(57)【要約】【課題】ガスタービン組立体（１１０）に希釈剤を注入する方法が提供される。【解決手段】本方法は、空気流を第１の圧縮機（５２２）に送って加圧する段階と、希釈剤を希釈圧縮機（５２０）に注入して加圧する段階と、加圧希釈剤を第１の圧縮機から吐出された加圧空気流に送り、加圧空気流の酸素含有量を希釈する段階とを含む。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン組立体（１１０）に希釈剤を注入する方法であって、
空気流を第１の圧縮機（５２２）に送って加圧する段階と、
希釈剤を希釈圧縮機（５２０）に注入して加圧する段階と、
前記加圧希釈剤を前記第１の圧縮機から吐出された加圧空気流に送り、前記加圧空気流の酸素含有量を希釈する段階と、
を含む方法。
【請求項２】
前記希釈された加圧空気流及び燃料源を燃焼器（５００）に供給して燃焼する段階を更に含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記燃焼器（５００）からガスタービン（１１４）に燃焼ガスを吐出する段階を更に含む、
請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記希釈された加圧空気流を供給する段階が、少なくとも約９５モルパーセント窒素を含む空気流を前記燃焼器（５００）に供給する段階を更に含む、
請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記希釈された加圧空気流を供給する段階が、酸素及びアルゴンの少なくとも１つを含む空気流を前記燃焼器（５００）に供給する段階を更に含む、
請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記希釈された加圧空気流を供給する段階が、２１モルパーセント未満の酸素を含む空気流を前記燃焼器（５００）に供給する段階を更に含む、
請求項２に記載の方法。
【請求項７】
前記希釈された加圧空気流を供給する段階が、約１０モルパーセントから約１５モルパーセントの酸素を含む空気流を前記燃焼器（５００）に供給する段階を更に含む、
請求項２に記載の方法。
【請求項８】
ガスタービン組立体（１１０）に希釈剤を注入する方法であって、
希釈剤を空気流に注入して、前記空気流の酸素含有量の希釈を可能にする段階と、
前記希釈空気流を第１の圧縮機（５２０）に送って前記希釈空気流を加圧する段階と、
を含む方法。
【請求項９】
前記第１の圧縮機（５２０）から前記希釈された加圧空気流を燃焼器（５００）に向けて吐出する段階と、
前記希釈された加圧空気流及び燃料源を混合して燃焼する段階と、
を更に含む、
請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記燃焼器（５００）から燃焼ガスをガスタービン（１１４）に吐出する段階を更に含む、
請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の分野は、一般に、統合型ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）発電プラントで使用されるようなガス化システムに関し、より詳細には、ＩＧＣＣ発電プラントで使用されるガスタービン組立体に希釈剤を注入する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ほとんどの公知のＩＧＣＣプラントは、少なくとも１つの発電用タービン組立体と統合されたガス化システムを含む。例えば、少なくとも一部のガス化システムは、燃料、空気、酸素、蒸気、及び／又は二酸化炭素の混合気を合成ガスすなわち「シンガス」に転化する。シンガスはガスタービンエンジンの燃焼器に送られて、発電機に動力を供給し、発電機は送電網に電力を供給する。少なくとも一部の公知のガスタービンエンジンからの排気は、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）に供給され、蒸気タービンを駆動する蒸気を発生する。蒸気タービンにより発生した動力はまた発電機を駆動し、送電網に電力を提供する。
