JP3708965B2 - ガスタービン燃焼機のブローアウト検出方法及びブローアウト検出装置 - Google Patents
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Description
技術分野
本発明は、ガスタービン発電プラントに関し、より詳細には、ガスタービンを用いた発電プラントにおけるバーナブローアウト検出方法及び検出装置に関する。
発明の背景
発電用のガスタービン発電プラントは、当業界において良く知られており、典型的には、ガスタービンエンジンと、燃料システムと、発電タービンと、発電機と、エンジン制御装置と、を有している。ガスタービンを用いた発電プラントにおいて、典型的に用いられている通常のガスタービンエンジンは、下流側にある低圧タービンへと連結された第１のシャフトに直接連結され、低圧コンプレッサを構成する低圧ロータを有している。加えて、上記ガスタービンエンジンは、上記低圧ロータコンプレッサと低圧タービンの間に配設された高圧ロータを有している。上記高圧ロータは、下流側高圧タービンへの第２のシャフトに直接連結された高圧コンプレッサを有している。さらに、上記ガスタービンエンジンは、バーナを有しており、このバーナは、上記高圧コンプレッサと上記高圧タービンの間に配設されている。上記バーナは、圧縮空気及び上記燃料システムから燃料を受け取っている。
上記燃料システムは、第一の燃料供給ラインを、上記燃料サプライと燃料バルブの間に備えるとともに、さらにこの燃料バルブから上記バーナへの第２の燃料サプライラインを有している。上記燃料フローは、上記燃料バルブ、すなわち制御／シャットオフ／トリップ／フローバルブによって変調を受けており、このバルブは、アクチュエータによって駆動されている。インジェクションデバイスは、水又はスチームを燃料とともに上記バーナへと導入している。このようにして用いられる燃料は、液状燃料、気体状燃料又はそれらの混合燃料とすることができる。
上記ガスタービン発電プラントは、さらに、上記ガスタービンエンジンの下流側に位置決めされた発電タービンを有している。上記発電タービンは、発電機シャフトに固定連結された発電タービンシャフトを有している。上記発電機シャフトは、上記発電機へと連結されている。典型的には、上記発電プラントは、また運転中の種々のパラメータを測定したり、上記システムの能力を調節するためのエンジン制御装置を有している。従来の発電プラントでは、また、水から上記を発生させるためのボイラを多くの場合には備える。
運転中には、導入された圧縮空気は、上記低圧コンプレッサ及び高圧コンプレッサを通過して行き、上記バーナへと流されることになる圧縮空気を発生させる。上記燃料バルブが開位置にある場合には、燃料は、上記バーナへと流されて行く。出力を増加させ、排出物を低減させるためには、周知のガスタービン原理によれば上記インジェクションデバイスは、上記低圧コンプレッサと上記発電タービンの間に排出されるガス温度に応じて水又は蒸気を上記燃料とともに上記バーナへと排出させるようになっている。上記バーナは、上記燃料／空気混合物に点火してジェット排気を発生させる。上記ジェット排気は、下流側に流されて行き、上記２つのタービンを通過して、上記第１のシャフトと、上記第２のシャフトと、を駆動し、これがさらに上流側のコンプレッサを回転させるようになっている。上記コンプレッサの回転は、上記バーナに対して必要なだけの導入空気を供給している。
上記ジェット排気が上記２つのタービンを通過した後、上記ジェット排出物は、上記発電タービンを通って流れて行き、この発電タービンを駆動し機械的エネルギーを発生させるようになっている。上記機械的エネルギーは、上記タービンシャフト及び連結された発電機シャフトの回転と言う形態で得られる。上記発電機は、この機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する。上記発電プラントがボイラを有している場合には、上記発電タービンからの流出物は、水と熱交換するようにされた上記ボイラへと流され、蒸気が発生される。
ガスタービン発電プラントの問題のうちの一つは、上記バーナが上記燃料／空気混合物に点火に失敗する場合に発生する。この結果、未燃焼の燃料は、上記バーナの下流側の上記発電プラントに流入する。バーナブローアウトは、上記バーナに送られた上記燃料／空気の燃料／空気比が変動することによって発生する。
まず、上記燃料／空気比は、上記ガスタービンエンジンの設計に適合されているものであり、定常状態に達するまでの間、上記発電プラントで過渡的現象が発生すると、負荷範囲内において、ある程度変動する。上記燃料／空気比が著しく減少すると、上記バーナに送られる上記燃料と空気の混合物は、極めて薄くなるので、上記バーナには、点火を保持させておくに充分な燃料が供給されず、ブローアウトが発生する。これとは対照的に、上記燃料／空気比が著しく高くなると、上記バーナに供給される上記燃料及び空気混合物には、充分な空気が存在しないので、上記バーナが点火を維持できず、ブローアウトが発生する。
第２に、水又は水蒸気のインジェクションは、上記発電プラントにはある程度有利な点があるが、上記燃料へのインジェクションは、上記バーナの上記燃料／空気比への感度を変化させて、上記バーナをより不安定、かつ、よりブローアウトし易くしてしまう。
バーナブローアウトの最も深刻な結果は、上記発電タービンからの流出物を用いるボイラを用いる上記発電プラントにおいて発生する。これらの型の発電プラントでは、上記ボイラへの未燃焼の燃料の導入により、爆発を引き起こす場合があるためである。この爆発は、上記未燃焼燃料が、熱せられたタービン部品と接触して引火した場合に発生し、この様に引火した燃料は、上記ボイラ中に蓄積された未燃焼燃料を発火させることとなる。爆発は、概ねブローアウトから約０．００秒から約０．４秒持続する場合に観測される。
従って、上記バーナへの燃料フローを停止させて、上記発電プラントへの未燃焼燃料が導入されるのを避けるためのバーナブローアウト検出方法及び装置が必要とされている。バーナのブローアウトを検出するための方法及び装置については、それぞれ共通の出願人に係る米国特許第５，２３５，８０２号及び共通の出願人に係る米国特許第５，１７０，６２１号に開示されている。上記各特許に開示されている方法及び装置は、連続的に燃料要求信号をモニタし、実空気流量を示す低圧ロータの速度を検出することによってブローアウトを検出させるものである。上記燃料／空気比が所定の選択された値を超えると、燃料がブローアウトしているので、上記バーナへの燃料フローが停止される。上記の所定値は、運転がアイドリング状態よりも上か下かに大きく依存する。
米国特許第５，２３５，８０２号及び米国特許第５，１７０，６２１号は、燃焼のブローアウトを検出する方法及び装置を開示しているが、これらの解決方策は、すべてのバーナブローアウトにより生じる悪影響を最低限とするにはレスポンスが長くかかりすぎていた。このため、科学者及び技術者は、より短いレスポンス時間を有するブローアウト検出方法及び装置を開発してきた。
日本国特許出願番号第JP-A-59-18241号では、上記燃焼機温度とガスタービンシャフトの回転速度が測定されている。フレームの立ち消えは、燃焼機温度の減少と、タービンシャフトの速度とを、それぞれの基準値を越えていることによって判断されている。
発明の開示
