JP2010101319A - 排気ガス再循環システムにより燃料を加熱するシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】寄生負荷を増加させない燃料加熱の方法を提供する。
【解決手段】空気流と排気流を含む吸気流１３５を圧縮部１４５で圧縮して、燃料と空気流を燃焼させる燃焼システム１４７を備えるターボ機械１４０の吸気流１３５に排気流１２５加えるためのＥＧＲシステム１００内に熱交換器１９５を配置し、この熱交換器１９５において、ターボ機械１４０が消費する燃料と排気流１２５との熱交換を行い、燃料を加熱し、その温度を上昇させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ターボ機械から排出される排気ガスに関し、特に、ターボ機械を原動力として利用し、排気ガス再循環（ＥＧＲ）システムにおいて排気ガスを再循環させるシステム及び方法に関する。

窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）、二酸化炭素（以下、「ＣＯ₂」という）、及び硫黄酸化物（ＳＯｘ）排出による環境への長期的な影響に対する懸念が高まっている。ガスタービン等のターボ機械からの排出量の許容レベルは厳しく規制されている。従って、ターボ機械から排出されるＮＯｘ、ＣＯ₂、及びＳＯｘのレベルを抑制する方法が求められている。

排気ガス流中には多量の凝縮性蒸気が存在する。この蒸気は通常、水、酸、アルデヒド、炭化水素、硫黄酸化物、及び塩素化合物等、様々な成分を含んでいる。これらの成分を未処理のままでターボ機械に導入すると、内側部品に腐食や汚染をきたす。

ＥＧＲでは通常、ターボ機械の吸気システムを用いて、排気流の一部を再循環させる。この排気流は、その後、燃焼に先立って流入する空気流と混合される。ＥＧＲ処理により、濃縮ＣＯ₂の除去及び分離が容易になり、ＮＯｘ及びＳＯｘの排出レベルを抑えることができる。再循環された排気は、その後、流入する空気流と混合され、吸気流となる。

ＥＧＲ処理中に再循環する排気流は通常、約１５００°Ｆまでの温度でターボ機械から排出される。このときの温度は高過ぎるので、ターボ機械の吸気部に排気流を再循環させることはできない。ＥＧＲ処理によって、排気流温度をターボ機械で再循環できる範囲まで低下させる。排気流から除去された熱は、低品位熱とみなされる。

ターボ機械が消費する燃料の温度は通常、一定の範囲内でなければならない。この燃料は、例えば任意の燃料油、天然ガス、又は合成ガスであってよいが、これらに限定されない。ターボ機械の燃焼システムには、加熱天然ガス等の「加熱」燃料を必要とするものもある。天然ガスの供給時点では、天然ガスがターボ機械の必要温度まで加熱されていないことが多い。そこで、燃料加熱器を用いて、ターボ機械の要件を満たすまで天然ガスの温度を上昇させる。燃料ガス加熱器は、動作のための動力源を必要とする。この動力源は大抵、寄生負荷となるので、ターボ機械設置場所の全体的な効率を低下させる。ターボ機械が消費する天然ガス及び／又はその他の燃料の加熱に低品位熱を利用することは、ターボ機械の実使用において有益である。

上述の理由により、ＥＧＲシステムに組み込まれたターボ機械が消費する燃料の加熱に伴う寄生負荷を低減させるシステムが求められている。このシステムでは、ターボ機械が消費する燃料の温度を上昇させるために低品位熱を利用することが望ましい。

本発明の一実施形態では、燃料温度を上昇させるためのシステムを開示する。このシステムは、空気流と排気流とを含む吸気流をターボ機械の圧縮部に向かって流すための吸気システム及び燃料と空気流を混合して燃焼させるための燃焼システムを備えるターボ機械と、１以上の排気ガス再循環（ＥＧＲ）スキッド及び１以上の熱交換器を備えるＥＧＲシステムとを有する。ＥＧＲシステムは、ターボ機械の排気部から、第１のレベルの成分量を含有する第１排気温度の排気流を受け取り、この排気流の成分量を、第１のレベルから第２のレベルまで減少させるＥＧＲスキッドに導入し、この排気流が更に、第２排気温度でＥＧＲスキッドから排出されて吸気システムに流入するように構成されている。１以上の熱交換器は、排気流の一部がこの１以上の熱交換器の一部を流れる間に、第１温度の燃料を受け取り、第２温度で燃料を排出する。

