(57)【要約】      （修正有）【課題】多様な環境条件で入口空気を十分に冷却することができ、高額な資本コストを必要とせず、より小さな圧力低下を加え、作動するのにあまり大きな寄生出力を必要としないガスタービン出力増大システムを提供すること。【解決手段】ガスタービン出力増大システム１０は、チラー２０と、コントローラ５０と、熱交換器３０と、入口空気流１８とを含む。チラー２０は、熱源２９からのエネルギーを用いて冷却剤流２５を冷却する。コントローラ５０は、チラー２０に動作可能に接続していて１以上の環境条件に関してチラー２０の作動を調節する。熱交換器３０は、チラー２０と流体連通し、冷却剤流２５が該熱交換器３０を通過できるように構成する。ガスタービン入口空気流１８は、ガスタービン入口１６に流入する前に熱交換器３０を通過するように導かれて、入口空気流１８が冷却剤流２５と相互作用して入口空気流１８を冷却することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン出力増大システム（１０）であって、
熱源（２９）からのエネルギーを用いて冷却剤流（２５）を冷却するように作動できるチラー（２０）と、
前記チラー（２０）に動作可能に接続していて１以上の環境条件に関して前記チラー（２０）の作動を調節するように構成されたコントローラ（５０）であって、前記チラー（２０）の作動調節が、前記環境条件が第１の環境条件レベルにあるときに前記冷却剤流（２５）を冷却するように前記チラー（２０）を作動させるが、前記環境条件が第２の環境条件レベルにあるときには前記冷却剤流（２５）を冷却するように前記チラー（２０）を作動させないことを含む、コントローラ（５０）と、
前記チラー（２０）と流体連通し、前記冷却剤流（２５）が通過できるように構成された熱交換器（３０）と、
ガスタービン入口空気流（１８）であって、ガスタービン入口（１６）に流入する前に前記熱交換器（３０）を通過するように導かれて、前記入口空気流（１８）が前記冷却剤流（２５）と相互作用して前記入口空気流（１８）を冷却することができる、ガスタービン入口空気流（１８）と
を備えるガスタービン出力増大システム（１０）。
【請求項２】
前記環境条件が、前記熱交換器の上流側の空気の周囲相対湿度である、請求項１記載のガスタービン出力増大システム（１０）。
【請求項３】
第１の環境条件レベルが、前記熱交換器の上流側の空気の５０％以上の周囲相対湿度であり、第２の環境条件レベルが、前記熱交換器の上流側の空気の５０％未満の周囲相対湿度である、請求項１又は請求項２記載のガスタービン出力増大システム（１０）。
【請求項４】
前記１以上の環境条件に関連した前記コントローラ（５０）による前記チラー（２０）の作動調節が、１以上の作動条件を管理するために無効にすることができる、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のガスタービン出力増大システム（１０）。
【請求項５】
前記入口空気流（１８）は、前記環境条件が第１の環境条件レベルにあるときには主として顕熱冷却を通じて冷却され、前記環境条件が第２の環境条件レベルにあるときには主として潜熱冷却を通じて冷却される、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のガスタービン出力増大システム（１０）。
【請求項６】
前記チラー（２０）が吸収式チラーである、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のガスタービン出力増大システム（１０）。
【請求項７】
前記熱交換器（３０）が直接接触交換器である、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のガスタービン出力増大システム（１０）。
【請求項８】
ガスタービン出力を増大させる方法であって、
１以上の環境条件を測定する段階と、
前記１以上の環境条件に関してチラー（２０）の作動を調節する段階であって、前記チラー（２０）の作動が熱源（２９）からのエネルギーを用いて冷却剤流（２５）を冷却し、前記チラー（２０）の作動を調節する段階が、前記環境条件が第１の環境条件レベルにあるときに前記冷却剤流（２５）を冷却するように前記チラー（２０）を作動させるが、前記環境条件が第２の環境条件レベルにあるときには前記冷却剤流（２５）を冷却するようには前記チラー（２０）を作動させないことを含む、段階と、
熱交換器（３０）を通って前記冷却剤流（２５）を連通させる段階であって、前記熱交換器（３０）が、前記熱交換器（３０）を通るガスタービン入口空気流（１８）が前記冷却剤流（２５）と相互作用して前記入口空気流（１８）がガスタービン入口（１６）に流入する前に該入口空気流（１８）を冷却するように構成されている、段階と
を含む方法。
【請求項９】
前記環境条件が、前記熱交換器の上流側の空気の周囲相対湿度である、請求項８記載のガスタービン出力を増大させる方法。
【請求項１０】
