本發(fā)明是申請日為2014年08月26日、申請?zhí)枮?01410424280.9的中國發(fā)明專利“燃氣輪機設備”的分案申請。

相關申請的交叉引用：本申請基于2013年8月27日提交的日本在先專利申請2013-175933，并要求享受其優(yōu)先權，該在先申請被全部援用于本申請。

本發(fā)明涉及一種燃氣輪機設備。

背景技術：

根據削減二氧化碳、節(jié)省資源等的要求，發(fā)電廠的高效率化正在發(fā)展。具體而言，燃氣輪機、蒸汽渦輪的工作流體的高溫化、聯(lián)合循環(huán)化等正在積極地發(fā)展。另外，對于二氧化碳的回收技術的研究開發(fā)也在發(fā)展。

圖3是使在燃燒器(combustor)中生成的二氧化碳的一部分作為工作流體循環(huán)的現(xiàn)有的燃氣輪機設備的系統(tǒng)圖。如圖3所示，從空氣分離器(未圖示)分離的氧由流量調節(jié)閥310調節(jié)流量，并向燃燒器311供給。燃料由流量調節(jié)閥312調節(jié)流量，并向燃燒器311供給。該燃料例如是碳氫化合物。

燃料以及氧在燃燒器311內反應(燃燒)。當燃料與氧進行燃燒時，作為燃燒氣體而生成二氧化碳和水蒸汽。燃料以及氧的流量分別被調節(jié)為在完全混合的狀態(tài)下成為化學計算混合比(理論混合比)(stoichiometricmixtureratio)。

在燃燒器311中生成的燃燒氣體被導入渦輪313。在渦輪313中膨脹做功之后的燃燒氣體通過熱交換器314，并進一步通過熱交換器315。在通過熱交換器315時，水蒸汽冷凝成為水。水通過配管316向外部排出。另外，渦輪313連結有發(fā)電機317。

與水蒸汽分離了的干燥工作氣體(二氧化碳)由壓縮機(compressor)318增壓。增壓后的二氧化碳的一部分由流量調節(jié)閥319調節(jié)流量，并向外部排出。二氧化碳的剩余部分在熱交換器314中被加熱，并向燃燒器311供給。

此處，在燃氣輪機設備中，從全速空載(fsnl)到額定為止進行渦輪負荷控制。由此，向渦輪313導入的工作流體的流量變化。該燃氣輪機設備中的工作流體的壓力為高壓，因此壓縮機318中的工作流體的體積流量較小。因此，作為壓縮機318，并不適合軸流壓縮機，而使用離心壓縮機。

向燃燒器311供給的二氧化碳的一部分與燃料以及氧一起被導入燃燒區(qū)域。剩余的二氧化碳被用于燃燒器311的壁面的冷卻、燃燒氣體的稀釋(dilute)。此外，導入到燃燒器311內的二氧化碳與燃燒氣體一起被導入渦輪313。

在上述系統(tǒng)中，與通過在燃燒器311中使燃料和氧燃燒而生成的二氧化碳的生成量相當?shù)牧康亩趸迹幌蛳到y(tǒng)的外部排出。被排出到系統(tǒng)外部的二氧化碳，例如由回收裝置回收。另外，例如，還能夠將所排出的二氧化碳利用于從油田的地下造巖擠出殘油。另一方面，殘留在系統(tǒng)內的二氧化碳在系統(tǒng)內循環(huán)。

在上述現(xiàn)有的燃氣輪機設備中，在燃燒器311內形成的火焰，例如受到向燃燒器311內噴出的二氧化碳的噴出速度(以下稱作燃燒器噴出速度v)的影響。

該燃燒器噴出速度v由如下所示的式(1)來定義。

v＝g×t×r×z/(p×a)……式(1)

此處，g是向燃燒器311流入的二氧化碳的體積流量，t是向燃燒器311流入的二氧化碳的溫度，r是氣體常數(shù)，z是壓縮系數(shù)。另外，p是向燃燒器311流入的二氧化碳的壓力，a是向燃燒器311流入的二氧化碳所通過的開口部的全部開口面積。

如上所述，火焰受到燃燒器噴出速度v的影響。因此，在燃氣輪機設備中進行渦輪負荷控制時，例如優(yōu)選通過將該燃燒器噴出速度v控制在適當?shù)姆秶鷣韺崿F(xiàn)火焰的穩(wěn)定性。

