(57)【要約】【課題】オキシ燃料ガスタービンシステム及び方法を提供する。【解決手段】本ガスタービン（４０）は、複数の圧力プレート（５２）を備えた圧縮機（４２）と、該圧縮機（４２）の下流に配置された燃焼器（４４）と、該燃焼器（４４）の下流に配置されかつ圧縮機（４２）と軸方向に整列したタービン（４６）とを含む。燃焼器（４４）は、タービン（４６）に流れる燃焼ガスを生成する。燃焼器（４４）に連結された第１のマニホルド（５８）は、該燃焼器（４４）での燃焼のための第１のプロセスガスを含む。タービン（４６）の上流に連結された第２のマニホルド（６２）は、第２のプロセスガスを含み、第２のプロセスガスの一部分は、複数の圧力プレート（５２）に流れる。【選択図】      図３
2011027103.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ．複数の圧力プレート（５２）を備えた圧縮機（４２）と、
ｂ．圧縮機（４２）の下流に配置された少なくとも１つの燃焼器（４４）と、
ｃ．少なくとも１つの燃焼器（４４）の下流に配置され、圧縮機（４２）と軸方向に整列しかつそれに流れる燃焼ガスが該少なくとも１つの燃焼器（４４）によって生成されるタービン（４６）と、
ｄ．少なくとも１つの燃焼器（４４）に連結されかつ該少なくとも１つの燃焼器（４４）での燃焼のための第１のプロセスガスを含む第１のマニホルド（５８）と、
ｅ．タービン（４６）の上流に連結されかつその一部分が複数の圧力プレート（５２）に流れる第２のプロセスガスを含む第２のマニホルド（６２）と
を備えるガスタービン（４０）。
【請求項２】
複数の燃焼器（４４）をさらに含む、請求項１記載のガスタービン（４０）。
【請求項３】
第１のマニホルド（５８）が、複数の燃焼器（４４）の各々に連結される、請求項２記載のガスタービン（４０）。
【請求項４】
第２のプロセスガスが、該ガスタービン（４０）に流入しかつタービン（４６）から離れる方向に流れる、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のガスタービン（４０）。
【請求項５】
複数の圧力プレート（５２）に近接して圧縮機（４２）上に抽出ポート（６８）をさらに含み、
第３のプロセスガスが抽出ポート（６８）を通って流れて、圧力プレート（５２）を冷却する、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のガスタービン（４０）。
【請求項６】
圧縮機（４２）、複数の燃焼器（４４）及びタービン（４６）を有するガスタービン（４０）を運転する方法であって、
ａ．圧縮機（４２）から圧縮機ブレード（２０）を取外すステップと、
ｂ．圧縮機（４２）に複数の圧力プレート（５２）を据付けるステップと、
ｃ．タービン（４６）の上流においてガスタービン（４０）に第１のプロセスガスを供給するステップと、
ｄ．複数の燃焼器（４４）の少なくとも１つで第１のプロセスガスを燃焼させるステップと、
ｅ．タービン（４６）の上流においてガスタービン（４０）に第２のプロセスガスを供給するステップと、
ｆ．第２のプロセスガスの少なくとも一部分を複数の圧力プレート（５２）に導くステップと
を含む方法。
【請求項７】
第１のプロセスガスを複数の燃焼器（４４）の各々に供給するステップをさらに含む、請求項６記載の方法。
【請求項８】
燃焼に先立って第１のプロセスガスを第２のプロセスガスと混合するステップをさらに含む、請求項６又は請求項７記載の方法。
【請求項９】
第２のプロセスガスが、二酸化炭素又は酸素である、請求項６乃至請求項８のいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
複数の圧力プレート（５２）の少なくとも１つを第３のプロセスガスで冷却するステップをさらに含む、請求項６乃至請求項９のいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的にはブレイトンサイクルガスタービンに関連する。より具体的には、本発明は、プロセスガスを使用して運転するガスタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、発電用の商業運転において広く使用されている。図１は、当技術分野で公知の一般的なガスタービン１０を示している。図１に示すように、ガスタービン１０は一般的に、前部に圧縮機１２、中央部付近に１以上の燃焼器１４、また後部にタービン１６を含む。圧縮機１２及びタービン１６は一般的に、共通のロータ１８を共有する。
【０００３】
