JP2009250236A - ガスタービンエンジンの負荷ポイントを制御するための制御システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジン（２０）の負荷ポイントを制御するための制御システム及び方法を提供する。
【解決手段】本制御システム（３２）は、ガスタービンエンジン（２０）からの排気ガスに関連した温度信号及び圧力信号を受信する制御装置（７２）を含む。制御装置（７２）はさらに、燃料制御信号を発生するように構成される。制御装置（７２）はさらに、流量制限部材（２８）を第１の作動位置から第２の作動位置に移動させて流路を制限して、排気ガスが所望のターンダウン温度範囲内の温度レベルを有し、排気ガス内の圧力レベルが閾値圧力レベルよりも低下しかつガスタービンエンジン（２０）の負荷ポイントが目標負荷ポイントに向かって調整されるようにするアクチュエータ制御信号を発生するように構成される。
【選択図】 図２

Description

本出願は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、具体的には、ガスタービンエンジンの負荷ポイントを制御するための制御システム及び方法に関する。

環境規制法は、発電産業に対してその排出量を絶えず低下させることを要求している。最も一般的な排出規制物は窒素酸化物（ＮＯｘ）と一酸化炭素（ＣＯ）である。ＮＯｘ排出は概して比較的高温での燃焼プロセスに関連しており、ＣＯは比較的高温での燃焼プロセス（解離）又は不完全燃焼のいずれかに関連している可能性があり、不完全燃焼は、燃焼温度が低過ぎるか又は燃焼プロセスにおいて十分な酸化剤（例えば、空気からの酸素）が利用できない場合に起こる。低排出ガスタービンエンジン燃焼に対する最新の解決策は、ＤＬＮ（乾式低ＮＯｘ;Dry Low NOx）燃焼として知られている。この方法は、燃料と空気を予混合して可燃性混合気を形成し、次いでガスタービン燃焼器の反応ゾーンに導入して燃焼させることに依拠している。低排出は、同じガスタービンエンジン作動条件では火炎温度が非予混合燃焼システム（燃料と空気との混合が燃焼反応ゾーンで行われる）の火炎温度よりも低いことによって達成される。公称作動条件（ガスタービンエンジンのベース負荷）において、ＤＬＮ燃焼器は、比較的低ＮＯｘ排出量を達成するように設計することができ、ＣＯは通常問題とされない。ガスタービンエンジンの負荷がベース負荷より減少するにつれて、燃焼温度が低下する。このプロセスにおいて、ＤＬＮ燃焼器からのＮＯｘ排出量は低下するが、或る温度レベル以下では、ＣＯが許容レベルを超えるおそれがある。従って、ＤＬＮ燃焼器は、ガスタービンエンジンの全ての負荷状態において予混合モードで作動させることができない。低負荷では、パイロット火炎を開始させるか又は非予混合モード（拡散燃焼）を用いることができる。これらの条件下での作動は、予混合モードでの作動よりも高い排出量を生じ、また短時間（短時間の過渡的作動）に制限されることがある。本明細書に説明する例示的な実施形態では、ＤＬＮ燃焼器を予混合モードで作動させることができる負荷ポイントの範囲を拡大する方法について教示する。

ガスタービンエンジンの負荷ポイントは、ガスタービンエンジンが発生する公称出力のパーセンテージとして定義される。ガスタービン燃焼器のターンダウンは、排出要件を満たしながら望ましくない圧力脈動のない安定した状態でガスタービンエンジンの燃焼器部分を作動できる温度範囲として定義される。ガスタービンのターンダウンは、その負荷ポイントにおいても依然として排出要件を満足できるガスタービンエンジンの下限閾値負荷ポイントとして定義される。ガスタービンエンジンのターンダウンは、燃焼システムによっても、またガスタービン排気ダクト内の上限閾値温度によっても制限される。より低い負荷ポイントにおける（つまり、ターンダウン未満での）作動は、排出、ダイナミックス（振動騒音）及び排気ガス温度に関して表される幾つかの作動限界が破られるので、容認されない。

全体効率を増大させるために、ガスタービン発電プラントは、複合サイクルとして構成しかつ運転することができる。それは、ガスタービンエンジンからの比較的高温の排気ガスが排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）を通って流れて、蒸気タービンを駆動する蒸気を生成することを意味する。通常は２つのガスタービンが、蒸気タービンに連結される。複合サイクル運転は、ガスタービンエンジンから流出する排気ガスが特定の温度範囲内にあることを必要とする。つまり、排気温度は、ガスタービン排気ダクト及びＨＲＳＧハードウェアの劣化を回避するために、過度に高くてはならない。さらに、蒸気タービンロータ及びケーシングにおける熱過渡がタービンロータを劣化させるおそれがある場合における強制冷却と呼ばれる状態を回避するために、温度は、一定の温度値未満に下げるべきでない。上述の２つの温度限界値は、それぞれ上限閾値等温線及び下限閾値等温線と呼ばれる。

