JP6952034B2 - 陸上または海洋ベースのマルチスプールガスタービンを動作させるためのシステム、方法、およびコンピュータプログラム - Google Patents

Description

本発明は、一般に、ガスタービンプラントを利用することによる電力および機械的動力の発生の技術分野に関係する。特に、本発明は、負荷に動力供給するために電力を発生させるためのマルチスプールガスタービンを備えた陸上または海洋ベースのガスタービンプラントの動作の制御に関する。

現在、電気エネルギー生成は大きな変化を遂げている。エネルギー部門の汚染と温室効果ガスの排出がますます注目されている。電気エネルギー生成が再生可能エネルギーベースのエネルギー生成に移行するのと同時に、電力網も新たな課題に直面している。従来、原子力発電所や、大規模な石炭ベースの発電所など、電力網に接続された発電所は非常に大きかった。この集中型発電は、当然、エネルギーを長距離にわたって伝送しなければならないので電力網での損失を引き起こす。

分散型発電は消費位置により近く、したがって、集中型発電の場合と比較してエネルギーが伝送される距離が短いため、電力網で生じる損失はより小さい。また、分散型発電は、電源の局所的な安全性を高めることもできる。典型的にはいわゆるベース負荷に対応する定格出力で動作する集中型発電所とは対照的に、分散型発電所は、負荷要求に基づいて常にそれらの動作および出力電力を調整することができなければならず、より典型的には、負荷追従発電所として利用される。

電力網が弱い典型的には比較的小さい領域で発電と電力消費が等しくなければならない孤立状態の場合などに、電力網が電力を供給するまたは受け取ることができない場合、発電所の出力電力の調整可能性が特に重要である。これらの場合、動作は、単一の発電ユニットまたは少数の発電ユニットの制御および動作に完全に依存している。したがって、部分負荷状態においても高効率で動作することができ、それらの出力電力を急速に調整することができる発電所を有することが最も重要である。太陽光や風力発電所など、発電所が間欠電源のための予備として動作しているとき、部分負荷状態での調整可能性および高い効率も非常に重要である。

設置された分散型エネルギー生成の量がそれ以上増加していない主な理由の１つは、これらのシステムで生成されるエネルギーの価格が、例えばより大型のユニットで生成される電気の価格に比べて高いことである。これは通常、大型発電所に比べて電気効率が低いためである。電気エネルギー生成でますます使用されているガスエンジンまたはガスタービンプラントは、分散型発電で利用することができる発電所の良い例である。

また、ガスタービンプラントは、１００％の公称負荷、すなわち設計点で動作するように設計される。現在、商用ガスタービンのそれらの設計ポイントでの電気生成効率は最大約４０％である。それ自体それほど高くない電気効率は、ガスタービンが部分負荷状態で、すなわち公称負荷の１００％未満の負荷状態で動作されている場合、急速に低下する。

典型的なガスタービン発電所は、圧縮機、燃焼器、タービン、および発電機を含む。圧縮機とタービンは同じシャフトに取り付けられ、単一のスプールを形成する。発電機もシャフトに取り付けられる。

いくつかの先行技術で、２つのスプールを有するガスタービンを用いた解決策が述べられている。２スプールシステムは、シングルスプールシステムよりも良い効率を提供することができ、シングルスプールシステムに比べて、同じタービン入口温度、およびプロセスへの同じ熱入力でより多くの動力を生成することができる。圧縮機が生成できなければならない圧力上昇の大きさは、典型的には、総圧力上昇が高くなるほど圧縮機効率が低くなるように圧縮機およびシステムの効率に影響を与える。

従来技術では、複数の圧縮機が利用される場合には、燃焼器に供給される空気を予熱するための復熱器と、低圧圧縮機からの圧縮空気の熱の一部を除去するための中間冷却器とを利用することも比較的一般的である。これらのデバイスはどちらも、ガスタービンプラントの効率を高める。

いくつかの先行技術では、マルチスプールシステム、すなわち例えば３つのスプールを有するガスタービンも述べられている。これらの大半は、重量とコンパクトさがこれらのシステムの設計に非常に重要である航空関連の用途でのものである。陸上および海洋ベースの用途では、サイズおよび構造がそれほど重要ではないが、例えば効率がより重要になる。また、特に分散型発電では、ガスタービンプラントを設計する際に、制御性ならびに部分負荷動作および効率も注意深く考慮に入れる必要がある。

シングルスプールガスタービンの場合、最も一般的な負荷タイプは、一定の回転速度で動作する発電機である。制御は、回転速度が一定に保たれ、動力出力がタービン入口温度と共に変化するように行われる。回転速度が変化する場合、圧縮機によって吸収される動力が変化する。正味の動力の余剰または不足があるかどうかに応じて、エンジンは加速または減速する。

シングルスプールシステムと比較した２スプールシステムの動作の相違点は、スプール間で流れの適合性を満たさなければならないことである。タービンが直列に接続されている場合、上流のタービンの圧力比は、ジェットエンジンの場合には下流のタービンまたはノズルの吸込容量によって固定される。低圧タービンまたはノズルがチョークされている場合、先行するタービンは無次元の固定動作点で動作し、それらがチョークされていない場合、先行するタービンは、連続するタービンまたはノズルの各圧力比ごとに固定の圧力比で動作する。実際には、典型的には、２スプール構成での低圧タービンは、有用な動作範囲の大半にわたってチョークされる。

典型的には複数のスプールを備える定速航空転用ガスタービンでは、低圧シャフトは動作範囲全体にわたって同期速度で動作しなければならず、他のシャフト速度は動力と共に変化する。同期速度および無負荷状態では、低圧圧縮機は、高圧圧縮機が吸入できるよりも実質的に多くの流量を送達する。したがって、ユニットの装填中、低圧圧縮機の後にかなりの量の空気を抽気する必要があり、これは効率の観点から有益でない。

部分負荷状態では、２スプールガスタービンは、典型的には、それらの低圧圧縮機の吸入部で制御する必要があり、その質量流量は本質的には圧縮機の回転速度に基づいて決定される。これは、部分負荷状態では、燃焼される燃料の量がより少なく質量流量がより小さいので、圧縮機に向かう「背圧」がより小さくなるからであり、システムをサージ状態により近い状態で動作させ、圧縮機の一方または両方の故障をもたらすおそれがある。この現象は比較的よく知られており、文献に記載されている。

いくつかの負荷状態および大半の過渡状況では、一緒に結合された２つの圧縮機が、そのような状況に陥ることがあり、圧縮機の一方または両方がサージまたは動作停止する可能性がある。

また、文献に見られる上記の問題を解決するために利用されるいくつかの典型的な解決策もある。しかし、高圧および低圧スプールを含むマルチスプールガスタービン、典型的には２スプールガスタービンでは、航空機ジェットエンジンのように、以下の方法が制御に使用されている：入口案内羽根（ＩＧＶ）、抽気、推進ノズルまたはタービンノズルの制御。

ＩＧＶは圧縮機の第１の段階で使用され、したがって、典型的には低圧圧縮機への空気の流れを部分負荷動作で減少させることができる。抽気が別の方法であり、その際、圧縮機の後で抽気されて、そこを通る気流を増加させ、それにより起こり得るサージを回避する。

推進ノズルの制御も一方法であり、その際、（航空機での）タービンの後ろで、ノズルによって排気ガスの流れに影響を及ぼすことができ、低圧シャフトの背圧を減少させることによって低圧シャフトをより迅速に公称速度まで加速させる。この設計に基づく発電用途、すなわちガスタービンの後ろの作業タービンへの排気ガスの流れを制御するために、可変幾何形状ノズルを有するガスタービンもある。

タービンノズル（ラジアル）と固定子ベーン（アキシャル）の制御が、往復エンジンターボチャージャでよく使用される別の方法である。タービンのタービンノズル／固定子ベーンは、タービンインペラ自体の速度に流れをより良く適合させるように回転されており、したがって、より高い構成要素効率を達成することができる。

部分負荷状態でタービンを制御するための上記の全ての処置は、多くの科学論文やテキストブックによく記載されている。それらは可変幾何形状メカニズムを備えた構成要素を含んでおり、したがって、摩耗しやすく注意深いメンテナンスが必要な軸受およびその他の可動部品を有する。陸上および海洋ベースのガスタービンでは、高い有用性で高効率で動作すると共に、所望の出力動力に基づいて出力動力を迅速に調整できることが望ましい。したがって、製造コストが高く、摩耗および破断を受けやすく、損失が大きく、信頼性を低下させるおそれがある可変幾何形状メカニズムを省略することが望ましい。

本発明の目的は、陸上または海洋ベースのマルチスプールガスタービンを動作させるためのシステム、方法、およびコンピュータプログラムを提供することである。

本発明の目的は、それぞれの独立請求項によって定義されたシステム、方法、およびコンピュータプログラムによって達成される。本発明の実施形態は従属請求項に示されている。

第１の態様によれば、本発明は、負荷に動力供給するために電力を発生するための陸上または海洋ベースのマルチスプールガスタービンシステムであって、少なくとも２つのスプールを備え、少なくとも２つのスプールがそれぞれ、シャフトと、シャフトに取り付けられたタービンとを備え、タービンが、機械的動力を生成するために膨張される高温ガスを受け取るように構成され、
システムがさらに、スプールのシャフトに取り付けられた圧縮機を備え、上記圧縮機のタービンが、タービンの最高圧を有するように構成され、すなわち最高圧タービンであり、上記圧縮機が、ガスを受け取り、受け取られたガスを圧縮するように構成され、
システムがさらに、熱を発生し、熱を圧縮ガスに伝達するように動作可能な第１の発熱機器を備え、それにより、圧縮ガスが最高圧タービンで膨張される高温ガスに変わり、機械的動力を生成して、圧縮機および発電機を駆動させ、
少なくとも２つのスプールが互いに流体連通し、下流のタービンがそれぞれ、ガスを受け取るタービンよりも高い圧力で動作するように構成されたタービンから高温ガスを受け取るように構成され、
システムがさらに、少なくとも２つの発電機を備え、発電機がそれぞれ、シャフトの所定の１つに機械的に結合されて、それによって回転可能に駆動され、したがって、シャフトがそれぞれ、１つの機械的に結合された発電機を有し、少なくとも２つの発電機が、負荷に動力供給するために電流を発生するように動作可能であり、少なくとも２つの発電機が、互いに独立して制御可能であり、
システムがさらに、ガスタービンシステムの動作を制御するように構成された制御機器を備え、制御機器が、少なくとも２つの発電機の回転速度を制御し、第１の発熱機器で発生される熱の量を調整するように構成される
システムである。

