JP2010038162A - 複合サイクル発電プラントにおいて燃料を予熱するためのシステム及びアセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】複合サイクル発電プラントにおいて燃料を予熱するシステム及びアセンブリに関する。
【解決手段】燃料供給システムが提供されるが、本燃料供給システムは、多段熱交換器配列から漸次高品位熱を用いて水流を加熱するように構成された水ヒータアセンブリ（３４）、燃料流を受け入れるように構成された燃料入口流路、及び燃料入口流路と流体連通して連結された第１流路（２１４）と水ヒータアセンブリ（３４）と流体連通して連結された第２流路（２３２）とを有する燃料ヒータ（３８）であって、水流から燃料流へ熱を伝達するように構成された燃料ヒータ（３８）を備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は一般に発電システムに関し、特に複合サイクル発電プラントにおいて燃料を予熱するためのシステム及びアセンブリに関する。

少なくとも一部の公知の発電システムは、ガスタービンエンジンの排気中の連続段の各々から徐々に低品位の蒸気を発生するように構成された多段排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）を備えている。ＨＲＳＧへのガス入口での比較的高品位の熱は、ＨＲＳＧの高圧段又はセクションで比較的高圧の蒸気を発生させることができる。高圧段のガスから熱を除去した後、ガスは中圧段に送られるが、そこでは比較的低温のガスで比較的低圧又は中圧の蒸気を発生させることしかできない。

米国特許第７１０７７７４号明細書 米国特許第６７８２７０３号明細書 米国特許第６３８９７９４号明細書 米国特許第６１６７７０６号明細書 米国特許第６１４５２９５号明細書 米国特許第６１３４８７３号明細書 米国特許第５２６７４３４号明細書

ガスタービンエンジンの燃焼効率を高めるため、燃料は通例予熱される。燃料の予熱では、各ＨＲＳＧセクションからの１以上の水流を用いて多段燃料ヒータ内の燃料を加熱する。しかし、多段燃料ヒータを用いて燃料に加わる熱量は限られている。

本発明の一実施形態では、複合サイクル発電プラントで燃料を予熱するためのシステムは、多段熱交換器から漸次高品位の熱を用いて水流を加熱するように構成された水ヒータアセンブリを備える。燃料供給システムは、燃料流路と流体連通して連結された第１流路と、水流用の流路と流体連通して連結された第２流路とを有する燃料ヒータも備える。燃料ヒータは、水流から燃料流へと熱を伝達するように構成される。

別の実施形態では、多段熱交換器から漸次高品位の熱を用いて水流を加熱するように構成される水ヒータアセンブリは、多段熱交換器内に配置された相対的に低圧の熱交換器からの復水流を受け入れるように構成された入口を備える。水ヒータアセンブリは、複数の水源ヒータであって、各々、多段熱交換器内に配置される熱交換器と流体連通して連結された水流路を含む複数の水源ヒータも備える。水ヒータアセンブリは、出口まで水ヒータアセンブリを通る水流の圧力を増圧するように構成されたポンプをさらに含む。

さらに別の実施形態では、多段熱交換器から漸次高品位熱を用いて加熱した水を利用して燃料流を加熱するように構成される燃料ヒータアセンブリは、水ヒータアセンブリを含んでおり、該水ヒータアセンブリは、多段熱交換器内に配置された相対的に低圧の熱交換器からの水流を受け入れるように構成された入口と、複数の水源ヒータであって各々多段熱交換器内に配置された熱交換器と流体連通して連結された水流路を含む複数の水源ヒータと、水ヒータアセンブリから加熱復水流を導くように構成された出口とを備える。燃料ヒータアセンブリは、燃料流路と流体連通して連結された第１流路と、出口と流体連通して連結された第２流路とを有する燃料ヒータも含んでいる。燃料ヒータは、水流から燃料流へ熱を伝達するように構成される。

例示的な複合サイクル発電システムの概略図。 本発明の例示的な実施形態に係る図１に示す水ヒータアセンブリの概略図。 本発明の別の例示的な実施形態に係る図１に示す水ヒータアセンブリの概略図。

