JP4990902B2 - 高温ガスを案内する部分の過熱からのガスタービン装置の保護及び燃焼室内でのフレーム消失の検出をするための方法 - Google Patents

Description

本発明は、空気をコンプレッサユニット内で圧縮し、燃料との混合後、燃料−空気混合物の形で燃焼室内で点火燃焼させ、これにより、燃焼室の下流で膨張作業を行ないつつタービンステージを回転させる高温ガス流を生じさせる、過熱からのガスタービン装置の保護及び燃焼室内でのフレーム消失の検出をするための方法に関する。

電気エネルギーを発生させるために使用される近代のガスタービン装置は、その個々の構成要素が、特に燃焼室内の燃焼工程の経路内で生じる高温ガス流に直接さらされる構成要素が、大抵材料を条件とするその負荷能力限度で運転される、能力を最適化したシステムである。これは、特にガスタービンステージの動翼と案内翼であり、ガスタービンステージ内で、燃焼室から流出する高温ガスが、１０００°Ｃ以上の最高温度で膨張作業を行ない、この膨張作業により、ロータユニットが駆動され、このロータユニットが、最終的に電気エネルギーを発生させるためのジェネレータと結合されている。高温ガスにさらされるガスタービンの構成要素が過熱されないことを保証するため、いわゆるそれぞれのガスタービンタイプに依存した最大許容運転温度限度を上回らないように配慮すべきである。

このため、典型的に、タービン出口温度（ＴＡＴ）が測定され、適当な補助値を介してタービン入口温度（ＴＥＴ）が算定される。このタービン入口温度は、動翼と案内翼の過熱を防止するために、標準運転で、相応の調整介入により所定の限界値以下に保たれる。

それにもかかわらず異常に基づいてこの限界値を上回った場合、高温ガス流にさらされる構成要素は、過度に熱的作用を受け、これにより、最終的にガスタービン装置全体の寿命が短縮されることになる。

ガスタービン装置の過熱を回避するため、ガスタービンステージに入る前の高温ガス温度が連続的に監視されている。最大限界温度に高温ガス温度が近付いた場合、例えば急に燃料供給を中断することによるガスタービン装置の緊急停止の形の更なる温度上昇を回避するための適当な措置がとられる。

タービン出口温度を測定するため、大抵は、システムを条件とする秒範囲の時定数を有する測定慣性の支配下にある感熱要素が使用される。高温ガスの温度上昇が十分ゆっくりと行なわれる場合、サーモセンサは、最高限界温度への接近を検出することができるので、十分早期の相応の対抗措置を導入することができる。しかしながら、高温ガスの過熱が急に突然生じた場合、例えば一瞬のうちに生じた場合、従来のサーモセンサでは、過熱の発生を適時に確定することに問題がある。この理由から、ガスタービン装置の過熱を確実に排除することができる選択的な保護監視システムを求めることが大切である。

更に、ガスタービン装置の確実な運転のため、供給した燃料を燃焼室内で完全に燃焼させることを保証しなければならない。この場合、近代的な燃焼システムは、フレーム温度を低くすることにより窒素酸化物エミッションを最小化するために消化限度の極近くで運転される。危険な限界値以下にフレーム温度を低下させる異常時に、燃焼反応がもはや維持できないので、フレームは、全体的又は部分的に消える。このような場合に更に燃料が供給されると、燃焼室の下流で、例えばガスタービンに連結されたボイラ装置内で、燃料／空気混合物が発火した場合に、これが、危険な状況を招く。

この理由から、燃焼室運転は監視しなければならない。これは、典型的に、光電管を介して所定のフレームパラメータを検出し、所定の限界値と比較する光学センサによって行なわれる。パラメータが許容運転窓外にある場合、緊急停止が発動される。

