JP2008163939A - ガスタービン用の非線形燃料移送 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービン燃焼ハードウエアの過度な摩耗及び損傷を防止するように、気体燃料タイプを用いた運転及び液体燃料タイプを用いた運転間の移行の速度を制御する方法を提供する。
【解決手段】燃料システムを通しての供給開始燃料タイプの燃料プレフィルを完了するステップ８２０と、供給開始燃料タイプの全燃料要求量が該供給開始燃料タイプの所定の流量よりも大きいかどうかを判定するステップ８６５とを含む。また、燃料移送速度を選択するステップ８４０、８５５と、選択した燃料移送速度で供給停止燃料タイプから供給開始燃料タイプに移行するステップとを含む。さらに、供給停止燃料流量が、供給停止燃料タイプの所定の流量以下に減少したかどうかを判定するステップ８７５と、最終燃料移送速度を選択するステップ８７５と、選択した最終燃料移送速度で供給停止燃料タイプから供給開始燃料タイプへの移行を完了するステップ８８０とを含む。
【選択図】図８

Description

本発明は、総括的にはガスタービン制御のための方法に関し、より具体的には、望ましくない運転モードにある時間を最少にし、それによってガスタービン燃焼ハードウエアの過度な摩耗及び損傷を防止するように、気体燃料タイプを用いた運転及び液体燃料タイプを用いた運転間の移行の速度を制御する方法に関する。

産業用ガスタービンは、多くの場合に液体燃料及び例えば天然ガスのような気体燃料によって交互に運転することができる。これらのガスタービンは、液体燃料及び気体燃料の両方のための燃料供給システムを有する。ガスタービンは一般に、気体燃料及び液体燃料の両方を同時に燃焼させることはない。むしろ、ガスタービンが液体燃料を燃焼させている時には、気体燃料の供給は停止される。同様に、ガスタービンが気体燃料を燃焼させている時には、液体燃料の供給は停止される。燃料移行は、ガスタービンの運転中に、液体燃料から気体燃料にまたその逆に燃料供給を切り換える時に発生する。

液体燃料及び気体燃料の両方を燃焼させるガスタービンは、燃焼器内における液体燃料の燃料ノズルを清浄化するための液体燃料パージシステムを必要とする。ガスタービンが気体燃料で運転されている時には、液体燃料供給システムは一般に停止される。液体燃料供給システムが停止された時に、パージシステムは、燃焼器のノズルからあらゆる残留液体燃料を吹き払うように作動し、かつノズルに連続的な冷却空気流を供給する。

図１は、液体燃料システム及び気体燃料システムを有する例示的なガスタービンの簡略概略図である。図１は、液体燃料システム１０２及び液体燃料パージシステム１０４を有するガスタービン１００を概略的に示している。ガスタービンはまた、天然ガスのような気体で運転することができ、気体燃料システム１０６を含む。ガスタービンのその他の主要構成要素としては、主圧縮機１０８、燃焼器１１０、タービン１１２及び制御装置１１４が含まれる。ガスタービン１１２の動力出力部は、回転タービンシャフト１１６であり、この回転タービンシャフト１１６は、電力を発生する発電機１３０に結合することができる。

この図示した例示的な産業用ガスタービンにおいては、燃焼器は、燃焼室つまり缶１１８の環状列とすることができ、缶１１８の各々は、液体燃料ノズル１２０と気体燃料ノズル１２２とを有することができる（単一の燃焼器は、設計に応じて１つ又はそれ以上の気体又は液体燃料ノズルを有することができる）。それに代えて、燃焼器は、１つのアニュラ型チャンバとすることができる。燃焼は、ノズルの僅かに下流の箇所において燃焼缶内で開始される。圧縮機１０８からの空気は、燃焼缶１１８の周り及びそれら缶を通って流れて、燃焼のための酸素を供給する。さらに、水噴射ノズル１２４が燃焼器１１０内に配置されて、高温燃焼ガスにエネルギーを付加する。

液体燃料システムをパージするための空気は、圧縮機１０８により供給し、パージ空気圧縮機（図示せず）によって増圧し、かつシステムのその他の要素（図示せず）によって制御することができる。ガスタービン１００が天然ガス（又はその他の気体燃料）で運転されている時には、液体燃料パージシステム１０４は、液体燃料システム１０２の液体燃料ノズル１２０を通して加圧空気を液体燃料システム１０２内に吹き込んで液体燃料をパージし、かつ連続的な冷却空気の流れを液体燃料ノズル１２０に供給する。同様に、ガスタービン１００が液体燃料で運転されている時には、気体燃料パージシステム１０４は、加圧空気を気体燃料システム１０６内に吹き込んで気体燃料をパージし、かつ気体燃料ノズル１２２を冷却する。

図２は、現在の液体燃料システムを備えたガスタービンエンジンの概略図である。液体燃料は、液体燃料源２０５から液体燃料システム２００に供給される。液体燃料システム２００は、低圧フィルタ２１０、燃料ポンプ２１５、バイパス制御弁２２０及び止め弁２２５を通って分流器２３０に至る流路を含む。圧力逃し弁２３５、バイパス制御弁２２０及び止め弁２２５は、再循環管路２４０を通して低圧フィルタ２１０の上流側まで液体燃料流を再循環させることができる。分流器２３０は、液体燃料流を分流して、個々の燃焼缶２７０に至る複数の液体燃料流路内に流す。分流器の下流の各液体燃料流路は、燃焼缶２７０に流入する前に三方（エンドカバー）弁２４５と分配弁２６０とを含む。

三方弁２４５は、液体燃料流路（上述した）又は液体燃料パージ空気システム２８０から燃焼缶ノズルへの流れを可能にする。三方弁２４５は、液体燃料パージ空気システムへの燃料の逆流を阻止しながら液体燃料流路から燃焼器ノズル１２０への流れを選択的に可能にするか、或いは該三方弁の上流の液体燃料システム内へのパージ空気の逆流を阻止しながら燃焼器ノズル１２０へのパージ空気を可能にするように設計される。パージ空気が液体燃料システムに流入するのを防止することによって、燃料供給源との間の空気−燃料接触が最少にされる。

