JP2017524888A - 排気再循環を伴う軸方向段構造燃焼システム - Google Patents

Abstract

ガスタービンエンジン（１２）によって生成された排ガスの一部を、燃焼器（１８）の第２の軸方向段に抽出するＥＧＲシステム（１４）を含んでいる、ガスタービンエンジン（１２）における軸方向段構造燃焼システムの動作方法である。抽出された排ガスは、燃焼器（１８）の第２の軸方向段（３４）に位置する一群の噴射ノズル（５０）に、高くされた温度で供給される。二次燃料供給路（３４）が、各噴射ノズル（５０）の入口まで延在し、燃料は、噴射ノズル（５０）内で排ガスと混合され、燃料と排ガスの混合物は、燃焼器（１８）の第２の軸方向段（３４）内へ噴射される。

Description

合衆国政府の助成による開発に関する陳述
本発明のための開発は、部分的に、米国エネルギー省によって認められた契約、第ＤＥ−ＦＣ２６−０５ＮＴ４２６４４号によって支持された。従って、米国政府は、本発明において一定の権利を有することができる。

技術分野
本発明は、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、軸方向段構造（ａｘｉａｌ ｓｔａｇｅ）燃焼システムにおける排出物をコントロールするための排気再循環を伴うガスタービンエンジンに関する。

背景技術
シンプルサイクル発電プラントまたはコンバインドサイクル発電プラントで使用され得るようなガスタービンは、燃料と圧縮空気の混合物を燃焼させて、高温作動ガスを生成する。作動ガスは、負荷、すなわち発電機を駆動するために、および／または、圧縮機を駆動するために使用されることができる動力を生成するために、タービンの段を通って膨張する。タービンから排出されたガスは、一酸化炭素（ＣＯ）、亜酸化窒素（ＮＯ_Ｘ）およびその誘導体、および、二酸化炭素（ＣＯ_２）等の様々な燃焼副生成物を含み得る。これらの副生成物または排出物は一般に、典型的にますます厳しくなる規制の対象であり、これはしばしば、発電出力および効率の低下または制限をもたらす、動作上の制約を課すことがある。

例えば、効率を上昇させ得るタービン入口温度（ＴＩＴ）の上昇は、温度が高くなったことに付随して増加する排出量に対抗する追加措置が実施されない限り、ＮＯ_Ｘのレベルも増加させることがある。このような追加措置は、ＣＯ_２、Ｎ_２および／または蒸気を含む希釈剤のような、火炎温度を低下させるための希釈剤の注入を含んでいる。しかし、これらの希釈剤は排出量を低減するのに有効ではあるが、これらは典型的にプラントコストを増加させ、一部の希釈剤は、全てのプラントで容易に利用可能ではないことがある。

発明の概要
本発明のある態様では、高温作動ガスをタービンに供給する軸方向段構造燃焼器を有する、ガスタービンエンジンにおける軸方向段構造燃焼システムの動作方法が提供される。この方法は、燃焼器に燃料を供給する燃料供給路を設けることと、燃焼器のヘッドエンドに圧縮空気を供給し、圧縮空気を燃料と混合することと、タービンに供給される高温作動ガスを形成するために、燃焼器の第１の軸方向段において、燃料および圧縮空気を点火することと、ガスタービンエンジンによって生成された排ガスの一部を燃焼器の第２の軸方向段に抽出する排気再循環（ＥＧＲ）システムを提供することとを含む。ＥＧＲシステムの動作は、燃焼器の第２の軸方向段に位置する一群の噴射ノズルに、ガスタービンエンジンから抽出された排ガスの所定の質量流量を搬送することと、二次燃料供給路を通って各噴射ノズルに燃料流を搬送することとを含む。ここで、二次燃料供給路は各噴射ノズルの入口まで延在し、燃料を排ガスから隔離する。ＥＧＲシステムの動作は、さらに、噴射ノズル内で、この燃料をこの排ガスと混合し、かつ、燃料と排ガスの混合物を燃焼器の第２の軸方向段内へ噴射することを含む。

燃料と排ガスは、噴射ノズル内に形成される混合物の排他的成分であってもよい。

排ガスがガスタービンエンジンから噴射ノズルに搬送されるときに、燃料の自己発火温度を下回る温度に、排ガスが部分的に冷却されてもよい。この部分冷却の後に、燃料の自己発火温度を下回るように排ガスの温度を維持しながら、燃焼器内のケーシング空気圧を上回る圧力まで、排ガスの圧力を上昇させてよい。

