JP2011027106A - ガスタービンエンジンの制御のための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安定したガスタービンサイクルを提供する。
【解決手段】ベース負荷及び／又は高部分負荷においてガスタービンエンジンシステム１を運転する方法において、ガスタービンエンジンシステム１がガスタービンエンジン２を有しており、ガスタービンエンジン２に、入口空気質量流を制御するための少なくとも１つの列の調整可能な可変翼８を備えた少なくとも１つの圧縮機５と、少なくとも１つの圧縮機６と、少なくとも１つのタービン７とが設けられており、制御システム１０を有しており、制御システム１０が、圧縮機５の上流で測定された少なくとも１つの測定された温度値Ｔ_amb又は圧縮機５に直接に機能的に関連して測定可能な量に関して、可変翼８の位置を制御して、これにより、可変翼８の角度位置と共に変化する少なくとも１つの測定された圧力値Ｐ_cdが、第１の温度Ｔ_ambの関数である所定の目標圧力となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ベース負荷及び／又は高部分負荷条件下でガスタービンエンジンシステムを運転する方法、及びこのような方法を実施するためのガスタービンエンジンシステム、及びこのようなガスタービンエンジンシステムの使用に関する。

現代のヘビーデューティ型ガスタービンエンジンの軸流圧縮機には通常、１つ又は２つ以上の列の可変の翼が具備されている。軸流圧縮機に関する１つの公知の問題は、圧縮機の圧力、速度及び／又は回転速度の関係が妨害され又は合致されず、圧縮機が設計特性の外で運転している場合に生じるおそれがあるいわゆる失速又はサージである。失速又はサージは、圧縮機を通る流れの滑らかなパターンの激しい乱流への破壊であり、失速は多段圧縮機の幾つかの段のみにおける流れにおける破壊を言い、サージは概して圧縮機を通る滑らかな空気流の完全な破壊を言う。可変翼は、軸流圧縮機の高い空気力学的効率と、圧縮機失速及びサージ限界までの十分なマージンとを維持しながら、圧縮機流入空気質量流の滑らかな制御を許容する。

可変翼は、そのすぐ下流の動翼に通過する空気に所定の程度の旋回を与え、空気が、圧縮機に存在する様々な条件に応じて正確な速度及び角度で動翼に供給されることを保証する。可変翼の角度を変化させることによる圧縮機流入質量流の制御は、高いｍ_燃料／ｍ_空気の比（ｍは単位時間ごとの質量）及び高いタービン流入空気温度、結果的に部分負荷運転の間にも安定した燃焼及び最適なサイクル熱効率を維持しながら、電力出力を調整する手段としてエンジン運転概念内で使用される。

ほとんどのガスタービンエンジンは、主たる燃料として天然ガス又はディーゼル油を用いて運転し、したがって、概して１／６０〜１／２０の範囲の極めて小さな燃料空気比ｍ_燃料／ｍ_空気比を特徴とする。つまり、燃料質量流は空気質量流と比較して比較的小さく、ｍ_空気の与えられた値の場合、燃料組成の通常の変動（概してエネルギ入力における±５％、結果的にｍ_燃料における〜±５％）は、ガスタービンサイクル圧力比、タービン流入及び排出減少された質量流、及び圧縮機マップ内のエンジン運転ラインの位置に、ほとんど影響しない。主にこの理由から、ベース負荷運転のためのガスタービンエンジンシステムの制御の現在確立された方法は、基本的に、ベース負荷運転において達成及び維持されるベース負荷可変翼位置の規定を特徴とし、これは、特定の燃料組成及び燃料質量流から独立している。このようなベース負荷可変翼位置は、通常、最大流入空気質量流を許容しかつ最大ガスタービン電力出力につながる完全に開放した位置又はほとんど開放した位置であり、可変翼のこの制御位置は、通常、最大空気力学的効率が達成される圧縮機設計条件に対応する。

ガスタービンエンジンシステムの前記の公知の制御方法に加えて、極めて低い又は極めて高い周囲温度における運転のためにその他のリミッタ又は制御装置が重ねあわされることができる。

最大圧力限界は、極めて低い周囲温度における運転の場合にエンジンケーシング設計限界を超えることを回避するために、圧縮機排出圧力のために規定されることができる。

最大温度限界は、極めて高い周囲温度における運転の場合に動翼設計限界を超えることを回避するために、圧縮機排出温度のために規定されることができる。

両方の場合に、圧縮機可変翼は、限界が超えられた場合に閉じるように命令される。

両方の場合に、リミッタは極端な条件においてのみ作用するのに対し、通常条件においては、サイクル圧力比は、燃料組成及び燃料質量流の変動の結果として自由に変化する。

サージ回避のために複数の方法が開示されており、したがって米国特許第４２５２４９８号明細書は、ガスタービンエンジンの多段軸流圧縮機のための制御システムを開示している。制御システムは、可変角度案内翼の段と、翼の角度設定によって影響される、圧縮機における第１の圧力を検出するように適応された第１の検出器と、翼から独立しているが、エンジンの圧縮機の回転速度に対する機能的な関係を有する第２の圧力を検出するように適応された第２の検出器とを有している。制御ユニットは、第１の圧力に対する第２の圧力の比に応じて作動機構に案内翼の角度設定を所定の形式で調整させるために、検出器によって検出された圧力を使用するように適応されている。

米国特許出願公開第２００３／０１１１９９号明細書は、送電網不足周波数の発生の際にヘビーデューティガスタービン電力発電機の可変入口及び静翼を制御するための方法を開示している。圧縮機の可変入口案内翼及び前側の４つの可変静翼は、共通の作動機構によって統括されている。統括された翼の角度を変更することにより、圧縮機の全体的な空気流消費が変化し、発生されるタービン出力電力の量に影響する。圧縮機速度に従って静翼の角度位置を変化させるための所定の運転スケジュールは、最小安全圧縮機サージマージン基準を外れることなく最適な圧縮機効率を保証するために、公称作動条件及び不足周波数作動条件のために規定されている。送電網不足周波数の間、圧縮機の可変静翼は、所定の公称運転スケジュールから所定の不足周波数運転スケジュールへの滑らかな移行を提供する形式で運転される。

