(57)【要約】【課題】再熱ガス及び排気ガス再生器システムを有する複合サイクル発電プラントを提供する。【解決手段】本複合サイクル発電プラント（２）は、圧縮機（４）と、第１のタービン（１４）と、第２のタービン（２４）と、第１の燃焼器（１０）と、第２の燃焼器（２０）と、熱交換器（９０）と、排熱回収ボイラ（４４）とを含む。制御装置（４６）は、第１のモードで複合サイクル発電プラント（２）を運転し、この第１のモードでは、圧縮機空気は、第１及び第２の燃焼器（１０、２０）に送給される前に熱交換器（９４）を通って流れ、また第２のタービン（２４）からの排気ガス（４８）は、熱交換器（９０）に流れる。第２のタービン（２４）からの排気ガス（４８）は、熱交換器（９０）を通って第１及び第２の燃焼器（１０、２０）に流れる圧縮機空気を予熱する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合サイクル発電プラント（２）であって、
圧縮機（４）と、
前記圧縮機（４）に動作可能に結合した第１のタービン（１４）と、
前記圧縮機（４）に動作可能に結合しかつ排気ガス（４８）を排出する第２のタービン（２４）と、
前記第１のタービン（１４）に流体連結した第１の燃焼器（１０）と、
前記第２のタービン（２４）に流体連結した第２の燃焼器（２０）と、
前記第２のタービン（２４）に流体連結した排熱回収ボイラ（４４）と、
前記圧縮機（４）、第１の燃焼器（１０）、第２の燃焼器（２０）及び排熱回収ボイラ（４４）に流体連結した熱交換器（９０）と、
第１のモードで該複合サイクル発電プラント（２）を選択的に運転する制御装置（４６）と、を含み、
前記第１のモードでは、圧縮機空気が前記第１及び第２の燃焼器（１０、２０）に送給される前に前記熱交換器（９０）を通って流れまた前記第２のタービン（２４）からの排気ガス（４８）が前記熱交換器（９０）に流れ、前記第２のタービン（２４）からの排気ガス（４８）が、前記熱交換器（９０）を通って前記第１及び第２の燃焼器（１０、２０）に流れる圧縮機空気を予熱するようになる、
複合サイクル発電プラント（２）。
【請求項２】
前記制御装置（４６）が、前記第１のモード及び第２のモードで該複合サイクル発電プラント（２）を選択的に運転し、
前記第２のモードでは、前記圧縮機（４）からの空気が前記第１及び第２の燃焼器（１０、２０）の各々に直接送給されまた前記第２のタービン（２４）からの排気ガス（４８）が前記排熱回収ボイラ（４４）に送給されるようになる、
請求項１記載の複合サイクル発電プラント。
【請求項３】
グリッド負荷メータ（２９）をさらに含み、
前記制御装置（４６）が、前記グリッド負荷メータ（２４）で測定したユーティリティ需要が所定の閾値以下に低下した時に前記第２のモードから前記第１のモードに自動的に切り替える、
請求項２記載の複合サイクル発電プラント。
【請求項４】
前記熱交換器が、第１の熱交換器（９０）と第２の熱交換器（９４）とを含み、
前記第１の熱交換器（９０）が、燃焼空気冷却器として作動し、
前記第２の熱交換器（９４）が、燃焼空気及び燃料再熱器として作動する、
請求項２記載の複合サイクル発電プラント。
【請求項５】
前記第１のモードで運転している時に、前記制御装置（４６）が、圧縮機空気及び前記第２のタービン（２４）からの排気ガス（４８）を前記第１及び第２の燃焼器（１０、２０）に流す前に前記第２の熱交換器（９４）を通して送給し、
前記第２のモードで運転している時に、前記制御装置（４６）が、圧縮機空気を前記第１及び第２の燃焼器（１０、２０）に送給するのに先立って前記第１の熱交換器（９０）を通して送給しまた前記第２のタービン（２４）からの排気ガス（４８）を前記排熱回収ボイラに直接送給する、
請求項４記載の複合サイクル発電プラント。
【請求項６】
前記第１のモードで運転している時に、前記第２のタービン（２４）からの排気ガス（４８）が、前記第２の熱交換器（９４）内にまた外気に開放した排気システム内に流れる、請求項５記載の複合サイクル発電プラント。
