JP5514495B2 - システム排気を使用して冷却するためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、総括的にはシステム排気による冷却システムに関する。

様々な用途において、その用途の主目的に合った使途を持たない副生成物又は生成廃棄流が生成される可能性がある。例えば、幾つかの用途では、二酸化炭素のような温室効果ガスの排出が、大きな関心事となる可能性がある。従って、温室効果ガスを低減及び／又は隔離するための様々な方法が提案されてきた。例えば、捕捉二酸化炭素の食品用途のための使用（例えば、液体二酸化炭素つまり「ドライアイス」）、天然資源抽出及びその他の使途が、概念設計として提案されてきた。

従って、副生成物及び／又は廃棄流を使用する方法の改善に対する必要性が存在する。

本発明は、複数の流体流と装置を含めて複数の構成要素とを含むシステムの作動方法を提供する。本方法は、装置から吐出された排気流から冷却流体を分離するステップと、複数の流体流の少なくとも１つ、複数の構成要素の少なくとも１つ、又はその両方から冷却流体に熱を伝達するステップとを含む。

本発明はまた、複数の流体流と、排気流を吐出するための排気口を有する装置を含めた複数の構成要素と、排気流から冷却流体を分離するためのセパレータと、熱交換機とを含むシステムを提供する。熱交換機は、複数の流体流の少なくとも１つ、複数の構成要素の少なくとも１つ、又はその両方から冷却流体に熱を伝達する。

本発明はまた、複数の流体流と、排気流を吐出するための排気口を有する装置を含めた複数の構成要素と、排気流から冷却流体を分離するためのセパレータと、少なくとも１つの流体流入口とを含むシステムを提供する。少なくとも１つの流体流入口は、複数の流体流の少なくとも１つ、複数の構成要素の少なくとも１つ、又はその両方に冷却流体を加えるためのである。

本発明のその他の目的、特徴及び利点は、以下の詳細な説明、図面及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。

本発明の実施形態により製作したガスタービンシステム１０の概略図。 本発明の実施形態により製作した別のガスタービンシステム４０の概略図。 本発明の実施形態により製作したさらに別のガスタービンシステム５０の概略図。

上記に要約したように、本発明は、複数の流体流と複数の構成要素とを含む方法及びシステムを含む。本方法の実施形態及び本システムの実施形態について、以下に説明しかつ図１〜図３に示している。図１〜図３は、ガスタービンシステムについての実施形態に関して図示しかつ説明しているが、本発明の別の実施形態により、複数の流体流及び複数の構成要素を有し、システム排気口を有しかつ冷却流体で冷却することができるあらゆるシステム（例えば、その他のタービンシステム、ＧＥ Ｈ系タービンシステム、ターボ機械システム、電気機械システム）を同様に使用することができまた製作することができることを理解されたい。

図１は、本発明の実施形態を示しており、この実施形態は、装置１２を含めてガスタービンシステム１０である。本ガスタービンシステム１０はまた、複数の流体流１４と装置１２以外の複数のその他の構成要素１６とを含む。この図１の実施形態では、装置１２は、ガスタービンであり、かつ流体流１４と複数の構成要素１６とを含む。他の実施形態では、装置１２は、それに限定されないが、その他のタービン、ターボ機械、電気機械などとすることができる。図１では、ガスタービン１２は、排気流１８を吐出する排気口を有する。

別の実施形態では、他の流体流１４は、それに限定されないが、吸入空気流、燃料流などを含むことができる。幾つかの実施形態では、構成要素１６は、それに限定されないが、タービンバケット、ロータ、ステータ、タービン翼形部、タービンノズル、熱交換器、空気圧縮機、バーナ、燃焼器、出力シャフトなどを含むことができる。

排気流１８は、該排気流から冷却流体２２を分離するためのセパレータ２０に導かれる。一部の実施形態では、セパレータ２０は、それに限定されないが、冷却流体吸着／脱着装置、凝縮器、冷却器などとすることができる。この図１の実施形態では、冷却流体２２は二酸化炭素である。ただし、他の実施形態では、冷却流体２２は、液体水又は水蒸気、空気或いは水素のような他の気体又は液体を含むことができることを理解されたい。

