JP2011530034A - 代替作動流体でガスタービンエンジンを作動させるシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジンシステムを提供する。
【解決手段】本ガスタービンエンジンシステムは、ガスタービンエンジンと排気ガス調整システムとを含む。ガスタービンエンジンは、少なくとも１つの燃焼チャンバ及び燃焼チャンバの下流の少なくとも１つのタービンを含む。燃焼チャンバは、炭化水素燃料供給源及び酸素供給源に流れ連通状態で結合される。ガスタービンエンジンは、実質的に窒素を含まない作動流体で作動可能である。排気ガス調整システムは、ガスタービンエンジンの吐出出口及び該ガスタービンエンジンの入口間に結合される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には、代替作動流体で作動するガスタービンエンジンシステムに関する。

ガスタービンエンジンは、エンジンに供給される作動流体を使用して機械エネルギーを産生する。より具体的には、公知のガスタービンエンジンでは、作動流体は、加圧されかつ燃料及び酸素と共に燃焼器に送給される空気であり、燃焼器において燃料−空気混合気は点火燃焼される。燃料−空気混合気が燃焼すると、そのエネルギーが熱として作動流体内に放出される。温度上昇は、それに対応する作動流体の圧力の上昇を生じさせ、燃焼に続いて、作動流体は、それが燃焼器から少なくとも１つのタービンに向けて下流方向に吐出されると膨張する。作動流体が各タービンを通って流れると、該タービンは、回転しかつスラスト又はシャフト出力（動力）の形態で熱エネルギーを機械エネルギーに転換する。

世界的な大気汚染の関心事により、国内的にもまた国際的にもより厳しいエミッション基準が導入されてきた。少なくとも幾つかのガスタービンによる汚染物質エミッションは、窒素酸化物（ＮＯｘ）、未燃炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）のエミッションを規制する環境保護庁（ＥＰＡ）の基準に従う。一般的に、エンジンエミッションは、２つの種類、つまり高火炎温度のために形成されるもの（ＮＯｘ）と燃料−空気反応が完了まで進行することができない低火炎温度のために形成されるもの（ＨＣ及びＣＯ）とに分類される。

空気は、それが容易に入手可能かつ無料でありまた予測可能な圧縮性、熱容量及び反応性（酸素含有）特性を有するので、作動流体として使用されてきた。しかしながら、空気中の高い窒素パーセントのために、燃焼プロセスの間に窒素酸化物（ＮＯｘ）が形成される可能性がある。さらに、燃料中に含有された炭素が、空気中に含有された酸素と結合して一酸化炭素（ＣＯ）及び／又は二酸化炭素（ＣＯ_２）を形成する可能性がある。

ＮＯｘエミッションを低減するのを可能にするために、少なくとも幾つかの公知のガスタービンエンジンは、低い燃焼温度でかつ／又は選択式触媒還元（ＳＣＲ）装置を使用して作動される。しかしながら、低い燃焼温度で作動させることは、ガスタービンエンジンの全体効率を低下させる。さらに、公知のＳＣＲ装置を使用することにより得られるあらゆる利点は、装置の費用及び／又はＮＯｘを処理する費用によって打消される可能性がある。同様に、ＣＯ及び／又はＣＯ_２エミッションを低減するのを可能にするために、少なくとも幾つかの公知のガスタービンエンジンは、作動流体として空気を使用した場合における主要成分であるＮ_２からＣＯ_２を分離するガス分離ユニットと少なくとも１つの分離圧縮機とを通してタービン排気を流している。しかしながら、この場合も同様に、そのような装置の使用により得られる利点は、装置の費用によって打消される可能性がある。

米国特許出願公開第２００４０１７７６１７号公報

１つの態様では、タービンエンジンシステムを作動させる方法を提供する。本方法は、タービンエンジンシステム内に形成された燃焼チャンバに酸素の流れを供給するステップと、燃焼チャンバに炭化水素燃料の流れを供給するステップと、タービンエンジンシステムの入口に実質的に窒素を含まない作動流体を供給して、タービンエンジンシステムが得られた燃料−酸素−作動流体混合気で作動可能であるようにするステップとを含む。

