(57)【要約】【課題】発電プラント、および発電プラント出力を制御する。【解決手段】ガスタービン（１２）発電プラント（１０）のガスタービン（１２）排気エネルギーを制御するためのシステムおよび方法が、本明細書に開示される。システムは、圧縮機（１４）の下流の燃焼器（１６）と、燃焼器（１６）の下流に配置されたタービン（１８）と、タービン（１８）の出口の下流の排気ダクト（４４）とを有するガスタービン（１２）を含む。排気ガスダンパ（６４）は、排気ダクト（４４）の下流端部（６６）に動作可能に接続され、圧縮ガス供給源（６８）は、タービン出口の下流および排気ガスダンパ（６４）の上流で排気ダクト（４４）と流体連通している。ガスタービン（１２）の運転中、排気ガスダンパ（６４）および圧縮ガス供給源（６８）は、タービン出口で背圧を増加させ、タービン出口から流出する排気ガス（４２）の軸方向流出速度を制限する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機（１４）の下流の燃焼器（１６）と、前記燃焼器（１６）の下流に配置されたタービン（１８）と、前記タービン（１８）の出口（３８）の下流の排気ダクト（４４）とを含むガスタービン（１２）であって、前記排気ダクト（４４）は、前記タービン出口（３８）からの排気ガス（４２）を受けるガスタービン（１２）と、
前記排気ダクト（４４）の下流端部（６６）に動作可能に接続された排気ガスダンパ（６４）と、
前記排気ダクト（４４）と流体連通する前記タービン出口（３８）の下流および前記排気ガスダンパ（６４）の上流の圧縮ガス供給源（６８）であって、前記排気ガスダンパ（６４）および前記圧縮ガス供給源（６８）は、前記タービン出口（３８）で背圧を増加させ、前記タービン出口（３８）から流出する前記排気ガス（４２）の軸方向流出速度を制限する、発電プラント（１０）。
【請求項２】
前記排気ガスダンパ（６４）が、ギロチンダンパである請求項１に記載の発電プラント（１０）。
【請求項３】
前記排気ガスダンパ（６４）が、ルーバダンパである請求項１に記載の発電プラント（１０）。
【請求項４】
前記圧縮ガス供給源（６８）が、前記ガスタービン（１２）の前記圧縮機（１４）を含む請求項１に記載の発電プラント（１０）。
【請求項５】
前記圧縮ガス供給源（６８）が、補助ブロワ（８０）を含む請求項１に記載の発電プラント（１０）。
【請求項６】
前記圧縮ガス供給源（６８）が、排気ガス再循環システム（８２）を含む請求項１に記載の発電プラント（１０）。
【請求項７】
前記排気ガス再循環システム（８２）が、前記排気ガスダンパ（６４）の下流に配置された排気ガス抽出ポート（８４）と流体連通している請求項６に記載の発電プラント（１０）。
【請求項８】
前記排気ガスダンパ（６４）の下流端部（７２）に動作可能に接続された入口部（７０）を有する熱回収蒸気発生器（４８）をさらに含み、前記入口部（７０）が、前記排気ガスダンパ（６４）からの前記排気ガス（４２）を受ける請求項１に記載の発電プラント（１０）。
【請求項９】
前記排気ガスダンパ（６４）および前記圧縮ガス供給源（６８）に電子的に結合されたコントローラ（１００）をさらに含み、前記コントローラ（１００）が、前記排気ガスダンパ（６４）を少なくとも部分的に開かせる、または少なくとも部分的に閉じさせる第１の信号、および前記コントローラ（１００）に電子的に接続され前記排気ガスダンパ（６４）の上流におよび前記タービン出口（３８）に近接して配置された圧力センサ（８８）によって提供された排気ガス背圧データ信号（１０２）に基づいて前記圧縮ガス供給源（６８）に圧縮ガス（７６）を前記排気ダクト（４４）内に噴射させる第２の信号を生成する請求項１に記載の発電プラント（１０）。
【請求項１０】
前記排気ガスダンパ（６４）および前記圧縮ガス供給源（６８）に電子的に結合されたコントローラ（１００）をさらに含み、前記コントローラ（１００）が、前記排気ガスダンパ（６４）を少なくとも部分的に開かせる、または少なくとも部分的に閉じさせる第１の信号、および前記コントローラ（１００）に電子的に接続され前記ダンパ（６４）の上流に前記タービン出口（３８）に近接して配置された流速センサ（９０）によって提供された軸方向流出速度データ信号（１０４）に基づいて前記圧縮ガス供給源（６８）に圧縮ガス（７６）を前記排気ダクト（４４）内に噴射させる第２の信号を生成する請求項１に記載の発電プラント（１０）。
【請求項１１】
前記排気ガスダンパ（６４）および前記圧縮ガス供給源（６８）に電子的に結合されたコントローラ（１００）をさらに含み、前記コントローラ（１００）が、前記排気ガスダンパ（６４）を少なくとも部分的に開かせる、または少なくとも部分的に閉じさせる第１の信号、および前記コントローラ（１００）に電子的に接続され前記ダンパ（６４）の上流に前記タービン出口（３８）に近接して配置された温度センサ（９２）によって提供された排気ガス温度データ信号（１０６）に少なくとも部分的に基づいて前記圧縮ガス供給源（６８）に圧縮ガス（７６）を前記排気ダクト（４４）内に噴射させる第２の信号を生成する請求項１に記載の発電プラント（１０）。
【請求項１２】
前記排気ガスダンパ（６４）および前記圧縮ガス供給源（６８）に電子的に結合されたコントローラ（１００）をさらに含み、前記コントローラ（１００）が、前記排気ガスダンパ（６４）を少なくとも部分的に開かせる、または少なくとも部分的に閉じさせる第１の信号、および前記コントローラ（１００）ならびに前記タービン（１８）に結合された発電機（４０）に電子的に接続された電力モニタ（９４）によって生成された電力出力信号（１０８）に少なくとも部分的に基づいて前記圧縮ガス供給源（６８）に圧縮ガス（７６）を前記排気ダクト（４４）内に噴射させる第２の信号を生成する請求項１に記載の発電プラント（１０）。
