(57)【要約】      （修正有）【課題】燃焼器ガス抽出により蒸気を発生する発電プラントを提供する。【解決手段】発電プラント１０のガスタービン１００は、圧縮器１０２、燃焼器１０４と、タービン１０６とタービン１０６の出口から下流側にある排気ダクト１２０とを有し、燃焼器１０４は、高温ガス経路と流体連通した抽出ポート１４０を含み、抽出ポート１４０は燃焼ガス１１４のストリームが高温ガス経路から流出するための流路を定める。排気ダクト１２０はタービン１０６の出口から排気ガス１１８を受け取り、冷却材噴射システム１７２は排気ダクト１２０の上流側で燃焼ガス１１４のストリームに冷却材１７４を噴射し、燃焼ガス１１４のストリームが排気ダクト１２０内でタービンからの排気ガス１１８と配合されて、排気ダクト１２０内で排気ガス混合気を形成する。熱交換器１２２が排気ダクト１２０から下流側に配置され、排気ダクト１２０から排気ガス混合気を受け取る。【選択図】図４
2017110646.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電プラント（１０）であって、
圧縮器（１０２）から下流側にある燃焼器（１０４）、該燃焼器（１０４）から下流側に配置されたタービン（１０６）及び前記タービン（１０６）の出口から下流側にある排気ダクト（１２０）を含むガスタービン（１００）を備え、
前記燃焼器（１０４）が、該燃焼器（１０４）の高温ガス経路（１３８）と流体連通した抽出ポート（１４０）を含み、
前記抽出ポート（１４０）は、燃焼ガス（１１４）のストリームが前記タービン（１０６）の上流側で前記高温ガス経路（１３８）から流出するための流路を定め、
前記排気ダクト（１２０）が、前記タービンの出口から排気ガス（１１８）を受け取り、
前記発電プラント（１０）が更に、
前記抽出ポート（１４０）と前記排気ダクト（１２０）との間で流体結合され、冷却材（１７４）を前記排気ダクト（１２０）の上流側で前記燃焼ガス（１１４）のストリームに噴射する冷却材噴射システム（１７２）を備え、
前記燃焼ガス（１１４）のストリームが、上流側の前記排気ダクト（１２０）内で前記タービン（１０６）からの排気ガス（１１８）と配合されて排気ガス混合気を形成し、
前記発電プラント（１０）が更に、
前記排気ダクト（１２０）から下流側に配置され、前記排気ダクト（１２０）から前記排気ガス混合気の少なくとも一部を受け取る熱交換器（１２２）を備える、発電プラント（１０）。
【請求項２】
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を受け取って、該排気ガス混合気から熱エネルギーを抽出して蒸気を生成する、請求項１に記載の発電プラント（１０）。
【請求項３】
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）を更に備える、請求項１に記載の発電プラント（１０）。
【請求項４】
前記抽出ポート（１４０）に流体結合された一次入口（１４６）と、冷却材供給システム（１５０）に流体結合された二次入口（１４８）と、前記排気ダクト（１２０）と流体連通した出口（１５２）とを有する第１のガス冷却器（１４４）を更に備える、請求項１に記載の発電プラント（１０）。
【請求項５】
前記第１のガス冷却器（１４４）がエジェクタを含む、請求項４に記載の発電プラント（１０）。
【請求項６】
前記第１のガス冷却器（１４４）がインラインの静的ミキサを含む、請求項４に記載の発電プラント（１０）。
【請求項７】
前記冷却材供給システム（１５０）が、前記第１のガス冷却器（１４４）の二次入口（１４８）に流体結合された周囲空気吸入システムを含む、請求項４に記載の発電プラント（１０）。
【請求項８】
前記冷却材供給システム（１５０）が、前記ガスタービン（１００）の圧縮器（１０２）を含み、前記圧縮器（１０２）が、圧縮機抽出ポート（１５８）を介して前記第１のガス冷却器（１４４）の二次入口（１４８）に流体結合される、請求項４に記載の発電プラント（１０）。
【請求項９】
前記抽出ポート（１４０）に流体結合された一次入口（１４６）と、冷却材供給システム（１５０）に流体結合された二次入口（１４８）と、前記排気ダクト（１２０）と流体連通した出口（１５２）と、を有する第１のガス冷却器（１４４）を更に備え、前記冷却材供給システム（１５０）が更に、圧縮機（１０２）に流体結合された一次入口（１６６）と、周囲空気吸入システムに流体結合された二次入口（１６８）と、前記第１のガス冷却器（１４４）の二次入口（１４８）と流体連通した出口（１７０）と、を有する第２のガス冷却器（１６４）を含む、請求項１に記載の発電プラント（１０）。
【請求項１０】
前記第２のガス冷却器（１６４）がエジェクタを含む、請求項９に記載の発電プラント（１０）。
【請求項１１】
