(57)【要約】      （修正有）【課題】即応性出力増強系を提供することによりガスタービンの不足周波数応答を改良するシステム及び方法を提供する。【解決手段】システムは、１〜３の専用回路を介して圧縮機ベルマウス１３６、圧縮機排出チャンバー（ＣＤＣ）１３８、及び／又は燃焼系に注入される希釈剤として供給されるエタノール又はメタノールのような駆動燃料と脱塩水を所定の比でブレンドした混合物を貯蔵するタンク１１２を含む。ガスタービン送電網遵守要件の要求を満たす適当な持続時間正確な圧力で希釈剤の即時の注入を達成するために、専用回路に増強流体を駆動する駆動力としてアキュムレーターを使用する。注入される希釈剤は、最良のタービン制御及び性能の決定に基づいて、３つの回路全てに同時に、又は順番になるようにマイクロプロセッサーで制御される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンエンジン及び／又は圧縮すされた空気を前記タービンエンジンに供給する空気圧縮機への燃料及び空気の供給を制御するタービン制御システムであって、
前記タービンエンジンは電力送電網に接続されて発電電力を供給し、前記システムは、
前記電力送電網の標準化された送電網周波数値からの周波数変動をモニターする少なくとも１つのセンサー、
水及び駆動燃料の混合物を加圧下に貯蔵するアキュムレーター、及び
検出された送電網周波数の変動に応答してタービンエンジンへの燃料及び空気流を調節する制御装置
を含み、前記制御装置は、前記少なくとも１つのセンサーが前記電力送電網の不足周波数状態を検出したとき、水及び駆動燃料の加圧された混合物を少なくとも前記圧縮機に供給して前記タービンエンジンへの質量流量を増大する、前記タービン制御システム。
【請求項２】
駆動燃料がエタノール、メタノール、又はこれらの任意の組合せの少なくとも１つを含む、請求項１記載のタービン制御システム。
【請求項３】
前記アキュムレーターの出力が、水及び駆動燃料の前記混合物を、第１の流路を介して前記圧縮機のベルマウスに、第２の流路を介して前記圧縮機の出力で圧縮機排出チャンバーに、前記制御装置の制御下で第３の流路を介して前記タービンエンジンの燃焼系に、又はこれらの任意の組合せで選択的に供給するようにされている、請求項１記載のタービン制御システム。
【請求項４】
前記制御装置が、検出された不足周波数状態を修正するために検出された不足周波数状態応答時間条件の程度に基づいて水及び駆動燃料の前記混合物を前記第１、第２及び／又は第３の流路に選択的に供給するように前記電力送電網の検出された不足周波数状態に応答してタービンエンジンの電力出力を増大するのに使用される前記混合物の質量流量の送出を制御するための一組の規則でプログラムされている、請求項３記載のタービン制御システム。
【請求項５】
前記制御装置が、タービン作動パラメーター、排出圧力を決定するための送電網変動、及び検出された不足周波数状態に応答して水及び駆動燃料の混合物を第１、第２及び／又は第３の流路に割り当てるための圧力低下率に基づくアルゴリズムを実行するためにソフトウェアを処理するプロセッサーを含む、請求項４記載のタービン制御システム。
【請求項６】
さらに、前記電力送電網の不足周波数状態の検出に応答して遅れのない応答性を有効に送り出す圧力に前記アキュムレーターを連続的に充填する空気加圧系を含む、請求項１記載のタービン制御システム。
【請求項７】
前記空気加圧系が前記制御装置の制御下で前記アキュムレーターに圧縮機の抽気を供給するフローチャンネルを含む、請求項６記載のタービン制御システム。
【請求項８】
前記空気加圧系が可変周波数排出空気ポンプを含む、請求項６記載のタービン制御システム。
【請求項９】
電力送電網に接続されたタービンエンジン、
少なくとも圧縮された空気を前記タービンエンジンに供給する圧縮機、及び
前記電力送電網の標準化された送電網周波数値からの周波数変動をモニターする少なくとも１つのセンサー、並びに検出された送電網周波数の変動に応答してタービンエンジンへの燃料及び空気流を調節する制御装置を含むタービンエンジン制御系
を含み、前記制御装置は、前記センサーが前記電力送電網の不足周波数状態を検出したとき、前記制御装置の制御下で、第１の流路を介して前記圧縮機のベルマウスへ、第２の流路を介して前記圧縮機の出力で圧縮機排出チャンバーへ、第３の流路を介して前記タービンエンジンの燃焼系へ、又はこれらの任意の組合せで駆動燃料を選択的に供給して前記タービンエンジンへの質量流量を増大する、発電システム。
【請求項１０】
増強駆動燃料が水及びエタノール又はメタノールの混合物であり、前記タービンエンジン制御系がさらに水及びエタノール又はメタノールの前記混合物を加圧下に貯蔵するアキュムレーターを含む、請求項９記載のシステム。
【請求項１１】
前記制御装置が、検出された不足周波数状態を修正するために検出された不足周波数状態及び応答時間条件の程度に基づいて前記第１、第２及び／又は第３の流路に水及びエタノール又はメタノールの前記混合物を選択的に供給するように、前記電力送電網の検出された不足周波数状態に応答してタービンエンジンの電力出力を増大するのに使用される前記混合物の質量流量の送出を制御するための一組の規則でプログラムされている、請求項１０記載のシステム。
