(57)【要約】従来の（ＧＴ）ガスタービン（２，４，６）が、そこからの空気の注入または抽出を可能にする流体接続部（１Ａ，９Ａ，１１Ａ）を介して、圧縮空気貯蔵部（１６）を備える圧縮空気エネルギー貯蔵システム（ＣＡＥＳ）と一体化されているハイブリッドガスタービン発電プラントのパワー出力を調節する方法。出力は、質量流量ならびに燃焼器（４）内の動作条件のどのような変化も一時的に最小化するために、その質量流量を減少または増加させるように、ＧＴ圧縮機（２）を選択的に再構成すると同時に、補償質量流量として、どのくらいの空気を流体接続部を介してＣＡＥＳシステムとＧＴシステムとの間に送るかを選択的に調節することによって増加または減少され、それにより、１０秒未満で、グリッド変動に適合するようにパワーが調節される、改良された周波数応答モードを実現できる。直接ＴＥＳ（１４）を備えた断熱ＣＡＥＳシステムの利用は、熱を即座に戻すことができ、およびその中に貯蔵されている空気の容積による圧力変動を緩和することができる。急速な抽気速度は、ＣＡＥＳ内の高速作動弁（２６）を用いて、一時的に大気に通気することによって実現してもよい。
2018507975.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに下流方向に流体的に接続された圧縮機と、燃焼器と、タービンとを備える燃焼タービンシステムと、
前記燃焼タービンシステムから空気を抽出することができるように、または、前記燃焼タービンシステムに空気を注入できるように、前記燃焼タービンシステムへの一つ以上の流体接続部を介して前記燃焼タービンシステムに一体化された圧縮空気エネルギー貯蔵システムと、
を備えるハイブリッド燃焼タービン発電システムのパワー出力を調節する方法であって、
前記圧縮空気エネルギー貯蔵システムは、空気流路ネットワークと、前記一つ以上の流体接続部から圧縮空気貯蔵部まで通じている関連する弁構造とを備え、
前記方法は、前記圧縮機を通る質量流量の減少または増加を部分的にまたは完全に補償するために、その構成を変更することにより、および同時に、前記一つ以上の流体接続部を介して、前記圧縮空気エネルギー貯蔵システムと前記燃焼タービンシステムとの間に、補償質量流量としてどのくらいの空気を送るかを選択的に調節することにより、前記圧縮機を通る空気の質量流量をそれぞれ選択的に減少または増加させることによって、前記パワー出力を増加または減少させることにより、空気がそれぞれ前記圧縮機、前記燃焼器および前記タービンを通って下流に流れている間に前記パワー出力を調節し、それによって、少なくとも選択した期間に、前記燃焼器および前記タービンを通る質量流量の何らかの変化を最小限にするか、または防ぐことを備える方法。
【請求項２】
前記圧縮空気エネルギー貯蔵システムは、それが前記燃焼タービンシステムを介して給気および排気するように、前記燃焼タービンシステムと一体化され、空気が、前記一つ以上の流体接続部を介してそれから抽出され、およびそれに注入される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記空気流路ネットワークは、前記空気貯蔵部と前記一つ以上の流体接続部との間に配置された、前記空気貯蔵部の給気および排気時に、熱エネルギーを前記圧縮空気から取り除きおよび戻す第１の熱エネルギー貯蔵部を備える、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記第１の熱エネルギー貯蔵部は直接熱エネルギー貯蔵部である、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記補償質量流量は、前記燃焼器およびタービン内の質量流量の変化の割合が、選択された期間において、秒当たり６％を超えないことを確実にする、請求項１〜４の何れか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記補償質量流量は、前記燃焼器およびタービンを通る質量流量が、前記選択された期間に実質的に変化しない状態であることを確実にする、請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記パワー出力は、５秒以下の応答時間内に、初期のパワー出力から第２のパワー出力に調節される、請求項１〜６の何れか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記圧縮空気エネルギー貯蔵システムは、それがガスタービン作動圧力よりも、少なくとも５０ｋＰａ（０．５ｂａｒ）高い、その上流の圧力での前記一つ以上の流体接続部への注入のために空気を維持するモードでのパワー調節の前に作動している、請求項１〜７の何れか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記圧縮空気エネルギー貯蔵システムは、必要に応じて、前記空気流路ネットワーク内に存在するいずれかの熱エネルギー貯蔵部またはヒータシステムと、前記一つ以上の流体接続部との間に配置されている、前記一つ以上の流体接続部内に注入されるか、またはその接続部から抽出される空気の質量流量を調整する少なくとも一つの流量調整装置を備える、請求項１〜８の何れか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記圧縮空気エネルギー貯蔵システムと前記燃焼タービンシステムとの間の前記補償質量流量が、前記燃焼器を迂回する空気流を含む前記燃焼タービンシステムの補助流路内に設けられた一つ以上の流体接続部を介して供給される、請求項１〜９の何れか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記圧縮機の構成は、可変入口ガイド翼の角度によって変更される、請求項１〜１０の何れか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記圧縮空気エネルギー貯蔵システムは、前記一つ以上の流体接続部と流体的に連通している、前記燃焼タービンシステムから抽出された圧縮空気を減圧するための空気減圧装置をさらに備える、請求項１〜１１の何れか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記空気減圧装置は、有用なワークを抽出する、高温空気膨張機または複合燃焼器／タービンを備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記空気減圧装置は、有用なワークを抽出しない減圧装置を備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記空気減圧装置は、それ自体の独立した各空気流流路によって、前記一つ以上の流体接続部に接続される、請求項１２〜請求項１４の何れか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記ハイブリッド燃焼タービン発電システムは、（ｉ）前記パワー出力の所望の調節を得るために前記圧縮機の構成を変更する、および（ｉｉ）補償質量流量としてどのくらいの空気を前記圧縮空気エネルギー貯蔵システムと前記燃焼タービンシステムとの間に送るかを選択的に調節する制御部および関連するセンサを備える、請求項１〜１５の何れか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記補償質量流量は、前記燃焼タービンシステムが異なる発電モードに変更される前に、２０秒未満の選択された期間に供給される、請求項１〜１６の何れか一項に記載の方法。
【請求項１８】
動力機械からなる少なくとも一つのステージが、前記燃焼タービンシステムと前記空気貯蔵部との間に設けられる、請求項１〜１７の何れか一項に記載の方法。
【請求項１９】
前記動力機械からなる少なくとも一つのステージと、減圧装置とが、前記燃焼タービンシステムと前記空気貯蔵部との間の代替的流路内に設けられる、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記空気流路ネットワークは、前記空気貯蔵部から排気されている圧縮空気に熱エネルギーを伝達するヒータシステムを備える、請求項１〜１９の何れか一項に記載の方法。
【請求項２１】
前記ヒータシステムは、前記空気貯蔵部から排気されている前記空気を加熱する直接燃焼器を備える、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記ヒータシステムは、前記空気貯蔵部から排気されている前記空気を加熱する熱交換器を備える、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記燃焼タービンシステムは、前記空気貯蔵部を給気するようにも構成され、前記空気流路ネットワークは、前記燃焼タービンシステムから抽出されている圧縮空気から熱エネルギーを除去する冷却システムをさらに備える、請求項２０〜請求項２２の何れか一項に記載の方法。
【請求項２４】
前記燃焼タービンシステムに圧縮空気を給気するために、前記空気流路ネットワークまたは独立した空気流路ネットワークのいずれかを介して、前記燃焼タービンシステムを除く動力機械が設けられる、請求項２０〜請求項２２の何れか一項に記載の方法。
【請求項２５】
添付図面の図４ａ以降を参照して実質的に上述した方法またはシステム。
【請求項２６】
互いに下流方向に流体的に接続された圧縮機と、燃焼器と、タービンとを備える燃焼タービンシステムと、
前記燃焼タービンシステムから空気を抽出することができるように、または、空気を前記燃焼タービンシステムに注入できるように、前記燃焼タービンシステムへの一つ以上の流体接続部を介して前記燃焼タービンシステムと一体化された圧縮空気エネルギー貯蔵システムと、
を備えるハイブリッド燃焼タービン発電システムであって、
前記圧縮空気エネルギー貯蔵システムは、空気流路ネットワークと、前記一つ以上の流体接続部から圧縮空気貯蔵部まで通じている関連する弁構造とを備え、
前記ハイブリッド燃焼タービン発電システムは、（ｉ）パワー出力の所望の調節を得るために前記圧縮機の構成を変更する、および同時に、（ｉｉ）前記圧縮機を通る質量流量の減少または増加を部分的にまたは完全に補償するために、前記一つ以上の流体接続部を介して、補償質量流量としてどのくらいの空気を前記圧縮空気エネルギー貯蔵システムと前記燃焼タービンシステムとの間に送るかを選択的に調節する制御部および関連するセンサを備える、ハイブリッド燃焼タービン発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハイブリッド燃焼タービン発電システム、およびそのパワー出力を調節する方法に関する。特に、本発明は、従来の燃焼タービンが、圧縮空気エネルギー貯蔵（ＣＡＥＳ）システムと一体化されたハイブリッドシステムに関連する。
【背景技術】
【０００２】
熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ：ｔｈｅｒｍａｌ  ｅｎｅｒｇｙ  ｓｔｏｒａｇｅ）装置を利用した圧縮空気エネルギー貯蔵（ＣＡＥＳ：ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ  ａｉｒ  ｅｎｅｒｇｙ  ｓｔｏｒａｇｅ）システムは、１９８０年代から知られている。断熱圧縮空気エネルギー貯蔵（ＡＣＡＥＳ：ａｄｉａｂａｔｉｃ  ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ  ａｉｒ  ｅｎｅｒｇｙ  ｓｔｏｒａｇｅ）システムは、空気が、膨張する前に圧縮空気貯蔵部から出る際に、後のその空気への戻りのために、圧縮空気の圧縮熱を熱貯蔵部に貯蔵する。ＴＥＳ装置は、蓄熱媒体を含んでいる可能性があり、圧縮空気は、その蓄熱媒体を通って、その蓄熱媒体に熱を排気し、それによって、その貯蔵部を加熱し、および空気を冷却する。蓄熱媒体は、多孔質貯蔵塊の形態とすることができ、その貯蔵塊は、空気がそこを通って熱エネルギーを直接的に交換する固体粒子からなる給気床であってもよく、または、そこを通って延びているチャネルまたは相互接続孔を備えた固体マトリクスまたはモノリスを備えてもよく、または、流体は、粒子（例えば、石）等の貯蔵塊から流体を分離する熱交換パイプのネットワークを通ってもよい。
【０００３】
あるいは、圧縮空気の一部は、個別の熱貯蔵部に結合されている熱交換器を通ってもよく、その結果、熱は、熱伝達流体を介して熱貯蔵部に間接的に伝達され、その場合、その熱貯蔵部は、圧縮する必要はなく、および溶融塩または高温のオイル等の熱貯蔵媒体を含むことができる。しかし、間接的な熱伝達（間接ＴＥＳ）に基づく熱エネルギー貯蔵部は、上述したような熱を直接貯蔵する（直接ＴＥＳ）ものよりも効率がかなり低い。また、間接ＴＥＳの熱交換器は、通常、平衡状態に達するのに時間が限られているため、作動していない状態の場合、利用する前に、ある温度まで温める必要がある。さらに、大きな熱伝達率の場合、これは、かなり高価な熱交換器になる可能性がある。
【０００４】
燃焼タービンの空気注入式出力増強は、ガスタービンのパワー出力を、その通常の許容可能な最大出力まで増加させるのに用いられ、この場合、例えば、そのパワーは、高温または高い雰囲気温度により低下して、流入空気の密度を低下させる。図１は、雰囲気温度に伴う、ガスタービンのパワー出力の変化を示す。パワー出力を向上させるために、外部で圧縮されて加熱された空気が、燃焼器の上流のガスタービンに注入される。
【０００５】
ナカムキン（Ｎａｋｈａｍｋｉｎ）の特許文献１は、ハイブリッド燃焼タービン発電システム（ＣＴＰＧＳ：ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  ｔｕｒｂｉｎｅ  ｐｏｗｅｒ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍ）を提案しており、そこでは、ガスタービンは、ＡＣＡＥＳシステムと一体化され、およびガスタービンを通る空気流を増やすことによって、パワー出力が、その許容可能な最大レベル以下になった場合に、パワー出力を増加させるように、空気貯蔵部からの加圧空気が燃焼器に注入される。特許文献１において、戻ってくる貯蔵空気は、タービンからの、または、下流の蒸気タービンからの廃熱で加熱される。特許文献２は、代わりに、後の戻りのための圧縮熱を貯蔵するために、貯蔵モード中のさまざまな熱交換器ステージの利用を提案する別のハイブリッドＣＴＰＧＳに関する。
【０００６】
また、燃焼タービン（ＧＴ：ｇａｓ  ｔｕｒｂｉｎｅ）システムをＡＣＡＥＳと一体化することも提案されており、それにより、ガスタービンを複数のモードで操作できるように、すなわち、セレクタバルブ構成を燃焼タービン流路内に配置して、それらの複数のモードにおいて、空気流を燃焼タービンの内外に流すことができるように、圧縮機を選択的にタービンに結合して、および圧縮機を選択的にタービンから分離して、それらの独立した操作を可能にすることができる。しかし、現時点では、そのような分離可能なガスタービンの開発コストおよび複雑さにより、商用システムは存在していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第５，９３４，０６３号明細書
