JP2004537679A - タービン発電機の点火および始動方法 - Google Patents

Abstract

ガスタービンエンジンの点火および始動方法であって、点火のために燃料流を実質的に一定の率でコンバスタへ供給し、ガスタービンエンジンを所定加速率で、或るスピードにまで立ち上げて、燃焼空気をコンバスタに供給することにより点火用の正しい空燃比を達成する。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、発電用ガスタービンエンジンの分野に関し、より詳細には、タービン発電機の点火および始動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンの始動は複雑な運転である。普通は、ガスタービンエンジンが自力で回るようになるまで、バッテリなどの外部源によってエンジンを加速し、点火のためにコンバスタへ十分な空気流を供給しなければならないが、このことを業界では一般にライトオフと呼んでいる。ガスタービンエンジンに接続された永久磁石モータ／発電機を備えるタービン発電機では、永久磁石モータ／発電機へ電力を供給すると、ガスタービンエンジンを駆動するモータとして作動する。一般に、エンジンスピードは始動モータのトルク対スピード特性の関数として変化する。
【０００３】
コンバスタへの燃焼空気は、一般にガスタービンエンジンスピードとともに増加する。点火は、エンジンのスピードが、供給される燃料に対する空気の比を正しくするのに十分な燃焼空気を発生させるときに生ずる。この正しい空燃比を得るため、ガスタービンエンジンへの燃料の流量をガスタービンのスピードの関数として能動的に制御する。しかし、燃料流量は外気の圧力および温度などの外気条件に大きく左右される。
【０００４】
一般に、ライトオフ(light-off)のための正しい空燃比を達成するには、外気の圧力および温度を正確に知る必要があり、さもないと燃料流の表示が正確でなくなり、空燃比に乱れを来たす。更に、ガスタービンエンジンスピードの測定値、またはガスタービンエンジンスピードに対する燃焼空気の相関関係に何らかの偏差があると、点火のための正しい空燃比達成に乱れを来たしやすい。したがって、スピード（燃焼空気）と燃料流とが可変である従来技術の始動方法においては、正しい空燃比が達成された、とおよその経験で考えられて初めて、点火が試みられるのである。
【０００５】
ガスタービンエンジン点火のための別の従来技術の始動方法では、ガスタービンエンジンは、ライトオフのために実質的に一定の燃焼空気を供給するようガスタービンエンジンを固定スピードで運転する一方、燃料流は可変とする。次に燃料流を増加させて正しい空燃比を達成した時点で点火される。この固定スピード方法は、燃料制御変動、ガスタービンエンジン変動、および外気条件には無関係である。
【０００６】
ガスタービンエンジンのいずれの始動方法も、点火後は、タービンエンジンの加速率が急速に増加し、それが空気流を増加させる。排ガス温度も急速に上がりライトオフの発生を示す。点火後のガスタービンエンジンの加速率を制御することで、排ガス温度が低くなり、結果的に調和の取れた滑らかな始動が得られる。より滑らかな始動は過大温度を防ぎ、エネルギーを節約する。
【０００７】
したがって、本発明の目的は、ガスタービンエンジンの調和の取れた制御可能な点火および始動方法を提供することである。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、以下のステップを含む、ガスタービンエンジンの点火および始動方法である。第一に、外気条件および燃料の燃焼熱を決定する。外気条件には外気温および大気圧が含まれる。第二に、ガスタービンエンジンの点火のためにコンバスタへ燃焼空気を供給するために、ガスタービンエンジンを所定加速率で、或るスピードにまで加速する。ガスタービンエンジンの所定加速率は、外気条件および燃料の燃焼熱に基づいて決定する。