(57)【要約】      （修正有）【課題】ガスタービンエンジンに使用する統合ボトミングサイクルシステムを提供する。【解決手段】統合ボトミングサイクルシステムは、コンプレッサ／ポンプ１３０と、コンプレッサ／ポンプ１３０の下流の冷却回路３００と、ボトミングサイクル熱交換器１４０と、ボトミングサイクル熱交換器１４０の下流の加熱回路１９０と、冷却回路３００及び／又は加熱回路１９０と連通する複数のタービン部品とを有し、全体的なプラント効率及びエコノミクスを最大化する。【選択図】図１
2014109279.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンプレッサ／ポンプと、
前記コンプレッサ／ポンプの下流の冷却回路と、
ボトミングサイクル熱交換器と、
前記ボトミングサイクル熱交換器の下流の加熱回路と、
前記冷却回路及び／又は前記加熱回路と連通する複数のタービン部品と
を有する、ガスタービンエンジンに使用する統合ボトミングサイクルシステム。
【請求項２】
前記コンプレッサ／ポンプ及び前記ボトミングサイクル熱交換器がランキンサイクルシステムを含む、請求項１の統合ボトミングサイクルシステム。
【請求項３】
超臨界二酸化炭素の流れを更に含む、請求項１の統合ボトミングサイクルシステム。
【請求項４】
前記ボトミングサイクル熱交換器の下流のターボエキスパンダを更に含む、請求項１の統合ボトミングサイクルシステム。
【請求項５】
前記加熱回路が、除氷、燃料流の加熱、及び部分負荷条件下での効率改善のための高温の加圧流れ回路を含む、請求項１の統合ボトミングサイクルシステム。
【請求項６】
前記加熱回路が使用済流れ回路を含む、請求項１の統合ボトミングサイクルシステム。
【請求項７】
前記ボトミングサイクル熱交換器の上流に、迅速なスタートアップ及び出力増大のためのバーナーを更に含む、請求項１の統合ボトミングサイクルシステム。
【請求項８】
前記複数のタービン部品が燃料ヒーターを含む、請求項１の統合ボトミングサイクルシステム。
【請求項９】
前記燃料ヒーターがバーナー燃料ヒーターを含む、請求項８の統合ボトミングサイクルシステム。
【請求項１０】
前記冷却回路が、該冷却回路上に１つ以上の膨張弁又はジュールトムソン弁を有する、請求項１の統合ボトミングサイクルシステム。
【請求項１１】
前記複数のタービン部品が電気／電子機器の熱交換器を含む、請求項１の統合ボトミングサイクルシステム。
【請求項１２】
前記複数のタービン部品が凝縮熱交換器を含む、請求項１の統合ボトミングサイクルシステム。
【請求項１３】
前記ボトミングサイクル熱交換器の上流にレキュペレータを更に含む、請求項１の統合ボトミングサイクルシステム。
【請求項１４】
ルールベースコントロールシステムを更に含む、請求項１の統合ボトミングサイクルシステム。
【請求項１５】
二酸化炭素の流れを圧縮／加圧するステップ、
前記二酸化炭素の流れを加温するステップ、
前記二酸化炭素の流れを膨張させるステップ、
前記二酸化炭素の流れを膨張させるステップによって負荷を駆動させるステップ、
前記圧縮された流れの一部を迂回させてタービン部品を冷却するステップ、又は
前記加温された流れの一部を迂回させてタービン部品を加熱するステップ、
を含む、統合ボトミングサイクルシステムの動作方法。
【請求項１６】
超臨界二酸化炭素の流れを圧縮／ポンプ送りするための二酸化炭素コンプレッサ／ポンプと、
前記コンプレッサ／ポンプ下流の冷却回路と、
前記ガスタービンエンジンと熱交換するボトミングサイクル熱交換器と、
前記ボトミングサイクル熱交換器の下流の加熱回路と、
前記冷却回路及び／又は加熱回路と連通する複数のタービン部品と、
を有する、ガスタービンエンジンに使用する統合ボトミングサイクルシステム。
