JP2012149542A

JP2012149542A - 燃料予熱システム、ガスタービン発電システムおよび燃料予熱方法

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Publication number: JP2012149542A
Application number: JP2011007343A
Authority: JP
Inventors: 稔昌 ▲高▼橋; Toshiaki Takahashi
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-01-17
Filing date: 2011-01-17
Publication date: 2012-08-09
Anticipated expiration: 2031-01-17
Also published as: JP5675385B2

Abstract

【課題】ガスタービン駆動のため燃焼器に供給される燃料を簡単な構造で効率良く加熱することが可能な燃料予熱システム、ガスタービン発電システムおよび燃料予熱方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る燃料予熱システム２は、燃焼器１３における燃料の燃焼によって発生する高温ガスにより駆動されるガスタービン１２からの排ガスの熱を回収する排熱回収ボイラ３０に設けられた第１の熱交換部４と、燃料を燃焼器１３に供給する燃料供給路５０に設けられた第２の熱交換部６と、第１の熱交換部４から排出された後、第２の熱交換部６に供給される熱媒体が流れる媒体流路５とを備え、熱媒体は、第１の熱交換部４で排ガスの熱によって加熱されて、第２の熱交換部６で燃料供給路５０を流れる燃料を加熱する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービン駆動のため燃焼器に供給される燃料を予め加熱する燃料予熱システム、ガスタービン発電システムおよび燃料予熱方法に関するものである。

ガスタービンに供給される燃料は、燃焼効率を高めるため、ガスタービンに供給される前に加熱される。従来、排熱回収ボイラ（HRSG）の各セクションからの１以上の水流を用いて燃料ヒータ内の燃料を加熱する技術があった。

また、特許文献１および２では、別途水ヒータアセンブリを設けて、ガスタービンに供給される前に燃料を加熱する技術が開示されている。この技術では、排熱回収ボイラの１以上のセクションから水または蒸気が抽出され、水ヒータアセンブリに送られる。そして、燃料加熱用の水が水ヒータアセンブリから燃料ヒータへ導かれる。その結果、ガスタービンに供給される燃料は、燃料ヒータにて燃料加熱用の水から熱を受け取り、加熱された燃料は燃焼器へと送られる。一方、冷却された燃料加熱用の水は復水器へと送られる。

特開２０１０−３８１６２号公報特開２０１０−３８１６３号公報

しかし、従来の排熱回収ボイラ（HRSG）の各セクションからの１以上の水流を用いて燃料ヒータ内の燃料を加熱する技術では、燃料ヒータから燃料に加わる熱量は限られている。

また、特許文献１および２の技術では、ガスタービンおよび排熱回収ボイラのほかに水ヒータアセンブリを設ける必要がある。そのため、設備の追加に費用がかかる上、システム全体として構造が複雑になるという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ガスタービン駆動のため燃焼器に供給される燃料を簡単な構造で効率良く加熱することが可能な燃料予熱システムおよび燃料予熱方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の燃料予熱システム、ガスタービン発電システムおよび燃料予熱方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る燃料予熱システムは、燃焼器における燃料の燃焼によって発生する高温ガスにより駆動されるガスタービンからの排ガスの熱を回収する排熱回収ボイラに設けられた第１の熱交換部と、燃料を燃焼器に供給する燃料供給路に設けられた第２の熱交換部と、第１の熱交換部から排出された後、第２の熱交換部に供給される熱媒体が流れる媒体流路とを備え、熱媒体は、第１の熱交換部で排ガスの熱によって加熱されて、第２の熱交換部で燃料供給路を流れる燃料を加熱する。

燃焼器は、供給された燃料を燃焼することで高温ガスを発生し、高温ガスをガスタービンに供給する。ガスタービンは、燃焼器から供給された高温ガスによって駆動する。このとき、ガスタービンが発電機と接続されれば、ガスタービンの動力による発電を行える。排熱回収ボイラは、ガスタービンから排出された排ガスの熱を回収する。そして、排熱回収ボイラには、第１の熱交換部が設けられる。排熱回収ボイラは、第１の熱交換部とは別に伝熱管が設けられて、水を蒸気に変え、その蒸気を蒸気タービンに供給してもよい。
燃料供給路は、燃焼器に燃料を供給する流路である。燃料供給路には、第２の熱交換部が設けられる。

