JP6628734B2 - ガスターボマシンにおける燃焼異常を監視する方法及び燃焼異常検出システムを含むガスターボマシン - Google Patents

Description

本明細書中に開示される主題は、ターボマシンの技術に関し、特に、ガスターボマシンにおける燃焼異常を監視する方法及び燃焼異常検出システムを含むガスターボマシンに関する。

ターボマシンは、共通の圧縮機／タービンシャフト及び燃焼器アセンブリを介してタービン部に連結される圧縮機部を含む。入口空気流が圧縮機部へ向けて空気取り入れ口に通される。圧縮機部では、いくつかの連続的なステージを通じて入口空気流が燃焼器アセンブリへ向けて押し込まれる。燃焼器アセンブリでは、圧縮された空気流が燃料と混ざり合って可燃性混合物を形成する。可燃性混合物は、燃焼器アセンブリ内で燃焼されて、高温ガスを形成する。高温ガスは、タービン部の高温ガス経路に沿って移行ピースを通過して案内される。高温ガスは、高温ガス経路に沿っていくつかのタービンステージを通過して膨張し、それにより、ホイールに装着されるタービンバケットエーロフォイルに作用して、例えば発電機に給電するべく出力される仕事を生み出す。高温ガスは、タービン部から排ガスとして排気システムを通過する。排気システムには、排ガスの温度を測定するためにいくつかの熱電対が配置される。

欧州特許出願公開第２４６９０４１号公報

例示的な実施形態によれば、ガスターボマシンにおける燃焼異常を監視する方法は、ガスターボマシンの排気システム内に配置される複数の温度センサのそれぞれで排ガス温度を検出するステップと、複数の温度センサのそれぞれにおける排ガス温度と平均排ガス温度とを比較するステップと、複数の温度センサのうちの１つ以上における排ガス温度が平均排気温度から所定の閾値分だけ逸脱するかどうかを決定するステップと、平均排気温度から所定の閾値を超える分だけ逸脱する温度を検出する複数の温度センサのうちの１つ以上で瞬間の燃焼異常を特定するステップとを含む。

典型的な実施形態の別の態様によれば、ガスターボマシンシステムは、空気吸入口を含む圧縮機部と、圧縮機部に対して作用可能に接続されるタービン部とを含む。タービン部は排気出口を含む。燃焼器アセンブリが圧縮機部とタービン部とに対して流体的に接続される。吸気システムが空気吸入口に流体的に接続され、また、排気システムが排気出口に流体的に接続される。排気システムは、この排気システムを通過する排ガスの温度を検出するように構成される複数の温度センサを含む。燃焼異常検出システムが複数の温度センサのそれぞれに作用可能に接続される。燃焼異常検出システムは、プログラム命令を組み込んで成るコンピュータ可読記憶媒体を含む。プログラム命令は処理回路によって読み取り可能であり、それにより、処理回路は、排気システム内に配置される複数の温度センサのそれぞれで排ガス温度を検出するステップと、複数の温度センサのそれぞれにおける排ガス温度と平均排ガス温度とを比較するステップと、複数の温度センサのうちの１つ以上における排ガス温度が平均排気温度から所定の閾値分だけ逸脱するかどうかを決定するステップと、平均排気温度から所定の閾値を超える分だけ逸脱する温度を検出する温度センサのうちの１つ以上で瞬間の燃焼異常を特定するステップとを含む方法を実行する。

これらの及び他の利点及び特徴は、図面と併せて解釈される以下の説明から更に明らかになる。

発明と見なされる主題は、明細書の終わりの特許請求の範囲において特に指摘されて請求される。前述の特徴及び他の特徴、並びに、発明の利点は、添付図面と併せて解釈される以下の詳細な説明から明らかである。

典型的な実施形態に係る燃焼異常検出システムを含むガスターボマシンの概略図である。 図１のガスターボマシンの排気システムの軸方向図である。 典型的な実施形態に係る燃焼異常を検出するための方法を示すフローチャートを描く。

詳細な説明は、図面に関連する一例として、利点及び特徴と共に、本発明の実施形態を明らかにする。

図１には、典型的な実施形態に係るガスターボマシンシステムが２で全体的に示される。ガスターボマシンシステム２は、圧縮機部６が燃焼器アセンブリ１０を介してタービン部８に流体的に接続されるガスターボマシン４を含む。燃焼器アセンブリ１０は、カン−アニュラ配列を成して配置されてもよい１つ以上の燃焼器１２を含む。また、圧縮機部６は、シャフト１４を介してタービン部８に機械的に連結されてもよい。圧縮機部６は空気吸入口１６を含み、また、タービン部８は排気出口１８を含む。吸気システム２０が空気吸入口１６に流体的に接続される。吸気システム２０は、圧縮機部６に入る空気を調整してもよい。例えば、吸気システム２０は、空気吸入口１６に入る空気によって運ばれる場合がある水分を除去し又は減少させてもよい。排気システム２２が排気出口１８に流体的に接続される。排気システム２２は、タービン部８から通過する排ガスを周囲環境への導入前に調整してもよい。また、ガスターボマシンシステム２は、発電機、ポンプ、又は、車両の形態を成すことができる被駆動負荷３０を含んでもよい。

