JP2007046611A - ガスタービンシステムおよび稼働方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ガスタービンシステム１０を提供すること。
【解決手段】ガスタービンシステム（１０）は、周囲空気を圧縮するように構成されたコンプレッサアセンブリ（１４）、およびコンプレッサアセンブリ（１４）と流れで連絡する燃焼器（１６）を備え、燃焼器（１６）は、コンプレッサアセンブリ（１４）から圧縮空気を受け取り、第１の燃料流を燃焼させて、燃焼器出口ガス流を発生するように構成されている。ガスタービンシステム（１０）は、燃焼器（１６）の下流に配置され、燃焼器出口ガス流を部分的に膨張させるように構成された第１のタービン（１８）、および第１のタービン（１８）と流れで連絡している再燃焼デバイス（１２）を備える。再燃焼デバイス（１２）は、第２の燃料流を第１のタービン（１８）から作動ガス流に対し横断方向に導入し、作動ガス流の存在下で燃料を燃焼するように構成されている。ガスタービンシステム（１０）は、さらに、再燃焼デバイス（１２）から出口ガス流を膨張させるように構成された第２のタービン（２０）も備える。
【選択図】図１
【解決手段】ガスタービンシステム（１０）は、周囲空気を圧縮するように構成されたコンプレッサアセンブリ（１４）、およびコンプレッサアセンブリ（１４）と流れで連絡する燃焼器（１６）を備え、燃焼器（１６）は、コンプレッサアセンブリ（１４）から圧縮空気を受け取り、第１の燃料流を燃焼させて、燃焼器出口ガス流を発生するように構成されている。ガスタービンシステム（１０）は、燃焼器（１６）の下流に配置され、燃焼器出口ガス流を部分的に膨張させるように構成された第１のタービン（１８）、および第１のタービン（１８）と流れで連絡している再燃焼デバイス（１２）を備える。再燃焼デバイス（１２）は、第２の燃料流を第１のタービン（１８）から作動ガス流に対し横断方向に導入し、作動ガス流の存在下で燃料を燃焼するように構成されている。ガスタービンシステム（１０）は、さらに、再燃焼デバイス（１２）から出口ガス流を膨張させるように構成された第２のタービン（２０）も備える。
【選択図】図１
Description
本発明は、一般に、ガスタービンシステムに関するものであり、特に、ガスタービンシステムにおけるそのようなシステムの効率を高めるためのリヒート燃焼に関するものである。
さまざまな種類のガスタービンシステムが知られており、また使用されている。例えば、航空転用型ガスタービンは、発電、舶用推進、ガス圧縮、コージェネレーション、海洋プラットフォーム発電などの用途に使用される。典型的には、ガスタービンは、空気流を圧縮するためのコンプレッサおよび圧縮された空気を燃料と組み合わせ、その混合気を点火して作動ガスを発生する燃焼器を含む。さらに、作動ガスは、タービンを通して膨張され、発電を行う。一般に、ガスタービンシステムの電力出力は、タービン内の作動ガスの温度に比例する。いくつかの航空転用型ガスタービンでは、タービン排気温度は、比較的低く、そのため、複合サイクル発電で使用するそのようなシステムの効率は制限される。
作動ガスの温度を上げることによりガスタービンシステムの効率を高めようと、多数の詳細技術が採用されてきた。例えば、いくつかのシステムでは、作動ガスの温度は、燃焼器内で高められる。残念なことに、燃焼器内が高温であるため、ＮＯｘ排出などの比較的高い汚染物質の排出が生じる可能性がある。さらに、燃焼器内の運転温度が高くなると、コンポーネントに加わる熱応力も高まる。その結果、コンポーネントは、高温に耐えられるように製造する必要があり、そのため、製造コストが上昇する可能性がある。
いくつかの他のシステムでは、タービンから出る排気ガスは、燃料と混合され、二次燃焼反応を生じる。発熱反応は、エネルギーを作動ガス流に加え、それにより、ガスタービンシステムのパワーと効率を高める。しかし残念なことに、このような二次燃焼反応の結果、望ましくない量のＮＯｘが発生しうる。いくつかのシステムでは、別の燃焼器を備えて、二次燃焼反応を行わせるようにできる。しかし、二次燃焼に関連する機器および燃料のコストは比較的高い。さらに、このような技術は、一般に、タービンシステム設計全体を実質的にやり直す必要があり、これらの技術の採用はかなり限られる。
米国特許第６，６１９，０２６号
米国特許第５，５７７，３８６号
米国特許第４，８１３，２２７号
したがって、ガスタービンシステム内の作動ガスのリヒート（再燃焼）を通して得られる動力を高めるガスタービンシステムの開発が望ましいであろう。高温でシステム内の低排出を可能にするガスタービンシステム用の再燃焼デバイスを開発することも都合がよい。
