JP2017015085A - 発電システム排気冷却 - Google Patents
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Abstract
【課題】 発電システムの排気ガスを冷却する。【解決手段】 実施形態による発電システムは、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、吸気セクションを通して周囲空気流を引き込むために、ガスタービンシステムの下流でガスタービンシステムの回転膨張器シャフトに取り付けるための空気流発生システムと、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、空気流発生システムにより引き込まれた周囲空気流を混合領域に導いて前記排気ガス流の温度を下げるための流れ方向付けシステムと、温度が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ＮＯｘ）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ＮＯｘ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ＮＯｘ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。
複合サイクル（ＣＣ）発電システムは、本来的に高効率でありかつ設置費用の優位性から、発電事業者がこれを用いる場合がある。ＣＣ発電システムは、典型的には、ガスタービン、排熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ））、及び蒸気タービンを含む。排熱回収蒸気発生器は、ガスタービンからの熱排気ガスを用いて蒸気を作り出し、この蒸気が蒸気タービンを駆動する。ガスタービンと蒸気タービンとの組合せは、単独で可能な効率よりも高い効率をもたらす。
一日の中でも時間によって変化する電力網の需要に合致する動作の融通性は、ＣＣ発電システムにおける重要な考慮点である。太陽光及び風力などの間欠的エネルギー源が電力網に組み込まれるに伴い、この問題はより重要になってきている。この点に関して、化石燃料により動力供給されるＣＣ発電システムは、このような間欠的エネルギー源に対応するために必要に応じて出力を増減できることが必須である。
ＣＣ発電システムからの非定常状態の排出物（例えば始動中の）は、一般に監督機関により厳密に検査される。始動中、選択的触媒還元（ＳＣＲ）及び一酸化炭素（ＣＯ）触媒を使用する排出物制御装置は作動しない。蒸気タービンにおける熱応力を避けるために、ガスタービンを低負荷で保持してＨＲＳＧ入口温度を約７００°Ｆに制御する必要がある。ガスタービン負荷が低いほど排出物が高濃度になり、かつ排出物制御装置もまだ作動していないので、始動中の排出物は、定常状態動作における排出物よりも一桁高濃度になる場合がある。さらに、ガスタービンを低負荷でかなりの時間にわたって動作させると、極めて重要な始動期間中に電力網に供給される電力が制限される。
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、吸気セクションを通して周囲空気流を引き込むためにガスタービンシステムの下流でガスタービンシステムの回転膨張器シャフトに取り付けるための空気流発生システムと、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、空気流発生システムにより引き込まれた周囲空気流を混合領域に導いて前記排気ガス流の温度を下げるための流れ方向付けシステムと、を含む。
本開示の第２の態様は、ターボ機械システムを提供し、該ターボ機械システムは、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、吸気セクションを通して周囲空気流を引き込むためにガスタービンシステムの下流でガスタービンシステムの膨張器シャフトに結合されたファンと、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、空気流発生システムにより引き込まれた周囲空気流を混合領域に導いて排気ガス流の温度を下げるための、流れ方向付けシステムと、を含み、ファンは、ガスタービンシステムにより生成された排気ガス流を混合領域へ通すための内側半径方向段と、吸気セクションを通して周囲空気流を引き込むための外側半径方向段とを含む。
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、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、吸気セクションを通して周囲空気流を引き込むためにガスタービンシステムの下流でガスタービンシステムの膨張器シャフトに結合されたファンと、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、空気流発生システムにより引き込まれた周囲空気流を混合領域に導いて排気ガス流の温度を下げるための、流れ方向付けシステムと、を含み、ファンは、ガスタービンシステムにより生成された排気ガス流を混合領域へ通すための内側半径方向段と、吸気セクションを通して周囲空気流を引き込むための外側半径方向段とを含む。
