JP2014202211A

JP2014202211A - 燃料調整システムを有する簡便なサイクルガスターボ機関システム

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Publication number: JP2014202211A
Application number: JP2014075863A
Authority: JP
Inventors: コーリー・フレドリック・レンド; Korey Frederic Rendo; アメヤ・チャンドラカント・ジョシ; Chandrakant Joshi Ameya; ディエゴ・フェルナンド・ランクルーエル; Diego Fernando Rancruel; デイヴィッド・ウェスリー・ボール，ジュニア; David Wesley Ball Jr; マイケル・ブライアン・スミス; Brian Smith Michael
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2013-04-09
Filing date: 2014-04-02
Publication date: 2014-10-27
Anticipated expiration: 2034-04-02
Also published as: CN104100381A; CH707976A2; CN104100381B; US20140298816A1; DE102014104454A1; JP6411762B2; US9422868B2

Abstract

【課題】燃料調整システムを有する簡便なサイクルガスタービンシステムを提供する。【解決手段】簡便なサイクルガスターボ機関は、圧縮機部分および排出口を有するタービン部分を含む。少なくとも１つの燃焼器は、圧縮機部分およびタービン部分に流体接続する。排気部材は、タービン部分の排出口に流体接続した注入口、第１の排出口および第２の排出口を含む。燃料調整システムは、排気部材の第２の排出口および排気ガス注入口に流体接続した排気ガス注入口を有する第１の回路、燃料の供給源に流体接続した注入口および少なくとも１つの燃焼器に流体接続した排出口を有する第２の回路を備えた熱交換部材を含む。調整後流体導管は、調整した流体の供給源と、燃焼器アセンブリおよび排気部材の第１の排出口のうちの一方との間に流体接続する。【選択図】図１

Description

本明細書に開示した主題は、簡便なサイクルガスタービンシステムの技術に関し、特に、燃料調整システムを有する簡便なサイクルガスタービンシステムに関する。

ガスターボ機関は、共通圧縮機／タービンシャフトを介してタービン部分に連結した圧縮機部分および燃焼器アセンブリを含む。吸気流は、圧縮機部分へ向けて空気取入口を通過する。圧縮機部分において、吸気流は、燃焼器アセンブリに向けて多数のシーケンシャルステージを通って圧縮される。燃焼器アセンブリにおいて、圧縮された空気流は、燃料と混合して可燃性混合物を形成する。可燃性混合物を燃焼器アセンブリ内で燃焼させて高温ガスを生成する。高温ガスは、トランジションピースを通りタービン部分へと導かれる。高温ガスは、タービン部分を通って膨張し、ホイール上に装着したタービン動翼上に作用し、例えば、発電機、ポンプを動かすため、または車両に電力を供給するための出力である仕事量を作り出す。

米国特許第８０１５７９３号公報

例示的な実施形態の一態様によれば、簡便なサイクルガスターボ機関は、圧縮機部分と、圧縮機部分に動作上で接続したタービン部分とを含む。タービン部分は、排出口を含む。燃焼器アセンブリは、圧縮機部分およびタービン部分に流体接続した少なくとも１つの燃焼器を含む。排気部材は、タービン部分の排出口に流体接続した注入口、第１の排出口および第２の排出口を含む。燃料調整システムは、排気部材の第２の排出口および排気ガス排出口に流体接続した排気ガス注入口を有する第１の回路、ならびに燃料の供給源に流体接続した注入口および少なくとも１つの燃焼器に流体接続した排出口を有する第２の回路を備えた熱交換部材を含む。第１の回路は、第２の回路と熱交換関係にある。調整後流体導管は、調整した流体の供給源と、燃焼器アセンブリおよび排気部材の第１の排出口のうちの一方との間に流体接続する。

例示的な実施形態の別の一態様によれば、簡便なサイクルガスターボ機関用の燃料を調整する方法は、簡便なサイクルガスターボ機関のタービン部分から排気部材の注入口へと排気ガスを送るステップと、注入口の下流の排気部材から熱交換部材の第１の回路の排気ガス注入口へと排気ガスの一部を流すステップと、熱交換部材の第２の回路を介して燃料を流すステップと、熱交換関係にある第２の回路を横切って排気ガスの一部を導くステップと、熱交換部材の排気ガス排出口を介して排気ガスの一部を流すステップと、第２の回路からタービン部分に流体接続した燃焼器へ燃料を向けるステップと、燃焼器アセンブリおよび排気ガス注入口のうちの一方に調整した流体を流すステップとを含む。

