JP2012077752A - 広範囲のタービン燃料を点火するための方法、装置及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】広範囲のタービン燃料を点火するための方法、装置及びシステムを提供すること。
【解決手段】ガスタービンを作動させる際、燃料の所望される発熱量と、点火するのに供給される燃料として実際に必要な燃料に差がある場合がある。一態様において、比重及び圧力降下などの燃料の分子量に関する燃料パラメータが求められる。この燃料パラメータに基づいて燃料の着火性が計算され、必要であれば燃料の着火性が設計値になるように調節される。燃料の着火性は、燃料を実際に点火せずに、また燃料の発熱量又はその組成を直接知らずに計算することが可能である。
【選択図】 図１

Description

本発明の１以上の態様は、ガスタービン内で燃焼させるために広い品質範囲の燃料を点火するための方法、装置及びシステムに関する。

ガスタービンの始動、すなわち点火は恐らく複雑なプロセスではあるが、以下のステップを含むものとして大まかに記載することができる。先ず、燃焼室、タービン組立体又はタービン配管内にまだ残っている可能性のある全ての燃料を取り除くために、タービンを通気する。次に所望の圧縮に達するまでタービンを回転させ、その点でタービン燃料が導入されて点火される。点火後、負荷が接続される。タービンを回転させる前に通気する理由の１つは、所望の圧縮に達する前に望ましくない点火や燃焼が起こるのを防ぐためである。

不適切な点火により適切な作動レベルに達するのが遅れる場合があり、損傷が生じる可能性もある。さらに悪いことには、送達された燃料が多すぎてまだそこに残っている場合、爆発する危険がある。燃料が多すぎたり不十分であったりすることは、少なくともその一部は、発熱量すなわち燃料の燃焼性と、燃料と空気の混合物の特性とに左右される。ある燃料の燃空比は、燃料の燃焼性が高いことにより非常に高いことがあり、一方、低燃焼性燃料の同じ燃空比は、点火するのに十分でないことがある。

市場の変動により、オペレータが様々なタイプのタービン燃料を使用してガスタービンを作動させることがしばしば有利となることがある。したがってガスタービン作動させようとするとき、燃料ガス特性が既知でない場合がある。タービンが点火された時点で燃料ガス特性が既知でないとき、安全性の理由からタービンを点火するのに保守的な手法が採られる。

この保守的な手法では、複数回の点火を試行することが慣例である。最初に、爆発の危険性を最小限にするために燃空比の非常に低い混合物が供給され、点火が試行される。点火に成功しなかった場合、タービンシステムは通気される。その後例えば燃空比を上げる、タービン速度を上げる、燃料及び／又は空気或いは流量を変えるなどパラメータが変更され、もう一度点火が試行される。このプロセスは、タービンの点火に成功するまで繰り返される。

燃料ガス特性が既知でない場合にタービンを点火するために従うプロセスは、最悪の場合を想定すること、及び点火に成功するまで徐々に点火パラメータを変えることとして表すことができる。残念なことに何度も点火を試みることは時間がかかる、すなわち遅れを引き起こす。また何度も試みることでタービンの摩耗や損傷が増大する。

一方燃料ガスの組成が既知である場合には、点火を試みる回数を少なくすることができ、ときには１回試みるだけで済む場合もある。例えば燃料ガスの供給者がこの情報を提供することができる。燃料ガスの組成が既知であるときには、点火パラメータをより正確に決定することができる。点火を試みる回数を削減することにより、より迅速に作動レベルに到達し、摩耗や損傷を少なくすることが可能になる。しかしながら供給者がこの情報をいつでも提供することが可能であるとは限らない。

別の方法は燃料ガス特性を測定する検出装置を備えることである。ＬａＧｒｏｗ等に発行された米国特許第２００８／０１１５４８２号公報には、一体型の燃料特性化システムを備えたガスタービンエンジンが開示されている。一体型の燃料ガス特性化システムによって、燃焼段階で燃料が燃焼する前に、この燃料によって供給されるエネルギー量が判定される。ＬａＧｒｏｗ等によると、この一体型の燃料ガス特性化システムにより、実際に始動する前に、得られた燃料ガスのエネルギー含有量の測定値を利用してタービンエンジンの作動パラメータを調整することによって、タービンエンジンの始動の信頼性を向上させることができる。

ＬａＧｒｏｗ等の発明では、タービン燃焼室の上流にウォッベメータ又はガスクロマトグラフが設けられる。このようにすることで、燃料ガスがガスタービン内で燃焼される前に、ウォッベ指数又は燃料ガスの組成を測定することが可能になる。測定されたウォッベ指数又は燃料ガスの組成に基づいて、タービンの作動パラメータが調整されて、測定されたガスが燃焼室に進入するまでに適切な調節が行なわれる。測定を行ない、作動パラメータを調節するのに十分な時間を確保するために、バッファタンクが設けられている。

ウォッベメータ、ガスクロマトグラフ、及び熱量計などの検出装置は、点火を試みる回数を少なくすることによって、より迅速に点火することを可能にするが、このようなタイプの検出装置は高価である。費用の問題に加えて、センサは、何らかの安全マージンを提供するために、冗長として繰り返し使用されることが多い。これらのセンサがない既存のタービンシステムにとって、これらのシステムをセンサでグレードアップすることは、著しいコスト増大とサービスの混乱を意味する可能性がある。別の欠点は、検出装置が必ずしも信頼できるとは限らないことである。

