(57)【要約】【課題】ＤＬＮガスタービンのターンダウンＮＯｘコンプライアンスのための吸入抽気加熱システムを排除できるシステム及び方法を提供する。【解決手段】システムは、圧縮機（１８）、燃焼器（２６）、タービン（３０）及び排気セクション（３８）を含むガスタービン（１２）を備える。燃焼器（２６）は、複数の一次燃料ノズル（１０４）及び中央燃料ノズル（１０２）から下流側に位置付けられた複数の軸方向多段燃料噴射装置（１２０）を含む。ガスタービン（１２）は更に、圧縮機（１８）、圧縮機吐出ケーシング（５２）又は燃焼器（２６）のうちの少なくとも１つと流体連通した抽気（２０）の取出ポート（５０）を含む。システムは更に、抽気（２０）の取出ポート（５０）から圧縮空気（２０）を抽気して、ガスタービン（１２）のターンダウン作動中に複数の軸方向多段燃料噴射装置（１２０）を作動させるようプログラミングされたコントローラ（１３２）を備える。【選択図】      図１
2017044209.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン（１２）をターンダウンモードで作動させている間のエミッションコンプライアンスを維持するためのシステムであって、
前記システムが、
直列流れ順に、圧縮機（１８）、燃焼器（２６）、タービン（３０）及び排気セクション（３８）を含むガスタービン（１２）を備え、
前記燃焼器（２６）が、複数の一次燃料ノズル（１０４）及び中央燃料ノズル（１０２）から下流側に位置付けられた複数の軸方向多段燃料噴射装置（１２０）を有し、前記ガスタービン（１２）が更に、前記圧縮機（１８）、圧縮機吐出ケーシング（５２）又は前記燃焼器（２６）のうちの少なくとも１つと流体連通した抽気（２０）の取出ポート（５０）を含み、
前記システムが更に、
前記抽気（２０）の取出ポート（５０）から圧縮空気（２０）を抽気して、前記ガスタービン（１２）のターンダウン作動中に前記複数の軸方向多段燃料噴射装置（１２０）を作動させるようプログラミングされたコントローラ（１３２）を備える、システム。
【請求項２】
前記抽気（２０）の取出ポート（５０）が、前記圧縮機（１８）に流体結合され、及び抽気（２０）の吸入ポート（５４）を介して前記タービン（３０）に流体結合される、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記抽気（２０）の取出ポート（５０）が、前記圧縮機（１８）に流体結合され、及び抽気（２０）の吸入ポート（５４）を介して熱回収蒸気発生器（４２）から上流側で前記排気セクション（３８）に流体結合される、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記抽気（２０）の取出ポート（５０）が、前記燃焼器（２６）に流体結合され、及び抽気（２０）の吸入ポート（５４）を介して前記タービン（３０）に流体結合される、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記抽気（２０）の取出ポート（５０）が、前記燃焼器（２６）に流体結合され、及び抽気（２０）の吸入ポート（５４）を介して熱回収蒸気発生器（４２）から上流側で前記排気セクション（３８）に流体結合される、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記排気セクション（３８）内に配置される酸化触媒システム（５６）を更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記燃焼器（２６）の高温ガス経路（１２４）と流体連通した希釈剤供給源を有する希釈剤噴射システム（１２８）を更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記希釈剤供給源が、前記複数の一次燃料ノズル（１０４）のうちの少なくとも１つと流体連通している、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記希釈剤供給源が、前記一次燃料ノズル（１０４）から下流側で且つ前記複数の軸方向多段燃料噴射装置（１２０）から上流側の位置にて前記燃焼器（２６）に流体結合される、請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
前記圧縮機（１８）の入口に配置された複数の入口ガイドベーン（５８）を更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
ガスタービン（１２）をターンダウンモードで作動させている間にエミッションコンプライアンスを維持する方法（２００）であって、
燃料を燃焼させて、燃焼器（２６）の高温ガス経路（１２４）を通る燃焼ガス（２８）の流れを発生させ、前記燃料が、前記燃焼器（２６）の一次燃焼ゾーン（１１４）及び二次燃焼ゾーン（１１８）のうちの少なくとも一方で燃焼し、前記一次燃焼ゾーン（１１４）及び二次燃焼ゾーン（１１８）が複数の軸方向多段燃料噴射装置（１２０）から上流側で形成されるようにするステップと、
前記ガスタービン（１２）の圧縮機（１８）、前記燃焼器（２６）又はタービン（３０）に流体結合された少なくとも１つの取出ポート（５０）から抽気（２０）を取り出すステップと、
前記複数の軸方向多段燃料噴射装置（１２０）を作動させるステップと、
を含む、方法（２００）。
【請求項１２】
複数の一次燃料ノズル（１０４）を介して前記一次燃焼ゾーン（１１４）に希釈剤（１３０）を噴射するステップを更に含む、請求項１１に記載の方法（２００）。
【請求項１３】
