JP2017015084A - 発電システム排気冷却 - Google Patents

Abstract

【課題】 発電システムの排気ガスを冷却する。【解決手段】 実施形態によるガスタービンシステム（１２）のための空気流制御システムは、ガスタービンシステム（１２）の圧縮機構成要素（１８）と、ガスタービンシステム（１２）により生成された排気ガス流（３２）を受け入れるための混合領域（３３）と、ガスタービンシステム（１２）の圧縮機構成要素（１８）により発生した過剰空気流から供給バイパス空気を抽出するための空気抽出システム（７４）と、ガスタービンシステム（１２）を囲み、空気通路（７２、１２４）を形成するエンクロージャであって、バイパス空気が、ガスタービンシステム（１２）の周りで空気通路（７２）を通って混合領域（３３）に流入して排気ガス流（３２）の温度を下げるようになっている、エンクロージャと、温度が下がった排気ガス流（３２）を処理するための排気処理システム（１４）と、を含む。【選択図】 図１

Description

本開示は、一般に発電システムに関し、より具体的には、発電システムの排気ガスを冷却するためのシステム及び方法に関する。

発電システム、例えば単純サイクルガスタービン発電システムからの排気ガスは、大気中に放出される排気ガスの組成に関して厳格な規制要件に適合しなければならない場合が多い。ガスタービン発電システムの排気ガス中に典型的に見いだされる規制を受ける成分の１つは、窒素酸化物（すなわちＮＯ_x）であり、これは、例えば一酸化窒素及び二酸化窒素を含む。排気ガス流からＮＯ_xを除去するために、選択的触媒還元（ＳＣＲ）などの技術がしばしば利用される。ＳＣＲプロセスにおいて、アンモニア（ＮＨ₃）または同種のものがＮＯ_xと反応して、窒素（Ｎ₂）及び水（Ｈ₂Ｏ）を生成する。

ＳＣＲプロセスの有効性は、処理される排気ガスの温度に一部依存する。ガスタービン発電システムからの排気ガスの温度は、約１０００°Ｆを上回ることが多い。しかしながら、ＳＣＲ触媒は、妥当な触媒寿命にわたって有効性を維持するには約９００°Ｆより低温で稼働させる必要がある。この点で、単純サイクルガスタービン発電システムからの排気ガスは、典型的にはＳＣＲに先立って冷却される。

周囲空気などの冷却ガスを排気ガスと混合することによりガスタービン発電システムの排気ガス温度を９００°Ｆ未満に下げるために、大型の外部ブロアシステムが用いられている。外部ブロアシステムの故障による触媒の損傷の可能性があるので、冗長外部ブロアシステムが典型的に利用される。これらの外部ブロアシステムは、ブロア、モータ、フィルタ、吸気構造、及び大型ダクトなどの多くの構成要素を含み、これらは高価であり、嵩高く、ガスタービン発電システムの運用コストを付加することになる。さらに、外部ブロアシステムとガスタービン発電システムの動作とは本来的に連動していないので、ＳＣＲ触媒が種々のガスタービン動作モード中に過剰温度に起因して損傷を受ける可能性が高くなる。過剰温度によるＳＣＲ触媒の損傷（例えば、外部ブロアシステムが故障した場合又は排気ガスを十分に冷却できない場合）を防止するために、温度の問題が是正されるまでガスタービンを運転停止する必要がある場合がある。

米国特許第８，１８６，１５２号明細書

本開示の第１の態様は、ガスタービンシステムのための空気流制御システムを提供し、該空気流制御システムは、過剰空気流を発生するためのガスタービンシステムの圧縮機構成要素と、ガスタービンシステムにより生成された排気ガス流を受け入れるための混合領域と、ガスタービンシステムの圧縮機構成要素により発生した過剰空気流から供給バイパス空気を抽出するための空気抽出システムと、ガスタービンシステムを囲み、空気通路を形成するエンクロージャと、を含み、バイパス空気が、ガスタービンシステムの周りで空気通路を通って混合領域に流入して、排気ガス流の温度を下げるようになっている。

本開示の第２の態様は、ターボ機械システムを提供し、該ターボ機械は、過剰空気流を発生するための少なくとも１つの過大圧縮機段を含む圧縮機構成要素、燃焼器構成要素、及びタービン構成要素を含むガスタービンシステムと、ガスタービンシステムにより生成された排気ガス流を受け入れるための混合領域と、圧縮機構成要素の少なくとも１つの圧縮機構成要素により発生した過剰空気流から供給バイパス空気を抽出するための空気抽出システムと、ガスタービンシステムを囲み、空気通路を形成するエンクロージャであって、バイパス空気が、ガスタービンシステムの周りで空気通路を通って混合領域に流入して、排気ガス流の温度を下げるようになっている、エンクロージャと、温度の下がった排気ガス流を処理するための排気処理システムと、を備え、排気処理システムが、選択的触媒還元（ＳＣＲ）システムを備える。

