(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸発した液化ガスを燃料として用いるガスタービンエンジンであって、吸気を吸気ポートから吸い込み、排気ガスを排気ポートに導くように構成されるガスタービンエンジンと、
伝熱流体をその中に有する熱交換器であって、液化ガスを加熱することによって燃料の少なくとも一部を作り出すように構成される熱交換器と、
吸気温度制御回路であって、伝熱流体を吸気ポートおよび排気ポートに導くように構成される導管を含む吸気温度制御回路と、
伝熱流体を吸気ポートおよび排気ポートのいずれかに選択的に導くように構成される制御システムと、
を含むガスタービンエンジンシステム。
【請求項２】
導管が、
熱交換器を吸気ポートと流体連結する第１導管と、
熱交換器を排気ポートと流体連結する第２導管と、
排気ポートを吸気ポートと流体連結する第３導管と、
を含む、請求項１に記載のガスタービンエンジンシステム。
【請求項３】
吸気温度が限界温度より高い場合には、制御システムが、伝熱流体を第１導管に導くように構成される、請求項２に記載のガスタービンエンジンシステム。
【請求項４】
吸気温度が限界温度より低い場合には、制御システムが、伝熱流体を第２導管に導くように構成される、請求項３に記載のガスタービンエンジンシステム。
【請求項５】
吸気温度が限界温度より低い場合には、伝熱流体が、さらに、第３導管を通って吸気ポートに導かれる、請求項４に記載のガスタービンエンジンシステム。
【請求項６】
吸気を圧縮し、燃料と混合して燃料−空気混合物を作り出すステップと、
燃料−空気混合物をエンジン内で燃焼して所望の出力を発生させるステップであって、この場合、混合物の燃焼によってＮＯｘを含む排気ガスも生成されるステップと、
吸い込まれる空気の限界温度を決定するステップであって、この限界温度は、所望の出力においてＮＯｘが所望レベル未満にある吸気温度であるステップと、
吸気温度を限界温度と比較するステップと、
吸気温度が限界温度より低ければ、吸気をほぼ限界温度に加熱するステップと、
吸気温度が限界温度より高ければ、吸気をほぼ限界温度に冷却するステップと、
を含むガスタービンエンジンの運転方法。
【請求項７】
伝熱流体から熱をＬＮＧに伝達することによって、ＬＮＧを蒸発させて燃料を作り出すステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
１つまたは複数の熱発生機器から熱を伝熱流体に伝達するステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
伝熱流体を、比較に応答して、熱交換器から、吸気が通過する吸気ダクトおよび排気が通過する排気ダクトの少なくともいずれかに導くステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
伝熱流体を導くステップが、吸気温度が限界温度より高い場合には伝熱流体を吸気ダクトに導き、吸気温度が限界温度より低い場合には伝熱流体を排気ダクトに導くステップを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
エンジンを備えた液化燃料運搬装置の運転方法であって、
運搬装置上の１つまたは複数の熱発生機器から熱を伝熱流体に伝達するステップと、
伝熱流体から熱を液化燃料に伝達し、液化燃料を蒸発させて燃料ガスを生成するステップと、
燃料ガスおよび吸気の混合物をエンジン内で燃焼するステップと、
伝熱流体と吸気との間で熱を伝達することによって吸気温度を調節するステップと、
