(57)【要約】  本発明は、多段燃焼方式および／またはシーケンシャル燃焼方式によるガスタービンの運転方法に関する。この方法によれば、第２段または第２燃焼器のバーナが個々に順次、負荷増大中はスイッチオンされ、負荷低減中はスイッチオフされる。これと同時に、要求されているＣＯエミッション目標値に合わせてガスタービン運転温度および機関パワーを制御できるように、総燃料質量および圧縮機入口案内羽根が調節される。
2016513211.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多段燃焼方式および／またはシーケンシャル燃焼方式によるガスタービンの運転方法であって、
第２段または第２燃焼器の各バーナを、負荷増大中は順次スイッチオンし、負荷低減中は順次スイッチオフするとともに、
同時に、総燃料質量流および圧縮機入口案内羽根を調節して、要求されているＣＯエミッション目標値に合わせて、ガスタービン運転温度と機関パワーを制御できるようにする
ことを特徴とする、ガスタービンの運転方法。
【請求項２】
ガスタービンの負荷低減実行中、継続して作動するバーナが、より高いガスタービン負荷のときと同じ高温ガス温度で作動されるように、第２段または後続の燃焼器における各バーナを個別にスイッチオフするとともに、局所的タービン出口最高温度TAT2_strikeを維持するためにTAT2_avgを低減しながら、同時に、指定された負荷点を達成するために、VIGVを調節する、
請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記総燃料質量流および前記圧縮機入口案内羽根のポジションを、バーナのスイッチングプロセス中、一定のパワー出力となるように調節する、
請求項１記載の方法。
【請求項４】
ヒステリシスをもたせてバーナ弁をスイッチオンまたはスイッチオフする、
請求項１から３のいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
負荷低減のため、
ａ）少なくとも１つのバーナをスイッチオフするステップと、
ｂ）そのバーナのスイッチオフ前と同じ負荷を維持するため、VIGVを開くステップと
を有する、
請求項１から４のいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
負荷増大のため、
ａ）少なくとも１つのバーナをスイッチオンするステップと、
ｂ）そのバーナのスイッチオン前と同じ負荷を維持するため、VIGVを閉じるステップと
を有する、
請求項１から５のいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
目標負荷を達成するまでの過渡状態におけるプロセスは以下のステップを含む、すなわち、
ａ）VIGVを閉じることにより、ＣＯを増加させながら負荷を低減するステップと、
ｂ）ＣＯ制限値に達した場合には、個々のバーナをスイッチオフするステップと、
ｃ）継続して作動する各バーナに総燃料流を再分配するため、局所的高温ガス温度が一時的に上昇するステップと、
ｄ）燃料流の低減により高温ガス温度を望ましいレベルまで低減して、一時的な負荷低減を生じさせるステップと、
ｅ）目標負荷に戻すために、VIGVを開くステップと、
ｆ）目標負荷が達成されるまで、前記ステップａ）〜ｅ）に従い、負荷低減をさらに行うステップと
を含む、請求項１から６のいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記バーナのスイッチング点を、以下のパラメータすなわち、
ａ）ガスタービン負荷
ｂ）ＣＯエミッション値
ｃ）燃焼器の脈動
ｄ）タービン入口温度
ｅ）タービン出口温度
ｆ）タービン出口最高温度の測定値
ｇ）作動中のバーナの個数に応じた燃料質量流
ｈ）バーナ作動後に計算されたタービン入口温度
ｉ）燃料組成
ｊ）第２段または第２燃焼器への入口圧力
ｋ）第２段または第２燃焼器への入口温度
のうち１つのパラメータに合わせて、または複数のパラメータの組み合わせに合わせて制御する、
請求項１から７のいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
スイッチングされるバーナの位置は、
ａ）最大ＣＯエミッションを生じさせるバーナの識別
ｂ）第１燃焼器または第２燃焼器からの個々の出口温度の読み取り
ｃ）局所的なエミッション点の測定
ｄ）隣り合うバーナのグループ化
ｅ）スイッチングされるバーナの円周上の再調整
に基づく、
