(57)【要約】【課題】タービン（５４）、圧縮機（５０）、燃焼器（５２）、抽気（２０）通路、及び圧縮機抽気（２０）の量を制御するための手段（８０）を含む、発電機（６０）の回転速度を配電網（６４）の電気周波数に同期させたガスタービン装置（５）において、ガスタービン装置（５）が発電する出力電力を制御する方法を提供する。【解決手段】本方法は、配電網（６４）の不足周波数状態時に抽気（２０）を開始する段階と、抽気（２０）の量を制御する段階とを含む。【選択図】      図２
2007315398.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン（５４）、圧縮機（５０）、燃焼器（５２）、抽気（２０）通路、及び抽気（２０）の量を制御するための手段（８０）を含み、発電機（６０）の回転速度を配電網（６４）の電気周波数に同期させたガスタービン装置（５）において該ガスタービン装置（５）が発電する出力電力を制御する方法であって、
前記配電網（６４）の不足周波数状態時に抽気（２０）を開始する段階と、
前記抽気（２０）の量を制御する段階と、
を含む方法。
【請求項２】
前記抽気（２０）によって圧縮比限界値のマージンを増大させる段階と、
前記ガスタービン（５４）の燃焼を高める段階と、
をさらに含む、請求項１記載の配電網（６４）の不足周波数状態時にガスタービン装置（５）の出力電力を制御する方法。
【請求項３】
前記圧縮機（５０）から抽気する（２０）段階をさらに含む、請求項２記載の配電網（６４）の不足周波数状態時にガスタービン装置（５）の出力電力を制御する方法。
【請求項４】
前記燃焼器（５２）から抽気する（２０）段階をさらに含む、請求項２記載の配電網（６４）の不足周波数状態時にガスタービン装置（５）の出力電力を制御する方法。
【請求項５】
前記抽気（２０）を大気（２２）に排出する段階をさらに含む、請求項３及び請求項４のいずれか１項記載の配電網（６４）の不足周波数状態時にガスタービン装置（５）の出力電力を制御する方法。
【請求項６】
前記抽気（２０）を抽気エネルギー回収装置（６６）に排出する段階をさらに含む、請求項３及び請求項４のいずれか１項記載の配電網（６４）の不足周波数状態時にガスタービン装置（５）の出力電力を制御する方法。
【請求項７】
前記圧縮機（５０）に付加する希釈剤を減少させる段階と、
出力を高めるために燃焼温度を上昇させる段階と、
をさらに含む、請求項１記載の配電網（６４）の不足周波数状態時にガスタービン装置（５）の出力電力を制御する方法。
【請求項８】
吸気ブリード（４４）によって圧縮比限界値のマージンを増大させる段階と、
出力を高めるために燃焼温度を上昇させる段階と、
をさらに含む、請求項１記載の配電網（６４）の不足周波数状態時にガスタービン装置（５）の出力電力を制御する方法。
【請求項９】
主燃料（７０）が、合成ガス及びプロセス燃料のようなよりリーンな燃料である場合には、天然ガス、留出燃料、及びよりリッチな燃料との混合燃料を含むよりリッチな代替燃料（７４）と共燃焼させる段階をさらに含む、請求項１記載の配電網（６４）の不足周波数状態時にガスタービン装置（５）の出力電力を制御する方法。
【請求項１０】
前記不足周波数状態後の運転時に前記抽気（２０）を継続する段階と、
前記抽気（２０）の量を制御する（８０）段階と、
をさらに含む、請求項１記載の配電網（６４）の不足周波数状態時にガスタービン装置（５）の出力電力を制御する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的には不足周波数運転のような選択運転状態時に圧縮機からの抽気によってガスタービンを運転する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
