JP2005516141A - 高排気ガス再循環率で動作するように構成したガスタービンとその動作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高希薄モードで動作するように構成したガスタービンに関する。
【解決手段】 このガスタービンは、酸化剤（５）を圧縮するように構成したコンプレッサー（３）と、この圧縮した酸化剤（７）を受け入れて、燃焼排気（９）を排出する手段を備えるように構成した燃焼室（３）と、タービン（４）と、この燃焼室（３）から出る燃焼排気（９）を再循環させて、この燃焼排気を、このコンプレッサー（２）から出て来る圧縮された酸化剤（７）と混合して、１００％から２００％までの燃焼排気再循環率で、高希薄燃焼モードを実現するように構成した燃焼排気再循環手段（１２，１３）とを有する。

Description

この発明は、ガスタービンとガスタービンの動作方法に関する。

ガスタービンは、化石燃料の燃焼をベースに動作する。今日では、化石燃料の燃焼プロセスには、互いに対照的な二つの主要要件が適用される。一つには、燃焼プロセスは、（燃料を節約するとともに、ＣＯ₂ の排出を削減するために）可能な最大効率を達成すること、他方には、このプロセスは、汚染物質（例えば、ＮＯ_X ）の排出を最小限にすることが求められている。

燃焼プロセスの効率を改善するための最も一般的な方法の一つは、燃焼空気を高温に予熱することを利用するものである。このアプローチは、燃焼を比較的高い火炎温度で発生させ、そのうちに、復熱式または再生式の熱交換器を用いて、高温の燃焼排気のエネルギーを燃焼空気に与えるものである。高温に予熱された空気温度の一つの欠点は、火炎が、上昇したピーク温度に曝されて、サーマルＮＯ_X の形成過程において、惨憺たる結果をもたらすことである。

燃焼排気の再循環によって、自己発火閾値（self-ignition threshold ）を超える温度に保たれた希薄反応混合気を用いた、炭化水素の燃焼に関する研究が行われてきた。この燃焼排気を用いることで、反応混合気を希薄にするとともに、エネルギーを加えて、自己発火させることが可能となる。

燃焼排気の再循環は、混合気における希ガスの含有量を増加させる。炭化水素と空気の燃焼に関する可燃限界の初期の研究［ザベタキス氏（Zabetakis ）、１９６５年］は、５０％までの再循環率に対して、可燃混合気を得ることができることを示している。実際のシステムに対して信頼できる動作条件を提供することを目的とする最近の研究は、ＮＯ_X の削減技術として、３０％までの再循環率を用いることができることを示している［ウィルクス氏（Wilkes）とガーホールド氏（Gerhold ）、１９８０年］。再循環率Ｒは、燃焼室に投入される、再循環された燃焼排気の流量と新鮮な混合気の流量の比率として定義される。

この場合、
Ｇ_IR＝燃焼室内で再循環される燃焼排気
Ｇ_ER＝燃焼室外で再循環される燃焼排気
Ｆ＝燃料
Ｏ_X ＝新鮮な酸化剤（通常、空気）。

最近、ずっと高い燃焼排気再循環率において、火炎を安定化させることができることが分かった。このことにより、不可視、不可聴な火炎を作り出す燃焼モードを生み出すことができる。そのような火炎は、一様な温度と濃度分布、および過熱点が無いことと関連している。

この明細書の趣旨に関して、「高希薄燃焼（highly diluted combustion ）」と称する、この代替の燃焼モードは、反応混合気の非常に高いレベルの希薄化の結果として発生するものである。この高レベルの希薄化は、局在化した温度ピークの形成を防止し、そのため、ＮＯ_X の発生を減少させる。可燃性の希薄混合気の自己発火を起こす動作構成を実現するためには、自己発火閾値を超える混合気温度を達成する必要がある。そのような条件は、従来の希薄化されていない可視火炎と比較して、初期火炎温度と断熱火炎温度間における非常に低い温度差をもたらす。

この場合、
Ｔ_ad＝断熱火炎温度（Ｋ）
Ｔ_in＝反応混合気の初期温度（Ｋ）
ΔＨ_R ＝反応熱（ｋＪ／ｋｇ）
ｃ_p ＝反応混合気の比熱
Ｙ_Fuel＝燃焼した燃料のモル分率
Ｒ＝再循環率
Ｆ＝燃料の分子比
Ｏ_X ＝酸化剤の分子比。

上記の二つの式は、Ｒが増加するにつれて、混合気の断熱火炎温度（Ｔ_ad）と初期温度（Ｔ_in）間の差が減少することを示している。再循環率Ｒは、燃焼室に投入される、再循環された燃焼排気と新鮮な酸化剤の流れとの間のエネルギー・バランスの結果なので、これは、初期温度（Ｔ_in）の値に作用する。しかし、断熱燃焼の標準的な式と関連させて、上記の式を更に変形させることによって示されるとおり、Ｒの値は、断熱火炎温度（Ｔ_ad）の値に影響を及ぼさない。

この場合、

Ｔ_oxi ＝酸化剤の入口温度
φ＝当量比
Ｙ_oxi ＝酸化剤のモル分率。

これまで、高希薄燃焼を利用するのに、二段階の混合プロセスを得るために、燃料と空気を別々に燃焼室に噴射する方法に頼ってきた。点火可能となる前に、混合気の所望の温度条件を達成するために、新鮮な空気を再循環した燃焼排気と混合し、更に、それを燃料と混合する。特許文献１は、２００％より高い燃焼排気再循環率に対してのみ、安定した、高希薄で、汚染の無い火炎が得られることを明らかにしている。更に、実際には、高希薄な燃焼は、製鉄産業で用いられるプロセスや、ガラス製造に関連したプロセスなどの、大気圧で動作する高温プロセスに対してのみ適用されている。

