JP4885567B2 - エンジン燃焼器の制御方法 - Google Patents

Description

本出願は、総括的には燃焼器に関し、より具体的にはガスタービン燃焼器に関する。

ガスタービンエンジン技術の現在の進んでいる方向は、窒素（ＮＯｘ）及び炭化水素化合物のエミッションの低減を達成することに向けられている。こうしたエミッションの低減を達成するための技術は、熱力学的効率の低下或いは実質的な投下資本コストの増大を招くことが多い。

ＮＯｘ化合物は、ガスタービンエンジンの燃焼器内で通常見られる高温において酸化体内の窒素の反応によって生成される。ＮＯｘ形成は、燃焼器内の最高火炎温度を低下させることによって減少させることができる。燃焼器内への蒸気の噴射は、熱力学的効率を犠牲にして燃焼器内の最高火炎温度を低下させる。水の使用においては、水処理設備支出コスト及び作業コストを含む余分の費用も払わなければならない。蒸気噴射の量及びその関連コストは、所望のＮＯｘ低減量と共に上昇する。幾つかの州及び外国では、ＮＯｘ低減の達成目標が発表されており、この目標は、この解決策が将来のシステムにとって望ましくないと思われるような大量の蒸気の必要性を暗示している。

炭化水素エミッションの低減又は排除はまた、燃焼器内で燃料の完全燃焼を確保することによって達成可能である。完全燃焼は、希薄な燃料・酸化体混合気を必要とする。燃料・酸化体混合気をより希薄にするにつれて、最早燃焼を維持することができない状態に達する。従って、依然として燃焼器の有効な作動を可能にしながら最高火炎温度を低下させるための有意義な研究が行われてきた。

燃料／酸化体の最適化により火炎温度を低下させることによってＮＯｘ形成を抑制する乾式低ＮＯｘ燃焼が開発された。乾式低ＮＯｘ燃焼器は、燃料及び酸化体の混合を制御してより大きくかつより多く分岐した火炎を形成し、最高火炎温度を低下させ、形成されるＮＯｘ量を低減する。原理上は、従来型の乾式低ＮＯｘ燃焼器には３つの段階、すなわち燃焼、還元及び燃焼完了（ｂｕｒｎｏｕｔ）がある。最初の段階では、燃焼は燃料リッチ酸素不足ゾーン内で起こり、このゾーン内ではＮＯｘが形成される。次に還元雰囲気が続き、この雰囲気内では、炭化水素が形成されかつ既に形成されたＮＯｘと反応する。第３の段階では、内部酸化体の作用により燃焼が完了する。
米国特許第６，７０８，４９６号公報 米国特許第５，３１９，９１９号公報 米国特許第５，７０４，２０５号公報 米国特許第５，３２７，７１８号公報 米国特許第５，３３９，６２０号公報 米国特許第５，４７７，６７０号公報 米国特許第４，５６８，２６６号公報 米国特許第６，００３，２９９号公報

ガスタービンにおける乾式低ＮＯｘ燃焼により、ＮＯｘエミッションを低減する上での利点が得られるが、乾式低ＮＯｘ燃焼は、燃焼器における酸化体内の酸素含有量の変化に対して敏感である。燃焼器に供給する酸化体は通常、圧縮機を通して持ち込まれた環境空気からなり、この環境空気は、環境水蒸気と水の蒸発で吸入空気を冷却する蒸気冷却器又は他の装置によって付加される可能性がある水蒸気とによる希釈のために様々な酸素含有量を有する。さらに、燃焼プロセスの前又は燃焼プロセスの間に、酸化体に対して他の希釈物質（蒸気、窒素又は液体水など）が付加されることもある。従って、全酸化体内の酸素含有量を測定することが望ましい。

本発明の例示的な実施形態は、エンジンの燃焼器を制御する方法を含み、燃焼器は、該燃焼器に供給する燃料量を該燃焼器に供給する酸化体ストリーム内の酸素量で割った比率として定義される燃料対酸化体比を有する。本方法は、燃焼器の燃料対酸化体比を酸化体ストリーム内の酸素量の関数として制御する段階を含む。

本発明の別の例示的な実施形態は、酸化体ストリーム及び燃料供給を有するガスタービンエンジンを含む。本ガスタービンエンジンは、タービン、圧縮機、燃焼器、酸素センサ、燃料システム及び制御装置を含む。圧縮機は、タービンと機械的連結状態になっている。燃焼器は、タービン及び圧縮機の両方と流体連通状態になっている。燃焼器は、酸化体ストリーム及び燃料供給を受ける。酸素センサは、酸化体ストリーム内の酸素量に対応した酸素レベル信号を生成するようになっている。燃料システムは、燃焼器に対して燃料供給を行う。制御装置は、酸素センサ、圧縮機及び燃料供給システムと電気通信状態になっている。

