JP5156077B2

JP5156077B2 - 流体バルブ漏れ検出のための方法およびシステム

Info

Publication number: JP5156077B2
Application number: JP2010241580A
Authority: JP
Inventors: スコット・ウィリアム・スゼペック; ジャスティン・ヴァーキー・ジョン; ダニエル・ジョセフ・ペクツカ; ブライアン・エドワード・スウィート
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-11-03
Filing date: 2010-10-28
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2030-10-28
Also published as: EP2317300B1; JP2011099850A; EP2317300A1; US8261595B2; US20110100096A1; CN102052997A; CN102052997B

Description

本明細書で開示する主題は一般的に、流体バルブに関する。より具体的には、本開示は、流体バルブからの漏れの検出に関する。

バルブは、たとえばパワー発生システム（ガス・タービン等）などにおいて広く用いられ、多くの場合、燃料（たとえば、ガス）をパワー発生システムに供給する燃料システムにおいて適用される。ある状況において、たとえばパワー発生システムの始動時に、燃料バルブから過剰な漏れが生じると、パワー発生システムの構成部品の損傷たとえば破裂または爆発に至る可能性がある。このような損傷の可能性を小さくするために、バルブ漏れチェックをパワー発生システムの始動前に行なうことが多い。通常、これらの漏れチェックでは、チェック開始時のバルブ上流側の圧力を、所定時間が経過した後の圧力と比較する。そして、その時間の間に生じた圧力低下の量を、閾値と比較する。このようにして行なう従来の漏れチェックは、時間がかかるとともに、多くの偽陽性の結果が得られてしまう。なぜならば、単に圧力差を決定することにより、従来チェックは、試験中に生じる複数の燃料バルブからの燃料漏れには対応しておらず、従来チェックは燃料運転条件の変化を考慮してはいないからである。

本発明の一態様によれば、少なくとも１つの第１のバルブを通って生じる漏れを検出する方法は、少なくとも１つの第１のバルブと動作可能に連絡している第１の制御容積内に、ある量の流体を入れることによって、第１の制御容積を加圧することを含んでいる。第１の制御容積を隔離して、少なくとも１つの第１のバルブと動作可能に連絡している第２の制御容積内の圧力の変化率を測定する。

本発明の別の態様によれば、少なくとも１つの第１のバルブに渡って生じる漏れを検出するためのシステムは、ある量の流体を受け入れる第１の制御容積と、第１の制御容積と流れ連絡している第２の制御容積とを備えている。少なくとも１つの第１のバルブが、第１の制御容積と第２の制御容積との間に配置されている。少なくとも１つの第１のバルブは、第１の制御容積と第２の制御容積との間の流体の流れを制御することが可能であり、第２の制御容積内の圧力の変化率は、少なくとも１つの第１のバルブを通って生じる漏れ率を示している。

これらおよび他の優位性および特徴は、以下の説明とともに図面からより明らかとなる。

主題は、本発明とみなされるものであるが、特に明細書の終わりの請求項において指摘されて明瞭に請求される。本発明の前述および他の特徴および優位性は、以下の詳細な説明とともに添付図面から明らかとなる。

ガス・タービンに対する燃料システムの実施形態の概略図である。

詳細な説明では、本発明の実施形態とともに優位性および特徴を、一例として図面を参照して説明する。

図１に示すのは、たとえばガス・タービン１２に対する燃料システム１０の概略図である。燃料システム１０は、複数の燃料ライン１４を備えている。燃料ライン１４は、ガス・タービン１２に接続され、ガス・タービン１２に燃料の流れを供給する。いくつかの実施形態においては、複数の燃料ライン１４は、ガス・タービン１２における複数の燃料分配マニフォールド１６に接続され、燃料を所望のノズル（図示せず）に分配する。図１に示すように、複数の燃料ライン１４を並列に配置しても良く、燃料ライン１４に共通の供給ヘッダ１８から供給しても良い。複数の燃料ライン１４には複数のガス制御バルブ２０を備えて（たとえば、１つのガス制御バルブ２０を各燃料ライン１４に配置して）、供給ヘッダ１８から対応する燃料ライン１４を通る燃料の流れを制御しても良い。図１の実施形態には４つのガス制御バルブ２０が含まれているが、他の数量のガス制御バルブ２０、たとえば２、８、または１２のガス制御バルブ２０も本範囲内であると考えられることを理解されたい。

