JP2009174847A - ノズル等量比制御による燃焼希薄吹消え防止 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料ノズル等量比を使用してガスタービンの燃焼器を制御するための方法及びシステムを開示する。
【解決手段】１以上の燃焼器缶（１０）内に配置された１以上の燃料ノズル（１２）を有する燃焼器の該１以上の燃料ノズル（１２）の等量比を測定する。測定した等量比は、希薄吹消えについての閾値と比較する。１以上のノズル（１２）からの燃料流量を修正し、それによって希薄吹消えを防止するように等量比を調整する。
【選択図】 図１

Description

本主題発明は、ガスタービンに関する。より具体的には、本主題発明は、ガスタービンの燃焼器の制御に関する。

一般的なガスタービンは、複数の燃焼器を有し、各燃焼器は、多数の缶を含み、これら缶は次に、幾つかの個別のノズルを含むことができる。燃料／空気混合気は、燃焼器の作動条件に応じて不均等な量で個々のノズルに送ることができる。これらの量の比率は、専門用語で燃料スプリットと呼ばれる。個々のバーナ管への燃料流量は、燃焼ダイナミックス（動的挙動）を制御して所望の負荷及び／又は燃焼温度を達成するようにまた例えばＮＯ_Ｘ及びＣＯ_２の排出（エミッション）を制御するように調整される。ＮＯ_Ｘのエミッションを最小にするためには、タービンを希薄燃料混合気（空気に対する燃料比（燃空比）が低いもの）で運転することが望ましいことが多いが、燃焼器内の燃料混合気がＮＯ_Ｘエミッションを最小にするように希薄になればなるほど、特にガスタービンの特定の運転条件において希薄吹消え（ＬＢＯ；lean blow-out）の危険性が増加する。ＬＢＯは、燃焼室内の燃料が該室内の空気量に対して十分でなく、燃焼器が混合気に点火できなくなる現象である。ＬＢＯを防止するために、バーナ管間の燃料スプリットに合わせて調整される燃焼器レベル燃空比は、燃焼器負荷、圧力、温度及び相対湿度の関数である燃焼器シビアリティパラメータに対してスケジューリングされる。特定のシビアリティパラメータ値の場合には、燃焼器レベル燃空比は、ＬＢＯを防止するように規定される。このＬＢＯを防止する方法は、燃焼器が、作動範囲の限界、具体的には低温日及び／又は低負荷にあるときに必ずしも良好な結果を生じない。加えて、現在の方法は、全てのノズルが作動状態にあると仮定しているが、これは、例えば燃焼器の始動時など幾つかの環境では事実と異なる。

米国特許第６７２５６６５号明細書

本発明は、燃料ノズル等量比を使用してガスタービンの燃焼器を制御するための方法及びシステムを提供することによって、前述の問題を解決する。１以上の燃焼器缶内に配置された１以上の燃料ノズルを有する燃焼器の該１以上の燃料ノズルの等量比を測定する。測定した等量比は、希薄吹消えについての閾値と比較する。１以上のノズルからの燃料流量を修正し、それによって希薄吹消えを防止するように等量比を調整する。

これらの及びその他の利点及び特徴は、図面と共になした以下の説明からより明らかになるであろう。

本発明と見なされる本主題事項は、本明細書と共に特許請求の範囲内に具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の上述の及びその他の目的、特徴及び利点は、添付図面と共になした以下の詳細説明から明らかである。

この詳細説明は、図面を参照して実施例によって、利点及び特徴と共に本発明の実施形態を説明している。

燃焼器缶の概略断面図。 等量比対シビアリティパラメータの概略グラフ。 ノズルレベル等量比対シビアリティパラメータの概略グラフ。

図１に示すのは、ガスタービン燃焼器缶１０の断面図である。ガスタービン燃焼器（図示せず）は、燃焼器全体に分散配置された１つ又はそれ以上の缶１０を含むことができる。缶１０は、その形状がほぼ環状である。図１において、缶１０は、燃焼のためにそれを通して燃料／空気混合気を缶１０内に噴射する６つの別個のノズル１２を含む。この実施形態のノズル１２は、缶１０のほぼ中心部に配置されたＰＭ１ノズル１４を含む。缶１０内には、２個のＰＭ２ノズル１６及び３個のＰＭ３ノズル１８が含まれ、これらＰＭ２及びＰＭ３ノズルは、共にＰＭ１ノズル１４を囲むように配列される。本発明の燃焼器缶１０内では、例えば１、１４又は１８個などの他の数のノズル１２を使用することができることを理解されたい。６個のノズル１２を使用した図１の実施形態は、例示を目的とした単なる実施例に過ぎない。