【請求項１２】
前記制御装置が、検出された不足周波数状態に応答して、タービン作動パラメーター、排出圧力を決定するための送電網変動、並びに水及びエタノール又はメタノールの混合物を第１、第２及び／又は第３の流路に割り当てるための圧力低下率に基づいてアルゴリズムを実行するようにソフトウェアを処理するプロセッサーを含む、請求項１１記載のシステム。
【請求項１３】
さらに、前記電力送電網の不足周波数状態の検出に応答して遅れのない応答性を有効に送り出す圧力まで前記アキュムレーターを連続的に充填する空気加圧系を含む、請求項１０記載のシステム。
【請求項１４】
前記空気加圧系が、前記制御装置の制御下で前記アキュムレーターに圧縮機抽気を供給するフローチャンネルを含む、請求項１３記載のシステム。
【請求項１５】
前記空気加圧系が可変周波数排出空気ポンプを含む、請求項１３記載のシステム。
【請求項１６】
タービンエンジン及び／又は前記タービンエンジンに圧縮された空気を供給する空気圧縮機への燃料及び空気の供給を制御するための方法であって、前記タービンエンジンが電力送電網に接続されて発電電力を供給し、前記方法は、
前記電力送電網の標準化された送電網周波数値からの不足周波数のずれを検出し、
前記電力送電網の前記不足周波数のずれが検出されたとき水及び駆動燃料の加圧された混合物を少なくとも前記圧縮機に供給して前記タービンエンジンへの質量流量を増大することにより少なくとも前記圧縮機への質量増強流を調節する
ことを含む、前記方法。
【請求項１７】
さらに、タービンエンジンの燃焼器が前記電力送電網の周波数のずれに応答するとき、タービンエンジンの燃焼器の状態が空気流において遅れて変化しないように、入口案内翼及び圧縮機及びタービンエンジンへの燃料流を調整して燃料と圧縮機排出圧力の比の制御を容易にすることによって、圧縮機からの一定の空気流を維持することを含む、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
さらに、前記制御装置の制御下で、水及び駆動燃料の前記混合物を、第１の流路を介して前記圧縮機のベルマウスへ、第２の流路を介して前記圧縮機の出力で圧縮機排出チャンバーへ、第３の流路を介して前記タービンエンジンの燃焼系へ、又はこれらの任意の組合せで選択的に供給する、請求項１６記載の方法。
【請求項１９】
水及び駆動燃料の前記混合物の前記供給が、検出された不足周波数状態に応答して、タービン作動パラメーター、排出圧力を決定するための送電網変動、並びに水及び駆動燃料の混合物を第１、第２及び／又は第３の流路に割り当てるための圧力低下率に基づいてアルゴリズムを処理し、水及び駆動燃料の混合物を前記第１、第２及び／又は第３の流路に選択的に供給して前記不足周波数状態を修正することを含む、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
さらに、前記電力送電網の不足周波数のずれの決定に応答して遅れのない応答性を有効に送り出す圧力まで前記水及び駆動燃料の混合物を加圧することを含む、請求項１６記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示されている主題は、一般にガスタービンの作動を制御するシステム及び方法に関し、より具体的にはガスタービンのための不足周波数応答改良システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気の伝送及び配電網(Electricity Transmission and Distribution Network)すなわち「送電網(Grid)」に接続された各々の電気発電機は個別に機能し得るが、各発電機はこれを１群の発電機の一部とする１つのキーパラメーターにより制約を受ける。送電網及び全ての個々の発電機に共通する主要因は周波数である。送電網の周波数は変化するが、目標はそれが送電網システムの安定性のための狭い範囲内に維持されることである。送電網周波数の正常の許容できる変動は±０．５Ｈｚ以下の非常に小さい範囲に限定される。これを念頭において、送電網に接続された発電機の全てがいずれかの時点で同一の速さ又は「同期した」モードで稼動すると推測することができる。
【０００３】
周波数の安定性を維持するために、５０Ｈｚ送電網規定は基準として、周波数がある一定の値、例えば５０Ｈｚのシステムの場合４９．５Ｈｚ未満に落ちたとき、４−５秒で４％−６％の発電電力の増加を要求している。これらの規定はまた、電力出力が所定の値、例えば５０Ｈｚシステムの場合４８．５Ｈｚに至るまで維持されなければならないとも明記している。加えて、さらにこの値より低く何らかの周波数の低下が起きた場合、機械の保護、送電網の回復及び安定性のために４７Ｈｚの周波数で５パーセントの発電電力の低下が規定されている。当業者には理解されるように、この概念はまた低周波数の格付けが５７．８Ｈｚ〜約５９．５Ｈｚの範囲の周波数からなる典型的な１％の周波数規制要件の６０Ｈｚのシステムにも当てはまる。
【０００４】
