(57)【要約】【課題】タービンエンジンにおける水注入のためのシステムおよび方法を提供すること。【解決手段】システムは、圧力調節弁（４０）からタービンエンジン（１０）の水多岐管（６６）へ水を供給するよう構成された水注入システム（３６）を含む。システムはまた、少なくとも安定した水圧が圧力調節弁（４０）の下流で達成されるまで、水注入システム（３６）の始動期間中に、圧力調節弁（４０）から水の少なくとも一部分を排出するよう構成されたドレイン弁（４２）を含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力調節弁（４０）からタービンエンジン（１０）の水多岐管（６６）へ水を供給するよう構成された水注入システム（３６）と、
少なくとも安定した水圧が前記圧力調節弁（４０）の下流で達成されるまで、前記水注入システム（３６）の始動期間中に、前記圧力調節弁（４０）から水の少なくとも一部分を排出するよう構成されたドレイン弁（４２）とを備えるシステム。
【請求項２】
前記ドレイン弁（４２）は、前記水注入システム（３６）が起動する前に開放するよう構成される請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記ドレイン弁（４２）は、前記始動期間中、徐々に閉鎖するよう構成される請求項２記載のシステム。
【請求項４】
前記ドレイン弁（４２）はソレノイド弁を備える請求項１記載のシステム。
【請求項５】
水注入システム起動基準が満たされた後に、前記ドレイン弁（４２）を開放するよう構成されたコントローラ（４４）を備える請求項１記載のシステム。
【請求項６】
前記コントローラ（４４）は、前記水注入システム（３６）への入口（５３）における水圧が安定した後に、前記水注入システム（３６）を起動するよう構成される請求項５記載のシステム。
【請求項７】
前記コントローラ（４４）は、前記水注入システム（３６）を通る水流量が所望のレベルに達した後に、前記ドレイン弁（４２）を閉鎖するよう構成される請求項６記載のシステム。
【請求項８】
前記タービンエンジン（１０）を備え、前記タービンエンジン（１０）は、液体燃料または液体燃料とガス燃料の組合せで作動するよう構成される請求項１記載のシステム。
【請求項９】
前記水注入システム（３６）は内蔵式ユニットを備え、前記内蔵式ユニットは、
前記圧力調節弁（４０）から前記タービンエンジン（１０）の前記水多岐管（６６）へ水を伝達するよう構成された複数の水注入ポンプ（５４）と、
前記水注入ポンプ（５４）に流体連通し、かつ、前記水注入ポンプ（５４）から下流に配置される複数の流量計（６２）と、
前記流量計（６２）に流体連通し、かつ、前記流量計（６２）から下流に配置される止め弁（６４）とを備える請求項１記載のシステム。
【請求項１０】
前記圧力調節弁（４０）に流体連通し、かつ、前記圧力調節弁（４０）の上流に配置される水供給部（３８）を備える請求項１記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示される主題は、タービンエンジンに関し、より具体的には、水注入のためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンエンジンは、圧縮された空気および燃料を受け取り、燃焼させて、熱い燃焼ガスを生成する１つまたは複数の燃焼器を含んでもよい。ある作動状況（例えば、液体燃料作動）下で、排出物質の中でもとりわけ、窒素酸化物（ＮＯＸ）および／または一酸化炭素（ＣＯ）の放出物を低減するために、水が燃焼器内に注入される可能性がある。残念ながら、始動状況中に、水ラインにおいて流れの不安定性が発生する可能性がある。例えば、圧力振動が、水注入システムと水注入システムの上流の圧力調節弁との間で発生する可能性がある。より具体的には、圧力調節弁は、水注入システムの始動中に低流量に移行することができない。これらの流れの不安定性は、液体燃料によるタービンエンジンのセットアップおよび作動においてかなりの遅延をもたらす可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６，３９７，６０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このため、タービンエンジンにおける水注入のための改良されたシステムおよび方法が提供されることが求められる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
独創的に請求される本発明と目的が対応するいくつかの実施形態が以下で要約される。これらの実施形態は、請求される本発明の範囲を制限することを意図されるのではなく、むしろ、これらの実施形態は、本発明の考えられる形態の簡潔な要約を提供することを意図されるだけである。実際に、本発明は、以下で述べる実施形態と類似であるかまたは実施形態と異なる可能性がある種々の形態を包含してもよい。
【０００６】
第１の実施形態では、システムは、圧力調節弁からタービンエンジンの水多岐管へ水を供給するよう構成された水注入システムを含む。システムはまた、少なくとも安定した水圧が圧力調節弁の下流で達成されるまで、水注入システムの始動期間中に、圧力調節弁から水の少なくとも一部分を排出するよう構成されたドレイン弁を含む。
【０００７】
第２の実施形態では、システムは、タービンエンジンの水多岐管内への水の流れを制御するよう構成された水注入コントローラを含む。水注入コントローラはまた、始動期間中の流れの不安定性に基づいて、圧力調節弁から下流の水の流れを制御するよう構成される。