燃焼器の第２の軸方向段に供給される排ガスの温度は、燃焼器のヘッドエンドに供給されるガスの温度よりも最大で２００℃高いことがある。

噴射ノズルは、燃焼器を通過する高温ガスと接触する流れ境界を定める、燃焼器の壁部を通って延在する、円周方向に間隔を置いて配置された複数のノズルを含むことができる。

ＥＧＲシステムのためにガスタービンエンジンから抽出された排ガスの質量流量の全てが、第２の軸方向段に搬送されてもよい。

ガスタービンエンジンから抽出された排ガスの質量流量は、タービンを出る排ガスの総質量流量の８％〜１５％であってもよい。

排ガスは、排ガスが燃焼器の第２の軸方向段に入る前に、熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）を通って搬送されてもよく、ここでＨＲＳＧは、ガスタービンエンジンから燃焼器の第２の軸方向段までの排ガス流路内の唯一の熱抽出コンポーネントであってよい。

ＨＲＳＧを通過した後に、排ガスの温度を燃料の自己発火温度を下回るように維持しながら、排ガスの圧力を燃焼器内のケーシング空気圧を上回る圧力まで上昇させることができる。

本発明の別の態様では、高温作動ガスをタービンに供給する軸方向段構造燃焼器を有する、ガスタービンエンジンにおける軸方向段構造燃焼システムの動作方法が提供される。この方法は、燃焼器に燃料を供給する燃料供給路を設けることと、燃焼器のヘッドエンドに圧縮空気を供給し、圧縮空気を燃料と混合することと、タービンに供給される高温作動ガスを形成するために、燃焼器の第１の軸方向段において、燃料および圧縮空気を点火することと、ガスタービンエンジンによって生成された排ガスの一部を、燃焼器の第２の軸方向段に抽出する排気再循環（ＥＧＲ）システムを提供することとを含む。ＥＧＲシステムの動作は、燃焼器の第２の軸方向段に、ガスタービンエンジンから抽出された排ガスの所定の質量流量を搬送することと、燃焼器の第２の軸方向段に、二次燃料供給路を通して燃料流を搬送することと、燃料と排ガスの混合物を燃焼器の第２の軸方向段内へ供給するために、燃料と排ガスとを混合することと、排ガスが燃焼器の第２の軸方向段に入る前に、熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）を通して排ガスを搬送することとを含み、ＨＲＳＧは、ガスタービンエンジンから燃焼器の第２の軸方向段までの排ガス流路内の唯一の熱抽出コンポーネントである。

排ガスを、ＨＲＳＧ内で、燃料の自己発火温度を下回る温度まで冷却することができる。

ＨＲＳＧを通過した後に、燃料の自己発火温度を下回るように排ガスの温度を維持しながら、排ガスの圧力を燃焼器内のケーシング空気圧を上回る圧力まで上昇させることができる。

燃焼器の第２の軸方向段に供給される排ガスの温度は、燃焼器のヘッドエンドに供給されるガスの温度よりも最大で２００℃高いことがある。

燃焼器を通過する高温ガスと接触する流れ境界を定める、燃焼器の壁部を通って延在する、円周方向に間隔を置いて配置された複数のノズルに燃料および排ガスが供給されてもよい。

ＥＧＲシステムのためにガスタービンエンジンから抽出された排ガスの質量流量の全てが第２の軸方向段に搬送されてもよく、かつ、これは、タービンを出る排ガスの総質量流量の８％〜１５％であってもよい。

本発明のさらなる態様では、高温作動ガスをタービンに供給する軸方向段構造燃焼器を有するガスタービンエンジンと、第１の供給路を通して燃焼器に燃料を供給する燃料供給部とを有する発電プラントが提供される。ここでこのガスタービンエンジンは、燃焼器のヘッドエンドに圧縮空気を供給する圧縮機を有している。燃焼器は、タービンに供給される高温作動ガスを形成するために、燃料と圧縮空気との混合物が点火される第１の軸方向段を有している。ガスタービンエンジンによって生成された排ガスの一部を抽出する入口と、燃焼器の第２の軸方向段に希釈剤として排ガスを供給する出口とを有する排気再循環（ＥＧＲ）システムが提供される。ＥＧＲシステムは、燃焼器の第２の軸方向段に排ガスを搬送する排出流路と、燃料供給部から燃焼器の第２の軸方向段に燃料を搬送する二次燃料供給路と、燃焼器の第２の軸方向段に位置する、円周方向に間隔を置いて配置された一群の噴射ノズルとを含んでいる。各噴射ノズルは、排出流路から排ガス流を受け取るための別個の入口と、二次燃料流路から燃料流を受け取るための別個の入口とを含んでいる一対の入口を有しており、各噴射ノズルは、排ガスと燃料とを混合し、かつ、排ガスと燃料の混合物を燃焼器の第２の軸方向段内へ噴射する。

