(57)【要約】      （修正有）【課題】タービン排気ガス質量流を増加させる発電システムを提供する。【解決手段】第１のタービン構成要素１０４の第１の一体型圧縮機１０６は、第１の燃焼器１０８及び／又は第１のタービン構成要素１０４の取込み能力より大きい流れ能力を有し、過剰空気流２００を生成する。第２のガスタービンシステム１４０は、その圧縮機の能力が過剰でないことを除いて第１のガスタービンシステムと同様の構成要素を含む。ターボエキスパンダ２５２は第２のガスタービンシステムに動作可能に結合される。制御弁２５６，２６６は、第２のガスタービンシステム及び／又はターボエキスパンダ２５２への第１のガスタービンシステム１０２からの過剰空気流の流れ、及び、第１のタービン構成要素及び第２のタービン構成要素の少なくとも一方の排気１７２，１７４に対してターボエキスパンダ２５２の吐出２７２の流れを制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のタービン構成要素（１０４）、第１の一体型圧縮機（１０６）、並びに、前記第１の一体型圧縮機（１０６）からの空気及び燃料が供給される第１の燃焼器（１０８）を含む第１のガスタービンシステム（１０２）を備え、前記第１の燃焼器（１０８）は、高温燃焼ガスを前記第１のタービン構成要素（１０４）に供給するように配置され、前記第１の一体型圧縮機（１０６）は、前記第１の燃焼器（１０８）及び前記第１のタービン構成要素（１０４）の少なくとも一方の取込み能力より大きい流れ能力を有し、過剰空気流（２００）を生成し、
第２のタービン構成要素（１４４）、第２の圧縮機（１４６）、及び、前記第２の圧縮機（１４６）からの空気及び燃料が供給される第２の燃焼器（１４８）を含む第２のガスタービンシステム（１４０）を備え、前記第２の燃焼器（１４８）は、高温燃焼ガスを前記第２のタービン構成要素（１４４）に供給するように配置され、
前記第２のガスタービンシステム（１４０）に動作可能に結合されたターボエキスパンダ（２５２）と、
前記第１のガスタービンシステム（１０２）から前記第２のガスタービンシステム（１４０）及び前記ターボエキスパンダ（２５２）の少なくとも一方への過剰空気流（２００）経路に沿う過剰空気流（２００）の流れを制御する第１の制御弁（２１２，２１４，２１６）システム（２０２）と、
前記第１のタービン構成要素（１０４）及び前記第２のタービン構成要素（１４４）の少なくとも一方の排気（１７２，１７４）に対して前記ターボエキスパンダ（２５２）の吐出（２７２）の流れを制御する第２の制御弁（２７４，２７６）システム（２７０）と
を備える、発電システム（１００）。
【請求項２】
前記過剰空気流（２００）は、前記第１の制御弁（２１２，２１４，２１６）システム（２０２）によって前記第２の圧縮機（１４６）の吐出（２１０）に供給される、請求項１記載の発電システム（１００）。
【請求項３】
前記過剰空気流（２００）は、前記第１の制御弁（２１２，２１４，２１６）システム（２０２）によって前記第２の燃焼器（１４８）に供給される、請求項１記載の発電システム（１００）。
【請求項４】
前記過剰空気流（２００）は、前記第１の制御弁（２１２，２１４，２１６）システム（２０２）によって前記第２のタービン構成要素（１４４）のタービンノズル冷却用入口（１５８）に供給される、請求項１記載の発電システム（１００）。
【請求項５】
前記第１の制御弁（２１２，２１４，２１６）システム（２０２）は、前記第２の圧縮機（１４６）の吐出（２１０）、前記第２の燃焼器（１４８）、及び前記第２のタービン構成要素（１４４）のタービンノズル冷却用入口（１５８）の少なくとも１つに対して前記過剰空気流（２００）の流れを制御する、請求項１記載の発電システム（１００）。
【請求項６】
前記第１の制御弁（２１２，２１４，２１６）システム（２０２）は、前記第２の圧縮機（１４６）の前記吐出（２１０）に対して前記過剰空気流（２００）の第１の部分を制御する第１の制御弁（２１２）、前記第２の燃焼器（１４８）に対して前記過剰空気流（２００）の第２の部分を制御する第２の制御弁（２１４）、及び前記第２のタービン構成要素（１４４）の前記タービンノズル冷却用入口（１５８）に対して前記過剰空気流（２００）の第３の部分を制御する第３の制御弁（２１６）を含む、請求項５記載の発電システム（１００）。
【請求項７】
前記過剰空気流（２００）の少なくとも一部分（２５４）の流量を測定するための少なくとも１つのセンサ（２２０）を更に備え、各センサ（２２０）は前記第１の制御弁（２１２，２１４，２１６）システム（２０２）に動作可能に結合される、請求項６記載の発電システム（１００）。
【請求項８】
前記第１のタービンシステム及び前記第２のタービンシステムのそれぞれの排気（１７２，１７４）は、蒸気タービンシステム（１６０）に動力供給するため少なくとも１つの蒸気発生器（１２２，１５４，１６６）に供給される、請求項１記載の発電システム（１００）。
【請求項９】
前記第２の制御弁（２７４，２７６）システム（２７０）は、前記第１のタービン構成要素（１０４）の排気（１７２）に対して前記ターボエキスパンダ（２５２）の前記吐出（２７２）の第１の部分を制御する第１の制御弁（２７４）及び前記第２のタービン構成要素（１４４）の排気（１７４）に対して前記ターボエキスパンダ（２５２）の前記吐出（２７２）の第２の部分を制御する第２の制御弁（２７６）を含む、請求項１記載の発電システム（１００）。
【請求項１０】
前記第１のタービン構成要素（１０４）及び前記第２のタービン構成要素（１４４）のそれぞれの前記排気（１７２，１７４）は、蒸気タービンシステム（１６０）に動力供給するため少なくとも１つの蒸気発生器（１２２，１５４，１６６）に供給される、請求項９記載の発電システム（１００）。
【請求項１１】
前記ターボエキスパンダ（２５２）の前記吐出（２７２）は、前記第１のタービン構成要素（１０４）及び前記第２のタービン構成要素（１４４）の少なくとも一方の前記排気（１７２，１７４）に質量流を付加する、請求項９記載の発電システム（１００）。
【請求項１２】