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。
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）のブロック図である。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。膨張器シャフト１２４は、シャフト２４に結合することができる（又はシャフト２４の延長部分を含むことができる）。膨張器シャフト１２４は、タービン構成要素２２の下流側端部３０を越えて下流方向に延びる。膨張器シャフト１２４は、シャフト２４と同じ回転速度で回転することができ、又はシャフト２４とは異なる回転速度で回転するように構成することができる（例えば適切な歯車装置を用いて）。
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３６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３７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（ＮＯx）、硫黄酸化物（ＳＯx）、炭素酸化物（ＣＯx）、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ＮＯx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ＮＯx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、ＮＯx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内に貯蔵される）を蒸発させて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ＮＯx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ＮＯx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、例えば、ファン５６を含む空気流発生システムを設けることができる。図１に示すように、ファン５６は、ガスタービンシステム１２のタービン構成要素２２の下流の膨張器シャフト１２４に結合することができる。ファン５６は、吸気セクション１１６を通って引き込まれる（矢印１２６で示される）冷却空気（例えば、周囲空気）をもたらすように構成することができ、この冷却空気を用いて排気ガス流３２の温度をＳＣＲ触媒３８での使用に適したレベルまで下げることができる。ファン５６は、ガスタービンシステム１２の膨張器シャフト１２４に固定的に取り付ける（例えば、ボルト止め、溶接、等）ことができる。この点に関して、ファン５６は、膨張器シャフト１２４と同じ回転速度で回転するように構成される。
ファン５６は、複数の半径方向段を含むことができる。例えば、図１及び図２に示すように、ファン５６は、内側半径方向段５６Ａ及び外側半径方向段５６Ｂを含むことができる。ファン５６の内側半径方向段５６Ａは、ガスタービンシステム１２によって発生した排気ガス流３２を、圧力上昇なしで又は最小限の圧力上昇で混合領域３６へ流すように構成される。しかしながら、ファン５６の外側半径方向段５６Ｂは、吸気セクション１１６を通して周囲空気（矢印１２６）を引き込み、排気ガス流３２をＳＣＲ触媒３８での使用に適したレベルまで冷却するように構成される。実施形態において、排気ガス流３２は、混合領域３６内で、ファン５６の外側半径方向段５６Ｂによって引き込まれた周囲空気により約１１００°Ｆから約９００°Ｆ未満まで冷却される。移動式高温シール５８をファン５６上（例えばファン５６の内側半径方向段５６Ａ上）に設けて、熱排気ガス流３２が吸気セクション１１６へ漏出して周囲空気と混合することを防ぐことができる。
流れ方向付けシステム６０を設けて、ファン５６の外側半径方向段５６Ｂにより引き込まれた周囲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て（矢印６２）、混合を強化することができる。このような流れ方向付けシステム６０は、例えば、出口ガイドベーン、ステータ、ノズル、又は周囲空気流を混合領域３６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。