添付図面に、本願で開示するシステム及びアセンブリの例示的な実施形態を示す。

以下の詳細な説明では、本発明の実施形態を限定ではなく例示を目的として示す。本発明は、産業用、商用及び住宅用燃焼器への燃料流の予熱に漸次高品位の熱を用いることによる燃焼及び発電システムの効率改善に汎用性を有する。本明細書で用いる高品位熱（high grade heat）とは比較的高温の熱を意味し、低品位熱（low grade heat）とは比較的低温の熱を意味し、中品位熱（intermediate grade heat）とは低品位熱と高品位熱との間の温度の熱を意味する。

本明細書では、単数形で記載された要素又はステップは、除外する旨明示されていない限り、複数の要素又はステップを除外するものではない。さらに、本発明の「一実施形態」という表現は、記載された特徴が組み込まれた実施形態が他に存在しないことを意味するものではない。

図１は、例示的な複合サイクル発電システム５の概略図である。発電システムはガスタービンエンジンアセンブリ７を備えていて、該アセンブリ７は、圧縮機１０と、燃焼器１２と、燃焼器１２で発生した高温ガスを膨張させることによって作動して発電機１４を駆動するタービン１３とを含んでいる。ガスタービン１３からの排気ガスは導管１５を通して排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）１６に供給され、排気ガスから排熱を回収する。ＨＲＳＧ１６は、高圧（ＨＰ）セクション２４と中圧（ＩＰ）セクション２６と低圧（ＬＰ）セクション３０とを含む。ＨＲＳＧ１６は、排気ガスから漸次低品位の熱を、各々、漸次圧の低いセクションを循環する水へと伝達するように構成されている。ＨＰ、ＩＰ及びＬＰセクション２４、２６及び３０は、各々、エコノマイザ、蒸発器、過熱器及び／又は給水器を含んでいてもよいし、或いは各セクションに付随する他の予熱器、例えば特に限定されないが、高圧セクション予熱器などを含んでいてもよく、予熱器を複数の熱交換器に分割し、次いで１以上のセクション（ＨＰ、ＩＰ、ＬＰ）に配置してもよい。セクションエコノマイザは通常、例えば蒸発器で水を蒸気へと変換する前に水を予熱するためのものである。

水はライン２１を通してＨＲＳＧ１６へと供給され、蒸気を発生する。ＨＲＳＧに供給された排気ガスから回収される熱はＨＲＳＧ１６内の水／蒸気へと伝達されて蒸気を発生し、その蒸気をライン１７を通して蒸気タービン１８に供給して発電機１９を駆動する。ライン１７は、様々な圧力レベルで生成した蒸気のための、ＨＲＳＧ１６と蒸気タービン１８の間の複数の蒸気ラインを表す。ＨＲＳＧ１６からの冷却ガスは、出口ダクト３１及び排気筒（図示せず）を介して大気中に放出される。

例示的な実施形態では、複合発電プラント５は、さらに、ＨＲＳＧ１６とは別個の独立型装置として配置される水ヒータアセンブリ３４を含む。別の実施形態では、水ヒータアセンブリ３４はＨＲＳＧ１６内に配置される。ＨＲＳＧの１以上のセクションから水及び／又は蒸気を抽出して、水ヒータアセンブリ３４に送られる。燃料加熱用の水３６の流れは水ヒータアセンブリ３４から燃料ヒータ３８へと導かれる。燃料流４０は燃料ヒータ３８へと送られ、そこで燃料流４０は、燃料加熱用水３６の流れから伝達された熱を受け取る。加熱された燃料は燃焼器１２へと送られる。冷却された燃料加熱用水３６の流れは、復水器２０へと送られる。

