JP2010190218A

JP2010190218A - 燃料を予熱するための廃熱利用

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Publication number: JP2010190218A
Application number: JP2010029621A
Authority: JP
Inventors: Ravindra Annigeri; ラヴィンドラ・アニジェリ; David Lee Rogers; デビッド・リー・ロジャース; Douglas Rush; ダグラス・ラッシュ; Kevin J Gersch; ケヴィン・ジェイ・ガーシュ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-02-17
Filing date: 2010-02-15
Publication date: 2010-09-02
Also published as: US8438850B2; CN101806250B; US20100205977A1; CN101806250A; EP2218890A1; EP2218890B1

Abstract

【課題】タービンエンジン構成要素用の燃料を予熱するための廃熱利用システム及び関連する方法を提供する。
【解決手段】タービンエンジン構成要素は、少なくとも１つの熱発生源（例えば、２６〜３０）を含む。本システムは、少なくとも１つの熱発生源からの熱をタービンエンジン構成要素用の比較的低温燃料に加えて、点火に先立って該燃料を予熱するための構造（例えば、３６、６６、９２、９８）を含む。前記少なくとも１つの熱発生源（例えば、２６〜３０）が、前記タービンエンジン構成要素からの高温潤滑オイルを含むことができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、発電時にタービンエンジン用の燃料を予熱するための方法及び装置に関し、より具体的には、タービン及び発電機の軸受用の潤滑オイルから熱を抽出しかつその熱をタービン用の比較的低温流入燃料に加えて該燃料を予熱することに関する。

近年、パイプライン天然ガス燃料の価格が劇的に上昇し続けており、高出力燃焼タービン発電プラントは、燃料コスト上昇に対抗するためのコスト効果がある方法を探求することが余儀なくされている。発電プラントにおけるより高い熱効率に対する要求が増大するにつれて、益々多くの複合サイクル発電プラントには、全体効率を改善する方策として、ガス燃料加熱が組込まれてきている。ガス燃料ヒータは、ガスタービン内での燃焼に先立って燃料を予熱するために使用することができる。ガス燃料加熱は、固有点火温度を達成するために必要な燃料量を減少させ、それによって熱消費率を改善することができる。

ガス燃料予熱はまた、露点の観点からも必要とされる。ガス燃料運転時に、ガスが液体すなわち特に炭化水素滴を確実に含まないようにするために、過熱の必要性が判断される。過熱は、ガス燃料の供給温度及びそれぞれの露点温度間の温度差である。所望の過熱量を加えるために、露点ヒータが使用される。単純サイクル発電プラントは一般的に、燃料加熱のためにガス燃焼ヒータ、オイル燃焼ヒータ又は電気ヒータを採用しており、また複合サイクル発電プラントは、最適位置において熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）から取出した給水を使用することができる。

既存のタービン発電プラントでは、シールオイル、タービン回転歯車、ガスタービン軸受、発電機軸受及び発電機冷却水内において熱が発生している。現時点では、ガスタービン潤滑、発電機及び補助システムからの廃熱は、プラント補助冷却水により大気に廃棄されている。

米国特許第６，３２４，８４９号公報

この廃熱の幾らかを捕捉してタービン燃料を加熱するようにする必要性が存在する。この廃熱抽出は、燃焼タービン発電プラントの効率を高め、熱損失を減少させ、燃料利用を増大させ、かつ運転コストを低下させることになる。

以下の記述は、本発明の単純化した要約を示しており、本発明の幾つかの実施例としての態様に関する基本的理解を得るためのものである。この要約は、本発明の広範な概説ではない。さらに、この要約は、本発明の重要な要素を特定することも、また本発明の技術的範囲を描くことも意図するものではない。この要約のただ一つの目的は、後述する一層詳細な説明の前置きとして本発明の幾つかの概念を単純化した形態で示すことである。

１つの態様によると、本発明は、タービンエンジン構成要素用の燃料を予熱するための廃熱利用システムを提供する。構成要素は、少なくとも１つの熱発生源を含む。本システムは、少なくとも１つの熱発生源からの熱をタービンエンジン用の比較的低温燃料に加えて、点火に先立って該燃料を予熱するための手段を含む。

