(57)【要約】単一の燃焼室および複数のバーナーを備えるガスタービン燃焼システムを有するガスタービンの、窒素酸化物（ＮＯｘ）排出および脈動燃焼レベルを制御するシステム（Ｓ）。システム（Ｓ）は、第１および第２の制御段（１、２）を有するカスケード構造を備え、第１の制御段（１）は、ＮＯｘ排出を制御し、測定されたＮＯｘ排出量と目標ＮＯｘ排出量との差に基づいて、脈動燃焼目標レベルを生成する手段を備え、第２の制御段（２）は、脈動レベルを制御し、異なるタイプのバーナーまたは各バーナーの異なる段に対して燃料流量比（γ）を生成する手段を備えている。燃料流量比（γ）は、測定された脈動レベルと生成された目標脈動レベルとの差に基づく。制御システム（Ｓ）は、燃焼システムの寿命の改善を確保する限界内に脈動燃焼レベルを維持しながら、ＮＯｘ排出要件を満たすように、ガスタービンが動作することを可能にする。
2010508469.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一の燃焼室（ＣＣ）内まで延びる複数のバーナーを有するガスタービン燃焼システムを備え、前記複数のバーナーが主バーナー（２１、４１）および補助バーナー（２２、４２）を備えるか、または前記複数のバーナー（３０）がそれぞれ主バーナー段（３１）および補助バーナー段（３２）を備える、ガスタービンの燃焼プロセスを制御するシステム（Ｓ）において、
２つの制御段（１、２）を有するカスケード構造を備えており、前記システム（Ｓ）の第１の制御段（１）が、前記ガスタービンの排気中の窒素酸化物排出量を制御するとともに、脈動目標値（ｐＴＧＴ，ＦＲＥＱ−ｉ）を生成し、かつそれを第２の制御段（２）に転送する手段（４）を備え、前記第２の制御段（２）が、脈動燃焼レベル（ｐ）を制御するための手段（９）を備えていることを特徴とする、システム（Ｓ）。
【請求項２】
前記第１の制御段（１）が、前記ガスタービンからの測定されたＮＯｘ排出量（ＮＯｘＭＥＡＳ）と目標ＮＯｘ排出量（ＮＯｘＴＧＴ）との差を決定する手段（３）と、前記ＮＯｘ排出量（ＮＯｘＭＥＡＳ、ＮＯｘＴＧＴ）の差に基づいて、１つまたは複数の予め定められた臨界周波数における脈動目標レベル（ｐＴＧＴ，ＦＲＥＱ−ｉ）を生成する手段（１２）とを備え、
前記第２の制御段（２）が、前記ガスタービン燃焼システムからの測定された脈動データ（ｐ’）と前記第１の制御段（１）によって生成された前記目標脈動レベル（ｐＴＧＴ，ＦＲＥＱ−ｉ）との差を決定する手段（１３）と、式γ＝ｍｓｕｐｐ／ｍｔｏｔａｌ＝（ｍｔｏｔａｌ−ｍｍａｉｎ）ｍｔｏｔａｌ（式中、ｍｓｕｐｐは補助バーナー群もしくは補助バーナー段への質量流量、ｍｔｏｔａｌは合計の燃料質量流量、ｍｍａｉｎは主バーナー群もしくは主バーナー段への質量流量）によって定義される、前記主バーナーおよび前記補助バーナー、または前記主バーナー段および前記補助バーナー段への燃料流量の、前記測定された脈動レベル（ｐ’）と目標脈動レベル（ｐＴＧＴ，ＦＲＥＱ−ｉ）との差に基づく値の燃料流量比（γ）を生成する手段（９）とを備えることを特徴とする、請求項１に記載のシステム（Ｓ）。
【請求項３】
前記第１の制御段（１）が、前記測定されたＮＯｘ排出量（ＮＯｘＭＥＡＳ）および前記目標ＮＯｘ排出量（ＮＯｘＴＧＴ）を連続的に受け取り、かつ前記測定されたＮＯｘ排出量（ＮＯｘＭＥＡＳ）と前記目標ＮＯｘ排出量（ＮＯｘＴＧＴ）との差を決定する手段（３）を備え、前記第２の制御段（２）が、前記測定された脈動レベル（ｐ’）を受け取り、続いて帯域フィルタ処理する手段（６）を備えていることを特徴とする、請求項２に記載のシステム（Ｓ）。
【請求項４】
前記第２の制御段（２）が、帯域フィルタ処理を行った前記脈動レベルのデータを前処理する手段（７）を備えていることを特徴とする、請求項３に記載のシステム（Ｓ）。
【請求項５】
前記第１の制御段（１）が、前記測定されたＮＯｘ排出量（ＮＯｘＭＥＡＳ）と前記目標ＮＯｘ排出量（ＮＯｘＴＧＴ）との差を、予め定められたＮＯｘ排出不感帯と比較するリミッター（１０）を含み、さらに、前記ＮＯｘ排出の差と前記予め定められたＮＯｘ排出不感帯との前記比較に基づいて、１つまたは複数の臨界周波数における前記目標脈動レベル（ｐＴＧＴ，ＦＲＥＱ−ｉ）を決定する追従積分器（１２）を備えていることを特徴とする、請求項３に記載のシステム（Ｓ）。
【請求項６】
前記追従積分器（１２）が、予め定められた最大目標脈動レベル（ｐｍａｘ）と最小目標脈動レベル（ｐｍｉｎ）との間である目標脈動レベル（ｐＴＧＴ，ＦＲＥＱ−ｉ）を生成するように構成されることを特徴とする、請求項５に記載のシステム（Ｓ）。
【請求項７】
