(57)【要約】      （修正有）【課題】タービン抽出による蒸気発生システムを提供する。【解決手段】タービン段のうちの１以上と流体連通した抽出ポートは、燃焼ガス１１４のストリームがタービン１０６から流出するための流路を提供する。排気ダクト１２０は、タービン１０６から下流側に配置され、タービン１０６から排気ガス１１８を受け取る。排気ダクト１２０は抽出ポートと流体連通している。冷却材噴射システム１４４は、燃焼ガス１１４のストリームに冷却材１４６を噴射して、冷却された燃焼ガス１５０を排気ダクト１２０に提供する。冷却された燃焼ガス１５０が、排気ガス１１８の温度よりも高い温度で排気ガス１１８に流入し、排気ダクト１２０内の排気ガス１１８の温度を上昇させる。熱エネルギーの増大を利用して、排気ダクト１２０から下流側で蒸気１２４を生成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電プラント（１０）であって、
燃焼器（１０４）と、
前記燃焼器（１０４）から下流側に配置され、複数のタービン段（Ｓｎ）と、該タービン段（Ｓｎ）のうちの１又はそれ以上と流体連通した抽出ポート（１３８）とを含むタービン（１０６）と、
を備え、
前記抽出ポート（１３８）が、燃焼ガス（１１４）のストリームが前記タービン（１０６）から流出するための流路を提供し、
前記発電プラント（１０）が更に、
前記タービン（１０６）から下流側にあり、前記タービン（１０６）から排気ガス（１１８）を受け取り、前記抽出ポート（１３８）と流体連通している排気ダクト（１２０）と、
前記燃焼ガス（１１４）のストリームに冷却材（１４６）を噴射して、冷却された燃焼ガス（１５０）を前記排気ダクト（１２０）に提供する冷却材噴射システム（１４４）と、
を備え、
前記冷却された燃焼ガス（１５０）が、前記排気ガス（１１８）の温度よりも高い温度で前記排気ダクト（１２０）に流入し、
前記冷却された燃焼ガス（１５０）と前記排気ガス（１１８）が前記排気ダクト（１２０）内で共に混合されて、排気ガス混合気（１５２）を前記排気ダクト（１２０）の下流側に配置された１又はそれ以上の構成要素に提供する、発電プラント（１０）。
【請求項２】
前記冷却材（１４６）が水である、請求項１に記載の発電プラント（１０）。
【請求項３】
前記冷却材（１４６）が蒸気（１２４）である、請求項１に記載の発電プラント（１０）。
【請求項４】
前記タービン（１０６）が、内側ケーシング（１３４）、外側ケーシング（１３６）及び前記複数のタービン段（Ｓｎ）のうちの少なくとも１つのタービン段と流体連通した抽出パイプ（１４０）を含み、前記抽出パイプ（１４０）が、前記抽出ポート（１３８）と流体連通している、請求項１に記載の発電プラント（１０）。
【請求項５】
前記排気ダクト（１２０）から下流側に配置された熱交換器（１２２）を更に備え、前記熱交換器（１２２）が、前記排気ダクト（１２０）から前記排気ガス混合気（１５２）を受け取って蒸気（１２４）を生成する、請求項１に記載の発電プラント（１０）。
【請求項６】
前記熱交換器（１２２）から下流側に配置された蒸気タービン（１２６）を更に備え、前記熱交換器（１２２）が、前記蒸気タービン（１２６）に蒸気（１２４）を提供する、請求項５に記載の発電プラント（１０）。
【請求項７】
前記熱交換器（１２２）からの前記蒸気（１２４）の少なくとも一部が、オンサイト又はオフサイト設備の少なくとも１つに配向される、請求項５に記載の発電プラント（１０）。
【請求項８】
前記抽出ポート（１３８）と前記排気ダクト（１２０）との間に流体接続された第１の制御バルブ（１５４）と、前記冷却材噴射システム（１４４）に流体接続された第２の制御バルブ（１５６）とに電子的に結合されたコントローラ（２００）を更に備える、請求項１に記載の発電プラント（１０）。
【請求項９】
前記コントローラ（２００）に電子的に結合され、前記排気ダクト（１２０）から上流側で前記抽出ポート（１３８）と流体連通した温度モニター（１５８）を更に備え、前記コントローラ（２００）が、前記温度モニター（１５８）によって前記コントローラ（２００）に提供される信号に応答して、前記第１の制御バルブ（１５４）及び前記第２の制御バルブ（１５６）の少なくとも１つを作動させる、請求項８に記載の発電プラント（１０）。
【請求項１０】
前記排気ダクト（１２０）から下流側に配置された熱交換器（１２２）と、前記熱交換器（１２２）から下流側に配置され且つ前記コントローラ（２００）に電子的に結合された流量モニター（１３０，１３２）と、を更に備え、前記コントローラ（２００）が、前記流量モニター（１３０，１３２）によって前記コントローラ（２００）に提供される流れ出力信号に応答して、前記第１の制御バルブ（１５４）及び前記第２の制御バルブ（１５６）の少なくとも１つを作動させる、請求項８に記載の発電プラント（１０）。
【請求項１１】
発電プラント（１０）であって、
圧縮器（１０２）、該圧縮器（１０２）から下流側にある燃焼器（１０４）、及び前記燃焼器（１０４）から下流側にあるタービン（１０６）を有するガスタービン（１００）を備え、
