(57)【要約】      （修正有）【課題】本発明の目的は、改良されたガスタービンエンジンを提供すること、特に改良された曝気ブロワ及びポンプを提供することである。【解決手段】燃料としての天然ガスとバイオガスの組み合わせで作動し、熱回収システムと組み合わされた高効率ターボブロワ又は高効率ターボポンプシステムのいずれかを駆動する低排ガス高効率ガスタービンエンジンであり、他の実施形態では、排ガス中に残っている廃熱を利用する発電機又は蒸発冷却を提供する。【選択図】図１４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）第１の入口及び第１の出口と、
（ｂ）第２の入口及び第２の出口と、
（ｃ）前記第１の入口と前記第１の出口の間に配置されたインペラーと、
（ｄ）空気の圧力を上昇させるための圧縮機と、
（ｅ）上昇した圧力で前記空気の温度を上昇させるための復熱装置と、
（ｆ）前記第２の入口と前記第２の出口の間に配置されたガスタービンと、
（ｇ）前記第２の入口に導入されて前記ガスタービンを駆動して前記第２の出口を通して排気される、温度及び圧力が上昇した前記空気と燃料とを含む燃焼混合気を受け取る燃焼器と、
（ｈ）前記第１の入口と前記第１の出口の間に配置されたインペラーと、
を有し、
（ｉ）前記ガスタービン及び前記インペラーは、前記インペラーを駆動して前記第１の入口から前記第１の出口へ流体を移動させるようにシャフトに直接接続されている、
ユニット。
【請求項２】
前記流体が空気であり、前記インペラーが空気ブロワである、請求項１に記載のユニット。
【請求項３】
前記流体が水であり、前記インペラーがポンプである、請求項１に記載のユニット。
【請求項４】
前記燃焼混合気が、空気と、天然ガス及びバイオガスの群から選択されたガスとを含む、請求項５に記載のユニット。
【請求項５】
前記ガスタービンは高圧タービンとフリーパワータービンとを含み、前記フリーパワータービン及び前記インペラーは共通のシャフトに接続されている、請求項４に記載のユニット。
【請求項６】
前記ガスタービンは、高圧タービンと低圧タービンとフリーパワータービンとを含み、前記フリーパワータービン及び前記インペラーは共通のシャフトに接続されている、請求項１に記載のユニット。
【請求項７】
前記圧縮機による圧縮の間に前記空気の温度を下げるためのインタークーラーを含む、請求項６に記載のユニット。
【請求項８】
前記排気からエネルギーを取り出して前記空気を予熱するための復熱装置を含む、請求項７に記載のユニット。
【請求項９】
（ａ）作動流体入口及び作動流体出口と、
（ｂ）前記作動流体入口と前記作動流体出口の間に配置されたインペラーと、
（ｃ）空気の圧力を上昇させるための第１の圧縮機及び第２の圧縮機と、
（ｄ）前記第２の圧縮機の前で前記空気の温度を下げるために前記第１の圧縮機と前記第２の圧縮機の間に配置されたインタークーラーと、
（ｄ）上昇した圧力において前記空気の温度を上昇させるための復熱装置と、
（ｅ）温度及び圧力が上昇した前記空気とバイオ燃料の混合気を燃焼させてガスタービンを駆動するために入口と出口の間に配置されて、該ガスタービンから排ガスをもたらす燃焼器と
を含み、
（ｆ）前記復熱装置は、前記ガスタービンからの前記排ガスから熱を回収して、上昇した温度及び圧力の前記空気とバイオ燃料の前記混合気を予熱し、
（ｇ）回転軸を有するシャフトを含み、前記作動流体入口と前記作動流体出口の間で作動流体を移動させるように、フリーパワータービン及びインペラーが前記シャフトに接続されている、
一体型のガスタービンユニット。
【請求項１０】
ガスタービンでインペラーを駆動する方法であって、該方法は、前記インペラーと前記タービンを同軸に接続することと、空気と燃料の混合気を燃焼させることによって前記タービンを回転駆動し、それにより前記タービン及び前記インペラーを回転駆動すると共に排ガスを発生させることと、前記排ガスから廃熱を取り込んで前記空気を予熱することと、前記インペラーによって作動流体を移動させることとを含む、方法。
【請求項１１】
ガスタービンでインペラーを駆動する方法であって、該方法は、
（ａ）インタークーラー熱交換器で空気を冷却することと、
（ｂ）冷却された前記空気を圧縮機で圧縮することと、
（ａ）前記インペラー及びフリーパワータービンをシャフトに同軸に接続することと、