【０００８】
第３の実施形態では、方法は、圧力調節弁と水注入システムとの間の水圧を安定させるために、ドレイン弁を制御することを含む。方法はまた、ドレイン弁を制御することによって水圧を安定させた後、タービンエンジンの水多岐管へ水を送出するよう水注入システムを起動させることを含む。
【０００９】
本発明のこれらまた他の特徴、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て読まれると、よりよく理解されるであろう。図面では、同じ文字は、図面全体を通して同じ部品を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本技法のいくつかの実施形態による、起動する前に安定した水の流れを確立するよう構成された水注入システムを有するタービンシステムのブロック図である。
【図２】本技法のいくつかの実施形態による、図１に示す水注入システムのブロック図である。
【図３】本技法のいくつかの実施形態による、図１に示すタービンシステムの破断側面図である。
【図４】本技法のいくつかの実施形態による、図３に示す、ライン４−４で切取った燃焼器の破断側面図である。
【図５】本技法のいくつかの実施形態による、図４に示す燃料ノズルの破断側面図である。
【図６】本技法のいくつかの実施形態による、起動する前に水注入システム内に安定した水の流れを確立する方法のフローチャートである。
【図７】本技法のいくつかの実施形態による、水注入システム起動基準が満たされたかどうかを判定する方法のフローチャートである。
【図８】本技法のいくつかの実施形態による、水注入システムを起動する方法のフローチャートである。
【図９】本技法のいくつかの実施形態による、安定した流れが確立されなかったときの、水注入システム始動中の水流量対時間のグラフである。
【図１０】本技法のいくつかの実施形態による、安定した流れが確立されたときの、水注入システム始動中の水流量対時間のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の１つまたは複数の特定の実施形態が以下で述べられるであろう。これらの実施形態の簡潔な説明を提供しようとして、実際の実施態様のすべての特徴が、本明細書で述べられなくてもよい。任意のこうした実際の実施態様の開発では、任意のエンジニアリングまたはデザインプロジェクトの場合と同様に、実施態様ごとに変わる可能性があるシステム関連制約およびビジネス関連制約に関するコンプライアンスなどの、多数の実施態様固有の決定が、開発者の特定の目的を達成するために行わ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、こうした開発努力は、複雑でかつ時間がかかるが、それでも、本開示の利益を受ける当業者にとって、デザイン、作製、および製造についての日常の仕事であることになることが理解されるべきである。
【００１２】
本発明の種々の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、要素の１つまたは複数が存在することを意味することが意図される。用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、包含的であり、また、挙げた要素以外のさらなる要素が存在してもよいことを意味することが意図される。
【００１３】
本開示の実施形態は、始動期間中に水注入システム内で流れの不安定性を低減する可能性がある。いくつかの実施形態は、圧力調節弁を水注入システムに接続する水ラインに結合するドレイン弁を含んでもよい。始動期間中に、水注入システム起動基準が満たされる場合、ドレイン弁は開放されてもよい。ドレイン弁が開放した状態で、水は、圧力調節弁から水注入システムとドレインの両方に流れる。水注入システムは、水注入システムへの入口において安定した水の流れが検出された後に起動されてもよい。ドレイン弁は、水注入システムを通して所望の流量が達成された後、閉鎖してもよい。最後に、水流量は、タービンシステムを通る燃料の流れに基づいて所望のレベルまで立ち上がってもよい。こうして、始動時における水注入システムを通る安定した水の流れが達成されてもよく、タービンエンジンに対する適切な水の流れを容易にする。
【００１４】
ここで図面を考え、また、図１を最初に参照すると、ガスタービンシステム１０の実施形態のブロック図が示される。図は、燃料ノズル１２、燃料供給部１４、および燃焼器１６を含む。示すように、燃料供給部１４は、タービンシステム１０に対する液体燃料および／または天然ガスなどのガス燃料を、燃料ノズル１２を通して燃焼器１６内に送る。燃料ノズル１２は、燃料を注入し、燃料を圧縮空気と混合するよう構成される。燃焼器１６は、燃料−空気混合物に点火し、燃焼させ、その後、加圧された熱い排出ガスをタービン１８内に渡す。排出ガスは、タービン１８内のタービンブレードを通過し、それにより、回転するようタービン１８を駆動する。次に、タービン１８のブレードと軸１９との間のカップリングは、示すようにタービンシステム１０全体を通していくつかのコンポーネントに同様に結合される軸１９の回転を生じることになる。最後には、燃焼プロセスの排出物は、排出口２０を介してタービンシステム１０を出てもよい。
【００１５】