圧縮機１２は、ロータ１８に取付けられた複数段の圧縮機ブレード２０を含む。作動流体としての外気が、圧縮機１２の入口２２に流入し、圧縮機ブレード２０の回転により、作動流体は徐々に加圧される。加圧作動流体の一部は、他の用途のために抽出ポート２３を通して圧縮機１２から抽出され、また該作動流体の残りの部分は、圧縮機１２から流出しかつ燃焼器１４に流れる。
【０００４】
作動流体は燃焼器１４で燃料と混合され、この混合気は、点火燃焼されて、高温、高圧かつ高速を有する燃焼ガスを発生する。燃焼ガスは、燃焼器１４から流出しかつタービン１６に流れ、タービン１６において、これら燃焼ガスは膨張して仕事を産生する。
【０００５】
圧縮機１２での外気の加圧は、ロータ１８に対して前方方向のすなわち圧縮機入口２２に向かう軸方向力を生成する。タービン１６での燃焼ガスの膨張は、ロータ１８に対して後方方向のすなわちタービン排出口２４に向かう軸方向力を生成する。ガスタービン１０の前部におけるスラスト軸受２６は、ロータ１８を所定の位置に保持しかつロータ１８の軸方向移動を防止する。ロータ１８に作用する正味軸方向推力を減少させるために、従ってスラスト軸受２６の寸法及び付随する費用を低減するために、ガスタービン１０は一般的に、圧縮機１２及びタービン１６によって発生する軸方向力がほぼ等しいが対向するように設計される。
【０００６】
様々な商業生産プロセスでは、排出プロセスガスが発生する。例えば、油田における化学プロセスでは、排出プロセスガスとして大量の加圧酸素、二酸化炭素又は窒素が発生する。排出プロセスガスは、貯蔵及び／又は最終処分のために移送される。
【０００７】
プロセスガスの収集、貯蔵及び処分（廃棄）に付随する費用は、多額となる可能性があり、プロセスガスを使用してガスタービンシステムを運転する様々な試みが行われてきた。しかしながら、プロセスガスは、それに合わせてガスタービンが設計されている外気とは異なる分子量、圧縮性、可燃性などの物理的特性を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第６６３７１８３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、商業生産活動によって発生した排出プロセスガスを使用して運転することができるガスタービンに対する必要性が存在する。
【００１０】
本発明の態様及び利点は、以下において次の説明に記載しており、或いはそれら説明から自明なものとして理解することができ、或いは本発明の実施により学ぶことができる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一実施形態は、ガスタービンであり、本ガスタービンは、複数の圧力プレートを備えた圧縮機と、該圧縮機の下流に配置された少なくとも１つの燃焼器と、該少なくとも１つの燃焼器の下流に配置されかつ圧縮機と軸方向に整列したタービンとを含む。燃焼器は、タービンに流れる燃焼ガスを生成する。第１のマニホルドは、燃焼器に連結されかつ該燃焼器での燃焼のための第１のプロセスガスを含む。第２のマニホルドは、タービンの上流に連結されかつ第２のプロセスガスを含む。第２のプロセスガスの一部分は、圧力プレートに流れる。
【００１２】
別の実施形態では、ガスタービンは、複数の圧力プレートを備えた圧縮機と、該圧縮機の下流に配置された少なくとも１つの燃焼器と、該燃焼器の下流に配置されかつ圧縮機と軸方向に整列したタービンとを含む。燃焼器は、タービンに流れる燃焼ガスを生成する。第１のマニホルドは、タービンの上流でガスタービンに連結されかつ燃焼器での燃焼のための第１のプロセスガスを含む。第２のマニホルドは、タービンの上流に連結されかつ第２のプロセスガスを含む。第２のプロセスガスの一部分は、圧力プレートに流れる。
【００１３】
本発明はまた、圧縮機、複数の燃焼器及びタービンを有するガスタービンを運転する方法を含む。本方法は、圧縮機から圧縮機ブレードを取外すステップと、圧縮機に複数の圧力プレートを据付けるステップとを含む。本方法はさらに、タービンの上流においてガスタービンに第１のプロセスガスを供給するステップと、燃焼器の少なくとも１つで第１のプロセスガスを燃焼させるステップとを含む。さらに、本方法は、タービンの上流においてガスタービンに第２のプロセスガスを供給するステップと、第２のプロセスガスの少なくとも一部分を圧力プレートに導くステップとを含む。
【００１４】
本明細書を精査することにより、当業者には、そのような実施形態の特徴及び態様並びにその他がより良好に理解されるであろう。
【００１５】
添付図面の図を参照することを含む本明細書の以下の残り部分において、当業者に対する本発明の最良の形態を含む本発明の完全かつ有効な開示をより具体的に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】当技術分野で公知の一般的なガスタービンの平面図。
