JP2017187031A - 還元剤気化のためのガスタービン加熱流体の使用 - Google Patents
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Abstract
【課題】ガスタービンシステムの還元剤気化システムに熱を提供するシステムおよび方法を提供する。【解決手段】システム10は、燃料を燃焼させて動力および排気ガスを生成できるガスタービンエンジン12と、ガスタービンエンジン12と流体連通しておりガスタービンエンジン12から排気ガスを受容し得る排気ガス経路と、排気ガス経路に流体結合された還元剤スキッドと、を含む。還元剤スキッドは、排気ガス経路に還元剤を供給できる噴射システム74を含む。システム10は、排気ガス経路とは別個でありかつガスタービンエンジン12と還元剤スキッドを流体結合する、流れ経路も含む。第1の流れ経路は、還元剤の気化を補助するために、還元剤スキッドに第1の加熱された流体を供給し得る。【選択図】図1
Description
本明細書において開示される主題はタービンシステムに関し、より詳細には、ガスタービンシステムの還元剤気化システムに熱を提供するシステムおよび方法に関する。
ガスタービンシステムは、通常、圧縮器、燃焼器、およびタービンを有する、少なくとも1つのガスタービンエンジンを含む。燃焼器は、燃料と圧縮空気の混合物を燃焼させて高温の燃焼ガスを生成するように構成され、この燃焼ガスが次いで、タービンのブレードを駆動する。ガスタービンエンジンによって生み出される排気ガスは、窒素酸化物(NOX)、硫黄酸化物(SOX)、酸化炭素(COX)、および未燃炭化水素などの、特定の副産物を含む場合がある。そのようなガスタービンシステムと関連付けられた特定の処置システムは、排気ガス中のそのような副産物の量を、その排気ガスをシステムから放出する前に除去または実質的に低減するように機能し得る。
当初の特許請求に係る発明に範囲が相応する特定の実施形態を、以下に概説する。これらの実施形態は、特許請求に係る発明の範囲を限定することを意図しておらず、むしろこれらの実施形態は、本発明の可能な形態の簡潔な要約を提供することを意図しているに過ぎない。実際には、本発明は、以下に提示される実施形態と同様であるかまたはこれらとは異なる場合のある様々な形態を包含し得る。
第1の実施形態では、システムは、燃料を燃焼させて動力および排気ガスを生成できるガスタービンエンジンと、ガスタービンエンジンと流体連通しておりガスタービンエンジンから排気ガスを受容し得る排気ガス経路と、排気ガス経路に流体結合された還元剤スキッドと、を含む。還元剤スキッドは、排気ガス経路に還元剤を供給できる噴射システムを含む。システムは、排気ガス経路とは別個でありかつガスタービンエンジンと還元剤スキッドを流体結合する、流れ経路も含む。第1の流れ経路は、還元剤の気化を補助するために、還元剤スキッドに第1の加熱された流体を供給し得る。
第2の実施形態では、システムは、燃料を燃焼させて排気ガスを生成できるガスタービンエンジンと、ガスタービンエンジンから排気ガスを受容し得る排気ガス経路と、排気ガス経路に流体結合された還元剤スキッドと、を含む。還元剤スキッドは、還元薬を気化させることのできる加熱システム、および排気ガス経路に気化した還元薬を供給できる噴射システムを含む。システムは、排気ガス経路とは別個でありかつガスタービンエンジンの第1の部分と還元剤スキッドを流体結合する、第1の流れ経路も含む。第1の流れ経路は、還元剤スキッド、ならびに排気ガス経路および第1の流れ経路とは別個の第2の流れ経路に、第1の加熱された流体を供給し得る。第2の流れ経路は、ガスタービンエンジンの第2の部分におよび還元剤スキッドに流体結合され、また第2の流れ経路は、還元剤スキッドに第2の加熱された流体を供給し得る。
第3の実施形態では、方法は、ガスタービンエンジンの第1の部分から、第1の部分を還元剤スキッドに流体結合する第1の流れ経路を通して、第1の流体を流すことを含む。還元剤スキッドは、ガスタービンエンジン内で生成された排気ガスを受容できる排気ガス経路に、流体結合される。方法は、第1の流体を用いて還元剤スキッドを加熱すること、ガスタービンエンジンの第2の部分を還元剤スキッドに流体結合する第2の流れ経路を通して第2の流体を流して第1の流体を補完または置換すること、および第2の流体を用いて還元剤スキッド内の還元剤を気化することも含む。
本発明のこれらのおよび他の特徴、態様、および利点は、図面全体を通して同様の文字が同様の部分を表す添付の図面を参照して、続く詳細な説明を読むとき、よりよく理解されるであろう。
本発明の1つまたは複数の特定の実施形態を、以下に記載する。これらの実施形態の簡潔な説明を提供するための取り組みにおいて、実際の実装形態の全ての特徴が明細書内に記載されている訳ではない場合がある。任意のそのような実際の実装形態の開発において、任意のエンジニアリングまたは設計プロジェクトにおけるように、システム関連および事業関連の制約の遵守などの、実装形態によって変わり得る開発者の特定の目標を達成するために、実装形態に特定の多数の決定を行わねばならないことを諒解されたい。さらに、そのような開発の取り組みは、複雑で時間のかかるものであり得るが、にも関わらず、本開示の利益にあずかる当業者にとっては、設計、製作、および製造の所定の作業であろうことを諒解されたい。
本発明の様々な実施形態の要素を導入するときに、冠詞の「a(1つの)」、「an(1つの)」、「the(その、前記)」、および「said(前記)」は、それらの要素が1つまたは複数存在することを意味することを意図している。「備える」、「含む」、および「有する」という用語は、包括的であることを意図しており、列挙された要素以外の追加の要素が存在し得ることを意味する。
本開示は一般に、還元剤気化システム(たとえばアンモニア噴射システム)を圧縮器排出流れ経路と統合する、およびガスタービンエンジン内で生成される排気ガス流の選択的触媒還元のために用いられる還元剤を気化するための技法を対象とする。たとえば、ガスタービンシステム内で、1つまたは複数のガスタービンエンジンが、燃料/酸化剤混合物を燃焼させて、複数のブレードを各々有する1つまたは複数のタービン段を駆動するための燃焼ガスを生み出すことができる。燃焼される燃料の種類ならびに様々な燃焼パラメータなど、いくつかの要因に応じて、燃焼工程の結果生じる燃焼生成物は、窒素酸化物(NOX)、硫黄酸化物(SOX)、酸化炭素(COX)、および未燃炭化水素を含む場合がある。触媒システムの特定の種類のものは、これらの成分のレベルを、ガスタービン発電プラントなどのガスタービンシステムから排気ガスが出る前に低減するように機能し得る。ガスタービンシステムの効率的な動作も維持しつつ、そのような低減を行うことが望ましい場合がある。
排気ガス流中のNOXを除去またはその量を低減するための1つの技法は、選択的触媒還元(SCR)によるものである。SCR工程では、排気ガス流中にアンモニア(NH3)などの試薬(たとえば還元剤)が噴射され、これが触媒の存在下で排気ガス中のNOXと反応して、窒素(N2)および水(H2O)を生み出す。この工程を促進するために、還元剤噴射システムを用いて、試薬を加熱し、気化し、排気ガス流中に噴射することができる。排気ガス流中に噴射する前に試薬を気化することにより、排気ガス流と試薬の混合を促進することができ、同時に排気ガス流と還元剤との間の温度差を低減することもできる。ガスタービンシステムの起動中、還元剤噴射システムは、周囲温度以下であってよい。この場合、試薬は気化後、還元剤噴射システムが試薬の凝結を阻止するのに好適な温度になるまで、気化システム内で凝結し得る。これに応じて、気化システムを加熱するために、電気加熱器が一般に用いられる。
特定のガスタービンシステム、特に過酷な使用に耐える大型フレームのガスタービンエンジン(たとえば、航空機転用型以外のガスタービンエンジンなどの、50メガワット(mW)を超えるメガワット範囲を有するガスタービンエンジン)を有するシステムでは、これらの加熱器により、ガスタービンシステムの全体的な動作および製造コストが高くなる可能性がある。たとえば、ガスタービンエンジンのサイズに応じて、ガスタービンシステムは、還元剤噴射システムに十分な熱を提供するようなサイズとされた1つまたは複数の加熱器を含み得る。これらの加熱器は還元剤噴射システムを加熱するための温度要件に対応できるように、比較的大きくてもよい。たとえば、還元剤噴射システムを加熱するために用いられる加熱器は、約750キロワット(kW)から1メガワット(mW)の電力出力を有し得る。
加熱器を動作させるために必要な電気を提供する結果、ガスタービンシステムの効率を低下させ得る望ましくない寄生損失が生じる可能性がある。たとえば、加熱器は結果的に、約500kWから約750kWの間の寄生損失をもたらし得る。したがって、望ましくない寄生損失を結果的にもたらすことがなく、同時に効率的かつ効果的に還元剤噴射システムを加熱し、このことによりガスタービンシステムの起動中の還元剤噴射システム内の試薬の凝結を阻止する、他の熱源を用いることが望ましい場合がある。