ＥＧＲシステムのためにガスタービンエンジンから抽出された排ガスの全ての部分が、第２の軸方向段に搬送されてもよく、かつ、これは、タービンを出る排ガスの総質量流量の８％〜１５％であってもよい。

熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）が、ＥＧＲシステムの入口と出口との間の排出流路内に配置されていてもよく、ＨＲＳＧは、ガスタービンエンジンから燃焼器の第２の軸方向段までの排出流路内の唯一の熱抽出コンポーネントであってよい。

本明細書は、本発明を詳細に指摘し、明確に権利主張する特許請求の範囲で締めくくられているが、本発明は、添付の図面を参照した以降の説明からより良く理解されるだろう。図面において、同じ要素には同じ参照番号が付けられている。

本発明の態様を例示するシンプルサイクル発電プラントの一部の概略図である。 本発明の態様を例示するコンバインドサイクル発電プラントの一部の概略図である。 本発明の態様に即した軸方向段構造燃焼器の断面図である。 図３の燃焼器の軸方向段用のノズルの断面図である。

実施例の説明
有利な実施形態の以下の詳細な説明では、本願の一部を成す添付の図面を参照する。ここでは、本発明が実行され得る特定の有利な実施形態が、限定ではなく、例示目的で示されている。本発明の精神および範囲から逸脱することなく、他の実施形態が利用され得るということ、および、変更が行われ得る、ということを理解されたい。

本発明は、ＮＯ_Ｘ排出物質の生成を減少させるために化学量論的燃焼を伴う再循環排ガスを使用するガスタービンエンジンにおける排ガスの使用に関する。ＮＯ_Ｘまたは音の著しい増加無しに、より高いタービン入口温度（ＴＩＴ）でガスタービンエンジンを動作させるために、軸方向段構造燃焼器を用いることができる。本発明のある態様では、燃焼器の軸方向段内へ純粋な燃料を噴射することは、付随するＮＯ_Ｘの増加を含み得る、極めて高い局所的な火炎温度をもたらす可能性がある、ということが指摘されている。本発明のさらなる態様では、ガスタービンエンジンによって生成された排ガスの比較的少ない割合を、例えば最大で約１７００℃の、高くされた火炎温度で生成される燃焼生成物におけるＮＯ_Ｘ排出量を低減させるための希釈剤として、エンジンのための燃焼器の軸方向段に再循環させることができる。本発明のさらなる態様では、再循環排ガスに最小限の冷却が適用され、これによって冷却コストが低減され、排ガスは、二次燃料供給部とは別個に、燃焼器の軸方向段に搬送可能である。本発明のさらなる態様では、排ガスは、燃焼器の軸方向段に位置する噴射ノズルに供給され、燃焼器内へ噴射されるときに噴射ノズルで二次燃料と混合される。

図１には、発電プラント１０が示されている。発電プラント１０は、燃焼中に高温作動ガスの生成から、電力および／または電気を発生させるガスタービンエンジン１２を含んでいる。ガスタービンエンジン１２は、プラント１０のシンプルサイクル構造で示されており、ガスタービンエンジン１２によって生成された排ガスを再循環させる排気再循環（ＥＧＲ）システム１４を含んでいる。

