(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電システム（３０）であって、
一体化された廃熱回収・冷却サイクルシステム（５０）であって、
熱電部（５４）および該熱電部（５４）と流体連通している入口冷却部（５２）を備え、
前記熱電部（５４）が、２段中間冷却されるポンプ／圧縮機（６２）、作動流体流（５６）の一部分を受け入れるように構成された１つ以上のレキュペレータ（７０、８６）、前記作動流体流（５６）を受け入れるように構成された排熱回収ユニット（８４）、および該排熱回収ユニット（８４）の下流に配置されたエキスパンダ（８８）を備え、
前記入口冷却部（５２）が、チラーエキスパンダ（９６）、該チラーエキスパンダ（９６）に結合されたチラー圧縮機（９８）、該チラー圧縮機（９８）に結合されたモータ（１００）、および前記チラーエキスパンダ（９６）およびチラー圧縮機（９８）と流体連通し、かつ前記チラーエキスパンダ（９６）とチラー圧縮機（９８）との中間に配置された入口空気熱交換器（９４）を備え、前記入口冷却部（５２）が、前記作動流体流（５６）の一部分を受け入れるように構成されている、
一体化された廃熱回収・冷却サイクルシステム（５０）と、
前記熱電部（５４）および前記入口冷却部（５２）と流体連通している凝縮器（７８）と、
前記熱電部（５４）および前記入口冷却部（５２）と流体連通し、かつ前記一体化された熱回収・冷却サイクルシステム（５０）内の前記作動流体流（５６）の所望の量および圧力を維持するように構成された作動流体アキュムレータ（７２）と、
前記作動流体流（５６）の第１の部分（５７）を受け入れるように構成された低温熱源（８２）であって、前記１つ以上のレキュペレータ（７０、８６）が、前記低温熱源（８２）と並列に構成されている、低温熱源（８２）と
を備える発電システム（３０）。
【請求項２】
前記入口冷却部（５４）が、摂氏ゼロ度を上回る周囲温度での運転のために構成されている、請求項１に記載の発電システム（３０）。
【請求項３】
前記熱電部（５４）が、ブレイトンサイクルシステムを備える、請求項１又は請求項２に記載の発電システム（３０）。
【請求項４】
前記熱電部（５４）が、ランキンサイクルシステムを備える、請求項１又は請求項２に記載の発電システム（３０）。
【請求項５】
前記入口冷却部（５２）または前記熱電部（５４）の少なくとも一方を通る前記作動流体流（５６）の流量を制御するように構成されたルールベースコントローラ（１００）をさらに備える、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の発電システム（３０）。
【請求項６】
前記ルールベースコントローラ（１００）が、前記作動流体流（５６）の少なくとも一部を、前記作動流体凝縮器（７８）から前記入口冷却部（５２）の前記チラーエキスパンダ（９６）に分流させ、前記作動流体流（５６）の別の部分を前記熱電部（５４）の前記インタークーラポンプ／圧縮機（６４）に分流させる、請求項５に記載の発電システム（３０）。
【請求項７】
一体化された熱回収・冷却サイクルシステム（５０）を運転する方法であって、
作動流体流（５６）の一部分を前記システム（５０）の熱電部（５４）に分流させるステップと、
前記システム（５０）の前記熱電部（５４）で前記作動流体流（５６）を圧縮／加圧するステップと、
加熱された前記作動流体流（５６）を提供するために前記システム（５０）の前記熱電部（５４）の排熱回収ユニット（８４）および１つ以上のレキュペレータ（７０、８６）で前記作動流体流（５６）を加熱するステップと、
前記システム（５０）の前記熱電部（５４）で前記加熱された作動流体流（５６）を膨張させることによって負荷を駆動するステップと、
前記システム（５０）の前記熱電部（５４）で前記作動流体流（５６）を膨張させるステップと、
前記作動流体流（５６）の一部分を前記システム（５０）の入口冷却部（５２）に分流させるステップと、
前記作動流体流（５６）を加熱することによって入口空気流を冷却するステップと、
前記作動流体流（５６）を圧縮するステップと
