JP5629055B2 - ガスタービン負荷の変動制御方法 - Google Patents

Description

本発明の例示的実施形態は一般に、ガスタービン負荷の変動、特にガスタービン負荷の減少を制御する方法に関する。

外部から吸引された空気を圧縮する多段圧縮機と、前記圧縮空気に加えられた気体燃料を燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器から到来するガスを膨張させるタービンまたは膨張機とによって一般に構成されるガスタービンが、電気エネルギーの生成に用いられることは周知である。すなわち、前記タービンによって、作業機械の駆動または例えば交流発電機等の発電機の付勢に活用される機械エネルギーを発生させることができる。

従って、電気エネルギーの生成に供されるガスタービンは、給電部において起こりうる例えば特定の状況または故障による給電部からの突然の遮断に対処することができなければならない。このような状況において、前記タービンは、外部にある給電部の電圧が復帰して運転が再開されるまで、すなわち前記給電部と再接続されるまで、公称回転数領域には達するが交流発電機は電力を供給しない特異的であるが安定な機能状態（「全速無負荷」と呼ばれる機能状態）になる。

この給電部との遮断状態においては、いわゆる「負荷遮断」手順を可能な限り早急に実行し、直ちにタービンの電力および回転数領域が十分に低い値に減じることによって、少なくとも１つの交流発電機が、自身が接続されている装置または設備の補助機能を付勢できるようにしなければならない。二軸式のガスタービンにおいては、タービンそのものの機械的慣性が極めて低いので、過剰な回転数領域に達することを防ぐための修正動作を迅速かつ効果的に実行しなければならず、従って負荷遮断手順が特に重要になる。

本発明の例示的実施形態の目的は、ガスタービンの負荷変動を制御することによって、タービンの運転サイクル中に発生しうる全体的または部分的な負荷遮断に有利に対処できるようにする方法を提供することである。

本発明の例示的実施形態のさらなる目的は、ガスタービンの負荷変動を制御することによって、給電部からの遮断状態または突然の負荷遮断時にタービンが過剰回転数に達することを防ぎ、その結果、タービンの誤動作または燃焼に関する問題を防止できる方法を提供することである。

本発明の態様に従った上述の目的を、本明細書に記載のガスタービン負荷の変動制御方法を提供することにより達成する。

ひとつの例示的実施形態において、前記方法は、前記タービンの回転数領域において所定の最大値を上回る回転数の増加と全体的な負荷の減少とが見られる場合に、燃焼器に流入する気体燃料の流量を所定の最小値まで減じる段階と、前記タービンが通常機能モードまたは予混合火炎モードで動作している場合に、バーナの選択的供給シーケンスを起動させる段階と、複数の調節可能な静翼の角形成を改変することによって圧縮機の回転速度を減じる段階と、１つ以上のアンチサージ弁と１つ以上の吐出ブリードとを開くことによって前記燃焼器の入口における空気流量を減じる段階とを含む。

本発明の例示的実施形態に従ったガスタービン負荷の変動制御方法の特徴および利点が、添付の略図を参照しながら、以下の具体的かつ非限定的な説明を読むことにより、より明らかとなる。

図１に、一般的なガスタービンの略図を示す。本例において、前記ガスタービンは、二軸式であり、圧縮機１０内に吸気ダクト１２を介して導入される空気を圧縮できる圧縮機１０を含む。圧縮空気はその後、燃焼器１４に送られて、供給ダクト１６から到来する気体燃料と混合される。これによる燃焼によって、ガス流の温度と速度と体積とが増加し、従ってガス流に含まれるエネルギーが増加する。この燃焼ガス流は、ダクト１８を介してタービン２０の方へと導かれ、前記タービンがこのガスのエネルギーを、例えば軸２４によりタービン２０に接続される発電機２２等の作業機械を作動させる仕事エネルギーに変換する。タービン２０はさらに、圧縮機１０の作動に必要なエネルギーを、軸２６を介して供給する一方で、排気ガスが、タービン２０により排気ダクト２８を介して排出される。

図２に、例示的な燃焼器１４の略断面図を示す。本例において、燃焼器１４は、多管式である。燃焼器１４は、該燃焼器１４の軸のまわりにおいて周方向に配置される複数のバーナ３０、３２、３４、３６および３８を備える。

各バーナ３０〜３８は、少なくとも１つの第１のマニホルド４０および少なくとも１つの第２の燃料添加マニホルド４２と関連して配置されるとともに、バーナそのものの内側において気体燃料を添加する少なくとも１つのパイロットインゼクタ４４と１つ以上の主インゼクタ４６とを備える（図３参照）。第１の添加マニホルド４０と連通するとともに特に中央に配置されるパイロットインゼクタ４４は、拡散火炎モードにおいて機能する燃焼ノズルによって構成されており、従ってタービンの点火段階において作動する。他方、一般にパイロットインゼクタ４４のまわりにおいて第２の添加マニホルド４２と連通して配置される主インゼクタ４６は、混合気を生成し、タービンが予混合火炎モードにおいて通常に機能する。

