JP2009036206A - インライン燃料改質によるウォッベ数制御及び作動性の向上 - Google Patents

Abstract

【課題】 低エミッション及び燃焼ダイナミックスレベルを所定限界内に維持しながら、ガス燃料組成、温度及び結果として得られるＭＷＩの大きな変動を許容すること。
【解決手段】 ガスタービンの１以上の燃焼器に供給される多組成ガス燃料のウォッベ数を調節する方法であって、（ａ）１以上の燃焼器への燃料及び空気流量を調節するための制御システムを準備する段階と、（ｂ）１以上の燃焼器の上流側でガス燃料の一部を改質して燃料の残りの部分と共に１以上の燃焼器に供給される水素及び一酸化炭素を形成する段階とを含み、改質される燃料の一部が１以上の燃焼器に供給される燃料のウォッベ数を予め設定された範囲内に維持されるように調整される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジン燃焼システムに関し、より詳細には、燃焼システムの動作を制御するための方法及び装置に関する。

ガスタービンエンジンは通常、圧縮機セクション、燃焼器セクション、及び１以上のタービンセクションを含む。圧縮機吐出空気は燃焼器に送られ、ここで燃料が噴射され、混合され、燃焼される。次いで、燃焼ガスはタービンに送られ、該タービンが燃焼ガスからエネルギーを抽出する。

ガスタービンエンジン燃焼システムは、広範囲の流量、圧力、温度、及び燃料／空気比の動作条件にわたって動作しなければならない。燃焼器性能の制御は、全体的に満足のいくガスタービンエンジン動作を達成及び維持し、許容可能なエミッションレベルを達成することが必要とされ、主な関心事はＮＯｘ及びＣＯレベルである。

あるクラスのガスタービン燃焼器は、希薄予混合燃焼を利用することによって低ＮＯｘエミッションレベルを達成しており、ここでは燃料と全燃料を燃焼するのに必要な過剰空気とを燃焼前に混合されて、サーマルＮＯｘ生成を制御及び制限する。乾式低ＮＯｘ（Ｄｒｙ Ｌｏｗ ＮＯｘ、ＤＬＮ）燃焼器と呼ばれることが多いこのクラスの燃焼器は通常、異なる燃料に適応するその能力に関して「ダイナミックス」として知られる圧力振動によって制限される。これは、必要とされる容積の燃料流量における変化によって生じる噴射システムの圧力比の変化に起因するものである。この制約は、修正ウォッベ指数によって捉えられ、すなわち、燃焼システムは、最適なダイナミックスのための設計ウォッベ数を有することになる。修正ウォッベ指数（ＭＷＩ）は、ＢＴＵ／ｓｃｆ単位の低位発熱量に比例し、空気に対する燃料の比重とランキン度単位の燃料温度との積の平方根に反比例する。

この問題には、今まで、ウォッベ数の変化を制限すること、又は燃料温度を調整して所与の燃料のウォッベ数に中心を再配置することによって対処されてきた。燃焼器への燃料スプリット変更（例えば再チューニング）も可能であるが、これはエミッションに影響を与える可能性がある。

このようなシステムは、始動から全負荷までのガスタービン運転を可能にするために、単独又は複数の実質的に並列且つ同一の燃焼器の各々において独立して制御される複数の燃料噴射ポイント又は燃料ノズルを必要とすることが多い。更に、かかるＤＬＮ燃焼システムは、燃料噴射装置圧力比の比較的狭い範囲にわたってのみ良好に機能することが多い。この圧力比は、燃料流量、燃料路の流れ面積、及び燃料ノズル前後のガスタービンサイクル圧力の関数である。かかる圧力比の制限は、正確な燃料ノズル通路面積の選択及び幾つかの燃料ノズル群への燃料流量の調節によって管理される。正確な燃料ノズル通路面積は、名目上接触すると思われる実際の燃料の特性に基づく。

