(57)【要約】      （修正有）【課題】シーケンシャル燃焼方式のガスタービン動作の制御方法であって、従来の手段の欠点を解消し、かつ、目標ＮＯxエミッション限界値を超えるのを防止する。【解決手段】本発明は、複数の可変入口案内翼（ＶＩＧＶ）を備えた圧縮器（１２）と、第１燃焼器（１３）と、前記第１燃焼器（１３）より下流に位置する高圧タービン（１４）と、前記高圧タービン（１４）より下流に位置する第２燃焼器（１６）と、前記第２燃焼器（１６）より下流に位置する低圧タービン（１７）とシーケンシャル燃焼方式のガスタービン（１０）の動作の制御方法に関する。目標ＮＯｘエミッション限界を超えることを防止すると共に、部品応力の増大を防止すべく、ベース負荷動作中に前記少なくとも１つの局所ＴＡＴ１測定値が増加して所定の閾値を上回る場合、前記平均ＴＡＴ１温度（ＴＡＴ１ ＡＶＧ）を調整する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シーケンシャル燃焼方式のガスタービン（１０）の動作の制御方法であって、
前記ガスタービン（１０）は、
複数の可変入口案内翼（ＶＩＧＶ）を備えた圧縮器（１２）と、
第１燃焼器（１３）と、
前記第１燃焼器（１３）より下流に位置する高圧タービン（１４）と、
前記高圧タービン（１４）より下流に位置する第２燃焼器（１６）と、
前記第２燃焼器（１６）より下流に位置する低圧タービン（１７）と
を有し、
前記制御方法は、
前記ガスタービン（１０）がベース負荷条件下で動作していることを確認するステップと、
前記高圧タービン（１４）のタービン出口温度ＴＡＴ１を複数の位置において局所的に連続測定するステップと、
平均ＴＡＴ１温度（ＴＡＴ１ ＡＶＧ）を求めるために前記複数の局所ＴＡＴ１測定値を平均化するステップと、
前記平均ＴＡＴ１温度（ＴＡＴ１ ＡＶＧ）に依存して前記第１燃焼器（１３）の動作を制御するステップと、
前記平均ＴＡＴ１温度（ＴＡＴ１ ＡＶＧ）より高い少なくとも１つの局所ＴＡＴ１測定値が増加しているか否かを検査するステップと、
前記少なくとも１つの局所ＴＡＴ１測定値が増加して所定の閾値を上回る場合、前記平均ＴＡＴ１温度（ＴＡＴ１ ＡＶＧ）を調整するステップと
を有することを特徴とする制御方法。
【請求項２】
前記ベース負荷条件には、
開くべき可変入口案内翼（ＶＩＧＶ）と、
前記第１燃焼器（１３）のタービン入口温度（ＴＩＴ１）がベース負荷値であることと、
前記第２燃焼器（１６）のタービン入口温度（ＴＩＴ２）がベース負荷値であることと
が含まれる、
請求項１記載の制御方法。
【請求項３】
前記平均ＴＡＴ１温度（ＴＡＴ１ ＡＶＧ）より高い複数の局所ＴＡＴ１測定値の移動平均値を検査し、
前記移動平均値が増加して所定の閾値を上回っている場合、前記平均ＴＡＴ１温度（ＴＡＴ１ ＡＶＧ）を調整する、
請求項１記載の制御方法。
【請求項４】
前記移動平均値の最大の局所ＴＡＴ１測定値を無視する、
請求項３記載の制御方法。
【請求項５】
前記移動平均値を、１０分以上の時間スケール上にて評価する、
請求項３記載の制御方法。
【請求項６】
前記移動平均値を、２０分の時間スケール上にて評価する、
請求項５記載の制御方法。
【請求項７】
前記所定の閾値は、局所的なＴＡＴ１参照値より少なくとも５Ｋ上回る、
請求項１記載の制御方法。
【請求項８】
前記所定の閾値は、局所的なＴＡＴ１参照値より１０Ｋ上回る、
請求項７記載の制御方法。
【請求項９】
前記平均ＴＡＴ１温度（ＴＡＴ１ ＡＶＧ）の調整は、当該平均ＴＡＴ１温度（ＴＡＴ１ ＡＶＧ）を階段状に、予め定められた量ずつ低下させることにより行われる、
