JP2007508491A - ガスタービン設備における燃料の組成変動を補償する方法とその装置 - Google Patents

Abstract

並列運転される少なくとも２つのバーナ段を備えたガスタービン設備における燃料組成変動の補償方法において、燃料組成の変動に対する反応として、少なくとも２つのバーナ段への燃料供給量の調整が行われ、その燃料供給量の調整時、バーナ段間における燃料配分が目標値に調節され、あるいは目標値に維持される。その目標値は例えば定数あるいは１つ又は複数の変数の関数である。特にガスタービン設備は、パイロットバーナ段と主バーナ段とを有し、燃料供給量の調整時、パイロットバーナ段と主バーナ段との間の燃料配分が目標値に調節され、あるいは目標値に維持される。

Description

本発明はガスタービン設備における燃料の組成変動を補償する方法とその装置に関する。

ガスタービン設備は、最も単純な場合、圧縮機と燃焼器とタービンとを有している。圧縮機で吸い込まれた空気の圧縮が行われ、その圧縮空気に燃料が混合される。燃焼器においてその混合気の燃焼が行われ、その燃焼ガスがタービンに供給される。そのタービンによって、燃焼ガスに含まれるエネルギが取り出され、機械エネルギに変換される。

今日において、ガスタービン設備は多段燃焼器が装備され、並列運転される複数のバーナ段が存在し、それらのバーナ段は、ガスタービン設備の負荷状態に応じて、個々にあるいは一緒に運転される。典型的に、並列バーナ段は、少なくとも１つの主バーナ段のほかに、少なくとも１つのパイロットバーナ段を有し、そのパイロットバーナ段の火炎は特に主バーナ段の火炎を安定させる働きをする。

ガスタービン設備の定常運転中、発生熱量は本質的に一定に保たれねばならない。しかし、燃料の品質変化は発生熱量を変動させ、従って、ガスタービン設備の出力を変動させる。従って、燃料組成の変動を補償するために、ガスタービン設備は、その出力を一定に保ち、発生熱量に関係する排気ガス温度を一定に保つ調整装置を有している。

出力ないし排気ガス温度の一定維持は、一般に、燃料供給量調整器によって、主バーナ段への燃料供給量を調整することによって行われる。しかしこの方式は、有害物放出量を増大させ、燃焼振動を生じさせる。

本発明の課題は、燃料組成の変動の補償時における有害物放出量の増大あるいは燃焼振動の発生が効果的に防止される、ガスタービン設備における燃料の組成変動を補償する方法と、ガスタービン設備における燃料供給量を調整するための調整装置を提供することにある。

この課題は、請求項１に記載の方法、請求項４に記載の調整装置、および請求項５に記載のガスタービン設備によって解決される。本発明の有利な実施態様はそれらの従属請求項に記載されている。

並列運転される少なくとも２つのバーナ段を備えたガスタービン設備における燃料組成変動の本発明に基づく補償方法において、燃料組成の変動に対する反応として、少なくとも２つのバーナ段への燃料供給量の調整が行われ、その燃料供給量の調整時、バーナ段間における燃料配分が、即ち、バーナ段への燃料の相対分配が目標値に調節され、あるいは目標値に維持される。その目標値は例えば定数あるいは１つあるいは複数の変数の関数である。特に、ガスタービン設備はパイロットバーナ段と主バーナ段とを有し、燃料供給量の調整時、パイロットバーナ段と主バーナ段との間の燃料配分が目標値に調節され、あるいは目標値に維持される。