図２には例示的な流れ方向付けシステム６０が示される。この例において、流れ方向付けシステム６０は、複数のガイドベーン６４を含む。各ガイドベーン６４は、アクチュエータ６６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６６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６６は、電気機械式モータ、又はその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。アクチュエータ６６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、ガイドベーン６４の位置決めを選択的に変更することができる。すなわち、ガイドベーン６４は、アクチュエータ６６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、各ガイドベーン６４は、他のあらゆるガイドベーン６４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、ガイドベーン６４のグループが、他のガイドベーン６４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ガイドベーン６４が一緒に同量の回転をするように、２つ以上がグループでピボット運動する）。ガイドベーン６４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）は、空気流制御装置１００に提供することができる。空気流制御装置１００は、１又は２以上のガイドベーン６４の回転角度を調節して、混合領域３６に入る周囲空気の方向流を変更することができる。
補助混合システム６８（図１）を混合領域３６内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６８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。
図２に示すように、複数の入口ガイドベーン７２を含む入口ガイドベーン組立体７０を用いて、吸気セクション１１６を介してファン５６が利用できる空気量を制御することができる。各入口ガイドベーン７２は、独立したアクチュエータ７４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７４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７４は、電気機械式モータ、又はその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。
アクチュエータ７４を、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７２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７２は、アクチュエータ７４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７２は、他のあらゆる入口ガイドベーン７２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７２のグループが、他の入口ガイドベーン７２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７２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７２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。
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（図１）を用いて、ファン５６の外側半径方向段５６Ｂにより引き込まれる周囲空気の量を調節することができる。すなわち、ＳＣＲ触媒３８における温度を調節するために、ファン５６の外側半径方向段５６Ｂにより引き込まれる周囲空気の量を変更（例えば、空気流制御装置１００の制御下で入口ガイドベーン組立体７０を調整することにより）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３６に入る際の温度、混合領域３６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、ファン５６の外側半径方向段５６Ｂにより吸気セクション１１６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内の種々の位置において得られるその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、１１６内、入口ガイドベーン７２で、ファン５６で、圧縮機構成要素１８の入口で、タービン構成要素２２の下流側端部３０で、及びガスタービン発電システム１０内の種々のそ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の動作に関連するその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、ガイドベーン６４、入口ガイドベーン７２等に関連する位置情報をさらに受けることができる。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、混合領域３６に引き込まれる周囲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、ファン５６の外側半径方向段５６Ｂにより混合領域３６により引き込まれる周囲空気の流れ（この流れは、例えば、１又は２以上の入口ガイドベーン７２及びガイドベーン６４の位置を調整することにより及び／又は膨張器シャフト１２４の回転速度を高くすることにより制御することができる）を変更することにより達成することができる。
