JP2021110332A - ターボチャージャ付きガスタービンエンジンを動作させるためのシステムおよび方法 - Google Patents

ターボチャージャ付きガスタービンエンジンを動作させるためのシステムおよび方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ターボチャージャ付きガスタービンエンジンを動作させるためのシステムおよび方法を提供する。【解決手段】発電システム（１００）は、燃焼システム（１０２）と、ターボチャージャ（１０６）と、熱回収システム（１０４）とを含む。燃焼システム（１０２）は、燃料を空気の流れで燃焼させるように構成される。燃焼システム（１０２）は、排気ストリームを生成するようにさらに構成される。ターボチャージャ（１０６）は、圧縮空気の流れを圧縮し、圧縮空気の流れを燃焼システム（１０２）に送るように構成される。燃焼システム（１０２）は、燃料を圧縮空気の流れおよび追加の空気の流れで燃焼させるように構成される。熱回収システム（１０４）は、排気ストリームから熱を回収し、ターボチャージャ（１０６）を駆動するように構成される。熱回収システム（１０４）は、超臨界作動流体を使用して排気ストリームから熱を吸収し、ターボチャージャ（１０６）を駆動する。【選択図】図１

Description

本開示の分野は、一般に、ガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ターボチャージャ付きガスタービンエンジンを動作させるためのシステムおよび方法に関する。
ガスタービンエンジンは、典型的には、直列流れ構成で配置された少なくとも１つの圧縮機、少なくとも１つのバーナ、および少なくとも１つのタービンを含む。典型的には、圧縮機は、圧縮空気をバーナに送り、そこで圧縮空気は燃料の流れと混合されて燃焼し、ガスタービンエンジンから排気される前にタービンに向かって送られる高温の燃焼ガスの流れを作り出す。しかし、空気がより低い標高領域または低周囲温度領域よりも密度が低い高標高領域または高周囲温度領域では、圧縮される空気が少なく、密度が低い空気が燃焼させる燃料は少ないため、ガスタービンエンジンが発生する電力は少なくなる。
より高い標高および高周囲温度領域で生じる不足を克服するために、少なくともいくつかの既知のガスタービンエンジンは、バーナに送られる圧縮空気の量の増加を促進するターボチャージャを含む。しかし、ターボチャージャは、ガスタービンエンジンによって生成された電力を使用して燃焼のために追加の空気を圧縮するため、ガスタービンエンジンの効率が減少する。ターボチャージャによって消費される電力を部分的に相殺するために、少なくともいくつかの既知のガスタービンエンジンは、ターボチャージャに送られるガスタービンエンジンの排気から熱を回収する熱回収システムを含む。熱回収システムは、典型的には作動流体として水および／または蒸気を使用するが、そのようなシステムは通常、動作中に大量の水を消費する。加えて、作動流体として使用される水は、熱回収システムでの酸化およびスケーリングを回避するために不純物が処理されるため、作動流体として水および／または蒸気を使用する熱回収システムは、典型的には水処理システムを必要とする。その結果、そのようなタービンが熱回収システムをサポートするのに十分な水がない領域にある場合、より高い標高、高周囲温度、および／または乾燥した場所でのターボチャージャの使用が制限される場合がある。したがって、ガスタービンエンジンに作動流体として水以外の流体を使用する熱回収システムを含むターボチャージャを提供することが望ましいであろう。
一態様では、発電システムが提供される。発電システムは、燃焼システムと、ターボチャージャと、熱回収システムとを含む。燃焼システムは、燃料を空気の流れで燃焼させるように構成される。燃焼システムは、排気ストリームを生成するようにさらに構成される。ターボチャージャは、圧縮空気の流れを圧縮し、圧縮空気の流れを燃焼システムに送るように構成される。燃焼システムは、燃料を圧縮空気の流れおよび追加の空気の流れで燃焼させるように構成される。熱回収システムは、排気ストリームから熱を回収し、ターボチャージャを駆動するように構成される。熱回収システムは、超臨界作動流体を使用して排気ストリームから熱を吸収し、ターボチャージャを駆動する。
別の態様では、発電システムを使用して電力を生成する方法が提供される。発電システムは、燃焼システムと、熱回収システムと、ターボチャージャとを含む。この方法は、燃料を空気の流れで燃焼させ、燃焼システムを使用して電力および排気ストリームを生成することを含む。この方法はまた、排気ストリームを燃焼システムから熱回収システムに送ることを含む。この方法は、排気ストリームを使用して熱回収システム内で超臨界作動流体を加熱することをさらに含む。この方法はまた、超臨界作動流体を使用してターボチャージャを駆動することを含む。この方法は、ターボチャージャを使用して圧縮空気の流れを圧縮することをさらに含む。この方法はまた、燃料を圧縮空気の流れおよび追加の空気の流れで燃焼させ、電力および排気ストリームを生成することを含む。
