JP2018003848A - ガスタービンアセンブリの制御方法 - Google Patents

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Bolanios-Chaverri Felipe
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Thiemo Meeuwissen
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Abstract

【課題】ガスタービンアセンブリの制御方法を提供する。【解決手段】ガスタービンアセンブリは、圧縮空気の流れを生成するために外部空気の圧縮を行う圧縮器と、シーケンシャル燃焼器と、を備えており、シーケンシャル燃焼器は、高温ガスの流れを生成するために圧縮器から到達した圧縮空気と燃料との混合物の燃焼を行う第1の燃焼器と、第1の燃焼器より下流に配置され、第1の燃焼器から到達した高温ガスと燃料との混合物の燃焼を行う第2の燃焼器と、を備えており、ガスタービンアセンブリは、さらに、第1の燃焼器から到達した高温ガスの部分膨張を行う中間タービンと、中間タービンから到達した高温ガスと燃料との混合物の燃焼を行う第2の燃焼器と、を備えており、ガスタービンアセンブリの始動過渡動作フェーズにおいて、第1の燃焼器および/または第2の燃焼器へ供給される燃料質量流量を第1の燃焼器内部の火炎温度に基づいて制御する。【選択図】図1

Description

本発明は、ガスタービンアセンブリの制御方法に関する。
具体的には本発明は、始動フェーズ中およびこれに類する過渡フェーズ中のシーケンシャル燃焼式のガスタービンアセンブリの制御方法に関する。以下の記載が明示的に言及している用途は単なる例であり、一般性のいかなる放棄も含意するものではない。
公知のように、シーケンシャル燃焼式のガスタービンアセンブリは一般的に、2つの燃焼器と高圧の中間タービンとを備えており、この中間タービンは、第1の燃焼器から第2の燃焼器へ移動する高温ガスの流れを部分膨張させて高温ガスの温度を低下させるため、2つの燃焼器間に介挿される。
第2の燃焼器を選択的に使用することにより、パワー出力を変化させることができ、ガスタービンアセンブリを、比較的低汚染のエミッションで幅広い範囲の負荷条件下で効率的に動作させることができる。
現在のシーケンシャル燃焼式のガスタービンアセンブリでは、燃焼器の始動シーケンスは通常、マッピングテーブルに従い、中間タービンの出口におけるガス温度(以下「TAT1」という)、測定された温度TAT1で第1の燃焼器のパイロット火炎へ供給される燃料質量流量と第1の燃焼室へ供給された総燃料質量流量との比(以下「S1R」という)に基づいて制御され、これは、ガスタービンアセンブリの圧縮器の熱的状態に依存する。
つまり、始動フェーズ中、予め定められたスケジュールに従って固定のTAT1値に基づき、燃料が適時に第1および/または第2の燃焼器へ供給される。
TAT1スケジュールは通常、フィールド試験の際に定義され、しばしば、ガスタービンアセンブリの実動作条件に適合するため、かつ燃焼器の始動挙動を改善するため、TAT1スケジュールを現場にて調整しなければならないことが多い。
始動は過渡的フェーズであるから、TAT1スケジュールの調整は非常に困難である。というのも、連続的に変化するエンジンパラメータ(すなわち、空気燃料質量流量比、圧力、温度、タービン回転速度等)が使用されるからである。また、エンジンの熱的状態も重要な役割を果たし(高温または低温エンジン)、これにより、調整手順にさらなる変数が追加されることとなる。
残念なことに、現在使用されている、TAT1無停止測定に基づく固定のTAT1スケジュールは、周囲温度の変化とエンジンの熱的状態とを考慮するものではない。
換言すると、現在使用されているTAT1スケジュールは、全てのエンジン動作条件において、ガスタービンアセンブリの始動フェーズを最適化するために必要なフレキシビリティおよび精度を達成できるわけではない。
