(57)【要約】【課題】タービンシステムおよびそれを操作する方法を提供する。【解決手段】タービンシステムは、圧縮低酸素空気流を生成するコンプレッサと、前記圧縮低酸素空気流を受け、かつ、燃焼後ガス流を生成するために燃料流を燃焼させるコンバスタとを含む。前記タービンシステムはまた、低ＮＯx排ガス流を生成するために、前記燃焼後ガス流を受けるためのタービン、前記低ＮＯx排ガス流を受け、かつ冷却ガス流を生成する熱回収システムと、酸素および水蒸気が欠乏した冷却圧縮空気流を生成する補助コンプレッサとを含む。酸素および水蒸気が欠乏した冷却圧縮空気流の一部は、前記コンバスタに向けられて、前記コンバスタの露出部分上に酸素およびＨ2Ｏが欠乏した膜を生成し、また別の部分は、前記タービンに向けられて冷却フローを提供する。【選択図】図１
2015010607.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮低酸素空気流を生成するように構成されるコンプレッサと、
前記圧縮低酸素空気流を前記コンプレッサから受け、かつ、燃焼後ガス流を生成するために燃料流を燃焼させるように構成されるコンバスタと、
動力および低ＮＯx排ガス流を生成するために、前記燃焼後ガス流を前記コンバスタから受けるためのタービンと、
冷却ガス流を生成するために、前記低ＮＯx排ガス流を前記タービンから受けるように構成される、熱回収システムと、
酸素および水蒸気が欠乏した冷却圧縮ガス流を生成するために、少なくとも前記冷却ガス流の一部を前記熱回収システムから受けるように構成される補助コンプレッサと、を含むタービンシステムであって、
前記酸素および水蒸気が欠乏した冷却圧縮ガス流の一部は前記コンバスタに向けられて、前記コンバスタの露出部分上に酸素およびＨ2Ｏが欠乏した膜を生成し、
前記酸素および水蒸気が欠乏した冷却圧縮ガス流の一部は前記タービンに向けられて、冷却フローを提供する、タービンシステム。
【請求項２】
前記コンバスタは、前記燃料流の燃料リッチ燃焼を可能にするように構成されるリッチ燃焼コンバスタである、請求項１記載のタービンシステム。
【請求項３】
前記低ＮＯx排ガス流を前記タービンから受け、かつ、燃焼後ガス流を生成するために燃料流を燃焼させるように構成される少なくとも１つの付加コンバスタと、動力および低ＮＯx排ガス流を生成するために、前記燃焼後ガス流を前記少なくとも１つの付加コンバスタから受けるための少なくとも１つの付加タービンとをさらに含む、請求項２記載のタービンシステム。
【請求項４】
前記少なくとも１つ付加コンバスタは、前記燃料流の燃料リーン燃焼を可能にするように構成されるリーン燃焼コンバスタである、請求項３記載のタービンシステム。
【請求項５】
前記コンバスタおよび前記少なくとも１つの付加コンバスタは、前記燃料流を燃焼のリッチ急冷リーン（ＲＱＬ）モードで燃焼させるように構成される、請求項３記載のタービンシステム。
【請求項６】
前記熱回収システムは、水蒸気および前記冷却ガス流を生成するために、前記低ＮＯx排ガス流を前記タービンから受けるように構成される熱回収水蒸気生成器（ＨＲＳＧ）である、請求項１記載のタービンシステム。
【請求項７】
前記熱回収システムから前記補助コンプレッサに対する前記冷却ガス流のフローを制御する排ガス再循環バルブをさらに含む、請求項１記載のタービンシステム。
【請求項８】
前記熱回収システムからの前記冷却ガス流の一部は、二酸化炭素捕獲システムに向けられる、請求項１記載のタービンシステム。
【請求項９】
前記酸素および水蒸気が欠乏した冷却圧縮ガス流は、体積で約１３%未満の酸素を含む、請求項１記載のタービンシステム。
【請求項１０】
前記低ＮＯx排ガス流の一部は前記コンプレッサに再循環され、前記圧縮低酸素空気流を生成する、請求項１記載のタービンシステム。
【請求項１１】
前記低ＮＯx排ガスは、約３０ｐｐｍ未満レベルのＮＯxを含む、請求項１記載のタービンシステム。
【請求項１２】
前記低ＮＯx排ガスは、約５ｐｐｍ未満レベルのＮＯxを含む、請求項１１記載のタービンシステム。
【請求項１３】
前記酸素およびＨ2Ｏが欠乏した膜は、前記コンバスタライナーの露出部分、前記コンバスタドームおよびタービン排気中空上に生成される、請求項１記載のタービンシステム。
【請求項１４】
圧縮低酸素空気流を形成するために、外気および低ＮＯx排ガス流の少なくとも一部を圧縮するように構成されるコンプレッサと、
前記圧縮低酸素空気流を前記コンプレッサから受け、かつ、燃焼のリッチ急冷リーン（ＲＱＬ）モードにおいて燃料流を燃焼させて燃焼後ガス流を生成するように構成されるコンバスタと、
電気と前記低ＮＯｘ排ガス流を生成するために、前記燃焼後ガス流を前記コンバスタから受けるためのタービンと、
冷却ガス流を生成するために、前記低ＮＯx排ガス流の一部を前記タービンから受けるように構成される熱回収システムと、
酸素および水蒸気が欠乏した冷却圧縮ガス流を生成するために、前記冷却ガス流の少なくとも一部を前記熱回収システムから受けるように構成される補助コンプレッサと、を含むタービンシステムであって、
前記酸素および水蒸気が欠乏した冷却圧縮ガス流の一部は前記コンバスタに向けられて、前記コンバスタの露出部分上に酸素およびＨ2Ｏが欠乏した膜を生成し、
前記酸素および水蒸気が欠乏した冷却圧縮ガス流の一部は前記タービンに向けられて、冷却フローを提供する、タービンシステム。
【請求項１５】