本発明の別の実施形態おいて、燃料温度を上昇させる方法を開示する。この方法は、空気流と排気流を含む吸気流をターボ機械の圧縮部に向かって流すための吸気システムと、燃料と空気流を混合して燃焼させるための燃焼システムとを備えるターボ機械を準備するステップと、１以上の排気ガス再循環（ＥＧＲ）スキッドと１以上の熱交換器とを備えるＥＧＲシステムを準備するステップと、第１のレベルの成分量を含有する第１排気温度の排気流をターボ機械の排気部から受け取るステップと、成分量を第２のレベルまで低下させるステップと、排気流を第２排気温度でＥＧＲスキッドから排出させて吸気システムに導入するステップとを含む。１以上の熱交換器は、排気流の一部が１以上の熱交換器の一部を流れる間に、第１温度の燃料を受け取り、第２温度でこの燃料を排出する。

本発明の第１の実施形態による、ターボ機械が消費する燃料を加熱するためのシステムを例示する図である。 本発明の第２の実施形態による、ターボ機械が消費する燃料を加熱するためのシステムの例示する図である。

以下、本発明の実施形態を例示する添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を詳説する。なお、本明細書に記載した以外の構成及び動作を有するその他の形態も、本発明の実施形態として認められ得る。

説明の便宜上、本明細書では特定の用語を用いるが、これらは本発明の範囲を限定するものではない。例えば、「上側」、「下側」、「左」、「右」、「前方」、「後方」、「上部」、「底部」、「水平」、「垂直」、「上流」、「下流」、「前」、「後」等の用語は、あくまでも図示の構成を説明するためのものである。実際には、本発明の実施形態の部品をいかように配向してもよく、従って、これらの用語は特に明記の無い限り、そのような改変をも含むものとして理解されたい。

本発明の一実施形態では、ターボ機械が消費する燃料を加熱するためのＥＧＲ処理の間、排気流から除去された熱を利用するシステムを開示する。本発明の部品の材料は、ＥＧＲシステムが機能及び動作し得る動作環境に耐えられるのであれば、適宜のものでよい。

概して、本発明の実施形態による排気ガス再循環システムは、多数の部品を備える。部品の構成及び配列は、排気流の成分に応じて変更可能である。通常、排気ガス再循環処理を含むステップは、冷却、洗浄、除曇、高効率微粒子除去及び液滴除去、及び混合ステップである。本発明により、転用された排気流は、流入空気と混合され、タービン吸気口に導入される。ＥＧＲには、多様な配置構成が可能である。

本発明は、高馬力ガスタービン、航空転用ガスタービン等のガス状流体を創出する様々なターボ機械に適用可能であるが、これらに限定されない。本発明の実施形態は、例えば、一台のターボ機械にも、複数のターボ機械にも適用可能である。本発明の実施形態は、例えば、単純サイクルで動作するターボ機械にも、複合サイクルで動作するターボ機械にも適用可能である。

本発明の一実施形態では、１以上のＥＧＲスキッドを含んでもよい。１以上のＥＧＲスキッドとして、１以上の洗浄器、１以上の洗浄器と１以上の下流熱交換器、１以上の洗浄器と１以上の上流熱交換器、１以上の洗浄器と１以上の下流熱交換器と１以上の上流熱交換器、或いは、それらを様々に組み合わせて利用することができる。更に、１以上のＥＧＲスキッドが、排気流内の有害成分レベルを抑制するための試薬を導入するための注入器と、有害成分を除去するための湿式電気集塵器とを含んでいてもよい。

ここで、図面を参照されたい。全図面を通して、同様の部品には参照符号が付与されている。図１に、本発明の第１の実施形態により、ターボ機械が消費する燃料を加熱するためのシステムを例示する。図１に、ターボ機械１４０及びＥＧＲシステム１００を示す。

ターボ機械１４０は基本的に、圧縮部１４５、燃焼部１４７、及びタービン部１５０を備える。圧縮部１４５の上流に、吸気部１６０が配置されていてもよい。吸気部１６０は、外気フード１６５、吸気フィルタシステム１７０、吸気ダクト１７５、及び吸気プレナム１８０を備えていてもよい。タービン部１５０の下流に、排気筒１５５が配置されていてもよい。

ＥＧＲシステム１００は、ＥＧＲスキッド１０５、ＥＧＲフロー循環装置１１０、ＥＧＲ吸気ダンパ１１５、ＥＧＲ排気ダンパ１２０、及び温度調整装置１９５を備える。ＥＧＲ排気ダンパ１２０は、ターボ機械１４０のターボ部１５０と一体化されていてもよい。

１以上のＥＧＲシステム１００の大きさと材料は、例えば約１００００Ｌｂ／ｈｒ〜約５０００００００Ｌｂ／ｈｒの範囲の流速と約１５００°Ｆ以下の温度のような、排気流１２５の物理的特性に耐え得るものであるが、これに限定されない。吸気部１６０及びタービン部１５０は、ＥＧＲシステム１００の流路１３０と接していてもよい。

