DE112021005603T5

DE112021005603T5 - Gasturbinenbrennkammer und gasturbine

Info

Publication number: DE112021005603T5
Application number: DE112021005603.4T
Authority: DE
Inventors: Kenji Miyamoto; Sosuke Nakamura; Taku Egawa; Tomo Kawakami
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2021-01-08
Filing date: 2021-12-28
Publication date: 2023-08-03
Also published as: CN116710643A; US20240125476A1; JPWO2022149540A1; KR20230112676A; WO2022149540A1; JP7456012B2

Abstract

Eine Gasturbinenbrennkammer gemäß mindestens einer Ausführungsform umfasst: ein Strömungssteuerteil für weniger brennbaren Brennstoff zum Steuern, unabhängig voneinander, von Mengen von weniger brennbarem Brennstoff, die einem ersten Brennstoffinjektor und einem zweiten Brennstoffinjektor zugeführt werden, ein Strömungssteuerteil für leicht brennbaren Brennstoff, zum Steuern, unabhängig voneinander, von Mengen von leicht brennbarem Brennstoff, der eine höhere Verbrennungsgeschwindigkeit als der weniger brennbare Brennstoff hat und dem ersten Brennstoffinjektor und dem zweiten Brennstoffinjektor zugeführt wird, und eine Steuereinrichtung, die konfiguriert ist, um das Steuerteil für den Durchfluss des weniger brennbaren Brennstoffs und das Steuerteil für den Durchfluss des leicht brennbaren Brennstoffs so zu steuern, Strömungssteuerteil für weniger brennbaren Brennstoff und das Strömungssteuerteil für leicht brennbaren Brennstoff so zu steuern, dass sich ein relatives Verhältnis eines ersten Verhältnisses des leicht brennbaren Brennstoffs zur Gesamtheit des von dem ersten Brennstoffinjektor eingespritzten ersten Brennstoffs und eines zweiten Verhältnisses des leicht brennbaren Brennstoffs zur Gesamtheit des von dem zweiten Brennstoffinjektor eingespritzten zweiten Brennstoffs entsprechend einem Betriebszustand einer Gasturbine ändert.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Gasturbinenbrennkammer und eine Gasturbine. Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2021-002117 , die am 8. Januar 2021 eingereicht wurde und deren Inhalt hier durch Bezugnahme aufgenommen ist.
HINTERGRUND
Bei einer Gasturbine zur Stromerzeugung kann beispielsweise ein Betriebszustand in einen Absenk- oder Turndownbetrieb umgeschaltet werden, um eine Schwankung des Strombedarfs während des Tages oder in der Nacht zu bewältigen. Im Absenkbetrieb wird die Gasturbine im Vergleich zum Nennbetrieb mit geringerer Leistung betrieben, indem der Durchsatz eines durch die Turbine strömenden Verbrennungsgases reduziert wird (siehe z.B. Patentdokument 1) .
Zitierliste
Patentliteratur
Patentdokument 1: JP 2011-137390 A
ZUSAMMENFASSUNG
Technisches Problem
Wenn die Ausgabe durch Ausführen des Absenkbetriebs der Gasturbine reduziert wird, sinkt eine Verbrennungstemperatur in einer Brennkammer, was zu einer erhöhten Erzeugung von unverbrannten Substanzen wie Kohlenmonoxid oder Kohlenwasserstoff oder zum Auftreten einer Verbrennungsschwingung führt. Um jedoch flexibel auf die oben beschriebene Schwankung des Strombedarfs zu reagieren, ist es erforderlich, einen Betriebsbereich der Gasturbine zu erweitern, indem der untere Ausgabegrenzwert im Absenkbetrieb reduziert wird. Um den unteren Ausgabegrenzwert im Absenkbetrieb zu reduzieren, ist es wünschenswert, eine Mischverbrennung von leichtbrennbarem Brennstoff, wie z.B. Wasserstoff, mit einer relativ hohen Verbrennungsgeschwindigkeit durchzuführen.
Erhöht sich jedoch die Mischverbrennungsrate des leichtbrennbaren Brennstoffs, steigt das Risiko einer Rückzündung (engl. „backfire“). Das heißt, die Verringerung des unteren Ausgabegrenzwerts im Absenkbetrieb und die Verringerung des Rückzündungsrisikos stehen in einem Spannungsverhältnis.
In Anbetracht der obigen Ausführungen besteht ein Ziel mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darin, sowohl die Verringerung des unteren Ausgabegrenzwerts im Absenkbetrieb als auch die Verringerung des Rückzündungsrisikos zu erreichen.
Lösung des Problems
(1) Eine Gasturbinenbrennkammer gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst: einen ersten Brennstoffinjektor, einen zweiten Brennstoffinjektor, ein Verbrennungsteil zum Verbrennen von Brennstoff, der von dem ersten Brennstoffinjektor und dem zweiten Brennstoffinjektor eingespritzt wird, ein Strömungssteuerteil für weniger brennbaren Brennstoff, zum Steuern, unabhängig voneinander, von Mengen von weniger brennbarem Brennstoff, die dem ersten Brennstoffinjektor und dem zweiten Brennstoffinjektor zugeführt werden, ein Strömungssteuerteil für leicht brennbaren Brennstoff, zum Steuern, unabhängig voneinander, von Mengen von leicht brennbarem Brennstoff, der eine höhere Verbrennungsgeschwindigkeit als der weniger brennbare Brennstoff aufweist und dem ersten Brennstoffinjektor und dem zweiten Brennstoffinjektor zugeführt wird, und eine Steuereinrichtung, die konfiguriert ist, um das Strömungssteuerteil für weniger brennbaren Brennstoff und das Strömungssteuerteil für leicht brennbaren Brennstoff so zu steuern, dass sich ein relatives Verhältnis eines ersten Verhältnisses des leicht brennbaren Brennstoffs zur Gesamtheit des von dem ersten Brennstoffinjektor eingespritzten ersten Brennstoffs und eines zweiten Verhältnisses des leicht brennbaren Brennstoffs zur Gesamtheit des von dem zweiten Brennstoffinjektor eingespritzten zweiten Brennstoffs entsprechend einem Betriebszustand einer Gasturbine ändert.
(2) Eine Gasturbine gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst: die Gasturbinenbrennkammer mit der obigen Konfiguration (1).
Vorteilhafte Effekte
Gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, sowohl eine Verringerung des unteren Ausgabegrenzwerts im Absenkbetrieb als auch eine Verringerung des Rückzündungsrisikos zu erreichen.
Figurenliste

1 ist eine schematische Konfigurationsansicht einer Gasturbine gemäß einigen Ausführungsformen.
2 ist eine Querschnittsansicht einer Brennkammer gemäß einigen Ausführungsformen.
3 ist eine Querschnittsansicht, die Hauptteile der Brennkammer gemäß einigen Ausführungsformen zeigt.
4A ist eine Ansicht, die schematisch die Anordnung der jeweiligen Brennstoffinjektorn zeigt, wenn die Brennkammer an einer stromaufwärtigen Seite von einer stromabwärtigen Seite entlang der axialen Richtung der Brennkammer gemäß einigen Ausführungsformen betrachtet wird.
4B ist eine Ansicht, die schematisch die Anordnung der jeweiligen Brennstoffinjektorn zeigt, wenn die Brennkammer an einer stromaufwärtigen Seite von einer stromabwärtigen Seite entlang der axialen Richtung der Brennkammer gemäß einer anderen Ausführungsform betrachtet wird.
5 ist ein schematisches Diagramm eines Versorgungssystems für Brennstoff in Bezug auf die Brennkammer gemäß einigen Ausführungsformen.
6A ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Beziehung zwischen einem Index, der einen Betriebszustand der Gasturbine darstellt, und einem ersten Verhältnis und einem zweiten Verhältnis zeigt.
6B ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel für eine Beziehung zwischen dem Index, der den Betriebszustand der Gasturbine darstellt, und dem ersten Verhältnis und dem zweiten Verhältnis zeigt.
6C ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel für eine Beziehung zwischen dem ersten Verhältnis und dem Index, der den Betriebszustand der Gasturbine darstellt, zeigt.
6D ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel für eine Beziehung zwischen dem ersten Verhältnis und dem Index, der den Betriebszustand der Gasturbine darstellt, zeigt.
6E ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel für eine Beziehung zwischen dem zweiten Verhältnis und dem Index, der den Betriebszustand der Gasturbine darstellt, zeigt.
7 ist ein schematisches Gesamtdiagramm einer Verbrennungssteuerungsvorrichtung gemäß einigen Ausführungsformen.
8 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration einer CLCSO-Berechnungslogik in der Verbrennungssteuerungsvorrichtung gemäß einigen Ausführungsformen zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es ist jedoch beabsichtigt, dass Abmessungen, Materialien, Formen, relative Positionen und ähnliches von Komponenten, die in den Zeichnungen als Ausführungsformen beschrieben oder gezeigt werden, nur als illustrativ zu verstehen sind und den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken sollen, sofern sie nicht besonders gekennzeichnet sind. So ist beispielsweise der Ausdruck „relative oder absolute Anordnung“ wie „in einer Richtung“, „entlang einer Richtung“, „parallel“, „orthogonal“, „zentriert“, „konzentrisch“ und „koaxial“ nicht so auszulegen, dass er nur die Anordnung im strengen Wortsinn bezeichnet, sondern auch einen Zustand einschließt, in dem die Anordnung um eine Toleranz oder um einen Winkel oder einen Abstand relativ verschoben ist, wodurch es möglich ist, die gleiche Funktion zu erreichen.
So ist z.B. ein Ausdruck für einen gleichen Zustand wie „derselbe“, „gleich“ und „einheitlich“ nicht so zu verstehen, dass er nur den Zustand angibt, in dem das Merkmal strikt gleich ist, sondern auch einen Zustand einschließt, in dem eine Toleranz oder ein Unterschied besteht, mit dem dennoch die gleiche Funktion erreicht werden kann.
Ferner ist z.B. ein Ausdruck einer Form wie eine rechteckige Form oder eine Rohrform nicht so zu verstehen, dass damit nur die geometrisch strenge Form gemeint ist, sondern auch eine Form mit Unebenheiten oder abgeschrägten Ecken innerhalb des Bereichs, in dem die gleiche Wirkung erzielt werden kann.
Andererseits sind die Ausdrücke „umfassend“, „einschließlich“, „mit“, „enthaltend“ und „konstituierend“ für einen Bestandteil keine ausschließenden Ausdrücke, die das Vorhandensein anderer Bestandteile ausschließen.
(In Bezug auf Gasturbine 1)
1 ist eine schematische Konfigurationsansicht einer Gasturbine 1 gemäß einigen Ausführungsformen.
Eine Gasturbine, die ein Beispiel für die Anwendung einer Gasturbinenbrennkammer gemäß einigen Ausführungsformen ist, wird unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
Wie in 1 gezeigt, umfasst die Gasturbine 1 gemäß einigen Ausführungsformen einen Verdichter 2 zur Erzeugung von verdichteter Luft, die als Oxidationsmittel dient, eine Gasturbinenbrennkammer 4 zur Erzeugung eines Verbrennungsgases unter Verwendung der verdichtete Luft und von Brennstoff, und eine Turbine 6, die konfiguriert ist, um durch das Verbrennungsgas in Drehung versetzt zu werden. Im Falle der Gasturbine 1 zur Stromerzeugung ist ein Generator (nicht dargestellt) mit der Turbine 6 verbunden, der durch die Rotationsenergie der Turbine 6 Strom erzeugt. In der folgenden Beschreibung wird die Gasturbinenbrennkammer 4 auch einfach als Brennkammer 4 bezeichnet.
Im Folgenden wird die spezifische Konfiguration der einzelnen Komponenten der Gasturbine 1 gemäß einigen Ausführungsformen beschrieben.