この当量比のパラメーター（φ）は、しばしば燃焼の標準的な文献で見かけられ、以下のとおり、簡単に定義される。

この空気と燃料の相対比λは、以下のとおり定義される。

この場合、
％fuelと％air は、それぞれ燃料と空気のモル百分率（またはモル分率）であり、以下のとおり導かれる。

そして、この場合、
Ｆ_Air とＦ_Fuelは、それぞれ空気と燃料のモル流量である。

過剰空気量は、ｅ（％）＝（λ−１）＊１００と定義される。

燃焼は、通常反応混合気の理論空燃比（stoichiometry ）によって特徴付けられる。

λ＜１（φ＞１）：燃料の濃い混合気−濃い理論空燃比
λ＝φ＝１：理論空燃比条件
λ＞１（φ＜１）：燃料の希薄な状態−希薄な理論空燃比

ガスタービンは、一般的には、加圧して、７２０Ｋに予熱した酸化剤（通常は空気）とともに、約２０バールで、約１７５０Ｋの火炎温度において、非常に希薄な火炎（λ≧２）で動作している。一般的なシステムは、２０ｍｓ程度の滞留時間に対して、３ｍｓから５ｍｓ程度の点火遅延時間を有する。目標排出レベルは、ＵＨＣとＣＯは、１０ｐｐｍより少なく、ＮＯ_X は、一桁のｐｐｍである（１５％のＯ₂ で正規化）。これらの例に挙げた条件は、エンジン全負荷動作モードで動作するガスタービンに関するものであり、上記の制約を考慮する必要がある。

高希薄燃焼モードは、この希薄化の結果の混合温度が自己発火閾値を超えるように、新鮮な混合気に対して十分な量の燃焼排気を再循環させることによって実現される。

高希薄燃焼に関する従来の技術（例えば、特許文献１）は、大気圧（すなわち、１バール）で行われる、（例えば、加熱炉内の）高温プロセスに対するものである。この場合、通常燃焼は、１＜λ＜１．５（特に、λ＝１．１、すなわち１０％の過剰空気）で行われる。不可視火炎の高希薄燃焼モードを実現するためには、２００％より高い再循環率が必要であることが明らかにされている。また、従来の技術は、高希薄燃焼に対する要件として、酸化剤の予熱を挙げている。

ガスタービンにおいて高希薄燃焼モードを実現することにより、断熱温度と初期温度の差（ΔＴ）を一層低くした形で、火炎温度を所望の動作値に保持することが可能となる。このことは、高温度点を抑制する問題を解決するのに役立つとともに、一様な温度領域を実現することによって、排出レベルと燃焼効率に関する利点をもたらすものである。

ガスタービンにおいて高希薄燃焼を実現するためには、ガスタービンに関連した時間的な特性を考慮する必要がある。反応混合気を希薄化することは、プロセスの反応速度を遅らせる効果を持ち、そのため点火遅延時間と全体の反応時間の両方に影響を与える。
米国特許第５１５４５９９号明細書

この発明の課題は、関連する動作条件および制約を考慮して、高希薄燃焼技術のガスタービンへの適用について規定することである。

この発明の第一の特徴にもとづき、高希薄モードで動作するように構成したガスタービンが規定され、このタービンは、酸化剤を圧縮するように構成したコンプレッサーと、この圧縮された酸化剤を受け入れて、燃焼排気を排出する手段を実現するように構成した燃焼室と、タービンと、この燃焼室から出て来る燃焼排気を再循環させて、この燃焼排気を、このコンプレッサーから出て来る圧縮された酸化剤と混合して、１００％から２００％までの燃焼排気再循環率で高希薄燃焼モードを実現するするように構成した燃焼排気再循環手段とを有する。

このようなガスタービンは、酸化剤を燃焼室に投入する前に、それを更に予熱する必要が無い形で、高希薄燃焼モードで動作するように構成される。これは、酸化剤がコンプレッサーでの圧縮操作により加熱されるためである。このことは、酸化剤を予熱するための分離した手段が、特定の燃焼条件を達成するのに必要な、希薄化された燃焼／酸化剤混合気の自己発火を実現するための要件である、従来の技術における高希薄燃焼の適用とは対照的である。

従来のガスタービンシステムでは、一般的には渦流装置により空気力学的に安定化した、希薄な予混合火炎が用いられる。これに対して、この発明の第一の特徴にもとづくガスタービンは、そのような空気力学的な安定化を必要としない。

特に好ましい実施形態においては、燃焼排気再循環手段は、１００％から１５０％までの燃焼排気再循環率を実現するように構成される。

好ましい実施形態においては、燃焼排気再循環手段は、燃焼室内で燃焼排気再循環を実現するように構成される。別の好ましい実施形態においては、燃焼排気再循環手段は、燃焼室外で燃焼排気再循環を実現するように構成される。この燃焼排気再循環手段は、タービンから出て来る燃焼排気を再循環させるように構成される。好ましくは、このガスタービンは、タービンから出て来る再循環する燃焼排気を冷却するとともに、このタービンから出て来る再循環する燃焼排気を、酸化剤とともにコンプレッサーに供給するように構成される。特に好ましい実施形態においては、燃焼排気再循環手段は、燃焼室の内と外における手段を組み合わせて、燃焼排気再循環を実現するように構成される。

好ましい実施形態においては、このガスタービンは、更に、圧縮された酸化剤を、この酸化剤を燃焼室に投入する前に加熱するように構成した酸化剤予熱手段を有する。好ましくは、この酸化剤予熱手段は、圧縮された酸化剤を加熱するために、タービンから出て来る排気の熱を利用するように構成した熱交換器を有する。特に好ましい実施形態においては、この熱交換器は、復熱装置または再生器で構成される。好ましくは、タービンから出て来る再循環する燃焼排気は、この熱交換器を用いて冷却される。

好ましい実施形態においては、燃焼排気再循環手段は、燃料と酸化剤の予混合した流れが燃焼室に入る前に、この予混合した流れと、この再循環する燃焼排気を混合するように構成される。

好ましい実施形態においては、この酸化剤予熱手段は、外部熱源を有する。特に好ましい実施形態においては、この外部熱源は、触媒形予燃焼器で構成される。

好ましい実施形態においては、酸化剤は、酸素である。

この発明の第二の特徴にもとづき、無火炎蒸気噴射ガスタービンが規定され、このタービンは、この発明の第一の特徴にもとづくガスタービンと、酸化剤と燃料の混合気を更に希薄化するために、タービンから出る来る燃焼排気のエネルギーを利用して蒸気を作り、この蒸気を燃焼室に供給するように構成した蒸気発生器とを有する。

この好ましい実施形態においては、この無火炎蒸気噴射ガスタービンは、閉ループシステムとして動作し、更に、この蒸気を凝縮して、発生した水を蒸気発生器に再投入するように構成した凝縮器を有する。