ガスタービンの運転のために使用される燃料のエネルギ量も、圧縮機条件に影響する。実際、ガスタービンが、低いエネルギ量の燃料を燃焼するために使用される場合、燃空比は、天然ガス又はディーゼル湯が使用される場合のような通常のケースよりも高くなり始める。典型的な値は、ｍ_燃料／ｍ_空気＞１／２０であるか又は１に近くさえなる。これらの場合、エネルギ入力の±５％のオーダにおける燃料組成の変動は、ガスタービンサイクル圧力比、減じられたタービン入口及び排出質量流、及び圧縮機マップ内のエンジン作動ラインの位置に著しい影響を与える。

これは、かなり高いエネルギ量を備える燃料にも当てはまり、Ｈ₂及びＣＯの可変の量によって特徴付けられる。Ｈ₂及びＣＯはそれぞれ、燃焼中に、極めて大量の水、すなわちＨ₂Ｏを発生するか又は全く水を発生せず、これは、天然ガス中に存在する通常の炭化水素（メタンＣＨ₄等）に関する極端なケースである。これは、（与えられた燃焼温度及び圧縮機入口空気の量において）タービンに進入するガスの密度に、ひいてはタービン入口圧力及びサイクル圧力比に著しい影響を与える。

エネルギ入力の観点から最終的な組成が多かれ少なかれ安定しているように、例えば、主供給源からの燃料（通常は低エネルギ燃料又はエネルギ量における大きな変動を有する燃料）を、対応して、一定のエネルギレベルを備えた、通常はよりエネルギの高いバックアップ燃料（通常は天然ガス）の通常は小さな部分と混合することによって、ガスタービンにおいて使用される燃料のエネルギ量を制御するために、複数の方法が知られている。しかしながら、燃料のエネルギ量のこのような安定化のために適用される手段は、複雑で、コストが高いので望ましくない。

現在、全ての公知の制御方法における大きな燃料組成変動を取り扱うための一般的なアプローチは、全てのタイプの燃料、すなわち、概して設計のために使用される最も高い含水量を備えたよりエネルギの小さい燃料を含む燃料のために有効かつ安全な、ベース負荷可変翼位置のための保存的設定を規定するというアプローチである。様々な問題がこのアプローチに関連しており、例えば、ガスタービンエンジンは現実の可能性よりも低く制御され、燃料組成が、設計のために使用される極端な燃料組成とは異なる場合にはより低い電力出力を生ぜしめる。別の問題は、実際の燃料組成が、設計のために使用される範囲から外れて変動すると、公知の制御システムは、これを自動的に検出することができず、詳細な分析は、専門家によるガスクロマトグラフィによって実際の燃料組成を分析することによって行われ、これは、ガスタービンの停止及び手作業による可変翼設定の再設定を必要とする。

米国特許第４２５２４９８号明細書 米国特許出願公開第２００３／０１１１９９号明細書

本発明の目的は、ベース負荷運転及び高部分負荷運転における、主供給源からの燃料の変動する組成の下で、電力出力及び効率の形式の安定したガスタービンサイクル及び最適な性能を保証するための、多数の用途における運転のためのガスタービンエンジンシステムを達成することである。

本発明の別の目的は、低温又は高温の周囲温度、送電網における不足周波数又は過周波数等の運転上の制限につながる極端な境界条件の下でガスタービンインターフェースにおけるガスタービン構成部材及び全てのその他の機器の安全な運転を保証するガスタービンエンジンシステムを提供することである。

本発明のさらに別の目的は、ロータシャフト、タービン及びその他のガスタービン構成部材の早期の老朽化を回避し、またガスタービンインターフェースにおける熱回収ボイラ、燃料圧縮機等の機器のために、エンジン作動線の最適な位置決めでの運転を許容するガスタービンエンジンシステムを達成することである。

本発明は、ベース負荷及び／又は高部分負荷においてガスタービンエンジンシステムを運転する方法であって、該ガスタービンエンジンシステムが、ガスタービンエンジンを有しており、該ガスタービンエンジンに、入口空気質量流を制御するための少なくとも１つの列の調整可能な可変翼を備えた少なくとも１つの圧縮機と、少なくとも１つの圧縮機と、少なくとも１つのタービンとが設けられている。この方法によれば、制御システムは、圧縮機の上流において測定された少なくとも１つの測定された温度値（例えばＴ_amb）又は圧縮機に直接に機能的に関連して測定可能な量に関して、可変翼の位置を制御して、これにより、可変翼の角度位置と共に変化する少なくとも１つの測定された圧力値（例えばＰ_cd）が、前記第１の温度（例えばＴ_amb）の関数である所定の目標圧力となるようにする。

本発明は、時間が経過するに従って予測不可能な組成変動を特徴とする燃料を用いた運転において、特に主燃料として溶鉱炉ガスを用いる又は低位発熱量の低い平均値又はその組成におけるＨ₂及びＣＯの高い可変の量を特徴とするその他の燃料を用いる用途において、１つのガスタービン構成部材の最適なサイジングに関連したより高い平均電力出力及び／又はより低いコストを提供する。本発明による制御が用いられる場合、燃料の組成及び／又はエネルギ量の変化を補償するために燃料のこのような複雑な混合は必要とされない。実際には、可変翼の列の下流の測定圧力が、圧縮機の上流の温度に基づいて目標圧力値に制御されるならば、使用燃料から本質的に独立した、可変翼の列の下流の測定圧力の制御が可能であることが分かったのは驚くべきことである。