前記第２の制御段（２）が、臨界周波数における前処理を行った脈動レベル（ｐＦＲＥＱ）と前記周波数における前記目標脈動レベル（ｐＴＧＴ，ＦＲＥＱ−ｉ）との最小差を決定する手段（５）と、前記差を予め定められた脈動レベル不感帯と比較するリミッター（１３）とを含み、さらに、前記燃料流量比（γ）を生成する追従積分器（１５）を備えていることを特徴とする、請求項３または４に記載のシステム（Ｓ）。
【請求項８】
前記第２の制御段（２）が、複数の臨界周波数における前処理を行った脈動レベル（ｐＦＲＥＱ−ｉ）と前記臨界周波数における前記目標脈動レベル（ｐＴＧＴ，ＦＲＥＱ−ｉ）との差を決定する手段（５）と、前記複数の臨界周波数から、最も適切な誤差が生じる臨界周波数を選択する誤差処理手段（８）と、選択された前記周波数における前記差を予め定められた脈動レベル不感帯と比較するリミッター（１３）とを含み、また、前記燃料流量比（γ）を生成する追従積分器（１５）を備えていることを特徴とする、請求項４から６のいずれか一つに記載のシステム（Ｓ）。
【請求項９】
前記追従積分器（１５）が、予め定められた最大燃料流量比）と最小燃料流量比）との間である燃料流量比（γ）を生成するように構成されることを特徴とする、請求項７または８に記載のシステム（Ｓ）。
【請求項１０】
前記第２の制御段（２）が前記第１の制御段（１）に比べて高速で動作することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一つに記載のシステム（Ｓ）。
【請求項１１】
前記システム（Ｓ）が、前記誤差処理手段（８）から前記ＮＯｘ制御手段（４）につながる制御信号線（８’）であって、最も適切な誤差が生じる前記選択された臨界周波数に関する情報を前記ＮＯｘ制御手段（４）に渡し、また、前記選択された臨界周波数における前記目標脈動レベルを調節し、他の臨界周波数における前記脈動レベルは変更しないままにするように前記ＮＯｘ制御手段（４）に指示する制御信号線（８’）を備えていることを特徴とする、請求項７に記載のシステム（Ｓ）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンの燃焼プロセスを制御するシステムに関し、具体的には、ガスタービンの窒化酸化物（ＮＯｘ）排出および脈動燃焼を能動制御するシステムに関する。システムは、特に、単一の燃焼室につながる複数の予混合バーナーを備えるガスタービン燃焼システムを対象とする。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンの燃焼プロセスのＮＯｘ排出は、排出されるＮＯｘ量を制限する環境上の要件に従う。多くの国々では、排出量の制限は、現在は１０ｐｐｍ未満のレベルまで徐々に低下されており、ガスタービンのメーカーは要求される水準を保証することができなければならない。
【０００３】
ガスタービンは、それらの排気ガス中の汚染物質の発生量を低く抑えながら、動作効率を増加させ続けることが求められている。それらの効率は、例えば、火炎温度を上昇させることによって増加することができるが、そのことによって、火炎温度に応じて指数関数的に増加する汚染物質、特にＮＯｘの量も増加する。タービンの排気ガス中のＮＯｘ量を制御する既知の１つの方法は、淡火炎を維持して、即ち低い燃空比でバーナーを動作させ、それによって火炎温度を低下させるものである。しかし、淡火炎は、火炎の脈動、即ち燃焼圧力振動につながる場合があり、それによってバーナーの寿命が低減される可能性がある。ＮＯｘおよび脈動の形成は、周囲大気条件、燃料組成、入口温度および火炎温度、燃焼の均質性、バーナーの回転数など、いくつかの連動する物理的メカニズムによって影響される。
【０００４】
本質的には、どちらもガスタービン発電所において達成される必要がある低いＮＯｘ排出量および低い脈動レベルは、２つの反作用する物理的プロセスである。火炎がより希薄になると、ＮＯｘ排出は減少するが、脈動は増加する。それに加えて、バーナーが複数あることによって火炎温度がより均一になると、ＮＯｘ排出は減少し、脈動が増加する。したがって、これら２つの間のトレードオフが必要である。
【０００５】
最先端技術のガスタービンシステムでは、脈動レベルおよび／またはＮＯｘ量の制御は様々な方法によって実現される。特許文献１は、各バーナーを個別に作動させ、さらにセンサシステムを使用して各バーナーを監視するシステムを用いて、圧力脈動を制御し低減する、環状に配置したバーナーおよび燃焼室のためのガスタービン運転方法を開示している。
【０００６】
