专利名称：稀薄燃料吸入燃气轮机系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及稀薄燃料吸入燃气轮机系统，该系统将在填埋场等场所产生的填埋 气、在煤矿中产生的CMM (Coal Mine Methane煤矿甲烷)等低热值气体与空气混合等，并通 过压缩机的压缩使之成为燃烧极限浓度以下的混合气体，以避免着火，然后吸入发动机，且 将其中所含的可燃成分作为燃料加以利用。
背景技术：
过去有一种燃气轮机，是将甲烷浓度低于燃烧极限的气体吸入发动机，且将其中 所含的甲烷成分作为燃料加以利用。这种燃气轮机根据需要而在含有低浓度甲烷气体的 空气中混合高浓度的甲烷气体，并在燃烧极限以下的范围内调节浓度，且用压缩机将这种 混合气体加以压缩而生成压缩气体，并利用催化燃烧器进行催化发应，由此使上述压缩气 体燃烧，并利用该燃烧气体来驱动轮机。从轮机排出的废气被送往再生器，由此对从上述 压缩机导入催化燃烧器的压缩气体进行加温(专利文献1 :W02004/(^9433A1)。这种燃气 轮机能够将填埋气或CMM等低热值气体、特别是煤矿中的通风废气VAM(Ventilation Air Methane)作为燃料加以利用。这种VAM的甲烷浓度在1 %以下，用通常的方法不能燃烧，因 此目前是散发到大气中，而通过采用以这种VAM为燃料的燃气轮机来发电，还能够获得(X)2 排放权。这种燃气轮机是通过催化燃烧器的催化反应来使来自压缩机的压缩气体燃烧，因 此必须将提供给该燃气轮机的压缩气体加热到300°C以上，如果是利用催化剂成分，则要加 热到500°C左右。尤其是在起动时或低负载运转时，由于再生器的加热不充分，因此必须用 预燃烧器等辅助的加热系统来进行加热。譬如，专利文献1是在压缩机与催化燃烧器之间 设置预燃烧器，将丙烷气体等升压后提供给这种预燃烧器，且通过使之燃烧而对要到达催 化燃烧器的压缩气体进行加热。然而，像这样采用辅助的加热系统时，会导致整个装置大型 化。尤其是，专利文献1的发明需要用燃料压缩机来使通往预燃烧器的燃料升压至压缩机 出口的压力，会减少实际的发生动力，因此能量转换效率低下。另外，当将一部分从压缩机抽出的混合气体用于轮机之类的高温部件的冷却或轴 承部的轴密封时，混合气体中的甲烷气体会在未经反应的状态下向外排放，即发生所谓的 泄漏。在催化燃烧器内的催化性能低下时也会发生泄漏。
发明内容
本发明的目的在于提供一种稀薄燃料吸入燃气轮机系统，能够简化整体结构并进 行有效的运转，且能够防止燃气的泄漏。为了实现上述目的，本发明的稀薄燃料吸入燃气轮机系统具有压缩机，该压缩机 将由燃料(可燃成分)与空气混合而成的燃烧极限浓度以下的混合气体进行压缩，以生成 压缩气体；第1催化燃烧器，该第1催化燃烧器通过催化反应而使压缩气体燃烧；叶轮机， 该叶轮机受来自第1催化燃烧器的燃烧气体驱动；再生器，该再生器对被来自叶轮机的废气从所述压缩机导入第1催化燃烧器的压缩气体进行加热；管道燃烧器，该管道燃烧器配 置在叶轮机与再生器之间，在所述废气中使第1辅助燃料进行火焰燃烧。采用这种燃气轮机系统，燃烧极限浓度以下的所述混合气体在压缩机中被压缩， 该压缩气体在第1催化燃烧器中由于催化反应而燃烧，在此产生的高压燃气使叶轮机旋 转，从而对所述压缩机和发电机之类的负载进行驱动。