JP2014145358A - 過給空気流バイパスによるガスタービンの高温ガス経路部品の寿命を延ばすためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】過給空気流バイパスによるガスタービンの高温ガス経路部品の寿命を延ばすためのシステム及び方法を提供すること。
【解決手段】複合サイクルシステムに過給するためのシステム及び方法は、可変の空気流を供給する強制ドラフトファンを含む。少なくとも空気流の第１部分は圧縮機に向けられ、空気流の第２部分は熱回収蒸気発生器に向けられる。制御システムは、圧縮機及び熱回収蒸気発生器に供給される空気流を制御する。システムにより、強制ドラフトファンから圧縮機及び熱回収蒸気発生器への空気の流れを制御することによって、複合サイクルシステムを所要動作状態で稼働させ、サイクル効率及び部品寿命のバランスを取ることが可能となる。
【選択図】 図１

Description

（関連出願に対する相互参照）
本出願は、名称「ＧＡＳ ＴＵＲＢＩＮＥ ＣＯＭＰＲＥＳＳＯＲ ＩＮＬＥＴ ＰＲＥＳＳＵＲＩＺＡＴＩＯＮ ＡＮＤ ＦＬＯＷ ＣＯＮＴＲＯＬ ＳＹＳＴＥＭ（ガスタービン圧縮機入口加圧及びフロー制御システム）」でＪｏｈｎ Ａｎｔｈｏｎｙ Ｃｏｎｃｈｉｅｒｉ、Ｒｏｂｅｒｔ Ｔｈｏｍａｓ Ｔｈａｔｃｈｅｒ、及びＡｎｄｒｅｗ Ｍｉｔｃｈｅｌｌ Ｒｏｄｗｅｌｌの名で共同出願された出願番号１３／４８５，２１６、並びに名称「ＧＡＳ ＴＵＲＢＩＮＥ ＣＯＭＰＲＥＳＳＯＲ ＩＮＬＥＴ ＰＲＥＳＳＵＲＩＺＡＴＩＯＮ ＨＡＶＩＮＧ Ａ ＴＯＲＱＵＥ ＣＯＮＶＥＲＴＥＲ ＳＹＳＴＥＭ（トルクコンバータシステムを有するガスタービン圧縮機入口加圧）」でＳａｎｊｉ Ｅｋａｎａｙａｋｅ及びＡｌｓｔｏｎ Ｉ．Ｓｃｉｐｉｏの名で共同出願された出願番号１３／４８５，２７３の関連出願であり、これら各々は、本発明の譲受人であるＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙに譲受される。

本明細書で開示する主題は、複合サイクル発電システムに関し、より詳細には、空気流バイパスを備えた過給複合サイクルシステムに関する。

複合サイクル発電システム及びコジェネレーション施設は、ガスタービンを利用して発電を行う。これらのガスタービンは通常、高温の排気ガスを生成し、これらが熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）に搬送されて蒸気を発生させる。この蒸気を用いて、蒸気タービンを駆動して更に発電を行い、及び／又は他のプロセスで使用するための蒸気を供給することができる。

あらゆる発電施設にとっては、最大効率で発電システムを稼働することが最優先事項である。負荷条件、装備劣化、及び周囲条件を含む要因により、最適未満の条件下で発電ユニットを稼働させる場合がある。ガスタービンの容量を増大させる方法として、タービンシステムに過給する（入口圧力が周囲圧力を超過するようにする）ことが知られている。過給されるタービンシステムは通常、ガスタービン入口に配置された可変速過給ファンを含み、これは、排気ガスの廃熱を蒸気に変換することから得られる蒸気エネルギーによって駆動される。過給ファンを用いて、ガスタービン内への空気質量流量を増大させ、その結果、ガスタービンの軸馬力を増大させることができる。

発電施設のオペレータにとって別の最優先事項は、保守コスト及び可用性である。保守コストの１つの要素は、設備寿命である。設備寿命に影響を与える数多くの要因があり、そのなかでも、使用燃料の種類、ベース負荷での稼働時間、ピーク負荷での稼働時間、及び圧縮機空気流への水蒸気噴射がある。これらの要因が高温ガス経路部品の寿命に影響を与える。タービン内の温度上昇は、高温ガス経路に沿って及び他の箇所に配置された部品の寿命に影響を与えることがある。通常、ベース負荷を上回る稼働は、高温ガス経路部品の寿命を短縮することになり、他方、ベース負荷を下回る稼働は、部品の寿命を延ばすことになる。特定の条件下では、オペレータは、保守コストを軽減するために、高温ガス経路部品の寿命延長のために効率を犠牲にすることを受け入れる場合もある。しかしながら、従来の複合サイクルシステムは、高温ガス経路部品の寿命の十分な制御レベルを提供していない。

米国特許第７，０６５，９５３号明細書

１つの例示的な非限定的実施形態によれば、本発明は、タービンシステムの高温ガス経路部品の寿命を延ばすための方法に関する。本方法は、所要負荷を決定する段階と、所要負荷に対する公称燃焼温度を決定する段階と、所要負荷に対する過給燃焼温度を決定する段階と、を含む。本方法は、所要負荷に対する過給燃焼温度を達成するために、タービンシステムにおける圧縮機に供給すべき空気の第１質量流量を決定する段階と、空気流を供給する段階と、空気の第１質量流量を圧縮機内に搬送する段階と、を更に含む。

別の実施形態において、本発明は、タービンシステムにおける高温ガス経路部品の寿命を延ばすための方法に関する。本方法は、所要負荷を決定する段階と、効率のトレードオフを決定する段階と、所要保守率を決定する段階と、を含む。本方法は、所要負荷のための所要保守率を達成するのに必要な過給量を決定する段階を更に含む。本方法は、過給量を達成するために、圧縮機に供給すべき空気の第１質量流量を決定する段階と、熱回収蒸気発生器に供給すべき空気の第２質量流量を決定する段階と、を含む。本方法は、空気流を供給する段階と、空気の第１質量流量を圧縮機内に搬送する段階と、空気の第２質量流量を熱回収蒸気発生器に搬送する段階と、を更に含む。