請求項１から８のいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
前記第１燃焼器および前記第２燃焼器は、アニュラ型アーキテクチャまたはカン型アーキテクチャまたはそれらの組み合わせを有している、
請求項９記載の方法。
【請求項１１】
吸入空気の温度を上昇させるため、圧縮機から生じた圧縮空気の一部分を吸入空気に付加可能である、
請求項１から１０のいずれか１項記載の方法。
【請求項１２】
圧縮されたまたは部分的に圧縮された圧縮機空気の一部の流れを、少なくとも前記第２燃焼器の上流に付加する、
請求項１から１１のいずれか１項記載の方法。
【請求項１３】
少なくとも１つの冷却空気温度および／または少なくとも１つの冷却空気質量流を、前記負荷に依存して制御する、
請求項１から１２のいずれか１項記載の方法。
【請求項１４】
ガスタービンであって、
少なくとも１つの圧縮機と、該圧縮機の下流に接続された第１燃焼器と、コントローラとが設けられており、
前記第１燃焼器の高温ガスが、少なくとも中間タービンへ供給され、あるいは直接または間接的に第２燃焼器へ供給され、
前記第２燃焼器の高温ガスがさらに別のタービンへ供給され、あるいは直接または間接的にエネルギー源へ供給される、
ガスタービンにおいて、
前記コントローラは、請求項１から１３のいずれか１項記載の方法に従いガスタービンを運転するように構成されていることを特徴とする、
ガスタービン。
【請求項１５】
前記ガスタービンの前記第１燃焼器および／または前記第２燃焼器の少なくとも１つのバーナへ向かう少なくとも１つの燃料管路内に配置された、個別のバーナ制御装置または遮断弁が設けられており、燃料分配システムが、第１燃料制御弁と、前記バーナへの燃料分配用の第１燃料主環状路とを有している、
請求項１４記載のガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多段燃焼方式および／またはシーケンシャル燃焼方式によるガスタービンの運転方法に関する。さらに本発明は、多段燃焼方式および／またはシーケンシャル燃焼方式によるガスタービンの運転方法を実施するためのガスタービンにも関する。
【背景技術】
【０００２】
非定常的に再生可能なエネルギー源（たとえば風や太陽光など）による発電が増えたことにより、ガスタービン（ＧＴ）ベースの既存の発電所は、電力需要のバランスをとるために、および送電設備網を安定化するために利用されることが多くなってきており、したがって運転フレキシビリティの向上が要求される。つまりこのことは、ガスタービン（ＧＴ）発電所をベース負荷設計ポイントよりも低い負荷すなわち低い燃焼器入口発火温度で運転することが多い、ということを意味する。ある一定の限界よりも低いと、火炎安定度が低下して燃焼が終了し、それに伴いＣＯエミッション生成物が増加する。
【０００３】
他方、エミッション制限値および総エミッション許容値もいっそう厳しくなっており、したがって、
・より低いエミッション値で運転すること
・累積エミッション制限値のためにも重要であることから、部分負荷運転時および過渡的な運転中も低エミッション値を維持すること
が要求される。
【０００４】
従来技術による燃焼システムは、運転条件のある程度の変動に対処できるように設計されており、その際にたとえば、圧縮機入口質量流の調節、あるいは異なる複数のバーナまたは燃料段または燃焼器での燃料分割のコントロールなどが行われる。この点に関しては、多段燃焼方式またはシーケンシャル燃焼方式のコンセプトによるガスタービンにおいて目標が達成される。なぜならば、第１段と第２段とを、または第１燃焼器と第２燃焼器とを、それぞれ異なる燃焼温度で運転可能なことからすでに、より広い負荷範囲にわたって運転を最適化できるからである。
【０００５】
欧州特許出願公開第０６４６７０４号明細書には、ガスタービンプラントを制御する方法が開示されている。このガスタービンプラントは主として、圧縮機ユニット（１）と、高圧燃焼室（４）と、高圧タービン（６）と、低圧燃焼室（９）と、低圧タービン（１２）と、発電機（１４）とにより構成されている。この場合、高圧燃焼室（４）のための燃料量（ＦＨ）が、補正温度信号によって調節される。この信号は、低圧タービン（１２）出口における温度値（Ｔ１３）を、その出口で検出可能な個々の温度上昇（ΔＴ）によって低減したものから成る。この温度信号（Ｔ１３−Δ１）は、低圧燃焼室（９）内に導入された燃料量（ＦＬ）により生じた温度上昇分（ΔＴ）を、低圧タービン（１２）出口で測定した温度から差し引くことによって得られる。低圧燃焼室（９）の燃料量（ＦＬ）のためには、低圧タービン（１２）出口の補正されていない温度信号が用いられる。
