JP2013199928A - 燃焼減速シャットダウンモードにおけるガスタービンシステム運転の始動制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼減速シャットダウンモードにおけるガスタービンシステム運転の始動制御方法を提供すること。
【解決手段】燃焼減速シャットダウンプロセスモードで作動しているガスタービンシステムの始動制御方法が提供される。本方法は、燃焼器火炎が着火状態にあるか否かを判定するステップを含む。本方法はまた、燃焼器が着火状態にあると判定された場合にはガスタービンシステムへの燃料流を増大させるステップを含む。本方法はさらに、ガスタービンシステムに対してスタータシステムを開始するステップを含む。
【選択図】 図１

Description

本明細書で開示される主題は、ガスタービンシステムに関し、より詳細には、ガスタービンシステムの始動及び／又は再始動運転に関する。

通常、ガスタービン制御では、ガスタービンシステムが再始動手順を開始する前に非常に長いシャットダウンシーケンスを完了することが必要とされる。多くの場合、これは、燃料流が停止され、燃焼器がフレームアウトし、ガスタービンシステムが転回ギア速度又はその近傍まで減速し続ける指定の低速度まで燃焼減速することが必要である。その後、ガスタービンシステムが再始動され、これには、システムを再着火する前に、パージサイクルを完了してシステムから可燃物を取り除くことが含まれる。

再始動に必要な時間を改善する取り組みには、例えば、パージクレジット、障害のないシャットダウン、より迅速な着火、再始動開始のための高速度の許容条件、より速い加速、及び高速負荷などの制御特徴要素が含まれている。これらの特徴要素の各々では、ガスタービンシステムが燃焼減速の後に非燃焼減速を完了することが必要とされ、これにより再始動時間が長くなり、発電プラントの効率が低下する可能性がある。

本発明の１つの態様によれば、燃焼減速シャットダウンプロセスモードで作動しているガスタービンシステムの始動制御方法が提供される。本方法は、燃焼器火炎が着火状態にあるか否かを判定するステップを含む。本方法はまた、燃焼器が着火状態にあると判定された場合にはガスタービンシステムへの燃料流を増大させるステップを含む。本方法はさらに、ガスタービンシステムに対してスタータシステムを開始するステップを含む。

本発明の別の態様によれば、ガスタービンシステム用の始動制御方法は、ガスタービンシステムの燃焼減速シャットダウンプロセス中に燃焼器火炎の着火状態を維持するステップを含む。本方法はまた、燃焼器火炎が着火状態にあることを確認するステップを含む。本方法はさらに、スタータシステムの関与を含む始動手順を開始するステップを含む。

これら及び他の利点並びに特徴は、図面を参照しながら以下の説明から明らかになるであろう。

本発明とみなされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明から明らかである。この詳細な説明は、例証として図面を参照しながら、本発明の利点及び特徴と共に例示的な実施形態を説明している。

ガスタービンシステムを全体的に示すブロック図。 ガスタービンシステムを再始動する方法を示すフロー図。 別の作動条件からガスタービンシステムを再始動する方法を示すフロー図。

図１を参照すると、ガスタービンシステムは、全体的に参照符号１０で示され、圧縮機１２、燃焼器１４、及びタービン１６を備える。ガスタービンシステム１０はまた、ガスタービンシステム１０の運転に関連する種々の作動を実施するための制御システム１８を含む。制御システム１８は、ガスタービンシステム１０に対する運転制御を提供するため、例えば、スタティックスタータ又は始動モータスタータシステムなどのスタータシステム２０を含む。スタータシステムは一般に、ガスタービンシステム１０の加速を支援するあらゆるシステム、装置、又は機構を指す点は理解されたい。ガスタービンシステム１０は、負荷需要が変化している間は定速で運転されるが、典型的なシャットダウンプロセスは、燃焼器１４が消炎される部分速度状態までのガスタービンシステム１０の速度の低下を含む。ガスタービンシステム１０の減速は、速度がゼロ又はほぼゼロまで継続される。

作動時には、空気が圧縮機１２に流入し、加圧されて高圧ガスになる。高圧ガスは、燃焼器１４に供給され、該燃焼器１４において、例えば、天然ガスなどの可燃燃料と混合される。燃料及び加圧空気は、燃焼器１４に送られて点火され、高温高圧の燃焼生成物又は空気ストリームを形成し、これを用いてタービン１６を駆動する。タービン１６は、複数の回転組立体又は段を含み、これらは、圧縮機／タービンシャフト又はロータ２１を通じて圧縮機１２に動作可能に接続される。