本発明は上述したように、燃料供給量調整器による主バーナ段への燃料供給量の調整による燃料組成変動の補償が、都合の悪い場合、有害物放出量を増大させ、燃焼振動を生じさせる、という認識に基づいている。その原因は、主バーナ段への燃料供給量の調整により、燃料配分が変化されることにある。例えば、パイロットバーナ段と主バーナ段との間の燃料配分の変化は、一般には希薄な空気・燃料・混合気の火炎である主バーナ火炎の安定に不利な影響を与える。その希薄な空気・燃料・混合気は、いわゆる乾式脱窒素酸化物（Entstickung）の枠内で、ガスタービン設備の有害物放出量を低く抑えるために用いられる。従って、希薄な空気・燃料・混合気の火炎の弱い安定性は、ガスタービン設備の有害物放出量に不利に作用する。これに対して、燃料配分の目標値への維持あるいは燃料配分の所望の新しい目標値への調節によって、主バーナ火炎の安定性への不利な作用が防止されるか少なくとも減少される。これによって、上述した欠点が解消されるか減少される。

バーナへの燃料供給量の調整は、代表的には、絞りである燃料調整弁によって行われる。その弁は、臨界圧力降下の領域で運転され、即ち、弁を通る燃料流は、燃料入口圧力および弁行程に比例する。その場合、燃焼器で発生される熱量は、弁内における圧力降下によって調整され、その発生熱量は、ウォッベ指数(Wobbe-Index＝熱量／燃料ガス比重の平方根)を介して圧力損失に関連づけられる。

従来において普通であるように唯一のバーナ段が調整される限りにおいて、調整器特性は、所定の標準燃料組成に対して、即ち、所定のウォッベ指数に対して設定され、その場合、燃料組成の標準からの或る偏差帯域幅が許される。その標準からの偏差は調整系統の外乱量として処理され、その外乱量は、ガスタービン設備の出力あるいは排気ガス温度の一定維持によって受け止められる。従って、燃料の実際ウォッベ指数の認識は、従来において燃料供給の調整にとって不要である。

しかし、実際ウォッベ指数の認識は、個々のバーナ段の調整弁における圧力損失を調整するために、調整器特性が燃料の実際ウォッベ指数に基づいていることによって、燃料配分の新たに適合された目標値への調節ないし燃料配分の実際目標値への維持を可能にする。

本発明に基づく方法の有利な実施態様において、少なくとも２つのバーナ段における燃料供給量の調整のために、それぞれ燃料調整弁およびそれらに対応した調整器特性が利用され、調整器特性が燃料組成の変動に対する反応として、次のようにして更新される。即ち、
− 燃料組成の実時間分析の実施。
− 分析結果を用いての燃料の実際ウォッベ指数の検出。
− 求められたウォッベ指数に基づいた燃料調整弁における調整器特性の更新。

この実施態様において、燃料の実際ウォッベ指数によって、それぞれの燃料組成に対して個々の調整弁におけるその都度の圧力損失が、燃料配分が新しい目標値に調節されるか実際目標値に維持されるように調整される。特に、本発明に基づく方法の上述した実施態様によって、たとえ燃料組成が急速にあるいは大きく変動した場合でも、調整器特性が常に燃料の実際ウォッベ指数に基づいていることが保証される。

並列運転される少なくとも２つのバーナ段と、その各バーナ段に対してそれぞれ燃料調整弁とそれらに対応した調整器特性とを有する燃料供給量調整装置とを備えたガスタービン設備における燃料供給量を調整するための本発明に基づく方法に適した調整装置において、
− 実時間で燃料組成を分析するための分析器と、
− 実際ウォッベ指数を計算するための計算ユニットと、
− 求められたウォッベ指数に基づいて少なくとも２つの異なったバーナ段の調整器特性を更新するための更新ユニットと、
を有している。

燃料組成の変動時における有害物放出量の増大あるいは燃焼振動が防止されるか少なくとも低減される本発明に基づくガスタービン設備は、並列運転される少なくとも２つのバーナ段と、本発明に基づく調整装置とを有している。特に、バーナ段はパイロットバーナ段と主バーナ段とを有し、調整装置の更新ユニットは、求められたウォッベ指数に基づいて主バーナ段並びにパイロットバーナ段の調整弁の調整器特性を更新するために形成されている。

