JP3817275B2 - ガスタービン及びガスタービンの各燃焼器への燃料流量を調整する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ガスタービン用の燃料制御システムに関し、特に、複数の燃焼室を有している工業用ガスタービン用の燃料調整（trim）システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
工業用ガスタービンは、望ましくない空気汚染放出物をなるべく低減しながら、なるべく高い効率で機能する必要がある。ガスタービンの効率を高めるために一般に行われていることは、ガスタービンの燃焼室内全域のガス温度を高めることである。放出物の低減は燃焼室内の最高ガス温度を下げることにより行われる。効率を高めるために燃焼室内の温度を高めようとすることは、低放出量ガスタービンに対する規制要件にある程度抵触する。
【０００３】
従来の炭化水素燃料を燃焼させるガスタービンによって生ずる主な空気汚染放出物は、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、及び未燃炭化水素（ＵＨＣ）である。ガスタービン内の窒素分子の酸化は、各燃焼室の燃焼反応域内の最高ガス温度と共に急激に増加する。窒素酸化物を形成する化学反応の速度は、温度の指数関数である。ＮＯｘ放出量は、たとえ最高温度に短時間だけ到達したとしても、非常に多くなるおそれがある。ＮＯｘ放出量を減少させる通常の方法は、希薄燃料空気比を保つことにより燃焼室内の最高ガス温度を下げることである。
【０００４】
燃焼室内の空気燃料混合気が過度に希薄であれば、一酸化炭素及び未燃炭化水素の放出量が過多になる。ＣＯ及びＵＨＣの放出は燃料の不完全燃焼に起因する。これらの放出物の発生は通常、空気燃料混合気が反応域内の燃焼を過度に抑制するところで起こる。反応域内の温度は完全燃焼の持続に適する温度でなければならない。さもないと、化学燃焼反応は平衡に達する前に抑制されてしまう。残念ながら、燃焼の過早抑制は、希薄可燃限界近くの空気燃料混合気で作用する最新の低ＮＯｘ燃焼器内で過度に頻発する。
【０００５】
燃焼抑制によるＣＯ及びＵＨＣの放出の発生率は、反応域温度の非線形関数であると共に、希薄燃料空気比可燃限界で急激にピークに達する。ＣＯ及びＵＨＣの放出量を最小にするためには、ガスタービン燃焼器の反応域に希薄可燃限界の回避に適する空気燃料混合気を送り込まなければならない。しかしながら、それでも燃焼器はＮＯｘ放出量を減少させるために、希薄空気燃料混合気で作用しなければならない。ＣＯ、ＵＨＣ及びＮＯｘの放出量低減という矛盾した要件を両立させるために、工業用ガスタービンの燃焼器の反応域内の空気燃料混合気を極めて精密に制御する必要がある。
【０００６】
ガスタービンの各燃焼室内の燃料空気比は均等であるべきである。各燃焼器内の空気燃料混合が一定であると、混合気をＣＯ、ＵＨＣ及びＮＯｘの放出量の低減に最適な希薄混合比に保ち得る。加えて、各室内の燃料空気比が均一であると、ガスタービンの各燃焼器内の温度分布が均一になる。温度及び圧力の均一な分布は、ガスタービンの燃焼器、タービン及び他の高温流通過構成部における熱応力及び機械的な応力を減少させる。これらの応力の減少は燃焼器部品及びタービン部品の使用寿命を長くする。いくつかの燃焼室（他の室を除く）内の最高ガス温度は熱応力を増加させると共に、燃料空気比が高い比較的高温の室の材料、及びこれらの室のすぐ下流にあるタービン部品の材料の強度を減少させる。
【０００７】
工業用ガスタービンの多数の燃焼室内に真に均一な温度及び圧力の分布をもたらすことは、非常に困難であることがわかっている。例えば、燃焼器内の空気流分布は、燃焼室の構成部と、それらのアセンブリとにおける偏差により乱される。このような偏差は、燃焼器及びガスタービン部品の製造、設置及び組み立てにおける所要公差によるものである。加えて、空気流の経路は不規則であって、圧縮機から燃焼システムに近付き、そしてタービンへの燃焼器出口で外に出る。これらの不規則な経路は、燃焼器を通る空気流に影響を与えると共に、燃焼器内に不均一な空気流分布を引き起こす。例えば、タービン軸受潤滑油用管路によって、圧縮機吐出し空気流路内に局所的な空気流抵抗が生ずる。燃焼室内の不規則な空気流分布は、各燃焼室内の燃料空気比に異なる影響を及ぼす。各燃焼室内の空気流の変動は、全燃焼室内において一定の燃料空気比を維持することを困難にする。
