JP2009185817A - ガスタービンの始動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンの始動方法について記述している。
【解決手段】本方法は、タービン（２０）の排出ダクト（２８）の事前パージサイクルを実行するフェーズと、燃焼器（１４）に流入する気体燃料の流量についての所定の最小値（ＦＳＲ_１）を点火における最初の試みを実行するのに十分である期間にわたって設定しかつ点火における最初の試みを実行するフェーズと、燃焼器（１４）への気体燃料の流れを中断した状態で排出ダクト（２８）の中間パージサイクルを実行するフェーズと、空気／気体燃料の混合気が点火されまたそれに続くタービン（２０）の始動が生じるまで又は気体燃料の流量の所定の最大値（ＦＳＲ_ｍａｘ）に達するまで、燃焼器（１４）に流入する該気体燃料の流量の値（ＦＳＲ_ｎ）を漸増させかつ点火における更なる試みを実行するフェーズとを含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガスタービンの始動方法に関する。

例えば発電におけるような多くの産業用途では、ガスタービンの使用が知られており、通常これらのガスタービンは、外部から吸入した空気をその中で加圧する多段圧縮機と、その中で加圧空気に加えられた気体燃料の燃焼を行う燃焼器と、燃焼器から流入したガスをその中で膨張させるタービン又はエクスパンダとで構成される。従って、タービンは、機械エネルギーを発生することができ、この機械エネルギーは、作動機械を駆動するために又は発電機に発電させるために利用することができる。

公知のように、ガスタービンの始動つまり起動フェーズは、比較的複雑な操作である。通常、ガスタービンが完全作動状態で作動できるまでには、圧縮機を一定の圧縮比をもたらすのに十分な回転速度に到達させることが必要である。この操作は一般的に、ブーストエンジンによって実行される。

上記の回転速度において、圧縮機は、燃焼器内において最小流れ状態で火炎を点火するのに十分な空気流量を供給することが可能でなくてはならず、この機能条件は、技術用語では「着火」として知られている。実際には、着火条件は、燃料ガスの点火を可能にしかつ発生した火炎を安定化させるような流れ状態が燃焼室内に確立されるように、圧縮機の回転速度が選択された時に確認される。燃料ガスの流量は、その結果として選択される。

機械が自動継続運転状態に達したら、言い換えると、タービンが圧縮機を随伴作動させるのに十分な動力を生成することができる状態に達したら、ブーストエンジンを遮断して、機械がその定常状態速度に達するまで燃料の流量を増大させることができる。

ガスタービンは一般的に、異なる発熱量を有する異なる燃料ガス混合気で作動させることができる。使用した異なる気体燃料に関連するウォッベ指標の変動範囲は、一般に比較的広いので、同一のタービンにおける着火条件は、採用した様々な燃料に応じて異なる可能性がある。公知のように、ウォッベ指標は、ガスの低位（又は高位）発熱量と空気に対して測定したそのガスの相対密度の平方根との間の比率を測定し、

で表され、ここで、
Ｉ_Ｗ＝特定のガスのウォッベ指標
ＰＣ＝そのガスの発熱量（低位又は高位の）
Ｔ_Ｇ＝そのガスの温度
Ｇ_Ｓ＝そのガスの相対密度（又は比重）
である。

上式で表わしたものは、それを燃料ガス混合気の温度による補正を含まない実ウォッベ指標と区別するために、「修正ウォッベ指標」と呼ばれることを指摘しておきたい。

明確に判定されていない特性を有する気体燃料及び／又は圧縮機によって供給できる空気流量を推定するのに不確かさのある空気、つまり完全には較正されていない空燃比を有する気体燃料を使用して実行されるタービンの始動フェーズは、様々な問題を引き起こす可能性があり、それらの問題点うちでも特に下記の点、つまり、
・燃焼室内で空気／燃料混合気の可燃性条件を制御する難しさに起因したタービンの点火不具合、及び
・たとえ遠隔的なものであっても点火フェーズにおいて発生した熱によるモータ内部での及び／又は排出ダクトでの爆発の可能性による、タービンの機械部品に対する損傷及び／又はオペレータの安全に対する問題、
を指摘することができる。

これまで、タービンの有効かつ安全な始動を達成する可能性のみで、周知の特性を有する燃料を使用する必要性、又は混合気中の空燃比変動を極めて限定された範囲内に減少させる必要性が求められていた。ガスタービンを始動させる公知の方法は、例えば米国特許第６，０６２，０１６号に記載されている。

