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公開番号2025113400
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-08-01
出願番号2025085475,2023077148
出願日2025-05-22,2011-09-20
発明の名称高効率発電方法、組立体、及びシステム
出願人8 リバーズキャピタル,エルエルシー
代理人個人,個人
主分類F01D 5/02 20060101AFI20250725BHJP(機械または機関一般;機関設備一般;蒸気機関)
要約【課題】本開示は、燃焼生成物の流れの中の微粒子によるタービン翼の機械的侵食又はガスによる化学的侵食を制御し、減少させ、又はなくすことで、増加した効率及びより低コストの構成部品をもたらすことを可能にする、発電のための方法、組立体、及びシステムを提供する。
【解決手段】方法、組立体、及びシステムは、典型的な発電システムで用いられる従来のタービンに対して顕著に減少されたブレード速度で作動するタービン翼の使用を含むことができる。方法及びシステムはまた、タービン及び/又は他の構成部品のトランスピレーション保護のために再循環される循環流体を利用できるようにする。さらに、再循環される循環流体は、タービンにクリーニング物質を提供するために使用されてもよい。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
タービン組立体であって、
燃焼器と流体連通し、且つ燃焼生成物ストリームを受け入れるように構成された入口を画定するケーシングと、
根元から先端に半径方向外向きにそれぞれ延びる複数のブレードと、
を備える、タービン組立体であり、
前記燃焼生成物ストリームの流速は、前記タービン組立体の入口に近接し且つ前記燃焼器の下流で測定される、タービン組立体。
続きを表示（約 580 文字）【請求項２】
前記複数のブレードのブレード高さは、０．２７５ｍ未満である、請求項１に記載のタービン組立体。
【請求項３】
前記タービン組立体は、２，０００枚未満の前記複数のブレードを備える、請求項１に記載のタービン組立体。
【請求項４】
全長が１１ｍ未満である、請求項１に記載のタービン組立体。
【請求項５】
前記全長は、６ｍから１０ｍまでの範囲内にある、請求項４に記載のタービン組立体。
【請求項６】
平均タービン直径が、０．２５ｍから３ｍまでの範囲内にある、請求項１に記載のタービン組立体。
【請求項７】
平均ブレード半径が１．２ｍ未満である、請求項１に記載のタービン組立体。
【請求項８】
前記燃焼生成物ストリームの流速は、４００ｍｐｈ未満である、請求項１に記載のタービン組立体。
【請求項９】
前記燃焼生成物ストリームの流れ密度は、少なくとも１００ｋｇ／ｍ
３
である、請求項１に記載のタービン組立体。
【請求項１０】
タービン排気ストリームの放出のための前記ケーシングの出口、及び前記ケーシングの中に配置されるロータをさらに備える、請求項１に記載のタービン組立体。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、発電方法及びシステムで用いられてもよいタービン構成部品及び燃焼器構成部品を提供する。本開示はまた、こうしたタービン及び燃焼器構成部品を発電に用いる方法を提供する。
続きを表示（約 4,200 文字）【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、タービンに存在するブレードにわたって誘導されてタービンシャフトを回す燃焼ガスの流れからエネルギーを抽出するために発電システム及び方法において日常的に用いられる。エネルギーは、電気の形態の動力を提供するために発電機によって回転しているシャフトから抽出されてもよい。典型的な発電所（例えば、石炭焚き発電所）においてその下でガスタービンが作動される極端な条件（例えば、高温及び侵食性材料及び／又は腐食性材料の存在）に起因して、ガスタービン構成部品は、典型的に高性能材料で形成される。したがって、ガスタービンは、しばしば発電設備の高コストの構成部品である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
