JP5346258B2 - 加熱用低ｂｔｕ燃料流量比ダクトバーナ及び熱回収システム - Google Patents

Description

本発明は、一般にガスタービン及び排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）システムと共に用いるダクトバーナシステムに関し、特に、低ＢＴＵ（英国熱量単位）燃料原料を燃焼させるための、形状可変特性と流量制御の適用により可燃混合気の化学量論比が最適化されたダクトバーナシステム及び該最適化の方法に関する。

多くの精鋼所、ガス化設備及び低ＢＴＵ燃料を生産するその他の施設では、加熱及び動力伝達にＨＲＳＧシステムも用いている。天然ガス又はその他の一般的な高ＢＴＵ燃料原料の代わりに低ＢＴＵ燃料を燃焼させることが再生エネルギーの活用であり、合理的とみなされることもある。しかも、さもなければ低ＢＴＵ燃料は、燃料原料として役に立たない場合もある。従って、ＨＲＳＧシステムにおける追い焚きに低ＢＴＵ燃料を用いることは、運転効率と経済面のいずれの観点からも有利である。

米国特許第４８５９１７３号明細書 米国特許第６２４７３１５号明細書

E. Mazzi, et al., "Heat Recovery Steam Generators Supplementary Fired With Lean Gas;" Proceedings of 2000 International Joint Power Generation Conference, Miami Beach, Florida, July 23-26, 2000; 9 pgs. Eclipse RatioAir Burners Bulletin 115C, June 2003, 2pgs. located at http://riveon.eclipsenet.com/parkstreet/public/ViewFile.aspx?aid=161531 Coen Duct Burners for Cogeneration Systems brochure dated 1993.

しかし、ＨＲＳＧシステムにおける追い焚きに低ＢＴＵ燃料を用いるには、幾つかの理由で問題がある。例えば、燃料の物理的及び化学的特性を満たしながら可燃限界範囲内で適切な燃焼を行うには、発火装置を個別に調整しなければならないこともある。加えて、一般に、このような追い焚きシステムでは、化学量論的流量比を制御することが難しい。

本発明の一実施形態において、ガスタービンから排気ガスを受けるよう構成された排気ダクトを有するシステムを開示する。このシステムは更に、排気ダクトから排気ガスの一次ガス流を受けるよう構成された一次ダクトを有する。このシステムは更に、排気ダクトから排気ガスの二次ガス流を受けるよう構成された二次ダクトを有する。加えて、このシステムは、一次ガス流を一次ダクト内に流入させ、その流量を制限するように構成された一次可変形状分流装置を有する。このシステムは更に、二次ガス流を二次ダクト内に流入させ、この流量を制限するよう構成された二次可変形状分流装置を含む。このシステムは更に、二次ガス流を少なくとも１つの低ＢＴＵ燃料原料と混合し、二次ガス流を燃焼させた後、加熱された二次ガス流を一次ダクト内に再噴射するように構成された燃焼システムを有する。システムは更に、燃焼システムを介して二次ガス流を送るブロワを有する。加えて、このシステムは、一次及び二次可変形状分流装置を作動させることにより、低ＢＴＵ燃料原料と二次ガス流との化学量論的流量比を制御するよう構成された制御装置を含む。

本発明のその他の実施形態において、ガスタービンから排熱回収ボイラシステムへと至る経路内で動作するよう構成された可変形状分流装置を有するシステムを開示する。この可変形状分流装置は、排気ガスの経路を一次排気経路と二次排気経路とに分割するよう構成される。このシステムは更に、二次排気経路内の排気ガスを少なくとも１つの低ＢＴＵ燃料原料と混合し、二次排気経路内の排気ガスを燃焼させた後、加熱されたガスを一次排気経路内に再噴射するよう構成された燃焼システムを有する。

本発明のまた他の実施形態において、可変形状分流装置を用いてガスを一次ダクトと二次ダクトとに分流させるステップを含む方法を開示する。一次ガス流は一次ダクト内へと誘導され、二次ガス流は二次ダクト内へと誘導される。この方法は更に、燃焼システム内で燃焼する低ＢＴＵ燃料を用いて二次ガス流を燃焼システムにおいて加熱するステップを含む。この方法は更に、加熱されたガス流を一次ダクト内に再噴射するステップを含む。

上記その他の本発明の特徴、態様、利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明によって、より良く理解されよう。なお、全図面を通して、同様の構成要素には同様の参照符号が付与されている。

本発明の実施形態によるダクトバーナシステム及び方法を適用可能な、例示的な複合サイクル発電システムの概略フローチャートである。 本発明の実施形態による、ガスタービン、ＨＲＳＧ及びダクトバーナの基本的な運転方式を例示的に示す概略図である。 本発明の実施形態による、ガスタービン及びＨＲＳＧと共に用いられる例示的なダクトバーナシステムの概略図である。 本発明の実施形態による、ガスタービン及びＨＲＳＧと共に用いられるまた他の例示的なダクトバーナシステムの概略図である。 本発明の実施形態による、低ＢＴＵ燃料原料を追い焚きする例示的な方法のフローチャートである。

