(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料を圧縮空気と混合する前に加熱して、ガスタービンの性能、効率及び排出物質を向上させる。【解決手段】ある実施形態において、システムは、燃料加熱器６４を含む。燃料加熱器６４は、圧縮空気８０、８４を圧縮機２０から受けると共に、圧縮空気８０、８４の熱を給水９２に伝達するように構成される第１の熱交換器７４を含む。燃料加熱器６４は更に、加熱された給水９４を第１の熱交換器７４から受けると共に、加熱された給水９４の熱を燃料９８に伝達するように構成される第２の熱交換器７６を含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮空気（８０、８４）を圧縮機（２０）から受けると共に、前記圧縮空気（８０、８４）の熱を給水（９２）に伝達するように構成される第１の熱交換器（７４）と、
加熱された給水（９４）を前記第１の熱交換器（７４）から受けると共に、前記加熱された給水（９４）の熱を燃料（９８）に伝達するように構成される第２の熱交換器（７６）とからなる燃料加熱器（６４）を含むシステム。
【請求項２】
前記燃料加熱器（６４）は、ガスタービンエンジン（１２）の前記圧縮機（２０）を用いて、前記ガスタービンエンジン（１２）用の前記燃料（９８）を加熱するように構成されるガスタービン燃料加熱器である、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記第１の熱交換器（７４）は、前記給水（９２）を排熱回収ボイラシステム（３２）から受けるように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記第２の熱交換器（７６）は、前記加熱された給水（９４、１００）を排熱回収ボイラシステム（３２）に送給するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記第１及び第２の熱交換器（７４、７６）は、ガスタービンエンジン（１２）及び排熱回収ボイラシステム（３２）の始動期間中に一緒に動作するように構成され、前記第２の熱交換器（７６）は、前記始動期間後は、前記第１の熱交換器（７４）を伴わずに動作するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
圧縮機（２０）からの圧縮空気（８０、８４）を第１の熱源として用いて、第１の熱交換器（７４）内で給水（９２）を加熱する段階と、
前記第１の熱交換器（７４）からの加熱された給水（９４）を第２の熱源として用いて、第２の熱交換器（７６）内で燃料（９８）を加熱する段階とからなる方法。
【請求項７】
前記給水（９２、１００）を排熱回収ボイラシステム（３２）と交換する段階を含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記加熱された燃料（６６）を前記第２の熱交換器（７６）からガスタービンエンジン（１２）の燃焼室（１８）へ送給する段階を含む、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記第１の熱交換器（７４）とガスタービンエンジン（１２）の燃焼室（１８）との間において、前記圧縮空気（８０、８４）の流れを制御する段階を含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
ガスタービンエンジン（１２）及び排熱回収ボイラシステム（３２）の始動期間中に、前記第１及び第２の熱交換器（７４、７６）の両方を動作させる段階と、前記始動期間後は、前記第２の熱交換器（７６）のみを動作させる段階とを含む、請求項６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン用燃料の加熱に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、一般に、燃料と圧縮空気との混合物を使用して燃焼する。しかし、場合によっては、燃料が相対的に低温となる一方で、圧縮空気は相対的に高温となる。低い燃料温度は、ガスタービンの性能を低下させると共に、効率を低下させ、且つ排出物質を増加させ得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７，１４３，５８１Ｂ２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、燃料を圧縮空気と混合する前に加熱して、ガスタービンの性能、効率及び排出物質を向上させることが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