Der Verdichter 2 gemäß einigen Ausführungsformen umfasst ein Verdichtergehäuse 10, einen Lufteinlass 12, der an einer Einlassseite des Verdichtergehäuses 10 angeordnet und zum Ansaugen von Luft konfiguriert ist, einen Rotor 8, der so angeordnet ist, dass er sowohl das Verdichtergehäuse 10 als auch ein später beschriebenes Turbinengehäuse 22 durchsetzt, und eine Vielzahl von Schaufeln, die im Verdichtergehäuse 10 angeordnet sind. Die verschiedenen Schaufeln umfassen eine Einlassleitschaufel 14, die auf der Seite des Lufteinlasses 12 angeordnet ist, eine Vielzahl von Statorschaufeln 16, die auf der Seite des Verdichtergehäuses 10 befestigt sind, und eine Vielzahl von Rotorschaufeln 18, die an dem Rotor 8 so angebracht sind, dass sie abwechselnd mit den Statorschaufeln 16 angeordnet sind. Der Verdichter 2 kann ein weiteres Element, wie z.B. eine Extraktionskammer (nicht dargestellt), enthalten. In einem solchen Verdichter 2 strömt die vom Lufteinlass 12 angesaugte Luft durch die mehreren Statorschaufeln 16 und die mehreren Rotorschaufeln 18 und wird komprimiert, wobei sie sich in verdichtete Luft mit hoher Temperatur und hohem Druck verwandelt. Anschließend wird die verdichtete Luft mit hoher Temperatur und hohem Druck vom Verdichter 2 zur Brennkammer 4 einer späteren Stufe geleitet.
Die Brennkammer 4 gemäß einigen Ausführungsformen ist in einem Gehäuse 20 angeordnet. Wie in 1 dargestellt, kann eine Vielzahl von Brennkammern 4 ringförmig um den Rotor 8 zentriert im Gehäuse 20 angeordnet sein. Die Brennkammer 4 wird mit Brennstoff und der im Verdichter 2 erzeugten verdichteten Luft versorgt und verbrennt den Brennstoff, um ein Verbrennungsgas zu erzeugen, das als Arbeitsmedium für die Turbine 6 dient. Anschließend wird das Verbrennungsgas von der Brennkammer 4 zur Turbine 6 geleitet. Das Konfigurationsbeispiel der Brennkammer 4 gemäß einigen Ausführungsformen wird später beschrieben.
Die Turbine 6 gemäß einigen Ausführungsformen umfasst ein Turbinengehäuse 22 und eine Vielzahl von Schaufeln, die in dem Turbinengehäuse 22 angeordnet sind. Die verschiedenen Schaufeln umfassen eine Vielzahl von Statorschaufeln 24, die an der Seite des Turbinengehäuses 22 befestigt sind, und eine Vielzahl von Rotorschaufeln 26, die an dem Rotor 8 eingesetzt sind, so dass sie abwechselnd mit den Statorschaufeln 24 angeordnet sind. Die Turbine 6 kann ein weiteres Element, wie z.B. eine Auslassleitschaufel, enthalten. In der Turbine 6 wird der Rotor 8 in Drehung versetzt, da das Verbrennungsgas durch die mehreren Statorschaufeln 24 und die mehreren Rotorschaufeln 26 strömt. Folglich wird der mit dem Rotor 8 verbundene Generator angetrieben.
Eine Abgaskammer 30 ist über ein Abgasgehäuse 28 mit der stromabwärtigen Seite des Turbinengehäuses 22 verbunden. Das Verbrennungsgas, das die Turbine 6 angetrieben hat, wird über das Abgasgehäuse 28 und die Abgaskammer 30 ins Freie abgeleitet.
(In Bezug auf die Brennkammer 4)
2 ist eine Querschnittsansicht der Brennkammer 4 gemäß einigen Ausführungsformen. 3 ist eine Querschnittsansicht, die Hauptteile der Brennkammer 4 gemäß einigen Ausführungsformen zeigt. 4A ist eine Ansicht, die schematisch die Anordnung jeweiliger Brennstoffinjektoren zeigt, wenn die Brennkammer 4 an der stromaufwärtigen Seite von der stromabwärtigen Seite aus entlang der axialen Richtung der Brennkammer 4 gemäß einigen Ausführungsformen betrachtet wird. Die Konfiguration der Brennkammer 4 gemäß einigen Ausführungsformen wird unter Bezugnahme auf die 2, 3 und 4A beschrieben.
Wie in den 2 und 3 gezeigt, ist eine Vielzahl von Brennkammern 4 gemäß einigen Ausführungsformen ringförmig um den Rotor 8 zentriert angeordnet (siehe 1). Jede Brennkammer 4 umfasst eine Brennkammerauskleidung 46, die in einem durch das Gehäuse 20 definierten Brennkammergehäuse 40 angeordnet ist, sowie eine erste Brennstoffeinspritzvorrichtung oder Brennstoffinjektor 41 und eine zweite Brennstoffeinspritzvorrichtung oder Brennstoffinjektor 42, die in der Brennkammerauskleidung 46 angeordnet sind. Bei einigen Ausführungsformen kann der erste Brennstoffinjektor 41 ein Hauptverbrennungsbrenner 60 und der zweite Brennstoffinjektor 42 ein Pilotverbrennungsbrenner 50 sein.
In der folgenden Beschreibung wird der von dem ersten Brennstoffinjektor 41 eingespritzte Brennstoff F auch als erster Brennstoff F1 bezeichnet, und der von dem zweiten Brennstoffinjektor 42 eingespritzte Brennstoff F wird auch als zweiter Brennstoff F2 bezeichnet.
Die Brennkammer 4 umfasst ferner ein Außengehäuse 45, das an einer äußeren Umfangsseite eines Brennkammerkorbs 47 einer Brennkammerauskleidung 46 im Gehäuse 20 angeordnet ist. Ein Luftdurchgang 43, durch den verdichtete Luft strömt, ist an einer äußeren Umfangsseite des Brennerkorbs 47 und einer inneren Umfangsseite des Außengehäuses 45 ausgebildet.
Die Brennkammer 4 kann ein weiteres Element, wie z.B. ein Bypass-Rohr (nicht dargestellt), enthalten, um einen Bypass für das Verbrennungsgas zu ermöglichen.
Die Brennkammerauskleidung 46 umfasst beispielsweise den Brennkammerkorb 47, der um den Pilotverbrennungsbrenner 50 und die mehreren Hauptverbrennungsbrenner 60 angeordnet ist, sowie ein Übergangsstück 48, das mit einem distalen Endabschnitt des Brennkammerkorbs 47 verbunden ist. Das heißt, die Brennkammerauskleidung 46 entspricht einem Verbrennungsteil zum Verbrennen des von dem ersten Brennstoffinjektor 41 und dem zweiten Brennstoffinjektor 42 eingespritzten Brennstoffs.
Wie in den 3 und 4A gezeigt, ist der Pilotverbrennungsbrenner 50 entlang der Mittelachse der Brennkammerauskleidung 46 angeordnet. Dann sind die mehreren Hauptverbrennungsbrenner 60 voneinander beabstandet und in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet, so dass sie eine äußere Umfangsseite des Pilotverbrennungsbrenners 50 umgeben.
Wie in 3 dargestellt, umfasst der Pilotverbrennungsbrenner 50 eine Pilotdüse (Düse) 54, die mit einem Brennstoffanschluss 52 verbunden ist, ein Pilotbrennerrohr 56, das so angeordnet ist, dass es die Pilotdüse 54 umgibt, und eine Vielzahl von Verwirbelungselementen (Verwirbelungsplatten) 58, die an einem Außenumfang der Pilotdüse 54 angeordnet sind.
Die Pilotdüse 54 erstreckt sich in einer axialen Richtung Da mit einer Brennkammerachse Ac in der Mitte.
Dabei wird eine Seite in der axialen Richtung Da, die eine Erstreckungsrichtung der Brennkammerachse Ac ist und eine stromaufwärtige Seite entlang der Strömung des Verbrennungsgases ist, als eine stromaufwärtige Seite definiert, und eine andere Seite in der axialen Richtung Da, die eine stromabwärtige Seite entlang der Strömung des Verbrennungsgases ist, wird als eine stromabwärtige Seite definiert. Ferner ist die Brennkammerachse Ac auch eine Brennerachse dieses Pilotverbrennungsbrenners 50.
Eine Einspritzöffnung (nicht dargestellt) zum Einspritzen des Brennstoffs F (zweiter Brennstoff F2) ist an einem stromabwärtigen Endabschnitt der Pilotdüse 54 ausgebildet. Die mehreren Verwirbelungsplatten 58 sind stromaufwärts von einer Position angeordnet, an der die Einspritzöffnung in der Pilotdüse 54 ausgebildet ist. Jede Verwirbelungsplatte 58 ist so konfiguriert, dass sie die verdichtete Luft mit der Brennkammerachse Ac in der Mitte verwirbelt. Jede Verwirbelungsplatte 58 erstreckt sich vom Außenumfang der Pilotdüse 54 in eine Richtung, die eine radiale Richtungskomponente einschließt, und liegt nahe an einer inneren Umfangsoberfläche des Pilotbrennerrohrs 56. Das Pilotbrennerrohr 56 umfasst einen Körperabschnitt 56a, der sich am Außenumfang der Pilotdüse 54 befindet, und einen Konusabschnitt 56b, der mit der stromabwärtigen Seite des Körperabschnitts 56a verbunden ist und dessen Durchmesser zur stromabwärtigen Seite hin allmählich zunimmt. Die mehreren Verwirbelungsplatten 58 befinden sich nahe einer inneren Umfangsoberfläche des Körperabschnitts 56a des Pilotbrennerrohrs 56.
Der Hauptverbrennungsbrenner 60 umfasst eine Hauptdüse (Düse) 64, die mit einem Brennstoffanschluss 62 verbunden ist, ein Hauptbrennerrohr 66, das so angeordnet ist, dass es die Hauptdüse 64 umgibt, ein Verlängerungsrohr 65 zum Verbinden des Hauptbrennerrohrs 66 und der Brennkammerauskleidung 46 (z.B. dem Brennkammerkorb 47) und einen Verwirbelungskörper 70 (Verwirbelungsplatte), der an einem Außenumfang der Hauptdüse 64 angeordnet ist.
Die Hauptdüse 64 ist eine stabförmige Düse, die sich in der axialen Richtung Da mit einer Brennerachse Ab parallel zur Brennkammerachse Ac in der Mitte erstreckt. Da die Brennerachse Ab des Hauptverbrennungsbrenners 60 parallel zur Brennkammerachse Ac verläuft, sind die axiale Richtung Da bezüglich der Brennkammerachse Ac und die axiale Richtung Da bezüglich der Brennerachse Ab die gleiche Richtung. Ferner ist die stromaufwärtige Seite in der axialen Richtung Da bezüglich der Brennkammerachse Ac die stromaufwärtige Seite in der axialen Richtung Da bezüglich der Brennerachse Ab, und die stromabwärtige Seite in der axialen Richtung Da bezüglich der Brennkammerachse Ac ist die stromabwärtige Seite in der axialen Richtung Da bezüglich der Brennerachse Ab.
Eine Einspritzöffnung zum Einspritzen des Brennstoffs F (erster Brennstoff F1) ist in einem Zwischenabschnitt der Hauptdüse 64 in der axialen Richtung Da ausgebildet. Die mehreren Verwirbelungsplatten 70 sind in der Nähe einer Position angeordnet, an der die Einspritzöffnung in der Hauptdüse 64 ausgebildet ist. Jede Verwirbelungsplatte 70 ist so konfiguriert, dass sie die verdichtete Luft mit der Brennerachse Ab in der Mitte verwirbelt. Jede Verwirbelungsplatte 70 erstreckt sich vom Außenumfang der Hauptdüse 64 in einer Richtung, die eine radiale Richtungskomponente enthält, und liegt nahe an einer inneren Umfangsoberfläche des Hauptbrennerrohrs 66. Das Hauptbrennerrohr 66 befindet sich am Außenumfang der Hauptdüse 64.
