特許 6073458 不均質な入力ガスを有するガスタービン発電プラント

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6073458

(24)【登録日】2017年1月13日

(45)【発行日】2017年2月1日

(54)【発明の名称】不均質な入力ガスを有するガスタービン発電プラント

(51)【国際特許分類】

   F02C 3/30 20060101AFI20170123BHJP

   F02C 3/34 20060101ALI20170123BHJP

   F23R 3/00 20060101ALI20170123BHJP

【ＦＩ】

   F02C3/30 D

   F02C3/34

   F23R3/00 B

【請求項の数】15

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2015-502225(P2015-502225)

(86)(22)【出願日】2013年3月21日

(65)【公表番号】特表2015-512484(P2015-512484A)

(43)【公表日】2015年4月27日

(86)【国際出願番号】EP2013055991

(87)【国際公開番号】WO2013143975

(87)【国際公開日】20131003

【審査請求日】2016年3月11日

(31)【優先権主張番号】12161146.1

(32)【優先日】2012年3月24日

(33)【優先権主張国】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】515322297

【氏名又は名称】ゼネラル エレクトリック テクノロジー ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング

【氏名又は名称原語表記】Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＧｍｂＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(74)【代理人】

【識別番号】100099483

【弁理士】

【氏名又は名称】久野 琢也

(72)【発明者】

【氏名】フェリックス ギューテ

(72)【発明者】

【氏名】マダヴァン ナラシムハン ポイヤパクカム

(72)【発明者】

【氏名】フランク グラーフ

(72)【発明者】

【氏名】ブルーノ スフアマンス

(72)【発明者】

【氏名】エリベアト ベンツ

【審査官】 瀬戸 康平

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−１５３６２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−９４５７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１３２５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２４７２６５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｃ ３／３０， ３／３４

Ｆ２３Ｒ ３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

環状の入口領域を有する圧縮機（１）と、少なくとも２つのバーナと、燃焼器（４，１４，１５）と、タービン（７，１６，１７）とを備えるガスタービン（６）を作動させる方法において、前記圧縮機の吸入流の平均酸素濃度よりも低い酸素濃度を有する酸素減少ガス（２１）から成る少なくとも１つの第１の部分的な吸入流と、新鮮空気（２）から成る少なくとも１つの第２の部分的な吸入流とを、前記入口領域の周方向で交互に前記圧縮機（１）へ供給することを特徴とする、ガスタービン（６）を作動させる方法。

【請求項2】

前記酸素減少ガス（２１）および前記新鮮空気（２）の交互の供給を、前記圧縮機（１）の回転軸線に関して入口横断面の内側セクタ（３”）を通じて行い、前記新鮮空気（２）を、前記圧縮機（１）の回転軸線に関して入口横断面の外側セクタ（３’）を通じて供給する、請求項１記載の方法。

【請求項3】

前記酸素減少ガス（２１）および前記新鮮空気（２）の交互の供給を、前記圧縮機（１）の回転軸線に関して入口横断面の内側セクタ（３”）を通じて行い、前記酸素減少ガス（２１）を、前記圧縮機（１）の回転軸線に関して入口横断面の外側セクタ（３’）を通じて供給する、請求項１記載の方法。

【請求項4】

前記酸素減少ガス（２１）から成る第１の部分的な吸入流を、前記圧縮機（１）の下流において、それぞれ１つのバーナへ、または一体的な複数の隣接するバーナへ方向付ける、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。

【請求項5】

前記新鮮空気（２）から成る前記第２の部分的な吸入流を、前記圧縮機（１）の下流において、それぞれ１つのバーナへ、または一体的な複数の隣接するバーナへ方向付ける、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。

【請求項6】

前記新鮮空気（２）が供給されるバーナへの燃料供給と比較して、前記酸素減少ガス（２１）が供給されるバーナへの燃料供給を減じ、これにより、バーナの出口における高温燃焼ガスが、同じ酸素濃度を有するようにする、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。

【請求項7】

前記圧縮機（１）の流れ通路が接続された圧縮機入口（３）を、少なくとも１つの第１のセグメント（５１）と、少なくとも１つの第２のセグメント（５２）とに分割し、前記第１のセグメントおよび前記第２のセグメントの出口を、周方向で圧縮機入口の周囲に交互に配置し、交互に、前記新鮮空気（２）をそれぞれ前記少なくとも１つの第１のセグメント（５１）を通じて供給し、前記酸素減少ガス（２１）を前記少なくとも１つの第２のセグメント（５２）を通じて供給する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。

【請求項8】

前記ガスタービン（６）の煙道ガスを、前記ガスタービン（６）の吸入流（３）への再循環のための第１の煙道ガス流（２１）と、環境への放出のための第２の煙道ガス部分流（２０）とに分割し、前記酸素減少ガス（２１）は、前記ガスタービンの再循環された前記第１の煙道ガス流（２１）を含む、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。

【請求項9】

圧縮機入口（３）を有するガスタービン（６）と、環状の入口領域を有する圧縮機（１）と、少なくとも２つのバーナと、燃焼器（４）と、タービン（７）とを備えるガスタービン発電プラントにおいて、
前記圧縮機（１）の流れ通路が接続された圧縮機入口（３）は、周方向に圧縮機入口の周囲に交互に配置された少なくとも１つの第１のセグメント（５１）および少なくとも１つの第２のセグメント（５２）を有しており、前記ガスタービン（６）の作動中に圧縮機吸入流の平均酸素濃度よりも低い酸素濃度を有する酸素減少ガス（２１）用の供給部は、前記圧縮機入口（３）の前記少なくとも１つの第１のセグメント（５１）に接続されており、新鮮ガス供給部は、前記圧縮機入口（３）の前記少なくとも１つの第２のセグメント（５２）に接続されていることを特徴とする、ガスタービン発電プラント。

