JP6877908B2 - 排気ガスへの冷却剤供給を制御するためのシステム - Google Patents

排気ガスへの冷却剤供給を制御するためのシステム Download PDF

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Description

本明細書に開示されている主題は、ガスタービンシステム、より具体的には、ガスタービンシステムのための熱回収システムに関する。
複合サイクル発電プラントでは、エネルギーの浪費を低減しながら電気を生産するためにエンジンシステムと蒸気タービンシステムとが組み合わされている。例えば、特定の複合サイクル発電プラントは、負荷（発電機など）を駆動するトルクを発生させるために燃料−空気混合気を燃焼させるガスタービンシステムを含む。エネルギーの浪費を低減する目的で、ガスタービンエンジンからの排気ガスが、蒸気タービンのための蒸気を発生させるために熱回収蒸気発生器（「ＨＲＳＧ：ｈｅａｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｓｔｅａｍ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ」）に供給され得る。また、蒸気タービンによって生成された電力は、発電機または別の種類の負荷を駆動し得る。このように、複合サイクル発電プラントは、燃料および排熱を電力に変換することに有用であり得る。様々な複合サイクル発電プラントの動作を改善することは有益であろう。
米国特許第８７１４９０６号明細書
独創的に特許請求されている主題の範囲に相応する特定の実施形態が、以下に要約される。これらの実施形態は、特許請求されている主題の範囲を限定するためのものではなく、正しくは、これらの実施形態は、開示されている主題の可能な形態の簡単な概要を提供するためのものに過ぎない。実際、開示されている主題は、以下に述べられる実施形態と同様である場合もあれば、異なる場合もある様々な形態を包含し得る。
第１の実施形態において、システムは、エンジンからの排気ガスを熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）に送るように構成される排気導管を含んでもよい。また、システムは、排気導管に接続される冷却剤供給源を含んでもよい。冷却剤供給源は、排気導管に冷却剤を供給するように構成される。さらに、システムは、エンジンからＨＲＳＧまで排気導管を通って流れる排気ガスの排気温度、ＨＲＳＧによって発生する蒸気の蒸気温度、またはこれらの組み合わせを制御するために冷却剤供給源を制御するように構成されるコントローラを含んでもよい。コントローラは、システムの全負荷状態と部分負荷状態とでは異なる仕方で冷却剤供給源を制御するように構成されてもよい。
第２の実施形態において、システムは、エンジンから熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）に排気ガスを送る排気導管に冷却剤を供給するために冷却剤供給源を制御するように構成されるコントローラを含んでもよい。コントローラは、エンジンからＨＲＳＧまで排気導管を通って流れる排気ガスの排気温度、ＨＲＳＧによって発生する蒸気の蒸気温度、またはこれらの組み合わせを制御するために冷却剤供給源を制御するように構成されてもよい。さらに、コントローラは、システムの全負荷状態と部分負荷状態とでは異なる仕方で冷却剤供給源を制御するように構成されてもよい。
第３の実施形態において、方法は、エンジンから熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）に排気ガスを送る排気導管に冷却剤を冷却剤供給源によって供給するステップを含んでもよい。さらに、本方法は、エンジンからＨＲＳＧまで排気導管を通って流れる排気ガスの排気温度、ＨＲＳＧによって発生する蒸気の蒸気温度、またはこれらの組み合わせを制御するために冷却剤供給源をコントローラによって制御するステップを含んでもよい。冷却剤供給源を制御するステップは、全負荷状態と部分負荷状態とでは異なる仕方で冷却剤供給源を制御することを含んでもよい。
開示されている主題に関するこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明が読まれるときにより良く理解されるようになる。なお、添付図面では、同じ符号が、図面を通して同じ部分を示している。
本開示の実施形態に従って、エンジンと、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）と、蒸気タービンと、コントローラと、冷却剤供給源とを含む複合サイクル発電プラントのブロック図である。 本開示の実施形態に従って、ガスタービンエンジンと、ＨＲＳＧと、蒸気タービンと、コントローラと、複数の冷却剤供給源とを含む複合サイクル発電プラントのブロック図である。 ガスタービンエンジンの異なる負荷状態に関する排気ガスの温度のグラフである。 本開示の実施形態に従って、全負荷状態と部分負荷状態とでは異なる仕方で排気ガス温度および／または蒸気温度を制御するために冷却剤供給源を制御するための方法のフロー図である。 本開示の実施形態に従って、少なくとも１つの温度閾値に基づいて排気ガス温度および／または蒸気温度を制御するために冷却剤供給源を制御するための方法のフロー図である。 本開示の実施形態に従って、モデルベース制御および少なくとも１つの温度閾値に基づいて排気ガス温度および／または蒸気温度を制御するために冷却剤供給源を制御するための方法のフロー図である。 本開示の実施形態に従って、全負荷制御および部分負荷制御を用いて冷却剤供給源を制御するための方法のフロー図である。 本開示の実施形態に従って、冷却剤供給を受けるように構成された複数の注入位置を含む排気導管の半径方向部分断面図である。 本開示の実施形態に従って、冷却剤供給を受けるように構成された複数の注入位置を含む排気導管の軸方向部分断面図である。
以下では、開示されている主題の１つ以上の特定の実施形態について説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するために、本明細書では、実際の実施態様の特徴のすべてについて説明しない場合もある。このような実際の実施態様の開発（工学または設計プロジェクトにおけるような）において、実施態様ごとに異なり得る、開発者の特定の目標（システム関連およびビジネス関連の制約の遵守など）を達成するために、実施態様に特有の多数の決定がなされなければならないことが認識されるべきである。さらに、このような開発の努力は、込み入っていて、時間がかかるものであるかもしれないが、本開示の利益を受ける当業者にとっては設計、製作、および製造に関する日常的な取り組みであることが認識されるべきである。
開示されている主題の様々な実施形態の要素を導入するとき、冠詞「１つの（ａ、ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」、および「前記（ｓａｉｄ）」は、その要素が１つ以上存在することを意味することが意図されている。用語「を備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「を含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「を有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、包含的であり、列挙されている要素以外にも付加的な要素が存在し得ることを意味することが意図されている。
以下に述べられるように、発電システム（複合サイクル発電プラントなど）は、蒸気タービン用の蒸気を発生させるためにエンジン（例えば、ガスタービンエンジンおよび／または往復内燃機関）からＨＲＳＧに排気ガスを供給することによってエネルギーの浪費を低減し得る。排気ガスの温度は、エンジンおよびＨＲＳＧを含む発電システムの様々な状態（エンジンの負荷状態および周囲状態（例えば、周囲温度、湿度など）など）に起因して変化し得る。例えば、排気ガスの温度は、エンジン負荷が無負荷または第１の負荷状態からより高い第２の負荷状態に移行する始動中に上昇し得る。さらに、排気ガスの温度は、全負荷状態（例えば、最大出力）または第３の負荷状態からより低い部分負荷状態（例えば、ターンダウン状態）または第４の負荷状態へのエンジンの移行であるターンダウン中に上昇し得る。排気ガス温度の上昇は、ＨＲＳＧによって発生する蒸気の温度および圧力を上昇させ得る。一方、状況により、排気ガス温度は、ＨＲＳＧの境界条件または動作条件を超える場合があり、また、ＨＲＳＧによって発生する蒸気の温度および／または圧力は、蒸気を受ける蒸気タービンの境界条件または動作条件を超える場合がある。このため、排気ガス温度（したがって、エンジンのターンダウン負荷能力）は、ＨＲＳＧ、蒸気タービン、またはこれらの両方の境界条件または動作条件に基づいて制限され得る。