In der Brennkammer 4 mit der obigen Konfiguration wird die in dem Verdichter 2 erzeugte verdichtete Luft in das Brennkammergehäuse 40 von einem Gehäuseeinlass 40a zugeführt und strömt weiter in das Pilotbrennerrohr 56 und die mehreren Hauptbrennerrohre 66 von dem Brennkammergehäuse 40 über den Luftdurchgang 43.
In dem Pilotverbrennungsbrenner 50 wird der aus der Pilotdüse 54 eingespritzte Brennstoff F zusammen mit der verdichteten Luft aus einem stromabwärts gelegenen Ende des Pilotbrennerrohrs 56 ausgestoßen. Dieser Brennstoff F wird in der Brennkammerauskleidung 46 einer Diffusionsverbrennung unterzogen.
Das heißt, der in den 2, 3 und 4A dargestellte Pilotverbrennungsbrenner 50 (zweiter Brennstoffinjektor 42) ist ein Brennstoffinjektor eines Diffusionsverbrennungstyps.
Im Hauptverbrennungsbrenner 60 werden die verdichtete Luft und der aus der Hauptdüse 64 eingespritzte Brennstoff F im Hauptbrennerrohr 66 gemischt, um ein Vormischgas PM zu bilden. Im Hauptverbrennungsbrenner 60 wird das vorgemischte Gas PM aus dem stromabwärtigen Ende des Verlängerungsrohrs 65 ausgestoßen. Der Brennstoff F in diesem vorgemischten Gas PM wird in der Brennkammerauskleidung 46 einer Vormischverbrennung unterzogen. Das heißt, der in den 2, 3 und 4A gezeigte Hauptverbrennungsbrenner 60 (erster Brennstoffinjektor 41) ist ein Brennstoffinjektor eines Vormischverbrennungstyps.
Eine Einspritzöffnung zum Einspritzen des Brennstoffs F kann in der Verwirbelungsplatte 70 ausgebildet sein, und der Brennstoff F kann durch die Einspritzöffnung in das Hauptbrennerrohr 66 eingespritzt werden. In diesem Fall bildet ein Abschnitt, der der oben beschriebenen stabförmigen Hauptdüse 64 entspricht, einen Verteilerstab (engl. „hub rod“), und die Hauptdüse ist so ausgebildet, dass sie den Verteilerstab und die mehreren Verwirbelungsplatten 70 umfasst. Der Brennstoff F wird von außen in den Verteilerstab eingeleitet, und der Brennstoff F wird von dem Verteilerstab zu den Verwirbelungsplatten 70 geleitet.
4B ist eine Ansicht, die schematisch die Anordnung der jeweiligen Brennstoffinjektoren 41, 42 zeigt, wenn die Brennkammer 4 an der stromaufwärtigen Seite von der stromabwärtigen Seite aus entlang der axialen Richtung der Brennkammer 4 gemäß einer anderen Ausführungsform betrachtet wird. In der in 4B dargestellten Brennkammer 4 ist der erste Brennstoffinjektor 41 koaxial zum zweiten Brennstoffinjektor 42 angeordnet. Die in 4B gezeigte Brennkammer 4 ist so konfiguriert, dass der erste Brennstoff F1 von einem Umfang des zweiten Brennstoffinjektors 42 eingespritzt wird.
Bei der in 4B dargestellten Brennkammer 4 sind der erste Brennstoffinjektor 41 und der zweite Brennstoffinjektor 42 in der Umfangsrichtung nebeneinander im Brennkammerkorb 47 angeordnet. Bei der in 4B dargestellten Brennkammer 4 können sowohl der erste Brennstoffinjektor 41 als auch der zweite Brennstoffinjektor 42 Brennstoffinjektorn des Vormischverbrennungstyps sein.
(In Bezug auf Brennstoff F)
Bei einer Gasturbine für die Stromerzeugung kann beispielsweise ein Betriebszustand auf einen Turndown- oder Absenkbetrieb umgeschaltet werden, um eine Schwankung des Strombedarfs während des Tages oder der Nacht zu bewältigen. Im Absenkbetrieb wird die Gasturbine im Vergleich zum Nennbetrieb mit einer geringen Leistung oder Ausgabe betrieben, indem die Strömungsrate eines durch die Turbine strömenden Verbrennungsgases reduziert wird.
Wenn die Ausgabe durch Ausführen des Absenkbetriebs der Gasturbine reduziert wird, sinkt eine Verbrennungstemperatur in der Brennkammer, was zu einem Anstieg der Erzeugung einer unverbrannten Substanz wie Kohlenmonoxid oder Kohlenwasserstoff oder zum Auftreten einer Verbrennungsvibration führt. Um jedoch flexibel auf die oben beschriebene Schwankung des Strombedarfs reagieren zu können, ist es erforderlich, einen Betriebsbereich der Gasturbine zu erweitern, indem ein unterer Ausgabegrenzwert im Absenkbetrieb reduziert wird.
Um den unteren Ausgabegrenzwert im Absenkbetrieb zu reduzieren, ist es wünschenswert, eine Mischverbrennung von leicht brennbarem Brennstoff, wie z.B. Wasserstoff, mit einer relativ hohen Verbrennungsgeschwindigkeit durchzuführen.
Daher ist die Brennkammer 4 gemäß einigen Ausführungsformen so konfiguriert, dass beispielsweise Erdgas als der Brennstoff F wie in der herkömmlichen Brennkammer und beispielsweise Wasserstoff, Propan oder ein Gemisch aus Wasserstoff und Propan als leicht brennbarer Brennstoff FH verwendet werden kann. In der folgenden Beschreibung wird als Beispiel ein Fall beschrieben, in dem Wasserstoff als der leicht brennbare Brennstoff verwendet wird. Ferner wird in der folgenden Beschreibung das Erdgas, das üblicherweise als Brennstoff F verwendet wird, auch als weniger brennbarer Brennstoff FL bezeichnet. Das heißt, der leicht brennbare Brennstoff FH ist ein Brennstoff, der eine höhere Verbrennungsgeschwindigkeit aufweist als der weniger brennbare Brennstoff FL. Die Verbrennungsgeschwindigkeit des Brennstoffs F, auf die hier Bezug genommen wird, ist beispielsweise eine Verbrennungsgeschwindigkeit eines Luft-Brennstoff-Gemischs, in dem der Brennstoff F und Luft so gemischt sind, dass das Äquivalenzverhältnis bei Standardbedingungen (0°C, 1.013 hPa) 1 beträgt.
Durch die Verwendung von z.B. Erdgas als den weniger brennbaren Brennstoff FL und die Verwendung von z.B. Wasserstoff, Propan oder dem Gemisch aus Wasserstoff und Propan als der leicht brennbare Brennstoff FH kann ein Anstieg der Kosten für den Brennstoff F unterdrückt werden.
(Bezüglich des Versorgungssystems für Brennstoff F)
5 ist ein schematisches Diagramm eines Versorgungssystems 200 für den Brennstoff F in Bezug auf die Brennkammer 4 gemäß einigen Ausführungsformen. Die Gasturbine 1 gemäß einigen Ausführungsformen umfasst das in 5 gezeigte Versorgungssystem 200 für den Brennstoff F. Das in 5 dargestellte Versorgungssystem 200 für den Brennstoff F umfasst eine L1-Zufuhrleitung 211 zum Zuführen des weniger brennbaren Brennstoffs FL zum ersten Brennstoffinjektor 41, eine L2-Zufuhrleitung 212 zum Zuführen des weniger brennbaren Brennstoffs FL zum zweiten Brennstoffinjektor 42, eine H1-Zufuhrleitung 221 zum Zuführen des leicht brennbaren Brennstoffs FH zum ersten Brennstoffinjektor 41 und eine H2-Zufuhrleitung 222 zum Zuführen des leicht brennbaren Brennstoffs FH zum zweiten Brennstoffinjektor 42.
Die L1-Zuleitung 211 mündet in die H1-Zufuhrleitung 221 an einem Einmündungsabschnitt 231. Eine Brennstoffzufuhrleitung nach dem Einmündungsabschnitt 231 wird als erste Brennstoffzufuhrleitung 201 bezeichnet. Die erste Brennstoffzufuhrleitung 201 ist mit dem Brennstoffanschluss 62 verbunden, mit dem die Hauptdüse 64 des Hauptverbrennungsbrenners 60 (erster Brennstoffinjektor 41) verbunden ist.
Die L2-Zufuhrleitung 212 mündet in einem Einmündungsbereich 232 in die H2-Zufuhrleitung 222. Eine Brennstoffzufuhrleitung nach dem Einmündungsabschnitt 232 wird als zweite Brennstoffzufuhrleitung 202 bezeichnet. Die zweite Brennstoffzufuhrleitung 202 ist mit dem Brennstoffanschluss 52 verbunden, mit dem die Pilotdüse 44 des Pilotbrenners 50 (zweiter Brennstoffinjektor 42) verbunden ist.
Die L1-Zufuhrleitung 211 ist mit einem L1-Durchfluss- oder Strömungssteuerteil 241 zum Steuern der Menge des weniger brennbaren Brennstoffs FL versehen, der dem ersten Brennstoffinjektor 41 zugeführt wird. Die L2-Zufuhrleitung 212 ist mit einem L2-Durchfluss- oder Strömungssteuerteil 242 versehen, um die Menge des weniger brennbaren Brennstoffs FL zu steuern, der dem zweiten Brennstoffinjektor 42 zugeführt wird.
Die H1-Zufuhrleitung 221 ist mit einem H1-Durchfluss- oder Strömungssteuerteil 243 versehen, um die Menge des leicht brennbaren Brennstoffs FH zu steuern, der dem ersten Brennstoffinjektor 41 zugeführt wird. Die H2-Zufuhrleitung 222 ist mit einem H2-Durchfluss- oder Strömungssteuerteil 244 versehen, um die Menge des leicht brennbaren Brennstoffs FH zu steuern, die dem zweiten Brennstoffinjektor 42 zugeführt wird.
Das L1-Strömungssteuerteil 241, das L2-Strömungssteuerteil 242, das H1-Strömungssteuerteil 243 und das H2-Strömungssteuerteil 244 sind zum Beispiel Durchfluss- oder Strömungssteuerventile.
In dem in 5 dargestellten Zufuhrsystem 200 für den Brennstoff F umfasst das Strömungssteuerteil 240L für den weniger brennbaren Brennstoff zum unabhängigen Steuern voneinander der Mengen des weniger brennbaren Brennstoffs FL, die dem ersten Brennstoffinjektor 41 und dem zweiten Brennstoffinjektor 42 zugeführt werden, das L1-Strömungssteuerteil 241 und das L2-Strömungssteuerteil 242. In dem in 5 gezeigten Versorgungssystem 200 für den Brennstoff F umfasst ein Strömungssteuerteil 240H für leicht brennbaren Brennstoff zum unabhängigen Steuern voneinander der Mengen des leicht brennbaren Brennstoffs FH, die dem ersten Brennstoffinjektor 41 und dem zweiten Brennstoffinjektor 42 zugeführt werden, das H1-Strömungssteuerteil 243 und das H2-Strömungssteuerteil 244.
Das L1-Strömungssteuerteil 241, das L2-Strömungssteuerteil 242, das H1-Strömungssteuerteil 243 und das H2-Strömungssteuerteil 244 werden von einer Steuereinrichtung gesteuert, die so konfiguriert ist, dass sie das Strömungssteuerteil 240L für weniger brennbaren Brennstoff und das Strömungssteuerteil 240H für leicht brennbaren Brennstoff steuert. In einigen Ausführungsformen wird die Steuereinrichtung durch eine Verbrennungsssteuerungsvorrichtung 140 für die Gasturbine 1 implementiert.
