(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の圧縮機（１６）、該第１の圧縮機（１６）の下流に位置し、前記第１の圧縮機（１６）から圧縮された作動流体を受けるする少なくとも１台の燃焼器（１８）、及び該燃焼器（１８）の下流に位置するタービン（２０）を含んでいるガスタービン（１２）と、
前記第１の圧縮機（１６）の下流に位置し、前記第１の圧縮機（１６）から圧縮された作動流体の一部を受け、該圧縮された作動流体の一部を圧縮して前記少なくとも１台の燃焼器（１８）内に導入する第２の圧縮機（４６）と、
前記第１の圧縮機（１６）と前記第２の圧縮機（４６）との間に位置する再生式熱交換器（５２）と、
前記タービン（２０）の下流に位置する蒸気発生器（３０）であって、前記タービン（２０）からの排気（３６）を受け取る蒸気発生器（３０）と、
前記蒸気発生器（３０）の下流に位置する蒸気タービン（３２）と、
前記蒸気タービン（３２）の下流に位置し且つ前記蒸気発生器（３０）の上流に位置する復水器（３４）と、
前記復水器（３４）と前記蒸気発生器（３０）との間に位置する第１の復水ポンプ（４２）と、
を有し、
前記第１の復水ポンプ（４２）が、前記再生式熱交換器（５２）に直接復水（４０）を供給し、前記再生式熱交換器（５２）からの復水（４０）が前記蒸気発生器（３０）に直接供給される、
複合サイクル・パワー・プラント（１０）。
【請求項２】
前記第２の圧縮機（４６）は、前記圧縮された作動流体の一部を圧縮して噴霧化空気を生成し、
前記噴霧化空気は、燃料（２４）と共に前記少なくとも１台の燃焼器（１８）内に導入されて、前記燃料（２４）を噴霧化する、請求項１に記載の複合サイクル・パワー・プラント（１０）。
【請求項３】
前記第１の復水ポンプ（４２）は閉ループ冷却システム内に位置しており、前記閉ループ冷却システムは前記再生式熱交換器（５２）から前記蒸気発生器（３０）へ熱を伝達する、請求項１乃至２のいずれか一項に記載の複合サイクル・パワー・プラント（１０）。
【請求項４】
更に、前記再生式熱交換器（５２）の下流に第２の復水ポンプ（４４）を含んでいる請求項１乃至３のいずれか一項に記載の複合サイクル・パワー・プラント（１０）。
【請求項５】
前記第１の復水ポンプ（４２）が第１の吐出圧力を生成し、前記第２の復水ポンプ（４４）が第２の吐出圧力を生成し、また前記第２の復水ポンプ（４４）の前記第２の吐出圧力が前記第１の復水ポンプ（４２）の前記第１の吐出圧力よりも大きい、請求項４に記載の複合サイクル・パワー・プラント（１０）。
【請求項６】
前記第２の復水ポンプ（４４）は閉ループ冷却システム内に位置しており、前記閉ループ冷却システムは前記再生式熱交換器（５２）から前記蒸気発生器（３０）へ熱を伝達する、請求項４乃至５のいずれか一項に記載の複合サイクル・パワー・プラント（１０）。
【請求項７】
複合サイクル・パワー・プラント（１０）であって、
第１の圧縮機と、第１の圧縮機の下流に位置し、前記第１の圧縮機（１６）から圧縮された作動流体を受けるする少なくとも１台の燃焼器（１８）、前記第１の圧縮機（１６）の下流に位置し、前記第１の圧縮機（１６）から圧縮された作動流体の一部を受け、該圧縮された作動流体の一部を圧縮して前記少なくとも１台の燃焼器（１８）内に導入する第２の圧縮機と、第１及び第２の圧縮機の間に位置する再生式熱交換器とを持つガスタービンと、
前記ガスタービンの下流に位置して、前記ガスタービンからの排気を受け取る蒸気発生器と、
前記再生式熱交換器を前記蒸気発生器に直接連結する流体路を有する閉ループ冷却システムと、
を備え、
前記閉ループ冷却システムが、前記流体路を通して前記再生式熱交換器から前記蒸気発生器へ熱を伝達する、複合サイクル・パワー・プラント（１０）。
【請求項８】
前記閉ループ冷却システム内で前記蒸気発生器（３０）の上流に位置する第１の復水ポンプ（４２）を備え、
前記第１の復水ポンプ（４２）が、前記再生式熱交換器（５２）に冷却剤を供給する、請求項７に記載の複合サイクル・パワー・プラント（１０）。
【請求項９】
前記閉ループ冷却システム内に第２の復水ポンプ（４４）を備え、