電力需要における季節的変動及びしばしば１日における変動に対応するために、ガスタービンエンジンは、大きな負荷の変動幅を受けることが多い。最大の運転柔軟性は、実施可能な最低ターンダウンで達成されるが、この実施可能な最低ターンダウンは、上述したように、使用可能な技術（燃焼及び材料）によって制限される。スポットエネルギー及び燃料価格を考慮した採算性モデルは、不十分なターンダウンの故にユニットを運転停止することを必要とする可能性がある。この方策は、頻繁な再始動を必要とし、それにより、急なエネルギー需要に応答するユニットの能力が制限され、またガスタービンハードウェアの作動寿命が短縮される。

米国特許第７２９３４１５号明細書

例示的な実施形態による、ガスタービンエンジンの負荷ポイントを制御するための制御システムを提供する。ガスタービンエンジンは、流路を有する導管と流体連通したタービン部分を有する。導管は、タービン部分から排気ガスを受けるように構成される。本制御システムは、導管に結合されかつ第１及び第２の作動位置間で移動するように構成されて、該第１の作動位置に移動した時には導管内の流路の一部分を制限することはなくまた該第２の作動位置に移動した時には流路を制限する流量制限部材を含む。本制御システムはさらに、流量制限部材に結合されかつアクチュエータ制御信号に応答して該流量制限部材を移動させるように構成されたアクチュエータを含む。本制御システムはさらに、燃料制御信号に応答してガスタービンエンジンの燃焼器部分に燃料を送給するように構成された燃料送給装置を含む。本制御システムはさらに、導管内の排気ガスの温度レベルを表す温度信号を発生するように構成された温度センサを含む。本制御システムはさらに、導管内の排気ガスの圧力レベルを表す圧力信号を発生する圧力センサを含む。本制御システムはさらに、アクチュエータ、燃料送給装置、温度センサ及び圧力センサに対して作動可能に結合された制御装置を含む。制御装置は、温度信号及び圧力信号を受信するように構成される。制御装置はさらに、燃料制御信号を発生するように構成される。制御装置はさらに、流量制限部材を第１の作動位置から第２の作動位置に移動させて流路を制限して、排気ガスが所望のターンダウン温度範囲内の温度レベルを有し、排気ガス内の圧力レベルが閾値圧力レベルよりも低下しかつガスタービンエンジンの負荷ポイントが目標負荷ポイントに向かって調整されるようにするアクチュエータ制御信号を発生するように構成される。

別の例示的な実施形態による、ガスタービンエンジンの負荷ポイントを制御する方法を提供する。ガスタービンエンジンは、流路を有する導管に結合されたタービン部分を有する。流路は、タービン部分から排気ガスを受けるように構成される。本方法は、温度センサを利用して、制御装置が受ける導管内の排気ガスの温度レベルを表す温度信号を発生するステップを含む。本方法はさらに、圧力センサを利用して、制御装置が受ける導管内の排気ガスの圧力レベルを表す圧力信号を発生するステップを含む。本方法はさらに、制御装置を利用して、燃料送給装置がガスタービンエンジンに燃料を送給するようにさせる燃料制御信号を発生するステップを含む。本方法はさらに、制御装置を利用して、アクチュエータが流量制限部材を第１の作動位置から第２の作動位置に移動させて流路を制限して、排気ガスが所望のターンダウン温度範囲内の温度レベルを有し、排気ガスの圧力レベルが閾値圧力レベルよりも低下しかつガスタービンエンジンの負荷ポイントが目標負荷ポイントに向かって調整されるようにするアクチュエータ制御信号を発生するステップを含む。

別の例示的な実施形態による、発電システムを提供する。本発電システムは、流路を有する導管と流体連通したタービン部分を有するガスタービンエンジンを含む。導管は、タービン部分から排気ガスを受けるように構成される。本発電システムはさらに、タービン部分によって作動可能に駆動されかつ電力を発生する発電機を含む。本発電システムはさらに、導管に結合されかつ第１及び第２の作動位置間で移動するように構成されて、該第１の作動位置に移動した時には導管内の流路の一部分を制限することはなくまた該第２の作動位置に移動した時には流路を制限する流量制限部材を含む。本発電システムはさらに、流量制限部材に結合されかつアクチュエータ制御信号に応答して該流量制限部材を移動させるように構成されたアクチュエータを含む。本発電システムはさらに、燃料制御信号に応答してガスタービンエンジンの燃焼器部分に燃料を送給するように構成された燃料送給装置を含む。本発電システムはさらに、導管内の排気ガスの温度レベルを表す温度信号を発生するように構成された温度センサを含む。本発電システムはさらに、導管内の排気ガスの圧力レベルを表す圧力信号を発生する圧力センサを含む。本発電システムはさらに、アクチュエータ、燃料送給装置、温度センサ及び圧力センサに対して作動可能に結合された制御装置を含む。制御装置は、温度信号及び圧力信号を受信するように構成され、また制御装置はさらに、燃料制御信号を発生するように構成される。制御装置はさらに、流量制限部材を第１の作動位置から第２の作動位置に移動させて流路を制限して、排気ガスが所望のターンダウン温度範囲内の温度レベルを有し、排気ガス内の圧力レベルが閾値圧力レベルよりも低下しかつガスタービンエンジンの負荷ポイントが目標負荷ポイントに向かって調整されるようにするアクチュエータ制御信号を発生するように構成される。