本発明の上記の及びその他の目的、特徴及び利点は、同様の参照符号が同じ要素を示す添付図面と関連させて以下の説明を読むことにより明らかになるであろう。

本発明のこれら及び他の利点は、図示した図面を考慮しての以下の説明から一層明らかになるであろう。

図１は、ガスタービンエンジンの例示的な実施形態を示す。ガスタービンエンジンは燃焼器１０を含む。燃焼器１０は、燃料・酸化体混合気を燃焼させて高温かつエネルギーのあるガスの流れ１２を発生する。燃焼器からのガス流１２は次に、タービン１４に移動する。タービン１４は、タービンブレード（図示せず）の組立体を含む。ガス流１２は、タービンブレード組立体にエネルギーを与えてタービンブレード組立体を回転させる。タービンブレード組立体は、シャフト１６に結合される。シャフト１６は、タービンブレード組立体の回転に対応して回転する。次に、シャフト１６を使用して圧縮機１８に動力を供給する。シャフト１６は、随意選択的に、例えば発電機などの異なる出力装置（図示せず）に動力１７を供給することができる。圧縮機１８は、酸化体ストリーム２０を取り込む。酸化体ストリーム２０の流量は、制御装置２２によって制御可能である。制御装置２２は、空気流量調整信号２４を使用して圧縮機１８の空気吸入装置（図示せず）の幾何学形状を制御する。酸化体ストリーム２０は、圧縮機１８内で加圧される。酸化体ストリーム２３の加圧の後に、加圧酸化体ストリーム２３は燃焼器内に供給される。圧縮器１８からの加圧酸化体ストリーム２３は、燃料供給システム２８からの燃料流２６と混合して燃焼器１０の内部で燃料・酸化体混合気を形成する。燃料・酸化体混合気は次に、燃焼器内で燃焼プロセスにはいる。

圧縮機１８内への酸化体ストリーム２０の投入は、複数の成分を含む。複数の成分には、乾燥空気成分と水蒸気成分とが含まれる。水蒸気成分は、局所的環境条件と圧縮機吸気流への冷却目的のための付加水の蒸発とに起因している。大気乾燥空気は、窒素成分、酸素成分、アルゴン成分、二酸化炭素成分及びそれらを無視することができるような極めて低濃度の付加的微量成分を含有する。各乾燥空気成分は、大気乾燥空気の全量に対して特定の割合で存在する。酸化体ストリーム２０は、大気乾燥空気と水蒸気とを含む。酸化体ストリーム２０が圧縮機１８内で加圧されると、酸化体ストリーム２０は、加圧酸化体ストリーム２３として燃焼器１０内に供給される。加圧酸化体ストリーム２３は、大気空気以外の成分を含むことがある。従って、大気空気における酸素濃度は、加圧酸化体ストリーム２３内の酸素濃度と同一ではないことになる。加圧酸化体ストリーム２３内の酸素量は、燃焼器１０内の燃焼プロセスに直接影響を及ぼすので、加圧酸化体ストリーム２３内の酸素量を知ることは重要である。加圧酸化体ストリーム２３内の酸素は、燃料流２６からの燃料と混合されて燃焼器１０内で燃焼する。燃焼器１０に供給する燃料量を該燃焼器１０に供給する加圧酸化体ストリーム２３内の酸素量で割った比率は、燃料対酸化体比と呼ばれる。燃料対酸化体比を制御することにより、燃焼プロセスの制御が得られる。例えば、より低い燃料対酸化体比により、多量の酸素があるために燃料の一層完全な燃焼が得られる。

制御装置２２は、燃焼器パラメータに関する入力を受信しかつ燃焼器パラメータに対応して燃料対酸化体比を最適化するように燃焼器１０の制御を行う。燃焼器パラメータには、それに限定されないが、出力レベル信号３０、大気圧力信号３２、タービン吸気圧力信号３４、タービン排気圧力信号３６、酸素レベル信号３８、タービン吸気温度信号４２、入口幾何学形状信号４５及び燃料流量信号４６が含まれる。入口幾何学形状信号４５は、燃焼器１０から制御装置２２に送信される。入口幾何学形状信号４５は、制御装置２２に圧縮機１８の空気吸入装置（図示せず）の幾何学形状を知らせる。燃料流量信号４６は、制御装置に燃焼器１０への燃料流量２６を知らせる。例示的な実施形態では、制御装置２２は、上記に列挙したものの中から複数の燃焼器パラメータを受信して燃料対酸化体比を最適化するように燃焼器１０を制御する。