但是，在上述的被用作為壓縮機318的離心壓縮機中，例如不具備軸流壓縮機那樣的入口引導翼，所以難以進行大范圍的流量控制。因此，在渦輪負荷變化了時，難以將燃燒器噴出速度v控制在適當?shù)姆秶?/p>

技術實現(xiàn)要素：

在一個實施方式中，燃氣輪機設備具備：燃燒器，使燃料和氧化劑燃燒；渦輪，通過從上述燃燒器排出的燃燒氣體而轉動；熱交換器，對從上述渦輪排出的上述燃燒氣體進行冷卻；以及水蒸汽除去器，從通過了上述熱交換器的上述燃燒氣體中除去水蒸汽而再生為干燥工作氣體。

并且，燃氣輪機設備具備：壓縮機，將上述干燥工作氣體增壓至成為超臨界流體；燃燒器導入管，將從上述壓縮機排出的超臨界流體的上述干燥工作氣體的一部分，通過上述熱交換器導入上述燃燒器；排出管，從比上述熱交換器靠上游側的上述燃燒器導入管分支，將在上述燃燒器導入管中流動的上述干燥工作氣體的一部分向外部排出；以及旁通管，將從上述壓縮機排出的超臨界流體的上述干燥工作氣體的剩余部分，導入連結上述渦輪的出口與上述熱交換器的入口的配管內。

附圖說明

圖1是實施方式的燃氣輪機設備的系統(tǒng)圖。

圖2是表示在實施方式的燃氣輪機設備中各負荷狀態(tài)下的渦輪的入口壓力與燃燒器噴出速度v之間的關系的圖。

圖3是使在燃燒器中生成的二氧化碳的一部分作為工作流體循環(huán)的現(xiàn)有的燃氣輪機設備的系統(tǒng)圖。

具體實施方式

以下，參照附圖對本發(fā)明的實施方式進行說明。

圖1是實施方式的燃氣輪機設備10的系統(tǒng)圖。如圖1所示，燃氣輪機設備10具備使燃料和氧化劑燃燒的燃燒器20。在將燃料向燃燒器20供給的配管35上，設置有用于對燃料的流量進行調節(jié)的流量調節(jié)閥15。在將氧化劑向燃燒器20供給的配管36上，設置有用于對氧化劑的流量進行調節(jié)的流量調節(jié)閥16。并且，流量調節(jié)閥16作為氧化劑流量調節(jié)閥起作用。

此處，作為燃料，例如使用天然氣、甲烷等碳氫化合物、煤氣化氣體等。作為氧化劑，使用氧。例如，通過用空氣分離裝置(未圖示)從大氣中分離而得到該氧。

從燃燒器20排出的燃燒氣體被導入渦輪21。該渦輪21通過燃燒氣體而轉動。渦輪21例如連結有發(fā)電機22。另外，此處所述的從燃燒器20排出的燃燒氣體包含：通過燃料和氧化劑燃燒而生成的燃燒生成物；以及向燃燒器20供給并與燃燒生成物一起從燃燒器20排出的后述的干燥工作氣體(二氧化碳)。

從渦輪21排出的燃燒氣體，通過位于配管40上的熱交換器23而被冷卻。通過了熱交換器23的燃燒氣體，進一步通過位于配管40上的熱交換器24。燃燒氣體通過該熱交換器24，由此燃燒氣體中所含有的水蒸汽被除去，被再生成干燥工作氣體。此處，水蒸汽通過熱交換器24，由此冷凝成為水。該水例如通過配管41向外部排出。另外，熱交換器24作為除去水蒸汽的水蒸汽除去器起作用。

優(yōu)選從燃燒器20排出的燃燒氣體中不殘留過剩的氧化劑(氧)、燃料。因此，將向燃燒器20供給的燃料以及氧的流量調節(jié)為化學計算混合比(當量比(equivalenceratio)1)。因此，干燥工作氣體的成分基本上為二氧化碳。另外，在干燥工作氣體中例如有時也混合有微量的一氧化碳等。

干燥工作氣體通過配管40導入壓縮機25。干燥工作氣體通過壓縮機25被增壓到成為超臨界流體。在壓縮機25的出口，干燥工作氣體的壓力例如為8mpa～9mpa，干燥工作氣體的溫度例如為35～45℃。另外，超臨界流體是指臨界點以上的溫度以及壓力下的狀態(tài)。

