JP2018508735A - 排気再循環を有するガスタービンエンジン内の高い体積酸化剤流量のためのシステム及び方法 - Google Patents
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Abstract
ガスタービンエンジンを有するシステムを提供する。ガスタービンエンジンは、タービン及びタービンに結合された燃焼器を含む。燃焼器は、燃焼チャンバと、燃焼チャンバから上流の1又は2以上の燃料ノズルと、末端カバーアセンブリを有するヘッド端部とを含む。末端カバーアセンブリは、酸化剤流れを受け入れるように構成された酸化剤入口と、中心酸化剤通路と、少なくとも1つの燃料供給通路とを含む。中心酸化剤通路は、酸化剤入口と流体連通しており、中心酸化剤通路は、酸化剤流れを1又は2以上の燃料ノズルに経路指定するように構成される。少なくとも1つの燃料供給通路は、燃料流れを受け入れて燃料流れを1又は2以上の燃料ノズル内に経路指定するように構成される。【選択図】図5
Description
〔関連出願への相互参照〕
本出願は、全ての目的に対してその全体が本明細書に引用によって組み込まれている2015年2月4日出願の「SYSTEMS AND METHODS FOR HIGH VOLUMETRIC OXIDANT FLOW IN GAS TURBINE ENGINE WITH EXHAUST GAS RECIRCULATION」という名称の米国仮特許出願第62/112,129号に対する優先権及びその利益を主張するものである。
本出願は、全ての目的に対してその全体が本明細書に引用によって組み込まれている2015年2月4日出願の「SYSTEMS AND METHODS FOR HIGH VOLUMETRIC OXIDANT FLOW IN GAS TURBINE ENGINE WITH EXHAUST GAS RECIRCULATION」という名称の米国仮特許出願第62/112,129号に対する優先権及びその利益を主張するものである。
本明細書に開示する主題は、ガスタービンに関し、より具体的には、排気再循環を有するガスタービンに関する。
ガスタービンエンジンは、発電、航空機、及び様々な機械装置のような広範な用途に使用されている。ガスタービンエンジンは、一般的に、燃焼器セクションにおいて酸化剤(例えば、空気)と共に燃料を燃焼させて高温の燃焼ガスを発生させ、これは、次に、タービンセクションの1又は2以上のタービン段を駆動する。次に、タービンセクションは、圧縮機セクションの1又は2以上の圧縮機段を駆動し、それによって燃料と共に燃焼器セクションの中に吸入するための酸化剤を圧縮する。ここでもまた、燃料及び酸化剤が燃焼器セクションにおいて混合し、次に、燃焼して高温燃焼ガスを生成する。酸化剤(例えば、空気)は、圧縮機セクションの構成要素を冷却するのに使用することができる。残念ながら、冷却するための酸化剤(例えば、空気)の使用は、燃焼領域内及び/又は燃焼ガス内の酸化剤濃度の制御を複雑にする場合がある。
元来の特許請求する本発明の範囲に応じたある一定の実施形態を以下に要約する。これらの実施形態は、特許請求する本発明の技術的範囲を限定することを意図するものではなく、むしろこれらの実施形態は、本発明の実施可能な形態の簡潔な概要を示すことのみを意図している。当然のことながら、本発明は、以下に記載する実施形態と同様の実施形態、又は実施形態とは異なるものとすることができる様々な形態を含むことができる。
第1の実施形態では、ガスタービンエンジンを有するシステムを提供する。ガスタービンエンジンは、タービンとタービンに結合された燃焼器とを含む。燃焼器は、燃焼チャンバと、燃焼チャンバから上流の1又は2以上の燃料ノズルと、末端カバーアセンブリを有するヘッド端部とを含む。末端カバーアセンブリは、酸化剤流れを受け入れるように構成された酸化剤入口と、中心酸化剤通路と、少なくとも1つの燃料供給通路とを含む。中心酸化剤通路は、酸化剤入口と流体連通しており、中心酸化剤通路は、酸化剤流れを1又は2以上の燃料ノズルに経路指定するように構成される。少なくとも1つの燃料供給通路は、燃料流れを受け入れてその燃料流れを1又は2以上の燃料ノズル内に経路指定するように構成される。
第2の実施形態では、末端カバーアセンブリを含むシステムを提供する。末端カバーアセンブリは、タービン燃焼器のヘッド端部で装着されるように構成される。末端カバーアセンブリは、酸化剤入口と、中心酸化剤通路と、少なくとも1つの燃料供給通路とを含む。酸化剤入口は、酸化剤流れを受け入れるように構成される。中心酸化剤通路は、酸化剤入口と流体連通しており、かつ酸化剤流れを1又は2以上の燃料ノズルに経路指定するように構成される。少なくとも1つの燃料供給通路は、燃料流れを受け入れるように構成され、ここで少なくとも1つの燃料供給通路は、燃料流れを1又は2以上の燃料ノズル内に経路指定するように構成される。
第3の実施形態では、方法を提供する。本方法は、酸化剤流れをガスタービンエンジンのタービン燃焼器の末端カバーアセンブリの酸化剤入口内に受け入れる段階を含む。本方法はまた、末端カバーアセンブリ内で酸化剤流れを酸化剤入口から中心酸化剤通路を通るように経路指定する段階と、酸化剤流れを中心酸化剤通路から複数の燃料ノズル内に分配する段階とを含む。
本発明のこれら及び他の特徴、態様、及び利点は、図面全体を通して同じ文字が同じ部分を表す添付の図面を参照して以下の詳細説明を読むとより良く理解されることになるであろう。
本発明の1又は2以上の特定の実施形態について以下に説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を行う取り組みの一環として、本明細書では、実際の実施構成の全ての特徴については説明しない場合がある。技術又は設計プロジェクトと同様に、このような何らかの実際の実施構成の開発において、システム及び/又はビジネスに関連した制約への準拠など、実施構成毎に異なる可能性のある特定の目標を達成するために多数の実施時固有の決定が行われる点は理解されたい。その上、このような努力は、複雑で多大な時間を必要とする場合があるが、それにも関わらず、本開示の利点を有する当業者にとっては、設計、製作、及び製造の日常的な業務である点を理解されたい。
詳細な例示的実施形態を本明細書に説明する。しかし、本明細書に開示する特定の構造及び機能の詳細は、例示的実施形態を説明する目的に対して代表的なものに過ぎない。しかし、本発明の実施形態は、多くの代わりの形態に具現化することができ、本明細書に説明する実施形態だけに限定すると解釈すべきではない。
従って、例示的実施形態は、様々な修正及び代わりの形態のものが可能であるが、それらの実施形態は、図に例として示されており、本明細書で詳細に説明する。しかし、例示的実施形態を開示する特定の形態に限定するように考えられているものではなく、それとは反対に、例示的実施形態は、本発明の範囲に含まれる全ての修正物、均等物、及び代替物を包含することになることは理解されるものとする。
本明細書に使用する専門用語は、特定の実施形態のみを説明するためのものであり、例示的実施形態を限定するように考えられているものではない。本明細書に使用される場合に、単数形の記載は、それ以外の異なる指示がない限り、複数形も含むことを意図している。用語「備える」、「含む」、及び/又は「有する」は、本明細書に使用する時に、図示した特徴、整数、段階、作動、要素、及び/又は構成要素の存在を識別するが、1又は2以上の他の特徴、整数、段階、作動、要素、構成要素、及び/又はそれらの群の存在又は追加を排除しない。
用語「第1」、「第2」、「1次」、「2次」、その他を本明細書に使用して様々な要素を説明することができるが、それらの要素をそれらの用語に限定すべきではない。それらの用語は、一方の要素を別の要素と区別するのに使用されるに過ぎない。例えば、以下に限定されるものではないが、例示的実施形態の範囲から逸脱することなく、第1の要素は第2の要素と呼ぶことができ、同様に、第2の要素は第1の要素と呼ぶことができる。本明細書に使用される場合に、用語「及び/又は」は、関連して挙げた品目のうちの1又は2以上のいずれか及び全ての組合せを含む。
ある一定の専門用語は、読者の便宜のためだけに本明細書に使用される場合があり、本発明の範囲を限定すると取るべきではない。例えば、「上側」、「下側」、「左」、「右」、「前」、「後」、「上部」、「底部」、「水平」、「垂直」、「上流」、「下流」、「前方」、及び「後方」などのような表現は、図に示す構成を説明するに過ぎない。当然のことながら、本発明の実施形態の1又は複数の要素は、あらゆる方向に向けることができ、従って、専門用語は、具体的にそれ以外の定義をした場合を除き、そのような変形を包含することは理解されるものとする。
以下で詳細に検討されるように、開示する実施形態は、全体的に、排気ガス再循環(EGR)を有するガスタービンシステムに関し、より詳細には、EGRを用いたガスタービンシステムの量論的作動に関する。例えば、ガスタービンシステムは、排気ガス再循環経路に沿って排気ガスを再循環させ、再循環された排気ガスの少なくとも一部と共に燃料及び酸化剤を量論的に燃焼させ、かつ様々な目標システムにおいて使用するために排気ガスを取り込むよう構成することができる。量論的燃焼と共に排気ガスを再循環することによって、排気ガス中の二酸化炭素(CO2)の濃度レベルを上昇させるのに役立ち、種々の目標システムで使用するためにCO2及び窒素(N2)を分離及び精製するよう後処理することができる。ガスタービンシステムはまた、排気ガス再循環経路に沿って種々の排気ガス処理(例えば、熱回収、触媒反応、その他)を利用し、これによりCO2の濃度レベルを上昇させ、他のエミッション(例えば、一酸化炭素、窒素酸化物、及び未燃炭化水素)の濃度レベルを低下させ、エネルギー回収(例えば、熱回収ユニットを用いて)を向上させることができる。更に、ガスタービンエンジンは、1又は2以上の拡散火炎(例えば、拡散燃料ノズルを用いて)、予混合火炎(例えば、予混合燃料ノズルを用いて)、又はこれらの何らかの組合せを用いて燃料及び酸化剤を燃焼させるように構成することができる。特定の実施形態において、拡散火炎は、量論的燃焼の一定の限度内に安定性及び作動を維持するのに役立つことができ、これは次に、CO2の生成を増加させるのに役立つ。例えば、拡散火炎で作動するガスタービンシステムは、予混合火炎で作動するガスタービンシステムと比べてより大量のEGRを可能にすることができる。次に、EGRの増量は、CO2生成を増加させるのに役立つ。可能な目標システムは、原油二次回収(EOR)システムなどのパイプライン、貯蔵タンク、炭素隔離システム、及び炭化水素生成システムを含む。
開示する実施形態は、一般的に、ガスタービンエンジンのヘッド端部に結合された末端カバーアセンブリに関する。特に、末端カバーアセンブリは、ガスタービンエンジンのヘッド端部部分を通して1又は2以上の燃料ノズル内に酸化剤及び燃料を経路指定するように構成することができる。ある一定の実施形態では、酸化剤は、圧縮空気、酸素、酸素富化空気、貧酸低減空気、酸素−窒素混合気、又はそのいずれかの組合せを含む圧縮酸化剤とすることができる。1又は2以上の燃料ノズルは、ガスタービンエンジンのヘッド端部部分に収容され、酸化剤、燃料、及び一部の状況下では排気ガスを受け入れるように構成することができ、排気ガス、酸化剤、及び/又は燃料のストリーム又は混合物を燃焼器の燃焼部分(例えば、燃焼チャンバ)の中に注入することができる。1又は2以上の燃料ノズルは、予混合燃料ノズル(例えば、酸化剤/燃料予混合火炎の発生のために酸化剤及び燃料を予混合するように構成される)及び/又は拡散燃料ノズル(例えば、酸化剤/燃料拡散火炎の発生のために酸化剤及び燃料の別々の流れを注入するように構成される)のあらゆる組合せを含むことができる。
ある一定の実施形態では、末端カバーアセンブリは、中心酸化剤通路、バッフルアセンブリ、延長ケーシングシステム、及び燃料供給システムを含む。特に、末端カバーアセンブリは、燃焼器のヘッド端部部分を通して一連の体積流量(例えば、酸化剤の高い体積流量及び/又は酸化剤の低い体積流量)を軸線方向に受け入れて経路指定するように構成することができる。例えば、ある一定の実施形態では、末端カバーアセンブリの中心酸化剤通路は、燃焼器によって利用される酸化剤の供給を受け入れて燃焼器の作動中に燃焼工程を維持するように構成することができる。特に、燃焼工程によって利用される酸化剤の供給は、末端カバーアセンブリの中心酸化剤通路を通して軸線方向に経路指定することができる。この実施形態では、末端カバーアセンブリの中心酸化剤通路は、燃焼器の作動中に燃焼工程を維持するのに十分な酸化剤体積流量の量のような酸化剤の高い体積質量流量を燃焼器のヘッド端部部分の単一場所で(例えば、中心酸化剤通路で)受け入れるように構成することができる。ある一定の実施形態では、末端カバーアセンブリの中心酸化剤通路は、燃焼器の燃焼工程を作動させるのに利用される酸化剤供給のいずれかの部分のような酸化剤の低い体積流量をヘッド端部部分を通して受け入れるように構成することができる。
ある一定の実施形態では、中心酸化剤通路は、高温での酸化剤の供給の一連の体積流量を受け入れて経路指定するように構成されることに注意しなければならない。例えば、中心酸化剤通路は、大きい熱応力を引き起こすことなく単一場所でかつ高温での両方で酸化剤の高い体積質量流量を受け入れるように構成することができる。ある一定の実施形態では、中心酸化剤通路は、熱シールド及び/又は流れ調整器を含み、中心酸化剤通路が高温で酸化剤の高い体積質量流量を受け入れて経路指定することを可能にすることができる。このようにして、中心酸化剤通路は、燃焼器の作動中に燃焼工程を維持するのに十分な酸化剤の高い体積流量を提供し、かつ高温での流体の高い体積流量によって生じる場合がある熱歪み及び/又は熱変形から末端カバーアセンブリの様々な構成要素を保護することもできる。勿論、ある一定の実施形態では、中心酸化剤通路の熱シールド及び/又は流れ調整器は、中心酸化剤通路を末端カバーアセンブリの様々な構成要素から実質的に熱的に隔離するように構成することができ、それによって中心酸化剤通路が一連の体積流量を受け入れて経路指定することを可能にする。従って、開示する実施形態は、燃焼器のヘッド端部部分を通して様々な場所を通るのではなく、燃焼器のヘッド端部部分内の単一中心場所(例えば、中心酸化剤通路)で酸化剤供給を受け入れるように構成された末端カバーアセンブリを一般的に開示する。更に、末端カバーアセンブリは、高温で単一中心場所(例えば、中心酸化剤通路)で一連の酸化剤体積流量を受け入れるように構成することができる。
ある一定の実施形態では、末端カバーアセンブリでの中心酸化剤通路で受け入れられる酸化剤の供給は、末端カバーアセンブリのバッフルアセンブリ内に経路指定することができる。特に、バッフルアセンブリは、末端カバーアセンブリを通して1又は2以上の燃料ノズルの各々の中に酸化剤の供給を経路指定し、かつ誘導するように構成された複数の酸化剤孔を含むことができる。更に、ある一定の実施形態では、末端カバーアセンブリは、燃料供給システムを含む。燃料供給システムは、外側燃料ノズル供給入口、中心燃料ノズル供給入口、1又は2以上の燃料供給通路、及び複数の燃料ノズルを含む。特に、燃料供給システムは、燃焼器のヘッド端部部分を通して複数のノズルの各々に燃料を経路指定するように構成することができる。具体的には、燃料供給システムは、外側及び中心燃料供給入口から燃料供給通路の各々を通して複数の燃料ノズルの各々の中へのような末端カバーアセンブリを通して燃料を経路指定するように構成することができる。
ある一定の実施形態では、末端カバーアセンブリは、中心酸化剤通路と、バッフルアセンブリと、燃料供給システムとを収容する空間の体積を定めるように構成された延長ケーシングシステム(例えば、ハウジング)を含む。特に、延長ケーシングシステムは、フランジ(例えば、環状フランジ)、外側膨脹壁(例えば、環状壁)、内側膨脹壁(例えば、環状壁)、及び屈曲空間を含む。ある一定の実施形態では、フランジは、末端カバーアセンブリをガスタービンエンジンの圧縮機セクションの一部分に結合して固定するように構成することができる。更に、ある一定の実施形態では、末端カバーアセンブリの外側膨脹壁は、末端カバーアセンブリ内の空間の体積を増大して末端カバーアセンブリの構成要素を収容するように配置することができる。特に、ある一定の実施形態では、末端カバーアセンブリの外側膨脹壁及び内側膨脹壁は、燃焼器の作動中に末端カバーアセンブリの構成要素に対する可撓性(例えば、熱膨張及び収縮)を提供するように構成することができる。具体的には、燃焼器の作動中に、末端カバーアセンブリは、様々な温度及び圧力の流体、例えば、高温及び低温流体を互いに近接して受け入れ、同時に温度勾配によって生じる熱膨張及び収縮を受容する可撓性を提供するように構成することができる。例えば、末端カバーは、高温(例えば、圧縮によって生じる)で中心酸化剤通路に酸化剤を供給することができ、同時に末端カバーは、低温(例えば、周囲温度)で燃料を給送することができる。従って、開示する実施形態は、末端カバーアセンブリの構成要素間の熱歪み及び/又は温度勾配に応答して屈曲又は膨張するように構成されたケーシングシステムを提供する。更に、開示する実施形態は、一般的に、末端カバーアセンブリのある一定の構成要素を実質的に熱的に隔離又は絶縁するように構成された内部熱シールド又は断熱溝を提供する。
