(57)【要約】      （修正有）【課題】スタービンからの酸素エミッションを制御するシステム及び方法を提供すること。【解決手段】ガスタービン１２からの酸素エミッションを制御するシステムは、燃焼器と、該燃焼器から下流側のプレナムと、該プレナムから下流側にあり且つ排出ガスを生成するタービン２０と、を含む。タービンから下流側にある圧縮機は、排出ガスを受け取って加圧排出ガスを生成する。圧縮機から下流側の加圧排出プレナムは、燃焼器１８及びプレナムに流体連通を提供する。ガスタービンからの酸素エミッションを制御する方法は、タービンから排出ガスを流し、該排出ガスの圧力を増大させて加圧排出ガスを生成するステップを含む。本方法は更に、燃焼器の入口に加圧排出ガスの第１の部分を流し、タービンと燃焼器との間のプレナムに加圧排出ガスの第２の部分を流すステップを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンからの酸素エミッションを制御するためのシステムであって、
ａ）燃焼ガスを生成する燃焼器と、
ｂ）前記燃焼器から下流側にあり、前記燃焼器から燃焼ガスを受け取るプレナムと、
ｃ）前記プレナムから下流側にあり、前記プレナムから燃焼ガスを受け取って排出ガスを生成するタービンと、
前記タービンから下流側にあり、前記排出ガスを受け取って加圧排出ガスを生成する圧縮機と、
前記圧縮機から下流側にあり、前記燃焼器及び前記プレナムに流体連通を提供する加圧排出プレナムと、
を備える、システム。
【請求項２】
前記加圧排出プレナムを通る前記加圧排出ガスの流れを調節する手段を更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記手段が、圧力又は温度に従って前記加圧排出プレナムを通る前記加圧排出ガスの流れを調節する、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記手段が、前記燃焼器又は前記タービンの少なくとも１つの出力レベルに従って前記加圧排出プレナムを通る前記加圧排出ガスの流れを調節する、請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記圧縮機により生成される前記加圧排出ガスが、周囲空気の酸素含有量よりも少なくとも約５０％少ない酸素含有量を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記圧縮機により生成される前記加圧排出ガスが、周囲空気の酸素含有量よりも少なくとも約７５％少ない酸素含有量を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記タービンと前記圧縮機との間に前記タービンから排出ガスを受け取る熱交換器を更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記圧縮機が、前記タービンと同軸である、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
ガスタービンからの酸素エミッションを制御するシステムであって、
ａ）加圧作動流体を生成する第１の圧縮機と、
ｂ）前記第１の圧縮機から下流側にあり、前記第１の圧縮機から加圧作動流体を受け取って燃焼ガスを生成する複数の燃焼器と、
ｃ）前記燃焼器から下流側にあり、前記燃焼器から燃焼ガスを受け取る環状プレナムと、
ｄ）前記環状プレナムから下流側にあり、前記環状プレナムから燃焼ガスを受け取って排出ガスを生成するタービンと、
ｅ）前記タービンから下流側にあり、前記排出ガスを受け取って加圧排出ガスを生成する第２の圧縮機と、
ｆ）前記第２の圧縮機から下流側にあり、前記第２の圧縮機から加圧排出ガスを受け取って、該加圧排出ガスの流れを前記燃焼器及び前記環状プレナムに提供する加圧排出プレナムと、
を備える、システム。
【請求項１０】
前記加圧排出プレナムを通る前記加圧排出ガスの流れを調節する手段を更に含む、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記手段が、圧力又は温度に従って前記加圧排出プレナムを通る前記加圧排出ガスの流れを調節する、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記手段が、前記燃焼器又はタービンの少なくとも１つの出力レベルに従って前記加圧排出プレナムを通る前記加圧排出ガスの流れを調節する、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
