JP2016014389A - 複合ガスタービン補助システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡素化されたエミッション低減、出力増大、及び他の種類の補助システムを備えたガスタービンエンジンを提供する。【解決手段】本出願はガスタービンエンジン（１０）を提供する。ガスタービンエンジン（１０）は、圧縮機（１５）、燃焼器（２５）、複数の補助システム（１１０）、及び共通補助システムマニホルド（１２０）を含むことができる。共通補助システムマニホルド（１２０）は、圧縮機（１５）、燃焼器（２５）、及び補助システム（１１０）と連通する。【選択図】 図２

Description

本出願及び結果として得られる特許は、全体的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には、出力増大及びエミッション低減のために共通マニホルドを使用する複合ガスタービン補助システムに関する。補助システムは、全体的な効率及び出力を改善するための圧縮機吸入抽気加熱、空気バイパス、蒸気噴射、二次燃焼等を含む。

一般に、ガスタービンエンジンの運転効率は、高温燃焼ガス流の温度上昇に伴って高くなる。しかしながら、高温の燃焼ガス流は、高レベルの窒素酸化物（ＮＯｘ）及び他の種類の望ましくないエミッションの生成につながる場合がある。このようなエミッションは、米国では連邦規制及び国の規制の両方を受ける場合があり、海外の同様の規制を受ける場合もある。さらに、ガスタービンエンジン及び発電プラントの資金調達は、国際的なエミッション基準の影響下にある場合が多い。従って、ガスタービンエンジンを効率の良い温度範囲で運転することと、窒素酸化物及び他の種類の規制されたエミッションを要求レベルに上手く維持することとの間のバランスを取る必要がある。また、多くの他の種類の運転パラメータは、このような最適なバランスを実現するために変えることもできる。

様々な種類のエミッション低減及び／又は出力増大システムを使用することができる。例えば、二次燃焼又は希薄遅延噴射は、燃焼器の下流に空気／燃料混合気を供給して改善されたエミッション性能を実現する。また、二次燃焼システムは、「ターンダウン」又は低負荷運転時のエミッション低減のためのバイパス空気を供給するために使用することができる。また、様々な種類の入口抽気加熱システムが知られている。入口抽気加熱システムは、流入する空気流の温度を高くするために高温の圧縮機吐出空気を圧縮機空気入口に供給することができ、部分負荷運転時のエミッションを改善する。同様に様々な種類の出力増大システムが知られている。例えば、これらの出力増大システムは、燃焼器に流入する空気の質量流量を増やすために圧縮機吐出プラナム等に蒸気を供給することができ、全体的な出力を改善する。しかしながら、これらの様々なエミッション低減及び出力増大システムは、複雑な場合が多く、運転には様々な種類の寄生出力を必要とする場合がある。また、これらの補助システムは、独自の制御システム及びハードウェアを必要とする場合もある。

従って、簡素化されたエミッション低減、出力増大、及び他の種類の補助システムを備えたガスタービンエンジンに対する要望がある。このような簡素化された補助システムは、より単純であり作動信頼性が高く、一方で低い寄生出力消費の減少を伴って改善された全体的なシステム効率及び出力を実現する。

米国特許第７，８４１，１８６号明細書

従って、本出願及び結果として得られた特許は、ガスタービンエンジンを提供する。本ガスタービンエンジンは、圧縮機、燃焼器、複数の補助システム、及び共通補助システムマニホルドを含むことができる。共通補助システムマニホルドは、圧縮機、燃焼器、及び補助システムと連通する。

さらに、本出願及び結果として得られた特許は、ガスタービンエンジンを運転するための方法を提供する。本方法は、ガスタービンエンジンの圧縮機及び燃焼器と連通する共通補助システムマニホルドを準備する段階と、圧縮機吐出空気流を共通補助システムマニホルドに供給する段階と、圧縮機吐出空気流を圧縮機の周りに配置された入口抽気加熱システム、及びバイパス流として燃焼器（２５）に案内する段階と、を含むことができる。

さらに、本出願及び結果として得られた特許は、ガスタービンエンジンを提供する。ガスタービンエンジンは、圧縮機、燃焼器、複数の補助システム、及び共通補助システムマニホルドを含むことができる。共通補助システムマニホルドは、マニホルド抽気ライン、マニホルドバイパスライン、及びこれらの間の三方弁を含むことができる。

本出願及び結果として得られる特許のこれら及び他の特徴並びに改善点は、図面及び請求項を参照しながら以下の好ましい実施形態の詳細な説明を精査することによって当業者には明らかになるであろう。

複数の補助システムを備えたガスタービンエンジンの概略図。 本明細書で説明するように複数の補助システムと連通する共通補助システムマニホルドを備えたガスタービンエンジンの概略図。 図２の共通補助システムマニホルドの部分概略図。 図２の共通補助システムマニホルドの部分断面図。

