JP6378477B2 - 燃焼器燃料を加熱するシステム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は一般的には、燃焼器燃料を加熱するシステム及び方法に関する。

ガス・タービンは、産業用運転及び商用運転に広く用いられている。典型的なガス・タービンは、入口部、圧縮機部、燃焼部、タービン部、及び排気部を含んでいる。入口部は作動流体（例えば空気）を浄化して調整し、この作動流体を圧縮機部へ供給する。圧縮機部は作動流体の圧力を高めて、圧縮された作動流体を燃焼部へ供給する。燃焼部は燃料を圧縮された作動流体と混合してこの混合物に点火し、高温及び高圧を有する燃焼ガスを生成する。燃焼ガスはタービン部に流入し、ここで膨張して仕事を生成する。例えば、タービン部での燃焼ガスの膨張によって、発電機に接続されたシャフトを回転させて、電気を起こすことができる。

燃焼部に供給される燃料は、液体燃料、気体燃料、又は液体燃料と気体燃料との組み合わせであってよい。燃焼に先立って燃料を加熱すると、一般に燃焼の効率を高めると共に、窒素酸化物（ＮＯ_x）の望ましくない放出を減少させることができる。加えて、タービン部から出る燃焼ガスは一般的には、かなりの残留熱を有しており、この熱を環境への排出に先立って引き出すと、ガス・タービンの全体的な効率をさらに高めることができる。結果として、タービン部を出た燃焼ガスを用いて燃料を加熱するシステム及び方法があると有用である。

本発明の観点及び利点は、以下の記載において記述され、又は記載から明らかな場合があり、又は発明の実施を通じて習得され得る。

本発明の一実施形態は、燃焼器燃料を加熱するシステムであって、このシステムは、タービン排気プレナムと、該タービン排気プレナムの下流側の熱交換器とを含んでいる。熱交換器は、排気入口、排気出口、燃料入口、及び燃料出口を有している。排気再循環プレナムが、排気出口の下流側の再循環入口接続、及び排気入口の上流側の再循環出口接続を有している。このシステムはさらに、排気出口から排気再循環プレナムへの再循環排気流を制御する手段を含んでいる。

本発明のもう一つの実施形態は、燃焼器燃料を加熱するシステムであって、このシステムは、タービン排気プレナムと、該タービン排気プレナムの下流側の熱交換器とを含んでいる。熱交換器は、排気入口、排気出口、燃料入口、及び燃料出口を有している。排気再循環プレナムが、排気出口の下流側の再循環入口接続、及び排気入口の上流側の再循環出口接続を有しており、混合プレナムが、バッフルを設けられて再循環出口接続に位置している。

さらにもう一つの実施形態では、ガス・タービンが、圧縮機、圧縮機の下流側の燃焼器、及び燃焼器の下流側のタービンを含んでいる。タービン排気プレナムが、タービンの下流側に位置し、熱交換器が、タービン排気プレナムの下流側に位置している。熱交換器は、排気入口、排気出口、燃料入口、及び燃料出口を有している。排気再循環プレナムが、排気出口の下流側の再循環入口接続、及び排気入口の上流側の再循環出口接続を有している。ガス・タービンはさらに、排気出口から排気再循環プレナムへの再循環排気流を制御する手段を含んでいる。

当業者は、本明細書を吟味すればかかる実施形態の特徴及び観点他をさらに十分に認められよう。

本発明の最良の態様を含めた本発明の完全で且つ実施可能な当業者に対する開示が、添付図面の参照を含めて本明細書の残部にさらに具体的に記述される。
本発明の範囲内のガス・タービンの一例のブロック図である。 本発明の第一の実施形態による燃焼器燃料を加熱するシステムのブロック図である。 本発明の第二の実施形態による燃焼器燃料を加熱するシステムのブロック図である。

以下、本発明の各実施形態を詳細に参照し、これらの実施形態の１又は複数の実例を添付図面に示す。詳細な説明は、数値指示及び文字指示を用いて図面の各特徴を参照する。図面及び記載における類似した又は同様の指示は、本発明の類似した又は同様の部材を参照するために用いられている。本書で用いられる「第一」、「第二」及び「第三」との用語は、一つの構成要素を他の構成要素と識別するために互換的に用いられる場合があり、個々の構成要素の位置又は重要性を意味するものではない。加えて、「上流」及び「下流」との用語は、流体の経路における構成要素の相対的な位置を指す。例えば、流体が構成要素Ａから構成要素Ｂへ流れる場合には、構成要素Ａは構成要素Ｂの上流側に位置する。反対に、構成要素Ｂが構成要素Ａからの流体の流れを受ける場合には、構成要素Ｂは構成要素Ａの下流側に位置する。

