(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料改質は、燃焼不安定性を生じる燃焼挙動を縮小する一つの解決法である。燃料改質するために、高価な触媒を必要とせず、また、大規模でかつ複雑でないシステムを提供する。【解決手段】ガスタービンシステム１０は、燃料スリップストリーム３０を取り込むための燃料改質装置システム１２と、酸素スリップストリーム３２を取り込むために構成される酸素インレットと、燃料スリップストリーム３０を前処理するために構成される前処理区域と、燃料スリップストリーム３０と酸素スリップストリーム３２との混合を促進し、ガス状予混合物を生成するために構成される予混合装置を備える混合区域３４と、ガス状予混合物から合成ガスを生成するために構成される反応区域と、燃料ストリームを合成ガスに混合し水素エンリッチ燃料混合物を生成するために構成される冷却区域と、燃料混合物を受け入れるために構成されるガスタービン２２と、を含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料改質装置システム（１２、５０、１１０、１３０、３１１、５０４）を備えるガスタービンシステム（１０、３００、５００）であって、
前記燃料改質装置システムは、
燃料スリップストリーム（３０、５２、８４）を受け入れるように構成される燃料インレットと、
酸素スリップストリーム（３２、５６、８８）を取り込むように構成される酸素インレットと、
前記燃料スリップストリームを前処理するように構成される前処理区域（５４）と、
前記燃料スリップストリームに前記酸素スリップストリームを混合し、ガス予混合を形成するために構成される混合区域（３４、５８）と、
前記ガス状予混合物から合成ガス（４２、６２）を生成するように構成される反応区域（６０）と、
前記合成ガスに燃料ストリームを混合し、水素エンリッチ燃料混合物（４８、６８）を形成するために構成される冷却区域（６６）と、
前記燃料混合物を受け入れるように構成されるガスタービン（２２）と、
を備えるガスタービンシステム。
【請求項２】
前記前処理区域（５４）は、複数の旋回翼（１５６、１８２、２３４、２３６、２３８）を備える、請求項１に記載のガスタービンシステム（１０、３００、５００）。
【請求項３】
前記水素エンリッチ燃料混合物（４８、６８）はガスタービン予混合器（１６）に取り込まれ酸素ストリームと混合される、請求項１又は２に記載のガスタービンシステム（１０、３００、５００）。
【請求項４】
前記水素エンリッチ燃料混合物（４８、６８）は、運転ガスストリーム（５２０）を再加熱するように構成される第二燃料ストリームである、請求項１又は２に記載のガスタービンシステム（１０、５００）。
【請求項５】
前記水素エンリッチ燃料混合物（４８、６８）は、ガスタービンの燃焼器の第二ステージ（３１２）で燃焼されるように構成される第二燃焼ストリームである、請求項１又は２に記載のガスタービンシステム（１０、３００）。
【請求項６】
前記混合区域（３４、５８）にスチーム（３６、５９）を取り込むように構成されるスチームインレットを更に備える、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のガスタービンシステム（１０、３００、５００）。
【請求項７】
前記ガスタービンシステム（３００）は、
取込部（３０４）と、
前記取込部に下流で流体結合する圧縮部（３０６）と、
前記圧縮部に下流で流体結合する第一燃焼システム（３１０）を備える燃焼部（３０８）と、
前記第一燃焼システムに下流で流体結合する第二燃焼システム（３１２）と、
前記第二燃焼システムの下流で前記第二燃焼システムと流体結合するタービンセクション（３１４）と、を更に備え、
前記燃料改質装置システム（３１１）は、前記第一燃焼システム及び／又は前記第二燃焼システムと流体結合し、前記水素エンリッチ燃料混合物を前記第一燃焼システム及び第二燃焼システムに提供する、請求項１又は２に記載のガスタービンシステム（３００）。
【請求項８】
前記ガスタービンシステムの負荷容量を測定し、前記ガスタービンシステムが全負荷容量で稼動時に前記水素エンリッチ燃料混合物を前記第二燃焼システム（３１２）に注入し、前記ガスタービンシステムが部分負荷容量で稼動時に前記水素エンリッチ燃料混合物を前記水素エンリッチ燃料混合物を前記第一燃焼システム（３１）に注入するように構成されたコントローラを更に含む、請求項７に記載のガスタービンシステム（３００）。
【請求項９】
前記ガスタービンシステム（５００）は、
酸素ストリーム（５１８）を圧縮するように構成される、取込部の下流でこの取込部と流体結合される圧縮部（５０６）と、
前記圧縮酸素ストリームを受け入れ燃料ストリームを燃焼し燃焼排出ガスストリーム（５２０）を生成するように構成され、前記圧縮部の下流で前記圧縮部と流体結合する燃焼部（５０８）と、
前記燃焼排出ガスストリームを部分的に膨張し、運転ガスストリーム（５２２）を形成するように構成され、前記燃焼部の下流で前記燃焼部と流体結合する第一タービン（５１０）と、
、前記再加熱装置は、前記運転ガスストリーム及び前記水素エンリッチ燃料混合物を燃焼し排出ガスストリーム（５２４）を生成するように構成される、前記第一タービン及び前記燃料改質装置システムの下流で前記第一タービン及び前記燃料改質装置システムと流体結合され、
前記燃料改質装置システム（５０４）は、前記水素エンリッチ燃料混合物を、前記第一燃焼システム及び／又は再加熱装置（５０２）に提供するように構成され、
前記排出ガスストリームを膨張するように構成され、前記再加熱装置の下流で前記再加熱装置と流体結合される第二タービン（５１２）と、を更に含む
請求項１又は２に記載のガスタービンシステム（５００）。
【請求項１０】
前記燃料改質装置システム（１２、５０、８０、１１０、１３０、３１１、５０４）は、前記ガスタービン燃焼システム（２０、３０８、５０８）の体積の２％から７５％の体積を有する、請求項１乃至９のいずれか１項に記載のガスタービンシステム（１０、３００、５００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的にガスタービン燃焼システムに関するものであり、より具体的には、ガスタービンシステムの効率を向上するための予混合部分酸化燃焼に基づく燃料改質装置に関するものである。
【０００２】
この業界において、有害大気汚染排出物を生成することなく高効率で作動する新しいタービンを提供する機運がある。大抵、従来の炭化水素燃料の燃焼でタービンにより生成される主な有害大気汚染排出物は、窒素酸化物、一酸化炭素、及び未燃炭化水素である。エアブリージングエンジン内の窒素分子の酸化は、燃焼システム反応区域の最大温度及び燃焼器（コンバスター）内で到達する最大温度での反応物の滞留時間に大いに依存している。反応域の温度を熱窒素酸化物が形成されるレベルより低く維持すること、又は窒素酸化物（NOx）生成反応が促進するための十分な時間が存在しないように高温で極めて短い滞留時間を維持することにより、熱窒素酸化物（NOx）生成のレベルは最小化される。
