JP2003232230A - Ｄｌｎガスタービンの性能が強化された制御 - Google Patents

Ｄｌｎガスタービンの性能が強化された制御

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、複数の燃焼チャンバを有する産業
用ガスタービンのための燃料調整システムに関する。 【解決手段】 多数の燃焼チャンバ（１６）のための多
数の燃料弁（６０）を有するガスタービンの制御システ
ム及び方法は、該燃料弁（６０）を、関連する燃焼チャ
ンバ（１６）に対して調整して、窒素酸化物エミッショ
ン、動的圧力及び燃空比の変動を最適化することを含
む。さらに、燃料弁（６０）の微調整が次に用いられ
て、動的圧力振動、窒素酸化物エミッション、又は燃空
比の変動を所定限界内に維持する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービンのた
めの燃料制御システムに関する。具体的には、本発明
は、複数の燃焼チャンバを有する産業用ガスタービンの
ための燃料調整システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】産業用ガスタービンは、ますます高い効
率で作動し、同時に望ましくない大気汚染エミッション
の生成をますます少なくすることが要求されている。ガ
スタービンにおけるより高い効率は、一般的に、ガスタ
ービンの燃焼チャンバにおける全体のガス温度を上昇さ
せることによって達成される。エミッションは、燃焼チ
ャンバにおける最高ガス温度を下げることによって削減
される。より高い効率への要求は、燃焼チャンバをより
高温にするもので、低エミッションのガスタービンにつ
いての規制上の要求とは、ある程度対立する。
【０００３】従来の炭化水素燃料を燃やすガスタービン
によって生成される大気汚染エミッションの主たるもの
は、窒素酸化物（ＮＯx）と、一酸化炭素（ＣＯ）と、
未燃炭化水素（ＵＨＣ）である。ガスタービンにおける
分子状窒素の酸化は、各々の燃焼チャンバの燃焼反応ゾ
ーンにおける最高温のガス温度によって劇的に増加す
る。窒素酸化物を形成する化学反応速度は、温度の指数
関数となる。ＮＯxエミッション量は、たとえほんの短
い間だけ最高温度に達した場合でも、非常に大きなもの
になる。ＮＯxエミッションを削減するための一般的な
方法は、希薄な燃空比を維持することによって燃焼チャ
ンバにおける最高温のガス温度を下げることである。
【０００４】燃焼チャンバにおける燃料−空気混合気が
希薄過ぎる場合には、一酸化炭素及び未燃炭化水素の過
剰なエミッションが生じる。ＣＯ及びＵＨＣエミッショ
ンは、燃料の不完全燃焼によりもたらされる。これらの
エミッションの生成は通常、混合気が反応ゾーンにおい
て燃焼を過度に冷却される場合に生じる。反応ゾーンに
おける温度は、完全燃焼を支持するのに十分でなければ
ならず、さもなければ化学的な燃焼反応は平衡状態に達
する前に冷却される。残念ながら、混合気が可燃希薄限
界に近い状態で作動させられる現在の低ＮＯx燃焼器に
おいては、過早冷却燃焼が頻繁に発生する。
【０００５】燃焼冷却によるＣＯ及びＵＨＣエミッショ
ンの発生率は、反応ゾーン温度の非線形関数であり、希
薄な燃空比の可燃限界で急に頂点に達する。ＣＯ及びＵ
ＨＣエミッションを最小限に抑えるためには、ガスター
ビンの燃焼器の反応ゾーンは、十分な混合気を有して、
可燃希薄限界を避けるべきである。しかしながら、燃焼
器は依然として希薄な混合気で作動して、ＮＯxエミッ
ションを削減しなければならない。ＣＯ、ＵＨＣ及びＮ
Ｏxエミッションの削減という対立するニーズのバラン
スをとるために、産業用ガスタービンの燃焼器の反応ゾ
ーンにおける混合気に対して非常に精度の高い制御が、
要求される。
【０００６】ガスタービンの各々の燃焼チャンバにおけ
る燃空比は、同じであるべきである。各々の燃焼器にお
ける混合気が一定であることは、該混合気がＣＯ、ＵＨ
Ｃ及びＮＯxエミッションを最も良好に削減する希薄比
に維持されることを可能にする。さらに、チャンバ間の
均一な燃空比は、ガスタービンの燃料器間の均一な温度
分布を保証する。温度及び圧力の均一な分布は、燃焼、
タービン及びガスタービンの他の高温流の構成部品上に
かかる熱的及び機械的応力を減少させる。このような応
力の減少は、燃焼器及びタービン部品の作動寿命を延長
する。幾つかの燃焼チャンバ（しかし他のものにはな
い）における最高温のガス温度は、より高温で高い燃空
比のチャンバ、及びそれらのチャンバのすぐ下流にある
タービン部品の材料の熱的応力を増加させ、強度を減少
させる。
【０００７】産業用ガスタービンの多数の燃焼チャンバ
において、本当に均一な温度及び圧力の分布を実現する
ことは、非常に困難であることが分かっている。例え
ば、燃焼チャンバにおける空気流量分布は、燃焼チャン
バの構成部品とその組立体における違いによって乱され
る。これらの違いは、燃焼器及びガスタービン部品の製
造、取り付け及び組み立てを行う際につきものの許容差
によるものである。さらに、圧縮機から燃焼システムに
近づき、燃焼器の排出部からタービンに出る空気通路