例示的な実施形態による発電システムの概略図。 別の実施形態による制御システムを有する、図１の発電システムの概略図。 ガスタービン熱力学サイクルの概略図。 別の実施形態による、ガスタービンエンジンの負荷ポイントを制御する方法のフロー図。 別の例示的な実施形態による制御システムを有する別の発電システムの概略図。 図５の発電システムで利用される流量制限部材の概略図。 図５の発電システムで利用される流量制限部材の別の概略図。 別の例示的な実施形態による制御システムを有する別の発電システムの概略図。 別の例示的な流量制限部材の概略図。 図９の流量制限部材の断面概略図。

図３を参照すると、ガスタービン熱力学サイクルの概略を示す。説明の便宜上、点１２０−１２２−１２４−１２６で規定される熱力学サイクルは、ターンダウン状態でのガスタービンエンジンの作動サイクルを表すと仮定する。予混合モードで作動するＤＬＮ燃焼器で生じるＣＯが許容レベルを超えているか又は蒸気タービン強制冷却状態に達しているので、負荷ポイントをそれ以上低下させることはできない。従って、さらに低負荷での作動（例えば、点１２０−１２２−１２３−１２５で規定される熱力学サイクルに沿っての作動）は許されない。予混合モードで作動するＤＬＮ燃焼器を備えた従来のガスタービンエンジンはこれらの作動限界値で特徴付けられる。

以下、上述の限界を回避するための方法について説明する。ある効率目標を満たすために、ガスタービンエンジン２０は、１２０−１２２−１２３−１２５に沿って作動することが求められていると仮定する。ここで、図３に示す曲線１１６は、ガスタービンエンジン熱力学サイクルの境界をなす。曲線１１６は、ガスタービン排気ダクト内の排気ガスの圧力を表しており、ガスタービン背圧とも呼ばれる。タービンから流出するガスの熱力学的状態は、理論的には、負荷ポイントの変化に伴ってこの曲線１１６に沿って移動する。以下で説明する制御システム３２の利点は、該制御システム３２が曲線１１６を曲線１４６に移動するように構成されていることである。曲線１４６は、曲線１１６と同様な特性を有するが、タービン部分出口の増加した背圧によって規定される。こうして、タービン部分出口における熱力学的状態は曲線１４６に移動する。これが最初に起こると、ガスタービンエンジン２０はもはや「ｌ_{ｄｅｓｉｒｅｄ ｔｕｒｎｄｏｗｎ}」（図３に線分１７０で示す）を生じることはできず、制御システム３２は、ガスタービンエンジン２０を望ましい負荷ポイントが達成されるように制御する。条件によっては、背圧の増大が発生した後に、背圧の増大により熱力学サイクルに生じたエネルギー不均衡を補償するため、制御システム３２によって、燃焼システムに供給される燃料流量を増加させてもよい。この作用によって、熱力学サイクルは経路１２０−１２２−１５０−１５２へと変更される。ここで、サイクル１２０−１２２−１５０−１５２に沿った作動は典型的には高い燃焼温度及び高い排気温度で特徴付けられる。より高い燃焼温度及びより高い排気温度は、強制冷却状態の可能性を減少させる大きな温度マージン並びにＤＬＮ予混合燃焼器のＣＯ限界を回避するための大きな温度マージンを保証する。制御システム３２は、ガスタービンエンジンが「ｌ_{ｄｅｓｉｒｅｄ ｔｕｒｎｄｏｗｎ}」に等しい仕事「ｌ_{ｎｅｗ ｔｕｒｎｄｏｗｎ}」（図３に線分１７１で示す）を生じるまで、タービン部分に加わる背圧の量と燃焼器部分に供給される燃料流の量との間を反復する。なお、制御システム３２は、ガスタービンエンジン２０の所望の作動並びに排出要件より課せられた限界値と上限閾値等温線及び下限閾値等温線（上述）を保証する典型的な手順を含む。さらに、「ｌ_{ｎｅｗ ｔｕｒｎｄｏｗｎ}」は、ターンダウンつまり図３に線分１６９で表す「ｌ_{ｔｕｒｎｄｏｗｎ}」と比較して低減される。本明細書に説明する制御システム３２及び方法の利点は、ガスタービンエンジン構成要素の設計を変更せずに、より低いターンダウンを有する所望の負荷ポイントを達成すると同時にＣＯ又は強制冷却状態限界に対するマージンを維持又は増大させることである。