前記第２の復水ポンプ（４４）が、前記再生式熱交換器（５２）から冷却剤を受ける、請求項７に記載の複合サイクル・パワー・プラント（１０）。
【請求項１０】
前記第２の圧縮機（４６）は、前記圧縮された作動流体の一部を圧縮して噴霧化空気を生成し、
前記噴霧化空気は、燃料（２４）及び希釈剤（２６）と共に前記少なくとも１台の燃焼器（１８）内に導入されて、燃焼の効率を高めるために燃料（２４）及び希釈剤（２６）の混合物を噴霧化する、請求項１乃至９のいずれかに記載の複合サイクル・パワー・プラント（１０）。
【請求項１１】
前記蒸気発生器（３０）の上流にタービン（２０）を備え、
前記蒸気発生器（３０）の下流に蒸気タービン（３２）を備える、請求項７乃至１０のいずれかに記載の複合サイクル・パワー・プラント（１０）。
【請求項１２】
前記蒸気発生器（３０）の上流で前記蒸気タービン（３２）の下流に復水器（３４）を備える、請求項７乃至１１のいずれかに記載の複合サイクル・パワー・プラント（１０）。
【請求項１３】
更に、前記再生式熱交換器（５２）の下流に第２の復水ポンプ（４４）を含み、
前記第１の復水ポンプ（４２）が第１の吐出圧力を生成し、前記第２の復水ポンプ（４４）が第２の吐出圧力を生成し、また前記第２の復水ポンプ（４４）の前記第２の吐出圧力が前記第１の復水ポンプ（４２）の前記第１の吐出圧力よりも大きい、請求項７乃至１２のいずれかに記載の複合サイクル・パワー・プラント（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に云えば、通常のガスタービンと熱回収システムを組み合わせたパワー・プラントを対象とし、その複合サイクル・パワー・プラントの全体的効率を改善することに関するものである。本発明の特定の実施形態は、ガスタービンから熱回収システムへ熱を伝達する再生式熱交換器を含むことができる。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは工業用及び発電用に広く使用されている。典型的なガスタービンは、前部に軸流圧縮機、中間部の周りに１台以上の燃焼器、及び後部にタービンを含む。周囲空気が圧縮機に入り、圧縮機内の静翼及び動翼が作動流体（空気）に運動エネルギを漸次与えて、高エネルギ状態の圧縮された作動流体を生成する。圧縮された作動流体は圧縮機を出て、ノズルを通って燃焼器に流入し、そこで作動流体は燃料と混合され点火されて、高い温度、圧力及び速度を持つ燃焼ガスを生成する。燃焼ガスはタービンへ流れて、そこで膨張して仕事を生じさせる。例えば、タービン内での燃焼ガスの膨張により、電気を発生するために発電機に接続されたシャフトを回転させることができる。
【０００３】
燃焼ガスはタービンを出たとき、もし直ちに環境へ放出された場合には、結果として、仕事をしない無駄なエネルギがガスタービンによって生成されたことになる。従って、熱回収システムが屡々タービンの下流に接続されて、タービンからの排出燃焼ガスを受け取る。ガスタービンと熱回収システムとの組合せは、一般に、複合サイクル・パワー・プラントと呼ばれている。熱回収システムは、典型的には、蒸気発生器、蒸気タービン及び復水器を含む。排出燃焼ガスは蒸気発生器へ流れて、そこで水を加熱して蒸気を発生させる。その蒸気は、蒸気タービンの中を流れて、そこで膨張して仕事を生じさせる。例えば、蒸気タービン内での蒸気の膨張は、電気を発生するために発電機に接続されたシャフトを回転させることができる。これらのシャフト及び発電機は、ガスタービンに接続されたものと同じシャフト及び発電機とすることができ、或いはガスタービンと熱回収システムとは別々のシャフト及び発電機を用いて運転することができる。蒸気発生器の下流に位置する復水器が蒸気を凝縮して復水を生成し、該復水は復水ポンプにより蒸気発生器へ直接戻される。熱回収システムは、このように排出燃焼ガスが最終的に環境へ放出される前に排出燃焼ガスからエネルギを捕獲し、従って複合サイクル・パワー・プラントの全体的効率を増大させる。
【０００４】
