JP4922348B2 - パワー増大システム用のスキッド構造 - Google Patents

Description

本開示は、ガスタービンのパワー増大に関する。特に、パワー増大システムに適合した予備充填システムを備える流体供給スキッドは、ガスタービンのパワーを増大させるために、吸気がガスタービンに進入するときに吸気を飽和させ冷却する流体注入装置に、流体を供給する。

吸気を加湿し冷却するガスタービンのパワー増大プロセスが、ガスタービンのパワーをより多く発生させるために、実施されている。水が吸気に添加され、ガスタービンに空気が進入するときに空気を飽和させ、冷却する。空気は、冷たいほど、従って、高密度であるほど、ガスタービンのパワーを増大させる。パワー増大システムは、コントローラと、流体供給スキッドと、複数のスプレー配列を有する注入装置と、を備えることができる。コントローラは、流体供給スキッドに命令を送り、流体供給スキッドは、流体を注入装置に供給する。

米国特許第６，７１８，７７１号 米国特許第６，６４４，９３５号 米国特許第３，９７６，６６１号

高圧流体を発生するポンプは、流体供給スキッドの一部として利用され、注入装置のスプレー配列から、所要の小直径の水滴の噴霧を生成して、放出する。水滴は、ガスタービンに対する潜在的な損傷を最小にすると共に、ガスタービン入口内部の蒸発速度を最大にするために、小さな直径であることが必要である。もし１つのスプレー配列しか使用されないなら、ポンプが高圧となるため、ポンプの運転範囲が制限される。単一のスプレー配列は、通常、最小流の１．３倍の水流の運転流量範囲を有する。しかしながら、パワー増大に必要な温度及び湿度条件をカバーするためには、最小流の２〜３倍の水の流量範囲が必要である。スプレー配列の最小流量に対して２〜３倍の水流範囲を満たすために、パワー増大システムには、複数のステージを利用するものがある。各ステージが、それぞれ１つのポンプを備え、異なった水流範囲となるように独立にオンオフの切り替えをされ、必要な水流範囲をカバーする。各ポンプは、一定速度に保持され、未使用の流量を、再循環プロセスの一部として、その入口で受け取る。しかしながら、このようなシステムは、複数のポンプを必要とし、パワー増大システムのコストを増加させ、流体供給スキッドのサイズを増加させる。例えば、１つのシステムが、６つ以上ものポンプを必要とする可能性がある。更に、複数のポンプ構成は、冗長性の付加を困難にする。未使用の流れを利用する必要がある再循環プロセスでは、再循環弁を必要とするが、再循環弁は、通常、腐食の恐れがあり、信頼性が低いことになる。従って、ガスタービンのパワー増大のために高圧流体をより効率的、効果的に供給するシステムが求められている。

パワー増大システム用に適合した予備充填システムを備える流体供給スキッドは、運転状態と停止状態とを有する１つ以上のステージを含む。各ステージは、第１の弁と第２の弁とを含み、それぞれの弁は、開放位置と閉鎖位置とを有する。運転状態では、流体は、ステージ内に受け入れられ、第１の所望のレベルまで加圧され、放出される。流体が受け入れられ加圧される場合は、第１の弁は開放位置で、第２の弁は閉鎖位置である。流体が放出される場合は、第１の弁は閉鎖位置で、第２の弁は開放位置である。停止状態では、少なくとも流体の大部分がステージから放出されないように、少なくとも第２の弁が閉鎖位置にある。

ガスタービンの出力パワーを増大させるパワー増大システムは、運転状態と停止状態とを有する１つ以上のステージからなる流体供給スキッドを備え、流体供給スキッドは、予備充填システムを含む。各ステージは、第１の弁と第２の弁とを含み、それぞれの弁は、開放位置と閉鎖位置とを有する。流体供給スキッドに接続されたポンプが、各ステージに対して流体を供給する。制御ユニットが、ステージの運転又は停止のためにポンプを制御する。流体源が、流体を、ステージに供給する。運転は、ステージの予備充填弁を開放する段階と、ステージを流体で満たし、流体を加圧する段階と、予備充填弁を閉鎖する段階と、主弁を開放して流体を放出させる段階と、を含み、停止は、主弁の閉鎖を必要とする。この放出された流体をガスタービンに供給する注入装置が、本システムのステージに接続されている。

流体を流体供給スキッドから注入装置に供給する方法は、スキッドのステージを運転する段階を含む。ステージは、第１の弁と第２の弁とを備え、それぞれの弁が開放位置と閉鎖位置とを有する。ステージを運転する段階は、第１の弁が開放位置にあり、第２の弁が閉鎖位置にある状態において、ステージを流体で充填する段階と、ステージの流体を第１の所望のレベルまで加圧する段階と、を含む。流体は、第１の弁が閉鎖位置にあり、第２の弁が開放位置にある状態で、放出される。

流体供給スキッドの一実施形態の詳細を示す図である。 流体供給スキッドの一実施形態の詳細を示す図である。 パワー増大システムの一実施形態の詳細を示す図である。 流体を流体供給スキッドから注入装置に供給する一実施形態の、方法の一実施形態を示すフローチャートである。 ガスタービンに利用されるパワー増大システムの一実施形態の詳細を示す図である。

本開示は、流体を注入装置に供給する流体供給スキッドに関する。注入装置は、ガスタービンのパワー増大のために、例えば、流体を供給してガスタービンの吸気を冷却、加湿する。

図１は、流体を供給する予備充填システム１００を有する流体供給スキッド１０の一実施形態を示す。図２を参照すれば、流体を供給する流体供給スキッド１０の更なる一実施形態が示されている。

