(57)【要約】【課題】ガスタービン入口に修正条件の窒素が導入される複合サイクル発電プラントを提供すること。【解決手段】発電プラントは、燃焼用に入口空気を加圧するよう構成された圧縮機を含む。発電プラントはまた、供給空気を受け取って該空気から窒素を除去するよう構成された空気分離ユニットを含む。発電プラントは更に、空気分離ユニット及び圧縮機に動作可能に結合された流体マニピュレータを含み、該流体マニピュレータが、入口圧力及び入口温度で空気分離ユニットから除去した窒素を受け取り、該窒素の修正圧力及び修正温度を生成した後、圧縮機に窒素を選択的に送給するよう構成されている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電プラントであって、
燃焼用に入口空気を加圧するよう構成された圧縮機と、
供給空気を受け取って該空気から窒素を除去するよう構成された空気分離ユニットと、
前記空気分離ユニット及び前記圧縮機に動作可能に結合された流体マニピュレータと
を備え、前記流体マニピュレータが、入口圧力及び入口温度で前記空気分離ユニットから除去した窒素を受け取り、該窒素の修正圧力及び修正温度を生成した後、前記圧縮機に前記窒素を選択的に送給するよう構成されている、発電プラント。
【請求項２】
前記流体マニピュレータが、渦流入口、高温出口、及び低温出口を有する渦管である、請求項１記載の発電プラント。
【請求項３】
前記渦流入口が、前記空気分離ユニットから除去された窒素を大気圧よりも高い圧力で受け取る、請求項２記載の発電プラント。
【請求項４】
前記渦管が更に、前記圧縮機に送給される窒素の修正温度を選択的に制御するため前記高温出口の近傍にバルブを含む、請求項２記載の発電プラント。
【請求項５】
前記空気分離ユニットから窒素を受け取り、加圧した窒素を燃焼器に直接送給するよう構成された窒素圧縮機を更に備える、請求項２記載の発電プラント。
【請求項６】
前記圧縮機に送給される窒素の修正温度が、前記入口温度よりも高温である、請求項２記載の発電プラント。
【請求項７】
前記圧縮機に送給される窒素の修正温度が、前記入口温度よりも低温である、請求項２記載の発電プラント。
【請求項８】
複数の渦管を更に備える、請求項２記載の発電プラント。
【請求項９】
発電プラントであって、
燃焼用に入口空気を加圧するよう構成された圧縮機と、
供給空気を受け取って該空気から分離された空気成分を除去するよう構成された空気分離ユニットと、
前記空気分離ユニット及び前記圧縮機に動作可能に結合された流体マニピュレータと
を備え、前記流体マニピュレータが、第１の圧力及び第１の温度で前記分離された空気成分を受け取り、該分離された空気成分を第２の圧力及び第２の温度で前記圧縮機に選択的に送給する、発電プラント。
【請求項１０】
前記流体マニピュレータが、渦流入口、高温出口、及び低温出口を有する渦管である、請求項９記載の発電プラント。
【請求項１１】
前記分離された空気成分が窒素である、請求項１０記載の発電プラント。
【請求項１２】
前記渦流入口が、前記空気分離ユニットから除去された窒素を大気圧よりも高い圧力で受け取る、請求項１１記載の発電プラント。
【請求項１３】
前記渦管が更に、前記圧縮機に送給される窒素の第２の温度を選択的に制御するため前記高温出口の近傍にバルブを含む、請求項１１記載の発電プラント。
【請求項１４】
前記圧縮機に送給された窒素が、相対的に大気圧又はその付近で送給される、請求項１１記載の発電プラント。
【請求項１５】
前記第２の温度が前記第１の温度よりも高温である、請求項１１記載の発電プラント。
【請求項１６】
前記第２の温度が前記第１の温度よりも低温である、請求項１１記載の発電プラント。
【請求項１７】
複数の渦管を更に備える、請求項１１記載の発電プラント。
【請求項１８】
発電プラントを運転する方法であって、
供給空気から窒素を除去するステップと、
前記供給空気から除去された窒素を渦管に導入するステップと、
前記渦管内の窒素の温度を修正し、修正窒素を生成するステップと、
前記修正窒素を前記発電プラントの圧縮機に送給するステップと
を含む、方法。
【請求項１９】
前記窒素の温度を修正するステップが更に、前記渦管内の窒素の一部を加熱し、該窒素の別の部分を冷却するステップを含む、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記渦管に動作可能に結合されたバルブを作動させて、前記圧縮機に送給される前記修正窒素を選択的に制御するステップを更に含む、請求項１９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示される主題は、複合サイクル発電プラントに関し、より詳細には、ガスタービン入口に修正条件の窒素が導入される複合サイクル発電プラントに関する。
【背景技術】
【０００２】
統合型複合サイクル（ＩＧＣＣ）又は統合型改質複合サイクル（ＩＲＣＣ）発電プラントにおいて、ＮＯｘ形成を抑制し且つ電力生成を増大させるための燃料希釈剤として使用できる窒素は、空気分離ユニット（ＡＳＵ）により利用可能である。この窒素は、一般的に、燃焼器に直接注入され、或いは、燃料と配合される。
【０００３】
