JP6280338B2 - 多種燃料供給システムを備えたガスタービンエンジン - Google Patents

多種燃料供給システムを備えたガスタービンエンジン Download PDF

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Description

本発明は、概して、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、多種燃料及びそれらの混合物で作動可能な、多種燃料供給システムを備えたガスタービンエンジンに関する。
ヘビーデューティーガスタービンエンジンは、多数の異なる燃料で作動可能である。その燃料は、重油、ナフサ、留出油、フレアガス、合成ガス、埋立地ガス、天然ガス、及び他の種類の燃料並びに/又はそれらの混合物にわたる。したがって、発電所は、二元燃料性能を備えたガスタービンエンジンを有する場合があり、有効性、価格、及び作動パラメータに応じて、例えば、ディーゼルガスと天然ガスで作動可能である。
石油系燃料の価格の変動が大きいことを考えると、代替燃料及びそれらの混合物の利用の増加に対する関心が集まっている。例えば、ナフサなどは一般に、より低価格の代替燃料であると考えられている。しかしながら、ナフサとディーゼル燃料の間の粘度差によって、ナフサを使用するように既存の燃焼システムを変えることが難しくなることがある。同様に、様々な種類のバイオ燃料も利用が増加している。しかしながら、バイオ燃料とディーゼル燃料は一般に、燃焼の前に予混合しなければならない。そのような混合物は多数の様々な手法で予混合されるが、それらの手法は特定の比率を変える柔軟性には欠けている場合がある。
米国特許第8183419号
したがって、多種燃料及びそれらの混合物の調合とガスタービンエンジンへの供給を正確に行うためのシステム及び方法が望まれている。そのようなシステム及び方法は、多種燃料及びそれらのどんな種類の混合物でも作動するようにガスタービンに燃料柔軟性を提供することができる。
したがって、本発明は、ガスタービンエンジンと共に使用する多種燃料供給システムを提供する。この多種燃料供給システムは、内部に第1の燃料が入った第1の燃料タンクと、内部に第2の燃料が入った第2の燃料タンクと、混合室と、混合室の下流の分流器とを含む。第1の燃料タンクは、第1の燃料ポンプを介して混合室と連通し、第2の燃料タンクは、第2の燃料ポンプを介して混合室と連通している。
本発明は更に、ガスタービンエンジン用の多種燃料供給システムの操作方法を提供する。この方法は、大量の第1の燃料を提供するステップと、大量の第2の燃料を提供するステップと、第1の燃料と第2の燃料の比率を選択するステップと、その比率の第1の燃料と第2の燃料を混合室に送給して、混合流を発生させるステップと、混合流を分流器に送給してガスタービンエンジン内で燃焼させるステップとを含む。
本発明は更に、ガスタービンエンジンと共に使用する多種燃料供給システムを提供する。この多種燃料供給システムは、内部に第1の燃料が入った第1の燃料タンクと、内部に第2の燃料が入った第2の燃料タンクと、1つ以上の角度付き逆流ノズルを備えて混合流を発生させる混合室と、混合室の下流の分流器とを含む。第1の燃料タンクは、第1の燃料ポンプを介して混合室と連通し、第2の燃料タンクは、第2の燃料ポンプを介して混合室と連通している。分流器は、ガスタービンエンジンの複数の燃焼器缶に混合流を提供する。
本発明のこれら及びその他の特徴及び改良点は、幾つかの図及び添付の特許請求の範囲に関連してなされる以下の詳細な説明を検討することで当業者には明らかになるであろう。
ガスタービンエンジンの概略図であり、圧縮機、燃焼器、タービン、及び負荷を示している。 燃焼器と共に使用する燃料供給システムの概略図である。 本明細書において説明される多種燃料供給システムの概略図である。 図3の多種燃料供給システムにおいて使用される混合室の概略図である。 本明細書において説明される多種燃料供給システムの代替的実施形態の概略図である。