別の態様では、発電システム用の熱回収システムが提供される。熱回収システムは、燃焼システムから排気ストリームを受け取るように構成された少なくとも１つの熱交換器を含む。少なくとも１つの熱交換器は、熱を排気ストリームから超臨界作動流体に伝達するように構成される。熱回収システムはまた、少なくとも１つのターボチャージャに結合された少なくとも１つのタービンを含む。少なくとも１つのタービンは、少なくとも１つの熱交換器から超臨界作動流体を受け取るように構成される。少なくとも１つのタービンは、超臨界作動流体から使用可能な仕事を抽出し、少なくとも１つのターボチャージャを駆動するように構成される。
本開示のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、添付の図面を参照しつつ以下の詳細な説明を読めば、よりよく理解されよう。添付の図面では、図面の全体にわたって、同様の符号は同様の部分を表す。
例示的な発電システムのブロック流れ図である。 図１に示す発電システムと共に使用され得る例示的な燃焼システムの概略図である。 代替の発電システムのブロック流れ図である。 さらなる代替の発電システムのブロック流れ図である。 図１、図３、および図４の発電システムを使用して電力を生成する例示的な方法の流れ図である。
特に明記しない限り、本明細書において提供される図面は、本開示の実施形態の特徴を図示するものである。これらの特徴は、本開示の１つまたは複数の実施形態を含む多種多様なシステムで適用可能であると考えられる。したがって、図面は、本明細書に開示する実施形態の実践のために必要とされる当業者に知られている従来の特徴をすべて含むことを意味しない。
以下の明細書および特許請求の範囲において、いくつかの用語が参照されるが、これらの用語は以下の意味を有すると定義されるものとする。
単数形「１つの（ａ、ａｎ）」、および「この（ｔｈｅ）」は、文脈が特に明確に指示しない限り、複数の言及を含む。
特に明記しない限り、本明細書で使用される「一般に」、「実質的に」、および「およそ」などの近似を表す文言は、そのように修飾された用語が、絶対的または完全な程度ではなく、当業者によって認識されるようなおおよその程度にのみ適用され得ることを示している。したがって、「およそ」、「約」、および「実質的に」などの用語で修飾された値は、明記された厳密な値に限定されるものではない。少なくともいくつかの例では、近似を表す文言は、値を測定するための機器の精度に対応することができる。ここで、ならびに本明細書および特許請求の範囲の全体を通じて、範囲の限界が特定されてもよい。このような範囲は、組み合わせおよび／または置き換えが可能であり、文脈または文言が特に指示しない限り、本明細書に含まれるすべての部分範囲を含む。加えて、特に明記しない限り、「第１の」、「第２の」、などの用語は、本明細書において単に標識として使用されているにすぎず、これらの用語が言及する項目について順序、位置、または階層上の要件を加えることを意図するものではない。さらに、例えば、「第２の」項目への言及は、例えば、「第１の」もしくはより小さい番号の項目、または「第３の」もしくはより大きい番号の項目の存在を要求するものではなく、または排除するものでもない。本明細書で使用する場合、「結合する」という用語は、構成要素間の直接的な機械的、熱的、電気的、および／または流れ連通接続に限定されず、複数の構成要素間の間接的な機械的、熱的、電気的、および／または流れ連通接続も含むことができる。
本明細書で使用する場合、「軸方向の」および「軸方向に」という用語は、回転機械の長手方向軸に対して実質的に平行に延びる方向および向きを指す。また、「半径方向の」および「半径方向に」という用語は、回転機械の長手方向軸に対して実質的に垂直に延びる方向および向きを指す。加えて、本明細書で使用する場合、「円周方向の」および「円周方向に」という用語は、回転機械の長手方向軸の周りに円弧状に延びる方向および向きを指す。さらに、本明細書で使用する場合、「上流」という用語は、回転機械の前方端部または入口端部を指し、「下流」という用語は、回転機械の後方端部または排気端部を指す。
本明細書に記載のシステムは、高標高および／または高周囲温度領域で使用することができる発電システムに関する。具体的には、本明細書に記載の発電システムは各々、ガスタービンエンジンと、熱回収システムと、ターボチャージャと、発電機とを含む。ガスタービンエンジンは、燃料を燃焼させ、排気ストリームを生成する。排気ストリームは、熱回収システムに送られ、熱は、ターボチャージャへの電力供給に使用するために排気ストリームから回収される。ターボチャージャは、圧縮空気の流れをガスタービンエンジンに送り、そこで圧縮空気の流れは燃料と混合されて燃焼し、ガスタービンエンジンの電力出力および効率を高める。
