JP2009216085A - ガスタービンエンジンシステムを運転するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジンの運転を制御するための方法及び装置を提供する。
【解決手段】発電機２４と、対応する流量制御装置からの燃料の流れを受け取る複数の燃料噴射ポイントを有する燃焼器１４を備えたガスタービンエンジンと、燃料制御システム２８とを含む。燃料制御システムは、ガスタービンエンジンシステムの周辺に位置し、関連パラメータを測定する複数のセンサ２６と、プロセッサとを含む。プロセッサは、センサから燃料組成を示す信号を受け取り、流れモデル及び信号を用いて、流量制御装置に対する入口２０で燃料の物理的特性を求め、求められた物理的特性を用いてガス燃料流量ゲインに対する対応する補正値を求め、求められた流量ゲインを用いて、燃料供給並びに燃焼器上での燃料噴射ポイント間の燃料スプリットを自動的に制御し、ガスタービンエンジンで使用する燃料組成の比較的大きな変動を許容可能にするようにプログラムされている。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般にガスタービンエンジンに関し、より詳細にはガスタービンエンジンの運転を制御するための方法及び装置に関する。

ガスタービンエンジンは通常、圧縮機セクション、燃焼器セクション、及び少なくとも１つのタービンセクションを含む。圧縮機は空気を加圧し、加圧された空気が燃料と混合されて燃焼器に送られる。次いで、混合気が点火されて高温燃焼ガスを発生する。燃焼ガスは、タービンに送られ、該タービンが燃焼ガスからエネルギーを取り出して、圧縮機を作動させると共に、発電機などの負荷に動力を供給するため、又は飛行中の航空機を推進させるための有用な仕事を行うようにする。

ガスタービンエンジンは、多くの異なる運転条件で動作し、燃焼器性能により広い範囲のエンジン運転条件にわたるエンジンの運転が可能になる。燃焼器性能の制御を利用して、ガスタービンエンジン運転全体を改善することができる。より詳細には、ＮＯｘエミッション及び燃焼ダイナミックスレベルを予め設定された限度内に維持しながら、例えば、発熱量及び比重などのガス燃料組成のより大きな変動を可能にする。乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃焼システムを備えたガスタービンは通常、複数ノズルの予混合燃焼器を含む燃料供給システムを利用する。ＤＬＮ燃焼器設計は、希薄予混合燃焼を利用して、水又は蒸気などの希釈剤を用いることなく低ＮＯｘエミッションを達成する。希薄予混合燃焼は、燃焼器火炎ゾーンの上流側での燃料及び空気の予混合と、ピーク火炎温度及びＮＯｘ生成を低く維持するために燃料の希薄燃焼限界近傍での運転を伴う。希薄予混合燃焼に内在する安定性の問題並びにガスタービン運転範囲にわたって生じる広い燃空比範囲に対応するために、ＤＬＮ燃焼器は通常は各燃焼室中に複数の燃料ノズルを有し、個々に又はサブグループ単位で燃料が供給される。ガスタービン燃料システムは、各燃焼室内のノズルの各グループに供給するための個別制御供給回路を有する。制御システムは、火炎安定性、低エミッション、及び許容可能な燃焼器寿命を維持するように、タービン運転範囲にわたり各回路に対して燃料流量（燃料スプリット）を変化させる。各ノズルサブグループに対する燃料流量は、ガス制御弁（ＧＣＶ）を介して制御される。燃料スプリットは、アクティブなＧＣＶの中で全燃料コマンド（燃料ストローク基準）を分割するよう動作し、結果として生じるパーセントＧＶＣ燃料流量コマンドが弁位置に変換されて、ノズルサブグループに対する所望の燃流量を達成する。

パーセントＧＶＣ燃料流量コマンドを弁位置に変換するために、弁流量容量係数Ｃｇを用いてガス燃料システムの流量ゲインが求められる。弁容量係数は、既知の弁流量特性を用いて弁位置に変換される。これにより容量の変化に応じて複数の弁を利用できるようになる。ＧＣＶ流量スカラーとも呼ばれる流量ゲインは、最大燃料流量運転条件時に必要な最大Ｃｇに基づく。

流量ゲインを算出するのに使用される入力は、燃料成分によって決まり、この流量変換技術の適用は、ほとんど一定の燃料特性を備えた用途に限定される。流量ゲインを用いた従来の方法は、負荷範囲全体にわたり燃料特性が一定であると仮定しており、これは常に当てはまるとは限らない。従って、流量ゲインは、燃料特性の変化に対して補正されることなく、負荷範囲全体にわたり流量コマンドを適切に線形化しないことになる。このことは望ましくないドループ非線形性を生じる可能性があり、燃料特性が有意に変化した場合、例えば、燃料移送中又は燃料温度が大きく変化した後に負荷過渡応答を引き起こす可能性がある。

従来技術では、流量ゲインに対する偏位を用いており、この場合実ガス温度対設計ガス温度を用いて流量ゲインを偏位させていたが、一般にこのタイプの補正は燃料温度を考慮しており、燃料成分は比較的一定であると仮定されている。しかしながら、燃料加湿システムのような出力増大システムが使用される場合、燃料の物理的特性の変化の大きさがかなりのものであるので、正確な流量ゲインを算出するのに新しい技法が必要となる。

米国特許第７，２８７，５１５号公報 米国特許第７，１４３，００３号公報 米国特許第７，００７，４８５号公報 米国特許第６，８１３，８７５号公報 米国特許第６，７５１，９４２号公報 米国特許第６，６５５，１５１号公報 米国特許第６，２３０，１０３号公報 米国特許第５，７４３，０７９号公報 米国特許公開第２００８−００３４７３１号公報 米国特許公開第２００７−０１３０９１１号公報 米国特許公開第２００６−０２７５６３３号公報

