(57)【要約】      （修正有）【課題】複合サイクル発電システムの発電能力を増強するためのシステム及び方法を提供すること。【解決手段】ある実施形態では、排熱回収蒸気発生（ＨＲＳＧ）ユニット３２からの過熱蒸気を受け取ることを含むことができる。ピーキングサイクルガスタービン６６からの加熱排気ガスを用いて、ＨＲＳＧ３２から受け取った過熱蒸気に熱を伝達することができる。過熱蒸気に熱を伝達するのに使用されるシステムは、ピーキングサイクルガスタービン６６の排気経路８２内に配置された補助過熱器を含むことができる。補助過熱器から出る過熱蒸気は、複合サイクル発電システム６４の蒸気タービン２２に供給することができ、ここで過熱蒸気は電力源として使用することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン（６６）から排熱を回収する方法であって、
ガスタービン（６６）の排気ガスからの熱を該ガスタービン（６６）の排気経路（８２）内で水供給源に伝達して過熱蒸気を発生する段階と、
前記過熱蒸気を出力又は熱供給源として使用するために前記過熱蒸気をプロセス（２６）に供給する段階と
を含む方法。
【請求項２】
排熱回収蒸気発生ユニット（３２）から過熱蒸気を受け取る段階を更に含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記排熱回収蒸気発生ユニット（３２）から受け取った過熱蒸気に前記排気ガスからの熱を伝達する段階を更に含む、請求項２記載の方法。
【請求項４】
ガスタービン（６６）から排熱を回収するシステムであって、
前記ガスタービン（６６）の排気経路（８２）内に位置付け可能な過熱器（９２）を備え、前記過熱器（９２）が、排熱回収蒸気発生ユニット（３２）から過熱蒸気を受け取り、前記排熱回収蒸気発生ユニット（３２）から受け取った過熱蒸気に前記ガスタービン（６６）の排気ガスからの熱を伝達し、前記過熱蒸気を複合サイクル発電システム６４の蒸気タービン（２２）に供給するよう構成されるシステム。
【請求項５】
前記過熱蒸気が予め定められた温度レベルを超えたときは常に前記過熱蒸気を冷却するよう構成される加熱防止装置（９４）を更に備える、請求項４記載のシステム。
【請求項６】
前記過熱器（９２）が低圧過熱器である、請求項４記載のシステム。
【請求項７】
前記過熱器（９２）が、前記排熱回収蒸気発生ユニット（３２）の低圧蒸発器（４２）から低圧過熱蒸気を受け取るように構成される、請求項６記載のシステム。
【請求項８】
前記過熱器（９２）が、前記低圧過熱蒸気を前記蒸気タービン（２２）の低圧段（２６）に供給するよう構成される、請求項７記載のシステム。
【請求項９】
複数の過熱器（９２）を更に備え、前記複数の過熱器（９２）が、複数の排熱回収蒸気発生ユニット（３２）から過熱蒸気を受け取り、複数のガスタービン（６６）から排気ガスを受け取り、複数の蒸気タービン（２２）に過熱蒸気を供給し、又はこれらの組み合わせを行うよう構成されている、請求項４記載のシステム。
【請求項１０】
前記過熱器（９２）が、既存のガスタービン（６６）の排気経路（８２）内に後付けされるよう構成されている、請求項４記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体的に排熱回収システムに関する。より詳細には、本発明は、ピーキングサイクルガスタービンによる排熱からより効果的に熱を回収することによって、複合サイクル発電システムの発電能力を増強するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ピーキングサイクルガスタービンのようなピーク負荷システムは、複合サイクル発電システムのような発電システムから必要とされる全出力が、メイン発電システムにとって効率的に処理するには大きすぎるようになったときに、ピーク負荷期間中の補助電力源として使用することができる。高出力の運転時間の間のピーク負荷に対する需要の高まりは、ピーキングサイクルユニットの運転効率の重要性が拡大することにつながっている。更に、電力産業のピーキングサイクル部門の競争が激化していることで、こうした効率の考慮事項が更に重要な設計基準となっている。
【０００３】
ガスタービンを利用する典型的なピーキングサイクルユニットは、ガスタービンから吐出された加熱排気ガスを単に通気している場合がある。しかしながらその際に、加熱排気ガスからのエネルギーは回収されていない。実際にこれらのシステムの多くにおいて、加熱排気ガスが通気前に冷却を必要とする場合がある。排気ガスを冷却するためにはエネルギーを必要とすることがあるため、この冷却要件は、ピーキングサイクルの全体の効率を低下させることが多い。加えて、多くの場合において加熱排気ガスからのエミッションを低減するのに使用されるプロセスは、排気ガスの温度が高くなるほど信頼性が低下し、より多くの費用がかかる可能性がある。従って、ピーキングサイクルガスタービンによる排気ガスからの熱の効率的な回収は、ピーキングサイクル及び複合サイクル発電システム両方の効率全体を改善すると同時に、本発明の目的以外の他の利点をも提供することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第４３５３２０７号明細書