図２に示されるように、排気システム２２は、排ガス流路４６を画定する外面４２及び内面４４を有するハウジング４０を含む。排気システム２２はハウジング４０上に配置される複数の温度センサを含み、それらの温度センサのうちの１つが５０で示される。温度センサ５０は、内面４４の周囲に周方向にわたって配置されて排ガス流路４６に晒される熱電対の形態を成してもよい。典型的な実施形態の一態様によれば、１つ以上の温度センサ５０がグループ５３を成して配置されてもよく、この場合、排ガスシステム２２は温度センサの複数のグループを含む。典型的な実施形態の別の態様によれば、各グループが３つの温度センサを含んでもよい。

典型的な実施形態によれば、ガスターボマシンシステム２は、複数の温度センサ５０のそれぞれに作用可能に接続される燃焼器異常検出システム６０を含む。燃焼器異常検出システム６０がガスターボマシン４と同一場所に配置されてもよく或いは中央グローバル監視ステーション内にあってもよいことが理解されるべきである。したがって、燃焼器異常検出システム６０は、世界中の任意の場所に位置される複数のガスターボマシンシステムからデータを受信して、これらのガスターボマシンシステムを単一の監視場所から同時に監視してもよい。排ガス温度の経時的な動向を検討することにより燃焼異常が検出される従来技術のシステムとは対照的に、燃焼器異常検出システム６０は、排気システム２２内の瞬間の高温スポット及び／又は低温スポットの存在を特定する。燃焼器異常検出システム６０は、ＣＰＵ６２、一組のプログラム命令６８を備えるコンピュータ可読記憶媒体６４、及び、メモリ７０を含む。以下で更に十分に論じられるように、燃焼器異常検出システム６０は、以下で詳述される燃焼異常の検出時に視覚的な及び／又は聞き取れる警報を与えることができるアラーム７４に作用可能に接続される。

図３に示されるように、燃焼異常を検出する方法２００はプログラム命令６８中に組み込まれる。最初に、燃焼異常検出システム６０は、ブロック２０２において、ガスターボマシン４が所定の期間にわたって作動していたかどうかを決定する。ガスターボマシン４が所定の期間にわたって作動していなかった場合には、ブロック２０４に示されるように措置が講じられない。ガスターボマシン４が少なくとも所定の期間にわたって作動していた場合には、ブロック２０６において、排ガス温度が各温度センサ５０から収集されて平均排ガス温度と比較される。ブロック２０８では、温度センサ５０のいずれかが機能しなくなったかどうかの決定がなされる。センサは、検出される温度が平均排ガス温度から閾値を超える分だけ逸脱する場合に機能しなくなっていると見なされる。１つの例では、閾値が±３００°Ｆ（１４９℃）であってもよい。勿論、閾値が異なってもよいことが理解されるべきである。

機能しない温度センサが示されなければ、ブロック２１０において、各グループ５３内の各温度センサ５０で温度が取得される。ブロック２０８において機能しない温度センサが示されれば、ブロック２１２において、これらのセンサが無視されるべきとしてフラグ付けされて、新たなグループが定められ、また、ブロック２１０において、それぞれの新たなグループ内の任意の残りの温度センサで温度が収集される。ブロック２２０では、平均排気温度を上回って或いは下回って逸脱する温度を温度センサ５０のうちのいずれか１つが検出するかどうかの決定がなされる。燃焼異常検出システム６０は、それぞれのセンサ５０を個別に見てもよく或いは各グループ５３内の各センサ５０を見てもよい。平均排気温度からの同様の逸脱を示す温度を全ての温度センサ５０が報告すれば、ステップ２３０において、更なる比較が行なわれる。しかしながら、温度センサ５０のうちの１つ以上が他の温度センサ５０とは異なって逸脱すれば、方法２００がステップ２１０へ戻る。