気体燃料がタービンに供給されている時には、三方弁２４５は、液体燃料流を遮断しかつ燃焼器内の燃料ノズルを冷却するためにパージ空気が通過することを可能にするような位置にある。このパージは、液体燃料が供給開始される時には停止されなくてはならない。三方（エンドカバー）遮断弁は、パージ空気を液体燃料から隔てる。燃料システムは、このハードウエアを必要とせずに、２つの逆止め弁又は二方オン／オフ弁の使用を採用することができる。

図３は、簡略化した気体燃料システムを示している。気体燃料システム３００は、気体燃料源３０５とパージ空気源３４０とを含む。気体燃料システムはさらに、気体止め弁３１０、気体通気弁３１５及び気体制御弁３２０を含む。気体制御弁３２０は、マニホルド３２５及び該マニホルド３２５の下流の関連する気体ノズル３３０に入る気体燃料の量を制御する。

パージ空気源３４０は、圧縮機気体ノズルに加圧空気を供給して、気体燃料が最早ガスタービンに供給されていない時に、気体の配管及びノズルをパージしかつ気体ノズルを冷却する。個々のマニホルド３２５までの各管路は、遮断弁３４５及び３５０（漏れ要件を満たしかつ空気と燃料とが混合しないことを保証する）、通気弁３５５、及びパージ空気流量を制限するためのオリフィス３６０を含む。

ガスタービンにおいては、低燃料流量時に幾つかの問題が生じる可能性がある。液体燃料による運転から気体燃料による運転に移行する場合には、タービンには、気体燃料が次第に増加しまた液体燃料が次第に減少して停止する間に、一定の時間にわたって低気体燃料流量が生じる。この同じ移行の終わりには、ユニットがほぼ１００％気体燃料になった時の移行の終わりの時点で、低液体燃料流量が観察される。同様に、気体燃料による運転から液体燃料による運転に移行する場合には、液体が流入し始めた時である移行の始め（移行の開始時）と気体がほぼ遮断された時である移行の終わり（移行の終了時）とに低流量運転の期間が存在する。

気体燃料によるものでありかつ低燃料流量で運転している場合には、気体制御弁における不正確さにより、燃料分割スケジューリングが不正確になる可能性がある。この不正確な気体燃料分割は、高い燃焼ダイナミックス（動的挙動）を引き起こし、それにより、燃焼ハードウエアの損傷及び大きな摩耗を招くおそれがある。気体燃料流量が低下すると、ノズル圧力比が低下する。ノズルは、最小定常状態圧力比（典型的には１．０２５）が得られるように設計され、このように設計して、燃料システムと燃焼器との間の動的結合を回避するようにする。燃料移行時に、この最小比が一時的に乱される。このような乱れが発生するのは、移行時におけるタービンの負荷及び移行時に作動状態にある気体燃料回路の数の関数としてである。これが、損傷及び気体燃料ノズル摩耗の可能性を招く燃焼ダイナミックスの原因である。

同様な装置の摩耗及び損傷の可能性は、低液体燃料流量時の液体燃料ノズルにおいても起こり得る。典型的なガスタービンは、燃焼缶が異なる高さに設置された缶−アニュラ型システムを使用している。現在では、液体燃料システム内で機械的分流器（容量型ポンプに連結された）を使用して、大抵はユニットの始動時における非常に低流量状態においてこのヘッド差を補正している。液体燃料システム内の単一の缶は、多数のカートリッジ（ノズル）で構成することができる。カートリッジ間の高さの違い及び缶内の液体燃料のヘッド作用のために、最も高位置にあるカートリッジが、最初に液体燃料流を喪失することになる。

図４は、ノズル位置に応じて燃焼缶内の液体燃料ノズルを通して液体燃料を流すように駆動するヘッドにおける差を示している。２つの簡略化した燃焼器缶４１０及び４５０の側面図を示しており、ここでは燃焼器缶４１０は、燃焼器缶４５０よりも高さＨだけ高くなっている。燃焼器缶４１０は、高さＨ_２だけ隔てられた２つのノズル４１５及び４２０を有する。燃焼器缶４５０は、これもまた異なる高さにある２つのノズル４５５及び４６０を有する。分流器２３０は、個々の缶の各々に対する液体燃料流の適正分配を保証する。しかしながら、個々の缶内のノズルは、異なる高さにある。従って、より低いノズルは、高さに基づく異なるヘッドに基づいて、異なる流量を有する。異なる高さにある全てのノズルに対して流れを均等に分割する機構は何ら存在しない。燃料の背後に最も小さいフローヘッドを有する最高位置にあるカートリッジは、最も少ない燃料流量を受ける。その結果、これら最高位置にあるカートリッジは、液体燃料がそれらを通して流れるのを停止している時間と液体燃料パージが開始された時点との間に、大きな摩耗及び損傷の可能性を生じる。液体燃料がパージシステム内に導入される大きな危険性があるので、パージ流は、液体燃料が流れるのを停止するまで供給開始することができない。

不正確な気体燃料分割／燃料ノズルにおける低圧力比による高い燃焼ダイナミックスとパージ開始に先立つ低液体燃料流量による損傷／大きな摩耗の可能性との両方は、本発明の方法によって是正される問題である。

従来から、気体燃料運転及び液体燃料運転間の移行は、一方の燃料を増加させかつそれに応じて他方の燃料を減少させる一定の選択可能なランプ速度で制御してきた。液体燃料から気体燃料への移行の間に、オペレータ画面から気体燃料ボタンを選択する。燃料移行のための全条件が満たされかつ気体プレフィルが完了すると、液体燃料は、液体燃料流量が０％に減少するまで、一定の速度で緩やかにランプオフ（徐々に減少）される。これと同時に、気体燃料流量は、１００％に到達するまで増大される。移行の中途において、タービンは、５０％の液体燃料及び５０％の気体燃料により運転し続けることになる。燃料移行の基本的構成要素は、定常状態運転の一部として両燃料が或る割合に保持される「混合燃料」運転のために使用される。移行過渡時には、本特許において論じた問題の幾つかを回避するために、燃料間には常に最小許容定常状態分割が存在していた。