Das heißt, in einigen Ausführungsformen ist die Verbrennungssteuerungsvorrichtung 140 so konfiguriert, dass sie ein erstes Verhältnis R1 des leicht brennbaren Brennstoffs FH zur Gesamtheit des durch den ersten Brennstoffinjektor 41 eingespritzten ersten Brennstoffs F1 und ein zweites Verhältnis R2 des leicht brennbaren Brennstoffs FH zur Gesamtheit des durch den zweiten Brennstoffinjektor 42 eingespritzten zweiten Brennstoffs F2 steuert. Einzelheiten der Verbrennungssteuerungsvorrichtung 140 werden später beschrieben.
Da es bei der Brennkammer 4 gemäß einigen Ausführungsformen möglich ist, eine Mischverbrennung des leicht brennbaren Brennstoffs FH, wie z.B. Wasserstoff, mit einer relativ hohen Verbrennungsgeschwindigkeit durchzuführen, ist es möglich, den unteren Ausgabegrenzwert im Absenkbetrieb der Gasturbine 1 zu reduzieren.
Wenn jedoch die Mischverbrennungsrate des leicht brennbaren Brennstoffs FH, d.h. das erste Verhältnis R1 und das zweite Verhältnis R2, erhöht werden, steigt das Risiko einer Rückzündung. Das heißt, die Verringerung des unteren Ausgabegrenzwerts im Absenkbetrieb und die Verringerung des Rückzündungsrisikos stehen in einem Spannungsverhältnis.
Da das Rückzündungsrisiko beispielsweise von der Struktur der Einspritzdüse oder der Anordnungsposition der Einspritzdüse abhängt, gilt nicht immer, dass alle Einspritzdüsen aus der Vielzahl der Einspritzdüsen das gleiche Rückzündungsrisiko aufweisen. Im Einzelnen ist es zum Beispiel wie folgt.
Bei den in den 2, 3 und 4A gezeigten Ausführungsformen ist der erste Brennstoffinjektor 41 der Brennstoffinjektor des Vormischverbrennungstyps und der zweite Brennstoffinjektor 42 der Brennstoffinjektor des Diffusionsverbrennungstyps.
Im Allgemeinen ist der Brennstoffinjektor des Diffusionsverbrennungstyps eine Verbrennungseinrichtung, die ein geringeres Rückzündungsrisiko aufweist als der Brennstoffinjektor des Vormischverbrennungstyps. Daher ist bei den in den 2, 3 und 4A gezeigten Ausführungsformen der zweite Brennstoffinjektor 42 die Brennkammer mit dem geringeren Rückzündungsrisiko als der erste Brennstoffinjektor 41.
Wenn ein Brennstoffinjektor von einer Vielzahl anderer Brennstoffinjektoren umgeben ist, hat der umgebene Brennstoffinjektor im Allgemeinen ein geringeres Rückzündungsrisiko als die umgebenden Brennstoffinjektoren.
Bei den in den 2, 3 und 4A gezeigten Ausführungsformen ist eine Vielzahl der ersten Brennstoffinjektoren 41 um einen Umfang des zweiten Brennstoffinjektors 42 herum angeordnet. Wenn der erste Brennstoffinjektor 41 und der zweite Brennstoffinjektor 42 ähnliche Brennstoffinjektorstrukturen aufweisen, wie in dem Fall, in dem sowohl der erste Brennstoffinjektor 41 als auch der zweite Brennstoffinjektor 42 Brennstoffinjektoren des Diffusionsverbrennungstyps oder des Vormischverbrennungstyps bei den in den 2, 3 und 4A gezeigten Ausführungsformen sind, ist der zweite Brennstoffinjektor die Brennkammer mit dem geringeren Rückzündungsrisiko als der erste Brennstoffinjektor.
BEi der in 4B gezeigten Ausführungsform ist der erste Brennstoffinjektor 41 koaxial zu dem zweiten Brennstoffinjektor 42 angeordnet und so konfiguriert, dass der erste Brennstoff F1 vom Umfang des zweiten Brennstoffinjektors 42 eingespritzt wird.
Wenn die jeweiligen Brennstoffinjektoren so konfiguriert sind, dass ein (Zahl) Brennstoffinjektor koaxial zu einem anderen Brennstoffinjektor angeordnet ist und der eine Brennstoffinjektor Brennstoff von dem Umfang des anderen Brennstoffinjektors einspritzt, hat der andere Brennstoffinjektor ein geringeres Risiko einer Fehlzündung als der eine Brennstoffinjektor.
Wenn der erste Brennstoffinjektor 41 und der zweite Brennstoffinjektor 42 ähnliche Brennstoffinjektorstrukturen aufweisen, wie in dem Fall, in dem sowohl der erste Brennstoffinjektor 41 als auch der zweite Brennstoffinjektor 42 Brennstoffinjektoren des Diffusionsverbrennungstyps oder des Vormischverbrennungstyps bei der in 4B gezeigten Ausführungsform sind, ist der zweite Brennstoffinjektor 42 die Brennkammer mit dem geringeren Rückzündungsrisiko als der erste Brennstoffinjektor 41.
Daher sind bei der Brennkammer 4 gemäß einigen Ausführungsformen sowohl die Verringerung des unteren Ausgabegrenzwerts im Absenkbetrieb als auch die Verringerung des Rückzündungsrisikos durch Ändern eines relativen Verhältnisses R des ersten Verhältnisses R1 und des zweiten Verhältnisses R2 unter Berücksichtigung des Vorstehenden zu erreichen.
Das heißt, bei der Brennkammer 4 gemäß einigen Ausführungsformen ist die Verbrennungssteuerungsvorrichtung 140 so konfiguriert, dass sie das Strömungssteuerteil 240L für den weniger brennbaren Brennstoff und das Strömungssteuerteil 240H für den leicht brennbaren Brennstoff so steuert, dass sich das relative Verhältnis R des ersten Verhältnisses R1 und des zweiten Verhältnisses R2 entsprechend dem Betriebszustand der Gasturbine 1 ändert.
Mit der Brennkammer 4 gemäß einigen Ausführungsformen kann sowohl die Verringerung des unteren Ausgabegrenzwerts im Absenkbetrieb als auch die Verringerung des Rückzündungsrisikos durch Ändern des relativen Verhältnisses R gemäß dem Betriebszustand der Gasturbine 1 erreicht werden. Bei der Gasturbine 1 mit der Brennkammer 4 gemäß einigen Ausführungsformen ist es möglich, sowohl die Verringerung des unteren Ausgabegrenzwerts im Absenkbetrieb als auch die Verringerung des Rückzündungsrisikos zu erreichen, und es ist möglich, den Betriebsbereich der Gasturbine 1 zu erweitern. Nachfolgend wird die Änderung des relativen Verhältnisses R in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Gasturbine 1 im Detail beschrieben.
Im Allgemeinen steigt die Zufuhrmenge des Brennstoffs F mit zunehmender Belastung oder Last der Gasturbine 1 an, wodurch sich das Risiko einer Rückzündung erhöht. Um Rückzündungen zu vermeiden, ist es daher wünschenswert, dass das Verhältnis des leicht brennbaren Brennstoffs FH zur Gesamtmenge des von dem Brennstoffinjektor eingespritzten Brennstoffs F mit zunehmender Last der Gasturbine 1 verringert wird. Da jedoch, wie oben beschrieben, das Rückzündungsrisiko z.B. von der Struktur des Brennstoffinjektors oder der Anordnungsposition des Brennstoffinjektors abhängt, gilt nicht immer, dass jeder einzelne Brennstoffinjektor der mehreren Brennstoffinjektoren das gleiche Rückzündungsrisiko aufweist. Wenn also der erste Brennstoffinjektor 41 die Brennkammer ist, die ein höheres Rückzündungsrisiko aufweist als der zweite Brennstoffinjektor 42, wie oben beschrieben, ist es wünschenswert, dass der Grad der Verringerung des ersten Verhältnisses R1 höher ist als der Grad der Verringerung des zweiten Verhältnisses R2, wenn die Last der Gasturbine zunimmt. Das heißt, es ist wünschenswert, dass der Wert, der sich aus der Division des ersten Verhältnisses R1 durch das zweite Verhältnis R2 ergibt, mit zunehmender Last der Gasturbine 1 sinkt (der Wert, der sich aus der Division des ersten Verhältnisses R1 durch das zweite Verhältnis R2 ergibt, steigt mit abnehmender Last der Gasturbine 1).
In der folgenden Beschreibung wird davon ausgegangen, dass das relative Verhältnis R ein Wert ist, der sich aus der Division des ersten Verhältnisses R1 durch das zweite Verhältnis R2 ergibt (R=R1/R2).
6A ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Beziehung zwischen einem Index, der den Betriebszustand der Gasturbine 1 darstellt, und dem ersten Verhältnis R1 und dem zweiten Verhältnis R2 zeigt.
6B ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel für eine Beziehung zwischen dem Index, der den Betriebszustand der Gasturbine 1 darstellt, und dem ersten Verhältnis R1 und dem zweiten Verhältnis R2 zeigt.
6C und 6D sind jeweils ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel für eine Beziehung zwischen dem ersten Verhältnis R1 und dem Index, der den Betriebszustand der Gasturbine 1 darstellt, zeigt.
6E ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel für eine Beziehung zwischen dem zweiten Verhältnis R2 und dem Index, der den Betriebszustand der Gasturbine 1 darstellt, zeigt.
In den 6A bis 6E kann als Index, der den Betriebszustand der Gasturbine 1 repräsentiert, beispielsweise eine Gasturbineneinlass-Verbrennungsgastemperatur T1T, ein VerbrennungslastBefehlswert (CLCSO), der ein dimensionsloser Wert der Gasturbineneinlass-Verbrennungsgastemperatur T1T ist, oder eine Belastung oder Last der Gasturbine 1 (Generatorleistung: Gasturbinenleistung) angegeben werden. Die Gasturbineneinlass-Verbrennungsgastemperatur T1T ist die Temperatur des Verbrennungsgases am Einlass der Turbine 6. Der CLCSO wird später noch im Detail beschrieben. Ferner kann die Belastung oder Last der Gasturbine 1 ein tatsächlicher Messwert der Generatorleistung sein oder ein Generatorleistungs-Befehlswert, der von einer zentralen Stromversorgungszentrale (nicht dargestellt) zur Steuerung der Generatorleistung einer Vielzahl von Stromerzeugungsanlagen übertragen wird.
Das heißt, bei einigen Ausführungsformen ist der oben beschriebene Index vorzugsweise die Gasturbineneinlass-Verbrennungsgastemperatur T1T. Im Allgemeinen ist die Gasturbineneinlass-Verbrennungsgastemperatur T1T ein Index, der den Betriebszustand der Gasturbine 1 genauer anzeigt als z.B. die Last der Gasturbine 1. Wenn der oben beschriebene Index die Gasturbineneinlass-Verbrennungsgastemperatur T1T ist, kann der Betriebszustand der Gasturbine 1 genauer im relativen Verhältnis R widergespiegelt werden, wodurch es möglich ist, die Stuerungsgenauigkeit des oben beschriebenen relativen Verhältnisses R zu verbessern.
Bei einigen Ausführungsformen kann der oben beschriebene Index der dimensionslose Wert (CLCSO) der Gasturbineneinlass-Verbrennungsgastemperatur T1T sein.
Wie oben beschrieben, ist die Gasturbineneinlass-Verbrennungsgastemperatur T1T der Index, der den Betriebszustand der Gasturbine 1 genauer anzeigt als beispielsweise die Last der Gasturbine 1. Bei der Gasturbine 1 der letzten Jahre hat sich jedoch die Gasturbineneinlass-Verbrennungsgastemperatur T1T erhöht, was es schwierig macht, die Gasturbineneinlass-Verbrennungsgastemperatur T1T über einen langen Zeitraum zu messen.
Wenn der oben beschriebene Index der CLCSO ist, ist es nicht notwendig, die Gasturbineneinlass-Verbrennungsgastemperatur T1T über einen langen Zeitraum zu messen, wodurch es möglich ist, die Steuerungsgenauigkeit des oben beschriebenen relativen Verhältnisses R einfach zu verbessern.