図1は、タービンベースのサービスシステム14に関連する炭化水素生成システム12を有するシステム10の実施形態の図である。以下でより詳細に検討するように、タービンベースのサービスシステム14の種々の実施形態は、電力、機械的パワー、及び流体(例えば、排気ガス)などの種々のサービスを炭化水素生成システム12に提供し、オイル及び/又はガスの生成又は取り出しを促進するよう構成される。図示の実施形態において、炭化水素生成システム12は、オイル/ガス抽出システム16及び原油二次回収(EOR)システム18を含み、これらは、地下リザーバ20(例えば、オイル、ガス、又は炭化水素リザーバ)に連結される。オイル/ガス抽出システム16は、オイル/ガス井戸26に連結されたクリスマスツリー又は生産ツリー24のような様々な坑外設備22を含む。更に、井戸26は、地中32にある掘削ボア30を通って地下リザーバ20まで延びる1又は2以上の管体28を含むことができる。ツリー24は、地下リザーバ20との間で圧力を調節し流れを制御する、1又は2以上のバルブ、チョーク、分離スリーブ、噴出防止装置、及び種々の流れ制御装置を含む。ツリー24は、一般に、地下リザーバ20の外への生産流体(例えば、オイル又はガス)の流れを制御するのに使用されるが、EORシステム18は、1又は2以上の流体を地下リザーバ20内に注入することによりオイル又はガスの生産を増大させることができる。
従って、EORシステム18は、地中32にあるボア38を通って地下リザーバ20内に延びる1又は2以上の管体36を有する流体注入システム34を含むことができる。例えば、EORシステム18は、1又は2以上の流体40(ガス、蒸気、水、化学物質、又はこれらの何らかの組合せ)を流体注入システム34に送ることができる。例えば、以下でより詳細に検討するように、EORシステム18は、タービンベースのサービスシステム14に連結され、その結果、システム14は、排気ガス42(例えば、実質的に又は完全に酸素を伴わない)をEORシステム18に送り、注入流体40として用いることができるようになる。流体注入システム34は、矢印44で示されるように、流体40(例えば、排気ガス42)を1又は2以上の管体36を通って地下リザーバ20に送る。注入流体40は、オイル/ガス井戸26の管体28からオフセット距離46だけ離れた管体36を通って地下リザーバ20に流入する。従って、注入流体40は、地下リザーバ20内に配置されたオイル/ガス48を移動させ、矢印50で示されるように、オイル/ガス48を炭化水素生成システム12の1又は2以上の管体28を通って上方に送り出す。以下でより詳細に検討するように、注入流体40は、炭化水素生成システム12によって必要に応じて施設内で排気ガス42を発生させることができるタービンベースのサービスシステム14から生じた排気ガス42を含むことができる。換言すると、タービンベースのシステム14は、1又は2以上のサービス(例えば、電力、機械的パワー、蒸気、水(例えば、脱塩水)と、炭化水素生成システム12が使用する排気ガス(例えば、実質的に酸素を伴わない)とを同時に発生させ、これによりこのようなサービスの外部供給源への依存を低減又は排除することができる。
図示の実施形態において、タービンベースのサービスシステム14は、量論的排気ガス再循環(SEGR)ガスタービンシステム52及び排気ガス(EG)処理システム54を含む。ガスタービンシステム52は、燃料希薄制御モード又は燃料リッチ制御モードのような、量論的燃焼作動モード(例えば、量論的制御モード)及び非量論的燃焼作動モード(例えば、非量論的制御モード)で作動するよう構成することができる。量論的制御モードにおいては、燃焼は、全体的に、燃料及び酸化剤の実質的に化学量論比で生じ、これにより実質的に量論的燃焼を生じることになる。特に、量論的燃焼は、一般に、燃焼生成物が実質的に又は完全に未燃燃料及び酸化剤を含まないように、燃焼反応において燃料及び酸化剤の実質的に全てを消費することを伴う。量論的燃焼の1つの尺度は、当量比すなわちファイ(Φ)であり、量論的燃料/酸化剤比に対する実際の燃料/酸化剤比の割合である。1.0よりも大きい当量比は、燃料及び酸化剤の燃料リッチ燃焼をもたらし、他方、1.0よりも小さい当量比は、燃料及び酸化剤の燃料希薄燃焼をもたらす。対照的に、当量比1.0は、燃料リッチでもなく燃料希薄でもない燃焼をもたらし、従って、燃焼反応において燃料及び酸化剤の全てを実質的に消費する。開示する実施形態の文脈において、用語「量論的」又は「実質的に量論」とは、約0.95〜約1.05の当量比を指すことができる。しかし、開示する実施形態はまた、当量比1.0±0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、又はそれ以上を含むことができる。ここでもまた、タービンベースのサービスシステム14における燃料及び酸化剤の量論的燃焼は、残存する未燃燃料又は酸化剤が実質的に存在しない燃焼生成物又は排気ガス(例えば、42)をもたらすことができる。例えば、排気ガス42は、1、2、3、4、又は5体積パーセント未満の酸化剤(例えば、酸素)、未燃燃料又は炭化水素(例えば、HC)、窒素酸化物(例えば、NOx)、一酸化炭素(CO)、硫黄酸化物(例えば、SOx)、水素、及び他の不完全燃焼生成物を有することができる。別の実施例によれば、排気ガス42は、約10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、1000、2000、3000、4000、又は5000ppmv(百万分の1体積)未満の酸化剤(例えば、酸素)、未燃燃料又は炭化水素(例えば、HC)、窒素酸化物(例えば、NOx)、一酸化炭素(CO)、硫黄酸化物(例えば、SOX)、水素、及び他の不完全燃焼生成物を有することができる。しかし、開示する実施形態はまた、排気ガス42中の他の範囲の残留燃料、酸化剤、及び他のエミッションレベルを生成する。本明細書で使用される場合、用語「エミッション」、「エミッションレベル」、及び「エミッション目標」は、特定の燃焼生成物(例えば、NOx、CO、SOx、O2、N2、H2、HCs、その他)の濃度レベルを指すことができ、これらは、再循環されたガスストリーム、放出されたガスストリーム(例えば、大気中に排気された)、及び種々の目標システム(例えば、炭化水素生成システム12)において使用されるガスストリーム中に存在することができる。
SEGRガスタービンシステム52及びEG加工システム54は、異なる実施形態において様々な構成要素を含むことができるが、図示のEG加工システム54は、熱回収蒸気発電機(HRSG)56及び排気ガス再循環(EGR)システム58を含み、これらは、SEGRガスタービンシステム52から生じた排気60を受け入れて処理する。HRSG56は、1又は2以上の熱交換器、凝縮機、及び種々の熱回収設備を含むことができ、これらは全体として、排気60からの熱を水ストリームに伝達して蒸気62を発生させるよう機能する。蒸気62は、1又は2以上の蒸気タービン、EORシステム18、又は炭化水素生成システム12の他のいずれかの部分において用いることができる。例えば、HRSG56は、低圧、中圧、及び/又は高圧の蒸気62を生成することができ、これらは、低圧、中圧、及び高圧蒸気タービン段又はEORシステム18の異なる用途に選択的に適用することができる。蒸気62に加えて、脱塩水のような処理水64は、HRSG56、EGRシステム58、及び/又はEG加工システム54又はSEGRガスタービンシステム52の別の部分によって生成することができる。処理水64(例えば、脱塩水)は、内陸又は砂漠地帯などの水不足の領域において特に有用とすることができる。処理水64は、SEGRガスタービンシステム52内で燃料の燃焼を生じる大量の空気によって少なくとも部分的に生成することができる。蒸気62及び水64の施設内での生成は、多くの用途(炭化水素生成システム12を含む)で有益であるが、排気ガス42、60の施設内での生成は、SEGRガスタービンシステム52から生成される低酸素含有、高圧及び熱に起因して、EORシステム18に特に有益とすることができる。従って、HRSG56、EGRシステム58、及び/又はEG加工システム54の別の部分は、排気ガス66をSEGRガスタービンシステム52に出力又は再循環できると同時に、排気ガス42を炭化水素生成システム12と共に使用するためにEORシステム18に送ることができる。同様に、排気ガス42は、炭化水素生成システム12のEORシステム18にて使用するためにSEGRガスタービンシステム52から直接(すなわち、EG加工システム54を通過することなく)抽出することができる。
排気ガス再循環は、EG加工システム54のEGRシステム58により処理される。例えば、EGRシステム58は、1又は2以上の導管、バルブ、ブロア、排気ガス処理システム(例えば、フィルタ、粒子状物質除去ユニット、ガス分離ユニット、ガス精製ユニット、熱交換器、熱回収ユニット、除湿ユニット、触媒ユニット、化学物質注入ユニット、又はその組合せ)、及び制御部を含み、排気ガス再循環経路に沿ってSEGRガスタービンシステム52の出力(例えば、排気された排気60)から入力(例えば、吸入された排気ガス66)まで排気ガスを再循環するようにする。図示の実施形態において、SEGRガスタービンシステム52は、1又は2以上の圧縮機を有する圧縮機セクションに排気ガス66を吸入させ、これにより排気ガス66を圧縮して、酸化剤68及び1又は2以上の燃料70の吸入と共に燃焼器セクションにおいて使用する。酸化剤68は、周囲空気、純酸素、酸素富化空気、酸素低減空気、酸素−窒素混合気、又は燃料70の燃焼を促進する何らかの好適な酸化剤を含むことができる。燃料70は、1又は2以上のガス燃料、液体燃料、又は何らかのこれらの組合せを含むことができる。例えば、燃料70は、天然ガス、液化天然ガス(LNG)、シンガス、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ナフサ、ケロシン、ディーゼル燃料、エタノール、メタノール、バイオ燃料、又は何らかのこれらの組合せを含むことができる。
SEGRガスタービンシステム52は、燃焼器セクションにおいて排気ガス66、酸化剤68、及び燃料70を混合して燃焼させ、これによりタービンセクションにおいて1又は2以上のタービン段を駆動する高温の燃焼ガス又は排気60を発生する。特定の実施形態において、燃焼器セクションにおける各燃焼器は、1又は2以上の予混合燃料ノズル、1又は2以上の拡散燃料ノズル、又は何らかのこれらの組合せを含む。例えば、各予混合燃料ノズルは、燃料ノズルの内部で、及び/又は燃料ノズルの部分的に上流側で酸化剤68と燃料70を混合し、これにより予混合燃焼(例えば、予混合火炎)のため酸化剤−燃料混合物を燃料ノズルから燃焼ゾーンに注入するよう構成することができる。別の実施例によれば、各拡散燃料ノズルは、酸化剤68及び燃料70の流れを燃料ノズル内で分離し、これにより拡散燃焼(例えば、拡散火炎)のため酸化剤68及び燃料70を燃料ノズルから燃焼ゾーンに個別に注入するよう構成することができる。特に、拡散燃料ノズルによって提供される拡散燃焼は、初期燃焼のポイントすなわち火炎領域まで酸化剤68及び燃料70の混合を遅延させる。拡散燃料ノズルを利用する実施形態において、拡散火炎は、一般に酸化剤68及び燃料70の別個のストリームの間(すなわち、酸化剤68及び燃料70が混合される時に)の化学量論ポイントにて形成されるので、火炎安定性を向上させることができる。特定の実施形態において、1又は2以上の希釈剤(例えば、排気60、蒸気、窒素、又は別の不活性ガス)は、拡散燃料ノズル又は予混合燃料ノズルのいずれかにおいて酸化剤68、燃料70、又は両方と予混合することができる。これに加えて、1又は2以上の希釈剤(例えば、排気60、蒸気、窒素、又は別の不活性ガス)は、各燃焼器内での燃焼ポイントにて又はその下流側にて燃焼器内に注入することができる。これらの希釈剤を使用することにより、火炎(例えば、予混合火炎又は拡散火炎)の調質を助け、これにより一酸化窒素(NO)及び二酸化窒素(NO2)などのNOxエミッションの低減を助けることができる。火炎のタイプに関係なく、燃焼は、高温の燃焼ガス又は排気60を生成して、1又は2以上のタービン段を駆動する。各タービン段が排気60によって駆動されると、SEGRガスタービンシステム52は、機械的パワー72及び/又は電力74(例えば、発電機を通じて)を発生する。システム52はまた、排気60を出力し、更に水64を出力することができる。ここでもまた、水64は、脱塩水などの処理水とすることができ、これは、設備内又は設備外での様々な用途で有用とすることができる。
排気ガスの抽出はまた、1又は2以上の抽出ポイント76を用いてSEGRガスタービンシステム52により提供される。例えば、図示の実施形態は、抽出ポイント76から排気ガス42を受け入れ、該排気ガス42を処理して、次いで、種々の目標システムに排気ガス42を供給又は分配する排気ガス(EG)抽出システム80及び排気ガス(EG)処理システム82を有する排気ガス(EG)供給システム78を含む。目標システムは、EORシステム18、及び/又はパイプライン86、貯蔵タンク88、又は炭素隔離システム90などの他のシステムを含むことができる。EG抽出システム80は、1又は2以上の導管、バルブ、制御部、及び流れ分離装置を含むことができ、これらは、排気ガス42を酸化剤68、燃料70、及び他の汚染物質から隔離すると同時に、抽出した排気ガス42の温度、圧力、及び流量を制御するのを可能にする。EG処理システム82は、1又は2以上の熱交換器(例えば、熱回収蒸気発電機などの熱回収ユニット、凝縮機、冷却器、又はヒーター)、触媒システム(例えば、酸化触媒システム)、粒子状物質及び/又は水除去システム(例えば、ガス脱水ユニット、慣性力選別装置、凝集フィルタ、水不透過性フィルタ、及び他のフィルタ)、化学物質注入システム、溶剤ベース処理システム(例えば、吸収器、フラッシュタンク、その他)、炭素捕捉システム、ガス分離システム、ガス精製システム、及び/又は溶剤ベース処理システム、排気ガス圧縮機、これらのあらゆる組合せを含むことができる。EG処理システム82のこれらのサブシステムにより、温度、圧力、流量、水分含有量(例えば、水分除去量)、粒子状物質含有量(例えば、粒子状物質除去量)、及びガス組成(例えば、CO2、N2、その他の割合)の制御が可能となる。
抽出した排気ガス42は、目標システムに応じて、EG処理システム82の1又は2以上のサブシステムにより処理される。例えば、EG処理システム82は、炭素捕捉システム、ガス分離システム、ガス精製システム、及び/又は溶剤ベース処理システムを通じて排気ガス42の一部又は全てを誘導することができ、種々の目標システムで使用するために炭素含有ガス(例えば、二酸化炭素)92及び/又は窒素(N2)94を分離及び精製するよう制御される。例えば、EG処理システム82の実施形態は、ガス分離及び精製を実施し、第1のストリーム96、第2のストリーム97、及び第3のストリーム98のような排気ガス42の複数の異なるストリーム95を生成することができる。第1のストリーム96は、二酸化炭素リッチ及び/又は窒素希薄(例えば、CO2リッチ・N2希薄ストリーム)である第1の組成を有することができる。第2のストリーム97は、二酸化炭素及び/又は窒素の中間濃度レベル(例えば、中間濃度CO2・N2ストリーム)である第2の組成を有することができる。第3のストリーム98は、二酸化炭素希薄及び/又は窒素リッチ(例えば、CO2希薄・N2リッチストリーム)である第3の組成を有することができる。各ストリーム95(例えば、96、97、及び98)は、目標システムへのストリーム95の送出を促進するために、ガス脱水ユニット、フィルタ、ガス圧縮機、又はその組合せを含むことができる。特定の実施形態において、CO2リッチ・N2希薄ストリーム96は、約70、75、80、85、90、95、96、97、98、又は99体積パーセントよりも大きいCO2純度又は濃度レベルと、約1、2、3、4、5、10、15、20、25、又は30体積パーセントよりも小さいN2純度又は濃度レベルとを有することができる。対照的に、CO2希薄・N2リッチストリーム98は、約1、2、3、4、5、10、15、20、25、又は30体積パーセントよりも小さいCO2純度又は濃度レベルと、約70、75、80、85、90、95、96、97、98、又は99体積パーセントよりも大きいN2純度又は濃度レベルとを有することができる。中間濃度CO2・N2ストリーム97は、約30〜70、35〜65、40〜60、又は45〜55体積パーセントのCO2純度又は濃度レベル及び/又はN2純度又は濃度レベルを有することができる。上述の範囲は、単に非限定的な例に過ぎず、CO2リッチ・N2希薄ストリーム96及びCO2希薄・N2リッチストリーム98は、EORシステム18及び他のシステム84と共に使用するのに特に好適とすることができる。しかし、これらのリッチ、希薄、又は中間の濃度のCO2ストリーム95のいずれかは、単独で、又は様々な組合せでEORシステム18及び他のシステム84と共に使用することができる。例えば、EORシステム18及び他のシステム84(例えば、パイプライン86、貯蔵タンク88、及び炭素隔離システム90)は各々、1又は2以上のCO2リッチ・N2希薄ストリーム96、1又は2以上のCO2希薄・N2リッチストリーム98、1又は2以上の中間濃度CO2・N2ストリーム97、及び1又は2以上の未処理排気ガス42ストリーム(すなわち、EG処理システム82をバイパスした)を受け入れることができる。
EG抽出システム80は、圧縮機セクション、燃焼器セクション、及び/又はタービンセクションに沿った1又は2以上の抽出ポイント76にて排気ガス42を抽出し、排気ガス42が、好適な温度及び圧力でEORシステム18及び他のシステム84において使用できるようにする。EG抽出システム80及び/又はEG処理システム82はまた、EG加工システム54との間で流体流れ(例えば、排気ガス42)を循環させることができる。例えば、EG加工システム54を通過する排気ガス42の一部は、EORシステム18及び他のシステム84で使用するためにEG抽出システム80によって抽出することができる。特定の実施形態において、EG供給システム78及びEG加工システム54は、独立しているか、又は互いに一体化することができ、従って、独立したサブシステム又は共通のサブシステムを用いることができる。例えば、EG処理システム82は、EG供給システム78及びEG加工システム54両方によって用いることができる。EG加工システム54から抽出される排気ガス42は、EG加工システム54における1又は2以上のガス処理段及びその後に続くEG処理システム82における1又は2以上の追加のガス処理段のような、複数のガス処理段を受けることができる。