別の態様によると、本発明は、タービンエンジン構成要素用の燃料を予熱する廃熱利用方法を提供し、本方法は、タービンエンジン構成要素内の少なくとも１つの熱発生源から熱を抽出するステップと、この熱をタービンエンジン構成要素用の比較的低温燃料に加えて、点火に先立って該燃料を予熱するステップとを含む。

さらに別の態様によると、本発明は、発電機に動力供給するタービンエンジン用の燃料を予熱するための廃熱利用システムを構成する方法を提供する。タービンエンジン及び／又は発電機は、少なくとも１つの熱発生源を含む。本方法は、少なくとも１つの熱発生源からの熱をタービンエンジン用の比較的低温燃料に加えて、点火に先立って該燃料を予熱するための手段を設けるステップを含む。

本発明の上記の及びその他の態様は、添付図面を参照して以下の説明を読むことにより当業者には明らかになるであろう。

先行技術の潤滑オイル循環システムの概略図。本発明の１つの態様による、先行技術のシステムに対する修正形態を示す概略図。本発明の別の態様による、先行技術のシステムに対する別の修正形態を示す概略図。本発明のさらに別の態様による、先行技術のシステムに対するさらに別の修正形態を示す概略図。

本発明の１つ又はそれ以上の態様を組込んだ実施例としての実施形態について、説明しかつ図面に示している。これらの図示した実施例は、本発明を限定しようとするものではない。例えば、本発明の１つ又はそれ以上の態様は、その他の実施形態において利用することができ、またその他のタイプの装置においてさえ利用することができる。さらに、本明細書では、特定の用語は、便宜的に使用しているに過ぎず、本発明に対する限定として解釈すべきではない。さらにまた、図面においては、同じ参照符号を使用して、同様の要素を表すようにしている。

次に図面、特に図１を参照すると、現在のガスタービン潤滑オイルシステムを示している。潤滑オイルは、該潤滑オイルを主オイルタンク１２からポンプ圧送する冗長セットの交流（ＡＣ）ポンプ１０によって循環される。現場への交流（ＡＣ）電力が遮断された場合に備えて、直流（ＤＣ）ポンプ１４が設けられる。

比較的高温潤滑オイルが、主オイルタンク１２から１対の冗長オイル−水熱交換器１６及び１８の１つにポンプ圧送され、該オイル−水熱交換器１６及び１８の１つにおいて冷却される。比較的高温という語句は、広義に解釈されかつ広い温度範囲にわたることを意図している。幾つかの点で、タンク１２内のオイルの実温度は、１つ又は複数のタービンエンジン構成要素（例えば、歯車及び／又は軸受２６〜３０）によってオイルに与えられた熱の量に応じて決まることになる。一般的に、比較的高温という語句は、その温度が、以下においてさらに述べるように燃料を温めるために使用可能であるのに十分な差だけ燃料の温度よりも高いことを意味している。熱交換器の１つは、待機状態であって、三方弁によって作動状態に切換えることができる。フィルタ２２又は２４を通過した後、オイルは、回転歯車２６、発電機軸受２８及びタービン発電機軸受３０に送給される。歯車及び／又は軸受２６〜３０は、タービンエンジン構成要素の実施例としての一部分であることを理解されたい。タービン並びに可能な関連する発電機及び機械駆動装置については、タービンエンジン構成要素の構成の１つの実施例である。回転装置を潤滑しかつ該回転装置から熱を吸収した後に、オイルは、主オイルタンク１２に戻される。

オイル−水熱交換器１６及び１８には一般的に、約２５％のエチレングリコール及び７５％の水を含んだ冷却媒体が設けられ、この冷却媒体は、熱交換器を通って循環し、熱交換器において冷却媒体によって熱が抽出される。プラント補助冷却水システムは、冷却媒体によって抽出した廃熱を最終的に大気に廃棄する。潤滑システム内には、タンク内の適切なオイルレベル、オイル圧及びオイル温度を保証するために、様々な検知装置（図示せず）が設けられている。