低気体燃料流量レベルにおいて、気体制御弁の正確さは、期待された正確さから大きく変化する可能性がある。５％ストロークの要求位置は、弁容量の５％を流す（線形関係）ように期待されることになるが、それどころか弁はその容量の５％±３％を流すことになる可能性がある。この気体燃料流量の誤差は、気体制御弁が一般的には１０％ストローク以下では較正されないことから生じるものであって、それはタービンがいかなる時間長の間も弁をこのような低ストローク状態にして運転されるように意図されていないからである。低気体制御弁ストロークにおける不正確さは、不正確な燃料分割流を燃焼器内に送り込んで、燃焼システム内に高いダイナミックスを生じさせることになる。高いダイナミックスは、燃焼システムの摩耗を増大させ、かつ部品の寿命を短縮させることが知られている。

低液体燃料流量のフィールド試験では、全ての液体燃料ノズルカートリッジに対して十分な液体流量を供給するのに十分なヘッド圧力が存在しないことを示した。大きな燃料ノズル摩耗及び損傷の可能性は、パージ空気流の開始に先立つ低液体燃料流量での運転の間に発生する。

１つの燃料源（燃料タイプ）から他の燃料源（燃料タイプ）への移行の間には、出力及び温度のあらゆるアンダシュート又はオーバシュートを最小にしながら、タービン出力の連続性を維持することが望ましい。気体燃料による運転から液体燃料による運転への移行において、三方弁２４５は、液体燃料管路に切り換えられ、止め弁が開放され、また制御弁が幾らかの小さなプレフィル流量へと指令される。液体燃料管路がプレフィルされた時、気体燃料は、発電機の出力のために必要な基準要求量に保持される。液体燃料は、該液体燃料が燃焼器ノズル１２０に到達する前に、それまでパージ空気で満たされていた配管を再充填しなくてはならない。

制御燃料とは、所定の動力出力を得るための燃料基準要求量に応答して燃焼器に供給される燃料のことである。無制御燃料とは、燃焼器に導入されるが、タービン制御装置の燃料要求信号として認識されていない燃料のことである。液体燃料プレフィルは、該液体燃料プレフィルが期待通りに燃焼器に到達しない場合には負荷の有害な低下を避けるための燃料要求量計算内に含まれず、従って燃料不足状態を発生させる。燃焼器に到達する無制御燃料の副作用は、付加的エネルギーを供給して、初期負荷及び温度スパイク（急上昇）を生じさせ、次に時間の経過と共に同一の負荷出力を保持するための全体燃料要求量を押し下げるようになることである。

プレフィル流量は、管理的に変更することができる特定ガスタービンにおける操作手順によって制限することができる。しかしながら、高いプレフィル流量はまた、上に述べた初期負荷及び温度スパイクに影響を与える可能性がある。従って、望ましくない又は許容できない負荷及び温度過渡状態の形態での不利益を招くことなく、より高いプレフィル流量を実行することは可能でないことになる。

図５は、燃料タイプ間の移行を制御するための先行技術によるアルゴリズムを示している。例示の目的で、これらの燃料タイプは、燃料「Ａ」及び燃料「Ｂ」として記述する。このアルゴリズムは、燃料「Ａ」から燃料「Ｂ」への移行を行う。始めに、ステップ５１０において、それに対して負荷を移動させることになる燃料タイプが選択され、これを燃料「Ａ」と名付ける。ステップ５２０において、燃料「Ａ」を使用して、燃料プレフィルを完了させる。ステップ５３０において、現在負荷が気体燃料によって動力供給されているか否か、つまり負荷が液体燃料（燃料「Ａ」は液体燃料である）に切り換えられるか否かが判定される。燃料「Ａ」が液体燃料である場合には、ステップ５４０において、第１の一定の燃料移送ランプ速度が選択される。負荷が液体燃料に切り換えられていない（つまり気体燃料に切り換えられている）場合には、ステップ５５０において、第２の一定の燃料移送速度が選択される。第１の燃料移送ランプ速度は、第２の燃料移送ランプ速度よりも高く（通常、２倍高い）して、低速燃料供給は気体であること、また液体燃料への移行は、負荷の損失を防止するためにより高速な移行を必要とする緊急シフトとすることができることを認識することができる。ステップ５６０において、パーセント燃料「Ａ」は、燃料移送ランプ速度で増大させ、またパーセント燃料「Ｂ」は、燃料移送ランプ速度で減少させる。ステップ５７０において、１００％燃料「Ａ」による運転が達成されたか否かを判定するチェックが行われる。１００％燃料「Ａ」による運転が達成された場合には、ステップ５８０において移行が完了する。１００％燃料「Ａ」による運転が達成されていない場合には、完全な燃料「Ａ」による運転が達成されるまでステップ５６０が続行される。

図６は、先行技術の方法による燃料「Ａ」から燃料「Ｂ」への燃料移行及び燃料「Ｂ」から燃料「Ａ」への移行のための簡略化した燃料移送速度を示している。縦軸は、２つの燃料の移行運転の間に供給されている燃料タイプのパーセントを表す。横軸は、２つの燃料の移行運転の間の相対的移送時間を示す目盛りのない時間軸を表す。実線曲線は、燃料タイプ「Ａ」を表す。点線は、燃料タイプ「Ｂ」を表す。燃料「Ａ」から燃料「Ｂ」への燃料移行の場合には、傾斜（移送速度）は、燃料「Ｂ」から燃料「Ａ」への場合の傾斜（移送速度）の２倍の大きさである。その結果、燃料「Ｂ」から燃料「Ａ」への燃料移行のための移送時間は、逆の燃料移行の移送時間の２倍である。燃料移送速度は、線形であって、その全プロセスを通して一定の移送速度を反映している。図６はまた、移行のためのプレフィルプロセスを示している。供給開始燃料源のための燃料供給管路が空気をパージされかつタービン負荷に供給することが必要な時には燃料で満たされることを保証するために、タービン負荷制御信号によって要求されるよりも早期に負荷に対応することになる燃料を供給することによって、プレフィルが行われる。

