(57)【要約】      （修正有）【課題】二重燃料系統を有するガスタービンで気体燃料運転から液体燃料運転への移行を行うための方法が提供される。【解決手段】液体燃料系統を通して所定の非制御液体燃料予備充填流量を開始する段階９３０、燃焼器ノズルへの非制御液体燃料流れの到達を検知する段階９８５、及び燃焼器ノズルで非制御液体燃料流れが検知された時に気体燃料運転から液体燃料運転への移行を開始する段階１０００を含み、燃焼器ノズルへの非制御液体燃料流れの到達は、非制御液体燃料流れに対して感受性をもったパラメーターである燃料正規化出力の変化を監視し９４５、燃料正規化出力が閾値アルゴリズム値を超えた時を決定することで確認される。【選択図】図１０
2008106777.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンで気体燃料運転から液体燃料運転への移行を行うための方法であって、
液体燃料系統を通して所定の液体燃料予備充填流量を開始する段階（９３０）、
燃焼器ノズルへの非制御液体燃料流れの到達を検知する段階（９８５）、及び
燃焼器ノズルで非制御液体燃料流れが検知された場合に気体燃料運転から液体燃料運転への移行を開始する段階（１０００）
を含んでなる方法。
【請求項２】
燃焼器ノズルへの非制御液体燃料流れの到達を検知する段階が、以下の式に従って燃料正規化出力（ＦＮＰ）の変化を監視する段階（９４５）を含む、請求項１記載のガスタービンで気体燃料運転から液体燃料運転への移行を行うための方法。
【数１】
2008106777.tif 000006
（式中、Ｐｏｗｅｒは発電機の出力側におけるドリブンメガワット数で表され、Ｆｕｅｌｒｅｆは機械に供給される全燃料基準要求量を表し、ＰｅｒｃｅｎｔＬｉｑは液体燃料のパーセント比率を表し（ただし、１＝全部液体、０＝全部気体）、ＦｕｅｌｒｅｆＦＳＮＬ−ＬＩＱは液体燃料に関して全速無負荷で要求される燃料基準値（定数）を表し、ＦｕｅｌｒｅｆＦＳＮＬ−ＧＡＳは気体燃料に関して全速無負荷で要求される燃料基準値（定数）を表す。）
【請求項３】
ＦＮＰの変化を監視する段階が、
ＦＮＰを追跡する段階（９４５）、
液体燃料止め弁が開き始めた時を検知する段階（９２０）、
ＦＮＰが閾値を超えた時を決定する段階（９７０）、及び
ＦＮＰが閾値を超えた時に予備充填非制御液体燃料が燃焼器ノズルに到達していると判定する段階（９７０）
を含む、請求項２記載のガスタービンで気体燃料運転から液体燃料運転への移行を行うための方法。
【請求項４】
ＦＮＰを追跡する段階が、
追跡されるＦＮＰにフィルターを適用する段階（９４５）
を含む、請求項３記載のガスタービンで気体燃料運転から液体燃料運転への移行を行うための方法。
【請求項５】
測定されたＦＮＰにフィルターを適用する段階が、追跡されるＦＮＰに移動平均を適用する段階（９４５）を含む、請求項４記載のガスタービンで気体燃料運転から液体燃料運転への移行を行うための方法。
【請求項６】
ＦＮＰが閾値を超えた時を決定する段階が、
液体燃料止め弁が開き始めた時にＦＮＰを捕獲する段階（９４５）、
最小ＦＮＰを捕獲ＦＮＰに設定する段階（９４５）、
ＦＮＰに関する閾値を（最小ＦＮＰ＋所定のオフセット）として確定する段階（９５５）、
現在のＦＮＰが最小ＦＮＰより小さい場合には、最小ＦＮＰを現在のＦＮＰに設定する段階（９８０）、及び
局所最小ＦＮＰが得られるまで、閾値を新たな小さいＦＮＰに合わせて設定する段階（９５０）
を含む、請求項３記載のガスタービンで気体燃料運転から液体燃料運転への移行を行うための方法。
【請求項７】
ＦＮＰに関する閾値を確定する段階がさらに、
ＦＮＰに関する移動フィルターで隠蔽されない程度に大きく、かつ燃料移行に原因する過渡的変化より小さい所定のオフセットを設定する段階（９５０）
を含む、請求項６記載のガスタービンで気体燃料運転から液体燃料運転への移行を行うための方法。
【請求項８】
さらに、非制御液体燃料予備充填流量が開始された時に予備充填タイマーを始動する段階（９４０）を含む、請求項６記載のガスタービンで気体燃料運転から液体燃料運転への移行を行うための方法。
【請求項９】
予備充填タイマーを始動する段階が、
長い予備充填後における予想外の移行を防止するために移行を行わなければならない一定の時間を設けることを含め、所定の最大予備充填時間を設定する段階（９５５）、
所定の最大予備充填時間に達した時に燃料移行を開始する段階（１０００）、及び
非制御液体燃料の予備充填を終了する段階（１０１０）
を含む、請求項７記載のガスタービンで気体燃料運転から液体燃料運転への移行を行うための方法。
【請求項１０】
予備充填タイマーを始動する段階がさらに、
燃焼器ノズルの上流に位置しかつパージ空気で満たされた配管の既知容積を所定の予備充填流量で予備充填するために必要な時間を計算する段階、
計算された時間を所定の最小予備充填時間として設定する段階、及び
少なくとも所定の最小予備充填時間に達するまで予備充填を継続する段階（９６５）