１つの実施形態において、ガスタービンエンジンシステムは、電気的エネルギーを負荷に提供するよう構成された発電機と、複数の対応する流量制御装置からの燃料の流れを受け取るように構成された複数の燃料噴射ポイントを有する少なくとも１つの燃焼器を備えたガスタービンエンジンと、燃料制御システムとを含む。燃料制御システムは、ガスタービンエンジンシステムの周辺に位置付けられ、関連する少なくとも１つのパラメータを測定するように構成された複数のセンサと、プロセッサとを含む。プロセッサは、複数のセンサの少なくとも１つから燃料組成を示す信号を受け取り、流れモデル及び少なくとも１つの信号を用いて、流量制御装置に対する入口で燃料の物理的特性を求め、求められた物理的特性を用いてガス燃料流量ゲインに対する対応する補正値を求め、求められた流量ゲインを用いて、燃料供給並びに燃焼器上での燃料噴射ポイント間の燃料スプリットを自動的に制御し、ガスタービンエンジンで使用する燃料組成の比較的大きな変動を許容可能にするようにプログラムされている。

別の実施形態において、ガスタービンエンジンを運転する方法は、燃料の組成を示す信号を受け取る段階と、流れモデルと燃料組成信号とを用いて、少なくとも１つの流量制御装置への入口で燃料の物理的特性を求める段階と、求められた物理的特性を用いてガス燃料流量ゲインに対する対応する補正値を求める段階と、調整された流量ゲインを用いて、燃料供給並びに燃焼器上での燃料噴射ポイント間の燃料スプリットを自動的に制御する段階とを含む。

更に別の実施形態において、燃料制御システムは、燃料制御システムへの燃料の流れを許容するように構成された燃料入口と、第１の配管構成要素を介して燃料入口と流れ連通して結合された燃料加湿器と、燃料制御システム負荷において１つ又はそれ以上の噴射ポイントへの流れを調整するよう構成された少なくとも１つの流量制御装置と、第２の配管構成要素を介して燃料加湿器と流れ連通して結合された少なくとも１つの流量制御装置と、燃料制御システムの周囲に位置付けられ且つ関連の少なくとも１つのパラメータを測定するよう構成された複数のセンサと、プロセッサとを含む。プロセッサは、複数のセンサのうちの少なくとも１つから燃料の組成を示す信号を受け取り、流れモデル及び少なくとも１つの信号を用いて、流量制御装置に対する入口での燃料の物理的特性を求め、求められた物理的特性を用いてガス燃料流量ゲインに対する対応する補正値を求め、調整された流量ゲインを用いて、燃料供給並びに燃焼器上での燃料噴射ポイント間の燃料スプリットを自動的に制御し、ガスタービンエンジンで使用する燃料組成の比較的大きな変動を許容可能にする、ようにプログラムされている。

本発明の１つの実施形態によるガスタービンエンジンシステムの概略図。 図１に示すシステムで用いることができる例示的な燃料システム流れネットワークの概略図。 本発明の１つの実施形態によるガスタービンエンジンを運転する例示的な方法のフローチャート。

本方法及び装置は、本明細書では産業環境で使用されるガスタービンエンジンに関連して説明されているが、本明細書で説明される方法及び装置は、限定ではないが、航空機に組み込まれるタービンを含む他の燃焼タービンシステムに適用できることは企図される。加えて、本明細書で記載される原理及び教示は、限定ではないが、天然ガス、液化天然ガス、ガソリン、灯油、ディーゼル燃料、及びジェット燃料などの様々な可燃性燃料を用いたガスタービンに適用可能である。従って、以下の本明細書の説明は、限定ではなく単に例証として記載される。

図１は、圧縮機１２、燃焼器１４、圧縮機に駆動可能に結合されたタービン１６、及び制御システム１８を含むガスタービンエンジンシステム１０の概略図である。入口ダクト２０は周囲空気を圧縮機に送る。１つの実施形態において、注入水及び／又は他の加湿剤もまた、入口ダクトを通って圧縮機に送られる。入口ダクト２０は、ダクト、フィルタ、スクリーン、及び入口ダクト２０を通って圧縮機１２の１つ又はそれ以上の入口ガイドベーン２１内に流れる周囲空気の圧力損失の原因となる消音装置を有することができる。排気ダクト２２は、タービン１６の出口から例えばエミッション制御及び消音装置を通って燃焼ガスを送る。排気ダクト２２は、消音材料と、タービン１６に背圧を加えるエミッション制御装置とを含むことができる。入口圧力損失及び背圧の量は、ダクト２０、２２への構成要素の追加、並びに入口及び排気ダクトを閉塞する塵埃及び汚れに起因して、時間の経過と共に変化する可能性がある。タービン１６は、電力を生成する発電機２４を駆動することができる。圧縮機１２に対する入口損失及びタービン排気圧力損失は、ガスタービンを通る補正流れの関数となる傾向がある。更に、入口損失及びタービン背圧の量は、ガスタービンを通る流量に応じて変化する可能性がある。

ガスタービンエンジンシステム１０の運転は、タービン１６、発電機２４、及び周囲環境の種々の状態を検出する幾つかのセンサにより監視することができる。例えば、温度センサ２６は、ガスタービンエンジンシステム１０を取り巻く周囲温度、圧縮機吐出温度、タービン排気ガス温度、及びガスタービンエンジンを通るガス流の他の温度測定値を監視することができる。圧力センサ２６は、周囲圧力と、圧縮機入口及び出口、タービン排気、並びにガスタービンを通るガス流内の他の位置の静的及び動的圧力レベルとを監視することができる。乾湿計のような湿度センサ２６は、圧縮機の入口ダクトにおける周囲湿度を測定する。センサ２６はまた、流量センサ、速度センサ、フレーム検出器センサ、弁位置センサ、ガイドベーンセンサ、及びガスタービンエンジンシステム１０の運転に対する種々のパラメータを感知する他のセンサを備えることができる。本明細書で使用する「パラメータ」とは、規定位置の温度、圧力、及びガス流量のような、ガスタービンエンジンシステム１０の運転条件を定義するのにその値を用いることができる物理的特性を意味する。

