JP5576676B2 - ガスタービンエンジンの逆火を検出するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンの運転を制御するための方法に関し、より具体的には、燃焼ダイナミクスを使用してガスタービンにおける保炎又は逆火を検出する方法に関する。

ガスタービンエンジンは、圧縮機、燃焼器、及び圧縮機に結合されたタービンを含む。燃焼器は、複数の燃焼器缶を含むことができる。加圧空気及び燃料は、燃焼器缶に送給されて高速度及び高圧力の燃焼ガスに生成される。この燃焼ガスはタービンに吐出される。タービンは、燃焼ガスからエネルギーを取り出して、例えば、圧縮機への動力供給、発電機への動力供給、或いは航空機への動力供給など、幾つかの様態で使用することができる。

ガスタービンエンジンは、燃焼器が所望の性能を満たすために様々な燃焼運転状態を必要とする異なる負荷状態下で作動する。ガスタービン燃焼器は、所望位置で火焔を安定化させて連続運転が保証されるように設計されている。しかしながら、燃料の燃焼中のある特定の条件下では、燃焼器は保炎又は逆火を生じる恐れがある。逆火は、火焔が設計安定位置の上流側で燃料及び空気噴射位置に向かって移動する現象である。保炎時には、火焔は、下流位置から移動せずに上流側で安定する。以下の説明において、用語「逆火」は、この説明が逆火及び保炎の両方に等しく当てはまる理由から、逆火及び保炎の両方を表すのに使用されている。

逆火の発生条件は、温度、圧力、燃空比の異なる運転条件下において、及び燃料の種類及び組成に基づいて変化する。逆火は、予混合及び拡散逆火として広く分類される２つの異なる物理的メカニズムにより発生することができる。ノズル及びその構成要素の幾何形状は、特定のノズルを耐火炎性があり又は火炎防止性があるようにする重要な役割を果たす。更に、水素のような高火焔速度の燃料を含有する燃料は、逆火に関連した重大な問題を有するものとして知られている。逆火は、噴射器、スワーラ、及びノズルに大きな損傷を与える可能性がある。燃焼器の作動性が損なわれる可能性があり、予定外の運転停止を引き起こす可能性がある。現場でのガスタービンは通常、逆火の開始を検出するように十分には備えられてない。ノズルは、逆火に起因した損傷を抑制する機構を有することができるが、差し迫った逆火を検出する信頼性のある方法は実証されていない。

米国特許第７，２７８，２６６号公報

従って、燃焼ダイナミクスを使用してガスタービンエンジンにおける差し迫った逆火又は保炎事象を検出するための方法を提供することが望ましいことになる。

本明細書に開示された１つの実施形態によれば、ガスタービン監視及び制御方法は、ガスタービンの運転状態を使用して燃焼器における燃焼ダイナミクスの周波数を予測する段階と、燃焼器における燃焼ダイナミクスを表すセンサからの信号を受信する段階と、受信信号の周波数が正常運転時における予測周波数と一致しない場合に逆火を検出する段階と、を含む。

本明細書に開示された別の実施形態によれば、ガスタービン監視及び制御システムは、燃焼器における燃焼ダイナミクスの周波数を予測するための燃焼ダイナミクスシミュレーション及び予測システムと、燃焼ダイナミクスセンサからの信号を受信し出力信号を提供するためのデータ収集及び分析システムと、データ収集及び分析システムからの出力信号の周波数が、燃焼ダイナミクスシミュレーション及び予測システムからの予測周波数と一致しない場合に差し迫った逆火指示を提供するための逆火検出システムと、差し迫った逆火又は現在の逆火指示が得られた場合にガスタービンを制御するためのコントローラと、を備える。

本明細書に開示された別の実施形態によれば、ガスタービン監視及び制御方法は、ガスタービンの運転状態及びガスタービンのモデリングツールを使用して燃焼器における燃焼ダイナミクスの周波数及び振幅を予測する段階と、燃焼器における燃焼ダイナミクスを表すセンサからの信号を受信する段階と、受信信号の周波数が予測周波数と一致しない場合に逆火を検出する段階と、逆火が検出された場合にガスタービンを制御する段階と、を含む。

