JP6805924B2 - 燃焼装置及びガスタービンエンジンシステム - Google Patents

Description

本発明は、燃焼装置及びガスタービンエンジンシステムに関するものである。

例えば、特許文献１には、ガスタービン等の圧縮機を備える装置において、圧縮機に供給される吸気中に噴霧を行うことにより、吸気の温度を低下させる構成が開示されている。このように圧縮機への吸気を冷却することによって、圧縮機を備える装置を含むシステム全体の効率を向上させることが可能となる。

特開平９−２３６０２４号公報

一般的に、吸気中に噴霧される液体は水である。しかしながら、水が確保し難い地域では、水を噴霧することによって圧縮機への吸気を冷却することは困難である。また、水であってもカルシウム分を含む硬水では、長期間の水の噴霧によって圧縮機の内部等にスケールが発生し、圧縮機の動作不良が生じる可能性がある。このため、水を確保できる地域であっても、硬水が一般的に用いられている地域では、水処理に高いコストが必要となるため、水を圧縮機への吸気中に噴霧することは難しい。

一方で、近年においては、アンモニアを燃料として燃焼させる燃焼装置が提案されている。このような燃焼装置では、液体で貯蔵されたアンモニアを気化させてから、燃焼室に供給している。このため、アンモニアを気化させるためのエネルギが必要となる。しかしながら、アンモニアを気化させるためのエネルギの使用は、燃焼装置を含むシステム全体における効率向上の妨げとなっている。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、燃料用アンモニアを燃料として燃焼させる燃焼装置及びガスタービンエンジンシステムにおいて、燃焼用空気の冷却に用いる水の量を削減しかつ燃料用アンモニアを気化させるために使用するエネルギ量を削減することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、燃料用アンモニアを圧縮された燃焼用空気を用いて燃焼室内で燃焼させる燃焼装置であって、上記燃焼用空気を圧縮過程あるいは圧縮前に上記燃料用アンモニアとの熱交換により冷却する燃焼用空気冷却部を備えるという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、先に上記燃焼用空気を圧縮する低圧圧縮機と、上記低圧圧縮機で圧縮された上記燃焼用空気をさらに圧縮する高圧圧縮機とを備え、上記燃焼用空気冷却部が、上記低圧圧縮機から排出されかつ上記高圧圧縮機へ供給される上記燃焼用空気を上記燃料用アンモニアとの熱交換により冷却するインタクーラであるという構成を採用する。

第３の発明は、上記第２の発明において、上記インタクーラが、上記燃料用アンモニアとの熱交換により上記燃焼用空気を冷却するアンモニア冷却部と、上記アンモニア冷却部に対して上記燃焼用空気の流れ方向における上流側に配置されると共に水との熱交換により上記燃焼用空気を冷却する水冷却部とを備えるという構成を採用する。

第４の発明は、上記第１〜第３いずれかの発明において、上記燃焼用空気冷却部が、液体の上記燃料用アンモニアを上記燃焼用空気と熱交換させて気化すると共に、気化した上記燃料用アンモニアを上記燃焼室に供給するという構成を採用する。

第５の発明は、上記第１〜第４いずれかの発明において、上記燃焼室に供給する上記燃料用アンモニアの一部を上記燃焼用空気冷却部に分配する分配機構を備えるという構成を採用する。

第６の発明は、上記第１〜第５いずれかの発明において、脱硝触媒と還元剤としてのアンモニアを用いて燃焼ガスを脱硝処理する脱硝装置を備え、上記燃焼用空気冷却部で気化した上記燃料用アンモニアの少なくとも一部を上記脱硝装置に供給するという構成を採用する。