前記第２のガス冷却器（１６４）がインラインの静的ミキサを含む、請求項９に記載の発電プラント（１０）。
【請求項１２】
前記燃焼器（１０４）が、抽出パイプ（１４２）に流体結合され、前記抽出パイプが、前記高温ガス経路（１３８）と流体連通しており、前記抽出パイプ（１４２）が、前記抽出ポート（１４０）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１３】
前記冷却材噴射システム（１７２）が、前記抽出ポート（１４０）に流体結合されて抽出ポート（１４０）の下流側且つ前記排気ダクト（１２０）から上流側にある、請求項１に記載の発電プラント（１０）。
【請求項１４】
前記冷却材噴射システム（１７２）からの前記冷却材（１７４）が水を含む、請求項１に記載の発電プラント（１０）。
【請求項１５】
前記冷却材噴射システム（１７２）からの前記冷却材（１７４）が蒸気を含む、請求項１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、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、本開示は、燃焼器から抽出される燃焼ガスを用いて蒸気を発生するよう構成された発電プラントに関する。
【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産要件と連結しており、又は発電プラントの蒸気生産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】
本開示の態様及び利点は、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】
１つの実施形態は、発電プラントに関する。発電プラントは、圧縮器から下流側にある燃焼器と、該燃焼器から下流側に配置されたタービンと、タービンの出口から下流側にある排気ダクトとを有するガスタービンを含む。燃焼器は、該燃焼器の高温ガス経路と流体連通した抽出ポートを含む。抽出ポートは、燃焼ガスのストリームが高温ガス経路から流出するための流路を定める。排気ダクトは、タービンの出口から排気ガスを受け取る。冷却材噴射システムは、排気ダクトの上流側で燃焼ガスのストリームに冷却材を噴射し、燃焼ガスのストリームが、排気ダクト内でタービンからの排気ガスと配合されて、排気ダクト内で排気ガス混合気を形成するようになる。熱交換器が、排気ダクトから下流側に配置され、排気ダクトから排気ガス混合気を受け取る。
【０００９】
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。
【００１０】
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】
【００１１】
【図１】本開示の１つの実施形態による、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】本開示の少なくとも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。
【図３】本開示の１つの実施形態による、図１に示す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４】本開示の１つの実施形態による、図１に示す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。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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開示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。本開示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。
【００１３】
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、限定を意図するものではない。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。
【００１４】
