(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の温度で液体燃料を提供する段階と、
前記液体燃料を冷却システムの熱交換器に通過させ、前記第一の温度よりも低く、かつ、前記液体燃料の引火点よりも低い、第二の温度に前記液体燃料を冷却する段階と、
前記冷却された液体燃料を、ガスタービンエンジンに注入する段階と、
を含む、ガスタービンエンジンに液体燃料を供給する方法。
【請求項２】
前記燃料の比重は、０．８０未満である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
冷媒流体を前記熱交換器に通して循環させる段階をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記熱交換器は、空冷式である請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記冷媒流体を冷凍ユニットに通して循環させる段階をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
圧縮機と、
前記圧縮機と流体連通する燃焼器と、
前記燃焼器と流体連通するタービンと、
液体燃料供給システムと、
を含むガスタービンエンジンにおいて、
該燃料供給システムが、
液体燃料を貯える燃料貯蔵器と、
該燃料貯蔵器と流体連通し、該液体燃料を燃焼器に注入する前に前記液体燃料の引火点よりも低くなるように冷媒流体で冷却するための熱交換器と、
前記熱交換器と流体連通する冷凍ユニットと、
前記冷凍ユニットおよび前記熱交換器と流体連通する冷媒流体貯蔵器と、
を含み、
前記冷媒流体が、前記熱交換器と前記冷凍ユニットと前記冷媒流体貯蔵器とを循環するようになっている、ガスタービンエンジン。
【請求項７】
液体燃料を貯える燃料貯蔵器と、
前記燃料貯蔵器と流体連通し、該液体燃料をガスタービンエンジンに注入する前に前記液体燃料の引火点よりも低くなるように冷媒流体で冷却するための熱交換器と、
前記熱交換器と流体連通する冷凍ユニットと、
前記冷凍ユニットおよび前記熱交換器と流体連通する冷媒流体貯蔵器と、
を含み、
前記冷媒流体が、前記熱交換器と前記冷凍ユニットと前記冷媒流体貯蔵器とを循環するようになっている、ガスタービンエンジン用燃料供給システム。
【請求項８】
前記熱交換器、前記冷媒流体貯蔵器および前記冷凍ユニットが、閉ループシステムである請求項７に記載の燃料供給システム。
【請求項９】
前記熱交換器、前記冷媒流体貯蔵器および前記冷凍ユニットが、開ループシステムである請求項７に記載の燃料供給システム。
【請求項１０】
前記冷媒流体が気体である請求項７に記載の燃料供給システム。
【請求項１１】
前記冷媒流体が液体である請求項７に記載の燃料供給システム。
【請求項１２】
前記液体がブラインである請求項１１に記載の燃料供給システム。
【請求項１３】
前記液体が水である請求項１１に記載の燃料供給システム。
【請求項１４】
前記気体が空気である請求項１０に記載の燃料供給システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料として軽炭化水素を用いるガスタービン・エンジンに係り、特に、ガスタービンエンジンに導入される軽炭化水素の早期燃焼を防ぐ装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大型のガスタービン・エンジンは、一般に、圧縮機、燃焼部およびタービンを含む。エンジンのこれら各部分を通って、動作流体が流れる環状の通路が、軸方向に延びる。ガスタービンエンジンは、圧縮された動作流体の調整された加熱により出力する。開ループシステムにおいては、動作流体（典型的に空気）は、圧縮機内に引き入れられて、圧縮され、この圧縮された空気は、その後、燃焼部へと導かれる。燃焼部は、通常、一つもしくはいくつかの燃焼室または燃焼器からなるが、ここで圧縮空気に熱が加えられる。具体的には、該空気は可燃性燃料と混ぜ合わされて燃やされ、熱い加圧ガスを生み出す。