JP2012140958A - パージ・システム、パージ・システムを備えるシステム、およびパージ方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パージ・システムおよび液体燃料噴霧システム、パージ・システムおよび液体燃料噴霧システムを備えるシステム、ならびにパージおよび噴霧する方法を提供する。
【解決手段】パージングは、第１のノズル、第２のノズル、第３のノズル、ならびに第１段および第２段を有する多段圧縮システムを伴う。第１段は、第１の加圧流体ストリームを第１のノズルおよび第２のノズルへ選択的に送るように構成されている。第２段は、第２の加圧流体ストリームを第３のノズルへ選択的に送るように構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、パージ・システムおよびノズルを有する液体燃料噴霧システム、パージ・システムおよびノズルを有する液体燃料噴霧システムを備えるシステム、ならびにノズルをパージし燃料を噴霧する方法に関する。より具体的には、本発明は、多段圧縮システムを用いてノズルをパージし液体燃料を噴霧するシステムおよび方法に関する。

環境およびエネルギー関連の施策、規則、法律、および条約は、炭素放出に対処し続けている。炭素放出がより頻繁にモニタリングされ続けているため、炭素捕捉および隔離は、何らかの将来の温室効果ガス遵守計画の要素となる可能性がある。

天然ガスおよびガス化複合発電システム（ＩＧＣＣシステムとしても知られている）では、ＣＯ₂を大気圧またはわずかに高い圧力で分離する。分離したＣＯ₂は次に、圧縮捕捉して、深層オイル注入による石油増進回収用に利用できる高加圧ＣＯ₂とすることができる。任意の既知の有害な環境またはエネルギー効果を実質的に含んでいないＣＯ₂の付加的な供給源も望ましい。

産業用ガス・タービンは多くの場合に、二者択一的に液体および気体燃料（たとえば、天然ガス）を燃料とすることができる。これらのガス・タービンでは、液体および気体燃料の両方に対して燃料供給システムがある。ガス・タービンでは一般的に、ガスおよび液体燃料の両方を同時に燃焼させることはない。逆に、ガス・タービンで液体燃料を燃焼させるときには、気体燃料供給は止められる。同様に、ガス・タービンで気体燃料を燃焼させるときには、液体燃料供給は止められる。ガス・タービンの動作中に燃料移送が、燃料供給を液体燃料から気体燃料へ切り換えるときに起こり、逆もまた同様である。

液体および気体燃料の両方を燃焼させるガス・タービンでは、燃焼器内の燃料ノズルの障害物を取り除くために燃料パージ・システムが必要である。ガス・タービンが気体燃料で動作するときに、液体燃料供給システムは止められる。液体燃料システムが止められると、パージ・システムが動作して、燃焼器のノズルから任意の残存する液体燃料を流し出し、またノズルに連続冷却空気流を与える。図１に示すように、既知のパージ・システム１００では、ガス・タービン圧縮機または別個の専用パージ空気圧縮機１０３の放出からの加圧空気によって、噴霧空気通路、液体燃料ノズル、および水噴射ノズルの障害物が取り除かれる。液体燃料動作中は、噴霧空気圧縮機１０１によって、液体燃料噴霧に対するパージ空気の圧力がさらに高められる。同様に、ガス・タービンが液体燃料で動作するときに、気体燃料供給システムは止められる。気体燃料供給システムが止められると、パージ・システム１００が動作して、燃焼器の気体燃料ノズルから任意の残存する気体燃料を流し出し、またノズルに連続冷却空気流を与える。

米国特許第６，４３８，９６３号明細書

ＣＯ₂を用いることができるパージ・システム、パージ・システムを備えるシステム、およびパージ方法があれば、当該技術分野において望ましいであろう。

実施形態によれば、システムが、第１のノズルの組と、第２のノズルの組と、第３のノズルの組と、少なくとも第１段および第２段を有する多段圧縮システムとを備えている。第１段は、第１の加圧流体ストリームを第１のノズルの組および第２のノズルの組へ選択的に送るように構成されている。第２段は、第２の加圧流体ストリームを第３のノズルの組へ選択的に送るように構成されている。

