(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互に流体連結された圧縮機、燃焼器ケース、燃焼器、およびタービンを有する、ガスタービンシステムの電力出力を補助する方法であって、
（ｉ）補助圧縮機および燃料エンジンを用意するステップと、
（ｉｉ）前記補助圧縮機を駆動するために前記燃料エンジンを作動することにより、前記補助圧縮機から圧縮空気をおよび前記燃料エンジンから高温排気ガスを生成するステップであって、前記燃料エンジンは、前記圧縮機に流体連結されていないステップと、
（ｉｉｉ）前記高温排気ガスから抽熱された熱で前記圧縮空気を加熱することにより、高温圧縮空気を生成するステップと、
（ｉｖ）前記ガスタービンシステムの前記圧縮機の下流側にて前記ガスタービンシステム内に前記高温圧縮空気を注入することにより、前記ガスタービンシステムを通る空気の質量流量を増加させ、前記ガスタービンシステムの電力出力を増加させるステップと
を含む、方法。
【請求項２】
前記高温排気ガスから抽熱された熱で前記圧縮空気を加熱する前記ステップの後に、前記タービンからの排気中に前記高温排気ガスを注入するステップが続く、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記補助圧縮機を駆動するために前記燃料エンジンを作動させることにより、前記補助圧縮機から加圧空気を生成する前記ステップは、前記補助圧縮機の上流段から受領した前記圧縮空気を、前記上流段の下流側の別の圧縮段に送出する前に冷却するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記補助圧縮機を駆動するために前記燃料エンジンを作動させることにより、前記補助圧縮機から圧縮空気を生成する前記ステップは、前記補助圧縮機の上流段から受領した前記圧縮空気を、前記上流段の下流側の別の圧縮段に送出する前に冷却するステップを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記補助圧縮機を駆動するために前記燃料エンジンを作動させることにより、前記補助圧縮機から圧縮空気を生成する前記ステップは、空気貯蔵タンク内に前記圧縮空気の第１の部分を貯蔵するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
空気貯蔵タンク内に前記圧縮空気の第１の部分を貯蔵する前記ステップの後に、前記空気貯蔵タンクから圧縮空気の前記第１の部分の一部を放出し、前記圧縮空気の第２の部分と混合するステップが続く、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
空気貯蔵タンク内に前記圧縮空気の第１の部分を貯蔵する前記ステップは、前記圧縮空気の前記第１の部分を冷却するステップの後に続く、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記空気貯蔵タンク内に残留する圧縮空気の前記第１の部分の圧力が、所定圧力未満に低下した場合に、前記空気貯蔵タンク内に作動液をポンプ送給するステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
相互に流体連結された圧縮機、燃焼器ケース、燃焼器、タービン、熱回収蒸気発生器、および蒸気タービンを有する、ガスタービンシステムの電力出力を補助する方法であって、
（ｉ）補助圧縮機、および蒸気により動力供給される補助エンジンを用意するステップと、
（ｉｉ）前記補助圧縮機を駆動するために前記補助エンジンを作動させることにより、前記補助圧縮機から圧縮空気をおよび前記補助エンジンから高温排気を生成するステップと、
（ｉｉｉ）前記ガスタービンシステムの前記圧縮機の下流側にて前記ガスタービンシステム内に前記圧縮空気を注入することにより、前記ガスタービンシステムを通る空気の質量流量を増加させ、前記ガスタービンシステムの電力出力を増加させるステップと
を含み、前記補助エンジンにより生成される実質的に全ての電力が、前記補助圧縮機を駆動するために使用される、方法。
【請求項１０】
前記補助エンジンは、蒸気エンジンであり、前記補助圧縮機を駆動するために前記補助エンジンを作動させることにより、前記補助圧縮機から圧縮空気を生成する前記ステップの後に、前記熱回収蒸気発生器内に前記高温排気を注入するステップが続く、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記補助圧縮機を駆動するために前記補助エンジンを作動させることにより、前記補助圧縮機から圧縮空気を生成する前記ステップは、前記補助圧縮機の上流段から受領した前記圧縮空気を、前記上流段の下流側の別の圧縮段に送出する前に冷却するステップを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記補助圧縮機を駆動するために前記補助エンジンを作動させることにより、前記補助圧縮機から圧縮空気を生成する前記ステップは、前記補助圧縮機の上流段から受領した前記圧縮空気を、前記上流段の下流側の別の圧縮段に送出する前に冷却するステップを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記補助圧縮機を駆動するために前記補助エンジンを作動させることにより、前記補助圧縮機から圧縮空気を生成する前記ステップは、空気貯蔵タンク内に前記圧縮空気の第１の部分を貯蔵するステップを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
空気貯蔵タンク内に前記圧縮空気の第１の部分を貯蔵する前記ステップの後に、前記空気貯蔵タンクから圧縮空気の前記第１の部分の一部を放出し、前記圧縮空気の第２の部分と混合するステップが続く、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
空気貯蔵タンク内に前記圧縮空気の第１の部分を貯蔵する前記ステップは、前記圧縮空気の前記第１の部分を冷却するステップの後に続く、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記空気貯蔵タンク内に残留する圧縮空気の前記第１の部分の圧力が、所定圧力未満に低下した場合に、前記空気貯蔵タンク内に作動液をポンプ送給するステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
相互に流体連結された圧縮機、燃焼器ケース、燃焼器、タービン、および熱回収蒸気発生器を有する、ガスタービンシステムの電力出力を補助する方法であって、
（ｉ）前記ガスタービンシステムに加えて、補助圧縮機および補助タービンを有する補助ガスタービンを用意するステップと、
（ｉｉ）前記補助ガスタービンを作動させることにより前記補助圧縮機から圧縮空気をおよび前記補助タービンから高温排気ガスを生成するステップと、
（ｉｉｉ）前記ガスタービンシステムの前記圧縮機の下流側にて前記ガスタービンシステム内に前記圧縮空気の一部分を注入することにより、前記ガスタービンシステムを通る空気の質量流量を増加させ、前記ガスタービンシステムの電力出力を増加させるステップと
を含み、前記補助タービンにより生成される実質的に全ての電力が、前記補助圧縮機を駆動するために使用される、方法。
【請求項１８】
前記タービンからの排気中に前記高温排気ガスを注入するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
相互に流体連結された圧縮機、燃焼器ケース、燃焼器、およびタービンを有する、ガスタービンシステムの電力出力を補助するための装置であって、
（ｉ）圧縮空気出口を有する、圧縮空気を生成するための補助圧縮機と、
（ｉｉ）前記補助圧縮機を駆動するために前記補助圧縮機に連結された燃料エンジンであって、該燃料エンジンは、高温排気ガスを生成し、排気出口を有すると共に、前記燃料エンジンは、前記圧縮機に流体連結されていない、燃料エンジンと、
（ｉｉｉ）第１の回収熱交換器入口、第２の回収熱交換器入口、第１の回収熱交換器出口、および第２の回収熱交換器出口を有する、回収熱交換器であって、前記第１の回収熱交換器入口は、前記圧縮空気出口に流体連結され、前記第２の回収熱交換器入口は、前記排気出口に流体連結され、前記第１の回収熱交換器出口は、前記第１の回収熱交換器入口に流体連結され、前記ガスタービンシステムの前記圧縮機の下流の前記ガスタービンシステムに流体連結され、前記第２の回収熱交換器出口は、前記第２の回収熱交換器入口に流体連結される、回収熱交換器と