簡単にいうと、一実施形態では、ガスタービンシステムを実現する。ガスタービンシステムは、周囲空気を圧縮するように構成されたコンプレッサアセンブリ、およびコンプレッサアセンブリと流体連通する燃焼器を備え、燃焼器は、コンプレッサアセンブリから圧縮空気を受け取り、第１の燃料流を燃焼させて、燃焼器出口ガス流を発生するように構成されている。ガスタービンシステムは、燃焼器の下流に配置され、燃焼器出口ガス流を部分的に膨張させるように構成された第１のタービン、および第１のタービンと流体連通している再燃焼デバイスを備える。再燃焼デバイスは、第２の燃料流を第１のタービンから作動ガス流に対し横断方向に導入し、作動ガス流の存在下で燃料を燃焼するように構成されている。ガスタービンシステムは、さらに、再燃焼デバイスから出口ガス流を膨張させるように構成された第２のタービンも備える。
他の実施形態では、ガスタービンシステム用の再燃焼デバイスを実現する。再燃焼デバイスは、ガスタービンシステムの第１のタービンと第２のタービンとの間に配置された少なくとも１つのインジェクタを備え、少なくとも１つのインジェクタは、燃料流を第１および第２のタービンと燃料流をインジェクタに送出するため少なくとも１つのインジェクタに結合された燃料管路との間の作動ガス流の流れ方向に対し横断方向に導入するよう構成されている。
他の実施形態では、ガスタービンシステムを稼働する方法を提供する。この方法は、コンプレッサを利用して空気を圧縮し、圧縮空気流を発生することと、圧縮空気流の存在下で第１の燃料流を燃焼させて、燃焼器出口ガス流を発生することを含む。この方法は、第１のタービンで燃焼器出口ガス流を部分的に膨張させて、第１のタービン出口ガス流を発生すること、および第１のタービンと第２のタービンとの間に配置されている燃料領域内の第２の燃料流を横断方向に導入して第２のタービン出口ガス流を発生することを含む。この方法は、さらに、第２のタービン内で第２のタービン出口ガス流を膨張させることも含む。
本発明のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、図面全体を通して類似の文字は類似のパーツを表す付属の図面を参照しつつ以下の詳細な説明を読むとさらによく理解できる。
以下で詳述するように、本発明の技術の実施形態は、単純サイクルガスタービンシステムおよび複合サイクルガスタービンシステムなどのガスタービンシステムの出力および効率を高める機能を有する。特に、本発明の技術は、そのようなシステムの出力および効率を高めるためにガスタービンシステムのタービン段の間のリヒート燃焼（リヒートコンバスション）を利用することを含む。そこで、図面を参照し、まず図１を参照すると、再燃焼デバイス１２を備えるガスタービンシステム１０が例示されている。ガスタービンシステム１０は、コンプレッサアセンブリ１４およびコンプレッサアセンブリ１４と流体が流れるよう連通している燃焼器１６を備える。さらに、ガスタービンシステム１０は、第１のタービン１８および燃焼器１６の下流に配置されている第２のタービン２０を備える。例示されている実施形態では、コンプレッサアセンブリ１４は、軸２２を介して第１のタービン１８により発生した出力により駆動される。さらに、第２のタービン２０は、外部負荷を駆動するように構成されている。例示されている実施形態では、別の軸２３が外部負荷を駆動するため第２のタービン２０に結合されている。一実施形態では、負荷は、発電機である。それとは別に、負荷は、機械駆動式アプリケーションである。このような機械駆動式アプリケーションの実施例は、油田で使用するためのコンプレッサと冷蔵で使用するコンプレッサとを含む。
稼働中、コンプレッサアセンブリ１４は、周囲空気２４の流れを受け取り、その周囲空気２４の流れを圧縮して圧縮空気２６の流れを発生する。次いで、圧縮空気２６の流れは、燃焼器１６に向けられ、第１の燃料流２８を燃焼し、燃焼器ガス流３０を発生する。さらに、燃焼器ガス流３０は、第１のタービン１８を通して部分的に膨張される。例示されている実施形態では、第１のタービン１８から来るガス３２の流れは、再燃焼デバイス１２に向けられる。例示されているように、再燃焼デバイス１２は、流体が流れるよう第１のタービン１８と連通しており、第２の燃料流３４を作動ガス流３２に対し横断方向に導入し、作動ガス流３２の存在下で第２の燃料流３４を燃焼させ、出口ガス流３６を発生する。本明細書で使用されているように、「横断」という用語は、縦軸に対し直角の方向を指す。出口ガス流３６は、その後、第２のタービン２０を通して膨張される。第１のタービン１８と第２のタービン２０との間のリヒート燃焼を容易にするために使用される再燃焼デバイス１２について以下で詳しく説明する。
