JP2007138949A

JP2007138949A - ガスタービンエンジンシステムを動作させるための方法および装置

Info

Publication number: JP2007138949A
Application number: JP2006314795A
Authority: JP
Inventors: Charles Evan Steber; チャールズ・エヴァン・スティーバー; Massoud Parisay; マスード・パリセイ; Ravindra Annigeri; ラヴィンドラ・アニゲリ; Willy Steve Ziminsky; ウィリー・スティーブ・ジミンスキー; John Stephen Henderson; ジョン・スティーブン・ヘンダーソン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2005-11-22
Filing date: 2006-11-21
Publication date: 2007-06-07
Also published as: CN1971013B; CN1971013A; EP1788309B1; US20070113560A1; EP1788309A3; EP1788309A2; US7565805B2

Abstract

【課題】ガスタービンエンジン燃焼システムの動作を制御する装置を提供する
【解決手段】ガスタービンエンジンシステム（１０）を動作させるための方法およびシステムが、発電機（２４）と、燃焼器に燃料を噴射するように構成された複数の燃料噴射点を有する燃焼器（１４）を備えるガスタービンエンジンとを備え、燃焼器およびガスタービンエンジンが、シャフトを介して発電機に回転可能に連結される。ガスタービンエンジンシステムが、ガスタービンエンジンシステムの周りに配置された複数のセンサ（２６）を備え、センサと関連付けられた少なくとも１つのパラメータを測定するように構成された制御システム（１８）と、燃料の発熱量を示す信号を受け取り、決定された発熱量を使用して、燃焼器の燃料噴射点の間の燃料分割を自動的に制御するようにプログラムされたプロセッサとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は一般に、ガスタービンエンジンの燃焼システムに関し、より詳細には燃焼システムの動作を制御するための方法および装置に関する。

ガスタービンエンジンは一般に、圧縮機区画、燃焼器区画、および少なくとも１つのタービン区画を備える。圧縮機の排気は、燃焼器に流され、そこで燃料が噴射され、混合され、燃焼される。次いで燃焼ガスは、タービンに流され、タービンは、燃焼ガスからエネルギーを抽出する。

ガスタービンエンジンの燃焼システムは、幅広い範囲の流れ、圧力、温度、および燃料／空気比の動作条件にわたって動作する必要がある。燃焼器の働きを制御することは、全体的なガスタービンエンジンの動作を十分に達成し維持し、許容可能な排出レベルを達成するために必要であり、主要な問題は、ＮＯ_ＸおよびＣＯのレベルである。

１つのクラスのガスタービン燃焼器は、希薄予混合燃焼を用いることによって低いＮＯ_Ｘ排出レベルを達成し、燃料、および全ての燃料を燃焼させるのに必要な過剰空気は、サーマルＮＯ_Ｘの生成を制御し制限するために、燃焼の前に混合される。しばしばドライ低ＮＯ_Ｘ（ＤｒｙＬｏｗＮＯ_Ｘ）（ＤＬＮ）燃焼器と呼ばれる、このクラスの燃焼器には、通常、音響および燃焼プロセスの不安定なエネルギー放出の組合せに関係するダイナミックス（ｄｙｎａｍｉｃｓ）と呼ばれる圧力振動がない状態に維持しながら、安定した動作、許容可能なＮＯ_ＸおよびＣＯの排出を達成するために、燃焼状態のより慎重な管理が必要である。このようなシステムは、しばしば、ガスタービン動作を始動から全負荷までできるようにする、１つまたは複数の並列な同等の燃焼器のそれぞれに、複数の独立に制御される燃料噴射点または燃料ノズルを必要とする。さらに、そのようなＤＬＮ燃焼システムは、しばしば、比較的狭い範囲の燃料噴射装置の圧力比をかなり上まわって機能し、前記圧力比は燃料流速と、燃料通路の流れ面積と、燃料ノズルの前後のガスタービンサイクルの圧力との関数である。そのような圧力比の限度は、正確な燃料ノズルの通路面積の選択、および数個の燃料ノズル群への燃料流量の調節によって管理される。正確な燃料ノズルの通路面積は、名目上、一定であると見なされる実際の燃料特性に基づく。