一実施形態では、このシステムは、圧縮機からの圧縮ガスと、タービンの最低圧を有するように構成された最後の下流のタービン、すなわち最低圧タービンからの高温ガスとを受け取るように構成された第１の熱交換器を備え、高温ガスから圧縮ガスへの熱伝達を引き起こして、上記第１の発熱機器に供給される前に圧縮ガスを予熱する。

一実施形態では、制御機器は、最高圧タービンのタービン入口温度と、第１の熱交換器に供給される高温膨張ガスの温度と、少なくとも２つの発電機の回転速度とを決定するための手段と、少なくとも２つの発電機の回転速度を制御するための手段と、第１の発熱機器で発生される熱の量を調整するための手段とを備えることがある。

一実施形態では、少なくとも２つのスプールがそれぞれ、所定のシャフトに取り付けられた１つの圧縮機を備えることがあり、上記所定のシャフトに取り付けられたタービンによって駆動され、すなわち、少なくとも２つのスプールが少なくとも２つの圧縮機を備える。少なくとも２つの圧縮機はそれぞれ、異なるシャフトに結合されている。

別の実施形態では、第１の発熱機器は、最高圧タービンに供給される高温ガスを生成するためにガス混合物、例えば空気中で燃料を燃焼するように動作可能な燃焼器でよい。

一実施形態では、第１の発熱機器は、熱を発生するように動作可能な発熱ユニットと、発熱ユニットで発生された熱を圧縮ガスに伝達するように動作可能な関連の熱交換器とを有する外部発熱機器でよい。

一実施形態では、少なくとも１つの第２の熱交換器が、圧縮機に伝達すべきガスと、外部源からの冷却媒体とを受け取って、上記ガスの温度を低下させるように構成されることがある。少なくとも１つの第２の熱交換器はそれぞれ、ガスを１つの圧縮機に伝達するように構成されてもよい。

一実施形態では、パワーエレクトロニクスユニットは、少なくとも２つの発電機と結合されることがあり、パワーエレクトロニクスユニットは、少なくとも２つの発電機からの交流電流を処理し、上記交流電流を、負荷への供給に適した交流電流に変換するように動作可能である。

一実施形態では、パワーエレクトロニクスユニットは、少なくとも２つの整流器を備えることがあり、少なくとも２つの整流器はそれぞれ、少なくとも２つの発電機の所定の１つからの交流電流を変換して、非交流電圧での直流電流を生成するように構成され、パワーエレクトロニクスユニットはさらに、少なくとも２つの整流器からの非交番直流電流を負荷への供給に適した交流電流に変換するように構成されたインバータを備えることがある。

一実施形態では、少なくとも１つの第２の発熱機器は、高温ガスを上流のタービンから受け取って高温ガスを再加熱するように構成されることがあり、少なくとも１つの第２の発熱機器がそれぞれ、再加熱されたガスを１つの下流のタービンに伝達する。

一実施形態によれば、制御機器は、１つの下流のタービンに供給される上記再加熱された高温ガスの温度を決定するように構成されることがある。

一実施形態では、システムは、所定の異常状態中にガスタービンを動作させるためのエネルギー源を備える補助システムを備えることができる。

一実施形態では、システムは、スプールのシャフトの少なくとも１つまたはそれぞれに結合された少なくとも１つの能動型磁気軸受を備えることができる。

一実施形態によれば、少なくとも２つの発電機は、公称で実質的に等しい出力定格を有することがあり、少なくとも２つの発電機の回転部分が、公称で実質的に等しい回転速度定格を有する。

いくつかの実施形態では、上記少なくとも２つのスプールが少なくとも３つのスプールを備えることがあり、少なくとも３つのスプールがそれぞれ、シャフトと、シャフトに取り付けられたタービンとを含み、タービンが、機械的動力を生成するために膨張される高温ガスを受け取るように構成される。

一実施形態によれば、制御機器は、複数の場所に空間的に分散されてもよい。

別の実施形態では、制御機器は、少なくとも１つの第１の制御要素および少なくとも２つの第２の制御要素を備えることがあり、第１の要素は、制御ユニットに関連して位置され、最高圧タービンのタービン入口温度と、第１の熱交換器に供給された高温膨張ガスの温度とを決定するための手段と、第１の発熱機器で発生される熱の量を調整するための手段とを備え、少なくとも２つの第２の制御要素は、それぞれ少なくとも２つの整流器と関連して位置され、少なくとも２つの発電機の回転速度を制御するための手段を備える。

第２の態様によれば、本発明は、負荷に動力供給する電力を発生させるための陸上または海洋ベースのマルチスプールガスタービンシステムを動作させるための方法であって、上記システムが、
回転可能なシャフトと、シャフトに取り付けられたタービンとを含む少なくとも２つのスプールを備え、高温ガスが、機械的動力を生成するためにタービン内で膨張され、
システムがさらに、スプールのシャフトに取り付けられた圧縮機を備え、上記圧縮機のタービンが、タービンの最高圧を有するように構成され、すなわち最高圧タービンであり、上記圧縮機が、最高圧タービンによって駆動されるように構成され、上記圧縮機が、ガスを受け取り、受け取られたガスを圧縮するように構成され、
システムがさらに、熱を発生し、圧縮機によって圧縮されたガスに熱を伝達して、圧縮ガスを高温ガスに変える第１の発熱機器を備え、上記高温ガスが、最高圧タービン内で膨張され、同じシャフトに取り付けられた圧縮機を駆動させ、
圧縮機、第１の発熱機器、および少なくとも２つのスプールのタービンが互いに流体連通し、
方法が、
少なくとも２つの発電機の回転速度を互いに独立して制御して、スプールのシャフトの回転速度を直接制御するステップであって、上記少なくとも２つの発電機が、負荷を供給するために電流を発生するように動作可能であるステップと、
第１の発熱機器で発生される熱の量を調整するステップと
を含む方法である。

いくつかの実施形態では、システムは少なくとも２つのスプールを備え、各スプールが、所定のシャフトに取り付けられた１つの圧縮機を備え、上記所定のシャフトに取り付けられたタービンによって駆動され、すなわち、少なくとも２つのスプールが少なくとも２つの圧縮機を備え、ここで、方法は、ガスを圧縮するために少なくとも２つの圧縮機を利用するステップを含む。

一実施形態では、この方法は、少なくとも２つの圧縮機の１つに伝達すべきガスと、外部源からの冷却媒体とを受け取って、受け取られたガスの温度を低下させるように構成された少なくとも１つの第２の熱交換器を利用するステップを含むことがあり、少なくとも１つの第２の熱交換器がそれぞれ、少なくとも２つの圧縮機の１つにガスを伝達するように構成される。

いくつかの実施形態では、この方法は、第１の制御モードで、少なくとも２つの発電機の回転速度を制御し、最高圧タービンの入口温度を調整して、最高圧タービンの入口温度を実質的に所定の最大許容値で維持するステップを含むことがある。

一実施形態では、この方法は、第２の制御モードで、少なくとも２つの発電機の回転速度を所定の実質的に一定の値に制御し、第１の発熱機器で発生される熱の量を調整するステップとを含むことがある。

一実施形態では、この方法は、第１の熱交換器を利用して、第１の発熱機器に供給される前に圧縮ガスを予熱するステップを含むことがあり、第１の熱交換器が、タービンの最低圧を有するように構成されたタービン、すなわち最低圧タービンからの高温膨張ガスからの熱を、最高圧タービンを有するスプールのシャフトに取り付けられた圧縮機から受け取られた圧縮ガスに伝達するように構成される。

いくつかの実施形態では、この方法は、第３の制御モードで、少なくとも２つの発電器の回転速度および発生される熱の量を制御して、第１の熱交換器に注入された高温ガスの温度を、実質的に所定の最大許容値で維持するステップを含むことがある。

一実施形態では、この方法は、第１、第２、または第３の制御モードの少なくとも２つ以上で、上記システムの出力動力に関してガスタービンシステムを動作させるステップを含むことがある。

一実施形態によれば、この方法は、高温ガスを受け入れるように構成された少なくとも１つの第２の発熱機器を上流のタービンから提供して、高温ガスを再加熱するステップと、少なくとも１つの第２の発熱機器を利用して熱を発生させ、熱を、対応する下流のタービンに供給される前に高温ガスに伝達するステップと、
対応する下流のタービンの入口温度を実質的に所定の最大許容値で維持するように、少なくとも１つの第２の発熱機器で発生される熱の量を調整するステップと
を含むことがある。

一実施形態では、この方法は、パワーエレクトロニクスユニットを利用することによって、少なくとも２つの発電機の回転速度を制御するステップを含むことができる。

いくつかの実施形態では、この方法は、所定の始動逓増を利用することによってシステムを始動するとき、少なくとも２つの発電機をモータとして利用することを含むことができる。

一実施形態では、この方法は、システムのシャットダウンが所定のシャットダウン逓減を利用することによって行われるように、少なくとも２つの発電機の回転速度を制御するステップを含むことがある。

一実施形態では、この方法は、電力網で停電が発生した場合に、ブレーキ抵抗器またはエネルギー貯蔵装置に電力を供給するステップを含むことがある。

一実施形態によれば、この方法は、それらの性能マップ上の圧縮機の動作点を制御し、それによってサージを回避するステップを含むことができる。制御は本発明に従って行われてよく、圧縮機の動作点は、サージ状態を回避できるように、少なくとも２つの発電機の回転速度を制御することによって設定することができる。

一実施形態によれば、この方法は、スプールのシャフトに動作可能に接続された能動型磁気軸受を提供するステップと、好ましくは、能動型磁気軸受からの情報を利用することによって発電機の回転速度を決定するステップとを含むことができる。

一実施形態によれば、この方法は、少なくとも２つの発電機の回転速度を制御し、それにより、少なくとも２つのスプールのシャフトの回転が、スプールの所定の速度または動的に決定された望ましくない速度によって減速／加速されて、上記望ましくない速度での動作時間を最小にするステップを含むことがある。