図１及び図２を参照すると、電力を発生させるための発電システム１０を示している。発電システム１０は、ガスタービンエンジン２０、燃料送給装置２１、排気ディフューザ部分２２、ダクト２４、排気筒２６、流量制限部材２８、３０、制御システム３２及び発電機３６を含む。制御システム３２の利点は、該制御システム３２がガスタービンエンジン２０の背圧を増大させるように流量制限部材２８、３０の作動位置を制御して、排気ガスの温度を所望のターンダウン温度範囲内に維持しかつ排気ガス内の圧力レベルを閾値圧力レベルよりも低く維持しながらガスタービンエンジン２０の負荷ポイントを目標負荷ポイントに向かって実質的に低下させるのを可能にすることができることである。目標負荷ポイントは、例えば最大出力の２０〜４０％の範囲内とすることができる。別の実施形態では、流量制限部材２８、３２の１つのみを利用して、ガスタービンエンジン２０の背圧を増大させることができることに注目されたい。

図１及び図２を参照すると、ガスタービンエンジン２０は、出力シャフト３５に連結され、出力シャフト３５はさらに、発電機３６に対して作動可能に結合されている。ガスタービンエンジン２０は、圧縮機部分４０、燃焼器部分４２及びタービン部分４４を有する。圧縮機部分４０は、流入空気を加圧するように構成される。燃焼器部分４２は、圧縮機部分４０から加圧空気を受けかつ加圧空気及び燃料の混合気を燃焼させ、それによって高圧高温排気ガスを生成するように構成される。タービン部分４４は、燃焼器部分４２から排気ガスを受けかつ該排気ガスの膨張に応答して回転するように構成される。タービン部分４４は、出力シャフト３５によって発電機３６に対して作動可能に結合されて、発電機３６に回転力を与えかつ電気を発生するようにする。タービン部分４４はさらに、排気ガスを排気ディフューザ部分２２に流すように構成される。

燃料送給装置２１は、ガスタービンエンジン２０の燃焼器部分４２に燃料を供給するように構成される。作動時に、燃料送給装置２１は、制御装置７２からの燃料制御信号に応答して燃焼器部分４２に燃料を供給するように構成される。ガスタービンエンジン２０の負荷ポイントを低下させようとする時には、制御装置７２は、燃料送給装置２１が燃焼器部分４２に送給される燃料の量を増加させて作動要件を満たすようにさせる燃料制御信号を発生することができる。

排気ディフューザ部分２２は、タービン部分４４からの排気ガスをダクト２４に送るように構成される。排気ディフューザ部分２２は、タービン部分４４とダクト２４との間に作動可能に結合される。

流量制限部材２８は、ダクト２４内の流路の面積を制御するように構成される。１つの例示的な実施形態では、流量制限部材２８は、例えばバッフルプレートであり、これはダクト２４内の流路の面積を制御するように該ダクト２４内に作動可能に配置される。制御装置７２は、アクチュエータ６８が受けて、該アクチュエータ６８が、ダクト２４内の流路を制限しない第１の作動位置に流量制限部材２８を移動させるようにする第１のアクチュエータ制御信号を発生することができる。この際、タービン部分４４に加わる排気ガスの背圧は減少する。制御装置７２はまた、アクチュエータ６８が受けて、該アクチュエータ６８が、ダクト２４内の流路を制限する第２の作動位置に流量制限部材２８を移動させるようにする第２のアクチュエータ制御信号を発生することができる。この際、タービン部分４４に加わる排気ガスの背圧は増大する。

ダクト２４から排気ガスを受けかつ該排気ガスをそこから放出するために、排気筒２６が設けられる。流量制限部材３０は、排気筒２６内の流路の面積を制御するように構成される。１つの例示的な実施形態では、流量制限部材３０は、例えばバッフルプレートであり、これは排気筒２６内の流路の面積を制御するように該排気筒２６内に作動可能に配置される。制御装置７２は、アクチュエータ６０が受けて、該アクチュエータ６０が、排気筒２６内の流路を制限しない第１の作動位置に流量制限部材３０を移動させるようにする第１のアクチュエータ制御信号を発生することができる。この際、タービン部分４４に加わる排気ガスの背圧は減少する。制御装置７２は、アクチュエータ６０が受けて、該アクチュエータ６０が、排気筒２６内の流路を制限する第２の作動位置に流量制限部材３０を移動させるようにする第２のアクチュエータ制御信号を発生することができる。この際、タービン部分４４に加わる排気ガスの背圧は増大する。

