ガスタービン制御のための可変抽気方法
【課題】空気分離部を備えたガス化混合発電システムの一部を構成するガスタービンエンジンの負荷を制御する方法を提供する。
【解決手段】（１）タービン圧縮機１０４により圧縮された圧縮空気を抽気するステップと、（２）前記抽気された圧縮空気を前記空気分離部２０４に供給するステップと、（３）前記ガスタービンエンジン１００の所望の負荷に基づいて前記タービン圧縮機１０４から抽気される前記圧縮空気の量を変更するステップとを含む。
【解決手段】（１）タービン圧縮機１０４により圧縮された圧縮空気を抽気するステップと、（２）前記抽気された圧縮空気を前記空気分離部２０４に供給するステップと、（３）前記ガスタービンエンジン１００の所望の負荷に基づいて前記タービン圧縮機１０４から抽気される前記圧縮空気の量を変更するステップとを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には、ガスタービンエンジンの動作を制御する方法に関する。より詳細には、本発明は、これに限定されるものではないが、ガス化混合発電システムの一部を構成するガスタービンエンジンの動作を、タービン圧縮機からの圧縮空気の抽気量を変更することにより制御する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最新のガス化混合（以後、「ＩＧＣＣ」と呼ぶ。）発電システムでは、空気分離部を使用して、酸素をガス化部に供給し、そこでガスタービンで燃料として使用される部分燃焼ガスを生成する。圧縮空気は一般的に、メイン空気圧縮機から、および／またはガスタービン圧縮機の排気から抽気して空気分離部に供給される。最新のものでは、タービン圧縮機の排気から抽気される圧縮空気の量は、圧縮機の流れに対してほぼ一定であり、空気分離部の外的要因の要件にのみ基づいている。
【０００３】
このようなシステムにおいて、ガスタービンの動作目標は、所望の負荷レベルを満たしながらも、効率を最大にすることにある。これは、ガスタービン部が、周囲条件が変化しても、最大負荷レベルを超えることなく所望の最大レベルの負荷で、しかもタービンの動作限界を超えない範囲で動作できるようにすることを含む。動作限界とは、例えば、タービンまたは燃焼器の部材内の最大許容温度を含む。これらの温度を超過することは、タービン部材の破損や、或いは排気レベルの増加の原因となりうる。他の動作限界として、最大圧縮機圧力比が含まれる。この限界値を超過すると、部材内の流れが急変し、タービンに多大な損傷が生じる可能性がある。さらに、タービンは、燃焼されたガスがタービンから排出される際の燃焼ガスの最大流速を示す最大マッハ数を持っている場合がある。この最大流速を超えた場合、タービンの部材が損傷する可能性がある。
【０００４】
したがって、動作要件を満たしながらも効率を向上させるガスタービンの動作制御は、産業界においてとても大きな目標である。タービン作業者は上述の目的を満たすため、いくつかの既知の方法を用いてタービンの負荷を制御または制限している。これらの既知の方法は、インレットブリードヒート（ｉｎｌｅｔ ｂｌｅｅｄ ｈｅａｔ）、圧縮機の入口案内羽根、および／またはタービン燃料供給の操作も含む。
【０００５】
インレットブリードヒートは、タービン作業者がタービン圧縮機の排出空気を抽気し、この抽気した空気を再び圧縮機の圧縮機給気口に戻して再循環させることを可能にする。圧縮機の流れの一部が吸気口で再利用されることから、この方法は、タービンを通過して広がる圧縮機を通る流量を削減し、タービン出力を削減する。このガスタービン負荷の制御方法はまた、高温の圧縮機排出空気の一部が温度の低い周囲空気と混合することにより、高温の圧縮機吸気口の吸気温度を上げる可能性がある。この温度の上昇は、空気密度を下げるため、ガスタービンへの質量流も下げることになる。このアプローチを用いると、変化する周囲条件を通して（動作限界を遵守しながらも）、最大レベル負荷で動作することを可能にするが、ガスタービンの熱効率を下げ、コストも上がる。
【０００６】
ガスタービンを通過する質量流を削減する他の一般的な方法としてタービン圧縮機への空気流を制御する入口案内羽根の閉鎖があるが、この方法は、タービン負荷を制御または制限するために用いることができる。入口案内羽根を閉鎖すると圧縮機への空気の通路が制限されるため、圧縮機に流入する空気の量は減少する。このアプローチはまた、変化する周囲条件を通して（動作限界を遵守しながら）、ガスタービン部が最大レベルの負荷で動作することを可能にするが、圧縮機をその最適設定ポイントから離れて動作させるため、ガスタービンの熱効率は下がる。
【０００７】
最後に、タービン負荷は、燃焼器への燃料流を削減することにより制御または制限することができる。これは、タービンの燃焼温度とガスタービンエンジンの出力を下げることになる。周囲温度が下がった場合、この処置は、タービンを最大レベル負荷に保つことを可能にする。しかしながら、当該技術分野で既知のように、燃焼温度の削減は、ガスタービンエンジンの効率を下げる。
【０００８】
これらの既知の制御方法はこのようにガスタービンエンジンの効率に不利な影響を及ぼす。さらに、これらの制御方法には、ＩＧＣＣ発電システムの一部を構成する特定のコンポーネントにシステムをより効率的に動作することを可能にする利点を提供するものはない。このため、ＩＧＣＣ発電システムで使用されるガスタービンの負荷を制御するより効率的な方法が必要とされている。
【特許文献１】米国特許第６，９４５，０３０号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このように本発明は、空気分離部を備えたガス化混合発電システムの一部を構成するガスタービンエンジンの負荷を制御する方法において、前記方法は、（１）タービン圧縮機により圧縮された圧縮空気を抽気するステップと、（２）前記抽気された圧縮空気を前記空気分離部に供給するステップと、（３）前記ガスタービンエンジンの所望の負荷に基づいて前記タービン圧縮機から抽気される前記圧縮空気の量を変更するステップとを含むことを特徴とする方法を説明する。
【００１０】
いくつかの実施の形態では、前記方法は更に、前記空気分離部にメイン空気圧縮機からの圧縮空気を供給するステップを含んでも良い。前記タービン圧縮機から吸気される前記圧縮空気の前記量に基づいて、前記空気圧縮機により前記空気分離部に供給される前記圧縮空気の量を変更しても良い。圧縮空気の組み合わせ供給は、前記空気分離部に前記メイン空気圧縮機により供給される前記圧縮空気の量と、前記タービン圧縮機から抽気される前記圧縮空気の量を含んでも良い。前記圧縮空気の組み合わせ供給は、前記空気分離部が必要とする圧縮空気の供給の合計を満たす圧縮空気の供給であっても良い。
【００１１】
いくつかの実施の形態では、前記タービン圧縮機から抽気される前記圧縮空気の量に基づいて前記空気分離部に前記メイン空気圧縮機により供給する前記圧縮空気の量を変更するステップは、前記タービン圧縮機から抽気される前記圧縮空気の量が増加すると、前記メイン空気圧縮機により前記空気分離部に供給される前記圧縮空気の量を減少するステップを含んでも良い。前記空気分離部に前記メイン空気圧縮機により供給される前記圧縮空気の減少量は、前記タービン圧縮機から抽気される前記圧縮空気の増加量とほぼ同量で良い。前記タービン圧縮機から抽気される前記圧縮空気の量に基づいて前記空気分離部に前記メイン空気圧縮機により供給する前記圧縮空気の量を変更するステップは、前記タービン圧縮機から抽気される前記圧縮空気の量が減少すると、前記メイン空気圧縮機により前記空気分離部に供給される前記圧縮空気の量を増加するステップを含んでも良い。前記空気分離部に前記メイン空気圧縮機により供給される前記圧縮空気の増加量は、前記タービン圧縮機から抽気される前記圧縮空気の減少量とほぼ同量で良い。
【００１２】
いくつかの実施の形態では、更に、前記方法は、周囲温度に基づいてタービン圧縮機から抽気される圧縮空気の量を変更するステップを含んでも良い。前記周囲温度に基づいて前記タービン圧縮機から抽気される前記圧縮空気の量を変更するステップは、前記周囲温度が減少すると前記タービン圧縮機から抽気される前記圧縮空気の量を増加するステップを含んでも良い。前記周囲温度に基づいて前記タービン圧縮機から抽気される前記圧縮空気の量を変更するステップは、前記周囲温度が増加すると前記タービン圧縮機から抽気される前記圧縮空気の量を減少するステップを含んでも良い。
【００１３】
いくつかの実施の形態は、前記ガスタービンエンジンの所望の負荷に基づいて前記タービン圧縮機から抽気される前記圧縮空気の量を変更するステップは、（１）前記ガスタービンエンジンの実負荷を測定するステップと、（２）前記ガスタービンの前記実負荷と前記ガスタービンエンジンの前記所望の負荷を比較するステップとを含んでも良い。前記タービン圧縮機から抽気される前記圧縮空気の量は、前記ガスタービンエンジンの前記所望の負荷に対する前記ガスタービンの前記実負荷との前記比較に基づいて変化する。更に、前記方法は、前記ガスタービンの前記実負荷が前記ガスタービンエンジンの前記所望の負荷を上回る場合、前記タービン圧縮機から抽気される前記圧縮空気の量を増加するステップを含んでも良い。更に、前記方法は、前記ガスタービンの前記実負荷が前記ガスタービンエンジンの前記所望の負荷を下回ると測定された場合、前記タービン圧縮機から抽気される前記圧縮空気の量を減少するステップを含んでも良い。
【００１４】
更にここでは、ガス化混合発電システムの一部を構成するガスタービンエンジンの負荷を制御するシステムにおいて、（１）空気を圧縮するタービン圧縮機を有した空気分離部と、（２）タービン圧縮機から圧縮空気を抽気する手段と、前記抽気された圧縮空気を前記空気分離部に供給する手段と、（３）前記ガスタービンエンジンの所望の負荷に基づいて前記タービン圧縮機から抽気される前記圧縮空気の量を変更する手段とを含むことを特徴とするシステムを開示する。
【００１５】
前記システムは更に、前記ガスタービンエンジンの実負荷を測定する手段を含んでも良い。前記ガスタービンエンジンの所望の負荷に基づいて前記タービン圧縮機から抽気される前記圧縮空気の量を変更する手段は、前記ガスタービンの前記実負荷と前記ガスタービンエンジンの前記所望の負荷を比較する手段と、前記タービン圧縮機から抽気される前記圧縮空気の量を、前記ガスタービンエンジンの前記所望の負荷に対する前記ガスタービンの前記実負荷の前記比較に基づいて変化する手段とを含んでも良い。前記ガスタービンエンジンの所望の負荷に基づいて前記タービン圧縮機から抽気される前記圧縮空気の量を変更する手段は、ＰＩＤコントローラを含んでも良い。
【００１６】