米国特許米国特許第６，０６２，０１６号公報

従って、本発明の一般的目的は、公知の技術の上記の問題を克服したガスタービンの有効かつ安全な始動を可能にする方法を提供することである。

具体的には、本発明の目的は、混合気における空燃比が変動した場合においても常に有効な点火を得ることが可能であるガスタービンの始動方法を提供することである。

本発明の別の目的は、混合気内における平均空／燃比を可燃性限界値以下に維持しながら、機械自体の排出ダクト内に存在する火炎消滅領域内の可能な限り少量の可燃性混合気を機械に取付けた安全装置の一部上に隔離するのを可能にすることが可能であるガスタービンの始動方法を提供することである。

本発明によるこれらの目的は、ガスタービンの始動方法を請求項１に記載したように構成することによって達成される。

本発明のさらに別の特徴は、従属請求項に示しており、これら従属請求項は、本記述の必要不可欠な部分である。

本発明により実行するガスタービンの始動方法の特徴及び利点は、添付した概略図を参照して以下の例示的かつ非限定的な説明から一層明らかになるであろう。

本発明による始動方法を適用することができるガスタービンの概略図。 図１のタービン内で使用する特定の気体燃料の仮定低位発熱量における経時的変化を示す線図。 図１のタービン内で使用する特定の気体燃料の仮定比重における経時的変化を示す線図。 本発明による始動方法の様々な適用フェーズにおける図１のタービンの稼動率指数を示す線図。 本発明によるタービンの始動方法の様々な適用フェーズにおける着火条件下における熱消費量を示す線図。 本発明によるタービンの始動方法の有効性を示す経時的に測定した実験パラメータを示す図。 本発明によるタービンの始動方法の有効性を示す経時的に測定した実験パラメータを示す図。 本発明によるタービンの始動方法の有効性を示す経時的に測定した実験パラメータを示す図。 本発明によるタービンの始動方法の有効性を示す経時的に測定した実験パラメータを示す図。 本発明によるタービンの始動方法の有効性を示す経時的に測定した実験パラメータを示す図。

特に図１を参照すると、この図は、一般的ガスタービンを概略的に示しており、一般的ガスタービンは、吸気ダクト１２を通して導入された空気を加圧することができる圧縮機１０を含む。加圧空気は次に、燃焼器１４に送られて、供給ダクト１６から流入する異なるウォッベ指標を有する一連の気体燃料から選択された気体燃料と混合される。燃焼は、ガスの温度、流速及び流量を高め、その結果、ガスに含まれるエネルギーを増大させる。このような燃焼ガスの流れは、ダクト１８を通してタービン２０に向かって導かれ、タービン２０は、このエネルギーを仕事エネルギーに変換し、仕事エネルギーは、シャフト２４によってタービン２０自体に連結された例えば発電機２２のような作動機械を作動させるために利用することができる。タービン２０はまた、関連するシャフト２６を介して圧縮機１０を作動させるのに必要なエネルギーを供給し、他方、排出ガスは、排出ダクト２８を通してタービン２０から放出される。

本発明によると、ガスタービンの始動方法は、全ての最初にタービン２０をパージ速度で回転させながら実行する排出ダクト２８の事前パージサイクルを含む。公知のように、「パージ」というのは、関連するバーナ管路を使用していない時に気体燃料の供給ダクトの周期的な清掃作業を意味している。パージフェーズの終わりに、着火フェーズを実行し、また燃焼器１４の入口における気体燃料の流量を、一般的ガスタービンにおける公知の手順に従って供給ダクト１６を充填しかつ点火における最初の試みを実行するのに十分である期間にわたって、異なる気体燃料で得ることができる空気／燃料混合気のうちで最も濃厚な空気／燃料混合気を点火するのに十分である第１の所定の最小値ＦＳＲ_１に設定する。

この時点で、混合気の点火が生じなかった場合には、燃焼器１４への燃料の流れを中断した状態で、排出ダクト２８の中間パージサイクルが実行される。燃焼器１４に流入する気体燃料の流量は次に、第１の所定の最小値ＦＳＲ_１よりも高い第２の所定の値ＦＳＲ_２に設定され、かつ空気／燃料混合気への点火における更なる短時間の試みを実行するのに十分な時間にわたって維持される。点火不具合の場合には、排出ダクト２８の更なるパージサイクルが実行されることになる。

空気／燃料混合気の点火が生じるまで又は燃料流量の所定の最大値ＦＳＲ_ＭＡＸに達するまで、気体燃料の流量のＦＳＲ_ｎ値を連続的に増大させながら上記の手順が繰り返される。この最後の仮定が確認された場合には、つまりそれまでの間にタービン２０を起動さることが可能でなかった場合には、タービン２０が特に低い所定の回転状態（技術用語で「クランク速度」と定義される）に達した後にかつ機械を停止させまた点火フェーズシーケンスでおそらく再始動させる前に、最終パージサイクルを実行させなくてはならない。

