JP3797688B2 - 燃料供給装置におけるトリップオイル・システム及びガスタービンへの燃料の流れを制御する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ガスタービンの燃料制御に関し、特に、工業用ガスタービン用のトリップオイル燃料遮断システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ほとんどの工業用ガスタービンは、ガスタービンの燃焼器への燃料流れを停止する自動燃料遮断システムを有している。このような自動燃料遮断システムは、ガスタービンに緊急又は異常作動状態が検出されたときに、燃料流れを停止する。自動燃料遮断システムは又、ガスタービンが二重燃料供給装置を有している場合に、作動燃料供給ラインを優先して、不作動燃料供給ラインを閉じるために用いられている。共通な自動燃料遮断システムは、ガスタービンの燃料遮断弁を油圧的に制御するトリップオイル・システムである。本発明は、トリップオイル・システムの改良に関する。
【０００３】
工業用ガスタービンの燃料遮断弁は典型的には、弁に付勢力（作動させる力）が加えられない限り、燃料流れを阻止する閉止位置にバイアスされている。この付勢力は、トリップオイル・システムが供給する油圧流体圧力によって与えられる。ガスタービンの始動及び運転中に、トリップオイル・システムは油圧流体を送って燃料遮断弁を付勢して開放状態に保持するので、燃料はガスタービンの燃焼器に流れる。ガスタービンに何らかの問題が検出されると、トリップオイル・システムは油圧を解除して、遮断弁が二重燃料供給システムの不使用燃料供給ラインを隔離するか、又は燃料流れをすべて停止する。このような故障及び問題としては、タービンの速度超過、立ち消え（フレーム・アウト）、異常なタービン温度等がある。
【０００４】
トリップオイル・システムには、工業用ガスタービンの中断のない正常運転を確保するために、信頼性の高い確実な作動が要求される。トリップオイル・システムが燃料遮断弁を開放状態に保持しているときにだけ、工業用ガスタービンに燃料が流れる。トリップオイル・システムが不作動になる、又はトリップオイル・システムを試験しなければならない若しくはトリップオイル・システムのメンテナンス作業が必要である等の理由で、燃料遮断弁を開放状態に保持するのに必要なトリップオイル・システムからの油圧がかかっていないと、燃料遮断弁が閉じて、ガスタービンが停止する。トリップオイル・システムの誤作動、試験又はメンテナンスのためにガスタービンを停止することは、従来のトリップオイル・システムの極めて望ましくない欠点である。従来のトリップオイル・システムでは、１つのトリップオイル弁の故障、試験又はメンテナンスが原因で、燃料遮断弁が閉じて、工業用ガスタービンを停止する。工業用ガスタービンの運転をこのように中断することは極めて望ましくなく、従来のトリップオイル・システムでの長年の懸案であった。例えば、図３に示す従来のトリップオイル・システムは、トリップオイル回路の各枝管ごとに１つの個別のトリップオイル弁９０を有している。この１つのトリップオイル弁が故障するか又は整備を必要とする場合に、関連する燃料遮断弁９２が燃焼器への燃料流れを停止する。
【０００５】
極めて信頼性が高く、且つガスタービンを作動させたまま試験及び整備を行うことができる改良されたトリップオイル・システムが、かねてより必要とされている。従来のトリップオイル・システムはこの要求に応えられなかった。本発明は、ガスタービンの運転を中断することなく、試験すると共に整備することのできる改良されたトリップオイル・システムである。本発明の第１の特徴として、従来のトリップオイル・システムの単一の隔離弁の代わりに、冗長トリップオイル弁が設けられている。同様に、本発明では、冗長構成要素が設けられており、トリップオイル弁のいずれか１つが故障しても、工業用ガスタービンへの燃料を遮断してガスタービンを停止させることにならないようにする。
【０００６】
更に悪いことに、もしも従来のトリップオイル・システムの単一トリップ弁がコントローラ９４からの燃料流れ遮断信号に応答しないと、燃料がガスタービンに流れ続け、ガスタービンの継続運転にダメージをもたらすおそれがある。トリップオイル誤信号を検出するために、冗長圧力センサ９６を用いて、トリップオイル弁がトリップオイル配管系統の対応する枝管の圧力を逃がしたことを、コントローラ９４に通報することは周知である。３つの圧力センサのうちの２つのセンサが、トリップオイル弁が圧力を逃がすように命令された後でもトリップオイル圧力が高いことをコントローラに通報すると、コントローラはガスタービンを停止するように作用する。圧力がまだ高いことを示す圧力センサが１つのみなら、コントローラは故障信号を発生し、トリップオイル・システムの、おそらくは圧力センサの欠陥を通知する。