流体供給スキッド１０は、１つ以上のステージ１６０を含み、それぞれのステージ１６０は、運転状態と停止状態とを有する。それぞれのステージ１６０は、予備充填システム１００の予備充填弁１４０などの第１の弁と、主弁１２０などの第２の弁と、を備える。各予備充填弁１４０と各主弁１２０とは、開放位置と閉鎖位置とを有する。ステージ１６０の予備充填弁１４０と主弁１２０とは、流体供給スキッド１０から流体を供給するために、同一箇所に対して並列に接続されている。

運転状態では、流体は、ステージ１６０内に受け入れられ、第１の所望のレベルまで加圧され、放出される。流体がステージ１６０内に受け入れられ加圧されるときに、予備充填弁１４０は、開放位置にあり、主弁１２０は、閉鎖位置にある。特定の実施例では、第１の所望の圧力に到達する前に、流体のわずかな部分が、流体供給スキッド１０に接続されたスプレー装置から漏洩する可能性がある。漏洩は、ある量の流体がステージ１６０に進入すると即座に発生する可能性がある。流体がステージ１６０から放出されるとき、予備充填弁１４０は、閉鎖位置にあり、主弁１２０は、開放位置にある。

更に、運転状態では、予備充填弁１４０が閉鎖位置にあり、主弁１２０が開放位置にある状態で、添加流体がステージ１６０内に受け入れられ、第２の所望のレベルまで加圧され、放出される。前述と同様に、特定の実施例では、第２の所望の圧力レベルに到達する前に、流体の一部が放出される可能性がある。ステージ１６０の停止状態では、流体の大部分がステージ１６０から放出されないように、少なくとも主弁１２０が閉鎖位置にある。

予備充填弁１４０は、第１のポンプによって流体を供給され、主弁１２０は、第２のポンプによって流体を供給されるが、他の実施例では、これと同一の目的に対して単一のポンプを利用することができる。１つ以上のポンプを並列にグループ化して、ポンプの出力ラインが単一の出力ラインに纏められるようにすることができる。予備充填システム１００は、複数のステージ１６０を含むことができ、同一のポンプ、又はポンプのグループが、各ステージ１６０に液体を供給する。ポンプは、１つ以上のポンプユニットを備えることができる。

図１の一実施形態における流体供給スキッド内では、可変周波数駆動（ＶＦＤ）ポンプユニット１１０として示された第２のポンプの一実施形態が、主弁１２０に流体を供給するために、弁ライン１５０によって各ステージ１６０に接続されている。ＶＦＤポンプユニット１１０は、添加流体を供給するために、又は、ステージ１６０内の流体に対する圧力を第２の所望のレベルに上昇させるために、作動する。ＶＦＤポンプユニット１１０の周波数が、ポンプ速度を決定し、この周波数は、制御可能である。ＶＦＤポンプユニット１１０は、添加流体を高圧レベルまで昇圧することができる。例えば、ＶＦＤポンプユニット１１０は、添加流体を約１００バール（１５００ｐｓｉ）以上のレベルまで加圧することができる。ＶＦＤポンプユニット１１０は、例えば、周囲の天候条件に基づいたレベルまで、添加流体を加圧することができる。添加流体を加圧するレベルを決定するために、別の要因を考慮することもできる。高圧は、小さな直径を有する液滴を生成するのに有利である。例えば、液滴の直径は、４０ミクロン未満とすることができる。

例えば、予備充填ポンプユニット１３０などの第１のポンプの一実施形態は、予備充填弁１４０に液体を供給するために、弁ライン１５０によって予備充填システムの各ステージ１６０に接続されている。予備充填ポンプユニット１３０は、例えば、流体を第１の所望のレベルまで加圧する低圧ポンプとすることができる。例えば、運転状態では、予備充填ポンプユニット１３０は、予備充填弁１４０が開放位置で主弁１２０が閉鎖位置の状態で、流体を第１の所望のレベルまで加圧することができる。第１の所望のレベルに到達した後、予備充填弁１４０を閉鎖位置に制御することができる。

運転時には、予備充填システム１００を有する一実施形態の流体供給スキッド１０のような流体供給スキッドは、流体源から流体を供給される。更に、予備充填システム１００を備える流体供給スキッド１０は、加圧された流体を所望の流量で供給する。所望の流量で加圧された流体は、図１の出力矢印によって示されているように、流体供給スキッド１０から放出され、主弁１２０の出口から、注入装置又は他の装置又は他の構造に、供給され又は注入される。例えば、各ステージ１６０は、各主弁１２０から延びる供給ラインから、注入装置のスプレー配列に対して接続することができる。

