JP7134688B2

JP7134688B2 - 蓄熱システムを備えた中間冷却式タービン

Info

Publication number: JP7134688B2
Application number: JP2018081962A
Authority: JP
Inventors: ダグラス・アラン・ジョーンズ; チン－ジェン・タン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2017-04-27
Filing date: 2018-04-23
Publication date: 2022-09-12
Anticipated expiration: 2038-04-23
Also published as: US20180313270A1; JP2018200047A; EP3396118A1; CN108798902A; US10704467B2; CN108798902B; EP3396118B1

Description

本出願およびその結果の特許は、一般に、ガスタービンエンジンに関し、より具体的には、流入空気流を加熱または冷却して全体の効率および性能を改善することができる蓄熱システムを備えた中間冷却式タービンに関する。

中間冷却式ガスタービンエンジンの全体の効率および電力出力は、典型的には、周囲温度に部分的に依存し得る。上昇した周囲温度環境における中間冷却式ガスタービンエンジンの性能は、入口冷却および十分に低いインタークーラ温度を提供するような冷却サイクルを使用しなければ、低下する可能性がある。高いタービン圧力比と低い排気温度とを組み合わせた圧縮機インタークーラは、全体の効率を改善することができる。このような冷却を提供するために、入口チラー、冷却塔、乾燥クーラなどを設けることができる。しかし、これらの冷却構成要素を追加すると、エンジンの周辺部が大型かつ高価となり、寄生電力および多量の水を消費するようになってしまうことが多い。同様に、周囲温度が低いと、圧縮機内または圧縮機の上流に氷が形成される可能性がある。空気抽出を使用して、流入空気流を加熱することができる。しかし、このような抽出はまた、寄生的な損失ともみなされ得る。

したがって、本出願およびその結果の特許は、インタークーラを有するガスタービンエンジンと共に使用するための蓄熱システムを提供する。蓄熱システムは、インタークーラと連通する二次冷却器と、二次冷却器およびインタークーラと連通する熱エネルギ貯蔵タンクと、ガスタービンエンジンの周りに配置され、熱エネルギ貯蔵タンクと連通する温度調節装置とを含んでもよい。

本出願およびその結果の特許は、中間冷却式ガスタービンエンジンの空気入口を所望の温度に維持する方法をさらに提供する。方法は、第１の周囲温度の期間中に熱エネルギ貯蔵タンクに熱交換流体を充填するステップ、第２の周囲温度の期間中に空気入口の周りに熱交換流体を流すステップ、および／または第２の周囲温度の期間中にガスタービンエンジンのインタークーラの周りに熱交換流体を流すステップを含んでもよい。

本出願およびその結果の特許は、ガスタービンエンジンをさらに提供する。ガスタービンエンジンは、低圧圧縮機と、高圧圧縮機と、低圧圧縮機と高圧圧縮機との間に配置されたインタークーラと、インタークーラおよび低圧圧縮機と連通する蓄熱システムとを含んでもよい。蓄熱システムは、インタークーラと連通する熱エネルギ貯蔵タンクと、低圧圧縮機の周りに配置され、熱エネルギ貯蔵タンクと連通する温度調節装置とを含んでもよい。

本出願およびその結果の特許のこれらのおよび他の特徴もしくは改良は、いくつかの図面および添付の特許請求の範囲と併せて、以下の詳細な説明を検討することにより当業者には明らかになるであろう。

中間冷却式ガスタービンエンジンの概略図である。本明細書で説明されるような蓄熱システムを備えた図１の中間冷却式ガスタービンの概略図である。本明細書で説明されるような蓄熱システムの代替の実施形態を備えた図１の中間冷却式ガスタービンの概略図である。