を含み、前記作動流体流（５６）を加熱する前記ステップが、低温熱源（８２）で前記作動流体流（５６）を加熱することをさらに含む、方法。
【請求項８】
前記熱電部（５４）および前記入口冷却部（５２）と流体連通している作動流体アキュムレータ（７２）を用いて前記一体化された熱回収・冷却サイクルシステム（５０）内の前記作動流体流（５６）の所望の量および圧力を維持するステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、一般にガスタービンエンジンに関し、より具体的には、上昇した周囲温度環境におけるタービンエンジンの電力生産および効率的な運転のための一体化された熱回収・冷却サイクルシステムを有するタービンエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンの全体効率および電力出力は、一般的に、上昇した周囲温度環境での運転中に悪化する。例として、ニューヨーク州のスケネクタディにあるＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｍｐａｎｙによって販売されているＬＭＳ１００ガスタービンエンジンは、市場において最も効率的なガスタービンエンジンの１つであり、多くの場合に、ボトミングサイクルを有さない単純サイクル構成に組み込まれる。ＬＭＳ１００の高い効率は、圧縮機インタークーラおよび低い排気温度を伴う高いタービン圧力比に起因する。すべてのガスタービンエンジンと同様に、上昇した周囲温度環境でのＬＭＳ１００の性能は、冷却サイクル（入口冷却および十分に低いインタークーラ温度を実現するものなど）を使用しなければ悪化し得る。このような冷却を行うために、別個の、一体化されてない、電動の、蒸気圧縮または蒸気吸収サイクルの入口チラーおよび冷却塔が含まれる場合がある。これらの冷却構成要素の追加によって、多くの場合、エンジンの周辺部は、大きくなり、費用がかかるものになり、また寄生電力および大量の水を消費するものとなる。
【０００３】
代替的な複合サイクルガスタービンエンジンは、廃熱から電気を生成するために熱力学的ボトミングサイクル（蒸気または二重再熱ＣＯ2ボトミングサイクルなど）を含む場合がある。ＬＭＳ１００の単純サイクル構成と同様に、ＣＯ2ボトミングサイクルの性能もまた、上昇した周囲温度環境では悪化し得る。ＣＯ2ボトミングサイクルは、高温周囲条件での圧縮および低圧側の圧力制御に対して効率的な対策を講じていない場合がある。ボトミングサイクルは、一般的に、中間冷却または入口冷却を組み込んでいない。入口冷却（電気的な）を有する別個の一体化されていない標準的な（蒸気）ボトミングサイクルを追加することは、相乗効果を活かせないか、または入口チラー補助装置を除去し、費用およびシステム全体の複雑度の増加をもたらす。
【０００４】
したがって、ガスタービンエンジンと共に使用するための改善された熱回収・冷却サイクルシステムが求められている。好ましくは、このような改善された熱回収・冷却サイクルシステムは、上昇した周囲温度環境で効率的に運転され得る一体化されたシステムの多くの機能および利点を提供し得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第８７８３０３４号明細書
【発明の概要】
【０００６】
従来技術のこれらおよび他の欠点は、発電システムを提供する本開示によって対処される。
【０００７】
本明細書に示されているか、または説明されている実施形態によれば、一体化された廃熱回収・冷却サイクルシステムと、凝縮器と、作動流体アキュムレータとを備える発電システムが提供される。一体化された廃熱回収・冷却サイクルシステムは、熱電部（ｈｅａｔ−ｔｏ−ｐｏｗｅｒ  ｐｏｒｔｉｏｎ）および該熱電部と流体連通する入口冷却部を備える。熱電部は、２段中間冷却されるポンプ／圧縮機と、作動流体流の一部分を受け入れるように構成される１つ以上のレキュペレータと、作動流体流を受け入れるように構成される排熱回収ユニットと、該排熱回収ユニットの下流に配置されるエキスパンダとを備える。入口冷却部は、チラーエキスパンダと、該チラーエキスパンダに結合されるチラー圧縮機と、該チラー圧縮機に結合されるモータと、チラーエキスパンダおよびチラー圧縮機と流体連通し、かつチラーエキスパンダとチラー圧縮機との中間に配置される入口空気熱交換器とを備える。入口冷却部は、作動流体流の一部分を受け入れるように構成される。凝縮器は、熱電部および入口冷却部と流体連通する。作動流体アキュムレータは、熱電部および入口冷却部と流体連通し、一体化された熱回収・冷却サイクルシステム内の作動流体流の所望の量および圧力を維持するように構成される。