媒体流路は、第１の熱交換部と第２の熱交換部に接続されて熱媒体が流れるように形成される。そして、熱媒体は第１の熱交換部で排ガスの熱によって加熱されて、高温の熱媒体が第１の熱交換部から排出される。その後、第２の熱交換部に熱媒体が供給され、第２の熱交換部で高温の熱媒体の熱が利用されて、燃料供給路を流れる燃料が加熱される。その結果、燃料が燃焼器に供給される前に加熱されることになり、ガスタービンの燃焼効率を向上させることができる。

上記発明において、媒体流路は、第１の熱交換部と第２の熱交換部を循環する閉ループであって、第１の熱交換部における熱媒体の出口、第２の熱交換部における熱媒体の入口、第２の熱交換部における熱媒体の出口、第１の熱交換部における熱媒体の入口の順に高さが低くなるように媒体流路が設けられてもよい。

この発明によれば、媒体流路は、閉ループであって高低差があるため、熱媒体は、排熱回収ボイラに設けられた第１の熱交換部において加熱されて上昇し、燃料供給路に設けられた第２の熱交換部において冷却されて下降する。このとき、熱媒体は温度差によって循環するため、ポンプなどの外力を大幅に削減することができ、所定の条件下ではポンプなどの外力を使用しないで熱媒体を自然循環させつつ、燃料供給路を通過する燃料を加熱できる。

また、本発明に係るガスタービン発電システムは、上記の燃料予熱システムと、燃料予熱システムによって予熱された燃料が供給される燃焼器と、燃焼器における燃料の燃焼によって発生する高温ガスにより駆動されるガスタービンと、ガスタービンの回転出力によって発電する発電機とを備える。

この発明によれば、燃料予熱システムが燃焼器に供給される燃料を予熱し、燃焼器が予熱された燃料を燃焼して高温ガスを発生し、ガスタービンが高温ガスによって駆動され、発電機がガスタービンの回転出力によって発電する。したがって、燃焼器には、供給前に予熱された燃料が供給されることになり、ガスタービンの燃焼効率を向上させることができる。

また、本発明に係る燃料予熱方法は、燃焼器における燃料の燃焼によって発生する高温ガスにより駆動されるガスタービンからの排ガスの熱を回収する排熱回収ボイラに設けられた第１の熱交換部において、熱媒体を排ガスの熱によって加熱し、第１の熱交換部で加熱された熱媒体を第１の熱交換部から排出し、第１の熱交換部から排出された熱媒体を、燃焼器に燃料を供給する燃料供給路に設けられた第２の熱交換部へ供給し、第２の熱交換部において、熱媒体によって燃料供給路を流れる燃料を加熱する。

この発明によれば、排熱回収ボイラに第１の熱交換部が設けられ、熱媒体が第１の熱交換部において排ガスの熱によって加熱される。そして、加熱された熱媒体が第１の熱交換部から排出されて、第２の熱交換部へ供給される。第２の熱交換部は燃焼器に燃料を供給する燃料供給路に設けられており、燃料供給路を流れる燃料は、第２の熱交換部を流れる熱媒体によって加熱される。その結果、燃料が燃焼器に供給される前に加熱されることになり、ガスタービンの燃焼効率を向上させることができる。

本発明によれば、ガスタービン駆動のため燃焼器に供給される燃料を簡単な構造で効率良く加熱することができる。

本発明のガスタービンコンバインドサイクル（GTCC）発電システムを示す概略図である。本発明の燃料予熱システムを示す概略図である。燃料予熱上昇温度［℃］と閉回路である媒体流路の上端から下端までの高低差［ｍ］との関係を示すグラフである。

以下に、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明のガスタービンコンバインドサイクル（GTCC）発電システム１を示す概略図である。
本発明の発電システム１は、ガスタービン発電システム１０と、蒸気タービン発電システム２０と、排熱回収ボイラ３０と、燃料予熱システム２などから構成される。発電システム１は、ガスタービン１２を使って発電した後、ガスタービン１２からの排熱を利用して作った蒸気によって蒸気タービン２１を回転させ、再度発電を行う。また、燃料予熱システム２によって、ガスタービン発電システム１０の燃焼器１３に供給される燃料を予熱する。ここで、燃料とは例えばＬＮＧ気化ガスである。

ガスタービン発電システム１０は、圧縮機１１と、ガスタービン１２と、燃焼器１３と、発電機１４などを有する。ガスタービン発電システム１０は、ガスタービン１２の駆動によって発電を行う。