を含む、請求項８記載のガスタービンで気体燃料運転から液体燃料運転への移行を行うための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般にガスタービン制御方法に関し、さらに詳しくは、気体燃料による運転から液体燃料による運転への移行中におけるガスタービンの制御を可能にするためにガスタービン燃焼器内での液体燃料の到達を検出する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
工業用ガスタービンは、多くの場合、液体燃料及び気体燃料（例えば、天然ガス）を選択的に用いて運転することができる。これらのガスタービンは、液体燃料及び気体燃料の両方に関する燃料供給系統を有している。ガスタービンは、一般に気体燃料及び液体燃料の両方を同時に燃焼させることはできない。それどころか、ガスタービンが液体燃料を燃焼させる場合には、気体燃料の供給は停止される。同様に、ガスタービンが気体燃料を燃焼させる場合には、液体燃料の供給は停止される。燃料供給を液体燃料から気体燃料に切り換える場合、及びその逆の場合には、ガスタービンの運転中に燃料移行が行われる。
【０００３】
気体燃料及び液体燃料の両方を燃焼させるガスタービンでは、液体燃料燃焼器の燃料ノズルをきれいにするために液体燃料パージ系統が要求される。ガスタービンが気体燃料を用いて運転される場合、液体燃料供給系統は一般にオフにされる。液体燃料系統をオフにすると、パージ系統が働いて燃焼器のノズルから残留する液体燃料を排除すると共に、ノズルに連続冷却気流を供給する。
【０００４】
図１は、液体及び気体燃料系統を有する例示的なガスタービンの略図である。図１は、液体燃料系統１０２及び液体燃料パージ系統１０４を有するガスタービン１００を略示している。かかるガスタービンは天然ガスのようなガスを用いて運転することもでき、気体燃料系統１０６を含んでいる。ガスタービンの他の主要な構成部分には、主圧縮機１０８、燃焼器１１０、タービン１１２及び制御装置１１４がある。ガスタービン１１２の出力側は回転タービン軸１１６であって、これは電力を発生する発電機１３０に連結できる。
【０００５】
図示された例示的な工業用ガスタービンでは、燃焼器は環状に配列された燃焼室（即ち、缶１１８）であり得るが、その各々は液体燃料ノズル１２０及び気体燃料ノズル１２２を有している。別法として、燃焼器は環状室であってもよい。燃焼缶の内部では、ノズルからわずかに下流の位置で燃焼が開始される。圧縮機１０８からの空気が燃焼缶１１８の周囲及び内部を流れて燃焼用酸素を供給する。さらに、高温の燃焼ガスにエネルギーを付与すると共に、燃焼缶１１８を冷却するため、水噴射ノズル１２４が燃焼器１１０の内部に配置されている。
【０００６】
液体燃料系統パージ用空気は、圧縮機１０８から供給し、パージ空気圧縮機（図示せず）で昇圧し、該系統の他の構成要素（図示せず）で制御することができる。ガスタービン１００が天然ガス（又は他の気体燃料）を用いて運転される場合、液体燃料パージ系統１０４は液体燃料系統１０２の液体燃料ノズル１２０を通して液体燃料系統１０２中に圧縮空気を吹き込むことで、液体燃料をパージすると共に、液体燃料ノズル１２０に連続冷却空気の流れを供給する。
【０００７】
図２は、既存の液体燃料系統を有するガスタービンエンジンの略図である。液体燃料は液体燃料源２０５から液体燃料系統２００に供給される。液体燃料系統２００は、低圧フィルター２１０、燃料ポンプ２１５、バイパス制御弁２２０及び止め弁２２５を通って分流器２３０に至る流路を含んでいる。圧力逃がし弁２３５、バイパス制御弁２２０及び止め弁２２５は、再循環ライン２４０を通して液体燃料の流れを低圧フィルター２１０の上流側に再循環させることができる。分流器２３０は、液体燃料の流れを、個々の燃焼缶２７０に通じる複数の液体燃料流路に分割する。分流器の下流側の各液体燃料流路は、燃焼缶２７０に入る前に三方（エンドカバー）弁２４５及び分配弁２６０を含んでいる。
【０００８】
三方弁２４５は、液体燃料流路（上述）又は液体燃料パージ空気系統２８０から燃焼缶ノズルへの流れを可能にする。三方弁は、選択的に、液体燃料パージ空気系統への燃料の逆流を防止しながら液体燃料系統から燃焼器ノズル１２０への流れを可能にし、或いは三方弁の上流の液体燃料系統へのパージ空気の逆流を防止しながらパージ空気を燃焼器ノズル１２０に流すように設計されている。パージ空気が液体燃料系統に入るのを防止することで、供給燃料との空気−燃料界面が最小限に抑えられる。
【０００９】
気体燃料がタービンに供給される場合、三方弁２４５は液体燃料の流れを遮断すると共に、燃焼器内の燃料ノズルを冷却するためにパージ空気を流すように位置決定される。このようなパージは、液体燃料をオンにする場合には停止しなければならない。以下の議論では、パージ空気を液体燃料から分離するために三方（エンドカバー）隔離弁（米国特許第６４３８９６３号（Ｔｒａｖｅｒら））を使用する現行の発電用燃料系統を取り上げる。本発明はこのハードウェアを必要とせず、２つの逆止め弁又は二方オン／オフ弁が使用できる。
【００１０】