【請求項１３】
前記排気ガスダンパ（６４）の下流に配置された蒸気タービン（５２）をさらに含む請求項１に記載の発電プラント（１０）。
【請求項１４】
前記排気ガスダンパ（６４）および前記圧縮ガス供給源（６８）に電子的に結合されたコントローラ（１００）をさらに含み、前記コントローラ（１００）が、前記排気ガスダンパ（６４）を少なくとも部分的に開かせる、または少なくとも部分的に閉じさせる第１の信号、および前記蒸気タービン（５２）の下流に配置され前記コントローラ（１００）に電子的に接続された蒸気流量センサ（６０，６２）によって生成された蒸気流量信号（１１０，１１２）に少なくとも部分的に基づいて前記圧縮ガス供給源（６８）に圧縮ガス（７６）を前記排気ダクト（４４）内に噴射させる第２の信号を生成する請求項１３に記載の発電プラント（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、複合サイクルまたはコージェネレーション発電プラントなどのガスタービン発電プラントに関する。より具体的には、本開示は、排気ガスダンパおよび圧縮ガス供給源を介してガスタービン排気エネルギーを制御するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
複合サイクルまたはコージェネレーション発電プラントなどのガスタービン発電プラントは、一般に、圧縮機と、燃焼器と、タービンと、タービンの下流の熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）と、ＨＲＳＧに動作可能に接続された蒸気タービンとを有するガスタービンを含む。運転中、空気は吸気システムを介して圧縮機に入り、燃焼器に入る前に圧縮機吐出ケーシングに向けて送られるにつれて徐々に圧縮される。圧縮ガスの一部は、燃焼器内で画定された燃焼チャンバ内で燃料と混合されて燃焼し、高温高圧の燃焼ガスを発生する。
【０００３】
燃焼ガスは、燃焼器から高温ガス経路に沿ってタービンを通って送られ、ここで燃焼ガスはロータシャフトに結合された固定ベーンおよび回転可能なタービンブレードの交互の段を通って流れるにつれて、徐々に膨張する。運動エネルギーが燃焼ガスからタービンブレードに伝達され、これによりロータシャフトが回転する。ロータシャフトの回転エネルギーは、発電機を介して電気エネルギーに変換することができる。燃焼ガスは、排気ガスとしてタービンの出口を介して流出し、排気ガスは、ＨＲＳＧに送られる。排気ガスからの熱エネルギーは、ＨＲＳＧの１つまたは複数の熱交換器を通って流れる水に伝達され、それにより過熱蒸気を生成することができる。過熱蒸気はその後、追加の電気を発生するために蒸気タービン内に送ることができ、および／または発電プラントまたはコージェネレーションサイトの様々な二次運転を支持するために送ることができるので、全体的な発電プラントまたはコージェネレーションの能力を高めることができる。
【０００４】
ガスタービンの出力は、タービン出口にまたはタービン出口に近接して配置されたタービンロータブレードの機械的／振動限界を回避するために、特定の周囲条件および負荷条件で制限され得る。この出力制限は、排気ガスがタービン出口から流出する際の排気ガスの軸方向流出速度に関連する。最大軸方向流出速度またはマッハ数に達すると、ガスタービンの出力は、許容される機械的限界を超えないように制御方法論によって低減または軽減される。その結果、複合またはコージェネレーションサイクル運転のための発電機／電力出力および／または熱エネルギー出力が低減される。
【発明の概要】
【０００５】
本開示の態様および利点は、次の説明において以下に記載しており、あるいはその説明から明らかになり、あるいは本開示の実施により学ぶことができる。
【０００６】
本開示の一実施形態は、発電プラントに関する。発電プラントは、圧縮機の下流の燃焼器と、燃焼器の下流に配置されたタービンと、タービンの出口の下流の排気ダクトとを有するガスタービンを含み、排気ダクトは、タービン出口からの排気ガスを受ける。排気ガスダンパは、排気ダクトの下流端部に動作可能に接続され、排気ダクトと流体連通する圧縮ガス供給源は、タービン出口の下流および排気ガスダンパの上流に配置される。少なくとも部分的に閉じられた排気ガスダンパおよび係合した圧縮ガス供給源は、タービン出口で背圧を増加させ、タービン出口から流出する排気ガスの軸方向流出速度を制限する。
【０００７】
本開示の一実施形態は、発電プラント出力を制御するための方法に関する。方法は、コントローラへの入力を介して発電プラントのガスタービンの運転モードを選択することと、タービン出口の下流に配置された排気ガスダンパを介してタービンの出口から流出する排気ガスの流れを制限することと、タービン出口の下流および排気ガスダンパの上流の圧縮ガス供給源を介して排気ダクト内に圧縮ガスを噴射することとを含み、排気ガスの流れを制限することおよび圧縮ガスを噴射することは、タービン出口で排気ガス背圧を増加させる。
【０００８】
当業者であれば、本明細書を検討すれば、そのような実施形態および他の実施形態の特徴および態様をよりよく理解するであろう。
【０００９】
当業者にとってその最良の形態を含む十分かつ実現可能な開示が、添付の図面を参照することも含めて、本明細書の以下の残りの部分により具体的に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本開示の一実施形態による、例示的なガスタービンベースの複合サイクル／コージェネレーション発電プラントの概略図である。
