JP5114589B2 - 窒素冷却型ガスタービンを持つ統合ガス化複合サイクル・システム - Google Patents

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Description

本願は、一般的に云えば、ガスタービンに関し、より具体的には、排出物質制御に加えて閉回路窒素冷却も行うガスタービン・エンジンに関するものである。
既知の統合ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ；Integrated Gasification Combined Cycle）動力発生システムは、少なくとも１つの動力発生タービン・システムと統合されたガス化システムを含むことができる。例えば、既知のガス化装置は、石炭のような燃料と、空気又は酸素、蒸気及び他の添加剤との混合物を、部分燃焼ガス（典型的には、「合成ガス」と呼ばれる）の出力に変換することができる。このような高温燃焼ガスは、ガスタービン・エンジンの燃焼器に供給することができる。次いで、ガスタービン・エンジンは、電力の発生のために発電機を駆動し、又は別の種類の負荷を駆動することができる。ガスタービン・エンジンからの排気は、蒸気タービン用の蒸気を発生するように熱回収蒸気発生器に供給することができる。蒸気タービンによって発生される動力はまた、発電機又は別の種類の負荷を駆動することができる。同様な種類の動力発生システムもまた知られている。
既知のガス化プロセスはまた、窒素の流れを発生することができる。例えば、空気分離ユニットを使用することにより、ガス化装置に酸素を供給することができる。空気分離ユニットは、供給される空気中の窒素から酸素を分離することによって、酸素を発生することができる。窒素の幾分かは、ガスタービン・エンジンで発生される排出物質を制御するために又はタービンの出力を増強するために用いることができる。例えば、窒素は、燃焼温度を下げるために且つ窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出を低減するためにガスタービン・エンジンの燃焼域に注入することができる。ガスタービン・エンジンのタービン部分は、構成部品温度を許容材料限界内に保つために冷却される。この冷却は、圧縮機部分から抽出された空気によって行われ、これはエンジン出力及び熱消費率に悪影響を及ぼす。
従って、統合ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）動力発生システムの改良が望まれている。このようなＩＧＣＣシステムは、全体のＩＧＣＣ出力及び熱消費率を改善しながら、そこで発生された窒素の全て又は殆どを生産的な目的のために使用するのが好ましい。
米国特許第７５８１４０１号
従って、本願では統合ガス化複合サイクル・システムを提供する。この統合ガス化複合サイクル・システムは、窒素供給源と、燃焼器と、タービンとを含むことができる。前記窒素供給源からの窒素の流れは前記タービンを通って該タービンを冷却し、次いで前記燃焼器に流入する。
本願では更に、統合ガス化複合サイクル・システムを運転する方法を提供する。本方法は、窒素の流れを発生する段階と、前記窒素の流れをガスタービンの中に流れさせる段階と、前記窒素の流れが前記ガスタービンを通って流れているときに、前記窒素の流れを加熱する段階と、前記加熱された窒素の流れの一部分を燃焼器に注入する段階と、燃焼器動作温度を低減する段階とを含むことができる。
本願では更に、統合ガス化複合サイクル・システムを提供する。この統合ガス化複合サイクル・システムは、窒素の流れを発生するための空気分離ユニットと、前記窒素の流れを圧縮するための圧縮機と、燃焼器と、タービンとを含むことができる。前記圧縮された窒素の流れは前記タービンを通って該タービンを冷却し、次いで前記燃焼器に流入する。
本願のこれらの及び他の特徴及び改善点は、当業者には、幾つかの図面及び「特許請求の範囲」の記載を参照して以下の詳しい説明を読むことにより明らかになろう。
図１は、ガスタービン・エンジンの概略図である。 図２は、ガスタービンの複数の段の概略図である。 図３は、本書で説明することのできる窒素冷却型ガスタービンを持つ統合ガス化複合サイクル・システムの一部分の概略図である。 図４は、窒素冷却型ガスタービンを持つ統合ガス化複合サイクル・システムの別の実施形態の概略図である。 図５は、窒素冷却型ガスタービンを持つ統合ガス化複合サイクル・システムの別の実施形態の概略図である。 図６は、窒素冷却型ガスタービンを持つ統合ガス化複合サイクル・システムの別の実施形態の概略図である。
