JP6219532B2 - ガスタービンの調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンの調整方法に関するものであり、当該方法では、ガスタービンの燃焼器に供給される燃料の量は、補正タービン出口温度に関する目標値によって調整される。

ガスタービンはターボ機械であり、ガスタービン内では、圧力下にあるガスが膨張する。ガスタービンは、タービン又は膨張器、上流に接続された圧縮機、及び、中間に接続された燃焼室から構成されている。作動原理は、循環過程（ジュールプロセス）に基づいている：循環過程では、１つ又は複数の圧縮機段のブレードを通じて空気が圧縮され、次に、当該空気が燃焼室内で、気体状又は液状の燃料と混合され、点火及び燃焼が行われる。

このように、高温ガス（燃焼ガスと空気との混合気）が発生し、当該高温ガスは、後続のタービン部分で膨張し、熱エネルギーは機械エネルギーに変換され、まず圧縮機を駆動する。残りの部分は、ターボシャフトエンジンにおいて、発電機、プロペラ、及び、その他の回転する消費設備（Verbraucher）を駆動するために用いられる。それに対して、ジェットエンジンでは、熱エネルギーが高温のガスフローを加速させることによって、推進力が生じる。

運転中の固定式ガスタービンにおける燃料の量の調整は、一般的に、補正タービン出口温度に関する目標値を通じて行われ、補正タービン出口温度は、実際に測定された出口温度から決定される。その際の目標は、ガスタービンの重要な設計変数であるタービン入口温度を、周囲条件が変化する場合でも、可能な限り一定に保つことにある。

しかしながら、周囲温度が低下し、従って圧縮機空気がより低温になる場合は、タービン入口温度、及び、それに伴ってタービン出口温度も低下する。それゆえ、上述した調整プロセスは、燃料の量を増大させ、それによって、燃焼室内の一次領域温度／燃焼温度が上昇する。外部温度が低い場合は、一次領域温度／燃焼温度が、燃焼安定性にネガティブな影響を与える程度にまで上昇する可能性がある。それによって、ガスタービンの運転中に故障が生じ得る。

大抵の場合、この問題は、特性曲線（低温周囲温度曲線（Cold Ambient Curve）、ＣＡＣ）をガスタービンの制御ユニットに保存することによって解決された。当該特性曲線は、周囲温度が低い場合に、補正タービン出口温度に関する目標値を制限又は低下させるので、燃焼室内の温度上昇も制限される。しかしながら、それによって、タービンはもはや設計点では動作しないので、タービンの性能及び効率は低下する。

しかしながら、特許文献１に開示されるように、補正タービン出口温度に関する目標値を、論理回路を用いて決定可能であり、決定的な切替基準を算定するためには、燃焼安定性の特性を示すパラメータが考慮される。しかしながら、切替方法の論理は、場合によっては異なる目標値を継続的に再計算することを要求とし、その後に、当該目標値のうちたった１つの目標値が、ガスタービンを制御するために利用される。このことは、計算技術の観点において非常に高コストである。なぜならば、特に開ループ制御の場合には、動作条件に起因して燃焼の不安定性が全く生じ得ないガスタービンの動作状態であっても、燃焼が不安定になる可能性を継続的に考慮するからである。

欧州特許出願公開第２２３９６４１号明細書

従って、本発明の課題は、冒頭に挙げた種類の方法を記載することにあり、当該方法は、特に高い効率と高い性能とを同時に備え、不必要な制御技術的負担を回避した、安定したガスタービンの運転を効率的に可能にする。

本発明によると、本課題は、補正タービン出口温度に関する目標値が、燃焼器内の燃焼安定性の特性を示す値によって決定されることによって解決され、補正タービン出口温度に関する目標値は、付加的に、周囲温度によって決定され、補正タービン出口温度に関する目標値は、所定の周囲温度より低い場合に限り、燃焼器内の燃焼安定性の特性を示す値によって決定される。

