JP2012132452A

JP2012132452A - 複合サイクル発電プラントの効率及び水回収を高めるためのシステム及び方法

Info

Publication number: JP2012132452A
Application number: JP2011278141A
Authority: JP
Inventors: Ching-Jen Tang; チン−チェン・タン; Andrew Maxwell Peter; アンドリュー・マクスウェル・ピーター; Andrew Philip Shapiro; アンドルリュー・フィリップ・シャピロ; Harish Chandra Dhingra; ハリッシュ・チャンドラ・ディングラ; Donald Gordon Laing; ドナルド・ゴードン・ライング
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2012-07-12
Also published as: EP2508722A2; EP2508722A3; US20120159924A1

Abstract

【課題】複合サイクル発電プラントを提供する。
【解決手段】複合サイクル発電プラント１０は、ガスタービン１６と、復水タービン４０と、蒸気タービン１８と、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）３２とを含む。ＨＲＳＧ３２は、ガスタービン１６から第１の温度で受けた排気ガスにより伝達された熱に応答して蒸気タービン１８を駆動するための蒸気を生成しかつ第１の温度よりも低い第２の温度で復水タービン４０に排気ガスを送達するように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、総括的には複合サイクルプラントに関し、より具体的には、約３０よりも大きい圧力比で運転されるガスタービンを使用して複合サイクル発電プラントの効率及び水回収を高めるためのシステム及び方法に関する。

複合サイクル発電プラントは、ガスタービン及び蒸気タービンを組合せて使用して、電力を生成する。発電プラントは、ガスタービンが熱回収蒸気発生器（「ＨＲＳＧ」）を介して蒸気タービンに熱的に連結されるように配置される。ＨＲＳＧは、他の方法では廃棄されるガスタービン排気ガスによって給水が加熱される蒸気発生プロセスになるのを可能にする非接触熱交換器である。従来型の設計では、ＨＲＳＧは常に、ガスタービンの下流に設置される。

複合サイクル発電プラント用のＨＲＳＧの寸法を縮小するために、種々の技術が使用されてきた。１つの公知の技術は、ＨＲＳＧの熱伝達表面を減少させることを含むが、そのことは発電プラントの電気効率を低下させることになる。また、タービン排気ガスから水を回収する種々の技術が使用されてきた。幾つかの公知の技術は、液体乾燥剤システム又は空気冷却復水器の使用を含む。

米国特許第６，６０４，３５４号明細書

公知の技術を使用している複合サイクル発電プラントで現在達成可能であるよりもコスト効果がある方法で高い電気効率が得られる複合サイクル発電プラントに対する必要性が存在する。複合サイクル発電プラント用のＨＲＳＧは、より小型であり、コストの低減が得られるべきである。複合サイクル発電プラントはまた、現在公知の技術を使用している複合サイクル発電プラントよりもコスト効果がある方法でガスタービン排気ガスから水を回収することができなければならない。

本発明の１つの実施形態によると、複合サイクル発電プラントは、ガスタービンと、復水段と、蒸気タービンと、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）とを含み、復水段は、ガスタービンにより発生した排気ガスから水を回収するように構成され、またガスタービン、復水段、蒸気タービン及びＨＲＳＧは共に、回収した水から発生した水蒸気の潜熱を有用な電気に変換するように構成される。

本発明の別の実施形態によると、複合サイクル発電プラントは、ガスタービンと、復水タービンと、蒸気タービンと、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）とを含み、ＨＲＳＧは、複合サイクルにおいてガスタービンの下流にかつ復水タービンの上流に連結され、またｑ１ＨＲＳＧは、蒸気タービンを駆動するための蒸気を生成するように構成される。

本発明のさらに別の実施形態によると、複合サイクル発電プラントは、ガスタービンと、復水タービンと、蒸気タービンと、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）とを含み、ＨＲＳＧは、ガスタービンから第１の温度で受けた排気ガスにより伝達された熱に応答して蒸気タービンを駆動するための蒸気を生成しかつ第１の温度よりも低い第２の温度で復水タービンに排気ガスを送達するように構成される。

本発明のこれらの及びその他の特徴、態様並びに利点は、添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより一層良好に理解されるようになるであろう。

１つの実施形態による複合サイクル発電プラントを示す図。１つの実施形態による航空機転用ガスタービン複合サイクル発電プラントを示す図。

上記の図面の図は、幾つかの特定の実施形態を表しているが、以下の説明において述べるように本発明のその他の実施形態もまた考えられる。全てのケースにおいて、本開示は、本発明の例示した実施形態を限定としてではなく説明として提示している。当業者には、多くのその他の変更形態及び実施形態を案出することができるが、それらもまた、本発明の原理の技術的範囲及び技術思想の範囲内に属する。

図１は、１つの実施形態による複合サイクル発電プラント１０を示している。発電プラント１０は、燃焼システム１４及びタービン１６を備えた高圧ガスタービンシステム１２を含む。タービン１６から流出したガスは、１つの特定の用途では、例えば約４５ｐｓｉの圧力とすることができる。発電プラント１０はさらに、蒸気タービンシステム１８を含む。蒸気タービンシステム１８は、高圧セクション２０、中圧セクション２２、並びに１つ又はそれ以上の低圧セクション２４を含む。低圧セクション２４は、復水器２６内に排出する。