したがって、本開示は、一般に、ＨＲＳＧに供給されるエンジンの排気ガスへの冷却剤供給を制御する（例えば、プロセッサベースのコントローラによって）ためのシステムおよび方法に関する。詳細には、システムは、排気ガスの温度、ＨＲＳＧによって発生する蒸気の温度、またはこれらの両方を制御するために排気ガスへの冷却剤供給を制御する（例えば、コントローラによって）。さらに、システムは、システムの全負荷状態とシステムの部分負荷状態とでは異なる仕方で冷却剤供給源を制御してもよい（例えば、コントローラによって）。例えば、システムは、エンジンの負荷状態に起因する、排気ガス温度の変化に合わせて調整するためにエンジンの全負荷状態と部分負荷状態とでは異なる仕方で冷却剤供給源を制御してもよい（例えば、コントローラによって）。排気ガス温度、蒸気温度、またはこれらの両方を制御することによって、システムは、負荷状態の変化中にシステムの動作状態の平衡化を管理してもよい（例えば、コントローラによって）。具体的には、システムは、システムのターンダウン能力を最大にしながら、負荷状態の変化中にＨＲＳＧ入口温度、蒸気温度、およびエンジンの動作を個別に管理してもよい（例えば、コントローラによって）。
上記を踏まえて、図１は、システム１０の負荷状態の変化中にシステム１０の動作状態の平衡化を可能にするために冷却剤供給源１４を制御する（例えば、管理する）コントローラ１２を有するシステム１０の実施形態のブロック図である。特定の実施形態において、システム１０は、複合サイクル発電プラントであってもよい。システム１０は、コントローラ１２と、冷却剤供給源１４と、エンジン１６と、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）１８と、蒸気タービン２０とを含む。特定の実施形態において、エンジン１６は、ガスタービンエンジン、往復内燃機関、別の熱機関もしくは燃焼システム、または任意の他の適切なエンジンであってもよい。運転中、エンジン１６は、負荷（発電機など）を駆動するトルクを発生させるために燃料−酸化剤混合物（燃料−空気混合気など）を燃焼させてもよい。エネルギーの浪費を低減する目的で、システム１０は、ＨＲＳＧ１８で流体を加熱して、蒸気２４を発生させるためにエンジン１６からの排気ガス２２の熱エネルギーを使用してもよい。排気ガス２２は、排気導管２６（排気ダクトまたは排気ディフューザなど）を通ってエンジン１６からＨＲＳＧ１８に移動してもよい。ＨＲＳＧ１８によって発生した蒸気２４は、蒸気導管２８を介して蒸気タービン２０に供給されてもよい。蒸気タービン２０は、負荷３０（発電機など）を駆動するトルクを発生させるために蒸気２４を使用してもよい。したがって、システム１０は、エネルギー（例えば、排気ガス２２の熱エネルギー）の浪費を低減しながら電力生産を増加させるためにエンジン１６と蒸気タービン２０とを組み合わせてもよい。
上で指摘したように、コントローラ１２は、システム１０の負荷状態（全負荷状態または部分負荷状態など）の変化中にシステム１０の動作状態の平衡化を可能にするために冷却剤供給源１４の供給を制御（例えば、管理）してもよい（例えば、弁、ポンプ、および／または他の流量制御ユニットの制御によって）。具体的には、以下でより詳細に説明されるように、コントローラ１２は、システム１０の負荷状態の変化中に排気ガス２２の温度および／もしくは流量、蒸気２４の温度、またはこれらの両方を制御するために冷却剤供給源１４を制御してもよい。冷却剤供給源１４は、任意の適切な液ガス熱交換器（ｌｉｑｕｉｄ，ｇａｓ，ｈｅａｔ−ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）またはこれらの組み合わせを含んでもよい。さらに、冷却剤供給源１４からは、エンジン１６からＨＲＳＧ１８に排気ガス２２を供給する排気導管２６の途中の１つ以上の位置に、ＨＲＳＧ１８の１つ以上の位置に、またはこれらの両方に供給されてもよい。すなわち、図示の実施形態では、冷却剤供給源１４からは、排気導管２６の途中の１つの位置およびＨＲＳＧ１８の１つの位置に供給されるが、冷却剤供給源１４からは、排気導管２６の途中のおよび／もしくはＨＲＳＧ１８の任意の適切な位置にまたは排気導管２６の途中のおよび／もしくはＨＲＳＧ１８の任意の適切な数の位置（例えば、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、もしくはより多くの）に供給されてもよいことが認識されるべきである。例えば、一部の実施形態において、冷却剤供給源１４は、排気導管２６および／またはＨＲＳＧ１８に運ばれ得る空気を圧縮するように構成された圧縮機を含んでもよい。特定の実施形態において、冷却剤供給源１４は、排気導管２６および／またはＨＲＳＧ１８に空気（例えば、周囲空気）を送風するように構成されたブロワまたはファンを含んでもよい。一部の実施形態において、冷却剤供給源１４は、排気導管２６および／またはＨＲＳＧ１８に水スプレーまたは水ミストを供給するように構成された水供給ユニット（例えば、液体供給源、水スプレーヤー（ｗａｔｅｒ ｓｐｒａｙｅｒ）、水ミスター（ｗａｔｅｒ ｍｉｓｔｅｒ）、蒸気供給源など）を含んでもよい。冷却剤供給源１４の様々な実施形態は、図２に関して以下でより詳細に説明される。
一部の実施形態において、コントローラ１２は、システム１０の負荷状態の変化中に排気ガス２２の温度、蒸気２４の温度、またはこれらの両方を低下させるために冷却剤供給源１４を制御してもよい。例えば、コントローラ１２は、システム１０の始動および／もしくはターンダウン、エンジン１６の始動および／もしくはターンダウン、またはこれらの両方の最中に排気ガス２２の温度、蒸気２４の温度、またはこれらの両方を低下させるために冷却剤供給源１４を制御してもよい。本明細書で使用される場合、始動は、無負荷状態から第２の負荷状態への移行である。さらに、本明細書で使用される場合、ターンダウンは、全負荷（例えば、ベース負荷）または第１の負荷状態から部分負荷または第２のより低い負荷状態への移行である。上で指摘したように、排気ガス２２の温度は、エンジン１６の始動およびターンダウン中に上昇し得るものであり、また、より高い周囲温度に起因して上昇し得るものである。また、状況により、排気ガス２２の温度は、ＨＲＳＧ１８の境界条件または動作制限を超える場合があり、および／または蒸気２４の温度が蒸気タービン２０の境界条件または動作制限を超える原因となる場合がある。
したがって、排気ガス２２の温度、蒸気２４の温度、またはこれらの両方を制御するために冷却剤供給源１４を制御することによって、コントローラ１２は、負荷状態の変化中にエンジン１６、ＨＲＳＧ１８、および蒸気タービン２０の動作状態を平衡化し得る。さらに、コントローラ１２は、システム１０のターンダウン能力を最大にしながら、負荷状態の変化中にＨＲＳＧ１８の入口温度、蒸気２４の温度、エンジン１６の動作を個別に管理してもよい。言い換えれば、コントローラ１２は、境界条件または動作制限内での動作を可能にする目的で排気ガス２２の温度を低下させるために冷却剤供給源１４を制御しながら、他の方法では（すなわち、述べられている実施形態でなければ）ＨＲＳＧ１８の境界条件または動作制限を超える、排気ガス２２の温度をもたらす負荷状態（例えば、始動またはターンダウン中の）におけるＨＲＳＧ１８およびエンジン１６の両方の動作を可能にし得る。同様に、コントローラ１２は、境界条件または動作制限内での動作を可能にする目的で蒸気２４の温度を低下させるために冷却剤供給源１４を制御しながら、他の方法では（すなわち、述べられている実施形態でなければ）蒸気タービン２０の境界条件または動作制限を超える、蒸気２４の温度をもたらす負荷状態（例えば、始動またはターンダウン中の）におけるＨＲＳＧ１８、蒸気タービン２０、およびエンジン１６の動作を可能にし得る。このように、コントローラ１２は、システム１０が、エンジン１６および蒸気タービン２０の複合負荷（例えば、電気出力）を増大させるために柔軟にエンジン１６に負荷をかけながら、ＨＲＳＧ１８および蒸気タービン２０を動作させることを可能にし得る。これにより、システム１０の効率が向上し、時間および資金が節約され得る。
コントローラ１２は、メモリ３２およびプロセッサ３４を含んでもよい。メモリ３２は、ソフトウェアコードで書かれた命令およびステップを記憶してもよい。プロセッサ３４は、システム１０からのフィードバックに少なくとも部分的に基づいて、記憶された命令を読み出して実行するためにメモリ３２にアクセスしてもよい。コントローラ１２は、冷却剤供給源１４を制御するために、またエンジン１６、ＨＲＳＧ１８、および／または蒸気タービン２０の動作および負荷を制御するためにシステム１０の様々な構成要素を制御し、これらと通信してもよい。図示のように、コントローラ１２は、冷却剤供給源１４、エンジン１６、ＨＲＳＧ１８、蒸気タービン２０、および様々な構成要素（電子機器、弁、ポンプ、センサ、モータ、アクチュエータなど）を制御してもよく、および／またはこれらと通信してもよい。具体的には、コントローラ１２は、排気ガス２２の温度および／または蒸気２４の温度を制御するために、エンジンセンサフィードバック３６、排気センサフィードバック３８、蒸気タービンセンサフィードバック４０、ＨＲＳＧセンサフィードバック４２、および／または冷却剤供給センサフィードバック４４に少なくとも部分的に基づいて冷却剤供給源１４を制御してもよい。システム１０が、エンジンセンサフィードバック３６、排気センサフィードバック３８、蒸気タービンセンサフィードバック４０、ＨＲＳＧセンサフィードバック４２、および冷却剤供給センサフィードバック４４を生成するためにエンジン１６、排気導管２６、ＨＲＳＧ１８、蒸気導管２８、蒸気タービン２０、および／または冷却剤供給源１４の付近に配置される（例えば、内に配置される、上に配置される、に取り付けられる、に組み込まれるなど）任意の適切な数および種類のセンサを含んでもよいことが認識されるべきである。例えば、システム１０は、１つ以上の温度センサ、流量センサ、圧力センサ、排気エミッションセンサ（例えば、Ｎｏｘ、ＣＯ、Ｏ２、未燃燃料、粒子状物質など）、振動センサ、速度センサ、または任意の他の適切なセンサを含んでもよい。
