JP2013238224A - ガスタービンエンジンにおいて熱回収するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジンにおいて熱回収するためのシステムおよび方法を提供する。
【解決手段】システムは１０、氷結防止熱回収システムを含んでおり、これは、第１の熱交換器と、第２の熱交換器と、可変速度ファンとを含んでいる。第１の熱交換器は、ガスタービンエンジン１２の排気部分２４から作動流体を受け取り、作動流体からの熱を冷却された中間の熱伝達媒体に伝えることで、加熱された中間の熱伝達媒体を生成するように構成されている。第２の熱交換器は、第１の熱交換器から加熱された中間の熱伝達媒体を受け取り、加熱された中間の熱伝達媒体からの熱をガスタービンエンジン１２に進入する空気へと伝えるように構成されている。可変速度ファンは、ガスタービンエンジンの排気部分からの作動流体を第１の熱交換器を通るように推し進めるように構成されている。
【選択図】図１

Description

本明細書に開示される主題は、ガスタービンエンジンに関し、より詳細にはガスタービンエンジンにおいて熱回収するためのシステムおよび方法に関する。

ガスタービンエンジンは、連続して流れるような配列で、エンジンを通って流れる空気を圧縮するための圧縮機と、燃料が圧縮された空気と混ぜ合わされ、点火されて高温のガス流を形成する燃焼器と、高温のガス流によって駆動されるタービンとを含むことができる。圧縮機と、燃焼器と、タービンとは、包括的にコアエンジンと呼ばれる場合もある。このようなガスタービンエンジンはまた、低圧タービンまたは動力タービンを含むことで、コアエンジンによって生成された動力を、例えばジェネレータなどの被駆動の構成要素に伝達することができる。残念なことに低温の空気がコアエンジンに進入することで、圧縮機の中に、またはその上流に氷が形成され、これによりガスタービンエンジンの作動効率が悪くなる場合がある。

元々主張されている発明の範囲に相当する特定の実施形態を以下に概説する。このような実施形態は、主張される発明の範囲を限定することは意図しておらず、むしろこのような実施形態は、単に本発明の可能な形態の簡単な概要を提供することを意図している。当然のことながら、本発明は、以下に記載する実施形態と同様の、あるいは異なる様々な形態を包含することができる。

米国特許第４５０１２３３号明細書

第１の実施形態では、システムは、ガスタービンエンジンと、氷結防止熱回収システムとを含んでいる。氷結防止熱回収システムは、第１の熱交換器と、第２の熱交換器と、可変速度ファンとを含んでいる。第１の熱交換器は、ガスタービンエンジンの排気部分から作動流体を受け取り、この作動流体からの熱を冷却された中間の熱伝達媒体に伝え、加熱された中間の熱伝達媒体を生成するように構成されている。第２の熱交換器は、第１の熱交換器から加熱された中間の熱伝達媒体を受け取り、加熱された中間の熱伝達媒体からの熱をガスタービンエンジンに進入する空気に伝えるように構成されている。可変速度ファンは、作動流体をガスタービンエンジンの排気部分から第１の熱交換器を通るように推し進めるように構成されている。

第２の実施形態では、システムは、氷結防止熱回収システムを含んでおり、このシステムは、第１の熱交換器と、第２の熱交換器と、可変速度ファンとを含んでいる。第１の熱交換器は、ガスタービンエンジンの排気部分から作動流体を受け取り、この作動流体からの熱を冷却された中間の熱伝達媒体に伝え、加熱された中間の熱伝達媒体を生成するように構成されている。第２の熱交換器は、第１の熱交換器から加熱された中間の熱伝達媒体を受け取り、加熱された中間の熱伝達媒体からの熱をガスタービンエンジンに進入する空気に伝えるように構成されている。可変速度ファンは、作動流体をガスタービンエンジンの排気部分から第１の熱交換器を通るように推し進めるように構成されている。

第３の実施形態では、方法は、可変速度ファンのファン速度を調節するステップを含んでいる。可変速度ファンは、作動流体をガスタービンエンジンの排気部分から第１の熱交換器を通るように推し進めるように構成されており、この第１の熱交換器は、作動流体からの熱を冷却された中間の熱伝達媒体に伝え、加熱された中間の熱伝達媒体を生成することで、ガスタービンエンジンの圧縮機に進入する空気を加熱するように構成されている。

本発明の上記のおよび他の特徴、態様および利点は、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことで、より適切に理解されることになるであろう。添付の図面は、図面全体を通して同様の符号は、同様の部分を指している。

熱回収システムを利用することができるガスタービンエンジンの一実施形態の概略フロー図である。 長手方向軸に沿って切り取った図１のガスタービンエンジンの一実施形態の側部断面図である。 熱回収システムを有する図１のガスタービンエンジンの一実施形態の概略図である。 図３の熱回収システムの特定の構成要素の一実施形態の概略図である。 図３の熱回収システムを制御するための制御スキームの一実施形態のプロセスのフロー図である。 ガスタービン入り口空気温度の入／出力の関連性の一実施形態を示すグラフである。

本発明の１つまたは複数の特定の実施形態を以下に記載する。このような実施形態の簡潔な記載を提供するために、実際の実装形態の全ての特徴が、明細書に記載されている訳ではない。任意の設計または設計プロジェクトでの開発のような、任意の実際の実装形態において、例えばシステム関連および商業関連の制約に準拠するなど、この開発者の特定の目的を達成するために多数の実装形態に固有の決定を行う必要があり、これは実装形態によって異なる可能性があることを理解されたい。さらにこのような開発の取り組みは、複雑で時間がかかるものではあるが、それでもやはり、本開示の恩恵を有する当業者にとって、設計、作製および製造を請け負うことは日常的であることを理解されたい。

本発明の種々の実施形態の要素を取り上げる際、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」および「ｓａｉｄ」は、１つまたは複数の要素があることを意味することが意図されている。用語「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える）」、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）」および「ｈａｖｉｎｇ（有する）」は、包括的であり、記載される要素以外の追加の要素がある可能性があることを意味することが意図されている。