これらのおよび他の利点および特徴は、図面と合わせて下記の説明からより明らかになるであろう。

発明と見なされる主題を、明細書の結論のところの特許請求の範囲において特に指摘し、明確に権利を主張する。前述および他の特徴ならびに本発明の利点は、添付した図面と合わせて下記の詳細な説明から明らかである。

例示的な実施形態の一態様による燃料調整システムを含む簡便なサイクルガスターボ機関の概略図である。例示的な実施形態の別の一態様による燃料調整システムを含む簡便なサイクルガスターボ機関の概略図である。

詳細な説明は、図面を参照して例として、利点および特徴とともに本発明の実施形態を説明する。

例示的な実施形態による簡便なサイクルガスターボ機関を、図１に全体を２で示す。ターボ機関２は、燃焼器アセンブリ８を介してタービン部分６に動作上で結合した圧縮機部分４を含む。燃焼器アセンブリ８は、１つまたは複数の燃焼器１０を含む。ターボ機関２をやはり、共通圧縮機／タービンシャフト１２を介してタービン部分６に機械的に連結する。発電機１５を、圧縮機部分４に機械的に連結する。当然のことながら、発電機１５の個別の接続が、変わることがあり、タービン部分６への接続を含むことがあることが、理解されるはずである。

動作では、空気は、圧縮機部分４に入り、圧縮空気を生成する多数のシーケンシャル圧縮機ステージを通って圧縮される。圧縮空気の一部は、燃焼器アセンブリ８を通り、燃料と混合して、可燃性混合物を形成する。圧縮空気の別の一部は、冷却目的でタービン部分６へと流れる。可燃性混合物は、燃焼器１０内で燃焼して、トランジションピース（図示せず）を通りタービン部分６へと流れる燃焼生成物を作る。燃焼生成物は、排気ガスの形態で排出口１８を介してタービン部分６を出る。

タービン部分６の排出口１８を、排気スタック１２２の形態で示した排気部材１２０に流体接続する。排気スタック１２２は、第１の端部１２４から中間部分１２７を通って第２の端部１２５へと延びる。第１の注入口１３０を、第１の端部１２４の近くに設け、第２の注入口１３１を、第２の端部１２５の近くに設ける。第１および第２の注入口１３０および１３１の個々の位置を変えることができる。排気スタック１２２はやはり、第１の注入口１３０の下流でかつ第２の注入口１３１の上流に配置した第１の排出口１３３を含む。第２の排出口１３４を、第２の注入口１３１の下流の第２の端部１２５のところに設ける。第２の排出口１３４は、周囲へと放出する。排気ガス中のＮＯｘなどの汚染物を減少させ、出力増強を与え、熱回収の形態で効率を高めるために、ターボ機関２を、燃料調整システム１４０に結合する。

燃料調整システム１４０は、凝縮物排出口素子１４４、第１の回路１４６、第２の回路１４８および第３の回路１５０を備えた凝縮セクション１４３を有する熱交換部材１４２を含む。第１の回路１４６は、排気スタック１２２上の第１の排出口１３３に流体接続した排気ガス注入口１５３を含む。第１の回路１４６に入る排気ガスは、排気ガス注入口１５３を通過し、排気流路１５７を介して排気ガス排出口１５５へと流れる。排気ガスは、ダンパ１５９が制御する排気ガス注入口導管１５８を通過する。燃料調整が所望でないときには、ダンパ１５９は、熱交換部材１４２への流れを止める。第２の回路１４８は、燃料注入口１６４および燃料排出口１６６を含む。燃料注入口１６４に入る燃料は、排気流路１５７を通って流れる排気ガスと熱交換関係に配置した蛇行する流れゾーン１６８を通過する。燃料注入口１６４を、燃料導管１７２を介して燃料の供給源１７０に流体接続する。