ある燃料源から別の燃料源への移行中には、出力及び温度のアンダーシュート又はオーバーシュートを最小限に抑えながらタービン出力の連続性を維持することが望ましい。気体燃料による運転から液体燃料による運転への移行に際しては、三方弁２４は液体燃料ラインに切り換えられ、止め弁は開放され、制御弁はある少ない「予備充填」流量を与えるように命令される。液体燃料ラインが予備充填されると、気体燃料は発電機出力のために要求される基準要求量に保たれる。液体燃料が燃焼器ノズル１２０に到達するまでに、液体燃料は以前にパージガスで満たされていた配管を再充填しなければならない。
【００１１】
三方弁２４５と燃焼缶２７０との間の配管は、液体燃料移行の前には常にパージ空気で満たされている既知容積を有している。既知容積２９０は、（負荷スパイクを引き起こす）パージ導入の影響を最小限に抑えるために小さく保たれる。時間の経過に伴って系統中への空気の漏入が起こる。系統中への空気漏入速度はいくつかの変動要因に依存するが、これらは制御又は予測できない。その結果、主として最後の燃料移行からの時間に応じ、三方弁２４５の上流の配管は若干量の空気で満たされる。配管の物理的容積は既知であるが、空気で満たされる量は未知である。それの上流の配管の容積は下流の容積よりはるかに大きいので、液体燃料が燃焼器２７０に到達するまでには、未知の恐らくは実質的に大きい体積２９５の空気を予備充填用液体燃料で排除しなければならない。
【００１２】
上述の要因は、出力のオーバーシュート又はアンダーシュート及び時には負荷の低下をはじめとして、気体燃料−液体燃料移行の信頼性の悪化を引き起こすことがある。液体燃料系統に関する予防的保守手続きでは、液体燃料運転への移行を定期的に行って該系統を働かせることが要求される。移行が困難であると、作業員は液体燃料系統を働かせるために必要な移行の実施をためらい、該系統の信頼性の問題を悪化させることがある。
【００１３】
歴史的には、液体燃料の予備充填は、（いかなるグローバルパラメーターについても閉じていない）開ループ設定を使用しながら流量測定値のフィードバックのみで制御されてきた。液体燃料が選択されると、バイパス制御弁２２０は目標予備充填流量を達成するための公称値に調節され、燃料制御が全負荷基準値に上昇するまで規定時間（遅延時間）にわたってその値に保たれる。予備充填流量は、燃料系統を予備充填するという基本目的に加えていくつかの問題を処理するため、長年にわたって変化してきた。ある時期には、予備充填流量は長時間（通例は３０秒間）にわたって非常に低い値（約２％）に設定されていた。後に、予備充填時間は６０秒に増加され、場合によっては１２０秒に増加された。予備充填時間の延長は、液体燃料ラインが確実に予備充填されると同時に、開ループ設定値の使用によって多すぎる「非制御燃料」が導入されないようにするために行われた。
【００１４】
制御燃料とは、所定出力に対する燃料基準要求量に応答して燃焼器に供給される燃料である。非制御燃料とは、燃焼器に導入される燃料であるが、タービン制御燃料要求量信号中で認められていない燃料である。液体燃料予備充填量が予想通りに燃焼器に到達せず、したがって燃料不足状態が生じた場合における有害な負荷低下を回避するため、予備充填液体燃料は燃料要求量計算に含まれていない。非制御燃料が燃焼器に到達することの副作用は追加のエネルギーを供給することにあり、これは初期負荷及び温度スパイクを生じ、次いで同じ負荷出力を保つための全燃料要求量を時間と共に低下させる。
【００１５】
系統中の未知の空気量について不確実であるにもかかわらず、液体燃料ラインの完全な予備充填を達成するために長い予備充填時間（６０〜１２０秒）が使用されていた。充填すべき容積が多くの要因と共に変化し得る未知数であることを考えると、現行の制御は液体燃料の存在を保証するための推定にすぎない。
【００１６】
図３は、気体燃料から液体燃料への移行を制御するための既存のタイマー準拠アルゴリズムを示している。段階３１０では、燃料移行の要求を開始し、液体燃料系統中の止め弁を予備充填位置に開くように命令する。該系統は段階３２０で止め弁が動き始めるのを待ち、次いで段階３３０で予備充填を開始するための命令を出す。このような既存のアルゴリズムでは、段階３４０で一定の遅延時間（２０秒の例示的な値として示す）を開始する。２０秒の固定遅延時間は、液体燃料ラインを予備充填すると共に燃料をノズルに到達させるために設けられる。固定遅延時間が満了したとき、段階３５０で気体燃料と液体燃料との間の燃料移行を開始する。段階３４０の遅延時間が満了した後、段階３６０で予備充填液体燃料（非制御燃料）を漸減させる。最後に、段階３７０で気体燃料ラインを空気でパージする。
【００１７】
図４は、予備充填遅延時間が長すぎることに原因する液体燃料の過剰予備充填に対するガスタービンの出力（発電機の位置でのドリブンメガワット出力）の応答を曲線１で示している。当初、約５８ドリブンメガワットを与えるように気体燃料が供給されている。約１８秒の時点では、液体燃料予備充填が２の位置で開始される。約３８秒の時点では、予備充填液体燃料（非制御燃料）が燃焼器に到達し、５８ドリブンメガワットを維持するための全要求量で指示される量を超えてエネルギーが増加するのに応答してドリブンメガワットが３の位置で上昇し始める。約４０秒の時点からは、非制御の予備充填液体燃料によって供給される増加エネルギーのため、気体燃料に関する全要求量が４の位置でわずかに減少する。５の位置で予備充填遅延時間が終了すると、供給されていた気体燃料を漸減させかつ制御液体燃料を漸増させる燃料切換えが行われる。この場合、６で示されるように、予備充填は３の位置での液体燃料到達を約３０秒超えて継続している。