【０００７】
【実施例】
図１に、本発明の好適な実施例である二重燃料系工業用ガスタービンに用いるトリップオイル・システム１０を示す。ガスタービン用の液体燃料が液体燃料供給部１２から供給されると共に、ガス燃料がガス燃料供給部１４から供給される。本発明は、液体／ガス二重燃料系統に限定されず、単一燃料系統にも他の種類の燃料を供給するシステムにも等しく適当である。各々の燃料供給部は主として、燃料を燃料源からガスタービンの燃焼器に搬送する配管である。
【０００８】
燃料供給部のうち、本発明の目的に関与する部分は、燃料遮断弁と、トリップオイル・システムとである。液体燃料遮断弁１６が液体燃料配管に配置されており、ガス燃料遮断弁１８がガス燃料配管に配置されている。これらの遮断弁又は停止弁は図１では、図面に示す弁及びアクチュエータ等すべての切り換え可能な構成部品と同様に、不作動（閉止）位置に示されている。これらの遮断弁より下流の燃料供給配管には、ガス燃料供給用の制御弁２０と、液体燃料供給用のバイパス配管付き制御ポンプ（図示していない）とが配置されている。これらの制御弁及びポンプは、ガスタービンの燃焼器への燃料の流れを調整する。
【０００９】
液体又はガス燃料を二重燃料系統を介して、ガスタービンの燃焼セクションの燃料ノズルに供給する。ノズルからの燃料を圧縮機からの圧縮空気と混合して、混合物を燃焼セクションで燃焼させる。高熱燃焼ガスは燃焼セクションからタービンに流れ、そこで排出ガスからのエネルギによってタービンの回転ブレードを駆動する。タービンに与えられた回転を用いて圧縮機を駆動すると共に、有用な機械的パワーを外部に取り出す。
【００１０】
図１の実施例では、液体燃料用の遮断弁１６は２位置（即ち、オン／オフ）弁であり、ガス燃料用の遮断弁１８及び制御弁２０は、それぞれ燃焼器へのガス燃料の流れを調節するために用いることのできる被変調弁である。ガス燃料は通常、被変調弁によって調節され、一方、液体燃料の流れは通常、制御ポンプ及びバイパス配管系統によって調節される。燃料遮断弁の特定の形式は、これらの弁を用いる用途に依存する。
【００１１】
各遮断弁１６及び１８（並びに制御弁２０）は閉止位置にバイアスされているので、弁へのバイアス力に打ち勝つ付勢力が働かない限り、燃焼器への燃料の流れは停止されている。遮断弁及び制御弁のバイアス力をばね２１で線図的に表示してある。弁バイアス力に打ち勝つために、各遮断弁は、関連する弁アクチュエータ２２を有しており、このアクチュエータは、付勢された（エネルギを与えられた）ときに弁を開く。好適な実施例では、アクチュエータはトリップオイル・システムから油圧をかけることにより付勢されるが、アクチュエータを付勢する他の手段を用いてもよい。各弁アクチュエータは、例えば、アクチュエータ・ピストン２４と、ダンプ中継弁２６と、トリップオイル・ブースタピストン２８とを含んでいる。アクチュエータ・ピストン２４は連結ロッド３０に取り付けられており、連結ロッド３０の他端は、関連する燃料遮断弁に連結されている。ピストンがアクチュエータのスリーブ内で移動するにつれて、連結ロッドは遮断弁を開位置から閉位置に又はその逆に切り替える。アクチュエータ２２が被変調停止弁又は制御弁に連結された場合には、スリーブ内のピストンの位置が連結ロッド３０を介して弁の作動位置を制御する。
【００１２】
トリップオイルがブースタ・ピストン２８を付勢すると、対応するダンプ中継弁２６は油圧流体をピストン室２４に導き、その油圧流体はピストンを外方に押し、それにより、ピストン・ロッドに連結されている弁を付勢する。液体及びガス燃料供給用の停止弁に関しては、トリップオイルがピストン室に入ることによるブースタ・ピストンの移動により、燃料停止弁が開いて、燃料がその弁を通して燃焼器に流れる。
【００１３】
ガスタービンの運転は、センサ及びコントローラ３２によって常に監視されていると共に制御されている。センサはガスタービン全体に配置されており、センサは又、ガスタービンの中心シャフトの回転速度を検出する速度センサと、圧縮機、燃焼セクション及びタービン内の圧力センサ及び温度センサと、燃焼セクション内の点火センサと、多数の他の形式のセンサとを含んでいる。これらのセンサは、従来通りのものであって、ガスタービンの当業者に周知である。これらのセンサからの信号３４をコントローラに供給する。このコントローラとしては、複数のコントローラをガスタービン全体に分布させることができるが、ここでは単一のコントローラ３２として線図的に示す。本発明の関係においては、コントローラは、ガスタービンに関する異常作動状態、構成部品の破損、及びその他の問題を検出するセンサ及びガスタービンを監視する他の装置からの保護信号３４を受け取る。
