(57)【要約】      （修正有）【課題】全体の温度制御を備えた改良されたダクト燃焼式複合サイクルシステムであり、効率的な方法で、熱回収蒸気発生器および他の構成要素のコストのかかるアップグレードを必要とすることなく、代替燃料の使用を可能にする。【解決手段】複合サイクルシステム１０は、第１の低圧部と第２の低圧部とを備えた熱回収蒸気発生器４０と、熱回収蒸気発生器の第２の低圧部と連通する低圧蒸気部３６を備えた蒸気タービン３０と、熱回収蒸気発生器の上流側に配置されたダクトバーナ６６とを含み得る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合サイクルシステム（１０、１００、２００）であって、
第１の低圧部（１６０）と第２の低圧部（１７０）とを備える熱回収蒸気発生器（４０、１３０、２１０）と、
前記熱回収蒸気発生器（４０、１３０、２１０）の前記第２の低圧部（１７０）と連通する低圧蒸気部（３６）を備える蒸気タービン（３０、１２０）と、
前記熱回収蒸気発生器（４０、１３０、２１０）の上流側に配置されたダクトバーナ（６６、１８０、２７０）と
を備える複合サイクルシステム（１０、１００、２００）。
【請求項２】
前記熱回収蒸気発生器（４０、１３０、２１０）が、高圧部（４６、１４０、２２０）と中圧部（４４、１５０、２３０）とを備える、請求項１に記載の複合サイクルシステム（１０、１００、２００）。
【請求項３】
前記蒸気タービン（３０、１２０）が、高圧蒸気部（３２）と中圧蒸気部（３４）とを備える、請求項１に記載の複合サイクルシステム（１０、１００、２００）。
【請求項４】
前記蒸気タービン（３０、１２０）が復水器（３８）を備え、前記復水器（３８）が前記熱回収蒸気発生器（４０、１３０、２１０）の前記第２の低圧部（１７０）と連通する、請求項１に記載の複合サイクルシステム（１０、１００、２００）。
【請求項５】
前記蒸気タービン（３０、１２０）が１つまたは複数の給水加熱器（５６、６０、６４）を備える、請求項１に記載の複合サイクルシステム（１０、１００、２００）。
【請求項６】
前記蒸気タービン（３０、１２０）が１つまたは複数の給水抽気部（ｆｅｅｄｗａｔｅｒ  ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｓ）を備え、前記１つまたは複数の給水抽気部が前記熱回収蒸気発生器（４０、１３０、２１０）の前記第１の低圧部（１６０）と連通する、請求項１に記載の複合サイクルシステム（１０、１００、２００）。
【請求項７】
前記熱回収蒸気発生器（４０、１３０、２１０）の前記高圧部（４６、１４０、２２０）が、第１の高圧過熱器（２４０）と第２の高圧過熱器（２５０）とを備える、請求項１に記載の複合サイクルシステム（１０、１００、２００）。
【請求項８】
前記第２の高圧過熱器（２５０）が、前記第１の高圧過熱器（２４０）の上流側にある、請求項７に記載の複合サイクルシステム（１０、１００、２００）。
【請求項９】
前記第１の高圧過熱器（２４０）が、前記第２の高圧過熱器（２５０）の上流側にある、請求項７に記載の複合サイクルシステム（１０、１００、２００）。
【請求項１０】
前記第１の高圧過熱器（２４０）が、前記ダクトバーナ（６６、１８０、２７０）の上流側にある、請求項７に記載の複合サイクルシステム（１０、１００、２００）。
【請求項１１】
前記第２の高圧過熱器（２５０）が、前記ダクトバーナ（６６、１８０、２７０）の直ぐ下流側に配置される、請求項１０に記載の複合サイクルシステム（１０、１００、２００）。
【請求項１２】
前記熱回収蒸気発生器（４０、１３０、２１０）の前記中圧部（４４、１５０、２３０）が再熱器（５０、２６０）を備え、前記再熱器（５０、２６０）が、第１の高圧過熱器（２４０）および第２の高圧過熱器（２５０）の下流側に配置される、請求項７に記載の複合サイクルシステム（１０、１００、２００）。
【請求項１３】
前記熱回収蒸気発生器（４０、１３０、２１０）が、前記第１の高圧過熱器（２４０）に、次いで第２の高圧過熱器（２５０）に蒸気の流れを導くために、第１の組の弁を更に備える、請求項７に記載の複合サイクルシステム（１０、１００、２００）。
【請求項１４】
前記熱回収蒸気発生器（４０、１３０、２１０）が、前記第２の高圧過熱器（２５０）に、次いで第１の高圧過熱器（２４０）に蒸気の流れを導くために、第２の組の弁を更に備える、請求項７に記載の複合サイクルシステム（１０、１００、２００）。