【請求項１７】
前記ボトミングサイクル熱交換器の下流に配置された、負荷を駆動させるためのターボエキスパンダを更に有する、請求項１６の統合ボトミングサイクルシステム。
【請求項１８】
前記加熱回路が、高温の加圧流れ回路及び使用済流れ回路を含む、請求項１６の統合ボトミングサイクルシステム。
【請求項１９】
前記冷却回路が、該冷却回路上に１つ以上の膨張又はジュールトムソン弁を有する、請求項１６の統合ボトミングサイクルシステム。
【請求項２０】
ルールベースコントロールシステムを更に有する、請求項１９の統合ボトミングサイクルシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願及びこれに伴う特許は、概してガスタービンエンジンに関し、特に、発電と任意の数の異なるタービン部品の効率的な加熱及び冷却を行うための超臨界二酸化炭素統合ボトミングサイクルシステムを備えたガスタービンエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
パワープラントの全体効率は、パワープラント内で生成された廃熱の効果的利用によって改善する。「廃熱」という用語は、従来はエネルギー源とみなされていなかった一次プロセスによって生成される残留熱のあらゆる供給を一般に包含する。燃焼エンジンによって生成される廃熱使用の方法のひとつが、ボトミングランキンサイクルを適用して発電を行うことである。しかし、蒸気ベースのランキンサイクルシステムは、比較的コストが嵩み、特に低温の廃熱で運転しているときは非効率的なことがある。同様に、有機ランキンサイクルシステムの性能が、システム内の作動流体の性質によって制限されることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第８０９６１２８号明細書
【発明の概要】
【０００４】
そこで、ガスタービンエンジンに用いる改良型のボトミングサイクルシステムの需要がある。好ましくは、こうした改良型のボトミングサイクルシステムは、ガスタービンの廃熱を効率的に利用する統合システムにおける複数の機能及び利点をもたらすものである。
【０００５】
したがって、本願及びこれに伴う特許は、ガスタービンエンジンに使用する統合ボトミングサイクルシステムを提供する。ここで記載する統合ボトミングサイクルシステムは、コンプレッサ／ポンプと、コンプレッサ／ポンプの下流の冷却回路と、ボトミングサイクル熱交換器と、ボトミングサイクル熱交換器の下流の加熱回路と、冷却回路及び／又は加熱回路と連通する複数のタービン部品とを有する。
【０００６】
本願及びこれに伴う特許は、統合ボトミングサイクルシステムの動作方法を更に提供する。本方法は、二酸化炭素の流れを圧縮／加圧するステップ、二酸化炭素の流れを加温するステップ、二酸化炭素の流れを膨張させるステップ、二酸化炭素の流れを膨張させるステップによって負荷を駆動させるステップ、圧縮された流れの一部を迂回させてタービン部品を冷却するステップ、又は、加温された流れの一部を迂回させてタービン部品を加熱するステップを含む。
【０００７】
本願及びこれに伴う特許は、ガスタービンエンジンに使用する統合ボトミングサイクルシステムを更に提供する。本統合ボトミングサイクルシステムは、超臨界二酸化炭素の流れを圧縮／ポンプ送りするための二酸化炭素コンプレッサ／ポンプと、コンプレッサ／ポンプ下流の冷却回路と、ガスタービンエンジンと熱交換するボトミングサイクル熱交換器と、ボトミングサイクル熱交換器の下流の加熱回路と、冷却回路及び／又は加熱回路と連通する複数のタービン部品とを有する。
【０００８】
