(57)【要約】【課題】水素濃縮燃料を供給するためのシステムを提供すること。【解決手段】このシステムは、第１及び第２のガスタービンを含む。第２のガスタービンが、燃料供給源からの燃料及び第１のガスタービンからの圧縮作動流体の一部分を受け取って、改質燃料を生成し、燃料スキッドが、第２のガスタービンのタービンと第１のガスタービンの燃焼器の間の流体連通をもたらす。水素濃縮燃料を供給する方法は、第１の圧縮機からの第１の圧縮作動流体の一部分を第２の圧縮機へと分流するステップと、第２の圧縮機から第２の圧縮作動流体を供給するステップとを含む。改質器の中で、圧縮燃料の第１の部分を第２の圧縮作動流体と混合して改質燃料を生成し、冷却のために、圧縮燃料の第２の部分を第２のタービンへ流し、改質燃料を冷却するために、改質燃料を、第２のタービンを通して流す。【選択図】図１
2013241931.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素濃縮燃料を供給するためのシステムであって、
（ａ）以下の（ｉ）〜（ｉｉｉ）：
（ｉ）第１の圧縮作動流体を生成する第１の圧縮機と、
（ｉｉ）第１の圧縮機の下流の燃焼器と、
（ｉｉｉ）燃焼器の下流の第１のタービンと
を備える第１のガスタービンと、
（ｂ）以下の（ｉ）〜（ｉｖ）：
（ｉ）第１の圧縮機と流体連通した第２の圧縮機であって、第１の圧縮機から第１の圧縮作動流体の一部分を受け取って第１の圧縮作動流体よりも高圧の第２の圧縮作動流体を生成する第２の圧縮機と、
（ｉｉ）燃料源と流体連通した燃料圧縮機であって、入口及び出口を含み、燃料源から、入口を通して、第１の圧力で第１の温度の燃料を受け取って、第１の圧力よりも高圧で第１の温度よりも高温の圧縮燃料を生成する燃料圧縮機と、
（ｉｉｉ）第２の圧縮機及び燃料圧縮機の下流にある改質器であって、第２の圧縮作動流体及び圧縮燃料を受け取って改質燃料を生成する改質器と、
（ｉｖ）改質器の下流にある第２のガスタービンであって、改質燃料を受け取って冷却改質燃料を生成する第２のタービンと
を備える、第２のガスタービンと、
（ｃ）第２のタービン及び燃焼器と流体連通した燃料スキッドであって、冷却改質燃料に対して第２のタービンから燃焼器への流路を与える燃料スキッドと
を備えるシステム。
【請求項２】
燃料圧縮機が、入口の下流に抽出ポートをさらに備え、抽出ポートが、継手を介して、燃料圧縮機と第２のタービンの間に流体連通をもたらす、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
燃料源が燃料スキッドと流体連通している、請求項１記載のシステム。
【請求項４】
第２のタービンの下流で燃料スキッドの上流にあり、燃料源、第２のタービン及び燃料スキッドの間に流体連通をもたらす混合器をさらに備える、請求項１記載のシステム。
【請求項５】
混合器が、第２のタービンからの冷却改質燃料に対して、第３のガスタービン又は補助プロセスの少なくともいずれかへの流路を与える請求項４記載のシステム。
【請求項６】
燃料スキッドが、第２のタービンからの冷却改質燃料に対して、第３のガスタービン又は補助プロセスの少なくともいずれかへの流路を与える請求項４記載のシステム。
【請求項７】
冷却改質燃料が、５体積％以上の水素を含む、請求項１記載のシステム。
【請求項８】
改質器が、触媒又は燃焼器の少なくともいずれかを備える、請求項１記載のシステム。
【請求項９】
水素濃縮燃料を供給するためのシステムであって、
（ａ）第１の圧縮作動流体を生成する低圧圧縮機と、
（ｂ）低圧圧縮機の下流の燃焼器と、
（ｃ）燃焼器の下流の低圧タービンと、
（ｄ）低圧圧縮機と流体連通しており、第１の圧縮作動流体の一部分を受け取って第１の圧縮作動流体よりも高圧の第２の圧縮作動流体を生成する高圧圧縮機と、
（ｅ）高圧圧縮機の下流にあり、燃料源と流体連通した入口を含み、燃料源から、入口を通して、第１の圧力で第１の温度の燃料を受け取って圧縮し、高圧かつ高温の圧縮燃料を供給する燃料圧縮機と、
（ｆ）高圧圧縮機及び燃料圧縮機の下流にあり、第２の圧縮作動流体及び圧縮燃料を受け取って改質燃料を生成する改質器と、
