JP2015512483A - ガスタービンを制御するために少なくとも１つの燃焼温度を求める方法、及び、この方法を実行するガスタービン - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つの圧縮器（１２）と少なくとも１つの燃焼室（１３）と少なくとも１つのタービン（１５）とを備えたガスタービン（２０）を制御するために、少なくとも１つの燃焼温度を求める方法であって、タービン（１５）を冷却するために、圧縮器（１２）で圧縮された空気を取り出し、少なくとも１つの外部冷却管路（１７）とこの外部冷却管路（１７）内に配置された制御弁（Ｖ）とを介してタービン（１５）へ供給し、ガスタービンの種々の位置で動作媒体の複数の温度及び複数の圧力を測定し、測定された複数の温度及び前記複数の圧力から少なくとも１つの燃焼温度を導出する方法に関する。本発明において、外部冷却管路を通る冷却空気の質量流量を求め、燃焼温度（Ｔｘ）を導出する際に考慮することにより、フレキシブルかつ正確な制御が可能となる。

Description

本発明は、ガスタービン技術の分野、特に、請求項１の上位概念記載の、ガスタービンを制御するために少なくとも１つの燃焼温度を求める方法に関する。本発明はさらに、上記方法を実行するガスタービンにも関する。

従来技術
燃焼温度は、今日の通常のガスタービンでは、所定の動作条件（基本負荷及び部分負荷）のもとでの制御パラメータとして使用されている。ガスタービンの動作の全耐用期間にわたって燃焼温度の直接測定を正確かつ連続的に行うことは、信頼性及び機械的完全性及び精度の理由から現在のところ不可能であるため、燃焼温度のレベルは、測定された複数のプロセス変数から、ガスタービンの制御論理回路にプログラミングされた燃焼温度計算法を用いて求められる。

この種の温度計算法は、燃焼室流出口温度、タービン流入口温度、タービン流出口温度、又は、ガスタービン内の燃焼に関連する他の任意の要素での温度を求めるために構成されており、例えば、刊行物ＥＰ１２３１３６９Ａ２，ＥＰ１９５９１１５Ａ２，ＵＳ２０１０／０５０５９１Ａ１に詳しく説明されている。

現行のガスタービン動作コンセプトは、ガスタービン動作中に、例えば刊行物ＵＳ２００４／００２５４９１Ａ１もしくはＵＳ２００４／０２２１５８４Ａ１に開示されているような適切な冷却媒体供給部を使用することに関連している。こうした冷却媒体供給部は、一般には冷却空気制御弁によって実現される。こうした冷却媒体供給部の２つの例が図１，図２に概略的に示されている。図１のガスタービン１０は、圧縮器１２と、燃焼室１３と、圧縮器１２及びジェネレータ１６を駆動するタービン１５とを含んでいる。圧縮器１２は、動作中、周囲空気１１を吸入し、これを圧縮して燃焼室１３へ送出する。燃焼室１３へは、燃料管路１４を介して燃料が噴出され、圧縮された空気によってこれが燃焼される。発生した高温ガスは、タービン１５において動力を発生させつつ膨張し、タービン１５から排気され、その後、排気煙突１９を介して外部へ放出される。なお、タービン１５を冷却するために、圧縮器１２の種々の位置で、種々の圧力レベルへ圧縮された空気が取り出され、冷却管路１７，１８を介してタービン１５へ導かれる。この場合、冷却空気の質量流量は制御弁Ｖ１，Ｖ２を介して調整可能である。排気弁Ｖ３，Ｖ４を介して冷却空気を外部へ放出することができる。

図２のガスタービン１０’は、シーケンシャル燃焼部を備えたガスタービンとして構成されており、２つの燃焼室１３ａ，１３ｂ及びこれらに対応する２つの燃料管路１４ａ，１４ｂ及び２つのタービン１５ａ，１５ｂを含む。図示の例では、第２のタービン１５ｂに、冷却管路１７，１８を介して、圧縮器１２からの冷却空気が供給される。弁Ｖ１−Ｖ４の機能は図１の例と同様である。

従来の燃焼温度計算法を用いて調整される冷却媒体供給部による動作中の燃焼温度制御は、目標燃焼温度と実際の燃焼温度との間に望ましくない偏差を生じさせる。この問題点はガスタービンの動作曲線が変化する場合にいっそう顕著となる。

