(57)【要約】【課題】ガスタービンシステム内の腐食を低減するためのシステム及び方法を提供する【解決手段】システム（１０）は、圧縮空気と燃料の混合気を燃焼することによって燃焼ガスを生成し、該燃焼ガスを膨張させることによって発電するように構成されたガスタービンユニット（１２）を含む。セパレータ（３２）は、ガスタービンユニット（１２）に結合され、該ガスタービンユニット（１２）の上流側に配置される。セパレータ（３２）は、燃料の硫黄分をガスタービンユニット（１２）に送給される前に低減するよう構成される。ガスタービン（１８）からの排気ガスの一部は、ガスタービンユニット（１２）に再循環される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンユニット（１２）を備えたシステム（１０）であって、
前記ガスタービンユニット（１２）が、
圧縮空気と燃料との混合気を燃焼することによって燃焼ガスを生成するよう構成された燃焼器（１６）と、
前記燃焼器（１６）に結合され、前記燃焼ガスを膨張させることによって発電するよう構成されたガスタービン（１８）と、
を含み、
前記システムが更に、
前記燃焼器（１６）に結合され且つ該燃焼器（１６）の上流側に配置されたセパレータ（３２）を備え、
前記セパレータ（３２）は、導入された燃料の硫黄分を前記燃料が前記燃焼器（１６）に送給される前に低減するよう構成される、
ことを特徴とするシステム（１０）。
【請求項２】
前記燃料が天然ガスを含む、
請求項１に記載のシステム（１０）。
【請求項３】
前記硫黄分が、硫化水素、二酸化硫黄、メルカプタン、又は同様のものを含む、
請求項１または２に記載のシステム（１０）。
【請求項４】
前記セパレータ（３２）が、膜分離、溶剤への吸収、液相酸化、吸着剤を用いた吸着、又はこれらの組み合わせによって前記燃料の硫黄部を低減するよう構成される、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のシステム（１０）。
【請求項５】
前記ガスタービン（１８）に結合され且つ前記ガスタービン（１８）の上流側に配置された熱交換器（２４）を更に備え、
前記熱交換器（２４）が、冷却媒体と熱交換の関係でガスタービン（１８）から排気ガスを移送し、冷却排気ガスを生成するよう構成される、
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のシステム（１０）。
【請求項６】
前記ガスタービンユニット（１２）が、前記燃焼器（３２）に結合され且つ前記燃焼器（３２）に圧縮空気を送給するよう構成された圧縮機（１４）を含み、前記ガスタービン（１８）からの排気ガスが、再循環ダクト（３０）を介して前記圧縮機（１４）に再循環される、
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のシステム（１０）。
【請求項７】
前記ガスタービン（１８）により生成された排気ガスから二酸化炭素を除去するように構成された二酸化炭素取り込みユニット（２８）を更に備える、
請求項１乃至６のいずれか１項に記載のシステム（１０）。
【請求項８】
ガスタービンユニット（１２）を備えた複合サイクル発電システム（１０）であって、
前記ガスタービンユニット（１２）が、
圧縮空気と燃料との混合気を燃焼することによって燃焼ガスを生成するよう構成された燃焼器（１６）と、
前記燃焼器（１６）に結合され、前記燃焼ガスを膨張させることによって発電するよう構成されたガスタービン（１８）と、
を含み、
前記システムが更に、
前記燃焼器（１６）に結合され且つ該燃焼器（１６）の上流側に配置され、導入された燃料の硫黄分を前記燃料が前記燃焼器（１６）に送給される前に低減するよう構成されるセパレータ（３２）と、
前記ガスタービン（１８）に結合され、冷却媒体と熱交換の関係で前記ガスタービン（１８）から排気ガスの一部を移送して、冷却排気ガスを生成するよう構成される熱交換器（２４）を含む熱回収ユニット（３４）と、
を備える、