前記第２のガスタービンシステム（１４０）は、回転シャフト（１６２）（１５２）を更に含み、前記回転シャフト（１６２）（１５２）は、前記第２の圧縮機（１４６）、前記第２のタービン構成要素（１４４）、スタータモータ（１５６）（１１２）、及び前記ターボエキスパンダ（２５２）を結合する、請求項１記載の発電システム（１００）。
【請求項１３】
前記第１のガスタービンシステム（１０２）は、回転シャフト（１６２）（１１０）を更に含み、前記回転シャフト（１６２）（１００）は、前記第１の一体型圧縮機（１０６）、前記第１のタービン構成要素（１０４）、及び負荷転流型インバータ（ＬＣＩ）モータを結合する、請求項１記載の発電システム（１００）。
【請求項１４】
第１のタービン構成要素（１０４）、第１の一体型圧縮機（１０６）、並びに、前記第１の一体型圧縮機（１０６）からの空気及び燃料が供給される第１の燃焼器（１０８）を含む第１のガスタービンシステム（１０２）を備え、前記第１の燃焼器（１０８）は、高温燃焼ガスを前記第１のタービン構成要素（１０４）に供給するように配置され、前記第１の一体型圧縮機（１０６）は、前記第１の燃焼器（１０８）及び前記第１のタービン構成要素（１０４）の少なくとも一方の取込み能力より大きい流れ能力を有し、過剰空気流（２００）を生成し、
第２のタービン構成要素（１４４）、第２の圧縮機（１４６）、及び、前記第２の圧縮機（１４６）からの空気及び燃料が供給される第２の燃焼器（１４８）を含む第２のガスタービンシステム（１４０）を備え、前記第２の燃焼器（１４８）は、高温燃焼ガスを前記第２のタービン構成要素（１４４）に供給するように配置され、
前記第２のガスタービンシステム（１４０）に動作可能に結合されたターボエキスパンダ（２５２）と、
前記第１のガスタービンシステム（１０２）から前記第２のガスタービンシステム（１４０）及び前記ターボエキスパンダ（２５２）の少なくとも一方への過剰空気流（２００）経路に沿う過剰空気流（２００）の流れを制御する第１の制御弁（２１２，２１４，２１６）システム（２０２）と、
前記第１のタービン構成要素（１０４）及び前記第２のタービン構成要素（１４４）の少なくとも一方の排気（１７２，１７４）に対して前記ターボエキスパンダ（２５２）の吐出（２７２）の流れを制御する第２の制御弁（２７４，２７６）システム（２７０）とを備え、前記第２の制御弁（２７４，２７６）システム（２７０）は、前記第１のタービン構成要素（１０４）の排気（１７２）に対して前記ターボエキスパンダ（２５２）の前記吐出（２７２）の第１の部分を制御する第１の制御弁（２７４）及び前記第２のタービン構成要素（１４４）の排気（１７４）に対して前記ターボエキスパンダ（２５２）の前記吐出（２７２）の第２の部分を制御する第２の制御弁（２１４）を含み、
前記第２のガスタービンシステム（１４０）は、前記第２の圧縮機（１４６）、前記第２のタービン構成要素（１４４）、スタータモータ（１５６）（１１２）、及び前記ターボエキスパンダ（２５２）を結合する、回転シャフト（１６２）（１５２）を更に含む
発電システム（１００）。
【請求項１５】
前記第１の制御弁（２１２，２１４，２１６）システム（２０２）は、前記第２の圧縮機（１４６）の吐出（２１０）、前記第２の燃焼器（１４８）、及び前記第２のタービン構成要素（１４４）のタービンノズル冷却用入口（１５８）の少なくとも１つに対して前記過剰空気流（２００）の流れを制御する、請求項１４記載の発電システム（１００）。
【請求項１６】
前記第１の制御弁（２１２，２１４，２１６）システム（２０２）は、前記第２の圧縮機（１４６）の前記吐出（２１０）に対して前記過剰空気流（２００）の第１の部分を制御する第１の制御弁（２１２）、前記第２の燃焼器（１４８）に対して前記過剰空気流（２００）の第２の部分を制御する第２の制御弁（２１４）、及び前記第２のタービン構成要素（１４４）の前記タービンノズル冷却用入口（１５８）に対して前記過剰空気流（２００）の第３の部分を制御する第３の制御弁（２１６）を含む、請求項１５記載の発電システム（１００）。
【請求項１７】
前記第１のタービン構成要素（１０４）及び前記第２のタービン構成要素（１４４）のそれぞれの前記排気（１７２，１７４）は、蒸気タービンシステム（１６０）に動力供給するため少なくとも１つの蒸気発生器（１２２，１５４，１６６）に供給される、請求項１４記載の発電システム（１００）。
【請求項１８】
前記ターボエキスパンダ（２５２）の前記吐出（２７２）は、前記第１のタービン構成要素（１０４）及び前記第２のタービン構成要素（１４４）の少なくとも一方の前記排気（１７２，１７４）に質量流を付加する、請求項１４記載の発電システム（１００）。
【請求項１９】
前記第１のガスタービンシステム（１０２）は、回転シャフト（１５６）（１１０）を更に含み、前記回転シャフト（１５６）（１１０）は、前記第１の一体型圧縮機（１０６）、前記第１のタービン構成要素（１０４）、及び負荷転流型インバータ（ＬＣＩ）モータを結合する、請求項１４記載の発電システム（１００）。
【請求項２０】
第１のタービン構成要素（１０４）、第１の一体型圧縮機（１０６）、並びに、前記第１の一体型圧縮機（１０６）からの空気及び燃料が供給される第１の燃焼器（１０８）を含む第１のガスタービンシステム（１０２）の前記第１の一体型圧縮機（１０６）から過剰空気流（２００）を抽出することであって、前記第１の一体型圧縮機（１０６）は、前記第１の燃焼器（１０８）及び前記第１のタービン構成要素（１０４）の少なくとも一方の取込み能力より大きい流れ能力を有し、抽出すること、
過剰空気流（２００）経路に沿って前記過剰空気流（２００）を、
第２のタービン構成要素（１４４）、第２の圧縮機（１４６）、並びに前記第２の圧縮機（１４６）からの空気及び燃料が供給される第２の燃焼器（１４８）を含む第２のガスタービンシステム（１４０）であって、前記第２の燃焼器（１４８）は、高温燃焼ガスを前記第２のタービン構成要素（１４４）に供給するように配置される、第２のガスタービンシステム（１４０）、及び
前記第２のガスタービンシステム（１４０）に動作可能に結合されたターボエキスパンダ（２５２）
の少なくとも一方に方向付けること、及び、
前記第１のタービン構成要素（１０４）及び前記第２のタービン構成要素（１４４）の少なくとも一方の排気（１７２，１７４）に対して前記ターボエキスパンダ（２５２）の吐出（２７２）の流れを方向付けること
