JP2015090150A - 部分速度ガスタービン運転の自動制御 - Google Patents

部分速度ガスタービン運転の自動制御 Download PDF

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Abstract

【課題】火炎安定性および燃焼効率を向上させる部分速度ガスタービン運転の自動制御を提供する。
【解決手段】排気温度限界および加速率限界のような他の境界条件を超えずに排気温度分布、燃焼挙動および燃焼排出物に影響を及ぼすために、部分速度運転中のガスタービン10の運転性を制御する方法は、燃料源15、燃料回路14、および燃料源と燃料回路14の間に作動可能にそれぞれ介在するバルブ16を含む、ガスタービン10の燃焼システムが部分速度で運転していることを識別することと、第1および第2のパラメータに基づいて第1および第2の境界を規定することと、規定された第1および第2の境界に従って燃料回路14のそれぞれへの燃料流を制御するようにバルブ16のそれぞれを自動制御することと、を含む。
【選択図】図1

Description

本明細書に開示する主題は、ガスタービン運転に関し、特に、排気温度限界および加速率限界のような他の境界を超えずに排気温度分布、燃焼挙動および燃焼排出物に影響を及ぼすために、火炎安定性および燃焼効率を向上させるように部分速度ガスタービン運転を自動制御することに関する。
ガスタービンの部分速度運転は、非常に過渡的であり、周囲条件およびユニット始動前のタービンの状態により大きく変動し易い。加えて、部分速度の空気流および燃料流の不確実性は、部分速度運転の理解を特に困難にする。実際、拡散運転は、かなりロバストであり、部分速度流の詳細な理解を必要としない一方で、予備混合運転は、特にこれらの変動の影響を受け易い。
米国特許第8,276,363号明細書
本発明の一態様によれば、部分速度運転中のガスタービンの運転性を制御する方法が提供され、方法は、燃料源、燃料回路、および燃料源と燃料回路の間に作動可能にそれぞれ介在するバルブを含む、ガスタービンの燃焼システムが部分速度で運転していることを識別することと、第1および第2のパラメータに基づいて第1および第2の境界を規定することと、規定された第1および第2の境界に従って燃料回路のそれぞれへの燃料流を制御するようにバルブのそれぞれを自動制御することと、を含む。
本発明の別の態様によれば、部分速度運転中のガスタービンの運転性を制御する方法が提供され、方法は、燃料源、燃料回路、および燃料源と燃料回路の間に作動可能にそれぞれ介在するバルブを含む、ガスタービンの燃焼システムが部分速度で運転していることを識別することと、燃料ノズルの当量比および燃焼器の重度パラメータ(severity parameter)に基づいて希薄吹消え(LBO)および過濃吹消え(RBO)の境界を規定することと、規定されたLBOおよびRBOの境界に従って燃料回路のそれぞれへの燃料流を制御するようにバルブのそれぞれを自動制御することと、を含む。
本発明のさらに別の態様によれば、部分速度運転中のガスタービンの運転性を制御するためのシステムが提供され、システムは、燃料源、燃料回路、および燃料源と燃料回路の間に作動可能にそれぞれ介在するバルブを含み、燃焼による作動流体を生成するように部分速度で作動可能である燃焼システムと、コントローラと、を含む。コントローラは、燃焼システムの第1および第2のパラメータに基づく燃焼システムの第1および第2の境界に関連する符号化データと、規定された第1および第2の境界に従って燃料回路のそれぞれへの燃料流を制御するようにバルブのそれぞれを自動制御するように構成されたプロセッサと、を含む。
これらと他の利点および特徴は、図面を併用する以下の説明から一層明らかとなるであろう。
本発明とみなされる主題は、本明細書の終わりの特許請求の範囲で特に指摘され、明瞭に主張されている。前述の特徴および他の特徴ならびに本発明の利点は、添付図面を併用する以下の詳細な説明から明らかである。