【請求項10】

前記圧縮機（１）の流れ通路が接続された圧縮機入口（３）は、前記圧縮機（１）の回転軸線に関する内側セクタ（３”）と、前記圧縮機（１）の回転軸線に関する外側セクタ（３’）とを有しており、交互の第１のセグメント（５１）および第２のセグメント（５２）は、前記圧縮機（１）の回転軸線に関する入口横断面の前記内側セクタ（３”）に配置されている、請求項９記載のガスタービン発電プラント。

【請求項11】

前記圧縮機（１）の流れ通路が接続された圧縮機入口（３）は、前記圧縮機（１）の回転軸線に関する内側セクタ（３”）と、前記圧縮機（１）の回転軸線に関する外側セクタ（３’）とを有しており、交互の第１のセグメント（５１）および第２のセグメント（５２）は、前記圧縮機（１）の回転軸線に関する入口横断面の前記外側セクタ（３’）に配置されている、請求項９記載のガスタービン発電プラント。

【請求項12】

一体の複数のバーナが前記圧縮機の前記第１のセグメント（５１）ごとに配置されており、一体の複数のバーナが前記第２のセグメント（５２）ごとに配置されている、請求項９から１１までのいずれか１項記載のガスタービン発電プラント。

【請求項13】

制御エレメントを備え、該制御エレメントによって、前記圧縮機（１）の流れ通路への前記少なくとも１つの第２のセグメント（５２）の接続面積の合計に対する、前記圧縮機（１）の流れ通路への前記少なくとも１つの第１のセグメント（５１）の接続面積の合計の面積比を、該面積比を、供給される新鮮空気（２）と酸素減少ガス（２１）との比の変化に適応させるために、変化させることができる、請求項１０から１２までのいずれか１項記載のガスタービン発電プラント。

【請求項14】

酸素減少ガス（２１）の導入のための、前記圧縮機（１）の軸受支持体（４８）における供給穴（４９）からの複数の供給通路（３９）が、前記圧縮機入口（３）に、前記ガスタービン（６）の軸線に対して同心に、周方向に分配されて配置されている、請求項９記載のガスタービン発電プラント。

【請求項15】

前記ガスタービン発電プラントは、前記ガスタービン（６）の煙道ガス流を、前記ガスタービン（６）の吸入流への再循環のための第１の煙道ガス部分流（２１）と、環境へ排出するための第２の煙道ガス部分流（２０）とに分割するための排ガス分割装置（２９）を有し、さらに、該排ガス分割装置（２９）を前記圧縮機入口（３）の少なくとも１つの第１のセグメント（５１）に接続する再循環ラインを有する、請求項１０から１４までのいずれか１項記載のガスタービン発電プラント。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、異なるガス組成の２つの吸入流によってガスタービンを作動させる方法および分割された圧縮機入口を有するガスタービンに関する。

【0002】

従来技術
従来、できるだけ均質なガスが、圧縮のためにガスタービンの圧縮機に供給される。異なる組成を有するガスが提供される用途において、これらのガスはまず混合され、次いで圧縮機に供給される。例えば、煙道ガスの再循環の場合、新鮮空気の組成とは異なるガス組成を有する煙道ガスが利用される。再循環は、基本的に、例えばエミッションを制御するため、煙道ガス体積を減じるため、二酸化炭素分離のためなどの、広い様々な目的でガスタービンにおいて使用することができる技術である。ガスタービンにおける煙道ガスの再循環の間、煙道ガス流全体から、煙道ガスのかなりの割合が分岐させられ、冷却およびスクラビングの後、通常、タービンの吸入質量流またはタービンの圧縮機へ再び供給される。煙道ガス組成は、新鮮な周囲空気の組成とは明らかに異なる。再循環された煙道ガス流は、従来、環境からの新鮮空気と混合され、次いで、この混合物が圧縮機に供給される。

【0003】

煙道ガス再循環によって、煙道ガスにおける二酸化炭素の部分圧力を有利には増大させることができ、これにより、二酸化炭素分離を有する発電プラントの電力損失および効率損失を減じる。加えて、煙道ガス再循環は、ガスタービンの吸入ガスにおける酸素濃度を減じ、これにより、ＮＯｘエミッションを減じるという目的で提案されてきた。

【0004】

従来技術で、燃焼可能ガスの低い酸素含有量の場合に満足できる燃焼を保証するために、燃焼器入口において均質なガス混合物を提供するために、新鮮空気が、再循環された煙道ガスとできるだけ十分に混合される。例えば、再循環された煙道ガスとの新鮮空気の、圧力損失の小さな混合に適した混合装置が、国際公開第２０１０／１４２５７３号より公知である。

【0005】

運転条件に応じて、安定性の問題、特に脈動（熱音響振動とも呼ばれる）が、予混合バーナを備えるガスタービンにおける燃焼中に生じ得る。脈動を減じるために、個々のバーナに燃料を絞られた状態で供給することが国際公開第２００５／０９５８６４号より公知であり、その結果、該当する予混合バーナは、全ての他の絞られていない予混合バーナの燃焼温度とは異なる燃焼温度を有する。これは、予混合バーナ配列の温度分布における非対称性につながり、その結果、燃焼器内部の脈動の発生を有効に阻止することができる。