運転中、コントローラ１２は、排気ガス２２の測定された温度および／もしくは流量、蒸気２４の測定された温度、またはこれらの両方に基づいて冷却剤供給源１４の温度および／または流量を制御してもよい。詳細には、コントローラ１２は、少なくとも１つの排気ガス温度閾値を基準として排気ガス２２の温度を制御するために、および／または少なくとも１つの蒸気温度閾値を基準として蒸気２４の温度を制御するために、排気ガス２２の測定された温度および／もしくは流量ならびに／または蒸気２４の測定された温度に基づいて冷却剤供給源１４の温度および／または流量を制御してもよい。少なくとも１つの排気ガス温度閾値および少なくとも１つの蒸気温度閾値は、メモリ３２に記憶されてもよい。例えば、少なくとも１つの排気ガス温度閾値は、最大排気ガス温度閾値、最小排気ガス温度閾値、またはこれらの両方を含んでもよい。同様に、少なくとも１つの蒸気温度閾値は、最大蒸気温度閾値、最小蒸気温度閾値、またはこれらの両方を含んでもよい。特定の実施形態において、メモリ３２は、複数の排気ガス温度閾値および蒸気温度閾値を記憶するように構成されてもよく、複数の排気ガス温度閾値および蒸気温度閾値は、ＨＲＳＧ１８の種類、蒸気タービン２０の種類、システム１０の負荷状態、エンジン１６の負荷状態、またはこれらの任意の組み合わせに少なくとも部分的に基づいてもよく、プロセッサ３４は、ＨＲＳＧ１８の種類、蒸気タービン２０の種類、システム１０の負荷状態、および／またはエンジン１６の負荷状態に基づいて １つ以上の排気ガス温度閾値および１つ以上の蒸気温度閾値を選択するように構成されてもよい。例えば、異なる種類のＨＲＳＧおよび蒸気タービンは、異なる境界条件または動作制限を有する場合があり、異なる境界条件または動作制限は、異なる排気ガス温度閾値および蒸気温度閾値をもたらし得る。
特定の実施形態において、コントローラ１２は、システム１０からのフィードバックに直接基づいて排気ガス２２の温度および／もしくは流量、蒸気２４の温度、またはこれらの両方を測定するように構成されてもよい。一部の実施形態において、排気センサフィードバック３８および／またはＨＲＳＧセンサフィードバック４２は、排気ガス２２の温度および流量の直接測定値を含んでもよい。例えば、システム１０は、排気導管２６および／またはＨＲＳＧ１８の入口の付近に配置された１つ以上のセンサを含んでもよい。さらに、ＨＲＳＧセンサフィードバック４２および／または蒸気タービンセンサフィードバック４０は、蒸気２４の温度の直接測定値を含んでもよい。例えば、システム１０は、ＨＲＳＧ１８の出口、蒸気導管２８、および／または蒸気タービン２０の入口の付近に配置された１つ以上のセンサを含んでもよい。さらに、一部の実施形態において、コントローラ１２は、排気センサフィードバック３８および／またはＨＲＳＧセンサフィードバック４２に基づいて、冷却剤供給源１４から排気ガス２２に供給された後の排気ガス２２の温度および／または流量を直接測定するように構成されてもよい。例えば、システム１０は、排気導管２６（例えば、冷却剤供給源１４の導入部の下流の）および／またはＨＲＳＧ１８の入口の付近に配置された１つ以上のセンサであって、冷却剤供給源１４の下流の排気ガス２２の温度および／または流量の直接測定値を提供するように構成された１つ以上のセンサを含んでもよい。
他の実施形態において、コントローラ１２は、冷却剤供給源１４の下流の排気ガス２２の温度および／または流量を推定してもよい。例えば、コントローラ１２は、冷却剤供給源１４の上流の排気センサフィードバック３８および冷却剤供給源フィードバック４４に基づいて冷却剤供給源１４の下流の排気ガス２２の温度および／または流量を推定してもよい。具体的には、排気センサフィードバック３８は、冷却剤供給源１４の上流の排気ガス２２の温度および／または流量の直接測定値を提供してもよく、冷却剤供給センサフィードバック４４は、排気ガス２２に供給される冷却剤の温度および／または流量の直接測定値を提供してもよい。
一部の実施形態において、コントローラ１２は、システム１０の１つ以上の変量を導出、推定、または予測するためにモデルベース制御４６を実施するように構成されてもよい。例えば、コントローラ１２は、冷却剤供給源１４の上流の排気ガス２２の温度および／もしくは流量、冷却剤供給源１４の下流の排気ガス２２の温度および／もしくは流量、ならびに／または蒸気２４の温度を導出、推定、または予測するためにモデルベース制御４６を使用してもよい。モデルベース制御４６は、物理学ベースモデル（熱力学モデル、流体モデル、および計算流体力学モデルなど）を含んでもよい。さらに、モデルベース制御４６は、統計モデル（回帰分析モデルおよびデータマイニングモデル（例えば、クラスタリングモデル、分類モデル、関連付けモデル（ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ））など）を含んでもよい。回帰分析は、特定の誤差範囲内で将来動向をモデル化することが可能な関数を発見するために使用されてもよい。関連付け技術は、変量間の関係を発見するために使用されてもよい。さらに、モデルベース制御４６は、人工知能モデル（エキスパートシステム（例えば、前向き連鎖エキスパートシステム、後向き連鎖エキスパートシステム）、ニューラルネットワーク、ファジー論理システム、状態ベクトルマシン、帰納推論マシン、機械学習システム、およびベイズ推定システムなど）を含んでもよい。
さらに、特定の実施形態において、モデルベース制御４６は、エンジン１６の１つ以上の動作パラメータをリアルタイムにモデル化し得る適応リアルタイムエンジンシミュレーション（ＡＲＥＳ：Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ Ｅｎｇｉｎｅ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）を含んでもよい。例えば、モデルベース制御４６は、エンジンセンサフィードバック３６、排気センサフィードバック３８、冷却剤供給センサフィードバック４４、および／または制御エフェクタによってエンジン１６のリアルタイム動作パラメータの入力を受信してもよい。エンジン１６の動作パラメータのリアルタイム入力は、例えば、周囲温度、周囲圧力、比湿、燃料の種類（例えば、組成）、エンジンへの燃料流量、燃料温度、エミッションレベル（例えば、ＣＯ、ＮＯ、Ｏ２、未燃燃料、粒子状物質などの）、振動レベル、入口圧力損失、排気圧力損失、入口抽気熱、圧縮機入口温度、シャフト速度、システム１０の負荷状態、エンジン１６の負荷状態、冷却剤供給源１４の温度、冷却剤供給源１４の流量、および／または任意の他の適切な動作パラメータを含んでもよい。
モデルベース制御４６は、１つ以上の出力パラメータを導出、推定、または予測するためにリアルタイム入力を使用してもよい。例えば、出力パラメータは、火炎温度もしくは燃焼温度、タービン出力、圧縮機出力、電力出力、圧縮機入口状態（例えば、温度、圧力、流量）、圧縮機の１つ以上の中間段の圧縮機状態（例えば、温度、圧力、流量）、圧縮機吐出状態（例えば、温度、圧力、流量）、圧縮機圧力比、圧縮機出力、冷却剤供給源１４の上流の排気ガス２２の状態（例えば、温度、圧力、流量）、冷却剤供給源１４の下流の排気ガス２２の状態（例えば、温度、圧力、流量）、および／または任意の他の適切なパラメータを含んでもよい。一部の実施形態において、燃焼温度、圧縮機入口状態（例えば、温度、圧力、流量）、圧縮機吐出状態（例えば、温度、圧力、流量）、圧縮機圧力比、圧縮機出力、および／または冷却剤供給源１４の上流の排気ガス２２の状態（例えば、温度、圧力、流量）が、冷却剤供給源１４の下流の排気ガス２２の状態（例えば、温度、圧力、流量）を導出、推定、または予測するために使用されるモデルベース制御４６のための入力であってもよい。
さらに、一部の実施形態において、モデルベース制御４６は、ＨＲＳＧ１８の１つ以上の動作パラメータをリアルタイムにモデル化するためにＡＲＥＳを実施してもよい。例えば、モデルベース制御４６は、ＨＲＳＧセンサフィードバック４２、排気センサフィードバック３８、冷却剤供給センサフィードバック４４、および／または制御エフェクタによってＨＲＳＧ１８のリアルタイム動作パラメータの入力を受信してもよい。ＨＲＳＧ１８の動作パラメータのリアルタイム入力は、例えば、冷却剤供給源１４の上流の排気ガス２２の状態（例えば、温度、圧力、流量）、冷却剤供給源１４の状態（例えば、温度、圧力、流量）、冷却剤供給源１４の下流の排気ガス２２の状態（例えば、温度、圧力、流量）、システム１０の負荷状態、エンジン１６の負荷状態、ＨＲＳＧ１８の負荷状態、および／または入口水状態（例えば、温度、圧力、流量）を含んでもよい。モデルベース制御４６は、１つ以上の出力パラメータを導出、推定、または予測するためにリアルタイム入力を使用してもよい。例えば、出力パラメータは、蒸気２４の状態（温度、圧力、および／または流量など）を含んでもよい。