固定された値でない周波数は、ＡＣ（交流）系における電流の方向の変化として簡単に説明することができる。送電網の周波数は発電機の回転の速度に直接関連付けられ、また発電と消費のバランスの正常の変動を示す。例えば、５０Ｈｚ系の発電機は３０００ｒｐｍの速度で回転し、発電機内の回転子は２つの極を有しているので、３０００ｒｐｍは１秒に付き、すなわち毎秒５０回転であり、単一の磁場が固定子コイルを５０回横切る。
【０００５】
タービン発電機の幾つかが能力限界のために速度を速めることができない場合、送電網の他の発電機が補う必要がある。発電機の全てがその送電網の供給／寄与能力限界に達したとき、又は発電の低下若しくは負荷の大きな増加があると、送電網はより低い周波数で作動し始めることができる。これは、送電網に負荷がかかり過ぎ、送電網の安定性を維持するには需要／発電機出力の変化が必要とされていることを示す。また、回転速度が低下すると、ガスタービン圧縮機による体積流量／質量流量が低下し、ガスタービン出力が低下する。この状況が起こったとき、通例、この挙動を埋め合わせるために直ちに適当な方策が実施される。
【０００６】
例えば、不足周波数により引き起こされた電力出力増加要件を満たすために、ガスタービンＯＥＭは、電力出力を増大するためにすぐに実施することができる幾つかの方策を利用している。標準的なアプローチは、圧縮機の入口案内翼(Inlet Guide Vane)（ＩＧＶ）を迅速に開き、同時に燃料流を増やしてタービン速度を速めることである。しかし、この伝統的な応答はおよそ１％−２％という限られた電力増加を提供するのみであり、障害時のタービン発電機の負荷のかかりかた、すなわち基底負荷又は部分負荷、及びピーク又は超過燃焼によるタービンの燃焼限界を超える能力に依存する可能性がある。
【０００７】
ガスタービンは、一般に、十分な電力を供給し、かつ送電網の作動安定性のための設定作動限界内で送電網周波数を維持することを第一目標としてドループモード(droop mode)（４％標準）で電力送電網／ネットワークに接続される。接続された発電又は負荷の大きな低下又は追加の原因となり得る送電網の不安定性は送電網周波数に対して大きな影響を有する。負荷又は発電の変化の性質に応じて、システムの周波数は増大又は減少する。ドループモードにおいて、送電網周波数のこれらの変化は、所望の送電網周波数を維持するために、ガスタービンに電力生産を増大させたり減少させたりする。
【０００８】
送電網の接続された電気負荷が増大するにつれて、発電機はより低い速度で作動する傾向がある。これは、より多くの燃料をタービンに供給しつつ圧縮機への空気流を調節することにより速度を増大させるガスタービン制御のような規則的な周波数制御手段によって埋め合わされる。例えば、従来技術の不足周波数応答システムでは、湿式圧縮の固有の利益を利用して、圧縮機排出チャンバー(Compressor Discharge Chamer)（ＣＤＣ）及び／又は燃焼システムへの水の注入によって引き出される増大した質量流量を通して出力増強を達成し、空気質量流量を増大すると共に空気温度を低下させる。この冷却効果により、空気がより密となり、「湿式圧縮」を通して圧縮比を高める。すると、タービンは、人工的に増加した空気密度を伴って全速力で稼動して出力増強を達成し得る。
【０００９】
湿式圧縮系において、タービン制御は、追加の発電を必要とする送電網障害があるときはいつでも、同時に起こる燃料と空気の増大と併せて、脱塩水の噴霧を圧縮機入口で一時的に注入するように設定されている。脱塩水の蒸発により、圧縮機入口に入る空気流が冷却される。この冷却のため、この注入された脱塩水の大半は空気の密度、従って圧縮機を通る質量流量を増大させる。しかし、電力出力の増大はガスタービン制御と水の注入が完全に調和したときにのみすぐに効果を発揮することができるので、これらのタイプのシステムの迅速な活性化は最適の制御を維持するために制御系に対する難問を生じる。また、伝統的な空気流の増大システムは、一般に、応答のタイミングに対する上述の基準要求を満たすのに十分なほど速くは空気流を増大させない。
【００１０】
ＧＥの米国特許出願公開第２００８／００４７２７５号には、圧縮機空気流の変化に起因する応答の遅れを排除するための制御計画が記載されている。このシステムは、標準化された送電網周波数値からの送電網周波数のずれを決定し、燃料回路の一部分からの燃料流を調節する一方で圧縮機からの実質的に一定の空気流を維持して、燃料の圧縮機排出圧力に対する比の制御を容易にすることにより、燃焼器が送電網周波数のずれに応答するときに燃焼器の状態が空気流において遅れて変化しないようにすると共に燃焼炎が失われないようにする。
【００１１】
送電網の超過周波数事象の間、ガスタービンへの燃料流を低下させて、タービンが送電網の低下した電力条件を満たすことができるようにする。或いは、発電の損失又は大きい負荷の追加の原因となり得る送電網周波数の低下は不足周波数事象を起こし得る。この状況を改善するために、ガスタービンはより多くの電力を生成して送電網を安定化する。かかる事象においては、ガスタービン内での不安定性防ぐためにガスタービンへの燃料流を増大させなければならない。
【００１２】