【０００８】
本明細書に示されているか、または説明されている別の実施形態によれば、発電システムが提供される。発電システムは、作動流体循環ループの第１の部分を形成する熱電部および作動流体循環ループの第２の部分を形成する入口冷却部を備える。熱電部は、２段中間冷却されるポンプ／圧縮機と、低温熱源と、１つ以上のレキュペレータと、排熱回収ユニットと、エキスパンダとを備える。低温熱源は、２段中間冷却されるポンプ／圧縮機から作動流体流の第１の部分を受け入れるように構成される。作動流体は、ＣＯ2を含む。１つ以上のレキュペレータは、作動流体流の第２の部分を受け入れるように低温熱源と並列に構成される。排熱回収ユニットは、低温熱源の下流に配置され、１つ以上のレキュペレータは、複合された作動流体流を受け入れるように構成される。エキスパンダは、排熱回収ユニットの下流に配置され、複合された作動流体流を受け入れるように構成される。入口冷却部は、チラーエキスパンダと、チラー圧縮機と、モータと、入口空気熱交換器とを備える。チラー圧縮機は、チラーエキスパンダに結合される。モータは、チラー圧縮機に結合される。入口空気熱交換器は、チラーエキスパンダおよびチラー圧縮機と流体連通し、チラーエキスパンダとチラー圧縮機との中間に配置される。入口冷却部は、作動流体流の一部分を受け入れるように構成される。本システムは、熱電部および入口冷却部と流体連通する作動流体凝縮器をさらに含み、作動流体アキュムレータは、２段中間冷却されるポンプ／圧縮機に結合され、本システム内の作動流体の所望の量および圧力を維持するように構成される。
【０００９】
本明細書に示されているか、または説明されているさらに別の実施形態によれば、ガスタービンエンジンと共に使用するための一体化された熱回収・冷却サイクルシステムが提供される。一体化された熱回収・冷却サイクルシステムは、作動流体流と、入口冷却部と、熱電部と、作動流体凝縮器と、アキュムレータとを含む。入口冷却部は、チラーエキスパンダと、該チラーエキスパンダに結合されるチラー圧縮機と、該チラー圧縮機に結合されるモータと、チラーエキスパンダおよびチラー圧縮機と流体連通し、かつチラーエキスパンダとチラー圧縮機との中間に配置される入口空気熱交換器とを備える。入口冷却サイクルは、作動流体流の、そこを通る通路のために構成される。熱電部は、２段中間冷却されるポンプ／圧縮機と、作動流体流の第１の部分を受け入れるように構成されるガスタービンインタークーラを備える低温熱源と、作動流体流の第２の部分を受け入れるように低温熱源と並列に構成される１つ以上のレキュペレータとを備える。作動流体凝縮器は、熱電部および入口冷却部と流体連通する。熱電部および入口冷却部は、作動流体凝縮器において一体化される。アキュムレータは、熱電部および入口冷却部と流体連通し、一体化された熱回収・冷却サイクルシステム内の作動流体流の量および圧力を維持するように構成される。
【００１０】
本明細書に示されているか、または説明されているさらに別の実施形態によれば、一体化された熱回収・冷却サイクルシステムを運転する方法が提供される。本方法は、作動流体流の一部分をシステムの熱電部に分流させるステップと、システムの熱電部で作動流体流を圧縮／加圧するステップと、加熱された作動流体流を提供するためにシステムの熱電部の排熱回収ユニットおよび１つ以上のレキュペレータで作動流体流を加熱するステップとを含む。本方法は、システムの熱電部で、加熱された作動流体流を膨張させることによって負荷を駆動するステップと、システムの熱電部で作動流体流を膨張させるステップと、作動流体流の一部分をシステムの入口冷却部に分流させるステップと、作動流体流を加熱することによって入口空気流を冷却するステップと、作動流体流を圧縮するステップとをさらに含む。