【０００３】
多くのＩＧＣＣプラントでは、空気分離プラントからの廃棄気体窒素のような希釈剤が、窒素酸化物エミッションの低減及び／又は出力の増大のために注入される。従来では、窒素のような希釈剤は、燃料供給圧力まで加圧され、更に窒素酸化物エミッションを低減するために燃料流に添加されるか又は燃焼ゾーン内でガスタービン燃焼器に直接注入されていた。幾つかの実施形態では、ガスタービン出力を増大させる必要に応じて、追加の気体希釈剤もガスタービン希釈ゾーンに注入される。この後者の希釈剤の使用には、混合気を燃料制御弁に注入する前に燃料流と混合するために、十分に希釈剤を供給するのに必要な高い吐出圧力を有するガス希釈剤圧縮機を必要とし、及び／又はガスタービン燃焼器に噴射するための別個の希釈剤注入制御弁を必要とする。両方の公知の方法では、シンガス燃料燃焼でのフラッシュバック発生時にハードウェアへの損傷を避けるため、希釈剤圧縮機による高圧縮圧力並びに酸素含有量が極めて少ない（すなわち通常２％未満）高純度希釈剤が必要とされる。しかしながら、こうしたシステムは一般に高価で、限定的な有効性しかもたない場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６１９２６８９号明細書
【特許文献２】米国特許第６４１８７２４号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００４／０２３８６５４号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００６／０２４８８７２号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２００７／０２３４７０２号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、窒素酸化物エミッションの低減及びプラント熱効率の改善のため、統合型ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）プラントのガスタービン組立体に希釈剤を注入する方法に関する。具体的には、１つの実施形態において、本方法は、加圧希釈剤をメイン空気圧縮機吐出ラインに注入して、加圧空気流と混合する段階を含む。別の実施形態では、本方法は、希釈剤を空気流と共に直接メイン空気圧縮機に注入する段階を含む。更に別の実施形態では、ＩＧＣＣプラントのガスタービン組立体に希釈剤を注入する方法は、タービン高温部品の冷却空気回路の冷却を可能にするようにして提供される。
【０００６】
従って、１つの態様において、ガスタービン組立体に希釈剤を注入する方法が提供される。本方法は、空気流を第１の圧縮機に送って加圧する段階と、希釈剤を希釈圧縮機に注入して加圧する段階と、加圧希釈剤を第１の圧縮機から吐出された加圧空気流に送る段階とを含む。
【０００７】
別の態様において、ガスタービン組立体に希釈剤を注入する方法が提供される。本方法は、希釈剤を空気流に注入して空気流の酸素含有量の希釈を可能にする段階と、希釈空気流を第１の圧縮機に送って加圧する段階とを含む。
【０００８】
更なる態様において、ガスタービン組立体に希釈剤を注入する方法が提供される。本方法は、希釈剤を希釈圧縮機に送って加圧する段階と、加圧希釈剤を少なくとも１つの冷却ラインに吐出する段階と、加圧希釈剤を下流側に経由させて、ガスタービン組立体の一部の冷却を可能にする段階とを含む。
【０００９】
他の目的及び特徴は、一部は明らかであり、一部は以下において指摘されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】例示的な統合型ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）発電プラントの概略図。