実施形態によるガスタービンエンジンの概略図である。 図1のガスタービンエンジンの燃焼器および燃料回路の拡大図である。 図1のガスタービンエンジンのコントローラの概略図である。 実施形態による、部分速度運転中のガスタービンの運転性を制御する方法を示すフロー図である。 更なる実施形態による、部分速度運転中のガスタービンの運転性を制御する詳細な方法を示すフロー図である。 図4の方法で利用される運転境界の図形描写である。 図5の方法の実行結果の図形描写である。 ガスタービンエンジンの成功した始動および失敗した始動の図形描写である。
詳細な説明は、図面を参照する例として本発明の実施形態を利点および特徴と共に説明している。
以下に提供する説明は、ガスタービンエンジンの部分速度自動制御策に関し、同制御策では、ガスタービン制御システムは、排気温度限界および加速率限界のような他の境界を超さずに排気温度分布、燃焼挙動および燃焼排出物に影響を及ぼすために、火炎安定性および燃焼効率を向上させるようにガスタービンエンジンの燃料回路のそれぞれへの燃料流を自動制御する。
図1および図2を参照すると、ガスタービンエンジン10が提供され、ガスタービンエンジン10は、圧縮機11、燃焼器12およびタービンセクション13を含む。圧縮機11は、流入空気を圧縮し、圧縮された流入空気を燃料回路14を通じて燃焼器12に出力する。図1および図2には2つの燃料回路14が示されているが、ガスタービンエンジン10には当然ながら1つの燃料回路14または2つより多い燃料回路14が設けられてもよい。燃料回路14は、各燃料回路14が受け入れる燃料の量を増減させるバルブ16を通じて、燃料源15からの燃料をそれぞれに受け入れる。燃料回路14内では、受け入れられた燃料と圧縮された流入空気とが混ぜ合わされ、可燃性材料として燃焼器12の内部120に噴射される。可燃性材料は、内部120で燃焼され、燃焼器12とタービンセクション13の間に滑らかに介在する尾筒17を通じてタービンセクション13に導入される高温高圧の作動流体を生成する。燃料回路14の一部は、ガスタービンエンジン10に設けられ得る遅延希釈噴射(LLI)システムの一部として、尾筒17の内部に可燃性材料を噴射するように配置されてもよい。タービンセクション13内では、高温高圧の作動流体が膨張されて、タービンセクション13、圧縮機11および発電機19を通じて延在するロータ18の回転を駆動する機械的エネルギーを生成する。ロータ18の回転は、圧縮機11の作動を駆動し、発電機19で発電に利用され得る。
実施形態によれば、図2に示すように、燃料回路14は、第1の燃料回路(PM1回路)141および第2の燃料回路(PM2回路)142を含んでもよい。PM1回路141は、燃焼器12の中央燃料ノズルに、または、環状筒形アレイでは燃焼器12の筒のそれぞれの中央燃料ノズルに供給する。PM2回路142は、燃焼器12の5つの外側燃料ノズルのうちの2つに、または、環状筒形アレイの場合、燃焼器12の筒のそれぞれの5つの外側燃料ノズルのうちの2つに供給する。
ガスタービンエンジン10は、圧縮機11、燃焼器12およびタービンセクション13を通じて配置された複数のセンサ20をさらに含んでもよい。センサ20は、燃焼器12の排気流内に配置されて排気温度を検出する熱電対、タービンセクション13のホイールスペース空洞に配置されてホイールスペース空洞の温度を検出する熱電対等の、温度センサ201を含んでもよい。センサ20は、バルブ16のバルブストロークのフィードバックを供給するように配置された位置センサ202、圧縮機11の吸気口(例えば、ベルマウス状の吸気口)に配置されて圧縮機の流入空気の流れおよび圧力を測定する圧力センサ203、および/または、燃料回路14に配置されて少なくとも燃料回路14に受け入れられる燃料の静圧および動圧を検出するとともに燃料流量を計測する流れ計測センサ204を含んでもよい。これらに基づいてセンサ20の読取値は、運転を通じてガスタービンエンジン10内の、圧力、温度、空気流および燃料流等の、周期変動状態の実態を示す。
図1および図2のガスタービンエンジン10は、負荷(すなわち全負荷、FL)状態または非負荷(すなわち負荷なし、NL)状態で複数のモードおよび複数の速度で運転可能である。特に、ガスタービンエンジン10は、ゼロ速度状態から始動され、全速度状態に至る前の数分間に亘って部分速度状態で加速されてもよい。図1および図2のガスタービンエンジン10の運転性は、燃焼器12、燃料回路14、燃料源15およびバルブ16を含む燃焼システム31(図3参照)に関連する運転境界に依存する場合がある。
