JP2018520289A

JP2018520289A - 機械駆動用途における超低ＮＯｘ排出ガスタービンエンジン

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Publication number: JP2018520289A
Application number: JP2017556130A
Authority: JP
Inventors: モッシ，アンドレア; ガビ，ジャンパオロ; セッシーニ，リカルド; ファドラン，エバー・アブリエル
Original assignee: Nuovo Pignone Technologie SRL
Current assignee: Nuovo Pignone Technologie SRL
Priority date: 2015-04-30
Filing date: 2016-04-28
Publication date: 2018-07-26
Also published as: AU2016254323B2; US20180283287A1; EP3289186A1; AU2016254323A1; BR112017023073A2; WO2016174175A1

Abstract

機械駆動構成におけるガスタービン駆動システムが説明される。ガスタービン駆動システムは、被駆動ターボ機械（３）に駆動可能に接続されているガスタービンエンジン（１）を含む。ガスタービンエンジンは、乾式低ＮＯｘ排出燃焼器を含む。ガスタービン制御装置（８３）がさらに設けられている。ガスタービン制御装置（８３）は、被駆動ターボ機械（３）に関する過渡事象が起こった場合に燃焼器の希薄吹消えを防止するために、ターボ機械（３）の少なくとも１つの制御パラメータにより、燃焼温度を調節するように配置され、かつ構成されている。
【選択図】図１

Description

本開示は、機械駆動用途におけるガスタービンエンジンに関する。本明細書で開示されるいくつかの実施形態は、圧縮機又は遠心ポンプ等の１つ以上の被駆動ターボ機械を含む負荷装置を駆動する、一軸ガスタービンエンジン又は多軸ガスタービンエンジンに関する。他の実施形態は、ターボ機械又はターボ機械トレインを駆動する多軸ガスタービンエンジンに関する場合がある。

ガスタービンエンジンは、発電機又は回転機器、特に遠心圧縮機又はポンプ等のターボ機械に動力を与えるために、広範に使用されている。１つ目の種類の用途は、通常「発電用途」と呼ばれており、一方で２つ目の構成は一般に「機械駆動用途」と呼ばれている。機械駆動トレインが、いわゆるヘルパモードで電動機としても機能し、かついわゆる発電機モードで発電機としても機能することができる両用途対応の電機を備えている場合、これらの用途を混合した構成が可能である。

機械駆動構成のガスタービンエンジンの主な用途は、通常、ＬＮＧとして知られている液化天然ガス市場の分野におけるものである。天然ガスは、運搬のためにガス田で加圧して液化させ、体積を減少させる。流体冷媒を使用した冷却サイクルがこのために使用される。冷媒流体はガスタービンエンジンによって駆動される遠心圧縮機により圧縮される。

天然ガスの価格、及び新たなガス田の発見により、ＬＮＧプラントに関する新たな状況が発生する。ＬＮＧの現場は、もはや遠隔領域にあるというものではない。排出コンプライアンスに関してより厳格な規制が存在する国に、ＬＮＧ設備が配置されることも頻繁にある。したがって、機械駆動用途でのガスタービンエンジンの燃焼器における窒素酸化物（略してＮＯｘ）の排出を削減することが望ましくなっている。

有害なＮＯｘの排出は、例えば燃焼室の燃焼温度を制御することによって削減することができる。いくつかの知られている排出削減技法では、ＮＯｘの排出を削減するために燃焼室で水噴射を行う。しかし、水の消費が望ましくない場合や、十分な水が手に入らない場合もある。選択触媒還元システム（ＳＣＲシステム）もまた開発されている。ＳＣＲシステムでは、ＮＯｘ分子がアンモニア（ＮＨ₃）及び酸素と反応し、窒素分子（Ｎ₂）及び水分子（Ｈ₂Ｏ）になるこれらのシステムは複雑かつ高価である。また、これらのシステムの動作には、大量のアンモニアが必要である。

したがって、乾式低ＮＯｘ排出システム（いわゆるＤＬＮシステム）が開発されている。ＤＬＮシステムには水又はアンモニアが必要なく、ＮＯｘの排出が削減されるように、空気／燃料希薄混合気、即ち低量の燃料との混合気を使用して燃焼温度を制御することを主な目的としている。知られている乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）排出システムは、現在、発電用途で使用されている。これらの用途は、パワータービン軸の速度変動が実質的に一定、又は無視できるものであることを特徴とする。実際、ガスタービンエンジンによって駆動される発電機は、理論的には、この発電機が接続されている配電グリッドの周波数によって決められた一定の速度で回転する。タービン軸は、ガスタービン軸自体も実質的に一定の回転速度で回転するように、直接的に、又はギアボックスを介してかのいずれかの方法で、発電機の軸に機械的に結合している。