【0006】

絞られるバーナは、平均的な高温ガス温度と比較してより低い高温ガス温度で作動することができるが、これは、不完全燃焼につながり得る。加えて、絞られないバーナは、より高い高温ガス温度で作動し、これは、より大きなＮＯｘエミッションにつながり、寿命に対する望ましくない効果を有し得る。

【0007】

不完全燃焼は、ガスタービンの吸入ガスが新鮮空気と比較してより低い酸素濃度を有する、特に煙道ガス再循環を有するプラントにおいて、より高いＣＯエミッション（一酸化炭素エミッション）につながり得る。

【0008】

開示の概要
本開示の目的は、ガスタービンの信頼性の高い、クリーンな、低脈動運転のための方法、およびこの方法を実施するためのガスタービンを明示することである。開示された方法において、燃焼を安定させるために部分吸入流の異なる酸素濃度が用いられる、異なるガス組成の少なくとも２つの部分吸入流を有するガスタービンプラントが提案されている。

【0009】

開示された方法は、酸素減少ガスから成る少なくとも１つの第１の部分吸入流と、新鮮空気から成る少なくとも１つの第２の部分吸入流とが、入口領域の周方向で交互に圧縮機に供給されるように、酸素減少ガスと新鮮空気とがガスタービンにおいて別々に供給されるということによって特徴付けられる。

【0010】

ガスタービンは、入口横断面を有する圧縮機と、圧縮機の下流に接続された燃焼器であって、この燃焼器において圧縮ガスが燃料とともに燃焼させられる燃焼器と、タービンであって、このタービンにおいて高温の燃焼ガスが膨張させられるタービンと、を備える。

【0011】

圧縮機吸入流の平均的な酸素濃度よりも低い酸素濃度を有するガスは、この場合、酸素減少ガスと呼ばれる。酸素減少ガスの酸素濃度は、典型的には、圧縮機入口流の平均的な酸素濃度よりも少なくとも１％だけ低い。酸素減少ガスの酸素濃度は、好適には、圧縮機吸入流の平均的な酸素濃度よりも少なくとも２％だけ低い。

【0012】

新鮮空気および酸素減少ガスを周方向で交互に供給した結果、燃焼器の隣り合うバーナにおける燃料の反応度が変化させられる。新鮮空気における燃料の反応度は、酸素減少ガスにおける燃料の反応度よりも高いので、酸素減少ガスが流入する燃焼器（または燃焼器セクション）における火炎位置は、新鮮空気が供給される燃焼器と比較して下流へずらされる。異なる反応速度、特にずらされた火炎位置は、火炎の熱音響特性を変化させ、火炎の熱音響特性を安定させることができ、これは、特に脈動の減少または抑制につながる。

【0013】

方法の１つの実施の形態によれば、酸素減少ガスおよび新鮮空気の交互の供給は、圧縮機の回転軸線に関して入口横断面の内側セクタを介して行われ、加えて、新鮮空気は、圧縮機の回転軸線に関して入口横断面の外側セクタを介して供給される。

【0014】

外側セクタに供給される新鮮空気は、少なくとも部分的に燃焼器の周囲に冷却空気として案内される。したがって、外側セクタへの酸素減少ガスの供給は、燃焼に対して影響を有さないか、またはほとんど影響を有さない。内側セクタへの酸素減少ガスの供給を制限することにより、燃焼への影響を、少量の酸素減少ガスによって最適化することができる。したがって、より少ない酸素減少ガスが、所望の効果のために提供されなければならない。この提供および供給のためのプラントサイズおよびコストが対応して減じられる。

【0015】

方法の代替的な実施の形態によれば、酸素減少ガスおよび新鮮空気の交互の供給は、圧縮機の回転軸線に関して入口横断面の内側セクタを介して行われ、加えて、酸素減少ガスは、圧縮機の回転軸線に関して入口横断面の外側セクタを介して供給される。この方法は、煙道ガスにおける酸素濃度をできるだけ低くする場合に特に有利である。外側セクタを通って供給される酸素減少ガスは、少なくとも部分的に燃焼器の周囲に冷却空気として案内され、冷却空気としての高温の可燃性ガスと混合され、これは、冷却ガスとしての新鮮空気の従来の混合と比較して、煙道ガスにおける酸素含有量の減少につながるまたは酸素含有量の増大にはつながらない。

【0016】

方法の１つの実施の形態によれば、酸素減少ガスから成る第１の部分吸入流は、圧縮機の下流において、それぞれ１つのバーナへ、または一体的な複数の隣接するバーナへ方向付けられる。

【0017】

方法の別の実施の形態によれば、新鮮空気から成る第２の部分吸入流は、圧縮機の下流において、それぞれ１つのバーナへ、または一体的な複数の隣接するバーナへ方向付けられる。

【0018】

隣接するバーナへの酸素減少ガスおよび新鮮空気の方向付けられた交互の導入の結果、ガスにおける酸素含有量の可能な限り大きな差が実現される。部分吸入流が導入されているとき、圧縮機における流れは一般的に回転させられる、すなわち、圧縮機の回転軸線を中心として所定の角度だけ回転させられて圧縮機から排出されるということが考慮される。