図７は、先行技術の方法による燃料移行の間に、低液体燃料流量によって生じる高いノズル温度を示している。左側の縦軸は、メガワット出力、液体燃料ストローク基準、気体燃料ストローク基準及びパーセント液体燃料の値を表す。右側の縦軸は、タービンの周りの様々な位置におけるノズル温度の値を表す。燃料が液体燃料から気体燃料に移行される時に、パーセント液体燃料は、一定のランプ速度で減少し、気体燃料ストローク基準は、燃焼器への気体燃料流量を反映してランプアップ（徐々に増加）する。パーセント液体燃料が約１０％以下に低下した場合には、ノズル温度は、上昇し始め、パーセント液体燃料流量が０％まで低下するにつれて上昇し続ける。ノズル温度は、液体燃料パージが進行する結果として最終的には低下する。
米国特許出願公開第１１／５８６７６３号公報

従って、信頼性を高めかつハードウエアの損傷及び摩耗の可能性を低減し、それによって装置の寿命を延長させるような方法で燃料移行を行う必要性が存在する。また、ハードウエアの変更を必要とせずにかつそのような変更に関連するコスト及び時間を必要とせずに、改善した移行を実行する必要性が存在する。

本発明は、それによってガスタービンでの供給停止燃料源（供給停止燃料タイプ）及び供給開始燃料源（供給開始燃料タイプ）間の移行を、ガスタービン装置に損傷を引き起こす可能性がある有害運転状態において費やされる時間を最少にするように制御することができる方法に関する。

簡潔に言えば、本発明の１つの態様によると、ガスタービンにおける供給停止燃料タイプから供給開始燃料タイプへの移行を実行する方法を提供する。本方法は、燃料システムを通しての供給開始燃料タイプの燃料プレフィルを完了するステップと、供給開始燃料タイプの全燃料要求量が該供給開始燃料タイプの所定の流量よりも大きいかどうかを判定するステップとを含む。本方法はまた、燃料移送速度を選択するステップと、選択した燃料移送速度で供給停止燃料タイプから供給開始燃料タイプに移行するステップとを含む。さらに、本方法は、供給停止燃料流量が、供給停止燃料タイプの所定の流量以下に減少したかどうかを判定するステップと、最終燃料移送速度を選択するステップと、選択した最終燃料移送速度で供給停止燃料タイプから供給開始燃料タイプへの移行を完了するステップとを含む。

本発明の第２の態様によると、ガスタービン出力過渡状態に対するプレフィルからの無制御液体燃料の影響を低減する方法を提供する。本方法は、供給開始燃料タイプの燃料管路のプレフィルを実行するステップと、供給停止燃料タイプの高速燃料移送速度を開始するステップとを含む。

本発明のさらに別の態様によると、ガスタービンにおける供給停止燃料タイプから供給開始燃料タイプへの移行を実行する方法を提供する。本方法は、供給開始燃料タイプの燃焼システムに対して存在する有害燃焼状態が回避され、また同時に供給開始燃料タイプの全燃料要求量が高速燃料移送速度限界値を超えない時に、始めに高速燃料移送速度にて供給停止燃料タイプからの燃料流量を減少させかつ供給開始燃料タイプからの燃料流量を増大させるステップを含む。次に、本方法は、低流量に起因して供給停止燃料タイプの燃焼システムに存在する有害燃焼状態の少なくとも１つが最早存在せず、また供給開始燃料タイプの全燃料要求量が高速燃料移送速度限界値を超える時に、供給停止燃料タイプの低速燃料移送速度にて供給停止燃料タイプからの燃料流量を減少させかつ供給開始燃料タイプからの燃料流量を増大させるステップを含む。さらに、本方法は、低流量に起因して供給開始燃料タイプの燃焼システムに有害燃焼状態が存在し、また同時に供給開始燃料タイプの全燃料要求量が高速燃料移送速度限界値を超えていない時に、高速燃料移送速度にて供給停止燃料タイプからの燃料流量を減少させかつ供給開始燃料タイプからの流量を増大させるステップを含む。

本発明のこれらの及びその他の特徴、態様及び利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様な部品を表している添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読む時、一層よく理解されるようになるであろう。

本発明の以下の実施形態は、液体燃料から気体燃料への移行及び逆方向への移行のための方法を提供することを含む多くの利点を有し、従って低液体燃料流量及び低気体燃料流量により生じる有害運転状態に対して燃焼器及びノズルが曝されることが最少になる。

上記の問題の両方は、ハードウエアの限界により生じるものであり、必要なのは、移行の始めと終わりの両方における燃料の低流量状態を迅速に通過することができるようにすることである。これらの運転領域を迅速に通過することにより、システムの残りの部分及び全体的なタービン運転に対する副作用を最少にした状態で、大きな摩耗又は損傷の可能性が排除される。

本発明の１つの態様によると、燃料間の移行速度は、最早、線形関数ではなく、代わりに燃料移行の問題領域を迅速に通過するために使用される複数セグメント曲線である。本発明の態様は、燃料移行の始めと終わりの両端部においてまたどちらかの方向又はいずれかの燃料への移行時に発生する可能性がある移行の問題領域に対処している。

従来から、二元燃料ガスタービンは、気体燃料から液体燃料への移行時に様々な問題を受けてきた。本発明は、純粋にソフトウエアに基づいた解決策を使用して、主たる信頼性問題の１つを是正する。このソフトウエアは、全ての二元燃料ガスタービンエンジンに適用可能であり、気体燃料から液体燃料への及び液体燃料から気体燃料への移行において大きな信頼性を与える。その結果、緊急バックアップ移行及び運転柔軟性の両方に対して機能の改善が得られる。液体燃料システムの信頼性（またその延長として、液体燃料システムに対する顧客の信頼性）を高めることは、液体燃料、従ってまた二元燃料制御を一層実行可能な選択肢にする上での重要なステップである。