蒸気タービンシステム１８は、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）３２と組合される。ＨＲＳＧ３２は逆流熱交換器であり、給水がそれを通って流れる時に、タービン１６からの排気ガスが熱を放出しかつ低温になるにつれてその水を加熱するようになる。ＨＲＳＧ３２は、３つの異なる作動圧力（高、中及び低）を有し、蒸気タービンシステム１８の対応する段に供給される蒸気として様々な圧力及び温度の蒸気を発生させるための手段を備えた状態になっている。しかしながら、本発明はそれに限定されるものではなく、また２つの圧力のＨＲＳＧを備えた実施形態のようなその他の実施形態も本明細書に記載した原理を使用して作動することになることを理解されたい。蒸気タービンシステム１８は、例えば低圧蒸気タービン３４、中圧蒸気タービン３６及び高圧蒸気タービン３８を含むことができる。各セクション２０、２２、２４は一般的に、１つ又はそれ以上のエコノマイザ、蒸発器及び過熱器を含む。

複合サイクル発電プラントはさらに、低圧復水タービン４０を含む。高圧タービン１６から流出するガス４２の温度は、特定の用途要件に基づいて最適値になっている。この温度は、例えば１つの特定の用途では約１１００°Ｆとすることができる。最適ガス４２は、ＨＲＳＧ３２に流入してボトミングサイクルを実行し、このボトミングサイクルでは、ガスが、例えば１つの特定の用途では約１８０°Ｆとすることができるより低い温度に冷却される。冷却ガスは、低圧復水タービン４０に流入してより多くの電力を生成する。

低圧復水タービン４０は、低温高圧タービン排気ガスをおよそ大気圧まで膨張させる。一般的に、低圧復水タービン４０から流出するガスの温度は、露点以下であって、該低圧復水タービン４０の出口において水滴の形成を引起こす。低圧復水タービン４０から流出する湿潤ガスは、湿分分離器４４に流入し、湿分分離器４４において水が回収されかつ水除去排気ガスが排気ガス筒４６を通して大気に排出される。

ＨＲＳＧ３２は、タービン排気ガス４２の熱を使用して３つの蒸気ストリーム、つまり高圧蒸気ストリーム４８、中圧蒸気ストリーム５０及び低圧蒸気ストリーム５２を生成する。これら３つの蒸気ストリーム４８、５０、５２は、高、中及び低圧蒸気タービン３８、３６、３４に流入して電力を生成する。高圧蒸気タービン３８から抽出された高圧蒸気ストリーム５４は、ガスタービン燃焼器１４に噴射される。

低圧蒸気タービンから流出した後に、蒸気ストリームは復水器２６に流入し、復水器２６において、蒸気が液体水に凝縮（復水）される。復水器２６から流出する液体水は、補給水５６並びに湿分分離器４４及びＨＲＳＧ３２からの水ストリーム５８、６０と共に集水装置６２に流入する。

適当量の水が、集水装置６２からＨＲＳＧ３２にポンプ圧送６４され、ＨＲＳＧ３２において、水が高圧ガスタービン排気から熱を吸収して蒸気ストリーム４８、５０、５２を発生させる。３つの蒸気ストリーム４８、５０、５２は、蒸気タービン３８、３６、３４に流入してボトミングサイクルを完了する。

概要説明において、高い圧力比で運転されるガスタービンとの複合サイクルの効率を大幅に高めかつタービン排気ガスから水を回収する複合サイクルプラント発電方式を説明してきた。本明細書に記載した原理を使用する１つの態様によると、少なくとも１つの公知の複合サイクルは、少なくとも３％ポイントほどその効率を高められかつ復水タービン段を使用して水を回収する。本明細書に記載した実施形態によると、ＨＲＳＧは常に、ＨＲＳＧが高圧ガスタービン段及び低圧ガスタービン（復水）段間に連結された状態で、従来型の複合サイクル発電プラント方式においてガスタービンの下流に設置される。本明細書に記載した実施形態におけるＨＲＳＧは、高圧タービン排気ガスから熱を回収して、ボトミングサイクルのための蒸気を発生させるので、ＨＲＳＧの寸法は、大幅に縮小させることができる。１つの実施形態によると、高圧タービン排気ガスは、特定のタービン設計及び用途に応じて約５０ｐｓｉとすることができる。ボトミングサイクルは、１つの実施形態によると約１１００°Ｆの温度のタービン排気ガスによって実行されるので、ボトミングサイクル効率は、該ボトミングサイクルが７００°Ｆ〜８００°Ｆの温度のタービン排気ガスによって実行される従来型の複合サイクル発電プラント方式を使用して達成可能であるものよりも高くなる。さらに、本明細書に記載した原理を使用して高圧ガスタービンとの組合せで低圧（復水）ガスタービンを使用することにより、ＨＲＳＧから流出するガスの膨張及び排気ガスからの水の復水が可能になる。従って、本明細書に記載した実施形態は、ガスタービンの復水段を使用してタービン排気ガスから水を回収しかつ水蒸気の潜熱を有用な電気に変換して、より高い複合サイクル効率をもたらす。