【００１４】
これらの保護センサ信号３４はコントローラ３４に供給され、コントローラ３４はこれらの信号に応答して作動する。コントローラの構成及び動作は通常通りであって、周知である。コントローラ３４は、（破線２５、２７及び２９を介して）燃料系統のトリップオイル弁マニホールド３８、４０及び４２に作動的に接続されている。これらの接続は、コントローラがトリップオイル弁を作動させる等して、ガスタービンの燃焼セクションへの燃料の流れを制御することが可能であれば、電気的、油圧的、電気機械的又はその他のカップリング（結合）のいずれであってもよい。コントローラは、特定の保護センサ信号若しくはこれらの保護信号の特定の組み合わせに応答するように設定されているか、又は（コンピュータ化されている場合には）プログラムされている。ガスタービンに問題が生じたことを指示する特定のセンサ信号に応答して、コントローラは、トリップオイル・システムが燃焼器への燃料を遮断して、ガスタービンの運転を停止するように作動する。
【００１５】
作動時には、加圧下にある油圧流体がトリップオイル・システムの配管に供給される。この油圧流体は、ガスタービン用の潤滑油システムから分流した潤滑油とするか、又は他の油圧流体源から得ることができる。入口オリフィス３６が、トリップオイル・システムにおける油圧流体の圧力降下を潤滑油システムから隔離している。トリップオイル・システムを付勢するのに十分な油圧流体の流れが入口オリフィスを通過するが、入口オリフィスを経ての流体の流れを限定して、トリップオイル・システムのために潤滑油システムの圧力が低下するのを防止する。入口オリフィスが存在しているため、トリップオイル弁マニホールド３８、４０及び４２は、潤滑油圧力を有意に降下させることなく、トリップオイル圧力を逃がす（解除する）ことができる。
【００１６】
油圧流体（トリップオイル）を配管を通して、２つの燃料供給部用のトリップオイル弁マニホールド３８及び４０、並びにガスタービンの入口案内ベーン（ＩＧＶ）用の弁マニホールド４２に輸送する。これらのトリップオイル弁マニホールドの各々は、構造が類似しているが、コントローラによって独立に作動する。付勢時には、各トリップオイル弁マニホールドは関連するトリップオイル・システムの枝管に油圧を維持する。脱勢時には、トリップオイル弁マニホールドは油圧をドレインに導くことにより、関連する枝管の油圧を逃がす。それぞれのトリップオイル弁マニホールドによってトリップオイル配管の枝管に圧力が維持されている限り、中継弁２６と関連するブースタ・ソレノイド２８は、対応するアクチュエータ２２が燃料停止弁１６又は１８を開放状態に保持するように作動する。
【００１７】
更に、入口案内ベーン（ＩＧＶ）用のトリップオイル弁マニホールド４２は、コントローラの信号でトリップ弁４２が脱勢され、ＩＧＶダンプ弁への配管の枝管のトリップオイル圧力が解除されることがない限り、燃料停止弁と同様の態様で、ＩＧＶダンプ弁４４を開放状態に保持する圧力をトリップオイル配管に維持する。
【００１８】
トリップオイル・システムの配管の各枝管の油圧は、配線４３及び４５を介してコントローラ３２によって監視（モニタ）されている。コントローラ３２は、それぞれの配管の枝管に接続された圧力スイッチ４６を付勢する。圧力スイッチ４６は圧力ゲージ４８を付勢し、圧力ゲージ４８は、手動式に読み取るか、又は例えばコントローラによって自動的にモニタすることができる。制限オリフィス５０が圧力ゲージ４８へのトリップオイルの流れを減少させて、ゲージへの損傷を防止する。
【００１９】
図２に例示するトリップオイル弁マニホールド６０は、フレーム・アセンブリ６２を含んでおり、フレーム・アセンブリ６２は、ガスタービンに付設された構造に装着されている。トリップオイル（油圧流体）用の供給配管がマニホールドの入口ポート６４に取り付けられている。この入口ポートは、トリップオイル配管をフレームア・センブリのオイル通路に連結している。
【００２０】