各々の例は、発明の制限のためではなく発明の説明のために掲げられている。実際に、本発明の範囲又は要旨から逸脱することなく本発明に改変及び変形を施し得ることは当業者には明らかとなろう。例えば、一実施形態の一部として図示され又は記載される各特徴を他の実施形態に対して用いて、さらに他の実施形態を得てもよい。このように、本発明は、特許請求の範囲及び均等構成の範囲内にあるような改変及び変形を網羅するものとする。

本発明の様々な実施形態は、燃焼器燃料を加熱するシステム及び方法を含んでいる。このシステムは一般的には、タービン排気プレナムの下流側の熱交換器であって、タービン排ガスが残留熱を燃焼器燃料に伝達することを可能にする熱交換器を含んでいる。このシステムはさらに、排気再循環プレナム、混合プレナム、及び／又はタービン排ガスが熱交換器に入るのに先立ってタービン排ガスを減温するように熱交換器からの再循環排気流を制御する手段を含み得る。本発明の特定の実施形態はガス・タービンの文脈で一般に記載され図示され得るが、当業者は本書の教示から、本発明の各実施形態は他の任意のターボ機械と共に用いられることができ、特許請求の範囲に特に記載されていない限り本発明はガス・タービンに限定されないことを容易に認められよう。

図１は、本発明の一実施形態による電力を発生するのに用いられるガス・タービン１０の一例の作用ブロック図を掲げる。図示のように、ガス・タービン１０は一般的には入口部１２を含んでおり、入口部１２は、ガス・タービン１０に流入する作動流体（例えば空気）１４を精製しまた他の方法で調整するための一連のフィルタ、冷却コイル、湿分分離器、及び／又は他装置を含み得る。作動流体１４は圧縮機１６に流入し、圧縮機１６は作動流体１４に運動エネルギを累進的に与えて、高エネルギを与えられた状態の圧縮された作動流体１８を生成する。圧縮された作動流体１８は、１又は複数の燃焼器２０に流入し、ここで燃料２２と混合した後に燃焼して、高温及び高圧を有する燃焼ガス２４を生成する。燃焼ガス２４はタービン部のタービン２６を流れて仕事を生成する。例えば、タービン２６の運転が、圧縮された作動流体１８を生成する圧縮機１６を駆動するように、シャフト２８がタービン２６を圧縮機１６に接続していてよい。代替的に又は加えて、シャフト２８はタービン２６を、電気を発生するための発電機３０に接続していてもよい。タービン２６からの排ガス３２が、タービン２６をタービン２６の下流側の排気スタック３６に接続し得るタービン排気プレナム３４を流れる。排気スタック３６は、例えば環境への放出に先立って排ガス３２を浄化すると共に排ガス３２から追加の熱を抽出する廃熱回収蒸気発生器（図示されていない）を含み得る。

燃焼器２０に供給される燃料２２は、当業者に公知の任意の入手可能な燃料を含み得る。可能な燃料２２としては、例えば高炉ガス、コークス炉ガス、天然ガス、メタン、気化型液化天然ガス（ＬＮＧ）、水素、合成ガス、ブタン、プロパン、オレフィン、ディーゼル、石油留分等、及びこれらの組み合わせがある。一般的には、燃焼に先立って液体燃料を加熱すると、圧縮された作動流体１８との混合が強化されて、より希薄な（lean）燃料空気混合物のさらに完全な燃焼が可能になる。図２は、本発明の第一の実施形態による燃焼器燃料２２を加熱するシステム４０のブロック図を掲げる。図１及び図２に示すように、システム４０は排気プレナム３４及び／又は排気スタック３６に接続していてよく、排ガス３２の一部を分流して熱交換器４２に通し、排気プレナム３４及び／又は排気スタック３６に戻すことができる。明確に述べると、システム４０は、排気プレナム３４に接続される排気供給接続４４と、排気プレナム３４に接続される排気戻し接続４６とを含んでいてよく、各々の接続４４、４６に、対応する排ガス供給弁及び戻し弁４８、５０を設けて排気プレナム３４及び／又は排気スタック３６から分流される排ガス３２の量を制御し又は調節する。排ガス供給弁及び戻し弁４８、５０はグローブ弁、ゲート弁、蝶形弁、ボール弁、ダンパ、又は流体の流れを交互に許し若しくは妨げる当技術分野で公知の他の可変オリフィスの任意の形式のものであってよい。