図２は、本発明の技術のいくつかの態様によるリヒート燃焼を使用する単純サイクルガスタービンシステム４０の線図である。例示されている実施形態では、ブーストコンプレッサ４２は、空気４４の流れを受け取る。さらに、ブーストコンプレッサ４２からの空気４６の流れは、コンプレッサアセンブリ４８の方へ導かれ、さらに圧縮される。当業者であれば、理解するように、稼働レイアウトに応じて、コンプレッサアセンブリ４８は、単純ガスタービンシステム４０の出力を上げるため複数のコンプレッサを備えることができる。例えば、ガスタービンシステム４０は、低圧コンプレッサおよび高圧コンプレッサを備えることができる。それとは別に、ガスタービンシステム４０は、低圧コンプレッサ、中圧コンプレッサ、および高圧コンプレッサを備えることができる。コンプレッサアセンブリ４８からの圧縮空気の流れ５０は、燃焼器５２の方へ向けられる。本発明の一実施形態では、スプリッタ５４を使用して、コンプレッサアセンブリ４８からの流れ５０を分割する。例示されているように、空気の流れ５６の一部は、燃焼器５２の方へ向けられる。さらに、追加のスプリッタ５８を使用して、スプリッタ５４からの空気流６０を分割し、空気流を第１のタービン６２と、第１のタービン６２の下流に配置されている再燃焼デバイス６４に供給することができる。
稼働中、燃焼器５２は、コンプレッサアセンブリ４８から空気流５６を受け取る。さらに、燃焼器５２は、第１のタービン６２の方に向けられる燃焼器出口ガス流６８を発生する空気流５６の存在下で点火され燃焼する第１の燃料流６６も受け取る。いくつかの実施形態では、混合器７０を使用して、燃焼器５２からの流れとスプリッタ５８からの流れを結合することができる。例示されている実施形態では、第２の混合器７２を使用して、スプリッタ５８からの流れ７４と第１のタービン６２からの流れ７６を結合し、その後、流れは再燃焼デバイス６４に供給される。さらに、再燃焼デバイス６４は、第１のタービン６２から作動ガス８０の流れに対し横断方向の第２の燃料流７８を受け取り、作動ガス流８０の存在下で第２の燃料流７８を燃焼する。当業者であれば理解するように、この第２の燃焼反応により、第２のタービン８２（「出力タービン」と呼ばれることが多い）に入るガス流の温度を上げやすくなり、それにより、ガスタービンシステム４０の出力および効率が高められる。さらに、第２のタービン８２は、外部負荷８６を駆動するため再燃焼デバイス６４からの出口ガス流８４を膨張させるように構成される。
ガスタービンシステム４０で使用される再燃焼デバイス６４は、高排出を導入することなくガス流の温度を高めるように構成される。再燃焼デバイス６４の詳細は、図５〜１１を参照しつつ以下で詳述される。
図３は、本発明の技術のいくつかの態様によるリヒート燃焼を使用する複合サイクルガスタービンシステム９０の線図である。現在考えられている構成では、蒸気タービンシステム９２は、単純ガスタービンシステムに結合される（図２を参照）。すでに説明したように、第１のタービン６２と第２のタービン８２との中間に配置された再燃焼デバイス６４は、複合サイクルガスタービンシステム内の作動ガスの温度を高める機能を持つ。例示されている実施形態では、蒸気タービンシステム９２は、第２のタービン８２から排気ガス９４を受け取るように構成される。さらに、熱交換器９６を使用して、排気ガス９４からの熱を蒸気タービンシステム９２の蒸気発生装置に結合することができる。そこで、再燃焼デバイス６４を備えるガスタービンシステム４０からの排気ガス９４からの熱を利用すると、複合サイクルガスタービンシステム９０の出力および効率を高められ都合がよい。
図４は、本発明の技術のいくつかの態様による再燃焼デバイスを備える図１のガスタービンシステムの例示的な構成１００の断面図である。しかし、再燃焼デバイスを持つガスタービンシステム１００のコンポーネントのさまざまな稼働レイアウトを使用する他の構成は、本出願の範囲内にある。例示されている実施形態では、コンプレッサのフロントフレーム１０２は、釣鐘口型入口１０６を介して空気流をコンプレッサセクション１０４内に入れる。いくつかの実施形態では、コンプレッサセクション１０４を低圧および高圧のコンプレッサ領域に分割できる。コンプレッサセクション１０４は、コンプレッサセクション１０４の間の複数段内で空気流の向きを決める複数の静翼を含むステータケーシングを備える。さらに、コンプレッサセクション１０４は、複数の動翼を備え、翼を支えるスプールとディスクも備える。コンプレッサセクション１０４内のコンプレッサ段の数は、ガスタービンシステム１００の稼働要件に基づいて変えることができる。
