(57)【要約】【課題】改良ガスタービン入口システムを提供する。【解決手段】ガスタービン入口システムは、入口空気を圧縮機へ供給する第１の通路と、燃焼器へ燃料を供給する第２の通路と、電力を消費することによって入口空気から燃料へ熱を伝達するヒート・ポンプとを含む。この熱伝達は、タービン入口空気温度を低下させ且つ燃料温度を上昇させて、タービン出力及び熱消費率の両方に好ましい効果をもたらす。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンを駆動する燃焼生成物を出力する燃焼器内での燃焼のためにガスタービン入口空気を圧縮する圧縮機を含んでいるガスタービンのためのガスタービン入口システムであって、
ガスタービン入口空気を圧縮機へ運ぶ主入口空気通路と、
ヒート・ポンプと、
前記ヒート・ポンプを介して前記燃焼器へ燃料を運ぶ燃料通路と、
前記主入口空気通路に接続されていて、ガスタービン入口空気の一部分を、前記ヒート・ポンプを通って前記主入口空気通路へ戻すように迂回させる入口空気迂回通路であって、当該入口空気迂回通路内のガスタービン入口空気からの熱が、前記ヒート・ポンプを介して、前記燃料通路内の燃料と交換される、入口空気迂回通路と、
を有するガスタービン入口システム。
【請求項２】
前記ヒート・ポンプは、熱イオン装置及び熱電装置の一方を有する固体ヒート・ポンプである、請求項１記載の入口システム。
【請求項３】
前記固体ヒート・ポンプは外側ダクトと同心の内側ダクトとを有し、前記燃料通路が前記内側ダクトに結合され、また前記入口空気迂回通路が前記外側ダクトに結合されている、請求項２記載の入口システム。
【請求項４】
複数の熱イオン又は熱電装置が前記内側ダクトの外面に取り付けられている、請求項３記載の入口システム。
【請求項５】
前記内側ダクト及び前記外側ダクトはほぼ四角の断面を持っている、請求項２記載の入口システム。
【請求項６】
前記ヒート・ポンプは外側ダクトと同心の内側ダクトとを有し、前記燃料通路が前記内側ダクトに結合され、また前記入口空気迂回通路が前記外側ダクトに結合されている、請求項１記載の入口システム。
【請求項７】
前記内側ダクト及び前記外側ダクトはほぼ四角の断面を持っている、請求項６記載の入口システム。
【請求項８】
前記固体ヒート・ポンプは電力供給源に接続される、請求項１記載の入口システム。
【請求項９】
請求項１記載の入口システムを含んでいるガスタービン。
【請求項１０】
入口空気を圧縮機へ供給する第１の通路と、
燃焼器へ燃料を供給する第２の通路と、
電力を消費することによって入口空気から燃料へ熱を伝達するヒート・ポンプと、
を有するガスタービン入口システム。
【請求項１１】
更に、入口空気の一部分を、前記第１の通路から前記ヒート・ポンプを通って前記第１の通路へ戻すように迂回させる第３の通路を有している請求項１０記載の入口システム。
【請求項１２】
前記ヒート・ポンプは、熱イオン装置及び熱電装置の一方を有する固体ヒート・ポンプである、請求項１１記載の入口システム。
【請求項１３】
前記固体ヒート・ポンプは外側ダクトと同心の内側ダクトとを有し、前記第２の通路が前記内側ダクトに結合され、また前記第３の通路が前記外側ダクトに結合されている、請求項１２記載の入口システム。
【請求項１４】
複数の熱イオン又は熱電装置が前記内側ダクトの外面に取り付けられている、請求項１３記載の入口システム。
【請求項１５】
前記内側ダクト及び前記外側ダクトはほぼ四角の断面を持っている、請求項１３記載の入口システム。
【請求項１６】
前記ヒート・ポンプは外側ダクトと同心の内側ダクトとを有し、前記第２の通路が前記内側ダクトに結合され、また前記第３の通路が前記外側ダクトに結合されている、請求項１１記載の入口システム。
【請求項１７】
前記内側ダクト及び前記外側ダクトはほぼ四角の断面を持っている、請求項１６記載の入口システム。
【請求項１８】