ガスタービンエンジン１２は、圧縮機１６と、軸方向段構造燃焼器１８と、タービン２０とを含んでいる。圧縮機１６は、流入空気を圧縮し、線２２で示されている圧縮空気路を通して圧縮空気を燃焼器１８に供給するように構成されている。図３に示されているように、燃焼器１８は、圧縮機１６から圧縮空気を受け取り、圧縮空気（ケーシング空気）を燃焼器内筒２８のヘッドエンド２６に供給するためのケーシングキャビティ２４を有しているカニュラ型燃焼器であり得る。燃焼器１８は、燃焼器１８を通過する高温ガスの流れ境界を定める燃焼器壁部３０を含んでいる。燃焼器壁部３０は、１つ以上の円筒状壁セグメントから形成されていてよく、一次または第１の燃焼ゾーンを形成する、燃焼器１８の第１の軸方向段３２と、第１の燃焼ゾーン３２の下流の、二次または第２の燃焼ゾーンを形成する、燃焼器１８の第２の軸方向段３４を包囲し、定めていてよい。

図１を参照すると、燃料は、燃料源３６から、例えば一次または第１の燃料路３８を介して、燃焼器１８に供給される。提供され得る典型的な燃料は、石油、天然ガス、合成ガス、水素、または、天然ガスと合成ガスと水素との組み合わせを含む。ケーシング空気と燃料とは内筒２８のヘッドエンド２６で結合され、高温作動ガスを形成するために、第１の軸方向段３２において点火される。高温作動ガスは、第１の軸方向段３２から第２の軸方向段３４を通過し、高温作動ガスをタービン２０に搬送する作動ガス導管または移行部４０（図３）内に入る。二次または第２の燃料路４２は、燃料源３６から燃焼器１８へと燃料（二次燃料）を搬送し、ここで、燃料は第２の軸方向段３４内へ噴射され、ＴＩＴを上昇させるために、燃焼の第２の軸方向段において、付加的な燃焼生成物が生成される。タービン２０は高温作動ガスを膨張させ、シャフト４４を回転させて、圧縮機１６および／または発電機４５のような負荷に電力を供給する仕事量を取り出す。

本発明のある態様では、ＥＧＲシステム１４は、タービン２０の排出出口４８から燃焼器１８の第１の軸方向段３２の下流にある軸方向段まで、より詳細には、第２の燃焼ゾーンを定める第２の軸方向段３４まで延在する排出流路４６を含んでいる。さらに後述するように、排出流の一部が、分流器４９で排ガス流から抽出され、排出流路４６によって燃焼器１８に搬送されてよい。ＥＧＲシステム１４によって搬送された排ガスは、第２の燃料路４２によって供給された二次燃料と混合されて、燃焼器１８の壁部３０を通って延在する、円周方向に間隔を置いて配置された複数の噴射ノズル５０（図３）を通して、燃焼器１８内へ噴射される。熱交換器５２を排出流路４６に設けて、二次燃料と混合する前に、排ガスを冷却することができる。本発明のさらなる態様では、排ガスは、有利には、燃焼器１８に搬送されるときに熱交換器５２によって最小量、冷却され、これによって、プラント効率の付随する改善と共に、排ガスを冷却するために使用されるエネルギーを最小にする。

図１を参照すると、燃焼器１８の第２の軸方向段３４に供給されるべき排ガスの圧力を上昇させるために、ＥＧＲコンプレッサ５３も排出流路４６に設けられている。燃焼器１８内への噴射に対する十分な圧力で排ガスを供給するために、この圧縮機５３は、ケーシング空気の圧力よりも２〜４バール上回る圧力まで排出流路４６内の圧力を上昇させる。

図４を参照すると、燃焼器１８の壁部３０を通して延在する噴射ノズル５０の実施形態が示されている。ノズル５０は、第２の燃料路４２から供給された燃料を受け取るための第１の入口５４と、排出流路４６から受け取った排ガスを受け取るための第２の入口５６とを含み得る１対の入口を有する。第２の燃料供給部４２から供給された燃料と、排出流路４６からの排ガスとは、噴射ノズル５０内に形成される混合物の排他的な成分である、ということが指摘されるべきである。特に、燃料と排ガスは、ケーシング空気のような酸化体の添加無く、ノズル５０内で混合される。

第１の入口５４は、ノズル５０の中央本体５８内に形成可能であり、第２の入口５６は、中央本体５８と、同心の外側本体６０との間に定められ得る。第１の入口５４は、中央本体５８の中央路６２へ燃料流を供給し、中央本体５８におけるラジアルポート６４は、燃料を外側主流路６６に流入させて、ノズル出口６８から第２の軸方向段３４内へ噴射される前に、排出流と燃料とが混合される。ノズルの特定の実施形態について記載したが、同一または類似の動作特性を提供する他のノズル構成が提供され得る、ということを理解されたい。