一実施形態によれば、この方法は、能動型磁気軸受、またはスプールに関連する加速度計、位置センサ、もしくは渦電流センサからの測定データを利用することによって、上記望ましくない速度を決定するステップを含むことがある。

第３の態様によれば、本発明は、コンピュータで実行されるときに、本発明の第２の態様による方法を実行するように動作可能なコンピュータプログラムである。

本発明によるシステムおよび方法の利点は、例えばガス流量を制御し、したがってタービンの実際の速度に影響を与えることを試みる場合などにスプールの回転速度が間接的に制御されず、発電機の電気変換器および制御装置機器を利用することにより直接制御によって制御されることである。制御装置機器は、スプールの回転速度を決定し、それに従って発電機の電気トルクを変更して、所望の速度および／または負荷を維持することができる。

本発明による制御方法は、システム内に追加のベーンを必要とせず、したがって失われる余剰動力を生成しない。本発明による方法およびシステムは、特に部分負荷状態中に、より多くの空気を圧縮機に流すことによってより多くの動力を発生させ、したがってサージ状態を回避することを可能にする。この方法およびシステムはまた、摩耗および破断しやすい可変幾何形状メカニズムを有する構成要素の必要性をなくすか、または少なくとも最小にする。上記のことは全て、特に部分負荷状態で、従来技術の解決策と比較して、より迅速な制御およびより少なくより容易な保守に加えて、かなり高い効率をもたらす。

本明細書で提示される本発明の例示的実施形態は、添付の特許請求の範囲の適用可能性を制限すると解釈すべきではない。「備える」という動詞は、本特許出願では制約のない語として使用され、引用されていない特徴の存在を排除しない。従属クレームに列挙した特徴は、明示的に指定のない限り、相互に自由に組合せ可能である。

本発明の特徴とみなされる新規の特徴は、特に添付の特許請求の範囲に記載されている。しかし、本発明自体は、その構成とその動作法の両方に関して、さらなる目的および利点と共に、以下の詳細な説明を添付図面と併せて読めば最も良く理解されよう。

本発明の実施形態は、限定ではなく例として、添付図面の各図に示されている。

本発明の一実施形態によるシステムを概略的に示す図である。 本発明の一実施形態による測定システムおよび制御信号をさらに示す図である。 ３つのスプールを有する本発明の好ましい実施形態を概略的に示す図である。 破線で表した任意選択の要素を有する本発明の一実施形態を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態によるガスタービンシステムと流体連通する外部熱利用プロセスを概略的に示す図である。 ２つのスプールを有するガスタービンを備える従来技術の方法による低圧および高圧圧縮機の性能マップを例として示す図である。 ２つのスプールを有するガスタービンの場合の、本発明の方法の一実施形態による低圧および高圧圧縮機の性能マップを例として示す図である。 ３つの制御モードを利用する本発明の一実施形態による、動力出力の関数としてのガスタービン内の様々な温度値を例として示す図である。 ２つの制御モードを利用する、本発明の一実施形態による動力出力の関数としてのガスタービンにおける様々な温度値を例として示す図である。 本発明の一実施形態による制御ブロック図を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態による望ましくない速度を回避するための方法の動作を例として示す図である。

本開示は、陸上または海洋ベースのガスタービンを利用することによって負荷に動力供給するために電力を生成するためのシステム、ならびにその制御のための方法およびコンピュータプログラムに関する。本明細書では、陸上ベースのガスタービンとは、陸上でガスタービンを利用する任意の静止または移動用途を表す。これらは、例えば、定置型発電所、列車、大型車とも呼ばれる重量車でよい。大型車は、例えば土木作業で利用される機械類を含むことがある。

本システムは少なくとも２つのスプールを含み、各スプールが、少なくとも１つのシャフトと、シャフトに取り付けられたタービンとを備え、少なくとも２つのスプールの少なくとも１つが圧縮機をさらに備える。本システムは、第１の発熱機器と、少なくとも２つの発電機とをさらに備え、各発電機が、上記シャフトの所定の１つに取り付けられる。本システムはまた、第１の熱交換器、ならびに／または少なくとも１つの第２の熱交換器および／もしくは少なくとも１つの第２の発熱機器を備えてもよい。

本発明による実施形態で使用される圧縮機は、好ましくは遠心式でよいが、圧縮機を通って流れる流体の圧力を増加させることが可能なアキシャルタイプまたは他のタイプでもよい。圧縮機、特にそれらのブレードに使用される材料は、限定はしないが、例えば、アルミニウム、チタン合金、またはマルテンサイト鋼合金でよい。ブレードの耐食性を改善し、より高温を利用できるようにするために特定のコーティングも施してもよい。

本発明による実施形態で使用されるタービンは、好ましくはラジアルタイプでよいが、タービンを通して流体を流れさせてタービン内で膨張させ、それにより機械的動力を生成することが可能なアキシャルタイプまたは他のタイプでもよい。タービン、特にそれらのブレードに使用される材料は、限定はしないが、例えば、従来のインゴット冶金または粉末冶金のいずれかを利用することによって製造される鉄またはニッケルベースの合金でよい。また、タービンにセラミック材料を使用することもできる。ブレードの耐食性を改善し、より高温を利用できるようにするために特定のコーティングも施してもよい。

本発明による実施形態で使用される熱交換器は、好ましくは向流タイプでよいが、より高温の熱源からの熱を、熱交換器内に入るガスに伝達するように動作可能な任意の他の種類の熱交換器でもよい。より高温の熱源は、例えば、タービンのいくつかから出るガスでよい。また、熱交換器を使用して、より低温の冷却媒体を使用することによってガスタービン内のガスを冷却して、ガスタービン内を流れるガスの熱の一部を除去することもできる。使用される冷却媒体は、例えば水などの液体または任意の他の流体でよい。熱交換器の製造に使用される材料は、高温および高圧に耐え、典型的には高い熱伝導率を有する任意の材料でよい。これらは、限定はしないが、例えば、ステンレス鋼ベースまたはニッケルクロムベースの合金でよい。

本発明による実施形態で使用される発熱機器は、高温でガスを発生させるために空気などのガス混合物中で燃料を燃焼するように動作可能な任意の種類の燃焼器でよい。これは、単純な缶型燃焼器、またはより複雑な構造を有する燃焼器でよい。これは、カニューレ状、環状、または複式環状の燃焼器でよい。燃焼器は、好ましくは、例えば空気などのガス混合物中で燃料を燃焼させるように動作可能な燃料噴射および点火システムを備える。好ましくは、燃料噴射システムによって噴射される燃料の量は、ガスタービンの制御システムによって制御することができる。燃料噴射システムは、例えば燃料が圧送されて通るスプレーノズルを有するスプレーシステムを有する加圧燃料噴射システムでよい。燃焼器に使用される燃料が、制御可能であり効率的な燃焼を実現するために霧化空気または他のサポートメカニズムの利用を必要とする場合には、それらも燃焼器内に含まれることがある。燃料噴射システムは、燃料の流れを制御するために、１つまたは複数の弁を直列または並列で含むことがある。

発熱機器は、可変幾何形状タイプの燃焼器でもよい。可変幾何形状タイプの燃焼器は、アクチュエータを含むことがあり、そのアクチュエータによって燃焼器の幾何形状を変えることができる。燃焼器は、ガスタービンプロセスで生じる高温および高圧に耐えることができる様々な材料を使用することによって構成することができる。これらの材料は、限定はしないが、例えば、ニッケルまたはコバルトベースの合金でよい。また、燃焼器にセラミック材料を使用することもできる。また、下にある金属基部の温度を下げるために断熱層として働く様々な断熱コーティング材料が存在してもよい。

発熱機器は外部発熱機器でよく、その場合、発熱ユニット内で発熱機器によって発生された熱は、外部発熱ユニット内に組み込まれた、またはそれに関連して設置された関連の熱交換器を使用して、第１の圧縮機から、または復熱器、すなわち第１の熱交換器からの圧縮ガスに伝達される。したがって、圧縮ガスの温度は、第１のタービンに向かう途中で上昇する。例えば、利用される燃料がガスタービンに直接使用するのには適していない燃焼器の場合、有害な粒子がガスタービンプロセスに流入するのを防止するために、外部点火式燃焼器などの外部発熱機器が好ましいことがある。

さらに、外部発熱機器の発熱ユニットは、熱を発生する燃料電池または太陽熱集熱器でもよく、その熱が次いで第１の発熱機器から圧縮ガスに伝達される。関連の熱交換器を備える上述した代替の発熱ユニットは、第２の発熱機器として使用することもでき、それにより、熱を伝達して、上流のタービンからの膨張したガスを再加熱する。

噴射された燃料または発生した熱は、ガスタービンに電気的に接続する電力網または任意の負荷に供給すべき所望の電力量に基づいて調整することができる。燃料噴射または発熱は、例えば電圧、電流、温度、圧力、または質量流量など他のパラメータに基づいて調整することもできる。

本発明の実施形態によるガスタービンシステムに利用される発電機は、同期タイプでも非同期タイプでもよい。発電機は、直流（ＤＣ）発電機、永久磁石発電機、誘導発電機、二重給電誘導発電機、または回転軸の機械的エネルギーを電気エネルギーに変換するように動作可能な任意の他の種類の発電機でよい。発電機の位相の数は、好ましくは３でよいが、ＤＣ発生器の場合には２でもよく、または例えば６でもよい。また、発電機は、Ｙまたはデルタ接続を有することがあり、接地されていても接地されていなくてもよい。

パワーエレクトロニクスユニットは、発電機に接続された周波数変換器を含むことがあり、または、ＡＣ発生器の場合には発電機からの交流（ＡＣ）をＤＣに変換するための発電機用の整流器と、次いで例えば電力網またはＡＣ負荷の周波数など所望の周波数でＤＣをＡＣに変換するためのインバータとを含むことがある。

インバータの動作は、半導体スイッチングデバイスを利用するパルス幅変調（ＰＷＭ）技法に基づくことがある。スイッチングデバイスは、典型的には毎秒数百さらには数千の高い周波数でスイッチング動作を行う。高周波でスイッチングすることによって、およびスイッチが閉じている（またはシステムによってはスイッチが開いている）スイッチング周期の部分を変えることによって、インバータは、電力網に注入するのに適した電流波形を生成する。直流電流を交流電流に変換するために他の方法を使用することもできる。