上で指摘したように、コントローラ１２は、システム１０の負荷状態の変化中に冷却剤供給源１４を制御してもよい。したがって、一部の実施形態において、コントローラ１２は、負荷ベース制御５０（システム１０および／またはエンジン１６が部分負荷状態にあるときの部分負荷制御５２ならびにシステム１０および／またはエンジン１６が全負荷状態にあるときの全負荷制御５４など）を実施するように構成されてもよい。例えば、コントローラ１２は、部分負荷制御５２を実施するときに冷却剤供給源１４に供給させる命令または冷却剤供給源１４の温度および／もしくは流量を調整する命令を実行してもよい。特定の実施形態において、コントローラ１２は、エンジン１６の負荷が全負荷の約１〜９０パーセント、５〜８５パーセント、１０〜８０パーセント、１５〜７５パーセント、２０〜７０パーセント、または２５〜６５パーセントのときに冷却剤供給源１４に供給させてもよい。一実施形態において、コントローラ１２は、エンジン１６の負荷が全負荷の約２５〜５０パーセントのときに冷却剤供給源１４に供給させてもよい。
一部の実施形態において、コントローラ１２は、全負荷制御５４に対して部分負荷制御５２を実施するときに冷却剤供給源１４の温度を低下させてもよく、および／または冷却剤供給源１４の流量を増加させてもよい。すなわち、コントローラ１２は、部分負荷制御５２中に全負荷制御５４を上回る冷却を行うために冷却剤供給源１４を制御してもよい。一部の実施形態において、コントローラ１２は、全負荷制御５４を実施するときは冷却剤供給源１４に供給させなくてもよい。例えば、排気ガス２２の温度および蒸気２４の温度は、一般に、システム１０が全負荷で動作されるときは許容限度内であり得る（例えば、それぞれ少なくとも１つの排気ガス温度閾値および少なくとも１つの蒸気温度閾値に違反しない）。費用を低減し、システム１０の効率を向上させるために、排気ガス２２の温度および蒸気２４の温度がそれぞれ少なくとも１つの排気ガス温度閾値および少なくとも１つの蒸気温度閾値に違反しないときに冷却剤供給源１４に供給させる量および／または継続時間を低減することが望ましい場合がある。他の実施形態において、コントローラ１２は、全負荷制御５４中は開ループシステムを実施してもよい。例えば、コントローラ１２は、全負荷制御５４中は排気ガス２２の温度および／または蒸気２４の温度に関するフィードバックを用いることなく所定の温度および所定の流量で冷却剤供給源１４に供給させる命令を実行してもよい。
さらに、一部の実施形態において、コントローラ１２は、冷却剤供給源１４を制御するための冷却剤制御スケジュール５６を実施するように構成されてもよい。例えば、コントローラ１２は、排気ガス２２の温度および／または蒸気２４の温度が少なくとも１つの排気ガス温度閾値（例えば、最大排気ガス温度閾値）または少なくとも１つの蒸気温度閾値（例えば、最大蒸気温度閾値）に近づいたときまたは達したときの冷却剤供給源１４の送出をスケジュールしてもよい。特定の実施形態において、冷却剤制御スケジュール５６は、エンジン１６の負荷状態に少なくとも部分的に基づいてもよい。一部の実施形態において、コントローラ１２は、閉ループ制御を実施してもよい。例えば、コントローラ１２は、排気ガス２２の温度および／または蒸気２４の温度をそれぞれ少なくとも１つの排気ガス温度閾値および少なくとも１つの蒸気温度閾値に調節する目的で冷却剤供給源１４を制御するためにエンジンセンサフィードバック３６、排気センサフィードバック３８、蒸気タービンセンサフィードバック４０、ＨＲＳＧセンサフィードバック４２、および／または冷却剤供給センサフィードバック４４を使用してもよい。一部の実施形態において、閉ループ制御のために、少なくとも１つの排気ガス温度閾値および少なくとも１つの蒸気温度閾値はそれぞれ、冷却剤供給源１４がコントローラ１２によって作動および停止される頻度を低減または最小化するために所定の許容変動範囲を含んでもよい。例えば、所定の許容変動範囲は、摂氏約０．２５度〜摂氏約１０度、摂氏０．５度〜摂氏５度、摂氏０．７５度〜摂氏３度、または摂氏１度〜摂氏２度だけ少なくとも１つの排気ガス温度閾値および／または少なくとも１つの蒸気温度閾値を上回るおよび／または下回る排気ガス２２の温度または蒸気２４の温度のずれを許容してもよい。
他の実施形態において、コントローラ１２は、冷却剤制御スケジュール５６に基づいて開ループ制御を実施するように構成されてもよい。具体的には、コントローラ１２は、排気ガス２２の温度および／または蒸気２４の温度に関するフィードバックを用いることなく排気ガス２２の温度および／または蒸気２４の温度を制御するために冷却剤供給源１４を制御してもよい。一部の実施形態において、コントローラ１２は、システム１０、エンジン１６、および／またはＨＲＳＧ１８の様々な負荷状態に関する開ループ制御を実施してもよい。例えば、コントローラ１２は、システム１０、エンジン１６、および／またはＨＲＳＧ１８の始動中に開ループ制御を実施してもよい。一部の実施形態において、コントローラ１２は、システム１０、エンジン１６、および／またはＨＲＳＧ１８の全負荷状態中に開ループ制御を実施してもよい。特定の実施形態において、コントローラ１２は、冷却剤制御スケジュール５６に基づいて閉ループ制御および開ループ制御を実施してもよく、冷却剤制御スケジュール５６は、システム１０、エンジン１６、および／またはＨＲＳＧ１８の負荷状態に少なくとも部分的に基づいてもよい。例えば、コントローラ１２は、上で指摘したように始動中は開ループ制御を実施してもよく、所定の部分負荷状態中は閉ループ制御を実施してもよい。例えば、所定の部分負荷状態は、全負荷の約５〜８５パーセント、１０〜８０パーセント、１５〜７５パーセント、２０〜７０パーセント、または２５〜６５パーセントの、エンジン１６の負荷を含んでもよい。一実施形態において、所定の部分負荷状態は、全負荷の約２５〜５０パーセントの、エンジン１６の負荷を含んでもよい。
図２は、複数の異なる種類の冷却剤供給源１４を含む複合サイクルシステム８０の実施形態のブロック図である。また、システム８０は、コントローラ１２と、エンジン１６と、ＨＲＳＧ１８と、負荷３０を駆動する蒸気タービン２０とを含んでもよい。図示の実施形態において、エンジン１６は、ガスタービンシステム８２を含む。運転中、ガスタービンシステム８２は、負荷８４（発電機など）を駆動するトルクを発生させるために燃料−酸化剤混合物（燃料−空気混合気など）を燃焼させてもよい。浪費を低減する目的で、システム８０は、ＨＲＳＧ１８で流体を加熱して、蒸気２４を発生させるためにガスタービンシステム８２からの排気ガス２２の熱エネルギーを使用してもよい。したがって、システム８０は、エネルギー（例えば、排気ガス２２の熱エネルギー）の浪費を低減しながら電力生産を増加させるためにガスタービンシステム８２と蒸気タービン２０とを組み合わせてもよい。
ガスタービンシステム８２は、圧縮機８６、燃焼器８８、およびタービン９０を含んでもよい。運転中、酸化剤（例えば、空気、酸素、酸素富化空気、または酸素貧化空気）が、圧縮機８６に入り、圧縮機８６は、圧縮機ブレードを有する一連の圧縮機段（例えば、ロータディスク）で酸化剤を加圧する。圧縮された酸化剤は、圧縮機８６から出ると、燃焼器８８に入り、燃料と混合される。ガスタービンシステム８２は、ガスタービンシステム８２を作動させるために液体燃料または気体燃料（天然ガスおよび／もしくは水素リッチ合成ガスなど）を使用してもよい。例えば、複数の燃料ノズル９２は、燃料を取り入れ、燃焼に適した比率でこの燃料と酸化剤とを混合し、燃焼器８８に燃料−酸化剤混合物を噴射してもよい。燃料−酸化剤混合物は、燃焼器８８内の燃焼室で燃焼され、この結果、高温の加圧された排気ガス２２を生成する。燃焼器８８は、タービン９０を経由して排気導管２６（例えば、排気ダクト、排気ディフューザ）に排気ガス２２を送ってもよい。排気ガス２２が、タービン９０を通過するとき、排気ガス２２は、タービンロータディスク（例えば、タービン段）に取り付けられたタービンブレードに接触することができ、タービンブレードにロータディスクを回転させることができる。ロータディスクの回転により、シャフト９４および圧縮機８６のロータディスクの回転が誘発され得る。さらに、シャフト９４に接続された負荷８４は、電気を生成するためにシャフト９４の回転エネルギーを使用してもよい。
さらに、上で指摘したように、排気ガス２２は、ＨＲＳＧ１８に供給されてもよい。ＨＲＳＧ１８は、水を加圧された蒸気２４に変換するために排気ガス２２の熱エネルギーを使用してもよく、また、蒸気導管２８を介して蒸気タービン２０に蒸気２４を供給してもよい。蒸気２４が、蒸気タービン２０に入るとき、蒸気２４は、タービンロータディスク（例えば、タービン段）に取り付けられたタービンブレードに接触することができ、タービンブレードにロータディスクを回転させることができる。ロータディスクの回転により、蒸気タービン２０のシャフト９６の回転が誘発され得る。図示のように、負荷３０（例えば、発電機）は、シャフト９６に接続されている。したがって、負荷３０は、電気を生成するためにシャフト９６の回転エネルギーを使用し得る。