本発明によれば、バーナブローアウトを検出するための方法及び装置が開示される。ガスタービン発電プラントのバーナブローアウトを検出するための方法は、燃料と圧縮空気とが導入されるバーナを備えたガスタービンエンジンから構成される。上記燃料フローの着火のための上記バーナは、着火による実際の圧力とジェット排気を与えている。上記燃料フローは、上記燃料バルブが開位置とされている場合に燃料バルブを通過して上記バーナへと供給される。上記ジェット排気は、実回転速度において、回転自在の発電機シャフトを駆動する。上記発電機シャフトは、発電機に連結される。
上記方法は、下記ステップを有している。連続した所定時間間隔で実際の着火圧を周期的に測定するステップと、連続した時間間隔で上記発電機の実回転速度を測定するステップと、連続した時間間隔で実圧力変化率を算出するステップと、連続的な時間間隔で実回転速度変化率を算出するステップと、連続的な時間間隔で着火による実圧力変化率の大きさを、圧力変化率基準値の大きさと比較するステップと、連続的な時間間隔で実回転速度変化率を算出するステップと、連続的な時間間隔で実回転速度変化率の大きさを、速度変化率基準値の大きさと比較するステップと、連続的な時間間隔の実回転速度変化率の大きさが速度変化率基準値の大きさよりも小さく、かつ、連続的な時間間隔にわたる実着火圧変化率の大きさよりも圧力変化率基準値の大きさが大きい場合には、燃料バルブを閉ざし、上記バーナへの燃料フローを停止させるようにするステップと、を有する。さらには、バーナブローアウトが検出された場合のガスタービンエンジンの運転方法が開示される。
また、ガスタービン発電プラントにおけるバーナブローアウトを検出するためのエンジン制御方法が開示されている。このエンジン制御装置は、圧力変化率信号及び速度変化率信号を記憶する手段と、ブローアウト検出アルゴリズムに用いる複数の信号を記憶するための信号処理手段と、を有している。上記信号処理手段は、検出した速度信号と、検出された圧力信号と、に応じて上記検出された圧力信号の連続的な時間間隔に対する変化率を表した圧力微分信号と、検出された速度信号の連続的な時間間隔に対する変化率を表した速度微分信号と、上記燃料バルブを閉じさせるための、上記燃料バルブへのコマンド信号と、を与えるようにされている。上記コマンド信号は、上記速度微分信号値の大きさが、速度変化率基準値の大きさよりも小さい場合であって、圧力変化率基準値の大きさが、上記圧力微分信号の大きさよりも大きくなった場合に与えられて、上記バーナに対する燃料フローが遮断されるようになっている。
さらに、バーナブローアウトの検出が可能なアセンブリが開示されている。このアッセンブリは、発電機のために使用されるものであって、発電用タービンと、ガスタービンエンジンと、燃料システムと、エンジン制御装置と、から構成されている。また、バーナブローアウトを検出することが可能なガスタービン発電プラントが開示される。上記ガスタービン発電プラントは、発電機と、速度センサと、ガスタービンエンジンと、燃料システムと、エンジン制御装置と、から構成されている。
上述した発明は、図面をもってする本発明の最良の実施態様の詳細な説明により、より明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明が用いられる型のガスタービン発電プラントの簡略化した概略図である。
図２は、本発明のバーナブローアウト検出方法のフローチャートである。
発明の最良の実施態様
図１は、本発明が使用される型のガスタービン発電プラント１０の簡略化した概略図である。上記ガスタービン発電プラント１０は、発電用のものであり、ガスタービンエンジン１２と、燃料システム１３と、発電タービン１４と、発電機１６と、エンジン制御装置１７と、を有している。上記ガスタービンエンジン１２は、低圧ロータ１８を有しており、この低圧ロータ１８は、第１のシャフト２２によって直接低圧タービン２４へと連結されている低圧コンプレッサ２０を有している。加えて、上記ガスタービンエンジン１２は、上記低圧コンプレッサ２０と上記低圧タービン２４の間に配設された高圧ロータ２６を有している。この高圧ロータ２６は、第２のシャフトによって直接下流側の高圧タービン３０に連結される高圧コンプレッサ２８を有している。上記第２のシャフトは、中空部を有し、上記第１のシャフトが通して延ばされている。さらに、バーナ３１は、上記高圧コンプレッサ２８と上記高圧タービン３０の間に配設されている。上記バーナは、アンニュラ型であり、上記シャフト２２及び２９を周方向に取り囲んでいる。上記バーナは、複数の燃焼器を有しており、これを代表させて燃焼器３２として示してある。それぞれの燃焼器は、吐出部３３を有している。上記ガスタービンエンジンはさらに、上記燃焼器のうちの一つの吐出部３３に極近接した圧力センサ３６を有している。上記圧力センサは、着火により実際に検出される圧力信号を連続的な時間間隔で与えるようになっている。
これとは別の実施例では、上記ガスタービンエンジンは、単一スプール型とされていて、単一のロータを有するものか、又は多スプール型のものとすることもできる。上記ガスタービンエンジンは、また、燃焼チャンバがバーナとされていても良く、この燃焼チャンバが、その吐出部に隣接して配設された圧力センサを有していても良い。
上記ガスタービンエンジンは、流入空気３４を受け取るようになっている。上記バーナは、圧縮空気３５と、上記燃料システム１３からの燃料フロー（図示せず）と、を受け取るようになっている。上記燃料システムは、第１の燃料サプライライン３７を、上記燃料サプライ３８と燃料バルブ４０の間に、第２の燃料サプライライン４１を、上記燃料バルブから上記バーナ３１までの間に有している。上記燃料バルブ４０は、アクチュエータ４２によって駆動されている。上記インジェクションデバイス（図示せず）は、水又は水蒸気を上記バーナへと、上記燃料とともに導入するようにされる。
上記発電用タービン１４は、上記ガスタービンエンジン１２の下流側に位置決めされており、回転可能なシャフト４４を備えている。この実施例では、上記発電タービンはまた、速度センサ４６を有していて、検出された上記タービンシャフト４４の連続的な時間間隔での実回転速度を示した速度信号を与えるようになっている。
上記発電機１６は、回転可能な発電機シャフト４７を有している。デバイス４８は、上記タービンシャフトを上記発電機シャフトに堅固に結合させる従来のカップリングである。実施例においては、上記発電プラントは、発電タービンを有せず、上記発電機シャフトが直接上記ガスタービンエンジンの上記低圧及び／又は高圧タービンに連結されているダイレクトドライブ型のものでも良い。発電プラントが、ダイレクトドライブ型の場合には、上記速度センサが、上記発電機シャフトの実回転速度を検出することとなる。また、上記発電プラントが、発電タービンと発電タービンシャフトを有するダイレクトドライブ型でない場合には、上記速度センサが、上記発電機シャフトの実回転速度から、発電機シャフトの実回転速度を検出するようにされていても良い。上記タービンシャフト又はいかなる別の部品から、実回転速度を求めても良い。
上記発電プラントは、さらに、エンジン制御装置１７（明瞭化のため、切り欠いてある）を有している。上記エンジン制御装置は、多数の入／出力バッファを有しており、速度入／出力バッファ５０と、圧力入／出力バッファ５２と、アクチュエータ入／出力バッファ５４と、が示されている。上記速度入／出力バッファ５０は、連結されたライン５６を通して上記速度センサ４６からの検出された上記速度信号を受け取っている。上記圧力入／出力バッファ５２は、連結されたライン５８を通して、上記圧力センサ３６からの検出された上記圧力信号を受け取っている。上記アクチュエータ入／出力バッファ５４は、連結されたライン６０を通して、上記アクチュエータ４２へとコマンド信号を送っている。上記入／出力バッファ５０，５２，５４はそれぞれデータバス６２に連結されている。これらの連結は、上記各入／出力バッファと上記データバスの間の２方向の矢印によって示されている。上記エンジン制御は、また信号処理手段６４と、メモリ手段６６と、を有している。信号処理手段は、別図で示したアルゴリズムを示す信号を記憶している。メモリ記憶手段は、別の信号を記憶している。
