(57)【要約】【課題】複合サイクル発電システム（１００）を運転するための方法及び装置を提供する。【解決手段】システムは、電力網（１６４）に連結される。システムは、少なくとも１つの発電機と、発電機に結合された少なくとも１つの蒸気タービン（１３８）と、発電機に結合された少なくとも１つの燃焼タービン（１１２）と、蒸気タービンに流れ連通した少なくとも１つの蒸気源とを含む。本方法は、蒸気タービン及び燃焼タービンが電力網の使用周波数に同期した状態で、システムを第１の電力出力レベルで運転して、蒸気タービン、燃焼タービン及び電力網が、標準電力網周波数値と実質的に同じ周波数で運転され続けるようにする段階を含む。また、標準電力網周波数値から離れた電力網周波数偏差を検知する段階を含む。さらに、タービンを加速又は減速しかつ所定の時間の間における実質的に均一であるような所定の電力網周波数回復速度を可能にする段階を含む。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合サイクル発電システム（１００）用の電力網周波数制御サブシステムであって、
少なくとも１つの蒸気流量制御弁（１３６）を備えた少なくとも１つのパイプを含む少なくとも１つの蒸気タービン（１３８）と、
前記パイプを介して前記蒸気タービンに流れ連通し、かつ少なくとも１つの熱エネルギー貯蔵容器を備えた少なくとも１つの蒸気源と、
少なくとも１つの空気入口ガイドベーン（１０２）を備えた少なくとも１つの燃焼タービン（１１２）と、
電力網（１６４）に電気的に連結された少なくとも１つの発電機であって、該発電機の周波数及び前記電力網の周波数が前記電力網の使用周波数に同期して前記蒸気タービン、燃焼タービン及び電力網が標準電力網周波数値と実質的に同じ周波数で運転され続けるようにする発電機と、
複数のプロセス測定センサ（１４４）を備えた複数のプロセスフィードバック機構と、
少なくとも１つの電子蓄積制御プログラム、複数の電子入力チャネル、複数の電子出力チャネル及び少なくとも１つのオペレータインタフェース装置を備えた少なくとも１つの電子制御装置（１６２）と、を含み、
前記少なくとも１つの蒸気流量制御弁及び少なくとも１つの空気入口ガイドベーンが、協働して、所定の時間の間における実質的に均一である所定の電力網周波数回復速度を継続的に可能にするようにする、
電力網周波数制御サブシステム。
【請求項２】
前記少なくとも１つの蒸気制御弁（１３６）が、前記電子制御装置（１６２）との少なくとも１つの通信チャネルを含み、前記制御装置が、電力網不足周波数状態に対応して実質的な開位置に向かってまた電力網過周波数状態に対応して実質的な閉位置に向かって前記弁を移動させる、請求項１記載の電力網周波数制御サブシステム。
【請求項３】
前記少なくとも１つの熱エネルギー貯蔵容器が、前記蒸気タービン制御弁に流れ連通した少なくとも１つの空洞を含み、前記空洞が、電力網不足周波数状態に対応して前記蒸気タービン（１３８）を所定の速度で所定の時間の間にわたって加速するのに十分な熱エネルギー貯蔵能力が放出に使用できるような前記蒸気源内での形状及び位置を含む、請求項１記載の電力網周波数制御サブシステム。
【請求項４】
前記空洞が、十分な熱エネルギー貯蔵能力が電力網過周波数状態に対応して前記蒸気源熱エネルギーを所定の速度で所定の時間の間に蓄積するのに使用できるような前記蒸気源内での寸法及び位置をさらに含む、請求項３記載の電力網周波数制御サブシステム。
【請求項５】
前記少なくとも１つの空気入口ガイドベーン（１０２）が、前記電子制御装置（１６２）との少なくとも１つの通信チャネルを含み、前記制御装置が、電力網不足周波数状態に対応して実質的な開位置に向かってまた電力網過周波数状態に対応して実質的な閉位置に向かって前記ガイドベーンを移動させる、請求項１記載の電力網周波数制御サブシステム。
【請求項６】
前記発電機が、前記蒸気タービン制御弁（１３６）が該発電機の加速及び該発電機の減速を可能にするように、前記蒸気タービン（１３８）に回転可能に結合される、請求項１記載の電力網周波数制御サブシステム。
【請求項７】
前記発電機が、前記燃焼タービン空気入口ガイドベーン（１０２）が該発電機の加速及び該発電機の減速を可能にするように、前記燃焼タービン（１１２）に回転可能に結合される、請求項１記載の電力網周波数制御サブシステム。
【請求項８】
前記複数のプロセス測定センサ（１２０）が、少なくとも１つの圧力変換器と、少なくとも１つの電圧変換器と、少なくとも１つの電流変換器と、少なくとも１つの周波数変換器とを含む、請求項１記載の電力網周波数制御サブシステム。
【請求項９】
少なくとも１つの蒸気流量制御弁（１３６）を備えた少なくとも１つのパイプを含み、前記少なくとも１つの蒸気流量制御弁が、電力網不足周波数状態に対応して実質的な開位置に向かってまた電力網過周波数状態に対応して実質的な閉位置に向かって移動されるようになった少なくとも１つの蒸気タービン（１３８）と、
前記パイプを介して前記蒸気タービンに流れ連通し、かつ少なくとも１つの熱エネルギー貯蔵容器を備え、前記少なくとも１つの熱エネルギー貯蔵容器が少なくとも１つの空洞を含む少なくとも１つの蒸気源と、
少なくとも１つの空気入口ガイドベーン（１０２）を含み、前記少なくとも１つの空気入口ガイドベーンが、電力網不足周波数状態に対応して実質的な開位置に向かってまた電力網過周波数状態に対応して実質的な閉位置に向かって移動されるようになった少なくとも１つの燃焼タービン（１１２）と、
電力網（１６４）に電気的に連結された少なくとも１つの発電機であって、該発電機の周波数及び前記電力網の周波数が前記電力網の使用周波数に同期して前記蒸気タービン、燃焼タービン及び電力網が標準電力網周波数値と実質的に同じ周波数で運転され続けるようにする発電機と、
複数のプロセス測定センサ（１２０）を備えた複数のプロセスフィードバック機構と、
少なくとも１つの電子蓄積制御プログラム、複数の電子入力チャネル、複数の電子出力チャネル及び少なくとも１つのオペレータインタフェース装置を備えた少なくとも１つの電子制御装置（１６２）と、を含み、
前記少なくとも１つの蒸気流量制御弁及び少なくとも１つの空気入口ガイドベーンが、協働して、所定の時間の間における実質的に均一であるような所定の電力網周波数回復速度を継続的に可能にするようにする、
複合サイクル発電システム（１００）。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの蒸気源が、熱回収蒸気発生器（１２４）を含む、請求項９記載の複合サイクル発電システム（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的には電力網に関し、より具体的には、複合サイクル発電システムを運転するための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本明細書では、「全負荷」という用語は、「定格出力」及び「最大連続定格」（ＭＣＲ）と同義的に使用する。これらの用語は、電力システム及びその関連する構成要素の連続運転出力の上限範囲を意味する。「部分負荷」というのは、全負荷以下の出力レベルを意味する。
【０００３】
電力網は一般的に、電力網に電気を供給する多数の発電システムとその電力網から電気を引き出す多数の電気消費者とを含む。電気の発電及び消費が実質的に等しい場合には、電力網周波数は実質的に一定である。電力網の周波数は、実質的に安定な値に本来維持されるパラメータである。ヨーロッパ及び北米のシステムにおける公称標準電力網周波数の実例は、それぞれ５０Ｈｚ及び６０Ｈｚである。
【０００４】
過渡特性の周波数偏差は、消費量の増加又は減少並びに／或いは発電システムの切離し又は追加により生じる可能性がある。消費量の増加及び発電システムの切離しは、電力網周波数の低下を引き起こす傾向がある。消費量の減少及び発電システムの追加は、電力網周波数の上昇を引き起こす傾向がある。電力消費量及び発電量は、約＋０．５Ｈｚ〜−０．５Ｈｚの範囲内の周波数変動を引き起こす可能性がある時間依存変数である。一般的に、周波数過渡状態は、短期間のもの、すなわち秒ないし分で測定されるものであり、上記のように小規模である。周波数過渡状態の大きさは一般的に、変動期間を通しての電力網及び関連する相互接続電力網内部の全電力レベルに対する電力変動の大きさの比率によって影響を受ける。上記の小規模な周波数過渡状態は、典型的な大規模サイズの公称相互接続電力網と比較して小規模サイズの典型的な電力変動に相当する。また、一般的に、電力網は、電力網周波数を実質的に一定の範囲内に維持することに関して自己修正しようとする傾向がある。例えば、標準値からの周波数偏差の発生時には、多数の発電機システムにわたって広がった発電の短期的な変動は、少なくとも1つの制御システム及び少なくとも1つの制御戦略によって、周波数過渡状態が消費者に通常影響を与えないように周波数過渡状態の規模及び継続期間を軽減することが可能になっている。