Bei einigen Ausführungsformen kann der oben beschriebene Index die Belastung oder Last der Gasturbine 1 sein.
Die Last an der Gasturbine 1 ist als Index, der den Betriebszustand der Gasturbine 1 repräsentiert, weniger genau als z.B. die Gasturbineneinlass-Verbrennungsgastemperatur T1T, aber der Wert der Last an der Gasturbine 1 kann einfach erfasst werden.
Wenn der oben beschriebene Index die Last an der Gasturbine 1 ist, ist es möglich, die Konfiguration zur Steuerung des oben beschriebenen relativen Verhältnisses R zu vereinfachen.
In der folgenden Beschreibung wird als Beispiel ein Fall beschrieben, in dem der Index, der den Betriebszustand der Gasturbine 1 darstellt, der CLCSO ist. Die unten beschriebene Beziehung zwischen dem CLCSO und dem ersten Verhältnis R1 und dem zweiten Verhältnis R2 gilt jedoch auch für jeden anderen oben beschriebenen Index als der CLCSO.
Wie oben beschrieben, steigt im Allgemeinen die Zufuhrmenge des Brennstoffs F mit zunehmender Last an der Gasturbine 1, was das Risiko einer Rückzündung erhöht. Daher wird zum Beispiel, wie in den 6A bis 6D gezeigt ist, das erste Verhältnis R1 vorzugsweise dazu tendieren, mit zunehmendem CLCSO zu sinken.
Der untere Grenzwert des ersten Verhältnisses R1 kann gleich Null sein.
Da, wie oben beschrieben, die zweite Brennstoffinjektor 42 die Brennkammer ist, die ein geringeres Rückzündungsrisiko aufweist als der erste Brennstoffinjektor 41, wie zum Beispiel in den 6A und 6B gezeigt, kann das zweite Verhältnis R2 ein konstanter Wert sein, unabhängig von der Größe des CLCSO. Wie in 6E dargestellt, kann das zweite Verhältnis R2 beispielsweise mit zunehmendem CLCSO tendenziell abnehmen. In diesem Fall kann ein absoluter Wert der Änderungsrate des zweiten Verhältnisses R2 zur Änderung des CLCSO kleiner sein als ein absoluter Wert der Änderungsrate des ersten Verhältnisses R1 zur Änderung des CLCSO. Das heißt, die Abnahmerate des zweiten Verhältnisses R2, wenn der CLCSO zunimmt, kann geringer sein als die Abnahmerate des ersten Verhältnisses R1, wenn der CLCSO zunimmt.
Da, wie oben beschrieben, der zweite Brennstoffinjektor 42 die Brennkammer ist, die ein geringeres Rückzündungsrisiko aufweist als der erste Brennstoffinjektor 41, wie zum Beispiel in den 6A und 6B gezeigt, kann das zweite Verhältnis R2 höher sein als das erste Verhältnis R1 zumindest in einem Bereich, in dem der CLCSO relativ groß ist, und wie in 6B gezeigt, kann das zweite Verhältnis R2 höher sein als das erste Verhältnis R1, unabhängig von der Größe des CLCSO.
Wie in den 6C und 6D gezeigt, kann das erste Verhältnis R1 unabhängig von der Größe des CLCSO ein konstanter Wert sein, wenn der CLCSO ein Wert innerhalb eines bestimmten Bereichs ist. Wie beispielsweise durch eine durchgezogene Linie in 6C gezeigt, kann das erste Verhältnis R1 in einem Bereich, in dem der CLCSO einen relativ kleinen Wert hat (z.B. mindestens 0% und höchstens b1%), ein konstanter Wert sein, unabhängig von der Größe des CLCSO. Wie beispielsweise durch eine durchgezogene Diagrammlinie in 6D gezeigt, kann das erste Verhältnis R1 in einem Bereich, in dem der CLCSO einen relativ kleinen Wert hat (z.B. mindestens 0% und höchstens b3%), ein konstanter Wert sein, unabhängig von der Größe des CLCSO.
Wie durch eine gestrichelte Diagrammlinie in 6C gezeigt, kann das erste Verhältnis R1 in einem Bereich, in dem der CLCSO einen relativ großen Wert hat (z.B. mindestens b2% und höchstens 100%), ein konstanter Wert sein, unabhängig von der Größe des CLCSO. Wie beispielsweise durch eine durchgezogene Linie in 6D gezeigt, kann das erste Verhältnis R1 in einem Bereich, in dem der CLCSO einen relativ großen Wert hat (z.B. mindestens b4% und höchstens 100%), ein konstanter Wert sein, unabhängig von der Größe des CLCSO.
Man beachte, dass b1<b2 in 6C und b3<b4 in 6D.
Obwohl nicht dargestellt, kann in 6C das erste Verhältnis R1 ein konstanter Wert sein, unabhängig von der Größe des CLCSO in zumindest einem Teilbereich innerhalb des Bereichs, in dem die Größe des CLCSO mindestens b1% und höchstens b2% beträgt. In ähnlicher Weise kann in 6D das erste Verhältnis R1 ein konstanter Wert sein, unabhängig von der Größe des CLCSO in zumindest einem Teilbereich innerhalb des Bereichs, in dem die Größe des CLCSO mindestens b3% und höchstens b4% beträgt.
Ferner kann, obwohl nicht dargestellt, in 6A oder 6B ein Teil der Diagrammlinie einen Abschnitt haben, in dem das erste Verhältnis R1 ein konstanter Wert ist, unabhängig von der Größe des CLCSO.
Die Diagrammlinie des ersten Verhältnisses R1 kann durch eine gerade Linie dargestellt werden, wie die Diagrammlinien in den 6A bis 6C und die in 6D gezeigte durchgezogene Diagrammlinie, durch eine gekrümmte Linie, wie die in 6D gezeigte gestrichelte Diagrammlinie, oder kann z.B. durch die gerade und die gekrümmte Linie dargestellt werden.
Wenn das zweite Verhältnis R2 zumindest in einem Bereich, in dem der CLCSO relativ groß ist, größer ist als das erste Verhältnis R1, kann sich das zweite Verhältnis R2 relativ zur Änderung des CLCSO ändern, und zwar mit der gleichen Tendenz wie die oben beschriebene Änderung des ersten Verhältnisses R1 relativ zur Änderung des CLCSO.
In Anbetracht des Vorstehenden lassen sich die Änderungstendenzen des ersten Verhältnisses R1 und des zweiten Verhältnisses R2 in Bezug auf die Änderung des CLCSO wie folgt zusammenfassen.
Bei der Brennkammer 4 gemäß einigen Ausführungsformen wird bei dem ersten Brennstoffinjektor 41 und dem zweiten Brennstoffinjektor 42 das relative Verhältnis R vorzugsweise so eingestellt, dass der Wert, der sich aus der Division des ersten Verhältnisses R1 durch das zweite Verhältnis R2 ergibt (d.h. das relative Verhältnis R=R1/R2), in einem Fall, in dem der Index (wie der CLCSO), der den Betriebszustand darstellt, ein erster Wert a1 ist (siehe 6A und 6B) größer ist als in einem Fall, in dem der Index ein zweiter Wert a2 ist (siehe 6A und 6B), bei dem eine Last an der Gasturbine 1 relativ zu dem Fall hoch ist, in dem der Index der erste Wert a1 ist.
Zum Beispiel, wie in 6A bis 6D gezeigt, nimmt das erste Verhältnis R1 tendenziell ab, wenn der CLCSO-Wert steigt, und wie in den 6A und 6B gezeigt, ist der Wert, der sich aus der Division des ersten Verhältnisses R1 durch das zweite Verhältnis R2 ergibt, wenn das zweite Verhältnis R2 unabhängig von der Größe des CLCSO ein konstanter Wert ist, in dem Fall, in dem der CLCSO der erste Wert a1 ist, größer als in dem Fall, in dem der CLCSO der zweite Wert a2 ist. Zum Beispiel ist, wie in 6E gezeigt, selbst wenn das zweite Verhältnis R2 dazu neigt, mit zunehmendem CLCSO abzunehmen, der Wert, der durch Teilen des ersten Verhältnisses R1 durch das zweite Verhältnis R2 erhalten wird, vorzugsweise größer in dem Fall, in dem der CLCSO der erste Wert a1 ist, als in dem Fall, in dem der CLCSO der zweite Wert a2 ist.
Da der erste Brennstoffinjektor 41 die Brennkammer ist, die ein höheres Rückzündungsrisiko aufweist als der zweite Brennstoffinjektor 42, ist das oben beschriebene relative Verhältnis R daher wünschenswert, um sowohl die Verringerung des unteren Ausgabegrenzwerts im Absenkbetrieb als auch die Verringerung des Rückzündungsrisikos zu erreichen.
Bei der Brennkammer 4 gemäß einigen Ausführungsformen kann die Steuerung, d.h. die Verbrennungssteuerungsvorrichtung 140, so konfiguriert sein, dass sie das Strömungssteuerteil 240L für den weniger brennbaren Brennstoff und das Strömungssteuerteil 240H für den leicht brennbaren Brennstoff so steuert, dass zumindest entweder das erste Verhältnis R1 oder das zweite Verhältnis R2 unterschiedlich ist zwischen dem Fall, in dem der oben beschriebene Index (wie der CLCSO) der erste Wert a1 ist, und dem Fall, in dem der oben beschriebene Index der zweite Wert a2 ist.
Das heißt, da zumindest entweder das erste Verhältnis R1 oder das zweite Verhältnis R2 zwischen dem Fall, in dem der oben beschriebene Index (wie der CLCSO) der erste Wert a1 ist, und dem Fall, in dem der oben beschriebene Index der zweite Wert a2 ist, unterschiedlich ist, kann das oben beschriebene relative Verhältnis R zwischen dem Fall, in dem der oben beschriebene Index der erste Wert a1 ist, und dem Fall, in dem der oben beschriebene Index der zweite Wert a2 ist, unterschiedlich sein.
Bei der Brennkammer 4 gemäß einigen Ausführungsformen kann die Steuereinrichtung, d.h. die Verbrennungssteuerungsvorrichtung 140, so konfiguriert sein, dass sie das Strömungssteuerteil 240L für den weniger brennbaren Brennstoff und das Strömungssteuerteil 240H für den leicht brennbaren Brennstoff so steuert, dass das erste Verhältnis R1 in dem Fall, in dem der oben beschriebene Index (wie der CLCSO) der zweite Wert a2 ist, niedriger ist als in dem Fall, in dem der oben beschriebene Index der erste Wert a1 ist.
Folglich ist es, selbst wenn die Last an der Gasturbine 1 relativ groß wird, möglich, das Risiko einer Rückzündung in dem ersten Brennstoffinjektor 41 zu unterdrücken, der ein höheres Risiko einer Rückzündung aufweist als der zweite Brennstoffinjektor 42.
Bei der Brennkammer 4 gemäß einigen Ausführungsformen kann die Steuereinrichtung, d.h. die Verbrennungssteuerungsvorrichtung 140, so konfiguriert sein, dass sie das Strömungssteuerteil 240L für den weniger brennbaren Brennstoff und das Strömungssteuerteil 240H für den leicht brennbaren Brennstoff so steuert, dass das zweite Verhältnis R2 nicht niedriger ist als das erste Verhältnis R1 in dem Fall, in dem der oben beschriebene Index (wie der CLCSO) der zweite Wert a2 ist.
Da der erste Brennstoffinjektor 41 die Brennkammer ist, die ein höheres Rückzündungsrisiko aufweist als der zweite Brennstoffinjektor 42, ist es daher möglich, das zweite Verhältnis R2 in dem zweiten Brennstoffinjektor 42 relativ hoch zu machen, während das Rückzündungsrisiko in dem ersten Brennstoffinjektor 41 unterdrückt wird, wenn die Last an der Gasturbine 1 relativ hoch wird. Wenn es sich bei dem leicht brennbaren Brennstoff FH beispielsweise um einen Brennstoff wie Wasserstoff handelt, der eine relativ geringe Umweltbelastung aufweist, kann die Umweltbelastung unterdrückt werden, indem das zweite Verhältnis R2 relativ hoch eingestellt wird.
