(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機（１５）、および排気を提供する出力側を有するガスタービンサブシステム（１３）と、
入口（２４）を有する熱回収蒸気発生サブシステム（２３）と、
前記ガスタービンサブシステム（１３）、および前記排気を前記熱回収蒸気発生サブシステム（２３）に輸送するための前記入口（２４）に結合された排気ダクト（２１）と、
加圧された空気流を生成し、前記圧縮機（１５）に供給する制御可能空気流源（３０、３１）と、
前記制御可能空気流源（３０、３１）に結合された、前記空気流の少なくとも一部を前記圧縮機（１５）に運ぶダクト配管（３２）アセンブリと、
前記制御可能空気流源（３０）および前記排気ダクト（２１）に結合された、加圧された前記空気流の少なくとも一部を選択的に前記入口（２４）に運ぶように適合されたバイパス（３３）と
を備え、
前記熱回収蒸気発生サブシステム（２３）が前記排気とバイパスされた前記空気流の少なくとも一部を受け取り運転を継続する補助バーナ（２５）を備える結合サイクルシステム（１１）。
【請求項２】
前記制御可能空気流源（３０、３１）が前記ガスタービンサブシステム（１３）の排気廃熱の変換によって引き出される蒸気エネルギーによって駆動される強制通風ファン（３０）を備える、請求項１記載の結合サイクルシステム（１１）。
【請求項３】
前記強制通風ファン（３０）に結合された可変周波数ドライブ（３１）をさらに備える、請求項２記載の結合サイクルシステム（１１）。
【請求項４】
前記バイパス（３３）上に配置された流量センサ（３５）および制動弁（３７）をさらに備える、請求項１乃至３のいずれかに記載の結合サイクルシステム（１１）。
【請求項５】
前記可変周波数ドライブ（３１）を制御する制御システム（３９）をさらに備える、請求項３記載の結合サイクルシステム（１１）。
【請求項６】
前記流量センサ（３５）から信号を受け取り、かつ、前記制動弁（３７）を制御する制御システム（３９）をさらに備える、請求項４記載の結合サイクルシステム（１１）。
【請求項７】
結合サイクルシステムを制御する方法であって、
第１の運転状態を決定するステップと、
所望の運転状態を決定するステップと、
制御可能空気流源（３０、３１）を提供するステップと、
前記所望の運転状態を達成するために、前記制御可能空気流源（３０、３１）から圧縮機（１５）に提供される加圧された空気の第１の質量流量および熱回収蒸気発生器（２３）に提供される加圧された空気の第２の質量流量を決定するステップと、
加圧された空気の前記第１の質量流量を前記圧縮機（１５）に選択的に運ぶステップと、
加圧された空気の前記第２の質量流量を前記熱回収蒸気発生器（２３）に選択的に運ぶステップと、
前記熱回収蒸気発生器（２３）の補助バーナ（２５）が前記第１の質量流量を使用した燃焼からの排気と前記第２の質量流量の加圧された空気を受け取り運転を継続するステップと、
を含む方法。
【請求項８】
制御可能空気流源（３０、３１）を提供する前記方法要素が、可変周波数ドライブ（３１）に従って、前記ガスタービンサブシステム（１３）の排気廃熱の変換によって引き出される蒸気エネルギーによって駆動される強制通風ファン（３０）を提供するステップを含む、請求項７記載の方法。
【請求項９】
空気の第２の質量流量を前記熱回収蒸気発生器（２３）に選択的に運ぶ前記方法要素が、空気の第２の質量流量をある温度で運ぶステップ、および前記温度を調節するステップをさらに含む、請求項７または８に記載の方法。
【請求項１０】
空気の前記第１の質量流量を強制冷却するステップをさらに含む、請求項７乃至９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
前記所望の運転状態が出力の低下を補償する状態または所定の蒸気流を提供する状態である、請求項７乃至１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
空気の前記第２の質量流量を選択的に運ぶ前記方法要素が、空気の前記第２の質量流量をバイパス（３３）を介して前記熱回収蒸気発生器（２３）に運ぶステップを含む、請求項７乃至１１のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
前記バイパス（３３）に結合された弁（３７）を使用して空気の前記第２の質量流量を制御するステップをさらに含む、請求項７乃至１２のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書において開示される主題は、結合サイクル電力システムに関し、より詳細には、空気流バイパスを備えた過給結合サイクルシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