本明細書に開示された別の実施形態によれば、ガスタービン監視及び制御方法は、ガスタービンの運転状態をリアルタイムに取得する段階と、ガスタービンの運転状態及びガスタービンのモデリングツールを使用して燃焼器における燃焼ダイナミクスの周波数及び振幅を予測する段階と、燃焼器における燃焼ダイナミクスを表すセンサからの信号を受信する段階と、受信信号の周波数が正常運転状態時における予測周波数と一致しない場合に逆火を検出する段階と、逆火が検出された場合にガスタービンを制御する段階と、を含む。

本明細書に開示された別の実施形態によれば、ガスタービン監視及び制御システムは、ガスタービンの運転状態及びガスタービンのモデリングツールを使用して、燃焼器における燃焼ダイナミクスの周波数及び振幅を予測するための物理ベースの燃焼ダイナミクスツールを含む燃焼ダイナミクスシミュレーション及び予測システムと、燃焼ダイナミクスセンサからの信号を受信して出力信号を提供するためのデータ取得及び分析システムと、該データ取得及び分析システムからの出力信号の周波数が燃焼ダイナミクスシミュレーション及び予測システムからの予測周波数と一致しない場合に、差し迫った逆火指示を提供するための逆火検出システムと、差し迫った又は実際の逆火指示が得られた場合にガスタービンを制御するためのコントローラと、を備える。

本発明のこれら及び他の特徴、態様、並びに利点は、図面全体を通して同様の符号が同様の部品を表す添付図面を参照して以下の詳細な記載を読むとより理解できるであろう。

ガスタービンエンジンシステムの概略図。 ガスタービン燃焼器の概略図。 本明細書に開示された態様によるガスタービン監視及び制御システムのブロック図。 本明細書に開示された態様によるデータ取得及び分析システムのブロック図。 本明細書に開示された態様による燃焼ダイナミクスシミュレーション及び予測システムのブロック図。 本明細書に開示された態様による逆火検出システムによって使用されるアルゴリズムのフローチャート。 本明細書に開示された態様によるガスタービン監視及び制御方法のフローチャート。 本明細書に開示された態様に従ってガスタービンの運転状態で取得された燃焼ダイナミクスデータの信号を示すグラフ。

本明細書で開示される実施形態は、燃焼ダイナミクスを使用して、ガスタービンエンジンにおける差し迫った逆火又は保炎事象を検出するシステム及び方法を含む。本システム及び方法は、ガスタービンからの燃焼ダイナミクス／不安定圧力信号を使用して、例えば物理ベースの燃焼ダイナミクス分析を使用して作成されるモデルなどの燃焼モデルによって予測される燃焼器の標準モードに対して、圧力信号の周波数を比較する。差し迫った逆火又は保炎事象の確認として、あらゆる不一致が識別され明らかにされる。本システム及び方法は、本明細書では、工業用途に利用される高出力ガスタービンエンジンの関連で説明されるが、本システム及び方法は、限定ではないが、航空機、船舶、ヘリコプタ、及びプライムムーバ用途のような様々な用途で利用される他の燃焼エンジンシステムに適用可能である。本明細書で使用する場合、単数形はその文脈が特に明確に指示していない限り複数の指示対象を含む。

図１は、例示的なガスタービンエンジン１０を示している。このガスタービンエンジン１０は、多段軸流圧縮機１２、多缶燃焼器１４、及び多段タービン１６を含む。周囲空気が圧縮機１２によって吸い込まれて加圧され、高温高圧にされる。次いで、この加圧空気は燃焼器１４に供給される。燃焼器１４において、流入する加圧空気は燃料と混合され、燃料・空気混合気が燃焼して、高温高圧の燃焼ガスが生成される。燃焼ガスはタービン１６に吐出される。タービン１６は、燃焼ガスからエネルギーを取り出す。タービン１６から取り出したエネルギーは、電力生成、推進スラストの提供、或いは船舶又はプライムムーバ用途のシャフト動力の生成など、様々な目的に用いることができる。