此處，作為壓縮機25，例如使用離心壓縮機。壓縮機25例如為了防止渦輪21的超速而與渦輪21同軸地連結。在該情況下，在渦輪21為額定時，壓縮機25以渦輪21的額定轉速恒定地旋轉。離心壓縮機為，相對于壓力比的上升而喘振裕度較小。因此，在轉速恒定的情況下，離心壓縮機優(yōu)選使體積流量以及壓力比恒定而運轉。

此外，為了將壓縮機25的出口的壓力例如維持為恒定的超臨界壓力，而壓縮機25的入口的壓力也成為恒定的值。壓縮機25的入口的壓力為恒定意味著渦輪21的出口的壓力成為恒定。從渦輪21的密封特性、熱交換器23、24的穩(wěn)定使用的觀點出發(fā)，該情況是優(yōu)選的。另外，為了將壓縮機25的出口的壓力維持為恒定，需要對在后述的配管45中流動的干燥工作氣體的流量進行調節(jié)。

從壓縮機25排出的超臨界流體的干燥工作氣體的一部分，通過配管42導入燃燒器20。該配管42作為燃燒器導入管起作用。在配管42上設置有用于對超臨界流體的干燥工作氣體進行冷卻的冷卻器26。超臨界流體的干燥工作氣體通過冷卻器26，由此維持臨界點的壓力以上的壓力，并且成為比臨界點的溫度低的溫度。因此，在通過了冷卻器26之后，干燥工作氣體脫離超臨界流體的狀態(tài)而成為液體。

在冷卻器26下游側的配管42上，設置有對成為液體的干燥工作氣體進行增壓的泵27。泵27例如根據渦輪負荷來對成為液體的干燥工作氣體進行增壓。泵27例如由變頻調速電動機進行轉速控制。成為液體的干燥工作氣體隨著由泵27增壓，溫度也成為臨界點的溫度以上。因此，成為液體的干燥工作氣體通過泵27，由此再次成為超臨界流體的干燥工作氣體。

在泵27中，例如為了將規(guī)定的流量以及壓力的干燥工作氣體向燃燒器20供給，例如通過變頻器進行轉速控制以便通過規(guī)定的流量以及壓力的設定點。

此處，使通過了冷卻器26的干燥工作氣體在維持臨界點的壓力以上的壓力的同時成為液體的原因如下：例如，避免在如臨界點以下的條件那樣的氣體與液體能夠共存的條件下，由于在氣液混合的二相流進入泵27時產生的氣蝕而引起的損傷。另外，通過成為液體，由此不會被奪取冷凝熱，而能夠在維持循環(huán)效率的同時進行運轉。

此外，由于渦輪負荷控制，因此從泵27排出的干燥工作氣體的流量以及泵27的出口壓力大范圍地變化。在渦輪21中，燃燒氣體成為阻流，因此swc(swallowingcapacity：臨界流量)成為恒定。因此，滿足以下的式(2)。

swc＝gt×(tt)^1/2/pt＝恒定……式(2)

此處，gt是渦輪21的入口的燃燒氣體的體積流量，tt是渦輪21的入口的燃燒氣體的溫度，pt是渦輪21的入口的燃燒氣體的壓力。

例如，為了使向渦輪21供給的燃燒氣體的壓力上升，在燃燒氣體的流量確定的情況下，使燃料流量以及氧化劑流量增加，而升高燃燒氣體的溫度。但是，在不具備泵27的情況下，作為壓縮機25的離心壓縮機的喘振壓力裕度幾乎不存在，因此無法耐受該壓力上升。因此，通過具備泵27，來實現(xiàn)能夠耐受上述壓力上升的系統(tǒng)。

從泵27與熱交換器23之間的配管42，分支出將在配管42中流動的干燥工作氣體的一部分向外部排出的配管44。該配管44作為排出管起作用。在配管44上設置有用于對排出的干燥工作氣體的流量進行調節(jié)的流量調節(jié)閥29。另外，流量調節(jié)閥29作為排出流量調節(jié)閥起作用。

從配管44排出的干燥工作氣體例如由回收裝置回收。此外，例如，還能夠將所排出的干燥工作氣體利用于從油田的地下造巖擠出殘油。例如，從配管44排出與在燃燒器20中通過使燃料和氧燃燒而生成的二氧化碳的生成量相當?shù)牧康亩趸?。另外，從配?4排出的干燥工作氣體以外的干燥工作氣體，被導入燃燒器20并在系統(tǒng)內循環(huán)。

