(57)【要約】      （修正有）【課題】ガスタービンエンジンにおいてノズルに燃料の流れを送給するための燃料調整システムを提供する。【解決手段】燃料調整システム１００は、燃料の流れの圧力を増大させる燃料圧縮機１４０と、燃料の流れの圧力を減少させる減圧バルブ１６０と、減圧バルブ１６０の下流側にあるヒータ２５０と、を含むことができる。減圧バルブ１６０は、回転制御バルブを含むことができる。【選択図】図１
2014219001.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンにおいてノズルに燃料の流れを送給するための燃料調整システムであって、
前記燃料の流れの圧力を増大させる燃料圧縮機と、
回転制御バルブを有する、燃料の流れの圧力を減少させる減圧バルブと、
前記減圧バルブの下流側にあるヒータと、
を備える、燃料調整システム。
【請求項２】
前記回転制御バルブが、スロットルボールを内部に含む、請求項１に記載の燃料調整システム。
【請求項３】
前記スロットルボールが、複数の小孔を有する複数のプレートを含む、請求項２に記載の燃料調整システム。
【請求項４】
前記スロットルボールが、回転ボールを含む、請求項２に記載の燃料調整システム。
【請求項５】
前記ヒータが、１つ又はそれ以上の熱トレーシング要素を含む、請求項１に記載の燃料調整システム。
【請求項６】
前記ヒータが、性能ヒータを含む、請求項１に記載の燃料調整システム。
【請求項７】
前記ヒータが、始動ヒータを含む、請求項１に記載の燃料調整システム。
【請求項８】
前記ヒータが、１つ又はそれ以上の熱トレーシング要素と性能ヒータとを含む、請求項１に記載の燃料調整システム。
【請求項９】
前記減圧バルブの上流側に位置付けられた複合ノックアウトドラム及びフィルタを更に備える、請求項１に記載の燃料調整システム。
【請求項１０】
前記減圧バルブの下流側に位置付けられたスクラバーを更に備える、請求項１に記載の燃料調整システム。
【請求項１１】
前記減圧バルブの下流側にある直線状管路を更に備える、請求項１に記載の燃料調整システム。
【請求項１２】
前記燃料圧縮機が、圧縮機フィルタを含む、請求項１に記載の燃料調整システム。
【請求項１３】
１つ又はそれ以上のセンサを更に備える、請求項１に記載の燃料調整システム。
【請求項１４】
前記１つ又はそれ以上のセンサが、燃料圧力センサ、燃料温度センサ、燃料水分含量センサ、及び／又は周囲温度センサを含む、請求項１３に記載の燃料調整システム。
【請求項１５】
ガスタービンエンジンにおいてノズルに燃料の流れを送給する方法であって、
前記燃料の流れの温度及び圧力を検知するステップと、
前記燃料を減圧バルブに流して内部圧力を低減するステップと、
前記減圧バルブの下流側で前記燃料の流れを加熱するステップと、
を含み、
前記燃料を減圧バルブに流すステップが、複数のプレートにわたって前記燃料を流して内部の圧力を低減するステップを含む、方法。
【請求項１６】
ガスタービンエンジンにおいてノズルに燃料の流れを送給するための燃料調整システムであって、
内部にスロットルボールを有した回転制御バルブを含む、前記燃料の流れの圧力を減少させる減圧バルブと、
前記減圧バルブの下流側にある１つ又はそれ以上の熱トレーシング要素と、
を備える、燃料調整システム。
【請求項１７】
前記スロットルボールが、複数の小孔を有する複数のプレートを含む、請求項１６に記載の燃料調整システム。
【請求項１８】
前記減圧バルブの下流側に性能ヒータを更に備える、請求項１６に記載の燃料調整システム。
【請求項１９】
前記減圧バルブの下流側に始動ヒータを更に備える、請求項１６に記載の燃料調整システム。
【請求項２０】