例えば、ブロック２３０において、燃焼異常検出システム６０は、１つのグループ内の全てのセンサ５０を見て、そのグループ内の最大検出温度が第１の閾値αよりも大きいかどうか、そのグループの中央検出温度が第２の閾値βよりも大きいかどうか、及び、そのグループの平均検出温度が第３の閾値δよりも大きいかどうかを決定してもよい。勿論、ガスターボマシン４の詳細に応じて第１、第２、及び、第３の閾値のそれぞれの値が異なってもよいことが理解されるべきである。最大検出温度、中央検出温度、及び、平均検出温度のうちの１つ以上が第１、第２、及び、第３の閾値のうちの対応する１つを超えれば、そのグループは、ブロック２４０において、瞬間の燃焼異常を示しているとしてフラグ付けされて、メモリ７０に記憶され、ブロック２５０でカウンタがインクリメントされ、第２の期間にわたって温度を検出するために方法がブロック２０２へ戻る。燃焼異常が所定の期間にわたって持続すれば、例えば、そのグループが連続する期間にわたって燃焼異常を示しているとして繰り返しフラグ付けされれば、燃焼器異常検出システム６０は、異常が排気システム２２で持続することを示すアラーム７４を発生させてもよい。典型的の実施形態の１つの態様によれば、そのグループが４０個の連続する１分期間のそれぞれで異常を示しているとしてフラグ付けされれば、ブロック２６０においてアラーム７４が起動されてもよい。勿論、各期間の持続時間、及び、持続を示すための異常を有する連続期間の数は、異なってもよい。

この時点で、典型的な実施形態がガスターボマシンの排気システムにおける燃焼異常を検出するためのシステム及び方法を提供することが理解されるべきである。温度の経時的な動向に依存する従来技術のシステムとは対照的に、典型的な実施形態は、瞬間の燃焼異常を特定して、異常が持続するかどうかを決定するとともに、所定の期間にわたって異常が持続すればアラームを発する。

限られた数の実施形態のみに関連して本発明を詳しく説明してきたが、本発明がそのような開示された実施形態に限定されないことが容易に理解されるべきである。むしろ、本発明は、これまで説明されないが本発明の趣旨及び範囲に相応する任意の数の変形、改変、置換、又は、等価な構成を組み入れるように変更され得る。加えて、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様が前述した実施形態の一部のみを含んでもよいことが理解されるべきである。したがって、本発明は、前述の説明により限定されると見なされるべきでなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。

２ ガスターボマシンシステム
４ ガスターボマシン
６ 圧縮機部
８ タービン部
１０ 燃焼器アセンブリ
１２ 燃焼器
１４ シャフト
１６ 空気吸入口
１８ 排気出口
２０ 吸気システム
２２ 排気システム
３０ 被駆動負荷
４０ ハウジング
４２ 外面
４４ 内面
４６ 排ガス流路
５０ 複数の温度センサ
５３ グループ
６０ 燃焼器異常検出システム
６２ ＣＰＵ
６４ コンピュータ可読記憶媒体
６８ 一組のプログラム命令
７０ メモリ
７４ アラーム
２００ 方法
２０２ ブロック
２０４ ブロック
２０６ ブロック
２０８ ブロック
２１０ ブロック
２１２ ブロック
２２０ ブロック
２３０ ブロック
２４０ ブロック
２５０ ブロック
２６０ ブロック

Claims (14)

