JP5002147B2 - ガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンに関し，更には、ガスタービンにおいて各燃焼室を調節するのに適用される燃料調整弁の作動に関する。具体的には、本発明は、複数の燃焼室に対して燃料調整弁を自動的に作動させるシステム及び方法に関する。

工業用ガスタービンの燃焼器は、タービンケーシングの周りに配置された複数の燃焼室を有する。圧縮機からの高圧空気は燃焼室へ流入し、そこで空気が燃料と混合される。燃料は、ノズルを介して燃焼室内部へ噴射される。空気と燃料との混合物の燃焼によって生成された高温ガスは、燃焼室からタービンの内部へ流入し、該タービンは通常、圧縮機を駆動する高圧タービンと出力動力を供給する低圧タービンとを含む。

各燃焼室は、ほぼ円筒状の燃焼ゾーンを形成する。燃焼ゾーンの上流側で、燃焼室は各々、このゾーン内に燃料を噴射する複数の燃料ノズルを有する。各ノズル（又はノズル群）への燃料流量は、調整弁によって調整される。調整弁の調節によって、各燃焼室の各燃料ノズルへ流入する燃料量のある一定の正確な制御が可能となる。調整弁を用いて、燃焼器圧力振動、窒素酸化物、一酸化炭素、及び未燃炭化水素が最小となるように、ガスタービンの各燃焼室への燃料流量を調節することができる。従来技術による燃料調整システムは、米国特許出願公開２００３／０１４４７８７Ａ１で開示されている。

燃料調整弁は一般に、工業用ガスタービンの多室燃焼器内の燃焼室の各ノズルへ流入する燃料を調節するのに使用される。一般に、調整弁は、空気燃料混合気の燃焼が窒素酸化物（ＮＯx)、一酸化炭素(ＣＯ）、及び未燃炭化水素（ＵＨＣ）の生成が最小となるように、各燃焼室へ流入する燃料と燃焼空気の混合物を最適化するのに使用される。ＣＯとＵＨＣとを最小にし、より高い全体効率を実現するには、ガスタービン内部での燃焼温度を高めることが望ましい。しかしながら、ガスタービン内でのＮＯｘの酸化は、燃焼温度の上昇と共に劇的に増大する。

燃料調整弁は、個々のノズル及び燃焼室への燃料流を調節して各燃焼室に対する空燃比の変動を補正する手段を提供する。空燃比の設定には、（１）燃焼温度の上昇によるガスタービン効率の増大及び／又は未燃炭化水素（ＵＨＣ）並びに一酸化炭素(ＣＯ）の最小化と、（２）空燃比のリーン化による窒素酸化物（ＮＯx)の最小化のための燃焼温度の低下との間の慎重な均衡取りを必要とする場合が多い。工業用ガスタービンの複数の燃焼室内で均一な温度及び圧力分布を達成することは極めて困難である。燃焼室間での空気流量の変動によって、全ての燃焼室で一定な空燃比を維持することが困難となる。ＣＯエミッションは、ＮＯｘエミッションよりも、燃焼室間での空燃比の変動の影響を受けやすい傾向がある。個々の燃焼室への空気流量の調節を適用して、ガスタービンの満足な運転を維持しながらＣＯエミッションの全体レベルを低減させることができる。

多室ガスタービンの各燃焼室において燃料ノズルに燃料を供給するための複数のマニホールドを有する燃料供給システムは公知である。各燃焼室内で各燃料ノズルを制御するために燃料調整弁を有すること、又は各燃焼室内の各燃料ノズルに燃料調整弁を設けることは、従来技術にはない。燃料調整弁を各燃焼室内の各燃料ノズルに設けるためには、（１）各燃料ノズルに対して燃料調整弁を組み込むガスタービンエンジン内の配管スペースが限定されていること、及び（２）効率を高めるために、通常、各燃料調整弁の前後の圧力低下が小さな均一の範囲内にあるように複数燃料マニホールドを組み込むこと、及び（３）各燃焼室内において各燃料調整弁をマニュアルで調節することは極めて困難な作業であること、を含む幾つかの問題点がある。
米国特許出願公開２００３／０１４４７８７Ａ１公報 米国特許出願公開公報２００／０１８３９１６Ａ１公報

多室ガスタービンの空燃比を制御するためのシステム及び方法に対する長い間の切実なニーズがある。また、燃焼室圧力振動が軽減され、燃焼室圧力振動、ＮＯｘ、ＵＨＣ及びＣＯのエミッションがガスタービンの所与のエネルギー出力レベルにおいて最小化されるように、多室ガスタービンの各燃焼室における空気燃料混合気を制御するシステム及び方法が必要とされている。各燃焼室における空燃比を最適化してガスタービンの燃焼室圧力振動最小化し且つＮＯｘ、ＵＨＣ及びＣＯの発生を低減することができるように、各燃焼室において各燃料弁を自動的に調節する単純なシステム及び方法に対するニーズもある。また、ガスタービンの燃焼動力学、エミッション、排気温度の拡散及び他のセンサデータを解析して、各燃焼室の流量を調整する各燃料弁の特定の設定を達成する調整弁調節方法を開発するニーズがある。

主題のガスタービンは、複数の燃焼室を有し、各燃焼室内には複数の燃料ノズルがある。各ノズルは、ノズルへの燃料流入を制御するためにそれ自体の燃料調整制御弁を有する。燃料制御弁による圧力低下を最小にするために、複数のマニホールドが使用される。各マニホールドは、複数の燃焼室の各々の少なくとも１つの燃料ノズルに燃料を供給する。燃料調整制御弁は、該燃料調整制御弁とノズルの重量が燃焼室によってではなくマニホールドによって支持されるように、マニホールドに取り付けられる。マニホールドは、ガスタービンケーシングの周りにコンパクトに配置される。各マニホールドは、複数の燃焼室の各々における少なくとも１つの燃料ノズルに燃料を供給する。

複数の燃焼室からの排気ガスを計測するための熱電対が、排気ガス温度を感知するのに使用される。複数の燃焼動的センサが、燃焼器動力学（例えばコールドトーン）を各燃焼室内で計測する。エミッションセンサが、燃焼室からのＵＨＣ、ＮＯｘ及びＣＯエミッションを計測するためにガスタービン排気において使用される。