前記熱回収システムは、前記低ＮＯｘ排ガス流を前記タービンから受けるように構成される、水蒸気を生成するための熱回収水蒸気生成器（ＨＲＳＧ）である、請求項１４記載のタービンシステム。
【請求項１６】
二酸化炭素捕獲システムをさらに含み、前記熱回収システムからの前記冷却ガス流の一部は前記二酸化炭素捕獲システムに向けられる、請求項１４記載のタービンシステム。
【請求項１７】
前記圧縮低酸素空気流は、体積で約１３%未満の酸素を有する、請求項１４記載のタービンシステム。
【請求項１８】
前記低ＮＯｘ排ガス流は、約３０ｐｐｍ未満のレベルのＮＯxを有する、請求項１４記載のタービンシステム。
【請求項１９】
前記コンバスタは、
前記燃料流の燃料リッチ燃焼を可能にするように構成されるリッチ区域と、
前記燃料リッチ燃焼を前記燃料流の燃料リーン燃焼に変換することができるように構成される急冷区域と、
前記燃料流の前記燃料リーン燃焼を可能にするように構成されるリーン区域と、を含む、請求項１４記載のタービンシステム。
【請求項２０】
タービンシステムを作動する方法であって、
コンプレッサ内で圧縮低酸素空気流を製造することと、
燃焼後ガスを形成するために、前記圧縮低酸素空気流をコンバスタ内で燃料流により燃焼させることと、
低ＮＯx排ガスを生成するために、タービン内で前記燃焼後ガスを膨張させることと、
冷却ガス流を生成するために、熱回収システム内で前記低ＮＯx排ガスを冷却することと、
酸素および水蒸気が欠乏した冷却圧縮ガス流を形成するために、補助コンプレッサ内で前記冷却ガス流の一部を圧縮することと、
冷却フローを提供するために、前記酸素および水蒸気が欠乏した冷却圧縮ガス流を前記コンバスタおよびタービンに注入することと、を含む方法。
【請求項２１】
前記圧縮低酸素空気流を生成するために、前記冷却された空気流の別の部分を前記コンプレッサの流入口に再循環することをさらに含む、請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
前記低酸素空気流を燃焼のリッチ急冷リーン（ＲＱＬ）モードで燃焼させることを含む、請求項２０記載の方法。
【請求項２３】
前記冷却された空気流の一部を、二酸化炭素捕獲システムに向けることをさらに含む、請求項２０記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は概してガスタービンシステムに関し、特に、ガスタービンエンジン用のリッチ燃焼コンバスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化水素燃料燃焼過程は、固定発電ガスタービンシステムにおいて広く使用されている。地球大気の質についての懸念が高まっていることもあり、大気を汚染する燃焼副生成物は最小限に留める必要がある。したがって、固定発電ガスタービンシステム用コンバスタでは、生成する酸化窒素（ＮＯxと総称されるＮＯ、ＮＯ2、Ｎ2Ｏなど）および一酸化炭素（ＣＯ）が低濃度である必要がある。このような排出物は、酸性雨および他の環境問題を引き起こしかねない。ＮＯxは、大気窒素との反応によって生じることが可能であり、このような反応は「熱」および「即時」ＮＯxと称され、または燃料束縛窒素（ＦＢＮ）との反応によって生じ得る。十分に裏付けされた燃焼理論によると、「熱」によるＮＯx作成の機構は、火炎の発生および伝搬の原因となるラジカルにより固定されている大気窒素によるものである。
【０００３】
乱流混合界面における高温による従来の（燃料と空気が予混合されていない）コンバスタの熱ＮＯxの大部分は、ＮＯx抑制のための水または水蒸気の注入を受ける。この方法において、注入された水または水蒸気が熱を吸収し、（ＮＯx形成閾値を下回るように）最高温度を下げて、ＮＯx排出レベルを削減する。低温化はＣＯ消費反応を抑制する好ましくない副作用を有するため、ＣＯ濃度が高まり、コンバスタの寿命および効率が減少する。したがって、水または水蒸気注入技術はＮＯx抑制にとって理想的ではない。
【０００４】
発電所についての制約条件によると、安定性、ターンダウン比（すなわち、電力の需要低下に対応する電力変化）および効率が現在の装置のそれらと同様であることが指定される。水または水蒸気注入を伴わないＮＯx抑制技術は、「乾式」燃焼と称される。２つの乾式低ＮＯx燃焼技術は、（ｉ）リッチリーン段階燃焼（元々は熱およびＦＢＮ  ＮＯx抑制専用だったが、以下に記載の理由により成功しなかった）、および（ｉｉ）リーン予混合燃焼（熱ＮＯx抑制専用）を提案していた。
【０００５】
リッチリーン段階燃焼において、コンバスタは、リッチである第１区域と（等量比はФ≒１．３−１．８であり、化学量論的条件に関してФ＝１であり、Ф＞１はリッチであり、Ф＜１はリーンであることに留意されたい）と、リーンである第２区域とに分割される。非化学量論的条件のため、各区域の温度は過度に低く（例えば、２７８０°Ｆ未満）、「熱」機構によりＮＯxが形成することはない。
【０００６】
しかしながら、先行技術の段階的システムにおいて、リッチ区域の排出物と空気の混合は有限割合で起こり、高温の化学量論に近い渦の形成を防ぎ得ない。付随する高温により、熱ＮＯxが、約２７８０°Ｆを超える温度で多量に生成する。これは、実験室およびメインフレーム（１００ＭＷクラス）の両方におけるガスタービン装置で経験されたことである。しかしながら、ＦＢＮ  ＮＯxを作成するために利用可能な酸素の量が制限されるため、リッチコンバスタは大量の燃料束縛窒素の含有量を有する燃料に適している。
