(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮器（１２）を有するガスタービン（１０）において、
ガスタービン吸気ダクト（６０）の２段水飽和／過飽和システム（６６、６８、８２）用のシステムであって、前記圧縮器により摂取される空気への注水を制御するための制御システム（６２）において、広い流域及び比較的低い空気速度を有し、前記圧縮器の上流の前記吸気ダクトの部分に霧状水を注入する飽和注水部（６６、８２）と、前記飽和注水部の下流且つ前記圧縮器の上流の前記吸気ダクトに霧状水を注入する過飽和注水部（６８）と、前記飽和注水部及び前記過飽和注水部に対する水の流量を別々に制御し、各部に対する前記流量は、前記制御システムにより別々に制御され、給水制御弁（７６、７８、９０）及び水流センサ（７０、７２）を含む給水システムとを具備し、
前記制御システムは、前記吸気ダクトに入る周囲空気の湿度又は湿球温度、周囲空気の乾球温度、圧縮器入口の気流、前記飽和注水部の下流で流れる空気／水の混合物の乾球温度、各部に対する水流量、及び、ガスタービン電力出力レベルを含む状態に基づいて、前記飽和注水部及び前記過飽和注水部に供給される水を別々に調節するガスタービン。
【請求項２】
前記飽和注水部が霧状水を注入するノズル（３５）を備え、該ノズルの水はマニホルド（２８）を介して送水ポンプ（３６）及び貯水タンク（３８）により供給される請求項１に記載のガスタービン。
【請求項３】
前記制御システム（６２）は、前記ガスタービン（１０）が最大出力又はそれに近い出力で運転されている場合を除いて、飽和システム及び／又は過飽和システムの運転を排除する請求項１又は２に記載のガスタービン。
【請求項４】
周囲空気が飽和した状態では、前記制御システム（６２）は前記飽和注水部への水の注入は行わない請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン制御システムの分野に関し、特に、ガスタービンに入る空気流を水で飽和及び／又は過飽和させる注水システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンの入口における空気の水での飽和／過飽和は、通常、タービンの電力出力を増加させる。入口の空気への水の注入は、運転中のガスタービンが周囲空気の乾球温度が高い状態で行われることが多い。空気／水の混合物が、圧縮器に入る際に水で飽和されるだけである場合、水は、通常、圧縮器入口の空気に注入されたときに、その混合物が圧縮器入口に入る前に蒸発する。
【０００３】
既存の注水システムは、圧縮器入口の空気を飽和又は過度に飽和させ、ガスタービンの電力出力を増加させる。マニホルド及び噴霧ノズルのアレイを介して水を注入することによってガスタービン圧縮器に供給される入口の空気を冷却する機械式の注水システムが、利用可能である。水の蒸発により、圧縮器の入口案内翼（ＩＧＶ）に入る空気が冷却されるのが望ましい。通常、作動流体の入口での最低温度は、入口の空気を水で飽和又は過飽和させることによって達成される。従って、注水システムを備えるガスタービンにおける電力出力は、増加させることができる。既存のシステムでは、水／空気の混合物が圧縮器に入る際に、注入された水が十分に蒸発することは保証されない。
【０００４】
圧縮器入口での空気／水の混合物の過飽和により、混合物が圧縮器に入る際に入口の空気中の水は蒸発しない。過飽和は、ガスタービン電力出力を増加するのに有用な少なくとも２つの以下に示す有益な機能を実行する。
【０００５】
１．注入された水（圧縮器に入る際に蒸発しない）は、作動流体（空気／水の混合物）が圧縮器の中を流れていくときに最終的に蒸発する。圧縮器内での蒸発により、圧縮器を通過する作動流体は冷却される。圧縮器内での作動流体の冷却（内部冷却）により、圧縮に要する電力が低減される。正味のガスタービン電力出力は、タービン電力出力全体から圧縮器電力入力所要量を差し引いたものである。圧縮器が必要とする電力を削減することにより、ガスタービン電力出力における正味の増加が得られる。この正味の電力出力ゲインは、圧縮器電力入力の減少とほぼ等しい。
【０００６】
２． 作動流体の質量流量は、過飽和により増加する。圧縮器は、ガスタービンの燃焼器に一定量の作動流体を供給する。作動流体の質量は、圧縮器に入る空気／水の混合物を過飽和させることによって増加させることができる。液体の水の霧の比容量は、空気の比容量の約８００分の１である。逆に、過飽和水の霧の質量流量は、飽和空気／水の作動流体混合物よりも多い。タービン電力出力は、作動流体の質量流量に正比例する。大質量であるために、過飽和作動流体に加えられた水により、ガスタービン電力出力は増加する。従って、作動流体を水で過飽和させることにより、その流体の質量流量及びタービンの電力出力が増加する。
【０００７】
圧縮器の吸気ダクトに流れ込む空気に微細な霧状水を注入することによって、周囲空気の乾球温度が高い状態で運転するときには、ガスタービンの電力出力を増加させることができるので、圧縮器入口の空気は、圧縮器に入る際に過度に飽和させられる。従来の過飽和注水システムは、ダクトにある単一の組のマニホルド／ノズルから構成されるものもあり、あるいは、マニホルド／ノズルの２つの注入部に分割されるものもある。ガスタービン電力増加は、空気を水で飽和させる上流部分と、圧縮器入口又はその付近に配置され、空気を過度に飽和する第２の下流部分との２つの部分に注入システムを分割することによって最大化することができる。