開示される実施形態は、ガスタービンエンジンにおける氷の形成を抑える氷結防止熱回収システムおよび方法に向けられている。特定の実施形態において、氷結防止熱回収システムは、可変速度ファンを含むことで、排ガスをガスタービンエンジンの排気部分から第１の熱交換器を通るように推し進め、中間の熱伝達媒体を加熱する。加熱された中間の熱伝達媒体は、第１の熱交換器から第２の熱交換器に流れる。第２の熱交換器は、加熱された中間の熱伝達媒体からの熱をガスタービンエンジンに進入する空気に伝えるように構成されている。空気の温度が高い方が、結氷状態においてガスタービンエンジンの圧縮機入り口内で氷が形成されるのを抑えることができる。可変速度ファンのファン速度は、排ガスから、中間の熱伝達媒体を通って入ってくる空気に伝達される熱に比例する。制御装置は、可変速度ファンのファン速度を、システム全体に配置されたセンサからのセンサフィードバックに基づいて調節することができる。制御装置が、ファン速度を制御することで、入ってくる空気の温度を上昇させ、その一方で排ガスの温度が、酸露点の閾値を上回るように維持する。

図１は、ガスタービンエンジン１２を含む一例のシステム１０のブロック図であり、このガスタービンエンジンは、以下に詳細に記載するように熱回収システムを利用することができる。特定の実施形態において、システム１０は、航空機、船艇、機関車、発電システムまたはそれらを組み合わせたものを含むことができる。例示されるガスタービンエンジン１２は、空気取入れ部分１６と、圧縮機１８と、燃焼器部分２０と、タービン２２と、排気部分２４とを含んでいる。タービン２２は、シャフト２６によって圧縮機１８に結合されている。

矢印によって示されるように、空気は、空気取入れ部分１６を通ってガスタービンエンジン１２に進入し、圧縮機１８に流れ込むことができ、この圧縮機が、燃焼器部分２０に進入する前に空気を圧縮する。例示の燃焼器部分２０は、燃焼器筐体２８を含んでおり、これは、圧縮機１８とタービン２２の間に、シャフト２６の周りに同心円状または環状に配置されている。圧縮機１８からの圧縮された空気が、燃焼器３０に進入し、ここで圧縮された空気が、燃焼器３０の中で燃料と混ざり合い、燃焼することでタービン２２を駆動することができる。

燃焼器部分２０から、高温の燃焼ガスが、タービン２２を通って流れ、シャフト２６を介して圧縮機１８を駆動する。例えば燃焼ガスは、タービン２２内でタービンロータブレードに推進力を与えることで、シャフト２６を回転させることができる。タービン２２を通って流れた後、高温の燃焼ガスは、排気部分２４を通ってガスタービンエンジン１２を出ることができる。以下で考察するように、ガスタービンエンジン１２は、熱回収システムを含むことができ、このシステムは、排気部分２４を出ていくガスからの熱を伝達することで、空気取入れ部分１６に入ってくる空気を加熱するために用いられる。入ってくる空気を加熱することによって、熱回収システムは、圧縮機１８内における氷の蓄積を減らすことができる。本明細書に提示される考察を通して、１セットの軸が参照されている。これらの軸は、円筒座標系に基づいて、軸方向１１、半径方向１３および円周方向１５を示す。

図２は、長手方向軸３２に沿って切り取った図１のガスタービンエンジン１２の一実施形態の側部断面図である。作動中、空気は空気取入れ部分１６を通って進入し、圧縮機１８によって圧縮される。圧縮機からの圧縮された空気はその後、燃焼器部分２０に誘導され、ここで圧縮された空気が燃料と混ざり合う。圧縮された空気と燃料の混合物が、燃焼器部分２０において燃えることで、高温で高圧の燃焼ガスを生成し、このガスを使用してタービン２２内にトルクを生成する。描かれるように、タービン２２は、３つの別々の段３４を含んでいるが、タービン２２は、任意の数の段３４を含むことができる。各々の段３４は、ロータホイール３８に結合された１セットのブレード３６を含んでおり、このロータホイールは、シャフト２６（図１）に回転可能に装着することができる。ブレード３６は、ロータホイール３８から半径方向外向きに延びており、タービン２２内を通る高温の燃焼ガスの経路の中にその一部が配置される。具体的には、燃焼ガスが、ブレード３６に推進力を加えることで、ロータホイール３８を回転させ、これによりシャフト２６も回転させる。シャフト２６が回転することによって、圧縮機１８も回転させ、その結果多段圧縮機１８における１つまたは複数のブレードが、空気取入れ部分１６が受け取った空気を引き寄せ、これを加圧する。

特定の条件によって、圧縮機１８の入り口４０の中に氷が形成される場合がある。すなわち空気取入れ部分１６を通って圧縮機１８に進入する空気の温度と相対湿度が、入り口４０内における氷の形成を促進させる範囲内にある可能性がある。例えば氷の形成は、およそ摂氏５°を下回る温度で、少なくともおよそ６５％の相対湿度において、所与のガスタービンエンジン１２の入り口４０内に生じる可能性がある。圧縮機１８におけるブレードが、加圧するために圧縮機１８の中に空気を引き寄せる際、入り口４０内に形成された氷が、壊れて放出され、圧縮機１８の中へと引き寄せられる可能性がある。ひとたびガスタービンエンジン１２の中に放出されると、この氷によって、圧縮機１８の性能が望ましくないものになるおそれがある。結氷状態におけるガスタービンエンジン１２の効率的な作動を促進するために、熱回収システムが、ガスタービンエンジン１２の排気部分２４から空気取入れ部分１６に熱を伝えることができる。これにより入ってくる空気を加熱し、その結果圧縮機１８の入り口４０内における氷の形成を抑えることができる。同様の技術を適用することでガスタービンエンジン１２の他の部分、例えば燃焼器部分２０またはタービン２２を通って移動する空気を加熱することもできる。

