(57)【要約】      （修正有）【課題】タービンシステム、およびタービンシステムを制御するための方法を提供する。【解決手段】タービンシステム１００は、圧縮機セクション１０４と、圧縮機セクション１０４に入る周囲空気を冷却するように構成された入口冷却システム１２２と、圧縮機セクション１０４と流れ連通して結合され、少なくとも１つの高温ガス経路構成要素１４０を含むタービンセクション１０８とを含む。システムは、少なくとも１つの高温ガス経路構成要素１４０の温度を示すフィードバックパラメータを受信し、少なくとも１つの高温ガス経路構成要素１４０の推定残存寿命および入口冷却システム１２２の冷却能力に基づいてタービンシステム１００の所望の電力出力を決定し、タービンシステム１００の運転を制御してタービンシステム１００に所望の電力出力を生成させるように構成されたコントローラ１４４をさらに含む。【選択図】図１
2020148202.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンシステム（１００）であって、
圧縮機セクション（１０４）と、
前記圧縮機セクション（１０４）の上流に結合され、前記圧縮機セクション（１０４）に入る周囲空気（１２４）を冷却するように構成された入口冷却システム（１２２）と、
前記圧縮機セクション（１０４）と流れ連通して結合され、少なくとも１つの高温ガス経路構成要素（１４０）を備えるタービンセクション（１０８）と、
前記少なくとも１つの高温ガス経路構成要素（１４０）の温度を示すフィードバックパラメータを受信し、
前記受信したフィードバックパラメータに基づいて前記少なくとも１つの高温ガス経路構成要素（１４０）の残存寿命を推定し、
前記少なくとも１つの高温ガス経路構成要素（１４０）の前記推定残存寿命および前記入口冷却システム（１２２）の冷却能力に基づいて前記タービンシステム（１００）の所望の電力出力を決定し、
前記タービンシステム（１００）の運転を制御して前記タービンシステム（１００）に前記所望の電力出力を生成させる
ように構成されたコントローラ（１４４）と
を備える、タービンシステム（１００）。
【請求項２】
前記コントローラ（１４４）は、前記受信したフィードバックパラメータに基づいて前記少なくとも１つの高温ガス経路構成要素（１４０）の前記温度を決定するようにさらに構成される、請求項１に記載のタービンシステム（１００）。
【請求項３】
前記コントローラ（１４４）は、
前記タービンシステム（１００）の前記所望の電力出力および前記入口冷却システム（１２２）の前記冷却能力に基づいて前記少なくとも１つの高温ガス経路構成要素（１４０）の所望の運転温度を決定し、
前記入口冷却システム（１２２）を制御して前記少なくとも１つの高温ガス経路構成要素（１４０）をほぼ前記所望の運転温度に維持する
ようにさらに構成される、請求項１に記載のタービンシステム（１００）。
【請求項４】
前記コントローラ（１４４）は、前記少なくとも１つの高温ガス経路構成要素（１４０）の運転履歴および前記少なくとも１つの高温ガス経路構成要素（１４０）の境界条件に基づいて前記少なくとも１つの高温ガス経路構成要素（１４０）の前記推定残存寿命に対する前記所望の電力出力における前記タービンシステム（１００）の運転の推定効果を決定するようにさらに構成される、請求項１に記載のタービンシステム（１００）。
【請求項５】
前記コントローラ（１４４）は、前記少なくとも１つの高温ガス経路構成要素（１４０）の寿命時間の限界変化に関連するコストを示すコストパラメータ、および電力出力の限界増加で前記タービンシステム（１００）を運転する利益を示す利益パラメータを受信するようにさらに構成され、前記コントローラ（１４４）は、
前記タービンシステム（１００）の異なる制御運転における前記少なくとも１つの高温ガス経路構成要素（１４０）の前記温度を推定することであって、前記タービンシステム（１００）の前記異なる制御運転は各々、生成される電力出力に関連すること、
前記コストパラメータ、前記利益パラメータ、前記少なくとも１つの高温ガス経路構成要素（１４０）の前記推定温度、前記少なくとも１つの高温ガス経路構成要素（１４０）の前記推定残存寿命、および前記関連する生成される電力出力での効率に基づいて前記タービンシステム（１００）の前記異なる運転の各々で前記タービンシステム（１００）を運転する正味の利益を決定すること、
前記異なる制御操作から、最大の正味の利益に関連する制御操作を選択すること、および
前記選択された制御運転に関連する前記生成される電力出力を決定すること
によって前記タービンシステム（１００）の前記所望の電力出力を決定するように構成される、請求項１に記載のタービンシステム（１００）。
【請求項６】
前記コントローラ（１４４）は、燃料コスト、負荷需要、および電気価格の少なくとも１つに基づいて前記タービンシステム（１００）の前記所望の電力出力を決定するように構成される、請求項５に記載のタービンシステム（１００）。
【請求項７】
前記コントローラ（１４４）と通信して結合され、前記少なくとも１つの高温ガス経路構成要素（１４０）の前記温度を示す前記フィードバックパラメータを検出および送信するように構成されたセンサをさらに備える、請求項１に記載のタービンシステム（１００）。
【請求項８】
前記圧縮機セクション（１０４）から下流に結合された燃焼器セクション（１０６）をさらに備え、前記燃焼器セクション（１０６）は、燃料流量で提供される燃料を燃焼して高温燃焼ガスを生成するように構成される、請求項１に記載のタービンシステム（１００）。
【請求項９】
前記コントローラ（１４４）は、燃料流量、入口ガイドベーン、および前記入口冷却システム（１２２）の少なくとも１つを調整することによって前記タービンシステム（１００）の運転を制御する、請求項８に記載のタービンシステム（１００）。
【請求項１０】
前記コントローラ（１４４）は、前記少なくとも１つの高温ガス経路構成要素（１４０）の決定された所望の運転温度にさらに基づいて前記タービンシステム（１００）の前記所望の電力出力を決定するように構成され、前記決定された所望の電力出力は、前記少なくとも１つの高温ガス経路構成要素（１４０）が前記所望の運転温度に維持される前記タービンシステム（１００）の最大電力出力である、請求項１に記載のタービンシステム（１００）。
【請求項１１】
圧縮機セクション（２０４）と、
前記圧縮機セクション（２０４）から下流に結合された燃焼器セクション（２０６）と、
前記燃焼器セクション（２０６）から下流に結合されたタービンセクション（２０８）と、
前記圧縮機セクション（２０４）と前記タービンセクション（２０８）との間に延びるバイパスライン（２０７）であって、圧縮空気（２３６）を前記圧縮機セクション（２０４）から前記タービンセクション（２０８）に提供するように構成されるバイパスライン（２０７）と、
前記バイパスライン（２０７）に結合された熱調節システム（２６６）であって、前記バイパスライン（２０７）によって前記タービンセクション（２０８）に提供される前記圧縮空気（２３６）の温度に影響を与えるように制御可能である熱調節システム（２６６）と
を備える、タービンシステム（２００）。
【請求項１２】
前記熱調節システム（２６６）は、
前記バイパスライン（２０７）に結合された第１の調節ライン（２７６）と、
圧縮空気貯蔵部（２７４）であって、前記第１の調節ライン（２７６）は、前記圧縮空気貯蔵部（２７４）と前記バイパスライン（２０７）との間に延びる圧縮空気貯蔵部（２７４）と
を備える、請求項１１に記載のタービンシステム（２００）。
【請求項１３】