乾式低ＮＯｘ排出システム用のガス燃焼器が開発されている。ガス燃焼器では、一次燃料ノズル及び二次燃料ノズルが、有害なガスの排出を最小化するために燃料流量を制御して選択的に設置されている。ＤＬＮ用途向けの燃焼器、及び制御方法が、米国特許第８，１５６，７４３号明細書、米国特許第８，０２０，３８５号明細書、米国特許出願公開第２０１０／００１８２１１号明細書、米国特許出願公開第２０１１／０２４７３４０号明細書、米国特許出願公開第２０１０／０１６２７１１号明細書、米国特許出願公開第２０１０／０２０５９７０号明細書、米国特許出願公開第２０１１／０１３１９９８号明細書に開示されており、これらの明細書の内容は、参照により本明細書に組み込まれる。発電機を駆動するガスタービンエンジンを制御するための方法が、米国特許第７，１００，３５７号明細書に開示されており、この明細書の内容は、参照により本明細書に組み込まれる。米国特許第８，４７４，２６８号明細書は、発電用途において、事象ベースのアクションを用いて望ましくないガスタービンの過渡応答を緩和する方法を開示している。発電システムのガスタービンエンジンを制御するさらなる方法及び装置が、米国特許出願公開第２０１３／０２１９９１０号明細書、米国特許出願公開第２０１３／００１９６０７号明細書、米国特許出願公開第２０１３／００４２６２４号明細書、米国特許出願公開第２０１２／０２７９２３０号明細書に開示されている。

機械駆動用途においては、タービン軸に結合される負荷装置が、ガスタービンエンジンの回転速度を制御する。次に負荷装置の回転速度は、工程によって制御される。ターボ機械がこの工程の一部を形成する。

負荷装置は、１つ以上の回転式ターボ機械を含んでもよく、このターボ機械の回転速度は、例えば工程からの要求に応じて変動する場合がある。例えば、負荷装置がガス圧縮機を含む場合、ガス圧縮機の回転速度は、この圧縮機を通る必要とされるガス流量に依存する可能性がある。ＬＮＧ用途では、ガスタービンエンジンによって駆動される冷媒圧縮機を通る冷媒ガスの流量は、冷却サイクルの要求、例えば液化すべき天然ガスの流量に応じて変動する場合がある。

ガスタービンエンジンによって駆動されるターボ機械（単数及び複数）はまた、負荷変動を受ける場合がある。即ちターボ機械の軸における抵抗トルクが、工程の動作状態にまた依存して、時間によって変動する可能性がある。

この種の機械駆動用途での負荷及び／又は速度に関する過渡事象は、合計で設計時点での状態の数パーセントポイントになる場合がある。また、過渡事象はかなり高速である。

これらの要因は、ＤＬＮシステムを使用し、かつ希薄混合気状態で動作するガスタービンエンジンの動作を損なう恐れがあり、燃焼工程が不安定になったり、燃焼室での望ましくない火炎消失につながる場合さえある。

したがって、機械駆動用途用の改善された低排出ガスタービンシステムが必要とされている。

国際公開第２０１４／０７２４３３号パンフレット

本明細書で開示される実施形態により、被駆動ターボ機械に駆動可能に接続されたガスタービンエンジンと、乾式低ＮＯｘ排出燃焼器を含むガスタービンエンジンと、ガスタービン制御装置とを備える、機械駆動構成におけるガスタービン駆動システムが提供される。ガスタービン制御装置は、被駆動ターボ機械に関する過渡事象が起こった場合に燃焼器の希薄吹消えを防止するために、ターボ機械の少なくとも１つの制御パラメータにより、燃焼温度を調節するように配置され、かつ構成されている。

別の態様により、被駆動ターボ機械（３）に駆動可能に接続されたガスタービンエンジン（１）の燃焼を制御する方法が開示される。ガスタービンエンジンは、乾式低ＮＯｘ排出燃焼器及びガスタービン制御装置を含む。本明細書に開示される方法の実施形態は、被駆動ターボ機械に関する過渡事象が起こった場合に燃焼器の希薄吹消えを防止するために、ターボ機械の少なくとも１つの制御パラメータにより、燃焼温度を調節するステップを含む。

特徴及び実施形態が、本明細書で以下に開示されており、添付の特許請求の範囲においてさらに説明されている。添付の特許請求の範囲は、本明細書の必須の部分を形成する。上の簡単な説明は、以下に続く詳細な説明がよりよく理解され、かつ技術に対する本発明の貢献がよりよく認識され得るように、本発明の様々な実施形態の特徴を説明している。もちろん本発明には他にも特徴があり、他の特徴は以下に説明され、添付の特許請求の範囲に記載される。この点において、本発明のいくつかの実施形態を詳細に説明する前に、本発明の様々な実施形態が、その用途において、以下の説明に記載されるか、又は図面に示される構造の詳細、及び部品の構成に限定されるものではないことを理解されたい。本発明は他の実施形態も可能であり、様々な方法で実践及び実行され得る。また、本明細書に用いられる表現及び用語は、説明を目的とするものであり、限定と見なされるべきではないことを理解されたい。

このように当業者ならば、本開示が基づく構想が、本発明のいくつかの目的を実行するための他の構造体、方法、及び／又はシステムを設計する基礎として容易に利用され得ることを理解するであろう。したがって、特許請求の範囲が、本発明の趣旨及び範囲から逸脱しない限り、そのような均等の構造を含むと見なされることが重要である。

本発明の開示された実施形態、及び本発明の多くの付随する利点のより全面的な理解は、添付の図面と結び付けて検討される際、以下の詳細な説明を参照することにより、これらがよりよく理解される場合に容易に得られる。

