JPH06257748A - ガスタービン、ガスタービンの燃焼部、及びガスタービンの個々の燃焼室への燃料を調整する方法 - Google Patents
ガスタービン、ガスタービンの燃焼部、及びガスタービンの個々の燃焼室への燃料を調整する方法Info
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Abstract
比の均一分布をもたらすことのできるガスタービンを提
供する。 【構成】 燃料調整ユニットが工業用ガスタービン18
の多室燃焼器内の各燃焼室16に適用されている。燃料
調整ユニット46、48は、各燃焼室16内への燃焼用
空気流に適合するように作用する。これは、各燃焼室1
6の個々の燃焼反応域24、26への空気流量の変動に
応じて燃料空気混合気を調整するものである。燃料調整
ユニットによって、均一な燃料空気混合気がガスタービ
ン内の各燃焼室16に送給される。燃料調整ユニット
は、各燃焼室16への燃料流量、各燃焼室内の動圧及び
タービン排気温度の検知器入力を用いて調整されてい
る。
Description
制御システムに関し、特に、複数の燃焼室を有している
工業用ガスタービン用の燃料調整(trim)システムに関
する。
気汚染放出物をなるべく低減しながら、なるべく高い効
率で機能する必要がある。ガスタービンの効率を高める
ために一般に行われていることは、ガスタービンの燃焼
室内全域のガス温度を高めることである。放出物の低減
は燃焼室内の最高ガス温度を下げることにより行われ
る。効率を高めるために燃焼室内の温度を高めようとす
ることは、低放出量ガスタービンに対する規制要件にあ
る程度抵触する。
ビンによって生ずる主な空気汚染放出物は、窒素酸化物
(NOx)、一酸化炭素(CO)、及び未燃炭化水素
(UHC)である。ガスタービン内の窒素分子の酸化
は、各燃焼室の燃焼反応域内の最高ガス温度と共に急激
に増加する。窒素酸化物を形成する化学反応の速度は、
温度の指数関数である。NOx放出量は、たとえ最高温
度に短時間だけ到達したとしても、非常に多くなるおそ
れがある。NOx放出量を減少させる通常の方法は、希
薄燃料空気比を保つことにより燃焼室内の最高ガス温度
を下げることである。
あれば、一酸化炭素及び未燃炭化水素の放出量が過多に
なる。CO及びUHCの放出は燃料の不完全燃焼に起因
する。これらの放出物の発生は通常、空気燃料混合気が
反応域内の燃焼を過度に抑制するところで起こる。反応
域内の温度は完全燃焼の持続に適する温度でなければな
らない。さもないと、化学燃焼反応は平衡に達する前に
抑制されてしまう。残念ながら、燃焼の過早抑制は、希
薄可燃限界近くの空気燃料混合気で作用する最新の低N
Ox燃焼器内で過度に頻発する。
生率は、反応域温度の非線形関数であると共に、希薄燃
料空気比可燃限界で急激にピークに達する。CO及びU
HCの放出量を最小にするためには、ガスタービン燃焼
器の反応域に希薄可燃限界の回避に適する空気燃料混合
気を送り込まなければならない。しかしながら、それで
も燃焼器はNOx放出量を減少させるために、希薄空気
燃料混合気で作用しなければならない。CO、UHC及
びNOxの放出量低減という矛盾した要件を両立させる
ために、工業用ガスタービンの燃焼器の反応域内の空気
燃料混合気を極めて精密に制御する必要がある。
均等であるべきである。各燃焼器内の空気燃料混合が一
定であると、混合気をCO、UHC及びNOxの放出量
の低減に最適な希薄混合比に保ち得る。加えて、各室内
の燃料空気比が均一であると、ガスタービンの各燃焼器
内の温度分布が均一になる。温度及び圧力の均一な分布
は、ガスタービンの燃焼器、タービン及び他の高温流通
過構成部における熱応力及び機械的な応力を減少させ
る。これらの応力の減少は燃焼器部品及びタービン部品
の使用寿命を長くする。いくつかの燃焼室(他の室を除
く)内の最高ガス温度は熱応力を増加させると共に、燃
料空気比が高い比較的高温の室の材料、及びこれらの室
のすぐ下流にあるタービン部品の材料の強度を減少させ