前記システムは更に、前記空気分離部にメイン空気圧縮機からの圧縮空気を供給するメイン空気圧縮機を含んでも良い。前記システムは更に、前記メイン空気圧縮機により前記空気分離部に供給される前記圧縮空気の量を変更する手段を含んでも良い。前記メイン空気圧縮機により供給される前記圧縮空気の量は、前記タービン圧縮機から抽気される前記圧縮空気の量に基づいて変更されても良い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明するが、それぞれの図面において、同様の構成には同様の番号が付されている。図１は、本発明のいくつかの実施の形態で使用可能な典型的なガスタービンエンジン１００の概略図である。ガスタービンエンジン１００は、直列に連結されたタービン圧縮機１０４、燃焼器１０６、タービン１０８を含んでも良い。タービン圧縮機１０４とタービン１０８とは、さらにタービン１０８と連結され発電機（図示されてない）を駆動する、軸１１０により連結されても良い。ここに図示され説明されるガスタービンエンジン１００は一例に過ぎないが、いくつかの実施の形態では、ガスタービンエンジン１００は、ゼネラルエレクトリック社から市販されている７ＦＢエンジンでも良い。したがって、ガスタービンエンジン１００は、図１に示され説明されるガスタービンエンジンに限定されることはなく、むしろガスタービンエンジン１００は如何なるガスタービンエンジンでも良い。例えば、ある代替の実施の形態では、ガスタービンエンジン１００は、発電機（図示されてない）とタービン圧縮機１０４とをそれぞれ別個に駆動する２本の軸を有する多軸型ガスタービンエンジンでも良い。
【００１８】
動作時に、空気（矢印１１２で示される）は、ガスタービンエンジン１００へタービン圧縮機１０４を介して流入して、圧縮されても良い。圧縮された空気はさらに、燃焼器１０６へ導かれ、燃料と混合され、点火されても良い。燃焼器１０６からの膨張する高温ガスは、回転するタービン１０８を駆動し、排気デフューザ１１４を介してガスタービンエンジン１００から（矢印１１３で示されるように）排出されても良い。さらに、いくつかの実施の形態では、タービンエンジン１００からの排気ガスは、蒸気を発生して蒸気タービン（図示されてない）を駆動する熱回収蒸気発生器(図示されてない)に供給されても良い。
【００１９】
図２は、本発明の特定の実施の形態で使用可能な典型的なガス化混合（「ＩＧＣＣ」）発電システム２００の概略図である。当業者には、最新の用途はＩＧＣＣ発電システム２００との使用に限定さることはなく、ガスタービンエンジンを含むその他のシステムにも利用可能であることは明らかである。ＩＧＣＣ発電システム２００は、上述のガスタービンエンジン１００を組み入れても良い。ＩＧＣＣ発電システム２００はさらに、メイン空気圧縮機２０２と、メイン空気圧縮機２０２およびタービン圧縮機１０４と流体連通した空気分離部２０４と、空気分離部２０４と流体連通したガス化部２０６と、ガス化部２０６と流体連通した燃焼器１０６と、タービン１０８とを含んでも良い。図２の矢印は流れの方向を示す。
【００２０】
一般的な動作では、当該技術分野で既知の一つ以上の圧縮機を有するメイン圧縮機２０２は、周囲空気を圧縮するようになっている（流れは矢印２０７で示される）。メイン圧縮機２０２からの圧縮空気は空気分離部２０４に導かれるようになっている。タービン圧縮機１０４から圧縮空気が抽気され、空気分離部２０４へ送られるようになっている。タービン圧縮機１０４からの圧縮空気の抽気は、タービン圧縮機１０４からの圧縮空気を管へ集配して、こうして抽気された圧縮空気を空気分離部２０４へ導いて行われる。管には、蝶形弁、或いはその他の類似した弁（図示されてない）が配設されており、タービン圧縮機１０４から抽気される圧縮空気の量を制御するようになっている。当業者には、タービン圧縮機１０４からある量の圧縮空気を抽気して、空気分離部２０４へ供給するためにこの他の方法およびシステムを用いても良いことは明らかである。このように、空気分離部２０４は、その機能のために必要な圧縮空気の供給をメイン圧縮機２０２からと、タービン圧縮機１０４から抽気された圧縮空気から受けることができる。
【００２１】
次に空気分離部２０４は、当該技術分野で既知の方法により供給された圧縮空気を用いてガス化部２０６用に酸素を生成しても良い。より詳細には、空気分離部２０４は、圧縮空気を酸素流（その流れは経路２０８で示される）と、「処理ガス」とも呼ばれるガス副生成物とに分離しても良い。空気分離部２０４により生成される処理ガスは窒素を含み、本明細書では「窒素処理ガス」と呼ばれる。窒素処理ガスはさらに、酸素、アルゴなどのその他のガスを含んでも良い。いくつかの実施の形態で、窒素処理ガスは、約９５％から約１００％の間の窒素を含んでも良い。
【００２２】
空気分離部２０４からの酸素流は、ガスタービンエンジン１００で燃料として使用される、本明細書で「合成ガス」と呼ぶ、部分燃焼ガスを生成するためにガス化部２０６へ送られる。いくつかの既知のＩＧＣＣでは、窒素処理ガス流、すなわち空気分離部２０４の副生成物の少なくとも一部は、大気へ放出されても良い（その流れは経路２１０で示される）。いくつかの既知のＩＧＣＣでは、タービン１０８の排気制御を容易にするため、その他の窒素ガス流の一部は窒素ブースト圧縮機２０８へ供給され（その流れは経路２１１で示される）、その後燃焼器１０６に供給される。
【００２３】
ガス化部２０６は、燃料（その流れは経路２１２により示される）、空気分離部２０４から供給される酸素（その流れは経路２０８により示される）、蒸気（その流れは経路２１３により示される）、および／または、石灰石（図示されてない）の混合体を、当該技術分野で既知の燃料としてガスタービンエンジン１００により用いられる合成ガスに変換して出力する。いくつかの既知のＩＧＣＣシステムにおいて、ガス化部２０６は、多くの種類の燃料を使用することができるが、ガス化部２０６は、粉炭、石油コークス、残油、油乳剤、タールサンド、および／またはその他の類似した燃料を用いても良い。いくつかの既知のＩＧＣＣシステムにおいて、ガス化部２０６により生成される合成ガスは、二酸化炭素、硫黄、またはその他の不要な汚染物質を含む場合がある。当該技術分野で既知のように、ガス化部２０６により生成される合成ガス（その流れは経路２１４により示される）は、酸除去システムとしても知られている浄化器２１６で浄化され、その燃焼のために燃焼器１０６に送られる前に、それらの汚染物質の一部または全てを除去しても良い。
【００２４】
ガスタービンエンジン１００からの出力は、電力供給網（図示されてない）に電力を供給する発電機（図示されてない）を駆動しても良い。ガスタービンエンジン１００からの排気ガスは、蒸気を生成して蒸気タービン（図示されてない）を駆動する熱回収蒸気発生器(図示されてない)に供給されても良い。蒸気タービンにより生成された出力は、電力供給網に電力を供給する発電機（図示されてない）を駆動しても良い。いくつかの既知のＩＧＣＣシステムでは、熱回収蒸気発生器からの蒸気はまた、ガス化部２０６に送られて、合成ガスが生成されるようになっている。
【００２５】
本発明の実施の形態の一部では、タービン圧縮機１０４から抽気され、空気分離部２０４へ供給される圧縮空気の量は、ＩＧＣＣ電力システム２００のタービン１００の負荷を制御するための手段として、および／または、タービン１００の動作限界に合わせるための手段として変化しても良い。例えば、図３は、典型的なタービン１００の制御および動作などの効果を示している。図３は、周囲条件の変化に応じて、タービンの最大負荷を効率的に保つ（超過しない）ようにタービン圧縮機からの圧縮空気の抽気のレベルが変化する、ガスタービンエンジン１００の典型的な動作を示すグラフを含む。図３（ａ）は、周囲温度（Ｔａｍｂ）に対する抽気率（すなわち、タービン圧縮機１０４から抽気され、空気分離部２０４に供給される圧縮空気の割合）を示す典型的な効果を示す図である。図３（ｂ）は、抽気率が変化する際の、周囲温度に対する圧縮機マージンを示す典型的な効果を示す図である。圧縮機マージンは、タービン圧縮機１０４の測定圧力比と、タービン圧縮機１０４でサージが発生している場合を除く、圧縮機が所定の流速で動作可能な最大圧力比との差分を反映することができる。最小圧縮機動作限界線３０２は、ガスタービンエンジン１００の動作時にシステムオペレータにより許容される最小許容可能圧縮機マージンを反映することができる。図３（ｃ）は、抽気率が変動する際の周囲温度に対するタービン出力（すなわち負荷）を示す典型的な効果を示す図である。最大ベース負荷レベル線３０３は、タービン１００の最大許容可能負荷を反映することができる。
【００２６】
図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）に示されるように、これらの場合では、周囲温度が下がると抽気率が上昇し、タービン１００の最大ベース負荷レベルおよびその他の動作限界が超えられることはない。以下に説明するグラフは典型的なデータのみを含み、最新のアプリケーションの本方法および本システムを用いた一般的なガスタービンの動作を説明することのみを目的としたものであることに留意されたい。これらのグラフに関連するポイント、範囲およびデータは、別の条件下のシステムでは実質的に異なる場合がある。図３（ａ）に示すように、周囲温度が約華氏７０度（摂氏２１度）で、抽気率はほぼ５％（ポイント３０４）となる。周囲温度が約華氏５０度（摂氏１０度）に下がると、抽気率は約７％（ポイント３０６）に上昇する。図３（ｂ）に示すように、約華氏７０度（摂氏２１度）で動作限界線（「ＯＬＬ」）および約５％の抽気率に対する圧縮比マージンは約０．３となる（ポイント３０８）。約華氏５０度（摂氏１０度）のＯＬＬおよび約７％の抽気率に対する圧縮機比マージンは約０．４５となる（ポイント３１０）。図３（ｃ）に示されるように、変化する周囲条件を通して、約華氏７０度（摂氏２１度）（ポイント３１２）と華氏５０度（摂氏１０度）（ポイント３１４）の両方で最大ベース負荷レベルが保たれる（すなわち、温度が華氏７０度から華氏５０度（摂氏２１度から摂氏１０度）に下がってもタービン１００の負荷は最大ベース負荷レベル線３０３に留まる）。
【００２７】
図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）が示す効果は、タービン圧縮機１０４から抽気される圧縮空気の量を可変とする動作上の利点を明らかにしている。第１に、タービン圧縮機からの圧縮空気の可変抽気は、タービン１００の動作時に動作限界を遵守することを可能にする付加的な可変制御を実現できる。図３を参照して説明したように、周囲温度が華氏７０度から華氏５０度（摂氏２１度から摂氏１０度）に下がっても、最大ベース負荷レベル（ポイント３１２および３１４）は保たれ、許容可能な圧縮機マージンは保たれている（ポイント３０８および３１０から明らかなように、レベルは実際０．３０から０．４５に下がっている）。さらに、可変抽気は、変化する周囲条件を通して、タービン１００の最大ベース負荷レベルを可能にしている。当該技術分野で既知のように、その他の動作要因が一定に留まるとした場合、周囲温度の降下はタービン出力の増加につながる。このため、図３の例からさらに、タービン１００が既に最大ベース負荷レベルで機能している際に、周囲温度が華氏７０度から華氏５０度（摂氏２１度から摂氏１０度）に下がる場合、タービン作業者は、タービン１００を最大ベース負荷レベル（を超えないように）に保つため、適当な制御処置を開始する必要が生じる。当該技術分野で既知のように、これらの制御措置は、流入熱の抽出（すなわち、タービン圧縮機１０４の排出空気を抽気し、抽気した空気を圧縮機吸気口へ戻して再循環させる）、入り口案内羽根の閉鎖、および／またはタービン供給燃料の削減（すなわち、タービン流入温度の削減）を含んでも良い。上述したように、しかしながら、これらの制御処置は、ガスタービン１００の熱効率を下げ、タービン圧縮機１０４からの抽気率を上げるほど有効ではない。図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）に示されるように、抽気レベルが変化することにより、変化する周囲条件を通して、ガスタービン１００がその最大ベース負荷レベルを超えることを首尾良く防止している。