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般にエンジンシステムに関し、詳細には吸気温度制御システムを備えたエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンは燃料の燃焼によってエネルギーを発生させる。ガスタービンエンジンは、燃料および空気の混合物の燃焼によってエネルギーを発生させるタイプのエンジンである。ガスタービンエンジンに用いられる気体燃料は天然ガスである。天然ガスは、低温室を備えたタンカーによって生産地点から消費地点に輸送することができる。このようなタンカーをＬＮＧ運搬船と呼称することができる。液化天然ガス（「ＬＮＧ」）は、気体状態の天然ガス容積のごく一部分（約１／６００）を取るだけであるので、天然ガスは、ＬＮＧ運搬船において液化状態で輸送される。ＬＮＧは、天然ガスをその沸点（大気圧において約−２５９°Ｆ）未満に冷却することによって生成することができる。ＬＮＧは、ＬＮＧ運搬船において、低温室内に、大気圧またはそれより僅かに高い圧力で貯留することができる。ＬＮＧは、その温度を高めることによって気体形態に戻すことができる。ＬＮＧ運搬船は、気温が大きく変動する地域間にＬＮＧを輸送する。例えば、アルジェリア、ボルネオまたはインドネシアのような地点で生産される天然ガスを液化して、ＬＮＧ運搬船で欧州、日本または米国に輸送することができる。航海の過程において、貨物として運搬されるＬＮＧは、加熱され、１日当たり貨物容積の約０．１２％〜０．１５％の平均速度で蒸発する。ＬＮＧ貨物のこの蒸発部分をＢＯＧ（ボイルオフガス）と呼称する。本開示においては、液化燃料は一般的にＬＮＧを指すものとする。
【０００３】
ＬＮＧ運搬船は、従来、蒸気タービンおよびディーゼルエンジンにより推進されてきた。これらの推進システムは、運搬船の推進動力の発生に資するのにＢＯＧを用いる。例えば、蒸気タービン推進システムは、必要な蒸気発生用として水を沸騰させるのにＢＯＧを使用し、デュアル燃料のディーゼルエンジンは、エンジン用の燃料として、ディーゼル燃料に加えてＢＯＧを使用する。蒸気タービンおよびディーゼルエンジンは、相対的に重く、容積も嵩張るので、運搬船によって輸送し得るＬＮＧ量を低減させることがある。ガスタービンエンジン（ＧＴＥ）は、ディーゼルエンジンおよび蒸気タービンよりも小型であり、遥かに高い動力対重量比を呈するので、ＧＴＥもＬＮＧ運搬船の推進用として用いられてきた。このＧＴＥは、ＧＴＥ運転に必要な燃料の一部としてＢＯＧを用いる。
【０００４】
ＧＴＥにおいては、圧縮空気および燃料の混合物が燃焼器内で点火されて、高圧高温の燃焼ガスを生成する。得られる高温ガスがタービンブレード上に導かれてタービンを回転させ、それによって機械的動力を発生させる。この機械的動力は、ＬＮＧ運搬船の他のシステムの運転に用いることができる。例えば、この機械的動力を、直接、運搬船のプロペラ回転用として使用できるし、あるいは、電力発生用として用いることができ、続いてこの電力によって、プロペラに連結される電気モータを駆動する。燃焼ガスには、ＬＮＧ運搬船が運航される国々の政府によって規制されるいくつもの構成成分が含まれており、これらの成分の１つがＮＯｘである。ＮＯｘは、燃焼ガス中に存在する窒素および酸素が高い燃焼温度に曝露される時に生成する。ガスタービンからのＮＯｘ排出量はディーゼルエンジンの場合よりも低い可能性がある。ガスタービンのＮＯｘ排出量および出力は吸気温度の関数として変化する。大気温度が高くなると、空気密度が低下し、従ってＧＴＥの出力が低下する。空気密度の低下と共に、ＧＴＥからのＮＯｘ排出量も、出力を維持するのに燃料の追加が必要になる可能性が生じるまで低下する。その可能性が生じる点においてＮＯｘ排出量は増大に転じる。従って、出力発生を増大させながらＮＯｘ排出量を許容制限範囲内に維持するために、ＧＴＥが吸い込む空気の温度を制御することができる。ガスタービンの熱効率は、規定された負荷においては吸気温度によって変化する。上記と同様に、吸い込まれる空気の温度を、所与の負荷におけるガスタービンの熱効率を最適化するためにも制御することができる。規制される可能性がある燃焼ガスのもう１つの成分はＣＯ２である。所与の負荷および所与の燃料に対して、ＣＯ２の排出量はガスタービンの熱効率のみによって定まる。従って、ガスタービンの効率を最適化することによって、所与の仕事における燃料消費量の低下とＣＯ２の低減とが可能になる。
【０００５】
