JP3941840B2 - ガスタービンエンジンの燃料予熱システム - Google Patents

Description

発明の分野
本発明はガスタービンシステムに関し、さらに詳細には、ガスタービンの燃焼器及び移行部のうちの少なくとも１つの冷却に使用した蒸気のような冷媒のエネルギーを燃料に移送して燃料を予熱するシステムに関する。
発明の背景
発電システムにおける効率の改善は、発電システムの技術分野に携わる者にとってあくなき追及を迫られるひとつの目標である。発電効率を改善する最も重要な技術は恐らく、コンバインドサイクル（電熱併給）システムであろう。コンバインドサイクルシステムでは、「トップサイクル」と呼ばれる第１のシステムからの廃熱を「ボトムサイクル」と呼ばれる第２のシステムにおいて使用して発電を行う。かかるコンバインドサイクル・システムは通常、トップサイクルとしてガスタービンエンジンを、ボトムサイクルとして蒸気システムを使用する。ガスタービンエンジンからの高温の廃ガスを熱回収蒸気発生器が有用な蒸気に変換して、１または２個以上の蒸気タービンを駆動させる。
発電システムの開発者にはさらに、トップサイクルにできるだけ多量のエネルギーを注入するとコンバインドサイクル・システムのエネルギー効率が最大になることが分かっている。トップサイクルにエネルギーを注入すると、エネルギーをトップサイクルとボトムサイクルの両方へ送る利点を享受できる。一方、ボトムサイクルだけにエネルギーを注入すると、このエネルギーはただ１つのサイクル、即ちボトムサイクルへ送られる。例えば、現在の高効率発電システムでは、トップサイクルに注入されたエネルギーは、トップサイクルとボトムサイクルの総合効率で約５８％回収される。これとは対照的に、ボトムサイクルだけに注入されたエネルギーの回収率はそれよりも著しく低い４３％である。
効率だけでなく、発電システムのタービンエンジンに対して行なう冷却もまた非常に重要な問題である。特に、ガスタービンの燃焼器と移行部は著しく高い温度に露されるため大量の冷却が必要である。例えば、従来型ガスタービンエンジンの燃焼器の炎温度は１５５０°Ｆに達する。その構成要素を適切に冷却するため、タービンエンジンの設計者は燃焼器と移行部を加圧空気によりフィルム冷却する手法を用いている。このようなフィルム冷却法によると、タービン入口温度は炎温度よりも著しく低い値に低下する（例えば１５５０°Ｆから約１３５０°Ｆへ）。しかしながら、このようにタービン入口温度を低下させると発電システム効率が減少するという望ましくない副次効果が現れる。しかしながら、１５５０°Ｆは現在の業界基準である、乾燥状態で９ｐｐｍの低いＮＯｘ（窒素酸化物）にするための燃焼炎温度の理論的限界である。効率を上げるために、燃焼器及び移行部の冷却方式の設計は、冷媒がガス流路へ注入されず構成要素の周りを循環させられて炎温度を上げずにタービン入口温度を１５０°Ｆ上昇させる閉システムに移行しつつある。
この閉じたシステムでは、冷媒として蒸気、水または空気を用いる。蒸気を冷媒として選択する場合、蒸気をボトムサイクル、即ち熱回収蒸気発生器から取り出してタービンエンジンの構成要素を冷却する。燃焼器及び移行部を冷却した後、その蒸気は蒸気タービンへ送られて有用なエネルギーが回収される。
発明者は、蒸気をボトムサイクルへ送ると回収熱エネルギー量に損失が生じることを認識している。熱エネルギーをトップサイクルで回収しないことにより、そのトップサイクルから高品質の熱エネルギーを取り出し、その熱エネルギーを蒸気タービンを介してボトムサイクルにより回収する。従って、燃焼器及び移行部から取り出した高品質の熱エネルギーをトップサイクルへ戻すシステムに対する需要が存在する。
発明の概要
本発明は、ガスタービンエンジンから戻る途中の加熱された冷媒を用いて燃焼器へ注入される前の燃料を予熱することにより上記需要を充足させる。タービンエンジンの構成要素はライナーを備えており、その構成要素を通過する冷媒がライナーを循環して、高温ガス流路によりその構成要素に発生する熱を吸収する。そのライナーの入口は冷媒源から冷媒を受け、冷媒がライナーから出る出口も設けられている。このシステムはまた、冷媒の流路と燃料の流路がそれぞれ別個である熱交換器を有する。冷媒が構成要素のライナーの出口から出て熱交換器へ流入する。同時に、燃料が熱交換器を通ってタービンエンジンの燃焼器へ送られる。熱交換器の内部で熱が冷媒から燃料へ移送される。
【図面の簡単な説明】
本発明の以下の詳細な説明並びに上記の発明の概要は、添付図面に関連して読めばよりよく理解される。本発明を例示する目的のため、添付図面は現在において好ましい実施例を図示するが、本発明は開示された特定の方法及び機器の構成に限定されない。
図１は、本発明を利用する蒸気冷却型燃焼器及び移行部を備えたコンバインドサイクル発電システムの略図である。
図２は、本発明を利用する燃焼器及び移行部の冷媒回路のブロック図である。
好ましい実施例の詳細な説明
同一参照数字が明細書全体に亘り同一構成要素を指示する添付図面を参照して、図１は本発明を利用するコンバインドサイクル発電システム１００の略図である。トップサイクルはガスタービンエンジン１１０により、またボトムサイクルは熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）５０と蒸気タービン６０により構成されている。燃料供給源２５がシステム１００へエネルギー源を供給する。その燃料供給源２５からの燃料は最初に、ガスタービン１１０にエネルギーを与える。システムの総合効率をさらに上昇させるために、タービン４０を出る高温の廃ガスがＨＲＳＧ５０により蒸気に変えられる。その蒸気を用いて蒸気タービン６０を駆動する。
本発明の現在において好ましい実施例によると、燃焼器及び移行部３０はＨＲＳＧ５０からの蒸気により冷却される。しかしながら、燃焼器及び移行部３０の冷却に用いる蒸気の発生源は任意のアクセス可能な発生源でよいことを理解されたい。加えて、燃焼器及び移行部３０はこれらの図では単一の構成要素として示されていることに注意されたい。ここで重要なことは、本発明は移行部、燃焼器または燃焼器と移行部の組合わせの冷却に用いた蒸気を利用する点である。かくして、これらを単一要素として示す。蒸気は燃焼器及び移行部のライナーに流入して熱を吸収することにより燃焼器及び移行部の壁を冷却する。蒸気が吸収する熱がボトムサイクル、即ち蒸気タービン６０へ直接送られると仮定すると、冷媒へ移送されるエネルギーはボトムサイクルの回収効率だけで回収されるであろう。
本発明は、実施例に関連させるとよりよく理解できるが、温度、効率等のここで用いる全ての数字は例示目的のためであって、本発明を限定する意図はないことを理解されたい。実施例としての蒸気冷却型ガスタービンエンジンでは、燃焼器及び移行部のライナーに流入する冷却用蒸気の温度は６５０°Ｆに近い。蒸気がライナーを通ってそこを出る時、温度は約１０５０°Ｆに上昇している。本発明の１つの特徴として、そのエネルギー（即ち、蒸気に付与された追加的な熱）の一部がトップサイクルで回収される。従って、現在において好ましい実施例によると、熱交換器１０がシステム１００に付加される。この熱交換器１０は蒸気の熱エネルギーの一部を燃料供給源２５からトップサイクルへ入る燃料へ移送する。
図２を参照して、この図は蒸気の高品質の熱を燃料へ移送するシステムのブロック図である。最初に、燃料が所定の温度でシステムへ供給される。図２の例に示すように、燃料が燃料供給源２５を出る温度は約５９°Ｆである。燃料供給源２５を出た後、燃料は任意の従来型ガスタービンガス燃料加熱装置１２に入る。通常、かかる加熱装置１２は燃料温度を約８００°Ｆに上昇させる。燃料は加熱装置１２を出ると本発明の熱交換器１０へ流入する。同時に、温度が約６５０°Ｆの蒸気が入口３４からガスタービンエンジン１１０の燃焼器及び移行部３０のライナー３２に流入する。ライナー３２の壁からの熱流は蒸気温度を約１０５０°Ｆに上昇させる。蒸気はその後出口３６からライナー３２を出る。蒸気はその後熱交換器１０へ流入して、燃料温度を約９００°Ｆへ上昇させる。燃料温度は９００°Ｆに上昇するが、蒸気温度は約８５０°Ｆに低下する。
熱交換器１０はコンパクトな印刷回路板構成のような別個の隔離された流体間で熱を交換する、この技術分野でよく知られたタイプのものである。
本発明はその精神または本質的特徴から逸脱することなく他の特定の構成で実現可能である。例えば、同様な方式を用いて図面に示す蒸気でなくて水により燃料を予熱することも可能である。従って、本発明の技術的範囲を示すものとしては上記明細書の説明でなくて後記の請求の範囲を参照されたい。

