(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンエンジンシステムを動作させる方法であって、
前記タービンエンジンシステム内で直列に連結された複数のタービンエンジン内に画定された燃焼室の各々に酸素の流れを供給するステップと、
前記タービンエンジンシステム内の前記複数のタービンエンジンの各々の前記燃焼室に炭化水素系燃料の流れを供給するステップと、
前記タービンエンジンシステム内において結合された第１タービンエンジンの吸気口に作動流体を供給するステップであって、前記作動流体は、窒素を実質的に含有しておらず、前記タービンエンジンシステム内において結合された前記タービンエンジンの各々は、結果的に得られる燃料−酸素−作動流体の混合物を用いて動作可能であるステップと、
を有する方法。
【請求項２】
前記第１タービンエンジンからの排気を、作動流体として使用するように、前記タービンエンジンシステムにおいて前記第１タービンエンジンに流体連通する状態で結合された第２タービンエンジンの吸気口に導くステップを更に有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記タービンエンジンシステム内において連結された前記複数のタービンエンジンのうち最後のものからの排気を、前記タービンエンジンシステム内において連結された前記最後のタービンエンジンの排気口と前記第１タービンエンジンの前記吸気口との間に結合された排気ガス調節システムに導くステップを更に有する、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記排気ガス調節システムからの排気の一部を隔離貯蔵システムに導くステップを更に有する、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記最後のタービンエンジンからの排気を排気ガス調節システムに導くステップは、前記最後のタービンエンジンからの排気を熱交換器及び空気分離装置のうち少なくとも１つに導くステップを更に有する、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
ガスタービンエンジンシステムであって、
直列に流体連通する状態で連結された複数のガスタービンエンジンであって、該ガスタービンエンジンの各々は、少なくとも１つの燃焼室と、前記燃焼室から下流の少なくとも１つのタービンとを有し、前記燃焼室の各々は、炭化水素系燃料の供給源と酸素の供給源とに流体連通する状態で結合され、前記ガスタービンエンジンの各々は、窒素を実質的に含有していない作動流体を用いて動作可能である、複数のガスタービンエンジンと、
前記システム内において連結された前記ガスタービンエンジンのうち最後のものの排気口と前記システム内において連結された前記ガスタービンエンジンのうち第１のものの吸気口との間に結合された排気ガス調節システムと、
を有するガスタービンエンジンシステム。
【請求項７】
前記排気ガス調節システムよりも下流において結合された、前記ガスタービンエンジンシステムから排出される排気の少なくとも一部を貯蔵する隔離チャンバを更に有する、請求項６に記載のガスタービンエンジンシステム。
【請求項８】
前記隔離チャンバは、地下の貯蔵チャンバを有する、請求項７に記載のガスタービンエンジンシステム。
【請求項９】
前記排気ガス調節システムは、前記最後のガスタービンエンジンと前記隔離チャンバとの間、且つ、前記第１ガスタービンエンジンの吸気口と前記最後のガスタービンエンジンの排気口との間において、流体連通する状態で結合された熱交換器及び空気分離装置のうち少なくとも１つを有する、請求項７に記載のガスタービンエンジンシステム。
【請求項１０】
前記排気ガス調節システムは、前記ガスタービンエンジンシステムから排出される排気からの熱及び水蒸気のうち少なくとも１つの除去を促進する、請求項９に記載のガスタービンエンジンシステム。
【請求項１１】
前記複数のガスタービンエンジンの各々は、前記排気ガス調節システムから供給される、作動流体として使用するための二酸化炭素のストリームを用いて動作可能である、請求項９に記載のガスタービンエンジンシステム。