る。
に均一な温度及び圧力の分布をもたらすことは、非常に
困難であることがわかっている。例えば、燃焼器内の空
気流分布は、燃焼室の構成部と、それらのアセンブリと
における偏差により乱される。このような偏差は、燃焼
器及びガスタービン部品の製造、設置及び組み立てにお
ける所要公差によるものである。加えて、空気流の経路
は不規則であって、圧縮機から燃焼システムに近付き、
そしてタービンへの燃焼器出口で外に出る。これらの不
規則な経路は、燃焼器を通る空気流に影響を与えると共
に、燃焼器内に不均一な空気流分布を引き起こす。例え
ば、タービン軸受潤滑油用管路によって、圧縮機吐出し
空気流路内に局所的な空気流抵抗が生ずる。燃焼室内の
不規則な空気流分布は、各燃焼室内の燃料空気比に異な
る影響を及ぼす。各燃焼室内の空気流の変動は、全燃焼
室内において一定の燃料空気比を維持することを困難に
する。
用の従来の燃料システムは、各燃焼室に燃料流を均等に
分配する。これらの燃料システムは共通制御手段を有し
ており、この制御手段は、各室へ同じ流量の燃料を送給
するように流量規制をなす。これらの燃料システムは、
各燃焼室内に均一な燃料空気比を維持するように各室へ
の燃料流を調整しない。従って、これらの従来の燃料シ
ステムは、空気流が各燃焼室に均等に分配されないと
き、全燃焼室内において真に均一な燃料空気比を維持す
ることができない。
テムの各燃焼室への燃料流を調整する制御システムであ
る。各室への燃料流分配は、各室内に燃料空気比の均一
な分布をもたらすべく、空気流分配に適合するように調
整される。最適な燃料調整は、室間の制御されない空気
流量差にもかかわらず、全室内の燃料空気比を等しくす
る。
個別燃焼室燃料流量、(2)個別燃焼室動圧値、及び
(3)タービン排出口の全周にわたるガスタービン排気
温度分布である。これらの信号は、燃料調整システムに
よって設定される最適な燃料流分布を定めるために、個
別に又は組み合わせて用いられ得るものである。各燃焼
室用の従来の計器が、燃料調整システム用の上述の制御
信号を得るために用いられている。これらの計器はガス
タービン業界において周知であり、十分な信頼性を有す
ることがわかっている。
らの圧縮空気を受け入れている多室燃焼器と、圧縮機に
それを駆動するように連結されていると共に、燃焼器か
らの排気を受け入れているタービンと、多室燃焼器の各
室に燃料を送給すると共に、個々の室への燃料を各室へ
の空気流と適合させるように調整している燃料システム
とを備えているガスタービンである。
を有しているガスタービンの燃焼部であって、少なくと
も1つの室は、圧縮機からの空気を受け入れていると共
に燃料分配器からの燃料を受け入れている少なくとも1
つの燃焼反応域を備えており、燃料分配器は、燃料トリ
ムオリフィスと、燃料トリム弁とを有しており、少なく
とも1つの室用の燃料トリム弁は、その室への燃料流を
調整するように個別に設置されるている、ガスタービン
の燃焼部である。
料空気比を均一に分布させて、ガスタービン排気内の望
ましくない空気汚染物、例えば、窒素酸化物、一酸化炭
素及び未燃炭化水素の放出量をガスタービンの全負荷範
囲にわたって最小にすることを包含している。加えて、
燃料空気比の均一分布は、ガスタービンの高温流通過構
成部の使用寿命を長くする。
多室型燃焼システムの全燃焼室内に燃料空気比の均一分
布をもたらす方法を提供することである。特に、空気流
が各燃焼室に均一に分配されないときに、多室型ガスタ
ービン燃焼システムの各燃焼室内に均一な燃料空気比を
維持することを目的とする。本発明の他の目的は、燃焼
室への燃料流分配を調整して、各室への空気流の変動に
適合させることである。
細に説明する。図1はガスタービン12を示しており、
ガスタービン12は、圧縮機14と、圧縮機排気ダクト
15と、多数の燃焼室(1つを図示)16と、単一の動
翼で代表されているタービン18とを含んでいる。詳細
に示していないが、周知のように、タービン18は共通