コンピュータコントローラと一連の電子式又は機械式アクチュエータが調整弁を自動的に調節し、燃焼室内のノズルを調整する。コントローラは、排気における温度センサ、各燃料弁の下流側のガスマニホールドの燃圧センサ、各燃焼室の動的圧力センサ、及びタービン排気並びに排気スタック内のエミッションセンサからの入力を受け取る。これらの入力に基づき、コントローラは、調整弁を調節して個々の燃焼室での燃焼反応を調節し、タービン排気ガス内の窒素酸化物、未燃炭化水素、及び一酸化炭素を最小化する。各燃焼室での燃焼反応はまた、他の燃焼室での燃焼反応に対して均衡を保つことができる。例えば、複数の燃焼室の各々は、特定の燃焼室が他の燃焼室と比較してリッチ又はリーンな空燃比で運転することがないように調節することができる。燃焼室はまた、各燃焼室が残りの燃焼室の空燃比の約１パーセントの範囲内の空燃比で運転するように調節することができる。

１つの実施形態では、本発明は、複数の燃焼室と、燃焼室の各々に対する複数の燃料ノズルと、燃焼室の各々において少なくとも１つの燃料ノズルに燃料を供給するための複数のマニホールドとを含み、複数のマニホールドの各々が前記燃料ノズルに対する燃料調整制御弁を有し、燃焼室内の燃料ノズルへの燃料を計量するために燃料調整制御弁が複数のマニホールドに取り付けられ、ガスタービンの運転状態に基づいて燃料ノズルへの燃料を調節するように燃料調整弁の１つ又はそれ以上を自動的に作動させる調整弁コントローラが更に設けられたガスタービン燃焼システムである。ガスタービンの運転状態は、排気ガス温度プロフィールを含むことができ、コントローラが、排気ガス温度プロフィールの特定の領域を燃焼室の１つ又はそれ以上と相関付け、該コントローラが燃料調整弁を作動させて排気ガス温度プロフィールを修正する。ガスタービンの運転状態は更に、燃焼室内での動的圧力振動を含み、該コントローラが、燃料調整弁を作動させて、動的圧力振動を燃焼室全体にわたって均一にする。加えて、本ガスタービンの運転状態は更に、エミッションレベルのプロフィールを含むことができ、コントローラは、エミッションレベルプロフィールの特定の領域を燃焼室の１つ又はそれ以上と相関付け、コントローラが燃料調整弁を作動させて、エミッションレベルプロフィールを修正する。マニホールドは各々、該マニホールドを燃料ノズルの１つに接続する燃料供給ラインの環状蛸足型アレイを含むことができ、調整制御弁はそれぞれの燃料供給ライン上に各々取り付けられる。

別の実施形態では、本発明は、複数の燃焼室と、前記燃焼室の各々に対する複数の燃料ノズルと、燃焼室の各々において少なくとも１つの燃料ノズルに燃料を供給するための複数のマニホールドとを含み、複数のマニホールドの各々が、燃料ノズルに対して燃料を供給する燃料ライン内にオリフィスプレート又は他の流量計量装置を有し、該オリフィスプレート又は他の流量計量装置が、燃焼器圧力振動、タービン排気ガス内の窒素酸化物、一酸化炭素、及び未燃炭化水素を最小化するような大きさにされるガスタービン燃焼システムである。

本発明はまた、複数の燃焼室と、燃焼室の各々に対する複数の燃料ノズルと、燃料ノズルに対する燃料調整弁が各々に取り付けられた、燃焼室の各々において少なくとも１つの燃料ノズルに燃料を供給するための複数のマニホールドと、燃焼室からの排気ガスを計測するための複数のセンサと、センサから収集された排気ガスデータに基づいて燃料ノズルへの燃料流量を調節するように調整弁の１つ又はそれ以上を自動的に作動させる調整弁コントローラとを含むガスタービン燃焼装置として具現化することができる。センサは、排気ガスの異なる領域において排気温度を感知するようにアレイ状に配置された熱電対を含むことができ、コントローラは、感知された排気温度を燃焼室の個々の室と相関付ける。

本発明は、各燃焼室に対する複数の燃料ノズルと、燃料ノズルに対する燃料調整弁を有する、各燃焼室内の少なくとも１つの燃料ノズルに燃料を供給する複数のマニホールドと、調整弁を調節するためのコントローラとを有するガスタービンの個々の燃焼室への燃料流量を調節するための方法として具現化することができ、本方法は、マニホールドの少なくとも１つを介して燃焼室へ燃料を供給する段階と、該燃料を燃焼室で燃焼させて、ガスタービンを駆動する排気ガスを発生させる段階と、排気ガス内の多様な排気領域において排気ガスの状態を感知する段階と、各領域の１つにおいて感知された排気ガスの状態を対応する燃焼室と相関付ける段階と、対応する燃焼室に相関付けられた排気領域における感知された運転状態に基づいて、対応する燃焼室に対して燃料調整弁の少なくとも１つを調節する段階とを含む。本方法は更に、対応する燃焼室が他の燃焼室と比較してリーン又はリッチ状態で運転しているかどうかを感知された状態に基づいて判定する段階と、リッチ又はリーン状態を最小化するように対応する燃焼室の燃料制御弁を調節する段階とを含むことができる。

