JP5476003B2 - 発電プラントの起動のための装置及び方法 - Google Patents

Description

本出願は、複合サイクル発電プラントのための起動方法に関する。

複合サイクル発電プラントは一般的に、ブレイトンサイクルを利用するガスタービンと、ランキンサイクルを利用する蒸気タービンとを含む。ガスタービンと蒸気タービンとを組合せて利用することによって、ガスタービン又は蒸気タービンを独立して利用することによって達成することができるよりも優れた効率を達成することができる。複合サイクル発電プラントは一般的に、ガスタービンと熱回収蒸気発生器と蒸気タービンとを含む。ガスタービンは、発電機と結合されて電気を発生させる。ガスタービンからの排気ガスは、熱回収蒸気発生器内に導入されて、蒸気流を発生させる。蒸気は蒸気タービンを駆動し、蒸気タービンは、発電機と結合されて付加的電気を発生させる。

起動時間を最小にすることは、複合サイクル発電プラントの有用性を向上させ、保守費用を低下させかつ起動時エミッションを低減する。複合サイクル発電プラントのための起動時間全体は、蒸気タービンの起動時間によって制限される。ガスタービンの起動は、蒸気タービンの起動に比較して急速である。起動中に、ガスタービンからの排気温度は、比較的迅速に上昇する。ガスタービンの負荷が増加すると、排気温度の限界値に達する。ガスタービン制御装置は次に、排気温度限界値を維持しながらユニットの空気流を増加させる。排気流量及び排気温度は、熱回収蒸気発生器内に吐出されたエネルギー量及び熱回収蒸気発生器によって発生された蒸気温度に直接関連する。

蒸気タービンの起動は、ガスタービンの起動に比較して緩速である。蒸気タービンの起動時間は、ロータコアとブレードとの間の温度勾配により生じる熱応力によって制限される。これら熱応力は、蒸気タービンの入口におけるロータと蒸気との間の温度差を測定することによって監視される。許容可能蒸気入口温度は、ロータ温度によって制限される。ロータ温度が上昇するにつれて、より高い入口蒸気温度が許容可能になる。蒸気タービンロータ温度が許容可能入口蒸気温度の限界値を設定しかつガスタービン排気温度が蒸気温度を制御するので、蒸気タービンロータが十分な温度に加熱されるまで、ガスタービンは負荷を増加させることができない。このことは、発電プラントをより低い効率状態で長時間作動させることによって、収益を低下させるおそれがある。ガスタービンの負荷は、燃焼器が十分な状態で作動するには低すぎる可能性があるので、起動エミッションもまた増加するおそれがあり、従ってＮＯｘ及びＣＯのようなエミッションの濃度を、高負荷状況で発生することになるよりも高くするおそれがある。

米国特許第５４９８１３１号明細書

複合サイクル発電プラントの熱応力を低下させかつ起動時間を短縮するようにガスタービンの起動中に蒸気タービンを温めるための方法及び装置が望ましい。

１つの実施形態では、本出願は、発電プラントを提供する。本発電プラントは、加圧空気を生成するための圧縮機及び該加圧空気を可燃性燃料と共に燃焼させて加熱燃焼ガスを生成するための燃焼器を有するガスタービンを含むことができる。本発電プラントはまた、ガスタービンの排気により蒸気流を発生させるための熱回収蒸気発生器と、該熱回収蒸気発生器からの蒸気流を膨張させるための蒸気タービンとを含むことができる。蒸気タービンは、その中に軸方向に配置されたロータボアを有するロータを含むことができる。本発電プラントはまた、加圧空気の少なくとも一部分及び／又は加熱燃焼ガスの少なくとも一部分をガスタービンから蒸気タービンのロータボアに導くための導管を含むことができ、加圧空気及び／又は加熱燃焼ガスにより、蒸気タービンのロータボアを温めることができる。

