(57)【要約】【課題】ガスタービンサイクル（１０）と共に適用するために冷却式冷却空気（ＣＣＡ）システム（１５４）が提供される。【解決手段】本発明の一実施例では、ＣＣＡシステムはシェル（１５８）と、管式熱交換器（１６０）とを含み、１つ又は複数のチューブ内部に水の流れが供給され、シェル側には空気流れが提供される。熱交換器を出た水（２０２）の一部は蒸発する。従って、その結果発生する２相水／蒸気流れは分離器（２０４）に受け入れられ、そこで蒸気（１６４）と水（１６２）とが分離される。飽和蒸気（１６４）はＨＲＳＧ（３２）へ流れ、分離器水（１６２）は熱交換器へ再循環される。【選択図】            図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮空気（１６）を発生する圧縮機（１４）と、前記圧縮空気の中で燃料（２０）を燃焼させて、燃焼空気（２２）を発生する燃焼器（１８）と、前記燃焼空気を膨張させて、機械的エネルギー及び排気ガス（３０）を発生するガスタービン（２４）とを有する燃焼タービンシステム（１０）と、
前記排気ガス（３０）を受け入れる入口と、前記排気ガスの流路に沿って順次配置され、前記排気ガスから熱を取り除いて、少なくとも１つの蒸気流れ（３８）を発生する複数のセクションとを有する蒸気発生器（３２）と、
前記少なくとも１つの蒸気流れを受け入れる蒸気タービンシステム（３４）と、
前記圧縮機（１４）から圧縮空気の一部（１５６）を前記圧縮機（１４）及び前記ガスタービン（２４）の少なくとも一方へ導き、その一部を冷却する冷却空気流路とを具備し、
前記冷却空気流路は、前記圧縮空気の一部を受け入れ、受け入れた圧縮空気から熱を取り除いて加熱流体流れ（２０２）及び冷却圧縮空気流れ（１６８）を発生する熱交換システム（１５４）を具備し、
前記熱交換システムは、圧縮空気入口（１７６）及び圧縮空気出口（１７８）を有するチャンバ（１５８）と、前記チャンバ内に入っている高温の圧縮空気との間で熱交換を行うために水を流通させる少なくとも１つのチューブ（１６０）とを具備する複合サイクル発電装置。
【請求項２】
前記複数のセクションは、第１のセクション（５０）と第２のセクション（４８）とを具備し、前記第１のセクションは前記第２のセクションより高い圧力の空気流れを発生する請求項１記載の複合サイクル発電装置。
【請求項３】
前記熱交換システムにより発生される前記加熱流体流れ（２０２）の少なくとも一部を前記第２のセクション（４８）へ流通させる第１の導管（１６４）を更に具備する請求項２記載の複合サイクル発電装置。
【請求項４】
前記第２のセクション（４８）から前記熱交換システム（１５４）に給水を行なう第２の導管（１６６）を更に具備する請求項３記載の複合サイクル発電装置。
【請求項５】
前記少なくとも１つのチューブ（１６０）は、熱交換を増加させるためにフィン付きチューブである請求項１記載の複合サイクル発電装置。
【請求項６】
機械的エネルギー（２８）及び高温の排気ガス（３０）を発生するために燃料（２０）を燃焼させるように動作可能である燃焼タービン（１０）と、
複数のセクション（５０、４８）を有し、前記高温の排気ガスを受け入れて、複数の圧力で蒸気（３８）を発生するように動作可能である熱回収蒸気発生器（３２）と、
前記蒸気（３８）を受け入れて、機械的エネルギー（３６）を発生するように動作可能である蒸気タービン（３４）と、
圧縮機（１４）から前記燃焼タービン（１０）へ圧縮空気の一部（１５６）を導き、前記燃焼タービンの一部を冷却する冷却空気流路とを具備し、
前記冷却空気流路は、前記圧縮空気の一部（１５６）を受け入れ、受け入れた圧縮空気から熱を取り除いて加熱流体流れ（２０２）と、冷却圧縮空気流れ（１６８）とを発生する熱交換システム（１５４）を具備し、
前記熱交換システムは、圧縮空気入口（１７６）及び圧縮空気出口（１７８）を有するチャンバ（１５８）と、前記チャンバ内に入っている高温の圧縮空気との間で熱交換を行うために水を流通させる少なくとも１つのチューブ（１６０）とを具備する複合サイクル発電装置。
【請求項７】
燃焼タービンシステム（１０）と、熱回収蒸気発生器（３２）と、蒸気タービンシステム（３４）とを有する複合サイクル発電装置を動作させる方法において、
圧縮空気入口（１７６）及び圧縮空気出口（１７８）を有するチャンバ（１５８）と、前記チャンバ内に入っている高温の圧縮空気との熱交換を行うために水を流通させる少なくとも１つのチューブ（１６０）とを具備する熱交換システム（１５４）を設ける工程と、