本発明はまた、ガスタービンの個々の燃焼室への燃料流量を調節する方法として具現化することができ、本方法は、ガスタービンの複数の排気領域において排気ガス温度を計測する段階と、排気領域を対応する燃焼室へ関係付けるスワールチャートを使用して、計測された排気ガス温度の１つを燃焼室の１つに相関付ける段階と、識別される燃焼室に相関付けられた排気ガス測定温度に基づいて、全ての燃焼室に対する代表的な空気燃料混合気から大きく異なる空気燃料混合気で運転している燃焼室の１つのを識別する段階と、識別された燃焼室での空気燃料混合気と代表的な空気燃料混合気との間の差を最小限にするように、識別された燃焼室への燃料流量を調節する段階とを含む。スワールチャートは、ガスタービンの特定の燃料負荷に対するものとことができる。代表的空気燃料混合気は、平均排気ガス温度で代表することができ、識別された燃焼室の空気燃料混合気は、識別された燃焼室に相関付けられた排気ガス測定温度で代表され、その差は、識別された燃焼室に相関付けられた排気ガス測定温度と平均排気ガス温度との差である。この差は、識別された燃焼室に対する温度変動（Ｔｖ）として求めることができ、Ｔｖは、（Ｔｅｃｃｘ−Ｔｇｔ）／Ｔｇｔに等しく、ここでＴｅｃｃｘは識別された燃焼室の排気温度であり、Ｔｇｔはガスタービンの平均排気温度である。本方法は、計測された燃料流量を比較する段階を含むことができ、燃焼室間の燃料流量変動（Ｆｖ）を数式：Ｆｖ＝（Ｆｃｃｘ−Ｆｇｔ）／Ｆｇｔの適用によって最小化する段階を更に含み、ここでＦｃｃｘは識別された燃焼室（ｘ）への全燃料流量であり、Ｆｇｔは燃焼室の各々への平均燃料流量であり、燃焼室（ｘ）に対するＦｖが正であるときには、燃焼室（ｘ）への燃料流量が低減され、燃焼室（ｘ）に対するＦｖが負であるときないは燃焼室（ｘ）への燃料流量は増加され、燃焼室（ｘ）に対するＦｖが僅少であるときは燃料流量は調節されない。

本発明の本システム及び方法を本明細書において種々の図を参照しながら以下に説明する。

ガスタービンを調節してその効率を高めるシステム及び方法が開発されてきた。一般に、効率的なガスタービンは、特定のエネルギー出力に対して最小の亜酸化窒素、最小量の未燃炭化水素、及び最小量の一酸化炭素を有するものである。ガスタービンを調節するには、ガスタービン内の各燃焼室への燃料流量が、残りの燃焼室と比較して均衡が保たれていることが望ましい。

本システム及び方法は、特定の燃焼室がリッチ又はリーンな空気燃料混合気比を有さないように、複数の燃焼室の各々を調節する。各燃焼室の空気燃料混合気は、残りの燃焼室の約１パーセント（１％）の範囲内にあるのが好ましい。燃焼室は、各燃焼室の空気燃料混合気が全ての燃焼室の平均空気燃料混合気に向けて移動するように調節される。

各ノズルは、ノズルへの燃料流入を制御するためにノズル自体の燃料制御弁を有することができる。燃料制御弁による圧力低下を最小限にするために、複数のマニホールドが使用される。各マニホールドは、燃料又はパージガスを燃焼器の複数の燃焼室の各々の少なくとも１つの燃料ノズルに供給する。燃料制御弁は、該燃料制御弁及びノズルの重量が複数の燃焼室によってではなくマニホールドによって支持されるようにマニホールドに取り付けられる。

１つの方法では、ガスタービンは、排気ガス内の温度分布に基づいて調節される。各燃焼室を特定の燃料負荷における排気領域に関係付けるスワールチャートによって、タービン排気周りの種々の点における温度が各燃焼室に相関付けられる。スワールチャート及び排気温度は、燃焼室の各々がリッチ、リーン、又は平均的に動作しているかどうかを識別するのに使用される。燃焼室は、リーンとして識別された燃焼室の各々に対しては燃料負荷を増大させ、リッチとして識別された燃焼室の各々に対しては燃料負荷を減少させることによって調節される。各燃焼室に対する燃料負荷は、各燃焼室に対する適切なトリム制御弁の位置を変更することによって調節される。この調節プロセスは、燃焼室の全ての排気温度が、例えば平均排気温度の約１％の範囲内に入るまで繰り返される。排気温度の変動を最小化するこのプロセスは、各燃焼室間の変動を最小にする。

図１は、ガスタービン１０の概略的な部分断面図を示す。ガスタービン、特に工業用ガスタービンは、複数の燃焼室１４を有し、各燃焼室の内部には複数の燃料ノズル１６、１８、２０がある。各ノズルは、該ノズル自体の燃料制御弁２８、３０、３２を有し、ノズルへの燃料流入を制御する。燃料制御弁による圧力低下を最小限にするために、複数の燃料マニホールド２２、２４、２６が一般に使用される。各マニホールドは通常、複数の燃焼室の各々の少なくとも１つの燃料ノズルに燃料を供給する。燃料制御弁は、燃料制御弁及びノズルの重量が複数の燃焼室ではなく、マニホールドによって支持されるようにマニホールドに取り付けられる。

空気圧縮機又はガスタービンへの燃焼空気の供給に関する詳細は当該技術分野では公知であり、従来技術に属するので、図１ではこれらの詳細部は図示されていない。ガスタービンのタービン排気口１２は、燃焼室及び関連するタービンの下流側にある。複数の燃焼室１４は、ガスタービンケーシングの周りで燃焼室（ＣＣＸ）まで、燃焼室番号１（ＣＣ１）、燃焼室番号２（ＣＣ２）、燃焼室番号３（ＣＣ３）、燃焼室番号４（ＣＣ４）など以下同様に示される。燃焼室１４の数は、ガスタービン１０に要求されるエネルギー出力に応じて変わる。典型的な工業用ガスタービンは、タービンケーシングの周りに環状アレイで配置される１０から１４の燃焼室を有する。

ガスタービン１０の排気口１２において、複数の熱電対４０がガスタービン１０の周辺近傍に配置される。熱電対（ＴＣ１、ＴＣ２、ＴＣ３、．．．ＴＣｎ）の数は設計事項である。１０から１４の燃焼室を有する工業用ガスタービンでは、１８から２７の熱電対が、円形アレイ（できれば同心円アレイ）で配置される。燃焼室、マニホールド、ノズル、及び熱電対の数は、要求されるガスタービンのエネルギー出力に応じて変えることができる。燃焼室の各々の動的圧力水準は、動的圧力センサ５２によって監視することができる。また、排気タービン流の円周周りに分布されたエミッションセンサポート（ＥＰ１、ＥＰ２、ＥＰ３．．．ＥＰｎ）５４が、ガスタービン１０の周辺に含まれる。また、排気流全体からの全エミッションを計測する少なくとも１つのエミッションセンサポート（ＥＰＣ）５３を有するのが一般的である。

