JP2012092838A

JP2012092838A - 過渡運転時における燃焼不安定性を防止するための方法及びシステム

Info

Publication number: JP2012092838A
Application number: JP2011234470A
Authority: JP
Inventors: Joseph Kirzhner; ジョセフ・カーズナー; Predrag Popovic; プレドラグ・ポポビック
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-10-27
Filing date: 2011-10-26
Publication date: 2012-05-17
Also published as: GB201118121D0; GB2485043A; CH704002A2; US20120102967A1; DE102011054547A1; CN102454486A

Abstract

【課題】過渡運転時における燃焼不安定性を防止又は減少させるための方法及びシステムを提供する。
【解決手段】ガスタービンにおける燃焼不安定性のリスクを防止又は減少させるための本方法及びシステムは、タービン制御装置コンピュータプロセッサを利用して、その変化速度を含む所定の記憶安定燃焼性を実運転燃焼性と比較することを含む。実運転燃焼性が安定燃焼性からずれている場合には、制御装置は、ガスタービンの運転を最も急速に安定化させる１以上のガスタービン運転パラメータを修正する。
【選択図】図２

Description

例示的な実施形態は、ガスタービンの過渡運転時における燃焼不安定性を防止するための方法及びシステムに関する。より具体的には、ガスタービンの燃焼プロセス時に燃焼性及び燃焼ダイナミックスを変更して、燃焼不安定性のリスク、特に乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃焼器の一次燃料ノズルにおける逆火／一次再着火（ＰＲＩ）のような望ましくない保炎事象又は再着火のリスクを排除或いは減少させる。

ガスタービンで利用する混合気のタイプに応じて、逆火／ＰＲＩのリスクが増大する可能性がある。高及び低品質燃料の混合物を使用することはコスト効果があるので、ガスタービンにおける燃焼状態を監視しかつ逆火／ＰＲＩ（一次再着火）が検出された後には燃料混合気内の燃料の相対量及び／又は空気の流量を調整する措置を取って、それによって逆火／ＰＲＩを停止させることがこれ迄提案されてきた。

より具体的には、逆火／ＰＲＩの発生後に放出される光を検出する火炎検出器を燃料及び空気予混合通路の吐出端部の上流に配置する。逆火／ＰＲＩの発生を検出した後に、燃料流制御バルブを調整して逆火／ＰＲＩを排除する。従って、この方法は、燃焼不安定性つまり逆火／ＰＲＩが既に検出され、その時点でガスタービンが効率的に運転しておりかつ／或いはガスタービン装置が既に損傷を受けているか又は逆火／ＰＲＩによって性能低下している場合にのみ実施される点においてその有効性に問題があるといえる。

予測しかつ回避する必要がある他の燃焼不安定性には、燃焼ＣＯエミッション、低燃焼器作動温度における高燃焼圧力振幅及び変動（コールドトーン）、並びに特に低ＬＨＶガス燃料ブレンドを燃焼させる場合におけるタービン負荷の望ましくない振れ（振幅）が含まれる。別のタイプの燃焼不安定性は、高ＮＯｘエミッション、高燃焼器作動温度における高燃焼圧力振幅及び変動（ホットトーン）、並びに特に高ＬＨＶガス燃料ブレンドを燃焼させる場合におけるタービン負荷に関連する。

ガスタービンをコスト効果がある状態で運転するためには、異なるタイプの燃料、或いは各種の熱及び化学組成を有する燃料の混合物を利用することが必要である。運転効率は、高及び低コスト燃料、例えば高ＬＨＶ燃料及び低ＬＨＶ燃料の混合物を含む燃料フレックス（燃料自由度）範囲を拡大することにより得られる。

天然ガス（ＮＧ）内での高濃度の高次炭化水素（ＨＨＣ）及び水素（Ｈ₂）との燃料ブレンドのような高ＬＨＶ燃料使用は、火炎安定性を向上させかつ部分負荷運転条件においてタービン運転性を拡大させるが、逆火／ＰＲＩ、高ダイナミックス（圧力振動）及び燃焼器ＮＯｘエミッションのリスクを増大させて、重大な損傷を引き起こす。多量の高ＬＨＶ燃料濃度を有する高反応性ブレンドは、特に過渡（速度及び出力の増大、組成の変更など）運転条件時に望ましくない火炎振動に関連する問題を引き起こす。

