JP2013142402A - ガスタービンを運転する方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】液体燃料から気体燃料への変更及び気体燃料から液体燃料の変更の間の改良された運転であって、この運転は、高い連続性によって特徴付けられかつ関連する運転パラメータの突然の変化のない、運転を提供する。
【解決手段】ガスタービン（１０）を運転する方法であって、前記ガスタービンは、気体質量流量から成る気体燃料（Ａ）及び／又は油質量流量から成る油燃料（Ｂ）で選択的に運転され、前記ガスタービン（１０）の負荷運転中に前記気体燃料（Ａ）を用いる運転モードと前記油燃料（Ｂ）を用いる運転との変更が行われ、少なくとも前記油燃料（Ｂ）を用いる運転モードにおいて水質量流量の水付加（１１）が提供される方法において、
前記運転モードの変更中の燃料質量流量に対する付加される水質量流量の比（Ωnorm）が、
Figure 2013142402

に従って決定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、天然ガスのような気体燃料及び／又は油のような液体燃料を用いて選択的に運転させられるガスタービンを運転する方法であって、気体燃料を用いる運転と液体燃料を用いる運転との変更がガスタービンの負荷運転中に行われ、少なくとも液体燃料を用いる運転が水を加えながら行われる、方法に関する。
ガスタービンのバーナを気体燃料及び／又は液体燃料で運転することは、現代のガスタービン技術の分野における十分に公知の手段である。さらに、液体燃料を用いるガスタービンの運転中の燃焼不安定を低減するために及びＮＯｘ排出を低減するために燃料流に水を加えることが知られている。負荷運転が１つの燃料から他の燃料へ変更される時には、特定の困難が課せられる。第１の燃料、第２の燃料及び水の質量流量の適切な制御は、この段階の間のガスタービンの運転を維持するための基本的な前提条件である。
液体燃料から気体燃料への変更の場合に、第１の燃料の質量流量は、移行段階の間に連続的に減じられ、それと同時に、気体燃料の供給が増大される。これに並行して、水供給の減少が要求される。
従来技術の解決手段によれば、水供給は、比Ωに基づいて、油質量流量に基づき制御される。
この場合、Ωは、関係式
Figure 2013142402
 に従って水と液体燃料の質量流量の比として定義される。
さらに、正規化された比Ωを決定するために、特に、一定の係数を有するガスタービンの設計形式に依存して、この基本関係式の被除数及び除数を拡張することが知られている。このことから、関係式
Figure 2013142402
 が得られる。
式１及び２に基づく水供給の制御は、油質量流量が減少しながら限界まで拡張させられることは容易に明らかである。除数
Figure 2013142402
がゼロへ次第に近づくと、関係式は不定となる。したがって、液体燃料から気体燃料へ切り換えるために、前記関係式は、少なくとも最終段階の間は、水供給のための計算基準として使用することはできない。なぜならば、段階ごとの望ましくない運転パラメータが続くからである。この相互関係は明白である。
逆の場合、すなわち気体燃料から液体燃料へ切り換える間、この問題は同様に存在するが、その場合は、初期の油供給による開始段階においてである。
公知のように、この現象は、図２から明らかな運転原理によって対抗される。この運転原理において、Ωベースの運転原理は、位相段階全体にわたって維持されるのではなく、十分に大きな油質量流量が供給される限り維持されるだけである。この後、水付加の段階的な減少の形式で、別の運転制御への切り換えが行われる。１つの運転制御から別の運転制御への切換えが行われる限界値は、習慣的に、気体燃料と液体燃料との質量流量比が約０．８である時に存在する。この限界値よりも高い値では、水付加の段階的な減少は、伝達関数に従って、ゼロまで又はプラント特定の最小流量まで行われる。
従来技術によるこの運転形態においては、あるパラメータが、移行中に連続的に動くのではなく、ある不連続性を生ずるということが不利である。
したがって、本発明の課題は、前記従来技術の欠点を克服するガスタービンを運転する方法を提供し、かつ液体燃料から気体燃料への変更及び気体燃料から液体燃料の変更の間の改良された運転であって、この運転は、高い連続性によって特徴付けられかつ関連する運転パラメータの突然の変化のない、運転を提供することである。
この課題は、独立請求項に記載のガスタービンを運転する方法によって解決される。発明の別の実施の形態及び有利な発展形は、従属請求項及び発明の詳細な説明から得られる。
本発明は、移行段階の間の燃料質量流量に対する加えられる水の質量流量の比が以下の関係