Claims (3)

1. ガスタービンエンジン（１１０）の燃料予熱システムであって、
   冷媒源（５０）と、
   燃焼器と移行部のうちの少なくとも１つであるガスタービンエンジンの構成要素（３０）であって、前記構成要素を流れる冷媒がその構成要素を循環してそれから熱を吸収するようにしたライナー（３２）を備え、前記ライナーが前記冷媒源（５０）と連通関係にある入口（３４）と、冷媒がライナーから出るための出口（３６）とを有する構成要素（３０）と、
   冷媒の流路と燃料の流路を有する熱交換器（１０）とよりなり、
   燃料の前記流路はタービンエンジンの燃焼器（３０）への燃料の流路の一部であり、冷媒の前記流路は燃焼器と移行部のうちの少なくとも１つであるガスタービンエンジンの構成要素（３０）のライナーの出口（３６）と連通していて、構成要素（３０）からの熱が冷媒から燃料へ移送されるため、熱エネルギーが高い効率で回収されることを特徴とするガスタービンエンジン（１１０）の燃料予熱システム。
2. 前記冷媒源（５０）はガスタービンエンジン（１１０）の排気部に接続された熱回収蒸気発生器により構成される請求項１のシステム。
3. 前記冷媒は、水と空気のうち１つである請求項１のシステム。

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