【００１１】
本発明のこれらのおよび他の特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明が添付図面を参照しながら読まれるときにより良く理解されるようになる。なお、添付図面では、同じ符号が、図面を通して同じ部分を示している。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ガスタービンエンジンの概略図であり、本明細書に示されているか、または説明されている１つ以上の実施形態に係る圧縮機、燃焼器、タービン、および負荷を示している。
【図２】本明細書に示されているか、または説明されている１つ以上の実施形態に係る、一体化された熱回収・冷却サイクルシステムを有するガスタービンエンジンの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
近似的な言葉は、本明細書および特許請求の範囲にわたって本明細書で使用される場合、任意の量的表現であって、それが関係する基本機能の変化をもたらさずに許容範囲内で変化し得る任意の量的表現を修飾するために適用されてもよい。したがって、「約」などの用語によって修飾されている値は、特定のまさにその値に限定されてはならない。一部の例において、近似的な言葉は、値を測定するための機器の精度に対応し得る。同様に、「〜が無い（ｆｒｅｅ）」は、用語と組み合わせて使用され得るが、ごくわずかな数（または痕跡量）を含んでもよく、とはいえ、それでもなお、修飾された用語に関して無いと考えられる。
【００１４】
本明細書で使用される場合、用語「してもよい（ｍａｙ）」および「であってもよい（ｍａｙ  ｂｅ）」は、１組の状況内での発生の可能性、特定の性質、特性、または機能の所有の可能性を示す。また、これらの用語は、修飾された動詞に関連する能力、性能、または可能性の１つ以上を表現することによって別の動詞を修飾し得る。したがって、「してもよい」および「であってもよい」の用法は、修飾された用語が、一部の状況において修飾された用語が場合により適当でなく、有用でなく、適さない場合があることを考慮に入れつつも、示されている能力、機能、または使用に関して明らかに適当であり、有用であり、または適することを示している。例えば、ある状況では、事象または能力が期待され得るが、他の状況では、事象または能力は考えられ得ない（この区別は、用語「してもよい」および「であってもよい」によって捉えられる）。
【００１５】
以下では、本発明の１つ以上の特定の実施形態について説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するために、本明細書では、実際の実施態様のすべての特徴について説明しない場合がある。このような実際の実施態様の開発（工学または設計プロジェクトにおけるような）において、実施態様に特有の多数の決定が、実施態様ごとに異なり得る、開発者の特定の目標（システム関連およびビジネス関連の制約を遵守したものなど）を達成するためになされなければならないことが理解されるべきである。さらに、このような開発の努力は、込み入っていて、時間がかかるものであるかもしれないが、本開示の利益を受ける当業者にとっては設計、製作、および製造に関する日常的な取り組みであることが理解されるべきである。
【００１６】
本発明の様々な実施形態の要素を導入するとき、冠詞「ある（ａ）」、「ある（ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」、および「前記（ｓａｉｄ）」は、その要素が１つ以上存在することを意味することが意図されている。用語「を備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「を含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「を有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、包含的であり、列挙されている要素以外にも付加的な要素が存在し得ることを意味することが意図されている。さらに、用語「第１の」および「第２の」などは、本明細書において順序、量、または重要度を示しておらず、要素を互いに区別するために使用されている。
