JP2018505372A - ガスタービンエンジン用の試験装置を制御する方法、および試験装置 - Google Patents

Abstract

本方法は、ガスタービンエンジン用の試験装置を制御することを可能にする。１つまたは複数の試験用燃料ガス混合物のＷＩ値は計算によって予測され、予測ＷＩ値は、試験中のガスタービン（ＧＴ）エンジンの燃焼器に供給される燃料ガス混合物の成分を設定するために使用される。試験装置（１）は、燃料ガス用の第１の供給流ライン（１１）と、不活性ガス用の第２の供給流ライン（２１）と、燃料ガス用の第１の入口、および不活性ガス用の第２の入口を有し、かつ、燃料ガスと不活性ガスとの混合物を燃焼器に供給するための出口（３１）を有する混合器（３０）と、一組の計器（１２、１３、１４、２２、２３、２４、２５）と、不活性ガス用の流量制御装置（４０）とを備える。【選択図】図１

Description

本明細書に開示する主題の実施形態は、ガスタービンを試験するために使用される装置を制御する方法、および試験装置に相当する。

単に「ガスタービン」、またはＧＴとも称される「ガスタービンエンジン」に使用される燃料は、その多くは天然ガスであり、様々な供給源から入手することができる。ガスタービンの性能は、燃料の特性に直接依存する。これは、特性のうちの１つまたは複数の特性の変化が性能の変化をもたらすことを意味する。

したがって、「オイル＆ガス」分野では、天然ガスの互換性の問題は、ガスタービンの設計、設置、運転において非常に重要である。２つの特定のガスが使用されるときに、ガスタービンが同じ、または実質的に同じ性能を提供するならば、これらのガスは特定のガスタービンに対して互いに互換性があると考えることができる。

燃料ガスを評価するために通常考慮される１つのパラメータは、燃料ガスの「ウォッベ指数」またはＷＩである。２つの燃料ガスが同一のＷＩを有していれば、所与の温度および圧力、ならびに弁設定に対して、燃焼エネルギーの出力もまた同一である。普通の用途に対しては、ＷＩの５％までの変動は許容される。

ガスタービンは、ＷＩの変動を制御するガス供給機器を備えることができる。例えば、従来技術の文献、米国特許出願公開第２０１３／０３０５７３５号明細書は、圧縮空気を燃料ガスに加えて、ガスタービンシステムの燃焼器に送られる混合物を発生させる混合器を備えるガスタービンシステムに関する。このようなシステムでは、混合器内に噴射される空気および燃料ガスの量を調節するために流量計が設けられる。このようなシステムはまた、混合器の上流で、空気および燃料ガスの温度を変えるために１つまたは２つの熱交換器を備える。センサユニットがＷＩの真値を測定するために混合器の下流に設けられる。他のセンサユニットは、混合器の上流で空気および燃料ガスの圧力、温度、流量を測定する。制御ユニットは、燃料混合物のＷＩを所定のＷＩの範囲内に維持し、したがってガスタービンの性能変化を避けるために機器を管理する。詳細には、測定されたＷＩが所定のＷＩの範囲外にあるとき、制御ユニットは、熱交換器に作用して温度を変化させ、かつ流量計に作用して流量を変化させる。

実際のところ、米国特許出願公開第２０１３／０３０５７３５号明細書に開示されたガス供給機器は、入力燃料ガスの予測できない（ゆっくりとした、および／または小さな）変動に対してガスタービンの（良好な）運転を維持する必要性により、非常に複雑で高価である。

さらに、「オイル＆ガス」の分野では、実験室でガスタービンエンジンを試験する必要性がある。特に、その設置現場（すなわち、「現場の燃料ガス」）で入手可能な燃料ガスと同一の燃料ガスを受け入れたときに、ガスタービンがどのような性能になるか、かつ／または、その燃料ガスの入口で受け入れた燃料ガスの変動（速い変動および／または大きな変動を含む）にどのように反応するかを決める必要性がある。いずれにしても、実験室では、利用可能な燃料ガスの供給源は通常１つだけであり、それは、一定で予め決まった特性を有する。