（ｂ）冷却及び圧縮された前記空気と燃料との混合気を燃焼させることによって前記ガスタービンを回転駆動し、それにより前記ガスタービン及び前記インペラーを回転駆動すると共に排ガスを発生させることと、
（ｃ）復熱装置で前記排ガスから廃熱を取り込んで前記空気を予熱することと
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、曝気ブロワ及びポンプ技術に関する。より具体的には、本発明は、廃水処理の副産物である天然ガス又はバイオガスを燃料とするガスタービンエンジンに関し、このガスタービンエンジンはブロワ又はポンプを直接駆動し、ガスタービン入口温度を１８００〜２０００゜Ｆに上昇させるためにガスタービンでの復熱を利用し、下流のシステムが排出する廃熱によって駆動される熱交換器冷却システム又は発電機システムを利用する。
【０００２】
本発明の１つの態様は、同じ設計において、天然ガス及びバイオガスを燃料とするガスタービンからブロワ又はポンプのインペラーへの直接の機械動力を排ガスからの熱回収と組み合わせた、全てが一つにまとまった非常に効率的なシステムである。
【背景技術】
【０００３】
ブロワ及びポンプは、水及び廃水処理、食料及び飲料、石油及びガス、発電、パルプ及び製紙並びに製薬産業を含む様々な用途で使用される。そのようなブロワは、通常は大流量かつ１．０気圧未満の吐出圧力で空気流を供給する。ポンプは、様々な水頭で低水量又は高水量を供給する。過去において、ブロワ及びポンプは電気モータによって駆動された。電気モータは、様々な電気コジェネレーターを使用して現場で発電した電力又は配電網からこの電力にアクセスすることを必要とする。電動モータ駆動のブロワ及びポンプは、可変周波数駆動装置、正弦波フィルタ、ライン入力リアクトル、高調波フィルタ及び電力変圧器などのいくつかの複雑な電気部品を必要とする。これらの電気部品は電気損失と廃熱を発生させ、およそ１２〜１５％のエネルギー損失をもたらす。
【０００４】
いくつかの場合では、往復ガス又はディーゼルエンジンがブロワ及びポンプを駆動する。これらの往復エンジンは、非効率であり、うるさく、そしてサイズが大きく、大量の廃熱を発生し、更に進行する排ガス基準を満たすように改良することが困難である。一方、ガスタービンは、航空宇宙、航空及び発電により様々な用途で使用されるため、長年に亘って高効率、低排出に発展してきた。いくつかの場合では、パイプラインで天然ガス、酸素、又は窒素を複数の大気の吐出圧力で供給する高圧ガス圧縮機を駆動するためにガスタービンエンジンを使用する。ガスの圧縮中に、ガスタービンの排熱と圧縮熱エネルギーが副産物として発生し、廃熱として放出される。
【０００５】
したがって、電気モータの使用で無駄にされるエネルギー及び往復エンジン又はガスタービンエンジンの使用で無駄にされるエネルギーは、圧縮により無駄にされるエネルギーと組み合わされて、圧縮機、ブロワ及びポンプの作動での著しいエネルギー損失を示す。更に、バイオガスは廃棄物処理の無料の副産物であり、適切に処理された場合、燃やされたり大気に捨てられたりする代わりに、ブロワ又はポンプを直接駆動するガスタービンエンジンに必要な燃料を生成するために単独で又は天然ガスと組み合わせて使用されることができ、それによって廃棄物処理施設の運転コストが大幅に削減される。最近、廃水処理施設がエネルギーニュートラルとなる目標を達成するのを助けるために、燃料としてバイオガスを使用するという新たな世界的な傾向が見え始めた。
【０００６】
従来技術においては、これまでに種々の往復エンジン又はガスタービンエンジンが製造されてきた。
【０００７】
例えば、特許文献１は、ガス入口流路と、ガス出口と、ガス入口流路とガス出口の間の回転可能なインペラーホイールとを定めた圧縮機ハウジングを開示している。ハウジングの内壁は、インペラーホイールの羽根の半径方向外縁にごく近接して表面を定め、ホイールが回転すると羽根がその表面内部をまんべんなく回る。内壁の表面に開口部が備えられる。比較的低流量の状態の間では入口流路から離れる方向にガスをそらすために、開口部と繋がるガスのポートがハウジングに備えられる。ガス排気装置が入口流路の外側に配置されてポートに接続され、ポンプは開口部及びポートを通って入口流路から離れる方向にガスを選択的に除去するように動作可能である。
【０００８】