例えば、上述したPM1回路141およびPM2回路142の構成では、燃料ノズルの当量比を制御するための3つ以上の運転境界が存在し得る。これらは、PM1回路141の燃料ノズルの当量比に関する希薄吹消え(LBO)境界、PM1回路141の燃料ノズルの当量比に関する過濃吹消え(RBO)境界、およびPM2回路142の燃料ノズルの当量比に関する第3の境界を含む。この第3の境界は、アタッチ/デタッチ(A/D)(attach/detach boundary)境界と称され、その近傍では、燃料ノズルの先端に付いたり離れたりすることによって、PM2回路142の火炎が過渡挙動を示し、もって高い燃焼挙動および燃焼不安定性を生じさせる。代わりに、PM1回路141のRBO境界は、燃焼キャップの金属温度または燃焼放出物に基づく限界と組み合わされてもよい。さらに、PM2回路142のA/D境界のみを考慮する場合、A/D境界は、火炎伝播管の温度および燃焼挙動に基づく限界と組み合わされてもよい。
部分速度状態に関連する運転中、運転性に関する第一の関心事は、完全または部分的な吹消え、過熱、過剰燃焼挙動振幅、低燃焼効率および過剰加速である。燃焼器12の1つ以上の筒での完全または部分的な火炎吹消えは、高排気温度分布を導く場合があり、ガスタービンエンジン10をトリップさせる場合がある。そのような吹消えの原因の1つは、燃料ノズルに燃料ノズルそれぞれの境界を横切らせる燃料流および/または空気流の変動に関連する(例えば、PM1回路141の燃料ノズルの当量比がそのLBOもしくはRBO境界を超え、またはPM2回路142の燃料ノズルの当量比がアタッチメント/デタッチメント境界(attachment/detachment boundary)を横切る。)。過熱は、PM2回路142の燃料ノズルの当量比が高くなり過ぎると生じ、特定の周波数範囲での燃焼挙動増幅は、燃焼器12の特定の部品の許容可能限界を超える場合があり、低燃焼効率は、排出規制がより厳しくなると問題となり得る高レベルのCOおよびUHCを発生させる場合があり、ガスタービンエンジン10が加速制御に移行する前の低速度範囲では、過剰な燃料が指示される場合に加速がその限界を超える場合がある。すなわち、ガスタービンエンジン10が加速制御されるときに、加速スケジュールに従うのに必要とされる燃料の量は、排気温度をその限界まで押し上げる場合がある。
図3を参照すると、部分速度状態に関連する運転中の、図1のガスタービンエンジン10の運転性を制御するためのシステム30が提供される。図2に示すように、システム30は、燃焼による作動流体を生成するように部分速度で作動可能な燃焼システム31と、コントローラ32とを含む。コントローラ32は、符号化データ321が格納されるコンピュータ読取可能媒体320と、燃料回路14のそれぞれおよびバルブ16のそれぞれに関連し作動可能に接続されるプロセッサ322およびサーボユニット323とを含む。符号化データ321は、燃焼システム30の第1および第2のパラメータに基づく、燃焼システム30の第1および第2の運転境界(例えば、PM1回路141の燃料ノズルの当量比に関する希薄吹消え(LBO)境界、およびPM1回路141の燃料ノズルの当量比に関する過濃吹消え(RBO)境界)に関連してもよい。プロセッサ322は、符号化データ321にアクセスするように構成され、バルブ16のそれぞれを自動制御するためにサーボユニット323を操作するように構成される。
制御は、燃焼システム30の既定された第1および第2の運転境界に従って、燃料回路14のそれぞれへの燃料流をプロセッサ322に制御させる。制御は、またPM1回路141およびPM2回路142の当量比の一方または両方に向けてそれぞれのバイアスをプロセッサ322に掛けさせる。バイアスは、例えば空気流計算のマシン間変動を考慮するための調節を考慮に入れる。
