JPH11324717A

JPH11324717A - ガスタービン用軽炭化水素燃料冷却システム

Info

Publication number: JPH11324717A
Application number: JP12134598A
Authority: JP
Inventors: Page Vince; ペイジヴィンス
Original assignee: Stewart and Stevenson Services Inc
Current assignee: Stewart and Stevenson Services Inc
Priority date: 1998-04-30
Filing date: 1998-04-30
Publication date: 1999-11-26
Anticipated expiration: 2018-04-30
Also published as: JP4331800B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】燃料として軽質炭化水素を用いるガスタービン
エンジンに於いて、導入される燃焼の早期燃焼を防止
し、特にスタートアップの過程や低出力の間に起り得る
ガスタービンエンジンの損傷を防止する。【解決手段】軽質炭化水素液体燃料を燃焼器へ注入され
る前に冷却システムにより冷却することにより、燃料の
温度を引火点未満に下げ、相変化および早期燃焼を回避
する。冷却システムは熱交換器１８、冷媒流体貯蔵器
（ブラインタンク２０、及び冷凍ユニット２２からな
り、冷凍ユニットで冷却された冷媒を冷凍ユニットと熱
交換器間を閉ループシステムとして循環させることによ
り燃料を冷却する。さらに開ループ冷却システム、空冷
式システムも冷却システムとして用いられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料として軽炭化
水素を用いるガスタービン・エンジンに係り、特に、ガ
スタービンエンジンに導入される軽炭化水素の早期燃焼
を防ぐ装置および方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】大型のガスタービン・エンジンは、一般
に、圧縮機、燃焼部およびタービンを含む。エンジンの
これら各部分を通って、動作流体が流れる環状の通路
が、軸方向に延びる。ガスタービンエンジンは、圧縮さ
れた動作流体の調整された加熱により出力する。開ルー
プシステムにおいては、動作流体（典型的に空気）は、
圧縮機内に引き入れられて、圧縮され、この圧縮された
空気は、その後、燃焼部へと導かれる。燃焼部は、通
常、一つもしくはいくつかの燃焼室または燃焼器からな
るが、ここで圧縮空気に熱が加えられる。具体的には、
該空気は可燃性燃料と混ぜ合わされて燃やされ、熱い加
圧ガスを生み出す。この熱い燃焼ガスは、その後、ター
ビンを通して膨張するが、このとき熱ガスはタービン羽
根車の羽根を横切るように方向付けられ、この熱い燃焼
ガスの流れが、タービン羽根車を回転させる。回転する
タービンは、駆動軸によってガスタービン圧縮機と接続
しており、プロセス圧縮機に動力を提供する。また、タ
ービンは、その他の機械装置（例えば、ジェネレータ、
ポンプ、水中プロペラ）に動力を提供するためにも用い
られる。さらに、タービンの排気ノズルを通して排出さ
れる熱ガスは、航空用のジェットエンジンに典型的に見
られるように、推進力を生み出すためにも用いられる。

【０００３】燃焼室に共通の構造は、円筒状のケーシン
グ内に金属ライナを含んでいる。空気は、このライナの
表面上を通るよう強制され、ライナの通り穴を抜け、燃
焼室の内部に入る。燃焼室は、ノズルもしくはバーナに
より、噴霧燃料を注入される。燃料の最初の点火は、点
火プラグに着火するとにより行われる。特に、スタート
アップの間、ガスタービンの軸は、ディーゼルもしくは
電気モータのような外部のエネルギー源により、始動ス
ピードまでクランクで回転する。始動スピードが達成さ
れると、燃料と空気が燃焼器に導入される。ここで、点
火プラグが着火され、バーナが点火し、燃焼反応が開始
する。ひとたびこの燃焼反応が始まると、燃焼器に継続
して燃料が補給注入されるため、燃焼反応は連続する。

【０００４】今日、燃焼器は、およそ４０００°Ｆ（２
２０４℃）の温度用に開発さている。燃焼器入口部の温
度は、ざっと２５０°Ｆ（１２１℃）から２５００°Ｆ
（１３７１℃）になり得る。このような温度のため、燃
焼器は、その内部における急激な温度の勾配を避けるよ
う設計されねばならない。急激な温度勾配は、ライナ、
バーナ、および燃焼器内のその他の金属成分に、歪みや
ひび割れを生じさせるおそれがあるからである。燃料の
不完全燃焼がもたらす炭素のデポジットもまた、局所的
にホットスポットが生じたり、ライナの歪みを生じさせ
る原因となり得る。スタートアップの間、タービンエン
ジンは、高度に統制された条件の下で、設計仕様にまで
運行されねばならない。このため、燃焼器内におけるス
タートアップおよび低出力の燃焼反応は、一般に、以下
のような条件の下で行われる。即ち、タービンエンジン
内の表面が、燃焼反応の強さが増すにつれて、徐々に温
まってゆくことを可能にするような条件の下で行われ
る。