供給ヘッダ１８は、１または複数のバルブ、たとえば停止速度比バルブ２２および補助停止バルブ２４を収容していても良い。補助停止バルブ２４は、いくつかの実施形態においては、停止速度比バルブ２２から上流側に配置される。供給ヘッダ１８は、補助停止バルブ２４と停止速度比バルブ２２との間のＰ１キャビティ２８に配置された補助停止キャビティ・ベント２６を備えていても良い。同様に、Ｐ２キャビティ・ベント３０が、停止速度比バルブ２２と複数のガス制御バルブ２０との間のＰ２キャビティ３２に配置され、Ｐ２キャビティ・ベント・バルブ３４を備えている。

ある状況において、たとえば、ガス・タービン１２の始動時に、燃料システム１０内の停止速度比バルブ２２および複数のガス制御バルブ２０において過剰漏れが存在するか否かを判定することが望ましい場合がある。停止速度比バルブ２２の漏れ流れを評価するために、補助停止キャビティ・ベント２６に配置された補助停止キャビティ・ベント・バルブ３６とＰ２キャビティ・ベント・バルブ３４とを閉じ、補助停止バルブ２４を開いて、Ｐ１キャビティ２８を加圧する。そしてＰ２キャビティ３２圧力をモニタして、Ｐ１キャビティ２８から停止速度比バルブ２２を介してＰ２キャビティ３２内へと生じる容認できない漏れを示す容認できない変化率があるか否かを調べる。

複数のガス制御バルブ２０を通って生じる漏れを評価するために、停止速度比バルブ２２を開き、Ｐ２キャビティ３２を加圧した後に、閉じる。Ｐ２キャビティの圧力を再びモニタして、複数のガス制御バルブ２０を通って生じる容認できない漏れを示す変化率があるか否かを調べる。複数のガス制御バルブ２０を通って生じる漏れを正確に評価するためには、停止速度比バルブ２２を通して生じるわずかな漏れに対しても、それが試験に及ぼす影響を減らすことが望ましい。こうして、停止速度比バルブ２２を開閉してＰ２キャビティ３２を加圧した後に、Ｐ２キャビティ３２内の圧力の変化率を短時間だけモニタする。Ｐ１キャビティ２８とＰ２キャビティ３２との間の圧力差は小さいため、停止速度比バルブ２２を通って生じる漏れは最小限である。同様に、停止速度比バルブ２２を通って生じる漏れを決定するときは、補助停止バルブ２４を開けることによってＰ１キャビティ２８を加圧した後に、Ｐ２キャビティ３２内での圧力の変化率を短時間だけ測定する。この場合、複数のガス制御バルブ２０を通って生じる漏れは小さい。なぜならば、Ｐ２キャビティ３２内での圧力増加はまだ起きていないからである。

