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技術 補助ガスタービンシステム用の過剰ガス流を生成する圧縮機を有する発電システム

出願人 ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ
発明者 サンジ・エカナヤケトーマス・ジョン・フリーマンジョン・デービッド・メマーティモシー・ジョセフ・レッジオールストン・イルフォード・シピオ
出願日 2016年3月17日 (5年5ヶ月経過) 出願番号 2016-053244
公開日 2016年10月6日 (4年11ヶ月経過) 公開番号 2016-176480
状態 特許登録済
技術分野 熱ガス機関 ガスタービン、高圧・高速燃焼室 特殊なサイクルを用いた機関設備
主要キーワード 部分流れ 貯蔵容器用 相対コスト 最大許容入力 溶鉱炉ガス 上流側バルブ 出力要件 追加ガス
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (3)

課題

より高い能力圧縮機を利用可能にする。

解決手段

ガスタービンシステム(102)が、タービン構成要素(104)、一体形圧縮機(106)、及び一体形圧縮機(106)からの空気と燃料とが供給される燃焼器(108)を含み、該燃焼器(108)が、タービン構成要素(104)に高温燃焼ガスを供給し、一体形圧縮機(106)が、燃焼器(108)及び/又はタービン構成要素(104)の吸入能力よりも大きな流れ能力を有して、過剰空気流(200)を生成する。第1の制御バルブステム(202)は、過剰空気流(200)の経路に沿った補助ガスタービンシステム(272)への過剰空気流(200)の流れを制御する。過剰空気流(200)は、燃料と共に燃焼して、補助ガスタービンシステム(272)に供給される。エダクター(252)を過剰空気流(200)の経路内に位置付けて、過剰空気流(200)を駆動量として用いて、追加ガスと共に過剰空気流(200)を増強する。

概要

背景

発電ステムは、多くの場合、1又はそれ以上の蒸気タービンシステムと結合することができる1又はそれ以上のガスタービンシステムを利用して電力を生成している。ガスタービンシステムは、回転シャフトを有する多段軸流圧縮機を含むことができる。空気は、圧縮機の入口に流入して圧縮機ブレード段により圧縮され、次いで燃焼器吐出されて、ここで天然ガスなどの燃料燃焼して高エネルギー燃焼ガス流を提供し、タービン構成要素を駆動するようにする。タービン構成要素において、高温ガスエネルギー仕事に変換され、その一部を使用して、回転シャフトを通じて一体形圧縮機を駆動することができ、残りの部分は、電気を生成するため回転シャフト(例えば、回転シャフトの延伸部)を介して発電機などの負荷を駆動するための有用な仕事に利用可能である。発電システム内では、複数のガスタービンシステムを並行して利用することができる。複合サイクルシステムでは、1又はそれ以上の蒸気タービンシステムもまた、1又は複数のガスタービンシステムと共に利用することができる。この設定では、1又は複数のガスタービンシステムからの高温排気ガスが1又はそれ以上の熱回収蒸気発生器HRSG)に送給されて蒸気を生成し、次いで、この蒸気は、1又は複数のガスタービンシステムとは別個の又は一体形の回転シャフトを有する蒸気タービン構成要素に送給される。何れの場合においても、蒸気のエネルギーは仕事に変換され、これを利用して電力を生成するための発電機のような負荷を駆動することができる。

発電システムが開発されるときには、該発電システムの部品は、協働して所望の出力を有するシステムをもたらすように構成される。需要に応じて出力を増大する能力及び/又は厳しい環境設定下で出力を維持する能力は、当該産業分野における継続的な課題である。例えば、真夏日では電力消費量が増大し、従って、発電需要が増大する。真夏日の別の課題は、温度が上昇すると圧縮機流量が減少し、その結果発電機出力が低下することである。出力を増大させる(又は例えば真夏日に出力を維持する)1つの手法は、1又は複数のガスタービンシステムの燃焼器への空気流を増大させることができる構成要素を発電システムに追加することである。空気流を増大させる1つの手法は、ガスタービン燃焼器送り込むための貯蔵容器を追加することである。しかしながら、この特定の手法は通常、貯蔵容器用に別個の動力源を必要とするので、効率的ではない。

空気流を増大させる別の手法は、圧縮機の性能を向上させることである。現在のところ、圧縮機は、先行する圧縮機よりも流れ能力が高くなるように改善されている。これらの新しくより高い能力の圧縮機は通常、同様に構成された新しい燃焼器か又は大きな能力を処理可能な旧式の燃焼器の何れにも対応するように製造される。より新しくより高い能力の圧縮機を利用するために旧式のガスタービンシステムの性能を向上させることにおける課題は、システムの他の高価な部品の性能を向上させることなく、大きな能力を処理することが可能ではないシステムと共により高い能力の圧縮機を利用する機構が、現在のところ存在しないことである。圧縮機の性能向上と同時に性能を向上させることが必要とされることが多い他の部品には、限定ではないが、燃焼器、ガスタービン構成要素、発電機、変圧器スイッチギヤ、HRSG、蒸気タービン構成要素、蒸気タービン制御バルブ、その他が挙げられる。そのため、圧縮機の性能向上が理論的には望ましいにもかかわらず、他の部品の性能を向上させるコストが追加されることで、追加費用に起因して性能向上が望ましくないものとなる。