ＥＧＲスキッド１０５は通常、排気流１２５の上記成分のレベルを抑制するＥＧＲシステム１００の部品を有する。この部品は、例えば、１以上の熱交換器、１以上の洗浄器、１以上の除曇装置などの部品であるが、これらに限定されない（いずれも図示せず）。ＥＧＲフロー循環装置１１０により、ＥＧＲシステム１００の動作中に排気を循環させることができる。

温度調整装置１９５は通常、燃焼システム１４７に向かって流れる燃料供給１８５の温度を上昇させる。温度調整装置１９５は熱交換器であってもよいが、これに限定されない。流路１３０内に、温度調整装置１９５の一部が直接的又は間接的に配置される。温度調整装置１９５は、排気流１２５及び燃料を受け取って排出するための複数のポート（図示せず）を備えてもよい。温度調整装置１９５は更に、排気流１２５から燃料に熱を伝達させるための熱交換部（図示せず）を備えてもよい。

本発明のこの第１の実施形態では、温度調整装置１９５は、燃料供給１８５から第１温度の燃料を受け取り、燃料排出口１９０から第２温度の燃料を排出する。このとき、第２温度は第１温度よりも高温である。同時に、温度調整装置１９５は、流路１３０を流れる排気流１２５を第１排気温度で受け取り、第２排気温度の排気流１２５を流路１３０に排出する。このとき、第２温度は第１温度よりも低温である。温度調整装置１９５は、例えば、燃料供給１８５〜約３０°Ｆ〜約１００°Ｆの温度範囲の燃料を受け取り、その後、燃料排出口１９０〜約２００°Ｆ〜約４００°Ｆの温度範囲の燃料を排出し得るが、これに限定されない。

実使用において、ＥＧＲシステム１００の動作中は、タービン部１５０からの排気流１２５をＥＧＲシステム１００に流入させるために、ＥＧＲ排気ダンパ１２０を開放してもよい。排気ダンパ１２０により、排気流全体が非再循環排気と排気流１２５とに分配される。その後、温度調整装置１９５は、上述のように、燃料温度が上昇する間、直接的又は間接的に排気流１２５を流し続ける。次に、ＥＧＲスキッド１０５により、排気流１２５内の成分レベルが抑制される。次に、排気流１２５をターボ機械１４０の吸気部１６０に流入させるために、ＥＧＲ吸気ダンパ１１５を開放してもよい。排気流１２５はその後、流入空気と混合されて吸気システム１６０に導入され、吸気流１３５となる。流入空気は、全図面を通して、外気フード１６５の外部の矢印として示されている。吸気流１３５はその後、ターボ機械１４０の圧縮部１４５に向かって流れる。ＥＧＲフロー循環装置１１０により、上述の処理の間、排気流１２５をＥＧＲシステム１００全体にわたり移動させることができる。

ターボ機械１４０は、ロータ（図示せず）を有する圧縮部１４５を備える。ターボ機械１４０の動作は通常、以下の内容を含む。吸気システム１６０からの吸気流１３５が圧縮部１４５に入り、圧縮されて燃焼システム１４７に排出されるが、燃焼システム１４７は燃料排出口１９０から燃料を受け取ってもよい。燃料が燃焼すると、高エネルギ燃焼ガスが生成され、タービン部１５０を駆動さる。タービン部１５０の内部では、高温ガスのエネルギが動力に変換され、その一部により圧縮部１４５を駆動させる。

図２に、本発明の第２の実施形態により、ターボ機械１４０が消費する燃料を加熱するためのシステムを例示する。図２に、ターボ機械１４０及びＥＧＲシステム１００を示す。図２は、本発明の別の実施形態である。図２では、第１の実施形態と、この図２の実施形態との違いに注目して説明する。

第２の実施形態では、ＥＧＲシステム１００は、１以上の燃料ガス加熱器２００に結合されている。本発明の第２の実施形態は、ＥＧＲシステム１００が複数のＥＧＲスキッド１０５（図２にはそのうち１つのみを示す）を備える場合に適用される。ここで、燃料温度を所望の範囲まで上昇させるために、追加の加熱源が必要となる場合がある。本発明は、１以上の燃料ガス加熱器２００を温度調整装置１９５の上流又は下流のいずれかに配置できる柔軟性を有する。

図２に示す本発明のこの第２の実施形態では、燃料ガス加熱器２００により、燃料を第１温度まで上昇させることができる。１以上の燃料ガス加熱器２００は、その後、燃料供給１８５を経由して温度調整装置１９５に燃料を排出する。このとき、燃料は第２温度まで上昇する。温度調整装置１９５は、燃料を燃料排出口１９０から第３温度で排出するが、第３温度はターボ機械１４０に好適な温度範囲であってよい。同時に、温度調整装置１９５は、流路１３０を流れる排気流１２５を第１排気温度で受け取り、排気流１２５を第２排気温度で流路１３０に排出する。このとき、第２温度は第１温度よりも低温である。例えば、温度調整装置１９５は、燃料供給１８５〜約７０°Ｆ〜約１２０°Ｆの温度範囲の燃料を受け取り、その後、燃料排出口１９０〜約２００°Ｆ〜約４００°Ｆの温度範囲の燃料を排出し得るが、これに限定されない。