ＬＮＧ用途における機械駆動のためのガスタービンエンジンの概略図である。ガスタービンエンジンによって駆動される例示的な圧縮機の断面図である。ガスタービンエンジンの燃焼器の詳細図である。ガスタービンエンジンの燃焼器の別の詳細図である。本開示によるガスタービンエンジンで使用するための、超低ＮＯｘ排出燃焼器の希薄吹消え特性曲線の図である。本明細書に開示される主題によるガスタービンにおける、過渡事象状態を制御する方法のフローチャートである。

例示的な実施形態についての以下の詳細な説明では、添付の図面を参照する。別々の図面における同じ参照番号は、同じか又は同様の要素を表す。なお、図面は、必ずしも一定の縮尺で描かれているわけではない。また、以下の詳細な説明は、本発明を限定するものではない。代わりに、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定められる。

本明細書全体を通して「一実施形態」「実施形態」又は「いくつかの実施形態」への言及は、ある実施形態と結び付けて説明される特定の特徴、構造、又は特性が、開示される主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体の様々な場所で「一実施形態では」「実施形態では」又は「いくつかの実施形態では」という表現が現れても、必ずしも同じ実施形態（単数及び複数）を指すものではない。さらに、特定の特徴、構造、又は特性は、１つ又は複数の実施形態において任意の適切な方法で組み合わせられてもよい。

図１では、機械駆動構成の例示的なガスタービントレインが示されている。このガスタービントレインは、ガスタービンエンジン１と、ガスタービンエンジン１によって駆動されるターボ機械３とを含む。図１の例示的な実施形態では、被駆動ターボ機械３には、ガス圧縮機が含まれる。

非限定的な例を挙げると、通常の用途として、ガス圧縮機３は、一般に参照数字５を付けて表されるＬＮＧプラントの冷媒サイクルの一部を形成する。いくつかの実施形態では、ガス圧縮機３の吸引側は、熱交換器７に流体結合されており、ガス圧縮機３の吐出側は、凝縮器９に流体結合されている。次に凝縮器９が、膨張弁１１等の膨張装置と流体連通している。膨張弁１１は、凝縮器９と熱交換器７との間に配置されており、凝縮器９及び熱交換器７と流体連通している。ターボ膨張器が、冷却サイクルを循環する冷媒流体を膨張させ機械的動力を回復させるために、膨張弁１１の代わりに使用され得る。

したがって、一般に参照数字１３を付けて表されるループが形成され、このループは、ガス圧縮機３、凝縮器９、膨張弁１１、熱交換器７、及びこれらのループ構成要素を互いに流体接続する関連配管を含む。ループ１３を通って処理される流体は、管１５を通って流れる天然ガスから熱を除去するために、周期的な熱力学的変換を経る。

ガスタービンエンジン１は、単一の軸線によりガス圧縮機３に機械的に結合しており、この場合、ガス圧縮機３の回転速度は、ガス発電出力軸の回転速度と実質的に同じである。他の実施形態では、図１に概略的に示されるように、入口１７Ａ及び出口１７Ｂを有するギアボックス１７が、ガスタービンエンジン１とガス圧縮機３との間に配置されている。

いくつかの実施形態では、ガスタービンエンジン１は、一軸ガスタービンを含んでもよい。他の実施形態では、多軸ガスタービンエンジン１を設けることもできる。

ガス圧縮機３はまた、電機４に機械的に結合していてもよい。電機４は、配電グリッド６に接続されていてもよい。いくつかの実施形態では、可変周波数ドライバ８が、配電グリッド６と電機４との間に配置されていてもよい。電機４は、発電機モード、及び電動機モード（ヘルパモード）のそれぞれで動作可能な両モード対応の電機である場合がある。ガスタービンエンジン１によって生成された機械的動力が、ガス圧縮機３を駆動させるのに必要とされる動力を超える場合には、電機４を発電機モードに切り替えることができる。そのため、ガスタービン軸で利用可能な有用な機械的動力が電力に変換され、配電グリッド６に送られる。逆に、ガスタービンエンジンによって生成される機械的動力が、求められる動作状態においてガス圧縮機３を駆動するのに不十分な場合、電機４をヘルパモードに切り替えることができ、配電グリッド６からの電力を変換することにより、さらなる機械的動力を生成することができる。可変周波数ドライバ８により、電機４の非同期動作が可能になる。即ち電機４は、グリッド周波数とは異なる（即ち非同期の）場合がある速度で回転することができる。

ガスタービンエンジン１は、空気圧縮セクション２１、燃焼器セクション２３、及びタービンセクション２５を含んでもよい。空気圧縮セクション２１は、例えば軸流圧縮機のような空気圧縮機２７から構成される場合があり、軸流圧縮機は、回転するガスタービン軸２８によって支持される圧縮機ロータ２７Ｒを含む。空気圧縮機２７の入口には、可変入口案内ベーン（以下略してＩＧＶ）２９が設置されていてもよい。