図２は、本発明の例示的な実施形態に係る水ヒータアセンブリ３４（図１に示す）の概略図である。例示的な実施形態では、水ヒータアセンブリ３４は、ＬＰセクション３０内のエコノマイザ２２２からの第２流路２３２と熱交換するＩＰセクション２６内のエコノマイザ２０６からの第１流路２０４を有する第１水源ヒータ２０２を含む。一実施形態では、ＩＰセクション２６内のエコノマイザ２０６からの水流の一部は、ＨＲＳＧ１６内の上流の第２熱交換器２１０（エコノマイザ、蒸発器又は過熱器）へと導かれる。水ヒータアセンブリ３４は、ＨＰセクション２４内のエコノマイザ２１６からの第１流路２１４と水源ヒータ２０２からの第２流路２３４との熱交換を行う第２水源ヒータ２１２をさらに含む。一実施形態では、ＨＰセクション２４内のエコノマイザ２１６からの水流の一部は、ＨＲＳＧ１６内の上流の第２熱交換器２２０（エコノマイザ、蒸発器又は過熱器）へと導かれる。低圧エコノマイザ２２２は、復水ポンプ２２４からの復水流を受け入れて、加熱された復水流をブースタポンプ２２８の吸込部２２６及びＩＰセクション２６内のエコノマイザ２０６の水側の入口２３０に送る。ブースタポンプ２２８は加熱された復水を、第１水源ヒータ２０２の第２流路２３２、第２水源ヒータ２１２の第２流路２３４を通して、燃料ヒータ３８の第１流路２３６へと送り、加熱された復水の熱が燃料ヒータ３８内の第２流路２３８を流れる燃料流４０へと伝達される。

作動中、復水は、低圧エコノマイザ２２２、第１水源ヒータ２０２及び第２水源ヒータ２１２によって加熱される。加熱された復水は燃料ヒータ３８に送られ、加熱された復水から第２流路２３８を流れる燃料流へと熱が伝達される。燃料に伝達される熱量及び燃料温度は、一実施形態ではバイパス弁２４０、２４２及び２４４を用いて制御される。例示的な実施形態では、燃料ヒータ３８は単段燃料ヒータであり、燃料を設定温度に予熱することによってシステム５の効率を向上させるために用いられる。ガスタービン燃焼器１２への燃料入口温度を上昇させることによって、必要な燃焼温度を得るために燃焼プロセスで必要とされる燃料の量が低減し、もってシステム５の全体的効率が向上する。

図３は、本発明の別の例示的な実施形態に係る水ヒータアセンブリ３４（図１に示す）の概略図である。例示的な実施形態では、ＨＲＳＧ１６は、第２熱交換器２１０が第１熱交換器２０６と同じ流れ位置（evenstream）になるように構成される。本明細書では、「同じ流れ位置」とは、流体の流れを導くように構成された導管の同じ流路内での相対位置をいい、構成要素同士が互いに実質的に下流でも上流でもなく、流れの方向に関して流路内で互いに隣接していることをいう。ＨＲＳＧ１６内で第１熱交換器２０６を第２熱交換器２１０と同じ流れ位置に配置することによって、第１熱交換器２０６を、第１熱交換器２０６が第２熱交換器２１０の下流にある場合（図２に示す）よりも高品位熱に暴露させることができる。第１熱交換器２０６を高品位熱に暴露すると、第１熱交換器２０６から水ヒータアセンブリ３４に与えられる熱を増すことができる。

上述の燃料流を加熱するためのシステム及びアセンブリの実施形態は、多段熱交換器配列からの漸次高品位の熱を用いて加熱した水を利用した燃料加熱によって発電システムの効率を向上させる経済的で信頼性の高い手段を提供する。具体的には、本明細書に記載したシステム及びアセンブリで流入燃料を所定の温度まで予熱することによって発電プラントの効率の改善が促される。さらに、上述のシステム及びアセンブリは、ガスタービン燃焼器への燃料入口温度を高めて、必要な燃焼温度を得るため燃焼プロセスで必要とされる燃料の量を低減し、発電サイクルの全体的効率を向上させる。その結果、本明細書に記載のシステム及びアセンブリは、経済性と高い信頼性をもって発電システムの効率の向上に役立つ。