【０００５】一般に、ガスタービン内の燃焼は、気体燃
料もしくは液体燃料のいずれかによってなされている。
産業用エンジンのような不動のタービンエンジンの場
合、天然ガスの使用が可能であれば、最も一般的に用い
られる燃料は、天然ガスである。反対に、ジェット機や
船舶を推進するために用いられる可動のタービンエンジ
ンは、一般に、液体の炭化水素を燃料とする。例えば、
ガソリン、ディーゼル燃料、航空燃料などである。天然
ガスの使用が不可能であるか、もしくは実際的でない場
合には、不動のガスタービンエンジンにも液体の炭化水
素が用いられる。典型的に、これらの液体炭化水素は、
少なくともおよそ０．７２の比重を持つことを特徴とす
る。本発明の目的を説明するにあたり、こうした特性を
有する炭化水素を“重炭化水素”、比重がおよそ０．７
２未満である炭化水素を“軽炭化水素”と呼ぶことにす
る。

【０００６】天然ガスは、重炭化水素と比べると比較的
安価であるため、燃料として望ましい。しかしながら、
天然ガスを利用するタービンエンジンは、不断の天然ガ
ス源にアクセスできる位置か、あるいは天然ガスをパイ
プラインによって供給され得る位置になければならな
い。天然ガス源の利用が可能な場合であっても、パイプ
ラインの設置および維持は、特に、ガス源から離れた地
域、開発途上の地域もしくは国においては、不可能に近
い。一方、重炭化水素の欠点は、費用がかかることと資
源不足であり、特に、自動車や航空機等に需要が高い場
合や地域で問題となる。

【０００７】重炭化水素に関するこうした問題の解決策
の一つは、ナフサやブタンのような軽炭化水素を用いる
ことである。一般に、精油工程の廃物として生成される
ような軽炭化水素は、低コストで容易に入手できる。こ
うした廃物は、典型的に、大気中に燃え上がらせること
により、処分されている。このような軽炭化水素は、容
易に入手でき、また安価であるため、ガスタービン燃料
として重炭化水素よりも好都合である。しかしながら、
これら軽炭化水素はの分子量および比重は、重炭化水素
に比して低いため、その相変化温度および引火点温度
も、典型的に重炭化水素より低い。このため、軽炭化水
素は、重炭化水素よりも相変化を起こし易く、また燃え
易い。ガスタービンエンジンに関して言えば、これら軽
炭化水素は、その低い引火点温度のため、燃焼室内で時
期尚早に燃焼する可能性が高く、その結果、ガスタービ
ンエンジンに被害を与えるような温度勾配を引き起こす
危険がある。即ち、例えば上述した、スタートアップの
過程および低出力状態の間に起り得るような損傷であ
る。さらに、相変化は、燃焼器バーナに燃料を供給する
燃料ライン中に蒸気泡を生じさせ、燃料の連続的な流れ
を妨害する危険があり、潜在的にタービンエンジンに被
害を与える可能性がある。

【０００８】突然の温度勾配による熱応力から燃焼器を
保護するため、これまでも既に、いくつかの方法や装置
が用いられている。例えば、熱応力から保護するため、
燃焼器の表面をセラミック材で覆うということは、先行
技術において既知である。同系統の方策として、燃焼器
構成物を高温合金で作ることも可能である。しかしなが
ら、これらの解決策は、軽炭化水素の早期発火を防ぐと
いうことについては何らの手段も講じておらず、ただ事
後的にこの問題に接しているだけである。さらに、これ
らの解決策は、標準的な燃焼器を用いる場合に比して、
費用がかかる。また、既存のガスタービンエンジンを軽
炭化水素燃料用に改造する場合、可能であるとしても、
こうした種類の構成物をタービンに後から付け加えるこ
とで、追加の費用がかかるばかりでなく、一般に、かな
りの時間的中断を免れない。

