JP2009041567A - ガスタービンのスプレー入口温度サプレッサ用の圧力を供給するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンの入口用の噴霧システムに水を供給するための装置を提供する。
【解決手段】本装置は、ループからのかつポンプへの加熱給水の分流路を含み、ポンプは、噴霧システムに高圧給水を供給する。複合サイクル発電プラント及びそれに水を供給する方法も提供している。
【選択図】 図５

Description

本発明は、ガスタービンに関し、具体的には、本発明は、ガスタービン入口空気温度制御のためのボイラ給水の使用に関する。

ガスタービン運転中に、タービン出力が周囲空気温度の上昇に比例して減少することは良く知られている。しかしながら、ガスタービンオペレータは、高い周囲温度（例えば、大都市における高い空調負荷による）においてのピーク発電要求に遭遇することが多い。これらのピーク電力需要期間の間には補助システムにより追加電力を発生させることが、経済的でありまた有利である。軸動力を増大させる１つの補助システムは、入口ダクト内に水の直接スプレーを供給する入口噴霧又は霧充満（フォギング）システムであり、このシステムは、蒸発プロセスによってガスタービンへの空気温度を低下させ、従って出力を増大させる。

圧縮機入口噴霧システムは一般的に、入口ダクト内への水のスプレーをガスタービンに流れる空気の蒸発ポテンシャルに適合させようとするものである。周囲温度条件は変動するので、可変水スプレー及び水スプレーの大幅なターンダウンを必要とする。既存の噴霧システムは、その各々が水を入口ダクト内にスプレーする相当な数のノズルを有する複数のグリッドを使用している。しかしながら、水供給量が低下すると、入口ダクト内のスプレーパターンは、極めて均一性がないものとなり、殆ど蒸発を発生させずまたより多くの水の持越し生じる。圧縮機に流入する水の持越し（すなわち、水の大きな液滴）は、初期圧縮機段を腐食させる可能性がある。加えて、空気流は、入口ダクト内のノズル及び付属パイプによって妨害され、結果として蒸発の低下をもたらす。これらの妨害は、多くの場合にマニホルド管の下流の流れ内の渦を形成する不都合がある。従って、完全需要条件よりも低い需要条件時に流れに対する妨害及び渦の発生を最小にしながら実質的に均一な水スプレーをガスタービン圧縮機内に供給することになる噴霧システムの必要性があった。

この必要性に対処する１つの試みは、２００５年５月１９日に公開された「ガスタービン入口噴霧システム用のスプレーノズルグリッド構成」の名称の米国特許出願第２００５／０１０２９９５号に開示されている。この出願は、ダクトの両側面間で延びる複数のマニホルドを含む噴霧器を開示している。各マニホルドは、該マニホルドの長さに沿って横方向に間隔を置いた位置に複数のノズルを支持する。マニホルドは、ダクト内で空気流の方向に前後に間隔を置いて配置され、また中間及び上流マニホルドを連結したパイプは、下流マニホルドをバイパスしてダクト内に空気流の方向に対して垂直な共通平面内にノズルを形成する。
この構成は、圧縮機の入口に対してスプレーの均一性、従って加湿空気の均一性をもたらす。本明細書の教示により多くの利点が得られるが、一部の従来技術の欠点が依然として残っている。例えば、別個の高圧ポンプシステムの使用は、コストがかかり、また幾つかの実施形態では信頼性がない。
米国特許出願公開第２００５／０１０２９９５号明細書 Stork Thermeq; "SwirFlash-The Power of Water, Gas turbine power augmentation and NOx reduction". 6 pages

必要なものは、本明細書に開示したもののような、コスト効率がありかつ信頼性がある高圧水源をガスタービンに対して構成するための方法及び装置である。

１つの実施形態では、ガスタービンの入口用の噴霧システムに水を供給するための装置を開示しており、本装置は、ループからのかつポンプへの加熱給水の分流路を含み、ポンプは、噴霧システムに高圧給水を供給する。

さらに開示しているのは、複合サイクル発電プラントの実施形態であり、本複合サイクル発電プラントは、ガスタービンの排気からの熱の伝達によって給水を加熱するためのループと、該ループからの加熱給水の分流路と、加熱給水を受けかつガスタービンの入口にミストを供給するための噴霧システムに高圧給水を供給するためのポンプとを含む。