第７の発明は、ガスタービンエンジンシステムであって、上記第１〜第６いずれかの発明である燃焼装置を備えるという構成を採用する。

本発明によれば、燃焼室において燃料用アンモニアの燃焼に用いられる燃焼用空気が、圧縮過程あるいは圧縮前に、上記燃料用アンモニアとの熱交換により冷却される。このため、本発明においては、燃焼用空気の冷却に用いる水の量を削減することができる。また、燃焼用空気との熱交換により燃料用アンモニアが温められるため、燃料用アンモニアを気化させるために必要となるエネルギ量を削減することができる。したがって、本発明によれば、燃料用アンモニアを燃料として燃焼させる燃焼装置及びガスタービンエンジンシステムにおいて、燃焼用空気の冷却に用いる水の量を削減しかつ燃料用アンモニアを気化させるために使用するエネルギ量を削減することが可能となる。

本発明の一実施形態におけるガスタービンエンジンシステムの全体構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態におけるガスタービンエンジンシステムの変形例の全体構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態におけるガスタービンエンジンシステムの変形例の全体構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る燃焼装置及びガスタービンエンジンシステムの一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

図１は、本実施形態に係るガスタービンエンジンシステム１の全体構成を示すブロック図である。この図に示すように、本実施形態に係るガスタービンエンジンシステム１は、ガスタービンエンジン２と、燃料用アンモニア供給系３と、天然ガス供給系４と、還元触媒チャンバ５（脱硝装置）と、インタクーラ６（燃焼用空気冷却部）と、冷却水供給系７とを備えている。なお、本実施形態においては、ガスタービンエンジン２の後述する圧縮機２ａと、燃料用アンモニア供給系３と、天然ガス供給系４と、インタクーラ６（燃焼用空気冷却部）と、冷却水供給系７とが、本発明の燃焼装置を構成している。このようなガスタービンエンジンシステム１は、発電機Ｇの駆動源であり、燃料用アンモニアを圧縮された燃焼用空気を用いて燃焼させることにより回転動力を発生させる。

ガスタービンエンジン２は、圧縮機２ａと、燃焼器２ｂ（燃焼室）と、タービン２ｃとを備えている。圧縮機２ａは、外気から取り込んだ燃焼用空気を所定圧まで圧縮して圧縮空気を生成する。この圧縮機２ａは、燃焼用空気の流れ方向における上流側に配置される低圧圧縮機２ｄと、燃焼用空気の流れ方向における下流側に配置される高圧圧縮機２ｅとを備えている。低圧圧縮機２ｄは高圧圧縮機２ｅよりも先に燃焼用空気を圧縮し、高圧圧縮機２ｅは低圧圧縮機２ｄで圧縮された燃焼用空気をさらに圧縮することにより所定圧の圧縮空気とする。このような圧縮機２ａは、生成した圧縮空気を燃焼器２ｂに供給する。

燃焼器２ｂは、燃料用アンモニア供給系３から供給される気化された燃料用アンモニアを圧縮機２ａで生成された圧縮空気を用いて内部（燃焼室）で燃焼させる。燃焼器２ｂは、このような燃焼により得られた燃焼ガスをタービン２ｃに供給する。タービン２ｃは、燃焼器２ｂから供給される燃焼ガスを駆動ガスとして用いることにより回転動力を発生する。このタービン２ｃは、圧縮機２ａ及び発電機Ｇと軸結合しており、自らの回転動力によって圧縮機２ａ及び発電機Ｇを回転駆動する。このようなタービン２ｃは、動力回収した後の燃焼ガスを還元触媒チャンバ５に向けて排気する。

燃料用アンモニア供給系３は、アンモニア供給部３ａと、配管３ｂと、分配機構３ｃと、気化器３ｄとを備えている。アンモニア供給部３ａは、液体の燃料用アンモニアを貯留するタンクやタンクに貯留された燃料用アンモニアを送出するポンプ等を備え、不図示の制御装置の制御の下、所定量の燃料用アンモニアを燃焼器２ｂに向けて送り出す。

燃料用アンモニア供給系３の配管３ｂは、図１に示すように、アンモニア供給部３ａと燃焼器２ｂとに接続されており、気化器３ｄを介して燃焼器２ｂに燃料用アンモニアを案内する経路と、気化器３ｄを介さずにインタクーラ６を介して燃焼器２ｂに燃料用アンモニアを案内する経路とを有している。また、配管３ｂは、気化器３ｄを介して燃焼器２ｂに燃料用アンモニアを案内する経路から分岐して、燃料用アンモニアを還元触媒チャンバ５の上流の排気ガス配管に案内する経路も有している。