（ｇ）改質器の下流にあり、改質燃料を受け取って冷却改質燃料を生成する高圧タービンと、
（ｈ）低圧圧縮機、高圧圧縮機、燃料圧縮機、高圧タービン及び低圧タービンを結合する少なくとも１つのシャフトと、
（ｉ）燃焼器及び高圧タービンと流体連通しており、冷却改質燃料に対して高圧タービンから燃焼器への流路を与える燃料スキッドと
を備えるシステム。
【請求項１０】
燃料圧縮機が、入口及び入口の下流の抽出ポートをさらに備え、抽出ポートが、継手を介して、燃料圧縮機と第２のタービンの間に流体連通をもたらす、請求項９記載のシステム。
【請求項１１】
燃料源が燃料スキッドと流体連通している、請求項９記載のシステム。
【請求項１２】
燃料スキッドが、冷却改質燃料を供給燃料と混合する、請求項９記載のシステム。
【請求項１３】
燃料スキッドが、高圧タービンからの冷却改質燃料に対して、第３のガスタービン又は補助プロセスの少なくともいずれかへの流路を与える、請求項９記載のシステム。
【請求項１４】
冷却改質燃料が、５体積％以上の水素を含む、請求項９記載のシステム。
【請求項１５】
改質器が、触媒又は燃焼器の少なくともいずれかを備える、請求項９記載のシステム。
【請求項１６】
水素濃縮燃料を供給する方法であって、
（ａ）第１の圧縮作動流体の一部分を第１の圧縮機から第２の圧縮機へと分流するステップと、
（ｂ）第２の圧縮機から第２の圧縮作動流体を供給するステップと、
（ｃ）第１の圧力で第１の温度の燃料を燃料圧縮機に供給するステップと、
（ｄ）燃料を、第２の圧力及び第２の温度へと圧縮するステップと、
（ｅ）圧縮燃料の第１の部分を改質器へ流すステップと、
（ｆ）圧縮燃料の第２の部分を、燃料圧縮機から第２のタービンへと流して、第２のタービンを冷却するステップと、
（ｇ）圧縮燃料を、改質器の中で第２の圧縮作動流体と混合して燃焼させ、改質燃料を生成するステップと、
（ｈ）改質燃料を、冷却改質燃料を供給するために第２のタービンを通して流すステップと、
（ｉ）冷却改質燃料をガスタービン燃焼器へ流すステップと
を含む方法。
【請求項１７】
第２のタービンを、燃料圧縮機にシャフトで結合するステップをさらに含む、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
冷却改質燃料を燃料と混合するステップをさらに含む、請求項１６記載の方法。
【請求項１９】
改質器の中で、圧縮燃料を、第２の圧縮作動流体と、約２以上の当量比で混合して燃焼させるステップをさらに含む、請求項１６記載の方法。
【請求項２０】
改質燃料に、５体積％超の水素を供給するステップをさらに含む、請求項１６記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、後段での燃焼又は分配のため水素リッチ燃料を生成する統合ガスタービンシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、工業用及び発電運転で広く使用されている。一般的なガスタービンには、前方の軸流圧縮機、中央付近の１以上の燃焼器及び後方のタービンが含まれる。周囲空気が圧縮機に入り、圧縮機の中の動翼及び静翼が、作動流体（空気）に運動エネルギーを徐々に与え、高エネルギー状態の圧縮作動流体をもたらす。圧縮作動流体が、圧縮機から燃焼器に流れ、ここで燃料と混合して点火され、高温、高圧、かつ高速の燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、タービンの中で膨張し、仕事を生成する。例えば、タービンの中で膨張する燃焼ガスが、発電機に接続されたシャフトを回転させ、電力を生成する。
【０００３】