歴史的に、パイプラインの天然ガスの一般の成分、および特にその修正されたウォッベ指数は、わずかに変わっただけである。修正されたウォッベ指数（ＭＷＩ）は、Ｂｔｕ／ｓｃｆ単位での低発熱量に比例し、ランキン度での空気および燃料温度に対する燃料の比重の積の平方根に反比例する。燃料ノズルのガス領域は、一般に設計値のおよそプラスまたはマイナス５パーセントより小さく、制限された範囲の燃料ＭＷＩに対して、また複数の燃料噴射点を備えるドライ低ＮＯ_Ｘ燃焼システムによるガスタービンに対して寸法を決められ、ガスタービン燃焼システムは、様々な噴射点の間での燃料分割が機械の動作条件によって変わるように燃料分配計画によって設定される。いくつかのＤＬＮ燃焼システムに対しては、燃料特性がＭＷＩでおよそプラスまたはマイナス２パーセントより多い値だけ変化すると、排出および燃焼ダイナミックスレベルの両方を監視しながら、燃料計画調節を行なう必要がある。そのような燃料の計画調節は、「チューニング」と呼ばれ、特別な器具を設定する技術を必要とするプロセスであり、完成するのに一日またはそれ以上かかる可能性がある。さらに、特定のガスタービン設備に供給される燃料が異なる成分およびその結果のＭＷＩのものである複数の供給源からのものである場合、本明細書に開示された本発明が燃料供給スイッチに対して繰り返される必要がある前に、燃料分割計画を「再チューニング」する必要がある。さらに、２つ以上の燃料の任意の混合は、別の燃料成分と等価であり、その結果燃料の可変の混合は、主題の発明の前に許容されることが不可能である。

さらに、ガスタービンエンジンの効率は、ガスタービン燃焼器に入る燃料ガスを予熱するための低エネルギーの蒸気または水などの利用可能な熱源を使用することによって改善することができる。加熱ガスを使用するガスタービンに関しては、負荷上昇時間は、燃料ガスを必要最小限のレベルに加熱するための初期に低温の熱回収蒸気発生器内で温水を生成するために必要な時間に依存する可能性がある。燃料ガスが要求される温度、したがって要求されるＭＷＩに達するまで、いくつかの燃焼器設計は、低ＮＯ_Ｘ燃焼モードで動作することが不可能である。最小限の許容可能なガス温度レベルを低下させることが可能である場合、それは最大の許容可能なＭＷＩ値を上昇させることに相当し、負荷上昇時間が短くなることにより、ガスタービンの動作が向上し、全体の排出が低下する。

特に、低排出および燃焼ダイナミックスレベルを所定の限度内に維持しながら、ガス燃料の成分、温度、およびその結果のＭＷＩのより大きな変更を可能にすることが望ましい。いくつかのＤＬＮ燃焼システムに対する設計ＭＷＩの範囲外での動作は、保守間隔を縮めるのに十分大きな燃焼ダイナミックスレベル（振動性の燃焼プロセスによるノイズ）をもたらし、またはハードウェアの損傷および強制停止を引き起こすことさえある。
米国特許出願第２００３／００５６５１４−Ａ１号米国特許出願第２００４／０２０６０９０−Ａ１号米国特許出願第２００４／０２０６０９１−Ａ１号米国特許出願第２００５／００２２５３７−Ａ１号米国特許出願第２００５−０１０７９４１−Ａ１号米国特許出願第２００５−０１１４０１０−Ａ１号米国特許第４３５９２８４号米国特許第４６５９３０６号米国特許第５３８６８５１号米国特許第５４８５７２８号米国特許第５４８６１０７号米国特許第５６８５１５３号米国特許第６０８２０９２号米国特許第６３７０８８０−Ｂ１号米国特許第６７７９３３３−Ｂ２号米国特許第６８３９６１３−Ｂ２号米国特許第６９０１７３５−Ｂ２号米国特許出願第２００３／００２２０５１−Ａ１号 "Specification for Fuel Gases for Combustion in Heavy-Duty Gas Turbines"; GEI 41040G; 1999; Revised, January 2002; 23 pgs. FRANK J. BROOKS; "GE Gas Turbine Performance Characteristics"; GER-3567H; (10/00); 16 pgs. L.B. DAVIS ET AL; "Dry Low NOXCombustion Systems for GE Heavy-Duty Gas Turbines"; GER-3568G; (10/00); 22 pgs. BRUCE KELLY ET AL; "Optimization Studies for Integrated Solar Combined Cycle Systems"; 2001 by ASME; 7 pgs. MICHAEL NAKHAMKIN ET AL.; "Humid Air Injection Power Augmentation Technology Has Arrived"; ASME GT2003-38977; 2003 by ASME; 7 pgs. D.M. ERICKSON ET AL.; "Design Considerations for Heated Gas Fuel"; GER-4189B; (03/03); 16 pgs.