【０００３】
燃料注入及び混合は、ガスタービンエンジンでの効率的且つ無公害燃焼を実現するために重要である。ガス状燃料の場合、燃焼区域において、大気、燃料、及び燃焼生成物間の混合最適レベルを得ることが望ましい。更に厳しい排出量目標を満たすために、燃焼の部分予混合（PP）又はリーン予混合（LP）モードで作動するガスタービンの需要が増加している。部分予混合（PP）及びリーン予混合（LP）燃焼は、燃焼効率を損失することなく窒素酸化物（NOx）の有害排出物を削減することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７２７９０１９号
【特許文献２】米国特許第６９２６７４８号
【特許文献３】米国特許第６８６８６７６号
【特許文献４】米国特許第６５７９５１０号
【特許文献５】米国特許第５９８０７８２号
【特許文献６】米国特許第５９３５４８９号
【特許文献７】米国特許第５８８６０５６号
【特許文献８】米国特許第５６８７５７２号
【特許文献９】米国特許第５４９６１７０号
【特許文献１０】米国特許第５２０７０５３号
【特許文献１１】米国特許第４７６７５６９号
【特許文献１２】米国特許第４３９４１３７号
【特許文献１３】米国特許第４０６０３９７号
【特許文献１４】米国特許第３３９９２４５号
【特許文献１５】米国出願公開２００８−０２７１３７６号
【特許文献１６】米国出願公開２００７−０２４９７３８号
【特許文献１７】米国出願公開２００７−０１２４９９７号
【特許文献１８】米国出願公開２００７−０１２２３３９号
【特許文献１９】米国出願公開２００７−００３３９４５号
【特許文献２０】米国出願公開２００７−００００１７６号
【特許文献２１】米国特許第号２００４−０１８２００３号
【特許文献２２】米国特許第号２００２−０１１５５２１号
【特許文献２３】米国特許第６７５２６２３号
【特許文献２４】米国特許第６６７９０６１号
【特許文献２５】米国特許第６６５８８５６号
【特許文献２６】米国特許第６２３７３４３号
【特許文献２７】米国特許第５３１８４３６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、燃焼挙動としても知られている燃焼不安定性は、一般に、低燃焼ガスタービンエンジンの発生で直面する。圧力変動という形での燃焼挙動、放熱率、及び流れにおける他の摂動は、リーンブローアウト、構造振動、チャンバへの余剰熱伝達などの問題を引き起こす場合があり、結果的にシステム不具合を招く場合がある。
【０００６】
燃料の改質は、燃焼挙動を縮小する一つの解決方法である。一つの方法は、燃焼直前に燃料を改質するためにリッチ触媒系を用い、そして更にそれを燃焼チャンバに融合させる。しかしながら、そのような技術は高価な触媒を必要とする場合があり、また既存の燃焼システムへの組込みを困難にするほど大規模且つ複雑である場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一つの実施形態によるとガスタービンシステムが提供される。ガスタービンシステムは、燃料スリップストリームを受け入れるように構成される燃料インレットを備える燃料改質システムと、酸素スリップストリームを取り込むように構成される酸素インレットと、燃料スリップストリームを前処理するように構成される前処理区域と、燃料スリップストリームと酸素スリップストリームとの混合を促進し、ガス予混合を形成するように構成される予混合装置を備える混合区域と、ガス予混合から合成ガスを生成するように構成される反応区域と、合成ガスに燃料ストリームを混合し、水素強化燃料混合物を形成するように構成される冷却区域と、燃料混合物を受け入れるように構成されるガスタービンと、を含む。
【０００８】
他の実施形態において、ガスタービンシステムは、取込部と、取込部に下流で流体連結する圧縮部と、圧縮部に下流で流体連結する第一燃焼システムを備える燃焼部と、第一燃焼システムに下流で流体連結する第二燃焼システムと、第一燃焼システム及び第二燃焼システムと流体連結する燃料改質システムと、を含む。燃料改質システムは、第一燃焼システム及び／又は第二燃焼システムに水素エンリッチ燃料混合物を供給するように構成される。燃料改質システムは、燃料スリップストリームを受け入れるように構成される燃料インレットと、酸素スリップストリームを取り込むように構成される酸素インレットと、燃料スリップストリームを前処理するように構成される前処理区域と、燃料スリップストリームと酸素スリップストリームとの混合を促進し、ガス予混合を形成するように構成される予混合装置を備える混合区域と、ガス予混合から合成ガスを生成するために構成される反応区域と、合成ガスに燃料ストリームを混合し、水素強化燃料混合物を形成するように構成される冷却区域と、第二燃焼システムの下流に流体結合するタービン部と、からなる。
【０００９】
その他の実施形態において、ガスタービンシステムは、取込部と、ストリームを含む酸素を圧縮するように構成され、取込部に下流で流体連結する圧縮部と、圧縮部に下流で流体連結する燃焼部とを備える。燃焼部は、ストリームを含む圧縮酸素を受け入れ、燃料ストリームを燃焼し、燃焼排出ガスストリームを生成するように構成される。ガスタービンシステムは更に、燃焼排出ガスストリームを部分的に膨張し、運転ガスストリームを形成するように構成される燃焼部に下流で流体連結する第一タービンと、燃料スリップストリームを受け入れるように構成される燃料インレットを備える燃料改質システムと、酸素スリップストリームを取り込むように構成される酸素インレットと、燃料スリップストリームを前処理するように構成される前処理区域と、燃料スリップストリームと酸素スリップストリームとの混合を促進し、ガス予混合を形成するように構成される予混合装置を備える混合区域と、ガス予混合から合成ガスを生成するように構成される反応区域と、合成ガスに燃料ストリームを混合し、水素エンリッチ燃料混合物を形成するように構成される冷却区域と、運転ガスストリーム及び水素強化燃料混合物を燃焼し、排出ガスストリームを形成するように構成され、第一タービンと燃料改質システムとに下流で流体連結する再加熱装置と、排出ガスストリームを膨張するように構成される再加熱装置に下流で流体連結する第二タービンと、を更に含む。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
代表的な実施例である図が示されている。同じ要素には同じ符合が付されている。
【図１】燃料改質装置システムを有するガスタービンシステムの代表的な実施例のダイヤグラム図である。
