(57)【要約】【課題】温度検知による燃焼器逆火／保炎の検出について開示する。【解決手段】本燃焼器は、複数の燃焼ゾーンを有する燃焼チャンバ（４６、１４０）を形成した燃焼器ハウジング（１２、４０、１２０）を含む。複数の温度検出器（６０、１８０）が、燃焼チャンバと導通状態で配置される。複数の温度検出器は、複数の燃焼ゾーン内の温度を検出する。複数の温度検出器と通信状態になった制御装置は、複数の温度検出器からの信号に基づいて複数の燃焼ゾーン内における保炎状態又は逆火状態の発生を判定するようにプログラムされる。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼器であって、当該燃焼器が、
複数の燃焼ゾーンを有する燃焼チャンバ（４６、１４０）を形成した燃焼器ハウジング（１２、４０、１２０）と、
前記燃焼チャンバと導通状態で配置されかつ前記複数の燃焼ゾーン内の温度を検出する複数の温度検出器（６０、１８０）と、
前記複数の温度検出器と通信状態になった制御装置（６５）と
を備えており、前記制御装置が、前記複数の温度検出器からの信号に基づいて前記複数の燃焼ゾーン内における保炎状態又は逆火状態の発生を判定するようにプログラムされる、燃焼器。
【請求項２】
前記複数の温度検出器（６０、１８０）が、熱電対及び光高温計の少なくとも１つを含む、請求項１記載の燃焼器。
【請求項３】
前記燃焼チャンバ（４６、１４０）の上流で燃料及び空気を気体予混合物（４４）に混合する予混合装置（４２）をさらに含み、前記制御装置（６５）が、前記複数の燃焼ゾーン内における保炎状態又は逆火状態の発生時に、前記予混合装置に供給される燃料の量を修正するようにプログラムされる、請求項１記載の燃焼器。
【請求項４】
前記燃焼器ハウジング（１２、４０、１２０）が、複数の燃料ノズル（１６０）を含み、前記複数の温度検出器（６０、１８０）が、前記複数の燃料ノズル内に配置されて、該複数の燃料ノズルからの熱放射を測定する、請求項１記載の燃焼器。
【請求項５】
ガスタービンであって、当該ガスタービンが、
空気を加圧するように構成された圧縮機（１４、１１０）と、
前記圧縮機と流れ連通状態になっており、該圧縮機から加圧空気（１８、１１５）を受けかつ燃料流（２０）を燃焼させて、燃焼器流出ガス流（２２、１６５）を生成する燃焼器（１２、４０、１２０）と
を備えており、前記燃焼器が、
複数の燃焼ゾーンを有する燃焼チャンバ（４６、１４０）を形成した燃焼器ハウジングと、
前記燃焼チャンバと導通状態で配置されかつ前記複数の燃焼ゾーン内の温度を検出する複数の温度検出器（６０、１８０）と、
前記複数の温度検出器と通信状態になった制御装置（６５）と
を備えていて、前記制御装置が、前記複数の温度検出器からの信号に基づいて前記複数の燃焼ゾーン内における保炎状態又は逆火状態の発生を判定するようにプログラムされる、ガスタービン。
【請求項６】
前記複数の温度検出器（６０、１８０）が、熱電対及び光高温計の少なくとも１つを含む、請求項５記載のガスタービン。
【請求項７】
前記燃焼チャンバ（４６、１４０）の上流で燃料及び空気を気体予混合物（４４）に混合する予混合装置（４２）をさらに含み、前記制御装置（６５）が、前記複数の燃焼ゾーン内における保炎状態又は逆火状態の発生時に、前記予混合装置に供給される燃料の量を修正するようにプログラムされる、請求項５記載のガスタービン。
【請求項８】
前記燃焼器ハウジング（１２、４０、１２０）が、複数の燃料ノズル（１６０）を含み、前記複数の温度検出器（６０、１８０）が、前記複数の燃料ノズル内に配置されて、該複数の燃料ノズルからの熱放射を測定する、請求項５記載のガスタービン。
【請求項９】
燃焼器であって、当該燃焼器が、
燃料及び空気を気体予混合物（４４）に混合しかつ該気体予混合物（４４）を燃焼チャンバ（４６、１４０）内に導入する予混合装置（４２）と、
前記燃焼チャンバと導通しかつ該燃焼チャンバ内の温度上昇を監視する複数の温度検出器（６０、１８０）と、
前記複数の温度検出器と通信する制御装置（６５）と
