JPH10510902A - ブレイトンサイクル工業用空気圧縮機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 二つのタービン圧縮機と回収熱交換された燃焼室を相互接続しているブレイトンサイクル空気圧縮装置である。高温の圧縮された高圧空気の一部分が燃焼室のための燃焼空気として用いられている。なお、燃焼空気の一部分が選択的空気乾燥器内の乾燥剤を再生する熱源として用いられる。

Description

【発明の詳細な説明】 ブレイトンサイクル工業用空気圧縮機 発明の背景 本発明は一般的にいえば空気圧縮機に関し、さらに詳しくいえばガスタービン 動力無潤滑空気圧縮機に関する。 代表的工業用空気圧縮装置が図１に示されている。電動機又は内燃ピストン機 関にすることのできる原動機１０が歯車又は継手１２によって圧縮機２０に接続 されている。普通は多段中間冷却圧縮機である圧縮機２０は、ピストン圧縮機、 ねじ圧縮機又は遠心圧縮機であってもよい。入力空気２２が入力空気フィルタを 通じて圧縮機２０に与えられる。圧縮されたあと、空気は後置冷却器２５の中で 普通の方法で冷却される。冷却されて圧縮された空気は、次に、空気受け器又は 貯蔵タンク５０へ送られ、そこから圧縮空気は空気分配装置５２に流入する。 圧縮空気を追加で乾燥することが必要な場合、圧縮空気は乾燥装置３０を通し て処理される。図１は、代表的な２タンク乾燥剤乾燥装置を示している。乾燥装 置３０は、二つのタンク３４ａ、３４ｂ及び関連の弁系統、一つの系統は「ａ」 であり、他方の系統は、「ｂ」で表わされている、（開放弁は「０」として示さ れ、閉じた弁は「Ｃ」として示されている）。図１に示されているように、「ａ 」系統は再生中であり、「ｂ」系統は作動中である。供給空気入口弁３６ａ、３ ６ｂは、圧縮空気を作動中のタンク３４ａ、３４ｂへ向けて、そこで水分を吸収 する乾燥剤が冷却された圧縮供給空気から水分を吸収する。供給空気出口弁３８ ａ、３８ｂは、作動中のタンクの吐き出し空気を空気受け器５０に向ける。再生 空気入口弁３７ａ、３７ｂは、補助バーナ３２からの加熱空気又は後置冷却器２ ５の前の圧縮機出口から外らされた本冷却圧縮空気のいずれかを通す。どちらの 場合にも、空気は不飽和であり、冷却された供給空気より乾燥している。不飽和 空気にさらした結果として、前に吸収した水分は乾燥剤から放出される。取除か れた水分を含む再生空気は再生空気出口弁３９ａ、３９ｂによって再生ダンプ空 気ライン４０に向けられる。この再生空気は、サンプ又はベントのどちらかへ放 出さ れる。 再生空気の投げ捨ては、圧縮空気における圧縮のエネルギーの損失につながり 、補助バーナ３２（用いられる場合）によって加えられるエネルギーの損失に導 く。再生空気の吐き捨ては再生中の乾燥剤床３４ａ、３４ｂを横切る大きな圧力 降下を生ずる可能性がある。よく起ることであるが、乾燥剤床３４ａ、３４ｂの 入口から出口への圧力降下は、乾燥剤床を損傷するに十分な大きさのものである 。 前述のことは現在の工業用空気圧縮装置にあると知られている限界を示してい る。従って、上述の限界の一つ以上を解決することを目的とした代替品を提供す ることが有益であることは明らかである。それ故、あとでさらに十分に説明する 特徴を備える適当な代替品が提供される。 発明の概要 本発明の一つの面において、これは、燃焼室と、燃焼室からガスを排出するこ とによって駆動される少なくとも一つのタービンと、燃焼空気を燃焼室に供給す る圧縮機とを備えるブレイトン（Ｂｒａｙｔｏｎ）サイクル空気圧縮機であり、 前記圧縮器が少くも一つのタービンの中の一つによって駆動され、圧縮器が燃焼 空気を燃焼室に供給するに必要な容量を上回る容量を有し、ブレイトンサイクル 空気圧縮機の作業副産物は、過剰圧縮空気として抽出されるように構成されたブ レイトンサイクル空気圧縮機を提供することによって達成される。 