１つの実施形態では、ガスタービンエンジンが、駆動シャフトによって原理的なガスタービン負荷として発電機に連結される。この実施形態では、ガスタービンエンジンは、各燃焼器内の複数の異なる位置で燃焼器内に燃料を噴射するように構成された複数の燃料噴射ノズルを備える少なくとも１つの燃焼器を備え、異なる噴射ノズルが複数のガスフロー制御バルブからの燃料によって供給を受ける。ガスタービンエンジンシステムは、エンジン動作状態を確立するために、ガスタービンエンジンシステムの周りに配置され、流れ、圧力、温度またはその他のパラメータを測定するように構成された複数のセンサと、エンジン状態および燃料ＭＷＩを示す信号によって燃料噴射ノズルの間の燃料分割を自動的に制御するために、上述のパラメータに加えて燃料のＭＷＩを示す信号を受け取るようにプログラムされたプロセッサとを有する制御システムを備える。一般に、燃料分割は、それがエンジン状態に基づいた１つまたは複数の計画に従うように、負荷、周囲温度、圧力、および湿度によって変わるエンジン状態にのみ従って変更される。この実施形態では、燃料分割計画は、燃料ＭＷＩを示すパラメータによって自動的に調節される。

別の実施形態では、ガスタービンエンジンを動作させる方法は、熱量および燃料の比重を決定し、そこから得られるＭＷＩを計算するステップを含む。他の点では、この実施形態は、上述の実施形態と同じである。

さらに別の実施形態では、ＭＷＩまたは実際のＭＷＩを示す燃料パラメータは、燃料ヒータの前で決定される。この実施形態では、制御システムは燃料ヒータの前で、示されたＭＷＩに対する設計ＭＷＩを比較し、燃料温度が設計ＭＷＩと等しいＭＷＩ値を有するようにするために燃料温度を上昇させる。

さらに別の実施形態では、ガスタービンエンジンを動作させる方法は、チューニングプロセスを使用することにより第１のＭＷＩ値において第１の燃料分割計画を決定するステップと、燃料温度を変更し、次いで第２の燃料ＭＷＩ値において第２の燃料分割計画を決定することによって第１の燃料ＭＷＩおよび第２の燃料ＭＷＩを修正するステップとを含む。次いで、技術者が放出または燃焼ダイナミックスを監視することのない通常の動作中に、燃料特性およびそれによって生じるＭＷＩが連続的に決定され、適用される燃料分割が、第１および第２の燃料分割計画の関数関係によって決定される。

別の実施形態では、ガスタービン制御システムは、燃料ＭＷＩを計算するのに十分な燃料特性を連続的に受け取り、より高い入口の燃料温度による向上された効率と両立できる燃料温度を維持し、第４の実施形態に示された様式で燃料分割を調節する。

本明細書では、産業環境で使用されるガスタービンエンジンの文脈で方法および装置を述べるが、本明細書に述べる方法および装置は、それには限定されないが、航空機に設置されるタービンを含むその他の燃焼タービンシステムの用途に実用性を見出すことができることが企図される。さらに、本明細書に提示する原理および教示は、それには限定されないが天然ガス、ガソリン、灯油、ディーゼル燃料、ジェット燃料などの様々な可燃性の燃料を使用するガスタービンエンジンに適用可能である。したがって限定のためではなく例示によってのみ以下の説明を提示する。

図１は、圧縮機１２、燃焼器１４、圧縮機１２に駆動的に連結されたタービン１６を備えるガスタービンエンジンシステム１０の概略図であり、ガスタービンエンジンは、操作者の指令および制御システム１８の組合せによって管理される。吸気システム２０は、周囲の空気を圧縮機の入口案内翼２１に流し、その案内翼は、アクチュエータ２６による調節によって圧縮機１２への空気の量を調節する。排気システム２２は、たとえば、吸音、復熱、および場合によりその他の排出制御デバイスを通るタービン１６の出口から燃焼ガスを流す。タービン１６は、電力または任意のその他のタイプの機械的負荷を生成する発電機２４を駆動することができる。

ガスタービンエンジンシステム１０の動作は、圧縮機１２、タービン１６、発電機２４および周囲環境の様々な状態を検出するいくつかのセンサ２６によって監視可能である。たとえば、センサ２６は、周囲温度、ガスタービンエンジンシステム１０を取り囲む圧力および湿度、圧縮機の吐出圧および吐出温度、タービン排出ガス温度、ならびにその他のガスタービンエンジン内の圧力および温度測定値を監視することができる。センサ２６は、流量センサ、速度センサ、火炎検出器センサ、バルブ位置センサ、案内翼角度センサ、およびガスタービンエンジンシステム１０の動作に関する様々なパラメータを感知するその他のセンサを備えることもできる。本明細書では、「パラメータ」は物理的な特性を指し、その値は、温度、圧力、および定義された位置での流体の流れなどのガスタービンエンジンシステム１０の動作条件を定義するのに使用できる。