請求項１記載の制御方法。
【請求項１０】
前記ガスタービン（１０）の排ガス中のＮＯｘ含有率をＮＯｘ ＣＥＭＳ測定手段（１９）により測定し、
更にＮＯｘ ＣＥＭＳエミッション測定値の移動平均値が所定の閾値を超える場合にのみ、前記平均ＴＡＴ１温度（ＴＡＴ１ ＡＶＧ）を調整する、
請求項３記載の制御方法。
【請求項１１】
前記ＮＯｘ ＣＥＭＳエミッション測定値の移動平均値を、２０分の時間スケール上にて評価し、
前記閾値は、ＮＯｘエミッション保証レベルの８０％である、
請求項１０記載の制御方法。
【請求項１２】
前記第１燃焼器（１３）において圧力脈動を測定し、
更に前記測定された圧力脈動の低周波成分が、特に１００Ｈｚから１５０Ｈｚまでの周波数帯域内の成分が、所定の閾値を、特に３０ミリバールの閾値を下回る場合のみ、前記平均ＴＡＴ１温度（ＴＡＴ１ ＡＶＧ）を調整する、
請求項１０記載の制御方法。
【請求項１３】
所定数の別個のベース負荷サイクルにわたって、かつ所定の動作時間にわたって、前記調整基準がすべて満たされた場合にのみ、前記平均ＴＡＴ１温度（ＴＡＴ１ ＡＶＧ）を調整する、
請求項１２記載の制御方法。
【請求項１４】
前記別個のベース負荷サイクルの前記所定数は少なくとも５であり、
前記所定の動作時間は少なくとも１２０分である、
請求項１３記載の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガスタービン技術分野に属し、シーケンシャル燃焼式のガスタービンの動作の制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
シーケンシャル燃焼式のガスタービンの制御は、種々の先行文献において記載されている。
【０００３】
たとえばＵＳ８４３４３１２に、第２燃焼器の動作中のバーナの空気比（Λ）を部分負荷において最大空気比（Λｍａｘ）未満に維持するための、シーケンシャル燃焼式ガスタービンの低ＣＯエミッション部分負荷動作方法が記載されている。この最大空気比（Λ）を低減するためには、ガスタービンの動作方式の一連の複数の変更をそれぞれ個別に、または組合せで行う。その変更の１つは、第２燃焼器を作動させる前の可変圧縮器入口案内翼（ＶＩＧＶ）列の開きである。第２燃焼器を作動させるためには、この可変圧縮器入口案内翼列を素早く閉じ、同時に、当該第２燃焼器のバーナに燃料を導入する。他の１つの変更は、部分負荷において個別のバーナを作動停止することである。
【０００４】
欧州特許出願公開第２６０００６３号明細書に多段燃焼式および／またはシーケンシャル燃焼式のガスタービンの動作方法が記載されており、当該動作方法では、第２段または第２燃焼器の複数のバーナを、負荷上昇時には投入し、負荷低下時には遮断することを順次行うことにより、必要な目標ＣＯエミッション値に応じてガスタービン動作温度および機関出力を制御できるように、総燃料質量流量と圧縮器入口案内翼とを同時に調整する。
【０００５】
シーケンシャル燃焼式ガスタービン（ＧＴ２６またはこれに類するもの）の基本制御図を図１に示す。ガスタービン１０はロータ１１を含み、このロータ１１は同心のケーシングにより包囲されている。プレナムを通って第１のいわゆるＥＶバーナ２２を備えた第１燃焼器１３に流入する空気を、圧縮器１２が圧縮する。これにより生じる高温ガスが、第１タービンまたは高圧タービン１４を駆動する。この高圧タービン１４の下流において第２のいわゆるＳＥＶバーナ１５が、未だ空気を含む上述のガスに燃料を噴射して、第２燃焼器１６内にて当該ガスを再加熱する。この再加熱されたガスは第２タービンまたは低圧タービン１７を駆動し、最終的にガスタービン１０から流出していく。