【図２】図１に示すＩＧＣＣ発電プラントと共に使用される例示的なガスタービン組立体の概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本開示は、一般に、希釈剤をガスタービン組立体に注入する改善された方法に関する。１つの実施形態では、希釈剤は、窒素酸化物エミッション、より詳細にはガスタービンの燃焼で使用される加圧空気流の酸素含有量の希釈を可能にするためにガスタービン組立体に導入される。代替の実施形態では、希釈剤は、タービン構成部品を冷却するためにガスタービン組立体に注入される。
【００１２】
図１は、例示的な統合型ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）発電プラント１００の概略図である。ＩＧＣＣシステム１００は一般に、メイン空気圧縮機５２、圧縮機５２に流れ連通して結合された空気分離ユニット５４、空気分離ユニット５４に流れ連通して結合されたガス化装置５６、該ガス化装置５６に流れ連通して結合されたガスタービン組立体１１０、及び蒸気タービン５８を含む。作動時、圧縮機５２は周囲空気を加圧する。幾つかの実施形態では、圧縮機５２に加えて或いは代替として、ガスタービン組立体圧縮機１２からの加圧空気が空気分離ユニット５４に供給される。空気分離ユニット５４は、加圧空気を用いて、ガス化装置５６が使用するための酸素を発生する。より具体的には、空気分離ユニット５４は、加圧空気を分離して、酸素と「プロセスガス」とも呼ばれるガス副生成物との別個の流れにする。空気分離ユニット５４によって生成されるプロセスガスは窒素を含み、本明細書では「窒素プロセスガス」と呼ぶ。窒素プロセスガスはまた、限定ではないが、酸素及び／又はアルゴンなどの他のガスを含むことができる。例えば、幾つかの実施形態では、窒素プロセスガスは、約９０％（重量）と約１００％（重量）との間、より詳細には約９５％（重量）と約１００％（重量）との間の窒素を含む。酸素流は、ガス化装置５６に送られ、以下でより詳細に説明されるように、ガスタービン組立体１１０により燃料として使用する部分的に燃焼されたガス（「シンガス」とも本明細書で呼ばれる）を発生するのに用いられる。幾つかの公知のＩＧＣＣシステム１００では、窒素プロセスガス流の少なくとも一部である空気分離ユニット５４の副生成物は、大気に通気される。更に、幾つかの公知のＩＧＣＣシステム１００では、窒素プロセスガス流の一部は、ガスタービンエンジン燃焼器５００内の燃焼ゾーン（図示せず）に注入され、組立体１１０のエミッション制御を可能にし、より具体的には、燃焼温度の低下及び組立体１１０からの窒素酸化物エミッションの低減を可能にする。ＩＧＣＣシステム１００は、燃焼ゾーンに注入される前に窒素プロセスガス流を加圧するための圧縮機６０を含むことができる。
【００１３】
ガス化装置５６は、燃料、空気分離ユニット５４から供給される酸素、液体水及び／又は蒸気、及び／又はスラグ添加剤の混合物を合成ガスの出力に転化し、ガスタービン組立体１１０によって燃料として使用されるようにする。ガス化装置５６はあらゆる燃料を使用することができるが、幾つかの公知のＩＧＣＣシステム１００では、ガス化装置５６は、石炭、石油コークス、残留オイル、オイルエマルジョン、タールサンド、及び／又は他の同様の燃料を使用する。幾つかの公知のＩＧＣＣシステム１００は、ガス化装置５６によって使用されるシンガスは、二酸化炭素を含む。ガス化装置５６によって発生されるシンガスは、燃焼のためガスタービン組立体燃焼器５００に送られる前に浄化装置６２で清浄化することができる。二酸化炭素は、浄化中にシンガスから分離され、幾つかの公知のＩＧＣＣシステム１００では大気に排出することができる。ガスタービン組立体１１０からの出力が発電機１１８を駆動し、送電網（図示せず）に電力を供給する。ガスタービン組立体１１０から発生した排気ガスは、熱回収蒸気発生器６６に供給され、蒸気タービン５８を駆動するための蒸気を発生する。蒸気タービン５８により発生される出力は、発電機６８を駆動し、送電網に電力を提供する。幾つかの公知のＩＧＣＣシステム１００では、熱回収蒸気発生器６６からの蒸気は、ガス化装置５６に供給されてシンガスを発生する。
