(57)【要約】【課題】複合サイクル発電プラントのスタックにおいて排気ガスの温度を制御するシステム及び組立体を提供すること。【解決手段】スタック温度制御システム（３４）が提供される。スタック温度制御システムは、スタックへの排気ガス入口に対し排気ガスが流れ連通して上流側に位置付けられた第１の熱交換器と、第１の熱交換器に対し排気ガスが流れ連通して上流側に位置付けられた第２の熱交換器と、第２の熱交換器から第１の熱交換器に相対的に高温の水を配向して、第１の熱交換器を通って流れる排気ガスの流れの温度が所定の範囲内に維持されるようにするよう構成された水側導管とを含む。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スタック温度制御システム（３４）であって、
スタックへの排気ガス入口に対し排気ガスが流れ連通して上流側に位置付けられた第１の熱交換器と、
第１の熱交換器に対し排気ガスが流れ連通して上流側に位置付けられた第２の熱交換器と、
第２の熱交換器から第１の熱交換器に相対的に高温の水を配向して、第１の熱交換器を通って流れる排気ガスの流れの温度が所定の範囲内に維持されるようにするよう構成された水側導管（２１）と
を備えるシステム（３４）。
【請求項２】
第１の熱交換器を通って流れる排気ガスの流れが、硫黄露点温度及び酸露点温度の少なくとも一方よりも高く維持される、請求項１記載のシステム（３４）。
【請求項３】
第２の熱交換器が排熱回収ボイラ（１６）の高圧エコノマイザを含む、請求項１記載のシステム（３４）。
【請求項４】
前記水側導管（２１）が燃料ヒータ（２０６）と減圧弁（２０８）とを含む、請求項３記載のシステム（３４）。
【請求項５】
第２の熱交換器が排熱回収ボイラ（１６）の中圧エコノマイザ（３０４）を含む、請求項１記載のシステム（３４）。
【請求項６】
前記水側導管（２１）が水−水熱交換器（３１０）及びフラッシュタンク混合容器の少なくとも１つと減圧弁（２０８）とを含む、請求項５記載のシステム（３４）。
【請求項７】
前記水側導管（２１）が、第１の熱交換器を通る水の質量流量を制御するのに使用されるバイパスを含む、請求項５記載のシステム（３４）。
【請求項８】
少なくとも１つの排熱回収ボイラ（１６）を通じて熱的に相互接続された少なくとも１つのガスタービン（１３）と少なくとも１つの蒸気タービン（１８）とを含む複合サイクル発電システム（５）であって、
排熱回収ボイラ排気ガス出口に排気ガスが流れ連通して上流側に位置付けられた第１の熱交換器と、
第１の熱交換器に排ガスが流れ連通して上流側に位置付けられた第２の熱交換器と、
第２の熱交換器から第１の熱交換器に相対的に高温の水を配向して、第１の熱交換器を通って流れる排気ガスの流れの温度の上昇が促進されるように構成された水側導管（２１）と
を備える複合サイクル発電システム（５）。
【請求項９】
前記排熱回収ボイラ排気ガス出口に近接した前記排気ガスの温度値を受け取り、
前記受け取った温度値を所定の許容可能範囲の値と比較し、
前記排熱回収ボイラ排気ガス出口から出る排気ガスの流れが前記所定の許容可能範囲の値内に維持されるように、比較的高温の水の流れの流量と比較的高温の水の流れの温度との少なくとも１つを制御する、
ように構成されたコントローラ（３２４）を更に備える、請求項８記載のシステム（５）。
【請求項１０】
前記コントローラ（３２４）が、第１の熱交換器の周りのバイパス流れを制御して、第１の熱交換器を通る水の質量流量を制御するよう構成されている、請求項８記載のシステム（５）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体的に、発電システムに関し、より詳細には、複合サイクル発電プラントのスタックにおいて排気ガスの温度を制御するシステム及び組立体に関する。
【背景技術】
【０００２】
少なくとも一部の公知の複合サイクル発電システムは、電力を生成するために組み合わせたガスタービン及び蒸気タービンを含む。発電プラントは、ガスタービンが排熱回収ボイラ（「ＨＲＳＧ」）を通じて蒸気タービンに熱的に接続されるように配列される。ＨＲＳＧは、他の場合には利用されていないガスタービン排気ガスにより蒸気発生プロセスにおける給水を加熱することができる非接触熱交換器である。ＨＲＳＧは、管束が間に配置された大型ダクトであり、排気ガスがダクトを通過するときに水が加熱されて蒸気になるようにされる。複合サイクル構成の主な効率の良さは、他の場合には利用されていないガスタービン排気ガスの利用度にある。
【０００３】