図4〜図8を参照すると、プロセッサ322は、ガスタービンエンジン10の燃焼システム30が部分速度状態で運転していることを識別する(動作40)ように構成されてもよい。そのようなケースでは、プロセッサ322は、符号化データ321にアクセスし、符号化データ321から、第1および第2のパラメータに基づいて、PM1回路141(図6参照)およびPM2回路142の当量比境界等の、少なくとも第1および第2の運転境界を規定し(動作41)、第1および第2のパラメータならびに他のパラメータ(例えば、PM2回路142の燃料ノズルの当量比に関する第3の境界)に基づいて追加の運転境界を規定してもよい。第1および第2の運転境界は、ガスタービンエンジン10の運転制御のための周期変動状態のリアルタイム予測を生成するために使用され得る部分速度モデルを形成する。
第1および第2の運転境界から形成され、周期変動状態のリアルタイム予測を生成するために使用可能な部分速度モデルによって、プロセッサ322は、第1と第2の伝達関数のそれぞれによって燃料回路14の燃料流に第1と第2の境界を関連させ、規定された第1および第2の運転境界および第1および第2の伝達関数に従って燃料回路14のそれぞれへの燃料流を制御するためにバルブ16のそれぞれを自動制御するようにサーボユニット323を操作する(動作42)。結果として得られる、燃料回路14のそれぞれへの燃料流の制御は、第1および第2の運転境界に関連するマージンをプロセッサ322が維持し、必要に応じて向上させることを許す。
より詳細には、図5を参照すると、プロセッサ322は、圧縮機および燃焼器の空気流ならびに燃焼重度パラメータを計算してもよい(動作400)。現時点では、プロセッサ322は、PM1回路141のLBOおよびRBO限界を計算しており(動作401)、閉ループ制御方式に従ってLBO限界とRBO限界の中央にPM1回路141の当量比目標を設定してもよい(動作402)。プロセッサ322は、予め定められた値またはA/D限界未満に規定された値にPM1回路142の当量比目標を次いで設定し(動作403)、設定された目標に必要とされるPM1回路141およびPM2回路142の燃料流を計算する(動作404)。現時点では、プロセッサ322は、計算された燃料流を満たすように燃料分割比を計算する(動作405)。動作402および403の一方または両方は、例えば空気流計算のマシン間変動を考慮するための調節を考慮に入れるために、プロセッサ322によって当量比目標にバイアスを掛けること(406)をさらに含んでもよい。
すなわち、図6および図7を参照すると、結果として得られる制御は、第1および第2の運転境界に対して接近しないように、または破らないようにプロセッサ322にガスタービンエンジン10の動作を制御させ、これによって図8に示すように始動の成功の可能性が高まる。
上述したように、実施形態によれば、第1の運転境界は、燃焼システム30の過濃吹消え(RBO)マージンに関連してもよく、第2の運転境界は、燃焼システム30の希薄吹消え(LBO)マージンに関連してもよい。更なる実施形態によれば、図4に示すように、第1と第2のパラメータは、それぞれ局所的な燃料空気比を燃料空気理論混合比で除して得られる燃料ノズルの当量比と燃焼器の重度パラメータを含んでもよい。第1および第2の運転境界の代替例または追加例は、排気温度分布、燃焼挙動、燃焼効率、燃料ノズル、キャップ、火炎伝播管、ライナー、空カートリッジ、液体燃料カートリッジ等の金属温度限界、排気温度および/または加速率、または全加速時間に関連してもよい。各ケースでは、第1および第2のパラメータは、これらの代替例または追加例に関連し、さもなければこれらを規定する、燃焼システム30の特性であってもよい。
追加の実施形態によれば、プロセッサ322は、運転性のマージンを維持するとともに排出性能を向上するために、燃焼システム30の燃焼効率を制御するように構成されてもよい。プロセッサ322は、タービンセクション13のホイールスペースに配置されたセンサ20によって検知されたホイールスペース温度に基づいて、燃焼システム30の暖機時間を変化させるための論理回路3221(図2参照)を含んでもよい。暖機時間は、点火および火炎伝播の後に生じ、低温始動(ホイールスペースの平均温度が、例えば華氏約150度未満である。)の場合、プロセッサ322は、燃焼システム30を制御して2〜2.5分間暖機させる。高温始動(ホイールスペースの平均温度が、例えば華氏約450度超である。)の場合、プロセッサ322は、燃焼システム30を制御して1〜4分間暖機させる。例えば華氏約150〜450度の平均的なホイールスペース温度の場合、プロセッサ322は、約2分または2.5〜4分の線形補間を有するように暖機時間を制御する。変化可能な暖機時間は、低温始動の場合には燃焼効率および排出性能を向上させるが、高温始動の場合には排気温度限界を超えるリスクがない。