既存のタービンは、約９００℃から約１０００℃までのブレード温度のとき約１２００℃から約１４００℃までの入口温度で作動する可能性がある。したがって、発電設備で作動するガスタービンは、典型的に、高温に耐えるために超合金材料の使用を必要とする。さらに、最も進歩した用途に関して、一方向凝固材料及びさらには単結晶ブレード技術のような進歩した製作技術の使用と併せてブレード冷却も必要とされる。ブレード冷却は、タービン温度許容範囲、したがって効率を改善する一助として用いられるが、このプロセスは、空気、又は幾つかの場合には蒸気だけが冷却に利用可能であるという事実によって制限されている。冷却に利用可能な空気の品質は、タービン翼を通して空気及び時には蒸気を圧縮し及びポンプで送るのに利用可能なエネルギーの量によって制限される。さらに、空気は典型的に、制限された圧力、例えば、大気圧に近い圧力で提供され、したがって、高流量であっても制限された熱伝達能力を有する。さらに、空気は高温で反応性の高い大量の酸素を含有し、これが、タービン翼冶金が超合金のような耐酸化性の高い材料に制約されることを必要とする傾向がある別の要因である。したがって、進歩した材料及び冷却の使用にもかかわらず、ガスタービン翼は、酸化劣化及び幾つかの場合には蒸気劣化によって依然として悩まされる。
【０００４】
化石燃料源は枯渇しつつあり、発電に使用できる可能性がある莫大な埋蔵量の石炭が依然として残ってはいるが、こうした固体燃料の燃焼は、結果的に汚染だけでなく発電システムの構成部品、特にタービン翼への損傷を引き起こすことがある微粒子も生じる。こうした損傷は、特に、高い速度、例えば、６００ｍｐｈ（２６８ｍ／秒）に至る及びこれを超過する速度でタービン翼に衝突する燃焼生成物の流れの中の粒子から生じる。こうした損傷を緩和するための以前の試みは、上記のようにタービンを通過する前に燃焼生成物の流れから微粒子を除去するためのろ過システム、並びにブレード建造の際の高性能材料の使用に関する要件を含んでいた。こうした要件は、しかしながら、発電システムのコストを増加させる。さらに、こうした要件は、発電システムの複雑さを増加させ、発電方法の効率を低下させることがある。したがって、少なくとも当該技術分野での上記の制限を克服する、改善されたガスタービン翼技術に対する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示は、空気及び蒸気によるタービン翼の化学的劣化及び燃焼生成物の流れの中の微粒子による機械的侵食を制御し、減少させ、又はなくすことで、増加した効率及びより低コストの構成部品をもたらすことを可能にする、発電のための方法、組立体、及びシステムを提供する。方法、組立体、及びシステムは、ブレード速度及びブレード温度が実質的に低減された状態で必要とされる発電を可能にする、より高圧の流体の流れ及び／又は増加した全ブレード面積をもつタービン翼の使用を含むことができる。本開示は、特に、従来の発電システムで用いられるタービンと比較して少なくとも１つの寸法において顕著により小さく且つより低温のブレードをもつタービンを提供する。こうしたタービンは、特に、発電方法又はシステムに組み込むことができる。例えば、方法又はシステムは、ＣＯ
２
循環流体のような高圧、高再循環比の循環又は作動流体の使用を組み込んだものとすることができる。さらに、ブレード冷却技術は、タービン翼の粒子衝突から生じる侵食又は化学的劣化を制御し、減少させ、又はなくす温度、圧力、及び速度の範囲内のタービン作動のカスタマイゼーションを可能にするために、ブレード設計、作動圧、及び作動速度と組み合わせることができる。特に、タービン翼は、タービン翼にトランスピレーション流体（例えば、再循環された作動流体）を通すことによるトランスピレーション保護を組み込むことができる。こうしたトランスピレーション保護は、用いられるトランスピレーション流体の温度に応じてブレード冷却を含むことができる。タービン翼は、従来の発電システムにおけるタービン翼に対して顕著に低減された速度で作動することができるので、本開示は、侵食の減少、増加したブレード寿命、及びブレード強度要件の低減を提供する可能性がある。さらに、発明的なタービンは、より高効率及びより低温で作動する可能性があり、これは、より低い作動コスト、より長い稼働時間、及びより低い燃料使用を可能にする。
【０００６】
１つの特定の実施形態では、発電方法が提供される。方法は、燃料、Ｏ
２
