JP2015086871A - 金属表面温度の維持を目的としたガスタービン着火の設定 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービン金属表面温度を維持するようにガスタービン着火温度を設定するシステム、方法およびコンピュータ読取可能媒体を提供する。【解決手段】特定の実施形態において開示されるガスタービン着火温度の設定方法は、有灰ベアリング燃料由来の灰が従来の水洗処置により除去できなくなる限界温度を算定する工程３１０と、高温ガス流路部品金属表面温度を算定する工程３３０と、金属表面温度を限界温度より低く維持するようにガスタービン着火温度を調整する工程３４０とを備えていてもよい。金属表面温度を算定する工程３３０は、測定されたガスタービンパラメータ、ガスタービン性能モデルおよび実験的モデルに少なくとも部分的に基づいていてもよい。【選択図】図３

Description

本開示は概してガスタービンに関し、特に金属表面温度を維持するようにガスタービン着火を設定するシステムおよび方法に関する。

ガスタービンはここ数十年間で発電および機械駆動用の重要な供給源となってきた。これほどの利用に至った要因には、その熱効率、入手し易さ、および広範囲の燃料で動作可能であることが含まれる。今日、有灰ベアリング燃料が使用される多くのタービンが世界中に存在する。有灰ベアリング燃料は、タービンに採用される高温材料に有害な影響を与えタービンの性能を低下させることがある微量汚染物（バナジウム等）を含有している可能性がある。原油等の有灰ベアリング燃料を燃焼させることにより、ガスタービンの高温ガス流路部品上に灰が堆積する。特定のガスタービン部品上に灰が堆積するとガスタービンの性能が悪化し、ガスタービンの出力および効率を低下させることがある。灰が比較的軟質である場合、オフライン水洗により除去してガスタービンの性能を略新規および／または清潔な水準に回復することができる。特定の部品表面金属温度を超えると、灰が硬化して洗い落とすことができなくなることがあり、性能の回復には機械洗浄が必要になる可能性がある。一般的に機械洗浄工程には運転停止および解体が必要とされ、動作不能時間の延長および生産量の減損を生じる。現在、ガスタービン着火温度は通常、現場経験により算定された定数値より低く設定される。しかしながら、着火温度の上昇は出力および効率の増加につながるため、着火温度の上昇はこれらのタービンの開発における主要な推力となってきた。したがって、より高い着火温度を有する機械を達成するように燃料取扱および制御システムの開発および設計の試みが引き続きなされている。

本開示の特定の実施形態により上記要求の一部または全部に対処してもよい。例示的な実施形態によれば、有灰ベアリング燃料由来の灰が従来の水洗処置により除去できなくなる限界温度を算定する工程と、高温ガス流路部品金属表面温度を算定する工程と、金属表面温度を限界温度より低く維持するようにガスタービン着火温度を調整する工程とを含んでいてもよいガスタービン着火温度の設定方法が開示される。金属表面温度を算定する工程は、測定されたガスタービンパラメータ、ガスタービン性能モデルおよび実験的モデルに基づいていてもよい。

測定されたガスタービンパラメータは、ガスタービン性能モデルと、高温ガス流路部品金属表面温度を推定する実験的に導出された伝達関数とに対する入力として使用されてもよい。ガスタービン着火温度は、高温ガス部品上の灰堆積から生じるガスタービン出力の低下に基づいて調整されてもよい。さらに、ガスタービン着火温度は、第１段階タービンノズル上の灰堆積により引き起こされる効率低下に基づいて調整されてもよい。

別の実施形態において、ガスタービン着火温度の設定システムが開示される。システムは、複数のセンサと通信可能な少なくとも一つの制御装置を含んでいてもよい。制御装置は、有灰ベアリング燃料由来の灰が従来の水洗処置により除去できなくなる限界温度を算定し、複数のセンサから受信されるデータに基づいて高温ガス流路部品金属表面温度を算定し、金属表面温度を限界温度より低く維持するようにガスタービン着火温度を調整するように動作可能であってもよい。

本発明のまた別の実施形態によれば、プロセッサにより実行されるコンピュータ読取可能命令を有するコンピュータ読取可能媒体が開示される。プロセッサは、有灰ベアリング燃料由来の灰が従来の水洗処置により除去できなくなる限界温度を算定し、複数のセンサから受信されるデータに基づいて高温ガス流路部品金属表面温度を算定し、金属表面温度を限界温度より低く維持するようにガスタービン着火温度を算定するように構成されていてもよい。