本発明に基づくガスタービン設備の有利な実施態様において、ガスタービン設備は、燃料流が流れる燃料配管と、この燃料配管に存在する分岐点であって燃料の一部を分流してこの分流燃料を分析流として分岐管を介して分析器に供給する分岐点とを有している。この分岐点は、燃料流が分岐点から燃料調整弁までの経路をたどるために必要とされる時間が、分析流が分析器までの経路行程をたどり、分析器が燃料組成を分析し、計算ユニットがウォッベ指数を計算し、更新ユニットが調整器特性を更新し、燃料流が燃料調整弁に到達する前に調整装置が燃料調整弁を調整するのに十分であるように、燃料配管に配置されている。

上述したガスタービン設備の形態によれば、調整器特性が常に、たとえ燃料組成が極めて短い時間に変動したとしても、ちょうど弁に生じている燃料流のウォッベ指数に基づいていることが保証される。

以下の図を参照した実施例の説明から、本発明の他の特徴、特性および利点が理解できる。

図１には、圧縮機１と、燃焼器３と、発電機７に連結されたタービン５とを備えたガスタービン設備が示され、また、調整器特性を更新する系統も概略的に示されている。

燃焼器３に第１燃料供給管９および第２燃料供給管１１が通じている。これらの燃料供給管９、１１は燃料配管１３から分岐し、それぞれに燃料調整弁１５、１７が装備されている。燃料供給管９、１１によってパイロットバーナないし主バーナ（両バーナとも図示せず）に燃料が供給される。一般に並列運転されるパイロットバーナおよび主バーナのほかに、特に並列運転される別のバーナ段を設けることもでき、これは図において他の燃料供給管１９および燃料調整弁２１によって示されている。

燃料の組成変動を補償できるようにするために、図示されたガスタービン設備はさらに、燃焼器３で発生される熱量に関係して、個々のバーナ段への燃料供給量を調整するための調整器２３を有している。これは例えばタービン５の排気ガス温度あるいは出力を介して求められ、このことは一般に知られているので、ここでは詳述しない。調整器２３は調整器特性を有し、燃焼器３で発生される熱量が変化した場合に、その調整器特性に基づいて燃料調整弁１５、１７の調整が行われる。

またガスタービン設備は、燃料配管１３内を流れる燃料の組成を分析するための分析器２５と、分析結果を受けるために分析器２５に接続され分析結果を用いて燃料のウォッベ指数を計算するための計算ユニット２７と、ウォッベ指数を受けるために計算ユニット２７に接続され且つ調整器特性を更新するために調整器２３に接続されている更新ユニット２９を有している。

燃料配管１３から分岐した分岐管３１を介して分析器２５に、燃料管１３内を流れる燃料の少量が、その燃料組成を分析するために供給される。分析器２５は分析結果を計算ユニット２７に伝達し、この計算ユニット２７が、分析された燃料のウォッベ指数を計算し、そのようにして得られたウォッベ指数を更新ユニット２９に伝達する。この更新ユニット２９は、受信したウォッベ指数をもとに、調整器２３の制御モジュール内の燃料調整弁１５、１７に対する調整器特性を更新する。そして、更新された調整器特性を用いて、燃料調整弁１５、１７によって、個々のバーナ段への燃料供給量の調整が行われる。燃料の実際ウォッベ指数への調整器特性の適合は、燃料配分の実際目標値の維持あるいは燃料配分の適当な新目標値への調節が行われるように、個々のバーナ段への燃料供給量を調整することを可能にする。

燃料組成の急変時でも、燃料配分の目標値の維持あるいは燃料配分の新目標値への調節が実現できるようにするために、分岐管３１が燃料配管１３の分岐点３３で分岐し、その分岐点３３の燃料調整弁１５、１７からの距離は、燃料配管１３内を流れる燃料が分岐点３３と燃料調整弁１５、１７との間の距離をたどるために必要とする時間が、以下の処置が実施されるために十分であるように決められている。即ち、
１．分岐された燃料の分析器までの案内。
２．燃料組成の分析。
３．ウォッベ指数の計算。
４．調整器特性の更新。
５．燃料調整弁の調整。

