JP2017110646A - 燃焼器ガス抽出により蒸気を発生する発電プラント - Google Patents
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Abstract
【課題】燃焼器ガス抽出により蒸気を発生する発電プラントを提供する。【解決手段】発電プラント10のガスタービン100は、圧縮器102、燃焼器104と、タービン106とタービン106の出口から下流側にある排気ダクト120とを有し、燃焼器104は、高温ガス経路と流体連通した抽出ポート140を含み、抽出ポート140は燃焼ガス114のストリームが高温ガス経路から流出するための流路を定める。排気ダクト120はタービン106の出口から排気ガス118を受け取り、冷却材噴射システム172は排気ダクト120の上流側で燃焼ガス114のストリームに冷却材174を噴射し、燃焼ガス114のストリームが排気ダクト120内でタービンからの排気ガス118と配合されて、排気ダクト120内で排気ガス混合気を形成する。熱交換器122が排気ダクト120から下流側に配置され、排気ダクト120から排気ガス混合気を受け取る。【選択図】図4
Description
本開示は、全体的に、複合サイクル又はコジェネレーション発電プラントなどのガスタービン発電プラントに関する。より詳細には、本開示は、燃焼器から抽出される燃焼ガスを用いて蒸気を発生するよう構成された発電プラントに関する。
複合サイクル又はコジェネレーション発電プラントなどのガスタービン発電プラントは、一般に、圧縮機、燃焼器、及びタービンを有するガスタービンと、タービンから下流側に配置される熱回収蒸気発生器(HRSG)と、HRSGと流体連通した蒸気タービンと、を含む。作動中、空気は、吸入システムを介して圧縮機に流入し、燃焼器を少なくとも部分的に囲む圧縮機吐出又はディフューザケーシングに向けて送られるときに漸次的に圧縮される。圧縮空気の少なくとも一部は、燃焼器内に定められた燃焼室内で燃料と混合されて燃焼し、これにより高温高圧の燃焼ガスを発生する。
燃焼ガスは、高温ガス経路に沿って燃焼器からタービンを通って送られ、ここで固定ベーンと、ロータシャフトに結合された回転タービンブレードとの交互する段にわたって流れるときに漸次的に膨張する。運動エネルギーが燃焼ガスからタービンブレードに伝達され、結果としてロータシャフトの回転が引き起こされる。ロータシャフトの回転エネルギーは、発電機を介して電気エネルギーに変換することができる。燃焼ガスは、タービンから排気ガスとして流出し、該排気ガスはHRSGに流入する。排気ガスからの熱エネルギーは、HRSGの1又はそれ以上の熱交換器を通って流れる水に伝達され、これにより過熱蒸気を生成する。次いで、過熱蒸気は、蒸気タービンに送られ、これを用いて追加の電力を生成し、その結果、発電プラント全体の効率を向上させることができる。
ガスタービンベースの発電プラントからの低エミッションに関する法的規制要件は、年を経るにつれて益々厳しくなっている。現在、世界中の環境局は、新規及び既存のガスタービン両方からの窒素酸化物(NOx)及び他の汚染物質並びに一酸化炭素(CO)のエミッションレベルを更に低くするよう要求している。
従来、エミッション規制に少なくとも部分的に起因して、複合サイクル又はコジェネレーション発電プラントにおけるガスタービン負荷は、発電プラントの蒸気生産要件と連結しており、又は発電プラントの蒸気生産要件によって決定され、必ずしも系統電力需要によって決定されない。例えば、許容可能なエミッションレベルを維持しながら、発電プラントの蒸気需要に適合するために、電気に対する系統需要又は発電プラント需要が低い場合でも、全速全負荷条件でガスタービンを運転することが必要となることがあり、これにより発電プラント全体の効率が低下する。
本開示の態様及び利点は、以下の説明において記載され、又は本説明から明らかになることができ、或いは、本発明を実施することによって理解することができる。
1つの実施形態は、発電プラントに関する。発電プラントは、圧縮器から下流側にある燃焼器と、該燃焼器から下流側に配置されたタービンと、タービンの出口から下流側にある排気ダクトとを有するガスタービンを含む。燃焼器は、該燃焼器の高温ガス経路と流体連通した抽出ポートを含む。抽出ポートは、燃焼ガスのストリームが高温ガス経路から流出するための流路を定める。排気ダクトは、タービンの出口から排気ガスを受け取る。冷却材噴射システムは、排気ダクトの上流側で燃焼ガスのストリームに冷却材を噴射し、燃焼ガスのストリームが、排気ダクト内でタービンからの排気ガスと配合されて、排気ダクト内で排気ガス混合気を形成するようになる。熱交換器が、排気ダクトから下流側に配置され、排気ダクトから排気ガス混合気を受け取る。
当業者であれば、本明細書を精査するとこのような実施形態の特徴及び態様、並びにその他がより理解されるであろう。
添付図面を参照することを含めて、本明細書の残りの部分において、当業者にとって最良の形態を含む本発明の完全且つ有効な開示が記載される。
ここで、その1つ又はそれ以上の実施例が添付図面に例示されている本開示の実施形態について詳細に説明する。詳細な説明では、図面中の特徴部を示すために参照符号及び文字表示を使用している。本開示の同様の又は類似の要素を示すために、図面及び説明において同様の又は類似の記号表示を使用している。本明細書で使用される用語「第1」、「第2」、及び「第3」は、ある構成要素を別の構成要素と区別するために同義的に用いることができ、個々の構成要素の位置又は重要性を意味することを意図したものではない。用語「上流」及び「下流」は、流体通路における流体流れに対する相対的方向を指す。例えば、「上流」は、流体がそこから流れる方向を指し、「下流」は流体がそこに向けて流れ込む方向を指す。