前記燃料の流れの圧力を増大させる燃料圧縮機を更に備える、請求項１６に記載の燃料調整システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願及び結果として得られる特許は、全体的に、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、上流側の加熱装置を使用することなく、減圧バルブ及びその下流側での氷結及び水化物形成を制限する燃料調整システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、高出力ガスタービン用の燃料調整システムは、実質的に一定の圧力で燃料流を燃料ノズルに提供する。例えば、天然ガス供給圧力が高すぎる場合には、燃料調整システムは、燃料流がノズルに達する前に圧力を低下させる必要がある。しかしながら、このような圧力低下は、特定のタイプの圧力制御バルブによって生成されるジュール・トムソン効果並びに局所的低圧に起因して燃料流中に氷及び水化物形成を引き起こす可能性がある。燃料流中の水化物は、ノズルの浸食、逆火、及び他のタイプの燃焼問題を引き起こす可能性がある。その上、着氷は、従来の圧力制御バブルを作動不能にする恐れがある。従って、燃料調整システム内の着氷及び水化物は、ガスタービン発電プラントの全体としての運用に好ましくない影響を及ぼす可能性がある。
【０００３】
氷及び水化物形成を低減する既知の方法は、減圧バルブの上流側に水槽ヒータ及び同様のものを用いることを含む。このような水槽ヒータは、給水を加熱するために天然ガスボイラーを含む場合がある。このような水槽ヒータの使用は、燃料流の温度を維持するのに有効とすることができるが、水槽ヒータは、運用コストが比較的高価な可能性がある。その上、天然ガスボイラーの作動には、排出許可が必要となる場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第８，３６６，０７０号明細書
【発明の概要】
【０００５】
従って、ガスタービンエンジンにおける燃料調整システムの改善に対する要求がある。このようなシステムは、内部での氷及び水化物形成を阻止しながら、水槽ヒータ及び他のタイプの寄生負荷を使用することなくノズルに対して実質的に一定圧力の燃料流を供給することができるのが好ましい。
【０００６】
従って、本出願及び結果として得られる特許は、ガスタービンエンジンにおいてノズルに燃料の流れを送給するための燃料調整システムを提供する。燃料調整システムは、燃料の流れの圧力を増大させる燃料圧縮機と、燃料の流れの圧力を減少させる減圧バルブと、減圧バルブの下流側にあるヒータと、を含むことができる。減圧バルブは、回転制御バルブを含むことができる。
【０００７】
本出願及び結果として得られる特許は更に、ガスタービンエンジンにおいてノズルに燃料の流れを送給する方法を提供する。本方法は、燃料の流れの温度及び圧力を検知するステップと、燃料を減圧バルブに流して内部圧力を低減するステップと、減圧バルブの下流側で燃料の流れを加熱するステップと、を含むことができる。燃料を減圧バルブに流すステップは、複数のプレートにわたって燃料を流して内部の圧力を低減するステップを含むことができる。
【０００８】
本出願及び結果として得られる特許は更に、ガスタービンエンジンにおいてノズルに燃料の流れを送給するための燃料調整システムを提供する。燃料調整システムは、燃料の流れの圧力を減少させる減圧バルブと、減圧バルブの下流側にある１つ又はそれ以上の熱トレーシング要素と、を含むことができる。減圧バルブは、内部にスロットルボールを有した回転制御バルブを含むことができる。
【０００９】
本出願及び結果として得られる特許のこれら及び他の特徴並びに改善点は、図面及び請求項を参照しながら以下の好ましい実施形態の詳細な説明を精査することによって当業者には明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】圧縮機、燃焼器、及びタービンを示すガスタービンエンジンの概略図。
【図２】ガスタービンエンジンと共に用いるための既知の燃料調整システムの概略図。
【図３】本明細書で記載される燃料調整システムの概略図。