本発明によれば、ガスタービンシステム内で生成される1つまたは複数の流体流を用いて、還元剤噴射システムを加熱することができる。ガスタービンシステムの起動および定常状態の動作中に、1つまたは複数の流体流を用いて、還元剤噴射システムを加熱しSCRの上流の試薬を気化することができる。還元剤噴射システムは、気化システム内の流体流の流れおよび温度を調整するための、1つまたは複数の流れ制御システムを含み得る。還元剤噴射システムは、流体流の圧力および/もしくは温度、還元剤、またはこれらの組み合わせに基づいて流れ制御システムの様々な構成要素(たとえば弁、ポンプ、等)を制御する制御システムに信号を送信する、センサを含み得る。
ここで、ガスタービンエンジンからの流体流が、加熱器の使用を軽減または排除するために還元剤噴射システム内の流体を加熱するのに好適な温度であってよく、このことにより、大型の加熱器を用いるガスタービンシステムと比較してガスタービンシステムのエネルギー要件を大きくすることなく熱を提供することが認識される。すなわち、流体流が、ガスタービンシステムの動作の一部として既に加熱されているため、流体流が還元剤噴射システムに「自由な」熱を提供する。したがって、還元剤噴射システムを加熱するおよび/または特定のガスタービンシステム中の試薬を気化するために一般に用いられる大型の加熱器を、ガスタービンエンジン内で生成された高温の流体(たとえば圧縮器排出空気、排気ガス、等)で置き換えることができる。結果として、大型の加熱器の使用と一般に関連付けられる、ガスタービンシステムの寄生損失ならびに動作および製造コストを低減することができる。
以下でさらに詳細に検討するように、本開示の実施形態は、過酷な使用に耐える単純サイクルのガスタービンシステムなどの、排気ガス流を処置するために用いられる試薬を気化するためにガスタービンエンジンから1つまたは複数の流体流を受容するように、およびガスタービンシステムの起動中の還元剤噴射システム内の試薬の凝結を緩和するように構成された還元剤噴射システムを有する、ガスタービンシステムを含む。還元剤噴射システムを、タービンの(たとえば排気ガスの流れに対して)下流であるがSCRシステムの上流に配設することができる。たとえば、還元剤噴射システムは、ガスタービンエンジンシステムの排気ダクト内に配設された、加熱特徴部および空気噴射特徴部を含み得る。還元剤噴射システムは、還元剤噴射システムがガスタービンエンジンから1つまたは複数の流体を受容できるように、ガスタービンエンジンの様々な部分と流体連通していてよい。還元剤噴射システムをガスタービンエンジンの1つまたは複数の部分と流体結合することにより、還元剤噴射システムが、大型の電気加熱器を用いるのではなく、ガスタービンエンジン内で生成された加熱された流体を用いて、試薬を気化することおよびガスタービンシステムの起動中の試薬の凝結を緩和することが可能になり得る。したがって、特定のガスタービンシステム内での大型の電気加熱器の使用の結果生じる寄生損失の低減に部分的に起因して、ガスタービンシステムの効率を高めることができる。本明細書で開示されている技法は、過酷な使用に耐える単純サイクルのガスタービンシステムにおいて特に有用であり得るが、本実施形態を、たとえば組み合わされたサイクルのガスタービンシステムを含む、任意の好適に構成されたシステムにおいて実装できることが理解されるべきである。
前述の内容を念頭に置いた上で、図1は、ガスタービンエンジン12および排気処理システム14およびを含む、例としてのタービンシステム10の概略図である。特定の実施形態では、タービンシステム10は、発電システムの全部または一部であってよい。ガスタービンシステム10は、ガスタービンシステム10を動作させるために、天然ガスおよび/または水素リッチ合成ガスなどの、液体燃料または気体燃料を用いることができる。
示されるように、ガスタービンエンジン12は、空気取込部16、圧縮器18、燃焼器部分20、およびタービン22を含む。タービン22を、シャフト24を介して圧縮器18に駆動式に結合することができる。動作中、空気取込部16を通ってタービンエンジン12に空気(矢印26で示す)が入り、圧縮器18内で加圧される。空気26を、1つまたは複数の空気源28(たとえば、限定するものではないが周囲空気)によって提供することができる。特定の実施形態では、空気26は、圧縮器18と空気源28との間に配設されたフィルタおよび/または消音器を通って流れることができる。圧縮器18は、シャフト24に結合された複数の圧縮器段を含み得る。圧縮器18の各段は、複数の圧縮器ブレードを有するホイールを含む。シャフト24の回転により圧縮器ブレードの回転が引き起こされ、この回転により圧縮器18内に空気が引き込まれ、空気26が圧縮されて圧縮された空気30が生み出され、このほとんどが燃焼器部分20に導かれる。
燃焼器部分20は、1つまたは複数の燃焼器を含み得る。1つの実施形態では、複数の燃焼器を、シャフト24の周囲の概ね円形またはリング状の構成における周縁位置に配設することができる。圧縮された空気30が圧縮器18から出て燃焼器部分20に入る際に、燃焼器内で燃焼させるために、圧縮された空気30を、燃料32と混合することができる。たとえば、燃焼器部分20は、燃焼器内に燃料−空気混合物を、最適な燃焼、排出物、燃料消費、出力などにとって好適な比率で噴射できる、1つまたは複数の燃料ノズルを含み得る。空気30および燃料32の燃焼により、高温の加圧された排気ガス36(たとえば燃焼ガス)が生成される場合があり、次いでこれを利用して、タービン22内の1つまたは複数のタービンブレードを駆動することができる。動作中、タービン22に入りこれを通って流れる燃焼ガスは、タービンブレードに対向してこれらの間を流れ、このことによりタービンブレードおよびしたがってシャフト24が駆動されて回転し、この結果、発電所における発電機などの負荷が駆動される。上で検討したように、シャフト24の回転はまた、圧縮器18内のブレードに、取込口16によって受容された空気の引き込みおよび加圧も行わせる。
タービン22を通って流れる燃焼ガスは、排気ガス42の気流としてタービン22の下流端40から出ることができる。排気ガス流42は、排気処理システム14に向かう下流方向46に流れ続けることができる。たとえば、タービン22の下流端40を、排気処理システム14に、および特に移行ダクト50に、流体結合してよい。特定の実施形態では、排気処理システム14は、移行ダクト50の上流に、排気拡散器を含み得る。
上で検討したように、燃焼工程の結果として、排気ガス流42は、窒素酸化物(NOX)、硫黄酸化物(SOX)、酸化炭素(COX)、および未燃炭化水素などの、特定の副産物を含む場合がある。排気ガス流がシステム10から出る前にそのような副産物の濃度を低減または実質的に最小化するために、排気処理システム14を採用することができる。上述したように、排気ガス流中のNOXを除去またはその量を低減するための1つの技法は、選択的触媒還元(SCR)工程を用いることを含む。たとえば、排気ガス流42からNOXを除去するためのSCR工程では、排気ガス流中にアンモニア(NH3)が噴射され、これが触媒の存在下でNOXと反応して、窒素(N2)および水(H2O)を生み出す。
このSCR工程の有効性は、処理される排気ガスの温度に少なくとも部分的に依存する。たとえば、NOXを除去するためのSCR工程は、華氏約500から900度(°F)(たとえば摂氏約260から482度(℃))の温度において特に効果的であり得る。しかしながら、特定の実施形態では、タービン22から出て移行ダクト50に入る排気ガス流42は、約1000から1500°F(たとえば約538から816℃)、またはより詳細には1100から1200°F(たとえば約593から649℃)の温度を有し得る。したがって、NOX除去のためのSCR工程の有効性を高めるために、排気処理システム14は、移行ダクト50内の排気ガス流42中に冷却空気を噴射することによって排気ガス流42冷却することができ、このことにより、冷却された排気ガス流52を生成する。たとえば、1つの実施形態では、移行ダクト50は、矢印56によって示すように、空気源28から空気を受容することができる。空気源28は、空気の冷却を促進して移行ダクト50に供給される冷却空気56を生成するために、1つまたは複数の空気ブロワ、圧縮器(たとえば圧縮器18)、熱交換器、またはこれらの組み合わせを含み得る。諒解されるであろうが、「冷却」という用語は、空気流58について記載するために用いられるとき、タービン22から出る排気ガス流42に対して、空気58の方が温度が低いことを意味するものと理解すべきである。ガス流42から除去される要素および/または採用される触媒に応じて、効果的な温度が変動し得ることが理解されるべきである。
さらに図1を参照すると、冷却された排気ガス流52は、引続き下流に(たとえば方向46に)流れて排気ダクト60内に入ることができ、ここにおいてアンモニア噴射グリッド(AIG)64が、冷却された排気ガス流52中に、還元剤68(たとえばアンモニア水(NH3))を噴射する。AIG64と関連付けられたアンモニア噴射システム65は、加熱システム70および噴射システム74を含むことができ、これらはそれぞれ、還元剤68を気化し、これを排気ダクト60内の冷却された排気ガス流52中に噴射する。1つの実施形態では、噴射システム74は、冷却された排気ガス流52中に還元剤68を噴射するためのAIG64を形成する開口部に最終的につながるパイプのネットワークにつながるか、またはそうでなければこれを含むことができる。以下でさらに詳細に検討するように、噴射システム74に流入する前に、還元剤68を、加熱システム70内で気化することができる。