軸線に沿って圧縮機14に連結されており、圧縮機14
を駆動する。圧縮機14は導入空気を圧縮し、この空気
は、参照番号19で示すように転向して燃焼器に向か
い、そこで燃焼器を冷却すると共に燃焼用空気として役
立つ。
に沿って配置されている。1つの特定のガスタービンで
は、14個の燃焼室がガスタービンの周囲に沿って配設
されている。個々の燃焼室の出口端は、遷移ダクト20
によってタービン18の入口端に連結されており、高温
の燃焼過程生成物をタービンに送る。本発明は、米国特
許番号第4292801号に記載されている型の2段2
モード低NOx燃焼器に特に有用である。この引用特許
に記載されていると共に、図1及び図2に示されている
ように、各燃焼室16は、ベンチュリスロート(のど)
域28によって隔てられている1次又は上流燃焼反応域
24と、2次又は下流燃焼反応域26とを備えている。
各燃焼室は燃焼器流れスリーブ30によって囲まれてお
り、スリーブ30は、圧縮機吐出し空気流を燃焼室に導
く。燃焼室は更に、外側ケーシング31によって囲まれ
ており、ケーシング31はタービンケーシング32にボ
ルト止めされている。
応域24に送るものとして、中央2次燃料ノズル38の
周囲に環状列に配設されている。1つの型のガスタービ
ンでは、各燃焼室は6つの1次ノズルと、1つの2次ノ
ズルとを含んでいてもよい。燃料は集中型環状燃料マニ
ホルド42から、これらのノズルに送給される。マニホ
ルド42から、燃料は管43によってフィルタを通り、
そして1次燃焼反応域24用及び2次燃焼反応域26用
の燃料分配器に達する。2次分配器44は燃料を2次燃
料ノズル38に導くと共に、1次分配器45は環状配管
ユニットであって、燃料を1次ノズル36に導く。
ットを有している。2次分配器用の2次燃料調整ユニッ
ト46は、技術者によって操作される調節可能な弁60
を有している。技術者は圧力、温度及び燃料流量検知器
からの検知器信号を読み取る。同様な1次燃料調整ユニ
ット48が1次ノズルへの燃料流を調整する。1次燃焼
室内で点火プラグ49によって点火が発生すると共に、
クロスファイア管50を介して隣接する燃焼室によって
発生する。
記載されているような2段2モード低NOx燃焼システ
ムに適用されているような燃料調整システムを示す。ガ
スタービン燃焼システムの多数の燃焼室16は、室1、
2、3、……、Nと分類されている。ここで、Nは燃焼
システムにおける燃焼室の総数である。各室内の1次及
び2次反応域内での燃焼反応は、独立的又は一緒に発生
する。燃料及び空気が燃焼室の両反応域に導入されて、
燃焼が起こり、そして燃料が酸化されて発熱し、その結
果、燃焼ガスの温度及び圧力が上昇する。代表的な適用
例では、燃料は炭化水素、例えばメタン(CH4)であ
り、そして平衡に達する燃焼の酸化生成物は主として、
二酸化炭素(CO2)及び水(H2O)である。これら
の燃焼生成物は通常、圧縮機から燃焼器を経て希釈空気
として供給される過剰空気で希釈される。
内の高温ガスの温度分布は、各室の両反応域内の燃料空
気比に依存する。燃焼室を流出しそしてタービン18の
第1段に入る燃焼ガス流における高温ガスの温度及び圧
力の分布は、各燃焼室内における全域にわたる燃料空気
比に依存する。一般に、空気流量は各燃焼室に対して変
動する。各室内の各反応域への燃料流は、空気流の変動
に応じて調整される。各燃焼室の1次及び2次反応域そ
れぞれへの燃料流量は、全室への平均燃料流量に対して
調整、即ち増減される。この調整は、各燃焼室に対して
燃料流を空気流に適合させる燃料調整システム46及び
48によって成される。
1次燃料ノズルへの燃料流量を調整する。この調整はガ
スタービンの運転中、任意の時点で成し得るものである
が、通常、ガスタービンの据付け時又はオーバホール中
に成されよう。燃料流量を各燃焼室に対して個別に調整
することにより、燃料流量を各燃焼室内の個別の空気流
量に適合させて、各室内に一定の燃料空気比を維持する
ことができる。
46又は48の一構成を示す。燃料トリム制御弁60