しかしながら、測定したフレームパラメータの処理及び評価は、ある程度の処理時間を必要とし、この処理時間は、今日のシステムでは、典型的に１秒の範囲内にある。加えて、フレームが、全体的にではなく、部分的にだけ消えた場合、確実な検出が必ずしも保証されていない。しかしながら、例えば、フレームの部分消失で生じるガスタービンの出力低下に基づいて燃料配分が高まり、それによりフレームが再び全体的にバックファイヤを起こした場合、後者は、同様に装置に潜在的な損傷を与えることがある。

従って、この欠点を補償する、光学的にフレームの監視をするための補足的な措置の必要がある。

従って、本発明の課題は、高温ガス温度を非常に急速に上昇させる異常が生じた場合に、ガスタービンタイプに依存した最高高温ガス温度を異常の間上回らず、これによりガスタービン装置を損傷から守るように、ガスタービン装置の緊急停止を発動する、空気をコンプレッサユニット内で圧縮し、燃料との混合後、燃料−空気混合物の形で燃焼室内で点火燃焼させ、これにより、燃焼室の下流で膨張作業を行ないつつタービンステージを回転させる高温ガス流を生じさせる、過熱からのガスタービン装置の保護をするための方法を提供することにある。加えて、燃焼室内のフレームの消失を非常に迅速に検出することを可能にし、更にフレームの部分消失を検出することも可能にする方法を見い出すべきである。

本発明の根本にある課題の解決は、請求項１に記載されている。発明思想を有利に発展させる特徴は、従属請求項の対象と、特に実施例と関連させた説明から分かる。

解決策によれば、請求項１の上位概念の特徴による方法は、タービンステージの前の圧力が測定され、この場合、典型的に、燃焼室内もしくは燃焼室の下流のプレナム内の圧力が対象となることを特徴とする。引き続き、測定した圧力の時間変化が、いわゆる圧力勾配が、算定される。更に、特にガスタービンに依存して選択され、圧力勾配から導き出した値と比較される閾値が決定される。圧力勾配から導き出した値が閾値を上回った場合、典型的にガスタービン装置を緊急停止させる信号が発生される。

本発明のアイデアは、燃料供給量の変更により生じる高温ガス温度の上昇又は低下と平行にタービン背圧の変化も誘導されるという考察から出発する。

圧力変化が測定技術的に温度変化よりも迅速に検出することができるので、高温ガス温度の上昇が非常に迅速で激しい場合の過熱に対する付加的な保護機能を導き出すために適している。加えて、高温ガス温度の低下に、従ってタービン背圧の相応の低下に相当するので、このような機能を介してフレームの消失を検出することができる。

しかしながら、ガスタービンのタービンステージの背圧は、物理的に燃焼レベルだけに依存するのではなく、貫流する空気のマスフローにも依存する。

近代的なガスタービンは、通常、装置の運転領域にわたるコンプレッサ吸気マスフローの調整を可能にする、１つ又は複数の調整可能なコンプレッサガイドベーン翼列を備えている。

高温ガス温度の上昇又は低下によって生じた圧力変化の、空気マスフローの変化に依存した圧力変化からの切離しを可能にするため、後者は、適当な措置によって補償しなければならない。これは、典型的に、予備ガイドベーン翼列位置と、軸回転数と、コンプレッサが空気を吸い込む環境の環境圧力及び環境温度を適当な補正機能内で使用することにより行なわれる。

解決策による方法の最も簡単な実施バリエーションでは、燃焼室内を支配する圧力ｐ_ｃｏｍ を測定した上で、前記補正機能によって補償して、測定した圧力の時間変化が、即ち圧力勾配ｐ’ _ｃｏｍが、算定される。このように算定した圧力勾配が所定の正もしくは負の閾値を上回るか下回った場合、ガスタービン装置の緊急停止、即ち燃料供給の急停止、を生じさせる信号が発生される。