各燃焼室１４は、燃焼室に燃料を供給する複数の燃料ノズル１６、１８及び２０を有する。燃料ノズルの数及び各燃焼室１４内のこれらの配置は、設計事項である。一般に、各燃焼室全体で均一な燃料及び空気の流れが得られるように十分な数のノズルが使用される。複数のマニホールド２２、２４、及び２６は、各燃料ノズル１６、１８、及び２０に燃料をそれぞれ供給する。複数のマニホールドを用いて、マニホールドから燃料ノズルまでの圧力低下を最小限にする。使用されるマニホールドの数は設計事項である。

各マニホールド２２、２４、及び２６は、燃料調整制御弁２８、３０、及び３２をそれぞれ支持し、且つこれらと流体的に接続される。調節可能な燃料オリフィスは、燃料調整制御弁の代わりに、或いは燃料調整制御弁と共に使用することができる。特に、マニホールド２２は複数の燃料制御弁２８を支持し、各燃焼室１４は、マニホールド２２に直接に結合された少なくとも１つの燃料制御弁２８と関連付けられる。各燃料制御弁２８は、マニホールド２２からその関連付けられた燃料ノズル１８まで流れる燃料量を計量する。同様に、燃料マニホールド２４は、複数の燃料制御弁３０を支持し、各燃焼室１４は、少なくとも１つの燃料制御弁３０と結合される。各燃料制御弁３０は、マニホールド２４からその関連付けられた燃料ノズル１６まで流れる燃料量を計量する。更にマニホールド２６は、該マニホールドによって支持され、且つ各燃焼室１４と流体的に結合された複数の燃料制御弁３２を有する。

燃料制御弁３２は、マニホールド２６と、及び各燃焼室１４内で関連付けられた燃料ノズル２０と直接に結合される。燃料弁３２は、マニホールド２６から燃料ノズル２０まで流れる燃料量を制御する。各マニホールドは、各関連付けられた燃料制御弁に接続することができ、或いは代替的に、各マニホールドは、関連付けられた燃料制御弁の全てよりも少ない燃料制御弁に接続することができる。これは、ガスタービン内及びその周囲の配管スペース並びに燃料制御弁による圧力低下に応じて決まる設計上の選択である。複数供給ライン３４は、各燃料ノズル１６を燃料制御弁３０に結合する。同様に、各供給ライン３６は、各燃料ノズル１８をこれに対応する関連付けられた燃料制御弁２８と結合する。各供給ライン３８は、各燃料ノズル２０をマニホールド２６と流体的に接続された燃料制御弁３２に結合する。複数のマニホールドのコストは、燃料がマニホールドから燃料制御弁を介して各供給ラインを通り、各燃焼室１４内の燃料ノズルまで流れる際の過大な圧力低下とのバランスを取ることができる。マニホールドに起因して燃料制御弁及び結合された燃料ノズルの数が多すぎる場合には、各燃料制御弁の前後の圧力低下は、他の弁の前後の圧力低下と一致しない可能性がある。

図２は、ガスタービン１０の３つの燃料マニホールド２２、２４、２６からなる例示的な入れ子式蛸足型配置４２の正面図である。ガスタービンケーシングは破線で示す。入れ子式蛸足配置は、ガスタービンケーシングの周りに環状アレイを形成し、燃焼室１４の各々の燃料噴射端部に近接することができる。ベース部又は地面に固定された外部フレーム２５は、マニホールドを支持する。燃料マニホールドは、例えば、一次燃料マニホールド２２、輸送マニホールド２４、及び二次燃料マニホールド２６とすることができる。マニホールド２２、２４、及び２６からなる３つのセットは、燃料制御弁２８、３０、及び３２を支持し且つ燃料制御弁２８、３０、及び３２と流体的に接続される。しかしながら、マニホールドの１つは、１つの燃料から他の燃料への移行中にノズル及び燃料ラインをパージするための輸送ガスを供給することができる。マニホールドは各々、これらが運ぶ燃料又は輸送ガスに対応する寸法とすることができる。例えば、一次燃料マニホールド２２は、二次燃料マニホールドよりも大きな寸法であって良い。

一次燃料マニホールド２２は、それぞれの燃焼室１４の中心燃料ノズル１８と各々が関連付けられた幾つかの燃料制御弁２８を支持する。各燃料制御弁２８は、マニホールド２２からその関連付けられた燃料ノズル１８まで流れる燃料量を調節する。二次燃料マニホールド２６は、各々がそれぞれの燃焼室の燃料ノズルと関連付けられてこれらの燃料ノズル２０への燃料の流れを調節する複数の燃料制御弁３２を有する。各マニホールドは、各関連付けられた燃料制御弁に接続することができ、又は代替的に、各マニホールドは、関連付けられた燃料制御弁の全てよりも少ない燃料制御弁に接続することができる。マニホールド及びこれらのそれぞれの燃料制御弁の特定の配置及び寸法は、ガスタービンの内部及び周囲の配管スペース並びに燃料制御弁による圧力低下によって決まる設計事項である。

マニホールド２２、２４、２６は各々、個々の燃料供給ライン３４、３６、３８のそれぞれの配列を支持する。各供給ラインは、その両端部において、燃焼器の燃料ノズルの可撓性導管（図示せず）にそれぞれボルト固定されることになるフランジ４６を含むことができる。燃料マニホールドは、燃料又は輸送ガスを供給する導管に結合されることになるエンドフランジ４４を含むことができる。一次燃料マニホールドは、各々が燃焼器のそれぞれの一次燃料ノズルに向って延びて結合する一次燃料供給ライン３４の環状アレイを含む。同様に、二次燃料マニホールド２６は、同様に各々が燃焼器のそれぞれの二次燃料ノズルに向って延びて結合する二次燃料供給ライン３８の環状アレイを含む。一次及び二次燃料供給ラインは各々、それぞれの調整弁２８、３２を含む。

より大きな一次燃料供給ライン３４上の調整弁２８は、より小さな二次燃料供給ライン３８上の調整弁３２（例えば１．５インチ弁）よりも大きな（例えば２インチ弁）弁とすることができる。輸送マニホールド２４には、調整弁及び／又はアクチュエータがなくても良い。輸送マニホールドは通常、燃焼運転が１つの運転モードから別の運転モードに移行されている間以外は、高温の圧縮機排気パージガスで充填することができる。移行中は、輸送マニホールドからのパージガスは、ノズルが閉止されるか又は他の燃料に移行される前に、燃料ノズルを通してノズルから燃料をパージする。