参照符号２０で概略的に示すマニホルドは、燃料及び空気を混合し、かつノズル１２を通る燃料空気混合気の流量を調整する。マニホルド２０は、燃料／空気混合気流を別個の回路に分割して、異なるボリュームの燃料／空気混合気及び異なる燃料／空気混合気比を、ノズルの各群、すなわちＰＭ１ノズル１４、ＰＭ２ノズル１６及びＰＭ３ノズル１８に供給することができるようにする。

燃焼器の等量比すなわちφは、化学量論的燃空比（Ｗ_{Ｓｆｕｅｌ}／Ｗ_Ｓａｉｒ）に対する実燃空比（Ｗ_ｆｕｅｌ／Ｗ_ａｉｒ）の比率として定義される。一般的に、例えば負荷、圧力、温度及び相対湿度などの所定の燃焼条件の場合には、Φの値が低いほど、燃空比は希薄であり、希薄吹消え（ＬＢＯ）の可能性は大きくなる。シビアリティパラメータは、負荷、圧力、温度及び相対湿度の関数であるので、Φは、図２に示すようにシビアリティパラメータに対してプロットすることができる。得られたＬＢＯ線２２によって、燃焼器１０が作動している所定のシビアリティパラメータの場合においてＬＢＯを防止するような最小Φを規定するように、シビアリティパラメータに対するΦのスケジューリングが可能になる。

ノズル群、すなわちＰＭ１ノズル１４、ＰＭ２ノズル１６及びＰＭ３ノズル１８の全てが必ずしも作動していない始動時のような運転条件においてＬＢＯを防止するために、ＬＢＯ線２２は、特定のノズル群について決定される。１つの実施形態では、ＬＢＯ防止は、シビアリティパラメータに対するＰＭ１ノズル１４のΦ（Φ_ＰＭ１）及びＰＭ３のΦ（Φ_ＰＭ３）のスケジューリングによって得られる。ＰＭ１ノズル１４の場合では、Φ_ＰＭ１は化学量論的ＰＭ１燃空比（Ｗ_{Ｓｆｕｅｌ}／Ｗ_Ｓａｉｒ）_ＰＭ１に対する実ＰＭ１燃空比（Ｗ_ｆｕｅｌ／Ｗ_ａｉｒ）_ＰＭ１の比率である。図３には、シビアリティパラメータに対する最小Φ_ＰＭ１の概略ＰＭ１ ＬＢＯ線２４を示している。同様に、概略ＰＭ３ ＬＢＯ線２６は、シビアリティパラメータに対して最小Φ_ＰＭ３をプロットして確定される。この実施形態では、Φ_ＰＭ１及びΦ_ＰＭ３の制御は、主火炎を安定させかつＬＢＯを防止するのに十分なノズル１２の最小量の制御である。この実施形態におけるΦ_ＰＭ１及びΦ_ＰＭ３の制御は、単なる例示的な実施例に過ぎず、ＬＢＯを防止するようにΦを制御しなければならないノズル１２の最小量は、変化する可能性があり、例えば缶１０当たりのノズル１２の数又は燃料回路の数などの燃焼器構成、或いは運転条件により決まることを理解されたい。上記したようなノズルレベルΦを使用してＬＢＯを防止することにより、増大した作動条件範囲、特に低いシビアリティパラメータ値での範囲にわたって正確なＬＢＯ防止が得られ、ノズルレベルΦの算出はリアルタイムであり、Φが閾値に達した場合においてＬＢＯを防止する燃料流量の補正が可能になる。

作動中に、機械運転条件に対応する特定のシビアリティパラメータにおいて、所望数のノズル１２の等量比が測定されかつ閾値と比較される。閾値は、所定のシビアリティパラメータにおける例えばＰＭ１用の線２４上のΦの値に対応している。Φが閾値以下に又は閾値付近に低下した場合におけるΦに対する調整は、マニホルド２０からノズル１２の１つ又はそれ以上への燃料流量及び／或いは燃料／空気混合気を調整することによって行うことができる。

幾つかの実施形態では、ＰＭ１ ＬＢＯ線２４を修正して、例えば望ましくない動的兆候のような燃焼器性能への他の悪影響がある最小Φ_ＰＭ１を組み込むことが望ましい場合がある。これは、図３にΦ_{ＰＭ１ＳＩＧ}として示している。ＰＭ１ ＬＢＯ線２４及びΦ_{ＰＭ１ＳＩＧ}を組合せると、ＬＢＯ及び望ましくない動的兆候の両方を防止するように使用されるΦ_ＰＭ１を確定する線２８として示す最小Φ_ＰＭ１が得られる。幾つかの実施形態では、以下に説明する調整手順を使用して個別の燃焼器ベースでΦ_{ＰＭ１ＳＩＧ}を確定することができ、従ってΦ_ＰＭ１についての正確な最小閾値を確定することができる。例えば、燃焼器は、１００％負荷まで負荷を加えられる。ＰＭ３ノズル１８への燃料流量は次に、缶の動的兆候を得るように調整され、この動的兆候は、幾つかのケースではおよそ２ｐｓｉとなる可能性がある。ＰＭ１ノズル１４の流量は次に、動的兆候においておよそ３〜４ｐｓｉの移行が観察されるまで、減少させる。移行が発生した点におけるＰＭ１ノズル１４のφが、Φ_{ＰＭ１ＳＩＧ}である。望ましくない動的兆候を防止するためのノズルレベルΦの使用は、一例として示すものであり、公知のノズルレベルΦ又はノズルレベルΦの範囲で発生する他の悪影響は、その悪影響を防止するようにノズルレベルΦを監視することによって防止することができることを理解されたい。