別の実施形態によれば、パージ・システムが、第１のノズルの組と、第２のノズルの組と、第３のノズルの組と、多段圧縮システムを有する炭素捕捉システムとを備えている。多段圧縮システムは少なくとも第１段および第２段を有している。第１段は、炭素捕捉システムから第１のＣＯ₂ストリームを受け取って、第１のＣＯ₂を第１のノズルの組および第２のノズルの組へ送るように構成されている。第２段は、第２のＣＯ₂ストリームを受け取って、加圧ＣＯ₂を第３のノズルの組へ送るように構成されている。第２のＣＯ₂ストリームは、第１のＣＯ₂ストリームよりも圧力が大きい。

別の実施形態によれば、パージ・システムが、第１、第２、および第３のノズルの組を備えている。本システムは、第１の加圧流体ストリームを第１のノズルの組および第２のノズルの組へ、多段圧縮システムの第１段から選択的に送るように構成されている。加えて、本システムは、第２の加圧流体ストリームを第３のノズルの組へ、多段圧縮システムの第２段から選択的に送るように構成されている。

本発明の他の特徴および利点は、以下の好ましい実施形態のより詳細な説明を添付図面とともに参照することによって明らかとなる。添付図面では、一例として、本発明の原理を例示する。

パワー発生システム内のガス・タービンによってパージ・ストリームが与えられる従来技術のパージング・システムを概略的に示す図である。 開示内容による典型的なシステムを概略的に示す図である。 開示内容による典型的なシステムを概略的に示す図である。

可能な限り、図面の全体に渡って同じ参照番号を用いて同じ部品を表わす。

ＣＯ₂を用いることができるパージ・システムおよび液体燃料噴霧システム、パージ・システムおよび液体燃料噴霧システムを備えるシステム、ならびにパージ方法および液体燃料噴霧方法が提供される。開示内容によるパージ・システムおよび液体燃料噴霧システムは、多段圧縮システムとともに動作するように構成されたノズルを備えている。本開示の実施形態では、気体燃料もしくは液体燃料および／または水を流し出す一方で、燃焼材料の逆流を減らすかまたはなくし、１または複数のノズルの連続冷却をもたらし、ガス・タービン圧縮機および噴霧空気圧縮機を用いることなく空気を噴霧し、加圧ストリームを得るための多段圧縮システムを用いることによって効率を向上させ、システムの構成部品たとえば噴霧空気圧縮機またはパージ空気圧縮機をなくすことによってコストを下げ、および／またはＣＯ₂の添加によってガス・タービン中の膨張性フローを増加させ、その結果、ガス・タービン出力を増加させることによって性能を増加させる。

図２に、パワー発生システムとともに用いるための典型的なパージ・システム２００を概略的に示す。典型的なパージ・システム２００は、液体燃料システム１０２、気体燃料システム２０３、ならびに加圧流体を液体燃料システム１０２および／または気体燃料システム２０３へ送るための多段圧縮システム２０２を備えている。パージ・システム２００は、パワー発生システムおよび／または炭素捕捉システムとともに用いるように構成されている。一実施形態では、パワー発生システムは、ガス・タービン、燃焼器、コントローラ、および／または任意の他の好適な構成部品を備えている。ガス・タービンは、単純または複合サイクル・システムの一部とすることができる。

燃焼器は、燃焼室（たとえば、筒型）の環状アレイであって、各燃焼室は、少なくとも１または複数の液体燃料ノズルの組２１９、液体燃料システム１０２に接続された少なくとも１または複数の噴霧ノズルの組１２０、および少なくとも、気体燃料システム２０３に接続された気体燃料ノズル２０５を備える、燃焼室の環状アレイとすることができる。燃焼が、筒型内のノズル１２０、２０５、および２０３のわずかに下流の地点で開始される。空気が筒型の周りおよび筒型の中を通って流れて、燃焼用および冷却用の酸素を与える。また、水噴射ノズル２０６が、液体燃料動作中のＮＯ_x排出を減らすために燃焼器内に配設されている。燃焼器はガス・タービンと流体連絡している。