【0019】

発明の別の実施の形態によれば、新鮮空気の第２の部分吸入流は圧縮機の下流の２つのそれぞれに隣接したバーナへそれぞれ方向付けられるおよび／または酸素減少ガスの第１の部分吸入流は圧縮機の下流の２つのそれぞれに隣接したバーナにそれぞれ方向付けられる。

【0020】

燃焼器における２つの隣接するバーナからの高温ガスの混合は、一般的に、燃焼器からの排出ガスがほぼ均質になるために十分である。

【0021】

方法のさらに別の実施の形態によれば、新鮮空気が供給されるバーナへの燃料供給と比較して、酸素減少ガスが供給されるバーナへの燃料供給がそれぞれ減じられ、これにより、燃焼器の出口における高温燃焼ガスが、同じ酸素濃度を有する。この方法は、隣接するバーナの高温ガスの混合が妨げられる場合または異なる酸素濃度を有する部分吸入流が３つ以上の隣接するバーナへ方向付けられる場合に特に有利である。

【0022】

個々のバーナへの燃料供給を絞るために、少なくとも１つのバーナへの燃料質量流量を決定する固定または可変の絞りエレメントを、バーナのうちの少なくとも１つの上流の燃料分配システムに配置することができる。これは、例えばオリフィスプレートまたは弁であってよい。この場合、例えば、絞りエレメントの横断面減少は、個々のバーナへの燃料質量流量に関する燃料分配システムにおける所望の不一致が達成されるように選択することができる。

【0023】

加えて、燃焼器の個々のバーナ（例えば予混合バーナ）またはバーナ群への燃料供給のために、それぞれ各個々のバーナの燃料ラインに接続された環状主管を設けることができる。この場合、バーナの第１の群であって、その数が好適にはバーナ配列に設けられた数の合計の半分未満であるように選択されているバーナの第１の群において、燃料ラインの少なくとも１つに、制御ユニット、例えば、燃料供給に影響する絞り弁またはオリフィスプレートが設けられている。バーナの選択された群に関する燃料供給の制御された絞りにより、一方では、非対称の熱供給を、環状のバーナ配列に沿って、方向付けられた形式で、例えば環状の燃焼器配列の制限内で生じることができ、これにより、バーナによって誘発される熱音響振動を有効に阻止することができる。加えて、制御可能な燃料絞りにより、燃焼プロセスに影響する基本的に全てのパラメータに、バーナの動作を個々に適合させることができる。酸素減少ガスおよび新鮮空気の、対応して適合された供給と組み合わせることにより、燃焼に対する望ましい効果を高めることができ、ＮＯｘエミッションを低く維持することができ、必要な場合に、燃焼器出口における均質な酸素濃度を実現することができる。

【0024】

新鮮空気と酸素減少ガスとの混合をできるだけ防止するために、１つの実施の形態によれば、圧縮機の流れ通路が接続された圧縮機入口は、少なくとも１つの第１のセグメントと、少なくとも１つの第２のセグメントとに分割されており、これらのセグメントの出口は、周方向で圧縮機入口の周囲に交互に配置されている。この場合、交互に、新鮮空気はそれぞれ少なくとも１つの第１のセグメントを通じて供給され、酸素減少ガスは少なくとも１つの第２のセグメントを通じて供給される。

【0025】

方法の代替的な実施の形態によれば、酸素減少ガスは、圧縮機の回転軸線に対して同心に入口ダクトの直径において周方向に分配されるように圧縮機入口の上流に配置された供給部を通じて導入され、新鮮空気は実際の圧縮機入口を通じて導入される。これにより、入口横断面を分割する剛性ジオメトリの結果として、圧縮機への入口における流れ場が強く影響されることなく、酸素減少ガスの供給される質を制御することができる。

【0026】

作動コンセプトおよびガスタービンに応じて、酸素減少ガスの供給は、ガスタービンの始動のためにおよび部分負荷時に遮断されるまたは減じられる。これは、例えば、安定した、ＣＯ（一酸化炭素）欠乏燃焼を保証するために必要である。入口横断面の新鮮ガスおよび酸素減少ガスの供給の分離に応じて、酸素減少ガスの減少の結果、圧縮機の不十分な流入が生じる恐れがある。この不十分な流入を回避するために、方法の別の実施の形態によれば、新鮮空気は、制御エレメントを介して、ガスタービンの部分負荷時および／または始動の間、酸素減少ガスから成る第１の部分吸入流へ方向付けられる。

【0027】

信頼できる酸素減少ガス源は、ガスタービン自体である。方法の１つの実施の形態によれば、ガスタービンの煙道ガスは、ガスタービンの吸入流への再循環のための第１の煙道ガス流と、環境へ排出するための第２の煙道ガス流とに分割される。この場合、圧縮機に供給される酸素減少ガスは、ガスタービンの再循環された第１の煙道ガス流を含む。

【0028】

方法の別の実施の形態によれば、圧縮機の流れ通路への内側セクタの接続面積に対する、圧縮機の流れ通路への外側セクタの接続面積の面積比は、制御エレメントによって変化させられる。この場合、面積比は、面積比が、供給される新鮮空気と再循環される第１の煙道ガス流との比の変化に適応させられるように変化させられる。