上記のセンサ２６に加えて、オプションの燃料ヒータの前または後で燃料ＭＷＩを決定するのに十分な燃料特性を監視または測定する１つまたは複数のセンサがある。固定された燃料特性に関するただ１つの燃料温度など、燃料ＭＷＩを表すパラメータを決定することが、主題の発明を使用するための要件である。

燃料制御装置２８は、制御システム１８からの指令に応答して、燃料供給から燃焼器１４に流れる燃料を調節し、燃料は、各燃焼器１４内に配置された複数の燃料ノズル噴射器に分割される。燃料制御システム２８は、複数の燃料が利用可能な場合、燃焼器への燃料のタイプまたは燃料の混合を選択するために制御装置１８によって指示されることも可能である。燃料制御装置２８は、分離したユニットであっても、制御システム１８の構成要素であってもよい。

制御システム１８は、センサ入力および操作者からの指令を使用するガスタービンの動作を制御するためのプログラムを実行するプロセッサを有するコンピュータシステムであってもよい。制御システム１８によって実行されるプログラムは、燃焼器１４への燃料流量および燃料分割を調節するための計画のアルゴリズムを含むことができる。制御システムによって生成された指令は、燃料制御装置２８内のアクチュエータに、流れおよび燃料分割、ならびに燃焼器に流れる燃料のタイプを調節させ、圧縮機の入口案内翼２１を調節させ、ガスタービンのその他の制御設定を作動させる。

制御システム１８は、部分的には制御装置のコンピュータメモリに記憶されたアルゴリズムに基づいてガスタービンを調節する。これらのアルゴリズムは、制御システム１８が燃焼器の着火温度（ｆｉｒｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）を所定の温度制限内に維持し、タービン排出のＮＯ_ＸおよびＣＯ放出を所定の限度より下に維持できるようにする。アルゴリズムは、周囲の空気の状態、入口の圧力損失、およびタービン排気の背圧、燃料流量、圧縮機の吐出圧、および排出温度に対するパラメータ変数に関する入力を有する。燃焼器１４は、ＤＬＮ燃焼システムであることができる。制御システム１８は、放出および燃焼ダイナミックスを最適化するためのおよそ１年間の間隔で行なわれるチューニングプロセスによって修正される所定の燃料分割計画にしたがって、ＤＬＮ燃焼システムに対する燃料分割を制御するようにプログラムし、修正することが可能である。

制御システム１８によって実行される計画およびアルゴリズムは、着火温度、ＮＯ_Ｘ、ＣＯ、部分負荷から全負荷までのガスタービン動作条件での燃焼器のダイナミックスに影響する前述のパラメータの変化に対処する。制御システム１８は、周囲の状態および測定された機械パラメータに伴う燃料分割を連続的に管理する。制御システム１８は、入口案内翼角によって圧縮機の空気の流れを調節することによって、所望のタービン排出温度および圧縮機の吐出圧を達成するためのアルゴリズムを適用する。燃焼器の燃料分割は、ガスタービンの操作性の範囲に適合しながら、性能の目的を満足するようなチューニングプロセスによって設定される。前記の全ての制御機能は、ガスタービンの操作性、信頼性、および利用可能性を最適化する目標を有する。

燃料制御装置２８は、燃料分割、動作モード、放出、およびセンサ２６による数多くの測定された機械パラメータに対する燃焼のダイナミックレベルの調節を可能にするために、各燃焼器の２つ以上の噴射器のグループに燃料を調節する。いくつかの燃料ガス制御バルブの間の燃料分割を調節することによって、吐出、およびダイナミックスが機械の負荷範囲全体にわたって最適化される。燃料分割の調節は主に、燃焼基準温度と呼ばれる計算されたパラメータに依存し、それは、機械の排出温度、圧縮機の吐出圧、およびその他の連続的に監視される機械パラメータの関数である。

センサ２６は、燃料ＭＷＩを示すパラメータまたはＭＷＩを計算するのに必要な特性を決定するために使用される、少なくとも１つの燃料特性センサを備える。オプションの燃料ヒータ３２は、効率のための所望の温度および／または所望の燃料ＭＷＩを得るための燃料温度を達成する目的で、燃料温度を上昇させ、燃料を調節するために使用できる。