原クレームに記載の本発明の範囲に相応する特定の実施形態の概要を以下に説明する。これらの実施形態は、特許請求の範囲に記載の本発明の範囲を制限することを意図するものではなく、むしろ、本発明の考えられる形態の概要を示すことのみを意図するものである。実際に、本発明は、以下に記載の実施形態と同様であるか、又は相違する様々な形態を包含し得る。
【０００６】
第１の実施形態において、システムは、ガスタービンエンジンを含む。ガスタービンエンジンは、空気を受けると共に、該空気を圧縮するように構成される圧縮機を含む。ガスタービンエンジンは更に、圧縮機からの第１の圧縮空気流と燃料とを受けるように構成される燃焼器を含み、燃焼器は、圧縮空気と燃料との混合物を燃焼させて排気ガスを発生させるように構成される。ガスタービンエンジンは更に、燃焼器から排気ガスを受けると共に、該排気ガスを利用して軸を回転させるように構成されるタービンを含む。システムは更に、圧縮機から第２の圧縮空気流を受けて、この第２の圧縮空気流の熱を用いて燃料を加熱すると共に、加熱された燃料を燃焼器に送給するように構成される燃料装置を含む。
【０００７】
第２の実施形態において、システムは、燃料加熱器を含む。燃料加熱器は、圧縮機から圧縮空気を受けると共に、この圧縮空気の熱を給水に伝達するように構成される第１の熱交換器を含む。燃料加熱器は更に、加熱された給水を第１の熱交換器から受けると共に、この加熱された給水の熱を燃料に伝達するように構成される第２の熱交換器を含む。
【０００８】
第３の実施形態において、方法は、圧縮機からの圧縮空気を第１の熱源として用いて、第１の熱交換器内で給水を加熱する段階を含む。この方法は更に、第１の熱交換器からの加熱された給水を第２の熱源として用いて、第２の熱交換器内で燃料を加熱する段階を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ガスタービン、蒸気タービン、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）システム及び燃料装置を有する複合サイクル発電システムの実施形態の略流れ図である。
【図２】図１のガスタービン、吸気システム及び燃料装置の実施形態の略流れ図である。
【図３】図１のガスタービンの圧縮機からの加熱空気を熱源として用いて、図１の燃料装置内で燃料を加熱する方法の実施形態の流れ図である。
【図４】始動時に燃料装置の実施形態を通る加熱空気と燃料と給水との温度及び質量流量のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の上記及びその他の特徴、態様及び利点は、図面全体を通して同じ符号が同じ部分を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むと、より良く理解されよう。
【００１１】
本発明の１つ以上の特定の実施形態を以下に説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するために、実際の実施態様の全ての特徴が本明細書において説明されない場合もある。こうしたいかなる実際の実施態様の開発においても、あらゆる技術又は設計プロジェクトの場合と同様に、システム関連及び事業関連の制約事項に準拠する等の、実施態様毎に異なる、開発者の特定の目標を達成するために、その実施態様特有の数多くの決定を行わなければならないことを理解されたい。更に、このような開発努力は複雑であり、且つ時間がかかることもあるが、それでもやはり、本発明を利用できる当業者にとっては、設計、製作及び製造という定常作業であることを理解されたい。
【００１２】
本発明の様々な実施形態の要素を示す場合、「１個の」、「ある」、「この」及び「前記の」という冠詞は、その要素が１個以上あることを意味することを意図している。「からなる」、「含む」及び「有する」という用語は、包含的であることを意図すると共に、列挙された要素以外の追加の要素が存在し得ることを意味する。
【００１３】
開示の実施形態は、ガスタービンの圧縮機からの加熱空気を用いてガスタービン用燃料を加熱するシステム及び方法を含む。例えば、ある実施形態では、圧縮機からの圧縮空気は、この圧縮空気を用いて給水システムからの給水を加熱する第１の熱交換器内に導かれる。給水は、例えば、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）システムの中圧部から導かれる。次に、第１の熱交換器の加熱された給水は、燃料がガスタービンに送給されて燃焼される前に、この加熱された給水を用いて燃料を加熱する第２の熱交換器内に導かれる。給水を中間熱伝達媒体として用いることにより、圧縮空気と燃料とが熱交換器内で混合する可能性がなくなる。更に、給水システムは、特に複合サイクル発電プラントにおいては、既にガスタービンと共に用いられている場合があるため、外部の熱伝達装置（例えば補助ボイラや電気加熱器等）の必要性は少なくなるか、又は皆無にさえなり得る。他の実施形態では、給水以外の流体を用いて、第１及び第２の熱交換器により圧縮空気から燃料に熱が伝達される。更に、ガスタービン排気や蒸気等のその他の熱源を用いて中間熱伝達媒体を加熱する。また、その他の中間熱伝達媒体を含めて、他の熱交換器構成を用いても良い。