本発明の目的は、燃料移行中に見られる低燃料流量運転の間におけるガスタービンハードウエアに対する損傷の可能性又は摩耗の危険性を低減して、ハードウエアの寿命を延ばすことである。燃料移行が開始される度ごとに、２つの低燃料流量ポイントが見られる。第１のポイントは、移行される燃料が移行の開始時にタービン内に導入される燃料開始であり、また第２のポイントは、移行の終了時に元の燃料が完全にランプオフされた時における元の燃料の低燃料流量である。

低燃料流量状態の間において燃料移送ランプ速度を増大させることにより、この短い過渡の間におけるタービンハードウエアに対する摩耗又は損傷の可能性が増大する機会が低減又は排除される。総燃料移送時間は、システム内の他の場所にある弁のタイミングのために、従来の時間と同様に維持される必要がある。

非線形燃料移行プロセスの場合には、燃料移行が開始された後に、供給開始燃料タイプのプレフィルが完了する。供給開始燃料タイプのプレフィル流量が、低燃料流量に関連して前述した有害燃焼状態のいずれも防止するのに十分な高さであるかどうかを判定する決定がなされる。

供給開始燃料タイプのプレフィル流量が、有害燃焼状態を防止することになる供給開始燃料タイプの燃料流量よりも大きくない場合には、次にプレフィル流速が高速燃料移送速度の最大許容限界値よりも高いかどうかが判定される。高速燃料移送時における燃料要求量の最大許容限界値は、急速燃料移送速度を燃料移行の途中で停止させて、１つの燃料から他の燃料への移行が成功するための時間を可能にすることを保証する。移行の途中において混合燃料で運転している状態を過度に速く変化させることは、１つ又はそれ以上の燃焼缶内における火炎喪失及び／又は不安定なユニット作動（出力）を招くおそれがある。

高速燃料移送ランプ速度が選択されまた前節で論じた２つの条件の１つが満たされるまで、目標の要求パーセントが増大される。タービンの適正な制御が維持されることを保証するためには、最速燃料移送速度は、いずれかの燃焼システムが満たすことができる移送速度よりも速くてはならない。

ハードウエア損傷の可能性を防止するための限界値又は移行開始時における高速燃料移送の最大許容限界値のいずれかを超えると、低速燃料移送速度が選択され、ユニットは供給開始燃料タイプに移行し続ける。

移行の始めと同様に、燃料移行の終わりに高速移送速度に切り替えて戻す時を判定するための２つの要件が存在する。第１の要件は、供給停止燃料タイプの燃料流量が低流量に低下しかつ前述したような大きなハードウエア摩耗及び／又はハードウエア損傷の可能性の危険性があることである。第２の要件は、移行の途中を迅速に通過して、燃焼缶のフレームアウトを引き起こすような移行を防止するために課せられる。両方の要件が満たされると、燃料移行が完了するまで、高速燃料移送速度が再び選択されかつ要求目標燃料流量のパーセンテージが増大される。

液体燃料ノズルのハードウエア温度データが試験のために入手可能であったので、燃料移行曲線のブレークポイントは、液体燃料流量によって判定することができる。有害燃焼状態を回避するための液体燃料流量必要量（液体を全てのノズルに流すのに十分なヘッドを得るために必要とされる）は、最小気体燃料流量必要量よりも大きい。従って、液体燃料ハードウエア温度とそれに対応する液体燃料流量要求量とを使用して燃料移行曲線の全てのポイントを判定する方法は、有害燃焼状態を回避する最小気体燃料タイプ流量に関しても適用可能である。

図８は、燃料タイプ間の移行を制御するための本発明のアルゴリズムを示している。例示の目的で、これらの燃料タイプは、燃料「Ａ」及び燃料「Ｂ」として記述する。このアルゴリズムは、燃料「Ａ」から燃料「Ｂ」（燃料「Ａ」は、供給停止燃料タイプであり、燃料「Ｂ」は、供給開始燃料タイプである。）への移行を行う。始めに、ステップ８１０において、それに対して負荷を移動させる燃料タイプ（供給開始燃料源）が選択され、これを燃料「Ａ」と名付ける。ステップ８２０において、燃料「Ａ」を使用して、燃料プレフィルを完了させる。ステップ８３０において、燃料「Ａ」の全燃料要求量が、燃料「Ａ」のための燃焼器ノズルに対する有害運転状態を防止するための最小流量よりも大きいか否かが判定される。ステップ８３０での判定において、燃料「Ａ」の全燃料要求量が燃料「Ａ」のための燃焼器ノズルに対する有害運転状態を防止するための最小流量以上である場合には、燃料「Ａ」の流量を急速に増大させる必要がないので、ステップ８４０において、低速燃料移送速度が選択される。

全燃料要求量が有害運転状態を防止するための最小流量以上でない場合には、ステップ８５０において、パーセント燃料「Ａ」が移行の始めにおける高速燃料移送速度限界値よりも大きいか否かが判定される。高速燃料移送速度限界値は、高速燃料移送速度を成功裏に実行することのできる燃料「Ａ」の最大燃料要求量である。パーセント燃料「Ａ」が高速燃料移送速度限界値以上である場合には、高速燃料移送速度は、選択すべきではなく、ステップ８４０におけるのと同様に、低速燃料移送速度を選択すべきである。この限界値は、燃料移行の途中で急速燃料移送速度を停止させて、１つの燃料から別の燃料への成功裏の移行のための時間を可能にすることを保証する。移行の途中において混合燃料で運転している状態を過度に速く変化させることは、１つ又はそれ以上の燃焼缶内における火炎喪失及び／又は不安定なユニット作動（出力）を招くおそれがある。