空気流制御装置１００は、混合領域３６に流入する周囲空気の流れを例えばデータ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。空気流制御装置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内の種々の構成要素（例えば、アクチュエータ６６、７４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、空気流制御装置１００により生成されるコマンドを用いて、アクチュエータ６６及び７４の動作を制御して、ガイドベーン６４及び入口ガイドベーン７２の回転位置をそれぞれ制御することができる。空気流制御装置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内のその他の制御設定を有効にすることもできる。
例示的なターボ機械システム（例えば複合サイクル（ＣＣ）発電システム１１０）のブロック図を図３に示す。実施形態によれば、図１に示す長方形８０で囲まれた上述の構成要素と同様の構成要素をＣＣ発電システム１１０で用いて、排熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧシステム１３０）に流入する排気ガス流３２の温度を下げることができる。
ＨＲＳＧシステム１３０は、一般に、ガスタービンシステム１２の排気ガス流３２から熱を回収して蒸気１３４を生成する熱交換器１３２を含む。蒸気１３４を用いて１又は２以上の蒸気タービンシステム１３６を駆動することができる。各蒸気タービンシステム１３６は、シャフト１３８を介して、電気を発生させるための１又は２以上の発電機１４０に結合することができる。ガスタービンシステム１２と蒸気タービンシステム１３６との組合せは、一般に、ガスタービンシステム１２又は蒸気タービンシステム１３６のいずれか単独よりもさらに効率的に電気を生成する。また、ＨＲＳＧシステム１３０から発生した蒸気１３４は、地域暖房又は他のプロセス加熱などの他のプロセスで利用することもできる。実施形態において、ＨＲＳＧシステム１３０は、ＨＲＳＧシステム１３０で発生する蒸気１３４の量及び／又は温度を高めるために、燃焼室１４６で燃料１４４（例えば天然ガス）を燃焼するように構成されたダクトバーナシステム１４２をさらに含むことができる。
様々な動作条件下でＨＲＳＧシステム１３０における排気ガス流３２の適切な温度を維持するために、空気流制御装置１００（図３）を用いて、吸気セクション１１６を通ってファン５６の外側半径方向段５６Ｂによって引き込まれる周囲空気の量を調節することができる。すなわち、ＨＲＳＧシステム１３０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、ファン５６の外側半径方向段５６Ｂによって引き込まれて混合領域３６に導かれる周囲空気の量を変更（例えば、空気流制御装置１００の制御下で）することができる。実施形態において、ガスタービンシステム１２により発生する排気ガス流３２の温度は、混合領域３６で、約１１００°Ｆから約６００°Ｆ−１０００°Ｆまで冷却される。
空気流制御装置１００は、ＣＣ発電システム１１０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３６に入る際の温度、混合領域３６で混合／冷却が生じた後のＨＲＳＧシステム１３０における排気ガス流３２の温度、ファン５６の外側半径方向段５６Ｂによって吸気セクション１１６に引き込まれる空気の温度、及びＣＣ発電システム１１０内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、１１６内、入口ガイドベーン７０で、ファン５６で、圧縮機構成要素１８の入口で、タービン構成要素２２の下流側端部３０で、及びガスタービン発電システム１０内の種々のその他の位置にて得られる、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、ガイドベーン６４、入口ガイドベーン７２等に関連する位置情報をさらに受けることができる。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、混合領域３６に引き込まれる周囲空気の量を必要に応じて変更して、ＨＲＳＧシステム１３０における温度を適切なレベル（例えば、約１１００°Ｆから約６００°Ｆ−１０００°Ｆまで）に維持するように構成される。これは、例えば、ファン５６の外側半径方向段５６Ｂによって混合領域３６へ引き込まれる周囲空気の流れ（この流れは、例えば、１又は２以上の入口ガイドベーン７２及びガイドベーン６４の位置を調整することにより、及び／又は膨張器シャフト１２４の回転速度を高めることにより制御することができる）を変更することにより達成することができる。
