(57)【要約】【課題】燃焼器缶（１２０）及び該燃焼器缶内に配置された燃料ノズル（１６０）を持つガスタービン（１３０）における保炎制御方法を提供する。【解決手段】本方法は、ノズル（１６０）への希釈剤流（１１６、６０５）の第１の計画的な注入を遂行する段階と、時間期間が時間閾値を越えているかどうか調べるために検査する段階と、時間期間が時間閾値よりも長いことに応答して、ノズル（１６０）への希釈剤流（１１６、６０５）の第２の計画的な注入を遂行する段階とを含むことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼器缶（１２０）及び該燃焼器缶（１２０）内に配置された燃料ノズル（１６０）を持つガスタービンにおいて、
前記ノズル（１６０）への希釈剤流（１１６、６０５）の第１の計画的な注入を遂行する段階と、
保炎事象（３１５、３５０）に曝される前記燃料ノズル（１６０）の耐久性に基づいて時間閾値を設定する段階と、
時間期間が前記時間閾値を越えているかどうか調べるために検査する段階と、
時間期間が前記時間閾値よりも長いことに応答して、前記ノズル（１６０）への希釈剤流（１１６、６０５）の第２の計画的な注入を遂行する段階と、
有する保炎制御方法。
【請求項２】
更に、前記ノズル（１６０）内の保炎事象（３１５、３５０）について検査する段階を有している請求項１記載の方法。
【請求項３】
更に、前記ノズル（１６０）内の保炎事象（３１５、３５０）を検出したことに応答して、前記ノズル（１６０）への希釈剤流（１１６、６０５）のトリガー式注入を遂行する段階を有している請求項２記載の方法。
【請求項４】
更に、保炎事象（３１５、３５０）の報告を生成する段階を有している請求項３記載の方法。
【請求項５】
更に、前記ノズル（１６０）内に何ら火炎（５１０）が検出されない場合に希釈剤流（１１６、６０５）の計画的な注入を遅延させる段階を有している請求項３記載の方法。
【請求項６】
更に、火炎（５１０）の検出に基づいた必要なときの希釈剤流（１１６、６０５）のトリガー式注入の後に希釈剤流（１１６、６０５）の前記計画的な注入を開始する段階を有している請求項５記載の方法。
【請求項７】
更に、前記ガスタービン（１３０）の運転を継続すべきかどうか判定する段階を有している請求項６記載の方法。
【請求項８】
更に、希釈剤流（１１６、６０５）の前記第１の計画的な注入と同時に前記時間期間をゼロに初期設定する段階を有している請求項１記載の方法。
【請求項９】
更に、前記時間期間が前記時間閾値を越える度毎に前記ノズル（１６０）への希釈剤流（１１６、６０５）の追加の計画的な注入を遂行する段階を有している請求項８記載の方法。
【請求項１０】
更に、希釈剤流（１１６、６０５）の前記第１の計画的な注入、前記第２の計画的な注入及び前記追加の計画的な注入の各々の後に前記時間期間をゼロにリセットする段階を有している請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本書で開示する内容は、ガスタービン燃焼器における保炎(flame-holding) に関し、より具体的には、自動燃料ノズル保炎クエンチ(quench)システム及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
稀に起こるエネルギの放出、又は逆火を引き起こす異常な制御作用に起因して、火炎がガスタービン燃焼器燃料ノズルの内部に維持されることが起こり得る。火炎がノズルの内部で一旦開始されると、その火炎は意図しない場所に保たれて、燃料ノズルの損傷及び分離を引き起こすことがあり、その結果としてガスタービンに重大な損傷を生じさせる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７４３５０８０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、ガスタービンにおける改良された保炎制御方法が提供されることが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一面によれば、燃焼器缶及び該燃焼器缶内に配置された燃料ノズルを持つガスタービンにおける保炎制御方法が提供される。本方法は、ノズルへの希釈剤流の第１の計画的な注入を遂行する段階と、保炎事象に曝される燃料ノズルの耐久性に基づいて時間閾値を設定する段階と、時間期間が時間閾値を越えているかどうか調べるために検査する段階とを含むことができる。本方法は更に、時間期間が時間閾値よりも長いことに応答して、ノズルへの希釈剤流の第２の計画的な注入を遂行する段階を含むことができる。