タービンシステム１０のある実施形態では、圧縮器ベーンまたはブレードは、圧縮器２２のコンポーネントとして含まれる。圧縮器２２内のブレードは、軸１９に結合してもよく、また、軸１９が、タービン１８によって回転するように駆動されるときに回転することになる。圧縮器２２は、空気取込み部２４を介してタービンシステム１０に空気を取り込んでもよい。さらに、軸１９は、軸１９の回転によって動力供給されてもよい負荷２６に結合されてもよい。理解されるように、負荷２６は、電力生成プラントまたは外部機械式負荷などの、タービンシステム１０の回転出力によって電力を生成する可能性がある任意の適したデバイスであってよい。例えば、負荷２６は、発電機、飛行機のプロペラなどを含んでもよい。空気取込み部２４は、燃料ノズル１２によって後で空気３０を燃料供給１４と混合するために、冷たい空気の取込みなどの適したメカニズムによってタービンシステム１０内に空気３０を吸い込む。以下で詳細に説明されるように、タービンシステム１０によって取り込まれた空気３０は、圧縮器２２内に給送され、回転ブレードによって圧縮され、加圧された空気になってもよい。加圧された空気は、その後、矢印３２で示すように、燃料ノズル１２内に給送されてもよい。燃料ノズル１２は、その後、燃焼、例えば、燃料を浪費しないよう、または、過剰の放出物を生じないように、燃料をより完全に燃焼させる燃焼のための適した混合比を生成するために、加圧された空気と燃料を混合してもよい（数字３４で示す）。
【００１６】
いくつかの実施形態では、システム１０は、液体燃料作動に関連する放出物を低減するために、燃料ノズル１２による水注入を含んでもよい。例えば、水注入システム３６は、水を燃料ノズル１２に供給してもよい。水注入システム３６は、タービンシステム１０から別個であるかまたは独立しているスキッド搭載式ユニットなどの独立型ユニットであってよい。同様に、水注入システム３６は、水供給部３８から別個であるかまたは独立していてもよい。そのため、水注入システム３６は、水供給部３８から水を受け取り、その後、媒介物として働いて、水をタービンシステム１０（例えば、水注入多岐管）へ送ってもよい。示すように、水は、水供給部３８と水注入システム３６との間の圧力調節弁４０を通って流れてもよい。圧力調節弁４０は、所望の水圧を達成するために、水の流れを自動的に調整する。しかし、圧力調節弁４０は、水注入システム３６およびタービンシステム１０による水需要が高いため、高い流量（低い流量ではなく）で作動するよう構成されてもよい。結果として、水圧振動は、低い流量の水注入システム始動中に、圧力調節弁４０において、かつ／または、弁４０と水注入システム３６との間で生じる可能性がある。
【００１７】
開示される実施形態では、いくつかの制御機構は、水圧振動を実質的に減少させまたは減衰させて、水の流れが低い状況および／または始動状況中に安定した水の流れを提供し、それにより、液体燃料セットアップおよび作動に関連するダウンタイムおよび問題を低減する。例えば、タービンシステム１０は、安定した流れを確立するために、水注入システム始動中に開放するよう構成されたドレイン弁４２を含む。コントローラ４４は、水注入システム３６にとって起動が適切であると判定すると、開放するようドレイン弁４２に指示する。水は、その後、水圧が安定するまで、ドレイン弁４２を通して流れる。コントローラ４４は、安定した水の流れを検出すると、水注入システム３６を起動する。コントローラ４４は、その後、所望の水流量が達成されると、ドレイン弁４２を閉鎖する。こうして、水注入システム３６が起動する前に、安定した水の流れが確立される。
【００１８】
図２は、図１に示す水注入システム３６の詳細ブロック図を提示する。水は、水供給部３８から圧力調節弁４０および水導管４５を通って水注入システム３６へ流れる。ドレインライン４６は、圧力調節弁４０の下流でかつ水注入システム３６の上流の水導管４５に結合される。ドレインライン４６に入る水は、ドレイン弁４２、オリフィス４８、手動仕切り弁（ｉｓｏｌａｔｉｏｎ  ｖａｌｖｅ）５０を通って流れ、最終的にドレインに出る。ドレイン弁４２は、水注入システム３６が起動する前に、安定した水の流れが確立するために開放するよう構成される。オリフィス４８は、ドレインライン４６を通る流れを制限するよう構成される。例えば、いくつかの実施形態では、ドレインライン４６の径は、ほぼ０．５、１、１．５、２、２．５、３、または３．５インチあるいはそれらの間の任意の径より大きい。例えば、ドレインライン４６が２インチ径を有する場合、オリフィス４８の径は、ほぼ０．２５〜０．７５インチ、０．３〜０．７インチ、０．４〜０．６インチ、またはほぼ０．４７インチであってよい。結果として、オリフィス４８は、水注入システム始動中に、約２０〜９０ガロン、３０〜８０ガロン、４０〜７０ガロン、または約６０ガロンの水のみが、ドレインライン４６を通して流れるように、水の流れを制限してもよい。ドレインライン４６およびオリフィス４８の径は、水の流れの基準に基づいて変わる可能性がある。例えば、大きな水流量を利用するタービンシステムについて、大きな径が使用されてもよい。さらに、手動仕切り弁５０は、ドレインライン４６に沿ってオリフィス４８から下流に配設される。手動仕切り弁５０は、水注入システム３６が作動していないときに、水注入システム３６をドレインから分離するのに役立つ。例えば、タービンシステムが、ガス燃料で作動する場合、水注入システム３６は、長い期間、作動しないままであってよい。したがって、手動仕切り弁５０は、水注入システム３６をシールするために閉鎖してもよい。
【００１９】
先に説明したように、水は、水導管４５を通って水注入システム３６に入る。圧力センサ５２は、入口５３に隣接して水注入システム３６内に配設されてもよい。圧力センサ５２は、コントローラ４４に通信可能に結合し、また、水圧を指示する信号をコントローラ４４に送出するよう構成される。例えば、始動中、圧力センサ５２は、水圧変動を測定し、これらの変動を指示する信号をコントローラ４４に送出してもよい。コントローラ４４は、その後、この信号を解析して、水注入システム起動中、変動が、確立されたパラメータ内にあるかどうかを判定することができる。