前記タービン（１０６）が、第１の抽出ポート（１３８）と流体連通した第１の段（Ｓ１）と、第２の抽出ポート（１３８）と流体連通した第２の段（Ｓ２）とを含み、
前記第１及び第２の抽出ポート（１３８）が、前記燃焼器（１０４）から下流側にある前記タービン（１０６）からの燃焼ガス（１１４）のストリームの抽出を可能にし、
前記発電プラント（１０）が更に、
前記タービン（１０６）から下流側にあり、前記タービン（１０６）から排気ガス（１１８）を受け取り、前記第１の抽出ポート（１３８）及び第２の抽出ポート（１３８）と流体連通している排気ダクト（１２０）と、
前記第１及び第２の抽出ポート（１３８）の少なくとも１つから流れる前記燃焼ガス（１１４）のストリームに冷却材（１４６）を噴射して、冷却された燃焼ガス（１５０）を前記排気ダクト（１２０）に提供する冷却材噴射システム（１４４）と、
を備え、
前記冷却された燃焼ガス（１５０）が、前記排気ガス（１１８）の温度よりも高い温度で前記排気ダクト（１２０）に流入し、
前記冷却された燃焼ガス（１５０）と前記排気ガス（１１８）が前記排気ダクト（１２０）内で共に混合されて、排気ガス混合気（１５２）を生成する、発電プラント（１０）。
【請求項１２】
前記冷却材（１４６）が水である、請求項１１に記載の発電プラント（１０）。
【請求項１３】
前記冷却材（１４６）が蒸気（１２４）である、請求項１１に記載の発電プラント（１０）。
【請求項１４】
前記タービン（１０６）が、内側ケーシング（１３４）と、外側ケーシング（１３６）と、前記第１のタービン段（Ｓ１）及び前記第１の抽出ポート（１３８）と流体連通した第１の抽出パイプ（１４０）と、前記第２のタービン段（Ｓ２）及び前記第２の抽出ポート（１３８）と流体連通した第２の抽出パイプ（１４０）と、を含む、請求項１１に記載の発電プラント（１０）。
【請求項１５】
前記排気ダクト（１２０）から下流側に配置された熱交換器（１２２）を更に備え、前記熱交換器（１２２）が、前記排気ダクト（１２０）から前記排気ガス混合気（１５２）を受け取って蒸気（１２４）を生成し、前記熱交換器（１２２）から下流側に蒸気タービン（１２６）が配置され、前記熱交換器（１２２）が、前記蒸気タービン（１２６）に蒸気（１２４）の少なくとも一部を提供する、請求項１１に記載の発電プラント（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体的に、複合サイクル又はコ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。より詳細には、本発明は、ガスタービンのタービンから燃焼ガスを抽出して発電プラントの蒸気及び出力を調整することに関する。
【背景技術】
【０００２】
複合サイクル又はコ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、燃焼器、及びタービンを有するガスタービンと、タービンから下流側に配置される熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）と、ＨＲＳＧと流体連通した蒸気タービンと、を含む。作動中、空気は、吸入システムを介して圧縮機に流入し、燃焼器を少なくとも部分的に囲む圧縮機吐出又はディフューザケーシングに向けて送られるときに漸次的に圧縮される。圧縮空気の少なくとも一部は、燃焼器内に定められた燃焼室内で燃料と混合されて燃焼し、これにより高温高圧の燃焼ガスを発生する。
【０００３】
燃焼ガスは、高温ガス経路に沿って燃焼器からタービンを通って送られ、ここで固定ベーンと、ロータシャフトに結合された回転タービンブレードとの交互する段にわたって流れるときに漸次的に膨張する。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、結果としてロータシャフトの回転が引き起こされる。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、タービンから排気ガスとして流出し、該排気ガスはＨＲＳＧに流入する。排気ガスからの熱エネルギーは、ＨＲＳＧの１又はそれ以上の熱交換器を通って流れる水に伝達され、これにより過熱蒸気を生成する。次いで、過熱蒸気は、蒸気タービンに送られ、これを用いて追加の電力を生成し、その結果、発電プラント全体の効率を向上させることができる。
【０００４】
ガスタービンベースの発電プラントからの低エミッションに関する法的規制要件は、年を経るにつれて益々厳しくなっている。現在、世界中の環境局は、新規及び既存のガスタービン両方からの窒素酸化物（ＮＯｘ）及び他の汚染物質並びに一酸化炭素（ＣＯ）のエミッションレベルを更に低くするよう要求している。
【０００５】
従来、エミッション規制に少なくとも部分的に起因して、複合サイクル又はコジェネレーション発電プラントにおけるガスタービン負荷は、発電プラントの蒸気生成要件と連結しており、又は発電プラントの蒸気生成要件によって決定され、必ずしも系統電力需要によって決定されない。例えば、許容可能なエミッションレベルを維持しながら、発電プラントの蒸気需要に適合するために、電気に対する系統需要又は発電プラント需要が低い場合でも、全速全負荷条件でガスタービンを運転することが必要となることがあり、これにより発電プラント全体の効率が低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第９，１０３，２７９号明細書