【０００６】
本発明の別の面によれば、ガスタービン・システムが提供される。本システムは、空気を圧縮するように構成された圧縮機と、圧縮機と流通関係にある燃焼器缶とを含むことができ、燃焼器缶は、圧縮機から圧縮空気を受け取り且つ燃料流を燃焼させるように構成されている。本システムは更に、燃焼器缶内に配置された燃料ノズルを含むことができ、燃料ノズルは、希釈剤流の計画的な注入及び燃料ノズルへの希釈剤流のトリガー式注入を受けるように構成されている。本システムは更に、その期間後に計画的な注入が遂行されるようにした調時された期間を生成するように構成されたタイマーを含むことができる。
【０００７】
本発明の更に別の面によれば、保炎制御システムが提供される。本システムは、ガスタービン燃焼器缶と、該燃焼器缶内に配置された燃料ノズルとを含むことができ、燃料ノズルは、圧縮空気及び燃料流を受け取って火炎を生成するように構成されていると共に、更に保炎事象を防止するために周期的な希釈剤流を受け取り且つ保炎事象の検出に応答して燃焼を抑制するためにトリガー式希釈剤流を受け取るように構成されている。本システムは更に、その期間後に計画的な注入が遂行されるようにした調時された期間を生成するように構成されたタイマーを含むことができる。
【０００８】
これらの及び他の利点及び特徴は、図面を参照した以下の説明から明らかであろう。
【０００９】
発明と見なされる内容は「特許請求の範囲」に具体的に記載して明確に表している。本発明の前述の及び他の特徴及び利点は、図面を参照した以下の詳しい説明から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、模範的な自動燃料ノズル保炎クエンチ・システムを具現化することのできるガスタービン・システムの概略側面図である。
【図２】図２は、燃焼器缶端部キャップとその上に配置された複数の燃料ノズルの斜視図である。
【図３】図３は、希釈剤流量及びノズル温度を時間に対して描いたグラフである。
【図４】図４は、模範的な実施形態に従った希釈剤注入のための方法の流れ図である。
【図５】図５は、所望の燃焼状態の下での火炎で動作するノズルを例示する概略図である
【図６】図６は、保炎状態で動作する図５のノズルを例示する概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の複数の実施形態を、利点及び特徴と共に、例として図面を参照して説明する。
【００１２】
図１は、模範的な自動燃料ノズル保炎クエンチ・システムを具現化することのできるガスタービン・システム１００の概略側面図を例示する。模範的な実施形態では、ガスタービン１００は、周囲空気を圧縮するように構成された圧縮機１１０を含む。１つ以上の燃焼器缶１２０がディフューザ１５０を介して圧縮機１１０と流通関係にある。燃焼器缶１２０は、圧縮機１１０からの圧縮空気１１５を受け取り且つ燃料ノズル１６０からの燃料流を燃焼して、燃焼室１４０を通ってタービン１３０へ進む燃焼器出口ガス流１６５を生成するように構成されている。タービン１３０は、外部負荷を駆動するために燃焼器出口ガス流１６５を膨張させるように構成されている。ディフューザ１５０は更に、或る外部位置からガスタービン・システム１００へ希釈剤流１１６を供給することができる。例えば、希釈剤は外部のボイラからの蒸気であってよい。希釈剤はまた、ガスタービン・システム１００の外部のガス化プロセスから残された窒素のような何らかの不活性ガスであってよい。ここで、幾つかの異なる種類の希釈剤が考えられることを理解されたい。各々の燃焼器缶１２０は、外部ハウジング１７０と、その上にノズル１６０が配置される端部キャップ１７５とを含む。