【０００６】
ガスタービン１０の動作を制御するコントローラ２０が、高圧タービン１４のタービン出口温度ＴＡＴ１を有するＴＡＴ１測定結果２１を受け取る。これは、高圧タービン１４の出口の複数（たとえば２４）の位置において測定されるものである。さらにコントローラ２０は、低圧タービン１７のタービン出口温度ＴＡＴ２を有するＴＡＴ２測定結果１８も受け取る。これは、低圧タービン１７の出口の複数の位置において測定されるものである。最後にコントローラ２０は、ＮＯｘ ＣＥＭＳ測定手段１９からＮＯｘエミッションデータを受け取る。このＮＯｘ ＣＥＭＳ測定手段１９は、ガスタービン１０の排ガス流中に配置されている。コントローラ２０は上述の測定されたデータを使用して、ＥＶバーナ制御２３により第１燃焼器１３の動作を制御する。
【０００７】
図１に示された形式のシーケンシャル燃焼式ガスタービンの場合、ＴＡＴ１測定結果２１すなわち（第１）高圧タービン１４のタービン出口温度ＴＡＴの測定結果は、漏れによる影響を受ける。
【０００８】
この漏れは、新品の清潔な機関（または停止後に再組立された機関）の場合には小さいが、動作するうちに増加していく。
【０００９】
かかる漏れは、平均ＴＡＴ１温度ＴＡＴ１ ＡＶＧを求めるために平均化される複数の個別のＴＡＴ１測定結果の一部に影響を及ぼす。というのも、各温度センサは低温の漏れ流による影響を受け、これにより測定誤差が生じ、すなわち、各温度センサの信号が示す温度が低くなってしまうからである。
【００１０】
この場合、コントローラはＴＡＴ１を（ないしは高圧タービン１４のタービン入口温度ＴＩＴ１を）設計温度に維持するため、燃料流を増加させる。測定誤差に起因して、実際のＴＡＴ１値および実際のＴＩＴ１値は増加し、これは、ＮＯｘエミッションを増加させる原因（および、機器の寿命短縮の拡大の原因）となる。
【００１１】
ＮＯｘエミッションの有意な増加が検出された後に機関を再調整すると、上述の問題を解決し得る。しかし、かかる解決手段は面倒であり、機器のオペレータにとっては満足のいくものではなく、また、部品寿命に影響を及ぼす。
【００１２】
連続的なエミッションフィードバックループと、場合によっては脈動フィードバックループとを具備する改良されたクローズドループ制御を用いるのが、より良好な手段である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】ＵＳ８４３４３１２
【特許文献２】欧州特許出願公開第２６０００６３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の課題は、シーケンシャル燃焼式のガスタービンの動作の制御方法であって、従来の手段の欠点を解消し、かつ、目標ＮＯｘエミッション限界値を超えるのを防止すると共に部品応力の増大も防止できる制御方法を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
請求項１に記載の方法により、前記課題および他の課題が解決される。
【００１６】
本発明の方法は、可変の入口案内翼を備えた圧縮器と、第１燃焼器と、当該第１燃焼器より下流に位置する高圧タービンと、当該高圧タービンより下流に位置する第２燃焼器と、当該第２燃焼器より下流に位置する低圧タービンとを有するシーケンシャル燃焼式のガスタービンの動作を制御するために使用されるものである。
【００１７】
本発明の方法は、以下のステップを含む：
ベース負荷条件下でガスタービンが動作していることを確認するステップ