を備える、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、発電システムに関し、より詳細には、過剰空気流を生成する圧縮機を有するガスタービンシステム及びターボエキスパンダを含む発電システムであって、発電機出力を増大させ、別のガスタービンシステムのタービン排気ガス質量流を増加させるための、発電システムに関し、タービン排気（複数可）は１つ又は複数の蒸気発生器において使用することができる。
【背景技術】
【０００２】
発電システムは、電力を発生するために、１つ又は複数の蒸気タービンシステムに結合することができる１つ又は複数のガスタービンシステムを使用することが多い。ガスタービンシステムは、回転シャフトを有する多段軸流圧縮機を含むことができる。空気は、圧縮機の入口に入り、圧縮機ブレード段によって圧縮され、次に、燃焼器に吐出され、燃焼器で、天然ガス等の燃料が燃やされて、タービン構成要素を駆動する高エネルギー燃焼ガス流を発生する。タービン構成要素において、高温ガスのエネルギーは仕事に変換され、その仕事の一部は回転シャフトを通して一体型圧縮機を駆動するために使用することができ、残りは、電気を生成するための発電機等の負荷を、回転シャフト（例えば、回転シャフトの伸長部）によって駆動する有用な仕事に利用可能である。幾つかのガスタービンシステムを、発電システム内で並列に使用することができる。複合サイクルシステムにおいて、１つ又は複数の蒸気タービンシステムを、同様にガスタービンシステム（複数可）と共に使用することができる。この状況では、ガスタービンシステム（複数可）からの高温排気ガスは、１つ又は複数の熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ：ｈｅａｔ  ｒｅｃｏｖｅｒｙ  ｓｔｅａｍ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）に給送されて、蒸気を生成し、次にその蒸気は、ガスタービンシステム（複数可）と別個の又は一体の回転シャフトを有する蒸気タービン構成要素に給送される。いずれにしても、蒸気のエネルギーは、仕事に変換され、その仕事は、電気を生成するため発電機等の負荷を駆動するために使用される可能性がある。
【０００３】
発電システムが作られるとき、その部品は、共に働いて、所望の電力出力を有するシステムを提供するように構成される。需要に応じて電力出力を増加させる能力及び／又は困難な環境状況下で電力出力を維持する能力は、産業界においていつまでも続く難題である。例えば、暑い日に、電気消費が増加し、したがって、発電需要を増加させる。暑い日の別の難題は、温度が上昇するにつれて、圧縮機流が減少し、それが、発電機出力の減少をもたらすことである。電力出力を増加させる（又は、例えば暑い日に電力出力を維持する）１つのアプローチは、ガスタービンシステム（複数可）の燃焼器に対する空気流を増加させる可能性がある構成要素を発電システムに付加することである。空気流を増加させる１つのアプローチは、ガスタービン燃焼器に給送するため貯蔵容器を付加することである。しかし、この特定のアプローチは、通常、貯蔵容器用の別個の電力源を必要とし、効率的ではない。
【０００４】
空気流を増加させる別のアプローチは、圧縮機をアップグレードすることである。現在のところ、圧縮機は、その流れ能力がその前世代の圧縮機より高くなるように改良されてきている。これらのより高い能力の新しい圧縮機は、通常、同様に構成される新しい燃焼器に対処するか、又は増加した能力を扱うことが可能な古い燃焼器に対処するように製造されている。より高い能力の新しい圧縮機を使用するため古いガスタービンシステムをアップグレードするための難題は、高い能力の圧縮機を、システムの他の高価な部品をアップグレードすることなしでは増加した能力を扱うことができないシステムと共に使用するメカニズムが、現在のところ全く存在しないことである。しばしば圧縮機アップグレードと同時にアップグレードされる必要がある他の部品は、燃焼器、ガスタービン構成要素、発電機、変圧器、開閉装置、ＨＲＳＧ、蒸気タービン構成要素、蒸気タービン制御弁等を含むが、それに限定されない。その結果、圧縮機アップグレードが理論的に妥当であっても、他の部品をアップグレードするためにコストが追加されるので、費用の追加によりアップグレードが得策ではなくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１４／０３５２３１８号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の第１の態様は、発電システムを提供し、発電システムは、第１のタービン構成要素、第１の一体型圧縮機、並びに、第１の一体型圧縮機からの空気及び燃料が供給される第１の燃焼器を含む第１のガスタービンシステムを含み、第１の燃焼器は、高温燃焼ガスを第１のタービン構成要素に供給するように配置され、第１の一体型圧縮機は、第１の燃焼器及び第１のタービン構成要素の少なくとも一方の取込み能力より大きい流れ能力を有し、過剰空気流を生成し、第２のタービン構成要素、第２の圧縮機、並びに、第２の圧縮機からの空気及び燃料が供給される第２の燃焼器を含む第２のガスタービンシステムを含み、第２の燃焼器は、高温燃焼ガスを第２のタービン構成要素に供給するように配置され、第２のガスタービンシステムに動作可能に結合されたターボエキスパンダと、第１のガスタービンシステムから第２のガスタービンシステム及びターボエキスパンダの少なくとも一方への過剰空気流経路に沿う過剰空気流の流れを制御する第１の制御弁システムと、第１のタービン構成要素及び第２のタービン構成要素の少なくとも一方の排気に対してターボエキスパンダの吐出の流れを制御する第２の制御弁システムとを含む。
【０００７】