本発明による制御方法を使用することにより、使用燃料組成が、その燃料のための設計組成のために使用される範囲から外れて変動したとしても、この制御システムがそれを自動的に検出し、結果を分析した後に可変翼設定を自動的に再規定し、ガスタービンエンジンの停止後に可変翼設定の手作業での再規定は必要とされない。したがって、本質的に制御システムは特定の燃料組成から独立して作用するが、制御システムは、燃料組成の決定を必要とすることなく、それを間接的に考慮する。

ガスタービンエンジンは、最も単純な配列では発電機も有しており、より複雑な配列では１つ又は２つ以上の燃料ガス圧縮機及び１つ又は２つ以上の蒸気タービンをも有することができる機械的なシャフトトレーンの一部分であることができ、前記発電機は、開放した又は隔離された送電網に接続されている。

本発明による方法の第１の好適な実施形態によれば、前記制御システムが、圧縮機の上流において測定された少なくとも１つの測定された圧力値又は圧縮機に直接に機能的に関連した測定可能な量に基づいてかつ関連して、並びにガスタービンエンジンのシャフト（通常はタービンと、圧縮機と、選択的に発電機との共通のシャフト）の測定された回転速度又はガスタービンエンジンに直接に機能的に関連した測定可能な量に関連して、可変翼の位置を制御して、これにより、可変翼の角度位置と共に変化する少なくとも１つの測定された圧力値が、前記第１の温度と前記回転速度との関数である所定の目標値となるようにする。再び、圧力のための目標値のベースが、シャフト回転速度と組み合わされた圧縮機の上流の測定温度値であるならば、燃料組成への作動線のより低い依存が可能であることが分かったことは驚くべきことである。したがって、シャフト速度の付加的な測定は、失速及びサージ限界に関する圧縮機操作点を最適化することに関して、送電網の周波数が低すぎる又は高すぎる期間の間に、可変翼位置のより精密な制御を許容する。本発明は、種々異なる空気力学的設計を備える圧縮機に適しており、特定の圧縮機設計に依存し、可変翼は一定の位置に保たれることができるか、又は圧縮機流入空気は、送電網における不足周波数の間に減じられることができる。

好適には、前記制御が、前記測定された圧力値を所定の目標圧力と比較することによって行われることができ、該目標圧力が、シャフトの測定された回転速度又はシャフトに直接に機能的に関連した測定可能な量に関連して、及び／又は圧縮機の上流において測定された少なくとも１つの測定された温度値又は圧縮機に直接に機能的に関連した測定可能な量に関連して、計算され、制御装置が、測定された圧力値が所定の目標圧力よりも小さい場合には可変翼を開放することによって圧縮機への空気流入量を増大させ、かつ測定された圧力値が所定の目標圧力よりも大きい場合には可変翼を閉鎖することによって空気流入量を減少させる。

圧縮機の上流において測定された、測定された温度値又は圧縮機に直接に機能的に関連した測定可能な量が、ガスタービンの空気吸入システム内の温度であり、好適には周囲空気温度又は圧縮機入口空気温度である。

可変翼の角度位置と共に変化する測定された圧力値が、好適には、可変翼の第１の列の下流の圧縮機の内部おいて又は可変翼の複数の列の下流において又は圧縮機の下流のプレナムにおいて又はタービンの第１の翼列の上流の燃焼器において又はタービンの下流において、測定される。

好適な実施形態によれば、前記制御が、閉ループ制御である。

さらにより好適には、所定の目標圧力が、タービン排気温度（Ｔ_ex）の関数であり、好適にはタービン排気ガス温度は、対応する平均化スキームと共に１つ又は複数の測定箇所を用いて測定される。この付加的な測定の利点は、タービン排気の換算質量流に関して、及び最後のタービン翼を通る排気ガス流のマッハ数に関して、可変翼の位置の精密な制御を許容する。タービンの最終翼設計に応じて、高すぎるマッハ数を回避するために可変翼を閉鎖することによって圧縮機流入空気を減じることが望ましい。本発明は、最後のタービン段のための寿命も延長し、ロータシャフト、タービン及びその他のガスタービン構成部材の早過ぎる老朽化を回避する目的で、及びガスタービンのインターフェースにおいて熱回収ボイラ、燃料圧縮機等の機器のために、エンジン作動線の最適な位置での運転を許容する。

前記所定の目標圧力が、圧縮機の上流又はタービン出口の下流において測定された第２の圧力値（例えばＰ_amb）の関数であることができ、好適には制御は、測定された圧力値（例えばＰ_cd）と第２の圧力値（Ｐ_amb）との比を目標圧力比に制御することによって行われる。したがって、第１の圧力測定は、前記第１の温度の関数でもある新たな規定された目標圧力を得るために、圧縮機入口の上流又はタービン出口の下流に配置された、第１の圧力測定よりも低い第２の圧力測定によって分割されている。新たな規定された目標圧力は、前記ガスタービンエンジンシステムのより優れた制御のための、前記第１の温度と、第１の圧力測定と第２の圧力測定の比との関数である。これは、ガスタービンエンジンにおける空気圧縮機の安定性に関する運転範囲を拡大し、頻繁な周囲圧力変動が存在する領域のためのより高い安定性及び性能最適化が可能である。圧縮機の入口又はタービンの出口における第２の圧力測定の設置は、それぞれ圧縮機又はタービン流れ安定性に焦点を合わせ、有利でもある。

制御が、発明の別の実施形態によれば、燃料質量流の制御と組み合わせて行われ、該燃料質量流の制御は好適にはタービンの入口又は出口の温度の直接又は間接的な測定に基づくものであり、タービンの入口又は出口の温度の所定の目標値に基づいて燃料の量を制限する。