混合気が希薄であるほど、燃焼による一酸化二窒素生成量が減少することが広く知られている。しかし、混合気が希薄であると、燃焼器の中に火炎不安定性が生じ、ガスタービンによって提供されるサービスを中断しかねないリーンブローアウト（ＬＢＯ）事象の可能性が高まる。燃料に水素を付加すると、リーンブローアウトの発生を低減し、排気を改善し、ドライ低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃焼器などほとんどの燃焼器の運転全体を向上させることができる。水素を安全に運送するのが困難であるため、燃料に追加するのに必要な水素量を施設内で生成することができるのが望ましいであろう。施設内で水素を生成するための様々な方法が、当技術分野で知られている。例えば、水素濃縮燃料を生成するのに、自己熱改質器（ＡＴＲ）及び蒸気メタン改質器（ＳＭＲ）を使用してよい。一般に、これらの改質器は、純粋な水素を生成するのに、高温高圧の環境において、天然ガスなどの燃料に対してニッケルなどの触媒を露出する。結果として、発熱を伴う触媒反応によって、非常に高温の排気が生成され、これが、弁、シール及び他のシステム構成要素に対して問題を起こす恐れがある。したがって、施設内で水素濃縮燃料を生成することができる統合ガスタービンシステムが有用であろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０３００１１０号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の態様及び利点については、一部は以下の詳細な説明で開示するが、以下の詳細な説明から自明であろうし、本発明を実施することによっても明らかとなろう。
【０００６】
本発明の一実施形態は、水素濃縮燃料を供給するシステムである。このシステムは、第１の圧縮作動流体を生成する第１の圧縮機を含む第１のガスタービンと、第１の圧縮機の下流の燃焼器と、燃焼器の下流の第１のタービンとを含む。このシステムは、第２のガスタービンをさらに含む。第２のガスタービンは、第１の圧縮機と流体連通した第２の圧縮機を含み、第２の圧縮機は、第１の圧縮機から第１の圧縮作動流体の一部分を受け取って、第１の圧縮作動流体よりも圧力の高い第２の圧縮作動流体を生成する。第２のガスタービンには、燃料源と流体連通し、入口及び出口を含む燃料圧縮機がさらに含まれ、燃料圧縮機は、燃料源から、入口を通して、第１の圧力で第１の温度の燃料を受け取り、第１の圧力よりも高圧で第１の温度よりも高温の圧縮燃料をもたらす。第２の圧縮機及び燃料圧縮機の下流に改質器が配置され、第２の圧縮作動流体及び圧縮燃料を受け取って改質燃料を生成する。改質器の下流に第２のタービンが配置され、改質燃料を受け取って冷却改質燃料を生成する。第２のタービン及び燃焼器と流体連通した燃料スキッドが、冷却改質燃料に対して第２のタービンから燃焼器への流路を与える。
【０００７】
本発明の別の実施形態には、低圧圧縮機と、低圧圧縮機の下流の燃焼器と、燃焼器の下流の低圧タービンとを含んでいる、水素濃縮燃料を供給するためのシステムがある。低圧圧縮機は、第１の圧縮作動流体を生成する。高圧圧縮機は、低圧圧縮機と流体連通している。高圧圧縮機は、第１の圧縮作動流体の一部分を受け取って、第１の圧縮作動流体より圧力が高い第２の圧縮作動流体を生成する。燃料圧縮機は、高圧圧縮機の下流にあり、燃料源と流体連通した入口を含む。燃料圧縮機は、燃料源から、第１の圧力で第１の温度の燃料を入口を通して受け取って圧縮し、高圧高温の圧縮燃料をもたらす。高圧圧縮機及び燃料圧縮機の下流に改質器がある。改質器は、第２の圧縮作動流体及び圧縮燃料を受け取り、改質燃料を生成する。改質器の下流に高圧タービンがある。高圧タービンは、改質燃料を受け取って冷却改質燃料を生成する。少なくとも１つのシャフトが、低圧圧縮機、高圧圧縮機、燃料圧縮機、高圧タービン及び低圧タービンを結合する。燃料スキッドは、燃焼器及び高圧タービンと流体連通し、冷却改質燃料に対して高圧タービンから燃焼器への流路を与える。
【０００８】
本発明は、水素濃縮燃料を提供する方法も含む。この方法は、第１の圧縮機からの第１の圧縮作動流体の一部分を第２の圧縮機へと分流するステップと、第２の圧縮機から第２の圧縮作動流体を供給するステップとを含む。この方法は、第１の圧力で第１の温度の燃料を燃料圧縮機に供給するステップと、燃料を第２の圧力及び第２の温度へと圧縮するステップも含む。圧縮燃料の第１の部分は、改質器に供給される。圧縮燃料の第２の部分は、燃料圧縮機から第２のタービンへと流れ、第２のタービンを冷却する。圧縮燃料は、改質器の中で第２の圧縮作動流体と混合され、改質燃料が生成される。改質燃料が第２のタービンを通って流れ、冷却改質燃料をもたらし、この冷却改質燃料がガスタービン燃焼器に流れる。