中央燃料ノズル（１０２）を介して二次燃焼ゾーン（１１８）に希釈剤（１３０）を噴射するステップを更に含む、請求項１１に記載の方法（２００）。
【請求項１４】
中央燃料ノズル（１０２）から下流側で且つ前記複数の軸方向多段燃料噴射装置（１２０）から上流側で前記高温ガス経路（１２４）内に希釈剤（１３０）を噴射するステップを更に含む、請求項１１に記載の方法（２００）。
【請求項１５】
前記圧縮機（１８）への入口に配置された入口ガイドベーン（５８）を開放して、前記ガスタービン（１２）の熱回収蒸気発生器を通る燃焼ガスの流量を増大させるようにするステップを更に含む、請求項１１に記載の方法（２００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体的に、蒸気供給源及び乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃焼システムを有する複合サイクル又はコージェネレーション発電プラントなどのガスタービン発電プラントに関する。より詳細には、本発明は、ガスタービンをターンダウンモードで作動させる間にエミッションコンプライアンスを維持するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
複合サイクル又はコージェネレーション発電プラントなどのガスタービン発電プラントは、一般に、圧縮機、燃焼器及びタービンを有するガスタービンと、タービンから下流側に配置された熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）と、ＨＲＳＧと流体連通した蒸気タービンと、を含む。作動中、空気は、吸入システムを介して圧縮機に流入し、燃焼器を少なくとも部分的に囲む圧縮機吐出又はディフューザケーシングに向けて送られるときに漸次的に圧縮される。圧縮空気の少なくとも一部は、燃焼器内に定められた燃焼室内で燃料と混合されて燃焼し、これにより高温高圧の燃焼ガスを発生する。
【０００３】
燃焼ガスは、高温ガス経路に沿って燃焼器からタービンを通って送られ、ここで固定ベーンとロータシャフトに結合された回転タービンブレードとの交互する段にわたって流れるときに漸次的に膨張する。運動エネルギーが燃焼ガスからタービンブレードに伝達され、結果としてロータシャフトの回転が引き起こされる。ロータシャフトの回転エネルギーは、発電機を介して電気エネルギーに変換することができる。燃焼ガスは、タービンから排気ガスとして流出し、該排気ガスはＨＲＳＧに流入する。排気ガスからの熱エネルギーは、ＨＲＳＧの１又はそれ以上の熱交換器を通って流れる水に伝達され、これにより過熱蒸気を生成する。次いで、過熱蒸気は、蒸気タービンに送られ、これを用いて追加の電力を生成し、発電プラント全体の効率を向上させることができる。
【０００４】
ガスタービンベースの発電プラントからの低エミッションに関する法的規制要件は、年を経るにつれて益々厳しくなっている。現在、世界中の環境局は、新規及び既存のガスタービン両方からの窒素酸化物（ＮＯｘ）及び他の汚染物質並びに一酸化炭素のエミッションレベルを更に低くするよう要求している。燃料効率とエミッション要件のバランスをとるために、様々なタイプのガスタービンは、希薄予混合燃焼技術を利用する乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）型燃焼システムを用いている。
【０００５】
ニューヨーク州スケネクタディ所在のＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ＣｏｍｐａｎｙによるＤＬＮ−１又はＤＬＮ−１＋型燃焼器は、天然ガス燃料で用いるよう設計された２段予混合燃焼器であるが、液体燃料でも作動可能である。ＤＬＮ-１又はＤＬＮ-１＋型燃焼器は、燃焼器の中心軸上に位置付けられた二次燃料ノズルと、二次燃料ノズルを囲み且つその周りに環状に配列された複数の一次燃料ノズルとを含む燃料システムを提供する。ベース負荷又はピーク負荷の間、ＤＬＮ-１又はＤＬＮ-１＋型燃焼器は、希薄予混合燃料／空気概念を用いて高レベルの効率を維持しながら、超低排気エミッションレベルを維持するよう構成することができる。
【０００６】
一般に、オペレータは、発電が必要とされない時にはガスタービンをターンダウンし、結果として燃料を節減できるようにし、また、再度発電が必要とされた時に迅速な復旧時間を可能にすることが望ましい。しかしながら、ターンダウン作動中のような低負荷レベルでは、ＤＬＮ-１又はＤＬＮ-１＋燃焼システムは一般に、拡張ターンダウンＮＯｘコンプライアンスを達成するために吸入抽気加熱システムを必要とする。吸入抽気加熱システムは、発電プラント稼働に対しコスト増となる。従って、ＤＬＮガスタービンのターンダウンＮＯｘコンプライアンスのための吸入抽気加熱システムを排除できるシステム及び方法を提供する必要性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第８，７０７，７０７号明細書
【発明の概要】
【０００８】
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。
【０００９】
本発明の１つの実施形態は、ガスタービンをターンダウンモードで作動させている間のエミッションコンプライアンスを維持するためのシステムである。本システムは、直列流れ順に、圧縮機、燃焼器、タービン及び排気セクションを含むガスタービンを備える。燃焼器は、複数の一次燃料ノズル及び中央燃料ノズルから下流側に位置付けられた複数の軸方向多段燃料噴射装置を含む。ガスタービンが更に、圧縮機、圧縮機吐出ケーシング又は燃焼器のうちの少なくとも１つと流体連通した抽気の取出ポートを含む。本システムは更に、抽気の取出ポートから圧縮空気を抽気して、ガスタービンのターンダウン作動中に複数の軸方向多段燃料噴射装置を作動させるようプログラミングされたコントローラを備える。