燃焼器への窒素の注入又は燃料との窒素の配合には、窒素圧縮、配合、及び流れ制御運転を統合する点で比較的高レベルの複雑な運転及び制御が要求される。加えて、燃焼器への窒素の注入又は燃料との配合によりタービン入口流量が増大し、圧縮機圧力比が許容可能な作動能力を上回る可能性がある。結果として、窒素の使用は制限又は無視されることが多く、窒素の一部又は全てが放出されている。しかしながら、このような場合において、一般に、ＮＯｘエミッションを低減する必要性が高まっており、資本コスト及び運用コストが増大する性能上不利な状況が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６２６３６５９号明細書
【発明の概要】
【０００５】
本発明の１つの態様によれば、発電プラントは、燃焼用に入口空気を加圧するよう構成された圧縮機を含む。発電プラントはまた、供給空気を受け取って該空気から窒素を除去するよう構成された空気分離ユニットを含む。発電プラントは更に、空気分離ユニット及び圧縮機に動作可能に結合された流体マニピュレータを含み、該流体マニピュレータが、入口圧力及び入口温度で空気分離ユニットから除去した窒素を受け取り、該窒素の修正圧力及び修正温度を生成した後、圧縮機に窒素を選択的に送給するよう構成されている。
【０００６】
本発明の別の態様によれば、発電プラントは、燃焼用に入口空気を加圧するよう構成された圧縮機を含む。発電プラントはまた、供給空気を受け取って該空気から分離された空気成分を除去するよう構成された空気分離ユニットを含む。発電プラントは更に、空気分離ユニット及び前記圧縮機に動作可能に結合された流体マニピュレータと
を含み、該流体マニピュレータが、第１の圧力及び第１の温度で分離された空気成分を受け取り、該分離された空気成分を第２の圧力及び第２の温度で圧縮機に選択的に送給する。
【０００７】
本発明の更に別の態様によれば、発電プラントを運転する方法は、供給空気から窒素を除去するステップを含む。本方法はまた、供給空気から除去された窒素を渦管に導入するステップを含む。本方法は更に、渦管内の窒素の温度を修正し、修正窒素を生成するステップを含む。本方法は更にまた、修正窒素を発電プラントの圧縮機に送給するステップを含む。
【０００８】
これら及び他の利点並びに特徴は、図面を参照しながら以下の説明から明らかになるであろう。
【０００９】
本発明とみなされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】空気分離ユニットを有する複合サイクル発電プラントの概略図。
【図２】発電プラントの渦管の側断面図。
【図３】空気分離ユニット及び複数の渦管を有する複合サイクル発電プラントの概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
この詳細な説明は、例証として図面を参照しながら、本発明の利点及び特徴と共に例示的な実施形態を説明している。
【００１２】
図１を参照すると、複合サイクル発電プラント、統合型ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）発電プラント、又は統合型改質複合サイクル（ＩＲＣＣ）発電プラントなどの発電プラント１０は、一般に、ガスタービン１２を備える。ガスタービン１２は、燃焼運転に備えて入口空気が加圧される圧縮機１４と、燃焼が生じる燃焼器１６と、発電のため燃焼生成物が利用されるタービン１８とを含む。ガスタービン１２はまた、圧縮機１４の上流側で入口空気を受け取る入口２０を含む。
【００１３】
空気分離ユニット２２などの分離ユニット２２は、ガスタービン１２の周囲の大気から供給することができる供給空気を受け取って、窒素（Ｎ2）などの空気の成分を除去する。空気分離ユニット２２を通過した後の除去された窒素は、一般に、実質的に（完全ではない場合もあるが）純窒素である。窒素は、単に、空気分離ユニットが受け取って除去できる１つの空気成分に過ぎず、空気分離ユニット２２は、大気中空気において一般的に見られる他の種々の成分を受け取り除去することができる点は理解される。
【００１４】
システム２４は、第１の部分２６において空気分離ユニット２２に動作可能に結合され、第２の部分２８においてガスタービン１２に動作可能に結合される。具体的には、システム２４は、第２の部分２８において圧縮機１４又は燃焼器１６などのガスタービン１２の１以上の部品に動作可能に結合され、及び／又は入口２０に近接して動作可能に結合される。システム２４は、空気分離ユニット２２から除去された窒素の一部を受け取り、該窒素を入口２０、圧縮機１４及び／又は燃焼器１６に送給するよう構成される。システム２４は、渦管３０のような流体マニピュレータと、空気分離ユニット２２を渦管３０に動作可能に接続する入口管路３２と、少なくとも１つの高温出口管路３４と、少なくとも１つの低温出口管路３６とを備える。各出口管路３４、３６は、システム２４の第２の部分２８にて渦管３０をガスタービン１２に動作可能に接続する。加えて、システム２４は、空気分離ユニット２２から除去された窒素の一部を窒素圧縮機６０に移送する。窒素は、窒素圧縮機６０から燃焼管路４０を通り、燃焼器１６に窒素を直接噴射する又は燃料と配合するのに十分な圧力で燃焼器１６に移送される。システム２４は、窒素圧縮機６０と組み合わせて用いても、或いは単独で用いてもよい点は理解されたい。システム２４を窒素圧縮機６０と組み合わせて利用することは、より良好な性能を達成してガスタービンの作動性を向上させるには望ましいとすることができるが、本出願では、窒素圧縮機６０を含めることが有利であるかどうか、及び組み合わせて使用したときにシステム２４と窒素圧縮機６０の間の望ましい流量比率を決定する。