図２は、ガスタービン燃焼器１４の概略図である。燃焼器１４は、アニュラ型、缶型、又は缶アニュラ型燃焼器とすることができる。燃焼器１４は、目的の用途に応じて様々な形式のノズル１６を有することができる。最新の低エミッション燃焼器は通常、燃料が空気ストリーム内に噴射されて混合され、この後に燃焼室１８に到達するような予混合ノズルを利用している。典型的な燃焼器１４は、複数の予混合ノズルグループ及び各グループにおいて異なる数のノズルを有することになる。このことは、様々な負荷条件下で性能目標を達成するのに必要とされる。様々なノズルグループの分類は、これらの意図した目的に応じて決まる。

燃焼ダイナミクス／不安定性は、あらゆる形式の燃焼器が直面する問題である。設計に応じて、燃焼ダイナミクスは、規制で定められた低エミッションを達成するために開発された予混合式燃焼システムにとって比較的深刻なものとなる。燃焼ダイナミクスは、燃焼器内部の火焔から不安定な火焔放熱が燃焼器の固有モードに固定され、燃焼器内にフィードバックサイクルが確立し、高振幅の圧力振動を引き起こす現象である。これらの振動は、燃焼器の運転エンベロープを制限する可能性があり、更に、相当なハードウェア損傷を引き起こす可能性さえある。不安定な燃焼が、長手方向、半径方向、又は円周方向の燃焼器モードを励振するかどうかによって、燃焼ダイナミクスの周波数は、１００Ｈｚ程の低い値から数キロＨｚの範囲に及ぶ可能性がある。燃焼ダイナミクスにおける最新の最先端技術により、これらの周波数、火焔によって励振される周波数の傾向、及び物理ベースの分析による結果として得られた圧力脈動振幅のシミュレーション、計算、及び予測が可能になる。

図３は、ガスタービン監視及び制御システム２０の実施形態のブロック図を示している。システム２０は、差し迫った逆火を検出し、逆火検出後にガスタービンを制御する。システム２０は、データ取得及び分析システム（ＤＡＡＳ）２２、燃焼ダイナミクスシミュレーション及び予測システム（ＣＤＳＰＳ）２４、並びに逆火検出システム（ＦＤＳ）２６を含む。圧縮機２８、タービン３０、燃料供給システム３２、及び複数の燃焼器缶３５を含むことができる燃焼器３４など、ガスタービンの主構成要素が示されている。２つの燃焼器缶３５だけを示しているが、システムは、あらゆる数の燃焼器缶を有することができる。燃料供給源３２は、様々なノズルグループとして分割し、異なる負荷条件下で変更することができる。１つの実施形態では、各燃焼器缶３５は、燃焼ダイナミクスを測定するために燃焼器センサ３６を装備している。しかしながら、センサを各缶３５に有することは必須でなくともよい。センサ３６は、一部の燃焼器缶３５にのみ選択的に取り付けることができる。

センサ３６は、燃焼ダイナミクスを表す信号を発生する。センサ３６は、燃焼器缶の内部の圧力変動又は火焔外乱の何れかを監視することができる。従って、センサ３６は、圧力センサ、或いは火焔応答を測定するための光学センサ又は化学センサのような火焔センサとすることができる。センサからの信号３８はＤＡＡＳに供給される。圧縮機２８、燃焼器缶３５、及びタービン３０の運転状態４０も同時に監視され、ＣＤＳＰＳ２４に供給される。次に、ＤＡＡＳ２２からの出力４２及びＣＤＳＰＳ２４からの出力４４は、逆火検出システム（ＦＤＳ）２６に提供されて、差し迫った逆火又は現在の逆火が測定される。この逆火検出システム（ＦＤＳ）２６は、何れかの差し迫った逆火指示をガスタービンコントローラ４６に提供する。差し迫った逆火指示を提供する際に必要な詳細手順を図６を参照して説明する。