燃焼器が液体燃料を燃焼するとき、気体燃料システム２０３は動作しておらず、液体燃料システム１０２のパージングは、１または複数のバルブ２０７によって防止されている。バルブ２０７は、任意の好適なバルブまたはバルブの組み合わせであっても良く、たとえば、限定することなく、パージ・バルブ、ソフト・パージ・バルブ、三方バルブである。燃焼器が、気体燃料の燃焼にまたは液体燃料システム１０２が動作していない任意の時点に切り換えられたときに、液体燃料システム１０２を、バルブ２０７の１または複数を選択的に開くことによってパージしても良い。パージングには、加圧流体を液体燃料システム１０２を通して送ることが含まれている。加圧流体は、ろ過器を通って、汚染物質を取り除き、汚染物質に敏感な構成部品を始動および稼働破片から保護することができる。燃焼器が液体燃料の燃焼に切り換えられたときに、求められる排出に基づいて水噴射ノズル２０６を開けることによって、水噴射システム内の水が噴射される。

図２は、パージおよび液体燃料噴霧システム２００（たとえば、ＣＯ₂パージおよび液体燃料噴霧システム）の典型的な実施形態を示す。パージおよび液体燃料噴霧システム２００は、液体燃料および／もしくは水を流し出すように構成され、１もしくは複数のノズルの連続冷却をもたらすように構成され、ガス・タービン圧縮機および噴霧空気圧縮機を用いずに液体燃料を噴霧するように構成され、またはそれらの組み合わせである。パージ・システム２００の典型的な実施形態は、第１のノズル（たとえば、液体燃料ノズル２１９）と流体連絡する液体噴射システム、第２のノズル（たとえば、水噴射ノズル２０６）と流体連絡する水噴射システム、液体燃料噴霧システム（たとえば、噴霧ノズル１２０）、および多段圧縮システム２０２を備えている。

多段圧縮システム２０２は、排出物取り扱いシステム（たとえば炭素捕捉システム）と流体連絡しているかまたはその一部である。排出物取り扱いシステムは、ストリーム（たとえば、ＣＯ₂ストリーム２０８）を圧縮および／または隔離して、多段圧縮システム２０２にストリームを与えるように構成することができる。多段圧縮システム２０２では、流体（たとえば、捕捉されたＣＯ₂）を複数の段で圧縮して、流体圧力を、流体を液相に転化させるための臨界超過レベルまで上げる。多段圧縮システム２０２は、各圧縮段の後に圧縮流体温度を所定のレベルに維持する中間冷却器（たとえば、第１の多段中間冷却器２１０、第２の中間冷却器２１２など）を備えている。多段圧縮システム２０２は、加圧流体の一部を、第１段および第２段から、１または複数のバルブ２０７を通して、液体燃料ノズル２１９、水噴射ノズル２０６、気体燃料ノズル２０５、および噴霧ノズル１２０まで、ガス・タービン動作モードに基づいて、それぞれ送る。加圧流体は、空気、ＣＯ₂、または任意の好適な不燃性の流体であっても良い。加圧流体が本質的にＣＯ₂からなる一実施形態では、ガス・タービン内の膨張性フローによってガス・タービンの出力が増加する。多段圧縮システム２０２は、バルブ２０７と流体連絡していて、バルブ２０７に連続圧力を与えることによって、液体燃料ノズル２１９から液体燃料を受け取るように配設および配置された燃焼器から燃焼生成物が逆流することが防止される。