これまでのパイプライン天然ガスの一般的組成、具体的にはその修正ウォッベ指数の変化はごく僅かであった。燃料ノズルガス面積は、燃料ＭＷＩの限定的な範囲、典型的には設計値の約±５％未満の大きさにされ、複数の燃料噴射ポイントの乾式低ＮＯｘ燃焼システムを備えたガスタービンでは、ガスタービン燃焼システムは、種々の噴射ポイントの間での燃料スプリットが機械動作条件によって変化するような燃料分配スケジュールで構成される。幾つかのＤＬＮ燃焼システムでは、燃料特性がＭＷＩの約±２％よりも大きい値で変化する場合、エミッション及び燃焼ダイナミックスレベルの両方を監視しながら燃料スケジュール調整を行う必要がある。かかる燃料スケジュール調整は「チューニング」と呼ばれ、特別な計装を設定するための技術者を必要とし、完遂させるのに１日以上を要する可能性のあるプロセスである。更に、特定のガスタービン設備に供給される燃料が、２種以上の供給源（組成もＭＷＩも異なる）からなるときには、（本明細書で開示される発明以前は）燃料供給切替毎に燃料スプリットスケジュールを繰り返し「再チューニング」する必要があった。更に、２種以上の燃料のあらゆる配合は、別の燃料組成と同等のものであり、その結果、燃焼器設計のＭＷＩ範囲を超える燃料の可変混合は、本発明前では、ガスタービン及び／又はガスタービン燃焼器に対する運転調整（例えば可変燃料温度）なしでは許容することはできなかった。ガスタービンエンジン効率は、低エネルギー蒸気又は水などの利用可能な熱源を利用してガスタービン燃焼器に入る燃料ガスを予熱することによって改善することができる。加熱ガスを利用するガスタービンでは、負荷上昇時間は、初期低温熱回収蒸気発生器において温水を生成して、燃料ガスを最小限必要なレベルまで加熱するのに必要な時間によって決まることができる。燃料ガスが必要な温度及びその結果として必要なＭＷＩに達するまでは、幾つかの燃焼器設計では低ＮＯｘ燃焼モードで運転することができない。最小許容ガス温度レベルを低くすることができれば、これは最大許容ＭＷＩ値を引き上げることに相当し、負荷上昇時間が短縮されることで、ガスタービン動作が改善され、全体エミッションが低減される。
米国特許第７，１８５，４９４号明細書 米国特許第７，１８１，９１６号明細書 米国特許第６，５０２，４０２号明細書 米国特許第６，０８２，０９２号明細書

設計ＭＷＩ範囲外での動作は、ＤＬＮ燃焼システム設計の一部では、メンテナンス間隔を短縮するのに十分に大きな燃焼ダイナミックスレベル（振動燃焼プロセスに起因するノイズ）をもたらし、又はハードウェア損傷及び強制停止をも引き起こすこともある。従って、低エミッション及び燃焼ダイナミックスレベルを所定限界内に維持しながら、ガス燃料組成、温度及び結果として得られるＭＷＩの大きな変動を許容することが望ましい。

１つの非制限的な例示的実施形態において、ガスタービンエンジンは、駆動シャフトによって原理的ガスタービン負荷として発電機に結合される。この実施形態において、ガスタービンエンジンは、各燃焼器の複数の異なる位置で燃料を燃焼器に噴射するように構成される複数の燃料噴射ノズルを有する１以上の燃焼器を含み、異なる噴射ノズルは、２以上ガス流量制御バルブから燃料が供給される。ガスタービンエンジンは、ガスタービンエンジンの周りに位置付けられ、流量、圧力、温度、又はエンジン動作状態を設定する他のパラメータを測定するように構成された複数のセンサと、前述のパラメータに加えて燃料のＭＷＩを表す信号を受け取るようにプログラムされるプロセッサとを有する制御システムを含む。ガスタービンにおいて、燃料のウォッベ数は、インライン改質器を通じて燃料の一部を部分酸化することによって操作することができる。正味の影響は、「空気ドーピング」及び燃料の一部を水素と一酸化炭素に変換することである。加えて、水素及び一酸化炭素は、エミッション低減／ターンダウン増大のための燃焼器の安定性を高めるように利用することができる。従って、１つの例示的且つ非制限的な実施形態では、本発明は、燃料のわずかな比率を部分的に改質するように燃焼器燃料回路の１以上の燃料ラインに触媒モジュールを加えるシステムを利用する。化学種の変化並びに空気の付加及び放熱を組み合わせて、燃料のウォッベ数を調整する。本発明によって提供される利点は、「空気ドーピング／部分改質」によって、燃料組成の変化にもかかわらずシステムがウォッベ数を再び中心に配置することが可能になる点で、広い範囲のウォッベ数動作を含む。加えて、部分改質に起因する水素の可用性は、エミッション低減並びに低負荷でのエミッション適合を可能にする安定性／ターンダウンの増大を可能にする。

従って、１つの態様において、本発明は、圧縮機と、複数の燃焼器と、タービンとを含み、燃料コントローラを含む制御システムが、各燃焼器に流入する燃料及び圧縮機空気を調節し、インライン燃料改質器が複数の燃焼器の１以上の上流側に配置されて、１以上の燃焼器に供給される燃料の一部を改質するガスタービンエンジンシステムに関する。