複数の位置において局所的に高圧タービンのタービン出口温度ＴＡＴ１を連続測定するステップ
平均ＴＡＴ１温度（ＴＡＴ１ ＡＶＧ）を求めるために前記複数の局所ＴＡＴ１測定値を平均化するステップ
前記平均ＴＡＴ１温度（ＴＡＴ１ ＡＶＧ）に依存して第１燃焼器の動作を制御するステップ
前記平均ＴＡＴ１温度（ＴＡＴ１ ＡＶＧ）より高い少なくとも１つの局所ＴＡＴ１測定値が増加しているか否かを検査するステップ
前記少なくとも１つの局所ＴＡＴ１測定値が増加して所定の閾値を上回る場合、前記平均ＴＡＴ１温度（ＴＡＴ１ ＡＶＧ）を調整するステップ。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】ガスタービン動作のクローズドループ制御回路を備えたシーケンシャル燃焼式ガスタービンを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の方法の一実施形態では、前記ベース負荷条件には、開くべき前記可変入口案内翼、前記第１燃焼器のタービン入口温度がベース負荷値であること、および、前記第２燃焼器のタービン入口温度がベース負荷値であることが含まれる。
【００２０】
本発明の方法の他の１つの実施形態では、前記平均ＴＡＴ１温度（ＴＡＴ１ ＡＶＧ）より高い複数の局所ＴＡＴ１測定値の移動平均値を検査し、当該移動平均値が増加して、予め定められた閾値を上回っている場合、当該平均ＴＡＴ１温度（ＴＡＴ１ ＡＶＧ）を調整する。
【００２１】
特に１つの実施形態では、前記移動平均値の最大の局所ＴＡＴ１測定値を無視することができる。他の１つの実施形態では、前記ＴＡＴ１ ＡＶＧより高い複数のＴＡＴ１測定結果を無視する。
【００２２】
特に、上述の移動平均値をたとえば１０分以上の時間スケール上で評価することができる。
【００２３】
更に具体的には、上述の移動平均値を２０分の時間スケール上で評価することができる。
【００２４】
本発明の方法の更に他の１つの実施形態では、前記予め定められた閾値は、局所ＴＡＴ１参照値より少なくとも５Ｋ高い。この局所ＴＡＴ１参照値はたとえば、ガスタービンの調整がなされた場合における動作期間の開始時の少なくとも１つの局所ＴＡＴ１測定値の平均値とすることができる。これに代えて択一的に、局所ＴＡＴ１参照値を相対値とすることができる。かかる相対値は、上記動作期間の開始時におけるベース負荷動作中の前記少なくとも１つの局所ＴＡＴ１測定値とＴＡＴ１ ＡＶＧとの差分によって求められる。その際には、前記少なくとも１つの局所ＴＡＴ１測定値の絶対温度に達したときにＴＡＴ１調整をトリガする代わりに、当該少なくとも１つの局所ＴＡＴ１測定値とＴＡＴ１ ＡＶＧとの差分が参照値を超える場合（すなわち温度差）、ＴＡＴ１調整をトリガする。温度差を用いることにより、動作方式の変化に起因してＴＡＴ１ ＡＶＧの目標値が変化することがあっても、かかる目標値の変化がＴＡＴ１調整に何ら影響を及ぼすことはない。たとえば、燃料種類の燃料組成の変化を、たとえば燃料ガスまたは燃料油の使用を考慮するため、この目標ＴＡＴ１ないしはタービン入口目標温度ＴＩＴ１を変化させることができる。
【００２５】
特に、上述の予め定められた閾値は、たとえば局所ＴＡＴ１参照値より１０Ｋ上回ることができる。
【００２６】
