JP2007032568A - 複合サイクル発電プラント - Google Patents

Abstract

【課題】複合サイクル発電プラントを提供する。
【解決手段】本複合サイクル発電プラント（１００）は、ガスタービン（１２）と蒸気タービン（１８）と熱回収蒸気発生器（３２）とを含む。本発電プラント（１００）は、蒸気タービン（１８）の下流に配置された給水加熱器（１１０）と、熱回収蒸気発生器（３２）と連通した燃料加湿システム（１３０、１４０）とを含む。
【選択図】 図４

Description

本発明は、総括的にはガス燃焼複合サイクル発電プラントに関し、より具体的には、出力及び効率を向上させるための改良型ボトミングサイクルに関する。

複合サイクル発電プラントは、電力発生のためにガスタービンと蒸気タービンとを組合せて利用する。発電プラントは、ガスタービンが熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）を介して蒸気タービンに熱的に結合されるように構成される。ＨＲＳＧは、蒸気発生プロセスのための給水がそうでなければ廃棄されたガスタービン排気ガスによって加熱されるのを可能にする非接触熱交換器である。ＨＲＳＧは、排気ガスがその中を通過する時に水が加熱されて蒸気になるようにその内部に配置された管束を備えた大型のダクトである。主として複合サイクル構成の効率は、そうでなければ廃棄されたガスタービン排気ガスの利用度であると言える。

最新式の複合サイクルは一般的に、ガスタービン排気から最大限のエネルギーを回収するために、典型的には２つ又は３つの蒸気発生圧力を使用する。これらのサイクルはまた、管を水の露点以上に維持して潜在的な腐食を回避するようにするための給水温度制御装置を含むことが多い。そのようなサイクルは、ＨＲＳＧ流出ガス温度を約１５０°Ｆ（約６６℃）もの低い温度に最適化することができる。幾つかの場合では、顧客は、例えばより低コストの（より短い）排気筒を可能にするために、最低ＨＲＳＧ流出ガス温度をより高くすることを要求する場合がある。この最低ＨＲＳＧ流出ガス温度の制約条件は排気エネルギーの蒸気への回収をより少なくすることを必要とするので、この制約条件により、不可避的な性能低下が生じる。このように犠牲にされた低圧蒸気発生は最低の仕事能力しか有しないので、より高いＨＲＳＧ流出ガス温度は、伝統的に低圧表面積を減少させることによって達成されてきた。
米国特許第４，８４１，７２２号公報 米国特許第６，３８９，７９４号公報 米国特許第４，８４１，７１１号公報 米国特許第６，１７３，５６３号公報 米国特許第６，６０８，３９５号公報 米国特許第６，６９４，７４４号公報 米国特許第６，３７０，８８０号公報 米国特許第６，５０２，４０２号公報

従って、必要な場合には最適ＨＲＳＧ排気筒温度よりも高い温度要件を満たしながら、高い効率をもたらす複合サイクル発電プラントに対する願望がある。

従って本出願は、ガスタービンと蒸気タービンと熱回収蒸気発生器とを含む複合サイクル発電プラントについて述べる。本発電プラントはまた、蒸気タービンの下流に配置された給水加熱器と、熱回収蒸気発生器と連通した燃料加湿システムとを含む。

燃料加湿システムは、燃料飽和器と燃料過熱器とを含むことができる。本発電プラントはさらに、第２の給水加熱器とタービン中間冷却器とを含むことができる。

本出願はさらに、複合サイクル発電プラントを運転する方法について述べる。発電プラントは、燃料流により作動するガスタービンと蒸気タービンと熱回収蒸気発生器とを含む。本方法は、蒸気タービンから流出する水を熱回収蒸気発生器に流入する前に加熱する段階と、燃料流に水を加える段階と、ガスタービンに流入する燃料流を加熱する段階とを含む。

