(57)【要約】【課題】突発性負荷変動に伴う火炎温度ピークを抑制するために、１軸形ガスタービン（１８）の可変静翼付き分配器のブレード（１３）のポジションの対応する制御が計画される。【解決手段】具体的には、提案された制御システムは、ガスタービン（１８）の単純化された運転モデルを実行する演算ユニット（２２）からなる直接作用レギュレータ（２１）と、該モデルによって計画された性能に対するタービン（１８）の性能の変動によって引き起こされるか又はモデル化誤差によって引き起こされる直接作用レギュレータ（２１）のあらゆる不正確さを修復するのを可能にするフィードバックレギュレータ（２０）とを備える。【選択図】　　　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一連の所定のパラメータに基づいたガスタービン（１８）の数学的関数モデルを実行することができる少なくとも１つの演算ブロック（２２）を備える少なくとも１つの第１のレギュレータ又は直接作用ブランチ（２１）を含む形式の、１軸形ガスタービン（１８）の火炎温度の制御及び調節システムであって、該システムが、前記数学的モデルによって計画された性能に対する前記タービン（１８）の性能の変動によって引き起こされるか又はモデル化誤差によって引き起こされる、前記直接作用レギュレータ（２１）のあらゆる不正確さを修復することを可能にする、少なくとも１つの第２のレギュレータ又はフィードバックブランチ（２０）を更に含むことを特徴とする制御及び調節システム。
【請求項２】
前記第１のレギュレータ（２１）及び前記第２のレギュレータ（２０）が、前記ガスタービン（１８）の第１段の可変静翼付き分配器のブレード（１３）に作用して、突発性負荷増大時の火炎温度の上昇を所定値内に抑制するように、前記ブレードに前記タービン（１８）の圧縮機ユニット内に入る空気の方向に対する所定の角度をとらせることを特徴とする、請求項１に記載の制御及び調節システム。
【請求項３】
前記１軸形ガスタービン（１８）が、実質的に直列配列で、加圧冷却用空気を移送できる軸流圧縮機（１０）と、ガス状燃料のためのヒータ（１１）と、軸流タービン（１２）とを含み、前記ヒータ（１１）が切頭円錐形ヘッドを有し、該ヘッドの直ぐ下流に主燃焼領域が形成されていることを特徴とする、請求項２に記載の制御及び調節システム。
【請求項４】
前記レギュレータ（２０、２１）が、前記軸流タービン（１２）の排出ガス温度の変動率、可燃ガスの流量、前記軸流タービンの速度、及び前記軸流タービン（１２）内に導入される空気の温度に対応して、前記分配器の前記ブレード（１３）のポジションを定めることを可能にすることを特徴とする、請求項３に記載の制御及び調節システム。
【請求項５】
前記分配器のブレード（１３）が、該分配器の内側リング（１４）と外側リングとの間で前記軸流タービン（１２）の本体に取り付けられて、前記ブレードを通過する空気及び／又は燃料の流れが所定の方向をもつことを保証し、前記軸流タービン（１２）がまた、ロータの一連の回転ブレードを支持していることを特徴とする、請求項３に記載の制御及び調節システム。
【請求項６】
可燃ガスの流量、前記ガスタービン（１８）の取入口における空気温度、及び前記ガスタービン（１８）の速度の値に関する信号（２３、２４、２５）が、前記演算ブロック（２２）に入力されており、前記信号（２３、２４、２５）は対応するトランスジューサ（２６、２７、２８）の出力において取り出され、該トランスジューサの入力（２９、３０、３１）は前記ガスタービン（１８）で直接測定された該それぞれの信号からなっていることを特徴とする、請求項１に記載の制御及び調節システム。
【請求項７】
前記演算ブロック（２２）が、入力（３２）として、前記ガスタービンの排出ガスの所望の温度値を表す少なくとも１つの別の信号（３２）を有することを特徴とする、請求項６に記載の、制御及び調節システム。
【請求項８】
前記演算ブロック（２２）が、出力として、前記タービン（１８）の排出ガスの所望の温度値を得るために必要とされる、前記分配器ブレード（１３）のポジションの算定値を表す信号（３３）を供給し、該算定値は、ガス流量、前記タービン（１８）の速度、及び前記タービン（１８）に導入される空気の温度の現在値信号（２９、３０、３１）により、所定の限界値より低い火炎温度になるように算定されることを特徴とする、請求項７に記載の制御及び調節システム。