を備えており、前記制御装置が、前記複数の温度検出器からの信号に基づいて前記燃焼チャンバ内における保炎状態又は逆火状態の発生を判定するようにプログラムされ、前記複数の温度検出器が、前記予混合装置の上流の温度を監視する配向で配置される、燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度センサを使用して燃焼器逆火／保炎を検出することに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンでは、１以上の燃焼器内で圧縮機によって生成された空気と共に燃料を燃焼させるようになっており、燃焼器は、燃焼ゾーン（主燃焼ゾーン）の上流に設置された予混合ゾーン内で燃料及び空気の予混合を行なうように構成された１以上の燃料ノズルを有する。ガスタービン燃焼器は本質的に、大量の燃料及び空気を混合しかつ得られた混合気を燃焼させるのに使用する装置である。水又は蒸気噴射を使用しないでＮＯｘエミッションを４０ｐｐｍ以下のレベルまで低減するように設計された燃焼システムを備えたガスタービンは、燃焼過程に先立って燃料を空気と一様に混合するような燃焼過程を採用している。予混合ゾーン内において、燃料及び空気の着火が、時々発生する。その原因には関係なく、このような事象は、「逆火」と呼ばれる。大半の予混合システムの設計によると、予混合セクション内における燃料及び空気の燃焼は通常、構成要素に重大な損傷を引き起こす。様々な理由から、低ＮＯｘ燃焼器を予混合セクション内における火炎で満足に作動するように設計することは、多くの場合に実用的でない。
【０００３】
これ迄は、逆火／保炎は、保炎マージンを有すること及び燃焼を発生するおそれがあるタイプの燃料を制限することによって防止されてきた。燃料ノズル（及び可能性がある下流のあらゆるガスタービンハードウェア）に対する壊滅的な損傷は、逆火の発生を検出することによってかつ是正措置を迅速に取ることによって回避することができる。さらに、逆火検出センサを使用することにより、燃料自由度が可能になり、より高次炭化水素燃料及び／又は純粋水素を一部含有する燃料を燃焼させることができるようにすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６４２９０２０号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
１つの例示的な実施形態では、燃焼器は、複数の燃焼ゾーンを有する燃焼チャンバを形成した燃焼器ハウジングを含む。複数の温度検出器が、燃焼チャンバと導通状態で配置される。複数の温度検出器は、複数の燃焼ゾーン内の温度を検出する。複数の温度検出器と通信状態になった制御装置は、複数の温度検出器からの信号に基づいて複数の燃焼ゾーン内における保炎状態又は逆火状態の発生を判定するようにプログラムされる。
【０００６】
別の例示的な実施形態では、ガスタービンは、空気を加圧するように構成された圧縮機を含み、話題の燃焼器は、圧縮機と流れ連通状態になっている。燃焼器は、圧縮機から加圧空気を受けかつ燃料流を燃焼させて、燃焼器流出ガス流を生成する。
【０００７】
さらに別の例示的な実施形態では、燃焼器は、燃料及び空気を気体予混合物に混合しかつ該気体予混合物を燃焼チャンバ内に導入する予混合装置と、燃焼チャンバと導通しかつ該燃焼チャンバ内の温度上昇を監視する複数の温度検出器と、複数の温度検出器と通信しかつ該複数の温度検出器からの信号に基づいて燃焼チャンバ内における保炎状態又は逆火状態の発生を判定するようにプログラムされた制御装置とを含む。複数の温度検出器は、予混合装置の上流の温度を監視する配向で配置される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】ガスタービンの概略図。
【図２】図１のガスタービンシステムで使用する予混合装置を有する燃焼器の概略図。
【図３】燃焼器の関連部分を示す側面及び断面図。
【図４】燃焼器を作動させる方法を示すフロー図。
【図５】望ましい逆火検知及び適応についてのシーケンス／タイミング図式。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本明細書に説明する例示的な実施形態は、燃料ノズルの経路内に位置しかつ例えば燃料ノズルの出口の近くに配置された温度センサによって行なった温度検知により、ガスタービン燃料ノズル内における逆火／保炎を検出しかつ是正する構造を含む。火炎／壁温度を監視することにより、消炎又は逆火を含むあらゆる異常を検出することが可能になる。保炎／逆火が検出された場合には、適切な措置を取りかつガスタービンに対する損傷を防止することが望ましい。
【００１０】
図１を参照すると、燃焼器１２を有するガスタービン１０を示している。ガスタービン１０は、周囲空気１６を加圧するように構成された圧縮機１４を含む。燃焼器１２は、圧縮機１４と流れ連通状態になっており、圧縮機１４から加圧空気１８を受けかつ燃料流２０を燃焼させて、燃焼器流出ガス流２２を生成するように構成される。ガスタービン１０は、燃焼器１２の下流に設置されたタービン２４を含み、タービン２４は、燃焼器流出ガス流２２を膨張させて発電機２６のような外部負荷を駆動するように構成される。この図示した実施形態では、圧縮機１４は、タービン２４が発生した動力によってシャフト２８を介して駆動される。燃焼器１２は、ガスタービン燃焼チャンバ内における保炎／逆火を検出しかつ適切な措置を取ってガスタービンに対する損傷を防止するように構成された温度検出装置及び制御装置を採用している。