【００１４】
図１は、ガスタービン、蒸気タービン、ＨＲＳＧシステム及び燃料装置を有する複合サイクル発電システム１０の実施形態の略流れ図である。以下に詳細に説明するように、燃料装置は、燃料をガスタービンに送給する前に加熱するように構成される。特に、燃料装置は、ガスタービンの圧縮機からの加熱された圧縮空気を用いて給水を加熱する第１の熱交換器と、この第１の熱交換器からの加熱された給水を用いて燃料を加熱する第２の熱交換器とを含む。
【００１５】
システム１０は、第１の負荷１４を駆動するガスタービン１２を含む。第１の負荷１４は、例えば電力を生成する発電機である。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。システム１０は更に、第２の負荷２４を駆動する蒸気タービン２２を含む。第２の負荷２４も電力を発生させる発電機である。しかし、第１及び第２の負荷１４、２４はいずれも、ガスタービン１２と蒸気タービン２２とによって駆動可能な他の種類の負荷であって良い。また、ガスタービン１２と蒸気タービン２２とは、図の実施形態に示すように、別々の負荷１４及び２４を駆動するが、ガスタービン１２と蒸気タービン２２とを直列に用いて、単一の軸によって単一の負荷を駆動しても良い。図の実施形態において、蒸気タービン２２は、１個の低圧部２６（ＬＰＳＴ）、１個の中圧部２８（ＩＰＳＴ）及び１個の高圧部３０（ＨＰＳＴ）を含む。しかし、蒸気タービン２２及びガスタービン１２の特定の構成は、実施態様に特有のものであり、且つ各部のいかなる組合せも含み得る。
【００１６】
システム１０は更に、多段ＨＲＳＧ３２を含む。図の実施形態におけるＨＲＳＧ３２の構成要素は、ＨＲＳＧ３２の略図であって、制限を意図するものではない。むしろ、図のＨＲＳＧ３２は、このようなＨＲＳＧシステムの一般的な動作を知らせるために示される。ガスタービン１２からの加熱された排気ガス３４は、ＨＲＳＧ３２内へ輸送されると共に、蒸気タービン２２を動力駆動するのに使用される蒸気を加熱するために用いられる。蒸気タービン２２の低圧部２６からの排気は、復水器３６内に導かれる。復水器３６からの復水は更に、復水ポンプ３８を利用してＨＲＳＧ３２の低圧部内に導かれる。
【００１７】
その後、復水は、ガスを用いて給水を加熱するように構成される装置であって復水を加熱するのに用いられる低圧エコノマイザ４０（ＬＰＥＣＯＮ）を通って流れる。低圧エコノマイザ４０から、復水の一部分は低圧蒸発器４２（ＬＰＥＶＡＰ）内に導かれる一方で、残りは中圧エコノマイザ４４（ＩＰＥＣＯＮ）の方へポンプ送りされる。低圧蒸発器４２からの蒸気は、蒸気タービン２２の低圧部２６に戻される。同様に、中圧エコノマイザ４４から、復水の一部分が中圧蒸発器４６（ＩＰＥＶＡＰ）内に導かれる一方で、残りは高圧エコノマイザ４８（ＨＰＥＣＯＮ）の方へポンプ送りされる。また、中圧エコノマイザ４４及び／又は中圧蒸発器４６からの蒸気及び／又は給水は、燃料装置へ送られ、そこでガスタービン１２の燃焼室１８内で用いられる燃料の加熱に使用される。中圧蒸発器４６からの蒸気は、蒸気タービン２２の中圧部２８へ送られる。この場合も、図の実施形態は、本実施形態の独特の態様が用いられるＨＲＳＧシステムの一般的な動作の例証にすぎないため、エコノマイザと蒸発器と蒸気タービン２２との間における接続は実施態様間において変動する。
【００１８】
最後に、高圧エコノマイザ４８からの復水は、高圧蒸発器５０（ＨＰＥＶＡＰ）内に導かれる。高圧蒸発器５０から流出する蒸気は、蒸気を過熱する一次高圧過熱器５２及び最終高圧過熱器５４内に導かれると共に、最終的に蒸気タービン２２の高圧部３０へ送られる。蒸気タービン２２の高圧部３０からの排気は更に、蒸気タービン２２の中圧部２８内に導かれる。蒸気タービン２２の中圧部２８からの排気は、蒸気タービン２２の低圧部２６内に導かれる。
【００１９】
段間減温器５６は、一次高圧過熱器５２と最終高圧過熱器５４との間に配置される。段間減温器５６は、最終高圧過熱器５４からの蒸気の排出温度の更なるロバスト制御を可能にする。特に、段間減温器５６は、最終高圧過熱器５４から流出する蒸気の排出温度が所定値を上回る時はいつでも、低温の給水噴霧を最終高圧過熱器５４の上流において過熱蒸気中に噴射することにより、最終高圧過熱器５４から流出する蒸気の温度を制御するように構成される。
【００２０】
