JP6224249B2 - 燃料導管の洗浄を改善するためのバイパス導管を有するガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、燃料の燃料導管からの押出しによる洗浄（Verdraengungsspuelung）において、改善された洗浄挙動を有するガスタービンと、当該ガスタービンを運転するための方法と、に関する。

オイル等の液体燃料でガスタービンを運転する場合、燃料導管に留まるオイル残滓が燃焼又は炭化し、破損及び運転の妨げにつながることがないように、定期的に燃料導管を水で洗浄することが必要である。出願人に知られた内部の先行技術によると、ガスタービンには、典型的に、洗浄水導管を通じて、洗浄水が圧力下で供給されるので、圧力下にある洗浄水は、燃料導管内に存在する燃料を、洗浄のために除去することができる。その際、押出しによる洗浄が行われ、押出された燃料は、洗浄水の一部と共に、ガスタービンへの供給を行う燃料貯蔵容器へ戻され得る。この再循環が、不適切に長い時間にわたり、特にガスタービンが停止している間に行われると、ガスタービンの圧縮機終圧が低くなり得るので、燃料又は洗浄水が希望に反して、燃料導管から燃焼器へ、従ってガスタービンの燃焼室へ侵入することを防止するためには、押出しによる洗浄を停止しなければならない。

この点において、先行技術から知られた洗浄プロセスは、この種の欠点を回避するために、洗浄時間を、特にガスタービンが停止している場合に制限している。この場合、安全な運転を保証するために、３０秒より短い洗浄時間が選択されることが一般的である。

しかしながら、このような時間的な制限は、燃料導管の洗浄を、洗浄水を用いて十分完全には行うことができず、さらに、望ましくないことに、大量の液体燃料が燃料導管に残存し得るという点で不利である。この点において、燃料導管の洗浄を改善することが可能であるガスタービンを提案するという技術的な必要性が生じる。同様に、先行技術から知られた欠点を回避し、ガスタービンの燃料導管の洗浄を改善し、より効果的にすることができる方法を提案すべきである。これは、特にガスタービンが停止している間に行われるべきである。

本発明の課題は、請求項１に記載のガスタービンによって、及び、請求項５に記載の、上述及び後述のガスタービンを洗浄するための方法によって解決される。

特に、本発明の課題は、燃焼器を有するガスタービンによって解決され、当該ガスタービンは、少なくとも１つの燃料供給導管と、少なくとも１つの燃料排出導管とを有しており、当該燃料供給導管には、洗浄水導管が流体技術的に接続されており、当該燃料排出導管には、漏出オイルタンクが、排流導管（Drainageleitung）を通じて、流体技術的に接続されており、燃料排出導管と排流導管との接続は、燃料排出導管内の少なくとも１つの閉止弁の下流の地点において行われており、少なくとも１つの閉止弁の上流では、バイパス導管が、燃料排出導管と流体技術的に接続されており、当該バイパス導管は、燃料排出導管を、漏出オイルタンクと流体技術的に接続している。

さらに、本発明の課題は、ガスタービン、特に上述及び後述のガスタービンを洗浄するための方法によって解決され、当該方法は以下のステップを有している：
‐洗浄水を、洗浄水導管から燃料供給導管へ圧力下で導入し、洗浄水が、燃料の少なくとも一部を、燃焼器の方向において燃料供給導管に押し出すステップ；
‐燃料を、洗浄水を用いて、燃料排出導管から排出するステップ；
‐燃料排出導管内の燃料の排出の一部を、時点Ｔ１において燃料排出導管内の閉止弁を閉口させることによって中断するステップ；
‐時点Ｔ１の後に、バイパス導管を通じた、燃料排出導管から漏出オイルタンクへの燃料の排出を維持するステップであって、当該バイパス導管は、閉止弁の上流において、燃料排出導管と流体技術的に接続されているステップ。

ここでまず指摘しておくべきことに、本発明の範囲における燃料導管は、燃料供給導管又は燃料排出導管又はそれらに設けられた補助導管であると理解される。

本発明に係るバイパス導管は、液体燃料を漏出オイルタンクに排出するためにも構成されているか、又は、設けられている。ここで、排出は、押出しの原理を適用した輸送に相当する。