【００１０】
本開示の別の実施形態は、ガスタービンをターンダウンモードで作動させている間にエミッションコンプライアンスを維持する方法を含む。本方法は、燃料を燃焼させて、燃焼器の高温ガス経路を通る燃焼ガスの流れを発生させ、燃料が、燃焼器の一次燃焼ゾーン及び二次燃焼ゾーンのうちの少なくとも一方で燃焼し、一次燃焼ゾーン及び二次燃焼ゾーンが複数の軸方向多段燃料噴射装置から上流側で形成されるようにするステップを含む。本方法はまた、ガスタービンの圧縮機、燃焼器又はタービンに流体結合された少なくとも１つの取出ポートから抽気を取り出すステップと、複数の軸方向多段燃料噴射装置を作動させるステップと、を含む。
【００１１】
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。
【００１２】
添付図面を参照することを含めて、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が記載される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の範囲内にある例示的なガスタービンベースの発電プラントの機能ブロック図。
【図２】本発明の少なくとも１つの実施形態による例示的な乾式低ＮＯｘ燃焼器の簡易側断面図。
【図３】本発明の１つの実施形態による、ガスタービンをターンダウンモードで作動させている間にエミッションコンプライアンスを維持する１つの方法のブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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について詳細に説明する。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の要素を示すために、図面及び説明において同様の又は類似の記号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。用語「上流」及び「下流」は、流体通路における流体流れに対する相対的方向を指す。例えば、「上流」は、流体がそこから流れる方向を指し、「下流」は流体がそこに向けて流れ込む方向を指す。
【００１５】
本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明するためのものに過ぎず、本発明を限定するものではない。本明細書で使用される単数形態は、前後関係から明らかに別の意味を示さない限り複数形態も含む。更に、本明細書内で使用する場合に、用語「備える」及び／又は「備えている」という用語は、そこに述べた特徴部、完全体、ステップ、動作、要素及び／又は構成部品の存在を明示しているが、１つ又はそれ以上の他の特徴部、完全体、ステップ、動作、要素、構成部品及び／又はそれらの群の存在又は付加を排除するものではないことは理解されるであろう。
【００１６】
本明細書で使用される場合、「ガスタービン負荷」又は「負荷」は、ガスタービンの発電機の出力に関連することができ、「入口ガイドベーン角度」は、圧縮機から上流側で吸入システムを通る軸流に対する入口ベーン（図示せず）の角度を意味し、「吸入抽気加熱」は、圧縮機セクションの下流側部分から取り出されて、吸入システム又は圧縮機セクションの上流側部分に挿入されてそこで流れを加熱するための流体中の熱量を意味し、「燃料スプリット」は、燃焼器内の異なる回路に送られる燃料の量を意味し、「エミッション」又は「エミッションレベル」は、限定ではないが、窒素酸化物（ＮＯｘ）、未燃炭化水素、及び一酸化炭素（ＣＯ）を含む、様々な排気ガスのレベルを意味する。
【００１７】
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、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。
【００１８】
本発明の実施形態は、ガスタービンがターンダウン動作状態で作動している間にＮＯｘエミッションコンプライアンスを維持するためのシステム及び方法の形態をとる。特定の実施形態において、本開示は、圧縮機、該圧縮機から下流側にある燃焼器、圧縮機又は燃焼器と流体連通した少なくとも１つのバイパス又は抽気取出ポート、及び燃焼器の二次又は予混合燃焼ゾーンから下流側で軸方向に多段化された複数の燃料噴射器を備えた発電プラントを提供する。作動時には、本発明は、ターンダウン作動中に吸入抽気加熱の必要性を排除するために、抽気取り出しと組み合わされた軸方向燃料ステージングを組み込む。軸方向燃料ステージングにより、燃焼器は、軸方向燃料ステージングの無いガスタービンシステムよりも有意に低いターンダウンレベルでＮＯｘエミッションコンプライアンスを達成することが可能となる。抽気取り出しは、低燃料流レベルにある燃焼器から圧縮空気をバイパスすることにより軸方向燃料ステージングが可能とするレベルを下回る追加のターンダウンを可能とし、これによりブローアウト及び／又は過圧を阻止することになる。本発明はまた、入口ガイドベーンが、氷結リスクを引き起こさない角度で開いたままにすることを可能にすると同時に、燃焼システムが、ＮＯｘエミッションコンプライアンスにおいて低負荷で作動できるようにする。
【００１９】