熱交換器４２は一般的には、排気入口５２、排気出口５４、燃料入口５６、及び燃料出口５８を含んでいる。システム４０に設けられているブロワ６０が、排ガス３２が排気入口５２から熱交換器４２を通って排気出口５４へ流れ得るように、熱交換器４２に跨がる排ガス３２の差圧を増強させ得る。特定の実施形態では、ブロワ６０は、排ガス３２の流量及び／又は熱交換器４２に跨がる差圧を調節するために可変の速度を有し得る。燃料供給システム６２からの燃料２２も同様に、熱交換器４２を通って燃料入口５６から燃料出口５８へ流れ得る。この態様で、熱交換器４２は、残留熱を排ガス３２から燃料２２へ伝達して、燃料２２を望ましい温度に加熱することができる。

熱交換器４２に入る燃料２２の温度は、周囲温度よりも高くても低くても、又は周囲温度と等しくてもよく、排気プレナム３４を流れる排ガス３２の温度は１，１００°Ｆ以上であってもよい。この大きい温度差のため、熱交換器４２に望ましくない熱応力が生じ得る。図２に示すように、システム４０は、排気入口５２に入る排ガス３２の温度を低下させるために排気再循環プレナム６４の形態の減温器（attemperator）を含み得る。再循環入口接続６６が、排気出口５４の下流側で排気出口５４と排ガス戻し接続４６との間に位置している。再循環出口接続６８が、排気入口５２の上流側で排気入口５２と排気供給接続４４との間に位置している。システム４０はさらに、排気出口５４から排気再循環プレナム６４への再循環排気流７０を制御する手段を含み得る。この手段の作用は、排気出口５４から流出して排気再循環プレナム６４に入る再循環排気流７０の量を制御し又は調節することである。排気出口５４から排気再循環プレナム６４への再循環排気流７０を制御する構造は、システムにおける流体の流れを調節する当業者に公知の１又は複数の制御弁、スロットル弁、ダンパ、及び／又はセンサの任意の組み合わせを含み得る。例えば、図２に示す特定の実施形態では、排気出口５４から排気再循環プレナム６４への再循環排気流７０を制御する構造は、排気再循環プレナム６４に設けられたスロットル弁７２である。スロットル弁７２は、グローブ弁、ゲート弁、蝶形弁、ボール弁、ダンパ、又は流体の流れを制御する当技術分野で公知の他の可変オリフィスであってよい。代替的に又は加えて、排ガス供給弁及び／又は戻し弁４８、５０の１又は複数が、排気プレナム３４及び／又は排気スタック３６から分流される排ガス３２であって排気再循環プレナム６４に流すのに利用可能であり得る排ガス３２の量を制御し又は調節することを支援し得る。

図２に示すように、システム４０はさらに、再循環出口接続６８に混合プレナム８０を含み得る。混合プレナム８０は、チェンバ、タンク、又は他の適当な容積であってよく、１又は複数のバッフル８２を内部に且つ／又は当該混合プレナム８０の下流側に備えて、排気プレナム３４及び／又は排気スタック３６から流れてくる相対的に高温の排ガス３２と、再循環プレナム６４を流れる相対的に低温の再循環排気流７０との間の混合を強化する。この態様で、排気再循環プレナム６４及び／又は混合プレナム８０の組み合わせは、排ガス３２が熱交換器４２の排気入口５２に到達する前に排ガス３２の温度を減温して、熱交換器４２に跨がる熱応力を低減することができる。加えて、排気再循環プレナム６４及び／又は混合プレナム８０はまた、排ガス３２を、気体燃料に関連する自己発火温度未満及び液体燃料に関連するコークス化温度未満の温度に保つことができる。

図２の左側を参照して述べると、燃料２２は燃料供給システム６２から熱交換器４２の燃料入口及び出口５６、５８を流れて、熱交換器４２を流れる排ガス３２から残留熱を取り出す。燃料２２の形式、ガス燃料の場合には燃料２２に関連するウォッベ（Wobbe）指数、及び／又は液体燃料の場合には燃料２２の粘度が、燃焼を強化するのに燃料２２に望ましい温度を決定するのに用いられ得る因子である。図２に示すように、燃料迂回プレナム９０が、燃料２２に望ましい温度を達成するように燃料２２の一部が熱交換器４２を迂回することを可能にしている。燃料迂回プレナム９０は、熱交換器４２への燃料入口５６の上流側の燃料迂回路入口９２と、熱交換器４２からの燃料出口５８の下流側の燃料迂回路出口９４とを含み得る。