知られている試験装置ではこれらの要件には完全には合致しない。

したがって、ガスタービンエンジン用の試験装置を制御する方法、およびそれに対応する試験装置に対して一般的な必要性がある。

前述の試験、すなわち、「現場の燃料ガス」を用いる試験、および入力燃料ガスの速い変動および／または大きな変動での試験に加えて、「ストレス試験」および「極端試験」（例えば、非常に低い「低位発熱量」すなわちＬＨＶを有する入力燃料ガスでの試験）が重要な試験である。

本発明による試験に対して第一に考慮される入力燃料ガス（試験中のエンジンの燃焼器に供給されるガス）のパラメータは「ウォッベ指数」すなわちＷＩである。

燃料ガス混合物のＷＩを正確かつ迅速に測定することは非常に困難であることは留意されよう。これは、従来技術の米国特許出願公開第２０１３／０３０５７３５号明細書による機器の問題の１つである。

米国特許出願公開第２００９／０１０７１０５号明細書

重要な考えは、試験用燃料ガス混合物のＷＩを計算によって（リアルタイムに）予測すること（したがって、ＷＩの測定をしない）、および、このような予測を試験中のエンジンの燃焼器に供給される燃料ガス混合物の成分を設定するために使用することであり、燃焼器に供給される燃料ガス混合物のＷＩは典型的には、例えば、設計仕様に基づいて、人間の操作者によって（直接または間接に）決められる。

燃料ガス混合物は、燃料ガス流（具体的には、例えば、公共流通網から来る天然ガス）、および不活性ガス流（具体的には、例えば、ボンベまたはシリンダから来る窒素）から得ることができる。燃料ガスおよび不活性ガスの成分は両方とも知られており、かつ一定（または、実質的に一定）である。詳細には、燃料ガス流は一定（または、実質的に一定、または少なくとも非常にゆっくりとしか変化せず制御されていない）であり、不活性ガス流は、実行される試験に依存した値、すなわち、試験される入力燃料ガスのＷＩに依存した値に設定される。

ＷＩの予測は、リアルタイムで測定した特性（例えば、燃料ガスおよび／または不活性ガスの温度、圧力、体積流量）、および／または試験装置の運転前に決定された特性（例えば、燃料ガスおよび／または不活性ガスの成分、弁の特性）に基づくことができる。

別の重要な考えは、制御ユニット（例えば、ＰＬＣによって実行される）には簡単な計算のみを（リアルタイムで）実行させ、試験装置の運転前に測定および／または計算されたデータを含む表を使用させることである。複雑な計算の少なくともいくつかは、制御ユニット、例えばＰＬＣと通信しているコンピュータ上、例えばＰＣ上で走るヒューマンマシンインターフェースプログラムによって（リアルタイムで）実行することができる。

このようにして、入力燃料ガスのＷＩは、高精度、例えば、１．００％または０．５０％または０．２５％で設定することができる。

本明細書で開示する主題の第１の実施形態は、ガスタービンエンジン用の試験装置を制御する方法に関する。

このような方法によれば、１つまたは複数の試験用燃料ガス混合物のＷＩ値は計算によって予測され、予測ＷＩ値は、試験中のガスタービンエンジンの燃焼器に供給される燃料ガス混合物の成分を設定するために使用される、
本明細書で開示する主題の第２の実施形態は、ガスタービンエンジンを試験するための装置に関する。

このような装置は、
燃料ガス供給源と連通している第１の供給流ラインと、
不活性ガス供給源と連通している第２の供給流ラインと、
前記第１の供給ラインと連通している第１の入口、および前記第２の供給ラインと連通している第２の入口を有し、かつ、燃料ガスと不活性ガスとの混合物をガスタービンエンジンの燃焼器に供給するための出口を有する混合器と、
前記混合器の上流で前記第１の供給ラインに沿って配置された第１の流量計と、
前記混合器の上流で前記第２の供給ラインに沿って配置された第２の流量計と、
前記混合器の上流で前記第２の供給ラインに沿う流量制御装置と
を備える。