本開示の第３の態様は、発電システムを提供し、該発電システムは、過剰空気流を発生するための少なくとも１つの過大圧縮機段を含む圧縮機構成要素、燃焼器構成要素、及びタービン構成要素を含むガスタービンシステムと、タービン構成要素により駆動されるシャフトと、電気を発生させるためにシャフトに結合した発電機と、ガスタービンシステムにより生成された排気ガス流を受け入れるための混合領域と、圧縮機構成要素の少なくとも１つの圧縮機構成要素により発生した過剰空気流から供給バイパス空気を抽出するための空気抽出システムと、ガスタービンシステムを囲み、空気通路を形成するエンクロージャであって、バイパス空気が、ガスタービンシステムの周りで空気通路を通って混合領域に流入して、排気ガス流の温度を下げるようになっている、エンクロージャと、温度の下がった排気ガス流を処理するための排気処理システムと、を備え、排気処理システムが、選択的触媒還元（ＳＣＲ）システムを備える。

本開示の例示的な態様は、本明細書に記載した課題及び／又は論じていない他の課題を解決するように設計されている。

本開示のこれら及び他の特徴は、本発明の種々の態様を表した添付図面を参照しながら本発明の種々の態様に関する以下の詳細な説明から容易に理解されるであろう。

実施形態による単純サイクルガスタービン発電システムの概略図。 実施形態による図１のガスタービン発電システムの一部の拡大図。 図１の線Ａ−Ａに沿ったガスタービンシステムのバイパス・エンクロージャ及び圧縮機要素の例示的な断面図。 図２の線Ｂ−Ｂに沿ったガスタービンシステムのバイパス・エンクロージャ及び圧縮機要素の例示的な断面図。 実施形態による、ガスタービンシステムの種々の負荷百分率における、混合領域に入るバイパス空気流と、排気ガス流の温度との間の例示的な関係を表すグラフ。 実施形態による単純サイクルガスタービン発電システムの概略図。

各図面は、必ずしも縮尺通りではない点に留意されたい。当該図面は、本発明の典型的な態様のみを描くことを意図しており、従って、本発明の範囲を限定するものとみなすべきではない。図面では、同じ参照符号は、複数の図面にわたり同じ要素を示している。

上述のように、本開示は、一般に発電システムに関し、より具体的には、発電システムの排気ガスを冷却するためのシステム及び方法に関する。

図１は、ガスタービンシステム１２及び排気処理システム１４を含むターボ機械システム（例えば単純サイクルガスタービン発電システム１０）のブロック図を示す。ガスタービンシステム１２は、天然ガス及び／又は水素リッチ合成ガスなどの液体又は気体燃料を燃焼させて高温燃焼ガスを発生させ、ガスタービンシステム１２を駆動することができる。

ガスタービンシステム１２は、吸気セクション１６、圧縮機構成要素１８、燃焼器構成要素２０、及びタービン構成要素２２を含む。タービン構成要素２２は、シャフト２４を介して圧縮機構成要素１８に駆動結合する。作動時、空気（例えば周囲空気）は、吸気セクション１６を通ってガスタービンシステム１２に入り（矢印２６で示される）、圧縮機構成要素１８内で加圧される。圧縮機構成要素１８は、シャフト２４に結合した複数の圧縮機ブレードを含む少なくとも１つの段を含む。シャフト２４の回転が、対応する圧縮機ブレードの回転を生じさせ、それにより空気が吸気セクション１６を通って圧縮機構成要素１８内に引き込まれ、空気は燃焼器構成要素２０に入る前に圧縮される。

燃焼器構成要素２０は、１又は２以上の燃焼器を含むことができる。実施形態において、複数の燃焼器が、シャフト２４の周りに概ね円形又は環状配置で複数の周方向位置で燃焼器構成要素２０内に配置される。圧縮空気が圧縮機構成要素１８から出て燃焼器構成要素２０に入ると、圧縮空気は、燃焼器内で燃焼のために燃料と混合される。例えば、燃焼器は、燃焼、エミッション制御、燃料消費、出力などに適した比率で燃料空気混合気を燃焼器内に注入するように構成された、１又は２以上の燃料ノズルを含むことができる。燃料空気混合気の燃焼は、高温加圧排気ガスを発生させ、これは次にタービン構成要素２２の１又は２以上のタービン段（各々が複数のタービンブレードを有する）を駆動するために利用される。