特許文献２にはターボ機械に関する別の構成が開示され、それは半径流インペラーと、ターボ機械が使用される機械の性能を向上させる１つ以上の様々な特徴とを含む。例えば、ターボ機械が動力計で使用される場合、特徴の１つはインペラーへの流量を調整することを可能にする可変絞り吸気口である。インペラーのシュラウド及びシュラウドガイドは、それぞれインペラーに対して移動可能である。排気ディフューザーは、シャフト出力の範囲の拡大と有害な振動及び騒音の低減を促進する。そのターボ機械はまた、ターボ機械を通る流れを増大するために、調整可能な吸気口及び排気ディフューザーと協調する独自のインペラーの羽根の構成を含むことができる。
【０００９】
特許文献３は、ターボヒーター又はコージェネレーションの用途で使用するためのマイクロガスタービンエンジンを記載している。そのマイクロガスタービンエンジンは、空気−燃料通路内での堆積物の発生を最小限に抑える燃料供給システムを含む。この目的のために、燃料偏向器とスリンガ本体の間に形成された燃料供給路は、曲線を付けて作られた又は起伏のある表面を有して形成される。燃焼室への空気燃料混合気の流れを促進するために、燃料供給路とスリンガのインペラーの間に燃料偏向器のリングを介在させる。
【００１０】
特許文献４には更に別の遠心ポンプが示されている。それは半径方向の羽根を有する回転可能なインペラーと、角度方向に離された羽根を有する軸方向のディフューザーとを含み、ディフューザーはポンプハウジング内に形成された交差場所の間隙を介してインペラーの下流側にあり、そのためインペラーからの流体は、軸方向のディフューザーへ駆動されるために交差場所の間隙を通って移動されなければならない、遠心ポンプハウジングに関する。その改良は、軸方向のディフューザーに円周方向に取り付けられて、インペラーから交差場所の間隙を通って軸方向のディフューザーへ駆動される流体を案内するために交差場所の間隙内に延びる、少なくとも１つの軸方向のディフューザーでの羽根の延長を含む。そのディフューザーでの羽根の延長は、流体の流れがインペラーを離れるときに流体の流れに存在する乱流を最小限にするために、インペラーから受け取った流体にねじり力を与えるための縦に並んだ羽根の部分を備えた構造で設計及び形成されて構成され、それによってポンプは、流れの水頭曲線が締切に向かって連続的な上昇となるような均一の又は正の勾配を排除するために、修正された揚程曲線を示す。
【００１１】
特許文献５には、排気ターボ過給機が、排ガスの熱による過給機タービンの回転シャフトの中心と過給機圧縮機の回転シャフトの中心のずれ、又は過給機タービンの回転シャフトの中心と過給機圧縮機の回転シャフトの中心と発電機の回転シャフトの中心のずれを防止できること、これらの回転軸の振動を減らすことができること、更に過給機全体の信頼性を向上させることができることが記載されている。排気ターボ過給機は、タービンユニット及び圧縮機ユニットを支持するケーシングを有する。ケーシングの下端は脚部を構成し、脚部は床に設置された基礎に固定されている。回転シャフトを有する発電機は、タービンユニット及び圧縮機ユニットの回転シャフトに接続されている。
【００１２】
更に、特許文献６は、エンジンと、エンジンによって駆動される圧縮機と、圧縮機からの廃熱によって駆動される蒸気吸収サイクル（ＶＡＣ）システムとを含むガス圧縮機を含むシステムを記載し、ＶＡＣシステムは少なくとも１つの媒体を冷却するように構成される。他の実施形態では、ガスを圧縮する際に廃熱を発生させ、その廃熱で蒸気吸収サイクル（ＶＡＣ）システムを駆動し、そしてＶＡＣシステムによって少なくとも１つの媒体を冷却することを含む方法が提供される。
【００１３】
最後に、特許文献７は、機械を逆に作動させることによって有機ランキンサイクルタービンとして適用される遠心圧縮機に関する。タービンとして作動する時により高い圧力を提供するために、圧力及び温度が設定された範囲内に維持されるようにして適切な冷媒が選択される。他の方法では経済的でないかもしれない用途へのそのような既存の比較的安価な機器の適用は、他の方法では大気への廃熱によって失われるであろうエネルギーの便利で経済的な使用を可能にする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】米国特許第９１４０２６７号明細書
【特許文献２】米国特許第８５０６２３７号明細書