、及び循環流体を燃焼器の中に導入すること、燃焼器の中で燃料を燃焼させて、循環流体と微粒子成分とを含む燃焼生成物ストリームであり、定められた速度で流れる燃焼生成物ストリームを提供すること、燃焼生成物ストリームが複数のタービン翼を備えるタービンを横切って膨張して電力を発生させ、且つタービン排気ストリームを出力することを含んでもよく、タービンは、タービン翼が約５００ｍｐｈ未満のブレード速度で回転するように回転させられる。
【０００７】
方法は、タービン排気ストリーム中に含まれる実質的にすべての微粒子を除去するように構成されたフィルタにタービン排気ストリームを通し、フィルタされたタービン排気ストリームを生成することをさらに含んでもよい。方法はまた、フィルタされたタービン排気ストリームを熱交換器に通して冷却されたタービン排気ストリームを提供すること、冷却されたタービン排気ストリームを処理してタービン排気ストリームの１つ又は複数の構成成分を取り出すこと、及び処理されたタービン排気ストリームを熱交換器に戻して通過させて、加熱され再循環される循環流体ストリームを提供することを含んでもよい。方法は、加熱され再循環される循環流体ストリームの少なくとも一部を燃焼器に誘導することをさらに含んでもよい。さらに、方法は、加熱され再循環される循環流体ストリームの少なくとも一部をタービンに誘導することを含んでもよい。また、方法は、加熱され再循環される循環流体ストリームの少なくとも一部をクリーニング物質ユニットに誘導することを含んでもよく、加熱され再循環される循環流体ストリームは、クリーニング物質と組み合わされてクリーニング物質ストリームを生成し、クリーニング物質ストリーム中のクリーニング物質は、燃焼生成物ストリーム中に存在する微粒子成分から生じるタービン翼上の堆積物を除去するように構成される。
【０００８】
クリーニング物質ストリームは、タービンの中に直接投入されてもよい。さらに、クリーニング物質ストリームは、燃焼生成物ストリームと組み合わされて、タービンの中に誘導されてもよい組み合わされた燃焼生成物及びクリーニング物質ストリームを生成してもよい。循環流体はＣＯ
２
を含んでもよく、これは超臨界状態で提供されてもよい。さらに、方法は、フィルタされたタービン排気ストリームを微粒子固体燃料と組み合わせてスラリーの形態の付加的な燃料を生成すること、及び付加的な燃料を燃焼器に導入することを含んでもよい。また、方法は、再循環される循環流体の少なくとも一部をトランスピレーション流体として用いることを含んでもよい。再循環される循環流体をトランスピレーション流体として用いることは、トランスピレーション流体をタービン翼の外面に発散させることを含んでもよい。トランスピレーション流体をタービン翼の外面に発散させることは、トランスピレーション流体を多孔質焼結材料を通して発散させることを含んでもよい。
【０００９】
別の実施形態では、発電システムが提供される。発電システムは、燃料、Ｏ
２
、及び循環流体を受け入れる、及び燃料を燃焼させ且つ循環流体と微粒子成分とを含む燃焼生成物ストリームを提供する少なくとも１つの燃焼段を有するように構成された燃焼器と、燃焼器と流体連通するタービンであり、燃焼生成物ストリームを受け入れるための入口、タービン排気ストリームを放出するための出口、及びタービンが約５００ｍｐｈ未満のブレード速度で作動するのに十分な寸法の複数のタービン翼を有するタービンと、タービンの出口と流体連通し、フィルタされたタービン排気ストリームをもたらすように構成されたフィルタとを備えてもよい。
【００１０】
発電システムは、フィルタと流体連通し、且つフィルタされたタービン排気ストリームを受け入れるように構成された熱交換器をさらに備えてもよい。発電システムはまた、熱交換器と流体連通するクリーニング物質ユニットを備えてもよく、クリーニング物質ユニットは、クリーニング物質を熱交換器から受け入れた流体ストリームと組み合わせてクリーニング物質ストリームを生成するように構成される。発電システムは、クリーニング物質ストリームを燃焼生成物ストリームと組み合わせて組み合わされた燃焼生成物及びクリーニング物質ストリームを生成し、且つ組み合わされた燃焼生成物及びクリーニング物質ストリームをタービンに誘導するように構成されたフロー・コンバイナ・スイッチをさらに含んでもよい。
（【００１１】以降は省略されています）

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