作動時、タービン構成要素２２に流入して通過する燃焼ガスは、タービンブレードに当たり及びタービンブレード間を流れることにより、タービンブレードを駆動させ、それによりシャフト２４を回転させる。タービン構成要素２２内で、燃焼ガスのエネルギーは、仕事に変換され、その一部は回転シャフト２４を通じて圧縮機構成要素１８を駆動するために用いられ、残りは、負荷、例えば、限定ではないが電気を発生させるための発電機２８及び／又は他のタービンなどを駆動するための有用な仕事に利用される。

タービン構成要素２２を通って流れる燃焼ガスは、排気ガス流３２としてタービン構成要素２２の下流側端部３０を出る。排気ガス流３２は、排気処理システム１４に向かって下流方向３４に連続して流れることができる。タービン構成要素２２の下流側端部３０は、混合領域３３を介して排気処理システム１４のＣＯ除去システム（例えば、ＣＯ触媒３６を含む）及びＳＣＲシステム（例えば、ＳＣＲ触媒３８を含む）に流体結合することができる。上述のように、燃焼プロセスの結果として、排気ガス流３２は、窒素酸化物（ＮＯ_x）、硫黄酸化物（ＳＯ_x）、炭素酸化物（ＣＯ_x）、及び未燃焼炭化水素などの特定の副産物を含む場合がある。特定の規制要件のため、排気処理システム１４を使用して、このような副産物の濃度を大気に放出する前に低減するか又は実質的に最小化することができる。

排気ガス流３２内のＮＯ_xを除去する又は量を低減するための１つの技術は、選択的触媒還元（ＳＣＲ）プロセスを用いることによる。例えば、排気ガス流３２からＮＯ_xを除去するためのＳＣＲプロセスにおいて、アンモニア（ＮＨ₃）又は他の適切な還元剤を排気ガス流３２に注入することができる。アンモニアは、ＮＯ_xと反応して窒素（Ｎ₂）及び水（Ｈ₂Ｏ）を生成する。

図１に示すように、アンモニア蒸発システム４０及びアンモニア注入グリッド４２を用いて、アンモニア溶液（例えばタンク４６に貯蔵される）を気化させてＳＣＲ触媒３８の上流で排気ガス流３２に注入することができる。アンモニア注入グリッド４２は、例えば気化したアンモニアを排気ガス流３２に注入するための開口部／ノズルを有する管網を含むことができる。理解されるように、排気ガス流３２のアンモニア及びＮＯ_xは、ＳＣＲ触媒３８を通過する際に反応して窒素（Ｎ₂）及び水（Ｈ₂Ｏ）を生成し、これにより排気ガス流３２からＮＯ_xが除去される。結果として得られた排出物は、ガスタービンシステム１２のスタック４４を通じて大気中に放出することができる。

アンモニア蒸発システム４０は、例えば、ブロアシステム４８と、１又は２以上のヒータ５０（例えば電気ヒータ）と、アンモニア注入グリッド４２を介して排気ガス流３２に注入される気化アンモニアを供給するためのアンモニア気化器５２とをさらに含むことができる。アンモニアは、ポンプシステム５４を用いてタンク４６からアンモニア気化器５２へとポンプ輸送することができる。個々のブロア／ポンプが故障した場合にアンモニア蒸発システム４０の連続動作を保証するために、ブロアシステム４８は冗長ブロアを含むことができ、さらにポンプシステム５４は冗長ポンプを含むことができる。

ＳＣＲプロセスの有効性は、一部には、処理される排気ガス流３２の温度に依存する。ガスタービンシステム１２から発生する排気ガス流３２の温度は、約１１００°Ｆを上回る場合が多い。しかしながら、ＳＣＲ触媒３８は、典型的には、約９００°Ｆ未満の温度で稼働させる必要がある。

実施形態によれば、「過大（oversized）」圧縮機構成要素１８を用いて、排気ガス流３２の温度をＳＣＲ触媒３８に適したレベルまで下げるための冷却空気をもたらすことができる。圧縮機構成要素１８は、流量容量を有しており、その流量容量に基づいて吸気セクション１６から空気流（例えば、周囲空気）を引き込むように構成される。圧縮機構成要素１８の流量容量は、燃焼器構成要素２０及びタービン構成要素２２の少なくとも一方の流量容量よりも約１０％から約４０％だけ大きいものとすることができ、過剰空気流を生成する。すなわち、燃焼器構成要素２０及びタービン構成要素２２の少なくとも一方は、圧縮機構成要素１８から供給される全ての空気を利用することができず、圧縮機構成要素１８は過剰空気流を生成する。この過剰空気流は、ガスタービンシステム１２の排気ガス流３２を冷却するために使用することができる。実施形態によれば、圧縮機構成要素１８の圧縮機段６０のうちの少なくとも１つは、過剰空気流をもたらすために「過大」にすることができる。

