JP2011133218A - ソーラーヒーティングシステムを使用して給水を加熱するためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の実施形態は、少なくとも１つのソーラーヒーティングシステム（１７５）を使用して、ボイラ（１３５）によって消費される給水（１６５）を加熱することができるシステム及び方法の形態を取ることができる。
【解決手段】本発明の実施形態は、集光型ソーラーパワー（ＣＳＰ）を組入れることができる。一般的に、ＣＳＰシステムは、複数のレンズ、ミラー又はそれらの組合せ及び追跡システムを組入れて、広範囲の太陽光を集束させて小さな集光光線を形成する。集光光線は次に、熱源として使用することができる。本発明の実施形態では、熱源は、ボイラ（１３５）によって消費される給水（１６５）を部分的に又は完全に加熱するように使用することができる。ＣＳＰシステムは、ソーラートラフシステム（２００）、パラボラディッシュシステム（２０５）、ソーラーパワータワーシステム（３００）又は同様のものの形態を取ることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、蒸気タービンの運転時にボイラによって消費される給水に関し、より具体的には、ソーラーヒーティングシステムを組入れて給水を加熱するシステム及び方法に関する。

蒸気タービンを組入れた発電プラントには一般的に、復水器及びボイラが統合される。復水器は、蒸気タービンによって吐出された低エネルギー蒸気又は蒸気−水混合物を受ける。低エネルギー蒸気を受けた後に、復水器は、蒸気から熱を抽出し、それにより、凝縮させて給水を形成する。ボイラは、給水を受けかつ蒸気に転換するまで加熱し、その蒸気を蒸気タービンに送り、この閉ループ処理が反復される。それに限定されないが熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）のような幾つかのボイラは、ガスタービンの排気からのエネルギーで給水を加熱する。他のボイラは、蒸気タービンから抽出した蒸気を介して給水を加熱する。給水の加熱に対するこれら取組みの両方とも、発電プラントの出力を低下させる。

ソーラーパワー（太陽エネルギー）は、その用途及び使用が増加してきている再生可能エネルギー源である。ソーラーパワーの使用は、ターボ機械が十分な量の太陽光に曝される地域において有利なものとすることができる。ソーラーパワーを使用する利点の幾つかには、それに限定されないがターボ機械の出力及び効率の増大並びにターボ機械エミッションの低減が含まれる。ソーラーパワーシステムの効率は、使用するソーラー技術のタイプにより変化する。その変化により、ターボ機械サイトへのソーラー技術の付加が極めて高価なものとなるおそれがある。給水を加熱するようにソーラーシステムを構成することができる場合には、給水加熱に通例使用する蒸気は、発電に利用可能なものとなる。

前述の理由で、ボイラによって消費される給水を加熱することに関連する寄生負荷を減少させるシステムに対する必要性が存在する。そのシステムは、給水の温度を上昇させる比較的効率的なソーラー技術を組入れるものでなくてはならない。

本発明の実施形態によると、給水の温度を上昇させるためのシステムを提供し、本システムは、蒸気を機械エネルギーに変換するように構成された蒸気タービンと、蒸気タービンと統合されかつ該蒸気タービンから吐出された蒸気を給水に転換させるように構成された復水器と、復水器から吐出された給水を受けかつ該給水を加熱するように構成されたソーラーヒーティングシステムとを含み、ソーラーヒーティングシステムは、給水を第１の温度から第２の温度に加熱する。

本発明の別の実施形態によると、給水の温度を上昇させるように構成された発電プラントを提供し、本発電プラントは、蒸気を機械エネルギーに変換するように構成された蒸気タービンと、蒸気タービンと統合されかつ該蒸気タービンから吐出された蒸気を給水に転換させるように構成された復水器と、復水器から吐出された給水を受けかつ該給水を第１の温度から第２の温度に加熱するように構成されたソーラーヒーティングシステムと、ソーラーヒーティングシステムによって吐出された第２の温度の給水を受け、該給水を蒸気に転換しかつ該蒸気を蒸気タービンに吐出するように構成されたボイラとを含み、ソーラーヒーティングシステムは、給水の蒸気への転換を可能にする温度に該給水を加熱する際にボイラによって実行される仕事の量を減少させかつ発電プラントの全体効率を増大させる。