水を加熱する段階は、給水加熱器及び／又はタービン中間冷却器内で水を加熱する段階を含むことができる。水を加える段階は、燃料飽和器内で燃料流に水を加える段階を含むことができる。燃料を加熱する段階は、燃料過熱器内で燃料を加熱する段階を含むことができる。本方法はさらに、水を熱回収蒸気発生器に流入する前にさらに加熱する段階を含むことができる。水をさらに加熱する段階は、タービン中間冷却器内で水を加熱する段階を含むことができる。

本出願はさらに、複合サイクル発電プラントについ述べる。本発電プラントは、
ガスタービンと、蒸気タービンと、熱回収蒸気発生器と、蒸気タービンの下流に配置された給水加熱器と、熱回収蒸気発生器と連通した燃料加湿システムとを含む。燃料加湿システムは、燃料飽和器と燃料過熱器とを含むことができる。本発電プラントはさらに、第２の給水加熱器及び／又はタービン中間冷却器を含むことができる。熱回収蒸気発生器は、２つ、３つ又はそれ以上の圧力セクションを含むことができる。

本発明のこれらの及びその他の特徴は、当業者には、図面及び特許請求の範囲と関連させて以下の詳細な説明を精査する時明らかになるであろう。

次に幾つかの図を通して同じ参照符号が同様な要素を示している図面を参照すると、図１は、排気筒温度限度制約条件を備えていない公知の複合サイクル発電プラント１０を示す。この発電プラント１０は、燃焼システム１４とタービン１６とを備えたガスタービンシステム１２を含む。発電プラント１０はさらに、蒸気タービンシステム１８を含む。蒸気タービンシステム１８は、異なる圧力の複数の蒸気導入位置を備えた高圧セクション２０、中圧セクション２２及び１つ又はそれ以上の低圧セクション２４を含む。低圧セクション２４は、復水器２６内に排出する。蒸気タービンシステム１８は、電力を発生する発電機２８を駆動する。ガスタービン１２、蒸気タービンシステム１８及び発電機２８は、単一のシャフト３０上に配置することができる。その他の構成も使用することができる。

蒸気タービンシステム１８は、複数圧力熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）３２と関係付けられている。ＨＲＳＧ３２は、給水がそれを通って流れる時に、排気ガスが熱を放出してより低温になりながらその水を加熱するようになった向流式熱交換器である。ＨＲＳＧ３２は、３つの異なる作動圧力（高、中及び低）を有し、蒸気タービンシステム１８の対応する段に蒸気を供給する時に様々な圧力及び温度の蒸気を発生するための手段を備える。ＨＲＳＧ３２は、例えば低圧セクション３４と、中圧セクション３６と、高圧セクション３８とを含むことができる。各セクション３４、３６、３８は一般的に、１つ又はそれ以上の節熱器、蒸発器及び過熱器を含む。

復水は、復水ポンプ４２の助けにより１つ又はそれ以上の導管４０を介して復水器２６からＨＲＳＧ３２に供給される。グランドシール復水器４４もまた、使用することができる。その後復水は、ＨＲＳＧ３２の低圧セクション３４を通って流れる。低圧セクション３４からの蒸気は、公知の方式で導管４６を介して蒸気タービンシステム１８の低圧セクション２４に供給される。復水及び／又は給水は、中圧セクション３６を通って流れ、導管４８を介して蒸気タービンシステム１８の中圧セクション２２に戻される。最後に、復水は、ＨＲＳＧ３２の高圧セクション３８を通って流れ、導管５０を介して蒸気タービンシステム１８の高圧セクション２０に戻される。ＨＲＳＧ３２によって生成された高温水はまた、燃料加熱システム５２のために使用することができる。

このシステムでは、ＨＲＳＧ３２の低圧セクション３４内、つまり蒸発器及び／又は節熱器の表面積を減少させることによって、ＨＲＳＧ流出温度に影響を与えることができる。その正味の影響は、低圧蒸気発生量及び回収する総熱量を低下させてＨＲＳＧ流出ガスの温度を上昇させる。ＨＲＳＧ流出ガス温度に限度がある場合には、性能損失は、低圧蒸気発生量の減少及びＨＲＳＧ３２から逸出する未回収排気エネルギーの増大という状態になる。