その最大出力能力で作動するガスタービンが送電網に接続される場合、不足周波数条件の間追加の有効電力を供給して送電網を支持するその能力が制限される。かかる状況において、ガスタービンがその「最大出力」にあるとき、要求されるパーセンタイル出力増大送電網支持条件を満たすために超過燃焼又はピーク燃焼しなければならない。しかしながら、タービンの超過燃焼は排出コンプライアンス燃焼安定性及び、例えばタービンの内部構成部品の冶金に対する負の影響により高温ガス通路(Hot Gas Path)（ＨＧＰ）構成部品の寿命に対して有害な影響を有する。
【００１３】
世界中で多くの規制機関により周波数規制及び送電網応答限界(Grid Response Margin)が要求されている。この限界は通例、基底負荷を超えてガスタービンをピーク燃焼させて、サイクル形態（単純又は複合サイクル）に基づく公称の基底負荷定格を超えて２−５％の追加の出力を送り出すことを可能にすることによって達成される。しかしながら、場合によって、ガスタービンはピーク燃焼することができず、かなりの割合のこれらのユニットが地域の送電網規定に従うために基底負荷能力より低く出力レベルを下げる必要がある。例えば、ガスタービンを超過燃焼させないで不足周波数条件における送電網の要求を満たすためには、ガスタービンの出力レベルを下げて、送電網不足周波数条件のための急速な発電増加速度を満たすことが必要なとき増加させることが可能な予備の限界（例えば、５％）を有するようにするのが一般的である。しかし、ガスタービンの負荷軽減は、結果としてガスタービンの効率が低下し、従って費用がかかり一般に望ましくない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】米国特許第６５５３７６８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
従って、ガスタービンの不足周波数送電網応答能力を高めるために改良された方法及びシステム、より特定的には、ガスタービンを負荷軽減させることなく改良された急速な送電網不足周波数支持を提供するようにガスタービンを作動させる方法及びシステムが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
即応性の出力増強システムを提供することにより、ガスタービンの不足周波数応答を改良するシステム及び方法を提供する。代表的な実施形態において、このシステムは、１〜３の専用回路を介して圧縮機ベルマウス、圧縮機排出チャンバー（ＣＤＣ）、及び／又は燃焼系に注入される希釈剤として供給されるエタノール又はメタノールと脱塩水を所定の比でブレンドした混合物のような駆動燃料を貯蔵するタンクを含んでいる。このブレンドされた混合物は、蒸発温度を水単独よりも低くし、同時に燃料源を追加して増大した空気の質量流量供給するという２つの目的を果たすのに役立つ。ガスタービン送電網遵守要件の要求を満たすべく適当な時間の間正確な圧力での希釈剤の即時注入を達成するために、アキュムレーターを駆動燃料として用いて専用回路内の増強流体を駆動する。注入された希釈剤は、最良のタービン制御と性能の決定に基づいて３つの回路全てに同時又は順番になるようにマイクロプロセッサーで制御される。
【００１７】
第１の代表的な実施形態において、アキュムレーターは圧縮機抽気により加圧され、圧縮機入口で水／メタノール又はエタノール混合物のような出力増強流体の流体注入を受ける。この流体は流体貯蔵タンクに貯蔵されていて、所定のレベルを維持するためにアキュムレーターにポンプで送られる。一方、第２の代表的な実施形態においては、圧縮機抽気の代わりに専用のアキュムレーター加圧ポンプを使用し、出力増強流体を圧縮機排出及び／又は燃焼系に注入する。
【００１８】
本明細書に開示されている発電システムは、電力送電網に接続されたタービンエンジン、少なくとも圧縮された空気をタービンエンジンに供給する圧縮機、及びタービンエンジン制御系を含んでいる。代表的な実施形態において、タービンエンジン制御系は、電力送電網の標準化された送電網周波数値からの周波数変動をモニターするセンサーと、検出された送電網周波数の変動に応答してタービンエンジンへの燃料及び空気流を調節する制御装置とを含んでいる。制御装置は、センサーが電力送電網の不足周波数状態を検出したとき、水とエタノール又はメタノールの混合物のような駆動燃料を少なくとも圧縮機に供給してタービンエンジンへの質量流量を増大させる。アキュムレーターは水とエタノール又はメタノールの混合物を加圧下に貯蔵する。加圧は、電力送電網の不足周波数状態の検出に応答して効果的に遅れのない応答を示す圧力にアキュムレーターを連続的に充填する空気加圧系によって提供される。空気加圧系は、制御装置の制御下で圧縮機抽気をアキュムレーターに供給するフローチャンネル又は圧縮機とは分離した可変周波数排出空気ポンプを含み得る。
【００１９】