前述の及びその他の面は、添付図面と併せて考慮するとき発明の以下の詳細な 説明から明らかになる。 図面の簡単な説明 図１は、従来の工業用空気圧縮装置の略図である。 図２は、ブレイトンサイクル工業用空気圧縮装置の一つの実施例の略図である 。 図３は、ブレイトンサイル工業用空気圧縮装置の別の実施例の略図である。 詳細な説明 図２は、空気をガスタービンエンジン（６０、６４及び６６）と空気受け器５ ０の両方に供給する圧縮器セクション（７０と７２）（多重段で）有するブレイ トンサイル工業用空気圧縮機の１実施例を示している。各圧縮機段７０、７２は それぞれ専用のタービン６４、６６によって駆動される。所望の排出圧力次第で 、 １、２、３又はそれ以上の段の圧縮を用いることができる。多重段圧縮機（７０ 及び７２）おいて圧縮された空気の一部分が空気受け器５０及び空気分配装置５ ２へ、通常は、乾燥装置３２を通して送られ、一方、残りの空気は、ブレイトン サイクルの構成要素、燃焼室６０、選択的及びタービン６４、６６を介して進む 。この二重用途は、圧縮機供給空気と燃焼空気の両方のためのエンジン駆動装置 との間の通常の機械的接続及び分離した通常の空気圧縮機パッケージの必要性を 不要にする。熱力学的いえば、ブレイトンサイクルの作業副産物は、軸動力とし てではなく過剰な空気圧縮として取り出される。 このブレイトンサイクル空気圧縮装置の一つの大きな用途は、タービン駆動無 潤滑遠心空気圧縮機を用いることによって油のない圧縮空気を作ることである。 供給空気（Ｍとして示されている）を扱う乾燥剤を乾燥（又は再生）するため にエンジンの空気供給の一部分を用いることは、この作業のために圧縮機出力の 一部分を費やす通常の方法を上回る効率の増加と費用改良である。本発明におい て、この乾燥空気回路は、空気損失（ダンプ）を生じないで、補助バーナを組込 んでいる再生式乾燥装置を上回る著しい簡易化である。本発明においては、それ が受ける乾燥空気と水分は駆動タービンを通して膨張させするためにエンジンサ イクルに戻される。水分多過ぎることはサイクルに有益である。乾燥空気と取得 した水分のこの戻しは、濃縮液が生ずる余分な環境問題をなくす。 図２に示された実施例はまた、部分負荷動作の二つの共通な手段をなくす。こ れらは制御可能な入口案内羽根及び可変速度モータ制御装置である。図２に示さ れた実施例を広い流量範囲にわたって一定の圧力吐出しをするように制御できる 。なお、一定圧力の設定点を、通常の空気圧縮機よりずっと大きな範囲を持つ異 なる圧力に変えるように、この機械を容易に調節できる。また、通常の一定速度 の案内羽根によって制御される圧縮機と異なり、図２に示された実施例はさらに 低い設定点でさらに効率的に動作する。 燃料を熱交換器（図示なし）をもった外部燃焼室又は内部燃焼室６０などの空 気加熱装置へ燃料絞り弁６２を通して供給する。好ましい実施例においては、燃 料は燃焼室６０の中で予め加熱された圧縮燃焼空気と混合される。好ましい燃焼 室は米国特許第５，４５０，７２４号に記載されている。燃焼室６０からの排気 ガスは第１段のタービン６４に向けられる。温度センサ７６がタービン６４への ガス入口温度を測定する。燃料供給は入口温度を予め定めた最小と最大の限界の 間に保っために必要なように絞られる。第１段のタービン６４からの排気は次に 第２段のタービン６６に入る。オプションとして、燃料効率を高めるために回収 熱交換器６８をブレイトンサイクル・エンジンに加えることができる。この場合 に、第２段のタービン６６からの排気は回収熱交換器６８を通過し、そこで排気 ガスが装置からベント９０を通って排気される前に燃焼空気Ｍａを予熱する。 入口空気２２が入口空気フィルタ（図示なし）を通して第１段の圧縮機７２に 供給される。第１段の圧縮機７２は第２段のタービン６６によって駆動される。 第１段の圧縮機７２からの圧縮空気は第１段のタービン６４によって駆動される 第２段の圧縮機７０に入る前に選択的中間冷却機７４において冷却される。 