を備え、  前記高温排気ガスからの熱が、前記ガスタービンシステムに注入される前の前記回収熱交換器内の前記圧縮空気に伝達される、装置。
【請求項２０】
前記補助圧縮機は、多段式圧縮機であり、前記多段式圧縮機の各段が、段入口および段出口を有する、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記段入口の中の少なくとも１つおよび前記段出口の中の少なくとも１つに流体連結されて、前記段出口の中の１つの下流側の前記段入口の中の１つに前記圧縮空気を送出する前に、前記段出口の中の１つから受領した前記圧縮空気を冷却する、中間冷却熱交換器をさらに備える、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記圧縮空気の第１の部分を貯蔵するために、第１の導管により前記補助圧縮機の前記圧縮空気出口に流体連結された空気貯蔵タンクをさらに備え、前記第２の回収熱交換器出口は、前記ガスタービンシステムの前記タービンの下流側にて前記ガスタービンシステムに流体連結される、請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
ミキサ入口およびミキサ出口を有するミキサをさらに備え、前記ミキサ入口は、前記空気貯蔵タンクおよび前記補助圧縮機の前記圧縮空気出口に流体連結され、前記ミキサ出口は、前記ミキサ入口に流体連結され、前記ミキサ出口は、前記圧縮空気出口と前記第１の回収熱交換器入口との間で前記第１の回収熱交換器入口に流体連結される、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記空気貯蔵タンクと前記補助圧縮機の前記圧縮空気出口との間に流体連結された少なくとも１つの弁をさらに備える、請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
作動液貯蔵タンクと、前記作動液タンクと前記空気貯蔵タンクとの間で作動液をポンプ送給するために前記空気貯蔵タンクおよび前記作動液貯蔵タンクに流体連結されたポンプとをさらに備える、請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記中間冷却熱交換器を迂回するために、前記補助圧縮機の前記段出口の中の１つと前記補助圧縮機の前記段入口の中の１つとの間に流体連結された少なくとも１つのバイパス弁をさらに備える、請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
前記ミキサと前記回収熱交換器との間の圧縮空気流を制御するために、前記ミキサ出口および前記第１の回収熱交換器入口に流体連結された少なくとも１つの切換弁をさらに備える、請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
相互に流体連結された圧縮機、燃焼器ケース、燃焼器、タービン、熱回収蒸気発生器、および蒸気タービンを有する、ガスタービンシステムの電力出力を補助するための装置であって、
（ｉ）圧縮空気出口を有する、圧縮空気を生成するための補助圧縮機と、
（ｉｉ）前記補助圧縮機を駆動するために前記補助圧縮機に連結された、蒸気により動力供給されるエンジンであって、該エンジンは、高温排気を生成し、排気出口を有すると共に、前記エンジンは、前記圧縮機に流体連結されていない、エンジンと
を備える、装置。
【請求項２９】
前記圧縮空気の第１の部分を貯蔵するために、第１の導管により前記補助圧縮機の前記圧縮空気出口に流体連結された空気貯蔵タンクをさらに備える、請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
ミキサ入口およびミキサ出口を有するミキサをさらに備え、前記ミキサ入口は、前記空気貯蔵タンクおよび前記補助圧縮機の前記圧縮空気出口に流体連結され、前記ミキサ出口は、前記ガスタービンシステムの前記圧縮機の下流側にて前記ガスタービンシステムに流体連結される、請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
前記空気貯蔵タンクと前記補助圧縮機の前記圧縮空気出口との間に流体連結された少なくとも１つの弁をさらに備える、請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】
作動液貯蔵タンクと、前記作動液タンクと前記空気貯蔵タンクとの間で作動液をポンプ送給するために前記空気貯蔵タンクおよび前記作動液貯蔵タンクに流体連結されたポンプとをさらに備える、請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
前記ミキサと前記ガスタービンシステムとの間において圧縮空気流を制御するために、前記ミキサ出口および前記ガスタービンシステムの前記圧縮機の下流側にて前記ガスタービンシステムに流体連結された少なくとも１つの切換弁をさらに備える、請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
相互に流体連結された圧縮機、燃焼器ケース、燃焼器、およびタービンを有する、ガスタービンシステムの電力出力を補助するための装置であって、
相互に流体連結された補助圧縮機、補助燃焼器ケース、補助燃焼器、および補助タービンを有する、補助ガスタービンであって、前記補助圧縮機は、前記補助タービンの回転により、前記補助圧縮機が駆動され、圧縮空気が生成されるように、前記補助タービンに連結され、前記補助圧縮機は、前記圧縮空気が前記補助ガスタービンに進入する前に、前記補助ガスタービンからの前記圧縮空気の第１の部分を方向転換させるための圧縮空気出口を有する、補助ガスタービンと、
前記ガスタービンシステムの前記圧縮機の下流側にて前記ガスタービンシステム内に圧
縮空気の前記部分を注入するために、前記圧縮機の下流側にて前記ガスタービンシステムに前記圧縮空気出口を連結する第１の導管により、前記ガスタービンシステムを通る空気の質量を増加し、前記ガスタービンシステムの電力出力を増加することと
を備える、装置。
【請求項３５】
前記補助圧縮機および前記補助タービンは、前記補助タービンにより生成される実質的に全ての電力が、前記補助圧縮機を駆動するために使用されるように、サイズ設定される、請求項３４に記載の装置。
【請求項３６】
前記第１の導管を通る圧縮空気流を制御するために前記第１の導管中に弁をさらに備える、請求項３５に記載の装置。
【請求項３７】
前記補助タービンの出口および前記ガスタービンシステムの前記タービンの出口に連結された第２の導管をさらに備え、前記圧縮空気の第２の部分が、前記補助タービンを通り、次いで前記第２の導管を通り、次いで前記ガスタービンシステムの前記タービンからの排気に流入する、請求項３６に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、参照により本明細書に組み込まれる、２０１２年４月２日に出願された米国仮特許出願第６１／６８６，２２２号の優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明は、一般的には、ガスタービンの発電能力の補助を伴うガスタービン発電システムと、ピーク電力需要期間に追加電力を供給する一方で低電力需要時にはガスタービンにより発電された電力を自家消費するのに有用なエネルギー貯蔵装置とに関する。
【背景技術】
【０００３】