燃料がノズル１６０を介して燃焼器缶１２０へ供給される。ノズル１６０は異なる種類の燃料（例えば、燃焼を開始するための天然ガスのような高ＢＴＵ燃料と燃焼を維持するための合成燃料のような低ＢＴＵ燃料との両方）を受け取ることができる。模範的な実施形態では、システム１００は、重大な損傷が生じる前に保炎事象を阻むために周期的に蒸気（又は同様な希釈剤）のクエンチ用パルスを開始するように自動制御を行うことができる。模範的な実施形態では、クエンチ用パルスは、本書で述べるように保炎事象の検出時に自動的に開始させることが可能である。この簡潔なクエンチは、現在遂行されているような一定の供給流量の希釈剤を必要とするのに比べて、パワープラント・オペレータに対する業務上の影響を低減する。
【００１３】
図２は、燃焼器缶端部キャップ１７５とその上に配置された複数の燃料ノズル１６０の斜視図を例示する。これらのノズル１６０の内の１つが拡大図で示されている。各ノズル１６０は、前に述べたように圧縮機１１０からの空気１１５を受け取るように構成された複数の空気開口１６２を持つノズル・ハウジング１６１を含むことができる。複数の空気開口１６２はまた、以下に更に説明するように希釈剤流１１６を受け取るように構成されている。ノズル１６０は更に、以下に更に説明するように燃焼のための燃料流を受け取るように構成されている複数の第１の（例えば、高ＢＴＵ）燃料開口１６３及び複数の第２の（例えば、低ＢＴＵ）燃料開口１６４を含むことができる。圧縮空気１１５及び希釈剤流１１６の両方は、第１の燃料開口１６３及び第２の燃料開口１６４に隣接してノズル・ハウジング１６１内に流入する。ここで、圧縮空気１１５が燃焼のための燃料流と混合するために供給されることが理解されよう。希釈剤流１１６は、ノズル１６０内で保炎が存在する場合に、燃焼を制御し且つ希釈するために供給される。所望の状態下では、ノズル・ハウジング１６１内で空気流１１５と第１及び第２の燃料開口１６３，１６４からの燃料流とが予混合され、その結果、ノズル・ハウジングの外側で燃焼が生じる。ノズル・ハウジング１６１内で保炎すなわち燃焼が生じている場合、希釈剤流１１６は、ノズル・ハウジング１６１内の火炎をクエンチ（消滅）又は希釈するために使用される。現在で、クエンチ用流れは、ノズル・ハウジング内での保炎を防止するために絶えず供給される。しかしながら、このような一定流量の希釈剤流はノズル１６０の性能を抑制することがあることを理解されたい。例えば、希釈剤流１１６が絶えず存在する状態では望ましい燃焼が抑制される虞がある。模範的な実施形態では、本書で述べるシステム及び方法は、保炎（存在する場合）をクエンチするために複数の空気開口を介してノズル・ハウジング１６１へ周期的に希釈剤流を供給することができる。この周期的なクエンチ用希釈剤流は、前に述べたように性能を抑制する一定の希釈剤流を供給することを必要とせずに、確実にノズル・ハウジング１６１内に何ら保炎が存在しないようにすることができることを理解されたい。模範的な実施形態では、ノズル１６０は更に、ノズル・ハウジング１６１内の熱変化を検出する熱電対のような一連の検出器１８０を含むことができる。この態様では、一定の希釈剤流や周期的な希釈剤流さえも供給するのではなく、検出器１８０は、ノズル・ハウジング内の熱の上昇（この熱の上昇は保炎を表す）を検出するように用いることができる。この熱の上昇が検出されたとき、クエンチ用希釈剤流を供給することができる。模範的な実施形態では、実際の保炎が検出されたときにクエンチ用希釈剤流を供給するために検出器１８０を用いるのに加えて、周期的な希釈剤流を供給することができる。この態様では、周期的な流れ及びトリガー式（すなわち、検出器が熱の上昇を検出したとき）の流れの両方を供給することができる。
【００１４】
現在、希釈剤の連続的な注入は、何ら保炎事象が生じないようにするため及び排出物を減らすために行われている。模範的な実施形態では、既存のハードウエアを使用して、保炎事象を防止するため及びそれが生じたときの保炎事象に対処するために希釈剤の計画的な注入及びトリガー式注入を行うことができる。更に、ノズル１６０に作動可能に結合されたタイマー１８５を、その後に計画的な注入が遂行されるようにするための時間閾値と比較できるように構成することができる。このような場合、タイマー１８５は、計画的な注入が遂行されるようにするための調時された期間を生成するように構成される。