分配機構３ｃは、第１バルブ３ｅと、第２バルブ３ｆとを備えている。第１バルブ３ｅは、配管３ｂの気化器３ｄを介して燃焼器２ｂに燃料用アンモニアを案内する経路の途中部位であって、気化器３ｄの上流側に配置されている。この第１バルブ３ｅは、不図示の制御装置によって開度が調整され、アンモニア供給部３ａから送出された燃料用アンモニアの気化器３ｄへの供給量を調整する。第２バルブ３ｆは、配管３ｂの気化器３ｄを介さずにインタクーラ６を介して燃焼器２ｂに燃料用アンモニアを案内する経路の途中部位に配置されている。この第２バルブ３ｆは、不図示の制御装置によって開度が調整され、アンモニア供給部３ａから送出された燃料用アンモニアのインタクーラ６への供給量を調整する。このような分配機構３ｃは、第１バルブ３ｅ及び第２バルブ３ｆの開度に合わせて燃焼器２ｂに供給する燃料用アンモニアの一部をインタクーラ６に分配する。

気化器３ｄは、第１バルブ３ｅを介してアンモニア供給部３ａから供給された液体の燃料用アンモニアを気化させ、気体の燃料用アンモニアを生成する。この気化器３ｄで生成された燃料用アンモニアは、燃焼器２ｂに供給されると共に、一部が配管３ｂを介して還元触媒チャンバ５に供給される。

天然ガス供給系４は、天然ガス供給部４ａと、配管４ｂとを備えている。天然ガス供給部４ａは、液化天然ガスを貯蔵するタンク、タンクに貯蔵された液化天然ガスを送り出すポンプ、及び、液化天然ガスを気化する気化器等を備えている。この天然ガス供給部４ａは、不図示の制御装置の制御の下、所定量の天然ガスを燃焼器２ｂに向けて送り出す。配管４ｂは、天然ガス供給部４ａと燃焼器２ｂとに接続されており、天然ガス供給部４ａから送り出された天然ガスを燃焼器２ｂに案内する。

還元触媒チャンバ５は、内部に還元触媒が充填されており、燃焼ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元処理することにより窒素（Ｎ_２）に還元する。この還元触媒チャンバ５は、内部に収容した還元触媒（脱硝触媒）と、燃料用アンモニア供給系３の配管３ｂを介して供給される還元剤としての燃料用アンモニアとの協働によって窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元処理（脱硝処理）する。なお、還元触媒チャンバ５に供給される燃料用アンモニアは、燃料として使用されるものではなく、還元用のアンモニアとして消費されることになる。

インタクーラ６は、低圧圧縮機２ｄと高圧圧縮機２ｅとの間に配置されており、低圧圧縮機２ｄで圧縮された燃焼用空気を冷却して高圧圧縮機２ｅに供給する。このインタクーラ６は、燃料用アンモニア供給系３が備える配管３ｂの気化器３ｄを介さずにインタクーラ６を介して燃焼器２ｂに燃料用アンモニアを案内する経路と接続されている。インタクーラ６は、燃料用アンモニア供給系３の配管３ｂを流れる燃料用アンモニアと、燃焼用空気とを間接的に熱交換することにより燃焼用空気を冷却し、さらに燃料用アンモニアを加熱して気化させる。また、インタクーラ６は、冷却水供給系７の後述する配管７ｂと接続されている。インタクーラ６は、冷却水供給系７の配管７ｂを流れる冷却水と、燃焼用空気とを間接的に熱交換することにより燃焼用空気を冷却する。