代表的な実施形態において、アキュムレーターは、制御装置の制御下で、圧縮機のベルマウスへの第１の流路を介して、圧縮機の出力で圧縮機排出チャンバーへの第２の流路を介して、及び／又はタービンエンジンの燃焼系への第３の流路を介して、水とエタノール又はメタノールの混合物を選択的に供給するように配置されている。制御装置は、電力送電網で検出された不足周波数状態に応答してタービンエンジンの電力出力を増大するのに使用される混合物の質量流量の送出を制御するための一組の規則がプログラムされている。感知された値は検出された不足周波数変動の程度及び応答時間条件に基づいて処理され、処理された出力は水とエタノール又はメタノールの混合物の第１、第２及び／又は第３の流路への供給を選択的に制御するために使用される。タービン作動パラメーター、排出圧力を決定するための送電網周波数変動、及び検出された不足周波数状態に応答して第１、第２及び／又は第３の流路への水とエタノール又はメタノールの混合物を割り当てるための流れ分配率を処理するガスタービン制御系にインターフェースで接続された増強システム制御ソフトウェアでアルゴリズムが実行される。
【００２０】
タービンエンジン及び／又は圧縮された空気をタービンエンジンに供給する空気圧縮機への燃料及び空気の供給を制御する方法も記載され、ここでタービンエンジンは電力送電網に接続されて発電電力を供給する。この方法は、電力送電網の標準化された送電網周波数値からの不足周波数のずれを決定し、電力送電網の不足周波数のずれが検出されたとき、水とエタノール又はメタノールの混合物のような加圧された駆動燃料を少なくとも圧縮機に供給することにより少なくとも圧縮機への質量増強空気流を調節してタービンエンジンへの質量流量を増大することを含む。この方法はまた、プログラム制御下で第１の流路を介して圧縮機のベルマウスへ、第２の流路を介して圧縮機の出力で圧縮機排出チャンバーへ、及び／又は制御装置の制御下で第３の流路を介してタービンエンジンの燃焼系へ水とエタノール又はメタノールの混合物を選択的に供給することも含む。プログラムは、タービン作動パラメーター、排出圧力を決定するための送電網変動、及び検出された不足周波数状態に応答して第１、第２及び／又は第３の流路に水とエタノール又はメタノールの混合物を割り当てるための圧力低下率に基づくアルゴリズムを含んでいる。この方法はさらに、入口案内翼並びに圧縮機及びタービンエンジンへの燃料流を調整することにより圧縮機からの一定の空気流を維持して、燃料と圧縮機排出圧力の比の制御を容易にすることで、タービンエンジンの燃焼器が電力送電網の不足周波数のずれに応答するときタービンエンジンの燃焼状態が空気流において遅れて変化しないようにする工程を含む。
【００２１】
このように、本明細書に記載されているシステムと方法は、圧縮機からの実質的に一定の空気流を維持して、燃料と圧縮機排出圧力の比の制御を容易にすることで、燃焼系が送電網周波数のずれに応答するとき燃焼器の状態が空気流において遅れて変化しないようにするタービン制御システムを提供する。代表的な実施形態においては、圧縮された空気を不足周波数の決定に対する初期応答のための駆動燃料駆動手段として使用して遅れのない応答性を提供する。さらに、アキュムレーターが水とエタノール／メタノールの組合せを、タービンを制御するための３つの可能な位置の１、２、又はある組合せに駆動する。初期応答の後、伝統的なモーターを使用して連続的な排出を提供し得、一方必要であると考えられる場合はアキュムレーターを再度充填してモーターを支持する。
【００２２】
特許請求の範囲に記載の本発明の他の特徴及び利点は、本発明の幾つかの局面の原理を例として図解する添付の図面と併せて好ましい実施形態に関する以下のより詳細な説明から明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、不足周波数応答制御系の第１の実施形態を図解する。
【図２】図２は、不足周波数応答制御系の第２の実施形態を図解する。
【図３】図３は、不足周波数応答制御系の第３の実施形態を図解する。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本明細書に開示されている実施形態は、即応性出力増強システムを提供することによりガスタービンの改良された不足周波数応答を提供する。各々の代表的な実施形態において、エタノール又はメタノールと脱塩水を所定の比でブレンドした混合物を貯蔵するタンクが、圧縮機ベルマウス、圧縮機排出チャンバー（ＣＤＣ）、及び／又は燃焼系に注入される希釈剤として提供される。適当な時間正確な圧力の希釈剤の即時注入を達成するために、圧縮機又は別の空気ポンプからの加圧された空気の供給を受けるアキュムレーターを使用する。希釈剤の注入は、最良のタービン制御及び性能の決定に基づいて、質量流量増強流体として１つの回路に供給されるか、３つの回路に同時に供給されるか、又は順に回路に供給されるようにマイクロプロセッサーで制御される。加圧された空気、水及びエタノール／メタノールの混合物は急速に霧化して即時の応答を提供する。
【００２５】
発電機保護及び制御系及びガスタービン制御装置は送電網周波数を決定してタービン速度及び発電機保護を容易にするためのセンサーを含んでいる。標準化された周波数値からの負の周波数変動はタービン制御装置を作動させて空気及び燃料流を調節して送電網規定条件に従って適当な増加する割合電力を生成する。この機能を効率的に果たすための実施形態を図１−３に関連して以下に説明する。