【図２】発電プラントおよび／またはガスタービン出力を制御するための方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本開示の本実施形態について詳しく説明するが、その１つまたは複数の例が、添付の図面に示されている。詳細な説明では、図面中の特徴を参照するために数値および文字による指示が使用されている。図面および説明の中で同じまたは類似の指示は、本開示の同じまたは類似の部品を参照するために使用されている。本明細書で使用する場合、用語「第１の」、「第２の」、および「第３の」は、ある構成要素を他の構成要素から区別するために交換可能に使用することができ、個々の構成要素の位置または重要性を意味することは意図されていない。用語「上流」および「下流」は、流体通路内の流体の流れに対する相対的な方向を意味する。たとえば、「上流」は流体がそこから流れる方向を意味し、「下流」は流体がそこに流れる方向を意味する。
【００１２】
本明細書で使用される専門用語は、特定の実施形態のみを説明するためのものであり、限定を意図するものではない。本明細書で使用する場合、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、および「この（ｔｈｅ）」は、特に明示しない限り、複数形も含むことが意図される。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」および／または「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、本明細書で使用される場合、記載した特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成要素が存在することを明示するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそれらの組が存在することまたは追加することを除外しないことがさらに理解されよう。
【００１３】
各実施例は、本開示の限定ではなくて本開示の説明として示している。実際には、本開示の範囲および精神から逸脱せずに、本開示において修正および変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。たとえば、一実施形態の一部として例示しまたは説明した特徴は、別の実施形態で使用してさらに別の実施形態を生成することができる。したがって、本開示は、そのような修正および変更を添付の特許請求の範囲およびその等価物の範囲内に属するものとして保護することを意図している。
【００１４】
従来のコージェネレーション発電プラントにおいて、燃料および空気は、ガスタービンに供給される。空気は、ガスタービンの入口を通過して、ガスタービンの燃焼器の上流の圧縮機セクション内に向かう。空気が燃焼器によって加熱された後、加熱された空気および工程中に生成される他のガス（すなわち、燃焼ガス）は、タービンセクションを通過する。ガスタービンからの排気ガスは、ガスタービンのタービンセクションから排気セクションに流れ、１つまたは複数の熱交換器を介して排気ガスから熱を抽出して蒸気を生成する熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）に流れる。
【００１５】
場合によっては、タービンロータブレード、特にタービン出口にまたはタービン出口に近接して配置されたタービンロータブレードの機械的／振動設計の限界に関連する通常のガスタービン運転限界を超えることが可能なレベルでガスタービン発電機出力および／または排気ガスの熱エネルギーを増加させることが望ましい場合がある。本明細書に記載の本実施形態は、ガスタービンおよび／または発電プラントの熱および／または電力出力を制御するためのシステムおよび方法を提供する。タービン出口で背圧および／またはタービン圧力比を増加させることによって、システムおよび方法は、タービン出口からの排気ガスの軸方向流出速度を低減し、それによりタービンロータブレードのフラッタ、特にタービン出口にまたはタービン出口に近接して配置されたタービンロータブレードの最終段のフラッタを低減および／または防止することで通常の設計限界を超えたガスタービンの運転を可能とし、全体的なガスタービンまたは発電プラントの電力および／または熱出力を増加させる。
【００１６】
タービン排気背圧および排気エネルギーを調整する能力によって運転上の融通性が追加されることで、さらなる処理蒸気をＨＲＳＧの助燃の補助なしに定格ガスタービン運転条件で発生することができ、それによりさらなるガスタービン電力またはさらなる余剰処理蒸気を生成する選択肢をオペレータに与えることができる。二次的な利点として、燃焼システムを一定の運転条件で保持しながら低効率のガスタービンサイクルで得られる排気圧力が増加するため、ガスタービンは排出量基準を維持しつつ低い電力出力で運転することができる。
【００１７】
本明細書に提供される実施形態は、既存のガスタービンベースのシンプルサイクルのコージェネレーションまたは複合サイクル発電プラントに優る様々な技術的利点を提供する。たとえば、本明細書に提供されるシステムおよび対応する方法は、ＨＲＳＧの助燃が許可されない場合に、顧客指定の処理蒸気需要要件を満たすために小型のガスタービンを適用することを可能にする。ＨＲＳＧの助燃が含まれる場合であっても、このシステムおよび方法は、排気スタックのＮＯｘ排出量、およびおそらく全体的な複合熱および電力サイクル効率を通常改善するＨＲＳＧの燃焼の必要量を低減することができる。システムはまた、利用可能な最大ガスタービン電力出力と利用可能な最大余剰処理蒸気との間の運転上の融通性を向上させることができる。このシステムおよび方法は、排気ガス再循環システムを備えたガスタービンの動作と一体化することができ、その動作を向上させることができる。システムおよび方法は、ピーク電気需要の期間中に追加の発電を行うことができ、および／またはコージェネレーション運転のピーク需要の期間中に蒸気の生成量を増加させるようにＨＲＳＧに対して追加の排気エネルギーを発生させることができる。