【０００５】
約＋０．５Ｈｚ〜−０．５Ｈｚよりも大きい過渡状態のような、及び例えば時としてトリップと呼ばれる1つ又はそれ以上の発電機の即時喪失の結果としての周波数低下に起因するようなより大きな周波数過渡状態は、大きな周波数低下を引き起こす傾向になる可能性がある。周波数過渡状態の規模及び継続期間を軽減するための1つの可能な方法は、過渡状態の数秒以内の周波数低下に対応するように電力網内で使用可能な、時としてシステム予備と呼ばれる幾らかの予備発電能力を保有することである。例えば、電力網上の特定の発電ユニットにより、電力網に対するその関連する発電出力の迅速な増大を開始するようにすることができる。
【０００６】
多くの公知の発電設備は、蒸気タービン発電機（ＳＴＧ）、燃焼タービン発電機（ＣＴＧ）、又はその何らかの組合せのいずれかを含む。これらの構成は一般的に、関連する発電機に回転可能に結合されたタービンを含む。発電機周波数は通常、電力網周波数に同期しており、電力網周波数と実質的に同じ速度で回転する。
【０００７】
多くの公知のＳＴＧは、例えばボイラのような蒸気発生装置に流れ連通した状態で運転される。一般的には、空気と燃料とを燃焼させて熱エネルギーを放出し、この熱エネルギーが、その後水を沸騰させて蒸気を発生させるのに使用される。発生した蒸気は、タービンに導かれ、タービン内で、蒸気の熱エネルギーがタービンロータを回転させる機械エネルギーに変換される。発生する動力は、タービンへの蒸気流量に比例する。
【０００８】
電力予備を保持する１つの公知の方法は、部分的に開いた又は絞られた位置にある少なくとも1つの関連する蒸気供給制御弁を用いてＳＴＧを運転して、蒸気発生装置、ＳＴＧ及び電力網が、蒸気発生器及びＳＴＧ構成の全定格負荷よりも小さい何らかの値で運転されている、時として定常状態条件と呼ばれる平衡状態になるようにすることである。全負荷と部分負荷との間の差は、しばしば運転予備電力と呼ばれる。制御装置を使用して、システム周波数の低下を検知し、周波数過渡状態検知の数秒以内に蒸気弁に送信される制御信号を生成する。制御信号は、弁をより大きな開位置に移動させ、例えば過熱器のような蒸気発生装置の構成要素内に貯蔵された熱エネルギーが、蒸気発生器を通る増加蒸気流量を介して直ちに移送され始める。冷却流体、空気及び燃料はその後、時間の経過と共に増加して、蒸気発生器、ＳＴＧ及び電力網間の修正平衡状態を確立するのを可能にする。しかしながら、多くの蒸気発生器及びＳＴＧの組合せは、影響を受ける構成要素への応力及び磨耗の増加の可能性を軽減するような所定のパラメータの範囲内で運転されながら修正平衡状態に達するのに、２〜５分を要する場合がある。また、前述の方法で通常貯蔵された熱エネルギーの総量には、限度がある。さらに、多くの蒸気発生器及びＳＴＧの組合せでは、電力網周波数過渡状態に対して安定かつ制御した応答で効果的に対応することができない。例えば、上述のＳＴＧに対する蒸気弁は、急速に開き過ぎて、持続する効果的な応答をもたらすには熱エネルギー貯蔵を余りにも急激に使い果たす場合がある。或いは、ＳＴＧに対する蒸気弁は、タイムリーかつ効果的な応答をもたらすには開くのが緩やか過ぎる場合がある。
【０００９】
多くの公知のＣＴＧは、燃焼器組立体内で燃料−空気混合気を燃焼させ、高温ガス流路を介してタービン組立体に導かれる燃焼ガス流を生成する。加圧空気は、通常タービンに結合された圧縮機組立体によって燃焼器組立体に導かれ、すなわち圧縮機、タービン及び発電機は同一速度で回転する。発生電力は、タービンへの燃焼ガス流量及びガス流の温度に比例する。一般的に、多くの公知のＣＴＧは、ＳＴＧ（及びその関連する蒸気源）よりも運転上よりダイナミックな挙動を示し、従ってＣＴＧは、より迅速にシステム過渡状態に応答することができる。
【００１０】
電力予備を保持する１つの公知の方法は、部分的に開いた又は絞られた位置にある少なくとも1つの関連する空気ガイドベーン及び少なくとも1つの燃料供給弁を用いてＣＴＧを運転して、ＣＴＧ及び電力網がＣＴＧの全定格負荷よりも小さい何らかの値で運転されている平衡状態になるようにすることである。ＳＴＧについて上述したように、全負荷と部分負荷との差は、しばしば運転予備電力と呼ばれる。制御装置は、電力網周波数の低下を検知し、周波数過渡状態検知の数秒以内に空気入口ガイドベーン及び燃料供給弁をさらに開くようにさせる信号を生成する。圧縮機、タービ、及び発電機が同一のシャフトに結合されているので、また電力網に同期した発電機が電力網周波数の低下につれて減速するので、より少ない空気をＣＴＧに導くような初期バイアスが存在する。この状態により、ＣＴＧ発電を増大させる後続の活動にマイナスの影響を与える可能性があるＣＴＧ発電におけるバイアスの低下が生じる。さらに、関連する圧縮機を通る空気流量を増加させるバイアスがその後に続く空気流量を減少させるバイアスは、圧縮機サージ、すなわち十分に制御されていない空気流量及び圧縮機吐出圧の波動の可能性を引き起こすおそれがあり、このサージは、圧縮機定格空気流量の下限においてより顕著になるおそれがある。ベーンが空気流量を増加させるように開くにつれて、また燃料供給弁が燃料流量を増加させるように開くにつれて、燃焼ガスの質量流量及び燃焼ガス温度が、システム周波数過渡状態の検知の数秒以内に増加し始める。空気及び燃料は、その後時間の経過と共に実質的に増加してＣＴＧと電力網との間の修正平衡状態を確立するのを可能にする。発電量を減少させせる初期バイアスを克服し、次にＣＴＧを加速するためには、燃焼タービンは、ピーク燃焼（上限燃焼）する、すなわち燃焼速度を急速に増大させてガス流温度を急速に上昇させながらその後の空気流量の増加が続くようにする必要があることになる。ＣＴＧは、周波数過渡状態に応答するためのよりダイナミックな能力を発揮することができるが、多くの公知のＣＴＧは、ＣＴＧに関連する材料部分への応力を軽減するために、ガス流温度を上昇させるための時間を延長する可能性がある温度及び温度勾配の限界を有することになる。そうしなければ、構成要素の応力が増大し、その関連する寿命が、悪影響を受けることになる。
【００１１】
多くの公知の蒸気発生装置及びＣＴＧは、その運転発電範囲の上限に近い範囲内において熱的に最も効率的な運転になっている。その範囲以下の発電レベルを維持することは、熱効率を低下させて結果的に運転コストを上昇させると同時に、設備の所有者が予備として保持しかつ通常は発電されない電力の販売から利益を得る可能性をおそらく否定することになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
多くの公知の複合サイクル発電設備は一般的に、少なくとも１つのＣＴＧと少なくとも１つのＳＴＧとを含む。そのような設備の幾つかの公知の構成は、燃焼ガス排気をＣＴＧから熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）に導き、ＨＲＳＧ内で、燃焼ガス排気からの熱エネルギーにより水を沸騰させて蒸気にし、その後蒸気をＳＴＧに導くようにすることを含む。一般的に、複合サイクル設備は、ＣＴＧを電力網周波数過渡状態に対する一次応答機構として使用しながら、ＳＴＧを二次応答として保持するように構成される。この物理的構成は、効率の利点、従って運転の経済性をもたらすが、その応答構成及び方法は、電力網周波数過渡状態に対する迅速かつ効果的な応答における上述の課題の少なくとも幾つかを含む。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
