JP2021524555A - ガス状燃料によるガスタービン設備の作動方法 - Google Patents

Abstract

ガス状の燃料によるガスタービン設備の作動方法であって、ガス状の燃料がガス導管（６）を通ってガスタービン設備に搬送され、燃焼室（４）内で燃焼され、次いでガスタービンに供給される作動方法。ガス導管（６）には燃焼室（４）への燃料の通流調節用の少なくとも１つの弁（１２ａ、１２ｂ）が組み込まれており、この弁（１２ａ、１２ｂ）に対し臨界的な開度位置（Ｓｋｒｉｔ）が定義される。ガス導管（６）内の圧力が十分でない場合にガスタービン設備の出力（Ｐ）が可能な限り長く最大限に高く維持される改良したガスタービン設備の運転方法に関して、弁（１２Ａａ，１２ｂ）が臨界的な開度位置（Ｓｋｒｉｔ）を越える状態になるとガス導管（６）内の燃料の温度（ＴＢ）が低下されることが提案される。

Description

本発明は、ガス状燃料によるガスタービン設備の作動方法に関しており、当該ガス状燃料はガス導管を通ってガスタービン設備に搬送され、燃焼室で燃焼され、またその後ガスタービンに供給される。本発明は更に、本方法を実施するための制御装置、及びそのような制御装置を備えたガスタービン設備に関する。

ガスタービン設備は、通常、ガス導管を介して燃料として天然ガスを供給される。この場合ガスタービン設備の最適な運転は、燃料の品質、正確な圧力、正確な温度に依存している。ガスタービン設備の運転の前提条件として規定されて、また、保証されなければならない最小必要圧力は、様々な使用条件及び環境条件、例えば、タービン負荷、周囲温度、周囲圧力、ガス組成、ガス温度などにも依存している。しかし様々な状況に基づき、例えば、局所的なガスネットワークの圧力変動、ガスタービン設備への及びガスタービン設備内の導管における故障、ガス圧縮機があればその故障、ガス品質の変動、ガス導管系統に沿った圧力損失、燃焼出力の上昇によって、ガス導管内の圧力は十分でないおそれがある。ガスタービンの燃焼が、２つ又はそれ以上の段階（例えばメインバーナー及びパイロットバーナー）に対する燃料の質量流量の正確な分布に、依存する場合には、上記の状況下における燃焼安定性はもはや保証出来ない。

特許文献１からは、燃焼室内の圧力よりも高いガス導管内での供給圧力を保証するために、燃料温度を低下させることが知られている。しかしこれは常にガスタービンの出力上昇を絞るための他の措置との組み合わせで行われており、これらの措置は燃料温度の低下よりもより高い優先度を有している。ここでの動機は、燃料供給圧力を安定させることによって以下のようなフラッシュバックを回避することである、即ち、それにより燃料供給全体の作動安全性が脅かされまたガスタービン設備をかなりの期間にわたって故障させるおそれがあるフラッシュバックを回避することである。出力を低下させるまた場合によってはガス温度を低下させるための措置は、定められた圧力曲線或いは圧力特性曲線に応じて開始される。圧力特性曲線は他の機械の設計演算及び／又は経験値に基づいている必要がある。出力に依存する燃焼室圧力が考慮される場合、ガス圧力は、最大の調整可能な燃料体積流量にとっての近似的な尺度である。計算上の不正確さ及び（例えば製造上の許容誤差などによる）機械ごとの自然な変動に基づいて、並びに、ガス系統及びバーナー（磨耗或いは汚染）に関して時間的に変化する圧力損失係数に基づいて、特定のガス圧力に対する最大の調整可能な燃料体積流はある程度のばらつきを被る。

欧州特許第１７３０４４４Ｂ１号公報

従って本発明の課題は、従来技術の欠点を排除し、そして、ガスタービン設備の改善された作動方法を提案することであって、当該作動方法においては、ガス導管内の圧力が不十分である場合に、ガスタービン設備の出力が可能な限り長く最大の大きさに保たれる。

この課題は本発明に従い以下のようなガス状の燃料によるガスタービン設備の作動方法により、解決される、即ち、ガス状の燃料がガス導管を通ってガスタービン設備に搬送され、燃焼室内で燃焼され、次いでガスタービンに供給され、ガス導管には燃焼室への燃料の通流調節のための少なくとも１つの弁が組み込まれており、この弁に対し臨界開度位置が定義され、そして弁が臨界開度位置を越える状態になるとガス導管内の燃料の温度が低下される方法により、解決される。