流れの変化に伴って、利用される注入装置のノズルの数も変化する。１つ以上のステージ１６０を運転することにより、加圧された流体が、所望の流量で、所望の装置に供給される。１つ以上のステージ１６０が運転されて、流量を増加することができ、１つ以上のステージ１６０が停止されると、噴霧の供給を許容パラメータ内に維持しつつ、流量を低減することができる。ステージ１６０は、ステージ１６０の主弁１２０を閉鎖することによって停止される。ステージ１６０の運転は、予備充填弁１４０を開放してステージ１６０に流体を充填し、例えば、予備充填ポンプユニット１３０によってステージ１６０の流体を第１の所望のレベルまで加圧する段階を含む。ステージ１６０の流体は、例えば、６バールまで加圧することができる。ステージ１６０の充填と加圧が完了したら、予備充填弁１４０が閉鎖され、主弁１２０が開放される。ステージ１６０の運転は、添加流体がステージ１６０内に受け入れられ、例えば、ＶＦＤポンプユニット１１０により、第２の所望のレベルまで加圧され、予備充填弁１４０が閉鎖位置で主弁１２０が開放位置の状態で放出される段階を、更に含む。流体は、第２の所望の圧力レベルに到達する前に、放出され始める。更に、特定の実施例では、弁１４０及び１２０を開放する前に、わずかな量の流体が、予備充填弁１４０と主弁１２０とから漏洩してもよい。従って、ステージ１６０が、利用されなかった後であって空である場合には、予備充填ポンプユニット１３０が、例えば、流体源からの流体でステージ１６０を充填し、ステージ１６０の主弁１２０が開放される前に、ステージ１６０を第１の所望のレベルまで加圧する。ステージ１６０内に残っている量の空気も、迅速に加圧される。この結果、ステージ１６０が運転されていようと、又は停止されていようと、流体供給スキッド１０からの流体の流れが、確実に均一に継続される。予備充填弁１４０と主弁１２０のような第１の弁と第２の弁とが含まれていない場合には、ステージ１６０は、運転の前は、空気によって満たされており、従って、抵抗が小さい。抵抗が小さいため、主弁１２０を開放すると、流体の流れは、即座にステージ１６０に導かれる。流体の流れを、新たに開放された主弁１２０に流すことは、新たに運転されたステージ１６０の空気が除去されるまで、その他の主弁１２０からの流体の流れが止まることになる。予備充填ポンプユニット１３０やＶＦＤポンプユニット１１０などの単一のポンプユニットは、所望の流量範囲をカバーするが、圧力の範囲はカバーしない。従って、ステージ１６０は、ポンプによって供給される流量と圧力とをマッチングさせるように組み込まれており、注入装置のスプレーノズルは、所望の小さな流体滴を生成することができる。１つのステージ１６０は、供給される流体がスプレー配列によってガスタービンに注入されなくても、運転される。更に、流体は、基本的に非圧縮性であるから、流体を低圧から高圧に移行させるには、流量は最小限でよい。従って、１つのステージ１６０を運転しているということは、スキッド１０内の圧力が非常に迅速に変化するために、流体の流れをほとんど中断することがない。

ｎ個のステージから構成された予備充填システム１００を含む流体供給スキッド１０では、ｎ個のポンプユニットの代わりに、１つのポンプユニットとｎ個の弁により、所望の流量範囲と圧力範囲が達成される。弁は、ポンプよりもずっと費用効果があり、予備充填弁１４０と主弁１２０などのオンオフ弁は、再循環弁よりもずっと費用効果があるので、予備充填システム１００によって、大きな費用上の利益が得られる。

アキュムレータ１７０を、流体供給スキッド１０の各ステージ１６０の、主弁１２０に対して接続することができる。アキュムレータ１７０は、流体が放出される場合に、新たに運転されたステージ１６０の迅速な加圧を支援するために作動する。ステージ１６０は、主弁１２０の開放の前に、その大部分が流体によって充填されているが、アキュムレータ１７０は、流体を更に加圧し、ステージ１６０内に残っている空気を加圧することによって、加圧プロセスを強化する。ステージ１６０の運転後に、アキュムレータ１７０は、再充填が必要である。再充填の際に、アキュムレータ１７０は、運転されたステージ１６０からの流体の流れをそらせるかもしれない。流量計１８０は、アキュムレータ１７０の下流に配置され、流体供給スキッド１０に、主弁１２０に対して接続され、アキュムレータ１７０が再充填される際に、流体の流量の減少を検出する働きをする。流体の流量の減少を検知すると、流量計１８０は、ＶＦＤポンプユニット１１０のポンプ速度を上昇させ、流量の減少を補償することができる。流量計１８０は、アキュムレータ１７０の再充填の後、ポンプ速度を安定状態速度に戻す。新たなステージ１６０を開放し、流路面積を増加させた（即ち、流量が増大する）場合には、システム１００が必要とする圧力が低下し、従って、アキュムレータは、流れを「アンロード（ｕｎｌｏａｄ）」する。これにより、ポンプ１１０の速度は低下する。利用可能な流れの面積を低減すれば（即ち、システムを通る流れが減少すれば）、反対の効果が生じる。

ある実施形態では、アキュムレータ１７０は組み込まれておらず、この代わりに、弁がステージ１６０の下流端部に配置されている。このケースでは、予備充填操作を実行するには、上流及び下流の弁を開放し、スキッド１０からすべての空気を外部に排出する。スキッド１０の空気排出が完了したら、下流の弁は閉鎖され、予備充填ポンプユニット１３０がバックアップされる。圧力が適切なレベルまで上昇した後、予備充填弁１４０を閉鎖し、主弁１２０を開放する。この結果、空気の量が、事実上、ゼロに低減される。アキュムレータ１７０を除去することは、システム１００からキャパシタンスを除去することである。或いは、アキュムレータ１７０は、流量計１８０用の流れを均一化するために導入されることもあるが、この役目の実行だけならば、アキュムレータを、かなり小さなサイズにすることができよう。

次に図３を参照すれば、パワー増大システム２００の一実施形態の図が示されている。一実施形態におけるパワー増大システム２００は、例えば、ガスタービンに対する補助的な機能として利用される。図３に示すように、一実施形態におけるパワー増大システム２００は、予備充填システム１００の一実施形態と、流体供給スキッド１０と、を備えることができ、これらは、図１を参照して前述した１つ以上のステージ１６０を備え、供給源から流体を受け取り、加圧された流体を指定の流量で供給先に供給する。水又は任意のその他の液体である加圧された流体は、例えば、ガスタービンの吸気経路内に注入され、ガスタービンに空気が入るときに、空気を飽和させ、冷却し、これにより、ガスタービンのパワー出力を増大させることができる。

パワー増大システム２００は、制御信号を、例えば、予備充填システム１００を備える流体供給スキッド１０などの流体供給スキッドの一実施形態に供給する、制御ユニット２１０を備える。制御ユニット２１０は、信号供給線２１５を介してＶＦＤポンプユニット１１０及び予備充填ポンプユニット１３０に接続され、ユニット１１０及び１３０の運転を制御する。特に、制御ユニット２１０は、流体供給スキッド１０の様々なステージ１６０を運転又は停止するために作動し、流体供給スキッド１０から、流体を所望の流量で供給又は放出する。１つ以上のステージ１６０を運転した後、流体を、新たな流量で放出することができ、この新たな流量は、運転の全過程を通じて変更可能である。