【特許文献３】米国特許第８３２７６４４号明細書
【特許文献４】米国特許第８２４０９７６号明細書
【特許文献５】米国特許第８０９６１２７号明細書
【特許文献６】米国特許第８９３１２９１号明細書
【特許文献７】米国特許第７４６８１３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の目的は、改良されたガスタービンエンジンを提供すること、特に改良された曝気ブロワ及びポンプを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の一態様は、同じ設計において、天然ガス及びバイオガスを燃料とするガスタービンからブロワ又はポンプのインペラーへの直接の機械動力を排ガスからの熱回収と組み合わせた、全てが一つにまとまった非常に効率的なシステムである。
【００１７】
本発明の一態様は、第１の入口及び第１の出口と、第２の入口及び第２の出口と、前記第１の入口と前記第１の出口の間に配置されたインペラーと、前記第２の入口と前記第２の出口の間に配置されたガスタービンと、前記第２の入口に導入されて前記ガスタービンを駆動して前記第２の出口を通して排気される燃焼混合気と、前記第１の入口と前記第１の出口の間に配置されたインペラーとを有し、前記ガスタービンは、前記インペラーを駆動して前記第１の入口から前記第１の出口へ流体を移動させるように前記インペラーに接続されている、ユニットを提供することである。
【００１８】
本発明の更なる態様は、作動流体入口及び作動流体出口と、前記作動流体入口と前記作動流体出口の間に配置されたインペラーと、空気とバイオ燃料との混合気を燃焼させてタービンを駆動するために入口と出口の間に配置された燃焼器と、回転軸を有するシャフトとを含み、前記作動流体を移動させるために、前記タービン及び前記インペラーは前記シャフトに同軸に接続されている一体型のガスタービンユニットを提供することである。
【００１９】
本発明の別の態様は、ガスタービンでインペラーを駆動する方法に関し、その方法は、前記インペラーと前記タービンを同軸に接続することと、空気と燃料の混合気を燃焼させることによって前記タービンを回転駆動し、それにより前記タービンと前記インペラーを回転駆動すると共に排ガスを発生させることと、前記排ガスから廃熱を取り込んで前記空気を予熱することと、前記インペラーによって作動流体を移動させることとを含む。
【００２０】
本発明の更なる態様は、ガスタービンでインペラーを駆動する方法を提供し、その方法は、前記インペラーと前記タービンを同軸に接続することと、空気と燃料の混合気を燃焼させることによって前記タービンを回転駆動し、それにより前記タービン及び前記インペラーを回転駆動すると共に排ガスを発生させることと、前記排ガスから廃熱を取り込んで前記空気を予熱し、入口と比較して４．５の高い圧力比かつ１８００〜２０００゜Ｆの高温でガスタービンに入れることとを含み、その段階でガスは前記ガスタービンを通って膨張し、前記インペラーによって作動流体の更なる移動をもたらす。ガスタービンを通って膨張するそのガスは、高圧及び高温でパワータービンに入り、パワータービンを回転させ、それが次にブロワ及びポンプのインペラーに直接接続されたシャフトを可変的に回転させて流体の作動空気を供給する。
【００２１】
上述した４．５の高い圧力比は、大気圧と比較したものであり、例として挙げられている。更に、本明細書の図１４〜１９に示される実施形態を考慮すると、４．４〜１０以上（大気圧と比較して）の圧力比が示され、それは例として挙げられる。この範囲は、少なくとも部分的に、後述する３つのシャフト２、３、１７及びインタークーラー３１を用いる構成の変更による。更に、上述した１８００から２０００゜Ｆの温度範囲の例は、図１４〜１９の実施形態では１７００から２１００゜以上に広げられることができる。
【００２２】