【００２８】
第２は、タービン圧縮機１０４から抽気される圧縮空気の供給の増加分が、空気分離部２０４に供給するためにメイン圧縮機２０２から必要とされる圧縮空気の量を、同等の分量だけ削減することができる。これは、メイン圧縮機２０２の使用量の削減となり、このコンポーネントのエネルギー消費の削減は、システムの全体的な効率を高めることになる。さらに、メイン圧縮機２０２の使用量の削減は、これに関連する保守費用の削減にもなる。このように、タービン１００の負荷を制御する従来の方法とは異なり、空気分離部２０４への圧縮空気の抽気レベルを変更することは、タービン圧縮機１０４から空気分離部２０４へ送られる圧縮空気の供給を増加して、制御処置を効率的に使用することになる（すなわち、メイン圧縮機２０２の出力要件を下げ、そのコンポーネントのエネルギー消費を削減する）。
【００２９】
一方で、上述の例において、周囲温度が華氏５０度（摂氏１０度）に下がり、タービン圧縮機１０４からの抽気率が一定、すなわち、華氏７０度（摂氏２１度）で約４％のレベル、に留まった場合、タービン１００のオペレータは、タービン出力を制限するため、インレットブリードヒート、入口案内羽根の閉鎖、および／またはタービン燃料供給の削減などの動作を開始する必要があった。さらに、全体的なシステムは、タービン圧縮機１０４からの抽気された圧縮空気の量の差分を４％から７％の抽気レベルの範囲にメイン圧縮機２０２で埋め合わせる必要があり、これはシステム全体の効率をさらに下げることになった。
【００３０】
図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）に示されるように、周囲温度が上がると概して抽気率は下がるため、タービン出力は最大ベース負荷レベル線３０３に保たれる（すなわち、抽気率が下がらず、その他の動作要因も一定に留まった場合、周囲温度が上昇するとタービン出力が下がる。）。周囲温度が上昇し続けると、あるポイントで、抽気された圧縮空気の比率がさらに下がったとしても、タービン１００はもはや動作限界（圧縮機の動作限界線３０２など）を遵守しながら最大ベース負荷レベル線３０３の負荷要件を満たすことができなくなる。図３において、これは約華氏８０度（摂氏２７度）で発生しているが、異なる条件で異なるシステムの場合は、この他の温度で発生する場合もある。このようなポイントでは、動作タービン１００の動作限界を超えずに、最大ベース負荷レベル線３０３が保たれるように抽気率が下がることはもはやない。このポイントまで、変化する周囲条件を通して、タービン出力（すなわち負荷）は効率的に所望の最大レベルに制御される。
【００３１】
図４（ａ）および図４（ｂ）の二つのグラフは、変化する周囲条件を通して、燃焼器から排出されるガスの最大許容温度を超えることなく、タービン１００が一定の負荷で動作するように、燃焼器１０６内の温度がどのように変化するのかを示している。これらのグラフで、「Ｔｆｉｒｅ」は、燃焼器１０６内の第１段階ノズルから排出されるガスの温度を表し、「Ｔ３．９」は、燃焼器から排出されるガス１０６の温度を表している。ここに示されるように、周囲温度が下がると、最大Ｔ３．９線４０２で示される最大許容温度Ｔ３．９が超えられることのないようにＴｆｉｒｅは下がる。最初に、周囲温度が約華氏１００度から華氏６０度（摂氏３８度から摂氏１６度）に下がると、Ｔｆｉｒｅは最大Ｔｆｉｒｅ線４０４により示される最大許容可能温度Ｔｆｉｒｅに対応する温度に保たれる。さらに、周囲温度が華氏１００度から華氏６０度（摂氏３８度から摂氏１６度）に下がると、Ｔ３．９温度は最大Ｔ３．９線のポイント４０６に到達するまで上昇する。周囲温度が華氏６０度（摂氏１６度）からさらに（同時に上述のように一定の負荷に保ちながら）下がると、最大Ｔ３．９線４０２を超えないようにＴｆｉｒｅは下がる。例えば、周囲温度が華氏４０度（摂氏４度）の場合、Ｔ３．９温度が最大Ｔ３．９線４０２（ポイント４１０）を超えないように、Ｔｆｉｒｅは最大Ｔｆｉｒｅ線４０４（ポイント４０８）を下回るレベルまで下がる。
【００３２】
可変抽気（すなわち、空気分離部２０４に供給するためにタービン圧縮機１０４から抽気される圧縮空気の量が可変）を用いると、最大Ｔ３．９線４０２および最大Ｔｆｉｒｅ線４０４などの動作限界を遵守しながら、確実にシステム効率を最大とすることができる。タービン負荷レベルの制限のため、例えば、燃料流を下げるとした場合、ＴｆｉｒｅおよびＴ３．９の温度はそれぞれの限界値まで最大化されない。一方で、高いシステム温度とシステム効率向上との両方の直接的な関係から、最大Ｔｆｉｒｅ／Ｔ３．９温度に保つために抽気を可変とした場合はより効率的である。このため、最大Ｔｆｉｒｅ／Ｔ３．９温度を保ちながら最大負荷レベルを超えないように周囲温度が下がると抽気が上昇する。
【００３３】
図５（ａ）および図５（ｂ）の二つのグラフは、変化する周囲条件を通して、タービン１００から排出される流動体の最大速度を超えることなく、タービン１００が一定の負荷で作動するように、入口案内羽根の設定がどのように変化するのかを示している。このグラフで、「ＩＧＶ」は入口案内羽根の設定（すなわち、角度）を表し、「Ａｘｉａｌ Ｅｘｉｔ ＭＮ」は、タービンマッハ数とも呼ばれるタービン１００から排出される際の流動体の速度を表す。図示されるように、周囲温度が約華氏８０度（摂氏２７度）を下回ると、最大マッハ数線５０２で示される流動体の最大許容可能排出速度が超えられないように入口案内羽根の角度は下がる（すなわち、入口案内羽根はさらに「閉」となる）。例えば、華氏６０度から華氏４０度（摂氏１６度から摂氏４度）で、ＩＧＶ角度は約８３度（ポイント５０４を参照）から約８１度（ポイント５０６を参照）に下がり、流動体の排出速度は最大マッハ数線５０２以下に保たれる（ポイント５０８および５１０を参照）。
【００３４】
可変抽気を用いると、最大マッハ数線５０２などの動作限界を確実に遵守しながら、入口案内羽根設定操作などのその他の従来の制御手段を超えて、システムの効率性を最大とすることが可能になる。例えば、タービン圧縮機１０４から吸気される圧縮空気の割合を高めることにより、タービン１０４を通して拡張する利用可能な圧縮機流の量を下げ、タービンから排出される流動体の速度を下げることが可能となる。このように、周囲温度が下がると、入口案内羽根の操作を介してタービン圧縮機１０４への空気流を下げる必要が、タービン圧縮機１０４からの吸気のレベルを変更する（この場合、増加）ことにより減少する。とりわけ、抽気される空気の量を増加して空気分離部２０４に供給して、メイン空気圧縮機２０２の需要を減らし、全体的なシステム効率を向上することから、既に説明したように、タービン１００から排出される際の流動体の最大許容速度などの動作限界を保つように抽気を変化することは、入口案内羽根を閉鎖することよりもより効果的である。
【００３５】
したがって、ＩＧＣＣ発電システム２００の動作時に、空気分離部２０４に供給するためにタービン圧縮機１０４から抽気される圧縮空気の量を変化することにより、タービン１００の負荷を制御し、タービン１００の動作限界を、システムの効率性が最大となるように保つことができる。さらに、タービン圧縮機１０４から抽気した圧縮空気の供給を増やすことにより、メイン空気圧縮機２０２のエネルギー消費を削減し、ＩＧＣＣシステム２００の全体的な効率を向上することができる。このタービン１００の制御方法は、図６から図８に示す制御処理を含むが、これに限定されない複数の方法により実現することができる。
【００３６】
図６は、タービン１００の排気温度（「Ｔｅｘｈ」）を設定するために用いることが可能な典型的な制御処理を説明するフロー図である。ブロック６０２で、タービン圧縮機１０４を介した圧力比が測定される。ブロック６０４で、圧力比の測定値を用いて、部分負荷条件（すなわち、ベース負荷の約９６％を下回る動作条件）のＴｅｘｈが算出される。算出された部分負荷Ｔｅｘｈはさらに、スイッチ６０８の状態に応じて「最小選択」ブロック６０６に送られる。タービン１００が部分負荷条件で動作していると判断されると、スイッチ６０８は閉じ、算出された部分負荷Ｔｅｘｈは通過して最小選択ブロック６０６に送られるようになる。一方、タービン１００が部分負荷条件で作動していないと判断されると、スイッチ６０６は開状態となり、算出された部分負荷Ｔｅｘｈは最小選択ブロック６０６には送られない。
【００３７】
ブロック６１０で、測定された圧縮機圧力比６０２と、燃焼器１０６の最大許容可能排気温度を表す既知の燃焼器排気温度限界６１２に基づいて別のＴｅｘｈ設定ポイント算出が行われる。ブロック６１０で算出されたＴｅｘｈは最小選択ブロック６０６に入力される。最小選択ブロック６０６はこれら二つの入力、すなわち、ブロック６０４（スイッチ６０８が閉位置とする）およびブロック６１０から、最小Ｔｅｘｈ設定ポイントを選択するように機能する。
【００３８】
第２最小選択、最小選択ブロック６１３は、最小選択ブロック６０６およびブロック６１４からの入力から最小の方の、算出されたＴｅｘｈ設定ポイントを選択する。ブロック６１４で、ブロック６０２で測定された圧縮機比および既知のタービン吸気温度の最大値６１６（すなわち、タービン入口で許容可能な最大温度）からTexh設定ポイントが算出される。これらの二つの入力の最小の方が最小選択ブロック６１３で選択され、その結果がＴｅｘｈ設定ポイント６１８となる。
【００３９】
図７は、タービン１００の入口案内羽根の角度を決定する、入口案内羽根の設定ポイントの算出に用いることが可能な典型的な制御処理を示すフロー図である。ブロック７０２で、目標とするタービン排気流速度が、Ｔｅｘｈ７０４の測定値、タービン排気７０６の圧力の測定値、および既知の最大許容タービン排気流速度７０７に基づいて算出される。ブロック７０２で算出された目標タービン排気流速度は、測定された周囲温度７１０、測定された周囲空気圧７１２、測定された燃料流速７１４とともにブロック７０８に入力される。これらの情報により、目標とする入口案内羽根設定ポイントが当該技術分野で既知の方法で算出される。
【００４０】
