JP2006509957A - 2軸ガスタービンのための補正パラメータ制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
・環境条件(圧力、温度、及び湿度)の変動
・入口吸気管内における圧力低下の変動
・排気ガス放出管内における圧力低下の変動
・低圧シャフト(ユーザに連結される)の速度変動
これらの外乱に対して適切に考慮されない場合には、次のような影響が生じる可能性がある。
・全負荷状態において第1のタービンホイールの入口における最大温度TFireが達成できない(その結果、タービンの熱力学的性能が低下する)。
・全負荷状態において第1のタービンホイールの入口における最大温度TFireを超過し、その結果、タービンのメンテナンス間隔が短くなる。
・燃焼室内において正確な燃空比F/Aを達成することができず、その結果、窒素酸化物(以下においては、NOxとも略記される)及び一酸化炭素などの汚染物質の排出が増大し、燃焼室内における危険な圧力脈動又は点火損失が起こる。
1.第1のループ:TFire及びF/Aを指定限度内に保つために燃料弁の開放を制限することによる機械の保護
2.第2のループ:抽気弁の開放を制限することによるF/Aの制御
TFire又は、F/Aの高い値から機械を保護するための制御ループについての検討から始める。
明らかに線形近似が得られ、この線形近似において:
・TXbaseは、低圧シャフトの回転速度100%、排気管及び吸気管内における圧力低下0mmH20、基準温度における相対湿度60%において得られる最大排気温度であって(図1参照)、これは図2の曲線21及び23から同じPRに対して求められたTXの最小値に等しい。
TX=TXbase(PCNLP)+DeltaTX_Dpin+DeltaTX_Dpout+DeltaTX_Hum
ここで上式において、TXbase(PCNLP)は低圧タービンの特定の速度に対して求められた基準温度である。
TX_maxTrise=TXbase_maxTrise(PCNLP,PR)+DeltaTX_Dpin+DeltaTX_Dpout+DeltaTX_Hum
2つの独立変数、すなわち圧縮比PR及び低圧タービン速度PCNLPがあるので、温度曲線TX_maxTFire及びTX_maxTriseは両方とも、二次元テーブルの形態で与えることもできる。
DeltaSH=SH_current−SH_60%RH
に従って実際の比湿と相対湿度60%(同一条件の温度及び大気圧において)における比湿との間の差分として定義される、差分DeltaSHであると思われる。
・図5に示すDeltaSHの関数としてのDeltaTX_Hum
・下記の値を補間することによって求めることのできる大気温度の関数としてのSH_60%RHであり、該大気温度はランキン度で表され:
SH_60%RH(T=419.67)=0.000070
SH_60%RH(T=428.67)=0.000116
SH_60%RH(T=437.67)=0.000188
SH_60%RH(T=446.67)=0.000299
SH_60%RH(T=455.67)=0.000464
SH_60%RH(T=464,67)=0.000707
SH_60%RH(T=473.67)=0.001059
SH_60%RH(T=482.67)=0.001560
SH_60%RH(T=491.67)=0.002263
SH_60%RH(T=500.67)=0.003324
SH_60%RH(T=509.67)=0.004657
SH_60%RH(T=518.67)=0.006367
SH_60%RH(T=527.67)=0.008670
SH_60%RH(T=536.67)=0.011790
SH_60%RH(T=545.67)=0.015966
SH_60%RH(T=554.67)=0.021456
SH_60%RH(T=563.67)=0.028552
SH_60%RH(T=572.67)=0.037585
SH_60%RH(T=581.67)=0.048949
図5は、ランキン度で表したDeltaTX_HumとDeltaSHとの間の直線31で示した線形の相関関係を示している。
上式において
・TXは実排気温度
・518.67は、ここではランキン度で表された基準温度
・TCDは、該定数の単位と同じ測定単位、従ってここではランキン度で表された圧縮機の排気温度
・Xは、このようにして計算されたTTXの値と補間曲線39との間の平均二乗偏差を最小にするように計算される無次元指数
・TTXは、上述の関係によって変換される排気温度であって、以下では換算温度と称する。
・排気管内における圧力低下
・大気湿度
・負荷特性(例えば、負荷と速度との間の相関関係による)
最大排気温度曲線に関連して上に述べたのと同様に、ガスタービン用の補正パラメータ制御方法により、部分負荷制御曲線の場合において設計条件とは異なる動作条件を考慮に入れることが可能となる。
上式において、TXbaseは、上記で得られた式を逆変換することによって得られ、
TXbase=TTX/((518.67/TCD)X)
となる。
TX=TXbase(PCNLP)+DeltaTX_Dpin+DeltaTX_Dpout+DeltaTX_RH
上式において、TXbase(PCNLP)は、低圧タービンの特定の速度に対して求められる基準温度である。
PCNLP=100%ならば、X=0.33225
PCNLP=90%ならば、X=0.34
PCNLP=80%ならば、X=0.34425
PCNLP=70%ならば、X=0.351
PCNLP=60%ならば、X=0.348
PCNLP=50%ならば、X=0.3505
次に、DeltaTX_RH、すなわち環境湿度に起因する温度の補正値を評価する方法について述べる。
・3つのレベルの相対湿度(0%、60%、100%)
・三乗則による負荷特性
