本発明は、一般にガスタービン発電システムの分野に属する。 より詳細には本発明は、二酸化炭素源からの二酸化炭素ストリームを使用してタービンエーロフォイルを冷却するシステムおよび方法を対象とする。

燃焼タービンは、しばしば発電ユニットの部分である。 このような発電システムの構成要素には通常、タービン、圧縮機および発電機が含まれる。 発電ユニットの効率を向上させるため、これらの構成要素は、しばしば複数のシャフトを使用して機械的に連結される。 発電機は一般に、シャフト駆動式の別個の機械である。 燃焼タービンのサイズおよび出力によっては、発電機を燃焼タービンのシャフト出力に結合するために、時に歯車箱が使用される。

燃焼タービンは一般に、ブレイトンサイクルとして知られているサイクルで動作する。 ブレイトンサイクルは主要な４つのプロセス、すなわち圧縮、燃焼、膨張および排熱を包含する。 圧縮機内に空気が引き込まれ、そこで加熱され、圧縮される。 この空気は次いで圧縮機を出、燃焼器に入り、そこで燃料が加えられ、その混合物に点火され、それにより追加の熱が発生する。 その結果生じた高温、高圧のガスは燃焼器を出、タービンに入り、そこで、タービンの静翼の間を通り抜け、タービン翼車を回し、タービンシャフトを回転させる。 この同じシャフトに発電機が結合されると、発電機は、タービンシャフトの回転エネルギーを、使用可能な電気エネルギーに変換する。

冷却設計は、タービンの効率において非常に重要な役割を演ずる。 最新のガスタービンシステムは、しばしばタービン材料の融解温度を超える温度で燃焼される。 これは、燃焼温度が高いほど、ブレイトンサイクルの熱力学的効率を高くすることができるためである。 これらの高温で動作するためには、冷却技術を使用して、熱ガス経路構成要素を保護しなければならない。 タービンの動翼および静翼は、最も熱いガスに直接さらされるため特に重要である。 熱ガス経路構成要素の冷却設計は一般に、（１）内部対流冷却、（２）外面膜冷却、（３）材料選択、（４）熱−機械設計、および（５）冷却流体の選択に重点を置く。 これらのそれぞれの領域には研究開発資源がさまざまな程度に投入されてきたが、冷却材の選択は、歴史的に、最も考慮されることが少なかった領域である。 冷却流体を選択するときには、必要な冷却機能を果たすことができ、同時にブレイトンサイクル効率に対する不利な影響が最も小さい冷却流体を選ぶことが重要である。 圧縮機のバイパス空気および水蒸気は最も広く使用されている冷却流体である。

冷却設計には無関係だが、発電所では二酸化炭素隔離（ｓｅｑｕｅｓｔｒａｔiｏｎ）技法の使用がますます増えている。 二酸化炭素の排出を低減させようとする社会的、政治的圧力が、このプロセスの実現の主要な推進力となった。 二酸化炭素の隔離を利用する発電所は、二酸化炭素の分離および貯蔵に関係したかなり大きなエネルギーコストの増大を被る。 そのため、このコストを補う、隔離された二酸化炭素の使用法を提供することは望ましいと言える。

二酸化炭素を使用してタービンエーロフォイルを冷却する。

一態様では、本発明は、二酸化炭素源からの二酸化炭素ストリームによって冷却が強化されたタービン発電システムを含む。 このタービン発電システムは、空気を圧縮するように構成された圧縮機と、圧縮機からの圧縮空気と燃料との混合物を燃やして、二酸化炭素を含む排ガスストリームを生成するように構成された燃焼器と、前記排ガスストリームの熱エネルギーを機械エネルギーに変換するように構成されたタービンと、前記タービンによって生成された機械エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成された発電機と、圧縮機、タービンおよび発電機を連結して、タービンによって生成された機械エネルギーを発電機および前記圧縮機が利用できるようにする少なくとも１本のシャフトと、タービンを冷却するため、約７５体積パーセントよりも高い濃度の二酸化炭素を含む二酸化炭素源からタービン内へ二酸化炭素ストリームを注入するように構成された導管とを備える。

ある実施形態では、このタービン発電システムはさらに、排ガスストリームから隔離された二酸化炭素を含むリザーバを備え、タービン内へ注入される二酸化炭素ストリームが、この隔離された二酸化炭素を含む。

別の態様では、本発明は、空気を圧縮するように構成された圧縮機と、圧縮機からの圧縮空気と燃料との混合物を燃やして、二酸化炭素を含む排ガスストリームを生成するように構成された燃焼器と、前記排ガスストリームの熱エネルギーを機械エネルギーに変換するように構成されたタービンと、タービンを冷却するため、約７５体積パーセントよりも高い濃度の二酸化炭素を含む二酸化炭素源からタービン内へ二酸化炭素ストリームを注入するように構成された導管とを備えるタービン発電システムを含む。