以下に、本発明の１つ以上の特定の実施形態を説明する。これらの実施形態は、説明の便宜上、実使用における全ての特徴を詳細に説明しない場合がある。こうしたいかなる実使用における形態の開発形態についても、あらゆる技術又は設計プロジェクトと同様、システム関連及び事業関連の制約事項に準拠する等の、実施条件により様々である開発者の特定の目標を達成するために、実施条件特有の数多くの決定を行わなければならないことを理解するべきである。また、このような開発努力は、手間と時間がかかることであるが、それでもやはり、本開示を利用することができる当業者にとっては、設計、製作及び製造という定常作業の一環であることを理解するべきである。

本発明の様々な実施形態の構成要素を示す場合、「１つの」、「ある」、「この」及び「前記の」という冠詞は、その構成要素が１つ以上あることを意味することを意図している。「からなる」、「含む」及び「有する」という用語は、包括的な意味において用いられており、列挙された構成要素以外の追加の構成要素が存在する可能性を含んでいる。動作パラメータのいかなる例も本発明の実施形態のその他のパラメータが存在する可能性を排除するものではない。

本発明の実施形態において、低ＢＴＵ燃料原料を用いるよう構成されたダクトバーナシステムを開示する。ある実施形態では、これらのシステムは、排気ダクトからの排気ガスの一次ガス流を受けるよう構成された一次ダクトと、排気ダクトからの排気ガスの二次ガス流を受けるよう構成された二次ダクトとを含んで良い。一次及び二次可変形状分流装置を、それぞれ一次及び二次ガス流を流入させ、制限するように構成して良い。燃焼システムにより、二次ガス流を受け、このガス流を少なくとも１つの低ＢＴＵ燃料原料と混合して燃焼させ、これにより二次ガス流を加熱して、加熱された二次ガス流を一次ダクト内に再噴射することができる。ブロワを用いて、燃焼システムを介して二次ガス流を送ることができる。加えて、システム制御装置を用いて、一次及び二次可変形状分流装置を作動させることにより、二次ガス流の化学量論的流量比を制御することができる。

図１は、本発明の実施形態によるダクトバーナシステム及び方法を適用可能な、例示的な複合サイクル発電システム１０の概略フローチャートである。このシステム１０は、第１の負荷１４を駆動させるガスタービン１２を含む。第１の負荷１４は、例えば発電を行う発電機であって良い。ガスタービン１２は、タービン１６と、燃焼器又は燃焼室１８と、圧縮機２０とを含む。システム１０は、更にまた、第２の負荷２４を駆動させる蒸気タービン２２を含む。第２の負荷２４も発電を行う発電機であって良い。更に、第１及び第２の負荷１４、２４はいずれも、ガスタービン１２及び蒸気タービン２２により駆動可能なその他の種類の負荷であっても良い。加えて、ガスタービン１２と蒸気タービン２２とは、図示の実施形態では、別々の負荷１４及び２４を駆動させるが、ガスタービン１２と蒸気タービン２２とを直列配置し、単一の軸を介して単一の負荷を駆動させても良い。図示の実施形態において、蒸気タービン２２は、１つの低圧段２６（ＬＰ ＳＴ）と、１つの中圧段２８（ＩＰ ＳＴ）と、１つの高圧段３０（ＨＰ ＳＴ）とを含む。しかし、蒸気タービン２２及びガスタービン１２のこの特定の構成は、個々の実施条件に基づくものであって良く、いかなる組合せで段を含んでいても良い。

システム１０は更に、多段ＨＲＳＧ３２を含んでいても良い。ＨＲＳＧ３２の構成要素は、図示においては簡略化されているが、その実施形態はこれに限定されない。図示のＨＲＳＧ３２は、あくまでも、このようなＨＲＳＧシステムの一般的な運転を示すものである。ガスタービン１２からの加熱された排気ガス３４は、ＨＲＳＧ３２内に送り込まれ、蒸気タービン２２の動力駆動に用いる蒸気を加熱するために用いられる。蒸気タービン２２の低圧段２６からの排気は、コンデンサ３６内に導かれる。コンデンサ３６からの復水は、更に、復水ポンプ３８を補助的に用いてＨＲＳＧ３２の低圧部内に導かれる。