このように、本開示の特定の実施形態は、特定の高温ガス流路部品上の硬質な灰堆積の形成を可能な限り減らしながら長期間ガスタービンの性能を改良するという技術的な効果を有していてもよい。本開示のその他の実施形態、特徴および実施態様をここに詳述するが、これらは特許請求される開示の一部と考えられる。その他の実施形態、特徴および実施態様は以下の詳細な説明、添付図面および特許請求の範囲を参照して理解することができる。

これより添付図面を参照するが、各図は必ずしも一定の縮尺で描かれているわけではない。

本開示の実施形態に従って金属表面温度を限界温度より低く維持するように着火温度を調整することによりガス着火温度を設定する例示的なシステム構成の概略ブロック図である。 本開示の実施形態に従って例示的な制御装置の機能ブロック図を示す。 本開示の実施形態に従ってガス着火温度を設定する例示的な方法を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して本開示の例示的な実施形態をより詳細に説明するが、添付図面は幾つかの実施形態を示すのであって全ての実施形態を示すのではない。実に、本開示は多くの異なる形態で実施されてもよく、ここに述べる実施形態に限定されると解釈されるべきではなく、これらの実施形態は当てはまる法的必要条件を本開示が満たすように提供されるものである。全体を通して同一の要素には同一の参照符号を用いる。

図１には、本開示の実施形態に従って構成された例示的なガスタービンシステム１００の代表的な実施形態の機能ブロック図が示されている。図示の実施形態において、タービンシステム１００は有灰ベアリング燃料を燃焼させてもよい。本開示の実施形態は、硬質な灰の形成を可能な限り減らしながらガスタービンの性能を最大限に高めるべく、測定されたガスタービン制御パラメータと、ガスタービン性能モデルと、高温ガス流路部品表面温度を推定するための実験的モデルとを利用してガスタービン着火温度を設定する技術的な効果を有していてもよい。

圧縮機１０は流入する空気を高圧に圧縮してもよい。空気は、タービン空気の開度を制御してもよい可変入口案内翼機構１２を経由して圧縮機１０に流入することができる。燃焼器３０は空気を燃料と混合することができ、燃料を燃焼させて高圧高速ガスを生成する。高温燃焼ガスはタービン２０を横断して流れてこれを回転させ、高温ガス由来のエネルギーを機械的エネルギーに変換することができる。この機械的エネルギーは、電気を生成する発電機４０、または他の用途に用いられる当業者に公知の他のシステムと共に使用してもよい。

温度システム制御装置５０は、内部運転温度を所望の範囲内に維持するようにガスタービンシステム１００への燃料流量を制限してもよい。有灰ベアリング燃料を燃焼させるガスタービンの着火温度は、高温ガス流路部品上に堆積される灰が硬化して従来の水洗処置により除去できなくなる温度により制限されてもよい。灰が堆積するとガスタービンの性能が悪化し、ガスタービンの出力および効率を低下させる。

ガスタービン内の最高温度は燃焼器３０の火炎帯において発生することがある。この火炎帯における燃焼ガスは冷却空気により希釈されてタービン部２０に流入することがある。このガスの温度はガスタービンの着火温度として知られている。この温度が制御システム５０により制御されてもよい温度である。したがって、温度制御システム５０の少なくとも一つの技術的効果は、着火温度を限界温度より低く制御することにより効率を上げる可能性がある。

燃焼室またはタービン入口において温度を直接的に測定するのは非現実的であることから、着火温度は排気温度、入口温度、圧縮機を横断する圧力比、およびシステムを横断する圧力比低下の関数として算定することができる。センサ６０はこれらのパラメータに対する入力を収集および記憶するのに使用してもよい。

ガスタービン制御装置５０は、ガスタービン性能モデルと、高温ガス流路部品金属温度を推定する実験的に導出される伝達関数とに対する入力として、測定されたガスタービン性能パラメータを使用してもよい。続いて金属温度を、堆積した灰が硬化して洗浄できなくなる限界温度より低く保つべくガスタービン着火温度を調整する。第１段階タービンノズル上に灰が堆積すると着火温度が降下する。ガスタービン性能モデル（モデルに基づく制御）を使用して、第１段階タービンノズル上の灰堆積により引き起こされる効率低下を補償するように着火温度を制御してもよい。したがって、少なくとも一つの技術的効果は、硬化した灰堆積を取り除くために動作不能状態を延長する必要なく長期間ガスタービン出力を増加させる可能性がある。

