JP5508763B2 - 排ガス再循環及び再熱を有するタービンシステム - Google Patents

Description

本発明は、サーマルＮＯｘを減少させる再熱燃焼システムと排ガス再循環（ＥＧＲ）システムとを備えたガスタービンを有するタービンシステムに関する。

産業排出物の環境影響に対する懸念が高まるにつれて、許容排出量に関する規制も増加した。大型のガスタービンシステムは、電力需要を満たすために、膨大な量の燃料が必要とされることから、特に重要である。ほとんどの商業システムで現在用いられている高温のタービン入口温度の結果として生じる排出物を減らすために、数多くの燃焼方式が開発された。これらの燃焼方式のいくつかには、予混合燃焼、多段燃焼、噴霧液体燃料、さまざまな希釈剤の噴射、触媒燃焼、排ガス再循環（ＥＧＲ）及び再熱燃焼が含まれる。

一般的な再熱タービンシステムにおいて、再熱燃焼器は、一次燃焼器の下流に配置されるとともに、一般により高い効率とより低い排出量とをもたらす。ＥＧＲは、排気ガスを入口又は燃焼室等のタービンセクション内に再導入して、高温ガスポケットにおいて温度を低下させ、かつさらにまた酸素濃度を低下させることにより、排気ガスの利点を十分に活用するためにしばしば用いられる。

一実施形態では、タービンシステムは、気体を圧縮するように構成される第１の圧縮機と、圧縮された気体を燃料と混合するとともに該混合気を燃焼させるように構成される第１の燃焼器と、第１の燃焼器からの燃焼ガスによって駆動するように構成される第１のタービンと、第１のタービンの排気ガスを燃料と混合するとともに該混合気を燃焼させるように構成される第２の燃焼器と、第２の燃焼器からの燃焼ガスによって駆動するように構成される第２のタービンと、タービンシステムにより駆動するように構成される発電機とからなる。第２のタービンの排気ガスの第１の部分は再循環して、第１の燃焼器内において混合する。

別の実施形態では、タービンシステムの運転方法は、第１の圧縮機を用いて気体を圧縮するステップと、圧縮された気体を燃料と混合して第１の混合気を形成させるとともに該第１の混合気を燃焼させるステップと、第１の混合気の燃焼によって得られる燃焼ガスを用いて第１のタービンを駆動するステップと、第１のタービンの排気ガスを燃料と混合して第２の混合気を形成させるとともに該第２の混合気を燃焼させるステップと、第２の混合気の燃焼によって得られる燃焼ガスを用いて第２のタービンを駆動するステップと、第２のタービンの排気ガスの第１の部分を第１の混合気中へと再循環させるステップとからなる。

さらに別の実施形態では、タービンシステムは、各々の圧縮機が気体を圧縮するように構成される複数の圧縮機と、各々の燃焼器が圧縮された気体を燃料と混合するとともに該混合気を燃焼させるように構成される複数の燃焼器と、各々のタービンが複数の燃焼器の少なくとも１個の燃焼ガスによって駆動するように構成される複数のタービンと、タービンシステムによって駆動するように構成される発電機とからなる。少なくともいくつかのタービンの排気ガスの一部分は再循環するとともに、少なくともいくつかの圧縮機内に導入される。

単一の軸を有する再熱タービンシステムの実施形態の略図である。 単一の軸を有する再熱タービンシステムの別の実施形態の略図である。 単一の軸を有する再熱タービンシステムの別の実施形態の略図である。 二軸構成を有する再熱タービンシステムの実施形態の略図である。 同心の二軸を有する再熱タービンシステムの別の実施形態の略図である。 同心軸構成を有する再熱タービンシステムの別の実施形態の略図である。 同心軸構成を有する再熱タービンシステムの実施形態の略図である。

図１を参照すると、実施形態によるタービンシステム２は、軸３６により圧縮機６に作用可能に接続される発電機４を含む。圧縮機６は、吸気８の量が一定に保たれるように、一定の回転速度で動作することができる。圧縮空気は、一次燃焼室、すなわち燃焼器１０に供給され、そこで燃料１２と混合する。燃料１２の調整は、例えば石炭ガス化システムによって達成される。

圧縮機６により一次燃焼器１０に供給される空気の量は、燃料１２を燃焼させるために必要な空気の量を上回る。一次燃焼器１０からの、過剰空気を含む燃焼ガス１４は、軸３６により圧縮機に接続される高圧タービン１６に供給される。高圧タービンの排気ガス１８は、二次又は再熱燃焼器２０に供給されるとともに、燃料２２と混合する。二次燃焼器２０からの燃焼ガス２４は、高圧タービン１６と圧縮機６と発電機４とに軸３６により接続される低圧タービン２６に供給される。発電機４と圧縮機６と高圧タービン１６と低圧タービン２６との接続は、これらの構成要素を同じ速度で作動させることを可能にする。

低圧タービンの排気ガス２８は、環境排気ガス３０と再循環排気ガス３２とに分割される。環境排気ガス３０は、例えば任意の熱交換器（図示せず）を介して、環境へと排出される。