この熱い燃焼ガスは、その後、タービンを通して膨張するが、このとき熱ガスはタービン羽根車の羽根を横切るように方向付けられ、この熱い燃焼ガスの流れが、タービン羽根車を回転させる。回転するタービンは、駆動軸によってガスタービン圧縮機と接続しており、プロセス圧縮機に動力を提供する。また、タービンは、その他の機械装置（例えば、ジェネレータ、ポンプ、水中プロペラ）に動力を提供するためにも用いられる。さらに、タービンの排気ノズルを通して排出される熱ガスは、航空用のジェットエンジンに典型的に見られるように、推進力を生み出すためにも用いられる。
【０００３】
燃焼室に共通の構造は、円筒状のケーシング内に金属ライナを含んでいる。空気は、このライナの表面上を通るよう強制され、ライナの通り穴を抜け、燃焼室の内部に入る。燃焼室は、ノズルもしくはバーナにより、噴霧燃料を注入される。燃料の最初の点火は、点火プラグに着火することにより行われる。特に、スタートアップの間、ガスタービンの軸は、ディーゼルもしくは電気モータのような外部のエネルギー源により、始動スピードまでクランクで回転する。始動スピードが達成されると、燃料と空気が燃焼器に導入される。ここで、点火プラグが着火され、バーナが点火し、燃焼反応が開始する。ひとたびこの燃焼反応が始まると、燃焼器に継続して燃料が補給注入されるため、燃焼反応は連続する。
【０００４】
今日、燃焼器は、およそ４０００°Ｆ（２２０４℃）の温度用に開発さている。燃焼器入口部の温度は、ざっと２５０°Ｆ（１２１℃）から２５００°Ｆ（１３７１℃）になり得る。このような温度のため、燃焼器は、その内部における急激な温度の勾配を避けるよう設計されねばならない。急激な温度勾配は、ライナ、バーナ、および燃焼器内のその他の金属成分に、歪みやひび割れを生じさせるおそれがあるからである。燃料の不完全燃焼がもたらす炭素のデポジットもまた、局所的にホットスポットが生じたり、ライナの歪みを生じさせる原因となり得る。スタートアップの間、タービンエンジンは、高度に統制された条件の下で、設計仕様にまで運行されねばならない。このため、燃焼器内におけるスタートアップおよび低出力の燃焼反応は、一般に、以下のような条件の下で行われる。即ち、タービンエンジン内の表面が、燃焼反応の強さが増すにつれて、徐々に温まってゆくことを可能にするような条件の下で行われる。
【０００５】
一般に、ガスタービン内の燃焼は、気体燃料もしくは液体燃料のいずれかによってなされている。産業用エンジンのような不動のタービンエンジンの場合、天然ガスの使用が可能であれば、最も一般的に用いられる燃料は、天然ガスである。反対に、ジェット機や船舶を推進するために用いられる可動のタービンエンジンは、一般に、液体の炭化水素を燃料とする。例えば、ガソリン、ディーゼル燃料、航空燃料などである。天然ガスの使用が不可能であるか、もしくは実際的でない場合には、不動のガスタービンエンジンにも液体の炭化水素が用いられる。典型的に、これらの液体炭化水素は、少なくともおよそ０．７２の比重を持つことを特徴とする。本発明の目的を説明するにあたり、こうした特性を有する炭化水素を“重炭化水素”、比重がおよそ０．７２未満である炭化水素を“軽炭化水素”と呼ぶことにする。
【０００６】
天然ガスは、重炭化水素と比べると比較的安価であるため、燃料として望ましい。しかしながら、天然ガスを利用するタービンエンジンは、不断の天然ガス源にアクセスできる位置か、あるいは天然ガスをパイプラインによって供給され得る位置になければならない。天然ガス源の利用が可能な場合であっても、パイプラインの設置および維持は、特に、ガス源から離れた地域、開発途上の地域もしくは国においては、不可能に近い。一方、重炭化水素の欠点は、費用がかかることと資源不足であり、特に、自動車や航空機等に需要が高い場合や地域で問題となる。
【０００７】