図２に示された装置は二つのタービンと二つの圧縮機をもった二段装置である が、この装置は単一段又は三段以上を持つことができる。単一段装置においては 、一つの圧縮機が一つのタービンによって駆動される。三段装置においては、第 一段の圧縮機が第三段のタービンによって駆動され、第二段の圧縮機が第二段の タービンによって駆動され、第三段の圧縮機が第一段のタービンによって駆動さ れるであろう。第一段のタービンからの排気は第二段のタービンへ向けられ、第 二段の排気は第三段のタービンに向けられる。第一段の圧縮機の排気は第二段の 圧縮機に入り、第二段の圧縮機の排気は第三段の圧縮機に入る。三段以上の段を 有する空気圧縮機装置は同様に構成されるであろう。 最後に（図２及び３における第二段）圧縮機７０の排気は、供給空気部分Ｍｓ 、燃焼空気部分Ｍａ、及び再生空気部分Ｍｒの三つの部分に分割される。空気絞 り弁８４を通過した後の供給空気Ｍｓは後置冷却器２５において冷却されて、次 に、普通は、乾燥装置３０を経て受け器５０に入る。小さい方の部分Ｍｒ再生空 気は、乾燥剤を乾燥装置３０において再生するために乾燥装置３０を通って流れ る。燃焼空気Ｍａは、回収熱交換器６８に入り、そこで燃焼室６０に入る前に予 熱される。再生空気Ｍｒは、燃焼室６０においてブレイトンサイクルエンジンに 戻される。代表的動作条件においては、Ｍａ：Ｍｓ：Ｍｒの比は６４：３４：２ である。しかし、空気、需要量が変るにつれて、これらの比は変ることがある。 圧力スイッチ８８が空気受け器５０のところ又はその近くに所望の高、低圧力 設定点へセットされる。燃焼室６０の燃料供給は圧力スイッチ８８に応じて燃料 アクチュエータ弁６２によって調整される。温度センサ７６はタービン６４入力 温度を許容限界内に保つために圧力センサ８８からの制御をオーバライドできる 。 図２は選択的乾燥装置３２を示している。この装置は一つの大きな相違のある 前述の従来の乾燥装置と同じ動作をする。圧縮機７０からの圧縮空気は再生空気 Ｍｒ、燃焼空気Ｍａ及び供給空気Ｍｓの三つの部分に分割される。加熱された（ 圧縮の熱）再生空気Ｍｒは乾燥剤から水分を取り上げる乾燥剤を通過する。余分 な水分を含んでいる再生空気Ｍｒは次に、燃焼空気Ｍａが回収熱交換機６８を通 過したのちに燃焼空気Ｍａと混合する。余分の水分はブレイトンサイクル燃焼室 タービン組合せに有益である。種々の利益の中には、ＮＯｘなどの排出物質が減 されることがある。必要な場合、最適性能のために再生空気Ｍｒは別々に、例え ば、前置室に入ることができる。幾つかの例において、絞り弁８５及び乾燥剤床 ３４ａ、３４ｂを横切る圧力降下が回収熱交換機６８を横切る圧力降下にマッチ するように、絞り弁８５が設けられている。これによって再生空気Ｍｒが燃焼空 気Ｍａの残量と混合できるようになる。これは燃料効率に悪い影響を与える出力 損失をブレイトンサイクルに追加するのを防止する。代表的装置の場合、再生空 気Ｍｒの流量は供給空気Ｍｓの１５％である。 本発明の一つの実施例が通常の固定形状タービンと圧縮機（１，２又は３段） を用いている。規定された一定圧力設定点における流量を調整するために、燃料 弁６２及び空気絞り弁８４が作動される。空気絞り弁は空気受け器５０への空気 流量を調整する可変領域弁８４（蝶弁のような）である。この弁８４を閉じるこ とによってエンジンのタービンセクションを通る流量を再配分する。燃料絞り弁 ６２は高速圧縮機排出圧力（図２における６４）の変化に応じる。この簡単な方 法によってエンジン・オンオフ・サイクリングが必要となる前に、システム流量 ターンダウン比が２と４の間にあってもよいようにする。これは図１に示された 通常の圧縮機装置で可能であるよりずっと大きな範囲を表わしている。 上述の本発明の第２の実施例が部分負荷流れ条件における燃料効率を改良でき る。部分負荷効率を最大にするためには、２：１ターンダウン範囲の場合、可変 ノズル構成をタービンセクション加えることができる。