好ましい実施形態においては、この無火炎蒸気噴射ガスタービンは、開ループシステムとして動作するとともに、その際蒸気発生器は、継続して水を補給される。

好ましい実施形態においては、蒸気発生器によって作られた蒸気の一部は、タービンの出力パワーを増加させるために、タービンに供給される。

この発明の第三の特徴にもとづき、ガスタービンを動作させる方法が規定され、この方法は、酸化剤を圧縮するコンプレッサーを用いることと、この圧縮された酸化剤を受け入れ、燃焼排気を排出する手段を備えた燃焼室を用いることと、タービンを用いることと、この燃焼室から出て来る燃焼排気を再循環させて、この燃焼排気を、このコンプレッサーから出て来る圧縮された酸化剤と混合して、１００％から２００％までの燃焼排気再循環率で高希薄燃焼モードを実現する燃焼排気再循環手段を用いることとを有する。

特に好ましい実施形態においては、この方法は、更に、１００％から１５０％までの燃焼排気再循環率を実現する燃焼排気再循環手段を用いることを有する。

好ましい実施形態においては、この方法は、燃焼室内で燃焼排気再循環を実現する燃焼排気再循環手段を用いることを有する。別の好ましい実施形態においては、この方法は、燃焼室外で燃焼排気再循環を実現する燃焼排気再循環手段を用いることを有する。この方法は、タービンから出て来る燃焼排気を再循環させる燃焼排気再循環手段を用いることを有する。好ましくは、この方法は、更に、タービンから出て来る再循環する燃焼排気を酸化剤とともにコンプレッサーに供給する前に、このタービンから出て来る再循環する燃焼排気を冷却することを有する。特に有利な実施形態においては、この方法は、更に、燃焼室の内と外での手段を組み合わせて、燃焼排気再循環を実現する燃焼排気再循環手段を用いることを有する。

好ましい実施形態においては、この方法は、圧縮された酸化剤を燃焼室に投入する前に、この酸化剤を加熱する酸化剤予熱手段を用いることを有する。好ましくは、この方法は、この酸化剤予熱手段を実現する熱交換器を用いることと、タービンから出て来る排気の熱を利用して、圧縮された酸化剤を加熱するために、この熱交換器を用いることとを有する。特に有利な実施形態においては、この方法は、この熱交換器を、復熱装置または再生器の形で実現することを有する。この方法は、タービンから出て来る再循環する燃焼排気を冷却するために、この熱交換器を用いることを有する。

好ましい実施形態においては、この方法は、再循環する燃焼排気を、燃料と酸化剤の予混合した流れが燃焼室に入る前に、この予混合した流れと混合する燃焼排気再循環手段を用いることを有する。

好ましい実施形態においては、この方法は、この酸化剤予熱手段を実現すために、外部熱源を用いることを有する。特に有利な実施形態においては、この方法は、この外部熱源を実現するために、触媒形予燃焼器を用いることを有する。

好ましい実施形態においては、この方法は、酸化剤として酸素を用いることを有する。

この発明の第四の特徴にもとづき、無火炎蒸気噴射ガスタービンを動作させる方法が規定され、この方法は、この発明の第一の特徴にもとづくガスタービンを用いることと、酸化剤と燃料の混合気を更に希薄化するのに、このタービンから出て来る燃焼排気のエネルギーを用いて蒸気を作り、この蒸気を燃焼室に供給する蒸気発生器を用いることとを有する。

好ましい実施形態においては、この方法は、この無火炎蒸気噴射ガスタービンを、閉ループシステムとして動作させることと、蒸気を凝縮して、発生した水を蒸気発生器に再投入する凝縮器を用いることとを有する。

好ましい実施形態においては、この方法は、この無火炎蒸気噴射ガスタービンを、開ループシステムとして動作させることと、蒸気発生器に水を継続的に補給することとを有する。

好ましい実施形態においては、この方法は、タービンの出力パワーを増加させるために、蒸気発生器により作られた蒸気の一部をタービンに供給することを有する。

ここでは、この発明をより良く理解してもらうために、この発明にもとづくガスタービンの幾つかの実施形態を、図面を参照して記述する。

図１は、コンプレッサー２、燃焼室３およびタービン４を配備した、この発明の第一の実施形態にもとづくガスタービン１の模式図である。ガスタービンの動作原理とコンプレッサー２、燃焼室３およびタービン４間の動作上の関係は、当業者には非常に良く知られており、ここでは詳細には述べない。この発明は、使用するコンプレッサー２、タービン４または燃焼室３の形式によって制限されない。例えば、燃焼室３は、筒形、環状または環状筒形である。燃焼室３の形式の選択は、空間的な制約、混合能力、排出能力および所望の出力レベルによって決められる。さらに、この発明は、使用する燃料の形式によっても制限されず、ガスタービンに適した燃料であればどれでも、この実施形態およびこの発明の別の実施形態で使用することができる。

コンプレッサー２は、この実施形態では空気である、酸化剤５を外部環境から吸入して、それを所要の動作圧力にまで圧縮する。これに代わって、その他の酸化剤を用いることが可能であり、その場合には、コンプレッサーには、適当な保管手段から酸化剤のガスが供給される。所要の動作圧力は、２０バールであり、酸化剤は、圧縮操作により７２０Ｋまで加熱される。しかし、異なるタービン構造またはその他の酸化剤を使用するためには、異なる圧力が必要である。

圧縮された酸化剤６は、コンプレッサー２から出て、この圧縮された酸化剤の一部８は、冷却剤として使用するために、燃焼室３をバイパスして、タービン４の上流に送られる。この圧縮された酸化剤の部分８は、コンプレッサー２から出力される圧縮された酸化剤６の全体の１０％から２５％である。これに代わって、コンプレッサーから出て来る圧縮された酸化剤６の全部を、燃焼室３に直接送ることができる。全負荷動作においては、圧縮された酸化剤６は、一般的には７２５Ｋの温度と２０バールの圧力を有する。

次に、冷却剤として使用しない、圧縮された酸化剤の部分７は、燃焼室３に送る前に、再循環する燃焼排気１２，１３と混合される。燃焼室３では、燃料と圧縮された酸化剤の混合気は、関連の不可視、不可聴火炎を伴って、高希薄モードで燃焼される。燃焼室内の排気は、一般的には１８００Ｋである。ＮＯ_X レベルは、一般的には５ｐｐｍ未満であり、ＣＯレベルは、１０ｐｐｍ未満である。