さらに開示しているのは、ガスタービンの噴霧システムに水を供給する方法であり、本方法は、ポンプに給水を分流させる段階と、給水を加圧する段階と、噴霧システムに高圧給水を供給する段階とを含む。

複合サイクル発電プラントのガスタービンに高圧水を供給するための方法及び装置を開示している。本明細書の教示は、従来技術のポンプスキッド及び関連する構成要素と置き換わるものである。ポンプスキッドの排除により、システムの信頼性及び作動特性の向上が得られる。概括するために、複合サイクル発電プラント及びガスタービン用の従来技術の噴霧システムの態様を、次に説明する。

図１を参照すると、従来技術の複合サイクル発電プラント１００１の例示的な態様を示している。発電プラント１００１は、ガスタービン１４０、２つの発電機１６０、蒸気タービン１３０、凝縮装置１５０、給水ポンプ１７０及び蒸気発生器１８０を含む。運転中に、ガスタービン１４０は、発電機１６０の１つに対する直接駆動装置として用いられる。加えて、ガスタービン１４０からの排気は、給水を加熱し、過熱蒸気を生成する。過熱蒸気は、蒸気タービン１３０に導かれて、発電機１６０の１つを駆動する。蒸気タービン１３０に送られた過熱蒸気は一般的に、高圧及び高温のものである。例えば、幾つかの実施形態では、給水の圧力は、約２６００ｐｓｉｇ〜約２８００ｐｓｉｇであり、一方、給水の温度は、約３００°Ｆ〜約３２０°Ｆである。

複合サイクル発電プラント１００１は、ガスタービン１４０からの機械的エネルギーで第１の発電機１６０を回転させることによって、また蒸気タービン１３０から生じた機械的エネルギーで第２の発電機１６０を回転させることによっても電力を供給することを理解されたい。

図２を参照すると、従来技術の噴霧システム９９の例示的な実施形態を示している。従来技術のシステム９９は一般的に、ガスタービン１４０内に組込まれる。この実施例では、システム９９は、タービン１４によって駆動される圧縮機１２の入口に周囲空気を供給するための入口ダクト１０を含む。前述のように、ガスタービン出力は、周囲空気温度の上昇に比例して減少し、従って、その全体を参照符号２０で示した噴霧器装置は、入口ダクト１０内に配置されて直接水スプレー蒸発冷却システムを構成し、それによってガスタービン１４０の出力を増大させる。

次に図３及び図４を参照すると、従来技術の噴霧器装置は、圧縮機１２への空気入口の蒸発及び加湿のために、ダクト１０内に水をスプレーするノズル配列を含む。図４に示すように、ダクトの一側面又は両側面に沿った一連のヘッダ３０、３２及び３４は、該ヘッダからかつダクトの両側壁間にほぼ横方向に延びる一連のマニホルド３６、３８及び４０に水を供給する。従って、図示したように、互いに垂直方向に間隔を置いて配置された横方向に延びる第１のマニホルド３６の組は、噴霧器の下流側のダクトの両壁間で延びる。横方向に延びる第２のマニホルド３８の組は、互いに垂直方向に間隔を置いて配置され、同様にダクトの両側面間で延びる。第２のマニホルド３８の組は、下流マニホルド３６と第３の上流マニホルド４０の組との間に配置される。上流マニホルド４０は、横方向に延びかつダクトの両側面間で互いに垂直方向に間隔を置いて配置される。ダクトを通る空気流の方向は、参照符号４１で表した矢印によって示している。

マニホルド３６、３８、４０の各々は、複数のノズルを含む。例えば、第１の又は下流マニホルド３６は各々、空気流の方向に平行に該マニホルドから下流方向に延びる複数のノズル４２を支持する。同様に、中間又は第２のマニホルド３８の各々は、横方向に間隔を置いた位置に複数のノズル４４を支持し、それらのノズル４４も同様に、マニホルドから下流方向にかつ空気流の方向に延びる。上流又は第３のマニホルド４０も同様に、間隔を置いた横方向位置にそれに沿って複数のノズル４６を支持し、それらのノズル４６は、下流方向に空気流の方向に延びる。従って、ノズル４２、４４及び４６は、それぞれのマニホルド３６、３８及び４０から下流方向に延びるそれぞれ複数のノズルの第１、第２及び第３の組を構成する。図３に示すように、ノズル４２、４４及び４６は、ダクトを横切ってかつダクト１０を通る空気流の方向に対してほぼ垂直に延びる参照符号４８で表した共通平面内で実質的に終端する。