【００１８】
次に、図を通して同じ番号が同様の要素を示す図面を参照すると、図１は、蒸気生成能力を有する例示的なガスタービン発電プラント１０の機能ブロックまたは流れ図である。発電プラント１０は、本開示の様々な実施形態を組み込むことができるガスタービン１２を含む。ガスタービン１２は一般に、直列流れ順に、圧縮機１４と、１つまたは複数の燃焼器１６を有する燃焼セクションと、タービン１８とを含む。ガスタービン１２はまた、圧縮機１４の入口または上流端部に配置された入口ガイドベーン２０を含むことができる。運転中、空気２２は、入口ガイドベーン２０を通って圧縮機１４内に流入する。矢印２４によって概略的に示されるように、圧縮機１４は、運動エネルギーを空気２２に与えて圧縮ガスを生成する。入口ガイドベーン２０は、圧縮機１４に入る空気２２の流量を制御するために、完全に開いた位置と部分的に閉じた位置との間で調整することができる。
【００１９】
圧縮空気２４は、燃料供給システム２８からの天然ガスのような燃料２６と混合されて燃焼器１６内で可燃性混合物を形成する。可燃性混合物は、矢印３０によって概略的に示されるように、燃焼されて高温、高圧および高速の燃焼ガスを生成する。燃焼ガス３０がタービン１８を通って流れると、運動エネルギーが燃焼ガス３０からロータシャフト３４に結合されたタービンロータブレード３２の様々な列に伝達され、これによりロータシャフト３４が回転して仕事を発生する。タービンロータブレード３２は、ロータシャフト３４に沿って複数の軸方向に間隔を置いた列または段に配置される。タービンロータブレード３２の最終段３６は、タービン１８の出口もしくは下流端部３８にまたは出口もしくは下流端部３８に近接して配置される。
【００２０】
タービン１８は、２つ以上の段、たとえば、低圧セクションと、高圧セクションとを有することができる。一実施形態では、タービン１８は、低圧セクションと、高圧セクションとを含む２軸タービンとすることができる。特定の構成では、タービン１８は、タービンロータブレード３２の段を３つ以上有してもよい。ロータシャフト３４は、圧縮機１４に結合されて圧縮機１４を駆動し、圧縮空気２４を生成する。代替的または追加的に、ロータシャフト３４は、電気を生成するためにタービン１８を発電機４０に接続することができる。燃焼ガス３０は、タービン１８を通って流れ、タービン出口３８に動作可能に結合された排気ダクトまたはディフューザ４４を介して排気ガス４２としてタービン１８の出口３８から流出すると、熱および運動エネルギーを失う。
【００２１】
特定の実施形態では、排気ダクト４４は、様々なパイプ、ダクト、弁などを介して熱交換器またはボイラ４６に流体結合することができる。熱交換器４６は、独立型構成要素であってもよいし、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）４８の構成要素であってもよい。様々な実施形態では、熱交換器４６は、排気ガス４２から熱エネルギーを抽出して蒸気５０を生成するために使用することができる。特定の実施形態では、蒸気５０は次に、様々なパイプ、弁、導管などを介して蒸気タービン５２に送られ、蒸気タービン５２のシャフト５６に結合された発電機５４を介して追加の電力または電気を生成することができる。
【００２２】
特定の実施形態では、蒸気５０の少なくとも一部は、熱交換器４６および／または蒸気タービン５２からオンサイトまたはオフサイト施設５８にパイプで送ることができ、ここでは蒸気５０をユーザに分配するおよび／または熱生成または他の生産工程もしくは工業プロセスなどの二次運転のために蒸気を利用する。熱交換器４６からの蒸気温度および／または蒸気流量または出力は、１つまたは複数のセンサまたは流量モニタを介して監視することができる。たとえば、一実施形態では、１つまたは複数の温度センサまたは流量モニタ６０，６２は、熱交換器４６の下流および／または蒸気タービン５２の下流にそれぞれ設けることができる。
【００２３】
様々な実施形態では、発電プラント１０は、タービン１８の下流端部３８に、および／または排気ダクト４４の下流端部６６に動作可能に接続され、熱交換器４６および／またはＨＲＳＧ４８の上流に配置された排気ガスダンパまたは排気ガスダンパシステム６４を含む。発電プラント１０はさらに、排気ガスダンパ６４の上流の排気ダクト４４と流体連通している圧縮ガス供給源または圧縮ガス供給源システム６８を含む。一実施形態では、ＨＲＳＧ４８の入口部またはダクト７０は、入口部７０が排気ガスダンパ６４からの排気ガス４２を受けるように排気ガスダンパ６４の下流端部７２に動作可能に接続される。
【００２４】
排気ガスダンパ６４は、その意図された用途に適した任意のタイプの流量ダンパまたは流量制限器であってもよい。たとえば、特定の実施形態では、排気ガスダンパ６４は、開位置と閉位置との間で９０度回転することができる単一のブロッカードアを備えることができる。一実施形態では、排気ガスダンパ６４は、機械的リンク機構を介して同時に作動される複数のブロッカードアの円形配置を含むことができる。一実施形態では、排気ガスダンパ６４は、閉鎖時に共に挟持するデュアルブロッカードアを含んでもよく、これにより特に排気ダクト４４が正方形／長方形の場合に疑似ノズル効果を与える。
【００２５】