その際、本発明は、ガスタービンの特に高い効率と、特に高い性能とは、ガスタービンが、変動する周囲条件に関わらず、可能な限り設計点の近くで動作することによって得られるであろうという考察から出発している。しかしながら、その際、どのようなことがあっても、安定した燃焼を保証し続けなければならない。これまでに保存された、補正タービン出口温度に関する特性曲線は、外部温度が低い場合、安定した燃焼を確実化するが、特に特定の動作状態において、補正タービン出口温度は、不安定な燃焼という危険が全く生じないにも関わらず、さらに引き下げられる。これは、補正タービン出口温度が、実際の燃焼安定性とは無関係に調整されることの結果である。従って、燃焼安定性と、性能及び効率との間において、最適の妥協を見つけるために、燃焼安定性に関する特性値を生成する必要があり、当該特性値によって、補正タービン出口温度に関する目標値が決定される。

さらに、本発明によると、補正タービン出口温度に関する目標値が、付加的に、周囲温度によって決定される。言い換えると、補正タービン出口温度に関する目標値を生成する際、周囲温度と、それぞれ用いられた燃焼安定性に関する特性値との両方が用いられる。

さらに、その際、補正タービン出口温度に関する目標値は、所定の周囲温度より低い場合に限り、燃焼器内の燃焼安定性の特性を示す値によって決定される。ガスタービンの周囲温度が比較的高い限りは、ガスタービンの設計ゆえに、燃焼室内の温度が、燃焼安定性が脅かされるまで上昇する恐れはない。それゆえ、周囲温度に関する限界値を設定することが可能であり、燃焼器内の燃焼安定性の特性を示す値を利用することによって補正タービン出口温度に関する目標値を調整する上述のプロセスは、当該限界値より低い場合に限り実施される。

従って、本発明に係る解決法は、周囲温度を燃焼の不安定性が生じる原因として認識していない先行技術とは異なる。

本発明において、有利には、熱音響変数が、燃焼器内の燃焼安定性の特性を示す値を決定する際に用いられる。その際、フローのコヒーレント構造に出現し、空気と燃料との間の混合プロセスに影響を与える、燃焼器フローの不安定性が、熱音響振動を生成することが利用される。従って、この熱音響振動を測定することによって、燃焼安定性を推測することができる。

当該方法の特に有利な態様では、加速度、及び／又は、交番圧力の振幅（Wechseldruckamplitude）が、燃焼器内の燃焼安定性の特性を示す値を決定する際に用いられる。すなわち、燃焼器において生じる流体力学的な不安定波は、渦の形成をもたらし、当該渦は、燃焼プロセス全体に大きな影響を与え、燃焼室内部における望ましくない周期的な熱放出をもたらし、当該熱放出は、圧力の著しい変動と結びついている。高い圧力変動には、高い振動振幅が関連付けられており、従って、当該振動振幅は、燃焼安定性に関する直接的な指標として用いられ得る。高い交番圧力の振幅と加速度とは、燃焼の不安定性が高いことを意味している。

さらに、有利には、調整プロセスは、燃焼器内の燃焼安定性の特性を示す値に関する限界値を事前に規定するように、且つ、当該限界値に到達しない場合に、補正タービン出口温度に関する目標値を下げるように実施される。これによって、燃焼安定性に関する所定の限界値より低くならないことが確実になる。

当該方法のさらなる有利な態様では、部分負荷運転における、補正タービン出口温度に関する目標値が、燃焼器内の燃焼安定性の特性を示す値によって決定される。すなわち、これまで用いられてきた、周囲温度に依存する、補正タービン出口温度の目標値に関する固定的な特性曲線は、基本負荷においても、部分負荷においても、有効である。とは言え、絶対的な燃焼温度と、従って燃焼の不安定性の危険とは、基本負荷の場合よりも低い。従って、燃焼安定性の特性を示す値を利用する調整プロセスは、特に部分負荷運転において特に効果的である。なぜなら、ここでは、従来利用されてきた調整プロセスが、燃焼安定性に関連するタービン出口温度を低下させる必要が全くない場合であっても実施されるからである。

ガスタービンの制御ユニットは、有利には、上述の方法を実施するように構成されている。従って、当該制御ユニットは、必要なセンサそれぞれすなわち圧力センサ及び加速度センサのための対応する入力装置と、当該方法の特徴を実行するための対応する調整電子機器又は調整ソフトウェアと、を含んでいる。