第３の回路１５０は、凝縮物注入口１８０、凝縮物排出口１８２、および蛇行する流れゾーン１８５を含む。凝縮物は、凝縮セクション１４３から調整後流体または凝縮物導管１８８を介して流れる。凝縮物導管１８８は、第１の端部セクションから中間セクション１９３を介して第２の端部セクション１９１へと延びる。ポンプ１９５および凝縮物調整システム１９６を、凝縮物導管１８８に流体接続する。例示的な実施形態の一態様によれば、凝縮物調整システム１９６は、脱イオン化装置の形態を取ることができる。調整した凝縮物は、凝縮物注入口１８０を通り、排気流路１５７を通過する排気ガスと熱交換関係にある蛇行する流れセクション１８５に沿って流れる。凝縮物は、凝縮物排出口１８２から燃焼器１０へと流れる。より具体的には、加熱した凝縮物は、ノズル１９９へと排出口導管１９８を通過する。ノズル１９９は、２００で示したような過熱防止装置、エダクタ、またはエジェクタの形態を取ることができる。ノズル１９９内では、加熱した凝縮物を、燃料導管１７２を通過する加熱した燃料と混合し、燃焼器１０へと導入する。調整した凝縮物の形態の調整した流体の導入は、熱交換部材１４２を通って流れる排気ガスの排気ガス温度を制御する。より具体的には、燃料調整システム１４０は、排気ガス温度を低下させて、可燃性混合物を作る排気ガスが自然発火温度に達することを防止する。凝縮セクション１４３から流れるように説明したが、調整した流体は、調整した流体の供給源２０２と排出口導管１９８との間に流体接続した調整後流体導管２０１を通過することが可能であることを、理解すべきである。さらに、燃焼器アセンブリ８に調整した流体を供給することに加えて、調整した流体をやはり、圧縮機部分４および／またはタービン部分６に供給することができることを、理解すべきである。

なおさらに例示的な実施形態によれば、排気ガス排出口１５５を、排気ガス排出口導管２０６を介して排気スタック１２２の第２の注入口１３１に流体接続する。排気ガス排出口１５５から流れる排気ガスの一部は、排気ガス排出口導管２０６と排気ガス注入口１５３との間に流体接続した調整分岐路２０９へと流れる。ブローアまたはファン２１１を、調整分岐路２０９の上流の排気ガス排出口導管２０６に接続する。ダンパ２１３を、調整分岐路２０９の下流の排気ガス排出口導管２０６内に設ける。追加のダンパ２１４を、調整分岐路２０９内に設ける。排気ガス排出口１５５から流れる冷たい排気ガスの一部が、排気ガス注入口１５３へと排気スタック１２２から流れる熱い排気ガス中へと戻るように導くために、ダンパ２１３および２１４を、選択的に設置する。冷たい排気ガスおよび熱い排気ガスは、排気ガス流路１５７に沿って所望の排気ガス温度を実現するために混じり合う。ダンパ２１３およびダンパ２１４を開く個々の度合いを変えることができる。加えて、第１および第２のウォッベメータ２１７および２１９を、燃料注入口１６４および燃焼器１０のところに配置し、燃料の燃焼エネルギーを監視する。

ここで図２を参照し、ここでは、類似の参照番号はそれぞれの図において対応する部品を表す。タービン部分６の排出口１８を、排気スタック２４２の形態で示した排気部材２４０に流体接続する。排気スタック２４２は、第１の端部２４４から中間部分２４７を通り第２の端部２４５へと延びる。注入口２４９を、第１の端部２４４の近くに設ける。排気スタック２４２はまた、注入口２４９の下流に配置した第１の排出口２５０を含む。第２の排出口２５２を、第１の排出口２５０の下流の第２の端部２４５のところに設ける。第２の排出口２５２は周囲へ放出する。排気ガス中のＮＯｘなどの汚染物を減少させ、出力増強を与え、熱回収の形態で効率を高めるために、ターボ機関２を、燃料調整システム２６０に結合する。