また、蒸気タービン２２の高圧部３０からの排気は、一次再熱器５８及び二次再熱器６０内に導かれ、そこで再熱された後に蒸気タービン２２の中圧部２８内に導かれる。一次再熱器５８及び二次再熱器６０は更に、これらの再熱器からの排出蒸気温度を制御する段間減温器６２と結合する。特に、段間減温器６２は、二次再熱器６０から流出する蒸気の排出温度が所定の値を上回る時はいつでも、低温の給水噴霧を二次再熱器６０の上流において過熱蒸気中に噴射することにより、二次再熱器６０から流出する蒸気の温度を制御するように構成される。
【００２１】
システム１０のような複合サイクルシステムにおいて、高温排気ガス３４は、ガスタービン１２から流出してＨＲＳＧ３２を通過し、高圧高温蒸気を発生させるために用いられる。ＨＲＳＧ３２により生成された蒸気は、その後、発電のために蒸気タービン２２を通過する。また、生成された蒸気は更に、過熱蒸気が用いられる何らかの他のプロセスへ供給される。ガスタービン１２のサイクルは、しばしば「トッピングサイクル」と呼ばれる一方で、蒸気タービン２２の発電サイクルは、しばしば「ボトミングサイクル」と呼ばれる。これらのサイクルを図１に示すように組み合わせることにより、複合サイクル発電システム１０は、いずれのサイクルにおいても高い効率をもたらす。特に、トッピングサイクルからの排熱が回収されると共に、ボトミングサイクルにおいて用いられる蒸気の発生に使用される。
【００２２】
ガスタービン１２は、燃料装置６４からの燃料を用いて運転する。特に、燃料装置６４は、ガスタービン１２の燃焼室１８内で燃焼する燃料６６をガスタービン１２に供給する。燃料６６には、液体燃料、気体燃料又はこれらを組み合わせたものが含まれる。また、ある実施形態では、吸気システム６８を用いて、ガスタービン１２の圧縮機２０内で圧縮される吸気７２として用いられる周囲空気７０が集められる。
【００２３】
タービン１２の燃焼室１８内において燃料６６の効率的な燃焼を確保するために、ある実施形態では、燃料装置６４は、燃料６６が燃焼室１８に送給される前に燃料６６を加熱する装置を含む。特に、燃料６６を燃焼室１８に送給する前に加熱することにより、複合サイクル発電システム１０の性能、効率及び排出物質を向上させる。特に、複合サイクル発電システム１０の始動時に燃料６６を加熱することは、燃料６６は始動時に圧縮機２０から燃焼室１８に送給される圧縮空気より一般に低温であるため、特に有利であることが立証される。
【００２４】
燃料６６を加熱する１つの方法は、補助ボイラを熱源としての蒸気と用いる方法である。しかし、補助ボイラを用いて燃料６６を加熱する方法はある欠点を含む。例えば、補助ボイラの据付の資本費は一般に、補助ボイラが実際に必要とされるものより大きくなり得るという点において、財源の最も有効な利用方法にはならないことがある。本明細書に開示の実施形態は一般に、これらの欠点に対処しようとするものである。特に、以下に詳細に説明するように、開示の実施形態は、ガスタービン１２の圧縮機２０からの加熱された圧縮空気を用いて給水を加熱することを可能にし、更に、この給水を用いて、燃料６６は、ガスタービン１２の燃焼室１８に送給される前に加熱される。圧縮機２０からの加熱された圧縮空気及び給水は、既に複合サイクル発電システム１０により用いられている場合があるため、これらを利用した燃料６６の加熱は、補助ボイラ等の外部の熱伝達装置の必要性を少なくすることによって発電プラントの資本費を削減する。
【００２５】
図２は、図１のガスタービン１２、吸気システム６８及び燃料装置６４の実施形態の略流れ図である。図示のように、燃料装置６４は、空気−給水熱交換器７４と給水−燃料熱交換器７６とを含む。以下に詳細に説明するように、空気−給水熱交換器７４は、ガスタービン１２の圧縮機２０からの加熱された圧縮空気を熱源として用いて、給水を加熱するのに用いられる。また、給水−燃料熱交換器７６は、加熱された給水を熱源として用いて、燃料を加熱するのに用いられる。従って、一般に、燃料装置６４は、ガスタービン１２の圧縮機２０から加熱された圧縮空気を受けると共に、ガスタービン１２の燃焼室１８内において用いられる加熱された燃料６６を生成する。
【００２６】
ガスタービン１２の圧縮機２０からの加熱された圧縮空気を用いて燃料６６を加熱するプロセスをより分かりやすく例証するために、ガスタービン１２の一般的な運転方法の概要を説明する。図示のように、タービン１６及び圧縮機２０は、負荷１４にも接続される共通の軸７８に結合する。圧縮機２０は更に、軸７８に結合するブレードを含む。軸７８が回転すると、圧縮機２０内のブレードも回転して、吸気システム６８からの吸気７２を圧縮する。圧縮空気８０は、ガスタービン１２の燃焼室１８内に導かれ、そこで圧縮空気８０が燃料６６と混合し、燃焼室１８内で燃焼される。特に、燃料ノズルは、最適な燃焼、排出物質、燃料消費量及び電気出力に適する割合で、混合気を燃焼室１８内に噴射する。混合気は、燃焼室１８内で燃焼して、高温の加圧排気ガス８２を生成する。燃焼室１８は、タービン１６を介して排気ガス８２を導く。排気ガス８２がタービン１６を通過する時に、これらのガスは、１個以上のタービンブレードを付勢して軸７８を回転させ、更に、圧縮機２０と負荷１４を付勢する。特に、タービンブレードの回転が軸７８の回転を引き起こすことにより、圧縮機２０内のブレードは、吸気システム６８から受ける吸気７２を引き込ませて、吸気７２を加圧する。