本発明のさらに別の実施形態によると、給水の温度を上昇させる方法を提供し、本方法は、蒸気を機械エネルギーに変換するように構成された蒸気タービンを準備するステップと、蒸気タービンと統合されかつ該蒸気タービンから吐出された蒸気を給水に凝縮させるように構成された復水器を準備するステップと、復水器から吐出された給水を受けかつ該給水を加熱するように構成されたソーラーヒーティングシステムを準備するステップと、ソーラーヒーティングシステムを作動させて給水を第１の温度から第２の温度に加熱するステップとを含む。

本発明の実施形態を作動させることができる環境を示す概略図。 本発明の実施形態によるソーラーヒーティングシステムの実施例を示す概略図。 本発明の別の実施形態によるソーラーヒーティングシステムの実施例を示す概略図。

好ましい実施形態の以下の詳細な説明では、本発明の特定の実施形態を示す添付図面を参照する。異なる構造及び作動を有するその他の実施形態も、本発明の技術的範囲から逸脱するものではない。

本明細書では、詳細な例示的実施形態を開示している。しかしながら、本明細書に開示した特定の構造的かつ機能的詳細は、単に例示的実施形態を説明する目的で示したに過ぎない。しかしながら、例示的実施形態は、多くの別の形態として具現化することができ、本明細書に記載した実施形態のみに限定されると解釈してはならない。

従って、例示的実施形態は様々な変形及び別の形態が可能であるが、その実施形態を実施例として図面に示しかつ本明細書で詳細に説明することにする。しかしながら、開示した特定の形態に例示的実施形態を限定する意図はなく、逆に例示的実施形態は、該例示的実施形態の技術的範囲内にある全ての変形形態、均等形態及び代替形態に及ぶことになると理解されたい。

本明細書では、第１の、第２のなどの用語は、様々な要素を説明するのに用いることができるが、それらの要素は、これら用語によって限定されるべきではないことを理解されたい。これら用語は、１つの要素を別の要素と区別するためにのみ用いている。例えば、例示的実施形態の技術的範囲から逸脱せずに、第１の要素を第２の要素と呼ぶことができ、また同様に第２の要素を第１の要素と呼ぶことができる。本明細書で用いる場合に、「及び／又は」という用語は、関連する記載項目の１つ又はそれ以上のいずれか及び全ての組合せを含む。

本明細書で用いる用語は、特定の実施形態を説明するためのみのものであり、例示的実施形態の限定を意図するものではない。本明細書で用いる場合に、数詞を付していない表現は、文脈がそうでないことを明確に示していない限り、複数の形態もまた含むことを意図している。さらに、本明細書で用いる場合の「含む」、「含んでいる」、「備える」及び／又は「備えている」という用語は、記述した特徴、回数、ステップ、操作、要素及び／又は構成部品の存在を特定するが、１つ又はそれ以上のその他の特徴、回数、ステップ、操作、要素、構成部品及び／或いはそれらの群の存在又は付加を排除するものではないことを理解されたい。

また、幾つかの別の実施形態では、記載した機能／動作は、図に示した順序以外で実行することができることにも注目されたい。例えば、２つの連続する図は、含まれる機能／作動に応じて、ほぼ同時に実施することができるか、又は逆の順序で実施することができる。

本明細書では、特定の用語は、読み手の便宜のためだけに用いており、本発明の技術的範囲の限定と見なすべきでない。例えば、「上部」、「下部」、「左側」、「右側」、「前部」、「後部」、「頂部」、「底部」、「水平方向」、「垂直方向」、「上流」、「下流」、「前方」、「後方」及び同様のもののような用語は、図に示す構成を記述しているに過ぎない。当然ながら、本発明の実施形態の１つ又は複数の要素は、あらゆる方向に配向することができ、従って、用語は、そうではないことを明記していない限り、そのような変形形態を包含すると理解されたい。

