(57)【要約】【課題】燃焼用に広範な品質範囲のタービン燃料を送給する方法、装置、及びシステムを提供すること。【解決手段】ガスタービン（２）の運転において、燃料の望ましい発熱量と、タービン運転の種々の段の間に持続可能な燃焼を行うための燃料の実際の必要量との間に差違が存在する場合がある。１つの態様において、リーンブローアウトの無いガスタービン（２）の可燃性希薄限界運転は、タービン（２）の運転要件及び燃焼成分の燃焼性に基づいて燃料の燃空比及び燃料−空気混合気特性を調整することによって可能になる。【選択図】      図２
2012041926.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１以上の燃料成分の組成を有する燃料と空気との混合気をガスタービンに送給する方法（４００）であって、
コントローラ（６）が、ガスタービン（２）の燃焼器（１）に流入する混合気の可燃性希薄限界を、前記混合気における燃料の燃料パラメータ又は前記混合気における空気の空気パラメータ、或いはその両方に基づいて決定する段階（４３０）と、
前記コントローラ（６）が、前記ガスタービン（２）を運転するための前記混合気の要求可燃性希薄限界を決定する段階（４３０）と、
前記コントローラ（６）が、前記混合気の燃空比を調整（４６０）し、調整された混合気の燃空比が、調整後に燃料の要求可燃性希薄限界を上回るようにする段階と、
を含み、
前記燃料の可燃性希薄限界が、それを下回るとリーンブローアウトが阻止されなくなる前記混合気の燃焼性限界である、方法。
【請求項２】
前記コントローラ（６）が、前記混合気の熱エネルギーを決定する段階（４４０）と、
前記コントローラ（６）が、前記ガスタービン（２）の望ましい熱エネルギーを決定する段階（４４０）と、
を更に含み、
前記混合気の燃空比を調整する段階（４６０）が、前記望ましい熱エネルギーが適合するように前記燃空比を調整する段階を含む、請求項１記載の方法（４００）。
【請求項３】
前記混合気の燃空比を調整する段階（４６０）が、
前記コントローラ（６）が、前記燃料パラメータ、又は空気パラメータ、或いはその両方のパラメータに基づいて、運転モード又は期待燃料組成、或いはその両方についての１以上のクリティカル入力を決定する段階（４５０）と、
前記コントローラ（６）が、前記クリティカル入力と、望ましい燃空比を達成するような前記混合気の可燃性希薄限界とに基づいて、空気送給（４７０）又は燃料送給（４８０）或いは両方を制御する段階と、
を含み、
前記各クリティカル入力は、望ましい値又は望ましい値域の外にある燃料パラメータ又は空気パラメータに影響を及ぼして、前記燃料パラメータ又は空気パラメータが前記望ましい値又は望ましい値域の範囲内になるようにする入力に相当する、請求項１記載の方法（４００）。
【請求項４】
前記混合気の燃空比を調整する段階（４６０）において、前記燃空比は、調整後の燃料の燃焼性が要求可燃性希薄限界と所定のリーンブローオフマージンとを加えてものによって定義される範囲内にあるように調整される、請求項１記載の方法（４００）。
【請求項５】
前記混合気の燃空比を調整する段階（４６０）は、前記コントローラ（６）が、燃料温度、燃料の発熱量、及び燃料の可燃性希薄限界との間の関係をモデル化する伝達関数に基づいて可燃性補正を適用する段階を含む、請求項１記載の方法（４００）。
【請求項６】
１以上の燃料成分の組成を有する燃料と空気との混合気のガスタービン（２）への送給を制御するコントローラ（６）であって、
前記混合気における燃料の燃料パラメータ又は前記混合気における空気の空気パラメータ、或いはその両方を受け取るように構成されたパラメータ受け取りユニット（３１０）と、
前記燃料パラメータ又は前記空気パラメータ、或いはその両方に基づいて前記混合気の可燃性希薄限界を決定するように構成された可燃性希薄限界決定ユニット（３２０）と、
前記ガスタービン（２）を運転するため前記混合気の要求可燃性希薄限界を決定するように構成された要求希薄限界決定ユニット（３３０）と、
前記混合気の燃空比を調整して、該調整された混合気の燃空比が調整後に前記燃料の要求可燃性希薄限界を上回るように構成された調整ユニット（３４０）と、
を備え、
前記燃料の可燃性希薄限界が、それを下回るとリーンブローアウトが阻止されなくなる前記混合気の燃焼性限界である、コントローラ（６）。
【請求項７】
前記混合気の熱エネルギーを決定するように構成された熱エネルギー決定ユニット（３５０）と、
前記ガスタービン（２）を運転するため望ましい熱エネルギーを決定するように構成された要求エネルギー決定ユニット（３６０）と、
を更に備え、