【特許文献２】米国特許第４８７２３０７号明細書
【特許文献３】米国特許第５０９８６８９号明細書
【特許文献４】米国特許第５４３７８５１号明細書
【特許文献５】米国特許第５７７８６７５号明細書
【特許文献６】米国特許第６２７３１２０号明細書
【特許文献７】米国特許第６４４２９２４号明細書
【特許文献８】米国特許第７０６９７１６号明細書
【特許文献９】米国特許出願公開第２００１／００１５０６０号明細書
【特許文献１０】米国特許出願公開第２００７／０１３０９５２号明細書
【特許文献１１】国際公開第９３１０３３４号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一実施形態では、ガスタービンからの排熱を回収する方法が提供される。本方法は、排熱回収蒸気発生ユニットの低圧蒸発器から過熱蒸気を受け取る段階を含む。本方法はまた、ガスタービンの排気経路において低圧補助過熱器を用いて低圧蒸発器から受け取った過熱蒸気にガスタービンの排気ガスからの熱を伝達する段階を含む。本方法は更に、複合サイクル発電システムの蒸気タービンの低圧段に過熱蒸気を供給する段階を含む。
【０００６】
別の実施形態では、ガスタービンからの排熱を回収する方法が提供される。熱の伝達は、ガスタービンの排気経路内で行われる。本方法はまた、出力又は熱の供給源として過熱蒸気を使用するために過熱蒸気をプロセスに供給する段階を含む。
【０００７】
更に別の実施形態では、ガスタービンからの排熱を回収するシステムが提供される。本システムは、ガスタービンの排気経路内に位置付け可能な過熱器を含む。過熱器は、排熱回収蒸気発生ユニットから過熱蒸気を受け取るように構成される。過熱器はまた、排熱回収蒸気発生ユニットから受け取った過熱蒸気に前記ガスタービンの排気ガスからの熱を伝達するよう構成される。過熱器は更に、複合サイクル発電システムの蒸気タービンに過熱蒸気を供給するよう構成される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態のピーキングサイクル排熱回収システム及び方法を利用することができる、例示的な複合サイクル発電システムの概略フロー図。
【図２】本発明の実施形態のピーキングサイクル排熱回収システム及び方法を利用できる、ピーキングサイクルガスタービンを含む例示的な複合サイクル発電システムの概略フロー図。
【図３】本発明の実施形態のピーキングサイクル排熱回収システム及び方法を利用した例示的な複合サイクル発電システムの概略フロー図。
【図４】本発明の実施形態のピーキングサイクル排熱回収及び加熱防止システム及び方法を利用した例示的な複合サイクル発電システムの概略フロー図。
【図５】本発明の実施形態のピーキングサイクル排熱回収及び蒸気発生システム及び方法を利用した例示的な複合サイクル発電システムの概略フロー図。
【図６】本発明の実施形態を用いた複合サイクル発電を増強するためにピーキングサイクルガスタービン排気から熱を回収するための例示的な方法のフロー図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明のこれら及び他の特徴、態様、並びに利点は、図面全体を通じて同様の参照符号が同様の要素を示す添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むと更に理解できるであろう。  本発明の１以上の特定の実施形態を以下で説明する。これらの実施形態の説明を簡潔にするために、本明細書では実施の特徴全てが説明される訳ではない場合がある。このようないずれかの実施を開発する際には、実施毎に異なる可能性のあるシステム及び業務に関連した制約事項に従うことなど、開発者の特定の目標を達成するために、実施時に特有の多くの決定を行う必要がある点は理解されたい。更に、こうした開発努力は複雑で、時間を要する場合があるが、それでも尚、本開示の利点を有する当業者にとっては設計、組み立て、及び加工の日常的な取り組みである点は理解されたい。
本発明の種々の実施形態の要素を導入するときに、数詞のない表現は、その要素の１以上が存在することを意味するものとする。用語「含む」「備える」及び「有する」は、包含しており、且つ記載した要素以外の付加的な要素が存在することができることを意味することを意図している。運転パラメータ及び／又は環境条件のあらゆる実施形態は、開示された実施形態の他のパラメータ／条件を排除するものではない。