燃料制御システム２８は、燃料供給源から燃焼器１４に流れる燃料と、燃焼室の周囲に配置された種々の燃料ノズルに流す燃料スプリットとを調節する。燃料制御システム２８はまた、燃焼室用の燃料のタイプを選択することができる。燃料制御システム２８はまた、燃料ノズルサブグループに流れる燃料の一部を決定する燃料スプリットコマンドを生成し実施することができる。

燃料システム１８は、プロセッサを有するコンピュータシステムとすることができ、該プロセッサは、センサ入力及び人間のオペレータからの指示を用いてガスタービンの運転を制御するためのプログラムを実行する。コントローラ１８が実行するプログラムは、燃焼器１４への燃料流量を調節するスケジュールアルゴリズムを含むことができる。コントローラが生成するコマンドによって、ガスタービン上のアクチュエータが、例えば燃料供給源と燃焼器との間にあり且つ燃焼器に流れる燃料スプリット及び燃料のタイプを調節する弁（アクチュエータ３２）を調整し、圧縮機上の入口ガイドベーン２１（アクチュエータ３０）を調整し、更にガスタービン上の他の制御設定を作動させるようにする。

制御システム１８は、コントローラのコンピュータメモリ内に記憶されたアルゴリズムに部分的に基づいてガスタービンを調節する。これらのアルゴリズムにより、制御システム１８は、タービン排気内のＮＯｘ及びＣＯエミッションを特定の予め設定されたエミッション限界にまで維持すること、及び燃焼器燃焼温度を予め設定された温度限界にまで維持することが可能になる。アルゴリズムは、現在の圧縮機圧力比、周囲絶対湿度、入口圧力損失、及びタービン排気背圧に対するパラメータ変数の入力を有する。アルゴリズムが入力にパラメータを使用することにより、制御システム１８は、周囲温度及び湿度の季節的変動、並びにガスタービンの入口２０を通る入口圧力損失及び排気ダクト２２での排気背圧の変化に対応する。周囲条件の入力パラメータ、並びに入口圧力損失及び排気背圧により、制御システム１８において実行するＮＯｘ、ＣＯ及びタービン燃焼アルゴリズムは、ガスタービン運転における季節的変動並びに入口損失及び背圧の変化を自動的に補償することが可能になる。従って、オペレータが、周囲条件の季節的変動並びに入口圧力損失又はタービン排気背圧の変化を考慮するよう手動で調整する必要性が低減される。

燃焼器１４は、ＤＬＮ燃焼システムとすることができる。制御システム１８は、ＤＬＮ燃焼システムを制御し、燃料スプリットを決定するようプログラム及び修正することができる。

制御システム１８により実行されるスケジュール及びアルゴリズムは、ＮＯｘ燃焼器ダイナミックスに影響を与える周囲条件（温度、湿度、入口圧力損失及び排気背圧）の変動並びに部分負荷ガスタービン運転条件での燃焼温度限界に対応する。制御システム１８は、排気温度及び燃焼器燃料スプリットを同時にスケジュールする。制御システム１８は、所望のタービン排気温度及び燃焼器燃料スプリットを設定するような、ガスタービンをスケジュールするアルゴリズムを適用し、ガスタービンの作動性境界に適合しながら性能目標を満足するようにする。制御システム１８は同時に、部分負荷運転中のレベル燃焼器温度上昇及びＮＯｘを求め、燃焼ダイナミックス境界に対する運転マージンを高め、これによりガスタービンの作動性、信頼性、及び可用性を改善するようにする。

燃焼器燃料スプリットは、燃焼ダイナミックスなどの他の作動性境界を遵守しながら所望の燃焼モードを維持するよう制御システム１８によりスケジュールされる。所与の負荷レベルでは、サイクル適合ポイント及び燃焼器燃料スプリットは、結果として生じるＮＯｘエミッションに影響を与える。部分負荷運転中のＮＯｘ及び燃焼器温度上昇を同時にレベリングすることで、燃焼ダイナミックスのレベルが最小になり、エミッション適合性又は部品寿命に悪影響を与えることなくガスタービンの運転領域を拡大する。

燃焼器１４は、機械負荷に対して運転モード、エミッション、及び燃焼ダイナミックスのレベルを調節できるように、各燃焼器内の２つ又はそれ以上の噴射装置グループに供給する複数の燃料制御弁を含む。幾つかの燃料ガス制御弁の間で燃料スプリットを調節することによって、機械負荷範囲にわたりエミッション及びダイナミックスが最適化される。燃料スプリット調節は、機械排気温度及び他の連続的に監視される機械パラメータの関数である燃焼基準温度と呼ばれる算出基準パラメータに依存する。

本明細書で説明される本発明の実施形態は、例えば、様々な燃料組成及び発熱量の複合サイクル発電プラントにおける燃焼システムに対する燃料流量を管理するための方法及び制御システムを定める。燃料特性の変化が大きい場合の円滑な移行を可能にする燃料流量制御方法を利用して、配電網に対する変動を最小にすると共に、スタックエミッションを所定限度内に維持する。燃料加湿システムは、発電プラントの複合サイクル性能全体を改善するのに利用される。燃料の加湿により生じる燃料組成の変化を補償する方法を用いて、加湿システムの故障状態下並びに複合発電プラントの正常な始動及び負荷運転中での燃焼システムの動作を可能にする。燃料組成及び／又は発熱量の大きな変化は、火炎又は過剰温度の損失など燃焼火炎安定性問題を生じる可能性があり、発電ユニットがオフラインで作動するようになる可能性がある。

燃料組成及び含水量を測定するのに用いられる装置は通常、ガス制御弁のかなり上流側でのみ利用可能であるので、埋め込み流れモデルを用いて、燃料システム流量ゲインの調整の適切なタイミングを判断する。