別の実施形態において、本発明は、ガスタービン及び熱回収蒸気発生器を有する複合サイクルシステムを立ち上げるための方法に関する。本方法は、所要負荷を決定する段階と、現在の負荷を決定する段階と、所要負荷が現在の負荷よりも大きいかどうかを決定する段階と、を含む。本方法は、増分負荷増大を決定する段階と、現在の負荷に増分負荷増大を加えた場合の所要燃焼温度を決定する段階と、を更に含む。本方法は、現在の負荷に増分負荷増大を加えた場合の所要燃焼温度を達成するために、ガスタービンへの第１過給質量流量を計算する段階と、現在の負荷に増分負荷増大を加えたものに負荷を増大させる段階と、第１過給質量流量をガスタービンに供給する段階と、を更に含む。

本発明の他の特徴及び利点は、例証として本発明の特定の態様の原理を示す添付図面を参照しながら、好ましい実施形態に関する以下のより詳細な説明から明らかになるであろう。

空気バイパスを備えた過給複合サイクルシステムの１つの実施形態の概略図。 空気バイパスを備えた過給複合サイクルシステムの別の実施形態の概略図。 空気バイパスを備えた過給複合サイクルシステムによって実施される方法の１つの実施形態のフローチャート。 空気バイパスを備えた過給複合サイクルシステムによって達成される結果を図示するグラフ。 空気バイパスを備えた過給複合サイクルシステムによって実施される方法の１つの実施形態のフローチャート。 空気バイパスを備えた過給複合サイクルシステムによって達成される結果を図示するグラフ。 空気バイパスを備えた過給複合サイクルシステムによって達成される結果を図示するグラフ。 空気バイパスを備えた過給複合サイクルシステムの別の実施形態の概略図。 空気バイパスを備えた過給複合サイクルシステムを制御するのに用いられる制御システムの実施形態の概略図。 強制ドラフトファンを駆動するのに用いられる原動機の実施形態の概略図。 強制ドラフトファンを駆動するのに用いられる原動機の実施形態の概略図。 強制ドラフトファンを駆動するのに用いられる原動機の実施形態の概略図。 強制ドラフトファンを駆動するのに用いられる原動機の実施形態の概略図。 強制ドラフトファンを駆動するのに用いられる原動機の実施形態の概略図。 強制ドラフトファンを駆動するのに用いられる原動機の実施形態の概略図。 様々な原動機の利点及び欠点をまとめた表。 非過給（公称）ガスタービン及び１０％過給ガスタービンの出力と燃焼温度（Ｔ−ｆｉｒｅ）変化との間の関係を示すグラフ。 保守率に対する過給の影響を示すグラフ。 ピーク負荷時の燃焼温度（Ｔ−ｆｉｒｅ）、熱消費率、及び出力に対する過給の影響を示すグラフ。 ベース負荷時の燃焼温度（Ｔ−ｆｉｒｅ）、熱消費率、及び出力に対する過給の影響を示すグラフ。 ９０％負荷時の燃焼温度（Ｔ−ｆｉｒｅ）、熱消費率、及び出力に対する過給の影響を示すグラフ。 ８０％負荷時の燃焼温度（Ｔ−ｆｉｒｅ）、熱消費率、及び出力に対する過給の影響を示すグラフ。 過給を用いてガスタービンシステムの高温ガス経路部品の寿命を延ばすための方法のフローチャート。 タービンシステム内の保守率を低下させるための方法のフローチャートである。 ガスタービン及びＨＲＳＧを有する複合サイクルシステムを稼働するための方法のフローチャート。 ガスタービン及びＨＲＳＧを有する複合サイクルシステムを立ち上げるための方法のフローチャート。

図１は、本発明の一実施形態による空気バイパスを備えた過給複合サイクルシステム（ＳＣＣＡＢシステム１１）の概略図である。ＳＣＣＡＢシステム１１はガスタービンシステム１３を含み、該ガスタービンシステムは、圧縮機入口１６を有する圧縮機１５と、燃焼器１７と、タービン１９とを含む。排気ダクト２１は、タービン１９及び熱回収蒸気発生器サブシステム（ＨＲＳＧ２３）に結合することができる。ＨＲＳＧ２３は、タービン１９から排気ガスから熱を回収し、該排気ガスは、ＨＲＳＧ入口２４を通じて搬送されて蒸気を発生させる。ＨＲＳＧ２３はまた、ＨＲＳＧ２３に付加的なエネルギーを供給するための二次バーナ２５を含むことができる。ＨＲＳＧ２３からの蒸気及び排気の一部は、スタック２７に放出され、或いは、蒸気タービン２６を駆動して付加的な電力を供給するのに使用することができる。ＨＲＳＧ２３からの蒸気の一部は、他のプロセスに使用するためにプロセス蒸気出口ヘッダ２８を通じて移送することができる。ＳＣＣＡＢシステム１１はまた、入口ハウス及び冷却システム２９を含むことができる。入口ハウス及び冷却システム２９は、圧縮機入口１６に流入する空気を冷却して濾過し、出力を増大させ且つ圧縮機１５への損傷を防ぐのに使用される。

ＳＣＣＡＢシステム１１はまた、圧縮機１５内に空気を送り込む正の圧力を生成するのに用いられる強制ドラフトファン３０を含む。強制ドラフトファン３０は、固定又は可変ブレード・ファン（図示せず）を有することができる。強制ドラフトファン３０は、原動機３１によって駆動することができる。強制ドラフトファン３０は、ダクト組立体３２を通じて制御可能な空気ストリーム供給源を提供し、圧縮機１５内への空気の質量流量を増大させるのに使用することができる。圧縮機内に流入する空気の量は、原動機３１によって制御される。圧縮機入口１６は、従来設計の僅かな負の圧力と比較して、僅かに正の圧力に対応するように構成することができる。