蒸気発生器は典型的には垂直な排気筒（又は煙突）の中に又はその上流に配置され、この垂直な排気筒は、排出燃焼ガスが蒸気発生器の管を横切って自然に上昇できるようにして、蒸気の発生を向上させる。場合によっては、顧客により垂直な排気筒の高さが制限されていることがあり、それに対応して蒸気発生器の大きさが制限されて、発生することのできる蒸気の量が制限される。その上、ガスタービンは屡々補助構成部品に関連した１台以上の熱交換器を含んでおり、これらの熱交換器によって除去された（すなわち、取り出された）熱は再捕獲されないことが多く、従って複合サイクル・パワー・プラントの全体的効率を低減する。それ故、補助構成部品の熱交換器によって取り出された熱をより効率よく使用すると共に、特に高さが制限された垂直な排気筒を持つシステムにおいて蒸気発生を増大させるシステムが必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７７３０７１２号
【発明の概要】
【０００６】
本発明の様々な面及び利点は、以下の記載で説明され、又は以下の記載から明らかであり、或いは本発明の実施を通じて習得することができよう。
【０００７】
本発明の一実施形態は、ガスタービンを含む複合サイクル・パワー・プラントであり、ガスタービンは、第１の圧縮機と、第１の圧縮機の下流に位置する少なくとも１台の燃焼器と、燃焼器の下流に位置するタービンと、第１の圧縮機の下流に位置する第２の圧縮機とを持つ。再生式熱交換器が第１及び第２の圧縮機の間に位置し、また蒸気発生器がタービンの下流に位置して、タービンからの排気を受け取る。蒸気タービンが蒸気発生器の下流に位置し、また復水器が蒸気タービンの下流に且つ蒸気発生器の上流に位置する。第１の復水ポンプが復水器と蒸気発生器との間に且つ再生式熱交換器と流体連通関係に位置する。
【０００８】
本発明の別の実施形態は、ガスタービンを含む複合サイクル・パワー・プラントであり、ガスタービンは、第１の圧縮機と、第１の圧縮機の下流に位置する第２の圧縮機と、第１及び第２の圧縮機の間に位置する再生式熱交換器とを持つ。蒸気発生器がガスタービンの下流に位置して、ガスタービンからの排気を受け取る。再生式熱交換器及び蒸気発生器を通る閉ループ冷却システムが、再生式熱交換器から蒸気発生器へ熱を伝達する。
【０００９】
本発明はまた、複合サイクル・パワー・プラントを運転するための方法を含む。本方法は、圧縮機で作動流体を圧縮する段階と、該圧縮された作動流体を再生式熱交換器で冷却して、圧縮され冷却された作動流体を生成する段階を含む。本方法は更に、再生式熱交換器から蒸気発生器へ熱を伝達する段階を含む。
【００１０】
当業者には、明細書を読めば、上記のような実施形態の様々な特徴及び側面などが一層良く理解されよう。
【００１１】
以下の説明では、当業者を対象として、最良の実施形態を含む本発明の完全で実現可能な開示を、添付の図面を参照して行う。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に従った複合サイクル・パワー・プラントの簡略ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に本発明の様々な実施形態について詳しく説明するが、その内の１つ以上の例を図面に示す。詳しい説明では、図面中の特徴部分を表すために英数字表示を用いている。図面及び明細書中の同様な英数字表示は、本発明の同様な部品を表すために用いている。
【００１４】
各々の例は本発明を説明するためのものであり、本発明を制限するものではない。実際に、当業者には、本発明の範囲又は精神から逸脱することなく本発明に様々な修正及び変更を為し得ることが明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として例示し説明した特徴を別の実施形態に用いて、更に別の実施形態を作成することが可能である。従って、本発明は、このような修正及び変更を「特許請求の範囲」の記載及びその等価な内容の範囲内に入るものとして包含するものとする。