ガスタービンは、有利には、このような制御ユニットを含んでいる。

発電所設備は、有利には、このようなガスタービンを含んでいる。

本発明によって得られる利点は、特に、補正タービン出口温度に関する目標値の決定又は補正によって、熱音響変数等の、燃焼安定性の特性を示す限界値を直接用いて、周囲温度が低い場合でも、ガスタービンの常に最適の性能と最適の効率とが、部分負荷運転においても得られることにある。性能及び効率を、いずれの動作状態においても、その可能な限り最大の値に保つことが可能であり、燃焼安定性を維持するためには、絶対的に必要な損失のみを甘受すれば良い。

本発明の実施例について、以下の図面を参照しつつ詳述する。

ガスタービンの部分的な縦断面図である。 ガスタービンを調整するための方法を示す概略図である。

全ての図面において、同一の部材には同一の参照符号が付されている。

図１は、ガスタービン１を縦断面において示している。当該部分断面図は、ガスタービン１の上側半分のみを示している。ガスタービン１は、内部に、回転軸２（軸方向）の周りを回転するように取り付けられたロータ４を有しており、当該ロータは、タービンロータとも呼ばれる。ロータ４に沿って、まず、吸気ハウジング６と圧縮機８とが連続している。圧縮機８の出口からは、空気が、図１では概略的にのみ示されている２つのサイロ形燃焼室１０に誘導される。当該サイロ形燃焼室は、以下において詳細に図示されてはいない。サイロ形燃焼室１０の後には、タービン１２と、もはや図示されていない排気ハウジングとが続いている。

以下に示される方法は、サイロ形燃焼室１０を有するガスタービン１に基づいて説明されるものの、別の構成の燃焼室を有するガスタービン１でも同じく適用可能である。従って、以下の説明は、例えば環状燃焼室、管状燃焼室、又は、環状／管状燃焼室を有するガスタービン１にも有効である。

サイロ形燃焼室１０は、タービン１２内の環状高温ガス導管１４と連通している。そこでは、例えば４つの連続して接続されたタービン段１６が、タービン１２を形成している。各タービン段１６は、２つのブレードリングから形成されている。作動媒体の流れる方向に見て、高温ガス導管１４内では、ガイドベーン２４から構成されたガイドベーン列１８に、ロータブレード２０から構成されたロータブレード列２２が続いている。ガイドベーン列１８のガイドベーン２４と、ロータブレード２０とは、航空機の翼のように、軽く湾曲した外形を有している。

その際、ガイドベーン２４は、ステータ２６に固定されている。各ガイドベーン２４は、本来のブレード部分（Schaufelblatt）の他に、プラットフォームとも表記されるガイドベーン根元部と、当該ガイドベーン根元部の反対側に位置するガイドベーン頂部とを有している。ガイドベーン頂部は、ロータ４に対向しており、内側リング３０に固定されている。その際、各内側リング３０は、ロータ４のシャフトを取り囲んでいる。同様に、各ロータブレード２０は、そのようなロータブレード根元部を有しているが、ロータブレード先端部で終端している。

ロータブレード列２２のロータブレード１８は、それぞれ、タービンディスク２８を介してロータ４に取り付けられている。従って、ロータブレード２０は、ロータ４の構成要素を成している。ロータ４には、発電機又は工作機械（図示せず）が連結されている。

ガスタービン１の動作中、圧縮機８によって、吸気ハウジング６を通って、空気が吸入され、圧縮される。圧縮機８のタービン側端部に供給された圧縮空気は、サイロ形燃焼室１０に誘導され、当該サイロ形燃焼室で燃料と混合される。当該混合物は、高温ガスを形成しながら、サイロ形燃焼室１０内で燃焼する。高温ガスは、サイロ形燃焼室１０を出発して、高温ガス導管１４に沿って流れ、ガイドベーン２４及びロータブレード２０の横を通過する。