ブロック７０８で算出された値は最小選択ブロック７１６に入力される。最小選択ブロック７１６は入口案内羽根設定ポイントの値を、１）ブロック７０８で算出された入口案内羽根設定ポイント、当該技術分野で既知の方法で算出された部分負荷入口案内羽根設定ポイント７１８、および既知の最大許容入口案内羽根設定ポイント７２０から選択する。こうして最小選択ブロック７１６で決定された最小値は、入口案内羽根設定ポイント７２２として選択される。
【００４１】
図８は、タービン圧縮機１０４の抽気設定ポイント（すなわち、抽気され、空気分離部２０４に供給されるタービン圧縮機１０４からの圧縮空気の量または比）を算出する典型的な制御処理を示すフロー図である。ブロック８０２で、測定されたタービン負荷８０４と目標とするタービン負荷８０６の間の差分が算出される。タービン負荷は、プレシジョンパワーアナライザ、積算電力計、またはその他の類似の機器およびシステムを含む、当該技術分野で既知の機器およびシステムにより測定される。測定されたタービン負荷８０４は、プログラマブル論理コントローラまたはその他の類似の機器、コントローラおよびシステムを含む当該技術分野の当業者には既知の機器、コントローラ、およびシステムにより目標タービン負荷８０６（および算出された差分）と比較される。算出された差分は負荷ＰＩＤコントローラ８０８またはその他の類似の機器に入力され、抽気設定ポイント８１０、すなわちタービン圧縮機１０４から抽気される圧縮空気の量が算出される。抽気設定ポイント８１０は、タービン圧縮機１０４内、またはタービン圧縮機１０４と空気分離部２０４の間の配管内の蝶型弁などの弁に用いられ、所望の量の圧縮空気がタービン圧縮機１０４から抽気されるようになる。タービン圧縮機１０４から抽気された圧縮空気は空気分離部２０４に配管および弁を介して上述のように供給される。
【００４２】
上述のようにタービン圧縮機１０４から可変の量の圧縮空気を抽気して抽気した圧縮空気を空気分離部２０４に供給して、タービン負荷を制御する全体的な処理は、当該技術分野の当業者には既知のコンピュータ化したプラント運転システムにより実現され、制御されても良い。この運転システムは、適当な高出力個体スイッチ装置を備えても良い。この運転システムは、コンピュータでも良い。しかしながら、これは運用の範囲内の適当な高出力制御システムの典型的な例に過ぎない。例えば、これに限定されないが、運転システムは、シリコン制御整流器（ＳＣＲ）、サイリスタ、ＭＯＳ制御サイリスタ（ＭＣＴ）、および絶縁ゲートバイポーラトランジスタの少なくとも一つを含んでも良い。運転システムはまた、全体的な、システムレベル制御を行うメインプロセッサ部、すなわち中央プロセッサ部と、中央プロセッサ部の制御下で、各種の特定の機能、その他の処理およびそれらの組み合わせを行う独立の専用処理部を有したＡＳＩＣなどの単一の専用集積回路として実現しても良い。当業者には、運転システムはまた、ＰＬＤ、ＰＡＬ、ＰＬＡなどの個別素子回路またはプログラマブル論理装置を含む、論理回路または配線電子回路などの各種の独立した専用の、またはプログラム可能な集積回路またはその他の電子回路、或いは機器を用いて実現可能であることは明らかである。運転システムはまた、単独で、または一つ以上の周辺データおよび信号処理装置と連結した、適当にプログラムされた、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラなどの汎用コンピュータ、または、ＣＰＵまたはＭＰＵなどのその他のプロセッサ装置を用いて実現しても良い。一般的に、論理フロー図２００を実現することが可能な有限状態機械を搭載した機器または類似の機器を運転システムとして用いることもできる。図示されるように、最大データ／信号処理用の機能および速度には分散処理アーキテクチャが好ましい。当業者には明らかなように、運転システムはさらに、弁の動作（すなわち、開弁、閉弁、またはその他の設定）およびその他のＩＧＣＣ発電システムの機械的システムを制御し、システムの制御に関する情報を中継するセンサから入力しても良い。
【００４３】
一般的に、測定されたタービン負荷が目標タービン負荷を上回る場合、タービン圧縮機１０４から抽気される圧縮空気の量は増加しても良い。同様に、測定されたタービン負荷が目標タービン負荷を下回る場合、タービン圧縮機１０４から抽気される圧縮空気の量は減少しても良い。さらに、タービン圧縮機１０４から抽気された圧縮空気の量が上昇すると、メイン空気圧縮機２０２による圧縮空気の供給はほぼ同等の分量だけ減少することができる（これにより、空気分離部２０４により受け取られる供給の合計はほぼ同等に留まる）。一方で、タービン圧縮機１０４から抽気される圧縮空気の量が減少すると、メイン空気圧縮機２０２による圧縮空気の供給はほぼ同等の分量だけ増加することができる。
【００４４】
上述のように、当業者には、タービン負荷を効率的に制御するために抽気レベルを変更するその他の制御処理、方法およびシステムを利用可能であることは明らかである。本発明の好ましい実施の形態について説明をしたが、添付の特許請求の範囲およびその相当物により定義される本出願の精神と範囲を逸脱しない限りにおいて、多くの変形および修正態様が可能であることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】図１は、本発明の特定の実施の形態で使用可能な典型的なタービンの概略図である。
【図２】図２は、本発明の特定の実施の形態で使用可能な典型的なガス化混合（「ＩＧＣＣ」）発電システムの概略図である。
【図３】図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）はそれぞれ、変化する周囲条件を通して、タービンの最大負荷を効率的に保つように、タービン圧縮機から抽気される圧縮空気のレベルを変更させる、典型的なＩＧＣＣ発電システムの効果を説明するグラフである。
【図４】図４（ａ）および図４（ｂ）の二つのグラフはそれぞれ、変化する周囲条件を通して、燃焼器から排出されるガスの最大許容温度を超えることなく、タービン１００が一定の負荷で動作するように、燃焼器１０６内の温度がどのように変化する可能性があるのかを示すグラフである。
【図５】図５（ａ）および図５（ｂ）の二つのグラフはそれぞれ、変化する周囲条件を通して、最大排出マッハ数を超えることなく、タービン１００が一定の負荷で動作するように、入口案内羽根の設定がどのように変化する可能性があるのかを示すグラフである。
【図６】図６は、タービンの排気温度を設定するために用いることが可能な典型的な制御処理を説明するフロー図である。
【図７】図７は、タービンの入口案内羽根の設定ポイント（すなわち、入口案内羽根の角度）の算出に用いることが可能な典型的な制御処理を説明するフロー図である。
【図８】図８は、タービン圧縮機の抽気設定ポイント（すなわち、抽気され、空気分離部に供給されるタービン圧縮機からの圧縮空気の量または比）を算出する典型的な制御処理を示すフロー図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には、ガスタービンエンジンの動作を制御する方法に関する。より詳細には、本発明は、これに限定されるものではないが、ガス化混合発電システムの一部を構成するガスタービンエンジンの動作を、タービン圧縮機からの圧縮空気の抽気量を変更することにより制御する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最新のガス化混合（以後、「ＩＧＣＣ」と呼ぶ。）発電システムでは、空気分離部を使用して、酸素をガス化部に供給し、そこでガスタービンで燃料として使用される部分燃焼ガスを生成する。圧縮空気は一般的に、メイン空気圧縮機から、および／またはガスタービン圧縮機の排気から抽気して空気分離部に供給される。最新のものでは、タービン圧縮機の排気から抽気される圧縮空気の量は、圧縮機の流れに対してほぼ一定であり、空気分離部の外的要因の要件にのみ基づいている。
【０００３】
このようなシステムにおいて、ガスタービンの動作目標は、所望の負荷レベルを満たしながらも、効率を最大にすることにある。これは、ガスタービン部が、周囲条件が変化しても、最大負荷レベルを超えることなく所望の最大レベルの負荷で、しかもタービンの動作限界を超えない範囲で動作できるようにすることを含む。動作限界とは、例えば、タービンまたは燃焼器の部材内の最大許容温度を含む。これらの温度を超過することは、タービン部材の破損や、或いは排気レベルの増加の原因となりうる。他の動作限界として、最大圧縮機圧力比が含まれる。この限界値を超過すると、部材内の流れが急変し、タービンに多大な損傷が生じる可能性がある。さらに、タービンは、燃焼されたガスがタービンから排出される際の燃焼ガスの最大流速を示す最大マッハ数を持っている場合がある。この最大流速を超えた場合、タービンの部材が損傷する可能性がある。
【０００４】
したがって、動作要件を満たしながらも効率を向上させるガスタービンの動作制御は、産業界においてとても大きな目標である。タービン作業者は上述の目的を満たすため、いくつかの既知の方法を用いてタービンの負荷を制御または制限している。これらの既知の方法は、インレットブリードヒート（ｉｎｌｅｔ ｂｌｅｅｄ ｈｅａｔ）、圧縮機の入口案内羽根、および／またはタービン燃料供給の操作も含む。
【０００５】
インレットブリードヒートは、タービン作業者がタービン圧縮機の排出空気を抽気し、この抽気した空気を再び圧縮機の圧縮機給気口に戻して再循環させることを可能にする。圧縮機の流れの一部が吸気口で再利用されることから、この方法は、タービンを通過して広がる圧縮機を通る流量を削減し、タービン出力を削減する。このガスタービン負荷の制御方法はまた、高温の圧縮機排出空気の一部が温度の低い周囲空気と混合することにより、高温の圧縮機吸気口の吸気温度を上げる可能性がある。この温度の上昇は、空気密度を下げるため、ガスタービンへの質量流も下げることになる。このアプローチを用いると、変化する周囲条件を通して（動作限界を遵守しながらも）、最大レベル負荷で動作することを可能にするが、ガスタービンの熱効率を下げ、コストも上がる。
【０００６】
ガスタービンを通過する質量流を削減する他の一般的な方法としてタービン圧縮機への空気流を制御する入口案内羽根の閉鎖があるが、この方法は、タービン負荷を制御または制限するために用いることができる。入口案内羽根を閉鎖すると圧縮機への空気の通路が制限されるため、圧縮機に流入する空気の量は減少する。このアプローチはまた、変化する周囲条件を通して（動作限界を遵守しながら）、ガスタービン部が最大レベルの負荷で動作することを可能にするが、圧縮機をその最適設定ポイントから離れて動作させるため、ガスタービンの熱効率は下がる。
【０００７】
最後に、タービン負荷は、燃焼器への燃料流を削減することにより制御または制限することができる。これは、タービンの燃焼温度とガスタービンエンジンの出力を下げることになる。周囲温度が下がった場合、この処置は、タービンを最大レベル負荷に保つことを可能にする。しかしながら、当該技術分野で既知のように、燃焼温度の削減は、ガスタービンエンジンの効率を下げる。
【０００８】