図２は、本発明の実施形態による例示的な燃料システム流れネットワーク２００の概略図である。例示的な実施形態において、対象となる制御容積２０２は、第１の入口流体ストリーム２０４、第２の流体ストリーム２０６、及び１つ又はそれ以上のガス制御弁２１０に送給する単一の出口ストリーム２０８を含む。入口燃料ヘッダ２１２は、流体オリフィス２１４及び温度センサ２１６を含む。ヘッダ２１２は、タワー入口制御弁２１８及び第１分岐路２２２を通って燃料加湿タワー２２０に供給され、更に第２の分岐路２２６を通ってタワーバイパス制御弁２２４に供給される。第１の入口流体ストリーム２０４は、圧力センサ２２８及び温度センサ２３０をそれぞれ含む。第１の入口流体ストリーム２０４及び第２の入口流体ストリーム２０６は、共通燃料ヘッダ２３２において結合される。例示的な実施形態において、共通燃料ヘッダ２３２は、直列流れ関係で、圧力センサ２３４、温度センサ２３６、性能ヒータ２３８、温度センサ２４０、洗浄装置２４２、濾過器２４４、圧力センサ２４６、及び温度センサ２４８を含む。出口燃料ヘッダ２５０は、補助停止弁２５２、安全逃し弁２５４、圧力センサ２５６、及び１つ又はそれ以上のガス制御弁２１０を含む。

燃焼システムに対する燃料供給を正確に制御するためには、ガス制御弁２１０などの主燃料制御要素における燃料の物理的特性が既知であることが必要となる。組成がほとんど変わらない燃料では、燃料成分及び物理的特性は一定であると仮定することができ、圧力及び温度などの物理的パラメータを用いてガスタービンへの燃料を制御することができる。場合によっては、燃料の物理的特性はかなり変わる可能性があり、その結果、こうした仮定が誤ったもの又は不正確なものとなる。

燃料加湿システムを利用する一部の燃焼システムでは、燃料の物理的特性は、正常な装荷／除荷並びにシステム不調時後の再始動中、又はトリップ状態中にかなり変わることがある。正常な装荷／除荷中、十分なエネルギーがボトミングサイクルにおいて利用可能であり且つ燃焼システムにおいて状態が有利である場合には、複合サイクル性能を有利にするために燃料ガスに湿気が付加される。燃料に湿気を付加することで物理的特性がかなり変化し、その結果、燃料制御システムは、これに応じて燃料コマンド又は燃料システム流量ゲインのいずれかに対し対応する調整の実施を課せられる。

物理的特性の測定値が加湿タワーとガス制御弁（ＧＣＶ）との間で利用可能ではなく、また、連続的に測定するには実用可能ではない場合には、ＧＣＶの入口において燃料特性を予測するのに物理的流れモデルが利用される。流れモデルは、システムを通る流体の水蒸気含有量及び物理的移送遅れを表している。燃料加湿タワーの下流側の流体ストリームには追加の天然ガス又は水が付加されないと仮定することができる。燃料加湿タワー出口で算出される水蒸気モル比率は、流れモデルに送給され、次いで、ガス制御弁入口にてシステムの境界条件に連続的に基づいて算出される。タワーから出る物理的特性は、乾燥天然ガス入口燃料に加えられた水として測定することができ、次のＧＣＶでの物理的特性は、限定ではないが、システムにおける混合気温度、圧力、流速、及び容積に基づいて求められることになる。次に、燃料コマンドを再線形化し且つ調整しない場合に移送中に生じることになる負荷過渡応答を最小にするように流量ゲインが適切に調整された後に続く物理的特性の算出においては、ＧＣＶで算出された水蒸気モル比率が使用される。

制御システムは、流れモデルを利用して流量ゲイン調整を適切に時間調整し、この流量ゲイン調整は、ガス制御弁入口での燃料の物理的特性を使用して、物理的特性の変化により生じる可能性のある予想される変化に対して補正する。

燃料加湿タワーから出る飽和天然ガス混合気の水蒸気のモル比率は、ヘンリーの法則から求めることができる。

式中、Ｈは所与の圧力及び温度条件におけるガスのヘンリーの法則の定数、Ｐｗは天然ガス／水蒸気混合気における水蒸気の分圧、及びｘ_ｗは天然ガス／水蒸気混合気における水蒸気のモル比率である。

蒸気圧力の近似値もまた、燃料ガスの経験的に導かれた飽和曲線を利用することにより得ることができる。

２つの入口流体ストリーム２０４及び２０６を仮定すると、タワーバイパス弁２２４からの乾燥ガス及び燃料加湿タワー２２０から出る湿潤（飽和）ガスは、制御容積２０２に対する入力ストリームだけであり、入口流体ストリーム２０４及び２０６は混合されて制御容積２０２内の下流側に進む。制御容積２０２内の混合流体ストリームパラメータは、入口条件及び流れモデルのパラメータ化に基づいて求められる。制御容積に入る乾燥ガスは、一定の成分を有するように仮定することができ、湿潤ストリーム成分は、乾燥ガスストリームに加えられる水蒸気に基づいている。

Ｇｉｂｂの理論を用いると、理想ガス混合気の物理的特性Ｐ_ｍｉｘは、混合気中の各個々の化学種の特性の合計である。これは次式で一般に表すことができる。

式中、Ｐ_ｉは混合気中の各化学種の物理的特性、ｘ_ｉは混合気中の各化学種のモル比率、及びｎは混合気中の化学種の総数である。

乾燥天然ガス入口混合気中の各化学種のモル比率が与えられると、モル質量ＭＷ_{ｆ＿ｄｒｙ}は次式で表すことができる。

式中、ｘ_{ｉ＿ｄｒｙ}は乾燥天然ガス混合気中の各化学種のモル比率、ＭＷ_{ｉ＿ｄｒｙ}は乾燥天然ガス混合気中の各化学種の分子量［ｌｂ_ｍ＿ｉ／ｌｂ_{ｍｏｌｅ＿ｉ}］である。