TAT1パラメータは実際には、第1の燃焼器から下流へ遠く離れた場所で測定されるものであるため、TAT1パラメータでは、燃焼器内部の火炎温度の急激な変動は分からず、燃焼器内部の火炎温度のこの急激な変動は火炎不安定性、希薄吹き消え現象(一般的に「LBO」として知られている)および/または圧力脈動の原因となり得、これが内包するあらゆる問題も共に生じ得る。
本発明の課題は、現在使用されている固定のTAT1スケジュールに関連する欠点を回避することである。
上記課題を解決するため、本発明では、ガスタービンアセンブリの制御方法であって、当該ガスタービンアセンブリは、圧縮空気の流れを生成するために外部空気の圧縮を生じさせる圧縮器と、シーケンシャル燃焼器とを備えており、シーケンシャル燃焼器は、高温ガスの流れを生成するために前記圧縮器から到達した圧縮空気と燃料との混合物の燃焼が行われる第1の燃焼器と、当該第1の燃焼器(4)より下流に配置された第2の燃焼器(7)とを備えており、当該第2の燃焼器(7)において、前記第1の燃焼器(4)から到達した高温ガスと燃料との混合物の燃焼が行われる制御方法が提供され、当該制御方法は、ガスタービンアセンブリの始動過渡動作フェーズにおいて、当該第1の燃焼器へ供給される燃料質量流量を当該第1の燃焼器内部の火炎温度に基づいて制御するステップを有することを特徴とする。
有利には、本方法はさらに、当該第1の燃焼器へ供給される燃料質量流量を、予め定められたTFL1スケジュールに従って制御することを特徴とする。
有利には、本方法はさらに、始動過渡動作フェーズ中において第1の燃焼器内部の火炎温度を実質的に一定に維持するために、前記TFL1スケジュールを適応調整することを特徴とする。
有利には、本方法はさらに、前記TFL1スケジュールを、当該ガスタービンアセンブリの複数のエンジンパラメータの値に基づいて決定することを特徴とする。
有利には、本方法はさらに、当該ガスタービンアセンブリが、前記第1の燃焼器から到達して前記第2の燃焼器へ送られる高温ガスの部分膨張を行う、当該第1の燃焼器と当該第2の燃焼器との間に介挿された中間タービンをさらに備えていることを特徴とする。
有利には、本方法はさらに、
ガスタービンアセンブリの複数のエンジンパラメータを測定するステップと、
前記複数のエンジンパラメータの現在の値に基づき、適切なTFL1スケジュールを選択/決定するステップと、
前記TFL1スケジュールに基づき、前記第1の燃焼器および/または前記第2の燃焼器へ供給される燃料質量流量を制御するステップと
を有することを特徴とする。
有利には、本方法はさらに、前記TFL1スケジュールが中間タービンの出口において測定されるガス温度の目標値のシーケンスを有し、当該目標値は、前記ガスタービンアセンブリの前記複数のエンジンパラメータの現在の値に基づき、第1の燃焼器内部の火炎温度と当該エンジンパラメータとの関係を表す数学的モデルに従って算出されることを特徴とする。
有利には、本方法はさらに、前記中間タービンの出口におけるガス温度を繰り返し測定するステップと、当該中間タービンの出口において測定されるガス温度が前記目標値のシーケンスに合致するように、前記第1の燃焼器および/または前記第2の燃焼器へ供給される燃料質量流量を制御するステップとを有することを特徴とする。
有利には、本方法はさらに、複数のエンジンパラメータが、
前記圧縮器の入口におけるガス温度、および/または
前記圧縮器の出口におけるガス温度、および/または
前記中間タービンの出口におけるガス温度、および/または
前記圧縮器の出口におけるガス圧力、および/または
前記第1の燃焼器内部のガス圧力、および/または
前記第2の燃焼器内部のガス圧力、および/または
前記ガスタービンアセンブリのエンジンシャフトの回転速度
を含むことを特徴とする。
以下、添付の図面を参照して本発明を説明する。本図面は、本発明の実施形態を何ら限定するものではない。