次に、幾つかの図全体を通して様々な参照符号が同様の要素を表す図面を参照すると、図１は、本明細書で用いることができるガスタービンエンジン１０の概略図を示す。ガスタービンエンジン１０は圧縮機１５を含むことができる。圧縮機１５は、流入する空気流２０を圧縮する。圧縮機１５は、圧縮された空気流２０を燃焼器２５に送給する。燃焼器２５は、圧縮された空気流２０を加圧燃料流３０と混合し、混合気に点火して燃焼ガス流３５を生成する。単一の燃焼器２５だけが示されているが、ガスタービンエンジン１０は、例えば環状配列で配置された任意数の燃焼器２５を含むことができる。次に、燃焼ガス流３５は、タービン４０に送給される。燃焼ガス流３５は、タービン４０を駆動して機械仕事を発生する。タービン４０で生じた機械仕事は、軸４５を介して圧縮機１５を駆動すると共に発電機等の外部負荷５０を駆動する。

ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、液体燃料、様々な種類のシンガス、及び／又は他の種類の燃料、又はこれらの混合物を使用することができる。ガスタービンエンジン１０は、限定されるものではないが、米国ニューヨーク州スケネクタディ所在のゼネラルエレクトリック社から提供される、７又は９シリーズの高出力ガスタービンエンジン等を含む多様なガスタービンエンジンの任意の１つとすることができる。ガスタービンエンジン１０は、異なる構成を有することができ、他の種類の構成要素を使用することができる。また、本明細書では、他の種類のガスタービンエンジンを使用することができる。本明細書では、多重ガスタービンエンジン、他の種類のタービン、及び他の種類の発電機器を一緒に使用することもできる。

前述のように、ガスタービンエンジン１０は、複数の補助システム５５を含むことができる。これらの補助システム５５は、入口抽気加熱システム６０を含むことができる。一般的には、入口抽気加熱システム６０は、圧縮機１５の圧縮機吐出ケーシング６４から延びる抽気ライン６２を含むことができる。従って、圧縮機吐出空気６６の抽気は、流入する空気流２０を昇温するために圧縮機１５の入口に送ることができる。また、圧縮機１５の上には、任意の角度で空気流２０を圧縮機１５に案内するための複数の入口ガイドベーン６８を含むことができる。

また、補助システム５５は、蒸気増大システム７０を含むことができる。一般に、蒸気増大システム７０は、蒸気供給源７４からの蒸気流７２を圧縮機吐出ケーシング６４又は燃焼器２５に送ることができる。蒸気流７２は、前述のように全体の出力を増大させるために、燃焼器２５に流入する空気２０の質量流量を増やすことができる。

また、補助システム５５は、二次燃焼システム及び／又は希薄遅延噴射システム８０を含むことができる。一般に、別の燃料流８２は、圧縮機吐出空気流と混合して燃焼器２５の下流に噴射することができる。従って、二次燃焼システム８０は、全体的な出力を増大させると共にエミッションを改善するために、多段燃焼を実現する。また、圧縮機吐出空気は、バイパス空気として利用することができる。本明細書では、他の種類のエミッション、出力増大、及び補助システムを用いることができ、これらは、他の構成、構成要素、及び性能を備えている。本明細書に記載の補助システム５５は、単に例示目的である。

図２−４は、本明細書に記載できるガスタービンエンジン１００を示す。ガスタービンエンジン１００は、複数の補助システム１１０を含むことができる。補助システム１１０は、前述のものと類似すること、及び／又は他のシステム及び他の種類の機能性を含むことができる。ガスタービンエンジン１００は、これらの補助システム１１０及び他の構成要素の一部又は全てに接続する共通補助システムマニホルド１２０を含むことができる。共通補助システムマニホルド１２０は、任意の適切な寸法、形状、又は構成とすること、さらに任意数の補助システム１１０に使用することができる。

補助システム１１０は、入口抽気加熱システム１３０を含むことができる。前述と同様に、入口抽気加熱システム１３０は、入口抽気加熱抽気ライン１４０を含むことができる。入口抽気加熱抽気ライン１４０は、共通補助システムマニホルド１２０及び圧縮機吐出ケーシング６４又は他の場所に連通することができる。入口抽気加熱抽気ライン１４０は、三方弁１５０又は他の種類の接続部で共通補助システムマニホルド１２０に合流することができる。三方弁１５０は、従来設計とすることができる。本明細書では、他の種類の空気案内装置を用いることができる。三方弁１５０の働きは、抽気加熱として圧縮機吐出空気６６の抽気をマニホルド抽気ライン１５２経由で圧縮機１５に送給すること、又はバイパス空気としてマニホルドバイパスライン１５４経由で燃焼器２５に送給することである。圧縮機吐出空気６６は、任意の適切な目的で利用することができる。圧縮機吐出空気６６の体積及び圧縮機吐出空気６６の送り先は、負荷及び他の種類の運転パラメータに応じて三方弁１５０によって変更することができる。本明細書では、他の構成要素及び他の構成を利用することができる。