【００１７】
本明細書に開示されているすべての範囲は、端点を含んでおり、端点は、互いに結合可能である。本明細書で使用されている用語「第１の」および「第２の」などは、順序、量、または重要度を示しておらず、要素を互いに区別するために使用されている。本発明の説明との関連（特に、以下の特許請求の範囲との関連）における、用語「ある（ａ）」および「ある（ａｎ）」および「その（ｔｈｅ）」および同様の指示詞（ｒｅｆｅｒｅｎｔ）の使用は、本明細書に別段の指示がないか、または文脈によって否定されない限り、単数および複数の両方を包含すると解釈されるべきである。
【００１８】
本明細書に説明されている、本発明の実施形態は、当該技術の状態の指摘された欠点に対処する。本明細書に述べられている実施形態によれば、一体化された熱回収・冷却サイクルシステムを含む改善されたタービンエンジンが説明される。本システムは、付加的な電力の生成を行いながら、入口冷却によってタービンエンジンの、上昇した周囲温度環境における電力出力および効率を改善する。熱回収および冷却のサイクルシステムの一体化は、インタークーラ冷却水システムおよび入口チラー凝縮器または吸収サイクルの必要性を除去する。一体化された熱回収・冷却サイクルシステムは、入口冷却、中間冷却、および排熱回収用の作動流体としてＣＯ2を使用する。実施形態において、熱回収・冷却サイクルは、入口温度を３０℃から１５℃に低下させ、インタークーラ−高圧圧縮機入口を〜４５℃に低下させながら、４０℃の凝縮器／冷却器の温度において最大で１４ＭＷの正味電力を提供し得る。一体化された熱回収・冷却サイクルシステムは、上昇した周囲温度環境（より具体的には、０℃を上回る周囲環境）で冷却を行い、これにより、電力の増加を実現する。２０℃を上回る周囲温度での運転中、熱回収・冷却サイクルシステムは、低圧制御およびアキュムレータを有する新規の中間冷却される圧縮システムによって効率的になり得るブレイトンサイクルとして運転されてもよい。
【００１９】
開示されているような例示的な一体化された熱回収・冷却サイクルシステムは、作動流体としてＣＯ2を有する複合された熱電サイクルおよび入口冷却サイクルを含む。本システムは、余熱のためのレキュペレータを有する二重または三重の膨張構成で電力を生成するためにタービンエンジンインタークーラおよび排気からの廃熱を使用する。入口冷却のための冷却は、凝縮器に戻る前にエキスパンダ、入口空気熱交換器（蒸発器）、および部分的にエキスパンダによって駆動され得る圧縮機を通過する、凝縮器／冷却器からの分流によって行われる。本明細書で使用される場合、用語「一体化された」は、発電システムの特定の要素が、熱電サイクルおよび入口冷却サイクルのために組み合わされるか、または熱電サイクルおよび入口冷却サイクルの両方に共通することを意味する。本明細書に説明されているように、両方のサイクルが、共通の冷却器／凝縮器、アキュムレータ、および制御システムを使用する。
【００２０】
本開示の例示的な実施形態によれば、冷却または冷却サイクルは、一般的なボトミングサイクルおよび入口冷却システムに比べて少ない構成要素および低い複雑度で、上昇した周囲温度環境でのより高効率の運転を可能にするために熱電サイクルと一体化される。発電のための熱源は、燃焼エンジン、ガスタービン、地熱、太陽熱、または産業熱源などを含んでもよい。
【００２１】
次に図面（図面では、同じ符号が、複数の図にわたって同じ要素を示している）を参照すると、図１は、本明細書で使用され得るようなガスタービンエンジン１０の概略図を示している。ガスタービンエンジン１０は、少なくとも１つの圧縮機１２を含んでもよい。少なくとも１つの圧縮機１２は、流入する空気流１４を圧縮し、圧縮された空気流１４を燃焼器１６に供給する。燃焼器１６は、圧縮された空気流１４と加圧された燃料流１８とを混合し、この混合気に点火して燃焼ガス流２０を生成する。１つの燃焼器１６しか示されていないが、ガスタービンエンジン１０は、任意の数の燃焼器１６を含んでもよい。次に、燃焼ガス流２０は、タービン２２に供給される。燃焼ガス流２０は、機械的仕事を発生させるためにタービン２２を駆動する。タービン２２で発生した機械的仕事は、シャフト２４を介して圧縮機１２および外部負荷２６（発電機など）を駆動する。高温排気ガス流２８は、さらなる使用のためにタービンから流出する。さらに、多軸ガスタービンエンジン１０なども、本発明に関して使用され得る。このような構成において、タービン２２は、圧縮機１２を駆動する高圧セクションと、外部負荷２６を駆動する低圧セクションとに分割されてもよい。他の構成が、本発明に関して使用されてもよい。