Figure 2013142402
 に従って決定されるという技術的な原則を有する。
本発明は、供給される油質量流量からの等価出力
Figure 2013142402
のみに基づいて、供給される水質量流量をもはや規定するのではなく、２つの燃料によって全体で導入される熱出力に基づいて、関係式２の除数に付加的に組み込まれた別のパラメータによって、特に、気体燃料によって導入される熱出力
Figure 2013142402
によって規定するという考えに基づく。この手段により、ゼロに近づく関係式の除数と、これによる不定の比とが、表面的に回避される。
多くの利点は、驚くべきことに、式３に基づいて水付加を制御することに関連している。１つには、移行段階の最後に向かって続く過剰な水質量流量の効果が回避される。さらに、これによれば、式２に基づく公知の方法の場合には絶対的に必要であるような別の伝達関数への移行は、もはや不要であり、第２の伝達関数への移行のための燃料質量流量比の限界値の規定は省略される。これら全ては、燃料変更の運転領域のための制御コストを減じる。さらに、方法の連続性が高められる。
本発明は、気体燃料又は液体燃料によって選択的に運転することができるガスタービンにも関し、ガスタービンの負荷運転中に複数の異なる燃料タイプ間で変更を行うことができ、燃料への水付加は、少なくとも、液体燃料を用いる運転モードにおいて提供され、本発明によれば、運転モード間の変更中の燃料質量流量に対する付加される水質量流量の比は、
Figure 2013142402
 に従って規定される。
特に、本発明は、ガスタービンの運転を制御するための制御装置に関し、制御装置は、特に、ガスタービンの運転のための水付加を制御するために設計されており、ガスタービンは、気体質量流量から成る気体燃料及び／又は油質量流量から成る油燃料を用いて選択的に運転することができ、気体燃料を用いる運転モードと油燃料を用いる運転モードとの間の変更は、ガスタービンの負荷運転中に行われ、水質量流量の供給は、少なくとも、油燃料を用いる運転モードの間に提供される。本発明によれば、制御装置によって、運転モード間の変更の間の燃料質量流量に対する加えられる水質量流量の比（Ωnorm）は、
Figure 2013142402
 に従って決定される。
本発明は、前記形式の制御装置を作動させるためのコンピュータプログラム製品にも関する。
引き続き、本発明の他の実施の形態及び利点が、図面に関連した典型的な実施の形態に基づきより詳細に説明される。
ガスタービンの運転のための気体燃料供給、油燃料供給及び水供給を備えたガスタービンの概略図である。 従来技術において決定される水質量流量比を示すグラフである。 本発明において決定される水質量流量比を示すグラフである。 ガスタービンの２つの運転モードの変更中の質量流量及び質量流量比を示す図である。
図１は、ガスタービン１０を概略的に示している。ガスタービン１０は、気体質量流量から成る気体燃料Ａ及び／又は油質量流量から成る油燃料Ｂによって選択的に運転することができる。気体燃料Ａ及び油燃料Ｂの供給は概略的に示されている。定常運転中、ガスタービン１０は、好適には、気体燃料Ａのみ又は油燃料Ｂのみで運転される。
タービンの負荷運転中、ガスタービン１０のタービン出力Ｌを著しく変化させることなく運転モードの変更を行うことができる。この場合、例えば、気体燃料Ａを用いるガスタービン１０の運転から油燃料Ｂを用いるガスタービン１０の運転への移行を行うことができる。
少なくとも燃料Ａから燃料Ｂへの段階の間、しかしながら油燃料Ｂを用いるガスタービン１０の定常運転に関連しても、油燃料Ｂの供給に加えて水質量流量がガスタービン１０に付加されるようにガスタービン１０の運転のために水付加１１を提供することができる。
この場合、気体燃料Ａの質量流量は
Figure 2013142402
によって示されており、油燃料の質量流量は
Figure 2013142402
によって示されている。水付加は、水質量流量
Figure 2013142402
と称される。
図２は、付加される水質量流量
Figure 2013142402
の水質量流量比Ωでガスタービン１０を運転する方法を示しており、水質量流量比Ωnormは、従来技術を再現する式２によって決定される。
図２には、油燃料Ｂを用いるガスタービン１０の運転モードから気体燃料Ａを用いるガスタービン１０の運転モードへの変更が示されている。燃料質量比
Figure 2013142402
は横座標にプロットされており、縦座標は、式２から決定される水質量流量比Ωを示している。
Figure 2013142402
の燃料質量比の場合、水の付加は、オメガ制御される運転モード（Ω）の間、公知の形式で行われる。式２の分母における油質量流量