逆にパーセント燃料「Ａ」が高速燃料移送速度の許容限界値以下である場合には、ステップ８５５において、高速燃料移送速度が選択される。燃料「Ａ」に対する全燃料要求量が、燃料「Ａ」のための燃焼器ノズルに対する有害運転状態を防止するための最小流量以上であることがステップ８３０において判定されるか、又はパーセント燃料「Ａ」が高速燃料移送速度限界値以上であると判定されるかのいずれかになるまで、燃料は、高速燃料移送速度にて燃料「Ａ」から燃料「Ｂ」に移行される。

次にステップ８４０において、低速燃料移送速度が選択され、低速燃料移送速度にて燃料「Ａ」が増加されかつ燃料「Ｂ」が減少されると同時に、燃料「Ｂ」の全燃料要求量が、燃料「Ｂ」システムに関連した有害運転状態を防止するための最小流量よりも小さいかどうかを判定するためのチェックがステップ８６５において行われる。ステップ８６５における判定で全燃料要求量が燃料「Ｂ」システムに関係した有害運転状態を防止するための最小流量以下でない場合には、ステップ８４０において、燃料移行が低速燃料移送速度にて続行される。燃料「Ｂ」の全燃料要求量が有害運転状態を防止するための最小流量よりも小さい場合には、パーセント燃料「Ａ」は、それが高速燃料移送速度限界値以上であるかどうかを判定するためのチェックがステップ８４０において行われる。パーセント燃料「Ａ」が高速燃料移送速度限界値以上である場合には、前述したような火炎の喪失又は動作の不安定性を回避するために、ステップ８４０において、燃料移送速度は、低速燃料移送速度にシフトされる。しかしながら、パーセント燃料「Ａ」が高速燃料移送速度限界値よりも小さいか又はそれと等しい場合には、ステップ８７５において、高速燃料移送速度が選択される。運転が１００％燃料「Ａ」になるまで、ステップ８８０において、燃料移行は、高速燃料移送速度にて続行され、１００％燃料「Ａ」による運転になった時に、ステップ８８０において、移行が完了する。

図９は、本発明のアルゴリズムによる燃料「Ａ」から燃料「Ｂ」への燃料移行及び燃料「Ｂ」から燃料「Ａ」への燃料移行のための簡略化した燃料移送速度を示している。縦軸は、２つの燃料の移行運転の間に供給されている燃料タイプのパーセントを表す。横軸は、２つの燃料の移行運転の間の相対的移送時間を示す目盛りのない時間軸を表す。実線曲線は、燃料タイプ「Ａ」を表す。点線は、燃料タイプ「Ｂ」を表す。

燃料「Ａ」から燃料「Ｂ」への場合の高速燃料移送速度（移行の始めにおける初期傾斜及び移行の終わりにおける最終傾斜）は、燃料「Ｂ」から燃料「Ａ」への移行の両端部における高速燃料移送速度と同じ値を有する。

再び図９を参照すると、燃料「Ａ」から燃料「Ｂ」への低速燃料移送速度は、Ｙで示した固定総移送時間を維持する（高速移行セグメントの間に費やされた時間を考慮した後に）ように選択される。燃料「Ｂ」から燃料「Ａ」への低速燃料移送速度は、２Ｙで示した固定された総移送時間を維持する（高速移行セグメントの間に費やされた時間を考慮した後に）ように選択される。高速燃料移送速度と低速燃料移送速度との間のブレークポイントは、高速燃料移送速度限界値に固定される。それは、燃料「Ｂ」から燃料「Ａ」への場合の傾斜（移送速度）の高さの２倍である。燃料「Ｂ」から燃料「Ａ」への燃料移行のための総移送時間は、逆方向の移行のための総移送時間の２倍である。

供給停止気体燃料タイプから供給開始液体燃料タイプへの燃料移行の好ましい実施形態では、移行は約３３秒継続する。供給停止液体燃料から供給開始気体燃料への移行においては、移行は約６６秒継続する。さらに、燃料移行の好ましい実施形態では、高速移送ランプ速度は、供給停止燃料タイプ及び供給開始燃料タイプの両方に対して約１０％燃料ロード／秒に設定される。約１０％燃料ロード／秒の高速移送速度はまた、液体及び気体燃料タイプの両方に対して採用されるのが好ましい。燃料移行の残余の（低速移送速度）セグメントの低速ランプ速度は、気体燃料から液体燃料への移行の場合には約３３秒、また液体燃料から気体燃料への移行の場合には約６６秒以内で移行を完了するのに必要な低速ランプ速度を計算することによって決定される。低速移送速度は、約０．９％／秒から約３％／秒まで変化させることができる。さらに、好ましい実施形態では、高速移送燃料限界値は、約２５％である。

本発明のさらに別の態様は、非線形移行曲線のブレークポイントをさらに最適化するために、低気体燃料流量の間に燃焼缶内で得られたダイナミックス測定値を含むことができる。気体ノズルもまた、正確な燃料分割機能関係を決定するのと同様な方法で取り付けることができ、また燃料移行の速度は、非線形移行曲線をさらに最適化するために、負荷又はその他のファクタの関数としてスケジュール化することができる。上述した取付けは、全燃料分割範囲及び負荷範囲にわたってまたあらゆる移行方向において、より精緻な燃料移行曲線を形成することができる。

本発明の方法は、液体から気体への移行に限定されるものではなく、天然ガスから合成ガスシステムへの移行及び合成ガスシステムから天然ガスへの移行（二元ガス）も含むことができる。

図１０Ａ及び図１０Ｂは、先行技術による及び本発明の非線形燃料移行方法による燃料プレフィルの比較を示している。新規な非線形移行の付加的な利点は、無制御プレフィル燃料による燃料システム全体の乱れが低減されることである。

プレフィルは、供給開始燃料源のための低い初期固定流量を確立して、タービンの負荷制御のための信号として燃料が要求される前に、燃料管路をパージ空気で空にしかつ供給開始燃料で満たすことを保証する。プレフィルは、所望のプレフィル流量を形成するように燃料制御弁を位置させることによって確立される。プレフィル期間の終了時ｔ_１に、燃料「Ａ」として示した供給開始燃料源のためのランプ移送速度が確立される。ランプ制御移送速度は、始めは燃料「Ａ」の０％流量を要求するが、制御弁の位置は、より多い燃料が要求されかつ制御弁がさらに開放される時点ｔ_２まで、プレフィル位置に維持される（プレフィル流量を維持する）。ｔ_１とｔ_２との間の期間中に、陰影を付した区域は、タービン制御のために要求された燃料以上に燃焼器に導入される無制御燃料の量を表す。この無制御燃料は、ガスタービンのメガワット出力及び温度を生じさせて、過渡的に要求レベル以上に上昇させる。