【0029】

方法に加え、方法を実施するためのガスタービン発電プラントが開示の主体である。このようなガスタービン発電プラントは、圧縮機入口を有するガスタービンと、環状の入口領域を有する圧縮機と、少なくとも２つのバーナと、燃焼器と、タービンとを備える。開示によれば、圧縮機の流れ通路が接続された圧縮機入口は、周方向に圧縮機入口の周囲に交互に配置された少なくとも１つの第１のセグメントおよび少なくとも１つの第２のセグメントを有しており、酸素減少ガス用の供給部は圧縮機入口の少なくとも１つの第１のセグメントに接続されており、新鮮ガス供給部は圧縮機入口の少なくとも１つの第２のセグメントに接続されている。この場合、酸素減少ガスは、ガスタービンの作動中に圧縮機吸入流の平均酸素濃度よりも低い酸素濃度を有するガスである。

【0030】

ガスタービン発電プラントの１つの実施の形態では、圧縮機の流れ通路が接続された圧縮機入口は、加えて、圧縮機の回転軸線に関する内側セクタと、圧縮機の回転軸線に関する外側セクタとに分割されている。この場合、交互の第１のセグメントおよび第２のセグメントは、圧縮機の回転軸線に関する入口横断面の内側セクタに配置されている。

【0031】

加えて、新鮮空気供給ラインは圧縮機入口の外側セクタに接続することができるまたはこれに代えて酸素減少ガス用の供給部を圧縮機入口の外側セクタに接続することができる。

【0032】

ガスタービン発電プラントの代替的な実施の形態では、圧縮機の流れ通路が接続された圧縮機入口は、圧縮機の回転軸線に関する内側セクタと、圧縮機の回転軸線に関する外側セクタとを有しており、交互の第１のセグメントおよび第２のセグメントは、圧縮機の回転軸線に関する入口横断面の外側セクタに配置されている。

【0033】

加えて、新鮮空気供給ラインは圧縮機入口の内側セクタに接続することができるまたはこれに代えて酸素減少ガス用の供給部を圧縮機入口の内側セクタに接続することができる。

【0034】

ガスタービン発電プラントの１つの実施の形態では、圧縮機入口の第１のセグメントごとに一体の複数のバーナが配置されており、第２のセグメントごとに一体の複数のバーナが配置されている。この場合、バーナは、好適には、作動中に圧縮機軸線を中心として生ぜしめられる流れの回転を考慮して、バーナが、それぞれ圧縮機入口の第１または第２のセグメントの下流に位置するように配置されている。

【0035】

ガスタービン発電プラントの１つの典型的な実施の形態では、少なくとも１つの第１のセグメントおよび少なくとも１つの第２のセグメントは、入口逸らせ板によって分離されている。

【0036】

別の典型的な実施の形態によれば、ガスタービン発電プラントは、制御エレメントを有しており、制御エレメントによって、圧縮機の流れ通路への第１のセグメントの接続面積に対する、圧縮機の流れ通路への第２のセグメントの接続面積の面積比を変化させることができ、面積比を、供給される新鮮空気と酸素減少ガスとの比の変化に適応させる。

【0037】

別の典型的な実施の形態では、酸素減少ガスを導入するための複数の供給通路は、ガスタービンの軸線と同心の、周方向に分配された形式で配置されている。これらの供給通路は、特に管として構成することができる。１つの例において、これらの供給通路は、圧縮機入口の内側セクタに配置されている。管を個々にまたは管束として配置することができる。管は、好適には、低い流れ抵抗を有する流れ動的形状を有する輪郭によって取り囲まれることもできる。その配列のために、圧縮機軸受の軸受支持体などの、圧縮機入口における既存のエレメントを利用することができる。

【0038】

個々の管または管束群を通じた導入は、圧縮機への入口における流れ場が、入口横断面を分割する剛性のジオメトリによって強く影響されることなく、酸素減少ガスの制御を可能にする。

【0039】

ガスタービン発電プラントのもう一つの実施の形態は、制御エレメントを有しており、制御エレメントによって、圧縮機の流れ通路への内側セクタの接続面積に対する、圧縮機の流れ通路への外側セクタの接続面積の面積比を変化させることができるまたは調節することができる。これに代えて、または組み合わせて、ガスタービン発電プラントは、制御エレメントを有しており、制御エレメントによって、圧縮機の流れ通路への少なくとも１つの第１のセグメントの接続面積の合計に対する、圧縮機の流れ通路への少なくとも１つの第２のセグメントの接続面積の合計の面積比を、変化させることができる。この変化または調節の結果、面積比を、供給される新鮮空気と酸素減少ガスとの比の変化に適応させることができる。供給される新鮮空気と酸素減少ガスとの体積流量の比に関して面積比を制御することは特に有利である。

【0040】

１つの典型的な実施の形態によれば、ガスタービン発電プラントは、ガスタービンの煙道ガス流を、ガスタービンの作動中にガスタービンの吸入流へ再循環される第１の煙道ガス部分流と、ガスタービンの作動中に環境へ排出される第２の煙道ガス部分流とに分割するための、排ガス分割装置を有している。加えて、このようなガスタービン発電プラントは、排ガス分割装置から圧縮機入口の少なくとも１つの第１のセグメントへ通じた再循環ラインを有している。

【0041】

全ての説明した利点は、それぞれに明記した組合せにおいて適用可能であるのみならず、開示の範囲から逸脱することなく、その他の組合せにおいてまたは単独で使用することもできる。この開示は、１つの燃焼器を有するガスタービンに限定されずに、例えば欧州特許第０７１８４７０号明細書より公知のように、連続燃焼を行うガスタービンにも適用可能である。