制御ユニット２１０は、例えば、制御室又はパネルから制御可能である。制御ユニット２１０は、手動制御とプログラマブル制御とを備えることができ、信号供給線２１５を介してＶＦＤポンプユニット１１０と予備充填ポンプユニット１３０の運転を可能にする。制御ユニット２１０は、記憶手段２２０を備えることができる。記憶手段２２０は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）又は、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）などの不揮発性メモリを備えることができる。当業者であれば、記憶手段が、データの一時的な又は永久的な保存のための様々なタイプの物理的装置を備えることができ、この物理的装置は、半導体、磁気、光学、及び組み合わせ型の装置を含むが、これらに限定されないことを、容易に理解できるであろう。例えば、記憶手段２２０は、ＤＲＡＭ、ＰＲＯＭＳ、ＥＰＲＯＭＳ、ＥＥＰＲＯＭＳ、フラッシュメモリ、及びこれらに類似したものなどの、１つ以上の物理的装置を使用して実施することができる。記憶手段２２０は、コンピュータプログラムプロダクトを更に備えることができ、コンピュータプログラムプロダクトは、コンピュータプログラムプロダクトがコンピュータ装置上で稼働した場合に実施形態に従った方法を実行するソフトウェアコード含み、この方法は、例えば、ノズルに供給される流体の流量を制御するために、予備充填システム１００の主弁１２０又は予備充填弁１４０などの弁の開放を制御する段階を含む。制御ユニット２１０は、予備充填ポンプユニット１３０及びＶＦＤポンプユニット１１０を運転して特定の圧力にすることによって、また、パワー増大のために利用される特定のノズルを制御することによって、パワー増大で使用する水流を制御することができる。更に、パワー増大のために、少なくとも１つのノズルが、運転又は停止され、パワー需要及び周囲の天候条件に対応する適切な流量を達成する。パワー増大を開始する場合には、制御ユニット２１０は、計算された空気の流量に基づいて、水の注入レベルを計算することができる。この空気流量は、次に、ターゲットの相対湿度レベルを計算するのに利用され、注入する水の量を決定する。この計算は、次に、水注入量が安定した流れに収束するように水量が計画された、繰返し計算をする。更に、制御ユニット２１０は、供給された実際の流量との比較で、計画された流量を監視する。実際の圧力が予想レベルを上回る場合には、ノズル遮断警報をオペレータに伝える。実際の圧力が予想圧力を下回る場合には、漏洩チェック警報をオペレータに伝える。

ステージ１６０を運転する操作では、制御ユニット２１０は、流体を流体供給スキッド１０から供給する流量を決定する。この決定は、１つ以上の要因に基づいてよい。例えば、周囲の天候条件は、特定の流量に対する必要性を決定する。流量を決定する代わりに、制御ユニット２１０は、例えば、制御室又はオペレータから流量の指定を受けることもできる。

流体供給スキッド１０から供給する流体の、決定された流量に基づいて、制御ユニット２１０は、決定された流量をスキッド１０から得るために、必要なステージ１６０を決定し、運転する。例えば、特定の流量は、３つのステージ１６０を運転することを必要とする。次に、もし決定された流量が減少した場合には、新たな流量は、新たな流量となるために、例えば１つ以上のステージ１６０の停止を必要とする。

制御ユニット２１０は、ステージ１６０の予備充填弁１４０を開放することによって、ステージ１６０を運転する操作を行う。或いは、予備充填弁１４０を手動で開放してもよい。次に、予備充填ポンプユニット１３０を制御ユニット２１０によって制御し、制御ユニット２１０は、予備充填ポンプユニット１３０を運転してステージ１６０を流体で充填し、ステージを第１の所望のレベルまで加圧するが、第１の所望のレベルは、低圧であってよい。流体は、流体源２６０から供給され、流体源２６０は、制御ユニット２１０によって制御され、ポンプユニットに流体を供給する。ステージ１６０を充填し、ステージ１６０の流体を加圧した後、ステージ１６０の予備充填弁１４０は、例えば、制御ユニット２１０又は手動操作によって、閉鎖される。ステージ１６０の主弁１２０は、手動で開放されるか、又は、制御ユニット２１０によって開放される。ＶＦＤポンプユニット１１０は、制御ユニット２１０によって制御され、流体源２６０から受け取った添加流体を、所定の流量で添加流体を供給するのに必要な第２の所望の圧力で、供給し圧送する。

制御ユニット２１０は、停止されるステージ１６０の少なくとも主弁１２０を閉鎖することにより、流体供給スキッド１０の１つ以上のステージ１６０を停止する操作をする。制御ユニット２１０は、停止を開始するための信号を制御室又はオペレータから受信でき、又は、制御ユニット２１０が、ステージ１６０を停止する必要性を決定することもできる。主弁１２０は、制御ユニット２１０によって閉鎖することができ、又は、例えば、オペレータによって手動で閉鎖することもできる。

注入装置２２５が流体供給スキッド１０に接続されている。例えば、供給ライン２３０は、予備充填システム１００と主弁１２０とを、注入装置２２５に接続することができる。個々の供給ライン２３０を、流体供給スキッド１０の各ステージ１６０が注入装置２２５に接続されるように、利用することができる。

注入装置２２５は、スキッド１０によって供給された既定の流量で流体を供給する１つ以上のスプレー配列を含むことができ、この既定の流量は、１つ以上のステージの運転の後に調整することができる。各スプレー配列は、１つ以上のノズルを備えることができる。注入装置２２５の１つ以上のノズルは、水やその他の液体などの霧化された流体の噴霧を、ガスタービン吸気ダクトの空気流に注入し、これにより、空気流の質量流量を増大させ、ガスタービンエンジンから出力されるパワーを増大させることができる。