【００１８】
図４で見られるように遅延が長すぎれば、システムは非制御燃料で運転されることになる。加えて、約１〜２％の低い予備充填値については、システムの誤差が再現可能な予備充填を保証するとは限らず、そのためにより長い予備充填時間が使用されていた。気体燃料が失われて液体燃料への切換えを迅速に行わなければならない非常時移行条件下では、多くの移行失敗が起こり得る。
【００１９】
図５は、予備充填遅延時間が短すぎることに原因する液体燃料の予備充填不足に対するガスタービンの出力（ドリブンメガワット数）の応答を曲線１で示している。予備充填は２の位置（約４１秒の時点）で始まる。予備充填遅延時間が短すぎて設定されている場合、システムは燃焼器に液体燃料が到達する前に気体燃料の漸減を開始する。当初、気体燃料は約２５ドリブンメガワットを与えるように供給されている。約４４秒の時点で、気体燃料の漸減及び液体燃料供給量の漸増による燃料切換えが３の位置で始まる。４秒間の予備充填は液体燃料ラインを満たすのに十分でないから、燃焼器への実際の液体燃料送達開始４は約４８秒の時点まで始まらない。４４〜４８秒の間（５の位置）では燃焼器は供給不足となり、ドリブンメガワット数は約２１に低下する。高い漸増速度で燃焼器ノズルへの液体燃料送達が開始する４８秒の時点（４の位置）では、約３３ドリブンメガワットへの出力スパイクが６の位置に生じる。
【００２０】
予備充填不足は、２つのマイナスの副作用を有する。第一に、気体燃料の漸減の直後に液体燃料が到達しなければ消炎の可能性が存在する。第二に、液体燃料が適正な時間に到達しなければ、制御弁はランプアップを行い、所望されるより多量の燃料を燃焼缶に導入する。これは発生出力の大きなスパイクを引き起こし、超過温度保護によってユニットをトリップさせることがある。
【００２１】
燃焼システムは燃焼器内に複数の燃料ノズルを使用するように進化したので、燃料ノズルの損傷の可能性を回避するために非常に低い予備充填値を引き上げなければならなかった。これは、非常時移行の必要性と相まって、はるかに高い予備充填レベル（約６〜８％）をもたらした。予備充填時間が長すぎれば、可能な副作用（超過温度トリッピング、全燃料基準値の負荷シェッディング）が大幅に増加する。
【特許文献１】米国特許第６４３８９６３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
したがって、燃料ラインが予備充填された時を決定でき、それにより高い信頼度及びわずかな過渡的変化をもって燃料切換えを可能にする液体燃料ラインの予備充填方法を提供することが要望されている。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明は、制御系が燃料移行中に燃焼器への液体燃料の到達を検出でき、それによって気体燃料−液体燃料移行の信頼度を高め得る方法に関する。これは液体燃料系統中における未知量の空気に原因する不確実性を排除し、非制御燃料の過多も過少も生じない。
【００２４】
本発明の一態様に従って簡単に述べれば、ガスタービンで気体燃料運転から液体燃料運転への移行を行うための方法が提供される。かかる方法は、液体燃料系統を通して所定の非制御液体燃料予備充填流量を開始する段階、燃焼器ノズルへの非制御液体燃料流れの到達を検知する段階、及び燃焼器ノズルで非制御液体燃料流れが検知された場合に気体燃料運転から液体燃料運転への移行を開始する段階を含んでいる。
【００２５】
燃焼器ノズルへの非制御液体燃料流れの到達を検知する段階は、以下の式に従って燃料正規化出力（ＦＮＰ）の変化を監視する段階を含んでいる。
【００２６】
【数１】
2008106777.tif 000003
式中、Ｐｏｗｅｒは発電機の出力側におけるドリブンメガワット数を表し、Ｆｕｅｌｒｅｆは機械に供給される全燃料基準要求量を表し、ＰｅｒｃｅｎｔＬｉｑは液体燃料のパーセント比率を表し（ただし、１＝全部液体、０＝全部気体）、ＦｕｅｌｒｅｆＦＳＮＬ−ＬＩＱは液体燃料に関して全速無負荷で要求される燃料基準値（定数）を表し、ＦｕｅｌｒｅｆＦＳＮＬ−ＧＡＳは気体燃料に関して全速無負荷で要求される燃料基準値（定数）を表す。
【００２７】
ＦＮＰの変化を監視する段階はさらに、ＦＮＰ値を追跡する段階、液体燃料止め弁が開き始めた時を検知する段階、ＦＮＰが閾値を超えた時を決定する段階、及びＦＮＰが閾値を超えた時に予備充填液体燃料が燃焼器ノズルに到達していることを判定する段階を含み得る。ＦＮＰ値を追跡する段階には、追跡されるＦＮＰ値にフィルターを適用する段階を含み得る。この場合、濾波方法は追跡されるＦＮＰ値に移動平均を適用する段階を含む。
【００２８】