アッセンブリ手段は、ガスタービンエンジンと、発電タービンと、燃料システムと、エンジン制御装置と、の組合せからなる。このアッセンブリは、発電機として使用する場合のものである。多くの場合、これらの発電プラントは、水から水蒸気を発生させるためのボイラ（図示せず）を有している。いくつかの発電プラントでは、また、さらに電力を発生させるために、上記ガスタービンからの排出ガスフローを利用するための廃熱スチーム発生器（図示せず）を有している。
運転時には、導入された空気３４は、上記コンプレッサ２０と、２８と、を通して流れて行き、圧縮空気３５とされる。この圧縮空気は、上記バーナ３１に流れて行く。上記燃料バルブ４０は、開位置とされているので、燃料は、燃料サプライ３８から上記第１の燃料ライン３７と、上記第２の燃料ライン４１と、を通して上記バーナ３１へと流されて行く。上記バーナ３１は、上記燃焼器３２を通されて、上記燃料／空気混合物を点火させており、上記吐出部３３においてジェット排気７０を形成させている。上記バーナはまた、上記圧力センサ３６によって連続的な時間間隔で上記圧力センサ３６によって検出されている点火圧を生じさせている。上記圧力センサは、上記検出された圧力信号を上記圧力入／出力バッファ５２へとライン５８を通して与えている。上記ジェット排気は、下流側に流れて行き、上記２つのタービン３０及び２４を通り、上記第１シャフト２２及び上記第２シャフト２９を駆動している。上記各シャフトの回転は、また、上流側の２つのコンプレッサ２８及び２０を回転させる。上記コンプレッサ２８及び２９が回転することによって、上記バーナには、必要な導入空気３４が供給されることになる。
上記ジェット排気が上記２つのタービンを通過した後、上記ジェット排気は、上記発電タービン１４を通過してこれを駆動し、タービンシャフト４４を回転させ、上記カップリング４８を介してまた、上記発電機シャフト４７を回転させる。上記速度センサ４６は、上記タービンシャフト、従って結果的には上記発電機シャフトの実回転速度を連続的な時間間隔において検出している。また、上記速度センサは、上記選出された速度信号をライン５６を通して上記速度入／出力バッファ５０に与えている。上記信号処理手段６４は、上記データバス６２を介して検出された上記圧力信号と、検出された上記速度信号と、を受け取るようになっている。上記信号処理手段は、さらに、圧変化率基準値と、速度変化基準値と、を上記データバス６２を通して上記メモリ手段６６から受け取るようにされている。
上記信号処理手段は、連続的な時間間隔で検出された圧力信号の変化率を示した圧力微分信号を与えている。上記信号処理手段は、また、連続的な時間間隔で検出された速度信号の変化率を示した速度微分信号を与えるようになっている。さらに、上記信号処理手段は、速度微分信号の大きさが、速度変化率基準値の大きさよりも小さく、かつ、圧変化率基準値の大きさが、速度微分信号よりも大きい場合に上記ライン６０を通して上記アクチュエータ４２へのコマンド信号を、送るようになっている。このようにして上記アクチュエータは、上記燃料バルブ４０を閉鎖し、上記バーナへの燃料フローを停止させる。
これとは別の実施例では、上記信号処理手段は、圧力変化率基準信号の大きさが、連続的な時間間隔にわたる圧力微分信号よりも大きくなった場合に、上記コマンド信号を与えるようにされていても良い。
図２を参照すると、図２には、本発明の上記バーナブローアウト検出方法のフローチャートが示されている。上記方法は、実点火圧（ＰB）及び実タービンシャフト速度（ＮP）を連続的な時間間隔にわたって測定するステップと、連続的な時間間隔にわたって実圧力変化率（ΔＰB／Δｔ）と、連続的な時間間隔にわたって実速度変化率（ΔＮP／Δｔ）と、を用いて既知の計算により微分値、すなわち減衰率と、を算出させるステップと、それぞれの率を、圧力変化率基準値（ΔＰB／ΔｔＲＥＦ）及び速度変化率基準値（ΔＮP／ΔｔＲＥＦ）と比較して、連続的な時間間隔にわたった実圧力変化率（ΔＰB／Δｔ）が、上記圧力変化率基準値（ΔＰb／ΔｔＲＥＦ）よりも小さく、上記速度変化率基準値（ＮP／ΔｔＲＥＦ）が連続的な時間間隔にわたった実速度変化率よりも大きければ上記燃料バルブを閉鎖させるようにするものである。
図２における測定の第１ステップでは、上記バーナ圧（ＰB）は、連続的な時間間隔で上記吐出部３３において周期的に測定されている。上記発電タービン速度（ＮP）は、本実施例ではこれが連続的な時間間隔（すなわち、最初に測定されると、それ以後は連続的に）で上記タービンシャフト４４において測定されている。運転中は、上記バーナは、上記燃料／空気混合物の点火によって実圧力（ＰB）を吐出部に発生させる。上記実圧力は、圧力センサ３６によって測定される。上記発電タービンは、タービン速度（ＮP）を有しており、これは速度センサ４６によって測定されている。
上記圧力センサと上記速度センサは、物理量（すなわち、圧力又は速度）を定量的な電気信号（すなわち、検出された圧力信号又は検出された速度信号）に変換できれば、どのようなデバイスであっても用いることができる。この様なデバイスは、上記圧力が通常では、上記エンジンの劣化やコンプレッササージをチェックするために、及び上記速度が、通常では上記発電プラントの運転制御や上記発電プラントの状況を制御するために、すでに従来の発電プラントにおいてもそれぞれ用いられているものである。
好適な圧力センサとしては、２ワイヤデバイス(two wire device)であり、これは、モデル#37PA-500-42-12-XX-XX-01-02としてスタザム(Statham)社によって製造されているものを挙げることができる。このデバイスは、その精度と工業的品質の点で好ましい。好適な速度センサとしては、品名マグネティックセンサ(Magnetic Sensor)、モデル♯７２４７１８としてエレクトロコーポレーション(Electro Corp.)により市販されているマグネティックピックアップを挙げることができる。このデバイスは、その精度及び工業的品質並びに利便性の点で好ましい。
次いで、連続的な時間間隔にわたった実圧力変化率（ΔＰB／Δｔ）及び連続的な時間間隔にわたった実速度変化率（ΔＮP／Δｔ）の算出について説明する。変化率を算出するための数学的なアルゴリズムとしては従来から多くが知られているが、これらはどのようなものであっても用いることができる。実点火圧変化率及び実回転速度変化率は、機能としてブローアウト検出アルゴリズムを有する信号処理手段６４を用いて算出することができる。
上記信号処理手段が連続的に各変化率を算出するための連続した時間間隔は、上記圧力と上記速度とが周期的に測定される連続した時間間隔とされる。例えば、上記圧力と速度とが周期的に時間ｔ１と時間ｔ２で測定される場合には、上記各率を測定するための上記連続的な時間間隔は、ｔ１〜ｔ２の間隔となる。このように周期的測定及び率算出は、連続して行われている。
本実施例では、実圧力及び実回転速度の各変化率に用いられる連続的な時間間隔は、約０．０１秒である。実験的には、ブローアウトを用いる検出装置は、上記発電プラントに異常な結果が生じる前に検出するためには、約０．４秒内で検出を行う必要がある。従って、率を算出する連続的な時間間隔及び用いられる信号処理手段は、上記０．４秒間内で算出できるように充分早くなければならない。上記各変化率を算出するために用いられる別のデバイスとしては、マイクロプロセッサ及びプログラムされたディジタルコンピュータを挙げることができる。