図４は、データ取得及び分析システム（ＤＡＡＳ）２２のブロック図を示している。幾つかの信号処理技法は、燃焼器缶から受け取った信号３８を処理し、燃焼器缶の燃焼ダイナミクスを正確に表す出力を発生させるのに使用することができる。１つの実施形態では、ガスタービンからの燃焼ダイナミクス信号３８は、高周波数成分の最小ひずみを保証するために、エイリアシング防止フィルタ５０を通過する。次いで、信号は、バンドパスフィルタ５２により処理されて、対象となる周波数帯内でデータを得るように信号の周波数成分を削減する。次にブロック５４において、サンプリング周波数が対象の最大周波数の少なくとも２倍でなければならないとするＮｙｑｕｉｓｔ基準に従って、サンプリング周波数の決定を行う。同様に、必要な周波数分析及びエネルギー漏洩に沿ってサンプリング窓が選択される。次いで、信号は、時間領域信号を周波数領域信号に変換する高速フーリエ変換（ＦＦＴ）アナライザ５６に供給される。ブロック５８において、周波数スペクトルは、複数の実施段階（例えば６４）にわたって平均化され、システムの過渡事象による影響を受けないより多くの代表的信号成分を得るようにする。ブロック６０において、平均化スペクトルが評価されて、様々な帯域におけるピーク周波数及びその振幅が決定される。このピーク周波数及び振幅データは、ＦＤＳに提供される出力信号４２を形成する。

図５は、ＣＤＳＰＳ２４のブロック図を示している。ＣＤＳＰＳは、物理ベースの燃焼ダイナミクス予測ツール６２、及び様々な燃焼ダイナミクスモデリングツール６４を含む。これらの燃焼ダイナミクスモデリングツールは、最先端技術の燃焼ダイナミクスモデルに基づいており、当該技術分野ではよく知られている。燃焼ダイナミクスモデルは、ガスタービン幾何形状モデル、ガスタービン火焔・音響モデル、ガスタービン減衰モデル、ガスタービン構成要素モデル、及びガスタービン境界条件を含む。圧縮機、燃焼器、及びタービンからの運転状態４０データは、リアルタイムに取得され、物理ベースの予測ツール６２に提供される。

物理ベースの予測ツール６２は、入力として運転状態４０を受け取り、前述の燃焼ダイナミクスモデル６４を使用して、燃焼器缶の様々な音響モード、燃焼器缶の不安定性、及びこれらに関連した振幅を計算する。具体的には、物理ベースの予測ツールは、燃焼ダイナミクスモデリングツール及びガスタービンの運転状態を利用して、燃焼ダイナミクスの周波数及び振幅を予測する。物理ベースの予測ツールからの結果、すなわち予測周波数及び振幅は、ＦＤＳにリアルタイムで提供される。

図６は、ＦＤＳ２６によって使用される手順又はアルゴリズムのブロック図を示している。ＦＤＳは、ブロック６６でＤＡＡＳからの燃焼ダイナミクス周波数及び振幅並びにＣＤＳＰＳからの予測周波数及び振幅を受け取る。ＦＤＳは、ブロック６８において、ＤＡＡＳからの燃焼ダイナミクス周波数を該ＤＡＡＳ及びＣＤＳＰＳの両方の既知の不確実性の範囲内の予測燃焼ダイナミクス周波数と比較する。ブロック７０において、受信信号の周波数が予測周波数の何れかと一致するかどうかの判断を行う。燃焼ダイナミクス周波数が、指定位置において火焔の存在を示す予測周波数と一致した場合、ＦＤＳは、現在の燃焼ダイナミクスデータを正常運転として拒否し、次の実施段階で得られるデータの分析に進む。火焔が指定位置内に存在する状態は、燃焼器缶の正常運転状態と判断される。