限られた数の実施形態のみに関連して本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが、本発明の技術思想及び技術的範囲に相応した幾つもの変形、変更、置換え又は均等な構成を組み込むように修正することができる。さらには、本発明の様々な実施形態を説明してきたが、本発明の態様は、説明した実施形態の幾つかのみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、以上の説明によって限定されると見なされるべきではなく、提出した特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。

１０ ガスタービン燃焼器缶
１２ 燃料ノズル
１４ ＰＭ１ノズル、中心燃料ノズル
１６ ＰＭ２ノズル
１８ ＰＭ３ノズル
２０ マニホルド
２２ ＬＢＯ線
２４ 概略ＰＭ１ ＬＢＯ線
２６ 概略ＰＭ３ ＬＢＯ線
２８ Φ_ＰＭ１を確定する線

Claims (10)

1. ガスタービンの燃焼器を制御する方法であって、
   １以上の燃焼器缶（１０）内に配置された１以上の燃料ノズル（１２）を備えた燃焼器の該１以上の燃料ノズル（１２）の等量比を測定するステップと、
   前記等量比を希薄吹消えについての閾値と比較するステップと、
   前記１以上のノズル（１２）からの燃料流量を修正し、それによって希薄吹消えを防止するように前記等量比を調整するステップと
   を含む方法。
2. 前記１以上の燃料ノズル（１２）が、前記１以上の燃焼器缶（１０）のほぼ中心部に配置された１以上の中心燃料ノズル（１４）を含む、請求項１記載の方法。
3. 前記１以上の燃料ノズル（１２）が、前記１以上の燃焼器缶（１０）のほぼ中心部に配置された前記１以上のノズル（１４）を囲む複数の外側燃料ノズル（１６）をさらに含む、請求項２記載の方法。
4. 前記中心燃料ノズル（１４）のための第１の閾値が、前記複数の外側燃料ノズル（１６）のための第２の閾値と実質的に異なる、請求項３記載の方法。
5. 前記燃料流量が、前記１以上のノズル（１２）に供給される燃料の燃空比を変更することによって修正される、請求項１記載の方法。
6. 望ましくない動的兆候を回避するのに必要な前記１以上の燃料ノズル（１２）のための最小等量比を確定するステップと、
   前記等量比を前記最小等量比と比較するステップと、
   前記１以上のノズル（１２）からの燃料流量を修正し、それによって前記望ましくない動的兆候を防止するように前記等量比を調整するステップと
   を含む請求項１記載の方法。
7. 前記最小等量比を確定するステップが、
   前記燃焼器に所望の負荷レベルまで負荷を加えるステップと、
   前記１以上のノズル（１２）からの燃料流量を前記動的兆候の第１のレベルを生じるように調整するステップと、
   前記動的兆候が好ましくないレベルに移行するまで前記１以上のノズル（１２）からの燃料流量をさらに調整するステップと、
   前記動的兆候が移行した点において前記等量比を測定するステップと
   を含む請求項６記載の方法。
8. ガスタービンの燃焼器を制御するためのシステムであって、
   １以上の燃焼器缶（１０）内に配置された１以上の燃料ノズル（１２）を備えた燃焼器の該１以上の燃料ノズル（１２）の等量比を測定するための手段と、
   前記等量比を希薄吹消えについての閾値と比較するための手段と、
   前記１以上のノズル（１２）からの燃料流量を修正し、それによって希薄吹消えを防止するように前記等量比を調整するためのマニホルド（２０）と
   を含むシステム。
9. 望ましくない動的兆候を回避するのに必要な前記１以上の燃料ノズル（１２）のための最小等量比を確定するための手段を含み、前記比較するための手段が、前記等量比を前記最小等量比と比較し、前記マニホルド（２０）が、前記望ましくない動的兆候を防止するように前記等量比を調整する、請求項８記載のシステム。
10. 前記最小等量比を確定するための手段が、
    前記燃焼器に所望の負荷レベルまで負荷を加え、
    前記１以上のノズル（１２）からの燃料流量を前記動的兆候の第１のレベルを生じるように調整し、
    前記動的兆候が好ましくないレベルに移行するまで前記１以上のノズル（１２）からの燃料流量をさらに調整し、かつ
    前記動的兆候が移行した点において前記等量比を測定する、
    請求項９記載のシステム。

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