ガスタービン内で空気及び燃料を供給する方法であって、
ガスタービン入口空気を主入口空気通路からヒート・ポンプへ迂回させる段階と、
前記ヒート・ポンプを介して燃料を運ぶ段階と、
前記ヒート・ポンプ内でガスタービン入口空気から燃料へ熱を伝達する段階と、
相対的に冷たくなった空気を主入口空気通路へ戻して圧縮機へ供給する段階と、
相対的に熱くなった燃料を燃焼器へ供給する段階と、
を有する方法。
【請求項１９】
タービンを駆動する燃焼生成物を出力する燃焼器内での燃焼のためにガスタービン入口空気を圧縮する圧縮機を含んでいるガスタービンのためのガスタービン入口システムであって、
ヒート・ポンプと、
ガスタービン入口空気を少なくとも部分的に前記ヒート・ポンプを介して前記圧縮機へ運ぶ入口空気通路と、
燃料を燃焼器へ運ぶ燃料通路と、
圧縮機出口空気を前記燃焼器へ運ぶ出口空気通路と、を有し、
前記入口空気通路内のガスタービン入口空気からの熱が、前記ヒート・ポンプを介して、前記燃料通路内の燃料又は前記圧縮機出口空気の一方と交換されること、
を特徴とするガスタービン入口システム。
【請求項２０】
前記圧縮機は少なくとも上流の圧縮機段及び下流の圧縮機段を有し、前記入口空気通路がガスタービン入口空気を前記ヒート・ポンプを介して前記上流の圧縮機段へ運び、また前記出口空気通路が前記下流の圧縮機段と前記燃焼器との間に前記ヒート・ポンプを介して接続されている、請求項１９記載のガスタービン入口システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン入口システムに関し、より詳しく云えば、固体ヒート・ポンプを含むガスタービン入口システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン・エンジンは、一般に、流入する空気流（ガスタービン入口空気又はＧＴ入口空気）を圧縮する圧縮機を含む。該空気流は燃料と混合され点火されて、燃焼ガスを発生する。次いで、燃焼ガスはタービンへ流れる。タービンはガスからエネルギを抽出して、シャフトを駆動する。シャフトは、圧縮機を駆動すると共に、一般に発電機のような別の要素を駆動する。
【０００３】
周囲温度が高くなると、圧縮機入口空気の密度が相対的に低くなることにより、ガスタービンの出力が低下する虞がある。従来のシステムは蒸発冷却器を用いて入口空気調整を行っており、これは、周囲温度が低下し又は湿度が高くなるにつれて効果が小さくなる。また、水の乏しい領域では入口空気を冷却するために入口冷却装置(chiller) が使用されているが、運転及び保守コストが高くなる欠点がある。従来では、燃料の加熱は、外部熱源により、又はボトミング・サイクルからの低位の熱によって行っている。
【０００４】
そこで、入口空気調整を達成し且つ周囲温度に対する出力の変動を低減するシステムを提供することは望ましいと考えられる。また、燃料の流れを吸熱体(sink)として利用して、燃料加熱効果によりプラントの熱消費率(heat rate) を改善することも望ましいと考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６８５４２７３号
【発明の概要】
【０００６】
模範的な実施形態では、タービンを駆動する燃焼生成物を出力する燃焼器内での燃焼のためにガスタービン入口空気を圧縮する圧縮機を含んでいるガスタービンのためのガスタービン入口システムが提供される。この入口システムは、ガスタービン入口空気を圧縮機へ運ぶ主入口空気通路と、ヒート・ポンプと、前記ヒート・ポンプを介して燃焼器へ燃料を運ぶ燃料通路とを含む。入口空気迂回通路が前記主入口空気通路に接続されていて、ガスタービン入口空気の一部分を、前記ヒート・ポンプを通って前記主入口空気通路へ戻すように迂回させる。前記入口空気迂回通路内のガスタービン入口空気からの熱が、前記ヒート・ポンプを介して、前記燃料通路内の燃料と交換される。