配電網上に生じる電力消費需要の大規模な増加は、配電網の電気有効周波数を低下させる傾向があり、「不足周波数」事象を引き起こすことになる。例えば、大量の又は突然の電気需要により、５０ヘルツの公称有効周波数を有する特定の配電網が瞬間的に４９ヘルツで作動することになる場合がある。電力を配電網に供給するために１つ又はそれ以上の大出力産業用ガスタービンを利用する従来型の発電システムでは、電力を配電網に供給する各タービンの物理的速度は、配電網の電気周波数に同期している。他の状況が同じである状態でガスタービンの物理的速度が低下すると、その電力出力も対応して低下する不都合がある。その結果、不足周波数事象時には、ガスタービンは、より低い電力を出力する傾向になる。従来、配電網不足周波数事象（発生）に対応する一般的方法は、所定レベルの出力電力を維持する目的でガスタービンの燃焼温度を上昇させてより多くの電力を発電することである。ガスタービンのそのような過剰燃焼は、タービン内の様々な高温ガス通路構成部品の稼働期待寿命を短縮させることになる不都合がある。
【０００３】
配電網標準規制は一般的に、発電装置が、不足周波数エクスカーション時に負荷を維持する能力を有することを要求している。世界中の様々な地域で、規制に準拠していると考えられる電力装置が満たさなければならない要件が異なっている。一般的に、ガスタービン発電機は、燃焼温度を上昇させて発電機出力を要件の範囲内に維持することによって、これらの要件に適合させている。燃焼温度を上昇させることにより、所定の圧力比で電力出力が増大することになり、これは、ガスタービンが最大圧力比性能又は最大入口案内ベーン（ＩＧＶ）位置のような何らの運転限界値にも達しない場合には適切に機能する。燃焼温度の上昇は一般的に、燃焼器に供給される燃料流量を増加させることによって達成される。その他の全ての状況が同じとすると、燃料流量の増加により、タービン入口においてより高い圧力が形成され、このより高い圧力が次に、圧縮機に対して背圧をかけることになる。結局、より多くの流量を付加することにより、圧縮機圧力限界が生じることになり、このことは一般的に、圧縮機吐出空気を入口（吸気ブリード加熱）に迂回させること及び／又は燃料流量を減少（また、その結果として燃焼温度を低下）させることによってタービンを通る流量を制限することで確認される。しかしながら、この方法では、ガスタービン圧縮機が受ける運転限界に起因して、低温周囲条件及び／又は低Ｂｔｕ燃料（例えば、合成ガス）使用の場合に配電網標準規制要件を満たす能力に限界がある。
【０００４】
発電用に使用する幾つかの従来型のガスタービンには、可変入口案内ベーン（ＩＧＶ）が組み込まれている。そのような可変ステータベーンでは、圧縮機の前段において迎角(すなわち、圧縮機ブレード前縁における空気角度と平均ライン角度との間の差)を変更することによって圧縮機空気流量を調整する能力が得られる。これらの可変ＩＧＶにより、許容可能な圧縮機サージフリー運転マージンを維持することが可能になる。一般的に、サージフリー運転を維持することは、ガスタービン用の圧縮機構成部品の極めて重要な運転規準である。
【０００５】
Ｗｉｃｋｅｒｔ他の米国特許第６、７９４、７６６号は、不足周波数事象時に、可変ステータベーン(ブレード)を備えたガスタービンを過剰燃焼させて電力出力を補償する方法を示している。Ｗｉｃｋｅｒｔは、可変ステータベーンを利用して、配電網不足周波数事象時に安全マージンを維持しながらそのような事象時に発生する出力電力レベルの低下を排除及び／又は最少にするような所定の方法で圧縮機構成部品が消費する空気流量を増加させている。しかしながら、全てのガスタービンが、そのような方法を用いることを可能にする可変ステータベーンを備えているわけではない。さらに、この処置だけでは、出力を増大させようとしながら最大ベーン位置に到達しかつ同時に圧力比限界が生じた場合には十分なものにはならない。このような状況においては、他の処置を採用して圧力限界を緩和しなければならない。
【特許文献１】米国特許第６，７９４，７６６号公報
