(57)【要約】【課題】外部再熱ガスタービン及び方法を開示する。【手段】本ガスタービンシステム（１００）は、圧縮機（１１０）と、膨張装置（１３０）と、圧縮機（１１０）及び膨張装置（１３０）間に配置された燃焼器（１２０）と、圧縮機（１１０）及び膨張装置（１３０）間に配置されたボイラ（１５０）と、チャージ可能空気を含みかつボイラ（１５０）と熱連通した導管（１５１、１５２）と、ボイラ（１５０）に結合された外部フリー熱源とを含むことができる。【選択図】      図１
2011085133.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部再熱ガスタービンシステム（１００）であって、
圧縮機（１１０）と、
膨張装置（１３０）と、
前記圧縮機（１１０）及び膨張装置（１３０）間に配置された燃焼器（１２０）と、
前記圧縮機（１１０）及び膨張装置（１３０）間に配置されたボイラ（１５０）と、
チャージ可能空気を含みかつ前記ボイラ（１５０）と熱連通した導管（１５１、１５２）と、
前記ボイラ（１５０）に結合された外部フリー熱源と
を含むシステム。
【請求項２】
前記外部フリー熱源が再生可能エネルギー源である、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記外部フリー熱源が廃エネルギー源である、請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記燃焼器が、燃料供給（１２１）を含む、請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記外部フリー熱源からの熱エネルギーが前記チャージ可能空気を加熱する、請求項４記載のシステム。
【請求項６】
前記外部フリー熱源からの残存熱エネルギーが前記燃料供給（１２１）を加熱する、請求項５記載のシステム。
【請求項７】
該システム（１００）に作動結合された蒸気タービン（１６０）をさらに含む、請求項６記載のシステム。
【請求項８】
前記外部フリー熱源からの残存熱エネルギーが、前記蒸気タービン（１６０）における蒸気を加熱する、請求項７記載のシステム。
【請求項９】
前記ボイラ（１５０）が使用済み蒸気（１５３）を含む、請求項１記載のシステム。
【請求項１０】
前記使用済み蒸気（１５３）が前記燃料供給（１２１）に熱エネルギーを与える、請求項９記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化石燃料燃焼式ガスタービンエンジンに関し、より具体的には、一次化石燃料エネルギー源に加えて二次フリー又は廃エネルギー源を利用してシステムの全体変換効率を向上させることに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンでは、空気が、圧縮機内で加圧されかつ燃焼器内で燃料と混合されて高温の燃焼ガスを発生し、この高温燃焼ガスが下流方向に膨張装置に流れ、膨張装置が、高温燃焼ガスからエネルギーを取出す。最新式ガスタービンエンジンの燃焼器からの高温ガス流の温度は、非常に高く、一般的に２５００°Ｆを充分に超える。そのような温度は、例えばノズル又はベーン（固定している）、ブレード又はバケット（回転する）、及びそれらの間におけるホイールスペースのようなタービン部品の製造に使用される高性能合金の融点に匹敵するか又は該融点よりもさらに高い。これらの部品は一般に、高温ガス通路（ＨＧＰ）構成部品と呼ばれる。冷却がない場合には、最新式ガスタービンエンジンの第１段を構成する翼形部は数秒以内で融解することになると考えられたい。ガスタービンエンジン内のＨＧＰ構成部品を冷却するために使用する空気は一般的に、圧縮機吐出口又は中間段位置から抽出され、従って燃焼及びタービン膨張プロセスで使用されず、それに対応してガスタービンエンジンの全体効率を低下させる。冷却空気流は、「チャージ可能」空気流と呼ばれ、その量は、圧縮機からタービンに送られる加圧空気の温度によって制御される。一般的に、膨張通路における冷却式タービン部品がより下流にあればあるほど、圧縮機における冷却媒体抽出ポイントがより上流にあることになる。タービンを通って膨張する高温ガスとの使用済み冷却空気の混合は、混合及び冷却損失に起因して更なる仕事損失の発生源となる。
【０００３】