予測周波数と一致しない燃焼ダイナミクス周波数は、火焔が指定位置内に存在せず、火焔位置が差し迫った逆火又は保炎を示すことを意味する、異常運転状態を示している。従って、燃焼ダイナミクス周波数が、その指定位置内に火焔の存在を示す予測周波数の何れかと一致しない場合、ブロック７２において、ＦＤＳは差し迫った逆火指示を提供する。

ＦＤＳ２６は、ガスタービンコントローラ４６に対して差し迫った逆火指示を提供する。このコントローラ４６は、ガスタービンを運転停止させて、ハードウェアに対する損傷を防止することができる。このコントローラ４６はまた、ガスタービンの運転状態を調節して、逆火事象を防ぐことができる。

図７は、ガスタービン監視及び制御方法８０を示している。本方法はブロック８２から始まる。ブロック８４において、ガスタービンの運転状態がリアルタイムで取得される。ブロック８６において、物理ベースの燃焼ダイナミクス予測モデルが、取得した運転状態及び様々な燃焼ダイナミクスモデリングツールを使用して、燃焼器における燃焼ダイナミクスの周波数及び振幅を予測する。ブロック８８において、燃焼器における燃焼ダイナミクスを表す信号を、燃焼器缶に関連するセンサから受け取ることができる。ブロック９０において、受信燃焼ダイナミクス信号の周波数と予測燃焼ダイナミクスの周波数とを比較する。ブロック９２において、受信信号の周波数が、予測周波数の何れかと一致するかどうかを判定する。受信信号の周波数が予測周波数の何れかと一致する場合、正常運転として判定され、方法はブロック８２に進む。受信信号の周波数が、予測周波数の何れかと一致しない場合、方法はブロック９４に進む。ブロック９４において、差し迫った逆火指示が提供される。これに続いて、ブロック９６において、ガスタービンが制御される。ハードウェアに対する損傷を防止するために、ガスタービンを運転停止させることができる。或いは、ガスタービンの運転状態又は燃料送給を調節して、逆火事象を防止するか又は除去することができる。

図８は、ガスタービンの運転状態で行われた実験から取得された燃焼ダイナミクスデータの信号１０２の例示的なグラフ１００を示している。信号１０２は、周波数領域としてプロットされている。上記で説明したように、ＦＦＴアナライザは、周波数領域信号を取得するのに使用される。Ｘ軸は周波数１０４、Ｙ軸１０６は二乗平均平方根（ＲＭＳ）値１０６である。信号のＲＭＳ値は、ＦＦＴ分析により得られた係数を使用して算出することができる。実験的な研究によると、１０００ヘルツ１０８の周波数は、ＣＤＳＰＳからの予測周波数と一致しないことを示した。周波数の値だけでは、差し迫った逆火を表すことはできない。予測周波数は、正常運転状態時における周波数の範囲を含むことができる。従って、信号１０２の周波数は、予測周波数と比較され、予測周波数と一致しないあらゆる特定の周波数（この場合には１０００ヘルツ）が異常運転状態を示す。この異常運転状態は、差し迫った逆火又は可能性のある保炎事象を示す指定位置内に存在していない火焔に起因する。設計位置から移動した又はシフトされた火焔は、その所望の位置で安定化された火焔と比較されるシステム又はその構成要素の異なる固有モードを励振する。

このようにして、上述のガスタービン監視及び制御システム並びに方法により、差し迫った逆火を成功裏に判定し、事前にガスタービンを制御してあらゆる損傷を防止する方法を提供することができる。差し迫った逆火の検出により、逆火が発生する前にガスタービンの運転状態を調節して逆火を防止する、又はガスタービンを運転停止させる機会を得ることができる。本システム及び方法は、限定ではないが、天然ガス、水素、一酸化炭素、及び窒素の様々な混合気のような燃料、並びに、プロパン、エチレン、ガソリン、ケロシン、ディーゼル燃料、ジェット燃料、バイオ燃料、バイオディーゼル、合成ガス、及び重油のような様々な他の可燃性燃料を使用するガスタービンに適用可能である。