第２の燃料路４２および排出流路４６から燃料および再循環排ガスを供給するために、噴射ノズル５０を、燃焼器１８の周りに円周方向に延在するマニホールドと関連付けることができる。具体的には、円周方向に延在する燃料マニホールド７０は、第２の燃料路４２から燃料流を受け取ることができ、かつ、各噴射ノズル５０の第１の入口５４と流体連通している内部通路７１を含むことができる。同様に、円周方向に延在する排ガスマニホールド７２は、排出流路４６から排出流を受け取ることができ、各噴射ノズル５０の第２の入口５６と流体連通している内部通路７３を含むことができる。択一的に、第２の燃料路４２および排出流路４６から、それぞれの第１の入口５４および第２の入口５６に直接供給される個々の線路を通して、ノズル５０の各々に、燃料および排ガスを供給することができる、ということが理解され得る。

本発明のある態様では、ＥＧＲシステム１４は、ＮＯ_Ｘ排出量を許容可能なレベルを上回って増加させることなく、約１７００℃の高くされた燃焼温度で燃焼器を動作させることを可能にするように、再循環排ガスを燃焼器１８に供給するように構成されている。特に、第２の軸方向段３４への再循環排ガスの添加は、化学量論的な火炎温度を低下させ、これは、ＮＯ_Ｘ排出量を許容限界を上回って増加させることなく、より高い火炎温度で燃焼器１８を動作させることを可能にする。本発明のある態様は、タービンエンジン１２から抽出された再循環排ガスの質量流量の全てを燃焼器１８の第２の軸方向段３４に提供することを含む。これは、上流の位置、例えば燃焼器のヘッドエンドまたは圧縮機の段に再循環排ガスを供給する従来のシステムと対比可能である。本構成では、同じ効果を得ながら、すなわち、ＴＩＴの増加に伴うＮＯ_Ｘ排出量の増加を抑制または防止しながら、上流の位置に排ガスを供給する構成よりも、供給されるべき排ガスを少なくすることができる、と思われる。

例えば、ＥＧＲシステム１４の排出流路４６は、タービン２０を出る排ガスの総質量流量の８％〜１５％である、タービンエンジン１２の排出出口４８から抽出される排ガスの質量流量を供給することができ、これに対して、燃焼器のヘッドエンドに再循環排ガスを供給する構成は、排出物質の恩恵を得るために、出て行く排出ガスの総質量流量の３０％よりも多くを必要とすることがある。さらに、上流の位置、例えば圧縮機への入口または燃焼器のヘッドエンドに排ガスを再循環する構成では、圧縮機効率が著しく低下するのを避けるために相当量の冷却を行うことが、通常、必要であり、実質的に４０℃を上回らない温度まで、排ガスを冷却することが必要となり得る。

排出流路４６を介して供給された排ガスに対する、熱交換器５２によって行われる冷却は、部分冷却である。ここで、排出流を部分的に冷却することは、排ガスと混合されたときに燃料の自己発火を避けるための、排ガスがＥＧＲ圧縮機５３を出るときの、燃料の自己発火温度を下回る温度への排ガスの冷却として定められる。本発明のある態様では、部分的に冷却された排ガスは、排ガスが燃焼器１８のヘッドエンド２６に噴射された場合に有効に利用可能であろう温度を上回る、高くされた温度、すなわち実質的に４０℃を上回る温度にある。しかし、排ガスを上流の位置に供給する構成とは対照的に、第２の軸方向段３４に供給される排ガスの、高くされた温度は、エンジンの効率に実質的に影響しない。従って、本発明の課題は、排ガスの冷却に付随するエンジン効率のあらゆる低下を最小化または低減しながら、排ガス希釈剤を供給するために、高くされた温度で、すなわち、排ガスを冷却するために消費されるエネルギーを低減して、燃焼器１８の軸方向段に排ガスを供給することである。記載されたタービンエンジンの構成および動作は、排ガス冷却に付随するエネルギー損失を低減しつつ、より高いＴＩＴを可能にすることができる、と思われる。

自己発火温度を下回る温度で排ガスを供給することにより、燃料路４２内での逆火も確実に防止できる、ということが指摘され得る。さらに、燃料と排ガスとは、ノズル入口５４、５６に別個の線路または流路において搬送され、燃料は、排ガスから分離された状態に、第２の軸方向段３４への入口に隣接する混合場所まで保たれる。