結合サイクル電力システムおよびコージェレーション設備は、ガスタービンを利用して発電している。これらのガスタービンは、通常、蒸気を生成する熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）に運ばれる高温排気ガスを生成する。蒸気を使用して蒸気タービンを駆動して、より多くの電力を生成し、および／または他のプロセスに使用するための蒸気を提供することができる。
【０００３】
電力システムを最大効率で運転することは、あらゆる発電設備にとって優先度が高い。負荷条件、設備の劣化および周囲の条件を始めとする要因は、最適条件未満の状態で発電装置を運転することになる。ガスタービンの容量を大きくするための方法としてタービンシステムに過給する（その結果、入口圧が排圧より高くなる）ことは知られている。過給タービンシステムは、通常、ガスタービン入口に配置された、蒸気への排気廃熱の変換によって引き出される蒸気エネルギーによって駆動される可変速過給ファンを含む。ガスタービン軸の馬力を大きくすることができるよう、ガスタービンに流入する空気の質量流量を多くするために過給ファンが使用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第１３／４８５２１６号明細書
【発明の概要】
【０００５】
従来の過給結合サイクルシステムが抱えている問題は、主として優勢な「スパークスプレッド」のため、それらが経済的ではないことである。スパークスプレッドは、所与の量の電気の販売価格からその所与の量の電気を生成するのに必要な燃料のコストを引いたガス燃焼発電装置の総収益である。運転、維持、資本および他の財政コストは、このスパークスプレッドから賄わなければならない。従来の過給システムが抱えているもう１つの問題は、入口ファンの制御が困難なことである。多くの場合、このようなシステムの投資収益率は魅力的ではない。従来の過給結合サイクルシステムは、十分なシステム柔軟性、アウトプットおよび効率を、システムのライフサイクルにわたって顧客に提供していない。さらに、これらのシステムにはかなりの修正が必要であり、また、場合によっては過去から受け継いだシステムと両立しないことがある。
【０００６】
非制限の一例示的実施形態によれば、本発明は、圧縮機および排気を提供する出力側を有するガスタービンサブシステムと、入口を有する熱回収蒸気発生サブシステムとを含んだ結合サイクルシステムに関している。排気ダクトは、ガスタービンシステム、および排気を熱回収蒸気発生システムに輸送するための入口に結合されている。また、システムは、空気流を生成する制御可能空気流源と、該制御可能空気流源に結合された、空気流の少なくとも一部を圧縮機に運ぶためのダクトアセンブリとを含む。また、制御可能空気流源および排気ダクトに結合された、空気流の少なくとも一部を選択的に入口に運ぶように適合されたバイパスが同じく提供されている。
【０００７】
他の実施形態では、可変空気流を提供する強制通風ファンを含んだ過給システムが提供される。また、空気流の少なくとも一部を圧縮機へ導くダクト、および空気流の少なくとも一部を熱回収蒸気発生器に向けるバイパスサブシステムが同じく提供される。システムは、バイパスサブシステムおよび強制通風ファンに結合された制御システムを含む。
【０００８】
他の実施形態では、結合サイクルシステムを運転する方法は、第１の運転状態を決定するステップと、所望の運転状態を決定するステップとを含む。この方法は、所望の運転状態を達成するために、圧縮機に提供される空気の第１の質量流量および熱回収蒸気発生器に提供される空気の第２の質量流量を決定するステップを含む。この方法は、制御可能空気流源を提供するステップと、空気の第１の質量流量を圧縮機に選択的に運ぶステップと、空気の第２の質量流量を熱回収蒸気発生器に選択的に運ぶステップとを含む。
【０００９】
本発明の他の特徴および利点は、一例として本発明の特定の態様の原理を示す添付の図面に関連して行う、好ましい実施形態についての以下のより詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】空気バイパスを備えた過給結合サイクルシステムの一実施形態の略図である。
【図２】空気バイパスを備えた過給結合サイクルシステムの他の実施形態の略図である。