各実施例は、本開示の限定ではなく、例証として提供される。実際に、本開示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開示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、本開示は、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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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燃焼器から直接抽出された燃焼ガスを冷却するシステムを提供する。燃焼ガスは、ガス冷却器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、冷却された燃焼ガスからの熱エネルギーは、熱交換器／ボイラー及び／又は熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）から上流側にある排気ガスの温度を上昇させ、これによりガスタービンからの蒸気生成を向上させる。
【００１８】
蒸気は、蒸気タービンにパイプ輸送されて、熱発生及び／又は他の産業プロセスに用いることができる。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、本開示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を有する燃焼セクション、及びタービン１０６を含む。ガスタービン１００はまた、圧縮器１０２の入口又は上流側端部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を通って流れ、その結果、シャフト１１６の回転を引き起こし、仕事を生成する。
【００２２】
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。１つ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。特定の構成において、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を駆動して、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、タービン１０６の下流側端部に動作可能に結合された排気ダクト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。
【００２３】
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又はボイラー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。特定の実施形態において、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。
【００２４】
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、及び／又は、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。
【００２５】
図２は、本開示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、燃焼器１０４を少なくとも部分的に収容する外側ケーシング１３４を含む。燃焼器１０４は、外側ケーシング１３４内で高温ガス経路１３８を少なくとも部分的に定める１又はそれ以上のダクト又はライナ１３６を含む。タービン１０６の下流側端部は、排気ダクト１２０に動作可能に接続される。従来、燃焼ガス１１４の全量は、高温ガス経路１３８を通ってタービンに入り、排気ダクト１２０を介してタービンから流出する。
【００２６】
作動中、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又はそれ以上のダクト１３６によって定められる高温ガス経路１３８と流体連通した１又はそれ以上の対応する抽出ポート１４０を介して燃焼器１０４から抽出することができる。例証として、２つの抽出ポート１４０（ａ），１４０（ｂ）が図示されている。しかしながら、燃焼器１０４は、中心線１２に対して外側ケーシング及び／又は燃焼器１０４に沿って同じ又は異なる軸方向位置に位置付けられたあらゆる数の抽出ポート１４０を含めることができる。各抽出ポート１４０は、タービン１０６の第１段ノズル１４２の入口から上流側にあるポイント又は位置で燃焼ガス１１４のストリームが燃焼器１０４の外に流出する流路を提供する。
【００２７】
図２に示すように、燃焼器抽出ポート１４０（ａ），１４０（ｂ）の１又はそれ以上は、１又はそれ以上の抽出パイプ１４４（ａ），１４４（ｂ）を介して高温ガス経路１３８と流体連通することができる。抽出パイプ１４４及び燃焼器抽出ポート１４０は、高温ガス経路１３８から外側ケーシング１３４を通って燃焼器１０４の外に出る燃焼ガス１１４の流体連通を提供し、タービン１０６の出口から排気ダクト１２０に流入する排気ガス１１８よりも高温の燃焼ガス１１４の一部を得るようにする。
【００２８】