フレーム・アセンブリは、流体通路として、トリップオイルをトリップオイル弁６８、７０及び７２に導く主通路６６と、トリップオイル弁を相互連結しているバイパス通路７４、７６及び７８と、トリップオイル圧力を解除するために油圧圧力を排出するドレイン通路８０とを含んでいる。ドレイン通路８０は一緒に集められている。図示のように、トリップオイル弁の各々は、トリップオイルが通過し得る一対のポートを有している。各バイパス通路は、あるトリップオイル弁の出口ポートと、他の弁の入口ポートとに連結されている。ドレイン通路を合一したマニホールド出口は、油圧流体用リザーバに連結されている。弁マニホールドの主通路は、マニホールド入口６４と、２つのマニホールド出口Ｐ１及びＰ２とに連結されている。第１のマニホールド出口Ｐ１は、トリップオイル・システムの油圧をモニタするために用いることのできる制御システム計器を連結するのに使用することができる。第２のマニホールド出口Ｐ２は、マニホールドより下流のトリップオイル・システム装置に加圧油圧流体を供給する主連結部である。
【００２１】
オリフィス８２が主流体通路６６にマニホールド入口６４付近に配置されている。この限流オリフィス８２は、マニホールド６０より上流の油圧流体圧力をそのマニホールドより下流のトリップオイル圧力から隔離している。マニホールドのトリップ弁が油圧流体をドレインに流し、従って、マニホールド内及びそれより下流の流体圧力が低くなったときに、オリフィスはトリップオイル・システムのマニホールドより上流での有意な流体圧力降下を防止する。オリフィス８２はマニホールド６０への流体流れを制限するが、十分な流体流れを許容するので、トリップ弁が油圧流体をドレインに流すときに、トリップ弁は関連する中継弁２６及び４２をトリガする。
【００２２】
トリップオイル弁６８、７０及び７２は冗長である。各弁は、油圧流体が弁を経てドレインに通過するのを許容する開放位置と、油圧流体の通過を許容しない閉止位置とを有している。トリップオイル弁の各々は四方弁であり、その弁を通して２つの流路があり、両方の流路は開いていても又は閉じていてもよい。四方トリップオイル弁の一例として、中心密閉型スプール弁、例えばアベックス社（Denison Division of Abex Corp., Columbus, Ohio）及びミッテン油圧社（Mitten Hydraulics Inc., Syracuse, N.Y.）製のものがある。
【００２３】
トリップオイル弁のうちの少なくとも２つの弁が閉じていると、油圧がトリップオイル・システムに維持され、燃料遮断弁が開いて燃料が流れるのを許容する。トリップオイル弁のうちのいずれか２つの弁が開いていれば、トリップオイルはこれらの弁を通して排出され、油圧を解除して、燃料流れを遮断する。各弁はソレノイドによって付勢される。即ち、ソレノイドは付勢された（エネルギを与えられた）ときに、弁を開放位置（図２に示す）から閉止位置に移動させる。弁はばねによって開放位置にバイアスされている。開放位置において、弁は油圧流体をドレインに通し、これにより、トリップオイル圧力を逃がして、関連する燃料遮断弁をトリップする。各トリップオイル弁のソレノイド・アクチュエータは、コントローラによって電気機械的に作動される。
【００２４】
以上、本発明を現在最も実用的且つ好適と考えられる実施例について説明した。本発明は、この実施例に限定されるものではない。本発明の要旨の範囲内に入る種々の変更及び均等構成が本発明に包含される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な実施例によるガスタービン用の二重燃料系統を示す概略フロー図である。
【図２】本発明の好適な実施例と共に用いる三重冗長トリップオイル弁の配置のブロック図である。
【図３】従来のトリップオイル・システムを有しているガスタービン用燃料系統の概略フロー図である。
【符号の説明】
１０ トリップオイル・システム
１６、１８ 燃料遮断弁
２２ 弁アクチュエータ
３２ コントローラ
３８、４０、４２ トリップオイル弁マニホールド
６８、７０、７２ トリップオイル

Claims (10)

1. ガスタービンの燃焼器に連結された燃料供給装置におけるトリップオイル・システムであって、当該トリップオイル・システムが、
   前記燃料供給装置内の燃料弁に作動連結したアクチュエータであって、燃料が前記燃料供給装置を通って前記燃焼器に流れるように前記燃料弁を開放状態に保持する第１の位置と、前記燃料供給装置の燃料の前記燃焼器への流れを遮断する第２の位置とを有するアクチュエータと、
   該アクチュエータに連結したトリップオイル配管であって、該配管から油圧をかけることにより前記アクチュエータを前記第１の位置に配置するトリップオイル配管と、