ここで図面を参照すると、いくつかの図を通して類似の符号は類似の要素を指し、図１は、インタークーラシステム１２を含むガスタービンエンジン１０の概略図である。ガスタービンエンジン１０は、直列流れ関係で、低圧圧縮機またはブースタ１４と、高圧圧縮機１６と、缶環状燃焼器１８と、高圧タービン２０と、中圧タービン２２と、パワータービンまたはフリータービン２４とを含む。低圧圧縮機またはブースタ１４は、入口２６と、出口２８とを有することができる。高圧圧縮機１６は、入口３０と、出口３２とを含むことができる。各燃焼器缶１８は、高圧圧縮機出口３２および出口３６と実質的に一致する入口３４を有することができる。燃焼器１８は、環状燃焼器、乾式低エミッション（ＤＬＥ）燃焼器などであってもよい。

高圧タービン２０は、第１のロータシャフト４０によって高圧圧縮機１６に結合することができる。中間タービン２２は、第２のロータシャフト４２によって低圧圧縮機１４に結合することができる。ロータシャフト４０および４２は各々、ガスタービンエンジン１０の長手方向中心線軸線４３に対して実質的に同軸に位置合わせされてもよい。ガスタービンエンジン１０は、パワータービンシャフト４４に結合され得る負荷（図示せず）を駆動するために使用することができる。あるいは、負荷は、ロータシャフト４２の前方延長部（図示せず）に結合されてもよい。

動作中、周囲空気は、低圧圧縮機入口２６に引き込まれ、その中で圧縮され、高圧圧縮機１６の下流に送られ得る。高圧圧縮機１６は、空気をさらに圧縮し、次に高圧空気を燃焼器１８に供給する。燃焼器１８は、空気の流れを燃料の流れと混合し、混合物を点火して高温燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、燃焼器１８から送られて１つまたは複数のタービン２０、２２、および２４を駆動することができる。

ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、液体燃料、様々なタイプの合成ガス、および／または他のタイプの燃料ならびにそれらの配合物を使用することができる。ガスタービンエンジン１０は、ニューヨーク州スケネクタディのゼネラルエレクトリック社が提供する多数の異なるガスタービンエンジンのうちの任意の１つであってもよく、これはＬＭＳ１００航空転用型ガスタービン、７または９シリーズのヘビーデューティガスタービンエンジンなどを含むが、これらに限定されない。ガスタービンエンジン１０は、異なる構成を有してもよく、かつ他のタイプの構成要素を使用してもよい。他のタイプのガスタービンエンジンもまた、本明細書で使用することができる。複数のガスタービンエンジン、他のタイプのタービン、および他のタイプの発電設備もまた、共に本明細書で使用してもよい。

ガスタービンエンジン１０の電力出力は、ガス流路に沿った様々な位置でのガス流の温度に少なくとも部分的に関係する。より具体的には、高圧圧縮機出口３２でのガス流の動作温度は、ガスタービンエンジン１０の動作中に厳密に監視することができる。高圧圧縮機１６に入るガス流の動作温度を低下させることにより、高圧圧縮機１６によって要求される電力入力を容易に低減することができる。

高圧圧縮機１６に入るガス流の動作温度を容易に低下させるために、インタークーラシステム１２は、低圧圧縮機１４に流れ連通状態で結合されるインタークーラ５０を含むことができる。低圧圧縮機１４への空気流５１をそこで加圧することができ、加圧流５３をインタークーラ５０に送ることで、冷却空気５５を高圧圧縮機１６に戻す前に冷却を行うことができる。

動作中、インタークーラ５０は、ガス流路から抽出された熱を除去するために、冷却流体５８を流すことができる。冷却流体５８は、空気であってもよく、インタークーラ５０は、空気対空気の熱交換器であってもよい。あるいは、冷却流体５８は、水であってもよく、インタークーラ５０は、空気対水の熱交換器であってもよい。インタークーラ５０は、圧縮空気流５３から熱エネルギを抽出し、冷却圧縮空気５５を高圧圧縮機１６に戻すことができる。より具体的には、インタークーラ５０は、冷却流体５８が循環する多数のチューブ（図示せず）を含むことができる。熱は、圧縮空気５３から多数のチューブ壁（図示せず）を通り、入口６０を通してインタークーラ５０に供給される冷却流体５８に伝達され得る。したがって、インタークーラ５０は、低圧圧縮機１４と高圧圧縮機１６との間の熱を排除することを容易にする。したがって、高圧圧縮機１６に入る空気の温度を低下させることにより、高圧圧縮機１６によって消費されるエネルギが低減され、空気を所望の動作圧力に圧縮することが容易になる。このような低減は、ガスタービンエンジンの圧力比の増加を促進して、ガスタービンエンジン１０から抽出されるエネルギの増加およびより高い正味動作効率をもたらすことができる。