【００２２】
実施形態において、ガスタービンエンジン１０は、ニューヨーク州のスケネクタディにあるＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｍｐａｎｙによって販売されているたくさんの様々なガスタービンエンジン（これらは、ＬＭＳ１００、ＬＭ２５００、ＬＭ６０００航空転用ガスタービン、ならびにＥおよびＦクラスのヘビーデューティガスタービンエンジンなどを含むが、これらに限定されない）であってもよい。しかしながら、本開示は、これに限定されず、任意の適切なガスタービン、多くのガスタービン発電所、ならびに他の種類の発電装置（内燃エンジンおよび／または工業プロセス装置（ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  ｐｒｏｃｅｓｓ  ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ）など）に適用され得る。実施形態において、ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、液体燃料、様々な種類の合成ガス、および／または他の種類の燃料を使用してもよい。ガスタービンエンジン１０は、様々な構成を有してもよく、また、他の種類の構成要素を使用してもよい。
【００２３】
図２を参照すると、発電システム３０が、一体化された熱回収・冷却サイクルシステム５０を有するガスタービンエンジン１０（図１）の使用を含む、本発明の一部の実施形態に基づいて提供されている。システム３０（より具体的には、一体化された熱回収・冷却サイクルシステム５０）は、作動流体循環ループの第１の部分または第１のループ３２（入口冷却部５２を形成している）および作動流体循環ループの第２の部分または第２のループ３４（熱電部５４（より具体的には、廃熱回収のための二酸化炭素復熱サイクル）を形成している）を含む。第１のループ３２は、影の部分によって示されているように第２のループ３４と一体化されている。第１のループ３２および第２のループ３４は、冷却器／凝縮器７８から始まると考えられてもよい。発電システム３０（より具体的には、熱回収・冷却サイクルシステム５０）は、作動流体（二酸化炭素（ＣＯ2）など）流５６によって駆動されてもよい。二酸化炭素は、非可燃性であり、非中毒性であり、かつ高いサイクル温度に耐えることができるという利点を有する。他の種類の作動流体（炭化水素、フッ素化炭化水素、シロキサン、またはアンモニアなど）が、本発明に関して使用されてもよい。また、ブレイトンサイクルシステムまたはランキンサイクルシステムなどが使用されてもよい。ランキンサイクルとしての運転中、冷却器／凝縮器７８が、アキュムレータ７２の代わりに、流体インベントリ（ｉｎｖｅｎｔｏｒｙ）を上回る液体を蓄える機能を果たしてもよい。ブレイトンサイクルとしての運転中（完全な凝縮が冷却器／凝縮器７８で行われず、それが蒸気液化機というよりはガス冷却器として機能する上昇した周囲温度環境または過渡中などにおける）、アキュムレータ（現在説明されている）が、システム３０内の圧力およびインベントリ質量を制御するために必要とされる。
【００２４】