【００１０】
以下で詳細に検討するように、ピーキングサイクルガスタービンのようなピーキングサイクルユニットからの排熱は、ピーキングサイクルユニットの排気経路において回収することができる。詳細には、特定の実施形態では、ピーキングサイクルガスタービンからの加熱排気ガスは、ピーキングサイクルガスタービンの排気経路において低圧補助過熱器を用いて再度取り込むことができる。低圧補助過熱器は、水供給源に熱を伝達して過熱蒸気を発生させるのに用いることができ、該過熱蒸気は、複合サイクル発電システムの蒸気タービンに供給することができる。特定の実施形態では、低圧補助過熱器は、ＨＲＳＧユニットから、より具体的にはＨＲＳＧユニットの蒸発器から受け取った過熱蒸気を加熱することができる。加えて、特定の実施形態では、加熱蒸気が所定の温度レベルを超えたときには常に、過熱蒸気を冷却するために低圧補助過熱器の下流側で過熱防止装置を用いることができる。他の実施形態では、蒸気発生ユニットは、ピーキングサイクルユニットの排気経路で用いて、別個の水供給源に熱を伝達して過熱蒸気を発生することができる。
【００１１】
図１は、本発明の実施形態のピーキングサイクル排熱回収システム及び方法を利用することができる、例示的な複合サイクル発電システム１０の概略フロー図である。システム１０は、第１の負荷１４を駆動するためのガスタービン１２を含むことができる。第１の負荷１４は、例えば、電気出力を生成するための発電機とすることができる。ガスタービン１２は、タービン１６、燃焼器又は燃焼室１８、及び圧縮機２０を含むことができる。システム１０はまた、第２の負荷２４を駆動するための蒸気タービン２２を含むことができる。第２の負荷２４はまた、電気出力を発生するための発電機とすることができる。しかしながら、第１及び第２の負荷１４、２４の両方は、ガスタービン１２及び蒸気タービン２２により駆動可能な他のタイプの負荷とすることができる。加えて、ガスタービン１２及び蒸気タービン２２は、図示の実施形態に示すように、別個の負荷１４、２４を駆動することができ、ガスタービン１２及び蒸気タービン２２はまた、縦一列で利用して、単一のシャフトを介して単一の負荷を駆動することもできる。図示の実施形態では、蒸気タービン２２は、１つの低圧段２６（ＬＰ  ＳＴ）、１つの中圧段２８（ＩＰ  ＳＴ）、及び１つの高圧段３０（ＨＰ  ＳＴ）を含むことができる。しかしながら、蒸気タービン２２並びにガスタービン１２の特定の構成は、実装時固有とすることができ、あらゆる段の組み合わせを含むことができる。
【００１２】
システム１０はまた、多段ＨＲＳＧ３２を含むことができる。図示の実施形態におけるＨＲＳＧ３２の構成要素は、ＨＲＳＧ３２を簡略化して描かれており、限定を意図するものではない。むしろ、図示のＨＲＳＧ３２は、こうしたＨＲＳＧシステムの一般的な運転を伝達するように図示されている。ガスタービン１２からの加熱排気ガス３４は、ＨＲＳＧ３２に移送され、蒸気タービン２２に動力を供給するのに用いることができる。蒸気タービン２２の低圧段２６からの排気は、凝縮器３６に配向することができる。次いで、凝縮器３６からの凝縮物は、凝縮ポンプ３８の助けによりＨＲＳＧ３２の低圧セクションに配向することができる。
【００１３】
次に、凝縮物は、低圧エコノマイザ４０（ＬＰＥＣＯＮ）を通って流れることができ、該エコノマイザは、ガスと共に給水を加熱するよう構成された装置であり、これを用いて凝縮物を加熱することができる。凝縮物は、低圧エコノマイザ４０から、低圧蒸発器４２（ＬＰＥＶＡＰ）内又は中圧エコノマイザ４４（ＩＰＥＣＯＮ）に向かって配向することができる。低圧蒸発器４２からの蒸気は、蒸気タービン２２の低圧段２６に戻すことができる。同様に、凝縮物は、中圧エコノマイザ４４から中圧蒸発器４６（ＩＰＥＶＡＰ）内又は高圧エコノマイザ４８（ＨＰＥＣＯＮ）に向かって配向することができる。加えて、中圧エコノマイザ４４からの蒸気は、燃料ガス加熱器（図示せず）に送ることができ、ここで蒸気を用いて、ガスタービン１２の燃焼室１８で使用するための燃料ガスを加熱することができる。中圧蒸発器４６からの蒸気は、蒸気タービン２２の中圧段２８に送ることができる。この場合も同様に、図示の実施形態は、本発明の固有の態様を利用することができるＨＲＳＧシステムの一般的な運転の単なる例証に過ぎないので、エコノマイザ、蒸発器、及び蒸気タービン２２間の接続は、実施毎に異なることができる。
【００１４】
最後に、高圧エコノマイザ４８からの凝縮物は、高圧蒸発器５０（ＨＰＥＶＡＰ）に配向することができる。高圧蒸発器５０から出る蒸気は、１次高圧過熱器５２及び最終高圧過熱器５４に配向することができ、ここで蒸気が過熱されて、最終的には蒸気タービン２２の高圧段３０に送られる。蒸気タービン２２の高圧段３０からの排気は、蒸気タービン２２の中圧段２８に配向され、蒸気タービン２２の中圧段２８からの排気は、蒸気タービン２２の低圧段２６に配向することができる。