ガスタービンエンジンの加速は、バッテリ電力などの電気的支援を用いて行い、これによりタービン駆動軸が回転し、コンプレッサブレードおよびタービンブレードが回転する。第三に、外気条件と、ガスタービンエンジンのコンプレッサブレードおよびタービンブレードの回転のスピードとに基づいて、ガスタービンエンジンのコンバスタ内にあるイグナイタなどの点火源を作動させる。第四に、実質的に一定の率で燃料流をコンバスタに供給し、コンバスタへ最適な燃料供給を行う。かかる一定の率での燃料供給は、正しい空燃比が得られてガスタービンエンジンに点火が生ずるまで維持される。第五に、ガスタービンエンジンの排ガス温度を測定するためにタービン排ガスの近傍に配置したヒートセンサによって、ガスタービンエンジンの点火を検出する。第六に、点火後のガスタービンエンジンの加速率を制御する。第七に、ガスタービンエンジンのタービンブレードの回転スピードの固定値に基づいて、ガスタービンエンジンに対する電気的支援をオフにする。この固定値は、始動モータのトルク対スピード特性によって決定する。第八に、コンバスタへの燃料流を増加させて、ガスタービンエンジンのスピードを、負荷がかかる最終スピードまで上げる。最後に、コンバスタへの燃料流を増加させた後のガスタービンエンジンの加速率を制御する。
【０００９】
また、コンバスタは複数の燃料オリフィスを備えることができる。複数の燃料オリフィスは、単一燃料源にも、複数燃料源にも流体連通させることができる。しかし、コンバスタがアイドルスピードでアイドリング状態にあるとき、コンバスタへ一定流量で燃料を供給できるので、コンバスタは、ガスタービンエンジンに対する何らの電気的支援もなく、より低いアイドルスピードで作動状態にある。
【００１０】
一定期間一定流量で燃料を供給した後に点火が生じない状況では、点火が生ずるまで燃料流量を増加させる。所定期間後に依然として点火が生じなければ、システムを停止し、パージする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
ガスタービンエンジンにおいて、ガスタービンコンプレッサからの吸入空気は連続的に圧縮され、燃焼可能な比率で燃料と混合され、その後、混合気は点火源に接触して、点火され燃焼し続ける。熱エネルギが放出されることにより、燃焼ガスがタービンを貫流し、ここで熱エネルギが回転エネルギーに変換されて発電機などの装置を駆動する。次に燃焼ガスが大気に排出される。本発明によるガスタービンエンジンの点火および始動方法はコンバスタ内で行われる。
【００１２】
図１は、コンプレッサ／タービン構成１２に接続されたコンバスタ１０の一部分の部分断面図である。構成１２は、コンプレッサブレード１４と、エンジンロータまたはタービン駆動軸１８周りに配置されたタービンブレード１６とを含む。
【００１３】
コンバスタ１０は、コンプレッサブレード１４近傍に配置された吸気通路２２を画成する環状ハウジング外壁２０を含む。コンバスタ外壁ライナー２４およびハウジング内壁２６は環状の燃焼室２８を画成する。燃焼室２８は、点火用燃料をコンバスタ１０に供給するための複数の燃料オリフィス３０を含む。
【００１４】
ＰＣＴ特許 ＷＯ ９８／２５０８２に記載された環状のコンバスタ１０の詳細な説明を引用して本出願に組み込む。
【００１５】
図２および３は、従来のガスタービンエンジンの点火方法または始動手順をグラフで示す。図２を参照すると、ガスタービンエンジンスピード（ガスタービンエンジン回転数）ｎは、始動手順中、ほぼ曲線Ｒに沿って時間ｔとともに増加する。同時に、燃料流Ｗｆは、ほぼ図３の直線Ｓに沿って時間ｔとともに増加する。従来技術によれば、点火のための正しい空燃比を達成するには、外気の圧力と温度を正確に知る必要があり、さもないと燃料流Ｗｆの表示が正確でなくなり、空燃比に乱れを来たす。同様に、ガスタービンエンジンスピードの測定値、または燃焼空気とガスタービンエンジンスピードとの相関関係に偏差があると、点火のための正しい空燃比の達成に乱れを来たしやすい。従来の始動手順においては、エンジンスピードｎと燃料流Ｗｆは一緒に、時間ｔと共に変動する。従来の始動手順は、ｎとＷｆとが共に変動するので、燃料制御変動、ガスタービンエンジン変動、センサ精度、および外気条件に極めて敏感である。例えば、低温下および高い標高下でのガスタービンエンジンの始動では、点火のための正しい空燃比の達成には問題が極めて多い。