前記第２の圧縮機により生成される前記加圧排出ガスが、前記加圧作動流体の酸素含有量よりも少なくとも約５０％少ない酸素含有量を有する、請求項９に記載のシステム。
【請求項１４】
前記第２の圧縮機により生成される前記加圧排出ガスが、前記加圧作動流体の酸素含有量よりも少なくとも約７５％少ない酸素含有量を有する、請求項９に記載のシステム。
【請求項１５】
前記タービンと前記第２の圧縮機との間に前記タービンから排出ガスを受け取る熱交換器を更に備える、請求項９に記載のシステム。
【請求項１６】
前記第２の圧縮機が、前記第１の圧縮機又は前記タービンの少なくとも１つと同軸である、請求項９に記載のシステム。
【請求項１７】
ガスタービンからの酸素エミッションを制御する方法であって、
ａ）タービンから排出ガスを流すステップと、
ｂ）前記排出ガスの圧力を増大させて加圧排出ガスを生成するステップと、
ｃ）前記加圧排出ガスの第１の部分を燃焼器の入口に流すステップと、
ｄ）前記加圧排出ガスの第２の部分を前記タービンと前記燃焼器との間のプレナムに流すステップと、
を含む、方法。
【請求項１８】
前記タービンから流れる前記排出ガスから熱を除去するステップを更に含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
圧力又は温度に従って前記加圧排出ガスの第１及び第２の部分の少なくとも一方の流れを調節するステップを更に含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記燃焼器又は前記タービンの少なくとも１つの出力レベルに従って前記加圧排出ガスの第１及び第２の部分の少なくとも一方の流れを調節するステップを更に含む、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体的に、ガスタービンからの酸素エミッションを制御するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
１つ又はそれ以上のガスタービンは、多くの場合、熱回収システムと組み合わされて、低エミッションのより効率的な発電システムを生成する。典型的なガスタービンは、前方に圧縮機と、中間付近に円周方向に配列された１つ又はそれ以上の燃焼器と、後方にタービンとを含む。圧縮機は、作動流体（例えば、空気）に運動エネルギーを与えて高エネルギー状態にする。加圧作動流体は、圧縮機から流出し、燃焼器に流れ、ここで燃料と混合されて点火され、高温及び高圧の燃焼ガスを発生させる。燃焼ガスは、タービンに流れ、タービンにおいて燃焼ガスが膨張して仕事を産生する。例えば、タービンにおける燃焼ガスの膨張は、発電機に接続されたシャフトを回転させ、電気を生成することができる。
【０００３】
熱回収システムは、タービンから下流側に位置付けられ、該タービンから流出する排出ガスから熱又は仕事を更に抽出することができる。熱回収システムは、例えば、蒸気発生器、蒸気タービン、及び凝縮器を含むことができる。タービンから流出する排出ガスは、蒸気発生器を流れて蒸気を生成することができ、蒸気は、蒸気タービンを流れることができ、ここで膨張して仕事を産出する。凝縮器は、蒸気タービンから流出して凝縮器に入る蒸気を凝縮し、次いで蒸気発生器に戻ることができ、再度、サイクルを繰り返す。
【０００４】
一部の複合サイクル発電プラントでは、蒸気発生器から流出する排出ガスは、再循環して燃焼器に戻り、燃焼室において理論混合比に近い条件を提供することができる。具体的には、再循環排出ガスの酸素含有量は、周囲空気又は圧縮機から流出する加圧作動流体の酸素含有量よりも約５０％、７５％、又は９０％少ないものとすることができる。燃焼器を通る排出ガスの再循環は、発電プラントの全体効率を向上させると共に、望ましくないエミッションを低減するのに効果的ではあるが、燃焼設計の複雑さが増加することになる。加えて、再循環排出ガスの低酸素含有量は、燃焼器内の火炎不安定性をもたらし、及び／又は燃焼を早期に消炎する可能性がある。従って、ガスタービンからの酸素エミッションを制御するために排出ガスを再循環する改善されたシステム及び方法が有用となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７，０８０，５１５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の態様及び利点は、以下の説明において記載され、又は、本説明から明らかになることができ、或いは、本発明を実施することによって理解することができる