現行では、限界エネルギーすなわちピークエネルギーは、単純サイクル構成または複合サイクル構成のいずれかで運転されるガスタービンにより主に生成される。負荷需要プロファイルの結果として、ガスタービンベースシステムは、高需要期間においては高サイクル運転され、低需要期間においては低サイクル運転されるかまたは停止される。このサイクル運転は、典型的には、「アクティブグリッド制御」またはＡＧＣと呼ばれるプログラムの下で送電網ペレータにより運転される。残念ながら、既設の発電ベースの大部分に相当する産業用ガスタービンが、主にベース負荷運転向けに設計されたものであるため、これらのガスタービンがサイクル運転される場合には、厳格な技術的要件が、特定ユニットの維持コストを伴う。例えば、ベース負荷運転中のガスタービンは、３年に１度または２４，０００時間の動作時間に１度の周期で２００万から３００万ドルまでの間（２，０００，０００ドル〜３，０００，０００ドル）のコストを要する通常メンテナンスを受け得る。厳格な技術的要件が、特定のガスタービンのサイクル運転維持コストを伴うにより、同一のコストが、毎日始動および停止させられるガスタービンの場合には１年でかかり得る。また、急速始動性を目的として設計された航空転用エンジンでさえもが、要求時に所要の電力を送出するために１０分以上を依然として必要とし得る。ガスタービン群をサイクル運転する上でのこの要件は、大きな課題であり、この送電網上における断続的な再生可能エネルギー源の利用の増加によってさらに大きな問題となりつつある。
【０００４】
現行では、発電プラントにて使用されるガスタービンエンジンは、その定格出力の約５０％まで出力を低下させることが可能である。これらのガスタービンエンジンは、圧縮機の入口案内翼を閉じることにより、ガスタービンへの空気流を低減させ、さらに燃料流を低減させることによってこれを実現する。このように燃料流を低減させる理由は、一定の燃料−空気比が、あらゆるエンジン動作条件における燃焼プロセスにおいて望ましいからである。安全な圧縮機動作およびガスタービン排気排出を維持するという目標は、典型的には、実際に達成され得る出力低下レベルを制限する。
【０００５】
現行のガスタービンにおける圧縮機の動作限界を安全に低下させるための１つの方法は、典型的には圧縮機の中間段階抽気ポートから抽気される温かい空気をガスタービンの入口へ導入することによるものである。時として、この温かい空気は、着氷を防止するためにも入口へと導入される。いずれの場合においても、これが実施される場合には、圧縮機により空気に対して行われる作用は、より低い空気流にて圧縮機を安全に動作させることを可能にすることによって出力低下能力を高めるためのプロセスにおいて犠牲となる。残念ながら、圧縮機からの抽気空気は、抽気された空気に対して実施される作用が失われることにより、ガスタービンシステム全体の効率に対してさらに負の影響を有する。一般的には、この出力低下の向上のために圧縮空気から抽気される空気の１％ごとに、ガスタービンの合計電力出力の約２％が損なわれる。さらに、燃焼システムもまた、このシステムに対して制限を示す。
【０００６】
燃焼システムは、通常は、システムが出力低下され得る量を制限する。なぜならば、より少ない燃料が加えられることにより、火炎温度が低下して、発生する一酸化炭素（「ＣＯ」）排出量が増加するからである。火炎温度とＣＯ排出との間の関係は、温度の低下により指数関数的なものとなり、その結果、ガスタービンシステムが、出力低下限界付近に到達すると、ＣＯ排出は、急増するため、この限界から健康マージンを維持することが、重要となる。この特徴により、全てのガスタービンシステムが約５０％の出力低下能力へと制限され、すなわち、１００ＭＷガスタービンの場合には、達成され得る最低出力低下は、約５０％すなわち５０ＭＷとなる。ガスタービン質量流量が、低減されると、圧縮機およびタービンの効率もまた、低下して、マシンの熱消費率の上昇が引き起こされる。一部のオペレータは、この状況に日々直面し、その結果、負荷需要が低下すると、ガスタービンプラントは、下方動作限界に直面し、ガスタービンは、停止されなければならず、そのため、発電プラントは、莫大なメンテナンスコストという技術的要件を被る。
【０００７】
典型的なガスタービンの別の特徴は、周囲温度が上昇することにより、電力出力が、空気温度の上昇による密度低下の線形的効果によって比例的に低下するというものである。電力出力は、気温の高い日には名目上の出力定格から１０％超だけ低下し得る。これは、典型的には、ピーク対応ガスタービンが、電力の送出を最も頻繁に要求される場合に生じる。
【０００８】
典型的なガスタービンの別の特徴は、ガスタービンの圧縮機セクションにおいて圧縮および加熱される空気が、ガスタービンのタービンセクションの種々の部分へとダクト送給され、そこにおいて様々な構成要素を冷却するために使用されるというものである。この空気は、典型的にはタービン冷却および漏出空気（以降では「ＴＣＬＡ」）と呼ばれるが、この用語は、ガスタービン関連の当業者には周知である。圧縮プロセスにより加熱されるが、ＴＣＬＡ空気は、タービン温度よりは依然として大幅に低温であり、したがって圧縮機の下流側のタービン内の構成要素の冷却には有効である。圧縮機の入口に進入する空気の典型的には１０％〜１５％が、燃焼器を迂回し、このプロセスに使用される。したがって、ＴＣＬＡは、ガスタービンシステムの性能にとって重要な技術的要件となる。
【０００９】
例えば入口チリングなどの他の出力増加システムが、より低温の入口条件を実現することにより、ガスタービン圧縮機を通る空気流の増加を結果としてもたらし、ガスタービン出力が、比例的に上昇する。例えば、入口チリングが、ガスタービン圧縮機がさらに５％多い空気流を有するように、気温の高い日の入口条件を低下させる場合には、ガスタービンの出力は、５％だけ上昇することになる。周囲温度が低下すると、空気が予め低温であることにより、入口チリングの効果はより低いものとなる。したがって、入口チリング出力上昇は、気温の高い日に最大限に引き出され、約７．２２２℃（約４５°Ｆ）の周囲温度の日にはゼロにまで低下する。
【００１０】
Ｎａｋｈａｍｋｉｎの米国特許第６，３０５，１５８号（「’１５８特許」）にて論じられるものなどの出力増加システムにおいては、通常モード、充填モード、および空気注入モードという３つの基本動作モードが定義されるが、これは、ガスタービンシステムが送出し得る「最大定格出力を超過する」電力を送出することが可能である発電機が必要となることによる制約を受ける。この特許は、発行されて１０年超が経過しているが、エネルギーコストが急激に上昇しつつある中でその適用が全く知られていないという事実が、その特許が市場の要求に応えていないことの証左である。
【００１１】
第１に、ガスタービンシステムが現行において送出することの可能な「最大定格出力を超過する」電力を送出することが可能になるようにこの発電機を交換およびアップグレードするためには、非常に多額の費用を要する。また、‘１５８特許に開示されるような注入オプションは、出力増加を実現するが、開始および送電網への接続に多大な時間量を必要とする。これにより、‘１５８特許の適用は、出力上昇が瞬間的に行われなくてはならない運転予備力などのいくつかの市場においては、実用的ではなく、これらのタイプのシステムにおいては、大型の補助圧縮機が必要であるため、出力上昇の開始に時間がかかり過ぎる。
【００１２】
別の欠点は、このシステムが、燃料消費およびしたがって効率に対する甚大な負の影響をもたらさずに複合サイクルプラントに実装することが不可能である点である。‘１５８特許において概説される実装形態の殆どが、単純サイクル運転において空気を加熱するために回収熱交換器を使用し、これは、燃料消費増加の問題を緩和するが、甚大なコストおよび複雑化の増加をもたらす。以下において概説される提案の本発明は、‘１５８特許に開示される発明のコスト上および性能上の両短所に対して対応する。
【００１３】
また、関連特許であるＮａｋｈａｍｋｉｎの米国特許第５，９３４，０６３号（「‘０６３特許」）に概説されるように、「以下の運転モード、すなわち、タービン通常運転モード、空気が貯蔵システムから送出されガスタービン内の空気と混合されるモード、および次の充填モードの中の１つを選択的に可能にする」弁構造が存在する。また、‘０６３特許は、発行されて１０年超が経過しており、やはり世界中においてその適用が全く知られていない。これは、‘１５８特許に関する場合と同様に、やはりコスト上および性能上の不足が理由である。このシステムは、単純サイクルガスタービンに対して効率上の技術的要件を課すことなく適用され得るが、単純サイクルガスタービンは、非常に頻繁に運転されるわけではないため、発電プラントのオペレータにとって技術的に魅力のあるものとなる時間フレーム内では設備投資の回収は一般的にはできない。同様に、このシステムが複合サイクルガスタービンに適用される場合には、高い熱消費率の技術的要件が存在し、やはり、この技術は市場の需要に対応していない。以下において概説される提案の本発明は、‘０６３特許のコスト上および性能上の両課題に対応する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本明細書においてＴｕｒｂｏＰＨＡＳＥ（商標）と呼ばれる場合のある本発明は、低負荷でのプラントの効率および電力出力を改善するために、ならびにガスタービンの電力出力能力の下限を低下させると同時にガスタービンの電力出力の上限を上昇させて、新規または既存のガスタービンシステムの容量および調整能力を上昇させるために、特定のプラントニーズに応じて複数のオプションを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の一態様は、ピーク需要期間に追加電力を迅速に供給するためにガスタービンシステムを運転させ得る方法およびシステムに関する。