従って、燃料ガス特性が既知でない場合であっても、このような検出装置を必要とせずにガスタービンの点火を試みる回数を少なくすることが望ましい。

米国特許第７４７２５４０号明細書

本発明の非制限的な態様は、点火するためにガスタービンに燃料と空気の混合物を送達する方法に関するものである。燃料は１種以上の燃料成分の組成物を有することができる。この方法では、混合物の着火性は、燃料の分子量に関する１以上の燃料パラメータ、１以上の燃料流量パラメータ、及び１以上の酸化剤流量パラメータに基づいて計算することができる。このとき混合物中の燃料と酸化剤は、調節後の混合物の着火性が、基準着火性範囲内にあるように調節することができる。混合物の着火性を計算する段階、及び燃料と酸化剤の混合物を調節する段階は、混合物を点火する前に行なわれる。

本発明の別の非制限的な態様は、点火するためにガスタービンへの燃料と酸化剤の混合物の送達を制御するための制御装置に関するものである。燃料は１種以上の燃料成分の組成物を有することができる。制御装置は、燃料の分子量に関する１以上の燃料パラメータ、１以上の燃料流量パラメータ、及び１以上の酸化剤流量パラメータのうちの任意の組み合わせを受信するように構成されたパラメータ受信ユニットを備えることができる。また制御装置は、このパラメータ受信ユニットが受信したパラメータに基づいて混合物の着火性を計算するように構成された着火性計算ユニットを備えることもできる。制御装置はさらに、調節後の混合物の着火性が基準着火性範囲内にあるように、混合物中の燃料と酸化剤を調節するように構成された着火性調節ユニットを備えることができる。着火性計算ユニットと着火性調節ユニットは共に、混合物が点火される前にそれぞれ計算と調節を行なうことができる。

ここで以下に特定される図面に関連して本発明をより詳細に記載する。

本発明のこれらの及び他の特徴は、以下の例示の実施形態の詳細な説明を、添付された図面と組み合わせることでより適切に理解されるであろう。

本発明の非制限的な態様による、ガスタービンに燃料と酸化剤の混合物を送達するシステムの一実施形態の図である。 本発明の非制限的な態様による、ガスタービンへの燃料と酸化剤の混合物の送達を制御するように構成された制御装置の一実施形態の図である。 本発明の非制限的な態様による、実際に点火する前に燃料の着火性を計算し調節する一例としての方法のフローチャートである。 本発明の非制限的な態様による、着火性インジケータを求める一例としてのプロセスのフローチャートである。

ガスタービンを点火するための新規の方法、システム及び装置を記載する。記載される方法、システム及び装置は、燃料／酸化剤の混合物の着火性を計算し、必要な調節を行った上で燃料を点火することができる。点火／燃焼プロセスの前に燃料の組成を求める必要がない。特有の利点の１つは、点火された燃料の熱勘定を使用する必要がないことである。

上述のように、点火及びタービンの準備運転を含めた様々な時点において、広い品質範囲のタービン燃料を使用してガスタービンを作動させることができることが望ましい。ガスタービンに送達される燃料は、広い範囲の品質の複数の燃料成分で構成されてもよい。一般には気体燃料、液体燃料又はその両方を、ガスタービン内で燃焼させることができる。

過去には、エネルギー要件を満たすために、始動時の点火を含めて燃焼器に供給されるべき一定量の燃料のインジケータとして発熱量が利用されていた。この発熱量が、燃料品質のインジケータとしてしばしば使用されていた。すなわち高い発熱量ほど、通常燃料品質が高いことを表していた。

一定量の燃料が酸素と反応して水及び他の生成物を形成する際、固定量のエネルギーが放出され、これは例えば燃料の低位発熱量（ＬＨＶ）によって定量化することができる。ＬＨＶは、本発明の様々な態様のいくつかの有益な特徴を例証する例を記述するのに主として使用され、エネルギーがＨＨＶ又はＱ又は他の似通った表現の観点で考慮される場合に、本発明の原理を適用することができる。

タービン（点火及び安定した始動のためにエネルギーを獲得することを恐らく必要とする）の所望される発熱量と、供給される燃料が点火され、タービンの始動時間の様々な段階において炎の伝播を持続するのに必要となる実際の量とに差がある場合がある。信頼できる点火及び炎を持続可能にするのに実際必要な量は、別の燃料の特性、すなわち燃料の燃焼性（燃焼力とも呼ばれる）を求めることによってより正確に予測することが可能である。一般に燃焼性が低すぎる場合、点火及び安定した燃焼も実現されない。また燃焼性が高すぎる場合、爆発のリスクが増大し、放出物質も増大することになる。

火災や爆発の発生に備えて、燃料、酸素及び点火源が必要である。また燃料と酸素を適切な量で混合する必要がある。燃料の燃焼性は典型的には、その燃焼性の下限と上限（ＬＦＬ、ＵＦＬ）の点から規定される。ＬＦＬ及びＵＦＬはそれぞれ、点火される際炎が自力で伝播するのを助ける空気に対する、その燃料の最も低いガス濃度と最も高いガス濃度である。ＬＦＬより下の値では、燃料／空気の混合物は燃焼するには希薄すぎる、すなわち燃料が不十分である。ＵＦＬより上の値では、混合物は濃すぎる、すなわち空気が不十分である。

ＮＯｘの放出を削減するためにリーン燃焼運転を維持することが望ましい。したがってガスタービンを、点火の際も含めて可能な限りリーン混合物で作動させることが望ましい。しかしながら、リーンブローオフ（ＬＢＯ）が生じるほど混合物を希薄にすべきではない。これはガスタービンに関するものであるため、ＬＢＯは、燃焼を維持するのに燃料の流量が不十分な状態である。ＬＢＯはＬＦＬに比例しており、流速がゼロに近づくとＬＦＬに近づく。

図１は、ガスタービンの燃焼器への燃料と酸化剤の送達を調節して燃焼を維持し、例えばガスタービンを始動する際の安全で安定した点火を実現する１つの例としてのシステムである。酸化剤は通常空気の形態で送達されるため、空気は以下の記載において最適な酸化剤であることが想定される。しかしながら本発明はそれに限定されない。