別の態様において、本発明は、ガスタービンの１以上の燃焼器に供給される多組成ガス燃料のウォッベ数を調節する方法であって、（ａ）１以上の燃焼器への燃料及び空気流量を調節するための制御システムを準備する段階と、（ｂ）１以上の燃焼器の上流側でガス燃料の一部を改質して、燃料の残りの部分と共に１以上の燃焼器に供給される水素及び一酸化炭素を形成する段階と、を含み、改質される燃料の一部が、１以上の燃焼器に供給される燃料のウォッベ数を予め設定された範囲内に維持するように調整される方法に関する。

ここで、本発明を以下で認識される図面に関連して説明する。

図１は、圧縮機１２と、燃焼器１４と、駆動シャフト１５によって圧縮機１２に結合されたタービン１６とを含むガスタービンエンジンシステム１０の概略図である。ガスタービンエンジンは、オペレータコマンドと制御システム１８との組合せによって管理される。入口ダクトシステム２０は、周囲空気を圧縮機入口ガイドベーン２１に送り、アクチュエータ２５による調節によって圧縮機１２への空気量を調節する。排気システム２２は、タービン１６の出口から、例えば消音、熱回収、及び場合によっては他のエミッション制御装置を介して燃焼ガスを送る。タービン１６は、電力又は何らかの他のタイプの機械的負荷を生成する発電機２４を駆動することができる。

ガスタービンエンジンシステム１０の動作は、圧縮機１２、タービン１６、発電機２４、及び周囲環境の様々な状態を検出する種々のセンサ２６によって監視することができる。例えばセンサ２６は、ガスタービンエンジンシステム１０を囲む周囲温度、圧力、及び湿度、圧縮機吐出圧力及び温度、タービン排気ガス温度、並びにガスタービンエンジン内の他の圧力及び温度測定値を監視することができる。センサ２６はまた、流量センサ、速度センサ、火炎検出器センサ、バルブ位置センサ、ガイドベーン角度センサ、及びガスタービンエンジンシステム１０の運転に関する種々のパラメータを感知する他のセンサを含むことができる。本明細書で用いる「パラメータ」とは、その値を用いて規定位置における温度、圧力、及び流体流量などのようなガスタービンエンジンシステム１０の運転条件を定義することができる物理的特性を意味する。

上述のセンサ２６に加えて、以下に記載するインライン燃料改質の前又は後に、燃料ＭＷＩを決定するのに十分な燃料特性を監視又は計測するための１以上のセンサ３４がある。固定燃料特性の燃料ＭＷＩを表すパラメータ（燃料温度のみなど）の決定は、本発明を利用するための必要条件である。

燃料コントローラ２８は、制御システム１８からのコマンドに応答して、燃料供給源から燃焼器１４に流れる燃料、及び燃焼器１４の各々内に配置された複数の燃料ノズル噴射装置への燃料スプリットを連続的に調節する。燃料制御システム２８はまた、２種以上の燃料が使用可能な場合に、燃焼器に燃料のタイプ又は燃料の混合を選択するようコントローラ１８が指示することができる。幾つかの燃料ガス制御バルブの間で燃料スプリットを調節することによって、エミッション及びダイナミックスが機械的負荷範囲全体にわたって最適化される。燃料スプリット調節は、燃焼基準温度と呼ばれる計算されたパラメータに主に依存し、これは機械排気温度、圧縮機吐出圧力、及び他の連続して監視される機械パラメータの関数である。

制御システム１８は、上述のセンサ入力及び人間のオペレータからの命令を用いて、ガスタービンの運転を制御するようにプログラムを実行するプロセッサを有するコンピュータシステムとすることができる。制御システム１８によって実行されるプログラムは、燃焼器１４への燃料流量及び燃料スプリットを調節するためのスケジューリングアルゴリズムを含むことができる。より具体的には、制御システムによって発生したコマンドは、燃料コントローラ２８内のアクチュエータに燃焼器に流れる流量及び燃料スプリット並びに燃料のタイプを調節させ、圧縮機上の入口ガイドベーン２１を調整させ、更にガスタービンに対する他の制御設定値を作動させる。

従って、アルゴリズムは、制御システム１８は、部分負荷から全負荷のガスタービン運転条件で、燃焼器発火温度及び排気温度を予め定義された温度限界内に維持し、タービン排気ＮＯｘ及びＣＯエミッションを予め定義された限界より下に維持することができるようにする。燃焼器１４は、ＤＬＮ燃焼システムとすることができ、制御システム１８は、エミッション及び燃焼ダイナミックスを最適化するために主要な燃焼器及びガスタービンのメンテナンス停止毎の後に行うチューニングプロセスによって修正される予め設定された燃料スプリットスケジュールに従って、ＤＬＮ燃焼システムの燃料スプリットを制御するようプログラム及び修正することができる。燃焼器燃料スプリットはまた、ガスタービンの作動性限度に適合しながら性能目標を満足する定期チューニングプロセスによって設定される。かかる制御関数は全て、ガスタービンの作動性、信頼性、及び可用性を最適化する目標を有する。