バウガー（Ｂａｕｇｅｒ）らに付与された（特許文献１）は、液化可燃ガスの貨物の運搬船の推進用のガスタービンエンジンを開示している。（特許文献１）のガスタービン駆動には、従来型の燃料と蒸発した可燃ガスとが組み合わせて用いられる。従来型燃料は船の従来型燃料タンクから燃焼チャンバに導かれ、一方、蒸発可燃ガスは船の貨物タンクから燃焼チャンバに導かれる。（特許文献１）は、蒸発燃料を部分的に運転に使用する液化燃料運搬船用途のＧＴＥを開示しているが、（特許文献１）においては、吸い込まれる空気の温度制御による、ＧＴＥの出力発生とＮＯｘ排出量との調節は行われない。
【０００６】
【特許文献１】米国特許第３，３８７，４６２号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の１つの態様において、ガスタービンエンジンシステムが、蒸発した液化ガスを燃料として使用するガスタービンエンジンを含む。このガスタービンエンジンは、吸気を吸気ポートから吸い込み、排気ガスを排気ポートに導くように構成される。ガスタービンエンジンシステムは、また、伝熱流体をその中に有する熱交換器を含む。この熱交換器は、液化ガスを加熱して燃料の少なくとも一部を作り出すように構成される。ガスタービンエンジンシステムは、さらに、吸気温度制御回路を含む。この吸気温度制御回路は、伝熱流体を吸気ポートおよび排気ポートに導くように構成される導管を含む。ガスタービンエンジンシステムは、さらにまた、伝熱流体を吸気ポートおよび排気ポートのいずれかに選択的に導くように構成される制御システムを含む。
【０００８】
別の態様において、ガスタービンエンジンの運転方法が開示される。この方法は、吸気を圧縮し、燃料と混合して燃料−空気混合物を作り出すステップと、この燃料−空気混合物をエンジン内で燃焼して所望の出力を発生させるステップとを含む。混合物の燃焼によってＮＯｘを含む排気ガスも生成する。この方法は、また、吸い込まれる空気の限界温度を決定するステップを含む。この限界温度は、所望の出力においてＮＯｘが所望レベル未満にある吸気温度である。この方法は、さらに、吸気温度をこの限界温度と比較するステップと、吸気温度が限界温度より低ければ、吸気をほぼ限界温度に加熱するステップと、吸気温度が限界温度より高ければ、吸気をほぼ限界温度に冷却するステップとを含む。
【０００９】
さらに別の態様において、エンジンを備えた液化燃料運搬装置の運転方法が開示される。この方法は、運搬装置上の１つまたは複数の熱発生機器から熱を伝熱流体に伝達するステップと、その伝熱流体から熱を液化燃料に伝達し、液化燃料を蒸発させて燃料ガスを生成するステップとを含む。この方法は、また、燃料ガスおよび吸気の混合物をエンジン内で燃焼するステップを含む。この方法は、さらに、伝熱流体と吸気との間で熱を伝達することによって吸気温度を調節するステップを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、ＬＮＧを貯留し得る貨物タンク５０を有する例示的なＬＮＧ運搬船１００を示す。貨物タンク５０は、ＬＮＧに加えて、ＬＮＧを液化状態に安全に保持する種々のシステムおよび装置も含むことができる。ＬＮＧ運搬船１００は、また、運航動力を供給する推進システム２０を含むことができる。推進システム２０は、１つまたは複数のプロペラ９０を直接的または間接的に駆動して船を水を介して推進させることができる。ＬＮＧ運搬船１００は、冷凍ユニット６０、オイル冷却器８０等のような、ＬＮＧ運搬船１００の運転を支援し得る他のシステムを含むことができる。ＬＮＧ運搬船１００は、また、ディーゼルエンジンおよび／または蒸気タービン７０のような２次動力発生機器を含むことができる。これらの動力発生機器は、ＬＮＧ運搬船１００のいくつかのシステムの運転に必要な動力を発生させることができる。推進システム２０は、燃料１４を燃焼して動力を発生させる１つまたは複数のＧＴＥ１０を含むことができる。ＧＴＥ１０が発生させる動力は、ＧＴＥ１０の軸１２を回転することができる。いくつかの実施形態においては、軸１２をプロペラ９０に機械的に連結してプロペラ９０を回転することができる。他の実施形態においては、軸１２は、発電機（図示なし）を運転して電力を発生させることができる。この電力は、プロペラ９０に連結される電気モータの駆動に用いることができる。推進システム２０は、当該技術分野で知られる任意のタイプのガスタービンエンジンを含むことができる。ＧＴＥ１０を、ＬＮＧ運搬船１００の推進用動力を発生させるものとして記述しているが、ＧＴＥ１０は、ＬＮＧ運搬船１００の他のシステムの運転に必要な動力も発生させ得ることを理解されたい。