稼働中、コンプレッサセクション１０４からの圧縮空気は、燃料流の燃焼のため燃焼器１０８に送られる。一実施形態では、燃焼器１０８は、環状燃焼器を含む。他の一実施形態では、燃焼器１０８は、環状缶型燃焼器を含む。次いで、燃焼器出口ガス流は、高圧タービン１１０に送られ、そこで、部分的に膨張させられる。その後、高圧タービン１１０からの作動ガス流は、再燃焼デバイス１１２に向けて送られる。現在考えられている構成では、再燃焼デバイス１１２は、高圧タービン１１０と低圧タービン（出力タービン）１１４との間に配置された複数のインジェクタを備える。いくつかの実施形態では、これら複数のインジェクタは、予め定められた環状パターンで配列され、高圧タービン１１０のすぐ下流に配置される。一実施形態では、これら複数のインジェクタは、高圧タービン１１０の軸方向配置と実質的に類似の軸方向配置に位置する。
複数のインジェクタ１１２は、入ってくるタービンガス流に対し横断方向に燃料のブレンドを導入する。燃料流は、天然ガス、または水素、または合成ガス、または炭化水素、またはこれらの組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、燃料流は、希釈剤とブレンドされる。希釈剤の実施例は、窒素、または蒸気、または二酸化炭素、またはこれらの組み合わせを含む。しかし、類似の特性を有する他の種類の燃料も使用できる。本発明の一実施形態では、インジェクタは、インジェクタのいずれかの側に配置された複数のインジェクタ孔を介して燃料ブレンドを導入して、燃料を分散し、低圧タービン１１４内に入る前に燃料流の完全燃焼ができるようにする。燃料ブレンドは、高圧タービン１１０と低圧タービン１１４との間のリヒート燃焼領域内で自己発火する。さらに、再燃焼デバイス１１２からの出口ガス流は、低圧タービン１１４を通して膨張し、高温高速のガスが一組のタービンブレードを通る。ブレードは、高温の膨張している空気からエネルギーを取り出して、コンプレッサセクション１１４を駆動し、外部負荷を駆動する。排気ガスは、排気管１１６を通じて排出される。すでに説明したように、いくつかの実施形態では、排気ガスからの熱を、複合サイクルガスタービンシステム内の蒸気タービンに結合することで、複合サイクルガスタービンシステムの出力および効率を高めることができる。ガスタービンシステム１００で使用される再燃焼デバイス１１２について、以下で詳述する。
図５は、本発明の技術のいくつかの態様による図１〜４のガスタービンシステムで採用されている再燃焼デバイス１２０の断面図である。例示されている実施形態では、再燃焼デバイス１２０は、燃料インジェクタを含む。燃料インジェクタは、インジェクタケーシング１２４内に配置された燃料混合流路１２２を含む。さらに、再燃焼デバイス１２０は、インジェクタ１２０のいずれかの側に配置された複数のインジェクタ孔１２６を含み、これにより、燃料混合流路１２２と高圧タービン１１０からの作動ガス流との間の連絡を実現する（図４を参照）。特に、インジェクタ１２０は、高圧タービン１１０からの作動ガス流の方向に対し横断方向で燃料流を供給する。この実施形態では、燃料流は、高圧タービン１１０と低圧タービン１１４との間のリヒート燃焼領域に導入される（図４を参照）。複数のインジェクタ孔１２６の間隔は、リヒート燃焼領域内に導入される燃料混合気と希釈剤混合気の質量がリヒート燃焼領域内の酸化剤（例えば、酸化ガス）に比例するように選択することができることに留意されたい。いくつかの実施形態では、複数の再燃焼デバイスは、タービン１１０と１１４との間のリヒート燃焼領域内に予め定められた環状パターンで配列される。ここでもまた、インジェクタ孔２６の間隔は、インジェクタ孔１２６の直径およびカップリングからの距離に基づいて調節することができる。例えば、インジェクタ孔１２６の間隔は、孔１２６の直径が実質的に一定に保たれるときにカップリングからの距離が増えるのに合わせて大きくすることができる。
現在考えられている構成では、再燃焼デバイス１２０は、冷却水の流路１３０を定める内壁１２８を備える。さらに、再燃焼デバイス１２０は、再燃焼デバイス１２０内で空気連行を行うための空気連行口１３２を備える。稼働中、燃料混合気は、燃料混合流路１２２を介して再燃焼デバイス１２０に供給される。他の実施形態では、燃料混合気は、希釈剤と組み合わせることができる。燃料混合流路１２２は、燃料マニホールド（図に示されていない）および希釈剤マニホールド（図に示されていない）に結合することができ、流路１２２内に必要な燃料希釈混合気を供給することができる。
