(57)【要約】【課題】効率的で従来の欠点に悩まされないガスタービンのシステム及び方法を提供する。【解決手段】ガスタービンシステム（１００）及び方法は、流体を圧縮して圧縮流体流れ（１０４）を生成するように構成された圧縮機部品（１０２）と、圧縮流体流れ（１０４）の少なくとも第１の部分を受け取り、シンガス（１１０）の少なくとも一部を燃焼して燃焼器吐出流れ（１１２）を生成するように構成された燃焼器（１０６）と、燃焼器吐出流れ（１１２）を受け取り、部品流れ（１１６）を生成するように配置されたタービン部品（１１４）とを備える。本システム及び方法において、第２の部分（１１８）から導かれた冷却流れは、タービン部品流れ（１１６）を冷却する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンシステム（１００）において、
流体を圧縮して圧縮流体流れ（１０４）を生成するように構成された圧縮機部品（１０２）と、
前記圧縮流体流れ（１０４）の少なくとも第１の部分を受け取り、シンガス（１１０）の少なくとも一部を燃焼して燃焼器吐出流れ（１１２）を生成するように構成された燃焼器（１０６）と、
前記燃焼器吐出流れ（１１２）を受け取り、部品流れ（１１６）を生成するように配置されたタービン部品（１１４）と、
を備え、
前記圧縮流体流れ（１０４）の少なくとも第２の部分（１１８）は、前記タービン部品流れ（１１６）に導かれ、ＣＯ2捕捉システム（１２２）から導かれる冷却ＣＯ2流れ（１２０）は、前記タービン部品流れ（１１６）を冷却し、前記冷却ＣＯ2流れ１２２は、タービン部品流れ（１１６）によって加熱されて少なくとも加熱ＣＯ2流れ（１２４）を生成し、前記加熱ＣＯ2流れ（１２４）の少なくとも一部分は、前記圧縮機（１０２）から前記燃焼器（１０６）へ導かれる圧縮流体流れ（１０８）へ熱を伝達するようになった、ガスタービンシステム（１００）。
【請求項２】
排熱回収ボイラ（１２６）を更に備え、前記タービン部品流れ（１１６）は、前記排熱回収ボイラ（１２６）へ導かれる、請求項１記載のガスタービンシステム（１００）。
【請求項３】
前記加熱ＣＯ2流れ（１２４）の少なくとも第２の部分（１１８）は、前記排熱回収ボイラ（１２６）へ導かれる、請求項２記載のガスタービンシステム（１００）。
【請求項４】
排熱回収ボイラ（１２６）からの出口流れの少なくとも一部分は、前記ＣＯ2捕捉システム（１２２）へ導かれる、請求項３記載のガスタービンシステム（１００）。
【請求項５】
熱交換器（１３４）を更に備え、前記熱交換器（１３４）は、前記加熱ＣＯ2流れ（１２４）からの熱を前記圧縮空気流れ（１０８）の第１の部分へ伝達するよう配置される、請求項１記載のガスタービンシステム（１００）。
【請求項６】
前記ＣＯ2捕捉システム（１２２）を更に備える、請求項１記載のガスタービンシステム（１００）。
【請求項７】
前記圧縮機部品（１０２）は１８段の圧縮機段を備える、請求項１記載のガスタービンシステム（１００）。
【請求項８】
１８段の圧縮機段は、前記圧縮流体流れ（１０８）の前記第２の部分（１１８）を前記タービン部品（１１４）の第２のタービン段（１４２）へ導く、請求項７記載のガスタービンシステム（１００）。
【請求項９】
９段の圧縮機段及び１３段の圧縮機段は、前記圧縮流体流れ（１０８）の前記第２の部分（１１８）を前記タービン部品（１１４）の第１のタービン段（１４４）、第２のタービン段１４２、及び第３のタービン段（１４６）へ導く、請求項７記載のガスタービンシステム（１００）。
【請求項１０】
前記タービン部品（１１４）は、第１のタービン段（１１４）及び第２のタービン段（１４２）を備える、請求項１記載のガスタービンシステム（１００）。
【請求項１１】
前記タービン部品（１１４）は、第３のタービン段（１４６）を更に備える、請求項１０記載のガスタービンシステム（１００）。