は、不規則である。これらの不規則な通路は、燃焼器を
通る空気流量に影響を及ぼし、燃焼器における均一でな
い空気流量の分布を引き起こす。例えば、局部的な空気
流抵抗が、圧縮機の排出空気流路におけるタービン軸受
の潤滑油用ラインによって引き起こされる。燃焼チャン
バ間の不規則な空気流量分布は、各々の燃焼チャンバに
おける燃空比にそれぞれ影響を及ぼす。各々の燃焼チャ
ンバにおける空気流量の変動は、全ての燃焼チャンバに
おいて一定の燃空比を維持することを困難にする。
【０００８】多数の燃焼チャンバを有する産業用ガスタ
ービンのための従来の燃料システムは、チャンバ間の均
一な燃料流量分布を提供する。これらのシステムは、同
じ比率の燃料を、各々のチャンバに対して計量する共通
制御を有する。これらのシステムは、各々のチャンバに
おける均一な燃空比を維持するために、燃料流量を各々
の燃焼チャンバに対して調整しない。したがって、これ
らの従来の燃料システムは、空気流量が燃焼チャンバ間
で均一に分布されないときには、全ての燃焼チャンバに
おいて本当に均一な燃空比を維持することはできない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】上述の問題を克服する
ために提案された１つのシステムは、特許文献１におい
て説明されるような、多数のチャンバを有するガスター
ビンの燃焼システムにおける各々の燃焼チャンバに対す
る燃料流量を調整することを含む。チャンバ間の燃料流
量分布は空気流量分布と適合するように調整されて、チ
ャンバ間の燃空比の均一な分布を得る。最適な燃料調整
は、制御されていないチャンバ間での空気流量の変動に
関係なく、全てのチャンバにおける燃空比を均一にす
る。
【００１０】
【特許文献１】 特開平６−２５７７４８公報
【００１１】燃料調整システムに対する制御信号は、
（１）個々の燃焼チャンバの燃料流量、（２）個々の燃
焼チャンバの動的圧力レベル、及び（３）タービン排出
部全体に渡るガスタービンの排気温度の分布である。こ
れらの信号を、個々に又は組み合わせて用いて、調整シ
ステムによって設定された最適な燃料流量分布を決定す
ることができる。各々の燃焼チャンバに通常の機器が用
いられて、燃料調整システムについてのこれらの制御信
号が得られる。これらの機器は、ガスタービン業界にお
いて周知であり、信頼性は証明されている。
【００１２】特許文献１において説明されたこのシステ
ムの１つの実施形態は、圧縮機と、該圧縮機からの加圧
空気を受ける多数のチャンバを有する燃焼器と、該圧縮
機に駆動関係で連結され、該燃焼器からの排気を受ける
タービンと、燃料を多数のチャンバを有する燃焼器の各
々のチャンバに供給するための燃料システムとを備える
ガスタービンであり、該燃料システムは燃料を個々のチ
ャンバに対して調整して、空気流量を各々のチャンバに
適合させる。
【００１３】同様に、特許文献１の別の実施形態は、複
数のチャンバを有するガスタービンの燃焼部分を含み、
該チャンバの少なくとも1つのが、圧縮機から空気を受
け、燃料分配器から燃料を受ける少なくとも1つの燃焼
反応ゾーンを備え、該燃料分配器が燃料調整オリフィス
及び燃料調整弁を有し、少なくとも１つのチャンバにつ
いて該燃料調整弁が個々に設定されて、該チャンバに対
する燃料流量を調整する。
【００１４】特許文献１において説明されたこれらのシ
ステムによって提供される利点は、多数の燃焼チャンバ
間の燃空比の均一な分布を含み、ガスタービンの負荷範
囲全体に渡り、窒素酸化物、一酸化炭素及び未燃炭化水
素を含む、ガスタービンの排気における好ましくない大
気汚染物質のエミッションを最小限に抑えることであ
る。さらに、燃空比の均一な分布は、ガスタービンの高
温流の構成部品についての作動寿命を延長する。
【００１５】したがって、特許文献１において説明され
たシステムは、産業用ガスタービンにおける多数のチャ
ンバを有する燃焼システムの、全ての燃焼チャンバ間の
燃空比についての均一な分布を得るための方法を提供す
る。特に、説明されたシステムは、空気流量が燃焼チャ
ンバ間で均一に分布されていないとき、多数のチャンバ
を有するガスタービンの燃焼チャンバシステムの各々の
チャンバにおける均一な燃空比を維持する。システム
は、燃焼システム間の燃料流量の分布を調整するように
作動して、各々のチャンバに対する空気流量の変動に適
合させる。
【００１６】
【発明を解決するための手段】本発明は、エミッション
要求を満たし、かつハードウェアの寿命を最適化しなが
ら、最大性能を実現するために重要な、こうした機械の
作動パラメータのリンクされたフィードバック制御を特
徴とする。具体的には、本発明は、数多くのセンサ、及
び個々の燃焼チャンバに対する燃料流量制御を要求し
て、重要なパラメータの適正水準を実現するようにター
ビンを作動させる、制約付きの最適化制御アルゴリズム
（制約付きの傾斜探索技術のような）に対する入力及び
制御方法を提供する。本発明は、個々の燃焼チャンバに
おける燃空比及び動的圧力の改良された制御を直接もた
らして、それら個々の性能を最適化する。
【００１７】本発明は、フィードバック制御を利用し
て、多数のチャンバを有する機械において、出力及び効
