JP5732519B2 - ガスタービンの燃料供給圧力要件を低下させるための圧力制御方法及びシステム - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンの燃料供給圧力要件を低下させるための圧力制御方法及びシステムに関する。

全ての起こり得る運転条件下で、ストレーナ、バルブ、配管及び燃料ノズルによる損失を克服しかつガスタービンの燃焼室に流入するための推進力を燃料に与えるためには、最低ガス燃料供給圧力が必要となる。

既存のガス燃料制御システムは、外気温度条件に関係なく全速度無負荷（ＦＳＮＬ）からベース負荷まで一定のガス燃料供給圧力要件（Ｐ２圧力要件とも呼ばれる）に基づいている。この一定に固定した要件は、最悪ケースの条件、すなわち特定サイトについての外気最低温設計温度である最低温日におけるベース負荷に基づいている。ガス燃料供給圧力が制御システムの圧力要件よりも低い場合には、ガスタービンは、始動しなくなる。運転中にガス燃料供給圧力が制御システム要件よりも２０ｐｓｉほど低くなった場合には、制御システムは、所定の低負荷運転モードへ戻り始め、次にオペレータ操作が必要となる。

供給源のガス供給圧力が一定のガスタービン供給要件よりも低くなることが予測される場合には、ガスタービン運転可能性を保証するために高価なガス燃料圧縮機が必要となる。しかしながら、このことは、プラント所有者に初期投資として数百万ドルの費用負担をかけかつ多くの補助動力負荷を消費することになる極めて高価な解決策となる。実際には、ガス圧縮機は、実際の必要圧力が遙かに低い場合であっても外気低温日の供給圧力要件までガス燃料を加圧し、それによって数百キロワットを浪費することになる。
米国特許第６，１４５，２９７号公報 米国特許第６，０９２，３６２号公報 米国特許第４，５８３，３６０号公報 米国特許第４，５０６，５０４号公報

本発明の実例実施形態よると、ガスタービンを最悪ケースの条件で決定した供給圧力よりも低い供給圧力で始動及び運転する、従ってその運転可能幅を増大させるのを可能にし、高価なガス燃料圧縮機の必要性を減少又は可能な限り排除する方法及び制御システムを提供する。

従って、本発明は、ガスタービン燃焼器において圧力制御バルブから複数の燃料ノズルのガス制御バルブに燃料供給するための燃料圧力基準を決定する方法として具現化することができ、本方法は、燃料ノズルに対する上流側の第１の必要燃料圧力を決定する段階と、第１の必要燃料圧力に基づいてガス制御バルブの上流側の最低許容圧力要件を決定する段階と、最低許容圧力要件に基づいて圧力制御バルブの制御のための燃料圧力基準を決定する段階とを含む。

本発明はまた、複数の燃料ノズルと該燃料ノズルに対する燃料供給圧力を制御するための圧力制御システムとを備えたガスタービン燃焼器として具現化することができ、本ガスタービン燃焼器は、主燃料パイプと燃料ノズルへの分配燃料パイプとを含みかつ上流の燃料入口から燃料ノズルに流れるガス燃料のための通路を形成した燃料パイプと、燃料ノズルへの分配燃料パイプ内の燃料流量を制御するための燃料流量制御バルブと、燃料流量制御バルブの上流側において主燃料パイプ内に配置された圧力制御バルブとを含み、制御システムは、圧力制御バルブの下流側の圧力及び燃料流量制御バルブを通る流量を制御するように該圧力制御バルブ及び燃料流量制御バルブに作動的に結合され、制御システムは、圧縮機吐出圧力に基づいて圧力制御バルブの制御のための燃料圧力基準を選択的に設定する。

本発明のこれらの及びその他の目的及び利点は、添付図面と関連して行う本発明の現時点での好ましい例示的な実施形態に関する以下のより詳細な説明を注意深く検討することによってさらに十分に理解されかつ納得されるようになるであろう。

ベース負荷ガス燃料供給圧力要件対外気温度を概略的に示すグラフ。 従来技術によるＴＮＲベースのＰ２圧力要件を概略的に示すグラフ。 本発明の実例実施形態による変調圧力制御を使用した運転可能幅の増大の概略説明図。 本発明を具現化した圧力制御システムの概略図。 本発明の実例実施形態による最低許容圧力要件の由来を概略的に示すグラフ。 本発明の実例実施形態によるＰ２圧力基準選択の概略説明図。