前記調整ユニット（３４０）が、前記望ましい熱エネルギーが適合するように前記混合気の燃空比を調整する、請求項６記載のコントローラ（６）。
【請求項８】
前記調整ユニット（３４０）が、
前記燃料パラメータ、又は空気パラメータ、或いはその両方のパラメータに基づいて、運転モード又は期待燃料組成、或いはその両方についての１以上のクリティカル入力を決定し、前記クリティカル入力と、望ましい燃空比を達成するような前記混合気の可燃性希薄限界とに基づいて、空気送給又は燃料送給、或いはその両方を制御することによって前記混合気の燃空比を調整し、前記各クリティカル入力が、望ましい値又は望ましい値域の外にある燃料パラメータ又は空気パラメータに影響を及ぼして、前記燃料パラメータ又は空気パラメータが前記望ましい値又は望ましい値域の範囲内になるようにする入力に相当する、請求項６記載のコントローラ（６）。
【請求項９】
前記調整ユニット（３４０）は、調整後の燃料の燃焼性が要求可燃性希薄限界と所定のリーンブローオフマージンとを加えてものによって定義される範囲内にあるように前記混合気の燃空比を調整する、請求項６記載のコントローラ（６）。
【請求項１０】
前記調整ユニット（３４０）は、燃料温度、燃料の発熱量、及び燃料の可燃性希薄限界との間の関係をモデル化する伝達関数に基づいて可燃性補正を適用することにより前記混合気の燃空比を調整する、請求項６記載のコントローラ（６）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の１以上の態様は、燃焼用に広範な品質範囲のタービン燃料を送給する方法、装置、及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ガスタービンでは、ガス燃料、液体燃料、又はその両方が燃焼することができる。従来、特に始動及びシャットダウンにおいてエネルギー要件に適合させるために燃焼器に提供されるべき燃料の量の指標として、発熱量が使用されていた。多くの場合、発熱量は燃料品質の指標として使用されており、通常は、発熱量が高いほど燃料品質が高いとされていた。
【０００３】
しかしながら、高品質のタービン燃料の供給が常に保証されている訳ではない。市場の変動に起因して、オペレータにとって、異なるタイプのタービン燃料を異なる時間に用いてガスタービンを稼働させることは有利であることが多い。Ｂｒｕｓｈｗｏｏｄ他の米国特許第６６４０５４８号（特許文献１）では、ガスタービンエンジンにおいて低品質の燃料を燃焼させる方法が開示されている。特許文献１は、２つの特性、すなわち発熱量Ｑと燃焼範囲の観点で燃料品質を評価することを検討している。特許文献１では、高品質の燃料は、天然ガス及びプロパンのように、Ｑ値が１００ＢＴＵ／ＳＣＦを上回り、燃焼性比ＲＬ／ＬＬ（リッチ限界、希薄限界）が２以上の燃料である。低品質燃料の実施例は、Ｑ値が１００ＢＴＵ／ＳＣＦを下回り、燃焼性比が２未満の燃料であり、低グレードバイオマスガス化、石炭ガス化又は石油ガス化によって生成される燃料を含む。
【０００４】
特許文献１では、始動時にパイロット燃料として高品質の燃料Ｈ１を用いて燃焼を開始することを検討している。次に、Ｈ１と同じ供給源から提供することができる高品質燃料Ｈ２の流れが起こり、望ましい出力レベルに達するまで増大する。望ましい出力レベルに達したときにだけ、低品質の燃料Ｌの流れが起こり、次いで、漸次的に増大することができる。低品質の燃料流は、Ｈ１及びＨ２よりも安価でより豊富にあることが推定され、センサにより示されるように火炎が安定した状態を保つ間は維持される。特許文献１では、高品質の燃料は始動時に必要とされる。ある程度の運転レベルに達するまでは、低品質の燃料は使用しない。また、高品質の燃料は、フレームアウトを回避するため運転中は利用可能でなければならない。
【０００５】
しかしながら、上述のように、高品質の燃料は、必ずしも常に利用可能とは限らない場合がある。利用可能な場合でも、高品質の燃料は、極めて高価である場合がある。従って、始動及びシャットダウン期間中であっても広い品質範囲のタービン燃料を燃焼するガスタービンを運転することが望ましい。加えて、高品質の燃料が常時利用できることを必要とせずに、ガスタービンを運転できれば望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６６４０５４８号明細書
【特許文献２】米国特許第７４７２５４０号明細書
【発明の概要】
【０００７】
