JP2011033029A - ガスタービンに燃料を供給するためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンに燃料を供給するためのシステム及び方法を提供給する。
【解決手段】本ガスタービン（３２）に燃料を供給するためのシステム（３０）は、約５００ｐｓｉを超える圧力の燃料を含む配管（３４）を含む。配管（３４）の下流に連結された圧力低下弁（３８）が、燃料の圧力を約２００ｐｓｉ未満に低下させる。圧力低下弁（３８）の下流に連結された熱交換器（４２）が、湿潤飽和燃料又は乾燥飽和燃料を加熱して過熱燃料を生成する。熱交換器（４２）の下流に連結された制御弁（４４）が、過熱燃料の圧力を約５０ｐｓｉ未満に低下させる。ガスタービン（３２）に過熱燃料を供給する方法は、約５００ｐｓｉを超える圧力を有する燃料を受けるステップと、その圧力を約２００ｐｓｉ未満に低下させるステップとを含む。本方法はさらに、気体燃料を液体燃料から分離するステップと、気体燃料の圧力を約５０ｐｓｉ未満に低下させるステップと、ガスタービン（３２）に過熱燃料を流すステップとを含む。
【選択図】 図３

Description

本発明は、総括的にはガスタービン燃料システムに関連する。より具体的には、本発明は、ガスタービンに過熱気体燃料を供給することができる燃料システムについて記述する。

ガスタービンは、発電用の商業運転において広く使用される。ガスタービンは一般的に、前部に圧縮機、中央部あたりに１以上の燃焼器、また後部にタービンを含む。圧縮機は、作動流体を徐々に加圧し、加圧作動流体を燃焼器に吐出する。燃焼器は、加圧作動流体の流れ内に燃料を噴射しかつその混合気を点火燃焼させて、高温、高圧かつ高速を有する燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、燃焼器から流出しかつタービンに流れ、タービンにおいて、それら燃焼ガスは膨張して仕事を産生する。

燃料内の凝縮気体による液体は、燃焼器内に深刻かつ有害な影響を及ぼしてハードウェア損傷を引き起こす可能性がある。燃料供給者は一般的に、厳しい制御を行って燃料の含水率を低下させている。しかしながら、燃焼器に供給される燃料には基本的に液体がないことを保証するためには、付加的な燃料処理が必要となる。

図１は、ガスタービン１２に燃料を供給するための一般的な燃料システム１０の簡略図を示している。燃料システム１０は一般的に、約５００〜７００ポンド／平方インチの圧力を有する供給燃料１４を含む。燃料は、湿潤飽和状態（炭化水素露点以下の温度及び圧力を有するものとして定義される）、乾燥飽和状態（炭化水素露点に等しい温度及び圧力を有するものとして定義される）、又は過熱状態（炭化水素露点以上の温度及び圧力を有するものとして定義される）とすることができる。燃料は、分離器１６を通って流れ、分離器１６は、燃料からあらゆる凝縮流体（例えば、水、凝縮炭化水素など）を除去する。流量制御弁１８は、ガスタービン１２の燃焼器への燃料の流れを絞る。燃料が流量制御弁１８を通して膨張すると、ジュール−トムソン効果により、燃料温度の低下が生じる。燃料の膨張は、燃料温度を炭化水素露点以下に低下させて、凝縮物が形成されるのを可能にすることができる。燃料温度が炭化水素露点以下に低下するのを防止するために、燃料システムは一般的に、流量制御弁１８の上流に１以上の熱交換器２０、２２を含む。熱交換器２０、２２は、燃料に熱を加えて該燃料を過熱しかつ燃料温度が、常に炭化水素露点以上に維持されることを保証する。