【請求項９】
前記フィードバックブランチ（２０）が、入力として誤差信号（３５）を有する少なくとも１つの比例積分レギュレータ（３４）を備え、前記誤差信号（３５）は、排出ガスに必要とされる前記温度値（３２）と、前記ガスタービン（１８）のトランスジューサ（３７）による出力において取り出される信号（３６）からなる現在値（３８）との間の差分として得られることを特徴とする、請求項８に記載の制御及び調節システム。
【請求項１０】
前記比例積分レギュレータ（３４）が、出力として、前記分配器ブレード（１３）のポジションの補正算定値を得るために、前記演算ブロック（２２）によって出力される別の信号（３３）に付加される信号（３９）を有し、前記算定値は、前記タービンから排出されるガスの前記所望の温度値（３２）を、流量、速度及び前記空気の温度の前記現在値（２９、３０、３１）により、前記計画制限値より低い火炎温度になるように得るために必要とされることを特徴とする、請求項９に記載の制御及び調節システム。
【請求項１１】
前記フィードバックブランチ（２０）の前記比例積分レギュレータ（３４）が、前記直接作用ブランチ（２１）の不正確さを修復することを可能とし、前記不正確さは、前記ガスタービン（１８）の数学的モデルを構成する前記演算ブロック（２２）によって計画された性能に対する前記ガスタービン（１８）の性能の変動によって引き起こされるか又はモデル化誤差によって引き起こされることを特徴とする、請求項１０に記載の制御及び調節システム。
【請求項１２】
前記フィードバックブランチ（２０）が、前記ガスタービン（１８）に導入され又は該ガスタービン（１８）から排出される空気の温度の変動率、及び前記ヒータ（１１）の可燃ガスの流量に対応して、前記分配器のブレード（１３）のポジションを定めることを可能とし、その結果、前記ガスタービン（１８）調節システムの実行が、過渡運転状態及び通常運転の両方において、計画限界値より低い前記算定火炎温度を維持した状態の最適制御を得ることを可能にすることを特徴とする、請求項１１に記載の制御及び調節システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、１軸形ガスタービンの火炎温度の制御及び制御システムに関する。
【０００２】
【従来技術】
ガスタービンは、１つ又はそれ以上の段を有する遠心圧縮機含む機械であり、該遠心圧縮機では、任意選択的に、遷音速の軸流段（低出力レベルのタービン用）、多段軸流段（中出力及び高出力レベルのタービン用）、或いは遠心段が後置された幾つかの軸流段を備える複合段（中出力レベルのタービン用）が前置されることが知られている。
【０００３】
特に、１軸形ガスタービンにおいては、圧縮機及びターボ膨張機の本体全部が同じ軸上に取り付けられ、この軸はまたユーザ機械の軸にもなっている。
【０００４】
液状或いはガス状の燃料が、インジェクタによって燃焼室内部に噴射され、このガスが、燃焼室の出口において化学量論的計量による燃焼に対応する温度よりもかなり低い温度になっている必要性から、燃焼室自身の典型的な構造は火炎チューブの構造であり、この構造により、空気の１部が主に渦流装置を経由して前方領域に導入されて、燃焼を開始しかつ高温ガスの再循環の領域を発生させるようになっている。
【０００５】
完全燃焼させるための空気の別の流れが、火炎チューブに設けられた第１の一連の孔を介して導入され、下流において空気の残りの部分が燃焼ガスと徐徐に混合され、ついには燃焼室出口において望ましい温度が得られる。
【０００６】
最も高い温度に達する内部火炎チューブは、高い圧力差を受ける外側ケースから構造的に分離され、この点で、工業的用途においては、最も一般に使用される燃焼室は単一の、すなわち幾つかの火炎チューブが収容された単一の外側ケースになっている。
【０００７】
更に、外燃タービンにおいては、蒸気発生器と概念的に類似するヒータ内部でガスが加熱される。
【０００８】