例えば、天候監視ユニット２４０は、信号供給線２１５を介して制御ユニット２１０に接続され、パワー増大システム２００を備えるガスタービンの性能に影響を付えるような最新の環境条件を提供することができる。この環境条件は、測定されて制御ユニット２１０に報告され、例えば、流体を、入口空気の飽和に対するターゲットレベルで供給するための、流量の決定因子となる。この環境条件は、ガスタービンの運転に影響を付える環境因子を含み、この環境因子は、温度、湿度、空気圧力を含むが、これらに限定するものではない。一実施例では、温度、湿度、気圧のそれぞれが監視されている。天候監視ユニット２４０（詳細は図示せず）は、一実施例では、乾球温度計と、空気湿度測定装置と、を備える。他の実施例では、天候監視ユニット２４０は、乾球温度計と、湿球温度計と、を備える。別の実施例では、天候監視ユニット２４０は、大気圧測定装置を備える。更に別の実施例では、環境圧力測定のために、天候監視ユニット２４０は、周囲の天候条件を監視又は測定する、当業者に周知の別の要素又は要素の組み合わせを備える。天候情報は、制御ユニット２１０によって処理され、制御ユニット２１０は、許容可能な蒸発水量、凍結リスク等の、キーとなる運転情報をオペレータに供給する。

一実施例では、コンピュータシステム２５０が、信号供給線２１５によって制御ユニット２１０に接続されている。コンピュータシステム２５０は、制御ユニット２１０から得られた性能データを追跡し、報告する。

次に図４を参照すれば、予備充填システム１００を備える典型的なスキッド１０などの流体供給スキッドから注入装置２２５などの注入装置に流体を供給する方法の、フローチャートが示されている。

この方法の段階４０５では、例えばステージ１６０の一実施形態などのスキッド１０のステージを運転又は停止する必要性を通知する、運転又は停止の信号が、流体供給スキッド１０によって受信される。この信号は、例えば、制御ユニット２１０によって発生させることができる。或いは、この信号は、制御室又はオペレータによって指定され、制御ユニット２１０に提供されることもできる。ステージ１６０を運転又は停止する信号は、好ましい量の流体を供給するために、流体の流れを増大又は減少させる必要性のそれぞれを、知らせることができる。

信号が停止信号である場合には、段階４４０において、ステージ１６０の主弁１２０を閉鎖し、ステージ１６０を停止させる。主弁１２０は、オペレータによって手動で閉鎖されるか、又は、制御ユニット２１０によって閉鎖される。

信号が運転信号である場合には、段階４１０において、ステージ１６０の予備充填弁１４０を開放することにより、ステージ１６０の運転を開始する。予備充填弁１４０は、手動で開放されるか、又は、制御ユニット２１０によって開放される。

段階４１５では、ステージ１６０が、流体を充填され、流体は、第１の所望のレベルまで加圧される。予備充填ポンプユニット１３０は、流体を圧送し、制御ユニット２１０によって指示され制御される第１の所望のレベルまで、流体を加圧する。段階４２０では、予備充填弁１４０は閉鎖される。従って、予備充填弁１４０と主弁１２０とを備えるステージ１６０は、主弁１２０が加圧された流体を供給できるように、充填され、加圧される。

段階４２５では、主弁１２０が開放される。主弁１２０は、手動で開放されるか、又は、制御ユニット２１０によって開放される。

段階４３０では、ＶＦＤポンプユニット１１０が、添加流体をステージ１６０に供給し、添加流体を第２の所望のレベルまで加圧する。この圧力は、例えば、１００バールなどの高いレベルであり、制御ユニット２１０によって指示され制御される。段階４３５では、添加流体が供給され加圧されると、この流体が放出され、注入装置２２５などの装置に注入される。

ステージ１６０の運転又は停止に続き、この方法は、必要な流量を満足させるために、運転又は停止の信号を受信する段階に戻り、ステージ１６０をそれぞれ運転又は停止する。

次に図５を参照すれば、ガスタービンと共に利用される流体供給スキッドの一実施形態とパワー増大システムの一実施形態の詳細を示す図が示されている。図１〜図４に関して前述した、流体供給スキッド１０、予備充填システム１００、及びパワー増大システム２００の一実施形態は、ガスタービンと共に利用され、ガスタービンの出力パワーを増大することができる。代表的なガスタービンは、タービン吸気ダクトと、燃焼器と、少なくとも１つのコンプレッサブレードを備えるコンプレッサと、を備える。流体源２６０は、制御ユニット２１０と、制御装置２１０によって制御される予備充填システム１００に流体を供給するポンプ１１０及び１３０と、に接続可能である。

流体が、流体供給スキッド１０の一実施形態によって供給され、注入装置２２５から流出する、ガスタービンへの注入地点は、例えば、蒸発冷却、コンプレッサの中間冷却、又は燃焼器火炎冷却と関連して本明細書に記述したものを含むが、これらに限定するものではない。パワー増大のために空気を過飽和させる場合には、ガスタービンへの空気の質量流量とガスタービンコンポーネントとが、水注入レベルの制約を設けるように設計され、空気の質量流量は、ガスタービンエンジンの設計の許容範囲内になるようにされる。この制約を設けた後、周囲の天候条件とガスタービンの負荷に対する要求とが制御ユニット２１０に入力され、流体の流量と加圧レベルを決定することができる。

蒸発冷却システムは、その使用位置が図５の「Ａ」によって示され、水が、蒸発する微細な水滴のミスト（霧）として吸気口に噴霧される、「霧化」システムである。コンプレッサ中間冷却システムは、その使用位置が図５の「Ｂ」によって示され、水を、コンプレッサ中間段において、高密度の空気流内に噴霧する、「湿式圧縮」システムである。蒸気システムは、その使用位置が図５の「Ｃ」によって示され、水を、燃焼器内に噴霧するシステムである。