同様に、定圧ｃ^ｉｇ _{ｐ＿ｆ＿ｄｒｙ}での乾燥天然ガス混合気の理想熱容量を次式で表すことができる。

式中、ｃ^ｉｇ _{ｐ＿ｉ＿ｄｒｙ}は乾燥天然ガス混合気中の各化学種の定圧での熱容量［ＢＴＵ／ｌｂ_ｍｏｌｅ°Ｒ］である。

乾燥天然ガスストリームの成分ｘ_{ｉ＿ｄｒｙ}が与えられ、湿潤天然ガスストリーム内の水蒸気のモル比率を算出することによって、湿潤天然ガスストリームの成分ｘ_ｊ＝２は次式で表すことができる。

式中、ｘ_Ｈ２Ｏは飽和天然ガス混合気中の水蒸気のモル比率、ｘ_{ｉ＿ｗｅｔ}は飽和天然ガス混合気中の各化学種のモル比率である。

同様に、乾燥ガス混合気の１モル当たり低位発熱量は以下のように算出することができる。

式中、ＬＨＶ_{ｆ＿ｍｉｘ}は乾燥天然ガス混合気の低位発熱量［ＢＴＵ／ｌｂ_{ｍｏｌｅ＿ｆ}］、ＬＨＶ_ｉは乾燥天然ガス混合気中の要素ｉの低位発熱量［ＢＴＵ／ｌｂ_{ｍｏｌｅ＿ｉ}］、及びｘ_ｉは乾燥天然ガス混合気中の各化学種のモル比率［ｌｂ_ｍ＿ｉ／ｌｂ_{ｍｏｌｅ＿ｆ}］である。

次に、飽和天然ガス混合気におけるモル物理的特性は、以下の一般式による乾燥天然ガス混合気及び水蒸気ガス特性の合計として表すことができる。

式中、Ｐ_{ｆ＋Ｈ２Ｏ}は飽和天然ガス混合気の物理的特性［ｕｎｉｔ／ｍｏｌｅ_ｍｉｘ］、Ｐ_ｆは乾燥天然ガス混合気の物理的特性、及びｘ_Ｈ２Ｏは飽和天然ガス混合気中の水のモル比率である。

飽和天然ガス混合気のモル質量ＭＷ_{ｆ＋Ｈ２Ｏ}は次式で表すことができる。

式中、ＭＷ_{ｆ＋Ｈ２Ｏ}は飽和天然ガス混合気のモル重量［ｍａｓｓ_{ｆ＋Ｈ２Ｏ}／ｍｏｌｅ_{ｆ＋Ｈ２Ｏ}］、ＭＷ_{ｆ＿ｄｒｙ}は乾燥燃料混合気のモル重量［ｍａｓｓ_{ｆ＿ｄｒｙ}／ｍｏｌｅ_{ｆ＿ｄｒｙ}］、ＭＷ_Ｈ２Ｏは水のモル質量［ｍａｓｓ_Ｈ２Ｏ／ｍｏｌｅ_Ｈ２Ｏ］、ｘ_Ｈ２Ｏは飽和天然ガス混合気中の水のモル比率である。

次に、飽和天然ガス混合気の分子低位発熱量ＬＨＶ_{ｆ＋Ｈ２Ｏ}は、次式で表すことができる。

式中、ＬＨＶ_{ｆ＿ｄｒｙ}は乾燥ガス混合気の下位発熱量［ＢＴＵ／ｌｂ_{ｍｏｌｅ ｆ＿ｄｒｙ}］、ＬＨＶ_Ｈ２Ｏは水の下位発熱量＝０［ＢＴＵ／ｌｂ_{ｍｏｌｅ Ｈ２Ｏ}］、及びｘ_Ｈ２Ｏは燃料水混合気中の水のモル比率である。

飽和天然ガス混合気における理想ガス定数Ｒ_{ｘｆ＋Ｈ２Ｏ}は、以下の式を用いて算出することができる。

式中、ＭＷ_{ｆ＋Ｈ２Ｏ}は飽和天然ガス混合気のモル重量［ｍａｓｓ_{ｆ＋Ｈ２Ｏ}／ｍｏｌｅ_{ｆ＋Ｈ２Ｏ}］、Ｒ_{ｕｎｉｖ １}＝１．９８５８８［ＢＴＵ／（ｌｂ_ｍｏｌｅ°Ｒ）］、Ｒ_{ｕｎｉｖ ２}＝１５４５．３２［ｌｂ_ｆ＊ｆｔ／（ｌｂ_ｍｏｌｅ°Ｒ）］である。

定圧での飽和天然ガス混合気の理想熱容量ｃ^ｉｇ _{ｐｆ＋Ｈ２Ｏ}は次式で表すことができる。

式中、ｃ^ｉｇ _{ｐ＿ｆ＋Ｈ２Ｏｊ}は飽和天然ガス混合気の定圧での熱容量［ＢＴＵ／ｌｂ_ｍ°Ｒ］、ｃ^ｉｇ _{ｐ＿ｆ＿ｄｒｙ}は乾燥天然ガス混合気の定圧での熱容量［ＢＴＵ／ｌｂ_ｍｏｌｅ°Ｒ］、ｃ^ｉｇ _{ｐ＿Ｈ２Ｏ}は水の定圧での熱容量［ＢＴＵ／ｌｂ_ｍｏｌｅ°Ｒ］である。

ｃ_{ｐ ｆ＋Ｈ２Ｏ}が既知となると、飽和天然ガス混合気の定容積での理想熱容量ｃ^ｉｇ _{ｖ ｆ＋Ｈ２Ｏ}は次式で表すことができる。

式中、ｃ^ｉｇ _{ｖ＿ｆ＋Ｈ２Ｏ}はガス／水蒸気混合気の定量での熱容量［ＢＴＵ／ｌｂ_ｍ°Ｒ］、ｃ^ｉｇ _{ｐ＿ｆ＋Ｈ２Ｏ}はガス／水蒸気混合気の定圧での熱容量［ＢＴＵ／ｌｂ_ｍｏｌｅ°Ｒ］、Ｒ_{１＿ｆ＋Ｈ２Ｏ}はガス／水蒸気混合気の理想気体定数［ＢＴＵ／ｌｂ_ｍｏｌｅ°Ｒ］である。