図３及び図４の両方に示すように、ノズル４４は、それぞれのマニホルド３８からのパイプ５０によって支持され、それらのパイプ５０は、下流マニホルド３６から垂直方向にオフセットしている。同様に、上流マニホルド３４のノズル４６は、パイプ５２によって支持され、それらパイプ５２は、それぞれ中間及び下流マニホルド３８及び３６の垂直方向両側面に沿って延びて、ノズル４２、４４及び４６が共通平面４８内に位置するのを可能にする。ノズル４２、４４及び４６は、スプレープルーム（例えば、円錐形プルーム）を有することが分かるであろう。記載したようなノズルの構成では、スプレープルームは、互いに干渉せずかつ隣接するノズル又はマニホルドのいずれによっても干渉されないことが分かるであろう。

図３及び図４の精査によると、ノズル４２、４４及び４６は、該ノズルのグループがダクト１０を横切る方向において該ダクト１０の両側壁間で互いに間隔を置いて配置された状態で、各３つのノズルのグループとして配列されるのが好ましい。ノズル４２及び４４は、各グループの中心ノズル４６から等しい距離だけ間隔を置いて配置される。３つのノズルのグループ６０は各々、少なくともかつ好ましくは各グループの横方向に隣接するノズル間の距離の４倍のグループ中心線間距離だけマニホルドの方向に互いに横方向に間隔を置いて配置される。つまり、図３に示すように、隣接するグループの中心ノズル４６間のマニホルドに沿った距離は、各グループのノズル４２、４６間又はノズル４４、４６間のマニホルドに沿った距離の少なくとも４倍である。ノズル４２、４４及び４６のグループ６０はまた、互いに垂直方向に位置合わせされた状態であるのが好ましいが、このような垂直方向に間隔を置いて配置されたノズルのグループは、横方向にオフセットさせることができる。このようにして、ノズルのグループは、互いに対して間隔を置いて配置されて、空気入口ダクト内に、ノズルスプレープルームと隣接するノズル又はマニホルドとの間の干渉に起因する渦を形成することなく実質的に均一な水の分散を供給する。

図２に戻って参照すると、噴霧器装置２０は一般的に、ダクト１０内の最も均一な空気流の位置に相当する入口ハウジングの一部分内に設置される。消音器６１とタービンへのエルボ６２又は下降管との間に入口ダクトの余分の長さを設置することによって、流れの十分な均一性を得ることができることが判っている。均一な流れの領域内に噴霧器装置を設置することによって、加湿流の均一性が同様に得られる。噴霧器装置内のノズルの数が、例えば、単一のグリッド内に９００又はそれ以上のオーダのノズルを含むことができることもまた分かるであろう。加えて、ノズルは、ノズルプルームがその形状が円錐形であるだけでなくてダクトを通る流れの方向にほぼ平行な軸線の周りで旋回するスワール型のものとすることができる。

図２から図４に関して説明した従来技術のシステム９９は、メディア型蒸発冷却器に代わる形態として元々設計されたものであり、メディア型蒸発冷却器に勝る一部の利点をもたらす。運転中に、従来技術のシステムは、入口抽気ヒートパイプの直ぐ下流の入口ダクト内に設置されたスプレーマニホルドに対して脱塩水を供給する。従来技術のシステム９９の機能は、ガスタービン圧縮機に流入する空気の入口乾球温度を微細水滴の蒸発によって低下させることである。得られたガスタービン１４０への空気密度の増加及び空気質量流量の増加により、ガスタービン１４０からの出力の増大が生じる。従来技術のシステム９９では、圧縮機空気流量、周囲乾球温度、周囲相対湿度、及び所望の飽和への接近の関数としてスプレーマニホルドへの水流量が計画される。従来技術のシステム９９の様々な実施形態に含まれているのは、注目すべき特定の構成要素である。これらの構成要素には、高圧送水ポンプ、フィルタ、遮断弁及び流量計を含む高圧ポンプスキッド、入口ダクト内部に取付けられた複数のスプレーノズル配列、ポンプスキッドとスプレーノズル配列との間の相互連結パイプの組である水送給システム、消音器セクション、アクセス、ウィンドウ等の下流に入口ダクトセクションを含む霧充満装置の設備、複数の溝及び擬似入口プレナム床、ウェザーステーション、様々な制御装置、並びにドレンシステムが含まれる。これらの上述した構成要素は、ガスタービン１４０内に含まれるものの単なる例示に過ぎないこと、またこの構成要素の列記は、何ら限定的なものでもないし又は網羅的なものでもないことを理解されたい。本明細書に記載した本発明は、高圧ボイラ給水を用いることによってポンプスキッドの必要性を排除する。