最新の複合サイクルは通常、２又は３つの蒸気発生圧力を利用して、ガスタービン排気から最大エネルギーを回収する。ＨＲＳＧ熱交換プロセスは、高温の排気ガスがＨＲＳＧを通ってスタックに移動するときにこの高温排気ガスの温度が低下し、他方、蒸気水混合気が高温排気ガスの流れと反対にＨＲＳＧガス入口に向かって送られるときに管内の蒸気水混合気の温度が上昇するという点で対向流プロセスである。
【０００４】
複合サイクル効率を最適化する際の１つの主要なパラメータは、排気ガススタックの出口端部において最低スタックガス温度で最大効率が得られることである。
ガスタービン燃料内に硫黄が含まれていることにより、通常、スタックガス温度の下限が規制される。これは、比較的低いある温度で管束上の硫黄成分が凝縮することにより管束上で激しい腐食が生じるためである。また、燃料中の硫黄の濃度が高くなるに伴って、腐食性の硫黄成分の露点が高くなる。
【０００５】
複合サイクルプラントの効率を最適化する少なくとも一部の公知の方法は、特定用途において燃焼が予想される最大レベルの硫黄含量に相当する低温熱伝達表面腐食を阻止するスタックガス温度でＨＲＳＧ及び蒸気システムを動作させる設計を含む。燃料がより低い硫黄含量で燃焼される場合、効率を改善するためにＨＲＳＧスタックガス温度を下げることはできないが、硫黄化合物の濃度により可能となる。逆に、ＨＲＳＧが、予想される最低燃料硫黄含量に相当するスタックガス温度で設計されている場合、プラント効率は改善されるが、より高い硫黄含量が燃焼される場合、ＨＲＳＧ熱伝達表面には腐食が生じることになる。しかしながら、このような方法は、燃料の硫黄含量を厳密に制限し、その結果、燃焼できる燃料のタイプが狭くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７３４３７４６号明細書
【特許文献２】米国特許第６９５７５４０号明細書
【特許文献３】米国特許第６６１５５７５号明細書
【特許文献４】米国特許第５７９９４８１号明細書
【特許文献５】米国特許第４９６１３１１号明細書
【特許文献６】米国特許第４３５３２０６号明細書
【特許文献７】米国特許出願公開第２００７／００１７２０７号明細書
【発明の概要】
【０００７】
１つの実施形態において、排気ガススタックの温度を制御するシステムは、スタックへの排気ガス入口に対し排気ガスが流れ連通して上流側に位置付けられた第１の熱交換器と、第１の熱交換器に対し排気ガスが流れ連通して上流側に位置付けられた第２の熱交換器と、第２の熱交換器から第１の熱交換器に相対的に高温の水を配向して、第１の熱交換器を通って流れる排気ガスの流れの温度が所定の範囲内に維持されるようにするよう構成された水側導管とを含む。
【０００８】
別の実施形態において、排気ガススタックの温度を制御する方法は、
熱を排気ガスの流れから第１の熱交換器内の水の流れに伝達する段階と、排気ガスの流れの方向で第１の熱交換器の下流側にある第２の熱交換器を用いて、熱を水の流れから排気ガスの流れに伝達する段階とを含む。
【０００９】
更に別の実施形態では、複合サイクル発電システムは、少なくとも１つの排熱回収ボイラを通じて熱的に相互接続された少なくとも１つのガスタービンと少なくとも１つの蒸気タービンとを含む。複合サイクル発電システムは更に、排熱回収ボイラ排気ガス出口に排気ガスが流れ連通して上流側に位置付けられた第１の熱交換器と、第１の熱交換器に排ガスが流れ連通して上流側に位置付けられた第２の熱交換器と、第２の熱交換器から第１の熱交換器に相対的に高温の水を配向して、第１の熱交換器を通って流れる排気ガスの流れの温度の上昇が促進されるように構成された水側導管とを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の例示的な実施形態による、例示的な複合サイクル発電システムの概略図。
【図２】本発明の例示的な実施形態による、統合型ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）発電システムの概略図。
【図３】本発明の例示的な実施形態による、天然ガス燃焼複合サイクル発電システムの概略図。
【図４】本発明の例示的な実施形態による、排気ガススタックの温度を制御する例示的な方法のフロー図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
添付図面は、本明細書で説明するシステム及び方法の例示的な実施形態を示している。
【００１２】