複合サイクル発電システム（１０）。
【請求項９】
ガスタービンユニット（１２）を備えたシステム（１０）であって、
前記ガスタービンユニット（１２）が、
圧縮空気と燃料との混合気を燃焼することによって燃焼ガスを生成するよう構成された燃焼器（１６）と、
前記燃焼器（１６）に結合され、前記燃焼ガスを膨張させることによって発電するよう構成されたガスタービン（１８）と、
を含み、
前記システムが更に、
前記燃焼器（１６）に結合され且つ該燃焼器（１６）の上流側に配置され、導入された燃料の硫黄分を前記燃料が前記燃焼器（１６）に送給される前に低減するよう構成されるセパレータ（３２）と、
前記ガスタービン（１８）に結合され、冷却媒体と熱交換の関係で前記ガスタービン（１８）から排気ガスを移送して、冷却排気ガスを生成するよう構成される熱交換器（２４）と、
前記熱交換器（２４）から送給される冷却排気ガスから二酸化炭素を除去するよう構成される二酸化炭素取り込みユニット（２８）と、
を備える、
ことを特徴とするシステム（１０）。
【請求項１０】
ガスタービンユニット（１２）を備えたシステム（１０）であって、
前記ガスタービンユニット（１２）が、
圧縮空気を生成するよう構成された圧縮機（１４）と、
前記圧縮機（１４）に結合され且つ圧縮空気と燃料との混合気を燃焼することによって燃焼ガスを生成するよう構成された燃焼器（１６）と、
前記燃焼器（１６）に結合され且つ前記燃焼ガスを膨張させることによって発電するよう構成されたガスタービン（１８）と、
を含み、
前記システムが更に、
前記燃焼器（１６）に結合され且つ該燃焼器（１６）の上流側に配置されたセパレータ（３２）を備え、
前記セパレータ（３２）が、導入された燃料の硫黄分を前記燃料が前記燃焼器（１６）に送給される前に低減するよう構成され、
前記ガスタービン（１８）からの排気ガスが、再循環ダクト（３０）を介して前記圧縮機（１４）に再循環される、
ことを特徴とするシステム（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体的に、発電システムに関し、より詳細には、排気ガス再循環における単純サイクル又は複合サイクルのガスタービンシステムにおける腐食低減システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
複合サイクル発電プラントは、高効率の発電システムであることが知られている。複合サイクル発電プラントでは、蒸気は、ガスタービンから吐出された高温排気ガスを用いることによって生成される。蒸気タービンは、生成された蒸気を用いて駆動される。ガスタービン及び蒸気タービンにより、１つ又はそれ以上の発電機が駆動される。ガスタービンからの排気ガスの熱エネルギーを用いることで、複合サイクルプラントは、蒸気生成なしの単純サイクル発電プラントよりも高い効率レベルを達成することができる。
【０００３】
圧縮機入口への排気ガスの再循環は、ガスタービンの排気マニホルドにおける二酸化炭素の濃度の上昇及び場合によっては窒素酸化物の低減をもたらす。しかしながら、問題は、硫黄を含有する燃焼副生成物がガスタービンに循環されることである。これは、圧縮機の吸気マニホルド又は第１の圧縮段又は他の区域の間における金属表面上の腐食を引き起こす可能性がある。
【０００４】
従来の方法では、再循環排気ガスの硫黄分の低減は、ガスタービンの下流側位置（例えば、排気ガス再循環経路）にて大気圧状態近くでの排気ガス内の硫黄分を低減することによって達成される。しかしながら、この硫黄清浄化手法は、ガス流が大容量であること、及び硫黄含有成分の分圧がより低いことに起因して、それぞれ大型の設備及び大量のエネルギーを必要とし、設備投資及び運転コストが高額なものになる。排気ガス中の硫黄分はまた、排気ガス再循環率に依存する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第３，９５７，４１８  Ａ号公報
【特許文献２】米国特許第６，３９８，８５１  Ｂ１号公報