特許文献２は、燃料噴射ノズルを中心にして配置された複数の旋回羽根を備えるガスタービンエンジンの燃焼システムを開示している。この燃焼システムは、汚染の低減を達成するため、希薄予混合燃料で、かつ低温の燃料噴射ノズルを用いて動作する。低いＮＯｘ量は、燃焼性燃料を旋回羽根間の空間に供給することによって維持され、燃焼圧力振動は、全ての動作条件においてパイロット燃料を燃焼器に連続的に供給することによって低減される。
【０００７】
特許文献３は、複数のバーナーを有するガスタービンエンジンの燃焼システムを動作させる方法を開示している。１つまたは複数のバーナーについての燃空比は、主として、測定された圧力振動、即ち脈動に基づいて制御される。消失限界に近い燃焼を維持するため、燃空比は、圧力振動が所与の下限値を超えると増加され、また所与の上限値を超えると減少される。脈動の制御の補助として、ＮＯｘ量が超過すると燃空比が低減される。全てのバーナー全体に供給される燃料の合計量を一定に保つため、一次バーナーの燃空比は増加される一方、二次バーナーの燃空比は減少される。
【０００８】
特許文献４は、燃焼システム内の圧力振動を周波数分析する手段と、周波数分析の結果に基づいて、燃焼室に供給される燃空比を制御する制御部とを備える、ガスタービン制御装置を開示している。
【０００９】
特許文献５は、複数のバーナーおよび複数の燃焼室を有し、バーナーがそれぞれ別個の「筒形」燃焼室と関連付けられた、ガスタービンエンジンの燃料制御システムを開示している。このシステムは、排気中のＮＯｘ量、各燃焼室内の圧力振動、およびバーナー間の燃空比のばらつきの測定に基づいて、個々の燃焼室それぞれの燃空比を独立に調節して、各燃焼室内のＮＯｘ量および動圧を制御する。調節は、前記変数が所与の範囲内で維持されるまで繰り返される。システムは、複数の燃焼室を備えたガスタービン向けに特に設計されている。
【００１０】
特許文献６は、低いＮＯｘ排出で動作するガスタービンエンジンの遠隔監視の方法を開示している。この方法は、タービンの燃焼振動との共振による破損を防ぐこと、ならびに遠隔監視センターに対して低コストでデータを通信することを目的としている。それには、周波数スペクトルおよびピーク値データに分類された振動データの測定が含まれる。異常なピーク値が生じた場合、周波数スペクトルが観察される。破損が生じることがある臨界レベルまで燃焼振動が発展する前に、エンジンを低負荷運転モードで動作させるように指示が送られる。監視は、ＩＳＤＮに基づく回線交換方式などの低コスト手段によって通信される。
【００１１】
特許文献７は、複数のバーナーと、環状の燃焼室と、バーナーの安定性およびＮＯｘ排出の制御を考慮して、個々のバーナーそれぞれに対する燃料および／または空気の流量を独立に調節する制御手段とを有する、ガスタービン装置を開示している。個々の調節は、各バーナーの燃焼特性または性能量に関連する１つまたは２つの感知量に従って行われる。各量は個別に測定されるが、その際、別個の訂正信号がそれぞれに対して決定される。次に、これらは、燃料弁および／または空気弁に対する最終的な制御信号を発生させるために加えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】国際特許出願公開第２００５／０９３３２６号明細書
【特許文献２】米国特許第５，３２１，９４７号明細書
【特許文献３】欧州特許公開公報１６２１８１１号明細書
【特許文献４】欧州特許公開公報１２８６０３１号明細書
【特許文献５】欧州特許公開公報１３３１４４８号明細書
【特許文献６】欧州特許公開公報１２８３３３９号明細書
【特許文献７】欧州特許公開公報０５２９９００号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の課題の１つは、全てが単一の燃焼室内につながる複数のバーナーを備えるガスタービンの、予混合火炎燃焼プロセスを制御するシステムを提供することである。システムは、ガスタービンのＮＯｘ排出が環境上の要件を満たすように、燃焼プロセスを制御するものである。同時に、脈動燃焼を可能な限り低いレベルで制御するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、ガスタービンの燃焼プロセスを、特にガスタービンの窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出および燃焼室内の脈動燃焼レベルを制御する能動システムを対象とする。制御システムは、複数のバーナーおよび単一の燃焼室を備え、全てのバーナーがこの１つの燃焼室内につながる燃焼システムに適用可能である。複数のバーナーは、主バーナー群および補助バーナー群を備え、あるいは複数のバーナーがそれぞれ主段および補助段を備えている。
【００１５】