電力網または負荷側インバータの制御を行うために使用することができる様々な制御戦略および目的がある。典型的には、これらは、ＤＣリンク電圧の制御、電力網に送達される有効および無効電力、ならびに電力網同期を含み、供給電力の十分な品質を保証する。典型的には、制御システムは２つのカスケードループを含む。内側のループは電力網電流を制御し、外側のループはＤＣリンク電圧と有効および無効電力とを制御する。電流ループは電力品質に影響を及ぼし、したがって、電流制御装置の作用に高調波補償を追加して改良することができる。外側のループは、電力網に送達される有効および無効電力を制御することによって、システムの電力フローを制御する。

パワーエレクトロニクスユニットおよび／または発熱機器に関連する制御システムは、好ましくは、測定データを受信して制御信号を発生することが可能な電子回路を含み、全ての発電機のトルクおよび回転速度、ならびに発熱機器で発生される熱の量を制御する。制御システムは、温度や圧力などのシステムの熱力学的パラメータ、および／または発電機やパワーエレクトロニック回路の電流や電圧などの電気パラメータ、補助システムでのパラメータ、またはガスタービンの電力が供給される電力網もしくは負荷での電圧および電流を測定するように構成されたセンサから情報を受信することが可能であり得る。制御システムは、フィードバックループ、フィードフォワード経路を含むことがあり、例えば、スカラボルト／ヘルツ制御や、フィールド指向制御または直接トルク制御とも呼ばれるベクトル制御など、様々な制御方法のいくつかに基づくことができる。

制御システムは、従来技術から知られているように、発電機の回転速度および電気トルクを互いに独立して制御することが可能であり得る。回転速度は、生成されるトルクが変化する間、一定に保たれていてよい。また、回転速度を変化させながらトルクを一定に保つことも可能である。これにより、発電機の出力電力を回転速度とは無関係に制御することが可能になる。

制御システムは、例えば、中央処理装置（ＣＰＵ）と、メモリ素子、例えば読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）などの不揮発性メモリまたはランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などの揮発性メモリと、通信ユニットとを含むことがある。制御アルゴリズム、命令、所定のパラメータおよび条件、ならびに本発明による方法などの制御ソフトウェアは、一般に、ＣＰＵによって実行するのに適したフォーマットでメモリに記憶することができる。外部システムとの間でデータを送信および／または受信するために利用することができる通信ユニットは、有線通信技術、例えばイーサネット（登録商標）または他のローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）インターフェース用のアンテナおよび／または通信ポートを備えることがある。無線通信の場合、通信ユニットは、例えば、ワイヤレスローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）、グローバル移動体通信システム（ＧＳＭ（登録商標））、第３世代（３Ｇ）、ロングタームエボリューション（ＬＴＥ）技術、第４世代（４Ｇ）、第５世代モバイルネットワーク（５Ｇ）などの無線周波数技術を利用することがある。

制御システムは、例えば１台のコンピュータ上で実行されてよく、またはいくつかの異なる場所に空間的に分散されてもよい。ガスタービンプロセスの制御は、例えば制御ユニットに記憶されてよく、発電機の制御システムは、インバータに関連している。このとき、これらのユニットは、無線または有線通信手段によって互いに通信することができる。

本発明の一実施形態による２つのスプールを有するガスタービンシステムが、図１に参照符号１００Ａで概略的に示されている。図１でのガスタービンの要素およびそれらの主な目的は、一般に、以下のように説明することができる。第２の圧縮機Ｃ２および第１の圧縮機Ｃ１は、それらを通って流れるガスの圧力を増加させる。第２の熱交換器１５は、ガスから冷却媒体へ熱の一部を除去する。第２の熱交換器１５では、ガスから熱の一部を除去する冷却媒体が、外部源（図１には図示せず）から供給されている。

第１の熱交換器１４は、第２のタービンＴ２からの高温膨張ガスを利用してガスを予熱するために利用される。第１の発熱機器ＨＧＥ１では、典型的な燃焼器の場合、圧縮されたガスが燃料と混合され、燃焼プロセスで熱が解放され、したがって高温ガスを発生する。外部発熱機器、例えば外部点火式燃焼器または燃料電池の場合、発生した熱は、関連の熱交換器を利用することによって圧縮ガスに伝達される。さらに、第１タービンＴ１および第２タービンＴ２では、高温ガスが膨張して機械的動力を生成し、発電機、すなわち第１の発電機Ｇ１および第２の発電機Ｇ２、ならびに第１の圧縮機Ｃ１および第２の圧縮機Ｃ２を回転させる。第１のスプールは、第１のシャフト１１Ａと、第１の圧縮機Ｃ１と、第１のタービンＴ１とを含む。第２のスプールは、第２のシャフト１１Ｂと、第２の圧縮機Ｃ２と、第２のタービンＴ２とを含む。第１および第２の発電機Ｇ１、Ｇ２は、それぞれ第１および第２のシャフト１１Ａ、１１Ｂに結合されている。しかし、本発明は、２つのスプールを有するガスタービンに限定されず、少なくとも２つのスプール、すなわち例えば３つまたは４つ以上のスプールを有するタービンでもよいことに留意すべきである。

さらに図１では、発電機Ｇ１およびＧ２は、それぞれ整流器１３Ａおよび１３Ｂと電気接続されている。整流器は、発電機からの交流電流を直流電流に変換する。次いで、直流電流は、典型的には、磁場を一時エネルギー貯蔵手段として利用することができるコンデンサまたはインダクタなどのエネルギー貯蔵ユニット１７を含む中間回路を介してインバータ１６に供給される。中間回路はまた、電力網が利用可能でない状態でガスタービンプラントの動作を支援するために、バッテリもしくはスーパーキャパシタまたは他のエネルギー源を含むこともある。次いで、インバータは、電力網に応じて典型的には５０または６０ヘルツの周波数で、電力網または電気負荷に注入するのに適した交流電流に直流電流を変換する。制御機器ＣＴＲＬは、制御信号１０４と１０６、および１０５によって、それぞれ整流器およびインバータの動作を制御するために使用されることもある。

図１に、参照符号１００Ｂで本発明の一実施形態が示されており、ここでは、第１の発熱機器が、発熱ユニットＨＧＵおよび関連の熱交換器１２０を有する外部発熱機器である。図１の参照符号１００Ｂでは、分かりやすくするために参照符号１００Ａでのシステムの一部のみが示されている。この特定の実施形態でのシステムの残りの部分は、参照符号１００Ａでの図に示されたものと同様である。外部発熱機器は、例えば、外部点火式燃焼器、燃料電池システム（好ましくは固体酸化物燃料電池、溶融炭酸塩燃料電池、ダイレクトカーボン型燃料電池などの高温燃料電池）、または発生した熱を第１の熱交換器１４からの圧縮ガスに伝達する関連の熱交換器１２０を有する太陽熱システム（太陽光発電タワー、パラボラトラフ、ディッシュ、レンズ、フレネル反射器などを利用する集中型太陽光発電システム）でよい。ＨＧＵでの垂直の破線矢印は、流体が存在する場合の流体の流れを示す。本明細書では以後、第１および第２の発熱機器は、外部発熱機器であってもそうでなくてもよい。

燃焼器や燃料電池で発生する熱は、噴射される燃料の量を調整することによって調整することができるが、太陽熱システムの発熱の調整は様々な手段を必要とする。典型的な技法は、一軸または二軸制御によって、太陽放射の直接経路に対して太陽熱収集器および／またはミラーもしくはレンズを回転させ、それにより、吸収される放射線の量を増加または減少させるものなどである。

本発明の一実施形態による測定および制御信号のいくつかは、図１の参照符号１００Ａに示されている。第１のタービンＴ１のタービン入口温度ＴＥ１や第２のタービンＴ２のタービン出口温度ＴＥ２（第１の熱交換器１４の高温ガスの温度でもある）などの熱力学的パラメータを測定して、制御機器ＣＴＲＬに供給することができる。制御機器は、制御信号１０５を、インバータ１６に、制御信号１０４、１０６を、整流器１３Ａ、１３Ｂに、および制御信号１０７を、第１の発熱機器ＨＧＥ１に伝送することが可能であり得る。様々な既知の方法およびセンサを使用することによって発電機Ｇ１、Ｇ２の回転速度１０２、１０３を決定するのも一般的である。見やすくするために、残りの測定および制御信号はこの図では省略してある。

図１で省略され、図２には示されている測定信号もいくつかある。図１または２のいずれにも示されていない追加または代替の測定および制御信号もあり得ることを当業者は理解されよう。図２で見ることができるように、電力網の電流２０１および電圧２０２を測定して、電力網に供給されるまたは電力網から吸収される電力を決定し、また、ガスタービンプラントの動作を電力網と同期させるための位相角および周波数を決定することができる。多くの場合、全ての位相電流および位相電圧を測定する必要はなく、例えば三相システムの場合には二相から測定すれば十分である。電力網同期は、例えば二次汎用積分器位相同期ループ（ＳＯＧＩＰＬＬ）など任意の位相同期ループ（ＰＬＬ）方法を利用することによって行うことができる。さらに、例えば電力網に注入される電流が歪められないように十分な電圧レベルを確保するために、中間回路２０３の電圧を測定することができる。また、発電機２０４、２０５の電流を制御し、それにより発電機の回転速度およびトルクの制御を可能にするために、発電機の出力電流測定値もあり得る。例えばガス流量、電力、燃料流量、圧力、および温度などを測定するためのシステムでは、様々な他の測定値もあり得る。