上で検討したように、ガスタービンエンジンのAIGは、ガスタービンシステムの起動中に、周囲温度以下であってよい。したがって、アンモニア噴射システム65(たとえばアンモニアスキッド)を、還元剤68を気化する前に加熱して、気化後のAIG内での還元剤68の凝結を阻止することができる。特定のガスタービンシステムは、大型の電気加熱器(たとえば約750kWから1mWの電力出力を有する電気加熱器)を用いて、AIG全体にわたって熱を分散させることができ、このことにより、気化後の還元剤の凝結を阻止するのに好適な温度まで、AIGを加熱する。しかしながら、大型の電気加熱器の使用により、ガスタービンシステムの動作のためのエネルギー要件(たとえばガスタービンシステムは、大型の電気加熱器を動作させるための電力を提供する必要があり得る)、およびガスタービンシステムの寄生損失が大きくなる場合がある。排気パージおよび燃料(たとえば燃料32)の燃焼中にガスタービンエンジン内で生成された加熱された流体を用いて、AIGに熱エネルギーを提供できることが、今や認識されている。この場合、大型の電気加熱器を使用せずに、加熱された流体によりAIGを加熱することができ、また加熱された流体により、還元剤(たとえば還元剤68)の気化を促進することもできる。これに応じて、図1に例示するように、アンモニア噴射システム65は、圧縮器18からの圧縮器排出空気78、タービン22からの排気ガス流の一部80、矢印82によって示すような空気源28からの空気、およびこれらの組み合わせを受容し得る。
たとえばガスタービンシステム10の停止中に、排気ガス流42の少なくとも一部を、ガスタービンシステム10の1つまたは複数の部分の中に(たとえばタービン22、排気処理システム14、等の中に)留めることができる。したがって、ガスタービンシステム10の起動中に、ガスタービンシステム10内に留まっている前のサイクルからの排気ガス流42を、システム10からパージすることができる。ガスタービンシステム10からの排気ガスのパージ中、ガスタービンシステム10の構成要素は、アンモニア噴射システム65を加熱するのに好適な温度まで圧縮器排出空気の温度を高くし得る速度でスピンしていてよい。たとえば、特定の実施形態では、システム構成要素(たとえばシャフト24)のスピン速度は、ガスタービンシステム10の通常動作中のシステム構成要素のスピン速度の、約15%から約30%の間であってよい。圧縮器排出空気を、ガスタービンシステム10を通して循環させて、ガスタービンシステム10から排気ガス流42をパージすることができる。たとえば、圧縮器排出空気は、燃焼器20およびタービン22を通って流れて、ガスタービンエンジン12から排気ガス36をパージすることができる。この場合、排気ガス流42は、排気処理システム14を通って下流方向46に流れ、矢印92によって例示するように、スタック90を通ってガスタービンシステム10から出ることができる。
排気パージ中のシャフト24のスピン速度に部分的に起因して、圧縮器排出空気の温度は、約150°F(たとえば約66℃)超、たとえば、約150°Fから約300°F(たとえば約149℃)の間、約175°F(たとえば約79℃)から約275°F(たとえば約135℃)の間、および約200°F(たとえば約93℃)から約250°F(たとえば約121℃)の間まで、上がってよい。圧縮器排出空気の温度は、ガスタービンシステム10の起動中にアンモニア噴射システム65を加熱するのに好適であってよい。これに応じて、本実施形態は、矢印78によって例示するように、アンモニア噴射システム65に圧縮器排出空気を流すことを含む。たとえば、圧縮器18からの圧縮器排出空気78の少なくとも一部は、ガスタービンエンジン12の燃焼器20および/またはタービン22を迂回してアンモニア噴射システム65に流れることができ、このことにより、アンモニア噴射システム65内のシステム構成要素(たとえば、加熱システム70および噴射システム74)を加熱する。したがって、特定のガスタービンシステムにおいてアンモニア噴射システムを加熱するために一般に用いられる大型の電気加熱器を使用せずに、アンモニア噴射システム65を加熱することができる。特定の実施形態では、圧縮器排出空気78の他に、空気源28からの空気82を、アンモニア噴射システム65に導くことができる。たとえば、圧縮器排出空気78の温度が、アンモニア噴射システム65を加熱するのに望まれる閾値温度を超える実施形態において、空気82により、圧縮器排出空気78の温度を下げることができる。
さらに、ガスタービンシステム10の定常状態の動作中に、圧縮器排出空気78の少なくとも一部、排気ガス80の一部、空気82、およびこれらの組み合わせを用いて、アンモニア噴射システム65内の還元剤68を気化することができる。たとえば、上で検討したように、ガスタービンエンジン12は、圧縮された空気30と燃料32の混合物を燃焼させて、高温の排気ガス36を生成する。排気ガス36は、下流方向46に排気処理システム14へと流れる前に、タービン22内の1つまたは複数のタービンブレードを駆動する。1つの実施形態では、排気ガス80の一部は、排気処理システム14を迂回してアンモニア噴射システム65に流れることができる。アンモニア噴射システム65内にある間、排気ガス80は、還元剤68が排気ダクト60内の冷却された排気ガス流52中に噴射される前に、還元剤68を加熱し気化することができる。アンモニア噴射システム65への流入前、流入中、または流入後に、排気ガス80を、圧縮器排出空気78および/または空気82と混合することができる。上で検討したように、タービン22から出る排気ガスは、約1000から1500°F(たとえば約538℃から816℃)温度を有し得る。排気ガス80の温度は、還元剤68の気化のために望まれる温度閾値を超える場合がある。したがって、圧縮器排出空気78および/または空気82(たとえば周囲空気)を、排気ガス80と混合して、還元剤68の気化にとって好適な温度まで排気ガス80を冷却することができる。
例示した実施形態では、アンモニア噴射システム65は、アンモニア噴射システム65を通って流れる様々な流体の流れを調整するために用いることのできる、流れ制御システム100を含む。たとえば、流れ制御システム100は、限定するものではないが、弁、ポンプ、ファン、およびブロワなどの、流れデバイスを含むことができ、これらは、圧縮器排出空気78、排気ガス80、空気82、および/または還元剤68が、アンモニア噴射システム65を通って排気ダクト60内の冷却された排気ガス流52中へと流れることを可能にする。以下でさらに詳細に検討するように、制御システム104は、流れ制御システム100の動作を制御して、噴射システム74を通る様々な流体流の流れを調整し、流体流(たとえば、圧縮器排出空気78および排気ガス流80)の温度を制御することができる。
AIG64の下流において、SCRシステム106は、ハニカムまたは平板の構成などの任意の好適な幾何学形状を有する、サポートされた触媒システムを含み得る。SCRシステム106内で、還元剤68は、冷却された排気ガス52中のNOXと反応して、窒素(N2)および水(H2O)を生み出し、こうして、流れの矢印92によって示すようにスタック90を通ってガスタービンシステム10から出る前に、冷却された排気ガス52からNOXを除去する。スタック90は、いくつかの実施形態では、消音器またはマフラーを含み得る。非限定的な例として、排気処理システム14は、処理済みの排気ガス流86中のNOXの組成を約3ppm以下に低減するために、AIG64およびSCRシステム106を利用してよい。
本開示は、排気ガス流42、52からのNOXの処理および除去を対象とするいくつかの実施形態を記載するが、特定の実施形態は、一酸化炭素または未燃炭化水素などの他の燃焼副産物の除去を提供し得る。この場合、供給される触媒は、排気ガス流42、52から除去される成分に応じて異なり得る。加えて、本明細書において開示される実施形態が1つのSCRシステム106の使用に限定されず、複数のSCRシステム106、複数の触媒システム、なども含み得ることが理解されるべきである。
システム10からの排出物の制御を提供するために、システム10は、スタック90から出る処理済みの排気流(たとえば排気流86)の組成を連続的に監視する、連続排出物質監視(CEM)システム108も含み得る。CEMシステム108が、処理済みの排気流の組成がパラメータ(たとえば、温度、圧力、特定の燃焼生成物の濃度)の所定の組の中にないことを検出する場合、CEMシステム108は、ガスタービンエンジン12の制御システム104に通知を行うことができ、制御システム104はこの結果、特定の補正処置を行って、燃焼パラメータを調整すること、冷却空気56および/または還元剤68の流れを調整すること、SCRシステム106の動作を調整すること、などができる。加えてまたは別法として、ガスタービンシステム10の制御システム104は、システム10が生み出した処理済みの排気流が所定の要件内にある組成を有するかまたは有すると想定されるまで、動作パラメータを調整するように、保守を行うように、またはさもなければシステム10の動作を停止するように、システム10の操作者に通知する、などの機能を行うことができる。いくつかの実施形態では、CEMシステム108は、温度、冷却空気56の流量、SCRシステム106内に噴射される還元剤68(たとえばNH3)の量、等の調整などの、排気処理システム14に特定的に関連する補正処置を実施することもできる。