図面に見られるように、システムには、ガスタービン２を駆動するために高温のエネルギーガスを生成するように構成された燃焼器１が含まれる。酸化剤、例えば空気を燃焼器１に供給するためにコンプレッサ３が配置されており、燃焼器１に送達される燃料の量を制御するために燃料弁４が配置されている。燃料と空気の混合物は少なくとも一部を、コンプレッサ３によって生成される空気の量を制御し、かつ数ある中でもコンプレッサの入口案内静翼（ＩＧＶ）、入口ブリード弁及び燃焼室バイパス弁などの機構を調節することによって制御することができる。図１にはＩＧＶ１０が示されている。

圧縮された空気を燃焼器１に直接供給することもできるが、システムが、燃焼器１に入る空気の量、圧力及び温度、コンプレッサ３の入口に戻る空気の量、圧力及び温度、並びに燃焼器１を迂回する空気の量を任意に組み合わせて制御するように構成された三方弁５を備えるのが好ましい。コンプレッサが放出する空気の温度（ＴＣＤ）センサ１５ａと空気圧力センサ１５ｂを使用して、空気の温度と圧力、並びに空気と燃料の混合物の温度と圧力を測定することができる。

システムはタービン制御装置６を備えている。非制限的な態様において、タービン制御装置６は、燃料並びに燃料と空気の混合物の着火性に基づいて空気と燃料の両方の送達を制御するものであり、これについて以下により詳細に記載する。また以下にさらに詳細に記載されるように、制御装置６は、種々のセンサからの入力として測定値を受信して、ガスタービン２の動作を制御する出力として制御情報を生成することができる。図面が見にくくなるのを最小限にするために、制御装置６への信号、及びそこからの信号は図１に点線の矢印で表されている。

非制限的な態様において、制御装置６は、燃料の着火性に基づいて燃焼器１に供給される燃料と空気の送達を制御するように構成されている。多くの利点のうちの１つは、燃料を点火しなくとも、また燃料の組成が分からなくても、燃料の着火性を判定することができることである。換言すれば、点火する前にその燃料を構成する個々の燃料の成分を総括的に判定する必要がない。また点火する前に燃料の発熱量を直接測定する必要もない。そういうわけで、ウォッベメータ、ガスクロマトグラフ、熱量計などの高価な検出装置が必要なくなる。こういったタイプの検出装置は必要ないが、それでもなお、例えば信頼性を向上させたり確証を得るためにこのような装置を備える場合もある。

発熱量を測定する及び／又は燃料成分を測定する検出装置に頼る代わりに、燃料送達弁の特定のリフトでの圧力及び圧力降下など流量パラメータに影響を与える燃料特性を利用することができる。分子量がこのような特性の１つである。別の例としては比重（ＳＧ）がある。１つの利点は、ＳＧセンサなどのこのような特性を測定するセンサが比較的安価であることである。

説明するために以下の事柄を提示する。燃料の分子量は、予測できるやり方で燃焼性と熱容量の両方に影響を与える。例えば炭化水素燃料の場合、高い分子量は一般に、燃焼性のより低い可燃リーン限界に相当する。また高い分子量は一般に熱容量が高い燃料に相当する。加えて、リーン限界火炎温度と最小スパーク点火エネルギーには相関性がある。

燃料の燃焼性は、分子量など燃料の特性、又は例えば流量、密度、比重、速度など他の関連する特性が、基準配管幾何学形状及び弁開度で測定及び／又は計算されるとき推定する、又はその他の方法で判定することができる。燃料の分子量又は分子量に関連する他の特性が明確に定められたとき、燃料の燃焼性（着火性の主要な部分である）を判定することができる。この情報に基づいて、燃料の着火性を基準値に調節することができる。

燃料は、様々な燃料成分で構成することができる。換言すれば、複数の異なる燃料タイプを含む燃料組成の着火性を判定し調節することができる。燃料組成全体を構成する個々の成分を判定する必要はない。混合物の燃焼可能なリーン限界を求めた後、着火性のリーン限界（最小点火エネルギーとも称される）を計算することができる。ＬＬは、混合物の燃焼性の限界としてとらえることが可能であり、これを下回った場合リーンブローアウト（ＬＢＯ）は避けられない。

また燃料の燃焼性は、燃料の反応性に密接に関連している。したがって多くの場合、燃料の燃焼性は、反応率係数、火炎温度及び燃焼温度、点火の遅れ及び／又はブローオフ時間などの燃料の反応性を定義するパラメータを利用して、十分な精度で概算することができる。したがって、燃料混合物の燃焼性に基づいてＬＬＩを計算することが可能な方法と同様に、ＬＬＩを燃料の反応性が判定された後に計算することも可能である。

発熱量及び／又は反応性に加えて、燃料と空気の着火性によって点火エネルギーが求められる場合もある。タービン燃焼器を点火するエネルギーを獲得するのに必要な着火性と、燃焼器に送達される混合物の着火性に差がある場合がある。燃料のタイプ及び／又は組成が既知でない場合、このような差を認識することが特に重要である。

別の態様において、燃料の組成が既知でない燃料と空気の混合物の着火性を判定するのに加えて、点火する瞬間の圧力及び／又は速度／乱流で計算を行ない調節することができる。着火性を基準値に合わせるために、燃料弁リフトを調整することができる。また空気の量及び／又は空気の温度を調節することもできる。たとえ複数の様々な燃料源を備えるシステムであっても、燃料の着火性を所望の値にすることができる。燃料及び／又は燃料と空気の混合物の着火性がはっきりと規定されたとき、点火のスパーク放電及び／又は周波数になるように調節を行なうこともできる。