【発明の概要】
【０００７】
本発明の態様及び利点は、以下の説明において記載され、又は本説明から明らかになることができ、或いは、本発明を実施することによって理解することができる。
【０００８】
本発明の１つの実施形態は、発電プラントである。発電プラントは、燃焼器と、該燃焼器から下流側に配置されたタービンとを含む。タービンは、複数のタービン段と、該タービン段のうちの１又はそれ以上と流体連通した抽出ポートとを含む。抽出ポートは、燃焼ガスのストリームが上記タービンから流出するための流路を提供する。上記タービンから排気ガスを受け取るために、排気ダクトがタービンから下流側に配置される。排気ダクトは、抽出ポートと流体連通している。発電プラントは更に、燃焼ガスのストリームに冷却材を噴射して、冷却された燃焼ガスを上記排気ダクトに提供する冷却材噴射システムを含む。冷却された燃焼ガスは、上記排気ガスの温度よりも高い温度で上記排気ダクトに流入する。冷却された燃焼ガスと排気ガスが排気ダクト内で共に混合されて、排気ダクトの下流側に加熱された排気ガス混合気を提供する。
【０００９】
本開示の別の実施形態は、発電プラントを含む。発電プラントは、圧縮器、該圧縮器から下流側にある燃焼器、及び上記燃焼器から下流側にあるタービンを有するガスタービンを含む。タービンは、第１の抽出ポートと流体連通した第１の段と、第２の抽出ポートと流体連通した第２の段とを含む。第１及び第２の抽出ポートは、上記燃焼器から下流側にある上記タービンからの燃焼ガスのストリームの抽出を可能にする。排気ダクトが、タービンから下流側に配置され、上記タービンから排気ガスを受け取る。排気ダクトは、第１の抽出ポート及び第２の抽出ポートと流体連通している。発電プラントは更に、冷却材噴射システムを含む。冷却材噴射システムは、上記第１及び第２の抽出ポートの少なくとも１つから流れる上記燃焼ガスのストリームに冷却材を噴射して、冷却された燃焼ガスを上記排気ダクトに提供する。冷却された燃焼ガスは、上記排気ガスの温度よりも高い温度で上記排気ダクトに流入する。冷却された燃焼ガスと上記排気ガスが上記排気ダクト内で共に混合されて、排気ガス混合気を生成する。
【００１０】
当業者であれば、本明細書を精査するとこのような実施形態の特徴及び態様、並びにその他がより理解されるであろう。
【００１１】
添付図面を参照することを含めて、本明細書の残りの部分において、当業者にとって最良の形態を含む本発明の完全且つ有効な開示が記載される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の範囲内にある例示的なガスタービンベースのコジェネレーション発電プラントの概略図。
【図２】本発明の少なくとも１つの実施形態による例示的なガスタービンの一部の簡易側断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
ここで、その１つ又はそれ以上の実施例が添付図面に例示されている本発明の実施形態について詳細に説明する。詳細な説明では、図面中の特徴部を示すために参照符号及び文字表示を使用している。本発明の同様の又は類似の要素を示すために、図面及び説明において同様の又は類似の記号表示を使用している。本明細書で使用される用語「第１」、「第２」、及び「第３」は、ある構成要素を別の構成要素と区別するために同義的に用いることができ、個々の構成要素の位置又は重要性を意味することを意図したものではない。用語「上流」及び「下流」は、流体通路における流体流れに対する相対的方向を指す。例えば、「上流」は、流体がそこから流れる方向を指し、「下流」は流体がそこに向けて流れ込む方向を指す。
【００１４】
本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明するためのものに過ぎず、本発明を限定するものではない。本明細書で使用される単数形態は、前後関係から明らかに別の意味を示さない限り複数形態も含む。更に、本明細書内で使用する場合に、用語「備える」及び／又は「備えている」という用語は、そこに述べた特徴部、完全体、ステップ、動作、要素及び／又は構成部品の存在を明示しているが、１つ又はそれ以上の他の特徴部、完全体、ステップ、動作、要素、構成部品及び／又はそれらの群の存在又は付加を排除するものではないことは理解されるであろう。
【００１５】
各実施例は、本発明の限定ではなく、例証として提供される。実際に、本発明の範囲又は技術的思想から逸脱することなく、修正形態及び変形形態を本発明において実施できることは、当業者であれば理解されるであろう。例えば、１つの実施形態の一部として例示され又は説明される特徴は、別の実施形態と共に使用して更に別の実施形態を得ることができる。従って、本発明は、そのような修正及び変形を特許請求の範囲及びその均等物の技術的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。