このようなインタクーラ６では、燃料用アンモニアによって燃焼用空気を冷却するアンモニア冷却部６ａと、冷却水によって燃焼用空気を冷却する水冷却部６ｂとを有している。燃焼用空気の流れ方向において、水冷却部６ｂが上流側、アンモニア冷却部６ａが下流側に配置されている。つまり、本実施形態においては、低圧圧縮機２ｄから排出された燃焼用空気が先に冷却水で冷却され、その後燃料用アンモニアによって冷却される。通常、燃焼器２ｂに供給される燃料用アンモニアは、数ＭＰａに加圧された状態となっているが、加圧状態でも水よりも沸点が低い。例えば、燃料用アンモニアが２ＭＰａまで加圧された場合における沸点は７０℃程度である。このため、先に冷却水で冷却し、その後燃料用アンモニアによって冷却することで、燃焼用空気をより低温まで冷却することができる。

冷却水供給系７は、冷却水供給部７ａと、配管７ｂとを備えている。冷却水供給部７ａは、冷却水を貯蔵するタンク、タンクに貯蔵された冷却水を送り出すポンプ等を備えている。この冷却水供給系７は、不図示の制御装置の制御の下、所定量の冷却水をインタクーラ６に向けて送り出す。配管７ｂは、インタクーラ６を経由して配設されており、冷却水供給部７ａから送り出された冷却水をインタクーラ６を介して案内する。

このような本実施形態のガスタービンエンジンシステム１の動作の一例について説明する。

例えば、ガスタービンエンジンシステム１を停止状態から起動する場合には、天然ガス供給系４から天然ガスが燃焼器２ｂに供給される。燃焼器２ｂに供給された天然ガスは、燃焼器２ｂ内の空気と混合されると共に、不図示の着火装置により着火されることで燃焼する。天然ガスが燃焼することにより発生した燃焼ガスがタービン２ｃに供給されると、回転動力が生成され、圧縮機２ａが駆動される。圧縮機２ａが駆動されると、圧縮機２ａにおいて圧縮空気が生成され、この圧縮空気が燃焼器２ｂに供給されることにより、燃焼器２ｂでの燃焼が促進される。これによってガスタービンエンジンシステム１が起動される。なお、天然ガスに換えてあるいは天然ガスと共に、燃料用アンモニア供給系３から気化器３ｄを通じて燃料用アンモニアを燃焼器２ｂに供給することで、ガスタービンエンジンシステム１を起動するようにしても良い。

ガスタービンエンジンシステム１が起動されると、不図示の制御装置の制御の下、燃料用アンモニア供給系３から燃焼器２ｂに必要量の燃料用アンモニアが天然ガスに換えてあるいは天然ガスと共に供給される。アンモニア供給部３ａから送り出された液化状態の燃料用アンモニアの一部は、インタクーラ６を介することで気化され、その後に燃焼器２ｂに供給される。アンモニア供給部３ａから送り出された液化状態の燃料用アンモニアの残部は、気化器３ｄによって気化され、その後に燃焼器２ｂに供給される。燃焼器２ｂに供給された燃料用アンモニアは、圧縮空気と共に燃焼する。そして、燃料用アンモニアが燃焼することにより発生した燃焼ガスがタービン２ｃに供給され、タービン２ｃで圧縮機２ａ及び発電機Ｇを駆動する回転動力が生成される。燃焼ガスは、タービン２ｃでエネルギが回収された後、還元触媒チャンバ５によって還元処理がされてから排気される。

また、圧縮機２ａの低圧圧縮機２ｄで圧縮された燃焼用空気は、インタクーラ６で冷却された後に高圧圧縮機２ｅに供給される。このとき、燃焼空気は、インタクーラ６において先に冷却水との間接的な熱交換によって冷却され、その後に燃料用アンモニアとの間接的に熱交換によって冷却される。

以上のような本実施形態のガスタービンエンジンシステム１においては、燃焼器２ｂにおいて燃料用アンモニアの燃焼に用いられる燃焼用空気が、圧縮過程において、燃料用アンモニアとの熱交換により冷却される。このため、本実施形態のガスタービンエンジンシステム１においては、燃焼用空気の冷却に用いる水の量を削減することができる。また、燃焼用空気との熱交換により燃料用アンモニアが温められるため、燃料用アンモニアを気化させるために必要となるエネルギ量を削減することができる。