本開示の第２の態様は、発電システムを提供し、発電システムは、第１のタービン構成要素、第１の一体型圧縮機、並びに、第１の一体型圧縮機からの空気及び燃料が供給される第１の燃焼器を含む第１のガスタービンシステムを備え、第１の燃焼器は、高温燃焼ガスを第１のタービン構成要素に供給するように配置され、第１の一体型圧縮機は、第１の燃焼器及び第１のタービン構成要素の少なくとも一方の取込み能力より大きい流れ能力を有し、過剰空気流を生成し、第２のタービン構成要素、第２の圧縮機、並びに、第２の圧縮機からの空気及び燃料が供給される第２の燃焼器を含む第２のガスタービンシステムを備え、第２の燃焼器は、高温燃焼ガスを第２のタービン構成要素に供給するように配置され、第２のガスタービンシステムに動作可能に結合されたターボエキスパンダと、第１のガスタービンシステムから第２のガスタービンシステム及びターボエキスパンダの少なくとも一方への過剰空気流経路に沿う過剰空気流の流れを制御する第１の制御弁システムと、第１のタービン構成要素及び第２のタービン構成要素の少なくとも一方の排気に対してターボエキスパンダの吐出の流れを制御する第２の制御弁システムとを備え、第２の制御弁システムは、第１のタービン構成要素の排気に対してターボエキスパンダの吐出の第１の部分を制御する第１の制御弁及び第２のタービン構成要素の排気に対してターボエキスパンダの吐出の第２の部分を制御する第２の制御弁を含み、第２のガスタービンシステムは、回転シャフトを更に含み、回転シャフトは、第２の圧縮機、第２のタービン構成要素、スタータモータ、及びターボエキスパンダを結合する。
【０００８】
本開示の第３の態様は、方法を提供し、方法は、第１のタービン構成要素、第１の一体型圧縮機、並びに、第１の一体型圧縮機からの空気及び燃料が供給される第１の燃焼器を含む第１のガスタービンシステムの第１の一体型圧縮機から過剰空気流を抽出することであって、第１の一体型圧縮機は、第１の燃焼器及び第１のタービン構成要素の少なくとも一方の取込み能力より大きい流れ能力を有し、過剰空気流経路に沿って過剰空気流を、第２のタービン構成要素、第２の圧縮機、並びに第２の圧縮機からの空気及び燃料が供給される第２の燃焼器を含む第２のガスタービンシステム、高温燃焼ガスを第２のタービン構成要素に供給するように配置された第２の燃焼器、及び、第２のガスタービンシステムに動作可能に結合されたターボエキスパンダの少なくとも１つに方向付けること、及び、第１のタービン構成要素及び第２のタービン構成要素の少なくとも一方の排気に対してターボエキスパンダの吐出の流れを方向付けることを備える。
【０００９】
本開示の例証的な態様が、本明細書で述べる問題及び／又は論じられていない他の問題を解決するために設計される。
【００１０】
本開示のこれらの、又は他の特徴は、本開示の種々の実施形態を示す添付図面と共に考えられる本開示の種々の態様についての以下の詳細な説明からより容易に理解できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態による発電システムの略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本開示の図面が一定比例尺に従っていないことに留意する。図面は、本開示の典型的な態様だけを示すことを意図され、したがって、本開示の範囲を制限するものと考えられるべきではない。図面において、同様の番号付けは、図面の間で同様の要素を示す。
【００１３】
先に示したように、本開示は、過剰空気流を生成する圧縮機を含むガスタービンシステムを含む発電システムを提供する。本発明の実施形態は、過剰空気流を使用して、発電システムの出力を改善する方法を提供する。
【００１４】
図１では、本発明の実施形態による発電システム１００の略図を提供する。システム１００は第１のガスタービンシステム１０２を含む。第１のガスタービンシステム１０２は、構成要素の中でもとりわけ、第１のタービン構成要素１０４、第１の一体型圧縮機１０６、及び第１の燃焼器１０８を含むことができる。本明細書で使用するとき、第１の「一体型（ｉｎｔｅｇｒａｌ）」圧縮機１０６は、圧縮機１０６及びタービン構成要素１０４が、特に圧縮機／タービンの共通回転シャフト１１０（ロータ１１０と呼ばれることもある）によって共に一体的に結合することができるため、そのように呼ばれる。この構造は、別々に動力供給され、タービン構成要素１０４と一体型でない多くの圧縮機と対照的である。
【００１５】
燃焼器１０８は、燃焼領域及び燃料ノズル組立体を一般的に含む、現在知られているか又は後に開発される任意の燃焼器システムを含むことができる。燃焼器１０８は、環状燃焼システム又はカン型環状燃焼システム（図に示す）の形態をとることができる。動作時、第１の一体型圧縮機１０６からの空気及び天然ガス等の燃料が燃焼器１０８に供給される。任意選択で、希釈液が、同様に、現在知られているか又は後に開発される任意の方式で燃焼器１０８に送出される。第１の一体型圧縮機１０６から引出される空気は、現在知られているか又は後に開発される任意の入口フィルタハウジング１２０を通過することができる。理解されるように、燃焼器１０８は、燃料及び空気の混合物の燃焼によって高温燃焼ガスを第１のタービン構成要素１０４に供給するように配置される。タービン構成要素１０４において、高温燃焼ガスのエネルギーは、仕事に変換され、その仕事の一部を、回転シャフト１１０を通して圧縮機１０６を駆動するために使用することができ、残りは、限定はしないが、電気を生成するための発電機１２２及び／又は別のタービン等の負荷を回転シャフト１１０（回転シャフト１１０の伸長部）によって駆動する有用な仕事に利用可能である。限定はしないが従来のスタータモータ又は負荷転流型インバータ（ＬＣＩ：ｌｏａｄ  ｃｏｍｍｕｔａｔｅｄ  ｉｎｖｅｒｔｅｒ）モータ（図示する）等のスタータモータ１１２は、同様に、第１のガスタービンシステム１０２を始動させるため回転シャフト１１０に結合することができる。タービン構成要素１０４は、回転シャフト１１０を経由して高温燃焼ガス流を仕事に変換するための現在知られているか又は後に開発される任意のタービンを含むことができる。
【００１６】
一実施形態において、ガスタービンシステム１０２は、Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｍｐａｎｙ（サウスカロライナ州グリーンビル（Ｇｒｅｅｎｖｉｌｌｅ，Ｓ．Ｃ）所在）から商業的に入手可能な７ＦＢエンジンと呼ばれることがあるモデルＭＳ７００１ＦＢを含むことができる。しかし、本発明は、任意の１つの特定のガスタービンシステムに限定されず、例えば、Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ＣｏｍｐａｎｙのＭＳ７００１ＦＡ（７ＦＡ）及びＭＳ９００１ＦＡ（９ＦＡ）モデルを含む他のシステムに関連して実装することができる。