率などの性能を最適化し、個々の燃焼器の缶にセンサを
配置して該缶への燃料流量を制御することによって、エ
ミッションを最適化する。この機械は、燃焼器の中に注
入された水のような希釈液を持つ従来の拡散燃焼器か、
希薄な予混合の乾式低ＮＯx（ＤＬＮ）燃焼システムの
いずれかを有することができる。
【００１８】本発明は、多数のチャンバを有する機械に
おいて存在し、動的制御などのための「最悪の場合」の
制御手段を適用することが必要になる、チャンバ間の固
有の変動によって生成される、特に窒素酸化物のような
エミッションを最小限に抑える。これは、依然としてエ
ミッションに対処しながら、所定のガスタービンの出力
及び効率を改良する（例えば燃焼温度及び圧力比の上昇
によって）ことができるようにするものである。
【００１９】本発明は、各々の燃焼チャンバにおけるエ
ミッションの総計及び動的圧力振動を許容限界内に維持
しながら、ガスタービンの動力出力能力を最大限に引き
出す。本発明は、変化する負荷条件及び変化する周囲条
件の下で、この最適化を遂行する。
【００２０】
【発明の実施の形態】添付の図面には、以下の本発明の
実施形態についての詳細な説明において用いられる参照
番号が含まれている。
【００２１】図１は、圧縮機１４と、圧縮機排気ダクト
１５と、多数の燃焼チャンバ（１つを示す）１６と、単
一のブレードによって表されたタービン１８とを含む、
ガスタービン１２を示す。具体的には示されていない
が、タービンが共通軸線に沿って圧縮機に駆動関係で連
結されることは、よく知られている。圧縮機によって加
圧された吸気は、矢印１９で示すように燃焼器の方に向
けられ、燃焼器を冷却し、また燃焼のための空気を供給
する。
【００２２】複数の燃焼チャンバ１６が、ガスタービン
の周辺の周りに配置される。１つの特定のガスタービン
においては、１４個のチャンバがガスタービンの周辺の
周りに配置される。遷移ダクト２０は、特定の燃焼チャ
ンバの排出口をタービンの流入口を連結して、燃焼プロ
セスの高温生成物をタービンに供給する。
【００２３】本発明は、特許公告昭６２−３２３７０公
報において説明された種類の２段でデュアルモードの低
ＮＯx燃焼器において特に有益である。この特許におい
て説明され、図１及び図２で示されるように、各々の燃
焼チャンバ１６は、ベンチュリのど部領域２８によって
分けられる、一次即ち上流燃焼反応ゾーン２４と、二次
即ち下流燃焼反応ゾーン２６とを備える。各々の燃焼チ
ャンバは、圧縮機によって排出された空気流をチャンバ
に導く燃焼器流れスリーブ３０によって取り囲まれる。
チャンバは、タービンケーシング３２にボルト止めされ
た外側ケーシング３１によってさらに取り囲まれる。
【００２４】一次燃料ノズル３６は、燃料を上流反応ゾ
ーン２４に供給するものであり、中央二次燃料ノズル３
８の周りに環状配列で配置される。１つのガスタービン
のモデルにおいて、各々の燃焼チャンバは、６つの一次
ノズルと１つの二次ノズルを含むことができる。燃料
は、中央環状燃料マニホルド４２からノズルに供給され
る。このマニホルドから、燃料はフィルタを通して、一
次燃焼反応ゾーン２４及び二次燃焼反応ゾーン２６のた
めの燃料分配器に配管４３される。二次分配器４４は、
燃料を二次燃料ノズル３８に送り、一次分配器４５は、
燃料を一次ノズル３６に送る環状の配管ユニットであ
る。
【００２５】各々の分配器が、関連した燃料調整ユニッ
トを有する。二次分配器用の二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弁６０を有す
る。技術者は、圧力、温度及び燃料流量センサからセン
サ信号を読み取る。同様の一次燃料調整ユニット４８
は、一次ノズルに対する燃料流量を調整する。一次燃焼
チャンバにおける点火は、スパークプラグ４９によっ
て、また隣接する燃焼チャンバによって火炎伝播管５０
を通して引き起こされる。
【００２６】図２は、特許公告昭６２−３２３７０公報
において説明されたような、２段でデュアルモードの低
ＮＯx燃焼システムに適用される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チャンバ１
６は、チャンバ１、２、３からＮまでの表示が付されて
おり、Ｎは燃焼システムにおける燃焼チャンバの総数で
ある。燃焼反応は、各々のチャンバの一次及び二次反応
ゾーンの両方において、単独か、或いは組み合わせのい
ずれかにおいて生じる。燃料と空気が、燃焼チャンバの
反応ゾーンの中に導入され、燃焼が生じ、燃料が熱を放
出しながら酸化され、この熱が燃焼ガスにおける温度及
び圧力の上昇を招く。典型的な用途において、燃料はメ
タン即ちＣＨ4のような炭化水素であり、平衡状態へ向
かう燃焼酸化生成物は、主に二酸化炭素即ちＣＯ2と水
即ちＨ2Ｏである。燃焼生成物は通常、圧縮機から燃焼
器を通して希釈用空気として供給された過剰な空気によ
って、希釈される。
【００２７】全ての燃焼チャンバ１６の反応ゾーン２
４、２６内の高温のガス温度の分布は、各々のチャンバ
の反応ゾーンにおける燃空比に依存する。燃焼チャンバ
を出てタービン１８の１段目に入る燃焼ガス流における
高温ガスの温度と圧力の分布は、各々の燃焼チャンバに