次に図２を参照すると、図１に示す現在のガスタービン潤滑オイルシステムを本発明の１つの態様による構成によって修正したものとして示している。

比較的高温潤滑オイルが、主オイルタンクからポンプ圧送され、かつ管路３２及び遮断弁３４によって二重壁又は管式安全熱交換器３６に分流される。二重壁又は管式熱交換器は、熱交換媒体の相互混合を回避すべきである場合に使用される。言うまでもなく、熱の交換のための構造体は、変化させることができる。熱は、熱交換器３６内で、遮断弁４０によって流入燃料管路３８から分流されたタービン用の流入比較的低温天然ガス燃料と交換される。加熱燃料は、タービンに送給され、他方、冷却潤滑オイルは、管路４２を通りまた逆止弁４４を通過して潤滑オイルシステムに送給される。潤滑オイルは次に、三方弁２０を通って熱交換器１６及び１８の１つに流れ、次いで潤滑箇所に流れる。従って、熱交換器３６は、少なくとも１つの熱発生源からの熱をタービンエンジン用の比較的低温燃料に与えて、点火に先立って該燃料を予熱するための手段の一部の１つの実施例である。比較的低温という語句は、広義に解釈されかつ広い温度範囲にわたるべきである。幾つかの点で、燃料の実温度は、貯蔵された燃料の周囲温度とそれを通して流入燃料管路３８が延びている環境の温度とに応じて決まることになる。一般的に、比較的低温という語句は、その温度が、燃料を燃焼させてタービンから最大の出力及び／又は燃料節約を得ることのできる所望の温度よりも低いことを意味している。また、比較的低温では、その燃料の温度が、該燃料を温めるために使用可能であるのに十分な差だけ比較的低温燃料よりも高いようなオイルの温度との関係になっている。この実施例は、本発明の技術的範囲を限定することを意図していないことを理解されたい。

日常保守時又は熱交換器３６の故障を検知した時に、燃料ガスと現在のシステムから分流した潤滑オイルとを隔離するために、遮断弁３４及び４０が開放され、遮断弁４６、４８、５０、５２、５４及び５６並びに調整弁５０及び６０が閉鎖される。この状態の回路では、管路３８内の燃料ガスは、タービンに直接供給され、他方、熱交換器３６は、遮断され、また潤滑オイルは、ポンプ１０から熱交換器１６及び１８の１つを通って潤滑部位に直接循環する。上述した弁の全ては、電気的に又は油圧によってのいずれかで作動させることができる。

次に図３を参照すると、図１に示す現在のガスタービン潤滑オイルシステムを本発明の別の態様による構成によって修正したものとして示している。この構成では、潤滑オイル補助冷却水から廃熱を取得しかつこの廃熱を使用して比較的低温天然ガス燃料を予熱している。

比較的低温補助冷却水は、ポンプ６２によって熱交換器１６及び１８に圧送され、熱交換器１６及び１８において主オイルタンク１２からの高温潤滑オイルと熱を交換する。高温水は、熱交換器１６又は１８から管路６４によって導かれ、二重壁又は管式熱交換器６６内で、遮断弁６８によって分流された流入低温天然ガス燃料と熱を交換する。加熱燃料は、タービンに送給され、他方、冷却水は、管路７０を通して補助冷却水タンクに戻される。従って、熱交換器６６は、少なくとも１つの熱発生源からの熱をタービンエンジン用の比較的低温燃料に与えて、点火に先立って該燃料を予熱するための手段の一部の別の実施例である。この実施例は、本発明の技術的範囲を限定することを意図していないことを理解されたい。

日常保守時又は熱交換器３６の故障を検知した時に、冷却水回路から分流した燃料ガスを隔離するために、遮断弁６８及び閉鎖調整弁７２が開放され、また遮断弁７４、７６、７８、８０、８２、８４が閉鎖される。この状態の回路では、燃料ガスは、遮断弁６８を通してタービンに直接供給され、他方、熱交換器３６は、閉鎖遮断弁７４〜８４及び調整弁８６によって隔離される。次に、補助冷却水は、熱交換器１６及び１８を通して供給されかつ開放調整弁１１６を通して補助冷却水タンクに戻される。