上述のように、既存のガス燃料制御システムは、最悪ケース条件により決定された一定のガス燃料供給圧力要件に基づいている。しかしながら、実際のガスタービン供給圧力要件は、外気条件及びガスタービン圧縮機圧力比の関数である。従って、外気温度が一定の固定した要件を決定したサイトの最低値より高くなった場合に、事前設定した一定の要件と実際のガスタービン要件との間の差が大きくなる。（図１）
本発明は、従来方式のガス燃料制御原理を具現化した従来型の一定の最悪ケース要件に従うのではなく、ガス燃料供給圧力要件を外気条件の関数としてスライドさせることを可能にすることによって現在の理論的枠組みを変えようとするものである。本発明を具現化したスライディング又は変調圧力制御の目的は、従来方式の制御原理により可能であったよりも低いガス燃料供給圧力でガスタービンを始動及び運転するのを可能にすることにある。従って、上述のように、本発明は、それ以下ではガスタービンが始動しなくなるガス燃料供給圧力要件を、例えば外気温度、外気圧力及びガスタービン負荷の関数として決定するのを可能にする圧力制御方法及びシステムを提供する。

本発明の実例実施形態では、圧力制御システムは、その一部は外気温度、外気圧力及びガスタービン負荷を考慮した圧縮機吐出圧力に基づいて燃料供給圧力要件を設定する。供給圧力要件は、全ての起こり得る運転モードについて算出され、また圧縮機吐出圧力の関数としてプロットされる（例えば、以下に述べる図３、図５及び図６の概略図を参照されたい）。

図３では、点線は、あらゆるガスタービン負荷において一定の数値である現行の供給圧力要件を示す。実線は、本発明の実例実施形態による圧力要件を示す。これらの供給圧力要件間の陰影領域は、既存の制御原理では運転不能であるが、本発明のこの実例実施形態による変調圧力制御では運転可能になる。明らかなように、外気低温日のベース負荷圧力要件は、水平点線が変調圧力要件制御を表す実線と交わるグラフの上方右コーナ部の位置になる。ベース負荷で運転している時に供給圧力がこの要件以下に低下した場合には、制御システムは、実線の圧力要件ラインに沿ってガスタービンの負荷を外す。

スライディング又は変調圧力制御のバージョンが、ウェールズのＢａｇｌａｎ Ｂａｙにおけるサイトの９Ｈフレームガスタービン上に実装されている。しかしながら、このスライディング圧力制御のバージョンは、燃料供給圧力（Ｐ２圧力）が所定の設定値以下に低下した時に、ガス制御バルブが非チョーク状態になり、燃料流量の無制御状態を引き起こすのを防止するための単なる保護手段である。従って、Ｂａｇｌａｎ Ｂａｙにおいては、スライディング圧力制御は、通常運転モードではなく、異常状態で起動するのみである。さらに、必要な最低燃料供給圧力は、速度−負荷基準（ＴＮＲとも呼ばれる）（図２）の関数である。

速度負荷基準（ＴＮＲ）は、ガスタービン負荷の良好な指標となるが、燃料圧力要件の算出に影響を与えるガスタービンパラメータの全てを考慮するものではない。本発明は、代わりに圧縮機吐出圧力（ＣＤＰ）を使用して燃料圧力を制御するより有効な方法を提案する。ＴＮＲを使用することの欠点としては、（１）Ｐ２圧力基準は、配電網周波数変化に反応しないこと、（２）ＴＮＲベースの制御は、特定の負荷経路を前提としており、従って外気条件に合わせてバイアス（補正）しなければならないこと、及び（３）ＴＮＲは、シーケンスを制御するのを複雑にし、外気温度センサ又は部分負荷における入口抽気熱（ＩＢＨ）に合わせて補正したＣＴＩＭの使用を必要とすることが含まれる。ＣＤＰを使用することの利点としては、（１）ＣＤＰは、燃料供給圧力が克服しなければならないシンク圧力をより多く表しており、従って良好な制御パラメータとなること、及び（２）ＣＤＰは外気温度に合わせて補正する必要性がないことが含まれる。

図４を参照すると、ガスタービン内に含まれる燃料圧力制御システムを概略的に示しており、燃料圧力制御システムは、主燃料パイプ１２とノズルへの分配パイプ１４、１６、１８、２０とを含みかつ上流の入口から燃料ノズルまでの燃料のための通路を形成した複数の配管を有するものとして示している。一例として、燃料をそれぞれの複数の燃料ノズル２２、２４、２６、２８に導くための４つの燃料マニホルドをさらに示しており、説明を分かり易くするために、各マニホルドに対してこれら燃料ノズルの１つのみを示している。符号１０で概略的に示した制御システムは、それぞれの分配パイプに関連するガス流量制御バルブ３０、３２、３４、３６のそれぞれの開度を制御してそれら分配パイプに対する流量制御を行うための燃料流量制御信号を提供する。制御システムはさらに、停止／速度比バルブ３８を制御することによって主燃料パイプ１２内の圧力を制御するための圧力制御信号を提供し、また圧力変換器４０が、制御システムに対するフィードバックのためにバルブ３８の出口側に接続される。