本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明するためのものに過ぎず、限定を意図するものではない。本明細書で使用される単数形態は、前後関係から明らかに別の意味を示さない限り複数形態も含む。更に、本明細書内で使用する場合に、用語「備える」及び/又は「備えている」という用語は、そこに述べた特徴部、完全体、ステップ、動作、要素及び/又は構成部品の存在を明示しているが、1つ又はそれ以上の他の特徴部、完全体、ステップ、動作、要素、構成部品及び/又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は理解されるであろう。
各実施例は、本開示の限定ではなく、例証として提供される。実際に、本開示の範囲又は技術的思想から逸脱することなく、修正形態及び変形形態を本開示において実施できることは、当業者であれば理解されるであろう。例えば、1つの実施形態の一部として例示され又は説明される特徴は、別の実施形態と共に使用して更に別の実施形態を得ることができる。従って、本開示は、そのような修正及び変形を特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するものとして保護することを意図している。
従来のコジェネレーション発電プラントにおいて、燃料及び空気がガスタービンに供給される。空気は、ガスタービンの吸気口を通過して、ガスタービンにおける燃焼器の上流側にある圧縮機セクションに流れる。燃焼器によって空気が加熱された後、加熱空気及びプロセスにおいて生成された他のガス(すなわち、燃焼ガス)は、タービンセクションを通過する。ガスタービンからの全排気ガス量は、ガスタービンのタービンセクションから排気セクションに進んで熱回収蒸気発生器(HRSG)に流れ、該熱回収蒸気発生器(HRSG)が、1又はそれ以上の熱交換器を介して排気ガスから熱エネルギーを抽出して、蒸気を生成する。
場合によっては、蒸気の需要は、ガスタービンの排気ガスによって生成することができる蒸気量よりも少ない場合があり、排気ガスの一部は、大気に放出される前に排気ガスを濾過する排気スタックに運ばれるなど、熱回収蒸気発生器を迂回して配向されることもある。或いは、ガスタービンの排気ガスによって生成される蒸気よりも蒸気生成の方が高い需要がある場合には、ガスタービンからの排気ガスの増加分を生産して、要求通りの蒸気を生成することができる。
本発明の実施形態は、タービンの出口から流れる排気ガスと混合される前にガスタービンの燃焼器から直接抽出された燃焼ガスを冷却するシステムを提供する。燃焼ガスは、ガス冷却器によって冷却されるが、冷却された燃焼ガスは、依然としてタービンから流れる排気ガスよりも有意に高温である。結果として、冷却された燃焼ガスからの熱エネルギーは、熱交換器/ボイラー及び/又は熱回収蒸気発生器(HRSG)から上流側にある排気ガスの温度を上昇させ、これによりガスタービンからの蒸気生成を向上させる。
蒸気は、蒸気タービンにパイプ輸送されて、熱発生及び/又は他の産業プロセスに用いることができる。本システムは、コジェネレーションシステムにおいて、該コジェネレーションシステムが比例した出力増加を生成することなく、より高品質の蒸気を生成することができるように用いることができる。従って、本実施形態のシステムは、コジェネレーションシステムへの燃料入力の効率的な使用を可能にし、ガスタービンによる望まれない出力の無駄な生成を回避する。
本明細書で提供される実施形態は、既存のコジェネレーション又は複合サイクル発電プラントに優る様々な技術上の利点をもたらす。例えば、本明細書で提供されるシステムは、熱効率及び他の作動効率を維持しながら蒸気生成を所望のレベルに調整する能力、ガスタービンの下流側でより多くの蒸気を生成するためにより高温のガスを提供する能力、ガスタービン上でより少ない出力で作動してより多くの蒸気を生成する能力、無駄な生成物(すなわち、ガスタービンにおいて不要な出力を生成すること)を最小限にする能力、及びよりコスト効果がありより効率的な能力でコジェネレーションシステムを作動させる能力を含むことができる。
次に、幾つかの図全体を通して様々な参照符号が同様の要素を表す図面を参照すると、図1は、蒸気生成能力を有する例示的なガスタービン発電プラント10の機能ブロック図を示す。発電プラント10は、本開示の種々の実施形態を組み込むことができるガスタービン100を備える。ガスタービン100は、一般に、直列流れ順に、圧縮機102、1又はそれ以上の燃焼器104を有する燃焼セクション、及びタービン106を含む。ガスタービン100はまた、圧縮器102の入口又は上流側端部に配置された入口ガイドベーン108を含むことができる。作動時には、空気110は、入口ガイドベーン108にわたって圧縮器102に流入する。圧縮器102は、空気110に運動エネルギーを与えて、矢印112で概略的に示される圧縮空気を生成する。
圧縮空気112は、燃料供給システムからの天然ガスのような燃料と混合されて、燃焼器104内で可燃混合気を形成する。可燃混合気が燃焼して、矢印114で概略的に示される燃焼ガスを生成する。燃焼ガス114は、タービン106の種々のタービン段を通って流れ、その結果、シャフト116の回転を引き起こし、仕事を生成する。
