JP5555724B2

JP5555724B2 - 発電システム

Info

Publication number: JP5555724B2
Application number: JP2012002659A
Authority: JP
Inventors: ジョン・チャールズ・インタイル
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-01-14
Filing date: 2012-01-11
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2032-01-11
Also published as: FR2970511A1; DE102012100273A1; US8322141B2; CN102588110B; JP2012149639A; CN102588110A; US20120180499A1; FR2970511B1

Description

本明細書に開示した主題は、早期段からの燃料噴射と共に排気ガス再循環をする能力を備えたガスタービンエンジンに関する。

通常運転中に、複合サイクルガスタービン発電プラントは、燃焼プロセスの一部として多量の窒素酸化物（ＮＯｘ）及びＣＯ₂を発生する。近年では、エミッション、特にＮＯｘの低減が、米国環境保護局のような公的な連邦規制当局によってますます注目されている。従って、そのような望ましくないエミッションを低減及び／又は排除することに、大きな資源が投入されている。炭化水素燃料、特に液体燃料の燃焼において、燃焼器に供給された空気並びに燃料自体内の窒素化合物（ピリジンのような）により生じた窒素酸化物が、大気に放出する前にその量を減少させるか又は排除しなければならない汚染物質を形成する。

米国特許第７６０３８６３号明細書

本発明の１つの態様によると、発電システムを提供し、本発電システムは、吸入周囲空気を加圧してその圧力を増大させる圧縮機と、圧縮機の下流に配置されかつ第一段及び該第一段の下流に配置された付加段を有するタービンとを含み、第一段は、燃焼器を構造的に組入れており、燃焼器は、その中で加圧周囲空気を燃料と混合しかつその混合気を燃焼させて高温排気ガスを発生させ、第一及び付加段において該高温排気ガスから機械的エネルギーを引き出させる。

本発明の別の態様によると、発電システムを提供し、本発電システムは、周囲空気を加圧する圧縮機と、圧縮機の下流に配置されかつ第一段及び該第一段の下流に配置された付加段を有するタービンとを含み、第一段は、燃焼器を構造的に組入れており、燃焼器は、その中で加圧周囲空気及び燃料を混合しかつ燃焼させて高温排気ガスを発生させ、第一及び付加段において該高温排気ガスから機械的エネルギーを引き出させ、また本発電システムはさらに、タービンの下流に配置されて排気ガスを受ける排気ガス再循環（ＥＧＲ）システムを含み、ＥＧＲシステムは、排気ガスを加圧するＥＧＲ圧縮機と、加圧排気ガスを第一及び付加段においてタービンに供給する導管とを有する。

本発明のさらに別の態様によると、タービンを提供し、本タービンは、それらに供給される高エネルギー流体から機械的エネルギーを引き出す第一段及び該第一段の下流に配置された付加段と、第一段内に構造的に組入れられた燃焼器とを含み、燃焼器は、第一段ノズルの上流に延びる環状又は缶−アニュラ形燃焼ゾーンを形成した燃焼器ライナを含む。

これらの及びその他の利点並びに特徴は、図面と関連させて行った以下の説明から一層明らかになるであろう。

本発明と見なされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲において具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の前述の及びその他の特徴並びに利点は、添付図面と関連させて行った以下の説明から明らかである。

発電システムを示す概略図。図１の発電システムのタービンの第一段の斜視図。図２の第一段の概略図。

詳細な説明では、図面を参照しながら実施例によって、本発明の実施形態をその利点及び特徴と共に説明する。

図１を参照すると、発電システム１０を示しており、発電システム１０は、空気圧縮機３０と、タービン３８と、排気ガス再循環（ＥＧＲ）システム４０とを含む。ＥＧＲシステム４０は、タービン３８の下流に配置されかつＥＧＲ圧縮機４１を含む。周囲空気が空気圧縮機３０に流入し、空気圧縮機３０は周囲空気を加圧し、加圧周囲空気は次に大幅に高い圧力（及び僅かに上昇した温度）でフィードライン３１を通ってタービン３８内に流れる。タービン３８は、空気圧縮機３０の下流に配置されかつ第一段３８１と該第一段３８１の下流に配置された２以上の付加段３８２とを有する。第一段３８１は、燃焼器を構造的に組入れている。この燃焼器内で、加圧周囲空気は燃料Ｆと混合され、かつ空気及び燃料の混合気は燃焼されて高温排気ガスを発生し、第一及び付加段３８１、３８２において高温排気ガスから機械的エネルギーが引き出される。