【請求項１２】
前記排気ガス調節システムは、前記複数のガスタービンエンジンの各々の動作効率の改善を促進する、請求項６に記載のガスタービンエンジンシステム。
【請求項１３】
前記排気ガス調節システムは、前記ガスタービンエンジンシステムから生成される窒素酸化物の排出量の低減を促進する、請求項６に記載のガスタービンエンジンシステム。
【請求項１４】
発電システムであって、
吸気口及び排気口を有する第１タービンエンジンと、
吸気口及び排気口を有する第２タービンエンジンであって、前記第２タービンエンジンの前記吸気口は、前記第１タービンエンジンの前記排気口から排出される、前記第２タービンエンジン内で作動流体として使用するための排気ガスを受け取るように、前記第１タービンエンジンの前記排気口に結合されており、前記第１及び第２タービンエンジンの各々は、少なくとも１つの燃焼室と、前記少なくとも１つの燃焼室よりも下流の少なくとも１つのタービンとを有し、前記少なくとも１つの燃焼室の各々は、炭化水素系燃料の供給源と酸素の供給源とに流体連通状態で結合される、第２タービンエンジンと、
を有する発電システム。
【請求項１５】
前記第１及び第２タービンエンジンの各々は、窒素を実質的に含有していない作動流体を用いて動作可能である、請求項１４に記載の発電システム。
【請求項１６】
前記第２タービンエンジンの前記排気口と前記第１タービンエンジンの前記吸気口との間に結合された排気ガス調節システムを更に有し、前記排気ガス調節システムは、前記第２タービンエンジンから排出される前記排気の全てを受け取る、請求項１４に記載の発電システム。
【請求項１７】
二酸化炭素を貯蔵する隔離チャンバを更に有し、前記隔離チャンバは、前記排気ガス調節システムから排出される排気の一部を受け取るように排気ガス調節システムに結合される、請求項１６に記載の発電システム。
【請求項１８】
前記隔離チャンバは、前記複数のタービンエンジンの各々から放出される作動流体の一部を受け取るように、前記複数のタービンエンジンの各々に更に結合される、請求項１７に記載の発電システム。
【請求項１９】
前記隔離チャンバは、地下のチャンバを有する、請求項１７に記載の発電システム。
【請求項２０】
前記排気ガス調節システムは、熱交換器及び空気分離装置のうち少なくとも１つを有する、請求項１６に記載の発電システム。
【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エンジンに関し、特に代替作動流体を用いて動作する発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、エンジンに供給される作動流体を使用して機械エネルギーを創出する。より具体的には、既知のガスタービンエンジンにおいて、作動流体は空気であり、この空気が燃料及び酸素と一緒に圧縮されて燃焼器に供給され、燃焼機内でこの燃料−空気の混合物が点火される。燃料−空気の混合物の燃焼に伴って、そのエネルギーが熱として作動流体中に放出される。この温度上昇は、これに付随する作動流体の圧力の増大と後続の燃焼とを引き起こし、作動流体は、燃焼器から少なくとも１つのタービンに向かって下流へと排出されるのに伴って膨張する。作動流体が各タービンを通過するのに伴って、タービンが回転し、熱エネルギーが推力又は軸動力の形態の機械エネルギーに変換される。
【０００３】
世界的な大気汚染への懸念が、国内及び国外の両方において、更に厳格な排出基準に繋がっている。少なくとも幾つかのガスタービンからの汚染物質の排出量には、窒素酸化物（ＮＯｘ）、未燃炭化水素（ＨＣ）、及び一酸化炭素（ＣＯ）の排出を規制する、環境保護局（ＥＰＡ）の基準が適用される。概して、エンジンの排出物は、高火炎温度に起因して形成されるもの（ＮＯｘ）と、燃料−空気反応の進行を完全に行えない低火炎温度に起因して形成されるもの（ＨＣ及びＣＯ）とに二分される。
【０００４】