重炭化水素に関するこうした問題の解決策の一つは、ナフサやブタンのような軽炭化水素を用いることである。一般に、精油工程の廃物として生成されるような軽炭化水素は、低コストで容易に入手できる。こうした廃物は、典型的に、大気中に燃え上がらせることにより、処分されている。このような軽炭化水素は、容易に入手でき、また安価であるため、ガスタービン燃料として重炭化水素よりも好都合である。しかしながら、これら軽炭化水素の分子量および比重は、重炭化水素に比して低いため、その相変化温度および引火点温度も、典型的に重炭化水素より低い。このため、軽炭化水素は、重炭化水素よりも相変化を起こし易く、また燃え易い。ガスタービンエンジンに関して言えば、これら軽炭化水素は、その低い引火点温度のため、燃焼室内で時期尚早に燃焼する可能性が高く、その結果、ガスタービンエンジンに被害を与えるような温度勾配を引き起こす危険がある。即ち、例えば上述した、スタートアップの過程および低出力状態の間に起り得るような損傷である。さらに、相変化は、燃焼器バーナに燃料を供給する燃料ライン中に蒸気泡を生じさせ、燃料の連続的な流れを妨害する危険があり、潜在的にタービンエンジンに被害を与える可能性がある。
【０００８】
突然の温度勾配による熱応力から燃焼器を保護するため、これまでも既に、いくつかの方法や装置が用いられている。例えば、熱応力から保護するため、燃焼器の表面をセラミック材で覆うということは、先行技術において既知である。同系統の方策として、燃焼器構成物を高温合金で作ることも可能である。しかしながら、これらの解決策は、軽炭化水素の早期発火を防ぐということについては何らの手段も講じておらず、ただ事後的にこの問題に接しているだけである。さらに、これらの解決策は、標準的な燃焼器を用いる場合に比して、費用がかかる。また、既存のガスタービンエンジンを軽炭化水素燃料用に改造する場合、可能であるとしても、こうした種類の構成物をタービンに後から付け加えることで、追加の費用がかかるばかりでなく、一般に、かなりの時間的中断を免れない。
【０００９】
軽炭化水素をガスタービンエンジンに用いるためのもう一つの解決策は、スタートアップの過程、すなわち、エンジンの暖機運転および低出力状態の間は、より燃えにくい燃料を使用するということである。例えば、暖機運転の間はディーゼル燃料を用い、所定の負荷および燃焼器圧力が達成された時点で、ナフサに切り替えるというやり方が一般的に実施されている。このような構成の欠点は、一つに、二重の燃料システムが必要だということである。具体的には、燃料供給システムそれ自体は、ほぼ同一であるにも拘わらず、それぞれの種類の燃料につき別個の燃料供給システムが必要なことである。もう一つの欠点は、より高価な燃料を過度に使用するということである。
【００１０】
【発明の概要】
本発明は、冷却システムを用いるガスタービンエンジンを提供するが、ここでは、燃焼器に軽炭化水素液体燃料が注入される前に該燃料の温度を下げるために、冷却システムを用いる。具体的には、この冷却システムは、燃料供給システムの燃焼器上流部に配置され、これにより、該液体燃料の温度を引火点温度未満に下げ、相変化および早期燃焼を回避する。好ましい実施の形態による冷却システムは、熱交換器、冷媒貯蔵器および冷凍ユニットを含む閉ループシステムである。ここで、ブラインがループ内を以下のように循環する。即ち、冷却されたブラインは熱交換器内に入り、熱交換器を通過して流れる軽炭化水素に対するヒートシンクとして作用する。熱交換器を出た温かいブラインは、次に冷凍ユニットに向かい、ここで冷却され、その後貯蔵器に集められ、貯蔵される。冷却された軽炭化水素は、熱交換器を出て、ガスタービンエンジンに注入される。
【００１１】
本発明は、いくつかの理由により、先行技術よりも有利である。まず第一に、本発明は、費用のかかる変更や中断時間の必要なく、既存のガスタービンエンジンに軽炭化水素を使用することを可能とする。具体的には、本発明の冷却システムは、ガスタービンエンジン内の燃焼器に改変を要せずに、燃料貯蔵器とガスタービンエンジンの間に設置することができる。先行技術における装置が専ら解決しようとしてきたのは、軽炭化水素の相変化や早期燃焼がもたらす結果（例えば、突然の温度勾配）である。しかしながら、本発明は、軽炭化水素の相変化および早期燃焼の原因に取り組んでいる。即ち、本発明は、引火点における、もしくは引火点近辺における、軽炭化水素の温度に着目する。軽炭化水素の温度を引火点温度よりも低く調整することにより、早期燃焼の結果生じるであろう問題は未然に防がれ、費用のかかる燃焼器改変も必要なくなる。
