KR102566355B1 - Gas Turbine Blower/Pump - Google Patents
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Abstract
연료로서 천연 가스와 바이오가스의 조합으로 동작하는 낮은 배출가스의 고 효율 가스 터빈 엔진은 고효율 터보 송풍기 또는 열 회수 시스템과 조합된 고효율 터보 펌프 시스템을 구동하고 다른 실시예에서 발전기가 제공되거나 배기 가스에서의 나머지 폐열을 이용하는 것으로부터 증발 냉각을 제공한다.A low-emission, high-efficiency gas turbine engine operating on a combination of natural gas and biogas as fuel drives a high-efficiency turbo blower or high-efficiency turbo pump system in combination with a heat recovery system, and in other embodiments a generator is provided or from the exhaust gas. provides evaporative cooling from utilizing the remainder of the waste heat.
Description
본 발명은 폭기 송풍기 및 펌프 기술에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 폐수 처리의 부산물인 천연 가스 또는 바이오 가스에 의해 연료화된 가스 터빈 엔진에 관한 것이고, 여기서 가스 터빈 엔진은 송풍기 또는 펌프를 직접 구동하며, 가스 터빈에서의 회수된 열을 이용하여 가스 터빈 유입구 온도를 화씨 1800 내지 2000로 증가시키고, 환열기 냉각 시스템 또는 다운스트림 시스템에 의해 구동된 발전기 시스템은 폐열을 배출한다.The present invention relates to aeration blower and pump technology. In particular, the present invention relates to a gas turbine engine fueled by natural gas or biogas, which is a by-product of wastewater treatment, wherein the gas turbine engine directly drives a blower or pump and uses recovered heat from the gas turbine to generate gas. The turbine inlet temperature is increased to 1800 to 2000 degrees Fahrenheit, and the generator system driven by the recuperator cooling system or the downstream system discharges the waste heat.
천연 가스 및 바이오 가스에 의해 연료화된 가스 터빈으로부터 배기 가스로부터의 열 회수를 통한 펌프 또는 송풍기의 임펠러(impeller)로의 직접적인 기계적 동력을 동일한 설계에서 조합하는 것이 본 발명의 일 양태이다; 하나의 고효율 시스템.It is one aspect of the present invention to combine direct mechanical power from a gas turbine fueled by natural gas and biogas to the impeller of a pump or blower through heat recovery from the exhaust gas in the same design; One high-efficiency system.
송풍기 및 펌프는 물 및 폐수 처리, 음식 및 음료, 석유 및 가스, 발전, 펄프 및 제지와 제약 산업을 포함하는 다양한 용도로 이용된다. 이러한 송풍기는 전형적으로, 1.0 기압의 배출 압력보다 낮은 고 체적 및 압력에서 공기흐름을 전달한다. 펌프는 변하는 헤드에서 낮거나 높은 수류를 전달한다. 과거에는 송풍기와 펌프가 전기 모터에 의해 구동되었다. 전기 모터는 다양한 전기 공동 발전기를 이용하거나 전기 그리드에서 이 전기에 액세스하여 사이트에서 생성된 전기를 요구한다. 전기 모터 구동 송풍기 및 펌프는 가변 주파수 드라이브, 사인파 필터, 라인 입력 리액터, 고조파 필터 및 동력 변압기를 포함하는 몇몇 복잡한 전기 부품을 요구한다. 이들 전기 부품은 전기 손실과 폐열을 발생시켜 추정된 12 내지 15%의 에너지 손실을 초래한다.Blowers and pumps are used in a variety of applications including water and wastewater treatment, food and beverage, oil and gas, power generation, pulp and paper, and pharmaceutical industries. Such blowers typically deliver airflow at high volumes and pressures less than 1.0 atm of discharge pressure. The pump delivers a low or high water flow at the changing head. In the past, blowers and pumps were driven by electric motors. Electric motors demand electricity generated on site by using various electric co-generators or by accessing this electricity from the electric grid. Electric motor driven blowers and pumps require several complex electrical components including variable frequency drives, sine wave filters, line input reactors, harmonic filters and power transformers. These electrical components generate electrical losses and waste heat resulting in an estimated 12 to 15% energy loss.
일부 경우에서, 왕복 가스 또는 디젤 엔진은 송풍기 및 펌프를 구동한다. 이들 왕복 엔진은 비효율적이고, 시끄럽고, 크기가 크고 많은 양의 폐열을 생성하며 진화하는 배출 기준을 충족시키기 위해 그들을 개조하기가 어렵다. 다른 한편, 가스 터빈은 우주항공, 항공 및 발전으로부터의 다양한 용도에서 이용되기 때문에 수년 동안 매우 효율적이고 배출가스가 적은 것으로 진화해 왔다. 일부 경우에서, 가스 터빈 엔진은 천연 가스, 산소 또는 질소를 파이프라인에 다수의 대기 배출 압력에서 전달하는 고압 가스 압축기를 구동하기 위해 이용된다. 가스의 압축 동안, 가스 터빈 배기 열과 압축 열 에너지가 부산물로서 생성되어 폐열로서 배출된다.In some cases, a reciprocating gas or diesel engine drives the blowers and pumps. These reciprocating engines are inefficient, noisy, bulky and produce large amounts of waste heat and it is difficult to retrofit them to meet evolving emission standards. On the other hand, gas turbines have evolved over the years to be highly efficient and low-emissions as they are used in a variety of applications from aerospace, aviation and power generation. In some cases, gas turbine engines are used to drive high-pressure gas compressors that deliver natural gas, oxygen, or nitrogen to pipelines at multiple atmospheric discharge pressures. During compression of the gas, gas turbine exhaust heat and compression thermal energy are produced as by-products and are discharged as waste heat.
따라서, 전기 모터의 이용에서 낭비된 에너지 및 왕복 엔진 또는 가스 터빈 엔진의 이용에서의 낭비된 에너지는 압축의 결과에 의한 낭비된 에너지와 조합되어 압축기, 송풍기 및 펌프의 동작에서 상당한 에너지 손실을 나타낸다. 또한, 바이오가스는 쓰레기 처리의 자유 부산물(free byproduct)이며, 대기로 플레어링(flaring)되거나 배출되는 대신에 적절히 처리될 때 단독으로 또는 천연 가스와 조합하여 이용되어 송풍기 또는 펌프를 직접적으로 구동하는 가스 터빈 엔진에 필요한 연료를 생산할 수 있고, 그에 의해 폐기물 처리 시설의 운영 비용을 상당히 절감한다. 최근에, 우리는 바이오가스를 연료로서 이용하여 폐수 처리 시설이 에너지 중립성이되는 그들의 목표를 성취하는데 도움이 되는 최근에 생겨난 세계적 추세를 보기 시작했다.Thus, wasted energy in the use of electric motors and wasted energy in the use of reciprocating engines or gas turbine engines, combined with wasted energy as a result of compression, represents a significant energy loss in the operation of compressors, blowers and pumps. In addition, biogas is a free byproduct of waste disposal and is used alone or in combination with natural gas to directly drive blowers or pumps when properly treated instead of being flared or discharged into the atmosphere. It is possible to produce the fuel required for the gas turbine engine, thereby significantly reducing the operating cost of the waste disposal facility. Recently, we are starting to see an emerging global trend of using biogas as a fuel to help wastewater treatment plants achieve their goal of becoming energy neutral.
다양한 왕복 엔진 또는 가스 터빈 엔진이 지금까지 종래 기술에서 만들어져 왔다.Various reciprocating engines or gas turbine engines have hitherto been made in the prior art.
예를 들면, US 9140267은 가스 유입구 흐름 경로와 가스 유출구 및 가스 유입구 흐름 경로와 가스 유출구 사이의 회전가능한 임펠러 휠을 정의하는 압축기 하우징을 개시한다. 하우징의 내벽은 휠이 회전할 때 표면을 가로질러 스윕(sweep)하는 임펠러 휠 날개의 방사형 외측 에지에 매우 근접한 표면을 정의한다. 개구부는 표면에서의 내측 벽에서 제공된다. 포트는 상대적으로 낮은 흐름 조건 동안 유입구 흐름 경로로부터 멀어지는 방향으로 가스를 전환시키기 위해 개구부와 가스 연통하는 하우징에서 제공된다. 가스 이동 디바이스는 유입구 흐름 경로의 외부에 배치되고 포트에 연결되며, 펌프는 유입구 흐름 경로로부터 멀어지는 방향으로 개구부 및 포트를 통해 가스를 선택적으로 제거하도록 동작가능하다.For example, US 9140267 discloses a compressor housing defining a gas inlet flow path and a gas outlet and a rotatable impeller wheel between the gas inlet flow path and the gas outlet. The inner wall of the housing defines a surface very close to the radial outer edge of the impeller wheel vane that sweeps across the surface as the wheel rotates. An opening is provided in the inner wall at the surface. A port is provided in the housing in gas communication with an opening for diverting gas away from the inlet flow path during relatively low flow conditions. A gas movement device is disposed outside the inlet flow path and connected to the port, and the pump is operable to selectively remove gas through the opening and port in a direction away from the inlet flow path.