本発明の一実施形態のガスタービンアセンブリの概略図である。 図1のガスタービンアセンブリの断面の部分斜視図である。 ガスタービンアセンブリが2つの異なるエンジン熱的状態にあるときに従来の固定のTAT1スケジュールに従って実施された始動フェーズ中の、当該ガスタービンアセンブリの回転速度に対する当該ガスタービンアセンブリの第1の燃焼器内部の火炎温度(TFL)を示すグラフである。 図3と対照的に、ガスタービンアセンブリが図2に示された同一の2つの異なるエンジン熱的状態にあるときに本発明に従って実施された始動フェーズ中の、当該ガスタービンアセンブリの回転速度に対する当該ガスタービンアセンブリの第1の燃焼器内部の火炎温度(TFL)を示すグラフである。 本発明の他の代替的な一実施形態により動作するガスタービンアセンブリの一部の断面図である。
図1および図2を参照すると、符号1はシーケンシャル燃焼式のガスタービンアセンブリ全体を示しており、これは、有利には特に、伝統的な発電機100を回転駆動するために適したものである。
ガスタービンアセンブリ1は基本的に、管状のメインケーシング2に沿って順に、圧縮空気の流れを生成するために外部空気の圧縮を行う、有利には多段の圧縮器3と、圧縮器3から到達した圧縮空気と第1の燃料供給路5から到達した燃料との混合物の燃焼を行って高温ガスの流れを生成する、圧縮器3より下流に配置された第1の燃焼器4と、燃焼器4から到達した高温ガスの部分膨張を行う、燃焼器4より下流に配置された高圧タービン6と、タービン6から到達した高温ガスと第2の燃料供給路8から到達した燃料との混合物の燃焼を行って高温ガスの第2の流れを生成する、タービン6より下流に配置された第2の燃焼器7と、最後に、燃焼器7から到達した高温ガスがガスタービンアセンブリ1から排出される前に当該高温ガスの完全膨張を行う、燃焼器7より下流に配置された、有利には多段の低圧タービン9と、を備えている。
第1の燃焼器4と第2の燃焼器7とは、シーケンシャル燃焼器を構成する。有利には、ガスタービンアセンブリ1の各燃焼器4,7はさらに、燃焼室と、当該燃焼室の入口に配置された燃料バーナと、を備えている。
図示の実施例ではガスタービンアセンブリ1の燃焼器4および7はカン型燃焼器である。しかし別の実施形態では、燃焼器4および/または7をカニュラ型燃焼器またはアニュラ型燃焼器とすることもできる。
ガスタービンアセンブリ1の全体構造は広く自明となっているので、これ以上の詳細な説明は不要である。
ガスタービンアセンブリ1の一般的な動作は、シーケンシャル燃焼式の他のあらゆるガスタービンアセンブリの一般的な動作と類似するものである。
安定的な全負荷動作または部分負荷動作の間は、燃料は公知の態様で燃焼器4および/または7へ適正に供給されて、電力出力は電動機所要出力に連続的に合致し続ける。
しかしガスタービンアセンブリ1の始動時には、予め定められた固定のTAT1スケジュールに従って(すなわち、タービン6の出口におけるガス温度の所与の一定値に基づく、予め定められたスケジュールで)燃料供給路5および/または8内の燃料流量を制御するのではなく、燃焼器4の燃焼室11内部の火炎温度(以下「TFL1」という)に応じて、燃料供給路5および/または8内の燃料流量を適時に制御する。
詳細には、燃料供給路5および/または8における燃料流量は有利には、予め定められたTFL1スケジュールに従って制御され、このTFL1スケジュールは有利には、始動フェーズ中はTFL1値(すなわち、燃焼器4の燃焼室11内部の火炎温度)を実質的に一定に維持するように選択されるものである。
しかし、TFL1(すなわち、燃焼器4の燃焼室11内部の火炎温度)の直接測定は通常は不可能であるため、ガスタービンアセンブリ1の複数のエンジンパラメータのリアルタイム測定結果に基づいて、TFL1パラメータの推定値を算出する。
有利には、かかるエンジンパラメータは、圧縮器3の入口におけるガス温度(以下「Tk1」という)、圧縮器3の出口におけるガス温度(以下「Tk2」という)、タービン6の出口におけるガス温度またはTAT1、圧縮器3の出口におけるガス圧力(以下「Pk2」という)、燃焼器4内部のガス圧力(以下「PEV」という)、燃焼器7内部のガス圧力(以下「PSEV」という)、および、ガスタービンアセンブリ1のエンジンシャフト10の回転速度である。