【０００８】
制御部を備えた霧状水噴射型飽和システム（噴霧器）が、米国特許第５，４６３，８７３号に記載されている。ガスタービンの圧縮器入口に供給される空気を過飽和させるための従来のシステムは、通常、吸気ダクトに位置する単一の格子状の霧状噴射ノズルから構成される。このようなシステムの代表的なものが、米国特許第５，８６７，９７７号及び第５，９３０，９９０号に記載されている。欧州特許第ＥＰ０７８１９０３Ａ２号「Gas Turbine with Water Injection」には、ガスタービンの圧縮器入口に供給される空気を過飽和させるためのシステムが記載されている。このシステムは、分離型飽和／過飽和システムを含む。分離型注水／冷却システムでは、注水システムが２組のマニホルド／ノズルに分割される。第１の注水システムのマニホルド／ノズルでは、入口の空気を「飽和させる」ための十分な霧状水を提供すると共に、空気中の水に十分な滞留時間を与えて、空気が圧縮器のＩＧＶに入る前に空気中の水が完全に蒸発するようにする。第１の注水システムからの水で飽和した空気は、その空気を過飽和させるために追加の水を注入する独自のマニホルド／ノズルのセットを有する第２の注水システムに入る。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
圧縮器に入る空気／水の混合物を過飽和させることで、水滴により圧縮器が損傷する恐れがある。液滴は、過飽和の水／空気の混合物へと注入される流体中の微細な水の霧又は過剰な水の霧が集まって生じる可能性がある。霧中の大きな水滴は、圧縮器ブレード及び固定子に衝突して侵食する可能性がある。ブレードの侵食は、圧縮器の作動流体中の大きな水滴により生じることがある。ガスタービン用の注水システムを作動させるのに、制御システムが必要である。注水による電力増加を最大限にし、過剰な注水によるブレードの侵食及びその他の有害な影響を防ぐために、制御システムが必要である。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本出願人は、ガスタービン用の飽和／過飽和注水システムに対する新規の制御システムを発明した。本制御システムは、注水システムの飽和及び／又は過飽和部により圧縮器に供給される入口の空気に注入される水の量を調整する。本制御システムは、電力増加を最適化し、ガスタービンの制限に従うように注水を制限する。また、本制御システムは、電力増加を最大限にし、圧縮器ブレードの侵食の可能性を最小限にするために水の注入を調整する。
【００１１】
特に、本制御システムは、圧縮器の空気に注入される水の注水の開始、停止及び水の量の調節／調整を行う。このシステムは、ガスタービンの電力出力を最大限にし、圧縮器ブレードの侵食を最小限にし、電力増加システムの運転を適切で有利な状態に制限する。注水格子（マニホルド／噴霧ノズルなど）が分割される場合、各格子への注水は、飽和格子から注出される場合に空気が飽和状態か又はそれに近い状態にあるように制御され、過飽和部に対する水流量は、気流及びその他のガスタービンパラメータにより示される限度内に調節される。
【００１２】
分離注水システムの各部により注入される水を別々に制御することにより、以下のような利点が提供される。
【００１３】
（ｉ）注入された空気が圧縮器入口の空気／水の混合物を十分に飽和させることを確実にする。第１の注入格子を使用して空気を飽和させることにより、空気／水の混合物の温度は、第１の格子による空気／水の混合物に対する湿球温度又はそれに近い温度まで下げることができる。温度は、第１のシステムにより加えられた水の蒸発により下がる。
【００１４】
（ii）圧縮器に入り、その中を通過する作動流体（空気／水の混合物）の温度が下がるにつれ、ガスタービンの電力出力が増加する。電力出力が増加するのは、（１）その作動流体の密度が増加することによりガスタービンを通る作動流体のサイクル質量流量が増加し、（２）圧縮器入口の温度が低下することによりサイクル温度比（燃焼温度対圧縮器入口の温度の比）が増加するためである。
【００１５】
統合システムの飽和部／過飽和部に対する水霧注入システムを分離し、各部に対する水流量を別々に調節することにより、システムは、過飽和システムの運転を申し分のない限度内に維持して圧縮器ブレードの侵食を防ぐと同時に、空気／水の混合物の組成を維持してガスタービン電力出力を最適化することで広範囲の大気の湿度状態に対応することができる。周囲空気の湿度が低い場合、かなりの量の水を飽和部の空気中に注入することができ、最大量の水を過飽和部に問題なく注入することができる。
【００１６】
周囲空気が既に飽和している場合、飽和システムではそれ以上の水を蒸発させることはできない。このような飽和した周囲空気の状態では、制御システムは、注入システムの飽和部への水の注入は行わない。周囲空気が水で飽和している場合、飽和システムへの注水は行うべきではないが、過飽和部により水を注入することはできる。従って、高湿度状態においてもガスタービン電力出力を増加させるために注水を行うことができる。