本方法の第３のステップでは、連続的な時間間隔にわたった実圧力変化率の大きさ（ΔＰB／Δｔ）を圧力変化基準値（ΔＰB／ΔｔＲＥＦ）の大きさと比較するとともに、連続的な時間間隔内での実速度変化率（ΔＮP／Δｔ）の大きさと、速度変化率基準値（ΔＮP／ΔｔＲＥＦ）の大きさを比較する。この機能は、上記ブローアウト検出アルゴリズムを介した上記信号処理手段によって実行されることになる。
本方法の第４のステップでは、連続的な時間間隔にわたった実速度変化率の大きさよりも、速度変化率基準値の大きさが大きく、かつ、連続的な時間間隔にわたった実圧力変化率値の大きさが、圧変化率基準値の大きさよりも小さい場合には、上記燃料バルブを閉じるようにしている。
上記圧変化率基準値及び上記速度変化基準値は、それぞれ例えば約−５０ｐｓｉ／ｓｅｃ及び２５ｒｐｍ／ｓｅｃとして決定することができる。本方法では、一定値が用いられているが、互いに付随するパラメータの他のパラメータに対する変化率をプロットし、その後上記測定パラメータからの変化率値と曲線から得た値とを比較するようにされていても良い。
本方法には、さらにこれらとは別のステップ（図示せず）を上記燃料バルブ閉鎖ステップに設けることもできる。この別のステップは、上記燃料バルブを閉ざす前に、圧変化率基準値の大きさが、連続的な時間間隔にわたった実圧力変化率値の大きさよりも大きいか否かを決定する。この連続する時間間隔は、上記実圧力が測定された上記第１の変化率が得られた時間間隔の後の時間間隔とされる。これは、エンジン異常の結果としては上記燃料バルブの閉鎖が生じず、ブローアウトの第１条件（すなわち、ΔＰB／Δｔが、ΔＰB／ΔｔＲＥＦとなる条件である）が、少なくとも２回起こることを要求するものである。上記ブローアウト検出アルゴリズムを介しての上記信号処理手段は、上記燃料バルブの閉鎖を、上記ブローアウトを確認するべく、さらにもう一つの実圧力変化率を受け取って、これとの比較を行うため、設定された遅延時間だけ遅らせて行うようにすることもできる。この実施例では、上記遅延時間は、０．０８秒とすることが好ましいが、これは、この時間間隔であれば、数回のパスを行うには充分長く、０．４秒ウインドウと比べれば十分に短いためである。しかしながら、少なくとも２つの圧力変化率を、圧力変化基準値と比較するには充分な、いかなる時間間隔であっても用いることができる。
本方法及び本装置の本質的な効果は、極めて迅速な応答を行わせることができることにある。燃料／空気比検出器での約０．６秒の応答時間より短い、約０．１秒程度の応答時間が、本発明によって達成できる。この応答時間の短縮は、ブローアウトの一つの兆候として上記バーナ圧を用いることにある。ガスタービンエンジンは、内部（すなわち、バーナ）から外部へと仕事をしようとする。上記バーナでは、燃料が導入され上記エンジンを駆動するエネルギーが発生する。上記バーナ圧は、上記エンジンがその燃料フローを変化させる際の第１のパラメータとされる。従って、バーナ圧は、ブローアウトを判断するための最も迅速応答できるパラメータとされることになる。
上記応答時間が減少する結果、本発明では、ブローアウトが検出され、ボイラへの爆発する可能性のある燃料の蓄積が防止されるように上記燃料バルブを十分迅速に閉鎖できるので、未燃焼燃料の引火又は発火が防止できることになる。ここで、ブローアウトから約０．４秒経過した場合に引火する可能性があることはすでに指摘した。
本発明の別の効果としては、出力増加、シャットダウン又は負荷低減と言った上記エンジンの通常運転を妨げることがないことを挙げることができる。出力増大、シャットダウン及び負荷減少中には、上記発電タービンの速度は、増減することになる。負荷低減とは、上記タービンシャフトや、堅固に連結する手段又は発電機シャフト等が破損した場合に生じる上記発電タービンに加えられている負荷が上記発電機へと伝達されないことを意味する。
この様に負荷低減が生じた場合は、通常は上記駆動力を受け取る負荷がなくなるので、上記発電タービン（すなわち、上記発電機を駆動するものである）は、速度アップしようとする。上記発電プラントは、上記速度を一定に保持させようとするので、上記発電プラントが速度上昇を検出した場合には、上記タービン速度を低減させるべく、上記燃料を減少させる。この様な燃料の減少は、実圧力を圧力変化率基準値よりも小さくしてしまい、従ってブローアウトが生じていない場合でもブローアウトの第１条件を満たすこととなる。そこで、ブローアウトの第２条件（すなわち、速度比較）チェックは、速度変化率基準値が、速度変化率基準値よりも大きいか否かを判断するが、これは、負荷低減の場合には、生じておらず従って、ブローアウトが発生していない場合には燃料バルブの閉鎖が防止できることになる。同様の現象は、出力増大及びシャットダウン中にも発生する。ブローアウトの検知が上記したような通常運転条件では行われないようになっていることは、偶然のシャットダウンを防止することになる。
本発明のいくつかの別の効果としては、プログラミング及び上記バーナ圧及び発電タービン速度限度の調節がし易く、及びセンサやエンジン制御装置と言った従来からあるデバイスが用いられるので、上記装置が高価ではないことにある。
本発明は、ガスタービン発電プラントに関し、より詳細には、ガスタービンを用いた発電プラントにおけるバーナブローアウト検出方法及び検出装置に関する。
発明の背景
発電用のガスタービン発電プラントは、当業界において良く知られており、典型的には、ガスタービンエンジンと、燃料システムと、発電タービンと、発電機と、エンジン制御装置と、を有している。ガスタービンを用いた発電プラントにおいて、典型的に用いられている通常のガスタービンエンジンは、下流側にある低圧タービンへと連結された第１のシャフトに直接連結され、低圧コンプレッサを構成する低圧ロータを有している。加えて、上記ガスタービンエンジンは、上記低圧ロータコンプレッサと低圧タービンの間に配設された高圧ロータを有している。上記高圧ロータは、下流側高圧タービンへの第２のシャフトに直接連結された高圧コンプレッサを有している。さらに、上記ガスタービンエンジンは、バーナを有しており、このバーナは、上記高圧コンプレッサと上記高圧タービンの間に配設されている。上記バーナは、圧縮空気及び上記燃料システムから燃料を受け取っている。
上記燃料システムは、第一の燃料供給ラインを、上記燃料サプライと燃料バルブの間に備えるとともに、さらにこの燃料バルブから上記バーナへの第２の燃料サプライラインを有している。上記燃料フローは、上記燃料バルブ、すなわち制御／シャットオフ／トリップ／フローバルブによって変調を受けており、このバルブは、アクチュエータによって駆動されている。インジェクションデバイスは、水又はスチームを燃料とともに上記バーナへと導入している。このようにして用いられる燃料は、液状燃料、気体状燃料又はそれらの混合燃料とすることができる。
上記ガスタービン発電プラントは、さらに、上記ガスタービンエンジンの下流側に位置決めされた発電タービンを有している。上記発電タービンは、発電機シャフトに固定連結された発電タービンシャフトを有している。上記発電機シャフトは、上記発電機へと連結されている。典型的には、上記発電プラントは、また運転中の種々のパラメータを測定したり、上記システムの能力を調節するためのエンジン制御装置を有している。従来の発電プラントでは、また、水から上記を発生させるためのボイラを多くの場合には備える。