次に図面をについて説明すると、幾つかの図にわたって同様な要素には同様な参照数字を付しているが、先ず図１は本書で記述することのできるようなガスタービン・エンジン１００の概略図を示す。ガスタービン・エンジン１００は圧縮機１１０を含むことができる。圧縮機１１０は、入ってくる空気流１２０を圧縮する。圧縮機１１０は、圧縮した空気流１２０を燃焼器１３０へ送り出す。燃焼器１３０は、圧縮された空気流１２０を圧縮された燃料流１４０と混合し、次いで該混合物に点火して燃焼ガス流１５０を生成する。図には単一の燃焼器１３０しか示されていないが、ガスタービン・エンジン１００は任意の数の燃焼器１３０を含むことができる。燃焼ガス流１５０は次にタービン１６０へ送給される。その燃焼ガス流１５０はタービン１６０を駆動して、タービン・ロータ１７０を回転させることにより機械的仕事を生じさせる。タービン１６０において生じる機械的仕事は、タービン・ロータ１７０を介して、圧縮機１１０と発電機１８０のような外部負荷とを駆動する。
ガスタービン・エンジン１００は、天然ガス、様々な種類の合成ガス、及び他の種類の燃料を使用することができる。ガスタービン・エンジン１００は、アメリカ合衆国ニューヨーク州スケネクタデイ所在のゼネラル・エレクトリック・カンパニイなどによって提供される任意の数の異なるタービンであってよい。ガスタービン・エンジン１００は他の構成を持つことができ、また他の種類の構成部品を使用することができる。この点では、他の種類のガスタービン・エンジンも用いることができる。この点では、複数のガスタービン・エンジン１００、他の種類のタービン、及び他の種類の発電装置を一緒に用いることができる。
図２は、タービン１６０の複数の段１９０を示している。第１段２００は、多数の円周方向に間隔を置いて設けられた第１段ノズル２１０及び動翼２２０を含むことができる。同様に、第２段２３０は、多数の円周方向に間隔を置いて設けられた第２段ノズル２４０及び動翼２５０を含むことができる。更に、第３段２６０、多数の円周方向に間隔を置いて設けられた第３段ノズル２７０及び動翼２８０を含むことができる。これらの段２００，２３０，２６０は、タービン１６０を通る高温ガス流路２９０内に配置することができる。この点では、任意の数の段１９０を用いることができる。１つ以上の動翼２２０，２５０，２８０上には先端シュラウド３００を設けることができる。この点では、他の種類のタービン構成もまた用いることができる。
回転部品（すなわち、動翼２２０，２５０，２８０）及び静止部品（すなわち、ノズル２１０，２４０，２７０）は、その中に延在する１つ以上の冷却回路３１０を持つことができる。この例では、冷却回路３１０は閉回路とすることができる。冷却媒体がその中を通過して、タービン１６０の高温ガス流路２９０内の構成部品を冷却することができる。この点では、他の冷却構成も利用することができる。
図３は、本書で記述することのできるような統合ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）システム３５０の一部分を示している。ＩＧＣＣシステム３５０は、ガスタービン・エンジン１００及びその構成部品を前に記述したように且つまた同様な構成で含むことができる。ＩＧＣＣシステム３５０はまた空気分離ユニット３６０を含むことができる。前に述べたように、空気分離ユニット３６０はガス化装置（図示せず）及び同等な装置と連通させることができる。空気分離ユニット３６０は窒素の流れ３７０と共に酸素の流れを発生させることができる。この点では、窒素及び／又は他のガスの他の供給源も使用することができる。
図示の例では、空気分離ユニット３６０は１つ以上の窒素圧縮機３８０を介してガスタービン・エンジン１００のタービン１６０と連通することができる。窒素圧縮機３８０は従来の設計のものであってよい。窒素圧縮機３８０は、窒素の流れ３７０を充分な圧力まで、すなわち、配管、装置、タービン構成部品冷却回路などに起因した全ての損失と圧縮機希釈注入要件との和を充たすのに充分な圧力まで圧縮する。圧力制御弁３９０もまた利用することができる。圧力制御弁３９０は、例えば、バルーン応力軽減技術及び他の技術により、過大な圧力から保護する。
窒素の流れ３７０は冷却回路３１０へ導くことができる。窒素の流れ３７０は、静止部品を冷却するための静止部品冷却流４００と、回転部品を冷却するための回転部品冷却流４１０とに分割することができる。その後、これらの冷却流４００，４１０はタービン１６０の下流で合流することができる。
三方弁４２０又は同様な種類の流れ装置において、窒素の流れ３７０は再び分割することができ、この場合は、燃焼器流４３０と戻り流４４０とに分割することができる。燃焼器流４３０は、ＮＯｘ排出についての希釈剤注入として及び／又はガスタービン出力増強のために燃焼器１３０へ供給することができる。戻り流４４０は、ボイラー給水又は別の流れの供給により、窒素冷却器４５０内で、圧縮機３８０による圧縮に適した温度まで冷却することができる。戻り流４４０は、次いで、冷却回路３１０に再循環させるか又は他の目的のために使用することができる。窒素冷却器４５０は任意の種類の熱交換器または同様なものとすることができる。この点では他の構成も用いることができる。この点ではまた他の種類の流れも用いることができる。