空気は、手軽に利用でき、無料で、圧縮性、熱容量、及び反応（酸素含有量）特性を予測可能なことから、作動流体として使用されている。しかし、空気中では窒素が高い割合を占めているので、燃焼プロセス時に窒素酸化物（ＮＯｘ）が形成され得る。更に、燃料中に含まれる炭素が空気中に含まれる酸素と結び付いて、一酸化炭素（ＣＯ）及び／又は二酸化炭素（ＣＯ２）が形成され得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２００４／０４４３８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＮＯｘ排出量の低減を促進するべく、少なくとも幾つかの既知のガスタービンエンジンは、低下した燃焼温度において、且つ／又は、選択触媒還元（ＳＣＲ）装置を伴って動作する。しかし、低減した燃焼温度での動作は、ガスタービンエンジンの全体的な効率を低下させる。また、既知のＳＣＲ装置を使用することによって得られるいかなる利益と比べても、装置のコスト及び／又はＮＯｘを処理するコストの方が大きいことがある。同様に、ＣＯ及び／又はＣＯ２排出量の低減を促進するべく、少なくとも幾つかの既知のガスタービンエンジンでは、作動流体としての空気と、少なくとも１つの隔離圧縮機とを使用する際に、タービンの排気をガス分離装置に通し、主要成分であるＮ２からＣＯ２を分離する。しかし、この場合も、このような装置を使用することによって得られる利益と比べて、装置のコストの方が大きいことがある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一態様において、タービンエンジンシステムを動作させる方法を提供する。この方法は、タービンエンジンシステム内において直列に連結された複数のタービン内に画定された燃焼室に酸素の流れを供給するステップと、タービンエンジンシステム内の複数のタービンの各々の燃焼室に炭化水素系燃料の流れを供給するステップと、タービンエンジンシステム内において結合された第１タービンエンジンの吸気口に作動流体を供給するステップとを有し、この作動流体は、窒素を実質的に含有しておらず、タービンエンジンシステム内において結合されたタービンの各々は、結果的に得られる燃料−酸素−作動流体の混合物を用いて動作可能である。
【０００８】
別の態様において、ガスタービンエンジンシステムを提供する。このガスタービンエンジンシステムは、複数のガスタービンエンジンと、排気ガス調節システムとを含む。各々のガスタービンエンジンは、少なくとも１つの燃焼室と、燃焼室よりも下流の少なくとも１つのタービンとを含む。燃焼室の各々は、炭化水素系燃料の供給源と酸素の供給源とに、流体連通した状態で結合されている。ガスタービンエンジンの各々は、窒素を実質的に含有していない作動流体を用いて動作可能である。排気ガス調節システムは、このシステム内において連結されているガスタービンエンジンのうち最後のものの排気口と、このシステム内において連結されているガスタービンエンジンのうち第１のものの吸気口との間に結合されている。
【０００９】
更なる態様において、発電システムを提供する。この発電システムは、吸気口及び排気口を含む第１タービンエンジンと、吸気口及び排気口を含む第２タービンエンジンとを含む。第２タービンエンジンの吸気口は、第２タービンエンジン内において作動流体として使用する、第１タービンエンジンの排気口から排出される排気ガスを受け取るように、第１タービンエンジンの排気口に結合されている。第１及び第２タービンの各々は、少なくとも１つの燃焼室と、少なくとも１つの燃焼室よりも下流の少なくとも１つのタービンとを含む。燃焼室の各々は、炭化水素系燃料の供給源と酸素の供給源とに、流体連通した状態で結合されている。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】例示的なガスタービンエンジンの概略図である。
【図２】図１に示すガスタービンエンジンを有し得る例示的なタービンエンジンシステムの概略図である。
【図３】図２に示すタービンエンジンシステムと共に使用可能な例示的な発電システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、例示的なガスタービンエンジン１０の概略図である。この実施例において、エンジン１０は、低圧圧縮機１４と、低圧圧縮機１４から下流の高圧圧縮機１８と、高圧圧縮機１８から下流の燃焼器アセンブリ２２と、燃焼器アセンブリ２２から下流の高圧タービン２６と、高圧タービン２６から下流の低圧タービン３０とを含む。また、この実施例においては、圧縮機１４及び１８、燃焼器アセンブリ２２、並びにタービン２６及び３０が、直列に流体連通した状態で連結されている。