【００２０】
水注入システム３６は、１つには、水ポンプ５４に係合することによって起動される。図２に見られるように、各水ポンプ５４は、可変周波数ドライブ（ｖａｒｉａｂｌｅ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｄｒｉｖｅ）（ＶＦＤ）５８によって制御されるモータ５６によって駆動される。ＶＦＤ５８は、ポンプモータ速度の連続変化を容易にする。例えば、ＶＦＤ５８は、ポンプモータ５６が異なる速度で作動するように、ポンプモータ５６に供給される電気の周波数を変えてもよい。ポンプモータ５６の速度を変えることは、ポンプ５４を通して流れる水の量を変化させてもよい。ＶＦＤ５８は、コントローラ４４がポンプ５４を起動し、その容量を変えるように、コントローラ４４に通信可能に結合する。例えば、低い水流量が所望されるとき、コントローラ４４は、ＶＦＤ５８を介して低い容量で作動するようポンプ５４に指令してもよい。逆に、水需要が高い期間中に、コントローラ４４は、ポンプ５４の容量を増加するようにＶＦＤ５８に指令してもよい。図２に提示する実施形態は、並列に接続された２つのポンプ５４を含む。しかし、他の実施形態は、並列または直列の流れ構成で配列された、より多いかまたはより少ないポンプ５４を使用してもよい。
【００２１】
圧力センサ６０は、ポンプ５４から下流で水注入システム３６に結合され、また、ポンプ５４を出る水の圧力を測定するよう構成される。圧力センサ６０は、コントローラ４４に通信可能に結合し、また、水圧を指示する信号をコントローラ４４に送出するよう構成される。この信号に基づき、コントローラ４４は、所望の水圧を達成するためにポンプ作動を調整してもよい。流量計６２は、圧力センサ６０から下流に配設され、また、ポンプ５４から出る水流量を測定するよう構成される。流量計６２は、コントローラ４４に通信可能に結合し、また、所望の水圧を達成するためにコントローラ４４がポンプ作動を調整するように、流量を指示する信号を送出するよう構成される。目標水流量は、タービンシステム需要に基づく。例えば、タービン負荷が高い期間中、目標水流量は増加する可能性がある。こうした状況では、コントローラ４４は、目標流量が達成されたことを流量計６２が指示するまで、ポンプ速度を上げてもよい。止め弁６４は、流量計６２から下流に配設される。止め弁６４は、水注入システム３６が作動しないときに閉鎖してもよく、また、水注入システム３６の起動によって開放してもよい。止め弁６４は、水注入が望まれないとき（例えば、ガス燃料作動中）、水がタービンエンジンに入るのを遮断してもよい。止め弁６４は、水注入システム３６の起動に応答してコントローラ４４が止め弁６４を開放するように、コントローラ４４に通信可能に結合する。
【００２２】
水注入システム３６からの水は、水注入システム３６から下流に配置される水注入多岐管６６に流れる。いくつかの実施形態では、水注入多岐管６６は、タービンエンジンの周りに配設された円柱部材を含み、多岐管６６は、水を各燃焼器に送出するよう構成される。水注入多岐管６６は、タービンシステム内で、各燃焼器に同じ水の流れを提供してもよい。燃焼器に入る前に、水は、燃焼器内の各燃料ノズルに水の流れを分配するよう構成された流れプロポーショニング弁６８を通って流れる。水は、その後、燃焼器に入り、燃料および空気と結合して、タービンシステム放出物を低減してもよい。
【００２３】
図３は、開示される実施形態の流れ安定化機構を有する水注入システム３６と共に使用されてもよいタービンシステム１０の実施形態の分解断面図を示す。先に説明したように、開示される実施形態は、水注入システム３６の上流の水の流れを安定化して、液体燃料および水注入によってタービンシステム１０の容易なセットアップおよび作動を可能にする。示すように、実施形態は、燃焼器１６の環状アレイに結合される圧縮器２２を含む。例えば、１８の燃焼器１６が、タービンシステム１０内に配置されてもよい。各燃焼器１６は、１つまたは複数の燃料ノズル１２を含み、燃料ノズル１２は、各燃焼器１６内に配置される燃焼ゾーンに空気−燃料混合物を給送する。例えば、各燃焼器１６は、環状または他の適した配置構成で、１つ、２つ、３つ、４つ、５つ、６つ、７つ、８つ、９つ、１０、またはそれより多くの燃料ノズル１２を含んでもよい。燃焼器１６内での空気−燃料混合物の燃焼は、排出ガスが排出口２０に向かって流れるときに、タービン１８内のベーンまたはブレードを回転させることになる。
【００２４】
図４は、開示される実施形態の流れ安定化機構を有する水注入システム３６と共にタービンシステム１０に関して使用されてもよい燃焼器１６の実施形態の詳細分解側面図である。先に説明したように、開示される実施形態は、水注入システム３６の上流の水の流れを安定化させて、各燃焼器１６内での液体燃料および水注入によってタービンシステム１０の容易なセットアップおよび作動を可能にする。示すように、燃焼器１６は、燃焼器１６のベースまたはヘッド端部７１で端部カバー７０に取り付けられる燃料ノズル１２を含む。燃焼器１６の典型的な配置構成は、５つまたは６つの燃料ノズル１２を含むことができる。燃焼器１６の他の実施形態は、単一の大きな燃料ノズル１２を使用することができる。燃料ノズル１２の表面および幾何形状は、空気および燃料が下流に流れて燃焼器１６に入るときに、空気および燃料について最適な混合および流路を提供するようにデザインされ、それにより、チャンバ内の燃焼の増大を可能にし、そのため、タービンエンジン内でより多くの電力を生成する。