【００１７】
従来のガスタービンシステムモデルと対照的に、第１の一体型圧縮機１０６は、タービン構成要素１０４及び／又は第１の燃焼器１０８の取込み能力より大きい流れ能力を有する。すなわち、圧縮機１０６は、燃焼器１０８及びタービン構成要素１０４に整合するように構成される圧縮機と比較してアップグレードされた圧縮機である。本明細書で使用するとき、「能力（ｃａｐａｃｉｔｙ）」は、流量能力を示す。例えば、ガスタービンシステム１０２用の初期圧縮機は、約４８７キログラム／秒（ｋｇ／ｓ）（１，０７５ポンド質量／秒（ｌｂｍ／ｓ）の最大流量能力を持つことができ、タービン構成要素１０４は、実質的に等しい最大流れ能力、すなわち、約４８７ｋｇ／ｓを持つことができる。しかし、ここで、圧縮機１０６は、初期圧縮機に置換され、例えば、約５４４ｋｇ／ｓ（１，２００ｌｂｍ／ｓ）に増加した最大流れ能力を有することができ、一方、タービン構成要素１０４は、例えば約４８７ｋｇ／ｓの最大流れ能力を持ち続ける。（必要である場合、スタータモータ１１２もまた、第１の一体型圧縮機１０６を始動するために増加した所要電力に対処するため、例えば、示すＬＣＩドライブモータにアップグレードされている場合がある。）その結果、タービン構成要素１０４は、圧縮機１０６の能力の全てを利用することができず、タービン構成要素１０４の最大能力を超える過剰空気流２００が、圧縮機１０６によって生成される。同様に、一体型圧縮機１０６の流れ能力は、燃焼器１０８の最大取込み能力を超える場合がある。同様の方式で、一体型圧縮機１０６の全流れ能力にさらされる場合のタービン構成要素１０４の電力出力は、発電機１２２についての許容可能な最大入力を超える可能性がある。特定の例証的な流量値を本明細書で述べたが、流量能力が、使用されるガスタービンシステム及び新しい高能力一体型圧縮機１０６に応じて幅広く変動する場合があることが強調される。本明細書で述べるように、本発明は、発電システム１００が、発電システム１００の他の部品で過剰空気流を使用するために種々の実施形態を提供する。
【００１８】
図１に示す実施形態において、発電システム１００はまた、１つ又は複数の第２のガスタービンシステム（複数可）１４０を含む。それぞれの第２のガスタービンシステム１４０は、第２のタービン構成要素１４４、第２の圧縮機１４６、及び第２の燃焼器１４８を含むことができる。それぞれの第２のガスタービンシステム１４０は、その圧縮機１４６がアップグレード又は置換されておらず、それぞれのタービン構成要素１４４及び／又は燃焼器１４８の流れ能力に一致するように構成される流れ能力を有し続けることを除いて、第１のガスタービンシステム１０２と実質的に同様であるとすることができる。第１の一体型圧縮機１０６に関して本明細書で述べるように、第２の圧縮機１４６からの空気は、燃料と共に第２の燃焼器１４８に供給され、第２の燃焼器１４８は、高温燃焼ガスを第２のタービン構成要素１４４に供給するように配置される。任意選択で、希釈液を、現在知られているか又は後に開発される任意の方式で第２の燃焼器１４８に同様に送出することができる。第２の圧縮機１４６によって引出される空気は、現在知られているか又は後に開発される任意の入口フィルタハウジング１５０を通過することができる。第２のタービン構成要素１４４において、高温燃焼ガスのエネルギーは、仕事に変換され、その仕事の一部は、回転シャフト１５２を通して圧縮機１４６を駆動するために使用され、残りは、限定はしないが、電気を生成するための発電機１５４及び／又は別のタービン等の負荷を回転シャフト１５２（回転シャフト１５２の伸長部）によって駆動する有用な仕事に利用可能である。第２のガスタービンシステム１４０に関する始動動作用のスタータモータ１５６を、同様に回転シャフト１５２に結合することができる。
【００１９】
第２のタービン構成要素１４４はまた、１つ又は複数のタービンノズル冷却用入口（複数可）１５８を含むことができる。当技術分野で理解されるように、タービン構成要素内の固定ノズルは、とりわけタービン構成要素のノズルを冷却するため冷却用流体流が注入されるための幾つかの入口（図示せず）を含むことができる。ノズル内及びノズルの周りの通路は、冷却用流体を必要に応じて方向付ける。明確にするため、１つの入口だけがタービン構成要素１４４の第１段に示されるが、タービン構成要素１４４の各段が、例えばタービン構成要素の周りで円周方向に離間した１つ又は複数の入口を含むことができることが理解できる。更に、タービンノズル冷却用入口１５８は第２のタービン構成要素１４４の第１段に又はその近くに入るものとして示されるが、理解されるように、入口（複数可）を、事実上任意の段に設けることができる。
【００２０】
図１に同様に示すように、一実施形態において、発電システム１００は、任意選択で、蒸気タービンシステム１６０を含む複合サイクル電力プラントの形態をとることができる。蒸気タービンシステム１６０は、現在知られているか又は後に開発される任意の蒸気タービン配置構成を含むことができる。図示する例において、高圧（ＨＰ）、中間圧（ＩＰ）、及び低圧（ＬＰ）セクションが示される。しかし、全ての事例において全てが必要であるわけではない。本技術分野で知られているように、動作時、蒸気は、蒸気タービンセクション（複数可）の入口に入り、固定ベーンを通して流され、固定ベーンは、蒸気を、回転シャフト１６２（ロータ）に結合したブレードに当てて下流に方向付ける。蒸気は、残りの段を通過し、ブレードに力を与え、回転シャフト１６２を回転させることができる。回転シャフト１６２の少なくとも一端は、限定はしないが、発電機１６６及び／又は別のタービン、例えばガスタービン１０２、１４０の一方等の負荷又は機械に取付けることができる。蒸気タービンシステム１６０用の蒸気は、１つ又は複数の蒸気発生器１６８、１７０、すなわち熱回収型蒸気発生器（ＨＲＳＧ）によって生成することができる。