次に、図全体を通して同じ参照符号が同様の要素を表す図面を参照すると、図１は、蒸気生産能力を有する例示的なガスタービン発電プラント１０の機能ブロック図を示す。発電プラント１０は、本発明の種々の実施形態を組み込むことができるガスタービン１２を備える。図示のように、ガスタービン１２は、一般に、ガスタービン１０に流入する空気１６又は他の作動流体を精製及び他の方法で調和するための一連のフィルタ、冷却コイル、湿分分離器、及び／又は他の装置を含むことができる吸入システム１４を含む。空気１６は、圧縮機セクションに流れ、ここで圧縮機１８は、空気１６に運動エネルギーを漸次的に与えて、矢印２０で概略的に示されるように圧縮空気を生成する。
【００２０】
圧縮空気２０は、燃料供給システム２４からの天然ガスのような燃料２２と混合され、１又はそれ以上の燃焼器２６内で可燃性混合気を形成する。可燃性混合気が燃焼して、高温高圧高速の燃焼ガス（矢印２８で概略的に示されるように）を生成する。燃焼ガス２８は、タービンセクションのタービン３０を通って流れ、仕事を生成する。例えば、タービン３０は、シャフト３２に接続されて、タービン３０の回転により圧縮機１８を駆動して、圧縮空気２０を生成することができる。代替として、又はこれに加えて、シャフト３２は、タービン３０を発電機３４に接続し、電力を生成することができる。
【００２１】
タービン３０からの排気ガス３６は、排気セクション３８を通って流れ、該排気セクションは、タービン３０を該タービン３０から下流側の排気スタック４０に接続する。排気セクション３８は、例えば、排気ガス３６を環境に放出する前に清浄化し、追加の熱を取り出すための熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）４２を含むことができる。例えば、ＨＲＳＧ４２は、排気ガス３６と熱連通し、矢印４６で概略的に示される蒸気又は過熱蒸気を生成することができる１又はそれ以上の熱交換器４４を含むことができる。次いで、蒸気４６は、１又はそれ以上の蒸気タービン４８及び／又は種々の加熱システム（図示せず）のような発電プラント１０における種々の構成要素に送ることができる。
【００２２】
種々の実施形態において、ガスタービンエンジン１２は、１又はそれ以上の抽気又はバイパス空気取出ポート５０を含むことができる。特定の実施形態において、図１に示すように、少なくとも１つの抽気取出ポート５０は、圧縮機吐出又はケーシング５２から上流側で圧縮機１８から外への流路を提供する。特定の実施形態において、図１に示すように、少なくとも１つの抽気取出ポート５０は、圧縮機吐出ケーシング５２から外への流路を提供する。特定の実施形態において、抽気取出ポート５０は、非予混合モード作動の間のように燃焼器２６内の圧力を低減するのに用いることができる。種々の実施形態において、ガスタービン１２は、少なくとも１つの抽気又はバイパス空気吸入ポート５４を含むことができる。
【００２３】
抽気取出ポート５０は、様々な外部構成要素と流体連通することができる。例えば、１つの実施形態において、少なくとも１つの抽気取出ポート５０は、種々の流体導管、カップリング、バルブ及び／又は少なくとも１つの抽気吸入ポート５４を介してタービン３０と流体連通することができる。このようにして、圧縮機１８及び／又は圧縮機吐出ケーシング５２からの圧縮空気２０の一部は、タービン３０に送られて、タービン３０の種々の構成要素に冷却を提供し、及び／又は燃焼器２６及び／又は圧縮機吐出ケーシング５２内の圧力を低減することができる。特定の実施形態において、少なくとも１つの抽気取出ポート５０は、種々の流体導管、カップリング、バルブ及び／又は少なくとも１つの抽気吸入ポート５４を介してＨＲＳＧ４２から上流側で排気セクション３８と流体連通することができる。このようにして、圧縮機１８及び／又は圧縮機吐出ケーシング５２からの圧縮空気２０の一部は、排気セクション３８に送られて、ＨＲＳＧ４２の熱交換器４４に熱エネルギーを提供し、及び／又は排気セクション３８の種々の構成要素に冷却を提供し、及び／又は燃焼器２６及び／又は圧縮機吐出ケーシング５２内の圧力を低減することができる。
【００２４】
特定の実施形態において、酸化触媒モジュール又はシステム５６は、タービン３０から下流側で且つ排気スタック４０から上流側に位置付けることができる。酸化触媒システム５６は、タービン３０から流れる排気ガス３６内に含まれる一酸化炭素（ＣＯ）、未燃炭化水素又は他の望ましくないエミッションを低減又は場合によっては排除するのに用いることができる。
【００２５】
種々の実施形態において、圧縮機１８は、該圧縮機１８の入口に配置された複数の角度可変入口ガイドベーン５８を含む。ガイドベーン５８は、開放位置と閉鎖位置との間を半径方向軸線の周りに回転することができる。入口ガイドベーン５８の角度は、エンジン作動条件の空気流要件に適合するよう変更することができる。例えば、入口ガイドベーン５８は、エンジン始動時及び低負荷又は低ＲＰＭ時に圧縮機１８及び燃焼器２６への空気流を制限するよう閉鎖又は少なくとも部分的に閉鎖することができる。入口ガイドベーン５８は、負荷又はＲＰＭが増大するにつれて、圧縮機１８及び／又は燃焼器２６への空気流を増大するよう漸次的に開放することができる。始動時及び低負荷状態時には、入口ガイドベーン５８の迎角は、圧縮機１８の失速を回避するような角度にされる。
【００２６】
