JP2021156253A - ガスタービン燃焼器の運転監視方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼器部品の摩耗量や燃料ノズルの負荷状態を定量評価することを可能とし、それによって、定期点検の間隔の長期化や燃焼器分解の簡略化を可能とするガスタービン燃焼器の運転監視方法を提供する。【解決手段】拡散燃焼バーナ、予混合バーナ、燃焼器ライナ、トランジションピースを有するガスタービン燃焼器の運転監視方法であって、燃焼空気流速と燃焼器ライナ圧力の時間変動を計測処理して、二つの周波数スペクトルを得る工程と、二つの周波数スペクトルにおいて予め設定された周波数帯のピーク値を抽出し、その二つのピーク値から損傷／摩耗変数へ変換する計算処理工程を有し、損傷／摩耗変数に基づきガスタービン燃焼器部品の監視を行う。【選択図】 図１

Description

本発明はガスタービン燃焼器の運転監視方法に係り、特に燃焼器運転の予兆診断、監視データ容量の削減に関する。

ガスタービン運転の高効率化と燃料節約が求められており、運転を停止させる定期点検の間隔の長期化、及び点検期間の短縮化が求められている。そのため、ガスタービンの運転監視技術が重要となる。
ガスタービンの運転監視技術に関するものとして、例えば特許文献１に記載のものがある。

特表2015-529768号公報

燃焼器に使用される高温部品は、タービン運転の起動回数や運転時間の経過に伴って、その摺動部位に摩耗が生じる。通常は定期点検時に燃焼器を分解してこれら高温部品の摩耗量を含めた保守検査が実施され、その摩耗量が一定値以上になると交換がなされる。また、予混合バーナの燃料ノズルは大きな振動負荷が加わることがあり、点検時に根元部にき裂が認められることもある。現在、ガスタービン運転の高効率化を図るため、定期点検の間隔の長期化や燃焼器分解の簡略化が強く要望されているが、従来の運転監視システムでは特許文献１に記載のものを含めて燃焼器部品の摩耗量や燃料ノズルの負荷状態を定量評価することが困難である。

本発明は、燃焼器部品の摩耗量や燃料ノズルの負荷状態を定量評価することを可能とし、それによって、定期点検の間隔の長期化や燃焼器分解の簡略化を可能とするガスタービン燃焼器の運転監視方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、特許請求の範囲に記載の構成を採用する。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、拡散燃焼バーナ、拡散燃焼バーナの外周に配置された予混合バーナ、燃焼器ライナ、トランジションピースを有するガスタービン燃焼器の運転監視方法であって、（１）燃焼空気流速と燃焼器ライナ圧力（燃焼振動）の時間変動を計測処理して、二つの周波数スペクトルを得る工程と、（２）二つの周波数スペクトルにおいて予め設定された周波数帯のピーク値を抽出し、その二つのピーク値から損傷又は摩耗変数へ変換する計算処理工程を含む。

本発明によれば、燃焼器のトランジションピース等の高温部品の摩耗量や燃料ノズルの負荷状況が推定できるため、定期点検の間隔や点検時の分解／再組立ての工程が簡略化できる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本実施例の燃焼器部品の寿命評価に係る運転監視法の説明図である。 本発明のガスタービン燃焼器の運転監視方法が適用されるガスタービン燃焼器バーナ部の模式図である。 ガスタービン燃焼器トランジションピースの模式図である。 ガスタービン燃焼器トランジションピースの模式図である。