本発明はさらに、上述の方法を実施するためのガスタービンエンジンシステムであって、前記ガスタービンエンジンシステムに、入口空気質量流を制御するための少なくとも１つの列の調整可能な可変翼を備えた少なくとも１つの圧縮機と、少なくとも１つの燃焼器と、少なくとも１つのタービンと、制御システムとを有するガスタービンエンジンが設けられており、圧縮機の上流における温度又は圧縮機に直接に機能的に関連した測定可能な量の測定のための少なくとも１つの温度測定装置が設けられており、可変翼の角度位置と共に変化する圧力値を測定する測定装置が、前記第１の温度の関数である所定の目標圧力であり、及び好適には、ロータシャフト速度を測定する別の測定装置が設けられており、前記制御システムが圧力値を温度及び／又はロータシャフト速度に関して所定の圧力値に制御する。

このようなガスタービンエンジンシステムが、さらに、１つ又は２つ以上の燃焼器を横切る圧縮機入口空気の調整可能／制御可能なバイパスを有していてよい。

ガスタービンエンジンシステムは、それに加えて又は択一的に、さらに、圧縮機入口の上流における水噴霧に基づく流入空気冷却装置を有しており、該流入空気冷却装置の制御が、圧力値を制御するための制御システムにおいて考慮される。

さらに、流入空気冷却装置が、２つの連続した圧縮機段の間又は２つの連続した圧縮機の間に配置されている。

ガスタービンエンジンシステムの好適な実施形態によれば、ガスタービンエンジンシステムは、さらに燃料組成検出エレメントを有しており、前記制御システムが、好適にはガスクロマトグラフ又は燃料組成の測定のためのあらゆるその他の装置を介して、所定の目標圧力又は新たな規定された目標圧力の目標スケジュールの精密な調整のために、燃料組成についての定期的に更新された情報を受け取るようになっている。

さらに別の好適な実施形態は、ガスタービンエンジンシステムが、さらに、ベース負荷運転及び／又は高部分負荷運転中に測定値を所定の目標値と比較するようになっておりかつ、目標値と測定地との差が所定の遅れ時間よりも長く所定の制御から外れた場合に保護動作を開始する、保護システムを有しており、好適には前記保護動作が、燃料制御弁又は遮断弁を、完全に閉鎖した位置へ又は中間の所定の位置へ又は測定された圧力又は圧力比と目標の圧力又は圧力との間の検出された誤差に比例した形式で、閉鎖すること、及び／又は圧縮機の可変翼を迅速に閉鎖することを含んでいる。

さらに、本発明は、溶鉱炉ガス又はコークス炉ガス又はこれらの混合物又は燃料としてＨ２＞１％モルの水素含有量を有するガスの燃焼のための、上述のガスタービンエンジンシステムの使用に関する。

発明の別の実施形態は従属請求項に示されている。

発明の好適な実施形態は、以下に図面を参照して説明され、図面は、発明の現時点で好適な実施形態を例示するためのものであり、発明を限定するためのものではない。

制御システムのブロック図を含むガスタービンエンジンシステムの図である。 一定のシャフト回転速度における圧縮機入口温度に対する圧縮機排出圧力の目標スケジュールを示す例である。 燃料組成に関する（圧縮機マップにおける）エンジン運転ラインの位置の感度（低位発熱量、ＬＨＶ）を、慣用の制御スキームの場合をａ）において、本発明による制御の場合ｂ）において示す図である。 燃料組成に関するタービン排出低減質量流の感度（低位発熱量、ＬＨＶ）を、慣用の制御スキームの場合をａ）において、本発明による制御の場合ｂ）において示す図である。 燃料組成に関する圧縮機排出温度の感度を（低位発熱量、ＬＨＶ）を、慣用の制御スキームの場合をａ）において、本発明による制御の場合ｂ）において示す図である。 燃料組成に関するガスタービンエンジン電力出力の感度（低位発熱量、ＬＨＶ）を、慣用の制御スキームの場合をａ）において、本発明による制御の場合ｂ）において示す図である。

添付の図面を参照すると、ガスタービンエンジンシステム１及び対応する制御が、多数の用途における運転について説明される。提案された制御は、安定したガスタービン運転、及び特に可変組成の条件下で電力出力及び効率の形式の最適な性能及び／又はベース負荷及び高部分負荷運転における燃料のエネルギ量を保証することができる。

図１は、ガスタービンエンジン２と、発電機３と、吸気マニホールド４を備えた空気流入部と、圧縮機５と、燃焼器６と、タービン７とを有するガスタービンエンジンシステム１を示している。図１において、発電機３と、圧縮機５と、タービン７とは、全て、１つの同じシャフトに取り付けられている。したがって、ガスタービンエンジン２は、最も単純な配列において発電機も有し、より複雑な配列において１つ又は２つ以上の燃料ガス圧縮機及び１つ又は２つ以上の蒸気タービンを有することもできる、機械的なシャフトトレーンの一部であることができ、前記発電機は、開放送電網又は隔離送電網に接続されていることができる。燃焼器６は、上部取付け型のサイロ式燃焼器として示されているが、本発明の関連では異なる燃焼器設計も可能である。圧縮機５は、流入空気流を制御するための少なくとも１つの列の可変翼８を有している。多数の列の可変翼が圧縮機５に設けられていることもできる。１つの列の可変翼８は、通常、圧縮機５の動翼の第１の列の上流に配置されている。可変翼８の列は、通常、圧縮機５の入口に設けられるか、又は圧縮機５の内部に設けられていることができる。