ＳＣＣＡＢシステム１１はまた、強制ドラフトファン３０からの空気流の一部分を排気ダクト２１内に分流させるバイパス３３（外部ダクトを含むことがある）を含むことができる。この空気流の増大により、二次バーナ２５に付加的な酸素が供給され、フレームアウト又は最適未満の燃焼が回避される。バイパス３３には、バイパス３３を通る空気流を制御するためにフローセンサ３５及びダンパバルブ３７を設けることができる。フローセンサ３５からのデータを受信するため、またダンパバルブ３７及び原動機３１を制御するために制御システム３９を設けることができる。制御システム３９は、ＳＣＣＡＢシステム１１の稼働制御に用いられるより大型の制御システムに一体化してもよい。バイパスからの空気流は、排気ダクト２１に搬送されて、ここで、ＨＲＳＧ２３に流入する組み合わされた空気及び排気の温度を調節することができる。

図２に示すのは、ガスタービンサブシステム１３のペアを含むＳＣＣＡＢシステム１１の別の実施形態である。この実施形態では、ガスタービンサブシステム１３のペアの排気を使用して、蒸気タービン２６を駆動する。この実施形態では、入口ハウス４１は強制ドラフトファン３０の上流側に位置付けられ、ファンからの空気流を冷却することができる冷却システム４３は、強制ドラフトファン３０の下流側に位置付けられる。バイパス３３は、冷却システム４３に結合される。本実施形態では２つのガスタービンサブシステム１３を記載しているが、あらゆる数のガスタービンサブシステム１３をあらゆる数の蒸気タービン２７と組み合わせて使用できることは、当業者であれば理解されるであろう。

稼働中、ＳＣＣＡＢシステム１１は、増大した空気流をＨＲＳＧ２３に供給し、その結果多くの利点をもたらす。ＳＣＣＡＢシステム１１は、複合サイクルプラントの柔軟性、効率性、及び製品寿命の経済性を最適化するための能力をオペレータに提供することができる。例えば、ガスタービンサブシステム１３の入口圧力を引き上げることで、出力及び熱消費率性能が改善する。ＳＣＣＡＢシステム１１の劣化に相応して長期にわたり過給（及び強制ドラフトファン３０を駆動するための寄生負荷）のレベルを増大することによって、ＳＣＣＡＢシステム１１の出力性能をＳＣＣＡＢシステム１１の寿命サイクルにわたって横ばい状態（ゼロ劣化）に維持することができる。ＳＣＣＡＢシステム１１から得られる別の利点は、発電対蒸気生成比領域の拡張である。これは、強制ドラフトファン３０からの空気を用いてＨＲＳＧ入口２４における排気ガス温度を調節することによって達成することができる。ＳＣＣＡＢシステム１１から得られる別の利点は、パージ・サイクル（蓄積ガスの除去）の短縮の結果として始動速度の向上である。ＳＣＣＡＢシステム１１はまた、バイパス３３を通じて供給される強制ドラフトファン３０からの空気を用いた、排気ダクト２１における排気温度の調節の結果として生じる負荷ランプ・レートの改善をもたらすことができる。ＳＣＣＡＢシステム１１の強制ドラフトファン３０はまた、ガスタービンサブシステム１３及びＨＲＳＧ２３を強制冷却するための効果的な手段を提供し、保守停止時間を短縮して、システムの可用性を改善する。強制ドラフトファン３０は、全ガスタービンサブシステム１３に対し単純サイクル及び複合サイクル構成に同程度の利点をもたらし、適度な資本コストで高温周囲条件下において２０％の範囲の出力改善をもたらす。

ＳＣＣＡＢシステム１１は、図３を参照して例示された複合サイクルプラントの出力を長期にわたって維持する方法（方法５０）を実施することができる。ステップ５１において、方法５０は、現在の状態を決定することができ、ステップ５３において、方法５０は所要状態を決定することができる。所要状態とは、性能損失を補うために長期にわたって公称出力を維持することとすることができる。性能損失は通常、長期にわたるガスタービン内の構成要素の摩耗の結果として生じる。これらの損失は、測定又は計算することができる。ステップ５５において、方法５０は、所要出力を維持するのに必要な空気質量流の増大を決定することができる。この決定に基づいて、方法５０は、ステップ５７において、圧縮機入口１６内への空気質量流量を調整することができる。ステップ５９において、方法５０は、ＨＲＳＧ入口２４内への空気及び排気の複合質量流量を調整することができる。

図４は、従来の複合サイクルシステム及びＳＣＣＡＢシステム１１の長期にわたる出力及び熱消費率の損失（百分率で表された）を示している。ガスタービンは、ガスタービン内の構成要素の摩耗の結果として、長期にわたって出力の損失を被る。この損失は、１つには、タービン及び圧縮機のクリアランスの増大、並びに表面仕上げ及び翼形部輪郭の変化に起因する。通常、保守又は圧縮機清掃では、この損失を回復することはできず、むしろ、解決策は、影響を受けた部品を推奨検査時間間隔で交換することである。しかしながら、強制ドラフトファン３０を用いて過給レベルを増大させることによって、強制ドラフトファン３０を駆動するための寄生負荷に起因した代償はあるが、出力性能を維持することができる。一番上の曲線（連続した二重線）は、従来の複合サイクルシステムの典型的な出力損失を示している。２番目の曲線（破線の二重線）は、定期点検及び日常保守による期待出力損失を示している。一番下の曲線（破線の三重線）は、ＳＣＣＡＢシステム１１の出力損失が０％近くに維持できることを示している。同様に、従来の複合サイクルシステムの熱消費率の低下（単一の実線の曲線）は、ＳＣＣＡＢシステム１１を用いることで著しく改善することができる。

図５は、ＳＣＣＡＢシステム１１の蒸気出力を制御する方法（方法６０）を示している。ステップ６１において、方法６０は、最初に現在の状態を決定することができる。ステップ６３において、方法６０はまた、所要出力及び蒸気流を決定することができる。ステップ６５において、方法６０は、圧縮機入口１６及びＨＲＳＧ入口２４に対して必要な空気流の増大を決定することができる。次にステップ６７において、方法６０は、圧縮機入口１６内への空気流を調整して、ステップ６９において、ＨＲＳＧ入口２４内への排気及び空気の複合流を調整して所要蒸気出力を提供することができる。