図１に戻ってこれを参照すると、制御装置６は、燃料の着火性に基づいて燃焼器１に供給される燃料と空気のパラメータを調節するように構成されてよい。燃料の着火性は、燃料の比重（ＳＧ）に基づいて判定することができる。以下の記載ではＳＧが主として使用されているが、本発明はこれに限定されない。流量パラメータに影響を与えるいくつかの又は全ての燃料の特性を使用することができる。分子量は、流量パラメータに影響を与える主たる特性の１つであるため、分子量及び／又は分子量に関連する特性を利用して燃料の着火性を判定することができる。

システムはさらに、広い範囲の品質の複数の構成燃料を貯蔵及び／又は送達するように構成された燃料貯蔵及び送達システム１２を備えることができる。制御装置６は様々な構成燃料に応じて弁７の開度を調節することによって、それぞれの構成燃料の送達を制御することができる。換言すれば制御装置６は、複数の構成燃料が使用可能であるとき、その構成燃料の配合を制御することができる。

任意選択で、送達される燃料の総量に影響を与える弁１３を備える場合がある。この弁が含まれる場合、制御装置６は弁１３を制御して燃料の流量を管理する。燃料の流量は、個々の燃料成分に応じて弁７を制御することによって管理することもできることに留意されたい。

システムは、燃料の分子量、又は分子量に関連する特性、例えば比重、流量、密度及び速度を測定するセンサを備えることが好ましい。例えばシステムは、燃料ＳＧセンサ１４ａ及び燃料流量センサ１４ｂを備えることができる。燃料ＳＧセンサ１４ａは、燃料の比重を測定するように構成されている。燃料流量センサ１４ｂは、燃料流量（質量で又は容積で、或いはその両方で）及び燃料の流速などの燃料流量パラメータを測定するように構成されている。燃料流量センサ１４ｂは、１つのセンサでもよいし、燃料流量パラメータを測定するセンサを組み合わせてもよい。

システムはまた、燃料熱交換器８ａを備えることができ、燃料の少なくとも一部が制御装置６の制御の下この熱交換器に送達されて、燃料が所望の温度に又は所望の温度範囲に維持される。例えば制御装置６は、弁９を制御して燃料熱交換器８ａに迂回する燃料の量を調節することができる。燃料温度センサ１４ｃによって燃料温度を測定することができる。システムはさらに、燃焼器１に送達される燃料の圧力を測定するために燃料圧力センサ１４ｄを備えることができる。

燃料流量パラメータと空気流量パラメータの任意の組み合わせを１以上の着火性インジケータに基づいて調節することによって、燃料及び／又は燃料と空気の混合物の着火性を調節することができる。燃料流量パラメータの例としては、数ある中でも圧力、圧力降下、温度、流量（質量で又は容積で、或いはその両方で）及び速度が挙げられる。空気流量パラメータの例としては、数ある中でも圧力、圧力降下、温度及び流量（質量で又は容積で、或いはその両方で）が挙げられる。

このような調節は、以下に記載されるように制御装置６によって自動で行なわれるのが好ましい。しかしながらひとたび着火性インジケータが求められれば、同一の調節を手動で行なうことも可能である。

制御装置６は、三方弁５の動作を制御して、燃焼器１に入ってくる空気の量、コンプレッサ３の入口に戻ってくる空気の量、燃焼器１を迂回する空気の量などを制御することによって、空気流、圧力及び温度を調節することができる。制御装置６は、コンプレッサ３から燃焼器１への圧縮空気の送達を制御することによって空気の圧力を調節することができる。

空気の温度を調節するために、制御装置６は、燃焼器１に進入する前に、弁１１を制御することによって燃焼器１に進入する空気の少なくとも一部を空気熱交換器８ｂに迂回させて、この迂回した空気を予め加熱することができる。コンプレッサが放出した空気の温度センサなどの空気温度センサ１５ａによって空気の温度を測定し、これを制御装置６に提供することができる。圧縮空気の少なくとも一部を三方弁５を介してコンプレッサの入り口に送ることによって、入口ブリード加熱として知られる作用により、さらなる空気温度制御をも実現可能であることに留意されたい。燃料熱交換器８ａ及び空気熱交換器８ｂを１つのモジュールに結合する、又は別個のモジュールとして設けることも可能であることに留意すべきである。

着火性の調節は、燃料に関連する測定値以外の測定値に基づいて行なわれる場合もある。例えばシステムは、空気と燃料の混合物の混合品質（ダムケラー数Ｄａによって推定される）及び／又は液体の乱流を測定する、或いは他の方法で判定するセンサ１６を備えることができる。乱流は、Ｋａ（カルロヴィツ数）及び／又はＲｅ（レイノルズ数）で表すことができる。制御装置６がこれらの測定値を利用して燃料及び／又は空気の流量パラメータをさらに調節することにより、燃料と空気の混合物を点火することができる。

上記に何度も指摘したように、図１の燃焼器１に送達される燃料は、１種以上の個々の燃料成分の組成物であってよく、それぞれの燃料成分の送達は、各燃料成分に対応する弁７を開閉することによって制御することができる。それぞれの構成燃料は、発熱量、比重、発火点などの異なる特徴やパラメータを有する可能性がある。本発明の有利な態様では、個々の燃料成分それぞれの特徴を直接或いは正確に知る必要がない。実際は、燃料貯蔵及び送達システム１２内の燃料１又は燃料２などの特定の構成燃料自体が、異なる燃料タイプの組成物である場合がある。しかしながらなお正確に組成を知る必要がないことから、有利であることは明らかである。