并且，在起动时或部分负载运转等时 第1催化燃烧器的入口温度尚未达到催化反应的开始温度的情况下，从第1辅助燃料供给 部向设置在所述叶轮机的排气侧的管道燃烧器供给第1辅助燃料，以通过该辅助燃料的火 焰燃烧使来自所述叶轮机的废气升温。此处，废气的压力为大气压程度，因此第1辅助燃料 的升压所需的动力极少。因所述第1辅助燃料的火焰燃烧而升温的废气被送往再生器，且 在此处与从所述压缩机流向第1催化燃烧器的压缩气体进行热交换，而升温后的压缩机气 体使所述第1催化燃烧器的入口温度上升而能够进行催化燃烧。这样，就能利用填埋气或 CMM、VAM之类燃料浓度(甲烷气体浓度)低的混合气体来驱动燃气轮机。而且由于是利用 催化反应，因此不会产生Nox。另外，无须如过去那样利用预燃烧器等加温系统，能够简化整 体结构并进行有效的运转。而且，在将CMM、VAM之类的甲烷气体用作燃料时，能够减少甲烷 气体向大气中的排放量，有助于防止地球变暖。本发明最好是在所述管道燃烧器与再生器之间设置第2催化燃烧器。采用这种结 构，在用管道燃烧器进行燃烧时，只要使废气温度上升到能够在第2催化燃烧器中进行催 化燃烧的温度即可，因此能够减少提供给管道燃烧器的高浓度的(优质的)第1辅助燃料 的量。另外，在利用来自压缩机的抽气进行叶轮机之类的高温部分的冷却或轴密封时，冷却 或轴密封后的抽气、即混合气体会混入叶轮机下游的废气中。另外，当催化燃烧器内的催化 性能下降时，未燃烧混合气体也会混入所述废气中。混入废气中的这些混合气体在第2催 化燃烧器中由于催化反应而燃烧。因此，可防止未反应的混合气体原封不动地排出导致的 泄漏。本发明最好是在所述管道燃烧器与第2催化燃烧器之间设置将第2辅助燃料导入 废气中的第2辅助燃料导入部。通过这样在管道燃烧器与第2催化燃烧器之间将第2辅助 燃料导入废气中，能够减少在管道燃烧器中进行火焰燃烧所需的高浓度的(优质的)第1 辅助燃料的导入量。另一方面，第2辅助燃料是通过在第2催化燃烧器中的催化反应来进 行燃烧的，因此能够使用低浓度的无利用价值的燃料。本发明最好是具有对所述第1催化燃烧器的入口温度进行检测的温度传感器和 至少控制所述第1辅助燃料的供给量、以使所述入口温度处于规定范围内的燃料控制装 置。采用上述结构，由于至少对第1辅助燃料的供给量进行控制，以将入口温度调节在规定 范围内，因此能够节约第1辅助燃料。本发明最好是在所述压缩机的吸入侧设置使第3辅助燃料混入混合气体中、以提 高混合气体的燃料浓度的第3辅助燃料导入部。采用上述结构，当在起动过程中所述第1 催化燃烧器的入口温度达到规定温度时，通过从第3辅助燃料导入部导入第3辅助燃料，使 从第1催化燃烧器送到叶轮机的燃气的温度上升，从而使发动机转速提高。本发明最好是在所述压缩机的吸入侧设置使空气混入所述混合气体、从而使所述 混合气体的燃料浓度降低的空气导入部。采用上述结构，在发动机紧急停止时通过从设在 所述压缩机的吸入侧的空气导入口吸入空气，能够减薄混合气体的浓度，从而抑制催化燃烧器中的温度上升，并缩短发动机停止所需的时间。本发明最好是在所述再生器上的所述废气的通道的壁面上承担使所述废气氧化 的催化剂。采用上述结构，无须第2催化燃烧器，因此能够进一步简化整体结构。