この復水はその後、ガスを用いて給水を加熱するよう構成された、復水の加熱に用いる装置である低圧エコノマイザ４０（ＬＰＥＣＯＮ）を通って流れる。そして、この低圧エコノマイザ４０から、復水が低圧蒸発器４２（ＬＰＥＶＡＰ）内又は中圧エコノマイザ４４（ＩＰＥＣＯＮ）の方へのいずれかに導かれる。低圧蒸発器４２からの蒸気は、蒸気タービン２２の低圧段２６に戻される。同様に、中圧エコノマイザ４４から、復水が中圧蒸発器４６（ＩＰＥＶＡＰ）内又は高圧エコノマイザ４８（ＨＰＥＣＯＮ）の方へのいずれかに導かれる。加えて、中圧エコノマイザ４４からの蒸気は、燃料ガス加熱器（図示せず）に送られ、この加熱器は、この蒸気を用いて、ガスタービン１２の燃焼室１８内で用いる燃料ガスを加熱する。中圧蒸発器４６からの蒸気は、蒸気タービン２２の中圧段２８に送られる。この場合も、図示の実施形態は、あくまでも本発明の実施形態に特有の態様を適用可能なＨＲＳＧシステムの一般的な運転を例示するためのものであり、エコノマイザと蒸発器と蒸気タービン２２との接続態様は、実施条件により異なっていても良い。

最後に、高圧エコノマイザ４８からの復水は、高圧蒸発器５０（ＨＰＥＶＡＰ）内に導かれる。高圧蒸発器５０から排出される蒸気は、一次高圧過熱器５２及び最終高圧過熱器５４内に導かれて過熱され、最終的に蒸気タービン２２の高圧段３０に送られる。更に、蒸気タービン２２の高圧段３０からの排気は、蒸気タービン２２の中圧段２８内に導かれる。蒸気タービン２２の中圧段２８からの排気は、蒸気タービン２２の低圧段２６内に導かれる。

一次高圧過熱器５２と最終高圧過熱器５４との間には、段間過熱低減器５６が配置される。この段間過熱低減器５６により、最終高圧過熱器５４からの蒸気の排気温度を更にロバスト制御できる。特に、段間過熱低減器５６は、最終高圧過熱器５４から排出される蒸気の排気温度が所定値を上回る場合は常に、最終高圧過熱器５４の上流において、過熱蒸気中に低温の給水噴霧を噴射することにより、最終高圧過熱器５４から排出される蒸気の温度を制御するように構成されている。

加えて、蒸気タービン２２の高圧段３０からの排気が、一次再熱器５８及び二次再熱器６０内に導かれて再加熱され、その後、蒸気タービン２２の中圧段２８内に導かれる。更に、一次再熱器５８と二次再熱器６０とは、これらの再熱器からの排気温度を制御する段間過熱低減器６２と関連付けられている。詳細には、段間過熱低減器６２は、二次再熱器６０から排出される蒸気の排気温度が所定値を上回る場合は常に、二次再熱器６０の上流において、過熱蒸気中に低温の給水噴霧を噴射することにより、二次再熱器６０から排出される蒸気の温度を制御するように構成されている。

システム１０のような複合サイクルシステムにおいては、高温の排気をガスタービン１２からＨＲＳＧ３２を通過させ、この排気を用いて高圧かつ高温の蒸気を生成することができる。その後、ＨＲＳＧ３２から生じる蒸気を、蒸気タービン２２を通過させて、これを用いて発電することができる。発生した蒸気を更に、過熱蒸気を用いる何らかのその他の工程に供しても良い。ガスタービン１２の発電サイクルがしばしば「トッピングサイクル」と称されるのに対して、蒸気タービン２２の発電サイクルは、しばしば「ボトミングサイクル」と称される。これらの２つのサイクルを、図１のように組み合わせて用いることにより、いずれのサイクルでもより高い効率で、複合サイクル発電システム１０を運転することができる。また、トッピングサイクルから排熱を回収し、ボトミングサイクルで用いる蒸気の生成に用いることができる。

従って、システム１０のような複合サイクルシステムでは、さもなければ無駄になるトッピングサイクルからの熱エネルギーを回収し、この熱エネルギーを用いてボトミングサイクルにおいて発電を行うことが望ましい。ガスタービン１２からＨＲＳＧ３２内への排気温度が上昇すると、ＨＲＳＧ３２により回収できる熱エネルギーの量も増加する。これにより、複合サイクルシステム１０の全体効率が向上する。ＨＲＳＧ３２内への排気温度を上昇させるには、ガスタービン１２とＨＲＳＧ３２との間にダクトバーナを用いることができるが、これに限らず、多様な技術を適用することができる。ガスタービン１２からの排気３４の温度を上昇させるためにダクトバーナを用いたとしも、このダクトバーナへの燃料供給が補助燃料原料による場合、必ずしもシステム１０の全体効率が向上するわけではない。しかし、ダクトバーナは、システム１０のピーク負荷期において、多くの蒸気だけでなく、多くの電力を生じることができる。更に、以下に示すように、補助燃料原料の代わりに、ダクトバーナにおいて一般入手可能な低ＢＴＵ燃料を用いると、さもなければ低ＢＴＵ燃料を用いることによって、総合効率を向上させることができる。