概要

より高い能力の圧縮機を利用可能にする。ガスタービンシステム(102)が、タービン構成要素(104)、一体形圧縮機(106)、及び一体形圧縮機(106)からの空気と燃料とが供給される燃焼器(108)を含み、該燃焼器(108)が、タービン構成要素(104)に高温燃焼ガスを供給し、一体形圧縮機(106)が、燃焼器(108)及び/又はタービン構成要素(104)の吸入能力よりも大きな流れ能力を有して、過剰空気流(200)を生成する。第1の制御バルブシステム(202)は、過剰空気流(200)の経路に沿った補助ガスタービンシステム(272)への過剰空気流(200)の流れを制御する。過剰空気流(200)は、燃料と共に燃焼して、補助ガスタービンシステム(272)に供給される。エダクター(252)を過剰空気流(200)の経路内に位置付けて、過剰空気流(200)を駆動量として用いて、追加ガスと共に過剰空気流(200)を増強する。

目的

需要に応じて出力を増大する能力及び/又は厳しい環境設定下で出力を維持する能力は、当該産業分野における継続的な課題である

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

発電ステム(100)であって、発電機(122,166)と、前記発電機(122,166)に動力を供給するガスタービンシステム(102)と、を備え、前記ガスタービンシステム(102)が、タービン構成要素(104)、一体形圧縮機(106)、及び前記一体形圧縮機(106)からの空気と燃料とが供給される燃焼器(108)を含み、前記燃焼器(108)が、前記タービン構成要素(104)に高温燃焼ガスを供給するよう構成され、前記一体形圧縮機(106)が、前記燃焼器(108)及び前記タービン構成要素(104)のうちの少なくとも一方の吸入能力よりも大きな流れ能力を有して、過剰空気流(200)を生成し、前記発電システム(100)が更に、補助発電機(278)に動作可能に結合された補助タービン構成要素(276)に高温燃焼ガスを供給するよう構成された補助燃焼器(274)を含む補助ガスタービンシステム(272)と、過剰空気流(200)の経路に沿って前記過剰空気流(200)の流れを制御する第1の制御バルブシステム(202)と、を備え、前記過剰空気流(200)の経路が、前記過剰空気流(200)を前記補助燃焼器(274)の吸入口に送給し、前記補助燃焼器(274)が、過剰空気流(200)を燃料と燃焼させて前記補助タービン構成要素(276)用の高温燃焼ガスを生成する、発電システム(100)。

請求項2

前記タービン構成要素(104)の排気ガス(172,280)が、熱回収蒸気発生器(122,166)(HRSG)に送給されて、蒸気タービンシステム(160)のための蒸気を生成する、請求項1に記載の発電システム(100)。

請求項3

前記HRSGがまた、コジェネレーション蒸気負荷(170)に蒸気を送給する、請求項2に記載の発電システム(100)。

請求項4

前記第1の制御バルブシステム(202)が、前記一体形圧縮機(106)の排気ガスから取り込まれた前記過剰空気流(200)の第1の部分を制御する圧縮吐出制御バルブ(206)と、前記排気ガスから上流側で前記一体形圧縮機(106)の段から取り込まれた前記過剰空気流(200)の第2の部分を制御する上流側制御バルブと、を含む、請求項1に記載の発電システム(100)。

請求項5

前記過剰空気流(200)の各部分の流量を測定するための少なくとも1つのセンサ(220)を更に備え、前記各センサ(220)がそれぞれの制御バルブに動作可能に結合される、請求項4に記載の発電システム(100)。

請求項6

追加ガスと共に前記過剰空気流(200)を増強するための駆動力として前記過剰空気流(200)を用いるための過剰空気流(200)の経路に位置付けられたエダクター(252)を更に備え、該エダクターが、増強過剰ガス流(270)を生成し、前記過剰空気流(200)の経路が、前記増強過剰ガス流(270)を前記補助燃焼器(274)の吸入口に送給し、前記補助燃焼器(274)が前記増強過剰ガス流(270)を燃料と燃焼させて前記補助タービン構成要素(276)用の高温燃焼ガスを生成する、請求項4に記載の発電システム(100)。

請求項7

前記エダクター(252)が負圧側面流路(258)を含み、該負圧側面流路(258)において前記エダクター(252)内への前記追加ガス(254)の流れを制御する第2の制御バルブシステム(260)を更に備える、請求項6に記載の発電システム(100)。

請求項8

前記負圧側面流路(258)において前記追加ガス(254)の流量を測定するセンサ(220)を更に備え、該センサ(220)が、前記第2の制御バルブシステム(260)に動作可能に結合される、請求項6に記載の発電システム(100)。