【特許文献２】国際公開第２０１３／１１６１８５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ガスタービンシステムへのＡＣＡＥＳの一体化は、そのようなハイブリッドシステムが、変化するグリッド要件に応じて、そのパワー出力を上下させることを可能にする。しかし、ハイブリッドシステムが、圧縮機とタービンが、同時操作のために常に一緒に結合され、および空気流が、圧縮機、燃焼器およびタービンを通って常に連続的に下流に流れている、従来の構成からなるガスタービンに基づいている場合、いかなるパワー調節も、ガスタービンの固有の限度および特性によって制限される。従来技術は、上下それぞれの限界を広げること、およびそのような操作のモードの効率を向上させることに重点を置いていた。しかし、反応速度を向上させる要求もある。
【０００９】
現在のグリッド要件は、発電プラントが、１０秒以内に出力を１０％増加できることを要求する。これは、送電系統オペレータ（ＴＳＯ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｏｐｅｒａｔｏｒ）により、発電の大きな損失、例えば、発電プラントの停止があった場合、または、相互接続が失われた場合に、追加的な急速出力増加をネットワークに供給するのに利用されている。ＴＳＯは、通常、通常のどのような事象も管理できる十分な容量を必要とし、または負担する。
【００１０】
大きな発電機の損失がある場合、その系統周波数がすぐに低下し始める。その周波数が低下する割合は、発電がどのくらい失われたか、どのくらい発電が残っているか、およびどのくらいの回転慣性がシステム上にあるかに関する関数である。大きな火力発電プラントは、グリッドに直接結合されているグリッド同期構造を有している。この回転プラントは慣性を有し、および周波数が低下する割合を遅延させる。
【００１１】
従来、ほとんどの大きなグリッド上では、１０秒という応答時間は、予期せぬ事象に対応するのに十分であった。
しかし、風力タービンや太陽光発電（ＰＶ：ｐｈｏｔｏ−ｖｏｌｔａｉｃ）は、大規模に採用され、また、それらは、システムに二重の影響を与えている。それらは、システムに慣性を与えず、および製造の限界コストはない。その結果として、大量の再生可能な発電がある場合、火力発電プラントは作動停止にされる。このことは、そのシステムに対する慣性の量が減少し、および周波数の変化の割合が増加することを意味する。発電ユニットのサイズが大きくなってきているというさらなる潜在的問題がある。例えば、計画されている新たな原子力発電プラントは、単位当たり約１６００ＭＷであり、このことは、グリッドオペレータは、より大きな発電の損失およびかなり速い周波数変化を可能にする必要があることを意味する。その結果、発電プラントが、１０秒ではなく、瞬時に、好ましくは、１０％の増加以上の大きな範囲にわたって出力を増加させることができることが望ましい。急速な出力の場合のこの要件は、通常、失われた発電と置換するために、他の発電資源を数分で正常にライン上に持ってくることができる場合に、短期間のみ必要である。
【００１２】
パワー出力を増加または減少させる方法は、ガスタービン内の質量流量を変更することを含む。例えば、パワー出力は、貯蔵部からより多くの空気を注入することによって増加させてもよいが、空気を注入できる速度には限界がある。例えば、熱応力を管理する必要があり、すなわち、圧力比が変化する際、圧縮機およびタービン部分内の温度がともに変化し、このことは、潜在的にガスタービンを損傷させる熱応力をもたらす可能性があり、およびメンテナンスの増加および予測されていない強制的な機能停止につながる可能性がある。もう一つの懸念は、燃焼器の安定性である。ＤＬＮ燃焼器は、通常、非常に希薄な混合物に関して作動し、空気燃料比が素早く変化した場合に、それらを噴出させることが可能である。したがって、これらの問題を避けるためには、一般に、燃焼器内の空気燃料比が急速に変更されないように、燃焼タービン内の質量流量の変化の割合を制限することが必要である。
【００１３】
本発明は、改良されたハイブリッド燃焼タービン発電システム、特に、そのシステムがそのパワー出力を、非常に短期間で（例えば、数秒以内）調節できるものを提供することに向けられている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の第１の態様によれば、
互いに下流方向に流体的に接続された圧縮機と、燃焼器と、タービンとを備える燃焼タービン（ＧＴ）システムと、
そのＧＴシステムから空気を抽出することができるように、または、ＧＴシステムに空気を注入できるように、ＧＴシステムへの一つ以上の流体接続部を介してそのＧＴシステムに一体化された圧縮空気エネルギー貯蔵（ＣＡＥＳ）システムと、
を備えるハイブリッド燃焼タービン発電システム（ＣＴＰＧＳ）のパワー出力を調節する方法が提供され、
ＣＡＥＳシステムは、空気流路ネットワークと、一つ以上の流体接続部から圧縮空気貯蔵部まで通じている関連する弁構造とを備え、
その方法は、圧縮機を通る質量流量の減少または増加を部分的にまたは完全に補償するために、その構成を変更することにより、および同時に、一つ以上の流体接続部を介して、ＣＡＥＳシステムとＧＴシステムとの間に、補償質量流量としてどのくらいの空気を送るかを選択的に調節することにより、圧縮機を通る空気の質量流量をそれぞれ選択的に減少または増加させることによって、パワー出力を増加または減少させることにより、空気がそれぞれ圧縮機、燃焼器およびタービンを通って下流に流れている間に、パワー出力を調節し、それによって、少なくとも選択した期間に、燃焼器およびタービンを通る質量流量の何らかの変化を最小限にするか、または防ぐことを含む。
【００１５】
圧縮機を通る質量流量の減少または増加は、それが引き出す出力の同程度の減少または増加につながり、そのため、それぞれ（全体の）パワー出力の対応する増加または減少につながる可能性がある。ＧＴ内に適切に配設された流体接続部を用いて、選択された質量流量で（例えば、圧縮機の質量流量の変化よりも小さいか、またはその変化にほぼ等しい質量流量で）一体化されたＣＡＥＳシステムにある程度またはより多くの空気を補償質量流量として注入することにより、および／または一体化されたＣＡＥＳシステムから、ある程度またはより多くの空気を補償質量流量として注入および抽気、あるいは注入または抽気することにより、燃焼器およびタービンを通る質量流量のいかなる変化も、すなわち、選択した期間の、そこでの圧力および温度条件のいかなる変化も最小限にしまたは防ぐことが可能である。このようにして、積極的に質量流量を部分的または完全に均衡させることにより、出力を、ＧＴ作動条件の関連する（時間依存の）変化とともに、ＧＴを通る質量流量のより著しい変化を伴う通常の方法よりも速い速度で変化させることができる。
【００１６】
現在、発電プラントは、周波数応答モード（ＦＲモード）、すなわち、発電プラントが、それによって十秒以内に、グリッド変動に適合するように出力を１０％増加させることができる初期発電モードで作動するように要求される可能性がある。本発明は、発電プラントが、改良型周波数応答モード（ＩＦＲモード）を、すなわち、発電プラントが、それによって、出力を１０秒未満で、例えば、７秒以内の応答時間で、または好ましくは、５秒以内でも、または、３秒以内でも第２のパワー出力に調節できる初期発電モードを提供することを可能にする。ハイブリッドシステムは、ＩＦＲモードおよびあまり緊急を要しないＦＲモードの両方で作動するように構成してもよい。
【００１７】
好適な実施形態において、ＣＡＥＳシステムは、ＧＴシステムを介して給気および排気するように、ＧＴシステムと一体化され、空気は、一つ以上の流体接続部を介してそれから抽出され、およびそれに注入される。ＣＡＥＳシステムは、通常、空気をＧＴシステムに送り、およびＧＴシステムから圧縮空気を受け取って貯蔵するが、例えば、ＣＡＥＳシステムが、独立した動力機械によって追加的に給気されるか、または、その動力機械だけによって給気される他のハイブリッドシステムは除外されない。
【００１８】
効率向上のために、圧縮空気エネルギー貯蔵システムは、通常、熱エネルギー（すなわち、圧縮熱）を貯蔵し、および圧縮空気に戻す断熱圧縮空気エネルギー貯蔵システム（ＡＣＡＥＳ）を備えている。したがって、空気流路ネットワークは、後者と一つ以上の流体接続部との間に配置された空気貯蔵部を給気および排気する際に、熱エネルギーを取り除きおよび圧縮空気に戻す第１の熱エネルギー貯蔵部（ＴＥＳ）を備えていてもよい。
【００１９】
好適な実施形態において、第１のＴＥＳは、直接ＴＥＳである。直接熱伝達に基づく貯蔵部は、圧縮空気がそこを通って、熱を熱貯蔵媒体に排気し、それによってその貯蔵部を加熱し、および空気を冷却する蓄熱媒体を含む。それは、その中に貯蔵された熱をガスフローに効率的にかつ遅延なく戻すことができる。蓄熱媒体は、多孔質貯蔵塊の形態であってもよく、それは、空気がそこを通って、熱エネルギーを直接交換する固体粒子からなる給気層であってもよく、または、それは、そこを通って延びているチャネルまたは相互接続孔を備えた固体マトリクスまたはモノリスからなっていてもよく、または、流体は、粒子（例えば、岩）からなる給気層等の貯蔵塊から流体を分離する熱交換パイプネットワークを通ってもよい。
【００２０】
また、直接ＴＥＳは、常に大量の空気も有している可能性があり、そのことは、弁が急速に開閉する場合に、それがある程度の減衰をＴＥＳ内の圧力変動に与えることができるため有利である。さらに、さらなる減衰が必要な場合、ＴＥＳに直接結合されている一つ以上の追加的な圧縮空気バッファ（ＴＥＳと同じ圧力でのおよび開流体接続部によって結合された空気の容積）を設けることが有利になる可能性がある。それらは、通常、ＴＥＳの雰囲気温度側に接続される。それらのさらなる圧縮空気の容積の追加は、（ＴＥＳの内外のいずれかへの）弁の急速な開閉からＴＥＳ内のいなかる圧力変動もさらに減少させるであろう。一つ以上のバッファは、ＴＥＳ内の自由容積の少なくとも２倍、または、自由容積の少なくとも３倍、または、ＴＥＳ内の自由容積の少なくとも４倍である、自由空気の追加的な容積を設けてもよい。
【００２１】
ＣＡＥＳシステムは、第１の間接ＴＥＳ、すなわち、間接熱伝達に基づく熱エネルギー貯蔵部を備えてもよい。これは、独立した熱貯蔵部に結合されている熱交換器を備えてもよく、その結果、熱は、熱伝達流体を介して後者に間接的に伝達され、その場合、熱貯蔵部を加圧する必要はなく、また、熱貯蔵部は、溶融塩または高温油等の蓄熱媒体を含むことができるであろう。しかし、そのような貯蔵部はあまり効率的ではなく、直接ＴＥＳは、作動していない場合、再び温める必要がある。
【００２２】
以下でさらに説明するように、ヒータシステムを、直接または間接ＴＥＳの代わりに設けてもよく、または、直接または間接ＴＥＳに加えて設けてもよく、例えば、この場合、熱は、化石燃料によって直接または間接的に供給される。
【００２３】
好適な実施形態において、補償質量流量は、燃焼器およびタービン内の質量流量の変化の割合が、選択された期間に（その流量に対して）秒当たり６％を超えないことを確実にする。しかし、より好適には、秒当たり４％以下、または、秒当たり２％以下の変化に制限される。
【００２４】
極めて好適な実施形態においては、補償質量流量は、燃焼器およびタービンを通る質量流量が、選択された期間に、実質的に変化しない状態を確保する。したがって、その補償質量流量は、圧縮機を通る質量流量の変化に適合するように正確に選択的に調節することができる。このようにして変化を打ち消すことにより、燃焼器およびタービン内で、実質的に変化しない質量流量を維持することができる（例えば、そこでの前の質量流量の±２％だけ変化する）。そのため、燃焼器およびタービン内の温度および圧力状態は、広範囲にわたって変化しない状態になる。その結果、パワーが調節される割合は、熱応力を避けること、または、燃焼器を不安定にすること等の、ガスタービンを保護することに関連する通常の留意事項によって制限されない。このようにして、出力を、非常に高速の応答期間内に、一定の範囲内で調節することができる。
【００２５】
好適な実施形態において、パワー出力は、５秒以下の応答時間内で（例えば、初期発電モードにおける）初期パワー出力から（例えば、第２の発電モードにおける）第２のパワー出力に調節される。
【００２６】
一つの実施形態において、ＣＡＥＳシステムは、パワー調節の前の（例えば、燃焼器内の）ガスタービン作動圧力よりも少なくとも５０ｋＰａ（０．５ｂａｒ）、または１００ｋＰａ（１ｂａｒ）、または５００ｋＰａ（５ｂａｒ）高いその上流での圧力における一つ以上の流体接続部への注入のための空気を維持するモードで作動している。したがって、出力を調節する必要がある場合、空気（または、より多くの空気）を、この圧力低下の範囲にわたって作動する高速応答弁によって、ガスタービン内に迅速に注入することができる。また、より大きな圧力低下も、いずれかの側（具体的には、弁の上流、すなわち、弁とＴＥＳとの間の）過渡圧力変化があまり影響を及ぼさないため、質量流量を正確に調節できることを意味する。好ましくは、ＣＡＥＳシステムは、一旦、パワー調節工程が、選択された期間、例えば、少なくとも３秒、または好ましくは、少なくとも５秒間の間に始まると、この圧力低下を持続できるように構成されている。
【００２７】
一つの実施形態において、ＣＡＥＳシステムは、必要に応じて、流路ネットワーク内に存在するＴＥＳまたはヒータシステムと、一つ以上の流体接続部との間に配置されている一つ以上の流体接続部内に注入されるか、またはその接続部から抽出される空気の質量流量を調整する少なくとも一つの流量調整装置を備えている。
【００２８】
流量調整装置は、それを通る一定または可変（であるが制御されている）流量を維持する機構であってもよい（これは、可変圧力差がその流量調整装置にわたる状態で、一定または可変の流量を可能にするように、能動的に制御してもよい）。圧力は、上述した理由により、上記で言及したように、流量調整装置の上流で変化する可能性がある。その装置は、補償質量流量が緻密に制御されるように、流量を選択的に（例えば、好ましくは細かく）調節すべきである。速い応答時間が必要な場合、弁のさらなる開きは、ＧＴシステム内への空気の急速なフロー（注入）を可能にすることができる。流量調整装置は、通常、制御部と、それから質量流量データを得ることができる（例えば、圧力や温度等の測定を行う）フローネットワーク内の何らかの所要のセンサとに作動可能に結合される。また、シンプルな（オン／オフ）弁を、いずれかの流量調整装置の上流または下流に設けてもよく、そのことは、流量調整装置を新たな所望の設定の前に調節できるようにする。