一実施形態では、多段圧縮システム２０２は炭素捕捉システムの一部である。炭素捕捉システムでは、ＣＯ₂を分離した後に、多段圧縮システム２０２にＣＯ₂ストリーム２０８として導入する。多段圧縮システム２０２では、ＣＯ₂は、第１の多段圧縮機（たとえば、低圧圧縮機２０９）によって圧縮され、第１の多段中間冷却器２１０によって冷却され、第２の多段圧縮機（たとえば、中圧圧縮機２１１）を通って送られて、所定の圧力および温度を有する第１のストリーム２１４が形成される。第１のストリーム２１４の一部は、第１のアキュームレータ２１５へ、および／またはバルブ２０７の１または複数へ送られて、液体燃料のパージングおよび噴霧を、１または複数のバルブ２０７の選択的な開閉に基づいて行なうことができるようになっている。第１のアキュームレータ２１５は、多段圧縮システム２０２が破損した場合に加圧流体の連続的な供給を与える。第１のストリーム２１４の残りの部分は、第２の多段中間冷却器２１２および第３の圧縮機（たとえば、高圧圧縮機２１３）を通して送られて、所定の温度および圧力を有する第２のストリームが形成される。第１のストリーム２１４の圧力は第２のストリーム２１６の圧力よりも低い。第２のストリーム２１６の一部は、第２のアキュームレータ２１７におよび／またはバルブ２０７の１または複数に送られる。第２のストリーム２１６の残りの部分は、さらなる多段中間冷却器および圧縮機を通して送られて、臨界超過のストリーム２１８が形成される。任意の好適な数の圧縮機および／または中間冷却器を用いても良い。同様に、圧縮機および／または中間冷却器の前、後、または間に設けられたさらなる圧縮機を用いても良い。一実施形態では、多段圧縮システム２０２を出るＣＯ₂は、所定の圧力（たとえば、その臨界超過圧力または約２２１５ｐｓｉａ）である。圧力が増加することによってＣＯ₂が液化する場合がある。臨界超過のストリーム２１８として多段圧縮システム２０２を出るＣＯ₂を、貯蔵または輸送しても良い。一実施形態では、液体燃料システム１０２および／またはパージ・システム２００には、パージ圧縮機がない。あるいは、備えているパージ圧縮機に対する要求を緩和することによって、全体的効率を向上させることができる。

第２のストリーム２１６からの加圧流体は、第１のストリーム２１４からの加圧流体よりも圧力が大きい。加圧流体は、１または複数のバルブ２０７によって選択的に送られる。バルブ２０７をコントローラまたは手動で調整して、加圧流体を液体燃料システム１０２に送ることができる。同様に、ノズルに送る第１のストリーム２１４からの加圧流体と第２のストリーム２１６からの加圧流体との比率を、調整することができる。この調整性によって、温度および／または圧力を、コントローラからの信号または手動の決定に基づいて、所定の温度および／または所定の圧力まで増加および減少させることができる。バルブ２０７の選択的な開閉に応じて、第１の加圧流体ストリーム２１４は、気体燃料動作中に、液体燃料もしくは気体燃料マニフォールドおよび／またはノズルをパージする。同様に、第２の加圧流体ストリーム２１６は、液体燃料動作中に液体燃料を噴霧する。

加圧流体を、液体燃料を噴霧通路１２０内に噴霧するために送っても良い。一実施形態では、流量を、温度および圧力の調整と同様の方法で調整することによって、液体燃料の噴霧を、噴霧通路１２０内の圧力に基づいて増加または減少させる。一実施形態では、加圧流体によって、液体燃料システム１０２および／またはパージ・システム２００を、噴霧空気圧縮機が無いようにすることができる。あるいは、備えている噴霧空気圧縮機に対する要求を緩和することによって、全体的効率を向上させることができる。

コントローラによって、液体燃料システム１０２、気体燃料システム２０３、多段圧縮システム２０２、本明細書で開示される任意の他の構成部品、任意の他の好適な構成部品、またはそれらの組み合わせの動作パラメータを調整することができる。これらの調整によって、プロセスにおけるストリームまたはストリームの部分の温度、圧力、流量、パワー出力、または任意の他の好適な特性を調整することができる。

液体燃料システム１０２および気体燃料システム２０３のパージングを、多段圧縮システム２０２とともに動作する任意の好適なパージ・システムによって行なうことができる。一実施形態では、システムは、第１のストリーム２１４、第２のストリーム２１６、および／または他のストリームを、１または複数の三方バルブを用いて制御することを伴う。別の実施形態では、図３に示すように、逆止め弁、マルチポート・バルブ、および／または調整オリフィスを用いる。たとえば、液体燃料パージ・システム１０４は、加圧流体（たとえば、ＣＯ₂）を液体燃料システム１０２の液体燃料ノズル２１９を通して吹いて、液体燃料をパージし、実質的に連続的な冷却液の流れを液体燃料ノズル２１９に与える。調整オリフィス１３２は、加圧流体の流れを測定する。加圧流体は、配管１３０、ろ過器１６２、Ｔ字管１３７を通して送られる。Ｔ字管１３７では、加圧流体が、液体燃料パージ・システム１０４と水パージ・システム１２６（水噴射ノズル２０６を備える）との間で分割される。液体燃料パージ・マルチポート・バルブ１３８によって、昇圧圧力加圧流体が液体燃料ノズル２１９へ送られる。マルチポート・バルブ１３８は、ソレノイド１３９によって制御され、ソレノイド１３９はコントローラによって操作される。各燃焼室において、エンド・カバー逆止め弁１４７によって、液体燃料がパージ・システム１０４内に逆流することが防止される。