第１の環境条件レベルが、前記熱交換器の上流側の空気の５０％以上の周囲相対湿度であり、第２の環境条件レベルが、前記熱交換器の上流側の空気の５０％未満の周囲相対湿度である、請求項８又は請求項９記載のガスタービン出力を増大させる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広義にはガスタービンに関し、より具体的にはガスタービンを作動させるための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、発電などの分野で広く利用されている。従来のガスタービンシステムは、周囲空気を加圧する圧縮機と、加圧空気を燃料と混合して混合気を燃焼させる燃焼室と、燃焼混合気により駆動されて出力及び排出ガスを生成するタービンとを含む。
【０００３】
ガスタービンの生成可能な出力量を増大させる種々の機構は、当該技術分野において公知である。ガスタービンの出力を増大させる１つの手法は、圧縮機において入口空気を加圧する前に冷却することに基づく。冷却は空気をより高密度にし、これにより圧縮機への質量流量がより大きくなる。圧縮機に流入する空気の質量流量がより大きくなるほど、より多くの空気を加圧することができ、ガスタービンがより大きな出力を生成できる。加えて、入口空気温度の冷却によりガスタービンの効率が向上する。
【０００４】
効果的で効率的なガスタービン運転を目的として入口空気を冷却する種々のシステム及び方法が設計され、実施されてきた。このような１つのシステムは、潜熱又は蒸発冷却を通じて空気を冷却する。このタイプのシステムは、周囲温度の水を用いて、プレート上又はチャンバ内部のセル状媒質上に水を流し、チャンバから空気を吸い込むことによって空気を冷却している。蒸発冷却は、流入空気を湿球温度付近まで冷却することができる。蒸発冷却は、蒸発冷却システムを稼働するのに最少量の寄生出力だけを必要とするので、入口空気を冷却する効率的な方法になる可能性がある。
【０００５】
しかしながら、多くの場合、蒸発冷却は、タービン入口空気の冷却において効果的で効率的な方法ではない。例えば、蒸発冷却は、比較的湿潤な気候では上手く機能しない。加えて、周囲水を用いた蒸発冷却により達成可能な冷却量は、他の方法と比較して最少量である可能性があり、従って、ガスタービンにより生成される出力増大がより少ない結果となる。
【０００６】
他のこのようなシステムは、顕熱冷却を通じて空気を冷却する。これらのタイプのシステムは通常、機械式チラーを用いて水を冷却し、次いで、この水を入口チラーコイルに通す。コイルを通って空気が吸い込まれ、空気が冷却される。これらのシステムは、湿球温度未満など、潜熱冷却法を用いて達成可能な温度を遙かに下回るレベルまで入口空気を冷却することができるので、効果的なシステムとすることができ、ガスタービンが有意に多くの出力を生成できる。加えて、これらのシステムは、比較的湿潤な気候で利用することができる。
【０００７】
しかしながら、多くの場合、顕熱冷却法はタービン入口空気の冷却において効果的で効率的な方法ではない。例えば、機械式チラー及び入口チラーコイルシステムを作動させるのにかなり大きな寄生出力が必要となる可能性がある。従って、このシステムを用いることにより得られるガスタービン出力の大きな生成量のある一定量は、システムを駆動するために必要となる。加えて、ガスタービンを通る流量を扱うのに十分に大きな機械式チラープラント及び入口チラーコイルシステムの資本コストは大幅なものであり、かなり高額になる場合がある。さらに、入口チラーコイルシステムは通常、入口空気の十分な冷却を提供するために４０°Ｆを下回る温度まで冷却される冷却物質フローを必要とする。最後に、チラーコイルは、ガスタービン入口流に有意な圧力低下を加え、コイルが作動中でないときに有意な出力損失があることを示す。
【０００８】
従って、多様な環境条件で入口空気を十分に冷却することができ、高額な資本コストを必要とせず、より小さな圧力低下を加え、作動するのにあまり大きな寄生出力を必要としないシステムが有利である。さらに、多様な環境条件でガスタービンの最適な有効性及び効率性を提供するよう、要求に応じて潜熱冷却又は顕熱冷却を用いてガスタービン入口空気を冷却するシステム及び方法もまた有利とすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第７３４３７４６号明細書
【発明の概要】
【００１０】
本発明の態様及び利点は、その一部を以下の説明に記載しており、又はその説明から自明なものとすることができ、或いは本発明を実施することにより知ることができる。
【００１１】
一実施形態では、チラー、コントローラ、熱交換器、及びガスタービン入口空気流を含むガスタービン出力増大システムが提供される。チラーは、熱源からのエネルギーを用いて冷却剤流を冷却するために機能することができる。コントローラは、チラーに動作可能に接続していて１以上の環境条件に関してチラーの作動を調節するように構成することができる。チラーの作動調節は、環境条件が第１の環境条件レベルにあるときに冷却剤流を冷却するようチラーを作動させ、環境条件が第２の環境条件レベルにあるときには冷却剤流を冷却するようにチラーを作動させないことを含むことができる。熱交換器は、チラーと流体連通され、冷却剤流が該熱交換器を通過できるように構成することができる。ガスタービン入口空気流は、ガスタービン入口に流入する前に熱交換器を通過するように導かれて、入口空気流が冷却剤流と相互作用して入口空気流を冷却することができる。