【図２】図１の燃料改質装置システムの代表的な実施例のダイヤグラム図である。
【図３】燃料改質装置システムの代表的な実施例を表すブロックダイヤグラム図である。
【図４】燃料改質装置システムの混合及び反応区域の代表的な実施例の概略図である。
【図５】衝突冷却メカニズムを用いた燃料改質装置システムの混合区域及び反応区域の代表的な実施例の概略図である。
【図６】セラミックライナーを備える燃料改質装置システムの混合区域及び反応区域の代表的な実施例の概略図である。
【図７】図３の燃料改質装置システムを用いた予混合装置の代表的な実施例のダイヤグラム図である。
【図８】異なる酸素スリップストリーム注入位置を有する図７の予混合装置の代表的な構成例のダイヤグラム図である。
【図９】異なる酸素スリップストリーム注入位置を有する図７の予混合装置の代表的な構成例のダイヤグラム図である。
【図１０】異なる酸素スリップストリーム注入位置を有する図７の予混合装置の代表的な構成例のダイヤグラム図である。
【図１１】異なる酸素スリップストリーム注入位置を有する図７の予混合装置の代表的な構成例のダイヤグラム図である。
【図１２】複数の対向旋回翼から成る図３の燃料改質装置システムの予混合装置のその他の代表的な構成例の断面図である。
【図１３】図３の燃料改質装置システムを用いた多段ガスタービン燃焼システムの代表的な実施例の部分断面横図である。
【図１４】図３の燃料改質装置システムに流体連結する、図１３に示される燃焼部のための第二燃焼システムの軸方向図である。
【図１５】燃料改質装置システムに流体連結する再加熱装置を有するガスタービンシステムの代表的な実施例のダイヤグラム図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
詳細に説明されるように、本開示の実施形態は、燃料改質装置システムを取り入れたガスタービンシステムを提供する。ここで説明されるシステム及び技術は、多段ガスタービンシステム及び再加熱ガスタービンシステムのような出力及びガスタービンシステムの効率性を促進するために機能する。ガスタービンシステムに使用される改質装置システムは、酸素スリップストリームの燃料スリップストリームとの混合及び反応を提供し、予混合部分酸化燃焼を通じて水素濃度を上げるために構成される。燃料への水素の取込みは、リーンブローアウトポイントの低下を可能にし、またガスタービンシステムの燃焼挙動の縮小も可能にする。ここに使用される“燃焼挙動”は、酸素圧、温度における変動、及び放熱並びにガスタービンを含むエンジンの作動に影響する非定常流振動を意味する。更に、ここに使用される“リーンブローアウトポイント”は、燃焼器内での燃焼の損失ポイントを意味する。燃料燃焼及び流速障害のばらつきは、リーン燃焼火炎において燃焼を損失させる。従って、水素のような反応性燃料成分を有するシステムを作動することは有利である。ここに開示されるように、開示の実施形態は、燃焼手段を介して燃料の前処理を提供するレトロフィットの燃料改質装置ユニットを含んでもよく、そのユニットは既存の多段及び再加熱ガスタービンシステムに配置されてもよい。また、ここに使用される“燃料”および“酸素”は、ガスタービン燃焼システムの燃焼器を作動するために必要な一部の要素を意味する。このような表現が説明を容易にするために一貫して使用されるが、“燃料”は、ガスタービンに使用されるあらゆる適当な燃焼性燃料、例えば、これらに限定されないが、天然ガス、ディーゼル、ジェット燃料、ロジスティック燃料（JP-8）、灯油（ケロシン）、燃料油、バイオディーゼル、ガソリン、メタノール、エタノール、E-10、E-85、E-90並びにE-95を含むガソリン含有エタノール、及びそれらに類似したもの、であることを意味する場合がある。同様に、“酸素”は、燃料を燃焼させるためのあらゆる適当な酸素含有燃料、例えば、これらに限定されないが、酸素、酸素エンリッチ空気、及びそれらに類似したもの、であることを意味する場合がある。
【００１２】
ここで図１を参照すると、ガスタービンシステム１０の代表的な実施例が描かれたブロックダイヤグラム図が示される。ガスタービンシステム１０は、ガスタービンに対して水素濃度を上げるための燃料改質装置システム１２を含む。コンプレッサ１４は、燃料改質装置システム１２とガスタービン予混合装置１６とに流体連結されている。コンプレッサ１４は、燃料改質装置システム１２とガスタービン予混合装置１６とに空気を供給するために構成されている。燃料ストリーム１８もまた燃料改質装置システム１２に流体連結されている。後で詳細に説明されるように、燃料及び空気は、燃料改質装置システム１２で合成ガスを生成するために結合及び反応し、その後更に燃料と結合しガスタービン予混合装置１６に送られてもよい。合成ガス及び燃料は更にコンプレッサ１４からの空気と混合し、全ての予混合燃料が燃焼器２０に供給される。予混合燃料は燃焼器２０で燃焼され、ガスタービン２２で膨張される。タービンは燃焼及び膨張により駆動し、そしてエネルギーは電力に変換され、その電力はパワーグリッド２４へ電力を供給するために送られるか又は保存され後に利用される。
【００１３】
図２は、図１の燃料改質装置システムの代表的な実施例を更に描写している。燃料スリップストリーム３０は主燃料ストリーム１８から分配されており、燃料スリップストリーム３０はガスタービンコンプレッサ１４からの酸素スリップストリーム３２と結合され、燃料改質装置システム１２の予混合区域３４に送られる。ここに使用されるように、“酸素”という表現は、水素エンリッチ燃料混合物を形成するために、燃料との混合に適したあらゆる酸化体を意味するために通常使用される。代表的な酸素ストリームは、純酸素（O2）、空気、酸素エンリッチ空気、及びそれに類似するものを、それらに限定される事なく含んでいてもよい。
【００１４】
最適な実施例において、予混合区域３４で酸素スリップストリーム３２に混合される前に、燃料スリップストリーム３０はスチーム３６と結合し、燃料スリップストリーム３０を予熱するために熱交換器３８を介して供給される。予熱された燃料スリップストリーム３０は選択的にスチーム３６と共に、その後予混合区域３４で酸素スリップストリーム３２と予混合されてもよい。その他の実施形態においてスチームは、図２に示されるような個別の供給ストリームであるよりむしろ、燃料スリップストリーム３０又は酸素スリップストリーム３２の一つの要素であってもよい。
【００１５】