1. ガスターボマシン（４）における燃焼異常を監視する方法であって、
   ガスターボマシン（４）の排気システム（２２）内に配置される複数の温度センサ（５０）のそれぞれで排ガス温度を検出するステップと、
   前記複数の温度センサ（５０）のそれぞれにおける排ガス温度と平均排気温度とを比較するステップと、
   前記複数の温度センサ（５０）のうちの１つ以上における排ガス温度が前記平均排気温度から所定の閾値分だけ逸脱するかどうかを決定するステップと、
   前記平均排気温度から前記所定の閾値を超える分だけ逸脱する温度を検出する前記複数の温度センサ（５０）のうちの１つ以上で瞬間の燃焼異常を特定するステップと、
   前記複数の温度センサ（５０）のうちの１つ以上を１つのグループ（５３）に組み合わせるステップと、
   前記グループ（５３）内の前記複数の温度センサ（５０）のうちの１つ以上のそれぞれが前記平均排気温度から逸脱する温度を検出するかどうかを決定するステップと、
   前記グループ（５３）内の前記複数の温度センサ（５０）の全てが前記平均排気温度から逸脱する温度を検出する場合に、前記グループ（５３）内の前記複数の温度センサ（５０）のうちの１つ以上によって検出される最大検出温度、前記グループ（５３）内の前記複数の温度センサ（５０）のうちの１つ以上によって検出される中央検出温度を決定するとともに、前記グループ（５３）内の前記複数の温度センサ（５０）のうちの１つ以上によって検出される平均検出温度を決定するステップと、を備える方法。
2. 前記最大検出温度と第１の閾値とを比較し、前記中央検出温度と第２の閾値とを比較するとともに、前記平均検出温度と第３の閾値とを比較するステップを更に備える請求項１に記載の方法。
3. 前記瞬間の燃焼異常を特定するステップは、前記最大検出温度が前記第１の閾値を超えること、前記中央検出温度が前記第２の閾値を超えること、及び、前記平均検出温度が前記第３の閾値を超えることのうちの１つを決定するステップを含む請求項２に記載の方法。
4. 前記瞬間の燃焼異常を示すためにアラーム（７４）を起動させるステップを更に備える請
   求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
5. 複数の連続する期間のそれぞれにわたって前記瞬間の燃焼異常を特定するステップを更に備える請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
6. 所定数の連続する期間にわたって前記瞬間の燃焼異常が示される場合に前記瞬間の燃焼異常を示すべくアラーム（７４）を起動させるステップを更に備える請求項５に記載の方法。
7. 前記複数の連続する期間のそれぞれが１分を備える請求項５に記載の方法。
8. 空気吸入口（１６）を含む圧縮機部（６）と、
   前記圧縮機部（６）に対して作用可能に接続されるタービン部（８）であって、前記タービン部（８）が排気出口（１８）を含む、タービン部（８）と、
   前記圧縮機部（６）と前記タービン部（８）とに対して流体的に接続される燃焼器アセンブリ（１０）と、
   前記空気吸入口（１６）に流体的に接続される吸気システム（２０）と、
   前記排気出口（１８）に流体的に接続される排気システム（２２）であって、前記排気システム（２２）が前記排気システム（２２）を通過する排ガスの温度を検出するように構成される複数の温度センサ（５０）を含む、排気システム（２２）と、
   前記複数の温度センサ（５０）のそれぞれに作用可能に接続される燃焼異常検出システム（６０）であって、前記燃焼異常検出システム（６０）がプログラム命令（６８）を組み込んで成るコンピュータ可読記憶媒体（６４）を含み、前記プログラム命令（６８）が処理回路によって読み取り可能であり、それにより、前記処理回路は、
   前記排気システム（２２）内に配置される前記複数の温度センサ（５０）のそれぞれで排ガス温度を検出するステップと、
   前記複数の温度センサ（５０）のそれぞれにおける排ガス温度と平均排気温度とを比較するステップと、
   前記複数の温度センサ（５０）のうちの１つ以上における前記排ガス温度が前記平均排気温度から所定の閾値分だけ逸脱するかどうかを決定するステップと、
   前記平均排気温度から前記所定の閾値を超える分だけ逸脱する温度を検出する前記複数の温度センサ（５０）のうちの１つ以上で瞬間の燃焼異常を特定するステップと、
   を含む方法を実行する、燃焼異常検出システム（６０）と、
   を備え、
   処理回路によって読み取り可能な前記プログラム命令（６８）により、前記処理回路は、前記複数の温度センサ（５０）のうちの１つ以上を１つのグループ（５３）に組み合わせ、
   前記グループ（５３）内の前記複数の温度センサ（５０）のうちの１つ以上のそれぞれが前記平均排気温度から逸脱する温度を検出するかどうかを決定し、
   前記グループ（５３）内の前記複数の温度センサ（５０）の全てが前記平均排気温度から逸脱する温度を検出する場合に、前記グループ（５３）内の前記複数の温度センサ（５０）のうちの１つ以上によって検出される最大検出温度、前記グループ（５３）内の前記複数の温度センサ（５０）のうちの１つ以上によって検出される中央検出温度を決定するとともに、前記グループ（５３）内の前記複数の温度センサ（５０）のうちの１つ以上によって検出される平均検出温度を決定する、システム。
9. 処理回路によって読み取り可能な前記プログラム命令により、前記処理回路は、前記最大検出温度と第１の閾値とを比較し、前記中央検出温度と第２の閾値とを比較するとともに、前記平均検出温度と第３の閾値とを比較する請求項８に記載のガスターボマシンシステム。
10. 前記瞬間の燃焼異常を特定するステップは、前記最大検出温度が前記第１の閾値を超えること、前記中央検出温度が前記第２の閾値を超えること、及び、前記平均検出温度が前記第３の閾値を超えることのうちの１つを決定するステップを含む請求項９に記載のガスターボマシンシステム。
11. 処理回路によって読み取り可能な前記プログラム命令により、前記処理回路は、前記瞬間の燃焼異常を示すためにアラーム（７４）を起動させる請求項８乃至１０のいずれかに記載のガスターボマシンシステム。
12. 処理回路によって読み取り可能な前記プログラム命令により、前記処理回路は、複数の連続する期間のそれぞれにわたって前記瞬間の燃焼異常を特定する請求項８乃至１１のいずれかに記載のガスターボマシンシステム。
13. 処理回路によって読み取り可能な前記プログラム命令により、前記処理回路は、所定数の連続する期間にわたって前記瞬間の燃焼異常が示される場合に前記瞬間の燃焼異常を示すべくアラーム（７４）を起動させる請求項１２に記載のガスターボマシンシステム。
14. 前記複数の連続する期間のそれぞれが１分を備える請求項１２に記載のガスターボマシンシステム。