【００１６】
本発明の別の態様は、ガスタービン発電プラントの既存のソースから有用な作用を得るためのエネルギー貯蔵および回収システムに関する。
【００１７】
本発明のさらに別の態様は、低需要期間にガスタービンシステムをより効率的に出力低下させ得る方法およびシステムに関する。
【００１８】
本発明の一実施形態は、１つの第１の圧縮機、少なくとも１つの発電機、発電機および圧縮機に連結された少なくとも１つのタービン、燃焼器、ならびに燃焼器ケース（圧縮機用の排出マニホルドである）を備える、少なくとも１つの既存のガスタービンを備え、第１の圧縮機と同一ではない補助圧縮機をさらに備える、システムに関する。
【００１９】
本発明の他の好ましい実施形態の１つの利点は、低需要期間におけるガスタービンシステムの低出力能力を上昇させ、高需要期間におけるガスタービンシステムの効率および出力を向上させることが可能である点である。
【００２０】
本発明の実施形態の別の利点は、送電網からは独立して作動する燃料エンジンにより駆動される補助圧縮機を使用することにより、低需要期間におけるガスタービンシステムの出力低下能力を上昇させることが可能である点である。
【００２１】
本発明の実施形態の別の利点は、補助圧縮機、空気貯蔵システム、またはそれらの両方のいずれかから燃焼ケースに流れる圧縮空気に付加され得るかあるいは複合サイクル発電プラントにおいて蒸気サイクルに付加され得る熱を生成する燃料エンジンにより駆動される補助圧縮機を使用することにより、低需要期間におけるガスタービンシステムの出力低下能力を上昇させることが可能である点である。
【００２２】
本発明のいくつかの実施形態の別の利点は、ガスタービンシステムにより生成される電力によって駆動されない補助圧縮機を使用することにより、高需要期間にガスタービンシステムの出力を上昇させることが可能である点である。
【００２３】
本発明のいくつかの実施形態の別の利点は、複合サイクル発電プラントの熱回収蒸気発生器により生成された蒸気によって駆動される補助圧縮機を使用することにより、高需要期間にガスタービンシステムの出力を上昇させることが可能である点である。
【００２４】
本発明の別の利点は、特定のプラント目的を達成するために、既存のガスタービンにこれらの実施形態の選択部分を組み込むことが可能である点である。
【００２５】
本発明の一実施形態の別の利点は、事前に空気を加熱することなく、タービン冷却回路中に圧縮空気を注入することが可能である点と、低温冷却空気が、より少量の圧縮空気の使用（加熱された圧縮空気との比較において）により同一の所望の金属温度を達成することが可能であることにより、効率が改善される点である。
【００２６】
本発明の別の実施形態の別の利点は、増分量の圧縮空気が、広範囲の周囲温度にわたって比較的一定の比率にて付加され得るため、ガスタービンにより達成される電力増加が、広範囲の周囲温度にわたってやはり比較的一定になる点である。さらに、補助圧縮空気が、ガスタービンの圧縮機からの大幅な電力増加を伴わずに送出されることにより（なぜならば、圧縮空気は、別個に燃料供給される圧縮機または圧縮空気貯蔵システムのいずれかからのものであるため）、注入される空気の１％ごとに（質量流量で）、２％の電力増加が結果的に得られる。電力を補助するための入口チラーなどの他の技術は、注入される空気の１％増加ごとに約１％の電力増加をもたらすので、したがって、２倍もの出力増大が、タービンおよび燃焼器を通過する同一増分の空気流により実現され、その結果として物理的により小さくより低コストの電力補助システムが得られるため、これは重要となる。
【００２７】
本発明の１つの好ましい実施形態は、１つまたは複数の高圧空気貯蔵タンク内に貯蔵される圧縮空気を生成するために補助圧縮機を使用する中間冷却型圧縮回路を備える。圧縮時に圧縮空気から吸収される中間冷却プロセス熱は、複合サイクル発電プラントの蒸気サイクルに伝達される。
【００２８】
任意には、蒸気サイクルを有する複合サイクルガスタービンプラントと組み合わされた場合に、蒸気サイクルからの蒸気を使用することにより、第２の蒸気タービンを駆動し、さらにこの第２の蒸気タービンが、補助圧縮機を駆動することが可能となる。高圧空気貯蔵タンクの使用と、ガスタービンへのこの空気の直接的な放出とにより、ガスタービンは、他の場合に生成され得る電力よりもはるかに多量の電力を送出することが可能となる。なぜならば、現行においてガスタービンシステムの圧縮機によりタービンに送出される空気の最大質量流量は、空気タンクからの空気により補助されるからである。既存のガスタービンにおいては、これは、高温日には、最大で電流発生器限界までガスタービンシステムの出力を上昇させることが可能であり、これは２０％もの電力出力の増加となり得るものであり、また同時に、最新技術よりも２５〜３０％だけ出力低下能力を上昇させることを可能にする。
【００２９】
新たなガスタービンにおいては、発電機およびタービンは、任意の時点にこの追加電力を送出するように過大サイズにサイズ設定され得るため、したがって、最新技術よりも２５〜３０％高い出力低下能力を伴いつつ、２０％をはるかに下回る合計システムコスト増加にてシステムの名目上の定格出力を２０％上昇させる。
【００３０】
本発明の他の利点、特徴、および特性と、動作方法ならびに構造の関連要素およびパーツの組合せの機能とが、添付の図面を参照として以下の詳細な説明および添付の特許請求の範囲を考察することによりさらに明らかになる。添付の図面はいずれも、本明細書の一部を成す。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】補助圧縮機を駆動する回収熱交換型エンジンを有する補助エネルギーシステムを有する本発明の一実施形態の概略図である。
【図２】補助圧縮機およびエネルギー貯蔵装置を駆動する回収熱交換型エンジンを有する補助エネルギーシステムを有する本発明の一実施形態の概略図である。
【図３】連続出力増加システムを組み込んだ本発明の一実施形態の概略図である。
【図４】補助蒸気タービンが補助圧縮機を駆動する本発明の一実施形態の概略図である。
【図５】補助圧縮機およびエネルギー貯蔵装置を駆動する補助蒸気タービンを備える本発明の一実施形態の概略図である。
【図６】２つのガスタービンおよび蒸気タービンと組み合わせて設置された本発明の一実施形態の概略図である。
【図７】１つのガスタービンおよび蒸気タービンと組み合わされて設置された本発明の一実施形態の概略図である。
【図８】１つのガスタービンと組み合わされて設置された本発明の一実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