燃料混合物は、燃料ノズル１２から下流に、燃焼器ケーシング７６内部の燃焼ゾーン７４への方向７２に吐出される。燃焼ゾーン７４は、空気−燃料混合物の点火が、燃焼器１６内で最も適切であるロケーションである。示す実施形態では、燃焼ゾーン７４は、燃料ノズル１２から下流で、かつ、加圧された排出ガスをタービン１８の方に向ける移行ピース７８から上流の燃焼器ケーシング７６内部に配置される。移行ピース７８は、燃焼した排出物が燃焼器１６から流れ出るときに速度増加を可能にする、収束セクションを含み、タービン１８を回転させるためのより大きな力を生成する。次に、排出ガスは、負荷２６を駆動するため軸１９の回転を生じる。ある実施形態では、燃焼器１６はまた、燃焼ゾーン７４の周りのケーシング７６を冷却する冷却用空気流用の中空環状経路を提供するための、ケーシング７６内部に配置されるライナー８０を含む。ライナー８０はまた、燃料ノズル１２からタービン１８への流れを改善するための適した輪郭を提供してもよい。
【００２５】
図５は、開示される実施形態の流れ安定化機構を有する水注入システム３６と共に燃焼器１６において使用されてもよい例示的な燃料ノズル１２の分解側面図である。先に説明したように、開示される実施形態は、水注入システム３６の上流の水の流れを安定化させて、燃料ノズル１２による液体燃料および水注入によってタービンシステム１０の容易なセットアップおよび作動を可能にする。特に、燃料ノズル１２は、空気、水、液体燃料、およびガス燃料を燃焼器１６に供給するよう構成される。燃料ノズル１２は、後方供給セクション８２および前方送出セクション８４を含む。後方供給セクション８２は、燃焼器ヘッド端部７１から流体を受け取るよう構成された入口を含む。前方送出セクション８４は、流体を、燃焼器１６の燃焼ゾーンに送出するよう構成される。ガス燃料は、ガス入口８６に入り、ガス通路８８を通ってガス燃料注入器９０まで流れる。ガス燃料注入器９０は、ガス燃料を注入器９０から燃焼器１６へ伝達するよう構成されたアパーチャ９２を含む。同様に、空気は、環状空気入口９４に入り、空気通路９６を通って流れ、オリフィス９８を出る。こうして、空気は、燃焼器ヘッド端部７１から燃焼ゾーン７４に向かって流れる。水は、環状空気入口１００に入り、水通路１０２を通って流れる。液体燃料は、液体燃料入口１０４に入り、液体燃料通路１０６を通って流れる。水と液体燃料は共に、オリフィス１０８を通って、燃料ノズル１２を出る。理解されるように、燃料−空気混合物に対する水の付加は、ＮＯＸおよびＣＯ放出物を低減する。
【００２６】
図６は、水注入システム３６が起動する前に、安定した水の流れを確立する方法１１０のフローチャートを提示する。最初に、ブロック１１２で示すように、水注入システム３６が起動されてもよいかどうかを判定するために、水注入システム起動基準が検証される。以下で詳細に説明されるように、水注入システム３６は、いくつかのタービンシステム１０作動条件に応じて起動されてもよい。これらの条件が満たされる場合、ドレイン弁４２は、ブロック１１４で示すように開放される。ドレイン弁４２を開放することは、圧力調節弁４０からの水が、ドレイン内に流れることを可能にする。
【００２７】
次に、ブロック１１６で示すように、水注入システム３６への入口５３における水圧が測定されて、安定した水圧が確立されたかどうかが判定される。水圧は、圧力が、特定の期間の間、所望圧力の指定された許容度内に留まるときに安定する。例えば、いくつかの実施形態では、水注入システム起動用の所望の水圧は、ほぼ６５ｐｓｉである。こうした構成では、＋／−５ｐｓｉの許容度および５秒の最小時間が確立されてもよい。換言すれば、水圧が、ほぼ５秒の間、ほぼ６０ｐｓｉと７０ｐｓｉとの間に留まる場合、方法１１０は、継続して次のステップに進んでもよい。所望の圧力、許容度、および最小時間を含むこれらの流れ安定性パラメータは、タービンシステム１０の構成に基づいて変わってもよい。例えば、所望の圧力は、ほぼ３０〜１２０ｐｓｉ、４０〜１００ｐｓｉ、５０〜８０ｐｓｉ、またはほぼ６５ｐｓｉであってよい。さらに、許容度は、約１、２、３、４、５、６、７、または８ｐｓｉあるいはそれらの間の任意の圧力未満であってよい。同様に、最小時間は、ほぼ１、２、３、４、５、６、７、または８秒あるいはそれらの間の任意の時間であってよい。
【００２８】
安定した水圧が確立されない場合、方法１１０は、水圧が安定するまで、ステップ１１６を繰返してもよい。さらに、方法１１０は、タイムアウト期間を使用してもよく、タイムアウト期間後に、安定した水の流れが確立されなかったことを、オペレータが知らされる。例えば、ほぼ３０秒のタイムアウト期間が設定されてもよい。こうした構成では、安定した水の流れが、ステップ１１６に入った後、ほぼ３０秒以内に確立されなかった場合、オペレータは、その状況を知らされるため、是正処置（例えば、圧力調節弁４０を閉鎖すること）がとられてもよい。より短いかまたはより長いタイムアウト期間は、代替の実施形態で使用されてもよい。例えば、タイムアウト期間は、約１０、２０、３０、４０、５０、または６０秒あるいはそれらの間の任意の時間より長くてもよい。
【００２９】