図３は、３つのスプールを有する本発明による好ましい実施形態を示す。各スプールは、シャフト１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、ならびにシャフトに取り付けられた圧縮機Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３およびタービンＴ１、Ｔ２、Ｔ３を含む。第１、第２、および第３の発電機Ｇ１、Ｇ２、およびＧ３は、それぞれ第１、第２、および第３のシャフト１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃに結合されている。第１の熱交換器１４は、第１の発熱機器ＨＧＥ１に入る前に圧縮ガスを予熱するために利用されている。この実施形態では、２つの第２の熱交換器１５があり、一方が、第１の圧縮機Ｃ１と第２の圧縮機Ｃ２との間に接続され、他方が、第２の圧縮機Ｃ２と第３の圧縮機Ｃ３との間に接続される。第２の熱交換器１５はどちらも、第２の熱交換器の下流および上流の圧縮機と流体連通している。また、使用することができる測定値ＴＥ１、ＴＥ２、３０１、３０２および制御信号３０３〜３０７のいくつかが図３に示されている。利用することができる他のものは、２つのスプールを有する実施形態では図２のものと同じであり、すなわち、電力網または負荷側２０１、２０２での電流および電圧、中間回路２０３の電圧、ならびに発電機２０４、２０５の電流などの電気的測定値である。発電機によって生成された電力は、負荷２００に供給されることもある。

図４は、本発明の様々な実施形態を示す。破線で示されている要素は、省略することができる任意選択の要素と考えることができる。単純な一実施形態では、第２の圧縮機Ｃ２は、第２の熱交換器１５および第２の発熱機器ＨＧＥ２と共に省略されている。この実施形態では、システムに入るガスは、第１の圧縮機Ｃ１のみによって圧縮されている。次いで、圧縮ガスは第１の熱交換器１４に供給され、第１の熱交換器１４において、最も低圧のタービン（図４に示される２スプールシステムではＴ２）からの高温ガスを利用することによって圧縮ガスが予熱される。次いで、予熱された圧縮ガスは第１の発熱機器ＨＧＥ１に供給され、第１の発熱機器ＨＧＥ１で、圧縮ガスが燃料と混合されて、典型的な燃焼器の場合に例えば空気などのガス混合物と燃料との燃焼によって熱を生成する。

外部発熱機器の場合、例えば外部点火式燃焼器、燃料電池、または太陽熱システムの場合には、第１の発熱機器ＨＧＥ１（図１に参照符号１００Ｂで示される）の関連の熱交換器１２０によって圧縮ガスに熱が伝達される。第１の発熱機器ＨＧＥ１の後、高温ガスが第１のタービンＴ１に供給され、第１のタービンＴ１で、高温ガスが膨張されて、機械的動力が発生され、それにより、第１の圧縮機Ｃ１および第１の発電機Ｇ１が回転されて正味の電力を生成する。次いで、高温ガスは第２のタービンＴ２に供給され、第２のタービンＴ２で、ガスがさらに膨張されて、機械的動力を生成し、第２の発電機Ｇ２を回転させて正味の電力を生成する。第２のタービンＴ２の後、ガスはガスタービンから放出されるか、またはもしあれば第１の熱交換器１４に供給される。この場合にも、本発明は、２つのスプールを有するガスタービンに限定されず、図４に示されるのと同じ任意選択の要素を有する少なくとも２つのスプールを有するタービンシステムでもよいことに留意されたい。

本発明の様々な実施形態によれば、発電機Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３は、例えばギアボックスを利用せずにスプールのシャフト１１Ａ〜１１Ｃに直接結合されることがあり、それによりシャフト１１Ａ〜１１Ｃと同じ速度で回転する。

本発明の様々な実施形態によれば、電力および機械的動力の形で負荷２００に供給される総出力動力の大半は、電気エネルギーの形で発電機Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３によって発生される。本明細書において、総出力動力とは、装置構成によって負荷２００に供給される電力と機械的動力との合計を表し、ここで、負荷２００は装置構成に対して外部にある。本明細書で定義される総出力動力は、排気管を通して装置構成から排出されるエネルギーや装置構成の熱損失などの熱出力動力は含まない。一実施形態によれば、電力および機械的動力の形で負荷２００に供給される総出力動力の少なくとも６０％または有利には少なくとも８０％が、電気エネルギーの形で発電機Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３によって出力される。

本明細書において、負荷２００とは、装置構成の外部にある負荷２００を表し、例えば、電力網、または例えば病院、工業プラント、もしくは住宅用の負荷の電気供給システムなどの独立型電気負荷である。海洋ベースのガスタービンプラントでは、負荷２００は、船舶の電気供給システム、および／または船舶の海洋推進システムの一部である電気モータでよい。

したがって、発電機Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３は、単に補助電源として作用したり、装置構成の動作の制御のみを行うのではなく、装置構成の外部にある負荷２００に電気エネルギーの形で装置構成によって連続的または間欠的に供給される装置構成の一次出力動力を生成するように構成することができる。本明細書において、装置構成に対して外部にある負荷２００に連続的または間欠的に供給される動力とは、公称動作状態や、例えば短いパワーブーストで瞬時もしくは短期間生成される動力を除く部分負荷状態でなど、典型的な動作状態を表す。しかし、発電機Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３は、第１の燃焼器Ｃｏｍｂ１および第２の燃焼器Ｃｏｍｂ２（もしあれば）で発生される熱の量の制御と共に、ガスタービン装置構成の動作の制御にも使用することができる。

一実施形態によれば、発電機Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３の出力電力の一部を使用して、ガスタービン装置構成を動作させることができ、すなわち装置構成の自己消費となる。自己消費は、例えば、制御システムまたは能動型磁気軸受に必要とされる動力でよい。しかし、それでも総出力動力の大半が、装置構成に対して外部にある負荷２００に装置構成によって供給される。様々な実施形態によれば、負荷２００に供給される出力動力の少なくとも６０％、好ましくは少なくとも８０％は、電気エネルギーの形で発電機Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３によって生成される。電力および機械的動力、すなわち例えばシャフト１１Ａ〜１１Ｃの回転エネルギーの形で負荷２００に供給される総出力動力の４０％未満、または好ましくは２０％未満が、装置構成と流体連通する他の動力源からのものでよく、またはそれによって消費されてよく、そのような動力源は、例えば追加のタービン、またはファンやポンプなどの回転可能なデバイスである。

本発明の様々な実施形態によれば、発電機の公称出力および／または回転速度定格は、最大の公称出力および／または回転速度定格を有する発電機の公称出力および／または回転速度定格に対して最大で互いに１０％または１５％異なるが、それでも、本明細書で開示される実質的に等しい定格の概念に含まれる。いくつかの場合には、ガスタービンプロセスは、システムの動作を最適化するために発電機の出力定格の差をわずかに高くすることが有益であるように設計されることがあり、したがって、定格の差に関する限度は、場合によっては２０％でもよい。

一実施形態によれば、発電機Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３の公称出力定格は、３０〜１５００キロワットでよい。一実施形態によれば、発電機Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３の公称回転速度定格は、１００００〜１２００００ｒｐｍでよい。様々な実施形態によれば、最高圧タービンＴ１のタービン入口温度の最大値は、６００〜１５００℃、好ましくは７５０〜１２５０℃でよい。

様々な実施形態によれば、発電機Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３の回転部分、すなわちそれらの回転子の回転速度は、最も速く回転するスプールに結合された発電機の回転速度に対して３０％以下異なることがある。

一実施形態によれば、発電機Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３によって出力される電力は、好ましくは、発電機Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３の１つの公称電力定格に対する発電機Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３の電力の差が６０％を超えないようなものであり得る。公称出力定格が本発明による範囲内で異なる場合、発電機Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３によって出力される電力は、最高公称出力定格を有する発電機の公称出力定格に対して６０％以下異なることがある。

図５で、ガスタービンシステムは、外部プロセス５０と流体連通して示されている。外部プロセスは、例えば蒸気ボイラ、空間加熱システム、ダクトバーナ、または予熱されたガスを利用する任意の他のバーナなど、一般に任意の熱利用プロセスでよい。外部プロセスは、中間冷却器からの冷却媒体を利用してもよい。例えばダクトバーナの場合には、外部源からの燃料５２もある。このプロセスの生成物として、例えば蒸気５４があり得る。図示されていないシステムには、外部プロセスのタイプに応じて追加または代替要素、例えば排気ガスまたは副生成物の流れを利用するための要素もあり得る。

図４を参照して上に提示した本発明の例示的実施形態は、いくつかの可能な実施形態にすぎない。前述したように、本発明は、少なくとも２つのスプールを有するガスタービンに関する。図３での３つのスプールも一例にすぎず、限定とみなすべきではない。スプールの数が２つか３つかに関わらず、破線で表した要素と実線で表した要素との任意の組合せを本発明の実施形態とみなすことができる。

本発明によるガスタービンシステムの制御の基本原理は、オペレータまたはオペレーティングシステム（ガスタービンプラントの任意の外部システムでよい）によって与えられる所望の電力出力に適合させるため、およびシステムを安定動作点で動作させ、例えば圧縮機サージを回避するために、電力網または負荷に供給される電力を制御することである。動作は、２つの基本動作モード、すなわち電力網接続モードと孤立モードを有する。電力網接続モードでは、ガスタービンプロセスは、電力網に接続され、電力網に電力を供給する、または（例えば始動時に）電力網から電力を吸収する。孤立モードでは、電力網への接続が失われ、または独立型システムなどでは全く利用されず、ガスタービンプラントは、ガスタービンプラントに関連する負荷（もしあれば）にのみ動力を供給する。孤立モードでは、急速な負荷変化中に電力を供給または吸収するために利用されるバッテリがあり得る。バッテリは、ゼロ負荷状態中にも使用され得る。孤立モードでは、電力網接続があってもなくてもよい。

本発明による制御方法は、主にガスタービンシステム内のガス流量を制御するために発電機の回転速度を制御するものである。第１の発熱機器で生成される熱の量を一定に保ちながら、または変化させながら、回転速度を変化させてもよい。また、第１の発熱機器での熱の量を変化させながら、または一定に保ちながら、回転速度を一定に保つこともできる。速度の制御および熱の量の調整は、例えば、所定の値に基づいていても、フィードバックループに基づいていてもよい。

本発明の一実施形態による制御方法を以下に説明する。一例として、図１に示される２スプールシステムを考察する。スプールの回転速度が制御されない場合、圧縮機の動作点は、圧縮機の圧力比および入口圧力やプロセス中の流体の温度および流量など、様々な熱力学的パラメータによって決定される点に収まる。これは、圧縮機性能マップを利用して図６に示されている。異なる破線の曲線は、一定回転速度曲線を表す。