上述の全てのこのような目的及び利点は、必ずしもあらゆる特定の実施形態によって達成できる訳ではない点を理解されたい。従って、例えば、本明細書で説明したシステム及び技法は、本明細書で教示又は提案することができる他の目的又は利点を必ずしも達成することなく、本明細書で教示された１つの利点又は利点のグループを達成又は最適化する様態で具現化又は実施できることは当業者には理解されるであろう。

本明細書では、本発明の特定の特徴だけを例示し説明してきたが、当業者であれば多くの改良及び変更が想起されるであろう。従って、特許請求の範囲は、本発明の真の技術思想の範囲内にある全てのこのような改良及び変更を保護するものとする。

１０ ガスタービンエンジン
１２ 圧縮機
１４ 燃焼器
１６ タービン
１８ 燃焼室
２０ ガスタービン監視及び制御システム
２２ データ取得及び分析ステム（ＤＡＡＳ）
２４ 燃焼ダイナミクスシミュレーション及び予測システム（ＣＤＳＰＳ）
２６ 逆火検出システム（ＦＤＳ）
２８ 圧縮機
３０ タービン
３２ 燃料供給システム
３４ 燃焼器
３５ 燃焼器缶
３６ 燃焼器センサ
３８ 信号
４０ 運転状態
４２ ＤＡＡＳからの出力
４４ ＣＤＳＰＳからの出力
４６ ガスタービンコントローラ
５０ エイリアシング防止フィルタ
５２ バンドパスフィルタ
５４ ブロック
５６ 高速フーリエ変換アナライザ
５８ ブロック
６０ ブロック
６２ 物理ベースの燃焼ダイナミクス予測ツール
６４ 燃焼ダイナミクスモデリングツール
６６ ブロック
６８ ブロック
７０ ブロック
７２ ブロック
８０ ガスタービン監視及び制御方法
８２ ブロック
８４ ブロック
８６ ブロック
８８ ブロック
９０ ブロック
９２ ブロック
９４ ブロック
９６ ブロック
１００ グラフ
１０２ 信号
１０４ Ｘ軸
１０６ Ｙ軸
１０８ １０００ヘルツの周波数

Claims (7)

1. ガスタービンを監視し制御するための方法であって、
   ガスタービンの運転状態をリアルタイムで取得する段階と、
   ガスタービンの運転状態とガスタービンのモデリングツールとを使用して、燃焼器における燃焼ダイナミクスの周波数と振幅をリアルタイムで予測する段階と、
   前記燃焼器における燃焼ダイナミクスを表すセンサからの信号を受信する段階と、
   前記受信信号の周波数が正常運転状態時における前記予測された周波数と一致しない場合に逆火を検出する段階と、
   逆火が検出された場合にはガスタービンを制御する段落と、
   を含む方法。
2. 前記ガスタービンの運転状態を取得する段階が、前記ガスタービンの圧縮機、燃焼器、及びタービンの運転状態を取得する段階を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記ガスタービンモデリングツールが、ガスタービン幾何形状モデル、ガスタービン火焔・音響モデル、ガスタービン減衰モデル、ガスタービン構成要素モデル、ガスタービン境界条件、又はこれらの組み合わせを含む、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記予測周波数及び振幅が、前記燃焼器の正常運転状態を示す、前記燃焼器おける指定火焔位置と一致する、請求項１から３のいずれかに記載の方法。
5. 前記周波数及び振幅を予測する段階が、物理ベースの燃焼ダイナミクスモデルを使用して前記周波数及び振幅を予測する段階を含む、請求項１から４のいずれかに記載の方法。
6. 前記センサが、動的圧力センサ又は火焔センサを含む、請求項１から５のいずれかに記載の方法。
7. 前記信号を受信する段階が、
   前記受信信号を濾波する段階と、
   前記濾波信号を周波数領域信号に変換する段階と、
   ピーク周波数及び該ピーク周波数の振幅を決定する段階と、
   を含む、請求項１から６のいずれかに記載の方法。
   

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