請求項9

前記負圧側面流路(258)が、前記一体形圧縮機(106)の入口フィルタ流体結合されている、請求項6に記載の発電システム(100)。

請求項10

前記発電機(122,166)が、前記補助発電機(122,166)とは異なる、請求項1に記載の発電システム(100)。

請求項11

前記負圧側面流路(258)が、前記一体形圧縮機(106)の入口フィルタに流体結合されている、請求項1に記載の発電システム(100)。

請求項12

前記追加ガス(254)が周囲空気を含む、請求項1に記載の発電システム(100)。

請求項13

前記追加ガス(254)がプロセスガスを含む、請求項1に記載の発電システム(100)。

請求項14

前記追加ガス(254)が合成ガスを含む、請求項1に記載の発電システム(100)。

請求項15

前記追加ガス(254)が、エンジンからの排気ガス(172,280)を含む、請求項1に記載の発電システム(100)。

請求項16

追加ガスと共に前記過剰空気流(200)を増強するための駆動力として前記過剰空気流(200)を用いるための過剰空気流(200)の経路に位置付けられたエダクター(252)を更に備え、該エダクターが、増強過剰ガス流(270)を生成し、前記過剰空気流(200)の経路が、前記増強過剰ガス流(270)を前記補助燃焼器(274)の吸入口に送給し、前記補助燃焼器(274)が前記増強過剰ガス流(270)を燃料と燃焼させて前記補助タービン構成要素(276)用の高温燃焼ガスを生成する、請求項1に記載の発電システム(100)。

請求項17

タービン構成要素(104)と、一体形圧縮機(106)と、前記一体形圧縮機(106)からの空気と燃料とが供給される燃焼器(108)とを備え、前記燃焼器(108)が前記タービン構成要素(104)に高温燃焼ガスを供給するよう構成され、前記一体形圧縮機(106)が前記燃焼器(108)及び前記タービン構成要素(104)のうちの少なくとも一方の吸入能力よりも大きな流れ能力を有して過剰空気流(200)を生成するようになったガスタービンシステム(102)を用いて、発電機(122,166)に動力を供給するステップと、補助発電機(278)に動作可能に結合された補助タービン構成要素(276)に高温燃焼ガスを供給するよう構成された補助燃焼器(274)を含む補助ガスタービンシステム(272)を用いて前記補助発電機(278)に動力を供給するステップと、前記ガスタービンシステム(102)から前記過剰空気流(200)を取り出し、該過剰空気流(200)を前記補助燃焼器(274)の吸入口に配向するステップと、を含み、前記補助燃焼器(274)が、過剰空気流(200)を燃料と燃焼させて前記補助タービン構成要素(276)用の高温燃焼ガスを生成するようにする、方法。

請求項18

前記過剰空気流(200)の経路に位置付けられ、駆動力として前記過剰空気流(200)を用いて増強過剰ガス流(270)を生成するエダクター(252)を用いて追加ガス(254)と共に前記過剰空気流(200)を増強するステップと、前記過剰空気流(200)の経路における増強過剰ガス流(270)を前記補助燃焼器(274)の吸入口に配向するステップと、を更に含み、前記補助燃焼器(274)が、前記増強過剰ガス流(270)を燃料と燃焼させて前記補助タービン構成要素(276)用の高温燃焼ガスを生成するようにする、請求項17に記載の方法。

請求項19

前記補助タービン構成要素(276)の排気ガス(172,280)及び前記タービン構成要素(104)の排気ガス(172,280)を熱回収蒸気発生器(122,166)(HRSG)に配向して、蒸気タービンシステム(160)用の蒸気を生成するようにするステップを更に含む、請求項17に記載の方法。

請求項20

前記追加ガス(254)が周囲空気を含む、請求項17に記載の方法。

技術分野

0001

本開示は、全体的に発電ステムに関し、より詳細には、補助ガスタービンシステムで用いるための過剰空気流を生成する圧縮機を有したガスタービンシステムを備える発電システムに関する。

背景技術

0002

発電システムは、多くの場合、1又はそれ以上の蒸気タービンシステムと結合することができる1又はそれ以上のガスタービンシステムを利用して電力を生成している。ガスタービンシステムは、回転シャフトを有する多段軸流圧縮機を含むことができる。空気は、圧縮機の入口に流入して圧縮機ブレード段により圧縮され、次いで燃焼器吐出されて、ここで天然ガスなどの燃料燃焼して高エネルギー燃焼ガス流を提供し、タービン構成要素を駆動するようにする。タービン構成要素において、高温ガスエネルギー仕事に変換され、その一部を使用して、回転シャフトを通じて一体形圧縮機を駆動することができ、残りの部分は、電気を生成するため回転シャフト(例えば、回転シャフトの延伸部)を介して発電機などの負荷を駆動するための有用な仕事に利用可能である。発電システム内では、複数のガスタービンシステムを並行して利用することができる。複合サイクルシステムでは、1又はそれ以上の蒸気タービンシステムもまた、1又は複数のガスタービンシステムと共に利用することができる。この設定では、1又は複数のガスタービンシステムからの高温排気ガスが1又はそれ以上の熱回収蒸気発生器HRSG)に送給されて蒸気を生成し、次いで、この蒸気は、1又は複数のガスタービンシステムとは別個の又は一体形の回転シャフトを有する蒸気タービン構成要素に送給される。何れの場合においても、蒸気のエネルギーは仕事に変換され、これを利用して電力を生成するための発電機のような負荷を駆動することができる。