【０００７】
燃料が窒素を含有していない場合に有益なリーン予混合コンバスタは、Ф≒０．７のリーン予混合（液体燃料の場合、予蒸発）燃料空気流を燃料とする。その後の温度は一様に過度に低くされており（例えば、２７８０°Ｆ未満）、熱ＮＯx機構が活性化されることはない。このことにより、現在の炭化水素を燃料とするコンバスタにおいて得られる最小ＮＯxに対するより低い制限値がもたらされる。
【０００８】
従来のガスタービンエンジンは、空気（酸素の存在により、空気が潜在的な酸化力を持つために、酸化体と称されることもある）を圧縮するためのコンプレッサを備え、空気はコンバスタ内で燃料と混合し、混合ガスは燃焼し、燃焼後ガスと称される、高圧、高温ガス流を生成する。燃焼後ガスはタービン（高圧タービン）内で膨張して、燃焼後ガスからの熱エネルギーを、タービンシャフトを回転させる機械的エネルギーに変換する。
【０００９】
リッチコンバスタ内での燃焼過程で、酸素欠乏環境において燃料は比較的低温で消費される。コンバスタからの高温排出ガスは、フローから仕事エネルギーを取り出す高圧タービンを介して膨張可能であってもよい。この仕事エネルギー取り出しの結果、フローが大幅に冷却される。この燃料リッチフローは、その後、添加空気と混合されることが可能となり、第２コンバスタ内で、さらに具体的にはリーンコンバスタ内で、リッチフロー流において未燃焼燃料を消費する。第２燃焼は、（熱ＮＯx形成のために）かなりの低温で行われる。第２コンバスタからの高温空気フローは、さらに仕事エネルギーを取り出す下流タービンで膨張可能となる。このタイプの構成では、ＮＯxの生成は、リッチおよびリーン燃焼の循環が比較的低い温度であるために最小限に抑えられており、そのような低い温度は、熱ＮＯx生成に関して確立されたレベルより低くなっている。リーン循環内のＣＯは無視できる程度になる傾向があるため、即時ＮＯxも最小限に抑えられる。リッチコンバスタは過度に少ない酸素で動作しているためＮＯxをせず、ＦＢＮ  ＮＯxは最小限に抑えられる。この燃焼の低ＮＯx過程に関する付加情報は、本明細書でその全体が参照により組み入れられ、同一出願人により出願され、Ｓａｎｊａｙ  Ｍ．  Ｃｏｒｒｅａに対して発行された、発明の名称「乾式低ＮＯx炭化水素燃焼装置」である米国特許第ＲＥ３５，０６１号に記載されている。
【００１０】
二次的リーン燃焼コンバスタを組み入れることにより、コンプレッサからの付加酸素と混合された後、燃焼後ガスは再燃焼する。再燃焼した燃焼後ガスは別のタービンセクション（低圧タービン）内で膨張し、追加動力を生成する。したがって、リーンコンバスタおよび低圧タービンの配置には、燃焼後ガスの潜在的な酸化力が使用され、それにより、エンジン効率が高まる。
【００１１】
ガスタービン効率および固有仕事量をさらに高めようとした結果、圧力比および焼成温度が上昇することになってもよい。この圧力比および焼成温度が上昇するには、ガスタービンエンジン内で炭化ケイ素（ＳｉＣ）などの高温材料を使用することが必要となる。高温動作（４０００°Ｆ超）の際、耐久性問題が、コンバスタライナー、ドームおよびタービン翼を含むがこれらに限定されないＳｉＣ複合ハードウェアに対する、酸素（Ｏ）原子、水素（Ｈ2）、水酸化（ＯＨ）ラジカル、および水（Ｈ2Ｏ）分子による化学攻撃に関して起きる。耐環境コーティングは、ＳｉＣ構成要素に対する水蒸気の攻撃などのこれらの化学攻撃を最小限に押さえるために用いられてもよい。これらのコーティング材料は、引っ掻くなどして損傷したり、劣化したりしない限り、ＳｉＣ構成要素を十分に保護する。したがって、高温動作の際、焼成温度の上昇は、材料の性能およびＮＯx排出により制限される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許第８，３７５，７２３号公報
【発明の概要】
【００１３】
したがって、上昇した温度で動作可能な、改善されたガスタービンエンジンを提供することが求められる。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
先行技術のこれらおよび他の欠点は、ガスタービンエンジンおよびガスタービンエンジンを作動する方法を提供する本開示により対処される。
【００１５】
本開示の１つの態様は、圧縮低酸素空気流を生成するように構成されるコンプレッサと、前記圧縮低酸素空気流を前記コンプレッサから受け、かつ、燃焼後ガス流を生成するために燃料流を燃焼させるように構成されるコンバスタと、動力および低ＮＯx排ガス流を生成するために、前記燃焼後ガス流を前記コンバスタから受けるためのタービンと、前記低ＮＯx排ガス流を前記タービンから受けるように構成される、冷却ガス流を生成するための熱回収システムと、少なくとも冷却ガス流の一部を前記熱回収システムから受けるように構成される、酸素および水蒸気が欠乏した冷却圧縮ガス流を生成するための補助コンプレッサと、を含むタービンシステムに存在する。酸素および水蒸気が欠乏した冷却圧縮ガス流の一部は前記コンバスタに向けられて、前記コンバスタの露出部分上に酸素およびＨ2Ｏが欠乏した膜を生成する。また、酸素および水蒸気が欠乏した冷却圧縮ガス流の一部は前記タービンに向けられて、冷却フローを提供する。
【００１６】