単一の過大圧縮機段６０の使用を以下で説明するが、これは限定を意図したものではなく、他の実施形態においては更なる過大圧縮機段６０を用いることができる。一般に、過大圧縮機構成要素１８の少なくとも１つの過大圧縮機段６０により引き込まれる空気流の増大百分率は変更することができ、ガスタービンシステム１２に対する負荷、ガスタービンシステム１２に引き込まれる空気の温度、ＳＣＲ触媒３８における排気ガス流３２の温度、等を含む幾つかの因子に基づいて選択的に制御することができる。

過大圧縮機構成要素１８の過大圧縮機段６０により供給される増大した空気流は、圧縮機構成要素１８における空気圧を高めることができる。例えば、公称空気流が過大圧縮機段６０の動作により約１０％から約４０％増大した場合、約５インチ水柱から約１５インチ水柱の対応する圧力上昇を達成することができる。この圧力上昇を用いて、圧力損失を克服すること、及び下流の排気処理システム１４における冷却空気と排気ガス流３２との適正な混合（後述する）を促進することができる。圧力上昇を用いて、ガスタービンシステム１２を過給することもできる。

図１及び図２に示すように、ガスタービンシステム１２は、バイパス・エンクロージャ７０で囲むことができる。バイパス・エンクロージャ７０は、吸気セクション１６から混合領域３３に延びてこれを流体的に結合する。バイパス・エンクロージャ７０は、任意の適切な構成を有することができる。例えば、バイパス・エンクロージャ７０は、図１の線Ａ−Ａに沿った断面である図３に示すような環状構成を有することができる。バイパス・エンクロージャ７０は、ガスタービンシステム１２の周りに空気通路７２を形成し、これを通って、ガスタービンシステム１２の排気ガス流３２を冷却するための冷却バイパス空気（ＢＡ）を供給することができる。

空気抽出システム７４を設けて、過大圧縮機段６０より供給される過剰空気流の少なくとも一部を抽出し、抽出された空気をバイパス・エンクロージャ７０とガスタービンシステム１２との間に形成された空気通路７２に導くことができる。空気抽出システム７４は、例えば、入口ガイドベーン、ステータ、又は空気流を空気通路７２に選択的に導くための他の任意の適切なシステムを含むことができる。以下の説明において、空気抽出システム７４は、限定ではないが、入口ガイドベーンを含む。図２の線Ｂ−Ｂに沿った断面である図４に示すように、空気抽出システム７４は、バイパス・エンクロージャ７０とガスタービンシステム１２の圧縮機構成要素１８との間に形成された空気通路７２の入口を完全に囲んで全体に延びることができる。

図２に示すように、空気抽出システム７４は、バイパス・エンクロージャ７０とガスタービンシステム１２との間に形成された空気通路７２内に導かれる空気の量を制御するための複数の入口ガイドベーン７８を含むことができる。各入口ガイドベーン７８は、独立したアクチュエータ８０により選択的に制御する（例えば回転させる）ことができる。図２において、種々の実施形態によるアクチュエータ８０は模式的に示されているが、任意の既知のアクチュエータを利用することができる。例えば、アクチュエータ８０は、電気機械式モータ、又は他の任意の型式の適切なアクチュエータを含むことができる。

空気抽出システム７４のアクチュエータ８０は、空気流制御装置１００からのコマンドに応答して独立的に及び／又は集合的に制御して、入口ガイドベーン７８の位置決めを選択的に変更することができる。すなわち、入口ガイドベーン７８は、アクチュエータ８０によりピボット軸の周りで選択的に回転させることができる。実施形態において、各入口ガイドベーン７８は、他のあらゆる入口ガイドベーン７８から独立して個々にピボット運動することができる。他の実施形態において、入口ガイドベーン７８のグループが、他の入口ガイドベーン７８のグループとは独立してピボット運動することができる（すなわち、１つのグループ内の全ての入口ガイドベーン７８が一緒に同じ量だけ回転をするように、２つ以上がグループでピボット運動する）。入口ガイドベーン７８の各々に関する位置情報（例えば、電気機械式センサ又は同種のものにより検知される）を空気流制御装置１００に提供することができる。

バイパス空気は、ガスタービンシステム１２には入らず、代わりに矢印ＢＡで示されるように空気通路７２を通って混合領域３３に導かれ、そこでバイパス空気を用いて排気ガス流３２を冷却することができる。残りの空気（すなわち、追加空気流のうち空気抽出システム７４を介して抽出されなかった部分）は、ガスタービンシステム１２の圧縮機構成要素１８に入り、通常の方式でガスタービンシステム１２を通って流れる。残りの空気流がガスタービンシステム１２の流量容量よりも大きい場合には、ガスタービンシステム１２の過給を生じさせることができ、ガスタービンシステム１２の効率及び出力が高くなる。