【００１２】
また、本発明は、軽炭化水素用ガスタービンエンジンに第二の燃料供給システムを設ける必要性を解消する。先行技術における、軽炭化水素の相変化および早期燃焼に対する解決策の一つは、二つの燃料システムを提供することである。これら二つの燃料システムの機構は、本質的には同一であるが、取り扱う燃料の種類が異なるため二つのシステムが必要となるのである。第一のシステムは、典型的に、スタートアップおよびタービンの低出力運転状態に使用される重炭化水素を供給し、一方、第二のシステムは、通常運転および高出力運転状態に使用される軽炭化水素を供給する。このような二重のシステムは、費用がかかる上に厄介である。特に、全ての運転範囲に亘って、二種類の燃料を用意しておかねばならないため煩わしい。本発明によれば、第一のシステムの必要性は排除され、単一の燃料供給システムのみで、すべての運転範囲にわたってタービンの要求を満たすことが可能となる。
【００１３】
最後に、本発明は、ガスタービンエンジンの燃料として軽炭化水素を幅広く使用することを可能とし、このため、経済力に乏しい国や発展途上国においても、ガスタービンエンジンの利用がより容易になる。これまでは、比較的高価で希少な重炭化水素しか、標準的なガスタービンエンジンには、実際に使用できず、軽炭化水素の使用が可能であるのは、突然の温度勾配に耐え得るようエンジンが設計されている場合か、事後的に改変を加えた場合に限られていた。重炭化水素の使用に伴う出費も、特別に設計もしくは改変された装置を購入する出費も、経済力に乏しい国や発展途上国にとっては多大であり、これらの国においてガスタービンエンジンを使用することは困難であった。軽炭化水素は、典型的に、精油工程からの廃物であるため、特に重炭化水素燃料と比較して、豊富な供給が安価で可能である。本発明は、ガスタービンエンジンの燃料として軽炭化水素を用いることを、より現実的なものとする。燃料のコストを下げ、同時に設備経費を低く維持することにより、ガスタービンエンジンの設置および運転に要する費用全体が削減され、経済力に乏しい国や地域においても、こうしたエンジンを利用することが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の方法は、ガスタービンエンジンに用いられるある種の軽炭化水素燃料が相変化を起こさず、時期尚早に燃焼しないことを保証する。該方法は、ある引火点温度ＴF を有する軽炭化水素を用意し、該燃料を冷却システムに通過させて、その温度Ｔを引火点温度ＴF よりも十分低く下げ、その後この冷却された燃料をガスタービンエンジンに注入することにより達成される。液体炭化水素燃料を冷却するために用いる冷却装置は、どのようなタイプであってもよいが、こうした冷却システムの一つを、図１の１０に概示する。冷却システム１０は、燃料貯蔵器１４とガスタービンエンジン１６を結ぶ燃料供給ライン１２に配置される。燃料貯蔵器１４は、典型的には貯蔵タンクであるが、燃料を外部の資源からポンプで供給する場合は、単なる燃料パイプラインであってもよい。冷却システム１０は、熱交換器１８、冷媒流体貯蔵器２０および冷凍ユニット２２を含み、これらは流体連通の閉ループを互いに形成する。ブラインのような冷媒流体（図示せず）が、冷却システム１０内を循環する。
【００１５】