触媒モジュール３２が燃焼器燃料回路（図１参照）の１以上の燃料ラインに加えられ、わずかな比率の燃料を部分的に改質、すなわち部分的に酸化して水素と一酸化炭素とを形成し、これらが非改質燃料の残りの部分に加えられる。化学種の変化並びに空気の追加及び放熱を組み合わせて、燃料のウォッベ数を調整する。加えて改質の量は、ウォッベ数を予め設定された範囲内に維持し、低負荷で安定性を高め、又は希薄予混合燃焼へのＨ２の作用に起因する低エミッションを可能にするように調整することができる。

上述の方法及び装置は、燃料組成の比較的大きな変動を許容するように自動的に連続してガス燃料特性を調節する、費用効率が高く信頼性のある手段を提供する。より具体的には、本方法は、低ＮＯｘエミッション燃焼システムを備えたヘビーディーティ燃焼ガスタービンにおいて燃料の比較的大きな変動を伴った動作を可能にする。その結果、本明細書に記載した方法及び装置は、費用効果が高く信頼性のある方法でガスタービンエンジンの運転を可能にする。

本方法及び装置の技術的効果は、ガスタービンエンジンで使用する燃料組成における比較的大きな変動許容するように、主燃料流量の一部の部分的酸化によりガス燃料特性を自動的に連続して調節するシステムを提供することである。

本明細書では本方法及び装置を発電又は産業用環境で用いられるガスタービンエンジンの関連で説明されたが、本明細書で説明した方法及び装置は、ガス燃料燃焼器を利用する他のガスタービンシステムでもその有用性を見出すことができることは企図される。加えて、本明細書で記載された原理及び教示は、限定ではないが、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、ＬＮＧ（液化天然ガス）、産業プロセス排ガス、及び他の合成ガスなどでの多様な可燃ガス燃料を用いたガスタービンエンジンに適用可能である。従って、本明細書の説明は限定ではなく、単なる例証として記載されている。

本発明を様々な特定の実施形態に関して説明したが、本発明は、請求項の技術思想及び技範囲内にある修正形態により実施することができる点は、当業者であれば理解されるであろう。

ガスタービンエンジンシステムの概略図である。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジンシステム
１２ 圧縮機
１４ 燃焼器
１６ タービン
１５ 駆動シャフト
１８ 制御システム
２０ 入口ダクトシステム
２１ ガイドベーン
２２ 排気システム
２４ 発電機
２５ アクチュエータ
２６ センサ
２８ 燃料コントローラ
３２ 触媒モジュール又は改質器

Claims (6)

1. 圧縮機、複数の燃焼器、及びタービンを備え、燃料コントローラを含む制御システムが前記各燃焼器に流入する燃料及び圧縮機空気を調節し、前記複数の燃焼器の１以上の上流側にインライン燃料改質器が配置されて、前記１以上の燃焼器に供給される燃料の一部を改質するガスタービンエンジンシステム。
2. 前記インライン燃料改質器が触媒モジュールを含む、請求項１記載のガスタービンエンジンシステム。
3. 前記制御システムが、燃料のウォッベ数を予め設定された範囲内に維持するように前記触媒モジュールにおいて改質される燃料の一部を調節する、請求項２記載のガスタービンエンジンシステム。
4. 前記触媒モジュールが、前記制御システム及び前記燃料コントローラの下流側に配置される、請求項２記載のガスタービンエンジンシステム。
5. 前記システムに供給される燃料が、異なる組成の多種燃料を含み、前記インライン改質器が、前記１以上の燃焼器に供給される前記燃料の一部を酸化して水素と一酸化炭素とを形成するための手段を含む、請求項１記載のガスタービンエンジンシステム。
6. ガスタービンの１以上の燃焼器に供給される多組成ガス燃料のウォッベ数を調節する方法であって、
   （ａ）前記１以上の燃焼器への燃料及び空気流量を調節するための制御システムを準備する段階と、
   （ｂ）前記１以上の燃焼器の上流側でガス燃料の一部を改質して、前記燃料の残りの部分と共に前記１以上の燃焼器に供給される水素及び一酸化炭素を形成する段階と、
   を含み、
   改質される燃料の一部が、前記１以上の燃焼器に供給される燃料のウォッベ数を予め設定された範囲内に維持するように調整される、方法。

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