さらに指摘しておくべきことに、本発明に係る漏出オイルタンクは、均圧化のために、典型的には、雰囲気に対して開かれて構成されているか、又は、開かれ得るように構成されている。その限りでは、燃料又は洗浄水を漏出オイルタンクに排出する際に、均圧化が行われ得るので、燃料導管の洗浄に、圧力技術的にネガティブな影響を与え得るような圧力上昇は生じ得ない。

さらに、通常の場合、燃料排出導管及び燃料供給導管は、燃料貯蔵容器と流体技術的に接続されており、燃料貯蔵容器は、典型的にはやはり、雰囲気との均圧化を可能とする。その際、燃料排出導管内の圧力レベルは基本的に、燃料貯蔵容器内の圧力レベルによって決定され、特に燃料貯蔵容器内の液面によって決定される。

ここでやはり指摘しておくべきことに、閉止弁は、燃料導管内の流れを完全に遮断することが可能である。従って、当該閉止弁は、該当する導管内で流れを遮断することができない従来の制御弁又は調整弁とは異なるが、閉口位が可能であるという限りでは、それらの弁と同じでもあり得る。特に、閉止弁は、ボール弁又は急速閉止弁として構成されている。

さらに指摘しておくべきことに、燃料排出導管内の流れの方向は、規則正しい運転の際の流れの方向に該当すべきである。つまり、規則正しい運転において燃料は、燃焼器から、燃料排出導管を通って、例えば燃料貯蔵容器に戻される。従って、燃料排出導管内を燃料が流れる方向は、燃料供給導管内の流れの方向の反対である。なぜなら、燃料供給導管は、燃料を燃焼器に運ぶからである。

本発明によると、ガスタービンをバイパス導管によって拡大することが規定されており、当該バイパス導管は、燃料排出導管内の少なくとも１つの閉止弁を閉じた後にも、さらに燃料を燃料排出導管から漏出オイルタンクに排出することが可能である。つまり、バイパス導管は、燃料貯蔵容器と燃料排出導管の部分との弁技術的な分離を可能にするが、洗浄水導管からの洗浄水を用いた洗浄プロセスは、引き続き時間的に継続可能である。少なくとも１つの閉止弁を閉じた後も洗浄プロセスが継続するので、燃料導管の十分な洗浄を行うことが可能である。

洗浄を改善することによって、燃料導管が、ガスタービンの停止後に有する燃料残滓が、明らかに少なくなることが保証され得る。これは一方では、当該燃料残滓が制御できずに燃焼してしまう危険と、その結果生じる損傷と、を減少させる。同様に、燃料導管内における燃料残滓の炭化現象の軽減に関しても改善がみられる。それによって、燃料が供給されるノズルの詰まりと、その結果生じる運転の制限又はパフォーマンスの低下とを防止することができる。

ここで、再度指摘しておくべきことに、閉止弁が開口している際の燃料排出導管内の圧力は、基本的に、燃料貯蔵容器の圧力によって決定されている。これに対して、洗浄水導管内の圧力は、一般的に明らかに高く（約２０ｂａｒ〜３０ｂａｒ）、従って、燃料供給導管内の燃料を、圧力の低下ゆえに、燃焼器まで押出し、洗浄することができる。しかしながら、燃料を燃料排出導管に押し出すために重要な圧力差は、燃料ノズルに概ね隣接する圧縮機の終圧と、その圧力を燃料排出導管に実質的に加える燃料貯蔵容器の圧力レベルとの圧力差から生じる。このような燃料導管が設けられたガスタービンは、通常の場合、逆流が制御された燃料ノズルを有しているので、圧縮機終圧が、燃料排出導管内の圧力レベルよりも大きい限り、燃料排出導管からの逆流は回避され得る。この圧力差がゼロに近づくか、又は、マイナスである場合に初めて、燃料又は洗浄水が、燃料排出導管から燃料ノズルに逆流することを懸念しなければならない。しかしながら、本発明は、このような逆流を回避することができる。