図１において、さらに、圧縮機の入口の上流に、蒸発冷却器、霧化システム又は水噴霧に基づく別の装置のような、空気入口冷却装置１５も設けられている。択一的に又は付加的に、２つの連続する圧縮機段の間又は２つの連続する圧縮機の間に冷却装置が配置されることもできる（中間冷却）。予め規定された目標圧力スケジュールは、このような冷却装置のうちの１つ又は２つ以上が作動しているかどうかに応じて形成されることができる。空気冷却装置は、概して、圧縮機排出温度の低下を生ぜしめる。典型的な冷却空気流装置において、ガスタービンエンジンの１つ又は複数の動翼は、最も高温の部分において、圧縮機排出温度に曝される。（空気入口冷却を備えない運転のための）予め規定された目標圧力スケジュールが動翼の温度限界に基づいて決定されるこのような場合、概して、能動的な空気入口冷却を備える運転のための、専用のより高いスケジュール（より開放した可変翼位置及びより高い圧縮機入口流）を規定することが（電力出力の観点から）有利である）。

図１は、圧力タップ１３等の圧力測定装置と、温度測定装置１７と、少なくとも１つのシャフト回転速度測定装置１１と、可変翼の位置を制御及び決定するための少なくとも１つのアクチュエータ９と、少なくとも１つの閉ループユニット１８とを備えた、このようなガスタービンエンジンシステムのための制御システム１０も示している。閉ループユニット１８は、測定装置からの、特に周囲空気の温度及び圧力（Ｔ_amb，Ｐ_amb）と、第２の排気ガス温度（Ｔ_ex）と、シャフト速度（ｎ）及び圧縮機排出圧力（Ｐ_cd）とからの入力を受け取る。制御装置１０によって要求される機能を実行するために、様々な異なる機械的、電気的、液圧式、又は空圧式のシステムを使用することができる。"圧力タップ"とは、この文言が本明細書中で使用される場合には、感圧素子、又は圧力測定のための圧力測定装置の接続のために使用される、加圧された装置のボディに設けられた小さな穴として定義される。

これらのステータス測定値を使用することによって、閉ループユニット１８は、アクチュエータユニット９を介して圧縮機５における可変翼８の位置を制御する。可変翼８の角度を調整するために、通常、各列の可変翼８はアクチュエータ９によって移動させられ、このアクチュエータ９は、通常、レバーと、共通のユニゾンリングと、ベルクランクと、ラムとを有している。各可変翼はレバーを介して共通のユニゾンリングに結合されている。リングは、空圧式ラムによって作動されるベルクランクによって周方向に移動させられる。

制御システム１０は、可変翼８の角度を設定するために可変翼８のアクチュエータ９の制御のための制御信号を発生する閉ループユニット１８を有している。制御は、測定された圧縮機排出力（Ｐ_cd）又は可変翼８の下流の別の圧力が、規定されたスケジュールによる目標位置に合致するように制御されるように行われる。このスケジュールにおいて、圧縮機排出圧力（Ｐ_cd）の目標値は、測定された入口圧力（Ｔ_amb）とシャフト回転速度（ｎ）とに関して決定される。測定された圧縮機排出圧力（Ｐ_cd）が所定の目標値よりも低い場合、可変翼８は、圧縮機入口空気流に関して開放するように命令され、所定の目標値よりも高い場合、可変翼８は、逆に、圧縮機入口空気流に関して閉鎖するように命令される。

概して、圧力測定装置又は圧力タップ１３は、流路における、圧力が可変翼８の角度位置、つまり周方向の位置に関して変化する位置において、つまり局所圧力がこの角度位置によって少なくとも間接的に影響される位置において、圧力を測定する。前記の場合、可変翼の制御のために使用されるこの圧力は、圧縮機の排出圧力（Ｐ_cd）である。可変翼８の第１の列の下流又は列のセットの下流において圧縮機５の内部で行われる圧力測定、又は圧縮機５の下流のプレナムにおいて又はタービン７の第１の翼列の上流における圧縮機６において行われる圧力測定、さらにはタービン７の出口の下流に配置されたものも、可能である。それに加えて、制御は、空気吸入マニホールド４における周囲空気（Ｐ_amb）の圧力の第２の測定を含んでもよい。したがって、付加的な第２の圧力測定装置（例えば装置１７の一部としての又は装置１７と並列の圧力測定装置）又は圧力タップが可能であり、圧縮機排出圧力（Ｐ_cd）よりも低い圧力を測定する。

制御アプローチは、付加的に、単に第１の圧力測定を所定の目標圧力と比較するのではなく、第２の圧力測定に対する第１の圧力測定の比を、新たに規定された目標圧力非と比較することに基づくこともできる。

１つの第１の温度測定装置１７は、圧縮機５の上流の位置において温度Ｔ_ambを測定する。第２の温度測定装置１２は、タービン排気圧力を測定する。圧縮機入口空気温度又はタービン７空気吸入システムの内部のその他の温度値を測定する、別の温度測定装置も可能である。タービン排気温度測定装置１２は、１つ又は２つ以上の測定箇所を有していてよい。

図１において、ロータシャフト測定装置１１が設けられており、圧縮機の、又はガスタービンエンジンの内部の圧縮機のうちの１つの回転速度（ｎ）を測定する。圧縮機排出圧力（Ｐ_cd）の所定の圧力目標値は、吸入空気の温度の関数であるだけでなく、エンジンの回転速度（ｎ）の関数でもある。ロータシャフト速度測定装置１１は、失速及びサージ限界に関する圧縮機運転箇所を最適化するために、送電網周波数低下及びその他の周波数不安定の間にも、可変翼位置の精密な制御を許容する。

全ての測定装置は、図１に点線で示されているように配線を介して制御システム１０に接続されているが、測定信号及び／又は制御信号のワイヤレスの伝達も可能である。

運転中、吸気マニホールド４に進入する周囲空気は、圧縮機へ案内され、圧縮機５に進入する時に可変翼８を横切り、この後圧縮機の回転翼列に進入する。空気は圧縮機において圧縮され、燃焼器６に進入し、燃焼器６において空気は燃料と混合され、燃焼が行われる。燃焼器６によって発生された排気ガスは、高圧及び高温でタービン７に進入し、タービン７において膨張させられ、最後に排気部を通じてタービン７から排出され、排気部の下流には熱回収蒸気発生システムが配置されていてもよい。