既存のガスタービンシステム１と共に使用される場合の本発明の一実施形態の構成要素が、図１に示される。周囲空気２を圧縮する既存のガスタービンシステム１は、圧縮機１０、燃焼器１２、燃焼ケース１４、タービン１６、および発電機１８を備える。燃料エンジン２０が、周囲空気２４を圧縮し圧縮空気２６を排出する多段式中間冷却型補助圧縮機２２を駆動するために使用される。本明細書において使用される場合に、「燃料エンジン」という用語は、往復動内燃機関、ガスタービン（既存のガスタービンシステム１内のガスタービンに追加された）、あるいは燃焼などの発熱反応により燃料（例えば、ガソリン、ディーゼル、天然ガス、またはバイオ燃料等の燃料）をエネルギーに変換する同様のマシンを意味する。燃料エンジンは、周囲空気４２を引き込み、燃焼プロセスの結果として高温排気ガス３２を生成する。当業者には容易に理解されるように、補助圧縮機２２内の空気が、ある圧縮機段から次の圧縮機段へと通過すると、この空気は、冷却塔などの中間冷却熱交換器２８の使用により中間冷却されて、後の圧縮機段にて空気を圧縮するために必要とされる作用を軽減する。本明細書においては、「中間冷却熱交換器」という用語は、圧縮機の上流段から圧縮空気を受領し、上流の圧縮機段の下流側の別の圧縮機段に送出される前にその空気を冷却する、熱交換器を意味する。中間冷却熱交換器２８の使用により、補助圧縮機２２の効率が上昇し、これにより、既存のガスタービンシステム１の圧縮機１０よりも高い効率を有することになる。当業者には容易に理解されるように、中間冷却熱交換器２８は、本明細書においては「中間冷却器」と呼ばれるが、以下においてさらに詳細に説明されるように中間冷却器および最終冷却器を実際には備える。
【００３３】
この実施形態は、回収熱交換器３０をさらに備え、この回収熱交換器３０は、燃料エンジン２０から排気ガス３２をおよび補助圧縮機２２から圧縮空気２６を受領する熱交換器である。補助圧縮機２２から回収熱交換器３０への圧縮空気流は、回収熱交換器流量制御弁４４により制御される。回収熱交換器３０内において、高温排気ガス３２は、圧縮空気２６を加熱し、次いで実質的により低温の排気ガス３４として回収熱交換器３０から出る。同時に、回収熱交換器３０内において、圧縮空気２６は、排気ガス３２から熱を吸収し、次いで、回収熱交換器３０に進入する場合よりも実質的により高温の圧縮空気３６として回収熱交換器３０から出る。実質的により高温の圧縮空気３６は、次いで、回収熱交換器３０からガスタービンシステム１の燃焼ケース１４内に排出され、そこでタービン１６を通る質量流量に付加される。
【００３４】
冷却器排気ガス３４は、次いで大気へと排出される。当技術において既知のタイプの選択接触還元（「ＳＣＲ」）デバイス（図示せず）が、回収熱交換器３０の前、中間、または後に挿入されることにより、ＳＣＲ機能にとって最も望ましい条件を実現することが可能である。代替的には、ＳＣＲデバイスの後に、冷却器排気ガス３４が、図１に示すようにタービン１６の排気ガス３８に注入され得ると共に、次いで、混合流排気３８が、大気へと排出される（単純サイクルガスタービンの場合）か、または複合サイクル発電プラント内の当技術において既知のタイプの蒸気タービンの熱回収蒸気発生器（「ＨＲＳＧ」）（図示せず）へと送られるかのいずれかとなる。混合流排気３８が、ＨＲＳＧ内に排出されることとなる場合には、使用される手段は、タービン１６からＨＲＳＧおよびＳＣＲデバイス内への排気ガス３８流が中断されないことを確保しなければならない。Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｆｒａｍｅ  ９ＦＡ産業用ガスタービンなどの「Ｆ−Ｃｌａｓｓ」エンジンにおいては、始動を目的として、タービンセクションの周囲に空気を迂回させ、タービン１６の排気プレナム内に空気を放出する、大型圧縮機抽気ラインが存在する。これらの抽気ラインは、ガスタービンシステム１が負荷を受ける場合には使用中ではなく、したがって、冷却器排気ガス３４が回収熱交換器３０を出た後にこの冷却器排気ガス３４を排出するのに良い位置である。なぜならば、これらの圧縮機抽気ラインは、ＨＲＳＧおよびＳＣＲデバイスに対する影響を最小限に抑えるように予め設計されるからである。燃料エンジン２０からガスタービンシステム１の排気３８中に排気３２を注入することにより、ガスタービンシステム１のＳＣＲは、排気３２を洗浄するために使用され得るため、したがって燃料エンジン２０上の高額なシステムが排除され得る。
【００３５】
ガソリン、ディーゼル、天然ガス、またはバイオ燃料等の往復動エンジンは、背圧に容易に影響されず、そのため、燃料エンジン２０上に回収熱交換器３０を配置することによって、燃料エンジン２０の性能に対して無視できないほどの影響は引き起こされないことが判明している。典型的なガスタービン発電プラントの排気において使用されるＨＲＳＧなどの他の熱回収システムは、出力増加システムが使用中であるか否かとは無関係に常に著しい出力損失を生じさせるため、これは、非常に重要である。
【００３６】
燃料エンジン２０からの出力は、中間冷却型圧縮機２２を駆動するために使用される。この設備が、ＨＳＲＧおよび蒸気タービンを備える場合には、燃料エンジン２０上のエンジンジャケット、オイル冷却器、およびターボチャージャからの補助熱が、ＨＳＲＧ（典型的には低圧および低温の復水ライン）により蒸気タービンの蒸気サイクルに伝達され得る。同様に、多段式補助圧縮機２２内において圧縮された場合の空気から中間冷却熱交換器２８により除去される熱は、圧縮空気が冷却塔により冷却される前に同様に蒸気サイクル中に伝達されて、補助圧縮機２２の後の圧縮段への進入前に所望の温度へと圧縮空気の温度を低下させることが可能である。補助ガスタービンが、往復動エンジンの代わりに燃料エンジン２０として使用される場合には、より低い排出率が実現可能となり、これにより、最も厳格な環境エリアにおける排出許可が得られる。また、補助ガスタービンが、燃料エンジン２０として使用される場合には、補助ガスタービンからの排気ガスは、上述の既存のガスタービンシステム１の排気抽気パイプへと直接的にパイプ供給され得るため、したがって追加のＳＣＲデバイスのコストおよびメンテナンスが回避される。
【００３７】
このシステムによるピーク対応時には、ガスタービンシステム１は、電力出力および電力流が低下する可能性が最も高くなり（ピーク対応が、より高温の周囲空気温度によってガスタービンシステム１内の質量流量が低下し、さらにそれによってガスタービンシステム１全体の電力出力が低下する夏季に必要とされることを仮定した場合）、補助圧縮機２２は、ガスタービンシステム１の空気質量流量を、より低温の日（すなわち、ガスタービンシステム１の最大定格出力が達成され得る日）に実現される流量にまで戻すことになる。
【００３８】
図２は、圧縮空気貯蔵装置が追加された図１の実施形態を示す。圧縮空気貯蔵システムは、空気貯蔵タンク５０と、作動液タンク５２と、作動液タンク５２と空気貯蔵タンク５０との間において水などの作動液を移動させるためのポンプ５４とを備える。好ましい実施形態によれば、電力送出の上昇が必要とされる期間においては、空気出口弁４６は開き、空気バイパス弁４８は開き、空気入口弁５６は閉じ、補助圧縮機２２は、燃料エンジン２０により駆動されて作動される。当業者には容易に理解されるように、圧縮空気が、後の使用のために貯蔵されるべき場合には、この圧縮空気は、より高圧にて貯蔵されることが必要となる可能性が高く、したがって補助圧縮機２２は、図１に示す実施形態の補助圧縮機２２と比較して追加的な圧縮段を好ましくは有する。これらの追加段は、燃料エンジン２０により常時駆動され得るか、または燃料エンジン２０が空気貯蔵タンク５０内に圧縮空気を貯蔵するために作動される（所望の貯蔵圧力は、空気貯蔵タンク５０の所要容積を最小限に抑えるために実質的により高い）場合に追加段にのみ関与するクラッチタイプ機構を設置することによって断続的に駆動され得るものであってもよい。代替的には、追加段は、燃料エンジン２０から結合解除され、別個に燃料供給されるエンジン（図示せず）または電気モータなどの他の手段により駆動されてもよい。
【００３９】
補助圧縮機２２から流れる圧縮空気２６は、中間冷却熱交換器２８から出る空気流を制御する空気入口弁５６が閉じられることにより、中間冷却熱交換器２８に向かうのとは逆にミキサ５８へと流される。補助圧縮機２２の出口から流れる圧縮空気２６は、空気貯蔵タンク５０から出る圧縮空気とミキサ５８内において混合され、回収熱交換器３０へと導入され、そこで燃料エンジン２０の排気ガスから熱を吸収した後に、以下において説明されるプロセスを利用して燃焼ケース１４内に導入される。当業者には容易に理解されるように、熱効率の理由から、回収熱交換器３０は、理想的には対向流熱交換器となる。なぜならば、対向流熱交換器は、排気３２からの最大熱量を、空気貯蔵タンク５０から出る圧縮空気に伝達するのを可能にするからである。代替的には、回収熱交換器３０が、１つまたは複数の直交流熱交換器から構成される場合には、この回収熱交換器３０は、第１の直交流熱交換器である第１の段と、その後の第２の直交流熱交換器である第２の段とを有し得る。この構成においては、排気３２が、初めに回収熱交換器の第１の段に進入し、部分的に冷却され、次いで回収熱交換器の第２の段へと流れる。同時に、空気貯蔵タンク５０から出る圧縮空気が、初めに回収熱交換器３０の第２の段に進入し、そこで追加的な熱が、部分冷却された排気３２から抽熱されることにより、圧縮空気が「予熱」される。次いで、圧縮空気は、回収熱交換器３０の第１の段へと流れて、そこで、まだ部分冷却されていない排気３２により加熱され、その後にミキサ５８へと流れて、補助圧縮機２２から流れる空気と合流する。この場合には、「２段」回収熱交換器は、対向流熱交換器とむしろ似たように機能して、圧縮空気の加熱においてより高い熱効率をもたらす。