これらの既知の制御方法はこのようにガスタービンエンジンの効率に不利な影響を及ぼす。さらに、これらの制御方法には、ＩＧＣＣ発電システムの一部を構成する特定のコンポーネントにシステムをより効率的に動作することを可能にする利点を提供するものはない。このため、ＩＧＣＣ発電システムで使用されるガスタービンの負荷を制御するより効率的な方法が必要とされている。
【特許文献１】米国特許第６，９４５，０３０号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このように本発明は、空気分離部を備えたガス化混合発電システムの一部を構成するガスタービンエンジンの負荷を制御する方法において、前記方法は、（１）タービン圧縮機により圧縮された圧縮空気を抽気するステップと、（２）前記抽気された圧縮空気を前記空気分離部に供給するステップと、（３）前記ガスタービンエンジンの所望の負荷に基づいて前記タービン圧縮機から抽気される前記圧縮空気の量を変更するステップとを含むことを特徴とする方法を説明する。
【００１０】
いくつかの実施の形態では、前記方法は更に、前記空気分離部にメイン空気圧縮機からの圧縮空気を供給するステップを含んでも良い。前記タービン圧縮機から吸気される前記圧縮空気の前記量に基づいて、前記空気圧縮機により前記空気分離部に供給される前記圧縮空気の量を変更しても良い。圧縮空気の組み合わせ供給は、前記空気分離部に前記メイン空気圧縮機により供給される前記圧縮空気の量と、前記タービン圧縮機から抽気される前記圧縮空気の量を含んでも良い。前記圧縮空気の組み合わせ供給は、前記空気分離部が必要とする圧縮空気の供給の合計を満たす圧縮空気の供給であっても良い。
【００１１】
いくつかの実施の形態では、前記タービン圧縮機から抽気される前記圧縮空気の量に基づいて前記空気分離部に前記メイン空気圧縮機により供給する前記圧縮空気の量を変更するステップは、前記タービン圧縮機から抽気される前記圧縮空気の量が増加すると、前記メイン空気圧縮機により前記空気分離部に供給される前記圧縮空気の量を減少するステップを含んでも良い。前記空気分離部に前記メイン空気圧縮機により供給される前記圧縮空気の減少量は、前記タービン圧縮機から抽気される前記圧縮空気の増加量とほぼ同量で良い。前記タービン圧縮機から抽気される前記圧縮空気の量に基づいて前記空気分離部に前記メイン空気圧縮機により供給する前記圧縮空気の量を変更するステップは、前記タービン圧縮機から抽気される前記圧縮空気の量が減少すると、前記メイン空気圧縮機により前記空気分離部に供給される前記圧縮空気の量を増加するステップを含んでも良い。前記空気分離部に前記メイン空気圧縮機により供給される前記圧縮空気の増加量は、前記タービン圧縮機から抽気される前記圧縮空気の減少量とほぼ同量で良い。
【００１２】
いくつかの実施の形態では、更に、前記方法は、周囲温度に基づいてタービン圧縮機から抽気される圧縮空気の量を変更するステップを含んでも良い。前記周囲温度に基づいて前記タービン圧縮機から抽気される前記圧縮空気の量を変更するステップは、前記周囲温度が減少すると前記タービン圧縮機から抽気される前記圧縮空気の量を増加するステップを含んでも良い。前記周囲温度に基づいて前記タービン圧縮機から抽気される前記圧縮空気の量を変更するステップは、前記周囲温度が増加すると前記タービン圧縮機から抽気される前記圧縮空気の量を減少するステップを含んでも良い。
【００１３】
いくつかの実施の形態は、前記ガスタービンエンジンの所望の負荷に基づいて前記タービン圧縮機から抽気される前記圧縮空気の量を変更するステップは、（１）前記ガスタービンエンジンの実負荷を測定するステップと、（２）前記ガスタービンの前記実負荷と前記ガスタービンエンジンの前記所望の負荷を比較するステップとを含んでも良い。前記タービン圧縮機から抽気される前記圧縮空気の量は、前記ガスタービンエンジンの前記所望の負荷に対する前記ガスタービンの前記実負荷との前記比較に基づいて変化する。更に、前記方法は、前記ガスタービンの前記実負荷が前記ガスタービンエンジンの前記所望の負荷を上回る場合、前記タービン圧縮機から抽気される前記圧縮空気の量を増加するステップを含んでも良い。更に、前記方法は、前記ガスタービンの前記実負荷が前記ガスタービンエンジンの前記所望の負荷を下回ると測定された場合、前記タービン圧縮機から抽気される前記圧縮空気の量を減少するステップを含んでも良い。
【００１４】
更にここでは、ガス化混合発電システムの一部を構成するガスタービンエンジンの負荷を制御するシステムにおいて、（１）空気を圧縮するタービン圧縮機を有した空気分離部と、（２）タービン圧縮機から圧縮空気を抽気する手段と、前記抽気された圧縮空気を前記空気分離部に供給する手段と、（３）前記ガスタービンエンジンの所望の負荷に基づいて前記タービン圧縮機から抽気される前記圧縮空気の量を変更する手段とを含むことを特徴とするシステムを開示する。
【００１５】
前記システムは更に、前記ガスタービンエンジンの実負荷を測定する手段を含んでも良い。前記ガスタービンエンジンの所望の負荷に基づいて前記タービン圧縮機から抽気される前記圧縮空気の量を変更する手段は、前記ガスタービンの前記実負荷と前記ガスタービンエンジンの前記所望の負荷を比較する手段と、前記タービン圧縮機から抽気される前記圧縮空気の量を、前記ガスタービンエンジンの前記所望の負荷に対する前記ガスタービンの前記実負荷の前記比較に基づいて変化する手段とを含んでも良い。前記ガスタービンエンジンの所望の負荷に基づいて前記タービン圧縮機から抽気される前記圧縮空気の量を変更する手段は、ＰＩＤコントローラを含んでも良い。
【００１６】
前記システムは更に、前記空気分離部にメイン空気圧縮機からの圧縮空気を供給するメイン空気圧縮機を含んでも良い。前記システムは更に、前記メイン空気圧縮機により前記空気分離部に供給される前記圧縮空気の量を変更する手段を含んでも良い。前記メイン空気圧縮機により供給される前記圧縮空気の量は、前記タービン圧縮機から抽気される前記圧縮空気の量に基づいて変更されても良い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明するが、それぞれの図面において、同様の構成には同様の番号が付されている。図１は、本発明のいくつかの実施の形態で使用可能な典型的なガスタービンエンジン１００の概略図である。ガスタービンエンジン１００は、直列に連結されたタービン圧縮機１０４、燃焼器１０６、タービン１０８を含んでも良い。タービン圧縮機１０４とタービン１０８とは、さらにタービン１０８と連結され発電機（図示されてない）を駆動する、軸１１０により連結されても良い。ここに図示され説明されるガスタービンエンジン１００は一例に過ぎないが、いくつかの実施の形態では、ガスタービンエンジン１００は、ゼネラルエレクトリック社から市販されている７ＦＢエンジンでも良い。したがって、ガスタービンエンジン１００は、図１に示され説明されるガスタービンエンジンに限定されることはなく、むしろガスタービンエンジン１００は如何なるガスタービンエンジンでも良い。例えば、ある代替の実施の形態では、ガスタービンエンジン１００は、発電機（図示されてない）とタービン圧縮機１０４とをそれぞれ別個に駆動する２本の軸を有する多軸型ガスタービンエンジンでも良い。
【００１８】
動作時に、空気（矢印１１２で示される）は、ガスタービンエンジン１００へタービン圧縮機１０４を介して流入して、圧縮されても良い。圧縮された空気はさらに、燃焼器１０６へ導かれ、燃料と混合され、点火されても良い。燃焼器１０６からの膨張する高温ガスは、回転するタービン１０８を駆動し、排気デフューザ１１４を介してガスタービンエンジン１００から（矢印１１３で示されるように）排出されても良い。さらに、いくつかの実施の形態では、タービンエンジン１００からの排気ガスは、蒸気を発生して蒸気タービン（図示されてない）を駆動する熱回収蒸気発生器(図示されてない)に供給されても良い。
【００１９】
図２は、本発明の特定の実施の形態で使用可能な典型的なガス化混合（「ＩＧＣＣ」）発電システム２００の概略図である。当業者には、最新の用途はＩＧＣＣ発電システム２００との使用に限定さることはなく、ガスタービンエンジンを含むその他のシステムにも利用可能であることは明らかである。ＩＧＣＣ発電システム２００は、上述のガスタービンエンジン１００を組み入れても良い。ＩＧＣＣ発電システム２００はさらに、メイン空気圧縮機２０２と、メイン空気圧縮機２０２およびタービン圧縮機１０４と流体連通した空気分離部２０４と、空気分離部２０４と流体連通したガス化部２０６と、ガス化部２０６と流体連通した燃焼器１０６と、タービン１０８とを含んでも良い。図２の矢印は流れの方向を示す。
【００２０】
一般的な動作では、当該技術分野で既知の一つ以上の圧縮機を有するメイン圧縮機２０２は、周囲空気を圧縮するようになっている（流れは矢印２０７で示される）。メイン圧縮機２０２からの圧縮空気は空気分離部２０４に導かれるようになっている。タービン圧縮機１０４から圧縮空気が抽気され、空気分離部２０４へ送られるようになっている。タービン圧縮機１０４からの圧縮空気の抽気は、タービン圧縮機１０４からの圧縮空気を管へ集配して、こうして抽気された圧縮空気を空気分離部２０４へ導いて行われる。管には、蝶形弁、或いはその他の類似した弁（図示されてない）が配設されており、タービン圧縮機１０４から抽気される圧縮空気の量を制御するようになっている。当業者には、タービン圧縮機１０４からある量の圧縮空気を抽気して、空気分離部２０４へ供給するためにこの他の方法およびシステムを用いても良いことは明らかである。このように、空気分離部２０４は、その機能のために必要な圧縮空気の供給をメイン圧縮機２０２からと、タービン圧縮機１０４から抽気された圧縮空気から受けることができる。
【００２１】
次に空気分離部２０４は、当該技術分野で既知の方法により供給された圧縮空気を用いてガス化部２０６用に酸素を生成しても良い。より詳細には、空気分離部２０４は、圧縮空気を酸素流（その流れは経路２０８で示される）と、「処理ガス」とも呼ばれるガス副生成物とに分離しても良い。空気分離部２０４により生成される処理ガスは窒素を含み、本明細書では「窒素処理ガス」と呼ばれる。窒素処理ガスはさらに、酸素、アルゴなどのその他のガスを含んでも良い。いくつかの実施の形態で、窒素処理ガスは、約９５％から約１００％の間の窒素を含んでも良い。
【００２２】
空気分離部２０４からの酸素流は、ガスタービンエンジン１００で燃料として使用される、本明細書で「合成ガス」と呼ぶ、部分燃焼ガスを生成するためにガス化部２０６へ送られる。いくつかの既知のＩＧＣＣでは、窒素処理ガス流、すなわち空気分離部２０４の副生成物の少なくとも一部は、大気へ放出されても良い（その流れは経路２１０で示される）。いくつかの既知のＩＧＣＣでは、タービン１０８の排気制御を容易にするため、その他の窒素ガス流の一部は窒素ブースト圧縮機２０８へ供給され（その流れは経路２１１で示される）、その後燃焼器１０６に供給される。
【００２３】