蒸発冷却システム（「Ａ」）の一実施形態では、高圧水が、流体供給スキッド１０から、注入装置２２５などの注入装置に供給され、注入装置は、ノズルホルダを含むことができ、ノズルホルダは、ダクトの内部において、コンプレッサの入口面のはるか上流に設置されている。ノズルホルダは、複数のノズルを有するチューブを備え、ノズルは、水を、微細な水滴の噴霧に霧化し、微細な水滴は、例えば、普通は、約１０〜約２０ミクロンの範囲であり、更に典型的には、約１０〜約１５ミクロンの範囲である。これらの水滴は、例えば、ＶＦＤポンプユニット１１０によって供給される、通常約８０〜約１４０バールの圧力における霧化の結果である。水滴は、気流によって搬送され、浮遊し、水がノズルの先端からコンプレッサの入口まで移動するのに十分に長い滞留時間があるために、コンプレッサに進入する前に蒸発する。この蒸発は、水の潜熱を空気の顕熱に交換し、蒸発によって空気の温度が低下する。空気の温度が相対的に低いことは、空気の密度が相対的に高いことに相当し、従って、相対的に大きな質量流量に相当し、この結果、相対的に大きな軸出力をもたらす。必要な水の流量は、ＶＦＤポンプユニット１１０によって設定される。蒸発冷却運転は、主弁１２０を閉鎖することによって終了する。Ｋｏｐｋｏに対する特許文献１は、高温でのガスタービン運転を可能にする蒸発冷却システムの一実施形態を示しており、特許文献１の内容は、本引用により、そのすべてが本明細書に包含される。

コンプレッサ中間冷却システム（「Ｂ」）の一実施形態は、湿式圧縮システムであり、これは、小さな水滴の形状の水が、圧縮運転中にコンプレッサ内で蒸発することを意味する。空気がコンプレッサを通過する保持時間は、数ミリ秒の範囲である。この時間中に、水滴は、初期の水滴サイズの結果として蒸発する。蒸発プロセスは、圧縮運転の結果生じる急速な温度上昇によって進行する。ステージ１６０が、例えば、予備充填ポンプユニット１３０によって予備充填され、加圧された場合に、主弁１２０が開放し、高圧水が、ＶＦＤポンプユニット１１０から、例えば少なくとも１つのノズルを含む注入装置２２５などの注入装置内に、送られる。少なくとも１つのノズルは、水をコンプレッサのガス経路内に注入するために、設置されている（例えば、ノズルは、２つのディスクの間に水を注入するために設置されている）。この少なくとも１つのノズルは、水を、例えば、約１０〜約５０ミクロンの範囲の、小さな水滴の噴霧に霧化し、約１０〜約３０ミクロンの範囲であることが好ましい。これらの小さな水滴サイズは、好ましくは約８０〜約１４０バールの圧力で、霧化の結果としてもたらされるが、他の適切な圧力を利用することも可能である。小さな水滴は、コンプレッサを出る前に蒸発する。Ｉｎｇｉｓｔｏｖに対する特許文献２は、コンプレッサの中間段への水注入のためのノズル組立体の一実施形態について記述しており、この内容は、本引用により、本明細書にそのすべてが含まれる。蒸発は、空気を冷却し、これにより、空気密度を上昇させ、空気密度の上昇は、質量流量を増加させ、より大きなパワー出力が得られる結果となる。更に、コンプレッサの冷却は、相対的に低いコンプレッサ出口温度という結果になり、これは、相対的に冷たい空気が燃焼器に供給されることを意味する。この燃焼器に対する相対的に冷たい空気は、燃焼温度を一定に維持しつつ、相対的に多くの燃料を燃焼させることを意味し、これにより、パワー出力の増大をもたらす。必要な水の流量は、ＶＦＤポンプユニット１１０によって設定される。湿式圧縮を終了するには、１つ以上の主弁１２０を閉鎖する。或いは、湿式圧縮用のノズルをコンプレッサ入口の上流に設置することもできる。主要な操作は、前述の中間段に取り付けたノズルに対する操作と同一である。

燃焼器冷却システム（「Ｃ」）の一実施形態は、注入装置２２５などの注入装置を含み、この注入装置は、水滴を燃焼器内に注入する少なくとも１つのノズルを備えることができる。水の潜熱が火炎の顕熱に交換され、これにより、火炎の温度が抑制される。ステージ１６０が充填され、加圧された後に、主弁１２０が開放し、高圧水を少なくとも１つのノズルに対して供給する。この少なくとも１つのノズルは、水を噴霧に霧化する。噴霧は、通常は、約１０〜約５０ミクロンの範囲の、特に、約１０〜約３０ミクロンの範囲の水滴を含む。これらの水滴は、約１００〜約２００バールの圧力における霧化の結果として得られる。望むならば、別のサイズの水滴や、その他の圧力における霧化も利用できることを、理解されたい。火炎は、水を蒸発させて蒸気を形成する。蒸気は、タービンを通過して膨張し、従って、質量流量に寄与し、パワー増大効果を与える。更に、火炎の温度が抑制されるので、燃焼温度を一定に維持しつつ、相対的に多くの燃料を燃焼させることができる。相対的に多くの燃料を燃焼させることは、更なるパワー出力を与える。必要な水の流量は、ＶＦＤポンプユニット１１０によって設定される。燃焼器冷却を終了するには、主弁１２０を閉鎖する。Ｃｈｅｎｇに対する特許文献３は、燃焼器内への注入によるパワー増大効果の一例であり、この内容は、本引用により、そのすべてが本明細書に包含される。

以上、説明と例証を目的とし、特定の実施例について図示し、説明してきたが、図示され、説明された特定の実施例は、本発明の範囲を逸脱することなしに、広範な代替実施や等価な実施に置換することができることが、当業者には理解されよう。本開示は、本明細書に記述された実施形態のあらゆる改造又は変形を含むことを意図している。