【００１５】
１次高圧過熱器５２と最終高圧過熱器５４との間に段間過熱防止装置５６を配置することができる。段間過熱防止装置５６は、最終高圧過熱器５４からの蒸気の排気温度のよりロバストな制御を可能にすることができる。詳細には、段間過熱防止装置５６は、最終高圧過熱器５４から出る蒸気の排気温度が予め定められた値を超えたときには常に、最終高圧過熱器５４の上流側の過熱蒸気に低温の給水噴霧を注入することによって、最終高圧過熱器５４から出る蒸気の温度を制御するよう構成することができる。
【００１６】
加えて、蒸気タービン２２の高圧段３０からの排気は、１次再加熱装置５８及び２次再加熱装置６０に配向することができ、ここで、蒸気タービン２２の中圧段２８に配向される前に再加熱することができる。１次再加熱装置５８及び２次再加熱装置６０はまた、再加熱装置からの排気蒸気温度を制御するために段間過熱防止装置６２と関連付けることができる。詳細には、段間過熱防止装置６２は、２次再加熱装置６０から出る蒸気の排気温度が予め定められた値を超えたときには常に、２次再加熱装置６０の上流側の過熱蒸気に低温の給水噴霧を注入することによって、２次再加熱装置６０から出る蒸気の温度を制御するよう構成することができる。
【００１７】
システム１０のような複合サイクルシステムにおいて、高温の排気がガスタービン１２から流れてＨＲＳＧ３２を通過することができ、これを用いて高圧高温蒸気を生成することができる。次に、ＨＲＳＧ３２によって生成される蒸気は、電力発生のために蒸気タービン２２を通過することができる。加えて、生成された蒸気はまた、過熱蒸気を用いることが可能な他のあらゆるプロセスに供給することができる。ガスタービン１２の生成サイクルは、「トッピングサイクル」と呼ばれることが多く、蒸気タービン２２の生成サイクルは、「ボトミングサイクル」と呼ばれることが多い。図１に示すように２つのサイクルを組み合わせることによって、複合サイクル発電システム１０が両サイクルのより高い効率をもたらすようにすることができる。詳細には、トッピングサイクルからの排熱を取り込み、これを用いてボトミングサイクルで使用する蒸気を生成することができる。
【００１８】
ある運転期間の間、複合サイクル発電システム１０の負荷１４、２４によって必要とされる全出力は、通常運転パラメータに基づいてボトミング及びトッピングサイクルが処理するには大きすぎる場合がある。これらの期間は通常、ピーク負荷期間と呼ばれる。これらの期間の間、補助電力技術を実装して、複合サイクル発電システム１０がピーク負荷出力要件に確実に対応できるようにする。複数の補助出力技術を実装することができる。例えば、トッピングサイクルからの出力は、例えばガスタービン１２の燃焼室１８内で燃焼される燃料ガスの量を増やすことにより増大させることができる。或いは、ボトミングサイクルから出力は、例えば蒸気タービン２２で使用するためのＨＲＳＧ３２及び関連設備からの蒸気生成を増やす（例えば、補助燃焼ボイラー、ダクト燃焼システム、その他）ことにより増大させることができる。しかしながら、これらの技術の多くは、単に、通常の運転パラメータの域を超えて既存の設備を一時的に拡張することを含む場合がある。これらのタイプのピーク負荷技術は、使用頻度が多い場合には、設備の寿命全体に悪影響を及ぼす可能性がある。従って、ピーク負荷において一般的に使用されている別の技術は、ピーク負荷の発生期間中に一時的に作動させることができる専用のピーキングサイクルユニットを使用するものとすることができる。これらのピーキングサイクルユニットはスタンダローンのユニットであるので、多くの場合、石炭、ガス、他の燃料、電気、その他を含む種々の電力源を使用可能なあらゆるタイプの電力発生ユニットとすることができる。例えば、スタンダローンガスタービンユニットを用いて、ピーク負荷出力要件に対応することができる。
【００１９】
図２は、本発明の実施形態のピーキングサイクルシステム及び方法を利用できる、ピーキングサイクルガスタービン６６を含む例示的な複合サイクル発電システム６４の概略フロー図である。図２に示すように、メインボトミング及びトッピングサイクルは更に、負荷１４、２４を駆動するのにも使用することができる。しかしながら、この実施形態では、ピーキングサイクルガスタービン６６はまた、ピーク負荷要件に対応するのに用いることができる補助負荷６８（例えば、発電機）を駆動するのにも使用することができる。メイントッピングサイクルと同様に、ピーキングサイクルガスタービン６６は、タービン７０、燃焼器又は燃焼室７２、及び圧縮機７４を含む。ピーキング負荷の期間中、補助燃料ガスが燃焼室７２内で燃焼され、ピーキングサイクルガスタービン６６を駆動し、従って、補助負荷８８（例えば、発電機）を駆動することができる。補助燃料ガスは、メインガスタービン１２で使用される同じ燃料ガス源からのものとすることができる。しかしながら、補助燃料ガスはまた、異なる供給源からのものであってもよく、実際に、全体的に異なるタイプの燃料ガスであってもよい。