図４に、装置の機能状態の操作に関与する構成要素、すなわち圧縮機１０の入口に配置される複数の調節可能な静翼４８（技術的には「入口案内翼」またはＩＧＶとして知られる）と、１つ以上のアンチサージ弁５０（またはＡＳＶ）と圧縮機１０の出口に配置される１つ以上の吐出ブリード５２（またはＯＢＢ）との略図を示す。これらの構成要素によって、始動／負荷増加段階と、拡散火炎モードおよび予混合火炎モードの移行時とにおいて、圧縮機１０から空気を抽出することができる。

調節可能な静翼４８は、好適に回転することにより後続の固定静翼へと向かう通路面積を改変し、従って空気流量の変量が決定されることにより、圧縮機１０の速度条件を変化させることができる。アンチサージ弁５０は、通常的に装置の始動および運転停止段階で用いられ、圧縮機１０の速度と空燃比とタービン２０の入口における流量との調整に用いられる。最後に、吐出ブリード５２は、通常的に、拡散火炎モードと予混合火炎モードとの間における移行時の空燃比とタービン２０の入口における流量との調整に用いられる。

給気部の突然の遮断によって全体的な負荷が突然減少すると、タービン２０の回転数領域が増加するので、タービン２０そのものの保護手順を実行しなければならない。従って、タービン２０がある所定の値の回転数に達すると、直ちに負荷遮断手順が実行される。この手順には、一連の修正動作、とりわけ燃料流量および装置のさまざまな構成要素を調整することが含まれる。

特に前記の手順は、第一に、燃焼器１４に流入する気体燃料の流量を所定の最小値に減じようとするものである。タービン２０が通常機能または予混合火炎モードで動作している場合は、以下により詳細に説明されるように、バーナ３０〜３８の選択的供給シーケンスが実行される。他方、タービン２０が拡散火炎機能モードで動作している場合は、前記のバーナ３０〜３８の選択的供給シーケンスが実行されることはない。

さらに、調節可能な静翼４８の角形成が調整され、吐出ブリード５２とアンチサージ弁５０との両方が完全に開かれることによって、燃焼器１０の入口における空気流量が減じられる。

そして最後に、タービン２０の機能モードを予混合火炎から拡散火炎モードに転換する可能性、またはその逆に転換する可能性が中止される。

バーナ３０〜３８の選択的供給シーケンスにおいては、所定の大量の、好ましくは可能な限りの最大量の燃料が最初に第１のバーナ３０に供給される。タービン２０側における全体的な燃料需要が第１のバーナ３０に供給可能な燃料の最大量を上回る場合は、第２のバーナ３２に供給されうる燃料が最大量に達するまで、第２のバーナ３２に所定の大量の燃料が供給される。タービン２０側における全体的な燃料需要が、またしても第１のバーナ３０と第２のバーナ３２とに供給可能な燃料の最大量を上回る場合は、第３のバーナ３４に燃料が供給される。

一旦タービン２０の回転数領域が所定の最大値未満に復帰すると、通常速度での機能状態を制御する制御論理が負荷遮断の制御論理に置換される。具体的には以下のとおりである。

１）燃料流量は、タービン２０の電子制御システムにより要求される燃料需要に従って引き続き制御される。

２）燃料供給は、第１のバーナ３０を介してのみ続けられる。装置が拡散火炎モードで動作している場合は、この機能が実行されることはない。

３）調節可能な静翼４８とアンチサージ弁５０と吐出ブリード５２とが、通常機能モードで用いられる標準の論理に従った機能状態に復帰する。

そして最後に、タービン２０の回転速度が、タービン２０の公称値または動作値に近くなるまで低下した後に、温度制御が燃焼器１４の内側において実施される。この制御が奏功し、かつタービン２０が通常機能または予混合火炎モードで動作している場合は、拡散火炎機能モードへ移行し、これを以って負荷遮断手順が完了する。

すなわち、負荷遮断手順の終了時点において、タービンは、燃焼器が拡散火炎モードで動作する空転または「全速無負荷」状態となる。

突然の部分的な負荷減少の場合は、燃焼器１０における火炎損失と燃焼器１０そのものにおける力学的不安定現象とが、前記の論理を単に部分的に適用することによって防がれる。特に、燃焼器１０における空気流の部分化および燃料流の再分配のみが適用される一方で、調節可能な静翼４８の位置もアンチサージ弁５０および吐出ブリード５２の開／閉位置も改変されない。