在比配管44的分支部靠下游，配管42通過熱交換器23并與燃燒器20連通。在配管42中流動的超臨界流體的干燥工作氣體，在熱交換器23中得到來自從渦輪21排出的燃燒氣體的熱量而被加熱。通過配管42并被導入燃燒器20的干燥工作氣體，例如從燃燒器20的上游側與燃料、氧化劑一起向燃燒區(qū)域噴出，或者在燃燒器襯套的冷卻后從稀釋孔(dilutionhole)等向燃燒器襯套內的燃燒區(qū)域的下游側噴出。

此處，經由配管42導入燃燒器20的干燥工作氣體向燃燒器20的噴出速度，優(yōu)選與渦輪負荷無關地大致恒定。噴出速度是由上述式(1)定義的燃燒器噴出速度v。該燃燒器噴出速度v被設定為，有助于火焰穩(wěn)定的再循環(huán)區(qū)域形成于燃燒區(qū)域的適當范圍。燃燒器噴出速度v大致恒定例如是指，以各渦輪負荷的平均燃燒器噴出速度為中心而±10％的范圍。

向燃燒器20流入的干燥工作氣體(二氧化碳)通過的開口部的全部開口面積a為恒定。因此，如果將燃燒器噴出速度v與渦輪負荷無關地設定為大致恒定，則雖然由于渦輪負荷而向燃燒器供給的干燥工作氣體的質量流量變化，但體積流量與渦輪負荷無關地成為大致恒定。

從壓縮機25排出的超臨界流體的干燥工作氣體的剩余部分，通過配管45導入連結渦輪21的出口與熱交換器23的入口的配管40內。配管45作為旁通管起作用。在配管45上設置有用于對向配管40導入的超臨界流體的干燥工作氣體的流量進行調節(jié)的流量調節(jié)閥30。壓縮機25的轉速為恒定，為了將壓縮機25的出口的壓力維持為恒定，需要使壓縮機25的入口的壓力成為恒定。因此，通過流量調節(jié)閥30對旁通的干燥工作氣體的流量進行調節(jié)。另外，流量調節(jié)閥30作為旁通流量調節(jié)閥起作用。

此外，燃氣輪機設備10具備：對在配管35中流動的燃料的流量進行檢測的流量檢測部50；對在配管36中流動的氧化劑的流量進行檢測的流量檢測部51；對在配管42中流動的干燥工作氣體的流量進行檢測的流量檢測部52；對在配管44中流動的干燥工作氣體的流量進行檢測的流量檢測部53；以及對在配管45中流動的干燥工作氣體的流量進行檢測的流量檢測部54。各流量檢測部例如由文丘里式、哥氏式等的流量計構成。

此處，流量檢測部50作為燃料流量檢測部起作用，流量檢測部51作為氧化劑流量檢測部起作用，流量檢測部52作為燃燒器導入流量檢測部起作用，流量檢測部53作為排出流量檢測部起作用，流量檢測部54作為旁通流量檢測部起作用。

燃氣輪機設備10具備基于來自上述各流量檢測部50、51、52、53、54的檢測信號對各流量調節(jié)閥16、29、30的開度進行控制的控制部60。該控制部60例如主要具備運算裝置(cpu)、讀出專用存儲器(rom)、隨機存取存儲器(ram)等存儲單元、輸出輸入單元等。在cpu中，例如使用存儲單元所儲存的程序、數(shù)據等來執(zhí)行各種運算處理。

輸出輸入單元從外部設備輸入電信號、或者向外部設備輸出電信號。具體而言，輸出輸入單元例如與各流量檢測部50、51、52、53、54以及各流量調節(jié)閥15、16、29、30等以能夠進行各種信號的輸出輸入的方式連接。該控制部60所執(zhí)行的處理例如通過計算機裝置等來實現(xiàn)。

接著，參照圖1對與向燃燒器20供給的燃料、氧以及干燥工作氣體(二氧化碳)的流量調節(jié)相關的動作進行說明。

在燃氣輪機設備10的運轉時，控制部60經由輸出輸入單元而輸入來自流量檢測部50的輸出信號?；谒斎氲妮敵鲂盘?，使用存儲單元所儲存的程序、數(shù)據等，在運算裝置中計算為了使當量比成為1而需要的氧流量。另外，例如，通過基于所要求的燃氣輪機輸出來對流量調節(jié)閥15的閥開度進行調節(jié)，由此控制燃料流量。

接著，控制部60基于從輸出輸入單元輸入的來自流量檢測部51的輸出信號，從輸出輸入單元向流量調節(jié)閥16輸出用于調節(jié)閥開度的輸出信號，以便在配管36中流動所計算出的氧流量。