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態に従った複合サイクル・パワー・プラント１０の簡略ブロック図である。複合サイクル・パワー・プラント１０は、一般に、当該技術で知られているように熱回収システム１４に接続されたガスタービン１２を含む。例えば、図１に示されているように、ガスタービン１２は、第１の圧縮機１６と、第１の圧縮機１６の下流に少なくとも１台の燃焼器１８と、燃焼器１８の下流にタービン２０とを含む。本書で用いられる用語「上流」及び「下流」は、流体通路内における構成部品の相対的な位置を表す。例えば、流体が構成部品Ａから構成部品Ｂへ流れる場合、構成部品Ａは構成部品Ｂの上流に位置する。逆に、構成部品Ｂが構成部品Ａから流体の流れを受け取る場合、構成部品Ｂは構成部品Ａの下流に位置する。第１の圧縮機１６は、燃焼器１８へ流れる圧縮された作動流体２２を生成する。燃焼器１８は、一般に、圧縮された作動流体２２を燃料２４及び／又は希釈剤２６と混合し、その混合物に点火して燃焼ガス２８を生成する。供給される燃料２４は、商用燃焼機関によって使用される任意の適当な燃料、例えば、高炉ガス、コークス炉ガス、天然ガス、気化した液化天然ガス（ＬＮＧ）、プロパン、及び任意の形態の液体燃料とすることができる。希釈剤２６は、燃料を希釈し又は冷却するのに適した任意の流体、例えば、圧縮空気、蒸気、窒素、又は別の不活性ガスとすることができる。燃焼ガス２８はタービン２０へ流れて、そこで膨張して仕事を生成する。
【００１６】
熱回収システム１４は、一般に、蒸気発生器３０と、蒸気タービン３２と、復水器３４とを含む。蒸気発生器３０はタービン２０の下流に配置されており、従ってタービン２０からの排出燃焼ガス３６が蒸気発生器３０を通って流れて、蒸気３８を発生させる。蒸気タービン３２は蒸気発生器３０の下流に配置されており、従って蒸気発生器３０からの蒸気３８が蒸気タービン３２内で膨張して仕事を生成する。復水器３４は蒸気タービン３２の下流に且つ蒸気発生器３０の上流に配置されていて、蒸気発生器３０からの蒸気３８を凝縮して復水４０を生成し、該復水４０を蒸気発生器３０へ戻す。復水器３４と蒸気発生器３０との間にある第１の復水ポンプ４２が、蒸気発生器３０と流体流通関係になっていて、復水器３４からの復水４０を蒸気発生器３０へ供給する。更に、蒸気発生器３０のその後の段に供給される復水４０の圧力を高くするために第２の復水ポンプ４４を設けることができる。
【００１７】
複合サイクル・パワー・プラント１０のガスタービン１２の部分に戻って説明すると、ガスタービン１２は更に、第１の圧縮機１６の下流に且つ燃焼器１８の上流に第２の圧縮機４６を含むことができる。第２の圧縮機４６は第１の圧縮機１６からの圧縮された作動流体４８の一部分を受け取って、第１の圧縮機１６からの圧縮された作動流体４８の圧力を増大する。第２の圧縮機４６によって与えられる典型的な圧力の増大は約３０〜７０％である。とは云え、実際の圧力の増大は「特許請求の範囲」に特に記載されていない限り本発明を制限するものではない。第２の圧縮機４６の出力は噴霧化空気５０と呼ぶことができ、該出力は、燃料２４及び／又は希釈剤２６と共に燃焼器１８内に導入されて、燃焼の効率を高めるために混合物を噴霧化する。
【００１８】
第１の圧縮機１６から第２の圧縮機４６へ供給される圧縮された作動流体４８の部分は、典型的には、６５０〜９００°Ｆ程度の温度を持つ。第１の圧縮機１６から供給された圧縮された作動流体４８の部分の温度を下げるために、ガスタービン１２と熱回収システム１４との間に閉ループ冷却システムを使用することができる。本書で用いられる「閉ループ冷却システム」とは、システム内の少なくとも幾分かの冷却剤が繰返しループ内に流れる任意の冷却システムと定義され、該冷却システムは、冷却剤を該ループに加え又は該ループから除去するシステムを含む。具体的に述べると、第１の圧縮機１６から第２の圧縮機４６へ供給される圧縮された作動流体４８の部分から熱を取り出すために、第１及び第２の圧縮機１６，４６の間に再生式熱交換器５２を配置することができる。