図２は、（図１に示される）ガスタービンエンジン１０の例示の動作範囲に関する燃料ガス温度に対する修正されたウォッベ指数（ＭＷＩ）のグラフ３００である。適切な燃料噴射システムを選択することによって、ガスタービンエンジンは、比較的広範囲の発熱量を有する燃料ガスによって動作するように設定することができるが、特定の燃料システム設計が対処できる変化の量は制限される。燃焼ノズルは、制限された範囲の圧力比内で動作するように設計され、発熱量および燃料ガス温度の変化は、燃料ノズルのガス通路面積を拡大または縮小させることによって対処される。所与のシステム設計に関する異なるガス燃料の互換性の尺度は、修正されたウォッベ指数（ＭＷＩ）と呼ばれる計算されたパラメータである。ＭＷＩは、所与の燃料ノズルのガスオリフィスの全体にわたる所与の上流および下流の圧力に関する燃焼器内に噴射されるエネルギーの尺度を表し、燃料の低発熱量、空気に対する比重、および燃料温度を使用して計算される。数学的な定義は、以下の通りである。

ただし、ＭＷＩは、修正されたウォッベ指数を表し、ＬＨＶは、燃料の低発熱量（Ｂｔｕ／ｓｃｆ）を表し、ＳＧ_ｇａｓは、空気に対する燃料ガスの比重を表し、Ｔ_ｇａｓは、ランキン度での燃料ガス温度を表す。

本明細書では、ＬＨＶは、生成物の全ての水が蒸気の形で残るような条件の下で物質の１つの単位の燃焼によって生成される熱を表す。ガスタービンエンジン１０に関する許容できるＭＷＩ範囲は、所定の燃料ノズルの圧力比が燃焼／タービンの全ての動作モード中に実質的に維持されるようにするために確立される。２つの異なる燃料ガス成分が同じＭＷＩを有する場合、所与の燃料システムでの圧力降下は、両方のガスに関して同じになる。したがって、ＭＷＩは、システム内の同じガス圧および圧力降下でのエネルギー流れを示すものである。複数のガス燃料が供給される場合、および／または可変の燃料温度が５％の限度を超えるＭＷＩになる場合、制御バルブ、マニホルド、および燃料ノズルを備える可能性のある独立した燃料ガストレイン（ｆｕｅｌｇａｓｔｒａｉｎｓ）は、非ＤＬＮ燃焼システムを要求される可能性がある。ドライ低ＮＯ_Ｘ（ＤＬＮ）システムに関しては、所定の燃料ノズル圧比率が満たされるようにするために、別の制御方法が必要になる可能性がある。燃料ガス温度の時間プロファイル（ｔｉｍｅｐｒｏｆｉｌｅｓ）を伴う全てのガス燃料の正確な分析も評価することができる。

グラフ３００は、温度の単位で目盛りを付けられたｘ軸３０２およびＭＷＩの単位で目盛りを付けられたｙ軸３０４を含む。破線３０６は、ガスタービンエンジン１０に関する公称ＭＷＩ設計値を表す。ガスタービンエンジン１０に関して、線３０８は受容可能なＭＷＩの最高値を表し、線３１０は受容可能なＭＷＩの最低値を表す。線３０８と線３１０の間の許容可能な範囲３１２は、燃料システムの仕様が決定できるようにする。例示の実施形態では、許容可能な範囲３１２が約＋／−５．０％であるとして示されている。このような範囲は、業界で見出されるガスタービンエンジンの間で一般的である。しかし、このような範囲は、様々な可能な燃料を使用するガスタービンエンジンに対してあまりにも制約的である可能性がある。たとえば、天然ガス燃料を使用する操作のために設計されたガスタービンエンジンは、異なる地理的な位置から産出され異なるＭＷＩ値、たとえばより高いＭＷＩ値を有する可能性がある液化天然ガスなどの別の燃料の場合に、許容可能な範囲３１２の外で動作可能である。

燃料は天然ガスなどの燃料に関する温度に対するＭＷＩを表す曲線３１４などの、温度に対する特徴的なＭＷＩの曲線を示す可能性がある。曲線３１６は、液化天然ガスに関する温度に対するＭＷＩを表す。曲線３１４および３１６によって表された燃料のＭＷＩは、燃料温度が上昇すると低下する（ＭＷＩは、燃料ガスの絶対温度の逆平方根に比例する）ので、曲線３１４および３１６はともに、負の傾きを有する。この特性により、燃料のＭＷＩは、燃料のＭＷＩを低下させるために流入する燃料を再生的に加熱する、燃焼プロセスからの廃熱を使用して修正することが可能になり、そうでなければ燃料は、許容可能な範囲３１２を超えるＭＷＩ値を有する。