安定した水圧が確立された場合、水注入システム３６は、ブロック１１８に示すように起動されてもよい。以下で詳細に説明するように、水注入システム３６の起動は、ポンプ５４をターンオンすること、および、止め弁６４を開放することを含む一連のステップを含んでもよい。水注入システム３６が起動されると、方法１１０は、ステップ１２０に進み、所望の水流量が確立されたかどうかを判定する。例えば、いくつかの実施形態では、所望の水注入流量は、約３０〜１５０ガロン／分（ｇｐｍ）、６０〜１２０ｇｐｍ、８０〜１００ｇｐｍ、または約９０ｇｐｍである。この流量は、ドレイン排水容量の倍数に相当してもよい。例えば、ドレイン排水容量は、約１０〜５０ｇｐｍ、２０〜４０ｇｐｍ、２５〜３５ｇｐｍ、または約３０ｇｐｍとすることができる。さらに、水注入システム入口５３における所望の水流量は、ドレイン流量のほぼ２、２．５、３、３．５、または４倍あるいはそれらの間の任意の倍数より大きくてもよい。例えば、ドレイン排水容量が、ほぼ３０ｇｐｍであり、また、倍数がほぼ３である場合、水注入システム入口５３における所望の水流量は、ほぼ９０ｇｐｍであってよい。他の実施形態は、異なる倍数および／または異なるドレイン流量および／または水注入流量を使用してもよい。さらに、別のタイムアウトは、水注入システム起動後のある期間内に所望の流れが確立されない場合に、オペレータが知らされるように使用されてもよい。いくつかの実施形態では、このタイムアウト期間は、ほぼ１〜１０分、３〜７分、４〜６分、またはほぼ５分であってよい。例えば、所望の水流量が、約５分後に確立されない場合、オペレータが知らされるため、是正処置（例えば、水注入システム３６の停止）がとられてもよい。タイムアウト期間は、代替の実施形態ではより長いかまたは短くてもよい。
【００３０】
所望の水注入システム流量が確立された場合、ドレイン弁４２は、ブロック１２２で示すように閉鎖される。ドレイン弁４２は、ある期間にわたって閉鎖するよう構成されてもよい。例えば、いくつかの実施形態は、ほぼ５〜６０秒、１０〜５０秒、２０〜４０秒、またはほぼ２５秒の期間にわたってドレイン弁を閉鎖してもよい。ドレイン弁４２が閉鎖されると、水供給部３８からの実質的にすべての水は、水注入システム３６内に、また、最終的に燃料ノズル１２内に流れる。この時点で、水注入流量は、ブロック１２４で示すように目標レベルまで立ち上がってもよい。目標レベルは、タービンシステム１０の水の流れ基準に相当する。例えば、高負荷状況中は、タービンシステム１０は、高い水流量を利用して、タービンシステム１０が規制に関する放出物レベル内で作動することを保証することができる。
【００３１】
図７は、一実施形態における図６のブロック１１２で実施されるステップの詳細フローチャートを示す。ブロック１１２は、水注入システム起動基準が満たされたかどうかを判定する。第１基準は、ブロック１２６で示すように、水注入システム故障がないことである。例えば、コントローラ４４は、水注入システム３６内の各コンポーネント（例えば、ポンプ５４、止め弁６４など）をポーリングして、コンポーネントが作動しているかどうかを判定することができる。コンポーネントが作動していない場合、システムが、いやしくも作動する場合、非効率的に作動する可能性があるため、水注入システム３６の起動は望ましくない可能性がある。しかし、水注入システム故障がまったく検出されない場合、方法１１２は、次のステップに進んでもよい。
【００３２】
次のステップは、ブロック１２８で示すように、タービンシステム１０が液体燃料だけで作動しているかどうかを判定する。先に説明したように、タービンシステム１０は、液体燃料および／またはガス燃料で作動してもよい。ガス燃料作動の期間中、規制に関する放出物要件は、水注入を使用しない状態で満たされる可能性がある。したがって、ステップ１２８は、水注入システム起動を、水注入が放出物を所望のレベルまで低減する可能性がある液体燃料作動に制限する。
【００３３】
タービンシステム１０が液体燃料だけで作動している場合、ブロック１３０で示すように、水注入について十分な燃料流量が確立されたかどうかを判定するために、燃料の流れが調べられてもよい。燃料の流れが低い期間の間、放出物要件は、水注入システム３６を起動することなく、満たされる可能性がある。したがって、水利用は、こうしたレジメンにおいて水注入を一時停止することによって低減される可能性がある。しかし、燃料の流れが高い期間の間、水注入は、タービンシステム放出物を許容可能なレベルまで低減するのに役立つ可能性がある。結果として、水注入システム３６は、目標流量に応じて（または、目標流量に達することによって）起動される。タービンシステムの燃料の流れが、目標流量を超える場合、燃焼器温度が監視されて、ブロック１３２で示すように、燃焼器温度が、水注入システム起動のための十分なレベルに達したかどうかが判定されてもよい。ステップ１３０と同様に、いくつかの燃焼器温度レジメン内でタービンシステム１０を作動させることは、水注入を使用することなく、規制に関する限度内で放出物を生成する可能性がある。したがって、水注入システム３６は、燃焼器温度が、この範囲外に属するときに、起動される可能性がある。
【００３４】
タービンシステム１０が、所望の燃焼器温度で作動している場合、タービン負荷が測定されて、ブロック１３４で示すように、負荷が、水注入システム３６を起動するのに十分であるかどうかが判定されてもよい。例えば、タービンシステム１０が始動されると、タービン速度は、負荷が加えられる前に、所望のレベルまで徐々に増加してもよい。電力生成に関して、タービンは、起動され、発電機に係合する前に所望の回転レートにセットされてもよい。通常、タービンシステム１０からの放出物は、タービンシステム１０が無負荷である間、確立したレベルを超えない。したがって、水注入システム３６は、十分な負荷が検知されるまで起動されない可能性がある。
【００３５】