制御システム104(たとえば、電子的なおよび/またはプロセッサベースの制御装置)は、ガスタービンシステム10の動作を管理することができる。制御システム104は、ガスタービンシステム10の全体にわたってセンサ、制御弁、およびポンプ、または他の流れ調整特徴部と電子的に通信することによって、ガスタービンシステム10の動作を独立的に制御することができる。制御システム104は、分散型制御システム(DSC)、または完全にもしくは部分的に自動化された任意のコンピュータベースのワークステーションを含み得る。たとえば、制御システム104は、汎用または特定用途向けプロセッサを採用する任意のデバイスであってよく、これらはいずれも、とりわけ燃焼パラメータならびに還元剤加熱および気化パラメータなどの命令を保存するための、メモリ回路構成112を一般に含み得る。プロセッサは、1つまたは複数の処理デバイス(たとえばマイクロプロセッサ110)を含んでよく、メモリ回路構成112は、以下で検討するような図6〜図7の動作を行うおよび本明細書に記載の処置を制御するためにプロセッサが実行可能な命令をまとめて保存する、1つまたは複数の有形非一時的機械可読媒体を含んでよい。
1つの実施形態では、制御システム104は、流れ制御デバイス(たとえば、弁、ポンプ、等)を動作させて、異なるシステム構成要素間の量および/または流れを制御することができる。例示した実施形態では、制御システム104は、流れ制御システム100の動作を制御して、アンモニア噴射システム65を通る還元剤68、圧縮器排出空気78、排気ガス80、および/または空気82の流れを制御する。たとえば、ガスタービンシステム10の起動中に、制御システム104は、圧縮器18からアンモニア噴射システム65への圧縮器排出空気78の流れを制御してアンモニア噴射システム65の構成要素を加熱し、アンモニア噴射システム65がアンモニア噴射システム65内での還元剤68の凝結を阻止するのに好適な温度レベルになるまで、還元剤68の流れを阻止することができる。加えて、ガスタービンシステム10の定常状態の動作中に、制御システム104は、タービン22からアンモニア噴射システム65への排気ガス80の流れを制御して、還元剤68の加熱および気化を促進することができる。ガスタービンシステム10の定常状態の動作は、ガスタービンエンジン12が標的負荷に到達しており、ガスタービンエンジン12の動作パラメータが、ガスタービンエンジン12をこの標的負荷に維持するように制御される状態であり得る。特定の実施形態では、制御システム104は、タービンシステム10の1つまたは複数のセンサからの1つまたは複数の入力信号(たとえば1つまたは複数の入力信号138)を介して提供される情報を用いてメモリ112に収容された命令またはコードを実行することができ、また、ガスタービンシステム10内の流体の流れを制御するための、様々な流れ制御デバイス(たとえば流れ制御システム100)への1つまたは複数の出力信号(たとえば1つまたは複数の出力信号140)を生成することができる。たとえば、制御システム104は、還元剤68、圧縮器排出空気78、排気ガス80、および空気82を制御することができる。特定の実施形態では、制御システム104は、弁の動作を制御して、ガスタービンシステム10内の空気26、燃料32、冷却空気56、もしくは任意の他の流体の量を制御すること、またはこれらの流れを調整することもできる。
ここで図2を参照すると、アンモニア噴射システム65の図が例示されている。上で検討したように、アンモニア噴射システム65は、たとえばガスタービンシステム10の起動中に、還元剤68の気化を開始するため、ガスタービンエンジン12から加熱された流体を受容し得る。たとえば、例示した実施形態では、アンモニア噴射システム65は、圧縮器18から圧縮器排出空気78を受容する。システム10が起動モードで動作している実施形態では、アンモニア噴射システム65の構成要素を加熱するために用いることのできる、余分な圧縮された空気が存在し得る。例として、アンモニア噴射システム65は、アンモニア噴射システム65の様々な構成要素(たとえば加熱システム70)内への流体(たとえば圧縮器排出空気78、排気ガス80)の流れを可能にする、ガスタービンエンジン12に流体結合された1つまたは複数の導管を含み得る。たとえば、アンモニア噴射システム65は、1、2、3、4、5本、またはそれ以上の導管など、1から10本の間の導管を含み得る。ただし、アンモニア噴射システム65を通して加熱流体(たとえば、圧縮器排出空気78、排気ガス80、および空気82)を流すために、任意の好適な数の導管を用いてよい。例示した実施形態では、アンモニア噴射システム65は、圧縮器18から圧縮器排出空気78を受容できる、第1の導管116および第2の導管118を含む。したがって、特定の実施形態では、圧縮器18からアンモニア噴射システム65まで延在する経路に沿った圧縮器排出空気78の流れを、導管116、118(たとえば中間流れ経路)の間で分けることができる。他の実施形態では、圧縮器排出空気78は、第1の導管116または第2の導管118のいずれかを通って流れることができる。たとえば、第1の導管116が保守または修理のために利用できない場合、圧縮器排出空気78は、システム10が動作を継続できるように、第2の導管118を通って流れることができる。
いくつかの特徴部により、アンモニア噴射システム65内への加熱流体の流れを処置および/または制御することができる。例示した実施形態では、導管116、118は、圧縮器排出空気78から特定の成分(たとえば微粒子)を除去できる濾過ユニット120を各々含み得る。アンモニア噴射システム65を通る圧縮器排出空気78の流れを制御するために、流れ制御システム100を、導管116、118に沿って配置することができる。たとえば、流れ制御システム100は、アンモニア噴射システム65を通る圧縮器排出空気78の流れを制御する1つまたは複数の流れデバイスを含む。非限定的な例として、1つまたは複数の流れデバイスは、ブロワ、ポンプ、弁、またはアンモニア噴射システム65を通る圧縮器排出空気78もしくは他の加熱流体の流れを推進および/もしくは制御する任意の他の好適な流れデバイスを含み得る。これに応じて、例示した実施形態では、流れ制御システム100は、第1の導管116および第2の導管118の各々に沿って配置された、ブロワ126および弁128を含む。ブロワ126および弁128に加えて、流れ制御システム100は、圧縮器排出空気78(または他の加熱流体)の流体特性(たとえば温度および/または圧力)を監視するための、1つまたは複数のセンサ132も含み得る。センサ132は、圧縮器排出空気78の監視された流体特性を示す入力信号138を、制御システム104に送信できる。入力信号138に応答して、制御システム104は、ブロワ126および/または弁128に、導管116、118を通る圧縮器排出空気78または他の加熱流体の流れを調整するための、出力信号140を送信できる。
第1の流量計146ならびに追加のセンサ132(たとえば圧力および/または温度センサ)を、流れ制御システム100から加熱システム70まで延在する流れ経路150に沿って、流れ制御システム100の下流に配設することができる。たとえば、導管116、118の一方または両方を通って流れた後、圧縮器排出空気78は、流れ経路150を介して加熱システム70へと導かれる。第1の流量計146および追加のセンサ132は、流れ経路150に沿った圧縮器排出空気78の流体特性(たとえば流量、温度、および/または圧力)を測定し、1つまたは複数の入力信号138のうちの1つを、制御システムに送信することができる。制御システム104は、流量計146および/または追加のセンサ132からの入力信号138に応答して、1つまたは複数の出力信号140のうちの1つを第2の弁152に送信して、加熱システム70に供給される圧縮器排出空気78の量を制御することができる。たとえば、第1の流量計146または追加の温度センサ132によってそれぞれ測定される圧縮器排出空気78の流量および/または温度が所望の範囲外にある場合、制御システム104は、第1の弁128の調整に加えてまたはその代わりに、第2の弁152を調整して、加熱システム70に供給される圧縮器排出空気78の量を制御することができる。このようにして、圧縮器排出空気78を加熱システム70に導くことができ、このことにより、システム10の起動中に、加熱システム70、噴射システム74、還元剤68、およびSCR106を加熱する。この場合、アンモニア噴射システム65を加熱するために一般に用いられる電気加熱器を、システム10の動作中に加熱される流体(たとえば圧縮器排出空気78)で置き換えることができる。これに応じて、電気加熱器と関連付けられるエネルギー要件、および電気加熱器の使用の結果生じるシステム10の寄生損失を低減することができ、このことにより、システム構成要素を加熱するために電気加熱器を用いるシステムと比較して、システム10の全体効率が高められる。
システム10の定常状態の動作中、圧縮器排出空気78を用いて、アンモニア噴射システム65内の還元剤68を気化することもできる。たとえば、定常状態の動作中、還元剤タンク160は、還元剤導管162(還元剤給送経路を表している)を介して加熱システム70に提供される還元剤68の源として働く。還元剤導管162は、加熱システム70に導かれる還元剤68の量を制御するための、弁164、168を含み得る。加えてまたは別法として、還元剤導管162は、還元剤導管162を通る還元剤68の流れを促進するための、ポンプ170を含み得る。弁164、168、およびポンプ170は、制御システム104から、還元剤導管162に沿って配設された第2の流量計172の1つまたは複数の入力信号138のうちの1つに応答した、1つまたは複数の出力信号140を受信できる。たとえば、第2の流量計172が所望の範囲外にある還元剤68の流量を測定する場合、制御システム104は、弁164に加えてまたはこれの代わりに弁168を調整して、AIG64に供給される還元剤68の流量を調整することができる。