【００４０】
当業者には容易に理解されるように、補助圧縮機２２内において圧縮される空気は、バイパス弁４８が開いていることにより、中間冷却熱交換器２８を迂回することになるため、補助圧縮機２２から出る圧縮空気は、圧縮熱の一部を保持し、空気貯蔵タンク５０から流れる圧縮空気と混合されると、混合空気の温度を上昇させることになるため、この混合空気が、回収熱交換器３０に進入した場合には、混合空気は、空気貯蔵タンク５０からの圧縮空気のみが回収熱交換器３０内に送られつつある場合よりも高温になる。同様に、空気貯蔵タンク５０から出る空気が、ミキサ５８に進入する前に初めに上述のように回収熱交換器の「第２の段」内において予熱されると、さらにより高温の圧縮空気混合気が、結果として得られることになり、これは、一部の条件下においては望ましいものとなり得る。
【００４１】
燃焼タービンシステム１が、このように運転され続けると、空気貯蔵タンク５０内の圧縮空気の圧力は、低下する。空気貯蔵タンク５０内の圧縮空気の圧力が、燃焼ケース１４内の空気の圧力に到達すると、圧縮空気は、空気貯蔵タンク５０からガスタービンシステム１への流入を停止する。これが引き起こされるのを防止するために、空気貯蔵タンク５０内の圧縮空気の圧力が、燃焼ケース１４内の空気の圧力に到達した場合に、流体制御弁６０は、閉じられた状態に留まり、水圧ポンプ５４は、空気貯蔵タンク５０から圧縮空気を追い出すのに十分な高圧にて、水などの流体を作動液タンク５２から空気貯蔵タンク５０内へとポンプ送給し始め、したがって、空気貯蔵タンク内の実質的に全ての圧縮空気が、燃焼ケース１４に送出され得る。
【００４２】
当業者には容易に理解されるように、追加的な圧縮機段または高圧圧縮機段が、燃料エンジン２０により駆動される補助圧縮機２２とは別個に追加される場合には、所望に応じて、ガスタービン燃焼ケース１４からの空気は、抽気され、ガスタービン燃焼ケース１４からの抽気空気として実質的により高温の圧縮空気３６とは逆方向に流され、別個に燃料供給されるエンジン２０で駆動される補助圧縮機２２からの空気の代役を果たし得る。この場合には、抽気空気は、中間冷却熱交換器２８または冷却塔内で冷却され、次いで、補助圧縮機２２の高圧段の入口へと送出され得る。これは、低い出力低下能力が望ましい場合には、特に望ましいものとなり得る。なぜならば、抽気空気は、さらなるガスタービン出力損失を結果的にもたらすからであり、補助圧縮機２２の高圧段用の駆動システムは、電気モータにより駆動され得ることにより、ガスタービンシステム１によって発電される電力を消費し、これにより、さらなるガスタービン出力低下損失をやはり結果的にもたらすからである。当業者には容易に理解されるように、これは、ガスタービンシステムからの補助電力生成が望ましい期間において望ましいような動作モードではない。
【００４３】
好ましい実施形態によれば、水圧システムが使用されるか否かとは無関係に、空気が、空気貯蔵タンク５０からの流出を停止した場合に、補助圧縮機２２は、運転し続け、ガスタービンシステム１への出力増加を送出し続けることが可能である。図１に示すものなどの他の好ましい実施形態によれば、補助圧縮機２２は、空気貯蔵タンク５０の使用を伴わずに始動および運転される。好ましくは、中間冷却熱交換器２８が、多段式圧縮機２２を通る周囲空気２４を圧縮する補助圧縮機２２内の低圧段から高圧段への空気を冷却するために使用される。
【００４４】
空気入口弁５６、空気出口弁４６、バイパス弁４８、および補助流量制御弁４４は、ガスタービンシステム１の所望の運転条件を実現するために作動される。例えば、空気貯蔵タンク５０を圧縮空気で充填することが望ましい場合には、空気出口弁４６、バイパス弁４８、および補助流量制御弁４４は、閉じられ、空気入口弁５６は、開かれ、燃料エンジン２０は、補助圧縮機２２を駆動するために使用される。空気が、補助圧縮機２２内において圧縮されると、バイパス弁４８が、閉じられて圧縮空気を中間冷却熱交換器２８に流通させることにより、この空気は、中間冷却熱交換器２８により冷却される。次いで、補助圧縮機２２から出る空気は、空気入口弁５６を通り空気貯蔵タンク５０に流入する。同様に、空気貯蔵タンク５０から燃焼ケース１４内に圧縮空気を排出することが求められる場合には、空気出口弁４６、バイパス弁４８、および補助流量制御弁４４は、開かれ、空気入口弁５６は、閉じられ得ると共に、燃料エンジン２０は、補助圧縮機２２を駆動するために使用され得る。空気が、補助圧縮機２２内において圧縮されると、この空気は、圧縮熱により加熱し、バイパス弁４８が開いていることにより中間冷却熱交換器を迂回するため、中間冷却熱交換器内においては冷却されない。次いで、空気貯蔵タンク５０からの圧縮空気が、ミキサ５８を通り流れ、そこで補助圧縮機２２からの高温空気と混合され、次いで回収熱交換器３０へと流れ、そこで燃料エンジン２０の排気ガス３２から回収熱交換器３０に伝達された熱を吸収し、燃焼ケース１４へと引き続き流れる。補助圧縮機２２からの全ての空気流が、ガスタービンシステム１により必要とされるわけではない場合には、この実施形態は、補助圧縮機２２から流れる空気の一部が、ミキサ５８に流れ、補助圧縮機２２からの空気流の一部が、中間冷却熱交換器２８を通り流れ、次いで空気入口弁５６を通り空気貯蔵タンク５０内へと流れる、ハイブリッドモードにおいて運転される。
【００４５】
当業者には容易に理解されるように、予熱された空気混合気は、所望の目的に応じて、他の位置において燃焼タービン内に導入され得る。例えば、予熱された空気混合気は、タービン１６内の構成要素を冷却するためにタービン１６内に導入され、それにより、これらの構成要素を冷却するために圧縮機から抽気空気を抽気する必要性を軽減または解消し得る。当然ながら、これが、予熱された空気混合気の使用目的である場合には、混合気の所望の温度が、さらに低くなり、それに応じて、ミキサ５８内の混合比は、タービン１６の冷却回路内に圧縮空気混合気を導入する前に、回収熱交換器３０により予熱された空気混合気に対して加えられる熱がある場合にどのくらいの熱が加えられることになるかを考慮しつつ、変更されることが必要となる。この使用目的のために、予熱された空気混合気は、タービン１６のＴＣＬＡシステム内に典型的に導入される圧縮機１０からの冷却空気の温度と同一温度にて、または燃焼タービン効率全体を向上させるためにより低温にて（なぜならば、タービン構成要素の冷却に必要となるＴＣＬＡ冷却空気がより少量になるため）、タービン１６内に導入され得る点に留意されたい。
【００４６】
空気貯蔵タンク５０が、空気貯蔵タンク５０に圧縮空気を追加するための充填サイクルを開始する前に、中に作動液を有する場合には、流体制御弁６０が、開かれることにより、圧縮空気は、空気貯蔵タンク５０に流入する際に、空気貯蔵タンク５０から流体制御弁６０を通り作動液タンク５２内へと中の作動液を押し戻す点を理解されたい。タービンシステム１に進入する空気の圧力および温度を制御することにより、ガスタービンシステムのタービン１６は、高出力で運転され得る。なぜならば、ガスタービンシステム１の質量流量が、効果的に上昇され、これにより、とりわけガスタービンの燃焼器１２内への燃料流入が増加し得るからである。燃料流のこの増加は、ガスタービンシステム１の低温日運転に伴う燃料流の上昇と同様であり、この場合には、ガスタービンシステム１全体を通過する質量流の増加が、周囲空気密度がより温暖な（通常の）日における密度よりも高いことにより、発生する。
【００４７】