本発明の非限定的な１つの態様は、燃料と空気との混合気をガスタービンに送給する方法に関する。燃料は、１以上の燃料成分の組成を含む。本方法において、コントローラは、ガスタービンの燃焼器に流入する混合気の可燃性希薄限界を決定することができる。可燃性は、混合気における燃料の燃料パラメータ、混合気における空気の空気パラメータ、或いはその両方に基づいて決定することができる。コントローラはまた、ガスタービンを運転するための混合気の要求可燃性希薄限界と、調整された混合気の燃空比が調整後に燃料の要求可燃性希薄限界を上回るような混合気の燃空比とを決定することができる。燃料の可燃性希薄限界は、それを下回るとリーンブローアウトが阻止されなくなる混合気の燃焼性限界とみなすことができる。
【０００８】
本発明の別の非限定的な１つの態様は、燃料と空気との混合気のガスタービンへの送給を制御するコントローラに関する。燃料は、１以上の燃料成分の組成を含むことができる。コントローラは、パラメータ受け取りユニット、可燃性希薄限界決定ユニット、要求希薄限界決定ユニット、及び調整ユニットを含むことができる。パラメータ受け取りユニットは、混合気における燃料の燃料パラメータ又は混合気における空気の空気パラメータ、或いはその両方を受け取るように構成することができる。可燃性希薄限界決定ユニットは、燃料パラメータ又は空気パラメータ、或いはその両方に基づいて混合気の可燃性希薄限界を決定するように構成することができる。要求希薄限界決定ユニットは、ガスタービンを運転するため混合気の要求可燃性希薄限界を決定するように構成することができる。調整ユニットは、混合気の燃空比を調整して、該調整された混合気の燃空比が調整後に前記燃料の要求可燃性希薄限界を上回るように構成することができる。
【０００９】
次に、以下に示す図面に関して本発明を詳細に説明する。
【００１０】
本開示のこれらの及びその他の特徴は、本開示の様々な実施形態を示す添付図面と関連させてなした本開示の様々な態様の以下の詳細な説明から一層容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の非限定的な態様による、燃料及び空気制御の概略図。
【図２】本発明の非限定的な態様による、ガスタービンに燃料及び空気混合気を送給するシステムの１つの実施形態を示す図。
【図３】本発明の非限定的な態様による、ガスタービンへの燃料及び空気混合気の送給を制御するように構成されたコントローラの１つの実施形態を示す図。
【図４】本発明の非限定的な態様による、ガスタービンに燃料及び空気混合気を送給する１つの例示的な方法のフローチャート。
【図５】種々の燃料についての燃焼性限界、並びに特定燃焼器及び種々の燃焼器運転条件についてのリーンブローアウト値を決定する燃焼性限界の適用を示す図。
【図６】種々の燃料についての可燃性希薄限界と発熱量及び温度との間の例示的な関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
ガスタービンに燃料及び空気混合気を送給するための新規の方法、システム、及び装置が記載される。記載の方法、システム、及び装置は、ガスタービンの始動期間中の運転を含む、安定な燃焼運転を得るために、燃料及び空気混合気の燃焼性補正を利用する。
【００１３】
上述のように、始動及びシャットダウン期間を含む、タービン運転の全ての期間中に広い品質範囲のタービン燃料を燃焼させることができるガスタービンを運転できることが望ましい。同様に上述したように、燃料品質の指標として発熱量が使用されることが多い。発熱量は、燃料のエネルギー含量の指標値である。
【００１４】
ある特定量の燃料が酸素と反応して水及び他の生成物を形成するときに一定量のエネルギーが放出され、該エネルギーは、燃料の高発熱量（ＨＨＶ）及び低発熱量（ＬＨＶ）により定量化される。これら２つの間の差違は気化熱であり、液体水を気体状態に蒸発させるのに必要なエネルギー量に相当する。ＨＨＶ及びＬＨＶの両方は、所与の燃料の重量に対するエネルギー量（ジュール、ＢＴＵ）として表される。
【００１５】
ＬＨＶは、主として、本発明の種々の態様の有利な特徴の一部に対応する実施例を説明するのに使用される。しかしながら、本発明はこれに限定されず、本発明の原理は、ＨＨＶ又はＱもしくは他の同様の表現の観点でエネルギーを考慮する際にも適用可能である点に留意されたい。
【００１６】
点火及び安定な始動期間においてエネルギーを取得するのに必要となる場合があるタービンの望ましい発熱量と、タービン始動期間の種々の段の間に点火して火炎伝播を持続するための供給燃料の実際の必要量との間には差違が存在する可能性がある。信頼性のある点火及び持続可能な火炎に対する実際の必要性は、別の燃料特性、すなわち、可燃性とも呼ばれる燃料の燃焼性を評価することでより正確に推定することができる。一般に、燃焼性が低すぎる場合、点火及び安定燃焼に到達しない。燃焼性が高すぎる場合、爆発及び高エミッションのリスクが高くなる。