図４で符号を付したように、Ｐ１圧力は、ストレーナ４２の下流側かつ補助停止バルブ４４及び停止／速度比バルブ３８の上流側の圧力であり、一方、Ｐ２圧力は、停止／速度比バルブ３８の下流側のかつガス制御バルブ３０、３２、３４、３６に供給される圧力である。従って、バルブ３８は、燃料の圧力を所定の圧力Ｐ２に調整する。次に、Ｐ２圧力である（初期には）燃料は、主燃料パイプ１２を通ってそれぞれのガス流量制御バルブ３０、３２、３４、３６に流れ、これら制御バルブは燃料の流量を所定の流量に調整し、この燃料は、分配パイプを通して所定の流量でそれぞれの燃料マニホルドに供給され、続いてガスタービン燃焼気内での燃焼のために各ノズルに供給される。従って、停止／速度比バルブ３８の開度は、制御システムによって与えられた圧力制御信号に基づいて調整される。同様に、制御バルブの開度は、制御システムによって与えられた流量制御信号に基づいて調整される。

本明細書で使用する場合の燃料圧力基準、Ｐ２基準、Ｐ２供給要件及び同様の技術用語は、それらの全てが同じものを意味する用語である。勿論、「基準」という用語は、閉ループ制御における設定値を記述する一般的工業規格制御用語である。この場合には、Ｐ２基準は、所定の制御曲線に基づいて燃料ガス圧力を制御するために使用する停止／速度比バルブ３８の設定値である。言い換えれば、Ｐ２基準は、ＳＲＶに対する制御装置からの要求値である。既存のシステムは、一定のＰ２燃料圧力基準を有するが、本発明のスライディング又は調整圧力制御は、本明細書での開示の焦点である可変Ｐ２基準を導入する。

実例実施形態における図６を参照すると、Ｐ２基準は、３つの制御曲線、すなわち最低許容圧力要件（チョーク状態圧力要件）、使用可能供給圧力及びベース負荷要件の中央値である。最低圧力要件曲線は、本明細書で図５に関して以下に詳述するチョーク状態ガス制御バルブ３０、３２、３４、３６を維持するために必要な最低ガス燃料段間（Ｐ２）圧力である。供給圧力曲線は、停止／速度比バルブ３８（ＳＲＶ）の上流側の測定Ｐ１圧力からＳＲＶにおける一定の圧力損失を差し引いたものである。ベース負荷圧力要件は、図３に示す既存の圧力スケジュールの最小値及びその同一スケジュールの外気補正値である。外気補正値は、本質的にベース負荷運転に必要なガス燃料圧力であり、圧縮機入口温度（ＣＴＩＭ）に基づいて増大又は減少することになる。

Ｐ２圧力基準は外気低温日ベース負荷以外の条件下では下がる可能性が高いので、開ループ制御式バルブ位置制御のためのガス制御バルブスケーリングゲインにＰ２補正係数が適用されてきた。このスケーリングゲイン補正は、新たなスライディング又は変調Ｐ２基準のために全燃料要求量を補正するのに役立つ。これにより、全燃料流量が減少してガスタービン出力が低下してしまうのを防ぐ。補正係数は、次式に示す元のＰ２基準（Ｐ_{2ref,original}）と変調Ｐ２基準（Ｐ_{2ref,modulated}）との比である。

始動の許容状態は、供給圧力がスピニングリザーブで運転するのに必要な圧力又はそれ以上の圧力になった時にガスタービンの始動が可能になるように修正された。さらに、実例実施形態では、供給圧力が予混合モードに必要な圧力よりも低い時にオペレータがマスター制御始動ボタンを押した場合に、例えば「予混合運転にはガス燃料圧力が低すぎる。始動を継続するか？」などを記載したポップアップボックスがＨＭＩスクリーン上に出現することになる。このような特徴により、低い供給圧力状態が存在していることを認識した状態でオペレータが装置を始動させるか否か決定することが可能になる。