【０００６】
欧州特許出願公開第０６４６７０５号明細書には、タービンプラントにおいて部分負荷運転を行うことが提案されている。このガスタービンプラントは主として、圧縮機ユニット（１）と、この圧縮機ユニット（１）の下流に配置された高圧燃焼室（４）と、この高圧燃焼室（４）の下流に配置された高圧タービン（５）と、この高圧タービン（５）の下流に配置され自己着火により動作する低圧燃焼室（８）とにより構成されており、低圧燃焼室（８）の高温ガスが低圧タービン（１１）に作用する。低圧燃焼室（８）内の燃料量をゼロまで減少させることにより、高圧タービン（５）出口における温度が実質的に一定に維持される。低圧燃焼室（８）内の燃料量を減少させている間、高圧燃焼室（４）の燃料量は引き続きほぼ一定に維持され、したがって高圧タービン（５）入口における温度も同様に一定に維持される。
【０００７】
欧州特許出願公開第０７１８４７０号明細書によるガスタービンは、圧縮機（１）と、対応する高圧および低圧のタービン（６，１０）を備えた第１燃焼室および第２燃焼室（４，８）と、少なくとも１つの発電機（１３）とによって構成されている。ガスタービンの部分負荷運転は、負荷が定格負荷の５０％を下回るまで圧縮機の案内羽根を調節することによって達成される。調節が行われている間、高圧タービンの入口温度は一定に維持される一方、低圧タービンの入口温度は連続的に低下する。低圧タービンの出口温度は一定に維持される。案内羽根の調節を利用して達成されるこのような負荷よりもさらに負荷を小さくするため、最初に低圧タービンの入口温度を低減し、次に高圧タービンの入口温度を低減する。
【０００８】
欧州特許出願公開第０９２１２９２号明細書には、シーケンシャル燃焼方式で運転されるガスターボ発電機群の調整方法が開示されている。この方法によれば、第１燃焼室の運転に必要とされる燃料量が、まずは圧縮機出口における圧力に依存して制御される。この燃料量とこの圧力との比が、第１タービンへの入口に生じている温度とこの温度の目標値との偏差を表す係数によって、連続的に更新される。第２燃焼室の運転に必要とされる燃料量は、第２タービンへの入口に生じている圧力に依存して制御され、この燃料量とこの圧力との比も同様に、第２タービンへの入口の温度とこの温度の目標値との偏差を表す係数によって、連続的に更新される。このシステムのイナーシャすなわち作用の遅延は、このような圧力バックアップ制御によって抑圧される。
【０００９】
さらに環境保護の点から、ガスタービンエンジンのＣＯエミッションを低減しなければならない。このようなエミッションは、燃焼室内でＣＯからＣＯ2へ酸化するのに十分な時間がないときに、および／またはこの酸化が、燃焼器内で冷間領域に触れることで局所的に冷却されるときに、発生することが知られている。部分負荷条件のもとでは燃焼器入口温度および／または発火温度が低くなり、ＣＯからＣＯ2への酸化が緩慢になるので、ＣＯエミッションは通常、この条件のもとでは増加する傾向にある。
【００１０】
他方、ＣＯエミッションの低減は、ガスタービンの待機点におけるガスタービンの負荷を低減することによって、向上させることもできる。これによりＣＯ2（および場合によっては他の汚染物質）のエミッションが低減されることから、環境への影響が少なくなるし、エンジン待機中の燃料消費が減ることから、全体的な電気コストが抑えられる。さらにＣＯエミッションの低減は、ＣＯ触媒の節約になることから、原価の削減にも活用できる。この場合、ＣＯ触媒を用いないようにしてもよい（または少なくとも削減することができる）。これと同時に、触媒に起因して生じる損失もなくなることになり（あるいは少なくとも減少することになり）、したがってパワープラントの効率全体が上昇する。
【００１１】
米国特許出願公開第２０１２／００１７６０１号明細書によれば、このような背景技術の基礎を成すものとして、ガスタービンの運転方法が開示されており、この方法によれば、部分負荷運転中、第２燃焼器の作動バーナの空気比λが最大空気比λmaxよりも小さくなるように保持される。この方法の特徴は基本的に、３つの新たな要素が設けられていること、および単独でまたは組み合わせて用いることのできる複数の測定が追加されていること、にある。
【００１２】
この場合、最大空気比λmaxは、ＣＯエミッション制限値に依存する。ここでＣＯエミッション制限値は、バーナおよび燃焼器の設計仕様に基づき、さらには運転条件すなわち特にバーナ入口温度にも基づいて観測されるべきものである。
【００１３】