図３及び４は、本開示の種々の実施形態による、図１に示すような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。特定の実施形態において、図１、２、３、及び４に示すように、発電プラント１０は更に、抽出ポート１４０から下流側で且つ排気ダクト１２０から上流側に配置された冷却材噴射システム１４８を備えることができる。冷却材噴射システム１４８は、抽出ポート１４０から排気ダクト１２０に流入する燃焼ガス１１４のストリームに冷却材供給源１５２から冷却材１５０を噴射するよう構成された、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、図１〜４に示すように、冷却材噴射システム１４８は、抽出ポート１４０に流体結合されて抽出ポート１４０から下流側に位置付けられる混合チャンバ１５４を含む。混合チャンバ１５４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１５４は、排気ダクト１２０の上流側にある燃焼ガス１１４のストリームと冷却材１５０を配合するよう構成することができる。このようにして、冷却材１５０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することができる。１つの実施形態において、冷却材１５０は水である。１つの実施形態において、冷却材１５０は蒸気を含む。
【００３０】
作動時には、抽出ポート１４０及び／又は冷却材噴射システム１４８からの燃焼ガス１１４は、排気ダクト１２０内の排気ガス１１８と配合され、排気ダクト１２０から下流側に配置された熱交換器１２２に加熱された排気ガス混合気１５６を提供する。燃焼ガス１１４からの熱エネルギーは、排気ガス１１８の温度を上昇させ、これにより発電プラント１０の蒸気生成能力を向上させる。
【００３１】
１つの実施形態において、図３及び４に示すように、発電プラント１０は、第１のガス冷却器１５８を含む。第１のガス冷却器１５８は、１又はそれ以上の抽出ポート１４０のうちの１又はそれ以上に流体結合された一次入口１６０と、種々のパイプ、導管、バルブ又は同様のものを介して冷却材供給システム１６４に流体結合された二次入口１６２と、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と流体連通した出口１６６と、を含む。１つの実施形態において、第１のガス冷却器１５８は、エジェクタを含む。１つの実施形態において、第１のガス冷却器１５８は、静的ミキサを含む。静的ミキサは、一般に、外側ケーシング又はパイプ内で直列にスタックされ、一次及び二次入口１６０，１６２と並びに出口１６６と流体連通した個々の混合要素を含む。各混合要素は、静的ミキサを流れる２又はそれ以上の流体が均質化するように隣接する混合要素に対して配向することができる。
【００３２】
冷却材供給システム１６４は、第１のガス冷却器１５８の二次入口１６２に冷却材１６８を提供する。特定の実施形態において、図１及び３に示すように、冷却材供給システム１６４は、第１のガス冷却器１５８の二次入口１６２から上流側で周囲空気を収集及び／又は調和させる周囲空気供給システム１６４を含む。
【００３３】
特定の実施形態において、図４に示すように、冷却材供給システム１６４は、ガスタービン１００の圧縮機１０２を含む。圧縮器１０２は、１又はそれ以上の圧縮機抽出ポート１７２及び種々のパイプ、導管、バルブ又は同様のものを介して、第１のガス冷却器１５８の二次入口１６２に流体結合することができる。
【００３４】
圧縮機抽出ポート１７２は、圧縮器１０２の上流側又は入口と、燃焼器１０４から上流側又は直ぐ上流側に定められた圧縮器１０２の出口との間のポイントにて圧縮空気１１２の一部が圧縮器１０２から流出するための流路を提供する。入口から出口までで圧縮空気１１２の圧力及び温度が上昇するので、圧縮機抽出ポート１７２は、圧縮器１０２に沿って様々なポイントにて軸方向に離間して配置され、圧縮空気１１２の一部を所望の温度及び圧力で取り込むことができる。このようにして、圧縮空気１１２は、冷却材１６８又は冷却材１６８の代わりの流れを補充することができる。
【００３５】
作動時には、１又はそれ以上の抽出ポート１４０から抽出された燃焼ガス１１４は、第１のガス冷却器１５８を流れる駆動流体としての役割を果たす。周囲空気供給源１７０からの空気又は圧縮機抽出ポート１７２から抽出される圧縮空気１１２の一部は、第１のガス冷却器１５８の二次入口１６２に流入して、排気ダクト１２０から上流側で燃焼ガス１１４のストリームを冷却し、また、第１のガス冷却器１５８から排気ダクト１２０内への質量流量を増大させることができる。次いで、燃焼ガス１１４のストリームは、混合チャンバ１５４を流れ、及び／又は冷却材噴射システム１４８からの冷却材１５０と配合され、その後、排気ガス１１８よりも高温で排気ダクト１２０に流入することができる。燃焼ガス１１４からの熱エネルギーは、排気ガス１１８の温度を上昇させ、これにより発電プラント１０の全体の蒸気生成能力を向上させる。