特定の実施形態では、制御システム104は、還元剤68を効果的かつ効率的に気化しSCRシステム106内に噴射するための、圧縮器排出空気78(または任意の他の加熱流体)に対する還元剤68の好適な比率が達成されるように、弁128、152、164、168、および/またはポンプ126、170を調整する。たとえば、特定の実施形態では、圧縮器排出空気78に対する還元剤68の比率は、1:1、1:2、1:3、1:5、2:1、2:5、3:1、または任意の他の好適な比率であってよい。
還元剤68を加熱し気化するために圧縮器排出空気78を用いることに加えて、本実施形態は、この目的のために排気ガス流80および/または空気82を用いることも含む。たとえば、図3は、システム10の定常状態の動作中に還元剤68を加熱するためにタービン22からの排気ガス流80を用いる、システム10の実施形態を例示している。図2において例示した実施形態と同様に、この実施形態では排気ガス給送経路および/または圧縮器排出空気給送経路として働く導管116、118を介して、排気ガス流80を、加熱システム70に導くことができる。特定の実施形態では、圧縮器排出空気78および排気ガス流80の両方を、加熱システム70に供給することができる。たとえば、圧縮器排出空気78は、第1の導管116を通って流れることができ、排気ガス流80は第2の導管118を通って流れることができ、または逆も成り立つ。特定の実施形態では、圧縮器排出空気78および排気ガス流80は、導管116、118の下流の流れ経路150において混合されてよい。他の実施形態では、圧縮器排出空気78および排気ガス流80は、各導管116、118が圧縮器排出空気78と排気ガス流80の混合物を流すように、導管116、118の上流で混合されてよい。
排気ガス流80を圧縮器排出空気78と混合することにより、排気ガス流80の温度を下げることができる。上で検討したように、還元剤68は、排気ガス流の温度に敏感であり得る。この場合、還元剤68がSCR工程にとって効果的でない温度にならない温度まで、排気ガス流80を冷却する必要がある場合がある。制御システム104は、排気ガス流80の温度に基づいて、アンモニア(たとえば還元剤68)の量に基づいて、およびその他に基づいて、排気ガス流80と混合される圧縮器排出空気78の量を制御することができる。たとえば、センサ132によって測定されるような排気ガス流80の温度が、所望の温度範囲を上回る場合、制御システム104は、それぞれの導管116、118の弁128を調整して、導管116、118を通って流れる圧縮器排出空気78の量を増やすことができる。圧縮器排出空気78を、流れ経路150内で排気ガス流80と混合することができ、このことにより、排気ガス流80が加熱システム70に流入する前に、排気ガス流80の温度が下がる。
他の実施形態では、圧縮器排出空気78および/または排気流80の温度を調整するために、空気流82を用いることができる。たとえば、図4は、アンモニア噴射システム65内の還元剤68を加熱するために、圧縮器排出空気78、排気ガス流80、または両方、および空気流82を用いる、システム10の実施形態を例示している。上で検討したように、排気ガス流80の温度は、所望の温度範囲を上回っている場合がある。システム10は、加熱システム70の上流で排気ガス流80の温度を調整するために、空気源28からの空気流82を用いることができる。空気流82は、導管116、118を通って流れ、流れ経路150内で排気ガス流80と混合され得る(たとえば、空気流82および排気ガス流80が別個の導管116、118を通って流れる実施形態の場合)。別法として、空気流82を、導管116、118が排気ガス流80と空気流82の混合物を各々流すように、アンモニア噴射システム65の上流で排気ガス流80と混合することができる。
加えてまたは別法として、空気流82を、圧縮器排出空気78と混合することができる。たとえば、流れ経路150内でまたはアンモニア噴射システム65の上流で排気ガス流80を冷却するために、圧縮器排出空気78と空気流82の混合物を、排気ガス流80と混合してよい。1つの実施形態では、圧縮器排出空気78と空気流82の混合物を、排気ガス流80と混合せずに加熱システム70に供給することができる。たとえば、排気ガス流80が導管116、118に導かれない実施形態の場合。圧縮器排出空気78と空気流82の混合物を、たとえばこの混合物が所望の温度範囲を下回る場合に加熱するための、熱交換器(たとえば熱交換器180)を、流れ経路150に沿って配置してよい。
たとえば、図5は、圧縮器排出空気78または圧縮器排出空気78と空気流82の混合物を加熱するために用いることのできる熱交換器180を含む、システム10の実施形態を例示している。特定の実施形態では、圧縮器排出空気78の温度が、アンモニア噴射システム65を加熱するおよび/または還元剤68を気化するために望まれる温度以内にない場合がある。たとえば、圧縮器排出空気78は、還元剤68の気化にとって好適な温度を上回っているかまたは下回っている場合がある。圧縮器排出空気78が所望の温度を上回る実施形態では、圧縮器排出空気78の温度を下げるために、空気流82を圧縮器排出空気78と混合することができる。空気流82により、圧縮器排出空気78の温度を、所望の温度を下回る温度まで下げることができる。これに応じて、熱交換器180を用いて、圧縮器排出空気78と空気流82の混合物の温度を、還元剤68を気化するのに好適な標的温度に調整することができる。同様に、圧縮器18から出る圧縮器排出空気78が所望の温度を下回る場合、熱交換器180により、圧縮器排出空気78の温度を、還元剤68の気化に関する標的温度まで上げることができる。
特定の実施形態では、熱交換器180は、多段熱交換器であってよい。多段熱交換器は、排気ガス流80の少なくとも一部を用いて、圧縮器排出空気78および/または圧縮器排出空気78と空気流82の混合物に、熱を提供することができる。他の実施形態では、熱交換器180は、小型の電気加熱器(たとえば、約100キロワット(kW)から1000kWの間の電力出力を有する加熱器)であってよい。特定の実施形態では、小型の電気加熱器は、通常のSCRシステム内の還元剤を気化するために用いられる大型の電気加熱器(たとえば、約750kMおよび約1mWの電力出力を有する加熱器)よりも、約50%から90%小さい。このようにして、特定のガスタービンシステムにおいて用いられる大型の電気加熱器を、ガスタービンシステム10内で生成される加熱された流体(たとえば圧縮器排出空気78および排気ガス流80)で少なくとも部分的に置き換えることができる。このようにして、気化システムの構成要素(たとえばアンモニア噴射グリッド(AIG))を加熱し還元剤を気化するために大型の電気加熱器を用いるガスタービンシステムと比較して、ガスタービンシステム10の寄生損失を低減することができる。
上記の様々な実施形態によれば、ガスタービンシステム10は、他のシステム(たとえば、システム構成要素を加熱するために大型の電気加熱器を用いるシステム)よりも効率的に動作し得る。図6は、ガスタービンシステム(たとえば上記のガスタービンシステム10)が、気化システム(たとえばアンモニア噴射システム65)の構成要素を加熱する、および/または排気ガス流(たとえば冷却された排気ガス流52)から燃焼副産物を除去するために用いられる還元剤(たとえば還元剤68)を気化することのできる、方法200のフロー図を例示している。方法200は、上で検討したような、システムの起動および排気パージを行うこと(ブロック204)、および圧縮器排出空気78をアンモニア噴射システム65に導くこと(ブロック206)を含む。
ガスタービンシステム10の起動中、ガスタービンシステム10の様々な構成要素は、周囲温度以下、または定常状態の動作を扱うのに不十分な温度である場合がある。したがって、ガスタービンシステム10の一部を加熱するのが望ましい場合がある。特に、還元剤68を加熱し気化するために用いられるアンモニア噴射システム65を加熱するのが、望ましい場合がある。アンモニア噴射システム65を加熱することにより、アンモニア噴射システム65内の還元剤68の、還元剤68が最初の気化を経た後の凝結を緩和することができる。排気パージ中に生成された圧縮器排出空気78は、アンモニア噴射システム65を加熱するのに好適な温度を有し得る。一般に、圧縮器排出空気78は廃棄される。しかしながら、圧縮器排出空気78をアンモニア噴射システム65に導くことにより、アンモニア噴射システム65内への周囲空気給送を加熱するために用いられる大型の電気加熱器(たとえば約750mWよりも大きい電力出力を有する加熱器)を必要とすることなく、圧縮器排出空気78によってアンモニア噴射システム65を加熱することができる。この場合、そのような大型の加熱器の使用と一般に関連付けられる寄生損失を低減することができ、このことにより、全体的な動作および製造コストが下がり、ガスタービンシステム10の効率が改善される。加えて、アンモニア噴射システム65を加熱するために圧縮器排出空気78を用いることにより、システム構成要素を加熱するために大型の電気加熱器を用いるシステムと比較して、システム起動と定常状態の動作との間の時間を短くすることができる。