タービン106は、2又はそれ以上の段、例えば、低圧セクション及び高圧セクションを有することができる。1つの実施形態において、タービン106は、低圧セクション及び高圧セクションを含む2段シャフトタービンとすることができる。特定の構成において、タービン106は、4又はそれ以上の段を有してもよい。タービン106は、シャフト116に接続され、タービン106の回転により圧縮機102を駆動して、圧縮空気112を生成するようにすることができる。或いは、又はこれに加えて、シャフト116は、タービン106を発電機(図示せず)に接続して電気を生成することができる。燃焼ガス114は、タービン106を通り、タービン106の下流側端部に動作可能に結合された排気ダクト120を介してタービン106から排気ガス118として流出するときに、熱及び運動エネルギーを喪失する。
排気ダクト120は、様々なパイプ、ダクト、バルブ及び同様のものを介して熱交換器又はボイラー122に流体結合することができる。熱交換器122は、独立した構成要素とすることができ、或いは、熱回収蒸気発生器(HRSG)の構成要素とすることができる。種々の実施形態において、熱交換器122は、排気ガス118から熱エネルギーを抽出して蒸気124を生成するのに使用される。特定の実施形態において、次いで、蒸気124は、様々なパイプ、バルブ、導管及び同様のものを介して蒸気タービン126に送られて、追加の出力又は電気を生成することができる。
蒸気124の少なくとも一部は、熱交換器122からオンサイト又はオフサイト設備128にパイプ輸送することができ、該オンサイト又はオフサイト設備は、蒸気をユーザに分配供給し、及び/又は、熱発生又は他の産業用運転又はプロセスのような二次作動に蒸気を利用する。1つの実施形態において、蒸気124は、蒸気タービン126から下流側にパイプ輸送され、熱発生又は他の二次作動のような様々な二次作動用に更に利用することができる。熱交換器122からの蒸気の流量又は出力は、1又はそれ以上の流量モニターを介して監視することができる。例えば、1つの実施形態において、流量モニター130は、熱交換器122から下流側に設けることができる。1つの実施形態において、流量モニター132は、蒸気タービン126から下流側に配置することができる。
図2は、本開示の種々の実施形態を組み込むことができる、燃焼器104の一部、タービン106、及び排気ダクト120を含む例示的なガスタービン100の簡易側断面図を示す。1つの実施形態において、図2に示すように、タービン106は、燃焼器104を少なくとも部分的に収容する外側ケーシング134を含む。燃焼器104は、外側ケーシング134内で高温ガス経路138を少なくとも部分的に定める1又はそれ以上のダクト又はライナ136を含む。タービン106の下流側端部は、排気ダクト120に動作可能に接続される。従来、燃焼ガス114の全量は、高温ガス経路138を通ってタービンに入り、排気ダクト120を介してタービンから流出する。
作動中、蒸気生成に対する需要が、ガスタービン100によって生成される出力に対する需要よりも高いことが判った場合には、燃焼ガス114の一部は、1又はそれ以上のダクト136によって定められる高温ガス経路138と流体連通した1又はそれ以上の対応する抽出ポート140を介して燃焼器104から抽出することができる。例証として、2つの抽出ポート140(a),140(b)が図示されている。しかしながら、燃焼器104は、中心線12に対して外側ケーシング及び/又は燃焼器104に沿って同じ又は異なる軸方向位置に位置付けられたあらゆる数の抽出ポート140を含めることができる。各抽出ポート140は、タービン106の第1段ノズル142の入口から上流側にあるポイント又は位置で燃焼ガス114のストリームが燃焼器104の外に流出する流路を提供する。
図2に示すように、燃焼器抽出ポート140(a),140(b)の1又はそれ以上は、1又はそれ以上の抽出パイプ144(a),144(b)を介して高温ガス経路138と流体連通することができる。抽出パイプ144及び燃焼器抽出ポート140は、高温ガス経路138から外側ケーシング134を通って燃焼器104の外に出る燃焼ガス114の流体連通を提供し、タービン106の出口から排気ダクト120に流入する排気ガス118よりも高温の燃焼ガス114の一部を得るようにする。
図3及び4は、本開示の種々の実施形態による、図1に示すような蒸気生成能力を有する例示的なガスタービン発電プラント10の機能ブロック図を示す。特定の実施形態において、図1、2、3、及び4に示すように、発電プラント10は更に、抽出ポート140から下流側で且つ排気ダクト120から上流側に配置された冷却材噴射システム148を備えることができる。冷却材噴射システム148は、抽出ポート140から排気ダクト120に流入する燃焼ガス114のストリームに冷却材供給源152から冷却材150を噴射するよう構成された、スプレーノズル、スプレータワー、スクラバー又は他の種々の構成要素(図示せず)を含むことができる。
特定の実施形態において、図1〜4に示すように、冷却材噴射システム148は、抽出ポート140に流体結合されて抽出ポート140から下流側に位置付けられる混合チャンバ154を含む。混合チャンバ154は、種々のパイプ、導管、バルブ又は同様のものを介して排気ダクト120に流体結合することができる。混合チャンバ154は、排気ダクト120の上流側にある燃焼ガス114のストリームと冷却材150を配合するよう構成することができる。このようにして、冷却材150を用いて、熱交換器122及び/又は排気ダクト120から上流側で燃焼ガス114の温度を低下又は制御することができる。1つの実施形態において、冷却材150は水である。1つの実施形態において、冷却材150は蒸気を含む。
作動時には、抽出ポート140及び/又は冷却材噴射システム148からの燃焼ガス114は、排気ダクト120内の排気ガス118と配合され、排気ダクト120から下流側に配置された熱交換器122に加熱された排気ガス混合気156を提供する。燃焼ガス114からの熱エネルギーは、排気ガス118の温度を上昇させ、これにより発電プラント10の蒸気生成能力を向上させる。