【００１７】
注水システムに対する制御により、注水を防ぐことができ、その結果、氷が圧縮器内に形成されるであろう。ガスタービン圧縮器に入る水で飽和した空気に対する乾球温度は、圧縮器ＩＧＶ又は第１段の回転子ブレード上での水の凍結の可能性がある温度よりも高い温度で維持されなければならない。この温度は、空気／水の混合物が入口のボリュート及び圧縮器ＩＧＶを通って加速される際に混合物中の水の凍結を防ぐために、水の凝固点より十分に高い温度で維持されなければならない。圧縮器ＩＧＶ又は回転ブレード上で氷が形成される場合、気流が減少し、電力出力が低下する。また、氷が蓄積されてＩＧＶ又は第１段回転ブレードが折れる場合、重大な機械的損傷が下流のステージにもたらされる可能性がある。注水システムに対する制御は、圧縮器において水の凍結が生じる恐れがある状態での飽和／過飽和システムの運転を排除すべきである。
【００１８】
ガスタービン入口の空気の飽和により、通常、ガスタービンが最大出力であるか、それに近い出力である場合にガスタービンが組み込まれるガスタービン（又はコンバインド蒸気／ガスタービン発電システム）の熱効率が向上するであろう。オペレータが最大電力出力より低い負荷に電力出力を設定する場合、ガスタービンは、最大効率ポイントである設計ポイントから離れたポイントで運転されるので、飽和システムを運転することによって熱効率は低下する。ガスタービン入口の空気の過飽和は、低い負荷では、同様にガスタービン又はコンバインドサイクルシステムの熱効率を下げるであろう。従って、制御システムは、ガスタービンが最大出力又はそれに近い出力で運転されている場合を除いて、飽和システム及び／又は過飽和システムの運転を排除しても良い。
【００１９】
開示される注水制御システムの一実施例は、測定されたガスタービン運転パラメータにより示されるガスタービンにとって許容可能な限度内に入口の空気中の含水率を維持しながら、周囲空気の温度が高い状態で運転中のガスタービンの電力出力を増加するためのガスタービン吸気システムに設置される水過飽和システム用のシステムである。本注水システムの機械構成要素には、ガスタービン吸気ダクト又はガスタービン圧縮器吸気フードに設置された複数のマニホルド／噴霧ノズルから構成される霧状水噴射型過飽和システムと、貯水タンク、送水ポンプ、配管制御弁及び流量センサから構成される各マニホルドに対する水流量を制御するための補助システムとが含まれる。注水制御システムは、周囲空気の湿度又は露点温度、周囲空気の乾球温度、圧縮器入口における気流及び最大出力又はそれに近い出力での運転を示すガスタービンパラメータに基づいて、過飽和システムに対する水の供給の開始、停止、調節及び制限を行う。
【００２０】
注水制御システムの別の実施例は、ガスタービン圧縮器に入る空気を冷却して周囲空気の温度が高い状態で運転中のガスタービン電力出力を増加するためのガスタービン吸気システムに設置された霧状水噴射型蒸発冷却器用のシステムである。冷却器の機械構成要素には、空気の速度が低く、滞留時間が十分であるので入口の空気がガスタービン圧縮器に入る前にその空気に注入される水を蒸発させることが可能な場所の吸気システムに設置された複数のマニホルド／ノズルから構成される霧状水噴射型蒸発冷却器と、貯水タンク、送水ポンプ、配管、制御弁及び各マニホルドに対する水流センサから構成される各マニホルドに対する水流量を制御するための補助システムとが含まれる。注水制御システムは、周囲空気の湿度又は湿球温度、周囲空気の乾球温度、蒸発冷却器の下流の空気の乾球温度、圧縮器入口における気流及び最大出力又はそれに近い出力での運転を示すガスタービンパラメータに基づいて、蒸発冷却器に対する水の供給の開始、停止及び調節を行う。
【００２１】
注水制御システムの更なる実施例は、測定されたガスタービン運転パラメータに基づくガスタービンにとって許容可能な限度内に入口の空気中の含水率を維持しながら、ガスタービン電力出力及びガスタービン効率を最適化する周囲空気の温度が高い状態で運転中のガスタービンの電力出力を増加するためのガスタービン吸気システムに設置された分離２段水飽和／過飽和システム用のシステムである。分離注水システムの機械構成要素には、空気の速度が低いように流域の広い吸気ダクトの部分に設置された複数のマニホルド／ノズルを備える霧状水噴射型飽和部と、飽和部の下流の吸気ダクト、又は、霧状水が圧縮器ブレードの経路へと直接流れるガスタービン圧縮器吸気フードに設置された複数のマニホルド／ノズルを備える霧状水噴射型過飽和部と、それぞれ、貯水タンク、送水ポンプ、配管、制御弁及び流量センサから構成される飽和部／過飽和部に対する水流量を制御するための補助システムとが含まれる。注水制御システムは、周囲空気の湿度又は湿球温度、周囲空気の乾球温度、圧縮器入口における気流、飽和部の下流の空気／水の混合物の乾球温度、各マニホルドに対する水流及び高出力を示すガスタービン運転パラメータにそれぞれ基づいて、飽和部／過飽和部に対する水の供給の開始、停止及び調節を行う。
【００２２】