燃焼器セクション２３は、１つ以上の燃焼器３１から構成されている場合がある。通常は複数の燃焼器３１が、ガスタービンの軸線Ａ−Ａを中心に、環状に並んで配置されている。燃焼器３１の例示的な実施形態が、図３Ａ〜図３Ｄを参照して以下に説明される。例えば燃料ガスのような燃料Ｆが燃焼器３１に送られ、ここで燃料Ｆは、空気圧縮機２７からの圧縮空気と混合して燃焼し、燃焼ガスが生成される。燃焼ガスは、タービンセクション２５のタービン３３で膨張する。タービン３３はタービンロータ３３Ｒを含み、タービンロータ３３Ｒは、ガスタービンエンジン１が一軸式の場合はガスタービン軸２８に支持されている。燃焼排ガスが、タービン３３から排気筒３５に排出される。

図１に概略的に示される実施形態では、ガスタービンエンジンは一軸ガスタービンエンジンであり、即ち圧縮機ロータ２７Ｒ及びタービンロータ３３Ｒは、１本の同じ軸に支持されており、ガスタービンエンジン１をガス圧縮機３に駆動可能に接続するために、軸の一端に機械的結合部が設けられている。図示されていない他の実施形態では、ガスタービンエンジン１は、少なくとも２つのタービンホイール、即ち高圧タービンホイール及び低圧タービンホイールを含む多軸構成であってもよい。高圧タービンホイールは、圧縮機ロータ２７Ｒと同時に回転するように、圧縮機ロータ２７Ｒと同じ軸に取り付けられている。第２のタービンホイールは、第２の軸に取り付けられており、第２の軸は、ガス圧縮機３に駆動可能に結合している。燃焼ガスが、高圧タービンホイール及び低圧タービンホイールにおいて順次膨張し、空気圧縮機２７を駆動する第１の機械的動力と、ガス圧縮機３を駆動するさらなる機械的動力とが生成される。２つのタービンホイールは、互いに異なる速度で回転することができる。

例示的な実施形態では、図１を続けて参照しつつ、図２に示されるように、ガス圧縮機３が、外側ケーシング１０１から構成されてもよく、外側ケーシング１０１にはロータ１０３が収容されている。ロータ１０３は、軸１０５、及び複数のインペラ１０７から構成される。図２に示される例では、多段遠心圧縮機１００が、圧縮機入口１０９から圧縮機出口１１１にまで、流れ方向に順次配置された５つのインペラを含む。軸１０５は、軸受１１３、軸受１１５によって支持されている。各インペラは、それぞれの圧縮機段の一部を形成しており、それぞれの圧縮機段は、入口チャネル１１７及び戻りチャネル１１９を含む。各インペラ１０７によって処理されるガスは、入口チャネル１１７からインペラに入り、次のインペラの入口チャネル１１７に向かうように戻りチャネル１１９によって戻される。様々な圧縮機段の戻りチャネルは、１つ以上のダイヤフラム１２１によって形成されており、これらのダイヤフラム１２１は、外側ケーシング１０１内に静止した状態で収容されている。最後のインペラから、即ち最も下流のインペラから排出されるガスは、渦巻き部１２３によって収集される。圧縮ガスが、渦巻き部１２３からガス出口１１１に送られる。外側ケーシング１０１は、バレル１０１Ｂ及び２つの端部１０１Ｃから構成され、閉鎖ハウジングを形成していてもよい。閉鎖ハウジングには、ロータ１０３が回転可能に配置され、ダイヤフラム１２１が静止した状態で収容されている。インペラ１０７を回転させるために機械的動力が使用され、機械的動力はガス圧に変換される。このガス圧は、ガスが順次配置されたインペラを通って流れるにつれて徐々に大きくなる。

例示的な実施形態では、図１を続けて参照しつつ、図３Ａ−図３Ｄに示されるように、各燃焼器３１は、燃焼器ハウジング５１を含んでもよく、燃焼器ハウジング５１には、ライナ即ち火炎管５３が配置されている。トランジションピース即ちトランジションダクト５５が、ライナ５３の後端５５Ａをタービン３３の入口に接続する。

環状流路５７が、ライナ５３の外面と、燃焼器ハウジング５１の内面との間に形成されている。圧縮空気が環状流路５７を流れ、ライナ５３の内側容量部分に入り、複数の孔を通ってトランジションピース５５に入る。いくつかの実施形態では、混合孔５９と称される複数の空気吸込孔が、ライナ５３の前端５３Ｆの近くに設けられている。さらなる空気が、ライナの前端のエンドプレート５２に設けられた通路を通ってライナ５３に入る。希釈孔６１及び希釈孔６３と称されるさらなる孔が、トランジションピース５５の後端５５Ａ及び前端５５Ｆの近くで、トランジションピース５５にそれぞれ配置されている。

複数の一次燃料ノズル６５が、ライナ５３の軸線Ｂ−Ｂの周囲に配置されており、燃料ガスをライナ５３の内側に供給する。定常の動作状態では、一次燃料ノズル６５によって送られる燃料ガスは、混合孔５９と、エンドプレート５２の空気通路とを通ってライナ５３に入る圧縮空気と予め混合される。燃焼器３１の点火後、ガスタービンエンジン１が定常の動作状態になると、燃焼ガス／空気混合気の火炎は、混合孔の下流、特に、例えばライナ５３の内側に形成されたベンチュリスロート領域６９のような接合領域の下流に配置される。ベンチュリスロート領域６９は、ライナ５３の内側を、一次ゾーンとも名付けられる上流燃焼室７０と、二次ゾーンとも名付けられる下流燃焼室７４とに分ける。最初の点火段階では、火炎は、上流燃焼室７０、即ち一次ゾーンに配置され、安定した低排出燃焼状態では、火炎は、下流燃焼室７４、即ち二次ゾーンに配置される。