本发明的较佳实施例具有气体混入通道，该气体混入通道使燃料和空气的所述 混合气体混入从所述再生器排出的废气中；催化反应器，该催化反应器使混入了所述混合 气体后的废气中的燃料成分通过催化反应而被氧化；热交换器，该热交换器利用来自所述 催化反应器的已氧化的废气来对所述气体混入通道内的混合气体进行加热。采用上述结 构，当使用CMM、VAM之类甲烷浓度低的气体作为混合气体时，不会产生Nox，还能够对更多的 混合气体进行处理，从而减少甲烷气体排放量。采用本发明，无须如过去那样利用预燃烧器等加温系统，能够简化整体结构并进 行有效的运转。
图1是表示本发明第1实施例的稀薄燃料吸入燃气轮机系统的简要结构图。图2是本发明第2实施例中所用的再生器的立体图。图3是表示本发明第3实施例的稀薄燃料吸入燃气轮机系统的简要结构图。
具体实施例方式以下，结合
本发明的较佳实施例。如图1所示，本发明第1实施例的燃气轮机系统GT具有压缩机1、包含钼或钯等 催化剂的第1催化燃烧器2、以及叶轮机3。低热值气体、譬如在填埋场产生的填埋气、在煤 矿产生的CMM、VAM之类的空气和燃料(可燃成分)的混合气体Gl在压缩机1中被压缩，其 压缩气体G2被送到第1催化燃烧器2后由于钼或钯等催化剂的作用而燃烧，由此产生的高 压燃气G3被供给叶轮机3，从而对其进行驱动。此处，由于混合气体Gl中的燃料浓度(可 燃成分浓度)在燃烧极限浓度以下，因此即使由于在压缩机1中的压缩而导致升温，也不会 着火。叶轮机3经过旋转轴5而与压缩机1连结，压缩机1受此叶轮机3驱动。另外，利用 燃气轮机系统GT的输出来驱动作为负载之一的发电机4。这样，就构筑了包含燃气轮机系 统GT在内的发电装置50。可以在所述混合气体Gl中适当地添加高浓度的可燃成分来提高 燃料浓度。在燃气轮机系统GT中还具有再生器6和管道燃烧器7，再生器6利用来自叶轮机 3的废气G4来对从压缩机1导入到第1催化燃烧器2的压缩气体G2进行加热，管道燃烧器 7则配置在叶轮机3与再生器6之间，且利用第1辅助燃料Fl来使废气G4进行火焰燃烧。 对于管道燃烧器7，通过第1辅助燃料供给部8而从第1辅助燃料源11供给第1辅助燃料 F1，上述第1辅助燃料供给部8譬如由流量控制阀组成，上述第1辅助燃料Fl则是能够实 现火焰燃烧的天然气之类的气体。从再生器6流出的废气G4经过图中未示的消音器消音 后向大气排放。在图1的实施例中，在上述管道燃烧器7与再生器6之间设置承担钼或钯等催化 剂的第2催化燃烧器9，同时在该第2催化燃烧器9与管道燃烧器7之间的废气通道上设 置喷嘴之类的第2辅助燃料导入部13，用于将第2辅助燃料F2导入废气G4中，对于该第2辅助燃料导入部13，通过流量控制阀之类的第2辅助燃料供给部14而从第2辅助燃料源 15供给与上述混合气体Gl同样的第2辅助燃料F2。另外，在上述第1催化燃烧器2的入 口侧设有对其入口温度进行检测的第1温度传感器71。而且还在对装置整体进行控制的控制器21上设置燃料控制装置22，并向该燃料 控制装置22输入来自第1温度传感器71的温度检测信号，且对上述第1、第2辅助燃料供 给部8、14输出控制信号。而且，为了根据燃气轮机系统GT的转速上升而使第1催化燃烧 器2的入口温度保持稳定，通过燃料控制装置22的在第1温度传感器71的检测温度的基 础上的输出来控制第1、第2辅助燃料供给部8、14，以控制第1、第2辅助燃料Fl、F2的辅 助燃料供给量。