エネルギー需要がより高い期間に、空気貯蔵タンク５０および補助圧縮機２２から流れる空気は、圧縮機１０から冷却空気を抽気する必要性を相殺することにより、圧縮機１０内において圧縮されたより多くの空気が、燃焼器１２を通過しタービン１６へと流れることが可能となり、それによりガスタービンシステム１の正味実現可能出力が上昇するように、ガスタービンシステム１へと導入され得る。ガスタービン１６の出力は、ガスタービンシステム１を通る質量流量に対して非常に比例的であり、上述のシステムは、先行技術の特許と比較すると、圧縮空気を生成するために同一の空気貯蔵容積および同一の補助圧縮機サイズが共に使用された場合に、その同一の空気貯蔵容積および同一の補助圧縮機サイズによってガスタービン１６へのより高い流量増加をもたらし、その結果として、先行技術のシステムの価格よりもはるかに低いコストでありながら同等レベルの出力増加を実現するハイブリッドシステムをもたらす。
【００４８】
補助圧縮機２２は、少なくとも１つの圧縮段により周囲空気２４の圧力を上昇させ、次いで、この周囲空気２４は、中間冷却熱交換器２８内において冷却され、補助圧縮機２２の後段においてさらに圧縮され、次いで中間冷却熱交換器２８内で最終冷却され（この場合に、補助圧縮機２２の最終段から出る圧縮空気は、次いで同一の中間冷却熱交換器２８内において最終冷却される）、次いで、冷却され圧縮された高圧空気は、開いた空気入口弁５６および入口マニホルド６２を経由して空気貯蔵タンク５０へと送出され空気貯蔵タンク５０内に貯蔵される。
【００４９】
中間冷却熱交換器２８を通り流れる圧縮空気が、冷却されると、この圧縮空気から伝達された熱が、ＨＲＳＧ内の水を加熱するために使用されて、蒸気タービンの効率を改善することが可能となる。中間冷却熱交換器２８内の圧縮空気を冷却するための代替的な方法は、複合サイクルプラントにおける蒸気サイクル（図示せず）から比較的冷温の水を使用することである。この構成においては、水は、中間冷却熱交換器２８に流入し、補助圧縮機２２からの圧縮空気から抽熱される熱を取り出し、このようにしてより温かくなった水は、中間冷却熱交換器２８から出て、蒸気サイクルへと流れ戻る。この構成により、熱が、この段落内で説明した貯蔵サイクルと以下において説明される出力増加サイクルとの両方の際に取り込まれる。
【００５０】
好ましい実施形態によれば、空気貯蔵タンク５０は、好ましくは平底荷船、スキッド、トレーラ、または他の可動プラットフォームの上など、地上に位置し、容易に設置および輸送され得るように構成される。ガスタービンシステム１を除く追加の構成要素は、１，８５８平方メートル（２０，０００平方フィート）未満を、好ましくは１，３９４平方メートル（１５，０００平方フィート）未満を、最も好ましくは９２９平方メートル（１０，０００平方フィート）未満を、発電プラントの全設置面積に加算するものであるべきである。本発明の連続増加システムは、複合サイクルプラントの設置面積の１％を占め、プラントの残りの面積と比較して平方メートル（平方フィート）当たり３〜５倍の電力を送出し、したがって、非常に空間効率の高いものであり、一方で、貯蔵システムを備える本発明の連続増加システムは、複合サイクルプラントの設置面積の５％を占め、発電プラントの平方メートル（平方フィート）あたり１〜２倍の電力を送出する。
【００５１】
図３は、補助ガスタービン６４が、ガスタービンシステム１からの追加電力出力が必要とされる場合に補助空気流を供給するために使用される、本発明の別の実施形態を示す。補助ガスタービン６４は、補助圧縮機セクション６６および補助タービンセクション６８を備える。この実施形態においては、補助ガスタービンは、補助タービンセクション６８により生成される電力の実質的に全てが補助圧縮機セクション６６を駆動するために使用されるように、設計される。本明細書において使用される、「実質的に全ての」という用語は、ガスタービンシステム１と共に使用される発電機などの主要付属物が、補助ガスタービンセクション６８から電力を引き込んでいないことにより、補助タービンセクション６８により生成される電力の９０％超が、補助圧縮機６６を駆動するために使用されることを意味する。Ｓｏｌａｒ  Ｔｕｒｂｉｎｅｓ  Ｉｎｃ．、などの小型ガスタービンの製造業者は、補助圧縮機セクション６６および補助タービンセクション６８を支持するために複数の軸受を用いたシステムを作製することにより、圧縮機および燃焼器／タービンを混合および適合させ得る。過大サイズのガスタービン圧縮機６６を有し、通常サイズのタービン／燃焼システム６８を有する、特殊なタービンが、ガスタービンシステム１への追加的な補助空気流を供給するために使用され、タービン／燃焼システム６８を運転するために必要とされるサイズを超過した過大サイズの圧縮機６６から出力される過剰圧縮空気７０は、燃焼ケース流量制御弁７４が開位置にある場合に、この燃焼ケース流量制御弁７４を通り流れ、ガスタービンシステム１の燃焼ケース１４内に排出されて、ガスタービンシステム１のタービン１６を通過する合計質量流量を増加させ、したがってガスタービンシステム１による合計電力出力を増加させる。例えば、通常は４ＭＷを定格とする２２．６７９ｋｇ（５０ポンド）／秒の燃焼器／タービンセクション６８が、実際には８ＭＷを発電し得るが、圧縮機は、４ＭＷを引き込むため、この発電機からの正味出力は、４ＭＷとなる。かかるタービンが、その上の４５．３５９ｋｇ（１００ポンド）／秒の圧縮機に結合されるが、２２．６７９ｋｇ（５０ポンド）／秒のみが、燃焼器／タービンセクション６８に送られる場合には、他方の２２．６７９ｋｇ（５０ポンド）／秒は、ガスタービンシステム１の燃焼ケースに送られ得る。２．６７９ｋｇ（５０ポンド）／秒の燃焼器／タービンセクション６８の排気７２が、図１に示す実施形態において説明した方法と同様に、主要タービン１６の排気３８中に注入され、ＳＣＲに共に送られ得る。任意には、この排気は、必要に応じて別個に処理され得る。
【００５２】
当然ながら、４５．３５９ｋｇ（１００ポンド）／秒の圧縮機６６からの圧力は、そこから出力される圧縮空気を燃焼ケース１４内に追いやるのに十分なものでなければならない。幸いなことに、これらのより小型のガスタービンエンジンの多くが、航空機エンジンの転用に基づいており、殆どの発電プラントにおいて使用される大型産業用ガスタービンよりもはるかに高い圧力比を有する。図３に示すように、本発明のこの実施形態は、図１および図２に示す回収熱交換器３０、中間冷却型圧縮機２２、または中間冷却熱交換器２８を備えない。当然ながら、図３に示す実施形態は、図１および図２に示す中間冷却型の実施形態の効率面における改善を実現しないが、図３に示す実施形態の初期コストは、実質的により低いため、典型的にはピーク需要時に電力を供給し、したがって頻繁には運転されないが燃料効率に対する影響の受けやすさがより低い、発電プラントのオペレータにとって魅力的なオプションになり得る。補助ガスタービン６４が、運転中ではない場合には、燃焼ケース流量制御弁７４は、閉じられる。
【００５３】
図４に示す実施形態は、ガスタービンシステム１に補助圧縮機２２を組み込むための別の方法を示す。いくつかの状況においては、（ｉ）ＨＲＳＧへの追加的な質量流量および／または（ｉｉ）中間冷却熱交換器２８および燃料エンジン２０からの追加的な熱を用いた（本発明を組み込まないガスタービンシステム１と比較した場合）、本発明のガスタービン増強は、追加される熱の全てが蒸気タービン発電機に流れる場合（特に発電プラントが高温日に失われる排気エネルギーの代替を果たすためにダクトバーナを有する場合）には、蒸気タービンおよび／または蒸気タービン発電機にとっては対応が困難なものとなり得る。この場合には、補助圧縮機２２により生成される圧縮熱の追加の結果として発生する追加の蒸気が、蒸気サイクルＨＲＳＧから抽気され得る。これが行われることにより、圧縮空気の増加が、ガスタービンシステム１に追加された場合に、中間冷却熱交換器２８から抽出される熱エネルギーが、補助圧縮機２２を駆動するために必要なエネルギーとほぼ同一量のエネルギーを発生させる。換言すれば、通常では１００ＭＷを、および補助圧縮機２２がガスタービンシステム１に圧縮空気を注入した場合には１０８ＭＷを発電する、蒸気タービンを用いる場合には、この追加分の８ＭＷは、中間冷却型補助圧縮機２２を駆動するために必要な電力とほぼ等しいものとなる。したがって、蒸気の一部が、発電プラントの蒸気サイクルから抽気され、蒸気タービンが、１００ＭＷに維持される場合には、小型補助蒸気タービン７６が、中間冷却型補助圧縮機２２を駆動するために使用され得ると共に、発電プラントに追加の排出源は、存在しなくなる。
【００５４】