【００１７】
火災又は爆発が発生するには、燃料、酸素及び点火源が必要とされる。また、燃料及び酸素は適切な量で混合しなければならない。燃料の燃焼性は、通常、燃焼性下限及び上限（ＬＦＬ、ＵＦＬ）の観点で定義される。ＬＦＬ及びＵＦＬはそれぞれ、点火時に自己伝播する火炎を持続させる、空気に対する燃料の最低及び最高ガス濃度である。ＬＦＬよりも下では、燃料／空気混合気は、燃焼するには過度に希薄であり、すなわち十分な燃料が存在しない。ＵＦＬよりも上では、混合気はあまりに過濃であり、すなわち十分な空気が存在しない。
【００１８】
ＮＯｘエミッションを低減するために、希薄燃焼運転を維持することが望ましい。すなわち、可能な限り希薄混合気でガスタービンを運転することが望ましい。しかしながら、混合気は、リーンブローオフ（ＬＢＯ）が生じるほど希薄である必要はない。ガスタービンに関連しているので、ＬＢＯは、燃料流が燃焼を維持するには十分ではない状態である。ＬＢＯは、ＬＦＬに正比例し、速度がゼロに近づくにつれてＬＦＬに接近する。
【００１９】
図１は、燃料及び空気制御の簡易図であり、図２は、ガスタービンの燃焼器への燃料及び空気の送給を調節し、例えば、ガスタービン始動中の安全且つ安定した点火、暖機、及び加速を得るように燃焼を維持する例示的なシステムを示す。説明の目的で始動期間について詳細に説明するが、燃料及び空気送給の調節は、タービンの負荷状態及びシャットダウン中など、他の運転期間にも適用される点に留意されたい。
【００２０】
図１及び２で分かるように、システムは、高エネルギーガスを発生してガスタービン２を駆動するように構成された燃焼器１を含む。圧縮機３は、燃焼器１に空気を提供するように構成され、燃料バルブ４は、燃焼器１に送給される燃料の量を制御するように構成される。非限定的な１つの態様において、燃空（Ｆ／Ａ）比は、圧縮機３により生成される空気の量を制御し、とりわけ、圧縮機の入口ガイドベーン（ＩＧＶ）、入口ブリードバルブ、及び燃焼器バイパスバルブなどの機構を調節することによって制御される。図２においてＩＧＶ１０が示されている。
【００２１】
加圧空気は、燃焼器１に直接提供することができるが、システムは、燃焼器１に流入する空気の量、圧力、及び温度、圧縮機３の入口に戻る空気の量、圧力、及び温度、並びに燃焼器１を迂回する空気の量の何れかの組み合わせを制御するように構成される三方バルブ５を含む。空気の温度圧縮機吐出（ＴＣＤ）センサ１５は、空気の温度及び空気燃料混合気の温度を推定し、空気燃料混合気の燃焼性を算出するのに用いることができる。
【００２２】
システムは、タービンコントローラ６を含む。非限定的な１つの態様において、タービンコントローラ６は、以下でより詳細に説明する燃料燃焼性補正モデルに基づいて空気及び燃料送給の両方を制御する。また、以下で詳細に説明するように、コントローラ６は、種々のセンサからの測定値及び他の燃料規格値を入力として受け取ることができ、ガスタービン２の運転を制御する制御情報を出力として生成する。不明瞭さを最小限にするために、コントローラ６との間の信号は、図２において破線の矢印で示している。
【００２３】
本発明の非限定的な１つの態様において、コントローラ６は、燃料の燃焼性に基づいて燃焼器１に供給される燃料及び空気のＦ／Ａ比を制御するように構成される。燃料の燃焼性は、各所与の燃料の規格を用いて決定することができる。燃焼性はまた、例えば、燃料組成センサ１６によって燃料組成測定値を用いて決定することができる。
【００２４】
燃料組成センサの実施例は、ガスクロマトグラフィー装置、熱量計、又はＷｏｂｂｅメータセンサである。ガスクロマトグラフィー装置などの燃料組成センサ１６は、燃料組成を検出するように構成され、すなわち、燃料を組成する個々の成分を検出することができる。燃料組成が決定されると、コントローラ６は、燃料成分に対応する燃料指数を決定し、結果として燃料組成の燃料性を決定することができる。Ｗｏｂｂｅメータセンサは、燃料組成のＷｏｂｂｅ指数を測定するように構成される。コントローラ６は、燃料成分のＷｏｂｂｅ指数を対応する燃焼指数に変換し、燃料の燃焼性を決定することができる。熱量計は、燃料成分の発熱量を検出するように構成され、該値をコントローラが用いて燃焼指数に変換し、次いで、燃焼性を決定することができる。
【００２５】
