JP2010534292A - 燃焼装置の作動方法ならびに当該方法を実施するための燃焼装置 - Google Patents
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Abstract
Description
ガスタービン、ピストン機関およびボイラなどに設けられている並列に動作する燃焼器を有する燃焼室では、寿命を最大化しかつ有害物質排出を最小化するため、個々の燃焼器の火炎温度を調整するか、または均一化する。この均一化はふつう、個々の燃焼室およびそれらの燃料供給部の構造をできるだけ同じにすることによって構造的に達成される。しかしながら実現された設備においては、位置関係の相異と、許容公差による若干の偏差との相互作用により、燃焼器間に部分的に温度差が生じ、この温度差が許容値を上回ってしまうのである。
・ 分光測定に基づく断熱火炎温度の計算(例えばUS-A-6,318,891を参照されたい)。
・以下を介する間接的な測定、すなわち
○ 燃焼器の壁温度
○ 燃焼器のNOx排出
○ 燃焼ガスのCO2ないしはO2含有量(ラムダセンサ)火炎の化学発光強度、例えばNOx分子の化学発光の化学発光強度を介する温度測定(例えばUS-A-5,670,784を参照されたい)。
本発明の課題は、多数の燃焼器を有する燃焼装置の作動方法を提供し、この方法によって個々の燃焼器における相異を迅速に調整し、ひいては上記の装置を迅速に最適動作させることであり、またこれに好適な燃焼装置を提供することである。
・複数の燃焼器B1,…,Bnを備えかつ制御すべきまたは一回だけ調整すべき1つ(または複数の)燃焼室11を有する燃焼装置10。ここで上記の燃焼器には燃料分配システム18を介して燃料が供給され、これらの燃焼器によって相応の火炎F1,…,Fnが形成される。
・燃焼器B1,…,Bn毎に直接または間接的に火炎温度を求める装置。図には複数の燃焼器(Fn)のうちの1つに対して例示的に、強度に依存しない温度測定装置12と、化学発光強度ベースの温度測定装置13とが書き込まれている。
・個々の燃焼器または燃焼器のグループの燃料供給または燃料組成を手動または制御によって調整するための調整可能ノズル、絞り、スロットル、弁または流量制御器などのアクチュエータ。これらは図において燃料供給部16と燃焼器B1,…,Bnとの間に配置されておりかつ個々の燃焼器または燃焼器グループを扱う弁V1,…,Vmと、制御部17とによってシンボル表示されている(ここでアクチュエータの数は、燃焼器の数とは異なっていてもよい)。
・燃料の組成または温度、圧力、密度、流量、粘性、熱伝導率を決定するセンサ、機器および装置などの想定される測定値記録器。これらに対し、図では例示的に燃料に対する測定装置M1およびM2が書き込まれている。ラムダセンサの形態の別の測定装置M3が、燃焼室11の排気ガス排出部14に配置されている。
・流量制御器、圧力制御器、温度制御器または燃料組成を決定するための制御器などの想定される自律制御ユニット。これらは図において例示的に燃焼制御装置15で示されている。
・燃料供給部の管路システムの簡略化されたシステム分析。これは、上記のアクチュエータの位置および自律制御ユニットの関数として燃焼流量の依存性を表す。このシステム分析により、想定される測定値記録器の測定値も考慮されて、燃料流量の計算が改善される。このシステム分析は、例えば圧力損失計算によって行うことができ、ここでは弁の流量が、弁位置および弁の前後における圧力降下によって表される。これに必要な、位置に依存する抵抗係数は、弁の特性曲線として既知でなければならない。
・有害物質灰排出を最小化するため、または火炎温度を均一化するためのアルゴリズム。
火炎温度は、燃料流量および空気流量の極めて小さな偏差に極めて敏感に反応するため、コストのかかる計算であっても十分ではなく、個々の燃焼器の火炎温度を十分な精度であらかじめ計算することはできない。上記の偏差は、火炎温度の付加的な測定によって決定および補正することができる。しかしながらこのような測定には長い時間を必要とするため、複数の燃焼器を有する1つの設備の完全な最適化には時間がかかりすぎて経済的に見合わないことが多い。