燃料及び酸素スリップストリームは、ガス状予混合物を生成するために混合され、その後すぐに燃焼器４０に供給される。そのガス状予混合物は燃焼され、合成ガス４２が生成される。その合成ガス４２は、水素エンリッチ燃料混合物を形成するために燃料ストリーム１８で希釈される際に冷却されるか、又はスチームによって冷却されてもよい。燃料改質装置システム１２に選択的に熱交換器３８が存在するとき、合成ガス４２は、熱交換器を通過することにより約２５０℃から約４５０℃、具体的には約３５０℃まで冷却される。合成ガス４２を冷却することは、燃料改質装置システム１２に選択的に水性ガスシフト反応炉４４（WGS）が存在するとき特に有利である。水性ガスシフト反応炉４４（WGS）は触媒部分酸化反応炉４０の下流に位置し、ここでは熱交換器３８の下流に位置する。水性ガスシフト反応炉４４（WGS）は、水素を更に形成するために、合成ガス内でスチームを一酸化炭素と反応させることにより合成ガス内の水素濃度を更に上げるように構成されてもよい。合成ガス４６はその後、ガスタービンシステム１０の燃焼器２０に供給される水素エンリッチ燃料混合物４８を形成するために、燃料ストリーム１８と再結合されてもよい。
【００１６】
一つの実施形態において、水素エンリッチ燃料混合物４８は、図２の矢印で示されるように多段燃焼システムの第一及び／又は第二ステージに供給されてもよい。さらに他の実施形態において、水素エンリッチ燃料混合物４８は直接ガスタービン２２に供給されてもよい。
【００１７】
図３は、ガスタービンシステムで使用される燃料改質装置システム５０のブロックダイヤグラム図である。燃料改質装置システム５０は、前処理区域５４で前処理される燃料スリップストリーム５２を含む。一つの具体的な実施形態において、燃料スリップストリーム５２は水又はスチームと予混合されてもよい。酸素スリップストリーム５６は、燃料スリップストリーム５２と混合されるために取り込まれ、混合区域５８でリッチ比率になるように混合される。ここに使用されるように、“リッチ比率”という表現は、約１．５の燃料スリップストリーム５２と約４の酸素スリップストリーム５６との二段燃焼率を意味する。一つの代表的な実施形態において、燃料スリップストリーム５２及び酸素スリップストリーム５６の二段燃焼率は約２．３である場合がある。具体的な実施形態において、酸素スリップストリーム５６に酸素が補完されてもよい。
【００１８】
更に、燃料スリップストリーム５２及び酸素スリップストリーム５６は、水素及び一酸化炭素からなってもよい合成ガス６２のガス状混合物を生成するために、反応区域６０で反応することができる。合成ガスは、予混合燃料酸化混合物が部分酸化燃焼される際に形成される。具体的な実施形態において、合成ガスは水素ガスの重量の少なくとも約２０重量％を含んでいてもよい。その他の実施形態において、合成ガスは少なくとも一つの炭化水素種を含む。更に他の実施形態において、合成ガスは水素、一酸化炭素、窒素及び水を含む。更に他の実施形態において、合成ガス６２は、約華氏２０００度（摂氏１０９３度）未満の温度を有していてもよい。代表的な実施形態において、反応区域６０は、約２００ミリ秒未満の滞留時間を有していてもよい。“滞留時間”という表現は、燃料スリップストリーム５２と酸素スリップストリーム５６とが反応区域６０で反応する間の時間周期を意味する。
【００１９】
反応区域６０の後、燃料供給６４は、最終的に反応区域６０に残された合成ガス６２と混ざり合うために冷却区域６６に戻されてもよい。燃料供給６４及び合成ガス６２の混合物は水素エンリッチ燃料混合物６８を形成し、ガスタービン燃焼システムの下流に位置する燃焼器に更に送られてもよい。具体的な実施形態において、燃料改質装置システム５０は、ガスタービン燃焼器の面積の約０．０２から約０．３に等しい断面積を有していてもよい。さらに具体的には、燃料改質装置システムは、ガスタービン燃焼器部の体積の２％から７５％の体積を有していてもよい。
【００２０】
その他の実施形態において、燃料供給６４は、測定バルブシステム７０によって制御されて、前処理区域５４に運ばれる燃料スリップストリーム５２を生成する。選択的に第二測定バルブシステム７１は、第一冷却区域６６及び第二冷却区域７６間の燃料供給を更に分配するために、燃料スリップストリーム５２が生成された後に配置されてもよい。同様に、酸素ストリームも酸素スリップストリーム５６を発生させるために測定バルブシステム７２に通されてもよい。酸素スリップストリーム５６及び燃料スリップストリーム５２は、その後混合区域５８で混合され、反応区域６０で反応する。測定バルブシステム７０によって調節される燃料供給６４もまた、反応区域６０から送り出される合成ガス６２と混合するために、冷却区域６６に向けられてもよい。
【００２１】
更に他の実施形態において、燃料ストリーム６４及び合成ガス６２は、水素エンリッチ燃料混合物６８を形成するために、第一冷却区域６６で混合されてもよい。燃料混合物６８はその後、燃料混合物６８を冷却することができる熱交換器７４へ送られてもよい。熱交換器７４により冷却された燃料混合物は、第二冷却区域７６に送られてもよく、その冷却された燃料混合物は、第二冷却区域７６により更に冷却される。更に他の実施形態において、炭素回収システム７８が燃料改質装置システム５０に含まれていてもよい。その水素エンリッチ燃料混合物６８は、炭素回収システム７８に送られてもよい。炭素回収システム７８は、精製混合物となる燃料混合物６８から一酸化炭素の量を減らすことができる。上述されたように、混合物は熱交換器７４に更に送られてもよい。
【００２２】
図４及び図５は、図３の燃料改質装置システム１０に使用されてもよい様々な冷却メカニズムを描写している。図４は、図３に示されたように反応区域６０の壁８２から熱を抽出するために、燃料を冷却する流出を利用した燃料改質装置システム８０の概略図である。インレット８６を通る燃料スリップストリーム８４は、図３に示された混合区域５８のインレット９０から入る酸素スリップストリーム８８と混ざり合う。燃料の複数噴流９２は、限定空間９８内の壁ライナー９６の注入孔９４に注入される。合成ガスの混合物は、反応区域６０の部分酸化燃焼を介して形成され、ストリーム１０２への混合及び下流燃焼チャンバ１０４の侵入に先駆けて、急速冷却を提供する冷却器１００を通過する。冷却された水素エンリッチ燃料混合物１０６は、更に燃焼チャンバ１０４に進む。
【００２３】
図５は、図３に示された反応区域６０の図４で示された壁８２から熱を抽出するために、燃料に対し衝突冷却を用いた燃料改質装置システム１１０の概略図である。図４に示されるようなインレット８６を通る燃料スリップストリーム８４は、図３に示された混合区域５８のインレット９０から入る酸素スリップストリーム８８と混ざり合う。超高速な燃料の複数噴流１１２は、限定空間１１８の複数の冷却孔１１６を介して壁ライナー１１４に衝突する。具体的な実施形態において、その速度は約１０ｍ／秒から約１００ｍ／秒まで変化する場合がある。図５に示されるように、合成ガスは反応区域６０で生成され、ストリーム１０２との混合及び下流燃焼チャンバ１０４への侵入前に急速冷却を提供する冷却器１００を通過する。冷却された水素エンリッチ燃料混合物１２２は、更に燃焼チャンバ１０４に進む。
【００２４】