【００２０】
ピーキングサイクルガスタービン６６に関して、メインガスタービン１２と同様に、加熱排気ガスは、相補性ボトミングサイクルに配向されない可能性がある。従って、ピーキングサイクルガスタービン６６からの加熱排気ガスは、メインガスタービン１２からの加熱排気ガスとは全体的に異なる様式で処理することができる。詳細には、ピーキングサイクルガスタービン６６からの排気ガスの熱（及び、より具体的にはエネルギー）は、相補的ボトミングサイクルによって回収されない場合があり、排気ガスの温度が所期の温度よりも高く維持される可能性がある。例えば、ピーキングサイクルガスタービン６６の下流側で安全に通気できるように、加熱排気ガスの温度を下げることが望ましい場合がある。加えて、排気ガスもまた、望ましくない排気エミッション（例えば、ＮＯｘ）を低減するように処理することができる。ガスタービンからの排気ガス中のＮＯｘ濃度を低減するために、選択的触媒還元（ＳＣＲ）を用いることができる。しかしながら、このプロセスは、ＳＣＲ触媒を必要するので、より高価になり、高温での信頼性が低下する可能性がある。従って、ガスタービンからの排気ガスの温度を低下させた後に、ＳＣＲ触媒を用いて排気ガス中のＮＯｘ濃度を低減することが有利とすることができる。
【００２１】
これに応じて、ピーキングサイクルガスタービン６６からの加熱排気ガスは、最初に排気ダクト７６に配向することができ、ここでブロア７８又は他の外部冷却装置を用いて、排気ガスをより管理可能な排気温度レベルにまで冷却することができる。ブロア７８により冷却された後、排気ガスは次に、膨張ダクト８０に配向することができ、ここで排気ガスを膨張させることができる。次いで、排気ガスは、メインピーキングサイクルダクト８２に配向することができ、該ダクトは、ＳＣＲ触媒を用いて排気ガスのＮＯｘ濃度を低減するＳＣＲ設備８４を含むことができる。排気ガスは、メインピーキングサイクルダクト８２から最終的にピーキングサイクルスタック８６に配向され、その後、低い温度及びＮＯｘ濃度で周囲環境に通気することができる。メインシステムのＨＲＳＧ３２はまた、ＨＲＳＧ３２のスタック９０の上流側に同様のＳＣＲ設備８８を含むことができ、該設備もまた、ＳＣＲ触媒を利用してメイン複合サイクル発電システムを通過する排気ガスのＮＯｘ濃度を低減することができる。
【００２２】
ブロア７８、ＳＣＲ設備８４、及び他の設備を用いて、ピーキングサイクルガスタービン６６からの排気ガスの温度レベル及びＮＯｘ濃度を適切に低減することができるが、これらの技術の使用は、最も効率的な設計であることが証明されない場合もある。例えば、排気ガスからの熱は、これらの技術を用いては回収されない。加えて、ブロア７８又は他の冷却装置は、補助動力を必要とする欠点があり、ピーキングサイクルシステムの効率全体を低下させる可能性がある。更に、ピーキングサイクルガスタービン６６は、本質的に低効率で動作するタイプのものであることが多い。例えば、このようなユニットの効率は通常、僅か３５〜４０％の範囲のものとすることができる。加えて、排気ガスは、ブロア７８によりある程度までは冷却することができるが、高温ＳＣＲ触媒も依然として必要とされる可能性がある。上述のように、これらＳＣＲ触媒は、信頼性が低く、より高価な場合が多い。従って、ピーキングサイクルガスタービン６６の排気ガスからの熱をより効率的に回収することにより複合サイクル発電システム６４のピーク負荷プロセスをより改善することが、有利とすることができる。このようにすると、限定ではないが、ピーキングサイクルガスタービン６６及び関連システムの全体効率の向上、ブロア７８又は他の外部冷却装置の必要性の排除、より信頼性があり且つより安価で低温のＳＣＲ触媒を使用可能にすること、及びその他を含む、多くの利点をもたらすことができる。
【００２３】
図３は、本発明の実施形態のピーキングサイクル排熱回収システム及び方法を利用した例示的な複合サイクル発電システム６４の概略フロー図である。詳細には、図３に示すように、低圧補助過熱器９２は、ピーキングサイクルガスタービン６６の排気経路においてメインピーキングサイクルダクト８２内で使用することができる。ピーク負荷運転中、低圧補助過熱器９２を用いて、複合サイクル発電システム６４の過熱された低圧蒸気に熱を付加することができる。詳細には、過熱された低圧蒸気は、低圧補助過熱器９２によりＨＲＳＧ３２の低圧蒸発器４２から受け取られ、ピーキングサイクルガスタービン６６からの加熱排気ガスにより更に加熱することができる。従って、ピーキングサイクルガスタービン６６の排気ガスからの熱は、ＨＲＳＧ３２の低圧蒸発器４２からの過熱低圧蒸気に伝達された後、蒸気タービン２２の低圧段２６に配向することができる。具体的には、例えば、排気ガス温度は、低圧補助過熱器９２の両端で約１１２０°Ｆから約７００°Ｆまで低下させることができ、過熱蒸気の温度は、低圧補助過熱器９２の両端で約６００°Ｆから約１０５０°Ｆまで上昇させることができる。