【請求項７】
前記圧縮機（４９）、第２のタービン（２４）及び第２の熱交換器（９４）に流体連結した第３の熱交換器（４８）をさらに含む、請求項４記載の複合サイクル発電プラント。
【請求項８】
該複合サイクル発電プラント（２）が前記第１のモードで運転されている時に、前記第１及び第２のタービン（１４、２４）の１つからの圧縮機冷却空気が、前記第３の熱交換器（１４８）を通ってまた第２の熱交換器（９４）を通って前記第１及び第２の燃焼器（１０、２０）に流れ、
該複合サイクル発電プラント（２）が第２のモードで運転されている時に、前記第１及び第２のタービン（１４、２４）の１つからの圧縮機冷却空気が、前記第３の熱交換器（１４８）を通って流れかつ前記圧縮機（４）に戻る、
請求項７記載の複合サイクル発電プラント。
【請求項９】
前記第１のモードで運転している時に、前記制御装置（４６）が、前記第２のタービン（２４）からの排気ガス（４８）を前記第２の熱交換器（９４）を通して導いて、前記第１及び第２の燃焼器（１０、２０）に流れる圧縮機空気を予熱し、
前記第２のモードで運転している時に、前記制御装置（４６）が、前記第２のタービン（２４）からの排気ガス（４８）を前記排熱回収ボイラ（４４）に導く、
請求項７記載の複合サイクル発電プラント。
【請求項１０】
前記第１のモードで運転している時に、該複合サイクル発電プラント（２）が部分負荷出力で運転しており、
前記第２のモードで運転している時に、該複合サイクル発電プラント（２）がベース負荷で運転している、
請求項２記載の複合サイクル発電プラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合サイクル発電プラントの技術分野に関し、より具体的には、再熱ガスタービン及び排気ガス再生器を有する複合サイクル発電プラントに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、ガスタービンエンジンは、熱エネルギーを放出するように燃料／空気混合気を燃焼させて高温ガスストリームを形成し、高温ガス通路を介してこの高温ガスストリームをタービンセクションに送る。より具体的には、圧縮機が、流入空気を高圧に加圧する。高圧空気は、燃焼室に送給されて燃料と混合されかつ可燃混合気を形成する。可燃混合気は次に、点火されて高圧高速ガスストリームを形成し、この高圧高速ガスストリームが、タービンに送給される。タービンは、高温高速ガスストリームからの熱エネルギーを機械エネルギーに変換し、この機械エネルギーにより、タービンシャフトを回転させる。タービンシャフトは、圧縮機並びに発電機のようなタービンに結合された他の機械にも結合され、それらを駆動する。
【０００３】
高圧高速ガスストリームからの熱エネルギーを機械エネルギーに変換した後には、排気ガスが形成されかつタービンから排出される。排気ガスは、外気に放出するか又は燃焼室を予熱しかつタービン効率を増大させるために用いるかのいずれかとすることができる。様々な運転条件において、特にエミッションが一般的に高レベルとなる部分負荷においてタービン効率を最適化することが、大きな関心事である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第２３０３３８１号明細書
【特許文献２】米国特許第３０５４２５７号明細書
【特許文献３】米国特許第３３１５４６７号明細書
【特許文献４】米国特許第３９４９５４８号明細書
【特許文献５】米国特許第４０６４６９０号明細書
【特許文献６】米国特許第４２７２９５２号明細書
【特許文献７】米国特許第４４２１９８９号明細書
【特許文献８】米国特許第４８９６４９９号明細書
【特許文献９】米国特許第５１０５６１７号明細書
【特許文献１０】米国特許第５２１２９４２号明細書