入口温度及びシャフト回転速度に依存する、圧縮機排出圧力（Ｐ_cd）又は可変翼８の下流の別の圧力の目標スケジュールは、ベース負荷におけるユニットの運転及びガスタービンエンジン２の高部分負荷運転のために、閉ループユニット１８において実行される。

可変翼アクチュエータへの命令は、滑らかな運転及び制御性を保証するために適切にフィルタリングされる。

目標スケジュールは、ガスタービン構成部材の運転上の限界、例えば：タービン出口流限界、発電機電力出力、シャフトトレーンに沿った継手における機械的トルク、燃焼器の内部における燃料空気比、圧縮機の圧縮比、ガスタービンケーシングの内部の絶対圧力等、を考慮するように決定される。

制御システム１０は、特定の燃料組成から独立して作用する。

ガスタービンエンジンシステム１は、ベース負荷及び高部分負荷運転において、主供給源からの燃料の変化する組成において、安定したガスタービンサイクルと、電力出力及び効率の形式の最適な性能とを保証するために有効である。したがって、本発明は、時間が経過するに従って予測不可能な組成変動を特徴とする燃料を用いた運転において、特に主燃料として溶鉱炉ガスを用いる又は低位発熱量の低い平均値又はその組成におけるＨ₂及びＣＯの高い可変の量を特徴とするその他の燃料を用いる用途において、１つのガスタービン構成部材の最適なサイジングに関連したより高い平均電力出力及び／又はより低いコストを提供する。本発明による制御が用いられる場合、燃料の組成及び／又はエネルギ量の変化を補償するために燃料のこのような複雑な混合は必要とされない。

制御装置１０は、極端な条件（この場合、圧力、温度、燃料組成、送電網周波数等のパラメータが考慮される）だけでなく、通常条件においてもガスタービンエンジン２を制御することができ、燃料組成が、設計条件のために使用される元の組成と異なるいかなる場合にも、電力出力及び効率に関して最適な性能を許容する。

異なる組成及びエネルギ量の燃料に対する公差は、効率等に損傷効果を与えることなく著しく増大されることができる。提案された制御スキームを使用することは、燃料の設計組成のために規定された範囲から外れて変動する燃料組成の使用を許容する。制御システム１０は、これを間接的にかつ自動的に検出し、可変翼８の設定を再規定し、可変翼設定の手動による再規定は行われない。

測定された圧力及び／又は温度値をしきい値と比較し、しきい値と測定値との差が、所定の遅れ時間よりも長い間所定の制御から外れたならば保護作用を開始する、保護システムが実現されてもよい。このような保護システムは、ガスタービンの損傷につながる恐れがある大きな異常な燃料組成変動に対する保護を提供することができる。保護システムは、燃料制御弁又は遮断弁と協働して、測定された圧力又は圧力比と、目標の圧力又は圧力比との間の検出された誤差に比例して、前記弁を閉鎖するか又は前記弁を中間位置へ動かすエレメントとして、及び／又は圧縮機の可変翼の迅速な閉鎖として実現されてよい。

制御システム１０は、直接的な又は間接的な測定（すなわち、その他のパラメータ測定の間接的な測定に基づく計算）に基づいて、燃料質量流の制御のためのシステムと組み合わせて作動する。このような制御は、例えば、タービンの入口又は出口における温度に基づいてよく、基本的にタービンの入口又は出口における温度の所定の目標値に達した時に燃料の量を制限する。

このような組合せは、サイクル圧力とタービン温度とが同時に制御される最適な構成を提供し、全体的な寿命を改善する。このような組合せは、タービン入口の温度の計算に基づく燃料質量流制御ループの精度に好ましい影響を与える。

制御システム１０は、付加的に、ガスクロマトグラフによって又は燃料組成の測定のためのあらゆるその他の装置によって、目標スケジュール、所定の目標圧力又は新たな所定の目標圧力の精密な調整のために、燃料組成についての定期的な更新された情報を受け取って考慮してもよいが、これは必要であるわけではない。ガスクロマトグラフ、又は燃料組成の測定のためのあらゆるその他の装置は、制御動作におけるより一層高い精度を提供する。

溶鉱炉ガス又はコークス炉ガス又はこれらの混合物又はＨ₂＞１％モルの水素含有量を有するあらゆるガスが、ガスタービンエンジンシステム１における燃料として使用されることができる。

図２は、一定のシャフト回転速度における、圧縮機入口温度に対する圧縮機排出圧力の目標スケジュールの慣用の例である。

図３は、燃料組成（低位発熱量）に関する（圧縮機マップにおける）エンジン作動線の位置の感度を示している。縦軸は圧縮機の圧力比であり、横軸は圧縮機入口の換算質量流であり、パラメータは燃料の低位発熱量（ＬＨＶ）である。真っ直ぐな実線は、標準的な燃料組成のためのエンジン作動線を示しており、この標準的な燃料組成のために一般的な運転スキームが設計されている。慣用の制御方法（図３ａ）と、本発明による制御方法（図３ｂ）との比較は、本発明による制御の場合における作動線が、本質的にもはや燃料組成に依存しないならば、著しくより低くなっていることを示している。言い換えれば、作動線は、燃料組成に著しく依存しなくなる。対応して、本発明によるプロセスは、エンジン作動線をより安定した位置において制御することを許容し、燃料組成変動の効果を広範囲に補償する。この燃料組成変動は、より低いＬＨＶを備えた燃料の場合に作動線を上昇させる傾向があり、より高いＬＨＶの場合には逆になる。標準的な制御の場合のエンジン作動線の移動は、圧縮機の最適でない条件における運転につながり、ひいては圧縮機の効率を低下させ、潜在的に、サージ線に極めて近づく。本発明は、制御を維持し、これらの問題の回避を許容する。