具体的には、中出力及び高出力レベルのガスタービンにおいては、実際のタービン又はターボ膨張機は多段軸流式であって、蒸気タービンのブレード配列と材料の選択以外では類似するブレード配列を有し、その材料は、高温及び腐食に対する最適な機械的耐性を有してなければならず、この点で、使用されるブレードは通常超合金製であり、或いは、最も高温に曝される第１段の分配器ブレードはセラミック材料製である。
【０００９】
過度に高くない最高温度については、圧縮機から抽気されブレードの基部の間並びにロータディスク表面内に設けられた経路内を循環するようにされた空気を用いる冷却方法が使用され、燃焼ガスのより高い温度が、ブレードの全表面を冷却する手段によってのみ許容できようになる。火炎の安定性の特性を改善するために、一般的に混合管の出口の近傍にパイロット火炎を発生させることができる平行燃料供給システムが更に設けられ、高温高圧ガスが、対応する管路を経由してタービンの種々の段に到達し、ガスのエンタルピーがユーザに利用できる機械的エネルギーに変換される。
【００１０】
いずれの場合でも、発電用途用のガスタービンは、一般的に機械のスイッチの切断によって引き起こされる、或いは、ガスタービンが絶縁回路網に接続されている場合には、電気使用量の変化によって引き起こされる電気負荷の突発性変動を受ける。
【００１１】
特に、負荷の突発性増大時に、計画火炎温度に急激な上昇が発生し、この上昇温度は許容限界値を大きく超える。
【００１２】
この観点からは、現在使用されている、軸流圧縮機の速度又は補正速度に関連して、或いは、タービン排気温度を調節する方法に関連して、分配器ブレードのポジションを対応させるようになった所定の関数を使用することに基づいている制御システムは、過渡運転状態及び通常運転の両方において、計画された限界値より低い算定火炎温度を維持する点で望ましい性能レベルに未だ達していない。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、前述の欠点を排除し、具体的には、機械スイッチの切断或いは電気使用量の変化によって引き起こされる電気負荷の突発性変動に伴う火炎温度ピークを抑制することを可能にする、１軸形ガスタービンの火炎温度の制御及び調節システムを提供することである。
【００１４】
本発明の別の目的は、液状及び／又はガス状燃料を供給されるガスタービンの火炎温度の制御及び調節システムを提供することであり、このシステムはまた、燃焼室内での、良好な火炎安定性及び圧力変動の減少を得ることを可能にする。
【００１５】
本発明の他の目的は、高レベルの燃焼効率を保証する、ガスタービンの火炎温度の制御及び調節システムを提供することである。
【００１６】
本発明の更なる目的は、高温に曝される構成部品の平均耐用期間を延長させることを可能にする、制御及び調節システムを提供することである。
【００１７】
本発明の付加的な目的は、特に信頼性があり、簡単で、機能的であり、かつ得られるその利点が、比較的低い製造及び保守コストで実行できる、１軸形ガスタービンの火炎温度の制御及び調節システムを提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明によるこれらの目的及び他の目的は、一連の所定のパラメータから始めてガスタービンを関数化する数学的モデルを実行することができる少なくとも１つの演算ブロックを備える少なくとも１つの第１の直接作用ブランチ又はレギュレータを含む形式の、１軸形ガスタービンの火炎温度の制御及び調節システムを提供することによって達成され、該システムは、前記数学的モデルによって計画された性能に対するタービンの性能の変動によって引き起こされるか又はモデル化誤差によって引き起こされる、前記直接作用レギュレータのあらゆる不正確さを修復することを可能にする、１つの第２のフィードバックブランチ又はレギュレータを更に含むことを特徴とする。
【００１９】
頭字語ＶＩＧＶ（「Ｖａｒｉａｂｌｅ　Ｉｎｌｅｔ　Ｇｕｉｄｅｄ　Ｖａｎｅｓ（可変入口案内羽根）」）として知られているガスタービンの可変静翼式分配器のブレードは、該ブレードに圧縮機に導入される空気の方向に対して最適な角度をとらせて、圧縮機の速度、空気の流量、及びヒータに送られる燃料の流量の観点からタービン全体の性能レベルを向上させるように調節できるのが好都合である。
【００２０】