飽和天然ガス混合気の比熱比ｋ_{ｆ＋Ｈ２Ｏ}は次式で算出される。

ガス混合気の密度は理想気体の法則により算出することができる。

式中、Ｐは気体圧力［ｐｓｉａ］、Ｚ_ｊは気体圧縮係数、Ｔ_Ｒは気体温度［°Ｒ］である。

標準状態でのガス混合気ｊの理想比重すなわち密度比は、空気に対する燃料混合気のモル質量比に簡約することができる。

任意の点におけるガス混合気ストリームｊの温度は、以下の標準変換式からＲａｎｋｉｎｅ又はＫｅｌｖｉｎに変換して表すことができる。

式中、Ｔ_ｆ,ｊはガス混合気温度［°Ｆ］、Ｔ_Ｒ,ｊはガス混合気温度［°Ｒ」、Ｔ_Ｋ,ｊはガス混合気温度［°Ｋ］である。

ガス混合気ｊの修正ウォッベ指数ＭＷＩ_ｊは次式で表すことができる。

式中、ＬＨＶ_ｖ＿ｊはｊの容積下位発熱量［ＢＴＵ／ＳＣＦ］、Ｔ_Ｒはガス温度［°Ｒ］、ＳＧ_ｊは空気の基準密度と比較したｊの比重である。

よって、飽和天然ガス混合気の修正ウォッベ指数は以下の式により求めることができる

燃料混合気の容積下位発熱量は、次式によって求めることができる。

式中、ＬＨＶ_{ｖ＿ｆ＋Ｈ２Ｏ}は飽和天然ガス混合気の容積下位発熱量［ＢＴＵ／ＳＣＦ_{ｆ＋Ｈ２Ｏ}］、ｘ_Ｈ２Ｏは水のモル比率［ｌｂｍｏｌｅ_Ｈ２Ｏ／ｌｂｍｏｌｅ_{ｆ＋Ｈ２Ｏ}］、ρ_{ＳＴＰ＿ｆ}は乾燥天然ガス混合気の基準密度［ｌｂｍ_ｆ／ＳＣＦ_ｆ］、ρ_{ＳＴＰ＿ｆ＋Ｈ２Ｏ}は飽和天然ガス混合気の基準密度［ｌｂｍ_{ｆ＋Ｈ２Ｏ}／ＳＣＦ_{ｆ＋Ｈ２Ｏ}］である。

基準密度の比について、以下の簡約を行うことができる。

式中、ＭＷ_{ｆ＋Ｈ２Ｏ}は飽和天然ガス混合気の分子量［ｌｂｍ_{ｆ＋Ｈ２Ｏ}／ｌｂｍｏｌｅ_{ｆ＋Ｈ２Ｏ}］、ＭＷ_ｆは乾燥天然ガス混合気の分子量［ｌｂｍ_ｆ／ｌｂｍｏｌｅ_ｆ］、ｘ_Ｈ２Ｏは水のモル比率［Ｍｏｌｅｓ_ｆ／Ｍｏｌｅｓ_{ｆ＋Ｈ２Ｏ}］、ρ_{ＳＴＰ＿ｆ}は乾燥天然ガス混合気の基準密度［ｌｂｍ／ＳＣＦ］、ρ_{ＳＴＰ＿ｆ＋Ｈ２Ｏ}は飽和天然ガス混合気の基準密度［ｌｂｍ／ＳＣＦ］である。

式２２に式２３を置き換えることにより、飽和天然ガス混合気の発熱量についての以下の簡約式が得られる。

式中、ＬＨＶ_ｖ＿ｆは乾燥天然ガス混合気の容積下位発熱量［ＢＴＵ／ＳＣＦ］、ＬＨＶ_{ｖ＿ｆ＋Ｈ２Ｏ}は飽和天然ガス混合気の容積下位発熱量［ＢＴＵ／ＳＣＦ］、ｘ_Ｈ２Ｏは飽和天然ガス混合気中の水のモル比率［ｍｏｌｅｓ_Ｈ２Ｏ／ｍｏｌｅｓ_{ｆ＋Ｈ２Ｏ}］である。

式２１に式２４を置き換えて比重について簡約することにより、飽和天然ガス混合気の修正ウォッベ指数についての以下の式が得られる。

式中、ＬＨＶ_ｖ＿ｆは乾燥天然ガス混合気の容積下位発熱量［ＢＴＵ／ＳＣＦ］、ＭＷ_{ｆ＋Ｈ２Ｏ}は飽和天然ガス混合気の分子量［ｌｂｍ_{ｆ＋Ｈ２Ｏ}／ｌｂｍｏｌｅ_{ｆ＋Ｈ２Ｏ}］、ＭＷ_ｆは乾燥天然ガスの分子量［ｌｂｍ_ｆ／ｌｂｍｏｌｅ_ｆ］、ｘ_Ｈ２Ｏは水のモル比率である。

ガスタービン燃焼システムにおいては、燃料制御を適切に維持することが特に重要である。乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃焼システムを備えたガスタービンは通常、複数ノズルの予混合燃焼器を含む燃料供給システムを利用する。ＤＬＮ燃焼器設計は、希薄予混合燃焼を利用して、水又は蒸気などの希釈剤を用いることなく低ＮＯｘエミッションを達成する。希薄予混合燃焼は、燃焼器火炎ゾーンの上流側での燃料及び空気の予混合と、ピーク火炎温度及びＮＯｘ生成を低く維持するために燃料の希薄燃焼限界近傍での運転を伴う。希薄予混合燃焼に内在する安定性の問題並びにガスタービン運転範囲にわたって生じる広い燃空比範囲に対応するために、ＤＬＮ燃焼器は通常、各燃焼室中に複数の燃料ノズルを有し、個々に又はサブグループ単位で燃料が供給される。ガスタービン燃料システムは、各燃焼室内のノズルの各グループに供給するための個別制御供給回路を有する。制御システムは、火炎安定性、低エミッション、及び許容可能な燃焼器寿命を維持するように、タービン運転範囲にわたり各回路に対して燃料流量（燃料スプリット）を変化させることになる。各ノズルサブグループに対する燃料流量は、ガス制御弁（ＧＣＶ）を介して制御される。燃料スプリットは、アクティブなＧＣＶの中で全燃料コマンド（燃料ストローク基準）を分割するよう動作し、結果として生じるパーセントＧＶＣ燃料流量コマンドは、ノズルサブグループに対する所望の燃流量を達成するためには弁位置に変換される必要がある。