運転中には、導入された圧縮空気は、上記低圧コンプレッサ及び高圧コンプレッサを通過して行き、上記バーナへと流されることになる圧縮空気を発生させる。上記燃料バルブが開位置にある場合には、燃料は、上記バーナへと流されて行く。出力を増加させ、排出物を低減させるためには、周知のガスタービン原理によれば上記インジェクションデバイスは、上記低圧コンプレッサと上記発電タービンの間に排出されるガス温度に応じて水又は蒸気を上記燃料とともに上記バーナへと排出させるようになっている。上記バーナは、上記燃料／空気混合物に点火してジェット排気を発生させる。上記ジェット排気は、下流側に流されて行き、上記２つのタービンを通過して、上記第１のシャフトと、上記第２のシャフトと、を駆動し、これがさらに上流側のコンプレッサを回転させるようになっている。上記コンプレッサの回転は、上記バーナに対して必要なだけの導入空気を供給している。
上記ジェット排気が上記２つのタービンを通過した後、上記ジェット排出物は、上記発電タービンを通って流れて行き、この発電タービンを駆動し機械的エネルギーを発生させるようになっている。上記機械的エネルギーは、上記タービンシャフト及び連結された発電機シャフトの回転と言う形態で得られる。上記発電機は、この機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する。上記発電プラントがボイラを有している場合には、上記発電タービンからの流出物は、水と熱交換するようにされた上記ボイラへと流され、蒸気が発生される。
ガスタービン発電プラントの問題のうちの一つは、上記バーナが上記燃料／空気混合物に点火に失敗する場合に発生する。この結果、未燃焼の燃料は、上記バーナの下流側の上記発電プラントに流入する。バーナブローアウトは、上記バーナに送られた上記燃料／空気の燃料／空気比が変動することによって発生する。
まず、上記燃料／空気比は、上記ガスタービンエンジンの設計に適合されているものであり、定常状態に達するまでの間、上記発電プラントで過渡的現象が発生すると、負荷範囲内において、ある程度変動する。上記燃料／空気比が著しく減少すると、上記バーナに送られる上記燃料と空気の混合物は、極めて薄くなるので、上記バーナには、点火を保持させておくに充分な燃料が供給されず、ブローアウトが発生する。これとは対照的に、上記燃料／空気比が著しく高くなると、上記バーナに供給される上記燃料及び空気混合物には、充分な空気が存在しないので、上記バーナが点火を維持できず、ブローアウトが発生する。
第２に、水又は水蒸気のインジェクションは、上記発電プラントにはある程度有利な点があるが、上記燃料へのインジェクションは、上記バーナの上記燃料／空気比への感度を変化させて、上記バーナをより不安定、かつ、よりブローアウトし易くしてしまう。
バーナブローアウトの最も深刻な結果は、上記発電タービンからの流出物を用いるボイラを用いる上記発電プラントにおいて発生する。これらの型の発電プラントでは、上記ボイラへの未燃焼の燃料の導入により、爆発を引き起こす場合があるためである。この爆発は、上記未燃焼燃料が、熱せられたタービン部品と接触して引火した場合に発生し、この様に引火した燃料は、上記ボイラ中に蓄積された未燃焼燃料を発火させることとなる。爆発は、概ねブローアウトから約０．００秒から約０．４秒持続する場合に観測される。
従って、上記バーナへの燃料フローを停止させて、上記発電プラントへの未燃焼燃料が導入されるのを避けるためのバーナブローアウト検出方法及び装置が必要とされている。バーナのブローアウトを検出するための方法及び装置については、それぞれ共通の出願人に係る米国特許第５，２３５，８０２号及び共通の出願人に係る米国特許第５，１７０，６２１号に開示されている。上記各特許に開示されている方法及び装置は、連続的に燃料要求信号をモニタし、実空気流量を示す低圧ロータの速度を検出することによってブローアウトを検出させるものである。上記燃料／空気比が所定の選択された値を超えると、燃料がブローアウトしているので、上記バーナへの燃料フローが停止される。上記の所定値は、運転がアイドリング状態よりも上か下かに大きく依存する。
米国特許第５，２３５，８０２号及び米国特許第５，１７０，６２１号は、燃焼のブローアウトを検出する方法及び装置を開示しているが、これらの解決方策は、すべてのバーナブローアウトにより生じる悪影響を最低限とするにはレスポンスが長くかかりすぎていた。このため、科学者及び技術者は、より短いレスポンス時間を有するブローアウト検出方法及び装置を開発してきた。
日本国特許出願番号第JP-A-59-18241号では、上記燃焼機温度とガスタービンシャフトの回転速度が測定されている。フレームの立ち消えは、燃焼機温度の減少と、タービンシャフトの速度とを、それぞれの基準値を越えていることによって判断されている。
発明の開示
本発明によれば、バーナブローアウトを検出するための方法及び装置が開示される。ガスタービン発電プラントのバーナブローアウトを検出するための方法は、燃料と圧縮空気とが導入されるバーナを備えたガスタービンエンジンから構成される。上記燃料フローの着火のための上記バーナは、着火による実際の圧力とジェット排気を与えている。上記燃料フローは、上記燃料バルブが開位置とされている場合に燃料バルブを通過して上記バーナへと供給される。上記ジェット排気は、実回転速度において、回転自在の発電機シャフトを駆動する。上記発電機シャフトは、発電機に連結される。
上記方法は、下記ステップを有している。連続した所定時間間隔で実際の着火圧を周期的に測定するステップと、連続した時間間隔で上記発電機の実回転速度を測定するステップと、連続した時間間隔で実圧力変化率を算出するステップと、連続的な時間間隔で実回転速度変化率を算出するステップと、連続的な時間間隔で着火による実圧力変化率の大きさを、圧力変化率基準値の大きさと比較するステップと、連続的な時間間隔で実回転速度変化率を算出するステップと、連続的な時間間隔で実回転速度変化率の大きさを、速度変化率基準値の大きさと比較するステップと、連続的な時間間隔の実回転速度変化率の大きさが速度変化率基準値の大きさよりも小さく、かつ、連続的な時間間隔にわたる実着火圧変化率の大きさよりも圧力変化率基準値の大きさが大きい場合には、燃料バルブを閉ざし、上記バーナへの燃料フローを停止させるようにするステップと、を有する。さらには、バーナブローアウトが検出された場合のガスタービンエンジンの運転方法が開示される。
また、ガスタービン発電プラントにおけるバーナブローアウトを検出するためのエンジン制御方法が開示されている。このエンジン制御装置は、圧力変化率信号及び速度変化率信号を記憶する手段と、ブローアウト検出アルゴリズムに用いる複数の信号を記憶するための信号処理手段と、を有している。上記信号処理手段は、検出した速度信号と、検出された圧力信号と、に応じて上記検出された圧力信号の連続的な時間間隔に対する変化率を表した圧力微分信号と、検出された速度信号の連続的な時間間隔に対する変化率を表した速度微分信号と、上記燃料バルブを閉じさせるための、上記燃料バルブへのコマンド信号と、を与えるようにされている。上記コマンド信号は、上記速度微分信号値の大きさが、速度変化率基準値の大きさよりも小さい場合であって、圧力変化率基準値の大きさが、上記圧力微分信号の大きさよりも大きくなった場合に与えられて、上記バーナに対する燃料フローが遮断されるようになっている。
さらに、バーナブローアウトの検出が可能なアセンブリが開示されている。このアッセンブリは、発電機のために使用されるものであって、発電用タービンと、ガスタービンエンジンと、燃料システムと、エンジン制御装置と、から構成されている。また、バーナブローアウトを検出することが可能なガスタービン発電プラントが開示される。上記ガスタービン発電プラントは、発電機と、速度センサと、ガスタービンエンジンと、燃料システムと、エンジン制御装置と、から構成されている。