ここで、低ＢＴＵ燃料原料とは、発熱量は従来の気体、液体又は固体燃料（例えばメタン）より小さいものの、可燃混合気が創出され、連続燃焼が可能な程度の発熱量を有する燃料のことである。低ＢＴＵ燃料の発熱量は、９０〜７００Ｂｔｕ／ｓｃｆ（英国熱量単位毎標準立法フィート）の範囲である。この発熱量は、燃焼時に放出される熱量を規定する燃料特性である。低ＢＴＵ燃料は、発熱量がゼロの又は発熱量が小さい成分（例えば一酸化炭素、二酸化炭素、窒素等）を高い濃度で含有していても良い。

図２は、本発明の実施形態による、ガスタービン１２、ＨＲＳＧ３２及びダクトバーナ６４の運転の基本方式を例示的に示す概略図である。上述のように、ガスタービン１２からの排気３４はＨＲＳＧ３２内に導かれる。ボトミングサイクルにおいて、この排気３４の熱を用いて、ボトミングサイクルからの復水が過熱蒸気に変換される。排気３４は、ガスタービン１２から排出されると、徐々に膨張しながら排気ダクト６６を通過し、ダクトバーナ６４に到達する。排気３４中には、ダクトバーナ７０に関連付けられた噴射器７２を用いて、（低ＢＴＵ燃料等の）補助燃料原料６８が噴射され、排気３４と混合される。排気３４がダクトバーナ７０により発火すると、その結果得られる過熱排気７４を用いて、最終高圧過熱器５４、二次再熱器６０、一次再熱器５８、一次高圧過熱器５２及びＨＲＳＧ３２のその他の構成要素を経由して流れる蒸気を過熱させることができる。

ガスタービン１２が消費するガスタービン空気流中の酸素は通常、利用可能な少量のみであるので、排気３４には通常、高比率の酸素が含有まれており、それにより、ダクトバーナ６４における追い焚きが可能になる。比較的高ＢＴＵの成分を有する補助燃料原料６８は、保炎のためには有利かもしれないが、設備によっては入手不可能な生産物かもしれない。つまり、設備によっては、高ＢＴＵ燃料が産出されない場合があるので、これを用いることは設備費用の増大と効率の低下に繋がる。一方、低ＢＴＵ燃料は、低い等価比及び保炎性の問題により、ダクト内で燃焼させることは比較的困難かもしれないが、低ＢＴＵ燃料は、設備において入手可能な生産物である場合がある。従って、これら入手可能な低ＢＴＵ燃料を用いることにより、設備全体の効率を高めることができる。

本発明による技術は、その実施形態において、高い信頼性で低ＢＴＵ燃料を制御し、活用できるようになり、その結果、設備効率を高めることができる。本発明の実施形態では、ダクトバーナ装置において低ＢＴＵ燃料を燃焼させるために、補助燃料原料６８が、発熱量の大きい燃料（例えば天然ガス）と混合される。その結果、混合燃料の発熱量が上昇し、高可燃性の混合気が得られる。また、排気３４を分流させて、その一部のみを燃焼に用いることができる。例えば、比例流量制御システムにより、可燃混合気が希薄可燃限界未満に希釈されることを防ぐことができ、これにより、安定した燃焼を維持することができる。

低ＢＴＵ燃料原料をダクトバーナ内で燃焼させることにより、さもなければ複合サイクル発電システム１０の比較的無用の副産物とみなされかねない低ＢＴＵ燃料原料が排出されて発火し、燃焼しなくなる。即ち、この観点から、低ＢＴＵ燃料原料を燃焼させることにより、効率を向上させることができる。本発明の実施形態では、ダクトバーナ内で低ＢＴＵ燃料を効率的に燃焼させることができる。本発明の実施形態は更に、従来のダクトバーナシステムでは容易に燃焼させることができないあらゆるその他の燃料（例えば高酸素ガス、埋立地ガス等）にも対応しているので、有用である。本発明の実施形態では、このような従来技術では対応できなかった燃料、固体、混合物等を燃焼させることができる。実使用において、本発明の実施形態を、従来の燃料を含む全ての燃料に幅広く適用することができる。

図３は、本発明の実施形態による、ガスタービン１２及びＨＲＳＧ３２と共に用いられる例示的なダクトバーナシステム７６の概略図である。図示の実施形態において、給水ポンプ７８から加熱用高圧エコノマイザ４８へ給水され、この水は、蒸気を復水から分離させることができる高圧蒸発器５０にポンプ送りされる。次に、高圧蒸気が一次高圧過熱器５２及び最終高圧過熱器５４内に導かれ、蒸気が過熱状態になり、その後、蒸気タービン２２の高圧段３０内へと導かれる。蒸気は、蒸気タービン２２の高圧段３０において使用された後、ＨＲＳＧ３２に戻り、一次再熱器５８と二次再熱器６０とを用いて再加熱される。蒸気がこれらの再熱器により再加熱されると、蒸気タービン２２の中圧段２８内に導かれる。上述のように、図示におけるＨＲＳＧ３２と蒸気タービン２２との相互関係は、あくまでも例示目的において記載されており、これに限定されるものではない。特に、これらの接続関係は、蒸気がどのようにＨＲＳＧ３２を通って移動し、且つ、この蒸気が本発明の実施形態による例示的なダクトバーナシステム７６を通過した後のガスタービン１２からの排気３４とどのように関係するかを説明するためのものに過ぎない。