調整弁は、調整弁制御システム５０と通信されるそれぞれのアクチュエータ４８によって各々制御される。可撓性ドライブシャフト（スピードメータケ−ブルに類似するもの）は、制御システム５０から調整弁を作動させるのに使用されている。アクチュエータ４８を制御システム５０と接続する可撓性ドライブシャフトの使用によって、ガスタービン区画内の制約されたスペース内部での機械的なルーティングを容易にすることができる。制御システム５０は、燃料モード、排気ガス環状温度分布、及び燃焼室内の動的圧力などの特定の入力に基づいて弁制御アルゴリズムを実行するコンピュータ又はマイクロプロセッサシステムとすることができる。

調整弁制御システム５０は、アクチュエータ４８に制御信号を送信して、燃料調整弁２８及び３２を調節する。制御システムは、コンピュータコントローラ内に記憶された実行可能な燃料調節アルゴリズムに従って動作することができる。制御システムはまた、排気内の温度センサ熱電対４０からの排気温度データ、燃焼室内の動的圧力センサ５２からの圧力データ、ガスタービン排気内のエミッションセンサ５４から収集されたエミッションデータ（ＥＰ１からＥＰｎ、及びＥＰＣ）、マニホールドからのガス燃料圧力データ、及びガスタービンの運転状態に関する他のデータを受け取ることができる。

図３から図５までは、ガスタービン内の各燃焼室のノズルまでの一次及び二次燃料ラインの個々の燃料調整弁２８、３２を自動的に調節する３つの方法のフローチャートである。これらの例示的な調節アルゴリズムによって、ガスタービン運転パラメータに基づく燃料／流量弁の正確な制御が可能となる。

第１の方法１００では、熱電対４０から収集された温度データが、排気ガス温度の温度環状温度プロフィールマップのためのデータを提供する。ガスのスワール角度の調節によって、米国特許出願公開公報２００／０１８３９１６Ａ１に記載の方法で、温度マップ上の角度位置を個々の燃焼室に相関付けることができる。温度マップは、例えば、ガスタービン内のスワール角度で補正された排気ガス内の排気温度分布を示す極座標チャートとすることができる。温度の極座標チャートが比較的円形の温度分布を示す場合には、燃焼室は、均一な燃焼温度で運転していると想定することができる。非円形の温度チャートは、燃焼室の燃焼温度に有意な温度変動があることを示す可能性がある。

スワールチャートは、任意の燃焼室と燃焼室からの排気がガスタービン１０の出口１２と交差する点との間の角度を示す。典型的なスワールチャートでは、ガスタービンの出力パワーが、角度（１から９０度）で表わされた各種のスワール角に対して、例えばタービン銘板能力のようなタービン定格出力能力のパーセント（０から１００％）として示される。低出力においては、焼器からタービン排気までの燃焼ガスの滞留時間が、例えば１秒と比較的に長いので、スワール角度が大きい。燃料／空気体積が大きい高出力においては、燃焼ガスが、例えば０．１秒と相対的に短い滞留時間を有するので、スワール角度は小さい。銘板能力の多くの異なるパーセンテージにおけるタービン流の回転を示すスワールチャートを用いて、排気の状態を燃焼室と相関付けることができる。この相関は、任意の特定の水準（例えば銘板能力の５０％から１００％まで）におけるガスタービン１０の調節、及び燃焼室間での変動を最小化するように各燃焼室を調節する上で役立つ。スワールデータが決定されると、コンピュータコントローラ５０は、ガスタービンを銘板能力の任意のパーセンテージで効率的に運転するよう使用される。

スワールチャートは、種々の特定の燃料負荷において特定の燃焼室を排気温度プロフィール内の位置に関係付ける。スワールチャートを生成するには、燃料調整弁は、中間ストローク位置に初期設定することができる。単一の燃焼器の調整弁を調整して燃料流量を増減させ、その１つの燃焼器内に「ホットスポット」を生成するようにする。燃焼器内のホットスポットは、排気温度プロフィール内に対応するホットスポットを生成するはずである。排気熱電対からのデータは、排気のある領域における高温を示すことになる。その排気領域は、ガスタービンが運転されている定格負荷のパーセンテージにおける「ホットスポット」を有する燃焼器に相当することになる。ガスタービンの定格負荷パーセンテージを増減することによって、燃焼器ホットスポットの排気領域での送給位置を異なる負荷パーセンテージについて追跡することができる。スワールチャートは、ホットスポット燃焼器に関するデータ、及びガスタービンの種々の負荷における排気温度データから生成することができる。スワールチャートはまた、その燃焼室への流量を制御する燃料調整弁を使用して燃焼室への流量を減少させることにより、ガスタービン内に「コールドスポット」を生成することによって作図することができる。

コントローラは、個々の燃焼室の燃料ノズルへの燃料供給源の調整弁を調節して、例えば、燃焼室内の燃焼温度をより均一にする。調整弁を調節するこのプロセスは、調整弁コントローラ５０によって自動化され、該コントローラは、熱電対からデータを受け取り、そのデータが燃焼室内の燃焼温度分布の過大な変動を示すかどうかを判定し、選択された燃焼室への燃料流量を調節するように適切な調整弁を作動させ、及び新しい排気ガス温度データがより均一な温度分布を示すことを確認する。

排気温度の変動を補正するために必要とされる燃料調整量を求めるために、以下の計算を実行することができる。ステップ１０２で、ガスタービン内の燃焼室の各々に対応するスワール補正排気温度を表わす温度データ値（ＴＸ１、ＴＸ２、．．．ＴＸｎ）が収集される。ステップ１０４で、排気温度の平均値（Ｔｍｅａｎ）が計算される。各燃焼室に対する基準平均値からの各排気温度の偏差（ＴＸ１△、ＴＸ２△、．．．ＴＸｎ△）が、ステップ１０５で求められる。ステップ１０６で、温度データ値は、燃焼器から排気までのガス流のスワールに対して調節される。このようにして、排気温度弁は、温度センサ（ＴＸ１、ＴＸ２、．．．ＴＸｎ）の各々での温度に最も影響を及ぼすこれらの燃焼器と整合される。