図２は、燃料が燃料システムを通って移動する時の該燃料における温度及び圧力を示すグラフ図を示している。説明の目的上、図２は、ポイントＡで示した過熱燃料として燃料システムに流入する燃料を示している。熱交換器２０、２２は、燃料を加熱して燃料温度をポイントＢまで上昇させる。燃料が流量制御弁１８を通して膨張すると、ジュール−トムソン効果により、燃料の温度がポイントＢからポイントＣに低下する。特に、ポイントＢからポイントＣまでのガス膨張経路は、常に炭化水素露点以上に維持されて、燃料内での凝縮を防止する。ポイントＡ及びポイントＢ間の距離は、燃料温度を常に炭化水素露点以上に維持して凝縮を防止することを保証するために熱交換器２０、２２によって与えられた過熱量を表している。

複数熱交換器は一般的に、あらゆる運転レベルの間に適切な熱源を利用可能であることを保証するために必要である。例えば、通常運転時には、ガスタービン１２が、必要な熱を供給することができる。圧縮機からの高温加圧作動流体又はタービンからの高温排出ガスを取出しかつ１つの熱交換器２２に供給して、燃料を適切に過熱することができる。しかしながら、始動運転時には、ガスタービン１２から熱を容易に入手することができず、従って独立熱源２４を備えた第２の熱交換器２０が必要となる。

始動運転時に熱を供給するための独立熱源を備えた第２の熱交換器の必要性は、ガスタービンシステムの製造における付加的資本コストを必要とする。さらに、第２の熱交換器は一般的に、熱を供給するための加熱コイル、間接燃焼加熱器、ヒートポンプ又は同様な装置を使用し、このことは、一般的に少ない供給状態である始動時に付加的動力又は燃料を消費することになる。さらに、燃料を過熱するために第２の熱交換器によって消費さる動力は、ガスタービンプラントの全体効率を低下させる。

米国特許第７５４９２９３号明細書

従って、始動時にガスタービンに過熱燃料を供給することができる改良型の燃料供給システムの必要性が存在する。燃料供給システムは、独立熱源のための付加的資本コストを必要としないことになり、またガスタービンを始動させる間における短時間の供給状態となる大量の付加的動力を必要としないことになるのが理想的である。

本発明の態様及び利点は、以下において次の説明に記載しており、或いはそれら説明から自明なものとして理解することができ、或いは本発明の実施により学ぶことができる。

本発明の一実施形態は、ガスタービンに燃料を供給するためのシステムである。本システムは、約５００ポンド／平方インチを超える圧力の供給燃料を含む配管を含む。供給燃料の圧力を低下させるための手段が、配管の下流に連結されて、供給燃料の圧力を約２００ポンド／平方インチ未満に低下させる。分離器が、供給燃料の圧力を低下させるための手段の下流に連結され、かつ分離器は、気体ポート及び液体ポートを含む。制御弁が、気体ポートに連結され、かつ制御弁は、供給燃料の圧力を低下させて約５０ポンド／平方インチよりも低い圧力を有する過熱燃料を生成する。

本発明の別の実施形態では、ガスタービンに燃料を供給するためのシステムは、約５００ポンド／平方インチを超える圧力の供給燃料を含む配管を含む。圧力低下弁が、配管の下流に連結され、かつ圧力低下弁は、供給燃料の圧力を約２００ポンド／平方インチ未満に低下させるように構成される。熱交換器が、圧力低下弁の下流に連結されて供給燃料を加熱する。制御弁が、熱交換器の下流に連結され、かつ制御弁は、供給燃料の圧力を約５０ポンド／平方インチ未満に低下させる。

本発明はさらに、ガスタービンに過熱燃料を供給する方法を含む。本方法は、約５００ポンド／平方インチを超える圧力を有する供給燃料を受けるステップと、供給燃料の圧力を約２００ポンド／平方インチ未満に低下させて気体燃料及び液体燃料の混合物を有する湿潤飽和燃料を生成するステップとを含む。本方法はさらに、気体燃料を液体燃料から分離するステップと、気体燃料の圧力を約５０ポンド／平方インチ未満に低下させて過熱燃料を生成するステップと、過熱燃料をガスタービンに流すステップとを含む。