【０００８】
多数の燃焼室を備えた工業用ガスタービン用の従来の燃料システムは、各燃焼室に燃料流を均等に分配する。これらの燃料システムは共通制御手段を有しており、この制御手段は、各室へ同じ流量の燃料を送給するように流量規制をなす。これらの燃料システムは、各燃焼室内に均一な燃料空気比を維持するように各室への燃料流を調整しない。従って、これらの従来の燃料システムは、空気流が各燃焼室に均等に分配されないとき、全燃焼室内において真に均一な燃料空気比を維持することができない。
【０００９】
【発明の概要】
本発明は、多室型ガスタービン燃焼システムの各燃焼室への燃料流を調整する制御システムである。各室への燃料流分配は、各室内に燃料空気比の均一な分布をもたらすべく、空気流分配に適合するように調整される。最適な燃料調整は、室間の制御されない空気流量差にもかかわらず、全室内の燃料空気比を等しくする。
【００１０】
燃料調整システムへの制御信号は、（１）個別燃焼室燃料流量、（２）個別燃焼室動圧値、及び（３）タービン排出口の全周にわたるガスタービン排気温度分布である。これらの信号は、燃料調整システムによって設定される最適な燃料流分布を定めるために、個別に又は組み合わせて用いられ得るものである。各燃焼室用の従来の計器が、燃料調整システム用の上述の制御信号を得るために用いられている。これらの計器はガスタービン業界において周知であり、十分な信頼性を有することがわかっている。
【００１１】
本発明の一実施例は、圧縮機と、圧縮機からの圧縮空気を受け入れている多室燃焼器と、圧縮機にそれを駆動するように連結されていると共に、燃焼器からの排気を受け入れているタービンと、多室燃焼器の各室に燃料を送給すると共に、個々の室への燃料を各室への空気流と適合させるように調整している燃料システムとを備えているガスタービンである。
【００１２】
同様に、本発明の他の実施例は、複数の室を有しているガスタービンの燃焼部であって、少なくとも１つの室は、圧縮機からの空気を受け入れていると共に燃料分配器からの燃料を受け入れている少なくとも１つの燃焼反応域を備えており、燃料分配器は、燃料トリムオリフィスと、燃料トリム弁とを有しており、少なくとも１つの室用の燃料トリム弁は、その室への燃料流を調整するように個別に設置されるている、ガスタービンの燃焼部である。
【００１３】
本発明による利点は、多数の燃焼室内に燃料空気比を均一に分布させて、ガスタービン排気内の望ましくない空気汚染物、例えば、窒素酸化物、一酸化炭素及び未燃炭化水素の放出量をガスタービンの全負荷範囲にわたって最小にすることを包含している。加えて、燃料空気比の均一分布は、ガスタービンの高温流通過構成部の使用寿命を長くする。
【００１４】
【発明の目的】
本発明の目的は、工業用ガスタービンの多室型燃焼システムの全燃焼室内に燃料空気比の均一分布をもたらす方法を提供することである。特に、空気流が各燃焼室に均一に分配されないときに、多室型ガスタービン燃焼システムの各燃焼室内に均一な燃料空気比を維持することを目的とする。本発明の他の目的は、燃焼室への燃料流分配を調整して、各室への空気流の変動に適合させることである。
【００１５】
【実施例】
以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。
図１はガスタービン１２を示しており、ガスタービン１２は、圧縮機１４と、圧縮機排気ダクト１５と、多数の燃焼室（１つを図示）１６と、単一の動翼で代表されているタービン１８とを含んでいる。詳細に示していないが、周知のように、タービン１８は共通軸線に沿って圧縮機１４に連結されており、圧縮機１４を駆動する。圧縮機１４は導入空気を圧縮し、この空気は、参照番号１９で示すように転向して燃焼器に向かい、そこで燃焼器を冷却すると共に燃焼用空気として役立つ。
【００１６】