前記熱調節システム（２６６）は、前記バイパスライン（２０７）と前記圧縮空気貯蔵部（２７４）との間の前記第１の調節ライン（２７６）に結合された蓄熱デバイス（２６８）をさらに備え、前記熱調節システム（２６６）は、前記タービンセクション（２０８）が停止しているときに圧縮空気（２３６）を前記タービンセクション（２０８）に提供するように制御可能である、請求項１２に記載のタービンシステム（２００）。
【請求項１４】
前記熱調節システム（２６６）は、前記圧縮空気貯蔵部（２７４）と、前記バイパスライン（２０７）と前記蓄熱デバイス（２６８）との間の前記第１の調節ライン（２７６）の一部との間に延びる第２の調節ライン（２７８）をさらに備える、請求項１３に記載のタービンシステム（２００）。
【請求項１５】
圧縮機セクション（１０４）と、前記圧縮機セクション（１０４）の上流に結合され、前記圧縮機セクション（１０４）に入る周囲空気（１２４）を冷却するように構成された入口冷却システム（１２２）と、前記圧縮機セクション（１０４）と流れ連通して結合され、少なくとも１つの高温ガス経路構成要素（１４０）を含むタービンセクション（１０８）とを含むタービンシステム（１００）を運転する方法（３００）であって、前記方法（３００）は、
前記入口冷却システム（１２２）に結合されたコントローラ（１４４）において、前記少なくとも１つの高温ガス経路構成要素（１４０）の温度を示すフィードバックパラメータを受信すること（３０２）と、
前記コントローラ（１４４）を使用して、前記受信したフィードバックパラメータに基づいて前記少なくとも１つの高温ガス経路構成要素（１４０）の残存寿命を推定すること（３０４）と、
前記コントローラ（１４４）を使用して、前記少なくとも１つの高温ガス経路構成要素（１４０）の前記推定残存寿命および前記入口冷却システム（１２２）の冷却能力に基づいて前記タービンシステム（１００）の所望の電力出力を決定すること（３０６）と、
前記コントローラ（１４４）を使用して、前記タービンシステム（１００）の運転を制御して前記タービンシステム（１００）に前記所望の電力出力を生成させること（３０８）と
を含む、方法（３００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の分野は、一般に、タービンエンジンに関し、より具体的には、１つまたは複数のガスタービンおよび１つまたは複数の蒸気タービンを含む複合サイクル発電プラントで使用するためのタービンエンジンに関する。特に、本開示の分野は、タービンエンジン内の高温ガス経路構成要素の寿命および複合サイクル発電プラントの電力出力の少なくとも１つを改善するタービンエンジンを運転するためのシステムおよび方法を含む。
【背景技術】
【０００２】
少なくともいくつかの既知の回転機械では、機械的負荷に電力を供給するタービン内のガス流からエネルギーが抽出される。回転機械の運転中には、様々な高温ガス経路構成要素が高温ガス流に曝され、高温ガス経路構成要素に磨耗を誘発する可能性がある。例えば、空気は圧縮機で加圧され、高温ガスの流れを生成するために燃焼器で燃料と混合される。一般に、より高温のガスは、タービンエンジンの性能、効率、および電力出力を増加させる。しかし、より高温のガスは、タービンエンジン構成要素の熱応力および／または熱劣化を増加させる可能性もある。
【０００３】
さらに、少なくともいくつかの既知の高温ガス経路構成要素は、タービンエンジンの運転中の高温ガス経路構成要素の急速な温度変化による熱勾配に起因する損傷を受けやすい。例えば、始動および停止は、一般に、熱勾配を高温ガス経路構成要素内にもたらす可能性を有するタービンエンジンにおいて、ガスおよび金属の温度変化を生じさせる傾向がある。これらの勾配は、最終的に高温ガス経路構成要素の劣化につながり得る熱応力を生じる可能性がある。
【発明の概要】
【０００４】
一態様では、タービンシステムが提供される。タービンシステムは、圧縮機セクションと、圧縮機セクションの上流に結合され、圧縮機セクションに入る周囲空気を冷却するように構成された入口冷却システムと、圧縮機セクションと流れ連通して結合され、少なくとも１つの高温ガス経路構成要素を含むタービンセクションとを含む。システムは、少なくとも１つの高温ガス経路構成要素の温度を示すフィードバックパラメータを受信し、受信したフィードバックパラメータに基づいて少なくとも１つの高温ガス経路構成要素の残存寿命を推定し、少なくとも１つの高温ガス経路構成要素の推定残存寿命および入口冷却システムの冷却能力に基づいてタービンシステムの所望の電力出力を決定し、タービンシステムの運転を制御してタービンシステムに所望の電力出力を生成させるように構成されたコントローラをさらに含む。
【０００５】
別の態様では、タービンシステムが提供される。タービンシステムは、圧縮機セクションと、圧縮機セクションから下流に結合された燃焼器セクションと、燃焼器セクションから下流に結合されたタービンセクションと、圧縮機セクションとタービンセクションとの間に延びるバイパスラインとを含む。バイパスラインは、圧縮空気を圧縮機セクションからタービンセクションに提供するように構成される。タービンシステムは、バイパスラインに結合された熱調節システムをさらに含む。熱調節システムは、バイパスラインによってタービンセクションに提供される圧縮空気の温度に影響を与えるように制御可能である。
【０００６】
さらに別の態様では、タービンシステムを運転する方法が提供される。タービンシステムは、圧縮機セクションと、圧縮機セクションの上流に結合され、圧縮機セクションに入る周囲空気を冷却するように構成された入口冷却システムと、圧縮機セクションと流れ連通して結合され、少なくとも１つの高温ガス経路構成要素を含むタービンセクションとを有する。方法は、入口冷却システムに結合されたコントローラにおいて、少なくとも１つの高温ガス経路構成要素の温度を示すフィードバックパラメータを受信することを含む。方法は、コントローラを使用して、受信したフィードバックパラメータに基づいて少なくとも１つの高温ガス経路構成要素の残存寿命を推定することと、コントローラを使用して、タービンシステムの所望の電力出力を決定することとをさらに含む。所望の電力出力は、少なくとも１つの高温ガス経路構成要素の推定残存寿命および入口冷却システムの冷却能力に基づいて決定される。方法はまた、コントローラを使用して、タービンシステムの運転を制御してタービンシステムに所望の電力出力を生成させることを含む。
【０００７】
本開示のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、添付の図面を参照しつつ以下の詳細な説明を読めば、よりよく理解されよう。添付の図面では、図面の全体にわたって、同様の符号は同様の部分を表す。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】例示的なタービンシステムの概略図である。
【図２】図１のタービンシステムで使用するための例示的なコントローラのブロック図である。
【図３】図１のタービンシステムの運転のデータフロー図である。
【図４】熱調節システムを含み、定常状態で運転する代替のタービンシステムの概略図である。
【図５】始動運転中の図４のタービンシステムの概略図である。
【図６】停止運転中の図４のタービンシステムの概略図である。
【図７】図１〜図３に示す、タービンシステムを運転する例示的な方法のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
特に明記しない限り、本明細書において提供される図面は、本開示の実施形態の特徴を図示するものである。これらの特徴は、本開示の１つまたは複数の実施形態を含む多種多様なシステムで適用可能であると考えられる。したがって、図面は、本明細書に開示する実施形態の実施のために必要とされる当業者に知られているすべての従来の特徴を含むことを意図しない。