ガス化部２０６は、燃料（その流れは経路２１２により示される）、空気分離部２０４から供給される酸素（その流れは経路２０８により示される）、蒸気（その流れは経路２１３により示される）、および／または、石灰石（図示されてない）の混合体を、当該技術分野で既知の燃料としてガスタービンエンジン１００により用いられる合成ガスに変換して出力する。いくつかの既知のＩＧＣＣシステムにおいて、ガス化部２０６は、多くの種類の燃料を使用することができるが、ガス化部２０６は、粉炭、石油コークス、残油、油乳剤、タールサンド、および／またはその他の類似した燃料を用いても良い。いくつかの既知のＩＧＣＣシステムにおいて、ガス化部２０６により生成される合成ガスは、二酸化炭素、硫黄、またはその他の不要な汚染物質を含む場合がある。当該技術分野で既知のように、ガス化部２０６により生成される合成ガス（その流れは経路２１４により示される）は、酸除去システムとしても知られている浄化器２１６で浄化され、その燃焼のために燃焼器１０６に送られる前に、それらの汚染物質の一部または全てを除去しても良い。
【００２４】
ガスタービンエンジン１００からの出力は、電力供給網（図示されてない）に電力を供給する発電機（図示されてない）を駆動しても良い。ガスタービンエンジン１００からの排気ガスは、蒸気を生成して蒸気タービン（図示されてない）を駆動する熱回収蒸気発生器(図示されてない)に供給されても良い。蒸気タービンにより生成された出力は、電力供給網に電力を供給する発電機（図示されてない）を駆動しても良い。いくつかの既知のＩＧＣＣシステムでは、熱回収蒸気発生器からの蒸気はまた、ガス化部２０６に送られて、合成ガスが生成されるようになっている。
【００２５】
本発明の実施の形態の一部では、タービン圧縮機１０４から抽気され、空気分離部２０４へ供給される圧縮空気の量は、ＩＧＣＣ電力システム２００のタービン１００の負荷を制御するための手段として、および／または、タービン１００の動作限界に合わせるための手段として変化しても良い。例えば、図３は、典型的なタービン１００の制御および動作などの効果を示している。図３は、周囲条件の変化に応じて、タービンの最大負荷を効率的に保つ（超過しない）ようにタービン圧縮機からの圧縮空気の抽気のレベルが変化する、ガスタービンエンジン１００の典型的な動作を示すグラフを含む。図３（ａ）は、周囲温度（Ｔａｍｂ）に対する抽気率（すなわち、タービン圧縮機１０４から抽気され、空気分離部２０４に供給される圧縮空気の割合）を示す典型的な効果を示す図である。図３（ｂ）は、抽気率が変化する際の、周囲温度に対する圧縮機マージンを示す典型的な効果を示す図である。圧縮機マージンは、タービン圧縮機１０４の測定圧力比と、タービン圧縮機１０４でサージが発生している場合を除く、圧縮機が所定の流速で動作可能な最大圧力比との差分を反映することができる。最小圧縮機動作限界線３０２は、ガスタービンエンジン１００の動作時にシステムオペレータにより許容される最小許容可能圧縮機マージンを反映することができる。図３（ｃ）は、抽気率が変動する際の周囲温度に対するタービン出力（すなわち負荷）を示す典型的な効果を示す図である。最大ベース負荷レベル線３０３は、タービン１００の最大許容可能負荷を反映することができる。
【００２６】
図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）に示されるように、これらの場合では、周囲温度が下がると抽気率が上昇し、タービン１００の最大ベース負荷レベルおよびその他の動作限界が超えられることはない。以下に説明するグラフは典型的なデータのみを含み、最新のアプリケーションの本方法および本システムを用いた一般的なガスタービンの動作を説明することのみを目的としたものであることに留意されたい。これらのグラフに関連するポイント、範囲およびデータは、別の条件下のシステムでは実質的に異なる場合がある。図３（ａ）に示すように、周囲温度が約華氏７０度（摂氏２１度）で、抽気率はほぼ５％（ポイント３０４）となる。周囲温度が約華氏５０度（摂氏１０度）に下がると、抽気率は約７％（ポイント３０６）に上昇する。図３（ｂ）に示すように、約華氏７０度（摂氏２１度）で動作限界線（「ＯＬＬ」）および約５％の抽気率に対する圧縮比マージンは約０．３となる（ポイント３０８）。約華氏５０度（摂氏１０度）のＯＬＬおよび約７％の抽気率に対する圧縮機比マージンは約０．４５となる（ポイント３１０）。図３（ｃ）に示されるように、変化する周囲条件を通して、約華氏７０度（摂氏２１度）（ポイント３１２）と華氏５０度（摂氏１０度）（ポイント３１４）の両方で最大ベース負荷レベルが保たれる（すなわち、温度が華氏７０度から華氏５０度（摂氏２１度から摂氏１０度）に下がってもタービン１００の負荷は最大ベース負荷レベル線３０３に留まる）。
【００２７】
図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）が示す効果は、タービン圧縮機１０４から抽気される圧縮空気の量を可変とする動作上の利点を明らかにしている。第１に、タービン圧縮機からの圧縮空気の可変抽気は、タービン１００の動作時に動作限界を遵守することを可能にする付加的な可変制御を実現できる。図３を参照して説明したように、周囲温度が華氏７０度から華氏５０度（摂氏２１度から摂氏１０度）に下がっても、最大ベース負荷レベル（ポイント３１２および３１４）は保たれ、許容可能な圧縮機マージンは保たれている（ポイント３０８および３１０から明らかなように、レベルは実際０．３０から０．４５に下がっている）。さらに、可変抽気は、変化する周囲条件を通して、タービン１００の最大ベース負荷レベルを可能にしている。当該技術分野で既知のように、その他の動作要因が一定に留まるとした場合、周囲温度の降下はタービン出力の増加につながる。このため、図３の例からさらに、タービン１００が既に最大ベース負荷レベルで機能している際に、周囲温度が華氏７０度から華氏５０度（摂氏２１度から摂氏１０度）に下がる場合、タービン作業者は、タービン１００を最大ベース負荷レベル（を超えないように）に保つため、適当な制御処置を開始する必要が生じる。当該技術分野で既知のように、これらの制御措置は、流入熱の抽出（すなわち、タービン圧縮機１０４の排出空気を抽気し、抽気した空気を圧縮機吸気口へ戻して再循環させる）、入り口案内羽根の閉鎖、および／またはタービン供給燃料の削減（すなわち、タービン流入温度の削減）を含んでも良い。上述したように、しかしながら、これらの制御処置は、ガスタービン１００の熱効率を下げ、タービン圧縮機１０４からの抽気率を上げるほど有効ではない。図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）に示されるように、抽気レベルが変化することにより、変化する周囲条件を通して、ガスタービン１００がその最大ベース負荷レベルを超えることを首尾良く防止している。
【００２８】
第２は、タービン圧縮機１０４から抽気される圧縮空気の供給の増加分が、空気分離部２０４に供給するためにメイン圧縮機２０２から必要とされる圧縮空気の量を、同等の分量だけ削減することができる。これは、メイン圧縮機２０２の使用量の削減となり、このコンポーネントのエネルギー消費の削減は、システムの全体的な効率を高めることになる。さらに、メイン圧縮機２０２の使用量の削減は、これに関連する保守費用の削減にもなる。このように、タービン１００の負荷を制御する従来の方法とは異なり、空気分離部２０４への圧縮空気の抽気レベルを変更することは、タービン圧縮機１０４から空気分離部２０４へ送られる圧縮空気の供給を増加して、制御処置を効率的に使用することになる（すなわち、メイン圧縮機２０２の出力要件を下げ、そのコンポーネントのエネルギー消費を削減する）。
【００２９】
一方で、上述の例において、周囲温度が華氏５０度（摂氏１０度）に下がり、タービン圧縮機１０４からの抽気率が一定、すなわち、華氏７０度（摂氏２１度）で約４％のレベル、に留まった場合、タービン１００のオペレータは、タービン出力を制限するため、インレットブリードヒート、入口案内羽根の閉鎖、および／またはタービン燃料供給の削減などの動作を開始する必要があった。さらに、全体的なシステムは、タービン圧縮機１０４からの抽気された圧縮空気の量の差分を４％から７％の抽気レベルの範囲にメイン圧縮機２０２で埋め合わせる必要があり、これはシステム全体の効率をさらに下げることになった。
【００３０】
図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）に示されるように、周囲温度が上がると概して抽気率は下がるため、タービン出力は最大ベース負荷レベル線３０３に保たれる（すなわち、抽気率が下がらず、その他の動作要因も一定に留まった場合、周囲温度が上昇するとタービン出力が下がる。）。周囲温度が上昇し続けると、あるポイントで、抽気された圧縮空気の比率がさらに下がったとしても、タービン１００はもはや動作限界（圧縮機の動作限界線３０２など）を遵守しながら最大ベース負荷レベル線３０３の負荷要件を満たすことができなくなる。図３において、これは約華氏８０度（摂氏２７度）で発生しているが、異なる条件で異なるシステムの場合は、この他の温度で発生する場合もある。このようなポイントでは、動作タービン１００の動作限界を超えずに、最大ベース負荷レベル線３０３が保たれるように抽気率が下がることはもはやない。このポイントまで、変化する周囲条件を通して、タービン出力（すなわち負荷）は効率的に所望の最大レベルに制御される。
【００３１】
図４（ａ）および図４（ｂ）の二つのグラフは、変化する周囲条件を通して、燃焼器から排出されるガスの最大許容温度を超えることなく、タービン１００が一定の負荷で動作するように、燃焼器１０６内の温度がどのように変化するのかを示している。これらのグラフで、「Ｔｆｉｒｅ」は、燃焼器１０６内の第１段階ノズルから排出されるガスの温度を表し、「Ｔ３．９」は、燃焼器から排出されるガス１０６の温度を表している。ここに示されるように、周囲温度が下がると、最大Ｔ３．９線４０２で示される最大許容温度Ｔ３．９が超えられることのないようにＴｆｉｒｅは下がる。最初に、周囲温度が約華氏１００度から華氏６０度（摂氏３８度から摂氏１６度）に下がると、Ｔｆｉｒｅは最大Ｔｆｉｒｅ線４０４により示される最大許容可能温度Ｔｆｉｒｅに対応する温度に保たれる。さらに、周囲温度が華氏１００度から華氏６０度（摂氏３８度から摂氏１６度）に下がると、Ｔ３．９温度は最大Ｔ３．９線のポイント４０６に到達するまで上昇する。周囲温度が華氏６０度（摂氏１６度）からさらに（同時に上述のように一定の負荷に保ちながら）下がると、最大Ｔ３．９線４０２を超えないようにＴｆｉｒｅは下がる。例えば、周囲温度が華氏４０度（摂氏４度）の場合、Ｔ３．９温度が最大Ｔ３．９線４０２（ポイント４１０）を超えないように、Ｔｆｉｒｅは最大Ｔｆｉｒｅ線４０４（ポイント４０８）を下回るレベルまで下がる。
【００３２】