高温の圧縮空気（１５６、１６）と、機械的エネルギー（２８）と、排気ガスの流れ（３０）とを発生するために燃料（２０）を燃焼させるように前記燃焼タービンシステム（１０）を動作させる工程と、
前記高温の圧縮空気の一部（１５６）を前記熱交換システム（１５４）を経て導き、冷却圧縮空気の流れ（１６８）及び加熱流体流れ（２０２）を発生する工程と、
前記冷却圧縮空気の流れ（１６８）を導き、前記燃焼タービンシステム（１０）の一部を冷却する工程とから成る方法。
【請求項８】
前記熱回収蒸気発生器（３２）から前記熱交換システムに給水（１６６）を供給する工程を更に含む請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記熱回収蒸気発生器（３２）は高圧セクション（５０）と、中間圧力セクション（４８）と、低圧セクション（４６）とを有し、給水を供給する工程は、前記中間圧力セクション（４８）から給水を行うことから成る請求項７又は８記載の方法。
【請求項１０】
前記第１の蒸気流れ（１６４）を前記熱回収蒸気発生器（３２）の前記中間圧力セクション（４８）へ導く工程を更に含む請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タービン部品又は圧縮機部品を冷却するために取り出された高温の圧縮機空気を冷却する冷却式冷却空気（ＣＣＡ）システムを採用するガスタービンサイクルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
最新の高効率ガスタービンサイクルにおいては、圧縮機部品及びタービン部品を冷却するために高温の圧縮機空気を取り出す。現在のＣＣＡシステムは信頼性に問題があり、制御が難しく、更にはコストも高いために、ＣＣＡシステムの構造を改善することが求められているのは明白である。
【０００３】
図１は、タービン部品及び圧縮機部品を冷却するために取り出される高温の圧縮機空気を冷却する従来の冷却式冷却空気システム（以下、ＣＣＡシステムと略す）を有する複合サイクルシステムを概略的に示す。図示されている発電装置では、圧縮機１４、燃焼システム１８及びタービンエキスパンダ２４を具備するガスタービンシステム１０と、概略的に図中符号３４で示されている蒸気タービンシステムとが設けられている。更に詳細には、周囲空気１２は軸流圧縮機１４に流入し、それにより発生された圧縮空気１６は燃焼システム１８に入る。燃焼システム１８内へ燃料２０が噴射されて、燃焼が起こる。燃焼混合物２２は燃焼システム１８から出て、タービンエキスパンダ２４に入る。タービン部分においては、高温ガスのエネルギーを仕事に変換する。この変換は２つの段階を経て起こる。まず、高温ガスが膨張し、熱エネルギーの一部がタービンのノズル部分で運動エネルギーに変換される。次に、タービンのバケット部分において、その運動エネルギーの一部が回転バケットに伝達されて、仕事、例えば、軸２６の回転に変換される。従って、タービンにより発生した仕事の一部は圧縮機１４を駆動するために使用され、残りの部分は、例えば、発電機又は機械的負荷２８に利用可能である。高温の排気ガス３０はタービンから出て、熱回収装置へ流れる。熱回収装置は、例えば、従来の多圧熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）３２を含む多様な周知の熱交換システムのうちいずれか１つの形態をとっていれば良い。
【０００４】
図示された構成では、ガスタービンシステム１０と蒸気タービンシステム３４は、それぞれ、別個の発電機（又は他の負荷）２８、３６を駆動する。蒸気タービンシステム３４は従来通りに多圧ＨＲＳＧ３２と関連している。従って、蒸気３８は蒸気タービンシステム３４との間で流通し、蒸気タービンシステム３４は圧縮器４０に対して排気し、凝縮水は凝縮水ポンプ４４によって凝縮器４０から導管４２を経てＨＲＳＧ３２へ送り出される。凝縮水はＨＲＳＧ３２の様々な構成部品を通過する。この例には低圧蒸発器４６、中間圧力蒸発器４８及び高圧蒸発器５０のみが図示されているが、ＨＲＳＧには従来の通りに様々なエコノマイザ、過熱器、並びにそれらに関連する導管及び弁が設けられており、単に本発明の説明には直接関係ないという理由によりそれらの構成部品が省略されていることを十分理解すべきである。
【０００５】