複数の燃焼室１６は、ガスタービンの周囲に沿って配置されている。１つの特定のガスタービンでは、１４個の燃焼室がガスタービンの周囲に沿って配設されている。個々の燃焼室の出口端は、遷移ダクト２０によってタービン１８の入口端に連結されており、高温の燃焼過程生成物をタービンに送る。
本発明は、米国特許番号第４２９２８０１号に記載されている型の２段２モード低ＮＯｘ燃焼器に特に有用である。この引用特許に記載されていると共に、図１及び図２に示されているように、各燃焼室１６は、ベンチュリスロート（のど）域２８によって隔てられている１次又は上流燃焼反応域２４と、２次又は下流燃焼反応域２６とを備えている。各燃焼室は燃焼器流れスリーブ３０によって囲まれており、スリーブ３０は、圧縮機吐出し空気流を燃焼室に導く。燃焼室は更に、外側ケーシング３１によって囲まれており、ケーシング３１はタービンケーシング３２にボルト止めされている。
【００１７】
複数の１次燃料ノズル３６が燃料を上流反応域２４に送るものとして、中央２次燃料ノズル３８の周囲に環状列に配設されている。１つの型のガスタービンでは、各燃焼室は６つの１次ノズルと、１つの２次ノズルとを含んでいてもよい。燃料は集中型環状燃料マニホルド４２から、これらのノズルに送給される。マニホルド４２から、燃料は管４３によってフィルタを通り、そして１次燃焼反応域２４用及び２次燃焼反応域２６用の燃料分配器に達する。２次分配器４４は燃料を２次燃料ノズル３８に導くと共に、１次分配器４５は環状配管ユニットであって、燃料を１次ノズル３６に導く。
【００１８】
各分配器は、それと関連する燃料調整ユニットを有している。２次分配器用の２次燃料調整ユニット４６は、技術者によって操作される調節可能な弁６０を有している。技術者は圧力、温度及び燃料流量検知器からの検知器信号を読み取る。同様な１次燃料調整ユニット４８が１次ノズルへの燃料流を調整する。１次燃焼室内で点火プラグ４９によって点火が発生すると共に、クロスファイア管５０を介して隣接する燃焼室によって発生する。
【００１９】
図２は米国特許番号第４２９２８０１号に記載されているような２段２モード低ＮＯｘ燃焼システムに適用されているような燃料調整システムを示す。ガスタービン燃焼システムの多数の燃焼室１６は、室１、２、３、……、Ｎと分類されている。ここで、Ｎは燃焼システムにおける燃焼室の総数である。各室内の１次及び２次反応域内での燃焼反応は、独立的又は一緒に発生する。燃料及び空気が燃焼室の両反応域に導入されて、燃焼が起こり、そして燃料が酸化されて発熱し、その結果、燃焼ガスの温度及び圧力が上昇する。代表的な適用例では、燃料は炭化水素、例えばメタン（ＣＨ_４）であり、そして平衡に達する燃焼の酸化生成物は主として、二酸化炭素（ＣＯ_２）及び水（Ｈ_２Ｏ）である。これらの燃焼生成物は通常、圧縮機から燃焼器を経て希釈空気として供給される過剰空気で希釈される。
【００２０】
すべての燃焼室１６の反応域２４及び２６内の高温ガスの温度分布は、各室の両反応域内の燃料空気比に依存する。燃焼室を流出しそしてタービン１８の第１段に入る燃焼ガス流における高温ガスの温度及び圧力の分布は、各燃焼室内における全域にわたる燃料空気比に依存する。
一般に、空気流量は各燃焼室に対して変動する。各室内の各反応域への燃料流は、空気流の変動に応じて調整される。各燃焼室の１次及び２次反応域それぞれへの燃料流量は、全室への平均燃料流量に対して調整、即ち増減される。この調整は、各燃焼室に対して燃料流を空気流に適合させる燃料調整システム４６及び４８によって成される。
【００２１】
技術者は、監視した状態に応じて２次及び１次燃料ノズルへの燃料流量を調整する。この調整はガスタービンの運転中、任意の時点で成し得るものであるが、通常、ガスタービンの据付け時又はオーバホール中に成されよう。燃料流量を各燃焼室に対して個別に調整することにより、燃料流量を各燃焼室内の個別の空気流量に適合させて、各室内に一定の燃料空気比を維持することができる。
【００２２】