ＦＮＰが閾値を超えた時を決定する段階は、液体燃料止め弁が開き始めた時にＦＮＰ値を捕獲する段階、最小ＦＮＰを捕獲ＦＮＰ値に設定する段階、ＦＮＰに関する閾値を（最小ＦＮＰ値＋所定のオフセット）として確定する段階、現在のＦＮＰ値が最小ＦＮＰより小さい場合には最小ＦＮＰ値を現在のＦＮＰ値に設定する段階、及び局所最小ＦＮＰ値が得られるまで、閾値を新たな小さいＦＮＰ値に合わせて調整する段階を含み得る。
【００２９】
気体燃料運転から液体燃料運転への移行を行うための本方法ではまた、ＦＮＰに関する閾値を確定する段階がさらに、ＦＮＰ値に関する移動フィルターで隠蔽されない程度に大きく、かつ燃料移行に原因する過渡的変化より小さい所定のオフセット値を設定する段階を含んでいる。
【００３０】
本方法に従えば、液体燃料予備充填流量が開始された時に予備充填タイマーを始動できる。予備充填タイマーを始動する段階は、所定の最大予備充填時間を設定する段階、所定の最大予備充填時間に達した時に燃料移行を開始する段階、及び非制御液体燃料の予備充填を終了する段階を含み得る。
【００３１】
さらに、予備充填タイマーを始動する段階は、所定の最小予備充填時間を設定する段階、及び少なくとも所定の最小予備充填時間に達するまで予備充填を継続する段階を含み得る。最小予備充填時間は、エンドカバー弁と燃焼ノズルとの間における配管の既知容積を所定の予備充填流量で予備充填するために必要な時間を計算し、次いでタイマーを計算された時間に設定することに基づくものであり得る。
【００３２】
本発明の別の態様に従えば、ガスタービンの二重気体燃料−液体燃料系統用の制御装置が提供される。かかる制御装置は、液体燃料系統を通して所定の液体燃料予備充填流量を開始するための入力信号、燃焼器ノズルへの非制御液体燃料流れの到達を検知する入力信号、及び燃焼器ノズルで非制御液体燃料流れが検知された場合に気体燃料運転から液体燃料運転への移行を開始する出力信号を含んでいる。
【００３３】
本発明の別の態様は、空気パージ系統を有する二重気体燃料−液体燃料系統、液体燃料止め弁、所定の最小予備充填時間及び所定の最大予備充填時間を含む液体燃料予備充填タイマー、並びに燃焼器ノズルへの非制御液体燃料流れの到達を検知する入力信号を含み、さらに以下の式に従った燃料正規化出力（ＦＮＰ）を含む制御装置を含んでなるガスタービンを提供する。
【００３４】
【数２】
2008106777.tif 000004
式中、Ｐｏｗｅｒは発電機の出力側におけるドリブンメガワット数を表し、Ｆｕｅｌｒｅｆは機械に供給される全燃料基準要求量を表し、ＰｅｒｃｅｎｔＬｉｑは液体燃料のパーセント比率を表し（ただし、１＝全部液体、０＝全部気体）、ＦｕｅｌｒｅｆＦＳＮＬ−ＬＩＱは液体燃料に関して全速無負荷で要求される燃料基準値（定数）を表し、ＦｕｅｌｒｅｆＦＳＮＬ−ＧＡＳは気体燃料に関して全速無負荷で要求される燃料基準値（定数）を表す。制御装置はまた、液体燃料止め弁が開き始めた時を検知するためのセンサー信号、及びＦＮＰが閾値を超えた時を決定すると共に、ＦＮＰが閾値を超えた時に非制御予備充填液体燃料が燃焼器ノズルに到達していることを判定するためのアルゴリズムを含んでいる。
【００３５】
本発明の上記その他の特徴、態様及び利点は、添付の図面を参照しながら以下の詳しい説明を読んだ場合に一層よく理解されよう。添付の図面中では、図面全体を通じて類似の部品は同一の符号で表されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
本発明の以下の実施形態は、燃料ラインが予備充填された時を決定でき、それにより高い信頼度及びわずかな過渡的変化をもって燃料切換えを可能にする液体燃料ラインの予備充填方法をはじめとして、多くの利点を有している。
【００３７】
本発明の目的は、追加のフィードバック信号を監視して、予備充填中に非制御液体燃料が燃焼器ノズルに到達する時点を発生されるタービン出力への効果により決定することで、ガスタービンエンジンにおける気体燃料から液体燃料への移行の信頼度を高めることにある。このためには、全燃料要求量（可変負荷要求量）の変化で影響されないと共に、代替信号（例えば、温度）よりはるかに速い輸送遅れを有する点で、燃料正規化出力（ＦＮＰ）が非常に有用な信号である。ＦＮＰの変化を監視すれば、信頼性をもって非制御燃料の到達を検出することができる。
【００３８】
非制御燃料の検出における第一段階は、非制御燃料から出る信号を主たる因子として用いることで、非制御燃料を制御燃料から識別することである。タービン出力の増加は燃焼器への非制御燃料の供給がもたらす正味の結果であるが、制御装置によって供給される燃焼器基準要求量信号は一層支配的な因子である。燃料正規化出力（ＦＮＰ）は、以下の式１で計算されるように、現在の燃料基準値に対して正規化された出力から無出力で速度を保つための量を減じた値である。
【００３９】
【数３】
2008106777.tif 000005
式中、Ｐｏｗｅｒは発電機の出力側におけるドリブンメガワット数で表され、Ｆｕｅｌｒｅｆは機械に供給される全燃料基準要求量を表し、ＰｅｒｃｅｎｔＬｉｑは液体燃料のパーセント比率を表し（ただし、１＝全部液体、０＝全部気体）、ＦｕｅｌｒｅｆＦＳＮＬ−ＬＩＱは液体燃料に関して全速無負荷で要求される燃料基準値（定数）を表し、ＦｕｅｌｒｅｆＦＳＮＬ−ＧＡＳは気体燃料に関して全速無負荷で要求される燃料基準値（定数）を表す。
