JP2009052560A - ガスタービン内における燃料及び空気の混合のためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービン内における燃料及び空気の混合のためのシステム及び方法を提供する。
【解決手段】本ガスタービン（１）システムは、燃料（１０）の供給源に結合された気体の供給源を含み、気体及び燃料（１０）を混合して気体及び燃料（１０）の混合気（１２）を形成した後に、該混合気（１２）を該ガスタービン（１）システムの燃料ノズル（８）に導入する。
【選択図】 図１

Description

本明細書に開示した本発明は、ガスタービンの分野に関し、具体的には、希薄予混合ガスタービンの効率を増大させかつエミッションを制限することに関する。

ガスタービンは、公共及び産業用電力の大部分を生成するために用いられる。ガスタービンは、効率的にかつ低エミッションで運転することが重要である。幾つかの運転要因が、効率及びエミッションに影響を与える可能性がある。

ガスタービンの燃焼室内の燃焼温度は、効率に影響を与える可能性がある１つの要因である。一般的に、燃焼温度の上昇は、効率の増大をもたらす。

燃焼前における燃料及び空気の混合の程度は、エミッションに影響を与える可能性がある。希薄予混合燃焼時に、燃料及び空気が適正に混合されていない場合には、燃焼室内の局部領域が、周囲の混合気よりも濃厚（リッチ）又は希薄（リーン）のいずれかである混合気を有するおそれがある。これらのより濃厚な混合気は、平均燃焼温度よりも高い温度で燃焼し、「高温ゾーン」として知られるものを形成する。高温ゾーンは一般的に、亜酸化窒素（ＮＯｘ（窒素酸化物））のより大きな発生率の一因となる。逆に、希薄混合気は、平均燃焼温度よりも低い温度で燃焼する。希薄混合気の燃焼は一般的に、付加的一酸化炭素（ＣＯ）の形成をもたらすおそれがある。

ガスタービン内における燃料及び空気の混合の程度は、エミッションを制御するのに重要である。加えて、燃焼温度が上昇した状態でエミッションを一定に保持することができた場合には、ガスタービンは、効率を増大させた状態で運転することができる。

燃料及び空気の混合は一般的に、燃焼室内又は燃料ノズルの混合セクション内で行われる。燃料ノズルは、流入空気ストリーム内に燃料を噴射し、混合領域を形成し、次に燃料／空気混合気を燃焼室内に導くために用いられる。一般的に、燃料及び空気は各々、ストリームによって供給される。燃料及び空気の混合の改善は、空気スワールの生成、燃料ノズルのタイプ、及び空気のストリームに対する燃料ノズルの位置の少なくとも１つを変更するか又は調整することによって対処されてきた。例えば、空気のストリーム内でのベーンの使用は、スワールを増強させる１つの方法である。上記の改善によっても、ある程度の不均一な混合が依然として発生する。

従って、必要であるものは、ガスタービン内における燃焼のための燃料及び空気の混合を改善する技術的方法である。

開示するのは、ガスタービンシステムであり、本ガスタービンシステムは、燃料の供給源に結合された気体の供給源を含み、気体及び燃料を混合して気体及び燃料の混合気を形成した後に、該混合気を該ガスタービンシステムの燃料ノズルに導入する。

開示するのはまた、ガスタービンであり、本ガスタービンは、空気を含む空気管路を含み、空気管路は、気体を含む燃料管路に結合され、空気及び気体を混合して空気及び気体の混合気を形成した後に、該混合気を該ガスタービンの燃料ノズルに導入し、また本ガスタービンはさらに、混合気内の空気と気体との比率を制御するための制御システムを含む。

開示するのはさらに、ガスタービンを運転する方法であり、本方法は、空気の供給源から空気を受けるステップと、燃料の供給源から燃料を受けるステップと、空気を燃料と混合して空気及び燃料の混合気を形成した後に、該混合気をガスタービンの燃料ノズルに導入するステップとを含む。

本発明と見なされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲において具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の前述の及びその他の特徴及び利点は、添付の図面と共に行った以下の詳細な説明から明らかである。