ガスタービン１２からの排気３４は通常、排気ダクト６６内に流入してここで徐々に膨張し、その後、一次ダクト８０内に流入する。排気３４は、一次ダクト８０内において加熱されつつ更に膨張し、その後、ＨＲＳＧ３２を通り、これを利用して、蒸気タービン２２を動力駆動させるために用いられる過熱蒸気が生成される。図示の実施形態では、排気３４は、一次分流装置８２と二次分流装置８４とにより２本の並流に分割されている。一次ガス流８６が一次ダクト８０を通過する一方で、二次ガス流８８は二次ダクト９０内に導入される。特に、一次分流装置８２は、一次ガス流８６を一次ダクト８０内に流入させるよう、又はこの流量を制限するように構成されても良い。一方、二次分流装置８４は、二次ガス流８８を二次ダクト９０内に導入するように構成されても、この流量を制限するように構成されても良い。従って、排気ダクト６６とＨＲＳＧ３２との間で全てのガス流を単一の共通ダクト内に保持する代わりに、これらの２つのガス流８６、８８として、別々のダクト８０、９０へと分割しても良い。本発明の実施形態では、ダクトバーナ機能を、一次ダクト８０又は単一の共通ダクトとは対照的に、二次ダクト９０の一部分として設けることができる。

分流装置８２、８４の一方又は両方は、可変形状であり、ガス流８６、８８を分流させる。可変形状の分流装置８２、８４としては、多様な設計が可能であり、例えばルーバ付き分流ダンパ又は収束／拡散ノズル機構が含まれる。固定形状の分流装置機構を適用したダクトバーナシステムと、可変形状の分流装置機構を適用したダクトバーナシステムは大きく異なる。可変形状分流機構の適用により、固定形状分流機構の場合よりも広範にわたる運転条件において、安定したダクトバーナ機能を維持できる。特に、可変形状分流機構を適用すると、運転状態の変化、特にガスタービン１２からの排気３４の化学量論的組成の変化に応じて、分流比を経時的に変化させることができる。一次及び二次ダクト８０、９０は、円形、正方形又は矩形の断面を含め、適宜の形状に設計されて良い。

分流装置８２、８４は、分流装置８２、８４とその他の関連付けられた分流機構との配置を変化させるための作動システムを備えていても良い。この作動システムは、システム制御装置９２と相互作用的に機能して、その結果、分流装置８２、８４の配置が変化し、一次ガス流８６及び二次ガス流８８へ分流される排気３４の分量又は比率を制御することができる。システム制御装置９２は、低ＢＴＵ燃料流と二次ガス流８８との化学量論的流量比を、各流れの成分に基づいて変化させるよう構成されていても良い。加えて、補助空気流９４を、二次ダクト９０内の開口を介して二次ガス流８８中に導入しても良い。この補助空気流９４により、二次ガス流８８の化学量論的特性を変化させることができる。更に、ブロワ９６を用い、流れ分流プロセスを活性化しても良い。ブロワ９６により、予混合燃焼法を実施し易くなるので、連続点火源としてパイロット火炎技術を用いる必要がなくなる。加えて、ブロワ９６を用いて、二次ガス流８８の速度を調節して、ダクトバーナシステム７６の発火を安定させることもできる。

二次ガス流８８は、燃焼システム９８内に導入され、加熱される。燃焼システム９８には、燃料、希釈剤及び酸化剤噴射ノズル、予混合機能、火炎検出、点火システム、燃焼プロセス制御等の多様な燃焼システム機能を含めることができる。例えば、図示のように、燃焼システム９８を加熱空気又は加熱酸化剤システム１００により増強しても良く、これにより、高温の燃焼副産物を用いて空気又は酸化剤流を加熱し、燃焼システム９８の燃焼室内に導入することができる。加熱空気又は加熱酸化剤は、保炎促進に最適な燃焼反応温度まで可燃混合気を加熱することができるような位置から、燃焼室内に流入される。従って、加熱空気又は加熱酸化剤システム１００を、パイロット技術の代わりに、自動点火システムとして用いることができる。加熱空気又は酸化剤システム１００を自動点火システムとして用いることにより、熱力学的な効率が向上する。加えて、加熱空気又は加熱酸化剤システム１００に用いる技術は、ガスタービン１２の燃焼室１８等の、複合サイクル発電システム１０のその他の燃焼システムにも適用可能である。一次ガス流８６中の空気又は酸化剤を加熱する位置は、燃焼システム９８に流入する加熱空気又は加熱酸化剤の最適温度に応じて変更可能である。