【００１２】
別の実施形態では、ガスタービン出力を増大させる方法が提供され、該方法は、１以上の環境条件を測定する段階と、１以上の環境条件に関してチラーの作動を調節する段階と、を含み、該チラーの作動が熱源からのエネルギーを用いて冷却剤流を冷却し、該方法がさらに、熱交換器を通って冷却剤流を連通させる段階とを含む。チラーの作動を調節する段階は、環境条件が第１の環境条件レベルにあるときに冷却剤流を冷却するようチラーを作動させ、環境条件が第２の環境条件レベルにあるときには冷却剤流を冷却するようにはチラーを作動させないことを含む。熱交換器は、該熱交換器を通るガスタービン入口空気流が冷却剤流と相互作用して入口空気流がガスタービン入口に流入する前に該入口空気流を冷却するように構成することができる。
【００１３】
本発明のこれら及び他の特徴、態様、並びに利点は、以下の説明及び添付の請求項を参照することによってより十分に理解されるであろう。本明細書に組み込まれその一部を構成する添付図面は、本発明の実施形態を例証しており、本明細書と共に本発明の原理を説明する役割を果たす。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明のガスタービン出力増大システムの概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
添付図を参照した本明細書において、当業者に対してなしたその最良の形態を含む本発明の完全かつ有効な開示を説明する。
【００１６】
次に、その１以上の実施例を図面に示している本発明の実施形態について詳細に説明する。各実施例は、本発明の例証として提供され、本発明を限定するものではない。実際に、当業者であれば、本発明の範囲又は技術的思想から逸脱することなく、種々の修正及び変形を本発明において実施できる点は理解されるであろう。例えば、一実施形態の一部として例示され又は説明される特徴は、別の実施形態と共に使用してさらに別の実施形態を得ることができる。従って、本発明は、そのような修正及び変形を特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するものとして保護することを意図している。
【００１７】
図１は、ガスタービン出力増大システム１０の概略図であり、該システムはガスタービン１２に動作可能に接続される。ガスタービン１２は、圧縮機１３、燃焼器１４、及びタービン１５を含むことができる。ガスタービン１２はさらに、例えば、１つよりも多い圧縮機、１つよりも多い燃焼器、及び１つよりも多いタービン（図示せず）を含むことができる。ガスタービン１２は、ガスタービン入口１６を含むことができる。入口１６は、ガスタービン入口空気流１８を受け取るように構成することができる。例えば、一実施形態では、入口１６は、ガスタービン入口ハウスとすることができる。ガスタービン１２はさらに、ガスタービン排気出口１７を含むことができる。出口１７は、ガスタービン排気流１９を吐出するように構成することができる。一実施形態では、排気流１９は、熱回収蒸気発生器（「ＨＲＳＧ」）（図示せず）に配向することができる。別の実施形態では、排気流１９は、周囲空気に分散することができる。別の実施形態では、排気流は、チラー２０に配向することができる。
【００１８】
ガスタービン出力増大システム１０は、チラー２０を含むことができる。チラー２０は、冷却剤流２５の受け取り及び吐出を行うための冷却剤入口２１及び冷却剤出口２２を含むことができる。チラー２０はまた、熱源２９から熱流２６の受け取り及び吐出を行うための熱流入口２３及び熱流出口２４を含むことができる。バイパスバルブ４３は、熱流２６の方向でチラー２０の上流側に配置することができる。バイパスバルブ４３は、熱流バイパス２７と連通することができる。熱流バイパス２７は、チラー２０の下流側の熱流２６と連通することができる。
【００１９】
チラー２０は、冷却剤流２５を冷却するために機能することができる。例えば、チラー２０は、熱源２９からのエネルギーを用いて冷却剤流２５を冷却することができる。一実施形態では、チラー２０は、吸収式チラーとすることができる。吸収式チラーは、機械式エネルギーの代わりに熱を使用して冷却をし、溶媒と塩の混合物を利用して冷凍サイクルを行う。例えば、冷媒として水を用いることができ、チラーは、水と臭化リチウム溶液との間の強い親和力によって冷凍サイクルを達成することができる。冷却される冷却剤は純水であってもよく、或いは、グリコール、腐食防止剤、又は他の添加剤であってもよい。しかしながら、物質は水に限定されず、薄油のような当該技術分野で公知の他の流体であってもよい点に留意されたい。