この加えられた制御自由 度は、高いタービン入口温度を広い流量範囲にわたって維持でき、それによって 燃料効率を改良する。４：１ターンダウン範囲未満の高効率のさらに広い範囲の 場合、可変デュフュ−ザセクシヨンを圧縮機セクションに加えることができる。 この追加の構成は可変ノズルタービンと燃料絞り弁と共同して働くであろう。 ブレイトンサイクル空気圧縮装置の別の実施例が図３に示されている。発電機 又は交流発電機などの電気発電機１００、１０１を一つ又は二つのタービン７０ 、７２に接続できる。 タービン７０、７２に接続された一つ以上の発電機１００、１０１の場合、装 置効率が送り出された供給空気における広い変動にわたって高いままである。空 気受け器５０と空気分配装置５２の圧力が圧力制御弁の設定点まで増加すると、 弁は絞りを閉じさせ始める。圧縮機７０、７２における背圧が増すにつけて、発 電機１００、１０１は負荷を取り上げ始める。図３に示された装置は負荷、すな わちブレイトンサイクル装置の作業副産物を圧縮機７０、７２と発電機１００、 １０１の間で自動的に割当てる。温度センサ７６は装置の中で許容できる限界内 のタービン入口温度を保つためにそのまま残っている。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９６年７月８日 【補正内容】 請求の範囲（補正） １．燃焼室と、 前記燃焼室へ与えられる燃料の供給源と、 前記燃焼室を去る排気ガスによって駆動される第１タービンと、 第１のタービンを去る排気ガスによって駆動される第２のタービンと、 前記第２のタービンによって駆動されて入口空気を圧縮する第１の圧縮 機と、 第１の圧縮機からの圧縮空気を圧縮する第１のタービンによって駆動さ れる第２の圧縮機と 供給空気部分を冷却する手段と、 供給空気部分からの水分を除去する乾燥装置とを備え、 前記第２の圧縮機からの圧縮空気が二つの部分に分割され、第１の部分 は燃焼室に与えられ、この第１の部分は燃焼空気部分を形成し、第２の部分は圧 縮空気の供給源を形成するために抽出され、この第２の部分が供給空気部分を形 成しており、 前記乾燥装置は冷却された供給空気部分の温度より高い温度を有する空 気を加えることによって再生できる水分吸収物質を備え、燃焼空気部分のそのほ かの部分が水分吸収物質を再生するために水分吸収物質に加えられ、燃焼空気部 分のこの部分か再生空気部分を形成する装置。 ２．水分吸収物質から除去されたすべての水分を含む再生空気部分が燃焼空 気部分に戻される請求項１２に記載の装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．燃焼室と、 前記燃焼室からの排気ガスによって駆動される少なくとも一つのタービ ンと、 前記少なくとも一つのタービンの中の一つによって駆動され、燃焼空気 を燃焼室へ供給するに必要な容量を超える容量を有し、燃焼空気を燃焼室へ供給 する圧縮機とを備え、作業生成物が過剰圧縮空気として抽出されるブレイトンサ イクル空気圧縮機。 ２．前記タービンの数が１である請求項１に記載のブレイトンサイクル空気 圧縮機。 ３．さらに追加の圧縮機を備え、タービンの数が二つであり、各タービンが 二つの圧縮機のうちの一つを駆動する請求項１記載のブレイトンサイクル空気圧 縮機。 ４．さらに二つの追加の圧縮機を備え、タービンの数が３であり、各タービ ンが圧縮機の一つを駆動する請求項１に記載のブレイトンサイクル空気圧縮機。 ５．さらに少なくとも一つのタービンのうちの一つからの排気を与えられる 回収熱交換器を備え、燃焼空気が燃焼室に与えられる前に回収熱交換器を通過し 、排気ガスが燃焼空気を予め加熱する請求項１に記載のブレイトンサイクル空気 圧縮機。 ６．