新鮮な酸化剤７と新鮮な燃料は、酸化剤７、燃料および燃焼排気１２，１３間で相応の混合が起こるような形で、燃焼室３内に噴射される。この実施形態は、酸化剤７と燃焼排気１２，１３を、新鮮な燃料と接触させる前に混合する、予混合噴射システムを用いている。これに代わって、新鮮な燃料を、新鮮な酸化剤７と接触させる前に、燃焼排気１２，１３と混合することができる。しかし、動作システムの特定の構造と要件にもとづき、異なる混合構成を用いることができる。他の実施形態においては、２段階の予混合燃焼器を用いることが可能であり、そこでは、燃焼排気１２，１３の一部は、新鮮な酸化剤７と予混合され、残りは、新鮮な燃料と予混合されて、出来上がったこれらの二つの混合気の完全な混合は、下流の第二段の混合器で行われる。

更に別の実施形態においては、新鮮な酸化剤７と新鮮な燃料を、拡散形噴射システムにより供給することができ、その空気力学は、新鮮な酸化剤７が、燃料と接触する前に、燃焼排気１２，１３と接触させて、酸化剤７と燃料が最終段で接触する形で、燃焼室３で混合が起こるように構成することができる。これに代わって、燃料が、酸化剤７と接触する前に、先ず燃焼排気１２，１３と接触するように、拡散形噴射システムを構成することができる。

最適な混合法は、システムの空間的な制約、許容される圧力の低下および最小限必要な滞留時間によって決まる。

燃料／空気混合気の理論空燃比としては、従来の希薄予混合ガスタービンシステムに必要なほどに極度に希薄でなければならないということではない。当量比（φ）は、自己発火温度を超えた反応混合気を実現するように調整することができ、その燃焼は、低排出を生み出す、所要のタービン入口温度を満たすものである。この点に関して、反応混合気の当量比は、燃焼排気再循環率とともに、そのような要件を満足するように調整される。

この実施形態においては、燃焼排気の再循環は、燃焼室３の内１２と外１３における手段を組み合わせることにより行われる。これに代わって、燃焼排気の再循環は、燃焼室３の内または外のどちらかで、その全部を行うことができる。

燃焼が一旦起こると、燃焼排気９は、燃焼室３から出て、冷却剤の流れとして用いられる圧縮された酸化剤８の一部と合流する。次に、冷却剤の流れとして用いられる燃焼排気９と酸化剤８の混合気１０は、タービン４に流入する。この排気の混合気１０は、タービン４を駆動して、その後これらの排気は、排気ガス１１として放出される。

高レベルの燃焼排気再循環が、不可視で、高希薄な火炎を作り出すのに必要である。再循環率は、実施形態に応じて変化させることができるとともに、同じ燃焼システムにおける異なるエンジン負荷の要件に応えるために、動作中に変えることができる。再循環率、およびその燃焼室３の内１２と外１３における手段間の配分の正確な選定は、システムの混合気自己発火閾値、使用する再循環システム、最小滞留時間、許容される圧力低下、および混合能力などの要因によって決まる。ガスタービンを、再循環率０で動作させる場合、標準の希薄化していない火炎形式の燃焼が行われる。

図１０は、再循環率１００％での高希薄火炎と、再循環率０での標準の希薄化していない火炎に関する実験結果の比較を示している。この実験は、燃料として天然ガスを用い、入口温度６００°Ｃで行われた。図１０は、高希薄火炎によって生じたＮＯ_X の量が、基準火炎よりも、火炎温度に対して敏感でないことを示している。１８００Ｋでは、希薄火炎は、基準火炎に比較して、生じるＮＯ_X の量が４０％低下することを示している。

図１０は、特に、サーマルＮＯ_X の発生が温度に強く依存するために、ＮＯ_X の発生が問題となる高い発火温度において、高レベルの燃焼排気再循環を用いた燃焼が、ＮＯ_X の発生を低減するのに効果的であることを示している。このことにもとづき、燃焼排気再循環と高希薄燃焼が、ガスタービンで一般的に用いられる希薄火炎における、良く知られたサーマルＮＯ_X の発生の問題を緩和することができるものである。実験により、６００°Ｃより高い入口温度を用いることで、高希薄火炎と関連したＮＯ_X が、より大きく削減されることが示されている。それは、また高希薄燃焼が、基準火炎より良好なＮＯ_X 生成能力を持つ動作温度範囲を拡大する効果を有するものである。

一般的なガスタービン条件（例えば、０．６未満の当量比での希薄火炎）で動作する火炎を光学的に観察すると、高希薄燃焼と関連した不可視火炎の始まりに関して、その境界を識別することができる。一般的なガスタービン条件においては、再循環率１００％で、不可視モードが達成されることが分かる。そのような再循環率は、従来技術において要件であると表明されていた再循環率３００％より、著しく低い。

高温においては、大気圧での従来技術の燃焼の利用は、通常１＜λ＜１．５（より厳密には、λ＝１．１、すなわち過剰空気１０％）で行われる。ガスタービンシステムでは、動作条件が非常に異なり、λは、一般的には２以上であり、圧力は、一般的には２０バールである。そのような条件では、２以上のλに対して、１００％より高い燃焼排気再循環率は、高希薄燃焼に関連した不可視火炎を実現するのに十分であることが、実験的に観察されている。

図１３は、動作圧力と理論空燃比（λまたはラムダ）に関する、負荷に対する一般的なガスタービンエンジンの動作のグラフを示している。光学的に観察すると、λの値が低くなるに従い、高希薄燃焼モードの始まりを許容するのに必要な燃焼排気再循環率が低くなることを示している。ガスタービンのプロセス温度は、主に反応混合気の理論空燃比によって制御され、希薄な理論空燃比は、低い断熱火炎温度と、そのために低いＮＯ_X の排出をもたらすこととなる。

従来技術では、燃焼排気再循環がプロセス温度を制限することが明らかである。高レベルの酸化剤予熱においては、ＮＯ_X の排出を制限するために、プロセス温度を制御するには、高い燃焼排気再循環が必要である。