【００２４】
ＨＲＳＧ３２の低圧蒸発器４２から過熱低圧蒸気へ伝達される熱は、複合サイクル発電システム６４のボトミングサイクルがより多くの出力を生成できるようにすることができるだけでなく、同時に、ピーキングサイクルガスタービン６６からの排気ガスの温度を低下させ、これにより排気ガスの冷却の必要性を最小限にすると共に、他の利点のなかでも特に、高温ＳＣＲ触媒の使用を最小限にすることが可能になる。従って、ピーキングサイクルガスタービン６６からの排熱の回収を向上させることを通じて、ピーキングサイクル及びメイン複合サイクルの両方の効率を高めることができる。
【００２５】
ある実施形態では、メインピーキングサイクルダクト８２の低圧補助過熱器９２からの過熱低圧蒸気を冷却するために、低圧水を用いることができる。例えば、図４は、本発明の実施形態のピーキングサイクル排熱回収及び加熱防止システム及び方法を利用した例示的な複合サイクル発電システム６４の概略フロー図である。図示のように、低圧ピーキングサイクル過熱防止装置９４を用いて、メインピーキングサイクルダクト８２の低圧補助過熱器９２からの過熱低圧蒸気の温度を監視及び維持することができる。詳細には、低圧水は、過熱低圧蒸気が予め定められた温度レベルを超えたときは常にこの蒸気を冷却するよう、低圧ピーキングサイクル過熱防止装置９４が用いることができる。この予め定められた温度レベルは、例えば、蒸気タービン２２及び関連の設備の低圧段２６の冶金的限界に基づいて選択することができる。
【００２６】
従って、低圧ピーキングサイクル過熱防止装置９４の利点は、ピーキングサイクルガスタービン６６の排気ガスからの排熱回収を最大にすることができると共に、蒸気タービン２２及び関連の設備の低圧段２６の十分な保護を可能にすることができる。換言すると、低圧補助過熱器９２は、排気ガスからの排熱回収の最大化を確実に実現することができる。しかしながら、このようにすることで、低圧補助過熱器９２の下流側の過熱低圧蒸気の温度が、予め定められた温度レベルを超える可能性がある。従って、低圧ピーキングサイクル過熱防止装置９４は、保護装置として機能することができ、ピーキングサイクルガスタービン６６の排気ガスからの最大排熱回収が、蒸気タービン２２及び関連の設備の低圧段２６に悪影響を確実に及ぼさないようにすることができる。具体的には、例えば、過熱蒸気の温度は、低圧ピーキングサイクル過熱防止装置９４の両端で約１０５０°Ｆから約６００°Ｆにまで低下させることができる。
【００２７】
低圧ピーキングサイクル過熱防止装置９４は、図４には例証の目的でメインピーキングサイクルダクト８２に一体化されて図示されているが、実際にはメインピーキングサイクルダクト８２とは別個にすることができ、実際にピーキングサイクル設備の何れかと一体化されなくてもよい。例えば、ある実施形態では、低圧ピーキングサイクル過熱防止装置９４は、蒸気タービン２２の低圧段２６のすぐ上流側に配置することができる。
【００２８】
本明細書で説明した実施形態では、低圧補助過熱器９２は、ピーキングサイクルガスタービン６６からの加熱排気ガスを用いてＨＲＳＧ３２の低圧蒸発器４２からの過熱低圧蒸気を更に加熱するのに用いることができる。しかしながら、他の実施形態では、過熱低圧蒸気は、ピーキングサイクルの排気経路においてメインピーキングサイクルダクト８２内、又はピーキングサイクルガスタービン６６の下流側の他のある位置において生成することができる。
【００２９】
例えば、図５は、本発明の実施形態のピーキングサイクル排熱回収及び蒸気発生システム及び方法を利用した例示的な複合サイクル発電システム６４の概略フロー図である。この実施形態では、別個のワンススルー低圧蒸気発生ユニット９６をピーキングサイクルガスタービン６６の排気経路内に導入することができる。蒸気発生ユニット９６は、例えば、ボイラー、或いはエコノマイザ、蒸発器、過熱器、及びその他の何らかの組み合わせとすることができる。蒸気発生ユニット９６は、ピーキングサイクルガスタービン６６による排気ガスから熱を回収して、実際に過熱低圧蒸気流を生成することができ、ＨＲＳＧ３２の低圧蒸発器４２からの過熱低圧蒸気流を補助するのに用いることができる。この実施形態では、蒸気発生ユニット９６によって生成される過熱低圧蒸気は、ＨＲＳＧ３２の低圧蒸発器４２からの過熱低圧蒸気流と混合することができ、両方の蒸気発生源は、蒸気タービン２２の低圧段２６に注入され、付加的な電力出力を生成することができるようになる。