【００１２】
この実施例において、ガスタービンエンジン１０の回転可能な部品は、参照符号３４で示した長手方向軸を中心に回転する。このタイプのエンジンの典型的な構成は、同心二軸構造であり、低圧タービン３０が第１シャフト３８によって低圧圧縮機１４に駆動的に結合されており、高圧タービン２６が、シャフト３８の内部にあり且つこのシャフト３８に対して同心状にアライメントされた第２シャフト４２によって、高圧圧縮機１８に駆動的に結合されている。この実施例において、低圧タービン３０は、低圧圧縮機１４と負荷４６とに直接、結合されている。例えば、一実施例において、エンジン１０は、オハイオ州イブンデールに所在するＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社によってＬＭ６０００の名称で製造されている。なお、本発明をガスタービンエンジン１０と共に利用するものとして説明しているが、明らかなように、本発明は、負荷に接続された低圧タービン３０から下流に別個の出力タービンを含むもの（例えば、Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社製造のＬＭ１６００）又は単一の圧縮機タービン構造（例えば、Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｍｐａｎｙ社製造のＬＭ２５００）等その他の構成の船舶及び産業用ガスタービンエンジンと共に利用すること、並びに、航空ガスタービンエンジン及び／又は適切に改変された頑丈なガスタービンエンジンと共に利用することも可能である。
【００１３】
動作時、空気が吸気口から進入し、高圧圧縮機１４へ、そして低圧圧縮機１８へと導かれる。圧縮された空気が燃焼器２２に供給され、ここで空気が、燃料と少なくとも混合され、点火される。燃焼器１８から排出された空気流は、高圧タービン２６及び低圧タービン３０を駆動させた後、ガスタービンエンジン１０を出る。
【００１４】
図２は、ガスタービンエンジン１０（図１に示す）と共に使用可能な例示的なタービンエンジンシステム１００の概略図である。代替的に、システム１００を、地上設置型及び／又は航空機用タービン、シングルフューエル又はデュアルフューエルタービン、及び／又は本明細書に説明するようにシステム１００を機能させ得るように改変されたいかなるタービンと共に使用してもよい。また、システム１００を、単純なサイクルマシンとして使用しても、統合ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）システムを含む複合サイクルシステム内で使用してもよい。
【００１５】
この実施例において、システム１００は、タービンエンジン１１０と、熱交換器、又は空気分離器ユニット（ＡＳＵ）１１２と、隔離サブシステム１１４とを含む。より具体的には、この実施例において、タービンエンジン１１０は、少なくとも１つのタービン１２２から上流で結合された燃焼室１２０を含む。その他の実施例において、エンジン１１０は、これに限定されることはないが、ファンアセンブリ（図示せず）及び／又は圧縮機１４（図１に示す）等、少なくとも１つの圧縮機のようなその他の部品を含んでもよい。また、その他の実施例において、システム１００は、本明細書に説明するようにシステム１００を機能させ得る、熱交換器又はＡＳＵ以外のいかなる排気ガス調節装置も含んでもよい。
【００１６】
エンジン１１０は、炭化水素系燃料の供給源１３０と酸素の供給源１３２とに、流体連通した状態で結合されている。この実施例において、燃料供給源１３０から供給される燃料は、これらに限定されないが、天然ガス、合成ガス、及び／又はその他の蒸留物であってよい。一実施例において、酸素は、圧力サイクル、及び／又はその他のＯ２分離器からエンジン１１０に供給される。別の実施例において、酸素供給源１３２は、加圧された酸素タンクである。また、別の実施例において、酸素の供給源１３２は、酸素が既定の動作圧力でエンジン１１０に確実に供給されるように、圧縮機等の加圧源（図示せず）に結合されている。