パーセントＧＶＣ燃料流量コマンドを弁位置に変換するために使用される技術は、弁流量容量係数Ｃｇを用いてガス燃料システムの流量ゲインを求めるものである。弁容量係数は、既知の弁流量特性を用いて弁位置に変換される。これにより容量の変化に応じて複数の弁を利用できるようになる。ＧＣＶ流量スカラーとも呼ばれる流量ゲインは、最大燃料流量運転条件時に必要な最大Ｃｇに基づく。流量ゲインの算出は以下のように定義され、最大流量条件で適切なマージンを与える。

ベース負荷低温日の所要のＣｇを求めるために、以下の一般弁流量式が用いられる。

式中、Ｑはガス容積流量［ｓｃｆｈ］、Ｆ_ｐは配管幾何学的因子［１．０と仮定する］、Ｐ_ｉｎは上流側静的ガス燃料圧［ＰＳＩＡ］、ΔＰは弁差圧［ＰＳＩＤ］、ＳＧはガス燃料比重、Ｋは比熱の比、Ｔは弁入口ガス温度［°Ｒ］、Ｚはガス燃料圧縮係数、Ｃ１は弁圧回復係数、Ｃ２はガス燃料の比熱比の補正係数、Ｃｇは弁容量係数を表す。
＊正弦項は９０°に制限される点に留意されたい。弁ΔＰが臨界又は閉塞流れを引き起こす程高い場合には、正弦項は１に等しい。

基本低温日のＣｇを求めるためには、ガス燃料質量流量、基準密度、比熱比、圧縮率、温度、発熱量、比重、及び供給圧が全て既知である必要がある。

最大Ｃｇは次式のように算出することができる。

ＧＣＶが閉塞され、配管摩擦係数が１であると仮定すると、次式となる。

流量ゲインを算出するのに使用される入力は、燃料成分によって決まり、この流量変換技術の適用は、ほとんど一定の燃料特性を備えた用途に限定される。流量ゲインを用いた従来の方法は、負荷範囲全体にわたり燃料特性が一定であると仮定しており、これは常に当てはまるとは限らない。従って、流量ゲインは、燃料特性の変化に対して補正されることなく、負荷範囲全体にわたり流量コマンドを適切に線形化しないことになる。このことは望ましくないドループ非線形性を生じる可能性があり、燃料特性が有意に変化した場合、例えば、乾燥から湿潤燃料への燃料移送中又は燃料温度が大きく変化した後に負荷過渡応答を引き起こす可能性がある。

燃料温度又は含水量の変化により生じる可能性のある予想される変化に対して補正するために、実Ｃｇと設計Ｃｇの比を用いて流量ゲインを偏位させることができる。

Ｃｇ補正比は次式で表すことができる。

式中、ＨＣは所与の負荷条件でのガスタービン熱消費量［ＭＢＴＵ／ｈｒ］を表しており、
この関係でＭＷＩ_＿ｖで置き換えると次式を得る。

全ての変数項を実／設計値の比として表すことにより、以下の関係を得ることができる。

Ｐ_{ｉｎ ｒａｔｉｏ}は以下のように表すことができる。

式中、Ｐ_{２ ａｃｔｕａｌ}は測定Ｐ_２圧力［ＰＳＩＡ］を表し、Ｐ_{２ ｄｅｓｉｇｎ}は設計燃料ゲイン算出で使用される設計Ｐ_２圧力［ＰＳＩＡ］を表す。

ＨＣ_{ｒａｔｉｏ}は以下のように表すことができる。

式中、Ｋ_ＨＣは熱消費量スカラー係数を表し、ｘ_{Ｈ２Ｏ ｄｅｓｉｇｎ}は設計燃料ゲイン算出で使用される設計Ｈ２Ｏモル比率を表す。

Ｃ_２比を得るためには、比熱比ｋの式が必要となる。比熱比は、式１０、１４、及び１５を用いて算出される。

算出された比熱比を用いると、Ｃ_２は、次式を用いて算出することができる。

次いで、Ｃ_２比は次式を用いて算出することができる。

次に、ＭＷＩは次式を用いて算出することができる。

圧縮比は次式を用いて算出することができる。

次いで、制御システムで使用する動的流量ゲインは、以下のように表すことができる。

図３は、本発明の実施形態によるガスタービンエンジンを運転する例示的な方法３００のフローチャートである。例示的な実施形態において、方法３００は、複数のセンサのうちの少なくとも１つからガスタービンエンジン用の燃料の組成を示す信号を受け取る段階（３０２）を含む。少なくとも１つの信号と共に流れモデルを用いて、燃料流量制御装置への入口における燃料の物理的特性を求める（３０４）。方法３００はまた、求められた物理的特性を用いてガス燃料流量ゲインに対する対応する補正値を求める段階（３０６）と、調整された流量ゲインを用いて、燃料供給並びに燃焼器上での燃料噴射ポイント間の燃料スプリットを自動的に制御し、ガスタービンエンジンで使用する燃料組成の比較的大きな変動を許容可能にする段階（３０８）とを含む。

上述の方法及び装置は、流れモデルを用いてガス制御弁入口での燃料ガスの物理的特性を自動的且つ連続的に求めるための手段、こうした物理的特性からガス燃料流量ゲインに対する対応する補正値を求めるための手段を費用効果があり且つ高い信頼性で提供する。