別の態様では、ガスタービンエンジンシステムを提供する。本ガスタービンエンジンシステムは、ガスタービンエンジンと排気ガス調整システムとを含む。ガスタービンエンジンは、少なくとも１つの燃焼チャンバ及び燃焼チャンバの下流の少なくとも１つのタービンを含む。燃焼チャンバは、炭化水素燃料供給源及び酸素供給源に流れ連通状態で結合される。ガスタービンエンジンは、実質的に窒素を含まない作動流体で作動可能である。排気ガス調整システムは、ガスタービンエンジンの吐出出口及び該ガスタービンエンジンの入口間に結合される。

さらに別の態様では、エンジンを提供する。本エンジンは、エンジン入口と、燃焼チャンバと、エンジン出口とを含む。燃焼チャンバは、エンジン入口及びエンジン出口間に流れ連通状態で結合される。燃焼チャンバは、炭化水素燃料供給源及び酸素供給源に結合される。入口は、出口に流れ連通状態で結合されて該出口から吐出された実質的に窒素を含まない作動流体供給源を受けるようになっている。

例示的なガスタービンエンジンの概略図。 図１に示すガスタービンエンジンを含むことができる例示的なタービンエンジンシステムの概略図。

図１は、例示的なガスタービンエンジン１０の概略図である。この例示的な実施形態では、エンジン１０は、低圧圧縮機１４と、低圧圧縮機１４の下流の高圧圧縮機１８と、高圧圧縮機１８の下流の燃焼器組立体２２と、燃焼器組立体２２の下流の高圧タービン２６と、高圧タービン２６の下流の低圧タービン３０とを含む。さらに、この例示的な実施形態では、圧縮機１４及び１８、燃焼器組立体２２、並びにタービン２６及び３０は、直列流れ連通状態で互いに結合される。

この例示的な実施形態では、ガスタービンエンジン１０の回転構成要素は、参照符号３４で示す長手方向軸線の周りで回転する。この形式のエンジンにおける典型的な構成は、複式同心軸系配置であり、ここでは低圧タービン３０が、第１のシャフト３８によって低圧圧縮機１４に駆動結合され、また高圧タービン２６が、シャフト３８の内部に位置しかつ該シャフト３８に関して同心に整列した第２のシャフト４２によって高圧圧縮機１８に駆動結合される。この例示的な実施形態では、低圧タービン３０は、低圧圧縮機１４及び負荷４６に直接結合される。例えば、１つの実施形態では、エンジン１０は、オハイオ州エベンデール所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙによって型式ＬＭ６０００として製造されている。本発明は、ガスタービンエンジン１０で利用されるものとして説明しているが、本発明はまた、負荷（例えば、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙによって製造されたＬＭ１６００型）、或いは単一圧縮機−タービン装置（例えば、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙによって製造されたＬＭ２５００型）に連結された低圧タービン３０の下流の別個の出力タービンを含むもののような他の構成の船舶及び工業用ガスタービンエンジン、並びに適当に改良した航空ガスタービンエンジン及び／又は高馬力ガスタービンエンジンで利用することができることが解るであろう。

作動時には、空気が、入口を通って流入しかつ高圧圧縮機１４に向けてまた次に低圧圧縮機１８に向けて流れる。加圧空気が、燃焼器２２に送給され、該燃焼器２２において加圧空気は、少なくとも燃料と混合されかつ点火燃焼される。燃焼器１８から吐出されたガス流は、高圧タービン２６及び低圧タービン３０を駆動した後に、ガスタービンエンジン１０から流出する。

図２は、ガスタービンエンジン１０（図１に示す）で使用することができる例示的なタービンエンジンシステム１００の概略図である。それに代えて、システム１００は、地上設置式タービン及び／又は航空転用式タービン、単式又は複式燃料タービン、並びに／或いは該システム１００が本明細書で説明したように機能するのを可能にするように改良したあらゆるタービンで使用することができる。さらに、システム１００は、単純サイクル機械として使用することができ、或いは統合型ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）システムを含む複合サイクルシステム内で使用することができる。