液体燃料逆止め弁１６５（各燃焼室に対して少なくとも１つ）によって、パージ動作中に液体燃料供給１７２が隔離され、加圧流体が液体燃料システム１０２内に逆流することが防止される。加圧流体が液体燃料システム１０２に入ることを防止することによって、逆止め弁１６５は、燃料供給との空気燃料インターフェースを減らすかまたはなくす。

液体燃料パージ・システム１０４が開始されると、ソレノイド・バルブ１３９によって、ソレノイド制御されたソフト・パージ・バルブ１４０が、マルチポート・バルブ１３８と同時に開く。ソフト・パージ・バルブ１４０の開口部比は、作動ライン中の絞り弁によって機械的に制御することができる。ソフト・パージ・バルブ１４０は、比較的長い時間に渡って開いて、パージ・システム配管１４２および液体燃料ノズル２１９から燃焼器１１８内に噴出される残りの液体燃料の燃焼によって生じる負荷過渡を最小限にする。ソフト・パージ・バルブ１４０は、昇圧圧力加圧流体の流れを減らす低流量バルブである。ソフト・パージ・バルブが所定の時間だけ開いた後に、高流量パージ・バルブ１４４が開いて、昇圧加圧流体が、適切なシステム圧力比で流れることができる。高流量パージ・バルブは、双方向のボール・バルブ１４４であっても良い。

加えて、加圧流体が、別の調整オリフィス１３３を通って、噴霧空気マニフォールド１３４に、および液体燃料ノズル２１９の噴霧空気通路１２０に与えられる。噴霧空気からの加圧流体は、ろ過器１６２を通って、加圧流体から汚染物質を取り除き、汚染物質に敏感な構成部品を始動および稼働破片から保護する。

本発明のある特定の特徴および実施形態のみについて図示し説明してきたが、多くの変更および変形（たとえば、種々の構成要素のサイズ、寸法、構造、形状、および比率、パラメータ（たとえば、温度、圧力など）の値、取り付け方法、材料、色彩、配向などの使用方法の変化）が、請求項に列挙される主題の新しい教示および優位性から実質的に逸脱することなく、当業者に想起され得る。任意のプロセスまたは方法ステップの順序または手順を、代替的な実施形態により変更または再順序付けしても良い。したがって、当然のことながら、添付の請求項は、本発明の真の趣旨に含まれるすべての変更および変形を網羅することが意図されている。さらに、典型的な実施形態の簡潔な記載が得られるように、実際の具体化のすべての特徴については説明していない場合がある（すなわち、本発明を実施する現時点で考えられるベスト・モードに関係のないもの、または請求に係る発明を可能にするのに関係のないもの）。当然のことながら、任意のこのような実際の実施を起こす際には、任意のエンジニアリングまたはデザイン・プロジェクトの場合と同様に、実施に固有の多くの決定を行なう場合がある。このような開発努力は、複雑で時間がかかる場合があるが、それでも、本開示の利益を受ける当業者にとっては、必要以上の実験作業を行なうことなく、デザイン、作製、および製造の日常的な取り組みであろう。

Claims (20)