例示的な実施形態では、発電システムは、高標高および／または高周囲温度の場所にあり、したがって、ガスタービンエンジンが燃料を燃焼させるために使用する空気は、より低い標高の場所またはより低い周囲温度領域の空気よりも低い密度を有する。空気の密度が低いため、ガスタービンエンジンは、より低い標高の場所またはより低い周囲温度領域にあるガスタービンエンジンと比較して、発生する電力が少ない。ターボチャージャは、ガスタービンエンジンへの燃焼のための空気の流れを増加させ、ガスタービンエンジンの全体的な発電量を増加させる。加えて、熱回収システムが排気ストリームから回収された熱でターボチャージャを駆動するため、発電システムによって発生される電力は、効率を減少させることなく増加する。さらに、例示的な実施形態では、作動流体、すなわち、熱を使用可能なエネルギーに変換するために使用される流体が超臨界ＣＯ２であるため、熱回収システムは、水を大量に消費するシステムではない。したがって、発電システムは、発電システムがより高い高度および／または乾燥領域にあるとき、ガスタービンエンジンの発電量および効率を高める一方で水消費量を減少させる。
図１は、ガスタービンエンジン１０２と、熱回収システム１０４と、ターボチャージャ１０６と、発電機１０８とを含む例示的な発電システム１００のブロック流れ図である。例示的な実施形態では、ガスタービンエンジン１０２は、燃料を燃焼させて排気ストリーム１１０を生成することによって電力を生成する。排気ストリーム１１０は、熱回収システム１０４に送られ、熱回収システム１０４は、排気ストリーム１１０から熱を回収してターボチャージャ１０６に電力供給する。ターボチャージャ１０６は、圧縮空気１１２の流れをガスタービンエンジン１０２に送り、ガスタービンエンジン１０２は、圧縮空気１１２の流れを燃料と燃焼させ、ガスタービンエンジン１０２の電力出力および効率を高める。
例示的な実施形態では、ガスタービンエンジン１０２は、ガスタービンエンジンである。あるいは、ガスタービンエンジン１０２は、限定はしないが、蒸気タービンエンジン、ガスターボファン航空機エンジン、他の航空機エンジン、風力タービン、圧縮機、および／またはポンプを含む、任意の他のタービンエンジンおよび／または回転機械であってもよい。図２は、ガスタービンエンジン１０２の拡大概略図である。例示的な実施形態では、ガスタービンエンジン１０２は、吸気セクション２０２と、吸気セクション２０２の下流にある圧縮機セクション２０４と、圧縮機セクション２０４の下流にある燃焼器セクション２０６と、燃焼器セクション２０６の下流にあるタービンセクション２０８と、タービンセクション２０８の下流にある排気セクション２１０とを含む。タービンセクション２０８は、ロータシャフト２１２を介して圧縮機セクション２０４に結合される。
例示的な実施形態では、燃焼器セクション２０６は、複数の燃焼器２１４と、複数の燃料ノズル（図示せず）とを含む。燃焼器セクション２０６は、各燃焼器２１４が圧縮機セクション２０４と流れ連通するように、圧縮機セクション２０４に結合される。ロータシャフト２１２はまた、限定はしないが、発電機および／または機械的駆動用途などの負荷２１６に結合される。例示的な実施形態では、各圧縮機セクション２０４および各タービンセクション２０８は、ロータシャフト２１２に結合された少なくとも１つのロータアセンブリ２１８を含む。
動作中、吸気セクション２０２は、空気２２０を大気から送り、空気１１２をターボチャージャ１０６から圧縮機セクション２０４に向けて送る。圧縮機セクション２０４は、流入空気２２０をより高い圧力に圧縮し、その後に圧縮空気２２２を燃焼器セクション２０６に向けて排出する。圧縮機セクション２０４からの圧縮空気２２２は、ターボチャージャ１０６からの圧縮空気１１２と混合され、混合物は、燃焼器セクション２０６に送られ、そこで混合物は燃料と混合されて燃焼され、高温の燃焼ガス２２４を生成する。より具体的には、燃料は、高圧で燃料ノズルに送られる。燃料ノズルは、噴霧された燃料が圧縮空気２２２と混合するように燃料を噴霧する。燃焼ガス２２４はタービンセクション２０８に向かって下流に送られてタービンブレード（図示せず）に衝突し、熱エネルギーは、ロータアセンブリ２１８を長手方向軸２２６の周りに駆動するために使用される機械的回転エネルギーに変換される。しばしば、燃焼器セクション２０６およびタービンセクション２０８は、ガスタービンエンジン１０２の高温ガスセクションと呼ばれる。次に、排気ストリーム１１０は、排気セクション２１０を通って熱回収システム１０４に排出される。ロータアセンブリ２１８は、電力を生成する発電機１０８に結合される。
発電システム１００の動作中、ガスタービンエンジン１０２からの排気ストリーム１１０は、熱回収システム１０４に送られる。ガスタービンエンジン１０２が最小動作負荷に達すると、ターボチャージャ１０６は、圧縮空気１１２を生成し始め、圧縮空気１１２をガスタービンエンジン１０２に送る。すなわち、排気ガスの温度がターボチャージャ１０６に電力供給するのに十分に高くなると、ターボチャージャ１０６は、空気を圧縮し始め、空気をガスタービンエンジン１０２に送る。次に、ガスタービンエンジン１０２は、より高い効率で追加の電力を発生し始める。