本発明の特に好ましい第１の実施形態によると、バイパス導管は、少なくとも１つの遮断弁を有している、特に２つの遮断弁を有していることが規定されている。その際、遮断弁はやはり、閉止弁と比較可能なように、導管内の流体の流れを完全に遮断することが可能である。遮断弁は、閉止弁と同様に、例えば急速閉止弁として構成され得るが、別の好ましい実施形態では、ボール弁として構成されている。このとき、２つの遮断弁を設けることは、例えば１つの遮断弁が故障した場合に、第２の遮断弁が遮断機能を果たすことによって、運転の安全性を向上させ得る。バイパス導管に少なくとも１つの遮断弁を設けることによって、洗浄プロセスの間に、バイパス導管を遮断することが可能になり、その後、燃料の排出は、閉止弁が開口している限りにおいて、ただ燃料排出導管を通じてのみ、燃料貯蔵容器へ向かって行われ得るかも知れない。これは、当該洗浄プロセスの間、排流導管が、燃料を漏出オイルタンクに排出するために構成されている限りにおいて、排流導管も同様に遮断されていることを前提としている。しかしながら、一般的には、これは、そういう場合には該当しない。なぜなら、排流導管は、単に少量の燃料を輸送するためにのみ構成されているからである。

本発明のさらなる可能な実施形態によると、排流導管は少なくとも１つの遮断弁を有することが規定されている。上述したように、排流導管の遮断弁は、排流導管内の流体の流れを完全に遮断することができる。それによって、洗浄プロセスの間、排流導管を遮断することができる。同様に、排流導管を意図的に開放し、それ以上は洗浄水によって洗浄できない燃料排出導管の一部区間を空にすることができる。極めて好ましくは、排流導管が圧力軽減導管として構成されており、その横断面は、特にバイパス導管の横断面よりも小さいことが規定されている。その点において、排流導管を、例えばバイパス導管が可能なように、より多くの量の燃料及び洗浄水を排出するために、比較可能な程度に用いることはできない。

このように空にすること、又は、圧力を軽減することは、特に本発明に係るガスタービンのさらなる実施形態において、燃料排出導管が少なくとも２つの閉止弁を有しており、排流導管が燃料排出導管と２つの閉止弁の間で流体技術的に接続されている場合には、有利である。つまり、２つの閉止弁が洗浄プロセスの間、ほぼ完全に閉口している場合、燃料排出導管内で２つの閉止弁の間に存在する燃料は、排流導管を通じて、少なくとも部分的に漏出オイルタンクに排出され得るか、又は、圧力の上昇が効果的に防止され得る。すなわち、排流導管は、何よりも運転時の安全性の向上に寄与し得る。

本発明に係る方法の特に好ましい第１の実施形態によると、洗浄水の洗浄水導管から燃料供給導管への導入は、ガスタービンが停止する場合に行われ、特に少なくとも１．５ｂａｒの圧縮機終圧が依然として優勢である限りにおいて行われる、ということが規定されている。その際、特に好ましくは、圧縮機終圧は、燃料貯蔵容器の圧力レベルを超えている。圧縮機終圧と燃料排出導管内の圧力との間の適切な圧力差ゆえに、燃料も洗浄水も、燃焼器を通って燃焼室に到達することはできない。むしろ、比較的大きな圧縮機終圧は、排出されるべき燃料又は洗浄水が、燃料排出導管を通って、漏出オイルタンクに、又は、再び燃料貯蔵容器に到達し得ることを保証する。圧縮機終圧が、燃料貯蔵容器の圧力レベルよりも低くなって初めて、燃焼器への流出、及び、従って燃焼室への流出が生じ得る。しかしながら、このような現象は回避すべきである。

本発明に係る方法の特に好ましいさらなる実施形態によると、第１の時点Ｔ１よりも大きい第２の時点Ｔ２の後で、バイパス導管内の少なくとも１つの遮断弁が閉口し、それによって、燃料排出導管からの燃料の、バイパス導管を通じた漏出オイルタンクへの排出が中断されることが規定されている。従って、洗浄プロセスは、時点Ｔ２の後で終了する。燃料排出導管を通じた洗浄の継続は、少なくとも１つの閉口した閉止弁によって妨げられる。この点において、第２の時点Ｔ２は、洗浄時間の長さと、従って燃料導管内の洗浄の効率とを決定する。内部の実験に基づいて、出願人は、１分から２分の長さが特に適切であることを発見した。なぜなら、それによって、洗浄水を節約する洗浄プロセスを行うことが可能である一方で、同時に、十分な洗浄効果を得ることができるからである。同様に、出願人は実験において、燃料排出導管内の閉止弁が閉口する第１の時点Ｔ１が、好ましくは３０秒から４５秒であった方が良いことを発見した。