図２は、ガスタービンエンジン１０と共に使用することができる蓄熱システム１００の一例の概略図である。蓄熱システム１００は、二次冷却器１１０を含むことができる。二次冷却器１１０は、インタークーラ５０を通って流れる冷却流体５８と熱交換することができる。二次冷却器１１０は、二次冷却流体１２０を内部に有することができる。（冷却流体１２０は、上の冷却流体５８の流れと同じでも異なっていてもよい）。二次冷却器１１０は、任意の適切なサイズ、形状、または構成を有してもよい。二次冷却流体１２０は、二次ポンプ１３０を介してインタークーラ５０と二次冷却器１１０との間を循環することができる。二次ポンプ１３０は、任意の適切なサイズ、形状、構成、または容量を有してもよい。二次入口ライン１４０および二次出口ライン１５０を使用して、二次冷却流体１２０を循環させることができる。他の構成要素および他の構成を、本明細書で使用してもよい。

蓄熱システム１００はまた、熱エネルギ貯蔵タンク（「ＴＥＳタンク」）１６０を含むことができる。ＴＥＳタンク１６０は、従来の層状水蓄熱システム、すなわち、層状化タンクであり、温水がタンクの頂部に上昇し、冷水が底部に沈む。ＴＥＳタンク１６０は、任意の適切なサイズ、形状、または構成を有してもよい。他のタイプの熱エネルギ貯蔵装置を、本明細書で使用してもよい。第１のＴＥＳタンクライン１７０は、二次入口ライン１４０と連通することができる。第２のＴＥＳタンクライン１８０は、二次出口ライン１５０と連通することができる。多数のＴＥＳバルブ１９０、ＴＥＳバイパス２００、およびＴＥＳポンプ２１０が使用されてもよい。ＴＥＳ構成要素は、任意の適切なサイズ、形状、または構成を有してもよい。したがって、ＴＥＳタンクライン１７０、１８０は、冷却流体５８および／または二次冷却流体１２０をインタークーラ５０、二次冷却器１１０、およびＴＥＳタンク１６０の間で必要に応じて循環させる。他の構成要素および他の構成を、本明細書で使用してもよい。

蓄熱システム１００はまた、凝縮液コレクタ２２０を含んでもよい。凝縮液コレクタ２２０は、インタークーラ５０と連通することができる。凝縮液コレクタ２２０は、周囲湿度レベルおよび他のパラメータに応じて、インタークーラ５０で生成された凝縮物を収集することができる。凝縮液コレクタ２２０は、凝縮液ライン２３０および凝縮液ポンプ２４０を介してＴＥＳタンク１６０と連通することができる。凝縮液の流れを使用して、ＴＥＳタンク１６０を充填することができる。凝縮液コレクタ２２０およびその構成要素は、任意の適切なサイズ、形状、構成、または容量を有してもよい。他の構成要素および他の構成を、本明細書で使用してもよい。

蓄熱システム１００はまた、温度調節装置２４５を含んでもよい。この例では、温度調節装置２４５は、蒸発冷却器２５０などであってもよい。蒸発冷却器２５０は、低圧圧縮機１４の入口２６の周りに配置されて流入空気流５１を冷却することができる。蒸発冷却器２５０は、従来の設計のものであってもよい。蒸発冷却器２５０は、任意の適切なサイズ、形状、構成、または容量を有してもよい。蒸発冷却器２５０は、流入用蒸発冷却器ライン２６０、および流出用蒸発冷却器ライン２７０、ならびに蒸発冷却器ポンプ２７５を介してＴＥＳタンク１６０と連通することができる。蒸発冷却器構成要素は、任意の適切なサイズ、形状、構成、または容量を有してもよい。他の構成要素および他の構成を、本明細書で使用してもよい。