【図２】排出プロセスガスを貯蔵及び移送する従来の配管構成の簡略図。
【図３】本発明の実施形態によるガスタービンの平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、その１以上の実施例を添付図面に示している本発明の現時点での実施形態を詳細に説明する。詳細な説明では、図面中の特徴要素を示すために参照符号及び文字表示を使用している。本発明の同様な又は類似した部品を示すために、図面及び説明において同様な又は類似した表示を使用している。
【００１８】
各実施例は、本発明の限定ではなくて本発明の説明として示している。実際には、本発明においてその技術的範囲及び技術思想から逸脱せずに修正及び変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として例示し又は説明した特徴要素は、別の実施形態で使用してさらに別の実施形態を生成することができる。従って、本発明は、そのような修正及び変更を特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲に属するものとして保護することを意図している。
【００１９】
図２は、商業生産システムによって発生した排出プロセスガス用の一般的な配管及び貯蔵システム２８の簡略図を示している。図２に示すように、排出プロセスガスは、その後の使用又は移送のために１以上のコンテナ３０に移送することができる。コンテナ３０は、ドラム缶、ブラダー、大樽、タンク、リザーバ、及び流体を保持するために当業者には公知であるその他の構造のような排出プロセスガスを保持するためのあらゆる容器とすることができる。
【００２０】
当技術分野では、排出プロセスガスをコンテナ３０にまたコンテナ３０から移送するための様々な手段が公知である。例えば、図２に示すように、従来型の配管及び弁構成３２により、プロセスガスのための商業生産プロセスとコンテナ３０と最終処分プロセスとの間の流体連通を形成することができる。１以上のブースタポンプ３４、加圧空気、又は重力でさえも、幾つかの箇所間で排出プロセスガスを移送するために使用することができる。それに代えて、排出プロセスガスは、一箇所においてコンテナ内に収集しかつ貯蔵することができ、コンテナは、継続貯蔵又は最終処分のために道路、鉄道、空路又は水路によって別の箇所に輸送することができる。
【００２１】
図３は、本発明の実施形態によるガスタービン４０の平面図を示している。図３に示すように、ガスタービン４０はほぼ同様に、前部に圧縮機４２、中央部あたりに１以上の燃焼器４４、また後部にタービン４６を含む。ロータ４８が、圧縮機４２及びタービン４６を連結しかつそれら圧縮機４２及びタービン４６を軸方向に整列させる。ガスタービン４０の前部におけるスラスト軸受５０は、ロータ４８を所定の位置に保持しかつロータ４８の軸方向移動を防止する。図３は、ガスタービン４０の前部におけるスラスト軸受５０を示しているが、スラスト軸受５０は、ロータ４８に沿ったあらゆる位置に設置することができる。
【００２２】
圧縮機４２は、図１に関して前述した従来技術の圧縮機から修正したものとなっている。具体的には、一般的な圧縮機に存在する圧縮機ブレードを取外しかつ１以上の圧力プレート５２と交換している。圧力プレート５２は、該圧力プレート５２を両方向に通過するガス又は流体流を実質的に阻止又は制限するあらゆる表面を備えるように形成される。圧力プレート５２は、ロータ４８と共に回転することができるか或いはロータ４８に対して固定することができる。
【００２３】
燃焼器４４は、圧縮機４２とタービン４６との間でガスタービン４０の周りに配置される。ケーシング５４が、燃焼器４４を囲みかつ該燃焼器４４の周りに密封エンクロージャを形成する。燃焼器４４は、タービン４６に流れる燃焼ガスを生成する。
【００２４】
タービン４６は、軸方向に圧縮機４２と整列している。燃焼器４４からの燃焼ガスは、タービン４６で膨張して仕事を産生する。タービン４６での燃焼ガスの膨張は、ロータ４８に対して後方方向のすなわちタービン排出口５６に向かう軸方向力を生成する。
【００２５】
第１のプロセスガスを含む第１のマニホルド５８が、タービン４６の上流のあらゆる箇所においてガスタービン４０に連結される。図３に示すように、分岐管路６０は、第１のマニホルド５８から直接的に燃焼器４４への第１のプロセスガスの流れのための流体連通を形成することができる。第１のプロセスガスは、酸素、又は燃焼器４４での燃焼のためのあらゆるその他のプロセスガス含有酸素とすることができる。
【００２６】