本発明の１つの実施形態は、ガスタービンからの酸素エミッションを制御するシステムである。本システムは、燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼器から下流側にあり、燃焼器から燃焼ガスを受け取るプレナムと、プレナムから下流側にあり、プレナムから燃焼ガスを受け取って排出ガスを生成するタービンと、を含む。タービンから下流側にある圧縮機は、排出ガスを受け取って加圧排出ガスを生成する。圧縮機から下流側にある加圧排出プレナムは、燃焼器及びプレナムに流体連通を提供する。
【０００７】
本発明の別の実施形態は、ガスタービンからの酸素エミッションを制御するためのシステムである。本システムは、加圧作動流体を生成する第１の圧縮機と、第１の圧縮機から下流側にあり、第１の圧縮機から加圧作動流体を受け取って燃焼ガスを生成する複数の燃焼器と、燃焼器から下流側にあり、燃焼器から燃焼ガスを受け取る環状プレナムと、環状プレナムから下流側にあり、環状プレナムから燃焼ガスを受け取って排出ガスを生成するタービンと、を含む。タービンから下流側にある第２の圧縮機は、排出ガスを受け取って加圧排出ガスを生成する。第２の圧縮機から下流側にある加圧排出プレナムは、第２の圧縮機から加圧排出ガスを受け取って、該加圧排出ガスの流れを燃焼器及び環状プレナムに提供する。
【０００８】
本発明はまた、ガスタービンからの酸素エミッションを制御する方法を含むことができる。本方法は、タービンから排出ガスを流し、排出ガスの圧力を増大させて加圧排出ガスを生成するステップを含む。本方法は更に、加圧排出ガスの第１の部分を燃焼器の入口に流し、加圧排出ガスの第２の部分をタービンと燃焼器との間のプレナムに流すステップを含む。
【０００９】
当業者であれば、本明細書を精査するとこのような実施形態の特徴及び態様、並びにその他がより理解されるであろう。
【００１０】
添付図の参照を含む本明細書の残りの部分において、当業者にとって最良の形態を含む本発明の完全且つ有効な開示をより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の１つの実施形態による、例示的な複合サイクル発電プラントの簡易ブロック図。
【図２】本発明の１つの実施形態による、例示的なガスタービンの一部の側断面図。
【図３】線Ａ−Ａに沿った図２に示すガスタービンの下流側軸方向断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
ここで、その１つ又はそれ以上の実施例が添付図面に例示されている本発明の実施形態を詳細に説明する。詳細な説明では、図面中の特徴部を示すために参照符号及び文字表示を使用している。本発明の同様の又は類似した要素を示すために、図面及び説明において同様の又は類似した表示を使用している。本明細書で使用される用語「第１」、「第２」、及び「第３」は、ある構成要素を別の構成要素と区別するために同義的に用いることができ、個々の構成要素の位置又は重要性を意味することを意図したものではない。
【００１３】
各実施例は、本発明の限定ではなく、例証として提供される。実際に、本発明の範囲又は技術的思想から逸脱することなく、種々の修正形態及び変形形態を本発明において実施できることは、当業者であれば理解されるであろう。例えば、１つの実施形態の一部として例示され又は説明される特徴は、別の実施形態と共に使用して更に別の実施形態を得ることができる。従って、本発明は、そのような修正及び変形を特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するものとして保護することを意図している。
【００１４】
本発明の種々の実施形態は、ガスタービンからの酸素エミッションを制御するために排出ガスを再循環するシステム及び方法を含む。本発明の特定の実施形態において、圧縮機は、ガスタービンにおいて１つ又はそれ以上の燃焼器に加圧作動流体を供給し、再循環排出ガスの一部は、１つ又はそれ以上の燃焼器のヘッド端部に供給されて、理論混合比に近い条件で燃料及び加圧作動流体と組み合わされる。再循環排出ガスの残りの部分は、１つ又はそれ以上の燃焼器とタービンとの間のプレナムに供給することができる。ヘッド端部とプレナムとの間で再循環排出ガスを分割することにより、ヘッド端部設計の複雑さが簡素化され、燃焼器の火炎不安定性が軽減され、及び／又はガスタービンの酸素エミッションを依然として制御しながら、早期消炎が防止される。