発電機３６は、電力を発生させるために設けられる。発電機３６は、出力シャフト３５を介してタービン部分４４に対して作動可能に結合される。タービン部分４４が出力シャフト３５を回転させると、出力シャフト３５は、発電機３６を駆動して電気を発生させる。

制御システム３２は、ガスタービンエンジン２０の作動を制御するために設けられる。具体的には、制御システム３２は、以下において一層詳しく説明するように、ガスタービンエンジン２０の負荷ポイントを制御するために設けられる。制御システム３２は、アクチュエータ６０、位置センサ６２、圧力センサ６４、温度センサ６６、アクチュエータ６８、位置センサ７０及び制御装置７２を含む。

位置センサ６２は、流量制限部材３０の作動位置を表す位置信号を発生するために設けられる。制御装置７２は、位置センサ６２から位置信号を受け、それに基づいて流量制限部材３０の作動位置を判定する。

圧力センサ６４は、ダクト２４内の排気ガスの圧力レベルを表す圧力信号を発生するために設けられる。制御装置７２は、圧力センサ６４から圧力信号を受け、それに基づいて圧力レベルを判定する。

温度センサ６６は、ダクト２４内の排気ガスの温度レベルを表す温度信号を発生するために設けられる。制御装置７２は、温度センサ６６から温度信号を受け、それに基づいて温度レベルを判定する。

位置センサ７０は、流量制限部材２８の作動位置を表す位置信号を発生するために設けられる。制御装置７２は、位置センサ７０から位置信号を受け、それに基づいて流量制限部材２８の作動位置を判定する。

制御装置７２は、ガスタービンエンジン２０の作動を制御するために設けられる。具体的には、制御装置７２は、流量制限部材２８の作動位置及び燃料送給装置２１によってガスタービンエンジン２０に送給される燃料の量を制御することによって、ガスタービンエンジン２０の負荷ポイントを制御するために設けられる。制御装置７２は、アクチュエータ６０、位置センサ６２、圧力センサ６４、温度センサ６６、アクチュエータ６８、位置センサ７０及び燃料送給装置２１に対して作動可能に結合される。

次に、図４を参照して、ガスタービンエンジン２０の負荷ポイントを制御する方法のフロー図を説明する。

ステップ２００において、制御装置７２は、要求負荷ポイント（Ｗ_ｉ）がターンダウン負荷ポイント（Ｗ_ＴＤ）よりも低いかどうかについての判定を行う。ステップ２００の値が「はい」である場合には、本方法は、ステップ２０２に進む。そうでない場合には、本方法は、ステップ２１６に進み、通常の動作を続行する。

ステップ２０２において、制御装置７２は、それぞれアクチュエータ６８、６０が流量制限部材２８、３０の作動位置を調整してタービン部分４４内の排気ガスの背圧を増大させるようにさせるアクチュエータ制御信号を発生する。

ステップ２０４において、制御装置７２は、圧力センサ６４から圧力信号を受け、かつタービン部分４４内の排気ガスの圧力レベル（Ｐ_ｅ）を判定する。さらに、制御装置７２は、温度センサ６６から温度信号を受け、かつタービン部分４４内の排気ガスの温度レベル（Ｔ_ｅ）を判定する。

ステップ２０６において、制御装置７２は、（ｉ）圧力レベル（Ｐ_ｅ）が所望の圧力範囲内にあるかどうか、また（ｉｉ）温度レベル（Ｔ_ｅ）が所望の温度範囲内にあるかどうかについての判定を行う。ステップ２０６の値が「はい」である場合には、本方法は、ステップ２０８に進む。そうでない場合には、本方法は、ステップ２０２に戻る。

ステップ２０８において、制御装置７２は、実負荷ポイント（Ｗ）が要求負荷ポイント（Ｗｉ）に等しいかどうかについての判定を行う。ステップ２０８の値が「はい」である場合には、本方法は終了する。そうでない場合には、本方法は、ステップ２１０に進む。

ステップ２１０において、制御装置７２は、実負荷ポイント（Ｗ）が要求負荷ポイント（Ｗｉ）よりも大きいがどうかについての判定を行う。ステップ２１０の値が「はい」である場合には、本方法は、ステップ２１４に進む。そうでない場合には、本方法は、ステップ２１２に進む。

ステップ２１２において、制御装置７２は、燃料送給装置２１がタービン部分４４に送給される燃料の量を増加させるようにさせる制御信号を発生する。ステップ２１２の後に、本方法は、ステップ２０４に戻る。

再びステップ２１０を参照すると、ステップ２１０の値が「はい」である場合には、本方法は、ステップ２１４に進む。ステップ２１４において、制御装置７２は、ガスタービンエンジン２０に関連する作動制御限界値に達したかどうかについての判定を行う。ステップ２１４の値が「はい」である場合には、本方法は、終了する。そうでない場合には、本方法は、ステップ２０２に戻る。