방사형 흐름 임펠러 및 터보기계가 이용되는 기계장치의 성능을 증진시키는 다양한 특징 중 하나 이상을 포함하는 터보기계에 관한 또 다른 장치가 US 8506237에 개시된다. 예를 들면, 터보기계가 동력계에서 이용될 때, 특징 중 하나는 임펠러로 유량을 조정하는 것을 허용하는 가변 제한 흡입구(variable-restriction intake)이다. 임펠러 슈라우드(impeller shroud) 및 슈라우드 가이드는 각각 임펠러에 대해 이동가능하다. 배기 디퓨저는 샤프트 동력의 범위의 증가 및 해로운 진동 및 소음의 감소를 용이하게 한다. 터보기계는 또한, 터보기계를 통한 흐름을 증진시키기 위해 조정가능한 흡입구 및 배기 디퓨저와 협력하는 고유한 임펠러 블레이드 구성을 포함할 수 있다.Another device relating to a turbomachine comprising a radial flow impeller and one or more of various features enhancing the performance of the machine in which the turbomachine is employed is disclosed in US Pat. No. 8,506,237. For example, when a turbomachine is used in a dynamometer, one of the features is a variable-restriction intake that allows the flow rate to be adjusted with the impeller. The impeller shroud and shroud guide are each movable relative to the impeller. An exhaust diffuser facilitates an increase in the range of shaft power and a reduction in harmful vibration and noise. The turbomachine may also include a unique impeller blade configuration that cooperates with an adjustable intake and exhaust diffuser to enhance flow through the turbomachine.
US 8327644는 터보 히터에서 이용하기 위한 마이크로 가스 터빈 엔진을 도시하거나 열병합발전 용도가 설명된다. 마이크로 가스 터빈 엔진은 공기 연료 통로에서의 퇴적물의 발달을 최소화하는 연료 전달 시스템을 포함한다. 이를 위해, 연료 변류기와 슬링거 몸체 사이에 형성된 연료 전달 채널은 윤곽이 있거나 기복이 있는 표면을 갖고 형성된다. 연료 변류기 링은 연료 전달 채널과 슬링거 임펠러 사이에 개재되어 연소실로의 공기 연료 혼합물의 흐름을 용이하게 한다.US 8327644 shows a micro gas turbine engine for use in a turbo heater or cogeneration application is described. The micro gas turbine engine includes a fuel delivery system that minimizes the development of deposits in the air fuel passages. To this end, the fuel delivery channel formed between the fuel deflector and the slinger body is formed with a contoured or wavy surface. A fuel deflector ring is interposed between the fuel delivery channel and the slinger impeller to facilitate flow of the air-fuel mixture to the combustion chamber.
또 다른 원심 펌프는 상기 펌프 하우징 내에 형성된 크로스 오버 갭에 의해 상기 임펠러의 하류에 각지게 이격된 날개를 갖는 축 확산기 및 방사형 블레이드를 갖는 회전가능한 임펠러를 포함하여 임펠러의 영향을 받는 유체가 구동되기 위해 상기 크로스 오버 갭을 통해 상기 축 확산기로 이동시켜야 하는 원심 펌프 하우징에 관한 US 8240976에 도시되고, 개선부는 상기 축 확산기와 원주방향으로 장착되고 크로스 오버 갭을 통해 상기 임펠러로부터 유체 흐름을 가이드하여 상기 축 확산기로 구동되는 상기 크로스 오버 갭 내로 연장되는 적어도 단일의 축 확산기 날개 연장부를 포함하고, 상기 확산기 날개 연장부는 유체 스트림에 존재하는 임의의 난류를 최소화하기 위해 상기 임펠러로부터 수용된 유체에 비틀림 힘을 부여하기 위한 탠덤 날개부를 갖는 구조로 구성되고, 설계되며 형성되는데 이는 유체 스트림이 임펠러를 빠져 나오고 이에 의해, 상기 펌프가 흐름 헤드 곡선이 셧 오프(shut-off)를 향해 지속적으로 상승함에 따라 편평하거나 양의 기울기를 제거하기 위해 수정된 펌프 헤드 곡선을 보여주기 때문이다.Another centrifugal pump includes an axial diffuser having vanes angularly spaced downstream of the impeller by a crossover gap formed in the pump housing and a rotatable impeller having radial blades to drive the fluid affected by the impeller. US 8240976 relates to a centrifugal pump housing which must pass through the crossover gap to the axial diffuser, wherein an improvement is circumferentially mounted with the axial diffuser and guides the fluid flow from the impeller through the crossover gap to the shaft at least a single axial diffuser vane extension extending into the crossover gap driven into the diffuser, the diffuser vane extension imparting a torsional force to the fluid received from the impeller to minimize any turbulence present in the fluid stream; is constructed, designed and formed into a structure with tandem vanes for the fluid stream as it exits the impeller, whereby the pump moves flat or positive as the flow head curve continues to rise towards shut-off. This is because it shows the pump head curve modified to remove the slope.
US 8096127은 과급기 터빈의 회전 샤프트의 중심과 과급기 압축기의 회전 샤프트의 중심의 오정렬, 또는 배기 가스의 열로 인한 과급기 터빈의 회전 샤프트의 중심, 과급기 압축기의 회전 샤프트의 중심, 및 발전기의 회전 샤프트의 중심의 오정렬을 방지할 수 있고; 이들 회전축의 진동을 감소시킬 수 있으며; 전체 과급기의 신뢰성을 개선할 수 있는 배기 터보 과급기를 설명한다. 배기 터보 과급기는 터빈 유닛 및 압축기 유닛을 지지하는 케이싱(casing)을 갖는다. 케이싱의 저단부는 레그부(leg portion)를 구성하고, 레그부는 바닥에 배치된 베이스에 고정된다. 회전 샤프트를 갖는 발전기는 터빈 유닛 및 압축기 유닛의 회전 샤프트에 연결된다.US 8096127 is misalignment of the center of the rotating shaft of the supercharger turbine and the center of the rotating shaft of the supercharger compressor, or the center of the rotating shaft of the supercharger turbine due to the heat of the exhaust gas, the center of the rotating shaft of the supercharger compressor, and the center of the rotating shaft of the generator can prevent misalignment of; can reduce vibrations of these rotational axes; An exhaust turbocharger that can improve the reliability of the entire supercharger is described. An exhaust turbocharger has a casing supporting a turbine unit and a compressor unit. The lower end of the casing constitutes a leg portion, and the leg portion is fixed to a base disposed on the floor. A generator with a rotating shaft is connected to the rotating shafts of the turbine unit and the compressor unit.
게다가, US 8931291은 엔진, 엔진에 의해 구동되는 압축기, 및 압축기로부터의 폐열에 의해 구동된 증기 흡수 사이클(VAC) 시스템을 포함하는 가스 압축기를 포함하는 시스템을 도시하고, VAC 시스템은 적어도 하나 매질을 냉각하도록 구성된다. 다른 실시예에서, 가스를 압축하면서 폐열을 생성하는 단계, 폐열을 통해 증기 흡수 사이클(VAC) 시스템을 구동하는 단계, 및 VAC 시스템을 통해 적어도 하나의 매질을 냉각시키는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.Moreover, US 8931291 shows a system comprising a gas compressor comprising an engine, a compressor driven by the engine, and a vapor absorption cycle (VAC) system driven by waste heat from the compressor, the VAC system comprising at least one medium configured to cool. In another embodiment, a method is provided that includes generating waste heat while compressing a gas, driving a vapor absorption cycle (VAC) system with the waste heat, and cooling at least one medium through the VAC system. .
마지막으로, US 746813은 기계를 역으로 동작시킴으로써 유기 랭킨 사이클 터빈으로서 적용되는 원심 압축기에 관한 것이다. 터빈으로서 동작할 때 더 높은 압력을 수용하기 위해, 압력 및 온도가 확립된 한도 내에서 유지되도록 적합한 냉매가 선택된다. 이와 달리 비경제적일 수 있는 분야로의 기존의 상대적으로 저렴한 장비의 이러한 적응은 폐열에 의해 대기로 다르게 손실될 수 있는 에너지의 편리하고 경제적인 이용을 허용한다.Finally, US 746813 relates to a centrifugal compressor applied as an organic Rankine cycle turbine by operating the machine in reverse. To accommodate the higher pressures when operating as a turbine, suitable refrigerants are selected such that pressures and temperatures are maintained within established limits. This adaptation of existing and relatively inexpensive equipment to applications that would otherwise be uneconomical allows convenient and economical utilization of energy that would otherwise be lost to the atmosphere by waste heat.
본 발명의 목적은 개선된 가스 터빈 엔진을 제공하고, 특히 개선된 폭기 송풍기 및 펌프를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide an improved gas turbine engine, and in particular an improved aeration blower and pump.