以下、図面を用いて本発明の一実施例を説明する。

先ず、本発明のガスタービン燃焼器の運転監視方法が適用されるガスタービン燃焼器の一例について図２〜４を用いて説明する。
図２はガスタービン燃焼器バーナ部の断面図を示す。ガスタービン燃焼器１００は、保炎器４、予混合器５、燃焼器ライナ（燃焼室）８、予混合バーナ１１、拡散バーナ１２を備える。予混合バーナ１１は予混合用の燃料６を予混合器５に噴射する予混合用燃料ノズル１を有する。拡散バーナ１２は拡散燃焼用の燃料１０を燃焼器ライナ８に噴射する拡散燃焼用燃料ノズル（パイロットバーナ）３を有する。燃焼器ライナ８の上流側中央部には拡散バーナ１２が配置され、その周囲に複数個の予混合器５及び予混合燃焼用の予混合用燃料ノズル１が配置される構造となっている。これら拡散バーナ１２及び予混合バーナ１１は、エンドフランジ７と機械的に接合されている。燃焼空気２は圧縮機（図示省略）から燃焼器ライナ８と外筒壁９の間を通って供給される。

図３はガスタービン燃焼器に使用されるトランジションピースの構造概要を示す。燃焼器ライナ８は燃焼空気と燃料の混合気を燃焼させるもので、その下流側にトランジションピースが位置する。トランジションピースは燃焼ガスを整流してタービン静翼へ導く風路の機能を果たす。トランジションピースは燃焼ガスに接触するトランジションピース本体部２０とその外周を覆うトランジションピース外筒部２１からなり、トランジションピース本体部２０とトランジションピース外筒部２１の間隙空間は燃焼空気の流路２７となる。トランジションピース本体部２０は燃焼器ライナ側の固定ストッパ２２や突起部２３などで固定支持されている。またトランジションピース外筒部２１は、図４に示すように、タービンケーシング２９と固定ブロック２８や連結棒２４などで固定支持されている。

＜実施例１＞
燃焼器を構成する高温部品における摩耗は上述の固定ストッパ２２や固定ブロック２８とトランジションピース外筒部２１の支持部において発生する懸念がある。また、燃焼器を構成する高温部品における過大な振動負荷によるき裂は予混合用燃料ノズル１の根元部で発生する懸念がある。

これら固定ストッパ２２や固定ブロック２８とトランジションピース外筒部２１の支持部の摩耗現象や予混合用燃料ノズル１のき裂発生の主要因を究明すべく、トランジションピース部品や燃料ノズルに加速度センサやひずみゲージを取付けて、燃焼器運転の諸条件と摩耗現象に係る摺動部位の荷重や摺動距離や燃料ノズルの曲げ応力を測定評価した。その結果、燃料ノズルの振動曲げや摺動部位の面圧に関係する荷重や変位は、燃焼器ライナ８で生じる燃焼振動圧力と燃料ノズルやトランジションピース周囲を流れる燃焼空気の流速の時間変動（或いは動圧）の二つに大きく支配されていることがわかった。

特にこれら燃焼振動や空気流速の時間変動の周波数が、燃料ノズルやトランジションピース摺動部付近の固有振動数と共振する帯域で特に大きくなる傾向にあった。

従って、ガスタービン燃焼器の運転監視において、この燃焼振動の圧力変動と空気流速の時間変化を連続計測して、その時間データを高速フーリエ変換して周波数スペクトルを取得し、その共振点付近のスペクトル強度を用いて燃焼器部品の振動負荷を定量把握することが有効であることがわかった。燃焼振動の圧力変動と空気流速の時間変化は燃焼器の一般計測により得られる計測信号を用いる。