【００１０】
以下の明細書および特許請求の範囲において、いくつかの用語が参照されるが、これらの用語は以下の意味を有すると定義されるものとする。
【００１１】
単数形「１つの（ａ、ａｎ）」、および「この（ｔｈｅ）」は、文脈が特に明確に指示しない限り、複数の言及を含む。
【００１２】
特に明記しない限り、本明細書で使用される「一般に」、「実質的に」、および「およそ」などの近似を表す文言は、そのように修飾された用語が、絶対的または完全な程度ではなく、当業者によって認識されるようなおおよその程度にのみ適用され得ることを示している。したがって、「およそ」、「約」、および「実質的に」などの用語で修飾された値は、明記された厳密な値に限定されるものではない。少なくともいくつかの例では、近似を表す文言は、値を測定するための機器の精度に対応することができる。ここで、ならびに明細書および特許請求の範囲の全体を通じて、範囲の限界が特定されてもよい。このような範囲は、組み合わせおよび／または置き換えが可能であり、文脈または文言が特に指示しない限り、本明細書に含まれるすべての部分範囲を含む。加えて、特に明記しない限り、「第１の」、「第２の」、などの用語は、本明細書において単に標識として使用されているにすぎず、これらの用語が言及する項目について順序、位置、または階層上の要件を加えることを意図するものではない。さらに、例えば、「第２の」項目への言及は、例えば、「第１の」またはより小さい番号の項目、あるいは「第３の」またはより大きい番号の項目の存在を要求するものではなく、または排除するものでもない。
【００１３】
本明細書で使用する場合、「プロセッサ」および「コンピュータ」という用語および関連する用語、例えば、「処理デバイス」、「コンピューティングデバイス」、および「コントローラ」は、従来技術においてコンピュータと呼ばれているそれらの集積回路に限定されず、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、アナログコンピュータ、プログラマブル論理コントローラ（ＰＬＣ）、および特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、ならびに他のプログラム可能な回路を広く指し、これらの用語は、本明細書において互換的に使用される。本明細書で説明する実施形態では、「メモリ」は、限定はしないが、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などのコンピュータ可読媒体、フラッシュメモリなどのコンピュータ可読不揮発性媒体を含んでもよい。あるいは、フロッピーディスク、コンパクトディスク読み出し専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、光磁気ディスク（ＭＯＤ）、および／またはデジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）もまた、使用することができる。また、本明細書で説明する実施形態では、追加の入力チャネルは、限定はしないが、タッチスクリーン、マウス、およびキーボードなどのオペレータインターフェースに関連するコンピュータ周辺機器であってもよい。あるいは、例えば、限定はしないが、スキャナを含むことができる他のコンピュータ周辺機器も使用することができる。さらに、例示的な実施形態では、追加の出力チャネルは、限定はしないが、オペレータインターフェースモニタまたはヘッドアップディスプレイを含むことができる。いくつかの実施形態は、１つまたは複数の電子またはコンピューティングデバイスの使用を伴う。このようなデバイスは、典型的には、汎用中央処理装置（ＣＰＵ）、グラフィックス処理ユニット（ＧＰＵ）、マイクロコントローラ、縮小命令セットコンピュータ（ＲＩＳＣ）プロセッサ、ＡＳＩＣ、ＰＬＣ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、デジタル信号処理（ＤＳＰ）デバイスなどのプロセッサ、処理デバイス、もしくはコントローラ、および／または本明細書で説明する機能を実行することが可能な任意の他の回路もしくは処理デバイスを含む。本明細書で説明する方法は、限定はしないが、記憶デバイスおよび／またはメモリデバイスを含むコンピュータ可読媒体で具現化された実行可能命令として符号化することができる。このような命令は、処理デバイスによって実行されると、処理デバイスに本明細書で説明する方法の少なくとも一部を実施させる。上記の例は例示的なものにすぎず、したがって、プロセッサおよび処理デバイスという用語の定義および／または意味を決して限定することを意図するものではない。
【００１４】
本明細書で使用する場合、「上流」という用語は、タービンエンジンの前方または入口端部を指し、「下流」という用語は、タービンエンジンの後方または排気端部を指す。
【００１５】
本明細書で説明する実施形態は、タービンシステム、およびタービンシステムを制御するための方法に関する。システムは、圧縮機セクションと、圧縮機セクションの上流に結合され、圧縮機セクションに入る周囲空気を冷却するように構成された入口冷却システムと、圧縮機セクションと流れ連通して結合され、少なくとも１つの高温ガス経路構成要素を含むタービンセクションとを含む。システムは、少なくとも１つの高温ガス経路構成要素の温度を示すフィードバックパラメータを受信し、受信したフィードバックパラメータに基づいて少なくとも１つの高温ガス経路構成要素の残存寿命を推定し、少なくとも１つの高温ガス経路構成要素の推定残存寿命および入口冷却システムの冷却能力に基づいてタービンシステムの所望の電力出力を決定し、タービンシステムの運転を制御してタービンシステムに所望の電力出力を生成させるように構成されたコントローラをさらに含む。その結果、本明細書で説明するタービンシステムおよび方法は、冷却を運転中に入口冷却システムから少なくとも１つの高温ガス経路構成要素に提供することによって、少なくとも１つの高温ガス経路構成要素への損傷を低減する。加えて、本明細書で説明するタービンシステムおよび方法はまた、増加した電力出力と少なくとも１つの高温ガス経路構成要素に対する結果として生じる劣化効果との間のトレードオフを考慮に入れることによって、タービンシステムの運転の改善を可能にする。
【００１６】
いくつかの実施形態では、タービンシステムは、圧縮機セクションとタービンセクションとの間に延びるバイパスラインを含む。バイパスラインは、圧縮空気を圧縮機セクションからタービンセクションに提供するように構成される。タービンシステムはまた、バイパスラインによってタービンセクションに提供される圧縮空気の温度に影響を与えるように制御可能な、バイパスラインに結合された熱調節システムを含む。その結果、本明細書で説明するタービンシステムおよび方法は、例えば、タービンシステムの始動または停止中、高温ガス経路構成要素に対するタービンセクションの急激な温度変化の劣化効果を低減する。
【００１７】