一実施形態では、排気ガスダンパ６４は、完全に開いた位置と少なくとも部分的に閉じた位置との間で機械式、電気式、空気式または油圧式などのアクチュエータを介して段階的に作動され得る１つまたは複数のルーバ７４を有するルーバダンパとすることができ、それによりタービン出口３８でまたはタービン出口３８の近傍で排気背圧ＢＰを増加または減少させることでタービン出口３８から流出する排気ガス４２の軸方向流出速度を制御する。一実施形態では、排気ガスダンパ６４は、ギロチンダンパであってもよい。ギロチンダンパは、完全に開いた位置と少なくとも部分的に閉じた位置との間で機械式、電気式、空気式または油圧式アクチュエータを介して垂直方向に段階的に作動され得る１つまたは複数のドアを含むことができ、それによりタービン出口３８で背圧ＢＰを増加または減少させることでタービン出口３８から流出する排気ガス４２の軸方向流出速度を制御する。
【００２６】
様々な実施形態では、圧縮ガス供給源６８は、排気ガスダンパ６４の上流の排気ダクト４４内に空気または排気ガスなどの圧縮または加圧ガス７６を噴射するように係合または作動させることができ、これによりタービン出口３８で背圧ＢＰを増加させ、タービン出口３８から流出する排気ガス４２の軸方向流出速度を制御または修正する。圧縮ガス７６は、タービン出口３８に近接する排気ダクト内の圧力と少なくとも等しいまたはそれ以上の圧力で噴射されてもよいし、または噴射される。その結果、発電プラント１０は、ガスタービンの従来の運転と比較して、タービンロータブレードの寿命を損なうことなく、高需要またはピーク需要期間中により多くの電気を発生し、および／または蒸気生成のためにより多くの熱エネルギーを発生することができる。
【００２７】
特定の実施形態では、圧縮ガス供給源６８は、ガスタービン１２の圧縮機１４を含むことができる。たとえば、一実施形態では、少なくとも１つの圧縮機抽出ポート７８ならびに様々な流体導管および結合部は、圧縮機１４から圧縮空気２４の一部を抽出し、圧縮空気２４を圧縮ガス７６として排気ガスダンパ６４の上流の排気ダクト４４内に送るための流路を提供し、それによりタービン出口３８で背圧ＢＰを増加させることができる。特定の実施形態では、圧縮ガス供給源６８は、補助ブロワまたはファン８０を含む。補助ブロワ８０は、軸流圧縮機を含むことができる。様々な流体導管および／または結合部は、補助ブロワ８０からの圧縮ガス７６を排気ガスダンパ６４の上流の排気ダクト４４内に送るための流路を提供し、それによりタービン出口３８で背圧ＢＰを増加させることができる。圧縮ガス供給源６８は、排気ダクト４４の上流で圧縮ガス７６を加圧するための軸流圧縮機または同様の装置を含むことができる。
【００２８】
特定の実施形態では、圧縮ガス供給源６８は、排気ガス再循環システム８２を含むか、または排気ガス再循環システム８２に流体結合される。排気ガスダンパの下流に配置され、様々な流体導管および／または結合部と流体連通する排気ガス抽出ポート８４は、排気ガスダンパ６４の下流の地点から排気ガスダンパ６４の上流の位置の排気ダクト４４内に排気ガス４２の一部を戻すための流路を提供し、それによりタービン出口３８で背圧ＢＰをさらに増加させることができる。特定の実施形態では、排気ガス再循環システム８２は、噴射地点の上流の排気ガス４２の圧力を、排気ダクト４４内の排気ガス４２の圧力以上の圧力に増加させるブロワまたは圧縮機８６を含む。
【００２９】
運転中、圧縮ガス供給源６８と共同する排気ガスダンパ６４は、排気ガスダンパ６４を少なくとも部分的に閉じることで排気ガス４２がタービン出口３８から流出する際の排気ガス４２の軸方向流出速度を制限／低減することによって、および排気ダクト４４内のガス／空気の量を増加させることによって排気ガスダンパ６４の上流のタービン出口３８で排気背圧ＢＰを増加させるために係合することができる。タービン出口３８でまたはタービン出口３８の近傍での排気背圧ＢＰのこの増加は、タービンの軸方向流出速度の限界を回避するためにガスタービンは出力が低下されないので、ガスタービンまたは発電プラントの出力能力の増加を可能にする。たとえば、少なくとも部分的に排気ガスダンパ６４を閉じ、圧縮ガス供給源６８を介して排気背圧ＢＰを増加させて軸方向流出速度を減少させることによって、オペレータは、タービンロータブレード３２、特に最終タービン段３６のタービンロータブレード３２の機械的または振動設計の限界を超えることなく、ガスタービンおよび／または発電プラント電力および／または熱エネルギー出力を増加させることができる。その結果、発電プラント１０は、ガスタービンの従来の運転と比較して、タービンロータブレードの寿命を損なうことなく、高需要またはピーク需要期間中により多くの電気を発生し、および／または蒸気生成のためにより多くの熱エネルギーを発生することができる。
【００３０】
様々な実施形態では、発電プラント１０は、排気ガスダンパ６４に電子的に結合されたコントローラ１００を含む。コントローラ１００は、非一時的メモリを含み、アルゴリズムを算出する能力を有するマイクロプロセッサベースのプロセッサであってもよい。たとえば、コントローラ１００は、これに限定されないが、ニューヨーク州スケネクタディ所在のＧＥ  Ｐｏｗｅｒ  ＆  Ｗａｔｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍｓによってまたはそのために製造されたＳＰＥＥＤＴＲＯＮＩＣ（商標）Ｍａｒｋ  ＶＩまたはＭａｒｋ  ＶＩｅガスタービン制御システムのようなＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ＳＰＥＥＤＴＲＯＮＩＣ（商標）ガスタービン制御システムを組み込むことができる。コントローラ１００はまた、メモリに記憶されたプログラムを実行し、センサ入力および人間オペレータからの命令を使用してガスタービンの運転を制御するプロセッサを有するコンピュータシステムを組み込むことができる。
【００３１】
特定の実施形態では、コントローラ１００は、排気ガスダンパ６４を作動させ、および／または圧縮ガス供給源６８を係合し、排気ガスダンパ６４の上流の排気ダクト４４などでタービン１８のタービン出口３８でまたはタービン出口３８の近傍で排気背圧ＢＰを制御するようにプログラムされる。コントローラ１００はまた、入口ガイドベーン２０を作動させるようにプログラムすることができ、それにより圧縮機１４に入る空気２２の量を増加または減少させる。