本書で用いられる「再生式(regenerative)熱交換器５２」は、当該熱交換器によって取り出した熱を、環境へ放出される前に利用するために別の構成部品へ伝達するようにする任意の熱交換器を含む。閉ループ冷却システムは、復水４０のような冷却剤が蒸気発生器３０及び再生式熱交換器５２を通って且つそれらの間に流れるようにするように流体連通させる。例えば、図１に示されているように、第１の復水ポンプ４２は配管を介して再生式熱交換器５２へ冷却剤（例えば、復水４０）を供給することができる。冷却剤が再生式熱交換器５２を通って流れるにつれて、該冷却剤は、再生式熱交換器５２を通って第２の圧縮機４６へ流れる圧縮された作動流体４８の部分から熱を除去する（すなわち、取り出す）。例えば、再生式熱交換器５２は、第２の圧縮機４６へ供給される圧縮された作動流体５４の温度を、希望により４００°、３５０°、３００°又は２５０°Ｆよりも低い温度へ低下させることができる。参照数字５６で示す点において再生式熱交換器５２を出た後、冷却剤は参照数字５８で示す点において第２の復水ポンプ４４へ流れることができる。第２の復水ポンプ４４は冷却剤の圧力を増大させて、該冷却剤を蒸気発生器３０へ供給する。このようにして、閉ループ冷却システムは再生式熱交換器５２から蒸気発生器３０へ熱を伝達し、これによって複合サイクル・パワー・プラント１０の全体的効率を増大させる。実施形態によっては、再生式熱交換器５２から蒸気発生器３０へ伝達される熱量は、２００〜６５０ｋＷよりも大きいパワーを発生することができる。
【００１９】
当業者には直ぐに理解されるように、図１に例示して説明した複合サイクル・パワー・プラント１０では、効率を改善して複合サイクル・パワー・プラント１０を運転するための方法を提供する。具体的に述べると、この方法は、第１の圧縮機１６において作動流体を圧縮する段階、及び該圧縮された作動流体４８を再生式熱交換器５２によって冷却して、圧縮され冷却された作動流体５４を生成する段階を含む。この方法は更に、再生式熱交換器５２から蒸気発生器３０へ熱を伝達する段階を含み、その際、再生式熱交換器５２によって取り出された熱を使用することにより、蒸気３８を発生して仕事を生成することができる。次いで、蒸気３８を凝縮して復水４０を生成して、再生式熱交換器５２及び蒸気発生器３０を通る閉ループ冷却システムに圧送することができる。圧縮され冷却された作動流体５４は更に圧縮して燃焼器１８へ供給し、その圧縮され冷却された作動流体５０によって燃料２４及び／又は希釈剤２６を噴霧化することができる。特定の設計の要求に応じて、本方法は、結果として、２００〜６５０ｋＷよりも大きいパワーを再生式熱交換器５２から蒸気発生器３０へ伝達することができる。
【００２０】
本明細書は、最良の実施形態を含めて、本発明を開示するために、また当業者が任意の装置又はシステムを作成し使用し、任意の採用した方法を遂行すること含めて、本発明を実施することができるようにするために、幾つかの例を使用した。本発明の特許可能な範囲は「特許請求の範囲」の記載に定めており、また当業者に考えられる他の例を含み得る。このような他の例は、それらが特許請求の範囲の文字通りの記載から実質的に差異のない構造的要素を含んでいる場合、或いはそれらが「特許請求の範囲」の文字通りの記載から実質的に差異のない等価な構造的要素を含んでいる場合、特許請求の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００２１】
１０  複合サイクル・パワー・プラント
１２  ガスタービン
１４  熱回収システム
１６  第１の圧縮機
１８  燃焼器
２０  タービン
２２  圧縮された作動流体
２４  燃料
２６  希釈剤
２８  燃焼ガス
３０  蒸気発生器
３２  蒸気タービン
３４  復水器
３６  排出燃焼ガス
３８  蒸気
４０  復水
４２  第１の復水ポンプ
４４  第２の復水ポンプ
４６  第２の圧縮機
４８  圧縮された作動流体の一部分
５０  噴霧化空気
５２  再生式熱交換器
５４  圧縮され冷却された作動流体
５６  再生式熱交換器を出た冷却剤
５８  第２の復水ポンプに入る冷却剤
【図１】
0005184683.tif 000002