使用中、ＴＥＳタンク１６０は、二次冷却器１１０からの冷却水で充填され、ガスタービンエンジン１０は、比較的低い周囲温度および電力価格で動作し、夜間などは停止される。二次冷却器１１０は、排出を行いながら動作してもよく、または昼／夜の温度および電力価格の変動を利用しなくてもよい。冷却水は、日中に蒸発冷却器２５０に圧送されて流入空気流５１を冷却することができ、一方でＴＥＳタンク１６０は、凝縮液コレクタ２２０を介して補充され得る。あるいは、冷却水はまた、インタークーラ５０および／または発電機などを介して高圧圧縮機１６を冷却するように使用されてもよい。他の構成要素および他の構成を、本明細書で使用してもよい。

図３は、本明細書で説明されるような蓄熱システム２８０の代替の実施形態を示す。蒸発冷却器２５０として凝縮液コレクタ２２０および温度調節装置２４５の代わりに、この例は、温度調節装置２４５として入口熱交換コイル２９０を含んでもよい。入口熱交換コイル２９０は、チラー３００と連通することができる。入口熱交換コイル２９０は、低圧圧縮機１４の入口２６の周りに配置されて流入空気流５１を加熱または冷却することができる。入口熱交換コイル２９０は、従来の設計のものであってもよく、任意の適切なサイズ、形状、構成、または容量を有してもよい。チラー３００は、必要に応じて冷却流体を入口熱交換コイル２９０に供給することができる。チラー３００は、従来の設計のものであってもよく、任意の適切なサイズ、形状、構成、または容量を有してもよい。適切な流入ライン３１０、流出ライン３２０、コイルポンプ３３０、チラーバイパス３４０、およびチラーバルブ３５０を使用することができる。他の構成要素および他の構成を、本明細書で使用してもよい。

蓄熱システム２８０を使用して、低圧圧縮機１４に入る流入空気流５１を加熱もしくは冷却、または高圧圧縮機１６および／もしくは発電機などに入る空気流５３を冷却することができる。上記のように、蓄熱システム２８０は、ＴＥＳタンク１６０からの冷却水を入口熱交換コイル２９０またはインタークーラ５０に供給して、日中に冷却を行い、夜間は冷却水を貯蔵することができる。加熱モードでは、蓄熱システム２８０は、インタークーラ５０からの温水を貯蔵し、入口熱交換器２５０に貯蔵された温水を使用して氷形成を防止することができる。

蓄熱システム２８０は、異なる動作モードを有してもよい。第１のモードでは、ＴＥＳタンク１６０は、ＴＥＳタンク１６０が充填も排出もされないように、二次冷却器１１０とチラー３００の両方から分離されてもよい。第２のモードでは、チラー３００のみが入口空気熱交換コイル２９０を冷却するために使用され、二次冷却器１１０を使用せずにＴＥＳタンク１６０からの冷却水を使用して、インタークーラ５０を冷却する。第３のモードでは、チラー３００のみが入口空気熱交換コイル２９０を冷却するために使用され、ＴＥＳタンク１６０および二次冷却器１１０からの冷却水を使用して、インタークーラ５０を冷却する。第４のモードでは、ＴＥＳタンク１６０からの冷却水を使用して、入口空気熱交換コイル２９０とインタークーラ５０の両方を冷却する。第５のモードでは、ＴＥＳタンク１６０からの冷却水を使用して、入口空気熱交換コイル２９０を冷却し、ＴＥＳタンク１６０と二次冷却器１１０の両方からの冷却水を使用して、インタークーラ５０を冷却する。この方法は、チラーを含まなくてもよい。第６のモードでは、ＴＥＳタンク１６０は、二次冷却器１１０からの冷却水で充填することができる。第７のモードでは、温水が二次冷却器１１０およびチラー３００で連続的に冷却され、次いでＴＥＳタンク１６０に貯蔵することができる。ここで充填した後、得られた冷却水は、周囲温度より低くなり得る。加熱モードでは、二次冷却器１１０からの温水はＴＥＳタンク１６０に貯蔵され、次いで入口空気熱交換コイル２９０に圧送されて氷形成を防止することができる。他の動作モードを、本明細書で使用してもよい。