本発明の方法の他の１つの実施形態のみについては、上述の平均ＴＡＴ１温度（ＴＡＴ１ ＡＶＧ）の調整は、当該平均ＴＡＴ１温度（ＴＡＴ１ ＡＶＧ）を、予め定められた量ずつ階段状に低減させることにより実施される。実際のＴＡＴ１温度（ＴＡＴ１ ＡＶＧ）はたとえば、コントローラにおいて測定値にオフセットを加えることにより低減することができる。これによりコントローラは、ＴＡＴ１ ＡＶＧの増加した値を、第１燃焼器の動作の制御に用いる。上述の制御目標値は不変であるから、コントローラは当該目標値にオフセットを加えた後、温度を低減するために燃料流を減少させることとなる。
【００２７】
本発明の方法の他の１つの実施形態では、ガスタービンの排ガス中のＮＯｘ含有率をＮＯｘ ＣＥＭＳ測定手段により測定し、更にそのＮＯｘ ＣＥＭＳエミッション測定値の移動平均値が、予め定められた閾値を超える場合にのみ、上述の平均ＴＡＴ１温度（ＴＡＴ１ ＡＶＧ）を調整する。
【００２８】
特に、上述のＮＯｘ ＣＥＭＳエミッション測定値の移動平均値を、たとえば２０分の時間スケール上にて評価することができ、前記閾値はたとえば、ＮＯｘエミッション保証レベルの８０％とすることができる。
【００２９】
特に他の１つの実施形態では、前記第１燃焼器において圧力脈動が測定され、更に当該測定された圧力脈動の低周波成分が、特に１００Ｈｚから１５０Ｈｚまでの周波数帯域内の成分が、予め定められた閾値を、特に３０ミリバールの閾値を下回る場合のみ、上述の平均ＴＡＴ１温度（ＴＡＴ１ ＡＶＧ）を調整する。
【００３０】
具体的には、予め定められた数の別個のベース負荷サイクルにわたって、かつ予め定められた動作時間にわたって、上述の調整基準がすべて満たされた場合にのみ、前記平均ＴＡＴ１温度（ＴＡＴ１ ＡＶＧ）を調整することができる。
【００３１】
特に、上述の別個のベース負荷サイクルの予め定められた数を、たとえば少なくとも５とすることができ、また、上述の予め定められた動作時間を、たとえば少なくとも１２０分とすることができる。
【実施例】
【００３２】
以下、複数の異なる実施例と、添付の図面とを参照して、本発明をより詳細に説明する。
【００３３】
発明の実施態様
本発明は、上記にて既に言及したＧＴ２６等のシーケンシャル燃焼式ガスタービンの第１（ＥＶ）燃焼器のクローズドループ制御を改善するための半自動制御ロジック適応調整であるアクティブＴＡＴ１制御（ＡＴＣ）に関するものである。最終目的は、ＮＯｘエミッションが上限保証値に達しないようにすることである。
【００３４】
このことは、（第１）高圧タービン１４の平均タービン出口温度すなわちＴＡＴ１ ＡＶＧをプロセス制御温度として適応調整することにより実現される。実際のＧＴ２６タービンの線形回帰分析により、２４のＴＡＴ１実測値のうち最も高温の８つの測定値の平均値が、ベース負荷における制御対象のＴＡＴ１ ＡＶＧと測定されたＮＯｘエミッションとの不一致を示し得ることが分かった。
【００３５】
本発明の一実施形態では、２０分にわたって最も高温の８つのＴＡＴ１測定値を平均したものを、第１（ＥＶ）燃焼器クローズドループ制御の外乱の補正、たとえばＥＶ高温ガス温度偏差の補正のための指標として使用することにより、ＮＯｘエミッションを保証レベルに維持する。
【００３６】
かかる特殊な事例におけるコントローラ２０内の最終的な制御ロジック構成は、以下の５つの異なる基準を順次充足した後に、ベース負荷において半自動的かつ階段状にＥＶプロセス制御温度ＴＡＴ１ ＡＶＧを１０Ｋずつ低下させるものである：
１．ＧＴベース負荷条件が生じていること。
２．最も高温の８つのＴＡＴ１測定値の２０分の移動平均値が参照測定値より１０Ｋ増加していること。
３．ＮＯｘ ＯＥＭＳエミッション測定値の２０分の移動平均値が保証値の８０％を上回ること。
４．第１燃焼器１３の１００Ｈｚ〜１５０Ｈｚの脈動帯域が３０ミリバールの圧力を下回ること。
