(57)【要約】  本発明は、測定された圧縮機入口温度(Ti-actual)と実質的に一定のタービン入口温度(TiTiso)とでガスタービン設備(10)を運転するための方法に関する。ガスタービン設備の安全な運転を提供するために、計算された排気ガス温度(ATK)における上昇が、ガスタービン設備(10)の圧縮機(12)を通って流れる流れ媒体(14)の低減された質量流量(m)によって補償されることが提案される。本発明は、機能的ユニットを備えたガスタービン設備を運転するための配置と、圧縮機、タービン、本発明による方法を運転するための制御システムを備え、配置を備えたガスタービン設備とにも関する。
2017512275.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機入力温度(Ti-ist)と、ほぼ一定のタービン入力温度(TiTiso)とにおいてガスタービン設備(10)を運転するための方法であって、
算出排気ガス温度(ATK)の上昇が、前記ガスタービン設備(10)の圧縮機(12)を通って流れる流れ媒体(14)の低下された質量流量(m)によって補償され、
初めに、
前記圧縮機入力温度(Ti-ist)が測定され、
次に、この圧縮機入力温度(Ti-ist)が所望圧縮機入力温度(Ti-soll)と比較され、前記所望圧縮機入力温度(Ti-soll)から、確定された圧縮機入力温度(Ti-ist)の差がある場合、前記流れ媒体(14)の前記低下された質量流量による前記上昇された算出排気ガス温度(ATK)のための前記補償が開始されることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記ガスタービン設備(10)が、30℃より高い圧縮機入力温度(Ti-ist)で運転されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記質量流量(m)の前記低下が、前記圧縮機(12)の少なくとも1つの案内翼(16)の調整を用いて引き起こされることを特徴とする、請求項1または2に記載の方法。
【請求項４】
前記算出排気ガス温度(ATK)の前記上昇が、タービン温度(TT1)の上昇を用いて引き起こされることと、特には、前記タービン温度(TT1)が燃料の燃料量(z)の増加によって引き起こされることとを特徴とする、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記算出排気ガス温度(ATK)を変更するためにあらかじめ決定され得る値の対(W1、W2、Wx)が、前記圧縮機入力温度(Ti-ist)に従う案内翼位置(S)および燃料量(n)から引き出されることを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記流れ媒体(14)の前記低下された質量流量(m)による前記上昇された算出排気ガス温度(ATK)のための前記補償が、オイル予混合運転で開始されることを特徴とする、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
オイル予混合運転での前記ガスタービン設備(10)の運転と、オイル拡散運転での前記ガスタービン設備(10)の運転との関係(Q)が変更されることを特徴とする、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
燃料質量流量の拡散進行量(D)が、前記ガスタービン設備(10)の標準出力(P_norm)に従って、または、前記ガスタービン設備(10)の全燃焼所望値(Y_min)に従って調整されることを特徴とする、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
30℃の圧縮機入力温度(Ti-ist)において、案内翼位置(S)と燃料量(n)とを含むあらかじめ決定可能な値の対(W1)が引き出され、50℃の圧縮機入力温度(Ti-ist)において、案内翼位置(S)と燃料量(n)とを含むあらかじめ決定可能な値の対(W2)が引き出されることと、30℃から50℃の間の圧縮機入力温度(Ti-ist)において、案内翼位置(S)と燃料量(n)とを含む値の対Wxが補間されることとを特徴とする、請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記流れ媒体(14)の前記低下された質量流量(m)とタービン温度(TT1)の上昇とを考慮した排気ガスに関連する制御および/または調節のために用いられる、請求項1から9のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
算出排気ガス温度(ATK)を制御するために用いられ、
制御変数(18)が前記算出排気ガス温度(ATK)であり、
作動変数(20)が案内翼位置(S)および燃料量(n)であり、
前記流れ媒体(14)の前記質量流量(m)の前記低下と、前記燃料量(n)の増加とによって、前記制御変数(18)の変更が引き起こされる、請求項1から10のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
請求項1から11の少なくともいずれか一項に記載の方法が実行され得るような手法で構成される機能的ユニット(24)を有するガスタービン設備(10)を運転するための配置(22)。
【請求項１３】
前記機能的ユニット(24)が確立装置(26)と制御ユニット(28)とを有し、両方が、少なくとも請求項1に記載の方法が実行され得るような手法で構成されることを特徴とする、請求項12に記載の配置。
【請求項１４】
少なくとも圧縮機(12)とタービン(30)とを有し、請求項1から11の少なくともいずれか一項に記載の少なくとも1つの方法が実施される技術的制御システム(32)を有し、請求項12または13のうちの少なくとも一方に記載の配置(22)を有するガスタービン設備(10)。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定された圧縮機入力温度、および、ほぼ一定のタービン入力温度においてガスタービン設備を運転するための方法と、機能的ユニットを有するガスタービン設備を運転するための配置と、圧縮機、タービン、本発明による方法を運用するための技術的制御システムを有し、前述の配置を有する前述のガスタービン設備とに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンの効率の程度の増加を達成するために、圧力の関係およびタービン入力温度が常に上昇されている。圧力の関係の増加があると、タービン入力温度も常に上昇する。最も臨界の局面は、タービン入力温度が圧縮機入力温度および結果的に周囲温度と共に上昇するため、温暖な場所における全負荷運転である。過剰な高温におけるガスタービンの運転は、ガスタービンの構成部品に不都合な影響を持つ可能性がある。これを補償するために、より耐熱性のある材料へと切り替えることが知られている。しかしながら、これは、これらの材料を含む構成部品のコストを増加させもする。これは、タービン入力温度をそれぞれの材料の限度未満に維持するために、温暖な場所におけるガスタービンの出力が、より高価な材料を用いないことで低減されることによって対処される可能性がある。しかしながら、効率の程度と、結果的には顧客の便益とが、それによって悪化される。