さらに別の態様では、本発明は、二酸化炭素源から供給される二酸化炭素ストリームを使用して、タービン発電システムの熱ガス経路構成要素を冷却する方法を含む。 この方法は、タービンの燃焼器内で燃料を燃やすステップと、前記熱ガス経路構成要素のうちの１つまたは複数の構成要素を冷却するため、前記タービン内へ二酸化炭素ストリームを注入するステップであり、二酸化炭素源から供給される二酸化炭素ストリームが、約７５体積パーセントよりも高い濃度の二酸化炭素を含むステップとを含む。

隔離された二酸化炭素をタービン冷却源として利用するように適合されたタービン発電システムのプロセス流れ図である。

隔離された二酸化炭素のタービンの熱ガス経路構成要素内への注入を示す図である。

二酸化炭素をタービン冷却源として利用するように適合されたタービン発電システムのプロセス流れ図である。

図１は、二酸化炭素源からの二酸化炭素ストリームを利用して、動翼および静翼を含むタービンの熱ガス経路構成要素を冷却するタービン発電システムを示す。 このタービン発電システムは、空気圧縮機１２、燃焼器６６、タービン１４および発電機１６を含む。 ２本のシャフト１８および２０によって、圧縮機１２、タービン１４および発電機１６を連結することができる。 シャフト１８と２０を同じシャフトとすることもできることに留意されたい。

空気圧縮機１２の入口から入った空気１０は圧縮される。 空気圧縮機１２の出口を出た圧縮空気５４を次いで燃焼器６６に供給することができる。 場合によっては、燃焼器６６に供給する前に、圧縮空気５４を伝熱式熱交換器内で予熱することが望ましいことがあることを当業者は理解するであろう。 燃焼器６６にはさらに燃料２４が供給される。 燃料の流量は流量制御弁によって制御することができる。 この燃料は、噴射ノズルによって燃焼器６６内へ噴射されることが好ましい。 高圧ガスタービン用途では、タービンの回転軸の周りに円形に配置された複数の燃焼室または燃焼カンを利用して、燃料２４および圧縮空気５４を燃やすことも有利である。

燃焼器６６内で、燃料２４と圧縮空気５４は混合され、点火装置によって点火されて、発熱反応を生じる。 燃焼後、この燃焼によって生じた膨張途中の熱ガス５６がタービン１４の入口ノズルに導かれる。 タービン１４内で膨張するときに、この熱ガスはタービン動力を生み出す。 このタービン動力は空気圧縮機１２および発電機１６を駆動する。 発電機１６はこの機械エネルギーを使用して電力２２を発生させる。

タービン排ガス２６を次いで蒸気発生器（スチーム・ジェネレータ）３０に供給することができる。 伝熱式熱交換器を備えるシステムでは、タービン排ガス２６を追加の熱回収段に渡す前に、最初にこの排ガスを伝熱式熱交換器に通して、燃焼用空気を加熱することができる。 蒸気発生器３０に供給されたタービン排ガス２６は、水２８を加熱し、水蒸気３２を発生させるために使用される。 水蒸気３２は、蒸気タービン駆動式の発電機とすることができる蒸気発電機（スチーム・ジェネレータ）３６に供給されて、追加の電力３８を発生させる。

次いで、冷却された排ガス４２から二酸化炭素を取り出し、リザーバ４４に蓄えることができる。 二酸化炭素は、多くの異なるプロセスを使用して排ガス４２から取り出すことができる。 例えば、膜分離器または二酸化炭素スクラバを使用して、排ガスストリームから二酸化炭素を、フィルタリングまたは他の方式によって分離することができる。 本発明の方法およびシステムは、任意の二酸化炭素隔離プロセスとともに使用することができるため、本明細書では、二酸化炭素隔離法についてこれ以上論じることはしない。

燃焼器６６をより高温で燃焼させることを可能にするため、タービン１４内に冷却材５２を注入して、タービン１４の熱ガス経路構成要素を冷却する。 本明細書で使用されているとおり、用語「熱ガス経路構成要素」は一般に、燃焼器６６によって生成される熱ガスにさらされるハードウェア構成要素を指し、これには、限定はされないが、タービン動翼および静翼が含まれる。 冷却材５２は、タービン１４の多くの異なる位置に注入することができる。 ここで示し、後により詳細に説明するように、冷却材５２をシャフト２０内に注入することができ、シャフト２０内で、タービン１４の動翼の全体に冷却材５２を分配することができる。

どの冷却流体を冷却材５２として使用するのかを選択的に制御するために、三方弁５０を提供することができる。 始動動作中は、圧縮空気５４の一部である圧縮機空気４８が燃焼器６６をバイパスし、タービン１４内へ直接に注入されるように、三方弁５０を配置することができる。 二酸化炭素が隔離され、蓄積されたときには、圧縮機空気４８の代わりに、隔離された二酸化炭素４６がタービン１４内へ注入されるように、三方弁５０を調整することができる。