上述した発明は、図面をもってする本発明の最良の実施態様の詳細な説明により、より明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明が用いられる型のガスタービン発電プラントの簡略化した概略図である。
図２は、本発明のバーナブローアウト検出方法のフローチャートである。
発明の最良の実施態様
図１は、本発明が使用される型のガスタービン発電プラント１０の簡略化した概略図である。上記ガスタービン発電プラント１０は、発電用のものであり、ガスタービンエンジン１２と、燃料システム１３と、発電タービン１４と、発電機１６と、エンジン制御装置１７と、を有している。上記ガスタービンエンジン１２は、低圧ロータ１８を有しており、この低圧ロータ１８は、第１のシャフト２２によって直接低圧タービン２４へと連結されている低圧コンプレッサ２０を有している。加えて、上記ガスタービンエンジン１２は、上記低圧コンプレッサ２０と上記低圧タービン２４の間に配設された高圧ロータ２６を有している。この高圧ロータ２６は、第２のシャフトによって直接下流側の高圧タービン３０に連結される高圧コンプレッサ２８を有している。上記第２のシャフトは、中空部を有し、上記第１のシャフトが通して延ばされている。さらに、バーナ３１は、上記高圧コンプレッサ２８と上記高圧タービン３０の間に配設されている。上記バーナは、アンニュラ型であり、上記シャフト２２及び２９を周方向に取り囲んでいる。上記バーナは、複数の燃焼器を有しており、これを代表させて燃焼器３２として示してある。それぞれの燃焼器は、吐出部３３を有している。上記ガスタービンエンジンはさらに、上記燃焼器のうちの一つの吐出部３３に極近接した圧力センサ３６を有している。上記圧力センサは、着火により実際に検出される圧力信号を連続的な時間間隔で与えるようになっている。
これとは別の実施例では、上記ガスタービンエンジンは、単一スプール型とされていて、単一のロータを有するものか、又は多スプール型のものとすることもできる。上記ガスタービンエンジンは、また、燃焼チャンバがバーナとされていても良く、この燃焼チャンバが、その吐出部に隣接して配設された圧力センサを有していても良い。
上記ガスタービンエンジンは、流入空気３４を受け取るようになっている。上記バーナは、圧縮空気３５と、上記燃料システム１３からの燃料フロー（図示せず）と、を受け取るようになっている。上記燃料システムは、第１の燃料サプライライン３７を、上記燃料サプライ３８と燃料バルブ４０の間に、第２の燃料サプライライン４１を、上記燃料バルブから上記バーナ３１までの間に有している。上記燃料バルブ４０は、アクチュエータ４２によって駆動されている。上記インジェクションデバイス（図示せず）は、水又は水蒸気を上記バーナへと、上記燃料とともに導入するようにされる。
上記発電用タービン１４は、上記ガスタービンエンジン１２の下流側に位置決めされており、回転可能なシャフト４４を備えている。この実施例では、上記発電タービンはまた、速度センサ４６を有していて、検出された上記タービンシャフト４４の連続的な時間間隔での実回転速度を示した速度信号を与えるようになっている。
上記発電機１６は、回転可能な発電機シャフト４７を有している。デバイス４８は、上記タービンシャフトを上記発電機シャフトに堅固に結合させる従来のカップリングである。実施例においては、上記発電プラントは、発電タービンを有せず、上記発電機シャフトが直接上記ガスタービンエンジンの上記低圧及び／又は高圧タービンに連結されているダイレクトドライブ型のものでも良い。発電プラントが、ダイレクトドライブ型の場合には、上記速度センサが、上記発電機シャフトの実回転速度を検出することとなる。また、上記発電プラントが、発電タービンと発電タービンシャフトを有するダイレクトドライブ型でない場合には、上記速度センサが、上記発電機シャフトの実回転速度から、発電機シャフトの実回転速度を検出するようにされていても良い。上記タービンシャフト又はいかなる別の部品から、実回転速度を求めても良い。
上記発電プラントは、さらに、エンジン制御装置１７（明瞭化のため、切り欠いてある）を有している。上記エンジン制御装置は、多数の入／出力バッファを有しており、速度入／出力バッファ５０と、圧力入／出力バッファ５２と、アクチュエータ入／出力バッファ５４と、が示されている。上記速度入／出力バッファ５０は、連結されたライン５６を通して上記速度センサ４６からの検出された上記速度信号を受け取っている。上記圧力入／出力バッファ５２は、連結されたライン５８を通して、上記圧力センサ３６からの検出された上記圧力信号を受け取っている。上記アクチュエータ入／出力バッファ５４は、連結されたライン６０を通して、上記アクチュエータ４２へとコマンド信号を送っている。上記入／出力バッファ５０，５２，５４はそれぞれデータバス６２に連結されている。これらの連結は、上記各入／出力バッファと上記データバスの間の２方向の矢印によって示されている。上記エンジン制御は、また信号処理手段６４と、メモリ手段６６と、を有している。信号処理手段は、別図で示したアルゴリズムを示す信号を記憶している。メモリ記憶手段は、別の信号を記憶している。
アッセンブリ手段は、ガスタービンエンジンと、発電タービンと、燃料システムと、エンジン制御装置と、の組合せからなる。このアッセンブリは、発電機として使用する場合のものである。多くの場合、これらの発電プラントは、水から水蒸気を発生させるためのボイラ（図示せず）を有している。いくつかの発電プラントでは、また、さらに電力を発生させるために、上記ガスタービンからの排出ガスフローを利用するための廃熱スチーム発生器（図示せず）を有している。
運転時には、導入された空気３４は、上記コンプレッサ２０と、２８と、を通して流れて行き、圧縮空気３５とされる。この圧縮空気は、上記バーナ３１に流れて行く。上記燃料バルブ４０は、開位置とされているので、燃料は、燃料サプライ３８から上記第１の燃料ライン３７と、上記第２の燃料ライン４１と、を通して上記バーナ３１へと流されて行く。上記バーナ３１は、上記燃焼器３２を通されて、上記燃料／空気混合物を点火させており、上記吐出部３３においてジェット排気７０を形成させている。上記バーナはまた、上記圧力センサ３６によって連続的な時間間隔で上記圧力センサ３６によって検出されている点火圧を生じさせている。上記圧力センサは、上記検出された圧力信号を上記圧力入／出力バッファ５２へとライン５８を通して与えている。上記ジェット排気は、下流側に流れて行き、上記２つのタービン３０及び２４を通り、上記第１シャフト２２及び上記第２シャフト２９を駆動している。上記各シャフトの回転は、また、上流側の２つのコンプレッサ２８及び２０を回転させる。上記コンプレッサ２８及び２９が回転することによって、上記バーナには、必要な導入空気３４が供給されることになる。
上記ジェット排気が上記２つのタービンを通過した後、上記ジェット排気は、上記発電タービン１４を通過してこれを駆動し、タービンシャフト４４を回転させ、上記カップリング４８を介してまた、上記発電機シャフト４７を回転させる。上記速度センサ４６は、上記タービンシャフト、従って結果的には上記発電機シャフトの実回転速度を連続的な時間間隔において検出している。また、上記速度センサは、上記選出された速度信号をライン５６を通して上記速度入／出力バッファ５０に与えている。上記信号処理手段６４は、上記データバス６２を介して検出された上記圧力信号と、検出された上記速度信号と、を受け取るようになっている。上記信号処理手段は、さらに、圧変化率基準値と、速度変化基準値と、を上記データバス６２を通して上記メモリ手段６６から受け取るようにされている。