また、燃焼システム９８を、燃焼システム９８の上流の希釈剤及び／又は酸素富化システム１０２により増強しても良い。上述のように、低ＢＴＵ燃料混合気１０４は、燃焼システム９８内に導入され、燃焼システム９８の燃焼室内において発火し、加熱ガス流１０６が生成される。この加熱ガス流１０６は、加熱域とも称される一次ダクト８０の領域内で一次ガス流８６と混合される。更に、流量比制御ストラテジーに基づいて、煙道ガス、空気又はその他の流動媒体と低ＢＴＵ燃料との化学量論比を制御することもできる。

本開示のダクトバーナ技術は多様な用途に適用可能であるが、特に、図３に示すように、ガスタービン１２の排気ダクト６６のすぐ下流且つＨＲＳＧ３２の上流において好適である。上述のように、本発明の実施形態では、幅広い運転条件にわたって排気３４の化学量論的流量比を好適に制御することができる。ダクトバーナシステム７６が有する燃焼室の数は、ダクトバーナシステム７６の所望の運転範囲に応じて、単一であっても複数であっても良い。更に、燃焼システム９８は、超低ＢＴＵ燃料（例えば排ガス）を含む多様な燃料流を受け入れることができる。なお、この燃料流のまた他の蒸気との予混合は、燃焼システム９８への流入前であっても、流入時であっても良い。

ここで、超低ＢＴＵ燃料原料とは、発熱量が約９０Ｂｔｕ／ｓｃｆ未満の燃料を指す。超低ＢＴＵ燃料原料は発熱量が小さいので、ここから可燃混合気を得ることはできない。超低ＢＴＵ燃料の燃焼により発熱を生じるためには、超低ＢＴＵ燃料を、発熱量が大きい燃料原料と共に燃焼させると良い。

追加の特徴をダクトバーナシステム７６に、すなわちシステム制御装置９２の機能の範囲内に追加しても良い。例えば、システム制御装置９２を用いて、排気監視に基づいて化学量論的流量比を制御することができる。換言すれば、ダクトバーナシステム７６からの排気を監視し、排気の変化に基づいて、システム制御装置９２は二次ガス流８８及び結果として得られる可燃混合気の流量と組成とを調節することができる。加えて、全体的な燃焼プロセスに悪影響を与えることなく、低ＢＴＵ燃料混合物１０４の再循環ループを付け加えることができる。また、サーモグラフィー等の監視・診断システムを、本発明の実施形態に追加しても良い。システム制御装置９２は、補助空気流９４、ブロワ９６、加熱空気又は加熱酸化剤システム１００、酸素富化システム１０２、低ＢＴＵ燃料混合物１０４、燃焼システム９８及び加熱ガス流１０６を含む、本発明の実施形態に組み込まれるサブシステムのプロセス制御パラメータを変化させることもできる。ダクトバーナシステム７６では、システム制御装置９２を用いて、ガスタービン１２、ＨＲＳＧ３２、更には複合サイクル発電システム１０の設備に含まれる制御装置を相互に関連付け、動作を統合制御することができる。

図４は、本発明の実施形態による、ガスタービン１２及びＨＲＳＧ３２と共に用いられるまた他の例示的なダクトバーナシステム１０８の概略図である。図４のダクトバーナシステム１０８の構成要素の殆どは、図３のダクトバーナシステム７６に用いられるものと同様であるが、図４のダクトバーナシステム１０８からは、本発明のダクトバーナ技術は、いかに様々な設計に適用可能であるかがわかる。例えば、図４において、燃焼システム９８を、ＨＲＳＧ３２の適宜の構成要素の下流に配置して良い。図示の実施形態では具体的に、燃焼システム９８を、ＨＲＳＧ３２の一次高圧過熱器５２、最終高圧過熱器５４、一次再熱器５８及び二次再熱器６０の下流に配置することができる。このため、加熱ガス流１０６は、ＨＲＳＧ３２のこれら過熱及び再熱要素の下流の、一次ダクト８０の領域で一次ガス流８６中に導入される。かくして、加熱ガス流１０６が一次ガス流８６と混合されるので、一次ガス流８６が高圧蒸発器５０（ＨＰＥＶＡＰ）に流入する温度はかなり高温になる。この遅延混合により効果の程度は、運転条件により異なることがある。しかし、ＨＲＳＧ３２の高圧蒸発器５０（ＨＰＥＶＡＰ）内への流入温度が高くなるので、概して、ＨＲＳＧ３２内においてより多くの過熱蒸気をより効率的に発生させることができる。