本開示の別の態様は、圧縮低酸素空気流を形成するために、外気および低ＮＯx排ガス流の少なくとも一部を圧縮するように構成されるコンプレッサと、前記圧縮低酸素空気流を前記コンプレッサから受け、かつ、燃焼のリッチ急冷リーン（ＲＱＬ）モードにおいて燃料流を燃焼させて燃焼後ガス流を生成するように構成されるコンバスタと、電気と低ＮＯｘ排ガス流を生成するために、前記燃焼後ガス流を前記コンバスタから受けるためのタービンと、前記低ＮＯx排ガス流の一部を前記タービンから受けるように構成される、冷却ガス流を生成するための熱回収システムと、冷却ガス流の少なくとも一部を前記熱回収システムから受けるように構成される、酸素および水蒸気が欠乏した冷却圧縮ガス流を生成するための補助コンプレッサと、を含むタービンシステムに存在する。酸素および水蒸気が欠乏した冷却圧縮ガス流の一部は前記コンバスタに向けられて、前記コンバスタの露出部分上に酸素およびＨ2Ｏが欠乏した膜を生成する。また、酸素および水蒸気が欠乏した冷却圧縮ガス流の一部は前記タービンに向けられて、冷却フローを提供する。
【００１７】
本開示のさらに別の態様は、タービンシステムを作動する方法であって、コンプレッサ内で圧縮低酸素空気流を製造することと、燃焼後ガスを形成するために、圧縮低酸素空気流をコンバスタ内で燃料流により燃焼させることと、低ＮＯx排ガスを生成するために、タービン内で前記燃焼後ガスを膨張させることと、冷却ガス流を生成するために、熱回収システム内で低ＮＯx排ガスを冷却することと、酸素および水蒸気が欠乏した冷却圧縮ガス流を形成するために、補助コンプレッサ内で前記冷却ガス流の一部を圧縮することと、冷却フローを提供するために、酸素および水蒸気が欠乏した冷却圧縮ガス流を前記コンバスタおよびタービンに注入することと、圧縮低酸素空気流を生成するために、前記冷却された空気流の別の部分を前記コンプレッサの流入口に再循環することと、を含む方法に存在する。
【００１８】
上述の特徴の種々の改良は、本開示の種々の態様に関連して存在する。さらなる特徴も同様にこれらの種々の態様に組み入れられてもよい。これらの改良および付加的な特徴は個々に存在してもよいし、または任意の組合せで存在してもよい。例えば、図示された実施形態のうちの１つ以上に関して以下に記載される種々の特徴は、本開示の上述の態様の１つに、またはそれらのいずれかの組合せに組み入れられてもよい。さらに、上記の発明の概要は、請求された主題を限定することなく、読者に、本開示の特定の態様および文脈を周知徹底させることのみを意図している。
【００１９】
本開示の上記のおよび他の特徴、態様、および利点は、図面を通して同様の部分は同様の参照数字で表される添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことでより良く理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本明細書に示されるまたは記載される１つ以上の実施形態によるガスタービンシステムを概略的に示す。
【図２】本明細書に示されるまたは記載される１つ以上の実施形態による図１のガスタービンシステムの一部の例示的構成を概略的に示す。
【図３】本明細書に示されるまたは記載される１つ以上の実施形態によるガスタービンシステムの別の実施形態を概略的に示す。
【図４】本明細書に示されるまたは記載される１つ以上の実施形態によるガスタービンシステムの別の実施形態を概略的に示す。
【図５】本明細書に示されるまたは記載される１つ以上の実施形態によるタービンシステムを作動する方法を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本開示は、特定の実施形態との関係において例示目的のためのみに説明されるものの、本開示の他の目的および利点が本開示による図面に関する以下の記載により明らかになることを理解されたい。好適な実施形態が開示される一方、それらの実施形態は限定的であることを意図していない。むしろ、本明細書に記載された一般原則は、本開示の範囲を単に例示するとみなされ、本開示の範囲から逸脱することなく、多くの変更がなされてもよいことがさらに理解される。
【００２２】
本明細書において、「第１」、「第２」などの用語は、順序、量、または重要度のいずれも示していないが、要素を互いに区別するために用いられる。本明細書において、冠詞「ａ」および「ａｎ」は量の限定を意味してはおらず、むしろ、少なくとも１つの参照項目の存在を示している。量に関係して用いられる修飾語句「約（ａｂｏｕｔ）」は表示された値を含み、文脈から決定付けられる意味を持つ（例えば、具体的な量の計量に関連した誤差の度合いを含む）。さらに、「第１」、「第２」などの用語には、読者を特定の構成要素の部分に着目させる意図がある。
【００２３】
さらに、本明細書において、添字「（ｓ）」は通常、それが修飾する用語の１つまたは複数の両方を含むことを意図し、それにより、その用語の１つ以上を含むことになる（例えば、特別に定められない限り「ｔｈｅ  ｊｅｔｓ」は１つ以上のｊｅｔｓを含んでもよい）。「１つの実施形態」、「別の実施形態」、「ある実施形態」などに対する明細書を通しての参照は、実施形態との関係で記載された具体的な要素（例えば、構成、構造、および／または特徴）が本明細書に記載された少なくとも１つの実施形態に含まれ、他の実施形態には存在してもしなくてもよいことを意味する。同様に、「具体的な構成」に対する参照は、その構成との関係で記載された具体的な要素（例えば、特徴、構造、および／または特徴）が、本明細書に記載された少なくとも１つの構成に含まれ、他の構成には存在してもしなくてもよいことを意味する。さらに、種々の実施形態および構成において、記載された発明の特徴が任意の適切な方法で組み合わされてもよいことが理解される。