図６は、図３に示される反応区域６０の壁８２（図４に示される）の外側に位置するセラミックライナー１３２を用いた、燃料改質装置システム１３０の概略図である。インレット８６を通過する燃料スリップストリーム８４は、図３に示されるように混合区域５８のインレット９０から入る酸素スリップストリーム８８と予め混ざり合う。図６に示されるように、合成ガスは反応区域６０で生成され、燃料ストリーム１３４との混合及び燃焼チャンバ１０４への侵入に先駆けて急速冷却を提供する冷却器１００を通過する。冷却された水素エンリッチ燃料混合物１３６は、更に燃焼チャンバ１０４に進む。セラミックライナー１３２は腐食及び高温に対する所望の耐性を提供する。
【００２５】
各実施例で説明され図示されたように、燃料は、反応区域６０で水素含有合成ガスの形成のための反応前に、混合区域５８で酸素と混ぜ合わされる。混合区域５８は、変換効率を上げるため及び上述の燃料改質装置システムの資本コストを抑えるために構成されてもよい。一つの実施形態において、混合区域５８は予混合装置を含んでいてもよい。燃料は予混合装置によって前処理されてもよく、またガス状予混合物を形成するために、燃料及び酸素の予混合物を促進するための燃料の流れに対して横方向に酸素が取り入れられてもよい。燃料ストリームの流速調整及びそれに続く酸素の導入は、燃料ストリームと酸素との高速混合を可能にすることができることに注目すべきである。一つの実施形態において、燃料改質装置システムの予混合滞留時間は、約０．５ｍ／秒から約１００ｍ／秒の範囲であってもよい。ある実施形態において、複数の予混合装置は、混合区域５８の反応区域６０の上流に配置されてもよい。更に、ある実施形態において、排ガス５７は、燃料改質装置システムの変換効率を更に改善するために燃料ストリームに取り込まれる。同様にスチーム５９もまた、Ｈ２：ＣＯ率を上げるため、又煤の発生を減らすために燃料ストリームに取り入れられる。更に、複数の予混合装置の稼動は、燃料改質装置システムの所望の変換効率に基づいて、コントローラにより選択的に制御される。予混合装置の代表的な構成は、図７乃至図１０を参照して後に詳細に説明される。
【００２６】
図７は、図１乃至図６の燃料改質装置システムの混合区域及び前処理区域を備えた予混合装置１５０の代表的な構成のダイヤグラム図である。図示された実施形態において、予混合装置１５０は、予混合装置１５０内部で燃料スリップストリーム５２を取り入れるために構成される燃料インレット１５２を含む。予混合装置は更に、予混合装置１５０に酸素を取り込む前に燃料スリップストリーム５２を前処理するために構成される流量調節器を含む。この実施形態において、予混合装置は、燃料スリップストリーム５２に旋回運動を与えるために構成された複数の旋回翼１５６を含む。その他の実施形態において、予混合装置は更に複数の逆流旋回翼１５７を含んでいてもよい。また他の実施形態において、予混合装置は、燃料スリップストリーム５２を所望の速度に加速するために構成されるノズルを含んでいてもよい。しかしながら、燃料スリップストリーム５２の前処理のために、その他のタイプの流速調整器が想定されてもよい。
【００２７】
稼働中に、燃料スリップストリーム５２は複数の旋回翼１５６を介して前処理される。更に、酸素スリップストリーム５６は、酸素インレット１５４を介して燃料スリップストリーム５２の注入方向に対して横方向に取り入れられる。図示された実施形態において、酸素スリップストリーム５６は、複数の旋回翼１５６の下流に位置する注入位置１５８に注入される。一つの実施形態において、酸素スリップストリーム５６は、複数の旋回翼１５６夫々に位置する複数の孔を介して取り込まれる。酸素スリップストリーム５６の取込用の複数の孔に渡る圧力低下は約５％未満である。あるいは、酸素スリップストリーム５６は、予混合装置１５０の中心ボディ又は壁を介して取り込まれてもよい。更に他の実施形態において、酸素スリップストリーム５６は、複数の旋回翼１５６と共に又は代わりに、複数の逆流旋回翼１５７を介して取り込まれてもよい。一つの実施形態において、酸素スリップストリーム５６は、流れ方向に対して垂直な要素を有する角度で取り込まれてもよい。更に、取込孔は、予混合装置１５０の中心ボディ軸周囲のスワールを取り込んでもよい。前処理済みの燃料スリップストリーム５２及び酸素スリップストリーム５６はその後、出口１６４を通って反応区域２０の燃焼チャンバ１６２に更に送られるガス性予混合合物を形成するために、予混合部１６０で混合される。図示された実施形態において、発火点が存在していても再循環区域を最小化することにより、予混合部１６０は保炎に耐えるように構成されている。
【００２８】
一つの実施形態において、予混合装置１５０の燃料スリップストリーム５２の温度は、約４００Ｆ°（２０４℃）から約１３００Ｆ°（７０４℃）であってもよく、酸素スリップストリーム５６の温度は、約２００Ｆ°（９３℃）から約５００Ｆ°（２６０℃）であってもよい。更に、酸素インレット１５４の有効範囲比率と流速調整装置１５６の有効範囲比率とは、約０．１から約０．９であってもよい。ここで使用されるように、酸素インレットの“有効範囲”とは、流速の平均速度で割られたインレットを通る酸素スリップストリームの体積流量を意味する。
【００２９】
図８乃至図１１は、異なる酸素スリップストリーム注入位置を有する図８の予混合装置の、代表的な構成例のダイヤグラム図である。例えば、代表的な構成２０２において、予混合装置２０２に取り込まれる燃料スリップストリーム５２は、旋回翼１８２を介して前処理される。更に、酸素スリップストリーム５６は、旋回翼１８２を通じて、符合２０４によって示されるように、予混合装置２０２内の燃料スリップストリーム５２の方向に対して横方向に取り込まれる。また、前述されたように、燃料スリップストリーム５２は、排ガス５７又はスチーム５９により増強されてもよい。燃料スリップストリーム５２及び酸素スリップストリーム５６は、出口２０６を介して燃焼チャンバ１６２に送られるガス性予混合合物を形成するために予混合される。
【００３０】
その他の代表的な構成２０８において、燃料スリップストリーム５２も同じように、旋回翼１８２を通じて取り込まれ前処理される。更に、酸素スリップストリーム５６は、符合２１２によって示されるバーナーチューブに配置されたスルーホール２１０を介して注入される。具体的には、酸素スリップストリーム５６は、旋回翼１８２にバーナーチューブ２１２を介して、燃料スリップストリーム５２の方向に対して横方向に注入される。符号２１４で示されるその他の実施形態において、酸素スリップストリーム５６は、旋回翼１８２の下流に位置する注入ポイントでバーナーチューブ２１２を介して注入される。従って、酸素スリップストリームは、バーナーチューブ２１２の注入ポイントを介して、燃料スリップストリーム５２の方向に対して横方向に注入される。更に構成２２０で示されるように、酸素スリップストリーム５６は予混合装置の中心ボディを介して、符合２２２によって示されるように、旋回翼１８２の下流位置で横方向に注入される。