よって、上述のTFL1スケジュールは有利には、複数の測定されたエンジンパラメータ(Tk1,Tk2,TAT1,Pk2,PEV,PSEV等)の現在の値に基づいて選択/決定される。
有利には、TFL1スケジュールはさらに、タービン6の出口におけるガス温度の目標値(以下「TAT1cmd」という)のシーケンスを有し、これらの目標値は、上述の複数のエンジンパラメータ(Tk1,Tk2,TAT1,Pk2,PEV,PSEV等)の現在の値に基づき、TFL1(すなわち、燃焼器4の燃焼室11内部の火炎温度)と当該エンジンパラメータとの関係を表す数学的モデルに従って算出される。
詳細には、ガスタービンアセンブリ1の始動中、有利には、測定されるTAT1パラメータ(すなわち、タービン6の出口において測定されるガス温度)が、以下の数式から得られる目標値TAT1cmdのシーケンスに合致するように、燃料供給路5および/または8における燃料流量を適時に制御する。
Figure 2018003848
ここで、
nominalは、公称ポリトロープ指数であり、
mechは、実際のポリトロープ指数であり、
PR(n)は、タービンの機械的特性とnとに依存するタービン膨張冪指数であり、
TFL1schedule(n)は、nの予め定められた設定値線形関数であり、
最後に、Tk1,avgは、Tk1の平均値(すなわち、圧縮器3の入口におけるガス温度の平均値)である。
上記事項については、始動中のガスタービンアセンブリ1の制御方法は、有利には基本的に、予め定められたTFL1スケジュールに基づいて、燃焼器4および/または燃焼器7へ供給される燃料質量流量を制御するステップを含み、このTFL1スケジュールは有利には、始動中、燃焼器4の燃焼室11内部の火炎温度すなわちTFL1パラメータを実質的に一定に維持するために適合されたものである。
詳細には、ガスタービンアセンブリ1の制御方法は有利には、
・ガスタービンアセンブリ1の複数のエンジンパラメータ(Tk1,Tk2,TAT1,Pk2,PEV,PSEV等)を測定するステップと、
・前記複数のエンジンパラメータ(Tk1,Tk2,TAT1,Pk2,PEV,PSEV等)の現在の値に基づき、適切なTFL1スケジュールを選択/決定するステップと、
・前記TFL1スケジュールに従い、燃焼器4および/または燃焼器7へ供給される燃料質量流量を制御するステップと、
を有する。
さらに、前記TFL1スケジュールは有利には、TAT1cmd値のシーケンス(すなわち、タービン6の出口において測定されたガス温度の目標値のシーケンス)を有し、ガスタービンアセンブリ1の制御方法は、
・TAT1値(すなわち、タービン6の出口におけるガス温度)を繰り返し測定するステップと、
・現在のTAT1値が前記TAT1cmd値のシーケンスに適時に合致するように、燃焼器4および/または燃焼器7へ供給される燃料質量流量を制御するステップと、
を有する。
ガスタービンアセンブリ1の上述の制御方法により奏される利点は数多い。
第1に、本方法により、ガスタービンアセンブリ1の始動中における燃焼器4の燃焼室11内部の火炎不安定性が最小限になり、これにより、希薄吹き消え現象および/または圧力脈動が顕著に低減する。
その上、図2および図3を参照すると、TFL1スケジュールはエンジンの現在の熱的状態を考慮したものとなるので、いかなるエンジン動作条件下においても、ガスタービンアセンブリ1の始動フェーズを最適化することができる。
最後に、上述の方法により、ガスタービンアセンブリ1の始動フェーズ中における汚染エミッションが顕著に低減するが、これらに限られない。
本発明の範囲を逸脱することなく、ガスタービンアセンブリ1および/またはガスタービンアセンブリ1の制御方法に変更を施すことができることは、明らかである。
たとえば、図5に示された代替的な実施形態では、ガスタービンアセンブリ1は高圧タービン6を省略しており、燃焼器4から出た高温ガスの流れは、中間の高温ガス流路12を通って燃焼器7に直接流入する。
有利にはさらに、給気路13を用いて希釈空気を高温ガス流路12内へ導入する。