本発明は、それに限定されないが複合サイクル発電プラント、コージェネレーション発電プラント、個別蒸気タービンプラント又は同様のもののような蒸気タービンを有する多様な発電プラントに適用することができる。本発明の実施形態は、単一蒸気タービン又は複数の蒸気タービンのいずれかに適用することができる。

本発明の実施形態は、少なくとも１つのソーラーヒーティングシステムを使用してそれに限定されないがＨＲＳＧのようなボイラによって消費される給水を加熱することができるシステム及び方法の形態を取る。本発明の要素は、ソーラーヒーティングシステムが機能しかつ作動することができる作動環境に耐えることができるあらゆる材料で製作することができる。

本発明の実施形態は、集光型ソーラーパワー（ＣＳＰ）システムを組入れることができる。一般的に、ＣＳＰシステムは、複数のレンズ、ミラー又はそれらの組合せ及び追跡システムを組入れて、広範囲の太陽光を集束させて小さな集光光線を形成する。集光光線は次に、熱源として使用することができる。本発明の実施形態では、熱源は、ＨＲＳＧによって消費される給水を部分的に又は完全に加熱するように使用することができる。ＣＳＰシステムは、ソーラートラフシステム、パラボラディッシュシステム、ソーラーパワータワーシステム又は同様のものの形態を取ることができる。

次に、幾つかの図全体を通して様々な符号が同様の要素を表している図を参照すると、図１は、その中で本発明の実施形態が作動することができる環境を示す概略図である。図１は、複合サイクル構成になったガスタービン１００と少なくとも１つのソーラーヒーティングシステム１７５とを含む複合サイクル発電プラントを示している。ガスタービン１００は一般的に、圧縮機１０５、燃焼システム１１０及びタービンセクション１１５を含む。タービンセクション１１５の下流に、排気筒１４０を配置することができる。

一般的に、圧縮機１０５は、図１の矢印によって表した吸入空気を受けかつ加圧する。加圧空気は、下流方向に燃焼システム１１０に流れることができ、燃焼システム１１０において、加圧空気は、それに限定されないが天然ガスのような燃料（図示せず）と混合されかつ次に燃焼される。燃焼プロセスの間に放出されたエネルギーは、下流方向に流れかつタービンセクション１１５を駆動する。ガスタービン１００に対して、それに限定されないが発電機１２５のような負荷を結合することができ、タービンセクション１１５内で発生させた機械トルクにより、発電機１２５を駆動することができる。

ガスタービン１００の作動時に発生した排気１２０は、下流方向に熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）１３５に向けて流れることができる。ＨＲＳＧ１３５は、熱交換プロセスを組入れて給水１６５を蒸気１４５に転換することができる。ここで、本発明の実施形態は、ソーラーヒーティングシステム１７５を使用して給水１６５を加熱する（部分的に又は完全に）。蒸気１４５は、下流方向に蒸気タービン１５０に流れることができ、蒸気タービン１５０は、それに限定されないが発電機１５５のような負荷に結合することができる。蒸気タービン１５０の作動時に、蒸気１４５は、復水器１６０内で凝縮して、給水１６５を形成することができる。ここで、幾つかの発電プラント構成では、蒸気タービン１５０からの抽気により、給水を部分的に加熱することができる。それに限定されないがボイラ給水ポンプのようなポンプ１７０により、給水１６５をＨＲＳＧ１３５内に送込むことができ、ＨＲＳＧ内において、前述したプロセスを反復することができる。ＨＲＳＧ１３５を通って流れた後に、排気１２０は、排気筒１４０を通って流れることができる。

ソーラーヒーティングシステム１７５の第１の実施形態は、図１及び図２に示すようにパラボラトラフシステム２００を含むことができる。パラボラトラフシステム２００の実施形態は、パラボラ集光器２０５の焦線に沿って配置したレシーバ２１０上に太陽光を集光する複数の線形パラボラ集光器２０５を含むことができる。線形パラボラ集光器２０５は、日中に少なくとも１つの軸線（図には示していない)に沿って追跡することによって太陽光に追従するように設計される。レシーバ２１０は、それを通して給水１６５を流すことができるパイプを含むことができる。ここで、ソーラーヒーティングシステム１７５は、それに限定されないが強制対流、自然対流又は同様のもののような対流形態の熱伝達を介して給水１６５を加熱することができる。