図３は単一の燃焼室用の燃料調整ユニット４６又は４８の一構成を示す。燃料トリム制御弁６０が、各燃焼室の各域への燃料供給管路の流れ抵抗を変えることにより、各反応域２４及び２６への燃料流量を調整する。燃料トリム制御弁６０を設定（セット）するために用いられているパラメータ測定値は、（１）各燃料調整システムへの燃料流量の測定値と、（２）燃焼室動圧測定値と、（３）ガスタービン排気内のガス温度分布の測定値とである。技術者は個別の燃焼室動圧と、ガスタービン排気温度の分布と、個別の燃焼室燃料流量とを監視する。
【００２３】
従来の燃料流量計６４が燃料調整システムに含まれており、各燃焼室内の各反応域への燃料流量を測定する。この燃料流量測定値は、各燃焼室内の１次及び２次反応域に分けられた所望の燃料流を維持するために用いられる。各室への全燃料流と、各反応域への燃料流とは、各室への空気流分配に適合するように、弁６０によって調整される。
【００２４】
各燃焼室内の従来の動圧検知器６６（図１）によって室内圧力測定値が得られ、燃料トリム弁６０を調節する技術者に表示される。同様に、技術者は従来の排気用熱電対列６８（図１に１つのみの熱電対プローブを示す）から、タービンを出た排気の温度分布に関するデータを得る。圧力及び温度検知器と、燃料流量計とからデータが与えられると、技術者は各燃焼室の各反応域に対して燃料トリム弁を調節することができる。このようにして、各反応域への燃料流は、すべての燃焼室内で均一な空気燃料混合気を維持するように調整され得る。
【００２５】
図４は、燃料トリム弁が手動ではなく、計算機によって制御されるような代替実施例における燃料調整ユニットの詳細な線図を示す。計算機７０が各燃焼室内に均一な燃料空気比を維持するように、検知器データを監視して、燃料流を連続的に調整する。手動方法では、トリム弁６０は据付け時に一定位置に設定され、そして整備中に調節され得る。この手動方法は十分な方法である。なぜなら、空気流分配はタービンの全寿命にわたって大して変化しないと予想されるからである。従って、ひとたび燃料流がガスタービンの据付け時に各室に適合するように調整されると、燃料と空気との適合はガスタービンの寿命中、有効であると期待してもよい。しかしながら、真に正確な燃料空気調整が望まれる場合には、計算機によって連続的に制御される燃料調整が望ましいかもしれない。
【００２６】
制御用計算機７０は、本発明の譲受人であるゼネラル・エレクトリック・カンパニイによって販売されている工業用ガスタービン用のマークＶ（MARK V）制御計算機のような従来の制御システムである。この計算機は排気熱電対列６８と室内動圧検知器６６とから検知器データを受け取る。同様に、制御計算機７０は各反応域用の流量計６４から燃料流量データを受け取る。これらの検知器入力を用いて、制御計算機７０はソレノイド７２を作動させて燃料トリム弁６５を調節する。
【００２７】
手動及び計算機制御による両実施例における燃料トリム弁６０は、直列に設けられているトリム弁６５及びトリム燃料オリフィス７４と、それらと並列に設けられている主燃料オリフィス７６とを含んでいる。並列の主燃料オリフィス７６と、トリム燃料オリフィス７４とは、燃焼室への燃料流分配の意図しない極端な変動からガスタービンを保護する。もし全燃料が燃料トリムオリフィス７４を通流したとすれば、燃料流が空気流に適合するように調整されつつある間に燃料の極端な変動が起こるおそれがある。並列の主オリフィスと、トリムオリフィスとは、燃料調整ユニットによる燃料流の最大変動を制限する。
【００２８】
本発明を２段低ＮＯｘ燃焼システムに適用されるものとして説明したが、本発明は、燃焼システムに多数の燃焼室を用いているシステムであれば、単段低ＮＯｘ燃焼システム、従来の単段燃焼システム又は他の任意のガスタービン燃焼システムにも適用し得るものである。
以上、本発明の最も実用的で最適な実施例と考えられるものについて説明したが、本発明は、開示した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で様々な改変及び均等構成が可能であることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスタービンエンジンの部分断面立面図である。
【図２】本発明による燃料調整システムのブロック線図である。