上記信号処理手段は、連続的な時間間隔で検出された圧力信号の変化率を示した圧力微分信号を与えている。上記信号処理手段は、また、連続的な時間間隔で検出された速度信号の変化率を示した速度微分信号を与えるようになっている。さらに、上記信号処理手段は、速度微分信号の大きさが、速度変化率基準値の大きさよりも小さく、かつ、圧変化率基準値の大きさが、速度微分信号よりも大きい場合に上記ライン６０を通して上記アクチュエータ４２へのコマンド信号を、送るようになっている。このようにして上記アクチュエータは、上記燃料バルブ４０を閉鎖し、上記バーナへの燃料フローを停止させる。
これとは別の実施例では、上記信号処理手段は、圧力変化率基準信号の大きさが、連続的な時間間隔にわたる圧力微分信号よりも大きくなった場合に、上記コマンド信号を与えるようにされていても良い。
図２を参照すると、図２には、本発明の上記バーナブローアウト検出方法のフローチャートが示されている。上記方法は、実点火圧（ＰB）及び実タービンシャフト速度（ＮP）を連続的な時間間隔にわたって測定するステップと、連続的な時間間隔にわたって実圧力変化率（ΔＰB／Δｔ）と、連続的な時間間隔にわたって実速度変化率（ΔＮP／Δｔ）と、を用いて既知の計算により微分値、すなわち減衰率と、を算出させるステップと、それぞれの率を、圧力変化率基準値（ΔＰB／ΔｔＲＥＦ）及び速度変化率基準値（ΔＮP／ΔｔＲＥＦ）と比較して、連続的な時間間隔にわたった実圧力変化率（ΔＰB／Δｔ）が、上記圧力変化率基準値（ΔＰb／ΔｔＲＥＦ）よりも小さく、上記速度変化率基準値（ＮP／ΔｔＲＥＦ）が連続的な時間間隔にわたった実速度変化率よりも大きければ上記燃料バルブを閉鎖させるようにするものである。
図２における測定の第１ステップでは、上記バーナ圧（ＰB）は、連続的な時間間隔で上記吐出部３３において周期的に測定されている。上記発電タービン速度（ＮP）は、本実施例ではこれが連続的な時間間隔（すなわち、最初に測定されると、それ以後は連続的に）で上記タービンシャフト４４において測定されている。運転中は、上記バーナは、上記燃料／空気混合物の点火によって実圧力（ＰB）を吐出部に発生させる。上記実圧力は、圧力センサ３６によって測定される。上記発電タービンは、タービン速度（ＮP）を有しており、これは速度センサ４６によって測定されている。
上記圧力センサと上記速度センサは、物理量（すなわち、圧力又は速度）を定量的な電気信号（すなわち、検出された圧力信号又は検出された速度信号）に変換できれば、どのようなデバイスであっても用いることができる。この様なデバイスは、上記圧力が通常では、上記エンジンの劣化やコンプレッササージをチェックするために、及び上記速度が、通常では上記発電プラントの運転制御や上記発電プラントの状況を制御するために、すでに従来の発電プラントにおいてもそれぞれ用いられているものである。
好適な圧力センサとしては、２ワイヤデバイス(two wire device)であり、これは、モデル#37PA-500-42-12-XX-XX-01-02としてスタザム(Statham)社によって製造されているものを挙げることができる。このデバイスは、その精度と工業的品質の点で好ましい。好適な速度センサとしては、品名マグネティックセンサ(Magnetic Sensor)、モデル♯７２４７１８としてエレクトロコーポレーション(Electro Corp.)により市販されているマグネティックピックアップを挙げることができる。このデバイスは、その精度及び工業的品質並びに利便性の点で好ましい。
次いで、連続的な時間間隔にわたった実圧力変化率（ΔＰB／Δｔ）及び連続的な時間間隔にわたった実速度変化率（ΔＮP／Δｔ）の算出について説明する。変化率を算出するための数学的なアルゴリズムとしては従来から多くが知られているが、これらはどのようなものであっても用いることができる。実点火圧変化率及び実回転速度変化率は、機能としてブローアウト検出アルゴリズムを有する信号処理手段６４を用いて算出することができる。
上記信号処理手段が連続的に各変化率を算出するための連続した時間間隔は、上記圧力と上記速度とが周期的に測定される連続した時間間隔とされる。例えば、上記圧力と速度とが周期的に時間ｔ１と時間ｔ２で測定される場合には、上記各率を測定するための上記連続的な時間間隔は、ｔ１〜ｔ２の間隔となる。このように周期的測定及び率算出は、連続して行われている。
本実施例では、実圧力及び実回転速度の各変化率に用いられる連続的な時間間隔は、約０．０１秒である。実験的には、ブローアウトを用いる検出装置は、上記発電プラントに異常な結果が生じる前に検出するためには、約０．４秒内で検出を行う必要がある。従って、率を算出する連続的な時間間隔及び用いられる信号処理手段は、上記０．４秒間内で算出できるように充分早くなければならない。上記各変化率を算出するために用いられる別のデバイスとしては、マイクロプロセッサ及びプログラムされたディジタルコンピュータを挙げることができる。
本方法の第３のステップでは、連続的な時間間隔にわたった実圧力変化率の大きさ（ΔＰB／Δｔ）を圧力変化基準値（ΔＰB／ΔｔＲＥＦ）の大きさと比較するとともに、連続的な時間間隔内での実速度変化率（ΔＮP／Δｔ）の大きさと、速度変化率基準値（ΔＮP／ΔｔＲＥＦ）の大きさを比較する。この機能は、上記ブローアウト検出アルゴリズムを介した上記信号処理手段によって実行されることになる。
本方法の第４のステップでは、連続的な時間間隔にわたった実速度変化率の大きさよりも、速度変化率基準値の大きさが大きく、かつ、連続的な時間間隔にわたった実圧力変化率値の大きさが、圧変化率基準値の大きさよりも小さい場合には、上記燃料バルブを閉じるようにしている。
上記圧変化率基準値及び上記速度変化基準値は、それぞれ例えば約−５０ｐｓｉ／ｓｅｃ及び２５ｒｐｍ／ｓｅｃとして決定することができる。本方法では、一定値が用いられているが、互いに付随するパラメータの他のパラメータに対する変化率をプロットし、その後上記測定パラメータからの変化率値と曲線から得た値とを比較するようにされていても良い。
本方法には、さらにこれらとは別のステップ（図示せず）を上記燃料バルブ閉鎖ステップに設けることもできる。この別のステップは、上記燃料バルブを閉ざす前に、圧変化率基準値の大きさが、連続的な時間間隔にわたった実圧力変化率値の大きさよりも大きいか否かを決定する。この連続する時間間隔は、上記実圧力が測定された上記第１の変化率が得られた時間間隔の後の時間間隔とされる。これは、エンジン異常の結果としては上記燃料バルブの閉鎖が生じず、ブローアウトの第１条件（すなわち、ΔＰB／Δｔが、ΔＰB／ΔｔＲＥＦとなる条件である）が、少なくとも２回起こることを要求するものである。上記ブローアウト検出アルゴリズムを介しての上記信号処理手段は、上記燃料バルブの閉鎖を、上記ブローアウトを確認するべく、さらにもう一つの実圧力変化率を受け取って、これとの比較を行うため、設定された遅延時間だけ遅らせて行うようにすることもできる。この実施例では、上記遅延時間は、０．０８秒とすることが好ましいが、これは、この時間間隔であれば、数回のパスを行うには充分長く、０．４秒ウインドウと比べれば十分に短いためである。しかしながら、少なくとも２つの圧力変化率を、圧力変化基準値と比較するには充分な、いかなる時間間隔であっても用いることができる。