各抽出ポイント76において、抽出した排気ガス42は、EG加工システム54において実質的に量論的燃焼及び/又はガス処理に起因して、実質的に酸化剤68及び燃料70(例えば、未燃燃料又は炭化水素)が存在しない場合がある。更に、目標システムに応じて、抽出した排気ガス42は、EG供給システム78のEG処理システム82において更なる処理を受け、これにより何らかの残留する酸化剤68、燃料70、又は他の望ましくない燃焼生成物を更に低減することができる。例えば、EG処理システム82の処理の前又は後で、抽出した排気ガス42は、1、2、3、4、又は5体積パーセントよりも少ない酸化剤(例えば、酸素)、未燃燃料又は炭化水素(例えば、HC)、窒素酸化物(例えば、NOx)、一酸化炭素(CO)、硫黄酸化物(例えば、SOx)、水素、及び他の不完全燃焼生成物を有することができる。別の実施例によれば、EG処理システム82の処理の前又は後で、抽出した排気ガス42は、約10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、1000、2000、3000、4000、又は5000ppmv(百万分の1体積)よりも少ない酸化剤(例えば、酸素)、未燃燃料又は炭化水素(例えば、HC)、窒素酸化物(例えば、NOx)、一酸化炭素(CO)、硫黄酸化物(例えば、SOx)、水素、及び他の不完全燃焼生成物を有することができる。従って、排気ガス42は、EORシステム18と共に使用するのに特に好適である。
タービンシステム52のEGR作動は、具体的には、複数の位置76での排気ガス抽出を可能にする。例えば、システム52の圧縮機セクションを用いて、どのような酸化剤68もなしで排気ガス66を圧縮する(すなわち、排気ガス66の圧縮のみ)ことができ、その結果、酸化剤68及び燃料70の流入前に圧縮機セクション及び/又は燃焼器セクションから実質的に酸素を含まない排気ガス42を抽出することができるようになる。抽出ポイント76は、隣接する圧縮機段の間の段間ポートにて、圧縮機排気ケーシングに沿ったポートにて、燃焼器セクションにおける各燃焼器に沿ったポートにて、又はその組合せに位置付けることができる。特定の実施形態において、排気ガス66は、燃焼器セクションにおける各燃焼器のヘッド端部部分及び/又は燃料ノズルに達するまでは、酸化剤68及び燃料70と混合しないようにすることができる。更に、1又は2以上の流れ分離器(例えば、壁、仕切り、バッフル、又は同様のもの)を用いて、酸化剤68及び燃料70を抽出ポイント76から隔離することができる。これらの流れ分離器を用いると、抽出ポイント76は、燃焼器セクションにおける各燃焼器の壁に沿って直接配置することができる。
排気ガス66、酸化剤68、及び燃料70がヘッド端部部分を通って(例えば、燃料ノズルを通って)各燃焼器の燃焼部分(例えば、燃焼チャンバ)に流入した状態で、SEGRガスタービンシステム52は、排気ガス66、酸化剤68、及び燃料70の実質的に量論的な燃焼をもたらすよう制御される。例えば、システム52は、約0.95〜約1.05の当量比を維持することができる。結果として、各燃焼器内の排気ガス66、酸化剤68、及び燃料70の混合物の燃焼生成物は、実質的に酸素及び未燃燃料を含まない。従って、燃焼生成物(又は排気ガス)は、EORシステム18に送られる排気ガス42として使用するためにSEGRガスタービンシステム52のタービンセクションから抽出することができる。タービンセクションに沿って、抽出ポイント76は、隣接するタービン段の間の段間ポートなどのいずれかのタービン段に位置付けることができる。従って、上述の抽出ポイント76のいずれかを用いて、タービンベースのサービスシステム14は、排気ガス42を生成及び抽出し、炭化水素生成システム12(例えば、EORシステム18)に送出して、地下リザーバ20からのオイル/ガス48の生成に用いることができる。
図2は、タービンベースのサービスシステム14及び炭化水素生成システム12に連結された制御システム100を示す図1のシステム10の実施形態の図である。図示の実施形態において、タービンベースのサービスシステム14は、複合サイクルシステム102を含み、これは、トッピングサイクルとしてSEGRガスタービンシステム52と、ボトミングサイクルとして蒸気タービン104と、排気60から熱を回収して蒸気タービン104を駆動するための蒸気62を発生させるHRSG56とを含む。ここでもまた、SEGRガスタービンシステム52は、排気66、酸化剤68、及び燃料70を受け入れて混合し、量論的燃焼(例えば、予混合及び/又は拡散火炎)をして、これにより排気60、機械的パワー72、電力74、及び/又は水64を生成する。例えば、SEGRガスタービンシステム52は、発電機、酸化剤圧縮機(例えば、主空気圧縮機)、ギアボックス、ポンプ、炭化水素生成システム12の設備、又はそのあらゆる組合せなどの1又は2以上の負荷又は機械装置106を駆動することができる。一部の実施形態において、機械装置106は、SEGRガスタービンシステム52と縦一列に配列された発電機又は蒸気タービン(例えば、蒸気タービン104)などの他の駆動装置を含むことができる。従って、SEGRガスタービンシステム52(及び何らかの追加の駆動装置)によって駆動される機械装置106の出力は、機械的パワー72及び電力74を含むことができる。機械的パワー72及び/又は電力74は、炭化水素生成システム12に動力を供給するために施設内で用いることができ、電力74は、送電網又はそのあらゆる組合せに配電することができる。機械装置106の出力はまた、SEGRガスタービンシステム52の燃焼セクションに吸入するために圧縮酸化剤68(例えば、空気又は酸素)などの圧縮流体を含むことができる。これらの出力(例えば、排気60、機械的パワー72、電力74、及び/又は水64)の各々は、タービンベースのサービスシステム14の1つのサービスとみなすことができる。
SEGRガスタービンシステム52は、実質的に酸素を伴わない場合がある排気ガス42、60を生成し、排気ガス42、60は、EG加工システム54及び/又はEG供給システム78に送られる。EG供給システム78は、排気ガス42(例えば、ストリーム95)を処理して炭化水素生成システム12及び/又は他のシステム84に送出することができる。上記で検討したように、EG加工システム54は、HRSG56及びEGRシステム58を含むことができる。HRSG56は、1又は2以上の熱交換器、凝縮機、及び種々の熱回収設備を含むことができ、これらを用いて排気60から熱を回収し又は水108に伝達し、蒸気タービン104を駆動するための蒸気62を発生することができる。SEGRガスタービンシステム52と同様に、蒸気タービン104は、1又は2以上の負荷又は機械装置106を駆動し、これにより機械的パワー72及び電力74を生成することができる。図示の実施形態において、SEGRガスタービンシステム52及び蒸気タービン104は、縦一列の形態で配列されて、同じ機械装置106を駆動する。しかし、他の実施形態において、SEGRガスタービンシステム52及び蒸気タービン104は、異なる機械装置106を個別に駆動し、機械的パワー72及び/又は電力74を独立に生成することができる。蒸気タービン104がHRSG56からの蒸気62により駆動されると、蒸気62の温度及び圧力が漸次的に低下する。従って、蒸気タービン104は、使用した蒸気62及び/又は水108をHRSG56に戻すよう再循環し、排気60からの熱回収を通じて追加の蒸気を発生させる。蒸気発生に加えて、HRSG56、EGRシステム58、及び/又はEG加工システム54の別の部分は、水64、炭化水素生成システム12と共に用いるための排気ガス42、及びSEGRガスタービンシステム52への入力として使用する排気66を生成することができる。例えば、水64は、他の用途で使用するための脱塩水のような処理水64とすることができる。脱塩水は、水の利便性が低い領域で特に有用とすることができる。排気60に関しては、EG加工システム54の実施形態は、排気60をHRSG56に通過させるかどうかに関係なく、EGRシステム58を通じて排気60を再循環させるよう構成することができる。
図示の実施形態において、SEGRガスタービンシステム52は、システム52の排気出口から排気入口まで延びる排気ガス再循環経路110を有する。排気60は、経路110に沿って、図示の実施形態においてHRSG56及びEGRシステム58を含むEG加工システム54を通過する。EGRシステム58は、経路110に沿って直列及び/又は並列配列で、1又は2以上の導管、バルブ、ブロア、ガス処理システム(例えば、フィルタ、粒子状物質除去ユニット、ガス分離ユニット、ガス精製ユニット、熱交換器、熱回収蒸気発電機などの熱回収ユニット、除湿ユニット、触媒ユニット、化学物質注入ユニット、又はそのあらゆる組合せ)を含むことができる。換言すると、EGRシステム58は、システム52の排気ガス出口と排気ガス入口との間の排気ガス再循環経路110に沿って、いずれかの流れ制御構成要素、圧力制御構成要素、温度制御構成要素、湿度制御構成要素、及びガス組成制御構成要素を含むことができる。従って、経路110に沿ってHRSG56を有する実施形態において、HRSG56は、EGRシステム58の1つの構成要素とみなすことができる。しかし、特定の実施形態において、HRSG56は、排気ガス再循環経路110とは独立して排気ガス経路に沿って配置することができる。HRSG56がEGRシステム58と別個の経路に沿っているか又は共通の経路に沿っているかに関係なく、HRSG56及びEGRシステム58は、排気60を吸入して、再循環される排気60、EG供給システム78(例えば、炭化水素生成システム12及び/又は他のシステム84のため)と共に使用するための排気ガス42、又は別の出力の排気ガスを出力する。ここでもまた、SEGRガスタービンシステム52は、排気66、酸化剤68、及び燃料70(例えば、予混合火炎及び/又は拡散火炎)を吸入して混合し、量論的燃焼して、EG加工システム54、炭化水素生成システム12、又は他のシステム84に分配するために実質的に酸素及び燃料を含まない排気60を生成する。
図1を参照しながら上述したように、炭化水素生成システム12は、地下リザーバ20からオイル/ガス井戸26を通るオイル/ガス48の回収又は生成を促進する様々な設備を含むことができる。例えば、炭化水素生成システム12は、流体注入システム34を有するEORシステム18を含むことができる。図示の実施形態において、流体注入システム34は、排気ガス注入EORシステム112及び蒸気注入EORシステム114を含む。流体注入システム34は、様々な供給源から流体を受け入れることができるが、図示の実施形態は、タービンベースのサービスシステム14から排気ガス42及び蒸気62を受け入れることができる。タービンベースのサービスシステム14により生成される排気ガス42及び/又は蒸気62はまた、他のオイル/ガスシステム116で使用するため炭化水素生成システム12に送ることができる。
排気ガス42及び蒸気62の量、品質、及び流れは、制御システム100により制御することができる。制御システム100は、タービンベースのサービスシステム14に完全に専用とすることができ、又は制御システム100は、任意選択的に、炭化水素生成システム12及び/又は他のシステム84の制御を行うことができる。図示の実施形態において、制御システム100は、プロセッサ120、メモリ122、蒸気タービン制御部124、SEGRガスタービンシステム制御部126、及び機械制御部128を有するコントローラ118を含む。プロセッサ120は、タービンベースのサービスシステム14を制御するために単一のプロセッサ又はトリプル冗長プロセッサのような2又は3以上の冗長プロセッサを含むことができる。メモリ122は、揮発性及び/又は不揮発性メモリを含むことができる。例えば、メモリ122は、1又は2以上のハードドライブ、フラッシュメモリ、読み取り専用メモリ、ランダムアクセスメモリ、又はそのあらゆる組合せを含むことができる。制御部124、126、及び128は、ソフトウェア及び/又はハードウェア制御部を含むことができる。例えば、制御部124、126、及び128は、メモリ122上に格納されてプロセッサ120により実行可能な種々の命令又はコードを含むことができる。制御部124は、蒸気タービン104の作動を制御するよう構成され、SEGRガスタービンシステム制御部126は、システム52を制御するよう構成され、機械制御部128は、機械装置106を制御するよう構成される。従って、コントローラ118(例えば、制御部124、126、及び128)は、タービンベースのサービスシステム14の種々のサブシステムを協働させて炭化水素生成システム12に排気ガス42の好適なストリームを提供するよう構成することができる。
制御システム100の特定の実施形態において、図面において示され又は本明細書で説明される各要素(例えば、システム、サブシステム、及び構成要素)は、(例えば、このような要素の直接内部に、上流側に、又は下流側に)センサ及び制御デバイスのような1又は2以上の工業用制御特徴要素を含み、これらは、コントローラ118と共に工業用制御ネットワークを通じて互いに通信可能に連結される。例えば、各要素に関連する制御デバイスは、専用のデバイスコントローラ(例えば、プロセッサ、メモリ、及び制御命令を含む)、1又は2以上のアクチュエータ、バルブ、スイッチ、及び工業用制御機器を含むことができ、これらは、センサフィードバック130、コントローラ118からの制御信号、ユーザからの制御信号、又はそのあらゆる組合せに基づいて制御を可能にする。従って、本明細書で説明する制御機能の何れも、コントローラ118、各要素に関連する専用のデバイスコントローラ、又はその組合せにより格納され及び/又は実行可能な制御命令を用いて実施することができる。
このような制御機能を可能にするために、制御システム100は、種々の制御部(例えば、制御部124、126、及び128)の実行の際に使用するセンサフィードバック130を達成するためにシステム10全体にわたって分配された1又は2以上のセンサを含む。例えば、センサフィードバック130は、SEGRガスタービンシステム52、機械装置106、EG加工システム54、蒸気タービン104、炭化水素生成システム12、又はタービンベースのサービスシステム14又は炭化水素生成システム12にわたる他のいずれかの構成要素にわたって分配されたセンサから取得することができる。例えば、センサフィードバック130は、温度フィードバック、圧力フィードバック、流量フィードバック、火炎温度フィードバック、燃焼動力学フィードバック、吸入酸化剤組成フィードバック、吸入燃料組成フィードバック、排気ガス組成フィードバック、機械的パワー72の出力レベル、電力74の出力レベル、排気ガス42、60の出力量、水64の出力量又は品質、又はそのあらゆる組合せを含むことができる。例えば、センサフィードバック130は、SEGRガスタービンシステム52において量論的燃焼を可能にする排気ガス42、60の組成を含むことができる。例えば、センサフィードバック130は、酸化剤68の酸化剤供給経路に沿った1又は2以上の吸入酸化剤センサ、燃料70の燃料供給経路に沿った1又は2以上の吸入燃料センサ、及び排気ガス再循環経路110に沿って配置され及び/又はSEGRガスタービンシステム52内部に配置された1又は2以上の排気エミッションセンサからのフィードバックを含むことができる。吸入酸化剤センサ、吸入燃料センサ、及び排気エミッションセンサは、温度センサ、圧力センサ、流量センサ、及び組成センサを含むことができる。エミッションセンサは、窒素酸化物(例えば、NOxセンサ)、炭素酸化物(例えば、COセンサ及びCO2センサ)、硫黄酸化物(例えば、SOxセンサ)、水素(例えば、H2センサ)、酸素(例えば、O2センサ)、未燃炭化水素(例えば、HCセンサ)、又は他の不完全燃焼生成物、又はそのあらゆる組合せに対するセンサを含むことができる。
このフィードバック130を用いて、制御システム100は、当量比を好適な範囲内、例えば、約0.95〜約1.05、約0.95〜約1.0、約1.0〜約1.05、又は実質的に1.0に維持するように、(他の作動パラメータの中でも特に)SEGRガスタービンシステム52への排気66、酸化剤68、及び/又は燃料70の吸入流を調節(例えば、増大、減少、又は維持)することができる。例えば、制御システム100は、フィードバック130を分析して、排気エミッション(例えば、窒素酸化物、CO及びCO2などの炭素酸化物、硫黄酸化物、水素、酸素、未燃炭化水素、及び他の不完全燃焼生成物の濃度レベル)を監視し及び/又は当量比を決定し、次いで、1又は2以上の構成要素を制御して、排気エミッション(例えば、排気ガス42の濃度レベル)及び/又は当量比を調節することができる。制御される構成要素は、限定ではないが、酸化剤68、燃料70、及び排気66のための供給経路に沿ったバルブ;EG加工システム54における酸化剤圧縮機、燃料ポンプ、又はいずれかの構成要素;SEGRガスタービンシステム52のいずれかの構成要素;又はそのあらゆる組合せを含む図面を参照して例示かつ説明した構成要素のいずれかを含むことができる。制御される構成要素は、SEGRガスタービンシステム52内で燃焼する酸化剤68、燃料70、及び排気66の流量、温度、圧力、又はパーセンテージ(例えば、当量比)を調節(例えば、増大、減少、又は維持)することができる。制御される構成要素はまた、触媒ユニット(例えば、酸化触媒ユニット)、触媒ユニットのための供給源(例えば、酸化燃料、熱、電気、その他)、ガス精製及び/又は分離ユニット(例えば、溶剤ベース分離器、吸収器、フラッシュタンク、その他)、及び濾過ユニットなど、1又は2以上のガス処理システムを含むことができる。ガス処理システムは、排気ガス再循環経路110、通気経路(例えば、大気中に排気される)、又はEG供給システム78への抽出経路に沿った種々の排気エミッションの低減を助けることができる。