図６は、一定の蒸気流を維持するのに利用可能な拡張動作領域を示している。縦軸は、ＭＷ単位の出力を示し、横軸は蒸気質量流量を示す。内部区域（薄い横のクロスハッチ）は、従来の複合サイクルシステムの領域を示している。ＳＣＣＡＢシステム１１の領域は、斜めのクロスハッチで示しており、より大きな区域は、ＳＣＣＡＢシステム１１をＨＲＳＧ２３内の二次燃焼と組み合わせた性能を示している。

図７は、最小及びベース負荷における従来の複合サイクルシステムと比較した特定の周囲温度におけるＳＣＣＡＢシステム１１の改善された動作性能を示すグラフである。横軸は、ＭＷ単位の出力を示し、縦軸は、熱消費率（１ｋＷｈの電気を発電するのに必要な燃料からの熱エネルギー（ＢＴＵ））を示している。このグラフは、ＳＣＣＡＢシステム１１によってもたらされる効率改善を示している。

図８に示しているのは、本発明の別の実施形態による複合サイクルシステム１１１の概略図である。複合サイクルシステム１１１は、ガスタービンサブシステム１１３を含み、該ガスタービンシステムは、圧縮機入口１１６を有する圧縮機１１５と、燃焼器１１７と、タービン１１９と、を含む。排気ダクト１２１は、ガスタービンサブシステム１１３及び熱回収蒸気発生器サブシステム（ＨＲＳＧ１２３）に結合することができる。ＨＲＳＧ１２３は、ガスタービンサブシステム１１３から排気ガスから熱を回収し、該排気ガスは、ＨＲＳＧ入口１２４を通じて搬送されて蒸気を発生させる。ＨＲＳＧ１２３からの蒸気及び排気の一部は、蒸気タービン１２６を駆動して付加的な電力を供給するのに使用され、或いは、スタック１２７に排出することができる。ＨＲＳＧ１２３からの蒸気の一部は、他のプロセスに使用するためにプロセス蒸気出口ヘッダ１２８を通じて移送することができる。

ＳＣＣＡＢサブシステム１１１はまた、圧縮機１１５内に空気を送り込む正の圧力を生成するのに用いられる強制ドラフトファン１３０を含む。強制ドラフトファン１３０は、固定又は可変ブレード・ファンを有することができる。強制ドラフトファン１３０は、原動機１３１によって駆動することができる。強制ドラフトファン１３０は、ダクト組立体１３２を通じて制御可能な空気ストリーム供給源を提供し、ガスタービンサブシステム１１３内への空気の質量流量を増大させるのに使用することができる。ガスタービンサブシステム１１３内に流入する空気の量は、原動機１３１によって制御される。

複合サイクルシステム１１１はまた、入口ハウス１４１及び冷却システム１４３を含むことができる。入口ハウス１４１及び冷却システム１４３は、ガスタービンサブシステム１１３に流入する空気を冷却して濾過し、出力を増大させ且つ圧縮機への損傷を防ぐ。幾つかの実施形態において、入口ハウス１４１及び冷却システム１４３を組み合わせて、強制ドラフトファン１３０よりも下流側に配置することができる。

複合サイクルシステム１１１はまた、強制ドラフトファン１３０からの空気流の一部分を排気ダクト１２１内に分流させるバイパス１３３（外部ダクトを含むことがある）を含むことができる。バイパス１３３には、バイパス１３３を通る空気流を制御するために、フローセンサ１３９及びバイパスダンパバルブ１３７を設けることができる。バイパスからの空気流は、排気ダクト１２１に搬送されて、ここで、ＨＲＳＧ１２３に流入する組み合わされた空気及び排気の温度を調節することができる。

複合サイクルシステム１１１はまた、原動機１３１に結合された駆動バイパス１４５を含むことができる。駆動バイパス１４５には、駆動ダンパバルブ１４６及び駆動システムセンサ１４７が設けられる。原動機１３１にはまた、二次ダンパバルブ１４９及び二次センサ１５０を有する二次導管１４８を設けることができる。原動機は、導管１５１によって強制ドラフトファン１３０に結合される。幾つかの実施形態において、原動機１３１の排気は、駆動排気導管１５５を通じてＨＲＳＧ２３に搬送することができる。

稼働中、原動機１３１が強制ドラフトファン１３０を駆動して、所定の質量流量で空気流を供給する。空気流は、冷却システム１４３によって冷却することができる。空気流は、圧縮機入口１１６に搬送される第１質量流量と、排気ダクト１２１に搬送される第２質量流量と、場合によっては、原動機１３１に搬送される第３質量流量とに分けることができる。第１質量流量、第２質量流量、及び第３質量流量の制御は、バイパスダンパバルブ１３７、駆動ダンパバルブ１４６、及び二次ダンパバルブ１４９の制御を通じて行う。第１質量流量、第２質量流量、及び第３質量流量を制御することによって、オペレータには、複合サイクルシステム１１１の動作領域のより効果的な制御が提供される。

図９は、バイパスダンパバルブ１３７、駆動ダンパバルブ１４６、及び二次ダンパバルブ１４９を制御するのに用いる制御システム１６１を示している。制御システム１６１は、フローセンサ１３９、駆動システムセンサ１４７、及び二次センサ１５０から測定値を受け取る。制御システム１６１は、従来のゼネラルエレクトリック社製のＳｐｅｅｄｔｒｏｎｉｃ（商標）Ｍａｒｋ ＶＩガスタービン制御システムとすることができる。Ｓｐｅｅｄｔｒｏｎｉｃコントローラは、ガスタービンに関連する種々のセンサ及び他の計器をモニタする。燃料流量のような特定のタービン機能を制御するのに加えて、Ｓｐｅｅｄｔｒｏｎｉｃコントローラは、タービンセンサからデータを生成して、これらのデータをタービンオペレータに表示するために提示する。データは、ゼネラルエレクトリック社製のＣｉｍｐｌｉｃｉｔｙ（商標）ＨＭＩソフトウェア製品のような、データチャート及び他のデータ表現を生成するソフトウェアを用いて表示することができる。