図１０Ｂは、燃料「Ａ」のより高いランプ速度（傾斜）を示している。燃料「Ａ」のより高いランプ速度のために、タービン制御装置によって要求される制御燃料は、ｔ_３からプレフィルレベル以上に急速に上昇して、燃焼器に到達する無制御燃料を減少させ、それによって無制御燃料の導入に関連した乱れを大幅に制限する。

図１１は、本発明の方法による燃料移行時における非線形燃料移送速度によって生じるより低い燃料ノズル温度を示しており、この場合、燃料移送速度は、望ましくない運転モードを迅速に通過するような臨界点にシフトされている。本発明のアルゴリズムを用いての、ＧＥ９ＦＡタービンについての試験から得られたフィールドデータを表示している。

左側の縦軸は、メガワット出力、液体燃料ストローク基準、気体燃料ストローク基準及びパーセント液体燃料の値を表している。右側の縦軸は、タービンの周りの様々な位置におけるノズル温度の値を表している。液体燃料から気体燃料への燃料移行が開始された時、パーセント液体燃料は、始めは高いランプ速度で減少させ、また気体燃料は、始めは高いランプ速度で増加させて、気体燃料が約６％基準流量まで急速に増加するようにする。次に液体燃料は、低い一定のランプ速度で減少させ、また気体燃料ストローク基準は、燃焼器への気体燃料流量を反映してランプアップ（徐々に上昇）させる。

パーセント液体燃料が約２７％まで低下した時、パーセント液体燃料が遮断されるまで、液体燃料減少のためのより高いランプ速度を再び開始させる。液体燃料のためのより高い速度低下と同時に行うのは、１００％流量までの気体燃料のより高いランプアップ（約１０％燃料要求／秒の速度）である。パーセント液体燃料が約２７％以下に低下した時、ノズル温度が上昇し始め、パーセント液体燃料が０％まで低下するにつれて上昇し続ける。

元来、先行技術による移行方法の場合には、気体から液体への移行の始め及び液体から気体への移行の終わりにおける低液体燃料流量において、液体燃料ノズル温度は、２０００°Ｆを超えることになる。時の経過と共に、この高い温度スパイクは、ハードウエアを損傷させ、また燃焼のための液体燃料の適正な霧化が起こらないので、液体燃料による運転を困難にするおそれがある。気体燃料ノズルに対する同様な損傷（一般的に、火炎面に曝される拡散ノズルに対する）が起こる可能性がある
燃料移行プロセスの始め及び終わりにおける加速ランプ速度の場合には、液体燃料ノズル温度スパイクは、約３００°Ｆに制限される。分析は、３００°Ｆは設計パラメータ範囲内で良好であり、長期間にわたっていかなるハードウエア損傷又は大きな摩耗を生じることがないことを示した。その後ノズル温度は、液体燃料システムの空気パージが開始され、その結果生じる液体燃料ノズルに対する冷却効果により低下する。

フィールド試験データはないが、低気体燃料流量は、不正確な燃料分割及び高い燃焼ダイナミックスを引き起こす可能性があることも知られている。しかしながら、合成ガスユニットにおいては、ハードウエア損傷が見られた。燃焼ダイナミックスは、不正確な燃料分割スケジュール化によって引き起こされる可能性があることが広く知られており、従って高い燃焼ダイナミックスが発生しないことを保証しかつ低気体燃料圧力比運転に曝されることを少なくするために、制御装置の構成に対して詳細な分割スケジュールが与えられる。分割スケジュールは、低い気体制御弁ストロークにおける弁の不正確さにより、低気体燃料流量においては正確に維持することができないことが知られている。

本明細書では、本発明の一部の特徴のみを図示しかつ説明してきたが、当業者には多くの修正及び変更が想起されるであろう。従って、特許請求の範囲は、全てのそのような修正及び変更を本発明の技術思想の範囲内に含まれるものとして保護しようとするものであることを理解されたい。

液体燃料システム及び気体燃料システムを有する例示的なガスタービンの簡略概略図。 現存する液体燃料システムを備えたガスタービンエンジンの概略図。 現存する気体燃料システムを備えたガスタービンエンジンの概略図。 弁位置に応じて燃焼器缶内の液体燃料ノズルを通して液体燃料を流すために必要とされるヘッド差を示す図。 燃料タイプ間の移行を制御するための先行技術によるアルゴリズムを示す図。 先行技術の方法による燃料「Ａ」から燃料「Ｂ」への燃料移行及び燃料「Ｂ」から燃料「Ａ」への燃料移行のための簡略化した燃料移送速度を示す図。 先行技術の方法による燃料移行の間に、低液体燃料流量によって生じる高いノズル温度の応答性を示す図。 移行時におけるスケジュール化高流量を組み込んだ燃料移送のための本発明のアルゴリズムのフロー図。 本発明の方法による燃料「Ａ」から燃料「Ｂ」への燃料移行及び燃料「Ｂ」から燃料「Ａ」への燃料移行のための簡略化した燃料移送速度を示す図。 先行技術による及び本発明の非線形燃料移行方法による燃料プレフィルの比較を示す図。 本発明の方法による燃料移行時における非線形燃料移送速度によって生じるより低い燃料ノズル温度を示す図。