【０００３】
先行技術から、ガスタービンの全負荷運転の間に圧縮機入力温度を低下させるために、いわゆる蒸発冷却器、いわゆる圧縮機入口空気冷却器(CIAC)、または、いわゆる湿り圧縮などの特別な冷却装置を提供することが知られている。全負荷運転の間の冷却装置の追加の結果として、ここでは高出力が達成される。しかしながら、これは出力の過剰をもたらす可能性があり、それによって、得られるエネルギーが未使用状態で浪費されてしまう。
【０００４】
しかしながら、ガスタービン設備を、高温の日に運転する間、高い程度の効率も達成される方法で運転することは好ましいとされる。
【０００５】
この技術的要件についての起点は、ガスタービンの運転方法が記載されている特許文献1によって提供でき、この方法では、タービン出口温度を上昇させることが圧縮空気の低下する質量流量によって補償されることによって、ほぼ一定のタービン入力温度が維持され得る。したがって、ほぼ一定のタービン入力温度は、ガスタービンのCO最適化運転の実施を可能にする。
【０００６】
この運転方法に従ってガスタービンを制御するために、特にはタービンの入力におけるタービン入力温度TITである、特許文献1による基本的なプロセス変数が制御変数として用いられる。しかしながら、これは、数多くの仮定を用いておおよそでしか決定され得ない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第2009/109446号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
この点において、先行技術からのこれらの不利益を防止することができる、高温の日に運転する間のガスタービンのための運転方法を提示することも望まれる。具体的には、変数を検出するために簡単に用いられる運転方法は、対応する運転方法がいつ適用され得るかを決定することが可能となる簡単な基準を提供するべきである。これは本発明の目的である。さらに、本発明の目的は、それによってガスタービン設備の制御/調節が満足できる手法で可能である機能的ユニットで、ガスタービン設備を運転するための配置を提供することである。本発明の別の目的は、高温の日でも効率的に運転させることができる対応するガスタービン設備を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
これらの目的は、本発明に従って、独立請求項の特徴を持つ方法、配置、およびガスタービン設備で達成される。本発明の有利な実施形態および利点が、追加の請求項と説明とから理解されることになる。
【００１０】
本発明は、圧縮機入力温度と、ほぼ一定のタービン入力温度とにおいてガスタービン設備を運転するための方法に基づかれている。
【００１１】
算出排気ガス温度の上昇が、ガスタービン設備の圧縮機を通って流れる流れ媒体の低下された質量流量によって補償されることが、本発明に従って提案される。さらに、圧縮機入力温度が圧縮機の入力において測定されることで確立されるという本発明による条件がなくてはならず、この測定された圧縮機入力温度は、所望圧縮機入力温度と比較され、所望圧縮機入力温度から、確立された圧縮機入力温度の差がある場合、流れ媒体の低下された質量流量による上昇された算出排気ガス温度のための補償が開始される。一方で、実際の状況への運転パラメータの速やかな適合が、それによって達成され得る。一方で、圧縮機入力温度は、良好に測定できる変数であり、容易に検出され得るこの変数を用いることで、運転基準の比較的信頼できる決定を可能にする変数である。
【００１２】
本発明による方法の結果として、特には高温の場所において、運転の信頼性が、有利で顧客に取って扱いやすい手法で高められ得る。本発明による方法によって実施される運転方法の結果として、圧縮機入力温度を冷却するための補助的な技術手段をなしで済ませることが可能であり、これは、組立の複雑さ、空間、および費用を省ける。さらに、ガスタービン設備が最大の可能な出力で運転され、それによって出力の「浪費」が防止されることが、確保され得る。また、従来のガスタービン設備がこの方法で運転されてもよく、それによって、追加的で高価な構成部品が有利に省かれ得る。さらに、従来のガスタービン設備の組み込みが、結果として、簡単で迅速な手法で実行され得る。また、実質的に一定のタービン入力温度の結果として、特にはNOXまたはCOなどの排出物質の増加が防止される。さらに、算出排気ガス温度が上昇されることの結果として、燃焼室加速の減衰が、排出制限を侵すことなく、および、不必要な追加の出力を浪費することなく、可能である。さらに、例えばガスタービン設備の圧縮機の筐体またはロータなど、ガスタービン設備の構成部品は、より耐熱性が低く、結果として、耐熱性のある材料の構成部品よりもコスト効果のある材料から製作できる。ここでの場合で説明した方法では、ガスタービン設備の絶対的な出力が若干低下するが、効率の程度は有利に増加する。
【００１３】
ガスタービン設備が、この場合では、少なくとも2つの構成ユニットの連続を表す。この場合では、構成ユニットは、例えば、圧縮機、燃焼器ユニット、またはタービンであり得る。ここでの文脈においては、圧縮機入力温度は、ガスタービン設備の圧縮機を少なくとも通って流れる例えば空気などの流れ媒体の温度であると、理解されるように意図されている。これは、吸入温度とも呼ばれる。
【００１４】
実施形態によれば、本発明による方法は、特には、上昇された圧縮機入力温度にも関する。「上昇された」という用語は、この場合、ガスタービン設備またはその構成ユニットのうちの1つの運転条件に悪影響を持つ温度であると理解されるように意図されている。
【００１５】
この温度制限は、当業者の技術的な知識に基づいて、当業者によって独立して決定されることになる。圧縮機入力温度が5℃から30℃の間であるとき、高い程度の効率を持つ効率的で損失のない運転が可能とされるように意図されることは、例えば、一般的なガスタービン設備で知られている。