Figure 2013142402
が減少する結果、水質量流量
Figure 2013142402
は次第に増大し、例えば燃料質量比
Figure 2013142402
が０．８の場合に、２．５を超える水質量流量比Ωが達成される。燃料質量比
Figure 2013142402
が０．８よりもさらに増大すると、式２に従えば、公知のステップ制御される運転モード（Ｓ）の形式の運転モードが行われるように、噴射される水の体積は急速に増加し、水質量流量はゆっくりと調整される。その結果、特に油燃料Ｂを用いる運転モードから気体燃料Ａを用いる運転モードへの変更中に水質量流量が急激に増大する恐れがあるので、水質量流量比Ωの望ましくない特性曲線が続く。
図３は、燃料質量比
Figure 2013142402
に関する水質量流量比Ωの特性曲線を示しており、水質量流量比Ωは本発明に従って式３によって決定される。
水質量流量比Ωは、１の値よりも高くならない。好適には、水質量流量比Ωは、０．７の値、特に０．６の値よりも高くならない。ガスタービン１０が気体燃料Ａのみ又は油燃料Ｂのみによって運転される示された運転モードにおいて、従来技術による、図２にも示されたような水付加１１は行われない。これに関して、水付加１１を行わないガスタービン１０の運転モードも知られていることに注意すべきである。しかしながら、気体燃料Ａを用いる運転モードと油燃料Ｂを用いる運転モードとの間で変更が行われる場合、水付加１１が提供される。その結果、水質量流量比Ωは、気体燃料Ａのみに基づく運転中にゼロの値になるように示されており、水質量流量比Ωは、ガスタービン１０が油燃料Ｂのみで運転される場合にもゼロの値を有する。
図４は、最後に、油質量流量
Figure 2013142402
及び気体質量流量
Figure 2013142402
に関する水質量流量比Ωの特性曲線を示している。移行の開始の時点ｔ0において、油質量流量
Figure 2013142402
は減じられ、気体質量流量
Figure 2013142402
の供給が開始される。その結果、時点ｔ0において、油質量流量
Figure 2013142402
は減少し、気体質量流量
Figure 2013142402
は増大する。油燃料Ｂを用いる運転モードには水付加１１が提供され、ガスタービン１０が油燃料Ｂで運転される、時点ｔ0の前の期間において、水質量流量
Figure 2013142402
はほぼ一定である。
その結果、油燃料Ｂを用いる運転モードから気体燃料Ａを用いる運転モードへの変更が行われる時点ｔ0まで一定の値を有する、水質量流量比Ωの示された特性曲線が続く。したがって、水質量流量比Ωは連続的に減少し、ガスタービン１０が気体燃料Ａのみで運転されるならば、水付加１１がゼロになることができる。
この実施の形態における発明は、前に開示された好適な典型的な実施の形態に限定されない。それに対して、基本的に異なる実施の形態を備えるとしても、前述の解決手段を利用する多数の態様が考えられる。請求項、詳細な説明又は図面から発生する構成の詳細、空間的配置及び方法ステップを含む全ての特徴及び／又は利点は、別々に及びほとんどの多様な組合せにおいて発明のために本質的であってよい。
１０ ガスタービン
１１ 水付加
Ａ 気体燃料
Ｂ 油燃料
Ｌ タービン出力
ｔ0 移行の開始の時点
Ω，Ωnorm 水質量流量比
Figure 2013142402
ＬＨＶoil 油の低位発熱量
ＬＨＶgas 気体の低位発熱量
ＬＨＶnorm 正規化された発熱量
Ω Ω制御される運転モード
Ｓ ステップ制御される運転モード

Claims (12)

  1. ガスタービン（１０）を運転する方法であって、前記ガスタービンは、気体質量流量
    Figure 2013142402
    から成る気体燃料（Ａ）及び／又は油質量流量
    Figure 2013142402
    から成る油燃料（Ｂ）で選択的に運転され、前記ガスタービン（１０）の負荷運転中に前記気体燃料（Ａ）を用いる運転モードと前記油燃料（Ｂ）を用いる運転モードとの変更が行われ、少なくとも前記油燃料（Ｂ）を用いる運転モードにおいて水質量流量
    Figure 2013142402
    の水付加（１１）が提供される方法において、
    前記運転モードの変更中の燃料質量流量に対する付加される水質量流量
    Figure 2013142402
    の比（Ωnorm）が、
    Figure 2013142402
     に従って決定されることを特徴とする、ガスタービン（１０）を運転する方法。