ステップ１０７で、ガスタービンの運転の熱力学モデルから、燃焼室内での燃料流速を対応する排気温度に関係付ける伝達関数（「ＦＴＣ」）が求められる。排気温度を燃料流量に相関係付ける例示的数式は以下の通りである。
ＴＸ（排気）＝ＦＴＣ（各燃焼室に対する燃料流速、空気流速、．．．他の機械運転パラメータ）
伝達関数（ＦＴＣ）は、燃焼室内の燃料流量に対する排気温度（ＴＸ(排気））の依存関係をモデル化する。伝達関数（ＦＴＣ）から、目標とする排気温度（ＴＸ(排気））変化に影響を与えるのに必要な燃料流速調節量を示す関係を導出することができる。ステップ１０８で、弁流量特性の認識及びマニホールド内のガス燃料流量の計算モデルから、燃料調整（各燃料ラインでの）＝ｇ（ＦＶ１、ＦＶ２、．．．ＦＶｎ）である調整伝達関数（ｇ）を決定する。ＦＶ１、ＦＶ２、...ＦＶｎは、「ｎ」を燃焼器の総数とすると、各燃焼器１、２、・・・ｎに対して、例えば開、閉又はこの開閉間のある位置のような燃料弁位置を記述する。

ステップ１１０で、排気温度伝達関数（「ＦＴＣ」）及び燃料調整伝達関数（ｇ）から、コントローラ５０は、任意の１つの燃焼室の排気温度の平均値からの偏差に対して調節するために、燃料弁設定値の変化量を求める。１つの燃焼室の排気温度の偏差は、その燃焼室に対する温度変動（Ｔｖ）によって表わすことができる。Ｔｅｃｃｘを特定の燃焼室の排気温度とし、Ｔｇｔをガスタービン平均排気温度とすると、Ｔｖは、（Ｔｅｃｃｘ−Ｔｇｔ）／Ｔｇｔに等しい。Ｔｖが正である場合には、燃焼室は比較的リッチな空気燃料混合気で運転すると考えられ、その燃焼室に対する調整弁は、燃料流速を減少させるように調節されるべきである。Ｔｖが負である場合には、燃焼室は比較的リーンな空気燃料混合気で運転中であると考えられ、その燃焼室に対する調整弁は、燃料流速を増大させるように調節されるべきである。例えば、１パーセント又はそれより小さいＴｖの僅少値は、燃焼室が全ての燃焼室の平均値又は平均値の極めて近傍で運転されていることを示す。コントローラは、Ｔｖに対応する燃焼室の燃料調整弁を調節することによってＴｖを最小化する。コントローラは、適切なアクチュエータ４８に制御信号を送り、送信ステップ１１０で決定された燃料弁設定値の変化量に基づいて燃料調整弁を調節させる。コントローラは、最大のＴｖを有する燃焼室を識別してこれら燃焼室への調整弁を最初に調節することによるような、繰り返し且つ連続方式で燃焼室の全てのＴｖを最小化することができる。

燃焼室１４の１つ又はそれ以上内の空気燃料混合気をリッチ又はリーンに分類するプロセスは、ガスタービンが、例えば定格負荷能力の１００％から５０％まで緩やかに負荷が軽減される時に排気熱電対データを監視することによって容易にすることができる。比較的リッチ又はリーンで運転している燃焼室は、ガスタービン運転負荷の範囲全体にわたる排気温度データを使用して識別することができる。リッチ状態で運転中の燃焼室（負荷範囲全体にわたる排気温度プロフィールにおいてこれらの燃焼室に対応するホットスポットから明らかとなる）は、調整弁による燃料負荷の低下及びこれによる平均排気温度に向う排気温度内のホットスポット温度の低下によって調節することができる。リーン状態の燃焼室（排気温度プロフィールにおける対応する「コールドスポット」を有する）は、これらの燃料負荷の増大によって同様に調節することができる。ガスタービンの１つ又はそれ以上の負荷設定における温度データの収集段階、排気温度プロフィール内でのコールド及びホットスポットの識別段階、及び排気プロフィール内でのコールド及びホットスポットに対応するこれらの燃焼室の燃料調整弁の調節段階からなるこの調節プロセスは、漸増的又は反復的に実施して、排気温度プロフィールの過大な変動を最小化することができる。

図４は、各燃焼器内の動的圧力センサ５２から燃焼動的コールドトーンが得られた第２の方法１２０のフローチャートである。動的トーンは、燃料流量又は燃料分割の燃焼室間の変動に対する指標である。全ＣＯエミッションに対する燃料流量及び燃料分割の変動の及ぼす影響は、燃焼器「コールドトーン」の振幅の計測値から感知することができる。「コールドトーン」とは、燃焼器の燃焼温度が低下するにつれてその振幅が増大する燃焼器の振動周波数のことを云う。

ステップ１２２で、データは、圧力センサの各々から収集される。ＣＴ１、ＣＴ２、．．．ＣＴｎは、ガスタービンの燃焼室内の各々の圧力センサ５４の各々から計測されたコールドトーンの時間平均化振幅（例えば５分間の）を表わす。コールドトーンは、他の燃焼室よりも低温で運転している燃焼室に対応する周波数である。例示的なコールドトーンは、７０ヘルツ（Ｈｚ）から１２０Ｈｚまでの周波数範囲にある。ステップ１２３で、平均コールドトーン振幅値（ＣＴｍｅａｎ）及び平均値と各燃焼室内で計測されたコールドトーンとの間の差異が決定される。

ステップ１２４で、ガスタービン及び燃焼器の運転の熱力学モデルから、燃焼室での燃料流速をその対応するコールドトーン振幅に指数関数的に関係付ける伝達関数（「ＦＤＹＮ」）が求められる。コールドトーン（ＣＴ（振幅））は、以下の伝達関数：ＦＤＹＮ（燃料流速、空気流速、及び他の機械運転パラメータ）によってモデル化することができる。ＦＤＹＮは通常、Ａ及びｋを正の定数とすると、ＦＤＹＮ＝Ａｅｘｐ（−ｋ＊燃料流速）の形式のものである。要求されるコールドトーン振幅（ＣＴ（振幅））に対する燃料流速は、伝達関数ＦＤＹＮから導出することができる。伝達関数ＦＤＹＮ、弁流量特性の知識及びマニホールド内のガス燃料流量の計算モデルを使用することにより、ステップ１２６において、調整弁伝達関数「ｇ」が導出される。例えば、燃料調整＝ｇ（ＦＶ１、ＦＶ２、．．．ＦＶｎ）となり、ここでＦＶ１、ＦＶ２、．．．ＦＶｎは、燃焼器１、２、．．．ｎの燃料弁の位置を表わし、ｎは燃焼器の合計数である。

