(57)【要約】公称全負荷条件の近傍でのガスタービン群の動作方法において、圧縮前と圧縮中の両方又は一方での作動媒体の冷却を調節して、それぞれ達成可能な全負荷動力が実際の動力を上回るようにする。そうすることにより、タービン流入温度の上昇又は調節可能な流入ガイドベーン列の開放によって、速い動力要求に素早く応えることができる一方、全負荷動作点を調節するために、冷却動力をより緩慢に推移させる形での制御を用いることができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン群の動作方法であって、この方法では、
作動媒体（１１）を、少なくとも一つの圧縮機（１，１ａ，１ｂ）で圧縮し、
圧縮した作動媒体（１３，１３ａ）を、少なくとも一つの熱供給用構成部品（２ａ）での熱量供給によって、タービン流入温度に加熱し、
作動媒体（１５，１５ａ，１５ｂ）を、少なくとも一つのタービン（３，３ａ，３ｂ）で膨張させ、
この作動媒体の膨張によって、軸動力を生成し、
この軸動力の少なくとも第一の部分を、圧縮機を駆動するために使用し、
この軸動力の第一の部分を超える部分を、実効動力（ＰACT ）として、動力消費体（５）を駆動するために使用し、
その際ガスタービン群の全負荷動力（ＰVL）は、圧縮前、圧縮中、二つの圧縮措置間の中の一つ以上での作動媒体の冷却によって、冷却動力を用いて調節可能であり、
ガスタービン群の実際の実効動力（ＰACT ）を目標とする実効動力に制御する方法において、
その時点の全負荷動力（ＰVL）が、実際の実効動力（ＰACT ）よりも大きくなるように、この冷却動力を調節して、その時点の全負荷動力（ＰVL）と関連付けられた実際の相対動力（ＰREL ）が１００％以内となる形で、ガスタービン群を動作させることを特徴とする方法。
【請求項２】
当該の全負荷動力を、圧縮機の最大流入体積流量時におけるプロセス温度とプロセス圧力の両方又は一方が許容される最大値である場合の実効動力として規定することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
当該の全負荷動力を、圧縮機の最大流入体積流量時におけるすべてのタービン流入温度が最大許容限界値に達した場合の実効動力として規定することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
当該の流入体積流量が、圧縮機の流入ガイドベーン列（２２）の設定位置（ＩＧＶ）によって決定されることを特徴とする請求項２又は３に記載の方法。
【請求項５】
当該の圧縮機は、周囲の空気を吸入しており、当該の全負荷動力を、基準動力（ＰISO ）と、周囲の空気と吸気の両方又は一方の圧力と、周囲の空気と吸気の両方又は一方の温度と、周囲の空気と吸気の両方又は一方の湿度と、当該の冷却動力とから計算することを特徴とする請求項１から４までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項６】
当該の冷却動力を制御して、全負荷動作点に対する相対的なガスタービン群の動作点を記述するのに適しており、制御用設定量として用いる動作特性値を、目標値又は目標範囲内に調節することを特徴とする請求項１から５までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項７】
当該の設定量を、安定動作における冷却能力を変化させることによって、当該の目標値周辺の不感帯内に保持することを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
当該の相対動力を、当該の制御用設定量として用いることを特徴とする請求項６又は７に記載の方法。
【請求項９】
実際の実効動力とその時点の全負荷動力との隔たりを、当該の制御用設定量として用いることを特徴とする請求項６又は７に記載の方法。
【請求項１０】
当該の調整可能な流体ガイドベーン列の設定位置を、当該の設定量として用いることを特徴とする請求項６又は７に記載の方法。
【請求項１１】
タービン流入温度を、当該の制御に関する設定量として用いることを特徴とする請求項６又は７に記載の方法。
【請求項１２】
目標とする実効動力を変化させる場合、実際の動力が第一の動力変化率で変化して、それによって、当該の設定量が、その目標値からずれるか、或いはその目標範囲から外れることとなり、それに対して、冷却動力を調節することによって、全負荷動力を第二の動力変化率で変化させて、当該の設定量を、再び目標値又は目標範囲内に調節するものであり、その際第二の動力変化率が、第一の動力変化率より小さいことを特徴とする請求項６から１１までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項１３】
当該の冷却動力を、圧縮機前、圧縮機内、二つの圧縮機段の間の中の一つ以上において、作動媒体内に投入する液体質量流量（
【数１】
2006517636.tif 000013
）を変化させることによって調節することを特徴とする請求項１から１２までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項１４】
噴射装置（４，４ａ，４ｂ）で投入する液体質量流量（
【数２】
2006517636.tif 000014