１０ 流体供給スキッド
１００ 予備充填システム
１１０ ＶＦＤポンプユニット
１２０ 主弁
１３０ 予備充填ポンプユニット
１４０ 予備充填弁
１５０ 弁ライン
１６０ ステージ
１７０ アキュムレータ
１８０ 流量計
２００ パワー増大システム
２１０ 制御ユニット
２１５ 信号供給線
２２０ 記憶装置
２２５ 注入装置
２３０ 供給ライン
２４０ 天候監視ユニット
２５０ コンピュータシステム
２６０ 流体源

Claims (32)

1. ガスタービンの空気流路内や燃焼器内に流体を噴霧してガスタービンのパワーを増大するパワー増大システムに適合した、流体供給スキッドであって、
   前記流体供給スキッドが、第１と第２の流体受け入れ接続部と、複数のステージと、を備え、
   前記複数のステージが、運転状態と停止状態とを有する複数のステージであって、前記ステージのそれぞれが、ステージの配管と、少なくとも第１の弁と第２の弁と、１つの流体放出接続部と、を備え、
   前記第１の弁は、前記第１の流体受け入れ接続部に連通する配管から分岐したステージの配管中に配置され、前記第２の弁は、前記第２の流体受け入れ接続部に連通する配管から分岐したステージの配管中に配置され、前記第１の弁の下流のステージの配管が、前記第２の弁の下流のステージの配管と合流し、前記流体放出接続部に接続され、
   前記第１の弁と第２の弁とがそれぞれ開放位置と閉鎖位置とを有し、
   運転状態では、流体が前記ステージ内に受け入れられ、第１の所望のレベルまで加圧され、放出され、更に、前記第１の弁が開放位置にあり、前記第２の弁が閉鎖位置にある場合に、流体が前記ステージ内に受け入れられ、加圧され、前記第１の弁が閉鎖位置にあり、前記第２の弁が開放位置にある場合に、流体が放出され、
   停止状態では、少なくとも前記第２の弁が閉鎖位置にあり、流体の少なくとも大部分が、前記ステージから放出されない、
   流体供給スキッド。
2. 前記第１の弁が、第１のポンプによって流体を供給され、前記第２の弁が、第２のポンプによって流体を供給される、請求項１に記載の流体供給スキッド。
3. 前記複数のステージのそれぞれが、１つのポンプによって流体を供給され、前記のポンプが、各ステージに流体を供給する、請求項１に記載の流体供給スキッド。
4. 前記ポンプが、第１のポンプと、第２のポンプと、を備え、前記第１のポンプが、前記複数のステージの各ステージの前記第１の弁に流体を供給し、前記第２のポンプが、前記複数のステージの各ステージの前記第２の弁に流体を供給する、請求項３に記載の流体供給スキッド。
5. 前記ステージ内に受け入れられる流体が、流体源から前記ステージに供給される、請求項１に記載の流体供給スキッド。
6. 前記ステージから放出された流体が、注入装置に供給される、請求項１に記載の流体供給スキッド。
7. 運転状態では、添加流体が前記ステージ内に受け入れられ、第２の所望のレベルまで加圧され、放出され、更に、添加流体が前記ステージ内に受け入れられ、前記第２の所望のレベルまで加圧され、放出される場合には、前記第１の弁は、閉鎖位置にあり、前記第２の弁は、開放位置にある、請求項１に記載の流体供給スキッド。
8. 前記第２の所望のレベルが、周囲の天候条件に基づく、請求項７に記載の流体供給スキッド。
9. 運転状態において、流体が放出される場合に、アキュムレータが、前記流体を更に加圧し、前記ステージ内に残っている量の空気を加圧する、請求項７に記載の流体供給スキッド。
10. 前記添加流体が加圧される速度が、増加される、請求項９に記載の流体供給スキッド。
11. 前記第１の弁が開放位置にあり、前記第２の弁が閉鎖位置にあり、流体が前記ステージ内に受け入れられ、加圧される場合に、わずかな量の流体が、前記第２の弁を通って漏洩する、請求項１に記載の流体供給スキッド。
12. 停止状態において、少なくとも前記第２の弁が閉鎖位置にある場合に、流体のわずかな部分が、前記第１の弁又は第２の弁を通って漏洩する、請求項１に記載の流体供給スキッド。
13. ガスタービンの空気流路内や燃焼器内に流体を噴霧してガスタービンのパワーを増大するパワー増大システムであって、
    前記パワー増大システムが、
    第１と第２の流体受け入れ接続部と、運転状態と停止状態とを有する複数のステージと、を備える流体供給スキッドであって、前記ステージのそれぞれが、ステージの配管と、少なくとも第１の弁と第２の弁と、１つの流体放出接続部と、を備え、前記第１の弁は、前記第１の流体受け入れ接続部に連通する配管から分岐したステージの配管中に配置され、前記第２の弁は、前記第２の流体受け入れ接続部に連通する配管から分岐したステージの配管中に配置され、前記第１の弁の下流のステージの配管が、前記第２の弁の下流のステージの配管と合流し、前記流体放出接続部に接続され、前記第１の弁と第２の弁とが、それぞれ、開放位置と閉鎖位置とを有する、流体供給スキッドと、
    前記流体供給スキッドに接続され、前記ステージのそれぞれに流体を供給するポンプと、
    前記ポンプに接続され、前記ポンプを制御し、また、前記流体供給スキッドに接続され、前記第１の弁と第２の弁とを制御する、制御ユニットと、
    流体を前記複数のステージに供給する流体源と、
    を備え、
    運転状態では、流体が、前記ステージ内に受け入れられ、第１の所望のレベルまで加圧され、放出され、更に、前記第１の弁が開放位置にあり、前記第２の弁が閉鎖位置にある場合に、流体が前記ステージ内に受け入れられ、加圧され、更に、前記第１の弁が閉鎖位置にあり、前記第２の弁が開放位置にある場合に、流体が放出され、
    停止状態では、少なくとも前記第２の弁が閉鎖位置にあり、前記流体の少なくとも大部分が前記ステージから放出されない、パワー増大システム。