図１に示すように、熱回収システム１０４は、熱交換器１１４と、タービン１１６と、復熱装置１１８と、冷却器１２０と、圧縮機１２２とを含む。タービン１１６は、シャフト１２４によってターボチャージャ１０６および圧縮機１２２に結合される。代替の実施形態では、タービン１１６は、シャフト１２４、ならびにターボチャージャ１０６および／または圧縮機１２２の速度を制御するように構成された少なくとも１つのギアボックス１２５によってターボチャージャ１０６および圧縮機１２２に結合されてもよい。加えて、別の代替の実施形態では、タービン１１６は、異なるシャフト１２４によってターボチャージャ１０６および圧縮機１２２に結合されてもよい。熱交換器１１４、タービン１１６、復熱装置１１８、冷却器１２０、および圧縮機１２２は、閉ループ回路１２６を形成し、これにより作動流体を閉ループ回路１２６の周りに送ってターボチャージャ１０６に電力供給することが可能である。より具体的には、閉ループ回路１２６は、（１）熱を排気ストリーム１１０から作動流体に伝達し、（２）作動流体内の熱でタービン１１６を駆動し、（３）タービン１１６でターボチャージャ１０６を駆動する。
熱交換器１１４は、熱を排気ストリーム１１０から作動流体に伝達し、タービン１１６を駆動する。熱交換器１１４は、熱を排気ストリーム１１０から作動流体に伝達する少なくとも１つの熱交換器を含む。代替の実施形態では、熱交換器１１４は、熱を排気ストリーム１１０から作動流体に伝達する複数の熱交換器を含む。例示的な実施形態では、熱交換器１１４は、シェルアンドチューブ熱交換器を含む。代替の実施形態では、熱交換器１１４は、限定はしないが、プレートおよびフレーム熱交換器ならびに／または二重管熱交換器を含む、熱回収システム１０４が本明細書に記載のように動作することを可能にする任意の他のタイプの熱交換器であってもよい。
タービン１１６は、排気ストリーム１１０からエネルギーを抽出し、ターボチャージャ１０６および圧縮機１２２を駆動する。より具体的には、タービン１１６は、排気ストリーム１１０からエネルギーを抽出してシャフト１２４を駆動し、次に、ターボチャージャ１０６および圧縮機１２２が駆動される。タービン１１６は、排気ストリーム１１０から熱を抽出する少なくとも１つのタービンを含む。代替の実施形態では、タービン１１６は、排気ストリーム１１０から熱を抽出する複数のタービンを含む。例示的な実施形態では、タービン１１６は、流体からエネルギーを抽出し、抽出されたエネルギーを使用可能な仕事に変換する任意の回転機械を含む。代替の実施形態では、タービン１１６は、熱回収システム１０４が本明細書に記載のように動作することを可能にする任意の装置であってもよい。
復熱装置１１８は、熱をタービン１１６の排出物１２８から圧縮機１２２の排出物１３０に伝達して作動流体から追加の熱を回収し、発電システム１００の効率を高める。例示的な実施形態では、復熱装置１１８は、熱をタービン１１６の排出物１２８から圧縮機１２２の排出物１３０に伝達する少なくとも１つの熱交換器を含む。代替の実施形態では、復熱装置１１８は、熱をタービン１１６の排出物１２８から圧縮機１２２の排出物１３０に伝達する複数の熱交換器を含む。例示的な実施形態では、復熱装置１１８は、シェルアンドチューブ熱交換器を含む。代替の実施形態では、復熱装置１１８は、限定はしないが、プレートおよびフレーム熱交換器ならびに／または二重管熱交換器を含む、熱回収システム１０４が本明細書に記載のように動作することを可能にする任意の他のタイプの熱交換器であってもよい。
冷却器１２０は、圧縮機１２２によって圧縮される前に、作動流体から熱を伝達して作動流体を冷却する。冷却器１２０は、作動流体を冷却する少なくとも１つの熱交換器を含む。代替の実施形態では、冷却器１２０は、作動流体を冷却する複数の熱交換器を含む。例示的な実施形態では、冷却器１２０は、熱を作動流体から冷却流体に交換するシェルアンドチューブ熱交換器を含む。代替の実施形態では、冷却器１２０は、限定はしないが、プレートおよびフレーム熱交換器ならびに二重管熱交換器を含む、熱回収システム１０４が本明細書に記載のように動作することを可能にする任意の他のタイプの熱交換器であってもよい。例示的な実施形態では、冷却流体は、水、空気、水と空気の組み合わせ、および／または冷却器１２０が本明細書に記載のように動作することを可能にする任意の他の冷却流体である。
圧縮機１２２は、作動流体の圧力を増加させ、作動流体を閉ループ回路１２６の周りに送るための原動力を提供する。圧縮機１２２は、作動流体の圧力を増加させる少なくとも１つの圧縮機を含む。代替の実施形態では、圧縮機１２２は、作動流体の圧力を増加させる複数の圧縮機を含む。例示的な実施形態では、圧縮機１２２は、遠心圧縮機を含む、流体の圧力を増加させる任意の回転機械を含む。代替の実施形態では、圧縮機１２２は、熱回収システム１０４が本明細書に記載のように動作することを可能にする任意の他の装置であってもよい。
例示的な実施形態では、作動流体は、超臨界流体である。より具体的には、例示的な実施形態では、作動流体は、超臨界二酸化炭素（ｓＣＯ２）である。代替の実施形態では、作動流体は、熱回収システム１０４が本明細書に記載のように動作することを可能にする任意の他の超臨界流体であってもよい。加えて、作動流体は、限定はしないが、蒸気、空気、および／または液体水を含む、熱回収システム１０４が本明細書に記載のように動作することを可能にする任意の他の流体であってもよい。例示的な実施形態では、超臨界流体は、物質の臨界点を超える温度および圧力を有する物質である。物質が超臨界流体であるとき、物質の気相と液相の区別がなくなり、物質の密度が典型的には増加する。加えて、物質が超臨界流体であるとき、温度および圧力の小さな変化が物質の密度に大きな変化をもたらす場合があり、物質の特性を調整することができる。