二次燃料ノズル７１が、ライナ５３の軸線Ｂ−Ｂと実質的に同軸に配置されている。二次燃料ノズル７１は、燃焼ライナ５３のキャップ中央本体５０内に取り付けられ、エンドプレート５２において支持されてもよい。二次燃料ノズル７１は、別個の燃料ガスラインに供給する同軸のチャネルから構成される。中央本体５０は、上流燃焼室７０内で、ライナと実質的に同軸に延びる。いくつかの実施形態によれば、燃料ガスは、複数の二次ノズルペグ７２を通って流され、限定された量の燃料が、案内先端７３Ａで止まる二次ノズル案内管７３に供給される。二次ノズルペグ７２は、燃焼ライナ５３の中央本体５０に形成された燃焼器３１の予混合反応ゾーン７６に燃料を供給し、一方で二次ノズル案内管７３は、下流燃焼室７４に燃料を供給する。下流燃焼室７４で、燃料は直ぐに燃焼する（拡散燃焼）。

いくつかの実施形態では、二次燃料ノズル７１は、燃焼器３１における互いに異なる燃焼モード間の移行中に、使用される予定のさらなる燃料ガスを供給するために、燃料移送ライン７８をさらに含む場合がある。

二次ノズルペグ７２を通って送られた燃料ガスは、予混合反応ゾーン７６で、空気圧縮セクション２１からの圧縮空気と予め混合され、空気燃料混合気は、スワーラ８２を通して下流燃焼室７４内に噴射される。二次ノズル案内管７３及び案内先端７３Ａを通って送られる燃料により、拡散火炎による燃焼が安定化する。

二次ノズルペグ７２及び二次ノズル案内管７３は、それら自体の互いに独立した燃料配管回路をそれぞれ有し、独立した排他的な燃料源をそれぞれ有する。二次ノズル案内管７３に送られ、かつ二次ノズル案内先端７３Ａを通る燃料流量は、ガスタービン燃料流量全体の約２％未満であり、一実施形態では、約０．００２ｐｐｓ（ポンド毎秒）〜約０．０２０ｐｐｓの範囲で燃料流量を移送及び制御することができる。２箇所の燃料導入場所（二次ノズルペグ７２及び二次ノズル案内管７３）を独立して制御することにより、さらなる程度の自由が実現され得るようになり、燃焼システムが最適化され、かつガスタービンシステムによって発生するＣＯ及びＮＯｘの排出が最小化される。特に、これらの２箇所の燃料導入場所を独立して制御することにより、所与の雰囲気及び負荷範囲において、ＮＯｘの排出を５ｐｐｍ（百万分率）未満にすることができる。燃料配管回路及び通路が、米国特許出願公開第２００７／０１３０９５５号明細書により詳しく説明されており、この明細書の内容は、参照により本明細書に組み込まれる。

定常状態では、これまでに説明されたガスタービンエンジン１は、実質的に以下のように、ＮＯｘの排出量を極低に制御して操作され得る。

燃料ガスは、一部は一次燃料ノズル６５に供給され、他の一部は二次燃料ノズル７１に供給される。いくつかの実施形態では、燃料流量の約８０％が一次燃料ノズル６５に送られ、残りの２０％が二次燃料ノズル７１に送られる。一次燃料ノズルと二次燃料ノズルとにガス燃料流量の全体を分けることは、「分割」と呼ばれている。次に二次燃料ノズル７１を流れる燃料ガス流は、二次ノズルペグ７２と二次ノズル案内管７３とに分けられる。空気／燃料希薄混合気が、下流燃焼室即ち二次ゾーン７４で燃焼する。一次燃料ノズル６５を通って送られた燃料は、一次ゾーン７０で空気と予め混合される。この空気／燃料混合気は、下流燃焼室即ち二次ゾーン７４で燃焼する。

定常動作状態での燃料流量及び空気流量は、例えば超希薄燃焼状態で燃焼器を動作させるように設定される。これにより有害なＮＯｘの排出量が減少する。しかし、超希薄燃焼は、熱音響による不安定性の影響を非常に受けやすく、かつ希薄吹消えを非常に起こしやすい。これらは火炎の消失につながる恐れがあり、したがってプラントの停止の観点から難点がある。ガスタービンエンジンが停止するリスクを防止又は緩和するために、燃焼器は通常、希薄吹消え（ＬＢＯ）限界曲線を超えるように操作される。この曲線は、所与の燃焼器に対して経験的に決定され得る。図４は、例示的なＬＢＯ曲線を示す。横軸には、至適からの差分一次分割比が記されている。至適分割は、一次燃料ノズル６５と二次燃料ノズル７１との間の燃料ガスの分割設定、即ち、一次燃料ノズル６５に送られる燃料ガスと二次燃料ノズル７１に送られる燃料ガスとの比と定義される。（１５％Ｏ₂に修正されてｐｐｍで表された）ＮＯｘの排出量が、縦軸に記されている。ＬＢＯ曲線は、下回ると燃焼室で火炎が消失する限界を表す。したがって、燃焼器の設定点は、ＬＢＯ曲線から十分な余裕が維持されるように選択される。

