンプ
４２ 給水ポンプ
４４ 低圧セクション
４６ 中圧セクション
４８ 高圧セクション
５０ 圧縮機
５２ 燃焼器
５４ タービン
５６ ＩＰ／ＨＰスプール
５８ ＬＰスプール
６０ 燃料源
６１Ａ、６１Ｂ、６１Ｃ 蒸気ライン
７０ ＯＲＣシステム
７２ 再ガス化システム
７４ ポンプ
７６ 加熱器
７８ レキュペレータ
８０ タービン
８２、８６ 熱交換器
８４ ポンプ
８８ トリムヒータ
９０ 接合部

Claims (20)

  1. ガスタービンコンバインドサイクル発電所であって、
    ガスタービンエンジンであって、
    圧縮空気を発生させるための圧縮機と、
    燃焼ガスを生成するために燃料および前記圧縮空気を受け取ることができる燃焼器と、
    前記燃焼ガスを受け取って排気ガスを発生させるためのタービンと、
    前記ガスタービンエンジンを冷却するために前記圧縮機によって圧縮された空気の一部を抽出するよう構成された冷却システムであって、前記圧縮機によって圧縮された前記空気の一部は、前記圧縮機によって圧縮された空気全体より少ない空気で構成されている、冷却システムと、
    を備えるガスタービンエンジンと、
    前記排気ガスからの熱を利用して水から蒸気を発生させるための排熱回収蒸気発生器と、
    前記排熱回収蒸気発生器からの蒸気から動力を生成するための蒸気タービンと、
    前記燃焼器に入る前に前記燃料を液体から気体に転換するための燃料再ガス化システムと、
    有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）システムであって、
    流体を循環させ、
    前記流体を用いて前記圧縮機から抽出された圧縮空気の一部を冷却しかつ前記ガスタービンエンジンを冷却するために前記圧縮空気の一部を提供し、かつ、
    前記流体を用いて前記燃料再ガス化システムに入る液体燃料を加熱するよう構成されている、有機ランキンサイクルシステムと、
    を備えることを特徴とするガスタービンコンバインドサイクル発電所。
  2. 前記有機ランキンサイクルシステムは、
    前記流体を圧送するための流体ポンプと、
    前記流体ポンプによって圧送された流体を加熱するための加熱器と、
    前記加熱器で加熱された前記流体を膨張させるためのＯＲＣタービンと、
    前記圧縮機から抽出された前記圧縮空気を用いて前記流体を加熱するために、前記加熱器と前記ＯＲＣタービンとの間に配置される第１の熱交換器と、
    前記ＯＲＣタービンと前記流体ポンプとの間で前記流体を冷却するための冷却源と、
    を備えることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンコンバインドサイクル発電所。
  3. 前記ＯＲＣタービンに入る流体と前記ＯＲＣタービンから出る流体との間での熱交換のために前記流体ポンプと前記第１の熱交換器との間に配置されるレキュペレータをさらに備えることを特徴とする請求項２に記載のガスタービンコンバインドサイクル発電所。
  4. 前記レキュペレータと前記第１の熱交換器との間に配置される煙道ガス加熱器をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載のガスタービンコンバインドサイクル発電所。
  5. 前記レキュペレータと並列に配置される第２の熱交換器をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載のガスタービンコンバインドサイクル発電所。
  6. 前記流体はアンモニアを含むことを特徴とする請求項２に記載のガスタービンコンバインドサイクル発電所。
  7. 前記冷却源は、前記燃料再ガス化システムを備えることを特徴とする請求項２に記載のガスタービンコンバインドサイクル発電所。
  8. 前記燃料再ガス化システムは、
    液化燃料を受け取るための燃料ポンプと、
    前記燃料ポンプから液体燃料を受け取るための熱交換器であって、前記有機ランキンサイクルシステムのための凝縮器として機能するよう構成された熱交換器と、
    前記熱交換器からのガス化燃料を加熱するためのトリムヒータと、
    を備えることを特徴とする請求項７に記載のガスタービンコンバインドサイクル発電所。
  9. 前記液化燃料は、液化天然ガスを含むことを特徴とする請求項８に記載のガスタービンコンバインドサイクル発電所。
  10. ガスタービンコンバインドサイクル発電所で運転するための有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）システムであって、
    前記有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）システムは、
    流体を圧送するための流体ポンプと、
    前記流体ポンプによって圧送される前記流体を加熱するための加熱器と、
    前記加熱器で加熱された流体を膨張させるためのＯＲＣタービンと、
    前記ガスタービンコンバインドサイクル発電所の圧縮機から抽出された圧縮空気を用いて前記流体を加熱するために、前記加熱器と前記ＯＲＣタービンの入口との間に配置される第１の熱交換器であって、前記ガスタービンコンバインドサイクル発電所の前記圧縮機から抽出された前記圧縮空気は、前記圧縮機によって圧縮された空気の総量のうち一部のみで構成されている、第１の熱交換器と、
    前記ＯＲＣタービンの出口と前記流体ポンプの入口との間で前記流体を冷却するよう構成された燃料再ガス化システムと、
    を備えることを特徴とする有機ランキンサイクルシステム。
  11. 前記ＯＲＣタービンに入る流体と前記ＯＲＣタービンから出る流体との間での熱交換のために前記流体ポンプの出口と前記第１の熱交換器の入口との間に配置されるレキュペレータをさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載の有機ランキンサイクルシステム。
  12. 前記レキュペレータと前記第１の熱交換器の前記入口との間に配置される煙道ガス加熱器をさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載の有機ランキンサイクルシステム。
  13. 前記流体ポンプの出口に対して前記レキュペレータと並列に配置される第２の熱交換器をさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載の有機ランキンサイクルシステム。
  14. 前記燃料再ガス化システムは、
    液化燃料を受け取るための燃料ポンプと、
    前記燃料ポンプからの液体燃料と前記レキュペレータの出口からの流体とを受け取るための熱交換器と、
    前記熱交換器からのガス化燃料を加熱するためのトリムヒータと、
    を備えることを特徴とする請求項１１に記載の有機ランキンサイクルシステム。
  15. 前記燃料再ガス化システムの熱交換器は、前記流体のための凝縮器および液化燃料のための再ガス化装置として構成されることを特徴とする請求項１１に記載の有機ランキンサイクルシステム。
  16. 前記ガスタービンコンバインドサイクル発電所からの蒸気を用いてガス化された天然ガスを加熱するよう構成された第２の加熱器をさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載の有機ランキンサイクルシステム。
  17. 前記加熱器は、工業プロセスまたは商業プロセスからの熱を利用する熱交換器を備えることを特徴とする請求項１０に記載の有機ランキンサイクルシステム。
  18. 前記燃料再ガス化システムは、前記燃焼器に入る前に液体から気体へ燃料を転換するために、前記ガスタービンコンバインドサイクル発電所からの蒸気をさらに利用することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンコンバインドサイクル発電所。
  19. 前記流体は、前記排熱回収蒸気発生器からの熱を介してさらに加熱されることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンコンバインドサイクル発電所。
  20. 前記加熱器は、工業プロセスまたは商業プロセスからの熱を利用する熱交換器を備えることを特徴とする請求項２に記載のガスタービンコンバインドサイクル発電所。
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