【００１６】
「ほぼ一定のタービン入力温度」という用語は、好ましくは最大で10%であり、特に好ましい手法では最大で5%である、範囲の平均値について最大で15%の逸脱があるタービン入力温度範囲であると理解されるように意図されている。ここでの文脈では、「補償される」という用語は、「平衡される」または「無効にされる」ことか、流れ媒体の質量流量の低減によって引き起こされる効果が、算出排気ガス温度の増加によって補償される、打ち消される、または、価値がなくされる効果を引き起こすことかを意味すると理解されるように意図されている。理想的には、この方法はほぼ一定の出力での運転をもたらし、「ほぼ一定」の前述の定義が、この場合に同様の手法で用いられるように意図されている。
【００１７】
ガスタービン設備が、特には40℃を超える、30℃を超える圧縮機入力温度で運転されることが、さらに提案される。すなわち、圧縮機入力温度は30℃を超える。それによって、通常はガスタービン設備に悪い形で影響を与える温度で、ガスタービンを効果的でありながら保護する形で運転する方法が、提供され得る。
【００１８】
低下された質量流量による算出排気ガス温度の上昇のための補償が、ガスタービン設備の全負荷または部分負荷において開始または運転されることが、加えて考えることができる。それによって、ガスタービン設備の運転が、変化可能な手法で構成でき、出力についてのそれぞれの現在の要件に適合され得る。結果として、30℃超の吸入温度で、例えば、全負荷運転においてよりも低い出力要件において、流れ媒体の質量流量が低減でき、それによって、タービン入力温度は意図的に低下させられ、これは、例えばNOXまたはCOなどの汚染物質排出の有利な低減をもたらす。
【００１９】
有利には、質量流量の低下が、圧縮機の少なくとも1つの案内翼の調整を用いて引き起こされる。結果として、質量流量の低減が、構造的に簡単で、融通性のある、素早い手法で実行され得る。好ましくは、多くの数の案内翼が調整される。案内翼の調整の結果として、圧縮機における流れ媒体の有効な入力面/入力開口が低下される。30℃未満の吸入温度における運転の間の全負荷運転または基底負荷運転において、案内翼位置は、例えば、案内翼の最大開口位置または入力開口に対応する100%である。これは、案内翼の最大限の技術的または構造的に可能な開位置に必ずしも対応する必要はないが、代わりに、ガスタービン設備の特定の運転の種類または運転モードに対して決定される案内翼位置であり得る。ここで、圧縮機入力温度が30℃を超えて上昇し、結果として算出排気ガス温度も上昇する場合、案内翼位置は、例えば90%へと低下され、それによってタービン入力温度は一定のままとなる。
【００２０】
算出排気ガス温度のタービン温度との線形の加熱の結果として、算出排気ガス温度の上昇は、タービン温度の上昇を用いて引き起こされるとき、構想的に簡単な手法で可能である。原理上は、代替および/または追加で、いわゆるPZT(燃焼一次領域温度)を用いることが可能でもある。タービン温度の上昇は、特には、タービン温度が燃料の燃料供給の増加によって引き起こされることによって、簡単な手法で実行され得る。
【００２１】
所望圧縮機入力温度は、ガスタービン設備の制御ユニットおよび/または処理ユニットに保存され得る(あらかじめ決定可能な圧縮機入力温度)、または、ガスタービン設備の運転の間に確立され、そのまま使用され得る(確立され得る圧縮機入力温度)。ここでの文脈において、および、残りの文章において、「あらかじめ決定可能」という用語は、「所定」を意味すると理解されるように意図されており、「確立される」という用語は、「測定、決定、または計算される」ことを意味すると理解されるように意図されている。所望圧縮機入力温度は、例えば、30℃以下の温度である。例えば、所望圧縮機入力温度として、下流に位置付けられる構成部品にとって無害である運転条件を可能にする温度が選択される。これは、例えば、進み負荷、または、例えば圧縮機の筐体またはロータなど、ガスタービン設備の構成要素の材料の温度制限に依存し得る。
【００２２】
代替および/または追加で、あらかじめ決定可能な最高タービン温度および/またはPZTに到達したときに補償が開始されることは、有利である。この最高温度は、燃焼器ユニットにおける構成部品の負荷限度または構成部品の材料に依存している。支配的なタービン温度および/またはPZTは、燃焼器ユニットにおいてセンサで確立され得る。これは、燃焼器ユニットにおける高温の結果ために困難を伴って可能なだけであり、タービン温度と実際の排気ガス温度との間には線形の関係があるため、支配的なタービン温度および/またはPZTは、実際の排気ガス温度を用いて確立されてもよい。それによって、代替または追加の制御の可能性が提供される。
【００２３】
したがって、原理上は、新規の運転方法は、圧縮機入力温度と、結果として上昇された算出排気ガス温度とに依存して、新たな案内翼位置が調整されることによって新たな基底負荷位置が調整され、これが100%より小さい、または、先の基底負荷点を伴う案内翼位置より小さいという点において、現在の標準的なものと異なる。すなわち、選択された案内翼位置との組み合わせでの圧縮機入力温度に従う部分負荷および基底負荷ATKの上昇が、適応されるように意図されている出力および効率の保証を達成する。
【００２４】
算出排気ガス温度を変更するためにあらかじめ決定され得る値の対が、圧縮機入力温度に従う案内翼位置と燃料量とから引き出されることが、さらに提案される。それによって、変更または現在の状況への運転の適合が、素早く正確な手法で実行され得る。これらの値の対は、実験的な手法で確立され、ガスタービン設備の制御ユニットに値の表で保存される。案内翼位置および燃料量の値または算出排気ガス温度は、この場合では、吸入温度の関数としての別々の折れ線として、各々の場合で生成される。
【００２５】
好ましくは、流れ媒体の低下された質量流量による上昇された算出排気ガス温度のための補償の結果として、圧縮機入口においてガスタービン設備へと導入される流れ媒体の冷却は、例えば蒸発冷却器または圧縮機入口空気冷却器(CIAC)などの冷却装置によって置き換えられる。それによって、組立の複雑さ、空間、および費用に関して、省くことを行うことが可能である。先行技術のシステムにおける冷却は、例えば蒸発冷却器を用いることで、または、湿り圧縮を用いることで、生成されることになる場合、大量の水の要求が必要となる。水冷却の省略は、結果として、特には乾燥した場所において、特に有利である。