천연 가스 및 바이오 가스에 의해 연료화된 가스 터빈으로부터 배기 가스로부터의 열 회수를 통한 펌프 또는 송풍기의 임펠러로의 직접적인 기계적 동력을 동일한 설계에서 조합하는 것이 본 발명의 일 양태이다; 하나의 고효율 시스템.It is one aspect of the present invention to combine direct mechanical power from a gas turbine fueled by natural gas and biogas to the impeller of a pump or blower via heat recovery from the exhaust gas in the same design; One high-efficiency system.
본 발명의 일 양태는 제 1 유입구 및 제 1 유출구; 제 2 유입구 및 제 2 유출구; 상기 제 1 유입구와 상기 제 1 유출구 사이에 배치된 임펠러; 상기 제 2 유입구와 상기 제 2 유출구 사이에 배치된 가스 터빈; 상기 제 2 유입구로 도입되어 상기 가스 터빈을 구동시키고 상기 제 2 유출구를 통해 배출되는 연소 혼합물; 상기 제 1 유입구와 상기 제 1 유출구 사이에 배치된 임펠러; 및 상기 임펠러를 구동하고 유체를 상기 제 1 유입구로부터 상기 제 1 유출구로 이동시키도록 상기 임펠러에 연결된 상기 가스 터빈을 갖는 유닛을 제공하는 것이다.One aspect of the present invention is a first inlet and a first outlet; a second inlet and a second outlet; an impeller disposed between the first inlet and the first outlet; a gas turbine disposed between the second inlet and the second outlet; a combustion mixture introduced into the second inlet to drive the gas turbine and discharged through the second outlet; an impeller disposed between the first inlet and the first outlet; and the gas turbine coupled to the impeller to drive the impeller and move fluid from the first inlet to the first outlet.
본 발명의 또 다른 양태는 집적된 가스 터빈 유닛을 제공하는 것이고, 상기 집적된 가스 터빈 유닛은: 동작 유체 유입구 및 동작 유체 유출구; 상기 동작 유체 유입구와 상기 동작 유체 유출구 사이에 배치된 임펠러; 터빈을 구동하기 위해 공기 및 바이오연료의 혼합물을 연소시키기 위해 유입구와 유출구 사이에 배치된 연소기; 및 회전축을 갖는 샤프트를 포함하고, 상기 터빈 및 임펠러는 상기 동작 유체를 이동시키도록 상기 샤프트에 동축으로 연결된다.
본 발명의 또 다른 양태는 가스 터빈으로 임펠러를 구동하는 방법에 관한 것이고, 상기 방법은: 상기 임펠러와 터빈을 동축으로 연결하는 단계; 상기 터빈 및 임펠러를 회전가능하게 구동하고 배기 가스를 생성하도록 공기 및 연료의 혼합물을 연소시킴으로써 상기 터빈을 회전 구동하는 단계; 및 상기 배기 가스로부터 폐열을 포획(capture)하여 상기 공기를 예열하고 상기 임펠러에 의해 동작 유체를 이동시키는 단계를 포함한다.Another aspect of the present invention is to provide an integrated gas turbine unit comprising: a working fluid inlet and a working fluid outlet; an impeller disposed between the working fluid inlet and the working fluid outlet; a combustor disposed between the inlet and outlet to burn a mixture of air and biofuel to drive the turbine; and a shaft having a rotation axis, wherein the turbine and impeller are coaxially connected to the shaft to move the working fluid.
Another aspect of the present invention relates to a method of driving an impeller in a gas turbine, the method comprising: coaxially connecting the impeller and the turbine; rotationally driving the turbine by rotatably driving the turbine and impeller and burning a mixture of air and fuel to produce exhaust gas; and capturing waste heat from the exhaust gas to preheat the air and move a working fluid by the impeller.
본 발명의 또 다른 양태는 가스 터빈으로 임펠러를 구동하는 방법을 제공하는 것이고, 상기 방법은: 상기 임펠러와 터빈을 동축으로 연결하는 단계; 상기 터빈 및 임펠러를 회전가능하게 구동하고 배기 가스를 생성하도록 공기 및 연료의 혼합물을 연소시킴으로써 상기 가스 터빈을 회전 구동하는 단계; 및 유입구와 비교하여 화씨 1800와 2000의 고온에서 4.5의 더 높은 압력비로 가스 터빈에 재유입될 때 상기 배기 가스로부터의 폐열을 포획하여 상기 공기를 예열하는 단계를 포함하고, 어느 단계에서는 가스가 가스 터빈을 통해 팽창하여 상기 임펠러에 의해 동작 유체가 더 이동하게 한다. 가스 터빈을 통해 팽창하는 가스는 고압 및 고온에서 동력 터빈에 유입되어 상기 동력 터빈을 회전시키고, 상기 동력 터빈은 결과적으로 펌프 및 송풍기의 임펠러에 직접적으로 연결된 샤프트를 가변적으로 회전시켜 유체의 동작 공기를 전달한다.
상기 언급된 4.5의 더 높은 압력비는 대기와 비교한 것과 같은 것이고 예로서 주어진다. 게다가, 본 명세서의 도 14 내지 도 19에 도시된 실시예를 고려할 때, (대기와 비교하여) 4.4와 10 또는 그 이상의 압력비가 나타나고, 예로서 주어진다; 이 범위는 적어도 부분적으로 하기에 설명된 3개의 샤프트(2, 3 및 17) 및 인터쿨러(31)를 활용하는 구성의 변경에 기인한다. 또한, 상기 언급된 화씨 1800 내지 2000의 온도 범위의 예는 도 14 내지 도 19의 실시예에서 언급된 실시예에서 1700 내지 2100도 또는 그 이상으로 연장될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태는 제 1 유입구 및 제 1 유출구; 제 2 유입구 및 제 2 유출구; 상기 제 1 유입구와 상기 제 1 유출구 사이에 배치된 임펠러; 공기의 압력을 상승시키기 위한 압축기; 상기 상승된 압력에서 상기 공기의 온도를 증가시키기 위한 환열기(recuperator); 상기 제 2 유입구와 상기 제 2 유출구 사이에 배치된 가스 터빈; 상기 상승된 온도 및 상기 상승된 압력에서 상기 공기를 포함하는 연소 혼합물, 및 상기 제 2 유입구로 도입되어 상기 가스 터빈을 구동하고 상기 제 2 유출구를 통해 배출되는 연료를 수용하기 위한 연소기; 상기 제 1 유입구와 상기 제 1 유출구 사이에 배치된 임펠러; 상기 임펠러를 구동시키고 유체를 상기 제 1 유입구로부터 상기 제 1 유출구로 이동시키도록 샤프트에 직접적으로 연결된 상기 가스 터빈 및 상기 임펠러를 갖는 유닛에 관한 것이다. 하나의 실시예에서, 가스 터빈은 고압 터빈 및 자유 동력 터빈을 포함하고, 상기 자유 동력 터빈 및 상기 임펠러는 공통 샤프트에 연결된다. 또 다른 실시예에서, 가스 터빈은 고압 터빈, 저압 터빈, 및 자유 동력 터빈을 포함하고, 상기 자유 동력 터빈 및 상기 임펠러는 공통 샤프트에 연결된다.
본 발명의 또 다른 양태는 집적된 가스 터빈 유닛에 관한 것이고, 상기 집적된 가스 터빈 유닛은: 동작 유체 유입구 및 동작 유체 유출구; 상기 동작 유체 유입구와 상기 동작 유체 유출구 사이에 배치된 임펠러; 공기의 압력을 상승시키기 위한 제 1 및 제 2 압축기; 상기 제 2 압축기 이전에 상기 공기의 온도를 감소시키기 위해 상기 제 1 및 제 2 압축기 사이에 배치된 인터쿨러; 상기 상승된 압력에서 상기 공기의 온도를 증가시키기 위한 환열기; 상기 상승된 압력 및 상승된 온도에서의 공기 및 바이오연료의 혼합물을 연소시키기 위해 유입구와 유출구 사이에 배치되어 상기 가스 터빈으로부터의 배기 가스로 가스 터빈을 구동하는 연소기; 상기 가스 터빈으로부터의 상기 배기 가스로부터 열을 회수하여 상기 상승된 압력 및 온도에서의 공기 및 바이오연료의 상기 혼합물을 예열하는 상기 환열기; 및 자유 동력 터빈 및 임펠러가 상기 동작 유체 유입구 및 상기 동작 유체 유출구 사이에서 동작 유체를 이동시키도록 상기 샤프트에 연결되는 회전축을 갖는 샤프트를 포함한다.