また、本実施形態のガスタービンエンジンシステム１においては、先に燃焼用空気を圧縮する低圧圧縮機２ｄと、低圧圧縮機２ｄで圧縮された燃焼用空気をさらに圧縮する高圧圧縮機２ｅとを備え、燃焼用空気冷却部として、低圧圧縮機２ｄから排出されかつ高圧圧縮機２ｅへ供給される燃焼用空気を燃料用アンモニアとの熱交換により冷却するインタクーラ６を備えている。このような本実施形態のガスタービンエンジンシステム１によれば、ガスタービンエンジン２と別体で専用の燃焼用空気冷却部が設けられているため、燃焼用空気の冷却能力を高めることが可能となる。

また、本実施形態のガスタービンエンジンシステム１においては、インタクーラ６が、燃料用アンモニアとの熱交換により燃焼用空気を冷却するアンモニア冷却部６ａと、アンモニア冷却部６ａに対して燃焼用空気の流れ方向における上流側に配置されると共に水との熱交換により燃焼用空気を冷却する水冷却部６ｂとを備える。このような本実施形態のガスタービンエンジンシステム１によれば、冷却水により冷却された燃焼用空気を、冷却水よりも沸点が低い液化アンモニアで冷却するため、燃焼用空気をより低温まで冷却することができ、ガスタービンエンジンシステム１のシステム全体効率をより高めることが可能となる。

また、本実施形態のガスタービンエンジンシステム１において、冷却水供給系７を設置しない構成を採用することも可能である。このような場合には、インタクーラ６において、燃料用アンモニアのみによって燃焼用空気を冷却することになる。

また、本実施形態のガスタービンエンジンシステム１においては、インタクーラ６は、液体の燃料用アンモニアを燃焼用空気と熱交換させて気化すると共に、気化した燃料用アンモニアを燃焼室に供給する。気化された燃料用アンモニアと燃焼用空気とを熱交換することで燃焼用空気を冷却することも可能である。しかしながら、液体の燃料用アンモニアを燃焼用空気と熱交換させることで、液化アンモニアの潜熱を利用して燃焼用空気を冷却することができ、ガスタービンエンジンシステム１のシステム全体効率を向上させることができる。

また、本実施形態のガスタービンエンジンシステム１においては、燃焼器２ｂに供給する燃料用アンモニアの一部をインタクーラ６に分配する分配機構３ｃを備えている。このため、インタクーラ６に供給する燃料用アンモニアの量を調整することができる。このため、本実施形態のガスタービンエンジンシステム１によれば、インタクーラ６の冷却能力を調整することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、ガスタービンエンジン２の外部にインタクーラ６を設置し、このインタクーラ６にて燃焼用空気を冷却する構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図２に示すように、低圧圧縮機２ｄの内部に、燃焼用空気と燃料用アンモニアとの熱交換を行うことによって圧縮過程の燃焼用空気を冷却する熱交換部２ｆを設けるようにしても良い。例えば、低圧圧縮機２ｄの静翼の内部に燃料用アンモニアが流通する流路を形成し、この流路が形成された領域を熱交換部２ｆとすることができる。このような変形例によれば、ガスタービンエンジン２の外部にインタクーラ６を設置する必要がなくなることから、ガスタービンエンジンシステム１を小型化することが可能となる。

また、上記実施形態においては、インタクーラ６において、圧縮過程の燃焼用空気を冷却する構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図３に示すように、圧縮機２ａに供給される前の燃焼用空気と燃料用アンモニアとを熱交換する熱交換器８を設置し、圧縮前の燃焼用空気を冷却する構成を採用することも可能である。

また、上記実施形態においては、本発明の燃焼装置を、ガスタービンエンジンシステム１に適用した例について説明した。しかしながら、本発明の燃焼装置は、ガスタービンエンジンシステム１にのみ適用可能なものではない。例えば、圧縮空気を燃料用アンモニアと混合して燃焼させる燃焼装置を備えるシステム等であれば、本発明の燃焼装置を適用することができる。