Ｓｐｅｅｄｔｒｏｎｉｃ（商標）Ｍａｒｋ ＶＩガスタービン制御システムは、センサ入力及び人間のオペレータからの指示を用いて、ガスタービンの動作を制御するためのプログラムを実行するマイクロプロセッサを含むコンピュータシステムである。制御システムは、サンプル・ホールド、加算及び差分ユニットのような論理ユニットを含み、これらはソフトウェアで又はハードウェア論理回路によって実施することができる。制御システムのプロセッサによって生成されるコマンドにより、ガスタービン上のアクチュエータが、例えば、燃焼室に燃料を供給する燃料制御システムを調整し、圧縮機に入口ガイドベーンを設定して、ガスタービンに対する他の制御設定を調整するようにする。

図１０には、原動機１３１がガスタービン１５９である実施形態が示される。ガスタービン１５９は、他のタイプの原動機１３１に優る特定の利点をもたらす。これらの利点には、特に持続的に高出力が要求される用途におけるより高い信頼性と、並びに高負荷での高効率とが挙げられる。ガスタービン１５９を原動機１３１として使用することの欠点は、部分負荷において往復動エンジンよりも効率が低く、コストが高いことが挙げられる。稼働中、ガスタービン１５９は、過給及び冷却された空気を駆動バイパス１４５を通じて受け取り、この排気を最高サイクル効率及び柔軟性のために駆動排気導管１５５を通じてＨＲＳＧ１２３に搬送することができる。これにより、優れた全負荷及び部分負荷効率と、作動の柔軟性がもたらされる。ガスタービン１５９によって駆動される強制ドラフトファン１３０は、出力低下を補うために効率と引き替えることにより、長期にわたる出力低下を解消する。ガスタービン１５９によって駆動される強制ドラフトファン１３０はまた、発電対蒸気生成比領域を拡張する能力をオペレータに提供する。更に、ガスタービン１５９によって駆動される強制ドラフトファン１３０は、正味発電量を増大させ、ガスタービンサブシステム１１３及び複合サイクルシステム１１１の効率を改善する。作動領域を拡張することによって、オペレータは、部分的出力不足がある複数ユニットの発電ブロックにてユニットを付加する必要に関する資本＆運用コストのマイナスの影響を低減することができる。ガスタービン１５９の使用は、資本及び保守コストが高いという欠点を有する。ガスタービン１５９は、中程度の複雑度のサブシステムに高サイクル効率及び固定過給機ブーストでの極めて高いピーク出力を提供する。

図１１は、航空機転用ガスタービン１７１を原動機１３１として使用した別の実施形態を示している。航空機転用ガスタービン１７１は、航空機タービンから派生したガスタービンである。航空機転用ガスタービン１７１を使用する決定は、主として経済的及び運用上の利点に基づいている。これらのタービンは、比較的軽量で、高い性能及び効率をもたらす。航空機転用ガスタービン１７１は、トルクの効率的制御を可能にすると共に、統合制御の可能性をもたらす。従来の重量のあるフレームガスタービンドライバと比較した航空機転用ガスタービン１７１の一般的な経済的／運用上の長所及び利点は、１０〜１５パーセントの効率が改善されることである。航空機転用ガスタービン１７１は、円滑で制御された始動が可能である。航空機転用ガスタービン１７１は、より高い可用性及び運用上の信頼性を有し、広い負荷範囲により、経済的に最適な出力制御を可能にする。航空機転用ガスタービン１７１はまた、シャットダウン及び急速な立ち上げができること、及び負荷変動により効率的に対処できることにより、従来の重量のあるフレームガスタービンドライバに優る利点をもたらす。航空機転用ガスタービン１７１は、高いサイクル効率及び固定過給機ブーストにおける極めて高いピーク出力をもたらす。この用途のための航空機転用ガスタービン１７１の利点は、高い資本コスト及び極めて高い保守コストを含む、幾つかの欠点との均衡を保つ必要がある。

図１２は、蒸気タービン１７３を原動機１３１として使用した別の実施形態を示している。蒸気タービンは、加圧蒸気から熱エネルギーを抽出して、これを用いて回転出力シャフトに対して機械的作業を行う装置である。蒸気タービン１７３の使用は、蒸気タービン１７３を駆動するのに広範囲の燃料を使用できるという利点をもたらす。他の原動機と比較して、蒸気タービンは、中程度の資本コスト、保守コスト、サイクル効率、及び固定過給機ブーストのピーク出力を有する。蒸気タービン１７３はまた、高いサブシステムの複雑度を有する。しかしながら、蒸気タービン１７３は、ボイラー及び他の設備を必要とすること、並びに価格性能比が高いという欠点を有する。蒸気タービン１７３は、緩慢な負荷変動挙動を有し、これは、蒸気タービン１７３が一旦作動すると迅速には停止できないことを意味する。蒸気タービンの回転速度を落とすには、一定の時間が必要である。蒸気タービン１７３はまた、部分負荷性能が不十分である。

図１３は、誘導モータ１７５を原動機１３１として使用した別の実施形態を示している。誘導モータ１７５は、他のタイプのモータのように整流子又はスリップリングではなく、電磁誘導を用いて電力をロータに供給するＡＣモータの一種である。誘導モータ１７５は、頑丈で、操作が容易で、資本及び保守コストが低いという利点を有する。誘導モータ１７５はまた、低い複雑度のサブシステムを提供する利点を有する。誘導モータ１７５の別の利点は、トルク出力を調整して、誘導モータ１７５のエネルギー出力を調節する能力である。誘導モータ１７５は、低いサイクル効率及び固定過給機ブーストにおける低いピーク出力という欠点を有する。

