JP5184684B2 - 発電するためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

本書に開示する内容は、ガスタービン・エンジンに関し、より具体的には、化学量論的排気ガス再循環を用いるガスタービン・エンジンに関するものである。

ガスタービン（ＧＴ）エンジンにおいては、圧縮空気と燃料とを混合し燃焼させて高エネルギの流体を発生し、その流体をタービン部分へ導き、該タービン部分内で流体をタービン動翼と相互作用させて機械的エネルギを生成し、この機械的エネルギを動力及び電気の発生に利用することができる。詳しく述べると、タービン動翼は、発電機に結合されたシャフトを回転させることができる。発電機内では、シャフトの回転により、外部の電気回路に結合されたコイルに電流が誘起される。高エネルギの流体は、タービンを出たときに、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）へ再び導くことができる。該ＨＲＳＧにおいて、流体からの熱を用いて蒸気タービン・エンジン用の蒸気を発生して、更に動力及び電気を発生することができる。

しかしながら、空気及び燃料の燃焼により、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）のような、排気物質(emissions) 及び／又は汚染物質が生成され、それらはガスタービン・エンジンの排気中に見付けることができる。ガスタービン・エンジンの環境への悪影響を少なくし且つ規則を遵守するために、このような汚染物質を低減することが必要である。しかしながら多くの場合、汚染物質を低減することは効率の損失に直接関連し、これにより発電の経済的価値に影響を及ぼす。

本発明の一面によれば、発電するためのターボ機械システムが、圧縮機と、前記圧縮機に流体結合され且つ前記圧縮機の下流に配置されている燃焼器と、燃焼ガスを受け取るために前記燃焼器に流体結合され且つ前記燃焼器の下流に配置されていると共に、冷却及び漏洩流体を受け取るために前記圧縮機に流体結合されているタービンとを含んでいる場合に、該ターボ機械システムから排出される排気ガス中の排気物質を低減するための分割型熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）集成装置が提供される。該集成装置は、前記タービンに結合されていて、前記排気ガスの一部分を受け取って、前記排気ガスの前記一部分を前記圧縮機へ送給する第１のＨＲＳＧと、前記タービンに結合されていて、前記排気ガスの残りの部分を受け取る第２のＨＲＳＧであって、その中に、前記排気ガスからＮＯｘ及びＣＯを除去するためにＮＯｘ触媒及びＣＯ触媒が順次に配置されている第２のＨＲＳＧと、前記ＮＯｘ触媒と前記ＣＯ触媒との間で前記第２のＨＲＳＧの中へ空気を噴射して、前記ＣＯ触媒におけるＣＯ消費を促進させる空気噴射装置と、を含む。

本発明の別の面によれば、発電するためのシステムが提供される。該システムはターボ機械を含む。ターボ機械は、圧縮機と、前記圧縮機に流体結合され且つ前記圧縮機の下流に配置されている燃焼器と、燃焼ガスを受け取るために前記燃焼器に流体結合され且つ前記燃焼器の下流に配置されていると共に、冷却及び漏洩流体を受け取るために前記圧縮機に流体結合されているタービンと、を含む。前記システムは更に、前記タービンに結合されていて、前記タービンから出力された排気ガスの一部分を受け取る第１の熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）であって、前記排気ガスの前記一部分を前記圧縮機へ送給するように構成されている第１の熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）と、前記タービンに結合されていて、前記排気ガスの残りの部分を受け取る第２のＨＲＳＧであって、その中に、前記受け取った排気ガスを処理するためにＮＯｘ触媒及びＣＯ触媒が順次に配置されている第２のＨＲＳＧと、前記ＮＯｘ触媒と前記ＣＯ触媒との間で前記第２のＨＲＳＧの中へ空気を噴射して、前記ＣＯ触媒におけるＣＯ消費を促進させる空気噴射装置と、を含む。