14. 前記放出された流体を受け入れる注入装置を更に備える、請求項１３に記載のパワー増大システム。
15. 前記ポンプが、第１のポンプと、第２のポンプと、を備え、前記第１のポンプは、前記複数のステージのそれぞれの前記第１の弁に流体を供給し、前記第２のポンプは、前記複数のステージのそれぞれの前記第２の弁に流体を供給する、請求項１３に記載のパワー増大システム。
16. 運転状態では、添加流体が前記ステージ内に受け入れられ、第２の所望のレベルまで加圧され、放出され、更に、添加流体が前記ステージ内に受け入れられ、前記第２の所望のレベルまで加圧され、放出される場合に、前記第１の弁は、閉鎖位置にあり、前記第２の弁は、開放位置にある、請求項１３に記載のパワー増大システム。
17. 前記ポンプが、第１のポンプと、第２のポンプと、を備え、前記第１のポンプは、前記流体を前記第１の所望のレベルまで加圧し、前記第２のポンプは、前記添加流体を前記第２の所望のレベルまで加圧する、請求項１６に記載のパワー増大システム。
18. 前記第２の所望のレベルが、周囲の天候条件に基づく、請求項１６に記載のパワー増大システム。
19. 前記複数のステージのそれぞれに接続されたアキュムレータを更に備え、運転状態において、流体が放出される場合に、前記アキュムレータが、前記流体及び前記ステージ内に残っている量の空気を更に加圧する、請求項１３に記載のパワー増大システム。
20. 前記ポンプが作動する速度を上昇させるために流量計を更に備える、請求項１９に記載のパワー増大システム。
21. 前記制御ユニットが、
    流体を放出する流量を決定する段階と、
    前記決定された流量を達成するために運転するステージを決定する段階と、
    （ｉ）予備充填弁を開放し、（ｉｉ）前記ポンプの運転を制御し、前記ステージを流体によって充填し、前記ステージの前記流体を前記第１の所望のレベルまで加圧し、（ｉｉｉ）予備充填弁を閉鎖し、（ｉｖ）前記ステージの前記主弁を開放し、（ｖ）前記ポンプの運転を制御し、添加流体を前記ステージに供給し、前記ステージの前記添加流体を第２の所望のレベルまで加圧する、ことにより、前記ポンプを制御して前記決定されたステージの運転状態を達成する段階と、
    によって前記ポンプを制御する、請求項１３に記載のパワー増大システム。
22. 前記流体を放出する流量を決定する段階が、周囲の天候条件に基づく、請求項２１に記載のパワー増大システム。
23. 前記制御ユニットに接続された天候監視ユニットを更に備え、前記天候監視ユニットが、周囲の天候条件を前記制御ユニットに供給する、請求項１３に記載のパワー増大システム。
24. 前記制御ユニットに接続されたコンピュータシステムを更に備え、前記コンピュータシステムが、性能データを追跡し、報告する、請求項１３に記載のパワー増大システム。
25. 前記ポンプが、低圧ポンプユニットと、高圧ポンプユニットと、を備える、請求項１３に記載のパワー増大システム。
26. ガスタービンの空気流路内や燃焼器内に流体を噴霧してガスタービンのパワーを増大するパワー増大システムに適合した、流体供給スキッドにおいて、前記流体供給スキッドから注入装置に流体を注入する方法であって、
    前記流体供給スキッドが、第１と第２の流体受け入れ接続部と、複数のステージとを備え、
    前記複数のステージが、運転状態と停止状態とを有する複数のステージであって、前記ステージのそれぞれが、ステージの配管と、少なくとも第１の弁と第２の弁と、１つの流体放出接続部と、を備え、
    前記第１の弁は、前記第１の流体受け入れ接続部に連通する配管から分岐したステージの配管中に配置され、前記第２の弁は、前記第２の流体受け入れ接続部に連通する配管から分岐したステージの配管中に配置され、前記第１の弁の下流のステージの配管が、前記第２の弁の下流のステージの配管と合流し、前記流体放出接続部に接続されており、
    前記方法が、
    前記流体供給スキッドの少なくとも１つのステージを運転する段階であって、前記第１の弁と第２の弁とが、それぞれ、開放位置と閉鎖位置とを有する、段階を備え、
    運転する段階が、
    前記第１の弁が開放位置にあり、前記第２の弁が閉鎖位置にある状態において、前記ステージを流体で充填し、前記流体を第１の所望のレベルまで加圧する段階と、
    前記第１の弁が閉鎖位置にあり、前記第２の弁が開放位置にある状態において、前記流体を放出する段階と、
    を備える、方法。
27. 前記流体供給スキッドの少なくとも１つのステージを運転するために制御ユニットからの指示を受信する段階を更に備える、請求項２６に記載の方法。
28. 前記流体供給スキッドの少なくとも１つのステージを停止するために制御ユニットからの指示を受信する段階を更に備える、請求項２６に記載の方法。
29. 前記流体の少なくとも大部分が前記ステージから放出されないように、少なくとも前記第２の弁を閉鎖することによって、前記指示されたステージを停止する段階を更に備える、請求項２８に記載の方法。
30. 前記流体供給スキッドの少なくとも１つのステージを運転する段階が、前記第１の弁が閉鎖位置にあり、前記第２の弁が開放位置にある状態において、前記ステージを添加流体で充填し、前記添加流体を第２の所望のレベルまで加圧する段階を更に備える、請求項２６に記載の方法。
31. 前記添加流体が、前記流体の前記第１の所望のレベルよりも高いレベルまで加圧される、請求項３０に記載の方法。
32. 前記流体を第１の所望のレベルまで加圧する段階が、制御ユニットによって指示された前記第１の所望のレベルの圧力を達成するために、ポンプで昇圧する段階を備える、請求項２６に記載の方法。