一実施形態では、インジェクタ１２０は、インジェクタケーシング１２４の冷却を行う燃料混合気を使用する。より具体的には、燃料混合気により、その発熱量を低くし、その一方で、燃料混合流路１２２を通る際の燃料混合気の早期自己点火を防ぐ。いくつかの実施形態では、インジェクタ１２０は、実質的に燃料だけであることから、空気および／または希釈剤と燃料とを予め混合した混合気までの範囲の燃料混合気を使用することができる。さらに、ケーシング１２４の冷却は、１３０などの冷却水の流路を介して行える。いくつかの実施形態では、追加の冷却水の流路をインジェクタ１２０内に用意し、インジェクタ１２０の所望の冷却を実現できる。追加の冷却水の流路を備えるインジェクタ構成の実施例は、以下で図７および８を参照しつつ例示される。
図６は、図１〜４のガスタービンシステムで採用されている再燃焼デバイスの例示的な構成１３４を示している。例示されているように、再燃焼デバイス１３４は、１２６により表されるような注入孔を備える。さらに、空気は、空気連行口１３２を介してデバイス１３４内に混入され、入ってくるタービンガス流の方向に対し横断方向で導入される燃料空気混合気を生成する。図７は、本発明の技術のいくつかの態様による図５および６の再燃焼デバイスの例示的な構成１４０の線図である。例示されているように、再燃焼デバイス１４０は、冷却水の流路１３０を定める内壁１２８を備える。さらに、再燃焼デバイス１４０は、ケーシング１２４と内壁１２８との間に混合器を含む要素１４２を備える。本発明の一実施形態では、混合器を含む要素１４２は、第２の冷却水の流路１４４を形成する。当業者であれば理解するように、複数の空気連行口は、図８を参照しつつ以下で説明するように、冷却水の流路１４０と第２の冷却水の流路１４４との間に位置することができる。
図８は、図１〜４のガスタービンシステムで採用されている再燃焼デバイスの例示的な構成１５０を示している。現在考えられている構成では、再燃焼デバイス１５０は、複数の空気連行口１５２を冷却水の流路１３０と第２の冷却水の流路１４４との間に備える。空気連行口１５２は、冷却水の流路１３０と１４４との間に希釈剤を分配し、希釈剤の供給と再燃焼デバイス１５０とバランスを取るように構成されている。いくつかの実施形態では、複数の圧力バランス口１５４を冷却水の流路１３０と１４４との間に用意することができる。さらに、壁１２４は、インジェクタ１５０の外面上に冷却膜を形成するための孔１５６を備えることができる。例示されている実施形態では、孔１５６は、インジェクタ１５０の前縁に配置される。いくつかの実施形態では、孔１５６は、図９を参照しつつ以下で例示されているようにインジェクタ１５０の後縁に配置することができる。しかし、インジェクタ１５０の外面の冷却を行うためにさまざまな場所に位置する孔１５６を備えるインジェクタ１５０の他の構成は、本発明の技術の範囲内にある。
図９は、図１〜４のガスタービンシステムで採用されている再燃焼デバイスの他の例示的な構成１５８の線図を示している。再燃焼デバイス１５８は、図７および８を参照しつつ以下で例示されているように燃料混合流路１２２に加えて冷却水の流路１３０を定める内壁１２８を備える。現在考えられている構成では、インジェクタ１５８のカップリングから最も遠い所にあるインジェクタ孔１２６は、インジェクタ１５８の縦軸に関して約４５度の角度に向けられる。したがって、インジェクタ１５８の周りの領域全体は、燃料混合気の供給を受け取る。さらに、孔１５６は、インジェクタ１５８の壁１２４内のインジェクタ孔１２６の下流に位置する。いくつかの実施形態では、孔１５６は、後縁内のインジェクタ孔１２６からの距離の約１／２から２／３の距離の所に位置することができる。
上で例示されている再燃焼デバイスは、図１〜４のガスタービンシステムの第１のタービンと第２のタービンとの間に予め定められた環状パターンで配列することができる。図１０は、再燃焼デバイスの例示的な環状パターン１６０を示している。例示されている実施形態では、アセンブリ１６０は、希釈剤マニホールド１６２および希釈剤と燃料混合気とをそれぞれ複数のインジェクタ１６６に供給するように適合された燃料混合マニホールド１６４を備える。本発明の一実施形態では、アセンブリ１６０は、６個のインジェクタを備える。しかし、インジェクタ１６０の個数を増減した構成も考えられる。いくつかの実施形態では、アセンブリ１６０は、さまざまなサイズのインジェクタ１６０の組み合わせを含むことができる。一実施形態では、アセンブリ１６０は、長いインジェクタと短いインジェクタ１６６との交互構成を含むことができる。複数のインジェクタ１６６の空間的分配により、ガスタービンシステムの第１のタービンと第２のタービンとの間のリヒート燃焼領域内のＮＯｘ形成を低減しやすくなる。例えば、長いインジェクタと短いインジェクタ１６６の交互構成を使用することにより、アセンブリ１６０内の質量流の閉塞を低減できる。