）を、当該の冷却動力に関する尺度として用いることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、請求項１の上位概念にもとづくガスタービン群の動作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１から、ガスタービン群の圧縮機前で霧状化した水を吸気フローに投入する方法が周知である。蒸発冷却によって、吸気密度とそれにより作動媒体の質量流量及びガスタービン群の達成可能な最大動力を増大させている。
【０００３】
特許文献２では、水を噴射して、圧縮機内に液滴を取り入れることを提案している。これらの液滴は、圧縮プロセスの間に圧縮機内で蒸発して、そのことが、圧縮機の内部を強く冷却することとなる。それは、圧縮機前で蒸発冷却の質量流量を高める効果の他に、圧縮機の動力消費量をも低減させるとともに、圧縮機の出口温度を低下させて、それによって、それに続く燃焼室内において、より大きな燃焼を起こすことができる。総じて、これらのことから、ガスタービン群の達成可能な最大動力を向上させる結果が得られ、それは、勿論先ず第一に作動媒体の質量流量と許容されるタービン流入温度によって制限される。
【０００４】
更に、特許文献３から、二つの部分圧縮機の間で液体を噴射させることが周知である。このことは、同じく一方において第一と第二の部分圧縮機内での圧縮措置の間で、他方において第二の圧縮措置の間でも作動媒体の冷却を引き起こす。
【０００５】
現在、当業者の間では、圧縮機内での液体の噴射は、「ハイフォッギング」、「オーバーフォッギング」、「湿り圧縮」、「オーバースプレイ・クーリング」などの様々な用語で呼ばれている。いずれにせよ、例えば、特許文献４が示す通り、その好ましい効果が既に長い間知られていることを認めなければならない。圧縮中における作動媒体内での液体の蒸発は、装置に関して比較的僅かな負担で、等温圧縮への非常に良好な近似を提供するものである。
【０００６】
更に、作動媒体を冷却するために、中間冷却器として熱交換器を使用することが、或いは吸気を冷却するために、冷却装置を使用することも知られている。
【０００７】
圧縮機内の中間冷却器は、しばしば動作範囲全体において、最大冷却動力で動かされる。そして、近代的なガスタービン群は、広い負荷範囲において、有利な設計点から大きく外れて動作している。
【０００８】
特許文献２は、ガスタービン群が水の噴射無しで既に全負荷で動作しており、目標とする動力が、依然として実際に生じている実効動力を上回る場合に初めて、液体の噴射を作動させることを提案している。即ち、ガスタービン群自体は、圧縮機の最大流入体積流量で動作しており、タービン流入温度は、最大許容値となっている。更に動力を高めるために、圧縮機内での液体の噴射による作動媒体の冷却を利用している。そこに提案されている方法によると、先ずは追加して生起すべき実効動力の関数として、噴射する水の必要な質量流量を求めて、噴射させる。それによって、ガスタービン群が全負荷点から外れることとなり、そして、ガスタービン群が再び全負荷で動作するまで、燃料供給を徐々に増大させており、それは、最も高い最大許容タービン流入温度と、場合によっては流入ガイドベーン列を完全に開放して動作させるものである。
【０００９】
しかし、実際には、液滴が噴射地点から圧縮機の入口に到達するのに約０．５〜２秒かかる可能性が有ることが分かっている。同様に、ガスタービン群でしばしば用いられている制御・調節メカニズムでは、これらの構成要素の貫流時間が、水の噴射によって生じる温度変化の検出とそのためにその燃料供給への作用をも遅延させている。即ち、水の噴射が単に遅延させる効果を持つことが分かっている。同様に、噴射する水の量を任意の速さで切り換えたり、増大させることは、実現不可能である。更に、前述した制御系の無駄時間や遅延時間が、制御ループの安定性を低下させて、可能な反応速度を大きく減少させることとなっている。即ち、要約すると、圧縮中に作動媒体を冷却するための措置を採用すること、特に圧縮機前での水の噴射は、速い動力増大のためには無制限に使用することできない。
【特許文献１】米国特許明細書第５，３５３，５８５号
【特許文献２】米国特許明細書第６，２１６，４４３号
【特許文献３】米国特許明細書第６，０１２，２７９号
【特許文献４】フランス特許明細書第１，５６３，７４９号
【特許文献５】欧州特許明細書第６２０３６２号
【特許文献６】米国特許明細書第５，４５４，２２０号
【特許文献７】欧州特許明細書第６６９５００号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ここで、この発明が解決策を提供する。当該の請求項において特徴付けられた、この発明の課題は、従来技術の欠点を回避した最初に述べた種類の方法を提供することである。この方法は、本来その基本全負荷動力を上回る、ガスタービン群に対する動力要求に対して、実質的に遅延が無い程度にまで非常に高速に反応することを可能とすることを目指している。この関係において、ガスタービン群の基本全負荷動力とは、ガスタービン群が、各周囲条件（この場合、ちょうど周囲温度と周囲圧力が大きな影響を持つ）において、水の噴射又はその他の可変に、恒常的でない形で動作する冷却を用いることなく、実現することが可能な実効動力であると解釈する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この課題は、この発明にもとづき、請求項１の特徴全体を用いて解決される。