流入する燃料温度は、たとえば燃料温度の上限が線３１８によって代表され、燃料温度の下限が線３２０によって代表される温度範囲によっても制限される。ガスタービンエンジン１０と関連する補助的な装置は、流入する燃料温度を燃料ガス温度に関する目標範囲３２２に維持するのに使用される。したがって、ガスタービンエンジン１０のオペレーショナルウインドウ（ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌｗｉｎｄｏｗ）３２４は、ＭＷＩ範囲３１２および温度範囲３２２によって定義される。曲線３１４によって表されるＭＷＩ値を伴う燃料ガスは、温度範囲３２２内の全ての温度に対するＭＷＩ範囲３１２を満たすことができる。しかし、曲線３１６によって代表されるＭＷＩ値を伴う燃料ガスは、温度範囲３２２内の全ての温度に対するＭＷＩ範囲３１２を満たすことができない。たとえば、液化天然ガスまたは天然ガスおよび液化天然ガスの化合物などの燃料ガスは、範囲３１２および／または３２２を超えずにウインドウ３２４の全範囲で動作することはできない。

測定されたまたは計算された燃料ガスＭＷＩをパラメータとして使用して燃焼器２６内の燃料ガス分割を自動的に調節することは、許容可能な排出および燃焼ダイナミックスレベルを維持しながら可能な燃料ＭＷＩの範囲を上昇させるのに使用される。特に、燃料分割計画は、ほぼ最小のＭＷＩ（または最大燃料ガス温度）によってその場所のチューニングによって決定され、次いで第２の組の計画が意図された最大のＭＷＩまたは意図された最小の燃料ガス温度で、またはそれよりわずかに低いところで動作テストによって決定される。ＭＷＩの最高値とＭＷＩの最低値の間のＭＷＩ値に関しては、適用される燃料分割は、たとえばＭＷＩの上限とＭＷＩの下限の間に線形に内挿され、許容可能な放出および燃焼ダイナミックスの両方を維持することができ、ＭＷＩの最高値とＭＷＩの最低値の外のＭＷＩ値に関しては、適用される燃料分割は、ＭＷＩの上限またはＭＷＩの下限から外挿することができる。オプションとして、ＭＷＩを使用して燃料分割計画の１つだけを調節する必要があるが、必要であれば２つの計画が調節できる。広い範囲の実際の発動機の状態、および期待されるガス特性範囲により、ガスＭＷＩでの許容可能な変化は、機械が異なり、場所が異なるとより大きなものになる可能性がある。１つの実施形態では、燃料分割計画を修正するためのアルゴリズムは、センサから入力データを受け取り、その入力データを処理し、燃料バルブへの出力を計算し、それらの出力を適用するようにリアルタイムで動作する。本明細書では、リアルタイムは、たとえばコンピュータによる計算などの結果に影響を与える入力の変更の後の実質的に短い期間で生じる結果を指す。例示の実施形態では、計算値は制御システムの走査時間およびプロセッサのクロック速度によって決定される周期によってリアルタイムで更新される。