次に図４を参照すると、図１に示すガスタービン潤滑オイルシステムを本発明のさらに別の態様による構成によって修正したものとして示している。この構成では、潤滑オイル補助冷却水から廃熱を取得しかつこの廃熱を使用して比較的低温天然ガス燃料を予熱している。この構成ではまた、発電機冷却水から廃熱を取得しかつこの廃熱を使用して天然ガス燃料をさらに予熱している。

比較的低温補助冷却水は、ポンプ８８によって熱交換器１６及び１８に圧送され、熱交換器１６及び１８において主オイルタンク１２からの高温潤滑オイルと熱を交換する。高温水は、熱交換器１６又は１８から管路９０によって導かれ、二重壁又は管式熱交換器９２内で、遮断弁９４によって分流された流入低温天然ガス燃料と熱を交換する。比較的低温天然ガスは、管路９６を通って二重壁又は管式熱交換器９８に、熱交換器９２に、また次にタービンに流れる。低温水は、管路１００を通って流れ、一方向逆止弁１０２及び１０４を通過して、補助冷却水タンク１０６に戻る。

比較的低温補助冷却水は、ポンプ８８によって発電機に圧送され、発電機において該発電機によって加熱され、管路１０８を通して熱交換器９８に、また次に熱交換器９２にポンプ圧送される。比較的低温水は次に、管路１１０を通して、また一方向逆止弁１０４を通して補助冷却水タンクに戻される。従って、熱交換器９２及び９８は、少なくとも１つの熱発生源からの熱をタービンエンジン用の比較的低温燃料に与えて、点火に先立って該燃料を予熱するための手段の一部のさらに別の実施例である。この実施例は、本発明の技術的範囲を限定することを意図していないことを理解されたい。

日常保守時又は熱交換器９８及び９２の１つ又は両方の故障を検知した時に、冷却水回路から分流した燃料ガスを隔離するために、遮断弁９４並びに閉鎖調整弁１１６及び１３８が開放され、また遮断弁１１８、１２０、１２４、１２６、１２８、１３０及び１３２並びに調整弁１３４及び１３６が閉鎖される。この状態の回路では、燃料ガスは、遮断弁９４を通してタービンに直接供給され、他方、熱交換器９２及び９８は、隔離される。熱交換器１６及び１８から流れる水は、閉鎖調整弁１３４によって阻止され、開放調整弁１１６を通って、管路１００を通って、また逆止弁１０４を通過して流れ、補助冷却水タンク１０６に戻る。発電機冷却水は、閉鎖調整弁１３６によって阻止され、開放調整弁１３８を通って補助冷却水タンク１０６に流れる。

上記の実施例としての構造的実施形態から、関連する方法は、本発明のその他の態様を構成することが分かるであろう。例えば、１つのその他の態様によると、本発明は、発電機又は機械駆動装置構成要素に動力供給するタービンエンジン用の燃料を予熱する廃熱利用方法を提供する。本方法は、タービンエンジン及び／又は発電機内の少なくとも１つの熱発生源から熱を抽出するステップと、その熱をタービンエンジン用の比較的低温燃料に加えて、点火に先立って該燃料を予熱するステップとを含む。別の実施例として、さらに別の態様によると、本発明は、発電機に動力供給するタービンエンジン用の燃料を予熱するための廃熱利用システムを構成する方法を提供する。タービンエンジン及び／又は発電機は、少なくとも１つの熱発生源を含む。本方法は、少なくとも１つの熱発生源からの熱をタービンエンジン用の比較的低温燃料に加えて、点火に先立って該燃料を予熱するための手段を設けるステップを含む。さらに別の実施例として、複合サイクルガスタービンのケースにおける本発明の別の用途によると、低温ガス燃料は一般的に、最適箇所においてＨＲＳＧから抽出された高温給水によって高性能ヒータ内で加熱される。廃熱利用システムによって加熱する場合のガスタービン燃料は、複合サイクル燃焼ガスタービン内での点火に先立って高性能ヒータ内に導入して、付加的な燃料節約を達成することができる。