即ち、図４から、本発明の実施形態によるダクトバーナシステムを、いかに様々な態様で構成することができるかがわかる。加えて、本発明のダクトバーナシステムを、様々なシステムの一部分として組み込んでも良い。例えば、ダクトバーナシステムを、図３及び４のように、ガスタービン１２の排気部又はＨＲＳＧ３２に沿った任意の位置において、又は任意の組み合わせの位置において一体化しても良い。特に、ダクトバーナシステムを、ＨＲＳＧ３２に挿入可能なモジュールとして設計しても良い。従って、本発明の実施形態には、モジュール式ダクトバーナ、後付けキット、一体形ダクト等も含まれる。本発明では、ダクトバーナシステムの運転方法は、適用される個別の空間的構成にかかわらず、実質的に同様であって良い。

図５は、本発明の実施形態による、低ＢＴＵ燃料原料を追い焚きする例示的な方法１１０のフローチャートである。ステップ１１２では、一次ダクト８０と二次ダクト９０との間で、可変形状分流機構を用いてガスが分流される。本明細書全体において、このガスを、ガスタービン１２からの排気３４であるとして説明する。しかし、低ＢＴＵ燃料原料を追い焚きする方法１１０は、ガスを用いて追い焚きシステムを点火するその他の用途にも適用可能である。上述のように、可変形状機構は、一次分流装置８２と二次分流装置８４とを含む。一次分流装置８２によって、ガスを一次ダクト８０内に流入させたり、流量を制限したりでき、二次分流装置８４によって、ガスを二次ダクト９０内に流入させるか、又はこの流量を制限することができる。ステップ１１２は概して、システム制御装置９２が受ける制御命令に基づいて、分流装置８２、８４を位置決めするステップを含んでも良い。システム制御装置９２は、低ＢＴＵ燃料混合物１０４と二次ガス流８８との間の化学量論的流量比を制御することができる。それぞれのガス流８８、１０４の流量と組成とを制御することにより、特に、燃焼システム９８において好適な化学量論条件を創出することができる。

システム制御装置９２を用いて、その他の化学量論的パラメータを制御することもできる。例えば、任意のステップ１１４において、補助空気流９４を、二次ガス流８８中に噴射しても良い。加えて、任意のステップ１１６において、二次ガス流８８を、ブロワ９６により燃焼システム９８を介して送っても良い。システム制御装置９２では更に、その他様々な燃料制御装置を操作することにより、二次ガス流８８の化学量論的流量比を最適化することで、燃焼を最適化することができる。例えば、低ＢＴＵ燃料混合物１０４を用いて燃焼システム９８内で確実に安定した火炎燃焼状態を維持できるように、加熱空気又は酸化剤システム１００、希釈剤及び／又は酸素富化システム１０２及びその他の適宜のシステムを、システム制御装置９２を用いて制御し、補助空気及びガスを二次ガス流８８中に噴射することができる。

ステップ１１８では、二次ガス流８８が低ＢＴＵ燃料混合物１０４と混合され、燃焼システム９８の燃焼室内で発火し、加熱ガス流１０６が生成される。ステップ１２０では、加熱ガス流１０６がその後、燃焼システム９８により一次ダクト８０内に再噴射されて、一次ガス流８６と混合される。

低ＢＴＵ燃料を追い焚きすることにより、設備において、蒸気発生のために、さもなければガスタービンによって消費されないこともある過剰なプロセス燃料を燃焼させることができる。このため、本発明の実施形態により、既存の設備で生産され、得られる全ての燃料原料を燃焼させることができる。その結果、柔軟なプラント設計が可能になり、ガスタービン及び蒸気タービンの出力容量を最適化できるようになる。加えて、本発明の実施形態によるダクトバーナシステムを、その他の低ＢＴＵ燃料燃焼装置の故障が発生した場合の予備機能としても良い。また、本発明により、追い焚きによってガスタービンの排気温度を上昇させ、より効率的に再熱蒸気サイクルを実施することができる。本発明の実施形態を、電気的周波数応答及び隣接する蒸気発生器からの蒸気生産損失等の緊急の、及び不都合な出来事が発生したときに用い、これに対処することができる。更に、追い焚きにより発生量が追加された蒸気をガスタービンサイクルに再導入して、排気を制御したり出力を増大させたりできる。

本発明の追い焚き技術では、ブロワと可変形状分流装置と燃料制御装置とを組み合わせて化学量論的流量比を最適化することによって、追い焚きにおいて燃焼反応を最適化することができる。その他のダクトバーナシステムでは単一の断熱炉を用いることがあるが、本発明の実施形態では、単一又は複数の燃焼室を用いることができる。加えて、その他のダクトバーナシステムでは、加熱耐火物を用いることによって可燃混合気温度を最適化することがあるが、本発明の実施形態では、加熱空気又は酸化物を燃焼システム９８の燃焼室内に導入することによって可燃混合気温度を上昇させることができる。更に、その他のダクトバーナシステムでは、パイロット火炎燃焼ストラテジーが必要なことがあるが、本発明の実施形態では、上述のようにブロワ９６を組み込むことで予混合燃焼ストラテジーが可能になる。