図１は、例示的なタービンシステム１００、すなわち、ターボ機械、より具体的にはタービンエンジンの概略図である。例示的な実施形態では、タービンシステム１００は、ガスタービンエンジンである。あるいは、タービンシステム１００は、限定はしないが、蒸気タービンエンジン、ガスターボファン航空機エンジン、他の航空機エンジン、風力タービン、圧縮機、およびポンプを含む、任意の他のタービンエンジンおよび／または回転機械であってもよい。例示的な実施形態では、タービンシステム１００は、吸気セクション１０２と、吸気セクション１０２から下流に結合される圧縮機セクション１０４と、燃焼器ライン１０５を介して圧縮機セクション１０４から下流に結合される燃焼器セクション１０６と、燃焼器ライン１０５を介して燃焼器セクション１０６から下流に結合され、バイパスライン１０７を介して圧縮機セクション１０４から下流に結合されるタービンセクション１０８と、タービンセクション１０８から下流に結合される排気セクション１１０とを含む。タービンセクション１０８は、ロータシャフト１１２を介して圧縮機セクション１０４に結合される。本明細書で使用する場合、「結合する」という用語は、構成要素間の直接的な機械的、熱的、電気的、および／または流れ連通接続に限定されず、複数の構成要素間の間接的な機械的、熱的、電気的、および／または流れ連通接続も含むことができることに留意されたい。例示的な実施形態では、燃焼器セクション１０６は、単一の燃焼器を含む。代替の実施形態では、燃焼器セクション１０６は、圧縮機セクション１０４に結合された複数の燃焼器（図示せず）を含み、各燃焼器は、圧縮機セクション１０４と流れ連通する。ロータシャフト１１２は、限定はしないが、発電機および／または機械的駆動用途などの負荷１１６にさらに結合される。例示的な実施形態では、圧縮機セクション１０４およびタービンセクション１０８の各々は、ロータシャフト１１２に結合される少なくとも１つのロータアセンブリ１１８を含む。
【００１８】
例示的な実施形態では、吸気セクション１０２は、入口ハウジング１２０と、入口冷却システム１２２とを含む。吸気セクション１０２は、圧縮機セクション１０４の上流に結合され、圧縮機セクション１０４に入る周囲空気１２４を冷却するように構成される。例示的な実施形態では、入口冷却システム１２２は、チラー１２６と、冷却管１２８と、冷却剤ポンプ１３０とを含む。チラー１２６は、冷却剤を貯蔵し、冷却剤を周囲空気１２４の温度よりも低い温度に冷やすように構成される。冷却剤ポンプ１３０は、冷却剤をチラー１２６から冷却管１２８および入口ハウジング１２０を通して駆動するように運転可能であり、したがって入口ハウジング１２０に導かれる周囲空気１２４からの熱は冷却管１２８を通って循環する冷却剤によって吸収され、それによって周囲空気１２４を冷却する。例示的な実施形態では、チラー１２６を出る冷却剤は、華氏約５０度であり、入口ハウジング１２０からチラー１２６に戻る冷却剤は、華氏約５５度である。代替の実施形態では、冷却剤は、入口冷却システム１２２が本明細書で説明するように機能することを可能にする任意の温度である。入口冷却システム１２２によって冷却される結果として、入口ハウジング１２０を出る入口空気１３２はまた、周囲空気１２４よりも密度が高い。したがって、入口冷却システム１２２は、より多くの空気を運転中にタービンシステム１００に提供することを容易にし、タービンシステム１００によって発生される電力がより大きくなる。代替の実施形態では、入口冷却システム１２２は、圧縮機セクション１０４の上流に結合された蒸発冷却媒体（図示せず）と、ラインを通して冷却媒体に接続されたポンプ（図示せず）とを含む。そのような実施形態では、空気が冷却媒体によって流れると、冷却媒体の水の一部が蒸発する。冷却媒体での水の蒸発により、空気から熱が吸収され、したがって空気の温度が低下する。さらに代替の実施形態では、入口冷却システム１２２は、入口フォギングシステム（図示せず）を含む。さらに別の代替の実施形態では、入口冷却システム１２２は、タービンシステム１００が本明細書で説明するように運転することを可能にする任意の冷却システムを含む。
【００１９】
例示的な実施形態では、入口冷却システム１２２は、チラー１２６および冷却剤ポンプ１３０の運転を介して、入口冷却システム１２２の最大冷却能力まで、入口空気１３２の温度を周囲空気１２４に対するあらゆる温度差に冷却するように制御可能である。代替の実施形態では、入口冷却システム１２２は、タービンシステム１００が本明細書で説明するように運転することを可能にする任意の最大冷却能力を有する。
【００２０】
運転中、吸気セクション１０２は、入口空気１３２を圧縮機セクション１０４に向けて送る。圧縮機セクション１０４は、入口空気１３２をより高い圧力に圧縮し、その後に圧縮空気１３４、１３６を燃焼器セクション１０６に向けて排出する。圧縮空気１３４の第１の部分は、燃焼器セクション１０６に送られ、そこで燃料（図示せず）と混合され、燃焼されて高温燃焼ガス１３８を生成する。圧縮空気１３６の第２の部分は、燃焼器セクション１０６をバイパスし、タービンセクション１０８に送られる。燃焼ガス１３８は、タービンセクション１０８に向かって下流に送られ、高温ガス経路構成要素１４０に衝突する。場合によっては、燃焼器セクション１０６およびタービンセクション１０８は、タービンシステム１００の高温ガス経路（「ＨＧＰ」）と呼ばれる。したがって、本明細書で使用する場合、「高温ガス経路構成要素」という用語は、燃焼器セクション１０６またはタービンセクション１０８内に位置し、燃焼ガス１３８と流れ連通するタービンシステム１００の任意の構成要素を指す。例えば、例示的な実施形態では、ＨＧＰ構成要素１４０は、タービンブレードに関連する燃焼器ライナ、ノズル、ベーン、およびバケットを含み、熱エネルギーをロータアセンブリ１１８を駆動するために使用される機械的回転エネルギーに変換する。代替の実施形態では、ＨＧＰ構成要素１４０は、タービンシステム１００が本明細書で説明するように機能することを可能にする任意の構成要素を含む。例示的な実施形態では、圧縮空気１３６の第２の部分は、バイパスライン１０７を通して送られてＨＧＰ構成要素１４０を冷却し、タービンセクション１０８内の燃焼ガス１３８に再び合流する。次いで、排気ガス１４２は、排気セクション１１０を通って周囲大気に排出される。
【００２１】
例示的な実施形態では、図２および図３に関してより詳細に説明されるように、タービンシステム１００は、入口冷却システム１２２および燃焼器セクション１０６に通信可能に結合されたコントローラ１４４を含む。コントローラ１４４は、タービンシステム１００が所望の電力出力を生成するように、タービンシステム１００の構成要素を制御するように構成される。例示的な実施形態では、コントローラ１４４は、燃焼器セクション１０６内の燃料噴射を制御することによってタービンシステム１００の電力出力を制御するように構成される。代替の実施形態では、タービンシステム１００は、コントローラ１４４に通信可能に結合された入口ガイドベーン（図示せず）を含む。そのような実施形態では、コントローラ１４４はまた、入口ガイドベーンの調整を制御することによってタービンシステム１００の電力出力を制御する。
【００２２】
例示的な実施形態では、タービンシステム１００は、コントローラ１４４に通信可能に結合された温度センサＴ１〜Ｔ３、Ｔ５および圧力センサＰ１をさらに含む。特に、例示的な実施形態では、吸気セクション１０２は、周囲空気１２４の温度および圧力をそれぞれ検出するように構成された温度センサＴ１および圧力センサＰ１を含む。例示的な実施形態では、温度センサＴ１は、乾球温度センサである。代替の実施形態では、吸気セクション１０２は、湿球温度センサおよび乾球温度センサを含む。吸気セクション１０２は、入口ハウジング１２０を出る入口空気１３２の温度を検出するように構成された温度センサＴ２をさらに含む。圧縮機セクション１０４は、圧縮機セクション１０４から排出された空気の温度を検出するように構成された温度センサＴ３を含む。より具体的には、例示的な実施形態では、温度センサＴ３は、圧縮空気１３６の第２の部分の温度を検出するように構成される。排気セクション１１０は、タービンセクション１０８から排出された空気の温度を検出するように構成された温度センサＴ５を含む。
【００２３】