【００１２】
従って、この発明の核心は、ガスタービン群の基本全負荷動力付近又はそれを上回る動力要求に対して、圧縮前、圧縮中、二つの圧縮措置間の中の一つ以上において作動媒体を冷却することによって全負荷動力を調節して、ガスタービン群が、常に全負荷動力以下で動作するようにすることである。この場合、全負荷動力とは、例えばタービン流入温度（順次燃焼式ガスタービン群の場合には、関連するすべてのタービン流入温度）、又は圧縮機の出口温度や圧縮機の出口圧力などのプロセスパラメータが、最大許容値に達しており、その際同時に圧縮機の吸入体積流量が最大となっている場合に得られる実効動力であると解釈する。この吸入体積流量は、調節可能な流入ガイドベーン列を有するガスタービン群の場合、基本的に流入ガイドベーン列の設定位置によって決まり、この場合、最大流入体積流量は、流入ガイドベーン列を完全に開放したのと同等である。自ずから、特許文献５又は６で周知のような順次燃焼式ガスタービン群の場合、全負荷動作の定義に関して、すべてのタービンのタービン流入温度が、それぞれの最大許容値に有るものと解釈する。最初に述べた通り、圧縮プロセスの前又はその間に作動媒体の冷却を行った場合、即ち一方において圧縮機前の冷却により作動媒体の質量流量を増大させることによって、そして圧縮中の冷却により圧縮機の動力消費率を低減させることによって、そのように規定された動作点で得られる動力は増大する。更に、圧縮機の出口温度が低下して、その結果より多くの熱を供給することができ、そのため全負荷動力が上昇する。特に、圧縮機への流入前に、液体の霧を作動媒体に噴射して、圧縮機内に液滴を投入した場合、蒸発冷却によって、両方の効果が用いられる。この方法で、全負荷動力を随時調節して、ガスタービン群を全負荷動力以下で動作させることによって、高速に作動可能な動力の余裕が得られる。このことによって、速い動力要求に対して、簡単な方法で実質的に遅延無く反応することが可能となり、それは、ガスタービン群自体が、全負荷動力の調節により、常に動力の余裕を持つ形で動作しており、この動力の余裕は、開いたプロセスで動作するガスタービン群では、圧縮した作動媒体への熱供給を増大させることによって、即ち、燃焼室への燃料供給を増大することによって、直に動員することができるからである。これは、典型的には回転数の過剰又は回転数の不足時に起こるような、動力要求の速い変化時において、冷却を伴う動作と冷却を伴わない動作との間を区別する必要がないことを意味する。
【００１３】
言い換えると、吸気の冷却又は空気の中間冷却を使用して、主としてガスタービン群の動力を、基本全負荷動力を上回る目標値に調節するものである、或いは実効動力出力を変更するのではなく、この発明による冷却を使用して、全負荷点を調節する、即ち、実際にガスタービンプロセスを別の基準系に関連付けるものであると言うこともできる。
【００１４】
この発明による方法の有利な変化形態では、作動媒体を冷却するために、圧縮機入口の上流で、液体、特に水を噴射させる。このことは、その蒸発によって、圧縮前に作動媒体の質量フローを冷却する効果が有る。液体を圧縮機内に投入した場合（噴射場所が圧縮機の入口に非常に近いところに有るため、或いは噴射量が、作動媒体が圧縮機の入口で過飽和になるほど多いために、そうなるのであるが）、投入された液体が、更に圧縮中に冷却する効果を持つこととなる。この場合、投入される液体の量は、冷却動力に関する尺度となる。
【００１５】
この発明の実施構成では、全負荷動力は、例えばＩＳＯ周囲条件、即ち、大気温度１５°Ｃ、１０１３ｈＰａ、相対湿度６０％に対して規定される基準全負荷動力を、標準条件における周囲の圧力、温度、湿度からの偏差を考慮に入れた、それに対応する補正項を用いて換算することによって決定される。このような換算は、当業者には周知であり、ガスタービンの製造者は、様々な機械形式に関する相応の補正項を規定している。更に、この計算時には、冷却動力を考慮に入れる。ここでも、機械特有の相応の補正項の計算は、当業者には周知である。
【００１６】
この発明の実施構成では、冷却動力を調節して、タービン流入温度が、最大許容タービン流入温度を所定の値だけ下回るようにする。即ち、冷却動力の制御は、最大許容タービン流入温度を下回るタービン流入温度目標値に向けて行う。
【００１７】
この発明の別の実施構成は、有利にはガスタービン群が、少なくとも一つの調節可能な流入ガイドベーン列を有する場合に使用され、そのガスタービン群の動作計画は、タービン流入温度が、全負荷動力以下においても、その最大値に留まるように、流入ガイドベーン列の設定位置を制御するものと規定する。そして、所定の流入ガイドベーン列の設定位置が目標値に有るように、冷却動力を制御することができる。流入ガイドベーン列の設定位置の目標値に向けた冷却動力の制御を行い、その目標値では、圧縮機の流入体積流量が、流入ガイドベーン列を完全に開放した場合に実現可能な最大値よりも小さくなる。
【００１８】