発明の概要
本発明の理解を助けるために、以下に説明する。

本発明の課題は、ガスタービンを制御するために少なくとも１つの燃焼温度を求める方法を提供し、タービンの調整可能な冷却作用を適応的に考慮できるようにすることである。また、本発明は、こうした方法を実行するガスタービンを提供することも課題とする。

上記課題は、請求項１記載の特徴を有する方法、及び、請求項６記載の特徴を有するガスタービンによって解決される。

本発明の方法は、少なくとも１つの圧縮器と少なくとも１つの燃焼室と少なくとも１つのタービンとを備えたガスタービンを基礎としており、タービンを冷却するために、圧縮器で圧縮された空気が取り出され、少なくとも１つの外部冷却管路とこの外部冷却管路内に配置された制御弁とを介してタービンへ供給される。この方法では、ガスタービンの種々の位置で動作媒体の複数の温度及び複数の圧力が測定され、測定された複数の温度及び複数の圧力から少なくとも１つの燃焼温度が導出される。本発明の方法は、外部冷却管路を通る冷却空気の質量流量が求められ、燃焼温度を導出する際に考慮されることを特徴としている。

本発明の方法の有利な実施形態によれば、冷却空気の質量流量を求めるために、制御弁の位置と制御弁の上流及び下流での圧力とが測定される。

特に有利には、制御弁は、冷却空気の質量流量を求めるために用いられるバルブ特性を有する。

本発明の別の有利な実施形態によれば、さらに、ガスタービンの種々の位置で動作媒体の水／蒸気含量が求められ、燃焼温度が導出される際に考慮される。

本発明の別の有利な実施形態によれば、燃焼温度が、式
Ｔ_ｘ＝ｆ_１（Ｔ_７，ｐ_６／ｐ_７，ｘ_ｄ，ｐ_１０／ｐ_１１，θ_１）
にしたがって求められる。ｆ_１はここに挙がっている各変数の１次の項及び高次の項の関数であり、Ｔ_７はタービン流出口での動作媒体の温度であり、ｐ_６／ｐ_７はタービン流入口圧とタービン流出口圧との商であり、ｘ_ｄは動作媒体の水／蒸気含量であり、ｐ_１０／ｐ_１１は冷却管路の制御弁の上流の圧力と下流の圧力との商であり、θ_１は制御弁の位置である。

また、上記方法を実行する本発明のガスタービンは、少なくとも１つの圧縮器と少なくとも１つの燃焼室と少なくとも１つのタービンとを備えており、タービンを冷却するために、圧縮器で圧縮された空気が取り出され、少なくとも１つの外部冷却管路とこの外部冷却管路内に配置された制御弁とを介してタービンへ供給される。ここで、ガスタービンの種々の位置に、動作媒体の複数の温度及び複数の圧力を測定する複数の測定位置が設けられており、各測定位置は対応する信号線路を介して制御装置に接続されている。制御装置は、燃焼室へ通じる燃料管路への燃料供給を制御するための制御命令を出力する。本発明のガスタービンは、外部冷却管路を通る冷却空気の質量流量を求める手段を有することを特徴としている。

本発明のガスタービンの有利な実施形態によれば、制御弁に、当該制御弁の上流及び下流の圧力を測定する測定位置と当該制御弁の位置を測定する測定位置とが設けられ、各測定位置は信号線路を介して制御装置に接続される。

特に有利には、制御装置は、ガスタービンの燃焼温度を制御するための閉じた制御回路の一部である。

本発明を以下に図示の実施例に則して詳細に説明する。

外部冷却管路を通る圧縮器からの圧縮空気によって冷却されるタービンと燃焼室とを備えたガスタービンの概略図である。 第２のタービン用の外部冷却部を有する、シーケンシャル燃焼室を備えたガスタービンの概略図である。 本発明の実施例による、タービンの外部冷却部と冷却空気質量流量を考慮した燃焼温度の制御部とを有するガスタービンの概略図である。

発明の実施形態
本発明は、燃焼温度を求めるための入力量として、制御弁の位置、制御弁の上流及び下流での圧力、冷却媒体の質量流量、及び／又は、バルブ特性を測定することに関する。刊行物ＥＰ１２３１３６９Ａ２，ＥＰ１９５９１１５Ａ２，ＵＳ２０１０／０５０５９１Ａ１等に開示されている測定量の使用に加え、燃焼温度計算の利点を考慮して、特に、冷却管路における制御弁の位置、制御弁での圧力特性、及び／又は、相応のバルブ特性が測定されて考慮される。