おける全体の燃空比に依存する。
【００２８】一般的に、空気流量は、各々の燃焼チャン
バによって異なる。各々のチャンバにおける各々の反応
ゾーンに対する燃料流量が空気流量の違いを考慮して調
整される。個々の燃焼チャンバの各々において一次及び
二次反応ゾーンに対する燃料流量は、全てのチャンバに
対する平均燃料流量に対して、調整される、すなわち上
昇又は低下される。この調整は、各々の燃焼チャンバに
ついて、燃料流量と空気流量を適合させる燃料調整シス
テム４６、４８によって達成される。
【００２９】技術者は、監視されている条件に応じて、
二次及び一次の両方の燃料ノズルに対する燃料流量を調
節する。この調節は、ガスタービンの作動中の如何なる
ときにもなされることができるが、通常は、ガスタービ
ンの取り付け時又は分解修理中に行われる。各々の燃焼
チャンバに対して燃料流量を個々に調整することによっ
て、燃料流量は、各々の燃焼チャンバにおける個々の空
気流量と適合させられて、各々のチャンバにおいて一定
の燃空比を維持することができる。
【００３０】図３は、単一の燃焼チャンバについて、燃
料調整ユニット４６又は４８のための構成を示す。燃料
調整制御弁６０は、各々の燃焼チャンバの各々のゾーン
に対する燃料供給ラインの流量抵抗を変えることによっ
て、各々の反応ゾーン２４、２６に対する燃料流量を調
節する。
【００３１】燃料調整制御弁を設定するのに用いられる
測定されたパラメータは、（１）各々の燃料調整システ
ムに対する測定された燃料流量、（２）測定された燃焼
チャンバの動的圧力、及び（３）ガスタービンの排気に
おける測定されたガス温度の分布である。技術者は、個
々の燃焼チャンバの動的圧力、ガスタービンの排気温度
の分布、及び個々の燃焼チャンバの燃料流量を監視す
る。
【００３２】通常の燃料流量計６４が、燃料調整システ
ムに含まれて、各々の燃焼チャンバにおける各々の反応
ゾーンに対する燃料流量を測定する。この測定された燃
料流量が、各々の燃焼チャンバにおける一次と二次反応
ゾーンとの間での所望の燃料流量の分割を維持するため
に用いられる。各々のチャンバに対する総計燃料流量、
及び各々の反応ゾーンに対する燃料流量は、弁６０を介
して調節されて、チャンバへの空気流量分布に適合させ
られる。
【００３３】各々の燃焼チャンバに設けられる通常の動
的圧力センサ６６（図１）がチャンバ圧力の測定値を提
供し、この測定値が燃料調整弁６０を調節する技術者に
表示される。同様に、通常の排気熱電対アレイ６８（図
１は熱電対プローブを１つだけ示す）が、タービンを出
る排気ガスの温度分布に関するデータを技術者に提供す
る。圧力及び温度センサ及び燃料流量計からのデータが
与えられると、技術者は、各々の反応ゾーンに対する燃
料調整弁を、各々の燃焼チャンバに対して調節すること
ができる。このようにして、各々の反応ゾーンに対する
燃料流量が調整されて、全ての燃焼チャンバにおいて均
一な燃料−空気混合気を維持することができる。
【００３４】図４は、別の実施形態における燃料調整ユ
ニットの詳細ダイアグラムを示し、そこでは燃料調整弁
は、手動ではなく、コンピュータで制御される。コンピ
ュータ７０は、センサのデータを監視し、継続的に燃料
流量を調整して、各々の燃焼チャンバにおける均一な燃
空比を維持する。調整弁６０は、手動方法で、取り付け
時に定位置に設置され、保守中に調節することができ
る。空気流量分布がタービンの寿命を著しく変えるとは
思われないため、この手動の操作方法は十分である。し
たがって、燃料流量がガスタービンの取り付け時に各々
のチャンバに適合するように調整されたときには、この
燃料と空気の適合性がガスタービンの寿命期間中有効で
あると期待しても差し支えない。しかしながら、本当に
正確な燃料と空気の調整が所望される場合には、継続的
なコンピュータ制御の燃料調整が望ましいであろう。
【００３５】このコンピュータ・コントローラ７０は、
出願人のゼネラル・エレクトリック社によって販売され
ている産業用ガスタービンのためのＭＡＲＫ Ｖ制御コ
ンピュータのような通常の制御装置である。このコンピ
ュータが、センサデータを、排気熱電対アレイ６８及び
チャンバの動的圧力センサ６６から受信する。同様に、
コンピュータ・コントローラは、燃料流量データを、各
々の反応ゾーン用の流量計６４から受信する。センサ入
力を用いて、コンピュータ・コントローラは、燃料調整
弁６５を調節するソレノイド７２を作動させる。
【００３６】手動及びコンピュータ制御の両方の実施形
態における燃料調整弁６０は、直列の調整弁６５及び調
整燃料オリフィス７４と、並列の主燃料オリフィス７６
を含む。この並列の主及び調整燃料オリフィスが、ガス
タービンを、燃焼チャンバ間の燃料流量分布における、
不測の極端な変動から守る。全ての燃料が燃料調整オリ
フィスを通って流される場合、燃料流量が空気流量に適
合するように調整されている間、極端な燃料の変動が生
じる可能性がある。並列の主及び調整用オリフィスは、
燃料調整ユニットによって燃料流量の最大変動を制限す
る。
【００３７】本発明は、２段の低ＮＯx燃焼システムに
適用するように説明されてきた。しかしながら、本発明