ソーラーヒーティングシステム１７５の第２の実施形態は、図３に示すようなソーラータワーシステム３００を含むことができる。ソーラータワーシステム３００の実施形態は、タワー３１５の頂部付近の中心レシーバ３１０上に太陽光を集光するようになった複数の追跡リフレクタ３０５を組入れることができる。レシーバ３１０は、それを通して給水１６５を流すことができるパイプを含むことができる。ここで、ソーラーヒーティングシステム１７５は、それに限定されないが強制対流、自然対流又は同様のもののような対流形態の熱伝達を介して給水１６５を加熱することができる。

使用中に、少なくとも１つのソーラーヒーティングシステム１７５は、給水１６５を第１の温度から第２の温度に加熱することができる。ここで、第１の温度は、復水器１６０に存在する給水１６５の温度と見なすことができる。本発明の実施形態では、第１の温度は、最高で約１５０°Ｆとすることができる。さらに、第２の温度は、給水１６５の加熱された温度と見なすことができる。本発明の実施形態では、第２の温度は、最高で約７００°Ｆとすることができる。

少なくとも１つのソーラーヒーティングシステム１７５は、ユーザに複数の利点をもたらすことができる。本発明の実施形態では、少なくとも１つのソーラーヒーティングシステム１７５は、一般的高出力ターボ機械によって発生された電力と同等の最大で約８メガワットを供給することができる。本発明の実施形態では、少なくとも１つのソーラーヒーティングシステム１７５は、最大で約８５％の効率を有することができる。

本発明の実施形態は、給水１６５を共同で加熱するようになったソーラーヒーティングシステム１７５及びＨＲＳＧ１３５を統合した構成を作動させるための制御システムを提供することができる。ここで、制御システムは、給水１６５を蒸気に転換させるのに必要な熱量を決定することができる。次に、制御システムは、ソーラーヒーティングシステム１７５によって現在入手可能である熱量と、もしあるとすればＨＲＳＧ１３５によって供給されることになる必要な残りの熱量とを決定することができる。次に、制御システムは、この構成を作動させて、ソーラーヒーティングシステム１７５から入手可能である最大の熱量を使用して給水１６５を加熱すると共に、もしあるとすれば残りの熱量はＨＲＳＧ１３５から引出すようにすることができる。

本発明の別の実施形態は、給水１６５を共同で加熱するようになったソーラーヒーティングシステム１７５及び蒸気タービン１５０の抽気を統合した構成を作動させるための制御システムを提供することができる。ここで、制御システムは、給水１６５を蒸気に転換させるのに必要な熱量を決定することができる。次に、制御システムは、ソーラーヒーティングシステム１７５によって現在入手可能である熱量と、もしあるとすれば蒸気タービン１５０によって供給されることになる必要な残りの熱量とを決定することができる。次に、制御システムは、この構成を作動させて、ソーラーヒーティングシステム１７５から入手可能である最大の熱量を使用して給水１６５を加熱すると共に、もしあるとすれば残りの熱量は蒸気タービン１５０から引出すようにすることができる。

本明細書で用いる用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的とするものであり、本発明を限定することを意図するものではない。本明細書で用いる場合に、数詞を付していない表現は、文脈がそうでないことを明確に示していない限り、複数の形態もまた含むことを意図している。さらに、本明細書で用いる場合の「含む」及び／又は「含んでいる」という用語は、記述した特徴、回数、ステップ、操作、要素及び／又は構成部品の存在を特定するが、１つ又はそれ以上のその他の特徴、回数、ステップ、操作、要素、構成部品及び／或いはそれらの群の存在又は付加を排除するものではないことを理解されたい。

