JP2010025107A - ターボ機械排気を冷却するための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ機械を開示する。
【解決手段】本ターボ機械（１０）は、それに沿って排気（１６）を導きかつ周囲に放出する少なくとも１つの排気通路と、排気（１６）から規制物質を除去することができる少なくとも１つの排気処理装置（２４）とを含む。１以上の周囲空気入口（２８）が、少なくとも１つの排気処理装置（２４）の上流で少なくとも１つの排気通路に設置される。少なくとも１つの排気通路は、該少なくとも１つの排気通路に沿って排気（１６）を加速することによって１以上の周囲空気入口（２８）を通して該少なくとも１つの排気通路内に周囲空気（３０）を強制的に引き込むことができるように構成される。少なくとも１つの排気通路内に強制的に引き込まれた周囲空気（３０）は、排気（１６）の温度を低下させて、少なくとも１つの排気処理装置（２４）の有効性を高める。さらに、ターボ機械（１０）排気（１６）を周囲に放出する方法を開示している。
【選択図】 図１

Description

本願発明は、ターボ機械に関する。より具体的には、本願発明は、ターボ機械の排気ガスの冷却に関する。

例えばガスタービン発電プラントなどのターボ機械からの排気ガスは、大気中に放出する排気ガスの組成に対する厳しい規制要件を満たさなければならないことが多い。排気ガス中に一般的に見られかつ規制の対象となる成分の１つは、ＮＯ_ｘである。排気ストリームからＮＯ_ｘを除去するために、選択触媒還元（ＳＣＲ）法のような方法が用いられることが多い。ＳＣＲ法では、アンモニア（ＮＨ_３）などをＮＯ_ｘと反応させ、窒素（Ｎ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）とを生成させる。ＳＣＲ法の有効性は、処理する排気ガスの温度に応じて決まる。ターボ機械からの排気ガスは、多くの場合に約１１００°Ｆであり、ＳＣＲに先立って冷却して、要件を満たすようにＳＣＲの有効性を高めなければならない。この冷却は一般的に、大型ファンシステムによって排気ガスストリーム中に強制的に流す低温外気で排気ガスを希釈することによって達成される。このファンシステムは、高流量かつ高圧力が可能でなければならず、またターボ機械の作動に対する複雑さ及び費用を増加させる。

米国特許第７０６９７１６号明細書 米国特許第３７２２７９７号明細書

本発明の１つの態様によると、ターボ機械は、それに沿って排気を導きかつ周囲環境に放出する少なくとも１つの排気通路と、排気から物質を除去することができる少なくとも１つの排気処理装置とを含む。１以上の周囲空気入口が、排気処理装置の上流で排気通路に設置される。少なくとも１つの排気通路は、その中で排気の圧力を低下させて１以上の周囲空気入口を介して該少なくとも１つの排気通路内に周囲空気を引き込むように構成される。周囲空気は、排気の温度を低下させて少なくとも１つの排気処理装置の有効性を高める。

本発明の別の態様によると、ターボ機械排気を周囲環境に放出する方法は、少なくとも１つの排気通路に沿って排気を加速するステップと、少なくとも１つの排気通路内で排気の圧力を低下させるステップとを含む。本方法はさらに、排気の圧力を低下させるステップによって１以上の周囲空気入口を通して少なくとも１つの排気通路内に周囲空気を引き込み、それによって該排気の温度を低下させるステップと、排気を前記周囲環境に放免するステップとを含む。

これら及びその他の利点並びに特徴は、図面と関連させてなした以下の説明から一層明らかになるであろう。

本願発明は、特許請求の範囲に具体的に記載され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目的、特徴並びに利点は、添付図面と関連させてなした以下の詳細な説明から明らかである。

ターボ機械用の排気装置の実施形態の概略図。 図１の排気装置の部分斜視図。 ターボ機械用の排気装置の別の実施形態の概略図。

以下の詳細な説明は、図面を参照して実施例によって、その利点及び特徴と共に本発明の実施形態を説明する。

図１には、例えばガスタービン１０などのターボ機械の実施形態の概略図を示す。ガスタービン１０は、１以上の燃焼器１２を含み、燃焼器内で燃料及び加圧空気が混合されかつ点火される。高温ガス燃焼生成物は、タービン１４に流れ、タービン１４は、高温ガスから仕事を取出す。タービン１４を通って流れた後に、高温ガスすなわち排気１６は、排気ダクト１８を通り、混合ダクト２２を介して排気筒２０に向かって流れて、大気中に放出される。