【特許文献３】米国特許第７，３８６，９７７  Ｂ２号公報
【特許文献４】米国特許出願公開第２００７／０１７８０３５  Ａ１号公報
【特許文献５】米国特許出願公開第２００８／００７８２９４  Ａ１号公報
【特許文献６】米国特許出願公開第２００８／０１４１６７２  Ａ１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、ガスタービンの腐食リスクを効率的及び経済的に低減するために、排気ガス再循環でのシステムの排気ガス内の硫黄分を低減するための必要な設備及びエネルギーが少ないシステム及び方法を有するのが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の例示的な実施形態によれば、システムは、圧縮空気と燃料の混合気を燃焼することによって燃焼ガスを生成し、該燃焼ガスを膨張させることによって発電するように構成されたガスタービンユニットを含む。セパレータは、ガスタービンユニットに結合され、該ガスタービンユニットの上流側に配置される。セパレータは、燃料の硫黄分をガスタービンユニットに送給される前に低減するよう構成される。ガスタービンからの排気ガスの一部は、ガスタービンユニット入口に再循環される。
【０００８】
本発明の別の例示的な実施形態によれば、熱回収ユニットを備えた複合サイクル発電システムが開示される。
【０００９】
本発明の別の例示的な実施形態によれば、排気ガス再循環ライン内に冷却器を含むシステムが開示される。
【００１０】
本発明の更に別の例示的な実施形態によれば、二酸化炭素取り込みユニットを備えたシステムが開示される。
【００１１】
本発明の更に別の例示的な実施形態によれば、発電システムのガスタービンユニット内の腐食を低減する方法が開示される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の例示的な実施形態による、燃焼器の上流側に配置されたセパレータを有するシステム（例えば発電システム）の概略図。
【図２】本発明の例示的な実施形態による、熱回収ユニット、排気ガス再循環冷却器、二酸化炭素取り込みユニット、及び燃焼器の上流側に配置されたセパレータを有する複合サイクル発電システムの概略図。
【図３】本発明の例示的な実施形態による、二酸化炭素取り込みユニット及び燃焼器の上流側に配置されたセパレータを有するシステム（例えば発電システム）の概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明のこれら及び他の特徴、態様、並びに利点は、図面全体を通じて同様の参照符号が同様の要素を示す添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むと更に理解できるであろう。
【００１４】
以下で詳細に説明されるように、本発明の実施形態は、発電システムのガスタービンにおける腐食を低減するためのシステム及び方法を開示する。発電システムは、加圧空気と燃料の混合気を燃焼させることにより燃焼ガスを生成し、該燃焼ガスを膨張させることで発電するように構成されたガスタービンユニットを含む。セパレータがガスタービンユニットに結合され、ガスタービンユニットの上流側に配置される。セパレータは、ガスタービンユニットに送給される前に燃料内の硫黄分を低減するよう構成される。熱交換器が、任意選択的にガスタービンユニットに結合され、ガスタービンユニットからの排気ガスを熱交換の関係で冷却媒体と移送して冷却された排気ガスを生成するよう構成されている。ガスタービンユニット又は熱交換器からの排気ガスの一部は、ガスタービンユニットの入口に再循環される。１つの実施形態において、発電システムは、複合サイクル発電システムである。別の実施形態において、本システムは、システムの排気ガス再循環ダクトにおける排気ガス再循環冷却器を含む。更に別の実施形態において、本システムは、排気ガスから二酸化炭素を取り除くよう構成された二酸化炭素取り込みユニットを含む。更に別の実施形態において、発電システムのガスタービンユニットにおける腐食の低減方法が開示される。本発明の実施形態によれば、硫黄分は、ガスタービンユニットの上流側のセパレータ内に燃料ストリームにおいて低減される。よって、硫黄含有成分を排気ガスストリームとは分離しているシステムと比べたときに、燃料ストリーム内の硫黄分を低減するために必要な設備及びエネルギー量がより小さく且つより少なくなる。また、燃料ストリームから硫黄分の分離は、発電システムにおける排気ガス再循環率には依存しない。