例示的な実施形態では、この設定点は、ＮＯｘ目標が約３．５ｐｐｍで、「至適分割−１％」に選択されてもよい。これは約２．５ｐｐｍのＬＢＯ限界に対応する。この設定点は、燃焼基準温度によって特徴付けられる。燃焼基準温度は、所定の燃料／空気流量比によって達成及び維持される。

すでに述べられたように機械駆動用途では、ガスタービントレインの動作は、ガスタービンエンジンによって駆動されるターボ機械３によって制御される。図１の例示的な実施形態では、ガス圧縮機３の動作状態により、ガスタービンエンジン１が制御される。ガス圧縮機３は、例えばガス圧縮機が一部を形成する工程からの要求が変化することにより、頻繁かつ高速な過渡事象を経験する可能性がある。図１の例示的な実施形態では、例えば、ガス圧縮機３の回転速度及び／又はガス圧縮機３の負荷は、冷却サイクルの実際の動作状態により変動する場合がある。ガス圧縮機３は、全負荷状態から部分負荷にペースを落とすことを必要とするかもしれず、又はその逆もあり得る。また他には、ガス圧縮機３の回転速度は、全速から部分速に変化する必要がある場合があり、又はその逆もあり得る。

ガスタービンエンジン１が超低ＮＯｘ排出下で動作する場合、サイクルに必要とされる圧縮機の速度又は負荷が突然変動することにより、燃焼器の動作点がＬＢＯ曲線に向かって移動する可能性がある。例えば、ガス圧縮機３の回転速度又は負荷が落ちると、必要とされる燃料が少なくなる。しかし、燃料流量の減少は、ガスタービンエンジンの空気圧縮機２７の慣性により、燃料／空気流量比を小さくし、したがって火炎消失即ち希薄吹消えのリスクを生じさせる。

希薄吹消えを防止するために、過渡事象が生じている間、燃焼器が監視される場合があり、過渡事象が生じている間に、ガスタービンエンジン制御装置によりアクションをとることができる。

いくつかの実施形態では、実際の燃焼温度を監視し、燃焼基準温度と比較する場合がある。監視されている燃焼温度と燃焼基準温度との差異が、例えばガス圧縮機３の動作状態での過渡事象により閾値を超えた場合、希薄吹消えを防止するためにガスタービン制御装置８３によりアクションがとられる。

実際の燃焼温度は、排気温度から始めて計算され得る。温度センサ８１がＧＴ排気筒３５に設けられていてもよく、温度センサ８１により、ガスタービン制御装置８３に温度の測定結果が提供される。知られている方式で、排気温度から燃焼温度を計算することができる。

希薄吹消えを防止するために、過渡事象は、事象ベースのアクションによって管理される場合がある。事象ベースのアクションとは、いかなるアクションであってもよく、アクションは、ガス圧縮機３が過渡的な動作中である場合は働いており、定常動作中は停止している。典型的な過渡事象は、ガス圧縮機３におけるベース負荷動作状態からピーク動作状態への移行、又はその逆であり得る。ガスタービン制御装置８３は、ガス圧縮機３及び／又はガス圧縮機３が一部を形成するプラント５に関する１つ以上の動作パラメータについての入力情報を受け取るように構成され得る。パラメータは、過渡事象を示すことができる。いくつかの実施形態では、速度センサ８５及び／又はトルクセンサ８７が、ガス圧縮機３の回転速度又はガス圧縮機３の軸に加えられるトルクを測定するために設けられていてもよい。いくつかの実施形態では、圧縮機制御装置及び／又は工程制御装置８９が設けられている場合があり、ガス圧縮機３、又はガス圧縮機３が一部を形成する工程を制御する。発生している過渡事象又はこれから始まる過渡事象に関する情報が、圧縮機制御装置又は工程制御装置８９により、ガスタービン制御装置８３に提供され得る。

過渡事象に関する情報がどのように生成されたかにかかわらず、過渡事象に関する情報により、ガスタービン制御装置８３は、燃焼における問題点、特に希薄吹消えを防止することを目的とした事象ベースのアクションを作動させる。

事象ベースのアクションは、燃料弁のより高速な制御を含む場合があり、分割、即ち一次燃料ノズル６５に送られる燃料ガス流量と、二次燃料ノズル７１に送られる燃料ガス流量とのそれぞれの比を変化させ、過渡事象の発生中に火炎をより良好に保持し、安定した着実な燃焼を保つことを目的としている。いくつかの事象では、過渡事象の発生中、一次燃料ノズル６５と二次燃料ノズル７１との間の分割は、一次燃料ノズル６５への燃料の量に対して、二次燃料ノズル７１への燃料の量を増加させることにより、一時的に修正される可能性がある。

一時的に燃焼温度が上がり、ＮＯｘ排出量が増加してＬＢＯ曲線からは離れる。これにより過渡事象発生中の希薄吹消えのリスクが防止される。

さらなる事象ベースのアクションには、可変ＩＧＶ２９の動作が含まれる。ＩＧＶを開放する際の低ゲイン、及びＩＧＶを閉鎖する際の高速ゲインにより、過渡事象発生中の燃焼温度が上がり、又は燃焼安定性が高まり、燃焼器の安定性が安全に保たれ、希薄吹消えが防止される。