特定の実施形態において、制御システム100は、フィードバック130を分析して、約10、20、30、40、50、100、200、300、400、500、1000、2000、3000、4000、5000、又は10000ppmv(百万分の1体積)未満のような目標範囲にエミッションレベル(例えば、排気ガス42、60、95の濃度レベル)を維持又は低減するよう1又は2以上の構成要素を制御することができる。これらの目標範囲は、排気エミッション(例えば、窒素酸化物、一酸化炭素、硫黄酸化物、水素、酸素、未燃炭化水素、及び他の不完全燃焼生成物の濃度レベル)の各々に対して同じか又は異なる可能性がある。例えば、当量比に応じて、制御システム100は、酸化剤(例えば、酸素)の排気エミッション(例えば、濃度レベル)を約10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、250、500、750、又は1000ppmv未満の目標範囲内に、一酸化炭素(CO)の排気エミッション(例えば、濃度レベル)を約20、50、100、200、500、1000、2500、又は5000ppmv未満の目標範囲内に、及び窒素酸化物(NOx)の排気エミッション(例えば、濃度レベル)を約50、100、200、300、400、又は500ppmv未満の目標範囲内に選択的に制御することができる。実質的に量論的当量比で作動する特定の実施形態において、制御システム100は、酸化剤(例えば、酸素)の排気エミッション(例えば、濃度レベル)を約10、20、30、40、50、60、70、80、90、又は100ppmv未満の目標範囲内に、かつ一酸化炭素(CO)の排気エミッションを約500、1000、2000、3000、4000、又は5000ppmv未満の目標範囲内に選択的に制御することができる。燃料希薄当量比(例えば、約0.95〜1.0)で作動する特定の実施形態において、制御システム100は、酸化剤(例えば、酸素)の排気エミッション(例えば、濃度レベル)を約500、600、700、800、900、1000、1100、1200、1300、1400、又は1500ppmv未満の目標範囲内に、一酸化炭素(CO)の排気エミッションを約10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、150、又は200ppmv未満の目標範囲内に、かつ窒素酸化物(例えば、NOx)の排気エミッションを約50、100、150、200、250、300、350、又は400ppmv未満の目標範囲内に選択的に制御することができる。上述の目標範囲は、単に例示に過ぎず、開示する実施形態の範囲を限定するものではない。
制御システム100はまた、ローカルインタフェース132及びリモートインタフェース134に連結することができる。例えば、ローカルインタフェース132は、タービンベースのサービスシステム14及び/又は炭化水素生成システム12にて施設内に配置されたコンピュータワークステーションを含むことができる。対照的に、リモートインタフェース134は、インターネット接続などを通じて、タービンベースのサービスシステム14及び炭化水素生成システム12の施設外に配置されたコンピュータワークステーションを含むことができる。これらのインタフェース132及び134は、センサフィードバック130、作動パラメータ、及びその他の1又は2以上のグラフィック表示を通じてなど、タービンベースのサービスシステム14の監視及び制御を可能にする。
ここでもまた、上述のように、コントローラ118は、タービンベースのサービスシステム14の制御を可能にする様々な制御部124、126、及び128を含む。蒸気タービン制御部124は、センサフィードバック130を受け入れ、蒸気タービン104の作動を可能にする制御コマンドを出力することができる。例えば、蒸気タービン制御部124は、HRSG56、機械装置106、蒸気62の経路に沿った温度及び圧力センサ、水108の経路に沿った温度及び圧力センサ、及び機械的パワー72及び電力74を示す種々のセンサからセンサフィードバック130を受け入れることができる。同様に、SEGRガスタービンシステム制御部126は、SEGRガスタービンシステム52、機械装置106、EG加工システム54、又はそのあらゆる組合せに沿って配置された1又は2以上のセンサからセンサフィードバック130を受け入れることができる。例えば、センサフィードバック130は、SEGRガスタービンシステム52の内部又は外部に配置された温度センサ、圧力センサ、クリアランスセンサ、振動センサ、火炎センサ、燃料組成センサ、排気ガス組成センサ、又はそのあらゆる組合せから得ることができる。最後に、機械制御部128は、機械的パワー72及び電力74に関連する種々のセンサ並びに機械装置106内に配置されたセンサからセンサフィードバック130を受け入れることができる。これらの制御部124、126、及び128の各々は、センサフィードバック130を用いてタービンベースのサービスシステム14の作動を改善する。
図示の実施形態において、SEGRガスタービンシステム制御部126は、EG加工システム54、EG供給システム78、炭化水素生成システム12、及び/又は他のシステム84における排気ガス42、60、95の量及び品質を制御する命令を実行することができる。例えば、SEGRガスタービンシステム制御部126は、排気60中の酸化剤(例えば、酸素)及び/又は未燃燃料のレベルを排気ガス注入EORシステム112と共に用いるのに好適な閾値未満に維持することができる。特定の実施形態において、この閾値レベルは、排気ガス42、60の体積で酸化剤(例えば、酸素)及び/又は未燃燃料が1、2、3、4、又は5パーセント未満とすることができ、又は、酸化剤(例えば、酸素)及び/又は未燃燃料(及び他の排気エミッション)の閾値レベルは、排気ガス42、60中に約10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、1000、2000、3000、4000、又は5000ppmv(百万分の1体積)未満とすることができる。別の実施例によれば、酸化剤(例えば、酸素)及び/又は未燃燃料のこれらの低いレベルを達成するために、SEGRガスタービンシステム制御部126は、SEGRガスタービンシステム52における燃焼において約0.95〜約1.05の当量比を維持することができる。SEGRガスタービンシステム制御部126はまた、排気ガス42、60、95の温度、圧力、流量、及びガス組成を排気ガス注入EORシステム112、パイプライン86、貯蔵タンク88、及び炭素隔離システム90に好適な範囲内に維持するようにEG抽出システム80及びEG処理システム82を制御することができる。上記で検討したように、EG処理システム82は、CO2リッチ・N2希薄ストリーム96、中間濃度CO2・N2ストリーム97、及びCO2希薄・N2リッチストリーム98のような1又は2以上のガスストリーム95内への排気ガス42を精製及び/又は分離するよう制御することができる。排気ガス42、60、及び95の制御に加えて、制御部124、126、及び128は、機械的パワー72を好適な出力範囲内に維持し、又は電力74を好適な周波数及び出力範囲内に維持するように1又は2以上の命令を実行することができる。
図3は、炭化水素生成システム12及び/又は他のシステム84と共に使用するためのSEGRガスタービンシステム52の詳細を更に示すシステム10の実施形態の図である。図示の実施形態において、SEGRガスタービンシステム52は、EG加工システム54に連結されたガスタービンエンジン150を含む。図示のガスタービンエンジン150は、圧縮機セクション152、燃焼器セクション154、及び膨張器セクション又はタービンセクション156を含む。圧縮機セクション152は、直列配列で配置された回転圧縮機ブレードの1〜20段のような1又は2以上の排気ガス圧縮機又は圧縮機段158を含む。同様に、燃焼器セクション154は、SEGRガスタービンシステム52の回転軸線162の周りで円周方向に分配された1〜20の燃焼器160のような1又は2以上の燃焼器160を含む。更に、各燃焼器160は、排気66、酸化剤68、及び/又は燃料70を注入するように構成された1又は2以上の燃料ノズル164を含むことができる。例えば、各燃焼器160のヘッド端部部分166は、1、2、3、4、5、6、又はそれ以上の燃料ノズル164を収容することができ、燃料ノズル164は、排気66、酸化剤68、及び/又は燃料70のストリーム又は混合物を燃焼器160の燃焼部168(例えば、燃焼チャンバ)に注入することができる。
燃料ノズル164は、予混合燃料ノズル164(例えば、酸化剤/燃料予混合火炎の発生のため酸化剤68及び燃料70を予混合するよう構成される)及び/又は拡散燃料ノズル164(例えば、酸化剤/燃料拡散火炎の発生のため酸化剤68及び燃料70の別個の流れを注入するよう構成される)のいずれかの組合せを含むことができる。予混合燃料ノズル164の実施形態は、燃焼チャンバ168における注入及び燃焼の前に、ノズル164内で酸化剤68及び燃料70を内部で混合するためのスワールベーン、混合チャンバ、又は他の特徴要素を含むことができる。予混合燃料ノズル164はまた、少なくとも一部が部分的に混合された酸化剤68及び燃料70を受け入れることができる。特定の実施形態において、各拡散燃料ノズル164は、注入ポイントまで酸化剤68及び燃料70の流れを隔離すると同時に、注入ポイントまで1又は2以上の希釈剤(例えば、排気66、蒸気、窒素、又は別の不活性ガス)の流れも隔離することができる。他の実施形態において、各拡散燃料ノズル164は、注入ポイントまで酸化剤68及び燃料70の流れを隔離するが、注入ポイントの前に1又は2以上の希釈剤(例えば、排気66、蒸気、窒素、又は別の不活性ガス)を酸化剤68及び/又は燃料70と部分的に混合することができる。これに加えて、1又は2以上の希釈剤(例えば、排気66、蒸気、窒素、又は別の不活性ガス)は、燃焼ゾーンにて又はその下流側で燃焼器内(例えば、高温の燃焼生成物内)に注入され、これにより高温の燃焼生成物の温度を低下させ、NOx(例えば、NO及びNO2)のエミッションを低減するのを助けることができる。燃料ノズル164のタイプに関係なく、SEGRガスタービンシステム52は、酸化剤68及び燃料70の実質的に量論的燃焼を提供するよう制御することができる。
拡散燃料ノズル164を用いた拡散燃焼の実施形態において、燃料70及び酸化剤68は、一般に、拡散火炎の上流側では混合せず、むしろ、燃料70及び酸化剤68は、火炎表面にて直接混合及び反応し、及び/又は火炎表面が燃料70及び酸化剤68間の混合位置に存在する。詳細には、燃料70及び酸化剤68は、火炎表面(又は拡散境界/界面)に個別に接近し、次いで、火炎表面(又は拡散境界/界面)に沿って拡散し(例えば、分子及び粘性拡散を通じて)、拡散火炎を発生する。燃料70及び酸化剤68は、この火炎表面(又は拡散境界/界面)に沿って実質的に量論比にあるものとすることができる点は注目すべきであり、その結果、この火炎表面に沿ってより高い火炎温度(例えば、ピーク火炎温度)を生じることができる。量論的燃料/酸化剤比は、一般に、燃料希薄又は燃料リッチの燃料/酸化剤比と比べて、高い火炎温度(例えば、ピーク火炎温度)をもたらす。結果として、拡散火炎は、予混合火炎よりも実質的により安定することができ、これは、燃料70及び酸化剤68の拡散が、火炎表面に沿った量論比(及びより高温)を維持するのを助けることに起因する。火炎温度がより高いほど、NOxエミッションのような排気エミッションをより多く生じる可能性があるが、開示の実施形態では、1又は2以上の希釈剤を用いて、燃料70及び酸化剤68のいずれかの予混合を依然として回避しながら、温度及びエミッションを制御するのを助けることができる。例えば、開示する実施形態は、燃料70及び酸化剤68とは個別に(例えば、燃焼ポイントの後及び/又は拡散火炎から下流側で)1又は2以上の希釈剤を導入することができ、これにより、温度を低下させ、拡散火炎により生じたエミッションを低減するのを助けることができる。
作動時には、図示のように、圧縮機セクション152は、EG加工システム54からの排気66を受け入れて圧縮し、圧縮排気ガス170を燃焼器セクション154における燃焼器160の各々に出力する。各燃焼器160内で燃料70、酸化剤68、及び排気ガス170が燃焼すると、追加の排気ガス又は燃焼生成物172(すなわち、燃焼ガス)がタービンセクション156に送られる。圧縮機セクション152と同様に、タービンセクション156は、一連の回転タービンブレードを含むことができる1又は2以上のタービン又はタービン段174を含む。次いで、これらのタービンブレードは、燃焼器セクション154において発生した燃焼生成物172により駆動され、これにより機械装置106に連結されたシャフト176の回転を駆動する。ここでもまた、機械装置106は、タービンセクション156に連結された機械装置106、178及び/又は圧縮機セクション152に連結された機械装置106、180など、SEGRガスタービンシステム52のいずれかの端部に連結された様々な機器を含むことができる。特定の実施形態において、機械装置106、178、180は、1又は2以上の発電機、酸化剤68用の酸化剤圧縮機、燃料70用の燃料ポンプ、ギアボックス、又はSEGRガスタービンシステム52に連結された追加の駆動装置(例えば、蒸気タービン104、電気モータ、その他)を含むことができる。以下では、表1を参照しながら、非限定的な例を更に詳細に検討する。図示のように、タービンセクション156は、排気60を出力して、排気ガス再循環経路110に沿ってタービンセクション156の排気ガス出口182から排気ガス入口184に再循環して圧縮機セクション152内に入る。排気ガス再循環経路110に沿って、排気60は、上記で詳細に検討したようにEG加工システム54(例えば、HRSG56及び/又はEGRシステム58)を通過する。
ここでもまた、燃焼器セクション154における各燃焼器160は、圧縮排気ガス170、酸化剤68、及び燃料70を受け入れて混合して、量論的に燃焼し、追加の排気ガス又は燃焼生成物172を生成して、タービンセクション156を駆動する。特定の実施形態において、酸化剤68は、1又は2以上の酸化剤圧縮機(MOC)を有する主酸化剤圧縮(MOC)システム(例えば、主空気圧縮機(MAC)システム)のような酸化剤圧縮機システム186により圧縮される。酸化剤圧縮機システム186は、駆動装置190に連結された酸化剤圧縮機188を含む。例えば、駆動装置190は、電気モータ、燃焼エンジン、又はそのあらゆる組合せを含むことができる。特定の実施形態において、駆動装置190は、ガスタービンエンジン150のようなタービンエンジンとすることができる。従って、酸化剤圧縮機システム186は、機械装置106の一体化部分とすることができる。換言すると、圧縮機188は、ガスタービンエンジン150のシャフト176により供給される機械的パワー72によって直接的又は間接的に駆動することができる。このような実施形態においては、圧縮機188は、タービンエンジン150からの出力に依存するので、駆動装置190は除外してもよい。しかし、1つよりも多い酸化剤圧縮機を利用する特定の実施形態において、第1の酸化剤圧縮機(例えば、低圧(LP)酸化剤圧縮機)は、駆動装置190により駆動することができるが、シャフト176は、第2の酸化剤圧縮機(例えば、高圧(HP)酸化剤圧縮機)を駆動し、又は、その逆もまた可能である。例えば、別の実施形態において、HP MOCは、駆動装置190により駆動され、LP酸化剤圧縮機は、シャフト176により駆動される。図示の実施形態において、酸化剤圧縮機システム186は、機械装置106から分離されている。これらの実施形態の各々において、圧縮機システム186は、酸化剤68を圧縮して燃料ノズル164及び燃焼器160に供給する。従って、機械装置106、178、180の一部又は全ては、圧縮機システム186(例えば、圧縮機188及び/又は追加の圧縮機)の作動効率を向上させるように構成することができる。
要素番号106A、106B、106C、106D、106E、及び106Fで示される機械装置106の様々な構成要素は、1又は2以上の直列配列、並列配列、又は直列配列と並列配列の何らかの組合せで、シャフト176の軸線に沿って及び/又はシャフト176の軸線に平行に配置することができる。例えば、機械装置106、178、180(例えば、106Aから106F)は、あらゆる順序で、1又は2以上のギアボックス(例えば、平行シャフト、遊星ギアボックス)、1又は2以上の圧縮機(例えば、酸化剤圧縮機、EGブースター圧縮機のようなブースター圧縮機)、1又は2以上の発電ユニット(例えば、発電機)、1又は2以上の駆動装置(例えば、蒸気タービンエンジン、電気モータ)、熱交換ユニット(例えば、直接式又は間接式熱交換器)、クラッチ、又はそのあらゆる組合せのいずれかの直列及び/又は並列配列を含むことができる。圧縮機は、軸方向圧縮機、半径方向又は遠心式圧縮機、又はそのあらゆる組合せを含むことができ、各々が1又は2以上の圧縮段を有する。熱交換器に関しては、直接式熱交換器は、ガス流れを直接冷却するためにガス流れ(例えば、酸化剤流れ)に液体噴霧を注入する噴霧冷却器(例えば、噴霧中間冷却器)を含むことができる。間接式熱交換器は、冷却剤流(例えば、水、空気、冷媒、又は他のいずれかの液体又は気体冷却剤)から流体流れ(例えば、酸化剤流れ)を分離するような第1及び第2の流れを分離する少なくとも1つの壁(例えば、シェル及び管体熱交換器)を含むことができ、ここで冷却剤流は、どのような直接接触もなく流体流れから熱を伝達する。間接式熱交換器の実施例は、中間冷却器熱交換器、及び熱回収蒸気発電機のような熱回収ユニットを含む。熱交換器はまた、ヒーターを含むことができる。以下でより詳細に検討するように、これらの機械構成要素の各々は、表1に記載される非限定的な例によって示される様々な組合せで用いることができる。