ステップ１２８で、コールドトーン振幅伝達関数「ＦＤＹＮ」及び燃料調整伝達関数「ｇ」から、コントローラ５０は、平均コールドトーンからの任意の１つの燃焼室のコールドトーン振幅の偏差について調節を行うため燃料弁設定値の変化量を求めることができる。コントローラは、平均コールドトーンからのコールドトーンの偏差を減少させるために燃料調整弁設定値に対して適切な変更を行うようにアクチュエータに信号を送る。ステップ１３０において、測定されたコールドトーンに基づいて、時間平均コールドトーンから最も大きなコールドトーンの偏差を有する燃焼室（すなわち範囲外にある燃焼室）を最初に調節することができる。次に、ステップ１３２で、各範囲外にある燃焼室の燃料調整弁が、各範囲外にある燃焼室の燃焼圧力振動を最小化するように調節される。

図５は、ガスタービンを調節するために排気スタックＣＯエミッションを使用する方法１４０のフローチャートである。ステップ１４２で、タービン排気内の一酸化炭素（ＣＯ）エミッションは、排気の周辺近傍に配置された円周エミッションセンサポートＥＰ１、ＥＰ２、．．．ＥＰｎにあるエミッションセンサによって計測される。これらのエミッションセンサは、燃焼室での温度分布が排気内の温度センサから得られるのと同様の方法で、燃焼室のＣＯエミッション分布に関するデータを提供する。ステップ１４４で、排気流内の排気スタック平均エミッションセンサポートＥＰＣは、平均エミッションレベルに関するデータを提供する。或いは、平均エミッションレベルは、全てのエミッションセンサポート（ＥＰ１からＥＰｎ）によって測定されたエミッションレベルの算術平均とすることができる。各個々の円周センサポートによって計測されたエミッションレベルとエミッション平均値との間の差異は、ガスタービンにおける燃料流量の燃焼室間の変動の尺度を与える。

ステップ１４６で、燃料調整弁は、特定の中間ストローク位置に初期設定することができる。ステップ１４８で、ＣＯエミッションデータは、センサＥＰ１からＥＰｎまでから収集され、ここでｎは、排気流内の円周エミッションセンサの数である。ＣＯ１（ｒｅｆ）、ＣＯ２（ｒｅｆ）、．．．ＣＯｎ（ｒｅｆ）をエミッションセンサＥＰ１からＥＰｎまでから得られた計測値とする。ＣＯ Ｓｔａｃｋ（ｒｅｆ）は、燃料調整弁が中間ストローク位置にあるときの、スタック−平均ＣＯ（ＥＰＣによる計測時）からのＣＯエミッション計測値を表わす値である。

ステップ１５０で、燃料調整変化の既知の量が、単一燃焼室、例えばＣＣ１に対して、対応する供給ライン内でＣＣ１に対する燃料弁２８を作動させるよう適切なアクチュエータ４８を駆動することによって導入される。ステップ１５２で、排気内の対応するＣＯエミッションＣＯ１（ｔｒｉｍ １）、ＣＯ２（ｔｒｉｍ １）、．．．ＣＯｎ（ｔｒｉｍ １）、及びＣＯ Ｓｔａｃｋ（ｔｒｉｍ １）を測定し、ここでｔｒｉｍ １は、燃焼室ＣＣ１上の調整弁に対する調節（例えば燃料スパイク）を表わす。ステップ１５０での燃料調整変化量は、燃焼室に対する燃料流量全体の１から２％の程度とすることができ、平常の燃焼運転と干渉しないようなにすべきである。ステップ１５４で、ＣＣ１の燃料調整弁を中間ストローク位置に戻し、燃焼室ＣＣ２の調整弁を調節する。ステップ１５０からステップ１５４まで、燃焼室ＣＣ２、ＣＣ３．．．ＣＣｎの各々に対して繰り返し、ここでｎは、燃焼室の合計数である。更に、ガスタービンに対する異なる燃料負荷において、ステップ１５０からステップ１５４までを繰り返すことができる。

ステップ１５６で、単一燃焼室からのＣＯエミッションの生成を予測する熱力学モデルを構築する。このモデルは、以下のような関係があるものとすることができる。
ＣＯ＿ｓｉｎｇｌｅ＿ｃｈａｍｂｅｒ＝Ｂｅｘｐ（−ｍ＊燃料流速）
ここで、ＣＯ＿ｓｉｎｇｌｅ＿ｃｈａｍｂｅｒは、単一燃焼室からのＣＯ生成速度であり、Ｂ及びｍは、正の定数である。単一燃焼室に対するＣＯエミッションの関数としての燃料流速は、この熱力学モデルから導出することができる。加えて、排気スタックの下流側において計測されるＣＯは、各燃焼室におけるＣＯ生成の知識から計算することができる。従って、タービン排気内のセンサによって感知されるＣＯエミッションレベルは、個々の燃焼室に対する燃料流速と相関付けることができる。

弁流量特性の知識及びマニホールド内のガス燃料流量の計算モデルから、調整伝達関数「ｇ」、例えば、燃料調整（各燃料ライン）＝ｇ（ＦＶ１、ＦＶ２、．．．ＦＶｎ）を求める。ＦＶ１、ＦＶ２、．．．ＦＶｎは、燃焼室ＣＣ１、ＣＣ２、ＣＣｎの燃料弁の位置を表わす。基準ＣＯエミッションＣＯ１（ｒｅｆ）、ＣＯ２（ｒｅｆ）、．．．ＣＯｎ（ｒｅｆ）、ＣＯ Ｓｔａｃｋ（ｒｅｆ）、及び燃焼室の各々内の既知の燃料調整の実施時に計測されたＣＯエミッションＣＯ１（ｔｒｉｍ）、ＣＯ２（ｔｒｉｍ）、．．．ＣＯｎ（ｔｒｉｍ）、ＣＯ Ｓｔａｃｋ（ｔｒｉｍ）の計測値、熱力学伝達関数ＣＯ 単一 燃焼室、及び燃料調整伝達関数「ｇ」から、コントローラ５０は、任意の１つの燃焼室の燃料流量の平均値からの偏差を調節するために燃料弁設定値の変化量を求めることができる。