【００２０】
吸収式チラーは一般に、機械式及び電気式チラーと比べて低い出力要件を有し、例えば、熱源として廃熱が使用される場合にエネルギー効率が良い。例えば、一実施形態では、熱源２９はガスタービン１２により生成することができる。別の実施形態では、熱源２９は、ＨＲＳＧにより生成することができる。例えば、熱源２９は、ＨＲＳＧ水又はＨＲＳＧ蒸気とすることができる。他の実施形態では、熱源２９は、蒸気タービンシール蒸気、高温廃水、発生器冷却水、又は何れかの熱生成プロセスにより生成された熱流など、何らかの廃棄蒸気とすることができる。熱源２９は廃熱及び排出熱源に限定されず、例えば、太陽光加熱、補助ボイラー加熱、又は地熱による加熱など、あらゆる加熱方法によって供給することができる点に留意されたい。
【００２１】
チラー２０は吸収式チラーに限定されない点に留意されたい。例えば、チラーは、蒸気圧縮サイクルにより液体から熱を奪う何らかの冷却機とすることができる。
【００２２】
一実施形態では、排気通気装置４１は、熱流２６の方向でチラー２０の下流側に配置することができる。排気通気装置４１は、チラー２０を通じて熱流２６を連通するように構成することができる。一実施形態では、空気ブリード装置４２は、熱流２６の方向にチラー２０の下流側で排気通気装置４１の上流側に配置することができる。空気ブリード装置４２は、排気通気装置４１に到達する前に熱流２６を分散できるように構成することができる。従って、空気ブリード装置４２は、排気通気装置４１に流入熱流２６の温度よりも低い作動温度を提供し、排気通気装置４１の高信頼性及び長寿命を保証するよう機能することができる。
【００２３】
ガスタービン出力増大システム１０はさらに、熱交換器３０を含むことができる。熱交換器３０は、吸収式チラー２０と流体連通することができる。一実施形態では、熱交換器３０は、冷却剤流２５を熱交換器３０に通過可能にするように構成することができる。例えば、熱交換器３０は、冷却剤入口３１及び冷却剤出口３２を含むことができる。一実施形態では、冷却剤入口３１はノズルとすることができる。別の実施形態では、冷却剤入口３１は、複数の冷却剤入口３１とすることができる。例えば、冷却剤入口３１は、複数のノズルとすることができる。冷却剤入口３１は、熱交換器３０に冷却剤流２５を連通させる働きをすることができる。
【００２４】
一実施形態の例示的な態様では、冷却剤出口３２は、冷却剤流２５の方向で熱交換器３０の下流側に配置されたサンプとすることができる。サンプは、熱交換器３０を通過した後に、冷却プロセスにより結果として生じた何らかの凝縮物を含む冷却剤流２５を収集するように構成することができる。
【００２５】
熱交換器３０は、入口空気流１８を受け取るように構成することができる。例えば、一実施形態では、熱交換器３０は、入口空気流１８の方向でガスタービン入口１６の上流側に位置付けることができる。一実施形態では、熱交換器３０は、ガスタービン入口１６に隣接して位置付けることができる。別の実施形態では、熱交換器３０は、ガスタービン入口１６内部に位置付けることができる。入口空気流１８は、ガスタービン入口１６又は圧縮機１３に流入する前に熱交換器３０を通して配向することができる。
【００２６】
熱交換器３０は、入口空気流１８が熱交換器３０を通過するときに入口空気流１８を冷却するように構成することができる。例えば、熱交換器３０は、入口空気流１８が熱交換器３０を通過して冷却剤流２５と相互作用し、これにより入口空気流１８を冷却可能にするように構成することができる。一実施形態では、入口空気流１８は、冷却剤流２５を通して配向することができ、その結果、熱が入口空気流１８から冷却剤流２５に伝達され、入口空気流１８を冷却する。
【００２７】
一実施形態の別の例示的な態様では、熱交換器３０は直接接触熱交換器とすることができる。例えば、熱交換器３０は、媒質タイプの直接接触熱交換器とすることができる。媒質は、構造化パターン、ランダムパターン、又は当該技術分野で公知のパターンで配列することができる。媒質は、セルロースベース媒質、プラスチックベース媒質、金属ベース媒質、セラミックベース媒質、又は当該技術分野で公知の媒質もしくはその組み合わせを含むことができる。一実施形態では、冷却剤流２５は、媒質表面にわたってほぼ下流側方向に配向することができる。一実施形態では、入口空気流１８は、冷却剤流２５の方向と実質的に垂直な方向で熱交換器３０を通じて配向することができる。
【００２８】
一実施形態のさらに例示的な態様では、フィルタ４５を入口空気流１８の方向で熱交換器３０の上流側に配置することができる。フィルタ４５は、入口空気流１８が熱交換器３０及びガスタービン１２に流入する前に入口空気流１８から粒子状物質を除去するように構成することができる。別の実施形態では、フィルタ４５は、入口空気流１８の方向で熱交換器３０の下流側に配置することができる。フィルタ４５は、入口空気流１８がガスタービン１２に流入する前に入口空気流１８から粒子状物質を除去するように構成することができる。一実施形態では、ドリフトエリミネータ３３を入口空気流１８の方向で熱交換器３０の下流側に配置することができる。ドリフトエリミネータ３３は、入口空気流１８がガスタービン１２に流入する前にガスタービン入口空気流１８から冷却剤の液滴を除去する働きをすることができる。一実施形態では、ポンプ４６は、冷却剤流２５の方向で熱交換器３０の下流側に配置することができる。ポンプ４６は、熱交換器３０からの冷却剤流２５をチラー２０に連通させるように構成することができる。