バイパス空気は、空気通路７２を通ってタービン構成要素２２の下流の混合領域３３に向かって流れる。実施形態において、バイパス空気は、空気通路７２を出て、所定の角度で混合領域３３内の排気ガス流３２に向かってその中に入り、混合が強化される。混合領域３３において、バイパス空気（例えば周囲空気）は排気ガス流３２と混合して、これをＳＣＲ触媒３８と共に使用するのに適した温度まで冷却する。実施形態において、ガスタービンシステム１２から発生した排気ガス流３２の温度は、混合領域３３でバイパス空気によって約１１００°Ｆから約９００°Ｆ未満の温度まで冷却される。

図１及び図２に示すように、バイパス・エンクロージャ７０の遠位端８２を混合領域３３に向かって内向きに湾曲させて、バイパス空気を所定の角度で混合領域３３の排気ガス流３２に向けてその中に入れることができる。バイパス空気と排気ガス流３２との交差する流れは、混合を促進することができ、それにより排気ガス流３２の冷却が強化される。流れ方向付けシステム８４を設けて、バイパス空気を所定の角度で排気ガス流３２に向けてその中に入れることもできる。このような流れ方向付けシステム８４は、例えば、出口ガイドベーン、ステータ、ノズル、又はバイパス空気流を混合領域３３の中に選択的に導くための他の任意の適切なシステムを含むことができる。

例示的な流れ方向付けシステム８４を図２に示す。この例において、流れ方向付けシステム８４は、複数の出口ガイドベーン８６を含む。各出口ガイドベーン８６は、独立したアクチュエータ８８により選択的に制御する（例えば回転させる）ことができる。アクチュエータ８８は、図２に模式的に示されているが、任意の既知のアクチュエータを利用することができる。例えば、アクチュエータ８８は、電気機械式モータ、又は他の任意の型式の適切なアクチュエータを含むことができる。実施形態において、流れ方向付けシステム８４は、バイパス・エンクロージャ７０とガスタービンシステム１２のタービン構成要素２２との間に形成された空気通路７２の出口を完全に囲んで延びることができる。

補助混合システム９０（図１）を混合領域３３に配置して混合プロセスを強化することができる。補助混合システム９０は、例えば、静止型混合器、バッフル、及び／又は同種のものを含むことができる。また、ＣＯ触媒３６は、背圧（例えば、タービン構成要素２２に向かう戻り方向の）をかけることにより、混合プロセスの改善を補助することができる。

図２に示すように、バイパス空気は、例えば１又は２以上の空気出口９６内に配置された１又は２以上のダンパ９４（又は空気流を選択的に制限することができる他の装置、例えばガイドベーン）を含む空気放出システム９２を用いて、バイパス・エンクロージャ７０から選択的に放出することができる。空気出口９６内のダンパ９４の位置は、独立したアクチュエータ９８により選択的に制御する（例えば回転させる）ことができる。アクチュエータ９８は、電気機械式モータ、又は他のいずれかの型式の適切なアクチュエータを含むことができる。各ダンパ９４は、空気流制御装置１００からのコマンドに応答して制御して、所望量のバイパス空気がバイパス・エンクロージャ７０から放出されることができるようにダンパ９４の位置決めを選択的に変更することができる。各ダンパ９４に関する位置情報（例えば、電気機械式センサ又は同種のものにより検知される）を空気流制御装置１００に提供することができる。更なる空気流制御は、空気流制御装置１００からのコマンドにより制御される１又は２以上の絞り弁１１０（図２）を通じてバイパス・エンクロージャ７０からバイパス空気を放出することによりもたらすことができる。

様々な動作条件下でＳＣＲ触媒３８での適切な温度を維持するために、空気流制御装置１００を用いて、バイパス空気として分流されて空気通路７２を通って混合領域３３に入る、圧縮機構成要素１８の過大圧縮機段６０から発生した空気の量を、ガスタービンシステム１２に入る（及び排気ガス流３２として出る）空気の量に対して調節することができる。ガスタービンシステム１２の様々な負荷百分率における、混合領域３３に入るバイパス空気流と、排気ガス流３２の温度との間の例示的な関係を図５に示す。この例において、図５は、１）ガスタービンシステム１２の様々な負荷百分率におけるガスタービンシステム１２の排気ガス流３２の温度変動と、２）対応する、ガスタービンシステム１２の様々な負荷百分率における、ＳＣＲ触媒３８の温度を適切なレベル（例えば９００°Ｆ）に維持するために必要なバイパス空気流の、排気ガス流３２に対する百分率で表した変動と、を示す。図５に表されるように、ＳＣＲ触媒３８における温度を調節するために、排気ガス流３２の温度が変化する場合に、空気通路７２を通って混合領域３３に流入するバイパス空気の流量を変更（例えば、空気流制御装置１００の制御下で）することができる。