図３は、氷結防止熱回収システム５０を有する図１のガスタービンエンジン１２を含むシステム１０の一実施形態の概略図である。この氷結防止熱回収システム５０を利用して、ガスタービンエンジン１２の排気部分２４を出ていくガスから、ガスタービンエンジン１２に進入する空気５２に熱を伝えることができる。氷結防止熱回収システム５０は、とりわけ第１の熱交換器５４と、可変速度ファン５６と、第２の熱交換器５８とを含んでいる。第１の熱交換器５４は、作動流体（例えば排気部分２４を介して放出される排ガス）から、中間の熱伝達媒体（例えば氷結防止液）に熱を伝えるように設計されており、第２の熱交換器は、氷結防止液からガスタービンエンジン１２に進入する空気５２に熱を伝えるように設計されている。可変速度ファン５６は、排気部分２４からの排ガスを第１の熱交換器５４を通るように推し進めるように構成されている。すなわち可変速度ファン５６は、排気部分２４からの排ガスを第１の熱交換器５４を通るように吹き付ける、吸い込む、移動させる、先に送る、あるいは搬送するように設計されてよい。

可変速度ファン５６は、可変周波数の駆動装置、磁気駆動装置または他の速度が調節可能な駆動装置を使用して作動されることで、ファン速度の調節を行うことができる。このような調節は、排気部分２４から入ってくる空気５２に伝達される熱の量に比例して影響を与えることができる。具体的には、可変速度ファン５６のファン速度が上がると、第１の熱交換器５４の中を通過する排ガスの容積が増加する。容積が増加することによって、第１の熱交換器５４を通って流れる中間の熱伝達流体に伝達される熱の量がこれに比例して増加し、これにより、今度は第２の熱交換器５８を介して、入ってくる空気５２に伝達される熱の量を増加させることになる。したがってガスタービンエンジン１２に進入する空気５２の温度は、可変速度ファン５６のファン速度を調節することによって制御することができる。

氷結防止熱回収システム５０はまた、ポンプシステム６０を含むことで、第１の熱交換器５４と第２の熱交換器５８の間で氷結防止液を循環させることもできる。例示の実施形態では、氷結防止液は、第１および第２の熱交換器５４および５８の各々の管側を通って流れることができるが、他の構成も可能である。氷結防止液は、水と一般的な不凍液、例えばエチレングリコールなどとの混合物であってよい。ポンプシステム６０は、配管部分６２を通って第１の熱交換器５４に向かうように氷結防止液を推し進めることができる。相対的に低温の氷結防止液が、第１の熱交換器５４内の管を通って流れ、可変速度ファン５６が、相対的に高温の排ガスを第１の熱交換器５４内の管に対して吹き付ける。したがって第１の熱交換器５４は、排ガスを受け取り、排ガスからの熱を冷却された氷結防止液に伝えることで、加熱された氷結防止液を生成する。加熱された氷結防止液は、第１の熱交換器５４から配管部分６４を通って第２の熱交換器５８へと流れる。第２の熱交換器５８は、加熱された氷結防止液を受け取り、加熱された氷結防止液からの熱を、空気取入れ部分１６を介してガスタービンエンジン１２に進入する空気５２に伝える。氷結防止液は、比較的低温で第２の熱交換器５８を出て、配管部分６６を通ってポンプシステム６０に戻る。ポンプシステム６０は、比較的一定の流量で氷結防止液を循環させることができ、これにより熱交換器５４および５８の熱伝達力の予測精度を高めることができる。第２の熱交換器５８は、示されるように空気取入れ部分１６内に配置される、あるいはガスタービンエンジン１２に沿って、例えば空気取入れ部分１６と圧縮機１８の間のいずれかの他の場所に配置される場合もある。

例示の氷結防止熱回収システム５０は、制御装置６８を含むことで、可変速度ファン５６のファン速度を制御信号７０と、センサフィードバックに基づいて制御する。制御信号７０は、例えばガスタービンエンジン１２に進入する空気５２に関する所望の温度、結氷状態の温度範囲、ポンプの流量など、操作者によるパラメータ入力を表す信号を含むことができる。センサフィードバックは、ガスタービンエンジン１２に進入する空気５２の入り口温度、排気部分２４を出ていく排ガスの排気温度、周辺空気温度または相対湿度のうちの少なくとも１つを表すデータを含むことができる。このようなセンサフィードバックは、システム１０の周りに配置されたセンサによって取得することができる。例えば制御装置６８は、ガスタービンエンジン１２の空気取入れ部分１６内に配置された温度センサ７２から入り口温度データを受信することができる。同様に、制御装置６８は、可変速度ファン５６の下流に位置する温度センサ７４から排ガス温度データを受信することができる。周辺空気温度および相対湿度を表すデータは、ガスタービンエンジン１２の外側に位置するセンサ７６および７８によって制御装置６８に伝達することができる。

制御装置６８は、制御信号７０およびセンサフィードバックを利用して、可変速度ファン５６のファン速度を調節する。より具体的には、制御装置６８は、センサフィードバックを分析することで、ガスタービンエンジン１２の空気取入れ部分１６付近に結氷状態が存在するかどうかを判断する。結氷状態が存在する場合、制御装置６８は、ガスタービンエンジン１２に進入する空気５２に関する所望の空気温度を決定し、これに従って可変速度ファン５６のファン速度を調節することができる。先に述べたように、第２の熱交換器５８を通って流れる氷結防止液の温度が変化することで、第２の熱交換器５８内を通過する空気５２の温度に予測可能な比例する変化が生じる可能性がある。同様に、可変速度ファン５６のファン速度が変化することで、第１の熱交換器５４の管を通って流れる氷結防止液の温度が比例して変化することになる。よって可変速度ファン５６のファン速度の比較的簡単な調節は、ガスタービンエンジン１２に進入する空気５２の温度上昇を制御することである。