本出願の別の実施形態は、（ｉ）圧縮機、燃焼器、及び加熱燃焼ガスを膨張させるためのタービンを有するガスタービンと、（ｉｉ）熱回収蒸気発生器と、（ｉｉｉ）その中に軸方向に配置されたロータボアを有するロータを含む蒸気タービンとを有する発電プラントにおける、起動中に蒸気タービンを加熱する方法を提供する。起動中に蒸気タービンを加熱する本方法は、圧縮機内で周囲空気を加圧して加圧空気を生成するステップと、圧縮機から加圧空気の少なくとも一部分を取出すステップと、加圧空気を蒸気タービンのロータボアに供給して、該加圧空気によりロータを加熱するようにするステップとを含む。

本出願のさらに別の実施形態は、（ｉ）圧縮機、燃焼器、及び加熱燃焼ガスを膨張させるためのタービンを有するガスタービンと、（ｉｉ）熱回収蒸気発生器と、（ｉｉｉ）その中に軸方向に配置されたロータボアを有するロータを含む蒸気タービンとを有する発電プラントにおける、起動中に蒸気タービンを加熱する方法を提供する。起動中に蒸気タービンを加熱する本方法は、圧縮機内で周囲空気を加圧して加圧空気を生成するステップと、加圧空気を可燃性燃料と共に燃焼させて加熱燃焼ガスを生成するステップと、燃焼器から加熱燃焼ガスの少なくとも一部分を取出すステップと、加熱燃焼ガスを蒸気タービンのロータボアに供給して、該加熱燃焼ガスによりロータを加熱するようにするステップとを含む。

本明細書に記載するような本出願の実施形態の発電プラントの概略図。 本明細書に記載するような本出願の実施形態の発電プラントの概略図。

次に、個別の図を通して同じ符合が同様の要素を示す図面を参照すると、図１は、本出願の特定の実施形態の発電プラント１０の概略図を示している。発電プラント１０は、ガスタービン１１と、熱回収蒸気発生器（「ＨＲＳＧ」）１２と、蒸気タービン１３とを含むことができる。

ガスタービン１１は、圧縮機１４、燃焼器１５及びタービン１６を含むことができる。通常作動において、圧縮機１４によって周囲空気１７を加圧して、加圧空気１８を生成することができる。加圧空気１８は、可燃性燃料１９と共に燃焼器１５に供給することができる。燃焼器１５内で、可燃性燃料１９は、加圧空気１８と共に燃焼して加熱燃焼ガス２０を生成することができる。特定の実施形態では、可燃性燃料には、天然ガス、水素、プロパン、ブタン、イソプロパン、ガソリン、ディーゼル燃料、ジェット燃料、灯油、エタノール、イソプロピルアルコール、又は石炭から得た合成ガスを含むことができる。加熱燃焼ガス２０は次に、タービン１６に供給することができ、タービン１６において、加熱燃焼ガス２０は膨張し、それによって回転仕事を発生することができる。タービン１６は、第１の発電機２１と結合して電気を発生する（発電する）ことができる。

ガスタービン１１のタービン１６からの排気２２は、熱回収蒸気発生器１２に導くことができる。熱回収蒸気発生器１２内で、熱は、ガスタービン排気２２から給水流２３に伝達し、それによって蒸気流２４を発生させることができる。熱回収蒸気発生器１２を通って流れた後に、冷却した排気ガスは次に、排気筒２５を介して大気に放出することができる。特定の実施形態では、熱回収蒸気発生器１２は、給水流２３のためのフィン付きチューブを備えた配管を含むことができる。高温排気ガスは、フィン付きチューブ上を流れて、その熱の大部分を給水流に伝達し、それによって蒸気を生成することができる。

次に、熱回収蒸気発生器１２からの蒸気流２４は、蒸気タービン１３に導くことができる。蒸気タービン１３は、その中に軸方向に配置されたロータボア２７を有するロータ２６を含むことができる。通常作動において、蒸気２４は、該蒸気２４が膨張することができる蒸気タービン１３の蒸気流路３０に導入し、それによって回転仕事を発生することができる。蒸気タービン１３のロータ２６は、第２の発電機２８と結合して発電することができる。特定の実施形態では、ガスタービン及び蒸気タービンの両方は、同一の発電機に結合して発電することができる。蒸気は、蒸気タービン１３から流出した後に、凝縮器２９に排出することができる。