【００２９】
流路ネットワーク内に存在するいずれかのＴＥＳまたはヒータシステムと、圧縮空気貯蔵部との間には、通常、さらなる流量調整装置が必要である。また、（稼働していない場合または始動および／または運転停止中に、任意の動力機械を空気貯蔵部の高圧から保護するために）追加的な弁、バイパス弁または通気弁がある可能性がある。
【００３０】
一つの実施形態においては、ＣＡＥＳシステムとＧＴシステムとの間の補償質量流量が、燃焼器を迂回する空気流（バイパス空気流）を含むＧＴシステムの補助流路内に設けられた一つ以上の流体接続部を介して設けられている。
【００３１】
上記一つ以上の流体接続部は、弁によって制御されるものを含む、何らかのポート（例えば、抽気または注入ポート）、または、空気をＧＴシステムから抽出することができ、または空気をＧＴシステムに注入できるようになっている開口部であってもよく、すなわち、異なる流体接続部を、それぞれ抽気および注入に用いてもよい。それらの接続部は、ガスタービンを通って流下する主気流から直接または間接的に空気を抽出することができるように、または主気流に空気を直接または間接的に注入できるように配設することができる。また、ダクト内の空気を調節することを、上述した燃焼器およびタービン内の質量流量のバランスを取ることに間接的に利用できるため、流体接続部は、（圧縮機からの）冷却空気をガスタービンの異なる部分に導く導管を含む、燃焼器を迂回する空気流（バイパス空気流）を含むＧＴシステム内の補助流路内に設けてもよい。
【００３２】
一つの実施形態において、圧縮機の構成は、可変入口ガイド翼の角度を変更することによって変更される。ＧＴ圧縮機には、それを通る質量流量を変えるために単独または一緒に用いてもよい以下のうちのいずれか、すなわち、可変入口ガイド翼（ＩＧＶ）、可変出口ガイド翼（ｅｘｉｔ  ｇｕｉｄｅ  ｖａｎｅ：ＥＧＶ）または他の可変圧縮機形態、または圧縮機入口制限器、または圧縮機に結合された他の入口装置（例えば、フィルタ）が設けられていてもよい。
【００３３】
圧縮機構成の変更（例えば、設定）は、圧縮機形態の変更を含み、および好ましくは、（例えば、その温度等の、吸気の他の特性とは対照的に）吸引した空気の質量流量を変更するだけである。大規模な産業用ガスタービンの場合、圧縮機の通常の制御は、可変入口ガイド翼である。それらは、一般に、圧縮機を通る質量流量を７０％（全閉）から１００％（全開）まで変化させることができる。また、それらは、ガスタービンを始動するときに用いられるいくつかの追加的なブローオフバルブ（排出口）であってもよい。
【００３４】
したがって、圧縮機を通る質量流量は、ガイド翼をあまり開かないことによって減少させることができ、または、ガイド翼をより大きく開くことによって増加させることができる。ＩＦＲモードにおいては、ガイド翼設定は、それが、次の発電モードに必要な量だけ、翼設定を変更する容量を有するように、明確に選択すべきである。通常、それは、翼がさらに開くことが可能であり、およびさらに閉じることが可能であるように（部分的に開いた位置で）設定され、両方向の調節が可能であるが、入口ガイド翼が全開されるＩＦＲモードの動作は、１００％パワー出力で作動している間に、出力を急速に増加させる能力のみを有することが所望される場合には排除されない。これは、一般に、発電の最も有効なモードであり、また、大きな発電資産を失うことは、大きな負荷を失うことよりもより一般的であるため（すなわち、ほとんどの発電プラントは、それらがサービスを提供する顧客よりもかなり大きい）、一般的には、出力を急速に増加させる能力は、出力を減少させる能力よりも、より価値がある。
【００３５】
一つの実施形態において、ＣＡＥＳシステムはさらに、（空気をＣＡＥＳに貯蔵するのではなく）ＧＴシステムから抽出された圧縮空気を減圧するための、一つ以上の流体接続部に流体的に連通する空気減圧装置を備えている。
【００３６】
空気減圧装置は、圧縮機質量流量を変化させることができる範囲を増加させることができる場合、増加したパワー調節を可能にする。したがって、ガスタービンが、（圧縮機サージまたは停止を回避するために）５０ｋｇ／ｓの空気を安全に注入できるだけであり、注入フローが、パワー調節に利用されるだけの場合、５０ｋｇ／ｓも、圧縮機質量流量の急速な変動量に関して限界になる。そのため、初期発電モードにおける抽気の戦略的利用（すなわち、抽出モード）は、後のパワー調節工程中の注入によって可能になる範囲に加えて明確な範囲を増加させることができる。しかし、空気減圧装置を通る抽気フローは、ＧＴに対するより多くの変更（例えば、より大きなポート）を要するより大きな排気フローを伴う、有効なペナルティおよび追加的な機械コストを伴うことになる。
【００３７】
空気減圧装置は、有効なワークを抽出する熱風膨張機または複合燃焼器／タービンを備えていてもよい。
抽出している圧縮空気を減圧するための空気減圧装置は、有用なワークを抽出する熱風膨張機、例えば、それ自体の雰囲気空気出口を備える熱風膨張機、または、必要に応じて（ＧＴシステム用の）主ＨＲＳＧに接続された複合燃焼器／タービン、または、それ自体のＨＲＳＧおよび蒸気タービンを備えていてもよい。熱風膨張機またはタービンは、一般的に、主ガスタービンと同じ最大圧力比以上で作動することができなければならない。このような装置は、急速なパワー調節を始めることが望ましい場合に、低温始動から応答することができないが、ＧＴシステムが、急速なパワー調節をもたらすように要請されることを予定するモード（例えば、初期発電モード）で作動している場合に、有用なワークを生成するのに用いることができる。このような燃焼器／タービンは、ＨＲＳＧを介して追加的な出力を生成するその排気ではなく、タービンからの排気によって事前に加熱された燃焼器への圧縮空気を有することができる。
【００３８】
ＧＴと同様に、そのシステムは、質量流量が、熱風膨張機または複合燃焼器／タービン内で変化しない状態であり、または、特に燃焼器／タービン構成が用いられる場合に、パワー調節後に少量変化させるだけ（例えば、そこでの前の質量流量の±６％／秒以下だけ変化させる）であるように構成してもよい。これは、（膨張されている）空気のソースが、パワー調節後に変化する場合（例えば、ＧＴから排気された空気が、貯蔵部からの空気と置換されている）であってもよい。
【００３９】
当業者には、熱風膨張機または複合燃焼器／タービンが直接、ガスタービンに接続され、それによって、大量の空気を処理することは理解されるであろう。その結果、そのガスタービンは、これが変えることができる流量に強い影響を及ぼすことになる。例えば、減圧装置への質量流量が、チョーク弁によって制御される場合には、主ガスタービン内の圧力が変化する際に、上流の圧力のみが変化することになる。その結果、このことは、ガスタービンに見られる同様のレベルまでの変化に制限されることになる。あるいは、減圧装置に対して可変流量制御がある場合、空気減圧装置を通る質量流量を、著しい温度変化を伴うことなく、著しく変化させることが可能であってもよい。（これは、それが、可変ガイド翼がより容易に機能できる温度で作動する場合には、熱風膨張機にとっては、あまり負荷にはならない可能性がある。）
あるいは、空気減圧装置は、有用なワークを抽出しない装置、例えば、大気への排気弁／絞り弁（すなわち、より高い質量流量で作動できるより低コストの装置）であってもよい。後者は（動力機械とは違って）、低温始動から急速に応答することができるため、急速なパワー調節を始めることが望ましい場合に作動される必要はなく、および大気に排出することにより、必要に応じて、は１ＭＰａ〜２ＭＰａ（１０〜２０ｂａｒ）の範囲内の圧力低下を伴って、パワー調節中に極めて急速な排気を実行することができる。このことは、熱風膨張機への接続部よりも、補償質量流量の良好な制御ならびに出力の著しい低下を可能にするが、このモードは、その非効率性を考慮すると、明らかに過渡モードとしてのみ用いられるであろう。
【００４０】
一つの実施形態において、空気減圧装置は、それ自体の独立した各空気流流路によって、（ＣＡＥＳシステムの状態とは無関係な動作用の）一つ以上の流体接続部に接続されている。したがって、空気減圧装置は、通常、空気が貯蔵部に流れる空気流流路のうちの少なくともいくつかを共用してもよく、または、それらの減圧装置が、ＣＡＥＳシステムの作動状態とは無関係に作動できるように、一つ以上の流体接続部への独立した各（例えば直接）空気流流路を備えていてもよい。
【００４１】
一つの実施形態において、ハイブリッドシステムは、（ｉ）パワー出力の所望の調節を得るために圧縮機の構成を変更する、および（ｉｉ）ＣＡＥＳシステムとＧＴシステムとの間に、補償質量流量としてどのくらいの空気を送るかを選択的に調節する制御部および関連するセンサを備えている。
【００４２】
パワー調節のすぐ前に、ＧＴシステムは、ＣＡＥＳシステムとＧＴシステムとの間に空気が送られていない、または、空気がＣＡＥＳシステムからＧＴシステムに注入されている可能性がある、または、空気が、ＧＴシステムからＣＡＥＳシステムに抽出されている可能性がある初期発電モードで作動していてもよい。したがって、ＣＡＥＳシステムは、出力を調節する前に、非作動モード、給気モードまたは排気モードのうちのいずれかになっていてもよい。通常は、ピーク期間中の需要のサージに適合させるために、ハイブリッドシステムが、全（ピーク）負荷（例えば、１００％負荷の１５％以内または１０％以内または５％以内）またはその近くで作動している場合には、パワー調節が必要になるであろう。
【００４３】
高速応答の場合、パワー調節に必要なすべての装置は、急速に応答できなければならない。それに応じて、装置は、低温始動から応答できなければならず（例えば、排気または圧力低下弁）、あるいは、そのようにすることができない装置の場合は、初期発電モードは、当該装置が既に作動しているか（例えば、熱風膨張機）、または、（例えば、最小設定で）待機状態で維持されるモードでなければならない。例えば、ＣＡＥＳシステムが、その熱を保持する第１の直接ＴＥＳを備えている場合、そのＣＡＥＳシステムは、非作動状態から応答して、貯蔵部から貯蔵された熱い圧縮空気を供給してもよい。ＣＡＥＳシステムが、熱が熱交換器を介して他の貯蔵部に伝達される第１の間接ＴＥＳを備えている場合には、このような構成は、熱交換器が既に作動して、ある温度になっているように、初期発電モードで作動されている必要がある。
【００４４】
一つの実施形態において、補償質量流量は、ＧＴシステムが異なる発電モードに変わる前の２０秒未満（または、３０秒未満、または、１分未満）の選択された期間の間、供給される。
【００４５】
出力が、初期発電モードにおける初期パワー出力から、第２の発電モードにおける第２のパワー出力に調節される場合、そのモードは、過渡モードとして、単に極めて急速な応答を一時的にもたらすのに用いられる可能性がある。そのため、その第２のモードにおいて、補償質量流量が供給される選択された期間は、異なる発電モードに変わる前の１分未満（または、３０秒未満、または２０秒未満）であってもよい。
【００４６】
その場合、出力のさらなる調節は、燃焼器およびタービン内の下流の質量流量の通常の付随する変化に伴って、より遅めに（例えば、次の５〜１５秒に）従来の方法で実行してもよい。
【００４７】
しかし、ハイブリッドシステムは、それがエネルギー効率が良い場合、かなりの期間（例えば、１０分以上、または、３０分以上）、第２の発電モードで作動したままの状態であってもよい。
【００４８】
一つの実施形態において、ＧＴシステムと空気貯蔵部との間には、必要に応じて、流路ネットワーク内に存在するいずれかのＴＥＳまたは他の熱除去システムと、空気貯蔵部との間には、動力機械からなる少なくとも一つのステージが設けられている。動力機械からなる少なくとも一つのステージおよび減圧装置（例えば、絞り弁）を、ＧＴシステムと空気貯蔵部との間の代替的な流路内に設けてもよい。通常、その動力機械からなるさらなるステージは、有用なワークを抽出しない、および絞り弁を備えていてもよい減圧装置への平行流路内に配置された中間冷却圧縮機を備えているであろう。
【００４９】
一つの実施形態において、空気流路ネットワークは、空気貯蔵部から排気されている圧縮空気に熱エネルギーを伝達するヒータシステムを備えている。
このような（戻る蓄熱ではない）ヒータシステムは、第１の熱エネルギー貯蔵部（ＴＥＳ）の代わりに、または、ＴＥＳに加えて、空気流路ネットワーク内に設けてもよい。それが追加的に設けられている場合、これは連続していてもよく、例えば、（補給熱を供給するために）ＴＥＳとＧＴ流体接続部との間の下流に配置してもよい。あるいは、それは、例えば、（追加的な質量流量のための）追加的な熱を供給するために、または、より高速に熱を供給するために、または、異なる温度で熱を供給するために、代替的に（例えば、並列に）設けてもよい。ヒータシステムは、貯蔵部から戻る空気を、（例えば、ＧＴシステム条件に適合するように、または、選択した量だけそれらの条件を超えるように）予測されるＧＴシステム条件を考慮して、所望の温度まで加熱することができるように構成してもよい。例えば、制御システムは、燃焼器内の著しい温度変化を最小限にするために、注入されたフローが、現在のＧＴ圧縮機出口温度とは異なる５０℃未満、より一般的には３０℃未満、または、２０℃未満に確実になるように、急速なパワー調節（例えば、注入フローを伴うように始まる調節）時に、新たに注入されたフローの温度を選択的に調節してもよい。直接または間接ＴＥＳは、それが給気されたのとほぼ同じ温度（必然的にわずかに低下する）で熱を戻すという点で、柔軟性に劣る。このため、追加的なヒータシステムがない場合、ＧＴシステムが、それによって向上した周波数応答を呈し、その結果、ＴＥＳを介して戻る空気が、適当な温度の熱を受け取るモード（すなわち、初期モード）と同様の（または、それに対してわずかに増加している）動作条件で動作している状態で、直接または間接ＴＥＳを含むＡＣＡＥＳハイブリッドシステムに圧縮空気を給気することが望ましい可能性がある。
【００５０】
このようなヒータシステムは、空気貯蔵部から排気されている空気を加熱する直接燃焼器を備えていてもよい。
（通常、化石燃料を伴うガス流路内の内燃機関に基づく）直接燃焼器は、ＴＥＳよりも効果的ではないが便利であり、および迅速に応答することができる。それは、間接燃焼に基づくどのような加熱システムよりも燃料を多く使用せず、排出ガスは、独立した排出装置を必要としない。このような追加的な直接燃焼の燃焼器は、急なパワー調節要求に応えるために、容易に待機状態を維持することができる。
【００５１】
あるいは、ヒータシステムは、空気貯蔵部から排気されている空気を加熱する熱交換器を備えていてもよい。したがって、そのヒータシステムは、空気貯蔵部から排気されている空気、通常は、（例えば、化石燃料の）燃焼によって間接的に加熱された空気を加熱する間接加熱熱交換器を備えていてもよい。このような構成は、直接燃焼器よりも効果的ではなく、および応答するために待機状態を維持するのがより難しい可能性がある。