最後に、ブロック１３６で示すように、水注入システム入口５３における圧力が測定されて、圧力が所定のレベルに達したかどうかが判定される。例えば、いくつかの実施形態では、この圧力は、約１０〜６０ｐｓｉ、２０〜４０ｐｓｉ、２５〜３５ｐｓｉ、または約３０ｐｓｉであってよい。他の実施形態は、より高いかまたはより低い水注入システム始動圧力を利用してもよい。所望の圧力が確立された場合、ステップ１１２は、終了し、水注入システム起動の前に安定した流れを確立する方法が継続してもよい。しかし、所望の圧力が確立されない場合、オペレータは、タイムアウト期間後の状況を知らされてもよい。いくつかの実施形態では、このタイムアウト期間は、ほぼ１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、または４５秒あるいはそれらの間の任意の時間より長くてもよい。例えば、ステップ１３６が始められた後、ほぼ３０秒が経過しており、また、所望のシステム入口圧力が確立されていない場合、オペレータが知らされ、状況を解決するために是正処置がとられてもよい。
【００３６】
図８は、一実施形態における図６のブロック１１８で実施されるステップの詳細フローチャートを示す。ステップ１１８は、水注入システム３６を起動するステップを含む。最初に、ブロック１３８で示すように、最小目標水注入流量がセットされる。この最小流量は、流れを所望のレベルまで立ち上げる前に水注入システム３６を通して安定した流れを確立することを容易にする。最小目標水注入流量がセットされると、ブロック１４０で示すように、水注入ポンプ５４が起動される。先に説明したように、コントローラ４４は、ポンプモータ５６に係合するようＶＦＤ５８に指令することによって、ポンプ５４を起動してもよい。ポンプ５４が係合すると、水圧が、水注入システム３６全体を通して増加する。ブロック１４２で示すように、時間遅延が実施されて、ブロック１４４で示すように止め弁６４を開放する前に、この圧力増加が容易になる。止め弁６４が開放されると、水は、水多岐管６６から、水供給部３８からの流路を終了させるタービンシステム１０の燃料ノズル１２まで流れてもよい。この時点で、水注入流量は、ブロック１４６で示すように、目標レベルまで立ち上がる。目標レベルは、燃料流量に基づいて決定されてもよい。例えば、より高い水流量が、燃料の流れが増加する期間中に利用されて、エミッション規格に関するコンプライアンスが保証されてもよい。所望の水注入流量が達成されると、安定した水の流れを確立する方法が継続してもよい。
【００３７】
図９は、安定した流れが確立されなかったときの、水注入システム起動中の水流量対時間のグラフである。この図は、水注入システム始動中に、コントローラ４４がドレイン弁４２を起動しない状況を示す。曲線１４８は、所望の水流量を示し、曲線１５０は、実際の水流量を示し、曲線１５２は、水注入システム３６への入口５３における水圧を示し、曲線１５４は、指令された水注入ポンプ出力を示す。所望の水流量は、タービンシステム１０によって決定される。いくつかのパラメータ（例えば、燃焼器温度、燃料流量など）に基づいて、タービンシステム１０は、放出物を許容可能なレベルまで低減するのに十分な所望の水流量を計算する。曲線１４８で示すように、タービンシステム１０は、その後、この所望の流量を指示する電子信号を水注入システムコントローラ４４に送出する。
【００３８】
曲線１５０は、水注入システム３６によって生成される実際の水流量を示す。水注入システム作動中、実際の水流量が、所望の水流量に実質的に一致することが望ましい。図９からわかるように、実際の水流量１５０は、所望の水流量１４８をたどらない。以下で詳細に説明するように、この低い相関は、水注入システム３６内の流れの不安定性による。
【００３９】
曲線１５２が示すように、入口圧力は、ほぼ２０秒において急速に降下する。この圧力降下１５６は、水注入システム３６内の流れの不安定性による。曲線１５４が示すように、水注入ポンプ５４は、入口圧力降下１５６とほぼ同時に起動される。先に説明したように、圧力調節弁４０は、所望の圧力を達成するために流れを自動的に調整するよう構成される。同様に、水注入システム３６は、所望の流量を達成するためにポンプ容量を自動的に変えるよう構成される。水注入ポンプ５４が起動されると、圧力調節弁４０とポンプ５４との間の相互作用は、水注入システム３６内の振動を生成する。それは、圧力調節弁４０が、ゼロの流れから低い流れの作動へ移行するよう構成されないからである。圧力降下１５６時に、圧力調節弁４０は、振動を補償するために、完全開放にセットされる。２回目の水圧降下１５８は、圧力調節弁４０とポンプ５４との間の相互作用が水入口圧力を急速に降下させる、ほぼ４５秒において始まる。最後に、水注入システム３６は、流れ１６０を終了させ、再初期化される。曲線１５２が示すように、水注入システム入口５３における水圧は、流れの終了１６０時点でほぼゼロまで降下する。したがって、水注入システム３６は、ポンプ５４に入る水の流れが非常に少ないため停止する。プロセスは、その後、２回目の流れの終了１６２まで繰返され、水注入システム３６を起動するための３回目の試みが行われる。図９からわかるように、３つの試みすべてが不成功である。換言すれば、実際の水の流れ１５０は、所望の水の流れ１４８に決して実質的に一致することはない。
【００４０】
図１０は、安定した流れが確立されたときの、水注入システム起動中の水流量対時間のグラフである。曲線１６４は、所望の水流量を示し、曲線１６６は、実際の水流量を示し、曲線１６８は、水注入システム入口５３における水圧を示し、曲線１７０は、指令されたポンプ容量を示す。曲線１６４および１６６からわかるように、実際の水流量は、厳密に所望の水流量をたどり、成功裏の水注入システム始動を示す。