本実施形態においても、燃料供給路5および/または8における燃料流量は、燃焼器4の燃焼室11内部の火炎温度またはTFL1に応じて適時に制御される。
詳細には、燃料供給路5および/または8における燃料流量は有利には、予め定められたTFL1スケジュールに従って制御され、このTFL1スケジュールは有利には、始動フェーズ中はTFL1値(すなわち、燃焼器4の燃焼室11内部の火炎温度)を実質的に一定に維持するように選択されるものである。
本実施形態においても、TFL1(すなわち、燃焼器4の燃焼室11内部の火炎温度)の直接測定は実際には不可能であるため、ガスタービンアセンブリ1の複数のエンジンパラメータのリアルタイム測定結果に基づいて、TFL1パラメータの推定値を算出する。
有利には、かかるエンジンパラメータは、圧縮器3の入口におけるガス温度(以下「Tk1」という)、圧縮器3の出口および燃焼器4の入口におけるガス温度(以下「Tk2」または「TEV1」という)、燃焼器7の入口におけるガス温度(以下「TSEV1」という)、圧縮器3の出口におけるガス圧力またはPk2(これは、燃焼器4の入口におけるガス圧力にも相当する)、燃焼器4内部のガス圧力またはPEV、
燃焼器7内部のガス圧力またはPSEV、および、ガスタービンアセンブリ1のエンジンシャフト10の回転速度である。
よって本実施例においても、上述のTFL1スケジュールは有利には、複数の測定されたエンジンパラメータ(Tk1,Tk2,TSEV1,Pk2,PEV,PSEV等)の現在の値に基づいて選択/決定される。
有利には、TFL1スケジュールはさらに、燃焼器7の入口すなわち高温ガス流路12におけるガス温度の目標値のシーケンスを有し、これらの目標値は、上述の複数のエンジンパラメータ(Tk1,Tk2,TSEV1,Pk2,PEV,PSEV等)の現在の値に基づき、TFL1(すなわち、燃焼器4の燃焼室11内部の火炎温度)と当該エンジンパラメータとの関係を表す数学的モデルに従って算出される。
図示されていない第2の代替的な実施形態では、ガスタービンアセンブリ1は2つより多くの燃焼器を備えることができる。
換言すると、ガスタービンアセンブリ1はオプションとして、第3の燃焼器と、有利には多段の第2の低圧タービンと、を備えることもでき、この第3の燃焼器はタービン9より下流に配置され、第3の燃焼器において、タービン9から到達した高温ガスと第3の燃料供給路から到達した燃料との混合物の燃焼が行われて高温ガスの他の流れが生成され、第2の低圧タービンは第3の燃焼器より下流に配置され、第3の燃焼器から到達した高温ガスがガスタービンアセンブリ1から排出される前に当該高温ガスの完全膨張を行う。
最後に、図示されていない、比較的低い精巧度の実施形態では、ガスタービンアセンブリ1は高圧タービン6および第2の燃焼器7の双方を省略する。
本実施形態においても、予め定められた固定のTEV2スケジュールに従って(すなわち、燃焼器4の出口におけるガス温度の所与の一定値に基づく、予め定められたスケジュールで)燃料供給路5および/または8内の燃料流量を制御するのではなく、燃焼器4の燃焼室11内部の火炎温度またはTFL1に従って、燃料供給路5内の燃料流量を適時に制御する。
詳細には、燃料供給路5における燃料流量は有利には、予め定められたTFL1スケジュールに従って制御され、このTFL1スケジュールは有利には、始動フェーズ中はTFL1値(すなわち、燃焼器4の燃焼室11内部の火炎温度)を実質的に一定に維持するように選択されるものである。

Claims (9)

  1. ガスタービンアセンブリ(1)の制御方法であって、
    前記ガスタービンアセンブリ(1)は、
    圧縮空気の流れを生成するために外部空気の圧縮を行う圧縮器(2)と、
    シーケンシャル燃焼器と、
    を備えており、
    前記シーケンシャル燃焼器は、
    高温ガスの流れを生成するために前記圧縮器(2)から到達した圧縮空気と燃料との混合物の燃焼を行う第1の燃焼器(4)と、
    前記第1の燃焼器(4)より下流に配置された第2の燃焼器(7)と、
    を備えており、