複数の図面及び添付の特許請求の範囲に関連付けて下記の詳細な説明を検討すると、本願及びこれに伴う特許のこれら及びその他の特徴及び改善点が当業者に明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】コンプレッサ、燃焼器、タービン、及び負荷を示す、ガスタービンエンジンの略図である。
【図２】本明細書に記載の統合ボトミングサイクルシステムを備えたガスタービンエンジンの略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
これより、複数の図を通して同様の符号で同様の要素を示す図面を参照する。図１は、ここで使用可能なガスタービンエンジン１０の略図である。ガスタービン１０は、コンプレッサ１５を含む。コンプレッサ１５は、流入してくる気流２０を圧縮する。コンプレッサ１５は、圧縮された気流２０を燃焼器２５へと送る。燃焼器２５は、圧縮された気流２０を加圧された燃料流３０と混合して、この混合物に点火して燃焼ガス流３５を生成する。単一の燃焼器２５のみを図示しているが、ガスタービンエンジン１０は、幾つの燃焼器２５を有していてもよい。そして、燃焼ガス流３５がタービン４０へと送られる。燃焼ガス流３５がタービン４０を駆動させて機械的仕事を生成する。タービン４０で生成された機械的仕事は、シャフト４５と、発電機等の外部負荷５０とによってコンプレッサ１５を駆動させる。高温の排気ガスの流れ５５はタービンを出て、更なる使用に供される。ここでは、マルチシャフトガスタービン１０等も使用できる。こうした構成において、タービン４０は、コンプレッサ１５を駆動させる高圧セクションと負荷５０を駆動させる低圧セクションとに分かれている。
【００１１】
ガスタービン１０は、天然ガス、液体燃料、様々なタイプのシンガス、及び／又はその他のタイプの燃料を使用できる。ガスタービン１０は、ニューヨーク州スケネクタディ市のゼネラル・エレクトリック社が提供する、ＬＭ２５００、ＬＭ６０００航空転用型ガスタービン、７又は９型ヘビーデューティーガスタービン等をはじめとする、数多くの異なるガスタービンエンジンのいずれであってもよいが、これらに限定されることはない。ガスタービンエンジン１０は、別の構成を有してもよく、また、別タイプの部品を使用してもよい。ここでは、別タイプのガスタービンエンジンも使用できる。また、ここでは、複数のガスタービンエンジン、別タイプのタービン、別タイプの発電設備も一緒に使用できる。
【００１２】
図２は、統合ボトミングサイクルシステム１００を用いたガスタービン１０の使用を示す。統合ボトミングサイクルシステム１００は、ランキンサイクルシステム１１０であってもよい。具体的には、ランキンサイクルシステム１１０を、作動流体としての超臨界二酸化炭素の流れ１２０によって駆動させる。二酸化炭素は、非引火性、非腐食性、及び高いサイクル温度に耐え得るという利点を有する。同様に、超臨界二酸化炭素は、一般に高い熱効率を有する。ここでは、別タイプの作動流体を使用してもよい。ブレイトンサイクルシステム等も使用してもよい。
【００１３】
統合ボトミングサイクルシステム１００のランキンサイクルシステム１１０は、二酸化炭素コンプレッサ／ポンプ１３０と、ボトミングサイクル熱交換器１４０と、ターボエキスパンダ１５０と、クーラー／コンデンサ１６０を有する。また、レキュペレータ１６５を使用して、熱交換器１４０の前に二酸化炭素１２０を予熱すること、並びに、クーラー／コンデンサ１６０の前に二酸化炭素１２０を予冷することもできる。ボトミングサイクル熱交換器１４０は、タービン４０からの排気ガスの流れ５５と連通していてもよい。ターボエキスパンダ１５０は、ラジアルインフローターボエキスパンダ及び／又はアキシャルターボエキスパンダ等である。