【００２６】
好ましい実施形態では、流れ媒体の低下された質量流量による上昇された算出排気ガス温度のための補償は、オイル予混合運転で開始および/または運転される。それによって、補償は、設備が高温で運転されるガスタービン設備の運転モードで用いられる。それによって、過度の高い運転温度を防止する保護機能が、この場合には特に効果的な手法で作用する。
【００２７】
原理上は、ガスタービン設備は、ガス予混合運転、オイル拡散運転、およびオイル予混合運転において、3つの異なるモードで運転され得る。これは、運転温度と、使用される燃料と、運転者の運転モードの自動/手動の選択とに依存している。オイル拡散運転とオイル予混合運転とを互いと並列に用いることも可能である。安定性の理由のためのオイル予混合運転が、能動的なオイル予混合拡散ステージの組み合わせとしてのみ可能であることは、正にこの場合である。この場合、オイル拡散モードが、燃焼過程を安定化する素早い高温の火炎を得るために用いられる。オイル予混合運転は、永続的で清浄な燃焼と、結果として少ない汚染物質排出とを可能にする。モードの組み合わせがあれば、両方の運転モードの利点が組み合わされ、信頼できる影響されない運転をもたらす。2つのモードの関係は、当業者の技術的な知識に基づいて、当業者によって独立して決定され、例えば、1:20であってもよく、すなわち、ガスタービン設備の出力の5%がオイル拡散運転から得られ、95%がオイル予混合運転から得られる。
【００２８】
本発明の別の実施形態では、オイル予混合運転でのガスタービン設備の運転と、オイル拡散運転でのガスタービン設備の運転との関係が変更されるという条件がある。それによって、ガスタービン設備の温度制御においてさらなる細かい調節を用いることができ、燃焼の安定の増加を有利にもたらす。このために、例えば、相対出力または全体の燃焼の所望値に従って、燃料の全体の量に対する2つの部分ステージ(オイル予混合運転およびオイル拡散運転)の関係を変更する折れ線が、制御ユニットに保存されることが可能である(関係=UAOV=f(TVI、P)、または、関係=UAOV=f(TVI、Y_min)。これは、必要な場合、ガスタービン設備の対応する負荷または負荷低減をもたらす可能性がある。
【００２９】
代替および/または追加で、燃料質量流量の拡散進行量が、ガスタービン設備の標準出力に従って、または、ガスタービン設備の全燃焼所望値に従って調整されることは、有利であり得る。それによって、追加的な変化可能な適合の能力が、ガスタービン設備の最適な運転を得るために作り出される。オイル拡散ステージの燃料質量流量は、オイルポンプから燃焼器の方向で流れる質量流量である。還流は、燃焼に取り込まれることなく、回収容器へと逆に流れるオイルの量である。2つの量の差が、燃焼室へと噴射され、拡散オイル質量流量を表している。この目的のために、制御ユニットには、例えば、燃料質量流量の拡散進行量を調整する折れ線が保存されてもよい。
【００３０】
有利な実施形態によれば、30℃の圧縮機入力温度において、案内翼位置と燃料量とを含むあらかじめ決定可能な値の対が引き出され、50℃の圧縮機入力温度において、案内翼位置と燃料量とを含むあらかじめ決定可能な値の対が引き出され、30℃から50℃の間の圧縮機入力温度において、案内翼位置と燃料量とを含む値の対が補間されるという条件がある。それによって、吸入温度の異なる温度範囲についての制御は、明確に決定され、互いから分離される。また、適切な値の対が素早く確立され得る。これらの基準点(圧縮機入力温度30℃および50℃)は、各々の場合で、折れ線を用いて定められる。分離した値の対は、ガスタービン設備の制御ユニットに保存される。
【００３１】
方法が、流れ媒体の低下された質量流量とタービン温度の上昇とを考慮した排気ガスに関連する制御および/または調節のために用いられることが、さらに提案される。それによって、ガスタービン設備は、ゆったりとした手法で制御され得る。「排気ガスに関連する制御」という用語は、制御が算出排気ガス温度に従って実行されることを意味するように理解されるように意図されている。この場合におけるタービン温度の上昇は、追加の周囲条件を表す。
【００３２】
好ましい開発は、算出排気ガス温度を制御するために用いられる方法を伴い、その方法では、制御変数が算出排気ガス温度であり、作動変数が案内翼位置および燃料量であり、流れ媒体の質量流量の低下と、燃料量の増加とによって、制御変数の変更が引き起こされる。それによって、運転パラメータが、ガスタービン設備の状況とガスタービン設備の環境とに、選択的で構造的に簡単な手法で適合されることが可能である。
【００３３】
本発明は、特には、この場合に決定された方法が実行できるような手法で構成される機能的ユニットを有するガスタービン設備を運転するための制御装置である配置にさらに基づかれる。
【００３４】
本発明による配置の結果として、信頼できる顧客に取って扱いやすい運転が、特には温暖な場所において確保されることが、有利に可能である。この手法で構成される機能的ユニットによれば、圧縮機入力温度の冷却は、組立の複雑さ、空間、および費用を省く圧縮機入力温度の冷却が施され得る。ガスタービン設備が最大の可能な出力で運転されることが追加的に可能とされてもよく、それによって出力の「浪費」が防止される。さらに、ガスタービン設備の従来の機能的ユニットが組み込まれてもよく、それによって追加の高価な構成部品が有利に省かれ得る。実質的に一定のタービン入力温度の結果として、特にはNOXまたはCOなどの排出物質の増加も防止され得る。
【００３５】
好ましくは、機能的ユニットは、圧縮機入力温度が確立され得るような手法で構成される確立装置を有し、それによって、周囲温度または吸入温度が構造的に簡単な手法で確立され得る。
【００３６】
さらに、機能的ユニットは、この圧縮機入力温度が所望圧縮機入力温度と比較され得るような手法で構成される制御ユニットを有し、所望圧縮機入力温度から、確立された圧縮機入力温度の差がある場合、流れ媒体の低下された質量流量による上昇された算出排気ガス温度のための補償が開始され得る。それによって、ガスタービン設備の運転が支配的な状況に適合されることが、効果的に可能にされる。
【００３７】
本発明は、圧縮機とタービンとを少なくとも有し、少なくとも本発明による方法が実施される技術的制御システムを有し、本発明による配置を有するガスタービン設備にさらに基づかれる。
【００３８】