従来技術では、燃焼排気が再循環される前に冷却されて、システムが非断熱になるので、燃焼排気再循環が、主にプロセス温度を制御するものである。しかし、ガスタービンの燃焼室３は、高いサイクル効率を生み出すためには、出来るだけ断熱条件に近い条件で動作する必要がある。この結果、再循環前の燃焼排気１２，１３の冷却が最小限となり、このため燃焼排気１２，１３が非常に高温で再循環されるので、この発明の実施形態における準断熱燃焼排気再循環となる。また、これらの準断熱条件は、ガスタービンの燃焼室３において、従来技術で必要であると言われている値より低い再循環率で、高希薄燃焼モードを実現するのに役立つものである。

最適な再循環率は、個々のガスタービンの構造と個々の動作条件に応じて変化する。化学反応速度的な研究により、高希薄燃焼モードで動作するガスタービンシステムの時間的な特性と排出能力に関する情報を計算することができる。図１１は、動作圧力に対する混合気の全焼を実現するのに必要な滞留時間を計算したグラフを示している。図１１は、１００％から２００％までの燃焼排気再循環率では、最小滞留時間と点火遅延において大きな効果があることを示している。しかし、これらの研究は、２００％より大きな燃焼排気再循環率が、この点に関して、目に見えるほどの更なる効果をもたらさないことを示している。

さらに、大気式のシステムに対して、ガスタービンは、厳しい圧力低下の制約に応えなければならない。ガスタービン燃焼システムと関連した圧力低下が低くなるに従い、サイクル効率が高くなる。

図１の実施形態においては、燃焼室３内における燃焼排気再循環１２は、高速噴射を用いて実現されている。噴射の速度または運動量が高くなるに従い、再循環する排気の比率が高くなる。しかし、より高速な噴射速度は、より高い圧力低下とも関連している。

空気力学的な研究では、一般的なガスタービンシステムに対して、圧力低下の制約を考慮しつつ、単純な高速噴射により達成可能な最大再循環率は、１００％から２００％まで変化することを示している（図１２参照）。

図１２が示すとおり、再循環率は、渦流部品などの追加機器を用いて向上させることができる。しかし、そのような機器を用いても、従来技術の大気式システムにおける高希薄燃焼の要件であると開示されている、２００％を下回る場合には、なお容易に圧力低下の限界に達してしまう。

一般的なガスタービンシステムにおいて、燃焼器モジュールに許される最大圧力低下は、動作圧力全体の３％である。単一の自由噴射を用いることにより、燃焼器／噴射器モジュールの圧力低下を３％の限界より小さく保持する一方、２００％より大きい再循環率を実現することができる。しかし、非常に大きな空気対燃料比（すなわち、非常に希薄な混合気）と厳しい空間的な制約の下で動作するガスタービンは、単一の自由噴射にもとづく燃焼器を使用することができない。高速噴射器の設計は、ガスタービンに関連した固有の空間的な制約と圧力低下の限界によって制限される。各噴射は、隣接する噴射と干渉し合い、各個別の噴射の公称エントラップメント能力が劣化する。

図１４は、直径２０ｍｍのノズルを１８個持つ燃焼器モジュールを有し、Ｐ＝２２バール、Ｔ_in＝４７０°Ｃ、燃焼器当りの空気＝５．５ｋｇ／ｓ、燃焼器への燃料＝０．１７ｋｇ／ｓという条件の下で動作するガスタービンにおける、再循環率に対する圧力低下のグラフである。

図１４は、上記の条件の下で動作するシステムにおいては、約１５０％より大きい再循環率に対して、圧力低下の限界を超えていることを示している。

上述した二つの研究にもとづき、（高圧と非常に希薄な理論空燃比を特徴とする）ガスタービンシステムにおいては、１００％より大きな再循環率で高希薄燃焼を行うことが好ましい。これは、付随する過熱点が無く、温度と濃度分布が一様な、高希薄燃焼と関連した不可視火炎を実現するものである。

化学的な研究の結果、１００％より大きな再循環率と関連して、プロセス時間に関する大きな利点があることが示されている。同研究は、この有利な効果が２００％より大きな再循環率に対しては、大きくは増加しないことを示している。これにもとづき、ガスタービンシステムにおける高希薄燃焼は、１００％から２００％までの再循環率で行われるのが好ましい。しかし、空気力学的な研究は、高い再循環率は、望ましくない大きな圧力低下と関連していることを示している。そのため、２００％より小さい、より好ましくは１５０％より小さい再循環率による高希薄モードでガスタービンを動作させることが好ましい。

この発明の別の実施形態においては、燃焼排気再循環率は、反応燃料／酸化剤混合気の目標とする熱条件を満たすのに十分ではない。例えば、混合気の燃焼室３の温度は、燃料／酸化剤混合気の自己発火閾値より低くなる可能性がある。この状況は、酸化剤１が全負荷動作より低い圧力で圧縮され、そのためコンプレッサー２を出て来る時にはより低い温度となる部分負荷動作に対応する。そのような状況においては、この問題を克服するために、追加の酸化剤予熱手段が用いられる。

図２は、圧縮された酸化剤７を更に加熱するための熱交換器１４を用いた、この発明の実施形態にもとづくガスタービンの模式図を示している。ガスタービン４から出て来る排気ガス１１の一部は、圧縮された酸化剤７を加熱するために、タービン４から出て来る排気ガス１１の余熱を利用する熱交換器１４に送られる。この実施形態では、熱交換器１４は、復熱装置の形式である。これに代わって、熱交換器１４は、再生器の形式にすることもできる。

タービンから出て来る排気ガス１１の余熱が、圧縮された酸化剤７を所要の温度に加熱するのに十分でない場合には、外部熱源１６が利用される（図３）。

これに代わって、図４に図示したとおり、触媒形予燃焼器１７によって、圧縮された酸化剤７を、燃料／酸化剤混合気の自己発火に必要な所要温度に加熱することができる。部分負荷動作を利用する、この実施形態では、圧縮された酸化剤は、一般的に１３バールの圧力と６５０Ｋの温度にある。

燃焼に用いる、圧縮された酸化剤７の一部は、非常に希薄な条件で燃料と混合されて、より高い温度で燃焼室３に投入するために、触媒形予燃焼器１７に送られる。排出レベルを最小限にしつつ、触媒表面だけでの表面反応により、流れに対して追加の熱エネルギーを付加することを保証する、非常に希薄な条件において、この触媒形予燃焼器１７は動作する。また、触媒形予燃焼器１７を非常に希薄な形で動作させることは、触媒に入って来る反応混合気が、触媒を非活性化すること、または過熱させる恐れを確実に回避するのに役立つ。