上で指摘したように、システム８０は、複数の異なる種類の冷却剤供給源１４を含んでもよく、複数の異なる種類の冷却剤供給源１４はそれぞれ、排気ガス２２の温度および／もしくは流量ならびに／または蒸気２４の温度を制御するためにコントローラ１２によって制御されてもよい。図示のように、冷却剤供給源１４は、ファンもしくはブロワ９８、外部圧縮機１００（例えば、ガスタービンシステム８２の外部にある）、水ユニット１０２、蒸気ユニット１０４、および／または冷却流体供給源１０６を含んでもよい。ブロワ９８は、排気導管２６内におよび／またはＨＲＳＧ１８内に周囲空気または任意の他の適切なガスを送風または導入してもよい。一部の実施形態において、ブロワ９８は、ガスタービンシステム８２の外部にあってもよい。他の実施形態において、ブロワ９８は、排気フレームブロワ（ｅｘｈａｕｓｔ ｆｒａｍｅ ｂｌｏｗｅｒ）であってもよい。外部圧縮機１００は、排気ガス２２よりも低い温度の圧縮ガス（圧縮された空気、窒素、不活性ガス（例えば、窒素）、ＣＯ２、排気ガス、またはこれらの組み合わせなど）を供給してもよい。さらに、水ユニット１０２は、水スプレーおよび／または水ミストを送出するように構成されてもよい。例えば、水ユニット１０２は、１つ以上の水スプレーシステムまたは水ミスターシステムを含んでもよい。特定の実施形態において、１つ以上の水ユニット１０２は、排気導管２６および／またはＨＲＳＧ１８内に配置されてもよい。蒸気ユニット１０４は、蒸気（例えば、排気ガス２２の温度を下回るおよび／または蒸気２４の温度を下回る温度を有する蒸気）を供給してもよい。特定の実施形態において、蒸気ユニット１０４は、システム８０の構成要素からの余分な蒸気または廃蒸気を受け入れてもよい。冷却流体供給源１０６は、システム８０の構成要素からの任意の適切な冷却流体（例えば、水、空気、不活性ガス（例えば、窒素）、ＣＯ２、排気ガス、またはプロセス流体など）を供給してもよい。
さらに、冷却剤供給源１４は、ガスタービンシステム８２の圧縮機８６を含んでもよい。具体的には、冷却剤供給源１４は、圧縮機８６から外への抽気を含んでもよい。外への抽気は、圧縮機８６の任意の適切な位置から抽出されてもよく、複数の異なる位置から抽出されてもよい。例えば、図示のように、外への抽気は、圧縮機８６の最初の段１１０、第１の中間段１１２、第２の中間段１１４、および／または吐出段１１６から抽出されてもよい。例えば、一部の実施形態において、外への抽気は、冷却剤供給源１４として使用される周囲空気を取り込むための圧縮機８６の前方段（例えば、最初の段１１０、第１の中間段１１２、第２の中間段１１４など）から抽出されてもよい。これにより、効率が向上し得る。なぜなら、取り込まれる周囲空気が、一定の流量に関してより大きい希釈能力を有し、全体的な冷却効果を得るために使用される圧縮機空気がより少なくなり得るからである。さらに、より低圧の空気が、圧縮機８６の前方段から使用されてもよい。なぜなら、より少ない空気が、使用され得るため、圧縮機の安定性の問題を引き起こしにくいからである。認識されるように、圧縮機８６の途中の、外への抽気の抽出の位置は、外への抽気の圧力および／または流量に影響を及ぼし得る（すなわち、圧縮機８６のより高い段からの外への抽気は、圧縮機８６のより低い段または最初の段からの外への抽気よりも高い圧力を有し得る）。したがって、外への抽気のために圧縮機８６の途中に２つ以上の抽出位置を含む実施形態において、コントローラ１２は、外への抽気の所望の圧力および／または流量に基づいて適切な抽出位置を選択するように構成されてもよい。
さらに、図示のように、ブロワ９８、外部圧縮機１００、水ユニット１０２、蒸気ユニット１０４、冷却流体供給源１０６、および圧縮機８６はそれぞれ、排気導管２６に冷却剤を運ぶための少なくとも１つの導管（例えば、排気ガス２２との直接熱伝達のための、排気導管２６への直接注入のための）を含んでもよい。システム８０は、排気導管２６に冷却剤を運ぶための任意の適切な数の導管を含んでもよく、導管は、ブロワ９８、外部圧縮機１００、水ユニット１０２、蒸気ユニット１０４、冷却流体供給源１０６、および圧縮機８６の１つ以上によって共用されてもよいし、ブロワ９８、外部圧縮機１００、水ユニット１０２、蒸気ユニット１０４、冷却流体供給源１０６、および圧縮機８６の１つ以上の専用であってもよい。さらに、冷却剤を運ぶための導管は、排気導管２６の任意の適切な位置の付近に配置されてもよい。さらに、システム８０は、ＨＲＳＧ１８に冷却剤を運ぶための任意の適切な数の導管を含んでもよく、導管は、ブロワ９８、外部圧縮機１００、水ユニット１０２、蒸気ユニット１０４、冷却流体供給源１０６、および圧縮機８６の１つ以上によって共用されてもよいし、ブロワ９８、外部圧縮機１００、水ユニット１０２、蒸気ユニット１０４、冷却流体供給源１０６、および圧縮機８６の１つ以上の専用であってもよい。コントローラ１２が、任意の適切な数および種類の冷却剤供給源１４を利用するように構成されてもよいことおよびコントローラ１２が、システム８０の１つ以上の動作パラメータに基づいて使用のために複数の異なる種類の冷却剤供給源１４の１つ以上を選択するように構成されてもよいことに留意すべきである。さらに、図示のように、システム８０は、コントローラ１２によって制御され得る、１つ以上の冷却剤搬送導管の途中にある１つ以上の弁１１８を含んでもよい。
さらに、システム８０は、システム８０の動作パラメータに関するフィードバックを提供するように構成された複数のセンサ１２０を含んでもよい。複数のセンサ１２０は、温度センサ、圧力センサ、流量センサ、近接センサ、流量センサ、排気エミッションセンサ（例えば、ＣＯ、ＮＯｘ、Ｏ２、未燃燃料、粒子状物質、または他の組成センサ）、および／または任意の他の適切なセンサを含んでもよい。複数のセンサ１２０は、システム１０の動作パラメータに関するフィードバックをコントローラ１２に提供するためにコントローラ１２に通信可能に接続されてもよい。特定の実施形態において、センサ１２０の１つ以上は、無線センサおよび／または有線センサを含んでもよい。
具体的には、複数のセンサ１２０は、エンジンセンサフィードバック３６（例えば、ガスタービンシステム８２に関するフィードバック）、排気センサフィードバック３８、蒸気タービンセンサフィードバック４０、ＨＲＳＧセンサフィードバック４２、および冷却剤供給センサフィードバック４４を提供するように構成されてもよい。したがって、システム８０は、エンジンセンサフィードバック３６および／または冷却剤供給センサフィードバック４４を提供するために圧縮機８６の付近に配置された１つ以上のセンサを含んでもよい。さらに、システム８０は、冷却剤供給センサフィードバック４４を提供するために、異なる種類の冷却剤供給源１４（例えば、ブロワ９８、外部圧縮機１００、水ユニット１０２、蒸気ユニット１０４、および／もしくは冷却流体供給ユニット１０６）の付近にならびに／または冷却剤搬送導管の付近に配置された１つ以上のセンサ１２０を含んでもよい。さらに、システム８０は、排気センサフィードバック３８および／またはＨＲＳＧセンサフィードバック４２を提供するために排気導管２６の付近に配置された１つ以上のセンサ１２０を含んでもよい。例えば、１つ以上のセンサ１２０は、冷却剤供給源１４の導入部の上流の排気ガス２２の温度および／または流量に関するフィードバックを提供するためにタービン９０の近傍で排気導管２６の付近に配置されてもよく、また、１つ以上のセンサ１２０は、冷却剤供給源１４の導入部の下流の排気ガス２２の温度および／または流量に関するフィードバックを提供するためにＨＲＳＧ１８の入口の近傍で排気導管２６の付近に配置されてもよい。さらに、システム８０は、ＨＲＳＧセンサフィードバック４２を提供するためにＨＲＳＧ１８の付近にまたはＨＲＳＧ１８内に配置された１つ以上のセンサ１２０および蒸気タービンセンサフィードバック４０を提供するために蒸気タービン２０の付近にまたは蒸気タービン２０内に配置された１つ以上のセンサ１２０を含んでもよい。上で指摘したように、ＨＲＳＧセンサフィードバック４２および／または蒸気タービンセンサフィードバック４０は、蒸気２４の温度の直接測定値を含んでもよい。
上で詳細に説明したように、コントローラ１２は、排気ガス２２の温度および／もしくは流量ならびに／または蒸気２４の温度を制御する目的で冷却剤供給源１４を制御するためにエンジンセンサフィードバック３６、排気センサフィードバック３８、蒸気タービンセンサフィードバック４０、ＨＲＳＧセンサフィードバック４２、および／または冷却剤供給センサフィードバック４４を使用するように構成されてもよい。具体的には、上で説明したように、コントローラ１２は、１つ以上の制御モード（モデルベース制御４６、負荷ベース制御５０（例えば、部分負荷制御５２および／もしくは全負荷制御５４）、ならびに／または冷却剤制御スケジュール５６など）を実施してもよい。一部の実施形態において、コントローラ１２は、使用する、異なる種類の冷却剤供給源１４（例えば、ブロワ９８、外部圧縮機１００、水ユニット１０２、蒸気ユニット１０４、冷却流体供給源１０６、および圧縮機８６）の１つ以上を選択するために、１つ以上の選択された種類の冷却剤供給源１４によって供給される冷却剤のタイミングまたはスケジューリングを制御するために、ならびに１つ以上の選択された種類の冷却剤供給源１４によって供給される冷却剤の量および速度を制御するためにフィードバックおよび／または１つ以上の制御モードを利用してもよい。例えば、特定の実施形態において、コントローラ１２は、動作状態に応じて異なる冷却剤供給源１４を使用してもよい（始動と定常状態とで異なる冷却剤供給源１４、全負荷と部分負荷とで異なる冷却剤供給源１４など）。