好ましくは、システムは更に、広範囲の品質の複数の成分燃料を貯蔵及び／又は送給するように構成された燃料貯蔵及び送給システム１２を含む。成分燃料の品質は、幾つか例を挙げると、発熱量、反応度、及び燃焼性など、成分燃料の特性又はパラメータに基づいて推定することができる。非限定的な１つの態様において、コントローラ６は、異なる成分燃料に応じてバルブ７の開口を調整することによって各成分燃料の送給を制御する。換言すると、コントローラ６はまた、複数の成分燃料が利用可能である場合に成分燃料の配合を制御することによって、燃焼器に送給される燃料の組成を決定する。
【００２６】
任意選択的に、送給燃料の総量に作用するバルブ１３を含めてもよい。これを含む場合には、コントローラ６は、バルブ１３を制御して燃料流量を制御することができる。燃料流量はまた、個々の燃料成分に対応するバルブ７の制御によっても制御することができる点に留意されたい。
【００２７】
燃料燃焼性を望ましい値又は望ましい値域内に維持するために、システムは更に、コントローラ６の制御下で燃料の少なくとも一部が分流される燃料熱交換器８ａを含むことが好ましい。例えば、コントローラ６は、バルブ９を制御して燃料熱交換器８ａに分流される燃料の量を制御することができる。燃料の温度は、コントローラ６に測定値を提供する燃料温度センサ１４により測定することができる。
【００２８】
一例として、燃料温度センサ１４からの測定値は、例えば、ガスタービン２が負荷状態で運転しているときに、燃料温度が望ましい燃料動作温度を下回ることを表すことができる。この場合、コントローラ６は、望ましい可燃性希薄限界又はそれ以上に、好ましくはできる限り希薄限界前後に燃焼性を維持するように低い燃料温度を補償するために、追加の燃料流量が必要であると判定することができる。
【００２９】
一般に、燃料混合気の燃空比は、望ましい可燃性希薄限界に基づいて、燃料流量、燃料温度、及び燃料組成の調整の何れか１以上を調整することによって調整できるといえる。これらの調整は、燃料供給を制御して混合機の燃空比を調節する実施例とみなすことができる。また、燃料混合気の燃空比は、例えば、空気流量、空気温度、及び空気圧力の何れか１以上を調整することによるなど、望ましい可燃性希薄限界に基づいて空気送給を制御することにより調整できるといえる。
【００３０】
上述のように、コントローラ６は、三方バルブ５の作動を制御して、燃焼器１に流入する空気量、圧縮機３の入口に戻る空気量、燃焼器１を迂回する空気量、その他を制御することにより、空気流量、圧力及び温度を調整することができる。コントローラ６は、圧縮機３から燃焼器１への加圧空気の送給を制御することにより空気圧力を調整することができる。
【００３１】
空気温度を調整するために、コントローラ６は、バルブ１１を制御することによって、燃焼器１に流入する空気の少なくとも一部を空気熱交換器８ｂに分流し、分流した空気を燃焼器１に入る前に予熱することができる。空気温度は、空気温度圧縮機吐出センサのような空気温度センサ１５によって測定され、コントローラ６に提供することができる。更に、三方バルブ５を介して加圧空気の少なくとも一部を圧縮機入口に送ることにより、入口ブリード加熱として知られる作用を通じて空気温度制御を実現できる点に留意されたい。また、燃料及び空気熱交換器８ａ及び８ｂは、１つのモジュールに組み込むことができ、或いは別個のモジュールとして提供してもよい点に留意されたい。
【００３２】
可燃性補正、すなわち燃料及び空気混合気の燃空比は、燃料関連測定値以外に基づいて調整することができる。例えば、システムは、好ましくは、１以上の火炎センサ１６を含み、燃焼器１における火炎に関連するパラメータを測定する。このようなパラメータは、燃焼圧力変動を含み、及び／又は火炎特性評価用に産業界で使用される光学的パラメータ又は他の何れかのパラメータとすることができる。コントローラ６は、これらのパラメータを用いて、ガスタービン２の種々の運転期間及び段にわたって安定した燃焼を維持するように燃料送給及び／又は空気送給を制御することにより、燃空比を更に調整することができる。
【００３３】
別の実施例として、燃空比の調整時にガスタービンロータの加速を考慮に入れることができる。ロータ速度センサ１７は、ロータの速度を測定することができる。コントローラ６は、ロータ速度測定値を用いてロータの加速を判定し、これに応じて燃空比を調整することができる。また、温度、及びガスタービン２からのエミッションも測定され、コントローラ６に入力として提供することができる点に留意されたい。
【００３４】
図１及び２に示すシステムにおいて、燃料は１種以上の各燃料成分の組成物とすることができ、各燃料成分の送給は、各燃料成分に対応するバルブ７を開閉することにより制御できることが分かる。各成分燃料は、発熱量、比重、引火点、及びその他などの様々な特性値又はパラメータを有することができる。