【００５２】
空気貯蔵部から排気されている空気を加熱するために、ヒータシステムが設けられている場合、ＧＴハイブリッドシステムもまた、空気貯蔵部を給気するように構成することができ、その場合、空気流路ネットワークは、ＧＴシステムから抽出されている圧縮空気から熱エネルギーを除去する冷却システム（熱抽出システム）をさらに備えていてもよい。
【００５３】
後の戻りのために、熱がＣＡＥＳシステムに貯蔵されていない場合（断熱ＣＡＥＳ）、抽出された空気からの圧縮熱を除去（および排出）するある形態の冷却システム（例えば、冷却熱交換器）が好ましい。いずれかの下流の追加的な圧縮機は、貯蔵の前に再び熱を除去するための冷却器（例えば、中間冷却器、最終冷却器）を必要とする。
【００５４】
あるいは、ヒータシステムが設けられている場合、空気貯蔵部に圧縮空気を給気するために、空気流路ネットワークまたは独立した空気流路ネットワークのいずれかを介して、ＧＴシステムを除く動力機械を設けてもよい。
【００５５】
例えば、小さな（供給される雰囲気空気）中間冷却圧縮機、または、一連の圧縮機ステージは、パイプ貯蔵部等の圧縮空気貯蔵部を、小さな質量流量で給気することができ、この場合、ハイブリッドシステムは、まれに貯蔵部から（例えば、急速な）パワー調節をもたらすことが必要なだけであり、その結果、再給気を、小さな動力機械を用いて、ゆっくりと実施することができる。
【００５６】
ハイブリッドシステムは、単純サイクルガスタービンシステム（ＯＣＧＴ）を備えてもよく、または、複合サイクルガスタービン（ＣＣＧＴ）システムの一部を構成してもよく、または、他の何らかの適当な派生燃焼タービンプラントを備えていてもよい。
【００５７】
第１の態様によれば、
互いに下流方向に流体的に接続された圧縮機と、燃焼器と、タービンとを備える燃焼タービン（ＧＴ）システムと、
ＧＴシステムから空気を抽出することができるように、または、空気をＧＴシステムに注入できるように、ＧＴシステムへの一つ以上の流体接続部を介してＧＴシステムと一体化された圧縮空気エネルギー貯蔵システム（ＣＡＥＳ）システムと、
を備えるハイブリッド燃焼タービン発電システム（ＣＴＰＧＳ）であって、
ＣＡＥＳシステムが、空気流路ネットワークと、一つ以上の流体接続部から圧縮空気貯蔵部まで通じている関連する弁構造とを備え、
ＣＴＰＧＳは、（ｉ）パワー出力の所望の調節を得るために圧縮機の構成を変更する、および同時に、（ｉｉ）圧縮機を通る質量流量の減少または増加を部分的にまたは完全に補償するために、一つ以上の流体接続部を介して、補償質量流量としてどのくらいの空気をＣＡＥＳシステムとＧＴシステムとの間に送るかを選択的に調節する制御部および関連するセンサを備えている、ハイブリッド燃焼タービン発電システムがさらに提供される。
【００５８】
ハイブリッドＣＴＰＧＳは、既に概説した何らかの一つ以上の他の形状構成をさらに備えていてもよい。
さらなる態様においては、
互いに下流方向に流体的に接続された圧縮機と、燃焼器と、タービンとを備える燃焼タービン（ＧＴ）システムと、
そのＧＴシステムから空気を抽出することができるように、または、ＧＴシステムに空気を注入できるように、ＧＴシステムへの一つ以上の流体接続部を介してそのＧＴシステムと一体化された断熱圧縮空気エネルギー貯蔵（ＡＣＡＥＳ）システムと、
を備え、
ＡＣＡＥＳシステムが、空気流路ネットワークと、それぞれ、空気貯蔵部の給気および排気時に、熱エネルギーを除去し、および熱エネルギーを圧縮空気に戻す第１の熱エネルギー貯蔵部（ＴＥＳ）を介して一つ以上の流体接続部から圧縮空気貯蔵部まで通じている関連する弁構造とを備え、および
動力機械からなる少なくとも一つのさらなるステージが、第１のＴＥＳと空気貯蔵部との間に設けられ、および
その方法は、圧縮機を通る質量流量の減少または増加を部分的にまたは完全に補償するために、空気がそれぞれ下流方向に圧縮機、燃焼器およびタービンを通過している間に、その構成を変更することにより、および同時に、一つ以上の流体接続部を介して、ＡＣＡＥＳシステムとＧＴシステムとの間に、補償質量流量としてどのくらいの空気を送るかを選択的に調節することにより、圧縮機を通る空気の質量流量をそれぞれ選択的に減少または増加させることによってパワー出力を増加または減少させることにより、パワー出力を調節し、それによって、少なくとも選択した期間に、燃焼器およびタービンを通る質量流量の何らかの変化を最小限にするか、または防ぐことを含む、ハイブリッド燃焼タービン発電システム（ＣＴＰＧＳ）のパワー出力を調節する方法が提供される。
【００５９】
さらなる態様においては、
互いに下流方向に流体的に接続された圧縮機と、燃焼器と、タービンとを備える燃焼タービン（ＧＴ）システムと、
そのＧＴシステムから空気を抽出することができるように、または、ＧＴシステムに空気を注入できるように、ＧＴシステムへの一つ以上の流体接続部を介してそのＧＴシステムと一体化された断熱圧縮空気エネルギー貯蔵（ＡＣＡＥＳ）システムと、
を備えるハイブリッド燃焼タービン発電システム（ＣＴＰＧＳ）のパワー出力を調節する方法であって、
ＡＣＡＥＳシステムが、空気流路ネットワークと、それぞれ空気貯蔵部の給気および排気時に、熱エネルギーを除去し、および熱エネルギーを圧縮空気に戻す第１の熱エネルギー貯蔵部（ＴＥＳ）を介して一つ以上の流体接続部から圧縮空気貯蔵部まで通じている関連する弁構造とを備え、および
動力機械からなる少なくとも一つのさらなるステージが、第１のＴＥＳと空気貯蔵部との間に設けられ、
その方法は、空気がそれぞれ下流方向にＧＴシステムの圧縮機と、燃焼器と、タービンとを通って発電する初期発電モードでＧＴシステムを作動させることと、以下のステップ、すなわち、
（ｉ）燃焼器およびタービンを通る質量流量が変化しない状態であるように、その構成を変更し、および同時に、一つ以上の流体接続部を介してどのくらいの空気をＡＣＡＥＳシステムとＧＴシステムとの間に送るかを調節することによって、圧縮機を通る空気の質量流量を減少させることによって出力されるパワーを増加させるステップと、
（ｉｉ）燃焼器およびタービンを通る質量流量が変化しない状態であるように、その構成を変更し、および同時に、一つ以上の流体接続部を介してどのくらいの空気をＡＣＡＥＳシステムとＧＴシステムとの間に送るかを調節することによって、圧縮機を通る空気の質量流量を増加させることによって出力されるパワーを減少させるステップ、
のうちの少なくとも一方によって、（例えば、第２のパワー出力を伴う）第２の発電モードを実現するように、そのパワーを調節することとを含む方法が提供される。
【００６０】
以下の実施形態は、上記で概説した態様のいずれかに用いることができる。
一つの実施形態において、その方法は、空気がそれぞれ、ＧＴシステムの圧縮機、燃焼器およびタービンを通って下流方向に流れて発電する初期発電モードでＧＴシステムを作動させることと、以下のステップ、すなわち、
（ｉ）燃焼器およびタービンを通る質量流量が、ほぼ変化していない状態になるように、その構成を変更し、および同時に、一つ以上の流体接続部を介して、どのくらいの空気をＣＡＥＳシステムとＧＴシステムとの間に送るかを調節することによって、圧縮機を通る空気の質量流量を減少させることによりパワー出力を増加させるステップと、
（ｉｉ）燃焼器およびタービンを通る質量流量が、ほぼ変化していない状態になるように、その構成を変更し、および同時に、一つ以上の流体接続部を介して、どのくらいの空気をＣＡＥＳシステムとＧＴシステムとの間に送るかを調節することによって、圧縮機を通る空気の質量流量を増加させることによりパワー出力を減少させるステップ、
のうちの少なくとも一つによって、第２の発電モード（例えば、第２のパワー出力で）第２の発電モードを実現するようにパワーを調節することとを含む。
【００６１】
ステップ（ｉ）では、（例えば、ＣＡＥＳシステムまたは補助減圧装置に）抽出される空気の量は減少させてもよく、または、ＣＡＥＳシステムから注入される空気の量は増加させてもよく、または、これらの両方が行われる。ステップ（ｉｉ）では、ＣＡＥＳシステムから注入される空気の量は減少させてもよく、または、ＣＡＥＳシステムまたは補助減圧装置に抽出される空気の量は増加させてもよく、または、これらの両方が行われる。ステップ（ｉ）または（ｉｉ）において、改善された応答期間に適合する適切な応答性でＣＡＥＳシステムを構成できる場合、ＣＡＥＳは、非作動モードまたは排気モードまたは給気モードのうちのいずれかで作動することから、他のそのようなモードに切り替えてもよい。
【００６２】
一つの実施形態において、パワー出力は、まず、ステップ（ｉ）を実施することによって増加され、それにより、燃焼器およびタービン内の質量流量は変化しない状態であり、その後さらに、次のステップ（Ｉ）を実施することによって増加され、それにより、燃焼器およびタービン内の質量流量が増加される。例えば、圧縮機を通る空気の質量流量は、高速の最初のステップ（ｉ）において、ＣＡＥＳが、下流の（すなわち、フロー接続部の下流）ＧＴ状態を変化させないように維持するように補償する間に、ＧＴパワー出力を増加させるように、ガイド翼をあまり開かないようにすることによって減少させてもよい。その場合、全体のパワー出力は、ガイド翼をより大きく開かせて、ＧＴシステム内の下流の質量流量（および圧力および温度）をゆっくりと上昇させることを可能にすることにより、さらに増加させてもよい。あるいは、または、ガイド翼を再度開くことに加えて、ＣＡＥＳは、下流のＧＴ質量流量がこのとき上昇して、全体のパワー出力が増加するように、選択した質量流量で、ある程度の空気をＧＴシステムに注入してもよい。
あるいは、別の実施形態では、ＧＴパワー出力は、まず、ステップ（ｉｉ）を実施することによって減少され、それにより、燃焼器およびタービン内の質量流量は変化しない状態であり、その後、次のステップ（ＩＩ）を実施することによってさらに減少され、それにより、燃焼器およびタービン内の質量流量が減少される。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
次に、本発明の具体的な実施形態を、添付図面を参照して、単なる例示として説明する。
【図１】雰囲気温度に対するガスタービンのパワー出力の変動を示すグラフである。
【図２】工業用ガスタービンおよびその補助導管の模式図である。
【図３ａ】ハイブリッド燃焼タービン発電システム（ＣＴＰＧＳ）において、どのようにパワー出力を変更できるかを示す模式図である。
【図３ｂ】ハイブリッド燃焼タービン発電システム（ＣＴＰＧＳ）において、どのようにパワー出力を変更できるかを示す模式図である。
【図３ｃ】ハイブリッド燃焼タービン発電システム（ＣＴＰＧＳ）において、どのようにパワー出力を変更できるかを示す模式図である。
【図３ｄ】ハイブリッド燃焼タービン発電システム（ＣＴＰＧＳ）において、どのようにパワー出力を変更できるかを示す模式図である。
【図３ｅ】ハイブリッド燃焼タービン発電システム（ＣＴＰＧＳ）において、どのようにパワー出力を変更できるかを示す模式図である。
【図４ａ】本発明の第１の実施形態によるＣＴＰＧＳにおいて、どのようにパワー出力を変更できるかを示す模式図である。
【図４ｂ】本発明の第１の実施形態によるＣＴＰＧＳにおいて、どのようにパワー出力を変更できるかを示す模式図である。
【図４ｃ】本発明の第１の実施形態によるＣＴＰＧＳにおいて、どのようにパワー出力を変更できるかを示す模式図である。
【図５ａ】本発明の第２の実施形態によるＣＴＰＧＳにおいて、どのようにパワー出力を変更できるかを示す模式図である。
【図５ｂ】本発明の第２の実施形態によるＣＴＰＧＳにおいて、どのようにパワー出力を変更できるかを示す模式図である。
【図５ｃ】本発明の第２の実施形態によるＣＴＰＧＳにおいて、どのようにパワー出力を変更できるかを示す模式図である。
【図６ａ】本発明の第３の実施形態によるＣＴＰＧＳにおいて、どのようにパワー出力を変更できるかを示す模式図である。
【図６ｂ】本発明の第３の実施形態によるＣＴＰＧＳにおいて、どのようにパワー出力を変更できるかを示す模式図である。
【図６ｃ】本発明の第３の実施形態によるＣＴＰＧＳにおいて、どのようにパワー出力を変更できるかを示す模式図である。
【図７ａ】本発明の第４の実施形態によるＣＴＰＧＳにおいて、どのようにパワー出力を変更できるかを示す模式図であり、通気弁を備える、変更されたＣＴＰＧＳが、図７ｂに対する代替例として図７ｄに図示されている。
【図７ｂ】本発明の第４の実施形態によるＣＴＰＧＳにおいて、どのようにパワー出力を変更できるかを示す模式図であり、通気弁を備える、変更されたＣＴＰＧＳが、図７ｂに対する代替例として図７ｄに図示されている。
【図７ｃ】本発明の第４の実施形態によるＣＴＰＧＳにおいて、どのようにパワー出力を変更できるかを示す模式図であり、通気弁を備える、変更されたＣＴＰＧＳが、図７ｂに対する代替例として図７ｄに図示されている。
【図７ｄ】図７ｂに対する代替例を示す図である。
【図８ａ】本発明の第５の実施形態による、熱風膨張機を備えたＣＴＰＧＳにおいて、どのようにパワー出力を変更できるかを示す模式図である。
【図８ｂ】本発明の第５の実施形態による、熱風膨張機を備えたＣＴＰＧＳにおいて、どのようにパワー出力を変更できるかを示す模式図である。
【図８ｃ】本発明の第５の実施形態による、熱風膨張機を備えたＣＴＰＧＳにおいて、どのようにパワー出力を変更できるかを示す模式図である。
【図８ｄ】本発明の第５の実施形態による、熱風膨張機を備えたＣＴＰＧＳにおいて、どのようにパワー出力を変更できるかを示す模式図である。
【図８ｅ】本発明の第５の実施形態による、熱風膨張機を備えたＣＴＰＧＳにおいて、どのようにパワー出力を変更できるかを示す模式図である。
【図８ｆ】本発明の第５の実施形態による、熱風膨張機を備えたＣＴＰＧＳにおいて、どのようにパワー出力を変更できるかを示す模式図である。
【図９ａ】本発明の第６の実施形態による、熱風膨張機を備えたＣＴＰＧＳにおいて、どのようにパワー出力を変更できるかを示す模式図である。
【図９ｂ】本発明の第６の実施形態による、熱風膨張機を備えたＣＴＰＧＳにおいて、どのようにパワー出力を変更できるかを示す模式図である。
【図９ｃ】本発明の第６の実施形態による、熱風膨張機を備えたＣＴＰＧＳにおいて、どのようにパワー出力を変更できるかを示す模式図である。
【図９ｄ】本発明の第６の実施形態による、熱風膨張機を備えたＣＴＰＧＳにおいて、どのようにパワー出力を変更できるかを示す模式図である。
【図１０ａ】図４ａ〜図４ｃの模式図に対する代替例としての、本発明の第７の実施形態によるＣＴＰＧＳにおいて、どのようにパワー出力を変更できるかを示す模式図である。
【図１０ｂ】図４ａ〜図４ｃの模式図に対する代替例としての、本発明の第７の実施形態によるＣＴＰＧＳにおいて、どのようにパワー出力を変更できるかを示す模式図である。