ＨＲＳＧ１６８を、第１のガスタービンシステム１０２の排気１７２に結合することができ、ＨＲＳＧ１７０を、第２のガスタービンシステム（複数可）１４０の排気１７４に結合することができる。すなわち、ガスタービンシステム１０２及び／又はガスタービンシステム（複数可）１４０のそれぞれの排気１７２、１７４は、蒸気タービンシステム１６０に動力供給するため少なくとも１つのＨＲＳＧ１６８、１７０に供給することができる。各ガスタービンシステムを専用ＨＲＳＧに結合することができる、又は、幾つかのシステムがＨＲＳＧを共有することができる。後者の場合、２つのＨＲＳＧ１６８、１７０が示されるが、１つのＨＲＳＧだけを設け、両方の排気１７２、１７４を１つのＨＲＳＧに方向付けることができる。蒸気発生器１６８、１７０を通過した後、燃焼ガス流（今や熱を使い尽くした）は、現在知られているか又は後に開発される任意の排出制御システム１７８、例えば、スタック、選択触媒還元（ＳＣＲ：ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  ｃａｔａｌｙｔｉｃ  ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）ユニット、窒素酸化物フィルタ等によって排気することができる。図１が複合サイクルの実施形態を示すが、蒸気発生器１６８、１７０を含む蒸気タービンシステム１６０を省略することができることが強調される。この後者の場合、排気１７２、１７４は、排出制御システム１８０に直接渡されるか又は他のプロセスで使用されることになる。
【００２１】
発電システム１００はまた、発電システム１００の種々の構成要素を制御するための現在知られているか又は後に開発される任意の制御システム１８０を含むことができる。構成要素から離れて示されるが、制御システム１８０が、構成要素、及び構成要素のそれぞれの制御可能な特徴部、例えば、弁、ポンプ、モータ、センサ、歯車装置、電気グリッド、発電機コントロール等の全てに電気結合されることが理解できる。
【００２２】
第１のガスタービンシステム１０２の詳細に戻ると、本明細書で留意されるように、第１の一体型圧縮機１０６は、タービン構成要素１０４及び／又は第１の燃焼器１０８の取込み能力より大きい流れ能力を有し、過剰空気流２００を生成する。過剰空気流２００は、第１の一体型圧縮機１０６の吐出において第１の一体型圧縮機１０６から抽出される流れとして示される。しかし、過剰空気流２００を、適切な弁及び関連する制御システムを使用して、所望される一体型圧縮機１０６の任意の段で、例えば、吐出の上流の１つ又は複数の場所で、吐出及び吐出の上流の１つ又は複数の場所で等で抽出することができることが強調される。いずれにしても、過剰空気流２００は、１つ又は複数のパイプを含むことができる過剰空気流経路２５０に沿って第２のガスタービンシステム（複数可）１４０まで最終的に流れる。図１の実施形態において、制御弁システム２０２は、第２のガスタービンシステム（複数可）１４０への過剰空気流２００の流れを制御するために設けられる。過剰空気流２００がたった１つの第２のガスタービンシステム１４０に方向付けられるかのように示されるが、所望される場合でかつ過剰空気流が２つ以上のシステムをサポートできる場合、過剰空気流を１つ又は複数の第２のガスタービンシステム（複数可）１４０に方向付けることができることが理解できる。
【００２３】
発電システム１００はまた、第２のガスタービンシステム１４０に動作可能に結合したターボエキスパンダ２５２を含むことができる。ターボエキスパンダ２５２は、空気又は蒸気等の高圧ガスを受取り、高圧ガスの膨張から仕事を生成することが可能な現在知られているか又は後に開発される任意の軸流又は遠心流タービンを含むことができる。その場合、過剰空気流２００の少なくとも一部分２５４は、ターボエキスパンダ２５２に動力供給するために使用することができる。過剰空気流２００の少なくとも一部分２５４は、必要である場合、別の高圧ガス源、例えば、ＨＲＳＧ１６８及び／又は１７０或は別の加圧空気源からの蒸気、によって増大することができる。ターボエキスパンダ２５２の動作及び利点は本明細書で述べる。
【００２４】
過剰空気流２００は、幾つかの方法で、第１のガスタービンシステム１０２から第２のガスタービンシステム１４０及び／又はターボエキスパンダ２５２に方向付けることができる。一実施形態において、第１の制御弁システム２０２は、第２のガスタービンシステム１４０及びターボエキスパンダ２５２の少なくとも１つに対する、過剰空気流経路２５０に沿う過剰空気流２００の流れを制御する。第２のガスタービンシステム１４０に関して、第１の制御弁システム２０２は、第２の圧縮機１４６の吐出２１０、第２の燃焼器１４８、及び第２のタービン構成要素１４４のタービンノズル冷却用入口（複数可）１５８の少なくとも１つに対する過剰空気流２００の流れを制御することができる。制御弁システム２０２は、第２のガスタービンシステム１４０の所望の部品に過剰空気流２００の少なくとも一部分を供給するのに必要な任意の数の弁を含むことができる。示すように、制御弁システム２０２は３つの弁を含むことができる。第１の制御弁２１２は、第２の圧縮機１４６の吐出２１０に対する過剰空気流２００の第１の部分を制御することができる。この方式で、過剰空気流２００は、それによる更なるエネルギー消費なしで圧縮機１４６からの空気の流れを増す可能性がある。第２の制御弁２１４は、第２の燃焼器１４８に対する過剰空気流２００の第２の部分を制御し、したがって、燃焼のために更なる空気を提供することができる。第３の制御弁２１６は、第２のタービン構成要素１４４のタービンノズル冷却用入口（複数可）１５８に対する過剰空気流２００の第３の部分を制御して、とりわけ、タービン構成要素のノズル用の冷却用流体を提供することができる。動作時、図示する例は次の通りに機能することができる。すなわち、第１に、制御弁２１２が開口し、制御弁２１４、２１６が閉鎖した状態で、過剰空気流２００は第２の圧縮機１４６の吐出２１０に供給され、第２に、制御弁２１２及び２１６が閉鎖し、制御弁２１４が開口した状態で、過剰空気流２００は燃焼器１４８に供給され、最後に、制御弁２１２及び２１４が閉鎖し、制御弁２１６が開口した状態で、過剰空気流２００は第２のタービン構成要素１４４のタービンノズル冷却用入口（複数可）１５８に供給される。第１の制御弁システム２０２はまた、過剰空気流経路２５０内の過剰空気流２００を制御するための制御弁２５６を含むことができる。ターボエキスパンダ２５２に対する過剰空気流２００の送出に関して、第１の制御弁システム２０２はまた、ターボエキスパンダに動力供給するため、過剰空気流経路２５０からターボエキスパンダ２５２に、すなわち、ターボエキスパンダ２５２の入口に供給される過剰空気流２００の少なくとも一部分２５４を制御する制御弁２６６を含むことができる。