본 발명의 또 다른 양태는 가스 터빈으로 임펠러를 구동하는 방법에 관한 것이고, 상기 방법은: 인터쿨러 열 교환기로 공기를 냉각시키는 단계; 상기 냉각된 공기를 압축기에서 압축하는 단계; 상기 임펠러 및 자유 동력 터빈을 샤프트에 동축으로 연결하는 단계; 상기 가스 터빈 및 임펠러를 회전가능하게 구동하고 배기 가스를 생성하기 위해 상기 냉각된 압축 공기 및 연료의 혼합물을 연소시킴으로써 상기 가스 터빈을 회전 구동하는 단계; 및 상기 배기 가스로부터의 폐열을 환열기로 포획하여 상기 공기를 예열하는 단계를 포함한다.Another aspect of the present invention is to provide a method of driving an impeller in a gas turbine, the method comprising: coaxially connecting the impeller and the turbine; rotationally driving the gas turbine by rotatably driving the turbine and impeller and burning a mixture of air and fuel to produce exhaust gas; and preheating the air by capturing waste heat from the exhaust gas as it re-enters the gas turbine at a higher pressure ratio of 4.5 at higher temperatures of 1800 and 2000 degrees Fahrenheit compared to the inlet; It expands through the turbine to further move the working fluid by the impeller. The gas expanding through the gas turbine enters the power turbine at high pressure and high temperature to rotate the power turbine, which in turn variably rotates the shaft directly connected to the pump and the impeller of the blower to change the operating air of the fluid. convey
The higher pressure ratio of 4.5 mentioned above is the same as compared to atmospheric and is given as an example. Moreover, when considering the embodiments shown in FIGS. 14 to 19 of this specification, pressure ratios of 4.4 and 10 or more (compared to atmospheric) appear and are given as examples; This range is due, at least in part, to a configuration change utilizing the three shafts 2, 3 and 17 and the intercooler 31 described below. Further, the example temperature range of 1800 to 2000 degrees Fahrenheit mentioned above may extend to 1700 to 2100 degrees or more in the examples mentioned in the embodiments of FIGS. 14 to 19 .
Another aspect of the present invention is a first inlet and a first outlet; a second inlet and a second outlet; an impeller disposed between the first inlet and the first outlet; a compressor for increasing air pressure; a recuperator for increasing the temperature of the air at the elevated pressure; a gas turbine disposed between the second inlet and the second outlet; a combustor for receiving a combustion mixture comprising air at the elevated temperature and at the elevated pressure and fuel introduced into the second inlet to drive the gas turbine and discharged through the second outlet; an impeller disposed between the first inlet and the first outlet; A unit having the gas turbine and the impeller coupled directly to a shaft to drive the impeller and move fluid from the first inlet to the first outlet. In one embodiment, a gas turbine includes a high-pressure turbine and a free-running turbine, the free-running turbine and the impeller being coupled to a common shaft. In another embodiment, a gas turbine includes a high-pressure turbine, a low-pressure turbine, and a free-running turbine, wherein the free-running turbine and the impeller are coupled to a common shaft.
Another aspect of the invention relates to an integrated gas turbine unit comprising: a working fluid inlet and a working fluid outlet; an impeller disposed between the working fluid inlet and the working fluid outlet; first and second compressors for increasing air pressure; an intercooler disposed between the first and second compressors to reduce the temperature of the air before the second compressor; a heat exchanger for increasing the temperature of the air at the elevated pressure; a combustor disposed between the inlet and outlet to combust the mixture of air and biofuel at the elevated pressure and elevated temperature to drive a gas turbine with exhaust gas from the gas turbine; the recuperator for recovering heat from the exhaust gas from the gas turbine to preheat the mixture of air and biofuel at the elevated pressure and temperature; and a shaft having a rotational axis coupled to the shaft such that a free power turbine and an impeller move a working fluid between the working fluid inlet and the working fluid outlet.
Another aspect of the invention relates to a method of driving an impeller with a gas turbine, the method comprising: cooling air with an intercooler heat exchanger; compressing the cooled air in a compressor; coaxially coupling the impeller and the free-running turbine to a shaft; rotationally driving the gas turbine by rotatably driving the gas turbine and impeller and burning the mixture of cooled compressed air and fuel to produce exhaust gas; and capturing waste heat from the exhaust gas with a recuperator to preheat the air.
본 발명의 이들 및 다른 목적 및 특징은 다음 도면과 함께 설명될 것이다.These and other objects and features of the present invention will be explained in conjunction with the following figures.
다음의 상세한 설명은 첨부된 도면과 관련하여 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 가스 터빈 유닛(10)의 우측 전방 측 뷰로부터 취해진 사시도.
도 2는 가스 터빈 유닛(10)의 후방 우측 뷰로부터 취해진 사시도.
도 3은 가스 터빈 유닛(10)의 전면도.
도 4는 가스 터빈 송풍기 유닛(10)의 좌측면도.
도 5는 가스 터빈 송풍기 유닛(10)의 우측면도.
도 6은 가스 터빈 유닛(10)의 후면도.
도 7은 가스 터빈 유닛(10)의 상부 평면도.
도 8은 가스 터빈 유닛(10)의 하부 평면도.
도 9는 주요 부품을 갖는 장치에 장착된 회전자를 보여주는 도 4의 라인(9-9)을 따라 취해진 가스 터빈 송풍기 유닛(12)에 관한 본 발명의 하나의 실시예의 단면도.
도 10은 고압 가스 터빈에 의해 구동된 가스 터빈 압축기, 천연 가스 또는 바이오가스의 연소기, 자유 동력 터빈에 의해 구동된 단일 송풍기 임펠러 및 가스 터빈 유입구 온도를 증가시키기 위해 이용될 배기 가스로부터 열을 회수하는 환열기를 갖는 도 9에 도시된 가스 터빈 송풍기 유닛, 송풍기 시스템의 하나의 실시예의 개략도.
도 11은 도 7의 라인(11-11)을 따라 취해진 가스 터빈 펌프 유닛(16)에 관한 본 발명의 또 다른 실시예의 단면도.
도 12는 고압 가스 터빈에 의해 구동된 가스 터빈 압축기, 천연 가스 또는 바이오가스의 연소기, 자유 동력 터빈에 의해 구동된 단일 펌프 임펠러 및 가스 터빈 유입구 온도를 증가시키기 위해 이용될 배기 가스로부터 열을 회수하는 환열기를 갖는 도 11에 도시된 가스 터빈 펌프 유닛, 디바이스, 시스템의 또 다른 실시예의 개략도.
도 13은 본 발명의 효율 및 비용 절감의 하나의 예를 도시하는 차트.
도 14는 고압 가스 터빈에 의해 구동된 고 가스 터빈 압축기, 천연 가스 또는 바이오가스의 연소기, 자유 동력 터빈에 의해 구동된 단일 펌프 임펠러, 가스 터빈 유입구 온도를 증가시키기 위해 이용될 배기 가스로부터 열을 회수하는 환열기 및 고압 가스 터빈 압축기 이전의 인터쿨러를 갖는, 가스 터빈 송풍기 유닛의 또 다른 실시예의 개략도.
도 15는 도 14의 개략도에 도시된 실시예의 단면도.
도 16은 도 15의 사시 단면도.
도 17은 도 15의 정면도.
도 18은 유닛의 위로부터 그리고 하나의 측으로부터 취해진 도 14 내지 도 17에 도시된 또 다른 실시예의 사시도.
도 19는 유닛의 위로부터 그리고 하나의 측으로부터 취해진 도 14 내지 도 17에 도시된 또 다른 실시예의 사시도.The detailed description that follows will be better understood in conjunction with the accompanying drawings.
1 is a perspective view taken from a right front side view of a gas turbine unit 10;
2 is a perspective view taken from a rear right view of the gas turbine unit 10;
3 is a front view of the gas turbine unit 10;
4 is a left side view of the gas turbine blower unit 10;
5 is a right side view of the gas turbine blower unit 10;
6 is a rear view of the gas turbine unit 10;
7 is a top plan view of the gas turbine unit 10;
8 is a bottom plan view of the gas turbine unit 10;
FIG. 9 is a cross-sectional view of one embodiment of the present invention relating to a gas turbine blower unit 12 taken along line 9-9 of FIG. 4 showing the rotor mounted in the device with its major components.
10 shows a gas turbine compressor driven by a high-pressure gas turbine, a combustor of natural gas or biogas, a single blower impeller driven by a free-running turbine, and a system for recovering heat from the exhaust gas to be used to increase the gas turbine inlet temperature. A schematic diagram of one embodiment of a blower system, the gas turbine blower unit shown in FIG. 9 having a heat exchanger.
11 is a cross-sectional view of another embodiment of the present invention relating to gas turbine pump unit 16 taken along line 11-11 of FIG. 7;
12 shows a gas turbine compressor driven by a high-pressure gas turbine, a combustor of natural gas or biogas, a single pump impeller driven by a free-running turbine, and a system for recovering heat from the exhaust gas to be used to increase the gas turbine inlet temperature. Schematic diagram of another embodiment of a gas turbine pump unit, device, system shown in FIG. 11 with a recuperator.
13 is a chart showing one example of efficiency and cost reduction of the present invention.