一般的に、燃焼器内で燃焼させる燃料の発熱量によるガスタービンへのエネルギー入力は、燃料自体及び／又は圧縮機吐出口からの燃焼空気の温度を高めることによって減少させることができる。燃焼器内で燃焼させる燃料の量のその後の減少は、燃料及び／又は燃焼空気の温度における前述の上昇を達成するためにフリー／廃エネルギー源が利用可能である場合には、ガスタービン効率の増大として反映される。発電において利用される最新式産業用つまり高出力ガスタービンでは、排熱回収ボイラ給水を使用する燃料ガス性能加熱（例えば、３６５°Ｆ又はそれ以上までの）は、確立された手法である。理論上は確かに実施可能であるが、同様な方法で圧縮機吐出空気を加熱することは、極めて高い吐出空気温度（例えば、最新式Ｆクラスタービンではほぼ８００°Ｆ）及び非常に精密に組込まれたタービン構造のために、実行可能ではない。
【０００４】
従来と同様に、例えば集中太陽熱発電（ＣＳＰ）用途では、フリー又は廃エネルギーが、蒸気タービンにおける蒸気発生及び電力生産のために利用される。例えば、ガス及び蒸気タービン複合サイクル（ＣＣ）発電プラントでは、ガスタービン排気からの廃エネルギーを利用して、蒸気タービンにおける付加的膨張及び発電のための蒸気を排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）内で発生させる。温度−エントロピー表面上にガス及び蒸気タービンを表す基礎熱力学サイクルつまりそれぞれブレイトン及びランキンサイクルの相対的位置のために、一般に前者は、「トッピング」サイクルと呼ばれ、また後者は、「ボトミング」サイクルと呼ばれる。他のシステムでは、ＣＣ発電プラントのＨＲＳＧにおける蒸気発生は、個々のボイラセクションにおいて（フリー）太陽エネルギーを利用することによって補足される。いずれにしても、ＣＣ発電プラントのボトミング蒸気サイクルにおいてフリー又は廃エネルギーが利用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７５８１３９５号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の態様によると、ガスタービンシステムを提供する。本ガスタービンシステムは、圧縮機と、膨張装置と、圧縮機及び膨張装置間に配置された燃焼器と、圧縮機及び膨張装置間に配置されたボイラと、チャージ可能空気を含みかつボイラと熱連通した導管と、ボイラに結合された外部フリー熱源とを含むことができる。
【０００７】
本発明の別の態様によると、ガスタービンシステムを提供する。本ガスタービンシステムは、圧縮機と、膨張装置と、圧縮機及び膨張装置間に配置されかつ燃料供給を有する燃焼器と、圧縮機及び膨張装置間に配置された第１のボイラと、チャージ可能空気を含みかつ第１のボイラと熱連通しており、該第１のボイラがチャージ可能空気に熱を与える導管と、第１のボイラに結合された外部フリー熱源と、燃料供給に熱エネルギーを与える第２のボイラとを含むことができる。
【０００８】
本発明のさらに別の態様によると、方法を提供する。本方法は、燃焼器を有するガスタービンにおいて第１のエネルギー流を発生させるステップと、ガスタービンにおいて第２のエネルギー流を発生させるステップと、ガスタービンの外部のエネルギー源において第３のエネルギー流を発生させるステップと、第３のエネルギー流を第１のエネルギー流と混合して、該第１のエネルギー流及び第２のエネルギー流における熱エネルギーを増大させるステップとを含むことができる。
【０００９】
これらの及びその他の利点並びに特徴は、図面と関連させて行った以下の説明から一層明らかになるであろう。
【００１０】
本発明は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲において具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の前述の及びその他の特徴並びに利点は、添付図面と関連させて行った以下の詳細な説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】その好ましい実施形態における例示的な外部再熱ガスタービンシステムを示す図。
【図２】別の例示的な外部再熱ガスタービンシステムを示す図。
【図３】例示的な実施形態による、ガスタービンにおいて外部再熱する方法のフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
詳細な説明は、図面を参照しながら実施例によって、本発明の実施形態をその利点及び特徴と共に説明する。
【００１３】