図４は、燃料組成（低位発熱量、ＬＨＶ）に関するタービン排気還元質量流の感度を示している。縦軸はタービン排気還元質量流であり、横軸は圧縮機入口温度（周囲温度）であり、パラメータは燃料の低位発熱量（ＬＨＶ）である。慣用の制御方法（図４ａ）と、本発明による制御方法（図４ｂ）との比較は、本発明が、タービン排気還元質量流作動線をより安定した位置において制御することを許容し、燃料組成変動の効果を広範囲に補償することを示している。燃料組成変動は、より低いＬＨＶを有する燃料の場合に排気還元質量流を上昇させる傾向があり、より高いＬＨＶの場合には逆である。排気還元質量流の増大は、最終タービン段における流速の増大に対応し、このこと自体は、空気力学的不安定性及び翼における過剰な負荷につながる。

図５は、燃料組成（低位発熱量、ＬＨＶ）に関する圧縮機排気温度の感度を示している。縦軸は圧縮機排気温度であり、横軸は圧縮機入口温度（周囲温度）であり、パラメータは燃料の低位発熱量（ＬＨＶ）である。慣用の制御方法（図５ａ）と、本発明による制御方法（図５ｂ）との比較は、再び、本発明は、特に高い周囲温度において、圧縮機出口温度作動線をより安定した値において制御することを許容し、燃料組成変動の効果を広範囲に補償することを示している。この燃料組成変動は、より低いＬＨＶを備えた燃料の場合に圧縮機出口温度を上昇させる傾向があり、より高いＬＨＶの場合には逆である。圧縮機出口温度の上昇は、動力及びタービン冷却空気のためのより高い温度につながり、これにより、部品の寿命を短縮する。

図６は、燃料組成（低位発熱量、ＬＨＶ）に関するガスタービンエンジン電力出力の感度の例である。縦軸はガスタービンエンジン電力出力であり、横軸は圧縮機入口温度（周囲温度）であり、パラメータは燃料の低位発熱量（ＬＨＶ）である。慣用の制御方法（図６ａ）と、本発明による制御方法（図６ｂ）との比較は、再び、本発明は、特に低い周囲温度の場合に、電力出力作動線をより安定した値において制御することを許容し、燃料組成変動の効果を広範囲に補償することを示している。燃料組成変動は、より低いＬＨＶを備えた燃料の場合に圧縮機出口温度を上昇させる傾向があり、より高いＬＨＶの場合には逆である。電力出力の制御されない増大は、継手における過剰な応力につながり、ひいては部品の寿命を短縮する。

燃焼器に関して又は燃焼器の内の１つに関して圧縮機入口空気の調整可能／制御可能なバイパスを提供することがさらに可能である。バイパス空気の量は概して燃焼考慮（燃焼室内の火炎の位置、燃料空気比、バーナによる圧力損失）に基づいて、又はタービン冷却考慮に基づいて決定される。調整可能／制御可能なバイパスは、ガスタービンサイクル及びタービンが安定した最適な圧力比に維持されるように圧縮機入口空気の量を増減させることによってバイパス空気の変動を補償する。

明らかに、本発明の多数の変更が前記説明を考慮して可能である。したがって、添付された請求項の範囲において、発明は、ここで特に説明されたもの以外の形式で実施される場合がある。

１ ガスタービンエンジンシステム、 ２ ガスタービンエンジン、 ３ 発電機、 ４ 吸入マニホールドを備えた空気球入部、 ５ 圧縮機、 ６ 燃焼器、 ７ タービン、 ８ 可変翼、 ９ アクチュエータ、 １０ 制御システム、 １１ ロータシャフト速度測定装置、 １２ タービン排出温度測定装置、 １３ 圧力測定装置、 １４ 電力、 １５ 空気入口冷却装置、 １６ シャフト、 １７ 周囲空気温度／圧縮機入口空気温度／タービンの内部の温度のための測定装置、 １８ 閉ループユニット、 １９ 吸入空気、 ２０ 燃料、 ２１ 排出空気、 ２２ サージ線、 ２３ 設計燃料作動線、 ２４ 低い低位加熱燃料ライン、 ２５ 高い低位加熱燃料ライン

Claims (16)