燃料調整システム２６０は、凝縮物排出口素子２６４、第１の回路２６６、および第２の回路２６８を備えた凝縮セクション２６３を有する熱交換部材２６２を含む。第１の回路２６６は、排気スタック２４２上の第１の排出口２５０に流体接続した排気ガス注入口２７０を含む。第１の回路２６６に入る排気ガスは、排気ガス注入口２７０を通過し、排気流路２７４を介して排気ガス排出口２７２へと流れる。排気ガスは、ダンパ２８４が制御する排気ガス注入口導管２８０を介して排気ガス注入口に入る。燃料調整が所望でないときには、ダンパ２８４は、熱交換部材２６２への流れを止める。第２の回路２６８は、燃料注入口２９０および燃料排出口２９２を含む。燃料注入口２９０に入る燃料は、排気流路２７４を通って流れる排気ガスと熱交換関係に配置した蛇行する流れゾーン２９４を通過する。燃料注入口２９０を、燃料導管２９８を介して燃料の供給源２９６に流体接続する。上に説明したものと類似の方式で、燃料調整システム２６０は、熱交換部材２６２を通って流れる排気ガスの排気ガス温度を制御する。より具体的には、燃料調整システム２６０は、排気ガス温度を低下させて、可燃性混合物を作る排気ガスが自然発火温度に達することを防止する。

排気ガス排出口２５０から流れる排気ガスは、ノズル３１６を通過する。ノズル３１６は、３１８で示したような過熱防止装置、エダクタ、またはエジェクタの形態を取ることができる。凝縮物を、ノズル３１６において排気ガスと混合する。より具体的には、調整後流体または凝縮物導管３２０は、凝縮物排出口素子２６４に流体接続した第１の端部セクション３２４から中間セクション３２８を通って第２の端部セクション３２６へと延びる。第２の端部セクション３２６を、ノズル３１６に流体接続する。ポンプ３４０を、凝縮物調整システム３４４の上流の中間セクション３２８内で流体接続する。凝縮物調整システム３４４は、脱イオン化装置の形態を取ることができる。このようにして、燃料調整システム２６０は、熱交換部材２６２中へと流れ込む熱い排気ガス中へと調整した凝縮物を送る。調整した凝縮物の形態の調整した流体の追加は、熱交換部材２６２を通過する可燃性流体の自然発火温度よりも低く排気ガス温度を低下させる。より具体的には、凝縮物の追加は、天然ガス、ガスタービン排気ガス、および希釈剤（Ｈ₂Ｏ）混合物の可燃限界を低下させる。上に説明したものと類似の方式で、第１および第２のウォッベメータ３６０および３７０を、燃料注入口２９０および燃焼器１０のところに配置し、燃料の燃焼エネルギーを監視する。凝縮セクション２６３から流れるように説明したが、調整した燃料を、調整した燃料の供給源４０１と凝縮物導管３２０との間に流体接続した調整後流体導管４００を介して供給することが可能であることを、理解すべきである。調整した流体はやはり、圧縮機部分４および／またはタービン部分６を通ることができる。

排気流路６８に沿って流れる排気ガスの排気ガス温度を制御することは、燃焼アセンブリを通る可燃性混合物の自然発火温度よりも低く熱交換部材内の温度を維持し、酸素を含有する媒体が存在する中で燃料を加熱することに付随する動作上のリスクおよび危険を減少させることを、当業者なら理解するはずである。加えて、排気ガス中の回収する熱は、ターボ機関効率を高くする。例示的な実施形態はやはり、燃料温度を熱分解温度よりも低く維持することができる。例示的な実施形態はやはり、燃料と直接熱交換する熱媒体についての推進力の一因となることがある。例示的な実施形態はやはり、ガスタービンの背圧を維持することができ、したがって、動作に関する性能必要条件を維持することができる。さらに、排気ガス中に凝縮物を導入するために過熱防止装置、およびエダクタ、またはエジェクタを利用するように示しているが、別のシステムをやはり、凝縮物導入および／または混合のために利用できることを、理解すべきである。調整した流体が、所望の温度に調整した流体ならびに分子的におよび／または化学的に変えた流体の両者を含むことを、やはり理解すべきである。