Bei der Brennkammer 4 gemäß einigen Ausführungsformen kann die Steuereinrichtung, d.h. die Verbrennungssteuerungsvorrichtung 140, so konfiguriert sein, dass sie das Strömungssteuerteil 240L für den weniger brennbaren Brennstoff und das Strömungssteuerteil 240H für den leicht brennbaren Brennstoff so steuert, dass das zweite Verhältnis R2 mindestens 0,5 in dem Fall beträgt, in dem der oben beschriebene Index (wie der CLCSO) der zweite Wert a2 ist.
Somit ist es möglich, das zweite Verhältnis R2 in dem zweiten Brennstoffinjektor 42 relativ hoch zu machen, wenn die Last an der Gasturbine 1 relativ hoch wird. Wenn es sich bei dem leicht brennbaren Brennstoff FH beispielsweise um einen Brennstoff wie Wasserstoff handelt, der eine relativ geringe Umweltbelastung aufweist, kann die Umweltbelastung unterdrückt werden, indem das zweite Verhältnis R2 relativ hoch eingestellt wird.
(Bezüglich der Verbrennungssteuerungsvorrichtung 140)
7 ist eine schematische Gesamtdarstellung der Verbrennungssteuerungsvorrichtung 140 gemäß einigen Ausführungsformen.
Die Verbrennungssteuerungsvorrichtung 140 gemäß einigen Ausführungsformen wird unter Bezugnahme auf 7 beschrieben. Jede Verarbeitungsfunktion der Verbrennungssteuerungsvorrichtung 140 wird durch Software (Computerprogramm) konfiguriert und von einem Computer ausgeführt. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht darauf beschränkt, und jede Verarbeitungsfunktion der Verbrennungssteuerungsvorrichtung 140 kann durch Hardware konfiguriert werden.
Wie in 7 gezeigt, empfängt die Verbrennungssteuerungsvorrichtung 140 gemäß einigen Ausführungsformen einen Generatorausgabebefehlswert, der von der zentralen Stromversorgungszentrale (nicht gezeigt) übertragen wird, und einen IGV-Öffnungsbefehlswert, der von einem IGV-Steuergerät (nicht gezeigt) übertragen wird. Der Generatorausgabebefehlswert ist nicht darauf beschränkt, von der zentralen Stromversorgungszentrale übertragen zu werden, sondern kann beispielsweise von einer Generatorausgabeeinstellvorrichtung, die in einer Gasturbinenanlage vorgesehen ist, eingestellt werden. Ferner wird hier der IGV-Öffnungsbefehlswert als eine IGV-Öffnung angenommen, die zur Berechnung des CLCSO verwendet wird, aber die vorliegende Offenbarung ist nicht notwendigerweise darauf beschränkt, und es kann ein Messwert der IGV-Öffnung verwendet werden, wenn die IGV-Öffnung z.B. gemessen wird.
Ferner empfängt die Verbrennungssteuerungsvorrichtung 140 gemäß einigen Ausführungsformen eine von einem Leistungs- oder Strommesser PW gemessene Generatorleistung oder -ausgabe als den oben beschriebenen aktuellen Messwert, eine von einem Einlassthermometer Ta gemessene Einlasstemperatur, eine von einem Thermometer für weniger brennbaren Brennstoff Tfl gemessene Temperatur des weniger brennbaren Brennstoffs, eine mit einem Thermometer für leicht brennbaren Brennstoff Tfh gemessene Temperatur des leicht brennbaren Brennstoffs, eine mit einem Abgasthermometer Th gemessene Abgastemperatur, eine mit einem Einlass-Strömungsmesser FX1 gemessene Einlassströmungsmenge, eine mit einem Turbinenbypass-Strömungsmesser FX2 gemessene Turbinenbypass-Strömungsmenge, einen mit einem Einlassdruckmesser PX4 gemessenen Einlassdruck und einen mit einem Gehäusedruckmesser PX5 gemessenen Gehäusedruck.
Die Turbinen-Bypass-Strömungsrate ist die Strömungsrate bzw. der Durchfluss von verdichteter Luft, die durch eine Turbinen-Bypassleitung (nicht dargestellt) strömt, ohne die Brennkammer 4 und die Turbine 6 zu passieren.
Die Turbinen-Bypassleitung (nicht dargestellt) ist mit einem Turbinen-Bypassventil (nicht dargestellt) zur Steuerung des Turbinen-Bypass-Strömungsrate der verdichteten Luft versehen. Dies dient der Steuerung eines Auslassdrucks (Gehäusedruck) des Verdichters 2.
Dann erhält die Verbrennungssteuerungsvorrichtung 140 gemäß einigen Ausführungsformen auf der Grundlage dieser Eingangssignale einen L1-Ventilöffnungsbefehlswert zum Steuern der Menge des weniger brennbaren Brennstoffs FL, der dem ersten Brennstoffinjektor 41 zugeführt wird, einen L2-Ventilöffnungsbefehlswert zum Steuern der Menge des weniger brennbaren Brennstoffs FL, der dem zweiten Brennstoffinjektor 42 zugeführt wird, einen H1-Ventilöffnungsbefehlswert zum Steuern der Menge des dem ersten Brennstoffinjektor 41 zugeführten leicht brennbaren Brennstoffs FH und einen H2-Ventilöffnungsbefehlswert zum Steuern der dem zweiten Brennstoffinjektor 42 zugeführten Menge des leicht brennbaren Brennstoffs FH.
Der L1-Ventilöffnungsbefehlswert ist ein Befehlswert für eine Ventilöffnung in dem L1-Strömungssteuerteil 241, und der L2-Ventilöffnungsbefehlswert ist ein Befehlswert für eine Ventilöffnung in dem L2-Strömungssteuerteil 242. Der H1-Ventilöffnungsbefehlswert ist ein Befehlswert für eine Ventilöffnung im H1-Strömungssteuerteil 243, und der H2-Ventilöffnungsbefehlswert ist ein Befehlswert für eine Ventilöffnung im H2-Strömungssteuerteil 244.
Der L1-Ventilöffnungsbefehlswert, der L2-Ventilöffnungsbefehlswert, der H1-Ventilöffnungsbefehlswert und der H2-Ventilöffnungsbefehlswert werden so berechnet, dass der CLCSO und das erste Verhältnis R1 und das zweite Verhältnis R2 in der oben beschriebenen Beziehung stehen.
Bei der Brennkammer 4 gemäß einigen Ausführungsformen wird die Ventilöffnung im L1-Strömungssteuerteil 241 auf die dem L1-Ventilöffnungsbefehlswert entsprechende Ventilöffnung eingestellt, wodurch die dem ersten Brennstoffinjektor 41 zugeführte Menge des weniger brennbaren Brennstoffs FL gesteuert wird. Ferner wird bei der Brennkammer 4 gemäß einigen Ausführungsformen die Ventilöffnung im H1-Strömungssteuerteil 243 auf die dem H1-Ventilöffnungsbefehlswert entsprechende Ventilöffnung eingestellt, wodurch die Menge des dem ersten Brennstoffinjektor 41 zugeführten leicht brennbaren Brennstoffs FH gesteuert wird.
Folglich werden der weniger brennbare Brennstoff FL und der leicht brennbare Brennstoff FH dem ersten Brennstoffinjektor 41 in dem ersten Verhältnis R1 zugeführt, das von der Verbrennungssteuerungsvorrichtung 140 berechnet und eingestellt wird.
Bei der Brennkammer 4 gemäß einigen Ausführungsformen wird die Ventilöffnung im L2-Strömungssteuerteil 242 auf die Ventilöffnung eingestellt, die dem L2-Ventilöffnungsbefehlswert entspricht, wodurch die Menge des weniger brennbaren Brennstoffs FL gesteuert wird, die dem zweiten Brennstoffinjektor 42 zugeführt wird. Ferner wird bei der Brennkammer 4 gemäß einigen Ausführungsformen die Ventilöffnung im H2-Strömungssteuerteil 244 auf die Ventilöffnung eingestellt, die dem H2-Ventilöffnungsbefehlswert entspricht, wodurch die Menge des dem zweiten Brennstoffinjektor 42 zugeführten leicht brennbaren Brennstoffs FH gesteuert wird.
Folglich werden der weniger brennbare Brennstoff FL und der leicht brennbare Brennstoff FH dem zweiten Brennstoffinjektor 42 in dem zweiten Verhältnis R2 zugeführt, das von der Verbrennungssteuerungsvorrichtung 140 berechnet und eingestellt wird.
(Bezüglich dem CLCSO)
8 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration einer CLCSO-Berechnungslogik in der Verbrennungssteuerungsvorrichtung 140 gemäß einigen Ausführungsformen zeigt.
Der Verbrennungslastbefehlswert (CLCSO) ist ein dimensionsloser Parameter der Gasturbineneinlass-Verbrennungsgastemperatur T1T und ist ein Parameter, der eine positive Korrelation mit der Gasturbineneinlass-Verbrennungsgastemperatur T1T aufweist (proportional zur Gasturbineneinlass-Verbrennungsgastemperatur T1T). Der CLCSO wird auf 0% gesetzt, wenn die Gasturbineneinlass-Verbrennungsgastemperatur T1T einen unteren Grenzwert hat, und wird auf 100% gesetzt, wenn die Gasturbineneinlass-Verbrennungsgastemperatur T1T einen oberen Grenzwert hat. Wenn zum Beispiel der untere Grenzwert der Gasturbineneinlass-Verbrennungsgastemperatur T1T 700°C und der obere Grenzwert der Gasturbineneinlass-Verbrennungsgastemperatur T1T 1500°C beträgt, wird der CLCSO wie folgt dargestellt: $\begin{array}{l} CLCSO (%) = {(tats \ddot{a} chliche Aushabe - \\ 700 ° CMW) / (1.500 ° CMW - 700 ° CMW)} \times 100 \end{array}$
Die tatsächliche Leistung oder Ausgabe ist die Gasturbinenleistung oder -ausgabe (Generatorleistung) des aktuellen Messwerts. 700°CMW ist die Leistung oder Ausgabe der Gasturbine 1 (Generatorleistung), wenn die Gasturbineneinlass-Verbrennungsgastemperatur T1T 700°C beträgt, was der untere Grenzwert ist, in einer aktuellen Umgebung, in der die Gasturbine 1 aufgestellt ist. Ferner ist 1.500°CMW die Leistung oder Ausgabe der Gasturbine 1 (Generatorleistung), wenn die Gasturbineneinlass-Verbrennungsgastemperatur T1T 1.500°C beträgt, was der obere Grenzwert ist, in der aktuellen Umgebung der Gasturbine 1.
Basierend auf der in 8 gezeigten CLCSO-Berechnungslogik berechnet zunächst ein Funktionsgenerator 151 den Wert von 1.500°CMW (Temperatursteuerungs MW) auf der Grundlage der Einlasstemperatur des tatsächlichen Messwerts, des IGV-Öffnungsbefehlswerts und eines Turbinen-Bypassverhältnisses (Turbinen-Bypassströmungsrate/Einlassströmungsrate), das erhalten wird, indem mit einem Teiler 153 die Turbinen-Bypassströmungsrate des tatsächlichen Messwerts durch die Einlassströmungsrate des tatsächlichen Messwerts geteilt wird (entsprechend dem gesamten verdichtete Luftvolumen). Das heißt, der Wert von 1.500°CMW ergibt sich unter Berücksichtigung der IGV-Öffnung, der Einlasstemperatur und des Turbinen-Bypassverhältnisses.
Ein Funktionsgenerator 152 berechnet den Wert von 700°CMW auf der Grundlage der Einlasstemperatur, des IGV-Öffnungsbefehlswerts und des Turbinen-Bypassverhältnisses. Das heißt, der Wert von 700°CMW wird unter Berücksichtigung der IGV-Öffnung, der Einlasstemperatur und des Turbinen-Bypassverhältnisses ermittelt.