図２を参照すると、フローチャートは、ガスタービンシステム１０がシャットダウンプロセス２４にある間、及びより具体的には、ガスタービンシステム１０が減速している間のガスタービンシステム１０に対する始動制御２２の方法を示す。シャットダウンプロセス２４中、減速時に指定の低速度に達するまでは、燃焼器火炎が着火されたままである。通常、この指定速度は、ガスタービンシステム１０の全速度の約１５％〜２０％であるが、厳密なフレームアウト速度は、ガスタービンシステム１０の運転に関連する多くの条件に基づいて変わる。厳密なフレームアウト速度に関係なく、例示的な方法は、燃焼器が着火したまま、シャットダウンプロセス２４の任意の時点でガスタービンシステム１０の即時再始動を開始する能力をオペレータに提供する。このような能力は、完全なシャットダウンプロセスを完了する必要性を軽減し、これにより発電などのガスタービンシステム１０に関連するプロセスの時間が節減され、全体効率が向上する。具体的には、本方法は、可用性を改善し、停止時間を短縮し、サービス収益を増大させる。

本方法は、燃焼器火炎が着火状態にあるか否かを判定するステップ（参照符号２６で示す）を含む。図示のフローチャート（図２）において単一の決定としてのみ示されているが、これは、燃焼器が着火していることを確認するためのシャットダウンプロセスの間の連続的チェックである点を理解されたい。フレームアウトが生じておらず、燃焼器火炎が着火状態である場合には、適切に命令されると（ステップ２９）、ガスタービンシステム１０の即時再始動を開始することができる（ステップ２８）。しかしながら、シャットダウンプロセスの間の任意の時点で燃焼器が非着火状態であると判定された場合には、引き続きシャットダウンプロセスが継続する（ステップ２７）。着火状態の確認は、例えば、火炎検出器、排気温度拡散、及び隣接する排気熱電対を含む、種々の検出器の監視によって達成される。上述の検出器は、単に例証に過ぎず、多くの代替の検出器を利用して、燃焼器火炎を監視し、即時再始動の開始の許容条件を確立することができる点を理解されたい。具体的には、用語「決定」とは、燃焼が着火状態にあることを確実に確認するあらゆる方法を指すものとし、例えば、タービン排気温度を監視することによるなど、制御システム又は入力パラメータ並びに即時再始動の試行の後で決定を行うことによって推測することができる。

ここで図３を参照すると、即時再始動の開始（ステップ２８）の後、ガスタービンシステム１０のタービン速度を決定するステップが続く（参照符号３０で示される）。８０％よりも高い、及び典型的には８５％よりも高い、比較的高いタービン速度では、ガスタービンシステム１０は、スタータシステム２０を利用することなく再始動することができるが、速度は、特定の用途では５０％又はそれよりも低い速度とすることができる。このような速度では、シャットダウンプロセス２４を逆行させ、ガスタービンシステム１０の即時再始動を開始するのに、単に燃料流量３２の増大及び制御システム１８を使用することで十分である。

ガスタービンシステム１０のタービン速度が、スタータシステム２０無しで再始動するのに十分な速度を下回る場合には、シャットダウンプロセス２４は、スタータシステム２０の関与速度に到達するまで継続する。スタータシステム２０の関与速度までの減速は、ステップ３３で示される。関与速度は、スタータシステム２０が安全に動作を開始できるあらゆる速度を指す。この範囲は可変であり、一部の用途では、このような速度は、タービン速度の約３５％又はそれ未満の速度で生じる。スタータシステム２０の関与速度は、３５％又はそれ未満として説明されているが、このような速度を高めて、スタータシステム２０を利用してより高速度での即時再始動を可能にし、これによりスタータシステム２０の関与速度にまで減速するのに必要な時間を短縮することができる点は企図される。ガスタービンシステム１０の再始動を容易にするために、参照符号３４で示されるスタータシステム２０の始動と連動して、燃料流を増大させる（ステップ３６）。加えて、スタータシステム２０は、ガスタービンシステム１０がスタータシステム２０を必要としない速度未満の速度である状況では、再生モードで始動することができる。このような状況では、スタータシステム２０は、再生モードで使用され、ガスタービンシステム１０がシステムの再始動を開始できる速度までタービンの減速率を増大させる。燃料流量は異なる作動速度及び条件で変化するが、例示の燃料流及び増大は、動作速度の３０％で０．５ｌｂｍ／ｓから１．０ｌｂｍ／ｓまで増大することができる。