制御装置６８はまた、センサ７４からのフィードバックを利用して、第１の熱交換器５４を出ていく排ガスの温度を監視することもできる。排ガスの一部は、排気部分２４から遠ざかるように第１の熱交換器５４までダクトで送られる。第１の熱交換器５４は、排ガスからの熱を氷結防止液に伝え、排ガスは、これより低い温度で第１の熱交換器５４を出ていく。したがって可変速度ファン５６のファン速度が上昇することによって、第１の熱交換器５４の中を通過する排ガスの温度をさらに下げることができる。排ガスの温度が、酸露点温度を下回るまで低下することは望ましいことではない。排ガスが、酸露点温度を下回るまで低下すると、ガスが、熱回収システム５０の構成要素の内壁にぶつかって液体酸へと凝縮される可能性がある。このような酸の形成は好ましくないものであり、それは熱回収システム５０および排気部分２４内に金属の腐食を生じさせるだけでなく、システムの性能を低下させる可能性があるためである。このような状況を避けるために、制御装置６８は、センサフィードバックと制御信号７０を利用して可変速度ファン５６を制御することで、ガスタービンエンジン１２に進入する空気５２を加熱し、その一方で排ガスの温度を酸露点の閾値を上回るように維持することができる。

氷結防止熱回収システム５０の特定の構成要素は、スキッド８０上に支持され、これに組み込むことができ、このスキッドは、ガスタービンエンジン１２に隣接するように配置することができる。例示の実施形態において、スキッド８０は、少なくとも第１の熱交換器５４と、可変速度ファン５６と、ポンプシステム６０とを支持している。スキッド８０はまた、制御装置６８、種々の配管部分（例えば６２、６４、６６）の一部および管路を支持することもできる。この方法でスキッド８０上に複数の構成要素を組み込むことにより、氷結防止熱回収システム５０の底面積を縮小することができ、氷結防止熱回収システム５０の構造、輸送および設置を相対的に効率的なものにすることが可能である。図示のスキッド８０は、ガスタービンエンジン１２に対して比較的直交するように位置合わせされているが、スキッド８０の他の配置および相対的な配向も可能であり得る。いくつかの実施形態において、スキッド８０は、ガスタービンエンジン１２に相対的に平行になるように位置合わせされる、あるいはとりわけ、第１の熱交換器５４、可変速度ファン５６およびポンプシステム６０を効率的にかつ一体式に支持するための任意の好適な配向で位置合わせされる場合もある。

図４は、図３の氷結防止熱回収システム５０の特定の構成要素の一実施形態の概略図であり、これはガスタービンエンジン１２の排気部分２４の横に並べて配置されてよい。図４は、氷結防止熱回収システム５０の構成要素を含んでおり、これは図３のスキッド８０によって支持することができることに留意されたい。このような構成要素には、とりわけ第１の熱交換器５４、可変速度ファン５６、ポンプシステム６０および制御装置６８が含まれる。

可変速度ファン５６は、排気部分２４からの排ガスを、ダクト９２を通って第１の熱交換器５４を横切るように推し進め、ダクト９４を通って排気部分２４に戻すように設計されている。例示の一実施形態において、可変速度ファン５６は、第１の熱交換器５４の下流にダクト９４に沿って配置されており、第１の熱交換器５４を通るように排ガスを引き寄せる。他の実施形態は、第１の熱交換器５４の上流に位置決めされた可変速度ファン５６を含んでおり、第１の熱交換器５４を横切るように排ガスを吹き付けることができる。排ガスは、排気部分２４とダクト９２の間で伸縮継手とフランジを通過することができる。可変速度ファン５６は、排ガスをダクト９２から第１の熱交換器５４を横切ってダクト９４まで推し進める。ここから排ガスは、別のフランジと伸縮継手を通過して、排気部分２４に再び進入することができる。最終的に排気部分２４が、ガスタービンエンジン１２からの排ガスを放出し、場合によってはシステム１０の別の工程に向けてガスを誘導する。

先に述べたように、可変速度ファン５６は、可変周波数駆動装置（ＶＦＤ）９６によって作動させることができ、この装置は、制御装置６８からの信号に応答して、連続する様々なファン速度の範囲にわたって可変速度ファン５６を回転させるように構成されている。例示の実施形態は、ダクト１００に沿って配置された別のファン９８を含んでおり、このダクト１００は、可変速度ファン５６の下流のある位置でダクト９４と交差している。ファン９８は、ダクト９２および９４をパージするために低流量の空気を送達する比較的小型のファンであってよい。すなわちファン９８は、そうしなければダクト９２および９４へと漏れる可能性のある加熱された排ガスの望ましくない流れを妨げることができる。ガスタービンエンジン１２内における氷の形成を抑えるのに熱回収が望ましくないような状況では、ファン９８は、パージ用の空気流を供給することで、ダクト９２および９４に排ガスが進入するのを阻止することができる。モータ１０２が、ファン９８を作動させ、モータ１０２は、ファン９８を駆動させることで、パージ用の空気を供給することができるいずれのモータでもよい。制御装置６８は、制御信号７０とセンサフィードバックに基づいて、モータ１０２を制御することができる。モータ１０２は、同様に可変速度ファン５６を駆動するＶＦＤ９６と同様のＶＦＤであってよい、あるいはモータ１０２は、ある特定の速度でファン９８を作動させることもできることに留意されたい。

図４に示されるように、ポンプシステム６０は、１つまたは複数のポンプ１０４と、氷結防止液タンク１０６と、排水管１０８とを含むことができる。ポンプ１０４は、氷結防止液タンク１０６から氷結防止液を第１および第２の熱交換器５４および５８を通るように推し進めるように構成されている。具体的にはポンプ１０４は、氷結防止液タンク１０６から冷却された氷結防止液を汲み上げ、第１の熱交換器５４を通るようにすることができる。先に述べたように、第１の熱交換器５４は、氷結防止液が第１の熱交換器５４の管側を通って進むように設計されており、相対的に予測可能な燃焼器の性能を生み出すことができる。第１の熱交換器５４は、排ガスからの熱を氷結防止液に伝えることで、加熱された氷結防止液を生成することができる。加熱された氷結防止液はその後、第２の熱交換器５８に向かって配管部分６４を通って進む。第２の熱交換器５８は、加熱された氷結防止液からの熱をガスタービンエンジン１２に進入する空気５２に伝えることができる。最終的に氷結防止液は、次いで冷却され、配管部分６６を通って氷結防止液タンク１０６に戻る。氷結防止液は最初、氷結防止液タンク１０６が受け取る氷結防止液と水の別々の流れとしてポンプシステム６０に流れ込むことができる。氷結防止液は、配水管１０８を通ってポンプシステム６０を出ることができる。