図５〜１０を参照しつつ上で例示されている再燃焼デバイスは、空気力学的形状を施され、浮上火炎発生を容易に行える。浮上火炎発生により、リヒート燃焼領域における排出物を低減することが可能になる。図１１は、本発明の技術のいくつかの態様による図５〜９の再燃焼デバイスの例示的な形状１７０の線図である。例示されているように、再燃焼デバイスは、１７２、１７４、および１７６により表されているようにさまざまなプロファイルを持つことができる。いくつかの実施形態では、ガスタービンシステムのサイズ、コスト、および重量の低減のため、輪郭１７２、１７４、および１７６の回転角を必要に応じてガスタービンシステムにより調整し、流れを変えることができる。例えば、再燃焼デバイスはそれぞれ、事前旋回を行う輪郭を含むことができる。
図１２は、図５〜１１を参照しつつ上で例示されているように例示的な再燃焼デバイス１８２を備える他の例示的なガスタービンシステム１８０を示している。ガスタービンシステム１８０は、空気流を受け取るため放射状取入口１８４を備える。さらに、ガスタービンシステム１８０は、低圧コンプレッサ１８６および高圧コンプレッサ１８８を備え、取入口１８４から入ってくる周囲空気を圧縮する。例示されている実施形態では、低圧コンプレッサ１８６からの圧縮空気は、空気−空気、または空気−水の熱交換器で冷却され、管１９０および１９２を介して高圧コンプレッサ１８８に送られる。その後、高圧コンプレッサ１８８からの圧縮空気は燃焼器１９４内で燃焼される。本発明の一実施形態では、燃焼器１９４は、標準環状燃焼器を含む。さらに、次いで燃焼器１９４からの作動ガス流は、高圧タービン１９６に送られる。さらに、中圧タービン１９８は、高圧タービン１９６の下流に配置され、中軸および弾性カップリングを通じて低圧コンプレッサ１８８を駆動するように構成されている。
現在考えられている構成では、ガスタービンシステム１８０は、さらに、外部負荷を駆動する出力軸２０２を駆動する出力タービン２００を備える。この実施形態では、再燃焼デバイス１８２は、中圧タービン１９８と出力タービン２００との間に位置し、一次燃焼領域１９４に加えて、リヒート燃焼を生じさせることができる。すでに説明したように、インジェクタは複数、タービン１９８と２００との間に配置することができ、燃料を横断方向に注入しタービン１９８と２００との間のリヒート燃焼を容易にするように構成される。ここでもまた、ガスタービンシステム１８０の稼働レイアウトおよび要件に応じて、再燃焼デバイス１８２に関して異なる構成を考えられる。タービン１９８と２００との間のリヒート燃焼は、ガスタービンシステム１８０の全体的効率および出力を高める。
上記の方法のさまざまな態様は、ガスタービンシステムにおいて有用であり、異なる用途に使用される。上述のように、ガスタービンシステムで採用される再燃焼デバイスは、ガスタービンシステムのタービン間のリヒート燃焼領域内の横断方向燃料注入を容易にし、そのため、そのようなシステムの出力および効率が高まる。さらに、本発明の技術を使用すると、そのようなガスタービンシステムからの排出、特にＮＯｘ排出を低減することが可能であり、それにより、ガスタービンシステムの稼働を環境に優しいものにできる。
本発明のいくつかの特徴のみが本明細書では例示され、説明されているが、当業者であれば、多くの修正および変更が可能であることを理解するであろう。したがって、付属の請求項は、本発明の真の精神の範囲内にあるようなすべての修正および変更を対象とすることが意図されている。
１０ ガスタービンシステム
１２ 再燃焼デバイス
１４ コンプレッサ
１６ 燃焼器
１８ 第１のタービン
２０ 第２のタービン
２２ 軸
２３ 軸
２４ 吸気
２６ 圧縮空気
２８ 第１の燃料流
３０ 燃焼器からの作動ガス
３２ 第１のタービンからの出口ガス
３４ 第２の燃料流
３６ 再燃焼デバイスからの出口流
３８ 第２のタービンからの出口流
４０ 単純ガスタービンシステム
４２ ブースト
４４ 吸気
４６ コンプレッサアセンブリへの流れ
４８ コンプレッサアセンブリ
５０ コンプレッサアセンブリからの流れ
５２ 燃焼器