本発明の種々の実施形態を本発明が直面する種々のニーズを達成して説明してきた。これらの実施形態は、本発明の種々の実施形態の原理の単なる例証に過ぎない点を理解されたい。本発明の精神及び範囲から逸脱しない本発明の多くの修正及びその適合は、当業者には明らかであろう。従って、本出願は、添付の請求項並びにその同等物の範囲に含まれる好適な修正及び変形を全て保護するものとする。

複数のマニホールド並びに排気熱電対を示すガスタービンの燃焼室の概略側面図。 関連する調節弁と電気式／機械式アクチュエータを備えるガス燃料マニホールドの蛸足型配置の正面図。 燃料マニホールドの調節弁を作動させるための例示的方法のフローチャート。 燃料マニホールドの調節弁を作動させるための例示的方法のフローチャート。 燃料マニホールドの調節弁を作動させるための例示的方法のフローチャート。

符号の説明

１０ ガスタービン
１４ 燃焼室
１６、１８、２０ 燃料ノズル
２２、２４、２６ 複数のマニホールド
２８、３０、３２ 燃料調整制御弁
３４、３６、３８ 燃料供給ライン
５０ 調整弁コントローラ

Claims (8)

1. ガスタービン（１０）燃焼システムであって、
   複数の燃焼室（１４）と、
   前記燃焼室の各々に対する複数の燃料ノズル（１６、１８、２０）と、
   前記燃焼室の各々において少なくとも１つの前記燃料ノズルに燃料を供給するための、異なる燃料流量容量を有する複数のマニホールド（２２、２４、２６）と、
   を含み、
   前記マニホールドが、燃料ノズルに対する流量計量装置（２８、３０、３２）を有し、該流量計量装置が前記燃焼室内で前記燃料ノズルへの燃料を計量するために前記マニホールドに取り付けられ、
   ガスタービンの運転状態（１００、１２０、１４０）に基づいて前記燃料ノズルへの燃料を調節するように前記流量計量装置（２８、３０、３２）の１つ又はそれ以上を自動的に作動させる流量計量コントローラ（５０）が更に設けられ、
   前記ガスタービン運転状態が更に排気ガス温度（１０２）プロフィールを含み、前記コントローラが、前記排気ガス温度プロフィールの特定の領域を前記燃焼室の１つ又はそれ以上と相関付け、前記コントローラが、前記燃料調整弁を作動（１１０）させて前記排気ガス温度プロフィールを修正する
   ことを特徴とするガスタービン（１０）燃焼システム。
2. ガスタービン（１０）燃焼システムであって、
   複数の燃焼室（１４）と、
   前記燃焼室の各々に対する複数の燃料ノズル（１６、１８、２０）と、
   前記燃焼室の各々において少なくとも１つの前記燃料ノズルに燃料を供給するための、異なる燃料流量容量を有する複数のマニホールド（２２、２４、２６）と、
   を含み、
   前記マニホールドが、燃料ノズルに対する流量計量装置（２８、３０、３２）を有し、該流量計量装置が前記燃焼室内で前記燃料ノズルへの燃料を計量するために前記マニホールドに取り付けられ、
   ガスタービンの運転状態（１００、１２０、１４０）に基づいて前記燃料ノズルへの燃料を調節するように前記流量計量装置（２８、３０、３２）の１つ又はそれ以上を自動的に作動させる流量計量コントローラ（５０）が更に設けられ、
   前記ガスタービン運転状態が更に、前記燃焼室内での動的圧力振動（１２０）を含み、前記コントローラが、前記流量計量装置を作動（１２８、１３０、１３２）させて前記燃焼室内での前記動的圧力振動の変動を低減させる
   ことを特徴とするガスタービン（１０）燃焼システム。
3. ガスタービン（１０）燃焼システムであって、
   複数の燃焼室（１４）と、
   前記燃焼室の各々に対する複数の燃料ノズル（１６、１８、２０）と、
   前記燃焼室の各々において少なくとも１つの前記燃料ノズルに燃料を供給するための、異なる燃料流量容量を有する複数のマニホールド（２２、２４、２６）と、
   を含み、
   前記マニホールドが、燃料ノズルに対する流量計量装置（２８、３０、３２）を有し、該流量計量装置が前記燃焼室内で前記燃料ノズルへの燃料を計量するために前記マニホールドに取り付けられ、
   ガスタービンの運転状態（１００、１２０、１４０）に基づいて前記燃料ノズルへの燃料を調節するように前記流量計量装置（２８、３０、３２）の１つ又はそれ以上を自動的に作動させる流量計量コントローラ（５０）が更に設けられ、
   前記ガスタービン運転状態が更に、エミッションレベル（１４０）プロフィールを含み、前記コントローラが、該エミッションレベルプロフィールの特定の領域を燃焼室の１つ又はそれ以上に相関付け、前記コントローラが前記流量計量装置を作動（１５０、１５２、１５４）させて、前記エミッションレベルプロフィールを修正する
   ことを特徴とするガスタービン（１０）燃焼システム。
4. 前記ガスタービンが、工業用ガスタービン（１０）であり、公共用電力発電機を駆動するよう適合された請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガスタービン（１０）燃焼システム。
5. 前記流量計量装置（２８、３０、３２）が燃料調整制御弁である請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガスタービン（１０）燃焼システム。
6. 前記流量計量装置（２８、３０、３２）が、調節可能な燃料オリフィスである請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガスタービン（１０）燃焼システム。
7. 前記複数の燃料ノズルの各々が、前記ノズルを前記流量計量装置に結合する供給ライン（３４、３６、３８）を含む請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガスタービン（１０）燃焼システム。
8. 前記マニホールド（２２、２４、２６）が各々、該マニホールドを燃料ノズルの１つに接続する燃料供給ラインの環状蛸足型アレイを含み、前記流量計量装置が、それぞれの燃料供給ライン上に各々取り付けられている請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガスタービン（１０）燃焼システム。
   

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