(57)【要約】  本発明は、ガスタービンエンジンへの空気供給を増加させて運転する新規なモジュラーシステムと方法を開示し、システムに外部空気源を供給する際に、空気注入有りでの燃焼温度が空気注入無しでの燃焼温度と実質的に同等となるように、排気温度にバイアスが加えられる。【選択図】図１
2019501330.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気温度制御曲線に従って、空気注入システムを有するガスタービンエンジンを運転する方法であって、前記方法が、
空気注入無しで運転するときの前記ガスタービンエンジンの排気温度を決定するステップと、
空気注入無しで運転するときの前記ガスタービンエンジンの燃焼温度を決定するステップと、
ガスタービンの圧縮機の流れに追加され、前記ガスタービンエンジンに注入される、圧縮空気の源を提供するステップと、
空気注入有りで所望の燃焼温度に到達するように、前記排気温度制御曲線に加えられるバイアスを決定するステップとを含む方法。
【請求項２】
前記所望の燃焼温度が、空気注入無しでの前記燃焼温度と実質的に同一である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記排気温度が測定された温度である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記燃焼温度が計算された温度である、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記圧縮空気の源が別個の圧縮機によって生成され、前記ガスタービンエンジンへの注入前に加熱される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記バイアスが、空気注入流量、ガスタービンロータ入口温度、前記ガスタービンにわたる温度降下、および空気注入補償効果に基づく、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記バイアスが前記ガスタービンエンジンの運転中に調整されて、周囲条件が変化しても実質的に同一の燃焼温度が維持される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
空気注入システムを装備したガスタービンエンジンを運転する方法であって、前記方法が、
排気温度制御曲線を用いて前記ガスタービンエンジンの燃料流量を制御するステップと、
空気注入無しで運転するときの前記ガスタービンエンジンの排気温度を決定するステップと、空気注入無しで運転するときの前記ガスタービンエンジンの燃焼温度を決定するステップと、ガスタービンの圧縮機の流れに追加され、前記ガスタービンエンジンに注入される、圧縮空気の源を提供するステップと、
所望の燃焼温度が実現されるように前記ガスタービンエンジンへの燃料流量の変化をもたらすような、前記排気温度制御曲線に加えられるバイアスを決定するステップとを含む方法。
【請求項９】
前記排気温度が測定された温度である、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記燃焼温度が計算された温度である、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
外部にある前記圧縮空気の源が別個の圧縮機によって生成され、前記ガスタービンエンジンへの注入前に加熱される、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記バイアスが、空気注入流量、ガスタービンロータ入口温度、前記ガスタービンにわたる温度降下、および空気注入補償効果に基づく、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記バイアスが前記ガスタービンエンジンの運転中に調整されて、周囲条件が変化しても前記所望の燃焼温度が実現される、請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
前記所望の燃焼温度が、空気注入の前の燃焼温度と実質的に同一である、請求項８に記載の方法。
【請求項１５】
空気注入システムを用いて、ガスタービンエンジンを現在のベース負荷電力レベルを超えるレベルで制御する方法であって、前記方法が、
前記ガスタービンエンジンに注入される空気流の増分を測定するステップと、
前記空気注入システムによって加えられる空気流の量の関数としての予想される電力増加の増分を計算するステップと、
前記予想される電力増分と空気注入前の前記現在のベース負荷電力レベルとの和に等しい、１００パーセントの新規ベース負荷電力レベルを再確立するステップとを含む方法。
【請求項１６】
前記再確立された新規ベース負荷電力レベルが、ガスタービンシステムを制御するために使用される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記ガスタービンエンジンが、前記ガスタービンの入口ガイドベーンを介して制御される、１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記ガスタービンエンジンは、前記ガスタービンの燃焼温度を介して制御される、１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0002]本発明は一般にガスタービンの発電、効率および調整容量を含む電力システムに関し、より具体的には、ガスタービンエンジンからの電力出力を増加させるための注入システムおよび制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