ポンプ１０４は、氷結防止液が、概ね一定の速度で第１および第２の熱交換器５４および５８を通るように推し進めることができる。この方法では、可変速度ファン５６は、排ガスとガスタービンエンジン１２に進入する空気５２との熱伝達のための一次制御装置として作用する。特定の実施形態において、制御装置６８は、氷結防止熱回収システム５０の所望される作用に応じて、単にポンプ１０４のスイッチをつけたり、消したりするだけの場合もある。他の実施形態において、制御装置６８は、制御信号７０とセンサフィードバックに基づいて様々な流量でポンプ１０４を作動させることもできる。

先に考察したように、図３のスキッド８０は、氷結防止熱回収システム５０の特定の構成要素を支持することができる。このような構成要素には、第１の熱交換器５４、可変速度ファン５６、ポンプシステム６０およびファン９８が含まれており、スキッド８０上に互い対して比較的近接して位置決めすることができる。スキッド８０は、氷結防止熱回収システム５０に組み込まれた構成要素を有し、おそらく多様な種類のガスタービンエンジン１２との適合性がある。しかしながら配管部分６４および６６、ならびに第２の熱交換器５８などの他の構成要素は、特定のガスタービンエンジン１２用に設計される場合もある。同一のポンプシステム６０を様々なガスタービンエンジン１２で作動させるために、ポンプシステム６０が、流速、氷結防止液の濃度および／または氷結防止液の温度を調節することができる特定の機能を含むことがおそらく望ましい。例えば配管部分１１０は、加熱された氷結防止液の一部を一定の経路で第１の熱交換器５４から氷結防止液タンク１０６に送ることができ、これにより第２の熱交換器５８に向かって流れる加熱された氷結防止液の流れを変えることができる。ポンプシステム６０の配管部分６２、６４、６６および１１０に沿って配置された弁（例えばチェック弁、ボール弁、バタフライ弁など）によって、操作者が、ポンプシステム６０の初期設定を調節することが可能になる。例えば同一のポンプシステム６０を調節することで、様々なガスタービンエンジン１２と共に、および／または様々な周辺温度設定の下に効率的に作動することができる。これに加えて、同一のポンプシステム６０を調節することで、所望の氷結防止濃度の氷結防止液を送達することができる。

制御装置６８は、ＶＦＤ９６、モータ１０２、ポンプ１０４およびポンプシステム６０の他の構成要素、例えば弁などの作動を制御することができる。制御装置６８は、これらの構成要素をセンサフィードバックおよび／または制御信号７０に基づいて操作することができ、これらは、操作者によって入力される、あるいは別のシステムから受信される場合もある。図３でのように、制御装置６８は、例えば空気取込み温度、排気温度、周辺温度および相対湿度などのパラメータを、氷結防止熱回収システム５０全体に配置されたセンサ７２、７４、７６および７８を使用して監視することができる。特定の実施形態は、氷結防止熱回収システム５０内に配置された補助センサを含む場合もあり、これは例えばポンプシステム６０の配管部分６２、６４、６６および１１０全体に、あるいはダクト９２および９４内に配置された温度センサである。一部の実施形態は、ガスタービンエンジン１２の異なる部分に配置された補助センサを含む場合がある。

制御装置６８は、ハードウェアまたはソフトウェア制御アルゴリズムを実行することで、氷結防止熱回収システム５０の作動を調整することができる。例示の実施形態によると、制御装置６８は、アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器、１つまたは複数のマイクロプロセッサあるいは汎用または特殊目的のコンピュータ、不揮発性メモリ、メモリ回路およびインターフェースボードを含むことができる。例えば制御装置６８は、メモリ回路を含むことで、プログラムを記憶し、例えば可変速度ファン５６のＶＦＤ９６などの種々のシステム構成要素を制御するために実装されたルーティンおよびアルゴリズムを制御することができる。制御装置６８はまた、センサ７２、７４、７６および７８から検出された信号を受信するための入／出力回路と、少なくともＶＦＤ９６、ファンモータ１０２およびポンプ１０４に対して制御信号を出力するためのインターフェース回路とを含む、あるいはそれらに関連付けられる。メモリ回路は、任意のまたは全てのこのようなパラメータの設定値、実際値、ヒストリック値などのセットを記憶することができる。当然のことながら、他のデバイスがシステム内に含まれる場合もあり、例えば補助的な圧力および／または温度変換器またはスイッチが含まれる場合があり、これらは氷結防止液、熱交換器５４および５８、圧縮機１８、氷結防止液タンク１０６などの温度や圧力を検出する。さらに多様な要因、例えばガスタービンエンジンの作動、周辺温度、相対湿度などに基づいた他の値および／または設定値を使用して、氷結防止熱回収システム５０をいつどのように作動させるかを決めることもできる。制御装置６８はまた、例えばディスプレイパネルおよび／または入／出力デバイスなど、システムと操作者が相互に作用する構成要素を含むことで、作動パラメータをチェックし、設定値および所望の作動パラメータを表す制御信号７０を入力し、エラーログおよびヒストリカルな動作をチェックすることができる。

制御装置６８は、利用可能なセンサフィードバックを利用して、可変速度ファン５６のファン速度を調節することによって氷結防止熱回収システム５０を制御する。制御装置６８は、ファン速度を上げることで、熱交換器５４および５８を通って伝えられる熱の量を増減させることができる。これはガスタービンエンジン１２に進入する空気５２の温度を上げることになり、これによって圧縮機１８の中に形成される氷の量を削減することができる。しかしながらファン速度が上昇し、その結果排気温度が、酸露点の閾値を上回るまで上昇することは、おそらく制御装置６８にとって望ましいことではない。したがって制御装置６８は、特有の制御スキームを利用することで、ダクト９４内に酸を形成せずに、圧縮機１８における氷の形成を抑えることができる。