二酸化炭素２２の温度、圧力、及び／又は相は次に、冷却流体変性装置３０内で変更又は調整される。この図１の実施形態では、冷却流体変性装置３０は、圧縮機である。しかしながら、他の実施形態では、あらゆる冷却流体変性装置３０を使用して、冷却流体２２の温度、圧力、及び／又は相を変更する（変化させる）ことができる。この特定の実施形態では、二酸化炭素２２は、排気圧力から一層高い第２の圧力に加圧される。１つの実施形態では、第２の圧力は、２０００ｐｓｉａとすることができる。他の実施形態では、二酸化炭素２２は、第１の圧力から、特定のシステム内で冷却流体として使用するのに適したあらゆる適切な圧力に加圧することができることを当業者には理解されたい。

別の実施形態では、冷却流体２２は、その低下した温度及び／又は圧力を有することができる。特定の実施形態では、冷却流体２２の相は、気体から液体又は固体に変化させる（変更する）ことができる。他の実施形態では、冷却流体２２は、流体流１４又は構成要素１６の最適な冷却を可能にするように変性（性状変更）させたその温度、圧力、及び／又は相を有することができる。しかしながら、当業者は、流体流１４又は構成要素１６を冷却するように冷却流体２２の適切な温度、圧力、及び／又は相（例えば、流体流又は構成要素よりも低い温度では熱が冷却流体２２に伝達される）を選択することができることになることを理解されたい。例えば、幾つかの実施形態では、二酸化炭素２２は、流入供給空気からガスタービン１２の吸気装置に熱を伝達して該空気の密度及び関連する質量流量を増大させ、それによってガスタービン１２の出力を高めるように使用することができる。

図１では、二酸化炭素２２は、圧縮機３０から、ガスタービン１２の構成要素１６と熱的導通状態になった熱交換器２４内に供給される。具体的には、熱交換器２４は、二酸化炭素２２が構成要素１６を通って流れて、該構成要素からの熱が二酸化炭素２２に伝達され、それによって該構成要素の温度を低下させるようになる。別の実施形態では、熱交換器２４は、並流熱交換器、向流熱交換器、相変化熱交換器、管形熱交換器、平板熱交換器、再生熱交換器、断熱ホイール熱交換器、流体熱交換器、ダイナミックスクレープドサーフェス熱交換器などのようなあらゆるタイプの熱交換器を含むことができる。別の実施形態では、空気などような一般的に用いられている冷却媒体の代わりに、冷却流体２２を使用することができる。

図１に示すように、二酸化炭素２２の一部分は、貯蔵容器２８内に貯蔵することができる。別の実施形態では、冷却流体２２は、該冷却流体の貯蔵に適した当技術分野で公知のあらゆる容器内に貯蔵することができる。別の実施形態では、貯蔵容器２８は存在しないようにすることができ、冷却流体２２が、他の過程又は用途で使用され或いは消費されるようにすることができる。一部の実施形態では、本ガスタービンシステム１０は、二酸化炭素２２又はあらゆるその他の冷却流体の一部分を外部環境２６から隔離するようにすることができる。従って、そのような実施形態では、二酸化炭素２２を閉回路冷却通路内で使用して、該炭素のほぼ全てを外部環境２６から隔離することができるようにすることができる。

本ガスタービンシステム１０はさらに、例えば二酸化炭素２２を使用するなどして燃料流を冷却又は加熱するか或いは蒸気発生するように構成された熱交換器３２のようなその他の構成要素１６を含む。熱交換器３２を通って流れた後に、二酸化炭素２２は、再び圧縮機３０内で加圧されて、貯蔵容器２８内に貯蔵される。

図２は、本発明の実施形態によるガスタービンシステム４０の別の実施形態を示している。図１及び図２における同様の要素には、同じ符号を付している。本ガスタービンシステム４０は、流体流１４に二酸化炭素２２を加えて該流体流を冷却するための流体流入口３４を含む。別の実施形態では、冷却流体２２は、該冷却流体が本システム４０の作動において流体流１４と混合するのに適している限り、該システム４０内のあらゆる流体流１４に対するものとしてその流体流を冷却することができることを理解されたい。