【請求項１２】
前記タービン部品流れ（１１６）は、前記第２のタービン段（１４２）及び前記第３のタービン段（１４６）のための前記冷却ＣＯ2流れ（１２０）で冷却される、請求項１１記載のガスタービンシステム（１００）。
【請求項１３】
圧縮機部品（１１４）は、第１の圧縮機段（１３６）、第２の圧縮機段（１３８）、及び第３の圧縮機段（１４０）を含む、請求項１１記載のガスタービンシステム（１００）。
【請求項１４】
前記ＣＯ2捕捉システム（１２２）は、吸収器（２０２）及び前記冷却ＣＯ2流れ（１２０）を生成するストリッパー（２０８）を備える、請求項１記載のガスタービンシステム（１００）。
【請求項１５】
ガスタービンシステム（１００）において、
流体を圧縮して圧縮流体流れ（１０４）を生成するように構成された圧縮機部品（１０２）と、
前記圧縮流体流れ（１０４）の少なくとも第１の部分を受け取り、シンガス（１１０）の少なくとも一部を燃焼して燃焼器吐出流れ（１１２）を生成するように構成された燃焼器（１０６）と、
前記燃焼器吐出流れ（１１２）を受け取り、部品流れ（１１６）を生成するように配置されたタービン部品（１１４）と、
を備え、
前記圧縮流体流れ（１０４）の少なくとも第２の部分（１１８）は、前記タービン部品流れ（１１６）に導かれ、第２のシステムから導かれる冷却窒素流れ（３２０）は、前記タービン部品流れ（１１６）を冷却し、前記冷却窒素流れ（３２０）は、タービン部品流れ（１１６）によって加熱されて少なくとも加熱窒素流れ（３２４）を生成し、前記加熱窒素流れ（３２４）の少なくとも一部分は、前記圧縮機（１０２）から前記燃焼器（１０６）へ導かれる圧縮流体流れ（１０８）へ熱を伝達するようになった、ガスタービンシステム（１００）。
【請求項１６】
前記第２のシステムは、空気分離ユニットである、請求項１５記載のガスタービンシステム（１００）。
【請求項１７】
排熱回収ボイラを更に備え、前記タービン部品流れは、前記排熱回収ボイラへ導かれる、請求項１５記載のガスタービンシステム（１００）。
【請求項１８】
前記加熱窒素流れの少なくとも第２の部分は、前記排熱回収ボイラに導かれる、請求項１７記載のガスタービンシステム（１００）。
【請求項１９】
吸収器及び冷却ＣＯ2流れを生成するストリッパーを備える、ＣＯ2捕捉システムを準備する段階と、
前記冷却ＣＯ2流れをタービン部品へ導く段階と、
タービン部品のタービン部品流れからの熱を前記冷却ＣＯ2流れへ伝達して、少なくとも加熱ＣＯ2流れを生成する段階と、
前記加熱ＣＯ2流れの少なくとも一部分を、熱交換器を経由して前記ＣＯ2捕捉システムへ導く段階と、
を含む方法。
【請求項２０】
前記タービン部品は、燃焼器からの燃焼  吐出流れを受け取るように構成及び配置され、前記熱交換器は、前記加熱ＣＯ2流れからの熱を、燃焼器へ導かれる圧縮流体流れの少なくとも一部に伝達するように構成及び配置される、請求項１９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガスタービンシステム及び方法に関する。詳細には、本発明はタービン部品を冷却するためにＣＯ2を使用するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電システムにおいて、低コストで高いエネルギ需要に対応する運転効率が望まれる。発電システムの炭素隔離では、そのプロセス中で排気ガスから二酸化炭素を捕捉して蓄える。炭素の捕捉は相当のエネルギ量を消費するので公知の発電システム能力の効率を低下させる。
【０００３】
公知の発電システムにおいて、ガスタービン内のクローズドループ式冷却構成は、非導電性液体により冷却される。液体はポンプにより循環され、圧力降下ループ内に配置されたオリフィスにより熱伝達が強化される。公知のシステムには望まれる効率で炭素捕捉できないという欠点がある。