方法200は、システムの起動および排気パージ中に圧縮器排出空気78を用いてアンモニア噴射システム65の加熱システム70内の還元剤68を加熱すること(ブロック208)、ならびに、ガスタービンシステム10が標的動作状態に達したら、実質的に圧縮器排出空気78のみを用いて加熱システム70内の還元剤68を加熱することから、別の加熱流体(たとえば排気ガス流80)を用いてまたは圧縮器排出空気78を補完および/もしくは置換して、加熱システム70内の還元剤68を加熱することへと移行すること(ブロック210)、も含む。たとえば、ガスタービンシステム10が定常状態の動作に到達すると、制御システム104は、タービン22からの排気ガス36の少なくとも一部80を、アンモニア噴射システム65の加熱システム70に導くことができる。排気ガス流80は、加熱システム70内の還元剤68を気化するのに十分な熱を提供し得る。冷却された排気ガス流52を処置するために用いられる還元剤68に応じて、排気ガス流80を、圧縮器排出空気78、空気流82、または両方と混合して、最終的に還元剤68を気化させることになる流体にとって望まれる温度を達成することができる。たとえば、圧縮器排出空気78および空気流82を用いて、冷却された排気ガス流52から燃焼副産物を除去するための還元剤68の全体的な有効性に影響を及ぼすことなく、排気ガス流80の温度を、還元剤68を気化するのに好適な標的温度まで下げることができる。制御システム104は、1つまたは複数の弁(たとえば弁128、152、164、168)を制御して、効果的な還元剤68の気化を達成し同時にSCR工程にとって十分な還元剤68の量を提供するように、還元剤68、排気ガス流80、ならびに調節流体(たとえば圧縮器排出空気78および/または空気流82)の比率を調整することができる。
上で検討したように、特定の実施形態では、ガスタービンシステム10は、アンモニア噴射システム65内に熱交換器180を含む。熱交換器180を用いて、加熱流体(たとえば圧縮器排出空気78)の温度を、アンモニア噴射システム65を加熱および還元剤68を気化するのに好適な標的温度まで上げることができる。図7は、ガスタービンシステム10が、熱交換器180を用いて圧縮器排出空気78でアンモニア噴射システム65を加熱し還元剤68を気化できる、方法220のフロー図を例示している。方法200と同様に、方法220は、システムの起動および排気パージを行うこと(ブロック204)、および圧縮器排出空気78をアンモニア噴射システム65に導くこと(ブロック206)を含む。
方法220は、熱交換器180を用いてアンモニア噴射システム65内の圧縮器排出空気78を加熱することも含む(ブロック224)。たとえば、特定の実施形態では、圧縮器排出空気78および/または周囲空気(たとえば空気流82)が、アンモニア噴射システム65を加熱するために望まれる温度ではない場合がある。これに応じて、熱交換器180を用いて、圧縮器排出空気78および/または空気流82の温度を、アンモニア噴射システム65を加熱するのに好適な温度まで上げることができる。周囲空気82は、同じ、または圧縮器排出空気78とは異なる経路内で温度上昇していてよい。他の実施形態では、圧縮器排出空気78は、所望の温度を上回っている場合がある。この特定の実施形態では、圧縮器排出空気78を空気流82と混合して、圧縮器排出空気78の温度を下げることができる。圧縮器排出空気78と空気流82の混合物は、所望の温度を下回っている場合がある。この場合、熱交換器180を用いて、圧縮器排出空気78と空気流82の混合物の温度を、アンモニア噴射システム65を加熱するために望まれる温度に調整することができる。
方法220は、図6を参照して上で検討したように、起動および排気パージ中に圧縮器排出空気78を用いてアンモニア噴射システム65の還元剤68を加熱すること(ブロック208)、ならびに、ガスタービンシステム10が標的動作状態に達したら、圧縮器排出空気78を用いて加熱システム70内の還元剤68を加熱することから、別の加熱流体(たとえば排気ガス流80)を用いて加熱システム70内の還元剤68を加熱することへと移行すること(ブロック210)、をさらに含む。
上で検討したように、本明細書に明記した様々な技法は、気化システムを加熱および還元剤を気化するために、加熱された流体(たとえば、圧縮器排出空気、排気ガス、空気、およびこれらの組み合わせ)を、ガスタービンシステムの気化システム(たとえばAIGシステム)に導くことを提供し得る。たとえば、開示される技法は、ガスタービンシステムの開始時の排気パージ中に生成される圧縮器排出空気を、気化システムに導くことを含む。圧縮器排出空気により、気化システムの様々な構成要素を加熱することができ、このことにより、気化システム内の還元剤の凝結が緩和される。圧縮器排出空気の温度を、周囲空気および/または気化システム内に配設された熱交換器を用いて調整することができる。加えて、本明細書において開示される技法は、ガスタービンエンジン内で生成された排気ガスを気化システムに導いて、還元剤を気化することを含む。たとえば、システムの起動後、ガスタービンシステムは、気化システムおよび還元剤を加熱するために、圧縮器排出空気を用いることから排気ガスを用いることへと移行してよい。排気ガスの温度を下げて、ガスタービンエンジンから出る排気ガスの温度により引き起こされ得る還元剤の有効性の低下を緩和するために、圧縮器排出空気および/または周囲空気などの調節流体を用いることができる。制御システムは、所望の加熱および還元剤の気化を達成するように、加熱流体(たとえば圧縮器排出空気および/または排気ガス)に対する還元剤の比率を調整することができる。このようにして、ガスタービンシステムは、大型の電気加熱器(たとえば750kWよりも大きい電力出力を有する加熱器)を使用せずに、気化システムを加熱し還元剤を気化することができる。これに応じて、大型の電気加熱器の使用と一般に関連付けられる寄生損失および長いシステムの起動時間を低減することができ、このことにより、大型の電気加熱器を用いるシステムと比較して、全体的な動作コストが下がり、ガスタービンシステムの効率が改善される。
この書面による説明は、最良の形態を含め、本発明の実施形態を開示するために、ならびにまた、任意のデバイスまたはシステムの製作および使用ならびに任意の組み込まれた方法の実行を含め、任意の当業者が本発明を実施できるようにするために、例を使用する。本発明の特許可能な範囲は特許請求の範囲によって規定され、当業者が想到する他の例を含み得る。そのような他の例は、これらが特許請求の範囲の文字通りの言語と異ならない構造要素を有する場合、またはこれらが特許請求の範囲の文字通りの言語とほとんど異ならない等価な構造要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内にあることが意図されている。
最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
[実施態様1]
燃料(32)を燃焼させて動力および排気ガス(36)を生成するように構成されたガスタービンエンジン(12)と、
ガスタービンエンジン(12)と流体連通しておりガスタービンエンジン(12)から排気ガス(36)を受容するように構成された排気ガス経路(42)と、
排気ガス経路(42)に流体結合された還元剤スキッド(65)であって、排気ガス経路(42)に還元剤(68)を供給するように構成された噴射システム(74)を備える、還元剤スキッド(65)と、
排気ガス経路(42)とは別個でありガスタービンエンジン(12)と還元剤スキッド(65)を流体結合する流れ経路(150)であって、第1の流れ経路が還元剤(68)の気化を補助するために還元剤スキッド(65)に第1の加熱された流体を供給するように構成される、流れ経路(150)と、
を備えるシステム(10)。
[実施態様2]
流体経路が圧縮器空気排出出口から還元剤スキッド(65)まで延在し、この結果、第1の加熱された流体がガスタービンエンジン(12)からの圧縮器排出空気(78)を含む、実施態様1記載のシステム(10)。
[実施態様3]
流体経路がガスタービンエンジン(12)の排気出口から還元剤スキッド(65)まで延在し、この結果、第1の加熱された流体がガスタービンエンジン(12)からの排気ガス(36)を含む、実施態様1記載のシステム(10)。
[実施態様4]
流れ経路(150)が、ガスタービンエンジン(12)の圧縮器部分および還元剤スキッド(65)内に配設された加熱システム(70)に流体結合し、加熱システム(70)が第1の加熱された流体および還元剤(68)の流れを受容するように、ならびに第1の加熱された流体と還元剤(68)との間で熱交換を引き起こして還元剤(68)を気化させるように構成される、実施態様1記載のシステム(10)。
[実施態様5]
流れ経路(150)が、ガスタービンエンジン(12)のタービン部分および還元剤スキッド(65)内に配設された加熱システム(70)に流体結合され、加熱システム(70)が第1の加熱された流体および還元剤(68)の流れを受容するように、ならびに第1の加熱された流体と還元剤(68)との間で熱交換を引き起こして還元剤(68)を気化するように構成される、実施態様1記載のシステム(10)。