本明細書に組み入れられ、本明細書と一体の部分を構成する添付の図面は、本発明の例示的な実施形態を示し、詳細な説明とともにこれらの実施形態を説明する。

試験装置の実施形態の概略図である。 制御手順の実施形態のフローチャートである。

例示的な実施形態を、添付の図面を参照して以下に説明する。

以下の説明は本発明を限定するものではない。その代わり、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって規定される。

本明細書全体を通して「１つの実施形態」または「実施形態」として言及することは、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が本開示の主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体を通して様々な箇所で「１つの実施形態では」または「実施形態では」という表現が出現するが、必ずしも同じ実施形態について言及している訳ではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、１つまたは複数の実施形態において任意の好適な様態で組み合わせることができる。

図１は、ガスタービンエンジンＧＴを試験するための装置１の実施形態を示す。試験装置１は、第１の供給流ライン１１に流れる天然ガス（ＮＧ：ｎａｔｕｒａｌ ｇａｓ）供給源１０に接続されている。この供給源１０は公共流通網とすることができる。不活性ガス、例えば、窒素（Ｎ２）の供給源２０は、試験装置１の第２の供給流ライン２１に流れるように設けられる。この供給源２０はボンベまたはシリンダとすることができる。試験装置１は、供給源１０の下流で第１の供給ライン１１に沿って配置された圧縮機５０を備える。各供給ライン１１および２１には、対応するガスの体積流量を測定するためのガス流量計１２および２２が設けられる。体積流量を直接測定することができる超音波流量計を使用することが好ましい。より詳細には、第１の超音波流量計１２は、供給源１０および圧縮機５０の下流で前記第１の供給ライン１１に沿って配置され、一方、第２の流量計２２は、供給源２０の下流で第２の供給ライン２１に沿って配置される。

試験装置１はさらに、前記第１の供給ライン１１と連通している第１の入口、および前記第２の供給ライン２１と連通している第２の入口を有する混合器３０を備える。混合器３０は、ガスタービンＧＴの燃焼器に接続されたその出口３１で混合物を得るようにＮＧ流をＮ２流と混合するために設けられる。

試験装置１はさらに、前記第２の流量計２２の下流かつ前記混合器３０の上流で第２の供給ライン２１に沿って配置された流量制御装置４０を備える。流量制御装置４０は典型的には流量制御弁４０よりなり、流量制御弁４０は電気的に制御され、混合器３０の第２の入口に向かう不活性ガス流を調整するために使用される。

図１から分かるように、試験装置１は流量制御装置を１つだけ備え、これは、不活性ガス用に使用される。燃料ガス流に対しては特に流量制御装置は設けられていない。言い換えれば、燃料ガスの流量は制御されていない。

試験装置１はさらに、装置が最も良く機能するように、１つまたは複数の計器の組を備える。それらは、
前記混合器３０の直ぐ上流で前記第１の供給ライン１１に沿って配置された第１の温度計１３
前記混合器３０の直ぐ上流で前記第１の供給ライン１１に沿って配置された第１の圧力計１４
前記混合器３０の直ぐ上流で前記第２の供給ライン２１に沿って配置された第２の温度計２３
前記混合器３０の上流、かつ前記流量制御装置４０の直ぐ上流で前記第２の供給ライン２１に沿って配置された第２の圧力計２４
前記流量制御装置４０の直ぐ下流で前記第２の供給ライン２１に沿って配置された第３の圧力計２５
である。

図１には示されていなくても、混合器３０の出口３１に温度計を設けることができる。

試験装置１はさらに制御ユニット６０を備え、制御ユニット６０は、制御信号を送信するために前記流量制御装置４０に、かつ測定信号を受信するために計器、少なくとも計器１２および２２に電気的に接続される。