種々の実施形態において、燃焼器２６は、乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）型燃焼器である。図２は、図１に示す燃焼器２６の代わりにガスタービン１２に組み込むことができる例示的なＤＬＮ型燃焼器１００の側断面図を示す。特定の実施形態において、図２に示すように、燃焼器２６は、ニューヨーク州スケネクタディ所在のＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｍｐａｎｙ製のＤＬＮ−１又はＤＬＮ−１＋型燃焼器１００である。燃焼器１００のための燃料噴射システムは、二次又は中央燃料ノズル１０２と、中央燃料ノズル１０２の周りに半径方向及び環状に編成された複数の一次燃料ノズル１０４と、を含む。作動時には、圧縮機（図１）からの圧縮空気２０の一部は、圧縮機吐出ケーシング５２から、流れスリーブ１０８と、１又はそれ以上の燃焼ライナ１１０との間に定められた環状流れチャンネル１０６を通って送られる。圧縮空気２０は、燃焼器１００の端部カバー又はヘッド端部部分１１２にて流れ方向を反転し、一次燃料ノズル１０４及び中央燃料ノズル１０２を通って及び／又はその周りを流れる。
【００２７】
図２に示すように、ＤＬＮ燃焼器１００は、一次燃焼ゾーン又は予混合チャンバ１１４を含み、該一次燃焼ゾーンは、各一次燃料ノズル１０４から下流側で且つ燃焼器ライナ１１０のうちの１又はそれ以上によって少なくとも部分的に形成されるベンチェリ１１６から上流側に形成される。一次燃料ノズル１０４及び中央燃料ノズル１０２は、種々の流体導管、流れ制御バルブ、及び／又はカップリングを介して燃料供給システム２４と流体連通している。
【００２８】
燃料供給システム２４は、天然ガス又は液体燃料などの同じ燃料タイプを一次燃料ノズル１０４及び中央燃料ノズル１０２に提供するよう構成することができる。特定の実施形態において、燃料供給システム２４は、天然ガス及び／又は液体燃料などの異なる燃料タイプを一次燃料ノズル１０４及び／又は中央燃料ノズル１０２に提供するよう構成することができる。
【００２９】
作動中、燃焼器１００は、様々な動作モードで作動し、様々な動作モード間を移行する。これらの動作モードは、一般に、ガスタービンにかかる負荷及び／又は発電プラント１０における蒸気出力要件に関連する。図２に示すＤＬＮ型燃焼器１００は、一般に、ガスタービン１２の所要負荷レベル及び／又は発電プラント１０の蒸気出力要件に応じて、一次動作モード、希薄−希薄動作モード、二次動作モード、及び予混合動作モードの間で作動又は移行する。本明細書で使用される場合、用語「非予混合動作モード」は、予混合モードへの移行ポイントに至るまで一次、希薄−希薄、又は二次動作モードの何れかである燃焼器１００の動作モードを指す。加えて、「非予混合動作モード」は、一次、希薄−希薄、及び二次動作モードの間で生じる何れかの過渡的な動作モードを含むことができる。
【００３０】
一次動作モードは通常、点火から最大で全負荷の約３０％までに起こる。一次動作モード中、燃料供給システム２４は、燃焼器１００への総燃料流の１００％を一次燃料ノズル１０４に提供する。結果として、一次動作モード中の燃焼は、主として一次燃焼ゾーン１１４において起こる。一次動作モードは、低負荷から中間負荷にわたって最大で予め選択された燃焼基準温度までガスタービン１２を点火、加速及び作動させるのに使用される。
【００３１】
希薄−希薄動作モードは通常、全負荷の約３０％〜約７０％で起こる。希薄−希薄動作中、燃料供給システム２４は、一次燃料ノズル１０４と中央燃料ノズル１０２との間で総燃料流を分割することができる。例えば、燃料供給システム２４は、総燃料流の約７０％を一次燃料ノズル１０４に提供し、総燃料流の約３０％を中央燃料ノズル１０２に提供することができる。結果として、希薄−希薄動作モード中の燃焼は、一次燃焼ゾーン１１４並びに二次燃焼ゾーン１１８の両方で起こる。この動作モードは、２つの予め選択された燃焼基準温度間の中間負荷用に使用される。
【００３２】
二次動作モードは、一般に、燃焼器１００が希薄−希薄動作モードと予混合動作モードとの間で移行するときに起こる。二次動作モード中、燃料供給システム２４は、一次燃料ノズル１０４への燃料流を燃焼器１００への総燃料流の約３０％〜約０％まで減少させ、他方、中央燃料ノズル１０２への燃料流を総燃料流の約３０％〜約１００％まで増大させることができ、従って、中央燃料ノズル１０２から生じた二次燃焼ゾーン１１８における火炎を維持しながら、一次燃焼ゾーン１１４に関連する火炎を消すことができる。このモードは、一次燃焼ゾーン１１４における火炎を消すために必要である。燃焼器１００が予混合モードで作動しているときには、一次燃料ノズル１０４と中央燃料ノズル１０２との間の燃料スプリットは、一次燃料ノズル１０４が燃焼器１００への総燃料流の約８０％を受け取り、他方、中央燃料ノズル１０２が燃焼器１００への総燃料流の約２０％を受け取ることができるように調整することができる。一次燃料ノズル１０４に流れる燃料２２は、一次燃焼ゾーン１１４内で圧縮機１８（図１）からの圧縮空気２０と予混合され、該一次燃焼ゾーン１１４は、この時点では燃料希薄燃料／空気混合気を形成するため一次予混合ゾーン１１４である。次いで、希薄予混合燃料／空気混合気は、ベンチェリ１１６を通って二次燃焼ゾーン１１８に入り、ここで中央燃料ノズル１０２からの火炎によって点火される。この動作モードは、燃焼基準温度設計点にて及びその近傍で得られる。一次、希薄−希薄、及び二次及び予混合モードに関連する負荷範囲は、種々の要因に基づいて上記で示された範囲からシフトすることができる。例えば、負荷範囲は、入口ガイドベーン（ＩＧＶ）調整の程度に伴って、及びより小さな範囲までは周囲の空気１６の温度に伴って変化することができる。例えば、ＩＳＯ大気において、予混合動作モードの動作範囲は、ＩＧＶ調整が約４２度に至るに伴って約５０％〜１００％まで、及びＩＧＶ調整が約５７度に至るに伴って約７５％〜１００％までとすることができる。種々の動作モードに関して本明細書で提供された種々の燃料スプリットは、例示的なものであり、請求項に別途記載のない限り限定を意味するものではない。