【００１６】
従来のコジェネレーション発電プラントにおいて、燃料及び空気がガスタービンに供給される。空気は、ガスタービンの吸気口を通過して、ガスタービンにおける燃焼器の上流側にある圧縮機セクションに流れる。燃焼器によって空気が加熱された後、加熱空気及びプロセスにおいて生成された他のガス（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全排気ガス量は、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進んで熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）に流れ、該熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）が、１又はそれ以上の熱交換器を介して排気ガスから熱エネルギーを抽出して、蒸気を生成する。
【００１７】
場合によっては、蒸気の需要は、ガスタービンの排気ガスによって生成することができる蒸気量よりも少ない場合があり、排気ガスの一部は、大気に放出される前に排気ガスを濾過する排気スタックに運ばれるなど、熱回収蒸気発生器を迂回して配向されることもある。或いは、ガスタービンの排気ガスによって生成される蒸気よりも蒸気生成の方が高い需要がある場合には、ガスタービンからの排気ガスの増加分を生産して、要求通りの蒸気を生成することができる。
【００１８】
本発明の実施形態は、タービンの出口から流れる排気ガスと混合される前にガスタービンのタービンから直接抽出された高温の燃焼ガスを冷却又は加減するシステムを提供する。燃焼ガスは、冷却材によって冷却されるが、冷却された燃焼ガスは、依然としてタービンから流れる排気ガスよりも有意に高温である。結果として、熱エネルギーの増加を利用して、熱発生及び／又は他の産業プロセス用として、タービンから下流側の蒸気タービンにおける蒸気生成を向上させることができる。本システムは、コジェネレーションシステムにおいて、該コジェネレーションシステムが比例した出力増加を生成することなく、より高品質の蒸気を生成することができるように用いることができる。従って、本実施形態のシステムは、コジェネレーションシステムへの燃料入力の効率的な使用を可能にし、ガスタービンによる望まれない出力の無駄な生成を回避する。
【００１９】
本明細書で提供される実施形態は、既存のコジェネレーション又は複合サイクル発電プラントに優る様々な技術上の利点をもたらす。例えば、本明細書で提供されるシステムは、熱効率及び他の作動効率を維持しながら蒸気生成を所望のレベルに調整する能力、ガスタービンの下流側でより多くの蒸気を生成するためにより高温のガスを提供する能力、ガスタービン上でより少ない出力で作動してより多くの蒸気を生成する能力、無駄な生成物（すなわち、ガスタービンにおいて不要な出力を生成すること）を最小限にする能力、及びよりコスト効果がありより効率的な能力でコジェネレーションシステムを作動させる能力を含むことができる。
【００２０】
次に、幾つかの図全体を通して様々な参照符号が同様の要素を表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の機能ブロック図を示す。発電プラント１０は、本発明の種々の実施形態を組み込むことができるガスタービン１００を備える。ガスタービン１００は、一般に、直列流れ順に、圧縮機１０２、１又はそれ以上の燃焼器１０４、及びタービン１０６を含む。ガスタービン１００はまた、圧縮器１０２の入口に配置された入口ガイドベーン１０８を含むことができる。作動時には、空気１１０は、入口ガイドベーン１０８にわたって圧縮器１０２に流入する。圧縮器１０２は、空気１１０に運動エネルギーを与えて、矢印１１２で概略的に示される圧縮空気を生成する。
【００２１】
圧縮空気１１２は、燃料供給システムからの天然ガスのような燃料と混合されて、燃焼器１０４内で可燃混合気を形成する。可燃混合気が燃焼して、矢印１１４で概略的に示される燃焼ガスを生成する。燃焼ガス１１４は、タービン１０６の種々のタービン段Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓｎを通って流れて仕事を生成する。タービン１０６は、２又はそれ以上の段、例えば、低圧セクション及び高圧セクションを有することができる。別の実施形態において、タービン１０６は、低圧セクション及び高圧セクションを含む２段シャフトタービンとすることができる。タービン１０６は、４又はそれ以上の段を有してもよい。タービン１０６は、シャフト１１６に接続され、タービン１０６の回転により圧縮機１０２を駆動し、圧縮空気１１２を生成するようにすることができる。或いは、又はこれに加えて、シャフト１１６は、タービン１０６を発電機（図示せず）に接続して電気を生成することができる。燃焼ガス１１４は、タービン１０６を通り、排気ダクト１２０を介してタービン１０６から排気ガス１１８として流出するときに熱及び運動エネルギーを喪失する。
【００２２】