したがって、蓄熱システム２８０は、低圧圧縮機１４および高圧圧縮機１６ならびに／または発電機などに入る空気を所望の温度に維持し、ガスタービンエンジン１０全体の出力および効率を最大化することができる。１つまたは複数のＴＥＳタンク１６０などを、本明細書で使用してもよい。蓄熱システム２８０は、真夏日などにおける中間冷却式ガスタービンの全体性能を改善することができる。

上記は、本出願およびその結果の特許の特定の実施形態のみに関するものであることは明らかである。当業者であれば、以下の特許請求の範囲およびその均等物により定義される本発明の一般的な趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書において数多くの変更および修正を行うことができる。

１０ガスタービンエンジン
１２インタークーラシステム
１４低圧圧縮機、ブースタ
１６高圧圧縮機
１８缶環状燃焼器、燃焼器缶
２０高圧タービン
２２中圧タービン、中間タービン
２４フリータービン
２６低圧圧縮機入口
２８出口
３０入口
３２高圧圧縮機出口
３４入口
３６出口
４０第１のロータシャフト
４２第２のロータシャフト
４３長手方向中心線軸線
４４パワータービンシャフト
５０インタークーラ
５１流入空気流
５３圧縮空気流、加圧流
５５冷却圧縮空気
５８冷却流体
６０入口
１００蓄熱システム
１１０二次冷却器
１２０二次冷却流体
１３０二次ポンプ
１４０二次入口ライン
１５０二次出口ライン
１６０ＴＥＳタンク
１７０第１のＴＥＳタンクライン
１８０第２のＴＥＳタンクライン
１９０ＴＥＳバルブ
２００ＴＥＳバイパス
２１０ＴＥＳポンプ
２２０凝縮液コレクタ
２３０凝縮液ライン
２４０凝縮液ポンプ
２４５温度調節装置
２５０蒸発冷却器、入口熱交換器
２６０流入用蒸発冷却器ライン
２７０流出用蒸発冷却器ライン
２７５蒸発冷却器ポンプ
２８０蓄熱システム
２９０入口熱交換コイル、入口空気熱交換コイル
３００チラー
３１０流入ライン
３２０流出ライン
３３０コイルポンプ
３４０チラーバイパス
３５０チラーバルブ