具体的には、本発明による制御システムは、負荷の突発性増大時に、許容限界値を大きく越える、算定火炎温度における急激な上昇が起こる現象の発生を抑制することを可能にする。
【００２１】
具体的には、分配器ブレード（ＶＩＧＶ）のポジションを、タービン排出ガスの温度の変動率、可燃ガスの流量、タービン速度、及びタービンに導入される空気の温度に対応させて、タービン全体の極度に正確なモデル化が得られるようにすることを保証することによって、適切な制御が得られる。
【００２２】
１軸形ガスタービンの火炎温度の制御及び調節のための、本発明によるシステムの特徴及び利点は、添付の概略図を参照して非限定的な実施例によってなされた以下の記述からより明らかとなり一層明白になるであろう。
【００２３】
【発明の実施の形態】
特に図１及び図２を参照すると、ガスタービン１８は、実質的に、軸流圧縮機１０と、ガス状燃料の汚染物質低エミッションのヒータ１１と、公知の形式の軸流タービン１２とを備える。
【００２４】
図示された実施例においては、ヒータ１１は切頭円錐形ヘッドを有し、該ヘッドの直ぐ下流に実際の燃焼領域又は主火炎領域が形成される。
【００２５】
この組立体はまた、冷却用空気のための空間によって囲まれており、該冷却用空気は、軸流圧縮機１０によって加圧されて、ヒータ１１から出る燃焼生成物の流れの方向と反対の方向である図２の矢印Ｆの方向に循環する。
【００２６】
タービン１２の本体には、分配器の内側リング１４と外側リング１５との間に設けられかつ分配器保持リング１７に取り付けられた一連の分配器ブレード（ＶＩＧＶ）１３又は第１段分配器のブレード（これは最高温度に曝される）と、任意選択にそれを支持するディスクと一体化された一連のロータの回転ブレード１６とが取り付けられる。
【００２７】
分配器ブレード１３は、該ブレードを通過する空気及び／又は燃料の一方又は両方が、所定の流れ方向を有し、主火炎の安定化を助けるようになることを保証する。
【００２８】
最後に、燃焼領域において、一連の平行バーナが取り付けられることができ、該バーナは、中心の主火炎に対して同心状になっている環状に連なった対応する付加的火炎を形成することができる。
【００２９】
具体的には、冷却用空気が軸流圧縮機１０によって加圧され、燃焼室又はヒータ１１を冷却し、その結果、予混合室に入る空気は加熱され、従って燃焼用空気として働く。
【００３０】
加えて、図には詳細に示されていない噴射装置が、液体燃料を供給しそれにより中央又は主燃焼火炎をつくり出し、一方で、付加的液体燃料を供給することによって円周方向の一連のバーナが、切頭円錐形ヘッドの直ぐ下流の燃焼室内で、中央の主火炎に対して同心状になっている環状に連なった対応する付加的パイロット火炎をつくり出す。
【００３１】
本説明において提案する解決法の目的は、負荷の突発性変動に伴う火炎温度ピークを、可変静翼付き分配器のブレード１３のポジションを適切に制御することよって抑制することである。
【００３２】
より具体的には、ブレード１３の制御は、図３に概略的に示すような調節システムによってもたらされる。図で明らかなように、このシステムは、全体を符号２０として示されるフィードバックブランチと、符号２１として示される直接作用ブランチとを備える。
【００３３】
次に、ブランチ２１は、演算ブロック２２を備え、該演算ブロックは、付属の駆動装置で作動される、ガスタービン１８の単純化された運転モデルを実行する。
【００３４】
符号２３、２４、２５として示され、可燃ガス流量、タービン１２の取入口における空気温度、及びタービン１２の速度にそれぞれ関係する信号は、ブロック２２に入力され、該信号は、対応するトランスジューサ２６、２７、２８の出力において取り出され、該トランスジューサの入力２９、３０、３１は、ガスタービン１８で直接測定されたそれぞれの信号からなっている。
【００３５】
ブロック２２の別の入力は信号３２によって示され、この信号はタービンの排出ガスの温度についての所望の値を表す。ブロック２２はまた、出力として信号３３を供給し、この信号は、タービン排出ガスの温度の前記所望の値を得るために必要とされる、分配器ブレード１３のポジションの算定値を表し、この算定値は、ガス流量、タービンの速度、及びタービンの取入口における空気温度の現在値信号２９、３０、３１により算定され、かつ所定の限界値より低い火炎温度になるように算定される。