複合サイクル発電システムを運転する方法を開示する。本システムは、電力網に連結される。本システムは、少なくとも１つの発電機と、発電機に結合された少なくとも１つの蒸気タービンと、発電機に結合された少なくとも１つの燃焼タービンと、熱エネルギー貯蔵容器を有する少なくとも１つの蒸気源とを含む。熱エネルギー貯蔵容器は、少なくとも１つの制御弁を介して蒸気タービンに流れ連通している。本方法は、蒸気タービンを第１の電力出力で運転する段階と、燃焼タービンを第１の電力出力で運転する段階と、蒸気源を第１の熱エネルギーレベルで運転する段階とを含む。蒸気タービンは、第１の位置にある少なくとも１つの制御弁を有し、燃焼タービンは、第１の位置にある少なくとも１つの空気入口ガイドベーンを有する。蒸気タービン及び燃焼タービンは、電力網の使用周波数に同期しており、蒸気タービン、燃焼タービン及び電力網は、標準電力網周波数値と実質的に同じ周波数で運転され続けるようになる。本方法はまた、標準電力網周波数値から離れた電力網周波数偏差を検知する段階を含む。そのような偏差の発生時には、本方法はさらに、少なくとも１つの蒸気タービン制御弁を第２の位置に移動させて、熱エネルギー貯蔵容器と蒸気タービンとの間で熱エネルギーを移送するようにする段階と、熱エネルギー貯蔵容器のエネルギーレベルを第２のエネルギーレベルまで移動させ、それによって所定の時間の間における実質的に均一であるような所定の電力網周波数回復速度を可能にする段階とを含む。本方法はまた、少なくとも１つの燃焼タービン空気入口ガイドベーンを第２の位置に移動させ、それによって所定の時間の間における所定の電力網周波数回復速度を可能にする段階を含む。
【００１４】
１つの態様では、複合サイクル発電システム用の電力網周波数制御サブシステムを提供する。本制御サブシステムは、少なくとも１つの蒸気タービンを含む。蒸気タービンは、少なくとも１つのパイプを含み、パイプは、少なくとも１つの蒸気流量制御弁を含む。本サブシステムはまた、パイプを介して蒸気タービンに流れ連通した少なくとも１つの蒸気源を含む。蒸気源は、少なくとも１つの熱エネルギー貯蔵容器を含む。本サブシステムはさらに、少なくとも１つの燃焼タービンを含み、燃焼タービンは、少なくとも１つの空気入口ガイドベーンを含む。本サブシステムはまた、少なくとも１つの発電機を含む。発電機は、電力網に電気的に連結され、発電機周波数及び電力網周波数は、電力網の使用周波数に同期して、蒸気タービン、燃焼タービン及び電力網は、標準電力網周波数値と実質的に同じ周波数で運転され続けるようになる。本サブシステムはさらに、複数のプロセスフィードバック機構を含み、フィードバック機構は、複数のプロセス測定センサを含む。本サブシステムはまた、少なくとも１つの電子制御装置を含む。少なくとも１つの電子制御装置は、少なくとも１つの電子蓄積制御プログラムと、複数の電子入力チャネルと、複数の電子出力チャネルと、少なくとも１つのオペレータインタフェース装置とを含む。少なくとも１つの蒸気流量制御弁及び少なくとも１つの空気入口ガイドベーンは、協働して、所定の時間の間における実質的に均一であるような所定の電力網周波数回復速度を継続的に可能にする。
【００１５】
別の態様では、複合サイクル発電システムを提供する。本システム
は、少なくとも１つの蒸気タービンを含む。蒸気タービンは、少なくとも１つのパイプを含み、パイプは、少なくとも１つの蒸気流量制御弁を含む。少なくとも１つの蒸気流量制御弁は、電力網不足周波数状態に対応して実質的な開位置に向かってまた電力網過周波数状態に対応して実質的な閉位置に向かって移動される。本システムはまた、パイプを介して蒸気タービンに流れ連通した少なくとも１つの蒸気源を含む。蒸気源は、少なくとも１つの熱エネルギー貯蔵容器を含み、少なくとも１つの熱エネルギー貯蔵容器は、少なくとも１つの空洞を含む。本システムはさらに、少なくとも１つの燃焼タービンを含む。燃焼タービンは、少なくとも１つの空気入口ガイドベーンを含む。少なくとも１つの空気入口ガイドベーンは、電力網不足周波数状態に対応して実質的な開位置に向かってまた電力網過周波数状態に対応して実質的な閉位置に向かって移動される。本システムはまた、少なくとも１つの発電機を含む。発電機は、電力網に電気的に連結される。発電機周波数及び電力網周波数は、電力網の使用周波数に同期して、蒸気タービン、燃焼タービン及び電力網は、標準電力網周波数値と実質的に同じ周波数で運転され続けるようになる。本システムはさらに、複数のプロセスフィードバック機構を含み、フィードバック機構は、複数のプロセス測定センサを含む。本システムはまた、少なくとも１つの電子制御装置を含む。少なくとも１つの電子制御装置は、少なくとも１つの電子蓄積制御プログラムと、複数の電子入力チャネルと、複数の電子出力チャネルと、少なくとも１つのオペレータインタフェース装置とを含む。少なくとも１つの蒸気流量制御弁及び少なくとも１つの空気入口ガイドベーンは、協働して、所定の時間の間における実質的に均一であるような所定の電力網周波数回復速度を継続的に可能にする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、例示的な複合サイクル発電システム１００の概略図である。システム１００は、少なくとも１つの燃焼タービン空気入口ガイドベーン１０２と、少なくとも１つの燃焼器１０６に流れ連通した燃焼タービン圧縮機１０４と、少なくとも１つの燃料供給弁１１０を介して同様に燃焼器１０６に流れ連通した燃料貯蔵設備１０８と、燃焼タービン１１２と、共通シャフト１１４と、シャフト１１４を介して圧縮機１０４及びタービン１１２に回転可能に結合された燃焼タービン発電機（ＣＴＧ）１１６と、発電機出力配線１１８と、複数のＣＴＧセンサ１２０と、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）１２４に流れ連通した燃焼タービン排気ガスダクト１２２とを含む。ＨＲＳＧ１２４は、第１のチューブバンクの組１２６と、第２のチューブバンクの組１２８と、蒸気ドラム１３０と、第３のチューブバンクの組１３２とを含み、チューブバンク１２６、１２８、１３２及びドラム１３０は互いに流れ連通している。システム１００はさらに、少なくとも１つの蒸気タービン制御弁１３６を介して蒸気タービン１３８に流れ連通した過熱蒸気ヘッダ１３４を含む。共通シャフト１４０は、タービン１３８を蒸気タービン発電機（ＳＴＧ）１４２に回転可能に結合する。システム１００はさらに、複数のＳＴＧセンサ１４４と発電機出力配線１４６とを含む。さらに、蒸気タービン蒸気排出ダクト１４８、熱交換装置１５０、冷却水流を有する復水装置１５１、復水供給ヘッダ１５２、復水／給水ポンプ１５４及び給水供給ヘッダ１５６は、互いに流れ連通している。ＨＲＳＧガス排出ダクト１５８は、ＨＲＳＧ１２４及びスタック１６０に流れ連通している。システム１００の自動及びマニュアル制御は、制御装置１６２を用いて可能になる。発電機１１６及び１４２は、送電ライン１６６を介して電力網１６４に相互接続される。消費者１６８は、別の発電設備１７０がそうであるのと同様に電力網１６４に接続される。
【００１７】
電力は、ＣＴＧ１１６によって発電される。圧縮機１０４は、空気入口ガイドベーン１０２を通しての空気を燃焼器１０６に導く。それに代えて、複数の高速作動ガイドベーンを使用することができる。燃料は、燃料弁１１０を介して燃料貯蔵設備１０８から燃焼器１０６に導かれる。この例示的な実施形態では、貯蔵設備１０８は、天然ガス供給ステーションである。それに代えて、設備１０８は、天然ガス貯蔵タンク、燃料油貯蔵タンク又は燃料油トレーラとすることができる。また、それに代えて、システム１００は、その中で設備１０８が合成ガスを生成する統合型ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）プラントを含むことができる。燃焼器１０６は、燃料を空気と共に点火しかつ燃焼させて高温すなわち約１３１６℃（２４００°Ｆ）の燃焼ガスを生成し、この高温燃焼ガスはその後、タービン１１２に導かれる。この例示的な実施形態では、燃焼器１０６は、天然ガス又は燃料油を点火しかつ燃焼させることができ、すなわちタービン１１２は、二元燃料ユニットである。燃焼ガスの熱エネルギーは、タービン１１２において回転エネルギーに変換される。上述のように、タービン１１２は、シャフト１１４を介して圧縮機１０４及び発電機１１６に回転可能に結合され、圧縮機１０４及び発電機１１６は、タービン１１２と共に実質的に同じ回転速度で回転する。発電機１１６は、該発電機１１６が電力網１６４に同期していない時には、シャフト１１４の回転速度に直接比例する周波数の電圧及び電流を生成する。発電機１１６の電気出力は、該発電機１１６が電力網１６４に同期している時には、電力網１６４の周波数と実質的に同じ周波数で相互接続配線１１８を介して電力網１６４に送電される。発電機１１６は、励磁システム（図１には図示せず）を介して制御することができる。複数のセンサ１２０は、少なくとも１つの電流変換器（図１には図示せず）と、少なくとも１つの電圧変換器（図１には図示せず）と、少なくとも１つの周波数変換器（図１には図示せず）とを含むことができる。センサ１２０の出力は、制御装置１６２に送信される。