【請求項１５】
複合サイクルシステム（１０、１００、２００）を運転する方法であって、
熱回収蒸気発生器（４０、１３０、２１０）の高圧部（４６、１４０、２２０）、中圧部（４４、１５０、２３０）、第１の低圧部（１６０）、第２の低圧部（１７０）を通して燃焼ガス（２２）を流すステップと、
蒸気タービン（３０、１２０）の復水器（３８）から前記熱回収蒸気発生器（４０、１３０、２１０）の前記第２の低圧部（１７０）に給水を流すステップと、
前記熱回収蒸気発生器（４０、１３０、２１０）の前記第２の低圧部（１７０）内において燃焼ガス（２２）の流れと給水の流れとの間で熱交換させるステップと、
前記蒸気タービン（３０、１２０）の低圧蒸気部（３６）に、前記加熱された給水を流すステップと
を含む方法。
【請求項１６】
複合サイクルシステム（１０、１００、２００）用の熱回収蒸気発生器（４０、１３０、２１０）であって、
第１の高圧過熱器（２４０）と第２の高圧過熱器（２５０）とを備える高圧部（４６、１４０、２２０）と、
ダクトバーナ（６６、１８０、２７０）であって、前記第１の高圧過熱器（２４０）がその上流側に配置される前記ダクトバーナ（６６、１８０、２７０）と、
を備える熱回収蒸気発生器（４０、１３０、２１０）。
【請求項１７】
前記第２の高圧過熱器（２５０）が、前記ダクトバーナ（６６、１８０、２７０）の直ぐ下流側に配置される、請求項１６に記載の熱回収蒸気発生器（４０、１３０、２１０）。
【請求項１８】
中圧部（４４、１５０、２３０）を更に備え、前記中圧部（４４、１５０、２３０）が、前記第１の高圧過熱器（２４０）および前記第２の高圧過熱器（２５０）の下流側に配置された再熱器（５０、２６０）を備える、請求項１６に記載の熱回収蒸気発生器（４０、１３０、２１０）。
【請求項１９】
前記第１の高圧過熱器（２４０）に、次いで第２の高圧過熱器（２５０）に蒸気の流れを導くために、第１の組の弁を更に備える、請求項１６に記載の熱回収蒸気発生器（４０、１３０、２１０）。
【請求項２０】
前記第２の高圧過熱器（２５０）に、次いで第１の高圧過熱器（２４０）に蒸気の流れを導くために、第２の組の弁を更に備える、請求項１６に記載の熱回収蒸気発生器（４０、１３０、２１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願およびその結果として得られる特許は、一般に、複合サイクル発電プラントに関し、より詳細には、追加の熱回収蒸気発生器部および／または修正された過熱器配置によるスタック温度制御を備えた超臨界ダクト燃焼式複合サイクルシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に述べると、複合サイクル発電システムは、ガスタービンと蒸気タービンの組み合わせを使用して、電力を生成するか、またはさもなければ負荷を駆動する。具体的には、熱回収蒸気発生器などにより、ガスタービンサイクルを蒸気タービンサイクルと動作可能に組み合わせることができる。熱回収蒸気発生器は、ガスタービン排気の高温燃焼ガスにより蒸気発生プロセス用の給水を加熱することのできる多段熱交換器であってもよい。複合サイクルシステム構成の主な効率は、さもなければ「無駄になる」ガスタービン排気の熱の利用度である。したがって、発電プラントの作業員は、ガスタービン排気中の熱から最大限可能な有用な仕事を発生させることを目的とする。
【０００３】
発電プラントの作業員はまた、燃料融通性に関心がある。しかしながら、従来のガスタービン複合サイクル発電プラントは、例えば、重質燃料油または天然ガス以外の燃料で運転する場合には、あまり効率的でない場合がある。しかしながら、ダクト燃焼を追加することにより、重質燃料油の使用による効率損失を抑えることができる。ダクト燃焼は、排気温度を上昇させて、より高い温度および圧力の蒸気での超臨界蒸気サイクルを可能にする。全体の効率は向上し得るが、そのような超臨界サイクルにより生じる高温は、熱回収蒸気発生器にとってはあまりにも高く、熱回収蒸気発生器を通過する高温の排気ガス流から利用可能なエネルギー全てを抽出することができない。
【０００４】