通常、バルブを通って生じる漏れを所定の許容限界と比較して、漏れが限界を超えている場合には、連続動作を行なう前に漏れを直す必要がある場合がある。限界は普通、漏れクラスとして表現される、たとえば、クラスＩＩ限界では、バルブ流量容量の０．５％の漏れが許容され、クラスＩＩＩでは、バルブ流量容量の０．１％の漏れが許容され、クラスＩＶでは、バルブ流量容量の０．０１％の漏れが許容される。しかしこれらのクラスは一般的に、当該のバルブを通る空気の質量流量に基づいて規定されている。燃料の質量特性は空気とは異なっているため、圧力変化に基づいて漏れをより正確に決定するためには、仕様値を燃料システム１０内の燃料（たとえばメタン）の特性を用いて補正する場合があり、また、たとえば用いる燃料の温度および／または圧力に対して補正する場合もある。補正因子の適用を等式１で表現する。
（１）ＭａｘＬｅａｋａｇｅ（最大漏れ）_{ａｃｔｕａｌ（実際）}＝ＭａｘＬｅａｋａｇｅ（最大漏れ）_{ｓｐｅｃ（仕様）}ｘＣ_{２ｆｕｅｌ（燃料）}ｘｓｑｒｔ（ＳＧ_{ｆｕｅｌ（燃料）}／Ｚ_{ｆｕｅｌ（燃料）}）
（ＭａｘＬｅａｋａｇｅ：最大漏れ、ａｃｔｕａｌ：実際、ｓｐｅｃ：仕様、ｆｕｅｌ：燃料、ａｌｌｏｗａｂｌｅ：許容、ｕｎｉｖ：普遍、ｍａｘ：最大、以下同じ）
ここで、Ｃ_{２ｆｕｅｌ}は、ガス燃料の比熱比に対するバルブ補正係数であり、ＳＧ_ｆｕｅｌは、特定の燃料の比重であり、Ｚ_ｆｕｅｌはガス燃料圧縮率因子である。圧力の経時変化として表現した場合、停止速度比バルブ２２漏れの試験中の最大許容漏れは、以下のようになる場合がある。
（２）ｄＰ／ｄｔ_{ａｌｌｏｗａｂｌｅＳＲＶ}＝（Ｋ_２／Ｋ_１）ｘ（Ｐ_１／ｓｑｒｔ（Ｔ））ｘＭａｘＬｅａｋａｇｅ（最大漏れ）_ｓｐｅｃｘＣ_{２ｆｕｅｌ（燃料）}ｘｓｑｒｔ（ＳＧ_ｆｕｅｌ／Ｚ_ｆｕｅｌ）
Ｐ_１は、試験時の加圧されたＰ２キャビティ３２の初期圧力であり、ＴはＰ２キャビティ３２の温度である。Ｋ_１は、Ｐ２キャビティ３２の容積とともにＰ２キャビティ３２の温度に対して調整され、以下のように表現される場合がある。
（２）Ｋ_１＝（１４４ｘＶｘＭＷ_ｆｕｅｌ）／（Ｒ_ｕｎｉｖｘＴ）
ＶはＰ２キャビティ３２の容積である。ＴはＰ２キャビティ３２の温度である。ＭＷ_{ｆｕｅｌ（燃料）}は特定の燃料の分子量である。Ｒ_{ｕｎｉｖ（普遍）}は普遍気体定数である。Ｋ_２は、バルブ流れ方程式から導き出され、以下のように表現される場合がある。
（３）Ｋ_２＝４．８３ｘ１０^−４ｘＣ_{２ｆｕｅｌ}ｘｓｑｒｔ（ＳＧ_ｆｕｅｌ／Ｚ_ｆｕｅｌ）
例として、最大目標仕様漏れがクラスＩＩＩ漏れである、すなわちフル移動におけるバルブ容量の０．１％である場合、許容漏れは以下のように表現される。
（４）ｄＰ／ｄｔ_{ａｌｌｏｗａｂｌｅＳＲＶ}＝（Ｋ_２／Ｋ_１）ｘ（Ｐ_１／ｓｑｒｔ（Ｔ））ｘ（（０．１／１００）ｘＣ_{ｇｍａｘＳＲＶ}）ｘＣ_{２ｆｕｅｌ}ｘｓｑｒｔ（ＳＧ_ｆｕｅｌ／Ｚ_ｆｕｅｌ）
ここで、Ｃ_{ｇｍａｘ（最大）ＳＲＶ}は、停止速度比バルブ２２のバルブ容量である。

同様に、複数のガス制御バルブ２０の最大許容漏れは、以下のように表現される場合がある。
（５）ｄＰ／ｄｔ_{ａｌｌｏｗａｂｌｅＧＣＶ}＝（−Ｋ_２／Ｋ_１）ｘ（Ｐ_２／ｓｑｒｔ（Ｔ））ｘＣ_{２ｆｕｅｌ}ｘｓｑｒｔ（ＳＧ_ｆｕｅｌ／Ｚ_ｆｕｅｌ）ｘΣＭａｘＬｅａｋａｇｅ（最大漏れ）_{ｓｐｅｃＧＣＶ}
ここで、ΣＭａｘＬｅａｋａｇｅ（最大漏れ）_{ｓｐｅｃＧＣＶ}は、複数のガス制御バルブ２０に対する最大許容漏れの合計である。たとえば、最大目標漏れがクラスＩＩＩで、燃料システム１０に４つのガス制御バルブ２０がある場合、結果としての、ガス制御バルブ２０を通って生じる全体的な許容漏れは、以下のようになる。
（６）ｄＰ／ｄｔ_{ａｌｌｏｗａｂｌｅＧＣＶ}＝（−Ｋ_２／Ｋ_１）ｘ（Ｐ_２／ｓｑｒｔ（Ｔ））ｘＣ_{２ｆｕｅｌ}ｘｓｑｒｔ（ＳＧ_ｆｕｅｌ／Ｚ_ｆｕｅｌ）ｘ（０．１／１００）ｘ（Ｃ_{ｇｍａｘＧＣＶ１}＋Ｃ_{ｇｍａｘＧＣＶ２}＋Ｃ_{ｇｍａｘＧＣＶ３}＋Ｃ_{ｇｍａｘＧＣＶ４}）
本発明を限られた数の実施形態に関してのみ詳細に説明してきたが、本発明はこ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はずである。むしろ、これまで説明してはいないが本発明の趣旨および範囲に見合う任意の数の変形、変更、置換、または等価な配置を取り入れるように、本発明を変更することができる。さらに加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様には、説明した実施形態の一部のみが含まれる場合があることを理解されたい。したがって本発明は、前述の説明によって限定されると考えるべきではなく、添付の請求項の範囲のみによって限定される。