0003

発電システムが開発されるときには、該発電システムの部品は、協働して所望の出力を有するシステムをもたらすように構成される。需要に応じて出力を増大する能力及び/又は厳しい環境設定下で出力を維持する能力は、当該産業分野における継続的な課題である。例えば、真夏日では電力消費量が増大し、従って、発電需要が増大する。真夏日の別の課題は、温度が上昇すると圧縮機流量が減少し、その結果発電機出力が低下することである。出力を増大させる(又は例えば真夏日に出力を維持する)1つの手法は、1又は複数のガスタービンシステムの燃焼器への空気流を増大させることができる構成要素を発電システムに追加することである。空気流を増大させる1つの手法は、ガスタービン燃焼器送り込むための貯蔵容器を追加することである。しかしながら、この特定の手法は通常、貯蔵容器用に別個の動力源を必要とするので、効率的ではない。

0004

空気流を増大させる別の手法は、圧縮機の性能を向上させることである。現在のところ、圧縮機は、先行する圧縮機よりも流れ能力が高くなるように改善されている。これらの新しくより高い能力の圧縮機は通常、同様に構成された新しい燃焼器か又は大きな能力を処理可能な旧式の燃焼器の何れにも対応するように製造される。より新しくより高い能力の圧縮機を利用するために旧式のガスタービンシステムの性能を向上させることにおける課題は、システムの他の高価な部品の性能を向上させることなく、大きな能力を処理することが可能ではないシステムと共により高い能力の圧縮機を利用する機構が、現在のところ存在しないことである。圧縮機の性能向上と同時に性能を向上させることが必要とされることが多い他の部品には、限定ではないが、燃焼器、ガスタービン構成要素、発電機、変圧器スイッチギヤ、HRSG、蒸気タービン構成要素、蒸気タービン制御バルブ、その他が挙げられる。そのため、圧縮機の性能向上が理論的には望ましいにもかかわらず、他の部品の性能を向上させるコストが追加されることで、追加費用に起因して性能向上が望ましくないものとなる。

先行技術

0005

米国特許第8,479,523号明細書

0006

本開示の第1の態様は、発電機と、発電機に動力を供給するガスタービンシステムと、を備えた発電システムを提供し、該ガスタービンシステムが、タービン構成要素、一体形圧縮機、及び一体形圧縮機からの空気と燃料とが供給される燃焼器を含み、燃焼器が、タービン構成要素に高温燃焼ガスを供給するよう構成され、一体形圧縮機が、燃焼器及びタービン構成要素のうちの少なくとも一方の吸入能力よりも大きな流れ能力を有して、過剰空気流を生成し、発電システムが更に、補助発電機に動作可能に結合された補助タービン構成要素に高温燃焼ガスを供給するよう構成された補助燃焼器を含む補助ガスタービンシステムと、過剰空気流の経路に沿って過剰空気流の流れを制御する第1の制御バルブシステムと、を備え、過剰空気流の経路が、過剰空気流を補助燃焼器の吸入口に送給し、補助燃焼器が、過剰空気流を燃料と燃焼させて補助タービン構成要素用の高温燃焼ガスを生成する。

0007

本開示の第2の態様は、タービン構成要素と、一体形圧縮機と、一体形圧縮機からの空気と燃料とが供給される燃焼器とを備え、燃焼器がタービン構成要素に高温燃焼ガスを供給するよう構成され、一体形圧縮機が燃焼器及びタービン構成要素のうちの少なくとも一方の吸入能力よりも大きな流れ能力を有して過剰空気流を生成するようになったガスタービンシステムを用いて、発電機に動力を供給するステップと、補助発電機に動作可能に結合された補助タービン構成要素に高温燃焼ガスを供給するよう構成された補助燃焼器を含む補助ガスタービンシステムを用いて補助発電機に動力を供給するステップと、ガスタービンシステムから過剰空気流を取り出し、該過剰空気流を補助燃焼器の吸入口に配向するステップと、を含み、補助燃焼器が、過剰空気流を燃料と燃焼させて補助タービン構成要素用の高温燃焼ガスを生成するようにする、方法を提供する。