【００２９】
ガスタービン出力増大システム１０は、システム１０の作動が特定条件に関して調節されるように構成することができる。例えば、ガスタービン出力増大システム１０を調節するために、コントローラ５０をシステムに動作可能に接続することができる。一実施形態では、コントローラ５０は、チラー２０に動作可能に接続され、チラー２０の作動を調節するように構成することができる。コントローラ５０は、ガスタービン出力増大システム１０及びチラー２０を作動及び調節するよう種々のアルゴリズム及び制御機構でプログラムすることができる。
【００３０】
コントローラ５０はさらに、ガスタービン出力増大システム１０又はガスタービン１２の他の要素に動作可能に接続することができる。一実施形態では、コントローラ５０は、バイパスバルブ４３に動作可能に接続することができる。他の実施形態では、コントローラ５０は、排気通気装置４１、空気ブリード装置４２、及びポンプ４６に動作可能に接続することができる。コントローラ５０は、排気通気装置４１、空気ブリード装置４２、バイパスバルブ４３、及びポンプ４６を操作して、ガスタービン１２の出力又は効率を最大限にするように構成することができる。他の実施形態では、コントローラ５０は、ガスタービン出力増大システム１０又はガスタービン１２の他の要素に動作可能に接続され、ガスタービン１２の出力又は効率を最大限にすることができる。
【００３１】
コントローラ５０は、１以上の環境条件を監視するように構成することができる。コントローラ５０はさらに、１以上の環境条件に関してチラー２０の作動を調節するように構成することができる。例えば、一実施形態では、チラー２０の作動は、ガスタービン１２の周りの空気の周囲相対湿度に関連して調節することができる。チラー２０の作動調節は、環境条件が第１の環境条件レベルにあるときにチラー２０が冷却剤流２５を冷却するために機能させ、環境条件が第２の環境条件レベルにあるときにはチラー２０が冷却剤流２５を冷却するために機能させないことを含むことができる。例えば、一実施形態では、第１の環境条件レベルは、第１の周囲相対湿度レベルとすることができ、第２の環境条件レベルは、第２の周囲相対湿度レベルとすることができる。従って、一実施形態の例示的な態様では、コントローラ５０は、周囲相対湿度が第１の周囲相対湿度レベルにあるときには、チラー２０が冷却剤流２５を冷却するために機能し、周囲相対湿度が第２の周囲相対湿度レベルにあるときには、チラー２０が冷却剤流２５を冷却するために機能しないように該チラー２０の作動を調節することができる。一実施形態では、第１の周囲相対湿度レベルは５０％以上の周囲相対湿度とすることができ、第２の周囲相対湿度レベルは５０％未満の周囲相対湿度とすることができる。他の実施形態では、第１の周囲相対湿度レベルは、４０％〜６０％の範囲の相対湿度レベル以上の周囲相対湿度とすることができ、第２の周囲相対湿度レベルは、４０％〜６０％の範囲の相対湿度レベル未満の周囲相対湿度とすることができる。
【００３２】
一実施形態の別の例示的な態様では、チラー２０の作動は、周囲相対湿度が既定の周囲相対湿度レベル又はそれ以上であるときにチラー２０が冷却剤流２５を冷却するために機能し、周囲相対湿度が既定の周囲相対湿度レベル未満であるときにチラー２０が冷却剤流２５を冷却するために機能しないように調節することができる。一実施形態では、既定の周囲相対湿度レベルは５０％とすることができる。他の実施形態では、既定の周囲相対湿度レベルは、４０％〜６０％の範囲の相対湿度レベルとすることができる。
【００３３】
一実施形態の例示的な態様では、環境条件が第１の環境条件レベルにあるときには、熱交換器３０を通過する入口空気流１８は主として顕熱冷却を通じて冷却でき、環境条件が第２の環境条件レベルにあるときには、熱交換器３０を通過する入口空気流１８は主として潜熱冷却を通じて冷却できるように、チラー２０を調節することができる。例えば、一実施形態では、チラー２０の作動は、周囲相対湿度が第１の周囲相対湿度レベルにあるときには、チラー２０が冷却剤流２５を冷却するために機能するよう調節することができる。これらの条件の間、熱交換器３０を通過する入口空気流１８は、主として顕熱冷却によって冷却することができる。さらに、周囲相対湿度が第２の周囲相対湿度レベルにあるときには、チラー２０が冷却剤流２５を冷却するために機能しないようにすることができる。これらの条件の間、熱交換器３０を通過する入口空気流１８は、主として潜熱冷却によって冷却することができる。一実施形態では、第１の周囲相対湿度レベルは、５０％以上の周囲相対湿度とすることができ、第２の周囲相対湿度レベルは５０％未満の周囲相対湿度とすることができる。他の実施形態では、第１の周囲相対湿度レベルは、４０％〜６０％の範囲の相対湿度レベル以上の周囲相対湿度とすることができ、第２の周囲相対湿度レベルは、４０％〜６０％の範囲の相対湿度レベル未満の周囲相対湿度とすることができる。