注水制御システムの別の実施例は、測定されたガスタービン運転パラメータに基づくガスタービンにとって許容可能な限度内に入口の空気中の含水率を維持しながら、ガスタービン電力出力及びガスタービン効率を最適化する周囲空気温度が高い状態で運転中の電力出力を増加するための媒体型蒸発冷却器の下流のガスタービン吸気システムに設置された水過飽和システム用のシステムである。過飽和システムの機械構成要素には、空気の速度が低く流域の広い吸気ダクトの部分に設置された媒体型飽和部と、霧状水が圧縮器ブレードの経路へと直接流れるガスタービン圧縮器吸気フードに設置された霧状水噴射型過飽和部と、過飽和部に対する水量を制御するための貯水タンク、送水ポンプ、配管、制御弁及び流量センサから構成される補助システムと、水溜、再循環ポンプ、ブローダウン弁、飲料水補給弁、配管などから構成される媒体飽和部用の第２の補助給水システムとが含まれる。媒体型蒸発冷却器のために、制御システムは、周囲空気の湿度又は乾球温度及びガスタービンが最大出力又はそれに近い出力で運転されていることを示すガスタービンパラメータに基づいて、媒体型蒸発冷却器用の再循環ポンプの始動及び停止を行い、蒸発冷却器の水溜への補給水の調節を行う。過飽和システムのために、制御システムは、周囲空気の乾球温度、蒸発冷却器の下流の水／空気の混合物の乾球温度、圧縮器入口における気流、各マニホルドに対する水流量及び最大出力又はそれに近い出力を示すガスタービン運転パラメータに基づいて、過飽和部の各マニホルドに対する水の供給の開始、停止、調節及び制限を行う。
【００２３】
【発明の実施の形態】
これらの実施例は、本発明のその他の目的及び利点と同様に、添付の図面と関連させながら、本発明の現時点で好適な実施例のより詳細な説明を綿密に検討することによって十分に理解されるであろう。
【００２４】
図１は、過飽和注水システムを有するガスタービン吸気口システムの第１の実施例を示す図である。ガスタービン１０は、圧縮器１２、燃焼部１４、タービン１６及びタービン排気システムを含む。ガスタービンの作動流体は、空気／水の混合物である。混合物は、圧縮器に入り、燃焼部において燃料と混合され、熱ガスに変えられて排気ガスとして放出される。ガスタービンの出力は、発電機１８又はその他の電力負荷に接続されても良い。
【００２５】
空気／水の混合物は、エアダクト２４及び吸気フード２０を介して圧縮器に入り、圧縮器のＩＧＶ２２を通過する。圧縮器の中で、混合物は、圧縮器の一連の段を通過しながら次第に圧縮される。この段は、通常、翼列の固定子と回転圧縮器ブレードを含むが、遠心圧縮器の段を含むこともある。吸気フード２０への入口は、注水システム２６に接続される。この注水システム２６は、単段の注水噴霧ノズル／マニホルド２８を含み、これにより、水が給水管からノズルに分配される。空気は、エアフィルタ３２及び空気取入れ口３４を含むエアダクト２４から注水システムに入る。周囲空気は取入れ口に入ってろ過され、ダクトで注水システムに送られる。注水システムのノズル３５は、エアダクト２４を通って流れる空気に霧状水を噴射するが、この水は、水／空気の混合物が圧縮器に入る前に蒸発する。ノズルの水は、送水ポンプ３６及び貯水タンク３８により供給され、これらは、給水配管を介してマニホルドに接続される。空気流を水で過度に飽和するため、水が空気中に注入される。空気／水の混合物は、ガスタービンまで進んでＩＧＶに入る。混合物は、ここでガスタービンの作動流体になる。
【００２６】
General Electric Mark VTM制御システムなどの従来のガスタービン制御システム４０が、ガスタービン１０の動作を制御する。この制御システムと関連するのが、注水システム用の制御システム４２である。これらの制御システムは、単一のコンピュータシステムへと統合されても良い。制御システムは、センサの回転速度を検出する回転速度センサ、圧縮器入口での気圧及び作動流体の圧力（静圧及び動圧）を検出する気流センサ（ＦＴ）４４、及び、圧縮器入口及びガスタービンのその他の場所での作動流体の温度を測定する圧縮器／タービンの温度センサなどのガスタービンの状態及び動作を監視する種々のセンサに対する入力信号を受信する。
【００２７】
その他のセンサには、注水システム２６のノズルを通ってマニホルドに流れる水の量を測定する水流センサ（ＦＴ）４６が含まれても良い。これらの水流センサは、注水コントローラ４２にフィードバック信号を供給し、このコントローラは、予定流量との比較を行う。コントローラは、実際の水流量が予定量と一致するように給水弁４８を操作し、これにより、圧縮器に入る空気に対して注入される水の量が調整される。また、センサは、気圧などの周囲の状態を気圧計型圧力センサ（ＰＴ）４８を用いて監視し、周囲温度を乾球温度センサ（ＴＥ）５０及び湿球温度センサ（ＴＥ）５２を用いて監視する。センサ信号は、電線、無線リンク及びその他の通信経路などの従来の手段を介してコントローラに送信される。
【００２８】