14 shows a high gas turbine compressor driven by a high-pressure gas turbine, a combustor of natural gas or biogas, a single pump impeller driven by a free-running turbine, and recovering heat from the exhaust gas to be used to increase the gas turbine inlet temperature. Schematic diagram of another embodiment of a gas turbine blower unit, having a recuperator and an intercooler before the high pressure gas turbine compressor.
Fig. 15 is a cross-sectional view of the embodiment shown in the schematic diagram of Fig. 14;
Fig. 16 is a perspective sectional view of Fig. 15;
Fig. 17 is a front view of Fig. 15;
Fig. 18 is a perspective view of another embodiment shown in Figs. 14-17 taken from above and from one side of the unit;
Fig. 19 is a perspective view of another embodiment shown in Figs. 14-17 taken from above and from one side of the unit;
동일한 부분은 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호로 표시된다.Like parts are denoted by like reference numerals throughout the drawings.
본 발명의 2개의 특정 실시예가 하기에 설명될 것이다. 이들 실시예는 단지 본 발명의 예시이다. 엔지니어링 또는 디자인 프로젝트에서와 같이 임의의 이러한 실제 구현의 개발에서, 실시예마다 달라질 수 있는 개발자의 특정 목표를 성취하기 위해 많은 상세한 결정이 이루어져야 함이 이해되어야 한다.Two specific embodiments of the present invention will be described below. These examples are merely illustrative of the present invention. It should be understood that in the development of any such actual implementation, such as in an engineering or design project, many detailed decisions must be made to achieve the developer's specific goals, which may vary from embodiment to embodiment.
하기에 논의된 실시예는 자유 동력 터빈에 의해 구동된 회전자 속도를 감소 또는 증가시키기 위한 선택적 기어박스(gearbox)(13), 선택적 열 교환기(27) 및 환열기(60)로부터 배기 가스 다운 스트림으로부터의 폐열을 회수하기 위한 선택적 발전기 또는 냉각 냉동기(29)를 포함할 수 있다.The embodiments discussed below include an optional gearbox 13 for reducing or increasing the rotor speed driven by the free power turbine, an optional heat exchanger 27 and an exhaust gas downstream from the recuperator 60. may include an optional generator or refrigerant chiller 29 to recover waste heat from the
도 1 내지 도 8은 가스 터빈 모듈(12), 연소 공기 유입구(14), 송풍기 또는 펌프 모듈(16), 배기 플리넘(exhaust plenum)(18), 배기 유출구(20) 및 유입구(22)를 갖는 가스 터빈 유닛 또는 디바이스(10)에 관한 본 발명의 하나의 실시예를 일반적으로 도시한다. 하나의 실시예에서, 유입구(22)는 송풍기(26)에 대한 공기 유입구 또는 제 1 유입구, 또는 동작 유체 유입구(24)이다. 본 명세서에서 설명될 제 2 실시예에서, 유입구(22)는 본 명세서에서 설명될 펌프(40)에 대한 물 유입구(28)이다.1-8 show a gas turbine module 12, combustion air inlet 14, blower or pump module 16, exhaust plenum 18, exhaust outlet 20 and inlet 22. It generally illustrates one embodiment of the present invention relating to a gas turbine unit or device 10 having In one embodiment, inlet 22 is an air inlet or primary inlet to blower 26, or a working fluid inlet 24. In the second embodiment described herein, the inlet 22 is the water inlet 28 for the pump 40 described herein.
가스 터빈 디바이스(10)는 또한, 유출구 또는 제 1 유출구 또는 동작 유체 유출구(32)를 포함한다.The gas turbine device 10 also includes an outlet or first outlet or working fluid outlet 32 .
하나의 실시예에서, 제 1 유출구 또는 동작 유체 유출구(32)는 공기 유출구(34)이다. 더 구체적으로, 송풍기 유입구(24)를 통한 공기는 송풍기 임펠러(37)에 의해 압축되고 그 다음, 송풍기 스크롤 또는 볼류트 채널(volute channel)(36)을 통해 배출된다.In one embodiment, the first outlet or working fluid outlet 32 is an air outlet 34 . More specifically, air through the blower inlet 24 is compressed by the blower impeller 37 and then expelled through the blower scroll or volute channel 36 .
예를 들면, 도 7에 도시된 또 다른 실시예에서, 가스 터빈 유닛(10)은 물 유입구(28), 펌프 임펠러(40) 및 물 유출구(42)를 포함한다.For example, in another embodiment shown in FIG. 7 , the gas turbine unit 10 includes a water inlet 28 , a pump impeller 40 and a water outlet 42 .
본 명세서에서 설명된 바와 같은 어셈블리의 집적은 에너지 효율적인 송풍기/펌프 시스템(10)을 생산할 뿐만 아니라, 크기 및 디자인이 소형인 유닛(10)을 제공한다. 하나의 실시예에서, 예를 들면 도 9에 도시된 바와 같은 유닛의 폭은 39인치, 높이는 37인치 일 수 있다. 그러나, 이러한 치수는 다른 소형 크기가 1,000 내지 50,000 SCFM 범위의 정격 유량 및 0.5 내지 1.2 기압의 배출 압력을 달성하기 위한 크기 요구조건에 의존하여 경험될 수 있기 때문에 단지 예로서 주어진다.Integration of assemblies as described herein not only produces an energy efficient blower/pump system 10, but also provides a unit 10 that is compact in size and design. In one embodiment, for example, a unit as shown in FIG. 9 may be 39 inches wide and 37 inches high. However, these dimensions are given only as examples as other smaller sizes may be experienced depending on the size requirements to achieve rated flow rates in the range of 1,000 to 50,000 SCFM and discharge pressures of 0.5 to 1.2 atm.
도 1, 도 2, 도 3, 도 4, 도 5, 도 6, 도 8, 도 9 및 도 10은 일반적으로, 원심 송풍기 임펠러(37), 가스 터빈 축방향 및/또는 원심 압축기(50), 천연 가스 또는 바이오가스 연소기(70), 고압 축방향 및/또는 방사형 가스 터빈(80), 축방향 및/또는 방사형 자유 동력 터빈(90) 및 환열기 또는 열 교환기(60)를 포함하는 가스 터빈 송풍기 시스템(12)의 하나의 실시예를 도시한다.1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9 and 10 generally show a centrifugal blower impeller 37, a gas turbine axial and/or centrifugal compressor 50, A gas turbine blower comprising a natural gas or biogas combustor (70), a high pressure axial and/or radial gas turbine (80), an axial and/or radial free power turbine (90) and a recuperator or heat exchanger (60). One embodiment of system 12 is shown.
송풍기 측 상에서, 송풍기 유입구(24)를 통한 공기는 송풍기 임펠러(37)에 의해 압축되고, 그 다음 그것은 송풍기 스크롤(36)을 나온 후에 유출구(34)로 배출된다. 송풍기 임펠러(37)는 공통 샤프트 또는 축(17)을 통해 자유 동력 터빈(90)에 의해 구동된다.On the blower side, the air through the blower inlet 24 is compressed by the blower impeller 37 and then it exits the blower scroll 36 and then exits the outlet 34 . The blower impeller 37 is driven by a free power turbine 90 via a common shaft or shaft 17.
가스 터빈 측 상에서, 공기는 유입구(14)를 통과하고; 압축기(50)에 의해, 예를 들면, 4 내지 5 압력비의 주위 압력보다 상승된 압력으로 압축되며 그 지점에서, 공기는 공기 온도를 증가시키는 환열기(60)로 들어가게 된다. 가열된 공기는 연소기(70)에서 천연 가스/바이오가스의 연료와 함께 연소되고, 고압 가스 터빈(80)에서 고압 및 온도 가스가 팽창되며 그 다음, 자유 동력 터빈(90)에서 가스가 다시 팽창된다. 마지막으로, 가스는 연소기(70) 이전에 공기에 대한 열을 회수하는 환열기(60)로부터 배출된다. 압축기(50)는 공통 샤프트 또는 축(2)을 통해 고압 가스 터빈(80)에 의해 구동된다.On the gas turbine side, air passes through the inlet 14; It is compressed by compressor 50 to a pressure above ambient pressure of, for example, a pressure ratio of 4 to 5, at which point the air enters a recuperator 60 which increases the air temperature. The heated air is combusted with fuel of natural gas/biogas in a combustor (70), the high pressure and temperature gas is expanded in a high pressure gas turbine (80) and then the gas is expanded again in a free power turbine (90). . Finally, the gas exits the recuperator 60 which recovers heat to the air prior to the combustor 70. Compressor 50 is driven by high-pressure gas turbine 80 via a common shaft or shaft 2.
도 10은 도 1, 도 2, 도 3, 도 4, 도 5, 도 6, 도 8 및 도 9에 도시된 가스 터빈 송풍기 시스템(12)의 하나의 실시예를 도시한다. 송풍기(37)의 공기 흐름 유입구(24)는 하나의 예에서, 분당 대략 3000 내지 15000 입방 피트(CFM)이다. 하나의 예에서, 유출구(34)를 통한 배출 공기는 폐수 처리 시스템에 대해 1.2 내지 1.5 압력비이다.FIG. 10 illustrates one embodiment of the gas turbine blower system 12 shown in FIGS. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8 and 9 . The air flow inlet 24 of the blower 37 is, in one example, approximately 3000 to 15000 cubic feet per minute (CFM). In one example, the exhaust air through outlet 34 has a pressure ratio of 1.2 to 1.5 for the wastewater treatment system.