本発明の他の態様は、第１の入口及び第１の出口と、第２の入口及び第２の出口と、前記第１の入口と前記第１の出口の間に配置されたインペラーと、空気の圧力を上昇させるための圧縮機と、上昇した圧力で前記空気の温度を上昇させるための復熱装置と、前記第２の入口と前記第２の出口の間に配置されたガスタービンと、前記第２の入口に導入されて前記ガスタービンを駆動して前記第２の出口を通して排気される、温度及び圧力が上昇した前記空気と燃料とを含む燃焼混合気を受け取る燃焼器と、前記第１の入口と前記第１の出口の間に配置されたインペラーとを有し、前記ガスタービン及び前記インペラーは、前記インペラーを駆動して前記第１の入口から前記第１の出口へ流体を移動させるようにシャフトに直接接続されている、ユニットに関する。一実施形態では、前記ガスタービンは高圧タービンとフリーパワータービンとを含み、前記フリーパワータービン及び前記インペラーは共通のシャフトに接続されている。別の実施形態では、前記ガスタービンは、高圧タービンと低圧タービンとフリーパワータービンとを含み、前記フリーパワータービン及び前記インペラーは共通のシャフトに接続されている。
【００２３】
本発明の更なる態様は、作動流体入口及び作動流体出口と、前記作動流体入口と前記作動流体出口の間に配置されたインペラーと、空気の圧力を上昇させるための第１の圧縮機及び第２の圧縮機と、前記第２の圧縮機の前で前記空気の温度を下げるために前記第１の圧縮機と前記第２の圧縮機の間に配置されたインタークーラーと、上昇した圧力において前記空気の温度を上昇させるための復熱装置と、温度及び圧力が上昇した前記空気とバイオ燃料の混合気を燃焼させてガスタービンを駆動するために入口と出口の間に配置されて、該ガスタービンから排ガスをもたらす燃焼器と、回転軸を有するシャフトとを含み、前記復熱装置は、前記ガスタービンからの前記排ガスから熱を回収して、上昇した温度及び圧力の前記空気とバイオ燃料の前記混合気を予熱し、前記作動流体入口と前記作動流体出口の間で作動流体を移動させるように、フリーパワータービン及びインペラーが前記シャフトに接続されている、一体型のガスタービンユニットに関する。
【００２４】
本発明の更に別の態様は、ガスタービンでインペラーを駆動する方法に関し、この方法は、インタークーラー熱交換器で空気を冷却することと、冷却された前記空気を圧縮機で圧縮することと、前記インペラー及びフリーパワータービンをシャフトに同軸に接続することと、冷却及び圧縮された前記空気と燃料との混合気を燃焼させることによって前記ガスタービンを回転駆動し、それにより前記ガスタービン及び前記インペラーを回転駆動すると共に排ガスを発生させることと、復熱装置で前記排ガスから廃熱を取り込んで前記空気を予熱することとを含む。
【００２５】
本発明のこれらの及び他の目的及び特徴は、添付の図面を用いて説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
以下の詳細な説明は、添付の図面を参照することでより良く理解される。
【図１】ガスタービンユニット１０の右前方からの斜視図である。
【図２】ガスタービンユニット１０の右後方からの斜視図である。
【図３】ガスタービンユニット１０の正面図である。
【図４】ガスタービンブロワユニット１０の左側面図である。
【図５】ガスタービンブロワユニット１０の右側面図である。
【図６】ガスタービンユニット１０の背面図である。
【図７】ガスタービンユニット１０の平面図である。
【図８】ガスタービンユニット１０の底面図である。
【図９】図４の線９−９に沿ったガスタービンブロワユニット１２に関する本発明の一実施形態の断面図であり、主要構成要素を備えた配置で取り付けられたローターを示す。
【図１０】高圧ガスタービンによって駆動されるガスタービン圧縮機と、天然ガス又はバイオガスの燃焼器と、フリーパワータービンによって駆動される単一のブロワインペラーと、ガスタービンの入口温度を上昇させるために使用される熱を排ガスから回収する復熱装置とを備えた図９に示すガスタービンブロワユニット、ブロワシステムの一実施形態の概略図である。
【図１１】図７の線１１−１１に沿った、ガスタービンポンプユニット１６についての本発明の別の実施形態の断面図である。
【図１２】高圧ガスタービンによって駆動されるガスタービン圧縮機と、天然ガス又はバイオガスの燃焼器と、フリーパワータービンによって駆動される単一のポンプインペラーと、ガスタービンの入口温度を上昇させるために使用される熱を排ガスから回収する復熱装置とを備えた図１１に示すガスタービンポンプユニット、装置、システムの別の実施形態の概略図である。
【図１３】本発明の効率及びコスト削減の一例を示す表である。