Ein Teiler 154 teilt den Einlassdruck (Atmosphärendruck) des aktuellen Messwerts durch den von einem Signalgenerator 161 eingestellten Standardatmosphärendruck, um das Atmosphärendruckverhältnis (Einlassdruck/Standardatmosphärendruck) zu erhalten.
Ein Multiplizierer 155 multipliziert den vom Funktionsgenerator 151 erhaltenen Wert von 1.500°CMW und das vom Teiler 154 erhaltene Atmosphärendruckverhältnis, um den Wert von 1.500°CMW auch unter Berücksichtigung des Atmosphärendruckverhältnisses zu erhalten.
Der vom Multiplizierer 155 erhaltene Wert von 1.500°CMW kann über eine Lernschaltung 162 an einen Subtrahierer 157 ausgegeben werden, oder er kann direkt an den Subtrahierer 157 ausgegeben werden. Die Lernschaltung 162 ist so konfiguriert, dass sie eine Abweichung des Wertes von 1.500°CMW korrigiert, die z.B. auf eine charakteristische Verschlechterung der Gasturbine 1 zurückzuführen ist.
Ein Multiplizierer 156 multipliziert den vom Funktionsgenerator 152 erhaltenen Wert von 700°CMW mit dem vom Teiler 154 erhaltenen Atmosphärendruckverhältnis, um den Wert von 700°CMW auch unter Berücksichtigung des Atmosphärendruckverhältnisses zu erhalten.
Der Subtrahierer 157 subtrahiert den durch den Multiplizierer 156 erhaltenen Wert von 700°CMW von dem durch den Multiplizierer 155 erhaltenen (oder durch die Lernschaltung 162 korrigierten) Wert von 1.500°CMW (1.500°CMW-700°CMW: siehe Gleichung (1) oben).
Der Subtrahierer 158 subtrahiert den vom Multiplizierer 156 erhaltenen Wert von 700°CMW von der tatsächlichen Leistung oder Ausgabe, d.h. der Generatorleistung (Gasturbinenleistung) des tatsächlichen Messwerts (tatsächliche Leistung -700°CMW: siehe die oben beschriebene Gleichung (1)).
Dann teilt ein Teiler 159 das Subtraktionsergebnis des Subtrahierers 158 durch das Subtraktionsergebnis des Subtrahierers 157 (siehe Gleichung (1) oben beschrieben). So kann der CLCSO berechnet werden. Um den CLCSO in Prozent darzustellen, ist es lediglich erforderlich, den Ausgangswert des Teilers 159 mit 100 zu multiplizieren.
Ein Rateneinsteller 160 gibt den Eingabewert vom Teiler 159 nicht sofort als CLCSO aus, sondern gibt den Eingabewert vom Teiler 159 aus, indem er den Eingabewert mit einer vorbestimmten Erhöhungs-/Verringerungsrate begrenzt, so dass jedes Ventil oder dergleichen zur Steuerung der Brennstoffströmungsrate nicht häufig Öffnungs- und Schließvorgänge aufgrund von winzigen Schwankungen des CLCSO durch beispielsweise winzige Schwankungen der Gasturbinenleistung (Generatorleistung) wiederholt.
Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und umfasst auch eine Ausführungsform, die durch Modifizierung der oben beschriebenen Ausführungsformen erhalten wird, oder eine Ausführungsform, die durch Kombination dieser Ausführungsformen erhalten wird, soweit dies angemessen ist.
Der in den obigen Ausführungsformen beschriebene Inhalt ist beispielsweise wie folgt zu verstehen.

(1) Eine Gasturbinenbrennkammer 4 gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst: einen ersten Brennstoffinjektor 41, einen zweiten Brennstoffinjektor 42, eine Brennkammerauskleidung 46, die als ein Verbrennungsteil zum Verbrennen von Brennstoff F dient, der von dem ersten Brennstoffinjektor 41 und dem zweiten Brennstoffinjektor 42 eingespritzt wird, ein Strömungssteuerteil für weniger brennbaren Brennstoff 240L zum Steuern, unabhängig voneinander, von Mengen von weniger brennbarem Brennstoff FL, die dem ersten Brennstoffinjektor 41 und dem zweiten Brennstoffinjektor 42 zugeführt werden, ein Strömungssteuerteil für leicht brennbaren Brennstoff 240H, zum Steuern, unabhängig voneinander, von Mengen von leicht brennbarem Brennstoff FH, der eine höhere Verbrennungsgeschwindigkeit als der weniger brennbare Brennstoff FL aufweist und dem ersten Brennstoffinjektor 41 und dem zweiten Brennstoffinjektor 42 zugeführt werden, und eine Verbrennungssteuerungsvorrichtung 140, die als Steuergerät dient. Die Steuereinrichtung (Verbrennungssteuerungsvorrichtung 140) ist konfiguriert, um das Strömungssteuerteil für weniger brennbaren Brennstoff 240L und das Strömungssteuerteil für leicht brennbaren Brennstoff 240H so zu steuern, dass sich ein relatives Verhältnis R eines ersten Verhältnisses R1 des leicht brennbaren Brennstoffs FH zur Gesamtheit des von dem ersten Brennstoffinjektor 41 eingespritzten ersten Brennstoffs F1 und eines zweiten Verhältnisses R2 des leicht brennbaren Brennstoffs FH zur Gesamtheit des von dem zweiten Brennstoffinjektor 42 eingespritzten zweiten Brennstoffs F2 entsprechend einem Betriebszustand einer Gasturbine 1 ändert.

Mit der obigen Konfiguration (1) ist es möglich, durch Ändern des oben beschriebenen relativen Verhältnisses R entsprechend dem Betriebszustand der Gasturbine 1 sowohl die Verringerung des unteren Ausgabegrenzwertes im Absenkbetrieb als auch die Verringerung des Risikos einer Rückzündung zu erreichen.
(2) Bei einigen Ausführungsformen wird in der obigen Konfiguration (1) bei dem ersten Brennstoffinjektor 41 und dem zweiten Brennstoffinjektor 42 das oben beschriebene relative Verhältnis R vorzugsweise so eingestellt, dass ein Wert, der durch Dividieren des ersten Verhältnisses R1 durch das zweite Verhältnis R2 erhalten wird (d.h., das relative Verhältnis R=R1/R2) in einem Fall, in dem ein den Betriebszustand darstellender Index ein erster Wert a1 ist, größer ist als in einem Fall, in dem der Index ein zweiter Wert a2 ist, bei dem eine Last an der Gasturbine 1 relativ zu dem Fall, in dem der Index der erste Wert a1 ist, hoch ist.
Mit der obigen Konfiguration (2), da das oben beschriebene relative Verhältnis R so eingestellt ist, dass der Wert, der durch Dividieren des ersten Verhältnisses R1 durch das zweite Verhältnis R2 erhalten wird, in dem Fall, in dem der Index, der den Betriebszustand darstellt, der erste Wert a1 ist, größer ist als in dem Fall, in dem der Index der zweite Wert a2 ist, wenn die erste Brennstoffinjektor 41 die Brennkammer ist, die ein höheres Rückzündungsrisiko aufweist als die zweite Brennstoffinjektor 42, ist das oben beschriebene relative Verhältnis R wünschenswert, um sowohl die Verringerung des unteren Ausgabegrenzwertes im Absenkbetrieb als auch die Verringerung des Rückzündungsrisikos zu erreichen.
(3) Bei einigen Ausführungsformen kann bei der obigen Konfiguration (2) die Steuereinrichtung Steuereinrichtung (Verbrennungssteuerungsvorrichtung 140) so konfiguriert sein, dass sie das Strömungssteuerteil für weniger brennbaren Brennstoff 240L und das Strömungssteuerteil für leicht brennbaren Brennstoff 240H so steuert, dass zumindest entweder das erste Verhältnis R1 oder das zweite Verhältnis R2 zwischen dem Fall, in dem der oben beschriebene Index der erste Wert a1 ist, und dem Fall, in dem der oben beschriebene Index der zweite Wert a2 ist, unterschiedlich ist.
Wie in der obigen Konfiguration (3) kann, da zumindest entweder das erste Verhältnis R1 oder das zweite Verhältnis R2 zwischen dem Fall, in dem der oben beschriebene Index der erste Wert a1 ist, und dem Fall, in dem der oben beschriebene Index der zweite Wert a2 ist, unterschiedlich ist, das oben beschriebene relative Verhältnis R zwischen dem Fall, in dem der oben beschriebene Index der erste Wert a1 ist, und dem Fall, in dem der oben beschriebene Index der zweite Wert a2 ist, unterschiedlich sein.
(4) Bei einigen Ausführungsformen kann bei der obigen Konfiguration (2) oder (3) die Steuereinrichtung (Verbrennungssteuerungsvorrichtung 140) so konfiguriert sein, dass sie das Strömungssteuerteil für weniger brennbaren Brennstoff 240L und das Strömungssteuerteil für leicht brennbaren Brennstoff 240H so steuert, dass das erste Verhältnis R1 in dem Fall, in dem der oben beschriebene Index der zweite Wert a2 ist, niedriger ist als in dem Fall, in dem der oben beschriebene Index der erste Wert a1 ist.
Mit der obigen Konfiguration (4) ist es möglich, das Risiko einer Rückzündung in dem ersten Brennstoffinjektor 41 zu unterdrücken, selbst wenn die Last an der Gasturbine 1 relativ groß wird.
(5) Bei einigen Ausführungsformen kann bei einer der obigen Konfigurationen (2) bis (4) die Steuereinrichtung (Verbrennungssteuerungsvorrichtung 140) so konfiguriert sein, dass sie das Strömungssteuerteil für weniger brennbaren Brennstoff 240L und das Strömungssteuerteil für leicht brennbaren Brennstoff 240H so steuert, dass das zweite Verhältnis R2 nicht niedriger ist als das erste Verhältnis R1 in dem Fall, in dem der oben beschriebene Index der zweite Wert a2 ist.
Mit der obigen Konfiguration (5) ist es beispielsweise möglich, wenn der erste Brennstoffinjektor 41 die Brennkammer ist, die ein höheres Rückzündungsrisiko hat als der zweite Brennstoffinjektor 42, das zweite Verhältnis R2 in dem zweiten Brennstoffinjektor 42 relativ hoch zu machen, während das Rückzündungsrisiko in dem ersten Brennstoffinjektor 41 unterdrückt wird, wenn die Last an der Gasturbine 1 relativ groß wird. Wenn es sich bei dem leicht brennbaren Brennstoff FH beispielsweise um einen Brennstoff wie Wasserstoff handelt, der eine relativ geringe Umweltbelastung aufweist, kann die Umweltbelastung unterdrückt werden, indem das zweite Verhältnis R2 relativ hoch eingestellt wird.
(6) Bei einigen Ausführungsformen kann in jeder der obigen Konfigurationen (2) bis (5) die Steuereinrichtung (Verbrennungssteuerungsvorrichtung 140) so konfiguriert sein, dass sie das Strömungssteuerteil für weniger brennbaren Brennstoff 240L und das Strömungssteuerteil für leicht brennbaren Brennstoff 240H so steuert, dass das zweite Verhältnis R2 mindestens 0,5 in dem Fall beträgt, in dem der oben beschriebene Index der zweite Wert a2 ist.
Mit der obigen Konfiguration (6) ist es möglich, das zweite Verhältnis R2 in dem zweiten Brennstoffinjektor 42 relativ hoch zu machen, wenn die Last an der Gasturbine 1 relativ groß wird. Wenn es sich bei dem leicht brennbaren Brennstoff FH beispielsweise um einen Brennstoff wie Wasserstoff handelt, der eine relativ geringe Umweltbelastung aufweist, kann die Umweltbelastung unterdrückt werden, indem das zweite Verhältnis R2 relativ hoch eingestellt wird.