【００３３】
特定の実施形態において、図２に示すように、燃焼器１００は、燃焼器ライナ１１０から下流側に延びる移行ダクト１２２の周りに環状に配列された複数の軸方向多段燃料噴射装置１２０（遅延希薄噴射装置（ＬＬＩ）としても知られる）を含む。燃焼器ライナ１１０及び移行ダクト１２２は、燃焼器１００を通り、タービン（図１）の入口１２６に延びる高温ガス経路１２４を少なくとも部分的に定める。燃料噴射装置１２０は、移行ダクト１２２を通じて高温ガス経路１２４への流体連通を提供する。燃料噴射装置１２０は、様々な半径方向深さにて移行ダクト１２２及び／又は高温ガス経路１２４内に延びることができる。
【００３４】
燃料噴射装置１２０の各々又は少なくとも一部は、遅延希薄又は軸方向燃料ステージング能力を燃焼器１００に提供するよう構成することができる。すなわち、燃料噴射装置１２０は各々、燃料及び／又は燃料／空気混合気を高温ガス経路１２４を通って流れる燃焼ガス２８の支配的流れ方向にほぼ横断する方向で高温ガス経路１２４に供給するよう構成される。その際、燃焼器１００及び高温ガス経路１２４内の状態は、ＮＯｘエミッションの形成を低減しながら安定した局所的燃焼ゾーンを生成し、従って、燃焼器１００の全体性能を向上させるよう多段化される。
【００３５】
種々の実施形態において、図２に示すように、燃焼器１００は、希釈剤供給源１２８に流体結合することができる。希釈剤供給源１２８は、蒸気、水、又は窒素などの希釈剤１３０を一次燃料ノズル１０４及び／又は中央燃料ノズル１０２から上流側又は下流側で燃焼器１００に提供することができる。例えば、特定の実施形態において、希釈剤供給源１２８は、希釈剤１３０を二次燃焼ゾーン１２４から下流側で且つ複数の燃料噴射装置１２０から上流側で高温ガス経路１２４に直接噴射するよう構成することができる。特定の実施形態において、希釈剤供給源１２８は、希釈剤１３０を一次燃料ノズル１０４及び／又は中央燃料ノズル１０２から上流側で燃料２２に噴射するよう構成することができる。希釈剤１３０は、予混合及び非予混合動作モード中、及び／又はベース負荷、ピーク負荷又は低負荷動作状態の間のＮＯｘエミッションレベルを低減し、及び／又は燃焼器性能を向上させるのに用いることができる。
【００３６】
図１及び２に全体として示すように、燃料供給システム２４、希釈剤供給源１２８及び／又はＨＲＳＧ４２は、コントローラ１３２に電気的に結合することができる。コントローラ１３２は、ガスタービン負荷要件及び／又は発電プラント１０の蒸気要件に少なくとも部分的に基づいて同様の流量で及び／又は異なる流量で、一次燃料ノズル１０４及び中央燃料ノズル１０２に流れる燃料２２を供給又は分割するよう、燃料供給システム２４に支持するようプログラミングすることができる。
【００３７】
コントローラ１３２は、ニューヨーク州スケネクタディ所在のＧＥ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  ＆  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍｓにより所載された『ＳＰＥＥＤＴＲＯＮＩＣTM  Ｍａｒｋ  Ｖ  Ｇａｓ  ｔｕｒｂｉｎｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｓｙｓｔｅｍ』（ＧＥ−３６５８Ｄ、Ｒｏｗｅｎ，  Ｗ．  Ｉ．）に記載されるようなＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ＳＰＥＥＤＴＲＯＮＩＣ（商標）  Ｇａｓ  ｔｕｒｂｉｎｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｓｙｓｔｅｍを組み込むことができる。コントローラ１３２はまた、メモリ内に格納されたプログラムを実行して、センサ入力及び人間のオペレータからの指令を用いてガスタービンの作動を制御するプロセッサを有するコンピュータシステムを組み込むことができる。コントローラ１３２によって実行されるプログラムは、燃焼器１００への燃料流の調整、燃焼器１００への希釈剤１３０の流れの調整、圧縮機１８及び／又は圧縮機吐出ケーシング５２からの抽気又はバイパス空気の調整、入口ガイドベーン５８の角度、蒸気出力、及び燃焼に関連するエミッションの低減のためのスケジューリングアルゴリズムを含むことができる。コントローラ１３２によって生成されるコマンドは、バルブを開放位置と閉鎖位置との間で作動させて、燃料、抽気及び希釈剤の流れを調整することができ、また、アクチュエータに入口ガイドベーン５８の角度を調整させることができる。
【００３８】
コントローラ１３２は、該コントローラ１３２のメモリ内に格納されたデータベースに少なくとも部分的に基づいてガスタービン１２を調整することができる。このデータベースにより、コントローラ１３２は、ガスタービン排気セクション３８におけるＮＯｘ及びＣＯエミッションをターンダウン作動中に予め定められた一定限度内にまで維持し、所定の蒸気出力を維持し、及び好適な安定境界内に燃焼器１００を維持することが可能となる。コントローラ１３２は、１）非予混合又はターンダウンモードでの作動及び／又は全速無負荷（ＦＳＮＬ）状態と最大でベース負荷状態の間で作動しながら所望のエミッションレベルを達成すると共に、２）吸入抽気加熱の必要性を排除するように、ガスタービン負荷、蒸気生産要件、抽気流量、希釈剤の流れ、及び燃焼器燃料スプリットなどの動作パラメータを設定することができる。
【００３９】