[0003]ガスタービンは、電気的または機械的動力を発生させる、最も経済的、多機能および効率的な方法の一つである。しかし、周囲温度が上昇するにつれて、空気温度の上昇に伴う空気密度低下の線形効果ゆえに、電力出力は比例して減少する。ガスタービンは典型的には、ピーク電力需要期間に、しかもエネルギー価格がより高いときに電力を供給するために手配されるので、このことが気温の高い日にはガスタービン運営者に経済的損失を生じさせる。
【０００３】
[0004]高温の周囲条件下でガスタービン出力を増加させるために、吸入空気調整（蒸発冷却または吸入口冷却）、または蒸気注入などの電力増強技術が提案されてきた。しかし、タービン燃焼器出口ガス中のより高い含水量はエンジン構成部品に悪影響を及ぼし得るので、湿度レベルが高い場合、吸入空気調整は達成できない場合がある。
【０００４】
[0005]安全で信頼できる運転を達成するために、ガスタービンは、高温ガス流路部品の健全性と耐久性を維持しながらタービンの運転を制御するための複雑な制御システムを有する。最も重要なことは、エキスパンダまたはタービンの入口第１段ロータの温度として説明される、燃焼温度の制御である。高温材料、遮熱被覆、および冷却設計の開発により、燃焼温度の継続的な上昇が可能になり、それにより、これらの構成部品をますます高い限界で運転させることが可能になった。そしてこれが、ガスタービンを通過する単位質量流量当たりの出力および効率をより高める結果となる。しかし、ガスタービンエンジン内の極めて高い温度ゆえに、燃焼温度の直接温度測定は実用的ではなく、従ってガスタービンエンジンを制御するための代替方法が必要とされる。業界の一般的な方法は、圧縮機吐出圧力（ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ  ｄｉｓｃｈａｒｇｅ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ：ＣＤＰ）または圧縮機圧力比（ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｒａｔｉｏ：ＣＰＲ）毎に、「目標排気温度」が存在する「排気温度制御曲線」を使用することである。この「燃焼曲線」は実験式であり、ＣＰＲおよび測定されたタービン排気温度の関数である。燃焼曲線は、ガスタービンエンジンが、あらゆる周囲条件にわたって一定の燃焼温度で運転することを可能にするように設計されている。
【０００５】
[0006]理想条件を仮定すると、タービン出口（Ｔ４）とタービン入口Ｔ３（タービンの第１段ベーン）との間の関係は、等エントロピー展開として以下の関係式によって計算することができる。
【０００６】
【数１】
2019501330.tif 000003
【０００７】
ここで、ｋは作動流体の比熱の比、Ｔは絶対温度（°Ｒまたは°Ｋ）、Ｐは絶対圧力（ｐｓｉａまたはＰａ）である。
[0007]しかし、式（１）は、ガスタービン排気温度を制御するのに十分ではない。タービンは１００％効率的ではなく、しばしば、前段の圧縮機段から冷却空気が抜き取られ、膨張プロセス中に第１ロータの下流で混合される。その結果、燃焼器吐出とタービン排気温度との間の関係は、閉形式の式によって計算されるのではなく、流体の物理的性質、冷却空気の流れおよび温度、燃焼プロセス、遮熱被覆の熱伝達係数、内部冷却およびフィルム冷却、ならびに混合損失などを考慮した一連の関係式によって計算される。
【０００８】
[0008]蒸気などの追加の流体が、排出制御または電力増強のためにガスタービンに注入されると、ガスタービン状態（燃焼ガスの性質、および圧縮機吐出状態）は変化する。加えて、蒸気が注入される場合、実際の気体定数は実質的に変化し得る。注入無しでガスタービンを制御するために使用するものと同一の排気制御曲線はもはや有効ではなく、追加の質量流量を注入したときに同一の曲線を使用すると、実際の燃焼温度は変化する。既存の排気温度制御曲線を使用すると、燃焼温度ならびに排気温度は低下する。この種の運転は、「ドライ曲線（ｄｒｙ  ｃｕｒｖｅ）」上で運転すると呼ばれる。一般的な方法として、相手先商標製造会社（Ｏｒｉｇｉｎａｌ  Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒ：ＯＥＭ）制御システムは、ガスタービン内に蒸気が注入されるときは、制御曲線バイアス曲線を使用する。このバイアスは、主に実際のガス特性の変化に対処し、燃焼温度および排気温度を更に低下させてより強力な蒸気伝熱特性に対処して、タービン部品寿命への負の影響を最小限に抑える。この場合、ガスタービンは「ウェット曲線（ｗｅｔ  ｃｕｒｖｅ）」上で運転されていると言われ、ドライ曲線上で運転する場合に通常生じる低下を超えて、燃焼温度を低下させるが、これはタービン部品の寿命を保つために、質量流体の熱力学的性質（ｋ）に対処して意図的に燃焼温度を低下させるものである。
【０００９】
[0009]蒸気注入と同様に、乾燥空気が圧縮機ラッパに注入されると、タービンの第１段を通る流動抵抗の増加ゆえに圧縮機吐出圧力が増加し、従って圧縮機に背圧が掛かり、結果としてＣＰＲがより高くなる。「ドライ曲線」の排気温度制御曲線を用いると、ＣＰＲが増加しているので、これは気温のより低い日の運転のように見える。しかし、圧縮機吐出温度、および圧縮機を通る実際の質量流量は、気温のより低い日の同一ＣＰＲでの値とは同一ではない。例えば、３５℃（９５°Ｆ）の日に海面位で運転されるシンプルサイクル産業用ガスタービンの１つでは、圧縮機入口流量（ＣＩＦ）はＣＰＲ１４．０において毎秒４０４キログラム（８９０ポンド）であり、圧縮機吐出温度（ＣＤＴ）は約４２７℃（８００°Ｆ）である。圧縮機ラッパ内に空気が注入され、従ってＣＰＲが１４．８に増加すると仮定すると、圧縮機の背圧効果またはより高い圧力比ゆえに、ＣＤＴは４４４℃（８３１°Ｆ）に増加する。ＣＰＲの１４．８への増加は、１５℃（５９°Ｆ）の日に注入無しで期待されるＣＰＲと同等である。