【００２５】
第２の制御弁システム２７０は、第１のタービン構成要素１０４及び第２のタービン構成要素１４４の少なくとも一方の排気に対するターボエキスパンダ２５２の吐出２７２（明確にするため、波線で示す配管）の流れを制御することができる。すなわち、第２の制御弁システム２７０は、第１のタービン構成要素１０４の排気１７２に対する吐出２７２の一部分の流れ、及び、第２のタービン構成要素１４４の排気１７４に対する吐出２７２の一部分の流れを制御する。示すように、第２の制御弁システム２７０は、第１のタービン構成要素１０４の排気１７２に対するターボエキスパンダ２５２の吐出２７２の第１の部分を制御する第１の制御弁２７４、及び、第２のタービン構成要素１４４の排気１７４に対するターボエキスパンダ２５２の吐出２７２の第２の部分を制御する第２の制御弁２７６を含むことができる。吐出２７２の各部分は、ゼロを含む吐出２７２の任意のパーセンテージである可能性がある。すなわち、吐出２７２の任意の部分が、第１のタービン構成要素の排気１７２及び第２のタービン構成要素の排気１７４に送出される可能性がある、又は、吐出２７２の全てが、排気１７２又は排気１７４に送出される可能性がある。
【００２６】
更に各制御システム２０２、２７０に関して、所望の部分的な流れを、述べた構成要素に提供するため、制御システムの各制御弁を開口と閉鎖との間の任意の位置に位置決めすることができる。更に、各構成要素に対する１つの通路が各制御弁の後に示されるが、更なる配管及び制御弁を、種々の子部品、例えば、第２のタービン構成要素１４４上の多数のタービンノズル冷却用入口１５８、燃焼器１４８の多数の燃焼カン、ターボエキスパンダ２５２に対する種々の入力等に過剰空気流２００のそれぞれの部分を更に分配するために設けることができることが強調される。同様に示すように、少なくとも１つのセンサ２２０を、各制御弁２１２、２１４、２１６等の後に、例えば、第１の一体型圧縮機１０６から抽出される過剰空気流２００の少なくとも一部分の流量を測定するために設けることができる。各センサ２２０を、制御弁システム（複数可）２０２、２７０に動作可能に結合することができ、制御弁システムはそれぞれ、示す種々の制御弁の自動化動作のための現在知られているか又は後に開発される任意の産業用コントロール、及び、制御システム１８０を含むことができる。流れを測定するための他のセンサ２００が、必要である場合、発電システム１００全体を通して設けられる可能性がある。
【００２７】
述べたように、制御弁２５６は、過剰空気流経路２５０内の過剰空気流２００の量を制御するように動作することができ、制御弁２６６は、過剰空気流経路２５０からターボエキスパンダ２５２に提供される空気２５４の量を制御するように動作することができる。制御弁システム２０２、２７０は、したがって、過剰空気流２００の流れ及びターボエキスパンダ２５２の動作は、全体的な発電システム１００の制御システム１８０の一部であるとすることができる、現在知られているか又は後に開発される任意の産業用コントローラを使用して制御することができる。制御システム１８０は、制御弁システム２０２を制御することを含む、知られている方式で、発電システム１００の種々の構成要素の全ての動作を制御することができる。
【００２８】
過剰空気流２００を生成する第１の一体型圧縮機１０６を有する第１のガスタービンシステム１０２を含む発電システム１００は、従来のシステムと比較して幾つかの利点を提供する。例えば、圧縮機１０６は、システム内の全ての圧縮機をアップグレードすること（多数のガスタービンが使用される場合、非常に費用がかかる可能性がある）に比べて、低コストで発電システム１００の電力ブロックのピーク、ベース、及び暑い日の出力を改善することができる。更に、本発明の実施形態は、過剰空気流のより多くを効率的に消費する方法を提供することによって、アップグレードされた圧縮機、すなわち圧縮機１０６の相対的コストを減少させ、次に、アップグレードされた圧縮機の実現可能性及び望ましさを改善する。更に、第１の一体型圧縮機１０６を含む発電システム１００は、以下の例証的なサブシステムの任意の１つ又は複数が過小サイズに作られる場合に、プロジェクト実現可能性を改善することによってシステム１００の動作範囲を拡大する。以下の例証的なサブシステムとは、タービン構成要素１０４、発電機１２２、変圧器（図示せず）、開閉装置、ＨＲＳＧ１６８、蒸気タービンシステム１６０、蒸気タービン制御弁等である。こうした方式で、システム１００は、両方の圧縮機１０６、１４６をアップグレードする場合又は何もしない場合と比較して、例えば２つのガスタービン及び１つの蒸気タービン複合サイクル（２×１  ＣＣ）システム内で単一の圧縮機をアップグレードする改善された事例を提供する。
【００２９】