【００２６】
図１は、不足周波数応答制御系１００の第１の実施形態を図解する。図１の貯蔵タンク１０２はエタノール又はメタノールと脱塩水を所定の比（例えば、５０／５０）でブレンドした（好ましくは均質な）所定の量の混合物を保持している。ブレンドされた混合物の量はレベルセンサー１０４によりモニターされ、ガスタービン１０５の出力条件、送電網応答出力増大条件を満たすための流れ条件、及び特定の送電網規定で要求される必須の応答の持続時間に基づく。図解されているように、エタノール又はメタノールと脱塩水のブレンドされた混合物は、マイクロプロセッサーに基づく制御系１１０がポンプを作動させて流体をアキュムレータータンク１１２に送り始めるとき、主供給ポンプ１０６及びバックアップ供給ポンプ１０８を介して供給される。ブレンド混合物のアキュムレータータンク１１２への流れは流れセンサー１１４によりモニターされ、フィードバック制御のために制御系１１０に供給される。レベルセンサー１１６は最小レベル１１８及び最大レベル１２０に対して流体レベルを比較して、アキュムレータータンク１１２内の流体レベルが最小レベル以下であるか又は最大レベル以上であるかを示すデータを制御系１１０に供給し、その結果制御系１１０は供給ポンプ１０６及び１０８を適当に作動させるか止めるかすることができる。
【００２７】
図１に図解されているように、アキュムレータータンク１１２はまた、圧縮機１２２から取り出され調節弁１２４を介してアキュムレータータンク１１２に供給される加圧給気を受け、アキュムレータータンク１１２内の流体を加圧する。流れセンサー１２６が流れデータを制御系１１０に供給し、その結果制御系は流路閉塞を検出し、アキュムレータータンク１１２内の空気圧力の低下を埋め合わせ、その他調節弁１２４の調整により空気流を適正に調節し得る。圧力センサー１２８はアキュムレータータンク１１２内の圧縮された空気の圧力を測定して、フィードバック制御データを制御系１１０に供給する。例えば、圧力センサー１２８は、アキュムレータータンク１１２内の圧力を最適な空気圧力に維持するエマージェンシーシステムを提供し、これは、応答時間条件、配管と圧縮機の距離、流線の大きさ、等の関数である。例えば、最適な空気圧力は、電力送電網の不足周波数状態の検出に応答して有効に遅れのない応答性を示す空気圧力である。不足周波数状態に応答したアキュムレータータンク１１２からの空気圧力の初期の有効な即時排出の後、アキュムレータータンク１１２は加圧された空気及び貯蔵タンク１０２からの流体で再度充填するのに１−２分必要であり得ることが理解されよう。従って、代表的な実施形態において、１−２分間又は少なくとも流体ポンプが完全に期待通りの速度になるまでシステムに電力を供給するのに十分な空気排出を提供することが望ましい。
【００２８】
標準化された送電網周波数値で作動する電気送電網の場合、不足周波数応答制御系１００のためのマイクロプロセッサーに基づく制御系１１０は休止状態であるが、発電機保護パネル（ＧＰＰ）及びガスタービン制御装置１３０と常に連通状態にある。送電網周波数の標準化された送電網周波数範囲からの負のずれ、すなわち不足周波数状態が終了すると、システム１００は直ちに作動状態になる。
【００２９】
不足周波数状況の決定が確認されたら、制御装置１１０はアキュムレータータンク１１２からの圧縮された空気の放出を起動させるが、このアキュムレータータンクは、図示されているように、増強流体流を調節弁１３２を介して増強流体回路１３４に送り出し、ブレンド混合物を圧縮機ベルマウス１３６、ＣＤＣ１３８、及び／又は燃焼器１４０に供給して、出力増強を助け排出を制御する。ガスタービン制御装置１３０は入口案内翼（ＩＧＶ）１４１を調節し、圧縮機１２２への実質的に一定の空気流を維持して、燃料と圧縮機排出圧力の比の制御を容易にする結果、燃焼系が送電網周波数のずれに応答するときに燃焼器１４０の状態が空気流において遅れて変化しないようにする。
【００３０】
アキュムレーターに基づく空気での初期の排出の間、システムに含まれる電気ポンプ（図には示してない）が動き始め、増強流体を排出する。これを念頭において、アキュムレータータンク１１２からの空気流／圧力が低下すると、この電気的に駆動されるポンプも「起動」信号により動き始め、増強流体回路１３４への希釈剤の流れを、送電網規定要求を満たすのに必要とされる時間維持し続ける。この時間の間、アキュムレーター１１２は圧縮機から取り出される空気又は加圧ポンプにより連続的に再度充填され、次の不足周波数状況のために加圧されたままである。
【００３１】
図１の実施形態において、制御系１１０は応答条件に基づいてそれぞれの回路の調節弁１４２、１４４、及び１４６の制御によって増強流体回路１３４を選択的に制御し得る。言い換えると、制御系１１０は、測定された不足周波数状態の程度及び応答時間条件に基づいてタービン１０５を制御するための３つの可能な位置の１、２、又は組合せへの水とエタノール／メタノールの組合せの供給を制御し得る。例えば、水とエタノール／メタノールの組合せを３つ全ての流路を介して供給して急激な周波数の低下を調節し得る。或いは、より小さな周波数低下では１又は２のみの制御通路を使用し得る。