また図１において、制御装置６が、ガスタービン２への燃料と空気の混合物の送達を制御する際、重要な役割を担っていることが分かる。図２は、本発明の非限定的な態様による制御装置６の一実施形態を示している。制御装置６は、パラメータ受信ユニット２１０と、着火性計算ユニット２２０と、着火性調節ユニット２３０と、点火パラメータ設定ユニット２４０とを備えることができる。

図２は、制御装置６とそこに含まれる複数のユニットの論理図を提供していることに留意されたい。つまり、厳密には各ユニットが物理的に別々のモジュールとして実装される必要はない。いくつかの又は全てのユニットを１つの物理的モジュールに合体させることができる。例えば着火性計算ユニット２２０と着火性調節ユニット２３０を、１つのモジュールに合体させることができる。さらにこれらのユニットは、厳密にハードウェアに実装される必要はない。ユニットは、ハードウェア及びソフトウェアを組み合わせたものによって実装されることが想像される。例えば実際の制御装置６は、記憶媒体又はファームウェアに記憶された持続的プログラム指示を実行して図２に示されるユニットの機能を果たす１以上の中央処理装置を含むことができる。

制御装置６の各ユニットが果たす役割を図３と共に記載するが、この図は、本発明の非制限的な態様による、点火するために燃焼器１に燃料と空気の混合物を送達する一例としての方法３００のフローチャートを示している。一般にこの方法では、燃料と空気の流量パラメータを使用して混合物の着火性を判定する。この着火性に基づいて、ガスタービン２を点火して始動するのに適切な燃料と空気の混合物が予測される、又はその他の方法で判定される。

一態様において、燃料の着火性は、１以上の着火性インジケータに基づいて計算される。燃料混合物の好ましい着火性インジケータとして、燃焼性（例えばＬＬ）、発熱量（例えばＬＨＶ、ＨＨＶ、Ｑ）及び／又は反応性（例えば反応速度、点火の遅れ及びブローオフなど）が挙げられる。燃料の発熱量又は燃料の個々の成分が既知である場合、これらのインジケータのいずれか、例えばＬＬを求めることができる。しかしながら発熱量を直接測定するセンサ（例えばウォッベメータ、熱量計）、又は個々の成分を測定するセンサ（例えばガスクロマトグラフ）を設置すると費用が高くなる。

本発明のこの態様では、燃料の分子量に関するパラメータが測定される、又はその他の方法で判定される。このようなパラメータの例として、数ある中でも比重、密度、流量及び速度が含まれる。次いで、伝達関数が適用され、燃料の燃焼性、発熱量及び／又は反応性が判定又は予測される。すなわち、この伝達関数を適用して着火性インジケータを求めることができる。

一例として、燃料混合物の比重と温度と可燃リーン限界との関係をそれぞれ特定する１以上の伝達関数は、実験、経験的観察及び／又は複数の他の方法によって求めることができる。可燃リーン限界はこの文脈において、燃料と空気の混合物、すなわち包括的には燃料と酸化剤の混合物の燃焼性の限界として見ることができ、これを下回った場合リーンブローアウトは避けられない。一態様において、関係は、ＬＬ＝ｋ（ａＳＧ²−ｂＳＧ＋ｃ）の形式で表される二次伝達関数としてモデル化することができ、この場合ＬＬは可燃リーン限界を表し、ＳＧはその燃料の比重を表し、ｋは温度補正係数を表し、ａ、ｂ及びｃは補正係数を表している。

別の例として、燃料の比重と下位発熱量との関係をそれぞれ特定する１以上の伝達関数を実験、経験的観察及び他の方法によって得ることができる。一態様において、この関係は、ＬＨＶ＝−ａＳＧ＋ｂＳＧの形式で表される線形伝達関数としてモデル化することができ、この場合、ＬＨＶは燃料の下位発熱量を表し、ＳＧは燃料の比重を表し、ａ及びｂは補正係数を表している。

同様に、燃料の比重と反応性との関係をそれぞれ特定する１以上の伝達関数を得ることも可能である。

上記に見られるように、比重の測定は非常に有用となり得る。具体的に比重が挙げられる場合、分子量に関するパラメータと着火性インジケータの任意の組み合わせ間の関係を特定する伝達関数を求め、これを使用することができることに留意されたい。圧力降下は、このようなパラメータの１つである。例えば燃料は、既知の幾何学形状を有する基準配管部を流れるように作製することができる。この基準配管にわたる燃料の降下を判定することができる。例えば、燃料圧力センサ１４ｄは、基準配管部の入口と出口両方の圧力を測定することができる。着火性インジケータを求めるために、圧力降下と着火性インジケータの関係を特定する伝達関数を適用することができる。

伝達関数を適用することにより着火性インジケータ、すなわちＬＬ、ＬＨＶ及び／又は反応速度を概算した後、混合物の着火性を計算することができる。計算された混合物の着火性の一例は、着火性のリーン限界であり、これは最小点火エネルギーと称される場合もあり、混合物を点火するのに必要な最小限の点火エネルギーである。一態様において、燃料のリーン限界の火炎温度は、燃料の可燃リーン限界などの燃料の着火性インジケータに基づいて求められ、さらにこの燃料の着火性のリーン限界は、対応するリーン限界の火炎温度に基づいて求めることができる。

図３に戻ってこれを参照すると、方法３００は、ステップ３０５で開始される。最初にステップ３１０及び３１５において、パラメータ受信ユニット２１０が、センサによって測定された燃料流量パラメータと空気流量パラメータを受信することができる。燃料流量パラメータとして、燃料の圧力、燃料の圧力降下、燃料の流量、燃料の流速及び燃料の温度を挙げることができる。燃料の流量は、質量流量、容積流量、又はその両方であってよい。空気流量パラメータとして、空気の圧力、空気の圧力降下、空気の流量、空気の流速及び空気の温度を挙げることができる。加えて燃料の分子量又は分子量に関連するパラメータを求めることができる。このような関連するパラメータの例には、数ある中でも比重、密度、速度及び流れの総量が挙げられる。