図２は、別の公知の実施形態、この場合には発電プラント５４を示す。この発電プラント５４は、大部分が上記の発電プラント１０と同一であるが、低圧抽出給水加熱器５６が追加されている。給水加熱器５６は、復水器２６の下流で導管４０のあたりに配置される。別の導管５８により、給水加熱器５６を蒸気タービンシステム１８の低圧セクション２４に直接連結することができる。給水加熱器５６の使用は、本出願と同一出願人の米国特許第４，８４１，７２２号に記載されており、この特許は、参考文献として本明細書に組み入れる。

給水加熱器５６は、ＨＲＳＧ３２に対する復水の供給温度を選択的に上昇させる。具体的には、給水加熱器５６は、低圧セクション３４の低圧蒸気ドラム内に流出する水温を低下させるのではなく、給水温度を上昇させることによって熱的性能を向上させる。蒸気が蒸気タービンシステム１８の低圧セクション２４内で膨張する時にそれが仕事を行うように十分な低圧蒸気発生が回復されるので、より高い出力及び効率が達成される。蒸気発生に回収される熱とＨＲＳＧ流出ガスと共に廃棄される熱とは同一であることになるが、低圧抽出蒸気を使用して給水を予熱することは、復水器熱廃棄を減少させるという副次的利点を有する。

図３は、さらに別の公知実施形態、すなわち発電プラント５８を示す。この発電プラント５８は、図１の発電プラント１０に示すものと同様であるが、燃料加湿法が追加されている。具体的には、加湿システムとして燃料飽和器６０及び燃料過熱器６２を使用することができる。燃料飽和器６０は、ＨＲＳＧ３２の低圧セクション３４からの加熱水を使用して燃料を飽和させる。次に燃料過熱器６２は、中圧セクション３６からの水を使用して、燃料がガスタービンシステム１２の燃焼システム１４に到達する前に、該燃料を過熱する。燃料飽和については、本出願と同一出願人の米国特許第６，３８９，７９４号により詳細に記載されており、この特許は、参考文献として本明細書に組み入れる。

この実施形態をＨＲＳＧ温度限度がない状態で適用した場合には、燃料飽和器６０及び燃料過熱器６２の使用は、ＨＲＳＧ温度を図１に示す発電プラント１０において達成可能な温度以下に低下させる。しかしながら、燃料加湿の構造サイクルの利点は、実際には、排気熱の回収を増大させることによるよりも、燃料に回収した低レベルの熱の方が水を蒸発させて蒸気タービンに導入するように回収した熱よりも役立つという事実によることの方が大きい。

図４は、本明細書に記載したような発電プラント１００の１つの実施形態を示す。この発電プラント１００は、発電プラント５８と同様であるが、給水加熱器１１０が追加され、またＨＲＳＧ３２の最低圧力部（前記の３６）が除去されている。給水加熱器１１０は、上記の給水加熱器５６と同様である。給水加熱器１１０は、導管４０を介して復水器２６に結合され、また導管１２０を介して蒸気タービンシステム１８の低圧セクション２４に結合される。

発電プラント１００はまた、燃料飽和器１３０と燃料過熱器１４０とを有する燃料加湿システムを含む。燃料飽和器１３０は、上記の燃料飽和器６０と同様であり、二圧力ＨＲＳＧ３２の低圧セクション３６（この実施形態における）内に配置される。同様に、燃料過熱器１４０は、上記の燃料過熱器６２と同様なものとし、ＨＲＳＧ３２のこの低圧セクション３６と連通させることができる。従って、ボイラ給水は、低圧蒸気タービン抽出で加熱され、また燃料加湿のための水は、排気筒温度限度によって許される限り高温に加熱される。