【００１６】
図４は、ガスタービンエンジンの従来の固定スピード点火方法を、エンジン空気流ｆおよび燃料流Ｗｆ対時間ｔのグラフで示す。この従来技術において、破線Ｗｆで示したように燃料流の開始は時刻ｔ_１である。開始レベル後、空気流を表わす線ｆを燃料流Ｗｆが横切るまで、燃料流Ｗｆを一定の率で増加させる。これら２本の線Ｗｆとｆとが交差する点Ｘにおいて、点火のための正しい空燃比が達成され、このようになる時刻がｔ_２である。コンバスタ内の点火源は時刻ｔ_１でオンにされ、時刻ｔ_２で点火が生ずる。いったん点火すると、空気流ｆはガスタービンエンジンスピードｎの増加に伴って増加する。時刻ｔ_３において排ガスの温度上昇が点火の発生を示すと、燃料流は、加速度または排ガスの温度限度の関数として制御される。この従来技術の始動手順は、燃料制御変動、ガスタービンエンジン変動、および外気条件に対して敏感ではない。
【００１７】
本発明によるガスタービンエンジンの点火および始動方法を、図５、６、７に示す。図５は、エンジン空気流ｆおよび燃料流Ｗｆ対時間ｔのグラフ表示である。図６は、エンジン空気流ｆ、燃料流Ｗｆおよび排ガス温度ＥＧＴ対時間ｔのグラフ表示である。図７は、本発明によるガスタービンエンジンの点火および始動方法のフローチャート形式の制御ロジックであり、概して図５および６に対応する。
【００１８】
図５、６、７を参照すると時刻ｔ_０で、外気条件と燃料の燃焼熱とをステップ３４で決定する。外気条件には外気温度と大気圧の両方が含まれる。燃料の燃焼熱は、普通、標準温度および標準圧力下で、１ポンドまたは１立方フィートの可燃物質が完全燃焼したときに発生する熱である。燃料の燃焼熱は、温度および圧力により変化する。ステップ３６で、ガスタービンエンジンの加速率を、先のステップ３４のインプットに基づいて設定する。ステップ３８の時刻ｔ_０で、電気的支援を用いてタービン駆動軸１８を回転始動し、これがコンプレッサブレード１４およびタービンブレード１６を回転させる。これは始動インバータに電力を供給するバッテリを介して行われ、このインバータは、供給電力によってコンプレッサ／タービンを駆動するモータとして作用する。タービン／コンプレッサを電気的に駆動するその他の構成として、例えば駆動軸に電気モータを直接接続してタービン／コンプレッサを駆動するものがある。モータは、外部電源および／またはバッテリによって駆動することができる。ステップ４０では、時刻ｔ_１において、ステップ３４での外気条件と、ステップ３８におけるコンプレッサブレード１４およびタービンブレード１６の回転スピード（回転速度）とに基づいて、イグナイタを点火する。ステップ４２では、時刻ｔ_２において、コンバスタ１０への実質的に一定流量の燃料供給を開始する。燃焼室２８内の複数の燃料オリフィス３０は、１つまたは複数の燃料源に流体連通している。ステップ４４において、図６に示すように、熱センサを用いて排ガス温度を測定して点火を検出することができる。点火が生ずると、排ガス温度が著しく上昇し、その結果、ガスタービンエンジンスピードの増加に伴って空気流ｆが増加し、それによりタービンブレード１６は、タービンブレード１６を通り抜けるガスと、電気的支援によるタービン駆動軸１８の回転との組み合わせによって回転する。点火発生後、ガスタービンエンジンの加速率は定常状態に制御される（ステップ４６）。ステップ４８では、時刻ｔ_４において、ガスタービンエンジンに対する電気的支援を、始動モータのトルク対スピード特性によって決まるタービンブレード１６の最高スピードまたは固定スピード値に基づいて断つ。次に、インバータはタービン／コンプレッサを駆動するための電力供給を停止する。タービンが燃焼生成物によって駆動されると、コンプレッサを駆動するためバッテリが供給する電力の割合は低下する。