[実施態様6]
ガスタービンエンジン(12)の起動中に、ガスタービンエンジン(12)の圧縮器部分から噴射システム(74)に至る第1の加熱された流体の流れを制御するための命令を有する1つまたは複数の有形非一時的機械可読媒体を備える制御システム(104)を備え、第1の加熱された流体が圧縮器排出空気(78)を含む、実施態様1記載のシステム(10)。
[実施態様7]
1つまたは複数の有形非一時的機械可読媒体が、ガスタービンエンジン(12)の定常状態の動作中に還元剤スキッド(65)に圧縮器排出空気(78)を流すことから還元剤スキッド(65)に第2の加熱された流体を流すことへと移行するための命令をさらに含む、実施態様6記載のシステム(10)。
[実施態様8]
第2の加熱された流体がガスタービンエンジン(12)内で生成された排気ガス(36)を含む、実施態様7記載のシステム(10)。
[実施態様9]
システム(10)が単純サイクルのシステムである、実施態様1記載のシステム(10)。
[実施態様10]
燃料(32)を燃焼させるようにおよび排気ガス(36)を生成するように構成されたガスタービンエンジン(12)と、
ガスタービンエンジン(12)から排気ガスを受容するように構成された排気ガス経路(42)と、
排気ガス経路(42)に流体結合された還元剤スキッド(65)であって、還元薬を気化するように構成された加熱システム(70)および排気ガス経路(42)に気化した還元薬を供給するように構成された噴射システム(74)を備える、還元剤スキッド(65)と、
排気ガス経路(42)とは別個でありガスタービンエンジン(12)の第1の部分と還元剤スキッド(65)を流体結合する第1の流れ経路であって、還元剤スキッド(65)に第1の加熱された流体を供給するように構成される、第1の流れ経路と、
排気ガス経路(42)および第1の流れ経路とは別個の第2の流れ経路であって、ガスタービンエンジン(12)の第2の部分および還元剤スキッド(65)に流体結合され、還元剤スキッド(65)に第2の加熱された流体を供給するように構成される、第2の流れ経路と、
を備えるシステム(10)。
[実施態様11]
第2の加熱された流体が、ガスタービンエンジン(12)からの排気ガス(36)の少なくとも一部を含む、実施態様10記載のシステム(10)。
[実施態様12]
還元剤スキッド(65)内に第1および第2の流れ経路に流体結合された第3の流れ経路に沿って配設された熱交換器(180)を備え、熱交換器(180)が第1の加熱された流体を加熱するように構成される、実施態様10記載のシステム(10)。
[実施態様13]
熱交換器(180)が約100キロワットおよび約1000キロワットの電力出力を有する電気加熱器を備える、実施態様12記載のシステム(10)。
[実施態様14]
第1の流れ経路が、ガスタービンエンジン(12)の第1の部分内に配設された圧縮器排出出口から還元剤スキッド(65)まで延在し、この結果、第1の加熱された流体が、圧縮器排出空気(78)または圧縮器排出空気(78)と周囲空気の混合物を含む、実施態様10記載のシステム(10)。
[実施態様15]
ガスタービンエンジン(12)の起動中に、ガスタービンエンジン(12)の第1の部分から還元剤スキッド(65)に、圧縮器排出空気(78)を含む第1の加熱された流体を供給するための命令、および
ガスタービンエンジン(12)の定常状態の動作中に、ガスタービンエンジン(12)の第2の部分から還元剤スキッド(65)に至る、排気ガスの一部を含む第2の加熱された流体で、第1の加熱された流体を補完または置換するための命令
を備える、1つまたは複数の有形非一時的機械可読媒体を備える、実施態様10記載のシステム(10)。
[実施態様16]
ガスタービンエンジン(12)の第1の部分から、この第1の部分を還元剤スキッド(65)に流体結合する第1の流れ経路を通して、第1の流体を流すことであって、還元剤スキッド(65)が、ガスタービンエンジン(12)内で生成された排気ガス(36)を受容するように構成された排気流れ経路に流体結合される、流すことと、
第1の流体を用いて還元剤スキッド(65)を加熱することと、
ガスタービンエンジン(12)の第2の部分を還元剤スキッド(65)に流体結合する第2の流れ経路を通して第2の流体を流して、第1の流体を補完または置換することと、
第2の流体で還元剤スキッド(65)内の還元剤(68)を気化することと、
を含む方法(200、220)。
[実施態様17]
第1の流体が第1の部分内で生成された圧縮器排出空気(78)を含み、第1の部分がガスタービンエンジン(12)の圧縮器部分である、実施態様16記載の方法(200、220)。
[実施態様18]
圧縮器排出空気(78)を還元剤スキッド(65)内に配設された熱交換器(180)で加熱することを含む、実施態様16記載の方法(200、220)。
[実施態様19]
第2の流体が第2の部分内で生成された排気ガス(36)を含み、第2の部分がガスタービンエンジン(12)の燃焼器部分(20)またはタービン部分である、実施態様16記載の方法(200、220)。
[実施態様20]
ガスタービンエンジン(12)の定常状態の動作中に、第1の流体を補完または置換することを含む、実施態様16記載の方法(200、220)。
[実施態様1]
燃料(32)を燃焼させて動力および排気ガス(36)を生成するように構成されたガスタービンエンジン(12)と、
ガスタービンエンジン(12)と流体連通しておりガスタービンエンジン(12)から排気ガス(36)を受容するように構成された排気ガス経路(42)と、
排気ガス経路(42)に流体結合された還元剤スキッド(65)であって、排気ガス経路(42)に還元剤(68)を供給するように構成された噴射システム(74)を備える、還元剤スキッド(65)と、
排気ガス経路(42)とは別個でありガスタービンエンジン(12)と還元剤スキッド(65)を流体結合する流れ経路(150)であって、第1の流れ経路が還元剤(68)の気化を補助するために還元剤スキッド(65)に第1の加熱された流体を供給するように構成される、流れ経路(150)と、
を備えるシステム(10)。
[実施態様2]
流体経路が圧縮器空気排出出口から還元剤スキッド(65)まで延在し、この結果、第1の加熱された流体がガスタービンエンジン(12)からの圧縮器排出空気(78)を含む、実施態様1記載のシステム(10)。
[実施態様3]
流体経路がガスタービンエンジン(12)の排気出口から還元剤スキッド(65)まで延在し、この結果、第1の加熱された流体がガスタービンエンジン(12)からの排気ガス(36)を含む、実施態様1記載のシステム(10)。
[実施態様4]
流れ経路(150)が、ガスタービンエンジン(12)の圧縮器部分および還元剤スキッド(65)内に配設された加熱システム(70)に流体結合し、加熱システム(70)が第1の加熱された流体および還元剤(68)の流れを受容するように、ならびに第1の加熱された流体と還元剤(68)との間で熱交換を引き起こして還元剤(68)を気化させるように構成される、実施態様1記載のシステム(10)。
[実施態様5]
流れ経路(150)が、ガスタービンエンジン(12)のタービン部分および還元剤スキッド(65)内に配設された加熱システム(70)に流体結合され、加熱システム(70)が第1の加熱された流体および還元剤(68)の流れを受容するように、ならびに第1の加熱された流体と還元剤(68)との間で熱交換を引き起こして還元剤(68)を気化するように構成される、実施態様1記載のシステム(10)。
[実施態様6]
ガスタービンエンジン(12)の起動中に、ガスタービンエンジン(12)の圧縮器部分から噴射システム(74)に至る第1の加熱された流体の流れを制御するための命令を有する1つまたは複数の有形非一時的機械可読媒体を備える制御システム(104)を備え、第1の加熱された流体が圧縮器排出空気(78)を含む、実施態様1記載のシステム(10)。
[実施態様7]
1つまたは複数の有形非一時的機械可読媒体が、ガスタービンエンジン(12)の定常状態の動作中に還元剤スキッド(65)に圧縮器排出空気(78)を流すことから還元剤スキッド(65)に第2の加熱された流体を流すことへと移行するための命令をさらに含む、実施態様6記載のシステム(10)。
[実施態様8]
第2の加熱された流体がガスタービンエンジン(12)内で生成された排気ガス(36)を含む、実施態様7記載のシステム(10)。
[実施態様9]
システム(10)が単純サイクルのシステムである、実施態様1記載のシステム(10)。
[実施態様10]
燃料(32)を燃焼させるようにおよび排気ガス(36)を生成するように構成されたガスタービンエンジン(12)と、
ガスタービンエンジン(12)から排気ガスを受容するように構成された排気ガス経路(42)と、
排気ガス経路(42)に流体結合された還元剤スキッド(65)であって、還元薬を気化するように構成された加熱システム(70)および排気ガス経路(42)に気化した還元薬を供給するように構成された噴射システム(74)を備える、還元剤スキッド(65)と、
排気ガス経路(42)とは別個でありガスタービンエンジン(12)の第1の部分と還元剤スキッド(65)を流体結合する第1の流れ経路であって、還元剤スキッド(65)に第1の加熱された流体を供給するように構成される、第1の流れ経路と、