この例示的な実施形態では、システム１００は、タービンエンジン１１０と、熱交換器又は空気分離ユニット（ＡＳＵ）１１２と、分離サブシステム１１４とを含む。より具体的には、この例示的な実施形態では、タービンエンジン１１０は、少なくとも１つのタービン１２２の上流に結合された燃焼チャンバ１２０を含む。他の実施形態では、エンジン１１０は、それに限定されないが、ファン組立体（図示せず）及び／又は圧縮機１４（図１に示す）のような少なくとも１つの圧縮機などのその他の構成要素を含むことができる。さらに、他の実施形態では、システム１００は、該システム１００が本明細書で説明したように機能するのを可能にする熱交換器又はＡＳＵ以外のあらゆる排気ガス調整装置を含むことができる。

エンジン１１０は、炭化水素燃料供給源１３０及び酸素供給源１３２と流れ連通状態で結合される。この例示的な実施形態では、燃料供給源１３０から供給される燃料は、それに限定されないが、天然ガス、合成ガス及び／又は蒸留燃料とすることができる。１つの実施形態では、酸素が、加圧サイクル及び／又は他のＯ_２分離器からエンジン１１０に供給される。別の実施形態では、酸素供給源１３２は、加圧式酸素タンクである。さらに、別の実施形態では、酸素供給源１３２を圧縮機のような加圧源（図示せず）に結合して、酸素の供給が所定の作動圧力でエンジン１１０に供給されることを保証する。

熱交換器又は空気分離ユニット（ＡＳＵ）は、タービン１１０から吐出された排気ガス１０８が熱交換器１１２を通って流れるようにタービン１１０の下流にかつ該タービン１１０と流れ連通状態で結合される。この例示的な実施形態では、熱交換器１１２は、それを通って流れる排気ガス１０８から熱及び水蒸気を除去するのを可能にする。より具体的には、この例示的な実施形態では、熱交換器１１２は、それに限定されないが空気又は水のような冷却流体供給源と流れ連通状態で結合される。

熱交換器１１２はまた、エンジン作動時に該熱交換器１１２が作動流体をタービン１１０に供給するように該タービン１１０の上流にかつ該タービン１１０と流れ連通状態で結合される。より具体的には、下記に一層詳細に説明するように、この例示的な実施形態では、熱交換器１１２は、ＣＯ_２及び蒸気のストリームつまり作動流体ストリーム１５０をタービン排気からタービン１１０に吐出して燃焼チャンバ１２０内で使用するようにする。

分離サブシステム１１４は、熱交換器１１２と流れ連通状態でかつ該熱交換器１１２の下流に結合される。従って、タービン作動時に、下記に一層詳細に説明するように、熱交換器１１２内のタービン排気１０８からのＣＯ_２及び蒸気の一部分つまり分離ストリーム１５２は、分離サブシステム１１４内に送られる。この例示的な実施形態では、熱交換器１１２は、タービン排気１０８からまた分離ストリーム１５２から凝縮水として蒸気を効果的に除去する。さらに、この例示的な実施形態では、サブシステム１１４は、貯蔵チャンバ１４０と熱交換器１１２から貯蔵チャンバ１４０に移送する流体流れを加圧する圧縮機１４２とを含む。別の実施形態では、圧縮機１４２は、分離ストリーム１５２を作動流体として使用する第２のタービンシステム（図示せず）に流れ連通状態で結合される。また、さらに別の実施形態では、サブシステム１１４は、圧縮機１４２を含まないで、本明細書に説明するようにチャンバ１４０に送る流体流れを加圧するあらゆるその他の公知の構成要素を含む。１つの実施形態では、貯蔵チャンバ１４０は、地下隔離チャンバである。