【図１４】高圧ガスタービンによって駆動される高圧ガスタービン圧縮機と、天然ガス又はバイオガスの燃焼器と、フリーパワータービンによって駆動される単一のブロワインペラーと、ガスタービンの入口温度を上昇させるために使用される熱を排ガスから回収する復熱装置と、高圧ガスタービン圧縮機の前のインタークーラーとを備えたガスタービンブロワユニットの更に別の実施形態の概略図である。
【図１５】図１４の概略図に示される実施形態の断面図である。
【図１６】図１５の斜視断面図である。
【図１７】図１５の正面図である。
【図１８】ユニットの上方かつ一側方からの図１４〜１７に示された更に別の実施形態の斜視図である。
【図１９】ユニットの上方かつ一側方からの図１４〜１７に示された更に別の実施形態の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図面全体を通して、同じ部分には同様の番号が付けられる。
【００２８】
本発明の２つの特定の実施形態を以下に説明する。これらの実施形態は、本発明の単なる例示である。当然のことながら、立案及び設計プロジェクトのようないずれのそのような実際の実施形態の開発においても、開発者の実施形態ごとに異なり得る特定の目的を達成するために多くの詳細な決定がなされなければならない。
【００２９】
下記の実施形態は、フリーパワータービンによって駆動されるローター速度を増減するための任意のギアボックス１３、任意の熱交換器２７、及び復熱装置６０の下流で排ガスから廃熱を回収する任意の発電機又は冷却装置２９を含むことができる。
【００３０】
図１〜８は、ガスタービンモジュール１２、燃焼用空気入口１４、ブロワ又はポンプモジュール１６、排気プレナム１８、排気出口２０、及び入口２２を有するガスタービンユニット又は装置１０に関する本発明の一実施形態を概略的に示す。一実施形態では、入口２２は、ブロワ２６への空気入口若しくは第１の入口、又は作動流体入口２４である。本明細書で説明する第２の実施形態では、入口２２は、本明細書で説明するポンプ４０への水入口２８である。
【００３１】
ガスタービン装置１０はまた、出口若しくは第１の出口又は作動流体出口３２を含む。
【００３２】
一実施形態では、出口若しくは第１の出口又は作動流体出口３２は、空気出口３４である。より具体的には、ブロワ入口２４を通った空気はブロワインペラー３７によって圧縮され、次いでブロワ渦巻部又は渦巻流路３６を通って排出される。
【００３３】
例えば図７に示される別の実施形態では、ガスタービンユニット１０は、水入口２８、ポンプインペラー４０、及び水出口４２を含む。
【００３４】
本明細書に記載のアセンブリの一体化は、エネルギー効率の高いブロワ／ポンプシステム１０を製造するだけでなく、サイズ及び設計がコンパクトなユニット１０も提供する。一実施形態では、例えば図９に示されるようなユニットの幅は３９インチであり、高さは３７インチである。しかしながら、そのような寸法はただの一例として挙げられ、１,０００〜５０,０００ＳＣＦＭの範囲の定格流量及び０.５〜１.２気圧の吐出圧力を達成するためのサイズの要件に依存して、他のコンパクトなサイズにし得る。
【００３５】
図１、２、３、４、５、６、８、９及び１０は、概して遠心ブロワのインペラー３７と、ガスタービンの軸流及び／又は遠心圧縮機５０と、天然ガス又はバイオガス燃焼器７０と、高圧の軸流及び／又は半径流ガスタービン８０と、軸流及び／又は半径流フリーパワータービン９０と、復熱装置又は熱交換器６０とを含むガスタービンブロワシステム１２の一実施形態を示す。
【００３６】
ブロワ側では、ブロワ入口２４を通る空気はブロワインペラー３７によって圧縮され、次いでブロワ渦巻部３６から出口３４へ出た後に排出される。ブロワインペラー３７は、フリーパワータービン９０によって共通のシャフト又は軸１７を介して駆動される。
【００３７】
ガスタービン側では、空気は入口１４を通り、復熱装置６０に入る地点で周囲圧力より高い圧力、例えば４〜５の圧力比に圧縮機５０によって圧縮され、復熱装置６０で空気温度を上昇させる。加熱された空気は、燃焼器７０で天然ガス／バイオガスの燃料で燃焼され、高圧高温ガスは高圧ガスタービン８０で膨張し、次いでガスはフリーパワータービン９０で再び膨張する。最後にガスは、燃焼器７０の前にある熱を回収する復熱装置６０から空中へ排出される。圧縮機５０は、共通のシャフト又は軸２を介して高圧ガスタービン８０によって駆動される。
【００３８】