排気筒２０から大気中に放出される例えばＮＯ_ｘなどの望ましくない物質の量を低減するために、排気１６は、大気中に放出されるのに先立って、幾つかの実施形態では選択触媒還元（ＳＣＲ）系２４である排気処理装置を通して強制的に流される。図１に示すように、ＳＣＲ系２４は、幾つかの実施形態では混合ダクト２２と例えばトランジションダクト２６などにおける排気筒２０との間に配置される。しかしながら、ＳＣＲ系２４は、例えば混合ダクト２２内又は排気筒２０内などのその他の位置に配置することができることを理解されたい。さらに、それらの実施形態は、１つのＳＣＲ系２４の使用に限定されるものではなく、複数のＳＣＲ系２４を利用することができる。ＳＣＲ系２４は、多くの場合、多量の触媒及びアンモニア（ＮＨ_３）噴射グリッドを含む。触媒内では、アンモニア（ＮＨ_３）は、排気１６中のＮＯ_ｘと反応しかつ窒素（Ｎ_２）及び水（Ｈ_２Ｏ）を生成し、それによって排気１６を大気中に放出するのに先立って排気１６から規制ＮＯ_ｘを除去する。排気からＮＯ_ｘを除去するためのＳＣＲ系の利用は、単なる例示に過ぎない。その他の排気処理装置を利用して、排気から例えばＳＯ_ｘ、Ｈｇ又は粒子などのその他の望ましくない物質を除去することができることを理解されたい。

図１の実施形態の混合ダクト２２は、排気ポート１８の断面積よりも大きい断面積を有し、かつ排気１６をＳＣＲ系２４に向かって導く。混合ダクト２２内には、１以上の補助入口２８が設けられ、これら補助入口２８は、周囲空気３０が混合ダクト２２に流入して、排気１６がＳＣＲ系２４に達するのに先立って該排気１６を冷却するのを可能にする。図２に最も良く示すように、補助入口２８の実施形態は、混合ダクト２２のほぼ上流端部に配置され、また混合ダクト軸線３４から半径方向に離れるようにかつ長手軸線方向に排気ポート１８に向かって円錐状に延びる。図２の構成は、単なる例示であり、１以上の補助入口２８のその他の構成及び／又は位置も、本発明の技術的範囲内であると考えている。例えば、１以上の補助入口２８は、混合ダクト軸線３４に沿ったその他の位置に配置することができ、また／又は混合ダクト２２の周辺の周りに設置した多数の補助入口２８として構成することができる。

混合ダクト２２は、１以上の補助入口２８を介して周囲空気３０を該混合ダクト２２内に強制的に引き込むように構成される。図１の排気ポート１８から混合ダクト２２に流れる排気は、該混合ダクト２２のより大きい断面積により膨脹し、従って該混合ダクト２２内に比較的低圧の領域を形成する。この低圧は吸引作用を生じ、１以上の補助入口２８を通して周囲空気３０を混合ダクト２２内に引き込む。幾つかの実施形態では、混合ダクト２２は、混合ダクト軸線３４に沿ってトランジションダクト２６に向かって下流方向に延びる発散形断面を有するディフューザ３６に連結される。この構成により、混合ダクト２２内に更なる低圧が生じ、この更なる低圧は、吸引作用を増大させ、従ってより多くの周囲空気３０が１以上の補助入口２８を介して混合ダクト２２内に引き込まれる。混合ダクト２２内において、排気１６及び周囲空気３０が混合ダクト軸線３４に沿って前進するにつれて、周囲空気３０は、排気１６を希釈しかつ該排気１６と混合する。得られた排気１６と周囲空気３０との混合気は、より低い温度を有し、この温度で排気１６は、タービン１６から流出する。

幾つかの実施形態では、ガスタービン１０から混合ダクト２２に流入する排気１６の温度は、約１１００〜１２００°Ｆである。混合ダクト２２及び１以上の補助入口２８は、排気１６及び周囲空気３０の混合気が８００〜９００°Ｆの温度を達成した後に排気ガス１６がＳＣＲ系２４に流入するように構成される。排気１６の温度をその範囲に低下させることは、排気筒２０を通して該排気ガス１６を放出する前に排気１６からＮＯ_ｘを除去するＳＣＲ系２４の有効性を高める。さらに、１以上の補助入口２８を介して混合ダクト２２内に強制的に引き込まれた環境空気３０によって排気１６を冷却することは、従来技術のファンを利用せずに達成され、それによってガスタービンエンジン１０の複雑さを減少させることができる。