換言すれば、当初はタービン／コンプレッサを駆動する動力の１００％が始動モータを介し電力によって供給される。点火後、この割合は低下し、電気的支援がなくなるまでは、タービン／コンプレッサを駆動する、より大きな割合の動力が燃焼生成物によって供給され、そしてタービン／コンプレッサは完全に燃焼生成物と空気によって駆動される。ステップ５０において、同じく時刻ｔ_４で、コンバスタに供給される燃料を増加させて、ガスタービンエンジンのスピードを、負荷をかけることのできる最終スピードまで上げる。ステップ５２では、ガスタービンエンジンスピードを、最終スピードに達するまで、制御された加速率で上げる。もちろん、空気流量はコンプレッサの回転スピードと燃焼室内の圧力とによって制御される。
【００１９】
コンバスタ１０がアイドルスピードでアイドリングしている状況では、コンバスタ１０が構成１２に対する電気的支援もなく、図５と６のｔ_４に示すようなより低いアイドルスピードで運転されるように、一定流量での燃料供給が可能であることが望ましい。
【００２０】
本発明の一実施の形態において、実質的に燃料流量が一定のとき或る一定期間後に点火を生じない場合、点火が生じるまで流量を増加させる（図８のｔ_３に示す）。この場合、点火はｔ_４で発生する。所定期間後、依然として点火が不成功のときは、システムを停止してパージする。例えば、時刻ｔ_５後、ＥＧＴが点火を示す値まで増加しない場合、システムを停止してパージする。
【００２１】
以上本発明の好ましい実施の形態を詳述したが、当業者にとって、本発明の精神と範囲から逸脱することなくそれらの修正、追加、および変更が可能であることは言うまでもない。
【００２２】
添付図面に関連した以上の説明により、本発明の完全な理解が得られるであろう。全ての図面で、類似の参照文字は類似の部品を示す。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】環状コンバスタの一部分の部分断面図である。
【図２】従来技術のガスタービンエンジンをライトオフする方法に関する、ガスタービンエンジンスピード対時間のグラフである。
【図３】従来技術のガスタービンエンジンをライトオフする方法に関する、ガスタービンエンジンへの燃料流対時間のグラフである。
【図４】従来技術のガスタービンエンジンの運転スピード対時間のグラフである。
【図５】本発明によるガスタービンエンジンの点火および始動方法に関する、ガスタービンエンジンスピードおよび燃料流対時間のグラフである。
【図６】図５のガスタービンエンジンの点火および始動方法に関する、ガスタービンエンジンスピードおよび燃料流対時間のグラフに、排ガス温度対時間を含めたグラフである。
【図７】本発明によるガスタービンエンジンの点火および始動方法を表わす概略フローダイアグラムである。
【図８】本発明によるガスタービンエンジンの点火および始動方法に関する、ガスタービンエンジンスピードおよび燃料流対時間のグラフである。

Claims (20)

1. ガスタービンエンジンの始動方法であって：
   ａ．ガスタービンエンジンの点火のため、前記ガスタービンエンジンを所定の加速率で、或るスピードにまで加速して、コンバスタへ燃焼空気を供給するステップａと；
   ｂ．前記ガスタービンエンジンの前記コンバスタ用の点火源を作動させるステップｂと；
   ｃ．実質的に一定の率で前記コンバスタへの燃料流を開始して前記コンバスタへ最適の燃料供給を行い、更に、正しい空燃比が達成されて前記ガスタービンエンジンの点火が起こるまで前記一定の率を維持するステップｃとを備えるガスタービンエンジンの始動方法。
2. 更に、外気条件と燃料の燃焼熱とを決定するステップを備える、請求項１に記載の方法。
3. 前記外気条件が外気温と大気圧とを含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記ガスタービンエンジンの前記所定の加速率が、前記外気条件と前記燃料の燃焼熱とに基づいて決定される、請求項２に記載の方法。
5. 前記ガスタービンエンジンが電気的支援を用いて加速される、請求項１に記載の方法。