【０００９】
かかる実施形態の特徴、態様などについては、以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができるであろう。
【００１０】
本発明を当業者が実施できるように、以下の詳細な説明では、図面を参照しながら、本発明を最良の形態を含めて十分に開示する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態によるシステムの簡易ブロック図である。
【図２】本発明の代替実施形態によるシステムの簡易ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について詳しく説明するが、その１以上の実施例を図面に示す。発明の詳細な説明では、図面に記載した特徴的構成を示すために数字又は文字を符号として用いる。図面及び発明の詳細な説明では、本発明の同一又は同様の部品を示すために、同一又は同様の符号を用いる。
【００１３】
各実施例は例示にすぎず、本発明を限定するものではない。実際、本発明の技術的範囲又は技術的思想から逸脱せずに、本発明に様々な修正及び変形をなすことができることは当業者には明らかであろう。例えば、ある実施形態の一部として例示又は説明した特徴を、別の実施形態に用いてさらに別の実施形態としてもよい。従って、本発明は、かかる修正及び変形を特許請求の範囲で規定される技術的範囲及びその均等の範囲に属するものとして包含する。
【００１４】
本発明の様々な実施形態は、ガスタービンの全体効率を向上するために、統合熱力学サイクルを利用する。具体的には、統合熱力学サイクルにより、触媒酸化から改質燃料が生成され、触媒酸化の間に生成されるエネルギーが再利用され、したがって統合ガスタービンシステムの全体効率が改善される。
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態によるシステム１０を示す。図に示すように、システム１０は、一般に、第２のガスタービンすなわちマイクロガスタービン１４と一体化された、第１のガスタービンすなわちメインガスタービン１２を含む。第１のガスタービンすなわちメインガスタービン１２は、電力を生成するために燃料を燃焼するのに、任意の市販の機械を含んでよい。第２のガスタービンすなわちマイクロガスタービン１４は、一般に第１のガスタービンすなわちメインガスタービン１２よりも１桁小さく、主として、濃縮された水素レベルを有する改質燃料を生成するために、燃料流れを改質する又は部分的に燃焼させるように機能する。燃料供給源１６は、燃料スキッド２０に燃料１８を供給してよい。燃料スキッド２０に供給され得る燃料には、例えば溶鉱炉ガス、コークス炉ガス、天然ガス、気化した液化天然ガス（ＬＮＧ）及びプロパンが含まれる。燃料スキッド２０は、以下で説明されるように、燃料１８が、第１のガスタービン１２と第２のガスタービン１４の間及び／又は複数の他のガスタービンの間を流れるように、流体連通をもたらす。
【００１６】
第１のガスタービン１２は、当技術分野で知られているように、一般に、圧縮機２２と、圧縮機２２の下流の１以上の燃焼器２４と、燃焼器２４の下流のタービン２６とを含む。周囲空気などの作動流体２８が圧縮機２２に入り、圧縮機２２の中の動翼及び静翼が、作動流体（空気）に運動エネルギーを徐々に与え、高エネルギー状態の第１の圧縮作動流体３０をもたらす。第１の圧縮作動流体３０の大部分が、圧縮機２２から燃焼器２４に流れ、ここで燃料と混合して点火され、高温、高圧、かつ高速の燃焼ガス３２を生成する。燃焼ガス３２は、タービン２６へと流れ、ここで膨張して仕事を生成する。
【００１７】
第１の圧縮作動流体３４の一部分が、圧縮機２２及び／又は燃焼器２４から第２のガスタービン１４へと分流される。第１の圧縮作動流体３４の分流された部分は、第２のガスタービン１４の第２の圧縮機３６へ流れる。第２の圧縮機３６の動翼及び静翼が、第１の圧縮作動流体３４の分流された部分に徐々に運動エネルギーを与え、第２の圧縮作動流体３８をもたらす。第２の圧縮作動流体３８は、当然ながら、第１の圧縮作動流体３４の分流された部分よりも高い圧力及び温度を有する。