一般に、機械装置106、178、180は、例えば、システム186における1又は2以上の酸化剤圧縮機の作動速度を調節し、冷却を通じて酸化剤68の圧縮を促進させ、及び/又は余剰出力を抽出することにより、圧縮機システム186の効率を向上させるよう構成することができる。開示する実施形態は、直列及び並列配列の機械装置106、178、180における上述の構成要素のいずれか及び全ての並び換えを含むことを意図しており、構成要素の1、1よりも多く、又は全てがシャフト176から出力を引き出しており、又は全て引き出していない。以下で示すように、表1は、圧縮機及びタービンセクション152、156に近接して配置及び/又は連結された機械装置106、178、180の配列の幾つかの非限定的な例を示している。
表1において上に示すように、冷却ユニットはCLRで表され、クラッチはCLUで表され、駆動装置はDRVで表され、ギアボックスはGBXで表され、発電機はGENで表され、加熱ユニットはHTRで表され、主酸化剤圧縮機ユニットはMOCで表され、低圧及び高圧変形形態は、それぞれLP MOC及びHP MOCで表され、蒸気発電機ユニットは、STGNで表されている。表1は、圧縮機セクション152又はタービンセクション156に向けて機械装置106、178、180を順次的に示しているが、表1はまた、逆順の機械装置106、178、180も包含することを意図している。表1において、2又は3以上の構成要素を含む何れのセルも、構成要素の並列配列を包含することを意図している。表1は、機械装置106、178、180の図示していない何らかの並び換えを排除することを意図するものではない。機械装置106、178、180のこれらの構成要素は、ガスタービンエンジン150に送られる酸化剤68の温度、圧力、及び流量のフィードバック制御を可能にすることができる。以下でより詳細に検討するように、酸化剤68及び燃料70は、排気ガス170の品質を劣化させる何らかの酸化剤68又は燃料70なしで、圧縮排気ガス170の分離及び抽出を可能にするように特別に選択された位置においてガスタービンエンジン150に供給することができる。
図3に示すように、EG供給システム78は、ガスタービンエンジン150と目標システム(例えば、炭化水素生成システム12及び他のシステム84)との間に配置される。詳細には、EG供給システム78(例えば、EG抽出システム(EGES)80)は、圧縮機セクション152、燃焼器セクション154、及び/又はタービンセクション156に沿った1又は2以上の抽出ポイント76にてガスタービンエンジン150に連結することができる。例えば、抽出ポイント76は、圧縮機段の間の2、3、4、5、6、7、8、9、又は10の段間抽出ポイント76のように、隣接する圧縮機段の間に配置することができる。これらの段間抽出ポイント76の各々は、異なる温度及び圧力の抽出排気ガス42を提供する。同様に、抽出ポイント76は、タービン段の間の2、3、4、5、6、7、8、9、又は10の段間抽出ポイント76のように、隣接するタービン段の間に配置することができる。これらの段間抽出ポイント76の各々は、異なる温度及び圧力の抽出排気ガス42を提供する。別の実施例によれば、抽出ポイント76は、燃焼器セクション154全体にわたって多数の位置に配置することができ、これらは、異なる温度、圧力、流量、及びガス組成を提供することができる。これらの抽出ポイント76の各々は、EG抽出導管、1又は2以上のバルブ、センサ、及び制御部を含むことができ、これらは、EG供給システム78に対して抽出排気ガス42の流れを選択的に制御するのに用いることができる。
EG供給システム78によって分配される抽出した排気ガス42は、目標システム(例えば、炭化水素生成システム12及び他のシステム84)に好適な制御された組成を有する。例えば、これらの抽出ポイント76の各々において、排気ガス170は、酸化剤68及び燃料70の注入ポイント(又は流れ)から実質的に隔離することができる。換言すると、EG供給システム78は、どのような酸化剤68又は燃料70の追加もなしに排気ガス170をガスタービンエンジン150から抽出するように特別に設計することができる。更に、燃焼器160の各々における量論的燃焼の観点で、抽出した排気ガス42は、実質的に酸素及び燃料を含まないものとすることができる。EG供給システム78は、原油二次回収、炭素隔離、貯蔵、又は施設外の場所への輸送など、種々の工程で使用するために抽出した排気ガス42を炭化水素生成システム12及び/又は他のシステム84に直接的又は間接的に送ることができる。しかし、特定の実施形態において、EG供給システム78は、目標システムと共に使用する前に排気ガス42を更に処理するためのEG処理システム(EGTS)82を含む。例えば、EG処理システム82は、CO2リッチ・N2希薄ストリーム96、中間濃度CO2・N2ストリーム97、及びCO2希薄・N2リッチストリーム98などの1又は2以上のストリーム95への排気ガス42を精製及び/又は分離することができる。これらの処理された排気ガスストリーム95は、炭化水素生成システム12及び他のシステム84(例えば、パイプライン86、貯蔵タンク88、及び炭素隔離システム90)とは個別に又は何らかの組合せで用いることができる。
EG供給システム78において実施された排気ガスの処理と同様に、EG加工システム54は、要素番号194、196、198、200、202、204、206、208、及び210により示されるような複数の排気ガス(EG)処理構成要素192を含むことができる。これらのEG処理構成要素192(例えば、194〜210)は、1又は2以上の直列配列、並列配列、又は直列配列と並列配列の何らかの組合せで排気ガス再循環経路110に沿って配置することができる。例えば、EG処理構成要素192(例えば、194〜210)は、あらゆる順序で、1又は2以上の熱交換器(例えば、熱回収蒸気発電機などの熱回収ユニット、凝縮機、冷却器、又はヒーター)、触媒システム(例えば、酸化触媒システム)、粒子状物質及び/又は水除去システム(例えば、慣性力選別装置、凝集フィルタ、水不透過性フィルタ、及び他のフィルタ)、化学物質注入システム、溶剤ベース処理システム(例えば、吸収器、フラッシュタンク、その他)、炭素捕捉システム、ガス分離システム、ガス精製システム、及び/又は溶剤ベース処理システム、又はそのあらゆる組合せのいずれかの直列及び/又は並列配列を含むことができる。特定の実施形態において、触媒システムは、酸化触媒、一酸化炭素還元触媒、窒素酸化物還元触媒、アルミニウム酸化物、ジルコニウム酸化物、シリコーン酸化物、チタン酸化物、プラチナ酸化物、パラジウム酸化物、コバルト酸化物、又は混合金属酸化物、又はそのあらゆる組合せを含むことができる。開示する実施形態は、直列及び並列配列の上述の構成要素192のいずれかの及び全ての並び換えを含むことを意図している。以下に示すように、表2は、排気ガス再循環経路110に沿った構成要素192の配列の幾つかの非限定的な例を示している。
表2において上に示すように、触媒ユニットはCUで表され、酸化触媒ユニットはOCUで表され、ブースターブロアはBBで表され、熱交換器はHXで表され、熱回収ユニットはHRUで表され、熱回収蒸気発電機はHRSGで表され、凝縮機はCONDで表され、蒸気タービンはSTで表され、粒子状物質除去ユニットはPRUで表され、除湿ユニットはMRUで表され、フィルタはFILで表され、凝集フィルタはCFILで表され、水不透過性フィルタはWFILで表され、慣性力選別装置はINERで表され、希釈剤供給システム(例えば、蒸気、窒素、又は他の不活性ガス)はDILで表される。表2は、タービンセクション156の排気ガス出口182から圧縮機セクション152の排気ガス入口184に向けて構成要素192を順次的に示しているが、表2はまた、図示の構成要素192の逆順も包含することを意図している。表2において、2又は3以上の構成要素を含む何れのセルも、構成要素を有する一体的ユニット、構成要素の並列配列、又はそのあらゆる組合せを包含することを意図している。更に、表2において、HRU、HRSG、及びCONDは、HEの実施例であり、HRSGは、HRUの実施例であり、COND、WFIL、及びCFILは、WRUの実施例であり、INER、FIL、WFIL、及びCFILは、PRUの実施例であり、WFIL及びCFILは、FILの実施例である。ここでもまた、表2は、構成要素192の図示していない何らかの並び換えを排除することを意図するものではない。特定の実施形態において、図示の構成要素192(例えば、194〜210)は、HRSG56、EGRシステム58、又はそのあらゆる組合せに部分的に又は完全に一体化することができる。これらのEG処理構成要素192は、温度、圧力、流量、及びガス組成のフィードバック制御を可能にすると同時に、排気60から水分及び粒子状物質を除去することができる。更に、処理された排気60は、EG供給システム78で使用するために1又は2以上の抽出ポイント76にて抽出され、及び/又は圧縮機セクション152の排気ガス入口184に再循環することができる。
処理された再循環排気66が圧縮機セクション152を通過すると、SEGRガスタービンシステム52は、1又は2以上の管路212(例えば、ブリード導管又はバイパス導管)に沿って圧縮排気ガスの一部を抜き取ることができる。各管路212は、排気ガスを1又は2以上の熱交換器214(例えば、冷却ユニット)に送り、これによりSEGRガスタービンシステム52への再循環のために排気ガスを冷却することができる。例えば、熱交換器214を通過した後、冷却された排気ガスの一部は、タービンケーシング、タービンシュラウド、軸受、及び他の構成要素の冷却及び/又はシールのため管路212に沿ってタービンセクション156に送ることができる。このような実施形態において、SEGRガスタービンシステム52は、冷却及び/又はシール目的でタービンセクション156を通って何らかの酸化剤68(又は他の可能性のある汚染物質)を送らず、従って、冷却された排気ガスの何らかの漏洩が、タービンセクション156のタービン段を流動してそれを駆動する高温の燃焼生成物(例えば、作動排気ガス)を汚染することはない。別の実施例によれば、熱交換器214を通過した後、冷却された排気ガスの一部は、管路216(例えば、戻り導管)に沿って圧縮機セクション152の上流側圧縮機段に送られ、これにより圧縮機セクション152による圧縮効率を向上させることができる。このような実施形態において、熱交換器214は、圧縮機セクション152における段間冷却ユニットとして構成することができる。このようにして、冷却された排気ガスは、SEGRガスタービンシステム52の作動効率を向上させるのを助けると同時に、排気ガスの純度(例えば、実質的に酸化剤及び燃料を含まない)を維持するのを助ける。
図4は、図1〜図3に示したシステム10の作動工程220の実施形態の流れ図である。ある一定の実施形態において、工程220は、コンピュータに実装された工程とすることができ、メモリ122上に格納された1又は2以上の命令にアクセスして、図2に示すコントローラ118のプロセッサ120上で命令を実行する。例えば、工程220の各段階は、図2を参照して説明した制御システム100のコントローラ118によって実行可能な命令を含むことができる。
工程220は、ブロック222で示されるように、図1〜図3のSEGRガスタービンシステム52の始動モードを開始する段階で始まることができる。例えば、始動モードは、熱勾配、振動、及びクリアランス(例えば、回転部品と固定部品間の)を許容可能閾値内に維持するように、SEGRガスタービンシステム52の漸次的な立ち上がりを含むことができる。例えば、始動モード222中に、工程220は、ブロック224で示されるように、圧縮酸化剤68を燃焼器セクション154の燃焼器160及び燃料ノズル164に供給するのを開始することができる。特定の実施形態において、圧縮酸化剤は、圧縮空気、酸素、酸素富化空気、酸素低減空気、酸素−窒素混合気、又はそのあらゆる組合せを含むことができる。例えば、酸化剤68は、図3に示す酸化剤圧縮機システム186により圧縮することができる。工程220はまた、ブロック226で示されるように、始動モード222中に、燃焼器160及び燃料ノズル164に燃料を供給するのを開始することができる。始動モード222中に、工程220はまた、ブロック228で示されるように、燃焼器160及び燃料ノズル164に排気ガス(利用可能な時)を供給するのを開始することができる。例えば、燃料ノズル164は、1又は2以上の拡散火炎、予混合火炎、又は拡散火炎と予混合火炎の組合せを生成することができる。始動モード222中に、ガスタービンエンジン156により生成される排気60は、量及び/又は品質が不十分又は不安定になる可能性がある。従って、始動モード中に、工程220は、1又は2以上の貯蔵ユニット(例えば、貯蔵タンク88)、パイプライン86、他のSEGRガスタービンシステム52、又は他の排気ガス供給源から排気66を供給することができる。
次いで、工程220は、1又は2以上の拡散火炎、予混合火炎、又は拡散及び予混合火炎の組合せにより、ブロック230で示されるように、燃焼器160において圧縮酸化剤、燃料、及び排気ガスの混合物を燃焼させて高温燃焼ガス172を生成することができる。詳細には、工程220は、燃焼器セクション154の燃焼器160において混合物の量論的燃焼(例えば、量論的拡散燃焼、予混合燃焼、又は両方)を可能にするように、図2の制御システム100により制御することができる。しかし、始動モード222中に、混合物の量論的燃焼を維持することが特に困難となる可能性がある(かつひいては低レベルの酸化剤及び未燃燃料が高温燃焼ガス172中に存在する可能性がある)。結果として、始動モード222において、高温燃焼ガス172は、以下で更に詳細に検討するように、定常状態モード中よりも多くの量の残留酸化剤68及び/又は燃料70を有する可能性がある。このために、工程220は、始動モード中に高温燃焼ガス172中の残留酸化剤68及び/又は燃料70を低減又は排除するよう1又はそれ以上の制御命令を実行することができる。
次いで、工程220は、ブロック232で示されるように、高温燃焼ガス172を用いてタービンセクション156を駆動する。例えば、高温燃焼ガス172は、タービンセクション156内に配置された1又は2以上のタービン段174を駆動することができる。タービンセクション156の下流側では、工程220は、ブロック234で示されるように、最終タービン段174からの排気60を処理することができる。例えば、排気ガス処理段階234は、濾過、何らかの残留酸化剤68及び/又は燃料70の触媒反応、化学的処理、HRSG56を用いた熱回収、及びその他を含むことができる。工程220はまた、ブロック236で示されるように、SEGRガスタービンシステム52の圧縮機セクション152に排気60の少なくとも一部を再循環させることができる。例えば、排気ガスの再循環段階236は、図1〜図3に示すように、EG加工システム54を有する排気ガス再循環経路110の通過を含むことができる。
次いで、ブロック238で示されるように、圧縮機セクション152において再循環された排気66を圧縮することができる。例えば、SEGRガスタービンシステム52は、圧縮機セクション152の1又は2以上の圧縮機段158において再循環された排気66を順次的に圧縮することができる。続いて、圧縮排気ガス170は、ブロック228で示されるように、燃焼器160及び燃料ノズル164に供給することができる。次いで、ブロック240で示されるように、工程220が最終的に定常状態モードに移行するまで、段階230、232、234、236、及び238を繰り返すことができる。移行240時に、工程220は、引き続き段階224〜238を実施することができるが、ブロック242で示されるように、EG供給システム78を通じて排気ガス42の抽出を開始することもできる。例えば、排気ガス42は、図3に示すように、圧縮機セクション152、燃焼器セクション154、及びタービンセクション156に沿った1又は2以上の抽出ポイント76から抽出することができる。次いで、工程220は、ブロック244で示されるように、抽出した排気ガス42をEG供給システム78から炭化水素生成システム12に供給することができる。次に、炭化水素生成システム12は、ブロック246で示されるように、原油二次回収のために排気ガス42を地中32に注入することができる。例えば、抽出した排気ガス42は、図1〜図3に示されるEORシステム18の排気ガス注入EORシステム112によって用いることができる。SEGRガスタービンシステム52の一部の実施形態において、排気ガス42を再循環させて、ガスタービンエンジン150の燃焼器セクション154を冷却するのに使用する。
図5は、図6〜図10に詳細に示されている様々な特徴を含む燃焼器セクション154の概略図である。特に、図示の実施形態は、1又は2以上の酸化剤供給通路(例えば、中心酸化剤通路157)を有する末端カバーアセンブリ155、バッフルアセンブリ159、延長ケーシングシステム161、及び燃料供給システム163を示している。以前の図に示すものと共通して図5の要素は、同じ参照番号でラベル付けされている。燃焼器160の軸線方向は矢印94で示されており、半径方向は矢印296で示されており、周方向は矢印298で示されている。