本発明による実施の結果として、運転するのが信頼でき、顧客に取って扱いやすいガスタービン設備を提供することが、有利に可能である。技術的制御システムで実施される方発明による方法の結果として、圧縮機入力温度の冷却は、組立の複雑さ、空間、および費用を省く圧縮機入力温度の冷却が施され得る。さらに、ガスタービン設備は、結果として最大の可能な出力レベルで運転でき、それによって出力の「浪費」が防止される。また、方法は、ガスタービン設備の従来の技術的制御システムにおいて実施でき、それによって、追加的で高価な構成部品が有利に施され得る。このような組み込みの運転は、簡単な素早い手法で実行され得る。また、実質的に一定のタービン入力温度の結果として、特にはNOXまたはCOなどの排出物質の増加が防止される。さらに、算出排気ガス温度の上昇の結果として、燃焼室加速の減衰が、排出制限を侵すことなく、および、不必要な追加の出力を浪費することなく、可能である。さらに、例えば筐体またはロータなどの圧縮機回路の構成要素が、より耐熱性が低い材料から製作でき、結果として、耐熱性のある材料の構成部品よりもコスト効果がある。
【００３９】
ここでの文脈において、「技術的制御システム」という用語は、制御ユニットおよび/または処理ユニットなどの制御および/または調節の構成部品と、案内翼、燃料弁、またはセンサなど、ガスタービン設備の制御および調節される構成部品と、これらの構成部品の相互作用とであると理解されるように意図されている。
【００４０】
ガスタービン設備は、本発明による方法に従ってさらに運転され得る。
【００４１】
本発明の前述の特性、特徴、および利点と、これらが達成される手法とは、図面との関連でより詳細に説明される実施形態の以下の記載と共に、より明確に、よりはっきりと理解されることになる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】算出排気ガス温度を制御するための配置を持つ本発明によるガスタービン設備を貫く断面図である。
【図２】図1の配置の制御回路の概略図である。
【図３】圧縮機入力温度に従う案内翼位置および算出排気ガス温度についての折れ線を示す図である。
【図４】図1のガスタービン設備の本発明による第1の運転方法を、先行技術の方法による運転方法との比較で示した図である。
【図５】図1のガスタービン設備の本発明による第2の運転方法を、先行技術の方法による運転方法との比較で示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
図1は、ガスタービン設備10の概略的な図である。ガスタービン設備10は、流れ方向34において、例えば空気などの流れ媒体14を有する、または、長手方向軸もしくは回転軸36に沿って、圧縮機入力部38と、筐体40およびロータ42を備える圧縮機ユニットもしくは圧縮機12と、圧縮機出力部44と、燃焼器ユニット46と、タービン30とを有する。ガスタービン設備10は、追加的に、回転軸36の周りに回転でき、ガスタービン設備10に沿って長手方向に延びる駆動シャフト48を有している。駆動シャフト48はタービン30を圧縮機12に連結している。
【００４４】
ガスタービン設備10の運転の間、流れ媒体14は圧縮機入力部38において流入し、圧縮機12で圧縮され、圧縮機出力部44を介して燃焼器ユニット46へと供給される。燃焼器ユニット46は、各々が燃焼器54を有する1つまたは複数の燃焼器室52を有する燃焼器空間50を有する。燃焼器室52と燃焼器54とは、燃焼器空間50に配置されている。圧縮機12から由来する圧縮された流れ媒体14が、ディフューザ56に入り、それによって燃焼器室52へと方向付けられ、燃焼器室52から、一部が燃焼器54へと方向付けられ、そこでガス状または液状の燃料と混合される。次に、流れ媒体/燃料の混合物は燃焼され、燃焼ガスまたは燃焼の作動ガスが、遷移通路58を介してタービン30へと方向付けられる。
【００４５】
タービン30は、駆動シャフト48に連結されていてタービン翼62を有する複数のタービンホイール60を有する。また、タービンホイール60同士の間で軸方向に、ガスタービン設備10の固定子66にさらに連結される案内翼64が配置されている。燃焼室52からの燃焼ガスは、タービン30に入り、駆動シャフト48をさらに回転可能に駆動するタービン翼62を駆動する。案内翼64は、燃焼ガスまたは作動ガスがタービン翼62に当たる角度を最適化するように機能する。圧縮機12は、複数の案内翼16を備えた案内翼68の軸方向の連続と、周囲方向70に配置されているタービン翼ステージ72とを有している。これらは、タービン30のタービン翼62と、結果として駆動シャフト48とによって駆動され、それによって、圧縮された流れ媒体14は、それ自体、ガスタービン設備10が運転するとすぐに、ガスタービン設備10によって発生させられる。
【００４６】
ガスタービン設備10は、図1においてさらなる明確性のためにガスタービン設備10の外部で示されている制御ユニットの形態で機能的ユニット24をさらに備えている。機能的ユニット24は、例えば温度センサなどの少なくとも1つのセンサ74を備える確立装置26と、制御ユニット28と、信号送信機76とを有する。機能的ユニット24は、とりわけ、ガスタービン設備10と、ガスタービン設備10の構成部品と、流れ媒体14と、特にはガスタービン設備10の運転温度とを監視するように機能する。
【００４７】
ガスタービン設備10を運転するための方法の制御回路は、図2に示されており、以下に説明されている。ガスタービンユニット10の運転の間、流れ媒体14は、ここではより詳細には記載されていないガスタービンユニット10の環境から、圧縮機12へと、圧縮機入力温度Ti-istで導入される。圧縮機入力温度Ti-istは、確立装置26またはそのセンサ74によって確立され、制御ユニット28へと送信される。
【００４８】
ここで、制御ユニット28は、この確立された圧縮機入力温度Ti-istを、例えば機能的ユニット24に保存されている所望圧縮機入力温度Ti-sollと比較する。確立された圧縮機入力温度Ti-istが所望圧縮機入力温度Ti-sollと異なることが決定された場合、上昇された算出排気ガス温度ATKのための補償が、タービン出口部78において、流れ媒体14の低下された質量流量mで開始される。この場合では、所望圧縮機入力温度Ti-sollは、例えば30℃以下の温度であり、確立された圧縮機入力温度Ti-istは、例えば30℃を超える温度である。
【００４９】