【００３６】
特定の実施形態において、図４に示すように、冷却材供給システム１６４は、圧縮機抽出ポート１７２から下流側で且つ第１のガス冷却器１５８の二次入口１６２から上流側に配置される第２のガス冷却器１７４を含むことができる。第２のガス冷却器１７４は、圧縮機抽出ポート１７２に、及び種々のパイプ、導管、バルブ又は同様のものを介して第１のガス冷却器１５８の二次入口１６２に流体結合することができる。第２のガス冷却器１７４は、圧縮機抽出ポート１７２に流体結合された一次入口１７６と、周囲空気供給源システム１７０と流体連通した二次入口１７８と、第１のガス冷却器１５８の二次入口１６２と流体連通した出口１８０と、を含む。
【００３７】
作動時には、圧縮機抽出ポート１７２からの圧縮空気１１２は、第２のガス冷却器１７４を通る駆動流体としての役割を果たす。周囲空気供給源システム１７０から第２のガス冷却器１７４の二次入口１７８に流入する空気は、第１のガス冷却器１５８の二次入口１６２から上流側で圧縮空気１１２のストリームを冷却し、これにより貫流する燃焼ガス１１４の冷却を向上させる。第２のガス冷却器１７４に流入する空気はまた、圧縮機抽出ポート１７２から第１のガス冷却器１５８内への空気質量流量を増大させることができる。
【００３８】
図１、２、３及び４を全体的に参照すると、コントローラ２００を用いて、燃焼器１０４の抽出ポート１４０のうちの１又はそれ以上に流体結合された種々の制御バルブ１８４、冷却材噴射システム１７２の１又はそれ以上の制御バルブ１８６、及び／又は冷却材供給システム１６４の１又はそれ以上の制御バルブ１８８，１９０，１９２への適切な制御信号を生成及び／又は送信することにより、所望の蒸気生成能力を決定し、及び／又は排気ダクト１２０への燃焼ガス１１４の流れを調整することができる。
【００３９】
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。
【００４０】
特定の実施形態において、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１５６の所望温度を決定し、バルブ１８４を通る燃焼ガスの流れ、制御バルブ１８６を介した冷却材噴射システム１４８からの冷却材の流れ、バルブ１８８，１９０，１９２を通る空気又は冷却材を調整して、熱交換器１２２に送られる排気ガス混合気１５６の所望温度を達成するようプログラムされる。
【００４１】
作動時には、図１、２、３及び４に全体的に示されるように、コントローラ２００は、抽出ポート１４０から下流側に配置された温度モニター３００，３０２からの燃焼ガス温度２０２，２０４、排気ダクト１２０から下流側及び／又は熱交換器１２２から上流側に配置された温度モニター３０４（図１〜３）からの排気ガス混合気温度２０６、第２のガス冷却器１７４の出口１８０から下流側及び／又は周囲空気供給源システム１７０及び／又は圧縮機抽出ポート１７２から下流側に配置された温度モニター３０６（図３）からの冷却材温度２０８など、１又はそれ以上の入力データ信号を受け取ることができる。
【００４２】
コントローラ２００はまた、流量モニター１３２からの蒸気流データ２１０及び／又は流量モニター１３０からの蒸気流データ２１２を受け取ることができる。１又はそれ以上のデータ信号２０２，２０４，２０６，２０８，２１０，２１２に応答して、コントローラ２００は、バルブ１８４，１８６，１８８，１９０，１９２のうちの１又はそれ以上を作動させて、燃焼器１０４からの燃焼ガス流、冷却材噴射システム１７２からの冷却材流量、及び第１のガス冷却器１５８の二次入口１６２への空気又は冷却材流量のうちの１又はそれ以上を制御し、排気ガス混合気１５６の所望温度を生成することができる。
【００４３】
蒸気タービン１２６からの蒸気流出力は、流量モニター１３２を用いてコントローラ２００によって監視することができる。二次作動に対する蒸気流出力は、流量モニター１３０を用いてコントローラ２００によって監視することができる。蒸気流出力信号２１０，２１２に応答して、コントローラ２００は、バルブ１８４，１８６，１８８，１９０，１９２のうちの１又はそれ以上を作動させて、燃焼器１０４からの燃焼ガス流、冷却材噴射システム１７２からの冷却材流量、及び第１のガス冷却器１５８の二次入口１６２への空気又は冷却材流量のうちの１又はそれ以上を制御し、排気ガス混合気１５６の所望温度を生成することができる。
【００４４】