別のタイプの事象ベースのアクションは、制御ソフトウェアにおいて実行される排出に直接的に働きかける。排出モデルがガスタービンの排出量を予測し、予測される目標排出量を達成するために、制御装置により、タービンの動作パラメータを設定する。過渡事象が発生した場合、排出モデルがタービンの動作点をずらす膨張ファクターを用いて修正され、これによりユニットは、動作限界からさらに離れて動作するようになる。

事象ベースのアクションは、燃焼器が超低排出動作状態に戻るように、過渡事象が終わると終了する場合がある。

図５は、ガス圧縮機３の動作中に発生する過渡事象によって引き起こされる、上述の事象ベースのアクションを要約したフローチャートである。

事象ベースのアクションを引き起こす過渡事象は、被駆動ターボ機械の速度及び／又は負荷の変動を含む。例えば、１０％以上の負荷の変動は、事象ベースのアクションを引き起こす可能性がある。より高速に発生する事象は、より重大なものである可能性がある。いくつかの実施形態では、事象ベースのアクションは、例えば負荷変動が定格負荷に対して１分当たり８％以上である場合に引き起こされる場合がある。本明細書に開示される方法のいくつかの実施形態では、事象ベースのアクションは、負荷過渡事象が回転速度の重大な変動、例えば１％以上の変動を引き起こす場合、より小さな及び／又はより低速な負荷過渡事象によっても引き起こされる場合がある。

本明細書に説明される主題における開示された実施形態が図面に示され、いくつかの例示的な実施形態と結び付けて具体的及び詳細に上で十分に説明されてきたが、多くの修正、変更、及び省略が、本明細書に記載された新たな教示、原理、及び概念、並びに添付の特許請求の範囲に述べられる主題の利点から著しく逸脱することなく可能であることが当業者には明らかであろう。したがって、開示される技術革新の適切な範囲は、すべてのそのような修正、変更、及び省略を含むように、添付の特許請求の範囲を最も広く解釈することによってのみ定められるべきである。また、いかなる工程又は方法ステップの順序又は並びは、代替的な実施形態によって変更、又は再度順序付けされる可能性がある。

１ガスタービンエンジン
３ガス圧縮機、（被駆動）ターボ機械
４電機
５プラント
６配電グリッド
７熱交換器
８可変周波数ドライバ
９凝縮器
１１膨張弁
１３ループ
１５管
１７ギアボックス
１７Ａ入口
１７Ｂ出口
２１空気圧縮セクション
２３燃焼器セクション
２５タービンセクション
２７空気圧縮機
２７Ｒ圧縮機ロータ
２８ガスタービン軸
３１燃焼器
３３タービン
３３Ｒタービンロータ
３５（ＧＴ）排気筒
５０（キャップ）中央本体
５１燃焼器ハウジング
５２エンドプレート
５３（燃焼）ライナ、火炎管
５３Ｆ前端
５５トランジションピース（トランジションダクト）
５５Ａ後端
５５Ｆ前端
５７環状流路
５９混合孔
６１希釈孔
６３希釈孔
６５一次燃料ノズル
６９ベンチュリスロート領域
７０上流燃焼室、一次ゾーン
７１二次燃料ノズル
７２二次ノズルペグ
７３二次ノズル案内管
７３Ａ（二次ノズル）案内先端
７４下流燃焼室、二次ゾーン
７６予混合反応ゾーン
７８燃料移送ライン
８１温度センサ
８２スワーラ
８３ガスタービン制御装置
８５速度センサ
８７トルクセンサ
８９工程制御装置
１００多段遠心圧縮機
１０１外側ケーシング
１０１Ｂバレル
１０１Ｃ端部
１０３ロータ
１０５軸
１０７インペラ
１０９圧縮機入口
１１１圧縮機出口、ガス出口
１１３軸受
１１５軸受
１１７入口チャネル
１１９戻りチャネル
１２１ダイヤフラム
１２３渦巻き部
Ａ−Ａ軸線
Ｂ−Ｂ軸線
Ｆ燃料