【０００４】
別の公知の発電システムにおいて、空気分離ユニットからの窒素を含むオープンループ式冷却構成が使用される。このシステムは、統合型ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）運転方式の酸素ベース（ガス化装置）システムだけにしか適用できないという欠点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６４８７８６３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本技術では、より効率的で従来の欠点に悩まされないガスタービンのシステム及び方法が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一実施形態では、ガスタービンシステムは、流体を圧縮して圧縮流体流れを生成するように構成された圧縮機部品と、圧縮流体流れの少なくとも第１の部分を受け取り、シンガスの少なくとも一部を燃焼して燃焼器吐出流れを生成するように構成された燃焼器と、燃焼器吐出流れを受け取り、部品流れを生成するように配置されたタービン部品とを備える。圧縮流体流れの少なくとも第２の部分は、タービン部品流れに導かれる。ＣＯ2捕捉システムから導かれる冷却ＣＯ2流れはタービン部品流れを冷却する。冷却ＣＯ2流れ１２２は、タービン部品流れによって加熱されて少なくとも加熱ＣＯ2流れを生成する。加熱ＣＯ2流れの少なくとも一部分は、圧縮機から燃焼器へ導かれる圧縮流体流れへ熱を伝達する。
【０００８】
一実施形態では、ガスタービンシステムは、流体を圧縮して圧縮流体流れを生成するように構成された圧縮機部品と、圧縮流体流れの少なくとも第１の部分を受け取り、シンガスの少なくとも一部を燃焼して燃焼器吐出流れを生成するように構成された燃焼器と、燃焼器吐出流れを受け取り、部品流れを生成するように配置されたタービン部品とを備える。圧縮流体流れの少なくとも第２の部分は、タービン部品流れに導かれる。第２のシステムから導かれる冷却窒素流れは、タービン部品流れを冷却する。冷却窒素流れは、タービン部品流れによって加熱されて少なくとも加熱窒素流れを生成する。加熱窒素流れの少なくとも一部分は、圧縮機から燃焼器へ導かれる圧縮流体流れへ熱を伝達する。
【０００９】
一実施形態では、本方法は、吸収器及び冷却ＣＯ2流れを生成するストリッパーを備えるＣＯ2捕捉システムを準備する段階と、前記冷却ＣＯ2流れをタービン部品へ導く段階と、タービン部品のタービン部品流れからの熱を冷却ＣＯ2流れへ伝達して、少なくとも加熱ＣＯ2流れを生成する段階と、加熱ＣＯ2流れの少なくとも一部分を、熱交換器を経由してＣＯ2捕捉システムへ導く段階とを含む。
【００１０】
本発明の他の特徴及び利点は、例証として本発明の原理を示す添付図面を参照しながら、以下の好ましい実施形態のより詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本開示の実施形態による例示的なガスタービンシステムの概略図。
【図２】本開示の実施形態による簡略的に示した例示的ガスタービンシステムと併せた例示的なＣＯ2捕捉システムの概略図。
【図３】本開示の実施形態による例示的な  ガスタービンシステムの概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図面中の同一の参照番号は可能な限り同じ部品を示している。
【００１３】
効率的で従来の欠点に悩まされないガスタービンシステム及び方法が提供される。
【００１４】