可変抽気（すなわち、空気分離部２０４に供給するためにタービン圧縮機１０４から抽気される圧縮空気の量が可変）を用いると、最大Ｔ３．９線４０２および最大Ｔｆｉｒｅ線４０４などの動作限界を遵守しながら、確実にシステム効率を最大とすることができる。タービン負荷レベルの制限のため、例えば、燃料流を下げるとした場合、ＴｆｉｒｅおよびＴ３．９の温度はそれぞれの限界値まで最大化されない。一方で、高いシステム温度とシステム効率向上との両方の直接的な関係から、最大Ｔｆｉｒｅ／Ｔ３．９温度に保つために抽気を可変とした場合はより効率的である。このため、最大Ｔｆｉｒｅ／Ｔ３．９温度を保ちながら最大負荷レベルを超えないように周囲温度が下がると抽気が上昇する。
【００３３】
図５（ａ）および図５（ｂ）の二つのグラフは、変化する周囲条件を通して、タービン１００から排出される流動体の最大速度を超えることなく、タービン１００が一定の負荷で作動するように、入口案内羽根の設定がどのように変化するのかを示している。このグラフで、「ＩＧＶ」は入口案内羽根の設定（すなわち、角度）を表し、「Ａｘｉａｌ Ｅｘｉｔ ＭＮ」は、タービンマッハ数とも呼ばれるタービン１００から排出される際の流動体の速度を表す。図示されるように、周囲温度が約華氏８０度（摂氏２７度）を下回ると、最大マッハ数線５０２で示される流動体の最大許容可能排出速度が超えられないように入口案内羽根の角度は下がる（すなわち、入口案内羽根はさらに「閉」となる）。例えば、華氏６０度から華氏４０度（摂氏１６度から摂氏４度）で、ＩＧＶ角度は約８３度（ポイント５０４を参照）から約８１度（ポイント５０６を参照）に下がり、流動体の排出速度は最大マッハ数線５０２以下に保たれる（ポイント５０８および５１０を参照）。
【００３４】
可変抽気を用いると、最大マッハ数線５０２などの動作限界を確実に遵守しながら、入口案内羽根設定操作などのその他の従来の制御手段を超えて、システムの効率性を最大とすることが可能になる。例えば、タービン圧縮機１０４から吸気される圧縮空気の割合を高めることにより、タービン１０４を通して拡張する利用可能な圧縮機流の量を下げ、タービンから排出される流動体の速度を下げることが可能となる。このように、周囲温度が下がると、入口案内羽根の操作を介してタービン圧縮機１０４への空気流を下げる必要が、タービン圧縮機１０４からの吸気のレベルを変更する（この場合、増加）ことにより減少する。とりわけ、抽気される空気の量を増加して空気分離部２０４に供給して、メイン空気圧縮機２０２の需要を減らし、全体的なシステム効率を向上することから、既に説明したように、タービン１００から排出される際の流動体の最大許容速度などの動作限界を保つように抽気を変化することは、入口案内羽根を閉鎖することよりもより効果的である。
【００３５】
したがって、ＩＧＣＣ発電システム２００の動作時に、空気分離部２０４に供給するためにタービン圧縮機１０４から抽気される圧縮空気の量を変化することにより、タービン１００の負荷を制御し、タービン１００の動作限界を、システムの効率性が最大となるように保つことができる。さらに、タービン圧縮機１０４から抽気した圧縮空気の供給を増やすことにより、メイン空気圧縮機２０２のエネルギー消費を削減し、ＩＧＣＣシステム２００の全体的な効率を向上することができる。このタービン１００の制御方法は、図６から図８に示す制御処理を含むが、これに限定されない複数の方法により実現することができる。
【００３６】
図６は、タービン１００の排気温度（「Ｔｅｘｈ」）を設定するために用いることが可能な典型的な制御処理を説明するフロー図である。ブロック６０２で、タービン圧縮機１０４を介した圧力比が測定される。ブロック６０４で、圧力比の測定値を用いて、部分負荷条件（すなわち、ベース負荷の約９６％を下回る動作条件）のＴｅｘｈが算出される。算出された部分負荷Ｔｅｘｈはさらに、スイッチ６０８の状態に応じて「最小選択」ブロック６０６に送られる。タービン１００が部分負荷条件で動作していると判断されると、スイッチ６０８は閉じ、算出された部分負荷Ｔｅｘｈは通過して最小選択ブロック６０６に送られるようになる。一方、タービン１００が部分負荷条件で作動していないと判断されると、スイッチ６０６は開状態となり、算出された部分負荷Ｔｅｘｈは最小選択ブロック６０６には送られない。
【００３７】
ブロック６１０で、測定された圧縮機圧力比６０２と、燃焼器１０６の最大許容可能排気温度を表す既知の燃焼器排気温度限界６１２に基づいて別のＴｅｘｈ設定ポイント算出が行われる。ブロック６１０で算出されたＴｅｘｈは最小選択ブロック６０６に入力される。最小選択ブロック６０６はこれら二つの入力、すなわち、ブロック６０４（スイッチ６０８が閉位置とする）およびブロック６１０から、最小Ｔｅｘｈ設定ポイントを選択するように機能する。
【００３８】
第２最小選択、最小選択ブロック６１３は、最小選択ブロック６０６およびブロック６１４からの入力から最小の方の、算出されたＴｅｘｈ設定ポイントを選択する。ブロック６１４で、ブロック６０２で測定された圧縮機比および既知のタービン吸気温度の最大値６１６（すなわち、タービン入口で許容可能な最大温度）からTexh設定ポイントが算出される。これらの二つの入力の最小の方が最小選択ブロック６１３で選択され、その結果がＴｅｘｈ設定ポイント６１８となる。
【００３９】
図７は、タービン１００の入口案内羽根の角度を決定する、入口案内羽根の設定ポイントの算出に用いることが可能な典型的な制御処理を示すフロー図である。ブロック７０２で、目標とするタービン排気流速度が、Ｔｅｘｈ７０４の測定値、タービン排気７０６の圧力の測定値、および既知の最大許容タービン排気流速度７０７に基づいて算出される。ブロック７０２で算出された目標タービン排気流速度は、測定された周囲温度７１０、測定された周囲空気圧７１２、測定された燃料流速７１４とともにブロック７０８に入力される。これらの情報により、目標とする入口案内羽根設定ポイントが当該技術分野で既知の方法で算出される。
【００４０】
ブロック７０８で算出された値は最小選択ブロック７１６に入力される。最小選択ブロック７１６は入口案内羽根設定ポイントの値を、１）ブロック７０８で算出された入口案内羽根設定ポイント、当該技術分野で既知の方法で算出された部分負荷入口案内羽根設定ポイント７１８、および既知の最大許容入口案内羽根設定ポイント７２０から選択する。こうして最小選択ブロック７１６で決定された最小値は、入口案内羽根設定ポイント７２２として選択される。
【００４１】
図８は、タービン圧縮機１０４の抽気設定ポイント（すなわち、抽気され、空気分離部２０４に供給されるタービン圧縮機１０４からの圧縮空気の量または比）を算出する典型的な制御処理を示すフロー図である。ブロック８０２で、測定されたタービン負荷８０４と目標とするタービン負荷８０６の間の差分が算出される。タービン負荷は、プレシジョンパワーアナライザ、積算電力計、またはその他の類似の機器およびシステムを含む、当該技術分野で既知の機器およびシステムにより測定される。測定されたタービン負荷８０４は、プログラマブル論理コントローラまたはその他の類似の機器、コントローラおよびシステムを含む当該技術分野の当業者には既知の機器、コントローラ、およびシステムにより目標タービン負荷８０６（および算出された差分）と比較される。算出された差分は負荷ＰＩＤコントローラ８０８またはその他の類似の機器に入力され、抽気設定ポイント８１０、すなわちタービン圧縮機１０４から抽気される圧縮空気の量が算出される。抽気設定ポイント８１０は、タービン圧縮機１０４内、またはタービン圧縮機１０４と空気分離部２０４の間の配管内の蝶型弁などの弁に用いられ、所望の量の圧縮空気がタービン圧縮機１０４から抽気されるようになる。タービン圧縮機１０４から抽気された圧縮空気は空気分離部２０４に配管および弁を介して上述のように供給される。
【００４２】
上述のようにタービン圧縮機１０４から可変の量の圧縮空気を抽気して抽気した圧縮空気を空気分離部２０４に供給して、タービン負荷を制御する全体的な処理は、当該技術分野の当業者には既知のコンピュータ化したプラント運転システムにより実現され、制御されても良い。この運転システムは、適当な高出力個体スイッチ装置を備えても良い。この運転システムは、コンピュータでも良い。しかしながら、これは運用の範囲内の適当な高出力制御システムの典型的な例に過ぎない。例えば、これに限定されないが、運転システムは、シリコン制御整流器（ＳＣＲ）、サイリスタ、ＭＯＳ制御サイリスタ（ＭＣＴ）、および絶縁ゲートバイポーラトランジスタの少なくとも一つを含んでも良い。運転システムはまた、全体的な、システムレベル制御を行うメインプロセッサ部、すなわち中央プロセッサ部と、中央プロセッサ部の制御下で、各種の特定の機能、その他の処理およびそれらの組み合わせを行う独立の専用処理部を有したＡＳＩＣなどの単一の専用集積回路として実現しても良い。当業者には、運転システムはまた、ＰＬＤ、ＰＡＬ、ＰＬＡなどの個別素子回路またはプログラマブル論理装置を含む、論理回路または配線電子回路などの各種の独立した専用の、またはプログラム可能な集積回路またはその他の電子回路、或いは機器を用いて実現可能であることは明らかである。運転システムはまた、単独で、または一つ以上の周辺データおよび信号処理装置と連結した、適当にプログラムされた、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラなどの汎用コンピュータ、または、ＣＰＵまたはＭＰＵなどのその他のプロセッサ装置を用いて実現しても良い。一般的に、論理フロー図２００を実現することが可能な有限状態機械を搭載した機器または類似の機器を運転システムとして用いることもできる。図示されるように、最大データ／信号処理用の機能および速度には分散処理アーキテクチャが好ましい。当業者には明らかなように、運転システムはさらに、弁の動作（すなわち、開弁、閉弁、またはその他の設定）およびその他のＩＧＣＣ発電システムの機械的システムを制御し、システムの制御に関する情報を中継するセンサから入力しても良い。
【００４３】
一般的に、測定されたタービン負荷が目標タービン負荷を上回る場合、タービン圧縮機１０４から抽気される圧縮空気の量は増加しても良い。同様に、測定されたタービン負荷が目標タービン負荷を下回る場合、タービン圧縮機１０４から抽気される圧縮空気の量は減少しても良い。さらに、タービン圧縮機１０４から抽気された圧縮空気の量が上昇すると、メイン空気圧縮機２０２による圧縮空気の供給はほぼ同等の分量だけ減少することができる（これにより、空気分離部２０４により受け取られる供給の合計はほぼ同等に留まる）。一方で、タービン圧縮機１０４から抽気される圧縮空気の量が減少すると、メイン空気圧縮機２０２による圧縮空気の供給はほぼ同等の分量だけ増加することができる。
【００４４】
上述のように、当業者には、タービン負荷を効率的に制御するために抽気レベルを変更するその他の制御処理、方法およびシステムを利用可能であることは明らかである。本発明の好ましい実施の形態について説明をしたが、添付の特許請求の範囲およびその相当物により定義される本出願の精神と範囲を逸脱しない限りにおいて、多くの変形および修正態様が可能であることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】図１は、本発明の特定の実施の形態で使用可能な典型的なタービンの概略図である。