ガスタービンエンジン燃料の自己発火温度は、４００℃〜５００℃の範囲にあってよく、従って、本発明のある態様では、第２の軸方向段３４に供給される排ガスは、有利には、４００℃を下回る温度で供給される。さらに、排出流路４６の長期間の寿命を維持するために、排ガスは、排出流路４６を形成する材料の動作限界内の温度まで冷却されるべきである。

燃焼器１８の軸方向段に供給される排ガスの例示的な温度は、１００℃よりも高い温度であってよく、実質的に４０℃を上回る温度として定められ得、シンプルサイクルの場合には、燃焼器１８のヘッドエンド２６に供給されるガスの温度、例えばケーシング空気の温度よりも、少なくとも約２００℃高い、高くされた温度であろう。従って、排ガスを冷却するのに必要なエネルギーが実質的に低減される。概して、自己発火温度を下回る、例えば４００℃を下回る温度までの、付随する低減された冷却を伴う、燃焼器１８の軸方向段に入る、より高い排ガス温度が、本発明の上述した態様に従って、プラント効率に改善をもたらすだろう、ということが理解され得る。

付加的に、排ガスの高くされた温度が、燃料の自己発火温度を下回るので、ノズル５０内での燃料／排ガス混合物の自己発火が回避される。燃焼器１８の軸方向段に入るときにノズル５０内に燃料と排ガスとの混合を提供することが有利であると考えられるが、供給路の上流の位置、例えば混合物を燃焼器１８の軸方向段内へ噴射するためのノズルの上流で、燃料／排ガス混合物を形成することは本発明の範囲に含まれている。

図２を参照すると、発電プラント１０’の択一的な構成が示されている。発電プラント１０’は、燃焼中の高温作動ガスの生成から、電力および／または電気を発生させるガスタービンエンジン１２を含んでいる。ガスタービンエンジン１２は、コンバインドサイクル構造で示されており、ガスタービンエンジン１２によって生成された排ガスを再循環させる、択一的な排気再循環（ＥＧＲ）システム１４’を含んでいる。

排気再循環（ＥＧＲ）システム１４’の択一的な構成では、熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）７４が、タービン排出出口４８に定められたＥＧＲシステム１４’への入口と、例えば第２のノズル入口５６に定められたＥＧＲシステム１４’への出口との間に配置されている。ＨＲＳＧ７４は、タービン２０の排出出口４８から排ガスを受け取り、排出物からの熱エネルギーの大部分を、コンバインドサイクルプラント１０’内の蒸気サイクル７６のための蒸気に変換する。蒸気サイクル７６は、１つ以上の蒸気タービン（図示されていない）を含むことができ、付加的な発電機（図示されていない）を含むことができる。出口４８での排ガスの温度は、典型的に約６００℃〜７００℃の範囲内にあり、ＨＲＳＧ７４を出るガスの温度は、典型的に約９０℃〜１５０℃の範囲内にある。

ＨＲＳＧ７４を出る排ガスの一部、例えば、排ガスの総質量流量の８％〜１５％が分流器４９で分離されてもよく、分離された部分は、図１を参照して上述したのと同じ方法で、燃焼器１８に搬送され得る。ＨＲＳＧ７４は、排出流路４６内の唯一の熱抽出コンポーネントであってよく、従って、図２に点線でオプションとして示されている熱交換器５２’を含む必要はない。熱交換器５２’が含まれている場合には、圧縮および排出流路４６を通した伝達のために、自己発火温度を下回る温度に排ガスを冷却するのに必要なエネルギーは、図１の実施形態に必要なエネルギーよりも小さくなるだろう。従って、本発明は、図２の実施形態において、さらに効率が改善されて実施され得る。

図１の実施形態と同様に、図２の実施形態は、高くされた温度の希釈剤として、燃焼器１８の第２の軸方向段３４に排ガスを供給することができる。排ガス希釈剤の高くされた温度によって、プラント１０’を、より少ない、排ガスを冷却するのに使用されるエネルギーで動作させることができ、これは、付随する、改善されたプラント効率を提供する。

本発明の特定の実施形態を図示し、説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、様々な他の変更および修正を行うことができることは、当業者に明らかであろう。従って、本発明の範囲内の、このような変更および修正全てを、添付の特許請求の範囲において網羅することが意図されている。