【特許文献１１】米国特許第５６４７１９９号明細書
【特許文献１２】米国特許第５８８１５４９号明細書
【特許文献１３】米国特許第６８１７１８７号明細書
【特許文献１４】国際特許出願第０２１４６６４号明細書
【特許文献１５】国際特許出願第２００７／０４３９２４号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の例示的な実施形態によると、複合サイクル発電プラントを提供し、本複合サイクル発電プラントは、圧縮機と、該圧縮機に動作可能に結合した第１のタービンと、該圧縮機に動作可能に結合した第２のタービンと、第１のタービンに流体連結した第１の燃焼器と、第２のタービンに流体連結した第２の燃焼器とを含む。本複合サイクル発電プラントはまた、第２のタービンに流体連結した排熱回収ボイラと、圧縮機、第１の燃焼器、第２の燃焼器及び排熱回収ボイラに流体連結した熱交換器とを含む。制御装置は、第１のモードで複合サイクル発電プラントを選択的に運転し、第１のモードでは、圧縮機空気は、第１及び第２の燃焼器に送給される前に熱交換器を通って流れ、また第２のタービンからの排気ガスは、熱交換器に流れる。第２のタービンからの排気ガスは、熱交換器を通って第１及び第２の燃焼器に流れる圧縮機空気を予熱する。
【０００６】
本発明の別の例示的な実施形態によると、複合サイクル発電プラントを運転する方法を提供し、複合サイクル発電プラントは、圧縮機と、第１のタービンと、第２のタービンと、第１のタービンに流体連結した第１の燃焼器と、第２のタービンに流体連結した第２の燃焼器と、排熱回収ボイラとを有し、本方法は、圧縮機空気及び第２のタービンからの排気ガスが少なくとも１つの熱交換器を通って流れる第１のモードで複合サイクル発電プラントを運転するステップを含む。排気ガスは、少なくとも１つの熱交換器から第１及び第２の燃焼器の各々に流れる圧縮機空気を予熱する。
【０００７】
本発明の例示的な実施形態のさらなる目的、特徴及び利点は、幾つかの図において同じ参照符号が類似する部品を表している図面と関連させて行った図示した態様の以下の詳細な説明から、より容易に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１の例示的な実施形態により構成した、再熱及び排気ガス再生システムを含む複合サイクル発電プラントの概略図。
【図２】本発明の第２の例示的な実施形態により構成した、再熱及び排気ガス再生システムを含む複合サイクル発電プラントの概略図。
【図３】本発明の第３の例示的な実施形態により構成した、再熱及び排気ガス再生システムを含む複合サイクル発電プラントの概略図。
【図４】本発明の第４の例示的な実施形態により構成した、再熱及び排気ガス再生システムを含む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】
【０００９】
先ず図１を参照すると、本発明の例示的な実施形態により構成した複合サイクル発電プラントをその全体を参照符号２で示している。発電プラント２は、圧縮機４を含み、圧縮機４は、外気すなわち大気６を加圧して高圧空気ストリーム８を形成する。高圧空気ストリーム８は、第１のすなわち主燃焼器１０に流れて燃料１２と混合された後に点火されて高圧高温燃焼生成物を形成し、この高圧高温燃焼生成物が、第１のすなわち高圧タービン１４に送給される。第１のタービン１４は、圧縮機４を駆動する。その目的のために、第１のタービン１４は、シャフト１５によって圧縮機４に結合される。主燃焼器１０に供給することに加えて、圧縮機４は、高圧空気ストリーム８を第２のすなわち再熱燃焼器２０に送給する。高圧空気ストリーム８は、燃料２２と混合された後に点火されて高圧高温燃焼生成物を形成し、この高圧高温燃焼生成物が、第２のすなわち低圧タービン２４に送給される。いずれにしても、第２のタービン２４は、シャフト２６によって第１のタービン１４にかつシャフト２８によって発電機２７に結合される。