本開示の実施形態により、本開示システム及び方法を単純サイクル及び複合サイクルのＩＧＣＣ運転工程に適用すること、本開示システム及び方法がＣＯ2捕捉プロセスをＩＧＣＣ運転工程に組み込むこと、本開示システム及び方法が他のシステムをＩＧＣＣ運転工程に組み込むこと、所定の燃焼温度に到達するのに必要な燃料量を低減することで効率を高めること、排熱回収ボイラに導かれる排気温度を高めることで効率を高めること、及び低コストの導入、運転、及びメンテナンスが可能になる。
【００１５】
図１は例示的なガスタービンシステム１００を示す。システム１００は、圧縮機部品１０２、燃焼器１０６、及びタービン部品１１４を含む。圧縮機部品１０２は、流体（例えば、空気又は他の大気ガス）を圧縮して圧縮流体流れ１０４を生成する。燃焼器１０６は、圧縮流体流れ１０４の少なくとも第１の部分１０８を受け取り、シンガス１１０の少なくとも一部を燃焼させて燃焼器の吐出流れ１１２を生成する。タービン部品１１４は、燃焼器の吐出流れ１１２を受け取ってタービン部品流れ１１６を生成するように配置されている。圧縮流体流れ１０４の第２の部分１１８は、タービン部品流れ１１６を冷却するよう導かれる。
【００１６】
ＣＯ2捕捉システム１２２から導かれる冷却ＣＯ2流れ１２０はタービン部品流れ１１６を冷却する。冷却ＣＯ2流れ１２０の温度は約３００oＦから約６００oＦ又は約１００oＦから約４００oＦであり、ガスタービン圧縮機の吐出空気の温度よりも低い。一実施形態では、冷却ＣＯ2流れ１２０は実質的に気体ＣＯ2からなる。別の実施形態では、冷却ＣＯ2流れ１２０は空気中のものよりも高濃度のＣＯ2を含有する。冷却ＣＯ2流れ１２０は部品流れ１１６で加熱され、少なくとも加熱ＣＯ2流れ１２４を（例えば、約１０００oＦよりも高い温度の）生成する。加熱ＣＯ2流れ１２４の一部又は全ては熱を圧縮流体流れ１０８へ伝達する。一実施形態では、冷却ＣＯ2流れ１２０は、ポンプの助けなしにタービン部品流れ１１６へ導かれる。
【００１７】
一実施形態では、ガスタービンシステム１００は熱交換器１３４を含む。熱交換器１３４は、加熱ＣＯ2流れ１２４から圧縮ＣＯ2流れ１０４の第１の部分１０８へ熱を伝達するように配置されている。
【００１８】
記述されているように、多段の圧縮機部品１０２及びタービン部品１１４により、圧縮流体流れ１０４及び／又は冷却ＣＯ2流れ１２０の任意の適当な部位において複数の圧力及び／又は温度に相関して、タービン部品流れ１１６及び／又は燃焼吐出流れ１１２と熱交換を行うことが可能になる。適当な任意数の段を含むことができる。例えば、一実施形態では、１８つ圧縮機段を含む。別の実施形態では、第１の圧縮機段１３６は９段であり、第２の圧縮機段１３８は１３段であり、第３の圧縮機段１４０は１８段である。圧縮流体流れ１０４の１以上の部分は、複数の圧縮機段からタービン部品１１４へ導かれて、タービン部品流れ１１６を冷却する。一実施形態では、第３の圧縮機段１４０は、圧縮流体流れ１０４の第２の部分１１８をタービン部品１１４の第２のタービン段１４２へ導く。
【００１９】
タービン部品１１４は、第１のタービン段１４４及び第２のタービン段１４２を含む。一実施形態では、タービン部品１１４は更に第３のタービン段１４６を含む。適当な任意数のタービン段を含むことができる。タービン部品１１４の１以上のタービン段は、燃焼器吐出流れ１１２を受け取ってタービン部品流れ１１６を生成するように配置されている。タービン部品１１４へ導かれる圧縮流体流れ１０４の第２の部分１１８はタービン部品流れ１１６を冷却する。一実施形態では第２の圧縮機段１３８は、圧縮流体流れ１０４の第２の部分１１８を第１のタービン段１４４、第２のタービン段１４２、第３のタービン段１４６、又はそれを組み合わせたものに導く。
【００２０】