本発明によれば、制御システムは、第１および第２の制御段を有する二段カスケード構造を備えている。システムの第１の制御段は、タービンの排気中のＮＯｘ排出を制御するとともに、第２の制御段の脈動燃焼目標値を生成し転送する手段を備えている。第２の制御段は、第１の制御段によって提供された目標脈動燃焼レベルに基づいて、燃焼室内の脈動燃焼を制御する手段を備えている。
【００１６】
具体的には、第１の制御段、即ちＮＯｘ制御段は、ＮＯｘ排出測定データと環境上の要件によって与えられるようなＮＯｘ目標値とを受け取り、目標ＮＯｘ排出量と測定されたＮＯｘ排出量との差に基づく脈動燃焼目標値を生成する。生成された脈動燃焼目標値は、制御システムの第２の制御段に転送される。第２の段は、脈動燃焼制御段であり、複数のバーナーの主バーナー群および補助バーナー群への、またはガスタービン燃焼システム内の複数のバーナーそれぞれの主段および補助段への燃料流量分配を調節する。前記燃料流量分配で動作する燃焼システムは、環境上の要件によって与えられる脈動燃焼の目標ならびにＮＯｘ排出の目標を満たす。
【００１７】
バーナー間の燃料分配は、主バーナー群および補助バーナー群の間の、または主段および補助段の間の分配である。それは、次式によって定義される燃料流量比によって与えられる。
γ＝ｍｓｕｐｐ／ｍｔｏｔａｌ＝（ｍｔｏｔａｌ−ｍｍａｉｎ）／ｍｔｏｔａｌ
式中、
ｍｓｕｐｐは、補助バーナー群または補助バーナー段への質量流量、
ｍｔｏｔａｌは、合計の燃料質量流量、
ｍｍａｉｎは、主バーナー群または主バーナー段への質量流量である。
【００１８】
カスケード制御システムを適用可能であるガスタービン燃焼システムは、単一の燃焼室への入口に配置された主バーナーおよび補助バーナーを備えている。主バーナーおよび補助バーナーは様々な形で配置されてもよい。例えば、主バーナーおよび補助バーナーは、燃焼室入口の円周に沿って交互に配置され、あるいは、補助バーナーよりも多数の主バーナーが存在する場合がある。上述の例では、主バーナーは、例えば補助バーナーよりも濃厚な燃料で動作し、それによってより安定した燃焼プロセスが可能になる。しかし、バーナーがより高い燃空比で動作するため、より高い火炎安定性によってＮＯｘ排出は増加してしまう。
【００１９】
カスケード制御システムを適用可能であるさらなるガスタービン燃焼システムは、各バーナーが、異なるバーナー段と、例えば予混合段およびランスの形態で構成されたパイロット段と関連付けられた、単一の燃焼室内につながる複数のバーナーを備えている。２つの段は、任意の２つの異なる予混合段であることもできる。
【００２０】
上述したように、制御システムは、１つの燃焼室内につながる複数のバーナーを備えた燃焼システムに適用可能である。燃焼システムは、複数のバーナーおよび１つの燃焼室を含んでもよく、その場合、全てのバーナーはその１つの燃焼室内につながる。燃焼システムはまた、複数のバーナーと、上流から下流に順に配置された２つの燃焼室とを含んでもよい。やはり、全てのバーナーは単一の第１の燃焼室につながる。
【００２１】
ＮＯｘ制御段は、環境上のまたは政府による要件によって決定されるような目標ＮＯｘ排出量と、ガスタービンの排気中で測定されるようなＮＯｘ排出量との二組の入力値を受け取る手段を備えている。
【００２２】
ＮＯｘ制御段は、さらに、測定されたＮＯｘ排出量と目標ＮＯｘ排出量との差に基づいて、脈動目標を計算する手段を備えている。脈動目標は、所与のガスタービン燃焼システムの予め定められた脈動周波数の臨界にそれぞれ帰する、脈動目標の１つまたは複数の値を備えている。
【００２３】
脈動制御段は、ガスタービン燃焼システム内で測定された１つまたは複数の脈動レベルから成る脈動測定データを受け取る手段と、脈動測定データを帯域フィルタ処理する手段と、帯域フィルタ処理を行ったデータを測定条件付け（measurement conditioning）する手段とを備える。測定条件付けは、帯域フィルタ処理を行ったデータの一種の前処理である。制御段はさらに、誤差処理を行う手段を含み、それによって、測定された脈動レベルと計算された脈動目標値との誤差が決まり、さらに燃焼システムに最も適切な誤差が決まる。最後に、システムは、誤差処理に基づいた補給燃料流量比γを計算する手段を備えている。γの値は、可能な限り低い脈動を確保しながらＮＯｘ量目標が満たされるように決定される。
【００２４】
本発明によるカスケード制御システムは閉ループシステムである。燃焼システムが計算された燃料流量比γで動作しているとき、制御システムは、測定された脈動レベルおよびＮＯｘ量を受け取り、続いて最適な燃料流量比γを再計算する。
【００２５】