【００２７】
圧縮機２０により生じる圧縮空気８０は、高圧になるだけではなく、高温にもなる。例えば、ある実施形態において、圧縮機２０により生じる圧縮空気８０は、５００°Ｆ（例えばガスタービン１２の最低負荷時）〜８００°Ｆ（例えばガスタービン１２の最大負荷時）の範囲内となる。しかし、圧縮空気８０の温度は、実施態様及び運転点間において変動し、ある実施形態では、４００°Ｆ、４５０°Ｆ、５００°Ｆ、５５０°Ｆ、６００°Ｆ、６５０°Ｆ、７００°Ｆ、７５０°Ｆ、８００°Ｆ、８５０°Ｆ、９００°Ｆ等となる。また、圧縮空気８０の温度は、圧縮機２０の異なる段間において変動する。
【００２８】
従って、圧縮空気８０は、特に燃料６６と比べて、一般に高温となる。従って、圧縮空気８０の全流をガスタービン１２の燃焼室１８内に導く代わりに、ある一定量の圧縮空気８０を加熱空気８４として燃料装置６４内に誘導するか、又は分流させて、空気−給水熱交換器７４内において熱源として使用する。例えば、ある実施形態では、ある一定の割合（例えば０〜２０パーセント）の圧縮空気８０が、空気−給水熱交換器７４の方へ導かれる。ある実施形態において、圧縮空気８０の主流から取られる加熱空気８４の割合は、１％〜３％程度である。しかし、圧縮空気８０の主流から取られる加熱空気８４の割合も、実施態様及び運転点間において変動し、ある実施形態では、０．５％、１．０％、１．５％、２．０％、２．５％、３．０％、３．５％、４．０％、４．５％、５．０％等となる。これらの割合は更に、圧縮空気８０の体積や質量等の様々な特性に基づく。実際に、ある一定の割合が空気−給水熱交換器７４に再誘導されることに加えて、燃料６６を加熱するのに必要とされるある一定の質量流量及びエネルギー流量等によって、空気−給水熱交換器７４内に導かれるべき加熱空気８４の量を判断する。
【００２９】
ある実施形態において、ガスタービン１２の燃焼室１８と燃料装置６４の空気−給水熱交換器７４との間における圧縮空気８０の分配は、空気−給水熱交換器７４の下流の弁８６により制御される。特に、弁８６は、空気−給水熱交換器７４内に送給される加熱空気８４の量を制御する。ある実施形態では、制御装置８８を用いて、加熱空気８４の流れを制御する。特に、制御装置８８は、弁８６を作動させる制御論理を含んで、燃料装置６４の空気−給水熱交換器７４への圧縮空気８０の流れを制御する。ある実施形態において、圧縮空気８０及び加熱空気８４の流れは、少なくとも部分的に空気−給水熱交換器７４及び給水−燃料熱交換器７６内における条件に基づいて、制御装置８８により調節される。例えば、燃焼室１８と空気−給水熱交換器７４との間における圧縮空気８０の分配は、給水−燃料熱交換器７６から燃焼室１８へ送給される燃料６６の温度に基づいて、制御装置８８によって制御され、この温度は、温度センサ９０によって測定される。
【００３０】
上述のように、空気−給水熱交換器７４内に導かれる加熱空気８４を用いて、複合サイクル発電システム１０の給水システムからの給水９２を加熱する。特に、ある実施形態では、ＨＲＳＧ３２からの中圧給水が空気−給水熱交換器７４内で加熱される。特に、ある実施形態では、この中圧給水は、ＨＲＳＧ３２の中圧エコノマイザ４４及び／又は中圧蒸発器４６から受けられる。しかし、他の実施形態では、ＨＲＳＧ３２からの高圧給水も空気−給水熱交換器７４内で加熱される。一般に、空気−給水熱交換器７４内で加熱される給水９２は、ガスタービン１２の圧縮機２０からの加熱空気８４より実質的に低い温度を有する。例えば、ある実施形態において、給水９２の温度は、８０°Ｆ〜３００°Ｆ程度となる。しかし、この場合も、給水９２の温度は、実施態様及び運転点間において変動し、ある実施形態では、６０°Ｆ、８０°Ｆ、１００°Ｆ、１２０°Ｆ、１４０°Ｆ、１６０°Ｆ、１８０°Ｆ、２００°Ｆ、２２０°Ｆ。２４０°Ｆ、２６０°Ｆ、２８０°Ｆ、３００°Ｆ、３２０°Ｆ、３４０°Ｆ等となる。
【００３１】