【００４０】
ドリブンワット数（フィードバック）及び燃料ストローク基準値（燃料要求量）は２種の信号タイプで測定され、それぞれに固有のノイズを有している。また、燃料要求量と実際の発生出力との間には遅れ（通例は燃料輸送遅れ）が存在している。ノイズの多い一方の信号を非相関ノイズを有する別の信号で割れば、得られる信号中に合成ノイズを容易に導くことができる。ノイズの問題を緩和するためには、信号を濾波する必要がある。
【００４１】
図６は、燃料移行に対する高ノイズＦＮＰ信号及び濾波済みＦＮＰ信号の応答の例を示している。フィルター周波数の選択は、サイトデータの調査及び許容し得るノイズと濾波がもたらす遅れとのバランスに基づいていた。ここに記載した実行例では、２．５Ｈｚの移動平均が使用されている。この選択は信号に約１／２秒の遅れを導入するが、ノイズを閾値アルゴリズム中での使用に関連して説明し得るレベルにまで低下させる。
【００４２】
図７は、コンピューターシミュレーションにより、燃料移行に対するドリブンメガワットパラメーター及び燃料正規化出力パラメーターの相対応答を示すグラフである。グラフの左側縦軸はドリブンメガワット数の単位を示しており、右側縦軸は燃料正規化出力の単位を示している。１００〜１２０秒の間における燃料正規化出力の鋭いピーク１は、ピーク２及びアンダーシュート３を有するドリブンメガワット数の小さい相対応答に比べ、このパラメーターが非制御燃料に原因する出力変化を検知するための優れた検出能力を有することを示している。
【００４３】
ＦＮＰパラメーターは非制御燃料に原因する出力の変化を強め得るので、燃料ノズルに入った非制御燃料に由来する出力が生じる時を決定するアルゴリズム中にそれが適用される。このような状態は、液体燃料ラインが充填され、燃料移行が続行し得ることを表している。燃料がノズルに到達したことを表すＦＮＰパラメーターの変化に関して閾値を確定することが望ましかった。
【００４４】
本発明のアルゴリズムが有効であるためには、それはノズルに到達した非制御燃料が引き起こすＦＮＰの変化と他の要因が引き起こすＦＮＰの増加とを識別しなければならない。例えば、高負荷で液体燃料への移行を行う場合には、ユニットにはまず気体燃焼モード間での移行が要求される。このような気体燃焼モード間での移行は、ノズルに到達した液体燃料がもたらす効果と非常に類似した過渡的効果をＦＮＰに及ぼす。液体燃料止め弁が液体燃料流れを開始する前に起こるこのような過渡的変化は、ノズルへの燃料流れに関連したものであり得ない。本発明のアルゴリズムを液体燃料止め弁が動くまで遅らせることは、このような過渡的変化に基づく誤った陽性結果が生じるリスクを軽減させる。しかし、このような過渡的変化が液体燃料過渡状態にスピルオーバーすることは、閾値アルゴリズムに制限をもたらす。
【００４５】
基本的な閾値方法は、液体燃料止め弁が動き始めた時にＦＮＰの値を捕獲し、現在値が（捕獲値＋ある選択されたオフセット）を超えた時にトリガーを行うことである。モード移行による過渡的変化のスピルオーバーがこの値に上限を設け、低負荷での濾波後相対ノイズの量がそれに下限を設ける。２．５Ｈｚ濾波では、許容し得る値の範囲は非常に狭い。１つの解決策は一層厳しいフィルターを使用することであるが、これは総合検出アルゴリズムの応答時間を弱める。もっと良い解決策は、高負荷過渡状態の性質を利用して上限を顕著に押し上げることである。
【００４６】
図８及び図９は、一定の液体燃料予備充填遅延時間を用いた移行に関する先行技術のアルゴリズムに対する閾値アルゴリズムのバックフィット応答を示している。図８及び図９の燃料移行は、それぞれ、サイトデータを使用した高負荷及び低負荷におけるものである。
【００４７】
図８は、濾波済みＦＮＰ過渡曲線１、液体燃料予備充填曲線２及び液体燃料ランプアップ曲線３を含んでいる。０．２５のオフセットを使用しながら濾波済みＦＮＰ過渡曲線１に基づく閾値曲線４を実線で示す。本発明の制御アルゴリズムに従って予備充填を進行させた場合における濾波済みＦＮＰ過渡曲線５及び閾値曲線６の予想挙動を点線で示す。図８は、ＦＮＰのアンダーシュート（１０）及びオーバーシュート（１１）を引き起こす短い予備充填時間を表している。
【００４８】
図８では、気体燃料−液体燃料移行の開始前における気体燃焼モード間の移行に原因する初期ＦＮＰスパイクが７の位置（約４０秒の時点）で生じる。ＦＮＰスパイク７の存在は、非制御液体燃料の導入に関連していない。本発明の閾値アルゴリズムは、液体燃料止め弁が９の位置（約４７秒の時点）で開き始めた時に８の位置でＦＮＰの初期値（３．４２）を捕獲し、次いでＦＮＰの現在値を追跡し続けることで、このパラメーターに関する局所最小値を求め、最も小さい値を保持する。閾値アルゴリズムは、現在のＦＮＰ最小値にこの局所最小値から上方に所定のオフセット（０．２５）を加えた値として閾値を設定する。このように設定される閾値は、燃料移行から生じる過渡状態中に満足させるのに十分なだけ小さいものでなければならない。初期閾値１２は約３．６７である。閾値はＦＮＰが１０の位置で局所最小値に到達するまで変化し、１３の位置で最終閾値（約３．４２）が確定される。このようなアプローチは、上限と下限との間に大きいギャップをもたらすことで、あまり厳しくない濾波方法による迅速な応答を可能にする。点線５は、本発明の閾値アルゴリズムの下での制御を使用した場合に得られるであろう予想ＦＮＰ過渡状態を示すバックフィットデータを表している。点線６は、本発明のアルゴリズムの使用から得られるであろう予想閾値を示すバックフィットデータを表している。閾値アルゴリズムを使用すれば、予備充填は一層長く（１４の位置の６０秒まで）維持され、より小さいＦＮＰアンダーシュートをもたらすであろう。