有利には、ガスタービンシステム１０の始動制御方法は、シャットダウンプロセスを中断し、再始動手順に即時に移行する能力を提供する。このような移行は、可用性を改善し、停止時間を短縮し、サービス収益を増大させことにより効率を向上させる。本方法により、発電プラントなどのガスタービンシステム１０に関連する用途は、他の場合におけるよりも極めて迅速に所望の条件で作動を開始できる。燃焼器火炎が着火状態にある場合の即時再始動により、燃焼減速及びその後の非燃焼減速を含む、シャットダウンプロセスを完了する一般的要件が排除される。例えば、限定ではないが、パージサイクルを含む、種々の手順を有する燃焼減速プロセスを排除することにより、システム全体で、シャットダウンプロセスの完了に伴う貴重な時間及びリソースが節減される。

限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示された実施形態に限定されないことは理解されたい。むしろ、本発明は、上記で説明されていない多くの変形、改造、置換、又は均等な構成を組み込むように修正することができるが、これらは、本発明の技術的思想及び範囲に相応する。加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様は記載された実施形態の一部のみを含むことができる点を理解されたい。従って、本発明は、上述の説明によって限定されるとみなすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。

１０ ガスタービンシステム
１２ 圧縮機
１４ 燃焼器
１６ タービン
１８ 制御システム
２０ スタータシステム
２２ 始動制御
２４ シャットダウンプロセス
２６ 着火状態
２８ 開始ステップ
２９ 命令ステップ
３０ 決定ステップ
３２ 流量ステップ
３３ 減速ステップ
３４ 始動ステップ
３６ 燃料流増大

Claims (13)

1. 燃焼減速シャットダウンプロセスモードで作動しているガスタービンシステムの始動制御方法であって、
   燃焼器火炎が着火状態にあるか否かを判定するステップと、
   前記燃焼器が着火状態にあると判定された場合には前記ガスタービンシステムへの燃料流を増大させるステップと、
   前記ガスタービンシステムに対してスタータシステムを開始するステップと
   を含む、方法。
2. 前記燃焼器火炎が着火状態にあるか否かの判定は着火状態を確認する、請求項１記載の方法。
3. 前記ガスタービンシステムが、スタータシステム無しでタービン加速することができる第１の速度以上で前記ガスタービンシステムが作動しているか否かを判定するステップをさらに含む、請求項２記載の方法。
4. 前記ガスタービンシステムが前記第１の速度以上で作動していると判定された場合に、前記燃料流を直ちに増大させるステップをさらに含む、請求項３記載の方法。
5. 前記ガスタービンシステムが前記第１の速度を下回って作動している場合には、前記ガスタービンシステムをスタータシステムの関与速度まで減速するステップをさらに含む、請求項３記載の方法。
6. 前記スタータシステムの関与速度が、約３５％未満の速度に対応する、請求項５記載の方法。
7. 前記スタータシステムを開始し、前記燃料流を増大させるステップをさらに含む、請求項６記載の方法。
8. ガスタービンシステム用の始動制御方法であって、
   前記ガスタービンシステムの燃焼減速シャットダウンプロセス中に燃焼器火炎の着火状態を維持するステップと、
   前記燃焼器火炎が着火状態にあることを確認するステップと、
   スタータシステムを始動させることを含む始動手順を開始するステップと
   を含む、方法。
9. 前記燃焼器火炎が着火状態にあるか否かの判定は着火状態を確認する、請求項８記載の方法。
10. 前記燃焼器火炎の着火状態は、約１５％よりも高い速度からの範囲で起こる、請求項８記載の方法。
11. 前記始動手順の開始は、スタータシステム無しでタービン加速することができる第１の速度未満で起こる、請求項９記載の方法。
12. 前記燃焼器火炎が着火状態にある間、前記ガスタービンシステムへの燃料流を増大させるステップをさらに含む、請求項９記載の方法。
13. 前記スタータシステムが、再生モードで始動される、請求項１２記載の方法。