作動時に、タービンエンジン１１０は、実質的に窒素を含まない作動流体１５０を使用して作動する。例えば、この例示的な実施形態では、作動流体１５０は、約９９％〜１００％窒素を含まない。より具体的にはまた下記に一層詳細に説明するように、この例示的な実施形態では、作動流体ストリーム１５０は、実質的に二酸化炭素ＣＯ_２である。例えば、この例示的な実施形態では、作動流体１５０は、約９８％〜１００％ＣＯ_２である。

タービンエンジン１１０の始動を可能にするために、１つの実施形態では、タービンエンジン１１０はまた、加圧ＣＯ_２供給源に結合される。作動時に、この例示的な実施形態では、ＣＯ_２が、燃焼チャンバ１２０の入口（図示せず）に供給される。他の実施形態では、ＣＯ_２は、タービンエンジン１１０の入口（図示せず）に供給することができ、またそれに限定されないが、例えばファン組立体（図示せず）の上流のような燃焼チャンバ１２０の上流においてタービンエンジン１１０に流入させることができる。さらに、エンジン１１０にはまた、燃料供給源１３０から炭化水素燃料の流れがまた酸素供給源１３２から酸素の流れが供給される。この例示的な実施形態では、燃料供給源１３０及び酸素供給源１３２は各々、燃焼チャンバ１２０に結合されかつ燃料及び酸素のそれぞれのストリームを燃焼チャンバ１２０に直接供給する。燃料及び酸素は、ＣＯ_２ストリーム１５０と混合され、その結果得られた混合気は、燃焼チャンバ１２０内で点火燃焼される。得られた発生燃焼ガスは、タービン１２２に向けて下流方向に流れかつ該タービン１２２の回転を生じさせる。タービン１２２の回転は、その出力（動力）を負荷４６に供給する。タービンエンジン１１０から吐出された排気ガス１０８は、熱交換器１１２に向けて送られる。

熱交換器１１２を通って流れる冷却流体により、排気ガス１０８の作動温度を低下させて、該排気ガス１０８中に含まれた水蒸気が凝縮しかつ該排気ガス１０８中に含まれた二酸化炭素ＣＯ_２が水蒸気から実質的に分離されるようにすることが可能になる。タービンエンジン１１０の負荷要件に応じて、排気ガス１０８から分離させた二酸化炭素ＣＯ_２は、作動流体ストリーム１５０を介してエンジン１１０に戻すか或いは分離ストリーム１５２を介して貯蔵チャンバ内に隔離するために送るかのいずれかとされる。

タービンエンジン１１０が作動流体ストリーム１５０を使用しまた該作動流体ストリーム１５０が実質的に窒素を含まないので、エンジン作動時に、実質的にＮＯｘを殆ど又は全く発生させない。従って、燃焼チャンバ１２０は、ＮＯｘエミッションを所定の限界値の範囲内に維持した状態で、作動流体として空気で作動する公知の燃焼チャンバよりも高温度で作動させることができる。より高い作動温度により、燃焼チャンバ１２０がその熱力学的最適値の近くで又はその熱力学的最適値で作動することが可能になる。さらに、窒素を含まない作動流体１５０の使用は、より高価な／より信頼性がない窒素／二酸化炭素分離装置を使用する公知のタービンエンジンシステムと比較して、本タービンエンジンシステム１００による一層安価な動力の産生を可能にする。

加えて、作動流体ストリーム１５０が実質的に窒素を含まずかつ実質的に二酸化炭素のみを含むので、エンジン作動時に、タービンエンジン１１０は、より大きい熱容量で作動可能となる。幾つかの実施形態では、このより大きい熱容量により、従来型のタービンエンジンシステムと比較して、相当温度におけるより高い圧縮機出口圧力を使用して（つまり、等しい温度でより多くの圧縮機段を使用して）のタービンエンジンシステム１００の作動が可能になる。従って、タービンエンジンシステム１００の全体作動効率は、他の公知のタービンエンジンシステムと比較してより高いものとなる。さらに、作動流体１５０を使用した場合には、タービンエンジンシステム１００内における燃焼速度は、タービン１１０に供給される二酸化炭素の量と比較してタービン１１０に供給する酸素の量つまりＯ_２／ＣＯ_２比を制御することによって、公知のタービンエンジンシステムに比較してさらに容易に制御される。従って、より均一な熱放出及び／又は高度な再熱燃焼を達成することが可能になる。