５４ スプリッタ
５６ スプリッタから燃焼器への流れ
５８ 第２のスプリッタ
６０ 第２のスプリッタへの流れ
６２ 第１のタービン
６４ 再燃焼デバイス
６６ 第１の燃料流
６８ 燃焼器出口ガス流
７０ 混合器
７２ 第２の混合器
７４ スプリッタからの流れ
７６ 第１のタービンからの流れ
７８ 第２の燃料流
８０ 作動ガス流
８２ 第２のタービン
８４ 出口ガス流
９０ 複合サイクルガスタービンシステム
９２ 蒸気タービン
８４ 出力タービンへの流れ
９４ 熱交換器への流れ
９６ 熱交換器
１００ ガスタービンシステム
１０２ フロントフレーム
１０４ コンプレッサセクション
１０６ 吸気の入口
１０８ 燃焼器
１１０ 高圧タービン
１１２ 再燃焼デバイス
１１４ 低圧タービン
１１６ 排気管
１２０ 再燃焼デバイス
１２２ 燃料混合流路
１２４ インジェクタケーシング
１２６ インジェクタ孔
１２８ 内壁
１３０ 冷却水の流路
１３２ 空気連行口
１３４ インジェクタ構成
１４０ インジェクタ構成
１４２ 混合器を含む要素
１４４ 第２の冷却水の流路
１５０ インジェクタ構成
１５２ 空気連行口
１５４ 圧力バランス口
１５６ 冷却用孔
１５８ インジェクタ構成
１６０ インジェクタの環状配列
１６２ 希釈剤マニホールド
１６４ 燃料混合マニホールド
１６６ インジェクタ
１７０ 例示的な輪郭
１７２〜１７６ 異なる回転角を持つ輪郭
１８０ ガスタービンシステム
１８２ 再燃焼デバイス
１８４ 取入口
１８６ 低圧コンプレッサ
１８８ 高圧コンプレッサ
１９０〜１９２ 管
１９４ 燃焼器
１９６ 中圧タービン
１９８ 高圧タービン
２００ 出力タービン
２０２ 排気
１２ 再燃焼デバイス
１４ コンプレッサ
１６ 燃焼器
１８ 第１のタービン
２０ 第２のタービン
２２ 軸
２３ 軸
２４ 吸気
２６ 圧縮空気
２８ 第１の燃料流
３０ 燃焼器からの作動ガス
３２ 第１のタービンからの出口ガス
３４ 第２の燃料流
３６ 再燃焼デバイスからの出口流
３８ 第２のタービンからの出口流
４０ 単純ガスタービンシステム
４２ ブースト
４４ 吸気
４６ コンプレッサアセンブリへの流れ
４８ コンプレッサアセンブリ
５０ コンプレッサアセンブリからの流れ
５２ 燃焼器
５４ スプリッタ
５６ スプリッタから燃焼器への流れ
５８ 第２のスプリッタ
６０ 第２のスプリッタへの流れ
６２ 第１のタービン
６４ 再燃焼デバイス
６６ 第１の燃料流
６８ 燃焼器出口ガス流
７０ 混合器
７２ 第２の混合器
７４ スプリッタからの流れ
７６ 第１のタービンからの流れ
７８ 第２の燃料流
８０ 作動ガス流
８２ 第２のタービン
８４ 出口ガス流
９０ 複合サイクルガスタービンシステム
９２ 蒸気タービン
８４ 出力タービンへの流れ
９４ 熱交換器への流れ
９６ 熱交換器
１００ ガスタービンシステム
１０２ フロントフレーム
１０４ コンプレッサセクション
１０６ 吸気の入口
１０８ 燃焼器
１１０ 高圧タービン
１１２ 再燃焼デバイス
１１４ 低圧タービン
１１６ 排気管
１２０ 再燃焼デバイス
１２２ 燃料混合流路
１２４ インジェクタケーシング
１２６ インジェクタ孔
１２８ 内壁
１３０ 冷却水の流路
１３２ 空気連行口
１３４ インジェクタ構成
１４０ インジェクタ構成
１４２ 混合器を含む要素
１４４ 第２の冷却水の流路
１５０ インジェクタ構成
１５２ 空気連行口
１５４ 圧力バランス口
１５６ 冷却用孔
１５８ インジェクタ構成
１６０ インジェクタの環状配列
１６２ 希釈剤マニホールド
１６４ 燃料混合マニホールド
１６６ インジェクタ
１７０ 例示的な輪郭
１７２〜１７６ 異なる回転角を持つ輪郭
１８０ ガスタービンシステム
１８２ 再燃焼デバイス
１８４ 取入口
１８６ 低圧コンプレッサ
１８８ 高圧コンプレッサ
１９０〜１９２ 管
１９４ 燃焼器
１９６ 中圧タービン
１９８ 高圧タービン
２００ 出力タービン
２０２ 排気
Claims (10)
- ガスタービンシステム（１０）であって、
ａ）周囲空気を圧縮するように構成されたコンプレッサアセンブリ（１４）と、
ｂ）前記コンプレッサアセンブリ（１４）と流体連通し、該コンプレッサアセンブリ（１４）から圧縮空気を受け取り、第１の燃料流を燃焼させて、燃焼器出口ガス流を発生するように構成されている燃焼器（１６）と、
ｃ）前記燃焼器（１６）の下流に配置され、前記燃焼器出口ガス流を部分的に膨張させるように構成された第１のタービン（１８）と、