図１０は、図１、２、３、４、５、６、８及び９に示されるガスタービンブロワシステム１２の一実施形態を示す。ブロワ３７の入口２４の流量は、一例では、おおよそ３０００〜１５０００立方フィート／分（ＣＦＭ）である。一例では、出口３４を通る排出空気は、廃水処理システムに対して１．２〜１．５の圧力比である。
【００３９】
フリーパワータービン９０は、作動流体の要求を満たすための出力を供給する。図面に示されるように、フリータービン９０は単段の軸流タービンであるが、単一の半径流タービンであってもよく、あるいは多段階の膨張を有してもよい。
【００４０】
コンピュータなどの制御装置２１が、排出空気３４の要求に応じて天然ガス／バイオガス２５の燃料及び圧縮機５０の入口１４の空気流量を調整するために使用される。ブロワインペラー３７の速度を増減させるために、任意のギアボックス１３をブロワ３７とフリーパワータービン９０の間の回転シャフト又は回転軸１７に設置することができる。エネルギー効率を更に高めるために、任意の熱交換器２７及び任意の発電機又は冷却システム２９を復熱装置６０の排気管に設置することができる。
【００４１】
図１、２、３、４、６、７、８、１１及び１２は、概してポンプインペラー４０と、ガスタービンの軸流及び／又は遠心圧縮機５０と、天然ガス又はバイオガス燃焼器７０と、高圧の軸流及び／又は半径流ガスタービン８０と、軸流及び／又は半径流フリーパワータービン９０と、復熱装置６０とを含むガスタービンポンプユニット、装置及びシステム１６に関する本発明の別の実施形態を示す。
【００４２】
ポンプ側では、ポンプ入口２８を通る水はポンプインペラー４０によって圧縮され、次いでポンプ渦巻部又は渦巻流路３６から出口４２へ出た後に排出される。ポンプインペラー４０は、フリーパワータービン９０によって共通のシャフト又は軸１７を介して駆動される。
【００４３】
図１２は、ガスタービンポンプユニット、装置及びシステム１６に関する図１、２、３、４、６、７、８、１１に記載された本発明の実施形態を、他の選択肢と共にブロック図で示す。ポンプインペラー４０の入口２８の水量は、例えば、おおよそ１５，０００〜５０，０００ガロン／分（ＧＰＭ）とすることができ、排水処理システムの要件を満たすために、出口４２を通る排水に様々な圧力比が与えられる。制御装置２１が、出口４２を通る排水の要求に応じて、天然ガス／バイオガス２５の燃料及び圧縮機５０の入口１４の空気流量を調整するために使用される。ポンプインペラー４０の速度を増減させるために、任意のギアボックス１３をポンプ４０とフリーパワータービン９０の間の回転シャフト又は回転軸１７に設置することができる。エネルギー効率を更に向上させるために、任意の熱交換器２７及び任意の発電機又は冷却システム２９を復熱装置６０の排気管に設置することができる。
【００４４】
図１３は、これまでに使用されている従来の方法の従来のモータの選択肢に対する、本明細書に記載されるようなガスタービンシステム１０を利用することによる効率及びコスト削減を示す表である。
【００４５】
特に図１３は、いくつかの州、すなわちフロリダ、テキサス及びカリフォルニアでの電気モータの選択肢の運転コストと、フロリダ、テキサス及びカリフォルニアでの同じ場所についての本明細書に記載のガスタービンシステム１０の運転コストとの対比の一例を示し、それは天然ガスでシステムを運用することについて、フロリダで３１％、テキサスで４０％、カリフォルニアで３３％のコスト削減を示す。これは、現在の電気料金と歴史的に高いレベルの天然ガス料金に基づく。天然ガスにバイオガスを加えた場合、そしてシステムがバイオガスのみで稼働された場合には、コスト削減は大幅に大きくなる。
【００４６】
図１４〜１９は、本発明の別の実施形態を示しており、同様の部分は上記と同じ番号が付される。
【００４７】
図１４は、上述の構成要素に加えて、共通のシャフト２で高圧タービン８０と接続された高圧ガスタービン圧縮機５１を示す。図１４に示される実施形態はまた、共通のシャフト３で低圧タービン８１と接続された低圧ガスタービン圧縮機５３を含む。フリーパワータービン９０は、シャフト１７によって低ブロワインペラー３７に接続されている。更に、図１４に示される実施形態は、低圧ガスタービン圧縮機５３と高圧ガスタービン圧縮機５１の間に配置されたインタークーラー３１を含む。
【００４８】