次に、幾つかの図を通して同様の数字が同様の要素を示す図面を参照すると、図1は、本明細書において使用されるガスタービンエンジン10の概略図を示している。ガスタービンエンジン10は、圧縮機15を含む。圧縮機15は、空気20の流入流を圧縮する。圧縮機15は、空気20の圧縮流を複数の燃焼器缶25に供給する。燃焼器缶25は、空気20の圧縮流を燃料30の加圧流と混合し、混合物に点火して燃焼ガス35の流れを発生させる。単一の燃焼器缶25だけが示されているが、ガスタービンエンジン10は任意の数の燃焼器缶25を含むことができる。燃焼ガス35の流れは次いで、タービン40に供給される。燃焼ガス35の流れは、タービン40を駆動して機械的仕事を発生する。タービン40で発生した機械的仕事は、シャフト45及び外部負荷50(例えば、発電機など)を介して圧縮機15を駆動する。
ガスタービンエンジン10は、天然ガス、ディーゼル燃料、各種合成ガス、及び/又は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10は、ニューヨーク州スケネクタディのゼネラル・エレクトリック・カンパニーによって提供される多数の様々なガスタービンエンジンのいずれか1つであってよく、フレーム7又はフレーム9シリーズのヘビーデューティーガスタービンエンジンなどを含むが、これに限定されるものではない。ガスタービンエンジン10は、様々な構成を有してもよく、他の種類の構成要素を使用してもよい。ここでは、他の種類のガスタービンエンジンを使用することもできる。ここでは、複数のガスタービンエンジン、他の種類のタービン、及び他の種類の発電装置を組み合わせて使用することもできる。
図2は、燃焼器25と共に使用する燃料供給システム55を示している。ディーゼル燃料とナフサのような燃料混合物を使用する場合、燃料は混合タンク60又は他のどこかで予混合される。混合燃料は、燃料ポンプ65によって分流器70に送給される。分流器70は、使用中の燃焼器缶25の数に従って燃料の流れを分割する。分流器70は、複数のマニホルド75と、燃焼器缶25と連通している複数の送出燃料管80とを含む。燃料の流れは、三方弁85などにおいて複数の他の流れと混合されて、分配弁95などを介して燃焼器缶25内の複数の燃料ノズル90に分配される。本明細書において説明した燃料供給システム55は、単なる例示を目的としたものである。他にも多くの種類及び構成の燃料供給システムが知られている。
図3は、本明細書において説明される多種燃料供給システム100を示している。多種燃料供給システム100は、第1の燃料タンク110を含む。この実施例では、第1の燃料タンク110は、内部に大量のディーゼル燃料120を含んでいる。ディーゼル燃料120は、2級ディーゼル燃料などであってよい。ここでは、他の種類の燃料を使用してもよい。第1の燃料タンク110は、任意の適切な寸法、形状、又は構成を有してもよい。第1の燃料タンク110は、混合室130と連通している。第1の燃料タンク110は、1つ以上の第1の燃料ポンプ140及び1つ以上の第1の燃料管150を介して混合室130と連通している。第1の燃料ポンプ140は、従来設計のものであってよい。複数の第1の燃料管遮断弁160を第1の燃料管150で使用することもできる。ここでは、その他の構成要素及びその他の構成を使用してもよい。
多種燃料供給システム100は、第2の燃料タンク170を更に含む。第2の燃料タンク170は、内部に大量のバイオディーゼル燃料180が入っている。ここでは、他の種類の燃料を使用してもよい。第2の燃料タンク170は、任意の適切な寸法、形状、又は構成を有してもよい。第2の燃料タンク170は、1つ以上の第2の燃料管200に配置された1つ以上の第2の燃料ポンプ190を介して混合室130と連通している。第2の燃料ポンプ190は、従来設計のものであってよい。複数の第2の燃料管遮断弁210を第2の燃料管200に使用することもできる。ここでは、その他の構成要素及びその他の構成を使用してもよい。