乾燥空気を注入した結果、ＣＰＲが増加し、結果として「標準ドライ」制御曲線上の排気温度が低下する。しかし、ＣＤＴは同一のＣＰＲにおいては、より寒い日よりもより高いので、排気温度を更に上昇させる効果が生じ、その結果、燃料流量はより下がり、燃焼温度は更に低下する。ＣＤＴがより高いゆえにガス流路混合温度が上昇しているので、所与のＣＰＲで必要な排気温度を満足させるために必要とされる燃料流量はより低く、その結果、実際の燃焼温度は低下する。このため更に、実際の燃焼ゾーン反応温度を低下させる結果となる。乾式低ＮＯｘ燃焼システムは、ＮＯｘ排出を制限および制御するリーン（低）反応ゾーン温度で運転されるが、この燃焼温度の更なる低下は、リーンブローアウトに近い条件および一酸化炭素排出が急速に増える条件をもたらす。「標準ドライ」での運転において乾燥空気を注入した結果、圧縮機流量および混合温度は、標準制御曲線の基礎となる実験式とは異なるため、排気温度制御曲線は「アンダファイア（ｕｎｄｅｒ  ｆｉｒｅ）」状態となり、その結果、効率と出力がより低下する。注入された流体は単なる空気であるため、（水蒸気にはあるような）均衡を保つための過酷な熱伝達効果はなく、ならびに熱特性の差異もない。従って、タービン部品の寿命に有意な影響を一切与えることなく、燃焼温度を一定に保つことができる。
【発明の概要】
【００１０】
[0010]本発明は、特定のプラントの必要性に依存して、低負荷でのプラントの効率および電力出力を改善し、ガスタービンの電力出力能力の下限を減少させ、一方でまた、ガスタービンの電力出力の上限を増加させ、従って新規または既存のガスタービンシステムの能力および調整能力を増大させるための、いくつかの選択肢を提供する。
【００１１】
[0011]本発明は、ガスタービンエンジンに注入される乾燥空気の量および温度の関数である、高温乾燥空気注入を用いてガスタービンエンジンを運転する方法について記載する。
【００１２】
[0012]本発明の一態様は、ガスタービンエンジンに加えられる空気流の増分の関数である排気温度バイアスを制御する方法およびシステムに関する。
[0013]本発明の別の態様は、様々な量の高温圧縮空気をガスタービンエンジン内に注入しながら、燃焼温度を制御するために使用される方法およびシステムに関する。
【００１３】
[0014]本発明の別の態様は、高温圧縮空気をガスタービンエンジンに注入しながら、ガスタービンエンジンの効率および電力出力を最大にする方法およびシステムに関する。
[0015]本発明の一実施形態では、排気温度制御曲線に従って、空気注入システムを有するガスタービンエンジンを運転する方法が提供される。この方法は、空気注入無しで運転するときのガスタービンエンジンの排気温度を決定するステップと、次いで空気注入無しで運転するときのガスタービンエンジンの燃焼温度を決定するステップと、ガスタービンの圧縮機の流れに追加され、ガスタービンエンジンに注入される、圧縮空気の源を提供するステップとを含む。最後に、本方法は、空気注入有りで所望の燃焼温度に到達するような、排気温度制御曲線に加えられるバイアスを決定する。
【００１４】
[0016]本発明の代替的実施形態では、空気注入システムを装備したガスタービンエンジンを運転する方法が開示される。この方法は、排気温度制御曲線を用いてガスタービンエンジンの燃料流量を制御するステップと、空気注入無しで運転するときにガスタービンエンジンの排気温度を決定するステップとを含む。次に、空気注入無しで運転するときのガスタービンエンジンの燃焼温度が決定され、ガスタービン圧縮機の流れに追加される圧縮空気の源が供給され、ガスタービンエンジンに注入される。次いで、排気温度制御曲線に加えられるバイアスによってガスタービンエンジンの燃料流量が変化して所望の燃焼温度が実現されるようなバイアスが決定される。
【００１５】
[0017]また本発明の別の実施形態においては、空気注入システムを用いて、ガスタービンエンジンを現在のベース負荷電力レベルを超えるレベルで制御する方法を提供し、本方法は、ガスタービンエンジンに注入される空気流の増分を測定するステップと、空気注入システムによって加えられる空気流の量の関数としての予想される電力増加の増分を計算するステップと、予想される電力増分と空気注入前の現在のベース負荷電力レベルとの和に等しい、１００パーセントの新規ベース負荷電力レベルを再確立するステップとを含む。
【００１６】
[0018]本発明について、添付の図面を参照して、以下に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】[0019]空気注入の有無における制御カーブを示すガスタービンエンジンの燃焼温度曲線のグラフ表示である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
[0020]ここで図１を参照して本発明を説明する。
多くのガスタービンエンジンにおける全負荷またはベース負荷での燃料流量は、排気温度制御曲線によって制御される。図１は、左軸の排気温度と横軸の圧縮機圧力比（ＣＰＲ）との間の関係を確立している、排気温度制御曲線を示す。代表的な標準的なＯＥＭガスタービン排気制御曲線を図１の１０１で示す。名目上のベース負荷運転では、代表的なガスタービンエンジンは点１０２において、ＣＰＲが１５．８、排気温度（またはＴＴＸＭ）が６０８℃（１１２７°Ｆ）、および（右側の軸に示すように）燃焼温度（またはＴＴＲＦ１）が１３２１℃（２４１０°Ｆ）で運転されている。
【００１９】