ステップ３２０で、基準／設計着火性範囲が求められる。これは制御装置６において事前に構成され、外部源から制御装置６に提供される、及び／又は制御装置６に手動で入力することができる。

ステップ３２５で、着火性計算ユニット２２０が、上記に記載したパラメータに基づいて燃料と空気の混合物の着火性を計算することができる。たとえ燃料の組成が既知でない場合でも、先ず最初に混合物を点火せずに、混合物の着火性を計算することができることに気付くことが重要である。したがって燃料の発熱量やウォッベ指数を直接測定する必要がない。また燃料の組成を直接判定する必要もない。

その代わりに着火性計算ユニット２２０は、少なくとも部分的に分子量、又は比重などの関連するパラメータに基づいて、１以上の着火性インジケータを求めることができる。着火性インジケータは、燃料の燃焼性、燃料の熱容量及び／又は燃料の反応性に関連するその燃料のパラメータである。可燃リーン限界、下位発熱量及び反応速度が例として挙げられる。

図４は、ステップ３２５を行なうための非制限的な例のプロセスを示している。ここに見られるように、着火性計算ユニット２２０は、ステップ４１０において伝達関数を適用することによって、着火性インジケータを求めることができる。上記に示されるように、ある伝達関数は、燃料の比重と混合物の温度と混合物の可燃リーン限界との関係をモデル化することができる。別の伝達関数は、燃料の比重と燃料の下位発熱量との関係をモデル化することができる。さらに別の伝達関数は、燃料の比重と反応速度との関係をモデル化することができる。同様に、伝達関数は、同一の又は異なる着火性インジケータを使用して、基準配管部にわたる燃料の圧力降下の関係をモデル化することができる。これらは、比重、圧力降下又は任意の他の分子量に関するパラメータに基づいて着火性インジケータを求めるのに適用することができる伝達関数のうちのほんの一部である。

さらに着火性計算ユニット２２０は、ステップ４２０において、１以上の着火性インジケータに基づいて混合物の着火性を判定することができる。例えば、ステップ４２０で、ステップ４１０で求められ、計算された着火性として与えられた着火性インジケータに基づいて着火性のリーン限界を求めることができる。

図３に戻りこれを参照すると、ステップ３３０で、調節ユニット２３０は、計算された混合物の着火性を設計／基準着火性範囲と比較することによって、計算された混合物の着火性が許容可能かどうかを判断することができる。例えば基準着火性範囲は、着火性範囲の許容できるリーン限界を特定することができる。別の例として、この基準は、１以上の燃焼性インジケータ（例えば可燃リーン限界）、１以上の発熱量インジケータ（例えば下位発熱量、上位発熱量）、及び／又は１以上の反応性インジケータ（例えば反応速度、点火の遅れ、ブローオフ時間）の任意の組み合わせに対する許容可能な範囲を特定することができる。ステップ３３０において、計算された着火性を比較した結果が好ましいものであった場合、方法はステップ３６０で終了し、その時点でタービンの点火を試みることができる。

一方、ステップ３３０において、計算された着火性を比較した結果が好ましくなかった場合、そのときは調節ユニット２２０が、ステップ３３５、３４０及び３４５において、燃料及び空気の流量パラメータを調節することによって、燃料と空気の混合物の着火性を調節することができる。ステップ３５０で、調節ユニット２３０が調節後の着火性が基準着火性範囲内にあるかどうかチェックすることができる。調節後の着火性が基準着火性範囲内にあれば、方法はステップ３６０で終了し、その時点でタービンの点火を試みることができる。そうでない場合、このプロセスを繰り返して、着火性が基準着火性範囲内になるまで、燃料と空気のパラメータをさらに調節することができる。この方法において、計算及び調節ステップは全て、点火を試みる前に行なわれることに留意されたい。

燃料を点火するのに、混合物の着火性の計算及び／又は調節が必要ない場合、燃料と空気は、それぞれの流量パラメータを測定することができるように流れるはずである。１つの方法は、ガスタービンを所定の速度まで回転させることによって、燃料及び空気が、燃料と空気を送達する配管をそれぞれ通って流れることが可能になる。

第２の方法は、燃料と空気を送達する配管に流動的に装着されたポンプを使用して、必要な燃料と空気の流れを生成し、測定を行なうことができるようにすることである。この第２の方法は、実質的な質量を有するガスタービンを回転させる必要がない点で有利である。図１に戻りこれを参照すると、一部の又は全ての弁は、制御装置６によって制御可能なアクティブポンプとして機能することもできる。

また、必要ないとはいえ、ウォッベメータ、熱量計及びガスクロマトグラフなどのセンサによって、燃料の発熱量及び／又は燃料の成分を求めることができる場合、着火性調節ユニット２３０は、少なくとも部分的にこれらのセンサからの測定値に基づいて、燃料と空気の流量パラメータを制御する調節ステップを行なうことができる。

可燃リーン限界は、最初の点火を試みる際の最小限の燃料の設定値に影響することに留意されたい。何らかのそれより少ない量の燃料が供給された場合、リーンブローアウトが生じる可能性がある。しかしながら爆発の危険性を最小限にするために、最初の点火を試みる際に最大燃料設定値も求められるべきである。最大燃料設定値は、対になる可燃リッチ限界補正に基づいて求めることができる。一態様において、制御装置の調節ユニットは、可燃リーン限界補正と可燃リッチ限界補正をそれぞれ利用して最小及び最大燃料設定値を求めることができる。