これにより、例示的実施形態に従ったガスタービン負荷の変動制御方法によって、上述の特定の目的を達成できることがわかる。実際に、実験により、本発明の態様に従った制御方法が適用されたガスタービンは、一連の負荷遮断手順を、全体的および部分的のいずれの場合も装置においていかなる燃焼の問題または誤動作も伴うことなく、有利に処理できることがわかった。

かくして企図された本発明の例示的実施形態によるガスタービン負荷の変動制御方法を、様々に改変および変更することができ、かかる改変および変更は全て本発明の範疇に含まれるものとする。

従って、本発明の特許可能な範囲は、添付の特許請求の範囲により定められる。

本発明の例示的実施形態に従った、負荷の変動制御方法が適用されるガスタービンの略図である。 図１のガスタービンの燃焼器の一実施例の略横断面図である。 前記燃焼器の内側の気体燃料供給用インゼクタの略断面図である。 ガスタービンの機能状態の制御および操作に必要な種々の構成要素と、それらの機能とを示す略図である。

Claims (8)

1. 吸気ダクトを介して導入される空気を圧縮できる、少なくとも１つの圧縮機と、
   前記圧縮空気と供給ダクトから到来する気体燃料とを混合して燃焼させる、少なくとも１つの燃焼器と、
   前記燃焼器のチャンバから到来する燃焼ガスのエネルギーを、１つ以上の作業機械を作動させるための仕事エネルギーに変換できる少なくとも１つのタービンとを有し、
   前記燃焼器は複数のバーナを備えるとともに、
   前記圧縮機は複数の調節可能な静翼と１つ以上のアンチサージ弁と１つ以上の吐出ブリードとを備える型式のガスタービンにおいて負荷を減少させる制御方法であって、
   前記ガスタービンの回転数領域において所定の最大値を上回る回転数の増大および負荷の全体的な減少が見られる場合に、前記燃焼器に流入する気体燃料の流量を所定の最小値まで減じる段階と、
   前記ガスタービンが前記燃焼器が予混合火炎モードで動作している場合に、前記バーナの選択的供給シーケンスを起動させる段階と、
   前記複数の調節可能な静翼の角形成を改変することによって、前記圧縮機の回転速度を減じる段階と、
   前記１つ以上のアンチサージ弁と前記１つ以上の吐出ブリードとを開くことによって、前記燃焼器の入口における空気流量を減じる段階と、
   を含む方法。
2. 前記ガスタービンの電子制御システムを介して、前記燃焼器の機能モードを予混合火炎モードから拡散火炎モードへ転換することまたはその逆に転換することを中止する段階をさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記バーナの前記選択的供給シーケンスにおいて、所定の大量の気体燃料を第１のバーナに供給する段階をさらに含む、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記ガスタービン側における全体的な気体燃料需要が前記第１のバーナに供給可能な気体燃料の最大量を上回る場合に、所定の大量の気体燃料を第２のバーナに供給する段階をさらに含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記ガスタービン側における全体的な気体燃料需要が、前記第１のバーナと前記第２のバーナとに供給可能な気体燃料の最大量を上回る場合に、所定の大量の気体燃料を、少なくとも第３のバーナに供給する段階をさらに含む、請求項４に記載の方法。
6. 一旦前記ガスタービンの回転数領域が前記所定の最大値未満に復帰したときに、
   前記ガスタービンの電子制御システムを用いて前記気体燃料の流量を制御し、
   前記ガスタービンが前記燃焼器が予混合火炎モードで動作している場合に、気体燃料を第１のバーナのみに供給し、
   前記複数の調節可能な静翼と前記１つ以上のアンチサージ弁と前記１つ以上の吐出ブリードとを、前記タービンの通常機能モードで用いられる標準論理に従った機能状態に復帰させる、
   段階をさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記ガスタービンの前記回転数領域において請求項１に記載の前記所定の最大値を下回る回転数の増加および部分的な負荷の減少が見られる場合に、
   前記ガスタービンの電子制御システムを用いて前記気体燃料の流量を制御し、
   前記ガスタービンが前記燃焼器が予混合火炎モードで動作している場合に、前記第１のバーナと、存在する場合には第２のバーナと少なくとも第３のバーナとに対する所定の大量の気体燃料の供給を維持し、
   前記複数の調節可能な静翼と前記１つ以上のアンチサージ弁と前記１つ以上の吐出ブリードとを、前記タービンの通常機能モードで用いられる標準論理に従った機能状態に復帰させる、
   段階をさらに含む、請求項３〜５のいずれかに記載の方法。
8. 前記ガスタービンの回転数領域が実質的に前記ガスタービンの公称値または動作値まで低下すると、前記燃焼器の内側において温度制御を実施する段階と、
   前記温度制御が奏功し、かつ前記燃焼器が予混合火炎モードで動作している場合に、前記燃焼器の機能モードを予混合火炎モードから拡散火炎モードへ移行する段階と
   をさらに含む、請求項６又は７に記載の方法。
   

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