実質的に窒素を含まない作動流体でタービンエンジンシステムを作動させるようになった上記の方法及びシステムは、費用効果がありかつ信頼性がある方式でタービンエンジンにより動力を産生するのを可能にする。さらに、上記の方法及びシステムは、公知のタービンエンジンと比較して窒素酸化物及び二酸化炭素の発生を減少させるのを可能にする。その結果、ＮＯｘ、ＣＯ及びＣＯ_２のエミッション／発生を低減しながら、クリーンかつ比較的安価な動力の産生を可能にするタービンエンジンシステムが得られる。

上記には、実質的に窒素を含まない作動流体でタービンエンジンを作動させるようになった方法及びシステムの例示的な実施形態を詳細に説明している。本方法及びシステムは、本明細書に説明した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、本方法のステップ及び／又は本システムの構成要素は、本明細書に説明したその他のステップ及び／又は構成要素から独立してかつ別個に利用することができる。さらに、説明した方法のステップ及び／又はシステムの構成要素はまた、他の方法及び／又はシステムにおいて構成することができ或いはそれら他の方法及び／又はシステムと組合せて使用することができ、本明細書に説明したような方法及びシステムだけでの実施に限定されるものではない。

本発明又はその好ましい実施形態の要素を紹介する場合に、数詞のない表現は、その要素の１つ又はそれ以上が存在することを意味しようとしている。「含む」、「備える」及び「有する」という用語は、記載した要素以外の付加的要素が存在し得ることを包含しかつ意味することを意図している。

本発明の技術的範囲から逸脱せずに上記の構成及び方法において様々な変更を加えることができるので、上記の説明内に含まれかつ添付図面内に示された全ての事項は、限定的な意味としてではなく説明的なものとして解釈すべきであることを意図している。

１０ ガスタービンエンジン
１４ 低圧圧縮機
１８ 高圧圧縮機
２２ 燃焼器組立体
２６ 高圧タービン
３０ 低圧タービン
３４ 長手方向軸線
３８ 第１のシャフト
４２ 第２のシャフト
４６ 負荷
１００ タービンエンジンシステム
１０８ 排気ガス
１１０ タービンエンジン
１１２ 空気分離ユニット（ＡＳＵ）、熱交換器
１１４ 分離サブシステム
１２０ 燃焼チャンバ
１２２ タービン
１３０ 炭化水素燃料供給源
１３２ 酸素供給源
１４０貯蔵チャンバ
１４２ 圧縮機
１５０ 作動流体（ストリーム）、ＣＯ_２ストリーム
１５２ 分離ストリーム

Claims (20)