【００３２】
コントローラ１００はまた、タービン出口３８から流れる排気ガス４２の所定の軸方向流速の限界に対応する軸方向流出速度の限界または値をプログラムすることができる。軸方向流出速度の限界は、コントローラ１００のメモリに記憶することも、オペレータによってリアルタイムでコントローラに入力することもできる。軸方向流出速度の限界は、これに限定されないが、タービンロータブレード３２、特に最終列３６のタービンロータブレード３２の振動／機械的設計の限界のようなタービン１８の様々なハードウェア構成要素の特定の設計限界に少なくとも部分的に基づき得る。
【００３３】
運転中、コントローラ１００は、タービン出口３８にまたはタービン出口３８に近接しておよび／もしくは排気ダクト４４内に配置された圧力センサ８８から排気背圧１０２の１つまたは複数に、ならびに／またはタービン出口３８にまたはタービン出口３８に近接しておよび／もしくは排気ダクト４４内に配置された流速センサ９０から軸方向流出速度１０４の１つまたは複数に対応する１つまたは複数の入力データ信号を受信することができる。コントローラ１００は、タービン出口３８にまたはタービン出口３８に近接しておよび／または排気ダクト４４内に配置された温度センサ９２から排気ガス温度１０６に対応する１つまたは複数のデータ入力信号を受信することができる。コントローラ１００は、ガスタービン発電機４０に結合された電力センサ９４から電力出力１０８に対応する１つまたは複数のデータ入力信号を受信することができる。コントローラ１００は、センサ６０，６２のいずれかまたは両方を介して蒸気流量１１０，１１２および／または蒸気温度１１４，１１６に対応する１つまたは複数のデータ入力信号を受信することができる。
【００３４】
特定の実施形態では、信号１０２，１０４，１０６，１０８，１１０，１１４および／または１１６の１つまたは複数に少なくとも部分的に基づいて、コントローラ１００は、排気ガスダンパ６４を完全に開いた位置と少なくとも部分的に閉じた位置との間で段階的に移動させる適切な制御信号１１８、および１つまたは複数の制御信号１２０を生成および／または感知することによってガスタービン出力および／または発電プラント出力（すなわち、電力出力および／または熱出力）を調整することができ、それにより圧縮ガス供給源６８を係合または作動させて圧縮ガス７６を排気ガスダンパ６４の上流の排気ダクト４４内に噴射することでタービン出口３８で排気ガス背圧ＢＰを制御して、タービン出口３８でまたはタービン出口３８の近傍で排気ガス４２の軸方向流出速度を制御することによってガスタービン１２および／または発電プラント１０の電力および／または熱出力を増加させる。
【００３５】
特定の実施形態では、コントローラ１００は、排気ガスダンパ６４を少なくとも部分的に開かせる、または少なくとも部分的に閉じさせる制御信号１１８を生成および／または送信し、圧力センサ８８によって提供された排気ガス背圧データ信号１０２に基づいて圧縮ガス供給源６８に圧縮ガス７６を排気ダクト４４内に噴射させる制御信号１２０を生成および／または送信する。特定の実施形態では、コントローラ１００は、排気ガスダンパ６４を少なくとも部分的に開かせる、または少なくとも部分的に閉じさせる制御信号１１８を生成および／または送信し、流速センサ９０によって提供された軸方向流出速度データ信号１０４に基づいて圧縮ガス供給源６８に圧縮ガス７６を排気ダクト４４内に噴射させる制御信号１２０を生成および／または送信する。
【００３６】
特定の実施形態では、コントローラ１００は、排気ガスダンパ６４を少なくとも部分的に開かせる、または少なくとも部分的に閉じさせる制御信号１１８を生成および／または送信し、温度センサ９２によって提供された排気ガス温度データ信号１０６に少なくとも部分的に基づいて圧縮ガス供給源６８に圧縮ガス７６を排気ダクト４４内に噴射させる制御信号１２０を生成および／または送信する。特定の実施形態では、コントローラ１００は、排気ガスダンパ６４を少なくとも部分的に開かせる、または少なくとも部分的に閉じさせる制御信号１１８を生成および／または送信し、電力モニタまたはセンサ９４によって生成された電力出力信号１０８に少なくとも部分的に基づいて圧縮ガス供給源６８に圧縮ガス７６を排気ダクト４４内に噴射させる制御信号１２０を生成および／または送信する。特定の実施形態では、コントローラ１００は、排気ガスダンパ６４を少なくとも部分的に開かせる、または少なくとも部分的に閉じさせる制御信号１１８を生成および／または送信し、蒸気流量／蒸気温度センサ６０，６２によって生成された蒸気流量信号１１０，１１２および／または蒸気温度信号１１４，１１６に少なくとも部分的に基づいて圧縮ガス供給源６８に圧縮ガス７６を排気ダクト４４内に噴射させる制御信号１２０を生成および／または送信する。
【００３７】
特定の実施形態では、コントローラ１００は、制御信号１２２を入口ガイドベーン２０に生成および／または送信して入口ガイドベーン２０を完全に開いた位置へと作動または付勢させ、それにより圧縮機１４内への空気流量を増加させ、ガスタービン１０の熱出力を増加させることができる。特定の実施形態では、コントローラ１００は、制御信号１２２を入口ガイドベーン２０に生成および／または送信して入口ガイドベーン２０を部分的に閉じた位置へと作動または付勢させ、それにより圧縮機１４内への空気流量を減少させ、ガスタービン１０の熱出力を減少させることができる。制御信号１２２は、信号１０２，１０４，１０６，１０８，１１０，１１２，１１４，１１６の１つまたは複数に基づいて開位置と閉位置との間でガイドベーン２０を付勢させる。