【００３５】
また、図１及び２において、コントローラ６は、燃料及び空気混合気のガスタービン２への送給を制御する重要な役割を果たしていることが分かる。図３は、本発明の非限定的な態様によるコントローラ６の１つの実施形態を示している。コントローラ６は、パラメータ受け取りユニット３１０、可燃性希薄限界決定ユニット３２０、要求希薄限界決定ユニット３３０、及び調整ユニット３４０を含むことができる。コントローラ６はまた、熱エネルギー決定ユニット３５０と、要求エネルギー決定ユニット３６０とを含むことができる。
【００３６】
図３は、コントローラ６と、コントローラ６に含まれるユニットとの論理図を提供する点に留意されたい。一部又は全てのユニットは、物理的モジュール内に組み込むことができる。例えば、可燃性希薄限界決定ユニット３２０及び要求希薄限界決定ユニット３３０は、単一のモジュールに組み込むことができる。その上、ユニットは、厳密にはハードウェアにより実装する必要はない。ユニットは、ハードウェアとソフトウェアの組み合わせにより実装されることも想定される。例えば、実際のコントローラ６は、記憶媒体又はファームウェアに格納された非一時的なプログラム命令を実行して、図３に示すユニットの機能を実施する１以上の中央処理ユニットを含むことができる。
【００３７】
コントローラ６の各ユニットが果たす役割について、本発明の非限定的な１つの態様による、ガスタービン２に燃料及び空気混合気を送給する例示的な方法のフローチャートを示す図４と共に説明する。一般に本方法において、燃料及び空気パラメータは、安定した燃焼を得て維持するのに使用される。パラメータに基づいて、リーンブローアウト（ＬＢＯ）を阻止する適正な燃空（Ｆ／Ａ）比が推定又は他の方法で求められる。図５で分かるように、異なる燃料が異なる燃焼性限界を有することができるので、このような調整は有利である。
【００３８】
Ｆ／Ａ比の決定は、動的に行うことができ、すなわち、とりわけガスタービンの成分燃料の変化又は作動状態の変化など、変化する環境に適応するように連続的に実施することができる点に留意されたい。
【００３９】
好ましくは、燃料及び空気混合気の可燃性希薄限界又は燃焼性下限（ＬＦＬ）とも呼ばれる最小Ｆ／Ａ比が求められる。可燃性希薄限界を維持することは、ＮＯｘ、ＣＯ及びＨＣエミッションが低減される追加の利点がある。Ｆ／Ａ比、混合気の温度、或いはその両方は、可燃性希薄限界を僅かに上回る望ましい燃焼性に到達するように決定されるので、非限定的な１つの態様における方法は、燃料希薄限界燃焼性補正モデルと呼ぶことができる。
【００４０】
図１及び２並びに上記のことを参照すると、コントローラ６は、燃料の発熱量及び燃料＋燃焼空気混合気特性を考慮したシステムのバルブの何れか１以上を制御することができる。例えば、空気の温度がタービン燃焼器設計空気温度よりも低い場合、燃料バルブ４が付加的に開放され（燃料の発熱量及び消費量を考慮して算出される程度まで）、同じ可燃性希薄限界及びＬＢＯマージンを維持することができる。別の方法は、空気温度が低いときには、熱交換器８ａ及び／又は８ｂを用いて燃料、空気、又は両方の温度を高めるように調整することである。勿論、燃料流量の増大（付加的にバルブ４を開放することによる）及び燃料／空気混合気の温度の上昇（熱交換器８ａ及び／又は８ｂを用いて）の調整は共に、同時に適用して、ＬＢＯマージン及び可燃性希薄限界を維持することができる。
【００４１】
１つの態様において、以下の希薄限界式（１）を用いて調整し、可燃性希薄限界（ＬＬ）を維持する。
【００４２】
【数１】
2012041926.tif 000003
式中、ｋは温度補正係数であり、ａ、ｂ及びｃは多項式補正係数を表す。
【００４３】
式（１）は、燃料温度、燃料のＬＨＶ値、及び希薄限界の間の関係を記述又はモデル化する伝達関数とみなすことができる。図６は、種々のガス燃料における可燃性希薄限界と発熱量及び温度の例示的な関係を示すグラフである。式（１）及び図６は、燃料の発熱量、並びに燃料と空気の配合物の温度に基づいて可燃性補正を行うことができることを明らかにしている。
【００４４】
ここで留意すべきは、式（１）は、伝達関数を二次多項式としてモデル化している点である。しかしながら、本発明はこれに限定されない点に留意されたい。より高次の多項式及び線形モデルも十分に企図される。しかしながら、多くの場合、式（１）の二次多項式により十分に良好な結果が得られる。
【００４５】