再循環排気ガス３２は、熱交換器３４を介して供給され、冷却された圧縮前の再循環排気ガス３３は、その後、吸気８とともに圧縮機６内に供給される。熱交換器３４により再循環排気ガス３２から取り除かれた熱を用いて、例えば、蒸気タービン装置を動作させて、システムを複合サイクルのシステムにすることができるようにしてもよい。

図２を参照すると、タービンシステム２の別の実施形態では、再循環排気ガス３２は、熱交換器３４を介して送られ、冷却された圧縮前の再循環排気ガス３３は、モータ３８又はその他の装置によって駆動する圧縮機４０に供給される。圧縮後の冷却された再循環排気ガス４２は、圧縮機６から一次燃焼器１０へと至る管路に供給される。圧縮された再循環排気ガス４２は、このようにして、圧縮された吸気８と混合し、その結果として得られる圧縮された空気及びガス９は、一次燃焼器１０に供給される。

図３に示すように、タービンシステム２の別の実施形態によれば、部分的に冷却された圧縮前の再循環排気ガス４７は、熱交換器３４から、第２のモータ４４によって作動する第２の圧縮機４６へと供給される。圧縮後の部分的に冷却された再循環排気ガス４８は、圧縮機４６から、高圧タービン１６から二次燃焼器２０へと至る管路に供給されて、高圧タービンの排気ガス１８と混合する。

低圧タービンの排気ガス２８の第２の部分３５は、ＨＲＳＧ（排熱回収ボイラ）８０へと送られてよい。ＨＲＳＧ８０は、蒸気を発生させて蒸気タービン８２を動作させ、システムを複合サイクル構成にすることができる。なお、本明細書に記載のいずれの実施形態も、ＨＲＳＧと蒸気タービンとを具備させて、複合サイクル構成にすることができる。

図４を参照すると、別の実施形態によるタービンシステム２であり、二軸５０、５２を含む。圧縮機６と高圧タービン１６とは、第１の軸５０によって接続され、低圧タービン２６と発電機４とは、第２の軸５２によって接続される。第１の軸５０により、圧縮機６と高圧タービン１６とが同じ速度で回転でき、第２の軸５２により、低圧タービン２６と発電機４とが同じ速度で回転できるようになる。

図５を参照すると、熱交換器３４が配設されて、低圧タービンの排気ガス２８を直接受ける。低圧タービンの排気ガス２８は、熱交換器３４を通過した後に、環境へと排出される冷却された環境排気ガス３１に分割され、冷却された圧縮前の再循環排気ガス３３は、低圧圧縮機５４内に導入される吸気８と組み合わされる。低圧圧縮機５４は、圧縮された空気及びガスを一次燃焼器１０に供給して燃料１２と混合する高圧圧縮機５６に接続される。

低圧圧縮機５４と低圧タービン２６と発電機４とは、共通の軸５８によって支持される。第２の軸６０は、高圧圧縮機５６と高圧タービン１６とを接続して、高圧圧縮機５６と高圧タービン１６とが同じ速度で回転できるようになる。

図６に示すように、タービンシステム２の別の実施形態によれば、低圧タービンの排気ガス２８は、例えば任意の熱交換器（図示せず）を介して環境へと排出される環境排気ガス３０と、熱交換器３４を通過する圧縮前の冷却されていない再循環排気ガス６２からなる第１の部分とに分割される。低圧タービンの排気ガス２８はまた、再循環排気ガス圧縮機６８によって圧縮される再循環排気ガス３２に分割される。圧縮後の冷却されていない再循環排気ガス４３も熱交換器３４を通過し、圧縮後の冷却された再循環排気ガス４２は、圧縮機６から一次燃焼器１０へと至る管路に供給されて、圧縮された吸気９に加えられる。熱交換器３４から出る冷却された圧縮前の再循環排気ガス６３は、吸気８と組み合わされて、この組み合わされた空気及びガスは、その後、圧縮機６に供給される。

圧縮機６と高圧タービン１６と再循環排気ガス圧縮機６８とは、第１の軸６４により接続される。低圧タービン２６と発電機４は第２の軸６６によって接続され、第２の軸６６により、低圧タービン２６と発電機４とが同じ速度で回転できるようになる。

図７を参照すると、中圧タービン７０が、高圧タービン１６と低圧タービン２６との間に配設されている。圧縮後の冷却された再循環排気ガス４２は、圧縮機６から一次燃焼器１０へと至る管路に供給されて、圧縮された吸気９に加えられる。圧縮前の冷却されていない再循環排気ガス６２の第２の部分は、熱交換器３４を通過し、冷却された圧縮前の再循環排気ガス６３の第２の部分は、圧縮機６に導入される吸気８に加えられる。圧縮後の部分的に冷却された再循環排気ガス４８は、熱交換器３４から、中圧タービン７０と二次燃焼器２０との間の管路に供給されて、中圧タービンの排気ガス７２に加えられる。

圧縮機６と高圧タービン１６は、第１の軸７４によって接続され、一次圧縮機が高圧タービン１６によって動力駆動できるようになる。中圧タービン７０と再循環排気ガス圧縮機６８は、第２の軸７６によって支持される。低圧タービン２６と発電機４とは、これらの２個の構成要素を同じ速度で回転させる第３の軸７８によって接続される。