0008

本開示の例示的な態様は、本明細書で記載される問題及び/又は考察していない他の問題を解決するように意図されている。

0009

本開示のこれらの及び他の特徴は、本開示の様々な実施形態を描いた添付図面を参照しながら、本開示の様々な態様の以下の詳細な説明からより容易に理解されるであろう。

図面の簡単な説明

0010

本発明の実施形態による発電システムの概略図。
本発明の実施形態によるエダクターを備えた発電システムの概略図。

実施例

0011

本開示の図面は縮尺通りではない点に留意されたい。図面は、本開示の典型的な態様のみを描いているものであり、従って、本開示の範囲を限定するものとみなすべきではない。図面では、同じ参照符号は、複数の図面にわたり同じ要素を示している。

0012

上述のように、本開示は、過剰空気流を生成する圧縮機を有するガスタービンシステムを備えた発電システムを提供する。本発明の実施形態は、過剰空気流を利用して発電システムの出力及び有用性を向上させる方法を提供する。

0013

図1を参照すると、本発明の実施形態による発電システム100の概略図が示される。システム100は、ガスタービンシステム102を含む。ガスタービンシステム102は、他の構成要素の中でもとりわけ、タービン構成要素104、一体形圧縮機106、及び燃焼器108を含むことができる。本明細書で使用される「一体形」圧縮機106は、圧縮機106とタービン構成要素104が、とりわけ共通の圧縮機/タービン回転シャフト110(ロータ110と呼ばれる場合もある)により共に一体的に結合することができるので、このように呼ばれる。この構造は、別個に動力供給されてタービン構成要素104と一体化されない多くの圧縮機とは異なっている。

0014

燃焼器108は、燃焼領域及び燃料ノズル組立体を一般に含む、何れかの現在既知の又は将来開発される燃焼器システムを含むことができる。燃焼器108は、アニュラ燃焼システム又はアニュラ燃焼システム(同様に図に例示される)の形態をとることができる。作動時には、一体形圧縮機106からの空気及び天然ガスのような燃料は、燃焼器108に供給される。任意選択的に、希釈剤も何らかの既知の又は将来開発される方式で燃焼器108に供給することができる。一体形圧縮機106によって吸い込まれる空気は、何らかの既知の又は将来開発される入口フィルタハウジング120を通過することができる。理解されるように、燃焼器108は、燃料及び空気混合気の燃焼により高温燃焼ガスをタービン構成要素104に供給するよう構成される。タービン構成要素104において、高温燃焼ガスのエネルギーが仕事に変換され、その一部を用いて、回転シャフト110を通じて圧縮機106を駆動することができ、残りの部分は、回転シャフト(回転シャフト110の延伸部)を介して、限定ではないが、電気を生成するための発電機122及び/又は別のタービンなどの負荷を駆動するための有用な仕事に利用可能である。限定ではないが、従来のスタータモータ又は負荷転流インバータ(LCIモータ(図示)などのスタータモータ112はまた、何らかの従来の方式でガスタービンシステム102の始動のため回転シャフト110に結合することができる。タービン構成要素104は、回転シャフト110を介して高温燃焼ガス流を仕事に変換するための何らかの既知の又は将来開発されるタービンを含むことができる。

0015

1つの実施形態において、ガスタービンシステム102は、米国サウスカロライナ州グリーンヴィル所在のGeneral Electric Companyから商業的に入手可能な、7FBエンジンと呼ばれることもあるモデルMS7001FBを含むことができる。しかしながら、本発明は、何らかの1つの特定のガスタービンシステムに限定されず、例えば、General Electric CompanyのMS7001FA(7FA)及びMS9001FA(9FA)モデルを含む他のシステムに関して実施することができる。

0016

従来のガスタービンシステムモデルと対照的に、一体形圧縮機106は、タービン構成要素104及び/又は第1燃焼器108の吸入能力よりも大きな流れ能力を有する。すなわち、圧縮機106は、燃焼器108及びタービン構成要素104と適合するよう構成された圧縮機と比べて、性能が向上した圧縮機である。本明細書で使用される「能力」は、流量能力を指す。例えば、ガスタービンシステム102の初期圧縮機は、約487キログラム/秒(kg/s)(1,075ポンド質量/秒(lbm/s))の最大流れ能力を有することができ、タービン構成要素104は、実質的に同じ最大流れ能力、すなわちおよそ487kg/sを有することができる。しかしながら、ここでは圧縮機106は、初期の圧縮機を交換しており、例えば、約544kg/s(1,200lbm/s)の増大した最大流れ能力を有することができ、他方、タービン構成要素104は、例えばおよそ487kg/sの最大流れ能力を引き続き有する。(必要に応じて、スタータモータ112もまた、例えば、例示のLCIモータに性能が向上され、一体形圧縮機106の始動のため増大した出力要件に対応することができる。)。そのため、タービン構成要素104は、圧縮機106の能力全てを活用することができず、過剰空気流200は、例えば、タービン構成要素104の最大能力を上回って圧縮機106により生成される。同様に、一体形圧縮機106の流れ能力は、燃焼器108の最大吸入能力を超えることができる。同様の方式で、タービン構成要素104の出力は、一体形圧縮機106の全流れ能力に晒された場合には、発電機122に対する最大許容入力を超える可能性がある。特定の例示的な流量値を本明細書で説明してきたが、流量能力は、ガスタービンシステム及び利用される新規の高能力一体形圧縮機106に応じて大きく変わる可能性があることは強調される。本明細書で記載されるように、本発明は、発電システム100の他の部品において過剰空気流を利用する発電システム100の様々な実施形態を提供する。