注水制御システム４２は、ガスタービンが許容可能な運転限度の範囲内に注水システムを維持するために、吸気口の空気の水飽和又は過飽和を制御することによって、ガスタービンの電力増加を最適化する。例えば、コントローラ４２は、ガスタービンが全速力且つ全負荷（ＦＳＦＬ）状態で運転していた後に注水を開始することもある。コントローラは、注水システムの動作を制御するアルゴリズムを実行する。制御システムは、ガスタービン、種々の圧力／温度センサ、気流／水流センサからのセンサ入力を受信するコンピュータシステムを含んでも良い。コンピュータのプロセッサは、センサ入力を評価し、注水システムの飽和及び／又は過飽和マニホルド／ノズルに対する適切な水流量を判定する。プロセッサは、コンピュータメモリユニットにアクセスし、センサ測定値及びガスタービン運転パラメータから格納されたデータを検索し、このデータを使用して注水システムを制御する際に有用な出力を生成するアルゴリズムを検索する。コンピュータは、所望の水流量にするために、給水弁４８及び／又は送水ポンプ３６に対してコマンド信号を発行しても良い。制御システム４２は、ガスタービン運転パラメータ及び周囲空気の状態に反応する。制御システムは、ガスタービン制御システム用のコンピュータシステム４０と統合されても、システム４０内に組み込まれても良い。システムは、水噴射型蒸発冷却器（空気飽和システム）、単一注水格子型過飽和システム、２段過飽和システム及びその他の注水システムを制御するのに適用可能である。
【００２９】
注水制御システム４２は、注水の開始、停止、調節を制御し、１組のマニホルド／噴霧ノズルを用いて過飽和システムにおいて注入される水を制限する。制御システムは、圧縮器気流センサ４４からの入力信号、センサ４８により測定された周囲空気又は過飽和システムの上流のダクトにおいて流れる空気の乾球温度、センサ５０により測定された周囲空気又は過飽和システムの上流のダクトにおいて流れる空気の湿球温度、各マニホルド給水路における水流センサ４６、及び、ガスタービンが最大出力又はそれに近い出力で運転されていることを示すガスタービンパラメータ（従来のガスタービン制御センサにより測定）に基づいて、これらの機能を実行する。
【００３０】
注水システム用の制御システムは、以下に示す特定の制御機能を実行する。
【００３１】
１．周囲空気の状態が申し分なく、ガスタービンが最大出力又はそれに近い出力で運転されている場合、過飽和システムの送水ポンプ３６を始動し、給水停止弁４８を開く。
【００３２】
２．水流量の範囲が注水ノズルにより有効な水の霧化を達成するのに十分であるように、マニホルド３５に対する水流量を調節する。単一の送水ポンプ３６及び１組の制御弁４８からの各マニホルドに対する水流量を調整するための水流量フィードバック信号が示される。変速駆動及び各マニホルドに対する適切な制御を備えたポンプを含むシステムが使用されても良い。可変速の送水ポンプを備えるシステムでは、コントローラ４２は、弁の位置とポンプの速度の双方を調節し、注入マニホルド／ノズルに対する水圧及び水流量を調整することができるであろう。
【００３３】
３．過飽和システムに対する総水流量を調整し、周囲空気における水部分に基づいて過飽和システムの下流の空気／水の混合物に対する水部分（ＷＦ）セットポイントを維持する。この水部分は、周囲空気の乾球温度及び湿球温度、過飽和システムに対する測定された水流量、及び、ガスタービン吸気口の流量センサ又はその他の流量測定システムにより検知された圧縮器の気流により判定される。水流を判定するアルゴリズムの一例は、以下の通りである：
【００３４】
【数１】
0004150950.tif 000002
【００３５】
式中、Wssは過飽和システムに対する総水流量であり、WF1ssは、注水システム２６に対する水部分であり、W1cは、圧縮器入口での乾燥空気（水蒸気なしの空気）の流量である。
【００３６】
水部分を判定するためのアルゴリズムの一例は、以下の通りである：
【００３７】
【数２】
0004150950.tif 000003
【００３８】
式中、WF1cは圧縮器／ＩＧＶ入口での水部分であり、WFaは、周囲空気の水部分であり（WFa = f(Tadb, Tawb)）、WFssは、注水システム２６に対する水部分であり、Tadbは、周囲乾球温度であり、Tawbは、周囲湿球温度であり、「f」は、Tadb及びTawbなどの入力パラメータとWfaなどの出力との機能関係を示す。
【００３９】
４．圧縮器入口などでの過飽和システムの下流の空気／水の混合物中の水部分を制限することに基づいて、過飽和システムに対する水流量を制限し、圧縮器ブレードの侵食又はその他のガスタービン制限を最小限にする。制御システムは、水流を調節し、需要が限界に達するか、あるいは、限界を超える場合に水部分の制限を維持する。
【００４０】
５．周囲空気の状態が注水に適していない場合、例えば、湿度が高すぎたり温度が低すぎたりする場合、あるいは、ガスタービンパラメータがガスタービンが最大出力又はそれに近い出力で運転されていないことを示す場合に、マニホルド／ノズルに対する水流を停止することによって注水を停止する。
【００４１】
図２は、霧状水噴射型飽和システム（蒸発冷却器）５４においてガスタービン吸気口の空気への注水の開始、停止、調節及び制限を行う飽和注水制御システムの第２の実施例を示す。制御システムは、周囲空気乾球温度センサ４８からの入力信号、周囲空気湿球温度（又は湿度）センサ５０、（水の実際の蒸発がセンサ５６の通過前に行われるように）蒸発冷却器から離間した下流のエアダクトに位置する湿球温度センサ５６、圧縮器気流センサ４４、各マニホルドに対する給水路の流量センサ４６に基づいて、これらの機能を実行する。
【００４２】