(7) Bei einigen Ausführungsformen kann bei einer der obigen Konfigurationen (1) bis (6) der erste Brennstoffinjektor 41 ein Brennstoffinjektor eines Vormischverbrennungstyps sein, und der zweite Brennstoffinjektor 42 kann ein Brennstoffinjektor eines Diffusionsverbrennungstyps sein.
Im Allgemeinen ist der Brennstoffinjektor des Diffusionsverbrennungstyps eine Brennkammer, die ein geringeres Rückzündungsrisiko aufweist als der Brennstoffinjektor des Vormischverbrennungstyps.
Bei der obigen Konfiguration (7) ist der zweite Brennstoffinjektor 42 die Brennkammer mit dem geringeren Rückzündungsrisiko als der erste Brennstoffinjektor 41.
(8) Bei einigen Ausführungsformen kann bei jeder der obigen Konfigurationen (1) bis (7) eine Vielzahl der ersten Brennstoffinjektoren 41 um einen Umfang des zweiten Brennstoffinjektors 42 herum angeordnet sein.
Wenn ein Brennstoffinjektor von einer Vielzahl anderer Brennstoffinjektoren umgeben ist, hat der umgebene Brennstoffinjektor im Allgemeinen ein geringeres Risiko einer Fehlzündung als die umgebenden Brennstoffinjektoren.
Bei der obigen Konfiguration (8) ist der zweite Brennstoffinjektor 42 die Brennkammer mit dem geringeren Rückzündungsrisiko als der erste Brennstoffinjektor 41.
(9) Bei einigen Ausführungsformen kann bei jeder der obigen Konfigurationen (1) bis (7) der erste Brennstoffinjektor 41 koaxial mit dem zweiten Brennstoffinjektor 42 angeordnet und so konfiguriert sein, dass der erste Brennstoff F1 von einem Umfang des zweiten Brennstoffinjektors 42 eingespritzt wird.
Wenn die jeweiligen Brennstoffinjektoren so konfiguriert sind, dass ein Brennstoffinjektor koaxial zu einem anderen Brennstoffinjektor angeordnet ist und der eine Brennstoffinjektor Brennstoff von der Peripherie dess anderen Brennstoffinjektors einspritzt, hat der andere Brennstoffinjektor ein geringeres Risiko einer Fehlzündung als der eine Brennstoffinjektor.
Bei der obigen Konfiguration (9) ist der zweite Brennstoffinjektor 42 die Brennkammer mit dem geringeren Rückzündungsrisiko als der erste Brennstoffinjektor 41.
(10) Bei einigen Ausführungsformen ist bei jeder der obigen Konfigurationen (1) bis (9) der Index, der den Betriebszustand darstellt, vorzugsweise eine Gasturbineneinlass-Verbrennungsgastemperatur T1T.
Im Allgemeinen ist die Gasturbineneinlass-Verbrennungsgastemperatur T1T ein Index, der den Betriebszustand der Gasturbine 1 genauer anzeigt als beispielsweise die Last an der Gasturbine 1 (Gasturbinenleistung).
Mit der obigen Konfiguration (10) ist es möglich, die Steuerungsgenauigkeit des oben beschriebenen relativen Verhältnisses R zu verbessern, da der Betriebszustand der Gasturbine 1 genauer in dem oben beschriebenen relativen Verhältnis R wiedergegeben werden kann.
(11) Bei einigen Ausführungsformen ist bei jeder der obigen Konfigurationen (1) bis (9) der Index, der den Betriebszustand darstellt, vorzugsweise ein dimensionsloser Wert (CLCSO) einer Gasturbineneinlass-Verbrennungsgastemperatur T1T.
Wie oben beschrieben, ist die Gasturbineneinlass-Verbrennungsgastemperatur T1T der Index, der den Betriebszustand der Gasturbine 1 genauer anzeigt als beispielsweise die Last an der Gasturbine 1 (Gasturbinenleistung). In der Gasturbine der letzten Jahre hat sich jedoch die Gasturbineneinlass-Verbrennungsgastemperatur T1T erhöht, so dass es schwierig ist, die Gasturbineneinlass-Verbrennungsgastemperatur T1T über einen langen Zeitraum zu messen.
Mit der obigen Konfiguration (11), da der oben beschriebene Index der dimensionslose Wert (CLCSO) der Gasturbineneinlass-Verbrennungsgastemperatur T1T ist, ist es nicht notwendig, die Gasturbineneinlass-Verbrennungsgastemperatur T1T über einen langen Zeitraum zu messen, wodurch es möglich ist, die Steuerungsgenauigkeit des oben beschriebenen relativen Verhältnisses R einfach zu verbessern.
(12) Bei einigen Ausführungsformen kann bei jeder der obigen Konfigurationen (1) bis (9) der Index, der den Betriebszustand darstellt, eine Last an der Gasturbine 1 sein.
Die Last an der Gasturbine 1 ist als Index, der den Betriebszustand der Gasturbine 1 repräsentiert, weniger genau als z.B. die Gasturbineneinlass-Verbrennungsgastemperatur T1T, aber der Wert der Last an der Gasturbine 1 kann einfach erfasst werden.
Mit der obigen Konfiguration (12), da der oben beschriebene Index die Last an der Gasturbine 1 ist, ist es möglich, die Konfiguration zur Steuerung des oben beschriebenen relativen Verhältnisses R zu vereinfachen.
(13) Bei einigen Ausführungsformen kann bei jeder der obigen Konfigurationen (1) bis (12) der weniger brennbare Brennstoff FL ein Erdgas sein, und der leicht brennbare Brennstoff FH kann Wasserstoff, Propan oder eine Mischung aus Wasserstoff und Propan sein.
Wie bei der obigen Konfiguration (13) kann der weniger brennbare Brennstoff FL das Erdgas sein, das ein üblicher Brennstoff für die Gasturbine 1 ist. In diesem Fall kann der leicht brennbare Brennstoff FH Wasserstoff, Propan oder ein Gemisch aus Wasserstoff und Propan sein, das eine höhere Verbrennungsgeschwindigkeit als das Erdgas aufweist. Auf diese Weise ist es möglich, einen Anstieg der Kosten für den Brennstoff F zu unterdrücken.
(14) Eine Gasturbine 1 gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst: die Gasturbinenbrennkammer 4 mit einer der obigen Konfigurationen (1) bis (13) .
Mit der obigen Konfiguration (14) ist es möglich, sowohl die Verringerung des unteren Ausgabegrenzwerts im Absenkbetrieb als auch die Verringerung des Rückzündungsrisikos zu erreichen, und es ist möglich, den Betriebsbereich der Gasturbine 1 zu erweitern.
Bezugszeichenliste

1: Gasturbine
2: Verdichter
4: Gasturbinenbrennkammer (Brennkammer)
6: Turbine
41: Erster Brennstoffinjektor
42: Zweiter Einspritzdüse
46: Brennkammerauskleidung
50: Pilotverbrennungsbrenner
60: Hauptverbrennungsbrenner
140: Verbrennungssteuererungsvorrichtung
200: Versorgungssystem
240L: Strömungssteuerteil für weniger brennbaren Brennstoff
240H: Strömungssteuerteil für leicht brennbaren Brennstoff

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2021002117 [0001]
JP 2011137390 A [0003]

Claims

Eine Gasturbinenbrennkammer, umfassend: einen ersten Brennstoffinjektor, einen zweiten Brennstoffinjektor, ein Verbrennungsteil zum Verbrennen von Brennstoff, der von dem ersten Brennstoffinjektor und dem zweiten Brennstoffinjektor eingespritzt wird, ein Strömungssteuerteil für weniger brennbaren Brennstoff, zum Steuern, unabhängig voneinander, von Mengen von weniger brennbarem Brennstoff, die dem ersten Brennstoffinjektor und dem zweiten Brennstoffinjektor zugeführt werden, ein Strömungssteuerteil für leicht brennbaren Brennstoff, zum Steuern, unabhängig voneinander, von Mengen von leicht brennbarem Brennstoff, der eine höhere Verbrennungsgeschwindigkeit als der weniger brennbare Brennstoff aufweist und dem ersten Brennstoffinjektor und dem zweiten Brennstoffinjektor zugeführt werden, und eine Steuereinrichtung, die konfiguriert ist, um das Strömungssteuerteil für weniger brennbaren Brennstoff und das Strömungssteuerteil für leicht brennbaren Brennstoff so zu steuern, dass sich ein relatives Verhältnis eines ersten Verhältnisses des leicht brennbaren Brennstoffs zur Gesamtheit des von dem ersten Brennstoffinjektor eingespritzten ersten Brennstoffs und eines zweiten Verhältnisses des leicht brennbaren Brennstoffs zur Gesamtheit des von dem zweiten Brennstoffinjektor eingespritzten zweiten Brennstoffs entsprechend einem Betriebszustand einer Gasturbine ändert.
Die Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 1, wobei bei dem ersten Brennstoffinjektor und dem zweiten Brennstoffinjektor das relative Verhältnis so eingestellt ist oder wird, dass ein Wert, der durch Dividieren des ersten Verhältnisses durch das zweite Verhältnis erhalten wird, in einem Fall, in dem ein Index, der den Betriebszustand darstellt, ein erster Wert ist, größer ist als in einem Fall, in dem der Index ein zweiter Wert ist, bei dem eine Last an der Gasturbine relativ zu dem Fall, in dem der Index der erste Wert ist, hoch ist.
Die Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 2, wobei die Steuereinrichtung so konfiguriert ist, dass sie das Strömungssteuerteil für weniger brennbaren Brennstoff und das Strömungssteuerteil für leicht brennbaren Brennstoff so steuert, dass zumindest entweder das erste Verhältnis oder das zweite Verhältnis zwischen dem Fall, in dem der Index der erste Wert ist, und dem Fall, in dem der Index der zweite Wert ist, unterschiedlich ist.
Die Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Steuereinrichtung so konfiguriert ist, dass sie das Strömungssteuerteil für weniger brennbaren Brennstoff und das Strömungssteuerteil für leicht brennbaren Brennstoff so steuert, dass das erste Verhältnis in dem Fall, in dem der Index der zweite Wert ist, niedriger ist als in dem Fall, in dem der Index der erste Wert ist.
Die Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Steuereinrichtung so konfiguriert ist, dass sie das Strömungssteuerteil für weniger brennbaren Brennstoff und das Strömungssteuerteil für leicht brennbaren Brennstoff so steuert, dass das zweite Verhältnis nicht kleiner ist als das erste Verhältnis in dem Fall, in dem der Index der zweite Wert ist.
Die Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Steuereinrichtung so konfiguriert ist, dass sie das Strömungssteuerteil für weniger brennbaren Brennstoff und das Strömungssteuerteil für leicht brennbaren Brennstoff so steuert, dass das zweite Verhältnis mindestens 0,5 beträgt, wenn der Index der zweite Wert ist.
Die Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der erste Brennstoffinjektor ein Brennstoffinjektor eines Vormischverbrennungtyps ist, und wobei der zweite Brennstoffinjektor ein Brennstoffinjektor eines Diffusionsverbrennungstyps ist.
Die Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Vielzahl der ersten Brennstoffinjektoren um den Umfang des zweiten Brennstoffinjektors herum angeordnet sind.
Die Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der erste Brennstoffinjektor koaxial zu dem zweiten Brennstoffinjektor angeordnet und konfiguriert ist, um den ersten Brennstoff von einem Umfang des zweiten Brennstoffinjektors einzuspritzen.
Die Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Index, der den Betriebszustand darstellt, eine Gasturbineneinlass-Verbrennungsgastemperatur ist.
Die Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Index, der den Betriebszustand darstellt, ein dimensionsloser Wert einer Gasturbineneinlass-Verbrennungsgastemperatur ist.
Die Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Index, der den Betriebszustand darstellt, eine Last an der Gasturbine ist.
Die Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der weniger brennbare Brennstoff ein Erdgas ist, und wobei der leicht brennbare Brennstoff Wasserstoff, Propan oder ein Gemisch aus Wasserstoff und Propan ist.
Eine Gasturbine, umfassend: die Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 13.