本発明の更に別の面によれば、発電するためのターボ機械システムを運転する方法が提供される、本方法は、ターボ機械の排気の一部分を、前記ターボ機械の圧縮機へ送給するために第１のＨＲＳＧ内に受け入れさせると共に、前記ターボ機械の排気の残りの部分を、ＧＴエンジンの排気中のＮＯｘ及びＣＯを消費する第２のＨＲＳＧ内に受け入れさせる段階と、前記ＮＯｘ及びＣＯの消費が実質的に完全であるか否か検知する段階と、前記ＮＯｘの消費が不完全である場合に、前記第１及び第２のＨＲＳＧにそれぞれ受け入れる前記ターボ機械の排気の前記一部分と前記残りの部分との相対的な量を調節する段階と、前記ＣＯの消費が不完全である場合に、前記第２のＨＲＳＧ内に噴射される空気の量を調節する段階と、を含む。

これらの及び他の利点及び特徴は、図面を参照した以下の説明からより一層明らかになろう。

発明と見なされる内容は「特許請求の範囲」に具体的に指摘して明瞭に記載している。本発明の前述の及び他の特徴及び利点は、添付の図面を参照した以下の説明から明らかである。

図１は、タービン・エンジン及び分割型熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）集成装置を含むシステムを例示する概略図である。 図２は、図１のシステムのための制御装置の概略図である。 図３は、図１のシステムと共に使用するための排気システムの概略図である。 図４は、図１のシステムを運転する方法を例示する流れ図である。

以下に、本発明の実施形態について、例として図面を参照して、利点及び特徴と共に詳しく説明する。

図１及び図２について説明すると、排気物質を低減しながら発電するためのシステム１０が提供される。より詳しく述べると、システム１０は、窒素酸化物（ＮＯｘ）又は一酸化炭素（ＣＯ）汚染物質を殆ど又は全く排出せずに発電するために提供される。システム１０は、ガスタービン（ＧＴ）エンジン２０のようなターボ機械と、第１のＨＲＳＧ７０及び第２のＨＲＳＧ８０を持つ分割型熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）集成装置６０と、空気噴射装置１１５とを含む。ＧＴエンジン２０においては、圧縮機２１が第１のＨＲＳＧ７０から再循環された排気を圧縮して、その排気を、圧縮機２１に流体結合され且つ圧縮機２１の下流に配置された燃焼器２２へ供給する。燃焼器２２は、ＮＯｘ排気物質を低減するように作用する１つ以上の乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）型燃焼装置及び／又は遅延希薄噴射（ＬＬＩ）型燃焼装置を含むことができる。タービン２６が圧縮機２１及び燃焼器２２に結合されていて、燃焼器２２から燃焼生成物を受け取り且つ圧縮機２１から冷却及び漏洩流体を受け取る。

上流の圧縮機３０がシャフト２５に結合されていて、シャフト２５の回転によって上流の圧縮機３０が駆動され、これにより入口空気３５が圧縮され、次いで導管３６を介して燃焼器２２へ送給可能にされる。燃焼器２２内では、圧縮機２１からの圧縮された排気が、上流の圧縮機３０からの空気と共に、天然ガス、合成ガス及び／又はそれらの組合せのような燃料と混合される。その混合物は次いで燃焼して高エネルギの流体を生成し、該流体からタービン２６内で機械的エネルギを導き出すことができる。詳しく述べると、流体から導き出された機械的エネルギは、シャフト２５を高速度で回転させる。シャフト２５にはまた発電機４０が結合されており、この結果、シャフト２５の回転が発電機４０に電流を発生させる。模範的な実施形態では、流体は導管２３及び２４を介して第１及び第２のＨＲＳＧ７０及び８０にそれぞれに連通する。

第１のＨＲＳＧ７０はタービン２６に流体結合されていて、導管２３を介してＧＴエンジンの排気の一部分（これは処理されていない）を受け取る。第１のＨＲＳＧ７０は、ＧＴエンジンの排気が第１のＨＲＳＧ７０の中をその第１の入口端部からその第２の端部へ移動するときに、ＧＴエンジンの排気の熱を活用して蒸気を発生するように構成され、該蒸気から追加の動力及び／又は電気を発生することができる。化学量論的排気ガス再循環（ＳＥＧＲ）導管９０が第１のＨＲＳＧ７０の第２の端部に結合され、該導管９０はＳＥＧＲループにおいてＧＴエンジンの排気の一部分を圧縮機２１へ戻すように作用する。ＳＥＧＲループは更に排気ガスを冷却し処理することができる。