자유 동력 터빈(90)은 동작 유체의 요구조건을 충족시키는 동력을 제공한다. 도면에 도시된 바와 같이, 자유 터빈(90)은 단일 스테이지 축 터빈이지만, 그것은 단일 방사형 터빈일 수 있거나 다수의 팽창 스테이지를 가질 수 있다.Free power turbine 90 provides power to meet the requirements of the working fluid. As shown in the figure, free turbine 90 is a single stage axial turbine, but it may be a single radial turbine or may have multiple expansion stages.
컴퓨터 등과 같은 제어기(21)는 배출 공기(34)의 요구조건에 의존하여 천연 가스/바이오가스(25) 및 압축기(50)의 공기 흐름 유입구(14)의 연료를 조정하기 위해 이용된다. 송풍기 임펠러(37)의 속도를 감소 또는 증가시키기 위해, 선택적 기어박스(13)는 송풍기(37)와 자유 동력 터빈(90) 사이의 샤프트 또는 회전축(17) 상에 설치될 수 있다. 에너지 효율을 또한 증가시키기 위해, 선택적 열 교환기(27) 및 선택적 발전기 또는 냉동기 시스템(29)은 환열기(60)의 배출구에 설치될 수 있다.A controller 21 such as a computer or the like is used to adjust the fuel in the air flow inlet 14 of the compressor 50 and the natural gas/biogas 25 depending on the requirements of the exhaust air 34 . To reduce or increase the speed of the blower impeller 37, an optional gearbox 13 may be installed on the shaft or axis of rotation 17 between the blower 37 and the free power turbine 90. To further increase energy efficiency, an optional heat exchanger (27) and an optional generator or chiller system (29) may be installed at the outlet of the heat exchanger (60).
도 1, 도 2, 도 3, 도 4, 도 6, 도 7, 도 8, 도 11 및 도 12는 일반적으로, 펌프 임펠러(40), 가스 터빈 축방향 및/또는 원심 압축기(50), 천연 가스 또는 바이오가스 연소기(70), 고압 축방향 및/또는 방사형 터빈(80), 축방향 및/또는 방사형 자유 동력 터빈(90) 및 환열기(60)를 포함하는 가스 터빈 펌프 유닛, 디바이스 및 시스템(16)에 관한 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한다.1, 2, 3, 4, 6, 7, 8, 11 and 12 generally show a pump impeller 40, a gas turbine axial and/or centrifugal compressor 50, a natural Gas turbine pump units, devices and systems comprising a gas or biogas combustor (70), a high pressure axial and/or radial turbine (80), an axial and/or radial free power turbine (90) and a recuperator (60). Another embodiment of the present invention relating to (16) is shown.
펌프 측 상에서, 펌프 유입구(28)를 통한 물은 펌프 임펠러(40)에 의해 압축되고 그 다음, 그것은 펌프 스크롤 또는 볼류트 통로(36)를 나온 후에 유출구(42)로 배출된다. 펌프 임펠러(40)는 공통 샤프트 또는 축(17)을 통해 자유 동력 터빈(90)에 의해 구동된다.On the pump side, water through the pump inlet 28 is compressed by the pump impeller 40 and then it exits the pump scroll or volute passage 36 and then exits the outlet 42 . The pump impeller 40 is driven by a free power turbine 90 via a common shaft or shaft 17.
도 12는 블록도 상의 다른 옵션을 갖는 가스 터빈 펌프 유닛, 디바이스 및 시스템(16)에 관한 도 1, 도 2, 도 3, 도 4, 도 6, 도 7, 도 8, 도 11에서 설명된 본 발명의 실시예를 도시한다. 펌프 임펠러(40)의 물 흐름 유입구(28)는 예를 들면, 분당 대략 15,000 내지 50,000 갤런(GPM)일 수 있고, 유출구(42)를 통한 배출수에는 폐수 처리 시스템의 요구요건을 충족시키기 위해 가변 압력비가 제공된다. 제어기(21)는 유출구(42)를 통한 배출수의 요구조건에 의존하여 천연 가스/바이오가스(25) 및 압축기(50)의 공기 흐름 유입구(14)의 연료를 조정하기 위해 이용된다. 펌프 임펠러(40)의 속도를 감소 또는 증가시키기 위해, 선택적 기어박스(13)는 펌프(40)와 자유 동력 터빈(90) 사이의 샤프트 또는 축(17) 상에 설치될 수 있다. 에너지 효율을 또한 증가시키기 위해, 선택적 열 교환기(27) 및 선택적 전기 발전기 또는 냉동기 시스템(29)이 환열기(60)의 배출구에 설치될 수 있다.FIG. 12 shows the present invention described in FIGS. 1 , 2 , 3 , 4 , 6 , 7 , 8 , 11 of a gas turbine pump unit, device and system 16 with different options on a block diagram. An embodiment of the invention is shown. The water flow inlet 28 of pump impeller 40 may be, for example, approximately 15,000 to 50,000 gallons per minute (GPM), and the discharge through outlet 42 may have a variable pressure to meet the requirements of the wastewater treatment system. Rain is provided. The controller 21 is used to regulate the fuel in the air flow inlet 14 of the compressor 50 and the natural gas/biogas 25 depending on the requirements of the discharge water through the outlet 42 . To reduce or increase the speed of the pump impeller 40, an optional gearbox 13 may be installed on the shaft or shaft 17 between the pump 40 and the free-power turbine 90. To further increase energy efficiency, an optional heat exchanger 27 and an optional electric generator or chiller system 29 may be installed at the outlet of the recuperator 60.
또한, 도 13은 본 명세서에서 설명된 바와 같은 가스 터빈 시스템(10) 대 이전에 이용된 전통적인 방법의 전통적인 전기 모터 옵션을 활용함으로써 효율 및 비용 절감을 도시하는 차트이다.13 is a chart illustrating efficiency and cost savings by utilizing the traditional electric motor option of a conventional method previously employed versus a gas turbine system 10 as described herein.
특히, 도 13은 몇몇 주 즉, 플로리다, 텍사스 및 캘리포니아에서의 전기 모터 옵션의 운영 비용 대 플로리다, 텍사스 및 캘리포니아에서 동일한 위치에 대해 본 명세서에서 설명된 바와 같은 가스 터빈 시스템(10)의 운영 비용의 하나의 예를 도시하고, 이것은 천연 가스로 시스템을 구동하기 위해 플로리다에서 31%의 비용 절감, 텍사스에서 40%의 비용 절감 그리고 캘리포니아에서 33%의 비용 절감을 보여주었으며; 현재의 전기 비용 및 천연 가스 가격의 역사적으로 높은 레벨의 비용에 기초한다. 바이오가스가 천연 가스에 부가될 때 절감이 현저히 높아질 것이며, 시스템이 바이오가스만으로 동작되면 더 그러하다.
도 14 내지 도 19는 유사한 부분이 상기 내용과 동일한 부호로 번호가 매겨지는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한다.
상기 설명된 부품에 더하여 도 14는 공통 샤프트(2) 상에서 고압 터빈(80)과 연결되는 고압 가스 터빈 압축기(51)를 보여준다. 도 14에 도시된 실시예는 또한, 저압 가스 터빈 압축기(53)를 포함하고, 상기 압축기는 공통 샤프트(3) 상에서 저압 터빈(81)과 연결된다. 자유 동력 터빈(90)은 샤프트(17)에 의해 저 송풍기 임펠러(37)에 연결된다. 또한, 도 14에 도시된 실시예는 저압 가스 터빈 압축기(53)와 고압 가스 터빈 압축기(51) 사이에 배치된 인터쿨러(31)를 포함한다.
유입구 공기(14)의 냉각은 인터쿨러(31)에 의해 2개의 압축기 스테이지(51 및 53) 사이에서 발생한다. 이것은 고압 터빈 압축기(51)에서의 냉각된 공기(14)가 가열된 공기보다 쉽게 압축될 것이기 때문에 유닛의 효율을 개선한다. 고압 가스 터빈 압축기(51) 이후에, 공기는 그 다음, 공기가 연소기(70)에 유입하기 이전에 환열기 또는 열 교환기(60)에 의해 가열되고 따라서, 공기가 더 높은 온도에 있다면, 공기 및 천연 가스(바이오가스) 혼합물을 연소시키기 위해 더 적은 열 입력이 요구될 것이므로 다시 효율적으로 개선된다.
또한, 도 14 내지 도 19에 도시된 실시예는 도시된 바와 같이 이중 유입구 설계를 갖는 동력 터빈의 최적화를 도시한다. 도시된 바와 같은 설계는 또한, 흐름 분할 최적화 뿐만 아니라, 과거에 우선시한 냉각 흐름 최적화를 도시한다.