従来技術のポンプスキッドは一般的に、定速度モータを有する４つの高圧容積移送式プランジャポンプを含む。ポンプスキッドは通常、自動始動、停止及び警報を備えた完全独立型システムとして設けられる。従来技術のポンプスキッドは通常、水処理設備から脱塩水を受け、あらゆる設計運転条件における適用可能な入口冷却状態要件を満たすのに必要な流量で濾過高圧水を送給する。

高圧ボイラ給水の使用により、ポンプスキッドの必要性が排除される。ポンプスキッドの排除は、システム信頼性及び作動の向上をもたらす。

次に図５を参照すると、本明細書の教示による例示的な給水温度抑制システム１０００の概略図を示している。給水温度抑制システム１０００は、ガスタービン１４０及びボイラ給水ポンプ１７０を利用する。つまり、ガスタービン１４０の排気によって加熱された給水の幾分かは、給水ポンプ１７０によって分流されかつ加圧される。従って、ボイラ給水ポンプ１７０は、高圧ボイラ給水をスプレー弁６４及びスプレー分配マニホルド３８に供給して、ノズル４２、４４、４６によって分散させるようにする。

ピストンポンプからの圧力脈動を弱めるために、システム故障の原因となるポンプシール剥離（通常の磨耗）を捕捉（濾過の付加などによる）するために、またポンプ再循環機器の再設計又は再設置によってシステム信頼性の増大とシステム保守作業の減少を得るために、様々なポンプスキッド設計が行われてきた。しかしながら、これらの努力は、温度抑制システムにおいてオペレータが望んでいるものには依然として達していない。

給水温度抑制システム１０００により、別個の高圧ポンプシステムの必要性が排除される。給水温度抑制システム１０００の付加的な利点は、入口フォギングの向上をもたらす高温水の使用である。

つまり、高圧及び高温（例えば、その場合に、圧力が約８００ｐｓｉｇ〜約３０００ｐｓｉｇ、より多くは約２６００ｐｓｉｇ〜約２８００ｐｓｉｇであり、かつ温度が約２４０°Ｆ〜約３２０°Ｆ、より多くは約３００°Ｆ〜約３２０°Ｆである）を有する水を供給することによって、水は、ノズル４２、４４、４６によってスプレーされた時に速やかに放散する（蒸気として）。従って、ノズル４２、４４、４６には、高圧給水の分散を高める設計要素を組込むことができる。

別個のポンプシステムを排除することによって、保守及び運転コストが低減される。さらに、給水温度抑制システム１０００の作動の間に、高圧ボイラ給水ポンプ１０１に対して付加的負荷は発生しない。従って、従来技術に優る大幅なコスト節減が実現される。

次に図６を参照すると、例示的な実施形態の概略図を示している。この実施例では、給水温度抑制システム１０００は、従来技術に勝る改良を含み、それら改良には、インラインフィルタの付加、様々な遮断弁の付加、システム起動及びドレンダウン用の制御論理の改訂、ドレンシステムの更新、及びグリッドノズル配列のフィルタを含まないノズルとの置き換えが含まれる。様々なマニホルドが含まれ、また幾つかは再設計することができる。例えば、給水温度抑制システム１０００は、バックアップシステムのような又は流量増補のための従来技術のシステムを含むことができる。

幾つかの実施形態では、高圧給水は、ガスタービン１４０が全負荷運転している時（すなわち、圧力が約２６００ｐｓｉｇ〜約２８００ｐｓｉｇであり、かつ温度が約３００°Ｆ〜約３２０°Ｆである時）にのみ供給される。しかしながら、複合サイクル発電プラント１００１の出力上昇時又は低出力運転時などのような間に、ユーザが低圧又は低温給水を供給することを欲する場合があることを認識している。そのような条件設定は、本明細書の教示の範囲内である。