【０００９】軽炭化水素をガスタービンエンジンにに用
いるためのもう一つの解決策は、スタートアップの過
程、すなわち、エンジンの暖機運転および低出力状態の
間は、より燃えにくい燃料を使用するということであ
る。例えば、暖機運転の間はディーゼル燃料を用い、所
定の負荷および燃焼器圧力が達成された時点で、ナフサ
に切り替えるというやり方が一般的に実施されている。
このような構成の欠点は、一つに、二重の燃料システム
が必要だということである。具体的には、燃料供給シス
テムそれ自体は、ほぼ同一であるにも拘わらず、それぞ
れの種類の燃料につき別個の燃料供給システムが必要な
ことである。もう一つの欠点は、より高価な燃料を過度
に使用するということである。

【００１０】

【発明の概要】本発明は、冷却システムを用いるガスタ
ービンエンジンを提供するが、ここでは、燃焼器に軽炭
化水素液体燃料が注入される前に該燃料の温度を下げる
ために、冷却システムを用いる。具体的には、この冷却
システムは、燃料供給システムの燃焼器上流部に配置さ
れ、これにより、該液体燃料の温度を引火点温度未満に
下げ、相変化および早期燃焼を回避する。好ましい実施
の形態による冷却システムは、熱交換器、冷媒貯蔵器お
よび冷凍ユニットを含む閉ループシステムである。ここ
で、ブラインがループ内を以下のように循環する。即
ち、冷却されたブラインは熱交換器内に入り、熱交換器
を通過して流れる軽炭化水素に対するヒートシンクとし
て作用する。熱交換器を出た温かいブラインは、次に冷
凍ユニットに向かい、ここで冷却され、その後貯蔵器に
集められ、貯蔵される。冷却された軽炭化水素は、熱交
換器を出て、ガスタービンエンジンに注入される。

【００１１】本発明は、いくつかの理由により、先行技
術よりも有利である。まず第一に、本発明は、費用のか
かる変更や中断時間の必要なく、既存のガスタービンエ
ンジンに軽炭化水素を使用することを可能とする。具体
的には、本発明の冷却システムは、ガスタービンエンジ
ン内の燃焼器に改変を要せずに、燃料貯蔵器とガスター
ビンエンジンの間に設置することができる。先行技術に
おける装置が専ら解決しようとしてきたのは、軽炭化水
素の相変化や早期燃焼がもたらす結果（例えば、突然の
温度勾配）である。しかしながら、本発明は、軽炭化水
素の相変化および早期燃焼の原因に取り組んでいる。即
ち、本発明は、引火点における、もしくは引火点近辺に
おける、軽炭化水素の温度に着目する。軽炭化水素の温
度を引火点温度よりも低く調整することにより、早期燃
焼の結果生じるであろう問題は未然に防がれ、費用のか
かる燃焼器改変も必要なくなる。

【００１２】また、本発明は、軽炭化水素用ガスタービ
ンエンジンに第二の燃料供給システムを設ける必要性を
解消する。先行技術における、軽炭化水素の相変化およ
び早期燃焼に対する解決策の一つは、二つの燃料システ
ムを提供することである。これら二つの燃料システムの
機構は、本質的には同一であるが、取り扱う燃料の種類
が異なるため二つのシステムが必要となるのである。第
一のシステムは、典型的に、スタートアップおよびター
ビンの低出力運転状態に使用される重炭化水素を供給
し、一方、第二のシステムは、通常運転および高出力運
転状態に使用される軽炭化水素を供給する。このような
二重のシステムは、費用がかかる上に厄介である。特
に、全ての運転範囲に亘って、二種類の燃料を用意して
おかねばならないため煩わしい。本発明によれば、第一
のシステムの必要性は排除され、単一の燃料供給システ
ムのみで、すべての運転範囲にわたってタービンの要求
を満たすことが可能となる。