２つの圧縮機段５１、５３の間でインタークーラー３１によって流入空気１４の冷却が行われる。高圧タービン圧縮機５１では冷却された空気１４は加熱された空気よりも圧縮し易いので、これはユニットの効率を改善する。高圧ガスタービン圧縮機５１の後に、空気は燃焼器７０に入る前に復熱装置又は熱交換器６０によって加熱され、それにより空気がより高温であるならば、空気と天然ガス（バイオガス）の混合気を燃焼させるのに必要な熱入力が少なくなるので、やはり効率が改善される。
【００４９】
更に、図１４〜１９に示される実施形態は、示されるように２つのパワータービンの吸気口設計でのパワータービンの最適化を示す。図示される設計はまた、流れ分割での最適化及び冷却流れの最初の通過の最適化を示す。
【００５０】
更に、図示のタービンは、効率的な製造のための積層造形（３Ｄ印刷）に適した候補である。
【００５１】
図１４〜１９に示される実施形態は、インタークーラー、復熱装置及びＣＭＨＰを備え、空気を大流量で供給する高効率の中間冷却及び復熱のガスタービン駆動ターボブロワ（例えば２３０ＫＷ〜１．２ＭＷ用）を示す。
【００５２】
この装置は、電気や化石燃料の代わりにバイオガス（副生成物であるＷＷＴＰ）や天然ガスで作動でき、それは排出物が少なく、バイオガスで最大８０％、天然ガスで最大４０％の運転費を削減する。示されているユニットは、古い既存の技術を改修するためにも使用されることができる。
本発明の他の利点は以下を含む。
−そのシステムは従来の電動ブロワに代わることができる。ユニットが電気モータの代わりにガスタービンエンジンによって動力を与えられるので、配電網への依存を減らす。
−エネルギー消費量を削減する。
−燃料フレキシブルで排出物の少ない燃焼器の使用は、少ない汚染物質排出でのバイオガスの燃焼を可能にし、クリーンな電力を供給し、ＷＷＴＰでのフレアを防止する。
−運転費を削減する。
【実施例】
【００５３】
一実施形態では、低圧圧縮機５３は、大気と比較して約３の圧力比、及び入口温度（２９３Ｋ）に対して約１２５Ｋ（２３５Ｆ）の温度上昇を有する。
インタークーラー３１は、約４１８Ｋ（１２５＋２９３）の温度を入口温度（２９３Ｋ）に戻す。高圧圧縮機５１は、約３の圧力比、及び入口温度に対して約１２５Ｋ（２３５Ｆ）の温度上昇を有することができる。記載されたガスタービンユニットの全圧力比（ＰＲ）（ＰＲ＝９）は、低圧圧縮機５３のＰＲ×高圧圧縮機５１のＰＲに等しい。すなわち、ＰＲ＝３×３＝９である。圧力上昇は、２つの圧縮機段でほぼ均等に配分される。
図１４〜１９に記載の３つのタービンについて、同様の論理が当てはまる。圧力比は、タービン段の間でほぼ均等に配分される。単一段のＰＲ＝２．０８であり、機械のＰＲ＝２．０８×２．０８×２．０８である。
【００５４】
低圧ガスタービン圧縮機５３は、大気から空気を引き込み、例えば大気圧の３倍の圧力で空気を供給する。高圧ガスタービン圧縮機５１は、例えば大気圧の３倍を大気圧の９倍として空気を供給する。
フリーパワータービン９０の用語は、当業者によく知られている用語であり、一般にブロワインペラーに動力を供給するものを指す。
【符号の説明】
【００５５】
２      シャフト又は軸
３      シャフト
１０    ガスタービンユニット又は装置
１２    ガスタービンモジュール、ガスタービンブロワシステム
１３    ギアボックス
１４    燃焼用空気入口、流入空気
１６    ブロワ又はポンプモジュール
１７    シャフト又は軸
１８    排気プレナム
２０    排気出口
２１    制御装置
２２    入口
２４    作動流体入口、ブロワ入口
２５    天然ガス／バイオガス
２６    ブロワ
２７    熱交換器
２８    水入口
２９    発電機又は冷却装置
３１    インタークーラー
３２    作動流体出口
３４    空気出口
３６    ブロワ渦巻部又は渦巻流路
３７    ブロワインペラー
４０    ポンプインペラー
４２    水出口
５０    圧縮機
５１    高圧ガスタービン圧縮機
５３    低圧ガスタービン圧縮機
６０    復熱装置又は熱交換器
７０    燃焼器
８０    ガスタービン
８１    低圧タービン
９０    フリーパワータービン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【外国語明細書】
2020045789000001.pdf