【００１８】
電力はまた、ＳＴＧ１４２を用いて発電される。ＨＲＳＧ１２４は、蒸気ヘッダ１３４及び制御弁１３６を介して過熱蒸気をタービン１３８に送る。制御弁１３６は、制御装置１６２を介して連続的にバイアスされて、下記にさらに説明するようにタービン１３８への蒸気流量を調整する。制御装置１６２は、センサ１４４から入力を受信する。この例示的な実施形態では、センサ１４４は、弁１３６の直ぐ上流及び下流にある圧力変換器を含む。蒸気の熱エネルギーは、タービン内でシャフト１４０を回転させる機械エネルギーに変換される。上述のように、タービン１３８は、シャフト１４０を介して発電機１４２に回転可能に結合され、ＳＴＧ１４２は、実質的に同じ回転速度でタービン１３８と共に回転する。発電機１４２は、該発電機１４２が電力網１６４に同期していない時には、シャフト１４０の回転速度に直接比例する周波数の電圧及び電流を生成する。発電機１４２の電気出力は、該発電機１４２が電力網１６４に同期している時には、電力網１６４の周波数と実質的に同じ周波数で相互接続配線１４６を介して電力網１６４に送電される。発電機１４２は、励磁システム（図１には図示せず）を介して制御することができる。複数のセンサ１４４は、少なくとも１つの電流変換器（図１には図示せず）と、１つの電圧変換器（図１には図示せず）と、１つの周波数変換器（図１には図示せず）とを含むことができる。センサ１４４の出力は、制御装置１６２に送信される。
【００１９】
それに代えて、多様な構成を含む蒸気タービン組立体を使用することができる。例えば、蒸気タービン組立体は、高圧セクション、中圧セクション及び低圧セクションを含むことができる。また、別の実施例では、蒸気タービン組立体及び燃焼タービン組立体は、単一の発電機を回転可能に駆動する単一のシャフトに回転可能に結合することができる。
【００２０】
タービン１３８のための蒸気は、ＨＲＳＧ１２４を介して生成される。それに代えて、ＨＲＳＧ１２４は、自立燃焼ボイラ装置で置き換えることができる。この例示的な実施形態では、ＨＲＳＧ１２４は、ダクト１２２を介してタービン１１２からの排気ガスを受ける。一般的に、燃焼タービンからのガス排気は、タービン１１２の内部でシャフト１１４を回転させる機械エネルギーに変換されなかった約５３８℃〜６４９℃（１０００°Ｆ〜１２００°Ｆ）の温度範囲を有する利用可能な熱エネルギーを含む。排気ガスは、この例示的な実施形態において過熱器チューブバンク１３２として示したより高温の蒸気生成構成要素から、最初により低温のチューブバンク１２８に、次にチューブバンク１２６にＨＲＳＧ１２４を貫通して流れる。ガスは、ダクト１５８に導かれて、その後、一般的にはガスを環境に導く環境制御サブシステム（図１には図示せず）を介してスタック１６０に導かれる。一般的に、環境に排出する時のガス流内には、実質的に使用可能な熱エネルギーは殆ど残っていない。
【００２１】
ＨＲＳＧ１２４内で、水を沸騰させて蒸気を発生する。サブクール水は、熱交換装置１５０内に貯蔵されている。この例示的な実施形態では、装置１５０は、ダクト１４８を介してタービン１３８から蒸気を受ける主復水器を含む。装置１５０はまた、水の貯蔵用の空洞（図１には図示せず）と復水装置１５１とを含む。この例示的な実施形態では、装置１５１は、クーリングタワー、湖又は川を含むことができる給水源（図１には図示せず）から冷却水を導く複数のチューブを含む。タービン１３８から排出された蒸気は、チューブ１５１の外面上を流れ、そこで熱エネルギーが、チューブ１５１の壁を介して蒸気から冷却水に伝達される。蒸気からの熱エネルギーの除去は、液体形態への流体の状態変化を引き起こす。液体は、装置１５０の内部に収集され、そこから液体は、サクションヘッダ１５２を介してポンプ１５４に導かれる。この例示的な実施形態では、ポンプ１５４は、給水ポンプである。それに代えて、ポンプ１５４は、一連の復水ブースタポンプ、復水ポンプ及び給水ポンプとすることができる。また、それに代えて、システム１００内には、ＨＲＳＧ１２４内に流入する前に給水を余熱する少なくとも１つの給水加熱器を含むことができる。給水は、第１のチューブバンク１２６に流入し、チューブバンク１２６の表面上を流れる燃焼ガス流からチューブ１２６内の給水に熱エネルギーが伝達される。加熱した給水は、チューブバンク１２８に導かれ、そこで熱エネルギーは、ガス流がチューブ１２８の近傍ではより高温である以外はチューブ１２６に関連した方法と実質的に同様な方法で給水に伝達される。この時点までは水と蒸気との混合物である給水は、チューブ１２８から蒸気ドラム１３０に導かれる。この例示的な実施形態では、蒸気ドラム１３０は、蒸気及び水の混合流から水を除去してこの水をドラム１３０に戻す複数の蒸気／水分離装置（図１には図示せず）を含む。実質的に大部分の水が除去された状態の蒸気はさらに、過熱チューブバンク１３２に導かれ、そこで、タービン１１２からの排気ガス流は、その最高温度であり、チューブ１２６及び１２８における方法と同様な方法で、チューブ１３２内の蒸気に熱エネルギーを伝達する。過熱蒸気は、ＨＲＳＧ１２４から流出すると、蒸気ヘッダ１３４に導かれる。
【００２２】
ＣＴＧ１１６からの電流は、相互接続ライン１１８を介して送電ライン１６６に送電される。電流は、同様にＳＴＧ１４２から相互接続配線１４６を介して送電ライン１６６に送電される。送電ライン１６６は、電力網１６４をシステム１００と接続する。別の発電設備１７０は、電力を発電し、その電力を消費者１６８による使用のために電力網１６４に送電する。
【００２３】
制御装置１６２は、プロセッサ（図１には図示せず）と、メモリ（図１には図示せず）と、複数の入力チャネル（図１には図示せず）と、複数の出力チャネル（図１には図示せず）とを含み、またコンピュータ（図１には図示せず）を含むことができる。本明細書で使用する場合、コンピュータという用語は、当技術分野でコンピュータと呼ばれる所謂集積回路だけに限定されるのではなく、広範囲にプロセッサ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラマブル・ロジックコントローラ、特定用途向け集積回路及び他のプログラム可能回路を意味し、これらの用語は、本明細書では同義的に使用する。この例示的な実施形態では、メモリは、それに限定されないが、ランダムアクセスメモリのようなコンピュータ可読媒体を含むことができる。それに代えて、フロッピディスク、コンパクトディスク−読出し専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、磁気−光ディスク（ＭＯＤ）及び／又はディジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）もまた、使用することができる。また、この例示的な実施形態では、複数の入力チャネルは、それに限定されないが、マウス及びキーボードのようなオペレータインタフェースに関連したコンピュータ周辺機器を意味することができる。それに代えて、例えばスキャナのような他のコンピュータ周辺機器もまた、使用することができる。さらに、この例示的な実施形態では、複数の出力チャネルは、それに限定されないが、オペレータインタフェースモニタを含むことができる。
【００２４】