図4は、混合室130の一例を示している。混合室は、バイオディーゼル燃料180の流れ又は他の種類の二次流れのための複数の角度付き逆流ノズル220を含んでいる。バイオディーゼル燃料180の流れは、角度付き逆流ノズル220を介してある角度をなしてディーゼル燃料120の流入流又は他の種類の一時流れに噴射されて、可動部品を用いることなくそこに良好に混合される。良好な混合は、ディーゼル燃料120の流れと比べてより高い圧力でバイオディーゼル燃料180の流れを噴射することによっても得られる。混合室130は、任意の寸法、形状、又は構成を有してもよい。混合室弁225を混合室の周囲に配置して、混合室の排水を可能にしてもよい。
混合流230はこのようにして混合室130から出ることができる。混合流230は、主燃料ポンプ240によって分流器250に送給される。上記のように、分流器250は、複数のマニホルド260及び複数の送出燃料管270を含む。送出燃料管270は、上記のように燃焼用の燃焼器缶25と連通している。ここでは、その他の構成要素及びその他の構成を使用してもよい。
多種燃料供給システム100は、燃料最適制御装置280を介して作動される。燃料最適制御装置280は、要求された燃料を燃焼器缶25に提供するだけでなく、それらの混合物の適切な比率を与えることができる。この比率は、所定のスケジュールに基づくものであってもよく、作動条件や他の種類のパラメータに基づいて変化させてもよい。燃料最適制御装置280は、あらゆる種類のプラグラム可能論理回路であってよく、ガスタービンエンジン用の全体制御システムと連通させてもよい。
使用中、100%のディーゼル燃料120が要求された場合、燃料最適制御装置280は、第1の燃料ポンプ140にディーゼル燃料120を混合室130に送給するように指示し、主燃料ポンプ240にディーゼル燃料120を分流器250に送給するように指示する。同様に、100%のバイオディーゼル燃料180が要求された場合、そのとき燃料最適制御装置280は、第2の燃料ポンプ190にバイオディーゼル燃料180を混合室130に送給するように指示し、主燃料ポンプ240にバイオディーゼル燃料180を分流器250に送給するように指示する。
燃料の混合物が要求された場合、燃料最適制御装置280は、所定の比率やその他のパラメータに基づいて適切な比率を選択することができる。燃料最適制御装置280は、第1の燃料ポンプ140に適切な量のディーゼル燃料120を混合室130に送給するように指示し、第2の燃料ポンプ190に適切な量のバイオディーゼル燃料180を混合室130に送給するように指示する。ディーゼル燃料120とバイオディーゼル燃料180は、角度付き逆流ノズル220を用いて混合室130内で混合される。得られた混合流230は、要求された比率の燃料の均質混合物となる。燃料最適制御装置280は、主燃料ポンプ240に混合流230を分流器250に送給して燃焼器缶25内で燃焼させるように指示する。多種燃料供給システム100はこのようにして、約0%から100%まで任意の比率の各燃料、即ち、B20(20%のバイオディーゼル燃料180と80%のディーゼル燃料120)、B30(30%のバイオディーゼル燃料180と70%のディーゼル燃料120)などを提供することができる。更に、ここでは、この比率を作動条件やその他のパラメータに基づいて変更してもよい。
図5は、本明細書において説明される多種燃料供給システム300の更なる実施形態を示している。多種燃料供給システム300は、第1の燃料タンク310を含む。第1の燃料タンク310は、大量のディーゼル燃料320を含んでいる。ディーゼル燃料320は、2級ディーゼル燃料、バイオディーゼル燃料などであってよい。ここでは、他の種類の燃料を使用してもよい。第1の燃料タンク310は、適切な寸法、形状、又は構成を有している。第1の燃料タンク310は、混合室330と連通している。混合室330は、上記の混合室130と同様であってよい。第1の燃料タンク310は、1つ以上の第1の燃料管350上の1つ以上の第1の燃料ポンプ340を介して混合室330と連通している。第1の燃料ポンプ340は、従来設計のものであってよい。複数の第1の燃料管遮断弁360を第1の燃料管350に使用してもよい。ここでは、その他の構成要素及びその他の構成を使用してもよい。