起動中に、ガスタービン１１は、可能な限り迅速に定常状態作動にすることができる。ガスタービン１１からの排気２２は、蒸気流２４を生成する熱回収蒸気発生器１２に導くことができる。熱回収蒸気発生器１２が、蒸気タービン１３に導入するのに十分な温度及び圧力の蒸気を発生させることができるまでに時間が経過する可能性がある。低温かつ低圧蒸気を蒸気タービン１３に導入することは、蒸気タービン流路３０内で望ましくない凝縮を生じるおそれがある。蒸気は、該蒸気が蒸気タービン１３内に導入するのに十分な温度及び圧力に達するまで、導管３１を介して凝縮器２９に排出することができる。

ガスタービン１１の圧縮機１４から加圧空気１８の少なくとも一部分を取出すための出口３２を設けることができる。別の実施形態では、加圧空気を供給するために、ガスタービン１１の圧縮機１４から分離した圧縮機を設けることができる。ガスタービン１１の圧縮機１４から分離した圧縮機は、電気モータ、ピストンエンジン、ガスタービン、蒸気タービン又は別の動力源によって動力供給することができる。起動中に、加圧空気１８の一部分は、導管３３を介して蒸気タービン１３のロータボア２７に供給することができる。導管３３は、それによって加圧空気１８を圧縮機１４からロータボア２７に移送することができるあらゆる手段を含むことができる。導管３３を通る流量を制御するための弁３４を設けることができる。起動中に、弁３４は、圧縮機１４からロータボア２７への流れを可能にするように開放し、それによって蒸気が蒸気流路３０に導入される前にロータ２６を加熱することができる。起動が完了すると、弁３４は、閉鎖し、それによってタービン１６を通して加圧空気を導いて有用な仕事を生成することができる。

蒸気タービン１３は、該蒸気タービン１３のロータボア２７に加圧空気流を導入するためのシステム３５を含むことができる。第２のシステム３６を設けて、加圧空気流が蒸気タービン１３のロータボア２７を通って流れた後に該加圧空気をロータボア２７から取出すようにすることができる。流れをタービンのロータボアに導入するのに適したシステムは、当業者には公知である。例えば、蒸気タービンのロータボアにガスを導入するのに好適なシステムは、Ｍｉｎｔｏに付与された米国特許第５４９８１３１号に記載されている。加圧空気は、ロータボア２７から流出すると、大気に放出することができる。

図２は、本出願の実施形態による発電プラントの概略図を示している。図１と対照してみると、図２の発電プラントは、ガスタービン１１の燃焼器１５から加熱燃焼ガス２０の少なくとも一部分を取出すための出口３７を含む。起動中に、加熱燃焼ガス２０の一部分は、導管３３を介して蒸気タービン１３のロータボア２７に供給することができる。導管３３を通る流量を制御するための弁３４を設けることができる。特定の実施形態では、導管を冷却するための冷却システムを設けることができる。起動中に、弁３４は、燃焼器１５からロータボア２７への流れを可能にするように開放し、それによって蒸気が蒸気流路３０に導入される前にロータ２６を加熱することができる。起動が完了すると、弁３４は、閉鎖し、それによってタービン１６を通して加熱燃焼ガス２０を導いて有用な仕事を生成することができる。

蒸気タービン１３は、該蒸気タービン１３のロータボア２７に加熱燃焼ガスを導入するためのシステム３５を含むことができる。第２のシステム３６を設けて、加熱燃焼ガスが蒸気タービン１３のロータボア２７を通って流れた後に該加熱燃焼ガスをロータボア２７から取出すようにすることができる。加熱燃焼ガスは、ロータボア２７から流出すると、大気に放出することができる。別の実施形態では、加熱燃焼ガスは、ロータボア２７を通って流れた後、熱回収蒸気発生器１２に供給することができる。