１つめの要素は、部分負荷が高まったときだけ第２燃焼器を作動状態にすることができるよう、複数の可変の圧縮機入口案内羽根列の運転方式を変更することである。この場合、無負荷運転からスタートして、第１燃焼器だけが作動されている期間中、可変の圧縮機入口案内羽根列はすでに開かれた状態にある。これによって第２燃焼器を作動させるべき時点よりも前に、比較的高い負荷まで負荷上昇させることができる。可変の圧縮機入口案内羽根列が開かれた状態にあり、かつ高温ガスの温度または高圧タービンのタービン入口温度が限界値に達したならば、第２燃焼器に燃料が供給される。
【００１４】
これに加えて、可変の圧縮機入口案内羽根列が迅速に閉じられる。何の対策を施すことなく、高圧タービンのタービン入口温度ＴＩＴが一定のときに可変の圧縮機入口案内羽根列を閉じると、相対的なパワーが著しく低下してしまうことになる。
【００１５】
このようなパワー低下を回避するために、第２燃焼器へ導入される燃料の質量流を高めることができる。そのため、第２燃焼器を作動状態にするときの最小負荷と、第２燃焼器への最小燃料流が著しく増大する。
【００１６】
その結果、第２燃焼器の最小の高温ガス温度も高められ、これによって空気比λが低減され、それゆえＣＯエミッションも低減される。
【００１７】
空気比λを低減するための２つめの要素は、高圧タービンＴＡＴ１のタービン排気温度および／または低圧タービンＴＡＴ２のタービン排気温度ＴＡＴ２のタービン排気温度を、部分負荷運転中、上昇させることによって、運転方式を変更することである。このような上昇により、可変の圧縮機入口案内羽根列を開放して、より高い負荷点へシフトさせることができるようになる。
【００１８】
通常、第２タービンの最大タービン排気温度は、全負荷のケースに対して決定され、ガスタービンおよび場合によっては下流の損失熱ボイラは、この温度に従って設計される。これにより第２タービンの高温ガス最大温度は、可変の圧縮機入口案内羽根が閉じられた状態にある部分負荷運転中、ＴＩＴ２（第２タービンのタービン入口温度）によって制限されるのではなく、ＴＡＴ２（第２タービンのタービン排気温度）によって制限されることになる。可変の圧縮機吸気案内羽根の少なくとも１つの列が閉じられた状態にある部分負荷のとき、質量流が低減され、それゆえタービンを介した圧力比が低減されるので、タービン入口温度とタービン排気温度との比も低減される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】欧州特許出願公開第０６４６７０４号明細書
【特許文献２】欧州特許出願公開第０６４６７０５号明細書
【特許文献３】欧州特許出願公開第０７１８４７０号明細書
【特許文献４】欧州特許出願公開第０９２１２９２号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２０１２／００１７６０１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
従来のコンセプトは、部分負荷範囲全体にわたりＣＯエミッション値を所定値に制御するのに十分であるとはいえず、これは機械的健全性の理由から実行可能な発火温度上昇が制限されていることに起因する。
【００２１】
本発明によれば、第２段または第２燃焼器において作動させるバーナの個数と、圧縮機入口案内羽根のポジションを同時に制御することにより、上述の制限に取り込んでおり、それによって、タービン運転温度を上昇させてしまうことなく、十分に低い空燃比で個々のバーナを作動させることができる。
【００２２】
したがって本発明によって解決される主要な技術的問題点とは、低負荷におけるガスタービン燃焼性能を、ＣＯエミッション、安定燃焼およびシーケンシャル型機関に対する燃焼効率の点で改善し、それによって運転のフレキシビリティを高めることができるようにすることである。
【００２３】
たとえば欧州特許出願公開第０６２０３６２号明細書に従い、たとえばGT24/GT26として知られている出願人によるシーケンシャル燃焼方式ガスタービンなどのようなガスタービンの負荷軽減を行う場合、機関の負荷がもっと高かったときと同じ高温ガス温度でバーナが作動し続けるように、そしてそれによって同じ低ＣＯエミッション値が維持されるように、第２段の各バーナが順次、個別にまたはグループごとにスイッチオフされる。なお、この文献は明細書の一部分を成すものである。TAT_strike（局所的タービン出口最高温度）は変化しないまま維持され、その結果、TAT2（第２タービンのタービン出口平均温度）が低下する。その理由は、タービン出口温度は、スイッチオフされたバーナの下流で局所的に低減するからである。