図５を参照すると、発電システム２５０は、ガスタービンエンジン２５２、燃料送給装置２５４、排気ディフューザ部分２５６、流量制限部材２５８及び制御システム２６０を含む。制御システム２６０の利点は、該制御システム２６０がタービン部分２６２の背圧を増大させるように流量制限部材２５８の作動位置を制御して、排気ガスの温度を所望のターンダウン温度範囲内に維持しかつ排気ガス内の圧力レベルを閾値圧力レベルよりも低く維持しながらガスタービンエンジン２５２の負荷ポイントを実質的に低下させるのを可能にすることができることである。ガスタービンエンジン２５２は、タービン部分２６２、出力シャフト（図示せず）及び発電機（図示せず）を含む。

燃料送給装置２５４は、ガスタービンエンジン２５２に燃料を供給するように構成される。作動時に、燃料送給装置２５４は、制御装置２９８からの燃料制御信号に応答してガスタービンエンジン２５２に燃料を供給するように構成される。ガスタービンエンジン２５２の負荷ポイントを低下させようとする時には、制御装置２９８は、燃料送給装置２５４が該ガスタービンエンジン２５２に送給される燃料の量を増加させるようにさせる燃料制御信号を発生することができる。

排気ディフューザ部分２５６は、タービン部分２６２からの排気ガスをダクト（図示せず）に送るように構成される。排気ディフューザ部分２５６は、タービン部分２６２とダクトとの間に作動可能に結合される。

図５〜図７を参照すると、流量制限部材２５８は、排気ディフューザ部分２５６内の流路の面積を制御するように構成される。1つの例示的な実施形態では、流量制限部材２５８は、バッフル部材２７２に対して作動可能に結合されたストラット２７０を含む。ストラット２７０は、排気ディフューザ部分２５６の一部分に固定結合される。バッフル部材２７２は、ストラット２７０に対して回転可能に結合される。アクチュエータ２９０は、制御装置２９８からの制御信号に応答してバッフル部材２７２を移動させるように該バッフル部材２７２に対して作動可能に結合される。具体的には、アクチュエータ２９０は、排気ディフューザ部分２５６内の流路が制限されない第１の作動位置（図６に示すような）と排気ディフューザ部分２５６内の流路が制限される第２の作動位置（図７に示すような）との間でバッフル部材２７２を移動させることができる。アクチュエータ２９０がバッフル部材２７２を第１の位置から第２の位置に移動させると、タービン部分２６２内の排気ガスの背圧が増大する。

制御システム２６０は、ガスタービンエンジン２５２の作動を制御するために設けられる。具体的には、制御システム２６０は、ガスタービンエンジン２５２の負荷ポイントを制御するために設けられる。制御システム２６０は、アクチュエータ２９０、位置センサ２９２、圧力センサ２９４、温度センサ２９６及び制御装置２９８を含む。

位置センサ２９２は、流量制限部材２５８の作動位置を表す位置信号を発生するために設けられる。制御装置２９８は、位置センサ２９２から位置信号を受け、それに基づいて流量制限部材２５８の作動位置を判定する。

圧力センサ２９４は、排気ディフューザ部分２５６内の排気ガスの圧力レベルを表す圧力信号を発生するために設けられる。制御装置２９８は、圧力センサ２９４から圧力信号を受け、それに基づいて圧力レベルを判定する。

温度センサ２９６は、排気ディフューザ部分２５６内の排気ガスの温度レベルを表す温度信号を発生するために設けられる。制御装置２９８は、温度センサ２９６から温度信号を受け、それに基づいて温度レベルを判定する。

制御装置２９８は、ガスタービンエンジン２５２の作動を制御するために設けられる。具体的には、制御装置２９８は、図４のフロー図で説明したのと実質的に同様な方法で、流量制限部材２５８の作動位置及び燃料送給装置２５４によってガスタービンエンジン２５２に送給される燃料の量を制御することによって、該ガスタービンエンジン２５２の負荷ポイントを制御するために設けられる。制御装置２９８は、アクチュエータ２９０、位置センサ２９２、圧力センサ２９４、温度センサ２９６及び燃料送給装置２５４に対して作動可能に結合される。

図８を参照すると、発電システム３５０は、ガスタービンエンジン３５２、燃料送給装置３５４、排気ディフューザ部分３５６、流量制限部材３５８及び制御システム３６０を含む。制御システム３６０の利点は、該制御システム３６０がガスタービンエンジン３５２の背圧を増大させるように流量制限部材３５８の作動位置を制御して、排気ガスの温度を所望のターンダウン温度範囲内に維持しかつ排気ガス内の圧力レベルを閾値圧力レベルよりも低く維持しながらガスタービンエンジン３５２の負荷ポイントを目標負荷ポイントに向かって実質的に低下させるのを可能にすることができることである。ガスタービンエンジン２５２は、タービン部分２６２、出力シャフト（図示せず）及び発電機（図示せず）を含む。