別の実施構成では、ガスタービン群の実際の実効動力と前述した通り計算した全負荷動力とから、実際の相対動力を計算する。冷却動力を調節し、それにより全負荷動力を変化させて、実際の実効動力を一定とした場合における相対動力の実際値を目標値に調節する。即ち、全負荷動力に対する冷却動力の制御を行い、それによって、実際の実効動力が、全負荷動力に対して所定の百分率の割合だけ下回るようにする。全負荷動力を、相対動力の目標値が１００％以下、特に９０％〜９５％の範囲内となるように調節することによって、相対動力の実際値を制御する。この方法の別の変化形態では、全負荷動力は、冷却によって、実効動力の目標値より、所定の絶対値、例えば１０ＭＷだけ大きくなるように調節される。
【００１９】
この目標値の周りに不感帯を規定して、その中では冷却動力への介入が起こらないようにすることは、特に有利である。例えば、相対動力の目標値を９０％、不感帯を±５％とした方法が考えられる。実際の相対動力が、８５％以下に低下、或いは９５％以上に上昇した場合に初めて、制御のための介入が行われる。このことは、基本的に全負荷動力の少なくとも５％の速く動員可能な動力の余裕を確保するものである。広い不感帯は、制御が過敏に反応することがなく、制御のための介入の回数を制限して最小限に留めることを保証し、このことは、全く安定した動作に資するものである。当然のことながら、相対動力を一般的に所定の目標範囲内に保持するとの動作方法を規定することもできる。一つの調節可能な流入ガイドベーン列と場合によっては別の調節可能な圧縮機ガイドベーン列の制御によって、ガスタービン群の一つのタービン流入温度又は複数のタービン流入温度を所定の値、例えば許容される最大値に保持するものとガスタービン群の動作計画を規定した場合、制御のための介入に関する別の判断基準として、流入ガイドベーン列が、完全に閉じた設定位置に有り、タービン流入温度が、最大許容値以下に低下したことを採用することができる。この前提条件の下では、動力が依然として不感帯内に有る場合においても、制御のための介入を行って、冷却動力を低下させるのは有意義である。この方法により、燃焼が大きく、かつ一酸化炭素と燃焼しなかった炭化水素の排出が少なく保持される。
【００２０】
この発明による方法の実施構成では、目標とする実効動力を変化させる場合、当初は冷却動力を基本的に一定した形で動力を変化させて、その変化を非常に高速に行うことができるものである。この場合、当然のことながら、相対動力と全負荷動力に対して確保する動力の余裕も変化する。それぞれ前述した実施構成において設定した目標値からの偏差が有る、或いは目標範囲から外れている場合、例えば所定の相対動力の目標値からの偏差が有る、或いは実際の動力と全負荷動力との最低限度の隔たりを下回った場合には、冷却動力の制御が作動される。例えば、相対動力が、目標値から上方に外れて、許容範囲外となった場合には、例えば、圧縮機前で噴射する水の量を増大させる。このようにして高めた冷却動力により、全負荷動力が増大し、そのため実効動力が変わらない場合、実際の相対動力が低下するとともに、ガスタービン群の動作点を、再び目標とする相対動力に調節することができる。多くの場合、このプロセスは、時間的に順番に進行するのではなくて、冷却動力の制御は、実効動力を未だ調節中で、目標値に向けて制御している間に、既に開始されている。そして、全負荷動力の変化は、同時ではあるが、低い変化率で行われ、その値、例えば設定量として用いられる相対動力は、先ずは増大されて、その後ようやく再び目標値で安定するように制御される。この発明では、ここで述べたプロセスは、当然のことながら、タービン流入温度、流入ガイドベーン列の設定位置などの別の所定の目標値からの偏差が有る場合にも同様に使用される。同様のことが、当然に目標とする実効動力の低下の際にも言え、この場合、目標とする動作状態を再び回復するために、冷却動力が低減される。この場合、全負荷動力の変化は、基本的に実際の動力の変化よりもゆっくりと行うことができ、それは、この発明による方法での動作においては勿論の事として、実際の動力の変化が、初期の全負荷動力の場合には常に、より低い動力とより高い動力の両方に向けての自由度を有するためである。この場合、実際の動力は、回転数の過剰又は回転数の不足時に起こるような、過渡的な動力要求に応えるのに十分な速さで変化させることができる。初期の動作状態を再び回復するために、変更可能な冷却動力を使用する。このことは、比較的ゆっくりと行うことができ、例えば、実際の動力は秒単位で、目標とする動力は分単位で変えられる。そのために、前述した比較的遅い反応と制御系の反応時間とを考慮する。
【００２１】