本明細書を精査することにより、当業者には、そのような実施形態の特徴及び態様並びにその他がより良好に理解されるであろう。

添付図面の図を参照することを含む本明細書の以下の残り部分において、当業者に対する本発明の最良の形態を含む本発明の完全かつ有効な開示をより具体的に説明する。

ガスタービンに燃料を供給するための一般的なシステムの簡略図。 図１において供給する燃料の圧力及び温度を示すグラフ図。 本発明の一実施形態による、ガスタービンに燃料を供給するためのシステムの簡略図。 図３において供給する燃料の圧力及び温度を示すグラフ図。

次に、その１以上の実施例を添付図面に示している本発明の現時点での実施形態を詳細に説明する。詳細な説明では、図面中の特徴要素を示すために参照符号及び文字表示を使用している。本発明の同様な又は類似した部品を示すために、図面及び説明において同様な又は類似した表示を使用している。

各実施例は、本発明の限定ではなくて本発明の説明として示している。実際には、本発明においてその技術的範囲及び技術思想から逸脱せずに修正及び変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として例示し又は説明した特徴要素は、別の実施形態で使用してさらに別の実施形態を生成することができる。従って、本発明は、そのような修正及び変更を特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するものとして保護することを意図している。

図３は、本発明の一実施形態による、ガスタービン３２用の燃料システム３０の簡略図を示している。本燃料システム３０は一般的に、供給燃料３６を含む配管３４と、供給燃料の圧力を低下させるための手段３８と、分離器４０と、熱交換器４２と、制御弁４４とを含む。

配管４４は供給燃料３６を含んでいて、該供給燃料３６をその供給源から燃料システム３０に移送する。供給燃料３６は、ガスタービン内での燃焼に適したあらゆる燃料とすることができる。商業用燃焼エンジンで使用する利用可能な燃料には、高炉ガス、コークス炉ガス、天然ガス、気化した液化天然ガス（ＬＮＧ）及びプロパンがある。燃料は一般的に、地理的地域、配管断熱材及び外部加熱に応じて約５００〜７００ポンド／平方インチの圧力及び約５０〜７０°Ｆの温度を有する。天然ガス及び気化ＬＮＧ燃料は一般的に、地下配管を通して燃料システム３０に搬送されるので、実際の燃料の温度及び圧力は、時節、燃料供給者、場所及びその他の環境条件によって変わる可能性がある。供給者は、燃料を湿潤飽和（状態）燃料（すなわち、炭化水素露点以下の温度及び圧力を有する）、乾燥飽和（状態）燃料（すなわち、炭化水素露点に等しい温度及び圧力を有する）、又は過熱（状態）燃料（すなわち、炭化水素露点以上の温度及び圧力を有する）として送給することができる。

供給燃料の圧力を低下させるための手段３８は、供給燃料３６を含む配管３４の下流に連結される。供給燃料の圧力を低下させるための手段３８は、１以上のジュール−トムソン弁、圧力低下弁、スロットル弁、可変オリフィス、或いはそれを通してガスが断熱膨張してジュール−トムソン効果によりガスの温度を低下させることができるあらゆる弁を含むことができる。必要に応じて、供給燃料の圧力を低下させるための手段３８と共にバイパス弁３９を使用して、最大運転流量範囲を拡大することができる。燃料は、配管３４を通って供給燃料の圧力を低下させるための手段３８に流れ、かつ供給燃料の圧力を低下させるための手段３８は、燃料の圧力を約２００ポンド／平方インチ未満に低下させる。燃料の圧力が低下すると、ジュール−トムソン効果により、燃料の温度が１ポンド／平方インチの圧力低下毎に約０．０６〜０．０７°Ｆ低下して、実際の温度低下は、流入燃料の組成及び温度に応じた状態になる。従って、供給燃料の圧力を低下させるための手段３８から流出する燃料は、乾燥飽和状態（すなわち、炭化水素露点の）又は湿潤飽和状態（すなわち、炭化水素露点以下の）燃料となることができる。実際の燃料の状態は、使用する特定の燃料並びに供給燃料の圧力を低下させるための手段３８から流出する燃料の温度及び圧力のような様々な要因によって決まる。