【図１０ｃ】図４ａ〜図４ｃの模式図に対する代替例としての、本発明の第７の実施形態によるＣＴＰＧＳにおいて、どのようにパワー出力を変更できるかを示す模式図である。
【図１１ａ】本発明の第８の実施形態による、通気弁を備えたＣＴＰＧＳにおいて、どのようにパワー出力を変更できるかを示す模式図である。
【図１１ｂ】本発明の第８の実施形態による、通気弁を備えたＣＴＰＧＳにおいて、どのようにパワー出力を変更できるかを示す模式図である。
【図１１ｃ】本発明の第８の実施形態による、通気弁を備えたＣＴＰＧＳにおいて、どのようにパワー出力を変更できるかを示す模式図である。
【図１１ｄ】本発明の第８の実施形態による、通気弁を備えたＣＴＰＧＳにおいて、どのようにパワー出力を変更できるかを示す模式図である。
【図１２ａ】注入モード中に空気を加熱する代替システムを示す模式図である。
【図１２ｂ】注入モード中に空気を加熱する代替システムを示す模式図である。
【図１２ｃ】注入モード中に空気を加熱する代替システムを示す模式図である。
【図１３】本発明の別の実施形態によるＣＴＰＧＳの模式図である。
【図１４】本発明のまた別の実施形態によるＣＴＰＧＳの模式図である。
【図１５ａ】それぞれ、本発明による好適な動作モードおよびステップを示す論理フロー図である。
【図１５ｂ】それぞれ、本発明による好適な動作モードおよびステップを示す論理フロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００６４】
図２は、発電に用いられる従来技術による工業用ガスタービン１０の典型的な配置を示し、上流の圧縮機２が下流のタービン（膨張機）６に直接結合され、および変圧器／グリッドに接続された発電機（図示せず）を駆動している。圧縮機２とタービン６との間の燃焼室４には天然ガス５が供給される。通常の構成において、圧縮機、タービンおよび発電機はすべて、駆動カップリング（図示せず）によって同じ軸に直接結合されている。フィルタを通った空気８が、雰囲気条件（例えば、３０℃、１００ｋＰａ（１ｂａｒ））で圧縮機に入り、より高い圧力および温度（例えば、４００℃、１６００ｋＰａ（１６ｂａｒ））まで圧縮される。高温高圧の空気は燃焼室４に入って、そこで天然ガスと混合されて燃焼され、そのガスをかなり高い温度（例えば、１４００℃、１６００ｋＰａ（１６ｂａｒ））まで加熱する。そして、この空気は、タービン６内で膨張されて大気圧に戻され、加熱された排気ガス１２として残される。タービンは、圧縮機が吸収するのよりも多くの出力を生成して、発電機を駆動することができる正味の発電をもたらす。
【００６５】
オープンサイクルガスタービン（ＯＣＧＴ）の場合、冷却された空気は、雰囲気温度よりもはるかに高い温度（例えば、４５０℃、１００ｋＰａ（１ｂａｒ））でタービン６から排出される。しかし、複合サイクルガスタービン（ＣＣＧＴ）の場合には、より低い圧力比で作動することにより、または、より高いタービン入口温度まで燃焼させることにより、わずかに熱い排気温度で作動する。そして、タービン６からの排気ガス１２は、（排熱回収ボイラまたはＨＲＳＧを通過する）蒸気タービンシステムに入り、そこで、さらなる出力が、蒸気ボトミングサイクルで抽出される。
【００６６】
この後の図面では、すべての実施形態は、簡略化のために単純サイクルガスタービンシステム（ＯＣＧＴ）として図示されているが、代わりに、複合サイクルガスタービンシステム（ＣＣＧＴ）または、他の何らかの適当な派生燃焼タービンプラントの一部を構成してもよい。さらに、すべての実施形態は、圧縮機と、燃焼器と、タービンとが、互いに下流方向に永続的に流体的に接続されている従来の燃焼タービン構成に関連しており、その結果、空気流の一部が一つ以上の流体接続部において抽出されまたは増大されているか否かに関わらず、ガスタービンが作動しているときはいつでも、少なくともある程度の空気が、それらすべての構成要素を通って下流方向に流れ、また、タービンは、パワーがタービンによって生成されている場合は、両者が一緒に作動するように、圧縮機に脱着不能に結合されている。
【００６７】
また、図２に図示されているように、ガスタービンは、通常、主流路１とは別に、多数の補助空気流流路または流体接続部を有している。空気は、流体接続部（点線）１Ａにおいて、主流路に注入または抽出してもよい。しかし、他の可能性がある空気注入箇所または抽気箇所が、図２に点線で図示されている。
【００６８】
例えば、通常は、高温の圧縮空気３ａを、（圧縮機出口とタービン入口との間の）圧縮機排気プレナムから、圧縮機入口近傍に配設された排気弁に戻す流体接続部またはダクト３がある。高温の空気は、等エンタルピー膨張されて大気圧に戻され、温度を上昇させるために入口空気８に付加される。このことは、一般に、圧縮機への入口における氷生成を防ぐのに用いられるが、ガスタービンのパワー出力を低下させるのにも用いることができる。この接続部３は、防氷ラインまたは入口抽気加熱（ＩＢＨ）ラインとして知られており、および点線３Ａで図示されているように、このラインをガスタービンからの注入または抽気空気に接続することが可能である。
【００６９】
圧縮機の異なるステージからの別の一連の流体接続部またはダクト７，９，１１は、（異なる圧力で）タービン冷却空気（Ｔｕｒｂｉｎｅ  Ｃｏｏｌｉｎｇ  Ａｉｒ：ＴＣＡ）７ａ，９ａおよび１１ａを供給することによって、タービン翼の冷却を維持するのに用いてもよい。ガスタービンを通過する空気の１５％程度は、ＴＣＡとして利用することができ、および燃焼器４を通らない。高圧ステージ用の空気１１ａが、圧縮機排気プレナムまたは圧縮機２の後段から引き出され、一方、タービンの後段用の冷却空気７ａ，９ａは、通常、中間の圧力ステージから引き出される。回転および静止タービン翼の両方への多数の異なる圧力供給部があってもよい。ここでもまた、ガスタービンの主流路１に直接注入するのではなく、（例えば、箇所９Ａ、１１Ａにおいて）空気をＴＣＡダクトに注入することができ、または、ＴＣＡダクトから抽出することができる。通常のＴＣＡ供給部よりも少ない量の空気が（一般に、高圧ライン内に）注入された場合、圧縮機からのＴＣＡフローは、同じ量だけ減少されることになる。通常のＴＣＡ供給部よりも多い量の空気が（一般に、より高圧のラインに）注入された場合、ＴＣＡフローは、強制的に逆流されて、通常のＴＣＡダクトへの入口を通ってＧＴに戻ることになる。したがって、注入された空気流は、ＴＣＡを排除して、さらにＴＣＡと完全に置き換わり始める。実際の注入空気は、（上述したように、通常の量のＴＣＡを超えない限り）燃焼器４を通過しないが、代わりに、ガスタービンのタービン部分を直接通過することになる。しかし、ＴＣＡラインを通過することになる空気は、空気が主流路１に直接注入されている場合と同じ結果を伴って、代わりに燃焼器を通過することになる。
【００７０】
同様に、ＴＣＡラインから空気を抽気することは、ＴＣＡラインによって引き出される量を増加させるが、適切な冷却をタービン部にもたらすことに失敗しないように、抽気によって冷却空気の量が減少しないことが重要である。
【００７１】
このようなポートに加えて、追加的な注入箇所を可能にするように、一つのケーシングまたは複数のケーシングを適合させることも可能である。
図３ａ〜図３ｅは、従来のハイブリッド燃焼タービン発電システム（ＣＴＰＧＳ）において、通常、どのようにパワー出力が変更されるかを示す比較実施例であり、一方、図４ａ以降は、本発明に従って、どのようにパワー出力を調節できるかを示す実施例である。すべての実施例において、数値は、（例えば、一定の熱容量値に基づいて）近似されおよび単純化され、および単に、説明されている原理を例示することが意図されている。
【００７２】
ガスタービンは、一般に、圧縮機に入る質量流量を制御するのに用いられる入口ガイド翼を有し、それにより、大規模な工業用ガスタービンにおいて、約３０％、質量流量を減少させることができ、それによって、通常、ＧＴパワー出力の低下につながる。
【００７３】
まず、図３ａを参照すると、これは、入口ガイド翼（ＩＧＶ）が完全に開いた状態で、（雰囲気空気条件を可能にする）１００％負荷で作動する通常のガスタービン（ＧＴ）を示している。圧縮機２への質量流量は、６５０ｋｇ／ｓであり、後の圧縮温度は、４２０℃であり、圧力は、１７００ｋＰａ（１７ｂａｒ）である。
【００７４】
図３ｂは、周波数応答（ＦＲ）モードで作動している同じＧＴを示し、この場合、１０秒以内に、追加的なパワーをグリッドに供給することが必要である。パワー出力は、このモードの間は、通常のＧＴパワー出力の８５％である。ＩＧＶは部分的に開いており、圧縮機への質量流量は、５５０ｋｇ／ｓである。後の圧縮温度は３８５℃であり、圧力は４５０ｋＰａ（４．５ｂａｒ）である。１０秒間に、ガスタービンを、この動作モードから、図３ａに示すモードに切り替える場合、ＩＧＶを開くことによって、圧縮機を通る質量流量を増加させることが必要である。ガスタービンを通る質量流量が増加する際に、排気温度が低下し始めて、燃焼器へのガスフローが増加する。質量流量は、１０秒間に、約１００ｋｇだけ増加し、すなわち、１０ｋｇ／ｓ２であることが図を見て分かる。
【００７５】
空気を注入できる速度には２つの限界がある。１つは、熱応力に関係している。圧力比が変化する際、圧縮機およびタービン部内の温度はともに変化し、このことは、ガスタービンに損傷を与える可能性がある熱応力をもたらし、およびメンテナンスの増加および予測不能の強制停止につながる可能性がある。第２の懸念事項は、燃焼器の安定性である。ＤＬＮ（乾式低ＮＯｘ）燃焼器は、通常、非常に希薄な混合物で作動し、空気燃料比が非常に速く変化する場合、それらを噴出させる可能性がある。あまり希薄ではない混合物を使用することは、燃焼器の安定性に役立つ可能性があるが、このことは、ＮＯｘ生成の増加につながるため、通常の動作には適していない。
【００７６】
図３ｃ〜図３ｅは、ＧＴがハイブリッドシステムの一部を構成している場合に、どのようにして出力を調節できるかを示す。図３ｃは、全負荷で作動している同じガスタービンを示し、この場合、高温の圧縮空気がそのガスタービンに注入されている。圧縮機への質量流量は、６５０ｋｇ／ｓであり、追加的に５０ｋｇ／ｓが、ほぼ同じ後の圧縮機温度で注入されている。後の圧縮機温度は４３５℃であり、圧力は１８５０ｋＰａ（１８．５ｂａｒ）である。
【００７７】
これと似たシステムは、Ｐｏｗｅｒｐｈａｓｅ、Ｎａｋｈａｍｋｉｎおよび本出願人によって既に提案されている。そのようなシステムの目的は、圧縮機を通ることなく、燃焼器およびタービンを通る質量流量を増加させることである。このことは、例えば、ＧＥ  ９ＦＡガスタービンへの５０ｋｇ／ｓの空気の注入の場合に、そのガスタービンは、その雰囲気条件で、定格出力の１１６％まで増加させることができることを意味している。通常の周波数応答モードでは、質量流量を１０ｋｇ／ｓ２の流量で増加させることができることに基づくと、５０ｋｇ／ｓの増加は（空気注入から）５秒間で達成することができる。
【００７８】
図３ｄは、図３ｃの場合に必要な５０ｋｇ／ｓの高温の圧縮空気を供給する排気モードで作動しているハイブリッドシステム全体を示す。このシステムは、直接ＴＥＳ１４および下流の熱交換器と、中間冷却圧縮機１８と、２つの圧力低下弁２２および２０と、圧縮空気貯蔵部１６とを備えている。そのシステムは、５０ｋｇ／ｓの流量で、圧縮空気貯蔵部１６から（中間圧縮機１８を迂回する）第１の弁２０を通った後、ＴＥＳ１４を通って排気しており、ガスは、流体接続部において、開高速弁２２を通ってガスタービンに入る前に再加熱される。この場合の流体接続部および後のすべての図面は、図２に関連して上述したように、ＧＴへの一つ以上の適当などのような接続部またはポートであってもよく、同じかまたは別の各接続を、注入および抽出（抽気）に用いてもよい。
【００７９】
図３ｅには、同じシステムであるが、流体接続部において、２５ｋｇ／ｓがガスタービンから抽気されている排気モードになっているシステムが図示されている。高温の空気は熱が貯蔵されているＴＥＳ１４を通る。ここで冷却されている（が圧縮されている）空気は、ＴＥＳを出て、中間冷却圧縮機１８によって、圧縮空気貯蔵部１６内の圧力まで圧縮される。圧縮空気貯蔵部１６内の圧力は、一定圧力の貯蔵部が用いられていない限り、通常、追加的な空気がその貯蔵部に追加される際に増加する。
【００８０】
蓄熱部１４と、ガスタービンの近傍に配設された、高速作動弁２２への接続パイプは、ガスタービン２，４，６の作動圧力よりもわずかに高い圧力で加圧されることが好ましい。このことの利点は、空気注入の応答時間がより速くなり、そのことが、注入される流量のより正確な制御を可能にし、そのことは、ガスタービンを保護するのに望ましいということである。さらに、追加的な圧力降下弁２０、または、空気の圧力を、蓄熱部内の空気の圧力まで低下させる圧縮空気貯蔵部からの他の減圧装置もあってもよい。例えば、圧縮空気貯蔵部は、２５ＭｋＰａ（２５０ｂａｒ）であってもよく、ＴＥＳ内の空気は２ＭＰａ（２０ｂａｒ）であってもよく、およびガスタービン内の動作圧力は１７００ｋＰａ（１７ｂａｒ）であってもよい。このようにして、追加出力が必要な場合、高速作動弁２２が、（ガスタービンの種類によって決まる）制御された割合で開いて、追加的な空気をガスタービンに注入し、また、追加的な弁２０は、ＴＥＳ内の圧力が約２ＭｋＰａ（約２０ｂａｒ）に確実に留まるように開く。直接蓄熱部がある場合、この貯蔵部内に、残留空気からなる相当のバッファがある可能性があるため、追加的な弁２０が、空気注入の割合を制御するのに用いられる場合、貯蔵部内の圧力変動が比較的遅くなることを留意すべきである。これは、供給がガスタービンの作動圧力よりも高いガスタービン近傍で高速作動弁を用いることが好ましい理由でもある。
【００８１】
図４〜図７は、本発明による、熱応力および燃焼器の安定性の通常の限界を回避しながら、かなり短い期間に、ガスタービンハイブリッドシステムのパワー出力の変化の割合を増加させるさまざまな方法を例示として示す。これらの図面は、（図７ｄに示す変更されたシステムを除いて）図３ｄおよび図３ｅのハイブリッドシステムに基づいているが、ＡＣＡＥＳシステムは、簡略化のために省かれている。
【００８２】
図４ａを参照すると、ガスタービンハイブリッドシステムは、入口ガイド翼（ＩＧＶ）が完全に開いた状態で、（雰囲気空気条件を可能にする）１００％負荷で作動している。圧縮機への質量流量は、ここでもまた６５０ｋｇ／ｓであり、後の圧縮温度は、４２０℃であり、圧力は１７００ｋＰａ（１７ｂａｒ）である。高温空気注入システムからは、追加的な空気は注入されていない。
【００８３】
図４ｂは、ＩＧＶが部分的に開いた状態で（圧縮機を通る質量流量は、６００ｋｇ／ｓまで低下している）、および貯蔵部からの５０ｋｇ／ｓの空気注入を伴って作動している同じシステムを示す。留意すべき重要なポイントは、後の圧縮圧力および温度が、図４ａの場合と同じであるということである。燃焼器を通る質量流量も同じである。その結果、機械内の温度または圧力のいずれかに関する変化はなく、そのことは、熱応力が問題ではないことを意味している。また、燃焼器を通る空気流質量も一定であるため、燃焼器の安定性に関して問題はない。しかし、ガスタービンのパワー出力は、８％より高い。