【００１１】
図２は、推進システム２０に用いることができる例示的なＧＴＥ１０を示す。ＧＴＥ１０は、他にもあるが特に、コンプレッサシステム１５と、燃焼器システム２５と、タービンシステム５５と、排気システム７５とを含むことができる。コンプレッサシステム１５は、空気（吸気１６）を高圧に圧縮して、その空気を燃焼器システム２５に導くことができる。燃焼器システム２５は、気体燃料１４を圧縮空気と混合し、燃料−空気混合物を燃焼して、タービンシステム５５に導くことができる高圧高速のガスを生成することができる。タービンシステム５５は、燃焼器システム２５から流入する高圧高速ガスからエネルギーを引き抜いて、排気を排気システム７５に導くことができる。この排気ガスは、ＮＯｘのような規制汚染物質を含む場合がある。排気システム７５は、これらの汚染物質の幾分かを排気ガスから除去して、そのガスを大気に放出することができる。
【００１２】
大気空気は、フィルタまたは他のパティキュレート捕集装置（図示なし）を通してコンプレッサシステム１５に導かれ、吸気１６を形成することができる。コンプレッサシステム１５は、空気の圧縮能力を有する任意の装置を含むことができる。いくつかの実施形態においては、これは、連続する圧縮空気流れを生成する軸流コンプレッサを含むことができる。軸流コンプレッサは、協同して吸気１６を高圧に圧縮する回転翼および固定翼を含むことができる。吸気１６がコンプレッサシステム１５を通って流れる時に、回転翼は、通過する空気にエネルギーを分与し、固定翼は、増大したエネルギーを静圧に転換して圧縮空気を形成することができる。この圧縮空気を、燃焼器システム２５の燃焼器２２の中に、それに連結された複数の燃料噴射器１８を通して導くことができる。圧縮空気が燃料噴射器１８を通って流れる時に、燃料１４がその圧縮空気と混合され、燃料−空気混合物を形成することができる。
【００１３】
燃料１４は、貨物タンク５０から蒸発したＬＮＧを含むことができる。この蒸発燃料は、大気の熱によってタンク５０内で蒸発するＬＮＧ（すなわちＢＯＧ）の一部を含むことができる。ＢＯＧの量がＧＴＥ１０の運転に十分でない可能性がある場合は、燃料１４は、タンク５０から意図的に蒸発させるＬＮＧの一部も含むことができる。意図的に蒸発させるこの燃料部分をＦＯＧ（強制オフガス：Ｆｏｒｃｅｄ  ｏｆｆ  Ｇａｓ）と呼称することにする。図３は、ＧＴＥ１０への燃料１４の供給に用いることができる燃料供給システムの概略図を示す。ＧＴＥ１０に供給される燃料１４は、ＢＯＧ１４ａおよびＦＯＧ１４ｂを含むことができる。いくつかの実施形態においては、あるいは、ＢＯＧ１４ａがＧＴＥ１０の燃料要求量を満たす場合には、燃料１４はＦＯＧ１４ｂを含まなくてもよい。導管が、タンク５０内で形成されるＢＯＧ１４ａをＧＴＥ１０に供給することができる。これらの導管は、タンク５０内で形成される可能性がある過剰のＢＯＧ１４ａを貯留するための容器もしくは他の捕集装置を含むことができる。タンク５０内のＬＮＧ２４の一部を熱交換器２６内で加熱して、ＦＯＧ１４ｂを形成することができる。熱交換器２６は、グリコールのような伝熱流体２８を保有する流体浴を含むことができる。熱交換器２６内の流体２８は、流体２８を廃熱除去回路３０内に循環させることによって加熱することができる。タンク５０から取り出されるＬＮＧ２４の一部を搬送する導管は熱交換器２６の中を通ることができる。ＬＮＧ２４が熱交換器２６を通過する時に、熱交換器２６内の高温流体２８が、低温のＬＮＧ２４に熱を伝達して、それによってＬＮＧ２４を蒸発させ、ＦＯＧ１４ｂを形成することができる。このＦＯＧ１４ｂをＧＴＥ１０に導くことができる。図３には、燃料供給システムの運転の説明に必要な構成要素のみが表現されていることを強調しなければならない。燃料供給回路は、燃料供給システムの性能を高めるように構成される他の構成要素、例えば弁、アクチュエータ等を含み得ることを理解されたい。例えば、燃料供給システムは、ＦＯＧ１４ｂ形成用として熱交換器２６に供給されるＬＮＧ２４の量を制御するいくつかの制御弁を含むことができる。これらの弁は、ＧＴＥ１０の制御システム６２によって制御することができる。燃料供給システムは、また、未蒸発のＬＮＧ２４を熱交換器２６経由で再循環するか、あるいは残留ＬＮＧ２４をタンク５０または別の容器に戻すための付加的な導管も含むことができる。