ベース負荷又はピーク負荷の間、燃焼器１００は、予混合モードで作動する。この動作モードの間、エミッションレベルは一般に、所望の許容可能なエミッションレベル内に維持され、ＨＲＳＧ４２の作動は、蒸気タービン４８を駆動し及び／又は種々の二次動作を維持するのに十分な蒸気流を提供するよう最適化される。ターンダウン作動中のような非ピーク負荷需要の間、オペレータは、発電を行うためガスタービンをオンラインに戻すのに必要とされる時間を短縮するようガスタービンを作動させることを意図する場合がある。しかしながら、ガスタービン１２のターンダウン作動中、エミッションレベルが増大する。従って、エミッションレベルを低減するために、オペレータは通常、抽気を抽気システムに噴射して、圧縮機から上流側の空気１６の入口温度を上昇させ、これによりＮＯｘの形成を低減する。
【００４０】
しかしながら、本明細書で提示される種々の実施形態において、ターンダウン作動中、オペレータは、手動で又はコントローラ１３２により、抽気取出ポート５０のうちの１又はそれ以上のを介して圧縮機１８又は圧縮機吐出ケーシング５２のうちの少なくとも一方から圧縮空気２０を抽気し、これにより燃焼器１００内の圧縮空気２０の圧力を低減して、従って、火炎ブローアウトの阻止及び燃焼火炎の安定化を行うことができる。同時に、燃料噴射装置１２０は、ＮＯｘエミッションを低減するよう燃焼ガス２８内に燃料又は燃料／空気混合気を噴射するように作動させることができる。このようにして、非混合動作モード中及び／又はターンダウン作動中にＮＯｘエミッションをコンプライアンスレベルに維持するために吸入空気加熱は必要とされない。抽気は、吸入システム１４、タービン３０又は排気セクション３８のうちの少なくとも１つに送ることができる。特定の実施形態において、抽気は、ＨＲＳＧ４２から上流側で排気ガス３６に熱エネルギーを加えるのに用いることができる。
【００４１】
特定の実施形態において、希釈剤１３０（すなわち、蒸気、水、窒素、その他）は、一次燃料ノズル１０４及び中央燃料ノズル１０２から上流側で燃料２２に噴射することができ、及び／又は希釈剤供給源１２８を介して高温ガス経路１２４内で燃焼ガス２８に噴射し、高温ガス経路１２４内のＮＯｘ生成を低減することができる。加えて、燃料噴射装置１２０は、二次燃焼ゾーンから下流側で高温ガス経路１２４内に燃料又は燃料／空気混合気を噴射し、従って、燃焼ガス２８内のＮＯｘを低減することができる。酸化触媒システム５６を作動させて、予混合ダクトバーナー６０から下流側で排気ガス３６からの一酸化炭素（ＣＯ）などの種々の望ましくないエミッションを、排気セクション３６を通って排気スタック４０に向かって流れるときにベース負荷状態未満に更に低減することができる。この構成において、ガスタービンターンダウン中のようなベース負荷又は非予混合動作状態未満にエミッションレベルを軽減しながら、発電プラント１０からの蒸気出力の望ましいレベルを維持することができる。
【００４２】
本明細書で記載された種々の実施形態及び図面は、ターンダウンモードでガスタービンを作動させている間のエミッションコンプライアンスを維持する１又はそれ以上の方法を提供する。図３は、本開示の１つの実施形態による、ターンダウンモードでガスタービンを作動させている間のエミッションコンプライアンスを維持するための１つの方法２００のブロック図を示す。図３に示すように、ステップ２０２において、方法２００は、燃料２２を燃焼させて、燃焼器１００の高温ガス経路１２４を通る燃焼ガス２８の流れを生成するステップを含み、ここで燃料２２は、燃焼器１００の一次燃焼ゾーン１１４又は二次燃焼ゾーン１１８のうちの少なくとも一方において燃焼し、一次燃焼ゾーン１１４及び二次燃焼ゾーン１１８は複数の軸方向多段燃料噴射装置１２０から上流側で形成される。ステップ２０４において、方法２００は、圧縮機１８、圧縮機吐出ケーシング５２、又はタービン３０に流体結合される少なくとも１つの取出ポート５０から抽気又は圧縮空気２０を取り出すステップを含む。ステップ２０６において、方法２００は、複数の軸方向多段燃料噴射装置１２０を作動させるステップを含む。
【００４３】
特定の実施形態において、方法２００は、複数の一次燃料ノズル１０４のうちの１又はそれ以上の一次燃料ノズル１０４を介して希釈剤１３０を一次燃焼ゾーン１１４に噴射するステップを含むことができる。特定の実施形態において、方法２００は、中央燃料ノズル１０２を介して希釈剤１３０を二次燃焼ゾーン１１８に噴射するステップを含むことができる。特定の実施形態において、方法２００は、中央燃料ノズル１０２から下流側で且つ複数の軸方向多段燃料噴射装置１２０から上流側で希釈剤１３０を高温ガス経路１２４に噴射するステップを含むことができる。特定の実施形態において、希釈剤１３０を高温ガス経路１２４に噴射するステップは、水、蒸気、及び窒素のうちの少なくとも１つを燃焼器１００に噴射するステップを含む。特定の実施形態において、方法２００は、タービン３０から下流側に配置された酸化触媒システム５６を介して燃焼ガス２８の流れをスクラビング処理するステップを含むことができる。特定の実施形態において、方法２００は、抽気２０をタービン３０に配向するステップを含むことができる。特定の実施形態において、方法２００は、入口ガイドベーン５８を開放して、燃焼ガスの流量を増大させるステップを含むことができる。
【００４４】
本明細書では特定の実施形態を図示し且つ説明してきたが、図示した特定の実施形態は、同一の目的を達成するために考えられるあらゆる構成と置き換えることができること、また本発明は他の環境におけるその他の用途も有することを理解されたい。本出願は、本発明のあらゆる改造及び変更を保護することを意図している。提出した特許請求の範囲は、本発明の技術的範囲を本明細書に記載した特定の実施形態に限定することを一切意図するものではない。
【００４５】