   前記配管に連結された複数のトリップオイル弁を有する冗長トリップオイル弁マニホールドであって、前記トリップオイル弁の各々が油圧流体の流れに対して開いている開放位置と油圧流体の流れに対して閉じている閉止位置とを有しており、該トリップオイル弁が、該弁を通して油圧流体を流すには少なくとも２つの相互連結された弁が相互に開放位置になければならないように対をなして相互連結されている、冗長トリップオイル弁マニホールドと
   を備えており、
   前記マニホールドは、前記複数のトリップオイル弁の少なくとも２つが前記開放位置にあるときに前記配管内の油圧を解除し、前記アクチュエータは、前記配管内の圧力が解除されたときに前記第２の位置に配置される、トリップオイル・システム。
2. 前記冗長トリップオイル弁マニホールドが更に、二重流体通路を有する複数のトリップオイル弁を含んでおり、前記二重流体通路が共に、該弁が前記開放位置にあるときに流体流れに対して開いており、該弁が前記閉止位置にあるときに流体流れに対して閉じている、請求項１に記載のトリップオイル・システム。
3. 前記トリップオイル弁の各々が、第２のトリップオイル弁の流体通路に連結した第１の流体通路と、第３のトリップオイル弁の流体通路に連結した第２の流体通路とを含んでいる、請求項１に記載のトリップオイル・システム。
4. 前記トリップオイル弁の各々が、前記開放位置にバイアスされている、請求項１に記載のトリップオイル・システム。
5. 前記トリップオイル弁の各々が、前記ガスタービン用のコントローラに作動連結されており、該コントローラは、前記ガスタービンに故障を検出した後に、少なくとも２つの前記トリップオイル弁を前記開放位置に移動させる指令を発生する、請求項１に記載のトリップオイル・システム。
6. 燃料弁を有する燃料供給配管と、
   コントローラと、
   前記燃料弁に連結したアクチュエータ、該アクチュエータに連結した流体配管、及び該流体配管に設けられた３つの相互連結したトリップオイル弁を備えるトリップオイル・システムとを有するガスタービンへの燃料の流れを制御する方法であって、
   （ａ）前記流体配管内の圧力が少なくとも前記燃料弁を付勢するレベルを達成するように、前記トリップオイル弁を閉止位置に設定する工程と、
   （ｂ）前記燃料弁が前記流体配管内の圧力により付勢されたときに、燃料を前記燃料供給配管に通す工程と、
   （ｃ）前記トリップオイル弁の１つのみが、流体が前記トリップオイル弁を通過するのを許容する開放位置に移動したときに、前記流体配管内に圧力を維持する工程と、
   （ｄ）２つ以上の前記トリップオイル弁が開放位置に移動したときに、前記流体配管内の圧力を減少させる工程と、
   （ｅ）圧力が工程（ｄ）で減少させられたときに前記ガスタービンへの燃料の流れを減少させるように、前記燃料弁を脱勢する工程と
   を備える方法。
7. 工程（ｅ）において、前記燃料の流れは、脱勢された前記燃料弁により停止される、請求項６に記載の方法。
8. 工程（ｄ）は更に、流体圧力を開放した前記トリップオイル弁からドレインに向けることにより達成される、請求項６に記載の方法。
9. 工程（ｄ）が、前記ガスタービンに故障が起こったことを判定したガスタービンのコントローラからの指令信号に応答して実行される、請求項６に記載の方法。
10. ガスタービンに連結した燃料供給装置におけるトリップオイル・システムであって、
    前記燃料供給装置内の燃料遮断弁に作動連結したアクチュエータであって、前記燃料遮断弁を前記ガスタービンへの燃料の流れに対して開放する第１の位置と、前記ガスタービンへの燃料の流れを遮断する第２の位置とを有するアクチュエータと、
    該アクチュエータに連結されていて、該アクチュエータを前記第１の位置に切り換えるように該アクチュエータに付勢力を加えるトリップオイル配管と、
    複数のトリップオイル弁を有するトリップオイル弁マニホールドであって、前記トリップオイル弁の各々が第１の通路と第２の通路とを有しており、前記第１の通路が前記配管及び他のトリップオイル弁の前記第２の通路に連結され、前記第２の通路が流体ドレインに連結されていて、前記トリップオイル弁の各々が、流体が前記第１及び第２の通路を流れることができる開放位置と流体が前記第１及び第２の通路を流れるのを阻止する閉止位置とを有する、トリップオイル弁マニホールドと
    を備えており、
    前記マニホールドは、少なくとも２つの前記トリップオイル弁が前記開放位置にあるときに前記配管内の油圧を解除し、前記アクチュエータは、前記配管内の圧力が解除されたときに前記第２の位置に配置される、トリップオイル・システム。

Images