本発明を限られた数の実施形態だけに関連して詳細に説明してきているが、本発明をこのような開示した実施形態に限定しないことを、容易に理解するはずである。むしろ、本発明を、これまでに記載していないが、本発明の精神および範囲に一致する任意の数の変形形態、代替形態、置換形態、または等価な配置を取り込むように修正することが可能である。加えて、本発明のさまざまな実施形態を説明してきているが、本発明の態様が説明した実施形態の一部だけを含むことができることが、理解される。したがって、本発明を、前述の記載が限定するように見なさずに、別記の特許請求の範囲が限定するだけである。

２ターボ機関
４圧縮機部分
６タービン部分
８燃焼器アセンブリ
１０１つまたは複数の燃焼器
１２共通圧縮機／タービンシャフト
１５発電機
１８排出口
１２０排気部材
１２２排気スタック
１２４第１の端部
１２５第２の端部
１２７中間部分
１３０第１の注入口
１３１第２の注入口
１３３第１の排出口
１３４第２の排出口
１４０燃料調整システム
１４２熱交換部材
１４３凝縮セクション
１４４凝縮物排出口素子
１４６第１の回路
１４８第２の回路
１５０第３の回路
１５３排気ガス注入口
１５５排気ガス排出口
１５７排気流路
１５８排気ガス注入口導管
１５９ダンパ
１６４燃料注入口
１６６燃料排出口
１６８蛇行する流れゾーン
１７０燃料
１７２燃料導管
１８０凝縮物注入口
１８２凝縮物排出口
１８５蛇行する流れゾーン
１８８調整後流体または凝縮物導管
１９０第１の端部セクション
１９１第２の端部セクション
１９３中間セクション
１９５ポンプ
１９６凝縮物調整システム
１９８排出口導管
１９９ノズル
２００過熱防止装置またはエダクタ
２０１調整後流体導管
２０２調整した流体
２０６排気ガス排出口導管
２０９調整分岐路
２１１ブローアまたはファン
２１３ダンパ
２１４追加のダンパ
２１７第１のウォッベメータ
２１９第２のウォッベメータ
２４０排気部材
２４２排気スタック
２４４第１の端部
２４５第２の端部
２４７中間部分
２４９注入口
２５０第１の排出口
２５２第２の排出口
２６０燃料調整システム
２６２熱交換部材
２６３凝縮セクション
２６４凝縮物排出口素子
２６６第１の回路
２６８第２の回路
２７０排気ガス注入口
２７２排気ガス排出口
２７４排気流路
２８０排気ガス注入口導管
２８４ダンパ
２９０燃料注入口
２９２燃料排出口
２９４蛇行する流れゾーン
２９６燃料
２９８燃料導管
３１６ノズル
３１８過熱防止装置またはエダクタ
３２０調整後流体または凝縮物導管
３２４第１の端部セクション
３２６第２の端部セクション
３２８中間セクション
３４０ポンプ
３４４脱イオン化装置
３６０第１のウォッベメータ
３７０第２のウォッベメータ
４００調整後流体導管
４０１調整した流体