乾式低ＮＯｘタービンの前提は、燃料対酸化体比を最適化することによって火炎温度を低下させることにある。燃料対酸化体比の最適化には、加圧酸化体ストリーム２３内の酸素量の測定並びに燃焼器１０への燃料流量２６の測定と共に加圧酸化体ストリーム２３内の酸素量及び燃料流量２６のいずれか又はその両方の制御を必要とする。酸素センサ４０は、加圧酸化体ストリーム２３内の酸素量を測定し、加圧酸化体ストリーム２３内の酸素量に対応した酸素レベル信号３８を生成する。例示的な実施形態では、酸素センサ４０は、ＧＥ Ｏ２Ｘ１型酸素分析器であるが、他の酸素センサを使用することも考えられる。さらに、酸素レベルは、大気空気以外の物質が圧縮機１８に流入した場合に変化することになる。圧縮機１８に流入する物質に関係なく、酸素センサ４０は酸素レベル信号３８を生成し、制御装置２２が、大気条件を補正して燃料対酸化体比の制御を可能にすることができる。

酸素レベル信号３８は、制御装置２２によって現在の大気条件に合わせて補正される。基準酸素レベルは、基準パラメータについて基準日に測定される。基準パラメータは、基準タービン吸気圧力、基準タービン排気温度及び基準大気圧力を含む。制御装置２２は、大気圧力信号３２、タービン吸気圧力信号３４及びタービン排気圧力信号３６によって示された現在の条件に基づいて調整を行うことによって酸素レベル信号３８を補正する。調整の結果が、補正酸素レベルである。補正酸素レベルは、加圧酸化体ストリーム２３内の酸素量を示す。

本発明の例示的な実施形態は、デジタル積分システム制御式Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍａｒｋ ＶＩ制御装置２２を利用して燃料対酸化体比を最適化するように燃焼器内への燃料流２６及び／又は加圧酸化体ストリーム２３を制御し、それによってガスタービンエンジン最大効率でＮＯｘ生成の低減をもたらす。制御装置２２をデジタル積分システム制御式Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍａｒｋ ＶＩとして説明しているが、他のあらゆる適切な制御装置の使用が考えられる。燃料対酸化体比の最適化は、ガスタービンエンジンの出力レベルと燃焼に利用できる酸素量との関数である。換言すれば、ガスタービンエンジンの各出力レベルに対して固有の最適燃料対酸化体比が存在する。出力レベル信号３０は、ガスタービンエンジンの出力レベルに対応している。現在の大気条件と酸素レベル信号３８とから導き出された補正酸素レベルは、加圧酸化体ストリーム２３内の酸素量を示す。制御装置２２は、出力レベル信号３０を参照して、該制御装置２２内のデータテーブルにより出力レベル信号３０に一致する出力レベルのための最適燃料対酸化体比にアクセスする。タービン吸気温度信号４２は、ガスタービンエンジンの所定の出力レベルのための燃料対酸化体比の指標として使用される。従って、制御装置２２は、タービン吸気温度信号４２を出力レベル信号３０に対応する出力レベルのための所望のタービン吸気温度と比較する。タービン吸気温度信号４２を出力レベル信号３０に対応した出力レベルのための所望のタービン吸気温度に一致させることにより、最適燃料対酸化体比が得られる。タービン１４の入口に配置した温度センサ４４は、タービン吸気温度信号４２を生成する。

上記のように、タービン吸気温度信号４２を出力レベル信号３０に対応した出力レベルのための所望のタービン吸気温度に一致させることにより、最適燃料対酸化体比が達成される。従って、制御装置２２は、補正酸素レベル及びタービン吸気温度信号４２に基づいて、出力レベル信号３０に一致する出力レベルのための最適燃料対酸化体比を得るために燃料流２６又は加圧酸化体ストリーム２３を調整するか否かを決定する。燃料流量調整信号４８は、燃焼器への燃料流量２６を調整するために使用される。空気流量調整信号２４は、圧縮機１８の空気吸入装置（図示せず）の幾何学形状を調整し、それによって加圧酸化体ストリーム２３を調整するために使用される。従って、制御装置２２は、ＮＯｘ形成を低減する希薄燃料・空気混合気を維持するが、消炎のような現象を防止する。