此时，为了将第1催化燃烧器2的入口温度控制在规定范围内，也可以是只 通过控制来自第1辅助燃料供给部8的燃料供给量来进行。另外，在上述压缩机1的上游侧的吸气通道上设有喷嘴之类的第3辅助燃料导入 部17，用于使第3辅助燃料F3混入混合气体Gl中，以提高混合气体Gl的燃料浓度，对于该 第3辅助燃料导入部17，通过流量控制阀之类的第3辅助燃料供给部18而从第3辅助燃料 源19供给天然气之类的燃料浓度(甲烷浓度)高于混合气体Gl的第3辅助燃料F3。第3 辅助燃料供给部18受控制器21的燃料控制装置22控制。当上述第1催化燃烧器2的入 口温度达到规定温度时，基于来自上述燃料控制装置22的输出并从第3辅助燃料供给部18 使第3辅助燃料F3混入混合气体Gl中，以提高燃气轮机系统GT的转速。上述各辅助燃料Fl、F2被导入来自大气压程度的叶轮机3的废气通道，因此由燃 料压缩机形成的升压动力极少。另外，上述辅助燃料F3是通过燃气轮机系统GT的压缩机 来升压的，因此无须燃料压缩机。而且，在压缩机1的上游侧的吸气通道上设有释放阀之类的空气导入部23，用于 使空气A混入混合气体Gl中。上述结构的燃气轮机系统GT是用压缩机1来压缩包含了填埋气或CMM等低热值 气体的空气与燃料的混合气体Gl，且其压缩气体G2在第1催化燃烧器2中通过催化反应而 燃烧，利用在此处产生的高压的燃烧气体G3使叶轮机3旋转，以对上述压缩机1及发电机 等负载4进行驱动。在燃气轮机系统GT起动时，将发电机4作为起动装置使用，且将燃气 轮机系统GT的转速保持在低转速。在起动时或部分负载运转等低速旋转时，在设在第1催化燃烧器2的入口侧的第 1温度传感器71检测到的检测温度未达到第1催化燃烧器2的催化反应开始温度(譬如 300°C以上)时，基于来自控制器21的燃料控制装置22的指令，从第1辅助燃料供给部8向 设在叶轮机3的排气侧的管道燃烧器7供给第1辅助燃料F1，从而利用该辅助燃料Fl使来 自叶轮机3的废气G4不是作催化燃烧，而是作火焰燃烧。经过这种火焰燃烧的废气G4被 送到再生器6，且与从上述压缩机1流到第1催化燃烧器2的压缩气体G2进行热交换，从而 使该压缩气体G2升温，由此使上述第1催化燃烧器2的入口温度上升而开始催化燃烧。在用管道燃烧器7时，只要使废气温度上升到能够在第2催化燃烧器9中进行催 化燃烧的温度即可，因此能够减少提供给管道燃烧器7的第1辅助燃料Fl的量。另外，必 要时从第2辅助燃料供给部14供给与混合气体Gl相同的低热值的第2辅助燃料F2。由此 能够节约燃料浓度高的第1辅助燃料F1。另外，在燃气轮机系统GT的起动过程中，当用第1温度传感器71检测到的第1催化燃烧器2的入口温度达到规定温度以上时，基于燃料控制装置22的输出而从第3辅助燃 料供给部13将燃料浓度高于上述混合气体Gl的第3辅助燃料F3混入混合气体Gl中。由 此使来自第1催化燃烧器2的燃料气体G3的温度上升，从而提高燃气轮机系统GT的转速。在燃气轮机GT正常运转时，用第1温度传感器71检测出第1催化燃烧器2的入 口侧温度，并基于其检测结果，用燃料控制装置22来控制从第1 第3辅助燃料供给部8、 14、18供给第1 第3辅助燃料Fl F3的供给量，且根据燃气轮机系统GT的输出而将第 1催化燃烧器2的入口温度控制在规定温度(譬如300°C以上)。