本明細書では、補助システム１１０は蒸気増大システム１６０を含むこともできる。前述と同様に、蒸気増大システム１６０は、共通補助システムマニホルド１２０を介して燃焼器２５及び蒸気供給源１６５に連通する、蒸気ライン１７０を含むことができる。蒸気増大システム１６０は、共通補助システムマニホルド１２０のマニホルドバイパスライン１５４を介して蒸気流７２を燃焼器２５又は他の場所に送給してそこを通る質量流量率を増加させるようになっている。本明細書では、他の構成要素及び他の構成を利用することができる。

また、補助システム１１０は、二次燃焼システム１８０を含むことができる。前述と同様に、二次燃焼システム１８０は、二次燃料ライン１９０を含むことができる。二次燃料ライン１９０は、共通補助システムマニホルド１２０を介して燃焼器２５及び二次燃料供給源１９５に連通する。特に、二次燃料ライン１９０は、マニホルドバイパスライン１５４の内部に同軸に配置することができ、燃焼器２５への入口の直上流で間隙を有して終端することができる。本明細書では、他の構成要素及び他の構成を利用することができる。

図４に示すように、共通補助システムマニホルド１２０は、複数の燃焼器流入ポート２００を含むことができる。本明細書では、種々の流れに合わせて任意数の燃焼器流入ポート２００を用いることができる。燃焼器流入ポート２００は、燃焼器２５又は他の場所の周りで任意の所望の位置とすることができる。本明細書では、他の構成要素及び他の構成を利用することができる。本明細書では、他の種類の補助システム１１０を用いることができる。全体的なガスタービン制御装置は、補助システム１１０及び共通補助システムマニホルド１２０を作動させることができ、及び／又は専用の補助システム制御装置を使用することができる。

従って、共通補助システムマニホルド１２０は、吸入抽気加熱を圧縮機１５に供給するために、並びにバイパス空気、蒸気、二次燃料等を燃焼器２５又は他の場所に供給するために使用することができる。吸入抽気加熱空気及びバイパス空気は入口抽気加熱抽気ライン１４０から、三方弁１５０で方向付けしてマニホルド抽気ライン１５２又はマニホルドバイパスライン１５４のいずれかに送り込むことができる。もしくは、空気流は、蒸気流及び／又は燃焼器２５内での二次燃焼のための燃料流と共に使用することができる。空気流は、任意の適切な目的のために利用することができる。蒸気−空気−燃料噴射手段は、受動的な希釈空気バイパスを可能にするように燃焼器２５に対して直接取り付けられない場合もある。バイパス空気は、使用時に、希釈セクションを通る空気流を増大させるように機能することができる。同様に、蒸気は、ヘッド端部の全体的効果を低減すると共に希薄吹消又は燃焼ダイナミックス問題の可能性を低減するように、燃焼器２５の大部分をバイパスすることができる。

最新のガスタービンエンジンシステムは、全速無負荷運転状態で入口抽気加熱を使用することができる。しかしながら、共通補助システムマニホルド１２０を使用すると、バイパス空気をベース負荷運転のほぼ全体にわたって用いることができる。バイパス空気は、燃焼器ヘッド端部温度を高くするように機能することができ、低い燃焼温度での燃焼性を改善してエミッション適合ターンダウンを強化する。また、バイパス空気は、燃焼器の圧力降下を低減してサイクル効率（熱消費率）を改善するように機能することができ、部分負荷運転での燃料消費量を低減する。約５％のバイパス空気流は、全体的な熱消費率を１％以上高くすることができる。本明細書では、他の種類の負荷経路及び他の種類の運転パラメータに対応することができる。

エミッション適合ターンダウンは、現在の全体的性能を華氏約５０度（摂氏約１０度）だけ改善することができる。このような改善は、全体システム構成に依存して約２％又はそれ以上の負荷に対応することができる。さらに、二次燃焼による広い燃焼温度作動範囲によって、ガスタービンエンジンの負荷運転は、効率の良い負荷経路を辿ることができ、バイパス空気によってさらなる改善につながる。

入口ガイドベーンは、評価された構成に関して約８０％近くの負荷で最大に開くことができ、これは現在の多段設計よりも優れた改善である。入口ガイドベーンの全開位置に到達した後、二次燃焼燃料は、エミッションを実質的に一定とするために増大させることができる。最大燃焼温度に到達した後、エミッション適合のままであるようにバイパス空気を遮断することができる。また、バイパス空気は、蒸気増大モードでは負荷及びサイクル効率を改善するために遮断することができる。蒸気が増えると、エミッション又は作動性を改善するために二次燃焼燃料を低減することができる。本明細書では、他の負荷運転スキームを使用することができる。本明細書では、他の構成要素及び他の構成を利用することができる。