【００１４】
上述のように、ＩＧＣＣ発電プラント１００は、Ｎ２、Ｏ２、及び他のガス成分（例えば、アルゴン及び同様のもの）を分離するために空気分離ユニット５４を含むが、上述のように導管２０６は純粋なＮ２を輸送せず、すなわち残留Ｏ２及び導管２０６を介して輸送される空気流中に存在する他の成分が存在する点を理解されたい。例えば、導管２０６を通って送られる分離空気流は通常、約９５％又はそれよりも多い（重量）窒素と約５％（重量）又はそれ未満の他のガス成分（酸素及び同様のものアルゴンなど）とを含有することが分かっている。比較的高い酸素含有量（すなわち通常は２％よりも大きい）を有する空気供給源を用いてシンガスを燃焼すると、シンガス燃料燃焼でのフラッシュバックに起因したＩＧＣＣ発電プラント１００の構成部品への損傷のリスクが増大することが分かっている。従って、少なくとも一部の公知のＩＧＣＣプラントでは、燃焼される前に１つ又はそれ以上の希釈剤（図示せず）がシンガス燃料（図示せず）に添加される。
【００１５】
図２は、ＩＧＣＣ発電プラント１００（図１に示す）と共に使用される例示的なガスタービン組立体１１０の概略図である。詳細には、例示的な実施形態において、ガスタービン組立体１１０は、上述のように、ガスタービン１１４と第１の発電機１１８とを含む。従来では、１つ又はそれ以上の希釈剤は、全体的に５０２Ａ、５０２Ｂ、及び５０２Ｃで示された、燃焼器５００から上流側のシンガス燃料流に添加されるか、或いは導管５０４及び／又は導管５０６を通って燃焼器の種々の段（シンガスと以下で説明される圧縮空気流とが燃焼されることになる）に直接添加されていた。上述のように、このような注入方法は、一般に非効率的で高コストである。具体的には、公知の注入方法では、メイン空気流はより高い酸素濃度（通常は、酸素が２１モルパーセントよりも大きい）を含み、フラッシュバックを引き起こす可能性がある。
【００１６】
通常、ＩＧＣＣ発電プラント１００及び同様のプロセスで使用されるようなガスタービン組立体１１０で使用される希釈剤には、例えば、窒素、蒸気、及び二酸化炭素が挙げられる。本発明で使用するのに特に好ましい希釈剤は、空気分離ユニット５４内の圧力下で酸素から分離されているという理由から、窒素である。これらの希釈剤は、燃焼器５００内の燃焼火炎温度及び関連する窒素酸化物エミッションを低減するようにするため、ガスタービン組立体１１０内で使用される燃料ガス量の最大約３倍までの量を添加することができる。本発明の方法は、ガスタービン組立体１１０に希釈剤をより効率的に注入するのに使用される改善された希釈剤注入導管５０８、５１０、５１２、５１４、及び５１６を提供する。具体的には、１つの実施形態において、１つ又はそれ以上の希釈剤が最初に希釈剤圧縮機５２０に導入され、ここで、通常はメイン空気圧縮機５２２に流入する加圧空気流の３分の１の圧力で空気分離ユニット５４から利用可能なような希釈剤は、約６０ポンド毎平方インチ絶対（ｐｓｉａ）圧から約３００ｐｓｉａ圧に加圧される。
【００１７】
希釈剤が圧縮機５２０内で加圧されると、少なくとも約９５％（重量）の窒素と約５％（重量）未満の酸素及び／又はアルゴンとを含むように空気分離ユニット５４（図１に示される）により分離されるメイン空気流は、導管２０６を介してメイン空気圧縮機５２２に送られ、ここでメイン空気流が加圧される。通常、メイン空気流は、メイン空気圧縮機５２２において約１３ｐｓｉａから１４．７ｐｓｉａの範囲の圧力を有する周囲空気から加圧され、ガスタービン組立体１１０の圧縮機設計に応じて約１５０ｐｓｉａから３５０ｐｓｉａの圧力にまでされる。加圧されると、メイン空気ストリームは、メイン空気圧縮機５２２から圧縮機吐出導管５１８を介して燃焼器５００に吐出される。
【００１８】