    前記第2の燃焼器(7)において、前記第1の燃焼器(4)から到達した高温ガスと燃料との混合物の燃焼を行う、制御方法において、
    前記制御方法は、
    前記ガスタービンアセンブリ(1)の始動過渡動作フェーズにおいて、前記第1の燃焼器(4)へ供給される燃料質量流量を当該第1の燃焼器(4)内部の火炎温度(TFL1)に基づいて制御するステップを有する、
    ことを特徴とする制御方法。
  2. 前記第1の燃焼器(4)へ供給される燃料質量流量を、予め定められたTFL1スケジュールに従って制御する、
    請求項1記載の制御方法。
  3. 前記始動過渡動作フェーズ中において前記第1の燃焼器(4)内部の火炎温度(TFL1)を実質的に一定に維持するために、前記TFL1スケジュールを適応調整する、
    請求項2記載の制御方法。
  4. 前記TFL1スケジュールを、前記ガスタービンアセンブリ(1)の複数のエンジンパラメータ(Tk1,Tk2,TAT1,TSEV1,Pk2,PEV,PSEV等)の値に基づいて決定する、
    請求項2または3記載の制御方法。
  5. 前記ガスタービンアセンブリ(1)は、さらに、前記第1の燃焼器(4)と前記第2の燃焼器(7)との間に介挿された中間タービン(5)を備えており、
    前記中間タービン(5)において、前記第1の燃焼器(4)から到達して前記第2の燃焼器(7)へ送られる高温ガスの部分膨張を行う、
    請求項4記載の制御方法。
  6. 前記制御方法は、さらに、
    前記ガスタービンアセンブリ(1)の前記複数のエンジンパラメータ(Tk1,Tk2,TAT1,Pk2,PEV,PSEV等)を測定するステップと、
    前記複数のエンジンパラメータ(Tk1,Tk2,TAT1,Pk2,PEV,PSEV等)の現在の値に基づき、適切な前記TFL1スケジュールを選択/決定するステップと、
    前記TFL1スケジュールに基づき、前記第1の燃焼器(4)および/または前記第2の燃焼器(7)へ供給される燃料質量流量を制御するステップと、
    を有する、
    請求項3から5までのいずれか1項記載の制御方法。
  7. 前記TFL1スケジュールは、前記中間タービン(5)の出口において測定されるガス温度の目標値(TAT1cmd)のシーケンスを有し、
    前記目標値(TAT1cmd)は、前記ガスタービンアセンブリ(1)の前記複数のエンジンパラメータ(Tk1,Tk2,TAT1,Pk2,PEV,PSEV等)の現在の値に基づき、前記第1の燃焼器(4)内部の火炎温度(TFL1)と当該エンジンパラメータ(Tk1,Tk2,TAT1,Pk2,PEV,PSEV等)との関係を表す数学的モデルに従って算出される、
    請求項5または6記載の制御方法。
  8. 前記制御方法は、さらに、
    前記中間タービン(5)の出口におけるガス温度(TAT1)を繰り返し測定するステップと、
    前記中間タービン(5)の出口において測定されるガス温度(TAT1)が前記目標値(TAT1cmd)のシーケンスに合致するように、前記第1の燃焼器(4)および/または前記第2の燃焼器(7)へ供給される燃料質量流量を制御するステップと、
    を有する、
    請求項7記載の制御方法。
  9. 前記複数のエンジンパラメータは、
    前記圧縮器の入口におけるガス温度(Tk1)、および/または、
    前記圧縮器の出口におけるガス温度(Tk2)、および/または、
    前記中間タービンの出口におけるガス温度(TAT1)、および/または、
    前記圧縮器の出口におけるガス圧力(Pk2)、および/または、
    前記第1の燃焼器内部のガス圧力(PEV)、および/または、
    前記第2の燃焼器内部のガス圧力(PSEV)、および/または、
    前記ガスタービンアセンブリ(1)のエンジンシャフト(10)の回転速度、
    を含む、
    請求項5から8までのいずれか1項記載の制御方法。
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