空気流制御装置１００は、混合領域３６に流入する周囲空気の流れを例えばデータ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。空気流制御装置１００により生成されるコマンドを用いて、ＣＣ発電システム１１０内の種々の構成要素（例えば、アクチュエータ６６、７４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、空気流制御装置１００により生成されるコマンドを用いて、アクチュエータ６６及び７４の動作を制御して、ガイドベーン６４及び入口ガイドベーン７２の回転位置をそれぞれ制御することができる。空気流制御装置１００により生成されるコマンドを用いて、ＣＣ発電システム１１０の他の制御設定を有効にすることもできる。
以下、図３及び図４を参照して、ＣＣ発電システム１１０の始動動作及び正常な定常状態動作の例を提示する。
（始動動作）
従来のＣＣ発電システムにおける始動プロセス時、ガスタービンは、より低負荷（例えば、最小排出適合負荷（ＭＥＣＬ）と比べて）に留まる必要があり、その結果、より高濃度のＮＯx及びＣＯ排出物がもたらされる。これは、例えば、蒸気タービンに流入する蒸気の温度を約７００°Ｆに維持して蒸気タービンにおける熱応力を回避するために行われる。この低負荷は、図４においてポイント「Ａ」で示される。
（始動動作）
従来のＣＣ発電システムにおける始動プロセス時、ガスタービンは、より低負荷（例えば、最小排出適合負荷（ＭＥＣＬ）と比べて）に留まる必要があり、その結果、より高濃度のＮＯx及びＣＯ排出物がもたらされる。これは、例えば、蒸気タービンに流入する蒸気の温度を約７００°Ｆに維持して蒸気タービンにおける熱応力を回避するために行われる。この低負荷は、図４においてポイント「Ａ」で示される。
対照的に、実施形態によれば、ガスタービンシステム１２の排気ガス流３２に冷却用周囲空気を導くための回転ファン５６を含むＣＣ発電システム１１０において、ガスタービンシステム１２は、より高い排気温度のより高い負荷（図４においてポイント「Ｂ」で示される）に留まることができる。より高い排気温度では、排気ガス流３２中のＮＯx及びＣＯ排出物はより低濃度になる。ガスタービンシステム１２の排気ガス流３２の温度は、ファン５６を用いることによりもたらされる周囲空気を用いて制御することができ、ＨＲＳＧシステム１３０において約７００°Ｆの入口温度が可能になる。このことは、より低濃度の始動時ＮＯx及びＣＯ排出物につながり、かつ始動時のガスタービンシステム１２の出力向上を助ける。図４のポイントＡとポイントＢとを比較すると、例えば、ガスタービンシステム１２は、従来のガスタービンシステム（ポイントＡ）より高温及び高負荷で動作（ポイントＢ）するが、依然としてＨＲＳＧシステム１３０において約７００°Ｆの入口温度を可能にすることが容易に分かる。
（通常動作）
通常動作時、ファン５６によって供給されてガスタービンシステム１２の排気ガス流３２に混合される周囲空気は、ＨＲＳＧシステム１３０への流れを増大させかつ流れの温度を下げる。このことは、ＨＲＳＧシステム１３０の管温度限界（例えば約１６００°Ｆ）に達することなくダクトバーナシステム１４２における高いファイアリングを可能にする。これはまた、ＣＣ発電システム１１０のボトミングサイクルからの出力を高めることも可能にする。実施形態において、ＣＣ発電システム１１０の出力は、従来のＣＣ発電システム（すなわちファン５６なし）の出力と比べて例えば１０％から１５％高めることができる。
（通常動作）
通常動作時、ファン５６によって供給されてガスタービンシステム１２の排気ガス流３２に混合される周囲空気は、ＨＲＳＧシステム１３０への流れを増大させかつ流れの温度を下げる。このことは、ＨＲＳＧシステム１３０の管温度限界（例えば約１６００°Ｆ）に達することなくダクトバーナシステム１４２における高いファイアリングを可能にする。これはまた、ＣＣ発電システム１１０のボトミングサイクルからの出力を高めることも可能にする。実施形態において、ＣＣ発電システム１１０の出力は、従来のＣＣ発電システム（すなわちファン５６なし）の出力と比べて例えば１０％から１５％高めることができる。
実施形態において、いくつかのパラメータを調節してＣＣ発電システム１１０の出力を制御することができ、該パラメータは、
１）ファン５６の回転状態、
２）排気ガス流３２を冷却するために混合領域３６に供給される周囲空気の量、
３）ダクトバーナシステム１４２のファイアリングの量（例えば、周囲空気が排気ガス流３２に注入された後に排気ガス流の温度を目標レベルまで動かすため）、及び
４）ガスタービンシステム１２のオーバーファイアリング又はアンダーファイアリングの量（トッピングサイクルにおいて実現可能な限り多くのエネルギーを提供するため）
を含む。
１）ファン５６の回転状態、
２）排気ガス流３２を冷却するために混合領域３６に供給される周囲空気の量、
３）ダクトバーナシステム１４２のファイアリングの量（例えば、周囲空気が排気ガス流３２に注入された後に排気ガス流の温度を目標レベルまで動かすため）、及び
４）ガスタービンシステム１２のオーバーファイアリング又はアンダーファイアリングの量（トッピングサイクルにおいて実現可能な限り多くのエネルギーを提供するため）
を含む。