1. 第１のノズルの組２１９と、
   第２のノズルの組２０５と、
   第３のノズルの組１２０と、
   少なくとも第１段２１０および第２段２１２を有する多段圧縮システム２０２と、を備え、
   前記第１段２１０は、第１の動作モードに応じて、第１の加圧流体ストリーム２１４を前記第１のノズルの組２１９および前記第２のノズルの組２０５へ選択的に送るように構成され、
   前記第２段２１２は、第２の動作モードに応じて、第２の加圧流体ストリーム２１６を前記第３のノズルの組１２０へ選択的に送るように構成されているシステム１００。
2. さらに燃焼器１１８を備え、前記燃焼器１１８は、前記第１のノズルの組２１９から液体燃料を受け取り、前記第２のノズルの組２０５から気体燃料から受け取るように配設および配置されている請求項１に記載のシステム。
3. 前記第１の加圧流体ストリーム２１４によって前記第１のノズルの組２１９および前記第２のノズルの組２０５を冷却する請求項１に記載のシステム。
4. 前記第２のノズルの組２０５は水噴射ノズル２０６を含む請求項１に記載のシステム。
5. 前記第１のノズルの組２１９は気体燃料ノズル２０５を含む請求項１に記載のシステム。
6. 前記第３のノズルの組１２０は噴霧ノズル１２０を含む請求項１に記載のシステム。
7. 前記多段圧縮システム２０２は、１または複数のバルブ２０７と流体連絡しており、前記１または複数のバルブ２０７は、前記第１の加圧流体ストリーム２１４を前記第１のノズルの組２１９および前記第２のノズルの組２０５へ選択的に送り、前記第２の加圧流体２１６を前記第３のノズルの組１２０へ選択的に送るように構成されている請求項１に記載のシステム。
8. 圧縮システム破損に応じてパージング流体の連続圧力供給源となるアキュームレータ２１５をさらに備える請求項７に記載のシステム。
9. 連続圧力によって、燃焼器１１８と流体連絡するガス・タービンから燃焼生成物が逆流することが防止され、前記燃焼器１１８は、前記第１のノズルの組２１９から気体燃料を受け取り、前記第２のノズルの組２０５から液体燃料を受け取るように配設および配置されている請求項８に記載のシステム。
10. 前記第１の加圧流体ストリーム２１４は前記アキュームレータ２１５を通して送られる請求項９に記載のシステム。
11. 前記第１の加圧流体はＣＯ₂を含む請求項１に記載のシステム。
12. 前記第１の加圧流体は本質的にＣＯ₂からなる請求項１に記載のシステム。
13. 前記所定の圧力は前記流体の臨界圧力である請求項１２に記載のシステム。
14. 前記第１の加圧流体はＣＯ₂からなる請求項１に記載のシステム。
15. 前記第１段２１０および前記第２段２１２は、多段圧縮機２０２および中間冷却器によって分離されている請求項１に記載のシステム。
16. 前記多段圧縮システム２０２は炭素捕捉システムの一部である請求項１に記載のシステム。
17. 第１のノズルの組２１９と、
    第２のノズルの組２０５と、
    第３のノズルの組１２０と、
    多段圧縮システム２０２を有する炭素捕捉システムであって、前記多段圧縮システム２０２は第１段２１０および第２段２１２を有する、炭素捕捉システムと、を備え、
    前記第１段２１０は、前記炭素捕捉システムからＣＯ₂ストリームを受け取り、前記ＣＯ₂を前記第１のノズルの組２１９および前記第２のノズルの組２０５へ送るように構成され、
    前記第２段２１２は、第２のＣＯ₂ストリームに対して、前記加圧ＣＯ₂を前記第３のノズルの組１２０へ送るように構成され、
    前記第２のＣＯ₂ストリームは、前記第１のＣＯ₂ストリームよりも圧力が大きい、システム。
18. 燃焼器１１８と流体連絡するガス・タービンをさらに備え、前記燃焼器１１８は、前記第１のノズルの組２１９から気体燃料を受け取り、前記第２のノズルの組２０５から液体燃料を受け取るように配設および配置されている請求項１７に記載のシステム。
19. 第１のノズルの組２１９と、
    第２のノズルの組２０５と、
    第３のノズルの組１２０と、を備え、
    前記システム１０４は、第１の加圧流体ストリーム２１４を前記第１のノズルの組２０５および前記第２のノズルの組２０５へ、多段圧縮システム２０２の第１段２１０から選択的に送るように構成され、
    前記システム１０４は、第２の加圧流体ストリーム２１６を前記第３のノズルの組１２０へ、前記多段圧縮システム２０２の第２段２１２から選択的に送るように構成されているパージ・システム１０４。
20. 燃焼器１１８と流体連絡するガス・タービンをさらに備え、前記燃焼器１１８は、前記第１のノズルの組２１９から気体燃料を受け取り、前記第２のノズルの組２０５から液体燃料を受け取るように配設および配置されている請求項１９に記載のシステム。