Claims

インタークーラ（５０）を有するガスタービンエンジン（１０）と共に使用するための蓄熱システム（１００，２８０）であって、当該蓄熱システム（１００，２８０）が、
二次入口ライン（１４０）及び二次出口ライン（１５０）を介して前記インタークーラ（５０）と連通する二次冷却器（１１０）と、
第１の熱エネルギ貯蔵タンクライン（１７０）及び第２の熱エネルギ貯蔵タンクライン（１８０）を介して前記二次冷却器（１１０）及び前記インタークーラ（５０）と連通する熱エネルギ貯蔵タンク（１６０）と、
前記ガスタービンエンジン（１０）に流入する空気の温度を調節するための温度調節装置（２４５）であって、前記ガスタービンエンジン（１０）の周りに配置され、前記熱エネルギ貯蔵タンク（１６０）と連通する温度調節装置（２４５）と
を備えており、前記二次タンク入口ライン（１４０）が第１の熱エネルギ貯蔵タンクライン（１７０）と連通しており、前記二次タンク出口ライン（１５０）が第２の熱エネルギ貯蔵タンクライン（１８０）と連通している、蓄熱システム（１００，２８０）。
前記ガスタービンエンジン（１０）が低圧圧縮機（１４）及び高圧圧縮機（１６）を備えており、前記インタークーラ（５０）が、前記低圧圧縮機（１４）と前記高圧圧縮機（１６）との間に配置される、請求項１に記載の蓄熱システム（１００，２８０）。
前記温度調節装置（２４５）が前記低圧圧縮機（１４）の周りに配置される、請求項２に記載の蓄熱システム（１００，２８０）。
前記温度調節装置（２４５）が蒸発冷却器（２５０）を備える、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の蓄熱システム（１００，２８０）。
前記インタークーラ（５０）及び前記熱エネルギ貯蔵タンク（１６０）と連通する凝縮液コレクタ（２２０）をさらに備える、請求項４に記載の蓄熱システム（１００，２８０）。
前記温度調節装置（２４５）が入口熱交換コイル（２９０）を備える、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の蓄熱システム（１００，２８０）。
前記入口熱交換コイル（２９０）が、前記ガスタービンエンジン（１０）の周りに熱又は冷却を提供する、請求項６に記載の蓄熱システム（１００，２８０）。
前記入口熱交換コイル（２９０）及び前記熱エネルギ貯蔵タンク（１６０）と連通するチラー（３００）をさらに備える、請求項６又は請求項７に記載の蓄熱システム（１００，２８０）。
前記チラー（３００）の周りにチラーバイパスラインをさらに備える、請求項８に記載の蓄熱システム（１００，２８０）。
前記入口熱交換コイル（２９０）及び前記熱エネルギ貯蔵タンク（１６０）と連通するコイルポンプ（３３０）をさらに備える、請求項８又は請求項９に記載の蓄熱システム（１００，２８０）。
第１の熱エネルギ貯蔵タンクライン（１７０）が第１のポンプを備え、第２の熱エネルギ貯蔵タンクライン（１８０）が第２のポンプを備える、請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の蓄熱システム（１００，２８０）。
前記熱エネルギ貯蔵タンク（１６０）が内部に水流を含み、前記熱エネルギ貯蔵タンク（１６０）が層状化タンクを備える、請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の蓄熱システム（１００，２８０）。
低圧圧縮機（１４）と、
高圧圧縮機（１６）と、
前記低圧圧縮機（１４）と前記高圧圧縮機（１６）との間に配置されたインタークーラ（５０）と、
前記インタークーラ（５０）及び前記低圧圧縮機（１４）と連通する蓄熱システム（１００，２８０）と
を備えるガスタービンエンジン（１０）であって、前記蓄熱システム（１００，２８０）が、
二次入口ライン（１４０）及び二次出口ライン（１５０）を介して前記インタークーラ（５０）と連通する二次冷却器（１１０）と、
第１の熱エネルギ貯蔵タンクライン（１７０）及び第２の熱エネルギ貯蔵タンクライン（１８０）を介して前記二次冷却器（１１０）及び前記インタークーラ（５０）と連通する熱エネルギ貯蔵タンク（１６０）と、
当該ガスタービンエンジン（１０）に流入する空気の温度を調節するための温度調節装置（２４５）であって、前記低圧圧縮機（１４）の周りに配置され、前記熱エネルギ貯蔵タンク（１６０）と連通する温度調節装置（２４５）と
を備えており、前記二次タンク入口ライン（１４０）が第１の熱エネルギ貯蔵タンクライン（１７０）と連通しており、前記二次タンク出口ライン（１５０）が第２の熱エネルギ貯蔵タンクライン（１８０）と連通している、ガスタービンエンジン（１０）。
前記温度調節装置（２４５）が蒸発冷却器（２５０）を備える、請求項１３に記載のガスタービンエンジン（１０）。
前記温度調節装置（２４５）が入口熱交換コイル（２９０）を備え、当該ガスタービンエンジン（１０）が、前記入口熱交換コイル（２９０）及び前記熱エネルギ貯蔵タンク（１６０）と連通するチラー（３００）をさらに備える、請求項１３に記載のガスタービンエンジン（１０）。