多種燃料供給システム300は、第2の燃料タンク370を更に含む。第2の燃料タンク370は、内部に大量のナフサ燃料380が入っている。ここでは、他の種類の燃料を使用してもよい。第2の燃料タンク370は、任意の適切な寸法、形状、又は構成を有してもよい。第2の燃料タンク370は、1つ以上の燃料管400に配置された1つ以上の第2の燃料ポンプ390を介して混合室330と連通している。第2の燃料ポンプ390は、従来設計のものであってよい。複数の燃料管遮断弁410は、第2の燃料管400に配置される。ここでは、その他の構成要素及びその他の構成を使用してもよい。
ナフサ380の性質に因り、第2の燃料管400のうちの1つ以上がその上に冷却ブランケット420を含んでいる。冷却ブランケット420は、高温の場所で使用される。1つ以上の第2の燃料管400は、ナフサ380の流れのための複数のストレーナー又はフィルター430を更に含む。1つの三方フィルター弁435と一対の下流フィルター弁436を用いてフィルター430のうちの1つを冗長なフィルター430と同時に使用して、高いシステム可用性及び使用信頼度を確保することができる。ここでは、その他の構成要素及びその他の構成を使用することもできる。
燃料供給システム300は、注油タンク440を更に含む。注油タンク440は、内部に大量の潤滑剤が入っている。ここでは、様々な種類の潤滑剤を使用してもよい。注油タンク440は、任意の適切な寸法、形状、又は構成を有してもよい。注油タンク440は、第2の燃料ポンプ390のすぐ上流で第2の燃料管400と連通している。注油タンク440は、1つ以上の注油ポンプ460及び1つ以上の第1の注油管470を介して第2の燃料管400と連通している。注油ポンプ460は、従来設計のものであってよい。複数の注油管遮断弁480は、第1の注油管470に配置される。注油タンク440は更に、第2の注油管490及び三方弁500を介して混合室330と混合室330の下流で連通している。ここでは、他の種類の継手などを使用して、流れを合流させてもよい。ここでは、様々な量の潤滑剤450を使用してもよい。ここでは、その他の構成要素及びその他の構成を使用してもよい。
ナフサ380の流れと潤滑剤450の第1の流れはこのようにして、第2の燃料ポンプ390の上流で混合して、ナフサ混合物510を発生させることができる。ナフサ混合物510は、第2の燃料管350及びフィルター430を介して混合室330へと流れる。同様に、ディーゼル燃料320の流れは、第1の燃料管350を介して混合室330へと流れる。ナフサ混合物310とディーゼル燃料320の流れは、上記したのと同様の方法で、混合室330内で混合する。混合流510はこのようにして混合室330から出ることができ、三方弁500又は他のどこかで潤滑剤450の更なる流れと更に混合される。混合流520は、主燃料ポンプ530によって分流器540に送給されて上記のように燃焼する。ここでは、その他の構成要素及びその他の構成を使用することもできる。
使用中、100%のディーゼル燃料320が要求された場合、そのとき燃料最適制御装置280は、第1の燃料ポンプ340にディーゼル燃料320を混合室330に送給するように指示し、主燃料ポンプ530にディーゼル燃料320を分流器540に送給するように指示する。或いは、バイパス管550が複数のバイパス弁560を介して混合室330をバイパスしてもよい。100%のナフサ380が要求された場合、燃料最適制御装置280は、注油ポンプ460に潤滑剤450を第2の燃料管400及び/又は三方弁500に送給するように指示して、ナフサ380の粘度を補うだけでなく、主燃料ポンプ530及び分流器540に対する腐食を軽減することができる。潤滑剤450が十分に流れていると、そのとき燃料最適制御装置280は、第2の燃料ポンプ390にナフサ380を混合室330に送給するように指示し、主燃料ポンプ530にナフサ380を分流器540に送給するように指示する。