例示的な実施形態では、燃焼器セクション１０６は、Ｔ４で示される温度およびＰ２で示される圧力で空気を放出する。特に、例示的な実施形態では、Ｔ４およびＰ２は、温度センサＴ３によって感知された温度に基づいて、および燃焼器セクション１０６の少なくとも１つの運転特性によって決定される。例示的な実施形態では、燃焼器セクション１０６の少なくとも１つの運転特性は、燃焼器セクション１０６の燃料対空気比である。代替の実施形態では、燃焼器セクション１０６の少なくとも１つの運転特性は、タービンシステム１００が本明細書で説明するように機能することを可能にする燃焼器セクション１０６の任意の運転特性を含む。代替の実施形態では、Ｔ４およびＰ２は、燃焼器セクション１０６の出口１４６で結合され、燃焼器セクション１０６から排出された燃焼ガス１３８の温度および圧力をそれぞれ検出するように構成されたそれぞれの温度センサおよび圧力センサ（図示せず）によって決定される。代替の実施形態では、タービンシステム１００は、タービンシステム１００が本明細書で説明するように機能することを可能にする任意の数および配置の温度センサおよび圧力センサを含む。例えば、限定ではなく、代替の実施形態では、ＨＧＰ構成要素１４０の少なくとも１つは、結合された温度センサ（図示せず）を含む。さらに別の代替の実施形態では、タービンシステム１００は、温度センサまたは圧力センサを含まない。
【００２４】
例示的な実施形態では、タービンシステム１００は、ベース負荷で運転するように構成される。特に、タービンシステム１００のベース負荷運転、またはより広義には、タービンシステム１００の標準運転は、燃焼器セクション１０６の燃焼温度（すなわち、燃焼器セクション１０６の出口１４６における結果として生じる温度）に関連する。すなわち、ＨＧＰ構成要素１４０は、最大推奨メンテナンス間隔の間、タービンシステム１００のベース負荷運転に耐えるように構成され、その後ＨＧＰ構成要素１４０は、より高い故障確率に直面する。例示的な実施形態では、タービンシステム１００は、過燃焼運転のためにさらに構成される。本明細書で使用する場合、「過燃焼」は、燃焼器セクション１０６の出口１４６での燃焼温度がベース負荷運転に関連する温度よりも高い温度に上昇するようにタービンシステム１００を運転することを指す。
【００２５】
例示的な実施形態では、入口冷却システム１２２の運転により、圧縮空気１３４の第１の部分および圧縮空気１３６の第２の部分の温度が低下する。圧縮空気１３６の第２の部分が燃焼器セクション１０６をバイパスしてタービンセクション１０８に流れるので、圧縮空気１３６の第２の部分の温度が低下すると、ＨＧＰ構成要素１４０が冷却される。その結果、入口冷却システム１２２の運転は、ＨＧＰ構成要素１４０の温度の低下を可能にし、それによってタービンシステム１００の任意の所与の運転負荷について（すなわち、燃焼器セクション１０６の出口１４６における任意の所与の燃焼温度について）、ＨＧＰ構成要素１４０のより長い寿命を期待することができる。例えば、入口冷却システム１２２の運転は、入口冷却システム１２２と共にベース負荷でタービンシステム１００を運転することによって、ＨＧＰ構成要素１４０の予想寿命スパンを延ばすように制御されてもよい。対照的に、タービンシステム１００は、ＨＧＰ構成要素１４０への損傷を大幅に増加させることなく過燃焼され得る。
【００２６】
表１は、以下の例示的なパラメータに従って、複合サイクル（ＣＣ）発電プラント内のタービンシステム１００の運転をモデル化することによって達成された結果を示す。実施例の各々において、周囲空気１２４の温度は華氏９０度であった。実施例１では、入口冷却システム１２２は作動されず、タービンシステム１００はベース負荷で運転された。実施例１では、Ｔ２で感知された温度はＴ１で感知された周囲温度に等しかった。実施例２では、入口冷却システム１２２が作動され、タービンシステム１００がベース負荷で運転された。特に、入口冷却システム１２２が作動された実施例２では、燃焼器セクション１０６の出口１４６での温度Ｔ４はＹ°Ｆであった。実施例２に示すように、入口冷却システム１２２の運転は、圧縮機セクション入口Ｔ２で感知された温度を３１°Ｆだけ低下させた。Ｔ３において圧縮機セクション１０４の出口で感知された温度は、実施例１と比較して３５°Ｆだけ減少し、それによってＨＧＰ構成要素１４０の冷却が増加した。ＨＧＰ構成要素１４０の温度が低下すると、ＨＧＰ構成要素１４０の寿命スパンが長くなる。特に、以下の実施例２に示すように、ＨＧＰ構成要素１４０の寿命係数は１．２８から０．９５に減少した。
【００２７】
実施例３では、タービンシステム１００が「容量モード」で運転され、ＨＧＰ構成要素１４０の寿命係数をタービンシステム１００が入口冷却システム１２２を作動させずに運転された実施例１の寿命係数にほぼ維持しながら総ＣＣ電力出力を増加させた。より具体的には、実施例３では、入口冷却システム１２２が作動され、タービンシステム１００が２０°Ｆの過燃焼で運転された。言い換えれば、実施例３では、タービンシステム１００は、温度Ｔ４がベース負荷運転中のＴ４の温度（すなわち、実施例２）よりも２０°Ｆ高くなるように運転された。実施例３は、入口冷却システム１２２によって提供される追加の冷却のために、ＨＧＰ構成要素１４０の温度への最小の差異で実施例２に対して有意な電力出力の増加（例えば、１．３％）をもたらした。
【００２８】
実施例４では、タービンシステム１００が「効率モード」で運転され、ＣＣ電力出力を実施例２の値（例えば、２８８．４ＭＷ）に固定して保持しながら正味のＣＣ効率を増加させた（すなわち、タービンシステム１００の発熱率を増加させた）。より具体的には、実施例４では、入口冷却システム１２２が作動され、入口ガイドベーンの角度が実施例１〜３に対して５度減少され、タービンシステム１００が２６°Ｆの過燃焼で運転された。その結果、ＨＧＰ構成要素１４０の温度、ひいてはＨＧＰ構成要素１４０の寿命係数は、タービンシステム１００が入口冷却システム１２２を作動させずに運転された実施例１、およびタービンシステム１００が「容量モード」で運転された実施例３の寿命係数にほぼ維持された。加えて、正味のＣＣ効率は５６．１３％に増加し、これはタービンシステム１００が「従来の運転」で運転された実施例２よりも約０．２８％の利得を表し、タービンシステム１００が「容量モード」で運転された実施例３よりも約０．０９％の利得を表していた。
【００２９】
【表１】
2020148202.tif 000003
【００３０】
表１に記載された上記の実施例は、複合サイクル（ＣＣ）発電プラント内のタービンシステム１００のモデル化された運転を表す。より具体的には、上述の例示的な運転は、例えば、燃焼温度、入口冷却システム１２２、および入口ガイドベーンの制御などのタービンシステム１００の様々な制御がＨＧＰ構成要素１４０の電力生産、効率、および寿命スパンに関して異なる結果をもたらし得る様式を詳述している。代替の実施形態では、燃焼温度、入口ガイドベーンの制御、および入口冷却システム１２２は、タービンシステム１００が本明細書で説明するように機能することを可能にする任意の様式で制御される。例えば、以下でより詳細に説明するように、タービンシステム１００は、ＨＧＰ構成要素１４０の結果として生じる電力生産、効率、および寿命スパンが例えば、タービンシステム１００の燃料価格、残存ＨＧＰ構成要素寿命スパン、および負荷需要などの様々な条件および財務上の考慮事項に関して最適化されるように制御され得る。
【００３１】