更なる別の実施形態によれば、プロセッサ322は、プロセッサ322にガスタービンエンジン10を制御させ、燃焼システム30に連続して加速させる閉ループ加速制御のための追加論理回路3222(図2参照)を含んでもよい。そのような連続加速は、ロータの寿命を向上させ、圧縮機11およびタービンセクション13の損傷リスクを低減する。特に、プロセッサ322は、少なくとも始動を通じて特定の加速率を維持するために、燃料回路14への燃料流を制御してもよい。
本発明は、限られた数の実施形態のみに関して詳しく説明されているが、そのような開示した実施形態に限定されないことは容易に理解されるべきである。むしろ、本発明は、本発明の主旨および範囲に見合うものの、これまでに述べられていない様々な変形、変更、置換または等価な構成を組み込むように修正され得る。加えて、本発明の様々な実施形態が述べられているが、当然ながら、本発明の態様は、述べられた実施形態の一部のみを含んでもよい。したがって、本発明は、上述の記載によって限定されるとみなされるべきではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
10 ガスタービンエンジン
11 圧縮機
12 燃焼器
13 タービンセクション
14 燃料回路
15 燃料源
16 バルブ
17 尾筒
18 ロータ
19 発電機
20 センサ
30 システム、燃焼システム
31 燃焼システム
32 コントローラ
120 内部
141 第1の燃料回路(PM1回路)
142 第2の燃料回路(PM2回路)
201 温度センサ
202 位置センサ
203 圧力センサ
204 流れ計測センサ
320 コンピュータ読取可能媒体
321 符号化データ
322 プロセッサ
323 サーボユニット
3221 論理回路
3222 追加論理回路

Claims (20)

  1. 部分速度運転中のガスタービンの運転性を制御する方法であって、
    燃料源(15)、燃料回路(14、141、142)、および前記燃料源(15)と前記燃料回路(14、141、142)の間に作動可能にそれぞれ介在するバルブ(16)を含む、前記ガスタービンの燃焼システム(31)が部分速度で運転していることを識別することと、
    第1および第2のパラメータに基づいて第1および第2の境界を規定することと、
    前記規定された第1および第2の境界に従って前記燃料回路(14、141、142)のそれぞれへの燃料流を制御するように前記バルブ(16)のそれぞれを自動制御することと、
    を含む方法。
  2. 前記規定することが、少なくとも前記第1および第2のパラメータに基づいて追加の境界を規定することを含む、請求項1に記載の方法。
  3. 前記第1の境界が前記燃焼システム(31)の過濃吹消え(RBO)マージンに関連し、前記第2の境界が前記燃焼システム(31)の希薄吹消え(LBO)マージンに関連し、前記第1と第2のパラメータがそれぞれ燃料ノズルの当量比と燃焼器の重度パラメータを含む、請求項1に記載の方法。
  4. 前記第1の境界が前記燃焼システム(31)の中央燃料ノズル回路の過濃吹消え(RBO)マージンに関連し、前記第2の境界が燃焼キャップの金属温度または燃焼排出物に関連する、請求項1に記載の方法。
  5. 前記第1の境界が前記燃焼システム(31)の外側燃料ノズル回路のアタッチ/デタッチ限界に関連し、前記第2の境界が火炎伝播管の温度および燃焼挙動に関連する、請求項1に記載の方法。
  6. 前記第1と第2の境界をそれぞれ第1と第2の伝達関数によって前記燃料流に関連付けることをさらに含む、請求項1に記載の方法。
  7. 燃焼効率を維持するために前記燃料回路(14、141、142)のそれぞれへの燃料流を制御するように前記バルブ(16)のそれぞれを自動制御することをさらに含み、