制御装置１６２は、その幾つかがセンサ１２０、１４４を含む複数のセンサから複数の入力を受信し、その入力を処理し、プログラムされたアルゴリズム及び離散的環境に基づいて適切な出力を生成し、かつ信号をシステム１００の適切な構成要素に送信してそれらの構成要素にバイアスを与える。例えば、電力網１６４上での小さなすなわち約０．５Ｈｚ又はそれ以下の下向き周波数過渡状態の発生時には、制御装置１６２は、センサ１２０から送信された周波数入力を受信することになる。制御装置１６２は次に、入口ガイドベーン１０２及び燃料弁１１０に対して開バイアスを生じさせる。入口ガイドベーン１０２は、過渡状態の間にわたり、起こり得る圧縮機サージ条件に対する所定のマージンを保持するように調整される。燃焼器１０６内部での燃焼が高まり、ガス流質量流量及びガス流温度の同様な増加を引き起こす。ガス流温度の変化は、タービン１１２の構成要素において起こり得る応力を軽減するような所定の温度及び温度勾配パラメータの範囲内に保持される。タービン１１２は加速し、シャフト１１４を介して発電機１１６内に回転加速が引き起こされ、それによって、例えばヨーロッパでは５０Ｈｚまた北米では６０Ｈｚのような公称システム周波数値に向かう電力網１６４周波数の部分的上昇を引き起こす。同様に、電力網において約０．５Ｈｚ又はそれ以下の周波数の上昇を検知した場合には、制御装置１６２は、センサ１２０から周波数入力を受信し、空気ガイドベーン１０２及び燃料弁１１０に対して閉バイアスを生じさせて、燃焼器１０６によって生成される質量流量及びガス流温度を低下させる。その後タービン１１２を介して引き起こされたシャフト１１４の減速はまた、ＣＴＧ１１６を減速させて、公称周波数値に向かう電力網１６４の周波数低下を生じさせる。
【００２５】
同様なプロセスは、ＳＴＧ１４２についても観察することができる。センサ１４４は、電力網１６４の周波数低下を検知し、関連する信号を制御装置１６２に送信する。制御装置１６２は、蒸気弁１３６に対して開バイアスを生じさせる。弁１３６は、蒸気ヘッダ１３４圧力を弁１３６の上流及び下流で所定のパラメータの範囲内に保持するのに整合するような速度で開かれる。また、ＨＲＳＧ１２４の適切な制御は、あらゆるその後の蒸気温度の変化がタービン１３８の構成要素において起こり得る応力を軽減するような所定の温度及び温度勾配パラメータの範囲内に保持されるように維持される。
【００２６】
図２は、電力網１６４の不足周波数状態に対する複合サイクル発電システム１００（図１に示す）の例示的な応答のグラフ図２００である。応答グラフ２００は、ＣＴＧ１１６及びＳＴＧ１４２のおおよその電力出力を時間の関数として２％の増分で表した縦座標２０２（ｙ軸）を含む。縦座標２０２は、ＣＴＧ１１６及びＳＴＧ１４２ＭＣＲに対応して原点における８８％値及び最高限度としての１００％値を含む。グラフ２００はまた、１分の増分を用いて時間を分で示す横座標（ｘ軸）２０４を含む。時間＝０は、電力網１６４上の不足周波数過渡状態の開始を示す。時間＝７分は、過渡状態及びシステム１００の応答が実質的に完了していることを示す。曲線２０６は、起こり得るＣＴＧ１１６出力応答対時間を示す。曲線２０８は、比較のために、本明細書で説明する本発明を使用しない状態での起こり得るＳＴＧ１４２出力応答対時間を示す。曲線２１０は、本明細書で説明する本発明を使用した状態での起こり得るＳＴＧ１４２出力応答対時間を示す。図２は、以下でさらに参照する。
【００２７】
図３は、複合サイクル発電システム１００（図１に示す）で使用することができる、電力網不足周波数状態に対する例示的な対応方法３００の流れ図である。図１を参照して、例示的な方法３００の方法ステップ３０２は、ＳＴＧ１４２及びＣＴＧ１１６の両方がＭＣＲ以下の部分負荷で運転されている状態の実質的に定常状態でＳＴＧ１４２及びＣＴＧ１１６を運転する段階を含む。弁１３６、ベーン１０２及び弁１１０は、システム１００が周波数感応発電モードで運転されていると呼ぶことができる絞られた位置（絞り位置）にある。それに代えて、配電指令所がシステム１００及び別の設備１７０に発電出力を指令する公称送電モードでシステム１００を運転することができる。この例示的な実施形態では、ＭＣＲ以下の部分負荷は、図２に示すようにＣＴＧ１１６及びＳＴＧ１４２の場合にはＭＣＲの９０％である。
【００２８】
ステップ３０２を可能にするために、弁１３６、センサ１４４及び制御装置１６２は、協働して、システム１００を周波数感応モードで運転する。弁１３６は、該弁１３６が絞り位置にあるように、構成され、配置され、かつ制御装置１６２と協働する。全開位置と全閉位置との間の弁１３６の複数の位置は、各位置における対応するＨＲＳＧ１２４の背圧と組合さって、特定の蒸気質量流量を生成するのを可能にする。ＨＲＳＧ１２４の背圧は、下記に説明するように使用することができる実質的に即座に使用可能な動力の予備を保持するのを可能にする。制御装置１６２は、電力増加要求に対して対応するために、適切な背圧を保持しながら適切に発電するように弁１３６を移動させる信号を送信する。制御装置１６２は、現在の電力需要、現在の蒸気流量、現在の電力網周波数及び現在のＨＲＳＧ１２４背圧の関数として弁１３６を移動させる。弁１３６、制御装置１６２及びセンサ１４４の協働については、下記にさらに説明する。上述の協働によって、システム１００が付加的な収益生成の可能性を可能にする出力レベルで運転されることが可能となる点に留意されたい。
【００２９】
例示的な方法３００のステップ３０４は、システム１００がセンサ１２０及び１４４を介して電力網１６４上の不足周波数状態を検知する段階を含む。この事象は、図２における時間＝０に対応する。図示した不足周波数状態は、１つ又はそれ以上の発電ユニット１７０のトリップ、又は消費者１６８による電力需要の大幅増加の結果である場合があり、それによって電力網の周波数低下が、０．５ヘルツよりも大きく標準周波数を下回るおそれがある。制御装置１６２は、過渡状態をシステム１００からの急速な発電量増加の要求として解釈する。
【００３０】
応答グラフ２００の曲線２０８は、本明細書で説明する本発明を使用しない状態での上述の不足周波数過渡状態に対する起こり得るＳＴＧ１４２の応答を示し、かつ比較の目的で表している。この状況では、弁１３６は、実質的な全開位置まで急速に開く。タービン１３８への蒸気流量が、急速に増加し、従ってＳＴＧ１４２の発電出力は、ＭＣＲの１００％と実質的に同じ値まで増大する。電力出力は、ＭＣＲの１００％と実質的に同じ値で安定したままであるが、しかしながら１分未満以内に電力出力は、ＨＲＳＧ１２４内の弁１３６の上流の蒸気背圧が、熱エネルギー予備（蓄積）が使い果たされるにつれて減少するので、低下する。応答グラフ２００の曲線２０６は、ＣＴＧ１１６の応答を示す。制御装置１６２は、ベーン１０２及び弁１１０を実質的な全開位置に向けて移動させ始める。この例示的な実施形態では、入口ガイドベーン１０２は、過渡状態の間にわたって、起こり得る圧縮機サージ状態に対する所定のマージンが維持されるように、調整される。ＨＲＳＧ１２４内部の熱エネルギー蓄積を使用することは、ベーン１０２の調整及びその後の起こり得るサージ状態に対するマージンの増加を可能にする。それに代えて、能動的圧縮機サージ管理のための方法は、制御スキーム内に統合することができる。弁１１０は、より急速に応答して、それによって圧縮機１０４からの空気流量が増加し始める時に、タービン１１２を燃料リッチ混合気で上限燃焼させる。ＣＴＧ１１６の応答は、弁１１０が開くことに関連する時間に限界があること（安全及び制御目的のために）並びに上述の圧縮機１０４速度低下がＣＴＧ１１６周波数の低下に比例することに起因して、ＳＴＧ１４２よりも僅かに緩慢である点に留意されたい。ＣＴＧ１１６に関連するこれらの状況は、ＨＲＳＧ１２４の熱貯蔵容器内に存在する実質的に即時使用可能な付加的蒸気流量能力と比較される。
【００３１】
ＣＴＧ１１６は、応答グラフ２００の曲線２０６によって示すようにＭＣＲの約９６％〜９８％の安定出力に保持される。この安定状態は、ＣＴＧ１１６の初期応答がＭＣＲの１００％よりも低く制限されることを示し、その理由は、上限燃焼は、燃焼ガス流温度及びガス流温度勾配を増大させ、かつ燃焼ガス流に接触する可能性があるタービン１１２の構成要素内での熱応力の発生を軽減しまた燃空比を適切なガイドライン内に維持するような所定のパラメータの範囲内に制御されなければならないからである。ベーン１０２が開くこと及びＣＴＧ１１６が加速することに起因して空気流量の増加が生じると、タービン１１２を通る質量流量が増加し、燃料弁１１０は、再度開いてより多くの燃料をさらに流入させるようにバイアスされる。その結果、ＣＴＧ１１６出力は、ＭＣＲの実質的に１００％が達せられるまで安定した速度で増加する。システム１００が不足周波数状態を検知してから電力出力の安定増加の開始に達するまでに約２分を要し、また実質的にＭＣＲの１００％に達するのに６〜７分を要する点に留意されたい。