図２は本開示の実施形態に従って温度システム制御装置５０の一例をブロック図により示す。制御装置５０は一または複数のプロセッサ２０２と、一または複数のメモリ２０４と、一または複数の入力／出力（「Ｉ／Ｏ」）インタフェース２０６と、一または複数のネットワークインタフェース２０８とを含んでいてもよい。制御装置５０は不図示の他の装置を含んでいてもよい。

プロセッサ２０２は一または複数のコアを含んでいてもよく、一または複数のメモリ２０４に記憶された命令の少なくとも一部にアクセスし実行するように構成されている。一または複数のメモリ２０４は一または複数のコンピュータ読取可能記憶媒体（「ＣＲＳＭ」）を含むことがある。一または複数のメモリ２０４はランダムアクセスメモリ（「ＲＡＭ」）、フラッシュＲＡＭ、磁気媒体および光学式媒体等を含んでいてもよいが、これに限定されるものではない。一または複数のメモリ２０４は、電力を供給している間のみ情報が保持される揮発性であってもよいし、電力を供給しなくても情報が保持される不揮発性であってもよい。

制御装置５０内に一または複数のＩ／Ｏインタフェース２０６も設けられていてもよい。Ｉ／Ｏインタフェース２０６により、センサ、キーボード、マウス、モニター、プリンタおよび外部メモリ等の装置を連結させることが可能となる。Ｉ／Ｏインタフェース２０６により、排気温度、入口温度、圧縮機入口圧力、圧縮機出口圧力、およびその他のシステム中のパラメータを収集するのに使用することが可能な、運転データを提供できる様々なセンサ６０への連結が可能となる。

一または複数のネットワークインタフェース２０８は制御装置５０と別の装置との間でピアツーピア方式、ネットワーク経由、またはこれら両方等の直接的なデータ転送を提供してもよい。ネットワークインタフェース２０８はパーソナルエリアネットワーク（「ＰＡＮｓ」）、有線ローカルエリアネットワーク（「ＬＡＮｓ」）、ワイドエリアネットワーク（「ＷＡＮｓ」）、無線ローカルエリアネットワーク（「ＷＬＡＮｓ」）および無線ワイドエリアネットワーク（「ＷＷＡＮｓ」）等を含んでいてもよいが、これに限定されるものではない。ネットワークインタフェース２０８は音響信号、無線周波数信号、光信号またはその他の信号を利用して制御装置５０と、スマートフォン、アクセスポイントおよびホストコンピュータ等の別の装置との間でデータを交換してもよい。

一または複数のメモリ２０４は、プロセッサ２０２により実行されて特定のアクションまたは機能を行う命令またはモジュールを記憶してもよい。以下のモジュールは限定事項としてではなく、例示により含まれる。さらに、モジュールは幾つかの実施例においてメモリ２０４に記憶されたものとして描かれているが、モジュールの少なくとも一部が、ネットワークインタフェース２０８またはＩ／Ｏインタフェース２０６を介して制御装置５０にアクセス可能な外部メモリに記憶されてもよい。モジュールは、Ｉ／Ｏインタフェース２０６等のハードウェア資源を管理しプロセッサ２０２上で実行するモジュールまたはアプリケーションに様々なサービスを提供するように構成されたオペレーティングシステムモジュール２１０を含んでいてもよい。

センサモジュール２１４はメモリ２０４に記憶されてもよい。モジュール２１４は一または複数の入力装置からセンサデータを取得し続け、圧縮機を横断する圧力比、システムを横断する圧力比低下およびその他の導出された動作パラメータ等の様々なパラメータを計算するように構成されていてもよい。

計算機モジュール２１６は測定および計算されたガスタービンパラメータを、ガスタービン性能モデルと、実験的に導出された伝達関数とに対する入力として使用して高温ガス流路部品金属温度を推定してもよい。モジュール２１６はデータおよび計算された推定値をデータ記憶装置２１２に記憶してもよい。