【００１４】
廃熱除去回路３０は、流体２８を、ＬＮＧ運搬船１００の熱を放出する構成要素およびシステムを通して循環することができる。流体２８は、この放散された熱の一部を吸収することによって加熱され、加熱された状態で熱交換器２６に戻ることができる。熱交換器２６内の加熱された流体２８は、熱の一部を、熱交換器２６を通って循環するＬＮＧ２４に伝達して、それ自体は冷却されることができる。冷却された流体２８は、再度、廃熱除去回路３０を通して循環され、熱放散要素から放出される熱を吸収することができる。このため、伝熱流体２８は、ＬＮＧ運搬船１００の熱発生構成要素から放散される熱をＬＮＧ２４に熱移動させることによって、ＬＮＧ２４を加熱し、ＦＯＧ１４ｂを形成することができる。
【００１５】
廃熱除去回路３０は、流体２８を、ＬＮＧ運搬船１００の任意の熱発生構成要素を通して循環させることができる。図３に示す実施形態においては、これらの構成要素は、発電機３４ａ、３４ｂおよび３４ｃ、蒸気タービン７０のコンデンサ３８ａ、およびオイル冷却器８０のラジエータ３８ｂを含む。油圧ポンプ３２ａのような１つまたは複数のポンプが、流体２８の流れを、廃熱除去回路３０を通して導くことができる。第１制御弁３６および第２制御弁４２のような制御弁が、熱発生構成要素を通る流体２８の流れを制御することができる。制御システム６２がポンプおよび弁の運転を制御することができる。例えば、第１制御弁３６は、回路における流体２８を、部分温度のようななんらかの選択基準に応じてコンデンサ３８ａまたはラジエータ３８ｂに選択的に導くことができ、第２制御弁４２は、選択基準に基づいて、発電機３４ａ、３４ｂおよび３４ｃを通る流体２８の流量を制御することができる。図３に示した制御弁の配置は単に例示的なものであり、廃熱除去回路３０は任意の弁配置を有し得ることを理解されたい。
【００１６】
燃料噴射器１８に供給される燃料１４は、圧縮空気と混合して燃料−空気混合物を形成し、燃焼するために燃焼器２２に進入することができる。圧縮空気と混合し得る燃料１４の量は、燃料噴射器１８を通る圧縮空気の質量流量に応じて変化することができる。圧縮空気の質量流量は、単位時間に燃料噴射器を通って流れる圧縮空気の質量である。質量流量は、ｍ＝ρ×Ｖ×Ａとして数学的に表現することができる。ここで、Ｖは空気の速度であり、Ａは燃料噴射器１８を通る空気流れの有効断面積であり、ρは空気の密度である。燃料噴射器１８を通る空気の質量流量は空気密度と共に増大する。空気の質量流量が高ければ高い程、燃焼器２２への燃料−空気混合物の質量流量も高くなるであろう。燃焼器２２における燃料−空気混合物の質量流量が高ければ、その結果として、燃料−空気混合物の燃焼によって生成する燃焼ガスの質量が増大し、得られるＧＴＥ１０の出力が増大する。
【００１７】
ＧＴＥ１０への空気の流れおよびＧＴＥ１０の効率は、エンジンの負荷と、吸気１６の温度とによって変化する。ＧＴＥ１０の出力は、吸気１６の温度の上昇によって低下する。所与のエンジン負荷（すなわち一定出力）に対して、ＮＯｘ排出量、ＣＯ２排出量、およびエンジン効率は、吸気１６の温度への依存性を示す。ＮＯｘは（燃焼ガス中に存在する）窒素および酸素間の高温の反応によって形成されるので、吸気１６の温度が低下すると、燃焼ガス中のＮＯｘ含有量も増大する。
【００１８】