排気ダクト１２０は、様々なパイプ、ダクト、バルブ及び同様のものを介して熱交換器１２２に流体結合することができる。熱交換器１２２は、独立した構成要素とすることができ、或いは、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）の構成要素とすることができる。種々の実施形態において、熱交換器１２２は、排気ガス１１８から熱エネルギーを抽出して蒸気１２４を生成するのに使用される。次いで、蒸気１２４は、様々なパイプ、バルブ、導管及び同様のものを介して蒸気タービン１２６に送られて、追加の出力又は電気を生成することができる。蒸気１２４の少なくとも一部は、熱交換器１２２からオンサイト又はオフサイト設備１２８にパイプ輸送することができ、該オンサイト又はオフサイト設備は、蒸気をユーザに分配供給し、或いは、熱発生又は他の産業用運転又はプロセスのような二次作動に蒸気を利用する。１つの実施形態において、蒸気１２４は、蒸気タービン１２６から下流側にパイプ輸送され、熱発生又は他の二次作動のような様々な二次作動用に更に利用することができる。熱交換器１２２からの蒸気の流量又は出力は、１又はそれ以上の流量モニターを介して監視することができる。例えば、１つの実施形態において、流量モニター１３０は、熱交換器１２２から下流側に設けることができる。１つの実施形態において、流量モニター１３２は、蒸気タービン１２６から下流側に配置することができる。
【００２３】
図２は、本発明の種々の実施形態を組み込むことができる、燃焼器１０４の一部、タービン１０６、及び排気ダクト１２０を含む例示的なガスタービン１００の簡易側断面図を示す。１つの実施形態において、図２に示すように、タービン１０６は、内側タービンケーシング１３４及び外側タービンケーシング１３６を含む。内側及び外側タービンケーシング１３４，１３６は、ガスタービン１００の軸方向中心線１２の周りに円周方向に延びる。内側タービンケーシング１３４は、タービン１０６の種々のタービン段Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓｎを少なくとも部分的に収容する。タービンケーシング１３４，１３６は、通常、２つの開口、すなわちタービン１０６の上流側にある燃焼ガス入口と、排気ダクト１２０に動作可能に接続されたタービン１０６の下流側端部にある排気ガス出口とでのみシールされる。従来、燃焼ガス１１４の全量は、内側及び外側タービンケーシング１３４，１３６内でタービン１０６を通って排気ダクト１２０に入り、排気ガス１１８の少なくとも一部は、熱交換器１２２及び／又はＨＲＳＧに配向することができる。
【００２４】
種々の実施形態において、蒸気生成に対する需要が、ガスタービン１００によって生成される出力に対する需要よりも高いことが判った場合には、燃焼ガス１１４の一部は、１又はそれ以上の対応する抽出ポート１３８を介してタービン段Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓｎのうちの１又はそれ以上から抽出することができる。例証として、４つの抽出ポート１３８（ａ〜ｄ）が図示されている。しかしながら、タービン１０６は、あらゆる数の抽出ポート１３８を含めることができる。例えば、タービン１０６は、２つの抽出ポート１３８、３つの抽出ポート１３８、或いは４つ又はそれ以上の抽出ポート１３８を含むことができる。各抽出ポート１３８は、タービン段Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓｎのうちの１又はそれ以上に流体結合される。各抽出ポート１３８は、燃焼ガス１１４のストリームを燃焼器１０４から下流側で且つ排気ダクト１２０から上流側にあるポイントからタービン１０６の外に流出させる流路を提供する。
【００２５】
図２に示すように、抽出ポート１３８（ａ〜ｄ）の１又はそれ以上は、１又はそれ以上の抽出パイプ１４０を介してタービン段Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓｎのうちの１又はそれ以上と流体連通することができる。抽出パイプ１４０及び抽出ポート１３８は、内側及び外側タービンケーシング１３４，１３６を通ってタービン１０６から外への燃焼ガス１１４の流体連通を提供し、排気ダクト１２０を通って流れる排気ガス１１８よりも高い温度のガスを得るようにする。
【００２６】
図２に示すように、タービン１０６の複数の段は、燃焼ガス１１４がＳ１から最終段Ｓｎまでの段を通って流れるように連続している。燃焼ガス１１４の温度は、各連続する段に伴って低下する。例えば、Ｓ１段での燃焼ガスは、後続の段Ｓ２、Ｓ３、Ｓｎ、その他におけるよりも高温である。タービン段Ｓ１は、第１の段であり、燃焼器１０４から高温の燃焼ガス１１４を直接受け取る。排気ガス１１８は、タービン１０６内の燃焼ガス１１４よりも低温であり、従って、低い熱エネルギーを有する。
【００２７】