1. タービンエンジンシステムを作動させる方法であって、
   前記タービンエンジンシステム内に形成された燃焼チャンバに酸素の流れを供給するステップと、
   前記燃焼チャンバに炭化水素燃料の流れを供給するステップと、
   前記タービンエンジンシステムの入口に実質的に窒素を含まない作動流体を供給して、前記タービンエンジンシステムが得られた燃料−酸素−作動流体混合気で作動可能であるようにするステップと、を含む、
   方法。
2. 前記燃焼チャンバ内で前記燃料−酸素−作動流体混合気を点火燃焼させるステップと、
   前記燃焼チャンバからの排気の一部分を前記タービンエンジンシステムの入口に流して作動流体として使用するようにするステップと、
   をさらに含む、請求項１記載の方法。
3. 前記燃焼チャンバからの排気をガスタービンエンジンの吐出出口及び前記タービンエンジンシステムの入口間に結合された排気ガス調整システムに流すステップをさらに含む、請求項２記載の方法。
4. 前記排気ガス調整システムからの排気の一部分を分離貯蔵システムに送るステップをさらに含む、請求項３記載の方法。
5. 前記燃焼チャンバからの排気を排気ガス調整システムに流すステップが、該燃焼チャンバからの排気を熱交換器及び空気分離ユニットの少なくとも１つに流すステップをさらに含む、請求項３記載の方法。
6. ガスタービンエンジンシステムであって、
   少なくとも１つの燃焼チャンバ（１２０）及び前記燃焼チャンバの下流の少なくとも１つのタービンを備えたガスタービンエンジン（１０）と、
   前記ガスタービンエンジンの吐出出口及び該ガスタービンエンジンの入口間に結合された排気ガス調整システムと、を含み、
   前記燃焼チャンバが、炭化水素燃料供給源及び酸素供給源に流れ連通状態で結合され、
   前記ガスタービンエンジンが、実質的に窒素を含まない作動流体で作動可能である、
   ガスタービンエンジンシステム。
7. 前記排気ガス調整システムの下流に結合されて前記ガスタービンエンジンから吐出された排気の一部分を貯蔵するようになった隔離チャンバをさらに含む、請求項６記載のガスタービンエンジンシステム。
8. 前記隔離チャンバが、地下貯蔵チャンバを含む、請求項７記載のガスタービンエンジンシステム。
9. 前記排気ガス調整システムが、前記ガスタービンエンジン及び隔離チャンバ間かつ前記ガスタービンエンジン入口及び吐出出口間に流れ連通状態で結合された熱交換器及び空気分離ユニットの少なくとも１つを含む、請求項７記載のガスタービンエンジンシステム。
10. 前記排気ガス調整システムが、前記ガスタービンエンジンから吐出された排気から熱及び水蒸気の少なくとも１つを除去するのを可能にするように構成される、請求項９記載のガスタービンエンジンシステム。
11. 前記排気ガス調整システムが、前記ガスタービンエンジンに二酸化炭素のストリームを供給して作動流体として使用するように構成される、請求項９記載のガスタービンエンジンシステム。
12. 前記排気ガス調整システムが、前記ガスタービンエンジンの作動効率を向上させるのを可能にする、請求項６記載のガスタービンエンジンシステム。
13. 前記排気ガス調整システムが、前記ガスタービンエンジンから発生する窒素酸化物エミッションを低減するのを可能にする、請求項６記載のガスタービンエンジンシステム。
14. エンジンであって、
    エンジン入口と、
    燃焼チャンバと、
    エンジン出口と、を含み、
    前記燃焼チャンバが、前記エンジン入口及びエンジン出口間に流れ連通状態で結合され、
    前記燃焼チャンバが、炭化水素燃料供給源及び酸素供給源に結合され、
    前記入口が、前記出口に流れ連通状態で結合されて該出口から吐出された実質的に窒素を含まない作動流体供給源を受けるようになっている、
    エンジン。
15. 該エンジンの吐出出口及び該エンジンの入口間に結合された排気調整システムをさらに含む、請求項１４記載のエンジン。
16. 前記排気調整システムが、熱交換器及び空気分離ユニットの少なくとも１つを含む、請求項１５記載のエンジン。
17. 前記排気調整システムが、前記出口から吐出された前記作動流体から水蒸気及び熱の少なくとも１つを除去するように構成される、請求項１５記載のエンジン。
18. 前記排気調整システムの下流にかつ該排気調整システムと流れ連通状態で結合されて該出口から吐出された流れの一部分を受けるようになった分離システムをさらに含む、請求項１５記載のエンジン。
19. 前記分離システムが、圧縮機と貯蔵チャンバとを含み、
    前記圧縮機が、前記出口から吐出されかつ前記貯蔵チャンバに送られる流れを加圧するように構成される、
    請求項１８記載のエンジン。
20. 前記排気ガス調整システムが、該エンジンから発生する窒素酸化物エミッションを低減するのを可能にする、請求項１５記載のエンジン。

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