燃焼室と 前記燃焼室へ与えられる燃料の供給源と 前記燃焼室を去る排気ガスによって駆動される第１タービンと、 第１のタービンを去る排気ガスによって駆動される第２のタービンと、 前記第２のタービンによって駆動されて入口空気を圧縮する第１の圧縮 機と、 第１の圧縮機からの圧縮空気を圧縮する第１のタービンによって駆動さ れる第２の圧縮機とを備え、前記第２の圧縮機からの圧縮空気が二つの部分に分 割され、第１の部分は燃焼室に与えられ、この第１の部分は燃焼空気部分を形成 し、第２の部分は圧縮空気の供給源を形成するために抽出され、この第２の部分 が供給空気部分を形成している装置。 ７．さらに第２のタービンを去る排気ガスを与えられる回収熱交換器を備え 、燃焼空気部分が燃焼室に与えられる前に回収熱交換器を通過し、排気ガスが燃 焼空気部分を予め加熱する請求項６に記載の装置。 ８．圧縮空気の供給空気部分が分配装置に与えられ、分配システム内の圧力 に応じて燃焼室に与えられる燃料の量を制御する圧力制御手段を備える請求項７ に記載の装置。 ９．第１のタービンに入る燃焼室排気ガスの温度に応じて燃焼室に与えられ る燃料の量を制御する温度制御手段をさらに備える請求項８に記載の装置。 １０．前記温度制御手段が第１のタービンに入る燃焼室排気ガスの温度を予め 定めた最小温度と予め定めた最大温度の間に保つ請求項９に記載の装置。 １１．前記分配システムが貯蔵タンクを備え、前記圧力制御装置が貯蔵タンク 内の圧力に応じる請求項８に記載の装置。 １２．供給空気部分を冷却する手段と、 供給空気部分からの水分を除去する乾燥装置とを備え、前記乾燥装置は 冷却された供給空気部分の温度より高い温度を有する空気を加えることによって 再生できる水分吸収物質を備え、燃焼空気部分のそのほかの部分が水分吸収物質 を再生するために水分吸収物質に加えられ、燃焼空気部分のこの部分が再生空気 部分を形成する請求項６に記載の装置。 １３．水分吸収物質から除去されたすべての水分を含む再生空気部分が燃焼空 気部分に戻される請求項１２に記載の装置。 １４．第２の圧縮機に入る前に第１の圧縮機からの圧縮空気を冷却する中間冷 却機をさらに備える請求項６に記載の装置。 １５．第１のタービン又は第２のタービンの一方によって駆動されて電気を発 生する第１の手段をさらに備える請求項６に記載の装置。 １６．第１のタービン又は第２のタービンの他方によって駆動されて電気を発 生する第２の手段をさらに備える請求項１５に記載の装置。 １７．第１のタービンに入る排気ガスの温度に応じて燃焼室に与えられる燃料 の量を制御する温度制御手段をさらに備える請求項１５に記載の装置。 １８．燃料の供給源を備える工程と、 燃料空気源を備える工程と、 回収熱交換器内の燃焼空気を加熱する工程と、 燃焼空気と燃料を混合する工程と、 燃焼空気と燃料の混合物を燃焼する工程と、 燃焼した燃焼空気と燃料の混合物を第１のタービンの中で膨張させる工 程と、 燃焼された燃焼空気と燃料の混合物を第２のタービンの中でさらに膨脹 させる工程と、 入口空気の供給を第２のタービンによって駆動されている第１の圧縮機 で圧縮する段階と、 第１の圧縮機からの圧縮空気を第１のタービンによって駆動される第２ のタービンで圧縮する工程と、 第２の圧縮機からの圧縮空気を二つの部分に分け、第１の部分を回収熱 交換器に与え、第２の部分を空気分配装置に与える工程と、 第２のタービンからの燃焼された空気と燃料の混合物を回収熱交換器に 与え、回収熱交換器に供給された圧縮空気の部分を加熱する工程とを備える空気 を圧縮する方法。 １９．空気分配装置内の圧力を測定する工程と、 燃焼空気と混合される燃料の量を空気分配装置内の圧力における変化に 応じて制御する工程と を含む請求項１８に記載の方法。 ２０．第１のタービンに入る燃焼した空気と燃料の混合物の温度を測定する工 程と、 燃焼空気と混合される空気の量を第１のタービンに入る燃焼した空気と 燃料の混合物の温度の変化に応じて燃焼空気と燃料の混合物の温度を予め定めた 最大温度以下に保つように制御する工程とをさらに備える請求項１８に記載の方 法。