現場のタービンでは逆火／ＰＲＩの結果として、破壊が生じるおそれがあり、従ってそのような燃焼不安定性が発生する可能性が高い時を検出して、それらの発生を防止する積極的な対策を取ることができるようにする必要性がある。例えば、逆火／ＰＲＩのような燃焼不安定性の発生は、燃焼振動（振動の振幅）の時間変化速度及びその絶対値を制御することによって防止することができる。より具体的には、燃焼振動の時間変化速度を監視することにより、逆火／ＰＲＩの発生の有無を効果的に予測することができて、積極的な対策、つまり燃焼振動の時間変化速度を調整する対策を取って、それによって燃焼振動の発生のリスクを防止又は少なくとも減少させることができる。発生を防止することができるその他の燃焼振動には、ホットトーン、高ＬＨＶ燃料におけるＮＯｘエミッション、コールドトーン、リーンブローオフ（希薄吹消え）及び高ＣＯが含まれ、これらは全て、特に低温外気温度かつ部分負荷運転条件における低ＬＨＶ燃料の使用により生じる。

本明細書で説明するこの新規な方法の例示的な実施形態は、絶対ダイナミック振動値を測定するステップ、振動振幅時間変化速度を計算するステップ、これらの測定及び計算パラメータを予め定めたものと比較するステップと、最も急速な応答をもたらす１以上の手段によってこれらのパラメータを変更するステップとを含む。燃焼（特）性及び燃焼ダイナミックスを変更して逆火／ＰＲＩ及びその他の燃焼不安定性を防止するための予防的な手段には、燃料対空気比（ＦＡＲ）、前記燃焼器内における燃料及び空気分布（例えば、燃料スプリット修正による変更燃料一次、二次、パイロット及び遅れリーン噴射；燃焼ゾーン間における変更空気流スプリット）、燃料及び空気供給変更の絶対値並びに割合、燃料組成の割合、前記燃焼器への不活性ガス及び／又は水／蒸気の付加、ＣＯｘ、ＮＯｘ及び未燃炭化水素のようなエミッションガスの流量及び／又は組成などを含む１以上のガスタービン運転パラメータを変更又は修正することが含まれる。

燃焼ダイナミックスを変更するこれら列挙した手段の全ては、タービン制御装置によって制御される。燃焼制御装置は、振動振幅の予め定めた及び／又は「今まさに計算した」許容変化速度に相関したタービン運転条件に基づいて、ダイナミック成長速度を調整する。前述したように、振動成長速度を減少させることは、逆火／ＰＲＩ及びその他の燃焼不安定性のリスクを減少させるか或いは逆火／ＰＲＩ及びその他の燃焼不安定性を防止する。

逆火／ＰＲＩのリスクの増大を表す燃焼振動の変化速度を示すグラフ。逆火／ＰＲＩを防止するのに使用するシステム制御装置及びセンサの例示的な実施形態の概略形態を示す図。逆火／ＰＲＩを防止する方法の例示的な実施形態を示すフローチャート。

図１は、例示的なテスト時における燃焼振動の振幅変化速度（つまり、圧力又は騒音の急速振幅変化）を示しており、この例示的なテストでは、一次燃料スプリットは７５〜８５％であり、パイロットは全体燃料流量の０．２〜１．４％であり、ＴＣＤ（燃焼吐出口における温度）は６００〜８００°Ｆであり、ＰＣＤ（圧縮機吐出口における圧力）は１６０〜２００ｐｓｉであり、また燃焼器入口空気流量は４５〜８０ｐｐｓである。振動太線は、燃焼振動の振幅変化速度を示しており、この振幅変化速度は、時間の経過と共に燃焼器作動温度及びＨ₂濃度が高くなるにつれて増大している。直線実線は、曲線の勾配に近似しており、それによって燃焼振動の振幅変化速度を示している。その他の曲線は、Ｈ₂濃度及び燃焼温度を示している。例示的な実施形態は、Ｈ₂濃度の時間変化速度を監視しているが、それに限定されないがプロパン、メタン、ブタン及びエタンを含む他のガスの時間変化速度を監視することもできる。