図１は、例示的な外部再熱ガスタービンシステム１００を示している。本明細書にさらに説明するように、ＣＣ発電プラントのトッピングガスサイクルにおいてフリー又は廃エネルギーを利用することが可能である場合には、２つの別個のメカニズム、つまり１）よく知られておりかつこの技術に関するあらゆる基本の教本内で述べられている再熱効果によるトッピング（ガスタービン）サイクル効率の向上、及び２）ＨＲＳＧに供給するガスタービン排気ガス流のエネルギー（有用性）の増大によるボトミング（蒸気タービン）サイクル効率の向上の組合せによって、全体システムの効率における増加がより大きなものになることを基礎熱力学は明記している。
【００１４】
本明細書に説明するように、外部再熱ガスタービンサイクルでは、蒸気は、フリー又は排熱源を利用するボイラ１５０内で発生させることができかつシステム１００の様々な部分に供給することができる。これに関連して、「フリー」及び「廃」という表現は、前述のエネルギーを発生させるのに、付加的化石燃料（資本支出により購入した）を全く利用しないことを意味している。実施例は、無コストで世界中どこでも容易に入手可能である太陽エネルギー、及びそうでなければ大気中への放出により廃棄されることになる内燃エンジンからの排気ガスのような既存プロセスの副産物としてのエネルギーのような再生可能エネルギー源である。本明細書では、ボイラという用語は、熱源を利用して水を蒸気に変換するする熱交換器を記述するために、その最も一般的な意味で使用している。前述の効果を達成するための特定の熱機械的及びその他の設計態様は、本発明にとって重要なものではない。本明細書にさらに説明するように、ボイラ１５０は、フリー太陽エネルギー又は製鋼所の溶融スラグ生成物などの排熱源のような蒸気発生のための様々な熱源を含むことができる。「フリー」及び「廃」という用語は、互換的に使用されかつガスタービンの外部で供給された熱源を記述する用語であることを理解されたい。ボイラ１５０内で発生した蒸気による「フリー」熱源（例えば、集中太陽熱発電プラント、太陽熱コレクタフィールド、溶融スラグからの排熱回収など）は、チャージ可能冷却流の温度を高める。蒸気はまた、ガスタービン燃料を加熱するように使用し、それによって燃焼器内で消費される燃料の量を減少させかつガスタービン効率を向上させることができる。ガスタービンのＨＧＰに流入する高温のチャージ可能流れによって生じた再熱効果は、システム１００の効率及び出力を高める。
【００１５】
図１に示す例示的な実施形態では、本システム１００は、大気１１１を受けかつ加圧空気１１２及び複数の流れの形態とすることができるチャージ可能空気流１１３を発生させるタービン圧縮機１１０を含む。圧縮機は、膨張装置１３０に作動結合される。加圧空気１１２は、燃焼器１２０のためのものとして生成され、またチャージ可能冷却空気１１３は、ガスタービン膨張装置１３０のＨＧＰ構成部品のためのものとして生成される。燃焼器は、圧縮機１１０及び膨張装置１３０間に配置されて、圧縮機１１０から加圧空気１１２を受けかつ高温生成ガス１２２を膨張装置１３０に供給する。燃焼器１２０はまた、燃料供給１２１を受ける。本システム１００はさらに、複合サイクル（ＣＣ）構成に従ったガスタービン排気流１３１を含む。ＣＣ構成では、システム１００はさらに、排気流１３１のエネルギーを回収しかつ蒸気タービン１６０を駆動する蒸気を発生させるＨＲＳＧ１５５を含むことができる。蒸気タービン１６０は、低圧、中圧及び高圧セクション並びにＨＲＳＧ１５５で再使用するための排出蒸気を復水させる復水器を含むことができる。排気流１３１を再使用するために多くの付加的構成を実装することができ、また説明の目的でＨＲＳＧ１５５及び蒸気タービン１６０を図示している。図１に示す例示的な実施形態では、空気加熱器１３５が、圧縮機１１０及び膨張装置１３０間に配置され、かつそれら圧縮機１１０及び膨張装置１３０に対して作動結合される。チャージ可能空気１１３は、圧縮機１１０から空気加熱器１３５を通ってかつ外部配管又は他の好適な導管を介して膨張装置１３０に流れる。供給導管１５１及び戻り導管１５２が、それぞれボイラ１５０及び空気加熱器１３５間並びに空気加熱器１３５及び燃料加熱器１４０間に配置される。燃料加熱器１４０は、ボイラ１５０及び空気加熱器１３５間で戻り導管１５２上に配置される。燃料加熱器からの使用済み蒸気１５３は、さらに有用なシャフト動力生成のためにその圧力及び温度に見合った位置で流入させるように蒸気タービン１６０に送られる。ボイラ１５０には、蒸気生成のためにＨＲＳＧ１５５の低圧（ＬＰ）エコノマイザ吐出口から水１５４が供給される。
【００１６】