図５は、本発明の技術に従って、氷結防止熱回収システム５０を制御するための方法１３０の一実施形態のプロセスのフロー図である。方法１３０は、コンピュータまたはソフトウェアプログラム（例えばコードまたは指示）として実装されてよく、これは、プロセッサによって実行され方法１３０の１つまたは複数のステップを実施することができることに留意されたい。加えて、プログラム（例えばコードまたは指示）は、任意の好適な製品に記憶される場合もあり、この製品は、少なくとも包括的にこのような指示またはルーティンを記憶する少なくとも１つの実体のある持続性のコンピュータ読み取り可能媒体、例えば制御装置６８のメモリまたは記憶構成要素を含む。

方法１３０は、ガスタービンエンジン１２が稼働している場合、判断（ブロック１３２）から始まる。制御装置６８は、ガスタービンエンジン１２の現在の作動状態を示すデータを、ガスタービンエンジン１２内の１つまたは複数のセンサから、あるいは制御信号７０を介して受信することができる。ガスタービンエンジン１２が稼働していない場合、制御装置６８は、ＶＦＤ９６に信号を送り、可変速度ファン５６のスイッチを切る（ブロック１３４）。システムをパージするためのファン９８を有する氷結防止熱回収システム５０の場合、ブロック１３４は、ファン９８を回転させる、あるいはその作動を維持するステップを含むことができる。ファン９８が作動することによって、熱回収が求められない場合に、ダクト９２および９４に流れ込む排ガスの流れを阻止することができる。しかしながら方法１３０の一部の実施形態は、ガスタービンエンジン１２が稼働していないときに可変速度ファン５６および任意の他のファンのスイッチを切るステップを含む場合もある。

ガスタービンエンジン１２が稼働している場合、制御装置６８は、第１の熱交換器５４を出ていくガスの排気温度が、排ガスの酸露点の閾値を上回っているかを判断する（ブロック１３６）。第１の熱交換器５４を出ていくガスの温度が、酸露点を下回るまで下がったとき、酸の形成が始まり、氷結防止熱回収システム５０の構成要素（例えばダクト９４）および排気部分２４の金属製の内部を腐食させる。ブロック１３６の判断で使用される酸露点の閾値は、排ガスの実際の酸露点温度よりわずかに高くてよい。酸露点の閾値は、およそ摂氏１８０°であってよく、これは排ガスの濃度に左右される。排気温度が、酸露点の閾値以下の場合、制御装置６８は、可変速度ファン５６のファン速度を酸露点温度に達するまで下げることができる（ブロック１３８）。すなわち制御装置６８は、制御信号を可変速度ファン５６のＶＦＤ９６に送ることで、ファン速度を下げ、その結果排気ガスからガスタービンエンジン１２に進入する空気５２へと伝えられる熱の量を削減する。第１の熱交換器５４を出ていく排ガスの温度が、酸露点の閾値を上回るまで上昇する際、制御装置６８は、可変速度ファン５６のファン速度を下げるのを停止することができる。

排気温度が、酸露点の閾値を上回った場合、制御装置６８は、ガスタービンエンジン１２に進入する空気５２の温度が、氷結防止温度範囲内にあるかどうかを判断することができる（ブロック１４０）。氷結防止温度範囲とは、一般にガスタービンエンジン１２の入り口４０内における氷の形成につながる空気の温度範囲である。空気温度は、ガスタービンエンジン１２の外側に配置された温度センサ７６によって監視された周辺空気温度であってよい。他の実施形態では、空気温度は、ガスタービンエンジン１２の空気取入れ部分１６の中に配置されたセンサから監視される場合もある。氷結防止温度範囲は、およそ摂氏−１５°から８°であってよいが、この温度範囲は、種々のガスタービンエンジン１２にわたって変化する可能性があり、この範囲は、空気５２の相対湿度によって影響を受けうる。例えば、空気５２がおよそ６５パーセント未満の相対湿度を有する場合には、空気温度に関係なく、入り口４０内において氷が形成される可能性は低い。

空気温度は、氷結防止空気温度の範囲を超える場合（例えば摂氏−１５°未満、または摂氏８°を超える）、制御装置６８は、可変速度ファン５６のスイッチを切ることができるが（ブロック１４２）、これは、この範囲を超えると氷結防止熱回収が必要なくなるためである。この範囲を下回る温度では、圧縮機１８内において氷を形成するには、空気５２の湿度は低すぎる可能性があり、この範囲を超える温度では、圧縮機１８内において氷を形成するには空気５２は暖かすぎる可能性がある。空気温度が、氷結防止温度範囲（例えば摂氏−１５°から８°）内にある場合、制御装置６８は、可変速度ファン５６のファン速度を氷結防止制御ロジックに基づいて上昇させる（ブロック１４４）。氷結防止制御ロジックは、ガスタービンエンジン１２に進入する空気５２の周辺温度を第２の熱交換器５８を通過した後の空気の入り口温度に関連する入／出力関係であってよい。制御装置６８は、第２の熱交換器５８の下流に配置されたセンサ７２を使用して、入り口温度を監視することができる。氷結防止制御ロジックによって決められた所望の入り口温度に達すると、制御装置６８は、可変速度ファン５６のファン速度を維持することができる。

方法１３０は、氷結防止熱回収システム５０の作動全体を通して、制御装置６８によって繰り返し実行されてよい。方法１３０は、ガスタービンエンジン１２からの排ガスを使用して、入り口４０の所望の氷結防止作用を実現し、その一方で排気部分２４を出ていく排ガスの適切な温度を維持することもできることに留意されたい。すなわち方法１３０を適用することで、入り口４０内における氷の形成と、熱回収システム５０内における酸の形成の両方を抑えることができる。図示されるように、方法１３０は、まず酸の形成を抑えるために制御し、その後氷の形成を抑えるために制御することができる。しかしながら他の実施形態では、制御装置６８は、酸の形成を抑える前に氷の形成を抑えるように制御することも可能である。方法１３０が繰り返されるため、排気温度が、酸露点の閾値を上回ったまま留まり、空気温度が、氷結防止温度範囲内に留まっている場合、可変速度ファン５６のファン速度は、複数回上昇させることもできる。