【００３２】
代表的な実施形態において、制御系１１０は、ソフトウェアプログラム制御下で作動して、アキュムレータータンク１１２からそれぞれの流路１３４への水とエタノール／メタノールの混合物の供給を選択的に制御することにより、不足周波数可動域の送電網に応答して電力出力を増大するのに使用される混合物の質量流量の送出を制御するための一組の規則を実行する。ソフトウェアプログラムは、代表的な実施形態において、タービン作動パラメーター、排出圧力を決定するための送電網の変動、及び検出された不足周波数状態に応答して質量流量の増強流体をそれぞれの分配回路に割り当てるための圧力低下率に基づく所定のアルゴリズムを含み得る。かかるアルゴリズムは当業者には自明であり、特定の構成に大いに依存するので、かかるアルゴリズムの詳細はここでは述べない。流れセンサー１４８、１５０、及び１５２並びに圧力センサー１５４はアルゴリズムにより処理するためにフィードバック情報を制御系１１０を供給し、制御系１１０は調節弁１４２、１４４、及び／又は１４６を調節することにより混合物の流れを調節するための出力を提供する。
【００３３】
図２は、不足周波数応答制御系の第２の実施形態を図解する。図２の実施形態は、ガスタービン制御装置１３０が図に示されてなく、水とエタノール／メタノールの組合せを圧縮機１２２のベルマウスに供給するために単一の制御通路のみが提供されていることを除いて、図１と同じである。図１の実施形態のような３つの通路の代わりに１つの通路１３４’が提供されているだけであるので、この実施形態は図１の実施形態と比べて比較的大まかな調節を提供する。
【００３４】
図３は、不足周波数応答制御系の第３の実施形態を図解する。図３の実施形態は、ガスタービン制御装置１３０が図に示してなく、圧縮機１２２から取り出される抽気の代わりに、モーター３０２により駆動される可変周波数駆動（ＶＦＤ）加圧ポンプ３００によって別のアキュムレーター加圧空気供給が提供されることを除いて、図１及び２の実施形態と同じである。また、図３の実施形態では、２つの流路１３４”が水とエタノール／メタノールの組合せを圧縮機１２２のベルマウス１３６に供給するのと同様に、オプションとして、水とエタノール／メタノールの組合せを圧縮機１２２及び／又は燃焼器１４０に供給するがＣＤＣには供給しない。図示されているように、流路１３４”は、各々の流路の調節弁３０８を調節することにより混合物の流れを調節するためのフィードバック情報を制御系１１０に供給する流れセンサー３０４と圧力センサー３０６を含み得る。
【００３５】
本明細書に記載されている不足周波数応答システム及び方法の技術的効果及び利点には、ユニットの質量流量の増進及び質量流量と燃料流条件の増大との整合がある。さらなる効果と利点には図示した実施形態の各々について以下の１以上がある。
・メタノール／エタノールと水の混合物は水単独より低い温度でより速く蒸発し、従って改良された応答のためにより冷たいより多くの圧縮された空気をタービンに供給することが可能になる。
・メタノール／エタノールと水の混合物は同時に増加した空気質量流量と共に燃料を追加し、従って改良された燃焼系応答が可能になる。
・送電網に接続されたタービンはその真の基底負荷能力定格で作動し得る。すなわち、送電網応答条件を埋め合わせるためにガスタービンの負荷軽減が必要とされない。
・１つのシステムを、具体的に構成された制御系により支持された１つ又は複数のユニットのために設置され得る。
・同じネットワークに接続された多数のユニットと共に現場で一般に設置される「負荷分割システム」とシステムを統合することができる。
・システムは設置されたときプラントの信頼性と発熱率に影響しない。
・システムは、送電網不足周波数変化が接続された機械の応答能力を外れたとき持続性の動力学で作動する必要性を排除する。
・システムは、本明細書に記載されているエタノール／メタノール及び脱イオン水の他にも質量流量増強駆動流体の広範なブレンドの利用を提供する。
・システムは、送電網不足周波数応答を標準化し、その制御を最適化する。
・システムは、測定された不足周波数状態及び応答時間条件の程度に基づいてタービンを制御するための３つの可能な位置の１、２、又は組合せに水とエタノール／メタノールの組合せを選択的に供給することにより燃焼系のための追加の同調能力を提供する。
・システムは周波数のシフトに応じてより速い応答時間を提供する、すなわち、アキュムレーターに基づく注入系はモーター駆動系より迅速に上昇又は停止して標的の送電網支持条件を満たすことができる。
・プロトコルを変化させることにより、注入を乾燥低ノックス(Dry Low Nox)（ＤＬＮ）系同調の一部として含ませることができる。
・システムは、送電網が非常に不安定な世界の地域で、及び顧客が明らかに改良された不足周波数応答に対して増大した収益を有することになる状況で使用され得る。
・システムは、タービンの超過燃焼を低減して、不足周波数応答条件を満たすことにより装置の有用寿命を改良する。
・システムは、出力増強及びＮＯｘ減少のために利用することができる。
・システムは、より古いＤＬＮ選択ガスタービンを容易に改造することができる。