第２のＨＲＳＧ８０はタービン２６に流体結合されていて、導管２４を介してＧＴエンジンの排気の残りの部分（これは少なくとも最初は処理されていない）を受け取る。第２のＨＲＳＧ８０は、これも蒸気を発生することができると云う理由で、第１のＨＲＳＧ７０と同様に動作し、該蒸気から追加の動力及び／又は電気を発生することができる。更に、第２のＨＲＳＧ８０は、第１のＣＯ触媒１００、ＮＯｘ触媒１１０及び第２のＣＯ触媒１２０を含み、これらの触媒は順次に配置されていて、ＧＴエンジンの排気が第２のＨＲＳＧ８０の中を移動するにつれてＧＴエンジンの排気の化学量論的処理を行う。場合によっては、ＮＯｘ触媒１１０及び第２のＣＯ触媒１２０のみが第２のＨＲＳＧ８０内に設けられる。

第１のＨＲＳＧ７０へ流れさせるＧＴエンジンの排気の部分と第２のＨＲＳＧ８０へ流れさせる残りの部分との相対的な量がそれぞれの予め定められたレベルに維持される場合、ＧＴ２０は、ＧＴエンジンの排気が実質的に酸素（Ｏ₂ ）を含有しないように動作させることができる。従って、ＧＴ２０は、ＮＯｘ及びＣＯ排気物質を低減し又は実質的にゼロに近づけるために第２のＨＲＳＧ８０の三元触媒を適用するように配置することができる。同時に、空気噴射装置１１５の動作により、ＣＯ排気物質の管理及び低減が可能である。ＣＯ排気物質の低減には、第２のＣＯ触媒が酸素豊富な環境内で動作することを必要とし、このような場合、システム１０は更に、第２のＣＯ触媒１２０におけるＣＯ消費を促進するためにＮＯｘ触媒１１０と第２のＣＯ触媒１２０との間で第２のＨＲＳＧ８０の中へ空気を噴射する空気噴射装置１１５を含む。

圧縮機２１への流れは、ガスタービン圧縮機２１のための第１の複数の入口案内翼２０１及び上流の圧縮機３０のための第２の複数の入口案内翼２０２を調節することによって制御される。これらの２つの圧縮機の間の流れの制御は、分割型ＨＲＳＧ集成装置６０の中の流れも制御する。

実施形態によれば、ＮＯｘ及びＣＯ排気物質の低減は、ＧＴエンジンの排気の約５５〜６５質量パーセントを第１のＨＲＳＧ７０へ流れさせ且つＧＴエンジンの排気の約３５〜４５質量パーセントを第２のＨＲＳＧ８０へ流れさせたときに可能である。詳しく述べると、ＮＯｘ及びＣＯ排気物質の低減は、ＧＴエンジンの排気の約６０質量パーセントを第１のＨＲＳＧ７０へ流れさせ且つＧＴエンジンの排気の約４０質量パーセントを第２のＨＲＳＧ８０へ流れさせたときに可能である。勿論、この比率が単に模範的な例であって、様々な状態及びＨＲＳＧ又は触媒の仕様に応じて修正又は変更することが可能であることを理解されたい。これらの修正又は変更は、以下に述べる制御装置２００によって予め定め又は臨機応変に行うことができる。