超臨界二酸化炭素１２０は、二酸化炭素コンプレッサ／ポンプ１３０で圧縮／加圧され、排気ガスの流れ５５によってボトミングサイクル熱交換器１４０の熱を得て、ターボエキスパンダ１５０内で膨張する。ターボエキスパンダ１５０は、エキスパンダシャフト１７０を駆動させる。エキスパンダシャフト１７０は、追加のジェネレータ等の負荷１８０を駆動させる。スタンドアロンターボエキスパンダとジェネレータを図示しているが、負荷５０を単一のジェネレータとして用いてもよい。こうしたジェネレータは特に大型であり、また、中間ギヤ及びクラッチを備え、一端ではタービン４０によって駆動され、他端ではターボエキスパンダ１５０によって駆動され、非運転時はターボエキスパンダ１５０の接続を解除するようになっている。ここでは、別の部品及び構成を用いてもよい。
【００１４】
ランキンサイクルシステム１１０は、複数の異なるタービン部品１８５と連通可能である。ランキンサイクルシステム１１０は、複数の加熱回路１９０を介してタービン部品１８５と連通している。加熱回路１９０は、高温の加圧流れ回路２００を有する。高温の加圧流れ回路２００は、高温の加圧流れ用に、ボトミングサイクル熱交換器１４０の下流とターボエキスパンダ１５０の上流に延在している。加圧回路１９０は、更に、使用済流れ回路２１０を有する。使用済流れ回路２１０は、ターボエキスパンダ１５０の下流に延在している。使用済流れ回路２１０中の超臨界二酸化炭素１２０は、ターボエキスパンダ１５０を通過した後の高温の加圧流れ回路２００中の流れよりも低温及び低圧である。
【００１５】
加熱回路１９０は、コンプレッサ入口熱交換器２２０等のタービン部品１８５と連通している。コンプレッサ入口熱交換器２２０は、コンプレッサ１５の入口周辺に配置されている。コンプレッサ入口熱交換器２２０は、流入する気流２０を加熱することで部分負荷運転等を促進する。例えば、タービン４０が排気温度制御下で運転していない、部分負荷運転において、入口空気を加熱すると、排気温度が上昇してランキンサイクルシステム１１０の出力を高めることができる。更に、低温の周囲条件下での凍結緩和用に、コンプレッサ入口熱交換器２２０を用いて、凍結防止入口空気を提供すること、及び／又は入口システムを直接加熱することによって氷形成を防止することができる。コンプレッサ入口熱交換器２２０に提供される超臨界二酸化炭素の流れ１２０の温度及び圧力は、高温の加圧流れ回路２００及び使用済流れ回路２１０に連通しているコンプレッサ入口弁２３０によって制御可能である。ここでは、その他の部品及びその他の構成を使用してもよい。
【００１６】
加熱回路１９０は、燃料ヒーター２４０等のタービン部品１８５にも連通している。燃料ヒーター２４０は、燃焼器２５に流入する燃料流３０を加熱する。燃料ヒーター２４０に流入する超臨界二酸化炭素の流れ１２０の温度及び圧力は、高温の加圧流れ回路２００及び使用済流れ回路２１０に連通する燃料ヒーター弁２５０によって制御可能である。ここでは、別の部品及び別の構成も使用できる。
【００１７】
統合ボトミングサイクルシステム１００は、更に、ボトミングサイクル熱交換器１４０の上流に配置されたバーナー２６０を有する。バーナー２６０は、タービン４０からの排気ガス５５とバーナー燃料の流れ２７０とを組み合わせる。加熱回路１９０は、バーナー燃料ヒーター２８０と連通しており、バーナー燃料の流れ２７０を加熱する。バーナー２６０が、このように、スタートアップ時にボトミングサイクル熱交換器１４０に流入する排気ガス５５を加熱することで、ランキンサイクルシステム１１０が動力を生成し始める。更に、バーナー２６０を全負荷で使用して、ランキンサイクルシステム１１０と全体的なシステム１００の出力を高めることもできる。具体的に、二酸化炭素の流れ１２０に追加のエネルギーを提供すると、ランキンサイクルシステム１１０の出力を維持しながら、様々なタービン部品１８５を作動させることができる。