は、単段の低ＮＯx燃焼システム、単段の従来型の燃焼
システム、又はシステムが多数の燃焼チャンバを用いる
ものであれば、他の如何なるガスタービン燃焼システム
にも適用することができる。
【００３８】図５は、能動的な燃料調整に関連した一般
的な燃焼及び燃料システム配列の構成についての例を概
略形式で示すものである。図５において、１〜Ｎの燃焼
器２００の各々には、それぞれの燃料弁１００を通して
１〜ｎの燃料ラインから燃料が供給される。１からＮま
での燃焼チャンバの各々に対する、１からｎまでの燃料
回路の各々における調整弁の連係された能動的な制御
は、全ての燃焼チャンバにおける動的圧力振動を許容限
界内に維持しながら、全てのチャンバの合計によって生
成される窒素酸化物のエミッションの総計を最小限に抑
える。この制御システムは、各々の燃焼チャンバ２００
における窒素酸化物のエミッションの総計、及び動的圧
力振動を監視することによって、各々の制御弁１００を
能動的に調整する。この調整アルゴリズムは、燃空比及
び独立した燃料回路間の燃料分割の関数として生成され
る、動的圧力振動と窒素酸化物エミッションとの間の公
知の関係を利用する。この調整アルゴリズムはさらに、
全体としてＮＯxを改善する学習アルゴリズムと、開始
点として用いられるダイナミックス関係とを関連付ける
ものである。
【００３９】図６及び図７は、１つの考えられる燃焼構
成についてのこれらの関係についての例を示す。例え
ば、図６は、ＮＯxエミッション及び動的圧力振動（δ
pi）が、供給された燃料の関数としてどのように変化す
るかを示す。供給された燃料に関し所定の弁について見
られるように、動的圧力振動が最大であるとき、ＮＯx
エミッションは最小に抑えられる。図７は、供給された
燃料が変化するにつれて、排気ガスの温度（ΔＴex）も
変化することを示す。
【００４０】本発明の調整アルゴリズムは、エミッショ
ンに対する燃空比の特性が非線形特性であることを活用
して、単位燃料流量減少当たりの増分エミッションの減
少が最高になるとき燃料を燃料ノズルから離れる方向に
シフトさせ、単位燃料流量増加当たりの増分エミッショ
ンの増加が最小になるとき燃料を該ノズルに向かうよう
にシフトさせる。正味の効果は、多変量の観点におい
て、個々の燃焼チャンバの各々における全エミッション
及び個々の動的圧力振動を最小限に抑えながら、ガスタ
ービンの動力出力についての能力を最大にすることであ
る。この調整アルゴリズムはさらに、燃焼器間での燃空
比の変動を利用して、ガスタービンにおける動力出力に
ついての性能を最適化することもできる。燃焼器間での
燃空比の変動を検知するための１つの方法は、燃焼器の
排気温度を検知又は感知することである。燃焼器間での
燃空比の変動を検知する別の方法は、熱電対を用いて、
各々の燃焼器における火炎温度を検知することである。
各々の調整アルゴリズムは、特定のガスタービンに特有
であり、そのガスタービンの作動特性によって決定され
る。
【００４１】このプロセスは、同様に、一酸化炭素を含
む他のあらゆる望ましくないエミッションを測定し、制
限することにまで及ぶ。最小にされる関数は、各々の種
類のエミッションの許容出力しきい値と比較されると
き、最も制限的になるものである。
【００４２】このプロセスは、如何なる多数のチャンバ
を有する燃焼システムにも適用することができ、一般的
な場合、次のような個々の燃焼チャンバからなると想定
される。
【００４３】Ｎ＝燃焼チャンバ数 燃料は、次のように、独立に計画されている多数の燃料
回路によって各々の燃焼チャンバに供給される。
【００４４】ｎ＝燃料回路数 各々の燃料回路を通って各々のチャンバに供給される燃
料は、下記の通りである。
【００４５】ｆij＝ｊ番目の燃料回路を通ってｉ番目の
チャンバに供給される燃料 どのチャンバに供給される燃料の総計も、全ての燃料回
路を通ってそのチャンバに供給された燃料の合計とな
り、即ち下記の通りである。
【００４６】
【数１】
【００４７】ガスタービンに供給される燃料流量の総計
は、下記の通りである。
【００４８】
【数２】
【００４９】燃焼チャンバの平均燃料流量は、下記の通
りである。
【００５０】
【数３】
【００５１】あらゆる個々の燃焼チャンバによって排出
される窒素酸化物レベルは、下記の通りである。
【００５２】ＮＯxi=ｉ番目チャンバからのＮＯx ガスタービンによって排出される窒素酸化物レベルは、
数式４の燃焼チャンバの平均レベルである。
【００５３】
【数４】
【００５４】ここで、ＮＯxはｆijの非線形関数であ
る。
【００５５】
【数５】
【００５６】δｐi=ｉ番目のチャンバにおける燃焼器ダ
イナミックス 燃焼器ダイナミックスは高度に非線形関数である。
【００５７】
【数６】
【００５８】
【数７】
【００５９】
【数８】
【００６０】キー制御パラメータは、下記の通りであ
る。
【００６１】ＫＣＰ：ｆij，ｆ
【００６２】
【数９】
【００６３】注：ＮＯxi及びδpiはｆij操作と逆に反応
する。
【００６４】制御方策は、次のタスクを含む。
【００６５】Ｉ． ｆijを制御することによってΔ（δ
ｐi）、Δ（ＮＯxi）、Ｔexを、同時に最適化（最小
化）する。
【００６６】
【数１０】