    前記バルブ(16)のそれぞれを前記自動制御することが、前記第1と第2の境界の間に規定された目標に閉ループ制御を適用することを含む、請求項1に記載の方法。
  8. 前記目標にバイアスを掛けることをさらに含む、請求項7に記載の方法。
  9. ホイールスペース温度に基づいて暖機時間を変化させることをさらに含む、請求項1に記載の方法。
  10. 予め定められた加速率を維持するように前記燃焼システム(31)を制御することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
  11. 部分速度運転中のガスタービンの運転性を制御する方法であって、
    燃料源(15)、燃料回路(14、141、142)、および前記燃料源(15)と前記燃料回路(14、141、142)の間に作動可能にそれぞれ介在するバルブ(16)を含む、前記ガスタービンの燃焼システム(31)が部分速度で運転していることを識別することと、
    燃料ノズルの当量比および燃焼器の重度パラメータに基づいて希薄吹消え(LBO)および過濃吹消え(RBO)の境界を規定することと、
    前記規定されたLBOおよびRBOの境界に従って前記燃料回路(14、141、142)のそれぞれへの燃料流を制御するように前記バルブ(16)のそれぞれを自動制御することと、
    を含む方法。
  12. 部分速度運転中のガスタービンの運転性を制御するためのシステム(30)であって、
    燃料源(15)、燃料回路(14、141、142)、および前記燃料源(15)と前記燃料回路(14、141、142)の間に作動可能にそれぞれ介在するバルブ(16)を含み、燃焼による作動流体を生成するように部分速度で作動可能である燃焼システム(31)と、
    前記燃焼システム(31)の第1および第2のパラメータに基づく前記燃焼システム(31)の第1および第2の境界に関連する符号化データ(321)、およびプロセッサ(322)を含むコントローラ(32)と、を備え、
    前記プロセッサ(322)が、前記規定された第1および第2の境界に従って前記燃料回路(14、141、142)のそれぞれへの燃料流を制御するように前記バルブ(16)のそれぞれを自動制御するように構成される、システム(30)。
  13. 前記第1の境界が前記燃焼システム(31)の過濃吹消え(RBO)マージンに関連し、前記第2の境界が前記燃焼システム(31)の希薄吹消え(LBO)マージンに関連する、請求項12に記載のシステム(30)。
  14. 前記第1と第2のパラメータがそれぞれ燃料ノズルの当量比と燃焼器(12)の重度パラメータを含む、請求項13に記載のシステム(30)。
  15. 前記第1および第2の境界が前記第1および第2のパラメータならびに追加条件に基づく、請求項14に記載のシステム(30)。
  16. 前記燃料ノズルの当量比が、燃料空気理論混合比によって除された局所燃料空気比を含む、請求項15に記載のシステム(30)。
  17. 前記プロセッサ(322)が、前記第1と第2の境界をそれぞれ第1と第2の伝達関数によって前記燃料流に関連付けるようにさらに構成される、請求項12に記載のシステム(30)。
  18. 前記プロセッサ(322)が、燃焼効率を維持するために前記燃料回路(14、141、142)のそれぞれへの燃料流を制御するように前記バルブ(16)のそれぞれを自動制御するようにさらに構成される、請求項12に記載のシステム(30)。
  19. 前記プロセッサ(322)が、ホイールスペース温度に基づいて暖機時間を変化させるようにさらに構成される、請求項12に記載のシステム(30)。
  20. 前記プロセッサ(32)が、予め定められた加速率を維持するように前記燃焼システム(31)を制御するようにさらに構成される、請求項12に記載のシステム(30)。
JP2014218797A 2013-11-04 2014-10-28 部分速度ガスタービン運転の自動制御 Pending JP2015090150A (ja)

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