制御ユニット６０に加えて、制御ユニット６０と通信するコンピュータ７０を設けることができる。制御ユニット６０はＰＬＣが好都合であり、かつ／またはコンピュータ７０はＰＣが好都合である。コンピュータ７０は典型的には、人間の操作者からの入力を受信し、人間の操作者に出力を送信するためのヒューマンマシンインターフェースプログラムを実行する。

図２を用いて、試験装置１の運転を以下に説明する。具体的には、混合器３０の出口３１に水圧的に接続されたガスタービンエンジンで試験を実行するための制御方法を説明する。

図２は制御手順の実施形態のフローチャートである。この手順の開始点はブロック２００に相当する。試験装置が停止するまでこの手順が永久にループするという想定で、図２には手順の終了点が示されていない。

一般に、不活性ガス、例えば、窒素は純粋（すなわち、無視できる程度の不純物しか有しない）であり、そのＬＨＶおよびＷＩはゼロであると考えることは合理的である。

一般に、燃料ガス、例えば、天然ガスは一定の成分を有し、一定のＬＨＶを有すると考えることは合理的である。この場合、成分およびＬＨＶは試験装置には知られているべきである。燃料ガスの成分が（ゆっくりと）変化する場合、例えば、ガスクロマトグラフによってそのことを判断してＬＨＶを決定または計算して、試験装置にそのような情報を与えることが必要である。ガスクロマトグラフが試験装置の構成部品である場合、天然ガスのＬＨＶは、ガスクロマトグラフから受け取った成分情報に基づいて、コンピュータ７０によって、または、好ましくは制御ユニット６０によって計算することができる（または、人間の操作者によって入力された成分情報に基づいて計算することができる）。

このような初期の動作はブロック２０２に相当する。

混合器３０の出口３１を通って、試験中のガスタービンＧＴエンジンの燃焼器に供給される燃料ガス混合物のＷＩ値を、図１の装置の計器によって検出された値に基づいて計算する、すなわち予測することは可能である。

異なるＷＩ値を望むときには、制御ユニット６０によって流量制御装置４０を異なるように調節しなければならない。すなわち、異なる「開度率」または「開度レベル」に設定しなければならない。

人間の操作者によって所望のＷＩ値をコンピュータ７０に与えることができ、コンピュータ７０はそれを制御ユニット６０に送る。あるいは、例えば、人間の操作者がコンピュータ７０に所望のＷＩ値の変動を与え、コンピュータ７０は、それに対応して所望のＷＩ値を連続して発生させ、それらを適切に連続して制御ユニット６０に送信する。

所望のＷＩ値のこのような入力はブロック２０４に相当する。

１つの実施形態によれば、弁４０の「開度率」または「開度レベル」は、繰り返しによって、または連続近似によって決定される。「二分探索」アルゴリズムを使用するのが好ましい。

第１の試み（すなわち、第１の繰り返し）では、現在の窒素の質量流量は、窒素の最大質量流量の５０％にあると仮定される。このような初期設定はブロック２０６に相当する。

この仮定と計器によって検出された値とに基づいて、現在の予測ＷＩ値が計算される。このような計算はブロック２１０に相当する。

所望のＷＩ値と現在の予測ＷＩ値との間の差が所定の閾値、具体的には、０．５％より小さければ、現在の窒素の質量流量は所望の質量流量である。これは、ブロック２１２の出口「＝」に相当する。

所望のＷＩ値が現在の予測ＷＩ値より大きければ、現在の窒素の質量流量は減少させなければならない。これは、ブロック２１２の出口「＞」に相当する。「二分探索」アルゴリズムを使用する場合、この減少分は５０％である。これはブロック２１４に相当する。

所望のＷＩ値が現在の予測ＷＩ値より小さければ、現在の窒素の質量流量は増大させなければならない。これは、ブロック２１２の出口「＜」に相当する。「二分探索」アルゴリズムを使用する場合、この増大分は５０％である。これはブロック２１６に相当する。