【0042】

開示の好適な実施の形態は、純粋に説明のために機能し、制限するものとして解釈されるべきでない図面を参照する、以下の文章において説明される。

【図面の簡単な説明】

【0043】

【図1】従来技術による、煙道ガスの再循環を行うガスタービン発電プラントの概略図を示している。

【図2】煙道ガスの再循環と、入口領域の周方向で交互に供給される、圧縮機への煙道ガスおよび新鮮空気の導入とを行う、ガスタービン発電プラントの概略図を示している。

【図3】周方向で交互に、再循環された煙道ガスおよび新鮮空気を導入するための、分割された圧縮機入口の斜視図を示している。

【図4】煙道ガスの再循環と、入口領域の周方向で交互の形式および半径方向で段階的な形式の両方で供給される、圧縮機への煙道ガスおよび新鮮空気の導入とを行う、ガスタービン発電プラントの概略図を示している。

【図5】周方向で交互に配置された、新鮮空気および酸素減少ガスの供給のためのセグメントを有する、圧縮機入口の断面図の概略図である。

【図6】周方向で交互に配置された、新鮮空気および酸素減少ガスの供給のためのセグメントと、半径方向での段階的な導入とを有する、圧縮機入口の断面図の概略図である。

【図7】ガスタービン軸線を中心にして交互に圧縮機入口に配置された複数の供給通路を通じて煙道ガスの再循環を行う、ガスタービン発電プラントの圧縮機入口および圧縮機の概略図である。

【図8】圧縮機の上流の軸受支持体に配置された複数の供給通路を通じて煙道ガスの再循環を行う、ガスタービン発電プラントの圧縮機入口および圧縮機の概略図である。

【0044】

詳細な説明
図１は、ガスタービン発電プラントの基本的な要素を概略図で示している。ガスタービン６は、圧縮機１を有しており、圧縮機１において圧縮された燃焼用空気は、燃焼器４へ供給され、そこで燃料５とともに燃焼させられる。高温の燃焼ガスは、次いで、タービン７において膨張させられる。次いで、タービン７において発生された有効エネルギは、例えば同じ軸３７に配置された第１の発電機２５によって電気エネルギに変換される。

【0045】

タービン７から排出された高温の煙道ガス８は、そこにまだ含まれているエネルギの最適な利用のために、蒸気タービン１３またはその他のプラントのための生蒸気３０を発生するための排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）９において利用される。次いで、蒸気タービン１３において発生された有効エネルギは、例えば同じ軸３７に配置された第２の発電機２６によって電気エネルギに変換される。水−蒸気サイクルは、例においては単純化されており、概略的にのみ示されている。様々な圧力段、給水ポンプなどは、本発明の主体ではないので図示されていない。

【0046】

このようなプラントでは、排熱回収ボイラ９からの煙道ガス１９は、排熱回収ボイラ９の下流において、制御することができる排ガス分割装置２９において、第１の煙道ガス部分流２１と、第２の煙道ガス部分流２０とに分割される。第１の煙道ガス部分流２１は、ガスタービン６の入口ダクトへ再循環され、そこで新鮮空気２と混合される。再循環されない第２の煙道ガス部分流２０は、環境へ排出されるか、またはこの例のように、煙道ガス再循環冷却器２３によって付加的に冷却され、ＣＯ₂分離システム１８へ供給される。ここから、ＣＯ₂欠乏煙道ガス２２が、排出煙突３２を通じて環境中へ排出される。ＣＯ₂分離システム１８と、煙道ガスダクトとの圧力損失を克服するために、煙道ガスファン１０を設けることができる。ＣＯ₂分離システム１８において分離されたＣＯ₂３１は、一般的に、圧縮され、貯蔵のためにまたはさらなる処理のために排出される。ＣＯ₂分離システム１８には、蒸気抽出設備を介して蒸気タービン１３から取り出された蒸気が供給される。

【0047】

第２の煙道ガス部分流は、バイパスフラップ１２を備える煙道ガスバイパス２４を通じて排気煙突３２へ直接に送ることもできる。

【0048】

再循環された第１の煙道ガス流２１は、凝縮器を備えることができる煙道ガス再循環冷却器２７において、周囲温度よりも僅かに高い温度にまで冷却される。この煙道ガス再循環冷却器２７の下流に、再循環流２１のためにブースタまたは煙道ガスファン１１を配置することができる。この再循環された煙道ガス流２１は新鮮空気２と混合された後、混合物は、吸入流として圧縮機入口３を通じてガスタービン６へ供給される。

【0049】

連続燃焼を行うガスタービンが図２に示されている。方法は、１つの燃焼器を有するガスタービンにも、連続燃焼を行うガスタービンにも適用可能である。したがって、１つの燃焼器を有するガスタービンおよび連続燃焼を行うガスタービンのための実施の形態が可能である。

【0050】

図２は、少なくとも２つのセグメントに分割された圧縮機入口３を有するガスタービン発電プラントの典型的な実施の形態を概略的に示しており、煙道ガス流２１用の供給部は、示された側面図に見ることができる圧縮機入口３の第１のセグメント５１に通じている。加えて、新鮮空気２用の供給部は、圧縮機入口において圧縮機入口３の第２のセグメント５２を介して通じており、この第２のセグメント５２は、図示された平面の外側に位置している。

【0051】

２つのセグメント５１，５２は、圧縮機に面した圧縮機入口３の側において、圧縮機１の流れ通路にできるだけ直接に接続されている。再循環された煙道ガス用の第１のセグメント５１と、新鮮空気用の第２のセグメント５２とは、この場合、流れ通路の環状領域に交互に通じている。断面ｖ−ｖにおける圧縮機入口３の周方向でのセグメントの対応する分割が、図５に示されている。