タービン部品流れ１１６は、第１のタービン段１４４の冷却ＣＯ2流れ１２０により更に冷却される。一実施形態では、冷却ＣＯ2流れ１２０は第１のタービン段１４４へ導かれ、熱は第１のタービン段１４４のタービン部品流れ１１６から冷却ＣＯ2流れ１２０へ伝達されて少なくとも加熱ＣＯ2流れ１２４を生成し、少なくとも加熱ＣＯ2流れ１２４の一部は熱交換器１３４を経由してＣＯ2捕捉システム１２２へ導かれる。別の実施形態では、タービン部品１１４は、燃焼器１０６からの燃焼吐出流れ１１２を受け取るように構成及び配置され、熱交換器１３４は、加熱ＣＯ2流れ１２４からの熱を少なくとも燃焼器１０６へ導かれる圧縮流体流れ１０４の第１の部分１０８へ伝達するように構成及び配置される。
【００２１】
別の実施形態では、タービン部品１１４のクローズドループ冷却にＣＯ2が使用される。本実施形態では、クローズドループＣＯ2流れは、加熱ＣＯ2流れ１２４及び冷却ＣＯ2流れ１２０を含む。例えば、燃焼吐出流れ１１２はタービン部品１１４へ導かれてタービン部品流れ１１６を生成し、タービン部品流れ１１６はクローズドループＣＯ2流れの冷却部分１２０で冷却されて結果的にクローズドループＣＯ2流れの加熱部分１２４を生成し、圧縮流体流れ１０４はこのクローズドループＣＯ2流れの加熱部分１２４で加熱される。別の実施形態では、クローズドループＣＯ2流れの冷却部分１２０の一部は炭素捕捉システム１２２から導かれ、クローズドループＣＯ2流れの加熱部分１２４の少なくとも一部は炭素捕捉システム１２２へ導かれる。
【００２２】
一実施形態では、ガスタービンシステム１００は更に排熱回収ボイラ１２６を含む。本実施形態では、タービン部品流れ１１６は排熱回収ボイラ１２６へ導かれる。一実施形態では、加熱ＣＯ2流れ１２０の一部分１５０又は全ては排熱回収ボイラ１２６へ導かれる。排熱回収ボイラ１２６の出口流れ１４８の一部分は、ＣＯ2捕捉／隔離用のＣＯ2捕捉システム１２２へ導かれる。
【００２３】
図２は、簡略化されたガスタービンシステム１００と併せた例示的なＣＯ2捕捉システム１２２の概略図である。ＣＯ2捕捉システム１２２は任意の適当なＣＯ2捕捉システムとすることができる。一実施形態では、ＣＯ2捕捉システム１２２は化学吸収プロセスである。例えば、一実施形態では、ＣＯ2捕捉システム１２２は排熱回収ボイラ１２６からの燃焼排ガスを受け取る吸収器２０２を含む。燃焼排ガスは濾過装置２０４により濾過されて、熱交換器２０６（例えば、クロス式熱交換器）を介して熱伝達を行い、ストリッパー２０８内に移動する。ストリッパー２０８は、燃焼排ガスの別の成分（例えば、ＮＯｘ及びＳＯｘ）からＣＯ2を分離する。ストリッパー２０８からのＣＯ2を含有する燃焼排ガスの一部分は凝縮器２１０で凝縮され、捕捉ＣＯ2としてリフラックスドラム２１２へ導かれる。捕捉ＣＯ2１２０は一般に、隔離用の別体の多段中間冷却−圧縮機システム（図示せず）に導かれる。捕捉ＣＯ2１２０の一部分は、還流ポンプ２１４によりストリッパー２０８に再度導くことができる。ストリッパー２０８の燃焼排ガスの他の部分はリボイラー２１６へ導かれ、分流してリクレーマ２１８で処理されてスラッジ２２６を生成するか、又は熱交換器２０６を通り、再度吸収器２０２に入って煙突（図示せず）から放出される前に貯蔵タンク２２０、増圧ポンプ２２２、及び希薄アミンクーラー２２４へ導かれる。
【００２４】
図３は別の例示的なガスタービンシステム３００を示す。システム３００は圧縮機部品１０２、燃焼器１０６、及びタービン部品１１４を含む。圧縮機部品１０２は、流体（例えば、空気又は大気ガス）を圧縮して圧縮流体流れ１０４を生成する。燃焼器１０６は、圧縮流体流れ１０４の少なくとも第１の部分の１０８を受け取り、シンガス１１０の少なくとも一部を燃焼させて燃焼器吐出流れ１１２を生成する。タービン部品１１４は燃焼器吐出流れ１１２を受け取り、タービン部品流れ１１６を生成するように配置されている。圧縮流体流れ１０４の第２の部分１１８は、タービン部品流れ１１６を冷却するように導かれる。
【００２５】