加圧希釈剤は、加圧メイン空気流と混合される。希釈剤が圧縮機吐出導管５１８にて、メイン空気ストリームに導入されると、希釈剤は、別の場合には必要とされていた厳しい圧力要件は必要とされない。具体的には、厳しい希釈剤圧力要件は、希釈剤の注入の位置及び窒素酸化物エミッションを達成するための役割に依存する。通常、希釈圧力は、燃焼器５００の全動作条件に必要な圧力よりも高くなければならない。より詳細には、従来の方法では、１つ又はそれ以上の流量制御弁６０２、６０４、６０６、６０８、及び６１０に起因する圧力損失、並びにガスタービン燃料流におけるノズル（図示せず）を介した注入及び燃焼器５００への直接注入など希釈剤の適切な分配を考慮するために、一般に、燃焼器に注入されるあらゆる材料について注入点での圧力を約３０％から約６０％上回る高い圧力が全体的に必要とされる。しかしながら、本発明の注入方法を用いると、加圧吐出空気流との混合に適切な時間及びスペースを有するので、圧縮機吐出導管５１８内の注入位置点での圧力を１０％から約１５％だけ上回る希釈圧力しか必要としない。
【００１９】
別の実施形態では、希釈剤は空気流に直接導入され、空気分離ユニット５４により分離されると導管２０６を介してガスタービン組立体１１０に流入する。具体的には、希釈剤は、導管２０６内でメイン空気流に直接導入される。混合されると、希釈空気流は、メイン空気圧縮機５２２に送られて更に加圧される。加圧されると、メイン空気流は、メイン空気圧縮機５２２、及び圧縮機吐出導管５１８を介して燃焼器５００に送られ、シンガス燃料と共に燃焼される。
【００２０】
一般に、本発明の方法を用いて希釈剤をガスタービン組立体１１０に導入することによって、希釈加圧空気流（本明細書でより詳細に説明されるように、通常は、燃焼されてガスタービン１１４に送られ、エネルギーを発生する）は、約２１モルパーセント未満の酸素を含む。１つの実施形態において、希釈加圧空気は、約１０モルパーセントから約１５モルパーセントの酸素を含む。上述のように酸素含有量を低減することで、燃焼中のフラッシュバックのリスク低減が促進される。
【００２１】
ガスタービン燃焼器５００は、具体的には、燃料ノズル（図示せず）が大きな圧力低下を生じて、燃焼ゾーン内のあらゆる動作条件で燃料ノズルの流速を高めて加圧吐出空気流からの空気と共に燃焼させるように設計されている。典型的なガスタービンでは、燃料流量は通常、空気流量よりも小さく、通常は空気流の約２％から約１０％である。従って、燃焼器は、損失を低減しガスタービン効率を改善するために空気流回路において圧力損失が極めて小さいように設計される。フラッシュバックは、吐出ライン（本明細書では吐出導管とも呼ばれる）５１８からの加圧吐出空気流に燃料が接触させるようにする燃焼領域内でのみ発生する可能性がある。
【００２２】
上述のように、希釈されると、希釈加圧空気流（通常、約４００°Ｆから約１０００°Ｆの温度）が燃焼器５００に注入され、約２０００°Ｆから約３５００°Ｆの温度及び約１００ｐｓｉａから約３５０ｐｓｉａの圧力で燃料源（通常約２５０°Ｆから約５００°Ｆの温度の通常はシンガス）と共に燃焼される。より好適には、希釈加圧空気流は、約２５００°Ｆの温度及び約２３０ｐｓｉａの圧力で燃料源と共に燃焼される。燃焼されると、結果として得られる燃焼ガスがタービン１１４に向けて送られ、第１の発電機１１８向けのエネルギーを発生する。
【００２３】
代替の実施形態において、希釈剤は、ガスタービン組立体１１０の高温のタービン構成部品（図示せず）を冷却する従来の手段と比べて代替の冷却剤として機能することができる。より詳細には、ガスタービン組立体は、過熱及び機能不良を防ぐために一般に冷却する必要がある。例えば、幾つかの公知のガスタービン組立体では、タービン構成部品の冷却を促進するため、冷却空気（約５００°Ｆから約１０００°Ｆ、より好適には約８００°Ｆの温度を有する）が導管５１０、５１２、及び５１４を通って供給される。更に、メイン空気圧縮機５２２からの加圧空気は、冷却を促進するため、ガスタービン組立体１１０の種々の構成部品（例えば、導管５１０、５１２、及び５１４を介して）に送ることができる。通常は、上述の従来の方式でガスタービン組立体１１０を冷却することで、種々のガスタービン組立体構成部品の温度は、約５００°Ｆから約１０００°Ｆの範囲にわたることができる。