図６は、制御装置６８によって使用される氷結防止制御ロジックに従った、入り口空気温度の入／出力関係の一実施形態をモデル化するグラフ１５０である。グラフ１５０は、氷結防止温度範囲内での入り口温度入力（横座標１５４）に対する入り口温度出力（縦座標１５２）を示している。より具体的には、入り口温度入力は、第２の熱交換器５８を横切るように吹き付けられる前のガスタービンエンジン１２に進入する空気５２の温度であってよい。同様に入り口温度出力は、第２の熱交換器５８を横切るように吹き付けられた後の空気５２の温度であってよく、第２の熱交換器５８内の管を通って流れる氷結防止液から増大した量の熱を受け取っている。線１５６は、氷結防止温度範囲内（摂氏−１７．９°から４．５°）の空気温度の１つの可能性のある入／出力関係を示しているが、他の関係もおそらく可能である。線１５６は、第２の熱交換器５８を出ていく空気５２の温度が、摂氏−１７．９°から−１．１°であるとき、制御装置６８はファン速度を上げ、その結果第２の熱交換器５８が、およそ摂氏５．６°の付加的な量の熱を空気５２に伝えることができる。第２の熱交換器５８を出ていく空気５２の温度が、摂氏−１．１°から４．５°であるとき、制御装置６８は、ファン速度を上げ、その結果第２の熱交換器５８を出ていく空気５２の温度は、およそ摂氏４．５°である。制御装置６８は、所望の量の熱を割り出し、線１５６によって示される入／出力関係に従って排ガスから空気５２に伝え、これに従って可変速度ファン５６のファン速度を上げることができる。

例示の関係は、第２の熱交換器５８を通ってガスタービンエンジン１２に進入する空気５２の温度が比較的段階的に上昇することを含んでいる。このような段階的な温度上昇は、第１の熱交換器５４を出ていく排ガスの排気温度が、酸露点の閾値を上回るように維持するのに有益であり得る。図５を参照して考察したように、方法１３０は、繰り返すことができ、段階的な温度上昇を複数回適用させることも可能である。排気温度が、酸露点の閾値を上回ったまま留まり、入り口温度入力が、氷結防止温度範囲内に留まっている限り、可変速度ファン５６のファン速度のさらなる上昇を通して、入／出力関係を再度適用することができる。先に述べたように、ファン速度が上昇することにより、第１の熱交換器５４内において排ガスと氷結防止液の間、ならびに第２の熱交換器５８内における加熱された氷結防止液と空気５２の間で伝達される熱が比例して上昇する可能性がある。この方法では、氷結防止熱回収システム５０によって、可変速度ファン５６を使用して、入ってくる空気５２に伝えられる熱の量を効果的にかつ予測可能に容易に制御することができる。

本発明の技術的効果には、とりわけ結氷状態におけるガスタービンエンジンの圧縮機入り口内に形成される氷の量を削減することが含まれる。氷結防止熱回収システムは、２つの熱交換器を使用しており、一方の熱交換器は、タービンの排ガスから氷結防止液に熱を伝え、他方の熱交換器は、加熱された氷結防止液からガスタービンエンジンに進入する空気に熱を伝える。氷結防止液は、両方の熱交換器の管側を通って、比較的一定の流量で汲み上げることができ、熱交換器の性能を比較的予測可能なものにすることができる。制御装置は、排ガスから入ってくる空気に伝えられる熱の量を、可変速度ファンのファン速度を調節するだけで制御することができる。当然のことながら、これによって、制御装置が、より簡素でより効率的な制御スキームを実施することが可能になる。制御装置は、この制御スキームに従って可変速度ファンを操作することができるが、この制御スキームは、酸露点の閾値を上回るように排ガス温度を維持し、その一方でガスタービン入り口に熱を伝えることで、氷の形成を抑える。可変速度ファン、第１の熱交換器およびポンプシステムを１つのスキッド上に配置することで、氷結防止熱回収システムの比較的簡単な輸送および設置（例えば既存のガスタービンエンジンへとレトロフィット作業を含めた）が容易になる。加えてポンプシステム全体にわたる特定の配管部分、センサおよび弁が調節可能であるため、スキッド上にある同一の構成要素は、様々なガスタービンエンジンに適用可能であり得る。

この書面による記載は、本発明を開示することを目的とした最適な形態を含む例を利用しており、また任意の装置またはシステムを作製し利用すること、ならびに任意の採用された方法を実行することを含め、当業者が本発明を実施することができるようにするものである。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義されており、当業者が思い付く他の例を含むことができる。このような他の例は、それらが特許請求の範囲の文字通りの言い回しと相違ない構造上の要素を含む場合、あるいはそれらが特許請求の範囲の文字通りの言い回しとごくわずかな相違点しか有さない等価な構造上の要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内にあることが意図されている。

１０ システム
１１ 軸方向
１２ ガスタービンエンジン
１３ 半径方向
１５ 円周方向
１６ 空気取入れ部分
１８ 圧縮機
２０ 燃焼器部分
２２ タービン
２４ 排気部分
２６ シャフト
２８ 燃焼器筐体
３０ 燃焼器
３２ 長手方向軸
３４ 段
３６ ブレード
４０ 入り口
５０ 氷結防止熱回収システム
５２ 空気
５４ 第１の燃焼器
５６ 可変速度ファン
５８ 第２の燃焼器
６０ ポンプシステム
６２、６４、６６、１１０ 配管部分
６８ 制御装置
７０ 制御信号
７２ 温度センサ
７４ 温度センサ
７６ 温度センサ
７８ センサ
８０ スキッド
９２ ダクト
９４ ダクト
９６ 可変周波数駆動装置（ＶＦＤ）
９８ ファン
１００ ダクト
１０２ モータ
１０４ ポンプ
１０６ 氷結防止液タンク
１０８ 排水管
１１０ 配管部分
１３０ 方法
１３２ ガスタービンエンジンが稼働しているかを判断するための第１のブロック
１３４ 可変速度ファンのスイッチを切るための第２のブロック
１３６ 排気温度が閾値を上回っているか（第１の熱交換器出口温度が酸露点を上回っているか）を判断するための第３のブロック
１３８ 酸露点に達するまでファン速度を下げるための第４のブロック
１４０ 空気温度が氷結防止範囲内にあるかを判断するための第５のブロック
１４２ 可変速度ファンのスイッチを切るための第６のブロック
１４４ ファン速度を上げるための第７のブロック
１５０ グラフ
１５２ 入り口温度出力（縦座標）
１５４ 入り口温度入力（横座標）
１５６ 線