圧縮機入力温度Ti-istから生じる上昇された算出排気ガス温度ATKのための補償について、信号送信機76は、一方で、圧縮機12における流れ媒体14の有効な入力面(図示していない)が縮小され、結果として、流れ媒体14の質量流量mが低減される(図2における符号mにおいて下向きの矢印によって指示されている)ように、圧縮機12の案内翼16を調整する作動装置(図示していない)を作動する。他方で、信号送信機76は、例えば、燃焼器ユニット46における燃料弁80を介して、燃料の燃料量nの増加を作動し、それによって、燃焼器ユニット46におけるタービン温度TT1の上昇が実行される(図2における符号TT1において上向きの矢印によって指示されている)。
【００５０】
そのために、30℃を超える圧縮機入力温度Ti-istに従う案内翼位置Sおよび燃料量nを含むあらかじめ決定された値の対が、制御ユニット28において第1の値の表に保存され得る。その結果、30℃未満である圧縮機入力温度Ti-istに従う案内翼位置Sおよび燃料量nを含むあらかじめ決定された値の対を含む第2の値の表が、制御ユニット28にさらに保存されてもよい。この第2の値の表は、標準的な運転の間に用いられる。
【００５１】
しかしながら好ましくは、上昇されたタービン入力温度TiTisoについて予期されることになる温度範囲の基準点は、制御ユニット28に保存される。すなわち、例えば、30℃の圧縮機入力温度Ti-istについて、案内翼位置Sと燃料量nとを含むあらかじめ決定可能な値の対W1が保存され、50℃の圧縮機入力温度Ti-istについて、案内翼位置Sと燃料量nとを含むあらかじめ決定可能な値の対W2が保存される。基準点同士の間または30℃から50℃の間である圧縮機入力温度Ti-istが生じる場合、案内翼位置Sと燃料量nとを含む値の対Wxが補間される。
【００５２】
これらの値の対W1、W2、Wxが、圧縮機入力温度Ti-istに従う案内翼位置Sと燃料供給nについての測定である算出排気ガス温度ATKとについての例示の折れ線を示す図3のグラフから、導き出され得る。この場合には、℃での算出排気ガス温度ATKが左のY軸に指示されており、%での案内翼位置Sが右のY軸に指示されており、℃での圧縮機入力温度Ti-istがX軸に指示されている。上方の線は案内翼位置Sの値を表しており、下方の線は算出排気ガス温度ATKの値を表している。
【００５３】
図3のグラフから分かるように、圧縮機入力温度Ti-istについての値の対は、例として、100%の案内翼位置S(上方の線)と540℃の算出排気ガス温度ATK(下方の線)とによって、30℃未満、つまり、ガスタービン設備10の通常の運転である。圧縮機入力温度Ti-istが上昇する場合、案内翼位置Sは連続的に小さくなり、算出排気ガス温度ATKは連続的に上昇する。例えば45℃の圧縮機入力温度Ti-istにおいて、案内翼位置Sはおおよそ68%であり、算出排気ガス温度ATKは555℃である。
【００５４】
ガスタービン設備10の運転条件の追加の監視について、ガスタービン設備10は、実際の排気ガス温度Taus-istを測定し、それを制御ユニット28へと送信する追加のセンサ82を有している(図2参照)。例えば、これが、例えばガスタービン設備10の異なる構成部品といったものの制御ユニット28に先に保存されている温度制限を超える場合、ガスタービン設備10の運転方法を変えるために、追加の方策が取られ得る(図示せず)。
【００５５】
機能的ユニット24は、算出排気ガス温度ATKの排気ガスに関連する制御のための構成22または制御装置を表している。結果得られた方法は、流れ媒体14の低下された質量流量mとタービン温度TT1の上昇とを考慮して、算出排気ガス温度ATKを制御するために結果として用いられる。
【００５６】
その結果、算出排気ガス温度ATKは制御変数18を表し、案内翼位置Sおよび燃料量nは制御変数20を表し、流れ媒体14の質量流量mの低下と燃料量nの増加とを用いて、制御変数18の変更が引き起こされる。構成部品を制御および/または調節するように作用する構成22または制御ユニット28と、制御または調節される構成部品として作用する案内翼16、燃料弁80、およびセンサ74、82とは、技術的制御システム32を形成している。
【００５７】
流れ媒体14の低下された質量流量mによる上昇された算出排気ガス温度ATKのための補償は、好ましくは、ガスタービン設備10のオイル予混合運転で開始または運転される。方法は、ガスタービン設備10の運転の関係Q(Q=UAOV=f(Ti-ist、Y_min)がオイル予混合運転の間に変更され、ガスタービン設備10の運転がオイル拡散運転の間に変更される場合、特に融通性のある手法で構成され得る。オイル予混合運転では、オイル予混合ステージおよびオイル拡散ステージが機能しており、対照的に、オイル拡散運転では、オイル拡散ステージだけが機能している。また、燃料質量流量の拡散進行量Dが、ガスタービン設備10の標準出力P_normに従って、または、ガスタービン設備10の全燃焼所望値Y_minに従って調整されることが、可能である。結果として、運転モードの関係Qおよび拡散進行量Dも制御変数20を表している。
【００５８】
流れ媒体の低下された質量流量mによる算出排気ガス温度ATKの上昇のための補償が、圧縮機回路10の全負荷または部分負荷において開始または運転されることが、加えて考えることができる。
【００５９】
この場合において記載されている制御の結果として、30℃超の圧縮機入力温度Ti-istにおいて、ほぼ一定のタービン入力温度TiTisoであるガスタービン設備10の運転が実行され得る。
【００６０】
図4および図5は、先行技術による方法との比較で、本発明による方法によるガスタービン設備10の2つの例示の運転方法を示している。この場合、出力PがY軸に指示されており、℃での算出排気ガス温度ATKがX軸に指示されている。
【００６１】
3つの真っ直ぐな線は、案内翼位置Sを、3つの異なる位置について、つまり、図4では100%、80%、および0%について、図5では100%、90%、および0%について表している。図5では、異なるタービン入力温度TiTisoのための4つの湾曲された経路が追加で示されており、最上方の曲線は最も高いTiTisoを表しており、下方の曲線は最も低いTiTisoを表している。さらに、燃焼室加速の実験的に確立された範囲84が、異なる密度の点の範囲として楕円として図示されており、90ヘルツ(Hz)の周期的変動の実験的に確立された範囲86が、オープン楕円として図示されている(詳細については下記を参照)。
【００６２】
図4を参照すると、左の折れ線は、先行技術による例示の標準的な運転方法Fstを示している。この場合、例えば515℃未満の算出排気ガス温度ATKにおいて、案内翼位置Sは0%であり、出力Pは算出排気ガス温度ATKと共に一定に増加する。案内翼位置Sが0%である場合、さらなる負荷の低減は、算出排気ガス温度ATKを低減することのみで実施され得る。これは、オイル拡散運転のみにおいて従来からなおも実施されている。算出排気ガス温度ATKがこの場合では515℃の温度に到達する場合、案内翼位置Sは100%に設定され、それによって出力Pが増加する。ここで、これは、標準的な基底負荷点Gstを伴う基底負荷運転に相当する。