【図３】図２に示す燃料調整システム用の計測及び制御システムの概略図である。
【図４】計算機を備えた計測器の概略図である。
【符号の説明】
１２ ガスタービン
１４ 圧縮機
１６ 燃焼室
１８ タービン
２４ １次燃焼反応域
２６ ２次燃焼反応域
２８ ベンチュリスロート域
４２ 燃料マニホルド
４４ ２次分配器
４５ １次分配器
４６ ２次燃料調整システム
４８ １次燃料調整システム
６０ 燃料制御トリム弁
６４ 燃料流量計
６５ 燃料トリム弁
６６ 動圧検知器
６８ 排気用熱電対列
７０ 計算機
７４ トリム燃料オリフィス
７６ 主燃料オリフィス

Claims (7)

1. 圧縮機（１４）と、
   前記圧縮機からの圧縮空気を受け入れる多数の燃焼器（１６）と、
   前記圧縮器に連結し前記多数の燃焼器からの排気で駆動されるタービン（１８）と、
   前記各燃焼器への燃料の流量を測定する燃料流量検出器（６４）と、
   前記各燃焼器内圧力を測定する動圧検出器（６６）と、
   前記各燃焼器からの排気温度を測定する温度検出器（６８）と、
   前記燃料流量検出器、動圧検出器および温度検出器で測定された燃料の流量、燃焼器内圧力および排気温度に基づいて、前記各燃焼器が選定された燃料空気比を維持するように、前記各燃焼器への燃料流量を自動調整する燃料調整ユニット（４６、４８）と、を備えたガスタービンであって、
   前記燃料調整ユニットは、流路抵抗を調節可能な燃料調整弁（６５）と、該燃料調整弁に直列に設けられた第１のオリフィス（７４）と、該燃料調整弁及び第１のオリフィスに対して並列に設けられている第２のオリフィス（７６）とを含み、流路抵抗の変動範囲を制限するように構成されていることを特徴とする
   ガスタービン。
2. 前記各燃焼器（１６）は、１次燃焼域（２４）及び２次燃焼域（２６）を含んでおり、該１次燃焼域及び２次燃焼域の各々に対応して、前記燃料調整ユニットを備えていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン。
3. 前記燃料調整ユニット（４６、４８）は、前記各燃焼器（１６）への燃料の流量が該各燃焼器に流入する空気流量に適合する燃料空気比となるように流路抵抗を調整することを特徴とする請求項１に記載のガスタービン。
4. 前記選定された燃料空気比は、全ての燃焼器（１６）内で実質的に同じであることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン。
5. 圧縮機（１４）と、
   前記圧縮機からの圧縮空気を受け入れる多数の燃焼器（１６）と、
   前記圧縮器に連結し前記多数の燃焼器からの排気で駆動されるタービン（１８）と、
   前記各燃焼器への燃料流量、各燃焼器内の動圧および各燃焼器からの排気温度を測定する検知器（６４、６６、６８）と、
   前記各燃焼器への燃料供給路の流路抵抗を調節可能な燃料調整弁（６５）と、該燃料調整弁に直列に設けられた第１のオリフィス（７４）と、該燃料調整弁及び第１のオリフィスに対して並列に設けられている第２のオリフィス（７６）とを含む燃料調整ユニット（４６、４８）とを有するガスタービンの各燃焼器への燃料流量を調整する方法であって、
   （ａ） 各燃焼器への燃料流量、各燃焼器内の動圧及び各燃焼器からの排気温度を測定する工程と、
   （ｂ） 工程（ａ）で得られたデータを用いて、燃料流量の変動範囲を制限しつつ、選定された燃料空気比が各燃焼器内で維持されるように前記燃料流量調整弁を調節する工程と
   を備えたガスタービンの各燃焼器への燃料流量を調整する方法。
6. 工程（ｂ）の前記選定された燃料空気比は、全ての燃焼器（１６）で実質的に同じであることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記各燃焼器（１６）は、１次燃焼域（２４）及び２次燃焼域（２６）を含んでおり、該１次燃焼域及び２次燃焼域の各々に対応して前記燃料調整ユニットを備えていることを特徴とする請求項６に記載の方法。

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