従って、加熱空気８４を用いて給水９２を加熱して、給水−燃料熱交換器７６内に導かれる加熱された給水９４を生成する。このプロセスにおいて、加熱空気８４はある程度まで冷却されて、低温空気９６が生成される。ある実施形態では、低温空気９６は、再び吸気システム６８内に導かれ、そこで再び吸気７２としてガスタービンの圧縮機２０へ送られる。しかし、他の実施形態では、低温空気９６は、ＨＲＳＧの排気筒３３、ガスタービン１２の排気口又はその他の外部プロセスに導かれる。ある実施形態において、給水９２の温度を約４２５°Ｆまで上昇させる一方で、加熱空気８４の温度を約１４０°Ｆ〜２４０°Ｆまで低下させる。前述のように、熱交換量は、実施態様及び運転点間において変動する。このため、給水−燃料熱交換器７６に送給される加熱された給水９４の温度は、３５０°Ｆ、３７５°Ｆ、４００°Ｆ、４２５°Ｆ、４５０°Ｆ、４７５°Ｆ、５００°Ｆ等の間で変動する一方で、再び吸気システム６８に送給される低温空気９６の温度は、１００°Ｆ、１２０°Ｆ、１４０°Ｆ、１６０°Ｆ、１８０°Ｆ、２００°Ｆ、２２０°Ｆ、２４０°Ｆ、２６０°Ｆ、２８０°Ｆ、３００°Ｆ等の間で変動する。従って、ある実施形態において、給水９２の温度は、ランキン目盛で１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００％以上増加する一方で、加熱空気８４の温度は、ランキン目盛で５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０％以上低下する。
【００３２】
給水−燃料熱交換器７６内に導かれる加熱された給水９４を用いて、燃料源９８を加熱する。一般に、給水−燃料熱交換器７６内で加熱される燃料源９８は、空気−給水熱交換器７４からの加熱された給水９４より実質的に低い温度を有する。例えば、ある実施形態において、燃料源９８の温度は約６０°Ｆとなる。しかし、この場合も、燃料源９８の温度は、実施態様及び運転点間において変動し、ある実施形態では、４０°Ｆ、５０°Ｆ、６０°Ｆ、７０°Ｆ、８０°Ｆ、９０°Ｆ、１００°Ｆ、１１０°Ｆ、１２０°Ｆ等となる。
【００３３】
従って、加熱された給水９４を用いて燃料源９８を加熱し、ガスタービン１２の燃焼室１８内に導かれる加熱された燃料６６を生成する。このプロセスにおいて、給水９４はある程度まで冷却されて、低温給水１００が生成される。低温給水１００は、再び複合サイクル発電システム１０の給水システム内に導かれる。ある実施形態において、燃料源９８の温度を約３７５°Ｆまで上昇させる一方で、加熱された給水９４の温度を約１２０°Ｆまで低下させる。前述のように、熱交換量は、実施態様及び運転点間において変動する。このため、ガスタービン１２の燃焼室１８へ送給される加熱された燃料６６の温度は、３００°Ｆ、３２５°Ｆ、３５０°Ｆ、３７５°Ｆ、４００°Ｆ、４２５°Ｆ、４５０°Ｆ等の間で変動する一方で、再び複合サイクル発電システム１０の給水システムへ送給される低温給水１００の温度は、８０°Ｆ、９０°Ｆ、１００°Ｆ、１１０°Ｆ、１２０°Ｆ、１３０°Ｆ、１４０°Ｆ、１５０°Ｆ、１６０°Ｆ等の間で変動する。従って、ある実施形態において、燃料源９８の温度は、ランキン目盛で１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００％以上増加する一方で、加熱された給水９４の温度は、ランキン目盛で５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０％以上低下する。
【００３４】
図３は、ガスタービン１２の圧縮機２０からの加熱空気８４を熱源として用いて、燃料装置６４内で燃料を加熱する方法１０２の実施形態の流れ図である。段階１０４において、燃料装置６４は、圧縮機２０から加熱空気８４を受ける。上述のように、制御装置８８を用いて、燃料装置６４に送られて熱源として用いられる加熱空気８４の量を判断する。例えば、温度センサ９０により測定される燃料６６の温度が目標値より低い場合は、制御装置８８は、燃料装置６４に送給される加熱空気８４の量を増加させるべきであると判断する。従って、制御装置８８は、弁８６を作動させて、燃料装置６４内への加熱空気８４の流量を増加させる。逆に、温度センサ９０により測定される燃料６６の温度が目標値より高い場合は、制御装置８８は、燃料装置６４に送給される加熱空気８４の量を減らすべきであると判断する。従って、制御装置８８は、弁８６を作動させて、燃料装置６４内への加熱空気８４の流量を低下させる。
【００３５】
段階１０６において、燃料装置６４は給水９２を受ける。上述のように、給水９２は、燃料６６を加熱するための中間熱伝達媒体として用いられる。最初に、加熱空気８４を用いて空気−給水熱交換器７４内で給水９２を加熱し、次に、加熱された給水９４を用いて給水−燃料熱交換器７６内で燃料源９８を加熱するという２段階プロセスは一般に、燃料装置６４内で可燃混合気が生成される可能性が低下するという点において有利である。すなわち、給水９２が中間熱伝達媒体として用いられるため、加熱空気８４と燃料源９８とが混合して、燃料装置６４内において望ましくない可燃状態を引き起こす可能性が低くなる。
【００３６】
給水９２は、複合サイクル発電システム１０の内部又は外部の何らかの適切な給水システムから受けられる。しかし、上述のように、ある実施形態では、給水９２は、ＨＲＳＧ３２から、特にＨＲＳＧ３２の中圧エコノマイザ４４及び／又は中圧蒸発器４６から受けられる。ＨＲＳＧ３２の中圧部からの給水は、燃料装置６４内において特に適した中間熱伝達媒体となることが分かった。しかし、上述のように、ＨＲＳＧ３２からの高圧給水も中間熱伝達媒体として用いられる。