上述のように、例示的な実施形態では、作動流体は、ｓＣＯ２である。ｓＣＯ２の密度が蒸気の密度の約３倍であるため、ｓＣＯ２は、蒸気よりも体積あたりの熱を多く吸収することができる。したがって、熱交換器１１４、タービン１１６、復熱装置１１８、冷却器１２０、および圧縮機１２２を含む熱回収システム１０４内の機器は、作動流体として蒸気を使用する機器よりもコンパクトであり、熱回収システム１０４は、水を大量に消費するシステムではない。したがって、ｓＣＯ２は、ガスタービンエンジン１０２の発電量および効率の増加、熱回収システム１０４内の機器のサイズの減少、ならびに発電システム１００がより高い高度および／または乾燥領域にあるときの熱回収システム１０４の水消費量の減少を促進する。
ターボチャージャ１０６は、空気を圧縮し、圧縮空気をガスタービンエンジン１０２に送って燃焼のための追加の空気を提供し、ガスタービンエンジン１０２の効率を高める。ターボチャージャ１０６は、空気を圧縮し、圧縮空気をガスタービンエンジン１０２に送る少なくとも１つの圧縮機を含む。代替の実施形態では、ターボチャージャ１０６は、空気を圧縮し、圧縮空気をガスタービンエンジン１０２に送る複数の圧縮機を含む。例示的な実施形態では、ターボチャージャ１０６は、遠心圧縮機を含む、空気を圧縮する任意の回転機械を含む。代替の実施形態では、ターボチャージャ１０６は、発電システム１００が本明細書に記載のように動作することを可能にする任意の他の装置であってもよい。
発電機１０８は、ガスタービンエンジン１０２によって提供される回転エネルギーから電力を生成する。より具体的には、発電機１０８は、複数の磁石（図示せず）を含むロータ（図示せず）と、ロータを囲むステータ（図示せず）と、複数の巻線（図示せず）とを含む。ロータの回転により電流が巻線に誘導され、電力が生成される。発電機１０８は、電力を生成する少なくとも１つの発電機を含む。代替の実施形態では、発電機１０８は、電力を生成する複数の発電機を含む。代替の実施形態では、発電機１０８は、発電システム１００が本明細書に記載のように動作することを可能にする任意の装置であってもよい。
発電システム１００の動作中、ガスタービンエンジン１０２は、圧縮機セクション２０４およびターボチャージャ１０６からの燃料および空気を燃焼させて発電機１０８を回転させることで、発電機１０８が電力を生成する。排気ストリーム１１０は、ガスタービンエンジン１０２から熱交換器１１４に送られる。熱交換器１１４は、熱を排気ストリーム１１０から作動流体に伝達し、作動流体をタービン１１６に送る。タービン１１６は、作動流体からエネルギーを抽出し、ターボチャージャ１０６および圧縮機１２２を駆動する。タービン１１６の排出物１２８は、復熱装置１１８に送られ、復熱装置１１８は、熱をタービン１１６の排出物１２８から圧縮機１２２の排出物１３０に伝達する。次に、作動流体は、圧縮機１２２で圧縮される前に、作動流体を冷却する冷却器１２０に送られる。作動流体は次に圧縮機１２２に送られ、圧縮機１２２は、作動流体を圧縮し、作動流体を復熱装置１１８に送る。復熱装置１１８は、熱をタービン１１６の排出物１２８から圧縮機１２２の排出物１３０に伝達する。作動流体は、最終的に熱交換器１１４に戻され、閉ループ回路１２６を完成させる。ターボチャージャ１０６は、空気を圧縮し、圧縮空気をガスタービンエンジン１０２に送り、そこで圧縮空気は燃焼して電力を生成する。
したがって、発電システム１００は、コンパクトな設置面積で、水を大量に消費しないシステムを使用して、より高い標高の場所および／またはより高い周囲温度領域で電力を生成する。より具体的には、発電システム１００がより高い標高の場所および／またはより高い周囲温度領域にあるとき、ガスタービンエンジン１０２が燃料を燃焼させるために使用する空気は、より低い標高および／またはより低い周囲温度の場所の空気よりも低い密度を有する。ターボチャージャ１０６は、ガスタービンエンジン１０２への燃焼のための空気の流れを増加させ、ガスタービンエンジン１０２の全体的な発電量を増加させる。加えて、熱回収システム１０４が排気ストリーム１１０から回収された熱でターボチャージャ１０６に電力供給するため、発電システム１００によって発生される電力は、タービン効率を減少させることなく増加する。さらに、作動流体が超臨界ＣＯ２であるため、熱回収システム１０４は、水を大量に消費するシステムではない。したがって、発電システム１００は、発電システム１００がより高い高度および／または乾燥領域にあるとき、ガスタービンエンジン１０２の発電量および効率を高め、熱回収システム１０４の水消費量を減少させる。
図３は、別の例示的な発電システム３００のブロック流れ図である。発電システム３００は、発電システム３００がシャフト１２４に結合された補助発電機３０２も含むことを除いて、発電システム１００と実質的に同様である。例示的な実施形態では、シャフト１２４は、ターボチャージャ１０６、圧縮機１２２、および補助発電機３０２を駆動する。したがって、より多くの使用可能な仕事がタービン１１６によって作動流体から抽出され、その仕事は、ガスタービンエンジン１０２によって発生される電力を補う電力を生成する。さらに、ガスタービンエンジン１０２の機械的制限のためにガスタービンエンジン１０２に注入され得る圧縮空気１１２の流れが制限される場合、ガスタービンエンジン１０２の排気から利用される熱は、同じシャフト１２４での追加の電気出力に直接変換される。したがって、補助発電機３０２は、発電システム３００によって生成される全体的な電力を増加させ、発電システム３００の効率を高める。