게다가, 도시된 바와 같은 터빈은 효율적인 제조를 위해 적층 제조(3D 인쇄)를 위한 적합한 후보이다.
도 14 내지 도 19에 도시된 실시예는 인터쿨러, 환열기 및 CMHP(예를 들면, 230KW 내지 1.2MW의 범위에 대한)를 통해 고 체적의 공기를 전달하는 고효율의 인터쿨링되고 환열된 가스 터빈 구동 터보 송풍기를 도시한다.
유닛은 전기 또는 화석 연료 대신에 바이오가스(부산물(WWTP)인) 및/또는 천연 가스에 의해 동작가능하고, 이는 더 낮은 배출가스를 가져서, 바이오가스로 최대 80% 그리고 천연 가스로 40%의 운영비를 감소시킨다. 도시된 유닛은 또한, 오래된 그리고 기존 기술을 개조하기 위해 이용될 수 있다.
본 발명의 다른 장점은 다음을 포함한다:
- 시스템은 종래의 전기 송풍기를 대체할 수 있다; 유닛은 전기 모터 대신에 가스 터빈 엔진에 의해 동력을 공급받기 때문에 전기 그리드에 대한 의존도를 감소시킨다.
- 에너지 소비를 감소시킨다.
- 오염 배출가스가 적은 바이오가스의 연소를 허용하고, 클린 동력을 제공하며 WWTP에 대한 플레어링을 방지하는 연료 가요성(fuel-flexible) 클린 연소기의 이용.
- 운영 비용 감소.
예로서
하나의 실시예에서, 저압 압축기(53)는 대기에 비해 약 3의 압축비, 및 유입구 온도(293K)에 대해 약 125K(235F)의 온도 상승을 갖는다. 인터쿨러(31)는 ~ 418K(125 + 293)의 온도를 유입구 온도(293K)로 다시 감소시킨다. 고압 압축기(51)는 약 3의 압력비, 및 유입구 온도에 대해 약 125K(235F)의 온도 상승을 갖는다. 설명된 가스 터빈 유닛(PR=9)의 총 압력비(PR)는 저압 압축기(53)의 PR과 동일하다. 고압 압축기(51)의 PR의 배수; 즉 PR = 3 x 3 = 9이다. 압력 상승은 2개의 압력기 스테이지 사이에 거의 균등하게 분산된다. 도 14 내지 도 19에서 설명된 3개의 터빈에 대해, 유사한 논리가 적용된다. 압력비는 터빈 스테이지 사이에 균등하게 가깝게 분산된다. PR 싱글 스테이지 = 2.08이고, PR 머신 = 2.08 x 2.08 x 2.08이다.
저압 가스 터빈 압축기(53)는 대기로부터 공기를 끌어모으고 예를 들면, 3배의 대기에서 공기를 전달한다. 고압 가스 터빈 압축기(51)는 예를 들면, 3배의 대기로부터 9배의 대기로 공기를 전달한다.
자유 동력 터빈(90)이라는 용어는 당업자에게 잘 알려진 용어이고 일반적으로 송풍기 임펠러에 동력을 공급하는 것을 언급한다.In particular, FIG. 13 shows the operating cost of an electric motor option in several states, Florida, Texas and California versus the operating cost of a gas turbine system 10 as described herein for the same location in Florida, Texas and California. Illustrating one example, it shows a 31% cost savings in Florida, a 40% cost savings in Texas and a 33% cost savings in California to run a system with natural gas; Based on the historically high level of cost of current electricity costs and natural gas prices. The savings will be significantly higher when biogas is added to natural gas, especially if the system is operated with biogas only.
14 to 19 show another embodiment of the present invention in which like parts are numbered with the same reference numerals as above.
In addition to the components described above, FIG. 14 shows a high pressure gas turbine compressor 51 connected with the high pressure turbine 80 on a common shaft 2 . The embodiment shown in FIG. 14 also includes a low pressure gas turbine compressor 53 , which is connected to the low pressure turbine 81 on a common shaft 3 . The free power turbine 90 is connected to the lower blower impeller 37 by means of a shaft 17 . The embodiment shown in FIG. 14 also includes an intercooler 31 disposed between the low pressure gas turbine compressor 53 and the high pressure gas turbine compressor 51 .
Cooling of the inlet air 14 takes place between the two compressor stages 51 and 53 by means of an intercooler 31 . This improves the efficiency of the unit because the cooled air 14 in the high pressure turbine compressor 51 will be more easily compressed than the heated air. After the high-pressure gas turbine compressor 51, the air is then heated by a recuperator or heat exchanger 60 before the air enters the combustor 70 and thus, if the air is at a higher temperature, the air and Efficiency again improves as less heat input will be required to burn the natural gas (biogas) mixture.
Further, the embodiments shown in FIGS. 14-19 illustrate the optimization of a power turbine with a dual inlet design as shown. The design as shown also shows prioritized cooling flow optimization in the past, as well as flow split optimization.
Moreover, a turbine as shown is a suitable candidate for additive manufacturing (3D printing) for efficient manufacturing.
The embodiment shown in FIGS. 14-19 is a highly efficient intercooled and reheated gas turbine drive that delivers a high volume of air through an intercooler, a heat exchanger and a CMHP (e.g. for a range of 230 KW to 1.2 MW). It shows a turbo blower.
The unit can be operated on biogas (which is a by-product (WWTP)) and/or natural gas instead of electricity or fossil fuel, which has lower emissions, operating costs of up to 80% with biogas and 40% with natural gas. reduces The units shown can also be used to retrofit old and existing technology.
Other advantages of the present invention include:
- The system can replace conventional electric blowers; The unit is powered by a gas turbine engine instead of an electric motor, reducing dependence on the electrical grid.
- reduce energy consumption;
- Utilization of fuel-flexible clean combustors that allow combustion of biogas with low polluting emissions, provide clean power and prevent flaring on WWTPs.
- Reduced operating costs.
as an example
In one embodiment, the low pressure compressor 53 has a compression ratio of about 3 relative to atmospheric, and a temperature rise of about 125K (235F) to an inlet temperature (293K). Intercooler 31 reduces the temperature of -418K (125 + 293) back to the inlet temperature (293K). The high-pressure compressor 51 has a pressure ratio of about 3 and a temperature rise of about 125K (235F) to the inlet temperature. The total pressure ratio PR of the described gas turbine unit PR = 9 is equal to the PR of the low pressure compressor 53 . multiple of the PR of the high-pressure compressor 51; That is, PR = 3 x 3 = 9. The pressure rise is distributed almost evenly between the two pressurizer stages. For the three turbines described in Figures 14-19, similar logic applies. The pressure ratio is equally distributed among the turbine stages. PR single stage = 2.08, and PR machine = 2.08 x 2.08 x 2.08.
The low pressure gas turbine compressor 53 draws air from the atmosphere and delivers air from, for example, three times the atmosphere. The high-pressure gas turbine compressor 51 transfers air from, for example, 3 times the atmosphere to 9 times the atmosphere.
The term free power turbine 90 is a term well known to those skilled in the art and generally refers to the one that powers the blower impeller.
Claims (20)
(a) 동작 유체 유입구 및 동작 유체 유출구;
(b) 공기 유입구 및 배기 유출구;
(c) 상기 동작 유체 유입구와 상기 동작 유체 유출구 사이에 배치된 임펠러(impeller);
(d) 공기의 압력을 상승시키기 위한 제1 압축기 및 제2 압축기로서, 상기 제1 압축기는 제1 공통 샤프트를 통해 저압 터빈에 의해 구동되고, 상기 제2 압축기는 제2 공통 샤프트를 통해 고압 터빈에 의해 구동되는, 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기;
(e) 상기 상승된 압력에서 상기 공기의 온도를 증가시키기 위한 환열기(recuperator);
(f) 상기 공기 유입구와 상기 배기 유출구 사이에 배치된 가스 터빈으로서, 상기 저압 터빈, 상기 고압 터빈 및 자유 동력 터빈(free powered turbine)을 포함하는 상기 가스 터빈; 및
(g) 상기 상승된 온도 및 상기 상승된 압력의 상기 공기 및 연료를 포함하는 연소 혼합물을 수용하여, 상기 가스 터빈을 구동하고 상기 배기 유출구를 통해 배출하는 연소기;를 포함하고,
(h) 상기 자유 동력 터빈은 상기 저압 터빈으로부터의 배기가스에 의해 구동되고;
(i) 상기 환열기는 상기 자유 동력 터빈으로부터의 배기가스에서 열을 회수하여 상기 연소 혼합물을 예비 가열하고;
(j) 상기 자유 동력 터빈 및 상기 임펠러는 제3 공통 샤프트에 연결되어 상기 임펠러를 구동시키고 상기 동작 유체를 상기 동작 유체 유입구로부터 상기 동작 유체 유출구로 이동시키는, 유닛.For units:
(a) a working fluid inlet and a working fluid outlet;
(b) an air inlet and an exhaust outlet;
(c) an impeller disposed between the working fluid inlet and the working fluid outlet;
(d) a first compressor and a second compressor for raising the pressure of air, the first compressor being driven by a low pressure turbine through a first common shaft and the second compressor being driven by a high pressure turbine through a second common shaft; driven by the first compressor and the second compressor;
(e) a recuperator for increasing the temperature of the air at the elevated pressure;
(f) a gas turbine disposed between the air inlet and the exhaust outlet, the gas turbine including the low pressure turbine, the high pressure turbine and a free powered turbine; and
(g) a combustor receiving a combustion mixture comprising air and fuel at the elevated temperature and pressure, driving the gas turbine and discharging it through the exhaust outlet;
(h) the free power turbine is driven by exhaust gas from the low pressure turbine;
(i) the recuperator recovers heat from the exhaust gas from the free power turbine to preheat the combustion mixture;
(j) the free power turbine and the impeller are coupled to a third common shaft to drive the impeller and move the working fluid from the working fluid inlet to the working fluid outlet.