図３は、システム８０の異なる負荷状態に関する排気ガス２２の温度を示すグラフ１４０である。詳細には、グラフ１４０は、ガスタービンシステム８２の異なる負荷状態に関する排気ガス２２の温度を示している。図示のように、グラフ１４０は、ガスタービンシステム８２の負荷を表すｘ軸１４２および排気ガス２２の温度を表すｙ軸１４４を含む。グラフ１４０が示しているように、最小負荷点１４６において、ガスタービンシステム８２は動作し、始動温度の排気ガス２２を生成し得る。負荷が増大されるにつれて、排気ガス２２の温度は上昇し得る。具体的には、図示のように、排気ガス２２の温度は、中間負荷点１４８でピークに達し得る。ピーク温度および中間負荷点１４８が、例示に過ぎず、ガスタービンシステム８２の動作パラメータおよび境界条件、システム８０の動作パラメータおよび境界条件、ならびに周囲温度に応じて変化し得ることが認識されるべきである。さらに、中間負荷点１４８が、ある範囲の負荷状態を含み得ることに留意すべきである。さらに、図示のように、排気ガス２２の温度は、中間負荷点１４８と全負荷点１５０（例えば、ベース負荷）との間で低下し得る。
また、グラフ１４０は、閾値温度線１５２を示している。閾値温度線１５２は、上で詳細に説明した少なくとも１つの排気温度閾値（例えば、最大排気温度閾値）に対応し得る。したがって、コントローラ１２は、排気ガス２２の温度が閾値温度線１５２を超えたときに排気ガス２２の温度を低下させるために、また随意に蒸気２４の温度を低下させるために冷却剤供給源１４を制御するように構成されてもよい。一部の実施形態において、コントローラ１２は、排気ガス２２の温度が閾値温度線１５２を下回ったときに冷却剤供給源１４の送出を停止させる命令を実行してもよい。閾値温度線１５２は、単線として示されているが、一部の実施形態において、閾値温度線１５２は、冷却剤供給源１４がコントローラ１２によって作動および停止される頻度を低減または最小化するために、上で説明したように所定の許容変動範囲（例えば、上限閾値および下限閾値）を含んでもよいことに留意すべきである。
図４〜図７は、冷却剤供給源１４を制御するための方法を示している。図４〜図７に説明されている方法は、コンピュータ実施方法であってもよい。具体的には、図４〜図７の方法の１つ以上のステップまたはすべてのステップは、コントローラ１２を用いて実行されてもよい。例えば、コントローラ１２のプロセッサ３４は、図４〜図７の方法の１つ以上のステップを実行するために、コントローラ１２のメモリ３２に記憶された命令を実行してもよい。一部の実施形態において、コントローラ１２は、図４〜図７の方法の１つ以上のステップまたはすべてのステップを実行するためにモデルベース制御４６、負荷ベース制御５０（例えば、部分負荷制御５２および／もしくは全負荷制御５４）、ならびに／または冷却剤制御スケジュール５６を実施するように構成されてもよい。
図４は、全負荷状態と部分負荷状態とでは異なる仕方で排気ガス２２の温度および／または蒸気２４の温度を制御するために冷却剤供給源１４を制御するためのコンピュータ実施方法１７０の実施形態のフローチャートである。例えば、方法１７０は、エンジン（例えば、エンジン１６またはタービン９０）とＨＲＳＧ１８との間の排気導管２６に冷却剤を供給する（例えば、冷却剤供給源１４に供給させる）ステップ（ブロック１７２）を含んでもよい。冷却剤は、上で説明した異なる種類の冷却剤供給源１４（ガスタービンシステム８２の圧縮機８６、ブロワ９８、外部圧縮機１００、水ユニット１０２、蒸気ユニット１０４、冷却流体供給源１０６、またはこれらの任意の組み合わせなど）のいずれかから供給されてもよい。
また、方法１７０は、全負荷状態と部分負荷状態とでは異なる仕方で排気ガス２２の温度および／または蒸気２４の温度を制御するために冷却剤供給源１４を制御するステップ（ブロック１７４）を含んでもよい。上で指摘したように、全負荷状態および部分負荷状態は、エンジン１６、ガスタービンシステム８２、ＨＲＳＧ１８、蒸気タービン２０、システム１０、および／またはシステム８０の状態であってもよい。上で詳細に説明したように、一部の実施形態において、コントローラ１２は、１つ以上の部分負荷状態（例えば、全負荷の約２５〜５０パーセント）中に冷却剤供給源１４から冷却剤を供給する命令および全負荷状態中に冷却剤供給源１４からの冷却剤の供給を停止させる命令を実行してもよい。さらに、上で説明したように、コントローラ１２は、１つ以上の入力（エンジンセンサフィードバック３６、排気センサフィードバック３８、蒸気タービンセンサフィードバック４０、ＨＲＳＧセンサフィードバック４２、および／または冷却剤センサフィードバック４４など）に少なくとも部分的に基づいて部分負荷状態中の、冷却剤供給源１４からの冷却剤の供給を制御してもよい（例えば、弁、アクチュエータなどによって）。
図５は、少なくとも１つの温度閾値に基づいて排気ガス２２の温度および／または蒸気２４の温度を制御するために冷却剤供給源１４を制御するためのコンピュータ実施方法１８０の実施形態のフローチャートである。方法１８０は、排気ガス２２の温度および／または蒸気２４の温度を検知するステップ（ブロック１８２）を含んでもよい。例えば、コントローラ１２は、センサ１２０の１つ以上から排気ガス２２および／または蒸気２４の温度に関する入力またはフィードバック（排気センサフィードバック３８、蒸気タービンセンサフィードバック４０、および／またはＨＲＳＧセンサフィードバック４２など）を受信してもよい。上で指摘したように、一部の実施形態において、センサ１２０の１つ以上は、排気ガス２２および蒸気２４の温度の直接測定を提供してもよい。
また、方法１８０は、少なくとも１つの温度閾値に基づいて排気ガス２２の温度および／または蒸気２４の温度を制御するために冷却剤供給源１４から排気導管２６への冷却剤の流量および／または温度を制御するステップ（ブロック１８４）を含んでもよい。例えば、コントローラ１２は、排気ガス２２および蒸気２４の検知された温度と少なくとも１つの排気ガス温度閾値および少なくとも１つの蒸気温度閾値とをそれぞれ比較してもよい。さらに、コントローラ１２は、排気ガス２２の検知された温度および／または蒸気２４の検知された温度がそれぞれ少なくとも１つの排気ガス温度閾値および少なくとも１つの蒸気温度閾値に違反している（例えば、これらを超えている）か否か、または収まっていないか否かの判定に少なくとも部分的に基づいて冷却剤供給源１４から冷却剤を供給する命令または冷却剤供給源１４からの冷却剤の温度および／もしくは流量を調整する命令を実行してもよい。具体的には、コントローラ１２は、判定に基づいて排気ガス２２の温度および／または蒸気２４の温度を低下させるために（例えば、弁、アクチュエータなどによって）冷却剤供給源１４から冷却剤を供給する命令または冷却剤供給源１４からの冷却剤の温度および／もしくは流量を調整する命令を実行してもよい。
図６は、モデルベース制御４６および少なくとも１つの温度閾値に基づいて排気ガス２２の温度および／または蒸気２４の温度を制御するために冷却剤供給源１４を制御するためのコンピュータ実施方法１９０の実施形態のフローチャートである。方法１９０は、エンジン（例えば、エンジン１６、ガスタービンシステム８２）の１つ以上のパラメータおよび／またはＨＲＳＧ１８の１つ以上のパラメータを検知するステップ（ブロック１９２）を含んでもよい。例えば、コントローラ１２は、センサ１２０の１つ以上からエンジンセンサフィードバック３６および／またはＨＲＳＧセンサフィードバック４２を受信してもよい。また、方法１９０は、検知されたパラメータおよびモデルベース制御４６に基づいて排気ガス２２の温度および／または蒸気２４の温度を推定するステップ（ブロック１９４）を含んでもよい。例えば、上で説明したように、コントローラ１２は、モデルベース制御４６のための入力としてエンジンセンサフィードバック３６および／またはＨＲＳＧセンサフィードバック４２からの少なくとも１つ以上の動作パラメータを使用するように構成されてもよく、排気ガス２２の温度および／または蒸気２４の温度を出力（例えば、推定、導出、予測）するためにモデルベース制御４６を使用してもよい。