【００１５】
図３は、希釈剤流量及びノズル温度を時間に対して描いたグラフを例示する。第１のグラフ３０５は、線３１０で表したノズル温度が、保炎事象３１５の発生時に上昇できることを例示している。線３２０で表した最小希釈剤閾値は、理論的に、任意の保炎事象をクエンチするために設けることができる。しかしながら、線３２５で表した実際の希釈剤流量が低すぎる場合、保炎事象のクエンチは生じない。希釈剤が殆ど又は全く存在しない場合、火炎は異常な事象に起因して燃料ノズルの内部で安定化することがあり、これは耐久性の問題を招き且つノズルを損傷する虞がある。
【００１６】
グラフ３３０は、現在の方式を例示しており、この場合、線３３５で表した実際の希釈剤流量が、線３４０で表したノズル温度及び線３４５で表した最小希釈剤閾値よりも充分高く保持されている。この態様では、いかなる保炎事象３５０も直ちにクエンチされる。このような場合、充分な希釈剤が存在するので、火炎はノズルの内部で安定化することはできない。
【００１７】
模範的な実施形態において、グラフ３５５は、前に述べたような線３６０で表した最小希釈剤閾値、線３６５で表したノズル温度、及び線３７０で表した実際の希釈剤流量を例示している。グラフ３５５は、希釈剤流中に周期的なパルス３７５を供給することができることを示している。この態様では、事象３８０が生じたとき、それは次のパルス３７５によってクエンチされる。このグラフは、パルスが生じるまでの時間期間にわたって事象が持続することができることを示している。この理由のため、ノズルの許容範囲内の充分な時間として周期性が選択される。ノズルは何ら不利益を蒙ることなく保炎事象に耐えることができることが理解されよう。例えば、図示のパルス３７５の周期性は半日である。この周期は、ノズルが半日よりも長い期間にわたって保炎事象を許容できるという理由で選択された。このような場合、自動的なパルスは、ノズルについて何らかの耐久性の問題が持ち上がる前に火炎クエンチを確実に行う。検出器１８０の使用に関連して、保炎事象は、ノズルの許容範囲に関する問題を直ちに取り除くようにクエンチすることができる。前に述べたグラフ３０５，３３０，３５５では、時間は日にちで示されている。模範的な実施形態では他の期間（周期）も考えられることが理解されよう。
【００１８】
図４は、模範的な実施形態に従った希釈剤注入のための方法４００の流れ図を例示する。方法４００は、計画的及びトリガー式希釈剤注入の両方の組合せを含む。前に述べたように、模範的な実施形態では計画的及びトリガー式注入のいずれかを用いることができることを理解されたい。段階４０５で、システム１００はタービン１３０を始動する。段階４１０で、タービン１３０は負荷印加シーケンスを遂行する。段階４１５で、ノズル１６０への希釈剤の計画的な注入を遂行する。同時に、段階４２０で、時間ｔを０にリセットする。段階４２５で、タービン１３０を連続運転させる。段階４３０で、システム１００は、時間ｔが臨界時間ｔｃｒｉｔを越えたかどうか判定する。模範的な実施形態では、ｔｃｒｉｔは、センサの故障に対して保護を行うためのハードウエアの耐久性についての予め設定された限界である。段階４３０で時間ｔがｔｃｒｉｔよりも小さくない場合、段階４３５で計画的な注入を行い、次いで段階４４０で時間ｔを０にリセットする。また段階４３０で時間ｔがｔｃｒｉｔよりも小さい場合、段階４４５でシステム１００は計画的な注入の周期を遅くするために数秒から数分まで（第１の時間から第２の時間まで）の遅延時間を予め設定する。段階４５０で検出器１８０を読み出して、保炎事象が生じたかどうか判定する。段階４５５で、システム１００は、ノズル１６０内に火炎が検出されたかどうか判定する。段階４５５で火炎が検出された場合、段階４６０でトリガー式希釈剤流をノズル１６０に注入する。段階４６５で、システム１００は、保炎がノズル内で生じたことをタービン・オペレータに警告するための報告を生成することができる。段階４７０でｔを再び０にリセットして、段階４３０からプロセスを繰り返す。段階４５５で何ら火炎が検出されなかった場合、段階４７５でタービン１３０の運転を継続すべきかどうか判定する。段階４７５で運転を継続すべき場合、段階４３０からプロセスを繰り返す。段階４７５で運転を継続すべきでない場合、段階４８０で、システム１００は負荷切離しシーケンスを遂行する。段階４８５で、タービンを停止させる。