【００８４】
図４ａのモードで作動するシステムから、図４ｂのモードへの変更は、追加的な空気がガスタービンに注入されて、圧縮機を通る質量流量の低下を補償すると同時に、ＩＧＶを閉じることによって実現することができる。また、そのプロセスは、注入されている空気の量が減少している間に、ＩＧＶを再度開くことによって、モード４ｂからモード４ａに直ちに戻すこともできる。燃焼器の安定性はもはや問題ではないため、残る一つの技術的制約は、圧縮機サージである。空気が過剰に注入された場合には、圧縮機を停止させるか、またはサージさせる可能性がある。この限界は、ガスタービンごとに変わるが、上限は、通常、約１０％の追加的質量流量である。
【００８５】
この方法は、ガスタービンに熱応力を何ら与えることなく、または、燃焼器の不安定性のリスクを冒すことなく、ガスタービンのパワー出力を、わずか１，２秒以内に、約１０％変化させることができるようにする。実際の変化は、追加的な質量流量に対応する圧縮機の能力の関数になることに留意する。１０％の空気注入では、パワーの増加は、ＧＴ出力に対して約１３％になるであろう。
【００８６】
図４ｂのモードで作動しているシステムは、ＩＧＶを開くことにより、ゆっくりと約５秒にわたって、グリッドに対して追加的に８％、パワー出力をさらに増加させることができる。このことは、図４ｃに図示されており、この場合、圧縮機は、元の質量流量の６５０ｋｇ／ｓに戻っている。この質量流量の増加は、５秒間にわたって実現することができ、すなわち、それは、５秒間にわたって１０ｋｇ／ｓ２だけ増加させる。したがって、
図４ａ〜図４ｂは、ガスタービンへの空気注入の速度を増加させながら、同時に、ＩＧＶを用いて、圧縮機を通る質量流量を減少させて圧縮機パワーを低下させ、およびＧＴパワー出力の増加をもたらし、同時に、燃焼器およびタービンを通る質量流量（ならびに圧力および温度条件）を変化しない状態に維持することを示す。
【００８７】
図４ｂ〜図４ａは、ガスタービンへの空気注入の割合を下げながら、同時に、ＩＧＶを用いて、圧縮機を通る質量流量を増加させて圧縮機パワーを増加させ、およびＧＴパワー出力の低下をもたらし、同時に、燃焼器およびタービンを通る質量流量（ならびに圧力および温度条件）を変化しない状態に維持することを示す。
【００８８】
図４ａ〜図４ｂ〜図４ｃは、ガスタービンへの空気注入の割合を増加させながら、同時に、ＩＧＶを用いて、圧縮機を通る質量流量を低下させてガスタービン圧縮機出力を低下させ、およびＧＴパワー出力の増加をもたらし、同時に、燃焼器およびタービンを通る質量流量（ならびに圧力および温度条件）を変化しない状態に維持することを示す。この後に、ＩＧＶが開かれて、より長い時間にわたって、パワー出力をさらに増加させる。
【００８９】
図４ａ〜図４ｃは、どのようにして出力を急速に増加させることができるかを示す。このことは、ハイブリッドシステムの注意深い制御を要することを正しく認識されたい。そのため、ハイブリッドシステムは、一般に、（ｉ）パワー出力の所望の調節を得るために圧縮機の構成を変更する、および（ｉｉ）ＣＡＥＳシステムとＧＴシステムとの間に、補償質量流量としてどのくらいの空気を送るかを選択的に調節する制御部および関連するセンサを備えている。
【００９０】
上記システムの適切な制御については、そのＩＧＶの位置が変化する際に、圧縮機を通るどのくらいの質量流量が変化するかに影響を与える、例えば、雰囲気空気密度（すなわち、雰囲気温度および圧力）、圧縮機が作動する圧力比、およびその相対年代を含む多くの要因がある。所定のガスタービンの場合、通常、それらの要因を考慮して、ＩＧＶの位置が変化した際に、圧縮機を通る質量流量がどのくらい変化するかを正確に計算することを可能にする圧縮機マップがある。また、ＩＧＶ位置を制御するアクチュエータの制御法則および応答特性が既知である場合には、ＩＧＶが一つの位置から別の位置に動かされる際に、質量流量が時間とともにどのくらい変化するかを正確に計算することが可能である。
【００９１】
また、ＡＣＡＥＳシステムは、圧縮機からの質量流量の変化に幅広く適合する、ガスタービン内へのまたはガスタービンからの正確な質量流量制御を与える急速応答弁に依存する必要がある。一般に、フローは、２つの空間の圧力差と、相互接続ダクトシステムの排気係数との結果である。それらの空間がともに閉じており、および大きな接続パイプ（高い排気係数）を有している場合には、小さな圧力低下で高い流量を実現することができる。それらの空間が長い距離離れており、および接続パイプがより小さい（低排気係数）場合には、結果は、同じフローを実現する、より高い圧力低下になる。高速作動システムの場合に加えて、弁が開いたときの過渡圧力低下につながる可能性のあるフローを加速または減速させるのに必要な一定量のエネルギーがある。
【００９２】
ハイブリッドシステムにおいては、正確な量の質量注入を供給し、または、ガスタービンから抽気することができる急速応答弁を有することが望ましい。さらに、蓄熱部および圧縮空気システムの位置は、ガスタービンからある程度の距離であってもよい。その結果、そのシステムは、ガスタービン内の圧力を超える圧力が維持されている周波数応答モード（すなわち、この場合、空気を注入することができる）になっていることが好ましい。これは、ガスタービン動作圧力よりも５０ｋＰａ（０．５ｂａｒ）高くてもよく、１００ｋＰａ（１ｂａｒ）高くてもよく、または、５００ｋＰａ（５ｂａｒ）高くてもよい。著しく高い圧力でこれを有しているという利点は、両側への何らかの過渡圧力変化が、装置を通る実際の質量流量にあまり影響を与えないであろう場合に、より高い圧力低下がある場合、正確な質量流量を供給することがより容易であるということである。さらに、圧力低下が増加した場合に、より大きな質量流量が、一定のサイズの穴を通過することが可能である場合、オリフィスのサイズも減少する。
【００９３】
弁に関しては、行われる２つの機能がある。第一には、ガスタービンからのより高い圧力供給を封止することである。第二には、質量流量と、それが時間とともにどのように変化するか、とを制御することである。これは、フローを制御する弁を、シンプルな弁と、流路内のフロー制御部とに置き換えることが可能であることを意味する。このようなフロー制御部は、弁の上流または下流のいずれかにあってもよい。どちらの解決策も、受け入れ可能であり、また、入口の温度および圧力および出口圧力の組合せを用いることにより、例えば、異なる設定の質量流量が分かるように装置を較正することが可能である。安定した入口温度（および流量）を確保するためには、ガスタービンおよび弁への接続配管が、蓄熱部および蓄熱部から出る空気の温度に近い温度で維持されるように断熱および加熱することが好適である。ここでもまた、アクチュエータ特性が既知である場合には、弁が開かれていて、開口のサイズが与えられる際に、質量流量が時間とともにどのくらい変化するかを正確に計算することが可能である。
【００９４】
このようにして、燃焼器およびタービンを通る質量流量の変化が最小限に維持されるように、ＩＧＶと弁が同時に変更されることが可能である。より高速の作動システムの場合、センサおよびフィードバックループを用いて流量を調節することが可能であるが、これは、遅延につながる可能性があるため、回避できることが好適である。
【００９５】
動作中の微調整および再較正に対しては、そのようなセンサが有用である可能性がある。例えば、それは、単にガスタービンに対する変化を測定して、いずれかのシステムのモデルが、摩耗および損傷により、時間とともに変化しているか否かを評価することによって可能である。例えば、ＩＧＶおよび弁が、圧縮機を通る質量流量を減少させおよび空気注入の割合を増加させる位置まで移動され、およびガスタービン内の圧力が予想以上に増加する場合、一つの選択肢は、ガスタービン圧縮機がわずかに劣化するということになる。このことを補正するためには、ＩＧＶが、さらにわずかに閉じられる必要があるか、または、空気注入の割合（すなわち、流量制御部開口面積）が減少される必要がある。変化は時間とともに起きる可能性があるため、このことは、各システムの経時的な相対能力の正確な再マッピングを可能にするはずである。
【００９６】
マッピングおよび較正アプローチは、パワー調節中に燃焼器を通る質量流量の変動を制限するのに用いてもよいが、モデルベースの制御部を、同じ最終結果を実現するのに用いることも実行可能である。そのような制御部は、圧縮機、ＩＧＶハードウェア、ガスタービンおよび関連する制御弁等を備えるＡＣＡＥＳシステムの物理的モデルを説明する等式またはコードを含んでもよい。このようなアプローチは、安定した高速応答システムを実現するために幅広く対応付けなければならない複雑な相互作用、非線形性および遅延に対応することができる制御システムをもたらすであろう。
【００９７】
次に図５ａ〜図５ｃを参照すると、それらは、ハイブリッドシステムにおけるパワーをどのようにして上下に等しく迅速に調節できるかを示している。
図５ａにおいて、ガスタービンは、入口ガイド翼（ＩＧＶ）が部分的に開いた状態で、（雰囲気空気条件を可能にする）９４％負荷で作動している。圧縮機への質量流量は、６００ｋｇ／ｓであり、後の圧縮温度は、４０６℃であり、圧力は１６００ｋＰａ（１６ｂａｒ）である。高温空気注入システムからは、追加的に空気は注入されていない。
【００９８】
図５ｂは、ＩＧＶが完全に開いた状態で（圧縮機を通る質量流量は、６５０ｋｇ／ｓまで増加している）、および５０ｋｇ／ｓの抽気速度で作動している同じガスタービンを示す。しかし、ここでもまた、後の圧縮圧力および温度は、図５ａの場合と同じであり、および燃焼器を通る質量流量も同じである。その結果、機械内の温度または圧力のいずれに関しても変化はなく、そのことは、熱応力が問題ではないことを意味する。また、燃焼器を通る質量流量も一定であるため、燃焼器の安定性に関しても問題はない。しかし、図５ｂのガスタービンのパワー出力は、図５ａの場合と比較して、７％（２０ＭＷ）だけ低下する。
【００９９】
図５ａのモードで作動しているシステムから図５ｂのモードへの変更は、追加的な空気がガスタービンから抽気されて、圧縮機を通る質量流量の増加が補償されるのと同時に、ＩＧＶを開くことによって実現してもよい。そのプロセスは、ＩＧＶを部分的に閉じるとともに、抽気している空気の量を減少させることによって、モード５ｂからモード５ａに迅速に戻すことができる。燃焼器の安定性はもはや問題ではないため、残った一つの技術的制約は、圧縮機サージである。空気を抽気すると、サージマージンが増加するため、実際には、このリスクは低下する。
【０１００】
図５ｃは、ＩＧＶが部分的に開いた状態で（圧縮機を通る質量流量は、５５０ｋｇ／ｓまで低下している）、および５０ｋｇ／ｓの空気注入で作動している同じシステムを示す。気付くべき重要な点は、後の圧縮圧力および温度が図５ａおよび図５ｂの場合と同じであるということである。また、燃焼器を通る質量流量も同じである。その結果、機械内の温度または圧力のいずれに関しても変化はなく、そのことは、熱応力が問題ではないことを意味する。また、燃焼器を通る質量流量も一定であるため、燃焼器の安定性に関しても問題はない。しかし、図５ｃのガスタービンのパワー出力は、図５ａの場合と比較して、８％（２０ＭＷ）高くなる。
【０１０１】
図５ｃのモードで作動しているシステムから図５ａのモードへの変更は、空気注入が減少されて、または逆に（抽気）して、圧縮機を通る質量流量の増加を補償すると同時に、ＩＧＶを開くことによって実現することができる。この方法は、ガスタービンに熱応力を何ら与えずに、または、燃焼器の不安定性のリスクを冒すことなく、ガスタービンのパワー出力を、１，２秒以内に、約１０％上下に変化させることができるようにする。実際の変化は、注入された質量流量に対応する圧縮機の能力の関数になることに留意する。１０％の空気注入では、出力の増加は、ＧＴ出力に対して約１３％になるであろう。抽気速度は、より高くすることができる。
【０１０２】
これらの図面で用いられているガスタービンは、ＩＧＶが完全に閉じた状態で４５０ｋｇ／ｓ、およびＩＧＶが完全に開いた状態で６５０ｋｇ／ｓというＩＳＯ条件における、圧縮機を通る質量流量を有している。
【０１０３】
図６ａ〜図６ｃは、初期モードで、より低い出力設定で作動している同じＧＴシステムを示すが、ここでもまた、ＩＧＶを選択的に調節し、および空気の注入／抽気の速度を選択的に調節して、燃焼器を通るほぼ一定の質量流量を確保するように補償質量流量を供給することにより、その出力を、（図５ａ〜図５ｃと同様に）異なるモード間で切り替えることができる。したがって、図６ａにおいて、初期ＧＴパワー出力は、２０４ＭＷであり、これは、図６ｂに図示されているように、抽気モードを開始することにより、１８６ＭＷまで急速に減少させることができる。あるいは、図６ｃに図示されているように、（例えば、貯蔵部からの）注入モードを開始することにより、パワーを、図６ａにおける初期パワー出力から２２２ＭＷまで急速に増加させることができる。
【０１０４】
したがって、図５ａ〜図５ｃおよび図６ａ〜図６ｃは、ガスタービンのパワー出力を上下に急速に変える能力を依然として維持しながら、その出力を変えることが可能であることを示している。図５ａにおいて、これは、上方パワーバンドであるが、上下に調節する同じ能力を維持しており、また、図６ａは、下方パワーバンドである。
【０１０５】
図７ａ〜図７ｃは、上下に変える柔軟性を維持しながら、どのようにして異なるパワー出力間を移行することを可能にするかを示す。図７ａは、図５ａと同じ状況（すなわち、２３９ＭＷの出力、燃焼器および圧縮機を通る質量流量が６００ｋｇ／ｓ）を示し、また、図７ｂは、図５ｂと同じ状況を示し、この場合、そのパワー出力は、本発明の方法に従って、２１９ＭＷまで急速に低下されている。しかし、図７ｃは、抽気の速度を低下させて、２１９ＭＷというより低いパワー出力にガスタービンを再設定しながら、燃焼器を通る質量流量を変えるように、どのようにしてＩＧＶを再調節できるかを示している。この後の変更は、通常、燃焼器／タービンにおける条件の許容可能な変化の割合を考慮して、短期間に実施されることになる。
【０１０６】
図７ｄでは、システムは、既に、大気に対して通気することにより、急速抽気速度を実現するように変更されている。このため、高速作動通気弁２６が、ＧＴへの流体接続部の下流で、ＣＡＥＳ流路ネットワーク内に設けられている。このことに関する利点は、高速の抽気速度を、中間冷却圧縮機をそれらの高質量流量のために設計することを要することなく、短期間に管理することができるということである。通気は、ＴＥＳの前または後のいずれかとすることができる。しかし、弁は、ＣＡＥＳシステムの動作状態とは無関係に、その動作を可能にするように、それ自体の各流路を介して、一つ以上の流体接続部と流体的に連通させることができる。
【０１０７】