さらに、方法１９０は、少なくとも１つの温度閾値に基づいて排気ガス２２の温度および／または蒸気２４の温度を制御するために冷却剤供給源１４から排気導管２６への冷却剤の流量および／または温度を制御するステップ（ブロック１９６）を含んでもよい。例えば、コントローラ１２は、排気ガス２２および蒸気２４の推定された温度と少なくとも１つの排気ガス温度閾値および少なくとも１つの蒸気温度閾値とをそれぞれ比較してもよい。さらに、コントローラ１２は、排気ガス２２の推定された温度および／または蒸気２４の推定された温度がそれぞれ少なくとも１つの排気ガス温度閾値および少なくとも１つの蒸気温度閾値に違反している（例えば、これらを超えている）か否か、または収まっていないか否かの判定に少なくとも部分的に基づいて冷却剤供給源１４から冷却剤を供給する命令または冷却剤供給源１４からの冷却剤の温度および／もしくは流量を調整する命令を実行してもよい。具体的には、コントローラ１２は、判定に基づいて排気ガス２２の温度および／または蒸気２４の温度を低下させるために（例えば、弁、アクチュエータなどによって）冷却剤供給源１４に供給させる命令または冷却剤供給源１４からの冷却剤の温度および／もしくは流量を調整する命令を実行してもよい。
図７は、全負荷制御および部分負荷制御を用いて冷却剤供給源１４を制御するためのコンピュータ実施方法２００の実施形態のフローチャートである。方法２００は、エンジンおよび／またはＨＲＳＧ１８の全負荷状態中は全負荷制御５４によってエンジン（例えば、エンジン１６、タービン９０）とＨＲＳＧ１８との間の排気導管２６に対して冷却剤供給源１４を制御する（例えば、弁、アクチュエータ、ポンプ、モータ、圧縮機などによって）ステップ（ブロック２０２）を含んでもよい。特定の実施形態において、全負荷制御５４中は、冷却剤供給源１４から、排気導管２６に供給されなくてもよい。例えば、コントローラ１２は、冷却剤供給源１４からの冷却剤の供給を停止または防止する命令を実行してもよい。一部の実施形態において、全負荷制御５４を実施するための命令は、冷却剤供給源１４から冷却剤を供給するための命令を含んでもよい。他の実施形態において、全負荷制御５４は、排気ガス２２および／または蒸気２４の温度に関するフィードバックを用いることなく冷却剤供給源１４からの冷却剤を制御するための開ループシステムを含んでもよい。特定の実施形態において、全負荷制御５４は、排気ガス２２および／または蒸気２４の温度に関するフィードバックに基づいて冷却剤供給源１４からの冷却剤を制御するための閉ループシステムを含んでもよい。
また、方法２００は、エンジンおよび／またはＨＲＳＧ１８を全負荷状態から部分負荷状態に移行させるステップ（ブロック２０４）を含んでもよい。具体的には、この移行は、エンジンおよび／またはＨＲＳＧ１８の負荷を低減することを含んでもよい。さらに、方法２００は、部分負荷状態中は部分負荷制御５２によって冷却剤供給源１４を制御するステップ（ブロック２０６）を含んでもよい。例えば、一部の実施形態において、部分負荷制御５２は、全負荷制御５４に比べて冷却剤供給源１４からの冷却剤の温度を低下させることおよび／または冷却剤供給源１４からの冷却剤の流量を増加させることを含んでもよい。他の実施形態において、部分負荷制御５２は、冷却剤供給源１４からの冷却剤の供給を初期化することを含んでもよい。さらに、一部の実施形態において、部分負荷制御５２は、排気ガス２２および／または蒸気２４の温度に関するフィードバックに基づいて閉ループ制御システムを用いて冷却剤供給源１４から冷却剤を供給することを含んでもよい。
図８は、冷却剤供給源１４からの冷却剤を受け入れるように構成された複数の注入位置２２０（例えば、注入器、注入マニホールド、またはこれらの両方）を含む排気導管２６の半径方向部分断面図である。図示のように、排気ガス２２は、矢印２２２によって大まかに示されているように排気導管２６を通って流れる。排気導管２６は、外壁２２４を含んでもよく、外壁２２４は、環状、円錐形、矩形、または任意の他の適切な幾何学的形状のものであってもよい。注入位置２２０はそれぞれ、冷却剤供給源１４から排気導管２６に冷却剤を送るための、外壁２２４を貫通する開口（例えば、注入ポートまたは注入ノズル）を少なくとも含んでもよい。さらに、注入位置２２０は、冷却剤供給源１４からの冷却剤を受け入れ、冷却剤供給源１４から注入位置２２０に冷却剤を送るように構成されたマニホールド管２２６を含んでもよい。しかしながら、注入位置２２０はまた、冷却剤供給源１４からの冷却剤を受け入れて送るための導管、弁、または任意の他の適切な構成要素を含んでもよいことが認識されるべきである。注入位置２２０は、任意の適切な位置で外壁２２４の付近に配置されてもよい。例えば、注入位置２２０は、排気導管２６の同じまたは異なる軸方向位置および周方向位置の付近に配置されてもよい。図示のように、排気導管２６は、第１の軸方向位置および第１の周方向位置にある第１の注入位置２２８と、第１の軸方向位置および第２の周方向位置にある第２の注入位置２３０と、第２の軸方向位置および第１の周方向位置にある第３の注入位置２３２と、第２の軸方向位置および第２の周方向位置にある第４の注入位置２３４とを含んでもよい。任意の適切な数の注入位置２２０が使用されてもよいことに留意すべきである。例えば、排気導管２６は、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、またはより多くの注入位置２２０を含んでもよい。
さらに、冷却剤供給源１４は、冷却剤供給源１４から排気導管２６に冷却剤を供給するように構成されたマニホールド２３６を含んでもよい。一部の実施形態において、マニホールド２３６は、異なる種類の冷却剤供給源１４（圧縮機８６、ブロワ９８、外部圧縮機１００、水ユニット１０２、蒸気ユニット１０４、および／または冷却流体供給源１０６など）から排気導管２６に冷却剤を供給するように構成されてもよい。例えば、図示のように、マニホールド２３６は、第１の種類の第１の冷却剤供給源２３８からの冷却剤および第２の種類の第２の冷却剤供給源２４０からの冷却剤を供給するように構成されてもよい。
図９は、冷却剤供給源１４を受けるように構成された複数の注入位置２２０を含む排気導管２６の軸方向断面図である。図示のように、注入位置２２０は、排気導管２６の異なる周方向位置の付近に配置されてもよい。さらに、注入位置２２０は、同じまたは異なる構成を含んでもよい。例えば、排気導管２６は、外壁２２４と面一な１つ以上の注入位置２５０、外壁２２４に凹設された１つ以上の注入位置２５２、および／または排気導管２６内に突出した１つ以上の注入位置２５６を含んでもよい。一部の実施形態において、注入位置の１つ以上は、冷却剤と排気ガス２２との混合を容易にするために旋回羽根（ｔｕｒｎｉｎｇ ｖａｎｅ）（例えば、２５６）を含んでもよい。
上で述べたように、コントローラ１２は、排気ガス２２の温度、蒸気２４の温度、またはこれらの両方を制御するために冷却剤供給源１４を制御してもよい。一部の実施形態において、コントローラ１２は、フィードバック（エンジンセンサフィードバック３６、排気センサフィードバック３８、蒸気タービンセンサフィードバック４０、ＨＲＳＧセンサフィードバック４２、および／または冷却剤供給センサフィードバック４４など）に基づいて冷却剤供給源１４を制御してもよい。特定の実施形態において、コントローラ１２は、モデルベース制御４６、フィードバック、および／または１つ以上の温度閾値を用いて冷却剤供給源１４を制御してもよい。
開示されている主題の技術的効果は、負荷状態の変化中にシステム（例えば、複合サイクルシステム）の動作状態を平衡化することを含み得る。詳細には、開示されている実施形態は、システム１０（またはシステム８０）のターンダウン能力を最大にしながら負荷状態の変化中にＨＲＳＧ１８の入口温度、蒸気２４の温度、およびエンジン１６の動作を個別に管理し得るコントローラ１２を示している。言い換えれば、コントローラ１２は、境界条件または動作制限（例えば、閾値）に収まり続けるように排気ガス２２の温度を低下させるために冷却剤供給源１４を制御しながら、他の方法では（例えば、開示されている実施形態でなければ）ＨＲＳＧ１８の境界条件または動作制限を超える、排気ガス２２の温度をもたらす負荷状態（例えば、始動またはターンダウン中の）におけるＨＲＳＧ１８およびエンジン１６の両方の動作を可能にし得る。同様に、コントローラ１２は、境界条件または動作制限（例えば、閾値）に収まり続けるように蒸気２４の温度を低下させるために冷却剤供給源１４を制御しながら、他の方法では（例えば、開示されている実施形態でなければ）蒸気タービン２０の境界条件または動作制限を超える、蒸気２４の温度をもたらす負荷状態（例えば、始動またはターンダウン中の）におけるＨＲＳＧ１８、蒸気タービン２０、およびエンジン１６の動作を可能にし得る。このように、コントローラ１２は、システム１０が、エンジン１６および蒸気タービン２０の複合負荷（例えば、電気出力）を増大させるために柔軟にエンジン１６に負荷をかけながら、ＨＲＳＧ１８および蒸気タービン２０を動作させることを可能にし得る。これにより、システム１０の効率が向上し、時間および資金が節約され得る。
この記載された説明では、最良の態様を含めて主題を開示するために、さらには、任意の当業者が任意の装置またはシステムの作製および使用ならびに任意の組み込み方法の実行を含めて開示されている主題を実施することを可能にするために、例が使用されている。開示されている主題の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって規定されており、また、当業者によって想到される他の例を含み得る。このような他の例は、特許請求の範囲の文言と異ならない構造的要素を有する場合または特許請求の範囲の文言と実質的に異ならない均等な構造的要素を含む場合に、特許請求の範囲内にあることが意図されている。