【００３６】
制御システムはまた、フィードバックブランチ２０を備え、該フィードバックブランチ２０は、図３に全体として符号３４で示される比例積分レギュレータ（ＰＩレギュレータ）を備え、該レギュレータはその入力として誤差信号３５を有し、この誤差信号は、排出ガスにおいて必要とされる温度の値（信号３２）と、実際にはトランスジューサ３７からの出力で取り出される信号３６からなる排出ガスの現在値との差分として得られる。
【００３７】
レギュレータ３４の出力（信号３９）は、次いで、測定ブロック２２から出力される信号３３に加えられ、その結果、タービンから排出されるガスの温度についての所望の値（信号３２）を得るために必要とされる分配器ブレード１３のポジションの補正算定値（信号４０）が、ガスの流量、速度及び温度の現在値（信号２９、３０、３１）により、計画限界値より低い火炎温度になるように得られるようになる。
【００３８】
従って、フィードバックブランチ２０のレギュレータ３４は、所定の関数によって実行され、また、それによって分配器ブレード１３のポジションを軸流圧縮機１０又はタービン１２の速度又は該速度の補正値に対応させる直接作動制御（ブランチ２１）のあらゆる不正確さを修復することを可能にする。
【００３９】
実際上、直接作動ブランチの前記潜在的不正確さは、ガスタービン１８の数学的モデルを構成するブロック２２によって計画された性能に対する機械の性能の変動によって引き起こされるか又はモデル化誤差によって引き起こされ、従って、更なるフィードバックブランチ２０の存在が、ブレード１３（ＶＩＧＶ）のポジションを、タービン１２に導入される空気又は該タービン１２から排出される空気の温度の変動率のみならずヒータユニット１１の可燃ガスの流量に対応させることを可能にする。
【００４０】
このように、説明した調節システムをタービンに実装することは、最適制御の点での優れた結果を得ることを可能にし、この手段によって、実行されたシミュレーションで計画されたように、過渡運転状態及び通常運転の両方において、計画限界値より低い算定火炎温度を維持するという良好な性能レベルが確立される。
【００４１】
上記の説明により、本発明の主題である、１軸形ガスタービンの火炎温度の制御及び調節システムの特徴を明らかにし、また対応する利点を明らかにしたが、それらを記憶にとどめると以下が含まれる。
−汚染物質エミッションのレベルの低下。
−燃焼室における圧力変動の減少及び良好な火炎安定性。
−高レベルの燃焼効率。
−高温に曝される構成部品の平均耐用期間の延長。
−簡単で信頼性がある使用法。
−公知技術と比較して相対的に低い製造及び維持コスト。
−所定の限界値より低い算定火炎温度の維持。
【００４２】
最後に、その全てが本発明の保護範囲内に属する多くの修正及び変更を、１軸形ガスタービンの火炎温度の制御及び調節のための上述のように設計されたシステムに対して行うことができるのは明らかである。
【００４３】
更に、全ての細部は、技術的に等価である要素で置き換えることができ、実施において、技術的な要求に応じて、如何なる材料、形態及び寸法も使用できる。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来型の１軸形ガスタービンの概略側面図。
【図２】ロータディスクの表面部分に対応する、図１におけるタービンの一部の概略部分断面図。
【図３】本発明による１軸形ガスタービンの火炎温度の制御及び調節システムのブロック作動ダイアグラムの、非限定的な実施例として示した実施形態の図。
【符号の説明】
１８　ガスタービン
２０　フィードバックブランチ
２１　直接作用ブランチ
２２　演算ブロック
２８　速度の現在値信号
２９　可燃ガス流量の現在値信号
３０　空気温度の現在値信号
３２　排出ガス温度の所望値信号
３３　ブレードポジションの算定値信号
３４　ＰＩレギュレータ
３８　排出ガス温度の現在値信号
４０　ブレードポジションの補正算定値信号
【図１】
2004028098.tif 000003
【図２】
2004028098.tif 000004
【図３】
2004028098.tif 000005