【００４９】
図９は、予備充填不足をもたらす低負荷での燃料移行中に本発明の閾値アルゴリズムを０．２５のオフセットで使用した場合の同様なバックフィット応答を示している。移行に対する実際の応答を、濾波済みＦＮＰについては曲線１で示し、閾値については曲線２で示す。本発明の閾値アルゴリズムに従って移行を行った場合における閾値及びＦＮＰの予想応答を示すバックフィットデータを、それぞれ曲線３及び４として示す。本発明の閾値アルゴリズムを用いた場合の予想挙動は、先行技術のアルゴリズムを用いた場合に５の位置で生じるような濾波済みＦＮＰのアンダーシュートを生じない。
【００５０】
三方弁の燃焼器側の液体燃料系統は、不使用時には空気でパージされる。これは、続く気体燃料−液体燃料移行中に常にからである既知の最小容積を確定する。予備充填中には、この値を弁に関する位置基準値と共に使用することで、配管を充填できる最小時間が計算される。本発明のアルゴリズムは、少なくとも三方弁の下流の配管が燃焼器ノズルまで満たされることを保証するため、予備充填タイマー用に最小予備充填時間を使用する。これは、移行関連トリップの主因である予備充填不足に対する防御の増強を通して信頼度を高めることができる。本発明のアルゴリズムはまた、液体燃料で満たすべき容積が非常に大きい場合に操作員を困惑させるのを回避するため、最大予備充填時間も含んでいる。このような場合には、システムは応答を示さないように見えながら、数分後に突然に移行を始める。したがって、閾値アルゴリズムが燃焼器の位置における非制御液体燃料の存在を確認しなくても、最大予備充填時間が経過した場合には気体燃料から液体燃料への移行が実施される。
【００５１】
図１０は、燃料移行制御のために本発明の閾値アルゴリズムを組み込んだフローチャートである。燃料移行の要求が段階９１０で開始される。燃料移行の要求に基づき、止め弁の開放が開始される。予備充填制御は止め弁の開放が段階９２０で検知されるのを待ち、次いで予備充填を始める命令が段階９３０で出される。
【００５２】
段階９４０では、予備充填タイマーが始動される。段階９４５では、ＭＩＮＩＭＵＭパラメーター（最小ＦＮＰ）がＦＮＰの初期値を捕獲することで現在のＦＮＰ値の追跡が開始される。段階９５０では、ＴＨＲＥＳＨＯＬＤパラメーターに（ＭＩＮＩＭＵＭ値＋所定のオフセット値（ＯＦＦＳＥＴ））が連続的に割り当てられる。
【００５３】
段階９５５では、予備充填タイマーが所定時間（ＭＡＸ＿ＴＩＭＥ）を超えたか否かが判定される。ＭＡＸ＿ＴＩＭＥを超えていれば、予備充填は段階９８５で完了する。段階９５５で予備充填タイマーがＭＡＸ＿ＴＩＭＥを超えていなければ、段階９６５で予備充填タイマーを調べることで、ＭＩＮ＿ＴＩＭＥを超えたか否かが判定される。ＭＩＮ＿ＴＩＭＥを超えていれば、段階９７０で現在のＦＮＰ値を試験することで、それがＴＨＲＥＳＨＯＬＤ値より高いか否かが判定される。段階９７０でＴＨＲＥＳＨＯＬＤ値より高ければ、非制御予備充填液体燃料が燃焼器ノズルに到達した可能性が高く、したがって予備充填は段階９８５で完了する。
【００５４】
別法として、段階９６５で予備充填タイマーがＭＩＮ＿ＴＩＭＥを超えていないか、或いは現在のＦＮＰ値がＴＨＲＥＳＨＯＬＤ値より高くなければ、予備充填は完了していない。段階９７５でさらに試験を行ってＦＮＰに関する局所最小値を求めながら、予備充填が継続される。その後にＦＮＰが局所最小値から増加すれば、これは燃焼ノズルに到達した非制御予備充填燃料によって生じた変化に帰することができる。現在のＦＮＰ値がＭＩＮＩＭＵＭより高ければ、ＴＨＲＥＳＨＯＬＤを超えたか否かに関する試験が段階９５０で繰り返される。そうでなければ、ＦＮＰの現在値は最後のＭＩＮＩＭＵＭ値より低く、その場合には段階９８０でＭＩＮＩＭＵＭ値にＦＮＰの低い値が割り当てられる。その間にも局所最小値の探索は続けられ、新しいＭＩＮＩＭＵＭ値を認識するために段階９８０でＴＨＲＥＳＨＯＬＤがリセットされる。かかるループは、段階９８５で予備充填が完了するまで繰り返される。
【００５５】
非制御液体燃料の予備充填が段階９８５で完了した場合には、気体燃料と液体燃料との間の燃料移行が段階１０００で開始される。非制御液体燃料の予備充填は段階１０１０で漸減させる。燃料移行が完了すれば、段階１０２０で気体燃料ラインが空気でパージされる。
【００５６】