燃焼室内の脈動レベルは、タービンの排気中のＮＯｘ排出よりも迅速に測定することができる。この理由で、制御システムの代表的な実施形態では、脈動制御段はＮＯｘ排出制御段よりも高速で動作するように調節される。
【００２６】
本発明による制御システムは、ガスタービンのローター軸を中心にして円周に配置された、環状の燃焼室内につながる複数のバーナーを備えた燃焼システムに特に適用可能である。さらに、ガスタービンローターに半径方向で隣接したアレイ状に配置された複数のバーナーを備える燃焼システムにも適用可能である。このタイプの燃焼システムはサイドマウント形とも称される。
【００２７】
本発明によるカスケード制御システムは、ＮＯｘ排出に関する環境上の要件を満たすより高い能力を有するという点で改善された、かつ有利な、ガスタービン燃焼システムの動作を達成する。それに加えて、燃焼の脈動レベルがより低いため、燃焼システムの寿命が増加する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明による二段カスケード制御システムを示す概略図である。
【図２】第１の制御段の代表的な実施形態を示す概略図である。
【図３】第２の制御段の代表的な実施形態を示す概略図である。
【図４ａ】燃料流量比とＮＯｘ排出量および脈動レベルとの定性的関係を示す図である。
【図４ｂ】燃料流量比とＮＯｘ排出量および脈動レベルとの定性的関係を示す図であり、さらに、目標のＮＯｘ排出量および脈動レベルの一例を示している。
【図５】本発明による制御システムが適用されてもよい、単一のリング状の燃焼室を有するガスタービン燃焼システム、ならびに、ガスタービンの回転軸を中心にして円周に位置付けられた主バーナー群および補助バーナー群の代表的な配置を示す図である。
【図６】本発明による制御システムが適用されてもよい、バーナーが主段および補助段を有する、さらなるガスタービン燃焼システムの複数のバーナーの１つを示す長手方向断面図である。
【図７】本発明による制御システムが適用されてもよい、ガスタービンのローターに半径方向で隣接して配置されたバーナーのアレイを備える、さらなるガスタービン燃焼システムを示す図である。
【図８】図７の線ＶIII−ＶIIIで取った、長手方向軸線に垂直な燃焼システムの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１は、本発明によるカスケード制御システムＳ、具体的には、第１の、即ちＮＯｘ制御段１と、第２の、即ち脈動制御段２とを備えるカスケード構造を概略的に示す。
【００３０】
第１の制御段１は、ガスタービンの排気からのＮＯｘ排出の測定データＮＯｘＭＥＡＳと、例えば政府規制によって与えられるようなＮＯｘ目標量ＮＯｘＴＧＴとを連続的に受け取る手段３を備えている。ＮＯｘ制御手段４は、ＮＯｘＭＥＡＳとＮＯｘＴＧＴとの差に基づいて、所与の燃焼システムに関する臨界である、選択周波数ＦＲＥＱ＿１、ＦＲＥＱ＿２、…、ＦＲＥＱ＿ｎにおける脈動目標値ｐＴＧＴ，ＦＲＥＱ−１、ｐＴＧＴ，ＦＲＥＱ−２、…、ｐＴＧＴ，ＦＲＥＱ−ｎを計算する。これらの値は、ＮＯｘ目標量に対応する最低限の達成可能な脈動レベルである。
【００３１】
計算された目標脈動値は、制御システムＳの第２の制御段２に転送される。それらは、目標脈動レベルｐＴＧＴ，ＦＲＥＱ−１、ｐＴＧＴ，ＦＲＥＱ−２、…、ｐＴＧＴ，ＦＲＥＱ−ｎの受取り手段５に入力される。第２の制御段２は、脈動の生の測定値ｐ’を受け取り、続いて帯域フィルタ処理する手段６と、帯域フィルタ処理を行った測定データを測定条件付けする手段７とをさらに備えている。目標脈動値と同じ臨界周波数におけるデータである、測定条件付けを行った脈動のデータｐＦＲＥＱ−１、ｐＦＲＥＱ−２、…、ｐＦＲＥＱ−ｎも、受取り手段５に入力される。
【００３２】
受取り手段５は、所与の燃焼システムにとって最も重大かつ適切な、測定された脈動レベルと目標脈動レベルとの誤差を決定する誤差処理手段８に接続される。この臨界誤差は臨界周波数の１つにおけるものである。さらに脈動制御段２は、選択された臨界誤差に基づいて燃料流量比γを計算する脈動制御手段９を備えている。計算された燃料流量比γによって、目標脈動レベルに可能な限り近い脈動が確保される。
【００３３】
制御システムＳのさらなる代表的な実施形態では、制御信号線８’が誤差処理手段８からＮＯｘ制御手段４につながる。誤差処理手段８は、選択された臨界周波数に関する情報を、目標脈動レベルと測定された脈動レベルとの最悪のまたは最も適切な誤差が検出されているＮＯｘ制御手段４に送る。手段８はさらに、ＮＯｘ制御手段４に対して、その選択周波数における脈動目標レベルを調節し、他の臨界周波数における目標脈動レベルは変更しないままにするように指示する。
【００３４】