0017

図1にも示されるように、1つの実施形態において、発電システム100は、任意選択的に、蒸気タービンシステム160を含む複合サイクル発電プラントの形態をとることができる。蒸気タービンシステム160は、何らかの既知の又は将来開発される蒸気タービン構成を含むことができる。図示の実施例において、高圧(HP)、中圧(IP)、及び低圧LPセクションが例示されているが、必ずしも全ての事例において全てが必須という訳ではない。当該技術分野で知られるように、作動時には、蒸気は、1又は複数の蒸気タービンセクションの入口に流入して、固定ベーンを通って送られ、該固定ベーンは、蒸気を下流側に配向して回転シャフト162に結合されたブレード(ロータ)に衝突させる。蒸気は、残りの段を通過し、ブレードに力を与えて回転シャフト162を回転させるようにすることができる。回転シャフト162の少なくとも1つの端部は、限定ではないが、発電機166などの負荷又は他の機械、及び/又は別のタービン(例えば、ガスタービンシステム102又は別のガスタービンシステム)に取り付けることができる。蒸気タービンシステム160の蒸気は、1又はそれ以上の蒸気発生器168、すなわち、熱回収蒸気タービン(HRSG)により生成することができる。HRSG168は、例えば、ガスタービンシステム102の排気ガス172に結合することができる。燃焼ガス流は、HRSG168を通過した後、熱が奪われ、何らかの既知の又は将来開発されるエミッション制御システム178(例えば、スタック選択的触媒還元SCRユニット窒化酸化物フィルタ、その他)を介して排気することができる。図1は、複合サイクルの実施形態を示しているが、HRSG168を含む蒸気タービンシステム160を省いてもよい点は強調される。この後者の場合、排気ガス172は、エミッション制御システム178に直接渡され、又は他のプロセスで使用されることになる。

0018

発電システム100はまた、その様々な構成要素を制御するため何らかの既知の又は将来開発される制御システム180を含むことができる。制御システム180は、構成要素とは別に図示されているが、構成要素全てと、並びにそれぞれの制御可能な特徴要素(例えば、バルブポンプ、モータ、センサギヤ装置発電機制御装置、その他)と電気的に結合されている。

0019

ガスタービンシステム102の詳細に戻ると、本明細書で説明されるように、一体形圧縮機106は、タービン構成要素104及び/又は燃焼器108の吸入能力よりも大きな流れ能力を有し、これにより過剰空気流200が生成される。例示のように、過剰空気流200は、圧縮機106から空気を取り出すことにより形成することができる。1つの実施形態において、第1の制御バルブシステム202は、過剰ガス流路250に沿った補助ガスタービンシステム272への過剰空気流200の流れを制御する。第1の制御バルブシステム202は、所望の過剰空気流200を供給するのに必要とされる複数のバルブ(例えば、1つ、2つ(図示のような)、又は2つよりも多い)を含むことができる。1つの実施形態において、過剰空気流200は、圧縮機吐出制御バルブ206を用いてその吐出部204にて一体形圧縮機106から取り出すことができる。すなわち、圧縮機吐出制御バルブ206は、一体形圧縮機106の吐出部204から取り出された過剰空気流200の第1の部分を制御する。この場合、別の上流側バルブ210は省略してもよい。但し、別の実施形態において、過剰空気流200は、必要に応じて圧縮機106の1又はそれ以上の段(例えば、吐出部204の上流側の1又はそれ以上の位置、吐出部204と吐出部204の上流側の1又はそれ以上の位置、その他)において適切なバルブ及び関連の制御システムを用いて取り出すことができる。この場合、第1の制御バルブシステム202は更に、吐出部204から上流側の一体形圧縮機106の1又は複数の段から取り出された過剰空気流200の第2の部分を制御する1又はそれ以上の上流側制御バルブ210を含むことができる。第1の制御バルブシステム202においてあらゆる数の上流側制御バルブ210を利用して、一体形圧縮機106から所望の圧力、流量、体積、その他で何らかの所望の過剰空気流200を提供することができる。他の1又は複数の上流側制御バルブ210が所望の過剰空気流200を提供する場合には、圧縮機吐出バルブ210は省略することができる。第1の制御バルブシステム202はまた、過剰空気流の各部分の流量を測定する少なくとも1つのセンサ220を含むことができ、各センサ220は、それぞれの制御バルブ又は全体の制御システム180に動作可能に結合することができる。制御バルブシステム202は、例示の種々の制御バルブの自動動作のための何らかの既知の又は将来開発される産業制御装置を含むことができる。