要約すると、この発明の核心は、有利には圧縮機前、圧縮機中、二つの圧縮機段の間での液体、特に水の噴射によって、吸入した、又は部分的に圧縮した作動媒体の冷却を変化させる形でガスタービン群を動作させ、それによって冷却動力を調整して、ガスタービン群の各実際の動力出力時における動作状態が、それぞれ確かにガスタービン群の全負荷動作点の近く（このことは、例えば有利な排出値と良好な効率を保証するものである）ではあるが、又常に全負荷動力以下（このことによって、高速に動員可能な動力の余裕が利用可能となり、冷却の変化によって初めて提供しなければならなくなる場合よりも明らかに速く動員することができる）に有ることにあることを再び確認したい。この場合、制御設定量として、ガスタービン群の様々な動作量を用いることができ、それらは、全負荷動作点に対する相対的なガスタービン群の動作点を特徴付けるものである。特に、好適な設定量としては、それぞれ冷却動力に依存したその時点の全負荷実効動力と関連付けられた、その時点の実効動力として定義された相対動力、更に各全負荷動力に対する実効動力の動力の余裕、タービン流入温度、調節可能な圧縮機ガイドベーン列、特に調節可能な流入ガイドベーン列の設定位置を挙げることができる。この場合、それぞれ冷却動力を制御して、設定量を目標値又は目標範囲内に調節する。目標値への制御の場合、有利には、目標値の周りに不感帯を規定して、その中では、制御を停止して、偏差がほんの僅かである場合における過敏な制御のための介入を防止する。
【００２２】
この発明の別の有利な実施構成は、当業者には、従属請求項と以下に述べる実施例を見れば明らかとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下において、図面に描いた実施例にもとづき、この発明をより詳しく説明する。
【００２４】
この発明を理解するのに直接必要でない要素は、省略している。これらの実施例は、単に理解の参考となるものであり、請求項で特徴付けられた発明を制限するために用いるべきではない。
【００２５】
図１に図示したガスタービン群では、作動媒体フロー、ここでは吸気フロー１１は、圧縮機１内で圧力ｐk に圧縮され、その際温度Ｔk に加熱される。圧縮された空気１３は、燃焼室２内に流入する。そこで、圧縮された空気１３は、燃料量制御ユニットによって計量された燃料量１４と混合されて、空気とともに燃焼される。圧力が加わった高温の排気ガス１５が、圧力ｐ1 とタービン流入温度Ｔ1 でタービン３に流入する。圧力ｐ1 は、ほぼ圧縮機の出口圧力ｐk と一致し、燃焼室での圧力損失だけ低下する。タービン３内で、圧力が加わった排気ガス１５は、圧力ｐexに膨張する。この圧力は、ほぼ周囲の圧力と一致する。この膨張によって、タービン内で、動力が生み出される。廃ガス１６は、温度Ｔexで流出して行き、周知の方法で、例えば廃熱ボイラー内で利用することができる。タービン３は、シャフト上に配置された圧縮機１と発電機５を駆動する。発電機５は、電気的な実効動力ＰACT を生成する。この実効動力は、制御器２３で動力目標値ＰSET と比較され、この制御偏差から、燃料制御ユニット２０に対する制御量Ｙ1 が生成され、この動力の制御偏差に応じて、燃料量が増減される。このタービン流入温度は、一般的に直接測定するのではなく、当業者に周知の方法で、例えば、タービン流入温度と圧縮機の出口圧力の関数として計算される。このことは、例えば、タービン流入温度Ｔ1 を最大値で制限する制御器１８で行われる。タービン流入温度が、許容される最大値に達した場合、制御器１８は、制御量Ｙ2 によって、基本的に圧縮機１が吸入する空気の体積流量を決める調節可能な流入ガイドベーン列２２の設定位置ＩＧＶに介入する。許容されるタービン流入温度に達した場合、制御器１８は、調節可能な流入ガイドベーン列２２を更に開放する。それによって、吸気体積流量とそのため吸気密度が変わらない場合には質量流量が上昇する。従って、タービン流入温度が変わらない場合には、より多くの燃料１４を燃焼させて、実効動力を増大させることができる。流入ガイドベーン列が、完全に開放された場合、制御器１８は、燃料量を制限する。この場合、流入ガイドベーン列が、最大限に開放されるとともに、タービン流入温度が最大となり、これは、ガスタービン群の全負荷動作点であり、この枠組みにおいて、この動作で出力される動力は、基本全負荷動力と称される。更に、噴射装置４で、液体１７を吸気フロー１１に噴射することができる。圧縮機前での液体の蒸発によって、吸気体積流量が変わらない場合には、作動媒体の質量流量が増大する。液滴が圧縮機１内に入った場合、液滴は圧縮中に蒸発し、このことは、圧縮機１の動力消費量を低減するとともに、圧縮機の出口温度Ｔk を低下させる。ここで、質量流量が上昇するとともに、圧縮機の出口温度が低下することにより、タービン流入温度が変わらない場合には、より大きく燃焼させることができる。圧縮機の動力消費量の低下と関連して、発電機の駆動に利用可能な動力が大幅に上昇する。即ち、全負荷動力は、基本全負荷動力と比較して大幅に増大する。逆に、実際の実効動力ＰACT が変わらない場合、実際の相対動力は、実際の実効動力の全負荷動力に対する比率よりも小さくなる。このことは、燃料量がほぼ変わらない又はむしろ僅かに低下した場合、先ずはタービン流入温度が低下することを意味する。この場合、前述した制御計画にもとづき、制御器１８が介入して、流入ガイドベーン列２２を幾らか閉じ、それによってタービン流入温度を最大値に保持する。このガスタービン群は、圧縮機前での液体の噴射に対して、比較的緩慢に反応する。回転数の過剰又は回転数の不足時に対応するために必要であるような、速い動力変化は、冷却動力の変更では、限定的にしか実現することはできない。この場合、例えば圧縮機の中間冷却としての、熱交換器により変更可能な冷却は、噴射する液体量への介入よりも緩慢に反応する傾向にある。従って、この発明では、まさに少なくとも圧縮機前又はその中での作動媒体の冷却が、依然として余裕を持っている限りにおいて、ガスタービン群を、全負荷条件の下で動作させるのではなく、例えば基本全負荷動力よりも大きい所定の実効動力で動作させて、冷却を伴うその時点の全負荷動力が、実際の実効動力よりも大きくなるように、その冷却を動作させる。こうすることによって、実際の動力を更に速く上昇させるための余裕が生まれる。図示した例では、全負荷動力が、実際の実効動力ＰACT 及び目標とする実効動力ＰSET よりも大きくなる程度の水１７を圧縮機前で噴射させて、制御器１８が、燃料量の制御量を制限する形で動作しないようにしている。この例では、流入ガイドベーン列の設定位置ＩＧＶを、水の量