図２は、カスケード制御システムの第１の制御段１の要素、特に目標脈動を計算する手段４の要素を詳細に示す。要素４は、図１に示されるように、複数の所与の臨界周波数における目標脈動を計算するが、図２は、１つの臨界周波数ＦＲＥＱにおける目標脈動レベルの計算を示す。制御システムＳは、１つまたは複数の臨界脈動周波数を有する燃焼システムに適用可能である。
【００３５】
測定されたＮＯｘ量ＮＯｘＭＥＡＳおよび規制に準ずる目標ＮＯｘ量ＮＯｘＴＧＴは、２つの値の差を計算する手段３に反対符号で入力される。差は、リミッター１０によって、予め定められたＮＯｘ排出の不感受性範囲、即ち不感帯Ａと比較される。次に、リミッター１０からの出力は論理ＡＮＤゲート１１に入力される。予め定められたＮＯｘ排出不感帯Ａは、環境規制および／または達成すべき制御の確度から導き出される。
【００３６】
差がこの不感帯Ａ以内にある場合、目標脈動レベルｐＴＧＴは同じままであってもよい。しかし、測定されたＮＯｘ量ＮＯｘＭＥＡＳが目標ＮＯｘ量ＮＯｘＴＧＴよりも高く、かつ差が予め定められた不感帯Ａの外にある場合、脈動目標ｐＴＧＴは増加される。この時点で、測定されたＮＯｘ量と目標ＮＯｘ量との差が、より小さな不感受性範囲のサイズａ以内になるまで、不感帯はこの小さな不感帯ａに低減される。差が小さな不感帯ａ以内になれば、不感帯は再び増加されて元の不感帯Ａに戻される。
【００３７】
反対に、測定されたＮＯｘ量ＮＯｘＭＥＡＳが目標ＮＯｘ量ＮＯｘＴＧＴよりも低く、かつ差が予め定められた不感帯Ａの外にある場合、脈動目標ｐＴＧＴは減少される。上記の例と同様に、測定されたＮＯｘ量と目標ＮＯｘ量との差が、より小さな範囲ａ以内になるまで、不感帯はこの小さな不感帯ａに低減される。差が再び小さな不感帯ａ以内になれば、不感帯は再び増加されて元のサイズＡに戻される。
【００３８】
ｐｍａｘおよびｐｍｉｎは、所与のガスタービン燃焼システムに関して容認可能であると考えられる最大および最小の目標脈動レベルである。そのような最大および最小の脈動レベルは、所与のガスタービン燃焼システムの各臨界周波数について予め定められる。Ｆｌブロック１２は、増加または減少させた新しい目標脈動レベルを計算するための追従積分器であり、その際、新しい目標脈動レベルは限界ｐｍａｘおよびｐｍｉｎの間となる。
【００３９】
図３は、第２の制御段２、即ち脈動制御段の代表的な実施形態を示す。この段は、所与のガスタービン燃焼システムに有効な予め定められた周波数帯内の脈動データを選択するため、測定された脈動レベルｐ’が入力される帯域フィルタ６を備えている。次に、フィルタ処理を行ったデータは、手段７によって前処理、即ち測定条件付けされる。次に、フィルタ処理され測定条件付けされたデータは、制御段１によって計算された正符号を有する目標脈動値とともに、負符号で手段５に入力される。手段５は、目標脈動レベルと測定され条件付けされた脈動レベルとの差を計算する。差は、リミッター１３によって、予め定められた脈動レベルの不感帯Ｂと比較される。次に、リミッター１３の出力は論理ＡＮＤゲート１４に入力される。
【００４０】
差が所与の不感帯Ｂ以内にある場合、燃料流量比γは一定に保たれる。測定された脈動レベルが目標脈動レベルよりも高く、かつ差が不感帯Ｂの外にある場合、燃料流量比γは増加される。この時点で、誤差が低減された不感帯ｂ以内になるまで、不感帯はこの小さな帯域ｂに低減される。誤差が不感帯ｂ以内になれば、不感帯は再びＢに増加される。
【００４１】
反対に、測定された脈動レベルが目標よりも低く、かつ差が不感帯Ｂの外にある場合、燃料流量比γは減少される。誤差が低減された不感帯ｂ以内になるまで、不感帯はｂに低減される。誤差が不感帯ｂ以内になれば、不感帯は再びＢに増加される。Ｆｌブロック１５は、所与のガスタービン燃焼システムに対して予め定められる、最大および最小の燃料流量比値の限界γＭＡＸおよびγＭＩＮ以内にある燃料流量比を計算する。
【００４２】
図３に示される例では、１つの臨界周波数のみが存在し、続いて、その１つの臨界周波数における、測定された脈動レベルと目標脈動レベルとの差が決定される。あるいは、複数の臨界周波数を有するシステムでは、誤差処理手段（図１の要素８によって示されるものなど）が手段５に続いて含まれる。誤差処理手段は、重み付きの誤差選択を行い、測定された脈動レベルと目標脈動レベルとの最も適切な誤差を決定する。次に、この誤差が生じるこの周波数が、制御信号線８’を介してＮＯｘ制御手段４に渡される。誤差処理手段８によって選択された誤差は、脈動制御手段９のリミッター１３に入力される。
【００４３】