0020

過剰空気流200は、最終的には、1又はそれ以上のパイプを含むことができる過剰ガス流路250に沿って補助ガスタービンシステム272に移動する。過剰空気流200は、単一の導管で補助ガスタービンシステム272に配向されているように例示されているが、過剰空気流は、システム272の1又はそれ以上の位置に配向できることは理解される。補助ガスタービンシステム272は、補助タービン構成要素276に高温燃焼ガスを供給するよう構成された補助燃焼器274を含むことができる。補助燃焼器274は、過剰空気流200(又は増強過剰ガス流270(図2)(本明細書で説明される))を用いて補助タービン構成要素276に対して高温燃焼ガスを生成及び供給することができる燃焼器108に関して記載される燃焼器の何れかの形態を含むことができる。同様に、補助タービン構成要素276は、タービン構成要素104に関して記載されるタービン構成要素の何れかの形態を含むことができる。例示するように、補助タービン構成要素276は、補助発電機278に動作可能に結合され、該補助発電機278は、ガスタービンシステム102に結合された発電機122とは異なることができるので、本明細書では「補助発電機」と呼ぶことができる。補助発電機278はまた、蒸気タービンシステム160の発電機166とは異なることができる。代替の実施形態において、発電機278は、発電機122又は発電機166と同じであってもよい。何れの場合においても、過剰空気流200(又は増強過剰ガス流270(図2))を利用して、補助ガスタービンシステム272により発電し、すなわち、一体形圧縮機106の過剰能力を効率的な方式で利用することができる。補助ガスタービンシステム272の排気ガス280は、タービン構成要素104の排気ガス172に送給されて、HRSG168にて蒸気を生成するのに用いることができる。

0021

図2を参照すると、発電システム100はまた、任意選択的に、追加ガス254を用いて過剰空気流を増強するよう駆動力として過剰空気流200を用いるための過剰ガス流路250に位置付けられたエダクター252を含むことができる。追加ガス254は、過剰空気流200と共に増強過剰ガス流270を形成し、これが補助ガスタービンシステム272に送給される。すなわち、増強過剰ガス流270は、補助ガスタービンシステム272に供給される。増強過剰ガス流270は、増大した総空気/ガス質量流量を補助燃焼器274に提供し、発電機278を用いて追加の電力を生成できるようにすることができる。排気ガス280を介したHRSG168への追加の質量流量もまた認められ、HRSG168の蒸気生成を増大させることができる。エダクター252は、駆動流体流れを用いて吸入流体(すなわち、追加ガス254)をポンプ輸送する何れかのポンプの形態をとることができる。ここで、エダクター252は、過剰空気流200を駆動流体として用いて、すなわち、負圧側面流路258に沿って追加ガス供給源256から追加のガスを吸入することにより過剰空気流200に追加ガス354を付加する。追加ガス供給源256は、様々な形態をとることができる。1つの実施形態において、追加ガス供給源256は、一体形圧縮機106の入口フィルタハウジング120の形態をとることができる。この場合、エダクター252への負圧側面流路258は、追加ガス254が周囲空気を含むように一体形圧縮機106の入口フィルタハウジング120に結合することができる。ここで、追加ガス254は、周囲空気の形態である。別の実施形態において、追加ガス254は、入口フィルタハウジング120ではなく、例えば別のフィルタハウジングの追加ガス供給源256からの周囲空気、又は環境からの直接の入手した後で流路258内でフィルタ処理される空気などを含むことができる。上述の実施形態の何れかにおいて、増強過剰ガス流270は、大部分が空気を含み、すなわち、増強過剰空気流である。しかしながら、別の実施形態において、追加ガス254は、限定ではないが、精製装置からの合成ガス(「シンガス」)、溶鉱炉ガス廃棄堆積集積所からのメタンガスなどのプロセスガスを含むことができる。追加ガス254はまた、別の実施形態において、エンジン(例えば、燃焼エンジンディーゼルエンジン、別のガスタービンシステム、その他)からの排気ガスを含むことができる。第2の制御バルブシステム260が、エダクター252への追加ガス254の流れを制御するための負圧側面流路258に設けることができる。第2の制御バルブシステム260は、エダクター252内への追加ガス254の量を制御するよう動作することができる制御バルブ262を含むことができる。第2の制御バルブシステム260はまた、負圧側面流路258における追加ガス254の流量を測定する少なくとも1つのセンサ220を含むことができ、該センサは、追加ガス254の流量を測定するため第2の制御バルブシステム260に動作可能に結合される。