【図３】空気バイパスを備えた過給結合サイクルシステムによって実施される方法の一実施形態の流れ図である。
【図４】空気バイパスを備えた過給結合サイクルシステムによって達成される結果を示すチャートである。
【図５】空気バイパスを備えた過給結合サイクルシステムによって実施される方法の一実施形態の流れ図である。
【図６】空気バイパスを備えた過給結合サイクルシステムによって達成される結果を示すチャートである。
【図７】空気バイパスを備えた過給結合サイクルシステムによって達成される結果を示すチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態による、空気バイパスを備えた過給結合サイクルシステム（ＳＣＣＡＢシステム１１）の略図を示したものである。ＳＣＣＡＢシステム１１はガスタービンサブシステム１３を含み、このガスタービンサブシステム１３は、圧縮機入口１６を有する圧縮機１５、燃焼器１７およびタービン１９を含む。排気ダクト２１は、タービン１９および熱回収蒸気発生器サブシステム（ＨＲＳＧ２３）に結合することができる。ＨＲＳＧ２３は、蒸気を生成するために、ＨＲＳＧ入口２４を介して運ばれるタービン１９からの排気ガスから熱を回収する。また、ＨＲＳＧ２３は、ＨＲＳＧ２３に追加エネルギーを提供するための二次バーナ２５を含むことも可能である。ＨＲＳＧ２３からの蒸気および排気の一部は、スタック２７に通気することができ、あるいは蒸気タービン２７を駆動し、かつ、追加電力を提供するために使用することができる。ＨＲＳＧ２３からの蒸気の一部は、他のプロセスのために使用するべく、プロセス蒸気出口ヘッダ２８を介して輸送することができる。ＳＣＣＡＢシステム１１は、入口ハウスおよび冷却システム２９を含むことも可能である。入口ハウスおよび冷却システム２９を使用して、圧縮機入口１６に流入する空気が冷却され、かつ、フィルタリングされ、それにより電力が増加し、また、圧縮機１５の損傷が回避される。
【００１２】
また、ＳＣＣＡＢシステム１１は、空気を圧縮機１５へ強制する正圧を生成するために使用される強制通風ファン３０を含む。強制通風ファン３０は、固定ブレードファンまたは可変ブレードファン（図示せず）、およびブレードを駆動するための電動機（図示せず）を有することができる。強制通風ファン３０は、電動機に供給される電力の周波数を制御することによって電動機の回転速度を制御する可変周波数ドライブ（ＶＦＤ３１）によって駆動することができる。このＶＦＤ３１により、公称速度未満の速度での運転によるエネルギーの節約を始めとする多くの利点が提供される。他の利点は、設備に対する応力が小さくなる速度までＶＦＤ３１を徐々にランプアップすることができることである。強制通風ファン３０は、ダクトアセンブリ３２を介して制御可能空気流源を提供し、また、この強制通風ファン３０を使用して圧縮機１５に流入する空気の質量流量を多くすることができる。圧縮機に流入する空気の量は、ＶＦＤ３１によって制御される。圧縮機入口１６は、従来の設計による若干の負圧と比較すると、若干の正圧に適応するように構成することができる。
【００１３】
また、ＳＣＣＡＢシステム１１は、強制通風ファン３０からの空気流の一部を排気ダクト２１に向けるバイパス３３（このバイパス３３は外部ダクト配管を含むことができる）を含むことも可能である。増加したこの空気流により、二次バーナ２５に追加酸素が提供され、それによりフレームアウトまたは最適未満の燃焼が回避される。バイパス３３は、流量センサ３５およびバイパス３３を通る空気流を制御するための制動弁３７を備えることができる。制御システム３９を提供することにより、流量センサ３５からデータを受け取り、かつ、制動弁３７およびＶＦＤ３１を制御することができる。制御システム３９は、ＳＣＣＡＢシステム１１の運転を制御するために使用されるより大きい制御システムの中に統合することができる。バイパスからの空気流は排気ダクト２１へ運ばれ、この排気ダクト２１でＨＲＳＧ２３に流入する結合された空気および排気の温度を調節することができる。
【００１４】
図２は、一対のガスタービンサブシステム１３を含んだＳＣＣＡＢシステム１１の他の実施形態を示したものである。この実施形態では、この一対のガスタービンサブシステム１３の排気を使用して単一の蒸気タービン２７が駆動される。この実施形態では、入口ハウス４１は強制通風ファン３０の上流側に配置されており、また、ファンからの空気流を冷却することができる冷却システム４３は、強制通風ファン３０の下流側に配置されている。バイパス３３は冷却システム４３に結合されている。この実施形態では２つのガスタービンシステム１３が説明されているが、任意の数の蒸気タービン２７と組み合わせた任意の数のガスタービンシステム１３を使用することができることは当業者には認識されよう。