【００２４】
作動中のバーナの下流において十分に高いガス温度を維持する目的で、圧縮機のVIGV（可変入口案内羽根）が調節される。負荷軽減のため、１つまたは複数のバーナがスイッチオフされると同時に、同じパワー出力を維持する目的で、VIGVを開くことができる。負荷を加えるためには、１つまたは複数のバーナがスイッチオンされると同時に、同じパワー出力を維持する目的で、VIGVを閉じることができる。負荷設定点を僅かに下げる目的で、１つのバーナをスイッチオフすべき場合、高温ガスの局所的温度制限ゆえに、燃料質量流がより少なくなるように制御されることになり、その結果として負荷が減少することになる。このことは、指示された設定点まで負荷を調節するためにVIGVを開くことで補償される。VIGVを開くことにより吸入質量流が増加し、したがってアクティブなバーナへ向かう質量流を増加させることができる。さらに、第２タービンにおける圧力比が増大され、それによってTAT_strikeが変わらないまま、継続して作動中のバーナの高温ガス温度が増加する（同様に逆の順序で負荷が加えられる）。
【００２５】
これらの研究結果からこのコンセプトを、アニュラ型アーキテクチャおよび／またはカン型アーキテクチャにおいて（高圧タービンを備えたまたは備えていない）シーケンシャル燃焼方式で動作する機関に適用することができる。
【００２６】
シーケンシャル燃焼方式に関して、燃焼器の組み合わせを以下のように配置することができる。すなわち、
・少なくとも１つの燃焼器が、少なくとも１つの作動タービンを含むカン型アーキテクチャとして構成されている。
・第１燃焼器も第２燃焼器も双方ともに、少なくとも１つの作動タービンを含むカン型−カン型のアーキテクチャとして構成されている。
・第１燃焼器はアニュラ型燃焼室として構成されており、第２燃焼器はカン型コンフィギュレーションとして設けられており、これには少なくとも１つの作動タービンが含まれている。
・第１燃焼器はカン型アーキテクチャとして構成されており、第２燃焼器はアニュラ型燃焼室として構成されており、これに少なくとも１つの作動タービンが含まれている。
・第１燃焼器も第２燃焼器も双方ともに、少なくとも１つの作動タービンを含むアニュラ型燃焼室として構成されている。
・第１燃焼器も第２燃焼器もともにアニュラ型燃焼チャンバとして構成されており、これには中間作動タービンが設けられている。
【００２７】
これまで述べてきた方法に加えて、この方法を実施するためのガスタービンも本発明の対象である。採用した方法または方法の組み合わせに応じて、ガスタービンの設計を適応させるべきであるし、および／または、本発明による方法を確実に実施できるようにするために、燃料分配システムおよび空気システムを適応させるべきである。
【００２８】
特に製造公差によっても、運転中の圧力損失および流量が異なるようになる。これらの公差は、通常運転中の動作の挙動特に高い部分負荷と全負荷における動作の挙動に実質的に影響が及ぼされないように選定される。ただし、高い空気比λを有する部分負荷において燃焼器のカンは、僅かな外乱であってもＣＯエミッションに重大な影響を及ぼす可能性のある条件のもとで運転される。
【００２９】
様々な実施形態に従い、プロセスを実施することができる。第１の実施形態では、測定された平均排気温度TAT2が用いられる。
１．TAT2（低圧タービンの測定された平均排気温度）の制御を伴う過渡状態のプロセス：
１．１．ＣＯ制限値に達するまでガスタービンの負荷を低減する。
１．２．負荷を減少させるために、第２燃焼器もしくは第２段の個々のバーナをスイッチオフする。バーナのスイッチオフにより、継続して作動中のバーナへ向かう燃料流の再分配が行われ、その結果に伴い、高温ガスの局所的温度が上昇する。これに加え、最高TAT2の読み取り値と算術平均との差が増加する。燃料流が一定であるならば、負荷はほぼ一定に維持される。
１．３．平均TAT2制限値の設定によって、あるいは測定されたTAT_strikeを用いた、または測定されたTAT_strikeから許容可能な最高TAT_strikeまでの余裕度を用いた、TAT2の制御によって、バーナ作動後の高温ガスの局所的温度が目標温度に合わせて制御される。TAT2制限値を、たとえば相対的な負荷または作動中のバーナの個数に基づき設定することができる。TAT2制限値の変化に起因して、燃料質量流が減少し、その結果、パワーが低減される。