更なる温度制限が、熱回収蒸気発生器自体の構造により課される場合もある。ある一定の温度を超えるのであれば、費用のかかる水冷壁が必要になる場合がある。この温度制限のため、単一のダクトバーナ段において燃焼させ得る燃料の量が制限される場合がある。ダクトバーナをより低温の場所に設置することにより、更なる燃料を燃焼させ得るが、この配置により高圧過熱器の最後部が未燃焼のガスタービン排気にさらされる。その上、タービンが比較的低温の排気を生成する場合、この配置は、高圧過熱器部が所望の温度で蒸気を生成するのを妨げる。この問題は、多数のダクトバーナ段を使用することにより解決してもよいが、これらの追加の段は、全体的なダクトバーナシステムに追加のコストおよび複雑さをもたらす。例えば、ダクトバーナは、燃焼ガスの均一な流れのために炎と第１の過熱器との間に相当の長さを必要とする。第２のダクトバーナ列を使用するならば、単一のバーナダクト設計と比較して、熱回収蒸気発生器の追加の長さが必要となる。
【０００５】
したがって、全体の温度制御を備えた改良されたダクト燃焼式複合サイクルシステムが望まれている。かかるシステムは、効率的な方法で、ただし熱回収蒸気発生器および他の構成要素のコストのかかるアップグレードを必要とすることなく、代替燃料の使用を可能にすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１３／００００２７２号明細書
【発明の概要】
【０００７】
したがって、本出願およびその結果として得られる特許は、複合サイクルシステムを提供する。複合サイクルシステムは、第１の低圧部と第２の低圧部とを備えた熱回収蒸気発生器と、熱回収蒸気発生器の第２の低圧部と連通する低圧蒸気部を備えた蒸気タービンと、熱回収蒸気発生器の上流側に配置されたダクトバーナとを含み得る。
【０００８】
本出願およびその結果として得られる特許は更に、複合サイクルシステムを運転する方法を提供する。この方法は、熱回収蒸気発生器の高圧部、中圧部、第１の低圧部、第２の低圧部を通して燃焼ガスを流すステップと、蒸気タービンの復水器から熱回収蒸気発生器の第２の低圧部に給水を流すステップと、熱回収蒸気発生器の第２の低圧部内において燃焼ガスの流れと給水の流れとの間で熱交換させるステップと、蒸気タービンの低圧部に、加熱された給水を流すステップとを含み得る。
【０００９】
本出願およびその結果として得られる特許は更に、複合サイクルシステム用の熱回収蒸気発生器を提供する。熱回収蒸気発生器は、第１の高圧過熱器と第２の高圧過熱器とダクトバーナとを備えた高圧部を含み得る。第１の高圧過熱器は、ダクトバーナの上流側に配置してもよい。
【００１０】
本出願およびその結果として得られる特許のこれらおよび他の特徴および改良点は、複数の図面および添付の特許請求の範囲と併せて以下の詳細な説明を精査すれば、当業者には明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】ガスタービンと、蒸気タービンと、熱回収蒸気発生器とを備えた公知の複合サイクルシステムの概略図である。
【図２】本明細書で説明する複合サイクルシステムの概略図である。
【図３】本明細書で説明する複合サイクルシステムの更なる実施形態の概略図である。
【図４】図３の複合サイクルシステムの熱回収蒸気発生器用の弁構成の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
ここで、複数の図を通して同様の符号が同様の要素を示す図面を参照すると、図１が、複合サイクルシステム１０の概略図を示している。複合サイクルシステム１０は、ガスタービンエンジン１２を含み得る。ガスタービンエンジン１２は、圧縮機１４を含み得る。圧縮機１４は、流入する空気１６の流れを圧縮する。圧縮機１４は、圧縮された空気１６の流れを燃焼器１８に送給する。燃焼器１８は、圧縮された空気１６の流れを加圧された燃料２０の流れと混合し、この混合気に点火して、燃焼ガス２２の流れを作り出す。単一の燃焼器１８のみが示されているが、ガスタービンエンジン１２は、任意の数の燃焼器１８を含み得る。次に、燃焼ガス２２の流れが、タービン２４に送給される。燃焼ガス２２の流れは、タービン２４を駆動して、機械的仕事を生成する。タービン２４で生成された機械的仕事は、シャフトを介して圧縮機１４を駆動し、発電機などの外部負荷を駆動する。ガスタービンエンジン１２は、天然ガスまたは（合成ガス、重質燃料油、および他のタイプの燃料などの）種々のタイプの代替燃料を使用することができる。ガスタービンエンジン１２は、異なる構成を有することができ、他のタイプの構成要素を使用することができる。