図４に示す方法４００は、ガスタービンの全ての運転期間に適用可能である。しかしながら本方法は、説明の目的で、クランキング、パージ、燃料及び空気送給、点火、加速、及び暖機段階を含む、ガスタービンの始動期間の各段階に関して詳細に説明する。図４の左上のステップ４１０で分かるように、燃焼器に流入する空気に関連するパラメータは、パラメータ受け取りユニットにより受け取ることができ、例えば、１以上の空気パラメータセンサがパラメータの一部又は全てを提供することができる。パラメータの一部は、ベンダーによって提供される規格に基づき予め組み込んでおくことができる。空気関連パラメータは、空気流量、圧力及び温度のうちの何れか１以上を含むことができる。
【００４６】
ステップ４２０において、パラメータ受け取りユニットは、燃焼器に流入する燃料に関連した１以上のパラメータを受け取ることができる。同様に、１以上の燃料パラメータは、予め組み込むこともできる。燃料関連パラメータは、燃料流量、燃料組成、発熱量、温度、及び比重を含む。
【００４７】
上述のように、パラメータ受け取りユニットに提供される燃料及び空気パラメータは、センサにより測定することができる。例えば、燃料のエネルギー含量は、ガスクロマトグラフィー装置又は熱量計により提供される測定値に基づいて決定することができる。別の実施例として、Ｗｏｂｂｅメータは、燃料の発熱量に関連する指数であるＷｏｂｂｅ指数を測定することができる。代替として、又はこれに加えて、パラメータはまた、燃料供給業者又はベンダーにより提供される規格に基づき入力することができる。例えば、天然ガス供給業者は、燃料の組成、ＬＨＶ及びＷＩなどの情報を提供することができる。
【００４８】
ステップ４１０及び４２０は、他のステップに接続されることなく、破線ボックスとして示されており、これらのステップが連続的に実施できることを示している。すなわち、燃焼器に流入する燃料及び空気のパラメータは、連続的に監視し更新することができる。
【００４９】
ステップ４１０及び４２０に見られるように、始動期間（並びに他の期間）の段階の間に、パラメータは、測定値、ベンダー規格、又はその両方によってコントローラ６に提供される。ステップ４０５において、方法４００が始まる。ステップ４３０において、燃焼器に流入する燃料及び空気混合気の可燃性希薄限界が、可燃性希薄限界決定ユニットによって測定され又は他の方法で決定される。同じステップにおいて、要求可燃性希薄限界が、要求希薄限界決定ユニットにより決定される。ステップ４４０において、熱エネルギー決定ユニット及び要求エネルギー決定ユニットそれぞれは、燃料及び空気混合気の熱エネルギー及びガスタービンを運転するのに望ましいエネルギーを決定する。
【００５０】
ここで留意すべきは、ステップ４３０及び４４０において、可燃性希薄限界決定ユニット、要求希薄限界決定ユニット、熱エネルギー決定ユニット及び要求エネルギー決定ユニットは、ガスタービンの運転期間、すなわち始動、負荷、及びシャットダウン期間を考慮していることである。各運転期間内でも、希薄限界決定は、期間の運転モードに応じて変わる可能性がある。例えば、始動期間において、運転モードは、クランキング、パージ、燃料及び空気送給、点火、加速、及び暖機段階の何れかとすることができる。
【００５１】
ステップ４３０及び４４０の結果は、例えば、ステップ４５０において、ガスタービン始動期間の何れかの運転モードの始めにおいて調整ユニットへの入力として提供される。このステップでは、調整ユニットは、ステップ４３０及び４４０において集められた情報に基づいて運転モードに対する燃料及び空気混合気の望ましい燃焼性を決定し、特定の運転モード又は期待される燃焼組成、或いはその両方にとって１又は複数の入力の何れがクリティカルであるかを判定する。この関連において、「クリティカル」とは、パラメータの測定値と設計値との間に有意な差があること意味している。例えば、燃料のＬＨＶが過度に低い可能性があり、燃料空気混合気温度は既に高くなっている。この事例では、燃料の配合は、より反応性が高い燃料成分に対応するバルブ７を開放することによって、燃料のＬＨＶを設計値又は設計値域内にまでするように調整することができる。この実施例において、より反応性が高い燃料成分は、燃料の実際のＬＨＶが設計通りであるかどうかに影響するのでクリティカルな入力である。パラメータは複数の要因により影響を受ける可能性があるので、複数のクリティカル入力が存在してもよい。上記の実施例において、十分に高いＬＨＶを有する何れかの燃料成分は、総燃料のＬＨＶを高めるのに用いることができ、従ってクリティカルとみなされる。
【００５２】