【００２６】
【数１】
2006517636.tif 000003
【００２７】
に関する設定量として用いている。噴射する水の量とそれにより冷却動力を変化させることによって、流入ガイドベーン列２２の設定位置ＩＧＶを、流入ガイドベーン列が完全に開放していない目標値ＩＧＶS に制御する。制御器１９は、流入ガイドベーン列の設定位置の目標値と実際値との偏差から、噴射量
【００２８】
【数２】
2006517636.tif 000004
【００２９】
に関する制御量Ｙ3 を生成し、この制御量は、制御ユニット２１によって調節される。当然のことながら、設定量としては、別の動作パラメータを用いることもできるが、この流入ガイドベーン列の設定位置は、特に容易に使用可能であり、当該の動力範囲内において、流入ガイドベーン列の設定位置と相対動力との間には大きな相関が有る。
【００３０】
図２は、図１によるガスタービン群の幾つかの数量の推移の例を模式的に示している。全負荷動力ＰVL、実際の動力ＰACT 、実際の相対動力ＰREL 、流入ガイドベーン列の設定位置ＩＧＶ、噴射される液体の量
【００３１】
【数３】
2006517636.tif 000005
【００３２】
が、時間に関して図示されている。垂直軸には、基本全負荷動力ＰVL,G、１００％相対動力、冷却動力に関する設定量の目標値、流入ガイドベーン列の目標とする設定位置ＩＧＶS が示されている。開始時では、実際の動力は、全負荷動力よりずっと下にある。流入ガイドベーン列の設定位置は、未だ目標値を下回り、流入ガイドベーン列は、未だ十分に閉じられており、水の質量流量
【００３３】
【数４】
2006517636.tif 000006
【００３４】
は、未だ零であり、従って、冷却動力、即ち噴射する水の質量流量に関する制御ループは、未だ作動されていない。全負荷動力ＰVLは、基本全負荷動力ＰVL,Gと等しい。実際の動力が上昇した場合、流入ガイドベーン列が開放され、噴射質量流量は、当分零のままであり、それに対応して、全負荷動力は、一定のままである。流入ガイドベーン列の開きが、目標値を超えた場合、水の噴射に関する制御が作動されて、水の質量流量
【００３５】
【数５】
2006517636.tif 000007
【００３６】
が増大する。前述した通り、このことは、タービン流入温度に作用して、流入ガイドベーン列は、動力が更に上昇するにつれて、比較的小さい変化率で開いて行く。実際の動力が一定の状態で推移している場合、水の質量流量は、流入ガイドベーン列の設定位置が目標値に調節されるまで、更に増大する。水の質量流量が増大するにつれて、圧縮機の上流と圧縮機内での空気の冷却によって、ガスタービン群の全負荷動力は上昇する。それに対応して、相対動力は、先ずは実際の動力と同じ歩調で上昇し、水の噴射が作動されると、よりゆっくりと上昇して、次に下降する。実際の動力が、基本全負荷動力とほぼ同じであるにも関わらず、相対動力は、噴射量が安定した後では、明らかに１００％以下である。噴射する水による冷却によって、全負荷動力を実際の動力以上に調節する。この差分が、高速に動員可能な動力の余裕として利用可能である。例えば、回転数の不足によって引き起こされる、時点ｔ4 での速い動力要求のために、実際の動力が、ほぼ全負荷動力にまで素早く増大される。それに対応して、相対動力は、ほとんど跳躍する形で、約１００％に上昇する。タービン流入温度が、最大許容値を超えて上昇しないようにするためには、流入ガイドベーン列を、ほぼ完全に開放しなければならない。それに続いて、図１で図示した制御器１９は、水の量を所定の変化率で増大させる。実際の動力が変化しない場合、全負荷動力は上昇して、相対動力は低下する。流入ガイドベーン列を再び閉じる。流入ガイドベーン列の設定位置が、再び目標値に到達した場合、噴射量は、再び一定に保持されて、ガスタービン群は、再び動力の余裕を持って、目標とする動作点で動作する。時点ｔ6 で、動力が急激に低下した場合、流入ガイドベーン列も素早く閉じられて、相対動力は、動力の実際値とともに低下する。これに対応して、制御器１９は、水の質量流量を低減する形で反応する。全負荷動力は低下して、相対動力は上昇し、流入ガイドベーン列は、再び開かれる。水の量は、流入ガイドベーン列の設定位置の目標値と実際値との偏差が再び調節されるまで、或いは水の噴射が完全に停止されるまでのどちらかの期間低減される、即ち、制御器１９は、再び制限する形で動作する。前述したガスタービン群の制御計画では、タービン流入温度は、制御器１８が、流入ガイドベーン列の設定との協力動作により、この温度を一定に保つので、図示した相対動力範囲では一定のままである。
【００３７】