制御システム５２の第２の実施例に対して実行される特定の制御機能には、以下のものが含まれる。
【００４３】
１．周囲空気の状態が申し分なく、ガスタービンパラメータがガスタービンが最大出力又はそれに近い出力で運転されていることを示す場合、蒸発冷却器の送水ポンプ３６を始動し、給水停止弁４８を開く。申し分のない周囲空気の状態は、通常、乾球温度が５９゜F（１５℃）より高く、周囲空気における相対湿度が１０％を超える状態である。
【００４４】
２．流量の範囲がマニホルドに取り付けられたノズルにより有効な水噴射の霧化を達成するのに十分であるように、各マニホルド５８に対する水流量を調整する。マニホルドに対する水流／水圧は、弁４８によってのみ制御されても（特に、送水ポンプが単一速度のポンプである場合）、あるいは、弁４８と可変速の送水ポンプとの組み合わせにより制御されても良い。
【００４５】
３．蒸発冷却器５４に対する総水流量を調整し、蒸発冷却器の下流の吸気／吸水配管６０の乾球温度センサ５６により測定される所定の乾球温度セットポイントを維持する。この乾球温度設定は、制御システム５２により周囲空気の湿球温度＋周囲空気の乾球温度と周囲空気の湿球温度との差の約５〜１０％の部分として計算されてもよい。蒸発冷却器に対する水流量のフィードバック制御のためのアルゴリズムの一例は、以下の通りである：
【００４６】
【数３】
0004150950.tif 000004
【００４７】
式中、Wwecは、冷却器に対する水流量であり、K1は、フィードバックコントローラのゲインであり（各注入システム設計ごとに判定）、T2ecdbspは、冷却器の下流の乾球温度に対するセットポイントであり、T2ecdbは、冷却器の下流の実際の乾球温度（センサ５６）である。従って、Wwecは、冷却器の下流の実際の乾球温度とセットポイント乾球温度との差の関数である。
【００４８】
ダクト６０を通って流れる空気／水の混合物中の水により、ダクトの乾球センサ５６は湿ることが多い。湿った乾球温度センサは、場合によっては、不正確な乾球温度信号を生成する可能性がある。乾球温度センサ５６が、蒸発冷却器からの液体の水のキャリーオーバにより湿る場合、湿球温度（乾球温度ではない）を示すであろう。誤った湿球温度は、乾球温度セットポイントを下回り、コントローラ４２は、誤った乾球データに反応して不安定になるであろう。通常、湿った乾球センサから生じる制御の不安定性を防ぐために、制御システム５２は、周囲空気の乾球温度及び周囲空気の湿球温度から計算された水流要求によりフィードフォワード制御に切り替わる。これらの温度測定値に基づいて、コントローラは、蒸発冷却器の下流の乾球温度セットポイントを満たすのに十分なように圧縮器入口の気流を調節する。フィードフォワード制御に対するアルゴリズムの一例は、以下の通りである：
【００４９】
【数４】
0004150950.tif 000005
【００５０】
式中、Wsecspは冷却器に対する水流量に対するフィードフォワード制御の計算された要求であり、K2は、蒸発冷却器の有効性であり、W1cは、圧縮器に対する空気／水の流量（センサ４４）であり、WFasは、飽和周囲の空気水部分であり（WFas = f(Tawb)）、WFaは、周囲空気の水部分である（WFa = f(Tadb, Tawb)）。
【００５１】
４．周囲空気の状態が適切でない場合、あるいは、ガスタービンパラメータがガスタービンが最大出力又はそれに近い出力で運転されていないことを示す場合に、蒸発冷却器に対する水流を停止する。蒸発冷却器を作動させるのに申し分のない周囲空気の状態は、周囲空気の乾球温度が５９゜F（１５℃）より高い状態を含んでも良い。
【００５２】
図３は、ガスタービン入口の空気流への水の注入の開始、停止、調節及び制限を行う注水システム制御システム６２の第３の実施例を示す。制御システムは、２組の霧状水噴射マニホルド／ノズル６６、６８を有する分離過飽和注水システム６２用のシステムである。第１の組のマニホルド／噴霧ノズル６６は、空気流を飽和させるのに十分な水を注入する。第１の組のマニホルド／ノズルによる注水の後、水で飽和した空気が第２の組のマニホルド／噴霧ノズル６８へと進む前に水を蒸発させるために、ダクト６０中の空気／水の混合物に対しては十分な滞留時間がある。第２の組のマニホルド／ノズル６８は、空気を過度に飽和する。この制御システム６２は、統合型の飽和／過飽和システムの運転のために、周囲空気の乾球温度センサ４８から受信した入力信号、周囲空気の湿球温度（又は湿度）センサ５０、圧縮器気流センサ４４、水で飽和した空気の乾球温度センサ５６、飽和／過飽和部における各マニホルドに対する給水管７４の水流センサ７０、７２、及び、全速力／全負荷などの申し分のない運転状態を示すガスタービン制御部からの信号に基づいて、過飽和システムを調整する。
【００５３】
分離注水システム用の制御システム６２に実行される機能には、以下のものが含まれる。
【００５４】
１．周囲空気露点温度（又は湿度）センサ５０からの入力、周囲空気乾球温度センサ４８、及び、ガスタービン運転パラメータが２段飽和／過飽和システムの運転に対して申し分のないことを示すガスタービン制御部からの信号に基づいて、送水ポンプ３６の始動及び停止を行う。
【００５５】