[0021]空気などの質量流量がガスタービンの圧縮機出口部分に注入されると、それに応じてＣＰＲが増加する。ドライ曲線（空気注入を用いて）上で運転するとき、運転点は、本明細書に開示された例では、ＣＰＲが１６．３、排気温度（またはＴＴＸＭ）が５９１℃（１０９５°Ｆ）、燃焼温度（ＴＴＲＦ１）が１３０７℃（２３８５°Ｆ）である１０５に移動し、追加の質量流量ゆえに温度は両方とも低くなる。本発明は、ガスタービンエンジンに注入される追加の空気を供給するための補助的な外部システムなどの空気注入システムを用いる。このような追加の空気が提供される場合は、空気はエンジン圧縮機からの空気の温度よりも低い温度であってもよい。例えば、空気は、圧縮機吐出空気よりも２８〜５６℃（５０〜１００°Ｆ）、より低温で供給することができる。しかし、より低温の空気がガスタービンエンジンに加えられると、ガスタービンエンジンが運転される標準制御曲線は、この温度差に対処しない。
【００２０】
[0022]注入される流体は空気であり、蒸気ではない。燃焼温度を更に下げて高温ガス流路部品の寿命を保持するのに役立たせる代わりに、空気注入バイアスと呼ばれる新規の曲線１０４が導入され、低下した燃焼温度を元の１３２１℃（２４１０°Ｆ）に戻す。空気注入バイアス曲線１０４を介して、バイアスは上にシフトされて、空気注入中に元の燃焼温度が維持される。従って、低い燃焼温度（１０３から１０７へ）に移行する代わりに、バイアスを適用することにより、運転点は、空気注入無しの場合と同一の燃焼温度１０８に戻される。
【００２１】
[0023]圧縮機吐出空気に加えるためのそのような圧縮空気の源の１つは、燃料エンジンによって駆動される外部圧縮機によって生成される圧縮空気である。本発明の出願人は、この補助的な空気源技術を開発し、これは同時係属の特許出願番号第１４／３５０，４６９号、第１４／３５１，２４５号、第１４／３２９，３４０号、第１４／３２９，４３３号、および第１４／４６２，０００号に、より詳細に記載されている。このシステムから生成された空気は、圧縮機吐出空気と同様の高温および高圧でガスタービンエンジンに供給することができる。
【００２２】
[0024]この補助的な空気注入の効果は、図１にグラフで示される。加熱された乾燥空気を注入している間の、この「アンダファイア」状態を補正するために、排気温度制御バイアスアルゴリズムが注入流量の関数として開発され、燃焼温度を意図された一定の燃焼温度まで上昇させる。下の表１は、１３２７℃（２４２０°Ｆ）の一定のＴＴＲＦ１を満足するように空気バイアス曲線を使用した場合の、空気注入パーセントに対する熱消費率（ＨＲ）の改善を示す。
【００２３】
【表１】
2019501330.tif 000004
【００２４】
[0025]当業者は理解し計算することができるように、空気注入が導入されるとＣＰＲが増加し、その結果、高温ガス流路部分を冷却するために使用される空気のわずかな温度上昇につながる。これにより、理論的には高温ガス流路部品の金属温度はわずかに上昇し、寿命は短縮する。しかし、気温の高い日に運転するガスタービンエンジンにも同様の問題が生じるが、相手先商標製造会社は、その結果として構成部品の寿命を差し引くことはない。当業者には理解されるように、このことを考慮に入れた「ウェット曲線」バイアスを導入することがよく理解されるであろうし、高温ガス流路における最も重要な構成部品に一定の金属温度（および寿命）をもたらすであろう。この効果を定量化すると、ガスタービンへの５％の空気注入は、８．３℃（１５°Ｆ）だけ周囲温度が高い日に、注入無しで運転するガスタービンエンジンと等しい金属温度をもたらす。
【００２５】
[0026]ガスタービンがベース負荷および最大燃焼温度において、どのように制御されるかに関して様々なシナリオがある。各シナリオは、わずかに異なる排気制御曲線バイアスの導入につながる。ガスタービンエンジンが上述のような排気曲線で制御される場合が、そのようなシナリオの１つである。この場合、空気注入バイアスはガスタービンに加えられる空気注入量の関数である。このバイアス（°Ｆまたは℃）は、空気注入中にベース負荷排出曲線に加えられる。具体的には、空気注入曲線バイアス＝空気注入流量×空気注入排気バイアス利得＋空気注入排気バイアスオフセット（またはｙ＝ｍｘ＋ｂ手法を利用）であり、ここで、空気注入バイアス利得＝ガスタービン入口温度×ガスタービン入口温度利得＋空気注入排気バイアス補償オフセットであり、ここで、この補償オフセットは、ガスタービン入口温度の影響を受けないバイアス利得の部分であり、空気注入温度の関数である。空気注入排気バイアス利得は、ガスタービンエンジンの種類に依存して、最大値と最小値とを有する。空気注入流量は、流量計によって測定されるか、または圧力変換器およびＣｖ曲線を使用して計算される。例えば、空気注入の流量増加が毎秒４．５キログラム（１０ポンド）の場合、１．１７℃（２．１°Ｆ）バイアスになる（ここで、空気注入排気曲線バイアス＝１０（空気注入流量）×０．２１（空気注入排気バイアス利得）＋０（空気注入排気バイアスオフセット））であり、ここで、排気バイアス利得＝ガスタービン入口温度×０（ガスタービン入口温度利得）＋０．２１（空気注入排気バイアス補償オフセット）である。これらの利得およびオフセット値の各々は、制御システムに入力されていて所定の基準が満たされたときに選択される、あらかじめプログラムされた値である。すなわち、運転中、コントローラはガスタービン入口温度測定値を読み込み、定数を使用して空気注入排気バイアス利得を決定する。いったん計算されると、コントローラは、測定されたまたは計算された空気注入流量を読み込み、この値を使用して空気注入排気曲線バイアスを決定する。次いでバイアスは、既存のタービンの排気曲線に加えられる。
【００２６】