５．条件１，２，３，４が５回の別個のベース負荷動作において１２０分にわたって充足されること。
【００３７】
最後の第５基準が充足されるとＡＴＣが解除され、オペレータによってこれを作動できるようになる。
【００３８】
以下、上掲の基準１〜５の意味について詳細に説明する。
【００３９】
基準１について：
ベース負荷条件が満たされており、可変入口案内翼（ＶＩＧＶ）が開いている場合（ベース負荷の開きに対して１°以内）、第１燃焼器におけるタービン入口温度ＴＩＴ１はベース負荷ＴＩＴ１であり、第２燃焼器におけるタービン入口温度ＴＩＴ２はベース負荷ＴＩＴ２である。
【００４０】
基準２について：
一般的には、ＴＡＴ１ ＡＶＧより高い少なくとも１つの局所ＴＡＴ１測定値（ＧＴ２６では通常、かかる局所ＴＡＴ１測定値は２４個になる）が増加しているか否かを検査する必要がある。当該少なくとも１つの局所ＴＡＴ１測定値が増加して閾値（たとえば１０Ｋ、また５Ｋもあり得る）を上回っている場合、ＴＡＴ１ ＡＶＧ値を調整する。
【００４１】
ＴＡＴ１ ＡＶＧのみを調整し、低圧タービン１７より下流にて測定されるＴＡＴ２ ＡＶＧは調整しない（低圧タービン１７より下流の排気管では冷却が無いので、冷却空気の漏れに起因する変化が生じる可能性はない）。
【００４２】
その期間はもちろん、２０分より短縮することができ、たとえば１０分のみとすることができ、または延長することもできる。
【００４３】
ＴＡＴ１測定値の１つを用いること、または全てのＴＡＴ１測定値を用いることが可能である（たとえば、平均値より高い任意の数のＴＡＴ１測定値の移動平均値を使用することができ、また、たとえば最も高温の局所ＴＡＴ１測定値を無視することも可能である）。
【００４４】
基準３について：
２０分の期間は一例である。当該期間は、短縮または延長することが可能である。８０％値のＮＯｘエミッションについても、同様のことが当てはまる。
【００４５】
基準４について：
第１燃焼器１３の１００Ｈｚ〜１５０Ｈｚの脈動帯域は、「低周波脈動」または「リーンブローオフ脈動」とも称される。
【００４６】
基準５について：
「５回の別個のベース負荷動作」とは、連続した各ベース負荷動作の合間にガスタービンへの負荷をベース負荷未満まで低下させることを意味する（もちろん、このことは本実施形態のみである）。
【００４７】
また、上述の調整を自動的に行うことも可能である。すなわち、当該調整をオペレータによって行う必要はない。
【００４８】
本発明の方法の利点：
特に多数回の始動が行われる機関において、ＴＡＴ１シフトの伝播の高速化が観測できる。従来の解決手段は、ＮＯｘエミッションの環境的限界または保証値を超えることにより機関オペレータが問題を提示したときに応答するだけであった。本発明の利点は、目標ＮＯｘエミッション限界を超えることを防止すると共に、部品応力の増加も防止できることである。
【符号の説明】
【００４９】
１０  ガスタービン
１１  ロータ
１２  圧縮器
１３  燃焼器
１４  高圧タービン（ＴＡＴ１）
１５  ＳＥＶバーナ
１６  燃焼器
１７  低圧タービン（ＴＡＴ２）
１８  （１つまたは複数の）ＴＡＴ２測定結果
１９  ＮＯｘ ＣＥＭＳ測定手段
２０  コントローラ
２１  （１つまたは複数の）ＴＡＴ１測定結果
２２  ＥＶバーナ
２３  ＥＶバーナ制御
【図１】
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【外国語明細書】
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