0022

同様に例示されているように、タービン構成要素104の排気ガス172は、HRSG168に送給されて、蒸気タービンシステム160のための蒸気を生成することができる。補助ガスタービンシステム272の排気ガス280が、タービン構成要素104の排気ガス172と同程度高温であるか、より高温である場合には、排気ガス280は、HRSG168において蒸気をより効率的に生成するために排気ガス172に付加することができる。補助ガスタービンシステム272の排気ガス280が、タービン構成要素104の排気ガス172よりも高温でない場合には、排気ガス280は、HRSG168又は発電システム100の他の場所への質量流量を増大させるのに用いることができ、或いは、HRSG168を省いてエミッション制御システム178を介して排出することができる。例示のように、HRSG168はまた、コジェネレーション蒸気負荷170に蒸気を送給することができる。コジェネレーション蒸気負荷170は、例えば、石油化学工場への蒸気、地域熱用の蒸気、タールサンド油抽出のための蒸気、その他を含むことができる。

0023

更に各制御バルブシステム202、206に関して、これらの各制御バルブは、規定の構成要素に所要部分流れを提供するため開放位置と閉鎖位置の何れかの位置に位置付けることができる。更に、各制御バルブの後に各構成要素への1つの通路が例示されているが、様々な副部品(例えば、エダクター252への多数の入口など)に過剰空気流200のそれぞれの部分を更に分配するよう、別の配管及び制御バルブを設けてもよい点は強調される。各センサ220は、1又は複数の制御バルブシステム202,260及び制御システム180に動作可能に結合されて、公知の方式で増強制御することができる。必要に応じて発電システム100全体にわたって流れを測定するための他のセンサ220を設けることができる。制御バルブシステム202,260並びにひいては過剰空気流200の流れ及びエダクター252の動作は、全体の発電システム100の制御システム180の一部とすることができる何らかの既知の又は将来開発される産業用コントローラを用いて制御することができる。制御システム180は、制御バルブシステム202,260を制御することを含めて、発電システム100の種々の構成要素の全ての動作を既知の方式で制御することができる。

0024

過剰空気流200を生成する一体形圧縮機106を含むガスタービンシステム102を備えた発電システム100は、従来のシステムに優る複数の利点を提供することができる。例えば、圧縮機106は、幾つかのガスタービンが利用される場合には極めて高価となる可能性があるシステムにおける全ての構成要素を性能向上させることに比べて、より低コストで発電システム100の発電ブロックピークベース及び真夏日出力を改善することができる。加えて、本発明の実施形態は、性能向上した圧縮機、すなわち圧縮機106の相対コストを低減させ、その結果、より多くの過剰空気流を効率的に消費する方法を提供することにより、性能向上させた圧縮機の実行可能性及び利点を改善する。更に、一体形圧縮機106を含む発電システム100は、以下の例示的なサブシステム、すなわち、タービン構成要素104、発電機122、変圧器(図示せず)、スイッチギヤ、HRSG168、蒸気タービンシステム160、蒸気タービン制御バルブ、その他の何れかの1又はそれ以上が小型にされる場合のプロジェクトの実行可能性を改善することにより、システム100の作動エンベロープ拡張する。このようにして、システム100は、何もしない場合と比べて、例えば、単一ガスタービン及び単一蒸気タービンの複合サイクル(1×1CC)システムにおける単一圧縮機を性能向上させる改善事象を提供する。エダクター252(図2)の場合、追加の質量流量及び追加の発電などの補助ガスタービンシステム272への増強過剰ガス流270の上述の利点を理解することができる。HRSG168への追加の質量流量はまた、エダクター252を用いて達成することができる。

0025

本明細書で使用される用語は、単に特定の実施形態を説明するためのものに過ぎず、本開示を限定することを意図していない。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、「含む」及び/又は「備える」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。

0026

以下の請求項における全ての全ての手段又はステッププラス機能要素の対応する内部構造、材料、動作、及びその均等物は、明確に特許請求される他の特許請求された要素と組み合せて機能を実行するあらゆる構造、材料又は作用を含むことを意図している。本開示の説明は、例示及び説明の目的で提示されており、開示された形態の開示内容に対して排他的又は限定することを意図するものではない。本開示の範囲及び技術的思想から逸脱することなく、多くの修正及び変形が当業者には明らかであろう。本実施形態は、本開示の原理及び実施可能な用途を最もよく説明するように、また、企図される特定の用途に適するような様々な修正を含む様々な実施形態の開示を当業者が理解できるように選択し説明された。

0027

100発電システム
102ガスタービンシステム
104タービン構成要素
106一体形圧縮機
108燃焼器
110回転シャフト
112ステータモータ
120入口フィルタハウジング
122,166 発電機
160蒸気タービンシステム
162 回転シャフト
168蒸気発生器
170蒸気負荷
172,280排気ガス
178エミッション制御システム
180 制御システム
200空気流れ
202制御バルブシステム
204上流側吐出部
206吐出制御バルブ
210 上流側制御バルブ
220センサ
250過剰ガス流路
252エダクター
254追加ガス
256 追加ガス供給源
258 負圧側面流路
260 第2の制御バルブシステム
262 制御バルブ
270 増強過剰ガス流
272 ガスタービンシステム
274補助燃焼器
276補助タービン構成要素
278 補助発電機

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