[0027]エンジンの型とハードウェア構成に依存して、空気注入排気曲線バイアスに使用されるオフセットと利得は変化する。すなわち、制御ロジックは異なるガスタービン製造業者の間で異なる。一部の製造業者は、ガスタービン燃焼温度およびガスタービン排気温度を用いてエンジンを制御している。他の製造業者は、正規化負荷曲線を使用して燃料スプリットを制御するが、正規化負荷曲線は（ＭＷでの）実際の負荷を（ＭＷでの）理論負荷で割ったものを表す。理論的な全負荷曲線（１００％負荷でのＭＷ対入口温度）は、エンジンの劣化および保守に対処するために時間の経過に対して調整される。しかし、理論的な全負荷曲線は、この空気注入に関連する出力増加に対処するために調整される必要がある。例えば、全負荷での空気注入によって出力が５％増加する場合、未調整の正規化負荷曲線は１０５％と計算される。しかし、ＭＷバイアスを正規化負荷曲線に適用した後では、１００％と計算される。
【００２７】
[0028]本発明の代替的実施形態では、ガスタービンエンジンは、正規化負荷曲線によって制御される。正規化負荷に基づいて制御されるガスタービンエンジンの場合、燃焼安定性を支援するために追加で制御変更が必要となる場合がある。より具体的には、正規化負荷曲線バイアス＝空気注入流量×空気注入ＭＷ利得＋空気注入ＭＷバイアスオフセットであり、ここで、空気注入ＭＷ利得＝ガスタービン入口温度×ガスタービン入口温度ＭＷ補償＋空気注入ＭＷ補償オフセット、である。
【００２８】
[0029]エンジンの型とハードウェアの構成に依存して、空気注入排気曲線バイアスに使用されるオフセットと利得は変化する。更に別のシナリオは、ガスタービンが最大負荷制御パラメータで制御される場合である。この場合、運転は上述した前の実施例と同一であるが、ガスタービンが追加の電力を生成することが可能になり、制御装置内の最大ＭＷ設定点によって制限されない。
【００２９】
[0030]本発明は、現在好ましい実施形態として知られているものにおいて記載されているが、本発明は開示された実施形態に限定されるべきではなく、むしろ、以下の特許請求の範囲内の様々な修正形態および等価の構成を包含することを意図していることを理解すべきである。本発明は、特定の実施形態に関連して記載されているが、これはあらゆる点で制限的ではなく例示的であることを意図している。
【００３０】
[0031]以上から、本発明は、上述の全ての目的および目標を、本システムおよび方法にとって自明であり固有である他の利点と共に、達成するために非常に適合したものであることが分かるであろう。特定の特徴および副次的組合せは有用であり、他の特徴および副次的組合せを参照することなく使用できることが理解されるであろう。これは特許請求の範囲によって企図され、特許請求の範囲に含まれる。
【図１】
2019501330.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成30年8月7日(2018.8.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
[0001]本特許出願は、２０１５年１２月４日に出願された米国仮出願番号第６２／２６３，０５７号に対する優先権を主張する。
【技術分野】
【０００２】
[0002]本発明は一般にガスタービンの発電、効率および調整容量を含む電力システムに関し、より具体的には、ガスタービンエンジンからの電力出力を増加させるための注入システムおよび制御システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
[0003]ガスタービンは、電気的または機械的動力を発生させる、最も経済的、多機能および効率的な方法の一つである。しかし、周囲温度が上昇するにつれて、空気温度の上昇に伴う空気密度低下の線形効果ゆえに、電力出力は比例して減少する。ガスタービンは典型的には、ピーク電力需要期間に、しかもエネルギー価格がより高いときに電力を供給するために手配されるので、このことが気温の高い日にはガスタービン運営者に経済的損失を生じさせる。
【０００４】
[0004]高温の周囲条件下でガスタービン出力を増加させるために、吸入空気調整（蒸発冷却または吸入口冷却）、または蒸気注入などの電力増強技術が提案されてきた。しかし、タービン燃焼器出口ガス中のより高い含水量はエンジン構成部品に悪影響を及ぼし得るので、湿度レベルが高い場合、吸入空気調整は達成できない場合がある。
【０００５】
[0005]安全で信頼できる運転を達成するために、ガスタービンは、高温ガス流路部品の健全性と耐久性を維持しながらタービンの運転を制御するための複雑な制御システムを有する。最も重要なことは、エキスパンダまたはタービンの入口第１段ロータの温度として説明される、燃焼温度の制御である。高温材料、遮熱被覆、および冷却設計の開発により、燃焼温度の継続的な上昇が可能になり、それにより、これらの構成部品をますます高い限界で運転させることが可能になった。そしてこれが、ガスタービンを通過する単位質量流量当たりの出力および効率をより高める結果となる。しかし、ガスタービンエンジン内の極めて高い温度ゆえに、燃焼温度の直接温度測定は実用的ではなく、従ってガスタービンエンジンを制御するための代替方法が必要とされる。業界の一般的な方法は、圧縮機吐出圧力（ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ  ｄｉｓｃｈａｒｇｅ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ：ＣＤＰ）または圧縮機圧力比（ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｒａｔｉｏ：ＣＰＲ）毎に、「目標排気温度」が存在する「排気温度制御曲線」を使用することである。この「燃焼曲線」は実験式であり、ＣＰＲおよび測定されたタービン排気温度の関数である。燃焼曲線は、ガスタービンエンジンが、あらゆる周囲条件にわたって一定の燃焼温度で運転することを可能にするように設計されている。
【０００６】
[0006]理想条件を仮定すると、タービン出口（Ｔ４）とタービン入口Ｔ３（タービンの第１段ベーン）との間の関係は、等エントロピー展開として以下の関係式によって計算することができる。