【００１７】
熱交換器又は空気分離器ユニット（ＡＳＵ）１１２は、タービン１１０から排出された排気ガス１０８が交換器１１２を通って導かれるように、タービン１１０から下流において、タービン１１０と流体連通した状態で結合されている。この実施例において、熱交換器１１２は、自身を通る排気ガス１０８からの熱及び水蒸気の除去を促進する。より具体的には、この実施例において、交換器１１２は、空気又は水に限定されることはないが、空気又は水等の冷却流体の供給源と流体連通した状態で結合されている。
【００１８】
熱交換器１１２もまた、エンジンの動作時に熱交換器１１２が作動流体をタービン１１０に供給するように、タービン１１０から上流において、流体連通した状態でタービン１１０と結合されている。より具体的には、以下で更に詳述するが、この実施例において、熱交換器１１２は、タービンの排気１０８からのＣＯ２及び蒸気の流れ、即ち、作動流体ストリーム１５０を、燃焼室１２０内で使用するべく、タービンエンジン１１０に排出する。
【００１９】
隔離サブシステム１１４は、熱交換器１１２と流体連通した状態で、熱交換器１１２から下流において結合されている。こうして、タービンの動作時は、以下に更に詳述するように、熱交換器１１２内におけるタービンの排気１０８からのＣＯ２及び蒸気の一部、即ち、隔離ストリーム１５２が隔離サブシステム１１４を通じて導かれる。この実施例において、熱交換器１１２は、タービン排気１０８と隔離ストリーム１５２から、蒸気を液化された水として効果的に除去する。また、この実施例において、サブシステム１１４は、貯蔵チャンバ１４０と、熱交換器１１２から貯蔵チャンバ１４０に運搬される流体の流れを加圧する圧縮機１４２とを含む。代替実施例において、圧縮機１４２は、隔離ストリーム１５２を作動流体として使用する第２タービンシステム（図示せず）に、流体連通した状態で結合されている。また、別の代替実施例において、サブシステム１１４は、圧縮機１４２を含まず、本明細書に説明するようにチャンバ１４０に導かれる流体の流れを加圧する任意のその他の既知の部品を含む。一実施例において、貯蔵チャンバ１４０は、地下隔離チャンバである。別の実施例において、チャンバ１４０は、地下の地質学的形状及び／又は枯渇した天然ガスのドームである。
【００２０】
動作時、タービンエンジン１１０は、窒素を実質的に含有していない作動流体１５０を使用して動作する。例えば、この実施例において、作動流体１５０は、その約９９〜１００％において窒素を含まない。より具体的には、以下に更に詳述するが、この実施例において、作動流体ストリーム１５０は実質的に二酸化炭素ＣＯ２である。例えば、この実施例において、作動流体１５０はその約９８〜１００％がＣＯ２である。
【００２１】
タービンエンジン１１０の始動動作を促進するべく、一実施例において、タービンエンジン１１０は、加圧されたＣＯ２供給源にも結合されている。動作時、この実施例においては、ＣＯ２が燃焼室１２０の吸気口（図示せず）に供給される。その他の実施例において、ＣＯ２は、タービンエンジン１１０の吸気口（図示せず）に供給され、これに限定されることはないが、ファンアセンブリ（図示せず）から上流等にある燃焼室１２０から上流においてタービンエンジン１１０に流入する。また、エンジン１１０には、燃料供給源１３０からの炭化水素系燃料と、酸素供給源１３２からの酸素も供給される。この実施例において、燃料供給源１３０及び酸素供給源１３２は各々、燃焼室１２０に結合されており、燃料と酸素それぞれのストリームを直接的に燃焼室１２０に供給する。燃料と酸素は、ＣＯ２ストリーム１５０と混合され、結果的に得られる混合物が燃焼室１２０内で点火される。その結果生成された燃焼ガスは、タービン１２２に向かって下流に導かれ、タービン１２２を回転させる。タービン１２２の回転は、動力を負荷４６に供給する。タービンエンジン１１０から排出された排気ガス１０８は、熱交換器１１２に向かって導かれる。
【００２２】