図２は、図１に示す、タービンシステム１００の例示的なコントローラ１４４のブロック図である。図３は、タービンシステム１００の運転のデータフロー図である。例示的な実施形態では、コントローラ１４４は、プロセッサ１４８と、メモリ１５０と、ユーザインターフェース１５２とを含む。ユーザインターフェース１５２は、コントローラ１４４が少なくとも１つのユーザ入力パラメータを受信することを容易にする。代替の実施形態では、コントローラ１４４は、ユーザインターフェース１５２を含まない。例えば、いくつかのそのような実施形態では、タービンシステム１００は、ユーザ入力パラメータを受信することなく、より高いレベルの最適化目標に基づいてタービンシステム１００の運転設定を計算および決定するように運転可能な制御および最適化構成要素（図示せず）と通信して結合される。例示的な実施形態では、メモリ１５０は、ガスタービンモデル１５４と、物理ベースの構成要素寿命モデル１５６とを含む。ガスタービンモデル１５４は、ＨＧＰ構成要素１４０に関する格納されたデータを含む。特に、例示的な実施形態では、ガスタービンモデル１５４は、温度センサＴ１〜Ｔ５および圧力センサＰ１、Ｐ２に対する高温ガス経路構成要素の場所情報１５８を含む。例示的な実施形態では、図３に示すように、ガスタービンモデル１５４は、タービンシステム１００からフィードバックパラメータを受信する。特に、例示的な実施形態では、フィードバックパラメータは、温度センサＴ１〜Ｔ５、圧力センサＰ１、Ｐ２、アクチュエータ信号（例えば、燃焼器セクション１０６、入口冷却システム１２２、またはタービンシステム１００の他の部分が作動しているかどうかを示す信号）、およびタービンシステム１００の運転時間から受信した信号を含む。次に、ガスタービンモデル１５４は、受信したフィードバックパラメータおよび場所情報１５８に基づいて各ＨＧＰ構成要素１４０の境界条件を決定する。代替の実施形態では、ガスタービンモデル１５４は、タービンシステム１００が本明細書で説明するように機能することを可能にする任意のフィードバックパラメータを受信する。さらに代替の実施形態では、メモリ１５０は、タービンシステム１００が本明細書で説明するように機能することを可能にする任意のモデルを含む。例えば、代替の実施形態では、メモリ１５０は、非物理ベースの構成要素寿命モデルを含む。
【００３２】
例示的な実施形態では、物理ベースの構成要素寿命モデル１５６は、標準運転温度に基づくＨＧＰ構成要素１４０の所定の予想寿命スパンデータ１６０を含む。特に、標準運転温度は、ＨＧＰ構成要素１４０がベース負荷での運転中に曝される温度である。さらに、例示的な実施形態では、物理ベースの構成要素寿命モデル１５６は、ＨＧＰ構成要素１４０の各々の平均寿命／サービス間隔に対するベース負荷運転からの変動の影響に関するＨＧＰ構成要素１４０の各々の関係を定義する変動アルゴリズム１６１を含む。したがって、図３に示すように、物理ベースの構成要素寿命モデル１５６は、各ＨＧＰ構成要素１４０の境界条件の履歴に基づいてＨＧＰ構成要素１４０の残存寿命を決定するように構成される。例示的な実施形態では、各ＨＧＰ構成要素１４０の境界条件の履歴は、各ＨＧＰ構成要素１４０の様々な温度での計画されたおよび計画外の停止／始動の数ならびに累積時間を含む。各ＨＧＰ構成要素１４０の所与の時間における温度は、入力としてのセンサ／アクチュエータ信号を用いた物理ベースの構成要素寿命モデル１５６に基づいて決定される。履歴は、運転の始まりからメモリ１５０に格納される。履歴により、物理ベースの構成要素寿命モデル１５６は、各ＨＧＰ構成要素１４０の残存寿命を計算することが可能になる。ＨＧＰ構成要素１４０が交換または修復された後、その特定のＨＧＰ構成要素１４０の残存寿命は、リセットまたは修正される。代替の実施形態では、コントローラ１４４は、タービンシステム１００で使用される燃料タイプを考慮し、所与の燃焼温度での運転に関連するＨＧＰ構成要素１４０の各々の平均寿命／サービス間隔を決定するようにさらに構成される。例えば、例示的な実施形態では、タービンシステム１００は、燃料として天然ガスを使用して運転される。しかし、タービンシステム１００はまた、高い濃度の腐食性要素を含有する水素含有燃料（例えば、留出物および残留油）を少なくして燃料が供給されるように構成される。そのような燃料の使用は、ＨＧＰ構成要素１４０の平均寿命および／または推奨されるサービス間隔を短縮し得る。したがって、そのような代替の実施形態では、コントローラ１４４は、限定ではなく例として、ユーザ入力および／または燃料センサ（図示せず）から燃料タイプに関するデータを受信し、受信された燃料タイプデータに少なくとも部分的に基づいてＨＧＰ構成要素１４０の残存平均寿命／サービス間隔の推定値を決定するように構成される。さらに別の代替の実施形態では、コントローラ１４４は、タービンシステム１００が本明細書で説明するように運転することを可能にするＨＧＰ構成要素１４０の平均寿命／サービス間隔に関する任意のパラメータを考慮するように構成される。
【００３３】
例示的な実施形態では、コントローラ１４４は、スケジューリングブロック１６２で受信した最適化パラメータに関してタービンシステム１００の運転の最適化を容易にするスケジューリングブロック１６２をさらに含む。例えば、スケジューリングブロック１６２は、最適化パラメータとして物理ベースの構成要素寿命モデル１５６で決定されたＨＧＰ構成要素１４０の残存寿命データを受信する。例示的な実施形態では、スケジューリングブロック１６２はまた、最適化パラメータとして負荷需要、燃料コスト、および電気価格に関するデータを受信する。スケジューリングブロック１６２は、コントローラ１４４が最適化パラメータに関して最小化されたコストでタービンシステム１００を運転することを容易にするように、受信したデータに基づいて連続的な時間ステップでタービンシステム１００の制御信号を生成するように構成される。
【００３４】
より具体的には、最適化パラメータの各々は、最適化パラメータに関連するコストまたは利益のいずれかを含む。燃焼器セクション１０６の最適な燃焼温度を決定する際に、コントローラ１４４は、タービンシステム１００の運転を制御するための限界変化に関連する最適化パラメータに正味の利益があるかどうかを考慮する。例えば、電気価格パラメータの増加は、タービンシステム１００を運転することに関して、生成される電力出力を増加させるというプラスの利益を表す。対照的に、燃料価格の上昇は、タービンシステム１００を運転することに関して、燃焼温度を上昇させるコスト（すなわち、燃料消費の増大）を表す。そのような状況では、出力電力レベルをベース負荷に保持する必要があるときに効率モードを可能にすることができ、それによりタービンシステム１００の発熱率を低下させる（例えば、燃料効率を増加させる）一方で、燃焼温度が上昇し、入口ガイドベーン（図示せず）が閉じられて出力電力を維持する。さらに、負荷需要パラメータは、タービンシステム１００の総電力出力が負荷需要パラメータよりも小さい場合、関連するコスト（すなわち、負荷需要と電力出力との間の差を補うために他の発電源から電気を購入するコスト）を含む。
【００３５】
加えて、残存寿命データは、より高い燃焼温度で、またはより具体的には、ＨＧＰ構成要素１４０のより高い推定温度でタービンシステム１００を運転することから生じる、ＨＧＰ構成要素１４０の平均寿命／サービス間隔の短縮に関連するコストを含む。例示的な実施形態では、ＨＧＰ構成要素１４０の平均寿命／サービス間隔の短縮に関連するコストは、ＨＧＰ構成要素１４０のサービスの増加に関連するコストとＨＧＰ構成要素１４０を交換するコストとの組み合わせに基づく。例えば、時間の限界増分（例えば、１時間）の過燃焼温度でのＨＧＰ構成要素１４０の運転は、ＨＧＰ構成要素１４０の平均的な総平均寿命に対して相対的な限界効果を有し、かつＨＧＰ構成要素１４０の寿命時間にわたるサービス間隔の平均的な予想頻度に対して相対的な限界効果を有する。例示的な実施形態では、コントローラ１４４は、タービンシステム１００の運転の変化から生じると予想される総平均寿命およびサービス間隔の頻度に対する限界効果を計算し、これらの限界効果を代表的なコスト（例えば、平均寿命の限界変化に対してＨＧＰ構成要素１４０を交換するコスト、ならびにＨＧＰ構成要素１４０の寿命時間にわたるサービス間隔の増加に関連する停止および修復のコスト）と関連付けるように構成される。代替の実施形態では、ＨＧＰ構成要素１４０の平均寿命／サービス間隔に対する限界効果のコストは、最も故障しやすいＨＧＰ構成要素１４０に関連するコストに基づく。例えば、そのような実施形態では、すべての構成要素がほぼ完全な残存寿命スパンを有するが、１つのＨＧＰ構成要素１４０がその寿命スパンのまさに終わりにある場合、ＨＧＰ構成要素１４０の劣化に関連するコストは高くなる。さらに別の代替の実施形態では、コストは、タービンシステム１００が本明細書で説明するように機能することを可能にする任意の様式で、ＨＧＰ構成要素１４０の平均寿命／サービス間隔に対する限界変化に関連する。