本明細書では、特定の実施形態を例示しかつ説明してきたが、同じ目的を達成するように想定したあらゆる構成が、図示した特定の実施形態と置き換わるものとすることができること、及び本発明が他の環境でのその他の用途を有することを理解されたい。本出願は、本発明のあらゆる改変又は変更を保護することを意図している。特許請求の範囲は、決して本発明の技術的範囲を本明細書に記載した特定の実施形態に限定することを意図するものではない。

当業者には解るように、幾つかの例示的な実施形態に関して上述した多くの様々な特徴及び構成は、本発明の他の可能な実施形態を形成するようにさらに選択的に適用することができる。本発明の全ての可能な反復を示し又は詳細に論じてはいないが、幾つかの特許請求項又はその他に包含される全ての組合せ及び可能な実施形態は、本出願の一部であることを意図していることを当業者にはさらに理解されたい。加えて、本発明の幾つかの例示的な実施形態の上記説明から、当業者は、その改良、変更及び修正に気付くであろう。当技術の範囲内のそのような改善、変更及び修正もまた、特許請求の範囲によって保護されることを意図している。さらに、前述のことは、本出願の記載した実施形態のみに関するものであること、並びに提出した特許請求の範囲及びその均等物によって定まる本出願の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなく、本明細書において多くの変更及び修正を行うことができることは明らかであろう。

１００ ガスタービン
１０５ 圧縮機
１１０ 燃焼システム
１１５ タービンセクション
１２０ 排気
１２５ 発電機
１３５ ＨＲＳＧ（熱回収蒸気発生器）
１４０ 排気筒
１４５ 蒸気
１５０ 蒸気タービン
１５５ 発電機
１６０ 復水器
１６５ 給水
１７０ ポンプ
１７５ ソーラーヒーティングシステム
２００ パラボラトラフシステム
２０５ 線形パラボラ集光器
２１０ レシーバ
３００ ソーラータワーシステム
３０５ 追跡リフレクタ
３１０ レシーバ
３１５ タワー

Claims (10)

1. 給水（１６５）の温度を上昇させるためのシステムであって、
   蒸気（１４５）を機械エネルギーに変換するように構成された蒸気タービン（１５０）と、
   前記蒸気タービン（１５０）と統合されかつ該蒸気タービン（１５０）から吐出された蒸気（１４５）を前記給水（１６５）に転換させるように構成された復水器（１６０）と、
   前記復水器（１６０）から吐出された前記給水（１６５）を受けかつ該給水を加熱するように構成されたソーラーヒーティングシステム（１７５）と、を含み、
   前記ソーラーヒーティングシステム（１７５）が、前記給水（１６５）を第１の温度から第２の温度に加熱する、
   システム。
2. 前記ソーラーヒーティングシステム（１７５）が、パラボラトラフシステム（２００）、ソーラータワーシステム（３００）又はそれらの組合せの少なくとも１つを含む、請求項１記載のシステム。
3. 前記ソーラーヒーティングシステム（１７５）が、前記給水（１６５）をボイラ（１３５）に吐出する、請求項１記載のシステム。
4. 前記ソーラーヒーティングシステム（１７５）が、前記給水（１６５）を加熱するのを前記ボイラ（１３５）によって支援される、請求項３記載のシステム。
5. 前記給水（１６５）の第１の温度が、最高で約１５０°Ｆである、請求項１記載のシステム。
6. 前記給水（１６５）の第２の温度が、最高で約７００°Ｆである、請求項１記載のシステム。
7. ガスタービン（１００）をさらに含み、
   前記ガスタービン（１００）が、前記ボイラ（１３５）に排気を吐出する、
   請求項３記載のシステム。
8. 前記ソーラーヒーティングシステム（１７５）の作動が、前記ボイラ（１３５）によって前記給水（１６５）に対して実行される加熱量を減少させる、請求項１記載のシステム。
9. 前記ソーラーヒーティングシステム（１７５）が、最大で約８メガワットのソーラーパワーを与える、請求項１記載のシステム。
10. 前記少なくとも１つのソーラーヒーティングシステム（１７５）の効率が、最大で約８５％の効率である、請求項１記載のシステム。

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