図１４は、往復動エンジン１７７を原動機１３１として使用した別の実施形態を示している。往復動エンジン１７７は、ピストンエンジンとしても知られており、１又はそれ以上の往復動ピストンを用いて圧力を回転運動に変換するディーゼルエンジンのような熱機関である。強制ドラフトファン１３０を駆動するために往復動エンジン１７７を使用すると、部分負荷動作において高い効率及び高いサイクル効率をもたらす利点がある。往復動エンジン１７７では、固定過給機ブーストにおけるピーク出力が極めて高い。加えて、往復動エンジン１７７は、全負荷までの始動間が短い。往復動エンジンは、中程度の資本コスト及び保守コストを有する。サブシステムの複雑度は、他の原動機と比較して中程度である。

図１５には、可変周波数駆動装置（ＶＦＤ １７９）を原動機１３１として使用した別の実施形態を示している。ＶＦＤ１７９は、モータに供給される電力の周波数を制御することによって電気モータの回転速度を制御する駆動装置である。ＶＦＤ１７９は、低いサブシステムの複雑度及び低い保守コスト、並びに公称速度よりも低速での動作によるエネルギー節減を含む、多くの利点をもたらす。ＶＦＤ１７９は、他の原動機と比較して中程度の資本コストを有し、中程度のサイクル効率をもたらす。別の利点は、ＶＦＤ１７９は加速への立ち上がりが漸次的であり、設備に対する圧迫を軽減することができる。欠点は、固定過給機ブーストのピーク出力が平均よりも低いことである。

様々な原動機１３１の利点及び欠点を図１６の表にまとめている。

図１７には、非過給（公称）のガスタービンと１０％過給したガスタービンの出力と燃焼温度（「Ｔ−ｆｉｒｅ」）の変化の間の関係を示している。グラフから、所与の出力において、過給することによってより低いＴ−ｆｉｒｅが得られることが明らかである。相違が最も顕著なのはピーク負荷においてであり、この場合、公称作動条件下ではＴ−ｆｉｒｅの変化はプラスである（すなわち、ベース負荷におけるＴ−ｆｉｒｅと比較してＴ−ｆｉｒｅが上昇している）。ただし、過給条件下では、Ｔ−ｆｉｒｅの変化はマイナスのままである。

図１８には、保守率に対する過給の影響を示している。この場合も同様に、ピーク負荷において、過給時の保守率が公称時の保守率と比較して著しく低い。

図１９は、ピーク負荷時のＴ−ｆｉｒｅ、熱消費率、及び出力に対する過給の影響を示している。差分（デルタ）Ｔ−ｆｉｒｅ曲線から、全く影響を与えることなく過給によって出力にＴ−ｆｉｒｅの著しいマイナスの変化を達成できることを確認することができる。図２０−２２は、ベース負荷、９０％負荷、及び８０％負荷それぞれにおけるＴ−ｆｉｒｅ、熱消費率、及び出力に対する過給の影響を示している。各グラフは、差分Ｔ−ｆｉｒｅに対する過給の影響を示しており、実際に、出力に顕著な影響を与えることなく、様々な負荷において過給によりＴ−ｆｉｒｅを低下させることができることを立証している。

図２３には、過給を用いてガスタービンシステムの高温ガス経路部品の寿命を延ばすための方法２００のフローチャートが示される。

ステップ２１０において、方法２００は、所要負荷を決定する。

ステップ２２０において、方法２００は、所要負荷に対する公称Ｔ−ｆｉｒｅを決定する。

ステップ２３０において、方法２００は、所要負荷に対して過給により得られるＴ−ｆｉｒｅの低下を決定する。

ステップ２４０において、方法２００は、所要のＴ−ｆｉｒｅの低下を決定する。

ステップ２５０において、方法２００は、Ｔ−ｆｉｒｅの低下を達成するのに必要な過給質量流量を計算する。

ステップ２６０において、方法２００は、所要負荷まで負荷を増大させる。

ステップ２７０において、方法２００は、Ｔ−ｆｉｒｅの低下を達成するのに必要な過給質量流量を供給する。

ガスタービンシステムがＨＲＳＧを含む場合には、方法２００は、ステップ２８０を実施して、公称ＨＲＳＧ入口温度を決定する。

ステップ２９０において、方法２００は、過給により得られるＨＲＳＧ入口温度の低下を決定することができる。

ステップ３００において、方法２００は、所要ＨＲＳＧ入口温度を達成するための所要蒸気タービン入口温度を決定することができる。方法２００は、ステップ２４２に進み、所要のＴ−ｆｉｒｅの低下を決定する。Ｔ−ｆｉｒｅ及びＨＲＳＧ入口温度を低下させることによって、オペレータは、ガスタービンの高温ガス経路部品及びＨＲＳＧに結合された蒸気タービンの高温ガス経路部品の保守率を低下させることができる。