最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
［実施態様１］
ガスタービンをターンダウンモードで作動させている間のエミッションコンプライアンスを維持するためのシステムであって、
上記システムが、
直列流れ順に、圧縮機、燃焼器、タービン及び排気セクションを含むガスタービンを備え、
上記燃焼器が、複数の一次燃料ノズル及び中央燃料ノズルから下流側に位置付けられた複数の軸方向多段燃料噴射装置を有し、上記ガスタービンが更に、上記圧縮機、圧縮機吐出ケーシング又は上記燃焼器のうちの少なくとも１つと流体連通した抽気の取出ポートを含み、
上記システムが更に、
上記抽気の取出ポートから圧縮空気を抽気して、上記ガスタービンのターンダウン作動中に上記複数の軸方向多段燃料噴射装置を作動させるようプログラミングされたコントローラを備える、システム。
［実施態様２］
上記抽気の取出ポートが、上記圧縮機に流体結合され、及び抽気の吸入ポートを介して上記タービンに流体結合される、実施態様１に記載のシステム。
［実施態様３］
上記抽気の取出ポートが、上記圧縮機に流体結合され、及び抽気の吸入ポートを介して熱回収蒸気発生器から上流側で上記排気セクションに流体結合される、実施態様１に記載のシステム。
［実施態様４］
上記抽気の取出ポートが、上記燃焼器に流体結合され、及び抽気の吸入ポートを介して上記タービンに流体結合される、実施態様１に記載のシステム。
［実施態様５］
上記抽気の取出ポートが、上記燃焼器に流体結合され、及び抽気の吸入ポートを介して熱回収蒸気発生器から上流側で上記排気セクションに流体結合される、実施態様１に記載のシステム。
［実施態様６］
上記排気セクション内に配置される酸化触媒システムを更に備える、実施態様１に記載のシステム。
［実施態様７］
上記燃焼器の高温ガス経路と流体連通した希釈剤供給源を有する希釈剤噴射システムを更に備える、実施態様１に記載のシステム。
［実施態様８］
上記希釈剤供給源が、上記複数の一次燃料ノズルのうちの少なくとも１つと流体連通している、実施態様７に記載のシステム。
［実施態様９］
上記希釈剤供給源が、上記一次燃料ノズルから下流側で且つ上記複数の軸方向多段燃料噴射装置から上流側の位置にて上記燃焼器に流体結合される、実施態様７に記載のシステム。
［実施態様１０］
上記圧縮機の入口に配置された複数の入口ガイドベーンを更に備える、実施態様１に記載のシステム。
［実施態様１１］
ガスタービンをターンダウンモードで作動させている間にエミッションコンプライアンスを維持する方法であって、
燃料を燃焼させて、燃焼器の高温ガス経路を通る燃焼ガスの流れを発生させ、上記燃料が、上記燃焼器の一次燃焼ゾーン及び二次燃焼ゾーンのうちの少なくとも一方で燃焼し、上記一次燃焼ゾーン及び二次燃焼ゾーンが複数の軸方向多段燃料噴射装置から上流側で形成されるようにするステップと、
上記ガスタービンの圧縮機、上記燃焼器又はタービンに流体結合された少なくとも１つの取出ポートから抽気を取り出すステップと、
上記複数の軸方向多段燃料噴射装置を作動させるステップと、
を含む、方法。
［実施態様１２］
複数の一次燃料ノズルを介して上記一次燃焼ゾーンに希釈剤を噴射するステップを更に含む、実施態様１１に記載の方法。
［実施態様１３］
中央燃料ノズルを介して二次燃焼ゾーンに希釈剤を噴射するステップを更に含む、実施態様１１に記載の方法。
［実施態様１４］
中央燃料ノズルから下流側で且つ上記複数の軸方向多段燃料噴射装置から上流側で上記高温ガス経路内に希釈剤を噴射するステップを更に含む、実施態様１１に記載の方法。
［実施態様１５］
前記上記高温ガス経路内に希釈剤を噴射するステップが、水、蒸気及び窒素のうちの少なくとも１つを上記燃焼器に噴射するステップを含む、実施態様１４に記載の方法。
［実施態様１６］
上記タービンから下流側に配置された酸化触媒システムを介して燃焼ガスの流れをスクラビング処理するステップを更に含む、実施態様１１に記載の方法。
［実施態様１７］
上記抽気を上記タービンに配向するステップを更に含む、実施態様１１に記載の方法。
［実施態様１８］
上記圧縮機への入口に配置された入口ガイドベーンを開放して、燃焼ガスの流量を増大させるようにするステップを更に含む、実施態様１１に記載の方法。
【符号の説明】
【００４６】
１０  発電プラント
１２  ガスタービン
１４  吸入システム
１６  作動流体
１８  圧縮機
２０  圧縮作動流体
２２  燃料
２４  燃料供給源
２６  燃焼器
２８  燃焼ガス
３０  タービン
３２  シャフト
３４  発電機／モータ
３６  排気ガス
３８  排気セクション
４０  排気スタック
４２  ＨＲＳＧ
４４  熱交換器
４６  蒸気／過熱蒸気
４８  蒸気タービン
５０  取出ポート
５２  圧縮機吐出ケーシング
５４  抽気吸入ポート
５６  酸化触媒システム
５８  角度可変入口ガイドベーン
１００  ＤＬＮ燃焼器
１０２  二次／中央燃料ノズル
１０４  一次燃料ノズル
１０６  環状通路
１０８  流れスリーブ
１１０  燃焼ライナ
１１２  端部カバー／ヘッド端部
１１４  一次燃焼ゾーン／予混合チャンバ
１１６  ベンチェリ
１１８  二次燃焼ゾーン
１２０  軸方向多段燃料噴射装置
１２２  移行ダクト
１２４  高温ガス経路
１２６  タービンの入口
１２８  希釈剤供給源
１３０  希釈剤
１３２  コントローラ
【図１】
2017044209.tif 000003
【図２】
2017044209.tif 000004
【図３】
2017044209.tif 000005
【外国語明細書】
2017044209000001.pdf