クリティカルな入力に基づいて、ステップ４６０において調整ユニットは、燃料及びその送給に関連する局面の何れかを制御してタービン運転を設計値以内にすることによって、Ｆ／Ａ比を調整する。これらの局面は、とりわけ、ステップ４７０における空気送給及びステップ４８０における燃料送給を制御することを含む。再び図１及び２を参照すると、燃料送給は、バルブ４、７、９及び１３の何れか１以上を制御することにより、燃料流量、成分燃料組成、及び燃料温度の何れか１以上を制御することで制御できることが分かる。空気送給は、バルブ５、１０、及び１１の作動により、空気流量、空気圧力、及び空気温度の何れか１以上を制御することで制御できる。
【００５３】
ステップ４９０において、調整ユニットは、望ましいＦ／Ａ比調整が実施されたか否かを判定することができる。例えば、１以上のセンサからのフィードバック情報を用いて判定することができる。望ましい求調整が実施されていない場合、ステップ４６０、４７０、４８０、及び４９０を繰り返すことができる。
【００５４】
非限定的な１つの実施形態において、センサを通じて提供されるフィードバックのタイプは、とりわけ、燃料組成、燃料流量、燃料温度、エネルギー含量、比重、空気流量、空気温度、及び空気圧力の何れか１以上を含む。
【００５５】
ここで留意すべきは、望ましいＦ／Ａ比は、燃焼器に送給される燃料及びガスタービンの運転モードに特有のものとすることができることである。所与の温度及び圧力において異なる燃料が異なる燃焼性限界を有することはよく知られている。例えば、暖機段階時の水素の望ましいＦ／Ａ比は、同じ暖機段階でのメタンの望ましいＦ／Ａ比とは異なる場合がある。また、所与の燃料において、燃焼性限界は温度変化に応じて変化する可能性があることもよく知られている。従って、点火段階における水素の望ましいＦ／Ａ比は、暖機段階又は加速段階における水素のＦ／Ａ比とは異なる場合がある。燃焼器に送給される燃料の組成を構成する複数の成分燃料があるときには、望ましいＦ／Ａ比はまた、成分燃料の特定の配合に基づいて変わる可能性があり、すなわち、Ｆ／Ａ比は、燃料組成に基づくことができる。従って、燃料組成に関するフィードバック情報が有用となる。
【００５６】
Ｆ／Ａ比を調整するためのステップを実施する際に望ましいＦ／Ａ比を達成することは、厳密には必要ではない。従って、望ましいＦ／Ａ比調整が実施されたかどうかを判定するステップ４９０の非限定的な実施において、望ましいＦ／Ａ比と調整されたＦ／Ａ比との間の差違が十分近い場合、すなわちこの差違が所定値の範囲内にある場合に基準を満足することができる。勿論、調整されたＦ／Ａ比は、混合気の可燃性希薄限界を下回るべきではない。
【００５７】
代替形態として、望ましいＦ／Ａ比範囲を指定することができる。この事例では、望ましいＦ／Ａ比調整が実施されたかどうかを判定する基準は、調整されたＦ／Ａ比の値が指定範囲内に収まるときに満足することができる。望ましいＦ／Ａ比範囲は、可燃性希薄限界を含むことができるが、可燃性希薄限界を下回る値を含めるべきではない。許容誤差がある程度あることが望ましい場合、所望範囲の下限は、可燃性希薄限界を上回る何らかの所定値とすることができる。
【００５８】
ここで留意すべきは、可燃性希薄限界が最小燃料設定値に影響を与えることである。幾らか少ない燃料が提供される場合、リーンブローアウトが生じることになる。しかしながら、爆発のリスクを最小限にするように、最大燃料設定値も決定すべきである。最大燃料設定値は、付随する可燃性過濃限界補正に基づいて決定することができる。１つの態様において、コントローラの調整ユニットは、ガスタービンが始動期間の加速モードにあるときに可燃性希薄限界補正及び可燃性過濃限界補正を用いて最小及び最大燃料設定値をそれぞれ決定することができる。
【００５９】
本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。（法律特許）このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００６０】
１  燃焼器
２  ガスタービン
３  圧縮機
４，７，９，１０，１１，１３  バルブ
５  三方バルブ
６  コントローラ
８ａ  燃料熱交換器
８ｂ  空気熱交換器
１２  燃料貯蔵及び送給システム
１４  燃料温度センサ
１５  空気温度センサ
１６  燃料組成センサ
１７  ロータ速度センサ
３１０  パラメータ受け取りユニット
３２０  可燃性希薄限界決定ユニット
３３０  要求希薄限界決定ユニット
３４０  調整ユニット
３５０  熱エネルギー決定ユニット
３６０  要求エネルギー決定ユニット
【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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