図5に示すように、圧縮酸化剤300は、燃焼器160のヘッド端部部分302にある中心酸化剤通路157に提供することができる。燃料70は、タービン燃焼器160のヘッド端部部分302で1又は2以上の燃料ノズル164に提供される。上で考察したように、酸化剤300及び燃料70は、1又は2以上の予混合燃料ノズルを通って燃焼器160の中に注入する前に混合することができ、1又は2以上の拡散燃料ノズルを通じて燃焼チャンバ160の中に個別に注入することができ、又はそのいずれかの組合せとすることができる。従って、燃料ノズル164は、拡散燃料ノズル、予混合燃料ノズル、又はそのいずれかの組合せとすることができる。圧縮酸化剤300は、空気、酸素、酸素富化空気、貧酸低減空気、又は酸素−窒素混合気を含むことができる。一部の実施形態では、圧縮酸化剤300は、体積で約10パーセント、5パーセント、又は1パーセント未満の排気ガス42の濃度を有することができる。
上で考察したように、SEGRガスタービンシステム52は、圧縮機セクション152及び燃焼器セクション154の少なくとも一部(例えば、1又は2以上の燃焼器160)を通して排気ガス42(例えば、圧縮排気ガス170)の一部分を再循環させることができる。以下で考察する実施形態の一部では、比較的不活性なガス304(例えば、窒素、二酸化炭素、及び/又は排気ガス42、170)は、燃焼器160のヘッド端部部分302を通って循環しない。圧縮機セクション152からの不活性ガス304(例えば、排気ガス170)は、ヘッド端部部分302ではなく、燃焼器160のタービン端部部分310に供給され、従って、酸化剤300と不活性ガス304の間の隔離を維持するのを助けることができる。一部の実施形態では、不活性ガス304(例えば、排気ガス170)は、酸化剤300(例えば、酸素(O2))の体積で約10パーセント、5パーセント、又は1パーセント未満を有することができる。1又は2以上の燃料70は、燃料ノズル164に供給することができる。例えば、燃料70は、以下に限定されるものではないが、気体燃料(例えば、天然ガス、処理ガス、メタン、水素、一酸化炭素)、液体燃料(例えば、軽質留分、ケロシン、灯油)、又はそのいずれかの組合せを含むことができる。
圧縮機セクション152は、不活性ガス304(例えば、窒素、二酸化炭素、圧縮排気ガス170)を燃焼器セクション154の燃焼器160の少なくとも一部(例えば、燃焼チャンバ168)を封入する圧縮機放出ケーシング305に供給する。不活性ガス304は、酸化剤300に対して実質的に不活性(例えば、非反応性)とすることができる。燃焼チャンバ168は、ヘッド端部部分302の燃焼器キャップ306及び燃焼器160の軸方向軸線294に沿った燃焼器ライナ308(例えば、内壁)によって部分的に封入される。燃焼器ライナ308は、燃焼チャンバ168の周りを周方向298に延びる。燃焼器160のタービン端部分310は、酸化剤300及び燃料70の燃焼からの燃焼ガス172を下流方向312にタービンセクション156に案内する。一部の実施形態において、燃焼器160を出る燃焼ガス172は、酸化剤300及び燃料70の体積で約10、5、3、2、又は1パーセント未満の濃度であり、実質的に酸化剤300及び燃料70を伴わない場合がある。流れスリーブ314(例えば、中間壁)は、流体(例えば、排気ガス170のような不活性ガス304)が燃焼チャンバ168の外側に沿って流れることを可能にする燃焼器ライナ308の周りの通路316を形成する。通路316は、燃焼器ライナ308の周りを周方向298に延び、流れスリーブ314は、通路316の周りを周方向298に延びる。一部の実施形態において、不活性ガス304は、燃焼チャンバ168のための1次冷却媒体及び/又は燃焼ガス172のためのヒートシンクである。
ある一定の実施形態では、末端カバーアセンブリ155は、1又は2以上の酸化剤通路(例えば、中心酸化剤通路157)で圧縮酸化剤300を受け入れて、燃焼器160のヘッド端部部分302を通して圧縮酸化剤300を経路指定するように構成することができる。例えば、末端カバーアセンブリ155は、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、又はそれよりも多くの酸化剤通路157を含み、全体として、燃焼器160内で燃焼させるために使用する50、60、70、80、90、又は100パーセントよりも多いか又はそれに等しい酸化剤を供給することができる。図示の実施形態では、末端カバーアセンブリ155は、中心酸化剤通路157を含み、これは、末端カバーアセンブリ155の中心軸線301に中心を置くことができ、中心軸線301にほぼ重なり、又は一般的に末端カバーアセンブリ155の周囲からオフセットされた中心領域にある。上述のように、中心酸化剤通路157は、燃焼器160に対して軸線方向294に酸化剤300の一連の体積流量(例えば、10、20、30、40、50、60、70、80、90、又は100パーセントよりも大きく、よりも小さく、又はそれに等しいような高い体積流量から低い体積流量まで)を受け入れるように構成することができる。例えば、ある一定の実施形態では、中心酸化剤通路157は、燃焼器160の燃焼工程を完全に維持するように構成された酸化剤300の高い体積供給を受け入れるように構成することができる。更に別の例として、ある一定の実施形態では、中心酸化剤通路157は、燃焼工程によって利用される酸化剤300のいずれかの部分のような酸化剤300の低い体積供給を受け入れるように構成することができる。更に、ある一定の実施形態では、燃焼器160のヘッド端部部分302は、燃焼器160に提供される酸化剤300の全てが中心酸化剤通路157を通して経路指定されるように、酸化剤300の単一チャネル又はストリームを受け入れることができることに注意しなければならない。ある一定の実施形態では、中心酸化剤通路157は、酸化剤300を直接に1又は2以上の燃料ノズル164に経路指定するように構成される。図示の実施形態では、中心酸化剤通路157は、図7及び8に関連して更に説明するように、酸化剤300をバッフルアセンブリ159内に経路指定する。更に、図示の実施形態は、図6に関連して更に説明するように、1又は2以上の燃料ノズル164の各々の中に酸化剤300を経路指定するように構成することができる。
ある一定の実施形態では、バッフルアセンブリ159は、燃焼器160のヘッド端部部分302の下流の流れスリーブ314の周りに配置された酸化剤セクション318の中に、異なる燃料ノズル164の中に、かつ燃焼チャンバ168の中に酸化剤300の各部分を案内し、分配し、かつ全体的に経路指定するように配置された1又は2以上の壁(例えば、337、339)、1又は2以上のベーン(例えば、346)、及び1又は2以上の開口(348)を有する。具体的には、酸化剤セクション318は、末端カバーアセンブリ155から圧縮酸化剤300の一部分を受け入れるように構成することができる。例えば、末端カバーアセンブリ155は、末端カバーアセンブリ155のバッフルアセンブリ159から下流方向312に酸化剤セクション318の中に酸化剤300の一部分を経路指定するように構成することができる。ある一定の実施形態では、複数の混合孔330は、酸化剤300のその部分を酸化剤セクション318から燃焼チャンバ168の中に誘導し、酸化剤300及び燃料ノズル164からの燃料70を混合し(例えば、均一に混合し)、1又は2以上のノズル164からの火炎(例えば、拡散火炎及び/又は予混合火炎)を安定化させ、及び/又は燃焼チャンバ168内の火炎を成形することができる。一部の実施形態では、燃焼器ライナ308が、ヘッド端部部分302に近接して1又は2以上の列の混合孔330を有することができる。例えば、燃焼器ライナ308は、燃焼器ライナ308の周りに約1〜1000、1〜500、1〜100、1〜10、又はあらゆる他の数の列の混合孔330を有することができ、各列は、約1〜1000又はそれよりも多くの孔330を含むことができる。一部の実施形態では、混合孔330は、燃焼器ライナ308の周りに対称に離間している。一部の実施形態では、混合孔330の位置、形状、及び/又はサイズは、少なくとも部分的に燃焼器キャップ306からの間隔に基づいて異なる場合がある。混合孔330の形状は、以下に限定されるものではないが、円形、スロット、又はシェブロン、又はそのいずれかの組合せを含むことができる。混合孔330は、流体(例えば、酸化剤300、不活性ガス304)を燃焼チャンバ168内の火炎に誘導して、燃焼の当量比に影響を与えることができる。混合孔330を通る流体(例えば、酸化剤300、不活性ガス304)の流量、速度、及び/又は方向は、燃焼チャンバ168内の火炎の様々なパラメータに影響を与えることができる。例えば、流体の流量及び速度は、燃焼チャンバ168内の火炎を成形することにより、酸化剤300及び燃料70の混合に影響を与えることができる。一部の実施形態では、下流に傾斜する混合孔330を通る流体流れは、燃焼器ライナ308に沿って冷却フィルム(例えば、フィルム冷却)を形成することができる。
不活性ガス304(例えば、排気ガス170)は、燃焼器160のタービン端部部分310から燃焼ガス172に対して上流方向322に通路316の冷却セクション320に入る。通路316は、ヘッド端部部分310に向けて及び放出ケーシング305まで開くことができる。具体的には、不活性ガス304は、入口332を通じて圧縮機放出ケーシング305から流れスリーブ314に入る。不活性ガス304は、1又は2以上の冷却工程を通って燃焼器ライナ308を冷却する。例えば、入口332を通って流れる不活性ガス304は、ライナ308に対して衝突冷却によって入口350の反対側の燃焼器ライナ308を冷却することができる。通路316の冷却セクション320を通って流れる不活性ガス304は、対流冷却及び/又はフィルム冷却によってライナ308を冷却することができる。不活性ガス304は、燃焼器ライナ308内で混合孔330及び/又は希釈孔334を通って流れることによって内面を冷却することができる。一部の実施形態では、燃焼器ライナ308は、混合孔330の下流(例えば、矢印312)に1又は2以上の列の希釈孔334を有することができる。例えば、燃焼器ライナ308は、約1〜1000、1〜500、1〜100、1〜10、又はあらゆる他の数の列の希釈孔を燃焼器ライナ308の周りに有することができる。一部の実施形態では、希釈孔334は、燃焼器ライナ308の周りに対称に離間している。混合孔330と共に上で考察したように、希釈孔334は、少なくとも部分的に燃焼器キャップ306からの間隔に基づいて様々な位置、形状、及び/又はサイズを含むことができる。
一部の実施形態では、抽出スリーブ326は、流れスリーブ314の少なくとも一部及び燃焼器セクション154の周りを周方向298に延びる。抽出スリーブ326は、流れスリーブ314と流体連通しており、それによって流れスリーブ314内の不活性ガス304(例えば、圧縮排気ガス170)の一部を排気ガス抽出システム80に抽出することを可能にする。不活性ガス304(例えば、排気ガス170)は、抽出スリーブ326内に抽気され、通路316内の不活性ガス304の流量を制御することができる。上記の一部の実施形態に上述したように、ガス304(例えば、排気ガス170)は、SEGRガスタービンシステム52を通って再循環することができ、原油2次回収のために流体注入システム36によって利用することができる。
図6は、中心酸化剤通路157を通って燃焼器160に提供される圧縮酸化剤を示す図5の末端カバーアセンブリ155の実施形態の概略図である。上述のように、中心酸化剤通路157は、燃焼器160に対して軸線方向294に酸化剤300の一連の体積流量(例えば、10〜100パーセント)を受け入れるように構成することができる。具体的には、燃焼器160のヘッド端部部分302は、燃焼器160に提供される酸化剤300の全てが中心酸化剤通路157を通して経路指定されるように、酸化剤300の単一チャネル又はストリームを受け入れることができる。中心酸化剤通路157は、スリーブ、チャネル、管、ボア、流体通路、又はそのいずれかの組合せのような環状供給チャネルとすることができる。中心酸化剤通路157は、末端カバーアセンブリ155に対して同心又は同軸上に配置され、例えば、中心軸線301に対して中心に又は実質的に中心に置くことができる。更に、中心酸化剤通路157は、圧縮酸化剤300を受け入れるように構成された酸化剤入口336を含むことができる。酸化剤入口336は、中心酸化剤通路157と流体連通することができる。ある一定の実施形態では、末端カバーアセンブリ155の酸化剤入口336は、燃焼器160に提供される酸化剤300の全てが中心酸化剤通路157を通して経路指定されるように、酸化剤300の単一チャネル又はストリームを受け入れるように構成することができる。更に、酸化剤入口336は、酸化剤300が軸線方向294に末端カバーアセンブリ155内に経路指定されるように、軸線方向294に酸化剤300の供給を受け入れるように構成することができる。ある一定の実施形態では、複数の酸化剤入口336及び関連の酸化剤通路157(例えば、2、3、4、5、6、又はそれよりも多く)は、末端カバーアセンブリ155が、酸化剤の個別のストリームを異なる燃料ノズル164、酸化剤セクション318、燃焼チャンバ168、又はそのいずれかの組合せに経路指定するように、末端カバーアセンブリ155のヘッド端部部分302に配置することができることに注意しなければならない。
ある一定の実施形態では、中心酸化剤通路157は、酸化剤300の広範囲な体積又は質量流量(例えば、10〜100パーセント)を受け入れるように構成することができる。例えば、燃焼器160が燃焼工程中に大量の酸化剤300を利用する状況では、中心酸化剤通路157は、酸化剤入口336において酸化剤300の十分な供給の受け入れを容易にすることができる。勿論、中心酸化剤通路157は、燃焼器160内で燃焼工程を維持するのに十分な量の高い体積流量のような単一酸化剤入口336を通る酸化剤300の高い体積流量を取り扱うように構成することができる。ある一定の実施形態では、複数の酸化剤入口336(例えば、2、3、4、5、6、又はそれよりも多く)は、各酸化剤入口336が、酸化剤300を軸線方向に受け入れるように構成され、かつ各酸化剤入口336が中心酸化剤通路157と流体連通するように、末端カバーアセンブリ155のヘッド端部部分302に配置することができることに注意しなければならない。
ある一定の実施形態では、末端カバーアセンブリ155の中心酸化剤通路157は、酸化剤300の供給を中心酸化剤通路157からバッフルアセンブリ159内に経路指定するように構成される。具体的には、中心酸化剤通路157は、図7及び8に関連して更に説明するように、バッフルアセンブリ159と流体連通することができる。バッフルアセンブリ159は、酸化剤300を中心酸化剤通路157から1又は2以上の燃料ノズル164の各々の中に、酸化剤セクション318の中に、及び/又は燃焼チャンバ168の中に受け入れて分配するように構成することができる。具体的には、バッフルアセンブリ159は、バッフルチャネル340を定めるバッフル本体338(例えば、中空円筒本体、カップ形状本体、又は環状壁)を含むことができる。例えば、バッフルアセンブリ159のバッフル本体338は、中心軸線301及びバッフルチャネル340の周りを延びる側壁337と、側壁337の軸線方向端部での下流端壁339とを含むことができる。それらの壁337及び339の各々は、1又は2以上の開口348を含み、バッフルチャネル340から酸化剤流れを分配するのを助けることができる。バッフルチャネル340は、スリーブ、管、ボア、流体通路、又はそのいずれかの組合せのような環状供給チャネルとすることができる。バッフル本体338は、バッフルチャネル340の体積を定める円筒シェル(又は中心軸線301の周りを延びるあらゆるシェル構造又は壁)として構成することができる。例えば、バッフルアセンブリ159は、中心酸化剤通路157及び/又は末端カバーアセンブリ155に関して同心又は同軸上に配置され、例えば、中心軸線301に対して実質的に中心に置くことができる。ある一定の実施形態では、バッフルチャネル340は、図9に関連して更に説明するように、燃料供給システム163の構成要素が軸線方向294に沿って下流方向312にヘッド端部部分302からバッフルアセンブリ159を通って延びることを可能にする1又は2以上の通路342を含むことができる。
ある一定の実施形態では、バッフルアセンブリ159は、中心酸化剤通路157から受け入れた酸化剤300を誘導するように構成された複数の流れガイド、パネル、又はベーン346を含むことができる。具体的には、ベーン346は、酸化剤300の流れをバッフルチャネル340から複数の酸化剤開口348の中に誘導する(例えば、案内する及び/又は転回する)ように配置かつ構成することができる。複数の酸化剤開口348は、バッフル本体338の側壁337及び/又は端壁339を通して配置することができ、酸化剤300の一部分を1又は2以上の燃料ノズル164の中に及び/又はそれらの周りに誘導するように構成することができる。一部の実施形態では、バッフルアセンブリ159は、燃料ノズル164に近接して1又は2以上の列の酸化剤開口348を有することができる。例えば、バッフルアセンブリ159は、バッフル本体338の周りに約1〜1000、1〜500、1〜100、1〜10、又はあらゆる他の数の列の酸化剤開口348を有することができ、各列は、約1〜1000又はそれよりも多くの開口348を含むことができる。一部の実施形態では、酸化剤開口348は、バッフル本体338の周りに対称に及び/又は均一に離間している。一部の実施形態では、酸化剤開口348の位置、形状、及び/又はサイズは、少なくとも部分的に燃料ノズル164からの間隔に基づいて異なる場合がある。従って、酸化剤開口348は、燃料ノズル164が燃料供給システム163から燃料を受け入れながらも、ノズル164間で酸化剤を分配するのを助ける。