システム４０はさらに、燃料迂回プレナム９０への迂回燃料流９６を制御する手段を含み得る。この手段の作用は、燃料迂回プレナム９０に入る迂回燃料流９６の量を制御し又は調節することである。燃料迂回プレナム９０への迂回燃料流９６を制御する構造は、システムにおいて流体の流れを調節するための当業者に公知の１又は複数の制御弁、スロットル弁、及び／又はセンサの任意の組み合わせを含み得る。例えば、図２に示す特定の実施形態では、燃料迂回プレナム９０への迂回燃料流９６を制御する構造は燃料迂回路入口９２の三方弁９８である。三方弁９８は、グローブ弁、ゲート弁、蝶形弁、ボール弁、又は流体の流れを１本の流路から２本の流路に分割し若しくは分配する当技術分野で公知の他の可変オリフィスの組み合わせを含み得る。代替的な実施形態では、燃料迂回プレナム９０への迂回燃料流９６を制御する構造は、燃料迂回プレナム９０において燃料入口５６の上流側及び／又は燃料出口５８の下流側に別個のスロットル弁を含み得る。

図２に示す様々な排ガス弁４８、５０、７２、三方弁９８、及び／又はブロワ６０速度は、手動で操作されても遠隔で操作されてもよい。例えば、１又は複数の温度センサ１００、ウォッベ指数メータ１０２、熱量計、粘度計、及び／又は他のセンサが、システム４０の様々な位置での排ガス３２温度及び燃料２２特性を反映した信号１０４を与えることができる。制御器１０６が信号１０４を受け取って、燃料２２に望ましい温度及び／又はウォッベ指数を達成するために様々な排ガス弁４８、５０、７２、三方弁９８の配置、及び／又はブロワ６０速度を遠隔制御する１又は複数の制御信号１０８を発生することができる。制御器１０６の技術的効果は、排ガス３２温度及び燃料２２特性を反映する信号１０４を予め決められた条件（例えば燃料温度及び排ガス流等）に対して比較して、様々な弁６４、６６、６８、９８及びブロワ６０速度を操作する制御信号１０８を発生することである。本書で用いられる場合に、制御器１０６は、マイクロプロセッサ、回路、又は他のプログラム済み論理回路の任意の組み合わせを含んでいてよく、如何なる特定のハードウェア・アーキテクチャ又はハードウェア構成にも限定されない。本書に記載されるシステム及び方法の各実施形態は、望まれる作用範囲を提供するように任意の適当な態様で構成された１又は複数の汎用若しくはカスタマイズ済み制御器１０６によって具現化され得る。制御器１０６は、本書の主題を補完するもの又は本書の主題に無関係なものを問わず付加的な作用範囲を与えるように構成され得る。例えば、１又は複数の制御器１０６は、コンピュータ可読の形態に翻訳されたソフトウェア命令にアクセスすることにより所載の作用範囲を提供するように構成され得る。ソフトウェアが用いられるときには、任意の適当なプログラム言語、スクリプト言語若しくは他の形式の言語、又は言語の組み合わせを用いて、本書に含まれる教示を具現化することができる。しかしながら、ソフトウェアを排他的に用いる必要はなく、又は全く用いなくてもよい。例えば、必要とされる付加的な詳細な議論なしに当業者には理解されるように、本書に記載され開示されるシステム及び方法の幾つかの実施形態はまた、ハードウェア実装型論理によって具現化されてもよいし、限定しないが特定応用向け回路を含めた他の回路によって具現化されてもよい。言うまでもなく、コンピュータで実行されるソフトウェア及びハードウェア実装型論理、又は他の回路の様々な組み合わせも適当であり得る。

図３は、本発明の第二の実施形態による燃焼器燃料を加熱するシステムのブロック図４０を掲げる。このシステムもやはり、図１及び図２に示す実施形態に関して前述したような熱交換器４２、排気供給接続４４、ブロワ６０、排気再循環プレナム６４、混合プレナム８０、及び燃料迂回プレナム９０を含んでいる。しかしながら、この特定の実施形態では、排気出口５４から排気再循環プレナム６４への再循環排気流７０を制御する手段のための構造は、再循環入口接続６６における三方弁１１０である。加えて、排気再循環プレナム６４に分流されない排ガス３２は、図１及び図２に示すようにタービン排気プレナム３４又は排気スタック３６に戻されるのではなく、単に環境に排出又は放出され得る。結果として、ブロワ６０は、排気再循環プレナム６４と直列に配置されることができ、当該ブロワ６０の所要寸法を実質的に縮小させる。