【００１５】
図１を参照すると、発電するよう構成された例示的な発電システム１０が例示されている。システム１０は、圧縮機１４、燃焼器１６、及びタービン１８を含むガスタービンユニット１２を含む。圧縮機１４は、大気圧の周囲空気を受け入れて、該空気を高圧に圧縮するよう構成される。加圧空気は、例えば天然ガスなどのガス状又は液状燃料と混合されて、燃焼器１６内で燃焼される。燃焼器１６からの燃焼排気ガスは、ガスタービン１８を介して膨張される。タービン１８に結合された発電機２０は、機械エネルギーを電力に変換する。本明細書において、幾つかの実施形態では、タービン１８は機械的駆動ユニットに結合される点に留意されたい。ガスタービン１８は通常、シャフト２２を介して圧縮機１４を駆動する。
【００１６】
ガスタービン１８からの排気ガスは、任意選択的に、冷却媒体（例えば、給水）と熱交換の関係で熱交換器２４を通過する。冷却媒体は、送給ライン２６を通って熱交換器２４に送給される。結果として、冷却媒体が加熱されて蒸気を発生する。図示の実施形態では、冷却排気ガスの一部分は、熱交換器２４から二酸化炭素取り込みユニット２８及びスタック（図示せず）を介して大気に通気される。従来の発電プラントは、特定の金属及び多環芳香族炭化水素；二酸化硫黄（ＳＯ２）などの硫黄酸化物（ＳＯｘ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）；二酸化窒素及び反応性有機ガス；粒子状物質；及び温室ガス、特に二酸化酸素など、有害とすることができる汚染物質を発生する。天然ガス（ＮＧ）を石油又は石炭の代わりに燃料として使用することにより、多くのエミッション及び固体廃棄物が低減されるが、空気中で天然ガスが燃焼することで、多量の二酸化窒素、反応性有機ガス、及び二酸化炭素が生成される。二酸化炭素は、化学的又は物理的吸収、低温分別、膜分離、又は同様のものを含む方法を用いて、燃料ガスから取り込まれ又は除去することができる。冷却排気ガスの別の部分は、ガスタービンユニット１２に再循環される。燃料ガスのリサイクルは、排気ガスストリーム中の二酸化炭素濃度を高め、且つ窒素酸化物エミッションを低減するのに使用される。熱交換器２４からの排気ガスの他の部分は、再循環ダクト３０を介して圧縮機１４の空気入口に戻される。換言すると、再循環排気ガスは、圧縮機１４の入口空気と混合される。図示の実施形態では、ダクト３０は、熱交換器２４から排気ガスの再循環部分を更に冷却するように構成された排気ガス再循環冷却器３１を備える。
【００１７】
上記で検討したように、排気ガスを圧縮機１４の入口に再循環することによって、ガスタービンの排気マニホルドにおける二酸化炭素の濃度の低減、及び場合によっては窒素酸化物エミッションの低減が促進される。しかしながら、硫黄を含む燃焼副生成物がガスタービンに再循環されることは問題となる。これは、燃焼器１４の吸気マニホルド又は第１の圧縮段もしくは他の区域における金属表面上に腐食を引き起こす可能性がある。図示の実施形態では、燃料は、セパレータ３２を介して燃料供給源（図示せず）から燃焼器１６に送給され、該セパレータは、燃焼器１６に送給される前に燃料中の硫黄分を低減するために燃料中の硫黄分を分離するように構成されている。セパレータ３２は、燃焼器１６の上流側に配置される。燃料中の硫黄分は、限定ではないが、硫化水素、二酸化硫黄、メルカプタン、又は同様のものを含むことができる。セパレータ３２は、限定ではないが、膜分離、溶剤への吸収、液相酸化、吸着剤を用いた吸着、又はこれらの組み合わせを含む技術を利用して、燃料から硫黄分を分離することができる。