制御装置２２は、現在の条件を連続的に受信して補正酸素レベルの計算を可能にする。制御装置２２はまた、出力レベル信号３０を連続的に受信して、所望のタービン吸気温度によって示された出力レベル信号３０に一致する出力レベルのための最適燃料対酸化体比を決定する。最適燃料対酸化体比は、必要に応じて燃焼器１０への燃料流２６又は加圧酸化体ストリーム２３のいずれか又はその両方を連続的に調整して補正酸素レベル及びタービン吸気温度信号４２を制御することによって達成される。

さらに、本発明を例示的な実施形態に関して説明してきたが、本発明の技術的範囲内から逸脱することなく本発明の要素に様々な変更を加えることができまた本発明の要素を均等物と置き換えることができることは当業者には明らかであろう。加えて、本発明の本質的な技術的範囲内から逸脱することなく特定の状況又は物的要件を本発明の教示に適合させるように多くの改良を加えることができる。従って、本発明は、本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものでなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲内に属する全ての実施形態を含むことになることを意図するものである。さらに、第１の、第２の、などの用語の使用は、如何なる順序又は重要性も示すものではなく、むしろ第１の、第２の、などの用語は、１つの要素を他の要素と区別するために使用している。

本発明の例示的な実施形態による、酸素含有量を使用して燃焼器を制御するガスタービンエンジンの概略図。

符号の説明

１０ 燃焼器
１２ ガス流
１４ タービン
１７ 動力
１８ 圧縮機
２０ 酸化体ストリーム
２２ 制御装置
２３ 加圧酸化体ストリーム
２４ 空気流量調整信号
２６ 燃料流
２８ 燃料供給システム
３０ 出力レベル信号
３２ 大気圧力信号
３４ タービン吸気圧力信号
３６ タービン排気圧力信号
３８ 酸素レベル信号
４０ 酸素センサ
４２ タービン吸気温度信号
４４ 温度センサ
４５ 入口幾何学形状信号
４６ 燃料流量信
４８ 燃料流量調整信号

Claims (10)

1. タービンエンジンの燃焼器（１０）に供給される燃料量を該燃焼器（１０）に供給される酸化体ストリーム（２０）中の酸素量で割った比率として定義される燃料対酸化体比を有するタービンエンジン燃焼器（１０）の制御方法であって、前記タービンエンジンの燃焼器（１０）の燃料対酸化体比を、大気乾燥空気と水蒸気とを含む前記酸化体ストリーム（２０）中の酸素量の関数として制御する段階を含む方法。
2. 前記燃焼器（１０）の燃料対酸化体比を制御する段階が、パラメータを測定する段階に応答して、前記燃焼器（１０）に供給する燃料量及び該燃焼器（１０）への酸化体ストリーム（２０）の流量の少なくとも１つを制御する段階を含む、請求項１記載の方法。
3. 前記パラメータを測定する段階が、
   タービンエンジンの出力レベルを測定する段階と、
   タービン吸気温度を測定する段階と、
   前記燃焼器（１０）への酸化体ストリーム（２０）中の酸素量を測定する段階との、少なくとも１つを含む、請求項２記載の方法。
4. 前記酸化体ストリーム（２０）中の酸素量を測定する段階が、
   前記酸化体ストリーム（２０）中の酸素レベルを検知して検知レベルを生成する段階と、
   現在の大気条件が補正する段階を必要とする場合には前記検知レベルを補正する段階と、
   をさらに含む、請求項３記載の方法。
5. 前記検知レベルを補正する段階が、基準大気条件とは異なる前記現在の大気条件に対応して前記検知レベルを調整する段階を含む、請求項４記載の方法。
6. 大気圧力、タービン排気圧力及びタービン吸気圧力の少なくとも１つを測定する段階によって前記現在の大気条件を決定する段階をさらに含む、請求項５記載の方法。
7. 前記酸化体ストリーム（２０）の流量が、空気吸入装置の幾何学形状を変更する段階によって制御される、請求項２記載の方法。
8. 前記燃焼器（１０）に供給する燃料量及び該燃焼器（１０）への酸化体ストリーム（２０）の流量の少なくとも１つを調整して最適燃料対酸化体比を達成する段階をさらに含む、請求項２記載の方法。
9. 前記最適燃料対酸化体比が、タービンエンジンの出力レベルに応じて決まる、請求項８記載の方法。
10. 前記最適燃料対酸化体比が、タービン吸気温度がタービンエンジンの出力レベルのための最適タービン吸気温度に一致するまで、前記燃焼器（１０）に供給する燃料量及び該燃焼器（１０）への酸化体ストリーム（２０）の流量の少なくとも１つを調整する段階によって達成される、請求項９記載の方法。

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