動作条件（環境及び／又は負荷に基づく条件）に応じて変化する冷却空気質量流量の影響が上述したように検査され、定置の冷却空気供給部で充分に良好に既知となる（ＥＰ１２３１３６９Ａ２，ＥＰ１９５９１１５Ａ２，ＵＳ２０１０／０５０５９１Ａ１を参照）のに対して、これまで、閉じた制御ループでは、対応する制御弁の位置、制御弁の上流及び下流での圧力、制御弁のバルブ特性は、燃焼温度を計算するための入力量としては使用されていなかった。

図３に示されている実施例によれば、本発明は、少なくとも１つの圧縮器１２と少なくとも１つの燃焼室１３と少なくとも１つのタービン１５とを備えたガスタービン２０に関連する。タービン１５は少なくとも１つの外部冷却管路１７を介して圧縮器１２に接続されている。冷却空気質量流量を制御するために、少なくとも１つの制御弁Ｖが外部冷却回路１７に配置されている。

ここではさらに、１つもしくは複数の燃焼温度を閉じた制御ループにおいて本発明の方法により制御する少なくとも１つの制御装置２９が設けられている。当該制御装置２９には、相応の信号線路３０ａ−３０ｏを介して、入力信号としての複数の測定パラメータが供給される。これらの測定パラメータは制御装置２９で処理されて制御命令３１となり、これによって（例えば燃料管路１４で）燃焼温度が調整される。なお、制御装置２９は、ガスタービン２０の種々の位置での動作媒体の温度及び圧力を表す複数の測定値を処理する制御コンピュータを含む。

以下の各ステップによって、所望の燃焼温度が得られる。
・ガスタービンの種々の位置での動作媒体の複数の温度を測定する。
・ガスタービンの種々の位置での動作媒体の複数の圧力を測定する。
・ガスタービンの種々の位置での動作媒体の水分含量を、刊行物ＥＰ１９５９１１５Ａ２もしくはＵＳ２０１０／０５０５９１Ａ１に記載されているように求める。この場合、測定された湿分は、燃焼温度を求める際の補正量として直接に用いられるのではなく、タービン流入口での基準圧を経時劣化に起因する作用に基づいて適合化するための「較正量」として用いられることに注意されたい。吸入空気冷却部（インレットクーリング）及び燃焼室の双方へ噴射された全水分量に依存するタービン流入口圧力の変化量が、燃焼温度を求める際の本来の補正項として用いられる。本発明によれば、これに基づいて同期が行われる。したがって、湿分量に依存する、タービン流入口圧力の基準値に対する変化量が、本来の補正量となる。なお、湿分情報は、基準値の経時劣化に起因する変化を「較正」するために用いられる。
・冷却管路１７内の１つもしくは複数の制御弁Ｖの位置と、１つもしくは複数の制御弁Ｖの上流及び下流の圧力とを測定する。
・１つもしくは複数の制御弁のバルブ特性（低減された質量流量ｍ_ｒｅｄ、又は、角度位置及び圧力低減量に依存する圧力損失の係数ζ）を形成する。

本発明によれば、制御弁位置の測定、又は、制御弁の上流及び下流の圧力の測定、又は、冷却空気質量流量の測定、及び／又は、バルブ特性が、燃焼温度の導出に用いられる。ガスタービンにおける１つもしくは複数の燃焼温度は、コンピュータ制御によって自動的に、バルブ特性における動作点の関数として、言い換えれば、冷却空気質量流量の関数として設定される。制御弁の制御をアクティブにすると、冷却空気質量流量が変化するが、その変化の影響は、燃焼温度のための制御ループのアルゴリズムにおける数学的相関によって考慮される。