図２４には、タービンシステム内の保守率を低下させるための方法４００のフローチャートを示している。

ステップ４１０において、方法４００は、所要負荷を決定する。

ステップ４２０において、方法４００は、所要負荷に対する公称保守率を決定する。

ステップ４３０において、方法４００は、所要負荷対して過給により得られる保守率低下を決定する。

ステップ４４０において、方法４００は、所要保守率を決定する。

ステップ４５０において、方法４００は、所要保守率を達成するのに必要な過給質量流量を計算する。

ステップ４６０において、方法４００は、所要ブースト圧及び質量流量まで過給を増大させる。

ステップ４７０において、方法４００は、所要保守率を達成するための過給質量流量を燃焼器排気に供給する。

ステップ４８０において、ガスタービンシステムが所要負荷及び保守率に調整される。

図２５には、ガスタービン及びＨＲＳＧを有する複合サイクルシステムを稼働するための方法５００のフローチャートが示されている。

ステップ５１０において、方法５００は、所要出力を決定する。

ステップ５２０において、方法５００は、所要出力に対する公称Ｔ−ｆｉｒｅを決定する。

ステップ５３０において、方法５００は、所要出力に対する公称ＨＲＳＧ入口温度を決定する。

ステップ５４０において、方法５００は、過給により得られるＴ−ｆｉｒｅの低下を決定する。

ステップ５５０において、方法５００は、過給により得られる蒸気タービン入口温度を決定する。

ステップ５６０において、方法５００は、所要Ｔ−ｆｉｒｅを決定する。

ステップ５７０において、方法５００は、所要ＨＲＳＧ入口温度を決定する。

ステップ５８０において、方法５００は、Ｔ−ｆｉｒｅの低下を達成するのに必要な過給質量流量を計算する。

ステップ５９０において、方法５００は、所要ＨＲＳＧ入口温度を達成するのに必要な過給質量流（所定温度で供給される第２の過給質量流量）を計算する。

ステップ６００において、方法５００は、ブースト圧及び質量流量を所要レベルまで増大させるために、過給量を増大させる。

ステップ６１０において、方法５００は、所要負荷、所要ガスタービン保守率、及びＨＲＳＧ入口温度を提供する。

図２６には、ガスタービン及びＨＲＳＧを有する複合サイクルシステムを立ち上げるための方法７００のフローチャートが示されている。

ステップ７１０において、方法７００は、所要負荷を決定する。

ステップ７２０において、方法７００は、現在の負荷を決定する。

ステップ７３０において、方法７００は、現在の負荷が所要負荷に等しいかどうかを決定する。現在の負荷が所要負荷に等しい場合、本方法は終了する（ステップ７４０）。現在の負荷が所要負荷に等しくない場合、本方法はステップ７５０に進む。

ステップ７５０において、方法７００は、負荷の増分変化を決定する。

ステップ７６０において、方法７００は、所要Ｔ−ｆｉｒｅを決定する。所要Ｔ−ｆｉｒｅは、現在の負荷に負荷の増分変化を加えた場合のガスタービンの公称Ｔ−ｆｉｒｅを決定することによって決定することができる（ステップ７７０）。

ステップ７８０において、方法７００は、過給により得られるＴ−ｆｉｒｅの低下を決定することができる。

ステップ７９０において、方法７００は、所要Ｔ−ｆｉｒｅを達成するために、過給機によってガスタービンに供給すべき質量流量を計算することができる。

ステップ８００において、方法７００は、増分負荷だけ負荷を増大させる。

システムがＨＲＳＧを有する場合、方法７００は、ステップ８１０において所要ＨＲＳＧ入口温度を決定することができる。

ステップ８２０において、方法７００は、所要ＨＲＳＧ入口温度を達成するために、過給機によってＨＲＳＧに供給すべき質量流量を計算することができる。

ステップ８３０において、方法７００は、ＨＲＳＧ過給質量流量（バイパスダンパバルブ１３７を通じて制御される二次過給質量流）をＨＲＳＧに供給することができる。

ステップ８４０において、方法７００は、過給質量流量をガスタービンに供給して、現在の負荷を決定するためのステップ７２０、及び現在の負荷が所要負荷に等しいかどうかを決定するためのステップ７３０を繰り返すことができる。

上述の詳細な説明は、ブロック図、フローチャート、及び／又は実施例の使用を通じてシステム及び／又は方法の種々の実施形態を示してきた。このようなブロック図、フローチャート、及び／又は実施例が１又はそれ以上の機能及び／又は動作を含む限り、当業者であれば、このようなブロック図、フローチャート、又は実施例内の各機能及び／又は動作は、広範囲のハードウェアによって個別に及び／又は全体として実施できる点は理解されるであろう。本明細書のフローチャート及び／又は実施例において方法のステップを特定の順序で示しているが、提示された順序で実行することに必ずしも限定されるわけではない点も更に理解されるであろう。例えば、ステップは同時に、又は本明細書で提示したのとは異なる順序で実施することができ、このような変形形態は、本開示に照らせば当業者には明らかであろう。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

１１ ＳＣＣＡＢシステム
１３ ガスタービンサブシステム
１５ 圧縮機
１６ 圧縮機入口
１７ 燃焼器
１９ タービン
２１ 排気ダクト
２３ ＨＲＳＧ
２４ ＨＲＳＧ入口
２５ 二次バーナ
２６ 蒸気タービン
２７ スタック
２８ プロセス蒸気出口ヘッダ
２９ 冷却システム
３０ 強制ドラフトファン
３１ 原動機
３２ ダクト組立体
３３ バイパス
３５ フローセンサ
３７ ダンパバルブ
３９ 制御システム
４１ 入口ハウス
４３ 冷却システム
５０ 方法
５１ ステップ
５３ ステップ
５５ ステップ
５７ ステップ
５９ ステップ
６０ 方法
６１ ステップ
６３ ステップ
６５ ステップ
６７ ステップ
６９ ステップ
９０ ベース負荷
１１１ 複合サイクルシステム
１１３ ガスタービンサブシステム
１１５ 圧縮機
１１６ 圧縮機入口
１１７ 燃焼器
１１９ タービン
１２１ 排気ダクト
１２３ ＨＲＳＧ
１２４ ＨＲＳＧ入口
１２６ 蒸気 タービン
１２７ スタック
１２８ プロセス蒸気出口ヘッダ
１３０ 強制ドラフトファン
１３１ 原動機
１３２ ダクト組立体
１３３ バイパス
１３７ バイパスダンパバルブ
１３９ フローセンサ
１４１ 入口ハウス
１４３ 冷却システム
１４５ 駆動バイパス
１４６ 駆動ダンパバルブ
１４７ 駆動システムセンサ
１４８ 二次導管
１４９ 二次導管バルブ
１５０ 二次センサ
１５１ 導管
１５５ 駆動排気導管
１５９ ガスタービン
１６１ 制御システム
１７１ 航空機転用スタービン
１７３ 蒸気タービン
１７５ 誘導モータ
１７７ 往復動エンジン
１７９ ＶＦＤ
２００ 方法
２１０ ステップ
２２０ ステップ
２３０ ステップ
２４０ ステップ
２４２ ステップ
２５０ ステップ
２６０ ステップ
２７０ ステップ
２８０ ステップ
２９０ ステップ
３００ ステップ
４００ 方法
４１０ ステップ
４２０ ステップ
４３０ ステップ
４４０ ステップ
４５０ ステップ
４６０ ステップ
４７０ ステップ
４８０ ステップ
５００ 方法
５１０ ステップ
５２０ ステップ
５３０ ステップ
５４０ ステップ
５５０ ステップ
５６０ ステップ
５７０ ステップ
５８０ ステップ
５９０ ステップ
６００ ステップ
６１０ ステップ
７００ 方法
７１０ ステップ
７２０ 繰り返しステップ
７２０ ステップ
７３０ ステップ
７４０ ステップ
７５０ ステップ
７６０ ステップ
７７０ ステップ
７８０ ステップ
７９０ ステップ
８００ ステップ
８１０ ステップ
８２０ ステップ
８３０ ステップ
８４０ ステップ