【００２４】
以下に詳細に検討されるように、本開示による実施形態は、リッチ燃焼コンバスタを備えたガスタービンシステムおよび、排出機能とともに、高温用セラミック材料の要求に対処するガスタービンシステムのリッチ燃焼コンバスタを作動する方法を提供する。しかしながら、この開示は多くの異なる形態で具体化されてもよく、本明細書に記載された実施形態に限定されると解釈されるべきではなく、むしろこれらの実施形態は、この開示が完全かつ詳細であり、本開示の範囲を当業者に十分に伝えるように提供される。
【００２５】
以下に詳細に検討されるように、本システムおよび方法による実施形態は、タービンシステム内の排出物を減少させ、タービンシステムの全体的な効率を高める燃焼技術を提供するように機能し、その一方で、ＮＯxの形成を削減する。特定の実施形態のいくつかにおいて、本技術は、排ガス再循環（ＥＧＲ）を燃焼のリッチ急冷リーン（ＲＱＬ）モードとともに採用して、ＮＯxなどの排出物を最小にすることを含む。
【００２６】
次に図１を参照すると、ガスタービンシステム１０が図示されており、具体的には、本開示の実施形態による、ガスタービンエンジン１１が図示される。図１は、フロー連通した、低圧コンプレッサ１２、高圧コンプレッサ１４、第１コンバスタ１６、第１タービン１８、第２コンバスタ２０、第２タービン２２、および出力タービン２４を示している。ある実施形態において、第１コンバスタ１６は、リッチ区域２７を形成するリッチ燃焼コンバスタ２６であり、第２コンバスタ１８は、リーン区域２９を形成するリーン燃焼コンバスタ２８であり、急冷区域３１がその間に形成される。リッチ区域２７は、（ここで記載されている）燃料流の燃料リッチ燃焼を可能にするように構成される。急冷区域３１は、燃料リッチ燃焼を燃料流の燃料リーン燃焼に変更することができるように構成される。リーン区域２９は、燃料流の燃料リーン燃焼を可能にするように構成される。
【００２７】
大気からなる空気流３０は、所望の温度および圧力にまで圧縮するために、流入口３１において、低圧コンプレッサ１２および高圧コンプレッサ１４に供給される。別の実施形態において、ここに示されるように、空気流３０に加えて、低ＮＯｘ排ガス流の一部がコンプレッサ１２の流入口３１に再循環されてもよい。圧縮後、空気流３０は、高温燃焼、燃料リッチ、圧縮低酸素空気流３２として高圧コンプレッサ１４から抜け出て、第１コンバスタ１６内で、さらに具体的には、リッチ燃焼コンバスタ２６内で、燃料流（図示せず）と混合する。混合ガスはリッチ燃焼コンバスタ２６内で着火し（燃焼し）、燃焼後ガス流３４の高温かつ高圧流となる。
【００２８】
燃料の１００%は第１コンバスタ１６に入れられ、そのコンバスタは、リッチ燃焼混合ガス内の燃料を、コンプレッサ１２および１４を介して供給された比較的低位置の空気で燃焼させる。この例示的な実施形態において、空気流３０は、低圧コンプレッサ１２および高圧コンプレッサ１４を用いて圧縮し、燃料流を燃焼させるためのコンバスタ１６に導かれ、燃焼後ガス３４の低ＮＯｘ高圧流を生成する。具体的には、圧縮低酸素空気流３２の燃焼は、火炎温度の低下を促進させ、それにより、ＮＯxが減少する。さらに、圧縮低酸素空気流３２による燃料流の燃焼により、さらなるＮＯx減少につながる燃料リッチ燃焼が可能になる。
【００２９】
本明細書において用いられるように、「燃料リッチ燃焼」という用語は、燃料流および圧縮低酸素空気流３２の燃焼であって、等量比（ＥＲ）または燃料対酸化剤比率はおよそ、２．５対３である燃焼を指す。例えば、第１コンバスタ１６に供給される空気量は、導管４２を介してコンプレッサ１２および１４から第２コンバスタ２０に供給された空気の１０%であってもよい。燃焼生成物は、比較的高温ではあるが熱ＮＯxが生成される約２７８０°Ｆより低い温度で、第２コンバスタ２０に加えられる。リッチ燃焼により、コンバスタ２０における燃焼過程で利用可能な酸素はほとんどなく、その温度は、熱ＮＯxが生成される臨界温度を超えることはない。その燃焼過程の比較的リッチな特徴のために、即時ＮＯxを最小限にする燃焼過程において、Ｏ、ＯＨ、および他の酸化的ラジカルは僅かしか生成しない。また、リッチ燃焼過程は、改質化学技術に有利である、すなわち、これは、炭化水素（ＣＨ）ガス生成物の生成を避ける傾向があり、むしろ、主にＣＯおよびＨ2からなるガス生成物を生成するものである。ＣＯおよびＨ2の混合ガスは一般的に合成ガス（シンガス）と称される。ＦＢＮ種は、もし存在するのであれば、Ｎ2（分子窒素）に変換される。
【００３０】
燃焼後ガス流３４は第１タービン１８で膨張し、燃焼後ガス流３４と関連する熱エネルギーを機械的エネルギーに変換し、膨張燃焼ガス流３６として第１タービン１８を抜け出る。第１タービン１８は、燃焼後ガス流３４を膨張させ、発電するための発電機などの外部荷重、または同種のもの（図示せず）を駆動するように構成される。図示された実施形態において、低圧コンプレッサ１２および／または高圧コンプレッサ１４は、シャフト４０を介して第１タービン１８により生成された動力により駆動される。特定の実施形態において、第１タービン１８は高圧タービン３８である。
【００３１】
膨張燃焼ガス流３６は、特定の量の未利用加熱酸素（約１５から約１８質量パーセント）に関連する。したがって、膨張燃焼ガス流３６を大気に放出するどころか、ガスタービンシステム１０は、第２コンバスタ２０および第２タービン２２を配置して、追加動力を生成する。この仕事エネルギーの取り出しは、膨張燃焼ガス流３６の大幅な冷却につながる。