【００３１】
図１２は、図７の予混合装置１５０のその他の代表的な構成２３０のダイヤグラム図である。描かれているように、予混合装置２３０は、燃料スリップストリーム５２を予混合装置２３０内部に取り込むための燃料インレット２３２を含む。更に、予混合装置２３０は、燃料スリップストリーム５２に旋回運動を供給するための複数の旋回翼２３４を含む。また、予混合装置２３０は、複数の旋回翼２３４に隣接して位置する複数の逆流旋回翼２３６を含む。旋回翼２３４及び逆流旋回翼２３６の動きの方向は、それぞれ符合２３８及び符合２４０によって示される。この代表的な実施形態において、燃料スリップストリーム５２は、旋回翼２３４の上流のインレット２３２から流入する。更に、酸素スリップストリーム５６は、旋回翼２３４に配置された複数の孔２４２を通じて注入される。
【００３２】
この実施形態において、複数孔２４２の総有効範囲は、旋回翼２３４の有効範囲の約１／２であってもよい。更に、旋回翼２３４の数は約４枚から約１５枚であってもよい。同様に逆流旋回翼２３６の数も約４枚から約１５枚であってよい。また、旋回翼２３４及び２３６それぞれの回転角度は、約２０度から約５５度であってもよい。一つの実施形態において、逆流旋回翼２３６の回転角度は、旋回翼２３４の回転角度より比較的大きくてもよい。上述されているように、燃料スリップストリーム５２は、旋回翼２３４及び２３６を通じて前処理される。出口を介して燃焼チャンバ１６２（図７参照）に送られるガス状予混合物を形成するために、酸素スリップストリーム５６は前処理された燃料ストリームと予混合される。その結果、ガス状予混合物は、合成ガスを形成するために燃焼チャンバ１６２において高温及び高圧で部分酸化燃焼される。
【００３３】
燃料改質装置システムを備えていないガスタービンシステムと比較したとき、高ターンダウンと燃焼挙動の減少とを許容するが、上述された予混合装置を備える燃料改質装置システムが、ガスタービンの効率を改善するためにガスタービンシステムに使用されることは有利になるであろう。燃料改質装置システムは、排出の低下と効率の向上により恩恵を受けるあらゆるガスタービンシステムに取り入れられてもよい。更に、説明された燃料改質装置システムは、低資本支出又は改造が必要な既存のガスタービンシステムにレトロフィットすることができる比較的小さいサイズを有している。レトロフィットシステムはガスタービンのための既存の燃料供給を改善する。従って、燃料改質装置システム１２は、ガスタービンシステム１０の燃焼挙動を改善するだけでなく、全く新しいガスタービンシステムを購入するのに付随する資本コストに出費することなくそれを行うことができる。レトロフィットシステムのその他の有利な点は、ガスタービンシステムを妨害することなくサービスできることである。例えば、レトロフィットの燃料改質装置システムは、オフライン及びサービス（例えば触媒変更）で取り込まれることができる。また燃料供給は、システムをバイパスすることができるので、ガスタービン稼動の中断を防ぐことができる。
【００３４】
燃料改質装置システムは、単純サイクルガスタービン及び複合サイクルガスタービンに使用することができる。燃料改質装置システムを用いるガスタービンシステムの例として、多段ガスタービンシステム、再加熱ガスタービンシステム、これらの少なくとも一つを複合したもの、及び類似したものを含んでもよい。
【００３５】
例えば、一つの実施形態において、燃料改質装置システムは、再加熱ガスタービンシステムにおいて運転ガスを再加熱するために構成される第二燃料ストリームとして、水素エンリッチ燃料混合物を供給することができる。その他の実施形態において、燃料改質装置システムは、多段ガスタービンシステムの第二ステージで燃焼させるために構成される第二燃料ストリームとして、水素エンリッチ燃料混合物を供給することができ、第二ステージにおける水素エンリッチ燃料混合物の燃焼は、ガスタービンのリーンブローアウトポイントを低くする。更に、水素エンリッチ燃料混合物は同時に、燃焼器内で生成される酸化窒素の量と、多段ガスタービン燃焼器内の火の安定性とを制御することができる。
【００３６】
一つの実施形態において、多段ガスタービンシステムは取込部と、取込部に下流で流体連結するコンプレッサ部と、コンプレッサ部に下流で連結する第一燃焼システムを備える燃焼部と、第一燃焼システムに下流で連結する第二燃焼システムと、第一及び第二燃焼システムの下流で第一及び第二燃焼システムと流体連結する燃料改質装置システムと、を含むことができる。燃料改質装置システムは、水素エンリッチ燃料混合物を第一及び第二燃焼システムに供給するために構成される。更なる実施形態において、一つかまたは両方の第一及び第二燃焼システムは、燃焼器に水素エンリッチ燃料混合物を横方向に注入するために構成される注入口を含んでいてもよい。更に、コントローラは、ガスタービンシステムの負荷容量を測定するため、及び水素エンリッチ燃料混合物をガスタービンシステムの負荷に応じて燃焼システムの一つに注入するため、に使用されてもよい。例えば、ガスタービンが全負荷容量で稼動されているとき、水素エンリッチ燃料混合物は、燃焼器の濃度を最大にするために第二燃焼システムに注入される。しかしながら、ガスタービンシステムが部分負荷容量（例えば半分の負荷）で稼動されているとき、水素エンリッチ燃料混合物は、燃焼器の濃度を最大にするために第一燃焼システムに注入される。
【００３７】
そのようなガスタービンシステムの代表的な実施形態の一例が、図１３に示される。図１３において、タービン含有システム３００は、取込部３０４と、取込部３０４より下流に位置するコンプレッサ部３０６と、取込部３０６より下流に位置する第一燃焼システム３１０を有する燃焼器部３０８と、第一燃焼システム３１０より下流に位置する第二燃焼システム３１２と、タービン部３１４と、排出部３１６と、を含む。図１４で詳細に示されるように、第二燃焼システム３１２は、燃料改質装置システムから第一燃焼システム３１０の燃焼物のストリームに、合成ガスを横方向に注入するための注入口３２０を含む。
【００３８】
再び図１３及び図１４を参照すると、タービン含有システム３００は、コンプレッサ部３０６、燃焼器部３０８、及びタービン部３１４を含む。タービン部３１４は、共通シャフト連結を介して、コンプレッサ部３０６及び負荷３０１を駆動するために構成されてもよい。負荷３０１は、発電機、機械駆動アプリケーション、プロペラ、少なくとも一つの前述の装置からなる複合物、及びそれに類似したもの、のいずれか一つであってよい。そのような負荷の利用の例は、発電、舶用推進、ガス圧縮、コジェネレーション、海上採掘電力、及びそれに類似したものであってもよい。
【００３９】