図８ａ〜図８ｆは、ガスタービンハイブリッド発電プラントのピークパワー出力を増加させ、および短期間で管理できるパワー範囲を増加させる方法を示す。これらの実施例において、図３ｄ、図３ｅのハイブリッドシステムは、高温空気膨張機２８の追加によって、既に改良されており、その膨張機は、動的機械（軸流、遠心力、ターボ膨張機）、または、容積式機械（往復式、回転スクリュー）、または、有用なワークを抽出し、および温度を管理することができる他の適当な機械とすることができる。例えば、高温空気膨張機２８は、温度が、蒸気タービン動作で見られるのと異なっていない場合には、変更済みの蒸気タービンに基づいていてもよい。
【０１０８】
図８ａを参照すると、これは、ＩＧＶが完全に開いており、および５０ｋｇ／ｓでガスタービンから抽気されている状態で作動している同じガスタービンを示す。その結果、６００ｋｇ／ｓの空気が燃焼器を通過しており、また、圧縮後空気は４０６℃であり、圧力は１６００ｋＰａ（１６ｂａｒ）である。圧縮空気の抽気の利点は、それが、ガスタービンが上げることのできる量を増加させるということである。例えば、長時間にわたって急速に追加的なパワーを供給できるグリッド要件がある可能性がある。しかし、空気がシステムから抽気されて貯蔵された場合には、かなりの量の蓄熱、動力機械および圧縮空気貯蔵がある可能性がある。さらに、この高温の圧縮空気は、後段で再注入される必要がある。再注入中には、前述したサージ制限のため、それは、（追加的な空気注入によって）パワーをさらに増加させる能力が、著しく制限されることを意味している。
【０１０９】
高温空気膨張機２８の利用は、圧縮空気は、実際には、貯蔵（または、再注入）する必要がないことを意味し、そのため、大きな資本コストを要することなく、パワー範囲を上側に増加せることの恩恵がもたらされる。さらに、高温空気膨張機２８は、高温の圧縮空気が貯蔵されれば、発電プラントの定格出力容量に付加することができる。空気を圧縮した後、再び膨張させることに付随して損失があることは明らかであるが、出力を急速に変化させる能力は有益であり、およびそれらの高い損失という欠点に優る可能性がある。これは、潜在的には、余力の非常に低コストの形態である。この動作のモードでは、５０ｋｇ／ｓが再膨張されて、１６００ｋＰａ（１６ｂａｒ）から雰囲気圧力に戻される。圧縮ワークは、約２０ＭＷであり、膨張ワークは、約１６ＭＷであるため、損失は、この実施例の場合、４ＭＷの範囲内になる。高温空気膨張機２８は、抽気される質量流量に合うような形状に形成することができ、または、いくつかの最適化を、空気を貯蔵することと、一定期間に、より大きいかまたはより小さい能力を有することとの間に実行できるようにする異なる能力を有することができる。例えば、高温空気膨張機は、１００ｋｇ／ｓおよび３３ＭＷという能力を有することができるであろう。通常の抽気動作において、膨張機を通るフローは、５０ｋｇ／ｓであり、ピーク期間では、これは、圧縮空気貯蔵部からの補充空気によって、１００ｋｇ／ｓまで増加させることができる。また、この機械へのフローを調節するために、または、可変形状寸法からなるある形態を用いて、質量流量を制御された方法で変えることができるように、高温空気膨張機の上流に、流量制御弁を挿入することが好適である。
【０１１０】
図８ａでは、パワー出力は、高温空気膨張機２８の場合のＧＴの＋１６ＭＷに対して２１９ＭＷである。モード８ａからモード８ｂに急速に切り替えることは、ガスタービンから高温空気膨張機へのフローが逆になり、および高温空気膨張機への空気流が、ＧＴではなく、圧縮空気システムによって供給されるように、ＩＧＶを部分的に閉じると同時に、圧縮空気システムから１００ｋｇ／ｓを注入することを含む。５０ｋｇ／ｓがガスタービンに注入されており、および同量が、高温空気膨張機に供給されていることが図を見て分かる。これら２つの動作のモード間のパワー出力の変化は、約４０ＭＷであるため、高温空気膨張機は、出力増加の範囲をさらに２０ＭＷ増加させる。前の実施例と同様に、図８ｂでは、図８ａと同じ量の空気が燃焼器を通過しており、また、圧縮後温度は４０６℃であり、圧力も同様に１６００ｋＰａ（１６ｂａｒ）である。さらに、高温空気膨張機は、同じ質量流量、温度および圧力条件を認めている。重要な点は、その構造が、注入された空気を、ガスタービンから抽気される空気と置き換えること、および追加的な空気をガスタービンに注入することを可能にするということである。
【０１１１】
図８ｃは、図８ｂのシステムを示し、そのシステムは、一度、ＩＧＶを完全に再度開いている。これは、モード８ａとモード８ｂの切り替えよりもゆっくりとしたプロセスであるが、急速な４０ＭＷの変化に加えて、３４ＭＷのさらなる出力増加をもたらす。この方法の利点は、図３〜図７に示すものに優る急速出力増加の量を増加させることが可能であるということである。さらに、通常の出力増加分のほとんどが、依然として、急速増加後に追加することが可能である。そして、高温空気膨張機が、追加的な１７ＭＷを、発電プラントの総パワー出力に付加する場合、ガスタービンの総パワー出力も増加されていることに留意すべきである。
【０１１２】
図８ｄは、ＴＥＳ１４と圧縮空気貯蔵部１６が、５０ｋｇ／ｓの流量で再給気されているモードにおける同じ発電プラントを示す。このモードでは、ＴＥＳは、ガスタービンおよび高温空気膨張機が使用されていない場合と同じ圧力である。システムは、ＴＥＳとガスタービンとの間に圧力差がなく、急速注入を行える状態にあるため、高速応答モードになっていないとして処理される可能性がある。このモードは、急速出力増加が、サービスとしてグリッドに提示されていない期間中に利用される可能性がある。
【０１１３】
図８ａ〜図８ｂのステップでは、追加的な高温ガス膨張機機能は、抽気モードでの作動から、注入モードでの作動にＧＴを切り替えることと組み合わされ、そのことは、パワー調節の範囲（この場合、増加）を広げる。ＣＡＥＳシステム自体は、非作動（貯蔵モード）から排気モードに切り替わる。図８ａでは、ＩＧＶは、全開を始める。
【０１１４】
図８ｅおよび図８ｆは、高温空気膨張機２８が、それ自体の独立した各流路３２がＧＴの一つ以上の流体接続部に流体的に連通されている代替的な流路によって、ガスタービンに独立して接続されている代替的構成を示す。図８ｅでは、ＧＴ出力は、図８ａの場合と同様であり、５０ｋｇ／ｓが抽気されて排出され、一方、ＣＡＥＳは非作動状態である。しかし、（図８ｂに対応する）図８ｆにおける再注入では、ガスタービンに入る注入質量流量はより高いが、タービンを通る全体の質量流量の場合の図は、高温空気膨張機に対して同じ抽気速度が続く場合、変化しない。
【０１１５】
図８ｅ〜図８ｆのステップでは、追加的な高温ガス膨張機機能は、抽気モードでの作動から、ＧＴを一つ以上の流体接続部から抽気することを続けるとともに、ガスもここで注入されるデュアルモードでの作動に切り替えることと組み合わされ、そのことは、ここでもまた、パワー調節の範囲（この場合、増加）を有効に広げる。ＣＡＥＳシステムは、ここでもまた、非作動（貯蔵モード）から排気モードに切り替わる。図８ｅでは、ＩＧＶは、ここでもまた、全開を始める。図８ｆでは、注入および抽出の影響が、ＧＴ内および燃焼器の周りのフローに対して、何らかの望ましくない歪みをもたらさない適当な（例えば、離れた）位置でＧＴに注入および抽出が行われることが非常に望ましい。
【０１１６】
図９ａと図９ｂは、図８ａ〜図８ｄと同じ原理にあまねく従っているが、（ｉ）より高パワーの高温ガス膨張機の利用により、および（ｉｉ）圧縮機を通る質量流量を６５０ｋｇ／ｓ（ＩＧＶは全開）から４５０ｋｇ／ｓ（ＩＧＶは全閉）まで変化させることによってＩＧＶ機能を十分に利用することにより、さらに多くのパワー増加を実現するように、それらの原理を拡大適用している。したがって、図９ａから図９ｂへのパワー調節ステップ／切替えは、ここでもまた、動作条件を両タービンで同じに維持するため、極めて高速の応答であり、一方、図９ｂから図９ｃへの（同じ方向での、すなわち、増加）さらなるパワー調節ステップ／切替えは、動作条件を両膨張機において変更する必要があるため、より遅いタイプの応答であり、図９ｄは、ここでもまた、ＣＡＥＳのための給気モードを示している。
【０１１７】
したがって、図９ａを参照すると、ガスタービンは、ＩＧＶが（全）開の状態で作動しており、１５０ｋｇ／ｓがガスタービンから抽気されて、高温ガス膨張機を通る（ＣＡＥＳ貯蔵部は非作動）。その結果、約５００ｋｇ／ｓが燃焼器を通っており、圧縮後温度は、３７５℃であり、圧力は１３００ｋＰａ（１３ｂａｒ）である。圧縮および再膨張に付随する損失は、１１ＭＷの範囲内であり、高温空気膨張機は、約４５ＭＷの出力を生成している。ガスタービンパワー出力は、その４５Ｗが含まれている場合、全負荷能力の約７５％である。
【０１１８】
図９ｂにおいて、ガスタービンは、今では、圧縮機を通る質量流量を４５０ｋｇ／ｓまで大幅に減少させるようにＩＧＶを完全に閉じるとともに、空気の抽気も１５０ｋｇ／ｓから、５０ｋｇ／ｓのガスタービンへの注入に反転させることによって、より高い出力モードに切り替わっている。同時に、高温空気膨張機への１５０ｋｇ／ｓのフローも、今では、空気貯蔵部から空気排気されている空気流によって維持されている。前述したように、燃焼器を通る質量流量が広範に一定のままであるように、および同様に、追加的な高温ガス膨張機（または、使用されている場合、膨張機／燃焼器）に対して質量流量が変化する場合、ＧＴシステム内の温度および圧力は、すべて広範に一定でなければならない。ガスタービンの圧縮機ワークの減少は、図９ａと図９ｂの発電モードの間で７２ＭＷの範囲内であるため、ほんの数秒のうちに、ガスタービンのパワー出力を７２ＭＷ増加させることが可能である。このことは、適切な弁および制御部が用いられている場合には、潜在的には１秒間で起きる可能性がある。
【０１１９】
図９ｃは、図９ｂのモードから、フルパワーモードに移行されているガスタービンを示す。これは、１３００ｋＰａ（１３ｂａｒ）、３７５℃の後圧縮条件から１８５０ｋＰａ（１８．５ｂａｒ）および〜４４０℃の後圧縮条件への切替えに関与する熱応力があるため、より長い期間かかる可能性がある。さらに、高温空気膨張機も、さらに約５０ＭＷを総発電出力に追加する。
【０１２０】
図９ｄは、ＴＥＳおよび圧縮空気貯蔵部が、５０ｋｇ／ｓの割合で再給気されているモードにおける同じプラントを示す。このモードでは、ＴＥＳは、ガスタービンと同じ圧力になっており、高温空気膨張機は使用されていない。システムは、ＴＥＳとガスタービンとの圧力差がなく、急速な注入を行えるため、極めて高速の応答モード（すなわち、改良された周波数応答モード）になっていないものとして処理される可能性がある。このモードは、急速な出力増加がサービスとしてグリッドに提供されていない期間に用いられる可能性がある。
【０１２１】
本発明によれば、ほんの数秒の改良された周波数応答を得るために、ＧＴを通る質量流量、ならびに燃焼器およびタービン動作条件は、パワー調節の期間中に変化がないか、または、最小限の変化があるだけになるように、積極的に制御しなければならない。このことは、圧縮機質量流量を選択的に変化させることにより、および圧縮空気システムからの補償質量流量を用いて、ＧＴ質量流量を積極的に部分的または完全にバランスを取ることによって実現される。図４〜図９の実施例は、等価な補償質量流量によって、圧縮機におけるＩＧＶの変更によって引き起こされる質量流量の変化を完全にバランスを取ることによってこれを実現しているが、パワー調節は、以下の図１０ａ〜図１０ｃにおいて説明するように、この理想からの小さなずれの範囲内で、依然として良好に実現することができることを正しく認識すべきである。具体的には、燃焼器およびタービンを通る質量流量は、広範に一定に維持しなければならないが、６％未満の、燃焼器の秒当たりの質量流量の変化、より好ましくは、４％未満の、燃焼器の秒当たりの質量流量の変化、および理想的には、２％未満の、燃焼器の秒当たりの質量流量の変化が、（ＧＴにより）許容可能である可能性がある。
【０１２２】
図１０ａ〜図１０ｃは、これを示し、ハイブリッドシステムは、図４ａ〜図４ｃのものと同様であるが、その違いは、燃焼器およびタービンを通る質量流量は、最初の１秒間に３％（燃焼器／タービンを通る２０ｋｇ／ｓの質量流量の変化）だけ増加できるようになっているが、ＩＧＶは、それまでは閉じられておらず、（図４ｂの場合と同様に）依然として５０ｋｇ／ｓが注入されているということである。そのため、どのくらいの空気が、補償質量流量として、一つ以上の流体接続部を介して、ＣＡＥＳシステムとＧＴシステムとの間に送られるかに関する選択された変更は、その構成を選択的に変更することによって実現される、圧縮機を通る空気の質量流量の選択された変化をわずかに超える。このようにして、パワーを最初の１秒間に出力の１１１％まで、そしてさらに、５秒以内に出力の１１６％まで増加させることが可能である。
【０１２３】
図１１ａ〜図１１ｄは、同じＧＴシステムであるが、ここでもまた、（図７ｄの場合と同様に）大気に排出することによって急速な抽気速度を実現するために、高速作動弁２６の形態の補助減圧装置を含むように変更されているＧＴシステムを示す。通気弁２６は、ここでもまた、ＧＴに接続された、または、ＣＡＥＳネットワークと共用される流路を介して、それ自体の独立した各流路内にある。大気に対して絞り込むことは、パワーを急速に低下させる場合に特に有用であり、および発電していないときは、上述した高温空気膨張機解決策に優る低下を及ぼすことができるが、そのため、移行モードの場合を除いて、通常は明らかに、過度に非効率的である。
【０１２４】
図１１ａは、（図６ａの実施例と同様に）〜８０％の低い出力設定において初期モードで作動しているＧＴシステムを示し、図１１ｂ〜図１１ｄは、補償質量流量を供給して、ほぼ一定の（例えば、バランスのとれた）燃焼器を通る質量流量を確保するように、ＩＧＶを選択的に調節し、および空気の注入／抽気の割合を選択的に調節することによって、ガスタービン条件を過度に妨げることなく、極めて急速に切替えることが可能である、３つの代替的なバランスドモードを示す。したがって、ＩＧＶを全閉することにより、および（例えば、貯蔵部から）注入モードを開始して、ＧＴ質量流量のバランスを取ることにより、パワーを、図１１ａの初期パワー出力から、（図６ｃと同様に）図１１ｂの２２２ＭＷ、すなわち、〜８８％まで急速に増加させることができる。あるいは、図１１ａの初期モードから、パワー出力は、圧縮機出力の適切なＩＧＶ調節により、およびＧＴ質量流量のバランスを取る第２ステージの圧縮機（図示せず）によって引き抜かれた貯蔵に対して小抽気モードを開始することにより、１８６ＭＷの総出力まで、すなわち、（図６ｂと同様に）〜７３％まで急速に低下させることができ、あるいは、これもまたＧＴ質量流量のバランスを取る、高速作動通気弁２６を通って大気までの相当の抽気モードを開始することにより、１５０ＭＷ、すなわち、〜６０％までより著しく低下させることができる。ＣＡＥＳシステム（および存在する何らかの熱エネルギー貯蔵システム）が非作動になっている初期モードが、貯蔵容量により何らかの制限に達することなく、長期間作動することができることは正しく認識されるであろう。しかし、場合によっては、（極めて急速なパワー調節のために待機状態を保持している）初期モードが、例えば、応答性を向上させるために、（図１１ｄの場合と同様に）貯蔵するための小（例えば、最小）抽気、または、（図１１ｄの場合と同様に）貯蔵からの小（例えば、最小）注入を含むことが有利である可能性がある。