【００１５】
図１は、本発明の１つの実施形態による例示的な複合サイクル発電プラントの簡易ブロック図を示す。複合サイクル発電プラント１０は、全体的に、当該技術分野で公知の熱回収システム１４に接続されたガスタービン１２を含む。例えば、図１に示すように、ガスタービン１２は、第１の圧縮機１６、該第１の圧縮機１６の下流側の少なくとも１つの燃焼器１８、及び燃焼器１８の下流側のタービン２０を含む。本明細書で使用される用語「上流側」及び「下流側」は、流体経路中の構成要素の相対的位置を示す。例えば、流体が構成要素Ａから構成要素Ｂに流れる場合、構成要素Ａは、構成要素Ｂの上流側にある。逆に、構成要素Ｂが構成要素Ａから流体を受け取る場合、構成要素Ｂは構成要素Ａの下流側にある。周囲空気２１が第１の圧縮機１６に流入し、該第１の圧縮機１６は、加圧作動流体２２を生成し、これが燃焼器１８に流れる。燃焼器１８は、一般に、加圧作動流体２２を供給燃料２４及び／又は希釈剤と組み合わせ、この混合気を点火して燃焼ガス２６を生成する。供給された燃料２４は、高炉ガス、コークス炉ガス、天然ガス、蒸発液化天然ガス（ＬＰＧ）、プロパン、及びあらゆる形態の液体燃料など、商用燃焼エンジンで使用されるあらゆる好適な燃料とすることができる。希釈剤は、加圧空気、蒸気、空気又は別の不活性ガスのような燃料を希釈或いは冷却するのに好適なあらゆる流体とすることができる。燃焼ガス２６は、タービン２０に流れ、ここで燃焼ガス２６が膨張して仕事を産生する。例えば、タービン２０における燃焼ガス２６の膨張は、発電機３０に接続されたシャフト２８を回転させて、電気を生成することができる。
【００１６】
熱回収システム１４は、既存のガスタービンに改造組み込み又は追加して、ガスタービンの全体熱力学的効率を増大させると同時に酸素エミッションも低減させることができる。熱回収システム１４は、例えば、蒸気発生器、蒸気タービン３４及び凝縮器３６のような熱交換器３２を含むことができる。熱交換器３２又は蒸気発生器は、タービン２０の下流側に設置することができ、タービン２０からの排出ガス３８は、蒸気発生器３２を通って流れて蒸気４０を発生させることができる。蒸気タービン３４は、蒸気発生器３２の下流側に設置することができ、蒸気発生器３２からの蒸気４０は、蒸気タービン３４内で膨張して仕事を産生する。凝縮器３６は、蒸気タービン３４の下流側で且つ蒸気発生器３２の上流側に設置して、蒸気タービン３４から流出する蒸気４０を凝縮液４２に凝縮し、該凝縮液４２を蒸気発生器３２に戻すようにすることができる。凝縮器３６及び蒸気発生器３２間における１つ又はそれ以上の凝縮ポンプ４４は、蒸気発生器３２と流体連通状態にして、凝縮器３６からの凝縮液４２を蒸気発生器３２に供給する。
【００１７】
図１に示すように、蒸気発生器３２から流出する排出ガス４６の一部は、ガスタービン１２を通して再循環されて戻され、ガスタービン１２のエミッションの酸素含有量を低減することができる。具体的には、再循環排出ガス４６は、タービン２０及び蒸気発生器３２から下流側の第２の圧縮機４８に流れることができる。第２の圧縮機４８は、独立して動力を供給することができ、或いは、図１に示すように、第２の圧縮機４８は、第１の圧縮機１６及び／又はタービン２０と同軸にすることができる。このようにすると、タービン２０は、第１及び第２の圧縮機１６、４８の両方を共通して駆動するロータ５０を駆動することができる。
【００１８】
第２の圧縮機４８は、第１の圧縮機１６に流入する周囲空気２１又は第１の圧縮機１６から流出する加圧作動流体２２よりも実質的に酸素レベルが低い加圧排出ガス５２を生成する。特定の実施形態において、加圧排出ガス５２の酸素含有量は、第１の圧縮機１６に流入する周囲空気２１又は第１の圧縮機１６から流出する加圧作動流体２２の酸素含有量よりも約５０％、７５％、又は９０％小さいとすることができる。第２の圧縮機４８は、加圧排出ガス５２を第２の圧縮機４８から下流側の加圧排出プレナム５４に供給する。
【００１９】