上述した実施例としての実施形態を参照して、本発明を説明してきた。本明細書を熟読しかつ理解する時、第三者には、修正形態及び変更形態が想起されるであろう。本発明の１つ又はそれ以上の態様を組込んだ実施例としての実施形態は、そのような修正形態及び変更形態が特許請求の範囲の技術的範囲内にある限りそれら全てを包含することを意図している。

１０ＡＣポンプ
１２主オイルタンク
１４ＤＣポンプ
１６オイル−水熱交換器
１８オイル−水熱交換器
２０三方弁
２２フィルタ
２４フィルタ
２６回転歯車
２８発電機軸受
３０タービン発電機軸受
３２管路
３４遮断弁
３６二重壁又は管式熱交換器
３８流入燃料管路
４０遮断弁
４２管路
４４逆止弁
４６遮断弁
４８遮断弁
５０遮断弁
５２遮断弁
５４遮断弁
５６遮断弁
５８調整弁
６０調整弁
６２ポンプ
６４管路
６６二重壁又は管式熱交換器
６８遮断弁
７０管路
７２調整弁
７４遮断弁
７６遮断弁
７８遮断弁
８０遮断弁
８２遮断弁
８４遮断弁
８６調整弁
８８ポンプ
９０管路
９２二重壁又は管式熱交換器
９４遮断弁
９６管路
９８二重壁又は管式熱交換器
１００管路
１０２一方向逆止弁
１０４一方向逆止弁
１０６補助冷却水タンク
１０８管路
１１０管路
１１２逆止弁
１１６調整弁
１１８遮断弁
１２０遮断弁
１２２遮断弁
１２４遮断弁
１２６遮断弁
１２８遮断弁
１３０遮断弁
１３２遮断弁
１３４調整弁
１３６調整弁
１３８調整弁

Claims

少なくとも１つの熱発生源（例えば、２６〜３０）を含むタービンエンジン構成要素用の燃料を予熱するための廃熱利用システムであって、
前記少なくとも１つの熱発生源からの熱を前記タービンエンジン用の比較的低温燃料に加えて、点火に先立って該燃料を予熱するための手段（例えば、３６、６６、９２、９８）、を含む、
システム。
前記少なくとも１つの熱発生源（例えば、２６〜３０）が、前記タービンエンジン構成要素からの高温潤滑オイルを含む、請求項１記載のシステム。
前記タービンエンジン構成要素が、前記潤滑オイルがそこに加えられかつそこで比較的比較的高温になる少なくとも１つの潤滑部位（例えば、２６〜３０）を有し、
該システムが、前記少なくとも１つの潤滑部位から前記比較的高温潤滑オイルをポンプ圧送するための手段（１０）を含む、
請求項２記載のシステム。
前記少なくとも１つの熱発生源が、加熱構成要素冷却水（６２）を含む、請求項１乃至３のいずれか１項記載のシステム。
前記少なくとも１つの熱発生源が、加熱補助冷却水（１０６、８８）を含む、請求項１乃至４のいずれか１項記載のシステム。
前記補助冷却水が、前記タービンエンジン構成要素からの高温潤滑オイルと熱を交換する（１６、１８）ことによって加熱される、請求項５記載のシステム。
前記熱を加えるための手段（例えば、３６、６６、９２、９８）が、熱交換器を含む、請求項１乃至６のいずれか１項記載のシステム。
前記熱交換器（例えば、３６、６６、９２、９８）が、二重壁又は管式熱交換器である、請求項７記載のシステム。
タービンエンジン構成要素用の燃料を予熱する廃熱利用方法であって、
前記タービンエンジン構成要素内の少なくとも１つの熱発生源（例えば、２６〜３０）から熱を抽出するステップと、
前記熱を前記タービンエンジン構成要素用の比較的低温燃料に加え（例えば、３６、６６、９２、９８）て、点火に先立って該燃料を予熱するステップと、を含む、
方法。
前記少なくとも１つの熱発生源（例えば、２６〜３０）が、前記タービンエンジン構成要素からの高温潤滑オイルを含む、請求項９記載の方法。