発電システム３５０と発電システム２５０との間の主な違いは、それらの中で利用される流量制限部材のタイプにある。具体的には、流量制限部材３５８は、第１の作動位置と第２の作動位置との間で直線的に移動するプレートである。アクチュエータ３９０は、制御装置３９８からの制御信号に応答して流量制限部材３５８を移動させるように該流量制限部材３５８に対して作動可能に結合される。具体的には、アクチュエータ３９０は、排気ディフューザ部分３５６内の流路が制限されない第１の作動位置と排気ディフューザ部分３５６内の流路が制限される第２の作動位置（図８に示すような）との間で流量制限部材３５８を移動させることができる。アクチュエータ３９０が第１の作動位置から第２の作動位置に流量制限部材３５８を移動させると、タービン部分３７０内の排気ガスの背圧は、増大する。

次に、流量制限部材２８、３０、２５８及び３５８に代えて発電システム１０、２５０及び３５０内で代わりに利用することができるその他のタイプの流量制限部材について説明する。図９を参照すると、排気ガス内に増大した背圧を発生させるための流量制限部材４５０を示している。流量制限部材４５０は、ディフューザ部分４５２とリング部分４５４とを含む。アクチュエータ４６０が、リング部分４５４に対して作動可能に結合される。アクチュエータ４６０がリング部分４５４を第１の方向に（例えば、図９において右向きに）移動させると、ディフューザ部分４５２内の流路の有効面積は減少し、それにより流量制限部材４５０が受ける排気ガスの背圧の量が増大する。アクチュエータ４６０がリング部分４５４を第２の方向に（例えば、図９において左向きに）移動させると、ディフューザ部分４５２内の流路の有効面積は増大し、それにより流量制限部材４５０が受ける排気ガスの背圧の量が減少する。

上記の実施形態の各々において、各流量制限部材は、流路を制限する作動位置から該流量制限部材が流路の制限の量を増大させる別の作動位置に漸進的に移動して、ターンダウンを徐々に減少させることができることに注目されたい。各流量制限部材はまた、流路を制限する作動位置から該流路の制限の量を減少させた別の作動位置に移動させて、負荷ポイントを上昇させることができる。

ガスタービンエンジンの負荷ポイントを制御するための本制御システム及び方法は、その他のシステム及び方法に勝る大きな利点をもたらす。具体的には、本制御システム及び方法により、排気ガスが所望のターンダウン温度範囲内の温度レベルを有しかつ排気ガスの圧力レベルが閾値圧力レベルよりも低くなるように、負荷ポイントを比較的低い目標負荷ポイントに向かって調整する技術的効果が得られる。

例示的な実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、本発明の要素に対して様々な変更を加えることができ、また本発明の要素を均等物で置換えることができる。加えて、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱することなく、特定の状況又は物的要件を本発明の教示に適合させるように、多くの変更を加えることができる。従って、本発明は本明細書に開示した特定の実施形態に限定されるものではないこと、また本発明は特許請求の範囲の技術的範囲内に属する全ての実施形態を含むことを意図している。

１０ 発電システム
２０ タービンエンジン
２１ 燃料送給装置
２２ 排気ディフューザ
２４ ダクト
２６ 排気筒
２８ 流量制限部材
３０ 流量制限部材
３２ 制御システム
３５ 出力シャフト
３６ 発電機
４０ 圧縮機部分
４２ 燃焼器部分
４４ タービン部分
６０ アクチュエータ
６２ 位置センサ
６４ 圧力センサ
６６ 温度センサ
６８ アクチュエータ
７０ 位置センサ
７２ 制御装置
１１６ 曲線
１２０ 熱力学サイクル
１２２ 熱力学サイクル
１２３ 熱力学サイクル
１２４ 熱力学サイクル
１２５ 熱力学サイクル
１２６ 熱力学サイクル
１４６ 曲線
１５０ 熱力学サイクル
１５２ 熱力学サイクル
２５０ 発電システム
２５２ タービンエンジン
２５４ 燃料送給装置
２５６ 排気ディフューザ部分
２５８ 流量制限部材
２６０ 制御システム
２６２ タービン部分
２７０ ストラット
２７２ バッフル部材
２９０ アクチュエータ
２９２ 位置センサ
２９４ 圧力センサ
２９６ 温度センサ
２９８ 制御装置
３５０ 発電システム
３５２ タービンエンジン
３５４ 燃料送給装置
３５６ 排気ディフューザ部分
３５８ 流量制限部材
３６０ 制御システム
３７０ タービン部分
３９０ アクチュエータ
３９８ 制御装置
４５０ 流量制限部材
４５２ ディフューザ部分
４５４ リング部分
４６０ アクチュエータ