開示されたＣＣ発電システム１１０によって多くの利点を提供することができる。例えば、ＨＲＳＧ管温度限界に達することなく高ダクトバーナ・ファイアリングが可能であり、その結果より高いボトミングサイクル出力が得られる。さらに、ガスタービンシステム１２は、始動時に、より高負荷のポイントで運転することができる。この結果、より低濃度の排出物、及び蒸気タービンシステム１３６で必要とされる温度より高温の排気ガス流３２が得られる。さらにまた、周囲空気温度の変化を補償するために、迅速な調整（例えば、入口ガイドベーン７２及び／又はガイドベーン６４を用いる）を行うことができる。
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ファン５６を含む空気流発生システムを使用することは、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及びＣＣ発電システム１１０の製造及び運用コスト、並びに全体としての設置面積を削減する。
ファン５６の使用は、信頼性の高い効率的なガスタービン発電システム１０及びＣＣ発電システム１１０を可能にする。例えば、混合領域３６の冷却のために用いられる周囲空気は、ガスタービンシステム１２の膨張器シャフト１２４により駆動されるので、大型外部ブロアシステムはもはや必要ない。
ガスタービン発電システム１０及びＣＣ発電システム１１０の所要動力は、ファン５６がガスタービンシステム１２の膨張器シャフト１２４に結合されてこれにより駆動されるので、削減される。この構成は、従来の外部ブロア冷却システムにおいて一般に使用される大型ブロアモータの必要性を排除する。
図５は、別の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１０の概略図である。この実施形態において、吸気セクション１６は、吸気セクション１６に流体結合している。入口ガイドベーン組立体７０を用いて、ファン５６によって吸気セクション１１６を介して引き込まれる冷却空気（例えば周囲空気）の量を制御することができる。
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
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
３４：下流方向
３６：混合領域
３７：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：ファン
５６Ａ：内側半径方向段
５６Ｂ：外側半径方向段
５８：移動式高温シール
６０：流れ方向付けシステム
６２：矢印
６４：ガイドベーン
６６：アクチュエータ
６８：補助混合システム
７０：入口ガイドベーン組立体
７２：入口ガイドベーン
７４：アクチュエータ
８０：長方形
１００：空気流制御装置
１０２：データ
１１０：ＣＣ発電システム
１１６：吸気セクション
１２４：膨張器シャフト
１２６：矢印
１３０：ＨＲＳＧシステム
１３２：熱交換器
１３４：蒸気
１３６：蒸気タービンシステム
１３８：シャフト
１４０：発電機
１４２：ダクトバーナシステム
１４４：燃料
１４６：燃焼室
１２：ガスタービンシステム
１４：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
３４：下流方向
３６：混合領域
３７：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：ファン
５６Ａ：内側半径方向段
５６Ｂ：外側半径方向段
５８：移動式高温シール
６０：流れ方向付けシステム
６２：矢印
６４：ガイドベーン
６６：アクチュエータ
６８：補助混合システム
７０：入口ガイドベーン組立体
７２：入口ガイドベーン
７４：アクチュエータ
８０：長方形
１００：空気流制御装置
１０２：データ
１１０：ＣＣ発電システム
１１６：吸気セクション
１２４：膨張器シャフト
１２６：矢印
１３０：ＨＲＳＧシステム
１３２：熱交換器
１３４：蒸気
１３６：蒸気タービンシステム
１３８：シャフト
１４０：発電機
１４２：ダクトバーナシステム
１４４：燃料
１４６：燃焼室
Claims (20)
- 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、
吸気セクション（１６）を通して周囲空気流を引き込むために、前記ガスタービンシステム（１２）の下流で前記ガスタービンシステム（１２）の回転膨張器シャフト（１２４）に取り付けるための空気流発生システムと、
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（３６）と、
前記空気流発生システムにより引き込まれた前記周囲空気流を前記混合領域（３６）に導いて前記排気ガス流（３２）の温度を下げるための、流れ方向付けシステム（６０）と、
を含む、空気流制御システム。 - 前記空気流発生システムがファンを含む、請求項１に記載の空気流制御システム。
- 前記ファンが、
前記ガスタービンシステムにより生成された前記排気ガス流を前記混合領域へ通すための内側半径方向段と、
前記吸気セクションを通して前記周囲空気流を引き込むための外側半径方向段と