【００２４】
しかしながら本開示において、希釈剤は、希釈圧縮機５２０において上述のように加圧され、次いで、導管５１０、５１２、及び５１４に直接送られて、ガスタービン組立体１１０内のタービン構成部品の冷却を補完することができる。このようにして希釈剤を注入することによって、冷却空気流の従来の圧力に比べてより低い圧力が必要とされるようになる。具体的には、冷却空気は、従来、全ての動作条件においてメイン空気圧縮機５２２の個別の内部位置回路から供給され、希釈圧縮機５２０からの希釈剤は、本発明によれば、タービン冷却回路の所要動作圧力で直接供給されるように設計することができる。希釈剤は通常、希釈圧縮機５２０内に導入される前は、遙かに低い温度（通常、周囲温度（〜６０°Ｆ））及び高い圧力（通常、約６０ｐｓｉａ）で利用可能となる。同様に、希釈剤出口温度は通常、メイン空気圧縮機５２２からの加圧空気と同じ圧力条件で約２００°Ｆから約５００°Ｆ低い。更に、本発明の注入方法を用いると、公知のタービン冷却方式を用いて得られる温度と比べてより低い温度までガスタービン組立体構成部品を冷却することが可能になる。例えば、１つの実施形態において、本発明の方法により冷却されるタービン構成部品は、約４００°Ｆから約８００°Ｆの温度まで冷却される。
【００２５】
上記に基づくと、本発明は、ＩＧＣＣ発電プラント１００で使用されるガスタービン組立体のハードウェアに損傷を与えるのを防ぐため、従来の方法と比べて燃焼前にメイン空気流から過剰酸素（窒素酸化物エミッションの形態で）を良好に取り除くことができる。より詳細には、これらの改善された希釈注入方法は、隔離するため燃料から二酸化炭素として炭素が除去され、結果として水素濃度が遙かに高い（例えば、ほぼ５０％容量以上）ガスタービン燃料をもたらすような、将来のＩＧＣＣプラントで使用するのに特に好適とすることができる。特に、こうした将来のプラントでは、少量の酸素（例えば、約０．５％容量未満）でもこうした条件下で希釈剤を注入することにより、燃焼器構成部品でのフラッシュバックを引き起こす可能性がある。更に、希釈剤は、代替の又は補完的な冷却剤として用いて、ガスタービン組立体の高温のタービン部品に対してより効率的且つ効果的な冷却を行うことができる。
【００２６】
本発明の要素又はその好ましい実施形態の導入時において、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、及び「ｓａｉｄ」は、要素の１つ又はそれ以上が存在することを意味するものとする。用語「備える」、「含む」、及び「有する」は、包括的であることを意図し、記載した要素以外の付加的な要素が存在し得ることを意味する。
【００２７】
上記の構成及び方法において、本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更を加えることができるので、上記の説明に含まれ、添付図面に示された全ての内容は限定の意味ではなく例証と解釈すべきであることが意図される。
【符号の説明】
【００２８】
１２  ガスタービン組立体  圧縮機
５２  メイン空気圧縮機
５４  空気分離ユニット
５６  ガス化装置
５８  蒸気タービン
６０  圧縮機
６２  浄化装置
６６  熱回収蒸気発生器
６８  発電機
１００  ＩＧＣＣシステム
１１０  ガスタービン組立体
１１４  ガスタービン
１１８  第１の発電機
２０６  導管
５００  ガスタービンエンジン燃焼器
５０４  導管
５０６  導管
５０８，５１０，５１２，５１４，５１６  改善された希釈注入導管
５１８  圧縮機吐出導管
５２０  希釈圧縮機
５２２  メイン空気圧縮機
６０２，６０４，６０６，６０８，６１０  流れ制御弁
【図１】
2009216091.tif 000003
【図２】
2009216091.tif 000004