本方法の拡大した実施バリエーションは、測定連鎖の全ての場合の短期の異常が誤った緊急停止を生じさせないように、算定した圧力勾配が、所定の可変の時間窓にわたって積分される。この場合、算定及び補正をした圧力勾配を積分する時間窓の開始時点と終了時点は、それぞれその時算定した圧力勾配自身の挙動によって決定される。積分は、その時算定した圧力勾配が所定の基準開始圧力勾配値を上回った場合に開始される。圧力勾配を積分する積分時間もしくは時間窓は、その時算定した圧力勾配が所定の上の終了圧力勾配値を下回った場合に設定される終了時点で終了する。このようにして得られた積分した圧力勾配は、増分とも呼ばれるが、同様に、上回った場合に前記信号を生じさせ、この信号によってガスタービン装置の緊急停止を生じさせる閾値と比較される。この場合、過熱の発生又はフレームの消失を検出するために、増分値として、圧力勾配の正の積分値又は負の積分値が選択され、この正の積分値又は負の積分値が正の閾値を上回った場合又は負の閾値を下回った場合、時間窓内で算定した圧力勾配の積分により得られた増分値により信号が発生される。

前記解決コンセプトは、唯一の燃焼室を有するガスタービン装置の場合に適用可能であるばかりでなく、シーケンシャル燃焼装置を有するガスタービン装置の場合でも適用可能であり、その場合、それぞれのタービンステージの前の圧力が別々に検出され、前記のように評価される。

Claims (8)

1. 空気をコンプレッサユニット内で圧縮し、燃料との混合後、燃料−空気混合物の形で燃焼室内で点火燃焼させ、これにより、燃焼室の下流で膨張作業を行ないつつタービンステージを回転させる高温ガス流を生じさせる、過熱からのガスタービン装置の保護及び燃焼室内でのフレーム消失の検出をするための方法において、
   燃焼室の下流のプレナム内の圧縮された空気の圧力ｐ_ｋ及び／又は燃焼室内の圧力ｐ_ｃｏｍが、測定されること、測定した圧力の時間変化が、いわゆる圧力勾配（ｐ’）が、算定されること、少なくとも１つの閾値が選択されること、圧力勾配から導き出した値が、前記少なくとも１つの閾値と比較され、閾値を上回るか下回った場合に信号が発生され、圧力勾配から導き出した値が、可変継続時間の時間窓、いわゆる積分時間、内で算定した圧力勾配の積分により算定され、過熱の発生又はフレームの消失を検出するために、増分値として、圧力勾配の正の積分値又は負の積分値が選択され、この正の積分値又は負の積分値が正の閾値を上回った場合又は負の閾値を下回った場合、時間窓内で算定した圧力勾配の積分により得られた増分値により信号が発生されることを特徴とする方法。
2. 時間窓が、開始及び終了時点により定義されること、開始及び終了時点が、算定した圧力勾配から決定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 基準開始圧力勾配を上回った場合、算定した圧力勾配により開始時点が開始されること、終了圧力勾配を下回った場合、終了時点が設定されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 信号が、ガスタービン装置の緊急停止、即ち燃料供給の急停止、を生じさせることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の方法。
5. 各タービンステージの前の圧力が、測定され、請求項１〜４のいずれか１つに記載の方法に従って処理されることを特徴とする、それぞれタービンステージを介在させた複数の燃焼室によるシーケンシャル燃焼装置を有するガスタービン装置の保護をするための、請求項１〜４のいずれか１つに記載の方法。
6. 請求項１〜５に従った評価により負の閾値を下回る負の圧力変化が、対応する燃焼室内での部分的又は全体的なフレーム消失を検出するための基準として考慮されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の方法。
7. 空気マスフローの変化に依存した圧力変化を、高温ガス温度の上昇又は低下によって生じた圧力変化から切り離すことによって、測定された圧力変化が補償され、補償された圧力の圧力勾配が算定され、方法のために利用されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 空気マスフローの変化に依存した圧力変化が、予備ガイドベーン翼列位置、軸回転数、コンプレッサが空気を吸い込む環境の環境圧力又は環境温度に依存した補正機能によって補償されることを特徴とする請求項７に記載の方法。