【００３４】
一実施形態の別の例示的な態様では、チラー２０の作動は、周囲相対湿度が既定の周囲相対湿度レベル又はそれ以上であるときにチラー２０が冷却剤流２５を冷却するために機能するように調節することができる。これらの条件の間、熱交換器３０を通過する入口空気流１８は、主として顕熱冷却によって冷却することができる。さらに、チラー２０は、周囲相対湿度が既定の周囲相対湿度レベル未満であるときに冷却剤流２５を冷却するために機能しないようにすることができる。これらの条件の間、熱交換器３０を通過する入口空気流１８は、主として潜熱冷却によって冷却することができる。一実施形態では、既定の周囲相対湿度レベルは５０％とすることができる。他の実施形態では、既定の周囲相対湿度レベルは、４０％〜６０％の範囲の相対湿度レベルとすることができる。
【００３５】
顕熱冷却とは、空気から熱が奪われて空気の乾球及び湿球温度の変化を生じるような冷却方法を意味する。顕熱冷却は、冷却物質を冷却して、冷却済みの冷却物質を用いて空気を冷却することを伴うことができる。例えば、環境条件が第１の環境条件レベルにあるときには、チラー２０の作動は、チラー２０が冷却剤流２５を冷却するために機能するよう調節することができる。チラー２０が冷却剤流２５を冷却するために機能する場合、冷却剤流２５は、周囲未満の温度で作動することができる。例えば、一実施形態では、冷却剤流２５は水を冷却することができる。冷却剤流２５が熱交換器３０を通って連通されると、冷却剤流２５は入口空気流１８と相互作用することができる。周囲未満の温度で作動する冷却剤流２５は、顕熱冷却によって入口空気流１８を冷却させる働きをすることができる。
【００３６】
潜熱冷却とは、空気から熱が奪われて空気の水分含量の変化を生じるような冷却方法を意味する。潜熱冷却又は蒸発冷却は、周囲温度で液体物質を蒸発させて空気を冷却することを伴うことができる。例えば、環境条件が第２の環境条件レベルにあるときには、チラー２０の作動は、チラー２０が冷却剤流２５を冷却するために機能しないよう調節することができる。一実施形態では、熱流２６は、チラー２０を迂回するためにバイパスバルブ４３を通って連通し、その結果、チラー２０の冷却作動を阻止することができる。別の実施形態では、チラー２０は、その作動を停止し、冷却剤流２５がチラー２０を通って流れるが、熱流２６は冷却剤流２５を冷却しないようにすることができる。さらに別の実施形態では、冷却剤流２５は、バルブ４７を介してチラー２０を迂回することができ、冷却剤バイパス２８及びバルブ４８を通って冷却剤入口３１に流れることができる。冷却剤流２５が入口空気流１８と相互作用し、すなわち入口空気流１８中に蒸発することができるので、補給冷却剤流が別個の冷却剤供給源３５から冷却剤流２５に添加され、冷却剤２５の損失を補償することができる。チラー２０が冷却剤流２５を冷却するために機能しない場合、冷却剤流２５は、周囲温度で作動することができる。例えば、一実施形態では、冷却剤流２５は周囲温度の水とすることができる。冷却剤流２５が熱交換器３０を通って連通されると、冷却剤流２５は入口空気流１８と相互作用することができる。周囲温度で作動する冷却剤流２５は、潜熱又は蒸発冷却によって入口空気流１８を冷却させる働きをすることができる。
【００３７】
潜熱冷却及び顕熱冷却は、相互排他的な冷却方法ではない点を理解されたい。例えば、一実施形態では、冷却剤流２５が周囲未満の温度まで冷却された場合、入口空気流１８は、顕熱冷却のみによって冷却することができる。別の実施形態では、冷却剤流２５が周囲温度である場合、入口空気流１８は、顕熱冷却のみによって冷却することができる。別の実施形態では、チラー２０の作動の直前又は直後のように、冷却剤流２５の温度が周囲温度未満から周囲温度まで、或いは周囲温度から周囲温度未満まで移行している間などでは、入口空気流１８は、顕熱冷却と潜熱冷却の両方を通じて冷却することができる。従って、本開示のガスタービン出力増大システム１０は、入口空気流１８の顕熱冷却及び潜熱冷却の両方を行うことができ、これらの方法は排他的及び組み合わせの両方で適用することができる。
【００３８】
ガスタービン出力増大システム１０及びチラー２０の調節は、空気の周囲相対湿度に関連した調節に限定されない。例えば、ガスタービン出力増大システム１０及びチラー２０は、熱交換器３０の下流側の入口空気流１８の温度に関連して調節することができる。一実施形態の例示的な態様では、チラー２０は、熱交換器３０の下流側の入口空気流１８の温度を所望の温度範囲で調整又は維持するよう調節することができる。例えば、チラー２０は、熱交換器３０の下流側の空気の温度が第１のレベルにあるときには主として顕熱冷却を通じて冷却し、熱交換器３０の下流側の空気の温度が第２のレベルにあるときには主として潜熱冷却を通じて冷却できるように調節することができる。