図３に示されるような要素７は、生の帯域フィルタ処理した脈動燃焼データを前処理（測定条件付け）するための装置である。生のデータｐ’は、変動が強すぎるため、本発明による制御システムなどの閉ループシステムにおけるフィードバック信号として有効に使用することができない。未処理データが使用された場合、燃焼プロセス全体を代表するものではない極値に基づく燃料流量比が生じることとなる。前処理条件付けは、代表的ではないデータ変動のフィルタ処理を提供するが、その場合、データの主要な性質は維持される。
【００４４】
図４ａおよびｂは、本発明による制御システムを、特に、カスケード制御システムによって達成可能なＮＯｘ排出と脈動燃焼レベルとの間のトレードオフをさらに理解するためのものである。
【００４５】
図４ａは、所与のガスタービンの動作原理を示し、曲線は、補給比、即ち燃料流量比γに応じて変わる、予混合火炎のＮＯｘ排出および脈動燃焼を示す。比γが増加するとともに、ＮＯｘ排出は徐々に減少するが、脈動レベルは徐々に増加する。希薄脈動限界ｐｍａｘは所与の燃焼器について示される。
【００４６】
図４ｂは、４ａと同じ原理を、ただし、カスケード制御システムによって制御されるようなＮＯｘ量および脈動レベルを示す。ＮＯｘ排出をＮＯｘＭＩＮの最小値まで低減するため、ガスタービンは、最初に希薄脈動限界ｐｍａｘ付近で動作することができる。しかし、これらの最小ＮＯｘ排出ＮＯｘＭＩＮは規制によって与えられる限界ＮＯｘＴＧＴよりも低く、脈動レベルはｐｍａｘで高いので、ガスタービンの寿命は脈動が原因で短くなることがある。ここで、ガスタービンが本発明によるカスケード制御システムによって制御される場合、ガスタービン燃焼システムは、依然としてＮＯｘ排出要件を満たす低い脈動レベルおよびＮＯｘ排出量で動作することができる。測定されたＮＯｘ量と求められるＮＯｘ量との差に基づいて、制御システムのＮＯｘ制御段、即ち第１の段によって脈動目標ｐＴＧＴが生成される。この場合、測定されたＮＯｘ排出は、求められるＮＯｘ量ＮＯｘＴＧＴよりも低く、その差は所与の不感帯の外にある。したがって、脈動目標はｐｍａｘからｐＴＧＴに減少される。各目標脈動レベルは、ＮＯｘ制御段によって調節されたレベルに相当する。ここで、ガスタービン燃焼システムは、例えば、ＮＯｘおよび脈動のカスケード制御システムによって計算されるような燃料流量比γＮＰＣＣで動作するようになる。燃焼システムがこの燃料流量比γＮＰＣＣで動作する一方、制御ループは、新しいＮＯｘ排出量および脈動レベルの測定データを入力することによって閉じられ、その際に燃料流量比は再び調節される。
【００４７】
脈動レベル測定が約１秒しかかからない場合、ＮＯｘ排出測定は、例えば約２０秒かかる場合がある。燃料流量比γの調節は、数秒の時間フレーム内で調節するのが好ましい。
【００４８】
図５は、カスケード制御システムを適用可能なガスタービン燃焼システムの断面図を示す。断面図は、ガスタービンのタービン回転軸２０に垂直であり、かつ予混合バーナー２１および２２の位置におけるものである。予混合バーナーは、タービン回転軸２０を中心にして円周に配置された主バーナー２１（濃い円）および補助バーナー２２（白い円）を備えている。バーナーは、紙面の外に向かう方向でバーナーに続くリング状の燃焼室内へと延びる。主バーナー２１および補助バーナー２２は、この例では円周の周りで交互に配置されている。それらはまた、円周に沿ってあらゆる他の形で配置されてもよい。
【００４９】
主バーナーは、例えば、より濃厚な燃空比で、かつ補助バーナーよりも消失限界からさらに離れて動作する。全てのバーナーには、燃料供給・分配システム２３によって、かつ主燃料系路２４（実線）および補助燃料系路２５（破線）を介して燃料が供給される。この図は、燃料系路が図示される全てのバーナーにつながることを理解するためのものである。ただし、図面を単純にするため、燃料系路のいくつかのみが完全に示されており、他の燃料系路は、バーナー２１および２２それぞれから半径方向外向きに延びる実線または点線どちらかによって部分的に示されている。主バーナーおよび補助バーナーへの燃料の分配は、燃料分配システム２３によって制御される。燃料流量比γの制御信号線２３’は、カスケード制御システムＳから燃料供給・分配システム２３につながる。燃焼室内に配置された脈動レベルセンサ２６、および排気ガス中に配置されたＮＯｘ排出センサ２７はそれぞれ、脈動および排出の測定データを制御システムに入力するため、信号線２８および２９を用いてカスケード制御システムＳに接続される。
【００５０】