特定の実施形態において、図１及び２に示すように、混合チャンバ１４２は、該抽出ポート１３８から下流側に位置付けられて抽出ポート１３８に流体結合することができる。混合チャンバ１４２は、種々のパイプ、導管、バルブ又は同様のものを介して排気ダクト１２０に流体結合することができる。混合チャンバ１４２は、抽出ポート１３８から燃焼ガス１１４のストリームを受け取り、燃焼ガス１１４を熱交換器１２２から上流側の排気ダクト１２０上に送るように構成することができる。加えて、又は代替として、混合チャンバ１４２は、種々のパイプ、導管、バルブ又は同様のものを介して熱交換器１２２及び／又はＨＲＳＧに直接流体結合することができる。
【００２８】
種々の実施形態において、図１及び図２に示すように、抽出ポート１３８の１又はそれ以上は、冷却材噴射システム１４４と流体連通している。特定の実施形態において、抽出ポート１３８の１又はそれ以上は、混合チャンバ１４２を介して冷却材噴射システム１４４及び排気ダクト１２０と流体連通している。冷却材噴射システム１４４は、冷却剤供給源１４８から抽出ポート１３８の１又はそれ以上から流れる燃焼ガス１１４のストリームに冷却材１４６を噴射するためのスプレーノズル、スプレータワー、スクラバー又は他の種々の構成要素（図示せず）を含むことができる。
【００２９】
特定の実施形態において、冷却材１４６及び燃焼ガス１１４は、混合チャンバ１４２において排気ダクト１２０から上流側で混合される。このようにして、冷却材１４６を用いて、熱交換器１２２及び／又は排気ダクト１２０から上流側で燃焼ガス１１４の温度を低下又は制御し、これにより排気ダクト１２０に冷却した燃焼ガス１５０を提供することができる。冷却材１４６は、所定の用途で燃焼ガス１５０と混合することができる何らかの液体又はガスとすることができる。例えば、１つの実施形態において、冷却材１４６は水である。１つの実施形態において、冷却材１４６は蒸気を含む。タービン１０６から流れる排気ガス１１８よりも温度が高い冷却された燃焼ガス１５０は、排気ダクト１２０内で及び／又は排気ダクト１２０から下流側で比較的低温の排気ガス１１８と混合されて、排気ガス混合気１５２の熱的に強化された（高温の）ストリームを熱交換器１２２に提供することにより、特に低タービン負荷作動条件での蒸気生成能力を向上させ、熱交換器１２２、排気ダクト１２０、及び／又はＨＲＳＧ構成要素の特定の熱設計許容範囲に適合することができる。
【００３０】
図１を再度参照すると、特定の実施形態において、コントローラ２００を用いて、所望の蒸気生成能力を決定し、タービン段Ｓ１〜Ｓｎのうちの少なくとも１つの段の種々の制御バルブ１５４に及び／又は冷却材噴射システム１４４の１又はそれ以上の制御バルブ１５６に適切な制御信号を姿勢及び送信することができる。コントローラ２００は、非一時的なメモリを含む及びアルゴリズムを計算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とすることができる。コントローラ２００は、Ｒｏｗｅｎ，  Ｗ．Ｉ．の「ＳＰＥＥＤＴＲＯＮＩＣ（商標）  Ｍａｒｋ  Ｖ  Ｇａｓ  ｔｕｒｂｉｎｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｓｙｓｔｅｍ」、ＧＥ−３６５８Ｄ（ニューヨーク州スケネクタディ所在のＧＥインダストリアル＆パワーシステムによる刊行）に記載されるような、Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ＳＰＥＥＤＴＲＯＮＩＣ（商標）  Ｇａｓ  ｔｕｒｂｉｎｅ（ガスタービン）  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｓｙｓｔｅｍを組み込むことができる。コントローラ２００はまた、メモリ内に格納されたプログラムを実行し、センサ入力及び人間のオペレータからの命令を用いてガスタービンの作動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】
コントローラ２００は、所望量の蒸気流を発生するのに必要な排気ガス混合気１５２の所望温度を決定し、バルブ１５４を通る燃焼ガス流及び／又はバルブ１５６を通る冷却材噴射システムの流れを調整し、熱交換器１２２に送られる排気ガス混合気１５２のストリームの所望温度を達成するようプログラムされる。
【００３２】
コントローラ２００は、抽出ポート１３８のうちの１又はそれ以上と流体連通し且つ混合チャンバ１４２から上流側又は下流側に配置された温度モニター１５８からの燃焼ガス温度２０２、流量モニター１３０からの蒸気流データ２０４及び／又は流量モニター１３２からの蒸気流データ２０６のような、入力データ信号を受け取ることができる。コントローラ２００は、排気ダクト１２０から下流側で且つ熱交換器１２２から上流側に配置される温度モニター１６０からの排気ガス混合気温度２０３のような入力データ信号を受け取ることができる。コントローラ２００は、バルブ１５４及び／又はバルブ１５６を作動させて、タービン段Ｓ１〜Ｓｎからの排気ガスの抽出及び／又は冷却材流量を制御し、所望温度の排気ガス混合気１５２を生成して熱交換器１２２に流すようにすることができる。蒸気タービン１２６からの流れ出力は、流量モニター１３０を用いて監視することができる。二次作動への流れ出力は、流量モニター１３２を用いて監視することができる。コントローラ２００は、バルブ１５４及び／又はバルブ１５６を作動させて、タービン段Ｓ１〜Ｓｎからの燃焼ガスの抽出及び／又は混合チャンバ１４２への冷却材流量を制御し、流量モニター１３０，１３２のうちの少なくとも１つによって測定された流れ出力に少なくとも部分的に基づいて、蒸気の所望温度及び／又は蒸気タービン１２６への蒸気流量を生成することができる。