燃料Ｆは、天然ガスのような炭化水素燃料成分を含み、これら燃料成分は、加圧周囲空気を混合されかつ燃焼されると、タービン３８における主作動流体としての働きをする高温排気ガスを発生させることができる。タービン３８は次に、空気圧縮機３０及びＥＧＲ圧縮機４１を駆動する。燃料が少なくとも部分的に消費されると、ほぼゼロレベルのＯ₂を含みかつ以下で説明する理由によりＥＧＲ排気と呼ぶことができる高温排気ガスが、フィードライン３９を介してタービン３８から排出される。

発電システム１０はさらに、熱交換器５０を含むことができる。フィードライン３９は、ＥＧＲ排気を熱交換器５０に導き、それによって付加的な発電のためにＥＧＲ排気から熱を除去しかつＥＧＲ排気を冷却させる。この比較的低温ＥＧＲ排気は次に、ＥＧＲ排気ガスを再循環ストリームとして大幅に高い圧力に加圧するＥＧＲ圧縮機４１に導かれる。一次導管４８１は、タービン３８の第一段３８１にＥＧＲ圧縮機４１の高圧段から加圧ＥＧＲ排気を供給する。二次導管４８２、４７及び４６は、タービン３８の付加段３８２にＥＧＲ圧縮機４１の中圧から低圧段の加圧ＥＧＲ排気を供給する。加えて、発電システム１０はさらに、発電プラントブリードシステムに送給するための加圧周囲空気を供給する導管３５を含むことができる。加圧空気の量は、発電プラント要件及びＥＧＲＯ₂濃度要件に基づいて変化させることができる。

図２及び図３を参照すると、タービン３８の第一段３８１は、燃焼器６０を含む。燃焼器６０は、その中で加圧周囲空気及び燃料Ｆの燃焼が発生する燃焼ゾーン６２を形成するように構成された環状燃焼器ライナ６１を含む。環状燃焼器ライナ６１はさらに、冷却孔６３を形成するように構成することができ、冷却孔６３は、一次導管４８１によって送給されるものとして高圧加圧排気ガスの少なくとも一部分を送給することができる。高圧加圧排気ガスの別の部分は、噴散、希釈及び／又はフィルム冷却プロセスによりさらに環状燃焼器ライナ６１を冷却するために使用することができる。

燃焼器６０はさらに、その各々が第１及び第２の半径方向スポーク６４１、６４２を介して送給される第一段ノズル６４の環状又は缶−アニュラ形構成を含む。第１の半径方向スポーク６４１は、第１の外部プレナム７０からノズル６４に向けて半径方向内向きに延びて燃焼器６０に燃料Ｆを供給する。第１の外部プレナム７０は、ほぼ卵形断面を有する第１の環状マニホルド７１を含むことができる。第２の半径方向スポーク６４２は、第２の外部プレナム８０からノズル６４に向けて半径方向内向きに延びて空気圧縮機３０から燃焼器６０に加圧周囲空気を供給する。第２の外部プレナム８０は、ほぼ卵形断面を有する第２の環状マニホルド８１を含むことができる。

環状燃焼器ライナ６１は、中心長手方向軸線の周りで円周方向にかつ第一段ノズル６４から上流方向に延びる。環状燃焼器ライナ６１は、上流端部に環状ドーム形端部部分６１１を含む。従って、混合ゾーン及び燃焼ゾーン６２は各々、第一段ノズルの上流に位置する環状領域として形成される。燃焼ゾーン６２に点火プラグのような複数の燃焼開始装置を設けて、燃焼器ゾーン内に選択的に燃焼を開始させることができる。