以下の詳細な説明は、限定ではなく例証として本発明の実施形態を示している。産業用途、商業用途、及び住宅用途において燃焼器への燃料流を予熱するために漸次的に高いグレードの加熱を使用することによる燃焼器及び発電システムの効率改善に対する一般的用途があることは企図される。本明細書で使用される高グレード加熱とは、比較的高い温度で加熱することを意味し、低グレード加熱とは比較的低温で加熱することを意味し、更に、中間グレード加熱とは、低グレードと高グレード加熱の間の温度で加熱することを意味する。
【００１３】
本明細書で使用する場合に、前に数詞のない要素又はステップの表現は、そうではないことを明確に述べていない限り複数のそのような要素又はステップの存在を排除するものではないと理解されたい。更に、本発明の「１つの実施形態」という表現は、記載した特徴を同様に組み入れた別の実施形態の存在を排除するものとして解釈されることを意図していない。
【００１４】
図１は、本発明の例示的な実施形態による、例示的な複合サイクル発電システム５の概略図である。発電システム５は、ガスタービンエンジン組立体７を含み、該ガスタービンエンジン組立体は、圧縮機１０、燃焼器１２、及び発電機１４を駆動するために燃焼器１２内で生成される高温ガスを膨張させることにより作動されるタービン１３を含む。ガスタービン１３からの排気ガスは、導管１５を通じて排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）１６に供給され、排気ガスから廃熱を回収するようにする。例示的な実施形態では、ＨＲＳＧ１６は、高圧（ＨＰ）セクション２４、中圧（ＩＰ）セクション２６、及び低圧（ＬＰ）セクション３０を含む。しかしながら他の実施形態では、ＨＲＳＧ１６は、別の数及び圧力範囲に分割される。ＨＲＳＧ１６は、排気ガスからの低いグレードの熱を各々漸次的に低い圧力セクションを通って循環する水に漸次的に伝達するよう構成されている。ＨＰ、ＩＰ、及びＬＰセクション２４、２６、及び３０の各々は、エコノマイザ、蒸発器、過熱器、及び／又は給水器、或いは、限定ではないが、高圧セクション予熱器のような、各セクション（ＨＰ、ＩＰ、ＬＰ）の１以上に位置付けられる複数の熱交換器に分割することができる、それぞれのセクションに関連付けられた他の予熱器を含むことができる。セクションエコノマイザは通常、例えば蒸発器において蒸気に変換される前に水を予熱するためのものである。
【００１５】
導管２１を通ってＨＲＳＧ１６に水が送給されて蒸気が発生する。ＨＲＳＧ１６に供給される排気ガスから回収される熱は、ＨＲＳＧ１６内の水／蒸気に伝達されて蒸気を発生し、この蒸気が、ライン１７を通じて蒸気タービン１８に供給されて発電機１９を駆動する。ライン１７は、ＨＲＳＧ１６と蒸気タービン１８との間にある、様々な圧力レベルで生成される蒸気用の複数の蒸気ラインを表している。ＨＲＳＧ１６からの冷却ガスは、出口ダクト３１及びスタック（図示せず）を介して大気中に吐出される。
【００１６】
例示的な実施形態において、複合発電プラント５は更に、ＨＲＳＧ１６とは別個の独立した装置として位置付けられるスタック温度制御システム３４を含む。代替の実施形態において、スタック温度制御システム３４は、ＨＲＳＧ１６内に位置付けられる。ＨＲＳＧの１以上のセクションから水及び／又は蒸気が抽出され、スタック温度制御システム３４に送られる。燃料加熱水の流れが、ＨＰセクション２４の熱交換器から燃料ヒータ３８を通って送られ、ここで燃料ヒータ３８を通って流れる燃料流の温度が上昇し、ＨＰセクション２４において熱交換器からの水の流れが低減される。燃料流４０は、燃料ヒータ３８を通って配向され、ここで燃料流４０は、燃料加熱水３６の流れから伝達された熱を受け取る。加熱された燃料は燃焼器１２に送られる。燃料加熱水３６の冷却された流れは、スタック温度制御システム３４に配向される。
【００１７】
図２は、本発明の例示的な実施形態による、統合型ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）発電システム２００の概略図である。例示的な実施形態では、ガス化装置２０３からの合成ガス２０２の流れは、燃料ヒータ２０６に供給される高圧（ＨＰ）エコノマイザ水２０４の流れを用いて、約３６０°Ｆから約５７０°Ｆの温度まで加熱される。燃料ヒータ２０６の下流側の水は、比較的高圧で約３１０°Ｆの温度まで冷却される。部分負荷運転中に、冷却水は、燃料ヒータ２０６から減圧弁２０８を通じてＨＲＳＧ１６の出口の低圧（ＬＰ）エコノマイザ２１０に送られ、排気スタック（図示せず）に配向された排気ガスの流れの温度を調節する。