【００３３】
燃焼ガス温度、排気ガス温度、排気ガス混合気温度及び蒸気流量など、コントローラ２００によって受けられるデータ信号を分析して、予め設定された所望の蒸気流れの量と比較することができる。コントローラ２００は、受け取ったデータ信号を用いて、排気ガス混合気の温度の上昇が望ましいかどうかを判断することができる。この演算は、必要な蒸気量及び所望の出力量を決定し、所望量の蒸気を生成するのに必要な燃焼ガスの温度及び量を決定することを含む。
【００３４】
熱交換器１２２が所望量の蒸気を生成するのに必要な排気ガス混合気１５２の所望温度及び量を決定した後、コントローラ２００は、適切なバルブ１５４の受信側に信号２１２、２１４、２１６、２１８を生成して送信し、タービンケーシング１３４，１３６を通じて適切なタービン段Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓｎにて燃焼ガス１１４を抽出することができる。加えて、コントローラ２００は、信号２２０をバルブ１５６の受信側に送り、混合チャンバ１４２内へ及び／又は抽出ポート１３８からの燃焼ガス１１４のストリーム内への冷却材１４６の流れを所望の量に調整し、抽出される燃焼ガス１１４を所望温度に冷却することができる。本明細書で提供される１又は複数のシステムは、排気ガス１１８を冷却された燃焼ガス１５０のストリームと自動的に配合して、排気ガス混合気の温度が、公称排気ガス温度を上回り且つ熱交換器１２２又はＨＲＳＧの温度限度を下回るようにする。
【００３５】
本明細書では特定の実施形態を図示し且つ説明してきたが、図示した特定の実施形態は、同一の目的を達成するために考えられるあらゆる構成と置き換えることができること、また本発明は他の環境におけるその他の用途も有することを理解されたい。本出願は、本発明のあらゆる改造及び変更を保護することを意図している。提出した特許請求の範囲は、本発明の技術的範囲を本明細書に記載した特定の実施形態に限定することを一切意図するものではない。
【００３６】
最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
【実施態様１】
【００３７】
発電プラントであって、
燃焼器と、
上記燃焼器から下流側に配置され、複数のタービン段と、該タービン段のうちの１又はそれ以上と流体連通した抽出ポートとを含むタービンと、
を備え、
上記抽出ポートが、燃焼ガスのストリームが上記タービンから流出するための流路を提供し、
上記発電プラントが更に、
上記タービンから下流側にあり、上記タービンから排気ガスを受け取り、上記抽出ポートと流体連通している排気ダクトと、
上記燃焼ガスのストリームに冷却材を噴射して、冷却された燃焼ガスを上記排気ダクトに提供する冷却材噴射システムと、
を備え、
上記冷却された燃焼ガスが、上記排気ガスの温度よりも高い温度で上記排気ダクトに流入し、
上記冷却された燃焼ガスと上記排気ガスが上記排気ダクト内で共に混合されて、排気ガス混合気を上記排気ダクトの下流側に配置された１又はそれ以上の構成要素に提供する、発電プラント。
【実施態様２】
【００３８】
上記冷却材が水である、実施態様１に記載の発電プラント。
【実施態様３】
【００３９】
上記冷却材が蒸気である、実施態様１に記載の発電プラント。
【実施態様４】
【００４０】
上記タービンが、内側ケーシング、外側ケーシング及び上記複数のタービン段のうちの少なくとも１つのタービン段と流体連通した抽出パイプを含み、上記抽出パイプが、上記抽出ポートと流体連通している、実施態様１に記載の発電プラント。
【実施態様５】
【００４１】
上記排気ダクトから下流側に配置された熱交換器を更に備え、上記熱交換器が、上記排気ダクトから上記排気ガス混合気を受け取って蒸気を生成する、実施態様１に記載の発電プラント。
【実施態様６】
【００４２】
上記熱交換器から下流側に配置された蒸気タービンを更に備え、上記熱交換器が、上記蒸気タービンに蒸気を提供する、実施態様５に記載の発電プラント。
【実施態様７】
【００４３】
上記熱交換器からの上記蒸気の少なくとも一部が、オンサイト又はオフサイト設備の少なくとも１つに配向される、実施態様５に記載の発電プラント。
【実施態様８】
【００４４】
上記抽出ポートと上記排気ダクトとの間に流体接続された第１の制御バルブと、上記冷却材噴射システムに流体接続された第２の制御バルブとに電子的に結合されたコントローラを更に備える、実施態様１に記載の発電プラント。
【実施態様９】
【００４５】
上記コントローラに電子的に結合され、上記排気ダクトから上流側で上記抽出ポートと流体連通した温度モニターを更に備え、上記コントローラが、上記温度モニターによって上記コントローラに提供される信号に応答して、上記第１の制御バルブ及び上記第２の制御バルブの少なくとも１つを作動させる、実施態様８に記載の発電プラント。