発電機２７からの電気需要は、グリッド負荷メータ２９によって監視される。以下でより十分に説明するように、発電プラント２は、高圧空気ストリーム８が主燃焼器１０と再熱燃焼器２０とに直接送給される第１のモードで運転され、また電気需要がベース負荷レベル以下に低下した時には、高圧空気ストリーム８が主燃焼器１０と再熱燃焼器２０とに流入するのに先立って加熱されるように先ず熱交換器３０を通って流れる第２のすなわち部分負荷モードで運転される。一般的に、第２のモードでの運転は、発電プラント２からの出力がベース負荷運転の８０％以下に低下した時に行われる。
【００１０】
図１に示す例示的な実施形態によると、発電プラント２は、圧縮機４、主燃焼器１０及び熱交換器３０間に流体連結した第１の弁３４を含む。発電プラント２はまた、圧縮機４、再熱燃焼器２０及び熱交換器３０間に流体結合された第２の弁３６を含む。発電プラント２はさらに、低圧タービン２４、熱交換器３０及び排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）４４間に流体連結した第３の弁４０を含む。この図示した例示的な実施形態では、各弁３４、３６及び４０は、制御装置４６に作動接続される。この構成の場合では、部分負荷運転が必要な時、例えばピーク時間外の間のように電気需要が低下しかつベース負荷作動がもはや必要でない時に、制御装置４６は、高圧空気ストリーム８を熱交換器３０に送給するように第１及び第２の弁を作動させる。同時に、制御装置４６は、第３の弁４０を作動させて、低圧タービン２４から流出した排気ガス４８がＨＲＳＧ４４から熱交換器３０に分流するようにする。このようにして、排気ガス４８は、熱交換器３０を通って流れる高圧空気ストリーム８を予熱して、第１及び第２の加熱高圧空気ストリーム５３及び５４を形成し、これら第１及び第２の加熱高圧空気ストリーム５３及び５４はそれぞれ、主燃焼器１０及び再熱燃焼器２０に送給される。このようにして高圧空気ストリーム８を加熱することによって、部分負荷運転時により低エミッションを生じるより効率的な燃焼が燃焼器１０及び２０内において達成される。この図示した例示的な実施形態の１つの態様によると、例えばグリッド負荷メータ２９で検出する電力需要における低下を感知すると、制御装置４６は、例えば第１のモードで運転しているベース負荷運転から例えば第２のモードで運転している部分負荷運転に発電プラント２を自動的に切り替える。
【００１１】
この点で、制御装置４６は、あらゆる適当な高出力半導体スイッチング装置を含むことを理解されたい。図示するように、制御装置４６は、コンピュータとして表している。しかしながら、これは単に、本発明の技術的範囲内にある適当な高出力制御装置の例示に過ぎない。本発明を限定するのではないが、例えば、制御装置４６には、シリコン制御整流器（ＳＣＲ）、サイリスタ、ＭＯＳ制御サイリスタ（ＭＣＴ）及び絶縁ゲートバイポーラトランジスタの少なくとも１つが含まれる。この図示した実施形態では、制御装置は、全体用のメイン又は中央プロセッサセクションと、システムレベル制御装置と、中央プロセッサセクションの制御下で様々な異なる特定の結合、機能及び他の処理を実行する専用の個別セクションとを有するＡＳＩＣのような単一の専用集積回路として実施される。制御装置４６はまた、ＰＬＤ、ＰＡＬ、ＰＬＡ又は同様のものなどの個別素子回路又はプログラマブル論理装置を含む配線電子又は論理回路のような様々な個別専用又はプログラマブル集積又は他の電子回路又は装置を用いて実施することができることが、当業者には分かるであろう。制御装置４６はまた、マイクロプロセッサ又はマイクロコントローラのような適当にプログラム汎用コンピュータ、或いはＣＰＵ又はＭＰＵのような他のプロセッサ装置を単独で或いは１つ又はそれ以上の周辺データ及び信号処理装置と組合せて用いて実施することができる。