図３は、ドライ低ＮＯ_Ｘの燃焼システムによって燃焼ガスタービンに関する可変の燃料ガス特性に対して自動的に補償する例示の方法４００の流れ図である。方法４００は、第１の燃料パラメータ値において第１の燃料分割設定を決定するステップ４０２を含む。動作段階の間に、保守技術者および／またはサービス技術員などの使用者はガスタービンエンジン１０に流入する燃料の温度を調節することによって燃料のＭＷＩを制御する。一般に、温度を上昇させることはＭＷＩを低下させ、温度を低下させることはＭＷＩを上昇させる傾向になる。ＭＷＩが選択された値に保持されながら、ガスタービンエンジン１０は、放出および燃焼ダイナミックスレベルに関して最適の動作構成にチューニングされる。パラメータのうちの１つは、燃焼器１４の複数の噴射点のそれぞれに流れる燃料の調節に含まれる。ＭＷＩは、第１の温度値から第２の温度値に燃料温度を変更することによって修正される４０４。一般に、これは燃料温度を変更することによって達成されるが、異なる発熱量を有する、流入する燃料の流れを混合することによるなど、燃料の発熱量を変更することによっても影響を受ける可能性がある。第２の燃料分割設定は、ガスタービンエンジン１０をＭＷＩの第２の値での放出および燃焼ダイナミックスレベルに関する最適の動作構成にチューニングし、燃焼器の各燃料噴射点に向けられた燃料の割合を記録することによって、ＭＷＩの第２の値において決定される４０６。燃料分割計画は、決定された第１および第２の燃料分割設定を使用して決定される４０８。燃料温度に対するＭＷＩの曲線は、範囲３２２でほぼ線形であるので、第１および第２のＭＷＩの値での燃料分割設定の間の線形の内挿により、ガスタービンエンジン１０の動作中に測定されるＭＷＩの各値に関して正確な燃料分割計画が計算できるようになる。ＭＷＩの第１および第２の値の外のＭＷＩの値に関しては、線形の外挿が計算される。その他の実施形態では、内挿および外挿の方法が使用される。決定された燃料分割計画は、燃焼器の少なくとも１つへの燃料流量を制御するために適用される４１０。燃料分割計画は、ガスタービンエンジンが電気エネルギーを電気負荷に供給している間にリアルタイムで決定される。ガスタービンエンジン１０の全ての動作モードの間に、制御システム２２は、各燃焼器に関する現在の燃料分割設定、ならびに流入する燃料のＭＷＩおよび温度を示す信号を受け取る。このような設定から、制御システム２２は、現在の燃料分割設定が、現在の燃料ＭＷＩおよび温度に関する決定された燃料分割計画に適合するか判断する。

少なくとも１つの燃料特性センサが、現在の燃料ＭＷＩを表すパラメータを決定し、あるいは実際の現在の燃料ＭＷＩを「リアルタイム」でおよび／または連続的に決定するのに使用される。第１および第２の燃料分割計画に関する新しい燃料分割値が、測定され計算されたガスタービンのパラメータ、および線形の内挿または外挿などの所定の数学的な関係による現在の燃料ＭＷＩに基づいて決定される。燃料温度の目標は、上述の連続的に決定される燃料ＭＷＩ値に従って行なわれる燃料分割の調節と同時に、燃料温度を最適のレベルに上昇させ、または低下させるための燃料ヒータの制御を使用して達成される。

上述の方法および装置は、燃料の成分での比較的大きな変更を可能にするためのガス燃料の予熱温度および燃焼器の燃料分配パラメータを自動的かつ連続的に調節するための費用効果の高い、信頼性のある手段を提供する。より詳細には、方法は、低ＮＯ_Ｘ放出の燃焼システムに適合した高耐久性の燃焼ガスタービンに関する、燃料および現存のガス燃料の予熱温度の比較的大きな変化に伴う動作を円滑化する。その結果、本明細書に説明された方法および装置は、費用効果の高い、信頼性のある方法でのガスタービンエンジンの動作を円滑化する。

ガスタービンエンジンの燃料の発熱量を監視し、ガスタービンエンジンの燃焼器に供給される燃料に対する燃料分割計画を制御するための例示の方法および装置が上記に詳細に説明されている。例示の装置は、本明細書に記載された特定の実施形態に限定されるのではなく、それぞれの構成要素が本明細書に記載されたその他の構成要素から独立に個別に利用可能である。各システムの構成要素は、その他のシステムの構成要素と組み合わせて使用することもできる。

方法および装置の技術的な効果は、ガスタービンエンジンで使用するための燃料成分での比較的大きな変更を可能にするために、ガス燃料の予熱温度および燃焼器の燃料分配パラメータを自動的かつ連続的に調節するシステムを提供することである。

本発明を様々な特定の実施形態によって説明してきたが、当業者は本発明が特許請求項の趣旨および範囲内での修正によって実施可能であることを理解するであろう。

ガスタービンエンジンシステムの概略図である。図１に示されたガスタービンエンジンの動作の例示の範囲に関する燃料ガス温度に対する修正されたウォッベ指数（ＭＷＩ）のグラフである。図１に示されるようなガスタービンエンジンシステムなどのドライ低ＮＯ_Ｘ燃焼システムによって燃焼ガスタービンに関する可変の燃料ガス特性に対して自動的に補償する例示の方法の流れ図である。

符号の説明

１０ガスタービンエンジンシステム
１２圧縮機
１４燃焼器
１６タービン
１８制御システム
２０吸気システム
２１入口案内翼
２２排気システムまたは制御システム
２４発電機
２６センサ
２６アクチュエータ
２６燃焼器
２８燃料制御装置
３２燃料ヒータ
３００グラフ
３０２ｘ軸
３０４ｙ軸
３０６破線
３０８線
３１０線
３１２修正されたウォッベ指数（ＭＷＩ）範囲
３１４曲線
３１６曲線
３１８線
３２０線
３２２目標範囲
３２２温度範囲
３２４ウインドウ
４００ドライ低ＮＯ_Ｘの燃焼システムによって燃焼ガスタービンに関する可変の燃料ガス特性に対して自動的に補償する方法