Claims (20)

1. タービンシステムにおける高温ガス経路部品の寿命を延ばすための方法であって、
   所要負荷を決定するステップと、
   前記所要負荷に対する公称燃焼温度を決定するステップと、
   前記所要負荷に対する過給燃焼温度を決定するステップと、
   前記所要負荷に対する前記過給燃焼温度を達成するために、前記タービンシステムにおける圧縮機に供給すべき空気の第１質量流量を決定するステップと、
   空気流を供給するステップと、
   前記空気の第１質量流量を前記圧縮機に搬送するステップと、
   を含む、方法。
2. 前記空気流を供給するステップが、ファンにより空気流を供給するステップを含む、請求項１に記載の方法。
3. 熱回収蒸気発生器の所要入口温度を決定するステップと、
   前記熱回収蒸気発生器の所要入口温度を達成するために、熱回収蒸気発生器に供給すべき空気の第２質量流量を決定するステップと、
   前記空気の第２質量流量を前記熱回収蒸気発生器に搬送するステップと、
   を更に含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記空気の第２質量流量を前記熱回収蒸気発生器に搬送するステップが、所定の温度で前記空気の第２質量流量を搬送し、前記熱回収蒸気発生器の入口温度を調節するステップを更に含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記空気の第１質量流量を冷却するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記空気の第２質量流量を搬送するステップが、バイパスを通じて前記空気の第２質量流量を前記熱回収蒸気発生器に搬送するステップを含む、請求項３に記載の方法。
7. 前記バイパスに結合されたバルブにより前記空気の第２質量流量を制御するステップを更に含む、請求項６に記載の方法。
8. タービンシステムにおける高温ガス経路部品の寿命を延ばすための方法であって、
   所要負荷を決定するステップと、
   所要保守率を決定するステップと、
   前記所要負荷に対する前記所要保守率を達成するのに必要な過給量を決定するステップと、
   前記過給量を達成するために、圧縮機に供給すべき空気の第１質量流量を決定するステップと、
   熱回収蒸気発生器に供給すべき空気の第２質量流量を決定するステップと、
   空気流を供給するステップと、
   前記空気の第１質量流量を前記圧縮機内に搬送するステップと、
   前記空気の第２質量流量を前記熱回収蒸気発生器に搬送するステップと、
   を含む、方法。
9. 空気流を供給するステップが、ファンにより空気流を供給するステップを含む、請求項８に記載の方法。
10. 熱回収蒸気発生器の所要入口温度を決定するステップを更に含み、前記熱回収蒸気発生器に供給すべき前記空気の第２質量流量を決定するステップが、前記熱回収蒸気発生器の所要入口温度を達成するために前記熱回収蒸気発生器に供給すべき前記空気の第２質量流量を決定するステップを含む、請求項８に記載の方法。
11. 前記空気の第２質量流量を前記熱回収蒸気発生器に搬送するステップが、所定の温度で前記空気の第２質量流量を搬送し、前記熱回収蒸気発生器の入口温度を調節するステップを更に含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記空気の第２質量流量を搬送するステップが、バイパスを通じて前記空気の第２質量流量を前記熱回収蒸気発生器に搬送するステップを含む
    請求項８に記載の方法。
13. 前記バイパスに結合されたバルブにより前記空気の第２質量流量を制御するステップを更に含む、請求項１２に記載の方法。
14. ガスタービン及び熱回収蒸気発生器を有する複合サイクルシステムを立ち上げるための方法であって、
    所要負荷を決定するステップと、
    現在の負荷を決定するステップと、
    前記所要負荷が前記現在の負荷よりも大きいかどうかを決定するステップと、
    増分負荷増大を決定するステップと、
    前記現在の負荷に前記増分負荷増大を加えた場合の所要燃焼温度を決定するステップと、 前記現在の負荷に前記増分負荷増大を加えた場合の前記所要燃焼温度を達成するために、前記ガスタービンへの第１過給質量流量を計算するステップと、
    前記現在の負荷に前記増分負荷増大を加えたものに前記現在の負荷を増大させるステップと、
    前記第１過給質量流量を前記ガスタービンに供給するステップと、
    を含む、方法。
15. 前記現在の負荷に前記増分負荷増大を加えた場合の熱回収蒸気発生器の所要入口温度を決定するステップと、
    前記現在の負荷に前記増分負荷増大を加えた場合の前記熱回収蒸気発生器の所要入口温度を達成するために、熱回収蒸気発生器への第２過給質量流量を計算するステップと、
    前記第２過給質量流量を前記熱回収蒸気発生器に供給するステップと、
    を含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記第１過給質量流量を前記ガスタービンに供給するステップが、ファンにより前記第１過給質量流量を前記ガスタービンに供給するステップを含む、請求項１４に記載の方法。
17. 前記第２過給質量流量を前記熱回収蒸気発生器に供給するステップが、バイパスを通じて前記第２過給質量流量を前記熱回収蒸気発生器に供給するステップを含む、請求項１５に記載の方法。
18. 前記第２過給質量流量を前記熱回収蒸気発生器に供給するステップが、前記第２過給質量流量をバルブで制御するステップを含む、請求項１５に記載の方法。
19. 前記所要負荷はピーク負荷である、請求項１５に記載の方法。
20. ファンにより前記第１過給質量流量を前記ガスタービンに供給するステップが、前記ファンを原動機で駆動するステップを含む、請求項１６に記載の方法。