図４に図示したような実施形態においては、燃焼室３の外で再循環する燃焼排気１３は、更に熱エネルギーを付加するとともに、希薄化するために、触媒形予燃焼器１７の上流のパス１８と下流のパス１９を組み合わせて再循環される。これに代わって、燃焼室３の外で再循環する燃焼排気１３は、触媒形予燃焼器１７の上流１８か下流１９のどちらかだけに再循環される。燃焼排気は、触媒機能を害する効果を持つ場合がある。そのため、触媒形予燃焼器１７に流れる燃焼排気１３を、表面反応を制御するとともに、触媒プロセスの温度を制御するために必要な最小限度の量に制限するのが望ましい。

圧縮された酸化剤７の全部が触媒形予燃焼器１７を通過するようにする代わりに、圧縮された酸化剤７の一部が触媒形予燃焼器１７を迂回するような形で、実施形態を構成することができる。このことは、触媒形予燃焼器１７に関する最適な理論空燃比を保証するために、または加熱や冷却の目的に必要である。同様に、燃料の一部を触媒形予燃焼器１７に噴射し、その残りを燃焼室３に直接噴射するのが望ましい。

触媒形予燃焼器１７は、触媒の最適な動作モードに依存して、非常に希薄な条件（λ＞２．５）または非常に濃い条件（λ＜０．５）で動作するように構成することができる。動作モードの選択は、触媒形予燃焼器１７に流入または迂回する、燃焼排気１３、圧縮された酸化剤７および燃料の各々における個々の比率により決まる。

図４に示した実施形態の燃焼室３内における一般的な条件には、１６５０Ｋの温度が含まれる。ＮＯ_X レベルは、一般的には３ｐｐｍより小さく、ＣＯレベルは、２ｐｐｍより小さい。

別の実施形態においては、触媒形予燃焼器１７は、圧縮された酸化剤７に対する予熱操作を一層促進するために、追加の加熱手段と組み合わされる。図５は、圧縮された酸化剤７を更に加熱するために、触媒形予燃焼器１７の上流に配置された外部熱源１６を利用する、この発明の実施形態を模式的に描いている。

さらに別の実施形態においては、図６に描かれているとおり、この追加の加熱手段が、復熱装置形式の熱交換器１４である。これに代わって、この熱交換器１４を再生器の形式にすることができる。どちらの場合においても、熱交換器１４は、圧縮された酸化剤が触媒形予燃焼器１７に入る前に、それを加熱するために、タービン４から出て来る排気ガスの余熱を利用している。

このため、これまでに述べたすべての実施形態は、燃焼室３の内で再循環させる燃焼排気１２、または燃焼室３を出た直後に再循環させる燃焼排気１３による、あるいはこれら二つを組み合わせた、燃焼排気再循環を利用している。代替の実施形態においては、図７に模式的に図示したとおり、タービン４の出口から、燃焼排気１５を再循環させることができる。

燃焼室３の内では高い燃焼排気再循環を完全には達成できず、燃焼室３の外での燃焼排気再循環が大きすぎる圧力損失を起こす場合に、図７の実施形態を用いることができる。燃焼排気１５が、タービン４の出口から送られて、コンプレッサー２の入口に再循環され、そこで新鮮な酸化剤５と混合されている。この形で燃焼排気再循環を利用する実施形態は、燃焼室３の内での燃焼排気再循環１２および／または燃焼室３の外での高圧の燃焼排気再循環１３と組み合わせて適用することができる。可能なパスにおける比率での再循環の量は、燃焼室３の内での自己発火閾値を超える反応混合気を得るための、圧力低下、および熱的条件と要件などの幾つかの制約に依存する。

タービン４の出口から再循環する燃焼排気１５は、エンジン効率の観点から好ましいので、新鮮な酸化剤の流れ５と混合する前に、冷却する必要がある。図７に示した実施形態においては、取り出した熱は、圧縮された酸化剤７が燃焼室３に入る前に、これを熱交換器１４によって加熱するために利用される。そして、その燃焼排気は、補助部品２０によって、残った熱エネルギーを取り出すことにより、更に冷却される。これに代わって、タービン４の出口から再循環された燃焼排気１５の余熱は、異なる目的のために利用、または代替の手段により冷却することができる。

この構成は、圧縮された酸化剤の流れ７を予熱するための解決法が異なる、または燃焼排気１５の余熱の利用法が異なる、前述したすべての実施形態に適用することができる。

この発明の別の実施形態においては、高希薄燃焼モードで動作するように構成したガスタービンは、図８に模式的に描かれているとおり、蒸気噴射ガスタービンを構成するための蒸気発生プロセスと組み合わされる。蒸気を噴射することは、高レベルの燃焼排気再循環１２，１３の結果、既に高希薄された燃焼混合気を更に希薄化することとなる。そのようなシステムは、「無火炎蒸気噴射ガスタービン（Flameless Steam Injected Gas Turbine）」（ＦＳＩＧＴ）と呼ぶことができる。

ガスタービン４から出て来る排気ガス１１のエネルギーを利用して蒸気を作り出す蒸気発生器２１で、蒸気が作り出される。そして、蒸気２２は、燃焼混合気を更に希薄化するとともに、Ｎ₂ Ｏの反応経路（kinetic pathway ）に沿ったＮＯ_X の形成を抑制するために、燃焼室３に供給される。

図８に示すとおり、蒸気２３は、タービン４の駆動に資するために、燃焼室３の下流にも噴射される。これは、システムの全体出力を増加する効果がある。これに代わって、蒸気２２全部を燃焼室３に噴射させることも可能である。

図８に図示したシステムは、閉ループで動作し、ガスタービンの下流で排気ガス１１とともに排出された蒸気は、凝縮器２４で再生される。そして、生じた水２５は、蒸気生成プロセスに再投入される。残った燃焼排気２６は、凝縮器２４を通過した後に排出される。これに代わって、システムは、開放サイクルで動作することができ、水路２７を通して、蒸気発生器２１に、新鮮できれいな水を継続的に供給することができる。