(2) T=F(s,x,y)
の形の解析関数に還元することである。ここでTは、個々の燃焼器の火炎温度を含むN次元ベクトルである。M次元ベクトルsは、アクチュエータの位置を含む。理想的には燃焼器毎にただ1つのアクチュエータが設けられているため、NはMに等しい。しかしながら実際にはほとんどの場合にM>Nが選択される。K次元ベクトルxは、想定される測定値記録器の測定値と、想定される自律制御ユニットの制御値とを含む。上記の測定量は、全く集計されないこともあり得るため、次元Kが0になることもある。さらに上記のシステム分析は、L個の推定される偏差を含み、これらの偏差は、L次元のベクトルyに集められる。これは、例えば、流量に影響を与える圧力差の偏差とすることができる。これらの未知の偏差により、上記の関数Fは、N=Mの場合にsについて直接解けないことになる。したがってこのシステムをまず較正しなければならない。この較正は、上記のシステムを相異なるn個の調整siにおいて検査することによって行われる。ここでsiとは、ここでもM個のすべてのアクチュエータのM次元ベクトルのことと理解する。調整ベクトル毎に、得られた温度ベクトルTiと、測定値記録器の測定値と、自律制御ユニットの制御値xiとを求めなければならない。つぎにこれらの測定結果を用い、重み付きχ2検定によって上記の偏差yを求めることができる。このためにyを変化させることにより、量
(7) Tk=Tr+a・(q(sk)−q(sr))=Fk(sk)
である。
(8) Tk=T0+τln(Ik)−τln(Ak・Ф0)
となる。
(9) T'k=T0+τln(Ik)
を使用する場合、式(8)における右辺の最後の項を、式(7)のシステム関数Fに加えることができる。すなわち、
(10)T'k=Tr+a・(q(sk)−q(sr))+τ・yk=F'k(sk)
ただしyk=ln(AkΦ0)
である。
(13) yN+2=a/τ
である。
1. 温度の計算をベースにした高速な火炎温度決定。ここでこれは、強度に依存しない方法による周期的な再較正と、迅速に測定可能な化学発光強度と基づく。
2. システム分析と、ここから導き出された数値的な最適化方法とに基づく高速化された火炎均一化。
3. 上記の高速の火炎温度測定と、高速化された最適化方法との組み合わせによる、複数の燃焼器を有するシステムの調和化。
4. 上記の高速の火炎温度測定と、高速化された最適化方法との組み合わせによる、複数の燃焼器を有するシステムの制御。
5. アクチュエータの流量特性曲線に基づく、強度に依存しない再較正方法。
6. アクチュエータの流量特性曲線をベースした、化学発光強度に基づく、複数の燃焼器を有するシステムの火炎均一化法。
Claims (13)
- 燃焼装置(10)を作動する方法であって、
該燃焼装置には、並列に動作する複数の燃焼器(B1,…,Bn)を有する少なくとも1つの燃焼室(11)が含まれており、
該燃焼器により、燃焼室(11)に入り込む1つずつの火炎(F1,…,Fn)が形成され、
各燃焼器(B1,…,Bn)には、燃料分配システム(18)を介して、燃料供給部(16)から燃料が供給され、
当該燃料分配システム(18)には、個々の燃焼器(B1,…,Bn)および/または燃焼器からなるグループ(B1,…,B3;Bn−2,…,Bn)の燃料組成および/または燃料供給を手動または制御によって調整するアクチュエータ(V1,…,Vm)が含まれている形式の、燃焼装置(10)を作動する方法において、
前記の燃焼装置(10)を迅速に最適化ないしは均一化するために、前記の燃料分配システム(18)のアクチュエータ(V1,…,Vm)の位置に依存して燃焼器(B1,…,Bn)の火炎温度の関数(F)を用意し、
前記の燃料分配システム(18)のアクチュエータ(V1,…,Vm)の複数のあらかじめ定めた位置にて火炎温度を測定することによって前記の関数を較正し、