以下に、本発明を、各図面を用いて詳細に説明する。その際、同じ参照符号が付された技術的特徴は、同じ技術的作用を有している。

同様に指摘しておくべきことに、以下に示される本発明の実施形態は、単に概略的であると理解されるべきであり、そこから、本発明の実施可能性に関する制限が導き出されることはない。

さらに、以下の図面に示される技術的特徴はそれぞれ、任意の組み合わせで主張され、この組み合わせは、本発明の課題を解決すべきである。示されているのは以下の図である。

本発明に係るガスタービン１の実施形態の接続を部分的に示した概略図である。 すでに示され、以下にも示されるガスタービンを洗浄するための本発明に係る方法の実施形態をフローチャートで示した図である。

図１は、本発明に係るガスタービン１の実施形態の接続を部分的に示した概略図であり、当該ガスタービンは、燃料分配系４に燃料を供給する燃料供給導管１１の他に、燃料排出導管１２も備えており、当該燃料排出導管を通じて、燃料は再び燃料分配系から取り出され得る。燃料分配系４は、例えば燃料分配リングから構成されても良く、当該燃料分配リングは、ガスタービン１を包囲し、図示されていない分岐管を通じて、燃焼器５（又は、複数の燃焼器５）に燃料を供給する。燃料分配系４は、好ましくは、逆流が制御された燃料ノズルを有している。本図では、燃焼器５は、燃焼室６と共に、概略的に示されている。燃料分配系４の具体的な構成は、本図ではやはり概略的にのみ示されている。

ガスタービン１に供給される燃料は、燃料貯蔵容器３０から取り出される。当該燃料貯蔵容器は、燃料供給導管とも、燃料排出導管１２とも、流体技術的に接続されている。燃料供給導管及び燃料排出導管１２の洗浄は、燃料供給導管１１と流体技術的に接続された洗浄水導管１３からの洗浄水を用いて行われる。その際、洗浄水導管１３はポンプ１９を有しており、当該ポンプは、洗浄水を、図示されていない容器から燃料供給導管に圧力下で輸送し得る。燃料供給導管１１内の洗浄水の燃料貯蔵容器３０への逆流は、参照符号が付されていない弁によって防止されており、当該弁はその際、閉口位に位置している。その点において、洗浄は、ポンプ１９によって圧力が上昇する際に、洗浄水が洗浄水導管１３から燃料供給導管１１に与えられ、それによって、燃料供給導管１１、燃焼器５、及び、燃料排出導管内に存在する燃料が押出されるように行われる。

典型的には、洗浄プロセスは、ガスタービン１が停止している間の時点で開始する。その際、圧縮機の端部には、圧縮機終圧が存在しており、圧縮機終圧は、燃料貯蔵容器３０によって燃料排出導管１２に加えられる圧力よりも大きい。その限りでは、燃料又は洗浄水の、燃焼器５及び燃焼室６への流出が防止される。さらに、燃料は、燃料排出導管１２の方向に押し出され、当該燃料排出導管を通じて、燃料は、閉止弁１６が開口している際に燃料貯蔵容器３０に供給されるか、又は、バイパス導管１５を通じて、遮断弁１７が開口している際に漏出オイルタンクに供給される。

燃料排出導管１２は、本図では、全部で２つの閉止弁１６を有しており、これらの閉止弁は、基本的に同じ機能を果たすことができるが、弁の数を倍にすることによって、より高い運転上の安全性が得られる。燃料排出導管は、燃焼器の最も近くに配設された閉止弁１６の上流で、バイパス導管１５と流体技術的に接続されているので、閉止弁１６が閉口していても、バイパス導管１５を通じて燃料を排出することができる。バイパス導管１５を通じて、漏出オイルタンク２０は、燃料排出導管１２と流体技術的に接続されている。さらに、バイパス導管１５は、２つの遮断弁１７を有しており、当該遮断弁は、閉止弁１６と比較可能なように、バイパス導管１５内の流れを遮断することができる。