図２に示されているように、実施形態において、一体化された熱回収・冷却サイクルシステム５０（より具体的には、熱電部５４）は、膨張後の余熱が、排熱回収ユニット８４の前および低温エキスパンダ６０の前で、加圧された作動流体（より具体的には、ＣＯ2）を加熱するために使用されるように、ＣＯ2復熱サイクル（Ｃ０2ランキンサイクルなど）の原理に基づいて配置された複数のレキュペレータ、エキスパンダ、および熱交換器を含む。Ｃ０2ランキンサイクルは、その全体が本明細書に組み込まれる、本出願の譲受人に譲渡された米国特許出願公開第２０１２／０１７４５８３号明細書（Ｍ．Ｌｅｈａｒの「Ｄｕａｌ  Ｒｅｈｅａｔ  Ｒａｎｋｉｎｅ  Ｃｙｃｌｅ  Ｓｙｓｔｅｍ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  Ｔｈｅｒｅｏｆ」）に述べられている。実施形態において、熱電部５４は、２段中間冷却されるポンプ／圧縮機／モータ（全体を通して６２として参照される）（第１の圧縮機／ポンプ６４、インタークーラ６６、および第２の圧縮機／ポンプ６８を含む）によって供給される。
【００２５】
熱電部５４は、高温ターボエキスパンダ８８に加えて、付加的な熱交換器（より具体的には、アフタークーラ８０）、ガスタービンインタークーラ８２（例えばＬＭＳ１００のための）、排熱回収ユニット８４、および高温レキュペレータ８６をさらに含んでもよい。排熱回収ユニット８４に到達する前に、作動流体流５６の第１の部分５７は、インタークーラ８２によって受け入れられ、作動流体流５６の第２の部分５８は、並行して低温レキュペレータ７０によって受け入れられる。ガスタービンインタークーラ８２、排熱回収ユニット８４、および低温レキュペレータ７０は、その中で作動流体を加熱し、加熱された作動流体流５９を提供する。冷却熱交換器（より具体的には、インタークーラ６６およびアフタークーラ８０）は、冷却器／凝縮器７８と同じ方法で空気または水を用いて冷却されてもよい。ブレイトンサイクルとしての運転中、システム内の作動流体５６の量および圧力は、弁７６を介して、２段中間冷却されるポンプ／圧縮機／モータ６２の中間圧力流７４および冷却器／凝縮器７８の出口に接続されたアキュムレータ７２を用いて能動的に維持される。
【００２６】
上昇した周囲温度下では、凝縮が、冷却器／凝縮器７８で行われず、熱電部５４は、非常に高度な最適な低圧側の圧力（例えば、１５℃における７０バール〜３０℃における９０バール）でブレイトンサイクルとして運転される。
【００２７】
先に示したように、一体化された熱回収・冷却サイクルシステム５０は、１つ以上のレキュペレータ（より具体的には、低温レキュペレータ７０および高温レキュペレータ８６）を含む。レキュペレータ７０、８６は、冷却器／凝縮器７８の前で作動流体（ＣＯ2）流５６を予冷し、熱を再利用するために使用されてもよい。レキュペレータ７０、８６は、高圧ポンプ／圧縮機６８ならびにターボエキスパンダ６０および８８からの加圧された作動流体流５６と連通してもよい。ターボエキスパンダ６０および８８は、半径流（ｒａｄｉａｌ  ｉｎｆｌｏｗ）および／または軸流タービンなどであってもよい。ターボエキスパンダ６０および８８は、エキスパンダシャフト９０を駆動してもよい。エキスパンダシャフト９０は、負荷（付加的な発電機９２など）などを駆動してもよい。付加的な発電機９２と共に同じシャフト９０に配置された低温ターボエキスパンダ６０および高温ターボエキスパンダ８８が示されているが、各々のシャフトおよび発電機が、本開示によって予期される。また、他の構成要素および他の構成が、本発明に関して使用されてもよい。
【００２８】
ガスタービンの入口冷却のために、入口空気熱交換器（蒸発器）９４が含まれている。入口空気熱交換器（蒸発器）９４は、チラーエキスパンダ９６と、モータ１００に結合されたチラー圧縮機９８との中間に配置されてもよい。入口冷却のための冷却は、冷却器／凝縮器７８に戻る前にチラーエキスパンダ９６、入口空気熱交換器（蒸発器）９４、および部分的にチラーエキスパンダ９６によって駆動されるチラー圧縮機９８を通過する、冷却器／凝縮器７８からの作動流体流５６の一部分によって行われる。代替的な実施形態において、図示の複合ユニットの代わりに、チラーサイクルのための個別の圧縮機、モータ、エキスパンダ、および発電機のユニットが予期される。
【００２９】