【００１８】
第２の圧縮作動流体３８は、第２の圧縮機３６を出て、第２の圧縮機３６の下流の改質器４０へ流れる。改質器４０は、水素レベルが増加した改質燃料４２を生成するために、触媒、燃焼器又はその他の当業者に公知の同様の燃料酸化装置を備えてよい。例えば、改質器４０は、触媒として１種以上の貴金属を用いる触媒部分酸化（ＣＰＯＸ）コンバータを備えてよい。他の実施形態では、改質器４０は燃焼器を備えてよい。
【００１９】
燃料供給源１６は、燃料１８を、燃料スキッド２０よって直接、及び／又は図１に示すように改質器４０の上流に配置された燃料圧縮機４４を介して、改質器４０に供給してよい。燃料圧縮機４４は、燃料を圧縮するのに適切な、当技術で既知の任意の圧縮機を含んでよい。燃料圧縮機４４は、入口４６と、入口４６の下流にあって改質器４０と流体連通した出口４８とを含んでもよい。特定の実施形態では、燃料圧縮機４４は、燃料１８を第１の温度及び第１の圧力で受け取ってよい。燃料が燃料圧縮機４４を通って流れるとき、圧力及び温度が上昇し、したがって、高温・高圧の圧縮燃料５０をもたらす。燃料圧縮機４４は、燃料圧縮機４４から圧縮燃料５０の少なくとも一部分を抽出するために、入口４６の下流に抽出ポート５２をさらに含んでよい。
【００２０】
改質器４０は、改質燃料４２の適切な水素含有量を保証するために、燃料対第２の圧縮作動流体（空気）が、１超、好ましくは約２超（例えば約２．５〜６）の当量比（Φ）を有するように、圧縮燃料５０を第２の圧縮作動流体３８及び／又は触媒と混合する。本明細書に用いられる当量比（Φ）は、燃空比と化学量論的燃空比との比として定義される。数学的に、当量比は次式で計算することができる。
【００２１】
【数１】
2013241931.tif 000003
式中、ｍfuel及びｍairはそれぞれ燃料及び空気の質量を表し、添字ｓｔは化学量論的条件を表す。
【００２２】
改質器４０により、圧縮燃料５０が第２の圧縮作動流体３８と反応し、利用可能な酸素をすべて消費して又は掃気して、高温かつ高圧の改質燃料４２を生成する。改質器４０を出る改質燃料４２は、温度約１４００°Ｆ〜１７００°Ｆ、圧力約３００ｐｓｉ〜４００ｐｓｉでよいが、本発明は、特許請求の範囲に別途記載されていない限り、改質燃料４２に関するいかなる特定の温度範囲又は圧力範囲にも限定されるものではない。改質燃料４２の水素含有量は、特定の実施形態及び運転上の必要性に応じて、約５体積％超、１０体積％超又は１５体積％超であってもよい。
【００２３】
改質燃料４２は、改質器４０の下流の第２のタービン５４へ流れる。第２のタービン５４は、一般に高圧タービンを含んでよい。改質燃料４２が、第２のタービン５４の中で膨脹して冷え、仕事を生成する。具体的には、シャフト５６が第２のタービン５４を第２の圧縮機３６に接続してよく、第２のタービン５４と第２の圧縮機３６の間の駆動係合をもたらす。このように、第２のタービン５４における改質燃料４２の膨張によって生成された仕事は、燃料圧縮機４４に動力を供給する、燃料圧縮機４４を回転させる又は動作させるのに用いることができ、それによって統合システム１０の効率が向上する。さらに、第２のタービン５４による改質燃料４２の膨張によって生成された仕事は、第２の圧縮機３６に動力を供給する、第２の圧縮機３６を回転又は動作させるのに用いることもできる。
【００２４】
改質燃料４２は、冷却改質燃料５８として第２のタービン５４を出る。第２のタービン５４を出る冷却改質燃料５８の温度は、約１０００°Ｆ〜１４００°Ｆでよく、第２のタービン５４を出る冷却改質燃料５８の圧力は、約２００ｐｓｉ〜３００ｐｓｉでよい。特定の実施形態では、継手６０が、燃料圧縮機４４の抽出ポート５２から第２のタービン５４へと延在してよく、それによって、燃料圧縮機４４から第２のタービン５４への流体連通をもたらす。このように、圧縮燃料５０の少なくとも一部分が、燃料圧縮機４４から第２のタービン５４へ流れ得る。結果として、圧縮燃料５０が第２のタービン５４をさらに冷却することができ、それによって、第２のタービン５４を出る冷却改質燃料５８の温度がさらに低下する。さらに、第２のタービン５４を通って流れる圧縮燃料５０により、第２のタービン５４の内部の熱応力が低減され、したがって第２のタービン５４の機械的寿命が向上し得る。結果として、冷却改質燃料５８が燃焼器２４に入る前の、さらなる冷却又は圧力上昇は不要である。冷却改質燃料５８の水素含有量は、特定の実施形態及び運転上の必要性に応じて、約５体積％超、１０体積％超又は１５体積％超であってもよい。本発明は、特許請求の範囲に別途記載されていない限り、冷却改質燃料５８に関するいかなる特定の温度範囲又は圧力範囲にも限定されるものではない。