【００３９】
さらに、ガスタービン出力増大システム１０及びチラー２０の調節は、冷却剤流２５の種々のレベルの冷却を可能にするようチラー２０を調整することを含むことができる。例えば、一実施形態では、チラー２０の作動は、冷却剤流２５の温度を制御するよう調節することができる。別の実施形態では、チラー２０の作動は、冷却剤流２５の流量を制御するよう調節することができる。従って、例えば、冷却剤流２５の温度及び流量は、熱交換器３０の上流側の入口空気流１８の周囲相対湿度の変化にもかかわらず、熱交換器３０の下流側の入口空気流１８が主として顕熱冷却を通じて設定点温度まで冷却することができるよう調整することができる。さらに、一実施形態では、チラー２０の作動は、例えば、熱交換器３０の上流側の入口空気流１８の周囲相対湿度の変化にもかかわらず、熱交換器３０の下流側の入口空気流１８が主として潜熱冷却を通じて設定点温度まで冷却することができるよう調整することができる。
【００４０】
一実施形態の別の例示的な態様では、コントローラ５０によるガスタービン出力増大システム１０及びチラー２０の調節は、作動条件を管理するために無効にすることができる。例えば、チラー２０の調節は、ある系統の発電プラントなど、発電系統の安定性を管理するために無効にすることができる。例えば、一実施形態では、チラー２０の調節は、何らかの環境条件下で冷却剤流２５を冷却する機能のために無効にすることができ、その結果、冷却剤流２５は、何らかの環境条件下で主として顕熱冷却を通じて入口空気流１８を冷却するよう機能する。この実施形態では、ガスタービン１２は、特定の環境条件が存在するときに非効率的であるにもかかわらず、常に相当な量の出力を生成することができる。この出力を用いて系統安定性を維持することができる。別の実施形態では、チラー２０は、何らかの環境条件下で冷却剤流２５を冷却するために機能しないよう無効にすることができ、これにより冷却剤流２５は、何らかの環境条件下で主として潜熱冷却を通じて入口空気流１８を冷却するよう機能する。
【００４１】
本開示はまた、ガスタービン出力を増大する方法を提供する。本方法は、１以上の環境条件を測定する段階を含むことができる。上記で検討したように、一実施形態では、環境条件は、熱交換器３０の上流側の空気の周囲相対湿度とすることができる。別の実施形態では、環境条件は、熱交換器３０の下流側の入口空気流１８の温度とすることができる。
【００４２】
本方法はさらに、１以上の環境条件に関してチラー２０の作動を調節する段階を含むことができる。上記で検討したように、チラー２０の作動は、冷却剤流２５を冷却することができる。一実施形態では、チラー２０は、吸収式チラーとすることができる。一実施形態では、冷却剤は水とすることができる。一実施形態では、チラー２０は、熱源２９からのエネルギーを用いて冷却剤流２５を冷却することができる。上記で検討したように、例えば、熱源２９は、ＨＲＳＧ水又はＨＲＳＧ蒸気とすることができる。他の実施形態では、熱源２９は、蒸気タービンシール蒸気、高温廃水、発電機冷却水、又は何れかの熱生成プロセスにより発生した熱流など、何らかの廃棄蒸気とすることができる。
【００４３】
上記で検討したように、チラー２０の作動調節段階は、環境条件が第１の環境条件レベルにあるときに冷却剤流２５を冷却するようチラー２０を作動させ、環境条件が第２の環境条件レベルにあるときには冷却剤流２５を冷却するようにはチラー２０を作動させないことを含むことができる。例えば、環境条件は、熱交換器の上流側の空気の周囲相対湿度とすることができる。一実施形態では、第１の環境条件レベルは、第１の周囲相対湿度レベルとすることができ、第２の環境条件レベルは、第２の周囲相対湿度レベルとすることができる。一実施形態では、第１の周囲相対湿度レベルは５０％以上の周囲相対湿度とすることができ、第２の周囲相対湿度レベルは５０％未満の周囲相対湿度とすることができる。他の実施形態では、第１の周囲相対湿度レベルは、４０％〜６０％の範囲の相対湿度レベル以上の周囲相対湿度とすることができ、第２の周囲相対湿度レベルは、４０％〜６０％の範囲の相対湿度レベル未満の周囲相対湿度とすることができる。
【００４４】
一実施形態の例示的な態様では、チラー２０の作動調整段階は、周囲相対湿度が既定の周囲相対湿度レベル又はそれ以上であるときに冷却剤流２５を冷却するようチラー２０を作動させ、周囲相対湿度が既定の周囲相対湿度レベル未満であるときに冷却剤流２５を冷却するようにはチラー２０を作動させないことを含むことができる。一実施形態では、既定の周囲相対湿度レベルは５０％とすることができる。他の実施形態では、既定の周囲相対湿度レベルは、４０％〜６０％の範囲の相対湿度レベルとすることができる。
【００４５】
本方法はさらに、熱交換器３０を通じて冷却剤流２５を連通させる段階を含むことができる。上記で検討したように、熱交換器３０は、ガスタービン入口１６に隣接又はその内部に位置付けることができる。熱交換器３０は、熱交換器３０を通過する入口空気流１８が冷却剤流２５と相互作用可能に構成され、これにより入口空気流１８がガスタービン入口１６又は圧縮機１３に流入する前に入口空気流１８を冷却することができる。例えば、一実施形態では、熱交換器３０は、直接接触熱交換器とすることができる。