熱交換器１１２を流れる冷却流体は、ガス１０８の動作温度を低下させ、これによって、排気ガス１０８中に含まれる水蒸気が液化され、これによって、排気ガス１０８中に含まれる二酸化炭素ＣＯ２が水蒸気から実質的に分離される。タービンエンジン１１０の負荷要件に応じて、排気ガス１０８から分離された二酸化炭素ＣＯ２は、作動流体ストリーム１５０を介してエンジン１１０に戻されるか、或いは、貯蔵チャンバ１４０内における隔離のために隔離ストリーム１５２を介して導かれる。
【００２３】
タービンエンジン１１０が作動流体ストリーム１５０を使用しており、なお且つストリーム１５０が窒素を実質的に含有していないので、エンジンの動作時、ＮＯｘは、実質的に、殆ど又は全く生成されない。こうして、燃焼室１２０は、ＮＯｘの排出量を既定の限度内に維持しつつ、作動流体として空気を用いて動作する既知の燃焼室よりも高温で動作可能である。より高い動作温度によって、燃焼室１２０を、その熱力学的に最適な条件又はこれに近い状態で動作させることができる。また、窒素を含有していない作動流体１５０の使用によって、高価で／信頼性に劣る窒素／二酸化炭素隔離装置を使用している既知のタービンエンジンシステムに比べて、低コストでタービンエンジンシステム１００から動力を生成できる。
【００２４】
また、ストリーム１５０は、窒素を実質的に含有しておらず、実質的に二酸化炭素のみを含有しているので、エンジン動作時、タービンエンジン１１０は、より大きな熱容量で動作可能である。幾つかの実施例において、より大きな熱容量によって、従来のタービンエンジンシステムに比べて、同等の温度においてより大きな圧縮機排出口圧力（即ち、等しい温度においてより多くの圧縮機段）でタービンエンジンシステム１００を動作させることができる。こうして、タービンエンジンシステム１００の全体的な動作効率は、その他既知のタービンエンジンシステムに比べて高い。また、作動流体１５０を使用して、タービン１１０に供給される二酸化炭素の量に対するタービン１１０に供給される酸素の量、即ちＯ２／ＣＯ２比を制御することによって、タービンエンジンシステム１００内の燃焼率を、既知のタービンエンジンシステムに比べて容易に制御できる。こうして、より均一な放熱及び／又はより高度な再熱燃焼が得られる。
【００２５】
図３は、電力を生成するべくタービンエンジンシステム１００と共に使用可能な例示的な発電システム３００の概略図である。この実施例において、発電システム３００は、以下に更に詳述するが、エンジンシステム１００内において各々が動作可能な複数のタービンエンジン１１０を含む。より具体的には、図３に示すように、タービン３００は各々、直列流路構造３０２において結合されている。以下に更に詳述するが、概して、直列流路構造で結合された各タービン１１０から排出される排気１０８は、そのタービン１１０の直ぐ下流にある後続のタービン１１０内に排出され、直列流路構造３０２において結合された最後のタービン１１０から排出される排気は、共通隔離サブシステム３１４に排出される。
【００２６】
この実施例において、システム３００は、タービンエンジン１１０と、熱交換器又は空気分離器ユニット（ＡＳＵ）３１２、並びに隔離サブシステム３１４とを含む。より具体的には、この実施例において、各タービンエンジン１１０は、少なくとも１つのタービン（図３には図示せず）から上流で結合された燃焼室（図３では図示せず）を含む。その他の実施例において、各エンジン１１０は、これに限定されることはないが、例えばファンアセンブリ（図示せず）及び／又は圧縮機１４（図１に示す）等の少なくとも１つの圧縮機のような、その他の部品も含んでもよい。また、その他の実施例において、システム３００に、本明細書に説明するようにシステム３００を機能させ得る熱交換器又はＡＳＵ以外のいかなる排気ガス調節装置も含めてもよい。
【００２７】