ＦＳＩＧＴシステムによって得られる利点は、ガスタービンの効率を増加させることである。蒸気噴射タービンでないガスタービンと比べて、ＦＳＩＧＴのコンプレッサー２を通る所与の酸化剤の流れに関して、エネルギー要件は変わらない。しかし、タービン４を通る質量流量は増大し、ＦＳＩＧＴの出力パワーを増加させる。このことにより、この発明にもとづくＦＳＩＧＴシステムが、効率を最大化する一方で、極端に低いＮＯ_X の要件を満たすことが可能となる。

別の実施形態においては、酸化剤として、空気というより酸素を利用することができる。これにより、排出ゼロのシステムを動作させることができる。前述した実施形態は、どれも酸化剤として酸素を使用するように構成することができる。

そのようなシステムの例が、図９に描かれている。酸素５は、コンプレッサー２で圧縮されて、燃焼室３に供給され、そこで、燃焼室３の内１２と外１３の手段により、高レベルの燃焼排気再循環が実現されている。燃焼排気再循環は、酸素と燃料の反応混合気の爆発効果を緩和する効果を有する。全プロセスにおいて、窒素がないので、ＮＯ_X を全く生成することなく、燃焼が起こる。

酸化剤として酸素を使う実施形態においては、燃焼排気の希薄化は、火炎温度を制御する作用を持つ。燃焼室９で生成された排気ガス１１は、タービン４を駆動し、そのエネルギーは、更に（蒸気発生器２１により）蒸気を生成するために利用される。そして、蒸気の一部２２は、プロセス温度を制御するために、燃焼室３に噴射される一方、その他の部分２３は、タービン２３の出力パワーを向上させるために利用される。

蒸気は、燃焼生成物と混合され、その後蒸気発生器の下流において、凝縮器２４で再生される。そして、主に二酸化炭素である、残りの燃焼排気２５は、冷却手段２６によって冷却されて、一部は燃焼プロセスを制御するのに必要な燃焼排気の希薄化に資するために、コンプレッサー２に再循環される。過剰な二酸化炭素２７は、除去して、別の用途のために保管することができる。

当業者には、前述した例示的な実施形態を引用して、更に多くの変化形態または改良形態が思い浮かぶであろうが、これらの前述した実施形態は、例示するためだけに示したものであり、この発明の範囲を制限することを意図したものではく、この発明の範囲は、付属の請求項によって決まるものである。

この発明の第一の実施形態にもとづくガスタービンの模式図 この発明の第二の実施形態にもとづくガスタービンの模式図 この発明の第三の実施形態にもとづくガスタービンの模式図 この発明の第四の実施形態にもとづくガスタービンの模式図 この発明の第五の実施形態にもとづくガスタービンの模式図 この発明の第六の実施形態にもとづくガスタービンの模式図 この発明の第七の実施形態にもとづくガスタービンの模式図 この発明の第八の実施形態にもとづく蒸気噴射ガスタービンの模式図 この発明の第九の実施形態にもとづく蒸気噴射ガスタービンの模式図 再循環率１００％での高希薄火炎と、再循環率０での希薄化していない火炎の両方に関する、温度に対するＮＯ_X レベルのグラフ 異なる再循環率に関する、動作圧力に対する混合気の最小滞留時間のグラフ 負荷に対する再循環率のグラフ 一般的なガスタービンエンジンに関する、負荷に対する動作圧力と理論空燃比（λまたはラムダ）の両方のグラフ 再循環率に対する圧力低下のグラフ

符号の説明

１ ガスタービン
２ コンプレッサー
３ 燃焼室
４ タービン
５ 新鮮な酸化剤
６ 圧縮された酸化剤
７，８ 圧縮された酸化剤の一部
９ 燃焼排気
１０ 酸化剤と燃焼排気の混合気
１１ 排気ガス
１２ 燃焼室内で再循環される燃焼排気
１３ 燃焼室外で再循環される燃焼排気
１４ 熱交換器
１５ タービンの出口から再循環される燃焼排気
１６ 外部熱源
１７ 触媒形予燃焼器
１８ 触媒形予燃焼器の上流のパス
１９ 触媒形予燃焼器の下流のパス
２０ 補助部品
２１ 蒸気発生器
２２，２３ 蒸気
２４ 凝縮器
２５ 燃焼排気
２６ 冷却手段
２７ 水路、二酸化炭素

Claims (42)