【００４１】
ほぼ２０秒において、ドレイン弁４２が開放される１７２。曲線１６８からわかるように、安定した水圧は、ドレイン弁４２が開放された１７２後、ほぼ５秒して達成される１７４。先に説明したように、水圧は、圧力が、特定の期間の間、所望圧力の指定された許容度内に留まるときに安定する。本実施形態では、水注入システム起動のための所望の水圧は、ほぼ６５ｐｓｉである。さらに、約＋／−５ｐｓｉの許容度および約５秒の最小時間が確立される。換言すれば、水圧が、ほぼ５秒の間、ほぼ６０ｐｓｉと７０ｐｓｉとの間に留まる場合、圧力は安定であると考えられる。図１０に見られるように、水圧は、ドレイン弁４２が開放された１７２後、５秒より長い時間の間６０ｐｓｉと７０ｐｓｉとの間に留まる。したがって、先に規定したパラメータに基づいて、水圧が安定した１７４。
【００４２】
水圧が安定すると、水注入システム３６が始動される。曲線１７０からわかるように、水ポンプ５４は、安定した圧力が確立された１７４後、ほぼ５秒して起動される１７６。曲線１６８が示すように、水圧は、ポンプ５４と圧力調節弁４０との間の相互作用のために、ポンプ５４が起動された１７６後に変動する。しかし、これらの変動は、図９に見られる急峻な圧力降下と比較すると比較的小さい。ほぼ７０秒において、止め弁６４が開放され１７８、水がタービンエンジン内に流れることが可能になる。さらに、この時点で、水流量は、目標レベルまで立ち上がり始める。
【００４３】
ほぼ１５２秒において、ドレイン弁４２は、水流量が所定のレベルに達したため閉鎖される１８０。この時点で、水注入システム３６は、水をドレインに分岐させることなく、通常通り作動してもよい。最後に、ほぼ２３０秒において、水注入流量は、所望のレベルに達する１８２。曲線１６４および１６６からわかるように、実際の水流量は、立ち上がりおよび定常状態流れレジメン全体を通して所望の水流量を厳密にたどる。図１０が示すように、ドレイン弁４２を開放することおよび閉鎖することは、システム始動中に水注入システム３６を通した安定した水の流れを容易にする。
【００４４】
要約すると、開示される実施形態は、圧力調節弁４０と水注入システム３６が共に水の流れを安定化しようとすることに関連する圧力変動に対処する。残念ながら、開示される実施形態がない場合、システムは、タービンエンジンへの水の流れを安定化することができない。結果として、水注入に関連する問題があるため、タービンエンジンに関して液体燃料をセットアップし使用することは特に難しい可能性がある。やはり先に説明したように、ドレイン弁４２は、流れの安定化を、最初に圧力調節弁４０によって、それに続いて、水注入システム３６の立ち上げによって可能にする。すなわち、ドレイン弁４２は、同時または並列制御スキーム（すなわち、弁４０とシステム３６の両方による流れの制御）を、直列のまたは順次の制御スキーム（すなわち、弁４０と、それに続くシステム３６）に本質的に変更する。換言すれば、ドレイン弁４２は、圧力調節弁４０の圧力制御機構と水注入システム３６の圧力制御機構との間の競合を低減するかまたはなくす。そのため、ドレイン弁４２は、安定した流れが、水注入システム３６に供給され、それにより、水注入システム３６が、圧力調節弁４０と競合することになる可能性を低減するかまたはなくすことを保証する。
【００４５】
この記載された説明は、最良モードを含む、本発明を開示するための実施例、また同様に、任意のデバイスまたはシステムを作製することおよび使用することならびに任意の組み込まれた方法を実施することを含む、当業者が本発明を実施することを可能にするための実施例を使用する。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって規定され、また、当業者が思いつく他の実施例を含んでもよい。こうした他の実施例は、特許請求の範囲の文字的言語と異ならない構造的要素を有する場合、または、特許請求の範囲の文字的言語からの実体のない差異を有する等価な構造的要素を含む場合、特許請求の範囲にあることを意図される。
【符号の説明】
【００４６】
１０  タービンエンジン
１２  燃料ノズル
１４  燃料
１６  燃焼器
１８  タービン
１９  軸
２０  排出口
２２  圧縮器
２４  取込み部
２６  負荷
３０  空気
３６  水注入システム
３８  水供給部
４０  圧力調節弁
４２  ドレイン弁
４４  コントローラ
４５  水導管
４６  ドレインライン
４８、９８、１０８  オリフィス
５０  手動仕切り弁
５２、６０  圧力センサ
５３  入口
５４  ポンプ
５６  モータ
５８  ＶＦＤ
６０  圧力センサ
６２  流量計
６４  止め弁
６６  水注入多岐管
６８  流れプロポーショニング弁
７０  端部カバー
７１  ヘッド端部
７４  燃焼ゾーン
７６  燃焼器ケーシング
７８  移行ピース
８０  ライナー
８２  後方供給セクション
８４  前方送出セクション
８６  ガス入口
８８  ガス通路
９０  ガス燃料注入器
９２  アパーチャ
９４  空気入力
９６  空気通路
１００  環状空気入口
１０２  水通路
１０４  液体燃料入口
１０６  液体燃料通路
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2010174890.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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