接著，在控制部60的運算裝置中，基于從輸出輸入單元輸入的來自流量檢測部50的輸出信號，計算向燃燒器20導入的超臨界流體的干燥工作氣體(二氧化碳)的流量、從配管44排出的超臨界流體的干燥工作氣體的流量以及經由配管45旁通的超臨界流體的干燥工作氣體的流量。另外，也可以在上述氧流量的計算的同時進行這些流量的計算。此外，也能夠基于來自流量檢測部51的輸出信號來計算干燥工作氣體的流量。

此處，向燃燒器20導入的干燥工作氣體(二氧化碳)的流量被計算為，燃燒器噴出速度v成為設定值。另外，如上所述，從配管44排出的干燥工作氣體的流量，是與在燃燒器20中通過使燃料和氧燃燒而生成的二氧化碳的生成量相當?shù)牧?。例如，在燃料流量減少的情況下，經由配管45旁通的干燥工作氣體的流量增加。另一方面，在燃料流量增加的情況下，經由配管45旁通的干燥工作氣體的流量減少。

另外，壓縮機25與渦輪21同軸地連結。因此，在渦輪21為額定時，壓縮機25以渦輪21的額定轉速恒定地旋轉。此外，壓縮機25的入口的壓力為恒定，壓縮機25的出口的干燥工作氣體的壓力為恒定的超臨界壓力。因此，從壓縮機25排出的干燥工作氣體的流量成為恒定。

接著，控制部60基于從輸出輸入單元輸入的來自流量檢測部52、53、54的輸出信號，從輸出輸入單元向流量調節(jié)閥29、30輸出用于調節(jié)閥開度的輸出信號，以便在各配管42、44、45中流動分別計算出的干燥工作氣體的流量。另外，在圖1所示的構成中，由流量檢測部52檢測的是向燃燒器20導入的干燥工作氣體以及從配管44排出的干燥工作氣體的流量。

此處，泵27被控制部60控制為如下的轉速：能夠吸入向燃燒器20導入的干燥工作氣體以及從配管44排出的干燥工作氣體的流量的轉速。此外，泵27的出口的干燥工作氣體的壓力，成為在燃燒器20的入口、換言之在渦輪21的入口所要求的壓力。

此處，例如，在減少向燃燒器20導入的干燥工作氣體的流量的情況下，控制部60例如對流量調節(jié)閥30進行控制。

而且，在向配管44分支后的配管42中流動的干燥工作氣體，通過熱交換器23導入燃燒器20。

通過進行上述那樣的控制，即便在渦輪負荷發(fā)生了變化時，也能夠將燃燒器噴出速度v在適當?shù)姆秶鷥染S持為大致恒定。由此，再循環(huán)區(qū)域形成于燃燒區(qū)域的適當范圍，能夠實現(xiàn)燃燒器20的火焰穩(wěn)定。

此處，圖2是表示在實施方式的燃氣輪機設備10中各負荷狀態(tài)下的渦輪21的入口壓力與燃燒器噴出速度v之間的關系的圖。另外，例示的渦輪21的出口壓力為3mpa。此外，在圖2中，例如，fsnl表示全速空載狀態(tài)，25％表示渦輪負荷為25％。

如圖2所示，即便在渦輪負荷發(fā)生了變化時，燃燒器噴出速度v也被維持為大致恒定。

如上所述，根據實施方式的燃氣輪機設備10，使壓縮機25的出口的干燥工作氣體的壓力成為恒定的超臨界壓力。而且，在配管42上設置有泵27，并設置有將干燥工作氣體的一部分向配管40旁通的配管45。由此，即便在渦輪負荷發(fā)生了變化時，也能夠將燃燒器噴出速度v在適當?shù)姆秶鷥染S持為大致恒定，并能夠實現(xiàn)燃燒器20的火焰穩(wěn)定。

根據以上說明的實施方式，即便在渦輪負荷發(fā)生了變化時，也能夠將燃燒器噴出速度維持在適當?shù)姆秶?，并能夠實現(xiàn)火焰穩(wěn)定。

以上，對本發(fā)明的幾個實施方式進行了說明，但這些實施方式是作為例子而提示的，并不意圖對發(fā)明的范圍進行限定。這些新的實施方式能夠以其他各種方式加以實施，在不脫離發(fā)明的主旨的范圍內能夠進行各種省略、置換、變更。這些實施方式、其變形包含于發(fā)明的范圍、主旨中，并且包含于專利請求范圍所記載的發(fā)明和與其等同的范圍中。