分離器４０及び熱交換器４２は、供給燃料の圧力を低下させるための手段３８の下流に連結して、制御弁４４に到達するのに先立って燃料を調整する。図３には、分離器４０及び熱交換器４２の両方を示しているが、本発明の技術的範囲内における付加的実施形態では、分離器４０のみを含むことができ、一方、他の実施形態では、熱交換器４２のみを含むことができる。

分離器４０は、それが存在する場合には、供給燃料の圧力を低下させるための手段３８から流出する湿潤飽和燃料又は乾燥飽和燃料内に存在するあらゆる液体を除去する。分離器４０は、合体フィルタ、慣性分離器及びミスト排除器、或いは高い効率で気体及び液体を物理的に分離する当技術分野で公知のその他の構造を含むことができる。他の実施形態では、分離器４０は、燃料ストリームから液体燃料を除去する吸収性オイルを有する吸収塔を含むことができる。分離器４０は、液体ポート４６を通して液体を吐出して、サイクルし又は燃料システムにおいてさらに使用する。気体燃料は、乾燥飽和燃料（すなわち、炭化水素露点の）又は過熱燃料（すなわち、炭化水素露点以上の）として気体ポート４８を介して分離器４０から流出する。ここでも同様に、実際の気体燃料の状態は、使用する特定の燃料並びに分離器４０から流出する気体燃料の温度及び圧力のような様々な要因によって決まる。

熱交換器４２は、それが存在する場合には、燃料が供給燃料の圧力を低下させるための手段３８及び分離器（それが存在する場合には）を通って流れた後に該燃料に熱を与える。膨張後における燃料の比較的低い温度の故に、熱交換器４２は、燃料の温度を炭化水素露点以上に高めるための高温度の熱源を必要としない。その結果、熱交換器４２は、例えば地熱熱源５０を使用することができる。地熱熱源５０には、熱源として地中の比較的一定の温度を使用するあらゆる熱源が含まれる。実施例として、それに限定されないが、地下水、周囲空気、及び場合によっては供給燃料３６でさえも含み、この供給燃料は一般的に、”Ｃｏｎｃｅｐｔ ｆｏｒ ｐａｓｓｉｖｅ ｈｅａｔｉｎｇ ａｔ ｍｅｔｅｒ／ｇａｔｅ ｓｔａｔｉｏｎｓ”， Ｄｒ． Ｗａｙｎｅ Ｓ． Ｈｉｌｌ ａｎｄ Ｅｌｉｚａｂｅｔｈ Ｃ． Ｐｏｕｌｉｎ （Ｆｅｂｒｕａｒｙ １， １９９２）に記載されているように、地下配管を介して搬送される。補助ボイラからの蒸気のような別のより従来型のエネルギー源もまた、使用することができるが、高温度エネルギー源は、この用途の場合には必要条件ではない。

熱交換器４２は、燃料の温度を炭化水素露点以上に上昇させる。分離器４０が存在する場合には、熱交換器４２から流出する気体燃料はおそらく、過熱燃料（すなわち、炭化水素露点以上）になるであろう。分離器４０を使用しない場合には、熱交換器４２から流出する燃料は、乾燥飽和状態（すなわち、炭化水素露点の）又は過熱状態（すなわち、炭化水素露点以上の）燃料となることになる。前述したように、実際の燃料の状態は、使用する特定の燃料並びに供給燃料の圧力を低下させるための手段３８又は分離器４０から流出する燃料の温度及び圧力のような様々な要因によって決まる。

制御弁４４は、分離器４０及び／又は熱交換器４２の下流に連結されかつガスタービン３２への燃料の流れを制御する。制御弁４４は、ジュール−トムソン弁、スロットル弁、可変オリフィス、又は流体流れを調整する当業者に公知の同様な装置とすることができる。ガスタービン３２の始動時に、制御弁４４は、ガスタービン３２の始動要求に応じて乾燥飽和又は過熱燃料の圧力をさらに低下させて、約２５〜５０ポンド／平方インチの圧力を有する過熱燃料を生成する。所望の燃料圧力は、ガスタービン３２に負荷が加わるにつれて徐々に上昇し、かつ制御弁４４が、それに応じて調製して所望の圧力で過熱燃料を供給する。あるポイントにおいて、ガスタービン３２は、圧縮機からの高温加圧作動流体又はタービンからの高温排出ガスを取出して燃料に対して付加的な過熱を行なうのを可能にするのに十分なレベルで運転している。