さまざまな制御システムを使用して、冷却流体の選択および分配を調整することができる。 一実施形態では、定常状態の純粋な二酸化炭素フィードに切り替えるのに十分な量の二酸化炭素が隔離されたと判定するために、リザーバ４４内において圧力変換器または他のセンサが使用される。 他の実施形態では、純粋な圧縮空気フィードをタービン１４内へ注入させる構成から、純粋な隔離二酸化炭素フィードをタービン１４内へ注入させる構成へ三方弁５０が徐々に移行する時限式の始動スケジュールに基づいて、三方弁５０の位置を制御することができる。 この移行期間中は、両方のフィードの混合物をタービン１４内へ注入することができる。

図２は本発明の一実施形態を示す。 この実施形態では、冷却材５２が、グランドシール６４を介してシャフト２０内へ注入される。 タービンシャフト２０から、ケーシング５８内のタービン１４全体に冷却材５２を分配することができる。 冷却材５２は、タービンシャフト２０を出てタービン１４の内部に入り、動翼（ｂｕｃｋｅｔｓ）６２および静翼（ｎｏｚｚｌｅｓ）６０を横切って排出される。 この注入法は、熱伝達量が適当であり、空力性能の損失がごくわずかでしかないため好ましい。

圧縮機のバイパス空気を使用する従来の冷却では、エンジンが、その熱ガス構成要素を冷却するためにそのコア空気流量の２０％を使用することがある。 このことは、エンジンの効率、出力および排出能力に不利な影響を及ぼす。 したがって、隔離された二酸化炭素を冷却材５２として使用することにより、いくつかの利点を実現することができる。 １つの利点は、ガスタービンエンジンが、冷却のための圧縮機のバイパス空気の使用をもはや必要としないことである。 そのため、全ての圧縮機空気を燃焼器に供給することができる。 このことは、（１）圧縮機を回転させるときに生じる「寄生」エネルギー損失を低減させるためにより小さな圧縮機を使用すること、および／または（２）より強力な燃焼を得るためにより多くの空気を燃焼器に供給することを可能にする。 これらの変更はともに出力および効率を向上させることになる。

また、隔離された二酸化炭素を追加するとタービンの全質量流量が増大する。 これにより、ガスタービンエンジンの出力がさらに増大する。 この出力の増大は、二酸化炭素ストリームを取り出すエネルギーコストを補うのに役立つであろう。

本発明は、以上に開示した特定の実施形態に限定されない。 例えば、本発明を発電機１６なしで構成することができる。 タービン出力は、機械駆動用途の場合と同じように伝達され、直接に加えられるであろう。

また、熱ガス経路構成要素に対する必要な冷却効果を達成するのに、隔離された二酸化炭素はさまざまな位置に注入することができる。 グランドシールを介した注入は、注入温度および圧力をエーロフォイルごとに調整することができるため好ましい選択である。 本発明の他の実施形態を図３に示す。 この実施形態では、二酸化炭素源からのストリーム７０が圧縮機１２内へ注入され、そこで、圧縮機１２の取入れ口から引き込まれた空気１０と混合される。 他の実施形態では、圧縮機１２とタービン１４の間のシャフト１８内に二酸化炭素ストリームを注入することができる。

また、タービンに供給する二酸化炭素ストリームは、さまざまな二酸化炭素源から供給することができる。 本明細書で使用されているとおり、用語「二酸化炭素源」は、約７５体積％よりも高い濃度の二酸化炭素を含む任意の源を指す。 そのため、用語「二酸化炭素源」は、二酸化炭素パイプライン、天然二酸化炭素層、および二酸化炭素発生源から隔離された二酸化炭素を含むリザーバまたはストリームを包含する。

以上の詳細な説明から、当業者には、本明細書に記載された方法および装置の変更および改変が明白であろう。 このような変更および改変は、添付の特許請求の範囲に含まれることが意図されている。

１０ 空気 １２ 空気圧縮機 １４ タービン １６ 発電機 １８ シャフト ２０ シャフト ２２ 電力 ２４ 燃料 ２６ タービン排ガス ２８ 水 ３０ 蒸気発生器 ３２ 水蒸気 ３４ 蒸気発電機 ３６ 蒸気発電機 ３８ 電力 ４０ 水蒸気 ４２ 排ガス ４４ リザーバ ４６ 隔離された二酸化炭素 ４８ 圧縮空気 ５０ 三方弁 ５２ 冷却材 ５４ 圧縮空気 ５６ ガス ５８ ケーシング ６０ 静翼 ６２ 動翼 ６４ グランドシール ６６ 燃焼器 ７０ ストリーム