図３は、本発明の実施形態によるガスタービンシステム５０のさらに別の実施形態を示している。図１及び図３における同様の要素には、同じ符号を付している。本ガスタービンシステム５０は、付加的圧縮機３６及び３８である付加的構成要素１６を含む。圧縮機３６を使用して冷却流体２２をさらに加圧して貯蔵容器２８内に貯蔵するようにすることができる。圧縮機３８を使用して冷却流体２２を再加圧して、構成要素１６からそれに熱伝達されなかった冷却流体と、構成要素１６と熱的導通状態になった熱交換器２４及び熱交換器３２から還流した冷却流体との間のあらゆる圧力差を補償することができる。

本発明はまた、複数の流体流と装置を含めて複数の構成要素とを含むシステムの作動方法を提供する。本方法は、装置から吐出された排気流から冷却流体を分離するステップと、複数の流体流の少なくとも１つ、複数の構成要素の少なくとも１つ、又はその両方から冷却流体に熱を伝達するステップとを含む。一部の実施形態によると、本システム、流体流、構成要素、装置、冷却流体、及び排気流は、上記に説明した本システム、流体流、構成要素、装置、冷却流体、及び排気流と同様にすることができる。

幾つかの実施形態によると、本方法はさらに、冷却流体の少なくとも一部分をシステムの外部の環境から隔離するステップを含むことができる。他の実施形態によると、本方法はさらに、冷却流体を貯蔵するステップを含むことができる。

一部の実施形態によると、本方法はさらに、熱を伝達するステップの前に、冷却流体の温度、圧力、相、又はそれらの組合せを変更するステップを含む。特定の実施形態では、変更するステップは、冷却流体の温度、圧力、又はその両方を変更するステップを含む。さらに他の実施形態では、熱を伝達するステップは、複数の流体流の少なくとも１つに冷却流体を加えるステップを含む。幾つかの実施形態では、熱を伝達するステップは、複数の流体流の少なくとも１つ、複数の構成要素の少なくとも１つ、又はその両方と熱的導通状態になった熱交換器２４内に冷却流体を流すステップを含む。

装置がガスタービンを含みまた冷却流体が二酸化炭素を含む特定の実施形態では、本方法はさらに、二酸化炭素の温度を第１の温度から第２の温度に低下させるステップを含む。他の実施形態では、冷却流体は、その温度を、特定のシステムにおいて冷却流体として使用するのに適したあらゆる温度に低下させることができることを、当業者には理解されたい。

論理に縛られることなく、本発明の方法及びシステムの実施形態は、ガスタービンシステムのような本システムの流体流及び構成要素を冷却してその作動を最適化すると思われる。ガスタービンシステムのような一部の実施形態では、それを貯蔵するか又はそうではなく廃棄する前に二酸化炭素を冷却流体として使用し、それによって二酸化炭素の特性を活用した後にそれを貯蔵し、本システムの活用資源を最大化し、かつ
二酸化炭素の隔離により生じる効率への悪影響を相殺するように装置の作動を高めることができる。

上記の説明は本出願の好ましい実施形態のみに関するものであること、また本明細書では、特許請求の範囲及びその均等物によって定まる本発明の一般的技術思想及び技術的範囲から逸脱せずに、当業者は多くの変更及び改良を加えることができることを理解されたい。

１０ ガスタービンシステム
１２ 装置
１４ 流体流
１６ 構成要素
１８ 排気流
２０ セパレータ
２２ 冷却流体
２４ 熱交換器
２６ 外部環境
２８ 貯蔵容器
３０ 圧縮機
３２ 熱交換器
３４ 流体流入口
３６ 圧縮機
３８ 圧縮機
４０ ガスタービンシステム

Claims (10)