ターボエキスパンダ２５２は、単独で又は過剰空気流２００を生成する第１の一体型圧縮機１０６と連携して幾つかの利点を提供することができる。利点の１つとして、ターボエキスパンダ２５２が、始動中にシャフト１５２を回転させるための更なる回転動力を提供して、スタータモータ１５６動力を増大させる可能性がある。示すように、第２のガスタービンシステム１４０は、第２の圧縮機１４６、第２のタービン構成要素１４４、スタータモータ１５６、及びターボエキスパンダ２５２を結合する回転シャフト１５２を含むことができる。発電機１５４を、同様に回転シャフト１５２に結合することができる。スタータモータ１５６は、第２のガスタービンシステム１４０の始動のために、現在知られているか又は後に開発される任意のモータを含むことができる。当技術分野で理解されるように、始動は、スタータモータ１５６が、ギア速度（すなわち、回転シャフト１５２の反りを防止するため回転シャフト１５２が連続して回転する速度）で回転し、次に、モータの影響下でパージ速度（すなわち、空気が流れることを可能にする速度）まで増加し、次に、燃焼器１４８が初期燃料流に点火する速度に減少することを含むことができる。その後、回転シャフト１５２及びシステムの残りは、モータ１５６の影響下で加速し、ついには、フル速度負荷無し状態（ＦＳＮＬ：ｆｕｌｌ  ｓｐｅｅｄ，ｎｏ  ｌｏａｄ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）に達する。その時点で、ガスタービンシステム１４０は、動力を生成するのではなく、自立持続型であり、燃焼器１４８内の燃料が速度を制御している。その後、ガスタービンシステム１４０をロードする（ブレーカを閉鎖する）ことができるため、ガスタービンシステム１４０が発電機１５４を使用して電力を発生し始め、その後、燃焼器１４８に対する燃料流、第２のタービン構成要素１４４内のベーン等のような調整が、フル速度フル負荷（ＦＳＦＬ：ｆｕｌｌ  ｓｐｅｅｄ，ｆｕｌｌ  ｌｏａｄ）状態が達成されるまで行われる可能性がある。同様の始動過程を、第１のガスタービンシステム１０２のＬＣＩモータ１１２を使用して利用することができる。第２のガスタービンシステム１４０の構成要素がアップグレードされた幾つかの事例において、初期スタータモータ１５６を過小サイズに作ることができる。すなわち、第２のガスタービンシステム１４０を始動するために機能するのに不適切な動力をスタータモータ１５６が持つサイズに、第２の圧縮機１４６及び／又は第２のタービン構成要素１４４等の構成要素を作ることができる。しかし、ターボエキスパンダ２５２を設けることによって、始動中に、更なる回転動力が回転シャフト１５２に提供されて、スタータモータ１５６の動力を増大させることができる。この方式で、過少サイズに作られたスタータモータ１５６を置換する必要がない場合があり、負荷転流型インバータ（ＬＣＩ：ｌｏａｄ  ｃｏｍｍｕｔａｔｅｄ  ｉｎｖｅｒｔｅｒ）モータ等の大きなモータのコストが回避される可能性がある。（第１のガスタービンシステム１０２はＬＣＩモータ１１２を持つ状態で示される）。更に、第１の圧縮機１０６からの過剰空気流２００の供給が、第２のガスタービンシステム（複数可）１４０によって消費���れる可能性がある量より大きい場合、ターボエキスパンダ２５２のトルク出力もまた、負荷動作のピーク時に発電機１５４の電力出力を増大させる可能性がある。
【００３０】
本発明の実施形態によるターボエキスパンダ２５２の別の利点は、ターボエキスパンダ２５２の吐出２７２が、それぞれ第１のタービン構成要素１０４及び第２のタービン構成要素１４４の排気１７２、１７４より高い温度を有することである。その結果、排気１７２、１７４の一方又は両方に対する、すなわち第２の制御弁システム２７０を使用するターボエキスパンダ２５２の吐出２７２の送出は、一方又は両方の排気１７２、１７４を加熱し、一方又は両方の排気１７２、１７４にガス質量流を付加し、蒸気タービンシステム１６０用の蒸気を生成するときの一方又は両方のＨＲＳＧ１６８、１７０の出力を増加させるように働く。
【００３１】
本明細書で使用される用語は、単に特定の実施形態を述べるためのものであり、本開示を制限するものであることを意図しない。本明細書で使用するとき、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、及び「その（ｔｈｅ）」は、別途文脈が明確に指示しない限り、複数形も含むことを意図する。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」及び／又は「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」が、本明細書で使用されるとき、述べた特徴、整数、ステップ、動作、要素、及び／又は構成要素の存在を指定するが、１つ又は複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、及び／又はそのグループの存在又は付加を排除しないことが更に理解できる。
【００３２】
下記特許請求の範囲内の全ての手段又はステッププラス機能要素の対応する構造、材料、行為、及び等価物は、具体的に特許請求される他の特許請求要素と組合せて機能を実施するための任意の構造、材料、又は行為を含むことを意図する。本開示の説明は、例証及び説明のために提示しているが、網羅的である又は開示される形態の開示に限定されることを意図しない。本開示の範囲及び精神から逸脱することなく、多くの修正及び変形が当業者に明らかになる。本開示の原理及び実用的なアプリケーションを最もよく説明し、また、企図される特定の使用に適合した種々の修正を有する種々の実施形態について当業者が開示を理解することを可能にするために、実施形態を選択し述べた。
【符号の説明】
【００３３】
１００  発電システム
１０２  第１のガスタービンシステム
１０４  第１のタービン構成要素
１０６  第１の一体型圧縮機
１０８  第１の燃焼器
１１０  タービン回転シャフト
１１２  スタータモータ
１２０  入口フィルタハウジング
１２２、１５４、１６６  発電機
１４０  第２のガスタービンシステム
１４４  第２のタービン構成要素
１４６  第２の圧縮機
１４８  第２の燃焼器
１５０  後に開発される入口フィルタハウジング
１５２  回転シャフト
１５６  スタータモータ
１５８  ノズル冷却用入口
１６０  蒸気タービンシステム
１６２  回転シャフト
１６８、１７０  蒸気発生器
１７２、１７４  排気
１７８  排出制御システム
１８０  制御システム
２００  空気流
２０２  第１の制御弁システム
２１０、２７２  吐出
２１２、２７４  第１の制御弁
２１４  第２の制御弁
２１６  第３の制御弁
２２０  センサ
２５０  過剰空気流経路
２５２  ターボエキスパンダ
２５４  少なくとも一部分
２５６、２６６  制御弁
２７０  第２の制御弁システム
【図１】
2016176468.tif 000003
【外国語明細書】
2016176468000001.pdf