幾つかの実施形態では、給水温度抑制システム１０００は、約７０ｇｐｍ（ガロン／分）の給水流量を引き出す。典型的な複合サイクル発電プラント１００１では、流量は、２０００ｇｐｍを超えている。従って、幾つかの実施形態では、追加補給水は必要ない。つまり、給水の幾分かの分流は、複合サイクル発電プラント１００１用の給水に大きな損失をもたらすことはなく、既存の補給水システムが、使用量を適切に補償する。幾つかの他の実施形態では、高圧給水の分流を監視し、補給水の供給にその要因を組入れる。つまり、分流路内の給水ボリュームを監視すること及び追加補給水を供給することの少なくとも１つを行う装置を含むことができる。

本給水温度抑制システム１０００は、圧縮機の入口に加湿空気を供給するのに有用な装置の様々な実施形態に組込むことができることが、当業者には推測されるであろう。従って、本明細書に示したスプレーノズル構成及びその他の態様は、給水温度抑制システム１０００を利用するための方法を単に例示したに過ぎない。本明細書に示したスプレーノズル構成及びその他の態様は、単なる例示であって、本発明を限定するものではない。

例示的な実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱することなく本発明の要素に対して様々な変更を加えることができまた本発明の要素を均等物で置き換えることができることは、当業者には解るであろう。加えて、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱することなく特定の状況又は物的要件を本発明の教示に適合させるために、多くの修正を行うことができる。従って、本発明は、本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、提出した特許請求の範囲の技術的範囲内に属する全ての実施形態を包含することになることを意図している。

複合サイクル発電プラントの態様を示す図。 タービン用の圧縮機への空気入口ダクト内に配置された従来技術の噴霧器の態様を示す図。 図２の噴霧器構成の態様を示す図。 図２の噴霧器構成の態様を示す図。 本明細書の教示による温度装置の態様を示す概略図。 図５の装置用の圧力供給の態様を示す概略図。

符号の説明

１００１ 複合サイクル発電プラント
１４０ ガスタービン
１６０ 発電機
１３０ 蒸気タービン
１５０ 凝縮装置
１７０ 給水ポンプ
１８０ 蒸気発生器
９９ 技術システム
１０ 入口ダクト
１２ 圧縮機
１４ タービン
２０ 噴霧器装置
３０、３２、３４ ヘッダ
３６、３８、４０ マニホルド
４１ 矢印
４２、４４、４６ ノズル
４８ 共通平面
５０、５２ パイプ
６０ グループ
６１ 消音器
６２ エルボ
１０００ 抑制システム
６４ スプレー弁
１０１ ボイラ給水ポンプ
１１０ ループ

Claims (8)

1. 複合サイクル発電プラントであって、
   ガスタービンの排気からの熱の伝達によって給水を加熱するためのループと、
   前記ループからの前記加熱給水の分流路と、
   前記加熱給水を受け、かつ前記ガスタービンの入口にミストを供給するための噴霧システムに高圧給水を供給するためのポンプと
   を備える発電プラント。
2. 前記噴霧システムに結合されて、前記高圧給水の供給量をバックアップすること及び増大させることの少なくとも１つを行うポンプスキッドをさらに含む、請求項１記載の発電プラント。
3. 前記噴霧システムのノズルが、フィルタを含まない、請求項１記載の発電プラント。
4. 補給水システムが、前記分流路内の給水ボリュームを確保するのに十分な水供給量を供給する、請求項１に記載の発電プラント。
5. 前記分流路内の給水ボリュームを監視すること及び追加補給水を供給することの少なくとも１つを行う装置をさらに含む、請求項１記載の発電プラント。
6. ガスタービンの噴霧システムに水を供給する方法であって、
   ポンプに給水を分流させる段階と、
   前記給水を加圧する段階と、
   前記噴霧システムに高圧給水を供給する段階と
   を含む方法。
7. 前記給水を加熱する段階をさらに含む、請求項６記載の方法。
8. 前記給水を加熱する段階が、前記ガスタービンの排気ガスから前記給水に熱を伝達する段階をさらに含む、請求項７記載の方法。