【００１３】最後に、本発明は、ガスタービンエンジン
の燃料として軽炭化水素を幅広く使用することを可能と
し、このため、経済力に乏しい国や発展途上国において
も、ガスタービンエンジンの利用がより容易になる。こ
れまでは、比較的高価で希少な重炭化水素しか、標準的
なガスタービンエンジンには、実際に使用できず、軽炭
化水素の使用が可能であるのは、突然の温度勾配に耐え
得るようエンジンが設計されている場合か、事後的に改
変を加えた場合に限られていた。重炭化水素の使用に伴
う出費も、特別に設計もしくは改変された装置を購入す
る出費も、経済力に乏しい国や発展途上国にとっては多
大であり、これらの国においてガスタービンエンジンを
使用することは困難であった。軽炭化水素は、典型的
に、精油工程からの廃物であるため、特に重炭化水素燃
料と比較して、豊富な供給が安価で可能である。本発明
は、ガスタービンエンジンの燃料として軽炭化水素を用
いることを、より現実的なものとする。燃料のコストを
下げ、同時に設備経費を低く維持することにより、ガス
タービンエンジンの設置および運転に要する費用全体が
削減され、経済力に乏しい国や地域においても、こうし
たエンジンを利用することが可能となる。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の方法は、ガスタービンエ
ンジンに用いられるある種の軽炭化水素燃料が相変化を
起こさず、時期尚早に燃焼しないことを保証する。該方
法は、ある引火点温度Ｔ_Fを有する軽炭化水素を用意
し、該燃料を冷却システムに通過させて、その温度Ｔを
引火点温度Ｔ_Fよりも十分低く下げ、その後この冷却さ
れた燃料をガスタービンエンジンに注入することにより
達成される。液体炭化水素燃料を冷却するために用いる
冷却装置は、どのようなタイプであってもよいが、こう
した冷却システムの一つを、図１の１０に概示する。冷
却システム１０は、燃焼貯蔵器１４とガスタービンエン
ジン１６を結ぶ燃料供給ライン１２に配置される。燃料
貯蔵器１４は、典型的には貯蔵タンクであるが、燃料を
外部の資源からポンプで供給する場合は、単なる燃料パ
イプラインであってもよい。冷却システム１０は、熱交
換器１８、冷媒流体貯蔵器２０および冷凍ユニット２２
を含み、これらは流体輸送の閉ループを互いに形成す
る。ブラインのような冷媒流体（図示せず）が、冷却シ
ステム１０内を循環する。

【００１５】もちろん、その他のタイプの冷却システム
を用いることも可能である。例えば、冷凍ユニットや液
体冷媒を用いる代わりに、冷却システム１０を単純に、
空冷式、水冷式、もしくは気冷式熱交換器で構成するこ
ともできる。また、当業者であれば、用いる冷却システ
ムのタイプにより、システムを開型にするか閉型にする
かが決定されるということを理解するであろう。例え
ば、図１に示す閉ループシステムと異なり、空冷式冷却
システムの場合は、開ループ型とすることができる。さ
らに、冷却システムは、燃料供給システム内のいずれの
場所に配置されても、ここに記述する方法および装置が
意図する効果を生じる。また、燃料貯蔵器１４は、冷却
システム１０と直接的に連結されている必要はない。例
えば、ポンプのような付属装置を燃料システムに配置す
ることも可能である。いずれにせよ、これらのシステム
および装置は、典型的には、最終的に燃料をガスタービ
ンに供給するための流体輸送手段であるということを、
当業者は理解するであろう。

【００１６】好ましい実施形態に示される例では、液体
燃料（図示せず）は第一の温度Ｔ₁で貯蔵器１４に貯え
られており、この燃料は、熱交換器１８を通過した後、
ガスタービン１６に注入される。熱交換器１８は、冷媒
流体を介して液体燃料から熱を奪い取り、その結果、液
体燃料は、熱交換器１８を出る際、第一の温度Ｔ₁より
も低い第二の温度Ｔ₂を有することになる。典型的に、
燃料の特徴は、その引火点温度Ｔ_Fにあることである。
熱交換器１８が奪い取る熱量により、第二の温度Ｔ₂を
引火点温度Ｔ_F未満に維持することが保証され、従っ
て、液体状態から気体状体への相変化に伴う問題、およ
び燃料をガスタービン１６に注入する際の早期燃焼に伴
う問題が回避される。さらに、気体状態で熱交換器１８
を通過する燃料は、タービンエンジン１６内に入る前
に、液体状態に凝縮される。

【００１７】本発明は、比重０．８０未満の燃料に用い
ることが望ましく、最も望ましくは、比重０．７２未満
の燃料、即ち、軽炭化水素に用いる。軽炭化水素と重炭
化水素の引火温度には、ある程度の重複部分があり、こ
のため本発明は、軽質、重質双方の炭化水素に有効であ
る。粘度および比重が同じであっても、パラフィン系炭
化水素の引火温度は、ナフテン系炭化水素の引火温度よ
りも高いことは周知である。これは、それぞれの炭化水
素もしくは炭化水素混合物の臨界温度（気体を液体状態
に強制できる最高温度）および臨界圧力（臨界温度にお
いて、液体を形成するために必要とされる最低圧力）の
相違に起因する。例えば、本発明は、ナフサ（比重＝
０．６５〜０．７９）、ブタン（比重＝０．５８４）、
もしくはより軽い軽炭化水素を燃料とするガスタービン
エンジンには有効に用いられるが、ディーゼル燃料やジ
ェット燃料（比重＝０．８０〜０．８５）を燃料とする
場合には、特に必要とはされない。