【００３２】
燃焼ガスの温度及び質量流量がＨＲＳＧ１２４に導かれ、ＨＲＳＧ１２４内部でのガスから水／蒸気回路への関連する熱エネルギー伝達が増大するにつれて、ＳＴＧ１４２電力出力の減少は緩和され始めて、曲線２０８は、過渡状態の開始から約３分以内に曲線２０６に追従する。ＳＴＧ１４２は、過渡状態の開始から７分以内に実質的にＭＣＲの１００％に達する。
【００３３】
本発明を用いるシステム１００の不足周波数状態に対する対応は、例示的な方法３００の方法ステップ３０６に示している。ステップ３０６は、制御装置１６２が弁１３６を全開位置に向かって移動させる段階を含む。上述のように、制御装置１６２は、現在の電力需要、現在の蒸気流量、現在の電力網周波数及び現在のＨＲＳＧ１２４背圧の関数として弁１３６を移動させる。センサ１４４は、電力網周波数、ＳＴＧ１４２電力出力、弁１３６の上流及び下流の蒸気圧力、タービン１３８への蒸気質量流量並びに弁１３６位置のフィードバックを制御装置１６２に送信する。制御装置１６２は、これらの信号を、関連するパラメータの所定の値すなわち目標値と比較し、適切なバイアス信号を弁１３６に送信する。
【００３４】
例示的な方法３００の方法ステップ３０８は、蒸気質量流量が増加しかつ増加した質量流量が蒸気の熱エネルギーからタービン１３８の機械回転エネルギーへのエネルギー変換量の増大に形を変えるにつれて、ＳＴＧ１４２を加速しかつ急速にＳＴＧ１４２の電力出力を増大させる段階を含む。図２の曲線２１０は、本明細書で説明する本発明を使用した状態での起こり得るＳＴＧ１４２出力応答対時間を示す。弁１３６は、上述のようにセンサ１４４及び制御装置１６２の協働で、ＭＣＲの約９８％〜９９％の範囲までのＳＴＧ１４２の電力出力の増大を実質的に瞬時に達成するように開かれる。しかしながら、本発明を使用した状態での増大は、本発明を使用しない状態でのものと同様であるとは言えず、それによって熱エネルギー蓄積の短期間での枯渇を軽減するのを可能にする。
【００３５】
例示的な方法３００の方法ステップ３１０は、熱エネルギー蓄積を急速に減少させ始める段階を含む。制御装置１６２は、ＨＲＳＧ１２４内に存在する熱蓄積の減少速度を軽減するように弁１３６を移動させるが、しかしながら熱蓄積の総量は、有限であり、過渡状態に応答するシステム１００でのこの時点では急速に枯渇に向かって減少し始める。
【００３６】
例示的な方法３００の方法ステップ３１２は、弁１３６が全開位置に向かって緩やかに移動し、それによってタービン１３８への蒸気質量流量を緩やかに増加させるように、弁１３６を開動作させる段階を含む。
【００３７】
例示的な方法３００の方法ステップ３１４は、ＳＴＧ１４２を緩やかに加速しかつＳＴＧ出力を緩やかに増大させる段階を含む。タービン１３８への蒸気質量流量の制御した緩やかな増加速度により、関連する電力出力の増大を伴うＳＴＧ１４２の制御した緩やかな加速が生じる。
【００３８】
例示的な方法３００の方法ステップ３１６は、熱エネルギー貯蔵容器からの熱エネルギー蓄積の取出し速度を緩やかにする段階を含む。熱エネルギー蓄積の初期放出を制御し、その後弁１３６を緩やかに開くことによって、下記に説明するようにＨＲＳＧ１２４に導入可能な燃焼タービン１１２からの熱エネルギーが追加される前に、熱エネルギー蓄積が枯渇するのを緩和することができるように弁１３６の初期開動作を制御する。
【００３９】
例示的な方法３００の方法ステップ３３０は、燃料弁１１０を全開位置に向けて移動させることによって燃焼タービン１１２の上限燃焼を開始する段階を含む。ステップ３３０は通常、方法ステップ３０６と実質的に同時に実行される。
【００４０】
例示的な方法３００の方法ステップ３３２は、燃焼ガス温度を上昇させる段階を含む。燃焼タービン１１２内への燃料入力を増加させることにより所定のパラメータの範囲内で燃／空比を増大させることによって、タービン１１２における一時的な上限燃焼状態を開始する。制御装置１６２は、開信号を弁１１０に送信して、燃焼ガス流の温度の範囲及びガスの温度上昇速度を所定のパラメータの範囲内に維持しながら、燃焼ガス流の温度が急速に上昇するようにする。
【００４１】
例示的な方法３００の方法ステップ３３４は、燃焼ガス流内部の熱エネルギーが増大しかつタービン１１２が熱エネルギーを機械回転エネルギーに変換するにつれて急速な電力出力の増大が生じるように、ＣＴＧ１１６を急速に加速する段階を含む。
【００４２】
例示的な方法３００の方法ステップ３３６は、ベーン１０２をその後空気流量の増加をもたらす全開位置に向けて移動させる段階を含む。ステップ３３６は通常、方法ステップ３３０と実質的に同時に開始される。
【００４３】
例示的な方法３００の方法ステップ３３８は、燃焼ガス質量流量を増加させる段階を含む。ガス質量流量は、タービン１１２が方法ステップ３３４によって加速され、圧縮機１０４がシャフト１１４を介してタービン１１２と共に加速され、かつベーン１０２が方法ステップ３３６によって全開位置に向けて開かれるにつれて増加する。
【００４４】
例示的な方法３００の方法ステップ３４０は、ＣＴＧ１１６出力をＭＣＲの１００％まで増大させる段階を含む。燃焼器１０６内への空気の質量流量が増加しかつ燃／空比が所定の範囲の値に戻った時に、制御装置１６２は、ＣＴＧ１１６を加速し続けるための開信号をベーン１０２及び弁１１０に送信して、タービン１１２の構成要素の熱応力パラメータを軽減することが可能になり、またＣＴＧ１１６が実質的にＭＣＲの１００％に達するようにする。図２を参照すると、曲線２０６で示すようなＣＴＧ１１６の応答は、本発明を使用した状態及び本発明を使用しない状態で実質的に同じである。
【００４５】
例示的な方法３００の方法ステップ３７０は、ＨＲＳＧ内の蒸気／水回路に対する熱エネルギー伝達量を増加させる段階を含む。タービン１１２の排気温度は方法ステップ３３２によって上昇し、その後方法ステップ３３８によってガス質量流量の増加が続くにつれて、ガス流からＨＲＳＧのチューブバンク１３２、１２８及び１２６内への熱エネルギー伝達量が増加する。
【００４６】
例示的な方法３００の方法ステップ３７２は、ＨＲＳＧ１２４内の圧力及び熱エネルギーを増大させる段階を含む。ＨＲＳＧ１２４の熱エネルギー貯蔵容器内への熱エネルギー伝達量の増加は、弁１３６を開くことによる熱エネルギーの取出しを相殺する。
【００４７】
例示的な方法３００の方法ステップ３７４は、ＨＲＳＧ１２４内での蒸気発生を増加させる段階を含む。ＨＲＳＧ内部での熱エネルギー伝達の増大は、蒸気／水回路における水から蒸気への変換量の増加として現れる。
【００４８】
例示的な方法３００の方法ステップ３７６は、ＳＴＧ１４２への蒸気導入を増加させる段階を含む。ＨＲＳＧ１２４からタービン１３８への蒸気質量流量のその後の増加は、弁１３６を全開位置に向かってバイアスし続けて熱エネルギー蓄積を枯渇させない状態にすることを可能にする。
【００４９】
例示的な方法３００の方法ステップ３７８は、ＳＴＧ１４２の電力出力をＭＣＲの１００％まで増大させる段階を含む。図２を参照すると、弁１３６は、ＨＲＳＧ１２４の熱貯蔵容器内に熱エネルギー蓄積を保持するのを可能にしながら実質的に安定した電力出力増大速度が可能になるように整合した速度で、全開位置に向かってさらに移動される。タービン１１２からＨＲＳＧ１２４に移送された燃焼ガスの熱エネルギーの増大は、制御装置１６２によって測定されかつ制御されて、システム１００全体の応答を可能にする点に留意されたい。曲線２０６上の安定した傾斜と共に曲線２１０上に示した安定した傾斜は、システム１００に関連する周波数安定化応答の向上を可能にする点にも留意されたい。
【００５０】