【０００７】
別の模範的な実施形態では、ガスタービン入口システムが、入口空気を圧縮機へ供給する第１の通路と、燃焼器へ燃料を供給する第２の通路と、電力を消費することによって入口空気から燃料へ熱を伝達するヒート・ポンプとを含む。
【０００８】
更に別の模範的な実施形態では、ガスタービン内で空気及び燃料を供給する方法が提供され、該方法は、ガスタービン入口空気を主入口空気通路からヒート・ポンプへ迂回させる段階と、前記ヒート・ポンプを介して燃料を運ぶ段階と、前記ヒート・ポンプ内でガスタービン入口空気から燃料へ熱を伝達する段階と、相対的に冷たくなった空気を主入口空気通路へ戻して圧縮機へ供給する段階と、相対的に熱くなった燃料を燃焼器へ供給する段階とを含む。
【０００９】
また別の模範的な実施形態では、ガスタービン入口システムが、ヒート・ポンプと、ガスタービン入口空気を少なくとも部分的に前記ヒート・ポンプを介して圧縮機へ運ぶ入口通路と、燃料を燃焼器へ運ぶ燃料通路と、圧縮機出口空気を前記燃焼器へ運ぶ出口空気通路とを含む。前記入口通路内のガスタービン入口空気からの熱が、前記ヒート・ポンプを介して、前記燃料通路内の燃料又は前記圧縮機出口空気の一方と交換される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、一体化した固体(solid-state) ヒート・ポンプを持つガスタービン入口システムを含むガスタービンの概略図である。
【図２】図２は、ヒート・ポンプ・ダクトを示す断面図である。
【図３】図３は、代替実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
記載の実施形態のガスタービン入口システムは、電力を消費することによって供給源（ＧＴ入口空気）からの熱を吸熱体（燃料流）へ伝達する熱交換器又は固体ヒート・ポンプ（例えば、熱イオン又は熱電装置）を利用する。この熱伝達は、ＧＴ入口空気温度を低下させ且つ燃料温度を上昇させて、出力及び熱消費率の両方に好ましい効果をもたらす。
【００１２】
図１は、記載の実施形態のガスタービン入口システムを含むガスタービンのブロック図である。ガスタービンは、燃焼器１４内で燃焼させるためにＧＴ入口空気を圧縮する圧縮機１２を含む。燃焼器１４は、タービン１６を駆動するために燃焼生成物を出力する。
【００１３】
入口システム２０は、ＧＴ入口空気を圧縮機１２へ運ぶ主入口空気通路２２を含む。ＧＴ空気の一部分が主入口空気通路２２から、この主入口空気通路２２に接続された入口空気迂回通路２４へ迂回する。この迂回したＧＴ空気の部分は、熱交換器２６へ導かれる。分析によれば、２５％の空気を迂回させたことにより、好ましい結果が示された。しかし、任意の量の空気を迂回させることが可能である。好ましくは、熱交換器２６は、例えば、供給源からの熱を吸熱体へ伝達する熱イオン又は熱電装置を用いる固体ヒート・ポンプである。
【００１４】
燃料通路２８は、ヒート・ポンプ２６を介して燃焼器１４へ燃料を運ぶ。ヒート・ポンプ２６は、入口空気流（熱源）から燃料流（吸熱体）へ熱を伝達するために電力を消費する。
【００１５】
ヒート・ポンプ２６より下流では、相対的に冷たくなったＧＴ入口空気が入口空気迂回通路２４の下流部分を通って主入口空気通路２２へ戻る。図１に示されているように、ＧＴ入口空気温度温度（Ｔambient ）は、ヒート・ポンプ２６の下流では相対的に冷たくなっている（例えば、Ｔambient よりも低い）。相対的に冷たくなった空気は、適切な温度分布のために圧縮機入口よりも充分前で主入口空気通路２２へ戻る。
【００１６】
相対的に熱い燃料が燃焼器１４へ直接運ばれる。模範的な実施形態では、熱交換器の上流の燃料は一般に約８０°Ｆであり、また熱交換器２６の下流の燃料は８０°Ｆよりも高い。ガスタービン及び蒸気タービンの組合せサイクル運転のためには、温度は３６５°Ｆになることがある。
【００１７】