本明細書は、例を使用し、最良の形態を含めた本発明を開示し、また任意の装置又はシステムを作製及び利用すること、任意の組み入れられている方法を実行することを含めて、当業者が本発明を実施することを可能にするものである。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が思いつく他の例を含むこともできる。このような他の例は、それらが特許請求の範囲のその文字通りの文言とは異ならない構造的な要素を有する場合、又はそれらが特許請求の範囲のその文字通りの文言とわずかな違いがあるにすぎない等価な構造上の要素を含んでいる場合、それらは特許請求の範囲の範囲内にあるものとする。

１ 燃焼器
２ ガスタービン
３ コンプレッサ
４ 燃料弁
５ 三方弁
６ 制御装置
７ 弁
８ａ 燃料熱交換器
８ｂ 空気熱交換器
９ 弁
１０ 入口案内静翼
１１ 弁
１２ 燃料貯蔵及び送達システム
１３ 弁
１４ａ 燃料比重センサ
１４ｂ 燃料流量センサ
１４ｃ 燃料温度センサ
１４ｄ 燃料圧力センサ
１５ａ 空気温度センサ
１５ｂ 空気圧力センサ
１６ センサ
２１０ パラメータ受信ユニット
２２０ 着火性計算ユニット
２３０ 着火性調節ユニット
２４０ 点火パラメータ設定ユニット
３０５ 開始
３１０ 燃料流量パラメータ
３１５ 空気流量パラメータ
３２０ 基準／設計着火性
３２５ 着火性の計算
３３０ 着火性の比較
３３５ 混合物の着火性を調節するための信号
３４０ 空気流量の調節
３４５ 燃料流量の調節
３５０ 調節後の着火性のチェック
３６０ 点火の試み
４１０ 伝達関数の適用
４２０ 着火性の判定

Claims (26)