（次の試み）（図２の左側に示すように流量制御は戻る）新しい現在の窒素の質量流量、すなわち増大または減少させた質量流量、および計器によって検出された値に基づいて、新しい現在の予測ＷＩ値が計算される（ブロック２１０）。

繰り返しの手順（すなわち、試みの連続）は、所望のＷＩ値と現在の予測ＷＩ値との間の差が、所定の閾値、具体的には０．５％より小さくなるまで続けられる（ブロック２１０）。安全策として、実行される繰り返しの回数が、所定の閾値、具体的には２０回を超える場合にもこの繰り返し手順は停止される（ブロック２０８）。

計算された所望の窒素の質量流量、計器によって検出された値、および弁４０の特性に基づいて、その所望の「開度率」または「開度レベル」が計算されることになる。これはブロック２１８に相当する。

このとき、それに応じて弁４０は制御ユニット６０によって設定される。これはブロック２２０に相当する。

（図２の右側に示すように流量制御は戻る）新しい所望のＷＩを手動で、または自動で入力することができる。

今、説明したことを考慮して、試験装置１を制御する方法によれば、１つまたは複数の試験用燃料ガス混合物のＷＩ値は計算によって予測され、予測ＷＩ値は、試験中のガスタービンエンジンの燃焼器に供給される燃料ガス混合物の成分を設定するために使用される。

供給される燃料ガス混合物は、燃料ガス流と不活性ガス流とを混合することによって得られ、不活性ガス流は、流量制御装置４０によって所望のＷＩ値に依存する値に設定される。詳細には、不活性ガス流は、流量制御装置４０の上流の圧力、および／または、流量制御装置４０の両端間の圧力降下にも依存する値に設定される。

公共流通網から来る燃料ガスは比較的低圧であるので、燃料ガス流が試験装置１の入口で受け入れられて圧縮機５０によって圧縮されるのは好都合である。燃料ガス流は特には流量制御装置によって調整されない。これは制御されていないと言うことができる。

典型的には、燃料ガス流は、第１の流量計１２によって（リアルタイムで）測定され、かつ／または、不活性ガス流は、第２の流量計２２によって（リアルタイムで）測定される。第１および／または第２の流量計は、体積流量を（直接）測定できる超音波流量計であるのが好ましい。

ＷＩ値の予測は、リアルタイムで測定された特性、および／または試験装置の運転前に決定された特性に基づく。

測定される特性は、燃料ガスおよび／または不活性ガスの温度、および／または圧力、および／または体積流量、ならびに／あるいは流量制御装置の両端間の圧力降下とすることができる。

決定される特性は、燃料ガスおよび／または不活性ガスの成分、ならびに／あるいは、燃料ガスのＬＨＶおよび／または分子量、ならびに／あるいは、試験装置の弁の特性とすることができる。

ＷＩ値の予測は、試験装置の運転前に測定および／または計算されたデータを含む表に基づくことができる。

ＷＩ値の予測は、試験装置の運転前に、データ表に直接基づくことができる、または、前記表から得られた多項式に基づくことができる。

制御ユニット６０は、ＷＩ値の予測のための簡単な計算を（リアルタイムで）実行するために使用することができ、コンピュータ７０は、ＷＩ値の予測のための複雑な計算を（リアルタイムで）実行するために使用することができる。制御ユニット６０およびコンピュータ７０は、実行した計算結果を交換することができる。

複雑な計算は、コンピュータ７０上で走るヒューマンマシンインターフェースプログラムによって実行することができる。

制御ユニット６０とコンピュータ７０との間の通信がないとき、かつ／またはコンピュータ７０がＷＩ値の予測に必要ないくつかの計算を実行しないとき、制御ユニット６０がこのような計算を自律的に（リアルタイムで）実行してもよい。この場合、このような計算は、例えば、データ表、または多項式によって、（精度が劣るとしても）簡単化した方法で実行される。