図２は、固体ヒート・ポンプ２６の断面図である。ヒート・ポンプ２６は外側ダクト３０及び内側ダクト３２を含む。外側及び内側ダクト３０，３２は図示のように同心にすることができる。更に、ダクト３０，３２はほぼ四角の断面を持つことができる。燃料通路２８が内側ダクト３２に結合され、また入口空気迂回通路２４が外側ダクト３０に結合される。複数の熱イオン又は熱電装置３４を内側ダクト３２の外面に取り付けることができる。複数の熱イオン又は熱電装置は電気的には直列に接続され且つ熱的には並列に接続される。これらの熱イオン又は熱電装置３４は、外側ダクト３０内のＧＴ入口空気から内側ダクト３２内の燃料流へ熱を伝達するために電力を消費する。
【００１８】
ＧＴ入口空気温度が減少すると、質量流量が大きくなり、これに対応してタービン出力が増大する。燃料温度が上昇すると、熱消費率についての利益が得られる。本システムの高速応答に起因して、出力及び熱消費率の改善はほぼ瞬時に生じる。熱イオン／熱電冷却効果は電力供給量に依存しているので、本システムは既存の制御システムにより容易に制御することができ、従って既存の制御システムと統合することができ、また燃料加熱のための外部熱源を最小にすることができる。更に、本システムは、ヒート・ポンプが無音で動作し且つ本質的に保守整備を必要としないので、静かであり且つ信頼性が高い。また更に、タービン出力の増大は、ヒート・ポンプを駆動するために必要とされる電気エネルギを埋め合わせて余りあるものになる。
【００１９】
図３は、代替実施形態の概略図である。この実施形態では、熱交換器２６が複数の圧縮機段の間に、例えば、第１段圧縮機１１２と第２段圧縮機２１２との間に配置される。圧縮機に入る空気は、圧縮機効率を改善する（すなわち、全プラント出力を向上させる）ために冷却することができる。既存のシステムでは、これは中間冷却器によって達成することができる。図３に示された実施形態では、熱交換器２６は上流の圧縮機１１２への入口空気を冷却し、そこで除去された熱を利用して、下流の圧縮機２１２からの出口空気を加熱する。加熱された出口空気は燃焼器へ供給され、その結果、燃焼器入口温度を上昇させる。
【００２０】
この構成では、有利なことに、上流の（例えば、第１段）圧縮機１１２への入口空気を冷却することが、圧縮機効率を増大させるように作用し、その結果として、寄生圧縮機パワーが低減され、これによって正味のプラント出力を改善する。更に、下流の圧縮機（例えば、第２段圧縮機）からの圧縮機出口空気を加熱することによって、燃焼器入口温度を高くすることによりガスタービンの熱消費率が増大する。
【００２１】
本発明について最も実用的で好ましい実施形態であると現在考えられるものに関して説明したが、本発明が開示した実施形態に制限されないこと、またそれよりむしろ、本発明が「特許請求の範囲」に記載の精神及び範囲内に含まれる様々な修正及び等価な構成を包含するものであることを理解されたい。例えば、システムは、電力網の不足周波数についての規格順守の際のような過渡的な事象において必要とされる電力増大を行うために間欠的に動作させることができる。また、ダクト設計は、圧力損失を最小にし且つ熱伝達を最大にするために更に改良することができる。また更に、ヒート・ポンプは、ＩＢＨ（入口抽出熱）用途のために入口空気を加熱するために（電流の流れの方向を逆転することによって）逆に用いることができる。このような用途のための現在の装置のコストは非常に高いけれども、将来に装置効率が改善されれば実用的であることが判明しよう。
【符号の説明】
【００２２】
２０  ガスタービン入口システム
２２  主入口空気通路
２４  入口空気迂回通路
２８  燃料通路
３０  外側ダクト
３２  内側ダクト
３４  熱イオン又は熱電装置
【図１】
2013170579.tif 000003
【図２】
2013170579.tif 000004
【図３】
2013170579.tif 000005