従って、弁１３６を開くこと及びＨＲＳＧ１２４内部の熱エネルギー蓄積を減少させかつその後補充することに大きく関連する方法３００の説明では、弁１３６の移動速度の線形変化率並びに熱エネルギーの減少及び補充量の線形変化率を前提としている。よりダイナミックな状態の組からなる場合には、制御装置１６２は、ＨＲＳＧ１２４の背圧を所定の上限圧力値と所定の下限圧力値との間に保持するために必要となるような実質的な全開と実質的な全閉との間の位置の全範囲を通して弁１３６をより積極的に調整する、関連するプログラミングを含む十分な計算資源を含む。下限圧力値の実例は、１６５４７キロパスカル（ｋＰａ）（２４００ポンド／平方インチ（ｐｓｉ））とすることができ、また上限圧力値の実例は、１７９２６キロパスカル（ｋＰａ）（２６００ポンド／平方インチ（ｐｓｉ））とすることができる。制御装置１６２は、ＳＴＧ１３８を加速しかつＣＴＧ１１２及びダクト１２２を介してＨＲＳＧ１２４内への熱エネルギー入力量を増加させながらＨＲＳＧ１２４背圧の変動量も調整するような方法で上述のようにＨＲＳＧ１２４背圧を調整する。上述のよりダイナミックな状態及びより積極的な応答を考慮すると、曲線２１０（図２に示す）は、実質的な上向き傾斜を維持しながらも直線性がより少なくなりかつより正弦波状又はのこぎり歯状を示す可能性がある。制御装置１６２は、正弦波状又はのこぎり歯状の振幅及び周期を緩和して関連する応答を実質的に線形応答の方向に向かわせる計算資源を含む。加えて、制御装置１６２は、電力網１６６の不足周波数状態に対するシステム１００全体の応答がシステム１００の出力周波数の上昇となるように、ＣＴＧ１１２への燃料及び空気を追加するように調整する。例えば、ＨＲＳＧ１２４圧力を下限閾値の上方に保持するように弁１３６を閉位置に向かって移動させた時には、ＣＴＧ１１２は、システム１００の応答を維持するようにさらに加速することができる。ＨＲＳＧ１２４圧力を上限閾値の下方に保持するように弁１３６を開位置に向かって移動させた時には、ＣＴＧ１１２の加速速度は、システム１００の応答を維持するように減少させることができる。曲線２０６もまた、図２に示すような全体的形状を保持しながらも直線性がより少なくなりかつより正弦波状又はのこぎり歯状の形状になる可能性がある。
【００５１】
図４は、複合サイクル発電システム１００（図１に示す）で使用することができる電力網の過周波数状態に対する対応の例示的な方法４００の流れ図である。図１を参照して、例示的な方法４００の方法ステップ４０２は、ＳＴＧ１４２及びＣＴＧ１１６の両方がＭＣＲ以下の部分負荷で運転されている状態の実質的に定常状態でＳＴＧ１４２及びＣＴＧ１１６を運転する段階を含む。弁１３６、ベーン１０２及び弁１１０は、システム１００が周波数感応発電モードで運転されていると呼ぶことができる絞り位置にある。それに代えて、配電指令所がシステム１００及び別の設備１７０に発電出力を指令する公称送電モードでシステム１００を運転することができる。この例示的な実施形態では、ＭＣＲ以下の部分負荷は、図２に示すようにＣＴＧ１１６及びＳＴＧ１４２の場合にはＭＣＲの９０％である。
【００５２】
ステップ４０２を可能にするために、弁１３６、センサ１４４及び制御装置１６２は、協働して、システム１００を周波数感応モードで運転する。弁１３６は、該弁１３６が絞り位置にあるように、構成され、配置され、かつ制御装置１６２と協働する。全開位置と全閉位置との間の弁１３６の複数の位置は、各位置における対応するＨＲＳＧ１２４の背圧と組合さって、特定の蒸気質量流量を生成するのを可能にする。ＨＲＳＧ１２４の背圧は、下記に説明するように熱エネルギーを貯蔵する実質的に即座に使用可能な能力の予備を保持するのを可能にする。制御装置１６２は、電力減少要求に対して対応するために、適切な背圧を保持しながら適切に発電するように弁１３６を移動させる信号を送信する。制御装置１６２は、現在の電力需要、現在の蒸気流量、現在の電力網周波数及び現在のＨＲＳＧ１２４背圧の関数として弁１３６を移動させる。弁１３６、制御装置１６２及びセンサ１４４の協働については、下記にさらに説明する。
【００５３】
例示的な方法４００のステップ４０４は、システム１００がセンサ１２０及び１４４を介して電力網１６４上の過周波数状態を検知する段階を含む。過周波数状態は、１つ又はそれ以上の発電ユニット１７０の追加又は電力出力増加或いは消費者１６８による電力需要の大幅減少の結果である場合があり、それによって電力網の周波数上昇が、０．５ヘルツよりも大きく標準周波数を上回るおそれがある。制御装置１６２は、過渡状態をシステム１００からの急速な発電量減少の要求として解釈する。
【００５４】
本発明を用いるシステム１００の過周波数状態に対する対応は、例示的な方法４００の方法ステップ４０６に示している。ステップ４０６は、制御装置１６２が弁１３６を閉位置に向かって移動させる段階を含む。上述のように、制御装置１６２は、現在の電力需要、現在の蒸気流量、現在の電力網周波数及び現在のＨＲＳＧ１２４背圧の関数として弁１３６を移動させる。センサ１４４は、電力網周波数、ＳＴＧ１４２電力出力、弁１３６の上流及び下流の蒸気圧力、タービン１３８への蒸気質量流量並びに弁１３６位置のフィードバックを制御装置１６２に送信する。制御装置１６２は、これらの信号を、関連するパラメータの所定の値すなわち目標値と比較し、適切なバイアス信号を弁１３６に送信する。
【００５５】
例示的な方法４００の方法ステップ４０８は、蒸気質量流量が減少しかつ減少した質量流量が蒸気の熱エネルギーからタービン１３８の回転エネルギーへのエネルギー変換量の減少に形を変えるにつれて、ＳＴＧ１４２を減速しかつ急速にＳＴＧ１４２の電力出力を減少させる段階を含む。弁１３６は、上述のようにセンサ１４４及び制御装置１６２との協働により、ＳＴＧ１４２の電力出力の減少を実質的に瞬時に達成するように閉じ方向に移動される。
【００５６】
例示的な方法４００の方法ステップ４１０は、エネルギー貯蔵容器内部の熱エネルギー蓄積を急速に増大させ始める段階を含む。制御装置１６２は、ＨＲＳＧ１２４内に存在する熱蓄積の増大速度を緩やかにするように弁１３６を移動させるが、しかしながら熱蓄積能力は、有限であり、過渡状態に対するシステム１００応答におけるこの時点では急速に「充満」し始める。
【００５７】
例示的な方法４００の方法ステップ４１２は、弁１３６が全閉位置に向かって緩やかに移動し、それによってタービン１３８への蒸気質量流量を緩やかに減少させるように、弁１３６を閉動作させる段階を含む。
【００５８】
例示的な方法４００の方法ステップ４１４は、ＳＴＧ１４２を緩やかに減速しかつＳＴＧ出力を緩やかに減少させる段階を含む。タービン１３８への蒸気質量流量の制御した緩やかな増加速度により、関連する電力出力の減少を伴うＳＴＧ１４２の制御した緩やかな減速が生じる。
【００５９】
例示的な方法４００の方法ステップ４１６は、熱エネルギー貯蔵容器への熱エネルギー蓄積の追加速度を緩やかにする段階を含む。熱エネルギー蓄積の初期吸収を制御し、その後弁１３６を緩やかに閉じることによって、下記に説明するようにＨＲＳＧ１２４に導入可能な燃焼タービン１１２からの熱エネルギーが減少する前に熱エネルギー蓄積が増大するのを緩和することができるように、弁１３６の初期閉動作を制御する。ステップ４１６は、蒸気圧力の増大がＨＲＳＧ１２４構成要素の定格を超える可能性を軽減するのを可能にする。
【００６０】
例示的な方法４００の方法ステップ４３０は、燃料弁１１０を全閉位置に向けて移動させることによって燃焼タービン１１２のアンダ燃焼（下限燃焼）を開始する段階を含む。ステップ４３０は通常、方法ステップ４０６と実質的に同時に実行される。
【００６１】
例示的な方法４００の方法ステップ４３２は、燃焼ガス温度を低下させる段階を含む。燃焼タービン１１２内への燃料入力を減少させることにより所定のパラメータの範囲内で燃／空比を減少させることによって、タービン１１２における一時的な下限燃焼状態を開始する。制御装置１６２は、閉信号を弁１１０に送信して、燃焼ガス流の温度の範囲及びガスの温度低下速度を所定のパラメータの範囲内に維持しながら、燃焼ガス流の温度が急速に低下するようにする。
【００６２】
例示的な方法４００の方法ステップ４３４は、燃焼ガス流内部の熱エネルギーが減少しかつタービン１１２が熱エネルギーを回転エネルギーに殆ど変換しないので急速な電力出力の減少が生じるように、ＣＴＧ１１６を急速に減速する段階を含む。
【００６３】
例示的な方法４００の方法ステップ４３６は、ベーン１０２をその後空気流量の減少をもたらす閉位置に向けて移動させる段階を含む。ステップ４３６は通常、方法ステップ４３０と実質的に同時に開始される。
【００６４】