漏出オイルタンク２０はさらに、排流導管１４と流体技術的に接続されており、排流導管１４は、２つの閉止弁１６の間で、燃料排出導管１２に合流している。従って、燃焼器５に最も近く配設されている閉止弁１６が閉口している場合、通常は、排流導管１４を通じて、さらなる燃料又は洗浄水を、燃料排出導管１６から漏出オイルタンク２０に排出することはできない。加えて、排流導管１４は、その排出可能な最大の流量に関して一般的には、洗浄プロセスの間に、燃料及び洗浄水を漏出オイルタンク２０に排出するために用いられるようには構成されていない。むしろ、排流導管１４はしばしば、２つの閉止弁１６が適正に閉口している場合に、例えば燃料の一部を漏出オイルタンクに流入させることによって、２つの閉止弁１６の間の、燃料排出導管１２の管の部分における圧力軽減を保証する機能を有している。

さらに、燃料排出導管１２は、燃焼器５に関して最も離れて配置された閉止弁１６の下流の区間で、参照符号が付されていない排出導管（Entleerungsleitung）と流体技術的に接続されている。当該排出導管は、ポンプ１８を有しており、当該ポンプは、漏出オイルタンク内の洗浄水又は燃料を、閉止弁１６が閉口している場合に、燃料貯蔵容器３０内に圧送することを可能にする。

時点Ｔ０で、洗浄プロセスが開始する場合、洗浄水導管１３を通じて、まず洗浄水が燃料供給導管１１に誘導される。燃料供給導管、燃焼器５、及び、燃料排出導管１２内に存在する燃料が押出されるので、燃料は、閉止弁１６が開口し、遮断弁１７が開口している場合に、燃料排出導管１２を通じて、部分的に燃料貯蔵容器３０に誘導され、バイパス導管１５を通じて、部分的に漏出オイルタンク２０に排出される。これは、当然のことながら、上述したように、燃料排出導管１６内の適切な圧力状況を前提としている。次に、第１の時点Ｔ１では、燃料排出導管１２内の２つの閉止弁１６が閉口し、それによって、燃料排出導管１２にはもはや、燃料貯蔵容器３０の圧力が影響を与えることはない。すなわち、圧力の非干渉化が生じる。その限りでは、第１の時点Ｔ１の後は、ただ２つの遮断弁１７のみが、バイパス導管１５内で開口し続けるので、燃料排出導管１２内に排出された燃料は、バイパス導管１５を通じて、漏出オイルタンク１２に排出される。その際、実質的には、漏出オイルタンクが、時点Ｔ１の後で、燃料排出導管１２内の圧力状況を決定する。第２の時点Ｔ２の後、十分に洗浄が行われた場合に、バイパス導管１５内の２つの遮断弁Ｔ２が閉口し、それによって洗浄プロセスが終了する。２つの閉口した閉止弁１６の間の燃料排出導管１２の区間をさらに空にするために、又は、圧力が限界値を超過しないようにするために、排流導管１４内のそれまで閉口していた遮断弁１７を開口させることが可能であり、それによって、当該排流導管内に存在する燃料が、少なくとも部分的に漏出オイルタンク２０に輸送される。

図２は、本発明に係るガスタービン１の洗浄方法の実施形態を示しており、当該方法は、以下のステップを有している：
‐洗浄水を、洗浄水導管（１３）から燃料供給導管（１１）へ圧力下で導入し、それによって洗浄水（１３）が、燃料供給導管（１１）内の燃料の少なくとも一部を、燃焼器（５）の方向に押し出すステップ（第１のステップ１０１）；
‐燃料を、洗浄水を用いて、燃料排出導管から排出するステップ（第２のステップ１０２）；
‐時点Ｔ１において、燃料排出導管（１２）内の燃料の排出の一部を、燃料排出導管（１２）内の閉止弁（１６）を閉口させることによって中断するステップ（第３のステップ１０３）；
‐時点Ｔ１の後で、バイパス導管（１５）を通じた、燃料排出導管（１２）からの燃料の、漏出オイルタンク（２０）への排出を維持するステップであって、バイパス導管（１５）は、閉止弁（１６）の上流において、燃料排出導管（１２）と流体技術的に接続されているステップ（第４のステップ１０４）。