【特許文献２】米国特許第６，２２６，９７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、選択運転時に電力出力を向上させかつ不足周波数運転時に配電網標準規制順守を改善することになる運転方法を利用することが望ましと言える。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
簡潔に言えば、本発明の１つの態様によると、ガスタービンが圧縮機構成部品、抽気通路、及び圧縮機抽気の量を制御するための手段を含みかつガスタービンの回転速度を配電網の電気周波数に同期させたガスタービン発電機において、ガスタービンが発電する出力電力を制御する方法を提供する。本方法は、圧縮機抽気を開始する段階と、圧縮機抽気の量を制御する段階とを含む。
【０００８】
本発明の別の態様によると、ガスタービンが圧縮機構成部品、抽気通路、及び圧縮機抽気の量を制御するための手段を含みかつガスタービンの回転速度を配電網の電気周波数に同期させたガスタービン発電機において、ガスタービンが発電する出力電力を制御する方法を提供する。本方法は、配電網の不足周波数状態時に、大気への吐出通路及びエネルギー回収装置への吐出通路の少なくとも１つを通して圧縮機抽気を開始しかつ該圧縮機抽気の量を制御する段階と、圧縮機への希釈剤流量を減少させかつ燃焼温度を上昇させる段階とを含む。
【０００９】
本発明のさらに別の態様によると、ガスタービンの回転速度を配電網の電気周波数に同期させたガスタービン発電機において、圧縮機抽気を開始する段階と圧縮機抽気を制御して圧縮比限界値のマージンを増大させる段階とを制御する制御システムを提供する。
【００１０】
本発明のこれらの及びその他の特徴、態様及び利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様な部分を表わしている添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むとき、一層良く理解されるようになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の前述の態様は、不足周波数事象時に圧縮機抽気を使用してガスタービンを運転する簡単かつ有効な方法が得られることを含む多くの利点を有する。
【００１２】
図１は、圧縮機５０、燃焼器５２、ガスタービン５４、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）５６及び該ＨＲＳＧに関連した蒸気タービン５８を含む複合サイクルガスタービン装置５を示している。空気は、周囲条件下で空気取入れ口１０において軸流圧縮機５０に流入する。加圧空気１２は、燃焼器５２に流入し、燃焼器５２において、燃料が参照符号２８において噴射されて燃焼が発生する。燃焼混合気１４は、燃焼器を流出し、ガスタービン５４に流入する。タービンセクションでは、高温ガスのエネルギーが仕事に変換される。この変換は、２つの段階で行われる。高温ガスは膨張し、熱エネルギーの一部分が、ガスタービン５４のノズルセクション内で運動エネルギーに変換される。次に、運動エネルギーの一部分は、ガスタービン５４のバケットセクションの回転バケットに伝達され、仕事に変換される。ガスタービン５４によって取出された仕事の一部分は、圧縮機５０を駆動するために使用され、一方、その残りは発電するために利用可能である。排出ガス１６は、ガスタービンを流出し、ＨＲＳＧ５６に流れて、蒸気タービン５８を駆動するための蒸気を生成するエネルギーを供給する。電力は、ガスタービン駆動発電機６０及び蒸気タービン駆動発電機６２により発電され、配電網６４に供給される。
【００１３】
ブレイトンサイクルは、それに基づいてガスタービンが作動する熱力学サイクルである。あらゆるブレイトンサイクルは、圧力比と燃焼温度とを特徴とすることができる。このサイクルの圧力比は、参照符号１２における圧縮機吐出圧力を参照符号１０における圧縮機入口圧力によって除算したものである。燃焼温度は、第１段ノズル後縁平面における質量流量平均全体温度と定義される。ガスタービン内の高い燃焼温度は、単位質量流量当たりのより高い出力、従ってより高い出力電力を得る上での重要な要素である。圧縮機が連続運転で送給することができる最大圧力比は一般的に、サージ圧力比ラインからのマージンの観点で定められる。圧縮機サージは、その流れがブレードから剥離しかつ流れ方向を反転するような流れの低周波振動と定義される。