図１に示す例示的な実施形態では、圧縮機１１０におけるその発生源でのチャージ可能冷却空気流１１３は一般的に、約４００°Ｆ〜６５０°Ｆである。本明細書に説明するように、フリー又は排熱は、チャージ可能空気流１１３を加熱して本システム１００の全体効率を向上させるために利用される。具体的には、圧縮機１１０の段から抽出したチャージ可能冷却空気１１３は、ガスタービン膨張装置１３０セクションに流入させる前に、ボイラ１５０においてフリー又は排熱源（例えば、製鋼所からの溶融スラグ又は太陽熱）を利用することによって発生させた蒸気を使用して望ましい温度（例えば、８００°Ｆ〜１０００°Ｆ）に加熱される。従って、フリーエネルギーは、膨張の残りの間に余分のエネルギーを発生させるために、膨張しているガス内に導入する（つまり、そのエンタルピーを増加させる）ことができる。例えば、最新式Ｆクラス１６５ＭＷ高出力産業用ガスタービンでは、計算によると、チャージ可能冷却流の２００°Ｆ（３００°Ｆ）上昇に対して８００ｋＷ（１３００ｋＷ）までのＧＴ出力の追加を示している。この結果は、例えば集中太陽熱発電を利用して６００ｐｓｉａでボイラ１５０において発生させた１０５０°Ｆ過熱蒸気を使用することによって達成することができる。さらに、ガスタービン排気流１３１の温度における上昇は、４°Ｆ〜７°Ｆであり、この温度上昇は、２ｘ１ＣＣ構成つまり２つのガスタービン及び１つの蒸気タービン構成において、それぞれ１２００ｋＷ〜２０００ｋＷの付加的ボトミングサイクル蒸気タービン出力に相当する。従って、上記したこの例示的なシステム１００では、２ｘ１構成（公称５１０ＭＷ）における最新式ＦクラスガスタービンシステムのＣＣ出力への最終的影響は、それぞれチャージ可能冷却流における２００°Ｆ及び３５０°Ｆの上昇に対して２．７５ＭＷ〜４．５ＭＷである。
【００１７】
図１に示す例示的な実施形態では、冷却空気加熱器１３５からの使用済み蒸気は、燃料加熱器１４０においてガスタービン燃料１２１を加熱するために利用することができる。例えば、冷却空気加熱器１３１からの使用済み蒸気は、既存性能の燃料加熱器（これは、ＨＲＳＧ１５５からの中圧（ＩＰ）エコノマイザ給水を利用する）を補足して、例えば３６５°Ｆから４４０°Ｆに燃料温度を上昇させるために利用することができる。加えて、冷却空気加熱器１３１からの使用済み蒸気は、全体燃料加熱を代わりに行なうように使用して、それによってＨＲＳＧ１５５における蒸気発生及び蒸気タービン１６０における出力生成を増加させることができる。さらに、燃料加熱器１４０からの使用済み蒸気１５３は、その圧力及び温度に見合った好適な位置で流入させるように蒸気タービン１６０に送ることができる。例えば、ボイラ１５０内で発生させた６００ｐｓｉａかつ１０５０°Ｆの蒸気１５１を利用することによって空気加熱器１３５内で達成することができるチャージ可能冷却流における３５０°Ｆの温度上昇の場合には、空気加熱器１３５からの使用済み蒸気１５２を燃料加熱器１４０内で利用して燃料供給１２１の温度を３６５°Ｆから４４０°Ｆに上昇させた後に、５５０°Ｆまでの蒸気は、ＬＰ蒸気タービンセクションのボウルでの流入に利用可能である。この結果により、別の５ＭＷ〜６ＭＷの付加的シャフト出力生成を得ることができる。加えて、燃焼器への入口における７５°Ｆのより高い燃料温度の利点は、正味ＣＣ効率における約０．１５パーセント（％）である。従って、ボイラ１５０内で発生させた６００ｐｓｉａかつ１０５０°Ｆの蒸気１５１によって空気加熱器１３５内で達成することができるチャージ可能冷却流における３５０°Ｆの温度上昇の場合には、９．５ＭＷ〜１０．５ＭＷ（正味ＣＣ効率における０．９％以上に相当する）の性能向上及び正味ＣＣ効率における１％以上の性能向上が、公称５１０ＭＷ２ｘ１ＣＣ発電プラントシステムにおいて実施可能である。さらに、空気加熱器１３５からの使用済み蒸気１５２を燃料加熱器１４０内で利用して、全体燃料加熱つまりパイプライン温度から３６５°Ｆ又はそれ以上まで加熱するようにする場合には、更なる効率向上が実施可能となり、このことは、前述の燃料加熱を達成するためにＨＲＳＧから予め分流させた排気ガスエネルギーを元に戻すことによって、ＨＲＳＧ１５５でのより多くの蒸気発生及び蒸気タービン１６０でのより大きい出力生成を生じさせることを可能にする。
【００１８】
図２に示す例示的な実施形態では、蒸気は、商業的に入手可能な熱伝導流体と置き換えられる。従って、ボイラ１５０は、熱交換器１５０となり、この熱交換器１５０内において、前述の流体の温度は、フリー又は排熱源からの熱を吸収することによって高められる。ここでも同様に、前述の効果を達成するための特定の熱機械的な及びその他の設計態様は、本発明にとって重要なものではない。本発明が必要とする温度つまり９００°Ｆ又はそれ以上で実現可能に利用することができる熱伝導流体の存在の下では、この実施形態は、フリー／排熱源とチャージ可能な空気１１３及び燃料供給１２１との間における熱伝導媒体として蒸気を利用する好ましい実施形態と完全に等価なものとなる。現在では、商業的に入手可能な熱伝導流体の温度性能は、ほぼ７００°Ｆが限界である。このことは、現時点では熱伝導流体を使用する本発明の実施可能な実装を実行可能でないものにしているが、より高い温度範囲を有する熱伝導流体の将来の有用性は、それら熱伝導流体を蒸気に代わる実行可能な代替物にするであろう。言うまでもなく、図２における別の実施形態では、前述のパラグラフに記載したような蒸気タービン１６０における付加的発電機会は、存在しない。