先に述べたように、ガスタービン排気ガス３０によりＨＲＳＧ３２内部へ導入されて熱がＨＲＳＧ３２に供給され、図中符号５２で指示する箇所でＨＲＳＧからスタック（図示せず）を通過して出る。以下、関連するＣＣＡシステム５４の一部として設けられている構成部品にほぼ限ってこの従来のシステムを説明する。
【０００６】
図示されているＣＣＡシステム５４においては、導管５６により概略的に示す通り、例えば、８５０から９００°Ｆの温度の高温の圧縮空気を取り出し、ケトルリボイラ型円筒多管式熱交換器５８で約５００から５５０°Ｆの温度まで冷却される。ケトルリボイラ５８は、チューブ内部に高温圧縮機空気が入った状態でシェル側で水のプール６２に浸漬されている、概略的に１本のチューブとして示されるＵチューブ束６０を有する。チューブ内部を流れる高温の空気によってプール６２では沸騰が起こり、それにより発生した飽和蒸気６４は熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）３２の中間圧力（ＩＰ）蒸発器４８の蒸気ドラムに入る。ＩＰエコノマイザの排出水６６は発生される蒸気６４の補給用としてリボイラ５８のシェルに供給される。ＣＣＡ熱交換器５８を出た冷却空気６８は、導管７０及び７２により概略的に示すように、圧縮機部品及び／又はタービン部品を冷却するために使用される。空気側には、ＣＣＡシステム５４を出た空気の温度を制御するために、バイパス７４も設けられている。発電サイクルの熱効率を考慮して、ＣＣＡシステムはシステムの空気側の圧力降下を低く抑えるように設計されるべきであるので、通常は２パスＵチューブ束が使用されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したＣＣＡシステムに関しては、いくつかの改善の余地が残されている。
【０００８】
先に説明した２パスチューブ側構造では、チューブシートの半分が流入する高温の空気にさらされ、残る半分は空気側で熱交換器から出た冷却空気にさらされることになる。その結果、チューブシートには大きな熱応力が加わる。単一パスケトルリボイラはこの問題を克服すると考えられるが、単一パス構造では、シェル膨張継手又はすべりチューブシートが必要となるため、信頼性に懸念が生じる。
【０００９】
飽和蒸気における水の過剰なキャリーオーバーを防止し且つ水プールにおけるチューブの被覆のはがれ及び水をほんの一時的に高温の空気チューブにさらすことを防止するために、シェル側で正確に水位を制御することが必要である。その点に関して、通常、ドラム水位はドラム内で測定される差圧と、ドラム水の計算上の密度とによって計算される。しかし、沸騰水のプールには蒸気の気泡が存在しており、正確な密度と水位の計算を行うためには、ボイド比を正確に計算しなければならない。ボイド比の計算はこの種の用途、特に過渡的状況においては難題である。
【００１０】
更に、前述のように、空気側の圧力降下を小さく抑えるように設計しなければならない。従って、チューブ内の空気の速度は遅く、その結果、空気側の熱伝達係数は小さくなる。熱伝達係数の小さい側で表面を拡張することにより（フィンを使用するなど）、熱交換器の大きさを縮小することができると有益である。チューブ外面の表面積を拡張できれば経済的である。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、先に確認した信頼性、制御及びコストの問題を克服する、最新のガスタービンサイクルと共に適用するためのＣＣＡシステムを提供する。
【００１２】
更に詳細に言えば、本発明の一実施例では、ＣＣＡシステムは円筒多管式熱交換器を含み、水はチューブ内部を流れ、空気は熱交換器のシェル側を流れる。このようなシステムにおいては、熱交換器を出た水の一部が蒸発する。従って、本発明のもう１つの特徴として、この結果得られる２相水／蒸気流れは分離器／フラッシュドラムに受け入れられ、そこで蒸気と水とが分離される。分離器を出た飽和蒸気はＨＲＳＧへ流れ、一方、分離器水は、一般に再循環水ポンプによってより高い圧力に押し上げられた後に熱交換器に入る。
【００１３】
空気の流れはチューブの外側に規定されているため、熱交換器全体の大きさを縮小するためにフィン付きチューブを使用できるであろう。
【００１４】