一体化された熱回収・冷却サイクルシステム５０の運転は、コントローラ１００によって制御されてもよい。熱回収・冷却サイクルシステムコントローラ１００は、ガスタービンエンジン１０の全体コントローラなどと通信してもよい。熱回収・冷却サイクルシステムコントローラ１００は、システム全体に関する正味電力または効率の増加が正である限り冷却器／凝縮器７８からの作動流体（ＣＯ2）流５６の一部分を分流させることによって入口冷却熱交換器９４を通る作動流体５６の流量を制御するルールベースコントローラであってもよい。熱回収・冷却サイクルシステムコントローラ１００は、ガスタービンエンジンを含む装置のすべての性能および上昇した周囲温度環境での運転のための入口冷却による、燃料の効率的な使用のためのおよび／または最大総電力出力のための運転パラメータを組み込んでいる。他の種類のルールおよび運転パラメータが、本発明に関して使用されてもよい。
【００３０】
また、他の熱源（作動流体（ＣＯ2）流５６の、産業廃熱、太陽熱、および／または地熱による加熱など）が、本発明に関して組み込まれてもよい。また、他の種類の加熱および／または冷却が、本発明に関して実行されてもよい。
【００３１】
本明細書における一体化された熱回収・冷却サイクルシステム５０およびタービン構成要素の全体的な一体化は、別々のボトミングサイクルシステムならびに加熱および／または冷却システムに比べて、上昇した周囲温度環境での出力の最大化に関してより費用対効果が高い手法を提供する。ルールベースコントローラ１００は、本発明に関して生み出された、廃熱の効率的かつ経済的な使用のために所定の１組の周囲条件、負荷要求、燃料費用、水費用、および装置全体の構成、ならびに運転パラメータに関して様々な加熱流および冷却流を最適化し得る。
【００３２】
これまでの記述が、本出願および結果として得られる特許の特定の実施形態のみに関することは明らかなはずである。以下の特許請求の範囲およびその均等物によって規定される本発明の一般的な精神および範囲から逸脱することなく、本発明に関して多くの変更および修正が、当業者によってなされてもよい。
【００３３】
上記の実施形態は、作動流体として二酸化炭素に言及して述べられているが、特定の他の実施形態において、使用に適した他の低い臨界温度の作動流体も考えられる。例示的な実施形態によれば、作動流体として二酸化炭素を用いるランキンサイクルは、作動流体として蒸気を用いるランキンサイクルに比べてコンパクトな設置面積、小さなターボ機械、低いインベントリ、および結果的に速い始動時間（ｒａｍｐ−ｕｐ  ｔｉｍｅ）を有し得る。
【００３４】
本発明の特定の特徴のみが、本明細書に示され、説明されているが、多くの修正例および変更例が、当業者によって想到され得る。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の精神に含まれるあらゆる修正例および変更例を包含することを意図したものであることが理解されるべきである。
【符号の説明】
【００３５】
１０  ガスタービンエンジン
１２  圧縮機
１４  空気流
１６  燃焼器
１８  燃料流
２０  燃焼ガス流
２２  タービン
２４  シャフト
２６  外部負荷
２８  高温排気ガス流
３０  発電システム
５０  一体化された熱回収・冷却サイクルシステム
５２  入口冷却サイクル
５４  熱電サイクル
５６  作動流体流、作動流体
５８  排熱交換器
６０  低温エキスパンダ
６２  ２段中間冷却されるポンプ／圧縮機
６４  圧縮機／ポンプ
６６  インタークーラ
６８  ターボエキスパンダ
７０  低温レキュペレータ
７２  アキュムレータ
７４  ポンプ／圧縮機の中間圧力流
７６  弁
７８  冷却器／凝縮器
８０  アフタークーラ
８２  インタークーラ
８４  熱回収ユニット（熱交換器）
８６  高温レキュペレータ
８８  ターボエキスパンダ
９０  エキスパンダシャフト
９２  付加的な発電機
９４  入口空気熱交換器（蒸発器）
９６  チラーエキスパンダ
９８  チラー圧縮機
１００  モータ、コントローラ
【図１】
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【図２】
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