いずれにせよ、この実施例にもとづき水を噴射することによって、変更可能な冷却を実現する、この発明の特に有利な実施構成は、出来る限り高いタービン流入温度で初めて作動される。調節可能なガイドベーン列によって、タービン流入温度が制御可能であるガスタービン群では、有利には、タービン流入温度、場合によってはすべてのタービン流入温度が、最大値、全負荷値に達した場合に初めて、冷却が作動される。逆に、タービン流入温度が全負荷値以下に低下した場合に、冷却動力が低減される。この動作方法は、ガスタービン群が、常に出来る限りその設計点の近くで動作し、特に燃焼が良好となることを保証し、それによって燃焼しなかった炭化水素と一酸化炭素の少ない排出を保証するものである。
【００３８】
図３は、特許文献５で周知の種類の順次燃焼式ガスタービン群に対して、この発明を実現するための例を示している。基本的な関係において、前述した図１の実施形態と照らして、その機能は明らかであり、そのため、ここでは詳細な記述は省略する。図３に図示したガスタービン群の特徴は、二つの膨張させる措置の間において、作動媒体に少なくとも一回熱を更に加えることである。図示したガスタービン群では、燃料量１４ａが、先ずは高圧燃焼室２ａで、圧縮された空気１３ａとともに燃焼される。この高温の排気ガス１５ａは、高圧タービン３ａ内で、例えば圧力比２で、部分的に膨張される。この部分的に膨張された高温ガスは、約１５％〜１７％の残留酸素含有量で、低圧燃焼室２ｂ内に流入する。この低圧燃焼室は、特に特許文献７で周知の種類の自己点火式燃焼室である。そこには、第二の燃料量１４ｂが供給されて、燃焼され、依然として圧力が加わった作動媒体が、再加熱されて、最終的に低圧タービン３ｂ内で、ほぼ周囲の圧力に膨張される。更に、圧縮機は、二つの直列に配置された部分圧縮機１ａと１ｂに分割されており、それらの間には、噴射式冷却器４ｂが配置されており、それによって、部分的に圧縮された作動媒体１２内に液体を噴射することができる。液体の蒸発によって、部分的に圧縮された作動媒体１２が、温度を低下させることとなり、更に、液滴が、高圧圧縮機１ｂ内に入って、更なる圧縮の間に、作動媒体を冷やす。この発明では、以下で説明する通り、噴射装置４ａと４ｂへの液体の供給を変更可能であることを利用して、全負荷動力を常に実際の動力以上に調節している。図１と関連して説明した通り、制御器２３は、動力の制御偏差ＰSET −ＰACT から、燃料量の制御量を生成しており、この制御量は、別の場所で述べた、この関連では基本的に重要ではない判断基準にもとづき、両方の燃焼室の二つの燃料量制御ユニット２０ａと２０ｂに関する制御量Ｙ5 とＹ6 に分割する。更に、タービン流入温度は、ただ実際には測定技術的に取得するのが困難であるので、タービンに関する圧力比とタービン後の温度から、各タービン流入温度を算出する。この場合、燃焼室による圧力低下は、ほぼ一定であると仮定しており、それによって制御器１８ａでは、圧縮機の出口圧力ｐK と高圧タービン後の圧力ｐ2 及び温度Ｔ2 から、高圧タービン３ａのタービン流入温度Ｔ1 を算出しており、別の場所で詳しく述べたのと同様の方法により、制御器１８ｂで、低圧タービンのタービン流入温度Ｔ3 を計算する。両方の制御器では、算出したタービン流入温度にもとづき、調節可能な流入ガイドベーン列２２のアクチュエータに対する制御量Ｙ2 を計算する。このようにして算出された二つの制御量は、論理ユニット２５ｃで互いに比較されて、特に二つの中のより大きいものが、アクチュエータに送られる。更に、タービン流入温度から、燃焼量制御量Ｙ5 とＹ6 に関する制限基準を計算し、これらの基準は、各流入温度が最大となり、流入ガイドベーン列が、既に完全に開放されている場合に適用される。これらの基準は、論理ユニット２５ａと２５ｂで、燃料量制御量と比較されて、場合によっては各アクチュエータに送られる制御量を制限する。計算回路２４では、ガスタービン群の��準的な周囲条件ＰISO と周囲条件ＡＭＢ、即ち、周囲の空気の特定の温度、圧力、湿度における基本全負荷動力から、その時点の基本全負荷動力ＰVL,Gを計算する。更に、これは、冷却動力に関して補正され、その際冷却動力に関する尺度として、噴射質量流量
【００３９】
【数６】
2006517636.tif 000008
【００４０】
と
【００４１】
【数７】
2006517636.tif 000009
【００４２】
を用いる。これから、その時点の全負荷動力ＰVLが得られる。これらの換算は、流体力学及び熱力学的な関係を用いて、ガスタービン群の構成要素に特有の特性値を知っていれば、当業者には容易に分かることである。最終的に、実際の実効動力ＰACT は、その時点の全負荷動力ＰVLと関連付けられて、それから、相対動力ＰREL が得られる。制御器１９では、実際の相対動力ＰREL と目標とする相対動力ＰREL,S との制御偏差から、最終的に噴射装置４ａ，４ｂに供給される水の質量流量を制御する、液体質量流量の制御ユニット２１ａと２１ｂに関する制御量Ｙ3 とＹ4 が計算される。この場合、これらの制御量は、更にヒステリシスユニット２６を介して供給され、このヒステリシスユニットは、相対動力目標値の周りの不感帯を規定し、この不感帯内では、制御のための介入は抑制され、そのことは、水の量の制御に対する過敏な反応を低減するものである。即ち、相対動力が、相対動力の目標値よりも大きい場合、噴射装置の中の少なくとも一つの噴射質量流量