図示の実施形態では、セパレータは、ガスタービンユニット１２に送給される前に約１０から約１００バールの範囲の圧力で、硫黄分を約１００から５３０重量比ｐｐｂに低減するよう構成される。図示の実施形態では、ガスタービンユニット１２から発生する排気ガス中の硫黄分は、燃料中の硫黄分が燃焼器１６の上流側で低減されたときには、約３０重量比ｐｐｂである。１つの例示的な実施形態において、セパレータ３２は、燃料中の二酸化硫黄の量を約４０４３重量比ｐｐｂから約５３０重量比ｐｐｂに低減する。ガスタービン１８から再循環された排気ガスの４０％が圧縮機１４の入口に再循環される場合、圧縮機１４に再循環される排気ガス中の二酸化硫黄の量は、２４重量比ｐｐｂ前後とすることができ、ガスタービン圧縮機１４への入口ガス中では約１０重量比ｐｐｂとなる。
【００１８】
再循環排気ガスの硫黄分の低減が、ガスタービンの下流側の位置（例えば、排気ガス再循環経路）における大気圧条件下での排気ガス中の硫黄分を低減することにより達成される場合、これには、大気条件で低いレベルまで硫黄分を低減するために大型の設備及び大量のエネルギーを必要とし、より大きな設備投資及び運転コストにつながる。これとは対称的に、排気ガス再循環（ＥＧＲ）により運転しているガスタービンの上流側に配置されたセパレータ３２において、硫黄分が燃料ストリームから除去される場合には、必要とされる清浄化システム及びエネルギーは安価で少量である。硫黄分は、燃焼器１６の上流側の最大圧力において最も濃縮されることになる。図示の実施形態では、セパレータ３２は、より小型にされ、硫黄分を燃料から分離するための大きな駆動力を提供する。これにより設備投資及び運転コストが少なくなる。
【００１９】
図２を参照すると、発電するよう構成された例示的な発電システム１０が例示されている。図示の実施形態では、システム１０は、複合サイクル発電システムを含む。システム１０は、圧縮機１４、燃焼器１６、及びタービン１８を含むガスタービンユニット１２を含む。燃焼器１６からの燃焼排気ガスは、ガスタービン１８を介して膨張される。タービン１８に結合された発電機２０は、機械エネルギーを電力に変換する。
【００２０】
ガスタービン１８からの排気ガスは、冷却媒体（例えば、給水）と熱交換の関係で、付加的な出力を生成してプラント効率を高めるように構成された熱回収ユニット３４の熱交換器２４を通過する。図示の実施形態において、熱交換器２４は、熱回収蒸気ボイラである。結果として給水が加熱されて蒸気を発生する。熱交換器２４からの冷却排気ガスの一部分は、再循環ダクト３０を介して圧縮機１４の入口に戻される。前述の実施形態と同様に、ダクト３０は、熱交換器２４からの排気ガスの再循環部分を更に冷却するよう構成された排気ガス再循環冷却器３１を備えることができる。図示の実施形態では、冷却排気ガスの残りの部分は、熱交換器２４から二酸化炭素取り込みユニット２８及びスタック（図示せず）を介して大気に通気される。
【００２１】
図示の実施形態では、熱交換器２４からの蒸気がパイプ３８を介して蒸気タービン３６に送給される。パイプ３８は、該パイプ３８を通る蒸気の流れを制御するよう構成されたバルブ４０を備えることができる。熱交換器２４からの蒸気は、蒸気タービン３６を介して膨張される。タービン３６に結合される発電機４２は、機械エネルギーを電力に変換する。蒸気タービン３６から流出する蒸気は、凝縮器４４を通過し、ここで蒸気が水に変換される。凝縮器４４は、蒸気の潜熱を大気に放散する冷却ユニット（例えば、冷却タワー４６）からの水を利用して冷却される。凝縮器４４はまた、周囲空気又は他の何れかの冷却媒体を用いて冷却される。次いで、凝縮器４４からの水は、供給ポンプ４８、脱気器５０、及び別の供給ポンプ５２を通って熱交換器２４に送られる。ポンプ５２は、送給ライン２６を介して熱交換器２４に水を送給する。熱回収ユニット３４は蒸気タービンユニットを含むが、他のタイプの熱回収システムも想定される点に留意されたい。
【００２２】