図６は、カスケード制御システムが適用されてもよい、さらなるガスタービン燃焼システムのバーナーを示す。燃焼システムは、図５のものと同様に、ガスタービンの回転軸を中心にして円周に配置された複数の予混合バーナーを備え、各バーナーはリング状の燃焼室ＣＣの入口まで延びる。この例では、各バーナーは円錐形を有し、主段および補助段を備える。バーナー３０の長手方向軸線に沿った断面は、図６に示されるように、バーナーの円錐形表面上に配置された主段３１と、燃料ランス上に配置され、円錐形バーナーの長手方向軸線に沿って延びる補助段３２との２つの異なる段を示す。２つの異なる段によって生成された火炎は、異なる量のＮＯｘ排出および異なる量の脈動を生じさせる。燃料系路３３および３４はそれぞれ、燃料供給・分配システム３５から主バーナー３１および補助バーナー３２につながる。系路３３からの燃料は、円錐形バーナーの壁面に沿って配置された開口部へと流れる。燃料の分配は、燃料流量比γの制御信号を信号線３５’を介して供給システム３５に送る、カスケード制御システムＳによって制御される。燃焼室ＣＣ内に配置された脈動燃焼レベルセンサ３６、およびガスタービンの排気中に配置されたＮＯｘ排出センサ３７はそれぞれ、脈動および排出の測定データを制御システムＳに送る信号伝送線３８および３９を用いてカスケード制御システムＳに接続される。
【００５１】
図７および８は、本発明による制御システムが適用されてもよい、ガスタービンのさらなる代表的な燃焼システムを示す。この図は、回転軸４０を有するローターＲ上に配置された空気圧縮機ＣおよびタービンＴを示す。燃焼システムは、単一の燃焼室ＣＣ内につながる複数のバーナー４１および４２を備える。燃焼室ＣＣはほぼサイロの形状であり、タービンに隣接してサイドマウント形で配置される。図示される例では、サイロの長手方向軸線は、ガスタービンの回転軸４０に対して半径方向に沿っている。環状の入口チャネルＩＬは、燃焼室ＣＣからタービンＴまで延びる。全てのバーナーには、燃料供給・分配システム４３によって、主燃料系路４４（実線）および補助燃料系路４５（破線）を介して燃料が供給される。主バーナーおよび補助バーナーへの燃料の分配は、カスケード制御システムＳによって制御され、燃料流量比γの制御信号線４３’はそこから燃料供給・分配システム４３につながる。脈動レベルセンサ４６は燃焼室ＣＣ内に配置され、ＮＯｘ排出センサ４７は、信頼性の高いＮＯｘ測定に適した排気ガス中の位置に位置付けられる。脈動および排出の測定データはそれぞれ、信号線４８および４９を用いてカスケード制御システムＳに入力される。
【００５２】
図８は、図７の燃焼システムにおける主バーナー４１および補助バーナー４２の代表的な配置の断面図を示す。それらは全て平面状のアレイの形で配置される。燃焼システムの代表的な動作において、主バーナーにはより濃厚な燃空比が供給され、補助バーナーにはより希薄な燃料が供給される。
【符号の説明】
【００５３】
Ｓ  カスケード制御システム
１  カスケード制御システムの第１の段、ＮＯｘ排出制御段
２  カスケード制御システムの第２の段、脈動制御段
３  入力手段
４  ＮＯｘ制御手段
５  入力手段
６  帯域フィルタ
７  測定条件付け手段
８  誤差処理手段
９  脈動制御手段
１０  リミッター
１１  論理ＡＮＤゲート
１２  Ｆｌブロック
１３  リミッター
１４  論理ＡＮＤゲート
１５  Ｆｌブロック
２０  ガスタービンの回転軸
２１  主バーナー
２２  補助バーナー
２３  燃料分配システム
２３’  制御信号線
２４  主燃料系路
２５  補助燃料系路
２６  脈動センサ
２７  ＮＯｘ排出センサ
２８  信号線
２９  信号線
３０  主段および補助段を備えたバーナー
３１  バーナー３０の主段
３２  バーナー３０の補助段
３３  燃料系路
３４  燃料系路
３５  燃料供給システム
３５’  制御信号線 
３６  脈動センサ
３７  ＮＯｘ排出センサ
３８  信号線
３９  信号線
ＣＣ  燃焼室
Ｒ  ローター
Ｔ  タービン
Ｃ  空気圧縮機
ＩＬ  環状の入口チャネル
４０  回転軸
４１  主バーナー
４２  補助バーナー
４３  燃料分配システム
４３’  制御信号線
４４  燃料供給路
４５  燃料供給路
４６  脈動レベルセンサ
４７  ＮＯｘセンサ
４８  信号線
４９  信号線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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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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【国際調査報告】
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