【００３７】
段階１０８において、給水９２は、ガスタービン１２の圧縮機２０からの加熱空気８４を熱源として用いて、空気−給水熱交換器７４内で加熱される。すなわち、熱は、空気−給水熱交換器７４内において、加熱空気８４から給水９２に伝達される。熱をガス（例えば加熱空気８４）から流体（例えば給水９２）に伝達できるあらゆる適切な熱交換設計が用いられる。段階１０８では、給水９２を加熱して、給水−燃料熱交換器７６内に導かれる加熱された給水９４となる一方で、加熱空気８４は、冷却されて、低温空気９６となる。
【００３８】
段階１１０において、空気−給水熱交換器７４からの加熱された給水９４は、給水−燃料熱交換器７６に送給される。また、段階１１２において、空気−給水熱交換器７４からの低温空気９６は、任意で再びガスタービン１２の方へ導かれる。特に、上述のように、低温空気９６は、ガスタービン１２の圧縮機２０に付随する吸気システム６８内に導かれる。しかし、他の実施形態では、低温空気９６は、ＨＲＳＧ排気筒３３、ガスタービンの排気口又はその他の外部プロセスへ導かれる。
【００３９】
段階１１４において、燃料源９８は、空気−給水熱交換器７４からの加熱された給水９４を熱源として用いて、給水−燃料熱交換器７６内で加熱される。すなわち、熱は、給水−燃料熱交換器７６内において、加熱された給水９４から燃料源９８に伝達される。熱を流体（例えば加熱された給水９４）から燃料に伝達できるあらゆる適切な熱交換設計が用いられる。段階１１４では、燃料源９８を加熱して、ガスタービン１２の燃焼室１８内に導かれる燃料６６となる一方で、加熱された給水９８は、冷却されて、給水９２の流出元である給水システム内に導かれる低温給水１００となる。
【００４０】
段階１１６において、給水−燃料熱交換器７６内で加熱された燃料６６は、ガスタービン１２の燃焼室１８に送給される。上記のように、ある実施形態では、給水−燃料熱交換器７６からの燃料６６の温度は、制御装置８８により温度センサ９０を介して監視されて、燃料装置６４内への加熱空気８４の流量を増やすべきか、減らすべきか又は現在の流量に維持するべきかが判断される。また、段階１１８において、低温給水１００は、任意で再び給水９２の流出元である給水システム内に導かれる。例えば、ある実施形態では、低温給水１００は、再びＨＲＳＧ３２内へ、特にＨＲＳＧ３２の中圧部（例えば中圧エコノマイザ４４及び／又は中圧蒸発器４６）内に導かれる。しかし、他の実施形態においては、低温給水１００は、復水器３６内又はその他の外部プロセスへ導かれる。
【００４１】
本明細書に記載のシステム及び方法は、ガスタービン１２及び複合サイクル発電システム１０の運転時のいかなる時点でも用いられるが、本明細書に開示の実施形態は、ガスタービン１２及び複合サイクル発電システム１０の始動時に特に有用である。最初の始動期間後に、給水システム内における給水９２の温度は増加し始める。この時点で、給水システムからの給水９２を用いて燃料を直接加熱する。例えば、給水９２は、空気−給水熱交換器７４を通って（例えば加熱を受けずに）給水−燃料熱交換器７６内に流入し、そこで給水９２を用いて燃料源９８を直接加熱する。
【００４２】
特に、ある実施形態において、制御装置８８は、給水システムからの給水９２の温度が所望の温度（例えば３５０°Ｆ、３７５°Ｆ、４００°Ｆ、４２５°Ｆ、４５０°Ｆ、４７５°Ｆ、５００°Ｆ等）に上昇した時点を検出する。この時点で、制御装置８８は、ガスタービン１２の圧縮機２０からの加熱空気８４は、もはや給水９２の加熱に必要とされないと判断する。従って、制御装置８８は、圧縮機２０からの圧縮空気８０の全量をガスタービン１２の燃焼室１８内に導かせる。このため、空気−給水熱交換器７４内では加熱が行なわれなくなる。その代わりに、給水システムからの給水９２は、空気−給水熱交換器７４を通って（例えば加熱を受けずに）給水−燃料熱交換器７６内に流入する。他の実施形態において、制御装置８８は、給水システムからの給水９２に空気−給水熱交換器７４を完全に迂回させる。
【００４３】