エコノマイザ２１０に配向される水の質量流を制御するために、流れバイパスライン２１２及び流れ調節弁は、エコノマイザ２１０をバイパスさせる流れを許容し、エコノマイザ２１０が利用可能な熱の量及びＨＲＳＧ１６から出るガスを調整する。バイパス流及び／又はエコノマイザ２１０に配向されている水の流れの温度を制御することによって、システム２００の広い動作範囲にわたってスタック温度を制御することができる。例えば、低負荷では、熱をエコノマイザ２１０に加えて、ＨＲＳＧ１６の出口温度を増大させることができる。比較的高負荷では、熱は、エコノマイザ２１０の周りでＨＲＳＧ１６内の他の熱交換器もバイパスさせて、システム２００の効率を改善することができる。ガス露点考慮事項に適合するのに必要な最大温度にスタック温度を制御することにより、システム２００のより効率的な運転が可能になる。
【００１８】
図３は、本発明の例示的な実施形態による、天然ガス燃焼複合サイクル発電システム３００の概略図である。例示的な実施形態において、水回路３０２は、限定ではないが中圧エコノマイザ３０４のような相対的に高グレードの熱交換器から、限定ではないが低圧エコノマイザ３０６のような相対的に低グレードの熱交換器に熱を伝達するのに使用される。水回路３０２は、低圧エコノマイザ３０６、循環ポンプ３０８、水−水熱交換器３１０又はフラッシュタンク混合装置、減圧弁３１２、及びバイパスライン３１４を含む。
【００１９】
運転中、ＬＰエコノマイザ水は、循環ポンプ３０８において高圧にまでポンプ輸送され、水−水熱交換器３１０内のＩＰエコノマイザ水を用いて加熱される。水−水熱交換器３１０の第１の出口３１６でのＩＰ水は、燃料加熱のために燃料ヒータ３２０に送られる。水−水熱交換器３１０の第２の出口３１８でのＬＰ水は、約３１０°Ｆの温度で焼く７５０ｐｓｉになり、ＬＰエコノマイザ３０６入口に送られて、燃料ガススタック温度を調節する。限定ではないが天然ガスなどの燃料３２２の流れは、中圧エコノマイザ３０４からの水を用いて約８０°Ｆから約３６５°Ｆまでの温度で燃料ヒータ３０４において加熱される。
【００２０】
図４は、排気ガススタックの温度を制御する例示的な方法４００のフロー図である。例示的な実施形態において、方法４００は、熱を排気ガスの流れから第１の熱交換器内の水の流れに伝達する段階４０２と、排気ガスの流れの方向で第１の熱交換器の下流側にある第２の熱交換器を用いて、熱を水の流れから排気ガスの流れに伝達する段階４０４とを含む。
【００２１】
本明細書で使用される場合、フラッシュタンク混合容器とは、フラッシュタンク混合容器の出口からの流れが、受け取られる流れの組み合わせ及び混合により生じる温度及び圧力であるように、様々なグレードの熱の流れを受け取ってこの流れを組み合わせるように構成された容器を意味する。従って、例示的な実施形態において、システム３００は、入口流れのあらゆる組み合わせを用いてスタック温度を制御するよう構成されたコントローラ３２４を含み、システム３００の動作モードに基づいて出口温度及び圧力を制御することができる。本明細書で使用される場合、動作モードとは、ガスタービンエンジン１３及び／又は蒸気タービン１８の特定の機器ラインアップ及び／又は電力レベル出力を意味する。例示的な実施形態において、コントローラ３２４は、本明細書で説明される動作を実施するための命令を含むようプログラムされたプロセッサ３２６を含む。１つの実施形態において、コントローラ３２４は独立型コントローラである。代替の実施形態において、コントローラ３２４は、限定ではないが、例えば分散制御システム（ＤＣＳ）などのより大きなコントローラシステムの下位要素又はモジュールである。
【００２２】
本明細書で使用される場合、用語「プロセッサ」とは、中央処理ユニット、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、縮小命令セット回路（ＲＩＳＣ）、特定用途集積回路（ＡＳＩＣ）、ロジック回路、及び本明細書で説明される機能を実行することができる他の何らかの回路又はプロセッサを意味する。
【００２３】
本明細書で使用する場合、用語「ソフトウェア」及び「ファームウェア」は同義的であり、ＲＡＭメモリ、ＲＯＭメモリ、ＥＰＲＯＭメモリ、ＥＥＰＲＯＭメモリ、及び不揮発性ＲＡＭ（ＮＶＲＡＭ）メモリを含む、プロセッサ２９によって実行するためメモリ内に記憶されるあらゆるコンピュータプログラムを含む。上述のメモリ形式は単なる例示的なものに過ぎず、従ってコンピュータプログラムの記憶装置に使用可能なメモリの形式に関して限定するものではない。