図４は、別の実施形態による統合ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）システム４６０の一部分を示している。ＩＧＣＣシステム４６０は上記のＩＧＣＣシステム３５０と同様であってよいが、燃料ヒータ４７０が追加されている。燃料ヒータ４７０はタービン１６０より下流の燃焼器流４３０と及び燃料流１４０と連通させることができる。燃焼器流４３０は、入ってくる燃料流１４０と直接に又は中間熱交換ループを介して熱交換することによって、燃焼システムの設計要件に基づいた許容最大温度まで冷却することができる。その代わりに、燃焼器流４３０はまた、ボイラー給水又は他の種類の冷却源と熱交換することができる。この点ではその他の構成も用いることができる。
図５は、別の実施形態による統合ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）システム４８０を示している。ＩＧＣＣシステム４８０は前に述べたＩＧＣＣシステム３５０と同様であってよい。しかし、この例では、熱交換器４５０の下流の戻り流４４０が混合用流れ４９０を含むことができる。高温の燃焼器流４３０は、冷却された混合用流れ４９０と混合されて、燃焼器１３０へ注入される前に許容最大温度まで冷却することができる。また、この点において、温度制御弁５００を使用することができる。この点では、他の構成を用いることができる。
使用中、本書で述べたＩＧＣＣ３５０，４６０，４８０は窒素の流れ３７０を利用して、高温ガス流路の冷却及び燃焼希釈のための注入を逐次的な配列で行って、出力及び熱消費率の両方について有意な運転上の改善を行うことができる。具体的に述べると、ＩＧＣＣ３５０，４６０，４８０は、圧縮機１１０から抽出されるタービン構成部品冷却空気の総量を低減することができ、また高温ガス流路の冷却により高レベルのエネルギを燃焼システムへ直接伝達することができ、また窒素冷却流量及び温度の関数としてタービン冷却流量及び燃焼温度を最適化することができる。ＩＧＣＣ３５０，４６０，４８０はまた、窒素冷却器４５０を利用することにより、ボイラー給水又は別の供給源を加熱して、蒸気タービン出力を増大するようにボトミング・サイクルに取り込むための蒸気を発生させることができる。このように、ＩＧＣＣ３５０，４６０，４８０は、空気分離ユニット３６０又はその他の手段により発生された窒素の流れ３７０の全て又は殆どを使用し及び／又は該流れを更なる利用のために再循環させる。
従来の圧縮機抽出流と比べて、タービン１６０に供給される窒素流の温度が低いことにより、構成部品冷却通路及び全体的ガスタービン性能の最適化を可能にするために必要とされる冷却流を低減することができる。従って、高温の燃焼器流４３０を介しての構成部品冷却方式から燃焼器１３０への熱の回収により、全体的な燃料流１４０が低減され、従って全体の装置の熱消費率が改善される筈である。また、窒素の流れ３７０の温度が低いことにより、結果として、必要とされる冷却流を低減することができる。
図６は、更に別の実施形態による統合ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）システム５１０を示している。ＩＧＣＣシステム５１０は前に述べたＩＧＣＣシステム３５０と同様であってよい。しかし、この例では、窒素の流れ３７０は、タービン冷却通路４００，４１０を通った後、窒素圧縮機３８０からの付加的な窒素流５２０と混合する。混合された窒素流５３０は次いで燃焼器１３０へ供給することができる。２つの混合用の窒素流３７０，５２０への流れの分割を制御するために、混合弁５４０を設けることができる。この点では、他の構成も用いることができる。
以上の説明が本願の特定の実施形態にのみ関するものであること、及び、「特許請求の範囲」の記載及びその等価な内容によって規定されるような発明の一般的な精神及び範囲から逸脱することなく様々な変更及び修正を当業者によって行い得ることは明らかであろう。
１００ ガスタービン・エンジン
１１０ 圧縮機
１２０ 空気流
１３０ 燃焼器
１４０ 燃料流
１５０ 燃焼ガス流
１６０ タービン
１７０ ロータ
１８０ 発電機
１９０ タービン段
２００ 第１段
２１０ 第１段ノズル
２２０ 第１段動翼
２３０ 第２段
２４０ 第２段ノズル
２５０ 第２段動翼
２６０ 第３段
２７０ 第３段ノズル
２８０ 第３段動翼
２９０ 高温ガス流路
３００ 先端シュラウド
３１０ 冷却回路
３５０ 統合ガス化複合サイクル・システム
３６０ 空気分離ユニット