燃焼ガス温度、冷却された燃焼ガス温度、排気ガス温度、混合された排気ガス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解析して、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２０２，２０４，２０６，２０８，２１０，２１２のうちの１又はそれ以上を用いて、排気ガス温度の上昇が必要である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及び／又は二次作動をサポート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。
【００４５】
図１、３及び４に全体的に示すように、熱交換器１２２が所望量の蒸気を生成するのに必要な燃焼ガス１１４の所望温度及び量を決定した後、コントローラ２００は、制御バルブ１８４の受信側に信号２１４を生成して送信し、外側ケーシング１３４を通じて高温ガス経路１３８から所望量の燃焼ガス１１４を抽出することができる。コントローラ２００は、制御バルブ１８６の受信側に信号２１４を送信し、冷却材噴射システム１４８から流れる冷却材１５０の流量を制御することができる。コントローラ２００は、制御バルブ１８８，１９０，１９２のうちの１又はそれ以上のバルブの受信側に信号２１８，２２０，２２２の１又はそれ以上を送信し、圧縮空気１１２、冷却材１６８、及び／又は周囲空気供給源１７０から流れる空気の流量を制御することができる。
【００４６】
本明細書で提供されるコントローラ２００及び／又は１又は複数のシステムは、排気ガス１１８を燃焼ガス１１４のストリームと自動的に配合して、排気ガス混合気１５６の温度が、公称排気ガス温度を上回り且つ排気ダクト１２０、熱交換器１２２又はＨＲＳＧの温度限度を下回るようにすることができる。
【００４７】
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、また本開示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、本開示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、本開示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。
【００４８】
最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
［実施態様１］
発電プラントであって、
圧縮器から下流側にある燃焼器、該燃焼器から下流側に配置されたタービン及び上記タービンの出口から下流側にある排気ダクトを含むガスタービンを備え、
上記燃焼器が、該燃焼器の高温ガス経路と流体連通した抽出ポートを含み、
上記抽出ポートは、燃焼ガスのストリームが上記タービンの上流側で上記高温ガス経路から流出するための流路を定め、
上記排気ダクトが、上記タービンの出口から排気ガスを受け取り、
上記発電プラントが更に、
上記抽出ポートと上記排気ダクトとの間で流体結合され、冷却材を上記排気ダクトの上流側で上記燃焼ガスのストリームに噴射する冷却材噴射システムを備え、
上記燃焼ガスのストリームが、上流側の上記排気ダクト内で上記タービンからの排気ガスと配合されて排気ガス混合気を形成し、
上記発電プラントが更に、
上記排気ダクトから下流側に配置され、上記排気ダクトから上記排気ガス混合気の少なくとも一部を受け取る熱交換器を備える、発電プラント。
［実施態様２］
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、該排気ガス混合気から熱エネルギーを抽出して蒸気を生成する、実施態様１に記載の発電プラント。
［実施態様３］
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る、実施態様１に記載の発電プラント。
［実施態様４］
上記抽出ポートに流体結合された一次入口と、冷却材供給システムに流体結合された二次入口と、上記排気ダクトと流体連通した出口とを有する第１のガス冷却器を更に備える、実施態様１に記載の発電プラント。
［実施態様５］
上記第１のガス冷却器がエジェクタを含む、実施態様４に記載の発電プラント。
［実施態様６］
上記第１のガス冷却器がインラインの静的ミキサを含む、実施態様４に記載の発電プラント。
［実施態様７］
上記冷却材供給システムが、上記第１のガス冷却器の二次入口に流体結合された周囲空気吸入システムを含む、実施態様４に記載の発電プラント。
［実施態様８］
上記冷却材供給システムが、上記ガスタービンの圧縮器を含み、上記圧縮器が、圧縮機抽出ポートを介して上記第１のガス冷却器の二次入口に流体結合される、実施態様４に記載の発電プラント。
［実施態様９］