【図２】図２は、本発明の特定の実施の形態で使用可能な典型的なガス化混合（「ＩＧＣＣ」）発電システムの概略図である。
【図３】図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）はそれぞれ、変化する周囲条件を通して、タービンの最大負荷を効率的に保つように、タービン圧縮機から抽気される圧縮空気のレベルを変更させる、典型的なＩＧＣＣ発電システムの効果を説明するグラフである。
【図４】図４（ａ）および図４（ｂ）の二つのグラフはそれぞれ、変化する周囲条件を通して、燃焼器から排出されるガスの最大許容温度を超えることなく、タービン１００が一定の負荷で動作するように、燃焼器１０６内の温度がどのように変化する可能性があるのかを示すグラフである。
【図５】図５（ａ）および図５（ｂ）の二つのグラフはそれぞれ、変化する周囲条件を通して、最大排出マッハ数を超えることなく、タービン１００が一定の負荷で動作するように、入口案内羽根の設定がどのように変化する可能性があるのかを示すグラフである。
【図６】図６は、タービンの排気温度を設定するために用いることが可能な典型的な制御処理を説明するフロー図である。
【図７】図７は、タービンの入口案内羽根の設定ポイント（すなわち、入口案内羽根の角度）の算出に用いることが可能な典型的な制御処理を説明するフロー図である。
【図８】図８は、タービン圧縮機の抽気設定ポイント（すなわち、抽気され、空気分離部に供給されるタービン圧縮機からの圧縮空気の量または比）を算出する典型的な制御処理を示すフロー図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気分離部（２０４）を備えたガス化混合発電システム（２００）の一部を構成するガスタービンエンジン（１００）の負荷を制御する方法において、前記方法は、
タービン圧縮機（１０４）により圧縮された圧縮空気を抽気するステップと、
前記抽気された圧縮空気を前記空気分離部（２０４）に供給するステップと、
前記ガスタービンエンジン（１００）の所望の負荷に基づいて前記タービン圧縮機（１０４）から抽気される前記圧縮空気の量を変更するステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
更に、前記空気分離部（２０４）にメイン空気圧縮機（２０２）からの圧縮空気を供給す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。
【請求項３】
更に、前記タービン圧縮機（１０４）から吸気される前記圧縮空気の前記量に基づいて、前記空気圧縮機（２０２）により前記空気分離部（２０４）に供給される前記圧縮空気の量を変更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。
【請求項４】
前記圧縮空気の組み合わせ供給が、前記空気分離部（２０４）に前記メイン空気圧縮機（２０２）により供給される前記圧縮空気の量と、前記タービン圧縮機（１０４）から抽気される前記圧縮空気の量を含み、
前記圧縮空気の組み合わせ供給は、前記空気分離部（２０４）が必要とする圧縮空気の供給の合計を満たす圧縮空気の供給であることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記タービン圧縮機（１０４）から抽気される前記圧縮空気の量に基づいて前記空気分離部（２０４）に前記メイン空気圧縮機（２０２）により供給する前記圧縮空気の量を変更するステップは、前記タービン圧縮機（１０４）から抽気される前記圧縮空気の量が増加すると、前記メイン空気圧縮機（２０２）により前記空気分離部（２０４）に供給される前記圧縮空気の量を減少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。
【請求項６】
前記タービン圧縮機（１０４）から抽気される前記圧縮空気の量に基づいて前記空気分離部（２０４）に前記メイン空気圧縮機（２０２）により供給する前記圧縮空気の量を変更するステップは、前記タービン圧縮機（１０４）から抽気される前記圧縮空気の量が減少すると、前記メイン空気圧縮機（２０２）により前記空気分離部（２０４）に供給される前記圧縮空気の量を増加するステップを含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記ガスタービンエンジン（１００）の所望の負荷に基づいて前記タービン圧縮機（１０４）から抽気される前記圧縮空気の量を変更するステップは、
前記ガスタービンエンジン（１００）の実負荷を測定するステップと、
前記ガスタービンの前記実負荷と前記ガスタービンエンジン（１００）の前記所望の負荷を比較するステップとを含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項８】
前記タービン圧縮機（１０４）から抽気される前記圧縮空気の量は、前記ガスタービンエンジン（１００）の前記所望の負荷に対する前記ガスタービンの前記実負荷の前記比較に基づいて変化することを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
更に、前記ガスタービンの前記実負荷が前記ガスタービンエンジン（１００）の前記所望の負荷を上回る場合、前記タービン圧縮機（１０４）から抽気される前記圧縮空気の量を増加するステップを含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
更に、前記ガスタービンの前記実負荷が前記ガスタービンエンジン（１００）の前記所望の負荷を下回ると測定された場合、前記タービン圧縮機（１０４）から抽気される前記圧縮空気の量を減少するステップを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１】
空気分離部（２０４）を備えたガス化混合発電システム（２００）の一部を構成するガスタービンエンジン（１００）の負荷を制御する方法において、前記方法は、
タービン圧縮機（１０４）により圧縮された圧縮空気を抽気するステップと、
前記抽気された圧縮空気を前記空気分離部（２０４）に供給するステップと、
前記ガスタービンエンジン（１００）の所望の負荷に基づいて前記タービン圧縮機（１０４）から抽気される前記圧縮空気の量を変更するステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
更に、前記空気分離部（２０４）にメイン空気圧縮機（２０２）からの圧縮空気を供給す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。
【請求項３】
更に、前記タービン圧縮機（１０４）から吸気される前記圧縮空気の前記量に基づいて、前記空気圧縮機（２０２）により前記空気分離部（２０４）に供給される前記圧縮空気の量を変更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。
【請求項４】
前記圧縮空気の組み合わせ供給が、前記空気分離部（２０４）に前記メイン空気圧縮機（２０２）により供給される前記圧縮空気の量と、前記タービン圧縮機（１０４）から抽気される前記圧縮空気の量を含み、
前記圧縮空気の組み合わせ供給は、前記空気分離部（２０４）が必要とする圧縮空気の供給の合計を満たす圧縮空気の供給であることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記タービン圧縮機（１０４）から抽気される前記圧縮空気の量に基づいて前記空気分離部（２０４）に前記メイン空気圧縮機（２０２）により供給する前記圧縮空気の量を変更するステップは、前記タービン圧縮機（１０４）から抽気される前記圧縮空気の量が増加すると、前記メイン空気圧縮機（２０２）により前記空気分離部（２０４）に供給される前記圧縮空気の量を減少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。
【請求項６】
前記タービン圧縮機（１０４）から抽気される前記圧縮空気の量に基づいて前記空気分離部（２０４）に前記メイン空気圧縮機（２０２）により供給する前記圧縮空気の量を変更するステップは、前記タービン圧縮機（１０４）から抽気される前記圧縮空気の量が減少すると、前記メイン空気圧縮機（２０２）により前記空気分離部（２０４）に供給される前記圧縮空気の量を増加するステップを含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記ガスタービンエンジン（１００）の所望の負荷に基づいて前記タービン圧縮機（１０４）から抽気される前記圧縮空気の量を変更するステップは、
前記ガスタービンエンジン（１００）の実負荷を測定するステップと、
前記ガスタービンの前記実負荷と前記ガスタービンエンジン（１００）の前記所望の負荷を比較するステップとを含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項８】
前記タービン圧縮機（１０４）から抽気される前記圧縮空気の量は、前記ガスタービンエンジン（１００）の前記所望の負荷に対する前記ガスタービンの前記実負荷の前記比較に基づいて変化することを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
更に、前記ガスタービンの前記実負荷が前記ガスタービンエンジン（１００）の前記所望の負荷を上回る場合、前記タービン圧縮機（１０４）から抽気される前記圧縮空気の量を増加するステップを含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
更に、前記ガスタービンの前記実負荷が前記ガスタービンエンジン（１００）の前記所望の負荷を下回ると測定された場合、前記タービン圧縮機（１０４）から抽気される前記圧縮空気の量を減少するステップを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００７−２３１９４９（Ｐ２００７−２３１９４９Ａ）
【公開日】平成１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−４８８６２（Ｐ２００７−４８８６２）
【出願日】平成１９年２月２８日（２００７．２．２８）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【公開日】平成１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月２８日（２００７．２．２８）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
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