【００１１】
図２は、図１のガスタービンシステム１０で使用する温度検出装置６０を有する燃焼器１２の例示的な構成４０の概略図である。図示するように、燃焼器４０は、燃料２０及び空気１８を混合して気体予混合物４４を形成するように構成された予混合装置４２を含む。燃焼器４０は、気体予混合物４４を燃焼させて燃焼器流出ガス流２２を形成するように構成された燃焼チャンバ４６を含む。燃焼器流出ガス流２２は、タービン２４（図１参照）のような下流プロセス４８に導かれて、外部負荷２６（図１参照）を駆動するようにする。予混合装置４２はさらに、燃料２０及び／又は空気１８に旋回運動を与えて燃料２０及び空気１８の混合を可能にするように構成された複数のスワーラベーン５０を含むことができる。例示的な実施形態では、燃焼器４０は、予混合装置４２及び燃焼チャンバ４６のいずれか又は両方に結合しかつそれらと導通状態になることができる温度検出装置６０を含む。温度検出装置６０は、それに限定されないが熱電対又光高温計を含み或いは光ファイバなどを使用した通信による記載の目的に適したあらゆるそのような装置とすることができる。
【００１２】
燃焼器４０はまた、温度検出装置６０に結合された制御装置６５を含む。制御装置６５は、燃焼チャンバ４６内における保炎／逆火に対応する信号を温度検出器から受ける。制御装置６５はさらに、空気１８及び燃料２０の供給源と通信状態になっている。本明細書にさらに説明するように、燃焼チャンバ４６内に保炎／逆火が存在することを示す信号を制御装置６５が受けた場合には、制御装置６５は、適切な措置を取ってガスタービンに対する損傷を軽減することができる。制御装置６５が取ることができる適切な措置には、燃焼チャンバへの燃料及び空気流の停止或いは空気及び燃料流量の一部修正を行なって、保炎／逆火を減少させるか或いは消滅させることが含まれる。
【００１３】
図３は、複数の温度検出器１８０を備えた例示的なガスタービン１００を示している。このガスタービンの実施例では、該ガスタービンの燃焼チャンバ１４０に結合され、該燃焼チャンバ１４０と導通状態になっておりかつ該燃焼チャンバ１４０内の温度を検出するように構成された温度検出器を示している。
【００１４】
図１と同様に、ガスタービン１００は、周囲空気を加圧するように構成された圧縮機１１０を含む。１以上の燃焼器缶１２０が、ディフューザ１５０を介して圧縮機１１０と流れ連通状態になっている。燃焼器缶１２０は、圧縮機１１０から加圧空気１１５を受けかつ燃料ノズル１６０からの燃料流を燃焼させて、燃焼チャンバ１４０を通ってタービン１３０に移動する燃焼器流出ガス流１６５を生成するように構成される。タービン１３０は、燃焼器流出ガス流１６５を膨張させて外部負荷を駆動するように構成される。燃焼器缶１２０は、外部ハウジング１７０を含み、外部ハウジング１７０は、それに取付けられた一連の温度検出器１８０を含む。温度検出器１８０は、燃焼チャンバ１４０及び燃焼器流出ガス流１６５に結合されかつそれらと導通状態になっている。
【００１５】
制御装置６５は、複数温度検出器（例えば、温度検出器１８０）からの信号応答を検出しかつ選定（ｖｏｔｉｎｇ）アルゴリズムを実行して、保炎／逆火状態に応答して該制御装置６５が取る措置のタイプを決定する。例えば、３つの検出器１８０のうちの２つが、逆火状態が存在していると判定した場合には、制御装置６５は、燃焼器缶１２０に対する燃料を遮断するか又は減少させる。同様に、１つの検出器１８０のみが逆火を検出した場合には、制御装置６５は、検出器１８０が別の測定値を示すまで、燃料を継続するように決定することができる。検出器１８０に対応して、エンクロージャ内に複数検出器素子を設けることができる。これら複数検出器素子は、燃焼器缶１２０内で検出された信号を集約するように多重化することができる。このようにして、集約信号を使用して選定アルゴリズムの結果を判定することができる。
【００１６】