流体フローからは、可能な限り渦の無い、タービンブレード２０、２４の周りの層流によって、その内部エネルギーの一部が取り出され、タービン１２のロータブレード２０に伝えられる。次に、当該ロータブレードによって、ロータ４が回転し、それによって、まず圧縮機８が駆動される。利用可能な出力は、図示されていない工作機械に伝えられる。

図２は、制御ユニット３２内で行われる、ガスタービンを調整するためのプロセスを概略的に示している。その際、設計目標は、タービン入口温度又はＩＳＯ混合温度ＴＴ１ｉｓｏを一定に保つことである。この、理想的な状態において、タービン１２の入口で支配的である高温ガスの温度ＴＴ１ｉｓｏを、直接測定することはできない。当該温度は、冷却空気及び漏出空気の混合による温度損失を差し引いた燃焼室出口温度にほぼ一致するが、その際、理論上、完全な混合が仮定される。

従って、ガスタービン１の動作を調整するために、タービン１２の出口における高温ガスのタービン出口温度ＴＡＴが、温度測定装置３４によって監視される。ガスタービン１の性能と、タービン出口温度ＴＡＴひいては間接的ではあるがタービン入口温度ＴＴ１ｉｓｏとの両方が、サイロ形燃焼室１０に導入される燃料の量によって調整可能である。ガスタービン１に導入される燃料の体積流量を増大させることによって、高温ガスの温度が上昇し、ガスタービン１の性能が高められる。そのために、制御装置３２は、燃料供給弁３６を調整する。

タービン入口温度ＴＴ１は、吸入された空気フローの、圧縮機８の上流における周囲温度ＴＶ１にも依存するので、当該周囲温度は同様に、常に、すなわち、動作時間の全体に亘って、周期的に繰り返して、温度測定装置３８によって測定又は決定される。

補正タービン出口温度ＴＡＴＫが、ＴＡＴＫ＝ＴＡＴ−ｋ・ＴＶ１に従って補助変数として決定されるので、空気温度ＴＶ１に対するタービン出口温度ＴＡＴの依存性の大部分が、制御装置３２によって解消される。従って、補正タービン出口温度ＴＡＴＫは、燃料媒体の利用に大きく依存するので、その結果として、調整変数として補正タービン出口温度ＴＡＴＫを調整することによって、且つ、操作変数として燃料の体積流量を設定することによって、ガスタービン１を一層容易に制御することができる。また、補正タービン出口温度ＴＡＴＫは、二次方程式又は他の関数を利用して決定することもできる。

制御ユニット３２において、周囲温度に応じて、補正タービン出口温度ＴＡＴＫの目標値Ｔｓｏｌｌを設定及び決定することができる。しかしながら、その際、決定は、所定の周囲温度より低い場合に限り、燃焼器内での燃焼安定性の特性を示す値によって行われるべきである。このような場合、目標値Ｔｓｏｌｌと、決定された補正タービン出口温度ＴＡＴＫとの比較が行われる。現在値、補正タービン出口温度ＴＡＴＫが、目標値Ｔｓｏｌｌよりも小さい場合、制御ユニット３２は、燃料供給弁３６を通じて、サイロ形燃焼室１０への燃料供給を増大させ、大きい場合は減少させる。

周囲温度ＴＶ１が低下する場合には、タービン入口温度ＴＴ１ｉｓｏも低下する。なぜならば、圧縮機空気が一層低温であるためである。すなわち、高温ガスが、より低温の冷却空気及び漏出空気と共に供給されるからである。しかしながら、タービン出口温度ＴＡＴと、−補正されているにも関わらず−補正タービン出口温度ＴＡＴＫとも低下するので、その結果として、上述の調整プロセスは燃料供給を増大させる。これにより、サイロ形燃焼室１０の内部の燃焼温度が上昇するので、その結果として、特定の状況下においては、燃焼が振動に起因して不安定となる場合がある。従って、外部温度ＴＶ１が低い場合には、補正タービン出口温度ＴＡＴＫに関する目標値Ｔｓｏｌｌを下げる必要がある。