もちろん、その他のタイプの冷却システムを用いることも可能である。例えば、冷凍ユニットや液体冷媒を用いる代わりに、冷却システム１０を単純に、空冷式、水冷式、もしくは気冷式熱交換器で構成することもできる。また、当業者であれば、用いる冷却システムのタイプにより、システムを開型にするか閉型にするかが決定されるということを理解するであろう。例えば、図１に示す閉ループシステムと異なり、空冷式冷却システムの場合は、開ループ型とすることができる。さらに、冷却システムは、燃料供給システム内のいずれの場所に配置されても、ここに記述する方法および装置が意図する効果を生じる。また、燃料貯蔵器１４は、冷却システム１０と直接的に連結されている必要はない。例えば、ポンプのような付属装置を燃料システムに配置することも可能である。いずれにせよ、これらのシステムおよび装置は、典型的には、最終的に燃料をガスタービンに供給するための流体連通手段であるということを、当業者は理解するであろう。
【００１６】
好ましい実施形態に示される例では、液体燃料（図示せず）は第一の温度Ｔ1 で貯蔵器１４に貯えられており、この燃料は、熱交換器１８を通過した後、ガスタービン１６に注入される。熱交換器１８は、冷媒流体を介して液体燃料から熱を奪い取り、その結果、液体燃料は、熱交換器１８を出る際、第一の温度Ｔ1 よりも低い第二の温度Ｔ2 を有することになる。典型的に、燃料の特徴は、その引火点温度ＴF にあることである。熱交換器１８が奪い取る熱量により、第二の温度Ｔ2 を引火点温度ＴF 未満に維持することが保証され、従って、液体状態から気体状体への相変化に伴う問題、および燃料をガスタービン１６に注入する際の早期燃焼に伴う問題が回避される。さらに、気体状態で熱交換器１８を通過する燃料は、タービンエンジン１６内に入る前に、液体状態に凝縮される。
【００１７】
本発明は、比重０．８０未満の燃料に用いることが望ましく、最も望ましくは、比重０．７２未満の燃料、即ち、軽炭化水素に用いる。軽炭化水素と重炭化水素の引火温度には、ある程度の重複部分があり、このため本発明は、軽質、重質双方の炭化水素に有効である。粘度および比重が同じであっても、パラフィン系炭化水素の引火温度は、ナフテン系炭化水素の引火温度よりも高いことは周知である。これは、それぞれの炭化水素もしくは炭化水素混合物の臨界温度（気体を液体状態に強制できる最高温度）および臨界圧力（臨界温度において、液体を形成するために必要とされる最低圧力）の相違に起因する。例えば、本発明は、ナフサ（比重＝０．６５〜０．７９）、ブタン（比重＝０．５８４）、もしくはより軽い軽炭化水素を燃料とするガスタービンエンジンには有効に用いられるが、ディーゼル燃料やジェット燃料（比重＝０．８０〜０．８５）を燃料とする場合には、特に必要とはされない。
【００１８】
いずれにしても、軽炭化水素の引火点温度は、典型的に、重炭化水素よりもかなり低く、このため軽炭化水素は、標準的ガスタービンエンジンへの使用には適していない。しかしながら、本発明の冷却装置および方法を用いることにより、引火点温度が低いことから生じる諸問題、即ち、相変化や早期燃焼は回避され、比較的安価で豊富な軽炭化水素を使用することが可能となる。もちろん、ある特定のガスタービンエンジンを用いた場合の関連運転条件下で、与えられた燃料を冷却する必要があるか否かは、その燃料の臨界温度および臨界圧力の数値を求めて決定するが、これは当業者であれば、理解できることである。
【００１９】
本発明の利点は、既存のガスタービンエンジンに用いることができるということであり、その際、タービンそれ自体もしくは燃料貯蔵器に費用のかかる改変を加える必要がないということである。実際、本システムは、タービンと燃料貯蔵器を結ぶ既存の燃料ラインに、簡単に挿入することができる。従って、本発明は、特に、既存のガスタービンエンジンへの使用に適しており、とりわけ、基地に戻して設置するというよりは、むしろ現場において設置するような場合に適している。
【００２０】
本発明の特徴および実施例のいくつかは、ここに詳細に記述されたが、本発明は、その範囲と精神を逸脱することなく、あらゆる変更、拡張を包含する。また、ポンプ、バルブ、センサのような標準的装置の説明は、記述の明瞭性を確保するため、省略されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の流れ図を示す。
【図１】
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