２．各マニホルド／ノズルの組が、ノズルにより有効な水の霧化を達成するのに申し分のない流量範囲で動作するように、各マニホルド６６、６８に対する水流を調整する。マニホルドに対する水流量の調整は、各マニホルドに対して水流弁７６、７８のみを制御することによって達成されても（特に、単一速度の送水ポンプが使用される場合）、あるいは、可変速のポンプがある場合に水流弁とポンプ３６の速度を制御することによって達成されても良い。
【００５６】
３．水で飽和した空気の乾球温度セットポイントに設定され且つ圧縮器気流センサ４４、周囲空気露点温度（又は湿度）センサ５０及び周囲空気乾球温度センサ４８からのフィードフォワード制御系の入力と比較されるフィードバック制御信号に基づいて、分離注水システムの飽和部６６に対する総水流量を調整する。水で飽和した空気の乾球温度セットポイントは、測定された露点温度及び露点温度に加える例えば５％〜１０％の一定のオフセットから判定される。フィードバック信号は、水で飽和した空気の乾球温度センサ４８により測定される温度である。
【００５７】
水で飽和した空気が乾球温度センサを湿らせ、その結果、乾球温度センサが、湿球温度又は乾球温度と湿球温度の間の値を示す可能性がある。従って、測定された温度がセットポイントを下回る場合、制御部は、フィードフォワードモードに移行する。フィードフォワードモードでは、制御部は、周囲空気の乾球温度、周囲空気の湿球温度及び圧縮器気流に基づいて所要の水流量を計算する。
【００５８】
４．過飽和部６８に対する総水流量を調整し、周囲空気の乾球温度及び湿球温度から計算された周囲空気中の水部分、飽和部／過飽和部に対する測定された水流量、及び、ガスタービン圧縮器空気入口ボリュート上の流量センサ又はその他の流量測定システムにより検知された圧縮器気流に基づいて、過飽和システムの下流の空気／水の混合物に対する水部分セットポイントを維持する。水部分を判定するためのアルゴリズムの一例は、以下の通りである：
【００５９】
【数５】
0004150950.tif 000006
【００６０】
式中、WFsは、飽和システム６６により与えられた水部分であり、Wsは、飽和システムに対する水流量（センサ７０）であり、W1cは、圧縮器／ＩＧＶ入口での乾燥空気（水蒸気なしの空気）の流量である。
【００６１】
【数６】
0004150950.tif 000007
【００６２】
式中、WFssは、過飽和システム６８により与えられた水部分であり、Wssは、過飽和システムに対する水流量（センサ７２）である。
【００６３】
【数７】
0004150950.tif 000008
【００６４】
５．過飽和システムの下流の空気／水の混合物中の水部分を制限することに基づいて、過飽和部６８に対する水流量を制限し、圧縮器ブレードの侵食又はその他のガスタービン制限を最小限にする。使用される信号は、上記項目４で使用されるものであり、制御システムは、要求が限界に達するか、あるいは、限界を超える場合に水部分の制限を維持するように、過飽和部６８に対する水流量を削減する。
【００６５】
６．周囲空気の状態が適切でない場合、あるいは、ガスタービンが最大出力又はそれに近い出力で運転されていない場合に、飽和部６６に対する水流を停止する。吸気口の空気への注水に適した周囲空気の状態は、通常、乾球温度が５９゜F（１５℃）より高く、相対湿度が約５〜１０％（湿球温度センサ（又は湿度センサ）５０により測定）よりも高い状態である。
【００６６】
７．飽和部６６及び過飽和部６８の動作を調整して、最大ガスタービン効率を達成する。注水制御システム６２は、周囲空気の相対湿度が不十分な場合（例えば、乾球温度が５９゜F（１５℃）より低く、相対湿度が５〜１０％より低い）、飽和部６６の動作を抑制し、相対湿度が高く、周囲空気の乾球温度が、例えば、５９°F（１５℃）を上回る申し分ない温度である場合にも過飽和システム６８による注水を命令する。
【００６７】
また、システムの注水処理が開始され、周囲空気の状態が飽和部６６の動作にとって申し分がない場合、ガスタービンの熱効率が改善されるので飽和部６６が始動するであろう。過飽和部６８は、ガスタービンの熱効率を下げる可能性があるので、最も好ましくない電力増加システムである。従って、過飽和部は、飽和部による注水を利用して達成される電力出力を上回る追加のガスタービン電力出力が必要とされる場合や、飽和部の下流のダクト６０における乾球温度（センサ５６）に対するセットポイントを達成するために始動されても良い。
【００６８】
図４は、媒体型蒸発冷却器８２の下流のガスタービン吸気口システムに設置された１組の霧状水噴射マニホルド／ノズル６８から構成される水過飽和システムに対する注水の開始、停止、調節／調整及び制限を行う注水制御システム８０の第４の実施例を示す概略図である。制御システム８０は、蒸発冷却器８２の始動及び停止を行い、通常、蒸発冷却器が作動していた後に、過飽和システム６８の動作の調整を行う。
【００６９】
制御システム８０により実行される機能には、以下のものが含まれる。
【００７０】