【００４３】
【数８】
2006517636.tif 000010
【００４４】
と
【００４５】
【数９】
2006517636.tif 000011
【００４６】
の両方又は一方が増大される。それによって、その時点の全負荷動力ＰVLが上昇し、実際の実効動力が変わらない場合には、実際の相対動力が低下して、そのため、相対動力の目標値に近づく。逆に、実際の相対動力が目標とする相対動力を下回っている場合には、実際の相対動力を目標値に調節するために、噴射質量流量が低減される。この方法により、安定した動作では、相対動力は、相対動力の目標値の周りの不感帯内、特に９０％〜９５％の範囲内の値に調節されて、常に速く動員可能な動力の余裕が利用可能となる。前述した理由から、タービン流入温度が最大値以下に低下した場合に、相対動力が、依然として不感帯内にあったとしても、冷却動力を低減するのが有利である。明らかに分かる通り、ここで述べた相対動力の目標値への制御は、図１に関連して図示した流入ガイドベーン列の設定位置の目標値への制御よりも複雑であるが、特に順次燃焼式ガスタービン群との関連において、より良好な所定の動力の余裕を実現可能とするものである。この制御の流れは、図２に図示した例と同様に示される。
【００４７】
ここでの記載及び前述した実施例にもとづき、当業者は、請求項で特徴付けられた発明に対する詳細な知見を得るとともに、実施例に図示されていないが、請求項に包含される、この発明の実施構成も、容易に明らかとなるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】この発明により動作するガスタービン群に関する第一の例
【図２】この発明による方法を使用した場合における図１のガスタービン群の主要な動作パラメータの推移に関する例
【図３】この発明により動作する別のガスタービン群
【符号の説明】
【００４９】
１    圧縮機
１ａ  第一の部分圧縮機、低圧圧縮機
１ｂ  第二の部分圧縮機、高圧圧縮機
２    燃焼室
２ａ  第一の燃焼室、高圧燃焼室
２ｂ  第二の燃焼室、低圧燃焼室
３    タービン
３ａ  第一のタービン、高圧タービン
３ｂ  第二のタービン、低圧タービン
４，４ａ，４ｂ    冷却装置、噴射装置
５    発電機
１１    圧縮されていない作動媒体、吸気
１２    部分的に圧縮された作動媒体
１３，１３ａ    圧縮された作動媒体
１３ｂ  部分的に膨張した排気ガス
１４，１４ａ，１４ｂ    燃料
１５，１５ａ，１５ｂ    加熱された排気ガス
１６    膨張した作動媒体、廃ガス
１７，１７ａ，１７ｂ    冷却剤
１８，１８ａ，１８ｂ    温度制御器
１９    制御器
２０，２０ａ，２０ｂ    燃料量制御ユニット
２１，２１ａ，２１ｂ    冷却剤制御ユニット
２２    調節可能な流入ガイドベーン列
２３    動力制御器
２４    計算ユニット
２５，２５ａ，２５ｂ，２５ｃ    論理ユニット
２６    ヒステリシスユニット
ＡＭＢ    周囲条件（圧力、温度、湿度）
ＩＧＶ    調節可能な流入ガイドベーン列の設定位置
ＩＧＶS   調節可能な流入ガイドベーン列の目標設定位置
【００５０】
【数１０】
2006517636.tif 000012
【００５１】
冷却に関する液体質量流量
ＰACT     実際の実効動力
ＰSET     目標とする実効動力
ＰREL     実際の相対動力
ＰREL,S   目標とする相対動力
ＰISO     標準条件での全負荷動力
ＰVL,G    基本全負荷動力
ＰVL      その時点の全負荷動力、実際の全負荷動力
ｐK       圧縮機の出口圧力
ｐ1       第一のタービン前の圧力
ｐ2       第一のタービン後の圧力
ｐ3       第二のタービン前の圧力
ｐex      最後のタービン後の圧力
ＴK       圧縮機の出口温度
Ｔ1       第一のタービン前の温度
Ｔ2       第一のタービン後の温度
Ｔ3       第二のタービン前の温度
Ｔex      最後のタービン後の温度
Ｙ1       燃料量の制御量
Ｙ2       流入ガイドベーン列の制御量
Ｙ3       冷却動力の制御量
Ｙ4       冷却動力の制御量
Ｙ5       高圧燃焼室に関する燃料量の制御量
Ｙ6       低圧燃焼室に関する燃料量の制御量
【図１】
2006517636.tif 000015
【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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2006517636.tif 000019
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2006517636.tif 000021
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2006517636.tif 000023
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