従って、共通補助システムマニホルド１２０を使用することで、サイクル効率、エミッション適合負荷範囲、及び全体的なエミッションを改善することができる。共通補助システムマニホルド１２０は、最大、ベース、及び部分負荷運転における全体的な運転柔軟性がもたらされる。特に、本明細書の各補助システム１１０は、負荷運転時の性能を改善するために使用することができ、また一方で、共通補助システムマニホルド１２０は、異なるシステム及び機能性に適合する単純なデザインを可能にする。本明細書では、任意の種類及び数の補助システム１１０に対応することができる。

上記のことは、本出願及びその結果として得られる特許の特定の実施形態にのみに関連している点を理解されたい。添付の請求項及びその均等物によって定義される本発明の全体的な技術的思想及び範囲から逸脱することなく、当業者であれば多くの変更及び修正を本明細書において行うことができる。

１５ 圧縮機
２０ 空気流
２５ 燃焼器
３０ 加圧燃料流
３５ 燃焼ガス流
４０ タービン
４５ 軸
５０ 外部負荷
１００ ガスタービンエンジン
１１０ 補助システム
１２０ 共通補助システムマニホルド
１３０ 入口抽気加熱システム
１４０ 入口抽気加熱抽気ライン
１５０ 三方弁
１５２ マニホルド抽気ライン
１５４ マニホルドバイパスライン
１６０ 蒸気増大システム
１６５ 蒸気供給源
１７０ 蒸気ライン
１８０ 二次燃焼システム
１９０ 二次燃料ライン
１９５ 二次燃料供給源

Claims (15)

1. 圧縮機（１５）と、
   燃焼器（２５）と、
   複数の補助システム（１１０）と、
   前記圧縮機（１５）、前記燃焼器（２５）、及び前記補助システム（１１０）と連通する共通補助システムマニホルド（１２０）と、
   を備えるガスタービンエンジン（１００）。
2. 前記複数の補助システム（１１０）は、前記圧縮機（１５）の周囲に配置された入口抽気加熱システム（１３０）を備える、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１００）。
3. 前記入口抽気加熱 システム（１３０）は、前記共通補助システムマニホルド（１２０）に連通する入口抽気加熱抽気ライン（１４０）を備える、請求項２に記載のガスタービンエンジン（１００）。
4. 前記共通補助システムマニホルド（１２０）は、前記入口抽気加熱システム（１２０）に連通するマニホルド抽気ライン（１５２）を備える、請求項２に記載のガスタービンエンジン（１００）。
5. 前記共通補助システムマニホルド（１２０）は、前記マニホルド抽気ライン（１５２）に連通する三方弁（１５０）を備える、請求項４に記載のガスタービンエンジン（１００）。
6. 前記共通補助システムマニホルド（１２０）は、前記三方弁（１５０）に連通するマニホルドバイパスライン（１５４）を備える、請求項５に記載のガスタービンエンジン（１００）。
7. 前記マニホルドバイパスライン（１５４）は、前記燃焼器（２５）に連通する、請求項６に記載のガスタービンエンジン（１００）。
8. 前記複数の補助システム（１１０）は、蒸気増大システム（１６０）を備える、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１００）。
9. 前記蒸気増大システム（１６０）は、前記共通補助システムマニホルド（１２０）に連通する蒸気ライン（１７０）を備える、請求項８に記載のガスタービンエンジン（１００）。
10. 前記複数の補助システム（１１０）は、二次燃焼システム（１８０）を備える、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１００）。
11. 前記二次燃焼システム（１８０）は、前記共通補助システムマニホルド（１２０）に連通する二次燃料ライン（１９０）を備える、請求項１０に記載のガスタービンエンジン（１００）。
12. 前記二次燃料ライン（１９０）は、前記共通補助システムマニホルド（１２０）の内部に同軸で配置される、請求項１１に記載のガスタービンエンジン（１００）。
13. 前記共通補助システムマニホルド（１２０）は、前記燃焼器（２５）への複数の流入ポート（２００）を備える、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１００）。
14. 前記共通補助システムマニホルド（１２０）は、燃焼器（２５）の周りに隙間を備える、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１００）。
15. ガスタービンエンジン（１００）を運転する方法であって、
    前記ガスタービンエンジン（１００）の圧縮機（１５）及び燃焼器（２５）と連通する共通補助システムマニホルド（１２０）を準備する段階と、
    圧縮機吐出空気流を前記共通補助システムマニホルド（１２０）に供給する段階と、
    前記圧縮機吐出空気流を前記圧縮機（１５）の周りに配置された入口抽気加熱システム（１３０）、及びバイパス流として前記燃焼器（２５）に案内する段階と、
    を含む方法。