が、各燃焼室の各域への燃料供給管路の流れ抵抗を変え
ることにより、各反応域24及び26への燃料流量を調
整する。燃料トリム制御弁60を設置(セット)するた
めに用いられているパラメータ測定値は、(1)各燃料
調整システムへの燃料流量の測定値と、(2)燃焼室動
圧測定値と、(3)ガスタービン排気内のガス温度分布
の測定値とである。技術者は個別の燃焼室動圧と、ガス
タービン排気温度の分布と、個別の燃焼室燃料流量とを
監視する。
に含まれており、各燃焼室内の各反応域への燃料流量を
測定する。この燃料流量測定値は、各燃焼室内の1次及
び2次反応域に分けられた所望の燃料流を維持するため
に用いられる。各室への全燃料流と、各反応域への燃料
流とは、各室への空気流分配に適合するように、弁60
によって調整される。
1)によって室内圧力測定値が得られ、燃料トリム弁6
0を調節する技術者に表示される。同様に、技術者は従
来の排気用熱電対列68(図1に1つのみの熱電対プロ
ーブを示す)から、タービンを出た排気の温度分布に関
するデータを得る。圧力及び温度検知器と、燃料流量計
とからデータが与えられると、技術者は各燃焼室の各反
応域に対して燃料トリム弁を調節することができる。こ
のようにして、各反応域への燃料流は、すべての燃焼室
内で均一な空気燃料混合気を維持するように調整され得
る。
算機によって制御されるような代替実施例における燃料
調整ユニットの詳細な線図を示す。計算機70が各燃焼
室内に均一な燃料空気比を維持するように、検知器デー
タを監視して、燃料流を連続的に調整する。手動方法で
は、トリム弁60は据付け時に一定位置に設置され、そ
して整備中に調節され得る。この手動方法は十分な方法
である。なぜなら、空気流分配はタービンの全寿命にわ
たって大して変化しないと予想されるからである。従っ
て、ひとたび燃料流がガスタービンの据付け時に各室に
適合するように調整されると、燃料と空気との適合はガ
スタービンの寿命中、有効であると期待してもよい。し
かしながら、真に正確な燃料空気調整が望まれる場合に
は、計算機によって連続的に制御される燃料調整が望ま
しいかもしれない。
るゼネラル・エレクトリック・カンパニイによって販売
されている工業用ガスタービン用のマークV(MARK V)
制御計算機のような従来の制御システムである。この計
算機は排気熱電対列68と室内動圧検知器66とから検
知器データを受け取る。同様に、制御計算機70は各反
応域用の流量計64から燃料流量データを受け取る。こ
れらの検知器入力を用いて、制御計算機70はソレノイ
ド72を作動させて燃料トリム弁65を調節する。
る燃料トリム弁60は、直列に設けられているトリム弁
65及びトリム燃料オリフィス74と、それらと並列に
設けられている主燃料オリフィス76とを含んでいる。
並列の主燃料オリフィス76と、トリム燃料オリフィス
74とは、燃焼室への燃料流分配の意図しない極端な変
動からガスタービンを保護する。もし全燃料が燃料トリ
ムオリフィス74を通流したとすれば、燃料流が空気流
に適合するように調整されつつある間に燃料の極端な変
動が起こるおそれがある。並列の主オリフィスと、トリ
ムオリフィスとは、燃料調整ユニットによる燃料流の最
大変動を制限する。
されるものとして説明したが、本発明は、燃焼システム
に多数の燃焼室を用いているシステムであれば、単段低
NOx燃焼システム、従来の単段燃焼システム又は他の
任意のガスタービン燃焼システムにも適用し得るもので
ある。以上、本発明の最も実用的で最適な実施例と考え
られるものについて説明したが、本発明は、開示した実
施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内
で様々な改変及び均等構成が可能であることを理解され
たい。
る。
である。
システムの概略図である。
Claims (12)
- 【請求項1】 圧縮機と、 該圧縮機からの圧縮空気を受け入れている多室燃焼器
と、 前記圧縮機にそれを駆動するように連結されていると共