またこの課題は本発明に従い、このような方法を実施するための手段を備える制御装置によって解決される。

更にこの課題は本発明に従い、このような制御装置を備えるガスタービン設備によって解決される。

本方法に関して以下に列挙する利点及び好ましい形態は、上記の制御装置及びガスタービン設備にそのまま適用することができる。

この場合弁とは、ガス導管内の質量流を制御又は調節するためのそれぞれの装置を意味する。この弁は特に閉じられた状態ではガス導管を完全に遮断し、その結果ガス流れは中断される。弁は好ましくは制御弁又は調節弁として設計されているが、フラップ、スライド又はタップの様態で設計されていてもよい。

本発明は、いつ燃料温度の低下が必要となるかの基準として通流弁の位置が考慮されることにより、ガスタービン設備の格別に信頼性の高い制御可能性が達成されるという知見に基づいている。弁の位置は、燃焼室の前で実際に必要とされる圧力に対する、或いは、ガス導管内の不十分な圧力への反応として燃料質量流をどこまで増加させることができるかに対する、直接的な基準である。これらの措置は本当に必要な場合にのみとられるので、ガスタービンの調整された目標出力は可能な限り長く変更されないままにされる。従来技術とは対照的に、本発明の方法は、特に、負荷に無関係であり、即ち、弁の位置は、臨界的な開度位置と相関し、固定基準であり、そして、動作点とは無関係であることによって、特徴付けられる。

弁の現在位置は、その一部が弁であるガス導管内の質量流が分かっているため、常に分かっている。特に弁の位置は、質量流に依存して調節される。これは直接測定されるか、又は、異なるパラメータに基づいて間接的に決定される。弁が臨界的な開度位置にあるが、ガス導管内の圧力が十分でない場合、特にそこで圧力に関する要求が高まるか又は導管内の圧力が低下する場合、ガス温度を下げることが第１措置として実行され、それに伴い目標出力が維持される。燃料の温度は、ガス導管内の圧力に本質的な影響を与える。ガス温度を下げることによりガスの密度が上がり、これは燃料系統での僅かな圧力損失を導く。

好ましくは、弁の臨界的な開度位置は、最大の開度位置の７０％を超える範囲にある。最大の開度位置とは、ガス導管内の質量流が最大となる位置である。従って、弁の決定的な臨界的な開度位置は、必ずしも弁が最大限に開いた位置ではなく（ただし臨界的な開度位置は最大の開度位置によっても定義されていてもよい）、僅かに流量が最小化された位置である。この場合の利点は、例えば燃料の質の変動のような、運転パラメータの敏速で短時間の変更に、弁を更に開くことにより対応できることである。また臨界的な開度位置は、それを運転中に変更することによって、運転条件にあとから適応させることができる。

燃料の温度を下げることは、積極的な冷却手段を介して、行われ得る。しかしながら、特には、ガスタービン設備は燃料用の予熱系統を有し、また、ガス導管内の燃料の温度は、予熱系統内で燃料に供給される熱を減少させることによって、低下される。これは、温度を低下させるための格別に簡単で効率的な手段であり、追加的なハードウェアを必要とせず、エネルギー消費とは無関係である。

好ましい実施形態によれば、燃料の最低温度に対する閾値は、ガスタービン設備の作動パラメータを考慮して決定され、ガス導管内の燃料の温度の低下は、閾値に達すると停止される。ガスタービン設備には潜在的な制限があり得るため、最低ガス温度を維持する必要があるかもしれない。低いガス温度では例えば燃焼の安定性及び／又は放出に関する問題が発生し得る。このような作動パラメータは、例えば、排気ガス中のＮＯｘ値であり、これは、本発明に従う方法が開始されるか或いは更に機能されるかを決定する追加の基準である。燃料温度の固定の最低値を監視することは、より高い炭化水素の比率が多いガスにおいて企図され得る。これは、より低いガス温度では凝縮形成の危険性があるからである。更に非常に低温の所在地では、低ガス温度で氷結する危険性もあり、固定の最小値は５°が有利であることが実証されている。この場合燃料の温度低下を停止することは、標準的には、プロセスがすでに開始されている場合にはこれが中断されることを意味する。代替的に、放出量の閾値にすでに達していても燃料の冷却がまだ行われない場合には、放出値が閾値に対応している限り、ガス冷却は放置される。

合目的的には、複数の弁がガス導管に設置されており、各弁の位置が利用される。多段式のバーナーの場合、導管内の個々の段に対して、例えばメインバーナー及びパイロットバーナーに対して、通常は流量調節用の弁が各１つ設けられる。複数の弁のうち少なくとも１つが臨界的な開度位置にあり、更に増大する質量流要求にもはや対応出来ない場合、ガス導管内の燃料の温度は、既に説明したように低下させられる。