【００２４】
以上の明細書に基づいて理解されるように、本開示の上述の実施形態は、コンピュータソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、或いはそのあらゆる組み合わせ又はサブセットを含むコンピュータプログラム又はエンジニアリング技術を使用して実施することができ、この技術的作用は、燃料ガススタック温度を調節するための燃料ヒータ水を制御することである。コンピュータ読取り可能コード手段を有するこのような結果として得られるあらゆるプログラムは、１以上のコンピュータ読取り可能媒体内で具現化され又は提供され、これにより本開示の検討された実施形態による、コンピュータプログラム製品、すなわち製造物品を形成することができる。コンピュータ読取り可能媒体は、例えば、限定ではないが、固定（ハード)ドライブ、ディスケット、光学ディスク、磁気テープ、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）のような半導体メモリ、及び／又はインターネット或いは他の通信ネットワークもしくはリンクのようなあらゆる送信／受信媒体とすることができる。コンピュータコードを含む製造物品は、１つの媒体からコードを直接実行することによって、又は１つの媒体から他の媒体にコードをコピーすることによって、或いはネットワーク上でコードを送信することによって実施及び／又は利用することができる。
【００２５】
燃料ガススタック温度を調節するためのＨＲＳＧ熱交換器水を制御するシステム及び方法の上述の実施形態は、複合サイクル発電システムの運転の比較的低負荷期間中に相対的に高いグレード熱交換器から相対的に低いグレード熱交換器に熱を伝達することによって、発電システムの効率を向上させる、コスト効果があり且つ信頼性のある手段を提供する。結果として、本明細書で説明したシステム及び方法により、発電システムの効率の改善がコスト効果があり信頼性のある方法で可能になる。
【００２６】
燃料ガススタック温度を調節するため燃料ヒータ水を制御する例示的なシステム及び方法が上記で詳細に説明された。例証されたシステムは、本明細書で説明された特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、各々の構成要素は、本明細書で説明した他の構成部品から独立して別個に利用することができる。各システム構成部品はまた、他のシステム構成部品と組み合わせて使用することもできる。
【００２７】
本発明を種々の特定の実施形態について説明してきたが、本発明は請求項の精神及び範囲内にある変更形態で実施可能である点は当業者であれば理解されるであろう。
【符号の説明】
【００２８】
５  複合サイクル発電システム
７  ガスタービンエンジン組立体
１０  圧縮機
１２  燃焼器
１３  ガスタービンエンジン
１４  発電機
１５  導管
１６  排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）
１７  ライン
１８  蒸気タービン
１９  発電機
２１  導管
２４  高圧（ＨＰ）セクション
２６  中圧（ＩＰ）セクション
３０  低圧（ＬＰ）セクション
３１  出口ダクト
３４  スタック温度制御システム
３６  燃料加熱水
３８  燃料ヒータ
４０  燃料
２００  発電システム
２０２  合成ガス
２０３  ガス化装置
２０４  エコノマイザ水
２０６  燃料ヒータ
２０８  減圧弁
２１０  （ＬＰ）エコノマイザ
２１２  流れバイパスライン
２４２  プロセッサ
３００  サイクル発電システム
３０２  水回路
３０４  中圧エコノマイザ
３０６  ＬＰエコノマイザ
３０８  循環ポンプ
３１０  水−水熱交換器
３１２  減圧弁
３１４  バイパスライン
３１６  第１の出口
３１８  第２の出口
３２２  燃料
３２４  コントローラ
３２６  圧力
４００  方法
４０２  排気ガスの流れから第１の熱交換器内の水の流れに熱を伝達する段階
４０４  排気ガスの流れの方向で第１の熱交換器の下流側にある第２の熱交換器を用いて、熱を水の流れから排気ガスの流れに伝達する段階
【図１】
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【図２】
2010038537.tif 000004
【図３】
2010038537.tif 000005
【図４】
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