【図４】図３の燃料調整システムと共に用いることができる回転制御バルブの概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に、幾つかの図全体を通して様々な参照符号が同様の要素を表す図面を参照すると、図１は、本明細書で記載されるガスタービンエンジン１０の概略図を示している。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１５を含むことができる。圧縮機１５は、流入する空気２０の流れを圧縮する。圧縮機１５は、圧縮した空気２０の流れを燃焼器２５に送給する。燃焼器２５は、圧縮した空気２０の流れを燃料３０の加圧流と混合し、この混合気を点火して燃焼ガス３５の流れを生成する。単一の燃焼器２５のみが図示されているが、ガスタービンエンジン１０は、あらゆる数の燃焼器２５を含むことができる。次いで、燃焼ガス３５の流れは、タービン４０に送給される。燃焼ガス３５の流れは、タービン４０を駆動し、機械的仕事を生成する。タービン４０において生成された機械的仕事は、シャフト４５及び外部負荷５０（発電機及び同様のものなど）を介して圧縮機１５を駆動する。
【００１２】
ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、種々のタイプのシンガス、種々のタイプの液体燃料、及び／又は他のタイプの燃料を用いることができる。ガスタービンエンジン１０は、限定ではないが、７又は９シリーズ高出力ガスタービンエンジン及び同様のものなどを含む、ニューヨーク州Ｓｃｈｅｎｅｃｔａｄｙ所在のＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｍｐａｎｙによって提供される幾つかの様々なガスタービンエンジンのうちの何れかとすることができる。ガスタービンエンジン１０は、異なる構成を有することができ、他のタイプの構成要素を用いることもできる。他のタイプのガスタービンエンジンもまた、本明細書で使用することができる。複数のガスタービンエンジン、他のタイプのタービン、及び他のタイプの発電設備もまた、本明細書で共に使用することができる。
【００１３】
図２は、ガスタービンエンジン１０などと共に用いることができる既知の燃料調整システム５５の一例の概略図を示す。具体的には、燃料調整システム５５は、燃焼器２５の１つ又はそれ以上のノズル６０に燃料３０の流れを提供することができる。燃料調整システム５５は、本明細書において単に例証として説明されることになる。他の多くの構成要素及び他の多くの構成を用いても良い。また、異なるタイプの燃料も用いることができる。
【００１４】
一般に、燃料調整システム５５は、流入する燃料３０の流れと連通したノックアウトドラム６５を含むことができる。ノックアウトドラム６５は、何らかのタイプの従来の気液分離器とすることができる。ノックアウトドラム６５は、燃料３０の流れから水分を除去するプロセスを開始することができる。更に選別を行うために細密フィルタ６７又はデミスタを用いることができる。細密フィルタ６７はまた、従来設計のものとすることができる。
【００１５】
燃料３０の流れの圧力が増大することになる場合、燃料３０の流れは、燃料圧縮機７０に送ることができる。燃料圧縮機７０は、燃料３０の流れの圧力を好適なレベルまで増大させることができる。圧縮機フィルタ７２を用いて、この流れを濾過することができる。圧縮機７０及び圧縮機フィルタ７２は、従来設計のものとすることができる。燃料３０の流れの圧力が減少することになる場合、燃料３０の流れは、減圧バルブ７５に送ることができる。減圧バルブ７５は、燃料３０の流れの圧力を好適なレベルまで減少させることができる。減圧バルブ７５は、従来設計のものとすることができる。上述のように、燃料３０の流れの圧力が減少することにより、ジュール・トムソン効果並びに局所的低圧に起因して氷及び水化物形成が引き起こされる可能性があるので、減圧バルブ７５の上流側に水槽ヒータ８０を用いることができる。水槽ヒータ８０は、天然ガスボイラー及び同様のものとすることができる。水槽ヒータ８０は、下流側での氷及び水化物形成を阻止するために、燃料の露点を上回って約５０°Ｆ（約１０℃）程度燃料３０の流れを加熱することができる。本明細書で他の温度を用いることもできる。他のタイプの上流側加熱方法を用いても良い。
【００１６】