冷却空気質量流量の変化量を燃焼温度の制御に利用することにより、特に、環境及び負荷に基づく動作条件の広い範囲にわたって、燃焼温度の制御精度を改善できる。

閉じた制御ループの構造は、燃焼温度の制御のために、次のように定義される。Ｔ_ｘは、ガスタービンの閉ループ制御に関与する１つもしくは複数の燃焼温度を表す：
燃焼温度Ｔ_ｘは、式
Ｔ_ｘ＝ｆ_１（Ｔ_７，ｐ_６／ｐ_７，ｘ_ｄ，ｐ_１０／ｐ_１１，θ_１）
にしたがって求められる。ここで、ｆ_１は挙げられている各変数の１次の項及び高次の項の関数であり、Ｔ_７はタービン流出口での動作媒体の温度であり、ｐ_６／ｐ_７はタービン流入口圧とタービン流出口圧との商であり、ｘ_ｄは動作媒体の水／蒸気含量であり、ｐ_１０／ｐ_１１は冷却管路１７内の制御弁Ｖの上流の圧力と下流の圧力との商であり、θ_１は制御弁Ｖの位置である。

ここで、商ｐ_６／ｐ_７については、タービン流入口温度Ｔ_６、タービン流出口温度Ｔ_７、ポリトロープのタービン効率η_ｐを用いて、式

が成り立つ。

ｐ_１０／ｐ_１１及びθ_１の考慮は、適合化された冷却媒体質量流量をポリトロープのタービン効率η_ｐにおいて考慮しなければならないという必然性に対応する。当該作用は、冷却空気制御弁Ｖ（位置θ_１及び圧力比ｐ_１０／ｐ_１１）の動作点によって、公知の冷却系での制御弁の基準位置に対する冷却空気管路での冷却空気質量流量ｍ_１０の変化量を得るために考慮される。

パラメータｐ_６／ｐ_７，Ｔ_７でのｍ_１０の考慮は、次のように行われる（ｍ_２は吸入される周囲空気１１の質量流量を表す）：
ｐ_６／ｐ_７＝ｆ_２（ｍ_１０／ｍ_２）かつＴ_７＝ｆ_３（ｍ_１０／ｍ_２）
及び
ｐ_６／ｐ_７＝ｇ_２（ｐ_６／ｐ_{７，ｒｅｆ}，ｐ_１０／ｐ_１１，θ_１）かつＴ_７＝ｇ_３（Ｔ_ｒｅｆ，ｐ_１０／ｐ_１１，θ_１）
ここで、ｆ_２，ｆ_３，ｇ_２，ｇ_３は１次及び高次の項による関数として表される。

図３には、燃焼温度を制御するために、
１）信号線路３０ａ：周囲温度Ｔ_１
２）信号線路３０ｂ：周囲圧ｐ_１
３）信号線路３０ｃ：圧縮器流入口温度Ｔ_２
４）信号線路３０ｄ：調整可能な流入ガイドプレートの位置φ_１
５）信号線路３０ｅ：圧縮器流出口圧ｐ_３
６）信号線路３０ｆ：燃焼室流入口圧ｐ_４
７）信号線路３０ｇ：燃焼室流出口圧ｐ_５
８）信号線路３０ｈ：タービン流入口圧ｐ_６
９）信号線路３０ｉ：制御弁Ｖ上流の圧力ｐ_１０
１０）信号線路３０ｋ：制御弁Ｖの位置θ_１
１１）信号線路３０ｌ：制御弁Ｖ下流の圧力ｐ_１１
１２）信号線路３０ｍ：周囲圧ｐ_１
１３）信号線路３０ｎ：タービン流出口温度Ｔ_７
１４）信号線路３０ｏ：タービン流出口圧ｐ_７
のように、各測定パラメータが対応する信号線路３０ａ−３０ｏを介して制御装置２９へ伝送される。

この場合、タービン流出口圧ｐ_７は周囲圧ｐ_１とタービン流出口から排気煙突１９への圧力損失とによって置換できる。

１０，１０’，２０ ガスタービン、 １１ 周囲空気、 １２ 圧縮器、 １３，１３ａ，１３ｂ 燃焼室、 １４，１４ａ，１４ｂ 燃料管路、 １５，１５ａ，１５ｂ タービン、 １６ ジェネレータ、 １７，１８ 冷却管路、 １９ 排気煙突、 ２１ 圧縮器流入口、 ２２ 取り出し位置（圧縮器）、 ２３ 圧縮器流出口、 ２４ 燃焼室流入口、 ２５ 燃焼室流出口、 ２６ タービン流入口、 ２７ 冷却剤流入口（タービン）、 ２８ タービン流出口、 ２９ 制御装置、 ３０ａ−３０ｏ 信号線路、 ３１ 制御命令、 Ｖ 弁、 Ｖ１，Ｖ２ 制御弁、 Ｖ３，Ｖ４ 排気弁