符号の説明

１００ ガスタービン
１０２ 液体燃料システム
１０４ 液体燃料パージシステム
１０６ 気体燃料システム
１０８ 圧縮機
１１０ 燃焼器
１１２ タービン
１１４ 制御装置
１１６ タービンシャフト
１１８ 燃焼缶
１２０ 液体燃料ノズル
１２２ 気体燃料ノズル
１２４ 水噴射ノズル
１２６ 水パージ装置
１２８ ガス供給源
１３０ 発電機
２００ 液体燃料システム
２０５ 液体燃料源
２１０ 低圧フィルタ
２１５ 燃料ポンプ
２２０ バイパス制御弁
２２５ 止め弁
２３０ 分流器
２３５ 圧力逃し弁
２４０ 再循環管路
２４５ 三方弁
２６０ 分配弁
２７０ 燃焼缶
２８０ 液体燃料パージ空気システム
３００ 気体燃料システム
３０５ 気体燃料源
３１０ 気体止め弁
３１５ 気体通気弁
３２０ 気体制御弁
３２５ マニホルド
３３０ 気体ノズル
３４０ パージ空気源
３４５ 遮断弁
３５０ 遮断弁
３５５ 通気弁
３６０ オリフィス
４１０ 燃焼器缶
４１５ ノズル
４２０ ノズル
４５０ 燃焼器缶
４５５ ノズル
４６０ ノズル

Claims (10)

1. ガスタービンにおける供給停止燃料タイプから供給開始燃料タイプへの移行を実行する方法であって、
   燃料システムを通しての前記供給開始燃料タイプの燃料プレフィルを完了するステップ（８２０）と、
   前記供給開始燃料タイプの全燃料要求量が該供給開始燃料タイプの所定の流量よりも大きいかどうかを判定するステップ（８３０）と、
   燃料移送速度を選択するステップ（８４０、８５０）と、
   前記選択した燃料移送速度で前記供給停止燃料タイプから前記供給開始燃料タイプに移行するステップ（８４５、８６０）と、
   前記供給停止燃料流量が、前記供給停止燃料タイプの所定の流量以下に減少したかどうかを判定するステップ（８７０）と、
   最終燃料移送速度を選択するステップ（８７５）と、
   前記選択した最終燃料移送速度で前記供給停止燃料タイプから前記供給開始燃料タイプへの移行を完了するステップ（８８０）と、
   を含む方法。
2. 前記供給開始燃料タイプの全燃料要求量が該供給開始燃料タイプの所定の流量よりも大きいかどうかを判定するステップが、
   燃焼ハードウエア損傷及び燃焼ダイナミックスの少なくとも１つを含む前記供給開始燃料タイプの有害運転燃焼状態を回避するような前記所定の流量を設定するステップ（８３０）をさらに含む、
   請求項１記載の方法。
3. 前記燃料移送速度を選択するステップが、
   前記供給停止燃料タイプの全燃料要求量が前記供給開始燃料タイプの所定の流量よりも大きい場合には、該供給開始燃料タイプの低速燃料移送速度を選択するステップ（８４０）を含む、
   請求項１記載の方法。
4. 前記燃料移送速度を選択するステップが、
   前記供給停止燃料タイプの全燃料要求量が前記供給開始燃料タイプの所定の流量よりも大きくない（８３０）、また前記移行の初めにおける前記供給停止燃料タイプの流量が高速燃料移送速度限界値を超えていなかった（８５０）場合には、該供給開始燃料タイプの低速燃料移送速度を選択するステップを含む、
   請求項１記載の方法。
5. 前記燃料移送速度を選択するステップが、
   前記供給停止燃料タイプである気体燃料のための総燃料移送時間が前記供給停止燃料タイプである液体燃料のための総燃料移送時間の約半分の長さである総燃料移送時間を確立するような低速移送速度を選択するステップ（８４０）をさらに含む、
   請求項１記載の方法。
6. 前記燃料移送速度を選択するステップが、
   前記供給開始燃料タイプの全燃料要求量が該供給開始燃料タイプの第１の所定の流量よりも大きくない（８３０）、また前記移行の始めにおける前記供給停止燃料タイプの流量が高速燃料移送速度限界値を超えていなかった（８５０）場合には、該供給停止燃料タイプの高速燃料移送速度を選択するステップ（８５５）を含む、
   請求項１記載の方法。
7. 前記高速燃料移送速度を選択するステップが、
   前記供給停止燃料タイプである気体燃料のための総燃料移送時間が前記供給停止燃料タイプである液体燃料のための総燃料移送時間の約半分の長さである総燃料移送時間を確立するような高速移送速度を選択するステップ（８５５）をさらに含む、
   請求項１記載の方法。
8. 前記供給停止燃料タイプの全燃料要求量が該供給停止燃料タイプの所定の流量よりも大きいかどうかを判定するステップが、
   燃焼ハードウエア損傷及び燃焼ダイナミックスの少なくとも１つを含む前記供給開始燃料タイプの有害運転燃焼状態を回避するような前記所定の流量を設定するステップ（８３０）をさらに含む、
   請求項１記載の方法。
9. 前記最終燃料移送速度を選択するステップが、
   前記供給開始燃料タイプの全燃料要求量が、有害燃焼状態を回避するための該供給開始燃料タイプの所定の流量以下である、また前記移行の終わりにおける前記供給停止燃料タイプの流量が、高速燃料移送速度限界値を超えていなかった場合のほかには、該供給停止燃料タイプの低速燃料移送速度を選択するステップ（８７０）を含む、
   請求項８記載の方法。
10. 前記最終燃料移送速度を選択するステップが、
    前記供給開始燃料タイプの全燃料要求量が、有害燃焼状態を回避するための該供給開始燃料タイプの所定の流量以下である、また前記移行の終わりにおける前記供給停止燃料タイプの流量が、高速燃料移送速度限界値を超えていなかった時に、前記供給停止燃料タイプの最終高速燃料移送速度を選択するステップ（８７５）と、
    前記初期高速燃料移送速度と等しい最終高速燃料移送速度を選択するステップ及び前記供給停止燃料タイプである気体燃料のための総燃料移送時間が前記供給停止燃料タイプである液体燃料のための総燃料移送時間の約半分の長さである総燃料移送時間を確立するような最終高速燃料移送速度を選択するステップの少なくとも１つのステップと、を含む、
    請求項９記載の方法。

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