図２及び図３に示すように、加圧周囲空気及び燃料Ｆは、第一段ノズル６４の僅かに上流で互いに混合されかつその混合の間に環状ドーム形端部部分６１１に向けて上流方向に流れる。燃焼が発生すると、反対方向の流体流れが第一段ノズル６４を通って流れる。第一段ノズル６４は、傾斜させるか又はそれとは別に翼形形状部を設けて、流体が第一段ノズル６４からタービンブレードに向けて軸方向かつ円周方向に流れるようにすることができる。

限られた数の実施形態に関してのみ本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応するあらゆる数の変形、変更、置換え又は均等な構成を組込むように改良することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって限定されるものと見なすべきではなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。

１０発電システム
３０空気圧縮機
３１フィードライン
３５導管
３８タービン
３８１第一段
３８２付加段
３９フィードライン
４０ＥＧＲシステム
４１ＥＧＲ圧縮機
４８１一次導管
４８２、４７、４６二次導管
５０熱交換器
６０燃焼器
６１ライナ
６１１ドーム形端部部分
６２燃焼ゾーン
６３冷却孔
６４第一段ノズル
６４１第１の半径方向スポーク
６４２第２の半径方向スポーク
７０第１の外部プレナム
７１第１の環状マニホルド
８０第２の外部プレナム
８１第２の環状マニホルド

Claims

吸入周囲空気を加圧してその圧力を増大させる圧縮機（３０）と、
前記圧縮機（３０）の下流に配置されかつ第一段（３８１）及び該第一段（３８１）の下流に配置された付加段（３８２）を有するタービン（３８）と、
を備え、
前記第一段（３８１）が燃焼器（６０）を構造的に組み込んでいて、前記燃焼器（６０）が、その中で前記加圧周囲空気を燃料と混合しかつその混合気を燃焼させて高温排気ガスを発生させ、前記第一及び付加段（３８１、３８２）において該高温排気ガスから機械的エネルギーを引き出し、
前記燃焼器（６０）は、環状燃焼器ライナ（６１）の上流端部に環状ドーム形端部部分（６１１）を有し、第一段ノズルの上流に環状領域として混合ゾーン及び燃焼ゾーン（６２）を形成する、環状燃焼器ライナ（６１）を備える、
発電システム（１０）。
前記付加段が２以上の付加段（３８２）を含む、請求項１に記載の発電システム（１０）。
前記タービン（３８）の下流に配置されて、前記排気ガスを受けかつ該排気ガスを前記第一及び付加段（３８１、３８２）において前記タービン（３８）に供給する排気ガス再循環（ＥＧＲ）システム（４０）をさらに含む、請求項１に記載の発電システム（１０）。
前記タービン（３８）の下流に位置して、前記排気ガスを受け取り、前記第一段（３８１）及び前記付加段（３８２）で前記タービン（３８）に前記排気ガスを供給する排気ガス再循環（ＥＧＲ）システム（４０）をさらに備え、
前記ＥＧＲシステム（４０）が、前記排気ガスを加圧するＥＧＲ圧縮機（４１）を含む、
請求項１に記載の発電システム（１０）。
前記ＥＧＲシステム（４０）が、高圧加圧排気ガスを前記ＥＧＲ圧縮機（４１）の高圧段から前記第一段（３８１）に供給する一次導管（４８１）をさらに含む、請求項４に記載の発電システム（１０）。
前記ＥＧＲシステム（４０）が、中圧及び低圧加圧排気ガスを前記ＥＧＲ圧縮機（４１）の中圧及び低圧段から前記付加段（３８２）に供給する二次導管（４８２、４７、４６）をさらに含む、請求項４に記載の発電システム（１０）。
前記タービン（３８）が、前記燃料を前記燃焼器（６０）に供給する第１の外部プレナム（７０）を含む、請求項１に記載の発電システム（１０）。
前記第１の外部プレナム（７０）が、前記第一段（３８１）のノズル（６４）に流体結合された第１の環状マニホルド（７１）を含む、請求項７に記載の発電システム（１０）。
前記タービン（３８）が、前記加圧周囲空気を前記燃焼器（６０）に供給する第２の外部プレナム（８０）を含む、請求項１に記載の発電システム（１０）。
前記第２の外部プレナム（８０）が、前記第一段（３８１）のノズル（６４）に流体結合された第２の環状マニホルド（８１）を含む、請求項９に記載の発電システム（１０）。