【００１９】
図５は、所望の燃焼状態の下での火炎で動作するノズルを例示する概略図である。第１の（例えば、高ＢＴＵ）燃料流５０５が第１の燃料開口１６３を通って流れる。同様に、第２の（例えば、低ＢＴＵ）燃料流５０６が第２の開口１６４を通って流れる。空気流５０７が空気開口１６２を通ってノズル・ハウジング６０１内へ流れる。燃料流５０５，５０６の予混合がノズル・ハウジング１６１内で生じ、燃焼により火炎５１０が燃焼室５１５内でノズル・ハウジング１６１の外側に生じる。
【００２０】
図６は、保炎状態で動作する図５のノズル１６０を例示する概略図である。この状態では、火炎５１０がノズル・ハウジング１６１内部で燃焼する。燃料流５９５，５０６は持続することができる。模範的な実施形態では、図５の空気流５０７は、前に述べたように希釈剤流６０５と混合するか又はそれと一時的に置き換えることができる。希釈剤流６０５の計画的な又はトリガー式の注入が完了すると、ノズル１６０は図５に示されるように所望の動作へ戻って、火炎５１０が燃焼室５１５に後退する。
【００２１】
本書で述べた模範的な実施形態は、保炎を起こしやすい燃料ノズルの再設計を解決した。このように、ノズルの設計は、保炎の問題に対処する設計に制約されない。模範的な実施形態はまた、希釈剤流量を一定にしたことに伴う性能上の不利益を除去する。本書で述べた模範的な実施形態は、逆火が生じるのを許容するが、不活性ガス流のパルスを計画的に又はトリガにより供給して、火炎をその保持点において消滅させて、重大な損傷が生じ得る前に火炎を強制的に燃焼室へ戻すことによって、設計コスト及び性能に対する影響を減少させ、且つ同時にハードウエアの損傷の危険性を低減する。
【００２２】
以上、本発明を限られた数の実施形態についてのみ詳しく説明したが、本発明がこのような開示した実施形態に制限されないことが容易に理解されよう。むしろ、本発明は、これまで述べていないが、本発明の精神及び範囲と一致する多数の変形、変更、置換又は等価な配置構成を採り入れるように修正することができる。更に、本発明の様々な実施形態を記述したが、本発明の様々な面が記述した実施形態の内の幾つかのみを含み得ることを理解されたい。従って、本発明は以上の記述によって限定されると見なすべきではなく、「特許請求の範囲」の記載によって限定される。
【符号の説明】
【００２３】
１００  ガスタービン・システム
１１０  圧縮機
１１５  圧縮空気
１１６  希釈剤流
１２０  燃焼器缶
１３０  タービン
１４０  燃焼室
１５０  ディフューザ
１６０  ノズル
１６１  ノズル・ハウジング
１６２  空気開口
１６３  第１の燃料開口
１６４  第２の燃料開口
１６５  燃焼器出口ガス流
１７０  外部ハウジング
１７５  端部キャップ
１８０  検出器
１８５  タイマー
３０５  第１のグラフ
３１０  線
３１５  保炎事象
３２０  線
３２５  線
３３０  グラフ
３３５  線
３４０  線
３４５  線
３５０  保炎事象
３５５  グラフ
３６０  線
３６５  線
３７０  線
３７５  周期的なパルス
３８０  事象
４００  希釈剤注入のための方法
５０５  燃料流
５０６  燃料流
５０７  空気流
５１０  火炎
５１５  燃焼室
５９５  燃料流
６０５  希釈剤流
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2010265889.tif 000006
【図５】
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【図６】
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