【０００７】
【数１】
2019501330.tif 000006
ここで、ｋは作動流体の比熱の比、Ｔは絶対温度（°Ｒまたは°Ｋ）、Ｐは絶対圧力（ｐｓｉａまたはＰａ）である。
【０００８】
[0007]しかし、式（１）は、ガスタービン排気温度を制御するのに十分ではない。タービンは１００％効率的ではなく、しばしば、前段の圧縮機段から冷却空気が抜き取られ、膨張プロセス中に第１ロータの下流で混合される。その結果、燃焼器吐出とタービン排気温度との間の関係は、閉形式の式によって計算されるのではなく、流体の物理的性質、冷却空気の流れおよび温度、燃焼プロセス、遮熱被覆の熱伝達係数、内部冷却およびフィルム冷却、ならびに混合損失などを考慮した一連の関係式によって計算される。
【０００９】
[0008]蒸気などの追加の流体が、排出制御または電力増強のためにガスタービンに注入されると、ガスタービン状態（燃焼ガスの性質、および圧縮機吐出状態）は変化する。加えて、蒸気が注入される場合、実際の気体定数は実質的に変化し得る。注入無しでガスタービンを制御するために使用するものと同一の排気制御曲線はもはや有効ではなく、追加の質量流量を注入したときに同一の曲線を使用すると、実際の燃焼温度は変化する。既存の排気温度制御曲線を使用すると、燃焼温度ならびに排気温度は低下する。この種の運転は、「ドライ曲線（ｄｒｙ  ｃｕｒｖｅ）」上で運転すると呼ばれる。一般的な方法として、相手先商標製造会社（Ｏｒｉｇｉｎａｌ  Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒ：ＯＥＭ）制御システムは、ガスタービン内に蒸気が注入されるときは、制御曲線バイアス曲線を使用する。このバイアスは、主に実際のガス特性の変化に対処し、燃焼温度および排気温度を更に低下させてより強力な蒸気伝熱特性に対処して、タービン部品寿命への負の影響を最小限に抑える。この場合、ガスタービンは「ウェット曲線（ｗｅｔ  ｃｕｒｖｅ）」上で運転されていると言われ、ドライ曲線上で運転する場合に通常生じる低下を超えて、燃焼温度を低下させるが、これはタービン部品の寿命を保つために、質量流体の熱力学的性質（ｋ）に対処して意図的に燃焼温度を低下させるものである。
【００１０】
[0009]蒸気注入と同様に、乾燥空気が圧縮機ラッパに注入されると、タービンの第１段を通る流動抵抗の増加ゆえに圧縮機吐出圧力が増加し、従って圧縮機に背圧が掛かり、結果としてＣＰＲがより高くなる。「ドライ曲線」の排気温度制御曲線を用いると、ＣＰＲが増加しているので、これは気温のより低い日の運転のように見える。しかし、圧縮機吐出温度、および圧縮機を通る実際の質量流量は、気温のより低い日の同一ＣＰＲでの値とは同一ではない。例えば、３５℃（９５°Ｆ）の日に海面位で運転されるシンプルサイクル産業用ガスタービンの１つでは、圧縮機入口流量（ＣＩＦ）はＣＰＲ１４．０において毎秒４０４キログラム（８９０ポンド）であり、圧縮機吐出温度（ＣＤＴ）は約４２７℃（８００°Ｆ）である。圧縮機ラッパ内に空気が注入され、従ってＣＰＲが１４．８に増加すると仮定すると、圧縮機の背圧効果またはより高い圧力比ゆえに、ＣＤＴは４４４℃（８３１°Ｆ）に増加する。ＣＰＲの１４．８への増加は、１５℃（５９°Ｆ）の日に注入無しで期待されるＣＰＲと同等である。乾燥空気を注入した結果、ＣＰＲが増加し、結果として「標準ドライ」制御曲線上の排気温度が低下する。しかし、ＣＤＴは同一のＣＰＲにおいては、より寒い日よりもより高いので、排気温度を更に上昇させる効果が生じ、その結果、燃料流量はより下がり、燃焼温度は更に低下する。ＣＤＴがより高いゆえにガス流路混合温度が上昇しているので、所与のＣＰＲで必要な排気温度を満足させるために必要とされる燃料流量はより低く、その結果、実際の燃焼温度は低下する。このため更に、実際の燃焼ゾーン反応温度を低下させる結果となる。乾式低ＮＯｘ燃焼システムは、ＮＯｘ排出を制限および制御するリーン（低）反応ゾーン温度で運転されるが、この燃焼温度の更なる低下は、リーンブローアウトに近い条件および一酸化炭素排出が急速に増える条件をもたらす。「標準ドライ」での運転において乾燥空気を注入した結果、圧縮機流量および混合温度は、標準制御曲線の基礎となる実験式とは異なるため、排気温度制御曲線は「アンダファイア（ｕｎｄｅｒ  ｆｉｒｅ）」状態となり、その結果、効率と出力がより低下する。注入された流体は単なる空気であるため、（水蒸気にはあるような）均衡を保つための過酷な熱伝達効果はなく、ならびに熱特性の差異もない。従って、タービン部品の寿命に有意な影響を一切与えることなく、燃焼温度を一定に保つことができる。
【発明の概要】
【００１１】
[0010]本発明は、特定のプラントの必要性に依存して、低負荷でのプラントの効率および電力出力を改善し、ガスタービンの電力出力能力の下限を減少させ、一方でまた、ガスタービンの電力出力の上限を増加させ、従って新規または既存のガスタービンシステムの能力および調整能力を増大させるための、いくつかの選択肢を提供する。
【００１２】
[0011]本発明は、ガスタービンエンジンに注入される乾燥空気の量および温度の関数である、高温乾燥空気注入を用いてガスタービンエンジンを運転する方法について記載する。
【００１３】
[0012]本発明の一態様は、ガスタービンエンジンに加えられる空気流の増分の関数である排気温度バイアスを制御する方法およびシステムに関する。
[0013]本発明の別の態様は、様々な量の高温圧縮空気をガスタービンエンジン内に注入しながら、燃焼温度を制御するために使用される方法およびシステムに関する。
【００１４】
[0014]本発明の別の態様は、高温圧縮空気をガスタービンエンジンに注入しながら、ガスタービンエンジンの効率および電力出力を最大にする方法およびシステムに関する。