圧縮機１１は、ガスタービン１２の回転駆動力が伝達されて駆動する。圧縮機１１は、周囲空気を吸い込んで連続的に空気を圧縮し、圧縮した空気を燃焼器１３に送る。

ガスタービン１２は、燃焼器１３から高温ガスが供給されて高温ガスを膨張させて、回転駆動する。ガスタービン１２は排ガスを排出し、排ガスは排熱回収ボイラ３０に供給される。ガスタービン１２の排ガスの出口温度は例えば５５０〜６００℃である。ガスタービン１２は、一端側で圧縮機１１と直結し、他端側で発電機１４と直結している。

燃焼器１３は、圧縮機１１から空気が供給され、燃料供給路５０から燃料が供給されて、燃料を燃焼し、高温ガスを発生する。燃焼器１３は、発生した高温ガスをガスタービン１２に供給する。燃料供給路５０は、燃料供給元と燃焼器１３を結ぶ配管であり、燃料供給元から燃焼器１３へ燃料が流れる。燃料供給路５０には第２の熱交換部６が設けられる。

発電機１４は、ガスタービン１２の回転駆動力が伝達され、その駆動力によって電力を出力する。発電機１４で得られた電力は、図示しない電力線を介して電力系統へ供給される。

排熱回収ボイラ３０は、ガスタービン１２から排ガスが供給され、排ガスを図示しない排気筒へ排気する。排熱回収ボイラ３０は、ガスタービン１２から排出された排ガスの熱を回収する。例えば、排熱回収ボイラ３０には、媒体流路の一部を構成する第１の熱交換部４が設けられる。排熱回収ボイラ３０を通過する排ガスは、第１の熱交換部４にて媒体流路を流れる熱媒体と熱交換する。また、排熱回収ボイラ３０には、蒸気タービン発電システム２０の流路の一部を構成する伝熱管２５が設けられる。排熱回収ボイラ３０を通過する排ガスは、伝熱管２５にて蒸気タービン発電システム２０の循環流路を流れる水または蒸気と熱交換する。

蒸気タービン発電システム２０は、蒸気タービン２１と、発電機２２と、復水器２３と、給水ポンプ２４と、排熱回収ボイラ３０などから構成される。蒸気タービン発電システム２０は、蒸気タービン２１の駆動によって発電を行う。蒸気タービン発電システム２０は、閉回路の循環流路を有しており、給水ポンプ２４によって蒸気または水が循環流路内を循環する。

蒸気タービン２１は、排熱回収ボイラ３０に設けられた伝熱管２５にて生成された蒸気の熱落差（エンタルピー落差）によって回転駆動される。蒸気タービン２１には発電機２２が接続されている。蒸気タービン２１の回転駆動力は発電機２２に伝達され、発電機２２によって電力が得られるようになっている。発電機２２によって得られた電力は、図示しない電力線を介して電力系統へと供給される。

復水器２３は蒸気を冷却水によって冷却して凝縮液化する。凝縮液化して生成された水は、給水ポンプ２４によって排熱回収ボイラ３０へ送られる。

次に、図２を用いて、本発明の燃料予熱システム２について説明する。図２は、本発明の燃料予熱システム２を示す概略図である。
燃料予熱システム２は、熱媒体が流れる閉回路の媒体流路を有しており、第１の熱交換部４と第２の熱交換部６が設けられる。第１の熱交換部４と第２の熱交換部６は、それぞれ複数の伝熱管からなる伝熱管群によって構成される。

第１の熱交換部４は、排熱回収ボイラ３０に設けられる。第１の熱交換部４の伝熱管内を流れる熱媒体は、排熱回収ボイラ３０を流れる排ガスと熱交換し、熱媒体は加熱される。第２の熱交換部６は、燃料が流れる燃料供給路５０に設けられる。第２の熱交換部６の伝熱管内を流れる熱媒体は、燃料供給路５０を流れる燃料と熱交換し、熱媒体は冷却される。

配管３は、第２の熱交換部６の伝熱管の下側にある開口（熱媒体出口）と第１の熱交換部４の伝熱管の下側にある開口（熱媒体入口）を結ぶ流路であり、第２の熱交換部６から第１の熱交換部４へ熱媒体が流れる。また、配管５は、第１の熱交換部４の伝熱管の上側にある開口（熱媒体出口）と第２の熱交換部６の伝熱管の上側にある開口（熱媒体入口）を結ぶ流路であり、第１の熱交換部４から第２の熱交換部６へ熱媒体が流れる。