【００１４】
図２は、複合サイクルガスタービン装置５における抽気用の様々な抽出箇所及び吐出通路を示し、これら抽出箇所及び吐出通路は、単独で又は組合せて使用することができる。本発明の１つの態様では、抽気は、参照符合２０において圧縮機５０出口及び／又は燃焼器５２から取り出され、大気への吐出制御弁４０を介して参照符号２２において大気に放出されることになる。圧縮機空気はさらに、参照符号３４において圧縮機出口の上流の圧縮機から抽出することができる。ガスタービンからの抽気用の具体的な部位の箇所は、特定の装置に応じて決まる。例えば、Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  「Ｅ」シリーズガスタービンからの抽気は一般的に、圧縮機の出口からであるが、Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  「Ｆ」シリーズガスタービンからの抽気箇所は一般的に、燃焼器からである。本発明の別の態様では、抽気は、エネルギー回収装置への吐出制御弁４２を通して抽気エネルギー回収装置６６に吐出することができる。抽気エネルギー回収装置６６は、空気分離ユニット（ＡＳＵ）６８とその他の回収装置７６とを含むことができる。ＡＳＵ６８は、空気中のＮ２とＯ２とを分離する。Ｏ２は次に、ガス化プロセスにおいてガスタービン用の合成ガス燃料の生成に使用することができ、一方、Ｎ２は、希釈剤として使用するか又は放出することができる。本発明のさらに別の態様は、圧縮機５０出口の抽気を吸気ブリード制御弁４４を通して参照符合２６において圧縮機５０の入口側に供給することができる。
【００１５】
抽気だけでは一般的に、あらゆる他の要因が等しいとした場合に、質量流量投入量の減少に起因して電力出力の低下を生じることになる。しかしながら、抽気と同時に、参照符号２８の付加的燃料が燃焼器５２に対して供給される。抽気による圧縮機空気流量の減少により、一般的に見られる圧縮機圧力比限界の緩和が得られる。圧縮機空気流量の抽気により圧縮機圧力比限界の緩和が得られるので、圧縮機圧力比限界値の範囲内での燃料流量の増加に適応することができる。得られるガスタービン出力電力は、圧縮機圧力比のマージンを維持しながら増大する。不足周波数状態時に、燃焼を高めることと共に抽気を利用することにより、配電網の標準規制要件に適合するのを助けるようにガスタービン出力電力を増大させることになる。
【００１６】
本発明のさらに別の態様では、燃焼器５２への希釈剤流入量３０を減少させる。燃焼器への希釈剤流入量をより少なくすることにより、全体的な燃料／空気流量が減少する。より少ない希釈剤流量の場合には、圧縮機圧力比限界値のマージンが増大し、より多くの燃料をその適所に付加して出力を増大させることができる。
【００１７】
本発明のさらに別の態様では、主燃料が、合成ガス及びプロセス燃料に特有であるようによりリーンである場合には、天然ガス又は留出燃料又はよりリッチな代替燃料との混合燃料のような、参照符号３２でのよりリッチな代替燃料（７４）と共燃焼させることができる。より濃い代替燃料との共燃焼は、同一の燃料流量でより高い電力出力を可能にするので、より少ない全体的燃料／空気流量でより高い出力電力が達成され、それによって圧縮機圧力比限界値のマージンを維持することができる。
【００１８】
ガスタービンからのより高い電力出力を可能にするための上述した個々の要素は、単独で又は組合せて使用することができる。
【００１９】