この実施例において、エンジン１１０は各々、実質的に同質である。例えば、各タービンエンジン１１０は、オハイオ州イブンデールに所在するＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社製造のＬＭ６０００エンジンである。なお、図３には３つのエンジン１１０を示しているが、システム３００は、３つを上回る又は下回る数のエンジン１１０を含み得る。各々の実施例において、システム３００は、直列流路構造３０２におけるそれらの結合順序に基づいて、少なくとも第１エンジン３２０及び最後のエンジン３２２を含むことになる。また、図３に示すように、システム３００は、第１エンジン３２０と最後のエンジン３２２との間で直列に流体連通した状態で結合される、少なくとも１つのタービン３２４も含んでもよい。代替的に、システム３００内において結合された各々のエンジン１１０は、例えば負荷要件に応じて異なるものであってもよい。
【００２８】
熱交換器又は空気分離器ユニット（ＡＳＵ）３１２は、タービン１１０から排出される排気ガス１０８が交換器３１２を通って導かれるように、タービン１１０から下流において、タービン１１０と流体連通した状態で結合されている。より具体的には、この実施例において、熱交換器３１２は、実質的に熱交換器１１０（図２に示す）と同様であり、タービン３２２から排出される排気１０８の全てが熱交換器３１２を通って導かれるように、タービン３２２と直列に流体連通した状態で結合されている。
【００２９】
この実施例において、熱交換器３１２は、熱交換器１１２と同様に機能し、自身を通って導かれる排気ガス１０８からの熱及び水蒸気の除去を促進する。また、熱交換器３１２は、エンジンの動作時に熱交換器３１２が作動流体をタービン３２０に供給するように、第１タービン３２０から上流において、第１タービン３２０と流体連通した状態で結合されている。より具体的には、以下に更に詳述するが、この実施例において、熱交換器３１２は、タービンの排気１０８からのＣＯ２のストリーム、即ち、作動流体ストリーム１５０をタービンエンジン３２０に排出する。
【００３０】
隔離サブシステム１１４が、熱交換器３１２と流体連通した状態で、熱交換器３１２から下流において結合されている。こうして、タービンの動作時、以下に更に詳述するが、熱交換器３１２内からのＣＯ２の一部、即ち、隔離ストリーム１５２は、隔離サブシステム１１４を通って導かれる。この実施例において、サブシステム１１４は、貯蔵チャンバ１４０と、熱交換器３１２から貯蔵チャンバ１４０に導かれる流体の流れを加圧する圧縮機１４２とを含む。また、代替実施例において、サブシステム１１４は、圧縮機１４２を含まず、本明細書に説明するようにチャンバ１４０に導かれる流体の流れを加圧する、任意のその他既知の部品を含む。一実施例において、貯蔵チャンバ１４０は、地下の隔離チャンバである。
【００３１】
動作時、各々のタービンエンジン１１０は、窒素を実質的に含有しない作動流体１５０を使用して動作する。例えば、この実施例において、作動流体１５０は、その約９９％〜１００％において窒素を含んでいない。より具体的には、以下に更に詳述するように、この実施例において、作動流体ストリーム１５０は、実質的に二酸化炭素ＣＯ２である。例えば、この実施例において、作動流体１５０は、その約９８％〜１００％がＣＯ２である。
【００３２】
システム３００の始動動作を促進するべく、一実施例において、構造３０２は、加圧されたＣＯ２の供給源にも結合されている。動作時、各々のエンジン１１０には、燃料供給源からの炭化水素系燃料と酸素供給源からの酸素の流れも直接的に供給される。この実施例において、燃料供給源と酸素供給源は各々、燃料と酸素それぞれのストリームを、各々のタービンエンジン１１０内に画定された燃焼室（図３では図示せず）内に供給する。燃料及び酸素は、ＣＯ２ストリーム１５０と混合され、結果的に得られた混合物が各々のタービンエンジン１１０内で点火される。結果的に創出された燃焼ガス１０８は、その直ぐ下流にあるタービンエンジンに向かって下流方向に、即ち、タービンエンジン３２０からタービンエンジン３２４の吸気口に、そしてタービンエンジン３２４からタービンエンジン３２２の吸気口に導かれる。タービンエンジン３１２から排出された排気ガス１０８は、熱交換器３１２を通って導かれる。
【００３３】