図１〜図３に示す実施形態はまた、排ガス３２からの残留熱を回収することにより効率を高める燃焼器燃料２２を加熱する方法を提供することができる。この方法は、例えば、タービン排気プレナム３４又はタービン・スタック３６に排ガス３２を流すステップと、タービン排気プレナム３４の下流側の熱交換器４２を通るように排ガス３２の少なくとも一部を分流させるステップとを含み得る。この方法はさらに、排ガス３２の一部を排気再循環プレナム６４に流すステップと、熱交換器４２に到達する排ガス３２を減温するように排気再循環プレナム６４への再循環排気流７０を制御し又は調節するステップとを含み得る。代替的に又は加えて、この方法は、再循環出口６８に設けられた混合プレナム８０において排ガス３２を再循環排気流７０と混合するステップを含み得る。特定の実施形態では、熱交換器４２を出る排ガス３２はタービン排気プレナム３４及び／又はタービン・スタック３６に戻されてもよいし、環境に直接放出されてもよい。加えて、この方法は、燃料４２の一部を燃料迂回プレナム９０に通して熱交換器４２を回避して迂回させるステップを含み得る。

この書面の記載は、最適な態様を含めて発明を開示し、また任意の装置又はシステムを製造して利用すること及び任意の組み込まれた方法を実行することを含めてあらゆる当業者が発明を実施することを可能にするように実例を用いている。特許付与可能な発明の範囲は特許請求の範囲によって画定されており、当業者に想到される他の実例を含み得る。かかる他の実例は、特許請求の範囲の書字言語に相違しない構造要素を含む場合、又は特許請求の範囲の書字言語と非実質的な相違を有する等価な構造要素を含む場合には、特許請求の範囲内にあるものとする。

１０：ガス・タービン
１２：入口部
１４：作動流体
１６：圧縮機
１８：圧縮された作動流体
２０：燃焼器
２２：燃料
２４：燃焼ガス
２６：タービン
２８：シャフト
３０：発電器
３２：排ガス
３４：排気プレナム
３６：排気スタック
４０：システム
４２：熱交換器
４４：排気供給接続
４６：排気戻し接続
４８：排ガス供給弁
５０：排ガス戻し弁
５２：排気入口
５４：排気出口
５６：燃料入口
５８：燃料出口
６０：ブロワ
６２：燃料スキッド
６４：排気再循環プレナム
６６：再循環入口接続
６８：再循環出口接続
７０：再循環排気流
７２：再循環スロットル弁
８０：混合プレナム
８２：バッフル
９０：燃料迂回プレナム
９２：燃料迂回路入口
９４：燃料迂回路出口
９６：迂回燃料流
９８：三方弁
１００：温度センサ
１０２：ウォッベ指数センサ
１０４：信号
１０６：制御器
１０８：制御信号
１１０：三方弁

Claims (8)

1. 排気供給接続を有するタービン排気プレナムと、
   前記排気供給接続の下流側に配置された混合プレナムと、
   前記混合プレナムの下流側の熱交換器であって、前記混合プレナムと流体連通する排気入口、排気出口、燃料入口、及び燃料出口を有する熱交換器と、
   前記熱交換器の前記排気出口の下流側に配置されたブロワと、
   前記ブロワの下流側の再循環入口接続、及び前記混合プレナムと流体接続する再循環出口接続を有する排気再循環プレナムと、
   を備え、
   前記混合プレナムは、前記再循環出口接続の下流側、かつ熱交換器入口の上流側の複数のバッフルを有する、
   燃焼器燃料を加熱するシステム。
2. 前記再循環入口接続に前記ブロワの下流側に配置された三方弁をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記排気再循環プレナム内で、前記混合プレナムの上流側、かつ前記ブロワの下流側に配置されたスロットル弁をさらに含む、請求項１または２に記載のシステム。
4. 前記ブロワと前記タービン排気プレナムとの間に排気戻し接続をさらに含んでいる請求項１から３のいずれかに記載のシステム。
5. 前記ブロワと前記排気戻し接続との間に排気戻し弁をさらに含んでいる請求項４に記載のシステム。
6. 前記熱交換器への前記燃料入口の上流側の燃料迂回路入口と、前記熱交換器の前記燃料出口の下流側の燃料迂回路出口とを有する燃料迂回プレナムをさらに含む、請求項１から５のいずれかに記載のシステム。
7. 前記燃料迂回プレナムの下流側に配置されたウォッベ指数センサをさらに含む、請求項６に記載のシステム。
8. 圧縮機と、
   前記圧縮機の下流側の燃焼器と、
   前記燃焼器の下流側のタービンと、
   前記タービンの下流側のタービン排気プレナムと、
   請求項１から７のいずれかに記載のシステムと、
   を備える、ガス・タービン。