空気流制御装置１００は、ガスタービン発電システム１０の動作に関連するデータ１０２を受け取ることができる。このようなデータは、例えば、排気ガス流３２が混合領域３３に入る際の温度、混合領域３３内で混合／冷却が生じた後のＳＣＲ触媒３８における排気ガス流３２の温度、ガスタービンシステム１２の圧縮機構成要素１８により吸気セクション１６に引き込まれる空気の温度、及びガスタービン発電システム１０の種々の位置において得られる他の温度データを含むことができる。データ１０２は、例えば、吸気セクション１６内で、空気抽出システム７４で、圧縮機構成要素１８の入口で、空気通路７２内で、タービン構成要素２２の下流側端部３０で、流れ方向付けシステム８４で、及びガスタービン発電システム１０内の種々の他の位置で得られる、空気流及び圧力のデータをさらに含むことができる。負荷データ、燃料消費データ、及びガスタービンシステム１２の動作に関連する他の情報を空気流制御装置１００に提供することもできる。空気流制御装置１００は、入口ガイドベーン７８、出口ガイドベーン８６、ダンパ９４、及び弁１１０、等に関連付けられる位置情報をさらに受け取ることができる。このようなデータの入手方法（例えば、適切なセンサ、フィードバックデータ等を用いる）は当業者には明らかであり、このようなデータの入手に関する更なる詳細は本明細書では示さない。

受け取ったデータ１０２に基づいて、空気流制御装置１００は、空気通路７２を通って混合領域３３に流入するバイパス空気の量を必要に応じて変更して、ＳＣＲ触媒３８における温度を適切なレベルに維持するように構成される。これは、例えば、ガスタービンシステム１２の圧縮機構成要素１８により吸気セクション１６へ引き込まれる空気流、空気抽出システム７４を介して空気通路７２の中へ配分される空気流（この流れは、例えば、１又は２以上の入口ガイドベーン７８の位置を調節することにより制御することができる）、及び空気通路７２を通って混合領域３３に流入するバイパス空気流（この流れは、例えば、１又は２以上のダンパ９４の位置及び／又は絞り弁１１０の動作状態を調節することにより制御することができる）のうち、少なくとも１つを変更することにより達成することができる。

流れ制御装置１００は、空気通路７２を通って混合領域３３に流入するバイパス空気の量を例えばデータ１０２及び／又は操作者からの命令を用いて制御するように構成されたプログラムコードを実行する少なくとも１つのプロセッサを有する、コンピュータシステムを含むことができる。流れ制御装置１００により生成されるコマンドを用いて、ガスタービン発電システム１０の種々の構成要素（例えば、アクチュエータ８０、８８、９８、弁１１０及び／又は同種のもの）の動作を制御することができる。例えば、流れ制御装置１００により生成されるコマンドを用いて、アクチュエータ８０、８８及び９８の動作を制御して、入口ガイドベーン７８、出口ガイドベーン８６、及びダンパ９４の回転位置をそれぞれ制御することができる。流れ制御装置１００により生成されるコマンドを用いて、ガスタービン発電システム１０の他の制御設定を有効にすることもできる。

図２に模式的に示すように、バイパス・エンクロージャ７０に、１又は２以上のアクセスドア１１２を設けることができる。アクセスドア１１２は、バイパス・エンクロージャ７０を通ってガスタービンシステム１２の種々の構成要素へのアクセスを可能にする（例えば、保守、修理等のため）
他の実施形態において、図６に示すように、バイパス・エンクロージャ７０の代わりにガスタービンケーシング１２０自体を使用することができる。この構成は、空気抽出システム７４及び流れ方向付けシステム８４がガスタービンケーシング１２０の内部に配置される以外は図１に示すシステムと同じように動作する。ガスタービン発電システム１０の燃焼器構成要素２０の燃料／燃焼器入口１２２は、ガスタービンケーシング１２０を貫通して延びる（例えば、アクセスを容易にするために）。この構成において、バイパス空気（ＢＡ）は、ガスタービンケーシング１２０と、圧縮機構成要素１８、燃焼器構成要素２０、及びタービン構成要素２２との間を通過する。図１及び２に示す他の構成要素、例えば、吸気セクション、排気処理システム、空気流制御装置等は、明瞭化のために図６には示されていない。