流れモデルを用いてガス制御弁入口での燃料ガスの物理的特性を自動的且つ連続的に求め、ガス燃料流量ゲインに対する対応する補正値を求めるための例示的な方法及び装置は、上記で詳細に説明された。図示の装置は、本明細書で説明した特定の実施形態に限定されず、各々の構成要素は、本明細書で説明された他の構成要素と独立して別個に利用することができる。各システム構成要素はまた、他のシステム構成要素と組み合わせて用いてもよい。

本方法及び装置の技術的効果は、流れモデルを用いてガス制御弁入口での燃料ガスの物理的特性を自動的且つ連続的に求め、こうした物理的特性からガス燃料流量ゲインに対する対応する調整を決定して、ガスタービンエンジンで使用する燃料組成の比較的大きな変動を許容可能にするシステムを提供することである。

本発明を種々の特定の実施形態について説明してきたが、本発明は請求項の精神及び範囲内にある変更形態で実施可能である点は当業者であれば理解されるであろう。

１０ ガスタービンシステム
１２ 圧縮機
１４ 燃焼器
１６ タービン
１８ 制御システム
２０ 入口ダクト
２１ 入口ガイドベーン
２２ 排気ダクト
２４ 発電機
２６ センサ
２８ 燃料制御システム
３０ アクチュエータ
３２ アクチュエータ
２００ 燃料システム流れネットワーク
２０２ 制御容積
２０４ 第１の入口流体ストリーム
２０６ 第２の入口流体ストリーム
２０８ 出口ストリーム
２１０ ガス制御弁
２１２ 入口燃料ヘッダ
２１４ 流体オリフィス
２１６ 温度センサ
２１８ 入口制御弁
２２０ 燃料加湿タワー
２２２ 第１の分岐部
２２４ タワーバイパス制御弁
２２６ 第２の分岐部
２２８， ２３０ 温度センサｓ
２３２ 共通燃料ヘッダ
２３４ 圧力センサ
２３６ 温度センサ
２３８ 性能ヒータ
２４０ 温度センサ
２４２ 洗浄装置
２４４ 濾過器
２４６ 圧力センサ
２４８ 温度センサ
２５０ 出口燃料ヘッダ
２５２ 補助停止弁
２５４ 安全逃し弁
２５６ 圧力センサ

Claims (10)

1. 電気的エネルギーを負荷に提供するよう構成された発電機（２４）と、
   複数の対応する流量制御装置からの燃料の流れを受け取るように構成された複数の燃料噴射ポイントを有する少なくとも１つの燃焼器（１４）を備えたガスタービンエンジンと、
   燃料制御システム（２８）と、
   を含むガスタービンエンジンシステム（１０）であって、
   前記燃料制御システムが、
   前記ガスタービンエンジンシステムの周辺に位置付けられ、関連する少なくとも１つのパラメータを測定するように構成された複数のセンサ（２６）と、
   プロセッサと、
   を備え、
   前記プロセッサが、
   前記複数のセンサの少なくとも１つから燃料組成を示す信号を受け取り、
   流れモデル及び前記少なくとも１つの信号を用いて、前記流量制御装置に対する入口で燃料の物理的特性を求め、
   求められた前記物理的特性を用いてガス燃料流量ゲインに対する対応する補正値を求め、
   求められた前記流量ゲインを用いて、燃料供給並びに燃焼器上での燃料噴射ポイント間の燃料スプリットを自動的に制御し、ガスタービンエンジンで使用する燃料組成の比較的大きな変動を許容可能にする、
   ようにプログラムされている、
   ことを特徴とするガスタービンエンジンシステム（１０）。
2. 前記少なくとも１つの燃焼器（１４）が、複数の異なる位置で前記燃焼器に燃料を噴射するよう構成された複数の燃料噴射ポイントを含む、
   請求項１に記載のガスタービンエンジンシステム（１０）。
3. 前記プロセッサが更に、前記燃料の物理的特性を自動的且つ連続的に求めるようにプログラムされている、
   請求項１又は２に記載のガスタービンエンジンシステム（１０）。
4. 前記プロセッサが更に、前記燃料組成がほぼ一定であると判断されたときには燃料温度及び圧力だけを用いて前記燃料の物理的特性を求めるようにプログラムされている、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガスタービンエンジンシステム（１０）。
5. 前記燃料の物理的特性が前記燃料の含水量を含む、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載のガスタービンエンジンシステム（１０）。
6. 前記プロセッサが更に、前記燃料の含水量の変化及び前記燃料の発熱量の変化のうちの少なくとも一方に応答して燃料コマンド及び燃料システム流量ゲインの少なくとも１つを調整するようにプログラムされている、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載のガスタービンエンジンシステム（１０）。
7. 前記プロセッサが更に、前記燃料の含水量の変化及び前記燃料の発熱量の変化のうちの少なくとも一方に応答して、前記燃料コマンドが発電機負荷にほぼ線形的に関連付けられたままであるように燃料システム流量ゲインを調整するようプログラムされている、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載のガスタービンエンジンシステム（１０）。
8. 前記プロセッサが更に、前記流量ゲインを時間調整して燃料コマンドを再線形化し負荷過渡応答を最小にできるようにプログラムされている、
   請求項１乃至７のいずれか１項に記載のガスタービンエンジンシステム（１０）。
9. 前記燃料制御システム（２８）が燃料加湿タワー（２２０）を備え、前記プロセッサが更に、
   前記燃料加湿タワーの出口における水蒸気モル比率を求め、
   前記システムにおける境界条件に連続的に基づいて前記流量制御装置での水蒸気モル比率を求める、
   ようにプログラムされている、
   請求項１乃至８のいずれか１項に記載のガスタービンエンジンシステム（１０）。
10. 前記システムにおける境界条件が、前記システムにおける温度、圧力、流速、及び容積の少なくとも１つを含む、
    請求項９に記載のガスタービンエンジンシステム（１０）。

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