Claims (19)

1. 高温作動ガスをタービンに供給する軸方向段構造燃焼器を有するガスタービンエンジンにおける軸方向段構造燃焼システムの動作方法であって、
   当該方法は、
   前記燃焼器に燃料を供給する燃料供給路を設け、
   燃焼器のヘッドエンドに圧縮空気を供給し、かつ、当該圧縮空気を前記燃料と混合し、
   前記タービンに供給される高温作動ガスを形成するために、前記燃焼器の第１の軸方向段において、前記燃料および圧縮空気を点火し、
   前記ガスタービンエンジンによって生成された排ガスの一部を、前記燃焼器の第２の軸方向段に抽出する排気再循環（ＥＧＲ）システムを設けることを含んでおり、
   前記排気再循環（ＥＧＲ）システムを設けることが、
   前記燃焼器の前記第２の軸方向段に位置する一群の噴射ノズルに、前記ガスタービンエンジンから抽出された所定の質量流量の排ガスを搬送し、
   前記燃料を前記排ガスから隔離するために各噴射ノズルの入口まで延在する二次燃料供給路を通って各噴射ノズルに燃料流を搬送し、
   前記噴射ノズル内で前記燃料と前記排ガスとを混合し、かつ、燃料と排ガスとの当該混合物を前記燃焼器の前記第２の軸方向段内へ噴射することを含んでいる、
   ことを特徴とする、軸方向段構造燃焼システムの動作方法。
2. 前記燃料と排ガスは、前記噴射ノズル内に形成される前記混合物の排他的成分である、請求項１記載の方法。
3. 前記排ガスが前記ガスタービンエンジンから前記噴射ノズルに搬送されるときに、前記燃料の自己発火温度を下回る温度に、前記排ガスを部分的に冷却することを含んでいる、請求項１記載の方法。
4. 前記部分冷却の後に、前記燃料の自己発火温度を下回るように前記排ガスの温度を維持しながら、前記燃焼器内のケーシング空気圧を上回る圧力まで、前記排ガスの圧力を上昇させることをさらに含んでいる、請求項３記載の方法。
5. 前記燃焼器の前記第２の軸方向段に供給される前記排ガスの温度は、前記燃焼器の前記ヘッドエンドに供給されるガスの温度よりも最大で２００℃高い、請求項４記載の方法。
6. 前記噴射ノズルは、前記燃焼器を通過する前記高温ガスと接触する流れ境界を定める、前記燃焼器の壁部を通って延在する、円周方向に間隔を置いて配置された複数のノズルを含んでいる、請求項１記載の方法。
7. 前記ＥＧＲシステムのために前記ガスタービンエンジンから抽出された排ガスの質量流量の全てが前記第２の軸方向段に搬送される、請求項１記載の方法。
8. 前記ガスタービンエンジンから抽出された排ガスの質量流量は、前記タービンを出る排ガスの総質量流量の８％〜１５％である、請求項７記載の方法。
9. 前記排ガスが前記燃焼器の前記第２の軸方向段に入る前に、熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）を通して前記排ガスを搬送することを含んでおり、前記熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）は、前記ガスタービンエンジンから前記燃焼器の前記第２の軸方向段までの排ガス流路内の唯一の熱抽出コンポーネントである、請求項１記載の方法。
10. 前記ＨＲＳＧを通過した後に、前記排ガスの温度を前記燃料の自己発火温度を下回るように維持しながら、前記排ガスの圧力を前記燃焼器内のケーシング空気圧を上回る圧力まで上昇させる、請求項９記載の方法。
11. 高温作動ガスをタービンに供給する軸方向段構造燃焼器を有するガスタービンエンジンにおける軸方向段構造燃焼システムの動作方法であって、
    当該方法は、
    前記燃焼器に燃料を供給する燃料供給路を設け、
    燃焼器のヘッドエンドに圧縮空気を供給し、かつ、当該圧縮空気を前記燃料と混合し、
    前記タービンに供給される高温作動ガスを形成するために、前記燃焼器の第１の軸方向段において、前記燃料および圧縮空気を点火し、
    前記ガスタービンエンジンによって生成された排ガスの一部を、前記燃焼器の第２の軸方向段に抽出する排気再循環（ＥＧＲ）システムを設けることを含んでおり、
    前記排気再循環（ＥＧＲ）システムを設けることが、
    前記燃焼器の前記第２の軸方向段に、前記ガスタービンエンジンから抽出された所定の質量流量の排ガスを搬送し、