【実施態様１０】
【００４６】
上記排気ダクトから下流側に配置された熱交換器と、上記熱交換器から下流側に配置され且つ上記コントローラに電子的に結合された流量モニターと、を更に備え、上記コントローラが、上記流量モニターによって上記コントローラに提供される流れ出力信号に応答して、上記第１の制御バルブ及び上記第２の制御バルブの少なくとも１つを作動させる、実施態様８に記載の発電プラント。
【実施態様１１】
【００４７】
発電プラントであって、
圧縮器、該圧縮器から下流側にある燃焼器、及び上記燃焼器から下流側にあるタービンを有するガスタービンを備え、
上記タービンが、第１の抽出ポートと流体連通した第１の段と、第２の抽出ポートと流体連通した第２の段とを含み、
上記第１及び第２の抽出ポートが、上記燃焼器から下流側にある上記タービンからの燃焼ガスのストリームの抽出を可能にし、
上記発電プラントが更に、
上記タービンから下流側にあり、上記タービンから排気ガスを受け取り、上記第１の抽出ポート及び第２の抽出ポートと流体連通している排気ダクトと、
上記第１及び第２の抽出ポートの少なくとも１つから流れる上記燃焼ガスのストリームに冷却材を噴射して、冷却された燃焼ガスを上記排気ダクトに提供する冷却材噴射システムと、
を備え、
上記冷却された燃焼ガスが、上記排気ガスの温度よりも高い温度で上記排気ダクトに流入し、
上記冷却された燃焼ガスと上記排気ガスが上記排気ダクト内で共に混合されて、排気ガス混合気を生成する、発電プラント。
【実施態様１２】
【００４８】
上記冷却材が水である、実施態様１１に記載の発電プラント。
【実施態様１３】
【００４９】
上記冷却材が蒸気である、実施態様１１に記載の発電プラント。
【実施態様１４】
【００５０】
上記タービンが、内側ケーシングと、外側ケーシングと、上記第１のタービン段及び上記第１の抽出ポートと流体連通した第１の抽出パイプと、上記第２のタービン段及び上記第２の抽出ポートと流体連通した第２の抽出パイプと、を含む、実施態様１１に記載の発電プラント。
【実施態様１５】
【００５１】
上記排気ダクトから下流側に配置された熱交換器を更に備え、上記熱交換器が、上記排気ダクトから上記排気ガス混合気を受け取って蒸気を生成する、実施態様１１に記載の発電プラント。
［実施態様１６］
上記熱交換器から下流側に配置された蒸気タービンを更に備え、上記熱交換器が、上記蒸気タービンに蒸気の少なくとも一部を提供する、実施態様１５に記載の発電プラント。
［実施態様１７］
上記熱交換器からの蒸気の少なくとも一部が、オンサイト又はオフサイト設備の少なくとも１つに配向される、実施態様１５に記載の発電プラント。
［実施態様１８］
上記第１の抽出ポートと上記排気ダクトとの間に流体接続された第１の制御バルブと、上記第２の抽出ポートと上記排気ダクトとの間に流体接続された第２の制御バルブと、上記冷却材噴射システムに流体接続された第３の制御バルブと、に電子的に結合されたコントローラを更に備える、実施態様１１に記載の発電プラント。
［実施態様１９］
上記コントローラに電子的に結合され、上記排気ダクトから上流側で上記第１の抽出ポート及び上記第２の抽出ポートの少なくとも１つと流体連通した温度モニターを更に備え、上記コントローラが、上記温度モニターによって上記コントローラに提供される信号に応答して、上記第１の制御バルブ、上記第２の制御バルブ、及び上記第３の制御バルブのうちの少なくとも１つを作動させる、実施態様１８に記載の発電プラント。
［実施態様２０］
上記排気ダクトから下流側に配置された熱交換器と、上記熱交換器から下流側に配置され且つ上記コントローラに電子的に結合された流量モニターと、を更に備え、上記コントローラが、上記流量モニターによって上記コントローラに提供される流れ出力信号に応答して、上記第１の制御バルブ、上記第２の制御バルブ及び上記第３の制御バルブのうちの少なくとも１つを作動させる、実施態様１８に記載の発電プラント。
【符号の説明】
【００５２】
１０  発電プラント
１２  軸方向中心線（ガスタービン）
１００  ガスタービン
１０２  圧縮機
１０４  燃焼器
１０６  タービン
１０８  入口ガイドベーン
１１０  空気
１１２  圧縮空気
１１４  燃焼ガス
１１６  シャフト
１１８  排気ガス
１２０  排気ダクト
１２２  熱交換器
１２４  蒸気
１２６  蒸気タービン
１２８  設備
１３０  流量モニター
１３２  流量モニター
１３４  内側タービンケーシング
１３６  外側タービンケーシング
１３８  抽出ポート
１４０  抽出パイプ
１４２  混合チャンバ
１４４  冷却材噴射システム
１４６  冷却材
１４８  冷却材供給源
１５０  冷却された燃焼ガス
１５２  排気ガス混合気
１５４  制御バルブ（抽出ポート）
１５６  制御バルブ（冷却材システム）
１５８  温度モニター
【図１】
2017110650.tif 000003
【図２】
2017110650.tif 000004
【外国語明細書】
2017110650000001.pdf