【００１３】
複合サイクルシステム１０はまた、蒸気タービン３０を含む。蒸気タービン３０は、異なる圧力の多数の蒸気流入点を備えた多くの部分を含み得る。具体的には、蒸気タービン３０は、高圧蒸気部３２と、中圧蒸気部３４と、１つまたは複数の低圧蒸気部３６とを含み得る。低圧蒸気部３６は、復水器３８に給水を排出し得る。蒸気タービン３０は、ガスタービンエンジン１２と同一または異なる負荷を駆動し得る。この例において、蒸気タービン３０は、多くの給水抽気部（ｆｅｅｄｗａｔｅｒ  ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｓ）を備えた従来の化石燃料蒸気タービン設計であってもよい。低圧抽気５４を第１の給水加熱器５６に抽出し、中圧抽気５８を第２の給水加熱器６０に抽出し、高圧抽気６２を第３の給水加熱器６４に抽出してもよい。本明細書では、他の構成および他の構成要素を使用することもできる。
【００１４】
複合サイクルシステム１０は、熱回収蒸気発生器４０を含み得る。熱回収蒸気発生器４０はまた、低圧部４２、中圧部４４および高圧部４６などの多くの蒸気部を含み得る。各部４２、４４、４６は、一般に、１つまたは複数のドラム、エコノマイザ、蒸発器、過熱器、および／または追加の構成要素を含む。この例では、他の構成要素に加えて、高圧部４６は高圧過熱器４８などの高圧蒸気源を含み得、中圧部４４は再熱器５０を含み得、低圧部４２は貫流ボイラ５２などの低圧蒸気源を含み得る。本明細書では、他の構成要素および他の構成を使用することができる。
【００１５】
熱回収蒸気発生器４０を通って流れる燃焼ガス２２の温度を上昇させるために、１つまたは複数のダクトバーナ６６を使用して、超臨界蒸気サイクルの効率を向上させてもよい。ダクトバーナ６６は、重質燃料油などを含む、任意のタイプの燃料を燃焼させることができる。ダクトバーナ６６と給水加熱器５６、６０、６４との組み合わせにより、一般に、熱回収蒸気発生器４０の排気スタック６８が高温になる。本明細書では、他の構成要素および他の構成を使用することができる。
【００１６】
図２は、本明細書で説明する複合サイクルシステム１００を示している。複合サイクルシステム１００は、ガスタービンエンジン１１０と、蒸気タービン１２０と、上で説明したものと実質的に同様であってもよい熱回収蒸気発生器１３０とを含み得る。しかしながら、この例において、熱回収蒸気発生器１３０は、高圧部１４０と、中圧部１５０と、第１の低圧部１６０と、追加の第２の低圧部１７０とを含み得る。第２の低圧部１７０は、この第２の低圧部１７０内に任意の数の熱交換要素を有し得る。第２の低圧部１７０は、復水器３８からの給水の流れを受けてもよい。このより低温の水は、熱回収蒸気発生器１３０を通って流れる燃焼ガス２２との熱交換により暖められ得る。その後、この水の流れを、蒸気タービン１２０の低圧蒸気部３６に導いてもよい。したがって、第２の低圧部１７０が、蒸気タービン１２０の低圧蒸気部３６に追加できる追加の有用なエネルギーを燃焼ガス２２から抽出し、および／またはより低いスタック温度が要求され得る。エネルギーは、さもなければ排気スタック６８内で無駄になる。加えて、給水加熱器５６、６０、６４の熱効率を調整することにより、燃料要件の変化に対応するように排気スタック温度を調整してもよい。
【００１７】
複合サイクルシステム１００では更に、上で説明したものと同様のダクトバーナ１８０の使用が追加される。ダクトバーナ１８０は、高効率化のためにより高い温度および圧力で蒸気を生成する効率的な超臨界サイクルを提供する。したがって、第２の低圧部１７０は、このエネルギーを活用して、蒸気タービン１２０に追加の低圧蒸気を与える。その上、複合サイクルシステムは、異なる燃料の使用の結果として最適温度が変わり得る点で燃料の化学的性質により課される温度制限を超えることなしに、排気流から最大量のエネルギーを抽出するために、排気スタック６８での排気温度を制御することにより全体の運転戦略を調整してもよい。
【００１８】