【００６７】（即ち、９ｐｐｍの保証には８．９ｐｐｍ
まで） タスクＩ及びＩＩは、例えば、周囲の変化のように、連
続的に実行される。
【００６８】ｂ）部分負荷では、パートＩを実行する
が、事前に選択された負荷或いは燃空比の変動（機械の
排気温度）を維持する。
【００６９】上記のタスクＩ及びＩＩに従って、この制
御方策の作動をここで説明する。ガスタービンには、例
えば、排気部に設けた複数の温度センサ、或いは燃焼チ
ャンバに設けた複数の熱電対のような、燃焼器間におけ
る燃空比の変動を感知する方法が設けられる。最低温度
と最高温度との間の開き、及び、実際には、周囲及び周
辺部の温度パターンは、燃焼器の缶の間の異なる作動条
件を示す。この変動を減らすのは望ましいことである。
これは、どの缶が温度の開きを通常より高温にしている
のかを推測するためのモデルに基づいた方法と、缶を均
一な作動条件に導く制御動作とによって達成される。こ
のモデルは、物理方程式の組み合わせ、並びにニューラ
ル・ネットワークによって用いられるような、データに
基づく方程式の組み合わせとなる。この制御動作は、燃
焼器の缶における温度が実質的に同一となり、しかも平
均温度が個々の缶の温度についての有効な近似値である
ことを保証にする。
【００７０】ＮＯxが、直接、燃焼温度と相関している
ということは、周知のことである。したがって、温度を
制御することはＮＯxを制御することになる。この考え
方は、ＮＯx生成のために、非線形モデルを介して、各
々の缶によって生成されたＮＯx量を見積もることであ
る。測定されたパラメータから全体のＮＯx量を見積も
るためのモデルが存在する。本発明における新規性は、
個々の缶によって生成されたＮＯx量を見積もることで
ある。たとえＮＯxのオンライン測定が利用可能な場合
でも、この方法が用いられて、缶間でＮＯx量の総計を
分配することができる。各々の缶から放出された相対的
なＮＯx量が推測されると、このシステムは、個々の缶
に対する燃料流量を操作して、量を減らすか、又は制御
する。
【００７１】ＮＯxの制御が制約を受けない場合には、
こうしたことは難しいことではない。残念ながら、実際
はそうではない。燃焼器の缶における動的圧力は温度の
関数でもあり、温度を変えることは、より高い音響を招
くことになる。したがって、ＮＯx制御は、音響を許容
レベル以下に保持する作動上の制約を受ける。これは、
各々の缶における動的圧力を感知し、信号を処理し、そ
れらを制御装置に送ることによってなされる。このＮＯ
x制御アルゴリズムは、次に、これらの信号を用いて、
最適化を制約する。
【００７２】本発明を、現在最も実用的でかつ好ましい
実施形態であると考えられるものに関して説明してきた
が、本発明は、開示した実施形態に制限されるべきもの
ではなく、また、特許請求の範囲に記載された符号は、
理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施
例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 部分断面図で示したガスタービンエンジンの
正面図。
【図２】 本発明による燃料調整システムのブロック
図。
【図３】 図２で示した燃料調整システムのための計測
及び制御システムの概略図。
【図４】 コンピュータ化された機器の概略図。
【図５】 能動的な燃料調整を用いる一般的な燃焼及び
燃料システム構成についての例示的な実施形態の概略
図。
【図６】 燃焼システムのエミッションについての例示
的な関係を示す図。
【図７】 燃焼圧力のダイナミックスに対する例示的な
関係を示す図。
【符号の説明】
１２ ガスタービン １４ 圧縮機 １５ 圧縮機排気ダクト １６ 燃焼チャンバ １８ タービン ２０ 遷移ダクト ２４ 上流燃焼反応ゾーン ２６ 下流燃焼反応ゾーン ３０ 燃焼器流れスリーブ ３１ 外側ケーシング ３６ 一次燃料ノズル ３８ 二次燃料ノズル ４２ 環状燃料マニホルド ４３ 燃料ライン ４４ 二次分配器 ４５ 一次分配器 ４６ 二次燃料調整ユニット ４８ 一次燃料調整ユニット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ブルース・ジー・ノーマン アメリカ合衆国、ニューヨーク州、スケネ クタデイ、リバー・ロード、１番 (72)発明者 ロバート・ジョセフ・ヤシッロ アメリカ合衆国、ニューヨーク州、グレン ビル、サンダルウッド・レーン、36番

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 多数の燃焼器（１６）と、該多数の燃焼
    器（１６）の少なくとも１つに関連する多数の燃料ライ
    ン（４３）及び弁（６０）を有するガスタービン（１
    ２）に使用するためのガスタービン制御方法であって、 各々の前記燃料弁（６０）を独立して、各燃焼器（１
    ６）に対して調整して、窒素酸化物エミッションを全て
    の燃焼器（１６）の合計によって生成される目標レベル
    にまで制御し、 各々の前記燃料弁（６０）を微調整して、全ての燃焼器
    （１６）における動的圧力振動を予め定められた限界内