【００３２】
冷却燃料リッチフロー、またさらに具体的には、冷却膨張燃焼ガス３６は、次に、導管４２を介して付加圧縮空気と混合し、第２コンバスタ２０内の、さらに具体的にはリーンコンバスタ２８内の、リッチフロー流における未燃焼燃料を消費する。第２燃焼は、リーンコンバスタ２８内で（熱ＮＯX形成にとっては）非常に低温で起こる。第２コンバスタ２０からの高温空気フローは、燃焼後ガス流４４の形で、１つ以上の下流タービン２２および２４内で膨張することが可能となり、膨張低ＮＯx排ガス流４６として抜け出ていき、かつさらなる仕事エネルギーの取り出しを可能にする。１つの例示的な実施形態において、低ＮＯx排ガス流４６は、約３０ｐｐｍ未満のレベルのＮＯxを含む。特定の実施形態において、低ＮＯx排ガス流３６は、約５ｐｐｍ未満のレベルのＮＯxを含む。このように、開示された実施形態において、熱添加は、ＮＯxの形成を阻む低温で、第１コンバスタ１６および第２コンバスタ１８の両方で起こる一方、非常に高い熱効率が可能になる。
【００３３】
本システムの第２態様において、十分に膨張した低ＮＯx排ガス流４６の部分４８は、熱回収システム５０および補助コンプレッサ６０に向けられている。十分に膨張した低ＮＯｘ排ガス流４６の部分４８の温度はさらに、熱回収システム５０内で低下する。ある実施形態において、熱回収システムは、出力タービン２４から十分に膨張した低ＮＯx排ガス流４６を受けるように構成された、水蒸気５６および冷却ガス流６２を生成するための熱回収水蒸気生成器（ＨＲＳＧ）５４である。ガスタービンシステム１０は、ＨＲＳＧ５０からの水蒸気５６を用いて発電機（図示せず）により付加電気を生成する、水蒸気タービンなどの付加タービン（図示せず）を備えてもよい。図示された実施形態において、ガスタービンシステム１０はさらに、ＨＲＳＧ５０から補助コンプレッサ６０への排ガス４６の冷却ガス流６２のフローを制御する排ガス再循環（ＥＧＲ）バルブ５８と、ＣＯ2流６６を提供する二酸化炭素（ＣＯ2）捕獲ユニット６４とを備えてもよい。
【００３４】
冷却ガス流６２は、リッチ燃焼コンバスタ２６内で使用されるために適切な状態になるまで、補助コンプレッサ６０内で圧縮される。さらに具体的には、冷却ガス流６２は、補助コンプレッサ６０内で圧縮され、酸素および水蒸気が欠乏した冷却圧縮ガス流６８を生成する。図示されるように、排気流４６の冷却および加圧された部分は、酸素および水蒸気が欠乏した冷却圧縮ガス流６８として、リッチ燃焼コンバスタ２６に注入され、冷却圧縮空気フロー７０として、また、前部中空排気フロー７２および後部中空排気フロー７４として、タービン１８に注入される。酸素のほとんどが燃焼過程内で使われてしまうために、排気流４６のこの冷却および圧縮された部分は、酸素が欠乏し乾燥した（無水分）状態である。したがって、酸素および水蒸気が欠乏した冷却圧縮ガス流６８は、コンバスタ１６および／または２０ならびにタービン１８の構成要素を空気中の酸素および水蒸気による攻撃から保護するために、（ここで記載されている）不活性膜を形成するために用いられる。これにより、前述のＳｉＣ構成要素などの高温構成要素を耐環境コーティングする必要性が減少する。
【００３５】
さらに具体的には図２を参照すると、図１のガスタービンシステム１０の一部が図示され、第１コンバスタ１６が非常に詳細に図示され、またさらに具体的には、リッチ燃焼コンバスタ２６、第２コンバスタ２０、またさらに具体的には、リーン燃焼コンバスタ２８および排気フローの再循環、またさらに具体的には、低ＮＯx排ガス流４６が、この図を通して示される。図示されるように、第１コンバスタ１６は、コンバスタ１６とフロー連通して、燃料７８の入力を提供する燃料ノズル７６を備える。コンバスタ１８はさらに、ドーム８０と、コンバスタイナーライナー８２と、コンバスタアウターライナー８４と、およびコンバスタシェル８６とアウターライナー８４との間に形成されるコンバスタ中空８８を有するコンバスタシェル８６とを備える。燃焼中、低酸素空気流３２は、コンバスタ１６および２０内の燃焼のリッチ燃焼、クイックミックス、リーン燃焼（ＲＱＬ）モードの燃料流７８により燃焼される。
【００３６】
図示されるように、第２コンバスタ２０は、コンバスタイナーライナー９０、コンバスタアウターライナー９２、およびコンバスタシェル９４とアウターライナー９２との間に形成されるコンバスタ中空９６を有するコンバスタシェル９４とを備える。さらに、１つ以上の希釈空気噴流９８および下降流第２タービン２２（図１）とフロー連通したタービンノズル１００が含まれる。
【００３７】
図１に関連して先述したように、第１コンバスタ１６と第２コンバスタ２０との間に第１タービン１８が設けられる。ある実施形態において、第１タービン１８は、ノズル１０２を介して第１コンバスタ１６とフロー連通している。第１タービン１８はさらに、タービンロータ１０４、１つ以上のタービン翼１０６、および外部タービン隔壁１０８を備える。さらに、その中に設けられたラビリンスシール１１２を備えた前部冷却フロー中空１１０と、後部排気中空１１４とが備えられる。
【００３８】