燃料圧縮機７０又は減圧バルブ７５の何れかの後に、燃料３０の流れは、凝集フィルタ８５を通って流れることができる。凝集フィルタ８５は、従来設計のものとすることができる。凝集フィルタ８５は更に、燃料３０の流れからミスト及び／又は粒子状物質を除去することができる。次いで、燃料３０の流れは、性能ヒータ９０において加熱することができる。性能ヒータ９０は一般に、熱交換機構及び同様のもので廃熱又は別の熱源からの熱により燃料３０の流れを暖める。燃料調整システム５５はまた、始動ヒータ９５を含むことができる。始動ヒータ９５は、補助装置又は寄生動力源により作動させることができる。始動ヒータ９５は一般に、性能ヒータ９０が作動状態になるまで用いることができる。燃料調整システム５５はまた、スクラバー９７を含み、燃焼器２５のノズル６０に入る前に何らかの水分を更に除去するようにすることができる。他の構成要素及び他の構成を本明細書で用いることもできる。
【００１７】
図３は、本明細書で記載される燃料調整システム１００の１つの実施例を示す。燃料調整システム１００は、燃焼器２５及び同様のもののノズル６０において使用するために燃料３０の流れを調整することができる。異なるタイプの燃料を用いることもできる。
【００１８】
燃料調整システム１００は、流入する燃料３０の流れと連通した複合ノックアウトドラム／フィルタ１１０を含むことができる。複合ノックアウトドラム／フィルタ１１０は、上述したものと同様の、ノックアウトドラム１２０及びこれに取り付けられた細密フィルタ又はデミスタ１３０を含むことができる。複合ノックアウトドラム／フィルタ１１０は、燃料３０の流れから水分及び同様のものを除去するのを開始することができる。燃料３０の流れの圧力が増大することになる場合、燃料３０の流れは、燃料圧縮機１４０に送ることができる。燃料圧縮機１４０は、従来設計のものとすることができる。同様に、従来の圧縮機フィルタ１５０を用いることもできる。他の構成要素及び他の構成を本明細書で用いることもできる。
【００１９】
燃料３０の流れの圧力が減少することになる場合、燃料３０の流れは、減圧バルブ１６０に流れることができる。この実施例において、減圧バルブ１６０は、回転制御バルブ１７０とすることができる。図４に示すように、回転制御バルブ１７０は、入口１８０と、スロットルボール１９０と、出口２００とを含むことができる。スロットルボール１９０は、貫通する小孔２２０を備えた幾つかの内部プレート２１０を含むことができる。貫通する小孔２２０を備えたプレート２１０は、各プレート２１０にわたって減圧をもたらすように摩擦抵抗を最大にすることができる。小孔２２０は、貫通する定常流れパターンを生成するよう構成することができる。従って、回転制御バルブ１７０は、圧力並びに内部の燃料３０の流れ速度を低減する。その上、回転制御バルブ１７０は、圧力低下をもたらすが、バルブの非作動を引き起こすよう９な水化物の蓄積を生じる可能性がある流路を生成するものではない。スロットルボール１９０は、回転してその前後の圧力差を変えることができる。好適な回転制御バルブ１７０の１つの実施例は、「Ｂｅｃｋｅｒ  ＱＴＣＶ−Ｔ４  Ｑｕｉｅｔ  Ｔｒｉｍ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｖａｌｖｅ」などの名称で、イリノイ州Ｅｌｋ  Ｇｒｏｖｅ  Ｖｉｌｌａｇｅ所在のＤｒｅｓｓｅｒ，  Ｉｎｃ．によって販売されている。このような回転制御バルブはまた、米国特許第８，３６６，０７２Ｂ２号及び第８，１４１，８４３Ｂ２号において記載されている。
【００２０】
回転制御バルブ１７０はまた、粒子状物質の内部蓄積を阻止するために、１つ又はそれ以上のフィルタ又は清掃機構を有することができる。従って、回転制御バルブ１７０は、実質的に自浄式とすることができる。よって、内部自浄機構を考慮すると、回転制御バルブ１７０の下流側には凝集フィルタ８５及び同様のものを用いることは必要ではないものとすることができる。他の構成要素及び他の構成を本明細書で用いることもできる。
【００２１】