給水システムからの給水９２を所望の温度まで上昇させるのに必要な時間は、約５分程度にすぎないこともある。例えば、図４は、始動時に燃料装置６４の実施形態を通る加熱空気８４と燃料６６と給水９２との温度及び質量流量のグラフである。図示のように、約６．５分の時点において、空気−給水熱交換器７４に送給される加熱空気の質量流量１２０は増加し始める。このため、加熱空気８４が加熱対象を得られるように、給水の質量流量１２２が増え始める。また、給水−燃料熱交換器７６内に流入する給水入口温度１２４及び給水−燃料熱交換器７６から流出する燃料出口温度１２６も増加し始める。更に、加熱空気温度１２８は徐々に増加し始める。ある時点で、給水入口温度１２４及び／又は燃料出口温度１２６は、所望の目標値に到達する。図の実施形態では、この時点は１１分の表示の付近である。一旦このようになると、加熱空気の質量流量１２０は低下し始める。しかし、この時点で、給水の質量流量１２２、給水入口温度１２４、燃料出口温度１２６及び加熱空気温度１２８は、いずれも相対的に一定に維持されるか、又は徐々に安定する。上記のように、これは主として、給水システムからの給水９２が既に、給水９２を用いて給水−燃料熱交換器７６内で燃料を直接加熱する程度に十分高温に達しているためである。図４に示される値は全て、一般的な始動期間の例証にすぎず、制限を意図するものではないことに注意されたい。
【００４４】
開示の実施形態の技術的効果には、ガスタービンの圧縮機からの圧縮空気を熱源として用いて、ガスタービンで用いられる燃料を加熱するシステム及び方法が得られることが含まれる。特に、第１の熱交換器は、加熱された圧縮空気を用いて給水を加熱するのに用いられる。次に、この加熱された給水は、第２の熱交換器内に導かれ、そこでこの加熱された給水を用いて燃料を加熱する。給水を中間熱伝達媒体として用いることにより、第１及び第２の熱交換器内において混合気が燃焼する可能性が低下する。また、ガスタービンの圧縮機からの既存の空気と給水システムからの給水とを用いて燃料を加熱するため、外部の熱伝達装置（例えば補助ボイラや電気加熱器等）の必要性が少なくなるか、又は皆無にさえなるため、資本費が削減される。その他の熱交換構成及び／又は中間熱伝達媒体は、開示のシステム及び方法と併せて用いられることに注意されたい。
【００４５】
また、開示の実施形態は、ガスタービン１２の最初の始動時における燃料加熱の問題を解決する。特に、開示の実施形態により、十分な燃料温度が確保されて、ガスタービン１２は制限のない態様で動作するようになる。また、低温空気９６を燃料装置６４から再びガスタービン１２内に再導入する方法とは対照的に、開示の実施形態は、低温空気９６を燃料装置６４からガスタービン１２の入口、ガスタービン１２の排気口又はＨＲＳＧ排気筒３３に再誘導することを可能にする。これにより、この場合も、低温空気９６の再導入によって制約を受けることなく、ガスタービン１２は制限のない態様で動作することが確実となる。
【００４６】
本明細書は、最良の形態を含む例を用いて本発明を開示すると共に、何らかの装置又はシステムの製造及び使用と本明細書に組み込まれた何らかの方法の実行とを更に含めて、当業者が本発明を実施することを可能にするものである。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲により規定されると共に、当業者が想到するその他の例を含む。このようなその他の例は、特許請求の範囲の文言と相違しない構造要素を有する場合又は特許請求の範囲の文言と実質的に相違しない等価の構造要素を含む場合に、特許請求の範囲内に含まれることを意図する。
【符号の説明】
【００４７】
１０  複合サイクル発電システム
１２  ガスタービン
１４  第１の負荷
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  第２の負荷
２６  低圧部
２８  中圧部
３０  高圧部
３２  排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）
３４  加熱された排気ガス
３６  復水器
３８  復水ポンプ
４０  低圧エコノマイザ
４２  低圧蒸発器
４４  中圧エコノマイザ
４６  中圧蒸発器
４８  高圧エコノマイザ
５０  高圧蒸発器
５２  一次高圧過熱器
５４  最終高圧過熱器
５６  段間減温器
５８  一次再熱器
６０  二次再熱器
６２  段間減温器
６４  燃料装置
６６  燃料
６８  吸気システム
７０  周囲空気
７２  吸気
７４  空気−給水熱交換器
７６  給水−燃料熱交換器
７８  共通の軸
８０  圧縮空気
８２  高温の加圧排気ガス
８４  加熱空気
８６  弁
８８  制御装置
９０  温度センサ
９２  給水
９４  加熱された給水
９６  低温空気
９８  燃料源
１００  低温給水
１０２  方法
１０４  方法の段階
１０６  方法の段階
１０８  方法の段階
１１０  方法の段階
１１２  方法の段階
１１４  方法の段階
１１６  方法の段階
１１８  方法の段階
１２０  加熱空気の質量流量
１２２  給水の質量流量
１２４  給水入口温度
１２６  燃料出口温度
１２８  加熱空気温度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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