    前記燃焼器の前記第２の軸方向段に、二次燃料供給路を通して燃料流を搬送し、
    燃料と排ガスとの混合物を前記燃焼器の前記第２の軸方向段内へ供給するために、前記燃料と前記排ガスとを混合し、
    前記排ガスが前記燃焼器の前記第２の軸方向段に入る前に、熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）を通して前記排ガスを搬送することを含んでおり、
    前記ＨＲＳＧは、前記ガスタービンエンジンから前記燃焼器の前記第２の軸方向段までの排ガス流路内の唯一の熱抽出コンポーネントである、
    ことを特徴とする、軸方向段構造燃焼システムの動作方法。
12. 前記排ガスは、前記ＨＲＳＧ内で、前記燃料の自己発火温度を下回る温度まで部分的に冷却される、請求項１１記載の方法。
13. 前記ＨＲＳＧを通過した後に、前記燃料の自己発火温度を下回るように前記排ガスの温度を維持しながら、前記排ガスの圧力を前記燃焼器内のケーシング空気圧を上回る圧力まで上昇させることをさらに含んでいる、請求項１２記載の方法。
14. 前記燃焼器の前記第２の軸方向段に供給される前記排ガスの温度は、前記燃焼器の前記ヘッドエンドに供給されるガスの温度よりも最大で２００℃高い、請求項１１記載の方法。
15. 前記燃料および排ガスは、前記燃焼器を通過する前記高温ガスと接触する流れ境界を定める、前記燃焼器の壁部を通って延在する、円周方向に間隔を置いて配置された複数のノズルに供給される、請求項１１記載の方法。
16. 前記ＥＧＲシステムのために前記ガスタービンエンジンから抽出された排ガスの質量流量の全てが前記第２の軸方向段に搬送され、かつ、前記タービンを出る排ガスの総質量流量の８％〜１５％である、請求項１１記載の方法。
17. 発電プラントであって、当該発電プラントは、
    高温作動ガスをタービンに供給する軸方向段構造燃焼器を有するガスタービンエンジンと、
    第１の供給路を通して前記燃焼器に燃料を供給する燃料供給部とを有しており、
    前記ガスタービンエンジンは、前記燃焼器のヘッドエンドに圧縮空気を供給する圧縮機を有しており、
    前記燃焼器は、前記タービンに供給される前記高温作動ガスを形成するために、前記燃料と圧縮空気との混合物が点火される第１の軸方向段を有しており、
    前記発電プラントはさらに、前記ガスタービンエンジンによって生成された排ガスの一部を抽出する入口と、前記燃焼器の第２の軸方向段に希釈剤として排ガスを供給する出口とを有する排気再循環（ＥＧＲ）システムを有しており、
    前記排気再循環（ＥＧＲ）システムは、
    前記燃焼器の前記第２の軸方向段に排ガスを搬送する排出流路と、
    前記燃料供給部から前記燃焼器の前記第２の軸方向段に燃料を搬送する二次燃料供給路と、
    前記燃焼器の前記第２の軸方向段に位置する、円周方向に間隔を置いて配置された一群の噴射ノズルとを有しており、
    前記各噴射ノズルは、前記排出流路から排ガス流を受け取るための別個の入口と、前記二次燃料流路から燃料流を受けるための別個の入口とを有する一対の入口を有し、前記各噴射ノズルは、前記排ガスと前記燃料とを混合し、排ガスと燃料の前記混合物を前記燃焼器の前記第２の軸方向段内へ噴射するためのものである、
    ことを特徴とする発電プラント。
18. 前記ＥＧＲシステムのために前記ガスタービンエンジンから抽出された排ガスの全ての部分が前記第２の軸方向段に搬送され、かつ、前記タービンを出る排ガスの総質量流量の８％〜１５％である、請求項１７記載の発電プラント。
19. 熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）を有し、
    前記熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）は、前記ＥＧＲシステムの前記入口と前記出口との間の前記排出流路内に配置され、前記ガスタービンエンジンから前記燃焼器の前記第２の軸方向段までの前記排出流路内の唯一の熱抽出コンポーネントである、請求項１７記載の発電プラント。

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