本発明のダクトバーナシステムの形態は、ダクトに内蔵された一体装置とは限らない。むしろ、動作診断及びメンテナンスのために接近することができるように、外面からダクト内に挿入可能な装置パッケージを構成しても良い。本発明の実施形態は、熱回収設計の最適化に関して、複数の燃焼室を設置し様々に配向することができるので、装置をより柔軟に構成し、配向することができる。加えて、本発明の実施形態では、加熱域の温度分布が一様になるので、熱により生じる機械的歪みを緩和することができる。本発明のダクトバーナシステムでは更に、多段化ストラテジーが可能になるよう構成されて良い。例えば、電力又は蒸気の需要が増加すると、異なる燃焼システムを「オン」又は「オフ」し、需要を満たすことができる。この多段化ストラテジーを適用して、燃料供給量を調節することもできる。

本明細書に示す低ＢＴＵ燃料追い焚き技術は、あらゆる複合サイクル式ガスタービンに適用可能であり、これによりＨＲＳＧへの熱を増加させることができる。この技術は更に、多様な蒸気発生ボイラ又は熱交換器にも適用可能である。本発明の実施形態は特に、合成ガス生産、製鋼用高炉、ガス設備及びガス精製設備におけるガスタービン排熱回収システムに好適である。更に、本発明の実施形態による追い焚きシステムは、既存のガスタービン複合サイクルにも適用可能である。

本明細書に記載した本発明の特徴は、その一部に過ぎず、当業者には、これらの様々な修正形態及び改変形態が想起可能であろう。従って、添付の特許請求の範囲は、かかる修正形態及び改変形態も本発明の範囲に含まれるものとして網羅していることを理解されたい。

Claims (9)

1. ガスタービン（１２）から排熱回収ボイラシステム（３２）に至る排気ガス（３４）の経路内で動作するよう構成された可変形状分流装置（８２、８４）であって、
   一次排気経路（８６）内に前記排気ガス（３４）を流入させ、この時の流量を制限するよう構成された一次分流装置（８２）と、
   二次排気経路（８８）内に前記排気ガス（３４）を流入させ、この時の流量を制限するよう構成された二次分流装置（８４）と、
   を有する可変形状分流装置（８２、８４）と、
   前記二次排気経路（８８）内の前記排気ガス（３４）を少なくとも１つの燃料原料（１０４）と混合して、前記二次排気経路（８８）内の前記排気ガス（３４）を燃焼させ、その結果加熱されたガス（１０６）を半径方向内側に前記一次排気経路（８６）内に再噴射するよう構成された燃焼システム（９８）と、
   を有するシステム（７６、１０８）。
2. 前記二次排気経路（８８）内の前記排気ガス（３４）を、前記燃焼システム（９８）を介して送るよう構成されたブロワ（９６）を更に有する、請求項１に記載のシステム（７６、１０８）。
3. 前記少なくとも１つの燃料原料（１０４）と前記二次排気経路（８８）内の前記排気ガス（３４）との化学量論的流量比に基づいて、前記二次排気経路（８８）内の前記排気ガス（３４）の流量及び組成を制御するよう構成された制御装置（９２）を更に有する、請求項１に記載のシステム（７６、１０８）。
4. 前記可変形状分流装置（８２、８４）を作動させることにより、前記制御装置（９２）が、前記二次排気経路（８８）内の前記排気ガス（３４）の流量及び組成を制御するように構成された、請求項３に記載のシステム（７６、１０８）。
5. 前記制御装置（９２）が、前記燃焼システム（９８）からの排気に基づいて、前記二次排気経路（８８）内の前記排気ガス（３４）の流量及び組成を制御するよう構成された、請求項３に記載のシステム（７６、１０８）。
6. 前記二次排気経路（８８）内の前記排気ガス（３４）中に空気（９４）を添加するよう構成された補助空気噴射器を更に有する、請求項１に記載のシステム（７６、１０８）。
7. 前記二次排気経路（８８）内の前記排気ガス（３４）中に加熱空気又はその他の酸化剤を添加するよう構成された加熱空気又は加熱酸化剤システム（１００）を更に有する、請求項１に記載のシステム（７６、１０８）。
8. 前記可変形状分流装置（８２、８４）が、ルーバ付き分流ダンパ、収束／拡散ノズル機構又はこれらを組み合わせたものから成る、請求項１に記載のシステム（７６、１０８）。
9. 前記ガスタービン（１２）と前記排熱回収ボイラシステム（３２）との間で、ダクト（６６、８０）内に取り付けられるよう構成されたモジュール式装置であって、
   前記可変形状分流装置（８２、８４）、前記一次排気経路（８６）、前記二次排気経路（８８）、前記燃焼システム（９８）又はこれらを組み合わせたものからなるモジュール式装置を更に有する、請求項１に記載のシステム（７６、１０８）。
   

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