[0015]本発明の一実施形態では、排気温度制御曲線に従って、空気注入システムを有するガスタービンエンジンを運転する方法が提供される。この方法は、空気注入無しで運転するときのガスタービンエンジンの排気温度を決定するステップと、次いで空気注入無しで運転するときのガスタービンエンジンの燃焼温度を決定するステップと、ガスタービンの圧縮機の流れに追加され、ガスタービンエンジンに注入される、圧縮空気の源を提供するステップとを含む。最後に、本方法は、空気注入有りで所望の燃焼温度に到達するような、排気温度制御曲線に加えられるバイアスを決定する。
【００１５】
[0016]本発明の代替的実施形態では、空気注入システムを装備したガスタービンエンジンを運転する方法が開示される。この方法は、排気温度制御曲線を用いてガスタービンエンジンの燃料流量を制御するステップと、空気注入無しで運転するときにガスタービンエンジンの排気温度を決定するステップとを含む。次に、空気注入無しで運転するときのガスタービンエンジンの燃焼温度が決定され、ガスタービン圧縮機の流れに追加される圧縮空気の源が供給され、ガスタービンエンジンに注入される。次いで、排気温度制御曲線に加えられるバイアスによってガスタービンエンジンの燃料流量が変化して所望の燃焼温度が実現されるようなバイアスが決定される。
【００１６】
[0017]また本発明の別の実施形態においては、空気注入システムを用いて、ガスタービンエンジンを現在のベース負荷電力レベルを超えるレベルで制御する方法を提供し、本方法は、ガスタービンエンジンに注入される空気流の増分を測定するステップと、空気注入システムによって加えられる空気流の量の関数としての予想される電力増加の増分を計算するステップと、予想される電力増分と空気注入前の現在のベース負荷電力レベルとの和に等しい、１００パーセントの新規ベース負荷電力レベルを再確立するステップとを含む。
【００１７】
[0018]本発明について、添付の図面を参照して、以下に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】[0019]空気注入の有無における制御カーブを示すガスタービンエンジンの燃焼温度曲線のグラフ表示である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
[0020]ここで図１を参照して本発明を説明する。
多くのガスタービンエンジンにおける全負荷またはベース負荷での燃料流量は、排気温度制御曲線によって制御される。図１は、左軸の排気温度と横軸の圧縮機圧力比（ＣＰＲ）との間の関係を確立している、排気温度制御曲線を示す。代表的な標準的なＯＥＭガスタービン排気制御曲線を図１の１０１で示す。名目上のベース負荷運転では、代表的なガスタービンエンジンは点１０２において、ＣＰＲが１５．８、排気温度（またはＴＴＸＭ）が６０８℃（１１２７°Ｆ）、および（右側の軸に示すように）燃焼温度（またはＴＴＲＦ１）が１３２１℃（２４１０°Ｆ）で運転されている。
【００２０】
[0021]空気などの質量流量がガスタービンの圧縮機出口部分に注入されると、それに応じてＣＰＲが増加する。ドライ曲線（空気注入を用いて）上で運転するとき、運転点は、本明細書に開示された例では、ＣＰＲが１６．３、排気温度（またはＴＴＸＭ）が５９１℃（１０９５°Ｆ）、燃焼温度（ＴＴＲＦ１）が１３０７℃（２３８５°Ｆ）である１０５に移動し、追加の質量流量ゆえに温度は両方とも低くなる。本発明は、ガスタービンエンジンに注入される追加の空気を供給するための補助的な外部システムなどの空気注入システムを用いる。このような追加の空気が提供される場合は、空気はエンジン圧縮機からの空気の温度よりも低い温度であってもよい。例えば、空気は、圧縮機吐出空気よりも２８〜５６℃（５０〜１００°Ｆ）、より低温で供給することができる。しかし、より低温の空気がガスタービンエンジンに加えられると、ガスタービンエンジンが運転される標準制御曲線は、この温度差に対処しない。
【００２１】
[0022]注入される流体は空気であり、蒸気ではない。燃焼温度を更に下げて高温ガス流路部品の寿命を保持するのに役立たせる代わりに、空気注入バイアスと呼ばれる新規の曲線１０４が導入され、低下した燃焼温度を元の１３２１℃（２４１０°Ｆ）に戻す。空気注入バイアス曲線１０４を介して、バイアスは上にシフトされて、空気注入中に元の燃焼温度が維持される。従って、低い燃焼温度（１０３から１０７へ）に移行する代わりに、バイアスを適用することにより、運転点は、空気注入無しの場合と同一の燃焼温度１０８に戻される。
【００２２】
[0023]圧縮機吐出空気に加えるためのそのような圧縮空気の源の１つは、燃料エンジンによって駆動される外部圧縮機によって生成される圧縮空気である。本発明の出願人は、この補助的な空気源技術を開発し、これは同時係属の特許出願番号第１４／３５０，４６９号、第１４／３５１，２４５号、第１４／３２９，３４０号、第１４／３２９，４３３号、および第１４／４６２，０００号に、より詳細に記載されている。このシステムから生成された空気は、圧縮機吐出空気と同様の高温および高圧でガスタービンエンジンに供給することができる。
【００２３】
[0024]この補助的な空気注入の効果は、図１にグラフで示される。加熱された乾燥空気を注入している間の、この「アンダファイア」状態を補正するために、排気温度制御バイアスアルゴリズムが注入流量の関数として開発され、燃焼温度を意図された一定の燃焼温度まで上昇させる。下の表１は、１３２７℃（２４２０°Ｆ）の一定のＴＴＲＦ１を満足するように空気バイアス曲線を使用した場合の、空気注入パーセントに対する熱消費率（ＨＲ）の改善を示す。
【００２４】
【表１】
2019501330.tif 000007