より具体的には、図２〜図５を参照すると、これらの図は、本発明による方法を使用したタービンの例示的な点火シーケンスを示している。図２の線図において、ＬＨＶは、タービン内で使用する特定の気体燃料の低位発熱量を表している。低位発熱量ＬＨＶは、最大値ＬＨＶ_ｍａｘから最小値ＬＨＶ_ｍｉｎまで変化し、ここでＬＨＶ_ｍａｘは、使用する気体燃料のうちの最も濃厚な気体燃料の低位発熱量に相当している。他方、最小値ＬＨＶ_ｍｉｎは、タービンの計器、例えば熱量計によって測定した低位発熱量とタービンの始動時に安全と考えられる最も劣悪な気体燃料の低位発熱量の最小値との間の最大値として計算される。ガスの発熱量を測定又は推定するために使用できる装置がない場合には、ＬＨＶ_{ｃａｌｏｒｉｍｅｔｅｒ}値は、ゼロと見なすことができる。実際には、
ＬＨＶ_ｍｉｎ＝Ｍａｘ（ＬＨＶ_{ｃａｌｏｒｉｍｅｔｅｒ}，ＬＨＶ_{ｐｏｏｒ ｇａｓ}）
である。

図３の線図において、ＳＧは、タービン内で使用する特定の気体燃料の比重（ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｗｅｉｇｈｔ）を表している。上に明記したのと同様に、比重値ＳＧは、最大値ＳＧ_ｍａｘから最小値ＳＧ_ｍｉｎまで変化し、ここでＳＧ_ｍｉｎは、使用する気体燃料のうちの最も濃厚な気体燃料の比重に相当している。他方、最大値ＳＧ_ｍａｘは、タービンの始動時に安全と考えられる気体燃料の比重の最小値として計算され、
ＳＧ_ｍａｘ＝Ｍｉｎ（ＳＧ_{ｃａｌｏｒｉｍｅｔｅｒ}，ＳＧ_{ｐｏｏｒ ｇａｓ}）
に等しい。

低位発熱量ＬＨＶの場合と同様に、比重ＳＧを測定又は推定するために使用できる装置がない場合には、ＳＧ_{ｃａｌｏｒｉｍｅｔｅｒ}値は、ゼロと見なすことができる。

図５は、図４の稼動率指数ＭＤＣＳＷと相関させた、着火条件下における基準熱消費量を示している。この図において、ＭＤＣＳＷ＝１の場合には、点火システムは起動され、他方、ＭＤＣＳＷ＝０の場合には、点火システムは非作動にされる。

この点を考慮して、また図２〜図５を参照すると、時間ｔ_ｉに関連するガスタービンの典型的な始動フェーズは、次のように要約することができる。

時点ｔ_０：排出ダクト２８の事前パージフェーズが、完了する。タービンは、着火回転速度に到達する。このフェーズでは、ＭＤＣＳＷ＝０、ＬＨＶ＝ＬＨＶ_ｍａｘ、ＳＧ＝ＳＧ_ｍｉｎである。

時点ｔ_１：タービンは着火回転速度にあり、点火システムは起動され、また安全ガス抜き口は開放される。このフェーズでは、ＭＤＣＳＷ＝１、ＬＨＶ＝ＬＨＶ_ｍａｘ、ＳＧ＝ＳＧ_ｍｉｎである。

時点ｔ_２：点火は生じなかった。排出ダクト２８の中間パージフェーズが実行される。点火システムは非作動にされ、また安全ガス抜き口は閉鎖される。このフェーズでは、ＭＤＣＳＷ＝０、ＬＨＶ＝ＬＨＶ_{ｄｅｃｒｅａｓｅｓ}、ＳＧ＝ＳＧ_{ｉｎｃｒｅａｓｅｓ}である。

時点ｔ_３：排出ダクト２８の中間パージフェーズが停止される。気体燃料の供給が再開され、点火システムは起動され、また安全ガス抜き口は開放される。このフェーズでは、ＭＤＣＳＷ＝１、ＬＨＶ＝ＬＨＶ_{ｄｅｃｒｅａｓｅｓ}、ＳＧ＝ＳＧ_{ｉｎｃｒｅａｓｅｓ}である。

時点ｔ_４：点火は、失敗した（不具合であった）。排出ダクト２８の新規な中間パージフェーズが実行される。点火システムは非作動にされ、また安全ガス抜き口は閉鎖される。このフェーズでは、ＭＤＣＳＷ＝０、ＬＨＶ＝ＬＨＶ_{ｄｅｃｒｅａｓｅｓ}、ＳＧ＝ＳＧ_{ｉｎｃｒｅａｓｅｓ}である。