【００１２】
次に、幾つかの図において同じ参照符号が類似する部品を表している図面の図２を参照して、本発明の第２の例示的な実施形態により構成した複合サイクル発電プラント６５を説明する。図２に示すように、第３の弁４０は除去され、熱交換器３０の下流に設置された第３の弁６７で置き換えられる。第３の弁６７は、熱交換器３０、ＨＲＳＧ４４、外気並びに燃焼器１０及び２０間に流体連結しる。この構成の場合では、第１のモードで運転している時に、排気ガス４８の一部分は、燃焼を支持するために主燃焼器１０及び再熱燃焼器２０に送給される。燃焼器１０及び２０で空気を直接ウォーミングすることによって、窒素酸化物が希釈によって低減され、それにより発電プラント２からのエミッションがさらに低減される。第２のモードで運転している時には、高圧空気ストリーム８は、上記と同様に燃焼器１０及び２０に流入するのに先立って、熱交換器３０を通って流れて排気ガス４８によって加熱される。
【００１３】
次に、幾つかの図において同じ参照符号が類似する部品を表している図面の図３を参照して、本発明の第３の例示的な実施形態により構成した複合サイクル発電プラント８４を説明する。上記と同様に、発電プラント８４は、第１のすなわちベース負荷モード及び第２のすなわち部分負荷モードで作動するように構成される。しかしながら、上記の構成とは対照的に、発電プラント８４は、複数の熱交換器を含む。より具体的には、発電プラント８４は、第１のモードで運転している時に高圧空気ストリーム８を受ける第１の熱交換器すなわち燃焼空気冷却器９０と、第２のモードで運転している時に高圧空気ストリーム８を受ける第２の熱交換器すなわち排気ガス再生器９４とを含む。この目的のために、発電プラント８４は、圧縮機４、主燃焼器１０、第１の熱交換器９０及び第２の熱交換器９４間に流体連結した第１の弁１００を含む。同様に、第２の弁１０４は、圧縮機４、再熱燃焼器２０、第１の熱交換器９０及び第２の熱交換器９４間に流体連結しる。第３の弁１０６は、第２のタービン２４、ＨＲＳＧ４４及び第２の熱交換器９４に流体連結している。
【００１４】
第１のモードで運転している時に、高圧空気ストリーム８は、第１及び第２の弁１００及び１０４を通って第１の熱交換器９０内に流れる。高圧空気ストリーム８は、熱交換器９０内で冷却されかつ主燃焼器１０及び再熱燃焼器２０に流れる。同時に、排気ガス４８は、第３の弁１０６を通ってＨＲＳＧ４４に直接流れる。第２のすなわち部分負荷モードで運転している時には、高圧空気ストリーム８は、第１及び第２の弁１００及び１０４を通って第２の熱交換器９４に流れる。同様に、第２のタービン２４からの排気ガス４８は、第３の弁１０６を通って第２の熱交換器９４内に流れる。排気ガス４８は、第２の熱交換器９４内で高圧空気ストリーム８を加熱して、加熱高圧空気ストリーム１２０及び１２３を形成し、これら加熱高圧空気ストリーム１２０及び１２３はそれぞれ、主燃焼器１０及び再熱燃焼器２０に流れる。第１のモードで運転している時に燃焼器１０及び２０に流入するのに先立って圧縮機空気を冷却することによってまた第２のモードでは燃焼器１０及び２０に導入されるのに先立って圧縮機空気を加熱することによって、発電プラント８４は、ベース負荷条件においてより効率的に運転されると同時に、部分負荷で運転している時にエミッションも遵守義務レベル以下に維持する。
【００１５】