作動時、圧縮機構成要素１８の過大圧縮機段６０により引き込まれる空気の一部は、空気抽出システム７４によって、バイパス空気として、ガスタービンケーシング１２０と、圧縮機構成要素１８、燃焼器構成要素２０、及びタービン構成要素２２との間に形成された空気通路１２４内に送られる。バイパス空気は、空気通路１２４から流出して、流れ方向付けシステム８４によって所定の角度で混合領域３３の排気ガス流３２に向かってその中に入る。混合領域３３において、バイパス空気（例えば周囲空気）は、排気ガス流３２と混合してＳＣＲ触媒３８（図１）での使用に適する温度まで冷却する。ガスタービンシステム１２により発生した排気ガス流３２は、混合領域３３でバイパス空気によって約１１００°Ｆから約９００°Ｆ未満まで冷却される。

従来の大型外部ブロアシステム及び／又は他の従来の冷却構造体の代わりに過大圧縮機段６０、空気抽出システム７４、バイパス・エンクロージャ７０等を使用することは、多くの利点をもたらす。例えば、冗長外部ブロアシステム及び付随する構成要素（例えば、ブロア、モータ、及び関連の吸気構造、フィルタ、ダクト、等）の必要性が排除される。このことは、ガスタービン発電システム１０の製造及び運用コスト、並びに全体の設置面積を削減する。設置面積は、過大圧縮機段６０が、外部ブロアシステムと共に用いられる場合が多い独立した専用吸気構造ではなく既存の吸気セクション１６を通じて空気を引き込むので、さらに削減される。

過大圧縮機段６０の使用は、より信頼性の高い効率的なガスタービン発電システム１０を提供する。例えば、混合領域３３の冷却のために用いられるバイパス空気は、ガスタービンシステム１２自体のシャフト２４により引き起こされるので、大型外部ブロアシステムはもはや必要とされない。さらに、過大圧縮機段６０から発生する公称空気流より多い空気流の少なくとも一部を用いてガスタービンシステム１２を過給することができる。

ガスタービン発電システム１０の所要動力は、過大圧縮機段６０がガスタービンシステム１２のシャフト２４に結合されてこれにより駆動されるので、低減される。この構成により、従来の外部ブロア冷却システムで一般に使用される大型ブロアモータの必要性が排除される。

種々の実施形態において、互いに「結合している」と記述された構成要素は、１又は２以上の界面に沿って接合することができる。幾つかの実施形態において、これらの界面は、異なる構成要素間の接合部を含むことができ、他の場合には、これらの界面は、強固に及び／又は一体に形成された相互接続を含むことができる。すなわち、幾つかの場合には、互いに「結合した」構成要素は、同時に形成されて単一の連続部材を定めることができる。しかしながら、他の実施形態において、これらの結合した構成要素は、別個の部材として形成され、その後、既知のプロセス（例えば、締結、超音波溶接、ボンディング）により接合することができる。

ある要素又は層が、別の要素の「上にある」、別の要素に「係合する」、「接続する」又は「結合する」と言及される場合、これは、直接、他の要素の上にある、他の要素に直接係合する、直接接続する又は直接結合する場合もあり、又は介在する要素が存在する場合もある。対照的に、ある要素が他の要素の「直接、上にある」、他の要素に「直接係合する」、「直接接続する」又は「直接結合する」と言及される場合、介在する要素又は層は存在し得ない。要素間の関係を説明する他の語も同様の仕方で解釈すべきである（例えば、「間」と「直接的な間」、「隣接」と「直接的な隣接」等、）。本明細書において用いる場合、「及び／又は」という用語は、１又は２以上の関連する列挙要素のいずれかの及び全ての組合せを含む。

本明細書で使用される用語は、単に特定の実施形態を説明するためのものに過ぎず、本開示を限定するものではない。本明細書で使用される場合、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。さらに、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又は２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。

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、また、当業者が、任意の装置又はシステムを作成すること及び使用すること並びに任意の組み込まれた方法を行うことを含めて、本開示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、あるいは、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。

１０：ガスタービン発電システム
１２：ガスタービンシステム
１４：排気処理システム（下流排気処理システム）
１６：吸気セクション
１８：圧縮機構成要素
２０：燃焼器構成要素
２２：タービン構成要素
２４：シャフト
２６：矢印
２８：発電機
３０：下流側端部
３２：排気ガス流
３３：混合領域
３４：下流方向
３６：ＣＯ触媒
３８：ＳＣＲ触媒
４０：アンモニア蒸発システム
４２：アンモニア注入グリッド
４４：スタック
４６：タンク
４８：ブロアシステム
５０：ヒータ
５２：アンモニア気化器
５４：ポンプシステム
５６：空気流発生システム
６０：過大圧縮機段
７０：バイパス・エンクロージャ
７２：空気通路
７４：空気抽出システム
７８：入口ガイドベーン
８０：アクチュエータ
８２：遠位端
８４：流れ方向付けシステム
８６：出口ガイドベーン
８８：アクチュエータ
９０：補助混合システム
９２：空気放出システム
９４：ダンパ
９６：空気出口
９８：アクチュエータ
１００：空気流制御装置
１０２：データ
１１０：弁
１１２：アクセスドア
１２０：ガスタービンケーシング
１２２：燃料／燃焼器入口
１２４：空気通路