【００４６】
上記で検討したしように、一実施形態の例示的な態様では、コントローラ５０によるチラー２０の作動調整は、無効にすることもできる。例えば、チラー２０の作動調節は、系統安定性を管理するために無効にすることができる。
【００４７】
単一のガスタービン出力増大システム１０においてチラー２０及び熱交換器３０を設けることにより、入口空気流１８は、環境条件によって決定付けられるように潜熱冷却及び顕熱冷却を１つのシステムで使用して冷却することができる。１つのシステムが、ガスタービン１２の作動を最適化してあらゆる環境条件下で最大のガスタービン効率を提供するのに適切な冷却方法を用いてガスタービン入口空気流１８を冷却できるという点で、この構成は、実質的に融通性のあるガスタービン出力増大システムを提供する。
【００４８】
例えば、一実施形態の例示的な態様では、ガスタービン出力増大システム１０は、５０％未満など、空気の周囲相対湿度が比較的低いときに主として潜熱冷却を通じて入口空気流１８を冷却することができる。潜熱冷却は、顕熱冷却とは対照的に、潜熱冷却を提供するために最少量の寄生出力のみを必要とするので、これらの条件下で最大のガスタービン効率を提供することができ、よって、正味ガスタービン出力生成効率が向上する。
【００４９】
しかしながら、空気の周囲相対湿度が５０％を上回るなど比較的高い場合のような他の条件下では、潜熱冷却は効果的ではない。従って、一実施形態では、ガスタービン出力増大システム１０は、空気の周囲相対湿度が５０％を上回るなど比較的高いときには、主として顕熱冷却を通じて入口空気流１８を冷却することができる。例えば、高相対湿度条件下では潜熱冷却は効果的ではないので、顕熱冷却は、これらの条件下で最大のガスタービン効率を提供することができ、顕熱冷却は、湿球温度未満のような潜熱冷却を用いて達成可能なレベルを遙かに下回るレベルまで入口空気流１８を冷却することができ、よって、正味ガスタービン出力生成効率が向上する。
【００５０】
加えて、チラー２０及び熱交換器３０の組み合わせにより、入口チラーコイル構成と比べて、ガスタービン入口１６における入口空気流１８の圧力低下を小さくすることができる。例えば、一実施形態では、圧力低下は、約０．５水柱インチだけ小さくすることができる。
【００５１】
さらに、単一のガスタービン出力増大システム１０においてチラー２０及び熱交換器３０を設けることにより、入口チラーコイルにより必要とされる温度よりも高い温度の冷却剤流２５を用いて入口空気流１８を冷却することができる。機械式コイル冷却システムは通常、３５°Ｆ未満の温度まで冷却された冷却物質流を必要とする。機械式チラープラント及びコイルシステムの資本コストは大幅なものであり、かなり高額になる場合がある。しかしながら、提供されるようなチラー２０及び熱交換器３０を備えた単一のガスタービン出力増大システム１０は、３５°Ｆ超の温度、３５〜５０°Ｆの温度、４０〜４５°Ｆの温度、又はおよそ４３°Ｆの温度まで冷却される冷却物質のみを必要とする。例えば、一実施形態では、吸収式チラー及び直接接触熱交換器３０は、３５°Ｆを上回る温度、３５〜５０°Ｆの温度、４０〜４５°Ｆの温度、又はおよそ４３°Ｆの温度の冷却剤流２５を用いて入口空気流１８の十分な冷却を提供することができる。このシステム１０は、ガスタービン出力増大システムに関連する資本コストを有意に低減する。
【００５２】
本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、さらに、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起され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、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００５３】
１０  ガスタービン出力増大システム
１２  ガスタービン
１３  圧縮機
１４  燃焼器
１５  タービン
１６  ガスタービン入口
１７  ガスタービン排気出口
１８  入口空気流
１９  排気流
２０  チラー
２１  冷却剤入口
２２  冷却剤出口
２３  熱流入口
２４  熱流出口
２５  冷却剤流
２６  熱流
２７  熱流バイパス
２８  冷却剤バイパス
２９  熱源
３０  熱交換器
３１  冷却剤入口
３２  冷却剤出口
３３  ドリフトエリミネータ
３４  補給冷却剤流
３５  冷却剤供給源
４１  排気通気装置
４２  空気ブリード装置
４３  バイパスバルブ
４５  フィルタ
４６  ポンプ
４７  バルブ
４８  バルブ
５０  コントローラ
【図１】
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