【００１５】
ここで図２を参照すると、渦管３０は、入口管路３２を介して空気分離ユニット２２から除去した窒素を受け取る入口４２を備える。窒素は、渦発生チャンバ４４内に注入され、該渦発生チャンバ４４内で窒素の旋回が促進される。渦管３０は、高温出口４６と冷温出口４８とを有し、これらは通常、互いから遠位の端部に位置し且つ入口４２に実質的に垂直に配置される。高温出口４６での制御バルブ５０は、渦管３０から排出される高温窒素の流れ割合を調節する。高温及び低温ストリームの流れ低減割合は、低温／高温出口温度を決定付ける。低温出口４８は、渦管３０からの低温窒素を放出し、該低温窒素をガスタービン１２に移送するよう構成されたオリフィスからなる。「低温」及び「高温」という表現は、単に渦管３０の入口４２に流入したときの窒素の温度に対する温度状態にすぎない。
【００１６】
除去された窒素は通常、空気分離ユニット２２から大気圧力よりも高い圧力で流出し、ガスタービン１２に導入するために渦管３０から出るときには実質的に大気圧力付近まで低下している。作動に関しては、渦管３０は、渦管の入口４２における第１の温度及び第１の圧力から窒素特性を修正し、それぞれ第２の温度及び第２の圧力で高温出口４６及び低温出口４８を介して渦管３０から流出するよう機能する。例えば、空気分離ユニット２２から除去されて渦管３０に導入される窒素は、入口４２において約５５ｐｓｉａの圧力及び９０°Ｆの温度を有することができ、高温出口４６及び低温出口４８から実質的に大気圧前後の圧力で且つそれぞれ１６０°Ｆ及び２０°Ｆで流出する。上述の圧力及び温度は、単に例証に過ぎず、実際の入口及び出口条件は、適用分野に好適であるように修正することができる。
【００１７】
図３を参照すると、除去した窒素を受け取って上述と同様にして機能させるよう空気分離ユニット２２に動作可能に接続された複数の渦管３０を有する実施形態が例示されている。発電プラント１０で利用される渦管３０の数は、適応要件に好適であるように修正することができる。
【００１８】
本開示の別の態様によれば、発電プラント１０を運転する方法が提供される。本方法は、空気分離ユニット２２を利用して大気中空気のような供給空気から窒素を除去し、該供給空気から除去された窒素を渦管３０に導入するステップを含む。上述のように、渦管３０は、窒素をガスタービン１２に選択的に送給する前に、除去した窒素の圧力を低下させ、温度を修正するよう構成される。通常、除去された窒素は、圧縮機１４又は該圧縮機１４の上流側の入口２０に送給される。窒素の温度条件は、渦管３０の制御バルブ５０の作動によって制御され、ガスタービン１２に望ましい作用を加え、これにより発電プラント１０全体の性能を向上させることができる。
【００１９】
発電プラント１０は、有利には、ガスタービン１２に導入する前に、除去した窒素又は大気中空気の他の成分の温度及び／又は流量を操作することができる１以上の渦管３０を含む。相対的に加熱又は冷却された窒素の送給を制御することによって、ガスタービン１２運転における種々の改善を達成することができる。このような改善は、特に入口におけるガスタービン部品の加熱及び冷却、並びに入口流量条件の操作を含む。例えば、相対的に低温の窒素は、ガスタービン入口温度を低下させ、全体のガスタービン出力を増大させる。加えて、相対的に高温の窒素は、ガスタービン作動性（圧縮機サージ限度に対する）を改善し、部分負荷効率を支援し、低温条件運転における氷結防止を提供することができる。
【００２０】
限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示された実施形態に限定されないことは理解されたい。むしろ、本発明は、上記で説明されていない多くの変形、改造、置換、又は均等な構成を組み込むように修正することができるが、これらは、本発明の技術的思想及び範囲に相応する。加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様は記載された実施形態の一部のみを含むことができる点を理解されたい。従って、本発明は、上述の説明によって限定されるとみなすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００２１】
１０  発電プラント
１２  ガスタービン
１４  圧縮機
１６  燃焼器
１８  タービン
２０  入口
２２  分離ユニット
２４  システム
２６  第１の部分
２８  第２の部分
３０  渦管
３２  入口管路
３４  高温出口管路
３６  低温出口管路
４０  燃焼管
４２  入口
４４  渦発生チャンバ
４６  高温出口
４８  低温出口
５０  制御バルブ
６０  窒素圧縮機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【外国語明細書】
2013139774000001.pdf