次に、幾つかの図において同じ参照符号が類似する部品を表している図面の図４を参照して、本発明の第４の例示的な実施形態により構成した複合サイクル発電プラント１４４を説明する。図示するように、発電プラント１４４は、第４の弁１５０に結合された付加的すなわち第３の熱交換器１４８を含む。弁１５０は、第２のタービン２４からのタービン構成要素冷却空気を、発電プラント２が第１のモードで運転している時に圧縮機４にまた発電プラント２が第２のモードで運転している時に熱交換器９４に選択的に送給する。より具体的には、第１のモードで運転している時には、第２のタービン２４からの排気ガス１５４は、弁１０６を通ってＨＲＳＧ４４に流れる一方、タービン構成要素冷却空気１５５は、第３の熱交換器１４８内に流れて冷却されかつ弁１５０を通って流出して圧縮機４に戻る。第２のモードで運転している時には、排気ガス１５４は、第２の熱交換器９４に流れて、燃焼器１０及び２０に送給される高圧空気ストリーム８を加熱するのに用いるようにする。高圧空気ストリーム８を加熱するのをさらに可能にするために、タービン構成要素冷却空気１５５はまた、第２の熱交換器９４内に流れる。このようにして、第１のモードで運転している時に、タービン構成要素冷却空気１５５は、燃焼における再使用のために分流させて圧縮機４に戻して、付加的な効率が得られるようにする。しかしながら、第２のモードで運転している時には、第２のタービン２４からの排気ガス及びタービン構成要素冷却空気は、高圧圧縮機空気ストリームを予熱してエミッションを低減するために用いられる。
【００１６】
この点で、発電プラント２が全負荷以下すなわちベース負荷で運転されている時には、窒素酸化物のような燃焼副産物を焼尽させるのに十分なほどの熱が発生しないことを理解されたい。本発明のこれらの例示的な実施形態は、圧縮機空気ストリームを予熱して、発電プラントがベース負荷以下で運転している時に大幅なエミッションの低減をもたらす燃焼効率を達成するようにするための様々なシステムを提供する。各図に示した構成要素に加えて、複合サイクル発電プラントは、図面を明確にするために図示していないが、エコノマイザ、再熱器、過熱器及び同様のもののようなシステムを含むことができることも理解されたい。
【００１７】
一般的に、本明細書は、最良の形態を含む実施例を使用して本発明を開示し、またさらにあらゆる装置又はシステムを製作すること及び使用すること並びにあらゆる組入れた方法を実行することを含む当業者による本発明の実施を可能にする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲によって定まり、かつ当業者が想起するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有するか又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する均等な構造的要素を含む場合には、本発明の技術的範囲内に属することになることを意図している。
【符号の説明】
【００１８】
２  複合サイクル発電プラント
４  圧縮機
６  外気
８  高圧空気ストリーム
１０  主燃焼器
１２  燃料
１４  第１の／高圧タービン
１５  シャフト
２０  再熱燃焼器
２２  燃料
２４  第２の／低圧タービン
２６  シャフト
２７  発電機
２８  シャフト
２９  グリッド負荷メータ
３０  熱交換器
３４  第１の弁
３６  第２の弁
４０  第３の弁
４４  排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）
４６  制御装置
４８  排気ガス（第２の／低圧タービンからの）
５３  加熱高圧空気ストリーム
５４  加熱高圧空気ストリーム
６５  発電プラント
６７  第３の弁
８４  発電プラント
９０  熱交換器（第１の）
９４  熱交換器（第２の）
１００  第１の弁
１０４  第２の弁
１０６  第３の弁
１２０  加熱高圧空気ストリーム
１２３  加熱高圧空気ストリーム
１４４  発電プラント
１４８  第３の熱交換器
１５０  第４の弁
１５４  排気ガス
１５５  タービン構成要素冷却空気
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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