【００２５】
燃料スキッド２０は、第２のタービン５４と燃焼器２４の間の流体連通をもたらす。結果として、冷却改質燃料５８は、第２のタービン５４から燃料スキッド２０によって燃焼器２４へと流れることができる。燃料スキッド２０により、冷却改質燃料５８が、それ以上の調節又は混合なしで燃焼器２４に供給され得る。その代わりに又はそれに加えて、運転上の必要性に応じて、冷却改質燃料５８が、燃料スキッド２０により、燃料供給源１６からの燃料１８と混合されてよい。第２のタービン５４から下流にあり、燃料スキッド２０の上流にあって、第２のタービン５４と燃料スキッド２０の間に流体連通をもたらす混合器６２の中でも、この混合が起こり得る。このように、燃料スキッド２０により、燃料１８、冷却改質燃料５８及び／又は２つのものの混合物が燃焼器２４に供給され得る。燃焼器２４により、燃料スキッド２０によって供給された様々な燃料が点火され、燃焼ガス３２を生成し、これが、前述のようにタービン２６の中で膨張して仕事を生成する。図１に示すように、燃料スキッド２０により、第２のタービン５４と、第１のガスタービン１２とは別のガスタービンなど補助プロセス又は装置６４との間の流体連通ももたらされ得る。これにより、施設において、システム１０が水素濃縮燃料を生成して複数のガスタービンに供給することが可能になる。
【００２６】
図２は、本発明の代替実施形態によるシステム１００を示す。図に示すように、システム１００は、一般に、低圧圧縮機１０４、高圧圧縮機１０６、１以上の燃焼器１０８、燃料圧縮機１１０、高圧タービン１１２及び低圧タービン１１４を有する多軸ガスタービン１０２を含む。少なくとも１つのシャフト１１６が、低圧圧縮機１０４、高圧圧縮機１０６、燃料圧縮機１１０、高圧タービン１１２及び／又は低圧タービン１１４を結合してよい。１以上のシャフト１１６が、それぞれ後段の１以上のシャフト１１６と実質的に同心でよい。燃料供給源１１８は、燃料スキッド１２２に燃料１２０を供給してよい。燃料スキッド１２２が、高圧タービン１１２、燃焼器１０８及び／又は複数の他のガスタービン１２４の間に流体連通をもたらしてよく、このことは以下で説明する。
【００２７】
周囲空気などの作動流体１２６が低圧圧縮機１０４に入り、低圧圧縮機１０４の中の動翼及び静翼（図示せず）が、作動流体１２６に運動エネルギーを徐々に与え、高エネルギー状態の第１の圧縮作動流体１２８をもたらす。第１の圧縮作動流体１２８の大部分が、低圧圧縮機１０４から燃焼器１０８に流れ、ここで燃料１２０と混合して点火され、高温、高圧、かつ高速の燃焼ガス１３０を生成する。燃焼ガス１３０は、低圧タービン１１４へと流れ、ここで膨張して仕事を生成する。
【００２８】
第１の圧縮作動流体１２８の一部分が、低圧圧縮機１０４及び／又は燃焼器１０８から、低圧圧縮機１０４の下流の高圧圧縮機１０６へと分流されてよい。高圧圧縮機１０６の動翼及び静翼（図示せず）が、第１の圧縮作動流体１２８の分流された部分に徐々に運動エネルギーを与え、第２の圧縮作動流体１３２をもたらす。第２の圧縮作動流体１３２は、当然ながら、第１の圧縮作動流体１２８の分流された部分よりも高い圧力及び温度を有する。第２の圧縮作動流体１３２は、高圧圧縮機１０６を出て、高圧圧縮機１０６の下流の改質器１３４へ流れる。改質器１３４は、水素レベルが増加した改質燃料１３６を生成するために、触媒、燃焼器又はその他の当業者に公知の同様の燃料酸化装置を備えてよい。例えば、改質器１３４は、触媒として１種以上の貴金属を用いる触媒部分酸化（ＣＰＯＸ）コンバータを備えてよい。他の実施形態では、改質器１３４は燃焼器を備えてよい。