バーナー燃料ヒーター２８０に流入する超臨界二酸化炭素の流れ１２０の温度と圧力は、高熱の加圧流れ回路２００及び使用済流れ回路２１０と連通しているバーナー燃料ヒーターバルブ２９０によって変動する。燃料ヒーター２４０、２８０は、図示のように別個の部品であってもよいが、単一の部品として結合されていてもよい。燃料ヒーター２４０、２８０は、様々なタイプの燃料に対応可能である。また、低品質燃料も使用可能である。ここでは、その他の部品及びその他の構成を使用してもよい。
【００１８】
結合ボトミングサイクルシステム１００は、更に、タービン部品１８５と連通する１つ以上の冷却回路３００を含み得る。冷却回路３００は、二酸化炭素コンプレッサ／ポンプ１３０の下流に延在している。例えば、冷却回路３００は、コンプレッサ入口熱交換器２２０と連通している。冷却回路３００は、コンプレッサ入口膨張弁３１０を介してコンプレッサ入口熱交換器２２０と連通している。コンプレッサ入口膨張弁３１０は、ジュールトムソン弁３２０であってよい。ジュールトムソン弁３２０は、冷却回路３００内の超臨界二酸化炭素の流れ１２０の温度及び圧力を降下させる。このように、冷却回路３００は、コンプレッサ１５周囲の入口気流２０を冷却し、燃費を高めることによってガスタービンの動力出力を高める。コンプレッサ入口熱交換器２２０は、加熱回路１９０又は分離ユニットと同様に使用可能である。ここでは、その他の部品及びその他の構成を使用してもよい。
【００１９】
冷却回路３００は、更に、１つ以上の電気／電子機器の冷却熱交換器３３０等のタービン部品１８５と連通している。電気／電子機器の冷却熱交換器３３０で、ジェネレータ及び／又はここで使用されるその他の電子機器及び制御システムのいずれかの形態である負荷５０等の、様々な電気／電子部品を冷却できる。冷却回路３００は、電気／電子機器の膨張弁３４０を介して電気／電子機器の冷却熱交換器３３０と連通している。上記と同様に、電気／電子機器の膨張弁３４０は、超臨界二酸化炭素の流れ１２０を冷却するジュールトムソン弁３２０であってもよい。具体的には、電気／電子機器の冷却熱交換器３３０は、冷却回路３００からの超臨界二酸化炭素の流れを介して電気／電子機器の気流３５０を冷却できる。ここでは、その他の部品及びその他の構成を使用してもよい。
【００２０】
冷却回路３００は、更に、凝縮熱交換器３６０等のタービン部品１８５と連通可能である。凝縮熱交換器３６０は、ボトミングサイクル熱交換器１４０の下流にある。凝縮熱交換器３６０は、排気ガスの流れ５５を冷却し、そこから水を抽出する。凝縮熱交換器３６０は、実質的に耐食性材料から作製される。冷却回路３００は、コンデンサ膨張弁３７０を介して凝縮熱交換器３６０と連通可能である。コンデンサ膨張弁３７０は、超臨界二酸化炭素の流れ１２０を冷却する、ジュール−トムソン弁３２０等である。ここでは、その他の部品及び構成を使用してもよい。
【００２１】
統合ボトミングサイクルシステム１００の動作全体を、ボトミングサイクルコントローラ３９０によって制御可能である。ボトミングサイクルコントローラ３９０は、いずれのタイプのプログラマブルロジック装置であってもよい。ボトミングサイクルコントローラ３９０は、ガスタービンエンジン１０等のコントローラ全体と連通可能である。ボトミングサイクルコントローラ３９０は、次の場合にターボエキスパンダ１５０からの超臨界二酸化炭素の流れ１２０を迂回させるルールベースコントローラであってよい。