当該の較正した関数(F)を用いて、燃焼器(B1,…,Bn)の火炎温度のあらかじめ定めた分配に最適な、前記の燃料分配システム(18)のアクチュエータ(V1,…,Vm)の位置を求めて調整することを特徴とする、
燃焼装置(10)を作動する方法。 - 前記の燃焼装置(10)は、温度、圧力、密度、流量、粘性、熱伝導率および組成などの燃料の特性を決定する測定装置(M1)を有しており、
当該の測定装置(M1)の測定値を変数として前記の火炎温度の関数に組み込む、
請求項1に記載の方法。 - 前記の燃焼装置(10)は、流量、圧力、温度または組成などの燃料の特性を自律制御する燃料制御装置(15)を有しており、
前記の関数(F)を、当該の燃料制御装置(15)の制御値に依存して設定する、
請求項2に記載の方法。 - 前記の燃料分配システム(18)における各燃焼器(B1,…,Bn)に、固定の特性曲線を有する弁(V1,…,Vm)が前置接続されており、
前記の関数(F)を求めるため、各燃焼器(B1,…,Bn)の予想される火炎温度が、当該燃焼器に前置接続された弁を通る燃料流量に比例すると仮定する、
請求項1に記載の方法。 - まず前記の個々の燃焼器(B1,…,Bn)の火炎(F1,…,Fn)の火炎温度を測定し、
測定した当該の火炎温度に応じて前記の燃焼装置(10)を均一化する、
請求項1に記載の方法。 - まず前記の個々の燃焼器(B1,…,Bn)の火炎(F1,…,Fn)の火炎温度を測定し、
測定した当該の火炎温度に応じて前記の燃焼装置(10)を最適化する、
請求項1に記載の方法。 - まず前記の個々の燃焼器(B1,…,Bn)の火炎(F1,…,Fn)の火炎温度を測定し、
測定した当該の火炎温度に応じ、継続的な最適化について前記の燃焼装置(10)を制御する、
請求項1に記載の方法。 - 前記の化学発光強度の測定を介して前記の個々の燃焼器(B1,…,Bn)の火炎(F1,…,Fn)の火炎温度を決定する、
請求項6または7に記載の方法。 - 火炎温度を測定するための強度に依存しない方法により、周期的な時間間隔で、前記の化学発光強度の測定を再較正する、
請求項8に記載の方法。 - 強度に依存しない再較正方法として、燃料流量を決めるアクチュエータの流量特性曲線に基づく、火炎温度を測定する方法を使用する、
請求項9に記載の方法。 - 燃焼装置(10)であって、
該燃焼装置には、並列に動作する複数の燃焼器(B1,…,Bn)を有する少なくとも1つの燃焼室(11)が含まれており、
該燃焼器により、燃焼室(11)に入り込む1つずつの火炎(F1,…,Fn)が形成され、
各燃焼器(B1,…,Bn)は、燃料分配システム(18)を介して、燃料供給部(16)に接続されており、
当該燃料分配システム(18)には、個々の燃焼器(B1,…,Bn)および/または燃焼器からなるグループ(B1,…,B3;Bn−2,…,Bn)の燃料組成および/または燃料供給を手動または制御によって調整するアクチュエータ(V1,…,Vm)が含まれている形式の燃焼装置(10)において、
前記のアクチュエータ(15;V1,…,Vm)は、燃焼器(B1,…,Bn)の火炎温度の関数(F)に応じ、燃焼分配システム(18)のアクチュエータ(15;V1,…,Vm)の位置に依存して、制御部(17)によって制御されることを特徴とする、
請求項1から10までのいずれか1項に記載の方法を実施するための燃焼装置(10)。 - 前記の燃料分配システム(18)は、温度、圧力、密度、流量、粘性、熱伝導率および組成などを求めるための燃料測定装置(14)と、流量、圧力、温度または組成などの燃料の特性を自律制御するための燃料制御装置(15)とを有しており、
前記の燃料測定装置および燃料制御装置は、前記の制御部(17)に接続されている、
請求項11に記載の燃焼装置。 - 前記の各燃焼器(B1,…,Bn)にアクチュエータとして、対応する燃焼器への燃料流量を調整するための弁(V1,…,Vn)が割り当てられており、
当該の弁(V1,…,Vn)は前記の制御部(17)に接続されている、
請求項11または12に記載の燃焼装置。
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