図４は、図３において供給する燃料の圧力及び温度を示すグラフ図である。燃料システム３０に流入する燃料は、湿潤飽和燃料（すなわち、炭化水素露点以下の）、乾燥飽和燃料（すなわち、炭化水素露点の）、又は過熱燃料（すなわち、炭化水素露点以上の）とすることができる。説明の目的上、図４は、ポイントＤで示すような過熱燃料として燃料システム３０に流入する燃料を示している。

供給燃料の圧力を低下させるための手段３８は、ラインＤ−Ｅで示すように、燃料の圧力及び温度を低下させる。前述したように、供給燃料の圧力を低下させるための手段３８から流出する燃料は、乾燥飽和燃料（すなわち、炭化水素露点の）又は湿潤飽和燃料（炭化水素露点以下の）となることができる。説明の目的上、図４は、供給燃料の圧力を低下させるための手段３８から流出する燃料をポイントＥで示すような湿潤飽和燃料として示している。

燃料は次に、分離器４０及び／又は熱交換器４２を通って流れる。分離器４０が存在する場合には、分離器４０は、燃料から凝縮液体を除去して、図４における破線曲線で示すような気体燃料の新しい炭化水素露点を生じる。前述したように、分離器４０から流出する気体燃料は、乾燥飽和状態（すなわち、炭化水素露点の）又は過熱状態（すなわち、炭化水素露点以上の）燃料となることができる。説明の目的上、図４は、分離器４０から流出する燃料を新しい炭化水素露点の破線曲線上に位置するポイントＥで示すような乾燥飽和燃料として示している。

熱交換器４２が存在しない場合には、乾燥飽和燃料は次に、制御弁４４を通って流れ、制御弁４４は、ラインＥ−Ｆで示すように気体燃料の温度及び圧力をさらに低下させて、気体膨張経路が新しい炭化水素露点曲線から逸脱するので過熱状態を形成する。このことは、制御弁４４によって生じた圧力の変化（ΔＴ／ΔＰ）に対する温度の変化（ΔＴ／ΔＰ）が、新しい炭化水素露点曲線よりも大きい傾斜を有するために発生する。従って、供給燃料の圧力を低下させるための手段３８、分離器４０及び制御弁４４の新規な組合せにより、始動時に始動熱交換器の必要性がない状態で、図４におけるラインセグメントＤ−Ｅ−Ｆ（破線曲線で示す新しい炭化水素露点を有する）で示すようにガスタービン３２への過熱燃料が生成される。

分離器４０と共に熱交換器が存在する場合には、熱交換器４２は、ラインＥ−Ｅ’で示すように、分離器４０から流出する乾燥飽和燃料の温度を上昇させる。このような気体燃料の付加的過熱により、ガスタービン３２に供給される燃料がいかなる液体又は凝縮物もない状態に維持されることをさらに保証する付加的マージンが得られる。過熱気体燃料は次に、制御弁４４を通って流れ、制御弁４４は、ラインＥ−Ｆ’で示すように燃料の温度及び圧力をさらに低下させる。従って、供給燃料の圧力を低下させるための手段３８、分離器４０、熱交換器４２及び制御弁４４の新規な組合せにより、始動時に図４におけるラインセグメントＤ−Ｅ−Ｅ’−Ｆ’（破線曲線で示す新しい炭化水素露点を有する）で示すようにガスタービン３２への過熱燃料が生成される。