逆火／ＰＲＩは、太い燃焼振動線がゼロになるグラフ上のポイントの直前又は該ポイントにおいて発生するものとして図示している。グラフはさらに、２１００〜２４００°Ｆのより高い燃焼温度及び２０〜９０％の水素（Ｈ₂）濃度への過渡時に逆火／ＰＲＩが引き起こされることを示している。得られたテストデータは、燃焼ダイナミックス振幅の大きな変化速度並びに／或いは燃料反応性（図１においてＨ₂濃度で表された）変化速度又は燃焼器作動温度（図１）又はエミッション変化速度（図１には図示せず）がＰＲＩの発生可能性を予測する指標として使用することができることを示している。これらの指標は、別個に及び／又は同時に使用することができ、例えばダイナミックス振幅変化速度は、その時の燃焼器作動温度又は水素濃度変化範囲に基づいて決まりかつ制限される筈である。

図２は、過渡ガスタービン運転時における燃焼不安定性を防止するガスタービンシステムの例示的な実施形態を示している。システムは、燃焼器１、空気圧縮機２、タービン３、燃料及び空気送給バルブ４、燃料混合バルブ５、燃料流バルブ６、センサ及び／又は流量計７、水及び／又は蒸気また不活性ガス用の噴射装置８、タービン制御装置９、並びにタービン制御装置９と様々な制御式装置つまりバルブ４、５、６、センサ及び流量計７、噴射装置８との間の連結管路１０を含む。噴射装置は、水及び／又は蒸気を燃焼チャンバ内に噴射して、排気ガスを再循環（ＥＧＲ）させて、並びに／或いは不活性ガスを燃焼チャンバ内に噴射して逆火／ＰＲＩを防止する好適なバルブ（図示せず）を含む。

燃料及び空気送給バルブ４は、ガスタービンシステムに供給される燃料対空気比並びに燃焼器１内の燃料及び空気分布を変更することによって燃焼パラメータの所望の変化を得るために設けられる。例えば、高い反応性燃料ブレンドにおけるＰＲＩ及び／又は高ＮＯｘを回避するためにより多くの燃料を燃焼器の右側端部／出口に導きかつ噴射させることができる（この方法は、遅れリーン噴射と呼ばれることが多い）。燃料混合バルブ５は、様々な反応性燃料を付加することによってガスタービンシステムに供給される燃料組成を変化させるために設けられる。燃料流バルブ６は、全体燃料流量及び燃料流時間速度を調整するために設けられる。

燃料混合バルブ５の直ぐ下流に設置された燃料組成センサ及び／又は流量計７は、燃料組成を推定する働きをする。バルブ４、５、６、センサ及び流量計７並びに噴射装置８は、該バルブ並びにセンサ又は流量計における記憶した所定値の比較に基づいて動作命令を発生するタービン制御装置９に作動接続される。

より具体的には、燃焼振動が許容値を超えた場合には、タービン制御装置９は、燃焼振動の絶対振幅及び時間速度を低下させるのに最速の応答性を有する制御手段を選択し、それにより燃料ブレンドに対するＨ₂（又は、前述したもののようなその他のガス）を付加する時間速度、空気対燃料比、及び／又は燃焼器内の燃料分布（燃焼ゾーンの様々な充填）を変化させて、逆火／ＰＲＩを回避させる。特に、燃焼振動のリスクを防止又は減少させるために、タービン制御装置９は、燃料組成、燃料ブレンド反応性、燃料対空気比、燃焼器内の燃料及び／又は空気分布を変更することによって並びに／或いは燃料を付加することなどによって、燃焼器１及びタービン３を所定の安定作動条件に推し進める動作命令を発生することにより、燃焼振動速度を減少させる。上述したように、燃料反応性は、メタン（例えば、ＣＯ）又は不活性ガス（Ｎ、ＣＯ₂）よりも低い反応性ガスを付加することによって低下させることができる。

上記の例示的な実施形態は燃焼振動の時間変化速度を監視しかつ速度が正常安定過渡運転条件外である場合には修正措置を取るが、修正措置を開始するのにその他のパラメータを監視するか又は計算することができる。例えば、点火遅れ及び／又はブローオフ時間、或いは燃料可燃限界値、或いは燃料断熱温度、或いは燃料−空気化学量論比のような値によって推定される燃料反応性因子は、監視しかつ正常安定過渡運転条件として事前に記憶した値と比較することができる。