図４は、別の例示的な発電システム４００のブロック流れ図である。発電システム４００は、発電システム４００が少なくとも１つの第１のターボ機械４０２と、少なくとも１つの第２のターボ機械４０４と、ガスタービンエンジン１０２の排気セクション１１０に結合された熱交換器４０６とを含むことを除いて、発電システム１００と実質的に同様である。例示的な実施形態では、発電システム４００は、複数の第１のターボ機械４０２と、複数の第２のターボ機械４０４とを含むことができる。図示の実施形態では、発電システム４００は、単一の第１のターボ機械４０２と、２つの第２のターボ機械４０４とを含む。しかし、発電システム４００は、発電システム４００が本明細書に記載のように動作することを可能にする任意の数のターボ機械４０２および４０４を含んでもよい。
第１のターボ機械４０２は、ターボチャージャ１０６、タービン１１６、圧縮機１２２、および補助発電機３０２の機能性を組み合わせた回転機械である。すなわち、第１のターボ機械４０２は、単一のユニット内にターボチャージャ１０６、タービン１１６、圧縮機１２２、および補助発電機３０２を含む。第１のターボ機械４０２がターボチャージャ１０６を含むので、その主な機能は、タービン１１６を使用してターボチャージャ１０６を駆動することである。したがって、代替の実施形態では、第１のターボ機械４０２は、単一のユニット内にターボチャージャ１０６およびタービン１１６のみを含み得る。さらなる代替の実施形態では、第１のターボ機械４０２は、単一のユニット内にターボチャージャ１０６、タービン１１６、および補助発電機３０２のみを含み得る。さらに別の代替の実施形態では、第１のターボ機械４０２は、単一のユニット内にターボチャージャ１０６、タービン１１６、および圧縮機１２２のみを含み得る。
第２のターボ機械４０４は、タービン１１６、圧縮機１２２、および補助発電機３０２の機能性を組み合わせた回転機械である。すなわち、第２のターボ機械４０４は、単一のユニット内にタービン１１６、圧縮機１２２、および補助発電機３０２を含む。第２のターボ機械４０４がターボチャージャ１０６を含まないので、その主な機能は、タービン１１６を使用して圧縮機１２２を駆動し、正味の余剰エネルギーを電気出力に変換することである。したがって、代替の実施形態では、第２のターボ機械４０４はまた、単一のユニット内にターボチャージャ１０６および圧縮機１２２のみを含み得る。熱交換器４０６は、ガスタービンエンジン１０２の排気セクション２１０に直接結合され、熱交換器４０６の効率を高め、発電システム４００の設置面積を減少させる。
発電システム４００は、熱交換器４０６がガスタービンエンジン１０２の排気セクション１１０に直接結合され、第１のターボ機械４０２がターボチャージャ１０６を駆動し、第２のターボ機械４０４が圧縮機１２２を駆動するため、発電システム１００よりも高い効率を有する。ターボチャージャ１０６と圧縮機１２２の駆動を分離することは、発電システム４００の効率を高める。したがって、より多くの使用可能な仕事が第１のターボ機械４０２および第２のターボ機械４０４によって作動流体から抽出され、発電システム４００の効率を高める。このように、熱交換器４０６、第１のターボ機械４０２、および第２のターボ機械４０４の向きは、発電システム４００によって生成される全体的な電力の増加を促進し、発電システム４００の効率の増加を促進する。
図５は、発電システム（図１に示す）を使用して電力を生成する例示的な方法５００の流れ図である。発電システムは、燃焼システムと、熱回収システムと、ターボチャージャとを含む。方法５００は、混合燃料を燃焼させ、電力および排気ストリームを生成すること５０２を含む。加えて、方法５００はまた、排気ストリームを燃焼システムから熱回収システムに送ること５０４を含む。さらに、方法５００はまた、排気ストリームを使用して熱回収システム内で超臨界作動流体を加熱すること５０６を含む。それに加えて、方法５００はまた、超臨界作動流体を使用してターボチャージャを駆動すること５０８を含む。方法５００は、ターボチャージャを使用して圧縮空気の流れを圧縮すること５１０をさらに含む。方法５００はまた、圧縮空気の流れを燃焼システムに送ること５１２を含む。最後に、方法５００はまた、燃料を圧縮空気の流れおよび少なくとも１つの追加の空気の流れで燃焼させ、電力および排気ストリームを生成すること５１４を含む。
上述の発電システムは、より高い標高領域および／またはより高い周囲温度領域で効率的に使用することができる。具体的には、本明細書に記載の発電システムは各々、ガスタービンエンジンと、熱回収システムと、ターボチャージャと、発電機とを含む。ガスタービンエンジンは、燃料を燃焼させ、排気ストリームを生成する。排気ストリームは、熱回収システムに送られ、熱は、ターボチャージャへの電力供給に使用するために排気ストリームから回収される。ターボチャージャは、圧縮空気の流れをガスタービンエンジンに送り、そこで圧縮空気の流れは燃料と混合されて燃焼し、ガスタービンエンジンの電力出力および効率を高める。