燃焼器部３０８は、円周に間隔のある複数の燃焼器３４０の円形配列を有していてもよい。燃料／酸素混合物は、高温エネルギー流速ガスを生成するために各燃焼器３４０で燃焼され、そのガスは遷移部品３３０を通って、タービン部３１４のタービンノズル３３２へガスを流すために流れる。本説明の目的のために、一つの燃焼器３４０が描かれているが、燃焼器部３０８の周囲に配置されるその他の全ての燃焼器３４０は、実質的に図示された燃焼器３４０と同一であってもよい。図１３は複数の円周に間隔のある燃焼器３４０を示し、また図１４は、燃焼器システムとして当業者に知られている燃焼器３４０の断面を示している。しかし、本開示はアニュラー燃焼器システムを含むがそれに限定されないその他の燃焼器システムと連結して使用されてもよいと考えられる。
【００４０】
図１４を参照すると、タービン含有システム３００のための燃焼器３４０が大まかに描かれている。その燃焼器３４０は、第一燃焼システム３１０、第二燃焼システム３１２、及び燃焼高温ガスをタービンノズル３３２並びにタービン翼（図示せず）に送るための燃焼区域３２２、を含む。第一燃焼システム３１０は、ケーシング３３４、エンドカバー３３６、複数のスタートアップ燃料ノズル３３８、複数の予混合燃料ノズル３４２、キャップ組立部３４４、フロースリーブ３４６、及びフロースリーブ３４６内の燃焼ライナー３４８を含む。発火装置（図示せず）が装備されてもよく、それは電気的に稼動されるスパークプラグを備えていてもよい。第一燃焼システム３１０での燃焼は、燃焼ライナー３４８内部で発生する。酸素は、フロースリーブ３４６を介して燃焼ライナー３４８内部に方向付けられてもよく、そしてキャップ組立部３４４に形成された複数の開口を通じて燃焼ライナー３４８へ流入する。酸素は、キャップ組立部３４４に渡る圧力差下で燃焼ライナー３４８へ流入し、そして燃焼ライナー３４８内部のスタートアップ燃料ノズル３３８及び／又は予混合燃料ノズル３４２から燃料に混合する。結果として、タービン部３１４を駆動するために、燃焼ライナー３４８内で熱を放出しながら燃焼反応が起こる。第一燃焼システム３１０のための高圧酸素は、アニュラープレナム３５２からフロースリーブ３４６及び遷移部品衝突スリーブ３５０へ流入する。一連の翼およびブレード符合３５４、並びに拡散器３５６で表されるコンプレッサ部３０６は、この高圧酸素を供給する。予混合燃料ノズル３４２の夫々は、流入酸素に旋回を与える複数の旋回翼と、回転酸素ストリームで燃料を供給する複数の燃料スポーク３６０と、を備える旋回翼３５８を含んでいてもよい。燃料及び酸素はその後、第一反応区域３６２内部で反応する前に、予混合燃料ノズル３４２内部のアニュラー通路で混合されてもよい。
【００４１】
第二燃焼システム３１２は、高インレット温度条件で操作するために備え付けられた注入口３２０に連通するアッセンブリ３７０を含む。注入口は、注入口３２０へ冷却酸素フローを送り込むためにアニュラープレナム３５２に流体連結している。冷却フローは注入口で燃料供給に混合されるので、燃料システムと冷却フローとが第二燃焼システム３１２に流体連結している。燃料供給システム内で、燃料改質装置システム３１１は第二燃焼システム３１２に流体連結しており、注入口３２０は水素エンリッチ燃料混合物６８を燃料改質装置システムから燃焼器３０８に注入するように構成される。燃料改質装置システムはまた、第一燃焼システム３１０と流体連結していてもよく、具体的には予混合燃料ノズル３４２は、燃焼器に水素エンリッチ燃料混合物６８を注入してもよい。アッセンブリ３７０は、燃焼ライナー３４８を貫通して、水素エンリッチ燃料混合物６８を燃焼アッセンブリ３４０内部の第二反応区域３７６に取り込む複数の注入口３２０を有していてもよい。注入口３２０はライナーへ突き出してもよく、またはその他の実施形態において、それらは非貫入性噴流を含んでいてもよい。第一反応区域３６２に存在する高温の燃焼生成物が合成ガスを着火する。得られる二次炭化水素燃料酸化反応は、遷移部品３３０で実質的完成となる。合成ガスは、第二反応区域に注入されてもよい。燃料改質装置システムは、第二反応区域に取り込まれる前、具体的には燃料混合物マニホルド３７４に取り込まれる前に、合成ガ
稼動中、燃料改質装置システムからの水素エンリッチ合成ガス混合物と共に、多段燃焼の第一燃焼システム及び第二燃焼システムは、総燃焼滞留時間を減らすことによりNOx排出レベルを削減できる。更に、多段燃焼システムに使用される水素エンリッチ合成ガス混合物は、燃焼システム３００において、高ターンダウン及び燃焼挙動の強化を可能にする。燃料改質装置システム３１１は、燃焼滞留時間を短くするために低コストの水素発生方法を提供し、ガスタービンシステムに対して既存の燃料供給を使用することによりそれが可能である。その結果、システム３００を含むタービンは、より持続可能な方法で、負荷３０１を駆動することができる。
【００４２】
タービン含有システム３００（図１３を参照）の稼働中、酸素は、下流に位置する圧縮部３０６による圧縮のために取込部３０４に取り込まれる。圧縮酸素の一部は、複数の燃焼器３４０それぞれの第一反応区域３６２での燃料混合物との連結及び燃焼のために、燃焼部３０８の第一燃焼システム３１０に放出される。NOxの生成が温度依存性であるため、燃焼温度はNOx生成を最小にするために設計される
第一燃焼生成物が第二燃焼システム３１２（図１４を参照）の下流に移動すると同時に、酸素及び水素エンリッチ合成ガス燃料混合物と混合される追加燃料は、注入器３２０を介して取り込まれる。第一燃焼部３１０のように、ピーク燃焼温度及び時間は、NOx生成を最小化するために調整されてもよい。これは、第一燃焼システム３１０に関連する注入器３２０の位置を含め、第二燃焼システム３１２の様々な観点を調整することにより得ることができる。例えば、注入器３２０は、燃焼器３４０のカンフロースリーブ３４６、燃焼器３４０の遷移部品３３０、及び燃焼器３４０のカンフロースリーブ３４６と遷移部品３３０との間のインターフェース、のいずれかを供えていてもよい。また、注入器３２０は、例えばタービンセクション３１４の第一ステージタービンノズル３３２のようなタービンセクション３１４を備えていてもよい。他の実施形態において、第二燃焼システム３１２の注入器３２０は、遷移部品３３０の入口に実質的に並行に備えら付けられてもよい。
【００４３】
第二燃焼システム３１２に存在する高温燃焼生成物は、タービン部３１４に侵入する。タービン部３１４は、共通のシャフト接続を介して圧縮部３０６と負荷３０１とを稼動することができる。タービン部３１４が、例えば高圧タービン及び低圧タービン、又は高圧タービン、中圧タービン及び低圧タービンなどの複数のタービンを含んでいてもよいことは、当業者にとって明らかである。同様に、圧縮部３０６が、例えば高圧タービン及び低圧タービン、又は高圧タービン、中圧タービン及び低圧タービンなどの複数のタービンを含んでいてもよい。タービン部３１４にある高温燃焼生成物は、排出部３１６に侵入する。
【００４４】