図３は、ガスタービン過渡運転時に燃焼振動又は逆火／ＰＲＩを防止する例示的な方法を示している。最初のステップＳ３０において、ガスタービン燃焼性は、逆火／ＰＲＩを予測しかつ防止するために使用する例えばダイナミックス振幅の絶対振幅及び変化速度、燃焼器作動温度、排気ガスプロフィールなどを予め決定しかつ記憶する。ステップＳ３１において、タービン制御装置８は、例えばダイナミックス振幅の変化速度を所定の値と比較するなど、運転燃焼性を事前に記憶した運転燃焼性と比較する。

ステップＳ３２において、運転燃焼性がステップＳ３０における所定のかつ記憶した値を越えているか否かが判定される。答えが「いいえ」である場合には、変更は必要でなくフローチャートはステップ３１に戻る。答えが「はい」である場合には、フローチャートはステップＳ３４に進み、ステップＳ３４において燃焼性の適正な変更が決定される。ステップＳ３４は、燃焼性を最も急速に調整しかつ逆火／ＰＲＩを含む燃焼不安定性のリスクを防止又は減少させるために取るべき１以上の措置を決定する。

その後、ステップＳ３５においてタービン制御装置９は、緊急性に応じて燃焼安定性要件に戻るための命令信号を燃焼変更装置に送信する。前述したように、燃焼変更装置には、上記のバルブ４、５及び６、センサ７並びに噴射装置８が含まれる。ステップＳ３６において、燃焼変更装置は、燃焼性を修正しかつフローチャートは次に、ステップＳ３１に戻る。

本明細書は最良の形態を含む方法及びシステムの実施例としての実施形態を使用して、本発明を開示し、また当業者が、あらゆる装置又はシステムを製作しかつ使用しまたあらゆる組込み方法を実行することを含む本発明の実施を行なうことを可能にもする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲により定めており、また当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素及びプロセスステップを有するか又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する均等な構造的要素及びプロセスステップを含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲内に属することになることを意図している。

１燃焼器
２空気圧縮機
３ガスタービン
４燃料及び空気送給バルブ
５燃料混合気バルブ
６燃料流バルブ
７センサ及び流量計
８噴射装置
９タービン制御装置
１０連結管路