任意の時点ｔ_８において、タービンの始動が生じなかった場合には、着火シーケンスは終了させる。従って、機械の完全停止前に、該機械の完全なパージフェーズが実行される。

他方、ある時点ｔ_ｉで空気／燃料混合気が点火されたとすると、タービンの加熱フェーズを開始させることができる。ガスの現在の低位発熱量ＬＨＶ及び比重値ＳＧが、始動シーケンスのための値として機械の制御論理によって設定される。着火シーケンスは終了し、機械は、完全作動状態における機能速度に達するまで、加熱及びそれに続く加速に適応する状態になる。

図６〜図１０は、作動状態にあるガスタービンの「対照」始動テストの間に得られた経時的に測定した様々な実験パラメータを示している。特に濃厚な気体燃料を使用すると、点火が着火シーケンスの初期フェーズにおいて確認され、他方、劣悪燃料を使用した場合には、点火が最終フェーズにおいてのみ生じるが、所望の安全条件には、常に十分に従っていることが観察された。

従って、本発明によるガスタービンの始動方法は、前述した目的を達成して、下記の利点を得ることが理解でき、それら利点には、
・気体燃料の異なる組成でタービンを起動する可能性、
・有効かつ安全な始動シーケンス、及び
・公知のタイプの用途に関して、タービンの始動を実行するために気体燃料の組成が有していなくてはならない要件が少ないことが含まれる。

このように着想した本発明のガスタービンの始動方法は、いずれにせよ多くの修正及び変更を加えることができ、それらの全ては、同じ発明概念に含まれる。従って、本発明の保護範囲は、提出した特許請求の範囲によって定まる。

１０ 圧縮機
１２ 吸気ダクト
１４ 燃焼器
１６ 供給ダクト
１８ ダクト
２０ タービン
２２ 発電機
２４ シャフト
２６ シャフト
２８ 排出ダクト

Claims (8)

1. 吸気ダクト（１２）を通してその中に導入された空気を加圧する少なくとも１つの圧縮機（１０）と、その中で前記加圧空気を供給ダクト（１６）から流入する気体燃料と混合しかつ燃焼させる少なくとも１つの燃焼器（１４）と、前記燃焼器（１４）から流入する燃焼ガスのエネルギーを仕事エネルギーに変換する少なくとも１つのタービン（２０）とを含むタイプのガスタービンの始動方法であって、
   ａ）前記燃焼器（１４）に流入する燃料流量の所定の最小値（ＦＳＲ_１）を設定しかつ点火における最初の試みを実行するフェーズと、
   ｂ）前記空気／燃料混合気の完全点火及びそれに続く前記タービン（２０）の始動が生じるまで又は前記燃料流量の所定の最大値（ＦＳＲ_ｍａｘ）に達するまで、前記燃焼器（１４）に流入する該燃料流量の値（ＦＳＲ_ｎ）を漸増させかつ点火における更なる試みを実行するフェーズと、を含む、
   方法。
2. 前記第１のフェーズａ）の前に、前記タービン（２０）の排出ダクト（２８）の事前パージサイクルが実行される、請求項１記載の方法。
3. 前記事前パージサイクルが、前記タービン（２０）が特にパージ速度又は着火速度で回転している間に、実行される、請求項２記載の方法。
4. 前記フェーズｂ）において、前記燃料流量の値（ＦＳＲ_ｎ）におけるある、何らかの又は各増加の前に、前記燃焼器（１４）への気体燃料の流れを中断した状態で、前記排出ダクト（２８）の中間パージサイクルが実行される、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記フェーズｂ）の後に、前記燃料流量の所定の最大値（ＦＳＲ_ｍａｘ）に達して前記タービン（２０）が所定の回転状態に到達した後に前記空気／燃料混合気の点火不具合が生じた場合に、また前記タービン（２０）を停止させて点火フェーズシーケンスで再始動させる前に、該タービン（２０）の最終パージサイクルが実行される、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記タービン（２０）が回転している状態でのパージサイクルをさらに含む、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記気体燃料が、異なるウォッベ指標を有する複数の気体燃料から選択される、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記燃焼器（１４）に流入する前記気体燃料の流量の所定の最小値（ＦＳＲ_１）が、前記異なるウォッベ指標を有する複数の気体燃料で得ることが可能な空気／燃料混合気のうちで最も濃厚な空気／燃料混合気を点火するのに十分である、請求項７記載の方法。