保護処置は、最低必要圧力Ｐ２以上の閾値において負荷上昇阻止を含むように修正されており、これにより、このガスタービンユニットは使用可能圧力限界点のみまで負荷をかけることが可能になる。ガスタービンがこの限界点に負荷を増大させることが可能になった場合には、図６によると、供給圧力最低要件が高められることになる。何れかのガス制御バルブ３０、３２、３４、３６又はＳＲＶ３８が最大許容位置に達した時に、ユニットは、自動的に出力を低下させることになる。この自動負荷低下は、開ループガス制御のバルブ分配制御に持ち込まれた誤りに起因して、燃焼器不安定性又は高い動的挙動による設備損傷を引き起こす可能性がある非チョーク状態バルブでの運転からガスタービンを保護するためのものである。供給圧力が最大減少速度を越えた場合には、タービンは、自動的にスピニングリザーブに向うことになるが、この位置ではガスタービンは、圧力減少を越えるのに十分なほど速い速度で負荷を外すことができない。タービントリップの代わりに、補助燃料への自動移行をオプションとして付加することができる。この移行は、供給圧力が、ｆ１（図６を参照されたい）の水平部分よりも低くなった時に起こる。

算出法
燃料圧力＝ｆ（ＣＤＰ、燃料流量、燃料温度、ノズルＡｅ）であり、ここで、ＣＤＰ＝圧縮機吐出圧力であり、またノズルＡｅ＝ノズル有効面積（上流側及び下流側の圧力、速度及び温度に応じて決まる「補正」物理的面積。この補正面積は、「吐出係数」（Ｃｄ）と呼ばれる倍増係数を使用する。）である。

燃料ノズルに対する上流側の燃料圧力（Ｐ４）は、非チョーク状態ノズル圧力比の場合には、次式によって与えられ、

また、チョーク状態ノズル圧力比の場合には、次式によって与えられる。

式中、
Ｍ＝燃料流量（ｌｂ／ｓｅｃ）
Ｐｃｃ＝ＣＤＰ−燃焼器圧力損失
Ａｅ＝ノズル有効面積
ｇ＝重力による加速度（ｆｔ／ｓｅｃ²）
ｋ＝比熱比（Ｃ_P／Ｃ_V）
Ｒ＝一般ガス定数（ｌｂｆ．ｆｔ／ｌｂｍ．Ｒ）
Ｔ＝燃料温度（ランキン度）、である。

オリフィス、ノズル又はバルブを通る流量は、上流側及び下流側圧力条件の関数である。これらの圧力比により、流量が決定される。この比が「臨界圧力比」と呼ばれる一定の数値以上になると、バルブ（又はオリフィス又はノズル）はチョーク状態と見なされる。この圧力比以上のあらゆる位置において、バルブを通る質量流量は一定である。一般的なガス燃料ノズルは、臨界圧力比以下で作動するように設計されている。ガス燃料ノズルの臨界圧力比（ＣＰＲ）は、そのｋ（Ｃ_P／Ｃ_V比）の関数であり、一般的なＣＰＲは１．７８である。従って、通常運転の場合、燃料ノズルは常に非チョーク状態で作動し、ガス制御バルブはチョーク状態で作動する。しかしながら、最新の燃焼システムは、各回路中に非常により多くの燃料分割形態を有し、チョーク状態ノズル圧力比は、極めて多くの燃料分割及び比較的より小さい寸法のノズルを備えた少なくない事例で観察された。我々の燃料システムにおいてＰ４を算出するために、反復方法を使用して流量及びノズル圧力比（ＮＰＲ）を算出した。この方法では、我々は、先の反復法において算出したＮＰＲに基づいてＰ４式を選択した。

最低許容要件の燃料ガス供給圧力ｆ１及びｆ２は、次式、
燃料供給圧力（ｆｘ）＝Ｐ４＋配管圧力損失＋ガス制御バルブ圧力損失
として算出することができる。

「配管圧力損失」は、ガス制御バルブから燃料ノズルまで燃料を搬送する配管の湾曲部及び屈曲部によるものである。この圧力損失は、境界条件で僅かに変化するが一定と見なせる。この常数は、これまでの工業技術の経験に基づいている。

「ガス制御バルブ圧力損失」もまた、一定の圧力損失と見なせる。この数値は、バルブ製造者に由来する倍増係数である。

上記で算出した最低許容要件の燃料供給圧力要件の実例を図５に示している。ピーク部及び谷部は、燃焼システムモードの移行を表す。曲線ｆ１及びｆ２は、最低許容圧力要件を構成し、谷部は無視したがピーク部を克服するのに十分な圧力を可能にする。従って、図３及び図６に示すｆ１／ｆ２曲線の水平域は、図５に示すような最大中間圧力スパイクに基づいている。