【０１２５】
次に、図１２ａ〜図１２ｃ、図１３および図１４を参照すると、それらの図は、上記の図に記載されているハイブリッドシステムに対して実行してもよい変更例を示す。
上記の図面においては、そのような貯蔵部は、熱を遅延なく戻すことができるように、熱をより効率的に伝達し、および熱を待機状態で保持するため、熱を貯めおよび熱を戻すための直接ＴＥＳ１４が提案されている。しかし、間接ＴＥＳ（例えば、熱を高圧で貯める必要のない液体貯蔵部に結合された熱交換器）をハイブリッドシステム内に用いてもよいが、それは、ステップが温度に遅れを取らずに行われない限り、急速応答注入モードを実行することができない可能性がある。
【０１２６】
間接ＴＥＳまたは直接ＴＥＳの場合、急速パワー調節が必要な場合に、ガスが瞬時に利用可能になるように、ＡＣＡＥＳシステムが、（好ましくは、ＴＥＳによってまだ加熱されていない）ガスを貯蔵するガスバッファを含み、およびＴＥＳに結合されていることが有利である可能性がある。
【０１２７】
通常は、ＧＴシステムは、圧縮熱が貯められ、および戻される断熱圧縮空気エネルギー貯蔵（ＡＣＡＥＳ）システムに一体化されている。しかし、他のＣＡＥＳシステムも排除はされない。
【０１２８】
図１２ａ〜図１２ｃは、注入モード中に空気を加熱する代替的システムを示す模式図である。図１２ａは、今までの図の場合と同様に、圧縮空気貯蔵部１６とＧＴシステムとの間のネットワークに挿入された直接ＴＥＳ１４の利用を示す。対照的に、図１２ｂおよび図１２ｃは、利用してもよい、および貯めた熱を戻さない代替的ヒータシステムを示す。
【０１２９】
図１２ｃは、圧縮空気貯蔵部１６とＧＴシステムとの間のネットワークに挿入された直接燃焼器２１４を示す。直接燃焼器は、排気ガスが都合良く下流のＧＴに流れている状態で、燃焼が、フロー流路ネットワーク内に配置された燃焼室２１４内で起きるため、間接燃焼器よりも少ない燃料１０４を使用する。このような直接燃焼追加燃焼器は、急速パワー調節要件に応えるために、容易に待機状態を維持することができる。例えば、小さな炎を継続的に保持することができ、（加圧室）内の空気は、例えば、十分な酸素を供給してその炎を維持するように、圧縮空気貯蔵部または小さな補助圧縮機からの少量の抽気を伴う状態で、所要の温度および圧力で保持される。また、例えば、高速応答燃料弁および適当なバーナー容量を有して、質量流量の変化に適合させることができるはずである。何らかの熱交換器ベースのシステムとは異なって、（上述した）小さな炎によってある温度に維持される場合、パワー調節時に、熱サイクル誘導応力または温度変動を受けることはない。
【０１３０】
あるいは、図１２ｂは、流路ネットワーク内に配置され、および燃料（例えば、化石燃料）１０４の燃焼による炎１０２によって間接的に加熱される熱交換器１１４を示す。この構成は、排気ガス用の排気煙突を要する。このような構成は、直接燃焼器よりも効率が良くなく、および待機状態を維持することがより困難である可能性がある（例えば、常に少量の燃焼が必要になる可能性がある）。さらに、熱膨張の問題、および動作状態になったときの温度勾配の確立に関する問題が、注意深い管理を必要とするであろう。
【０１３１】
このような代替的なヒータシステムは、ＴＥＳの代わりに、または、ＴＥＳに加えて、空気流路ネットワーク内に設けてもよく、この場合、それは、例えば、（追加の質量流量のための）追加的な熱を与えるために、または、より速い速度で熱を与えるために、または、異なる温度で熱を与えるために、直列に、または、代替的な（例えば、平行な）流路内に設けてもよい。ヒータシステムは、貯蔵部から戻る空気を、ＧＴシステム条件を考慮して（例えば、それらの条件に適合するように、または、選択された量だけ、それらの条件を超えるように）所望の温度まで加熱できるように構成してもよいのに対して、ＴＥＳは、単に熱を、給気されたのとほぼ同じ温度で戻すにすぎない。図１３および図１４は、代替的なヒータシステムに基づくハイブリッドＣＡＥＳシステムの実施例を示す。
【０１３２】
図１３を参照すると、このハイブリッドシステムは、これまでの図の場合と同様に、ＧＴシステムを用いて空気貯蔵部１６を給気する。ネットワーク内の給気および排気経路は、それぞれ実線および点線の矢印で示されている。ＧＴシステムから抽気された空気は、（（閉じた）高速作動減圧弁２２への平行経路内に設けられた）冷却熱交換器等の熱抽出システム１０６を通過し、そこでは、圧縮熱が除去されて捨てられる。そして、その空気は、下流方向に進んで、圧縮空気貯蔵部１６内の圧力まで上昇させる中間冷却圧縮機１８を備えている第２ステージの動力機械を通過する。そこからの排気時に、戻る空気は、どちらも中間冷却圧縮機１８への平行経路内に設けられた、減圧弁２０（そこで、空気は等エンタルピー的に膨張する）と、間接燃焼器１１４とを連続的に通過する。その空気は、第２の減圧弁２２を通過してＧＴシステムに入る前に、間接燃焼器によって適当な選択された温度（例えば、ＧＴ条件をマッチングする）まで加熱される。このシステムは、加圧された熱エネルギー貯蔵部の必要性、および正しい温度でそれを給気し続ける必要性を回避する。
【０１３３】
図１４は、ＧＴシステムが、圧縮空気貯蔵部を給気するのに用いられないよりベーシックな圧縮空気システムと一体化されたＧＴシステムを示す。
図示されているシステムは、最小限の装備を有しているため、現存のＧＴシステムに対しては単純な改装になるであろう。この目的のために、小さな（例えば、供給される雰囲気空気）中間冷却圧縮機１０８、または、一連の圧縮機のステージが、パイプ貯蔵部等の圧縮空気貯蔵部を、小さな質量流量で給気するために設けられ、この場合、ハイブリッドシステムは、比較的まれに、貯蔵部から（例えば、急速な）パワー調節をもたらすことを要求されるにすぎず、そのため、再給気を、小さな動力機械を用いてゆっくりと実施することができる。急速応答が必要な場合、減圧弁２０は、圧縮空気をその貯蔵部から適当な流量で流出させるように作用する。それは、減圧弁２２が、その細かい質量流量制御で、それを所望の流量での圧力低下にわたってＧＴシステムに入れることを可能にする前に、適当な選択された温度（例えば、ＧＴ条件にマッチングする）までそれを加熱する直接燃焼器２１４を通過する。
【０１３４】
直接燃焼器２１４を動作できるようにするには、前述したように、弁２０および２２の両方を通る小さな空気の送給部を有することが必要になる可能性があることに留意する。
図示されているシステムは、ＧＴシステムから空気を抽出することができないため、高速応答をもたらすことに関するその機能性は、それに応じて、空気注入の増加のみをもたらすことに限定される。しかし、さらなる変更は、このことを、例えば、図８ｅおよび図８ｆの場合と同様の高温ガス膨張機が設けられている場合に可能にするであろう。
【０１３５】
最後に、図１５ａおよび図１５ｂは、上記で例示したように、ハイブリッドシステムが、関連する好適なステップ間で切り替えて、これを実現することができる可能性のあるモードを例示としてそれぞれ示す論理フロー図である。
【０１３６】
したがって、上記システムは、初期発電モードで作動してもよく、初期モードでは、改良された周波数応答を５秒以内にでき、タービン質量流量はであり、ＧＴパワーはＷ０である。これは、（例えば、ＩＧＶが、所望の出力の変化Ｗ１に必要な予測量だけ変更される容量を有することを確実にする）適当な初期圧縮機構成と、必要に応じて、このモードの場合の、ＧＴシステム内または外への任意の抽気または注入質量流量とを伴う可能性がある。抽気モードは、圧縮空気貯蔵部への抽気および有用なワークを抽出する、あるいは圧縮空気貯蔵部への抽気または有用なワークを抽出する空気減圧装置、例えば、（必要に応じて、さらなる出力を抽出する下流装置を備えた）高温ガス膨張機または複合燃焼器および膨張機への抽気、または、通気弁等の、有用なワークを抽出しない減圧装置への抽気であってもよい。
【０１３７】
改良された周波数応答が必要な場合、（関連するセンサを備えた）制御システムは、第２の発電モード、または、同時に、圧縮機を通る質量流量の予想される変化が、それが毎秒±６％ｘまで変化する可能性がある制限内で、燃焼器およびタービン内をほぼ一定に保つように、流体接続部を介して、ＧＴシステムの内外に移送される質量流量を調節する制御システムによってバランスが取られるためそのように名付けられている、バランスドモードの場合の新たな出力設定Ｗ１（＝Ｗ０＋Ｗ１）に対する新たな圧縮機構成に圧縮機を選択的に調節する。
【０１３８】
図１５ａからは、システムは、それが持続可能であり、かつ都合が良い場合には、しばらくの間、バランスドモードのままであってもよいことが図を見て分かる。
より一般的には、バランスドモードは、理想的な長期動作モードではなく、そのモードは、（例えば、おそらく１０秒間だけ、または、最大で３０秒まで、または、最大で１分まで維持される）移行モードとして用いられるにすぎない。そのため、システムは、初期モードに戻って、別の改良された周波数応答のために待機する。
【０１３９】
あるいは、バランスドモードから、同じ出力Ｗ１を有する新たな（例えば、より効率的な、または持続可能な）運転モード１に切り替えてもよいが、これは、今では、よりスローなペース（例えば、最高で１０秒かかる通常周波数応答）の変化での、圧縮機構成を再設定することによる、燃焼器およびタービンを通る新たな質量流量Ｍ１に対する変更によって実現され、すなわち、図７ｃは、新たな運転モード１の実施例である。バランスドモードからのさらなる選択肢は、異なる出力Ｗ２、通常は、ここでもまた、燃焼器およびタービンを通る新たな質量流量Ｍ２をもたらす、よりスローなペース（例えば、最高で１０秒かかる通常周波数応答）の変化で実現されるバランスドモード（または、あまり一般的ではないが、初期低下を上回るさらなる低下）によって実現される初期出力増加に優るさらなるパワー増加を有する新たな運転モード２への切替えであり、図４ｃは、新たな運転モード２の実施例である。
【０１４０】
より大きなパワー調節は、抽気モードで作動するＧＴシステムの注入モードへの切替え（逆の場合も同様）を要し、および全開またはほぼ全開から、全閉またはほぼ全閉へのＩＧＶ変更に合わせるか、または、ＩＧＶ変更をほぼ補償する必要がある。本発明は、圧縮空気システムを備えているハイブリッド発電システムの動作に関するものであるが、いくつかの抽気モードは、圧縮空気貯蔵部を含む必要はないことを正しく認識すべきである。例えば、図８ａおよび図９ａは、パワーが、ＧＴシステムが、高速応答のために待機しているが、空気貯蔵部が非作動である間に、独立した高温ガス膨張機を介して大気に対して抽気している初期モードから調節されて、その後、その応答を受けて、空気貯蔵部からの空気の注入を伴うバランスドモードを採用する実施例である。好ましくは、減圧装置への何らかの抽気は、空気貯蔵部からの注入を伴う急速パワー調節の前に行われ、好ましくは、その供給が、ＣＡＥＳ貯蔵部の非作動から排気への変化によって中断されないように、およびＧＴ内のフローの変化が最小化されるように、減圧装置が、同じ流路によって、一つ以上の流体接続部に流体的に接続される場合が好ましい。
【０１４１】
疑義を避けるため、本発明は、圧縮機とタービンが常に（機構的に）互いに下流で結合されおよび流体的に接続されている従来のガスタービン構造に基づいているハイブリッド発電システムの動作に関連している。これは、圧縮機とタービンを自在に一緒に結合しおよび分離することができ、および圧縮機から燃焼器およびタービンへ下流方向に連続して通過する空気流を可能にするか、または防ぐのに（例えば、多方向弁を備えた）フロー接続部が必要である、従来技術が提案したガスタービンとは対照的である。
【０１４２】
さらに、熱を貯めおよび戻す、および有用なワークを抽出する動力機械のみを備えるＡＣＡＥＳシステムに基づくハイブリッドシステムは、最も有効な貯蔵／発電の解決策である可能性があるが、本発明は、即座にグリッド要件に応答することができるハイブリッドＧＴシステムを提供することに、より注力している。そのため、本発明は、代替的な構成要素またはサブシステムを備えた、上記で詳述したような広範なシステム構成を包含する。（例えば、ＣＡＥＳにおける第２段として、または、補助減圧装置として設けられている動力機械は、それらが処理できる流量（および低温始動）に制約されるが、直接および間接ＴＥＳシステムは、ヒータシステムよりも柔軟ではなく、および敏感ではなくてもよい。）
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図３ｄ】
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【図３ｅ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図７ｄ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【図８ｄ】
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【図８ｅ】
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【図８ｆ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図９ｃ】
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【図９ｄ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１０ｃ】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１１ｃ】
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【図１１ｄ】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１２ｃ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５ａ】
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【図１５ｂ】
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【国際調査報告】
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