図３は、複合サイクルシステム２００の更なる実施形態を示している。複合サイクルシステム２００は、主として上で説明した構成要素を含み得るが、代替的な熱回収蒸気発生器２１０も備える。熱回収蒸気発生器２１０は、高圧部２２０と中圧部２３０とを含み得る。従来の構成では、中圧部２３０が再熱器２６０を含む一方で、高圧部２２０は第１の高圧過熱器２４０と第２の高圧過熱器２５０とを含む。高圧過熱器２４０、２５０は、通常、第２の高圧過熱器２５０がダクトバーナ２７０に最も近接した状態で、再熱器２６０のいずれかの側に配置される。
【００１９】
しかしながら、この例では、より高温の過熱器２５０がダクトバーナ２７０の直ぐ下流側となるように、第１の高圧過熱器２４０をダクトバーナ２７０の上流側に配置してもよい。第１の高圧過熱器２４０をダクトバーナ２７０の上流側に移動させることにより、第１の高圧過熱器２４０は、排気ガス２２がダクトバーナ２７０に到達する前に排気ガスを冷却することができる。したがって、この配置により、ダクトバーナ２７０は、熱回収蒸気発生器２１０の温度制限を超えることなしに、更なる燃料を燃焼させることができる。その上、第２の高圧過熱器２５０をダクトバーナ２７０の直ぐ下流側に配置することにより、より高温の蒸気の生成も可能となり、全体のサイクル効率が向上する。具体的には、この配置により、より高温のガスが高圧ボイラに到達でき、より多くの高圧蒸気の生成につながる。更にまた、この配置より、単一のダクトバーナ列よりも多くのダクトバーナ列が不要となり、熱回収蒸気発生器２１０の全体のコストおよびサイズが低減される。本明細書では、他の構成要素および他の構成を使用することができる。
【００２０】
複合サイクルシステム２００はダクトバーナ２７０が作動していない状態で動作することもできるので、過熱器部が従来の方法で動作できるように１組の弁を含み得る。したがって、図４は、第１の弁２８０、第２の弁２９０、第３の弁３００、および第４の弁３１０の使用を示している。ダクトバーナ２７０を燃焼させない場合に、蒸気の流れが第２の高圧過熱器２５０、第１の高圧過熱器２４０、および高圧タービンに向かうように、第１の弁２８０および第３の弁３００を開放してもよい。燃焼モードでは、蒸気の流れが第１の高圧過熱器２４０、第２の高圧過熱器２５０、および高圧タービンに向かうように、第２の弁２９０および第４の弁３１０を開放してもよい。本明細書では、任意の数の弁を任意の構成で使用することができる。本明細書では、他の構成要素および他の構成を使用することができる。
【００２１】
前述の説明が本出願およびその結果として得られる特許のある特定の実施形態にのみ関するものであることは明らかであろう。当業者であれば、以下の特許請求の範囲およびその均等物により定義される本発明の一般的な精神および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および修正を行うことができる。
【符号の説明】
【００２２】
１０  複合サイクルシステム
１２  ガスタービンエンジン
１４  圧縮機
１６  空気
１８  燃焼器
２０  燃料
２２  燃焼ガス
２４  タービン
３０  蒸気、蒸気タービン
３２  高圧部、高圧蒸気部
３４  中圧部、中圧蒸気部
３６  低圧部、低圧蒸気部
３８  復水器
４０  熱回収蒸気発生器
４２  低圧部
４４  中圧部
４６  高圧部
４８  高圧過熱器
５０  再熱器
５２  ボイラ、貫流ボイラ
５４  低圧抽気
５６  第１の給水加熱器
５８  中圧抽気
６０  第２の給水加熱器
６２  高圧抽気
６４  第３の給水加熱器
６６  ダクトバーナ
６８  排気スタック
１００  複合サイクルシステム
１１０  ガスタービンエンジン
１２０  蒸気タービン
１３０  熱回収蒸気発生器
１４０  高圧部
１５０  中圧部
１６０  第１の低圧部
１７０  第２の低圧部
１８０  ダクトバーナ
２００  複合サイクルシステム
２１０  熱回収蒸気発生器
２２０  高圧部
２３０  中圧部
２４０  第１の高圧過熱器
２５０  第２の高圧過熱器
２６０  再熱器
２７０  ダクトバーナ
２８０  第１の弁
２９０  第２の弁
３００  第３の弁
３１０  第４の弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
2015040565.tif 000005
【図４】
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