一定回転速度曲線の最左点を結ぶ曲線は、サージライン６０Ａ、６０Ｂである。安定したガスタービン動作を維持するためには、圧縮機の動作点をサージライン６０Ａ、６０Ｂの右側に保たなければならない。図中、Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３、およびＰ_４は、（Ｐ_１での電力）＞（Ｐ_２での電力）＞（Ｐ_３での電力）＞（Ｐ_４での電力）となるように電力を有する４つの異なる動作点を表す。見てわかるように、動力が減少するとき、両方の圧縮機の動作点がサージライン６０Ａ、６０Ｂに向かってドリフトする。当業者には理解されるように、圧縮機効率は、圧縮機性能マップのほぼ中央の領域で最高値を有し、これは、電力が減少するにつれて効率が急速に低下することを意味する。タービンが部分負荷状態でしばしば動作する場合、平均効率は、性能マップの中央付近で常に動作する場合よりもはるかに低くなる。

本発明による制御方法の着想は、スプールのシャフトに関連して発電機を利用することによってスプールの回転速度を直接制御することである。これは図７に示されており、ここでは、本発明の一実施形態による方法を利用する場合の圧縮機性能マップが示されている。一定回転速度曲線の最左点を結ぶ曲線は、サージライン７０Ａ、７０Ｂである。この例示の場合には、制御は、３つの異なる制御モード、すなわち第１、第２、および第３の制御モードの利用に基づいている。異なる制御モードの効果は、曲線上の３つの異なる勾配について図７で見ることができる。これらの異なる制御モードについては、後でより詳細に説明する。この場合も、（Ｐ_１での電力）＞（Ｐ_２での電力）＞（Ｐ_３での電力）＞（Ｐ_４での電力）となる性能マップに示される４つの動作点（図６と実質的に同じ動作点）がある。再び動力が減少するとき、動作点はサージライン７０Ａ、７０Ｂに向かって移動する。しかし、この場合、動作点は性能マップの中央の領域により近いままである。したがって、本発明による方法を利用することにより、特に部分負荷状態でより高い効率を実現することが可能になる。さらに、圧縮機の動作点がサージライン７０Ａ、７０Ｂから十分に離れていることを保証することができる。これは、システムの長寿命化にも寄与する。

ここで、本発明の実施形態による異なる例示的な制御モードを述べる。第１の制御モードは、最高圧のタービンの入口温度が最大許容温度に保たれるように出力動力を制御することに基づく。これは、最高圧タービンの入口温度を最大許容温度に保ちながら所望の出力動力を生成するために、発電機の回転速度を適切に制御し、第１の発熱機器で発生される熱の量を調整することによって行われる。第２の制御モードでは、発電機の回転速度は、所定の実質的に一定の値で保たれ、発生する熱の量を調整することによって所望の出力動力が生成される。この場合、「実質的に一定」とは、第２の制御モードを利用するときに、異なる動作条件で所定の値の１０％以内の回転速度を有することを表す。

異なる発電機の「実質的に一定」の回転速度の値は、実質的に同じでも異なっていてもよく、例えば、発電機がどちらももしくは全て２５０００ｒｐｍで回転するか、または低圧スプールの発電機が２７０００ｒｐｍで回転し、高圧スプールの発電機が３１０００ｒｐｍで回転する、もしくはその逆である。本発明による回転速度は、いかなる値にも限定されず、用途に応じて任意のオーダーでよい。

第３の制御モードでは、第１の熱交換器１４に供給される、下流の最後のタービン、すなわち最も低圧のタービン（図３ではＴ３、図１および図４ではＴ２）からの高温膨張ガスの温度が、発電機の回転速度や発熱機器で発生される熱の量を適宜制御することによって、温度を最大許容値に保つように制御される。

図８は、前述した３つの制御モードを利用する場合における本発明の一実施形態による一例として様々な温度を示す。図中の温度は以下の通りである。Τ_{ＨＰ，ΤΙΤ，ΜΑΧ}は、高圧タービンの入口温度の最大許容値であり、Ｔ_{ＨＰ，ＴＩＴ}は、高圧タービンの入口温度であり、Ｔ_{ＬＰ，ＴＩＴ}は、低圧タービンの入口温度であり、Ｔ_{ＬＰ，ＴＥＴ，ＭＡＸ}は、低圧タービン出口温度の最大許容値であり、Ｔ_{ＬＰ，ＴＥＴ}は、低圧タービンの出口温度であり、Ｔ_{ＨＧＥ１，ＩＮ}は、第１の発熱機器の入口温度である。Ｔ_{ＨＧＥ１，ＩＮ，ＭＩＮ}は、第１の発熱機器の入口温度の最小許容値である。この最小許容値は、例えば触媒燃焼を用いる燃焼器の場合に特に重要となり得る。

右から、すなわち１００％の相対出力動力から始めて、より低い部分負荷状態に移行すると、第１の制御モードでは、Ｔ_{ＨＰ，ＴＩＴ}は最大許容値に保たれる。この図では、見やすくするために少し低く描かれている。次に、この場合、第３の制御モードでは、曲線の２２〜３８％付近の部分で、低圧タービンの出口温度が最大許容値に保たれる。最後に、第２の制御モードでは、約０〜２２パーセントの部分負荷状態で、スプールの実質的に一定の回転速度および第１の燃焼器で発生される熱の量の減少を伴う状態に対応して、温度が変化する。

図９では、第１および第２の制御モードのみを利用する本発明の一実施形態による一例で、同じ温度が示されている。

本発明によるガスタービンに利用される第２の熱交換器はあってもなくてもよい。それらが利用されていてもいなくても、本発明による方法に影響はない。上述した第２の熱交換器の利用は、少なくとも１つの第２の発熱機器ＨＧＥ２を備えた実施形態にも当てはまる。少なくとも１つの第２の発熱機器ＨＧＥ２によって発生された熱は、第１の制御モードで下流のタービンの入口温度が常に最大になるように調整される。第１の制御モードで第１の熱交換器の入口温度が最大許容値に達すると、第２もしくは第３、または任意の他の制御モードに動作が変更される。この実施形態では、各下流のタービンの入口温度を最大にするために、例えば図１および図３にも示されるような測定によって、少なくとも１つの第２の発熱機器ＨＧＥ２それぞれの出口温度が決定される（第２の発熱機器はそれらの図に示されていない）。これが直接測定によって行われる場合、第２の発熱機器を含む実施形態の測定センサは、上記第２の発熱機器の下流に、上記第２の発熱機器と対応する下流のタービンとの間に配置しなければならない。

本発明の一実施形態によるガスタービンシステムの制御は、例として、常に一度に１つの制御モードのみが利用されるように本明細書で前述した。しかし、第１、第２、または第３の制御モードによるガスタービンの動作はいくつかの具体的な条件または動作法を表しており、本発明によるガスタービンの動作をこれらの制御モードに限定するものではないことに留意されたい。

本発明の一実施形態によれば、ガスタービンシステムの制御は、システムの様々なパラメータが限度に違反しない、例えば最高圧タービンＴ１の入口温度の最大許容値もしくは最低圧タービンＴ_{ＬＰ，ＴＥＴ}の出口温度の最大許容値を超えない、または第１、第２、および第３の制御モードに関して指定されたスプールの臨界速度に関係するものなど特定の回転速度もしくは速度範囲を回避するという条件下で任意の方法で、第１の発熱機器ＨＧＥ１および他の発熱機器（もしあれば）で発生される熱の量、発電機Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３によって発生される電力、および／または発電機Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３の回転速度を制御または調整することができるようなものであり得る。本発明の一実施形態によれば、ガスタービンシステムの制御は、発電機Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３の上記温度または回転速度がどれも一定値に保たれないようなものでもよい。

本発明の一実施形態によれば、図８および図９で見られるように、制御モードの少なくとも２つ以上が、ガスタービンシステムの出力動力に関して、またはそれに応じて利用され得る。

本発明の一実施形態によれば、ガスタービンシステムは、少なくとも第１の制御モード（図８および図９では約３８％〜約１００％）および第２の制御モード（図８では０〜約２２％、図９では０〜約３８％）に従って、ガスタービンシステムの出力動力で動作される、それに関して制御される、またはそれに依存することがある。

本発明の一実施形態によれば、ガスタービンシステムは、少なくとも第１の制御モード（図８および図９では約３８％〜約１００％）および第３の制御モード（図８では約２２％〜約３８％）に従って、ガスタービンシステムの出力動力で動作される、それに関して制御される、またはそれに依存することがある。

本発明の一実施形態によれば、ガスタービンシステムは、少なくとも第２の制御モード（図８では０〜約２２％、図９では０〜約３８％）および第３の制御モード（図８では約２２％〜約３８％）に従って、ガスタービンシステムの出力動力で動作される、それに関して制御される、またはそれに依存することがある。

本発明の一実施形態によれば、ガスタービンシステムは、少なくとも第１の制御モード（図８および図９では約３８％〜約１００％）、第２の制御モード（図８では０〜約２２％、図９では０〜約３８％）、および第３の制御モード（図８では約２２％〜約３８％）に従って、ガスタービンシステムの出力動力で動作される、それに関して制御される、またはそれに依存することがある。

本発明の一実施形態によれば、ガスタービンシステムの出力動力に関するか、またはそれに依存する少なくとも２つの制御モードを利用する場合に、制御モードの変更は、最低圧タービンＴ_{ＬＰ，ＴＥＴ}の出口温度の値など測定温度値に基づくことがある。代替または追加として、制御モードの変更は、圧縮機の圧力比または圧縮機の質量流量の値に基づくことがある。制御モードの変更の必要性を示すパラメータの限度は、例えばサージまたはチョーク状態を回避するように決定することができる。

図８および図９で見ることができるように、約３８パーセント（Ｔ_{ＬＰ，ＴＥＴ}のピーク）を超える動作点で、ガスタービンは第１の制御モードで動作している。この点よりも下では、ガスタービンは、それぞれ図８または図９で第３または第２の制御モードで動作している。また、３８％の限度は、例えば第１の熱交換器が耐えることができる高温膨張ガスの温度がどれほど高いかに応じて他の値でもよい。