分離器４０が存在しない場合には、熱交換器４２は、ラインＥ−Ｅ’で示すように、供給燃料の圧力を低下させるための手段３８から流出する湿潤飽和燃料の温度を上昇させる。分離器を備えていないこのような実施形態の場合には、炭化水素露点は、変化しない状態に保たれ、かつ熱交換器４２は、湿潤飽和燃料を過熱して、いかなる液体又は凝縮物もない過熱燃料を生成する。過熱燃料は次に、制御弁４４を通って流れ、制御弁４４は、ラインＥ’−Ｆ’によって示すように燃料の温度及び圧力をさらに低下させる。従って、供給燃料の圧力を低下させるための手段３８、熱交換器４２及び制御弁４４の新規な組合せにより、始動時に図４におけるラインセグメントＤ−Ｅ−Ｅ’−Ｆ’（炭化水素露点における変化が全くない）で示すようにガスタービン３２への過熱燃料が生成される。

特許請求の範囲に記載したような本発明の技術的範囲及び技術思想並びにその均等物から逸脱せずに本明細書に記載した本発明の実施形態に対して改良及び変更を加えることができることは当業者には分かるであろう。

１０ 燃料システム（従来技術）
１２ ガスタービン
１４ 供給燃料
１６ 分離器
１８ 流量制御弁
２０ 始動熱交換器
２２ 運転熱交換器
２４ 独立熱源
３０ 燃料システム
３２ ガスタービン
３４ 配管
３６ 供給燃料
３８ 供給燃料の圧力を低下させるための手段
３９ バイパス弁
４０ 分離器
４２ 熱交換器
４４ 制御弁
４６ 液体ポート
４８ 気体ポート
５０ 地熱熱源

Claims (10)

1. ガスタービン（３２）に燃料を供給するためのシステム（３０）であって、
   ａ．５００ポンド／平方インチを超える圧力の供給燃料（３６）を含む配管（３４）と、
   ｂ．前記配管（３４）の下流に連結されて前記供給燃料（３６）の圧力を２００ポンド／平方インチ未満に低下させる、供給燃料の圧力を低下させるための手段（３８）と、
   ｃ．前記供給燃料の圧力を低下させるための手段（３８）の下流に連結されかつ気体ポート（４８）及び液体ポート（４６）を備えた分離器（４０）と、
   ｄ．前記気体ポート（４８）に連結されかつ前記供給燃料（３６）の圧力を低下させて５０ポンド／平方インチよりも低い圧力を有する過熱燃料を生成する制御弁（４４）と、を含む、
   システム（３０）。
2. 前記供給燃料の圧力を低下させるための手段（３８）の下流に連結された熱交換器（４２）をさらに含む、請求項１記載のシステム（３０）。
3. 前記熱交換器（４２）が地熱熱源（５０）を含む、請求項２記載のシステム（３０）。
4. 前記供給燃料の圧力を低下させるための手段（３８）がジュール−トムソン弁を含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のシステム（３０）。
5. 前記供給燃料の圧力を低下させるための手段（３８）が可変オリフィスを含む、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のシステム（３０）。
6. 前記分離器（４０）が合体フィルタを含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のシステム（３０）。
7. 前記分離器（４０）が吸収性オイルを有する吸収塔を含む、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のシステム（３０）。
8. ガスタービン（３２）に過熱燃料を供給する方法であって、
   ａ．５００ポンド／平方インチを超える圧力を有する供給燃料（３６）を受けるステップと、
   ｂ．前記供給燃料（３６）の圧力を２００ポンド／平方インチ未満に低下させて、気体燃料及び液体燃料の混合物を有する湿潤飽和燃料を生成するステップと、
   ｃ．前記気体燃料を前記液体燃料から分離するステップと、
   ｄ．前記気体燃料の圧力を５０ポンド／平方インチ未満に低下させて、過熱燃料を生成するステップと、
   ｅ．前記過熱燃料を前記ガスタービン（３２）に流すステップと
   を含む方法。
9. 前記気体燃料を加熱するステップをさらに含む、請求項８記載の方法。
10. 前記気体燃料を地熱熱源（５０）で加熱するステップをさらに含む、請求項８又は請求項９記載の方法。