ディーゼル燃料320とナフサ380の混合物が要求された場合、ナフサは一般に始動燃料として利用されない。そのため、燃料最適制御装置280は、第1の燃料ポンプ340にディーゼル燃料320を混合室330に送給するように指示し、主燃料ポンプ530にディーゼル燃料320を分流器540に送給するように指示する。燃料最適制御装置280は次いで、注油ポンプ480に潤滑剤450を第2の燃料管400及び/又は三方弁500に送給するように指示する。燃料最適制御装置280は次いで、第2の燃料ポンプ390にナフサ380を混合室330に送給するように指示する。ディーゼル燃料320とナフサ380は、混合室330内で混合する。混合流520は次いで、分流器530に送給されて燃焼器缶25内で燃焼する。ディーゼル燃料320に対するナフサ380の混合は任意の比率であってよいが、一般に約5%〜約20%の範囲であってよい。この比率は、作動条件やその他のパラメータによって変化させてもよい。ここでは、その他の構成要素及びその他の構成を使用してもよい。
したがって、本明細書において説明した多種燃料供給システム100,300は、ガスタービンエンジンに燃料柔軟性を提供して、多くの異なる燃料及びそれらの混合物を燃焼させる。多種燃料供給システム100を多種燃料供給システム300と組み合わせて、更なる柔軟性を得ることもできる。ここでは、多くの異なる燃料を任意の数の燃料タンクにおいて使用してもよい。ここでは、必要となる残留燃料の十分な除去を確実にするために、多くの異なる洗浄技術を用いてもよい。例えば、洗浄弁580を備えた洗浄管570を第1の燃料管350から第2の燃料管400まで延在させてもよい。ディーゼル燃料320の流れを用いて、ナフサ混合物510を第2の燃料管400及びフィルター430などから洗い流すことができる。
本明細書において説明したポンプ及び弁の全ては、可用性及び信頼性を提供するために冗長性をもっている。どんなときでも、1つだけのポンプと弁の組み合わせが使用中となる。燃料最適制御装置280は、主燃料ポンプ530や他のどこかに通じる全ての管においてヘッダー圧力と流量を監視することができる。したがって、制御装置280は、この圧力及び流量情報を用いて、燃料又は潤滑剤450を有効なポンプから混合室330に移すタイミングを決定して、所定のシステム圧力及び流量要件を得ることができる。同様に、制御装置280は、ディーゼル燃料だけの流れに戻るとき、適切な弁を開閉してシステムをパージすることができる。
上述の内容は、本発明の特定の実施形態のみに関連していることを理解されたい。当業者は、以下の特許請求の範囲及びその等価物によって規定される本発明の一般的な技術的思想及び技術的範囲から逸脱することなく、本明細書において多くの変更及び修正を行うことができる。
10 ガスタービンエンジン
15 圧縮機
20 空気
25 燃焼器缶
30 燃料
35 燃焼ガス
40 タービン
45 シャフト
50 負荷
55 燃料供給システム
60 混合タンク
65 燃料ポンプ
70 分流器
75 マニホルド
80 燃料管
85 三方弁
90 燃料ノズル
95 分配弁
100 多種燃料供給システム
110 第1の燃料タンク
120 ディーゼル燃料
130 混合室
140 第1の燃料ポンプ
150 第1の燃料管
160 遮断弁
170 第2の燃料タンク
180 バイオディーゼル燃料
190 第2の燃料ポンプ
200 第2の燃料管
210 遮断弁
220 角度付き逆流ノズル
225 混合室弁
230 混合流
240 主燃料ポンプ
250 分流器
260 マニホルド
270 燃料管
280 燃料最適制御装置
300 多種燃料供給システム
310 第1の燃料タンク
320 ディーゼル燃料
330 混合室
340 第1の燃料ポンプ
350 第1の燃料管
360 遮断弁
370 第2の燃料タンク
380 ナフサ
390 第2の燃料ポンプ
400 第2の燃料管
410 遮断弁
420 冷却ブランケット
430 フィルター
435 三方フィルター弁
436 下流フィルター弁
440 注油タンク
450 潤滑剤
460 注油ポンプ