ガス品質の変動がガス導管内の圧力不足の原因である場合は、通常は燃料温度を下げるだけで十分である。しかしながら、燃料温度の低下が圧力要件を満たすことが出来ない場合には、好ましくは、追加的にタービン出力が低減される。温度が低下しているにもかかわらず、弁の臨界開度位置に到達しても圧力要件を満たすことができない場合にのみ、タービン出力は、特に低減された出力設定値を指定することによって、制御された方法で低減される。それどころか、非常時にはガスタービンのシャットダウンが起こり得る。この場合にはガス温度の低下並びに出力低下の２つの措置が互いに以下のように組み合わされる、即ち、出力が可能な限り長い間変化しない或いは可能な限り高く維持されるように組み合わされ、その際、弁が臨界的な開度位置を越えないことが常に注意されるべきである。ここで重要なのは、両方の措置の優先順位付けであり、即ち、それらは場合によっては同時に開始されてもよいが、タービン出力は可能な限り早期に再び増加される。タービン出力の低下は、特に、燃料温度の低下だけでは圧力勾配を打ち消すのに十分でない場合に圧力勾配に対抗するために、格別に大きな圧力勾配に対する迅速な反応として開始される。

本発明の実施例を、図面を参照してより詳細に説明する。

概略的にまた大幅に簡略化して、ガスタービン設備の燃料系統を示す。 ダイアグラムで、ガスタービン設備の異なるパラメータの時間的な経過を示す。

同一の符号は、各図において同一の意味を有する。

図１には、燃料系統２の構造が概略的に示されており、これは、天然ガスが燃料として使用される、詳細には図示されていないガスタービン設備の一部である。ガスタービン設備は、通常、圧縮機、燃焼室４並びにガスタービンを含み、このガスタービンには、例えば、電気を発生させるための発電機が連結されている。

燃料系統２はガス導管６を含み、当該ガス導管６を介してガス状燃料が燃焼室４に供給される。燃焼室４には、特には複数のバーナーが配置されており、これらは図示の実施例では多段式に形成されており、またこれらはメインバーナー８並びにパイロットバーナー１０によって図中では記号的に表されている。バーナー段８、１０のそれぞれに向かって部分導管６ａ、６ｂが分岐されており、それぞれに調節弁１２ａ、１２ｂが組み込まれている。ガス導管６は、更に非常時弁１４も含んでいる。非常時弁１４の上流では、ガス導管６に、更に熱交換器１６が配置されており、当該熱交換器１６はガス導管６内の燃料を予熱するために使用される予熱系統の一部である。

ガスタービン設備は更に制御或いは調節装置１８を含み、これは、とりわけ、調節弁１２ａ、１２ｂの位置を調節する。この調節装置１８には、調節弁１２ａ、１２ｂのための臨界的な開度位置が保存されており、当該臨界的な開度位置は例えば調整弁１２ａ、１２ｂの最大の開度位置の８０％である。この場合臨界的な開度位置は、例えば、調節弁１２ａ、１２ｂの最大開度位置の７０％、７５％、８５％、９０％、９５％であってもよいし、又は最大開度位置に相当していてもよい。

本発明に従う方法の経過は図２から見て取ることが出来る。一般には、ガスタービンが所定の出力或いは燃焼温度で駆動されるように、各調節弁１２ａ、１２ｂの位置は、制御又は調節装置１８内の調節回路を介して、常に調整される。ガスタービンは従って以下の値についての変動に対して、即ち天然ガス供給圧力、天然ガス温度、天然ガス品質、周囲条件、天然ガス供給系統及びバーナーに関する圧力損失（汚染／摩耗）、及び／又はガスタービンの効率（摩耗）についての変動に対して、間接的に自動的に反応する。これらのパラメータの全ては、考えられうる擾乱要因であり、これらに基づいて、調節弁１２ａ、１２ｂの位置が調節され、その目的はこれにより特にタービン出力Ｐが調整することである。

擾乱値として図２では燃料供給圧力ＢＤ、ここでは天然ガス供給圧力の低下が考察される。天然ガス圧力の低下の代わりに、ガス品質の劣化、周囲温度の低下、周囲空気湿度の上昇、周囲圧力の上昇、バーナー又は天然ガスシステムコンポーネントの汚染、ガスタービン効率の低下等を代替的に使用することができる。

図２によれば、時点ｔ_０から時点ｔ_１では燃料供給圧力ＢＤは一定であり、調節弁位置ＲＶは臨界的な開度位置Ｓ_ｋｒｉｔの下側にある。燃料温度Ｔ_Ｂとタービン出力Ｐは、その設定値（タービン出力のＰ_Ｓ）で安定している。

時点ｔ_ｉから時点ｔ_２ではガス導管６内の燃料供給圧力ＢＤは低下している。タービン出力Ｐ（或いは燃料質量流）を一定に保つために、対応する調節弁或いは両方の調節弁１２ａ、１２ｂは、臨界的な開度位置Ｓ_ｋｒｉｔに到達するまで更に開かれる。