図１に本実施例における燃焼器部品の寿命評価に係る運転監視方法を示す。
（１）燃焼空気流速と燃焼器ライナ圧力（燃焼振動）の時間変動を計測処理して、二つの周波数スペクトルを得る。
図１における上段、右側は、タービン運転において、燃焼振動が生じた時の周波数スペクトルの一例を示す。燃焼条件にもよるが特定の周波数にピークが認められる。図中の周波数帯Ａ，Ｂ，Ｃは燃焼器部品の固有振動数を示す。この周波数帯と燃焼振動の周波数が一致するとその部品に共振が生じて、振動負荷が増大すると共にその摩耗を生じさせる面圧荷重や摺動変位が大きくなる。
図１における上段、左側は、燃焼空気流速の周波数スペクトルの一例を示す。
例えば、燃焼器部品Ａは予混合用燃料ノズルの場合を表す。ここで、周波数帯Ａは、予混合用燃料ノズルの一次モードの固有振動数を示す。その固有振動数は一般的な打撃試験などで得ることができる。また、燃焼空気流速は予混合バーナの入口部で評価されたものとしている。
（２）二つの周波数スペクトルにおいて予め設定された周波数帯のピーク値を抽出し、その二つのピーク値から損傷／摩耗変数へ変換する計算処理を適用する。
周波数スペクトルより燃焼振動及び燃焼空気の流速変動の双方で比較的大きな振動が生じていることがわかる。図中の周波数帯を横切る線はその閾値を示すが、ピーク値は両方ともに閾値を超えている。
本発明では、このピーク値にある変換係数を乗じることで、損傷／摩耗のパラメータ（損傷変数／摩耗変数）を得る手法を採用している。

燃料ノズルの場合は、その根元部にひずみゲージを貼り付けて、燃焼試験下で同一の周波数帯（ここでは燃料ノズルの固有振動数）におけるスペクトル強度と曲げ応力やひずみとの関係式を予め取得しておく。その関係式を用いることで、スペクトルから曲げ応力等を評価することができる。
このようにして、燃料ノズルの場合は、燃焼空気の流速変動により曲げ応力、及び燃焼振動により曲げ応力を各々取得した後に、これらを合算することで、計測が実施された時間の振動負荷（即ち、応力負荷）を得ることができる。
一般的に燃料ノズル根元部に曲げ応力が作用した場合の疲労損傷では、応力の強さとその繰返し数から得られるマイナー則などの累積損傷度を評価する手法を適用することで、さらに信頼性の高い損傷の進行度と余寿命を評価することができる。また上述の疲労曲線における繰返し数は、同じ時間であっても振動周波数が高いと大きくなるため、周波数スペクトルのピーク値と繰返し数に相当する周波数に積算を使用することが有効である。

＜実施例２＞
実施例１において、燃料ノズルの疲労損傷は、燃焼空気流速と燃焼振動圧力が影響し、その周波数がその固有振動数と一致する場合に特に大きくなることがわかった。ここで、タービン運転が緊急遮断（トリップ）された場合、燃焼器に流入する燃焼空気の流量が急激に増加してその流速も速くなる。この場合は、定常運転と比較して燃焼空気流速が疲労損傷に及ぼす影響が大きくなる。緊急遮断時の急激な流速増加の時間は数秒間と短く、一般的なデータ保存の時間間隔ではその過渡現象を正確に把握することができない。従って、二つの周波数スペクトルは一定時間間隔でデータを保存するとともに、燃焼空気流量の時間変動計測としてトランジェント計測機能を併用させることで、ガスタービンの緊急遮断などの信号（所定のトリガ信号）が入力された場合に過去に遡った時間変動データを保存するようにする。

＜実施例３＞
実施例１と同様に、燃焼器トランジションピースにおける固定ブロックとトランジションピース外筒部の摺動支持構造、及びトランジションピース額縁部（トランジションピース下流側のタービン静翼側との接続部）の振動挙動を、加速度センサやひずみゲージで測定評価した。その結果は燃料ノズルと同様に燃焼空気流速と燃焼振動圧力の影響を大きく受けることが判明した。
従って、これは燃焼空気流量と燃焼振動の周波数スペクトルにおけるピーク値と摩耗量に関係する摺動面圧や変位との関係を予め取得しておくことで、燃料ノズルと同様に燃焼器運転の状況から摩耗量を推定することができる。