6. 前記点火源が、前記外気条件と前記ガスタービンエンジンの前記スピードとに基づいて作動する、請求項２に記載の方法。
7. ステップｃの後に、ヒートセンサを用いて点火を検出するステップを更に備える、請求項１に記載の方法。
8. ステップｃの後に、前記ガスタービンエンジンの排ガス温度を測定することによって点火を検出するステップを更に備える、請求項１に記載の方法。
9. 前記ガスタービンエンジンの前記加速率を、点火発生後に制御するステップを更に備える、請求項１に記載の方法。
10. 前記ガスタービンエンジンに対する前記電気的支援を、前記ガスタービンエンジンの前記スピードの固定値に基づいてオフにするステップを更に備える、請求項５に記載の方法。
11. ガスタービンエンジンの始動方法であって：
    ａ．ガスタービンエンジンの点火のため、前記ガスタービンエンジンを所定の加速率で、或るスピードにまで加速して、コンバスタへ燃焼空気を供給するステップａと；
    ｂ．前記ガスタービンエンジンの前記コンバスタ用の点火源を作動させるステップｂと；
    ｃ．実質的に一定の率で前記コンバスタへの燃料流を開始して、前記コンバスタへ最適の燃料供給を行い、更に、正しい空燃比が達成されて前記ガスタービンエンジンの点火が起こるまで前記一定の率を維持するステップｃと；
    ｄ．点火の発生後に、前記ガスタービンエンジンの前記加速率を制御するステップｄとを備えるガスタービンエンジンの始動方法。
12. 更に、外気条件と燃料の燃焼熱とを決定するステップを備える、請求項１１に記載の方法。
13. 前記外気条件が外気温と大気圧とを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記ガスタービンエンジンの前記所定の加速率が、前記外気条件と前記燃料の燃焼熱とに基づいて決定される、請求項１２に記載の方法。
15. 前記ガスタービンエンジンが電気的支援を用いて加速される、請求項１１に記載の方法。
16. 前記点火源が、前記外気条件と前記ガスタービンエンジンの前記スピードとに基づいて作動する、請求項１２に記載の方法。
17. ステップｃの後に、前記ガスタービンエンジンの排ガス温度を測定することによって点火を検出するステップを更に備える、請求項１１に記載の方法。
18. 前記ガスタービンエンジンに対する前記電気的支援を、前記ガスタービンエンジンの前記スピードの固定値に基づいてオフにするステップを更に備える、請求項１５に記載の方法。
19. ガスタービンエンジンの始動方法であって：
    ａ．外気条件と燃料の燃焼熱とを決定するステップａと；
    ｂ．ガスタービンエンジンの加速率を、前記外気条件と前記燃料の燃焼熱とに基づいて設定するステップｂと；
    ｃ．電気的支援を用いて、前記ガスタービンエンジンを前記加速率で加速し、それによってタービン駆動軸が回転し、コンプレッサブレードとタービンブレードとが回転するステップｃと；
    ｄ．前記ガスタービンエンジンのコンバスタ用の点火源を作動させるステップｄと；
    ｅ．前記ガスタービンエンジンの点火が起こるまで、前記ガスタービンエンジンの前記コンバスタへ、実質的に一定の率で燃料流を供給するステップｅと；
    ｆ．前記ガスタービンエンジンの点火を検出するステップｆと；
    ｇ．点火の発生後に、前記ガスタービンエンジンの前記加速率を制御するステップｇと；
    ｈ．前記ガスタービンエンジンに対する前記電気的支援を、前記タービンブレードのスピードの固定値に基づいてオフにするステップｈと；
    ｉ．前記ガスタービンエンジンの前記コンバスタへの前記燃料流を増加させて、前記ガスタービンエンジンの前記スピードを、負荷がかかる最終スピードまで上げるステップｉとを備えるガスタービンの始動方法。
20. 更に、前記ガスタービンエンジンの前記コンバスタへの前記燃料流を増加させた後に、前記ガスタービンエンジンの前記加速率を制御するステップを備える、請求項１９に記載の方法。

Images