図１１は、気体燃料−液体燃料移行中に非制御燃料の到達を検知することに関連するガスタービン制御装置に供給される制御信号のフローチャートである。図１１は、制御装置１１４、圧縮機１０８、タービン１１２、発電機１３０及び液体燃料系統の構成要素（例えば、止め弁２３５）を含んでいる。制御装置１１４は、Ｐｏｗｅｒ４１０（発電機の出力側におけるドリブンメガワット数を表す）、Ｆｕｅｌｒｅｆ４１５（機械に供給される全燃料基準要求量を表す）、ＰｅｒｃｅｎｔＬｉｑ４２０（液体燃料のパーセント比率を表す（ただし、１＝全部液体、０＝全部気体））、ＦｕｅｌｒｅｆＦＳＮＬ−ＬＩＱ４２５（液体燃料に関して全速無負荷で要求される燃料基準値（定数）を表す）及びＦｕｅｌｒｅｆＦＳＮＬ−ＧＡＳ４３０（気体燃料に関して全速無負荷で要求される燃料基準値（定数）を表す）に関する入力信号を受信する。上記の入力信号を用いて、制御装置１１４は前述の式１に従って燃料正規化出力（ＦＮＰ）４３５を計算する。
【００５７】
制御装置１１４はまた、止め弁２３５上のセンサーから止め弁開放信号４５５を受信する。ＦＮＰパラメーター４２８が閾値アルゴリズム４６０に入力される。燃料移行の要求４８０に続き、制御装置が止め弁開放信号４５５を受信し、予備充填を開始する命令が出された後、予備充填タイマー４５０が始動される。閾値アルゴリズム４６０はまた、所定の最大予備充填時間が経過したときの入力信号４４０及び所定の最小予備充填時間が経過したときの入力信号４４５をタイマー４５０から受信する。制御装置１１４は図１０に従って閾値アルゴリズム４６０を実行することで、燃焼器への非制御液体燃料の到達を判定する。燃焼器への非制御液体燃料の到達が図１０に従って判定された場合、制御装置１１４は気体燃料から制御液体燃料への燃料移行を開始する。燃料移行は、制御液体燃料を要求出力に対する燃料基準レベルまで漸増させると共に、非制御液体燃料の予備充填を漸減させることを含んでいる。液体燃料制御機能４６５からの出力信号４９０に従い、液体燃料バイパス制御弁２２０（図２）を通して液体燃料流量が調節される。信号４７０は、燃料移行要求信号４８０に応答した止め弁２３５制御用の出力信号である。
【００５８】
歴史的に見て、二重燃料ガスタービンは気体燃料−液体燃料移行中に様々な問題に出会ってきた。本発明は、純粋にソフトウェア準拠の解決策を用いて信頼性に関する大問題の１つを矯正するものである。このソフトウェアはすべての二重燃料ガスタービンに適用できると共に、気体燃料−液体燃料移行に対する信頼の増加をユーザーに提供する。その結果、非常時のバックアップ移行及び運転の融通性のいずれについても機能性の向上が得られる。液体燃料系統の信頼度の向上（ひいては、それに対するユーザーの信頼）は、液体燃料、したがって二重燃料制御をさらに実行可能なオプションにするための重要なステップである。
【００５９】
以上、本明細書中には本発明の若干の特徴のみを例示し説明してきたが、当業者には多くの修正及び変更が想起されるであろう。したがって、特許請求の範囲はかかる修正及び変更のすべてを包括するものと理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】液体燃料系統及び気体燃料系統を有する例示的なガスタービンの略図である。
【図２】既存の液体燃料系統を有するガスタービンエンジンの略図である。
【図３】気体燃料から液体燃料への移行を制御するための既存のタイマー準拠アルゴリズムを示している。
【図４】予備充填遅延時間が長すぎることに原因する液体燃料の過剰予備充填に対するガスタービンの出力（ドリブンメガワット）の応答を示している。
【図５】予備充填遅延時間が短すぎることに原因する液体燃料の予備充填不足に対するガスタービンの出力（ドリブンメガワット）の応答を示している。
【図６】高ノイズＦＮＰ信号及び濾波済みＦＮＰ信号の例を示している。
【図７】コンピューターシミュレーションによる、燃料移行に対するドリブンメガワットパラメーター及び正規化出力パラメーターの相対応答を示すグラフである。
【図８】高負荷での燃料移行に対する閾値アルゴリズムの応答の図解である。
【図９】低負荷での燃料移行に対する閾値アルゴリズムの応答の図解である。
【図１０】本発明の閾値アルゴリズムを組み込んだ燃料移行のフローチャートである。
【図１１】気体燃料−液体燃料移行中における非制御燃料の到来の検知に関連する、ガスタービン制御装置に供給される制御信号のフローチャートである。
【符号の説明】
【００６１】
９２０  止め弁の開放を検知する段階
９３０  予備充填を開始する段階
９４０  予備充填タイマーを始動する段階
９４５  ＦＮＰを追跡する段階
９５０  ＦＮＰの閾値を確定する段階
９５５  所定の最大予備充填時間を設定する段階
９６５  予備充填を継続する段階
９７０  ＦＮＰが閾値を超えた時を決定する段階
９８０  最小ＦＮＰを現在のＦＮＰに設定する段階
９８５  予備充填を完了する段階
１０００  燃料移行を開始する段階
１０１０  予備充填を終了する段階
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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