排気ガス経路(42)および第1の流れ経路とは別個の第2の流れ経路であって、ガスタービンエンジン(12)の第2の部分および還元剤スキッド(65)に流体結合され、還元剤スキッド(65)に第2の加熱された流体を供給するように構成される、第2の流れ経路と、
を備えるシステム(10)。
[実施態様11]
第2の加熱された流体が、ガスタービンエンジン(12)からの排気ガス(36)の少なくとも一部を含む、実施態様10記載のシステム(10)。
[実施態様12]
還元剤スキッド(65)内に第1および第2の流れ経路に流体結合された第3の流れ経路に沿って配設された熱交換器(180)を備え、熱交換器(180)が第1の加熱された流体を加熱するように構成される、実施態様10記載のシステム(10)。
[実施態様13]
熱交換器(180)が約100キロワットおよび約1000キロワットの電力出力を有する電気加熱器を備える、実施態様12記載のシステム(10)。
[実施態様14]
第1の流れ経路が、ガスタービンエンジン(12)の第1の部分内に配設された圧縮器排出出口から還元剤スキッド(65)まで延在し、この結果、第1の加熱された流体が、圧縮器排出空気(78)または圧縮器排出空気(78)と周囲空気の混合物を含む、実施態様10記載のシステム(10)。
[実施態様15]
ガスタービンエンジン(12)の起動中に、ガスタービンエンジン(12)の第1の部分から還元剤スキッド(65)に、圧縮器排出空気(78)を含む第1の加熱された流体を供給するための命令、および
ガスタービンエンジン(12)の定常状態の動作中に、ガスタービンエンジン(12)の第2の部分から還元剤スキッド(65)に至る、排気ガスの一部を含む第2の加熱された流体で、第1の加熱された流体を補完または置換するための命令
を備える、1つまたは複数の有形非一時的機械可読媒体を備える、実施態様10記載のシステム(10)。
[実施態様16]
ガスタービンエンジン(12)の第1の部分から、この第1の部分を還元剤スキッド(65)に流体結合する第1の流れ経路を通して、第1の流体を流すことであって、還元剤スキッド(65)が、ガスタービンエンジン(12)内で生成された排気ガス(36)を受容するように構成された排気流れ経路に流体結合される、流すことと、
第1の流体を用いて還元剤スキッド(65)を加熱することと、
ガスタービンエンジン(12)の第2の部分を還元剤スキッド(65)に流体結合する第2の流れ経路を通して第2の流体を流して、第1の流体を補完または置換することと、
第2の流体で還元剤スキッド(65)内の還元剤(68)を気化することと、
を含む方法(200、220)。
[実施態様17]
第1の流体が第1の部分内で生成された圧縮器排出空気(78)を含み、第1の部分がガスタービンエンジン(12)の圧縮器部分である、実施態様16記載の方法(200、220)。
[実施態様18]
圧縮器排出空気(78)を還元剤スキッド(65)内に配設された熱交換器(180)で加熱することを含む、実施態様16記載の方法(200、220)。
[実施態様19]
第2の流体が第2の部分内で生成された排気ガス(36)を含み、第2の部分がガスタービンエンジン(12)の燃焼器部分(20)またはタービン部分である、実施態様16記載の方法(200、220)。
[実施態様20]
ガスタービンエンジン(12)の定常状態の動作中に、第1の流体を補完または置換することを含む、実施態様16記載の方法(200、220)。
10 例としてのタービンシステム
12 ガスタービンエンジン
14 排気処理システム
16 空気取込部
18 圧縮器
20 燃焼器部
22 タービン
24 シャフト
26 矢印
28 空気源
30 圧縮された空気を生み出す
32 燃料
36 加圧された排気ガス
40 下流端
42 排気ガス
46 下流方向
50 移行ダクト
52 排気ガス流
56 矢印
58 空気の流れ
60 排気ダクト
68 還元剤
65 アンモニア噴射システム
64 AIG
70 加熱システム
74 噴射システム
78 圧縮器排出空気
80 一部
82 矢印
90 スタック
92 矢印
100 流れ制御システム
104 制御システム
106 SCRシステム
86 処理済みの排気ガス流
108 CEMシステム
112 メモリ回路構成
110 マイクロプロセッサ
138 入力信号
140 出力信号
116 第1の導管
118 第2の導管
120 濾過ユニット
126 ブロワ
128 弁
132 センサ
146 第1の流量計
150 流れ経路
152 第2の弁
160 還元剤タンク
162 還元剤導管
164 弁
168 弁
170 ポンプ
172 第2の流量計
180 熱交換器
200 方法
204 ブロック
206 ブロック
206 ブロック
210 ブロック
220 方法
224 ブロック
12 ガスタービンエンジン
14 排気処理システム
16 空気取込部
18 圧縮器
20 燃焼器部
22 タービン
24 シャフト
26 矢印
28 空気源
30 圧縮された空気を生み出す
32 燃料
36 加圧された排気ガス
40 下流端
42 排気ガス
46 下流方向
50 移行ダクト
52 排気ガス流
56 矢印
58 空気の流れ
60 排気ダクト
68 還元剤
65 アンモニア噴射システム
64 AIG
70 加熱システム
74 噴射システム
78 圧縮器排出空気
80 一部
82 矢印
90 スタック
92 矢印
100 流れ制御システム
104 制御システム
106 SCRシステム
86 処理済みの排気ガス流
108 CEMシステム
112 メモリ回路構成
110 マイクロプロセッサ
138 入力信号
140 出力信号
116 第1の導管
118 第2の導管
120 濾過ユニット
126 ブロワ
128 弁
132 センサ
146 第1の流量計
150 流れ経路
152 第2の弁
160 還元剤タンク
162 還元剤導管
164 弁
168 弁
170 ポンプ
172 第2の流量計
180 熱交換器
200 方法
204 ブロック
206 ブロック
206 ブロック
210 ブロック
220 方法
224 ブロック
Claims (9)
- 燃料(32)を燃焼させて動力および排気ガス(36)を生成するように構成されたガスタービンエンジン(12)と、
前記ガスタービンエンジン(12)と流体連通しており前記ガスタービンエンジン(12)から前記排気ガス(36)を受容するように構成された排気ガス経路(42)と、
前記排気ガス経路(42)に流体結合された還元剤スキッド(65)であって、前記排気ガス経路(42)に還元剤(68)を供給するように構成された噴射システム(74)を備える、還元剤スキッド(65)と、
前記排気ガス経路(42)とは別個であり前記ガスタービンエンジン(12)と前記還元剤スキッド(65)を流体結合する流れ経路(150)であって、第1の流れ経路が前記還元剤(68)の気化を補助するために前記還元剤スキッド(65)に第1の加熱された流体を供給するように構成される、流れ経路(150)と、
を備えるシステム(10)。 - 流体経路が圧縮器空気排出出口から前記還元剤スキッド(65)まで延在し、この結果、前記第1の加熱された流体が前記ガスタービンエンジン(12)からの圧縮器排出空気(78)を含む、請求項1記載のシステム(10)。
- 前記流体経路が前記ガスタービンエンジン(12)の排気出口から前記還元剤スキッド(65)まで延在し、この結果、前記第1の加熱された流体が前記ガスタービンエンジン(12)からの前記排気ガス(36)を含む、請求項1記載のシステム(10)。
- 前記流れ経路(150)が、前記ガスタービンエンジン(12)の圧縮器部分および前記還元剤スキッド(65)内に配設された加熱システム(70)に流体結合し、前記加熱システム(70)が前記第1の加熱された流体および前記還元剤(68)の流れを受容するように、ならびに前記第1の加熱された流体と前記還元剤(68)との間で熱交換を引き起こして前記還元剤(68)を気化させるように構成される、請求項1記載のシステム(10)。
- 前記流れ経路(150)が、前記ガスタービンエンジン(12)のタービン部分および前記還元剤スキッド(65)内に配設された加熱システム(70)に流体結合され、前記加熱システム(70)が前記第1の加熱された流体および前記還元剤(68)の流れを受容するように、ならびに前記第1の加熱された流体と前記還元剤(68)との間で熱交換を引き起こして前記還元剤(68)を気化するように構成される、請求項1記載のシステム(10)。
- 前記ガスタービンエンジン(12)の起動中に、前記ガスタービンエンジン(12)の圧縮器部分から前記噴射システム(74)に至る前記第1の加熱された流体の流れを制御するための命令を有する1つまたは複数の有形非一時的機械可読媒体を備える制御システム(104)を備え、前記第1の加熱された流体が圧縮器排出空気(78)を含む、請求項1記載のシステム(10)。
- 前記1つまたは複数の有形非一時的機械可読媒体が、前記ガスタービンエンジン(12)の定常状態の動作中に前記還元剤スキッド(65)に前記圧縮器排出空気(78)を流すことから前記還元剤スキッド(65)に第2の加熱された流体を流すことへと移行するための命令をさらに含む、請求項6記載のシステム(10)。
- 前記第2の加熱された流体が前記ガスタービンエンジン(12)内で生成された排気ガス(36)を含む、請求項7記載のシステム(10)。
- 前記システム(10)が単純サイクルのシステムである、請求項1記載のシステム(10)。
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