先に示されたように、ガスタービンシステム１０は、排ガス再循環を供給するように構成され、こうして、先述の燃焼ライナー８２、８４、９０、９２、ドーム８０、およびタービン翼１０６などの、高温ＳｉＣ構成要素に対する耐環境コーティングの必要性が減少する。図示されるように、先述の酸素および水蒸気が欠乏した冷却圧縮ガス流６８（図１）は、冷却圧縮された空気フロー７０をリッチ燃焼コンバスタ２６に、また前部中空排気フロー７２および後部中空排気フロー７４をタービン１８に提供する。さらに、先述の圧縮低酸素空気流３２の入力と、導管４２を介するリーンコンバスタ２８に対する添加空気フロー流１１６の入力とが図示される（図１）。
【００３９】
冷却圧縮排気フロー、さらに具体的には、酸素および水蒸気が欠乏した冷却圧縮ガス流６８からなる冷却圧縮された空気フロー７０は、酸素およびＨ2Ｏの欠乏した膜１１８をコンバスタライナーの露出部分上に、さらに具体的には、イナーライナー８２、９０、およびノズル部１００、１０２上に降ろすために用いられる。
【００４０】
次に図３および図４を参照すると、本開示によるガスタービンシステムの別の実施形態が図示され、実施形態を通して同様の部分は同様の数字で表される。図３には、ガスタービンシステム１２０、特に、低圧コンプレッサ１２、高圧コンプレッサ１４、第１コンバスタ１６、第１タービン１８、第２コンバスタ２０、第２タービン２２、および出力タービン２４を備えるガスタービンエンジン１２１が図示される。図４には、ガスタービンシステム１３０、特に低圧コンプレッサ１２、高圧コンプレッサ１４、コンバスタ１６、第１タービン１８、第２タービン２２、および出力タービン２４を備えるガスタービンエンジン１３１が図示される。図１の実施形態においては、先述のように、コンバスタ１６はリッチ燃焼コンバスタ２６であり、第２コンバスタ１８（図３）はリーン燃焼コンバスタ２８である。さらに、システム１２０および１３０の各々には、熱回収システム５０および補助コンプレッサ６０が備わる。図３のシステム１２０はさらに、先述のように、ＣＯ2捕獲ユニット６４が備わる。
【００４１】
図３の実施形態において図示されるように、低ＮＯｘ排ガス流４６は、冷却ガス流６２を生成するために熱回収システム５０において初期冷却された後、先述したようにコンバスタ１６およびタービン１８を冷却するために、ＣＯ2捕獲ユニット６４および補助コンプレッサ６０に向けられた第１部分１２２で分岐する。低ＮＯｘ排ガス流４６の第２部分１２４は、空気流３０に沿って、ガスタービンシステム１２０の流入口３１に再循環される（図１）。低ＮＯｘ排ガス流４６の第１部分１２２の再循環の間、ＣＯ2捕獲ユニット６４から抜け出る冷却ガス流６２の部分１２６は大気に排出される。
【００４２】
図４の別の実施形態において図示されるように、低ＮＯｘ排ガス流４６は、冷却ガス流６２を生成するために熱回収システム５０において初期冷却された後、先述したようにコンバスタ１６およびタービン１８を冷却するために、ＣＯ2捕獲ユニット６４および補助コンプレッサ６０に向けられた第１部分１３２で分岐し、第２部分１３４は大気に排出され、第３部分１３６は、空気流３０に沿って、ガスタービンエンジン１３０の流入口３１に再循環される（図１）。フロースプリッタ（図示せず）が、ＨＲＳＧ５０から抜け出る際に部分１３２、１３４、および１３６を分割するために利用されてもよい。
【００４３】
本明細書において開示されるように、特定の構成がガスタービンエンジンに関して図示されているが、しかしながら、この開示は多くの異なる形態で具体化されてもよく、本明細書に記載された実施形態に限定されるように解釈されるべきではなく、むしろこれらの実施形態は、この開示が完全かつ詳細であり、本開示の範囲を当業者に十分に伝えるように提供されることが理解されるべきである。また、種々の実施形態および構成において、記載された発明の特徴が任意の適切な方法で組み合わされてもよいことが理解される。
【００４４】
開示されたエンジン構成は、排気フローの一部を、さらに具体的には、既に酸素が消費されてこの時点ではＣＯ2およびＨ2Ｏ（水蒸気）に富む低ＮＯx排ガス流４６を、低ＮＯx排ガス流４６の温度が低下された熱回収システム５０に向け直す。この温度低下も、（燃焼中に形成された）水蒸気の濃縮につながる。酸素リーン冷却流、さらに具体的には、冷却ガス流６２は、その後、補助コンプレッサ６０内で適切な圧力にまで圧縮される。次いでこの酸素および水蒸気が欠乏した冷却圧縮ガス流６８は、リッチコンバスタ２６における高温燃焼燃料リッチの圧縮低酸素空気流３２と、炭化ケイ素（ＳｉＣ）から作られる燃焼ライナー８２、９０、ドーム８０、およびタービン翼１０６との間に、酸素および水蒸気が欠乏した障壁または膜１１８を設けるために用いられる。これにより、ＳｉＣハードウェアに対する水蒸気の攻撃を阻止するために必要な耐環境コーティングの必要性が削減される。したがって、ＳｉＣハードウェアは３０００°Ｆまでの表面温度で動作可能であり、高圧タービン１８のタービン流入口の温度が、４０００°Ｆを優に上回るようにする。酸素および水蒸気が欠乏した冷却圧縮ガス流６８も、タービン１８上のＳｉＣ翼１０６のための障壁膜１１８を形成して、前部および後部中空１１０、１１４を排気するために用いられる。
【００４５】