本教示は、ガスタービン内における燃焼前に燃料及び空気を混合するための装置及び方法の実施形態を提供する。具体的には、本装置及び方法では、従来技術で実施される混合よりも一層均一な燃料及び空気の混合が行われる。従来技術の１つの実施形態では、燃料及び空気は、ガスタービン内において燃焼室のヘッド端部に向かって別個に噴射される。燃料は、燃料管路によって燃料供給されている燃料ノズルを用いて噴射される。燃焼室内において、燃料及び空気は、特徴の中でもとりわけスワールを用いて混合された後に燃焼されるようになる。本教示では、混合気が燃料ノズルに流入する前に燃料をある量の空気と予混合することが行われる。非限定的な実施形態では、燃料は、燃料管路内である量の空気と混合される。空気量は、燃料ノズルに流入する前での燃焼を抑止するように選択される。以下に示す実施形態では、燃料として天然ガスが用いられる。燃料として天然ガスを用いると、天然ガス燃焼に精通した当業者には公知であるように、２．７５８ＭＰａ（４００ｐｓｉａ）における約５０容量％の天然ガスと約５０容量％の空気との混合気により一般的に、燃焼が抑止されることになる。

便宜上、本教示を詳細に説明する前に、特定の定義を行っておく。「ガスタービン」という用語は、連続燃焼エンジンに関する。ガスタービンは一般的に、圧縮機、燃焼室及びタービンを含む。圧縮機は、空気を加圧して、燃焼室内で燃焼させるようにする。高温ガスは、燃焼室から流出し、タービンを回転させる。タービンは、シャフトに結合され、このシャフトはまた、発電機に結合することができる。ガスタービンによって生成された動力を用いて、発電機を回転させて電力を発生することができる。「燃料管路」という用語は、燃料を燃料ノズルに輸送するための管路に関する。「燃料ノズル」という用語は、燃料、及びしばしば空気を燃焼室内に噴射するために用いられるノズルに関する。燃料ノズルは、様々な設計のものとすることができる。１つの実施形態では、燃料及び空気の可燃性混合気は、燃焼室に隣接する燃料ノズルの先端位置に形成される。「当量比」という用語は、化学量論的燃／空比によって除算した燃／空比に関する。「不均一度（ｕｎｍｉｘｅｄｎｅｓｓ）」という用語は、燃料及び空気が容量内で如何に良好に混合しているかに関する。具体的には、不均一度は、当量比の平均値で除算した容量全体にわたる混合気の当量比の標準偏差に関する。例えば、容量全体にわたる混合気の当量比の標準偏差が０．０２５でありまた平均当量比が０．５である場合には、混合気の不均一度は、５％（０．０５）である。「入口ブリード加熱空気」という用語は、圧縮機から抽出した後に燃焼室に送られる前の空気に関する。抽出空気は一般的に、加圧により加熱され、圧縮機の入口に導かれる。

図１は、ガスタービン１の例示的な実施形態を示す。ガスタービン１は、圧縮機２、燃焼室３及びタービン４を含む。圧縮機２は、シャフト５によってタービン４に結合される。図１の実施形態では、シャフト５はまた、発電機６にも結合される。圧縮機２は、圧縮機空気１４を供給する。

図１を参照すると、燃料管路７は、燃料ノズル８に結合される。燃料ノズル８は、燃料及び空気−燃料混合気の１つを噴射することができる。図１に示しているのはまた、一端部で圧縮機２に結合されかつ他端部で燃料管路７に結合された空気管路９である。本明細書の教示によると、圧縮機空気１４の一部分（本明細書では「予混合空気１１」と呼ぶ）は、空気管路９に分流される。空気管路９は、燃料管路７に予混合空気１１を供給する。燃料管路７内において、予混合空気１１と燃料１０とは混合されて、空気−燃料混合気１２を形成する。空気−燃料混合気１２は、燃料ノズル８を介して燃焼室３内に噴射され、燃焼室３内において、空気−燃料混合気１２は、圧縮機空気１４から逸れなかった空気（本明細書では「直接空気１３」と呼ぶ）と混合された後に燃焼される。空気−燃料混合気１２及び直接空気１３は混合して可燃性混合気１５を形成し、この可燃性混合気１５は、燃焼室３内で点火される。１つの実施形態では、予混合空気１１及び直接空気１３の合計量は、燃料１０と予混合空気１１との予混合を行わない場合には、必要な燃焼空気量と本質的に同じである。燃料管路７内での空気−燃料混合気１２の燃焼を抑止するために、燃料１０と予混合させる予混合空気１１の量は、制御システムによって、安全な不燃性空気−燃料混合気１２を形成するように制御される。

図２は、安全な空気−燃料混合気１２を供給するための制御システム２０の例示的な実施形態を示す。図２の例示的な実施形態では、流量センサ２１が、燃料管路７内の燃料１０の流量を測定する。コントローラ２２は、燃料１０の流量に関する情報を受信し、この情報に基づいて流量制御弁２３を制御する。流量制御弁２３は、燃料１０と予混合されることになる予混合空気１１の量を調整する。流量センサ２１の例示的な実施形態は、流量検知に精通した当業者に公知である可変オリフィスである。