例示的な方法４００の方法ステップ４３８は、燃焼ガス質量流量を減少させる段階を含む。ガス質量流量は、タービン１１２が方法ステップ４３４によって減速され、圧縮機１０４がシャフト１１４を介してタービン１１２と共に減速され、かつベーン１０２が方法ステップ４３６によって閉位置に向けて移動されるにつれて減少する。
【００６５】
例示的な方法４００の方法４４０は、ＣＴＧ１１６出力を電力網１６４周波数に整合する値まで減少させる段階を含む。燃焼器１０６内への空気の質量流量が減少しかつ燃／空比が所定の範囲の値に戻った時に、制御装置１６２は、ＣＴＧ１１６を減速し続けるための閉信号をベーン１０２及び弁１１０に送信して、タービン１１２の構成要素の熱応力パラメータを軽減することが可能になり、またＣＴＧ１１６が電力網１６４周波数に整合する値までの出力に達するようにする。
【００６６】
例示的な方法４００の方法ステップ４７０は、ＨＲＳＧ内の蒸気／水回路に対する熱エネルギー伝達量を減少させる段階を含む。タービン１１２の排気温度は方法ステップ４３２によって低下し、その後方法ステップ４３８によってガス質量流量の減少が続くにつれて、ガス流からＨＲＳＧのチューブバンク１３２、１２８及び１２６内への熱エネルギー伝達量が減少する。
【００６７】
例示的な方法４００の方法ステップ４７２は、ＨＲＳＧ１２４内の圧力及び熱エネルギーを減少させる段階を含む。ＨＲＳＧ１２４の熱エネルギー貯蔵容器内への熱エネルギー伝達量の減少は、弁１３６を閉じることによる熱エネルギーの追加を相殺する。
【００６８】
例示的な方法４００の方法ステップ４７４は、ＨＲＳＧ１２４内での蒸気発生を減少させる段階を含む。ＨＲＳＧ内部での熱エネルギー伝達の減少は、蒸気／水回路における水から蒸気への変換量の減少として現れる。
【００６９】
例示的な方法４００の方法ステップ４７６は、ＳＴＧ１４２に蒸気を送る段階を含む。ＨＲＳＧ１２４からタービン１３８への蒸気質量流量のその後の減少は、弁１３６を閉位置に向かって移動させ続けて熱エネルギー蓄積を増大させない状態にすることを可能にする。
【００７０】
例示的な方法４００の方法ステップ４７８は、ＳＴＧ１４２の電力出力を電力網１６４周波数に整合する出力値まで減少させる段階を含む。弁１３６は、ＨＲＳＧ１２４の熱貯蔵容器内に熱エネルギー蓄積を保持するのを可能にしながら実質的に安定した電力出力減少速度が可能になるように整合した速度で、閉位置に向かってさらに移動される。タービン１１２からＨＲＳＧ１２４に移送された燃焼ガスの熱エネルギーの減少は、制御装置１６２によって測定されかつ制御されて、システム１００全体の応答を可能にする点に留意されたい。
【００７１】
従って、弁１３６を閉じること及びＨＲＳＧ１２４内部の熱エネルギー蓄積を補充することに大きく関連する方法４００の説明では、弁１３６移動速度の線形変化率及び熱エネルギー補充量の線形変化率を前提としている。よりダイナミックな状態の組からなる場合には、制御装置１６２は、ＨＲＳＧ１２４の背圧を所定の上限圧力値と所定の下限圧力値との間に保持するために必要となるような実質的な全開と実質的な全閉との間の位置の全範囲を通して弁１３６をより積極的に調整する、関連するプログラミングを含む十分な計算資源を含む。制御装置１６２は、ＳＴＧ１３８を減速しかつＣＴＧ１１２及びダクト１２２を介してＨＲＳＧ１２４内への熱エネルギー入力量を減少させながらＨＲＳＧ１２４背圧の変動量も調整するような方法で上述のようにＨＲＳＧ１２４背圧を調整する。上述のよりダイナミックな状態及びより積極的な応答を考慮すると、応答は、実質的な下向き傾斜を維持しながらも直線性がより少なくなりかつより正弦波状又はのこぎり歯状を示す可能性がある。制御装置１６２は、正弦波状又はのこぎり歯状の振幅及び周期を緩和して関連する応答を実質的に線形応答の方向に向かわせる計算資源を含む。加えて、制御装置１６２は、電力網１６６の過周波数状態に対するシステム１００全体の応答がシステム１００の出力周波数の低下となるように、ＣＴＧ１１２への燃料及び空気を減少させるように調整する。例えば、ＨＲＳＧ１２４圧力を下限閾値の上方に保持するように弁１３６を閉位置に向かって移動させた時には、ＣＴＧ１１２の減速速度は、システム１００の応答を維持するように減少させることができる。ＨＲＳＧ１２４圧力を上限閾値の下方に保持するように弁１３６を開位置に向かって移動させた時には、ＣＴＧ１１２の減速速度は、システム１００の応答を維持するように増加させることができる。
【００７２】
本明細書で説明した電力網周波数制御サブシステムのための方法及び装置は、複合サイクル発電システムの運転を可能にする。より具体的には、上述のように電力網周波数制御サブシステムを設計し、設置しかつ運転することは、熱エネルギー貯蔵能力を使用することによって接続電力網上の不足周波数過渡状態の間に標準電力網周波数を維持するのを可能にするように複合サイクル発電システムを運転するのを可能にする。さらに、接続電力網上の不足周波数過渡状態はまた、本電力網周波数制御サブシステムを用いて緩和することができる。その結果、安定した電力網周波数を維持することを可能にすることができ、また大きなメンテナンス費用及び複合サイクル発電システムの停止を減少又は排除することができる。
【００７３】
本明細書で説明しかつ／又は図示した本方法及び装置は、複合サイクル発電システム、より具体的には電力網周波数制御サブシステムに対する方法及び装置に関して説明しかつ／又は図示しているが、本明細書で説明しかつ／又は図示した本方法の実施は、全体として電力網周波数制御サブシステムにもまた複合サイクル発電システムにも限定されるものではない。むしろ、本明細書で説明しかつ／又は図示した本方法は、あらゆるシステムを設計し、設置しかつ運転するのに適用可能である。
【００７４】
以上、複合サイクル発電システムに関連するものとしての電力網周波数制御サブシステムの例示的な実施形態を詳細に説明している。本方法、装置及びシステムは、本明細書で説明した特定の実施形態にも、設計し、設置しかつ運転した特定の電力網周波数制御サブシステムにも限定されるものではなく、むしろ電力網周波数制御サブシステムを設計し、設置しかつ運転する本方法は、本明細書で説明した他の方法、装置及びシステムから独立してかつ別個に利用することができ、或いは本明細書で説明しなかった構成要素を設計し、設置しかつ運転するのに利用することができる。例えば、他の構成要素もまた、本明細書で説明した本方法を用いて、設計し、設置しかつ運転することができる。
【００７５】
本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明が、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは、当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】例示的な複合サイクル発電システムの概略図。
【図２】図１の複合サイクル発電システムの例示的な応答のグラフ図。
【図３】図１の複合サイクル発電システムで使用することができる電力網不足周波数状態への対応の例示的な方法の流れ図。
【図４】図１の複合サイクル発電システムで使用することができる電力網過周波数状態への対応の例示的な方法の流れ図。
【符号の説明】
【００７７】
１００  システム
１０２  ベーン
１０４  圧縮機
１０６  燃焼器
１０８  貯蔵設備
１１０  燃料弁
１１２  燃焼タービン
１１４  シャフト
１１６  ＣＴＧ
１１８  発電機出力配線
１２０  センサ
１２２  ダクト
１２４  ＨＲＳＧ
１２６  チューブバンク
１２８  チューブバンク
１３０  蒸気ドラム
１３２  チューブバンク
１３４  蒸気ヘッダ
１３６  弁
１３８  タービン
１４０  シャフト
１４２  ＳＴＧ
１４４  センサ
１４６  相互接続配線
１４８  蒸気排出ダクト
１５０  装置
１５１  復水装置
１５２  ヘッダ
１５４  復水／給水ポンプ
１５６  ヘッダ
１５８  ダクト
１６０  スタック
１６２  制御装置
１６４  電力網
１６６  送電ライン
１６８  消費者
１７０  発電設備
２００  応答グラフ
２０２  縦座標
２０４  ｘ軸
２０６  曲線
２０８  曲線
２１０  曲線
３００  例示的な方法
４００  例示的な方法
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
2007162689000001.pdf