また、ストリーム１５０は、窒素を実質的に含有しておらず、実質的に二酸化炭素のみを含有しているので、エンジンの動作時、各々のタービンエンジン１１０は、より大きな熱容量で動作可能である。幾つかの実施例において、より大きな熱容量によって、従来のタービンエンジンシステムに比べて、同等の温度においてより大きな圧縮機排気口圧力（即ち、等しい温度においてより多くの圧縮機段）でタービンエンジンシステム３００を動作させることができる。こうして、タービンエンジンシステム３００の全体的な動作効率は、その他の既知のタービンエンジンシステムに比べて高くなる。また、作動流体１５０を使用すると、システム３００内の各々のタービン１１０に供給される酸素の量を制御することによって、タービンエンジンシステム３００内の燃焼率を、既知のタービンエンジンシステムに比べて容易に制御できる。こうして、より均一な放熱及び／又はより高度な再熱燃焼が得られる。
【００３４】
熱交換器３１２は、ストリーム１５０の動作温度を低下させる。より低い動作温度によって、ストリーム１５０の密度が増大し易くなり、これによって、高い動作温度を有するストリーム１５０で通常可能な圧力よりも高い圧力で、ストリーム３５６が熱交換器３１２から貯蔵チャンバ１４０に排出される。より増大した圧力によって、圧縮機１４２内及び貯蔵チャンバ１４０内におけるストリーム１５０の圧縮が促進される。また、この実施例においては、負荷要件に応じて、各々のタービン１１０に進入する作動流体１５０の一部３６０が、隔離のために、各々のタービン、即ち、３２０、３２２、及び３２４から放出される。より具体的には、この実施例において、タービンエンジン３２０、３２２、及び３２４の各々から放出されるＣＯ２ストリーム１５０の一部３６０が、各々のタービン３２０、３２２、及び３２４内で燃焼時に生成されたＣＯ２の容積（又は、質量）比率とほぼ等しくなる。この実施例において、より大きな熱容量のＣＯ２作動流体ストリーム１５０は、タービン１１０の各々から放出された流体の一部３６０を、直接的に貯蔵チャンバ１４０に導き得る十分な圧力を有する。
【００３５】
また、タービンの動作時、この実施例においては、熱交換器１１２を通って流れる冷却流体が、排気１０８の動作温度を低下させ、これによって排気ガス１０８中に含まれる水蒸気が液化され、その結果、排気ガス１０８中に含まれる二酸化炭素ＣＯ２が水蒸気から実質的に分離される。この実施例において、創出された残りのＣＯ２ストリームの全てが作動流体ストリーム１５０を介してエンジン１１０に戻される。
【００３６】
窒素を実質的に含有しない作動流体を用いてタービンエンジンシステムを動作させる前述の方法及びシステムによって、コスト効果的で信頼できる、タービンエンジンシステムからの動力の生成が可能になる。更に、前述の方法及びシステムによって、窒素酸化物及び二酸化炭素の生成を、既知のタービンエンジンシステムに比べて低減できる。結果的に、ＮＯｘ、ＣＯ、及びＣＯ２の生成を低減しつつ、クリーンで比較的廉価な動力の生成を促進するタービンエンジンシステムが提供される。
【００３７】
以上、窒素を実質的に含有していない作動流体を用いてタービンエンジンを動作させる方法及びシステムの実施例を詳説した。これらの方法及びシステムは、本明細書で説明した特定の実施例に限定されることはなく、むしろ、方法の各ステップ及び／又はシステムの各部品を、本明細書で説明したその他のステップ及び／又は部品とは別個独立に利用してもよい。また、前述の方法の各ステップ及び／又はシステムの各部品を、その他の方法及び／又はシステムにおいて設けても、それらと組み合わせて使用してもよく、本明細書で説明した方法及びシステムと共に実施することに限定されない。
【００３８】
本発明の又は本発明の好適な実施例の各要素を説明する際、「ａ」「ａｎ」「ｔｈｅ」「ｓａｉｄ」といった冠詞は、その要素が１つ又は複数存在することを意味する。「有する」、「含む」、及び「備える」という用語は、包含を意味しており、列挙した要素以外に追加の要素が存在し得ることを意味している。
【００３９】
本発明の技術的範囲から逸脱することなく、様々な変更を前述の構成及び方法に加えることができることから、以上の説明に含まれる事項及び添付の図面に示した事項は全て、例示目的であって、限定を目的としていないものと解釈されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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