상기 동작 유체가 공기일 때 상기 임펠러는 공기 송풍기인, 유닛.According to claim 1,
wherein the impeller is an air blower when the working fluid is air.
상기 동작 유체가 물일 때 상기 임펠러는 펌프인, 유닛.According to claim 1,
wherein the impeller is a pump when the working fluid is water.
상기 제1 압축기 및 제2 압축기 사이의 상기 공기를 냉각시키기 위하여 상기 제1 압축기 및 제2 압축기 사이에 배치되는 인터쿨러(intercooler)를 포함하는, 유닛.According to claim 1,
and an intercooler disposed between the first and second compressors to cool the air between the first and second compressors.
상기 연료는 천연 가스 및 바이오가스의 그룹으로부터 선택되는, 유닛.According to claim 4,
wherein the fuel is selected from the group of natural gas and biogas.
상기 임펠러 및 상기 자유 동력 터빈 사이에 배치되는 기어박스를 포함하는, 유닛.According to claim 5,
and a gearbox disposed between the impeller and the free power turbine.
상기 환열기 하류에 배치되는 열 교환기를 포함하는, 유닛.According to claim 6,
and a heat exchanger disposed downstream of the recuperator.
상기 환열기 하류에 배치되는 발전기 또는 냉동기를 포함하는, 유닛.According to claim 7,
and a generator or chiller disposed downstream of the recuperator.
(a) 동작 유체 유입구 및 동작 유체 유출구;
(b) 공기 유입구 및 배기 유출구;
(c) 상기 동작 유체 유입구와 상기 동작 유체 유출구 사이에 배치된 임펠러;
(d) 공기의 압력을 상승시키기 위한 제1 압축기 및 제2 압축기로서, 상기 제1 압축기는 제1 공통 샤프트를 통해 제1 압축 터빈에 의해 구동되고, 상기 제2 압축기는 제2 공통 샤프트를 통해 제2 압축 터빈에 의해 구동되는, 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기;
(e) 상기 제2 압축기 이전에 상기 공기의 온도를 감소시키기 위해 상기 제1 압축기 및 제2 압축기 사이에 배치된 인터쿨러;
(f) 상기 상승된 압력에서 상기 공기의 온도를 증가시키기 위한 환열기;
(g) 상기 공기 유입구와 상기 배기 유출구 사이에 배치된 가스 터빈으로서, 상기 제1 압축 터빈, 상기 제2 압축 터빈 및 자유 동력 터빈을 포함하는 상기 가스 터빈; 및
(h) 상기 상승된 온도 및 상기 상승된 압력의 상기 공기 및 연료를 포함하는 연소 혼합물을 수용하여, 상기 가스 터빈을 구동하고 상기 배기 유출구를 통해 배출하는 연소기;를 포함하고,
(i) 상기 제1 압축 터빈은 상기 제2 압축 터빈과 연통되고,
(j) 상기 환열기는 상기 자유 동력 터빈으로부터의 배기가스에서 열을 회수하여 상기 연소 혼합물을 예비 가열하고;
(k) 상기 자유 동력 터빈 및 상기 임펠러는 제3 공통 샤프트에 연결되어 상기 임펠러를 구동시키고 상기 동작 유체를 상기 동작 유체 유입구로부터 상기 동작 유체 유출구로 이동시키는, 집적된 가스 터빈 유닛.In the integrated gas turbine unit:
(a) a working fluid inlet and a working fluid outlet;
(b) an air inlet and an exhaust outlet;
(c) an impeller disposed between the working fluid inlet and the working fluid outlet;
(d) a first compressor and a second compressor for increasing the pressure of air, the first compressor driven by a first compression turbine through a first common shaft and the second compressor through a second common shaft; said first compressor and said second compressor driven by a second compression turbine;
(e) an intercooler disposed between the first and second compressors to reduce the temperature of the air before the second compressor;
(f) a heat exchanger for increasing the temperature of the air at the elevated pressure;
(g) a gas turbine disposed between said air inlet and said exhaust outlet, said gas turbine comprising said first compression turbine, said second compression turbine and a free-running turbine; and
(h) a combustor receiving a combustion mixture comprising air and fuel at the elevated temperature and elevated pressure, driving the gas turbine and discharging it through the exhaust outlet;
(i) the first compression turbine is in communication with the second compression turbine;
(j) the recuperator recovers heat from the exhaust gas from the free power turbine to preheat the combustion mixture;
(k) wherein the free power turbine and the impeller are coupled to a third common shaft to drive the impeller and move the working fluid from the working fluid inlet to the working fluid outlet.
샤프트를 통해 상기 임펠러와 상기 자유 동력 터빈을 동축으로 연결하는 단계;
제1 공통 샤프트를 통해 제1 압축 터빈에 연결되는 제1 압축기에서 공기의 압력을 상승시키고 이어 제2 공통 샤프트를 통해 연결되는 제2 압축 터빈에 의해 구동되는 제2 압축기를 통해 상기 공기의 압력을 상승시키는 단계;
상기 자유 동력 터빈을 회전 구동하는 단계로서, 공기 및 연료의 혼합물을 연소시킴으로써 상기 제1 압축 터빈 및 상기 제2 압축 터빈을 회전 가능하게 구동하고 상기 제1 압축 터빈 및 상기 제2 압축 터빈으로부터의 배기가스를 상기 자유 동력 터빈으로 향하도록 하여 상기 샤프트를 따라 상기 자유 동력 터빈 및 임펠러를 회전 가능하게 구동하는 상기 자유 동력 터빈을 회전 구동하는 단계;
상기 자유 동력 터빈으로부터의 폐열을 환열기로 포획(capture)하여 상기 공기를 예열하는 단계; 및
상기 임펠러를 동작 유체 유입구 및 동작 유체 유출구 사이에 배치하는 단계를 포함하는, 자유 동력 터빈으로 임펠러를 구동하는 방법.A method for driving an impeller with a free power turbine:
coaxially connecting the impeller and the free power turbine through a shaft;
The air pressure is raised in a first compressor connected to a first compression turbine through a first common shaft and then the air pressure is reduced through a second compressor driven by a second compression turbine connected through a second common shaft. elevating step;
driving the free-powered turbine to rotate, rotatably driving the first compression turbine and the second compression turbine by burning a mixture of air and fuel and exhaust from the first compression turbine and the second compression turbine; rotationally driving the free power turbine by directing gas to the free power turbine to rotatably drive the free power turbine and impeller along the shaft;
preheating the air by capturing waste heat from the free power turbine into a recuperator; and
Disposing the impeller between a working fluid inlet and a working fluid outlet.
상기 제1 압축기 및 제2 압축기 사이에 배치되는 인터쿨러 열 교환기로 상기 공기를 냉각시키는 단계를 포함하는, 방법.According to claim 10,
cooling the air with an intercooler heat exchanger disposed between the first compressor and the second compressor.
상기 동작 유체가 공기일 때 상기 임펠러는 공기 송풍기인, 방법.According to claim 11,
wherein the impeller is an air blower when the working fluid is air.
상기 동작 유체가 물일 때 상기 임펠러는 펌프인, 방법.According to claim 11,
wherein the impeller is a pump when the working fluid is water.
상기 연료는 천연 가스 및 바이오 연료의 그룹으로부터 선택되는, 방법.According to claim 11,
wherein the fuel is selected from the group of natural gas and biofuels.
상기 제1 압축 터빈은 저압 터빈이고 상기 제2 압축 터빈은 고압 터빈인, 방법.According to claim 11,
wherein the first compression turbine is a low pressure turbine and the second compression turbine is a high pressure turbine.
상기 제1 압축기는 저압 압축기이고 상기 제2 압축기는 고압 압축기인, 집적된 가스 터빈 유닛.
According to claim 9,
wherein the first compressor is a low pressure compressor and the second compressor is a high pressure compressor.
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