次に図５を参照すると、本明細書において開示された実施形態による、タービンシステムを作動させる方法１４０が図示されている。第１工程１４２において、圧縮低酸素空気流が、コンプレッサ内で作成される。圧縮低酸素空気流は、コンバスタ内で燃料流により燃焼させ、工程１４４において、燃焼後ガスを生成する。工程１４６の燃焼後ガスは、タービン内で膨張して低ＮＯx排ガスを生成する。次に、低ＮＯx排ガスは、工程１４８において熱回収システム内で冷却され、冷却ガス流を生成する。冷却ガス流の一部は、工程１５０において、補助コンプレッサ内で圧縮され、酸素および水蒸気が欠乏した冷却圧縮ガス流を形成する。次に、工程１５２で、酸素および水蒸気が欠乏した冷却圧縮ガス流はコンバスタおよびタービン内に注入して冷却フローを提供する。ある実施形態において、工程１５４で、冷却された空気流の別の部分はコンプレッサの流入口に再循環し、圧縮低酸素空気流を生成する。ある実施形態において、工程１５６で、冷却された空気流の一部は、二酸化炭素捕獲システムに向けられる。
【００４６】
したがって、開示された燃焼システムは、仕事エネルギー取り出し用の高圧タービン、またあるいは、リッチタービンとそれに続く高圧タービンにより分離されるリッチおよびリーンコンバスタを有するものとして設計される、低ＮＯx排出ガスタービンシステムエンジンを提供する。ＲＱＬ燃焼と組み合わされた排ガス再循環からなる技術は、有利に、ＮＯx形成の大幅な削減を可能にする。これは、燃焼システムにおける低ＮＯx生成を可能にする一方、ガスタービンエンジンの焼成温度が４０００°Ｆを超えるようにする。開示されたシステムは、酸素（Ｏ）原子、水素（Ｈ）、水酸化イオン（ＯＨ）ラジカル、および水（Ｈ2Ｏ）分子によるＳｉＣ複合ハードウェアへの化学攻撃に関する既存の耐久性問題を、高温ＳｉＣ構成要素と水蒸気および酸素が欠乏している高温燃焼ガスとの間に障壁流を設けることにより解決する。
【００４７】
開示された構成により、非常に高い推進力／重量のガスタービンエンジンの設計および配置が可能になるであろう。炉心エンジンの熱効率は、先行技術の炉心エンジンの状態より３から１０ポイント、優れていることが見込まれる。同様に、本技術の推進力対重量は、大幅に改善されている。
【００４８】
本明細書において上述されたシステムおよび方法の種々の態様は、カーボン捕獲および隔離工場などの異なる応用における実用性、低排出ガスタービンおよび統合ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）システムを有する。上記で留意されたように、本技術は、このようなシステムからのＮＯx形成を大幅に削減するための燃焼の排ガス再循環およびＲＱＬモードを利用している。本技術は、有利に、それに合わせて熱ＮＯx生成を増加することなく、タービンシステムの全体的な効率、カーボン捕獲、および隔離工場を強化する。さらに、本技術は、既存のタービンシステムにおいてＮＯxレベルを削減するための触媒反応体などの付加構成要素の必要性を取り除き、それにより、このようなシステムの費用を削減する。
【００４９】
本開示の特定の特徴のみが、本明細書において図示され記載されているものの、当業者にとって多くの修正および変化が思い当たるであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、本開示の真の精神の範囲に含まれるような、すべてのこのような修正および変化を網羅する意図があることを理解されたい。
【符号の説明】
【００５０】
１０  ガスタービンシステム
１２  低圧コンプレッサ
１４  高圧コンプレッサ
１６  第１コンバスタ
１８  第１タービン
２０  第２コンバスタ
２２  第２タービン
２４  出力タービン
２６  リッチ燃焼コンバスタ
２８  リーン燃焼コンバスタ
３１  流入口
３０  空気流
３２  圧縮低酸素空気流
３４  燃焼後ガス流
３６  膨張燃焼ガス流
３８  高圧タービン
４０  シャフト
４２  導管
４４  燃焼後ガス流
４６  低ＮＯx排ガス流
４８  部分
５０  熱回収システム
５２  冷却流
５４  熱回収水蒸気生成器（ＨＲＳＧ）
５６  水蒸気
５８  ＥＧＲバルブ
６０  補助コンプレッサ
６２  冷却ガス流
６４  ＣＯ2捕獲ユニット
６６  ＣＯ2流
６８  酸素および水蒸気が欠乏した冷却圧縮ガス流
７０  冷却圧縮空気フロー
７２  前部中空排気フロー
７４  後部中空排気フロー
７６  燃料ノズル
７８  燃料流
８０  ドーム
８２  コンバスタイナーライナー
８４  コンバスタアウターライナー
８６  コンバスタシェル
８８  コンバスタ中空
９０  コンバスタイナーライナー
９２  コンバスタアウターライナー
９４  コンバスタシェル
９６  コンバスタ中空
９８  希釈空気噴流
１００  タービンノズル
１０２  ノズル
１０４  タービンロータ
１０６  １つ以上のタービン翼
１０８  外部タービン隔壁
１１０  前部冷却フロー中空
１１２  ラビリンスシール
１１４  後部排気中空
１１６  添加空気フロー流
１１８  Ｈ2Ｏの不活性膜
１２０  ガスタービンシステム
１２１  ガスタービンエンジン
１２２  第１部分
１２４  第２部分
１２６  部分
１３０  ガスタービンシステム
１３１  ガスタービンエンジン
１３２  第１部分
１３４  第２部分
１３６  第３部分
１４０  方法
１４２  工程
１４４  工程
１４６  工程
１４８  工程
１５０  工程
１５２  工程
１５４  工程
１５６  工程
【図１】
2015010607.tif 000003
【図２】
2015010607.tif 000004
【図３】
2015010607.tif 000005
【図４】
2015010607.tif 000006
【図５】
2015010607.tif 000007