1. 高希薄モードで動作するように構成したガスタービンであって、
   酸化剤を圧縮するように構成したコンプレッサーと、
   この圧縮された酸化剤を受け入れて、燃焼排気を排出する手段を備えるように構成した燃焼室と、
   タービンと、
   この燃焼室から出て来る燃焼排気を再循環させて、この燃焼排気を、このコンプレッサーから出て来る圧縮された酸化剤と混合して、１００％から２００％までの燃焼排気再循環率で、高希薄燃焼モードを実現するように構成した燃焼排気再循環手段とを有するガスタービン。
2. 当該の燃焼排気再循環手段が、１００％から１５０％までの燃焼排気再循環率を実現するように構成した請求項１に記載のガスタービン。
3. 当該の燃焼排気再循環手段が、燃焼室内で燃焼排気再循環を実現するように構成した請求項１または２に記載のガスタービン。
4. 当該の燃焼排気再循環手段が、燃焼室外で燃焼排気再循環を実現するように構成した請求項１から３までのいずれか一つに記載のガスタービン。
5. 当該の燃焼排気再循環手段が、タービンから出て来る燃焼排気を再循環するように構成した請求項４に記載のガスタービン。
6. 当該のガスタービンが、タービンから出て再循環される燃焼排気を冷却して、このタービンから出て再循環される燃焼排気を、酸化剤とともに、コンプレッサーに供給するように構成した請求項５に記載のガスタービン。
7. 当該の燃焼排気再循環手段が、当該の燃焼室の内と外における手段を組み合わせて、燃焼排気再循環を実現するように構成した請求項１から６までのいずれか一つに記載のガスタービン。
8. 当該の燃焼排気再循環手段が、再循環する燃焼排気を、燃料と酸化剤の予混合した流れが燃焼室に入る前に、この予混合した流れと混合するように構成した請求項１から７までのいずれか一つに記載のガスタービン。
9. 圧縮された酸化剤が燃焼室に入る前に、この酸化剤を加熱するように構成した酸化剤予熱手段を、更に有する請求項１から８までのいずれか一つに記載のガスタービン。
10. 当該の酸化剤予熱手段が、圧縮された酸化剤を加熱するために、タービンから出て来る排気の熱を利用するように構成した熱交換器を有する請求項９に記載のガスタービン。
11. 当該の熱交換器が、復熱装置または再生器として構成された請求項１０に記載のガスタービン。
12. 請求項５に記載の場合において、タービンから出て再循環される燃焼排気が、当該の熱交換器を用いて冷却される請求項１０または１１に記載のガスタービン。
13. 当該の酸化剤予熱手段が、外部熱源を有する請求項１０から１３までのいずれか一つに記載のガスタービン。
14. 当該の外部熱源が、触媒形予燃焼器で構成された請求項１３に記載のガスタービン。
15. 当該の酸化剤が、酸素である請求項１から１４までのいずれか一つに記載のガスタービン。
16. 請求項１から１５までのいずれか一つに記載のガスタービンと、
    酸化剤と燃料の混合気を更に希薄化させるために、タービンから出て来る燃焼排気のエネルギーを利用して蒸気を作り、この蒸気を燃焼室に供給するように構成した蒸気発生器とを有する無火炎蒸気噴射ガスタービン。
17. 当該の無火炎蒸気噴射ガスタービンが、閉ループシステムとして動作し、更に、蒸気を凝縮するとともに、生じた水を蒸気発生器に再投入するように構成した凝縮器を有する請求項１６に記載の無火炎蒸気噴射ガスタービン。
18. 当該の無火炎蒸気噴射ガスタービンが、開ループシステムとして動作し、蒸気発生器に水を継続的に補給する請求項１６に記載の無火炎蒸気噴射ガスタービン。
19. 当該の蒸気発生器で生成された蒸気の一部が、タービンの出力パワーを増加させるために、タービンに供給される請求項１６から１８までのいずれか一つに記載の無火炎蒸気噴射ガスタービン。
20. 酸化剤を圧縮するコンプレッサーを使用することと、
    この圧縮された酸化剤を受け入れて、燃焼排気を排出する手段を備えた燃焼室を使用することと、
    タービンを使用することと、
    この燃焼室から出て来る燃焼排気を再循環させて、この燃焼排気を、このコンプレッサーから出て来る圧縮された酸化剤と混合して、１００％から２００％までの燃焼排気再循環率で、高希薄燃焼モードを実現する燃焼排気再循環手段を使用することとを有するガスタービンの動作方法。
21. 更に、１００％から１５０％までの燃焼排気再循環率を実現する燃焼排気再循環手段を使用することを有する請求項２０に記載の方法。
22. 燃焼室内で燃焼排気再循環を実現する燃焼排気再循環手段を使用することを有する請求項２０または２１に記載の方法。
23. 燃焼室外で燃焼排気再循環を実現する燃焼排気再循環手段を使用することを有する請求項２０から２２までのいずれか一つに記載の方法。
24. 更に、タービンから出て来る燃焼排気を再循環する燃焼排気再循環手段を使用することを有する請求項２３に記載の方法。
25. 更に、タービンから出て再循環される燃焼排気を、酸化剤とともにコンプレッサーに供給する前に、このタービンから出て来る燃焼排気を冷却することを有する請求項２４に記載の方法。
26. 当該の燃焼室の内と外における手段を組み合わせて、燃焼排気再循環を実現する燃焼排気再循環手段を使用することを有する請求項２０から２５までのいずれか一つに記載の方法。
27. 再循環する燃焼排気を、燃料と酸化剤の予混合した流れが燃焼室に入る前に、この予混合した流れと混合する燃焼排気再循環手段を使用することを有する請求項２０から２６までのいずれか一つに記載の方法。
28. 圧縮された酸化剤が燃焼室に入る前に、この酸化剤を加熱する酸化剤予熱手段を使用することを有する請求項２０から２７までのいずれか一つに記載の方法。
29. 更に、当該の酸化剤予熱手段を実現する熱交換器を使用することと、タービンから出て来る排気の熱を利用して、圧縮された酸化剤を加熱するために、この熱交換器を使用することとを有する請求項２８に記載の方法。
30. 更に、当該の熱交換器を、復熱装置または再生器の形式で実現することを有する請求項２９に記載の方法。
31. 請求項２４に記載の場合において、タービンから出て再循環される燃焼排気を冷却する熱交換器を使用することを有する請求項２９または３０に記載の方法。
32. 当該の酸化剤予熱手段を実現するために、外部熱源を使用することを有する請求項２９から３１までのいずれか一つに記載の方法。
33. 更に、当該の外部熱源を実現するために、触媒形予燃焼器を使用することを有する請求項３２に記載の方法。
34. 当該の酸化剤として、酸素を使用することを有する請求項２０から３３までのいずれか一つに記載の方法。
35. 請求項１から１５までのいずれか一つに記載のガスタービンを使用することと、
    酸化剤と燃料の混合気を更に希薄化させるために、タービンから出て来る燃焼排気のエネルギーを利用して蒸気を作り、この蒸気を燃焼室に供給する蒸気発生器を使用することとを有する無火炎蒸気噴射ガスタービンの動作方法。
36. 当該の無火炎蒸気噴射ガスタービンを閉ループシステムとして動作させることと、蒸気を凝縮するとともに、生じた水を蒸気発生器に再投入する凝縮器を使用することとを有する請求項３５に記載の無火炎蒸気噴射ガスタービンの動作方法。
37. 当該の無火炎蒸気噴射ガスタービンを開ループシステムとして動作させることと、蒸気発生器に水を継続的に補給することとを有する請求項３６に記載の無火炎蒸気噴射ガスタービンの動作方法。
38. 更に、当該の蒸気発生器で生成された蒸気の一部を、タービンの出力パワーを増加させるために、タービンに供給することを有する請求項３３から３５までのいずれか一つに記載の無火炎蒸気噴射ガスタービンの動作方法。
39. 実質上、明細書に図面を参照して記載されたとおりのガスタービン。
40. 実質上、明細書に図面を参照して記載されたとおりの無火炎蒸気噴射ガスタービン。
41. 実質上、明細書に図面を参照して記載されたとおりのガスタービンの動作方法。
42. 実質上、明細書に図面を参照して記載されたとおりの無火炎蒸気噴射ガスタービンの動作方法。

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