【0052】

図３は、周方向で交互に配置された、新鮮空気２及び酸素減少ガス２１の供給用のセグメント５１，５２を有する分割された圧縮機入口の概略図を斜視図で示している。

【0053】

図示した例では、新鮮空気２は一方の側から圧縮機入口３の領域へ供給され、圧縮機入口３において水平方向に逸らされ、ガスタービン軸線の方向にさらに逸らされた後、圧縮機へ供給される。加えて、酸素減少ガス２１、例えば再循環された第１の煙道ガス部分流２１は、ガスタービンの主流れ方向に逆らうように軸方向に圧縮機入口３の上流の平面まで方向付けられ、圧縮機入口３の別の領域において逸らされ、ガスタービン軸線の上方の側から、入口の上流においてガスタービン内へ方向付けられる。２回目の逸らせによって、酸素減少ガス２１は、ガスタービン軸線のレベルの方向へ方向付けられ、さらなる逸らせの後、圧縮機へ供給される。圧縮機入口３の２つの領域は、圧縮機入口の上流において圧縮機入口３を酸素減少ガス２１の供給用の第１のセグメント５１と、新鮮空気２の供給用の第２のセグメント５２とに分割する隔壁または入口逸らせ板４５によって分離されている。セグメント５１，５２は、ガスタービンの軸の周囲に環状の形式で配置されている。

【0054】

１つの実施の形態によれば、供給部は、ちょうど圧縮機入口３の領域内へ到達しており、この領域では、圧縮機によって生ぜしめられる流れの速度により、静圧が減じられており、これにより、酸素減少ガス２１は圧縮機１内へ吸い込まれ、煙道ガス再循環を行うプラントの場合には、例えば、煙道ガス再循環用のファンを省略することができる。

【0055】

図４の典型的な実施の形態は、図２の実施の形態に基づく。新鮮空気２の供給用および再循環された煙道ガス２１の供給用のセグメント５２，５１に周方向で交互に分割することに加え、この例では、入口は入口セクタ３’，３”に分割されている。これらのセクタ３’，３”は、圧縮機に面した圧縮機入口３の側において圧縮機１の流れ通路に直接に接続されている。外側セクタ３’は、付加的に細分されていない。新鮮空気供給部は、この場合、流れ通路の外側環状領域に通じている。内側セクタ３”は、交互のセグメント５１，５２に分割されており、再循環された煙道ガス用の第１のセグメント５１と、煙道ガス再循環のための新鮮空気用の第２のセグメント５２とは、流れ通路の内側環状領域に接続されている。

【0056】

内側セクタ３”および外側セクタ３’の２つのセグメント５１，５２は、圧縮機に面した圧縮機入口３の側において、圧縮機１の流れ通路にできるだけ直接に接続されている。再循環された煙道ガス用の第１のセグメント５１と、新鮮空気用の第２のセグメント５２とは、この場合、圧縮機入口３の内側セクタ３”において流れ通路の環状領域に交互に通じている。示された側面図では、圧縮機入口３の第１のセグメント５１への煙道ガス流２１用の供給部を見ることができる。加えて、新鮮空気２用の供給部は、圧縮機入口３の第２のセグメント５２を介して圧縮機入口に通じており、この第２のセグメント５２は、図示された平面の外側に位置している。

【0057】

断面ｖｉ−ｖｉにおける圧縮機入口３のセグメント５１，５２およびセクタ３’，３”の対応する分割が、図６に示されている。

【0058】

低圧および中圧の冷却ガス３３，３４は、圧縮機１の半径方向外側壁部から分岐させられて、冷却のためにガスタービンの高温ガス部分へ供給される。加えて、圧縮機の端部において、高圧冷却ガス２８は、圧縮機または隣接するディフューザの半径方向外側壁部から分岐させられて、冷却のためにガスタービンの高温ガス部分へ供給される。図２及び図４において、単純にするために、高圧タービン１６への１つの冷却ガス供給と、低圧タービン１７への２つの冷却ガス供給のみが示されている。単純にするために、燃焼器１４，１５への冷却ガス供給は示されておらず、高圧燃焼器１４は一般的に高圧冷却空気２８によって冷却され、低圧燃焼器１５は一般的に中圧冷却空気３４によって冷却される。酸素濃度が高い新鮮空気が圧縮機の外側領域へ方向付けられるので、新鮮空気は、大部分が冷却ガス３３，３４，２８として燃焼器１４，１５の周囲へ案内されるのに対し、圧縮機出口までの、圧縮機１の中央の領域における、酸素の少ない再循環された煙道ガスは、圧縮され、高圧燃焼器１４へ進む。圧縮機入口３におけるガス供給の分離の結果、酸素が少ない再循環された煙道ガスの大部分が、高圧燃焼器１４へ方向付けられる。

【0059】

再循環される煙道ガス２１の割合の変化と、それに関連する圧縮機入口体積の変化とにより、ガスタービンの異なる作動状態の間、圧縮機への流入における均一な速度分布を実現するために、図２から図６に示された典型的な実施の形態において、制御エレメント４２を設けることができ、この制御エレメント４２によって、第１の煙道ガス部分流２１が第１のセグメント５１を通じて圧縮機１へ導入される前に、この第１の煙道ガス部分流２１に新鮮空気２を加えることができる。