【００１９】
図３は、例示的な実施形態による、ガスタービンにおいて外部再熱する方法３００のフローチャートを示している。例示的な実施形態では、圧縮機における中間段位置から抽出されかつ膨張装置（タービン）ケーシングに管輸送されたチャージ可能冷却空気は、再流入位置よりも前で加熱される。このプロセスは、ガスタービンシステムへのフリーエネルギーの導入を構成し、このフリーエネルギーは、冷却空気再流入位置の下流での残りの膨張の間に有用なシャフト仕事に転換される。ブロック３１０において、本システム１００、２００は、第１のエネルギー流を発生させる。例示的な実施形態では、一次高温ガス流及びそれに対応するチャージ可能空気流１１３は、第１のエネルギー流として生成される。ブロック３２０において、本システム１００、２００は、第２のエネルギー流を発生させる。例示的な実施形態では、第２のエネルギー流は、排気流１３１とすることができる。ブロック３３０において、本システム１００、２００は、ガスタービンの外部の熱源で第３のエネルギー流を発生させる。例示的な実施形態では、第３のエネルギー流は、フリー又は廃エネルギー源による外部熱交換器１５０によって発生された蒸気の形態になった熱である。ブロック３４０において、本システム１００、２００は、第１及び第３のエネルギー流を混合する。例示的な実施形態では、第３のエネルギー流は、本明細書に説明するように、チャージ可能空気流１１３と関連する温度を上昇させる手段となる。その結果、排気流１３１と関連する温度もまた、第１及び第２のエネルギー流の混合に対応して上昇する。例示的な実施形態では、第１のエネルギー流は、圧縮機１１０からの加圧空気１１２であり、また第３のエネルギー流は、加圧空気と関連する温度を上昇させる。第１のエネルギー流はまた、燃焼器１２０のための燃料供給１２１における熱とすることができ、また第３のエネルギー流は、燃料流１２１と関連する温度を上昇させる。
【００２０】
本明細書に説明した例示的な実施形態は、あらゆる複合サイクルにおける本来の構成及び熱回収構成の両方に対して改良をもたらすものであり、ここでは、トッピングサイクル作動流体が、入手可能なフリーエネルギーで直接加熱されると同時に、トッピングサイクルの加圧作動流体を加熱するために回収されるのではなくて該トッピングサイクルに与えられた付加エネルギーにより高い温度を有するあらゆる残りのトッピングサイクルエンジン排気エネルギーを回収しかつ利用するボトミングサイクルが、フリーエネルギーを形成する。技術的な効果には、システム１００の変換効率の向上が含まれる。この変換効率の向上は、２つのステップにおいて、つまり１）ガスタービンにおいて（最終のタービン段において膨張仕事を行なわせること）及び２）向上したガスタービンによるボトミングサイクル（つまり、蒸気タービン）において、有用な出力を発生させる熱をシステム１００に与えることにより生じる。
【００２１】
限られた数の実施形態に関してのみ本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応するあらゆる数の変形、変更、置換え又は均等な構成を組込むように改良することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって限定されるものと見なすべきではなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００２２】
１００  外部再熱ガスタービンシステム
１１０  タービン圧縮機
１１１  大気
１１２  加圧空気
１１３  チャージ可能空気流
１２０  燃焼器
１２１  燃料供給
１２２  高温生成ガス
１３０  膨張装置
１３１  ガスタービン排気流
１３５  空気加熱器
１４０  燃料加熱器
１５０  ボイラ
１５１  供給導管
１５２  戻し導管
１５３  使用済み蒸気
１５４  水
１５５  ＨＲＳＣ
１６０  蒸気タービン
２００  外部再熱ガスタービンシステム
【図１】
2011085133.tif 000003
【図２】
2011085133.tif 000004
【図３】
2011085133.tif 000005