制御装置モジュール２１８はガスタービン着火温度を、堆積した灰が硬化して水洗できなくなる限界温度より低く制御するように構成されていてもよい。ガス着火温度は、燃焼器３０への燃料の流量を調整することにより制御されてもよい。この領域における燃焼ガスは、冷却空気のタービン部２０への流入量を調整することにより希釈することができる。

図２を参照して上述された制御装置５０は単に一例として提供されたものである。所望により、ガスタービン着火温度を限界温度より低く制御するために多くの他の実施形態、システム、方法、装置および部品を利用してもよい。

図３は実施形態に従ってガスタービン着火温度を限界温度より低く制御するためのフロー図である。

動作３１０において、温度システム制御装置は、高温ガス流路部品上に堆積した灰が硬化して従来の水洗処置により除去できなくなる温度を得てもよい。現在、ガスタービン着火温度は現場経験により算定された定数値より低く設定することができる。制御曲線は新規および清潔なガスタービンに基づいて算定することができる。第１段階タービンノズル上に灰が堆積すると着火温度が降下することがある。その改良には、ガスタービン性能モデル（モデルに基づく制御）を使用して、第１段階タービンノズル上の灰堆積により引き起こされる効率低下を補償するように着火温度を維持してもよい。

動作３２０において、温度システム制御装置は入口温度、出口温度、システム内の様々な個所における圧力、およびその他の所望の入力等、一または複数の入力装置からのセンサデータを取得してもよく、圧縮機を横断する圧力比、システムを横断する圧力比低下、およびその他の導出された動作パラメータ等の様々なパラメータを計算する。

動作３３０において、ガスタービン制御装置は、ガスタービン性能モデルおよび実験的に導出された伝達関数に対する入力として測定されたガスタービン性能パラメータを使用して高温ガス流路部品金属温度を推定することができる。

動作３４０において、金属温度を、堆積した灰が硬化して水洗できなくなる限界温度より低く保つべくガスタービン着火温度を調整してもよい。この工程の少なくとも一つの技術的効果により、高温ガス流路部品上の硬質な灰堆積の形成を防止しながら長期間ガスタービンの性能を最大限に高めることが可能となる可能性がある。

上述および図示された動作および工程は、様々な実装例において所望により適宜の順序で実行または行われてもよい。また、特定の実施例において、動作の少なくとも一部は平行して実行されてもよい。さらに、特定の実装例において、上述の動作より少ない動作が行われてもよいし、多い動作が行われてもよい。

ここに記載されている説明は例を使用して最良の形態を含め本開示の特定の実施形態を開示し、またいずれかの装置またはシステムを作成および使用すること、およびいずれかの組み込まれた方法を行うことを含め当業者が本開示の特定の実施形態を実施することを可能とする。本開示の特定の実施形態の特許可能な範囲は特許請求の範囲に定義されており、当業者が思い浮かべる他の例を含んでいてもよい。このような他の例は、特許請求の範囲の字義どおりの言葉と異ならない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の字義どおりの言葉と実質的には異ならない同等の構造要素を含む場合には特許請求の範囲に含まれると考えられる。

１０ 圧縮機
１２ 案内翼機構
２０ タービン、タービン部
３０ 燃焼器
４０ 発電機
５０ 制御装置、制御システム
６０ センサ
１００ タービンシステム、ガスタービンシステム
２００ システム
２０２ プロセッサ
２０４ メモリ
２０６ Ｉ／Ｏインタフェース、インターフェ−ス
２０８ ネットワークインタフェース
２１０ オペレーティングシステムモジュール
２１２ データ記憶装置
２１４ センサモジュール、モジュール
２１６ 計算機モジュール、モジュール
２１８ 制御装置モジュール
３１０ 動作
３２０ 動作
３３０ 動作
３４０ 動作

Claims (20)