本発明を、現時点で最も実用的かつ好ましいと思料される実施形態に関して説明してきたが、本発明は開示の実施形態にとどまらず、様々な改変及び均等な構成も特許請求の範囲の技術的思想及び技術的範囲に包含される。

Claims (10)

1. タービンシステム（２）であって、当該タービンシステム（２）が、
   気体（８）を圧縮するように構成される第１の圧縮機（６）と、
   前記圧縮された気体（９）を燃料（１２）と混合するとともに、該混合気を燃焼させる第１の燃焼器（１０）と、
   第１の燃焼器（１０）の燃焼ガス（１４）により駆動するように構成される第１のタービン（１６）と、
   第１のタービン（１６）の排気ガス（１８）を燃料（２２）と混合するとともに、該混合気を燃焼させる第２の燃焼器（２０）と、
   第２の燃焼器（２０）の燃焼ガス（２４）により駆動するように構成される第２のタービン（２６）と、
   タービンシステム（２）により駆動するように構成される発電機（４）と
   を備えており、
   第２のタービン（２６）の排気ガス（２８）の第１の部分（４２）が、再循環され、第１の圧縮機（６）から第１の燃焼器（１０）へと至る管路に供給される、タービンシステム。
2. 第２のタービン（２６）の排気ガス（２８）の第２の部分（３０）が再循環されずに排出され、
   第２のタービン（２６）の前記排気ガス（２８）の第３の部分（３３）は、再循環して、第１の圧縮機（６）内に導入される、請求項１記載のタービンシステム。
3. 第２のタービン（２６）の前記排気ガス（２８）の第１の部分（４２）を圧縮するように構成される第２の圧縮機（４０）をさらに含み、第２のタービン（２６）の前記排気ガス（２８）の前記圧縮された第１の部分（４２）は、第１の圧縮機（６）からの圧縮空気（８）と混合した後に第１の燃焼器（１０）に送られる、請求項１又は請求項２記載のタービンシステム。
4. 第２の圧縮機（４０）は、第２のタービン（２６）の前記排気ガス（２８）の第１の部分（３２）が熱交換器（３４）により冷却される前又は後に、第２のタービン（２６）の前記排気ガス（２８）の第１の部分（４２）を圧縮するように構成される、請求項３記載のタービンシステム。
5. 熱交換器（３４）により部分的に冷却された、第２のタービン（２６）の前記排気ガス（２８）の第４の部分（４７）を圧縮するように構成される第３の圧縮機（４６）をさらに含み、第２のタービン（２６）の前記排気ガス（２８）の前記圧縮された第４の部分（４８）は、第１のタービン（１６）の前記排気ガス（１８）と混合した後に第２の燃焼器（２０）に送られる、請求項３又は請求項４記載のタービンシステム。
6. 蒸気を発生するように構成される蒸気発生器（８０）と、
   前記蒸気発生器により発生する蒸気によって駆動するように構成される蒸気タービン（８２）であって、第２のタービン（２６）の前記排気ガス（２８）の第２の部分（３５）は、前記蒸気発生器（８０）に送られて前記蒸気が発生する蒸気タービン（８２）とをさらに含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のタービンシステム。
7. タービンシステム（２）の運転方法であって、
   第１の圧縮機（６）を用いて気体（８）を圧縮するステップと、
   前記圧縮された気体（９）を燃料（１２）と混合して、第１の混合気を形成させるとともに、第１の混合気を燃焼させるステップと、
   第１の混合気の燃焼による燃焼ガス（１４）を用いて第１のタービン（１６）を駆動するステップと、
   第１のタービン（１６）の排気ガス（１８）を燃料（２２）と混合して、第２の混合気を形成させるとともに、第２の混合気を燃焼させるステップと、
   第２の混合気の燃焼による燃焼ガス（２４）を用いて第２のタービン（２６）を駆動するステップと、
   第２のタービン（２６）の排気ガス（２８）の第１の部分（４２）を第１の圧縮機（６）から第１の燃焼器（１０）へと至る管路に供給して再循環させるステップと
   を含む方法。
8. 第２のタービン（２６）の前記排気ガス（２８）の第２の部分（３５）を蒸気発生器（８０）に送って蒸気を発生するステップと、
   前記蒸気発生器（８０）からの前記蒸気を用いて蒸気タービン（８２）を運転するステップとをさらに含む、請求項７記載の方法。
9. 第２のタービン（２６）の前記排気ガス（２８）の第１の部分（４２）を冷却する前又は後に、第２のタービン（２６）の前記排気ガス（２８）の第１の部分（４２）を圧縮するステップをさらに含む、請求項７又は請求項８記載の方法。
10. 第２のタービン（２６）の前記排気ガス（２８）の第３の部分（３２）を冷却するステップと、
    前記排気ガスの前記冷却された第３の部分（３３）を吸気（８）と組み合わせて第１の圧縮機（６）に導入するステップと、
    をさらに含む、請求項７乃至請求項９のいずれか１項記載の方法。
    

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