１．４．目標負荷を達成するために、現在の負荷が入口案内羽根によって最終調整され、それによって上述のように意図したとおりにＣＯエミッションが低減されることになる。入口案内羽根を開くと、TAT2は低下する。再び目標負荷までパワーを増加させるために、燃料流を増大させることができる。
【００３０】
２つのパラメータすなわち、TAT2制限値の設定またはTAT2制限値の制御と、スイッチオフされたバーナの個数とによって、いずれの負荷点についてもＣＯエミッションおよび高温ガス温度制限値を調節することができる。
【００３１】
第２の実施形態では、測定された平均の局所的最高排気温度（TAT_strike）が用いられる。
２．局所的最高排気温度の制御によるプロセス：
２．１．ガスタービンの低負荷時、ＣＯ制限値に達する。
２．２．ＣＯ低減のため第２燃焼器または第２燃焼段の１つのバーナをスイッチオフする。その際、スイッチオフされたバーナにそれまで注入されていた燃料が、継続して作動中のバーナに再分配され、それによって高温ガスの局所的温度が回復される。
２．３．TAT2_strike（第２タービンの測定された局所的排気最高温度）が許容可能な最高値を超えて上昇したならば、コントローラは、平均TAT2設定点を下げることにより、燃料質量流を低減する。燃料質量流が低減されることで、パワーが低減される。
２．４．目標負荷は入口案内羽根によって最終調整され、それによって上述のように意図したとおりにＣＯエミッションが低減されることになる。入口案内羽根を開くと、TAT2は低下する。再びパワーを増加させるために、燃料流を増大させることができる。
【００３２】
スイッチオフされたバーナにおいて、TAT2制限値の使用と同等にTAT2_strikeを利用することができる。本願で開示した方法とは対照的に、従来技術では比較的低い負荷に対し、TAT2制限値が一定に保持されていた。ＣＯエミッションを制御するために、作動中のバーナの個数が利用され、いずれの負荷点についてもこの個数を調整することができる。
【００３３】
さらに、本発明による運転方法は、スイッチングすべきバーナの位置についても着目しており、これは、局所的なエミッションポイントの測定を保管しておき、最大のＣＯエミッションを発生するバーナの識別と、第１燃焼器または第２燃焼器から読み取られた個々の出口温度とに基づき規定される。
【００３４】
本発明の利点は以下の通りである：
・ガスタービンの運転範囲を、定められたＣＯエミッション制限値において、より低い負荷点まで拡げることができる。
・低い負荷点において発電プラントの空気許容制限値まで、ＣＯエミッションを減少させることができる。
・TAT_strikeの上昇に起因する耐用期間への悪影響がない。
・このようなより低い負荷範囲において、運転時間または負荷勾配に関して制限がない。
・ＣＯ発生の主要因であるバーナ（たとえばスプリットラインバーナ）をターゲットとして、最初にスイッチオフすることができ、これによって最大の利点が得られる。
・最適化されたエミッションおよび耐用期間のために、プロセスを閉ループ制御することができる。
・過度に頻繁なバーナのスイッチングを避けるため、負荷が変動したときにヒステリシスをもたせてバーナ弁をスイッチオンまたはスイッチオフする。
【００３５】
本発明に付随して得られる利点は以下の通りである：
特により小さい部分負荷条件において、ＣＯエミッションが低減される。したがってこのガスタービン発電プラントによって、電力範囲が拡げられた送電網をサポートすることができる。これに加え、パワープラントのオペレータによって低いパワー出力が目標とされている期間中、ガスタービンをより低い負荷で待機させておくことができる。
・負荷の範囲が拡がったことで、送電網を支えるためにこのパワープラントが利用される機会が増える。なぜならば、再生可能な電力が貢献する割合が増えるにつれて、負荷のフレキシビリティがいっそう重要になるからである。
・電力需要が低い期間中、発電プラントをより低い負荷で待機させておくことができ、これによって燃料消費が少なくなり、電気コスト全体が低減されることになる。
・ＣＯエミッションが低減されることから環境に恩恵がもたらされ、待機点がより小さくなり（つまりは燃料消費とＣＯ2生成が少なくなり）、あるいはこれら両方の利点の組み合わせが得られる。
・高価なＣＯ触媒を省くことができ、したがって原価が低減される。
【００３６】
燃焼器の複数のカンの間で希釈空気を切替／変更する手段を含む構成を利用することにより、さらに以下の利点を得ることができる：
・第１燃焼器内の酸化源によるＣＯ酸化に対するボリュームが増加することにより、上述のすべての利点とともにＣＯ低減が得られる。