【００３６】
加えて、コントローラ１４４は、異なる制御運転によってガスタービン制御ブロック１６４（図３に示す）でタービンシステム１００を制御するように構成される。例示的な実施形態では、制御運転は、燃焼器セクション１０６内の燃料の流量を変調することと、入口ガイドベーン（図示せず）の位置を調整することと、入口冷却システム１２２を制御すること（例えば、入口冷却システム１２２の作動または冷却剤ポンプ１３０での流量またはチラー１２６への電力を調整すること）と、圧縮機入口温度を制御することとを含む。例えば、圧縮機入口温度が所望の値よりも高いとき、コントローラ１４４は、チラー１２６への電力を増加させ、その結果、チラー１２６を出る冷却剤の温度が低下する。冷却剤温度の低下により、冷却剤は、入口空気１３２から冷却管１２８を通してより多くの熱を吸収することが可能になり、その結果、圧縮機入口温度が低下する。あるいは、またはチラー１２６への電力を増加させることに加えて、コントローラ１４４はまた、冷却剤ポンプ１３０の速度を増加させ、熱を入口空気１３２から冷却管１２８を通して冷却剤に、およびチラー１２６に効率的に移動させる。代替の実施形態では、コントローラ１４４は、タービンシステム１００が本明細書で説明するように機能することを可能にする任意の手段によってタービンシステム１００を制御するように構成される。
【００３７】
例示的な実施形態では、コントローラ１４４は、最適な利益をもたらす制御信号を決定するために、燃焼器セクション１０６内の燃料の流量、入口ガイドベーンの位置、および入口冷却システム１２２の運転のあらゆる可能な組み合わせについて、最適化パラメータの値および関連するコストを決定する。例えば、図１に関して上述したように、タービンシステム１００は、入口冷却システム１２２が作動された状態で、過燃焼されるか、またはベース負荷で運転されてもよい。特に、タービンシステム１００は、ＨＧＰ構成要素１４０の平均寿命／サービス間隔を延ばすために入口冷却システム１２２と共にベース負荷で運転することができ、またはタービンシステム１００は、過燃焼されてもよく、その結果電力出力は大きくなるが、ベース負荷運転と比較してＨＧＰ構成要素１４０の平均寿命／サービス間隔が短縮される。したがって、電気価格が十分に高い場合、生成された電気からの収益増加の利益が燃料コストおよびＨＧＰ構成要素１４０の大きな劣化から生じるコストを超える限り、タービンシステム１００を過燃焼することは費用効果があり得る。逆に、電気コストが低いとき、表１に関して上述した「効率モード」でのタービンシステム１００のベース負荷運転は、費用効果があり得る。
【００３８】
図４は、熱調節システム２６６を含み、定常状態で運転する代替のタービンシステム２００の概略図である。図５は、始動運転中の図４のタービンシステム２００の概略図である。図６は、停止運転中の図４のタービンシステム２００の概略図である。タービンシステム２００は、以下に説明することを除いて、図１に関して上述したタービンシステム１００と実質的に同様である。したがって、例示的な実施形態では、タービンシステム２００は、圧縮機セクション２０４と、燃焼器ライン２０５を介して圧縮機セクション２０４から下流に結合される燃焼器セクション２０６と、燃焼器ライン２０５を介して燃焼器セクション２０６から下流に結合され、バイパスライン２０７を介して圧縮機セクション２０４から下流に結合されるタービンセクション２０８とを含む。熱調節システム２６６は、蓄熱デバイス２６８と、第１の制御弁２７０と、第２の制御弁２７２と、圧縮空気貯蔵部２７４と、第１の調節ライン２７６と、第２の調節ライン２７８とを含む。
【００３９】
例示的な実施形態では、バイパスライン２０７は、Ｔ交差点で第１の調節ライン２７６と交差する。第１の調節ライン２７６は、蓄熱デバイス２６８を通って第１の制御弁２７０に延び、圧縮空気貯蔵部２７４へと続く。蓄熱デバイス２６８は、蓄熱デバイス２６８を通過する第１の調節ライン２７６内の空気から熱を吸収するように構成される。例示的な実施形態では、蓄熱デバイス２６８は、充填床である。代替の実施形態では、蓄熱デバイス２６８は、タービンシステム２００が本明細書で説明するように運転することを可能にする任意の適切な蓄熱デバイスである。第２の調節ライン２７８は、圧縮空気貯蔵部２７４と、蓄熱デバイス２６８とバイパスライン２０７との間の第１の調節ライン２７６の一部との間に延びる。例示的な実施形態では、第１の制御弁２７０および第２の制御弁２７２は各々、各それぞれの弁を通る流量を制御するように運転可能な、調整可能な制御弁である。
【００４０】
定常状態運転中、第１の制御弁２７０が開かれ、第２の制御弁２７２が閉じられる。周囲空気が圧縮機セクション２０４に流入すると、バイパスライン２０７を通って流れる圧縮空気２３６の第２の部分の少なくとも一部が第１の調節ライン２７６に流入し、蓄熱デバイス２６８に入る。空気が蓄熱デバイス２６８を通過すると、熱が圧縮空気から蓄熱デバイス２６８に伝達される。その結果、蓄熱デバイス２６８が加熱され、蓄熱デバイス２６８を出て第１の制御弁２７０に流れる空気が冷却される。第１の制御弁２７０が開いているので、圧縮空気は、第１の制御弁２７０を通過して圧縮空気貯蔵部２７４に入ることが可能である。圧縮空気は圧縮空気貯蔵部２７４に貯蔵され、第２の制御弁２７２が閉じているので、第２の調節ライン２７８を通って出るのが阻止される。
【００４１】
図５を参照すると、タービンシステム２００の始動運転中、第１の制御弁２７０および第２の制御弁２７２は、温められた圧縮空気が所望の速度で熱調節システム２６６から流れるように変調される。特に、例示的な実施形態では、第１の制御弁２７０は完全に開かれ、第２の制御弁２７２は閉じられる。その結果、圧縮空気貯蔵部２７４内の空気は、第１の調節ライン２７６を通って第１の制御弁２７０を通過し、蓄熱デバイス２６８およびバイパスライン２０７に完全に流れ、タービンセクション２０８に送られる。圧縮空気貯蔵部２７４から蓄熱デバイス２６８に流れる空気は、蓄熱デバイス２６８によって温められる。より具体的には、第２の制御弁２７２とは対照的に、圧縮空気貯蔵部２７４から第１の制御弁２７０を通して導かれる空気が多いほど、バイパスライン２０７を通ってタービンセクション２０８に流れる結果として生じる冷却空気がより温かくなる。したがって、第１および第２の制御弁２７０、２７２の変調は、タービンセクション２０８に導かれる冷却空気の温度を制御することを可能にする。
【００４２】