ｄ）前記第１のタービン（１８）と流体連通し、前記第１のタービン（１８）から作動ガス流に対し横断方向に第２の燃料流を導入して前記作動ガス流の存在下で前記燃料を燃焼させるように構成された再燃焼デバイス（１２）と、
ｅ）前記再燃焼デバイス（１２）から出口ガス流を膨張させるように構成された第２のタービン（２０）とを備えるガスタービンシステム（１０）。 - 前記再燃焼デバイス（１２）は、前記第１および第２のタービン（１８、２０）の間に配置された複数のインジェクタを備える請求項１記載のガスタービンシステム（１０）。
- 前記複数のインジェクタはそれぞれ、前記第２のタービン（２０）に入る前に燃焼させるための前記第２の燃料流を導入する、前記インジェクタ上に配置された複数のインジェクタ孔を備える請求項１記載のガスタービンシステム（１０）。
- 前記第２の燃料流は、天然ガス、または水素、または合成ガス、または炭化水素、またはこれらの組み合わせを含む請求項１記載のガスタービンシステム（１０）。
- 前記第２の燃料流は、希釈剤とブレンドされる請求項４記載のガスタービンシステム（１０）。
- 前記希釈剤は、窒素、または蒸気、または二酸化炭素、またはこれらの組み合わせを含む請求項５記載のガスタービンシステム（１０）。
- ガスタービンシステム（１０）用の再燃焼デバイス（１２）であって、
ａ）前記ガスタービンシステム（１０）の第１のタービン（１８）と第２のタービン（２０）との間に配置され、燃料流を前記第１のタービン（１８）と第２のタービン（２０）との間で作動ガス流の流れ方向に対し横断方向に導入するよう構成された少なくとも１つのインジェクタ（１２０）と、
ｂ）前記燃料流を前記インジェクタ（１２０）に送出するために前記少なくとも１つのインジェクタ（１２０）に結合されている燃料管路（１２２）とを備える再燃焼デバイス（１２）。 - ガスタービンシステムを稼働させる方法であって、
ａ）コンプレッサを介して空気を圧縮し、圧縮空気流を発生させることと、
ｂ）前記圧縮空気流の存在下で第１の燃料流を燃焼させ、燃焼器出口ガス流を発生させることと、
ｃ）第１のタービン内の燃焼器出口ガス流を部分的に膨張させ、第１のタービン出口ガス流を発生させることと、
ｄ）前記第１のタービンと第２のタービンとの間に配置された燃焼領域内で横断方向に第２の燃料流を導入し、第２のタービン出口ガス流を発生させることと、
ｅ）前記第２のタービン内で前記第２のタービン出口ガス流を膨張させることと、
を含むガスタービンシステムを稼働させる方法。 - ガスタービンシステムの効率を改善する方法であって、
ａ）前記ガスタービンシステムの第１のタービンと第２のタービンとの間に燃料流を横断方向に注入し、前記第１のタービンと前記第２のタービンとの間の作動ガス流を再加熱して出口ガス流を発生させるように構成された少なくとも１つのインジェクタを前記ガスタービンシステムに結合することと、
ｂ）前記第２のタービン内で前記出口ガス流を膨張させることとを含むガスタービンシステムの効率を改善する方法。 - 第１のタービンセクション（１８）を備えるガスタービンシステム（１０）の性能を増強するシステムであって、
ａ）前記ガスタービンシステム（１０）の前記第１のタービンセクション（１８）と流体連通する第２のタービンセクション（２０）と、
ｂ）前記第１のタービンセクション（１８）と前記第２のタービンセクション（２０）との間に配置され、前記第１のタービンセクション（１８）と前記第２のタービンセクション（２０）との間で作動ガス流の流れの方向に対して横断方向に燃料流を導入するように構成された少なくとも１つのインジェクタ（１２０）を備える再燃焼デバイス（１２）とを備えるガスタービンシステム（１０）の性能を増強するシステム。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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|---|---|---|---|
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| Country | Link |
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| JP (1) | JP2007046611A (ja) |
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| SG (3) | SG183707A1 (ja) |
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