1つの実施形態において、図3及び4に示すように、発電プラント10は、第1のガス冷却器158を含む。第1のガス冷却器158は、1又はそれ以上の抽出ポート140のうちの1又はそれ以上に流体結合された一次入口160と、種々のパイプ、導管、バルブ又は同様のものを介して冷却材供給システム164に流体結合された二次入口162と、種々のパイプ、導管、バルブ又は同様のものを介して排気ダクト120と流体連通した出口166と、を含む。1つの実施形態において、第1のガス冷却器158は、エジェクタを含む。1つの実施形態において、第1のガス冷却器158は、静的ミキサを含む。静的ミキサは、一般に、外側ケーシング又はパイプ内で直列にスタックされ、一次及び二次入口160,162と並びに出口166と流体連通した個々の混合要素を含む。各混合要素は、静的ミキサを流れる2又はそれ以上の流体が均質化するように隣接する混合要素に対して配向することができる。
冷却材供給システム164は、第1のガス冷却器158の二次入口162に冷却材168を提供する。特定の実施形態において、図1及び3に示すように、冷却材供給システム164は、第1のガス冷却器158の二次入口162から上流側で周囲空気を収集及び/又は調和させる周囲空気供給システム164を含む。
特定の実施形態において、図4に示すように、冷却材供給システム164は、ガスタービン100の圧縮機102を含む。圧縮器102は、1又はそれ以上の圧縮機抽出ポート172及び種々のパイプ、導管、バルブ又は同様のものを介して、第1のガス冷却器158の二次入口162に流体結合することができる。
圧縮機抽出ポート172は、圧縮器102の上流側又は入口と、燃焼器104から上流側又は直ぐ上流側に定められた圧縮器102の出口との間のポイントにて圧縮空気112の一部が圧縮器102から流出するための流路を提供する。入口から出口までで圧縮空気112の圧力及び温度が上昇するので、圧縮機抽出ポート172は、圧縮器102に沿って様々なポイントにて軸方向に離間して配置され、圧縮空気112の一部を所望の温度及び圧力で取り込むことができる。このようにして、圧縮空気112は、冷却材168又は冷却材168の代わりの流れを補充することができる。
作動時には、1又はそれ以上の抽出ポート140から抽出された燃焼ガス114は、第1のガス冷却器158を流れる駆動流体としての役割を果たす。周囲空気供給源170からの空気又は圧縮機抽出ポート172から抽出される圧縮空気112の一部は、第1のガス冷却器158の二次入口162に流入して、排気ダクト120から上流側で燃焼ガス114のストリームを冷却し、また、第1のガス冷却器158から排気ダクト120内への質量流量を増大させることができる。次いで、燃焼ガス114のストリームは、混合チャンバ154を流れ、及び/又は冷却材噴射システム148からの冷却材150と配合され、その後、排気ガス118よりも高温で排気ダクト120に流入することができる。燃焼ガス114からの熱エネルギーは、排気ガス118の温度を上昇させ、これにより発電プラント10の全体の蒸気生成能力を向上させる。
特定の実施形態において、図4に示すように、冷却材供給システム164は、圧縮機抽出ポート172から下流側で且つ第1のガス冷却器158の二次入口162から上流側に配置される第2のガス冷却器174を含むことができる。第2のガス冷却器174は、圧縮機抽出ポート172に、及び種々のパイプ、導管、バルブ又は同様のものを介して第1のガス冷却器158の二次入口162に流体結合することができる。第2のガス冷却器174は、圧縮機抽出ポート172に流体結合された一次入口176と、周囲空気供給源システム170と流体連通した二次入口178と、第1のガス冷却器158の二次入口162と流体連通した出口180と、を含む。
作動時には、圧縮機抽出ポート172からの圧縮空気112は、第2のガス冷却器174を通る駆動流体としての役割を果たす。周囲空気供給源システム170から第2のガス冷却器174の二次入口178に流入する空気は、第1のガス冷却器158の二次入口162から上流側で圧縮空気112のストリームを冷却し、これにより貫流する燃焼ガス114の冷却を向上させる。第2のガス冷却器174に流入する空気はまた、圧縮機抽出ポート172から第1のガス冷却器158内への空気質量流量を増大させることができる。
図1、2、3及び4を全体的に参照すると、コントローラ200を用いて、燃焼器104の抽出ポート140のうちの1又はそれ以上に流体結合された種々の制御バルブ184、冷却材噴射システム172の1又はそれ以上の制御バルブ186、及び/又は冷却材供給システム164の1又はそれ以上の制御バルブ188,190,192への適切な制御信号を生成及び/又は送信することにより、所望の蒸気生成能力を決定し、及び/又は排気ダクト120への燃焼ガス114の流れを調整することができる。
コントローラ200は、非一時的なメモリを含む及びアルゴリズムを計算する能力を有するマイクロプロセッサベースのプロセッサとすることができる。コントローラ200は、Rowen, W.I.の「SPEEDTRONIC(商標) Mark V Gas turbine Control System」、GE−3658D(ニューヨーク州スケネクタディ所在のGEインダストリアル&パワーシステムによる刊行)に記載されるような、General Electric SPEEDTRONIC(商標) Gas turbine(ガスタービン) Control Systemを組み込むことができる。コントローラ200はまた、メモリ内に格納されたプログラムを実行し、センサ入力及び人間のオペレータからの命令を用いてガスタービンの作動を制御するプロセッサを有するコンピュータシステムを組み込むことができる。