さらなる実施形態は、下位請求項から明らかになる。

１ ガスタービン
４ 燃料分配系
５ 燃焼器
６ 燃焼室
１１ 燃料供給導管
１２ 燃料排出導管
１３ 洗浄水導管
１４ 排流導管
１５ バイパス導管
１６ 閉止弁
１７ 遮断弁
１８ ポンプ
１９ ポンプ
２０ 漏出オイルタンク
３０ 燃料貯蔵容器
１０１ 第１のステップ
１０２ 第２のステップ
１０３ 第３のステップ
１０４ 第４のステップ

Claims (7)

1. 少なくとも１つの燃料供給導管（１１）と少なくとも１つの燃料排出導管（１２）とを有する、燃焼器（５）を備えたガスタービン（１）であって、前記燃料供給導管（１１）は、洗浄水導管（１３）に流体技術的に接続されており、前記燃料排出導管（１２）は、漏出オイルタンク（２０）に、排流導管（１４）を通じて流体技術的に接続されており、前記燃料排出導管（１２）と前記排流導管（１４）とは、前記燃料排出導管（１２）内の少なくとも１つの閉止弁（１６）の下流の地点で接続されるガスタービン（１）において、
   前記少なくとも１つの閉止弁（１６）の上流では、バイパス導管（１５）が、前記燃料排出導管（１２）に流体技術的に接続されており、前記バイパス導管（１５）は、前記燃料排出導管（１２）を前記漏出オイルタンク（２０）に流体技術的に接続することを特徴とするガスタービン（１）。
2. 前記バイパス導管（１５）が、少なくとも１つの遮断弁（１７）を有しており、特に２つの遮断弁（１７）を有していることを特徴とする、請求項１に記載のガスタービン。
3. 前記排流導管（１４）が、少なくとも１つの遮断弁（１７）を有していることを特徴とする、請求項１又は２に記載のガスタービン。
4. 前記燃料排出導管（１２）が、少なくとも２つの閉止弁（１６）を有しており、前記排流導管（１４）は、前記２つの閉止弁（１６）の間において、前記燃料排出導管（１２）と流体技術的に接続されている、請求項１から３のいずれか一項に記載のガスタービン。
5. ガスタービン（１）を洗浄するための方法であって、以下のステップ：
   ‐洗浄水を、洗浄水導管（１３）から燃料供給導管（１１）へ圧力下で導入し、それによって洗浄水（１３）が、前記燃料供給導管（１１）内の燃料の少なくとも一部を、燃焼器（５）の方向に押し出すステップ；
   ‐燃料を、洗浄水を用いて、燃料排出導管（１２）から排出するステップ；
   ‐時点Ｔ１において、前記燃料排出導管（１２）内の燃料の排出の一部を、前記燃料排出導管（１２）内の閉止弁（１６）を閉口させることによって中断するステップ；および
   ‐時点Ｔ１の後で、バイパス導管（１５）を通じた、前記燃料排出導管（１２）からの燃料の、漏出オイルタンク（２０）への排出を維持するステップであって、前記バイパス導管（１５）は、前記閉止弁（１６）の上流において、前記燃料排出導管（１２）と流体技術的に接続されているステップ、
   を備えている方法。
6. 洗浄水の前記洗浄水導管（１３）から前記燃料供給導管（１１）への導入が、前記ガスタービン（１）が停止する場合に行われ、特に少なくとも１．５ｂａｒの圧縮機終圧が依然として優勢である限りにおいて行われ、特に好ましくは、前記圧縮機終圧は、燃料貯蔵容器（３０）の圧力レベルを超えていることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 第１の時点Ｔ１よりも大きい第２の時点Ｔ２の後で、前記バイパス導管（１５）内の少なくとも１つの遮断弁（１７）が閉口し、それによって、前記燃料排出導管（１２）からの燃料の、前記バイパス導管（１５）を通じた前記漏出オイルタンク（２０）への排出が中断される、請求項５又は６に記載の方法。

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