即ち、（１）加熱／冷却需要のエコノミクスが改善され、（２）且つ／又は追加の出力が必要であり、また、（３）上記の迂回の結果としてターボエキスパンダ１５０からの動力出力の漸減が全体的なガスタービン出力の増加よりも小さくなる場合である（ボトミングサイクルコントローラ３９０が、ダクトバーナー２６０の使用によって温度を上昇させることにより、超臨界二酸化炭素の流れ１２０の熱含有量を増大させる場合は除く）。ボトミングサイクルコントローラ３９０で全ての設備構成の性能と動作パラメータを統合することにより、廃熱を効率的且つ経済的に使用する。ここでは、別タイプのルール及び動作パラメータを使用してもよい。こうして、統合ボトミングサイクルシステム１００は、排気ガスの流れ５５を利用して、ルールベースコントローラ３９０を介して動力出力並びに様々なタイプの加熱及び／又は冷却を増大させる。
【００２２】
使用時、タービン４０が生成する排気ガスの流れ５５は、ボトミングサイクル熱交換器１４０を介してランキンサイクルシステム１１０を駆動させる。こうして、ランキンサイクルシステム１１０は、負荷１８０を駆動させるターボエキスパンダ１５０を介して追加の動力出力を提供できる。或いは、統合ボトミングサイクルシステム１００で、超臨界二酸化炭素の流れ１２０の一部を加熱回路１９０へと迂回させることにより、入口空気の加熱及び燃料の加熱等を行ってもよい。或いは、超臨界二酸化炭素の流れ１２０を冷却回路３００へと迂回させることにより、入口空気を冷却すること、ここで使用する電子機器を冷却すること、排気ガスの流れ５５の中の水を凝縮させること等ができる。冷却回路３００は、超臨界二酸化炭素の流れ１２０の冷却にジュールトムソン弁３２０を用いてもよい。
【００２３】
ここでは、超臨界二酸化炭素の流れ１２０を太陽光及び／又は地熱で加熱することも包含する。また、ここでは、別タイプの加熱及び／又は冷却も行える。ここでは、ランキンサイクルシステム１１０とタービン部品１８５の全体的な統合によって、ボトミングサイクルシステムと加熱及び／又は冷却システムを分離する場合に比べて、出力を最大化するにあたり更にコスト効果的なアプローチがもたらされる。ここでは、ルールベースコントローラ３９０によって、周囲条件、負荷要求、燃料コスト、用水コスト、装置全体の構成、及び動作パラメータのいずれの組み合わせについても様々な加熱及び冷却流を最適化し、ここで生成される廃熱を効率的且つ経済的に使用できる。
【００２４】
明らかなように、上記は、本願とこれに伴う特許の一部の実施形態にのみ関する。ここでは、添付の特許請求の範囲に定める本発明の概念及び範囲並びにその等価物から逸脱することなく、当業者は多数の変更及び修正を行うことができる。
【符号の説明】
【００２５】
１０  ガスタービンエンジン
１５  コンプレッサ
２０  空気
２５  燃焼器
３０  燃料
３５  燃焼ガス
４０  タービン
４５  シャフト
５０  負荷
５５  排気ガス
１００  統合ボトミングサイクルシステム
１１０  ランキンサイクルシステム
１２０  二酸化炭素
１３０  二酸化炭素コンプレッサ
１４０  熱交換器
１５０  ターボエキスパンダ
１６０  クーラー／コンデンサ
１６５  レキュペレータ
１７０  シャフト
１８０  負荷
１９０  加熱回路
２００  高温の加圧流れ回路
２１０  使用済流れ回路
２２０  コンプレッサ熱交換器
２３０  コンプレッサ入口弁
２４０  燃料ヒーター
２５０  燃料ヒーター弁
２６０  バーナー
２７０  バーナー燃料
２８０  バーナー燃料ヒーター
２９０  バーナー弁
３００  冷却回路
３１０  コンプレッサ入口膨張弁
３２０  ジュールトムソン弁
３３０  電子機器の熱交換器
３４０  膨張弁
３５０  電子機器の気流
３６０  凝縮熱交換器
３７０  膨張弁
３９０  コントローラ
【図１】
2014109279.tif 000003
【図２】
2014109279.tif 000004