タービンシステム２００の運転中、運転の変化（すなわち、始動および停止運転）は、急速な変化をタービンセクション２０８の温度にもたらし、その結果、急速な変化がＨＧＰ構成要素１４０（図１に示す）の温度に生じ得る。これらの温度変化は、熱勾配をＨＧＰ構成要素１４０にわたって生じさせる可能性がある。例えば、いくつかのＨＧＰ構成要素１４０（例えば、翼形部）は、ＨＧＰ構成要素１４０の長さに沿った様々な厚さを有する。ガス温度が急速に変化している間、ＨＧＰ構成要素１４０の薄いセクションは、厚いセクションよりも速く加熱または冷却され、熱勾配をＨＧＰ構成要素１４０にわたって生じさせる。これらの熱勾配は、次に、最終的にＨＧＰ構成要素１４０の劣化につながり得る熱応力を生じる可能性がある。その結果、バイパスライン２０７を通してタービンセクション２０８に導かれる冷却空気の温度を変調することにより、タービンシステム２００の運転中に起こり得る急速な温度変化を低減することが可能になり、それによってＨＧＰ構成要素１４０にわたる熱勾配を低減する。例えば、始動中、より温かい冷却空気をタービンセクション２０８に導くことで、ＨＧＰ構成要素１４０をより徐々に加熱することが可能になる。逆に、停止中により冷たい冷却空気を導くことで、ＨＧＰ構成要素１４０をより徐々に冷却することが可能になる。
【００４３】
図６を参照すると、タービンシステム２００の停止運転中、第１の制御弁２７０および第２の制御弁２７２は、冷却された圧縮空気が所望の速度で圧縮空気貯蔵部２７４から流れるように変調される。特に、例示的な実施形態では、第１の制御弁２７０は閉じられ、第２の制御弁２７２は完全に開かれる。その結果、圧縮空気貯蔵部２７４内の空気は、第２の調節ライン２７８を通って第２の制御弁２７２を通過し、バイパスライン２０７に完全に流れ、タービンセクション２０８に送られる。蓄熱デバイス２６８をバイパスする結果として、熱調節システム２６６から圧縮されるものは、圧縮機セクション２０４を出る圧縮空気よりも冷たい。代替の実施形態では、第１の制御弁２７０および第２の制御弁２７２は、バイパスライン２０７を通ってタービンセクション２０８に流れる圧縮空気が任意の所望の温度になるように変調される。例えば、第１の制御弁２７０および第２の制御弁２７２は、計画された停止後または始動前であっても、ＨＧＰ構成要素１４０を調整するように設定することができる。そのような実施形態では、第１の制御弁２７０および／または第２の制御弁２７２は通常開いていて、計画外の停止が行われたときでも圧縮空気貯蔵部２７４が冷却流を提供するようにすることができる。
【００４４】
図７は、図１〜図３に示す、タービンシステム１００を運転する例示的な方法３００のフロー図である。タービンシステム１００は、各々図１に示す、圧縮機セクション１０４と、入口冷却システム１２２と、高温ガス経路構成要素１４０を含むタービンセクション１０８とを含む。方法３００は、図１に示す、入口冷却システム１２２に結合されたコントローラ１４４において、少なくとも１つの高温ガス経路構成要素１４０の温度を示すフィードバックパラメータを受信すること３０２を含む。方法３００はまた、コントローラ１４４を使用して、受信したフィードバックパラメータに基づいて少なくとも１つの高温ガス経路構成要素１４０の残存寿命を推定すること３０４を含む。方法３００は、コントローラ１４４を使用して、少なくとも１つの高温ガス経路構成要素１４０の推定残存寿命および入口冷却システム１２２の冷却能力に基づいてタービンシステム１００の所望の電力出力を決定すること３０６をさらに含む。方法３００はまた、コントローラ１４４を使用して、タービンシステム１００の運転を制御してタービンシステム１００に所望の電力出力を生成させること３０８を含む。
【００４５】
本明細書で説明するシステムおよび方法の例示的な技術的効果は、（ａ）タービンシステムの電力出力の改善、（ｂ）ＨＧＰ構成要素の寿命スパンの改善、（ｃ）ＨＧＰ構成要素のメンテナンスおよびサービスの短縮、（ｄ）タービンシステムの運転における安全性の向上、および（ｅ）タービンシステム効率の向上の少なくとも１つを含む。
【００４６】
以上、タービン機械を運転するためのシステムおよび方法の例示的な実施形態を詳細に説明してきた。本方法およびシステムは、本明細書で説明する特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、システムの構成要素および／または方法のステップは、本明細書で説明する他の構成要素および／またはステップから独立に、かつ別個に利用することができる。例えば、本方法は、他のタービン構成要素と組み合わせて使用することもでき、本明細書で説明するガスタービンエンジンのみで実施することに限定されない。むしろ、例示的な実施形態は、多くの他の回転機械用途と関連して実現および利用することができる。
【００４７】
本開示の様々な実施形態の特定の特徴は、一部の図面に示され、他の図面には示されていないかもしれないが、これは単に便宜上にすぎない。本開示の実施形態の原理によれば、図面の任意の特徴は、任意の他の図面の任意の特徴と組み合わせて参照および／または特許請求することができる。
【００４８】
本明細書は、本開示の実施形態を開示するために実施例を使用しており、最良の形態を含んでいる。また、いかなる当業者も本開示の実施形態を実施することができるように実施例を使用しており、任意のデバイスまたはシステムを製作し使用し、任意の組み込まれた方法を実施することを含んでいる。本明細書で説明する実施形態の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、特許請求の範囲の文言との差がない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言との実質的な差がない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることを意図している。
【符号の説明】
【００４９】
１００  タービンシステム
１０２  吸気セクション
１０４  圧縮機セクション
１０５  燃焼器ライン
１０６  燃焼器セクション
１０７  バイパスライン
１０８  タービンセクション
１１０  排気セクション
１１２  ロータシャフト
１１６  負荷
１１８  ロータアセンブリ
１２０  入口ハウジング
１２２  入口冷却システム
１２４  周囲空気
１２６  チラー
１２８  冷却管
１３０  冷却剤ポンプ
１３２  入口空気
１３４  圧縮空気
１３６  圧縮空気
１３８  燃焼ガス
１４０  高温ガス経路（ＨＧＰ）構成要素
１４２  排気ガス
１４４  コントローラ
１４６  出口
１４８  プロセッサ
１５０  メモリ
１５２  ユーザインターフェース
１５４  ガスタービンモデル
１５６  物理ベースの構成要素寿命モデル
１５８  場所情報
１６０  予想寿命スパンデータ
１６１  変動アルゴリズム
１６２  スケジューリングブロック
１６４  ガスタービン制御ブロック
２００  タービンシステム
２０４  圧縮機セクション
２０５  燃焼器ライン
２０６  燃焼器セクション
２０７  バイパスライン
２０８  タービンセクション
２３６  圧縮空気
２６６  熱調節システム
２６８  蓄熱デバイス
２７０  第１の制御弁
２７２  第２の制御弁
２７４  圧縮空気貯蔵部
２７６  第１の調節ライン
２７８  第２の調節ライン
３００  方法
Ｔ１  温度センサ
Ｔ２  温度センサ
Ｔ３  温度センサ
Ｔ４  温度センサ
Ｔ５  温度センサ
Ｐ１  圧力センサ
Ｐ２  圧力センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2020148202.tif 000008
【図６】
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【図７】
2020148202.tif 000010
【外国語明細書】
2020148202000001.pdf
2020148202000002.pdf
2020148202000003.pdf
2020148202000004.pdf