【００３０】
加えて、本明細書で説明される実施形態は、一般に、１つのピーキングサイクルガスタービン６６による排気ガスからの熱を回収して、１つのＨＲＳＧ３２ユニットからの蒸気を過熱することに関連しているが、これらの技術をピーキングサイクルユニット、ＨＲＳＧ、蒸気タービン、及びその他の幾つかの組み合わせに拡張することも可能とすることができる。例えば、複数のピーキングサイクルユニットから熱を回収して、複数のＨＲＳＧユニットから蒸気を過熱することもできる。更に、本明細書で説明される実施形態は、一般に、ピーキングサイクルガスタービン６６による排気ガスからの熱を回収することに関連しているが、ピーキングサイクルユニットの他のタイプの排気から熱を回収することも可能とすることができる。例えば、ピーキングボイラーシステムから吐出された排気からの熱は、特に、本発明の実施形態の技術を用いて回収することができる。更に、本明細書で説明される実施形態は、一般に、ピーキングサイクルガスタービン６６による排気ガスからの熱を回収することに関連しているが、開示される実施形態はまた、他の何らかの単純サイクルガスタービン（すなわち、複合サイクルではない）に拡張することもできる。
【００３１】
更に、本明細書で説明される実施形態は、一般に、図３及び４の低圧補助過熱器９２並びに図５の蒸気発生ユニット９６によって生成された過熱蒸気を蒸気タービン２２のような複合サイクル発電システム６４の蒸気タービンに供給することに関連する。しかしながら、生成された過熱蒸気はまた、過熱蒸気を出力又は熱の発生源に提供することができる他のプロセスにおいても用いることができる点は理解されたい。
【００３２】
加えて、本明細書で説明されるピーキングサイクル排熱回収技術は、新規のピーキングサイクルユニットに適用されるだけでなく、ピーク負荷要件に対応させるために既に使用されている単純サイクルユニットにも適用することができる。換言すると、ピーキングサイクル排熱回収技術を実施するためのシステムは、スタンドアローンパッケージとして設置することができ、既存のピーキングサイクルユニットの排気経路内に後付けすることができる。例えば、図３及び４の実施形態に関して、低圧補助過熱器９２（及び任意選択の低圧ピーキングサイクル過熱防止装置９４）は、メインピーキングサイクルダクト８２内、又はピーキングサイクルガスタービン６６の下流側の別の位置に設置することができる。この実施形態では、好適な接続は、排熱回収機器（例えば、低圧補助過熱器９２、及び低圧ピーキングサイクル過熱防止装置９４）、ＨＲＳＧ３２の低圧蒸発器４２、及び蒸気タービン２２の低圧段２６間に遡及的に設置することができる。
【００３３】
使用される特定の構成に関係なく、本明細書で説明されるピーキングサイクル排熱回収技術を利用する方法は、一般に、実質的に同じとすることができる。図６は、本発明の実施形態を用いた複合サイクル発電を増強するためにピーキングサイクルガスタービン６６排気から熱を回収するための例示的な方法９８のフロー図である。ステップ１００で、過熱蒸気をＨＲＳＧ３２から受け取ることができる。詳細には、低圧過熱蒸気をＨＲＳＧ３２の低圧蒸発器４２から受け取ることができる。図５に関して上記で検討したように、ステップ１００は、別個のワンススルー低圧蒸気発生ユニット９６が使用される場合にはＨＲＳＧ３２からの過熱蒸気を供給する必要がないので、実際には任意選択のものとすることができる。むしろ、図５の蒸気発生ユニット９６は、ピーキングサイクルガスタービン６６からの排気ガスを用いて、別個の水供給源からの水を加熱して、その固有の過熱蒸気を生成するようにすることができる。しかしながら、低圧補助過熱器９２が使用される図３及び４に記載の実施形態では、ＨＲＳＧ３２の低圧蒸発器４２からの低圧過熱蒸気は、低圧補助過熱器により受けられて更に加熱することができる。
【００３４】
ステップ１０２で、ピーキングサイクルガスタービン６６の排気ガスからの熱は、水供給源に伝達されて過熱蒸気を生成することができ、ピーキングサイクルガスタービン６６の排気経路内で熱伝達が生じるようになる。ステップ１００に関して上記で検討したように、ステップ１０２は、種々の配置及び実施形態によって実現することができる。図３及び４で説明される実施形態では、ピーキングサイクルガスタービン６６の排気経路において低圧補助過熱器９２によって、ＨＲＳＧ３２からの過熱蒸気に追加の熱を伝達することができる。しかしながら、図５で説明した実施形態では、ピーキングサイクルガスタービン６６の排気経路において蒸気発生ユニット９６により別個の水供給源を過熱することができる。何れの場合においても、過熱蒸気を生成するのに使用される熱は、ピーキングサイクルガスタービン６６の排気ガスから伝達することができる。
【００３５】