特に、燃料流の流速を考慮した燃料調整弁の調整時点は、燃料調整弁１５、１７にちょうど存在する燃料のウォッベ指数に基づいて常に正確に調整が行われるように選定される。

図示された実施例において、計算ユニット２７、更新ユニット２９および調整器２３は別個のユニットとして示されている。しかし、計算ユニット２７および又は更新ユニット２９を調整器２３に一体に組み込むこともできる。

本発明に基づくガスタービン設備の概略構成図。

符号の説明

１３ 燃料配管
１５ 燃料調整弁
１７ 燃料調整弁
２３ 調整器
２５ 分析器
２７ 計算ユニット
２９ 更新ユニット
３１ 分岐管
３３ 分岐点

Claims (7)

1. 並列運転される少なくとも２つのバーナ段を備えたガスタービン設備における燃料組成変動の補償方法において、燃料組成の変動に対する反応として、少なくとも２つのバーナ段への燃料供給量の調整が行われ、その燃料供給量の調整時、バーナ段間における燃料配分が目標値に調節され、あるいは目標値に維持されることを特徴とするガスタービン設備における燃料組成変動の補償方法。
2. ガスタービン設備がパイロットバーナ段と主バーナ段とを有し、燃料供給量の調整時、パイロットバーナ段と主バーナ段との間の燃料配分が目標値に調節され、あるいは目標値に維持されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 少なくとも２つのバーナ段における燃料供給量の調整のために、それぞれ燃料調整弁およびそれらに対応した調整器特性が存在し、
   − 燃料組成の実時間分析の実施と、
   − 分析結果を用いての燃料の実際ウォッベ指数の検出と、
   − 求められたウォッベ指数に基づいた燃料調整弁における調整器特性の更新と、
   のステップで実施されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 並列運転される少なくとも２つのバーナ段と、その各バーナ段に対してそれぞれ燃料調整弁（１５、１７）とそれらに対応した調整器特性とを有する燃料供給量調整装置とを備えたガスタービン設備における燃料供給量を調整するための調整装置において、
   − 実時間で燃料組成を分析するための分析器（２５）と、
   − 燃料の実際ウォッベ指数を計算するための計算ユニット（２７）と、
   − 求められたウォッベ指数に基づいて少なくとも２つの異なったバーナ段の調整器特性を更新するための更新ユニット（２９）と、
   を有していることを特徴とするガスタービン設備における燃料供給量を調整するための調整装置。
5. 並列運転される少なくとも２つのバーナ段と、請求項４に記載の調整装置とを備えていることを特徴とするガスタービン設備。
6. ガスタービン設備がパイロットバーナ段と主バーナ段とを有し、調整装置の更新ユニット（２９）が、求められたウォッベ指数に基づいて主バーナ段並びにパイロットバーナ段の燃料調整弁（１５、１７）の調整器特性を更新するために形成されていることを特徴とする請求項５記載のガスタービン設備。
7. 燃料流が流れる燃料配管（１３）と、この燃料配管（１３）に存在する分岐点（３３）であって燃料の一部を分流してこの分流燃料を分析流として分岐管（３１）を介して分析器（２５）に供給する分岐点（３３）とを有し、燃料流が分岐点（３１）から燃料調整弁（１５、１７）までの経路をたどるために必要とされる時間が、分析流が分析器（２５）までの経路行程をたどり、分析器（２５）が燃料組成を分析し、計算ユニット（２７）がウォッベ指数を計算し、更新ユニット（２９）が調整器特性を更新し、燃料流が燃料調整弁（１５、１７）に到達する前に調整装置が燃料調整弁（１５、１７）を調整するのに十分であるように、前記分岐点（３１）が燃料配管（１３）に配置されていることを特徴とする請求項５又は６に記載のガスタービン設備。

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