航海の間、ＬＮＧ運搬船１００は、気温すなわち大気温度が大きく変動する世界の異なる地域を広く航行するので、吸気１６の密度が日ごとに変化することになる。ＬＮＧ運搬船１００が寒冷地域を航行する時には、ＧＴＥ１０が発生する出力と、排出されるＮＯｘとは、ＬＮＧ運搬船１００が世界の暖熱地域を航行する時のものより高くなるであろう。吸気１６の温度を制御することによって、ＮＯｘ排出量およびＧＴＥ１０の発生出力の両者を最適化することができる。例えば、ＬＮＧ運搬船１００が、（ＬＮＧ運搬船の荒海航行時のように）必要出力が高くかつＮＯｘ排出基準がそれほど厳格でない地点にある時は、吸気１６の温度を下げてＧＴＥ１０の発生出力を増大させることができる。同様に、ＬＮＧ運搬船１００が、ＮＯｘ排出基準が厳しくかつＧＴＥ１０の必要出力が低い地域（例えば港湾施設内）にある場合には、吸気１６の温度を高めて、出力は無視してＮＯｘ排出量を低減することができる。ＬＮＧ運搬船１００が、所望出力が比較的一様な海域を巡航している場合は、ＮＯｘ排出量を所望出力に対する最小生成率に維持するように、吸気１６の温度を制御することができる。
【００１９】
図４は、ＧＴＥ１０が吸い込む空気の温度制御に用いることができる例示的な吸気温度制御回路４０（ＩＴＣＣ４０）を示す。ＩＴＣＣ４０は、熱交換器２６からの流体２８を、ＧＴＥ１０の排気ポート４２および吸気ポート４４の間に循環させることができる。排気ポート４２においては、熱伝達は、ＧＴＥ１０からの排気ガスと流体２８との間に生起し、吸気ポート４４においては、熱伝達は、吸気１６と流体２８との間に生起することができる。熱交換器２６からの流体２８は、ポンプ３２ｂによって、第１チェック弁５４ａを通して制御弁４６に送り込まれる。制御弁４６は、ポンプ３２ｂからの流体２８の流れを、制御システム６２からの信号に基づいてＧＴＥ１０の吸気ポート４４または排気ポート４２に導くことができる。吸気１６の加熱が望ましい場合は、制御システム６２は、流体２８を導管５６ｂ経由で排気ポート４２に導くように、制御弁４６を作動させることができる。制御弁４６が流れを導管５６ｂに導くように作動している時は、制御弁４８を閉位置に作動させ、制御弁５２を開位置に作動させることができる。流体２８が排気ポート４２を通過する時に、流体２８は排気ガスの熱によって加熱される。流体２８は、排気ポート４２から、続いて、導管４３を通って吸気ポート４４に進入することができる。流体２８が吸気ポート４４を通過する時に、高温になった流体２８が、吸気ポート４４を通過する冷たい吸気１６に熱を伝達して、吸気１６を加熱することができる。流体２８は、吸気ポート４４から流出後、開いている制御弁５２および導管５８ｂを通って熱交換器２６に戻ることができる。チェック弁５４ｂが、排気ポート４２および吸気ポート４４を通る流体２８の流量を制御し、それによって吸気１６の加熱温度を制御することができる。
【００２０】
吸気１６の冷却が望ましい場合は、制御システム６２は、導管６４内の流体２８の流れを導管５６ａ経由で吸気ポート４４に導くように、制御弁４６を作動させることができる。制御弁４６が流れを導管５６ａに導くように作動している時は、制御弁４８を開位置に作動させ、制御弁５２を閉位置に作動させることができる。流体２８が吸気ポート４４を通って流れる時に、（ＦＯＧ１４ｂ生成のためにＬＮＧ２４との熱伝達によって）低温になった流体２８が吸気１６を冷却することができる。流体２８は、続いて、導管４３を通って排気ポート４２に進入し、制御弁４８および導管５８ａを通って熱交換器２６に戻ることができる。導管５６ａ上のチェック弁５４ｃが、吸気ポート４４を通る流体２８の流量を制御することによって吸気１６の冷却温度を制御することができる。図４に示す油圧装置（ポンプ、制御弁およびチェック弁）の配置は単に例示的なものである。吸気１６の冷却が望ましい場合には吸気１６から流体２８に熱を伝達し、吸気１６の加熱が望ましい場合には排気ガスから吸気１６に熱を伝達するために、これらまたは他の装置を回路の任意の位置に配置し得ることを理解されたい。
【００２１】
いくつかの実施形態においては、廃熱除去回路３０（図３に示す）をＩＴＣＣ４０と組み合わせることができる。このような実施形態においては、両システムのいくつかの装置を結合することができる。例えば、ポンプ３２ａおよび３２ｂは１つのポンプに置き換えることができる。制御システム６２は、廃熱除去回路３０と、吸気１６を所望に応じて加熱／冷却するＩＴＣＣ４０とにおける流体２８の流れを制御することができる。図３および４には表示していないが、センサおよび他の監視装置が制御システム６２へのフィードバックを提供し得ることも理解される。例えば、センサが、ＧＴＥ１０に対するより高い出力発生の要求を指示することができ、それに応答して、制御システム６２がシステムにおける流体２８の流れを制御することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