【００６３】
右の折れ線は、45℃の上昇されたタービン入力温度TiTisoにおける例を用いた、本発明による方法による新規の運転方法を示している。温度515℃に到達され、0%の案内翼位置Sが設定されるまで、この運転方法Fneuは先行技術の運転方法Fstに対応している(Ti-ist≦30℃)。これに基づいて、ガスタービン設備10は、案内翼位置Sが一定に増加されることでさらに負荷を掛けることができ(図4における折れ線の増加を参照)、それによって出力Pが増加する。支配的なタービン入力温度TiTisoに依存して、関連する算出排気ガス温度ATKがここで確立される(例えば、30℃以下のTi-istについての515℃、50℃以下のTi-istについての560℃で、それらの間が補間される)。確立された算出排気ガス温度ATKに依存して、または、30℃超のATKにおいて、関連付けられる補間された案内翼位置Sがここで設定される。その結果、算出排気ガス温度ATKの上昇は、質量流量mの低下によって補償される。
【００６４】
これは、例えば80%の案内翼位置Sにおいてである新たな基底負荷点Gneuに到達されるまで、負荷運転の間に起こる。標準的な基底負荷点Gstは、100%の案内翼位置Sにおける515℃の算出排気ガス温度ATKで30℃以下のTCIにおいてである。新たな基底負荷点Gneuは、対照的に、100%未満(ここでの場合、例として80%)の案内翼位置Sにおける515℃超(ここでの場合、例として560℃)の算出排気ガス温度ATKで50℃以下のTCIにおいてである。これは、関連付けられる折れ線のパラメータ化に依存して生成される。ガスタービン設備10が基底負荷で一定に運転される場合、および、タービン入力温度TiTisoが変化する場合、案内翼位置Sと算出排気ガス温度ATKとは、図3に示したのと同じ手法で制御される。例を用いて図4に示した運転方法によれば、新たな基底負荷点Gneuにおいて、標準的な運転方法Fstによる標準的な基底負荷点Gstにおける運転の間と同じ出力Pが、適用される。
【００６５】
図5における左の折れ線は、同じく、先行技術による例示の標準的な運転方法Fstを示している。この例では、算出排気ガス温度ATKが504℃の温度に到達する場合、案内翼位置Sは0%から100%に設定され、それによって、標準的な基底負荷点Gstにおける出力Pが増加する(平行四辺形における第1の円)。ここで算出排気ガス温度ATKが増加する場合、出力PおよびTiTisoも増加する(平行四辺形における第2の円)。
【００６６】
ここで圧縮機入力温度Ti-istが、この例では518℃の算出排気ガス温度ATKに対応する30℃を超える場合(ATK>30℃)、この上昇は、90%における案内翼位置Sの調整と、それに続く質量流量mの低下とによって補償される。ここで、これは新たな基底負荷点Gneuに対応する(平行四辺形における第3の円)。この新たな基底負荷点Gneuは、標準的な基底負荷点Gstとおおよそ同じタービン入力温度TiTiso線にある。
【００６７】
ここで、低下された圧縮機入力温度Ti-istの結果として算出排気ガス温度ATKが低下する場合、タービン入力温度TiTisoの対抗する制御がないと、出力Pが低下されることになる(平行四辺形における第4の円)。しかしながら、新規の運転方法によれば、低下するタービン入力温度Ti-ist(図示していない)の場合に案内翼位置Sが算出排気ガス温度ATKの低下と並行して増加されるため、この点は到達されない。つまり、点1が点3と往来させられる。新たな基底負荷点Gneuは、この例では、先に設定されたように、絶対的の出力低下があるが効率の度合いにおいて利益がある(GstおよびGneuについての出力Pを参照)30℃超のTi-istについての点3である。
【００６８】
新たな基底負荷点Gneuにおける運転を伴う新規の運転方法Fneuは、この場合には、標準的な運転方法Fstよりも少ない燃焼室加速が起こるという決定的な利点も有する。範囲84の点の密度分布を参照して分かるように、弱くて害のない燃焼室加速が、おおよそ520℃の算出排気ガス温度ATKにおいて起こる(まばらな点の領域84)。ガスタービン設備10の出力Pがより高くに上昇され、算出排気ガス温度ATKがさらにより低くされ、おおよそ500℃における最大になると、臨界燃焼室加速が起こる(密な点の領域84)。新たな基底負荷点Gneuは、結果的に、弱い無害の燃焼室加速の範囲にある。
【００６９】
その結果、算出排気ガス温度ATKの上昇の結果として、燃焼室加速の減衰が、排出制限を侵すことなく、および、不必要な追加の出力を浪費することなく、可能である。それによって、ガスタービン設備10の信頼できる顧客に取って扱いやすい運転にとって決定的である必要とされる出力および排出物の保障と適応することが可能である。
【００７０】
90Hzの周期的変動に対する新たな基底負荷点Gneuは、増加および損傷する90Hzの周期的変動がおおよそ480℃および500℃の算出排気ガス温度ATKの範囲で起こるため(範囲86を参照)、標準的な基底負荷点Gstより低い臨界範囲にもある。
【００７１】
本発明は、好ましい実施形態によって、より詳細に図示および記載されてきたが、本発明は、開示された例によって限定されず、他の変形が、本発明の保護範囲から逸脱することなく、当業者によって、開示された例から導き出されてもよい。
【符号の説明】
【００７２】
10  ガスタービン設備、圧縮機回路
12  圧縮機ユニット、圧縮機
14  流れ媒体
16  案内翼
18  制御変数
20  制御変数
22  構成
24  機能的ユニット
26  確立装置
28  制御ユニット
30  タービン
32  技術的制御システム
34  流れ方向
36  長手方向軸、回転軸
38  圧縮機入力部
40  筐体
42  ロータ
44  圧縮機出力部
46  燃焼器ユニット
48  駆動シャフト
50  燃焼器空間
52  燃焼器室、燃焼室
54  燃焼器
58  遷移通路
60  タービンホイール
62  タービン翼
64  案内翼
66  固定子
68  案内翼
70  周囲方向
72  タービン翼ステージ
74  センサ
76  信号送信機
78  タービン出口部
80  燃料弁
82  センサ
84  範囲
ATK  算出排気ガス温度
D  拡散進行量
Fneu  運転方法
Fst  運転方法