Claims

圧縮機部分と、
前記圧縮機部分に動作上で接続し、排出口を含むタービン部分と、
前記圧縮機部分および前記タービン部分に流体接続した少なくとも１つの燃焼器を含む燃焼器アセンブリと、
前記タービン部分の前記排出口に流体接続した注入口、第１の排出口および第２の排出口を有する排気部材と、
前記排気部材の前記第２の排出口および排気ガス排出口に流体接続した排気ガス注入口を有する第１の回路ならびに燃料の供給源に流体接続した注入口および前記少なくとも１つの燃焼器に流体接続した排出口を有する第２の回路を含む熱交換部材を有する燃料調整システムであって、前記第１の回路が前記第２の回路と熱交換関係にある、燃料調整システムと、
調整した流体の供給源と、前記燃焼器アセンブリおよび前記排気部材の前記第１の排出口のうちの一方との間に流体接続した調整後流体導管と
を備える簡便なサイクルガスターボ機関。
前記熱交換部材が、前記第２の排出口の上流でかつ前記第１の排出口の下流で前記排気部材に流体接続した排出口を含む、請求項１記載の簡便なサイクルガスターボ機関。
前記熱交換部材の前記排出口と前記排気ガス注入口との間に選択的に流体接続した調整分岐路をさらに備える、請求項１記載の簡便なサイクルガスターボ機関。
前記熱交換部材内に配置し、前記第１の回路に流体接続した凝縮物注入口ならびに前記調整後流体導管を介して前記燃焼器アセンブリおよび前記排気部材の前記第１の排出口のうちの前記一方に流体接続した凝縮物排出口を含む第３の回路をさらに備える、請求項１記載の簡便なサイクルガスターボ機関。
前記凝縮物導管に流体接続した凝縮物調整システムをさらに備える、請求項１記載の簡便なサイクルガスターボ機関。
前記調整後流体導管が、前記熱交換部材と、前記燃焼器および前記排気部材の前記第１の排出口のうちの前記一方との間に流体接続した凝縮物導管を備える、請求項１記載の簡便なサイクルガスターボ機関。
前記凝縮物導管が、過熱防止装置、エダクタおよびエジェクタのうちの１つを介して少なくとも１つの燃焼器に流体接続する、請求項６記載の簡便なサイクルガスターボ機関。
前記凝縮物導管が、前記排気ガス注入口のところで前記第１の回路に流体接続する、請求項６記載の簡便なサイクルガスターボ機関。
前記凝縮物導管が、過熱防止装置、エダクタおよびエジェクタのうちの１つを介して前記排気ガス注入口のところに流体接続する、請求項８記載の簡便なサイクルガスターボ機関。
前記凝縮物導管において流体接続した、脱イオン化装置およびポンプのうちの少なくとも一方をさらに備える、請求項８記載の簡便なサイクルガスターボ機関。
簡便なサイクルガスターボ機関用の燃料を調整する方法であって、
前記簡便なサイクルガスターボ機関のタービン部分から排気部材の注入口へと排気ガスを送るステップと、
前記注入口の下流の前記排気部材から熱交換部材の第１の回路の排気ガス注入口へと前記排気ガスの一部を流すステップと、
前記熱交換部材の第２の回路を介して燃料を流すステップと、
熱交換関係にある前記第２の回路を横切って前記排気ガスの前記一部を導くステップと、
前記熱交換部材の排気ガス排出口を介して前記排気ガスの前記一部を流すステップと、
前記第２の回路から前記タービン部分に流体接続した燃焼器へと前記燃料を向けるステップと、
燃焼器アセンブリおよび前記排気ガス注入口のうちの一方に調整した流体を流すステップと
を含む方法。
前記第１の回路を通って流れる前記排気ガスの前記一部を所望の温度に設定するために、前記排気ガス注入口へと前記排気ガス排出口から流れる排気ガスの前記一部の一部を送るステップをさらに含む、請求項１１記載の方法。
前記調整した流体を流すステップが、前記熱交換部材の第３の回路を介して前記熱交換部材内で前記排気ガスから抽出した凝縮物を流すサブステップを含む、請求項１１記載の方法。
前記熱交換部材を通過する排気ガスの前記一部と熱交換関係にある前記凝縮物を流すステップをさらに含む、請求項１３記載の方法。
前記第３の回路から前記燃焼器へと前記凝縮物を流すステップをさらに含む、請求項１３記載の方法。
前記第３の回路中へと流れる前記凝縮物を調整するステップをさらに含む、請求項１３記載の方法。
過熱防止装置、エダクタおよびエジェクタのうちの１つを介して、前記第３の回路から前記燃焼器へと前記凝縮物を流すステップをさらに含む、請求項１３記載の方法。
前記排気ガス注入口へと前記調整した流体を流すステップをさらに含む、請求項１１記載の方法。
前記排気ガス注入口へと前記調整した流体を流すステップが、過熱防止装置、エダクタおよびエジェクタのうちの１つを介して前記排気ガス注入口へと前記熱交換部材内の前記排気ガスから抽出した凝縮物を導入するサブステップを含む、請求項１８記載の方法。
前記熱交換部材から流れる前記凝縮物を調整するステップをさらに含む、請求項１９記載の方法。