時点ｔ_２からｔ_３までの期間では、燃料供給圧力ＢＤはさらに低下している。調節弁１２ａ、１２ｂは、それらの所定の臨界的な開度位置Ｓ_ｋｒｉｔに達しており、それゆえそれらはｔ_３からはそれ以上開かず、Ｓ_ｋｒｉｔに留まっている。出力Ｐ（または燃料質量流）を一定に保つために、ガス温度Ｔ_Ｂが下げられる。

ｔ_３からは、燃料供給圧力ＢＤは更に急勾配で減少している。燃料温度Ｔ_Ｂのゆっくりした変化によって補償するには、この勾配は大き過ぎる。燃料温度Ｔ_Ｂは更にその最大勾配で低下しており、更にガスタービン出力Ｐも僅かに低下し、それに伴い調節弁１２ａ、１２ｂは引き続き臨界的な開度位置Ｓ_ｋｒｉｔに維持される。

ｔ_４及びｔ_５の間では、燃料供給圧力ＢＤは最初のレベルよりも低いレベルで安定する。調節弁１２ａ、１２ｂは引き続き臨界的な開度位置Ｓ_ｋｒｉｔにある。タービン出力Ｐは、ｔ_３から依然として出力設定値Ｐ_Ｓより下になっているが、燃料温度Ｔ_Ｂの漸進的な低下と並行して、ガスタービン出力Ｐは、設定値Ｐ_Ｓまでゆっくりと再び増加している。この場合注意すべきことは、燃料温度Ｔ_Ｂが最小の閾値Ｔ_ｍｉｎより上に留まっていることであり、この場合閾値Ｔ_ｍｉｎは例えばＮＯｘ排出量又はガスタービン設備の別の運転パラメータと相関することである。

ｔ_５以降は、再び安定した運転が達成される。ガスタービン出力Ｐはその設定値Ｐ_Ｓに再び達し、ガスタービンは低下した燃料温度Ｔ_Ｂで更に運転される。調節弁１２ａ、１２ｂが臨界的な開度位置Ｓ_ｋｒｉｔの下の位置ＲＶをとる場合にようやく、燃料温度Ｔ_Ｂは再び上昇される（この事例は図示されていない）。

２ 燃料系統
４ 燃焼室
６ ガス導管
８ メインバーナー
１０ パイロットバーナー
１２ 調節弁
１４ 非常時弁
１６ 熱交換器
１８ 制御又は調節装置
ＢＤ 燃料供給圧力
ＲＶ 調節弁位置
Ｔ_Ｂ 燃料温度
Ｐ タービン出力
Ｓ_ｋｒｉｔ 臨界的な開度位置
Ｔ_ｍｉｎ 最小の閾値
Ｐ_Ｓ 設定閾値

Claims (8)

1. ガス状の燃料によるガスタービン設備の作動方法であって、当該燃料がガス導管（６）を通ってガスタービン設備に搬送され、燃焼室（４）内で燃焼され、次いでガスタービンに供給される作動方法において、
   前記ガス導管（６）に前記燃焼室（４）への前記燃料の通流調節用の少なくとも１つの弁（１２ａ、１２ｂ）が組み込まれており、前記弁（１２ａ、１２ｂ）に対し臨界的な開度位置（Ｓ_ｋｒｉｔ）が定義され、前記弁（１２ａ，１２ｂ）が前記臨界的な開度位置（Ｓ_ｋｒｉｔ）を越える状態になると前記ガス導管（６）内の前記燃料の温度（Ｔ_Ｂ）を低下させること、
   を特徴とするガスタービン設備の作動方法。
2. 前記弁（１２ａ、１２ｂ）の前記臨界的な開度位置（Ｓ_ｋｒｉｔ）が最大の開度位置の７０％以上であること、
   を特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記ガスタービン設備が前記燃料の予熱系統を有し、前記予熱系統において前記燃料に供給される熱を低減することによって、前記ガス導管（６）内の前記燃料の温度（Ｔ_Ｂ）が低減されること、
   を特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記ガスタービン設備の運転パラメータに対する現在の値を考慮して、前記燃料の最低温度（Ｔ_Ｂ）に対する閾値（Ｔ_ｍｉｎ）を決定し、この閾値に達したときに前記ガス導管（６）内の前記燃料の温度（Ｔ_Ｂ）の低下を停止させること、
   を特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の方法。
5. 前記ガス導管（６）に複数の弁（１２ａ、１２ｂ）が組み込まれており、各々の弁（１２ａ、１２ｂ）の位置を利用すること、
   を特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の方法。
6. 追加的にタービン出力（Ｐ）が低減されること、
   を特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の方法。
7. 請求項１から６の何れか１項に記載の方法を実施するための手段を備える制御装置（１８）。
8. 請求項７に記載の前記制御装置（１８）を備えるガスタービン設備。
   
   

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