・それぞれ異なるカン型燃焼器間の周囲温度勾配が低減される。したがってタービン吸気特性が改善され、タービン部品の耐用期間が改善される。
【００３７】
規定されたＣＯおよびタービン出口最高温度のためのコントロールロジックは、相対的負荷、作動中のバーナの個数、TAT_strikeなどのような一定のパラメータに依存してコントロールを行う。このことも本発明に不可欠な点である。
【００３８】
次に、図１〜図３を参照しながら、実施形態に基づき本発明について説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明による方法を実現するためのシーケンシャル燃焼方式によるガスタービンを概略的に示す図
【図２】複数のバーナを備えた第２燃焼器を概略的に示す断面図
【図３】バーナ切替および温度とVIGVの制御による運転コンセプトを概略的に示す図
【発明を実施するための形態】
【００４０】
図１には、本発明による方法を実現するための、シーケンシャル燃焼方式によるガスタービンが概略的に示されている。このガスタービンは、圧縮機１、複数のバーナ９と燃焼室４から成る第１燃焼器４′、第１タービン７、複数のバーナ９′と燃焼室１５から成る第２燃焼器１５′、および第２タービン１２によって構成されている。典型的にはこれには発電機１９が含まれており、これはガスタービンのコールドエンドすなわち圧縮機１のところで、ガスタービンのシャフト１８と結合されている。第１燃焼器４′および第２燃焼器１５′を、アニュラ型アーキテクチャまたはカン型アーキテクチャとすることができる一方、第１タービン７はオプションである。
【００４１】
カン型アーキテクチャは、タービンシャフト周囲に環状アレイとして配置されたカンが後ろに設けられた複数のバーナを有しており、これによってカン４，１５それぞれの個々の燃焼運転が可能となり、燃焼プロセス中に個々のカンどうしで有害な相互作用を生じさせない。
【００４２】
アニュラ型アーキテクチャは、タービンシャフト周囲に環状アレイとして配置された複数のバーナを有しており、それらの後ろには環状燃焼室４，１５が設けられており、これによってそれぞれ異なるバーナ間の火炎伝播が可能となる。
【００４３】
燃料、ガスまたはオイルは、燃料供給路５を介して第１燃焼器４′のバーナ４へ案内され、圧縮機１において圧縮された空気と混合され、燃焼室４内で燃焼される。高温ガス６は、後続の第１タービン７内で部分的に膨張し、これによって仕事が行われる。
【００４４】
第２燃焼器が作動するとただちに、付加的な燃料が燃料供給路１０を介して、第２燃焼器１５′のバーナ９′内の部分的に膨張したガス８に加えられ、第２燃焼室１５内で燃焼される。高温ガス１１は、後続の第２タービン１２内で膨張し、これによって仕事が行われる。有利には、コンバインドサイクル発電プラントの排熱ボイラまたは他の排熱利用手段に、排気ガス１３を供給することができる。吸入質量流を制御するために、圧縮機１は、少なくとも１つの可変の圧縮機入口案内羽根列１４を有している。
【００４５】
付加的なオプションとして、吸入空気２の温度を上昇させることができるようにする目的で、凍結防止管路２６を設けることができ、この管路を介して、圧縮空気３の一部分を吸入空気２へ加えることができる。制御のために、凍結防止制御弁２５が設けられている。これは通常、圧縮機１が凍結するリスクを事前に防ぐ目的で、寒冷時、大気中の空気の水分が比較的多いときに用いられる。
【００４６】
この実施例では、圧縮空気３の一部分が高圧冷却空気２２として取り出され、高圧冷却空気冷却器３５によって再冷却され、第１燃焼器４′（冷却空気管路は図示せず）と第１タービンへ冷却空気２２として供給される。
【００４７】
この実施例では、高圧タービン７へ供給される高圧冷却空気２２の質量流を、高圧冷却空気制御弁２１によって制御することができる。
【００４８】
高圧冷却空気２２の一部分はいわゆる搬送空気２４として、第２燃焼器１５′におけるアニュラ型燃焼室１５のバーナ９′のバーナランスへ供給される。この場合、搬送空気制御弁１７によって、搬送空気２４の質量流を制御することができる。
【００４９】
空気の一部分が部分的に圧縮されて圧縮機１から取り出され、低圧冷却空気冷却器３６によって再冷却され、冷却空気２３として第２燃焼器１５′の燃焼室１５と第２タービンへ供給される。さらに別のオプションとしてこの実施例では、冷却空気制御弁１６によって、冷却空気２３の質量流を制御することができる。
【００５０】