Claims (14)

1. ガスタービンシステム（１２）のための空気流制御システムであって、
   過剰空気流を発生するための前記ガスタービンシステム（１２）の圧縮機構成要素（１８）と、
   前記ガスタービンシステム（１２）により生成された排気ガス流（３２）を受け入れるための混合領域（３３）と、
   前記ガスタービンシステム（１２）の前記圧縮機構成要素（１８）により発生した前記過剰空気流から供給バイパス空気を抽出するための空気抽出システム（７４）と、
   前記ガスタービンシステム（１２）を囲み、空気通路（７２、１２４）を形成するエンクロージャと、
   を備え、
   前記バイパス空気が、前記ガスタービンシステム（１２）の周りで前記空気通路（７２、１２４）を通って前記混合領域（３３）に流入して、前記排気ガス流（３２）の温度を下げるようになっている、空気流制御システム。
2. 前記ガスタービンシステム（１２）の前記圧縮機構成要素（１８）により発生された前記過剰空気流が、前記ガスタービンシステム（１２）の燃焼器構成（２０）及びタービン構成要素の流量容量よりも約１０％から約４０％大きい、請求項１に記載の空気流制御システム。
3. 前記ガスタービンシステム（１２）の前記圧縮機構成要素（１８）が、少なくとも１つの過大圧縮機段（６０）を含む、請求項２に記載の空気流制御システム。
4. 前記混合領域（３３）において前記バイパス空気を前記排気ガス流（３２）と混合するための混合システムをさらに備える、請求項２に記載の空気流制御システム。
5. 前記空気抽出システム（７４）が、少なくとも１つの入口ガイドベーン（７８）を備える、請求項１に記載の空気流制御システム。
6. 前記バイパス空気を前記混合領域（３３）の前記排気ガス流（３２）に向かってその中に入るように向かわせる流れ方向付けシステム（８４）をさらに備える、請求項１に記載の空気流制御システム。
7. 前記流れ方向付けシステム（８４）が、前記エンクロージャの内向きに湾曲した端部及び／又は少なくとも１つの出口ガイドベーン（８６）を備える、請求項６に記載の空気流制御システム。
8. 前記空気抽出システム（７４）が、前記過剰空気流のあらゆる非抽出部を前記圧縮機構成要素（１８）に分流して、前記ガスタービンシステム（１２）を過給するように構成される、請求項１に記載の空気流制御システム。
9. 前記温度が下がった排気ガス流（３２）を処理するための選択的触媒還元（ＳＣＲ）システムをさらに備える、請求項１に記載の空気流制御システム。
10. 前記エンクロージャが、前記ガスタービンシステム（１２）のケーシングを備える、請求項１に記載の空気流制御システム。
11. ターボ機械システムであって、
    過剰空気流を発生するための少なくとも１つの過大圧縮機段（６０）を含む圧縮機構成要素（１８）、燃焼器構成要素（２０）、及びタービン構成要素（２２）を含むガスタービンシステム（１２）と、
    前記ガスタービンシステム（１２）により生成された排気ガス流（３２）を受け入れるための混合領域（３３）と、
    前記圧縮機構成要素（１８）の前記少なくとも１つの圧縮機構成要素（１８）により発生した前記過剰空気流から供給バイパス空気を抽出するための空気抽出システム（７４）と、
    前記ガスタービンシステム（１２）を囲み、空気通路（７２、１２４）を形成するエンクロージャであって、前記バイパス空気が、前記ガスタービンシステム（１２）の周りで前記空気通路（７２、１２４）を通って前記混合領域（３３）に流入して、前記排気ガス流（３２）の温度を下げるようになっている、エンクロージャと、
    前記温度の下がった排気ガス流（３２）を処理するための排気処理システム（１４）と、
    を備え、
    前記排気処理システム（１４）が、選択的触媒還元（ＳＣＲ）システムを備える、ターボ機械システム。
12. 前記バイパス空気を前記混合領域（３３）の前記排気ガス流（３２）に向かってその中に入るように向かわせる流れ方向付けシステム（８４）をさらに備える、請求項１１に記載のターボ機械システム。
13. 前記流れ方向付けシステム（８４）が、前記エンクロージャの内向きに湾曲した端部及び／又は少なくとも１つの出口ガイドベーン（８６）を備える、請求項１２に記載のターボ機械システム。
14. 前記エンクロージャが、前記ガスタービンシステム（１２）のケーシングを備える、請求項１１に記載のターボ機械システム。