ステップ１０４で、生成された過熱蒸気を冷却することができる。詳細には、過熱蒸気が予め定められた温度レベルを超えた時には常に、低圧ピーキングサイクル過熱防止装置９４を用いて過熱蒸気を冷却することができ、この温度レベルは、例えば、蒸気タービン２２及び関連の設備の低圧段２６の冶金的限界に基づいて選択することができる。ステップ１０４は、任意選択であり、例えば、ピーキングサイクルガスタービン６６の排気ガスからの排熱回収が排熱回収機器の下流側に過剰な温度レベルを生じ得る可能性が存在する状況で使用するよう選択することができる。
【００３６】
ステップ１０６で、過熱蒸気は、出力又は熱の発生源として用いることができるプロセスに供給することができる。詳細には、過熱蒸気は、複合サイクル発電システム６４の蒸気タービン（例えば、蒸気タービン２２の低圧段２６）に供給することができ、ここで過熱蒸気は出力の供給源として用いることができる。しかしながら、本明細書で説明するように、当該プロセスはまた、出力又は熱の発生源として過熱蒸気を用いることが可能なあらゆるプロセスを含むことができる。これらのプロセスは通常、複合サイクル発電システム６４が配置されるプラント内の他のプロセスとすることができる。
【００３７】
従って、本発明の実施形態は、ピーキングサイクルガスタービン６６などのピーキングサイクルユニットの排気ガスからの熱の回収を向上させることによって、複合サイクル発電システムを増強するためのシステム及び方法を提供する。より具体的には、本発明の実施形態は、ピーキングサイクルガスタービン６６のすぐ下流側になる排気経路においてピーキングサイクルガスタービン６６の排気ガスからの熱を再度取り込むためのシステム及び方法を対象としている。排熱回収機器（例えば、低圧補助過熱器９２）は、ピーキングサイクルガスタービン６６の排気経路に配置することができるので、複合サイクル発電システム６４の他の機器（例えば、メイントッピング及びボトミングサイクルの構成要素）のサイズを変更する必要性が最小限にされる。例えば、ＨＲＳＧ３２の配管及び他の種々の機器のサイズ変更が必要となる、ピーキングサイクルガスタービン６６からメインＨＲＳＧ３２に排気ガスを注入するのではなく、ピーキングサイクルガスタービン６６の排気経路内に低圧補助過熱器９２を隔離することによって、ＨＲＳＧ３２を通る流速の増大に対処するためにＨＲＳＧ３２の配管及び関連する機器のサイズを変更する必要性を排除することができる。同様に、蒸気タービン２２への過熱蒸気の直接供給を可能にすることによって、配管及び関連機器のサイズ変更を最小限にすることができる。しかしながら、例えば低圧補助過熱器９２（及び任意選択の低圧ピーキングサイクル過熱防止装置９４）からの過熱蒸気を供給するのに使用される接続は、蒸気流速の増大及び関連する蒸気タービン２２への蒸気流の温度の上昇に対処するために、僅かなサイズ変更を伴う可能性がある。
【００３８】
本明細書で説明するように、本発明の実施形態を利用して他の利点もまた実現することができる。例えば、スタンドアローンの単一圧力蒸気タービンとは違って、複合サイクル発電システム６４の蒸気タービン２２に過熱蒸気を供給することによって、複合サイクル発電システム６４の全体効率を有意に高めることができる。加えて、ピーキングサイクルガスタービン６６の排気ガスからの熱のある量を過熱蒸気に伝達することにより、排熱回収機器の下流側の排気ガスの温度（例えば、図３及び４の低圧補助過熱器９２、又は図５の蒸気発生ユニット９６）が有意に低下させることができ、これにより、別個の冷却機器の必要性を低減又は排除すること、並びにＮＯｘエミッションを低減するためにより信頼性のある安価な低温ＳＣＲ触媒を使用可能にすることができる。
【００３９】
本発明の特定の特徴のみを本明細書で図示し説明してきたが、当業者であれば、多くの修正形態及び変形形態が想起されるであろう。従って、添付の請求項は、全てのそのような修正及び変更を本発明の技術思想の範囲内に属するものとして保護しようとするものであることを理解されたい。
【符号の説明】
【００４０】
１２  メインガスタービン
１４  負荷
１６  タービン
１８  燃焼器又は燃焼室
２０  圧縮機
２２  蒸気タービン
２４  負荷
２６  低圧段
２８  中圧段
３０  高圧段
３２  ＨＲＳＧ
６６  ピーキングサイクルガスタービン
６８  補助負荷
７０  タービン
７２  燃焼器又は燃焼室
７４  圧縮機
７６  排気ダクト
７８  ブロア
８０  膨張ダクト
８２  メインピーキングサイクルダクト
８４  ＳＣＲ設備
８６  ピーキングサイクルスタック
８８  補助負荷
９０  スタック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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