１つまたは複数の燃焼器の構造をアニュラ型燃焼器とすることができ、これにはたとえば多数の個別のバーナ９もしくは９′が設けられており、この構造については第２燃焼器の具体例として、図２に概略的に示されている。図２に示されているように、これらのバーナ９もしくは９′の各々に、燃料分配システムおよび燃料供給路１０を介して燃料が供給される。
【００５１】
図２には、具体例として第２燃焼器１５′の断面が示されており、これはシーケンシャル燃焼方式によるガスタービンのアニュラ型燃焼室として構成されており、さらにこの図には、個々のバーナ９′へ向かう燃料主環状路３０を備えた燃料分配システムも示されている。複数のカンから成る第２燃焼室１５に関しても、同じ燃料分配を行うことができる。バーナ９′には、バーナ９′各々を非作動状態にするための個別オン／オフ弁３７が設けられており、これによって第１燃焼器４′および第２燃焼器１５′の個々のバーナ９，９′に至る燃料供給路１０内の燃料の流れが制御される。
【００５２】
個別オン／オフ弁３７を閉じることにより、アニュラ型燃焼室１５の個々のバーナ９′（またはすべてのカンのバーナ）への燃料供給が停止され、オプションとして、燃料を残りのバーナ９′へ分配することができ、その際、燃料の質量流全体は制御弁２８を介して制御される。その結果、作動中のバーナ９の空気比λが低減される。部材２０によって、ガスタービンの外部ハウジングが表されており、これには圧縮機およびタービンと接続されたステータ装置（図示せず）が含まれている。
【００５３】
図３には、バーナのスイッチ／オフ、温度およびVIGVの制御による運転コンセプトが、（「本来の」として表された）従来のプロセスと対比して示されている。ガスタービンの負荷低減を行う場合、第２段における個々のバーナ１００が順次、スイッチオフされ、その際、残りのバーナ１００はより高い機関負荷のときと同じ高温ガス温度で作動し、これによって同じ低ＣＯミッションを維持する。
【００５４】
元々の標準的な運転コンセプトであれば、局所的タービン出口最高温度TAT2_strike２００を一定に維持する目的で、これがバーナの高温ガス最高温度と相関しているかぎり、TAT2_avg３００が低減されていた。同じパワー出力を維持するために、同時にVIGV４００を開くことによって、このことが達成される。
【００５５】
本来の方法と、本発明による新しい運転方法に関して、図３に示した特性曲線は、定性的に考察されるものである。これらの特性曲線（１００〜４００）のそれぞれ異なる形状は概略的なものであり、本発明の目標を達成するための基礎を成すものである。
【符号の説明】
【００５６】
１  圧縮機
２  吸入空気
３  圧縮空気
４  第１燃焼室（アニュラ型燃焼室／カン）
５  燃料供給路
６  高温ガス
７  第１タービン
８  部分的に膨張した高温ガス
９  第１燃焼器のバーナ
１０  燃料供給路
１１  高温ガス
１２  第２タービン
１３  排気ガス（排熱ボイラ用）
１４  可変の圧縮機入口案内羽根
１５  第２燃焼室（アニュラ型燃焼室／カン）
１６  低圧冷却空気制御弁
１７  搬送空気制御弁
１８  シャフト
１９  発電機
２０  ガスタービンの外部ボディハウジング
２１  高圧冷却空気制御弁
２２  高圧冷却空気
２３  冷却空気
２４  搬送空気
２５  凍結防止制御弁
２６  凍結防止管路
２８  燃料制御弁
２９  燃料供給路
３０  燃料主環状路
３５  高圧冷却空気冷却器
３６  低圧冷却空気冷却器
３７  個別オン／オフ弁
TAT  タービン排気温度
TAT1  第１タービンのタービン排気（出口）温度
TAT2  第２タービンのタービン排気（出口）温度
TIT  タービン入口温度
TIT1  第１タービンのタービン入口温度
TIT2  第２タービンのタービン入口温度
４′  第１燃焼器
９′  第２燃焼器のバーナ
１５′  第２燃焼器
１００  バーナの個数
２００  新たらしいもしくは本発明によるTAT2_strike
２００ａ  本来のもしくは従来技術によるTAT2_strike
３００  新しいもしくは本発明によるTAT2_avg (avg = 平均)
３００ａ  本来のもしくは従来技術によるTAT2_avg
４００  新しいもしくは本発明によるVIGV
４００ａ  本来のもしくは従来技術によるVIGV
VIGV  圧縮機入口案内羽根
AEV  予混合バーナ、特に第１燃焼器用
SEV  再熱バーナ、特に第２燃焼器用
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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