図１０は、本発明の一実施形態による制御ブロック図を概略的に示す。理解できるように、システムの出力動力は、所望の出力動力Ｐ_{ＧＴ，ＳＥＴ}に基づいて制御される。Ｐ_{ＧＴ，ＳＥＴ}に基づいて、低圧スプールの回転速度に関する設定値（または基準値）および第１の発熱機器に関する設定値が決定される。設定値ω_{ＬＰ，ＳＥＴ}は、一般に、高圧スプールの速度の適切な制御機能の入力パラメータとして、または高圧スプールの速度に関する設定値として直接使用されることがある。また、高圧スプールの制御は、フィードバック制御（図１０には図示せず）に基づいていてもよい。

しかし、一実施形態による制御ブロック図が図１０とは異なっていてもよいことを当業者は理解されよう。これは、高圧スプールに関するフィードバックループ、および例えば最高圧タービンの入口温度などに関する温度フィードバック制御ループを含むことがある。当然、システムは、３つ以上のスプールの場合には、各スプールの回転速度を個別に制御することができるので、より多くの制御ループを有することができる。これは、上記第２の発熱機器のための制御経路を有することがある。

制御関数（図１０のｆ（ω_{ＬＰ，ＳＥＴ}））は、メモリに記憶された所定値に基づいていることも、経験式に基づいていることもあり、または例えばフィードバックもしくはフィードフォワードによってさらなるパラメータを考慮してもよい。さらなるパラメータは、電流、電圧、ガス流量、圧力、温度、または前述のパラメータから導出されるパラメータでよい。

一実施形態では、制御は、高圧タービンの速度を制御することに基づいてもよく、次いで、その設定値は低圧タービンの制御に利用される。

３つ、４つ、または５つ以上のスプールを有する実施形態では、制御は図１０に従って行うことができるが、当然、各スプールの回転速度を制御する制御ループがあってもよい。前述の２つのスプールに関する場合と同じ原理をこの場合にも使用することができる。

ガスタービンシステムでは、スプールは、１つまたは複数の臨界速度を超える回転速度、すなわち所定の望ましくない速度を有することが多い。これらの速度での長時間の動作は、ガスタービン構成要素にそれがもたらす摩耗および破断により、非常に望ましくない。前述したように、１つまたは複数の臨界速度があり得て、それらは、異なるスプールに関して同じ速度のことも異なる速度のこともある。

本発明の一実施形態による制御方法が利用される場合、臨界速度またはそれに近い速度での動作時間を最小にするようにスプールの回転速度を制御することができる。これは、スプールの回転速度が臨界速度を通って迅速に増加または減少するように行うことができる。これは、例として図１１に示されており、そこでは、動作ライン１１０が、図７に示された動作ラインと同様の特性を有するように圧縮機性能マップに示されている。スプールの臨界速度は、圧縮機自体には関係せず、スプール全体に特徴的なものである。単に本発明の一実施形態による方法を説明する都合上、本明細書で性能マップが使用される。スプールに結合された圧縮機がない場合でさえ、望ましくない臨界速度があり得て、その速度での動作時間を最小にすべきである。

図１１で、スプール、この場合には圧縮機の回転速度を初期動作点ＯＰ１から増加させるべきだが、臨界速度１１２またはそれに近い速度で動作することになる場合には、発電機によってスプールの回転速度を制御することにより、圧縮機の速度を急速に増加させることができる。本発明の一実施形態による方法を利用することによって、速度は、臨界速度１１２を通って急速にかつ制御下で増加される。これは、最初に実質的に垂直である破線で描かれた動作ライン１１４の追加部分によって示されている。当然、上述したことは一例にすぎず、本発明による方法は、臨界速度またはそれに近い速度での動作に関する様々な条件で利用することができることを当業者は理解されよう。

また、各スプールに影響を与える臨界速度が存在することもある。これらは、同じ回転速度でも異なる回転速度でもよい。これは、各スプールの動作ラインが図１１での動作ライン１１４の形状に似ていることを意味する。スプールごとに臨界速度が複数存在することもある。この場合、動作ラインは、動作ライン１１４の複数の追加部分を有することになる。２つのスプールの場合、一例として、スプールの速度が増加される場合に臨界速度が高圧スプールに影響を及ぼすような状況があり得る。この場合、速度は臨界速度を通って増加され、それにより、高圧スプールによって生成される動力を増加させる。次いで、所望の出力動力を生成するために、低圧スプールによって生成される速度および動力を、対応する量だけ減少させることができる。しかし、この場合の低圧スプールの速度も実質的に一定に保つことができる。

臨界速度は、各スプールごとに予め決められており、後で制御方法で利用されて、これらの速度またはそれらに近い速度での動作を回避することができる。あるいは、能動型磁気軸受を使用して、スプール内の振動量を測定することもできる。振動の量が所定の閾値を超えて増加する場合、臨界速度またはそれに近い速度での動作時間を最小にするために、スプールの回転速度が十分な量だけ増加または減少される。加速度計、渦電流センサ、または位置センサを利用するなど、臨界速度またはそれに近い速度での動作を決定するためにスプールの振動の量を監視するための他の解決策もあり得ることを当業者は理解されよう。

ガスタービンは、いくつかの異なる動作モードを有することがある。基本的な動作、すなわちアイドルから設計点まで変化する動力に加えて、起動、通常シャットダウン、ホットシャットダウン、グリッドオフシャットダウンなど他の動作モードもあり得る。起動時、発熱機器が燃料用の燃焼器である場合には、発電機をモータとして利用することによってまずスプールが加速されて、燃料の点火に適した回転速度に達し、その後、燃焼器のバーナが始動される。次のステップでは、通常の動力制御が作動され、ガスタービンプラントは、例えば本発明による前述の制御モードに基づいて所望の出力電力を生成する準備が整う。

通常シャットダウンでは、プロセス中の温度が急激に変化しないように、電力出力が徐々にゼロまで減少される。バーナは停止され、スプールは、圧縮機のサージおよびチョークを回避する適切な逓減を利用することによってゼロまで、または任意選択でバーリング速度まで減速し、ガスタービンプロセスの掃気が十分であり、温度変化が急速すぎず、システムが望ましくない速度で長時間動作しすぎないことを保証する。発電機をモータとして利用することによって、スプールはバーリング速度で回転される。バーリング後、発電機が停止され、磁気軸受（もしあれば）は、回転が停止した後に作動停止される。次いで、ファンによって十分な時間にわたってプロセスが冷却される。

ホットシャットダウンシーケンスは通常シャットダウンシーケンスと同様であるが、電力出力を徐々に低下させずに、バーナが負荷から即座に停止される点が異なる。

グリッドオフシャットダウンは電力網停止状態にのみ関係し、したがって、ガスタービンシャフトの暴走を防止するために緊急停止シーケンスが自動的に作動される。電力網停止状態中、電力網からの電力供給は利用できず、制御システムは、バッテリから補助電力を供給することによって動作状態を維持する。電力網停止状態の場合、周波数変換器のＤＣ電圧中間回路（ＤＣバス）で使用されるブレーキチョッパは、ＤＣバス電圧が指定限度を超えるときに自動的に作動される。したがって、ガスタービンシャフトの暴走は、電気エネルギーを熱に変換するブレーキ抵抗器にエネルギーを向けることによって防止されるか、または代替的に、電気エネルギーは、バッテリ、スーパーキャパシタ、またはフライホイールなどのエネルギー貯蔵装置に貯蔵されることがある。

グリッドオフシャットダウンの場合、バーナは燃料弁を閉じることによって即座に停止される。霧化空気が、依然として、バーナおよびそれに関連する燃料パイプを清浄化するために（空気パージ）、十分な時間にわたってバーナに供給され続ける。復熱器およびタービンのバイパスラインで使用されるダンプ弁が自動的に開かれる。能動型磁気軸受（ＡＭＢ）および冷却ファンへの動力は、バッテリから供給される。両方のガスタービンスプールのシャフトの回転が停止した後、ＨＰおよびＬＰガスタービンスプールのＡＭＢが作動停止される。冷却ファンは、発電機を冷却するのに必要な十分な時間にわたって動作し続ける。グリッドオフ状態では、電力損失により、燃料弁が自動的に閉じられ、ダンプ弁が自動的に開かれることが重要である。余剰エネルギーは、ガスタービンシャフトの超過速度の危険がない限り、ブレーキ抵抗器に送られる。

本発明の一実施形態によれば、システムは、エネルギー源を備える補助システムを含み、このエネルギー源は、所定の（予め考えられた）異常動作状態で、例えば主電源停止時または保守停止時など電力網に突然の驚くべき中断が生じた場合に利用することができ、安全に制御された様式で、システムを上昇もしくは下降させるか、または負荷に供給される動力を制御する。これらの場合、ガスタービンプラントの制御システムは、補助システムのエネルギー源からのエネルギーを利用することによって動作させることができる。このエネルギー源は、限定はしないが、例えば、バッテリまたはバッテリバンク、スーパーキャパシタ、フライホイール、または燃料電池システムでよい。補助システムを利用することによって、ガスタービンの制御は動作したままであり、例えばシステムを安全に停止することができ、またはシステムを孤立状態で動作させることができる。

本発明の様々な実施形態によれば、発電機の公称出力および／または回転速度定格は、公称では実質的に等しい。様々な実施形態によれば、定格は、最大で互いに１０％異なることがあり、それでも、本明細書で開示される「実質的に等しい」定格の概念に含まれる。いくつかの実施形態では、ガスタービンプロセスは、システムの動作を最適化するために発電機の出力定格および／または回転速度定格の差をわずかに高くすることが有益であるように設計されることがある。定格の差に関する限度（１０％超）は、場合によっては１５％でもよい。

以上の説明で述べた特徴は、明示的に述べた組合せ以外の組合せで使用することができる。いくつかの特徴を参照して機能を述べてきたが、述べられているか否かに関わらず、それらの機能は他の特徴によっても実施することができる。いくつかの実施形態を参照して特徴を述べてきたが、述べられているか否かに関わらず、それらの特徴が他の実施形態に存在してもよい。

Claims (16)