以上に開示した吸気温度制御システムを備えたエンジンは、吸気温度制御によって性能を高めることができる任意のエンジンに適用することができる。液化燃料運搬装置のような即時利用可能な低温の液化燃料源を有するガスタービンエンジン用途に特に関連付けて説明したが、本開示のエンジンシステムは任意の用途に使用することができる。ガスタービンエンジンを、ＮＯｘ排出基準がそれほど厳格でない地域で運転する場合は、ＮＯｘ排出量は増加するが出力発生を高めるために、ＧＴＥへの吸気温度を低下させることができる。ＮＯｘ排出基準が厳しい可能性がある地域でガスタービンエンジンを運転する場合は、出力は犠牲にしてもＮＯｘ排出量を低減するために、吸気温度を高めることができる。吸気温度を変化させてＮＯｘ排出量と出力発生との間の調整を可能にすることによって、ＧＴＥからのＮＯｘ排出量を、所望の出力に対する最小生成率に維持することができる。ここで、ＬＮＧ運搬船用のガスタービンエンジンシステムの運転について説明する。
【００２３】
ＧＴＥ１０システムを備えたＬＮＧ運搬船１００は、外洋を航行して２地点間にＬＮＧ２４を輸送することができる。航海中、タンク５０内のＬＮＧ２４の一部が（大気熱によって）自然蒸発してＢＯＧ１４ａを形成することがある。このＢＯＧ１４ａは、燃料１４の一部を構成し、燃焼用としてＧＴＥ１０に導くことができる。また、ＬＮＧ２４を熱交換器２６経由で循環させることによって、タンク５０のＬＮＧ２４の一部を強制的に蒸発させ、ＦＯＧ１４ｂとすることも可能である。熱交換器２６において、ＬＮＧ２４は、その中を循環する流体２８との熱伝達の結果、加熱されて蒸発しＦＯＧ１４ｂを形成する。ＢＯＧ１４ａおよびＦＯＧ１４ｂは、ＧＴＥ１０用の燃料１４を構成することができ、燃焼用としてＧＴＥ１０に導かれる。航海の期間中、ＬＮＧ運搬船１００の出力要求は相対的に一定である可能性がある（例えば約Ａメガワット）。同じ期間中に、ＬＮＧ運搬船１００は大気温度が大きく変動するいくつもの地域を通り抜ける場合がある。大気温度が変化すると、ＧＴＥ１０に導かれる吸気１６の温度が変化することになり、それによって、ＧＴＥ１０の出力およびＮＯｘ排出量の変化が惹起される可能性がある。制御システム６２は、ＧＴＥ１０の吸気１６の温度と、ＮＯｘ排出量と、出力との間の関係に関するデータを含むことができる。この関係に基づいて、制御システム６２は、吸気１６の温度を変化させ、許容可能なＮＯｘ排出量レベルにおいて所望の出力を達成することができる。
【００２４】
図５は、Ａメガワットの固定出力に対する、ＧＴＥ１０のＮＯｘ排出量と吸気温度との間の関係を示す。図５に見られるように、Ａメガワットの出力に対して、ＧＴＥ１０からのＮＯｘ排出量は約ＴＡ°Ｆの吸気１６の温度で運転する場合に最小とすることができる。大気温度がＴＡ°Ｆ未満に低下すると、空気密度が高くなり、ＧＴＥ１０からのＮＯｘ排出量が増大する。大気温度がＴＡ°Ｆを超えて高くなると、空気密度が低下し、Ａメガワットの出力を維持するために追加の燃料が必要になる可能性がある。燃料供給の増加の結果、ＮＯｘ排出量が増大する可能性がある。
【００２５】
図６は、許容可能なＮＯｘ排出量レベルにおいて所望の出力を維持するための吸気温度制御を表現するフローチャートである。制御システム６２への入力（センサまたは他の入力）は、吸気温度（ＴＩＮＴＡＫＥ）とＧＴＥ１０の所望出力とを含むことができる。制御システム６２は、続いて、ＮＯｘ排出量を許容限界値の範囲内に維持しながら所望の出力を発生させ得る吸気１６の限界温度（ＴＴＨＲＥＳ）を決定することができる（ステップ１１０）。いくつかの実施形態においては、この限界温度ＴＴＨＲＥＳを、ＧＴＥ１０によるＮＯｘ排出量が所望の出力に対して最小になる吸気温度（すなわち図５のＴＡ）とすることができる。制御システム６２はＴＩＮＴＡＫＥをＴＴＨＲＥＳと比較することができる。ＴＩＮＴＡＫＥがＴＴＨＲＥＳより低ければ（ステップ１２０）、制御システム６２は、熱交換器２６内の流体２８を、排気ポート４２を通して吸気ポート４４に導くことができる（ステップ１３０）。制御システム６２は、排気ポート４２および吸気ポート４４を通る流体２８の流量を、吸気１６がほぼＴＴＨＲＥＳの温度に加熱されるように制御することができる（ステップ１４０）。