図３は、ガスタービン１の別の例示的な実施形態を示す。この実施形態では、ガスタービン１は、図３Ａに示すように、複数の関連する燃焼室３に結合された複数の燃料ノズル８を含む。一般的に、燃焼室３は、中心軸線３０の周りで円周方向に配置される。教示の目的のために、図３Ａは、１つの燃料ノズル８及び関連する燃焼室３のための制御システム２０を示している。本教示は、燃料ノズル８の各々に送給される空気−燃料混合気１２を制御する制御システム２０を提供する。

図３Ａを参照すると、圧縮機空気１４は、プレナム３１に流入し、このプレナム３１において、圧縮機空気１４の一部分が、予混合空気１１として分流される。予混合空気１１の流量は、流量制御システム２０によって調整される。

図３Ｂは、フローノズル８及び関連する燃焼室３のより詳細な図を示す。図３Ｂの実施形態を参照すると、プレナム３１からの直接空気１３は、燃焼室３の環状空間に流入し、フローノズル８に向かって流れる。フローノズル８において、直接空気１３は、空気−燃料混合気１２と混合して可燃性混合気１５を形成する。可燃性混合気１５は、各燃焼室３内で点火される。

本明細書の教示を使用することにより、亜酸化窒素（ＮＯｘ）のエミッション（排出）の低減及びガスタービン１の効率の増大の少なくとも１つが得られる。図４は、ＮＯｘのエミッションへの不均一度の影響を示す例示的なグラフを表している。グラフは、異なる不均一度パーセントにおける燃焼室３内のＮＯｘエミッション対火炎温度のプロットを示す。図４で分かるように、１０％の不均一度（Ｓ＝１０％）のプロットに関して、一定レベルのＮＯｘエミッションで、不均一度の１％の改善によって、およそ８．３３℃（１５°Ｆ）の火炎温度の上昇が可能である。温度上昇は、ガスタービン１の効率の増大に関連させることができる。ガスタービン１の複合サイクル用途において、火炎温度の８．３３℃（１５°Ｆ）の上昇は、複合サイクル効率における約０．１％の増大をもたらすことができる。それに代えて、一定の火炎温度で、ＮＯｘエミッションは、不均一度の１％の改善でおよそ２ｐｐｍ低減する。

図５は、ガスタービン１を運転する例示的な方法５０を表す。本方法５０は、空気の供給源から予混合空気１１を受けるステップ５１を必要とする。さらに、本方法５０は、燃料の供給源から燃料１０を受けるステップ５２を必要とする。さらに、本方法５０は、予混合空気１１を燃料１０と混合して空気及び燃料の混合気を燃料ノズル８に供給するステップ５３を必要とする。

上記の実施形態は、限定することを意図するものではない。本教示は、予混合空気１１を燃料１０と予混合した後に、空気−燃料混合気１２を直接空気１３と混合することを提供する。特定の実施形態では、予混合は、ガスタービンに精通した当業者に公知である燃料管路７、燃料ノズル８、混合チャンバ及び適当な構成要素の少なくとも１つ内で行うことができる。空気−燃料混合気１２の直接空気１３との混合は、ガスタービンに精通した当業者に公知である燃料ノズル８、燃焼室３及び適当な構成要素の少なくとも１つ内で行うことができる。特定の実施形態では、予混合空気１１は、ガスタービンに精通した当業者に公知である圧縮機２、入口ブリード加熱空気、及びあらゆる適当な空気の供給源の少なくとも１つから得ることができる。

上記は、燃料１０として天然ガスを用いることに関するものであるが、石炭ガス、或いは燃料と気体状態及び液体状態の少なくとも１つの状態の不活性物との混合物のような他の燃料を用いることができる。本教示により、直接空気１３と混合して可燃性混合気１５を形成する前には、空気−燃料混合気１２が燃焼を抑止されるようにすることが得られる。選択した燃料１０のタイプの燃焼に精通した当業者なら、燃焼を抑止する燃料１０と予混合空気１１との比率を決定することができる。

上記の実施形態では、圧縮機２に流入させる気体として空気を用いている。本明細書の教示の他の実施形態では、空気と共に他の気体も含むことができる。他の気体の実施例には、二酸化炭素、蒸気、及び空気中の窒素の濃度を上回る付加的窒素が含まれる。