470 第1の注油管
480 遮断弁
490 第2の注油管
500 三方弁
510 ナフサ混合物
520 混合物
530 主燃料ポンプ
540 分流器
550 バイパス管
560 バイパス弁
570 洗浄管
580 洗浄弁

Claims (11)

  1. ガスタービンエンジンと共に使用する多種燃料供給システムであって、
    内部に第1の燃料が入った第1の燃料タンクと、
    第1の燃料タンクと連通した第1の燃料ポンプを備える第1の燃料管と、
    内部に第2の燃料が入った第2の燃料タンクと、
    第2の燃料タンクと連通した第2の燃料ポンプを備える第2の燃料管と、
    混合室と
    を備え、
    前記第1の燃料タンクは、第1の燃料を介して前記混合室と連通し、
    前記第2の燃料タンクは、第2の燃料を介して前記混合室と連通し、
    前記混合室の下流の分流器と、
    前記混合室を迂回して前記分流器へと第1の燃料を送給するように構成された前記混合室の周りのバイパス管と
    を更に備えており、前記混合室が、第2の燃料のための第2の導入口であって、第1の燃料の流れの方向と逆方向に第2の燃料を噴射するように角度が付けられた第2の導入口を含む、多種燃料供給システム。
  2. 前記第1の燃料はディーゼル燃料であり、前記第2の燃料はバイオディーゼル燃料である、請求項1に記載の多種燃料供給システム。
  3. 前記混合室の第2の導入口は、前記混合室内に延びる1つ以上の角度付き逆流ノズルを含む、請求項1に記載の多種燃料供給システム。
  4. 前記第1の燃料ポンプ、前記第2の燃料ポンプ、及び主燃料ポンプと連通している燃料最適制御装置を更に含む、請求項1に記載の多種燃料供給システム。
  5. 前記第2の燃料ポンプの下流のフィルターを更に含む、請求項1に記載の多種燃料供給システム。
  6. 前記第2の燃料ポンプの下流の冷却ブランケットを更に含む、請求項1に記載の多種燃料供給システム。
  7. 前記分流器は、前記ガスタービンエンジンの1つ以上の燃焼器缶と連通している1つ以上の燃料管を含む、請求項1に記載の多種燃料供給システム。
  8. 前記第2の燃料に対する前記第1の燃料の比率は、約0%〜100%にわたる、請求項1に記載の多種燃料供給システム。
  9. 前記第1の燃料に対する前記第2の燃料の比率は、約0%〜100%にわたる、請求項1に記載の多種燃料供給システム。
  10. 請求項1乃至請求項9のいずれか1項に記載の多種燃料供給システムの操作方法であって、
    1の燃料を提供するステップと、
    2の燃料を提供するステップと、
    前記第1の燃料と前記第2の燃料の比率を選択するステップと、
    前記比率の前記第1の燃料と前記第2の燃料を混合室に送給して、混合流を発生させるステップと、
    前記混合流を分流器に送給して前記ガスタービンエンジン内で燃焼させるステップと
    を含む方法。
  11. ガスタービンエンジンと共に使用する多種燃料供給システムであって、
    内部に第1の燃料が入った第1の燃料タンクと、
    第1の燃料タンクと連通した第1の燃料ポンプを備える第1の燃料管と、
    内部に第2の燃料が入った第2の燃料タンクと、
    第2の燃料タンクと連通した第2の燃料ポンプを備える第2の燃料管と、
    第2の燃料のための1つ以上の角度付き逆流ノズルを備えて混合流を発生させる混合室と
    を備え、
    前記第1の燃料タンクは、第1の燃料を介して前記混合室と連通し、
    前記第2の燃料タンクは、第2の燃料を介して前記混合室と連通し、
    前記ガスタービンエンジンの複数の燃焼器缶に前記混合流を提供するための前記混合室の下流の分流器と、
    前記混合室を迂回して前記分流器へと第1の燃料を送給するように構成された前記混合室の周りのバイパス管と
    を更に備えている、
    多種燃料供給システム。
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