また、実施例１〜３を考慮すれば、二つ１組の周波数スペクトルから複数の燃焼器部品の損傷／摩耗の情報を得ることができる。

＜実施例４＞
実施例１〜３において取得される周波数スペクトルや摩耗損傷に係る運転データを長期間に渡って保管するとそのデータ容量が非常に大きくなる。そのデータ容量を削減し、管理を容易化する手段として、二つの周波数スペクトルのピーク値が、各周波数帯の閾値をいずれかを超えた場合は二つの周波数スペクトルを、閾値を超えない場合はそのピーク値のみを保存することが有効であった。ここで、各周波数帯における閾値は、監視対象と燃焼器部品に応じて設定できる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１ 予混合用燃料ノズル
２ 燃焼空気
３ 拡散燃焼用燃料ノズル
４ 保炎器
５ 予混合器
６ 燃料
７ エンドフランジ
８ 燃焼器ライナ
９ 外筒壁
１０ 燃料
１１ 予混合バーナ
１２ 拡散バーナ
２０ トランジションピース本体部
２１ トランジションピース外筒部
２２ 固定ストッパ
２３ 突起部
２４ 連結棒
２５ ピン
２６ フローティングシール
２７ 流路（間隙空間）
２８ 固定ブロック
２９ ケーシング
１００ ガスタービン燃焼器

Claims (7)

1. 拡散燃焼バーナ、前記拡散燃焼バーナの外周に配置された予混合バーナ、燃焼器ライナ、トランジションピースを有するガスタービン燃焼器の運転監視方法であって、
   燃焼空気流速と燃焼器ライナ圧力の時間変動を計測処理して、二つの周波数スペクトルを得る工程と、
   前記二つの周波数スペクトルにおいて予め設定された周波数帯のピーク値を抽出し、その二つのピーク値から損傷又は摩耗変数へ変換する計算処理工程を有し、
   前記損傷又は摩耗変数に基づきガスタービン燃焼器部品の監視を行うことを特徴とするガスタービン燃焼器の運転監視方法。
2. 請求項１に記載のガスタービン燃焼器の運転監視方法において、
   前記予め設定される周波数帯は、前記予混合バーナの燃料ノズル、又は、前記トランジションピースの支持部、若しくは、額縁部の固有振動数で、各々周波数スペクトルの閾値が設定されていることを特徴とするガスタービン燃焼器の運転監視方法。
3. 請求項１に記載のガスタービン燃焼器の運転監視方法において、
   前記燃焼空気流速は前記予混合バーナの入口部で評価されたものであることを特徴とするガスタービン燃焼器の運転監視方法。
4. 請求項２に記載のガスタービン燃焼器の運転監視方法において、
   前記予混合バーナの燃料ノズルの損傷推定は、前記二つの周波数スペクトルの閾値を超えたピーク値とその周波数の積の合計値で得られる損傷変数を用いることを特徴とするガスタービン燃焼器の運転監視方法。
5. 請求項２に記載のガスタービン燃焼器の運転監視方法において、
   前記二つ周波数スペクトルを一組とし、該二つ一組の周波数スペクトルに基づき複数のガスタービン燃焼器部品の損傷／摩耗の情報を得ることを特徴とするガスタービン燃焼器の運転監視方法。
6. 請求項２又は４に記載のガスタービン燃焼器の運転監視方法において、
   前記二つ周波数スペクトルを一組とし、該二つ一組の周波数スペクトルのピーク値が、各周波数帯の閾値をいずれかを超えた場合は二つの周波数スペクトルを、各周波数帯の閾値を超えない場合はそのピーク値のみを保存することを特徴とするガスタービン燃焼器の運転監視方法。
7. 請求項１に記載のガスタービン燃焼器の運転監視方法において、
   前記二つの周波数スペクトルは一定時間間隔でデータ保存され、かつ前記燃焼空気流速の時間変動計測はトランジェント計測機能を併用し、所定のトリガ信号が入力された場合は、過去に遡った時間変動データが保存されるようにしたことを特徴とするガスタービン燃焼器の運転監視方法。

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