空気分離ユニット３２２又は他の適当なプロセスから導かれる冷却窒素流れ３２０はタービン部品流れ１１６を冷却する。冷却窒素流れ３２０はタービン部品流れ１１６により加熱されて少なくとも加熱窒素流れ３２４（例えば、温度約１０００oＦ以上の）を生成する。加熱窒素流れ３２４の一部分又は全ては圧縮流体流れ１０８へ熱を伝達する。
【００２６】
一実施形態では、ガスタービンシステム３００は熱交換器１３４を含む。熱交換器１３４は、加熱窒素流れ３２４から圧縮流体流れ１０４の第１の部分１０８へ熱を伝達するように配置されている。
【００２７】
記述されているように、多段の圧縮機部品１０２及びタービン部品１１４により、圧縮流体流れ１０４及び／又は冷却窒素流れ３２０の任意の適当な箇所で、複数の圧力及び／又は温度関係においてタービン部品流れ１１６及び／又は燃焼吐出流れ１１２と熱交換を行うことが可能になる。
【００２８】
タービン部品流れ１１６は、第１のタービン段１４４の冷却窒素流れ３２０により更に冷却される。一実施形態では、冷却窒素流れ３２０は第１のタービン段１４４へ導かれ、熱は第１のタービン段１４４のタービン部品流れ１１６から冷却窒素流れ３２０へ伝達されて少なくとも加熱窒素流れ３２４を生成し、少なくとも加熱窒素流れ３２４の一部は熱交換器１３４を経由して排熱回収ボイラ１２６へ導かれる。別の実施形態では、第１のタービン段１４４は、燃焼器１０６からの燃焼吐出流れ１１２を受け取るように構成及び配置され、熱交換器１３４は、加熱窒素流れ３２４からの熱を少なくとも燃焼器１０６へ導かれる圧縮流体流れ１０４の第１の部分１０８へ伝達するように構成及び配置される。
【００２９】
本発明の特定の特徴及び実施形態のみを本明細書で例示し説明してきたが、当業者であれば、請求項に記載した主題の新規の教示及び利点から実質的に逸脱することなく、多くの変更形態及び変形が想起されるであろう（例えば、サイズ、大きさ、構造、種々の要素の形状及び比率、パラメータ値（例えば、温度、圧力等）、取り付け構造、使用材料、色、又は方向等の変形例）。あらゆるプロセス又は方法ステップの順序又は配列は、代替の実施形態に応じて変更され、又は再配列することができる。従って、本発明の真の精神の範囲内にあるこのような変更形態及び変更全ては、添付の請求項によって保護されるものとする点を理解されたい。更に、例示的な実施形態の簡潔な説明を行う目的で、実施形態の全ての特徴点は記載されていない（つまり、本発明を実施する上で現時点の最良形態に無関係なもの、又は請求項に記載の発明の実施可能性に無関係のもの）。何れかの技術又は設計プロジェクトと同様に、このような何らかの実際の実装の開発において、多数の実装時固有の決定を行う必要がある点は理解されたい。このような開発の取り組みは、複雑で時間を要するものであるが、本開示の利点を有する当業者にとっては、実験を伴わずに、設計、製作、及び製造の日常的な業務である。
【符号の説明】
【００３０】
１００  ガスタービンシステム
１０２  圧縮機部品
１０４  圧縮流体流れ
１０６  燃焼器
１０８  第１の部分
１１０  シンガス
１１２  吐出流れ
１１４  タービン部品
１１６  タービン部品流れ
１１８  第２の部分
１２０  ＣＯ2流れ
１２２  ＣＯ2捕捉システム
１２４  加熱ＣＯ2流れ
１２６  排熱回収ボイラ
１３４  熱交換器
１３６  第１の圧縮機段
１３８  第２の圧縮機段
１４０  第３の圧縮機段
１４２  第２のタービン段
１４４  第１のタービン段
１４６  第３のタービン段
１４８  排熱回収ボイラの出口流れ
１５０  加熱ＣＯ2流れの一部分
【図１】
2012140951.tif 000003
【図２】
2012140951.tif 000004
【図３】
2012140951.tif 000005
【外国語明細書】
2012140951000001.pdf