【００３６】
作動状態の注意
当業者には認識されるように、周波数を支持するために電力を増減することにより送電網の要求を満たすには、タービン制御システムが燃焼系への燃料流の増減を自動的に制御する必要がある。また、排出コンプライアンスのためのガスタービンの燃焼は燃料と空気の比に基づくので、燃料流の増減は、燃焼器１４０への空気流を増減して排出遵守燃焼を確保するために入口案内翼（ＩＧＶ）１４１の対応する開閉を伴う。燃料流と空気流の両方を同時に協調しないで増減すると燃焼の不安定性／偏位が生じ得る。
【００３７】
さらに、あらゆる燃焼偏位を防ぐために、燃料流の調節は通例空気流の調節に先立って開始される。ネットワークに接続されたガスタービンの場合、送電網／電力需要に応答した燃料及び空気流の制御を容易にするために主として２つのパラメーター、すなわち測定された圧縮機圧力比（ＣＰＲ）及び測定されたガスタービン排気温度（ＴＴＸＭ）が使用される。燃料流は燃料弁位置により制御され、空気流は圧縮機入口案内翼位置により制御される。ＣＰＲ及びＴＴＸＭはまた、燃焼器ノズルへの燃料分配／分割を制御することにより燃焼系の状態を規定するのにも使用される。燃料分割は各燃焼器燃料脚部に位置する弁により感知され制御される。こうして、要求される燃料流及び／又は要求される空気流の変化は、燃料流／空気流の変化がＣＰＲ又はＴＴＸＭに変化を生じさせるまで、燃焼器燃料分割の変化をもたらさない。従って、意図的に、燃焼器の状態はガスタービンエンジンの状態より遅れる。
【００３８】
燃焼器状態の遅れのために、一般に燃料流／空気流に急速な変化を生じさせる大きい送電網変動は異常な燃焼器の作動を起こし得る。具体的には、燃料流が減少していく作動の間、燃焼器は不足燃料吹消えを受け易い可能性がある。また、不足燃料条件での作動は燃焼器内の動的圧力振動を変化させ、燃焼器不安定性を起こし得る。加えて、燃料流が増大していく作動の間、燃焼器の動的圧力振動が生じ得、燃焼器不安定性を起こし得る。結局、燃焼器の不安定性及び／又は燃焼停止は、電力送電網への電力の損失を生じ得る。これらの条件は、上記システムを使用して、正常の作動の間の圧縮機１２２及びガスタービン１０５への流体供給のより正確な制御を提供することにより対処し得る。上記システムに対するこれら及びその他の修正は当業者には明らかであろう。
【００３９】
本明細書で使用されている術語は特定の実施形態を説明する目的のみのものであり、本発明を限定限する意図はない。用語の定義がその用語の一般に使用されている意味から外れる場合、特に指示されない限り、本出願人は本明細書に規定されている定義を使用することを意図している。単数形態の用語は、前後関係から明らかに他の意味を示さない限り、複数形態も包含して意味している。第１、第２、等の用語が様々な要素を説明するのに使用され得るが、これらの要素はこれらの用語によって限定されることはないものと理解されたい。これらの用語は１つの要素を他のものから区別するために使用されているだけである。用語「及び／又は」は関連してリストされた１以上のアイテムのいずれか、全て、及び組合せを包含する。「結合した」及び「接続した」という語法は直接又は間接の結合を含む。
【００４０】
本明細書では例を使用して、最良の形態を含めて本発明を開示し、また当業者があらゆるデバイス又はシステムを作成し使用し、あらゆる援用された方法を実行することを含めて本発明を実施できるようにした。本発明の特許性のある範囲は特許請求の範囲に規定されており、当業者には自明の他の例を包含し得る。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を有するか、又は等価な構造要素を含む場合、特許請求の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４１】
１００  不足周波数応答制御系
１０２  貯蔵タンク
１０４  レベルセンサー
１０５  ガスタービン
１０６  主供給ポンプ
１０８  バックアップ供給ポンプ
１１０  マイクロプロセッサーに基づく制御系
１１２  アキュムレータータンク
１１４  流れセンサー
１１６  レベルセンサー
１１８  最小レベルセンサー
１２０  最大レベルセンサー
１２２  圧縮機
１２４  調節弁
１２６  流れセンサー
１２８  圧力センサー
１３０  ガスタービン制御装置
１３２  調節弁
１３４  ベルマウス、ＣＤＣ、及び／又は燃焼器への燃料回路
１３４’  ベルマウスへの燃料回路
１３４”  ベルマウス及び燃焼要素への燃料回路
１３６  ベルマウス
１３８  圧縮機排出チャンバー
１４０  燃焼器
１４１  入口案内翼
１４２  調節弁
１４４  調節弁
１４６  調節弁
１４８  流れセンサー
１５０  流れセンサー
１５２  流れセンサー
１５４  圧力センサー
３００  可変周波数駆動加圧ポンプ
３０２  ポンプのためのモーター駆動手段
３０４  流れセンサー
３０６  圧力センサー
３０８  調節弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【外国語明細書】
2014159808000001.pdf