Claims

少なくとも１つの第１のバルブ（２２）を通って生じる漏れを検出する方法であって、
少なくとも１つの第１のバルブ（２２）と動作可能に連絡している第１の制御容積（２８）内に、ある量の流体を入れることによって、第１の制御容積（２８）を加圧するステップと、
第１の制御容積（２８）を隔離するステップと、
少なくとも１つの第１のバルブ（２２）と動作可能に連絡している第２の制御容積（３２）内の圧力の変化率を測定するステップであって、第２の制御容積（３２）内の圧力の変化率は、第１の制御容積（２８）から第２の制御容積（３２）内へ生じる漏れ率を示す、測定するステップと、
前記漏れ率を第１の限界と比較するステップと、
を含み、
前記第１の限界は、温度、比重、比熱比およびガス燃料圧縮率因子のうちの少なくとも１つと圧力とを含む前記流体の複数の特性を用いて決定される、
方法。
第１の制御容積（２８）を隔離するステップは、第１の制御容積（２８）と動作可能に連絡している１または複数の流体経路（２６）を閉じるステップを含む、請求項１に記載の方法。
前記第１の限界を能動的に計算するステップを含む、請求項１に記載の方法。
少なくとも１つの第１のバルブ（２２）を開けて、そこを通る流体の流れを可能にするステップと、
第２の制御容積（３２）を隔離するステップと、
第２の制御容積（３２）内の圧力の変化率を測定して、第２の制御容積（３２）と動作可能に連絡している少なくとも１つの第２のバルブ（２０）を通る漏れ量を決定するステップと、
を含む請求項１に記載の方法。
圧力の変化率を第２の限界と比較するステップを含む、請求項４に記載の方法。
流体の１または複数の特性に基づいて第２の限界を能動的に計算するステップを含む、請求項５に記載の方法。
少なくとも１つの第１のバルブ（２２）に渡って生じる漏れを検出するためのシステムであって、
ある量の流体を受け入れる第１の制御容積（２８）と、
第１の制御容積（２８）と流れ連絡している第２の制御容積（３２）と、
第１の制御容積（２８）と第２の制御容積（３２）との間に配置される少なくとも１つの第１のバルブ（２２）であって、第１の制御容積（２８）と第２の制御容積（３２）との間の流体の流れを制御することが可能な少なくとも１つの第１のバルブ（２２）と、を備え、
第２の制御容積（３２）内の圧力の変化率は、少なくとも１つの第１のバルブ（２２）を通って生じる漏れ率を示し、
前記漏れ率を第１の限界と比較され、
前記第１の限界は、温度、比重、比熱比およびガス燃料圧縮率因子のうちの少なくとも１つと圧力とを含む前記流体の複数の特性を用いて決定される、
システム。
前記第１の限界が、バルブ漏れ分類の関数として計算される、請求項７に記載のシステム。
第２の制御容積（３２）と流れ連絡している少なくとも１つの第２のバルブ（２０）と、
第２の制御容積（３２）を隔離したときに、第２の制御容積（３２）内の圧力の変化率を測定することによって、少なくとも１つの第２のバルブ（２０）を通って生じる漏れ率を示す手段と、
を備える請求項７に記載のシステム。