1. 負荷に動力供給する電力を発生させるための陸上または海洋ベースのマルチスプールガスタービンシステムを動作させるための方法であって、前記システムが、
   少なくとも２つのスプールを備え、前記少なくとも２つのスプールがそれぞれ、シャフト（１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ）と、前記シャフトに取り付けられたタービン（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）とを備え、前記タービンが、機械的動力を生成するために膨張される高温ガスを受け取るように構成され、前記タービンの１つが、前記タービン（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）の最高圧を有するように構成され、すなわち最高圧タービン（Ｔ１）であり、
   前記システムがさらに、少なくとも２つの圧縮機（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）を備え、前記少なくとも２つのスプールがそれぞれ、前記少なくとも２つの圧縮機（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）の１つを備え、前記少なくとも２つの圧縮機（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）が、ガスを受け取り、前記受け取られたガスを圧縮するように構成され、
   前記システムがさらに、熱を発生し、熱を圧縮ガスに伝達するように動作可能な第１の発熱機器（ＨＧＥ１）を備え、それにより、前記圧縮ガスが前記最高圧タービン（Ｔ１）で膨張される高温ガスに変わり、機械的動力を生成して、前記タービン（Ｔ１）と同じシャフト（１１Ａ）に取り付けられた前記圧縮機（Ｃ１）および発電機（Ｇ１）を駆動させ、
   前記少なくとも２つのスプールが互いに流体連通し、下流のタービン（Ｔ２、Ｔ３）がそれぞれ、前記ガスを受け取る前記タービンよりも高い圧力で動作するように構成されたタービンからガスを受け取るように構成され、
   前記システムがさらに、少なくとも２つの発電機（Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３）を備え、前記発電機（Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３）がそれぞれ、前記シャフト（１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ）の１つに機械的に結合されて、それによって回転可能に駆動され、したがって、前記シャフト（１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ）がそれぞれ、１つの機械的に結合された発電機を有し、前記少なくとも２つの発電機（Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３）が、前記負荷に動力供給するために電流を発生するように動作可能であり、前記少なくとも２つの発電機（Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３）が、互いに独立して制御可能であり、
   前記システムがさらに、前記ガスタービンシステムの前記動作を制御するように構成された制御機器（ＣＴＲＬ）を備え、
   方法が、
   第１の制御モードで、第１の動力範囲で動力を供給するときに、前記少なくとも２つの発電機（Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３）の回転速度を互いに独立して制御して、前記スプールの前記シャフト（１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ）の回転速度を直接制御するステップと、前記最高圧タービンの入口温度（ＴＥ１）を調整して、前記最高圧タービン（Ｔ１）の前記入口温度を実質的に所定の最大許容値で維持するステップと、
   第２の制御モードで、第１の動力範囲以下の第２の動力範囲で動力を供給するときに、動作点が変化するときに、前記少なくとも２つの発電機（Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３）の回転速度を所定の実質的に一定の値に制御し、前記第１の発熱機器（ＨＧＥ１）で発生する熱の量を調整するステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 第１の熱交換器（１４）を利用して、前記第１の発熱機器（ＨＧＥ１）に供給される前に前記圧縮ガスを予熱するステップであって、前記第１の熱交換器（１４）が、前記タービンの最低圧を有するように構成されたタービン、すなわち最低圧タービン（Ｔ２；Ｔ３）からの高温膨張ガスからの熱を、前記最高圧タービン（Ｔ１）を有する前記スプールの前記シャフトに取り付けられた前記圧縮機（Ｃ１）から受け取られた圧縮ガスに伝達するように構成されるステップ
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 第３の制御モードで、前記少なくとも２つの発電機（Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３）の回転速度および発生する熱の量を制御して、前記第１の熱交換器（１４）に注入された高温ガスの温度を、実質的に前記所定の最大許容値で維持するステップ
   を含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記第１、第２、または第３の制御モードの少なくとも２つ以上で、前記システムの出力動力に関して前記ガスタービンシステムを動作させるステップ
   を含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 上流のタービンから高温ガスを受け入れるように構成された少なくとも１つの第２の発熱機器（ＨＧＥ２）を提供して、前記高温ガスを再加熱するステップと、
   前記少なくとも１つの第２の発熱機器（ＨＧＥ２）を利用して熱を発生させ、前記熱を、対応する下流のタービンに供給される前に前記高温ガスに伝達するステップと、
   前記対応する下流のタービンの前記入口温度を実質的に前記所定の最大許容値で維持するように、前記少なくとも１つの第２の発熱機器（ＨＧＥ２）で発生する熱の量を調整するステップと
   を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記少なくとも２つの発電機（Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３）の回転速度を制御し、それにより、前記少なくとも２つのスプールの前記シャフトの回転が、前記スプールの所定の速度または動的に決定された望ましくない速度によって減速／加速されて、前記望ましくない速度での動作時間を最小にするステップ
   を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 能動型磁気軸受、または前記スプールに関連する加速度計、位置センサ、もしくは渦電流センサからの測定データを利用することによって、前記望ましくない速度を決定するステップ
   を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 負荷に動力供給するために電力を発生するための陸上または海洋ベースのマルチスプールガスタービンシステムであって、
   少なくとも２つのスプールを備え、前記少なくとも２つのスプールがそれぞれ、シャフト（１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ）と、前記シャフトに取り付けられたタービン（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）とを備え、前記タービンが、機械的動力を生成するために膨張される高温ガスを受け取るように構成され、
   システムがさらに、少なくとも２つの圧縮機（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）を備え、前記少なくとも２つのスプールがそれぞれ、前記少なくとも２つの圧縮機（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）の１つを備え、前記タービンの１つが、前記タービン（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）の最高圧を有するように構成され、すなわち最高圧タービン（Ｔ１）であり、前記少なくとも２つの圧縮機（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）が、ガスを受け取り、前記受け取られたガスを圧縮するように構成され、
   システムがさらに、熱を発生し、熱を圧縮ガスに伝達するように動作可能な第１の発熱機器（ＨＧＥ１）を備え、それにより、前記圧縮ガスが前記最高圧タービン（Ｔ１）で膨張される高温ガスに変わり、機械的動力を生成して、前記タービン（Ｔ１）と同じシャフト（１１Ａ）に取り付けられた前記圧縮機（Ｃ１）および発電機（Ｇ１）を駆動させ、
   前記少なくとも２つのスプールが互いに流体連通し、下流のタービン（Ｔ２、Ｔ３）がそれぞれ、前記ガスを受け取る前記タービンよりも高い圧力で動作するように構成されたタービンからガスを受け取るように構成され、
   システムがさらに、少なくとも２つの発電機（Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３）を備え、前記発電機（Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３）がそれぞれ、前記シャフト（１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ）の１つに機械的に結合されて、それによって回転可能に駆動され、したがって、前記シャフト（１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ）がそれぞれ、１つの機械的に結合された発電機を有し、前記少なくとも２つの発電機（Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３）が、前記負荷に動力供給するために電流を発生するように動作可能であり、前記少なくとも２つの発電機（Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３）が、互いに独立して制御可能であり、
   システムがさらに、前記ガスタービンシステムの動作を制御するように構成された制御機器（ＣＴＲＬ）を備え、前記制御機器（ＣＴＲＬ）が、第１の制御モードで、第１の動力範囲で動力を供給するときに、前記少なくとも２つの発電機（Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３）の回転速度を制御し、前記最高圧タービン（Ｔ１）の入口温度を調整して、前記最高圧タービン（Ｔ１）の前記入口温度を実質的に所定の最大許容値で維持するように構成され、
   第２の制御モードで、第１の動力範囲以下の第２の動力範囲で動力を供給するときに、動作点が変化するときに、前記少なくとも２つの発電機（Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３）の回転速度を所定の実質的に一定の値に制御し、前記第１の発熱機器（ＨＧＥ１）で発生する熱の量を調整するように構成される
   システム。
9. 前記圧縮機（Ｃ１）からの前記圧縮ガスと、前記タービンの最低圧を有するように構成された最後の下流のタービン、すなわち最低圧タービン（Ｔ２；Ｔ３）からの高温ガスとを受け取り、前記高温ガスから前記圧縮ガスへの熱伝達を引き起こして、前記第１の発熱機器（ＨＧＥ１）に供給される前に前記圧縮ガスを予熱するように構成された第１の熱交換器（１４）
   を備えることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
10. 前記制御機器（ＣＴＲＬ）が、第３の制御モードで実質的に所定の最大許容値で前記第１の熱交換器（１４）に注入される前記高温ガスの温度を維持するように、前記少なくとも２つの発電機（Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３）の回転速度および発生する熱の量を制御するように構成されることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
11. 前記第１の発熱機器（ＨＧＥ１）が、熱を発生するように動作可能な発熱ユニット（ＨＧＵ）と、前記発熱ユニット（ＨＧＵ）で発生した熱を前記圧縮ガスに伝達するように動作可能な関連の熱交換器（１２０）と、を有する外部発熱機器である
    ことを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一項に記載のシステム。
12. 前記少なくとも２つの発電機（Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３）と結合されたパワーエレクトロニクスユニットであって、前記少なくとも２つの発電機（Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３）からの交流電流を処理し、前記交流電流を、負荷への供給に適した交流電流に変換するように動作可能なパワーエレクトロニクスユニット
    を備えることを特徴とする請求項８〜１１のいずれか一項に記載のシステム。
13. 前記パワーエレクトロニクスユニットが、
    少なくとも２つの整流器（１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ）を備え、前記少なくとも２つの整流器はそれぞれ、前記少なくとも２つの発電機（Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３）の所定の１つからの交流電流を変換して、非交流電圧での直流電流を生成するように構成され、前記パワーエレクトロニクスユニットがさらに、前記少なくとも２つの整流器（１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ）からの非交番直流電流を負荷への供給に適した交流電流に変換するように構成されたインバータ（１６）を備える
    ことを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
14. 高温ガスを上流のタービンから受け取って前記高温ガスを再加熱するように構成された少なくとも１つの第２の発熱機器（ＨＧＥ２）を備え、前記少なくとも１つの第２の発熱機器（ＨＧＥ２）がそれぞれ、前記再加熱されたガスを１つの下流のタービンに伝達することを特徴とする請求項８〜１３のいずれか一項に記載のシステム。
15. 公称で実質的に等しい出力定格を有する前記少なくとも２つの発電機（Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３）と、公称で実質的に等しい回転速度定格を有する前記少なくとも２つの発電機（Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３）の回転部分と
    をさらに備えることを特徴とする請求項８〜１４のいずれか一項に記載のシステム。
16. コンピュータで実行されるときに、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法を実行するように動作可能なコンピュータプログラム。

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