従って、本発明は、圧縮空気を発生する圧縮機と、圧縮空気の中で燃料を燃焼させて、燃焼空気を発生する燃焼器と、燃焼空気を膨張させて、機械的エネルギー及び排気ガスを発生するガスタービンとを有する燃焼タービンシステムと、排気ガスを受け入れる入口と、排気ガスの流路に沿って順次配置され、排気ガスから熱を取り除いて、少なくとも１つの蒸気流れを発生する複数のセクションとを有する蒸気発生器と、少なくとも１つの蒸気流れを受け入れる蒸気タービンシステムと、圧縮機から圧縮空気の一部を圧縮機及びガスタービンの少なくとも一方へ導き、その一部を冷却する冷却空気流路とを具備し、冷却空気流路は、圧縮空気の一部を受け入れ、受け入れた圧縮空気から熱を取り除いて加熱流体流れと、冷却圧縮空気流れとを発生する熱交換システムを具備し、熱交換システムは、圧縮空気入口及び圧縮空気出口を有するチャンバと、チャンバ内に入っている高温の圧縮空気との間で熱交換を行うために水を流通させる少なくとも１つのチューブとを具備する複合サイクル発電装置において具現化される。
【００１５】
また、本発明は、燃焼タービンシステムと、熱回収蒸気発生器と、蒸気タービンシステムとを有する複合サイクル発電装置を動作させる方法であって、圧縮空気入口及び圧縮空気出口を有するチャンバと、チャンバ内に入っている高温の圧縮空気との熱交換を行うために水を流通させる少なくとも１つのチューブとを具備する熱交換システムを設ける工程と、高温の圧縮空気と、機械的エネルギーと、排気ガスの流れとを発生するために燃料を燃焼させるように燃焼タービンシステムを動作させる工程と、高温の圧縮空気を前記熱交換システムを経て導き、冷却圧縮空気の流れと、加熱流体流れとを発生する工程と、冷却圧縮空気の流れの一部を導き、燃焼タービンシステムの一部を冷却する工程とから成る方法において具現化される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明のこれらの目的及び利点、並びにその他の目的及び利点は、添付の図面と関連させて以下の本発明の現時点で好ましい実施例の更に詳細な説明を綿密に検討することにより更に完全に理解されるであろう。
【００１７】
以下の本発明のシステムの説明は一般に本発明のシステムの一実施例として提供又は追加される構成要素に適用される。図２に示されてはいるが、以下に特に説明しない図中符号により指示される構成要素は図１のシステムの対応する構成要素とほぼ同一であり、参照の枠を規定するために符号を付されている。図１に示される構成要素にほぼ対応するが、本発明の一実施例に従って変形を加えられている構成要素は、図１で使用した図中符号に１００を加算した図中符号により指示される。
【００１８】
本発明を具現化したＣＣＡシステム１５４はシェル１５８と、管式熱交換器１６０とを含み、チューブ内部には水が流れ、シェル側には空気の流れが規定されている。圧縮機から取り出された空気の流れは導管１５６を通過してシェル１５８の空気入口１７６へ流れる。高温の圧縮空気流れは熱交換チューブ１６０の周囲を流れ、その結果冷却された空気は出口１７８を通過する。冷却された空気は、流路１７０及び１７２により概略的に示すように、導管１６８を経て流れ、冷却空気として使用される。冷却空気の温度を制御するために、導管１５６から導管１６８に至るバイパス１７４が規定されている。
【００１９】
図示されている実施例では、水は若干の未飽和を伴って（すなわち、飽和温度より低い）図中符号２００で示す箇所から熱交換器に入り、その一部は熱交換器で蒸発する（質量で１０〜２０％）。その結果発生する２相水／蒸気流れ２０２は分離器／フラッシュドラム２０４に受け入れられて、そこで蒸気と水とが分離される。分離器を出た飽和蒸気１６４はＨＲＳＧ３２のＩＰ蒸発器ドラム４８に受け入れられる。ＩＰエコノマイザ排水１６６は発生される蒸気の補給水として分離器に受け入れられ、分離器２０４において一定のレベル（許容差範囲内）を維持するために、この水の流れは、例えば、弁２０６により制御される。
【００２０】
分離器水１６２は再循環水ポンプ２０８によりより高い圧力まで押し上げられ、先に述べたように図中符号２００で示す箇所で熱交換器１５８に入る。ポンプの排水圧力は循環水システムの圧力降下に十分に勝るように選択される。
【００２１】
空気の流れをチューブの外側に設けたことにより、フィン付きチューブ（詳細には図示せず）を使用して、熱交換器全体の大きさを縮小できるようになった。余分のポンプ、例えば、ポンプ２０８はシステムの信頼性を向上させるために使用される。図２には垂直分離器２０４が示されているが、この用途に水平分離器も使用でき、その場合、熱交換器の上に水平分離器を積み重ねられるという利点が更に追加される。
【００２２】