Gneu  基底負荷点
Gst  基底負荷点
m  質量流量
n  燃料量、燃料供給
P  出力
P_norm  標準出力
S  案内翼位置
Taus-ist  実際の排気ガス温度
Ti-ist  圧縮機入力温度
Ti-soll  所望圧縮機入力温度
TiTiso  タービン入力温度
TT1  タービン温度
W1  あらかじめ決定可能な値の対
W2  あらかじめ決定可能な値の対
Wx  値の対
Y_min  全燃焼所望値
【図１】
2017512275.tif 000003
【図２】
2017512275.tif 000004
【図３】
2017512275.tif 000005
【図４】
2017512275.tif 000006
【図５】
2017512275.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成28年11月1日(2016.11.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機入力温度(Ti-ist)と、一定のタービン入力温度(TiTiso)とにおいてガスタービン設備(10)を運転するための方法であって、
算出排気ガス温度(ATK)の上昇が、前記ガスタービン設備(10)の圧縮機(12)を通って流れる流れ媒体(14)の低下された質量流量(m)によって補償され、
初めに、
前記圧縮機入力温度(Ti-ist)が測定され、
次に、この圧縮機入力温度(Ti-ist)が所望圧縮機入力温度(Ti-soll)と比較され、前記所望圧縮機入力温度(Ti-soll)から、確定された圧縮機入力温度(Ti-ist)の差がある場合、前記流れ媒体(14)の前記低下された質量流量による前記上昇された算出排気ガス温度(ATK)のための前記補償が開始されることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記ガスタービン設備(10)が、30℃より高い圧縮機入力温度(Ti-ist)で運転されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記質量流量(m)の前記低下が、前記圧縮機(12)の少なくとも1つの案内翼(16)の調整を用いて引き起こされることを特徴とする、請求項1または2に記載の方法。
【請求項４】
前記算出排気ガス温度(ATK)の前記上昇が、タービン温度(TT1)の上昇を用いて引き起こされることを特徴とする、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記タービン温度(TT1)が燃料の燃料量(z)の増加によって引き起こされることを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記算出排気ガス温度(ATK)を変更するためにあらかじめ決定され得る値の対(W1、W2、Wx)が、前記圧縮機入力温度(Ti-ist)に従う案内翼位置(S)および燃料量(n)から引き出されることを特徴とする、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記流れ媒体(14)の前記低下された質量流量(m)による前記上昇された算出排気ガス温度(ATK)のための前記補償が、オイル予混合運転で開始されることを特徴とする、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
オイル予混合運転での前記ガスタービン設備(10)の運転と、オイル拡散運転での前記ガスタービン設備(10)の運転との関係(Q)が変更されることを特徴とする、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
燃料質量流量の拡散進行量(D)が、前記ガスタービン設備(10)の標準出力(P_norm)に従って、または、前記ガスタービン設備(10)の全燃焼所望値(Y_min)に従って調整されることを特徴とする、請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
30℃の圧縮機入力温度(Ti-ist)において、案内翼位置(S)と燃料量(n)とを含むあらかじめ決定可能な値の対(W1)が引き出され、50℃の圧縮機入力温度(Ti-ist)において、案内翼位置(S)と燃料量(n)とを含むあらかじめ決定可能な値の対(W2)が引き出されることと、30℃から50℃の間の圧縮機入力温度(Ti-ist)において、案内翼位置(S)と燃料量(n)とを含む値の対Wxが補間されることとを特徴とする、請求項1から9のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記流れ媒体(14)の前記低下された質量流量(m)とタービン温度(TT1)の上昇とを考慮した排気ガスに関連する制御および/または調節のために用いられる、請求項1から10のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
算出排気ガス温度(ATK)を制御するために用いられ、
制御変数(18)が前記算出排気ガス温度(ATK)であり、
作動変数(20)が案内翼位置(S)および燃料量(n)であり、
前記流れ媒体(14)の前記質量流量(m)の前記低下と、前記燃料量(n)の増加とによって、前記制御変数(18)の変更が引き起こされる、請求項1から11のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
請求項1から12の少なくともいずれか一項に記載の方法が実行され得るような手法で構成される機能的ユニット(24)を有するガスタービン設備(10)を運転するための配置(22)。
【請求項１４】
前記機能的ユニット(24)が確立装置(26)と制御ユニット(28)とを有し、両方が、少なくとも請求項1に記載の方法が実行され得るような手法で構成されることを特徴とする、請求項13に記載の配置。
【請求項１５】
少なくとも圧縮機(12)とタービン(30)とを有し、請求項1から12の少なくともいずれか一項に記載の少なくとも1つの方法が実施される技術的制御システム(32)を有し、請求項13または14のうちの少なくとも一方に記載の配置(22)を有するガスタービン設備(10)。
【国際調査報告】
2017512275.tif 000008
2017512275.tif 000009
2017512275.tif 000010
2017512275.tif 000011
2017512275.tif 000012
2017512275.tif 000013