【００１５】
運転中、ＳＣＣＡＢシステム１１は、増加した空気流をＨＲＳＧ２３に提供し、それにより多くの利点が得られる。ＳＣＣＡＢシステム１１は、結合サイクルプラント柔軟性、効率およびライフサイクル経済学を最適化する能力をオペレータに提供することができる。例えばガスタービンサブシステム１３の入口圧力を昇圧することにより、出力性能および熱消費率性能が改善される。ＳＣＣＡＢシステム１１の劣化に見合う量だけ過給（および強制通風ファン３０を駆動するための寄生負荷）のレベルを常に高くすることにより、ＳＣＣＡＢシステム１１のライフサイクルを通してＳＣＣＡＢシステム１１の出力性能を平らに維持することができる（劣化しない）。ＶＦＤ３１を使用して強制通風ファン３０に電力を供給することにより、部分過給条件の下で実質的にシステムの効率を改善することができる。ＳＣＣＡＢシステム１１によって得られる他の利点は、蒸気の生成に対する発電比率包絡線の拡張である。これは、ＨＲＳＧ入口２４の排気ガス温度を強制通風ファン３０からの空気を使用して調節することによって達成することができる。ＳＣＣＡＢシステム１１によって得られる他の利点は、パージサイクル（蓄積したガスの除去）におけるリダクションの結果として、スタートアップレートが改善されることである。また、ＳＣＣＡＢシステム１１によれば、バイパス３３を介して提供される強制通風ファン３０からの空気を使用して排気ダクト２１の排気温度を調節することにより、負荷ランプレートを改善することも可能である。また、ＳＣＣＡＢシステム１１の強制通風ファン３０は、ガスタービンサブシステム１３およびＨＲＳＧ２３を強制冷却するための有効な手段を提供し、それにより保守サービス中断時間が短縮され、かつ、システム可用性が改善される。強制通風ファン３０は、すべての大型ガスタービンシステム１３のための単純なサイクル構成および結合サイクル構成に対して、適度の資本コストで、高温周囲条件の下で、２０％出力改善の範囲内で引き渡すための匹敵する利点を提供する。
【００１６】
ＳＣＣＡＢシステム１１は、図３〜４を参照して説明するように、結合サイクルプラントの出力を常に維持する方法（方法５０）を実施することができる。図３では、方法５０は、現在の状態を決定することができ（方法要素５１）、また、所望の状態を決定することができる（方法要素５３）。所望の状態は、性能損失を補償するために常に公称出力を維持するためのものであってもよい。性能損失は、通常、ガスタービンのコンポーネントが常に摩耗することによって生じる。これらの損失は、測定または計算することができる。方法５０は、所望の出力を維持するために必要な増加した空気の質量の流れを決定することができる（方法要素５５）。方法５０は、その決定に基づいて、圧縮機入口１６に流入する空気の質量を調整することができる（方法要素５７）。方法５０は、ＨＲＳＧ入口２４に流入する結合をされた空気および排気の質量を調整することができる（方法要素５９）。
【００１７】
図４は、従来の結合サイクルシステムおよびＳＣＣＡＢシステム１１の時間に対する出力および熱消費率の損失（百分率で示されている）を示したものである。ガスタービンは、ガスタービンのコンポーネントの摩耗の結果として、常に出力損失の問題を抱えている。この損失は、一部には、タービンおよび圧縮機のクリアランスの増加、ならびに表面仕上げおよびエーロフォイル輪郭の変化によるものである。通常、保守または圧縮機洗浄ではこの損失を回復することはできず、それどころか、その解決法は、推奨検査間隔で影響を受けた部品を交換する以外にはない。しかしながら、強制通風ファン３０を使用して過給のレベルを高くすることにより、強制通風ファン３０を駆動するための寄生負荷によるコストはかかるが、出力性能を維持することは可能である。一番上の曲線（二重実線）は、従来の結合サイクルシステムの典型的な出力損失を示している。第２の曲線（二重破線）は、定期検査およびルーチン保守を使用した期待出力損失を示したものである。一番下の曲線（三重破線）は、ＳＣＣＡＢシステム１１の出力損失をほぼ０％に維持することができることを示している。同様に、従来の結合サイクルシステムの熱消費率劣化（一本の実線曲線）は、ＳＣＣＡＢシステム１１を使用して著しく改善することができる。
【００１８】