以上、多段熱交換器配列からの漸次高品位の熱を用いて加熱した水を利用して燃料流を加熱するための例示的なシステム及びアセンブリについて説明してきた。ただし、かかるシステムは本明細書に記載の特定の実施形態に限定されるものではなく、各々の構成要素は本明細書に記載した他の構成要素から独立して別個に利用することができる。各システム構成要素は、他のシステム構成要素と組み合わせて使用することもできる。

以上、様々な実施形態に関して本発明を説明してきたが、特許請求の範囲の要旨及び技術的範囲内で本願の開示内容に様々な変更を加えて実施できることは明らかであろう。

５ サイクル発電システム
７ ガスタービンエンジンアセンブリ
１０ 圧縮機
１２ 燃焼器
１３ ガスタービン
１４ 発電機
１５ 導管
１６ 排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）
１７ ライン
１８ 蒸気タービン
１９ 発電機
２０ 復水器
２１ ライン
２４ 高圧（ＨＰ）セクション
２６ 中圧（ＩＰ）セクション
３０ 低圧（ＬＰ）セクション
３１ 出口ダクト
３４ 水ヒータアセンブリ
３６ 燃料加熱水
３８ 燃料ヒータ
４０ 燃料
２０２ 第１水源ヒータ
２０４ 第１流路
２０６ 第１熱交換器
２１０ 第２熱交換器
２１２ 第２水源ヒータ
２１４ 第１流路
２１６ エコノマイザ
２２０ 第２熱交換器
２２２ 低圧エコノマイザ
２２４ 復水ポンプ
２２６ 吸込部
２２８ ブースタポンプ
２３０ 入口
２３２ 第２流路
２３４ 第２流路
２３６ 第１流路
２３８ 第２流路
２４０ バイパス弁
２４２ バイパス弁
２４４ バイパス弁

Claims (10)

1. 多段熱交換器配列から漸次高品位の熱を用いて水流を加熱するように構成された水ヒータアセンブリ（３４）、
   燃料流を受け入れるように構成された燃料入口流路、及び
   前記燃料入口流路と流体連通して連結された第１流路（２１４）と前記水ヒータアセンブリ（３４）と流体連通して連結された第２流路（２３２）とを有する燃料ヒータ（３８）であって、水流から燃料流へと熱を伝達するように構成された燃料ヒータ（３８）
   を備える燃料供給システム。
2. 前記水ヒータアセンブリ（３４）が、前記多段熱交換器配列内に配置された相対的に低圧の熱交換器からの復水流を受け入れるように構成されている、請求項１記載のシステム。
3. 前記水ヒータアセンブリ（３４）が、前記多段熱交換器配列内に配置された相対的に中圧の熱交換器と流体連通して連結された流路（２１４）を有する第１水源ヒータ（２０２）を備える、請求項１記載のシステム。
4. 燃料流の温度が、第１水源ヒータ（２０２）を迂回するバイパス流を用いて制御される、請求項３記載のシステム。
5. 前記水ヒータアセンブリ（３４）が、前記多段熱交換器配列内に配置された相対的に高圧の熱交換器と流体連通して連結された流路（２１４）を有する第２水源ヒータ（２１２）を備える、請求項１記載のシステム。
6. 燃料流の温度が、第２水源ヒータ（２１２）を迂回するバイパス流を用いて制御される、請求項５記載のシステム。
7. 前記多段熱交換器配列が、該多段熱交換器配列内のガス流路方向において中圧蒸発器及び中圧過熱器の少なくとも一方の下流に配置された中圧熱交換器を含む中圧セクションを備える、請求項１記載のシステム。
8. 前記多段熱交換器配列が、中圧蒸発器及び中圧過熱器の少なくとも一方と直列に流体連通した中圧熱交換器を含む中圧セクションを備える、請求項１記載のシステム。
9. 前記多段熱交換器配列が、該多段熱交換器内のガス流路方向において高圧蒸発器及び高圧過熱器の少なくとも一方の下流に配置された高圧熱交換器を含む高圧セクションを備える、請求項１記載のシステム。
10. 前記多段熱交換器が、高圧過熱器と直列に流体連通した高圧熱交換器を含む高圧セクションを備える、請求項１記載のシステム。

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