Claims

燃焼器に連結された個別の燃料及び空気送給システム並びに燃焼不安定性のリスクを防止又は減少させるようにガスタービンシステムの運転を制御する制御装置を有する、該ガスタービンシステムを運転する方法であって、以下のステップ：
（ｉ）安定過渡燃焼性時間変化速度を前記制御装置のメモリ内に記憶するステップと、
（ｉｉ）前記ガスタービンシステムの運転時に前記記憶した安定過渡燃焼性時間変化速度に対応する実運転過渡燃焼性時間変化速度を測定するステップと、
（ｉｉｉ）前記実運転過渡燃焼性時間変化速度を前記記憶安定過渡燃焼性時間変化速度と比較するステップと、
（ｉｉｉ）前記実運転過渡燃焼性時間変化速度の少なくとも１つが前記記憶安定過渡燃焼性時間変化速度の対応する１つを超えているか否かを判定するステップと、
（ｉｖ）前記記憶安定過渡燃焼性時間変化速度の対応する１つを超えていると判定された前記実運転過渡燃焼性時間変化速度の少なくとも１つを制御するように少なくとも１つのガスタービン運転パラメータを調整するステップと
を実行するため前記制御装置内の少なくとも１つのプロセッサを使用すること
を含む方法。
前記ガスタービン運転パラメータが、燃料対空気比（ＦＡＲ）、前記燃焼器内における燃料及び空気分布（例えば、燃料スプリット修正による変更燃料一次、二次、パイロット及び遅れリーン噴射；燃焼ゾーン間における変更空気流スプリット）、燃料及び空気供給変更の絶対値並びに割合、燃料組成の割合、前記燃焼器への不活性ガス及び／又は水／蒸気の付加、ＣＯｘ、ＮＯｘ及び炭化水素の１以上を含むエミッションガスの流量及び／又は組成を含む、請求項１記載の方法。
前記制御装置が、実燃焼振動の時間変化速度を低下させて、前記燃焼不安定性のリスクを防止又は減少させる、請求項２記載の方法。
前記制御装置が、前記燃焼不安定性のリスクを防止又は減少させる最速の手段をもたらす前記運転パラメータを選択する、請求項１記載の方法。
前記制御装置が、
（ａ）前記燃焼器に供給される高及び低ＬＨＶ燃料の相対量を混合して前記燃焼不安定性のリスクを防止又は減少させる前記燃料送給システムのバルブ、
（ｂ）前記燃焼器に蒸気を導入して前記燃焼不安定性のリスクを防止又は減少させる蒸気送給システムのバルブ、
（ｃ）前記燃焼器に水を導入して前記燃焼不安定性のリスクを防止又は減少させる水送給システムのバルブ、
（ｄ）前記燃焼不安定性のリスクを防止又は減少させるための前記燃焼器内における燃料スプリット、
（ｅ）前記燃焼不安定性のリスクを防止又は減少させるための前記燃焼器内における燃料対空気比、
（ｆ）前記燃焼不安定性のリスクを防止又は減少させるための前記燃焼器内の燃焼ゾーン間における空気流スプリット、
（ｇ）ＣＯｘ、ＮＯｘ及び炭化水素の少なくとも１つを含んでいて前記燃焼不安定性のリスクを防止又は減少させるエミッションガスの流量及び／又は組成、
（ｈ）前記燃焼器内に不活性ガスを導入して前記燃焼不安定性のリスクを防止又は減少させるバルブ、並びに
（ｉ）前記燃焼不安定性のリスクを防止又は減少させるための前記燃焼器内における燃料消費量
の少なくとも１つを制御する、請求項２記載の方法。
燃焼器に連結された個別の燃料及び空気送給システム並びに燃焼不安定性のリスクを防止又は減少させるようにそれを制御する制御装置を有するガスタービンシステムであって、
前記制御装置に関連して安定過渡燃焼性時間変化速度を記憶するメモリと、
該ガスタービンシステムの運転時に前記記憶した安定過渡燃焼性時間変化速度に対応する実運転過渡燃焼性時間変化速度を測定するセンサと
を備えており、
前記制御装置が、前記実運転過渡燃焼性時間変化速度を前記記憶安定過渡燃焼性時間変化速度と比較し、かつ前記実運転過渡燃焼性時間変化速度の少なくとも１つが前記記憶安定過渡燃焼性時間変化速度の対応する１つを超えているか否かを判定し、
前記制御装置が、前記記憶安定過渡燃焼性時間変化速度の対応する１つを超えていると判定された前記実運転過渡燃焼性時間変化速度の少なくとも１つを制御するように少なくとも１つのガスタービン運転パラメータを制御する、
システム。
前記ガスタービン運転パラメータが、燃料対空気比（ＦＡＲ）、前記燃焼器内における燃料及び空気分布（例えば、燃料スプリット修正による変更燃料一次、二次、パイロット及び遅れリーン噴射；燃焼ゾーン間における変更空気流スプリット）、燃料及び空気供給変更の絶対値並びに割合、燃料組成の割合、前記燃焼器への不活性ガス及び／又は水／蒸気の付加、ＣＯｘ、ＮＯｘ及び炭化水素の１以上を含むエミッションガスの流量及び／又は組成を含む、請求項６記載のシステム。
前記制御装置が、
（ａ）前記燃焼器に供給される高及び低ＬＨＶ燃料の相対量を混合して前記燃焼不安定性のリスクを防止又は減少させる前記燃料送給システムのバルブ、
（ｂ）前記燃焼器に蒸気を導入して前記燃焼不安定性のリスクを防止又は減少させる蒸気送給システムのバルブ、
（ｃ）前記燃焼器に水を導入して前記燃焼不安定性のリスクを防止又は減少させる水送給システムのバルブ、
（ｄ）前記燃焼不安定性のリスクを防止又は減少させるための前記燃焼器内における燃料スプリット、
（ｅ）前記燃焼不安定性のリスクを防止又は減少させるための前記燃焼器内における燃料対空気比、
（ｆ）前記燃焼不安定性のリスクを防止又は減少させるための前記燃焼器内の燃焼ゾーン間における空気流スプリット、
（ｇ）ＣＯｘ、ＮＯｘ及び炭化水素の少なくとも１つを含んでいて前記燃焼不安定性のリスクを防止又は減少させるエミッションガスの流量及び／又は組成、
（ｈ）前記燃焼器内に不活性ガスを導入して前記燃焼不安定性のリスクを防止又は減少させるバルブ、並びに
（ｉ）前記燃焼不安定性のリスクを防止又は減少させるための前記燃焼器内における燃料消費量
の少なくとも１つを制御する、請求項７記載のシステム。