第２のＨＲＳＧ８０の三元触媒の化学量論的作用は次のように進行する。ＧＴエンジンの排気は、微量のＯ₂ 、微量のＣＯ及び微量のＮＯｘを含む。第１のＣＯ触媒１００は、使用されているとき、Ｏ₂ を実質的に全て消費し、その結果、微量のＣＯ及び微量のＮＯｘが残る。実質的にＯ₂ が存在しない状態では、ＮＯｘ触媒１１０はＮＯｘ及び幾分かのＣＯを消費して、幾分かのＣＯを含有するが、Ｏ₂ を含有せず且つＮＯｘを含有しないＧＴエンジン排気流を生成する。空気噴射装置１１５によって噴射された空気は、第２のＣＯ触媒１２０がＣＯを消費するのに充分なＯ₂ を付加して、流れの中に微量のＯ₂ 及び二酸化炭素（ＣＯ₂ ）以外は何らＮＯｘ及びＣＯが残らないようにする。

図２に示されているように、システム１０は制御装置２００を含むことができ、制御装置２００は、センサ２１０の測定値に従って第１の複数の入口案内翼２０１、第２の複数の入口案内翼２０２及び弁２０３を制御することによって、ＧＴエンジンの排気の一部分及びその残りの部分の相対的な量を調節する。弁２０３は空気噴射装置１１５上に又はその場所に配置されていて、第２のＣＯ触媒１２０の上流で第２のＨＲＳＧ８０の中へ噴射される空気の量を増減するために用いることができる。センサ２１０は、ＧＴ２０、第２のＨＲＳＧ８０及び／又は三元触媒の動作状態を反映する例えば第２のＨＲＳＧ８０内の状態を検知する能力を持つ任意のセンサとすることができる。従って、センサ２１０は、ＧＴエンジンの排気の温度を決定するために導管２４又は第２のＨＲＳＧ８０内に配置された熱電対、或いはＮＯｘ及び／又はＣＯ消費の効果を評価するために第２のＨＲＳＧ８０内に配置された熱量計又はガスクロマトグラフ、或いは酸素センサを有することができる。センサ２１０は、単一の装置、或いは様々な場所に配置された複数の（場合によっては、異なる種類の）装置とすることができる。

動作について説明すると、センサ２１０は状態の測定を行って、それらの測定値を反映するデータを制御装置２００へ伝えることができる。これに応答して、制御装置２００は、第１の複数の入口案内翼２０１、第２の複数の入口案内翼２０２及び弁２０３へ実時間制御信号を送出して、それらの機能部に開放、閉成、又は現在の開放／閉成状態の保持を行うように命令することができる。従って、模範的な６０／４０パーセントの比率が現在実施されていて、且つＮＯｘ及びＣＯ排気物質が完全に低減されていることをセンサ２１０の測定値により決定された場合、制御装置２００は第１及び第２の複数の入口案内翼２０１，２０２並びに弁２０３を制御して、それらの現在の開放／閉成状態を保持し続けさせることができる。対照的に、ＮＯｘ及びＣＯ排気物質が完全に低減されていないことが明らかになった場合、制御装置２００は第１及び第２の複数の入口案内翼２０１，２０２並びに弁２０３を制御して、それらの現在の開放／閉成状態を修正することができる。

図１及び図３について説明すると、システム１０は更に排気システム１３０を含むことができ、この排気システム１３０は第２のＣＯ触媒１２０の下流にある第２のＨＲＳＧ８０の遠位端部に結合される。排気システム１３０は、処理されたＧＴエンジンの排気を、例えば排気筒３００へ導き、この排気筒３００から該処理されたＧＴエンジンの排気を大気へ放出する。前に述べたように、処理されたＧＴエンジンの排気はＮＯｘ又はＣＯ排気物質を含んでいない又は実質的に含んでいないので、発電機４０によって行う発電は、汚染物質の排出を規制する現在の規則による重大な罰金を課せられることなく達成することができる。ところで、ここでは、ＮＯｘ排気物質の低減が為されるのでこのような罰金を回避することができる。その上、処理されたＧＴエンジンの排気の中に残っているＣＯ₂ は、炭素捕獲システム３０１で収集して、環境保護に関して適切な態様で処分することができる。