特定の実施形態において、コントローラ200は、所望量の蒸気流を発生するのに必要な排気ガス混合気156の所望温度を決定し、バルブ184を通る燃焼ガスの流れ、制御バルブ186を介した冷却材噴射システム148からの冷却材の流れ、バルブ188,190,192を通る空気又は冷却材を調整して、熱交換器122に送られる排気ガス混合気156の所望温度を達成するようプログラムされる。
作動時には、図1、2、3及び4に全体的に示されるように、コントローラ200は、抽出ポート140から下流側に配置された温度モニター300,302からの燃焼ガス温度202,204、排気ダクト120から下流側及び/又は熱交換器122から上流側に配置された温度モニター304(図1〜3)からの排気ガス混合気温度206、第2のガス冷却器174の出口180から下流側及び/又は周囲空気供給源システム170及び/又は圧縮機抽出ポート172から下流側に配置された温度モニター306(図3)からの冷却材温度208など、1又はそれ以上の入力データ信号を受け取ることができる。
コントローラ200はまた、流量モニター132からの蒸気流データ210及び/又は流量モニター130からの蒸気流データ212を受け取ることができる。1又はそれ以上のデータ信号202,204,206,208,210,212に応答して、コントローラ200は、バルブ184,186,188,190,192のうちの1又はそれ以上を作動させて、燃焼器104からの燃焼ガス流、冷却材噴射システム172からの冷却材流量、及び第1のガス冷却器158の二次入口162への空気又は冷却材流量のうちの1又はそれ以上を制御し、排気ガス混合気156の所望温度を生成することができる。
蒸気タービン126からの蒸気流出力は、流量モニター132を用いてコントローラ200によって監視することができる。二次作動に対する蒸気流出力は、流量モニター130を用いてコントローラ200によって監視することができる。蒸気流出力信号210,212に応答して、コントローラ200は、バルブ184,186,188,190,192のうちの1又はそれ以上を作動させて、燃焼器104からの燃焼ガス流、冷却材噴射システム172からの冷却材流量、及び第1のガス冷却器158の二次入口162への空気又は冷却材流量のうちの1又はそれ以上を制御し、排気ガス混合気156の所望温度を生成することができる。
燃焼ガス温度、冷却された燃焼ガス温度、排気ガス温度、混合された排気ガス温度及び蒸気流量など、コントローラ200によって受けられるデータ信号を解析して、予め設定された所望の蒸気流れの量と比較することができる。コントローラ200は、受け取ったデータ信号202,204,206,208,210,212のうちの1又はそれ以上を用いて、排気ガス温度の上昇が必要であるかどうかを判断することができる。この演算は、必要な蒸気量及び所望の出力量を決定し、所望量の蒸気を生成する及び/又は二次作動をサポートするのに必要な燃焼ガスの温度及び量を決定することを含む。
図1、3及び4に全体的に示すように、熱交換器122が所望量の蒸気を生成するのに必要な燃焼ガス114の所望温度及び量を決定した後、コントローラ200は、制御バルブ184の受信側に信号214を生成して送信し、外側ケーシング134を通じて高温ガス経路138から所望量の燃焼ガス114を抽出することができる。コントローラ200は、制御バルブ186の受信側に信号214を送信し、冷却材噴射システム148から流れる冷却材150の流量を制御することができる。コントローラ200は、制御バルブ188,190,192のうちの1又はそれ以上のバルブの受信側に信号218,220,222の1又はそれ以上を送信し、圧縮空気112、冷却材168、及び/又は周囲空気供給源170から流れる空気の流量を制御することができる。
本明細書で提供されるコントローラ200及び/又は1又は複数のシステムは、排気ガス118を燃焼ガス114のストリームと自動的に配合して、排気ガス混合気156の温度が、公称排気ガス温度を上回り且つ排気ダクト120、熱交換器122又はHRSGの温度限度を下回るようにすることができる。
本明細書では特定の実施形態を図示し且つ説明してきたが、図示した特定の実施形態は、同一の目的を達成するために考えられるあらゆる構成と置き換えることができること、また本開示は他の環境におけるその他の用途も有することを理解されたい。本出願は、本開示のあらゆる改造及び変更を保護することを意図している。提出した特許請求の範囲は、本開示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一切意図するものではない。
最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
[実施態様1]
発電プラントであって、
圧縮器から下流側にある燃焼器、該燃焼器から下流側に配置されたタービン及び上記タービンの出口から下流側にある排気ダクトを含むガスタービンを備え、
上記燃焼器が、該燃焼器の高温ガス経路と流体連通した抽出ポートを含み、
上記抽出ポートは、燃焼ガスのストリームが上記タービンの上流側で上記高温ガス経路から流出するための流路を定め、
上記排気ダクトが、上記タービンの出口から排気ガスを受け取り、
上記発電プラントが更に、
上記抽出ポートと上記排気ダクトとの間で流体結合され、冷却材を上記排気ダクトの上流側で上記燃焼ガスのストリームに噴射する冷却材噴射システムを備え、
上記燃焼ガスのストリームが、上流側の上記排気ダクト内で上記タービンからの排気ガスと配合されて排気ガス混合気を形成し、
上記発電プラントが更に、
上記排気ダクトから下流側に配置され、上記排気ダクトから上記排気ガス混合気の少なくとも一部を受け取る熱交換器を備える、発電プラント。