ある一定の実施形態では、燃料供給システム163は、外側燃料ノズル供給入口350、中心燃料ノズル供給入口352、及び1又は2以上の燃料供給通路354を含む。外側燃料ノズル供給入口350は、燃料70を受け入れて燃料70を1又は2以上の供給チャンバ356に経路指定するように構成することができる。各供給チャンバ356は、単一外側燃料ノズル358に関連付けることができる。更に、中心燃料ノズル供給入口352は、燃料70を受け入れて中心燃料供給通路362を通じて燃料70を直接に中心燃料ノズル360に経路指定するように構成することができる。上述のように、燃料供給通路354(中心燃料供給通路362を含む)は、通路342を通じてバッフルアセンブリ159を通して経路指定することができる。このようにして、燃料供給通路354は、燃焼器160のヘッド端部部分302を通して及び末端カバーアセンブリ155を通じて燃料70に流路を提供することができる。具体的には、燃料70は、燃焼チャンバ168の中に注入される前に、燃料供給装置から入口(例えば、外側燃料ノズル供給入口350、中心燃料ノズル供給入口352)を通して燃料ノズル164内に経路指定される。ある一定の実施形態では、燃料ノズル164は、燃料供給通路354、362の下流端に配置された燃料先端364を含む。先端354は、それを通って延びて燃料70が先端364を通って燃焼チャンバ168の中に流れることを可能にする複数の通路を含むことができる。
ある一定の実施形態では、先端364を通って流れる燃料70は、バッフルアセンブリ159内の複数の酸化剤開口348から燃料ノズル164のうちの各々の中に経路指定された酸化剤300と混合するように構成することができる。具体的には、バッフルアセンブリ159は、燃料ノズル164の各々と流体連通し、それによって酸化剤300の一部分を燃料ノズル164の各々の上に配置された複数の酸化剤ポート366の中に酸化剤開口348を通して経路指定することができる。このようにして、燃料ノズル164は、混合物を燃焼チャンバ168の中に注入する前に酸化剤300と燃料70を混合するように構成することができる。図5に関連して上述したように、ある一定の実施形態では、酸化剤300の一部分は、バッフルアセンブリ159から燃焼器160のヘッド端部部分302の下流の流れスリーブ314の周りに配置された酸化剤セクション318内に経路指定される。具体的には、酸化剤セクション318は、バッフルアセンブリ159内の複数の酸化剤開口348から圧縮酸化剤300の一部分を受け入れるように構成することができる。それらの状況では、複数の混合孔330は、酸化剤300のこの部分を酸化剤セクション318から燃焼チャンバ168の中に誘導して、酸化剤300と燃料ノズル164からの燃料70を混合(例えば、均一に混合)することができる。
図7は、線7−7内で取った図6の中心酸化剤通路157の実施形態の概略図であり、中心酸化剤通路157は、熱シールド367(例えば、環状熱シールド)と流れ調整器368(例えば、環状流れ調整器)とを含む。熱シールド367は、中心酸化剤通路157及び末端カバーアセンブリ155を通って流れる酸化剤からの熱伝達を遮断又はそれに抵抗するように構成された材料のスリーブ、コーティング、又は層を含むことができる。例えば、熱シールド367は、中心酸化剤通路157の内面369に着脱可能に結合され(例えば、ネジ留め、ボルト留め、又は締結)、固定的に結合され(例えば、溶接)、又はその上に被覆することができる。流れ調整器368は、末端カバーアセンブリ155に直接的又は間接的に結合することができる。例えば、流れ調整器368は、中心酸化剤通路157内で末端カバーアセンブリ155及び/又は熱シールド367に着脱可能に結合され(例えば、ネジ留め、ボルト留め、又は締結)又は固定的に結合することができる(例えば、溶接)。図示の実施形態では、流れ調整器368は、同軸又は同心配置(例えば、同軸上の環状壁)で外壁371によって取り囲まれた内壁370を含む。流れ調整器368はまた、中心酸化剤通路157からの酸化剤流れをバッフルアセンブリ159の中に調整かつ分配する(例えば、均一に分配する)のを助けるように構成された複数の酸化剤ポート又は開口部372を含む。開口部372は、内壁370、外壁371、及び/又は軸線方向端壁373上に配置することができる。ある一定の実施形態では、軸線方向端壁373は、流れ調整器368の端部の0、10、20、30、40、50、60、70、80、90、又は100パーセントを覆うことができる。外壁371は、軸線301に平行に延びる環状又は中空円筒壁とすることができ、一方、内壁370は、流れ調整器368の端部に向けて酸化剤流れの下流方向に軸線301から離れて徐々に発散することができる(例えば、湾曲又はテーパ)。例えば、内壁370は、第1の壁部分374(例えば、直線環状又は中空円筒壁)、それに続いて第2の壁部分375(例えば、発散環状壁、漏斗状壁、円錐壁、又は放物状壁)を含むことができる。第2の壁部分375は、軸線301及び第1の壁部分370から外向き離れて外壁371に向けて徐々に発散する(例えば、テーパ又は湾曲)。図示の実施形態では、内壁370の第2の壁部分375は、流れ調整器368の下流端で外壁371と交差する。
ある一定の実施形態では、流れ調整器368は、圧縮酸化剤300が、中心酸化剤通路157の中に酸化剤通路372を通ってバッフルアセンブリ159まで経路指定される時に、圧縮酸化剤300の大規模な流れ構造(例えば、渦)をより小さい規模の流れ構造に分解するように構成することができる。これに加えて、流れ調整器368は、バッフルアセンブリ159により均一な酸化剤流れ分配を提供し、それによって各個々の燃料ノズル164の中への酸化剤流れの均一性も改善する方式で酸化剤流れを案内又は誘導するように構成することができる。例えば、流入する酸化剤流れは、流れ調整器368の内壁370を通過する第1又は中心酸化剤流れと、内壁及び外壁370及び371(例えば、環状通路376内)の間を通る第2又は外側酸化剤流れとの間で分割することができる。第1の流れが流れ調整器368を通過すると、内壁370は、断面積を第1の壁部分374から第2の壁部分375(例えば、発散セクション)まで漸増し、それによって酸化剤流れを拡散、膨張、及び分配するのを助ける。流れ調整器368を通過した第1の流れはまた、内壁370(例えば、第1及び/又は第2の壁部分374、375)、端壁373、又はその組合せ内の開口部372を通過し、それによって酸化剤流れを調整かつ分配するのを更に助けることができる。第2の流れが流れ調整器368を通過すると(例えば、環状通路376内で)、内壁370は、軸線301から離れて外壁371に向けて転回し(例えば、先細になり、湾曲し、又は曲がり)、それによって軸線301から離れて外壁371の開口部372を通って半径方向外向きに転回するように酸化剤流れを徐々に案内する。このようにして、流れ調整器368は、通路376内の第2の流れをバッフルアセンブリ159内に半径方向に更に遠くまで貫通するように案内する。同時に、流れ調整器368の内壁及び外壁370及び371、並びに開口部372は、酸化剤流れの分配及び調整を促進し、それによって燃料ノズル164、酸化剤セクション318、及び燃焼チャンバ168間の酸化剤流れの分配を改善する。
複数の酸化剤開口部372は、酸化剤300を流れ調整器368からバッフルアセンブリ159の中に誘導することができる。一部の実施形態では、流れ調整器368の内壁370、外壁371、及び/又は端壁373は、バッフルアセンブリ159に近接して1又は2以上の列の酸化剤開口部372を有することができる。例えば、流れ調整器368の内壁370、外壁371、及び/又は端壁373は、約1〜1000、1〜500、1〜100、1〜10、又はあらゆる他の数の列の酸化剤開口部372を有することができ、各列は、約1〜1000又はそれよりも多くの開口部372を含むことができる。一部の実施形態では、酸化剤開口部372は、軸線301の周りに対称に離間している。一部の実施形態では、酸化剤開口部372の位置、形状、及び/又はサイズは、少なくとも部分的にバッフルアセンブリ159からの間隔に基づいて異なる場合がある。
ある一定の実施形態では、中心酸化剤通路157は、圧縮酸化剤300に関連付けられた高温から末端カバーアセンブリ155(例えば、燃料供給システム163)の構成要素を熱的に遮蔽するように構成された熱シールド367を含み、又はそれを除外することができる。例えば、熱シールド367は、中心酸化剤通路157の内面369上に配置され、末端カバーアセンブリ155の構成要素から中心酸化剤通路157を実質的に熱的に隔離するように構成された環状シールドとすることができる。すなわち、熱シールド367は、熱障壁として働いて、末端カバーアセンブリ155にもたらされる酸化剤300の高温を末端カバーアセンブリ155にもたらされる燃料70の低温と熱的に相互作用することから遮断することができる。ある一定の実施形態では、熱シールド367は、中心酸化剤通路157の内面369に適用された熱シールドコーティングとすることができる。
ある一定の実施形態では、熱シールド367に加えて、末端カバーアセンブリ155は、中心酸化剤通路157の周りに同心に配置された熱溝378を含むことができる。具体的には、熱溝378は、これに加えて、中心酸化剤通路157に提供される酸化剤300の高温と1又は2以上の供給チャンバ356に提供される燃料70の低温との間の熱的相互作用に熱分離を提供するように構成することができる。特に、熱溝378は、中心酸化剤通路157の周りの末端カバーアセンブリ155の中に深さ377で熱障壁が生成されるように、部分的に末端カバーアセンブリ155の中に延びることができる。
図8は、酸化剤300をバッフルアセンブリ159に経路指定するように構成された図6の中心酸化剤通路157の実施形態の概略図である。具体的には、中心酸化剤通路157の図示の実施形態では、中心酸化剤通路157は、内壁370のない図7の流れ調整器368を含むことができる。その結果、図8の実施形態では、酸化剤流れは、同軸の内壁及び外壁370及び371に関連付けられた第1及び第2の流れに分けられない。これに代えて、酸化剤流れの全ては、流れ調整器368の外壁371を通過し、次に、外壁371及び/又は端壁373内の開口部372を通って流れ調整器を出る。ある一定の実施形態では、端壁373は、外壁371の全直径に対して完全に開くことができ、従って、単一開口部372のみが端壁373で存在する場合がある。他の実施形態では、端壁373は、外壁371内の開口部372に等しく、それよりも小さく、又はそれよりも大きい直径の複数の開口部を含むことができる。酸化剤流れが図8の流れ調整器368を通過する時に、酸化剤流れは、外壁371内の開口部372を通って半径方向外向きにかつ端壁373内の1又は2以上の開口部372を通って軸線方向に調整かつ分配される。このようにして、流れ調整器368は、燃料ノズル164、酸化剤セクション318、及び燃焼チャンバ168への分配を改善するためにバッフルアセンブリ159を通して酸化剤300を分配するのを助けるように構成することができる。
図9は、延長ケーシングシステム161がフランジ380(例えば、環状フランジ)、外側膨脹壁382(例えば、環状壁)、内側膨脹壁384(例えば、環状壁)、及び屈曲空間386(例えば、環状空間)を含む図6の延長ケーシングシステム161の実施形態の概略図である。ある一定の実施形態では、延長ケーシングシステム161はまた、バッフル壁388を含むことができる。特に、延長ケーシングシステム161は、中心酸化剤通路157、バッフルアセンブリ159、及び燃料供給システム163のような末端カバーアセンブリ155の構成要素を収容するように構成された空間体積を含む。更に、ある一定の実施形態では、延長ケーシングシステム161は、燃焼器160の作動中に末端カバーアセンブリ155の構成要素に可撓性(例えば、熱膨張及び収縮を受けるための弾性)を提供するように構成することができる。例えば、燃焼器160の作動中に、末端カバーアセンブリ155は、周囲温度(例えば、末端カバーアセンブリ155に対して外部)によって取り囲まれながらも、様々な温度及び圧力の流体(例えば、酸化剤300、燃料70)を受け入れるように構成することができる。例えば、酸化剤300は、高温で中心酸化剤通路300に提供することができ、燃料70は、低温で外側燃料ノズル供給入口350又は中心燃料ノズル供給入口352に提供することができ、末端カバーアセンブリ155を取り囲む周囲空気はまた、酸化剤300と比較して比較的低温にある場合がある。更に、燃焼器160の作動中に、流体(例えば、酸化剤300、燃料70)によって生じる温度勾配は、末端カバーアセンブリ155内に熱膨張を生じる場合がある。ある一定の実施形態では、延長ケーシングシステム161の特徴要素は、末端カバーアセンブリ155の構成要素間の熱歪み及び/又は温度勾配に応答して屈曲又は膨張するように構成することができる。更に、延長ケーシングシステム161の特徴要素は、熱歪み及び/又は温度勾配が最小にされた時に後退するように構成することができる。このようにして、延長ケーシングシステム161は、構成要素が取り込み流体によって生じる温度勾配及び/又は熱歪みを調節するので、末端カバーアセンブリ155の構成要素に何らかの可撓性を提供することができる。
ある一定の実施形態では、外側膨脹壁382及び内側膨脹壁384は、屈曲空間386の中に膨張して末端カバーアセンブリ155の構成要素の可能な熱膨張を受容するように構成することができる。例えば、末端カバーアセンブリ155は、1又は2以上の供給チャンバ356内に低温で燃料70を受け入れるように構成することができ、かつ1又は2以上の燃料供給通路354を通して燃料ノズル164に燃料70を経路指定することができる。更に、末端カバーアセンブリ155は、中心酸化剤通路157内に高温で酸化剤300を受け入れるように構成することができ、かつバッフルアセンブリ159を通して燃焼チャンバ158に酸化剤300を経路指定することができる。ある一定の実施形態では、酸化剤300の各部分は、バッフルアセンブリ159内の複数の酸化剤開口348から末端カバーアセンブリ155の屈曲空間386内に経路指定することができる。勿論、末端カバーアセンブリ155の構成要素(例えば、1又は2以上の供給チャンバ356、1又は2以上の燃料供給通路354、バッフルシステム159)は、末端カバーアセンブリ155内の燃料70と酸化剤300の間の温度勾配に応答して熱的に膨張することができる。
従って、ある一定の実施形態では、外側膨脹壁382、内側膨脹壁384、及びバッフル壁388は、屈曲空間386の中に膨張し、末端カバーアセンブリ155の構成要素の可能な熱膨張を受容するように構成することができる。ある一定の実施形態では、壁382、384、及び388の寸法には、熱膨張のために何らかの可撓性を与えることができる。例えば、壁382、384、及び388の各々は、例えば、軸線方向高さ390が厚み又は半径方向幅392よりも大きくなるように薄く細長い壁(例えば、薄い環状壁)とすることができる。例えば、ある一定の実施形態では、壁382の幅392に対する高さ390の比(例えば、高さ/幅)は、約5、10、15、又は20よりも大きくすることができる。更に別の例により、ある一定の実施形態では、壁382、384、及び388の厚み又は半径方向幅392は、末端カバーアセンブリ155の周り構造と比較して比較的薄くすることができる。その結果、周囲構造に対する壁382、384、及び388の比較的薄い厚み392は、周囲構造がほぼ静止したままでありながら、壁382、384、及び388が優先的に屈曲(例えば、熱的に膨張又は収縮)することをもたらす。特に、薄壁382、384、及び388は、屈曲空間386の中への壁の熱膨張を容易にし、これは、開放バッファゾーンとして機能して壁382、384、及び388間のどのような接触もなしに屈曲を可能にする。更に、外側膨脹壁382の高さ390は、これに加えて、末端カバーアセンブリ155内の空間390の体積を増大するように構成され、それによって末端カバーアセンブリ155の構成要素(例えば、中心酸化剤通路157、バッフルアセンブリ159、及び燃料供給システム163など)の収容を容易にすることができることに注意しなければならない。
ある一定の実施形態では、延長ケーシングシステム161は、末端カバーアセンブリ155をガスタービンエンジン150の圧縮機セクション152の一部分394に結合して固定するように構成されたフランジ380を含むことができる。フランジ380は、圧縮機セクション152への末端カバーアセンブリ155の結合を容易にする突出特徴要素とすることができる。特に、取付又は結合は、1又は2以上の取付特徴要素396によって容易にすることができる。取付特徴要素396は、ネジ付きファスナ、ボルト、スナップリング、支持構造、溶接、その他を含むことができる。更に、取付又は結合は、接着、溶接、締結、又はあらゆる他の適切なマウントを通じて行うことができる。末端カバーアセンブリ155内の構成要素はまた、取付特徴要素396(例えば、ボルトのようなネジ付きファスナ)を利用して末端カバーアセンブリ155内の他の構成要素に固定又は結合することができることに注意しなければならない。例えば、中心酸化剤通路157は、上述の取付特徴要素396又は技術のうちの1つを利用してバッフルアセンブリ159で固定又は結合することができる。
図10は、燃料供給システム163を示す図6の線10−10に沿って取った図5の末端カバーアセンブリ155の実施形態の断面図である。特に、燃料供給システム163は、外側燃料ノズル供給入口350、中心燃料ノズル供給入口352、1又は2以上の燃料供給通路354、及び1又は2以上の供給チャンバ356を含む。図示の実施形態は、燃料供給から外側燃料ノズル供給入口350及び中心燃料ノズル供給入口352に経路指定された燃料70を示している。具体的には、中心燃料ノズル供給入口352は、燃料70を受け入れて中心燃料供給通路362を通して直接に中心燃料ノズル360に燃料を経路指定するように構成することができる。これに加えて、外側燃料ノズル供給入口350は、燃料70を受け入れて燃料70を1又は2以上の供給チャンバ356に経路指定するように構成することができ、ここで各供給チャンバ356は、単一外側燃料ノズル358に関連付けられている。