Claims (10)

1. 流路を有する導管と流体連通したタービン部分（４４）を有しかつ前記導管が該タービン部分（４４）から排気ガスを受けるように構成されたガスタービンエンジン（２０）の負荷ポイントを制御するための制御システム（３２）であって、当該システムが、
   前記導管に結合されかつ第１及び第２の作動位置間で移動するように構成されて、該第１の作動位置に移動した時には前記導管内の前記流路の一部分を制限することはなくまた該第２の作動位置に移動した時には前記流路を制限する流量制限部材（２８）と、
   前記流量制限部材（２８）に結合されかつアクチュエータ制御信号に応答して該流量制限部材（２８）を移動させるように構成されたアクチュエータ（６８）と、
   燃料制御信号に応答して前記ガスタービンエンジン（２０）の燃焼器部分（４２）に燃料を送給するように構成された燃料送給装置（２１）と、
   前記導管内の排気ガスの温度レベルを表す温度信号を発生するように構成された温度センサ（６６）と、
   前記導管内の排気ガスの圧力レベルを表す圧力信号を発生する圧力センサ（６４）と、
   前記アクチュエータ（６８）、燃料送給装置（２１）、温度センサ（６６）及び圧力センサ（６４）に対して作動可能に結合された制御装置（７２）と
   を備えており、
   前記制御装置（７２）が、前記温度信号及び圧力信号を受信するように構成され、
   前記制御装置（７２）が、前記燃料制御信号を発生するようにさらに構成され、
   前記制御装置（７２）が、前記流量制限部材（２８）を前記第１の作動位置から前記第２の作動位置に移動させて前記流路を制限して、前記排気ガスが所望のターンダウン温度範囲内の温度レベルを有し、前記排気ガス内の圧力レベルが閾値圧力レベルよりも低下しかつ前記ガスタービンエンジン（２０）の負荷ポイントが目標負荷ポイントに向かって調整されるようにする前記アクチュエータ制御信号を発生するようにさらに構成される、
   制御システム（３２）。
2. 前記ガスタービンエンジン（２０）の負荷ポイントが、該負荷ポイントを低下させることによって前記目標負荷ポイントに向かって調整される、請求項１記載の制御システム（３２）。
3. 前記排気ガスの１種以上の排気ガス成分が、前記流量制限部材（２８）を前記第１の作動位置から前記第２の作動位置に移動させた後に、所望の排気ガス成分範囲内に維持される、請求項１記載の制御システム（３２）。
4. 前記導管が、前記タービン部分（４４）と流体連通したダクトの少なくとも一部分を含む、請求項１記載の制御システム（３２）。
5. 前記導管が、前記タービン部分（４４）と流体連通した排気筒の少なくとも一部分を含む、請求項１記載の制御システム（３２）。
6. 流路を有する導管に結合されたタービン部分（４４）を有しかつ前記流路が前記タービン部分（４４）から排気ガスを受けるように構成されたガスタービンエンジン（２０）の負荷ポイントを制御する方法であって、
   温度センサ（６６）を利用して、制御装置（７２）が受ける前記導管内の排気ガスの温度レベルを表す温度信号を発生するステップと、
   圧力センサ（６４）を利用して、前記制御装置（７２）が受ける前記導管内の排気ガスの圧力レベルを表す圧力信号を発生するステップと、
   前記制御装置（７２）を利用して、燃料送給装置（２１）が前記ガスタービンエンジン（２０）に燃料を送給するようにさせる燃料制御信号を発生するステップと、
   前記制御装置（７２）を利用して、アクチュエータ（６８）が流量制限部材（２８）を第１の作動位置から第２の作動位置に移動させて前記流路を制限して、前記排気ガスが所望のターンダウン温度範囲内の温度レベルを有し、前記排気ガスの圧力レベルが閾値圧力レベルよりも低下しかつ前記ガスタービンエンジン（２０）の負荷ポイントが目標負荷ポイントに向かって調整されるようにするアクチュエータ制御信号を発生するステップと
   を含む方法。
7. 前記ガスタービンエンジン（２０）の負荷ポイントが、該負荷ポイントを低下させることによって前記目標負荷ポイントに向かって調整される、請求項６記載の方法。
8. 前記排気ガスの１種以上の排気ガス成分が、前記流量制限部材（２８）を前記第１の作動位置から前記第２の作動位置に移動させた後に、所望の排気ガス成分範囲内に維持される、請求項６記載の方法。
9. 前記導管が、前記タービン部分（４４）と流体連通したダクトの少なくとも一部分を含む、請求項６記載の方法。
10. 前記導管が、前記タービン部分（４４）と流体連通した排気筒の少なくとも一部分を含む、請求項６記載の方法。

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