【００１８】いずれにしても、軽炭化水素の引火点温度
は、典型的に、重炭化水素よりもかなり低く、このため
軽炭化水素は、標準的ガスタービンエンジンへの使用に
は適していない。しかしながら、本発明の冷却装置およ
び方法を用いることにより、引火点温度が低いことから
生じる諸問題、即ち、相変化や早期燃焼は回避され、比
較的安価で豊富な軽炭化水素を使用することが可能とな
る。もちろん、ある特定のガスタービンエンジンを用い
た場合の関連運転条件下で、与えられた燃料を冷却する
必要があるか否かは、その燃料の臨界温度および臨界圧
力の数値を求めて決定するが、これは当業者であれば、
理解できることである。

【００１９】本発明の利点は、既存のガスタービンエン
ジンに用いることができるということであり、その際、
タービンそれ自体もしくは燃料貯蔵器に費用のかかる改
変を加える必要がないということである。実際、本シス
テムは、タービンと燃料貯蔵器を結ぶ既存の燃料ライン
に、簡単に挿入することができる。従って、本発明は、
特に、既存のガスタービンエンジンへの使用に適してお
り、とりわけ、基地に戻して設置するというよりは、む
しろ現場において設置するような場合に適している。

【００２０】本発明の特徴および実施例のいくつかは、
ここに詳細に記述されたが、本発明は、その範囲と精神
を逸脱することなく、あらゆる変更、拡張を包含する。
また、ポンプ、バルブ、センサのような標準的装置の説
明は、記述の明瞭性を確保するため、省略されている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の流れ図を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ａ．第一の温度で燃料を提供する段階
と、ｂ．前記燃料を冷却システムに通過させて、第一の温度
よりも低い第二の温度に該燃料を冷却する段階と、ｃ．前記冷却された燃料を、ガスタービンエンジンに注
入する段階と、を含む、ガスタービンエンジンに燃料を
供給する方法。
【請求項２】前記燃料の比重は、０．８０未満である
請求項１に記載の方法。
【請求項３】前記燃料を冷却システムに通過させる段
階は、さらに、該燃料を熱交換器に通過させることを含
む請求項１に記載の方法。
【請求項４】冷媒流体を前記熱交換器に通して循環さ
せる段階を、さらに含む請求項３に記載の方法。
【請求項５】前記熱交換器は、空冷式である請求項３
に記載の方法。
【請求項６】前記冷媒流体を冷凍ユニットに通して循
環させる段階を、さらに含む請求項４に記載の方法。
【請求項７】ａ．圧縮機と、ｂ．前記圧縮機に流体輸送する燃焼器と、ｃ．前記燃焼器に流体輸送するタービンと、ｄ．燃料供給システムと、を含むガスタービンエンジンにおいて、該燃料供給シス
テムが、（１）燃料を貯える燃料貯蔵器と、（２）該燃料貯蔵器に流体輸送し、該燃料をガスタービ
ンエンジンに注入する前に冷却するための熱交換器と、
を含むようにしたガスタービンエンジン。
【請求項８】ａ．燃料を貯える燃料貯蔵器と、ｂ．前記燃料貯蔵器に流体輸送し、該燃料をガスタービ
ンエンジンに注入する前に冷却するための熱交換器と、
を含むガスタービン用燃料供給システム。
【請求項９】前記熱交換器内に冷媒流体をさらに含む
請求項８に記載の燃料供給システム。
【請求項１０】前記熱交換器に流体輸送する冷凍ユニ
ットに対して流体輸送する冷媒流体貯蔵器と、冷媒流体
とをさらに含み、該冷媒流体が前記熱交換器と前記冷凍
ユニットと前記冷媒貯蔵器との間を循環するようにした
請求項８に記載の燃料供給システム。
【請求項１１】前記熱交換器、前記冷媒貯蔵器および
前記冷凍ユニットが、閉ループシステムである請求項８
に記載の燃料供給システム。
【請求項１２】前記熱交換器、前記冷媒貯蔵器および
前記冷凍ユニットが、開ループシステムである請求項８
に記載の燃料供給システム。
【請求項１３】前記冷媒流体が気体である請求項９に
記載の燃料供給システム。
【請求項１４】前記冷媒流体が液体である請求項９に
記載の燃料供給システム。
【請求項１５】前記液体がブラインである請求項１４
に記載の燃料供給システム。
【請求項１６】前記液体が水である請求項１４に記載
の燃料供給システム。
【請求項１７】前記気体が空気である請求項１３に記
載の燃料供給システム。