【００３８】
本明細書に記載の様々な実施形態は、ガスタービンおよび／または発電プラント出力を制御するための方法２００を提供する。一実施形態では、ステップ２０２において、方法２００は、たとえば、コントローラ１００への入力を介して発電プラントのガスタービンの運転モードを選択することを含む。運転モードは、発電プラントの熱消費率における発電プラントまたはガスタービン出力を最適化する運転モードに対応することができる。運転モードは、ピーク電力需要の間のような蒸気生成のための増加したまたは最大電力出力および／または他の熱出力が望まれる運転モードに対応することができる。ステップ２０４において、方法２００は、排気ガスダンパ６４を介してタービン１８の出口３８から流出する排気ガス４２の流れを制限することを含む。ステップ２０６において、方法２００は、タービン出口３８の下流および排気ガスダンパ６４の上流の位置で圧縮ガス供給源６８を介して排気ダクト４４内に圧縮ガス７６を噴射することを含み、それにより排気ガス４２の流れを制限することおよび圧縮ガス７６を噴射することは、タービン出口で排気ガス背圧ＢＰを増加させることでガスタービン１２および／または発電プラント１０の電力出力および／または熱出力を増加させる。
【００３９】
方法２００はまた、入口ガイドベーン２０を完全に開くことを含むことができ、それにより圧縮機内への空気流を増加させ、ガスタービン電力出力を増加させる。方法２００はまた、センサ８８を介して排気ガスダンパ６４の上流の排気ガス４２の軸方向流出速度を監視することと、軸方向流出速度信号１０４に基づいてコントローラ１００およびコントローラ１００に電子的に結合された圧縮ガス供給源６８の１つまたは複数の流量制御弁９６および／またはブロワ８６を介して圧縮ガス７６の流量を制御することとを含む。
【００４０】
特定の実施形態を本明細書で図示し、説明したが、同じ目的を達成するために計算されたあらゆる配置は示した特定の実施形態と置き換えてよいこと、また、本開示は他の環境において他の用途を有することを理解されたい。本願は、本開示の任意の適応または変更を包含することを意図している。以下の特許請求の範囲は、本開示の範囲を本明細書に記載の特定の実施形態に限定することを意図するものではない。
［実施態様１］
圧縮機（１４）の下流の燃焼器（１６）と、前記燃焼器（１６）の下流に配置されたタービン（１８）と、前記タービン（１８）の出口（３８）の下流の排気ダクト（４４）とを含むガスタービン（１２）であって、前記排気ダクト（４４）は、前記タービン出口（３８）からの排気ガス（４２）を受けるガスタービン（１２）と、
前記排気ダクト（４４）の下流端部（６６）に動作可能に接続された排気ガスダンパ（６４）と、
前記排気ダクト（４４）と流体連通する前記タービン出口（３８）の下流および前記排気ガスダンパ（６４）の上流の圧縮ガス供給源（６８）であって、前記排気ガスダンパ（６４）および前記圧縮ガス供給源（６８）は、前記タービン出口（３８）で背圧を増加させ、前記タービン出口（３８）から流出する前記排気ガス（４２）の軸方向流出速度を制限する、発電プラント（１０）。
［実施態様２］
前記排気ガスダンパ（６４）が、ギロチンダンパである実施態様１に記載の発電プラント（１０）。
［実施態様３］
前記排気ガスダンパ（６４）が、ルーバダンパである実施態様１に記載の発電プラント（１０）。
［実施態様４］
前記圧縮ガス供給源（６８）が、前記ガスタービン（１２）の前記圧縮機（１４）を含む実施態様１に記載の発電プラント（１０）。
［実施態様５］
前記圧縮ガス供給源（６８）が、補助ブロワまたはファン（８０）を含む実施態様１に記載の発電プラント（１０）。
［実施態様６］
前記圧縮ガス供給源（６８）が、排気ガス再循環システム（８２）を含む実施態様１に記載の発電プラント（１０）。
［実施態様７］
前記排気ガス再循環システム（８２）が、前記排気ガスダンパ（６４）の下流に配置された排気ガス抽出ポート（８４）と流体連通している実施態様６に記載の発電プラント（１０）。
［実施態様８］
前記排気ガスダンパ（６４）の下流端部（７２）に動作可能に接続された入口部（７０）を有する熱回収蒸気発生器（４８）をさらに含み、前記入口部（７０）が、前記排気ガスダンパ（６４）からの前記排気ガス（４２）を受ける実施態様１に記載の発電プラント（１０）。
［実施態様９］
前記排気ガスダンパ（６４）および前記圧縮ガス供給源（６８）に電子的に結合されたコントローラ（１００）をさらに含み、前記コントローラ（１００）が、前記排気ガスダンパ（６４）を少なくとも部分的に開かせる、または少なくとも部分的に閉じさせる第１の信号、および前記コントローラ（１００）に電子的に接続され前記排気ガスダンパ（６４）の上流におよび前記タービン出口（３８）に近接して配置された圧力センサ（８８）によって提供された排気ガス背圧データ信号（１０２）に基づいて前記圧縮ガス供給源（６８）に圧縮ガス（７６）を前記排気ダクト（４４）内に噴射させる第２の信号を生成する実施態様１に記載の発電プラント（１０）。
［実施態様１０］
前記排気ガスダンパ（６４）および前記圧縮ガス供給源（６８）に電子的に結合されたコントローラ（１００）をさらに含み、前記コントローラ（１００）が、前記排気ガスダンパ（６４）を少なくとも部分的に開かせる、または少なくとも部分的に閉じさせる第１の信号、および前記コントローラ（１００）に電子的に接続され前記ダンパ（６４）の上流に前記タービン出口（３８）に近接して配置された流速センサ（９０）によって提供された軸方向流出速度データ信号（１０４）に基づいて前記圧縮ガス供給源（６８）に圧縮ガス（７６）を前記排気ダクト（４４）内に噴射させる第２の信号を生成する実施態様１に記載の発電プラント（１０）。
［実施態様１１］