図２は、１つの実施形態による航空機転用ガスタービン複合サイクル発電プラント１００を示している。発電プラント１００は、ニューヨーク州スケネクタディ所在のＧｅｎｅｒａｌＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｍｐａｎｙによって製造されたＬＭＳ１００型ガスタービンを使用した複合サイクル発電プラントである。図１を参照して本明細書に説明した原理を採用した場合には、ＬＭＳ１００型複合サイクルの効率は、少なくとも３％ポイントほど高められかつ復水タービン段を使用して水が回収されることを明示している。

様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは、当業者には分かるであろう。

１０複合サイクル発電プラント
１２高圧ガスタービン
１４燃焼システム
１６タービン
１８蒸気タービンシステム
２０蒸気タービンシステム高圧セクション
２２蒸気タービンシステム中圧セクション
２４蒸気タービンシステム低圧セクション
２６復水器
３２熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）
３４低圧蒸気タービン
３６中圧蒸気タービン
３８高圧蒸気タービン
４０低圧復水タービン
４２高圧タービンから流出するガス
４４湿分分離器
４６排気ガス筒
４８高圧蒸気ストリーム
５０中圧蒸気ストリーム
５２低圧蒸気ストリーム
５４高圧蒸気ストリーム
５６補給水
５８水ストリーム
６０水ストリーム
６２集水装置
１００航空機転用ガスタービン複合サイクル発電プラント
１０２ＧｅｎｅｒａｌＥｌｅｃｔｅｉｃによるＬＭＳ１００型ガスタービン

Claims

複合サイクル発電プラント（１０）であって、
ガスタービン（１６）と、
復水タービン（４０）と、
蒸気タービン（１８）と、
熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）（３２）と、を含み、
前記ＨＲＳＧ（３２）が、前記ガスタービン（１６）から第１の温度で受けた排気ガスにより伝達された熱に応答して前記蒸気タービン（１８）を駆動するための蒸気を生成しかつ前記第１の温度よりも低い第２の温度で前記復水タービン（４０）に排気ガスを送達するように構成される、
複合サイクル発電プラント（１０）。
前記復水タービン（４０）により生成された湿潤ガスを受けかつ該湿潤ガスから水を分離するように構成された湿分分離器（４４）をさらに含む、請求項１記載の複合サイクル発電プラント（１０）。
前記湿分分離器（４４）により分離された水を回収するように構成された集水装置（６２）をさらに含む、請求項２記載の複合サイクル発電プラント（１０）。
前記復水タービン（４０）が、前記冷却したガスタービン排気ガスをおよそ大気圧に膨張させるように構成される、請求項１記載の複合サイクル発電プラント（１０）。
前記ガスタービン（１６）が、約３０よりも大きい圧力比で運転されるように構成される、請求項１記載の複合サイクル発電プラント（１０）。
前記ガスタービン（１６）が、ほぼ大気圧よりも高い圧力でガスを排出するように構成され、また
前記復水タービン（４０）が、ほぼ大気圧でガスを排出するようにさらに構成される、
請求項１記載の複合サイクル発電プラント（１０）。
複合サイクル発電プラント（１０）であって、
ガスタービン（１６）と、
復水タービン（４０）と、
蒸気タービン（１８）と、
熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）（３２）と、を含み、
前記ＨＲＳＧ（３２）が、該複合サイクルにおいて前記ガスタービン（１６）の下流にかつ前記復水タービン（４０）の上流に連結され、また
前記ＨＲＳＧ（３２）が、前記蒸気タービン（１８）を駆動するための蒸気を生成するように構成される、
複合サイクル発電プラント（１０）。
前記ＨＲＳＧ（３２）が、前記ガスタービン（１６）から第１の温度で受けた排気ガスにより伝達された熱に応答して前記蒸気タービン（１８）を駆動するための蒸気を生成しかつ前記第１の温度よりも低い第２の温度で前記復水タービン（４０）に排気ガスを送達するように構成される、請求項７記載の複合サイクル発電プラント（１０）。
複合サイクル発電プラント（１０）であって、
ガスタービン（１６）と、
復水段（４０）と、
蒸気タービン（１８）と、
熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）（３２）と、を含み、
前記復水段（４０）が、前記ガスタービン（１６）により発生した排気ガスから水を回収するように構成され、また
前記ガスタービン（１６）、復水段（４０）、蒸気タービン（１８）及びＨＲＳＧ（３２）が共に、前記回収した水から発生した水蒸気の潜熱を有用な電気に変換するように構成される、
複合サイクル発電プラント（１０）。
前記ＨＲＳＧ（３２）が、前記ガスタービン（１６）から第１の温度で受けた排気ガスにより伝達された熱に応答して前記蒸気タービン（１８）を駆動するための蒸気を生成しかつ前記第１の温度よりも低い第２の温度で前記復水タービン（４０）に排気ガスを送達するように構成される、請求項９記載の複合サイクル発電プラント（１０）。