1. ガスタービン着火温度の設定方法であって、
   有灰ベアリング燃料由来の灰が従来の水洗処置により除去できなくなる限界温度を算定する工程（３１０）と、
   高温ガス流路部品金属表面温度を算定する工程（３３０）と、
   前記金属表面温度を前記限界温度より低く維持するように前記ガスタービン着火温度を調整する工程（３４０）と
   を備える方法。
2. 前記金属表面温度を算定する工程（３３０）は、測定されたガスタービンパラメータに少なくとも部分的に基づいている、請求項１に記載の方法。
3. 前記金属表面温度を算定する工程（３３０）は、ガスタービン性能モデルに少なくとも部分的に基づいている、請求項１に記載の方法。
4. 前記金属表面温度を算定する工程（３３０）は、実験的モデルに少なくとも部分的に基づいている、請求項１に記載の方法。
5. 前記測定されたガスタービンパラメータは、ガスタービン性能モデルと、前記高温ガス流路部品金属表面温度を推定する実験的に導出された伝達関数とに対する入力として使用される、請求項２に記載の方法。
6. 前記ガスタービン着火温度は、高温ガス部品上の灰堆積から生じるガスタービン出力の低下に少なくとも部分的に基づいて調整される、請求項１に記載の方法。
7. 前記ガスタービン着火温度は、第１段階タービンノズル上の灰堆積により引き起こされる効率低下に少なくとも部分的に基づいて調整される、請求項１に記載の方法。
8. ガスタービン着火温度の設定システムであって、
   複数のセンサ（６０）と通信可能な少なくとも一つの制御装置（５０）を備えており、
   前記少なくとも一つの制御装置（５０）は、
   有灰ベアリング燃料由来の灰が従来の水洗処置により除去できなくなる限界温度を算定し、
   前記複数のセンサ（６０）から受信されるデータに基づいて高温ガス流路部品金属表面温度を算定し、
   前記金属表面温度を前記限界温度より低く維持するようにガスタービン着火温度を調整する
   ように動作可能であるシステム。
9. 前記複数のセンサ（６０）から受信される前記データは、測定されたガスタービンパラメータから成る、請求項８に記載のシステム。
10. 前記少なくとも一つの制御装置（５０）は、ガスタービン性能モデルに少なくとも部分的に基づいて前記金属表面温度を算定する、請求項８に記載のシステム。
11. 前記少なくとも一つの制御装置（５０）は、実験的モデルに少なくとも部分的に基づいて前記金属表面温度を算定する、請求項８に記載のシステム。
12. 前記少なくとも一つの制御装置（５０）は、ガスタービン性能モデルと、前記高温ガス流路部品金属表面温度を推定するための実験的に導出される伝達関数とに対する入力として、測定されたガスタービンパラメータを受信する、請求項８に記載のシステム。
13. 前記少なくとも一つの制御装置（５０）は、高温ガス部品上の灰堆積から生じるガスタービン出力の低下に少なくとも部分的に基づいて前記ガスタービン着火温度を調整する、請求項８に記載のシステム。
14. 前記少なくとも一つの制御装置（５０）は、第１段階タービンノズル上の灰堆積により引き起こされる効率低下に少なくとも部分的に基づいて前記ガスタービン着火温度を調整する、請求項８に記載のシステム。
15. 少なくとも一つのプロセッサ（２０２）により実行される場合に前記少なくとも一つのプロセッサ（２０２）を
    有灰ベアリング燃料由来の灰が従来の水洗処置により除去できなくなる限界温度を算定し、
    複数のセンサ（６０）から受信されるデータに基づいて高温ガス流路部品金属表面温度を算定し、
    前記金属表面温度を前記限界温度より低く維持するようにガスタービン着火温度を調整する
    ように構成するコンピュータ読取可能命令を記憶する一または複数のコンピュータ読取可能媒体。
16. 前記複数のセンサ（６０）から受信される前記データは、測定されたガスタービンパラメータから成る、請求項１５に記載のコンピュータ読取可能媒体。
17. 前記少なくとも一つのプロセッサ（２０２）は、ガスタービン性能モデルに少なくとも部分的に基づいて前記金属表面温度を算定するように構成される、請求項１５に記載のコンピュータ読取可能媒体。
18. 前記少なくとも一つのプロセッサ（２０２）は、実験的モデルに少なくとも部分的に基づいて前記金属表面温度を算定するように構成される、請求項１５に記載のコンピュータ読取可能媒体。
19. 前記少なくとも一つのプロセッサ（２０２）は、ガスタービン性能モデルと、前記高温ガス流路部品金属表面温度を推定するための実験的に導出される伝達関数とに対する入力として、測定されたガスタービンパラメータを受信するように構成される、請求項１５に記載のコンピュータ読取可能媒体。
20. 前記少なくとも一つのプロセッサ（２０２）は、高温ガス部品上の灰堆積から生じるガスタービン出力の低下に少なくとも部分的に基づいて前記ガスタービン着火温度を調整するように構成される、請求項１５に記載のコンピュータ読取可能媒体。