図１５を参照すると、ここに説明される燃焼改質装置システムはまた、タービンステージ間の再熱燃焼を使用するガスタービンシステムに有利に配置されてもよい。上述の多段燃焼ガスタービンシステムのように、燃料改質装置システムは、単純サイクル及び複合サイクルシステムのガスタービンの出力及び効率を向上するために、再加熱ガスタービンシステムと共に機能することができる。図１５に戻り参照すると、再加熱装置５０２を有するガスタービンシステム５００が描かれている。燃料改質装置システム５０４は、再加熱装置５０２及び／又はガスタービンシステム５００に水素エンリッチ燃料混合物を提供するために、燃焼器５０８と流体連結されていてもよい。ガスタービンシステム５００は、圧縮器アッセンブリ５０６及び圧縮アッセンブリ５０６に流体連結される燃焼器５０８を更に含む。更に、ガスタービンシステム５００は、燃焼器５０８の下流に位置する第一タービン５１０と第二タービン５１２とを含んでいてもよい。図示された実施形態において、圧縮器アッセンブリ５０６は、シャフト５１４を介して第一タービン５１０により生成される出力によって駆動される。更に、第二タービン５１２は、外部負荷を駆動するために構成されてもよい。図示された実施形態において、個別シャフト５１６は、外部負荷を駆動するために第二タービン５１２に結合される。
【００４５】
稼働中、圧縮機アッセンブリ５０６は、酸素ストリームを受け入れ、圧縮酸素５１８の流れを生成するためにその酸素ストリームの流れを圧縮する。そして圧縮酸素５１８の流れは、燃料ストリームを燃焼するため及び燃焼器ガスストリーム５２０を生成するために燃焼器５０８へ送られる。更に、燃焼器ガスストリーム５２０は、第一タービン５１０を通じて部分的に膨張される。図示された実施形態において、第一タービン５１０から膨張されたガス５２２の流れは再加熱装置５０２へ送られる。図に示されるように、再加熱装置５０２は第一タービン５１０に流体結合している。そして運転ガスストリーム５２２の存在下で水素エンリッチ合成ガス燃料混合物６８を燃焼し、排出ガスストリーム５２４を生成するために、燃料改質装置システム５０４から水素エンリッチ合成ガス燃料混合物６８を運転ガスストリーム５２２に対して横方向に取り入れる。また、ここに使用されるように、“横”という表現は、運転ガスストリーム流れ方向の長手軸に対して直角方向であることを意味する。排出ガスストリーム５２４は続いて第二タービン５１２を通して膨張される。第一タービン５１０及び第二タービン５１２の間の再加熱燃焼器を使用するために用いられる再加熱装置５０２は、以下に詳細に説明される。当業者に明らかなように、第二燃焼反応は、第二タービン５１２に侵入するガス流れの温度の上昇を促進する（大抵“パワータービン“と呼ばれる）。従って、ガスタービンシステム５００の出力及び効率を向上する。更に、第二タービン５１２は、外部負荷を駆動するために、再加熱装置５０２からの排出ガスストリーム５２４を膨張するために構成される。ガスタービンシステム５００に用いられる再加熱装置５０２は、高排出を発生することなくガス流れの温度を上げるために構成される。
【００４６】
上述されたリーンブローアウトポイントを低下させるため及び燃焼挙動を制御するための燃料改質装置システム並びにその操作方法の様々な実施形態により、燃焼器において、リーンブローアウトもしくは燃焼挙動のない持続的なリーン、予混合、又は部分予混合火炎を得るための方法が提供される。これらの技術及びシステムは、各燃焼器内における改良燃焼器により、レトロフィットの燃料改質装置ユニットを有する高性能ガスタービンエンジンをもまた可能にする。ここに説明されるように、本開示の実施形態は、多段ガスタービンシステムまたは再加熱ガスタービンシステムであっても、出力及びシステムの効率を促進する効果がある方法によって燃料改質装置システムを組込んだガスタービン燃焼システムを提供する。このシステムに使用される改質装置システムは、水素濃度を高めるために、燃料のスリップストリーム又は酸素スリップストリームを有する燃料の混合及び反応を含む。燃料への水素の取り込みは、リーンブローアウトポイントの低下を可能にし、またガスタービン燃焼システムに対する燃焼挙動の縮小を可能にする。更に、燃料改質装置システムの前処理区域及び混合区域は、燃料及び酸素の予混合を促進するために構成される予混合装置を使用する。従って、水素エンリッチ合成ガスを形成するために必要な時間を減少し、燃料改質装置システムの効率を向上する。また、操作上レイアウト及びシステムアプリケーションの必要条件に応じて、ここに説明される燃料改質装置システム及び再加熱並びに多段ガスタービンシステムに対する異なる構成が想定されてもよい。
【００４７】
ここに開示される領域は包括的且つ結合可能である（例えば、“約２５重量パーセント（ｗｔ％）まで、又は、より具体的には、約５ｗｔ％から約２０ｗｔ％まで”の領域は、端点及び領域の全ての中間値“約５ｗｔ％から約２５ｗｔ％”などを含む。）“組み合わせ”は、混合物、合金、反応生成物、及びそれに類似したものを全て含む。更に、“第一”“第二”及びそのような表現は、ここでは順序、数量、又は重要性を示すものではなく、むしろ一つの要素を区別するために使用される。また、“一つの”という表現は、量の制限を示すためではなく、むしろ前述の少なくとも一つの物体の存在を示す。数量に関連して使用される“約”という修飾語は状態値を含み、また状況によって決定される意味を有する（例えば、特定量の測定に関連した誤差の度合いを含む。）ここに使用される接尾語“ｓ”は、それにより修飾される単独及び複数を含む。従って一つかそれ以上のその表現（例えば、一つかそれ以上の染料を含む（複数の）着色剤。）明細書を通しての言及“一つの実施形態”、“その他の実施形態”、及び“一実施形態”、及びそれらは、実施形態に関連して説明される特定の要素（例えば、特徴、構造、及び／又は特性）は、ここに説明される少なくとも一つの実施形態に含まれ、実施形態の順序通りに示されている場合もあり又はそうでない場合もある。なお、説明された要素は、様々な実施形態においてあらゆる適当な方法に組み込まれてもよいことは当然のことである。
【００４８】
その開示が代表的な実施形態に関連して説明されているが、開示の範囲から逸脱することなく様々な変更がなされてもよく、又同等なものがそれらの要素に代替されてもよいことは当業者にとって当然のことである。加えて、それらの重要な範囲を逸脱することなく、特定の状態又は物質を開示の内容に適応させるために多様な変更がなされてもよい。従って本開示は、本開示の実施のために意図された最良の形態として開示された特定の実施形態を限定するものではないことが意図されている。しかしながら本開示は、添付の請求の範囲内に含まれる全ての実施形態を含むであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【外国語明細書】
2010164048000001.pdf