上記抽出ポートに流体結合された一次入口と、冷却材供給システムに流体結合された二次入口と、上記排気ダクトと流体連通した出口と、を有する第１のガス冷却器を更に備え、上記冷却材供給システムが更に、圧縮機に流体結合された一次入口と、周囲空気吸入システムに流体結合された二次入口と、上記第１のガス冷却器の二次入口と流体連通した出口と、を有する第２のガス冷却器を含む、実施態様１に記載の発電プラント。
［実施態様１０］
上記第２のガス冷却器がエジェクタを含む、実施態様９に記載の発電プラント。
［実施態様１１］
上記第２のガス冷却器がインラインの静的ミキサを含む、実施態様９に記載の発電プラント。
［実施態様１２］
上記燃焼器が、外側ケーシングと、上記高温ガス経路と流体連通した抽出パイプとを含み、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１３］
上記冷却材噴射システムが、上記抽出ポートに流体結合されて抽出ポートの下流側且つ上記排気ダクトから上流側にある、実施態様１に記載の発電プラント。
［実施態様１４］
上記冷却材噴射システムからの上記冷却材が水を含む、実施態様１に記載の発電プラント。
［実施態様１５］
上記冷却材噴射システムからの上記冷却材が蒸気を含む、実施態様１に記載の発電プラント。
［実施態様１６］
上記抽出ポートと上記排気ダクトとの間で流体接続された制御バルブに電子的に結合されたコントローラを更に備え、上記コントローラが、該コントローラに電子的に結合され且つ上記抽出ポートと上記排気ダクトとの間に配置された温度モニターによって提供される温度データ信号に少なくとも部分的に基づいて、上記制御バルブを作動させるようにする信号を発生する、実施態様１に記載の発電プラント。
［実施態様１７］
上記冷却材噴射システムの冷却材供給源と上記冷却材噴射システムの混合チャンバとの間で流体接続された制御バルブに電子的に結合されたコントローラを更に備え、上記コントローラが、該コントローラに電子的に結合され且つ上記混合チャンバと上記排気ダクトとの間に配置された温度モニターによって提供される温度データ信号に少なくとも部分的に基づいて、上記制御バルブを作動させるようにする信号を発生する、実施態様１に記載の発電プラント。
［実施態様１８］
上記抽出ポートと上記排気ダクトとの間で流体接続された制御バルブに電子的に結合されたコントローラを更に備え、上記コントローラが、上記熱交換器から下流側に配置された蒸気流量モニターによって提供される蒸気出力データ信号に少なくとも部分的に基づいて、上記制御バルブを作動させるようにする信号を発生する、実施態様１に記載の発電プラント。
【符号の説明】
【００４９】
１０  発電プラント
１２  軸方向中心線（ガスタービン）
１００  第１のガスタービン
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  高温ガス経路
１４０  抽出ポート
１４２  抽出パイプ
１４４  第１のガス冷却器
１４６  第１のガス冷却器の一次入口
１４８  第１のガス冷却器の二次入口
１５０  冷却材供給システム
１５２  第１のガス冷却器の出口
１５４  冷却材
１５６  周囲空気供給源システム
１５８  圧縮機抽出ポート
１６０  冷却された燃焼ガス
１６２  排気ガス混合気
１６４  第２のガス冷却器
１６６  第２のガス冷却器の一次入口
１６８  第２のガス冷却器の二次入口
１７０  第２のガス冷却器の出口
１７２  冷却材噴射システム
１７４  冷却材
１７６  冷却材供給源
１７８  混合チャンバ
１８０  抽出管路
１８２  ガス分配マニホルド
１８４  熱交換器
１８６  熱交換器
１８８  制御バルブ
１９０  制御バルブ
１９２  制御バルブ
１９４  制御バルブ
１９６  制御バルブ
２００  コントローラ
２０２  データ信号（冷却された燃焼ガス温度）
２０４  データ信号（燃焼ガス温度）
２０６  データ信号（排気ガス混合気温度）
２０８  データ信号（冷却材温度）
２１０  データ信号（冷却された燃焼ガス温度）
２１２  データ信号（蒸気流データ）
２１４  データ信号 （蒸気流データ）
２１６  信号
２１８  信号
２２０  信号
２２２  信号
２２４  信号
２２６  信号
２２２  信号
２２４  信号
２２６  信号
２２８  信号
３００  温度モニター
３０２  温度モニター
３０４  温度モニター
３０６  温度モニター
３０８  温度モニター
【図１】
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【図２】
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【図３】
2017110646.tif 000005
【図４】
2017110646.tif 000006
【外国語明細書】
2017110646000001.pdf