図５は、僅かに異なる実施形態、すなわち発電プラント１５０を示す。この実施形態では、図２と同様な三圧力サイクルを得るように、ＨＲＳＧ３２の低圧セクション３４が含まれる。図４及び図５のシステムと比較すると、図５のサイクルは、燃料に対するより少ない湿気添加のためにより低い出力を有するが、効率は僅かに向上する。図４及び図５のシステムのＨＲＳＧ流出ガス（排気筒）温度は、図３のシステムのＨＲＳＧ流出ガス温度は約１５５°Ｆ（約６８．３℃）の範囲内にあることになるのに対して、顧客の特定の制約条件によって指示されるような約１９５°Ｆ〜２００°Ｆ（約９０．６℃〜９３．３℃）の範囲内とすることができる。

図６は、さらに別の実施形態、すなわち発電プラント１６０を示す。この発電プラント１６０は、図５の発電プラント１５０と同様であるが、第２の給水加熱器１７０が追加されている。この実施形態は、二元ガス／液体燃料設計に適応する。第２の給水加熱器１７０は、より高い硫黄含有量の燃料に適したより高いＨＲＳＧ流入水温度に効率的に到達するために、より高い圧力にすることができる。この場合には、さらに別の導管１７５を使用することができる。しかしながら、液体燃料による運転時には、液体燃料は水で飽和させることができないので、加湿回路は迂回させることができる。液体燃料による運転が頻繁でない場合には、給水加熱器１７０の費用は、それが生み出す効率向上からみて正当なものとみなすことはできない。その場合には、小さな変更を加えて二元燃料運転能力を得るように、図５のサイクルを使用することができる。例えば、蒸気タービンシステム１８の低圧セクション２４から給水加熱器１１０まで、付加的な導管を付け加えることができる。別のより高圧の蒸気供給により、より高い硫黄含有量の燃料に適したより高い給水温度の達成が可能になる。

図７は、さらに別の実施形態、すなわち発電プラント１８０を示す。この発電プラント１８０は、発電プラント１０と同様であるが、ガスタービン圧縮機中間冷却器１９０が追加されている。中間冷却器１９０は、圧縮機の出力消費を減少させることによってシャフト出力を増大させるような幾つかのガスタービン設計の特徴的なものである。中間冷却器１９０によって圧縮機から除去される熱は、周囲空気に廃棄されるのが普通である。この実施形態では、中間冷却器１９０は、復水器２６と接続した回路２００内において復水ポンプ４２の下流に配置される。従って、ＨＲＳＧ３２に供給される復水の温度は、サイクル効率を全く低下させずに、つまり中間冷却器１９０の熱がいずれにも廃棄されることなく、上昇させることができる。回路２００の使用はまた、ＨＲＳＧ３２において必要とされる熱交換器表面積を全体として減少させる利点を有する。

図８は、さらに別の実施形態、すなわち発電プラント２１０を示す。この発電プラント２１０は、発電プラント１８０と同様であるが、給水加熱器１１０が追加されている。より高い復水供給温度が必要な場合には、給水加熱器１１０を直列に加えることができる。この実施形態はまた、中間冷却式ガスタービン複合サイクルに対して、有効な二元燃料の柔軟性を与える。

図７及び図８の実施形態は全て複数圧力再熱蒸気サイクルを示しているが、中間冷却式ガスタービンボトミングサイクルもまた、非再熱式とするか、より低い圧力レベルを有するか、又は燃料加湿を含むことができる。本明細書に記載したシステムは、閉回路蒸気冷却及び再熱燃焼を使用した機械を含むその他のあらゆるガスタービン構成に適用可能である。

以上は本発明の好ましい実施形態のみに関するものであること、また特許請求の範囲及びその均等物によって定まる本発明の全般的な技術思想及び技術的範囲から逸脱することなく本明細書において数多くの変更及び改良を加えることができることを理解されたい。