[実施態様2]
上記熱交換器が、上記排気ダクトから上記排気ガス混合気を受け取って、該排気ガス混合気から熱エネルギーを抽出して蒸気を生成する、実施態様1に記載の発電プラント。
[実施態様3]
上記熱交換器から下流側に配置された蒸気タービンを更に備える、実施態様1に記載の発電プラント。
[実施態様4]
上記抽出ポートに流体結合された一次入口と、冷却材供給システムに流体結合された二次入口と、上記排気ダクトと流体連通した出口とを有する第1のガス冷却器を更に備える、実施態様1に記載の発電プラント。
[実施態様5]
上記第1のガス冷却器がエジェクタを含む、実施態様4に記載の発電プラント。
[実施態様6]
上記第1のガス冷却器がインラインの静的ミキサを含む、実施態様4に記載の発電プラント。
[実施態様7]
上記冷却材供給システムが、上記第1のガス冷却器の二次入口に流体結合された周囲空気吸入システムを含む、実施態様4に記載の発電プラント。
[実施態様8]
上記冷却材供給システムが、上記ガスタービンの圧縮器を含み、上記圧縮器が、圧縮機抽出ポートを介して上記第1のガス冷却器の二次入口に流体結合される、実施態様4に記載の発電プラント。
[実施態様9]
上記抽出ポートに流体結合された一次入口と、冷却材供給システムに流体結合された二次入口と、上記排気ダクトと流体連通した出口と、を有する第1のガス冷却器を更に備え、上記冷却材供給システムが更に、圧縮機に流体結合された一次入口と、周囲空気吸入システムに流体結合された二次入口と、上記第1のガス冷却器の二次入口と流体連通した出口と、を有する第2のガス冷却器を含む、実施態様1に記載の発電プラント。
[実施態様10]
上記第2のガス冷却器がエジェクタを含む、実施態様9に記載の発電プラント。
[実施態様11]
上記第2のガス冷却器がインラインの静的ミキサを含む、実施態様9に記載の発電プラント。
[実施態様12]
上記燃焼器が、外側ケーシングと、上記高温ガス経路と流体連通した抽出パイプとを含み、上記抽出パイプが、上記抽出ポートと流体連通している、実施態様1に記載の発電プラント。
[実施態様13]
上記冷却材噴射システムが、上記抽出ポートに流体結合されて抽出ポートの下流側且つ上記排気ダクトから上流側にある、実施態様1に記載の発電プラント。
[実施態様14]
上記冷却材噴射システムからの上記冷却材が水を含む、実施態様1に記載の発電プラント。
[実施態様15]
上記冷却材噴射システムからの上記冷却材が蒸気を含む、実施態様1に記載の発電プラント。
[実施態様16]
上記抽出ポートと上記排気ダクトとの間で流体接続された制御バルブに電子的に結合されたコントローラを更に備え、上記コントローラが、該コントローラに電子的に結合され且つ上記抽出ポートと上記排気ダクトとの間に配置された温度モニターによって提供される温度データ信号に少なくとも部分的に基づいて、上記制御バルブを作動させるようにする信号を発生する、実施態様1に記載の発電プラント。
[実施態様17]
上記冷却材噴射システムの冷却材供給源と上記冷却材噴射システムの混合チャンバとの間で流体接続された制御バルブに電子的に結合されたコントローラを更に備え、上記コントローラが、該コントローラに電子的に結合され且つ上記混合チャンバと上記排気ダクトとの間に配置された温度モニターによって提供される温度データ信号に少なくとも部分的に基づいて、上記制御バルブを作動させるようにする信号を発生する、実施態様1に記載の発電プラント。
[実施態様18]
上記抽出ポートと上記排気ダクトとの間で流体接続された制御バルブに電子的に結合されたコントローラを更に備え、上記コントローラが、上記熱交換器から下流側に配置された蒸気流量モニターによって提供される蒸気出力データ信号に少なくとも部分的に基づいて、上記制御バルブを作動させるようにする信号を発生する、実施態様1に記載の発電プラント。
[実施態様1]
発電プラントであって、
圧縮器から下流側にある燃焼器、該燃焼器から下流側に配置されたタービン及び上記タービンの出口から下流側にある排気ダクトを含むガスタービンを備え、
上記燃焼器が、該燃焼器の高温ガス経路と流体連通した抽出ポートを含み、
上記抽出ポートは、燃焼ガスのストリームが上記タービンの上流側で上記高温ガス経路から流出するための流路を定め、
上記排気ダクトが、上記タービンの出口から排気ガスを受け取り、
上記発電プラントが更に、
上記抽出ポートと上記排気ダクトとの間で流体結合され、冷却材を上記排気ダクトの上流側で上記燃焼ガスのストリームに噴射する冷却材噴射システムを備え、
上記燃焼ガスのストリームが、上流側の上記排気ダクト内で上記タービンからの排気ガスと配合されて排気ガス混合気を形成し、
上記発電プラントが更に、
上記排気ダクトから下流側に配置され、上記排気ダクトから上記排気ガス混合気の少なくとも一部を受け取る熱交換器を備える、発電プラント。
[実施態様2]
上記熱交換器が、上記排気ダクトから上記排気ガス混合気を受け取って、該排気ガス混合気から熱エネルギーを抽出して蒸気を生成する、実施態様1に記載の発電プラント。
[実施態様3]
上記熱交換器から下流側に配置された蒸気タービンを更に備える、実施態様1に記載の発電プラント。
[実施態様4]
上記抽出ポートに流体結合された一次入口と、冷却材供給システムに流体結合された二次入口と、上記排気ダクトと流体連通した出口とを有する第1のガス冷却器を更に備える、実施態様1に記載の発電プラント。
[実施態様5]
上記第1のガス冷却器がエジェクタを含む、実施態様4に記載の発電プラント。
[実施態様6]
上記第1のガス冷却器がインラインの静的ミキサを含む、実施態様4に記載の発電プラント。
[実施態様7]