本明細書において用いた用語は、あくまでも本発明による一部の実施形態を説明するためのものであり、本発明の実施形態を例示の形態に限定するものではない。本明細書において、単数形で表記したものは、明記しない限り、複数存在する可能性を含むものとする。本明細書において、「備える」、「有する」、「含む」及び／又は「組み込まれる」等の用語は、述べられた特徴、整数、ステップ、動作、要素、及び／又は部品の存在を明記するものであるが、１以上のその他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、部品、及び／又はそれらの群の存在又は追加の可能性を排除するものではないことを理解されたい。

以上、一部の実施形態のみを用いて本発明を説明してきたが、明らかなように、かかる実施形態を改変して本発明の企図を実現すること、及び本発明を本明細書に記載した以外の条件下の他の用途に適用することができる。本願は、本発明に係るあらゆる改変形態及び修正形態を網羅するものであり、添付の特許請求の範囲は、本発明の実施形態を本明細書に記載の一部の形態に限定するものではない。

１００ ＥＧＲシステム
１０５ ＥＧＲスキッド
１１０ ＥＧＲフロー循環装置
１１５ ＥＧＲ吸気ダンパ１
１２０ ＥＧＲ排気ダンパ
１２５ 排気流
１３０ 流路
１３５ 吸気流
１４０ ターボ機械
１４５ 圧縮部
１４７ 燃焼システム
１５０ タービン部
１５５ 排気筒
１６０ 吸気部
１６５ 外気フード
１７０ 吸気フィルタシステム
１７５ 吸気ダクト
１８０ 吸気プレナム
１８５ 燃料供給
１９０ 燃料排出口
１９５ 熱交換器
２００ 燃料ガス加熱器

Claims (10)

1. 空気流と排気流（１２５）を含む吸気流（１３５）をターボ機械（１４０）の圧縮部（１４５）に向かって流すための吸気システム（１６０）、及び
   燃料と空気流を燃焼させるための燃焼システム（１４７）を備えるターボ機械（１４０）と、
   １以上の排気ガス再循環（ＥＧＲ）スキッド（１０５）及び１以上の熱交換器（１９５）を備えるＥＧＲシステム（１００）とを備える、燃料温度を上昇させるシステムであって、
   前記ＥＧＲシステム（１００）が、
   前記ターボ機械（１４０）の排気部から、第１のレベルの成分量を含有する第１排気温度の前記排気流（１２５）を受け取り、
   前記排気流（１２５）の前記成分量を、第２のレベルまで低下させる前記ＥＧＲスキッド（１０５）に導入し、
   前記排気流（１２５）を、第２排気温度で前記ＥＧＲスキッド（１０５）から排出させて前記吸気システム（１６０）に導入するよう構成されており、
   前記排気流（１２５）の一部が前記１以上の熱交換器（１９５）の一部を流れる間に、前記１以上の熱交換器（１９５）が第１温度の燃料を受け取り、第２温度で燃料を排出するシステム。
2. 燃料の第１温度が、約３０°Ｆ〜約１００°Ｆの範囲である、請求項１記載のシステム。
3. 燃料の第２温度が、約２００°Ｆ〜約４００°Ｆの範囲である、請求項１記載のシステム。
4. 前記排気流（１２５）の最高温度が約１５００°Ｆである、請求項１記載のシステム。
5. 前記ＥＧＲシステム（１００）が、前記ＥＧＲシステム内を流れる前記排気流（１２５）の量を制御する１以上のＥＧＲ排気ダンパ（１２０）を備える、請求項１記載のシステム。
6. 燃料温度を上昇させるよう構成された１以上の燃料ガス加熱器（２００）を更に備える、請求項１記載のシステム。
7. 前記１以上の燃料ガス加熱器（２００）が、前記１以上の熱交換器（１９５）から燃料を受け取り、該燃料の流れを前記燃焼システム（１４５）に配向する、請求項６記載のシステム。
8. 前記１以上の燃料ガス加熱器（２００）が、前記１以上の熱交換器（１９５）に燃料を供給する、請求項６記載のシステム。
9. 前記１以上の熱交換器（１９５）が、前記ＥＧＲスキッド（１０５）の上流に位置する、請求項１記載のシステム。
10. 前記１以上の熱交換器（１９５）が、前記ＥＧＲスキッド（１０５）の下流に位置する、請求項１記載のシステム。

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