前記排気ガスダンパ（６４）および前記圧縮ガス供給源（６８）に電子的に結合されたコントローラ（１００）をさらに含み、前記コントローラ（１００）が、前記排気ガスダンパ（６４）を少なくとも部分的に開かせる、または少なくとも部分的に閉じさせる第１の信号、および前記コントローラ（１００）に電子的に接続され前記ダンパ（６４）の上流に前記タービン出口（３８）に近接して配置された温度センサ（９２）によって提供された排気ガス温度データ信号（１０６）に少なくとも部分的に基づいて前記圧縮ガス供給源（６８）に圧縮ガス（７６）を前記排気ダクト（４４）内に噴射させる第２の信号を生成する実施態様１に記載の発電プラント（１０）。
［実施態様１２］
前記排気ガスダンパ（６４）および前記圧縮ガス供給源（６８）に電子的に結合されたコントローラ（１００）をさらに含み、前記コントローラ（１００）が、前記排気ガスダンパ（６４）を少なくとも部分的に開かせる、または少なくとも部分的に閉じさせる第１の信号、および前記コントローラ（１００）ならびに前記タービン（１８）に結合された発電機（４０）に電子的に接続された電力モニタ（９４）によって生成された電力出力信号（１０８）に少なくとも部分的に基づいて前記圧縮ガス供給源（６８）に圧縮ガス（７６）を前記排気ダクト（４４）内に噴射させる第２の信号を生成する実施態様１に記載の発電プラント（１０）。
［実施態様１３］
前記排気ガスダンパ（６４）の下流に配置された蒸気タービン（５２）をさらに含む実施態様１に記載の発電プラント（１０）。
［実施態様１４］
前記排気ガスダンパ（６４）および前記圧縮ガス供給源（６８）に電子的に結合されたコントローラ（１００）をさらに含み、前記コントローラ（１００）が、前記排気ガスダンパ（６４）を少なくとも部分的に開かせる、または少なくとも部分的に閉じさせる第１の信号、および前記蒸気タービン（５２）の下流に配置され前記コントローラ（１００）に電子的に接続された蒸気流量センサ（６０，６２）によって生成された蒸気流量信号（１１０，１１２）に少なくとも部分的に基づいて前記圧縮ガス供給源（６８）に圧縮ガス（７６）を前記排気ダクト（４４）内に噴射させる第２の信号を生成する実施態様１３に記載の発電プラント（１０）。
［実施態様１５］
発電プラント（１０）のガスタービン（１２）の運転モードを選択すること（２０２）と、
タービン出口（３８）の下流に配置された排気ガスダンパ（６４）を介して前記タービン（１８）の前記出口（３８）から流出する排気ガス（４２）の流れを制限すること（２０４）と、
前記タービン出口（３８）の下流および前記排気ガスダンパ（６４）の上流の圧縮ガス供給源（６８）を介して前記排気ダクト（４４）内に圧縮ガス（７６）を噴射すること（２０６）とを含み、
排気ガス（４２）の流れを制限すること（２０４）および圧縮ガス（７６）を噴射すること（２０６）は、前記タービン出口（３８）で排気ガス背圧および排気ガスエネルギーを増加させる、発電プラント出力を制御するための方法（２００）。
［実施態様１６］
前記ガスタービン（１２）の圧縮機（１４）の入口に配置された入口ガイドベーン（２０）を完全に開くことをさらに含む実施態様１５に記載の方法（２００）。
［実施態様１７］
前記排気ガスダンパ（６４）内に配置されたセンサ（８８）を介して上流の前記排気ガス（４２）の軸方向流出速度を監視することと、前記軸方向流出速度に基づいて１つまたは複数の制御弁（９６）に電子的に結合されたコントローラ（１００）を介して前記圧縮ガス（７６）の流量を制御することとをさらに含む実施態様１５に記載の方法（２００）。
［実施態様１８］
前記圧縮ガス供給源（６８）が、前記ガスタービン（１２）の圧縮機（１４）、補助ブロワまたはファン（８０）の少なくとも１つを含む実施態様１５に記載の方法（２００）。
［実施態様１９］
前記圧縮ガス供給源（６８）が、排気ガス再循環システム（８２）を含む実施態様１５に記載の方法（２００）。
【符号の説明】
【００４１】
１０  ガスタービン発電プラント
１２  ガスタービン
１４  圧縮機
１６  燃焼器
１８  タービン
２０  入口ガイドベーン
２２  空気
２４  圧縮空気
２６  燃料
２８  燃料供給システム
３０  燃焼ガス
３２  タービンロータブレード
３４  ロータシャフト
３６  最終列、最終タービン段
３８  下流端部、タービン出口
４０  ガスタービン発電機
４２  排気ガス
４４  排気ダクト、ディフューザ
４６  熱交換器、ボイラ
４８  ＨＲＳＧ
５０  蒸気
５２  蒸気タービン
５４  ガスタービン発電機
５６  シャフト
５８  オフサイト施設
６０  流量モニタ、蒸気温度センサ
６２  流量モニタ、蒸気温度センサ
６４  排気ガスダンパシステム
６６  下流端部−排気ダクト
６８  圧縮ガス供給源システム
７０  入口部、ダクト
７２  下流端部−排気ダンパ
７４  ルーバ
７６  圧縮ガス、加圧ガス
７８  圧縮機抽出ポート
８０  補助ブロワ、ファン
８２  排気ガス再循環システム
８４  圧縮機抽出ポート
８６  ブロワ、圧縮機
８８  圧力センサ
９０  流速センサ
９２  温度センサ
９４  電力センサ
９６  流量制御弁
１００  コントローラ
１０２  排気ガス背圧データ信号
１０４  軸方向流出速度データ信号
１０６  排気ガス温度データ信号
１０８  電力出力信号
１１０  蒸気流量信号
１１２  蒸気流量信号
１１４  蒸気温度信号
１１６  蒸気温度信号
１１８  制御信号
１２０  制御信号
１２２  制御信号
２００  方法
２０２  ステップ
２０４  ステップ
２０６  ステップ
【図１】
2017110649.tif 000003
【図２】
2017110649.tif 000004
【外国語明細書】
2017110649000001.pdf