に、前記燃焼器からの排気を受け入れているタービン
と、 前記多室燃焼器の各室に燃料を送給する燃料システムで
あって、個々の室への燃料を各室への空気流に適合させ
るように調整している燃料システムとを備えたガスター
ビン。 - 【請求項2】 前記燃料システムは、個々の室への燃料
を各室への空気流に適合させるように調整すべく、連続
的に調節している請求項1に記載のガスタービン。 - 【請求項3】 前記燃料システムは、個々の室への燃料
を各室への空気流に適合させるように調整すべく、手動
で調節されている請求項1に記載のガスタービン。 - 【請求項4】 前記燃料システムは、各燃焼室に対して
少なくとも1つの燃料制御トリム弁を含んでおり、該燃
料制御トリム弁は、直列に設けられている調節可能な燃
料トリム弁及びトリム燃料オリフィスと、該燃料トリム
弁及び該トリム燃料オリフィスと並列に設けられている
主燃料オリフィスとを含んでいる請求項1に記載のガス
タービン。 - 【請求項5】 前記燃焼器の各々は、1次及び2次反応
域を含んでおり、該反応域の各々は、関連する燃料制御
トリム弁を有している請求項1又は請求項4に記載のガ
スタービン。 - 【請求項6】 前記燃料システムは、前記燃焼器の全室
内に実質的に均一な燃料空気比を維持するように、各室
への燃料を調整している請求項1に記載のガスタービ
ン。 - 【請求項7】 複数の室を有しているガスタービンの燃
焼部であって、 前記室の少なくとも1つは、圧縮機からの空気を受け入
れていると共に燃料分配器からの燃料を受け入れている
少なくとも1つの燃焼反応域を備えており、 前記燃料分配器は、燃料トリムオリフィスと、燃料トリ
ム弁とを有しており、前記少なくとも1つの前記室用の
前記燃料トリム弁は、該室への燃料の流量を調整するよ
うに個別に設置されているガスタービンの燃焼部。 - 【請求項8】 前記燃料トリム弁は、前記室への燃料の
流量が該室に流入する空気に適合して該室内に選定され
た燃料空気比をもたらすように設置されている請求項4
に記載の燃焼部。 - 【請求項9】 多数の燃焼室を有しているガスタービン
の個々の燃焼室への燃料を調整する方法であって、 前記ガスタービンは、各室用の少なくとも1つの燃料制
御トリム弁と、各室への燃料流量、各室内の動圧及び該
ガスタービンを通過する燃焼ガスの温度分布を指示する
検知器とを含んでいる燃料システムを有しており、 (a) 各燃焼室への燃料流、動圧及び燃焼排気の温度
分布を検知して、それらに関するデータを得る工程と、 (b) 工程(a)で得られたデータを用いて、選定さ
れた燃料空気比が各室内で維持されるように各室用の前
記燃料制御トリム弁を調節する工程とを備えた、ガスタ
ービンの個々の燃焼室への燃料を調整する方法。 - 【請求項10】 工程(b)の前記選定された燃料空気
比は、全燃焼室内で実質的に均一な燃料空気比である請
求項9に記載の方法。 - 【請求項11】 工程(b)は、前記ガスタービンの運
転中に少なくとも1回手動で行われる請求項9又は請求
項10に記載の方法。 - 【請求項12】 ガスタービンは、工程(a)で検知さ
れたデータを受け取ると共に工程(b)で前記燃料制御
トリム弁を調節する制御用計算機を含んでいる請求項9
又は請求項10に記載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
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---|---|---|---|
US996934 | 1992-12-30 | ||
US07/996,934 US5319931A (en) | 1992-12-30 | 1992-12-30 | Fuel trim method for a multiple chamber gas turbine combustion system |
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