図４は、例示的な実施形態による、燃焼器を作動させる方法７００を示すフロー図である。ブロック７０５において、燃料ノズル（例えば、図３の参照符号１６０）は、予混合装置（例えば、図２の参照符号４２）内に燃料を導入し、また圧縮機（例えば、図３の参照符号１１０）は、予混合装置内に空気を導入する。ブロック７１０において、予混合装置は、気体予混合物を形成する。ブロック７１５において、燃焼器（例えば、図３の燃焼器缶１２０）は、燃焼チャンバ（例えば、図３の参照符号１６５）内で予混合物を燃焼させる。ブロック７２０において、燃焼チャンバ内の温度が、監視される。温度検出器が、保炎／逆火を明確に示す状態を検出した（ブロック７２５において、「はい」の）場合には、ブロック７３０において、制御装置は、予混合装置内への燃料流量を修正するか又は本明細書に記載したその他の適切な措置を取ることができる。温度検出器が、そのような状態を検出しない（ブロック７２５において、「いいえ」の）場合には、プロセスは、ブロック７０５に戻る。
【００１７】
図５は、望ましい逆火検知及び適応についてのシーケンス／タイミング図式である。逆火事象が発生した時、センサ及び制御装置が３秒以内にその事象を検出しかつ制御装置が次の３秒以内に措置を取ることが望ましい。軽減措置は、１／４秒よりも短い時間で行なうべきあり、また逆火事象は、次の１／４秒以内に消滅させるべきである。数値は、例示としてのものであり、確実にハードウェア損傷及び故障警報を回避するように調整されることになる。
【００１８】
例示的な実施形態は、燃焼器缶１２０の燃焼チャンバ１４０内における保炎／逆火を検出することについて説明してきた。熱放射は、本システム内のほかの場所、例えば燃料ノズル１６０（図３参照）で検出することができる。燃料ノズル１６０からの熱放射を監視することによって、燃料ノズル１６０内に火炎が存在する場合には、熱放射は、燃料ノズル１６０内に想定しているものよりも高い温度を示すことになるので、本システムは、燃料ノズル１６０内に火炎が存在するか否かを判定することができる。保炎／逆火を示す熱放射は、スワーラベーン、バーナチューブ又は燃料ノズル１６０の拡散チップ、或いは燃焼器のようなその他の下流構成部品において測定することができる。温度検出器１８０は、燃料ノズル１６０又は燃料ノズル回路に隣接して配向するのが好ましい。予混合回路からの燃料は、その全体又は一部を別の燃料回路に向け直すか、或いは拡散火炎回路のような使用していない燃料回路に排出することができる。さらに、光高温計検出器１８０は、各検出器１８０が燃料ノズル１６０の１つとその通視方向を共有するように間隔を置いて配置することができる。従って、検出器のうちの２つが、保炎／逆火事象が存在することを示した場合には、制御装置６５は、それ故に燃料ノズル１６０のいずれが事象の影響を受けているか識別する。このようにして、制御装置は、１つの事象発生燃料ノズル１６０に対して燃料を減少させるか又は燃料を遮断する。燃焼器缶１２０は、制御装置６５が単一の燃料ノズル１６０のみに対して措置を取った場合には、最小限の破損だけを受けることが可能になることを理解されたい。従って、事象発生燃料ノズル１６０は、次の定期保修停止時に整備することができる。
【００１９】
ガスタービン内に戦略的に配置した温度センサを備えることによって、望ましくない保炎／逆火を検出することができ、かつ是正措置を迅速に取ることによって、燃料ノズルに対する壊滅的損傷を回避することができる。さらに、所定の位置に配置した検出器により、燃料自由度が増大して、保炎／逆火による損傷のリスクなしにより高次炭化水素燃料及び／又は純粋水素を一部含有する燃料を使用することが可能になる。
【００２０】
現時点で最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明が開示した実施形態に限定されるべきものではなく、逆に、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。
【符号の説明】
【００２１】
１０  ガスタービン
１２  燃焼器
１４  圧縮機
１６  周囲空気
１８  加圧空気
２０  燃料流
２２  流出ガス流
２４  タービン
２６  発電機
２８  シャフト
４０  燃焼器
４２  予混合装置
４４  気体予混合物
４６  燃焼チャンバ
４８  下流プロセス
５０  スワーラベーン
６０  温度検出装置
６５  制御装置
１００  ガスタービン
１１０  圧縮機
１１５  加圧空気
１２０  燃焼器缶
１３０  タービン
１４０  燃焼チャンバ
１５０  ディフューザ
１６０  燃料ノズル
１６５  流出ガス流
１７０  外部ハウジング
１８０  温度検出器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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