Claims

機械駆動構成におけるガスタービン駆動システムであって、被駆動ターボ機械（３）に駆動可能に接続されたガスタービンエンジン（１）であって、乾式低ＮＯｘ排出燃焼器（３１）を含むガスタービンエンジン（１）と、ガスタービン制御装置（８３）とを備え、前記ガスタービン制御装置（８３）が、前記被駆動ターボ機械（３）に関する過渡事象が起こった場合に、前記燃焼器（３１）の希薄吹消えが防止されるように、前記ターボ機械（３）の少なくとも１つの制御パラメータにより、燃焼温度を調節するように配置され、かつ構成されており、前記過渡事象が、前記被駆動ターボ機械（３）の回転速度の変化である、ガスタービン駆動システム。
前記過渡事象が、
前記被駆動ターボ機械（３）の負荷の変化と、前記ガスタービン（３３）の排出における温度の変化と、燃料ストローク基準と
のうちの１つをさらに含む、請求項１に記載のガスタービン駆動システム。
前記過渡事象が、前記負荷が１０％以上変動した場合に起きる、請求項１又は２に記載のガスタービン駆動システム。
前記過渡事象が、前記負荷が１分当たり８％又はそれより高速に変動する場合に起きる、請求項１又は２に記載のガスタービン駆動システム。
前記過渡事象が、負荷変動が前記被駆動ターボ機械（３）において１％以上の速度の変動を引き起こす場合に起きる、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のガスタービン駆動システム。
前記超低乾式低ＮＯｘ排出燃焼器（３１）が、前記ガスタービン（３３）の軸線（Ａ−Ａ、Ｂ−Ｂ）の周囲に環状に並んで配置された複数の燃焼器（３１）を備え、前記燃焼器（３１）のそれぞれが、
接合領域で互いに流体連通している上流燃焼室（７０）及び下流燃焼室（７４）と、
前記上流燃焼室（７０）に燃料を供給するために配置された複数の一次燃料ノズル（６５）であって、前記上流燃焼室（７０）が、前記上流燃焼室（７０）における空気燃料混合気の均質性を向上させるための混合孔構成部（５９）を備える一次燃料ノズル（６５）と、
前記下流燃焼室（７４）に燃料を供給するために配置された二次燃料ノズル（７１）と、
前記下流燃焼室（７４）を、前記ガスタービンエンジン（１）のタービンセクション（２５）の入口に流体接続させるトランジションピース（５５）とを備える、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のガスタービン駆動システム。
前記接合領域が、ベンチュリスロート（６９）を備える、請求項６に記載のガスタービン駆動システム。
前記二次燃料ノズル（７１）が細長い本体を備え、前記細長い本体に沿って二次ノズル案内管（７３）が延び、前記二次ノズル案内管（７３）が案内先端（７３Ａ）で止まり、二次ノズルペグ（７２）が、前記細長い本体に沿った中間位置に配置されており、燃料ガスが、前記二次ノズル案内管（７３）及び前記二次ノズルペグ（７２）に別々に送られる、請求項６又は７に記載のガスタービン駆動システム。
前記二次燃料ノズル（７１）が、前記上流燃焼室（７０）内に延びる中央本体（５０）に配置されている、請求項８に記載のガスタービン駆動システム。
前記二次燃料ノズル（７１）の前記細長い本体が、前記中央本体（５０）と実質的に同軸に延び、前記二次ノズルペグ（７２）が、前記二次燃料ノズル（７１）を囲む前記中央本体（５０）の予混合反応ゾーン（７６）に燃料ガスを送るように構成され、かつ配置されており、前記予混合反応ゾーン（７６）が、前記中央本体（５０）の出口端部と流体連通しており、前記出口端部から、前記予混合反応ゾーン（７６）で生成された燃料／空気混合気が、前記下流燃焼室（７４）内に流れる、請求項９に記載のガスタービン駆動システム。
スワーラ構成部（８３）が、前記予混合反応ゾーン（７６）と前記中央本体（５０）の前記出口との間に配置されている、請求項１０に記載のガスタービン駆動システム。
前記上流燃焼室（７０）が、通常動作中、前記一次燃料ノズル（６５）によって供給される前記燃料が、前記上流燃焼室（７０）に供給された空気と予め十分に混合され、かつ前記空気／燃料混合気が、ＮＯｘ及びＣＯの排出を抑えた燃焼のために前記下流燃焼室（７４）に送られるように構成されている、請求項７乃至１１のいずれか１項に記載のガスタービン駆動システム。
前記ガスタービン制御装置（８３）が、前記被駆動ターボ機械（３）に関する前記過渡事象が起こった場合、事象ベースのアクションを引き起こすように構成され、かつ配置されている、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のガスタービン駆動システム。
前記事象ベースのアクションが、前記燃料弁のより高速な制御、前記燃焼器（３１）における前記一次燃料ノズル（６５）への燃料流量と前記二次燃料ノズル（７１）への燃料流量との比の変更、及び前記ガスタービンエンジン（１）の可変ＩＧＶの操作からなる群より選択される、請求項１３に記載のガスタービン駆動システム。
被駆動ターボ機械（３）に駆動可能に接続されたガスタービンエンジン（１）の燃焼を制御する方法であって、前記ガスタービンエンジン（１）が、乾式低ＮＯｘ排出燃焼器（３１）及びガスタービン制御装置（８３）を含み、前記被駆動ターボ機械（３）に関する過渡事象が起こった場合に、前記燃焼器（３１）の希薄吹消えが防止されるように、前記ターボ機械（３）の少なくとも１つの制御パラメータにより、前記燃焼温度を調節するステップであって、前記過渡事象が、前記被駆動ターボ機械（３）の回転速度の変化であるステップを含む方法。
前記被駆動ターボ機械（３）に関する前記過渡事象が起こった場合、事象ベースのアクションを引き起こすステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
前記事象ベースのアクションが、前記燃料弁のより高速な制御、前記燃焼器（３１）における前記一次燃料ノズル（６５）への燃料流量と前記二次燃料ノズル（７１）への燃料流量との比の変更、及び前記ガスタービンエンジン（１）の可変ＩＧＶの操作からなる群より選択される、請求項１６に記載の方法。