従って、従来方式の制御原理とは対照的にまた上述したＢａｇｌａｎ Ｂａｙにおける圧力制御とは対照的に、本発明の実例実施形態によるガス制御バルブの上流側の燃料圧力基準（Ｐ２基準又はＰ２供給要件）は今や、より温暖な日の下限燃料圧力要件の利点を取り入れた外気温度の関数である。

本発明の主な利点は、一定の最悪ケース要件ではなくて実際のハードウェア要件に基づくことになる低いガス燃料供給圧力でガスタービンを始動しかつ該ガスタービンを運転することができることである。変調圧力制御ストラテジは、供給圧力が供給圧力要件以下に低下した時には必要なだけガスタービン負荷を減少させることになりかつ供給圧力が回復するとガスタービンに再び負荷をかけることを可能にすることになる。

さらに、圧縮機吐出圧力の関数としての低い供給圧力要件により、外気温度がより高温になる夏期の期間中にプラントのガス圧縮機を停止させることが可能になる可能性がある。多くの場合において、ガス圧縮機の必要性を排除することができる。

現時点で最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものについて本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。

１０ 燃料圧力制御システム
１２ 主燃料パイプ
１４、１６、１８、２０ 分配パイプ
２２、２４、２６、２８ 燃料ノズル
３０、３２、３４、３６ ガス流量制御バルブ
３８ 停止／速度比バルブ
４０ 圧力変換器
４２ ストレーナ
４４ 補助停止バルブ

Claims (7)

1. 複数の燃料ノズル（２２、２４、２６、２８）と該燃料ノズルに対する燃料供給圧力を制御するための圧力制御システム（１０）とを備えるガスタービン燃焼器であって、当該ガスタービン燃焼器が、
   主燃料パイプ（１２）と前記燃料ノズル（２２、２４、２６、２８）への分配燃料パイプ（１４、１６、１８、２０）とを含む燃料パイプであって、上流の燃料入口から前記燃料ノズルに流れるガス燃料のための通路を形成する燃料パイプと、
   前記燃料ノズル（２２、２４、２６、２８）への前記分配燃料パイプ（１４、１６、１８、２０）内の燃料流量を制御するための燃料流量制御バルブと、
   前記燃料流量制御バルブ（３０、３２、３４、３６）の上流側において前記主燃料パイプ（１２）内に配置された圧力制御バルブ（３８）と
   を含んでおり、
   前記圧力制御システム（１０）が、前記圧力制御バルブ（３８）の下流側の圧力Ｐ２及び前記燃料流量制御バルブ（３０、３２、３４、３６）を通る流量を制御するように該圧力制御バルブ及び燃料流量制御バルブに作動的に結合され、
   前記圧力制御システムが、圧縮機吐出圧力（ＣＤＰ）に基づいて前記圧力制御バルブの制御のための燃料圧力基準を選択的に設定する、
   ガスタービン燃焼器。
2. 前記圧力制御システム（１０）が、前記燃料流量制御バルブ（３０、３２、３４、３６）のチョーク状態作動を維持するための最低必要燃料圧力に基づいて前記圧力制御バルブ（３８）の制御のための前記燃料圧力基準を選択的に設定する、請求項１記載のガスタービン燃焼器。
3. 前記圧力制御システム（１０）が、前記最低必要燃料圧力、使用可能供給圧力及びベース負荷燃料圧力要件に基づいて前記燃料圧力基準を設定する、請求項２記載のガスタービン燃焼器。
4. 前記ベース負荷燃料圧力要件が、外気低温日のベース負荷圧力要件に基づいている、請求項３記載のガスタービン燃焼器。
5. 前記ベース負荷燃料圧力要件が、圧縮機入口温度（ＣＴＩＭ）に基づいて予め補正された外気低温日のベース負荷燃料圧力要件に基づいている、請求項３記載のガスタービン燃焼器。
6. 前記最低必要燃料圧力が、燃料ノズルに対する上流側の第１の必要燃料圧力Ｐ４、前記燃料流量制御バルブ（３０、３２、３４、３６）と前記燃料ノズルとの間の配管圧力損失、及び燃料流量制御バルブ圧力損失に基づいて決定される、請求項２記載のガスタービン燃焼器。
7. 前記圧力制御システム（１０）が、前記圧縮機吐出圧力（ＣＤＰ）に基づいて前記第１の必要燃料圧力Ｐ４を選択的に決定する、請求項６記載のガスタービン燃焼器。