【００２９】
燃料供給源１１８は、燃料１２０を、燃料スキッド１２２よって直接、及び／又は燃料圧縮機１１０を介して、改質器１３４に供給してよい。燃料圧縮機１１０は、燃料を圧縮するのに適切な、当技術で既知の任意の回転圧縮機を含んでよい。燃料圧縮機１１０は、燃料供給源１１８及び／又は燃料スキッド１２２と流体連通した入口１３８も含んでよい。特定の実施形態では、燃料圧縮機１１０は、燃料１２０を、入口１３８を通して第１の温度及び第１の圧力で受け取ってよい。燃料１２０が燃料圧縮機１１０を通って流れるとき、圧力及び温度が上昇し、したがって、高温・高圧の圧縮燃料１４０をもたらす。圧縮燃料１４０の少なくとも一部分が、燃料圧縮機１１０から改質器１３４に流れる。燃料圧縮機１１０は、燃料圧縮機１１０から圧縮燃料１４０の少なくとも一部分を抽出するために、入口１３８の下流に抽出ポート１４２をさらに含んでよい。
【００３０】
改質器１３４は、改質燃料１３６の適切な水素含有量を保証するために、燃料対第２の圧縮作動流体（空気）が、１超、好ましくは約２超（例えば約２．５〜６）の当量比（Φ）を有するように、圧縮燃料１４０を第２の圧縮作動流体１３２及び／又は触媒と混合する。改質器１３４により、圧縮燃料１４０が第２の圧縮作動流体１３２と反応し、利用可能な酸素をすべて消費して又は掃気して、高温かつ高圧の改質燃料１３６を生成する。改質器１３４を出る冷却改質燃料１３６の温度は、約１４００°Ｆ〜１７００°Ｆでよく、改質器１３４を出る冷却改質燃料１３６の圧力は、約３００ｐｓｉ〜４００ｐｓｉでよいが、本発明は、特許請求の範囲に別途記載されていない限り、改質燃料１３６に関するいかなる特定の温度範囲又は圧力範囲にも限定されるものではない。改質燃料１３６の水素含有量は、特定の実施形態及び運転上の必要性に応じて、約５体積％超、１０体積％超又は１５体積％超であってもよい。
【００３１】
改質燃料１３６は、改質器１３４の下流の高圧タービン１１２へ流れる。改質燃料１３６は、高圧タービン１１２の中で膨脹して冷え、仕事を生成する。具体的には、１以上のシャフト１１６が、高圧タービン１１２、燃料圧縮機１１０、高圧圧縮機１０６及び低圧圧縮機１０４の間に駆動係合をもたらしてよい。このように、高圧タービン１１２における改質燃料１３６の膨張によって生成された仕事が、燃料圧縮機１１０、高圧圧縮機１０６及び／又は低圧圧縮機１０４に動力を供給する、これらを回転させる又は動作させるのに用いられてよく、それによって統合システム１００の効率が向上する。改質燃料１３６は、冷却改質燃料１４４として高圧タービン１１２を出る。高圧タービン１１２を出る冷却改質燃料１４４の温度は、約１０００°Ｆ〜１４００°Ｆでよく、高圧タービン１１２を出る冷却改質燃料１４４の圧力は、約２００ｐｓｉ〜３００ｐｓｉでよいが、本発明は、特許請求の範囲に別途記載されていない限り、冷却改質燃料１４４に関するいかなる特定の温度範囲又は圧力範囲にも限定されるものではない。特定の実施形態では、継手１４６が、抽出ポート１４２から高圧タービン１１２へと延在してよく、それによって、燃料圧縮機１１０から高圧タービン１１２への流体連通をもたらす。このように、圧縮燃料１４０の少なくとも一部分が、燃料圧縮機１１０から高圧タービン１１２へ流れ得る。結果として、圧縮燃料１４０が高圧タービン１１２をさらに冷却することができ、それによって、高圧タービン１１２を出る冷却改質燃料１４４の温度がさらに低下する。さらに、高圧タービン１１２を通って流れる圧縮燃料１４０により、高圧タービン１１２の内部の熱応力が低減され、したがって高圧タービン１１２の機械的寿命が向上し得る。結果として、冷却改質燃料１４４が燃焼器１０８入る前の、さらなる冷却又は圧力上昇は不要である。冷却改質燃料１４４の水素含有量は、特定の実施形態及び運転上の必要性に応じて、約５体積％超、１０体積％超又は１５体積％超であってもよい。
【００３２】