上記冷却材供給システムが、上記第1のガス冷却器の二次入口に流体結合された周囲空気吸入システムを含む、実施態様4に記載の発電プラント。
[実施態様8]
上記冷却材供給システムが、上記ガスタービンの圧縮器を含み、上記圧縮器が、圧縮機抽出ポートを介して上記第1のガス冷却器の二次入口に流体結合される、実施態様4に記載の発電プラント。
[実施態様9]
上記抽出ポートに流体結合された一次入口と、冷却材供給システムに流体結合された二次入口と、上記排気ダクトと流体連通した出口と、を有する第1のガス冷却器を更に備え、上記冷却材供給システムが更に、圧縮機に流体結合された一次入口と、周囲空気吸入システムに流体結合された二次入口と、上記第1のガス冷却器の二次入口と流体連通した出口と、を有する第2のガス冷却器を含む、実施態様1に記載の発電プラント。
[実施態様10]
上記第2のガス冷却器がエジェクタを含む、実施態様9に記載の発電プラント。
[実施態様11]
上記第2のガス冷却器がインラインの静的ミキサを含む、実施態様9に記載の発電プラント。
[実施態様12]
上記燃焼器が、外側ケーシングと、上記高温ガス経路と流体連通した抽出パイプとを含み、上記抽出パイプが、上記抽出ポートと流体連通している、実施態様1に記載の発電プラント。
[実施態様13]
上記冷却材噴射システムが、上記抽出ポートに流体結合されて抽出ポートの下流側且つ上記排気ダクトから上流側にある、実施態様1に記載の発電プラント。
[実施態様14]
上記冷却材噴射システムからの上記冷却材が水を含む、実施態様1に記載の発電プラント。
[実施態様15]
上記冷却材噴射システムからの上記冷却材が蒸気を含む、実施態様1に記載の発電プラント。
[実施態様16]
上記抽出ポートと上記排気ダクトとの間で流体接続された制御バルブに電子的に結合されたコントローラを更に備え、上記コントローラが、該コントローラに電子的に結合され且つ上記抽出ポートと上記排気ダクトとの間に配置された温度モニターによって提供される温度データ信号に少なくとも部分的に基づいて、上記制御バルブを作動させるようにする信号を発生する、実施態様1に記載の発電プラント。
[実施態様17]
上記冷却材噴射システムの冷却材供給源と上記冷却材噴射システムの混合チャンバとの間で流体接続された制御バルブに電子的に結合されたコントローラを更に備え、上記コントローラが、該コントローラに電子的に結合され且つ上記混合チャンバと上記排気ダクトとの間に配置された温度モニターによって提供される温度データ信号に少なくとも部分的に基づいて、上記制御バルブを作動させるようにする信号を発生する、実施態様1に記載の発電プラント。
[実施態様18]
上記抽出ポートと上記排気ダクトとの間で流体接続された制御バルブに電子的に結合されたコントローラを更に備え、上記コントローラが、上記熱交換器から下流側に配置された蒸気流量モニターによって提供される蒸気出力データ信号に少なくとも部分的に基づいて、上記制御バルブを作動させるようにする信号を発生する、実施態様1に記載の発電プラント。
10 発電プラント
12 軸方向中心線(ガスタービン)
100 第1のガスタービン
102 圧縮機
104 燃焼器
106 タービン
108 入口ガイドベーン
110 空気
112 圧縮空気
114 燃焼ガス
116 シャフト
118 排気ガス
120 排気ダクト
122 熱交換器
124 蒸気
126 蒸気タービン
128 設備
130 流量モニター
132 流量モニター
134 内側タービンケーシング
136 外側タービンケーシング
138 高温ガス経路
140 抽出ポート
142 抽出パイプ
144 第1のガス冷却器
146 第1のガス冷却器の一次入口
148 第1のガス冷却器の二次入口
150 冷却材供給システム
152 第1のガス冷却器の出口
154 冷却材
156 周囲空気供給源システム
158 圧縮機抽出ポート
160 冷却された燃焼ガス
162 排気ガス混合気
164 第2のガス冷却器
166 第2のガス冷却器の一次入口
168 第2のガス冷却器の二次入口
170 第2のガス冷却器の出口
172 冷却材噴射システム
174 冷却材
176 冷却材供給源
178 混合チャンバ
180 抽出管路
182 ガス分配マニホルド
184 熱交換器
186 熱交換器
188 制御バルブ
190 制御バルブ
192 制御バルブ
194 制御バルブ
196 制御バルブ
200 コントローラ
202 データ信号(冷却された燃焼ガス温度)
204 データ信号(燃焼ガス温度)
206 データ信号(排気ガス混合気温度)
208 データ信号(冷却材温度)
210 データ信号(冷却された燃焼ガス温度)
212 データ信号(蒸気流データ)
214 データ信号 (蒸気流データ)
216 信号
218 信号
220 信号
222 信号
224 信号
226 信号
222 信号
224 信号
226 信号
228 信号
300 温度モニター
302 温度モニター
304 温度モニター
306 温度モニター
308 温度モニター
12 軸方向中心線(ガスタービン)
100 第1のガスタービン
102 圧縮機
104 燃焼器
106 タービン
108 入口ガイドベーン
110 空気
112 圧縮空気
114 燃焼ガス
116 シャフト
118 排気ガス
120 排気ダクト
122 熱交換器
124 蒸気
126 蒸気タービン
128 設備
130 流量モニター
132 流量モニター
134 内側タービンケーシング
136 外側タービンケーシング
138 高温ガス経路
140 抽出ポート
142 抽出パイプ
144 第1のガス冷却器
146 第1のガス冷却器の一次入口
148 第1のガス冷却器の二次入口
150 冷却材供給システム
152 第1のガス冷却器の出口
154 冷却材