また、上記実施形態においては、分配機構３ｃを用いずに、アンモニア供給部３ａから送り出された燃料用アンモニアの全量をインタクーラ６に供給するようにしても良い。この場合、インタクーラ６の下流側に気化器を設置し、インタクーラ６を通過した燃料用アンモニアを確実に気化させてから燃焼器２ｂに供給するようにすることが好ましい。

また、上記実施形態においては、ガスタービンエンジンシステム１が天然ガス供給系４を備える構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。気化器３ｄを備えるのであれば、天然ガス供給系４を備えない構成を採用することが可能である。

また、上記実施形態においては、燃料用アンモニアだけでなく、天然ガスも燃焼器２ｂに供給可能な構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、天然ガスではないハイドロカーボンやその他の燃料を、上記実施形態の天然ガスの替わりに用いることも可能である。

１……ガスタービンエンジンシステム
２……ガスタービンエンジン
２ａ……圧縮機
２ｂ……燃焼器
２ｃ……タービン
２ｄ……低圧圧縮機
２ｅ……高圧圧縮機
２ｆ……熱交換部
３……燃料用アンモニア供給系
３ａ……アンモニア供給部
３ｂ……配管
３ｃ……分配機構
３ｄ……気化器
３ｅ……第１バルブ
３ｆ……第２バルブ
４……天然ガス供給系
４ａ……天然ガス供給部
４ｂ……配管
５……還元触媒チャンバ（脱硝装置）
６……インタクーラ（燃焼用空気冷却部）
６ａ……アンモニア冷却部
６ｂ……水冷却部
７……冷却水供給系
７ａ……冷却水供給部
７ｂ……配管
８……熱交換器
Ｇ……発電機

Claims (5)

1. 燃料用アンモニアを圧縮された燃焼用空気を用いて燃焼室内で燃焼させる燃焼装置であって、
   前記燃焼用空気を圧縮過程あるいは圧縮前に前記燃料用アンモニアとの熱交換により冷却する燃焼用空気冷却部を備え、
   先に前記燃焼用空気を圧縮する低圧圧縮機と、前記低圧圧縮機で圧縮された前記燃焼用空気をさらに圧縮する高圧圧縮機とを備え、
   前記低圧圧縮機の静翼の内部に前記燃料用アンモニアが流通する流路が設けられ、
   前記流路が形成された領域が前記燃焼用空気冷却部とされている
   ことを特徴とする燃焼装置。
2. 前記燃焼室に供給する前記燃料用アンモニアの一部を前記燃焼用空気冷却部に分配する分配機構を備えることを特徴とする請求項１記載の燃焼装置。
3. 脱硝触媒と還元剤としてのアンモニアを用いて燃焼ガスを脱硝処理する脱硝装置を備え、
   前記燃焼用空気冷却部で気化した前記燃料用アンモニアの少なくとも一部を前記脱硝装置に供給することを特徴とする請求項１または２記載の燃焼装置。
4. 請求項１〜３いずれか一項に記載の燃焼装置を備えることを特徴とするガスタービンエンジンシステム。
5. 燃料用アンモニアを圧縮された燃焼用空気を用いて燃焼室内で燃焼させる燃焼装置であって、
   前記燃焼用空気を圧縮過程あるいは圧縮前に前記燃料用アンモニアとの熱交換により冷却する燃焼用空気冷却部を備え、
   先に前記燃焼用空気を圧縮する低圧圧縮機と、前記低圧圧縮機で圧縮された前記燃焼用空気をさらに圧縮する高圧圧縮機とを備え、
   前記燃焼用空気冷却部は、前記低圧圧縮機から排出されかつ前記高圧圧縮機へ供給される前記燃焼用空気を前記燃料用アンモニアとの熱交換により冷却するインタクーラであり、
   前記インタクーラは、
   前記燃料用アンモニアとの熱交換により前記燃焼用空気を冷却するアンモニア冷却部と、
   前記アンモニア冷却部に対して前記燃焼用空気の流れ方向における上流側に配置されると共に水との熱交換により前記燃焼用空気を冷却する水冷却部と
   を備える
   ことを特徴とする燃焼装置。

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