媒体流路は、第１の熱交換部４と、第２の熱交換部６と、配管３，５によって構成され、媒体流路内を熱媒体が循環する。なお、熱媒体は、例えばガス（空気、炭酸ガス等）、油または有機溶媒（シリコン油、ダウサムＡ、エチレングリコール等）、溶融塩（NaNO₂、LiNO₃、NaNO₃、KNO₃、NaOH、KOH、LiCl、NaCl、KCl、Li₂CO₃、Na₂CO₃、K₂CO₃、NaNO₃-KNO₃、HTS:NaNO₃-KNO₃-NaNO₂、LiF-BeF₂、LiF-NaF-KF、LiF-BeF₂-ThF₄-UF₄等）を使用できる。熱媒体は、低温（例えば常温〜350℃）の範囲で使用されるときは油系のものが適しており、高温（例えば450℃以上）で使用されるときは、溶融塩が適している。これらの温度領域で熱媒体は熱伝達率や熱容量が大きくなるためである。

また、媒体流路の閉回路が図２に示すように高低差を設けて配置されることで、内部の熱媒体は排熱回収ボイラ３０側の第１の熱交換部４では加熱されて上昇し、燃料供給路５０側の第２の熱交換部６では冷却されて下降する。ここで、第１の熱交換部４と第２の熱交換部６は高さ方向に沿って蛇行して設けられる。そして、配管３，５は水平に設けられる。なお、配管３，５は水平方向に対して傾斜して設けられてもよいが、第１の熱交換部４における熱媒体の出口、第２の熱交換部６における熱媒体の入口、第２の熱交換部６における熱媒体の出口、第１の熱交換部４における熱媒体の入口の順に高さが低くなるように媒体流路が設けられる。

このとき、熱媒体は温度差によって循環するため、ポンプなどの外力を大幅に削減することができ、所定の条件下ではポンプなどの外力を使用しないで熱媒体を自然循環させつつ、第２の熱交換部６によって燃料供給路５０を通過する燃料を加熱できる。

次に、本発明の燃料予熱システム２の動作について説明する。
まず、ガスタービン１２からの排ガスが排熱回収ボイラ３０に供給されると、排ガスは媒体流路の第１の熱交換部４を流れる熱媒体と熱交換する。その結果、排熱回収ボイラ３０にて、排ガスは冷却され、熱媒体は加熱される。そして、熱媒体は比重が小さくなっていくため、第１の熱交換部４の伝熱管内を上昇する。

一方、燃焼器１３に供給される燃料が流れる燃料供給路５０では、燃料は媒体流路の第２の熱交換部６を流れる熱媒体と熱交換する。その結果、燃料は第２の熱交換部６によって加熱される。したがって、燃料は燃焼器１３に供給される前に温度上昇するため、ガスタービン発電システム１０の燃焼効率を向上させることができる。また、第２の熱交換部６にて、熱媒体は冷却され比重が大きくなっていくため、伝熱管内を下降する。

以上より、熱媒体の密度差によって、熱媒体は、配管３にて、第２の熱交換部６の下側開口部から第１の熱交換部４の下側開口部へ流れ、配管５にて、第１の熱交換部４の上側開口部から第２の熱交換部６の上側開口部へ流れる。その結果、熱媒体は、配管３、第１の熱交換部４、配管５、第２の熱交換部６の順に媒体流路内を循環する。所定の条件下ではポンプなどの外力を使用しないで熱媒体を自然循環させつつ、第２の熱交換部６によって燃料供給路５０を通過する燃料を加熱できる。

次に、図３を用いて、本発明の燃料予熱システム２の一例として、媒体流路内を循環する熱媒体がダウサムＡである場合の燃料予熱上昇温度の検討結果を説明する。図３は、燃料予熱上昇温度［℃］と閉回路である媒体流路の上端から下端までの高低差［ｍ］との関係を示すグラフである。

図３のグラフは、媒体流路の高低差をパラメータとして燃料予熱の温度上昇がどの程度になるかを計算した結果である。熱媒体が媒体流路を循環する駆動力は、熱媒体の温度差によって生じる密度差と、媒体流路の高低差に基づいて算出することとした。また、媒体流路の高温側と低温側間の熱媒体の温度差（密度差）を一定としている。