図４においては、補助蒸気タービン７６が、中間冷却型補助圧縮機２２を駆動し、発電プラントのＨＲＳＧ（図示せず）から得られる、蒸気エンジン７６を駆動するために使用される蒸気７８が、補助圧縮機２２内の空気の圧縮時に中間冷却熱交換器２２によって抽熱された熱である、ＨＲＳＧに対して追加されることとなる熱から生成された余剰蒸気となる。蒸気エンジン７６の排気８０は、ＨＲＳＧに戻され、そこで、さらに蒸気を生成するために使用される。本発明のこの実施形態は、補助圧縮機２２の圧縮プロセスが、ガスタービンシステム１の圧縮機１０よりもはるかに高効率であることにより、著しい効率の改善を結果としてもたらす。この状況においては、当然ながら、出力増加レベルは、蒸気タービンが追加的なＭＷを出力しないことになるため、低下することになるが、他の排出源／燃料燃焼源は、存在しなくなる。
【００５５】
図５は、圧縮空気貯蔵装置が追加された図４の実施形態を示す。圧縮空気エネルギー貯蔵装置のこの実装形態は、図２を参照として説明されたものと同様であり、その動作に関しても同様である。当業者には容易に理解されるように、図５に示す実施形態の出力増加レベルは、蒸気タービンが追加的なＭＷを出力しないため、図２に示す実施形態未満であるが、他の排出源／燃料燃焼源は、存在しなくなる。
【００５６】
図６〜図８は、「ＴｕｒｂｏＰＨＡＳＥシステム」と呼ばれる、図１に示す実施形態の様々な実装形態を示す。ガスタービンシステム用の補助出力システムであるＴｕｒｂｏＰＨＡＳＥは、全てではないにせよ殆どのガスタービンに追加することが可能であり、既存の単純サイクルプラントおよび複合サイクルプラントに対して最大２０％超の出力を追加することが可能である一方で、最大で７％だけ効率（すなわち「熱消費率」）を向上させ得る、モジュール式のパッケージ化「ターボチャージャ」である。ＴｕｒｂｏＰＨＡＳＥシステムは、あらゆるタイプの入口チリングシステムまたは入口フォギングシステムに適合し得るものであり、適切に実装された場合には、排出率（例えば、ＮＯｘ、ＣＯ等のｐｐｍ）を変化させず、その一方で、この特定の排出率は、熱消費率の改善の結果として改善されることになる。適切な温度の清浄な空気のみが、タービンに注入されるため、ＴｕｒｂｏＰＨＡＳＥシステムは、ガスタービンメンテナンス要件に対して負の影響を有さない。工場組立および検査済みモジュールが、ＴｕｒｂｏＰＨＡＳＥシステムを構成することにより、既存の発電プラントでの設置は、迅速であり、連結を完了させ試運転を実施するために、わずか数日間にわたりガスタービンシステムを運転停止することが必要となるに過ぎない。
【００５７】
図６は、１３５ＭＷ蒸気タービン８６（「ＳＴ」）を備える複合サイクル構成にある２つの１３５ＭＷ  Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｆｒａｍｅ  ９Ｅ産業用ガスタービン８２、８４との組合せにおける、図１に示す本発明の実施形態の一実装形態を示す。この実装の結果が、以下の表１に示される。
【００５８】
【表１】
0006039056.tif 000002
【００５９】
表１より明らかなように、この実装形態は、２３ＭＷだけ各ガスタービンから電力出力を増加し、６ＭＷだけ蒸気タービンから電力出力を増加し、合計で５２ＭＷとなった（２×２３ＭＷ＋６ＭＷ＝５２ＭＷ）。ＴｕｒｂｏＰＨＡＳＥシステムは、７％だけガスタービンへの空気流を増加し、任意の周囲温度にて動作可能であり、４％の熱消費率の改善をもたらす。その際に、各ガスタービンのガスタービン出口における圧力比（「ＰＲ」）は、５．６だけ上昇し、一方で圧縮機負荷のＰＲは、３．３の低下を示した。複合サイクル（「ＣＣ」）プラントに関する合計燃料消費率は、５４ＭＭＢＴＵ／時間だけ上昇し、ＣＣプラントに関する熱消費率は、４１６ＢＴＵ／ｋＷｈだけ低下した。参考までに述べると、表１は、本実装形態が、単純サイクル（「ＳＣ」）プラントに対するものであった場合には、各ガスタービンからの増加電力出力は、合計４６ＭＷとなる一方で、熱消費率は、７６７ＢＴＵ／ｋＷｈだけ低下することになることも示す。オプションとして、中間冷却熱交換器は、除去することが可能であり、補助圧縮機熱およびエンジン熱が、蒸気タービンサイクルに追加され得ることにより、＋６ＭＷから＋１６ＭＷに（合計６２ＭＷ）ＳＴ出力が増加し、６％だけ熱消費率が改善される。
【００６０】
図７は、１つのＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｆｒａｍｅ  ９ＦＡ産業用ガスタービン８２と１つの１３８ＭＷ蒸気タービン８２とを備えるＣＣプラントにおける、図１に示す実施形態の一実装形態を示す。この実装形態においては、９ＦＡ産業用ガスタービン８２により出力される電力は、２６０ＭＷから４２ＭＷだけ増加され、蒸気タービン８８により出力される電力は、８ＭＷだけ増加されて、合計で５０ＭＷの出力電力の増加となり、さらに０．２５％の熱消費率の改善を伴う。オプションとして、中間冷却熱交換器２８は、除去することが可能であり、補助圧縮機２２の圧縮熱および燃料エンジンの排気３２からの熱が、蒸気サイクル中のＨＲＳＧに追加され得ることにより、＋８ＭＷからプラス１４ＭＷに（合計５６ＭＷ）ＳＴ出力が増加し、１．８％に熱消費率が改善される。
【００６１】
図８は、１つのＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｆｒａｍｅ  ９Ｂ（または９Ｅ）産業用ガスタービン９０を備えるＳＣプラントにおける、図１に示す実施形態の一実装形態を示す。この実装形態においては、９Ｂによる電力出力は、１３５ＭＷから２３ＭＷだけ上昇し、さらに７％の熱消費率の改善を伴う。
【００６２】
本発明の実施形態の実装形態は、好ましくは以下の利点をもたらす。
【００６３】
（ｉ）設置が迅速かつ単純であり、主要な電気的関連装置を一切必要としない。
【００６４】
（ｉｉ）ガスタービン入口温度が変化せず、それによりガスタービンメンテナンスコストが変わらない。
【００６５】
（ｉｉｉ）空気を注入するためにタービンシステムの燃焼ケースの既存のポートを使用する。
【００６６】
（ｉｖ）高効率であり、回収熱交換され、内燃機関により駆動される中間冷却型補助圧縮機により、ＳＣおよびＣＣの双方の熱消費率が改善する。
【００６７】
（ｖ）水注入、フォギング、入口チリング、蒸気注入、およびダクトバーナに適合する。
【００６８】
（ｖｉ）空気が、適合する温度および圧力にてガスタービン燃焼ケース内に注入される。
【００６９】
（ｖｉｉ）内燃往復動燃料エンジンが、天然ガス、低ＢＴＵバイオ燃料、またはディーゼルを燃焼し得る（燃料エンジン用の小型蒸気タービンドライバおよび小型ガスタービンドライバでも利用可能である）。
【００７０】
（ｖｉｉｉ）エネルギー貯蔵オプションもまた可能であり、約２倍の価格および２倍の効率改善となる。
【００７１】
本明細書において説明され詳細に記載された、特定のシステム、構成要素、方法、およびデバイスは、本発明の上述の目的および利点を十全に達成することが可能であるが、これらは、本発明の現時点において好ましい実施形態であり、したがって本発明により概して予期される対象に相当するものである点と、本発明の範囲は、当業者には自明となるであろう他の実施形態を完全に包含する点と、したがって本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲以外の何物によっても限定されない点とを理解されたい。添付の特許請求の範囲において、ある要素に対する単数形での言及は、その請求項内で別様に引用されない限りは、「１つまたは複数」を意味し、「１つおよび１つのみ」を意味しない。本発明の修正および変形は、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、上述の教示および添付の特許請求の範囲に含まれる点が理解されよう。
【図１】
0006039056.tif 000003
【図２】
0006039056.tif 000004
【図３】
0006039056.tif 000005
【図４】
0006039056.tif 000006
【図５】
0006039056.tif 000007
【図６】
0006039056.tif 000008
【図７】
0006039056.tif 000009
【図８】
0006039056.tif 000010