起動中に蒸気タービンを加熱することによって、本出願の装置及び方法は、熱応力を低下させることができかつ複合サイクル発電プラントの起動時間全体を短縮することができる。

以上の説明は、本出願の好ましい実施形態のみに関するものであること、並びに本明細書では特許請求の範囲及びその均等物によって定まる本発明の一般的技術思想及び技術的範囲から逸脱することなく多数の変更及び修正を行うことができることを理解されたい。

１０ 発電プラント
１１ ガスタービン
１２ 熱回収蒸気発生器（「ＨＲＳＧ」）
１３ 蒸気タービン
１４ 圧縮機
１５ 燃焼器
１６ タービン
１７ 周囲空気
１８ 加圧空気
１９ 可燃性燃料
２０ 加熱燃焼ガス
２１ 第１の発電機
２２ 排気
２３ 給水流
２４ 蒸気流
２５ 排気筒
２６ ロータ
２７ ロータボア
２８ 第２の発電機
２９ 凝縮器
３０ 蒸気流路
３１ 導管
３２ 出口
３３ 導管
３４ 弁
３５ システム
３６ 第２のシステム
３７ 出口

Claims (7)

1. 加圧空気を生成するための圧縮機（１４）、前記加圧空気を可燃性燃料と共に燃焼させて加熱燃焼ガスを生成するための燃焼器（１５）及び前記加熱燃焼ガスを膨張させるためのタービン（１６）を含むガスタービン（１１）と、
   前記ガスタービン（１１）の排気により蒸気流を発生させるための熱回収蒸気発生器（１２）と、
   その中に軸方向に配置されたロータボア（２７）を有するロータ含む、前記熱回収蒸気発生器からの蒸気流を膨張させるための蒸気タービン（１３）と、
   前記タービン（１６）で膨張させる前の前記加熱燃焼ガスの少なくとも一部分を、前記蒸気タービンのロータボア（２７）に導くための導管（３３）と
   を含む発電プラント（１０）であって、前記加熱燃焼ガスの少なくとも一部分で前記蒸気タービンのロータボア（２７）を温める、発電プラント（１０）。
2. 前記導管（３３）を通る流量を制御するための弁（３４）をさらに含む、請求項１記載の発電プラント（１０）。
3. 前記導管（３３）が、前記ガスタービンの燃焼器（１５）からの加熱燃焼ガスを前記蒸気タービンのロータボア（２７）に導く、請求項１又は請求項２記載の発電プラント（１０）。
4. 前記ガスタービンの燃焼器（１５）から前記加熱燃焼ガスの少なくとも一部分を取出すための出口（３７）をさらに含む、請求項３記載の発電プラント（１０）。
5. 前記加熱燃焼ガスの少なくとも一部分を前記蒸気タービンのロータボア（２７）に導入するためのシステム（３５）をさらに含む、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の発電プラント（１０）。
6. 前記蒸気タービン（１３）から排出された蒸気を凝縮させる凝縮器（２９）をさらに含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の発電プラント（１０）。
7. （ｉ）圧縮機（１４）、燃焼器（１５）、及び加熱燃焼ガスを膨張させるためのタービン（１６）を含むガスタービン（１１）と、（ｉｉ）熱回収蒸気発生器（１２）と、（ｉｉｉ）その中に軸方向に配置されたロータボア（２７）を有するロータを含む蒸気タービン（１３）とを有する発電プラント（１０）において、起動中に前記蒸気タービン（１３）を加熱する方法であって、
   前記圧縮機（１４）内で周囲空気を加圧して加圧空気を生成するステップと、
   前記加圧空気を可燃性燃料と共に燃焼させて加熱燃焼ガスを生成するステップと、
   前記燃焼器（１５）から、前記タービン（１６）で膨張させる前の前記加熱燃焼ガスの少なくとも一部分を取出すステップと、
   前記加熱燃焼ガスを前記蒸気タービン（１３）のロータボア（２７）に供給して、該加熱燃焼ガスにより前記ロータを加熱するようにするステップと
   を含む、方法。
   

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