1. 点火するためにガスタービンに燃料と酸化剤の混合物を送達するために制御装置によって実施され、前記燃料が１種以上の燃料成分の組成物である方法であって、
   混合物の着火性を、前記燃料の分子量に関する１以上の燃料パラメータ、１以上の燃料流量パラメータ及び１以上の酸化剤流量パラメータに基づいて計算し、
   混合物中の前記燃料と酸化剤を、調節後の前記混合物の着火性が、基準着火性範囲内にあるように調節することを含んでなり、
   混合物の着火性を計算する段階、及び燃料と酸化剤の混合物を調節する段階が混合物を点火する前に行なわれる方法。
2. 混合物の着火性を計算する段階が、燃料のウォッベ指数及び発熱量及び燃料の組成を直接測定せずに実施される、請求項１記載の方法。
3. 混合物の着火性を計算する段階が、
   燃料の比重を求める、所定の基準配管部にわたる圧力降下を求める、又はその両方を求め、
   前記燃料の比重、前記圧力降下又はその両方に基づいて１以上の燃料の着火性インジケータを求め、
   前記１以上の着火性インジケータに基づいて着火性のリーン限界を求めることを含んでなり、
   前記燃料の着火性インジケータが、燃料の燃焼性、熱容量及び／又は反応性に関連するパラメータを含み、
   前記着火性のリーン限界が、混合物を点火するのに必要な最小点火エネルギーである、請求項２記載の方法。
4. 燃料の比重を求める段階が、
   燃料比重センサからの測定値に基づいて比重を求め、
   燃料温度センサ、燃料圧力センサ、酸化剤温度センサ及び酸化剤圧力センサのうちの任意の１以上のセンサからの測定値に基づいて比重を求めることを含んでなる、請求項３記載の方法。
5. １以上の着火性インジケータを求める段階が、燃料の比重及び／又は圧力降下と、混合物の温度と、混合物の可燃リーン限界との関係をモデル化する伝達関数を適用することによって混合物の可燃リーン限界を求めることを含んでなり、前記可燃リーン限界は混合物の燃焼性の限界でありこれを下回った場合リーンブローアウトは避けられない、請求項３記載の方法。
6. １以上の着火性インジケータを求める段階が、燃料の比重及び／又は圧力降下と、燃料の低位発熱量との関係をモデル化する伝達関数を適用することによって混合物の低位発熱量を求めることを含んでなる、請求項３記載の方法。
7. １以上の着火性インジケータを求める段階が、燃料の比重及び／又は圧力降下と、燃料の反応速度との関係をモデル化する伝達関数を適用することによって混合物の反応速度を求めることを含んでなる、請求項３記載の方法。
8. 着火性のリーン限界を求める段階が、
   １以上の着火性インジケータに基づいて燃料のリーン限界火炎温度を求め、
   着火性のリーン限界に対応する前記リーン限界火炎温度に基づいて着火性のリーン限界を求めることを含んでなる、請求項３記載の方法。
9. 前記燃料流量パラメータに、燃料の圧力、燃料の圧力降下、燃料の流量、燃料の流速及び燃料の温度が含まれ、
   前記酸化剤流量パラメータに、酸化剤の圧力、酸化剤の圧力降下、酸化剤の流量、酸化剤の流速及び酸化剤の温度が含まれ、
   混合物中の燃料と酸化剤を調節する段階が、前記燃料流量パラメータ、前記酸化剤流量パラメータ及び乱流の任意の組み合わせを制御することを含んでなる、請求項３記載の方法。
10. 混合物中の燃料と酸化剤を調節する段階が、燃料組成センサ、燃料発熱量センサ又はその両方からの測定値に基づいて、前記燃料流量パラメータ、前記酸化剤流量パラメータ又はその両方を制御することを含んでなる、請求項９記載の方法。
11. 混合物の着火性及び着火性のリーン限界の一方又はその両方に基づいて、１以上のガスタービンの点火パラメータを設定することをさらに含んでなり、
    前記ガスタービンの点火パラメータに、スパーク点火時間、スパーク点火周波数及びロータ速度が含まれる、請求項３記載の方法。
12. 可燃リーン限界補正を使用して、最初の点火を試みるための最小限の燃料設定値を求め、可燃リッチ限界補正を使用して、最初の点火を試みるための最大限の燃料設定値を求めることを含んでなる、請求項３記載の方法。
13. 混合物の着火性を計算する段階が、ガスタービンを所定の速度で回転させて、燃料の分子量に関する前記燃料パラメータ、前記燃料流量パラメータ及び前記酸化剤流量パラメータの測定を可能にすることを含んでなる、請求項１記載の方法。
14. 混合物の着火性を計算する段階が、
    燃料を送達する配管に流動的に装着された１以上の燃料ポンプを使用して燃料を汲み上げることで、燃料の分子量に関する前記燃料パラメータ及び前記燃料流量パラメータの測定を可能にし、
    酸化剤を送達する配管に流動的に装着された１以上の酸化剤ポンプを使用して酸化剤を汲み上げることで、前記酸化剤流量パラメータの測定を可能にすることを含んでなり、
    前記燃料と酸化剤ポンプを使用して燃料と酸化剤を汲み上げる際、タービンは回転されない、請求項１記載の方法。
15. 点火するためにガスタービンへの燃料と酸化剤の混合物の送達を制御し、前記燃料が１種以上の燃料成分の組成物である制御装置であって、
    燃料の分子量に関する１以上の燃料パラメータ、１以上の燃料流量パラメータ及び１以上の酸化剤流量パラメータの任意の組み合わせを受信するように構成されたパラメータ受信ユニットと、
    前記パラメータ受信ユニットが受信したパラメータに基づいて混合物の着火性を計算するように構成された着火性計算ユニットと、
    調節後の混合物の着火性が基準着火性範囲内にあるように、混合物中の燃料と酸化剤を調節するように構成された着火性調節ユニットとを備え、
    点火を試みる回数を減らすために、混合物が点火される前に前記着火性計算ユニットが計算を行ない前記着火性調節ユニットが調節を行なう制御装置。
16. 前記着火性計算ユニットが、燃料のウォッベ指数、発熱量及び組成に関する情報なしで混合物の着火性を計算する、請求項１５記載の制御装置。
17. 前記着火性計算ユニットが、前記混合物の着火性を計算し、
    燃料の比重、所定の基準配管部にわたる燃料の圧力降下、又はその両方に基づいて１以上の着火性インジケータを求め、
    前記１以上の着火性インジケータに基づいて着火性のリーン限界を求めることによって、混合物の着火性を計算し、
    前記燃料の着火性インジケータに、燃料の燃焼性、熱容量及び／又は反応性に関するパラメータが含まれ、
    前記着火性のリーン限界が、混合物を点火するのに必要な最小限の点火エネルギーである、請求項１５記載の制御装置。
18. 前記着火性計算ユニットが、燃料及び酸化剤の温度センサ並びに燃料及び酸化剤の圧力センサからの測定値に基づいて比重を求めるように構成されている、請求項１７記載の制御装置。
19. 前記着火性計算ユニットが、燃料の比重及び／又は圧力降下と、混合物の温度と、混合物の可燃リーン限界との関係をモデル化する伝達関数を適用することによって、混合物の可燃リーン限界を求めるように構成され、前記可燃リーン限界は混合物の燃焼性の限界でありこれを下回った場合リーンブローアウトは避けられない、請求項１７記載の制御装置。
20. 前記着火性計算ユニットが、燃料の比重及び／又は圧力降下と、燃料の低位発熱量との関係をモデル化する伝達関数を適用することによって、混合物の低位発熱量を求めるように構成される、請求項１７記載の制御装置。
21. 前記着火性計算ユニットが、燃料の比重及び／又は圧力降下と、燃料の反応速度との関係をモデル化する伝達関数を適用することによって、混合物の反応速度を求めるように構成される、請求項１７記載の制御装置。
22. 前記着火性計算ユニットが、
    １以上の着火性インジケータに基づいて燃料のリーン限界火炎温度を求め、
    着火性のリーン限界に対応する前記リーン限界火炎温度に基づいて、着火性のリーン限界を求めることによって、着火性のリーン限界を求めるように構成される、請求項１７記載の制御装置。
23. 前記燃料流量パラメータに、燃料の圧力、燃料の圧力降下、燃料の流量、燃料の流速及び燃料温度が含まれ、
    前記酸化剤流量パラメータに、酸化剤の圧力、酸化剤の圧力降下、酸化剤の流量、酸化剤の流速及び酸化剤の温度が含まれ、
    前記着火性調節ユニットが、前記燃料流量パラメータ、前記酸化剤流量パラメータ及び乱流の任意の組み合わせを制御することによって、混合物中の燃料と酸化剤を調節するように構成される、請求項１７記載の制御装置。
24. 前記着火性調節ユニットが、燃料組成センサ、燃料発熱量センサ又はその両方からの測定値に基づいて、燃料流量パラメータ、酸化剤流量パラメータ又はその両方を制御することによって、混合物中の燃料と酸化剤を調節するように構成される、請求項２３記載の制御装置。
25. 混合物の着火性及び着火性のリーン限界の一方又はその両方に基づいて、１以上のガスタービンの点火パラメータを設定するように構成された点火パラメータ設定ユニットをさらに備え、
    前記ガスタービン点火パラメータに、スパーク点火時間、スパーク点火周波数及びロータ速度が含まれる、請求項１７記載の制御装置。
26. 前記点火パラメータ設定ユニットが、可燃リーン限界補正を使用して最初の点火を試みるための最小限の燃料設定値を管理し、可燃リッチ限界補正を使用して最初の点火を試みるための最大限の燃料設定値を管理するように構成される、請求項１７記載の制御装置。