1. ベース負荷及び／又は高部分負荷においてガスタービンエンジンシステム（１）を運転する方法において、該ガスタービンエンジンシステム（１）が、
   ガスタービンエンジン（２）を有しており、該ガスタービンエンジン（２）に、
   入口空気質量流を制御するための少なくとも１つの列の調整可能な可変翼（８）を備えた少なくとも１つの圧縮機（５）と、
   少なくとも１つの燃焼器（６）と、
   少なくとも１つのタービン（７）と、が設けられており、
   制御システム（１０）を有しており、該制御システム（１０）が、
   圧縮機（５）の上流において測定された少なくとも１つの測定された温度値（Ｔ_amb）又は圧縮機（５）に直接に機能的に関連して測定可能な量に関して、可変翼（８）の位置を制御して、これにより、可変翼（８）の角度位置と共に変化する少なくとも１つの測定された圧力値（Ｐ_cd）が、前記第１の温度（Ｔ_amb）の関数である所定の目標圧力となるようにすることを特徴とする、ベース負荷及び／又は高部分負荷においてガスタービンエンジンシステム（１）を運転する方法。
2. 前記制御システム（１０）が、圧縮機（５）の上流において測定された少なくとも１つの測定された圧力値（Ｔ_amb）又は圧縮機（５）に直接に機能的に関連した測定可能な量に基づいてかつ関連して、並びにガスタービンエンジン（２）のシャフトの測定された回転速度（ｎ）又はガスタービンエンジンに直接に機能的に関連した測定可能な量に関連して、可変翼（８）の位置を制御して、これにより、可変翼（８）の角度位置と共に変化する少なくとも１つの測定された圧力値（Ｐ_cd）が、前記第１の温度（Ｔ_amb）と前記回転速度（ｎ）との関数である所定の目標値となるようにする、請求項１記載の方法。
3. 前記制御が、前記測定された圧力値（Ｐ_cd）を所定の目標圧力と比較することによって行われ、該目標圧力が、シャフトの測定された回転速度（ｎ）又はシャフトに直接に機能的に関連した測定可能な量に関連して、及び／又は圧縮機（５）の上流において測定された少なくとも１つの測定された温度値（Ｔ_amb）又は圧縮機（５）に直接に機能的に関連した測定可能な量に関連して、計算され、制御装置が、測定された圧力値（Ｐ_cd）が所定の目標圧力よりも小さい場合には可変翼（８）を開放することによって圧縮機（５）への空気流入量を増大させ、かつ測定された圧力値（Ｐ_cd）が所定の目標圧力よりも大きい場合には可変翼（８）を閉鎖することによって空気流入量を減少させるように、可変翼（８）の移動のためのアクチュエータへの命令を発生する、請求項１又は２記載の方法。
4. 圧縮機（５）の上流において測定された、測定された温度値（Ｔ_amb）又は圧縮機（５）に直接に機能的に関連した測定可能な量が、ガスタービンの空気吸入システム内の温度であり、好適には周囲空気温度又は圧縮機入口空気温度である、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 可変翼（８）の角度位置と共に変化する測定された圧力値（Ｐ_cd）が、可変翼（８）の第１の列の下流の圧縮機（５）の内部おいて又は可変翼（８）の複数の列の下流において又は圧縮機の下流のプレナムにおいて又はタービンの第１の翼列の上流の燃焼器において又はタービンの下流において、測定される、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記制御が、閉ループ制御である、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記所定の目標圧力が、タービン排気温度（Ｔ_ex）の関数であり、好適にはタービン排気ガス温度は、対応する平均化スキームと共に１つ又は複数の測定箇所を用いて測定される、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 前記所定の目標圧力が、圧縮機の上流又はタービン出口の下流において測定された第２の圧力値（Ｐ_amb）の関数であり、好適には制御は、測定された圧力値（Ｐ_cd）と第２の圧力値（Ｐ_amb）との比を目標圧力比に制御することによって行われる、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 前記制御が、燃料質量流の制御と組み合わせて行われ、該燃料質量流の制御は好適にはタービンの入口又は出口の温度の直接又は間接的な測定に基づくものであり、タービンの入口又は出口の温度の所定の目標値に基づいて燃料の量を制限する、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 請求項１から９までのいずれか１項記載の方法を実施するためのガスタービンエンジンシステム（１）において、入口空気質量流を制御するための少なくとも１つの列の調整可能な可変翼（８）を備えた少なくとも１つの圧縮機（５）と、少なくとも１つの燃焼器（６）と、少なくとも１つのタービン（７）と、制御システム（１０）と、を有するガスタービンエンジン（２）が設けられており、圧縮機（５）の上流における温度（Ｔ_amb）又は圧縮機（５）に直接に機能的に関連した測定可能な量の測定のための少なくとも１つの温度測定装置（１７）が設けられており、前記第１の温度（Ｔ_amb）の関数である所定の目標圧力である、可変翼（８）の角度位置と共に変化する圧力値（Ｐ_cd）を測定する測定装置（１７）と、好適にはロータシャフト速度（ｎ）を測定する別の測定装置（１１）とが設けられており、前記制御システムが、温度（Ｔ_amb）及び／又はロータシャフト速度（ｎ）に関して圧力値（Ｐ_cd）を所定の圧力値に制御することを特徴とする、ガスタービンエンジンシステム。
11. １つ又は２つ以上の燃焼器を横切る圧縮機入口空気の調整可能／制御可能なバイパスが設けられている、請求項１０記載のガスタービンエンジンシステム（１）。
12. 好適には圧縮機入口の上流における水噴霧に基づく流入空気冷却装置が設けられており、該流入空気冷却装置の制御が、圧力値（Ｐ_cd）を制御するための制御システム（１０）において考慮されるようになっている、請求項１０又は１１記載のガスタービンエンジンシステム（１）。
13. 前記流入空気冷却装置が、２つの連続した圧縮機段の間又は２つの連続した圧縮機の間に配置されている、請求項１２記載のガスタービンエンジンシステム（１）。
14. 燃料組成検出エレメントが設けられており、前記制御システム（１０）が、好適にはガスクロマトグラフ又は燃料組成の測定のためのあらゆるその他の装置を介して、所定の目標圧力又は新たに規定された目標圧力の目標スケジュールの精密な調整のために、燃料組成についての定期的に更新された情報を受け取るようになっている、請求項１０から１３までのいずれか１項記載のガスタービンエンジンシステム（１）。
15. ベース負荷運転及び／又は高部分負荷運転中に測定値を所定の目標値と比較するようになっておりかつ、目標値と測定値との差が所定の遅れ時間よりも長く所定の制御から外れた場合に保護動作を開始する、保護システムが設けられており、好適には前記保護動作が、燃料制御弁又は遮断弁を、完全に閉鎖した位置へ又は中間の所定の位置へ又は測定された圧力又は圧力比と目標の圧力又は圧力との間の検出された誤差に比例した形式で、閉鎖すること、及び／又は圧縮機の可変翼を迅速に閉鎖することを含んでいる、請求項１０から１４までのいずれか１項記載のガスタービンエンジンシステム（１）。
16. 燃料としての溶鉱炉ガス又はコークス炉ガス又は両者の混合物又はＨ₂＞１％モルの水素含有量を有するガスの燃焼のための、請求項１０から１５までのいずれか１項記載のガスタービンエンジンシステムの使用。

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