を含む、請求項２に記載の空気流制御システム。 - 前記ファン上に、前記排気ガス流が前記吸気セクションに流入するのを防止するための移動式シールをさらに含む、請求項３に記載の空気流制御システム。
- 前記吸気セクションを通って前記ファンの前記外側半径方向段に至る前記空気流を制御するための入口ガイドベーンシステムをさらに含む、請求項３に記載の空気流制御システム。
- 前記流れ方向付けシステムが、前記ファンの前記外側半径方向段により引き込まれた前記周囲空気を所定の角度で前記排気ガス流に向けてその中に入れるように構成される、請求項３に記載の空気流制御システム。
- 前記流れ方向付けシステムが、ガイドベーンシステムを含む、請求項６に記載の空気流制御システム。
- 前記温度が下がった排気ガス流を処理するための選択的触媒還元（ＳＣＲ）システムをさらに含む、請求項１に記載の空気流制御システム。
- 温度が下がった前記排気ガス流を処理するための排熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）システムをさらに含む、請求項１に記載の空気流制御システム。
- 前記吸気セクションが前記ガスタービンシステムの吸気セクションに結合される、請求項１に記載の空気流制御システム。
- ターボ機械システムであって、
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、
吸気セクション（１６）を通して周囲空気流を引き込むために、前記ガスタービンシステム（１２）の下流で前記ガスタービンシステム（１２）の膨張器シャフト（１２４）に結合されたファン（５６）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（３６）と、
前記空気流発生システムにより引き込まれた前記周囲空気流を前記混合領域（３６）に導いて前記排気ガス流（３２）の温度を下げるための、流れ方向付けシステム（６０）と、
を備え、
前記ファン（５６）が、前記ガスタービンシステム（１２）により生成された前記排気ガス流（３２）を前記混合領域（３６）へ通すための内側半径方向段（５６Ａ）と、前記吸気セクション（１６）を通して前記周囲空気流を引き込むための外側半径方向段（５６Ｂ）とを備える、ターボ機械システム。 - 前記ファン上に、前記排気ガス流が前記吸気セクションに流入するのを防止するための移動式シールをさらに含む、請求項１１に記載のターボ機械システム。
- 前記吸気セクションを通って前記ファンの前記外側半径方向段に至る前記空気流を制御するための入口ガイドベーンシステムをさらに含む、請求項１１に記載のターボ機械システム。
- 前記流れ方向付けシステムが、前記ファンの前記外側半径方向段によって引き込まれた前記周囲空気を所定の角度で前記排気ガス流に向けてその中に入れるように構成される、請求項１１に記載のターボ機械システム。
- 前記流れ方向付けシステムが、ガイドベーンシステムを含む、請求項１４に記載のターボ機械システム。
- 前記温度が下がった排気ガス流を処理するための選択的触媒還元（ＳＣＲ）システムをさらに含む、請求項１１に記載のターボ機械システム。
- 前記温度が下がった排気ガス流を処理するための排熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）システムをさらに含む、請求項１１に記載のターボ機械システム。
- 発電システムであって、
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、
前記タービン構成要素（２２）により駆動されるシャフト（２４）と、
電気を発生させるために前記シャフト（２４）に結合した発電機（２８）と、
吸気セクション（１６）を通して周囲空気流を引き込むために、前記ガスタービンシステム（１２）の下流で前記ガスタービンシステム（１２）の膨張器シャフト（１２４）に結合されたファン（５６）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（３６）と、
前記空気流発生システムにより引き込まれた前記周囲空気流を前記混合領域（３６）に導いて前記排気ガス流（３２）の温度を下げるための、流れ方向付けシステム（６０）と、
を備え、
前記ファン（５６）が、前記ガスタービンシステム（１２）により生成された前記排気ガス流（３２）を前記混合領域（３６）へ通すための内側半径方向段（５６Ａ）と、前記吸気セクション（１６）を通して前記周囲空気流を引き込むための外側半径方向段（５６Ｂ）とを備える、発電システム。 - 前記温度が下がった排気ガス流を処理するための選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム、又は
前記温度が下がった排気ガス流を処理するための排熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）システムをさらに含む、請求項１８に記載の発電システム。 - 前記ファン上に、前記排気ガス流が前記吸気セクションに流入するのを防止するための移動式シールをさらに含む、請求項１８に記載の発電システム。
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