由此来用第1催化燃烧器 2进行有效的催化燃烧。另外，为了控制第1催化燃烧器2的入口温度，必要时从第1辅助 燃料供给部8或第2辅助燃料供给部14向废气通道供给第1或第2辅助燃料F2。在燃气轮机系统GT紧急停止时，将设在上述压缩机1的吸气侧的空气导入口 23 打开，且从空气导入口 23导入空气，以使混合气Gl的浓度下降。由此使由于第1催化燃烧 器2中的燃料反应而导致的温度上升急剧下降，能够缩短到燃气轮机系统GT完全停止为止 的时间。一般在燃气轮机中，是利用来自压缩机的抽气进行叶轮机之类高温部分的冷却或 轴密封，且将冷却/轴密封后的抽气混入叶轮机下游的废气中。从而，在本发明中是将冷却 /轴密封后的混合气体Gl混入废气中。该混合气体Gl与废气G4混合后在第2催化燃烧 器9中燃烧。因此，能够防止混合气体Gl中的燃料(甲烷气体)尚未反应就被排出，即防 止所谓的甲烷气体泄漏。另外，当第1催化燃烧器2内的催化性能下降时，从第1催化燃烧 器2排出的尚未反应的燃料也会在第2催化燃烧器9中燃烧，因此也能防止泄漏。如上所述，由于不使用预燃烧器等加温系统，因此既可以简化整体结构，又能使燃 气轮机系统GT有效地运转，还能防止混合气体的泄漏。图2是本发明第2实施例的再生器6，该再生器6兼作第2催化燃烧器9。这种再 生器6由散热片式热交换器构成，这种热交换器通过将多个板31与散热片32交替层叠而 成。再生器6的前面成为废气G4的流入口 34、后面成为废气G4的流出口 35，从前面向着后 面方向形成废气G4的通道36。再生器6的右侧面成为压缩气体G2的流入口 38、左侧面成 为流出口 39，从右侧面向着左侧面形成压缩气体G2的通道40。散热片32由波形板构成， 且与由平板构成的板31形成上述各通道36、40。废气G4的通道36和压缩气体G2的通道 40在上下方向一个隔一个地配置，且相互正交。在这样形成的废气G4的通道36的壁面上，承担着通过催化反应使废气G4燃烧的 钼或钯等催化剂。由此可以省略图1的第2催化燃烧器9，因此能够进一步简化燃气轮机系 统GT的整体结构。图3是本发明的第3实施例，是在图1的第1实施例的发电装置50上附加了氧化 装置60，该氧化装置60利用来自再生器6的废气G4的热量来使混合气体Gl氧化。由此 能够进一步减少大量CMM、VAM中所含的甲烷气体向大气中的排放量。氧化装置60具有气 体混入通道61、催化反应器62和热交换器63，气体混入通道61将CMM或VAM之类含有甲 烷气体的混合气体Gl混入从再生器6排出的废气G4中，催化反应器62则通过催化反应使 已混入有混合气体Gl的混合废气G5中所包含的燃料成分、即混合气体Gl中的燃料氧化， 热交换器63则利用来自催化反应器62的已氧化废气G6来对上述气体混入通道61内的混 合气体Gl进行加热。在催化反应器62的入口侧设有第2温度传感器72，用于对其入口温度、即混入了混合气体Gl后的混合废气G5的温度进行检测。并且将来自第2温度传感器 72的温度检测信号输入到发电装置50的控制器21，以便基于检测到的混合废气G5的温度 来控制鼓风机64的送风量。由此来调整混入废气G4中的混合气体Gl的量，从而将催化反 应器62的入口温度控制在适于催化作用的规定范围(譬如250 300°C )内。在本实施例 中，是用发电装置50的控制器21来实现对氧化装置60的控制，但也可以在控制器21之外 另外设置氧化装置60专用的控制器。另外，作为混合气体，本发明还可以使用上述CMM、VAM以外的可燃性气体或包含 可燃成分的气体。以上说明了本发明的较佳实施例，但上述实施例还可以在本发明的范围内作适当 的变更。