例示的な実施形態では、発電システムは、高標高および／またはより高い周囲温度の場所にあり、したがって、ガスタービンエンジンが燃料を燃焼させるために使用する空気は、より低い標高および／またはより低い周囲温度の場所の空気よりも低い密度を有する。空気の密度が低いため、ガスタービンエンジンは、より低い標高および／またはより低い周囲温度の場所にあるガスタービンエンジンと比較して、発生する電力が少ない。ターボチャージャは、ガスタービンエンジンへの燃焼のための空気の流れを増加させ、ガスタービンエンジンの全体的な発電量を増加させる。加えて、熱回収システムが排気ストリームから回収された熱でターボチャージャを駆動するため、発電システムによって発生される電力は、効率を減少させることなく増加する。さらに、例示的な実施形態では、作動流体、すなわち、熱を使用可能なエネルギーに変換するために使用される流体が超臨界ＣＯ２であるため、熱回収システムは、水を大量に消費するシステムではない。したがって、発電システムは、発電システムがより高い高度、より高い温度、および／または乾燥領域にあるとき、ガスタービンエンジンの発電量および効率を高める一方で水消費量を減少させる。
加えて、本明細書に記載のシステムおよび方法の例示的な技術的効果は、（ａ）超臨界作動流体によってタービン電力を使用してターボチャージャを駆動すること、（ｂ）熱回収システムを使用して排気ストリームから熱を回収すること、および（ｃ）ターボチャージャからの圧縮空気を使用して燃焼システムを動作させることの少なくとも１つを含む。
以上、電力を生成するためのシステムおよび方法の例示的な実施形態を詳細に説明した。本方法およびシステムは、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、システムの構成要素および／または方法のステップは、本明細書に記載した他の構成要素および／またはステップから独立に、かつ別々に利用することができる。例えば、本方法は、他の発電システムと組み合わせて使用することもでき、本明細書に記載した他の発電システムのみで実践することに限定されない。むしろ、例示的な実施形態は、多くの他の発電用途に関連して実装および利用することができる。
本開示の様々な実施形態の特定の特徴は、一部の図面に示され、他の図面には示されていないかもしれないが、これは単に便宜上にすぎない。本開示の実施形態の原理によれば、図面の任意の特徴は、任意の他の図面の任意の特徴と組み合わせて参照および／または特許請求することができる。
本明細書は、本開示の実施形態を開示するために実施例を使用しており、最良の形態を含んでいる。また、いかなる当業者も本開示の実施形態を実践することができるように実施例を使用しており、任意の装置またはシステムを製作し使用し、任意の組み込まれた方法を実施することを含んでいる。本明細書に記載した実施形態の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、特許請求の範囲の文言との差がない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言との実質的な差がない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることを意図している。
１００ 発電システム
１０２ ガスタービンエンジン／燃焼システム
１０４ 熱回収システム
１０６ ターボチャージャ
１０８ 発電機
１１０ 排気ストリーム／排気セクション
１１２ 圧縮空気
１１４ 熱交換器
１１６ タービン
１１８ 復熱装置
１２０ 冷却器
１２２ 圧縮機
１２４ シャフト
１２５ ギアボックス
１２６ 閉ループ回路
１２８ 排出物
１３０ 排出物
２０２ 吸気セクション
２０４ 圧縮機セクション
２０６ 燃焼器セクション
２０８ タービンセクション
２１０ 排気セクション
２１２ ロータシャフト
２１４ 燃焼器
２１６ 負荷
２１８ ロータアセンブリ
２２０ 流入空気
２２２ 圧縮空気
２２４ 燃焼ガス
２２６ 長手方向軸
３００ 発電システム
３０２ 補助発電機
４００ 発電システム
４０２ 第１のターボ機械
４０４ 第２のターボ機械
４０６ 熱交換器
５００ 方法
５０２ ステップ
５０４ ステップ
５０６ ステップ
５０８ ステップ
５１０ ステップ
５１２ ステップ
５１４ ステップ

Claims (15)

  1. 燃料を空気の流れで燃焼させるように構成された燃焼システム（１０２）であって、前記燃焼システム（１０２）は、排気ストリームを生成するようにさらに構成される燃焼システム（１０２）と、
    圧縮空気の流れを圧縮し、前記圧縮空気の流れを前記燃焼システム（１０２）に送るように構成されたターボチャージャ（１０６）であって、前記燃焼システム（１０２）は、前記燃料を前記圧縮空気の流れおよび追加の空気の流れで燃焼させるように構成されるターボチャージャ（１０６）と、