    に維持する、ことを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 多数の燃焼器（１６）と、該多数の燃焼
    器（１６）の少なくとも１つに関連する多数の燃料ライ
    ン（４３）及び弁（６０）を有するガスタービン（１
    ２）に使用するためのガスタービン制御方法であって、 各々の前記多数の燃焼器（１６）からの動的圧力振動及
    びＮＯｘエミッションを測定し、 各々の前記多数の燃焼器（１６）からの燃空比の変動を
    感知し、 各々の前記燃料弁（６０）を調整して、前記多数の燃焼
    器（１６）を通る燃空比の変動を向上させ、 前記多数の燃焼器（１６）のどの１つが最大動的圧力振
    動を有するのかを識別し、 最大動的圧力振動を有する前記多数の燃焼器（１６）の
    前記１つと関連する前記多数の燃料弁（６０）の各々の
    １つに供給される燃料を微調整して、前記最大動的圧力
    振動を減少させ、同時に前記ＮＯｘエミッションを低い
    レベルに維持する、ことを特徴とする方法。
  3. 【請求項３】 多数の燃焼器（１６）と、該多数の燃焼
    器（１６）の少なくとも１つに関連する多数の燃料ライ
    ン（４３）及び弁（６０）を有するガスタービン（１
    ２）に使用するためのガスタービン制御方法であって、 前記多数の燃焼器（１６）に対する燃焼圧力ダイナミッ
    クスについての許容できる標準を定め、 前記多数の燃焼器（１６）からのＮＯｘエミッションに
    ついての許容できる標準を定め、 前記多数の燃焼器（１６）の燃焼器間の燃空比の変動に
    ついての許容できる標準を定め、 前記多数の燃焼器（１６）からの燃焼圧力ダイナミック
    ス、ＮＯｘエミッション及び燃空比の変動を向上させる
    ために、前記多数の弁（６０）への燃料流量を制御し、 前記ガスタービン（１２）の基本負荷において、ＮＯｘ
    エミッションを該ＮＯｘエミッションについての許容で
    きる標準に調節するために、前記多数の弁に対する燃料
    流量をさらに制御する、ことを特徴とする方法。
  4. 【請求項４】 多数の燃焼器（１６）と、該多数の燃焼
    器（１６）の少なくとも１つに関連する多数の燃料ライ
    ン（４３）及び弁（６０）を有するガスタービン（１
    ２）に使用するためのガスタービン制御方法であって、 前記多数の燃焼器（１６）に対する燃焼圧力ダイナミッ
    クスについての許容できる標準を定め、 前記多数の燃焼器（１６）からのＮＯｘエミッションに
    ついての許容できる標準を定め、 前記多数の燃焼器（１６）からの燃空比の変動について
    の許容できる標準を定め、 前記多数の燃焼器（１６）からの燃焼圧力ダイナミック
    ス、ＮＯｘエミッション及び燃空比の変動を向上させる
    ために、前記多数の弁（６０）への燃料流量を制御し、 前記ガスタービン（１２）の部分負荷において、前記燃
    空比変動を標準に維持するために、前記多数の弁（６
    ０）に対する燃料流量をさらに制御する、ことを特徴と
    する方法。
  5. 【請求項５】 複数のチャンバ（１６）を有するガスタ
    ービン（１２）であって、前記チャンバの各々は、 圧縮機（１４）から空気を受け、燃料分配器（４２）か
    ら燃料を受ける少なくとも１つの燃焼反応ゾーン（２
    ４、２６）を備え、 前記燃料分配器（４２、４４）は、燃料調整オリフィス
    と燃料調整弁（６０）とを有し、前記チャンバ（１６）
    の前記各々のための前記燃料調整弁（６０）は、前記チ
    ャンバへの燃料流量を調整するために独立に調節可能で
    あり、 前記チャンバにおける動的ガス圧力を検知する圧力セン
    サ（６６）と、 前記複数のチャンバでの前記燃空比の変動を検知するた
    めの燃空比センサ（６４）と、 前記燃料調整弁（６０）及び前記センサ（６４、６６）
    に連結され、前記圧力センサ（６６）によって検知され
    た動的ガス圧力と、前記燃空比センサ（６４）によって
    検知された燃空比の変動とを最適化するために前記燃料
    調整弁を作動的に調節し、前記燃空比の変動を予め定め
    られたレベルに維持するために前記燃料調整弁（６０）
    を前記チャンバの各々の１つについてさらに調節するコ
    ンピュータ・コントローラ（７０）と、が設けられたこ
    とを特徴とするガスタービン（１２）。
  6. 【請求項６】 複数のチャンバ（１６）を有するガスタ
    ービン（１２）であって、前記チャンバの各々は、 圧縮機（１４）から空気を受け、燃料分配器（４２）か
    ら燃料を受ける少なくとも１つの燃焼反応ゾーン（２
    ４、２６）を備え、 前記燃料分配器は、燃料調整オリフィスと燃料調整弁
    （６０）とを有し、前記チャンバ（１６）の前記各々の
    ための前記燃料調整弁（６０）は、前記チャンバに対す
    る燃料流量を調整するために独立に調節可能であり、 前記チャンバにおける動的ガス圧力を検知する圧力セン
    サ（６６）と、 前記複数のチャンバ（１６）の前記燃空比の変動を検知