  2. 前記気体燃料（Ａ）を用いる運転モードから前記油燃料（Ｂ）を用いる運転モードへの変更中に、前記水質量流量比（Ωnorm）が提供される、請求項１記載の方法。
  3. 前記油燃料（Ｂ）を用いる運転モードから前記気体燃料（Ａ）を用いる運転モードへの変更中に、前記水質量流量比（Ωnorm）が提供される、請求項１記載の方法。
  4. 前記気体燃料（Ａ）を用いる運転モードから前記油燃料（Ｂ）を用いる運転モードへの変更中、油質量流量
    Figure 2013142402
    を供給する前に水質量流量
    Figure 2013142402
    の供給が開始される、請求項２記載の方法。
  5. 前記油燃料（Ｂ）を用いる運転モードから前記気体燃料（Ａ）を用いる運転モードへの変更中、前記気体質量流量
    Figure 2013142402
    を供給する前に水質量流量
    Figure 2013142402
    の供給が開始される、請求項３記載の方法。
  6. 前記ガスタービン（１０）は、ガイドベーン配列を有し、ガイドベーンの位置は、前記気体燃料（Ａ）を用いる運転モードと前記油燃料（Ｂ）を用いる運転モードとの変更中、変化させられない、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
  7. 前記油燃料（Ｂ）を用いる運転モードにおける前記ガスタービン（１０）を、水質量流量
    Figure 2013142402
    の付加なしで運転することができ、水質量流量
    Figure 2013142402
    の付加は、前記気体燃料（Ａ）を用いる運転モードと前記油燃料（Ｂ）を用いる運転モードとの変更のために開始される、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
  8. 前記気体燃料（Ａ）を用いる運転モードから前記油燃料（Ｂ）を用いる運転モードへの移行中の水質量流量比（Ωnorm）は、最大で１、特に最大で０．７、好適には最大で０．６の値を有する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
  9. ガスタービン（１０）であって、気体質量流量
    Figure 2013142402
    から成る気体燃料（Ａ）及び／又は油質量流量
    Figure 2013142402
    から成る油燃料（Ｂ）を用いて選択的に運転させることができ、前記気体燃料（Ａ）を用いる運転モードと前記油燃料（Ｂ）を用いる運転モードとの変更を、前記ガスタービン（１０）の負荷運転中に行うことができ、少なくとも前記油燃料（Ｂ）を用いる運転モードにおいて水質量流量
    Figure 2013142402
    の水付加（１１）が提供されるガスタービン（１０）において、
    運転モードの変更中の前記燃料質量流量に対する付加される水質量流量
    Figure 2013142402
    の比（Ωnorm）は、
    Figure 2013142402
     に従って決定されることを特徴とする、ガスタービン（１０）。
  10. 前記ガスタービン（１０）を請求項２から８までのいずれか１項記載の方法により運転することができる、請求項９記載のガスタービン（１０）。
  11. ガスタービン（１０）の運転を制御するための制御装置であって、該制御装置は、特に、前記ガスタービン（１０）の運転のための水付加（１１）を制御するように設計されており、前記ガスタービン（１０）を、気体質量流量
    Figure 2013142402
    から成る気体燃料（Ａ）及び／又は油質量流量
    Figure 2013142402
    から成る油燃料（Ｂ）を用いて選択的に運転することができ、前記ガスタービン（１０）の負荷運転中、前記気体燃料（Ａ）を用いる運転モードと前記油燃料（Ｂ）を用いる運転モードとの変更が行われ、少なくとも前記油燃料（Ｂ）を用いる運転モードにおいて、水質量流量
    Figure 2013142402
    の水付加（１１）が提供される、制御装置において、
    該制御装置によって、運転モード間の変更中の前記燃料質量流量
    Figure 2013142402
    に対する付加される水の質量流量
    Figure 2013142402
    の比（Ωnorm）が、
    Figure 2013142402
     に従って決定されることを特徴とする、ガスタービン（１０）の運転を制御するための制御装置。
  12. 請求項１１記載の制御装置を作動させるためのコンピュータプログラム製品。
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