    前記排気ストリームから熱を回収し、前記ターボチャージャ（１０６）を駆動するように構成された熱回収システム（１０４）であって、前記熱回収システム（１０４）は、超臨界作動流体を使用して前記排気ストリームから熱を吸収し、前記ターボチャージャ（１０６）を駆動する熱回収システム（１０４）と
    を備える、発電システム（１００）。
  2. 前記燃焼システム（１０２）は、ガスタービンエンジン（１０２）を備える、請求項１に記載の発電システム（１００）。
  3. 前記燃焼システム（１０２）に結合された発電機（１０８）をさらに備え、前記発電機（１０８）は、電力を生成するように構成される、請求項１に記載の発電システム（１００）。
  4. 前記熱回収システム（１０４）は、
    前記燃焼システム（１０２）から排出された前記排気ストリームを受け取るように構成された少なくとも１つの熱交換器（１１４）であって、前記少なくとも１つの熱交換器（１１４）は、熱を前記排気ストリームから前記超臨界作動流体に伝達するように構成される少なくとも１つの熱交換器（１１４）と、
    前記ターボチャージャ（１０６）に結合された少なくとも１つのタービン（１１６）であって、前記少なくとも１つのタービン（１１６）は、前記少なくとも１つの熱交換器（１１４）から前記超臨界作動流体を受け取るように構成され、前記少なくとも１つのタービン（１１６）は、前記超臨界作動流体から使用可能な仕事を抽出して前記ターボチャージャ（１０６）を駆動するようにさらに構成される少なくとも１つのタービン（１１６）と
    を備える、請求項１に記載の発電システム（１００）。
  5. 前記熱回収システム（１０４）は、前記少なくとも１つのタービン（１１６）に結合された少なくとも１つの圧縮機（１２２）をさらに備え、前記少なくとも１つの圧縮機（１２２）は、前記超臨界作動流体を圧縮するように構成される、請求項４に記載の発電システム（１００）。
  6. 前記熱回収システム（１０４）は、熱を前記少なくとも１つのタービン（１１６）の排出物（１２８）から前記少なくとも１つの圧縮機（１２２）の排出物（１３０）に伝達するように構成された少なくとも１つの復熱装置（１１８）をさらに備える、請求項５に記載の発電システム（１００）。
  7. 前記熱回収システム（１０４）は、前記少なくとも１つのタービン（１１６）の前記排出物（１２８）を冷却するように構成された少なくとも１つの冷却器（１２０）をさらに備える、請求項６に記載の発電システム（１００）。
  8. 発電システム（１００）を使用して電力を生成する方法（５００）であって、前記発電システム（１００）は、燃焼システム（１０２）と、熱回収システム（１０４）と、ターボチャージャ（１０６）とを含み、前記方法（５００）は、
    燃料を空気の流れで燃焼させ、前記燃焼システム（１０２）を使用して電力および排気ストリームを生成すること（５０２）と、
    前記排気ストリームを前記燃焼システム（１０２）から前記熱回収システム（１０４）に送ること（５０４）と、
    前記排気ストリームを使用して前記熱回収システム（１０４）内で超臨界作動流体を加熱すること（５０６）と、
    前記超臨界作動流体を使用して前記ターボチャージャ（１０６）を駆動すること（５０８）と、
    前記ターボチャージャ（１０６）を使用して圧縮空気の流れを圧縮すること（５１０）と、
    前記燃料を前記圧縮空気の流れおよび追加の空気の流れで燃焼させ、電力および前記排気ストリームを生成すること（５１４）と
    を含む、方法（５００）。
  9. 前記燃料を前記空気の流れで燃焼させ、前記燃焼システム（１０２）を使用して電力および前記排気ストリームを生成すること（５１４）は、前記燃料を前記空気の流れで燃焼させ、ガスタービンエンジン（１０２）を使用して電力および前記排気ストリームを生成することを含む、請求項８に記載の方法（５００）。
  10. 前記排気ストリームを使用して前記熱回収システム（１０４）内で前記超臨界作動流体を加熱すること（５０６）は、少なくとも１つの熱交換器（１１４）を使用して熱を前記排気ストリームから前記超臨界作動流体に伝達することを含む、請求項８に記載の方法（５００）。
  11. 前記超臨界作動流体を使用して前記ターボチャージャ（１０６）を駆動すること（５０８）は、タービン（１１６）を使用して前記超臨界作動流体から使用可能な仕事を抽出し、前記ターボチャージャ（１０６）を駆動することを含む、請求項８に記載の方法（５００）。
  12. 少なくとも１つの冷却器（１２０）で前記タービン（１１６）の排出物（１２８）を冷却することをさらに含む、請求項１１に記載の方法（５００）。
  13. 前記タービン（１１６）に結合された圧縮機（１２２）を使用して前記超臨界作動流体を圧縮することをさらに含む、請求項１１に記載の方法（５００）。
  14. 少なくとも１つの復熱装置（１１８）を使用して熱を前記タービン（１１６）の排出物（１２８）から前記圧縮機（１２２）の排出物（１３０）に伝達することをさらに含む、請求項１３に記載の方法（５００）。
  15. 前記タービン（１１６）に結合された補助発電機（１０８）から電力を生成することをさらに含む、請求項１１に記載の方法（５００）。
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