１ 試験装置
１０ 燃料ガス供給源
１１ 供給ライン
１２ 流量計
１３ 温度計
１４ 圧力計
２０ 不活性ガス供給源
２１ 供給ライン
２２ 流量計
２３ 温度計
２４ 圧力計
２５ 圧力計
３０ 混合器
３１ 出口
４０ 流量制御装置
５０ 圧縮機
６０ 制御ユニット
７０ コンピュータ
２００ ブロック
２０２ ブロック
２０４ ブロック
２０６ ブロック
２０８ ブロック
２１０ ブロック
２１２ ブロック
２１４ ブロック
２１６ ブロック
２１８ ブロック
２２０ ブロック

Claims (13)

1. １つまたは複数の試験用燃料ガス混合物のＷＩ値が計算によって予測され、試験中のガスタービンエンジンの燃焼器に供給される燃料ガス混合物の成分を設定するために前記予測ＷＩ値が使用される、ガスタービンエンジン用の試験装置（１）を制御する方法。
2. 前記予測ＷＩ値が、人間の操作者によって与えられた所望のＷＩ値に比較される、請求項１記載の方法。
3. 前記供給燃料ガス混合物の前記所望のＷＩ値と前記予測ＷＩ値との間の差が、所定の閾値、具体的には０．５％より小さい、請求項２記載の方法。
4. 前記供給燃料ガス混合物が、燃料ガス流と不活性ガス流とを混合することによって得られ、前記不活性ガス流が、流量制御装置（４０）によって前記所望のＷＩ値に依存する値に設定される、請求項１乃至３のいずれか記載の方法。
5. 前記燃料ガス流が、前記試験装置（１）の入口で受け入れられ、圧縮機（５０）によって圧縮される、請求項４記載の方法。
6. 前記燃料ガス流が第１の流量計（１２）によって測定され、かつ／または前記不活性ガス流が第２の流量計（２２）によって測定される、請求項４または５記載の方法。
7. 前記第１および／または第２の流量計（１２、２２）が、体積流量を測定できる超音波流量計である、請求項６記載の方法。
8. ＷＩ値の予測が、リアルタイムで測定した特性、および／または前記試験装置（１）の運転前に決定された特性に基づく、請求項１乃至７のいずれか記載の方法。
9. ＷＩ値の予測が、前記試験装置（１）の運転前に測定および／または計算されたデータを含む表に基づく、請求項８記載の方法。
10. 制御ユニット（６０）が、ＷＩ値の予測のための簡単な計算を実行するために使用され、コンピュータ（７０）が、ＷＩ値の予測のための複雑な計算を実行するために使用され、前記制御ユニット（６０）と前記コンピュータ（７０）とが実行された計算結果を交換することができる、請求項１乃至９のいずれか記載の方法。
11. 燃料ガス供給源（１０）と連通している第１の供給流ライン（１１）と、
    不活性ガス供給源（２０）と連通している第２の供給流ライン（２１）と、
    前記第１の供給ライン（１１）と連通している第１の入口、および前記第２の供給ライン（２１）と連通している第２の入口を有し、かつ、燃料ガスと不活性ガスとの混合物を前記ガスタービンエンジン（ＧＴ）の燃焼器に供給するための出口（３１）を有する混合器（３０）と、
    前記混合器（３０）の上流で前記第１の供給ライン（１１）に沿って配置された第１の流量計（１２）と、
    前記混合器（３０）の上流で前記第２の供給ライン（２１）に沿って配置された第２の流量計（２２）と、
    前記混合器（３０）の上流で前記第２の供給ライン（２１）に沿う流量制御装置（４０）と
    を備える、ガスタービンエンジン（ＧＴ）を試験するための装置（１）。
12. 請求項１乃至１０のいずれか記載の方法に従って制御されるように配置された請求項１１記載の装置（１）。
13. 互いに通信している制御ユニット（６０）とコンピュータ（７０）とを備え、前記制御ユニット（６０）が前記流量制御装置（４０）に電気的かつ動作可能に接続される、請求項１０または１１記載の装置（１）。