特に、外側燃料ノズル供給入口350は、末端カバーアセンブリ155内に一体化された(例えば、それと共に単品として形成された)燃料マニホルド400を通して1又は2以上の供給チャンバ356に燃料70を経路指定するように構成することができる。ある一定の実施形態では、燃料マニホルド400は、1又は2以上の供給チャンバ356の各々に結合することができる。更に、燃料マニホルド400は、外側燃料ノズル供給入口350から遠く離れた供給チャンバ356に対してサイズを縮小する可変断面を含むことができる。例えば、図示の燃料マニホルドでは、第1の供給チャンバ404に近接する燃料マニホルド400の第1の断面402は、第2の供給チャンバ408に近接する第2の断面406よりも大きく、その理由は、第2の供給チャンバ408が第1の供給チャンバ404から遠く離れているからである。燃料マニホルド400の可変断面は、各供給チャンバ356に供給される燃料70に対して一定の燃料流れ速度410を維持するように構成することができることに注意しなければならない。従って、外側燃料ノズル供給入口350から遠く離れた供給チャンバ356に対して燃料マニホルド400の断面積を低減することは、遠く離れた供給チャンバ356に提供される燃料70の燃料流れ速度410を増大させる。
本発明の手法の技術的効果は、酸化剤300及び燃料70をガスタービンエンジン150のヘッド端部部分302を通して1又は2以上の燃料ノズル164内に経路指定するように構成された末端カバーアセンブリ155を含む。末端カバーアセンブリ155は、中心酸化剤通路157、バッフルアセンブリ159、延長ケーシングシステム161、及び燃料供給システム163を含む。末端カバーアセンブリ155は、燃焼器160のヘッド端部部分302を通して一連の酸化剤体積流量(例えば、酸化剤の高い体積流量及び/又は酸化剤の低い体積流量)を軸線方向に受け入れて経路指定するように構成することができる。具体的には、末端カバーアセンブリ155は、燃焼器160のヘッド端部部分302を通して様々な場所を通るのではなく、燃焼器160のヘッド端部部分302内の単一中心場所(例えば、中心酸化剤通路157)で体積範囲の酸化剤300を受け入れるように構成することができる。バッフルアセンブリ159は、末端カバーアセンブリ155を通して1又は2以上の燃料ノズル164の各々の中に酸化剤300の供給を経路指定かつ誘導するように構成された複数の酸化剤孔348を含むことができる。燃料供給システム163は、外側燃料ノズル供給入口350、中心燃料ノズル供給入口352、1又は2以上の燃料供給通路354、及び複数の燃料ノズル164を含む。特に、燃料供給システム163は、燃焼器160のヘッド端部部分302を通して複数のノズル164の各々の中に燃料70を経路指定するように構成することができる。ある一定の実施形態では、1又は2以上の燃料供給通路354は、末端カバーアセンブリ155のバッフルアセンブリ159を通って延びるように構成される。
本発明の手法の技術的効果はまた、中心酸化剤通路157、バッフルアセンブリ159、及び燃料供給システム163を収容するように構成された延長ケーシングシステム161を含む。延長ケーシングシステムは、フランジ380、外側膨脹壁382、内側膨脹壁384、バッフル壁388、及び屈曲空間386を含む。ある一定の実施形態では、延長ケーシングシステム161の特徴要素は、末端カバーアセンブリ155の構成要素間の熱歪み及び/又は温度勾配に応答して屈曲又は膨張するように構成することができる。例えば、外側膨脹壁382及び内側膨脹壁384は、屈曲空間386の中に膨張して末端カバーアセンブリ155の構成要素の可能な熱膨張を受容するように構成することができる。
追加の実施形態
本発明の実施形態は、排気再循環を有するガスタービンエンジン内の燃焼及び排出を制御するためのシステム及び方法を提供する。上述の特徴のいずれか1つ又は組合せは、あらゆる適切な組合せで利用することができることに注意しなければならない。実際に、そのように組合せの全ての置換が現在考えられている。一例として、以下の条項は、本発明の開示の更なる説明として提供するものである。
本発明の実施形態は、排気再循環を有するガスタービンエンジン内の燃焼及び排出を制御するためのシステム及び方法を提供する。上述の特徴のいずれか1つ又は組合せは、あらゆる適切な組合せで利用することができることに注意しなければならない。実際に、そのように組合せの全ての置換が現在考えられている。一例として、以下の条項は、本発明の開示の更なる説明として提供するものである。
実施形態1.ガスタービンエンジンを有するシステムを提供する。ガスタービンエンジンは、タービン及びタービンに結合された燃焼器を含む。燃焼器は、燃焼チャンバと、燃焼チャンバから上流の1又は2以上の燃料ノズルと、末端カバーアセンブリを有するヘッド端部とを含む。末端カバーアセンブリは、酸化剤流れを受け入れるように構成された酸化剤入口と、中心酸化剤通路と、少なくとも1つの燃料供給通路とを含む。中心酸化剤通路は、酸化剤入口と流体連通しており、中心酸化剤通路は、酸化剤流れを1又は2以上の燃料ノズルに経路指定するように構成される。少なくとも1つの燃料供給通路は、燃料流れを受け入れて燃料流れを1又は2以上の燃料ノズル内に経路指定するように構成される。
実施形態2.末端カバーアセンブリが、中心酸化剤通路と流体連通しているバッフルアセンブリを含む実施形態1のシステム。
実施形態3.バッフルアセンブリが、バッフルシェルによって定められたバッフルチャネルを含み、バッフルチャネルが、中心酸化剤通路と流体連通している実施形態2のシステム。
実施形態4.バッフルシェルが、バッフルシェルの壁を通して配置された複数の酸化剤開口を含み、複数の酸化剤開口が、酸化剤流れを酸化剤流れの複数のストリームの中に分配するように構成される実施形態3のシステム。
実施形態5.バッフルアセンブリが、酸化剤流れの複数のストリームを複数の燃料ノズル内に経路指定するように構成される実施形態3のシステム。
実施形態6.中心酸化剤通路が、複数の開口部、発散壁、又はその組合せを含む流れ調整器を含む実施形態1のシステム。
実施形態7.中心酸化剤通路が、第1の温度の酸化剤流れと第2の温度の燃料流れの間の熱障壁として構成された熱シールドを含み、第1の温度が、第2の温度よりも高い実施形態1のシステム。
実施形態8.末端カバーアセンブリが、第1の温度の酸化剤流れと第2の温度の燃料流れの間の熱障壁として構成された熱溝を含み、第1の温度が、第2の温度よりも高い実施形態1のシステム。
実施形態9.末端カバーアセンブリが、酸化剤流れと燃料流れの間の温度勾配に応答して膨張又は収縮する1又は2以上の膨脹壁を含む延長ケーシングシステムを含む実施形態1のシステム。
実施形態10.1又は2以上の膨脹壁が、末端カバーアセンブリ内に配置された屈曲空間の中に膨張及び収縮する実施形態9のシステム。
実施形態11.タービンが、燃焼チャンバ内で酸化剤流れと共に燃料流れを燃焼させた結果として発生する燃焼ガスによって駆動され、タービンが、排気ガスを出力し、ガスタービンエンジンが、タービンによって駆動される排気ガス圧縮機を含み、排気ガス圧縮機が、排気ガスを圧縮して燃焼器に経路指定するように構成される実施形態1のシステム。
実施形態12.ガスタービンエンジンが、量論的排気再循環(SEGR)ガスタービンエンジンである実施形態11のシステム。
実施形態13.ガスタービンエンジンに結合された排気ガス抽出システムと排気ガス抽出システムに結合された炭化水素生成システムとを含む実施形態11のシステム。
実施形態14.末端カバーアセンブリを含むシステムを提供する。末端カバーアセンブリは、タービン燃焼器のヘッド端部で装着されるように構成される。末端カバーアセンブリは、酸化剤入口、中心酸化剤通路、及び少なくとも1つの燃料供給通路を含む。酸化剤入口は、酸化剤流れを受け入れるように構成される。中心酸化剤通路は、酸化剤入口と流体連通しており、かつ酸化剤流れを1又は2以上の燃料ノズルに経路指定するように構成される。少なくとも1つの燃料供給通路は、燃料流れを受け入れるように構成され、ここで少なくとも1つの燃料供給通路は、燃料流れを1又は2以上の燃料ノズル内に経路指定するように構成される。
実施形態15.末端カバーアセンブリが、第1の温度の酸化剤流れと第2の温度の燃料流れの間の温度勾配に応答して末端カバーアセンブリの屈曲空間の中に膨張又は収縮するように構成された膨脹壁を含む実施形態14のシステム。
実施形態16.末端カバーアセンブリが、中心酸化剤通路と流体連通しているバッフルアセンブリを含み、バッフルアセンブリが、中心酸化剤通路と流体連通しているバッフルチャネルを含む実施形態14のシステム。
実施形態17.バッフルアセンブリが、バッフルシェルを含み、複数の酸化剤開口がバッフルシェルの壁を通して配置される実施形態16のシステム。
実施形態18.中心酸化剤通路が、酸化剤流れと燃料流れの間の熱障壁として構成された熱シールドを含む実施形態14のシステム。
実施形態19.末端カバーアセンブリが、酸化剤流れと燃料流れの間の熱障壁として構成された熱溝を含む実施形態14のシステム。
実施形態20.ガスタービンエンジンを含む実施形態14のシステムを提供する。ガスタービンエンジンは、末端カバーアセンブリを有する燃焼器を含む。ガスタービンエンジンはまた、燃焼チャンバ内で酸化剤流れと共に燃料流れを燃焼させた結果として発生する燃焼ガスによって駆動されるタービンを含み、ここでタービンは、排気ガスを出力する。ガスタービンエンジンはまた、タービンによって駆動される排気ガス圧縮機を含み、ここで排気ガス圧縮機は、排気ガスを圧縮して燃焼器に経路指定するように構成される。
実施形態21.ガスタービンエンジンが、量論的排気再循環(SEGR)ガスタービンエンジンである実施形態20のシステム。
実施形態22.ガスタービンエンジンに結合された排気ガス抽出システムと排気ガス抽出システムに結合された炭化水素生成システムとを含む実施形態21のシステム。
実施形態23.方法を提供する。本方法は、酸化剤流れをガスタービンエンジンのタービン燃焼器の末端カバーアセンブリの酸化剤入口内に受け入れる段階を含む。本方法はまた、酸化剤流れを酸化剤入口から末端カバーアセンブリ内の中心酸化剤通路を通して経路指定する段階と、酸化剤流れを中心酸化剤通路から複数の燃料ノズル内に分配する段階とを含む。
実施形態24.複数の酸化剤開口部を通して酸化剤流れを経路指定し、酸化剤流れを転回し、又はその組合せにより、中心酸化剤通路内の酸化剤流れを調整する段階を含む実施形態23の方法。
実施形態25.熱膨張又は熱収縮を受容するように末端カバーアセンブリの一部分を屈曲空間の中に屈曲させる段階を含む実施形態23の方法。
本書の説明は、最良モードを含む本発明を開示するために、かつ同じくあらゆる当業者がいずれかのデバイス又はシステムを作り、使用していずれかの組み込まれた方法を実行することを含む本発明を実施することを可能にするために実施例を使用している。本発明の特許請求可能な範囲は、特許請求の範囲によって定められ、かつ当業者に想起される他の実施例を含む場合がある。そのような他の実施例は、それらが、特許請求の範囲の文字通りの言語と異ならない構造要素を有する場合、又はそれらが、特許請求の範囲の文字通りの言語からの差異が実質的でない均等構造要素を含む場合には、特許請求の範囲内であるように意図している。
Claims (25)
- システムであって、
タービンと、
前記タービンに結合され、燃焼チャンバと、該燃焼チャンバから上流の1又は2以上の燃料ノズルと、末端カバーアセンブリを有するヘッド端部とを含む燃焼器と、
を含むガスタービンエンジン、を備え、
前記末端カバーアセンブリは、
酸化剤流れを受け入れるように構成された酸化剤入口と、
前記酸化剤入口と流体連通しており、該酸化剤流れを前記1又は2以上の燃料ノズルに経路指定するように構成された中心酸化剤通路と、
燃料流れを受け入れるように構成され、該燃料流れを前記1又は2以上の燃料ノズル内に経路指定するように構成された少なくとも1つの燃料供給通路と、を備えている、
ことを特徴とするシステム。 - 前記末端カバーアセンブリは、前記中心酸化剤通路と流体連通しているバッフルアセンブリを備えている、
請求項1に記載のシステム。 - 前記バッフルアセンブリは、バッフルシェルによって定められたバッフルチャネルを備え、
前記バッフルチャネルは、前記中心酸化剤通路と流体連通している、
請求項2に記載のシステム。 - 前記バッフルシェルは、該バッフルシェルの壁を通して配置された複数の酸化剤開口を備え、
前記複数の酸化剤開口は、前記酸化剤流れを酸化剤流れの複数のストリームの中に分配するように構成される、
請求項3に記載のシステム。 - 前記バッフルアセンブリは、前記酸化剤流れの複数のストリームを複数の燃料ノズル内に経路指定するように構成される、
請求項3に記載のシステム。 - 前記中心酸化剤通路は、複数の開口部、発散壁、又はその組合せを含む流れ調整器を備えている、
請求項1に記載のシステム。 - 前記中心酸化剤通路は、第1の温度の前記酸化剤流れと第2の温度の前記燃料流れとの間の熱障壁として構成された熱シールドを備えている、
前記第1の温度は、前記第2の温度よりも高い、
請求項1に記載のシステム。 - 前記末端カバーアセンブリは、第1の温度の前記酸化剤流れと第2の温度の前記燃料流れとの間の熱障壁として構成された熱溝を備え、
前記第1の温度は、前記第2の温度よりも高い、
請求項1に記載のシステム。 - 前記末端カバーアセンブリは、前記酸化剤流れと前記燃料流れの間の温度勾配に応答して膨張又は収縮する1又は2以上の膨脹壁を含む延長ケーシングシステムを備えている、
請求項1に記載のシステム。 - 前記1又は2以上の膨脹壁は、前記末端カバーアセンブリ内に配置された屈曲空間の中に膨張及び収縮する、
請求項9に記載のシステム。 - 前記タービンは、前記燃焼チャンバ内で前記酸化剤流れと共に前記燃料流れを燃焼させた結果として発生する燃焼ガスによって駆動され、
前記タービンは、排気ガスを出力し、
前記ガスタービンエンジンは、前記タービンによって駆動される排気ガス圧縮機を含み、
前記排気ガス圧縮機は、前記排気ガスを圧縮して前記燃焼器に経路指定するように構成される、
請求項1に記載のシステム。 - 前記ガスタービンエンジンは、量論的排気再循環(SEGR)ガスタービンエンジンである、
請求項11に記載のシステム。 - 前記ガスタービンエンジンに結合された排気ガス抽出システムと、該排気ガス抽出システムに結合された炭化水素生成システムとを備えている、
請求項11に記載のシステム。 - システムであって、
タービン燃焼器のヘッド端部で装着されるように構成された末端カバーアセンブリ、を備え、
前記末端カバーアセンブリは、
酸化剤流れを受け入れるように構成された酸化剤入口と、
前記酸化剤入口と流体連通しており、該酸化剤流れを1又は2以上の燃料ノズルに経路指定するように構成された中心酸化剤通路と、
燃料流れを受け入れるように構成され、該燃料流れを前記1又は2以上の燃料ノズル内に経路指定するように構成された少なくとも1つの燃料供給通路と、備えている、
ことを特徴とするシステム。 - 前記末端カバーアセンブリは、第1の温度の前記酸化剤流れと第2の温度の前記燃料流れの間の温度勾配に応答して該末端カバーアセンブリの屈曲空間の中に膨張又は収縮するように構成された膨脹壁を備えている、
請求項14に記載のシステム。 - 前記末端カバーアセンブリは、前記中心酸化剤通路と流体連通しているバッフルアセンブリを備え、
前記バッフルアセンブリは、前記中心酸化剤通路と流体連通しているバッフルチャネルを備えている、
請求項14に記載のシステム。 - 前記バッフルアセンブリは、バッフルシェルを含み、複数の酸化剤開口が、該バッフルシェルの壁を通して配置される、
請求項16に記載のシステム。 - 前記中心酸化剤通路は、前記酸化剤流れと前記燃料流れの間の熱障壁として構成された熱シールドを備えている、
請求項14に記載のシステム。 - 前記末端カバーアセンブリは、前記酸化剤流れと前記燃料流れの間の熱障壁として構成された熱溝を備えている、
請求項14に記載のシステム。 - 前記末端カバーアセンブリを有する燃焼器と、
燃焼チャンバ内で前記酸化剤流れと共に前記燃料流れを燃焼させる結果として発生した燃焼ガスによって駆動され、排気ガスを出力するタービンと、
前記タービンによって駆動され、前記排気ガスを圧縮して前記燃焼器に経路指定するように構成された排気ガス圧縮機と、
を含むガスタービンエンジン、を備えている、
請求項14に記載のシステム。 - 前記ガスタービンエンジンは、量論的排気再循環(SEGR)ガスタービンエンジンである、
請求項20に記載のシステム。 - 前記ガスタービンエンジンに結合された排気ガス抽出システムと、該排気ガス抽出システムに結合された炭化水素生成システムとを備えている、
請求項21に記載のシステム。 - 酸化剤流れをガスタービンエンジンのタービン燃焼器の末端カバーアセンブリの酸化剤入口内に受け入れる段階と、
前記酸化剤流れを前記酸化剤入口から前記末端カバーアセンブリ内の中心酸化剤通路を通して経路指定する段階と、
前記酸化剤流れを前記中心酸化剤通路から複数の燃料ノズル内に分配する段階と、を含む、
ことを特徴とする方法。 - 前記酸化剤流れを複数の酸化剤開口部を通して経路指定し、該酸化剤流れを転回し、又はその組合せにより、前記中心酸化剤通路内の該酸化剤流れを調整する段階を含む、
請求項23に記載の方法。 - 熱膨張又は熱収縮を受容するように前記末端カバーアセンブリの一部分を屈曲空間の中に屈曲させる段階を含む、
請求項23に記載の方法。
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