計算方法として、まず、図２に示すような形状を有する閉回路の媒体流路と第１の熱交換部４と第２の熱交換部６を想定し、上述の駆動力による媒体流路内の熱媒体の循環流量を算出する。次に、算出した循環流量と設定した温度差に基づいて、熱交換量を算出する。最後に、既定の燃料ガスの流量に基づいて、熱交換量に相当する燃料の温度上昇分を算出する。

図３に示したように、媒体流路の高低差が高いほど、燃料予熱における温度上昇分が大きくなることが分かる。また、図３のケースでは、媒体流路の高低差を３ｍ確保することによって、燃料を５０℃以上予熱することが可能となった。

以上、本発明によれば、燃焼器に供給される燃料を予め加熱することができるため、ガスタービン発電システムの燃焼効率を向上させることができる。また、媒体流路を適切に配置することで、閉回路の媒体流路を流れる熱媒体は温度差（密度差）によって循環する。そして、ポンプなどの外力を大幅に削減することができ、所定の条件下ではポンプなどの外力を使用しないで熱媒体を自然循環させつつ、燃料供給路を通過する燃料を加熱できる。
なお、ガスタービンコンバインドサイクル（GTCC）発電システムの能力や運転条件に適した熱媒体を選択することで、燃料予熱システムの最適化を図ることができる。

上記説明では、ガスタービンの燃料が天然ガス（LNG）の場合について説明したが、本発明はこの例に限定されない。ガスタービンの燃料は、例えば軽油等の油でもよい。また、上記説明では、ガスタービンコンバインドサイクル（GTCC）発電システムに本発明を適用する場合について説明したが、本発明は蒸気タービン発電システムを含まないで、ガスタービン発電システムと排熱回収ボイラを有するシステムにも適用できる。更に、上記説明では、ガスタービンと蒸気タービンそれぞれに発電機が直結するGTCC発電システムについて説明したが、本発明はこの例に限定されず、発電機を共有して、ガスタービンと蒸気タービンと発電機が直結するGTCC発電システムでも本発明を適用できる。

１ガスタービンコンバインドサイクル発電システム
２燃料予熱システム
３，５配管（媒体流路）
４第１の熱交換部
６第２の熱交換部
１０ガスタービン発電システム
１１圧縮機
１２ガスタービン
１３燃焼器
１４，２２発電機
２０蒸気タービン発電システム
２１蒸気タービン
２３復水器
２４給水ポンプ
２５伝熱管
３０排熱回収ボイラ
５０燃料供給路

Claims

燃焼器における燃料の燃焼によって発生する高温ガスにより駆動されるガスタービンからの排ガスの熱を回収する排熱回収ボイラに設けられた第１の熱交換部と、
前記燃料を前記燃焼器に供給する燃料供給路に設けられた第２の熱交換部と、
前記第１の熱交換部から排出された後、前記第２の熱交換部に供給される熱媒体が流れる媒体流路と、
を備え、
前記熱媒体は、前記第１の熱交換部で前記排ガスの熱によって加熱されて、前記第２の熱交換部で前記燃料供給路を流れる前記燃料を加熱することを特徴とする燃料予熱システム。
前記媒体流路は、前記第１の熱交換部と前記第２の熱交換部を循環する閉ループであって、前記第１の熱交換部における前記熱媒体の出口、前記第２の熱交換部における前記熱媒体の入口、前記第２の熱交換部における前記熱媒体の出口、前記第１の熱交換部における前記熱媒体の入口の順に高さが低くなるように前記媒体流路が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料予熱システム。
請求項１または２に記載の燃料予熱システムと、
該燃料予熱システムによって予熱された燃料が供給される燃焼器と、
該燃焼器における前記燃料の燃焼によって発生する高温ガスにより駆動されるガスタービンと、
該ガスタービンの回転出力によって発電する発電機と、
を備えることを特徴とするガスタービン発電システム。
燃焼器における燃料の燃焼によって発生する高温ガスにより駆動されるガスタービンからの排ガスの熱を回収する排熱回収ボイラに設けられた第１の熱交換部において、熱媒体を前記排ガスの熱によって加熱し、
前記第１の熱交換部で加熱された前記熱媒体を前記第１の熱交換部から排出し、
前記第１の熱交換部から排出された前記熱媒体を、前記燃焼器に前記燃料を供給する燃料供給路に設けられた第２の熱交換部へ供給し、
前記第２の熱交換部において、前記熱媒体によって前記燃料供給路を流れる前記燃料を加熱することを特徴とする燃料予熱方法。