Claims (9)

1. 少なくとも１つの圧縮器（１２）と少なくとも１つの燃焼室（１３）と少なくとも１つのタービン（１５）とを備えたガスタービン（２０）を制御するために、少なくとも１つの燃焼温度（Ｔ_ｘ）を求める方法であって、
   前記タービン（１５）を冷却するために、前記圧縮器（１２）で圧縮された空気を取り出し、少なくとも１つの外部冷却管路（１７）と該外部冷却管路（１７）内に配置された制御弁（Ｖ）とを介して前記タービン（１５）へ供給し、
   前記ガスタービンの種々の位置で動作媒体の複数の温度及び複数の圧力を測定し、
   測定された前記複数の温度及び前記複数の圧力から少なくとも１つの燃焼温度（Ｔ_ｘ）を導出する、
   方法において、
   さらに、前記外部冷却管路（１７）を通る冷却空気の質量流量を求め、前記燃焼温度（Ｔ_ｘ）を導出する際に考慮する、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記燃焼温度（Ｔ_ｘ）は補正量を有し、
   前記補正量は、湿分量に依存する、タービン流入口圧の基準値に対する変化量によって求められる、
   請求項１記載の方法。
3. 前記湿分量は、前記基準値の経時劣化に起因する変化の較正に用いられる、
   請求項２記載の方法。
4. 前記冷却空気の質量流量を求めるために、前記制御弁（Ｖ）の位置と前記制御弁（Ｖ）の上流及び下流での圧力とを測定する、
   請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記制御弁（Ｖ）はバルブ特性を有しており、該バルブ特性を前記冷却空気の質量流量を求めるために用いる、
   請求項４記載の方法。
6. 前記燃焼温度（Ｔ_ｘ）を、式
   Ｔ_ｘ＝ｆ_１（Ｔ_７，ｐ_６／ｐ_７，ｘ_ｄ，ｐ_１０／ｐ_１１，θ_１）
   にしたがって求め、
   ｆ_１はここに挙げられている各変数の１次の項及び高次の項の関数であり、Ｔ_７はタービン流出口での前記動作媒体の温度であり、ｐ_６／ｐ_７はタービン流入口圧とタービン流出口圧との商であり、ｘ_ｄは前記動作媒体中の水乃至蒸気含量であり、ｐ_１０／ｐ_１１は前記冷却管路（１７）の前記制御弁（Ｖ）の上流の圧力と下流の圧力との商であり、θ_１は前記制御弁（Ｖ）の位置である、
   請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 少なくとも１つの圧縮器（１２）と少なくとも１つの燃焼室（１３）と少なくとも１つのタービン（１５）とを備えた、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法を実行するガスタービン（２０）であって、
   前記タービン（１５）を冷却するために、前記圧縮器（１２）で圧縮された空気が取り出され、少なくとも１つの外部冷却管路（１７）と該外部冷却管路（１７）内に配置された制御弁（Ｖ）とを介して前記タービン（１５）へ供給され、
   前記ガスタービン（２０）の種々の位置に、動作媒体の複数の温度及び複数の圧力を測定する複数の測定位置が設けられており、各測定位置は、対応する各信号線路（３０ａ−３０ｈ；３０ｍ−３０ｏ）を介して制御装置（２９）に接続されており、
   前記制御装置（２９）は、前記燃焼室（１３）へ通じる燃料管路（１４）への燃料供給を制御するための制御命令（３１）を出力する、
   ガスタービンにおいて、
   さらに、前記外部冷却管路（１７）を通る冷却空気の質量流量を求める手段が設けられている、
   ことを特徴とするガスタービン。
8. 前記制御弁（Ｖ）に、該制御弁（Ｖ）の上流及び下流の圧力（ｐ_１０，ｐ_１１）を測定する測定位置と該制御弁（Ｖ）の位置を測定する測定位置とが設けられており、各測定位置は各信号線路（３０ｉ−３０ｌ）を介して前記制御装置（２９）に接続されている、
   請求項７記載のガスタービン。
9. 前記制御装置（２９）は、前記ガスタービン（２０）の燃焼温度（Ｔ_ｘ）を制御するための閉じた制御回路の一部である、
   請求項７又は８記載のガスタービン。

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