図２は、本発明の１つの実施形態による、例示的なガスタービン１２の一部の側断面図を示し、図３は、線Ａ−Ａに沿った図２に示すガスタービン１２の下流側軸方向断面図を示す。燃焼器１８は、第１の圧縮機１６とタービン２０との間のロータの周りに円周方向に配列することができ、燃焼ガス２６は、各燃焼器１８から、燃焼器１８とタービン２０との間のロータ５０を環状に囲むプレナム５６を通って流れることができる。図２に最も明確に図示されるように、加圧排出プレナム５４は、燃焼器１８及び該燃焼器１８から下流側の環状プレナム５６に対して流体連通を提供することができる。このようにして、加圧排出ガスの第１の部分５８は、燃焼器１８の入口６０に流れることができ、加圧排出ガスの第２の部分６２は、タービン２０と燃焼器１８との間の環状プレナム５６に流れることができる。加圧排出ガスの第１の部分５８は、燃焼器１８において加圧作動流体２２及び燃料２４と組み合わされて理想混合比に近い燃焼を提供し、これにより、燃焼火炎安定性に悪影響を及ぼさず又は燃焼火炎を早期に消炎することなく、燃焼効率が向上し、及び／又は望ましくないエミッションが低減される。加圧排出ガスの第２の部分６２は、環状プレナム５６において燃焼ガス２６と組み合わされ、タービン２０を通る流れを増大させ、従って、ガスタービン１２の出力を増大させる。
【００２０】
図２及び３に示すように、加圧排出プレナム５４は更に、該加圧排出プレナム５４を通る加圧排出ガス５２の流れを調節する手段を含むことができる。該手段は、プレナムを通る流体流れを調節するため当業者には公知のあらゆる好適な機械的装置を含むことができる。例えば、図２及び３に示すように、手段は、燃焼器１８の入口６０又は環状プレナム５６に流れる加圧排出ガス５２の比率を調整するよう開閉する１つ又はそれ以上のバルブ６４を加圧排出プレナム５４に含むことができる。バルブ６４は、ガスタービン１２の種々の動作パラメータに基づいて遠隔的に動作することができる。例えば、個々の燃焼器１８、環状プレナム５６、及び／又はタービン２０の第１段ノズル６６の温度又は圧力を用いて、バルブ６４を開放又は閉鎖し、燃焼器１８を流れ、又は燃焼器１８をバイパスして環状プレナム５６に直接流れる加圧排出ガス５２の割合を調整することができる。代替として、又はこれに加えて、第１の圧縮機１６、燃焼器１８、及び／又はタービン２０の出力レベルを用いて、バルブ６６を位置決めし、燃焼器１８又は環状プレナム５６を通る加圧排出ガス５２の所望の流量を達成することができる。圧力、温度、出力、及び／又は他のシステムパラメータの複数の代替の組み合わせを用いて加圧排出ガス５２の流れを調節することができ、本発明は、請求項に特に記載のない限り、あらゆる特定の組み合わせに限定されないことは、当業者であれば容易に理解されるであろう。
【００２１】
図１〜３に示す実施形態はまた、ガスタービン１２からの酸素エミッションを制御する方法を提供することができる。本方法は、タービン２０から排出ガス３８を流し、排出ガス３８の圧力を増大させて加圧排出ガス５２を生成するステップを含むことができる。本方法は更に、加圧排出ガスの第１の部分５８を燃焼器１８の入口６０に流し、加圧排出ガスの第２の部分６２をタービン２０と燃焼器１８との間のプレナム５６に流すステップを含むことができる。特定の実施形態は更に、熱回収システム１４における蒸気発生器３２の使用などにより、タービン２０から流れる排出ガス３８から熱を除去することができる。更に別の実施形態において、本方法は、ガスタービン１２の圧力、温度、及び／又は出力レベルに従って、加圧排出ガス５８、６２の第１又は第２の部分の流れを調節することができる。
【００２２】
本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００２３】
１０  複合サイクル発電プラント
１２  ガスタービン
１４  熱回収システム
１６  第１の圧縮機
１８  燃焼器
２０  タービン
２１  周囲空気
２２  加圧作動流体
２４  供給燃料
２６  燃焼ガス
２８  シャフト
３０  発電機
３２  蒸気発生器
３４  蒸気タービン
３６  凝縮器
３８  排出ガス
４０  蒸気
４２  凝縮液
４４  凝縮ポンプ
４６  再循環排出ガス
４８  第２の圧縮機
５０  ロータ
５２  加圧排出ガス
５４  加圧排出プレナム
【図１】
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【図２】
2013133823.tif 000004
【図３】
2013133823.tif 000005