回転制御バルブ１７０の下流側での水化物の蓄積を阻止するために、熱トレーシング要素２３０を下流側管路２４０に追加することができる。熱トレーシング要素２３０は、従来設計のものとすることができる。熱トレーシング要素２３０は、電気式であり、外部から電力を供給することができる。しかしながら、熱トレーシング要素２３０の使用は、特定のタイプの作動条件の際にのみ必要とすることができる。このような場合、幾つかのセンサ２３５を用いて、周囲温度と組み合わせて燃料３０の流れの圧力、温度、及び湿度を監視することができる。あらゆる数のセンサ２３５を本明細書で用いることができ、燃料調整システム１００に沿ってあらゆる場所に位置付けることができる。他のタイプの周囲及び作動温度を本明細書で考慮することができる。
【００２２】
また、管路２４０が比較的直線状で、回転制御バルブ１７０と性能ヒータ２５０との間でのみ漸次的な湾曲がある場合には、熱トレーシング要素２３０の使用は必要ではない場合がある。性能ヒータ２５０は、従来設計のものとすることができる。始動ヒータ２６０も本明細書で用いることができる。性能ヒータ２５０から短い距離で使用される場合、回転制御バルブ１７０の下流側で形成される可能性があるあらゆる水化物は、性能ヒータ２５０の近傍で蒸発することができる。性能ヒータ２５０からの熱は、一般に、管路２４０における燃料３０の流れを保温することができる。また、管路２４０の周りにある量の断熱材を用いることができる。スクラバー２７０は、性能ヒータ２５０及び始動ヒータ２６０の下流側に位置付けることができる。スクラバー２７０は、従来設計のものとすることができる。他の構成要素及び他の構成を本明細書で用いることもできる。
【００２３】
従って、回転制御バルブ１７０を備えた燃料調整システム１００は、氷結又は水化物形成を行うことなく燃料３０の流れの減圧をもたらす。回転制御バルブ１７０は、水化物形成に必要な圧力、温度、及び／又は速度条件をもたらす可能性がある渦領域の形成を促進するものではない。その上、下流側での水化物形成は、熱トレーシング要素２３０の使用により、又は、単に回転制御バルブ１７０を性能ヒータ２５０(performance heater)などから短い距離に位置付けることによって更に制限することができる。熱トレーシング要素２３０は、全体の寄生負荷であるが、水槽ヒータなどの作動と比較してより小さなものとすることができる。従って、燃料調整システム１００は、既知のシステムに比べてより少ないサブシステム及び構成要素で、エンジニアリングコストを低減し且つより高い全体効率でコスト効果の高い燃料調整を提供する。従って、本明細書では全体の資本コスト及び運用コストを低減することができる。複数の回転制御バルブ１７０を本明細書で用いることもできる。
【００２４】
上記のことは、本出願及びその結果として得られる特許の特定の実施形態にのみに関連している点を理解されたい。添付の請求項及びその均等物によって定義される本発明の全体的な技術的思想及び範囲から逸脱することなく、当業者であれば多くの変更及び修正を本明細書において行うことができる。
【符号の説明】
【００２５】
１０  ガスタービンエンジン
１５  圧縮機
２０  空気
２５  燃焼器
３０  燃料
３５  燃焼ガス
４０  タービン
４５  シャフト
５０  負荷
５５  燃料調整システム
６０  ノズル
６５  ノックアウトドラム
６７  細密フィルタ
７０  燃料圧縮機
７２  圧縮機フィルタ
７５  減圧バルブ
８０  水槽ヒータ
８５  凝集フィルタ
９０  性能ヒータ
９５  始動ヒータ
９７  スクラバー
１００  燃料調整システム
１１０  複合ノックアウトドラム／フィルタ
１２０  ノックアウトドラム
１３０  細密フィルタ
１４０  燃料圧縮機
１５０  圧縮機フィルタ
１６０  減圧バルブ
１７０  回転制御バルブ
１８０  入口
１９０  スロットルボール
２００  出口
２１０  内部プレート
２２０  小孔
２３０  熱トレーシング要素
２３５  センサ
２４０  管路
２５０  性能ヒータ
２６０  始動ヒータ
２７０  スクラバー
【図１】
2014219001.tif 000003
【図２】
2014219001.tif 000004
【図３】
2014219001.tif 000005
【図４】
2014219001.tif 000006