一実施例では、再循環水回路における水の流量は、部分負荷動作を含めたガスタービンの動作期間全体を通して一定の流量に維持される。水の流量（一定）は、ガスタービンの動作エンベロープ全体を通して最大チューブ側水蒸発が約１０〜２０％（すなわち、循環比が５：１から１０：１）に制限されるように選択される。最大蒸発量はシステム内で２相の流れの安定性が確保されるように選択される。
【００２３】
ここで提案するシステムの構成及び制御方式を現在のシステムと比較した場合の重大な特徴／利点は以下の通りである。
【００２４】
チューブ側で水を供給することにより、ケトルリボイラ構造でチューブを空気が流通するときに現れるチューブシート温度勾配が回避される。チューブシートのチューブ側における温度上昇は１０°Ｆ未満であり、熱交換器の空気流れ側における大きな温度効果はチューブシート全体に拡散される。従って、チューブシートに加わる応力が相当に減少することが期待され、それに伴って、構成要素の寿命が延び、且つその信頼性が向上するであろう。
【００２５】
図示したシステムにおける水位の制御は分離器２０４内で行われ、沸騰はしないため、沸騰水のプールで起こるボイド比の不確かさを伴わず、水の密度を正確に計算することができる。これにより、測定される差圧から正確に水位を計算でき、水位制御が可能になる。正確な水位制御は可能であるが、ここで提案されているシステム構成においては、熱交換器のチューブが従来のケトルリボイラの場合のように水に浸されてはいないため、水位制御が非常に重大であるとは言えないことに注意すべきである。
【００２６】
先に述べた通り、ここで開示する制御方法はガスタービンのあらゆる動作に対して再循環水回路で一定の水流量を維持するため、システムの制御はかなり単純になっている。
【００２７】
シェル側に空気を流すことにより、表面チューブ、すなわち、フィンを使用できるので、熱交換器をよりコンパクトにし、且つシステムコストを低減することができる。
【００２８】
以上のシステムの説明はＣＣＡシステムによるＩＰ蒸気１６４の発生に関するものであったが、システムを使用してＨＰ蒸気又はＬＰ蒸気を発生することも可能である。発生される蒸気の圧力レベルは、それぞれの用途に関わる空気温度条件（ＣＣＡ熱交換器に出入りする空気）によって決まる。
【００２９】
図示されているアセンブリはＣＣＡシステムを適用できる発電装置の単なる一例にすぎないことを理解すべきである。その点に関して、複合サイクルシステムは多圧再熱複合サイクルであっても良く且つ／又は図示されている多軸構成ではなく、１つの軸にガスタービン、蒸気タービン及び発生器を縦に並列させて１つの発生器を構成しても良い。
【００３０】
本発明を現時点で最も実用的で好ましい実施例であると考えられる実施例に関連して説明したが、本発明は開示した実施例に限定されず、特許請求の範囲の趣旨の範囲内に含まれる様々な変形及び等価の構成を包含することを理解すべきである。
【００３１】
特許請求の範囲に示される図中符号は本発明の範囲を狭めるためではなく、本発明を容易に理解させるために挿入されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の冷却式冷却空気システムを取り入れた複合サイクル発電装置を示す概略図。
【図２】本発明を具現化した冷却式冷却空気システムを取り入れた複合サイクル発電装置を示す概略図。
【符号の説明】
１０…ガスタービンシステム、１４…圧縮機、１６…圧縮空気、１８…燃焼システム、２０…燃料、２２…燃焼混合物、２４…タービンエキスパンダ、２８…機械的負荷、３０…高温の排気ガス、３２…多圧熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）、３４…蒸気タービンシステム、３６…発電機、３８…蒸気、４６…低圧（ＬＰ）蒸発器、４８…中間圧力（ＩＰ）蒸発器、５０…高圧（ＨＰ）蒸発器、１５４…冷却式冷却空気（ＣＣＡ）システム、１５６…導管、１５８…熱交換器シェル、１６０…チューブ式熱交換器、１６４…飽和蒸気、１６６…ＩＰエコノマイザ排水、１６８…導管、１７４…バイパス、１７６…空気入口、１７８…空気出口、２０２…２相水／蒸気流れ、２０４…分離器／フラッシュドラム
【図１】
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【図２】
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【外国語明細書】
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