上述の関係の他に、ＴＡＴＫに関する式は、例えばガスタービン１の回転数及び空気の湿度等の、さらなる入力変数も含んでいる。

ガスタービンは、付加的に、サイロ形燃焼室１０内に、圧力センサ４０と加速度センサ４２とを有している。これらのセンサは、出願人によって導入された「高度安定余裕制御装置（ａＳＭＣ）」の枠内にも存在し得るものであり、いずれの場合にも、熱音響的測定変数である加速度ａ及び交番圧力の振幅ｐを測定する。これらの熱音響的測定変数は、燃焼安定性に関する特性値Ｗを決定するために用いられる。

補正タービン出口温度ＴＡＴＫの目標値Ｔｓｏｌｌは、周囲温度ＴＶ１が低い（本発明では特定の限界値が事前に規定される）場合に、決定された特性値Ｗに基づいて決定されるか、又は、加速度ａ及び交番圧力の振幅ｐの測定値からアルゴリズムを利用して直接的に決定される。これに関連して、基本的に、燃焼安定性が決定された限界値より低くなった直後に、目標値Ｔｓｏｌｌが低減される。従って、目標値Ｔｓｏｌｌは、常に可能な限り高く維持されるが、燃焼安定性を損なわないように必要に応じて低く維持される。従って、決定された燃焼安定性を利用することによって、目標値Ｔｓｏｌｌが調整される。

それによって、特に部分負荷運転において、及び、外部温度が低い場合に、ガスタービン１の性能及び効率が最適化される。

１ ガスタービン
２ 回転軸
４ ロータ
６ 吸気ハウジング
８ 圧縮機
１０ サイロ形燃焼室
１２ タービン
１４ 高温ガス導管
１６ タービン段
１８ ガイドベーン列
２０ ロータブレード
２２ ロータブレード列
２４ ガイドベーン
２６ ステータ
２８ タービンディスク
３０ 内側リング
３２ 制御ユニット
３４ 温度測定装置
３６ 燃料供給弁
３８ 温度測定装置
４０ 圧力センサ
４２ 加速度センサ
ａ 加速度
ｐ 交番圧力の振幅
ＴＡＴ タービン出口温度
ＴＡＴＫ 補正タービン出口温度
ＴＶ１ 周囲温度

Claims (8)

1. ガスタービン（１）を調整するための方法であって、前記ガスタービン（１）の燃焼器に供給される燃料の量が、補正タービン出口温度（ＴＡＴＫ）に関する目標値（Ｔｓｏｌｌ）によって調整され、前記補正タービン出口温度（ＴＡＴＫ）に関する目標値（Ｔｓｏｌｌ）が、前記燃焼器の内部の燃焼安定性の特性を示す値（Ｗ）によって決定される方法において、
   前記補正タービン出口温度（ＴＡＴＫ）に関する目標値（Ｔｓｏｌｌ）が、付加的に、周囲温度（ＴＶ１）によって決定され、前記補正タービン出口温度（ＴＡＴＫ）に関する目標値（Ｔｓｏｌｌ）が、所定の周囲温度（ＴＶ１）より低い場合に限り、前記燃焼器の内部の燃焼安定性の特性を示す値（Ｗ）によって決定されることを特徴とする方法。
2. 前記燃焼器の内部の燃焼安定性の特性を示す値（Ｗ）を決定する際に、熱音響変数（ａ、ｐ）が用いられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記燃焼器の内部の燃焼安定性の特性を示す値（Ｗ）を決定する際に、加速度（ａ）及び／又は交番圧力の振幅（ｐ）が用いられることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記燃焼器の内部の燃焼安定性の特性を示す値（Ｗ）に関する限界値が事前に規定され、前記限界値より低い場合に、前記補正タービン出口温度（ＴＡＴＫ）に関する目標値（Ｔｓｏｌｌ）が低減されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記補正タービン出口温度（ＴＡＴＫ）に関する目標値（Ｔｓｏｌｌ）が、部分負荷運転において、前記燃焼器の内部の燃焼安定性の特性を示す値（Ｗ）によって決定されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の方法を実施するように構成されている、ガスタービン（１）のための制御ユニット（３２）。
7. 請求項６に記載の制御ユニット（３２）を有するガスタービン（１）。
8. 請求項７に記載のガスタービン（１）を有する発電所設備。

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