ガスタービンの効率的な運転には、幾つかの限界タービン運転パラメータを処理して燃料流量及び吸入空気流量などの制御可能なパラメータの最適設定値を決定することが必要である。そのような運転パラメータには、圧縮機入口及び出口温度及び圧力、排出ガス温度及び圧力などが含まれる。ガスタービンを制御するための制御システム又は手段の１つの実施例は、Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏ．のＳｐｅｅｄｔｒｏｎｉｃ（商標）  Ｍａｒｋ  Ｖ  制御システムであり、このシステムは、速度及び負荷制御機能を含む全てのガスタービン制御を遂行するように設計されている。そのような制御システムは、Ａｎｄｒｅｗ他の米国特許第６，２２６，９７４号に記載されている。Ａｎｄｒｅｗは、運転制御装置などの複数の情報源からの並びにタービン及び電力出力に接続された複数のセンサからの入力を受信するように接続されたコントローラについて述べている。このコントローラは、特定のタービン運転形態を維持し又は確立するために使用するタービンアクチュエータシステムに接続される。これらのアクチュエータには、それに限定されないが、空気流量制御アクチュエータ及び燃料流量制御アクチュエータが含まれる。
【００２０】
本発明の態様では、ＩＧＶ制御と共に又はＩＧＶ制御がない状態で、Ａｎｄｒｅｗ他と同様な制御システムを採用することができる。制御システムはまた、１つの制御弁又は制御弁の組合せに対する制御に利用することができる。図２を参照すると、制御システム８０は、例えば大気への吐出制御弁４０、エネルギー回収装置への吐出制御弁４２、及び圧縮機の吐出口から流れる空気の一部を抽気して圧縮機圧力比限界値のマージンを増大させ、それによって出力制御のために燃焼を高めるのを可能にするようになった吸気ブリード制御弁４４のような付加的作動制御装置を制御することができる。制御システム８０は、圧縮機抽気を開始し、かつ大気への吐出制御弁４０、エネルギー回収装置への吐出制御弁４２及び吸気ブリード弁４４からの圧縮機抽気の量を制御する。さらに、制御システム８０はさらに、燃焼器への燃料投入量７０、希釈剤制御装置７２及び代替燃料制御装置７４を制御することになる。そのような感知及び作動制御装置は、当技術分野ではよく知られているので、本明細書では、抽気操作のためのアクチュエータ制御に関してこれらの制御装置を説明する必要はない。
【００２１】
本明細書では本発明の特定の特徴のみを図示しかつ説明してきたが、当業者には多くの改良及び変更が想起されるであろう。従って、特許請求の範囲は、全てのそのような改良及び変更を本発明の技術思想の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ことを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】標準的な空気、燃料及び燃焼生成物の流れを組み込んだ典型的なガスタービン発電機セットを示す図。
【図２】不足周波数運転時における抽気の使用によるガスタービン運転を可能にする複数の要素を備えたガスタービン発電機セットを示す図。
【符号の説明】
【００２３】
５  ガスタービン装置
１０  空気取入れ口
１２  加圧空気が燃焼室に流入する
１４  燃焼混合気がタービンに流入する
１６  排出ガスがタービンから流出する
２０  圧縮機出口／燃焼器からの加圧空気抽気通路
２２  大気への加圧空気抽気通路
２４  エネルギー回収装置への加圧空気抽気通路
２６  入口空気取入れ口への吸気ブリード通路
２８  燃焼器への燃料入口通路
３０  燃焼器への希釈剤入口通路
３２  代替燃料供給源
４０  大気への吐出制御弁
４２  エネルギー回収装置への吐出制御弁
４４  吸気ブリード制御弁
５０  圧縮機
５２  燃焼器
５４  ガスタービン
５６  熱回収蒸気発生器
５８  蒸気タービン
６０  ガスタービン駆動発電機
６２  蒸気タービン駆動発電機
６４  配電網
６６  抽気エネルギー回収装置
６８  空気分離ユニット
７０  燃料制御装置
７２  希釈剤制御装置
７４  代替燃料制御装置
７６  回収装置
８０  制御システム
【図１】
2007315398.tif 000003
【図２】
2007315398.tif 000004