    するための燃空比センサ（６４）と、 前記燃料調整弁及び前記センサ（６４、６６）に連結さ
    れ、前記圧力センサ（６６）によって検知された動的ガ
    ス圧力と、前記燃空センサ（６４）によって検知された
    燃空比の変動とを最適化するために燃料調整弁（６０）
    を作動的に調節し、ＮＯｘエミッションを予め定められ
    たレベルに維持するために前記燃料調整弁（６０）を前
    記チャンバの各々の１つについてさらに調節するコンピ
    ュータ・コントローラ（７０）と、が設けられたことを
    特徴とするガスタービン（１２）。
  7. 【請求項７】 多数の燃焼器（１６）と、該多数の燃焼
    器（１６）の少なくとも１つに関連する多数の燃料ライ
    ン（４３）及び弁（６０）を有するガスタービン（１
    ２）のための制御システムであって、 前記多数の燃焼器（１６）における動的ガス圧力を検知
    するための少なくとも１つの圧力センサ（６６）と、 前記多数の燃焼器（１６）の間の燃空比の変動を検知す
    るための少なくとも１つの燃空比センサ（６４）と、 前記多数の燃料弁（６０）及び前記センサ（６４、６
    ６）に連結され、前記少なくとも１つの圧力センサ（６
    ６）によって検知された動的ガス圧力を向上させ、前記
    少なくとも１つの燃空比センサ（６４）によって検知さ
    れた燃空比の変動を向上させるために前記多数の燃料弁
    （６０）を作動的に調節し、前記燃空比の変動を予め定
    められたレベルに維持するために前記多数の燃料弁（６
    ０）をさらに調節するコンピュータ・コントローラ（７
    ０）と、を含むことを特徴とする制御システム。
  8. 【請求項８】 多数の燃焼器（１６）と、該多数の燃焼
    器（１６）の少なくとも１つに関連する多数の燃料ライ
    ン（４３）及び弁（６０）を有するガスタービン（１
    ２）のための制御システムであって、 前記多数の燃焼器（１６）における動的ガス圧力を検知
    するための少なくとも１つの圧力センサ（６６）と、 前記多数の燃焼器（１６）の間の燃空比の変動を検知す
    るための少なくとも１つの燃空比センサ（６４）と、 前記多数の燃料弁（６０）及び前記センサ（６４、６
    ６）に連結され、前記少なくとも１つの圧力センサ（６
    ６）によって検知された動的ガス圧力を向上させ、前記
    少なくとも１つの燃空比センサ（６４）によって検知さ
    れた燃空比の変動を向上させるために前記多数の燃料弁
    （６０）を作動的に調節し、ＮＯｘエミッションを予め
    定められたレベルに維持するために前記多数の燃料弁
    （６０）をさらに調節するコンピュータ・コントローラ
    （７０）と、を含むことを特徴とする制御システム。
  9. 【請求項９】 多数の燃焼器（１６）と、該多数の燃焼
    器（１６）の少なくとも１つのに関連する多数の燃料ラ
    イン（４３）及び弁（６０）を有するガスタービン（１
    ２）のための制御システムであって、 前記多数の燃焼器（１６）における動的ガス圧力を検知
    するための圧力センサ手段（６６）と、 前記多数の燃焼器（１６）の間の燃空比の変動を検知す
    るための燃空比センサ手段（６４）と、 前記多数の燃料弁（６０）と、前記圧力センサ手段（６
    ６）と、前記燃空比センサ手段（６４）とに連結され、
    前記圧力センサ手段（６６）によって検知された動的ガ
    ス圧力を向上させ、前記燃空比センサ手段（６４）によ
    って検知された燃空比の変動を向上させるために前記多
    数の燃料弁（６０）を作動的に調節し、前記燃空比の変
    動を予め定められたレベルに維持するために前記多数の
    燃料弁（６０）をさらに調節するコンピュータ・コント
    ローラ手段（７０）と、を含むことを特徴とする制御シ
    ステム。
  10. 【請求項１０】 多数の燃焼器（１６）と、該多数の燃
    焼器（１６）の少なくとも１つのに関連する多数の燃料
    ライン（４３）及び弁（６０）を有するガスタービン
    （１２）のための制御システムであって、 前記多数の燃焼器（１６）における動的ガス圧力を検知
    するための圧力センサ手段（６６）と、 前記多数の燃焼器（１６）の間の燃空比の変動を検知す
    るための燃空比センサ手段（６４）と、 前記多数の燃料弁（６０）と、前記圧力センサ手段（６
    ６）と、前記燃空比センサ手段（６４）とに連結され、
    前記圧力センサ手段（６６）によって検知された動的ガ
    ス圧力を向上させ、前記燃空比センサ手段（６４）によ
    って検知された燃空比の変動を向上させるために前記多
    数の燃料弁（６０）を作動的に調節し、ＮＯｘエミッシ
    ョンを予め定められたレベルに維持するために前記多数
    の燃料弁（６０）をさらに調節するコンピュータ・コン
    トローラ手段（７０）と、を含むことを特徴とする制御
    システム。
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