本方法及び本装置の本質的な効果は、極めて迅速な応答を行わせることができることにある。燃料／空気比検出器での約０．６秒の応答時間より短い、約０．１秒程度の応答時間が、本発明によって達成できる。この応答時間の短縮は、ブローアウトの一つの兆候として上記バーナ圧を用いることにある。ガスタービンエンジンは、内部（すなわち、バーナ）から外部へと仕事をしようとする。上記バーナでは、燃料が導入され上記エンジンを駆動するエネルギーが発生する。上記バーナ圧は、上記エンジンがその燃料フローを変化させる際の第１のパラメータとされる。従って、バーナ圧は、ブローアウトを判断するための最も迅速応答できるパラメータとされることになる。
上記応答時間が減少する結果、本発明では、ブローアウトが検出され、ボイラへの爆発する可能性のある燃料の蓄積が防止されるように上記燃料バルブを十分迅速に閉鎖できるので、未燃焼燃料の引火又は発火が防止できることになる。ここで、ブローアウトから約０．４秒経過した場合に引火する可能性があることはすでに指摘した。
本発明の別の効果としては、出力増加、シャットダウン又は負荷低減と言った上記エンジンの通常運転を妨げることがないことを挙げることができる。出力増大、シャットダウン及び負荷減少中には、上記発電タービンの速度は、増減することになる。負荷低減とは、上記タービンシャフトや、堅固に連結する手段又は発電機シャフト等が破損した場合に生じる上記発電タービンに加えられている負荷が上記発電機へと伝達されないことを意味する。
この様に負荷低減が生じた場合は、通常は上記駆動力を受け取る負荷がなくなるので、上記発電タービン（すなわち、上記発電機を駆動するものである）は、速度アップしようとする。上記発電プラントは、上記速度を一定に保持させようとするので、上記発電プラントが速度上昇を検出した場合には、上記タービン速度を低減させるべく、上記燃料を減少させる。この様な燃料の減少は、実圧力を圧力変化率基準値よりも小さくしてしまい、従ってブローアウトが生じていない場合でもブローアウトの第１条件を満たすこととなる。そこで、ブローアウトの第２条件（すなわち、速度比較）チェックは、速度変化率基準値が、速度変化率基準値よりも大きいか否かを判断するが、これは、負荷低減の場合には、生じておらず従って、ブローアウトが発生していない場合には燃料バルブの閉鎖が防止できることになる。同様の現象は、出力増大及びシャットダウン中にも発生する。ブローアウトの検知が上記したような通常運転条件では行われないようになっていることは、偶然のシャットダウンを防止することになる。
本発明のいくつかの別の効果としては、プログラミング及び上記バーナ圧及び発電タービン速度限度の調節がし易く、及びセンサやエンジン制御装置と言った従来からあるデバイスが用いられるので、上記装置が高価ではないことにある。
Claims (6)
- 燃料フローと、圧縮空気と、を受け取るようにされたバーナ３１を備えたガスタービンエンジン１２を有する型のガスタービン発電プラント（１０）の運転方法であって、前記バーナは、前記燃料フローを点火３２して実点火圧及び回転可能な発電機シャフト２２を駆動するジェット排気を与え、前記燃料フローは、上記バーナへと燃料バルブ４０が開位置にある場合には前記燃料バルブを通して供給され、前記回転可能なシャフト２２の回転速度を検知してバーナブローアウト検出に際して前記燃料バルブ４０を閉鎖する方法において、
連続した時間間隔で実点火圧３６を周期的に測定し、
発電機１６には、前記発電機シャフト２２が連結されており、さらに、
連続した時間間隔で発電機シャフトの実回転速度４６を周期的に測定するステップと、
連続した時間間隔で実点火圧力変化率を算出するステップと、
連続した時間間隔で回転速度変化率を算出するステップと、
連続的な時間間隔にわたる前記実点火圧変化率の大きさを、圧力変化率基準値の大きさと比較するステップと、
連続的な時間間隔にわたる前記実回転変化率の大きさを、回転速度変化率基準値の大きさと比較するステップと、
連続的な時間間隔にわたる前記実回転速度変化率の大きさが、前記速度変化率基準値の大きさよりも小さい場合であって、前記圧力変化率基準値の大きさが、前記連続的な時間間隔にわたる前記実点火圧力変化率よりも大きい場合に前記燃料バルブ４０を閉鎖して、前記バーナへの前記燃料フローを停止させるステップと、を有することを特徴とする方法。 - 前記燃料バルブを閉鎖するステップは、さらに、
前記圧力変化率基準値の大きさが、連続した時間間隔にわたった前記実点火圧力変化率の大きさよりも大きいことを前記燃料バルブを閉鎖する前に判断するステップを有していることを特徴とする請求項１に記載の方法。 - 前記発電プラントは、さらに、前記ガスタービンエンジンと前記発電機の間に配設された発電タービン１４を有しており、前記発電タービンは、前記発電機シャフトに堅固に連結された回転自在なタービンシャフトを備えているとともに、ジェット排気によって駆動されており、前記発電タービンは、前記発電タービンシャフトと、前記発電機シャフトと、を介して前記発電機を駆動するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 燃料フローと、圧縮空気と、を受け取るようにされたバーナ３１を備えたガスタービンエンジン１２を有した型のガスタービン発電プラントのバーナブローアウト検出のためのエンジン制御方法であって、前記バーナは、前記燃料フローを点火３２して実点火圧及び回転可能な発電機シャフトを駆動するジェット排気を与え、前記ガスタービンエンジンは、実点火圧を示した検出圧力信号を与える圧力センサ３６を有し、前記燃料フローは、上記バーナへと燃料バルブが開位置にある場合には前記燃料バルブ４０を通して供給され、さらに前記発電機シャフトは、発電機へと連結されていて、前記発電機シャフトは、実回転速度を有し、前記発電プラントは、前記ジェット排気の存在に応じて前記発電機シャフトの実回転速度を示した検出速度信号を与える速度センサ４６を有しているものであって、コマンド信号によって前記燃料バルブを閉鎖するエンジン制御装置であって、
圧力基準信号及び回転速度基準信号を記憶するための記憶手段と、
ブローアウト検出アルゴリズム６４に用いられる複数の信号を記憶し、前記検出された速度信号及び前記検出された圧力信号に応答して連続した時間間隔にわたって前記検出した圧力信号変化率を示した圧力微分信号を与える信号処理手段と、を有しており、
前記燃料バルブ４０へと送られる前記コマンド信号６０は、前記連続的な時間間隔にわたる前記実回転速度変化率の大きさが、前記速度変化率基準値の大きさよりも小さい場合であって、前記圧力変化率基準値の大きさが、前記連続的な時間間隔にわたる前記実圧力変化率よりも大きい場合に前記燃料バルブを閉鎖して、前記バーナへの前記燃料フローを停止させることを特徴とするエンジン制御装置。 - 前記コマンド信号６０は、圧力変化率基準信号の大きさが、連続した時間間隔にわたった圧力微分の大きさよりも大きな場合に与えられるようになっていることを特徴とする請求項６に記載のエンジン制御装置。
- 前記発電プラントは、さらに、前記ガスタービンエンジンと前記発電機の間に配設された発電タービン１４を有しており、前記発電タービンは、前記発電機シャフトに堅固に連結された回転自在なタービンシャフトを備えているとともに、ジェット排気によって駆動されており、前記発電タービンは、前記発電タービンシャフトと、前記発電機シャフトと、を介して前記発電機を駆動するようになっていることを特徴とする請求項４又は５に記載のエンジン制御装置。
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