１．露点温度（又は湿度）センサ５０からの入力、周囲空気乾球温度センサ４８、及び、ガスタービン運転状態（全速力／全負荷運転など）が蒸発冷却器８２の動作に対して申し分のないことを示すガスタービンコントローラ４０からの信号に基づいて、再循環式送水ポンプ８４の始動又は停止を行うことによって蒸発冷却器８２の始動及び停止を行う。蒸発冷却器の動作に適した周囲空気の状態は、通常、乾球温度が５９゜F（１５℃）より低く、相対湿度が５〜１０％より高い状態である。この場合、通常、圧縮器への入口における空気の状態では、氷は形成されない。
【００７１】
２．蒸発冷却器に対する通常の制御機能を実行する。この制御機能は、適切な水のレベルを維持するために水溜８６への水補給（水補給は、水路８８及び注水コントローラ８０により制御される給水弁９０を介して追加の水を水溜に加えることによって制御されても良い）を制御する機能と、循環水の不純物を申し分のないレベルに維持するために水溜からのブローダウンを制御する機能とを含むことができる。
【００７２】
３．ノズルにより有効な霧化を達成するのに申し分のない流量の範囲で動作するように、過飽和部６８のマニホルドに対する水流量を調整する。マニホルド６８に対する水流量の調整は、マニホルドに対して水流弁７８のみを制御することによって達成されても（特に、単一速度の送水ポンプが使用される場合）、あるいは、可変速度のポンプがある場合に水流弁及びポンプ３６の速度を制御することによって達成されても良い。
【００７３】
４．周囲空気の乾球温度及び蒸発冷却器の下流のダクトにおける空気／水の混合物の乾球温度、並びに、圧縮器に入る測定された空気／水の混合物の流量により分割された過飽和部に対する測定された水流に基づいた過飽和部の上流の空気／水の混合物中の計算された水部分に基づく過飽和システムの下流の空気／水の混合物に対する水部分セットポイントを維持するように、過飽和部６８に対する総水流量を調整する。水流を調整するためのアルゴリズムの一例は、冷却器が作動していない場合、
【００７４】
【数８】
0004150950.tif 000009
【００７５】
である。冷却器が運転している場合、
【００７６】
【数９】
0004150950.tif 000010
【００７７】
であり、
【００７８】
【数１０】
0004150950.tif 000011
【００７９】
式中、Tzecdbは、冷却器の下流の乾球温度（センサ５６）である。
【００８０】
５．過飽和システムの下流の空気／水の混合物中の水部分の最大閾値に基づいて過飽和部６８に対する水流量を制限し、圧縮器ブレードの侵食又はその他のガスタービン制限を最小限にする。使用される信号は、上記項目４で使用されるものであり、制御システムは、水部分を削減するために過飽和部に対する総水流量を調整する。
【００８１】
６．周囲空気の状態が適切でない場合、あるいは、ガスタービン運転パラメータがガスタービンが最大出力又はそれに近い出力で運転されていないことを示す場合に、飽和（蒸発冷却器）部８２に対する水流を停止する。吸気口の空気への注水に適した周囲空気の状態は、通常、乾球温度が５９゜F（１５℃）より高い状態である。
【００８２】
７．媒体型蒸発冷却器８２及び過飽和部６８の動作を調整して、最大ガスタービン効率を達成する。制御システム８０は、周囲空気の相対湿度が不十分な場合、例えば、相対湿度が５〜１０％より高い場合、媒体型蒸発冷却器の動作を抑制するが、乾球温度が５９゜F（１５℃）より低く、周囲空気の乾球温度が申し分ない場合、過飽和システムによる注水を許容する。
【００８３】
周囲空気の状態が申し分なく、吸気口の空気へ水を加えるためのシステムの処理が開始される場合、ガスタービンの熱効率を改善するために、まず、媒体型蒸発冷却器が始動される。過飽和システム６８は、ガスタービンの熱効率を下げる可能性があるので、最も好ましくない電力増加システムである。従って、過飽和システムは、作動中の蒸発冷却器を用いて達成される電力出力を上回る電力出力が必要とされる場合のみ始動されるであろう。
【００８４】
以上、現在、最も実用的で好適であると考えられる実施例と関連させながら本発明を説明してきたが、本発明が開示された実施例に限定されず、特許請求の範囲の趣旨に含まれる種々の変形例及び同等の構成例を包含することは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  注水システム及び関連制御システムを有するガスタービンシステムの第１の実施例の概略図。
【図２】  注水システム及び関連制御システムを有するガスタービンシステムの第２の実施例の概略図。
【図３】  注水システム及び関連制御システムを有するガスタービンシステムの第３の実施例の概略図。
【図４】  注水システム及び関連制御システムを有するガスタービンシステムの第４の実施例の概略図。
【符号の説明】
１０…ガスタービン、１２…圧縮器、１４…燃焼部、１６…タービン、２４…エアダクト、２６…注水システム、４２…注水制御システム、５４…霧状水噴射型蒸発冷却器、６０…吸気ダクト、６２…分離過飽和注水システム、６６…飽和システムマニホルド／噴霧ノズル、６８…過飽和システムマニホルド／噴霧ノズル、７０、７２…水流センサ、７６、７８、９０…給水弁、８２…媒体型蒸発冷却器
【図１】
0004150950.tif 000012
【図２】
0004150950.tif 000013
【図３】
0004150950.tif 000014
【図４】
0004150950.tif 000015