上記で検討した実施形態と同様に、燃料は、セパレータ３２を介して燃料供給源（図示せず）から燃焼器１６に送給され、該セパレータは、燃焼器１６に送給される前に燃料中の硫黄分を低減するために燃料中の硫黄分を分離するように構成されている。セパレータ３２は、燃焼器１６の上流側に配置される。燃料中の硫黄分は、限定ではないが、硫化水素、二酸化硫黄、メルカプタン、又は同様のものを含むことができる。セパレータ３２は、限定ではないが、膜分離、溶剤への吸収、液相酸化、吸着剤を用いた吸着、又はこれらの組み合わせを含む技術を利用して、燃料から硫黄分を分離することができる。本明細書では、硫黄分は、例えば、物理的吸着、化学的吸着、膜を利用したもの、吸収、沸点差を利用したもの、又は同様のことなどのあらゆる分離プロセスにより燃焼器１６の上流側で燃料から除去することができる点は理解されたい。
【００２３】
特定の実施形態において、発電システムは、排気ガス再循環を備えた単純サイクルガスタービンを含むことができる。このような実施形態において、ガスタービン１８からの排気ガスストリームは、圧縮機１４の入口に送給される前に熱交換器２４を介して冷却されない。換言すると、ガスタービン１８からの排気ガスストリームは、ダクト３０を介して圧縮機１４の入口に再循環される。幾つかの実施形態では、再循環ダクト３０内の排気ガスの再循環部分の冷却もまた任意選択であることに留意されたい。
【００２４】
特定の実施形態において、ガスタービン１８からの排気ガスの一部分は、冷却媒体と熱交換の関係で熱交換器２４を通過し、ガスタービン１８からの排気ガスの残りの部分は、再循環ダクト３０を介して圧縮機１４の入口に戻される。
【００２５】
図３を参照すると、発電するように構成された例示的な発電システム１０が例示されている。システム１０は、圧縮機１４、燃焼器１６、及びタービン１８を含むガスタービンユニット１２を含む。ガスタービン１８からの排気ガスは、冷却媒体（例えば、給水）と熱交換の関係で熱交換器２４を通過する。結果として、冷却媒体が加熱されて蒸気を発生する。図示の実施形態では、冷却排気ガスは、熱交換器２４から二酸化炭素取り込みユニット２８及びスタック（図示せず）を介して大気に通気される。
【００２６】
上記で検討した実施形態と同様に、燃料は、セパレータ３２を介して燃料供給源（図示せず）から燃焼器１６に送給され、該セパレータは、燃焼器１６に送給される前に燃料中の硫黄分を低減するために燃料中の硫黄分を分離するように構成されている。セパレータ３２は、燃焼器１６の上流側に配置される。本明細書において、図示の実施形態においてシステム１０は排気ガス再循環を含んでいない点に留意されたい。ガスタービン１８からの排気ガスは、二酸化炭素取り込みユニット２８を通過するのに好適な低硫黄分を含む。排気ガス再循環を備えない図示の実施形態では、燃焼器の前に硫黄分を除去するセパレータを使用することは、発電プラント燃焼器の下流側で使用される従来の燃料ガス脱硫方法よりも有益とすることができる。
【００２７】
本明細書において本発明の特定の特徴だけを図示し説明してきたが、当業者であれば多くの修正形態及び変更形態が想起されるであろう。従って、添付の請求項は、本発明の技術的思想の範囲内に含まれるこのような全ての修正形態及び変更形態を保護するものとする。
【符号の説明】
【００２８】
１０  発電システム
１２  ガスタービンユニット
１４  圧縮機
１６  燃焼器
１８  タービン
２０  発電機
２２  シャフト
２４  熱交換器
２６  送給ライン
２８  二酸化炭素取り込みユニット
３０  再循環ダクト
３１  排気ガス再循環冷却器
３２  セパレータ
３４  熱回収ユニット
３６  蒸気タービン
３８  パイプ
４０  バルブ
４２  発電機
４４  凝縮器
４６  冷却タワー
４８  送給ポンプ
５０  脱気器
５２  送給ポンプ
【図１】
2010112377.tif 000003
【図２】
2010112377.tif 000004
【図３】
2010112377.tif 000005