第２のプロセスガスを含む第２のマニホルド６２が同様に、タービン４６の上流においてガスタービン４０を囲む。分岐管路６４は、第２のマニホルド６２からガスタービン４０への第２のプロセスガスの流れのための流体連通を形成する。第２のプロセスガスは、二酸化炭素、窒素、又は第１のプロセスガスと混合するためのあらゆるその他の希釈剤とすることができる。
【００２７】
第２のプロセスガスは、燃焼器４４の周りを流れかつタービン４６から離れる方向に流れる。第２のプロセスガスの一部分は、圧縮機４２内の圧力プレート５２に流れる。圧力プレート５２に対する第２のプロセスガスの圧力は、ロータ４８に対して前方方向のすなわち圧縮機入口６６に向かう軸方向力を生成する。従って、圧縮機４２でロータ４８に作用する軸方向力は、タービン４６で該ロータ４８に作用する軸方向力と対向する方向であって、該ロータ４８に作用する正味軸方向推力を減少させ、従ってスラスト軸受５０の寸法及び付随する費用を低減する。第２のプロセスガスの温度により、圧力プレート５２及びロータ４８が加熱される可能性がある。その結果、圧縮機４２に対して第３のプロセスガスを供給して、圧力プレート５２及びロータ４８を冷却することができる。第３のプロセスガスは、圧縮機４２上に既に存在する抽出ポート６８を通して圧縮機４２に供給することができる。第３のプロセスガスは、圧力プレート５２及びロータ４８を冷却するのに好適な温度を有するあらゆる使用可能なガスとすることができる。第３のプロセスガスは、第２のプロセスガスよりも低温であることを除いて、該第２のプロセスガスと同じものとすることさえできる。
【００２８】
第２のプロセスガスの残りの部分は、燃焼器４４で第１のプロセスガスと混合させる。第１及び第２のプロセスガスの混合気は点火燃焼されて、高温、高圧及び高速を有する燃焼ガスを生成する。この燃焼ガスは、燃焼器４４から流出しかつタービン４６に流れる。前述したように、タービン４６での燃焼ガスの膨張は、仕事を産生しまたロータ４８に対して後方方向のすなわちタービン排出口５６に向かう軸方向力を生成する。
【００２９】
本発明の実施形態はまた、図３に示すように、プロセスガスを使用するように既存のガスタービン４０を運転する方法を提供することができる。図３に示すように、ガスタービン４０はほぼ同様に、当技術分野で公知のように、圧縮機４２、１以上の燃焼器４４、及びタービン４６を含む。
【００３０】
圧縮機４２は、圧縮機ブレードを取外すことによって修正され、１以上の圧力プレート５２が、圧縮機４２内の圧縮機ブレードの代わりに据付けられる。
【００３１】
第１のマニホルド５８が、タービン４６の上流においてガスタービン４０に第１のプロセスガスを供給し、燃焼器４４が、第１のプロセスガスに点火燃焼させる。第２のマニホルド６２が、タービン４６の上流においてガスタービン４０に第２のプロセスガスを供給する。第２のプロセスガスの少なくとも一部分は、圧力プレート５２に流れる。プロセスガスは、前述したように、別の商業生産システムから生成されたあらゆる排出プロセスガスとすることができる。
【００３２】
圧縮機４２はさらに、１以上の圧力プレート５２に対して冷却のために第３のプロセスガスを供給することによって修正することができる。第３のプロセスガスは、圧力プレート５２及びロータ４８を冷却するのに好適な温度を有するあらゆる使用可能なガスとすることができる。第３のプロセスガスは、第２のプロセスガスよりも低温であることを除いて、該第２のプロセスガスと同じものとすることさえできる。
【００３３】
特許請求の範囲に記載したような本発明の技術的範囲及び技術思想並びにその均等物から逸脱せずに本明細書に記載した本発明の実施形態に対して改良及び変更を加えることができることは当業者には分かるであろう。
【符号の説明】
【００３４】
１０  従来技術のガスタービン
１２  圧縮機
１４  燃焼器
１６  タービン
１８  ロータ
２０  圧縮機ブレード
２２  圧縮機入口
２３  抽出ポート
２４  タービン排出口
２６  スラスト軸受
２８  配管及び貯蔵システム
３０  コンテナ
３２  配管及び弁
３４  ブースタポンプ
４０  ガスタービン
４２  圧縮機
４４  燃焼器
４６  タービン
４８  ロータ
５０  スラスト軸受
５２  圧力プレート
５４  ケーシング
５６  タービン排出口
５８  第１のマニホルド
６０  分岐管路
６２  第２のマニホルド
６４  分岐管路
６６  圧縮機入口
６８  抽出ポート
【図１】
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【図２】
2011027103.tif 000004
【図３】
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