更に別の面によれば、図４に示されるように、ガスタービン（ＧＴ）エンジン２０システムのようなターボ機械システムを運転する方法が提供される。この方法は、ターボ機械の排気の一部分を、前記ターボ機械の圧縮機２１へ送給するために第１のＨＲＳＧ７０内に受け入れさせると共に、前記ターボ機械の排気の残りの部分を、前記ＧＴエンジンの排気中のＮＯｘ及びＣＯを消費する第２のＨＲＳＧ８０内に受け入れさせる段階と、前記ＮＯｘ及びＣＯの消費が実質的に完全であるか否か検知する段階とを含む。この検知段階は、例えば、ＮＯｘ及び／又はＣＯ及び／又はＯ₂ 排気物質を測定すること（ブロック４００）によって、又はＧＴエンジンの排気の温度を同様に測定することによって、達成することができる。次いで、ＮＯｘ／ＣＯ排気物質がゼロであるか又は実質的にゼロに近いかどうか決定することができる（ブロック４０１）。そうである場合、制御装置２００は第１の複数の入口案内翼２０１及び第２の複数の入口案内翼２０２及び弁２０３をそれぞれ制御して、それらの現在の状態で動作し続けさせる（ブロック４１０）。対照的に、排気物質が実質的にゼロでない場合、制御装置２００は、前に述べたようにＮＯｘ処理動作を調節し（ブロック４２０）及び／又はＣＯ処理動作を調節する（ブロック４３０）。システム１０の動作中、この帰還制御は絶えず実時間で繰返すことができる。

以上、本発明を限られた数の実施形態のみに関連して詳しく説明したが、本発明がこのような開示した実施形態に制限されるものではないことを理解されたい。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の精神及び範囲に相応する任意の数の変形、変更、置換又は等価な構成を取り入れるように修正することができる。更に、本発明の様々な実施形態を説明したが、本発明の様々な面が説明した実施形態の幾つかのみを含み得ることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって制限されるものと考えるべきではなく、「特許請求の範囲」に記載の範囲によって制限される。

１０ システム
２０ ガスタービン（ＧＴ）エンジン
２１ 圧縮機
２２ 燃焼器
２３、２４ 導管
２５ シャフト
２６ タービン
３０ 上流の圧縮機
３５ 入口空気
３６ 導管
４０ 発電機
６０ 分割型熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）集成装置
７０ 第１のＨＲＳＧ
８０ 第２のＨＲＳＧ
９０ 化学量論的排気ガス再循環（ＳＥＧＲ）導管
１００ 第１のＣＯ触媒
１１０ ＮＯｘ触媒
１１５ 空気噴射装置
１２０ 第２のＣＯ触媒
１３０ 排気システム
２００ 制御装置
２０１ 第１の複数の入口案内翼
２０２ 第２の複数の入口案内翼
２１０ センサ
３００ 排気筒
３０１ 炭素捕獲システム

Claims (3)

1. ターボ機械システムを運転して発電を行う方法であって、
   ターボ機械の排気の一部分を、前記ターボ機械の圧縮機（２１）へ送給するために第１の熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）（７０）内に受け入れさせると共に、前記ターボ機械の排気の残りの部分を、前記ターボ機械の排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）及び一酸化炭素（ＣＯ）を消費する第２の熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）（８０）内に受け入れさせる段階と、
   前記第２のＨＲＳＧ（８０）におけるＮＯｘ及びＣＯの消費が実質的に完全であるか否か検知する段階と、
   前記ＮＯｘの消費が不完全である場合に、前記第１及び第２のＨＲＳＧ（７０、８０）にそれぞれ受け入れる前記ターボ機械の排気の前記一部分と前記残りの部分との相対的な量を調節する段階と、
   前記ＣＯの消費が不完全である場合に、前記第２のＨＲＳＧ（８０）内に噴射される空気の量を調節する段階と、
   を有する方法。
2. 前記受け入れさせる段階は、前記ターボ機械に流体結合された前記第１及び第２のＨＲＳＧ（７０、８０）を分割型熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）集成装置（６０）に配置する段階を含む、請求項１記載の方法。
3. 前記検知する段階は、前記ターボ機械内の温度を測定する段階と、前記ターボ機械の排気物質を測定する段階とのいずれかの段階を含む、請求項１記載の方法。