Claims

ガスタービンエンジンと制御システム（１８）と複数の燃料流量制御デバイスとを備え、
前記ガスタービンエンジンは、複数の異なる位置で燃料を燃焼器（１４）内に噴射するように構成された複数の燃料噴射点を有する少なくとも１つの前記燃焼器を備え、前記燃焼器が前記燃料を燃焼させるように構成され、該ガスタービンエンジンはシャフトを介して負荷に回転可能に連結されており、
前記制御システム（１８）は、
前記ガスタービンエンジンシステムの周りに配置され、前記ガスタービンエンジンの動作と関連するパラメータを測定するように構成された複数のセンサ（２６）と、
前記燃料の発熱量に関連する燃料特性を決定するように構成された少なくとも１つのセンサと、
前記燃料の現在の発熱量を示す信号を受け取り、ガスタービンエンジンの負荷、前記ガスタービンエンジンに近接した周囲状態、および前記燃料の前記発熱量を示す信号に基づいて燃料制御信号を自動的に発生させるようにプログラムされたプロセッサと、
前記前記燃料制御信号を使用して前記複数の異なる位置に噴射される燃料の量を制御するように構成された複数の燃料流量制御デバイスと
を備える、
ガスタービンエンジンシステム（１０）。
前記発熱量が、前記燃料の修正されたウォッベ指数（ＭＷＩ）（３１２）によって表される、請求項１記載のガスタービンエンジンシステム（１０）。
前記燃料の前記修正されたウォッベ指数（３１２）が、
を使用して決定され、
ただし、
ＭＷＩが修正されたウォッベ指数を表し、
ＬＨＶが燃料の低発熱量（Ｂｔｕ／ｓｃｆ）を表し、
ＳＧ_ｇａｓが空気に対する燃料ガスの比重を表し、
Ｔ_ｇａｓがランキン度での燃料ガス温度を表す、請求項２記載のガスタービンエンジンシステム（１０）。
前記プロセッサがさらに、
前記燃料の第１の発熱量において第１の燃料分割設定を決定し、
前記燃料の第２の発熱量において第２の燃料分割設定を決定し、
前記決定された第１および第２の燃料分割設定を使用して燃料分割を決定し、
前記燃焼器（１４）への燃料流量を制御するために、前記決定された燃料分割を適用するようにプログラムされた、請求項１記載のガスタービンエンジンシステム（１０）。
前記プロセッサがさらに、前記燃料の前記決定された発熱量を使用して、前記決定された第１の燃料分割設定と第２の燃料分割設定の間の内挿、および前記燃料の前記決定された発熱量を使用して、前記決定された第１の燃料分割設定と第２の燃料分割設定を超える外挿のうちの少なくとも１つにプログラムされる、請求項４記載のガスタービンエンジンシステム（１０）。
前記プロセッサがさらに、前記決定された燃料分割を使用して、少なくとも１つの燃焼器（１４）に関する燃料分割計画を修正するようにプログラムされる、請求項４記載のガスタービンエンジンシステム（１０）。
前記ガスタービンエンジン（１０）が、燃料ガス予熱システムに連結され、前記方法がさらに、燃料ガス温度を修正する要求信号を前記燃料ガス予熱システムに伝達するステップを含む、請求項６記載の方法（４００）。
燃料の発熱量を決定するステップと、
前記燃料を燃焼させるための複数の燃料点を含む燃焼器（１４）を提供するステップと、
前記決定された発熱量を使用して前記燃焼器の前記燃料噴射点の間の燃料分割を自動的に制御するステップとを含む、ガスタービンエンジン（１０）を動作させる方法（４００）。
前記発熱量が、前記燃料の修正されたウォッベ指数（ＭＷＩ）（３１２）によって表される、請求項８記載の方法（４００）。
前記燃料の前記修正されたウォッベ指数（３１２）が、
を使用して決定され、
ただし、
ＭＷＩが修正されたウォッベ指数を表し、
ＬＨＶが燃料の低発熱量（Ｂｔｕ／ｓｃｆ）を表し、
ＳＧ_ｇａｓが、空気に対する燃料ガスの比重を表し、
Ｔ_ｇａｓが、ランキン度での燃料ガス温度を表す、請求項９記載の方法（４００）。