156 周囲空気供給源システム
158 圧縮機抽出ポート
160 冷却された燃焼ガス
162 排気ガス混合気
164 第2のガス冷却器
166 第2のガス冷却器の一次入口
168 第2のガス冷却器の二次入口
170 第2のガス冷却器の出口
172 冷却材噴射システム
174 冷却材
176 冷却材供給源
178 混合チャンバ
180 抽出管路
182 ガス分配マニホルド
184 熱交換器
186 熱交換器
188 制御バルブ
190 制御バルブ
192 制御バルブ
194 制御バルブ
196 制御バルブ
200 コントローラ
202 データ信号(冷却された燃焼ガス温度)
204 データ信号(燃焼ガス温度)
206 データ信号(排気ガス混合気温度)
208 データ信号(冷却材温度)
210 データ信号(冷却された燃焼ガス温度)
212 データ信号(蒸気流データ)
214 データ信号 (蒸気流データ)
216 信号
218 信号
220 信号
222 信号
224 信号
226 信号
222 信号
224 信号
226 信号
228 信号
300 温度モニター
302 温度モニター
304 温度モニター
306 温度モニター
308 温度モニター
Claims (15)
- 発電プラント(10)であって、
圧縮器(102)から下流側にある燃焼器(104)、該燃焼器(104)から下流側に配置されたタービン(106)及び前記タービン(106)の出口から下流側にある排気ダクト(120)を含むガスタービン(100)を備え、
前記燃焼器(104)が、該燃焼器(104)の高温ガス経路(138)と流体連通した抽出ポート(140)を含み、
前記抽出ポート(140)は、燃焼ガス(114)のストリームが前記タービン(106)の上流側で前記高温ガス経路(138)から流出するための流路を定め、
前記排気ダクト(120)が、前記タービンの出口から排気ガス(118)を受け取り、
前記発電プラント(10)が更に、
前記抽出ポート(140)と前記排気ダクト(120)との間で流体結合され、冷却材(174)を前記排気ダクト(120)の上流側で前記燃焼ガス(114)のストリームに噴射する冷却材噴射システム(172)を備え、
前記燃焼ガス(114)のストリームが、上流側の前記排気ダクト(120)内で前記タービン(106)からの排気ガス(118)と配合されて排気ガス混合気を形成し、
前記発電プラント(10)が更に、
前記排気ダクト(120)から下流側に配置され、前記排気ダクト(120)から前記排気ガス混合気の少なくとも一部を受け取る熱交換器(122)を備える、発電プラント(10)。 - 前記熱交換器(122)が、前記排気ダクト(120)から前記排気ガス混合気を受け取って、該排気ガス混合気から熱エネルギーを抽出して蒸気を生成する、請求項1に記載の発電プラント(10)。
- 前記熱交換器(122)から下流側に配置された蒸気タービン(126)を更に備える、請求項1に記載の発電プラント(10)。
- 前記抽出ポート(140)に流体結合された一次入口(146)と、冷却材供給システム(150)に流体結合された二次入口(148)と、前記排気ダクト(120)と流体連通した出口(152)とを有する第1のガス冷却器(144)を更に備える、請求項1に記載の発電プラント(10)。
- 前記第1のガス冷却器(144)がエジェクタを含む、請求項4に記載の発電プラント(10)。
- 前記第1のガス冷却器(144)がインラインの静的ミキサを含む、請求項4に記載の発電プラント(10)。
- 前記冷却材供給システム(150)が、前記第1のガス冷却器(144)の二次入口(148)に流体結合された周囲空気吸入システムを含む、請求項4に記載の発電プラント(10)。
- 前記冷却材供給システム(150)が、前記ガスタービン(100)の圧縮器(102)を含み、前記圧縮器(102)が、圧縮機抽出ポート(158)を介して前記第1のガス冷却器(144)の二次入口(148)に流体結合される、請求項4に記載の発電プラント(10)。
- 前記抽出ポート(140)に流体結合された一次入口(146)と、冷却材供給システム(150)に流体結合された二次入口(148)と、前記排気ダクト(120)と流体連通した出口(152)と、を有する第1のガス冷却器(144)を更に備え、前記冷却材供給システム(150)が更に、圧縮機(102)に流体結合された一次入口(166)と、周囲空気吸入システムに流体結合された二次入口(168)と、前記第1のガス冷却器(144)の二次入口(148)と流体連通した出口(170)と、を有する第2のガス冷却器(164)を含む、請求項1に記載の発電プラント(10)。
- 前記第2のガス冷却器(164)がエジェクタを含む、請求項9に記載の発電プラント(10)。
- 前記第2のガス冷却器(164)がインラインの静的ミキサを含む、請求項9に記載の発電プラント(10)。
- 前記燃焼器(104)が、抽出パイプ(142)に流体結合され、前記抽出パイプが、前記高温ガス経路(138)と流体連通しており、前記抽出パイプ(142)が、前記抽出ポート(140)と流体連通している、請求項1に記載の発電プラント(10)。
- 前記冷却材噴射システム(172)が、前記抽出ポート(140)に流体結合されて抽出ポート(140)の下流側且つ前記排気ダクト(120)から上流側にある、請求項1に記載の発電プラント(10)。
- 前記冷却材噴射システム(172)からの前記冷却材(174)が水を含む、請求項1に記載の発電プラント(10)。
- 前記冷却材噴射システム(172)からの前記冷却材(174)が蒸気を含む、請求項1に記載の発電プラント(10)。
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