本明細書の教示の態様を構成するための様々な構成要素を含むことができまた所望することができる。例えば、制御システム２０は、アナログシステム及びデジタルシステムの少なくとも１つを含むことができる。デジタルシステムは、プロセッサ、メモリ、記憶装置、入力／出力インタフェース、入力／出力装置及び通信インタフェースの少なくとも１つを含むことができる。一般的に、機械可読媒体上に記憶されかつ機械実行可能な命令を含むコンピュータプログラム製品は、デジタルシステムに入力することができる。コンピュータプログラム製品は、プロセッサによって実行することができ、予混合空気１１を燃料１０とその空気−燃料混合気１２の燃焼を抑止する比率で予混合した後に該空気−燃料混合気１２を燃料ノズル８に導入するようにする命令を含むことができる。本明細書で説明した様々な態様を支持するのに或いは本開示を超えた他の機能を支持するのに、様々な構成要素を含むことができる。コンピュータプログラム製品の技術効果は、ガスタービン１の効率を増大させかつエミッションを制限することである。

様々な構成要素又は技術的方法により、特定の必要な又は有益な機能又は特徴を得ることができることが分かるであろう。従って、特許請求の範囲及びその変形形態を支持するのに必要となる可能性があるこれら機能及び特徴は、本明細書の教示の一部としてまた開示した本発明の一部として本来的に含まれていると理解されたい。

例示的な実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱することなく本発明の要素に対して様々な変更を行うことができまた本発明の要素を均等物で置き換えることができることが、解るであろう。加えて、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱することなく、特定の装置、状況又は材料を本発明の教示に適合させるために多くの修正が認識されるであろう。従って、本発明は、本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は特許請求の範囲の技術的範囲内に属する全ての実施形態を含むことになることを意図している。

ガスタービンの例示的な実施形態を示す図。 空気及び燃料を予混合するための制御システムの例示的な実施形態を示す図。 図３Ｂと合わせて図３と呼ぶ、燃料及び空気の予混合を備えたガスタービンの別の例示的な実施形態を示す図。 図３Ａと合わせて図３と呼ぶ、燃料及び空気の予混合を備えたガスタービンの別の例示的な実施形態を示す図。 亜酸化窒素エミッション対火炎温度の例示的なグラフ。 ガスタービンを運転する例示的な方法を表す図。

符号の説明

１ ガスタービン
２ 圧縮機
４ タービン
３ 燃焼室
５ シャフト
６ 発電機
１４ 圧縮機空気
７ 燃料管路
８ 燃料ノズル
９ 空気管路
１１ 予混合空気
１０ 燃料
１２ 空気−燃料混合気
１３ 直接空気
１５ 可燃混合気
２０ 制御システム
２１ 流量システム
２２ コントローラ
２３ 流量制御弁
３０ 中心軸線
３１ プレナム
５０ 方法
５１、５２ 受けるステップ
５３ 混合するステップ

Claims (10)

1. ガスタービン（１）システムであって、
   燃料（１０）の供給源と結合した気体の供給源であって、気体と燃料（１０）を混合して気体と燃料（１０）の混合気（１２）を形成した後に、該混合気（１２）を該ガスタービン（１）システムの燃料ノズル（８）に導入する、気体の供給源
   を備えるガスタービン（１）システム。
2. 前記気体が空気である、請求項１記載のガスタービン（１）システム。
3. 前記気体が空気と、二酸化炭素、付加的窒素及び蒸気の少なくとも１つとを含む、請求項１記載のガスタービン（１）システム。
4. 前記混合気（１２）が不燃性である、請求項１記載のガスタービン（１）システム。
5. 前記気体の供給源を前記燃料（１０）の供給源に結合するためのカップリングをさらに含む、請求項１記載のガスタービン（１）システム。
6. 燃料管路（７）が燃料ノズル（８）に結合される、請求項５記載のガスタービン（１）システム。
7. 前記気体の供給源が、圧縮機（２）から気体を受けるプレナム（３１）に結合された管路を含む、請求項１記載のガスタービン（１）システム。
8. 前記混合気（１２）内の気体と燃料（１０）との比率を制御するための制御システム（２０）をさらに含む、請求項１記載のガスタービン（１）システム。
9. ガスタービン（１）であって、
   空気を含む空気管路（９）であって、前記空気管路（９）が気体を含む燃料管路（７）に結合されており、空気と気体を混合して空気と気体の混合気（１２）を形成した後に、該混合気（１２）を該ガスタービン（１）の燃料ノズル（８）に導入する、空気管路（９）と、
   前記混合気（１２）内の空気と気体との比率を制御するための制御システム（２０）と
   を備えるガスタービン（１）。
10. ガスタービン（１）を運転する方法であって、
    空気の供給源から空気を受けるステップと、
    燃料（１０）の供給源から燃料（１０）を受けるステップと、
    前記空気を前記燃料（１０）と混合して空気及び燃料（１０）の混合気（１２）を形成した後に、該混合気（１２）を前記ガスタービン（１）の燃料ノズル（８）に導入するステップと
    を含む方法。

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