Claims (20)

1. ガスタービンエンジン、および
   氷結防止熱回収システムを備えるシステムであって、前記氷結防止熱回収システムが、
   前記ガスタービンエンジンの排気部分から作動流体を受け取り、前記作動流体からの熱を冷却された中間の熱伝達媒体に伝え、加熱された中間の熱伝達媒体を生成するように構成される第１の熱交換器と、
   前記第１の熱交換器から前記加熱された中間の熱伝達媒体を受け取り、前記加熱された中間の熱伝達媒体からの熱を前記ガスタービンエンジンに進入する空気に伝えるように構成される第２の熱交換器と、
   前記作動流体を前記ガスタービンエンジンの前記排気部分から前記第１の熱交換器を通るように推し進めるように構成される可変速度ファンと
   を含む、システム。
2. 前記可変速度ファンのファン速度をセンサフィードバックに基づいて制御するように構成された制御装置を備える、請求項１記載のシステム。
3. 前記センサフィードバックが、前記ガスタービンエンジンに進入する前記空気の入り口温度、前記作動流体の排気温度、周辺空気温度または相対湿度のうちの少なくとも１つを表すデータを含む、請求項２記載のシステム。
4. 前記制御装置が、前記排気温度が閾値酸露点温度以下のとき、前記可変速度ファンの前記ファン速度を下げるように構成されている、請求項３記載のシステム。
5. 前記排気温度が、閾値酸露点温度を上回り、前記入り口温度が、氷結防止温度の範囲内にあるとき、前記可変速度ファンの前記ファン速度を上げるように前記制御装置が構成されている、請求項３記載のシステム。
6. 前記第２の熱交換器が、前記ガスタービンエンジンの空気取入れ部分内に配置され、前記空気取入れ部分が、前記ガスタービンエンジンの外から、前記第２の熱交換器を通って前記ガスタービンエンジンの圧縮機まで空気を誘導するように構成されている、請求項１記載のシステム。
7. 前記氷結防止熱回収システムが、１つまたは複数のポンプを有するポンプシステムを備えており、前記ポンプが、前記中間の熱伝達媒体を氷結防止液タンクから前記第１および第２の熱交換器を通るように推し進めるように構成されている、請求項１記載のシステム。
8. 少なくとも前記第１の熱交換器、前記ポンプシステム、および前記可変速度ファンを支持するように構成されたスキッドを備える、請求項７記載のシステム。
9. 氷結防止熱回収システムを備えるシステムであって、前記氷結防止熱回収システムが、
   ガスタービンエンジンの排気部分から作動流体を受け取り、前記作動流体からの熱を冷却された中間の熱伝達媒体に伝え、加熱された中間の熱伝達媒体を生成するように構成されている第１の熱交換器と、
   前記第１の熱交換器から前記加熱された中間の熱伝達媒体を受け取り、前記加熱された中間の熱伝達媒体からの熱を前記ガスタービンエンジンに進入する空気に伝えるように構成されている第２の熱交換器と、
   前記作動流体を前記ガスタービンエンジンの前記排気部分から前記第１の熱交換器を通るように推し進めるように構成されている可変速度ファンと
   を含む、システム。
10. 少なくとも前記第１の熱交換器、ポンプシステム、および前記可変速度ファンを支持するように構成されたスキッドを備える、請求項９記載のシステム。
11. 前記ポンプシステムが、氷結防止液タンクと、前記氷結防止液タンクから前記第１および第２の熱交換器を通るように前記中間の熱伝達媒体を推し進めるように構成されたポンプとを備える、請求項１０記載のシステム。
12. 前記第２の熱交換器が、前記ガスタービンエンジンの空気取入れ部分内に配置され、前記空気取入れ部分が、前記ガスタービンエンジンの外から、前記第２の熱交換器を通って前記ガスタービンエンジンの圧縮機まで空気を誘導するように構成されている、請求項９記載のシステム。
13. 前記可変速度ファンのファン速度をセンサフィードバックに基づいて制御するように構成された制御装置を備える、請求項９記載のシステム。
14. 前記制御装置が、前記作業流体の排気温度が閾値酸露点温度以下のとき、前記可変速度ファンの前記ファン速度を下げるように構成されている、請求項１３記載のシステム。
15. 前記制御装置が、前記作業流体の排気温度が閾値酸露点温度を上回り、ガスタービンエンジンに進入する前記空気の入り口温度が、氷結防止温度の範囲内にあるとき、前記可変速度ファンの前記ファン速度を上げるように構成されている、請求項１３記載のシステム。
16. 前記氷結防止熱回収システムを有する前記ガスタービンエンジンを備える、請求項９記載のシステム。
17. 可変速度ファンのファン速度を調節するステップであって、前記可変速度ファンが、ガスタービンエンジンの排気部分から第１の熱交換器を通るように作動流体を推し進めるように構成されており、前記第１の熱交換器が、前記作動流体からの熱を冷却された中間の熱伝達媒体に伝えることで、加熱された中間の熱伝達媒体を生成し、前記ガスタービンエンジンに進入する空気を加熱するように構成されているステップ
    を含む方法。
18. 前記ガスタービンエンジンに進入する前記空気の入り口温度、前記作動流体の排気温度、周辺空気温度または相対湿度のうちの少なくとも１つを示すデータに基づいて前記ファン速度を調節するステップを含む、請求項１７記載の方法。
19. 前記作動流体の前記排気温度が、閾値酸露点温度以下のとき、前記ファン速度を下げるステップを含む、請求項１８記載の方法。
20. 前記作動流体の前記排気温度が、閾値酸露点温度を上回り、前記入り口温度が、氷結防止温度の範囲内にあるとき、前記ファン速度を上げるステップを含む、請求項１８記載の方法。