図３に示すように、より十分な混合及び／又は冷却が望ましい幾つかの実施形態では、１以上のブロワ３８を利用して、１以上の補助入口２８の下流に位置する混合ダクト２２内に付加的な環境空気３０を噴射する。１以上のブロワ３８によって供給された環境空気３０はさらに、排気１６を冷却して、ＳＣＲ系２４に到達する排気１６が該ＳＣＲ系２４の有効性高める温度になることを保証する。

限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応するあらゆる多数の変形形態、変更形態、代替形態又は均等な構成を組込むように修正することができる。加えて、本発明の様々な実施形態を説明してきたが、本発明の態様は、記載した実施形態の幾つかだけを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、前述の説明によって限定されると見なすべきではなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。

１０ ガスタービン
１２ 燃焼器
１４ タービン
１６ 排気
１８ 排気ポート
２０ 排気筒
２２ 混合ダクト
２４ 選択触媒還元（ＳＣＲ）系
２６ トランジションダクト
２８ 補助入口
３０ 周囲空気
３２ 上流端部
３４ 混合ダクト軸線
３６ ディフューザ
３８ ブロワ

Claims (10)

1. それに沿って排気（１６）を導きかつ周囲環境に放出する少なくとも１つの排気通路と、
   前記排気（１６）から物質を除去することができる少なくとも１つの排気処理装置（２４）と、
   前記少なくとも１つの排気処理装置（２４）の上流で前記少なくとも１つの排気通路に配置された１以上の周囲空気入口（２８）と
   を含むターボ機械であって、前記少なくとも１つの排気通路が、その中で前記排気（１６）の圧力を低下させて前記１以上の周囲空気入口（２８）を介して該少なくとも１つの排気通路内に周囲空気（３０）を引き込むように構成され、前記周囲空気（３０）が、前記排気（１６）の温度を低下させて前記少なくとも１つの排気処理装置（２４）の有効性を高める、ターボ機械（１０）。
2. 前記少なくとも１つの排気処理装置（２４）が、少なくとも１つの選択触媒リアクタである、請求項１記載のターボ機械（１０）。
3. 前記少なくとも１つの選択触媒リアクタが、前記排気（１６）からＮＯ_ｘを除去する、請求項２記載のターボ機械（１０）。
4. 前記少なくとも１つの排気通路が、排気ポート（１８）の下流に配置された混合ダクト（２２）を含んでいて、前記混合ダクト（２２）が、前記排気ポート（１８）よりも大きい断面積を有し、従ってその中で前記排気（１６）の圧力を低下させる、請求項１記載のターボ機械（１０）。
5. 前記少なくとも１つの排気通路内に強制的に引き込まれた前記周囲空気（３０）が、前記排気（１６）の温度を約８００〜９００°Ｆまで低下させることができる、請求項１記載のターボ機械（１０）。
6. ターボ機械（１０）排気（１６）を周囲環境に放出する方法であって、
   少なくとも１つの排気通路に沿って前記排気（１６）を加速するステップと、
   前記少なくとも１つの排気通路内で前記排気（１６）の圧力を低下させるステップと、
   前記排気（１６）の圧力を低下させるステップによって１以上の周囲空気入口（２８）を通して前記少なくとも１つの排気通路内に周囲空気（３０）を引き込み、それによって該排気（１６）の温度を低下させるステップと、
   前記排気（１６）を前記周囲環境に放免するステップと
   を含む方法。
7. 少なくとも１つの排気処理装置（２４）を通して前記排気（１６）を流すステップと、前記少なくとも１つの排気処理装置（２４）によって前記排気（１６）から物質を除去するステップとを含む、請求項６記載の方法。
8. 前記物質がＮＯ_ｘである、請求項７記載の方法。
9. 前記排気（１６）の温度が、約８００〜９００°Ｆまで低下し、それによって前記少なくとも１つの排気処理装置（２４）の有効性を高める、請求項７記載の方法。
10. 前記排気（１６）の温度を低下させるステップが、前記少なくとも１つの排気通路内において前記周囲空気（３０）を該排気（１６）と混合することによって達成される、請求項６記載の方法。

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