１０ システム
１２ コントローラ
１４ 冷却剤供給源
１６ エンジン
２０ 蒸気タービン
２２ 排気ガス
２４ 蒸気
１８ ＨＲＳＧ
２６ 排気導管
２８ 蒸気導管
３０ 負荷
３２ メモリ
３４ プロセッサ
３６ エンジンセンサフィードバック
３８ 排気センサフィードバック
４０ 蒸気タービンセンサフィードバック
４２ ＨＲＳＧセンサフィードバック
４４ 冷却剤供給センサフィードバック
４６ モデルベース制御
５０ 負荷ベース制
５２ 部分負荷制御
５４ 全負荷制御
５６ 冷却剤制御スケジュール
８０ 複合サイクルシステム
８２ ガスタービンシステム
８４ 負荷
８６ 圧縮機
８８ 燃焼器
９０ タービン
９２ 燃料ノズル
９４ シャフト
９６ シャフト
９８ ブロワ
１００ 外部圧縮機
１０２ 水ユニット
１０４ 蒸気ユニット
１０６ 冷却流体供給源、冷却流体供給ユニット
１１０ 最初の段
１１２ 第１の中間段
１１４ 第２の中間段
１１６ 吐出段
１１８ 弁
１２０ センサ
１４０ グラフ
１４２ ｘ軸
１４４ ｙ軸
１４６ 最小負荷点
１４８ 中間負荷点
１５０ 全負荷点
１５２ 閾値温度線
１７０ コンピュータ実施方法
１７２ ブロック
１７４ ブロック
１８０ コンピュータ実施方法
１８２ ブロック
１８４ ブロック
１９０ コンピュータ実施方法
１９２ ブロック
１９４ ブロック
１９６ ブロック
２００ コンピュータ実施方法
２０２ ブロック
２０４ ブロック
２０６ ブロック
２２０ 注入位置
２２２ 矢印
２２４ 外壁
２２６ マニホールド
２２８ 第１の注入位置
２３０ 第２の注入位置
２３２ 第３の注入位置
２３４ 第４の注入位置
２３６ マニホールド
２３８ 第１の冷却剤供給源
２４０ 第２の冷却剤供給源
２５０ 注入位置
２５２ 注入位置
２５６ 注入位置

Claims (15)

  1. システム（１０）であって、
    エンジン（１６）からの排気ガス（２２）を熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）（１８）に送るように構成された排気導管（２６）と、
    前記排気導管（２６）に接続された冷却剤供給源（１４）であって、冷却領域において前記排気導管（２６）に冷却剤を供給するように構成された冷却剤供給源（１４）と、
    前記冷却領域の上流における１以上の動作パラメータの値に基づいて、前記冷却領域の下流の排気ガスまたは、蒸気の温度を推定するように構成されているコントローラ（１２）と、
    を備え、
    前記１以上の動作パラメータは、前記排気ガス（２２）の排気温度、前記排気ガス（２２）の排気流量、冷却剤の温度、及び前記冷却剤の流量のそれぞれを含み、
    前記コントローラ（１２）は、
    前記冷却領域の下流の排気ガスまたは、蒸気の前記温度を１以上の温度閾値と比較して、前記冷却領域の下流の排気ガスまたは、蒸気の前記温度が前記１以上の温度閾値に違反しているか否かを判断し、
    前記冷却領域の下流の排気ガスまたは、蒸気の前記温度が前記１以上の温度閾値に違反している場合、前記冷却領域の下流の前記排気ガスまたは前記蒸気の温度を制御するために、前記冷却領域において前記排気導管（２６）に供給される冷却剤の温度または流量を調整するように構成され、
    前記コントローラ（１２）は、システムの全負荷状態と部分負荷状態とでは異なる仕方で前記冷却剤供給源（１４）を制御するように構成される、
    システム（１０）。
  2. コントローラ（１２）を備えるシステム（１０）であって、
    前記コントローラ（１２）は、冷却領域の上流における１以上の動作パラメータの値に基づいて、前記冷却領域の下流の排気ガスまたは、蒸気の温度を推定するように構成され、
    前記冷却領域は、エンジン（１６）から熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）（１８）に排気ガス（２２）を送る排気導管（２６）に沿って配置され、
    前記冷却領域は、前記排気導管（２６）に冷却剤を供給する冷却剤供給源（１４）に接続され、
    前記１以上の動作パラメータは、前記排気ガス（２２）の排気温度、前記排気ガス（２２）の排気流量、前記冷却剤の温度、及び前記冷却剤の流量のそれぞれを含み、
    前記コントローラ（１２）は、
    前記冷却領域の下流の排気ガスまたは、蒸気の前記温度を１以上の温度閾値と比較して、前記冷却領域の下流の排気ガスまたは、蒸気の前記温度が前記１以上の温度閾値に違反しているか否かを判断し、
    前記冷却領域の下流の排気ガスまたは、蒸気の前記温度が前記１以上の温度閾値に違反している場合、前記冷却領域の下流の前記排気ガスまたは前記蒸気の温度を制御するために、前記冷却領域において前記排気導管（２６）に供給される冷却剤の温度または流量を調整するように構成され、
    前記コントローラ（１２）は、システムの全負荷状態と部分負荷状態とでは異なる仕方で前記冷却剤供給源（１４）を制御するように構成される、システム（１０）。
  3. 前記排気導管（２６）に接続された前記ＨＲＳＧ（１８）、前記ＨＲＳＧ（１８）に接続された蒸気タービン（２０）、またはこれらの組み合わせと、
    前記排気導管（２６）に接続された前記エンジン（１６）と、
    を備える、請求項１または２に記載のシステム（１０）。
  4. 前記コントローラ（１２）が、前記１以上の動作パラメータを受領し、前記１以上の動作パラメータを使用してモデルベース制御（４６）を実施して、前記冷却領域の下流における前記排気ガスまたは、前記蒸気の前記温度を推定するように構成される、請求項１乃至３のいずれかに記載のシステム（１０）。
  5. 前記冷却領域が、前記冷却剤供給源（１４）からの前記冷却剤を前記排気ガス（２２）に注入して前記排気ガス（２２）と混合するように構成された１以上の注入ポートを含む、請求項１乃至４のいずれかに記載のシステム（１０）。
  6. 前記１以上の動作パラメータは、前記冷却領域の上流の前記排気導管（２６）を流れる前記排気ガス（２２）の圧力、前記冷却剤の圧力、前記システム（１０）の負荷状態、前記エンジン（１６）の負荷状態または、これらの組み合わせを含む、請求項１乃至５のいずれかに記載のシステム（１０）。
  7. 前記冷却剤供給源（１４）が、圧縮機（８６）を備える、請求項１乃至６のいずれかに記載のシステム（１０）。
  8. 圧縮機（８６）と、燃焼器（８８）と、タービン（９０）とを有するガスタービンエンジン（８２）を備え、前記冷却剤供給源（１４）が、前記圧縮機（８６）の出口（１１０）および前記排気導管（２６）に接続された抽出導管を備える、請求項７に記載のシステム（１０）。
  9. 前記コントローラ（１２）が、前記冷却領域の下流の排気ガスの前記温度が前記１以上の温度閾値に違反している場合、前記冷却領域の下流の前記排気ガスの温度を制御するために、供給される冷却剤の温度または流量を調整するように構成される、請求項１乃至８のいずれかに記載のシステム（１０）。
  10. 前記コントローラ（１２）が、前記冷却領域の下流の蒸気の前記温度が前記１以上の温度閾値に違反している場合、前記冷却領域の下流で前記ＨＲＳＧ（１８）により生成される前記蒸気の温度を制御するために供給される前記冷却剤の温度又は流量を制御するように構成されている、請求項１乃至９のいずれかに記載のシステム（１０）。
  11. 前記１以上の温度閾値が、上限温度閾値、下限温度閾値またはこれらの組み合わせを含む、請求項１乃至１０のいずれかに記載のシステム（１０）。
  12. 前記コントローラ（１２）が、前記システム（１０）の前記全負荷状態（１５０）に比べて前記部分負荷状態（１４８）の間に前記冷却領域の下流における前記排気温度、前記蒸気温度、またはこれらの両方を低下させるために前記冷却剤供給源（１４）を制御するように構成されている、請求項１乃至１１のいずれかに記載のシステム（１０）。
  13. 前記コントローラ（１２）が、前記システム（１０）の前記全負荷状態（１５０）に比べて前記部分負荷状態（１４８）の間に前記冷却剤の流量を増加させるために、または前記冷却剤の温度を低下させるために、またはこれらの組み合わせを行うために前記冷却剤供給源（１４）を制御するように構成されている、請求項１乃至１２のいずれかに記載のシステム（１０）。
  14. 前記コントローラ（１２）が、前記冷却領域の上流における前記１以上の動作パラメータの値に基づいて、前記冷却領域の下流の排気ガスの温度を推定するように構成されている、請求項１乃至１３のいずれかに記載のシステム（１０）。
  15. 前記コントローラ（１２）が、前記冷却領域の上流における前記１以上の動作パラメータの値に基づいて、前記冷却領域の下流の排気ガス及び、前記ＨＲＳＧ（１８）によって発生する前記蒸気（２４）の温度を推定するように構成されている、請求項１乃至１４のいずれかに記載のシステム（１０）。
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