[0025]当業者は理解し計算することができるように、空気注入が導入されるとＣＰＲが増加し、その結果、高温ガス流路部分を冷却するために使用される空気のわずかな温度上昇につながる。これにより、理論的には高温ガス流路部品の金属温度はわずかに上昇し、寿命は短縮する。しかし、気温の高い日に運転するガスタービンエンジンにも同様の問題が生じるが、相手先商標製造会社は、その結果として構成部品の寿命を差し引くことはない。当業者には理解されるように、このことを考慮に入れた「ウェット曲線」バイアスを導入することがよく理解されるであろうし、高温ガス流路における最も重要な構成部品に一定の金属温度（および寿命）をもたらすであろう。この効果を定量化すると、ガスタービンへの５％の空気注入は、８．３℃（１５°Ｆ）だけ周囲温度が高い日に、注入無しで運転するガスタービンエンジンと等しい金属温度をもたらす。
【００２５】
[0026]ガスタービンがベース負荷および最大燃焼温度において、どのように制御されるかに関して様々なシナリオがある。各シナリオは、わずかに異なる排気制御曲線バイアスの導入につながる。ガスタービンエンジンが上述のような排気曲線で制御される場合が、そのようなシナリオの１つである。この場合、空気注入バイアスはガスタービンに加えられる空気注入量の関数である。このバイアス（°Ｆまたは℃）は、空気注入中にベース負荷排出曲線に加えられる。具体的には、空気注入曲線バイアス＝空気注入流量×空気注入排気バイアス利得＋空気注入排気バイアスオフセット（またはｙ＝ｍｘ＋ｂ手法を利用）であり、ここで、空気注入バイアス利得＝ガスタービン入口温度×ガスタービン入口温度利得＋空気注入排気バイアス補償オフセットであり、ここで、この補償オフセットは、ガスタービン入口温度の影響を受けないバイアス利得の部分であり、空気注入温度の関数である。空気注入排気バイアス利得は、ガスタービンエンジンの種類に依存して、最大値と最小値とを有する。空気注入流量は、流量計によって測定されるか、または圧力変換器およびＣｖ曲線を使用して計算される。例えば、空気注入の流量増加が毎秒４．５キログラム（１０ポンド）の場合、１．１７℃（２．１°Ｆ）バイアスになる（ここで、空気注入排気曲線バイアス＝１０（空気注入流量）×０．２１（空気注入排気バイアス利得）＋０（空気注入排気バイアスオフセット））であり、ここで、排気バイアス利得＝ガスタービン入口温度×０（ガスタービン入口温度利得）＋０．２１（空気注入排気バイアス補償オフセット）である。これらの利得およびオフセット値の各々は、制御システムに入力されていて所定の基準が満たされたときに選択される、あらかじめプログラムされた値である。すなわち、運転中、コントローラはガスタービン入口温度測定値を読み込み、定数を使用して空気注入排気バイアス利得を決定する。いったん計算されると、コントローラは、測定されたまたは計算された空気注入流量を読み込み、この値を使用して空気注入排気曲線バイアスを決定する。次いでバイアスは、既存のタービンの排気曲線に加えられる。
【００２６】
[0027]エンジンの型とハードウェア構成に依存して、空気注入排気曲線バイアスに使用されるオフセットと利得は変化する。すなわち、制御ロジックは異なるガスタービン製造業者の間で異なる。一部の製造業者は、ガスタービン燃焼温度およびガスタービン排気温度を用いてエンジンを制御している。他の製造業者は、正規化負荷曲線を使用して燃料スプリットを制御するが、正規化負荷曲線は（ＭＷでの）実際の負荷を（ＭＷでの）理論負荷で割ったものを表す。理論的な全負荷曲線（１００％負荷でのＭＷ対入口温度）は、エンジンの劣化および保守に対処するために時間の経過に対して調整される。しかし、理論的な全負荷曲線は、この空気注入に関連する出力増加に対処するために調整される必要がある。例えば、全負荷での空気注入によって出力が５％増加する場合、未調整の正規化負荷曲線は１０５％と計算される。しかし、ＭＷバイアスを正規化負荷曲線に適用した後では、１００％と計算される。
【００２７】
[0028]本発明の代替的実施形態では、ガスタービンエンジンは、正規化負荷曲線によって制御される。正規化負荷に基づいて制御されるガスタービンエンジンの場合、燃焼安定性を支援するために追加で制御変更が必要となる場合がある。より具体的には、正規化負荷曲線バイアス＝空気注入流量×空気注入ＭＷ利得＋空気注入ＭＷバイアスオフセットであり、ここで、空気注入ＭＷ利得＝ガスタービン入口温度×ガスタービン入口温度ＭＷ補償＋空気注入ＭＷ補償オフセット、である。
【００２８】
[0029]エンジンの型とハードウェアの構成に依存して、空気注入排気曲線バイアスに使用されるオフセットと利得は変化する。更に別のシナリオは、ガスタービンが最大負荷制御パラメータで制御される場合である。この場合、運転は上述した前の実施例と同一であるが、ガスタービンが追加の電力を生成することが可能になり、制御装置内の最大ＭＷ設定点によって制限されない。
【００２９】
[0030]本発明は、現在好ましい実施形態として知られているものにおいて記載されているが、本発明は開示された実施形態に限定されるべきではなく、むしろ、以下の特許請求の範囲内の様々な修正形態および等価の構成を包含することを意図していることを理解すべきである。本発明は、特定の実施形態に関連して記載されているが、これはあらゆる点で制限的ではなく例示的であることを意図している。
【００３０】
[0031]以上から、本発明は、上述の全ての目的および目標を、本システムおよび方法にとって自明であり固有である他の利点と共に、達成するために非常に適合したものであることが分かるであろう。特定の特徴および副次的組合せは有用であり、他の特徴および副次的組合せを参照することなく使用できることが理解されるであろう。これは特許請求の範囲によって企図され、特許請求の範囲に含まれる。
【国際調査報告】
2019501330.tif 000008
2019501330.tif 000009
2019501330.tif 000010