权利要求
1.一种稀薄燃料吸入燃气轮机系统，其特征在于，具有压缩机，该压缩机将由燃料与空气混合而成的燃烧极限浓度以下的混合气体进行压 缩，以生成压缩气体；第1催化燃烧器，该第1催化燃烧器通过催化反应而使所述压缩气体燃烧；叶轮机，该叶轮机受来自所述第1催化燃烧器的燃烧气体驱动；再生器，该再生器对被来自所述叶轮机的废气从所述压缩机导入所述第1催化燃烧器 的所述压缩气体进行加热；管道燃烧器，该管道燃烧器配置在所述叶轮机与所述再生器之间，利用第1辅助燃料 使所述废气进行火焰燃烧。
2.如权利要求1所述的稀薄燃料吸入燃气轮机系统，其特征在于，在所述管道燃烧器 与所述再生器之间设有第2催化燃烧器。
3.如权利要求2所述的稀薄燃料吸入燃气轮机系统，其特征在于，在所述管道燃烧器 与第2催化燃烧器之间设有将第2辅助燃料导入所述废气中的第2辅助燃料导入部。
4.如权利要求1 3中任一项所述的稀薄燃料吸入燃气轮机系统，其特征在于，具有 对所述第1催化燃烧器的入口温度进行检测的温度传感器和至少控制所述第1辅助燃料的 供给量、以使所述入口温度处于规定范围内的燃料控制装置。
5.如权利要求1 4中任一项所述的稀薄燃料吸入燃气轮机系统，其特征在于，在所述 压缩机的吸入侧设有使第3辅助燃料混入所述混合气体中、以提高所述混合气体的燃料浓 度的第3辅助燃料导入部。
6.如权利要求1 5中任一项所述的稀薄燃料吸入燃气轮机系统，其特征在于，在所述 压缩机的吸入侧设有使空气混入所述混合气体、从而使所述混合气体的燃料浓度降低的空 气导入部。
7.如权利要求1 6中任一项所述的稀薄燃料吸入燃气轮机系统，其特征在于，在所述 再生器上的所述废气的通道的壁面上承担使所述废气氧化的催化剂。
8.如权利要求1 7中任一项所述的稀薄燃料吸入燃气轮机系统，其特征在于，具有 气体混入通道，该气体混入通道使燃料和空气的所述混合气体混入从所述再生器排出的废 气中；催化反应器，该催化反应器使混入了所述混合气体后的废气中的燃料成分通过催化 反应而被氧化；热交换器，该热交换器利用来自所述催化反应器的已氧化的废气来对所述 气体混入通道内的混合气体进行加热。
全文摘要
本发明的稀薄燃料吸入燃气轮机系统具有将由燃料与空气混合而成的燃烧极限浓度以下的混合气体(G1)进行压缩，以生成压缩气体(G2)的压缩机(1)；通过催化反应而使压缩气体(G2)燃烧的第1催化燃烧器(2)；受来自第1催化燃烧器(2)的燃烧气体(G3)驱动的叶轮机(3)；对被来自叶轮机(3)的废气(G4)导入第1催化燃烧器(2)的压缩气体(G3)进行加热的再生器(6)。在叶轮机(3)与再生器(6)之间配置利用第1辅助燃料F1使废气(G4)进行火焰燃烧的管道燃烧器(7)。本发明能够简化整体结构，进行有效的运转，且防止混合气体泄漏。
文档编号F02C3/22GK102066721SQ20098012308
公开日2011年5月18日 申请日期2009年6月10日 优先权日2008年6月13日
发明者梶田真市 申请人:川崎重工业株式会社