1. 複数の流体流（１４）と複数の構成要素（１６）とを含むシステム（１０、４０）の作動方法であって、
   圧縮機、燃焼器及び、タービンを備えるガスタービンを作動するステップと、
   前記タービンの下流に位置づけられたセパレータ（２０）が、前記タービンから吐出された排気流（１８）から冷却流体（２２）を分離するステップと、
   前記セパレータ（２０）の下流に位置づけられた冷却流体圧縮機（３０）が、前記冷却流体（２２）を変更するステップと、
   前記冷却流体圧縮機（３０）の下流に位置づけられた第１の熱交換器（２４）が、該第１の熱交換器（２４）に関連づけられた、前記複数の構成要素（１６）の少なくとも１つから前記冷却流体（２２）に熱を伝達するステップと、
   前記第１の熱交換器（２４）の下流に位置づけられた第２の熱交換器（３２）が、該第２の熱交換器（３２）に関連づけられた、前記複数の流体流（１４）の少なくとも１つから前記冷却流体（２２）に熱を伝達するステップと、
   前記第２の熱交換器（３２）の下流に位置づけられた前記冷却流体圧縮機（３０）が、前記冷却流体（２２）を変更するステップと、
   を含む方法。
2. 前記冷却流体（２２）の少なくとも一部分を前記システムの外部の環境（２６）から隔離するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
3. 前記冷却流体圧縮機（３０）の下流に位置づけられた貯蔵容器（２８）が前記冷却流体（２２）の少なくとも一部分を貯蔵するステップをさらに含む、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記冷却流体（２２）が二酸化炭素であり、
   前記冷却流体圧縮機（３０）が、前記冷却流体（２２）の相を変更するステップを含む、請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
5. 前記冷却流体圧縮機（３０）が、前記冷却流体（２２）の温度、圧力、相の組合せを変更するステップを含む、請求項４記載の方法。
6. 圧縮機、燃焼器及び、タービンを備えるガスタービンと、
   前記ガスタービンに関連づけられた、複数の流体流（１４）と、
   前記ガスタービンに関連づけられた、複数の構成要素（１６）と、
   前記ガスタービンから吐出された排気流（１８）と、
   前記ガスタービンの下流に配置され、前記排気流（１８）から冷却流体（２２）を分離するためのセパレータ（２０）と、
   前記セパレータ（２０）の下流に位置づけられ、前記冷却流体（２２）を変更する冷却流体圧縮機（３０）と、
   前記冷却流体圧縮機（３０）の下流に位置づけられ、前記複数の構成要素（１６）の少なくとも１つから前記冷却流体（２２）に熱を伝達する第１の熱交換器（２４）と、
   前記第１の熱交換器（２４）の下流に位置づけられ、前記複数の流体流（１４）の少なくとも１つから前記冷却流体（２２）に熱を伝達する第２の熱交換器（３２）と、
   を含み、
   前記冷却流体圧縮機（３０）が、前記第２の熱交換器（３２）の下流に位置づけられ、前記冷却流体（２２）を変更する、
   システム（１０）。
7. 前記冷却流体圧縮機（３０）が、前記セパレータ（２０）の下流に位置づけられ、前記冷却流体（２２）を変更する第１の冷却流体圧縮機（３０）と、前記第２の熱交換器（３２）の下流に位置づけられ、前記冷却流体（２２）を変更する第２の冷却流体圧縮機（３８）と、前記第１の冷却流体圧縮機（３０）の下流に位置づけられ、前記冷却流体（２２）を変更する第３の冷却流体圧縮機（３６）とを含む、請求項６記載のシステム（１０）。
8. 該システム（１０）が、前記冷却流体（２２）の少なくとも一部分を該システムの外部の環境（２６）から隔離するように構成されている、請求項６または７に記載のシステム（１０）。
9. 前記冷却流体圧縮機（３０）の下流に位置づけられ、前記冷却流体（２２）の少なくとも一部分を貯蔵する貯蔵容器（２８）をさらに含む、請求項６乃至８のいずれかに記載のシステム（１０）。
10. 前記冷却流体（２２）が二酸化炭素であり、
    前記冷却流体（２２）の温度、圧力、相又はそれらの組合せを変更するための冷却流体（２２）変性装置をさらに含む、請求項６乃至９のいずれかに記載のシステム（１０）。
    

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