【0060】

図５は、周方向で交互に配置された、新鮮空気２および酸素減少ガス２１の供給のためのセグメント５１，５２を有する圧縮機入口３の断面図の概略図である。第１のセグメント５１はそれぞれ酸素減少ガス２１の供給のために設けられており、第２のセグメント５２はそれぞれ新鮮空気２の供給のために設けられている。セグメント５１，５２は、ガスタービンの軸３７の周囲に環状に配置されており、入口逸らせ板４５によって互いに分離されている。

【0061】

図６は、半径方向で段付けされた圧縮機入口３の断面図の概略図を示している。内側セクタ３”および外側セクタ３’は、それぞれ第１のセグメント５１に沿って内側逸らせ板４５によって分離されている。外側セクタ３’を通じて、新鮮空気が全周に亘って供給される。内側セクタ３”を通じて、新鮮空気および酸素減少ガスが周方向で交互に供給される。酸素減少ガスはそれぞれ第１のセグメント５１を通じて供給され、新鮮空気はそれぞれ第２のセグメント５２を通じて供給される。第１および第２のセグメント５１，５２は周方向で入口逸らせ板４５によって分離されている。内側セクタ３”および外側セクタ３’は、それぞれ第２のセグメント５２の領域において機械的に分離されていない。セクタ境界は、例示だけのために破線で示されている。

【0062】

図７は、酸素減少ガス２１用の代替的な供給を示している。板によって隔離された圧縮機入口３の第２のセグメント５２を通じた再循環された煙道ガス２１の別個の供給の代わりに、分割されていない圧縮機入口３が使用されている。酸素減少ガス２１は、リング状に軸方向に配置されかつ圧縮機入口３に達する複数の供給通路３９を通じて導入され、その場合、隣接する供給通路３９の間の距離は、新鮮空気が供給される圧縮機入口３の第２のセグメント５２が、それぞれ２つの隣接する供給通路３９の間にとどまるように、十分に大きく選択されている。供給通路３９としては、管または管スタブが適しており、その出口端部は、圧縮機入口の方向に主流に対して平行に向けられている。示された例では、管スタブは、新鮮空気２との混合をできるだけ減じるためにちょうど圧縮機１の入口ノズル（ベルマウス）内へ達している。酸素減少ガス２１と新鮮空気２との周方向で交互の供給を、断面Ａ−Ａにおいて見ることができる。

【0063】

管スタブは、実際の圧縮機入口３において終わっていることもできるまたは圧縮機入口３の壁部において終わっていることもできる。好適には、端部は、ガスタービンの軸線の周囲に環状に配置されているべきである。

【0064】

複数の供給通路３９を有する実施の形態は、圧縮機入口３の分離のための入口逸らせ板４５を必要としないという利点を有する。

【0065】

作動中、これは、再循環された煙道ガスに対する新鮮空気の比を、入口セクタの面積比とは無関係に変化させることができるという利点を有する。

【0066】

別個の供給通路３９を通じた酸素減少ガス２１の供給の代わりに、図８に概略的に示したように、圧縮機１の軸受支持体４８を介した導入も可能である。軸受支持体４８は、詳細図Ｂに示したように、少なくとも１つの供給穴４９を有しており、この供給穴４９から、酸素減少ガス２１は、圧縮機入口の方向で主流に対して平行な排出通路４７を流過する。酸素減少ガス２１と新鮮空気２との周方向で交互の供給が、断面Ｃ−Ｃにおいて見られる。

【0067】

酸素減少ガス２１の導入のために使用される軸受支持体４８の間隔は、この場合、新鮮空気２が供給される圧縮機入口３の第２のセグメントがそれぞれ２つの隣接する供給部の間にとどまるのに十分に大きく選択される。

【符号の説明】

【0068】

１ 圧縮機
２ 新鮮空気
３ 圧縮機入口
３’ 外側セクタ
３” 内側セクタ
４ 燃焼器
５ 燃料
６ ガスタービン
７ タービン
８ ガスタービンの高温の煙道ガス
９ 排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）
１０ （ＣＯ₂分離システムへの）第２の部分的な煙道ガス流用の煙道ガスファン
１１ 第１の煙道ガス部分流（煙道ガス再循環）用の煙道ガスファン
１２ バイパスフラップまたは弁
１３ 蒸気タービン
１４ 高圧燃焼器
１５ 低圧燃焼器
１６ 高圧タービン
１７ 低圧タービン
１８ ＣＯ₂分離システム
１９ 排熱回収ボイラからの煙道ガス
２０ 第２の煙道ガス部分流（ＣＯ₂分離システムへの煙道ガスダクト）
２１ 第１の煙道ガス部分流（煙道ガス再循環）
２２ ＣＯ₂の少ない煙道ガス
２３ （第２の煙道ガス部分流用の）煙道ガス再循環冷却器
２４ 排気煙突への煙道ガスバイパス
２５ 第１の発電機
２６ 第２の発電機
２７ （第１の煙道ガス部分流用の）煙道ガス再循環冷却器
２８ 高圧冷却ガス
２９ 排ガス分割装置
３０ 生蒸気
３１ 分離されたＣＯ₂
３２ 排気煙突
３３ 低圧冷却ガス
３４ 中圧冷却ガス
３７ 軸（ロータとも呼ばれる）
３９ 供給通路
４２ 新鮮空気制御エレメント
４３ 圧縮機静翼
４４ 圧縮機動翼
４５ 入口逸らせ板
４７ 排出通路
４８ 軸受支持体
４９ 供給穴
５１ 第１のセグメント
５２ 第２のセグメント

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】