３７０ 窒素の流れ
３８０ 窒素圧縮機
３９０ 圧力制御弁
４００ 静止部品冷却流
４１０ 回転部品冷却流
４２０ 三方弁
４３０ 燃焼器流
４４０ 戻り流
４５０ 窒素冷却器
４６０ 統合ガス化複合サイクル・システム
４７０ 燃料ヒータ
４８０ 統合ガス化複合サイクル・システム
４９０ 混合用流れ
５００ 温度制御弁
５１０ 統合ガス化複合サイクル・システム
５２０ 付加的な窒素流
５３０ 混合された窒素流
５４０ 混合弁

Claims (11)

  1. 窒素供給源（３６０）と、
    圧縮機（１１０）と、燃焼器（１３０）と、タービン（１６０）とを含む、ガスタービン（１００）と、
    前記窒素供給源（３６０）を少なくとも１つの窒素圧縮機（３８０）に接続する窒素供給ライン（３７０）と、
    前記少なくとも１つの窒素圧縮機（３８０）を前記タービン（１６０）内の閉冷却回路（３１０）の入口に接続し、前記窒素供給源（３６０）からの窒素の流れ（３７０）が、前記タービン（１６０）を通って該タービンを冷却する圧縮窒素ラインと、
    前記閉冷却回路（３１０）の出口を三方弁（４２０）に接続する窒素回収ラインと、
    前記三方弁（４２０）を前記燃焼器（１３０）に接続する燃焼器流れラインと、
    前記三方弁（４２０）を前記窒素供給ライン（３７０）に接続する戻り流れラインと、
    を含む、窒素冷却ガスタービンシステム。
  2. 前記窒素供給源（３６０）は空気分離ユニット（３６０）を有している、請求項１記載の窒素冷却ガスタービンシステム。
  3. 前記タービン（１６０）内の前記閉冷却回路（３１０）は静止部品冷却流（４００）及び回転部品冷却流（４１０）を有している、請求項１記載の窒素冷却ガスタービンシステム。
  4. 更に、前記タービン（１６０）の下流に配置され且つ前記戻り流れライン（４４０）内に窒素冷却器（４５０）を有している請求項１記載の窒素冷却ガスタービンシステム。
  5. 更に、前記燃焼器（１３０）の上流において前記燃焼器流れラインに配置され、前記燃焼器（１３０）に供給する燃料流（１４０）を加熱する燃料ヒータ（４７０）を有している請求項１記載の窒素冷却ガスタービンシステム。
  6. 窒素冷却ガスタービンシステムを運転する方法であって、
    窒素の流れ（３７０）を発生する段階と、
    窒素の流れ（３７０）を圧縮する段階と、
    前記圧縮された窒素の流れ（３７０）をガスタービン（１６０）の中に流れさせる段階と、
    前記窒素の流れ（３７０）が前記ガスタービン（１６０）を通って流れているときに、前記窒素の流れ（３７０）を加熱することにより前記ガスタービン（１６０）を冷却する段階と、
    前記加熱された窒素の流れ（３７０）燃焼器窒素流と戻り窒素流に分ける段階と、
    前記燃焼器窒素流を前記ガスタービン（１６０）の前記燃焼器（１３０）に注入して、燃焼器動作温度を低減する段階と、
    流体の流れを加熱することにより、前記戻り窒素流を冷却して冷却された戻り窒素流を生成する段階と、
    を有する方法。
  7. 更に、前記燃焼器に供給される燃料の流れを加熱することにより前記燃焼器窒素流を冷却する段階を有している請求項６記載の方法。
  8. 更に、冷却された戻り窒素流を前記窒素の流れ（３７０）へ再循環させる段階を有している請求項６記載の方法。
  9. 窒素の流れを生成する空気分離ユニットと、
    前記窒素の流れを圧縮する窒素圧縮機（３８０）と、
    圧縮機（１１０）と、燃焼器（１３０）と、タービン部（１６０）とを含む、タービン（１００）と、
    前記空気分離ユニットを前記窒素圧縮機（３８０）に接続する窒素供給ライン（３７０）と、
    前記窒素圧縮機（３８０）を前記タービン部（１６０）内の閉冷却回路（３１０）の入口に接続し、前記窒素供給源（３６０）からの窒素の流れ（３７０）が、前記タービン部（１６０）を通って該タービンを冷却する圧縮窒素ラインと、
    前記閉冷却回路（３１０）の出口を三方弁（４２０）に接続する窒素回収ラインと、
    前記三方弁（４２０）を前記燃焼器（１３０）に接続する燃焼器流れラインと、
    前記三方弁（４２０）を前記窒素供給ライン（３７０）に接続する戻り流れラインと、
    を含む、窒素冷却ガスタービンシステム。
  10. 前記タービン（１６０）内の前記閉冷却回路（３１０）は静止部品冷却流（４００）及び回転部品冷却流（４１０）を有している、請求項９記載の窒素冷却ガスタービンシステム。
  11. 更に、前記タービン（１６０）の下流に配置され且つ前記戻り流れライン（４４０）内に窒素冷却器（４５０）を有している請求項９記載の窒素冷却ガスタービンシステム。
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