図５は、ＳＣＣＡＢシステム１１の蒸気出力を制御する方法（方法６０）を示したものである。方法６０は、最初に現在の状態を決定することができる（方法要素６１）。また、方法６０は、所望の出力および蒸気流を決定することも可能である（方法要素６３）。方法６０は、圧縮機入口１６およびＨＲＳＧ入口２４への必要な増加空気流を決定することができる（方法要素６５）。方法６０は、次に、所望の蒸気出力を提供するために、圧縮機入口１６に流入する空気を調整し（方法要素６７）、かつ、ＨＲＳＧ入口２４に流入する結合された排気および空気を調整する（方法要素６９）ことができる。
【００１９】
図６は、一定の蒸気流を維持するための拡張運転包絡線を示したものである。縦軸はＭＷ単位の出力であり、横軸は蒸気の質量の流れである。内側の領域（明るい縦のクロスハッチ）は、従来の結合サイクルシステムの包絡線を示している。ＳＣＣＡ１１の包絡線は対角線のクロスハッチで示されており、また、より大きい領域は、ＨＲＳＧ２３内における二次着火と組み合わせたＳＣＣＡ１１の性能を示している。
【００２０】
図７は、最小負荷およびベース負荷における従来の結合サイクルシステムと比較した、特定の室温でのＳＣＣＡＢシステム１１の改良された運転性能を示すチャートである。横軸はＭＷ単位の出力であり、縦軸は熱消費率（１ｋＷｈの電気を生成するのに必要な燃料からの熱エネルギー（ＢＴＵ単位））である。このチャートは、ＳＣＣＡＢシステム１１によって引き渡される改良された効率を示している。
【００２１】
以上、システムおよび／または方法の様々な実施形態について、ブロック図、流れ図および／または例を使用して詳細に説明した。このようなブロック図、流れ図および／または例が１つまたは複数の機能および／または動作を含んでいる限り、このようなブロック図、流れ図または例の中の個々の機能および／または動作は、広範囲にわたるハードウェアによって個別におよび／または集合的に実施することができることは当業者には理解されよう。さらに、方法ステップは、本明細書においては、流れ図および／または例の中で特定の順序で示されているが、必ずしも示されている順序での実施に限定されないことは理解されよう。例えばこれらのステップは同時に実施することができ、あるいは本明細書において示されている順序とは異なる順序で実施することができ、このような変形形態は、本開示に照らして、当業者には明らかであろう。
【００２２】
本成文説明には、最良のモードを含む、本発明を開示するための例が使用されており、また、任意のデバイスまたはシステムの構築および使用、ならびに組み込まれている任意の方法の実施を含む、すべての当業者による本発明の実践を可能にするための例が使用されている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義されており、当業者に思い浮ぶ他の例を含むことができる。このような他の例には、それらが特許請求の範囲の文字言語と同じ構造エレメントを有している場合であっても、あるいはそれらが特許請求の範囲の文字言語とは実質的な差異のない等価構造エレメントを含んでいる場合であっても、特許請求の範囲に包含されることが意図されている。
【符号の説明】
【００２３】
１１  ＳＣＣＡＢシステム
１３  ガスタービンシステム
１５  圧縮機
１６  圧縮機入口
１７  燃焼器
１９  タービン
２１  排気ダクト
２３  ＨＲＳＧ
２４  ＨＲＳＧ入口
２５  二次バーナ
２６  蒸気タービン
２７  スタック
２８  プロセス蒸気出口ヘッダ
２９  入口ハウスおよび冷却システム
３０  強制通風ファン
３１  可変周波数ドライブ（ＶＦＤ）
３２  ダクトアセンブリ
３３  バイパス
３５  流量センサ
３７  制動弁
３９  制御システム
４１  入口ハウス
４３  冷却システム
５０  結合サイクルプラントの出力を常に維持する方法
５１  現在の状態を決定する
５３  所望の状態を決定する
５５  必要な空気流を決定する
５７  圧縮機入口に流入する空気を調整する
５９  ＨＲＳＧ入口に流入する空気を調整する
６０  蒸気出力を制御する方法
６１  現在の状態を決定する
６３  所望の出力および蒸気流を決定する
６５  空気流を決定する
６７  圧縮機入口に流入する空気を調整する
６９  ＨＲＳＧに流入する空気の質量を調整する
【図１】
0006334093.tif 000002
【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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【図７】
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