燃料スキッド１２２は、高圧タービン１１２と燃焼器１０８の間の流体連通をもたらす。結果として、冷却改質燃料１４４は、高圧タービン１１２から燃料スキッド１２２によって燃焼器１０８へと流れることができる。燃料スキッド１２２により、冷却改質燃料１４４が、それ以上の調節又は混合なしで燃焼器１０８に供給され得る。その代わりに又はそれに加えて、運転上の必要性に応じて、冷却改質燃料１４４が、燃料スキッド１２２により、燃料供給源１１８からの燃料１２０と混合されてよい。高圧タービン１１２から下流にあり、燃料スキッド１２２の上流にあって、高圧タービン１１２と燃料スキッド１２２の間に流体連通をもたらす混合器１４８の中でも、この混合が起こり得る。このように、燃料スキッド１２２により、燃料１２０、冷却改質燃料１４４及び／又は１２０、１４４の２つの混合物が燃焼器１０８に供給され得る。燃焼器１０８により、燃料スキッド１２２によって供給された様々な燃料が点火され、燃焼ガス１３０を生成し、これが、前述のように低圧タービン１１４の中で膨張して仕事を生成する。図２に示すように、燃料スキッド１２２により、多軸ガスタービン１０２とは別のガスタービン１２４との流体連通ももたらされ得る。これにより、施設において、システム１００が水素濃縮燃料を生成して複数のガスタービンに供給することが可能になる。それに加えて又はその代わりに、システム１０は、別のガスタービンなど補助プロセス又は装置６４に用いられる水素濃縮燃料の少なくとも一部分を供給してよい。
【００３３】
図１及び図２で説明されたシステムは、水素濃縮燃料をもたらす方法を提供する。具体的には、この方法は、第１の圧縮作動流体の一部分を第１の圧縮機から第２の圧縮機へと分流するステップを含んでよい。第１の圧縮作動流体が、第２の圧縮機によってさらに圧縮され、したがって第２の圧縮作動流体がもたらされ得る。第１の圧力で第１の温度の燃料が燃料圧縮機に供給されてよく、ここで、燃料が第２の圧力及び第２の温度へと圧縮されてよい。圧縮燃料の少なくとも第１の部分は、燃料圧縮機の下流の改質器へ分流されてよく、圧縮燃料の第２の部分は、第２のタービンを冷却するために、燃料圧縮機から第２のタービンへ分流されてよい。次いで、改質燃料を生成するために、圧縮燃料と第２の圧力及び温度の作動流体とが、改質器の中で混合されてよい。必要に応じて、圧縮燃料と第２の圧縮作動流体の間の当量比は、２より大きくてよい。改質燃料は、５体積％超の水素濃度を有して生成されてよい。次いで、改質燃料は、冷却改質燃料を供給するために第２のタービンの中に流入してよい。次いで、冷却改質燃料は、燃焼のためにガスタービン燃焼器へ流れてよい。この方法は、冷却改質燃料を、燃焼器に分配する前に、燃料スキッド及び／又は混合器において、燃料供給源からの燃料と混合するステップをさらに含んでよい。
【００３４】
本発明で説明されたシステム及び方法は、既存の技術に対していくつかの営利的な利点をもたらし得る。例えば、従来型のガスタービンシステムの中に改質器及び改質プロセスを組み込むと、改質プロセスによって遂行される仕事を取得し得る又は再利用し得ることにより、ガスタービンシステムの全体効率が向上することになる。燃料が改質器に入る前に燃料を圧縮すると、改質器の内部の反応が良くなり、それによってプロセスの効率が向上する。第２のタービン／高圧タービンを圧縮燃料で冷却すると、第２のタービン／高圧タービンの内部の熱応力が低下し、それによって故障停止の間の期間が長くなる。改質プロセスからの仕事を再利用する又は取得すると、改質燃料を冷却することができ、改質燃料の移送又は移動に関連した困難さ及びコストが低減される。さらに、ガスタービンシステムの中に単一の改質プロセスを組み込むと、施設において、複数のガスタービンに対して、十分な水素濃縮燃料を供給することができる。それに加えて又はその代わりに、システム１０は、別のガスタービンなど補助プロセス又は装置６４に用いられる水素濃縮燃料の少なくとも一部分を供給してよい。
【００３５】
本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と実質的な差のない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。
【図１】
2013241931.tif 000004
【図２】
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