【００２６】
しかし、ＴＩＮＴＡＫＥがＴＴＨＲＥＳより高い場合（ステップ１５０）は、制御システム６２は、熱交換器２６内の流体２８を吸気ポート４４に導くことができ（ステップ１６０）、吸気１６から熱を流体２８に伝達することができる。制御システム６２は、吸気ポート４４を通る流体２８の流量を、吸気１６がほぼＴＴＨＲＥＳの温度に冷却されるように制御することができる（ステップ１７０）。吸気１６の温度がＴＴＨＲＥＳに達すると、制御システム６２は、出力要求が変化して吸気温度を新しい限界温度に変化させる必要が生じるまで、ＧＴＥ１０の運転をこの状態に維持することができる。
【００２７】
以上に開示した吸気温度制御システムを備えたエンジンはＬＮＧ運搬船用のガスタービンエンジンとして記述されているが、本開示のエンジンの実施形態は任意の用途に使用し得ることを強調しなければならない。例えば、本開示の実施形態を、ＬＮＧ運搬トラックの往復動エンジンに用いることができる。本開示の吸気温度制御システムを備えたエンジンの他の実施形態は発電プラント用途に用いることができる。これらの各用途において、エンジンへの吸気の温度を、出力と、燃料効率と、ＮＯｘおよびＣＯ２排出量とを最適化するように能動的に制御することができる。例えば、発電プラント用途においては、暑い日には出力を高めるために吸気温度を冷却することができ、ＮＯｘおよびＣＯ２排出量を低下させる必要がある日には、吸気温度を高めることができる。
【００２８】
以上に開示した吸気温度制御システムを備えたエンジンについては、種々の修正および変更を加えることが可能であることは当業者には明らかであろう。他の実施形態は、本明細書および開示されたエンジンシステムの実施を検討することによって、当業者には明らかになるであろう。本明細書および実施例は例示としてのみ考慮されるべきであり、真の範囲は特許請求の範囲およびその等価物によって示されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】例示的な液化天然ガス（ＬＮＧ）運搬船の概略図である。
【図２】図１のＬＮＧ運搬船に用いられる例示的なガスタービンエンジン（ＧＴＥ）の概略図である。
【図３】図２のＧＴＥの燃料供給システムの概略図である。
【図４】図２のＧＴＥの例示的な吸気温度制御回路の概略図である。
【図５】図２のＧＴＥの固定出力に対するＮＯｘ排出量および吸気温度間の関係の図解図である。
【図６】図２のＧＴＥの吸気温度制御を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３０】
１０  ＧＴＥ
１２  軸
１４  燃料
１４ａ  ＢＯＧ
１４ｂ  ＦＯＧ
１５  コンプレッサシステム
１６  吸気
１８  燃料噴射器
２０  推進システム
２２  燃焼器
２４  ＬＮＧ
２５  燃焼器システム
２６  熱交換器
２８  流体
３０  廃熱除去回路
３２ａ  ポンプ
３２ｂ  ポンプ
３４ａ  発電機
３４ｂ  発電機
３４ｃ  発電機
３６  第１制御弁
３８ａ  コンデンサ
３８ｂ  ラジエータ
４０  吸気温度制御回路（ＩＴＣＣ）
４２  第２制御弁
４２  排気ポート
４３  導管
４４  吸気ポート
４６  制御弁
４８  制御弁
５０  貨物タンク
５０  タンク
５２  制御弁
５４ａ  第１チェック弁
５４ｂ  チェック弁
５４ｃ  チェック弁
５５  タービンシステム
５６ａ  導管
５６ｂ  導管
５８ａ  導管
５８ｂ  導管
６０  冷凍ユニット
６２  制御システム
６４  導管
７０  蒸気タービン
７５  排気システム
８０  オイル冷却器
９０  プロペラ
１００  ＬＮＧ運搬船
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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