従来技術による三圧力再熱ボトミングサイクルの概略図。 排気筒温度制御のための給水加熱器を備えた従来技術による三圧力再熱ボトミングサイクルの概略図。 燃料加湿器を備えた従来技術による三圧力再熱ボトミングサイクルの概略図。 燃料加湿器と排気筒温度制御のための給水加熱器とを備えた二圧力再熱ボトミングサイクルの概略図。 燃料加湿器と排気筒温度制御のための給水加熱器とを備えた三圧力再熱ボトミングサイクルの概略図。 燃料加湿器と二元燃料運転のための給水加熱器とを備えた三圧力再熱ボトミングサイクルの概略図。 三圧力再熱ボトミングサイクルと給水への中間冷却熱伝達とを備えた中間冷却式ガスタービンの概略図。 三圧力再熱ボトミングサイクルと給水への中間冷却熱伝達と排気筒温度制御のための給水加熱器とを備えた中間冷却式ガスタービンの概略図。

符号の説明

１０ 複合サイクル発電プラント
１２ ガスタービンシステム
１４ 燃焼システム
１６ ガスタービン
１８ 蒸気タービンシステム
２０ 高圧セクション
２２ 中圧セクション
２４ 低圧セクション
２６ 復水器
２８ 発電機
３０ シャフト
３２ 熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）
３４ 低圧セクション
３６ 中圧セクション
３８ 高圧セクション
４０ 導管
４２ 復水ポンプ
４４ グランドシール復水器
４６ 導管
４８ 導管
５２ 燃料加熱システム
５４ 発電プラント
５６ 給水加熱器
５８ 導管
６０ 燃料飽和器
６２ 燃料過熱器
１００ 発電プラント
１１０ 給水加熱器
１２０ 導管
１３０ 燃料飽和器
１４０ 燃料過熱器
１５０ 発電プラント
１６０ 発電プラント
１７０ 第２の給水加熱器
１７５ 導管
１８０ 発電プラント
１９０ 中間冷却器
２００ 回路
２１０ 発電プラント

Claims (12)

1. ガスタービン（１２）と蒸気タービン（１８）と熱回収蒸気発生器（３２）とを含む複合サイクル発電プラント（１００）であって、
   前記蒸気タービン（１８）の下流に配置された給水加熱器（１１０）と、
   前記熱回収蒸気発生器（３２）と連通した燃料加湿システム（１３０、１４０）と、
   を含む複合サイクル発電プラント（１００）。
2. 前記燃料加湿システム（１３０、１４０）が、燃料飽和器（１３０）を含む、請求項１記載の複合サイクル発電プラント（１００）。
3. 前記燃料加湿システム（１３０、１４０）が、燃料過熱器（１４０）を含む、請求項１又は２に記載の複合サイクル発電プラント（１００）。
4. 第２の給水加熱器（１７０）をさらに含む、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の複合サイクル発電プラント（１００）。
5. タービン中間冷却器（１９０）をさらに含む、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の複合サイクル発電プラント（１００）。
6. 燃料流で作動するガスタービン（１２）と蒸気タービン（１８）と熱回収蒸気発生器（３２）とを含む複合サイクル発電プラント（１００）を運転する方法であって、
   前記蒸気タービン（１８）から流出する水を前記熱回収蒸気発生器（３２）に流入する前に加熱する段階と、
   前記燃料流に前記水を加える段階と、
   前記ガスタービン（１２）に流入する燃料流を加熱する段階と、
   を含む方法。
7. 前記水を加熱する段階が、給水加熱器（１１０）内で前記水を加熱する段階を含む、請求項６記載の方法。
8. 前記水を加える段階が、燃料飽和器内で前記燃料流に水を加える段階を含む、請求項６記載の方法。
9. 前記燃料を加熱する段階が、燃料過熱器（１４０）内で前記燃料を加熱する段階を含む、請求項６記載の方法。
10. 前記水を加熱する段階が、タービン中間冷却器（１９０）内で前記水を加熱する段階を含む、請求項６記載の方法。
11. 前記水を前記熱回収蒸気発生器（３２）に流入する前にさらに加熱する段階をさらに含む、請求項６記載の方法。
12. 前記水をさらに加熱する段階が、タービン中間冷却器（１９０）内で前記水を加熱する段階を含む、請求項１１記載の方法。

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