このようにして、基準レベルを達成するために、F/A、及び、従ってTriseの所望の到達値を指定して9つのシミュレーションが行われた。次にTXの現在値が、PRの関数としてグラフ上にプロットされた。
ランキン度で表されたDeltaTX_RHの値は、DeltaSHの関数として図11にプロットされており、ここでDeltaSHは、現在の比湿値SH_currentと、基準値であるRH=60%における比湿SH_60%RHとの差分として定義される。これは、次式で表される。
図11は、DeltaSHの増大と共に上昇する2つの直線43及び45を示しており、ここで、DeltaSHがゼロより小さい場合に有効な直線43は、DeltaSHがゼロより大きい場合に有効な直線45よりも大きな勾配を有し、これら2つの直線43及び45は、両軸線の原点付近の1点を通る。例えば、直線43上の点44は、周囲温度50℃、RH=0%における様々な部分負荷を表しており、直線45上の点46は、周囲温度50℃、RH=100%における様々な部分負荷を表している。
・DeltaTX_THは、2つの直線部分43及び45により示されているように、DeltaSHと正比例している。
・吸気管内における3つの圧力低下(0、100、及び200mm水柱)
・三乗則による負荷特性
考慮された圧力低下は、部分負荷において適切に低下した。
ランキン度で表されたDeltaTX_Dpinの値は、Dpinの関数として図12にプロットされている。
・DeltaTX_Dpinは、Dpinと正比例している。
・排気管内における3つの圧力低下(0、100、及び200mm水柱)
・三乗則による負荷特性
考慮された圧力低下は、部分負荷において適切に低下した。
ランキン度で表されたDeltaTX_Dpoutの値は、Dpoutの関数として図13にプロットされている。
本発明による方法は、有利には、乾燥窒素酸化物(NOX)還元システム(乾燥低窒素酸化物又はDLNシステムとも呼ばれる)を備えた2軸ガスタービンに適用することができる。
Claims (45)
- 2軸ガスタービンのための補正パラメータ制御方法であって、
前記タービンの保護が、前記タービンの第1のホイールの入口におけるガス温度Tfireと燃空比F/Aとを指定限度内に維持するように燃料弁の開放を制御する第1の制御ループによって与えられ、前記制御が、基準パラメータとは異なる単一の環境又は動作パラメータに関係する補正値を加算した基準温度TXbaseの和として設定点の排気温度TXを計算するように行われることを特徴とする制御方法。 - 前記補正値が、前記ガスタービンのコンピュータシミュレーションによって計算され、前記シミュレーションが、基準条件とは異なる各条件に対して、前記温度Tfireの到達最大値又は前記燃空比F/Aの到達最大値を指定することによって行われることを特徴とする請求項1に記載の制御方法。
- 前記補正値が4つ存在し、前記排気温度TXが、次式:
TX=TXbase+DeltaTX_Dpin+DeltaTX_DPout+DeltaTX_Hum+DeltaTX_PCNLP
で表される(上式において、DeltaTX_Dpinは、公称値0mmH2Oに対する吸気管内における圧力低下の変動による温度TXの補正値であり、DeltaTX_Dpoutは、公称値0mmH2Oに対する排気管内における圧力低下の変動による温度TXの補正値であり、DeltaTX_Humは、公称値60%に対する空気の相対湿度の変動による温度TXの補正値であり、DeltaTX_PCNLPは、公称値100%に対する低圧シャフトの速度の変動による温度TXの補正値である)ことを特徴とする請求項1に記載の制御方法。 - 前記補正項を差分として適正に評価するために、前記シミュレーションによって求められた前記排気温度TXが前記基準温度TXbaseと比較されることを特徴とする請求項2に記載の制御方法。
- 最大排気温度曲線が、前記低圧タービンの考慮された各速度に対して生成されることを特徴とする請求項3に記載の制御方法。
- 前記現在の排気温度TXを評価するための方程式が、次式:
TX=TXbase(PCNLP)+DeltaTX_Dpin+DeltaTX_Hum
で表される(上式において、TXbase(PCNLP)は前記低圧タービンの指定速度に対して求められる基準温度である)ことを特徴とする請求項5に記載の制御方法。 - TXbase(PCNLP)の値が2つ存在し、一方の値が最大温度TFireの曲線(21)に関係し、他方の値が燃焼室内のガスの最大上昇温度Triseの曲線(23)に関係することを特徴とする請求項6に記載の制御方法。
- 前記2つの最大値が、それぞれ、
TX_maxTFire=TXbase_maxTFire(PCNLP,PR)+DeltaTX_Dpin+DeltaTX_Dpout+DeltaTX_Hum
TX_maxTrise=TXbase_maxTrise(PCNLP,PR)+DeltaTX_Dpin+DeltaTX_Dpout+DeltaTX_Hum
であり、圧縮比PRに対する依存性も表されていることを特徴とする請求項7に記載の制御方法。 - 前記温度曲線TXbase_maxTfire及びTXbase_maxTriseが、独立変数として圧縮比PRと低圧タービン速度PCNLPとを備えた二次元テーブルの形態で与えられることを特徴とする請求項8に記載の制御方法。
- 最大TFireを達成可能にする圧縮比PRの関数として示された前記最大温度TXのグラフが、一連の曲線(27)を示しており、各々が速度PCNLPの特定の値に対する曲線であり、前記曲線(27)が、この速度が増大するにつれて全体的により大きな負の勾配を有し、圧縮比PRの増大と共に常に下降するタイプの曲線であることを特徴とする請求項8に記載の制御方法。
- 最大Triseを達成可能にする圧縮比PRの関数として示された前記最大温度TXのグラフが、一連の曲線(29)を示しており、各々が速度PCNLPの特定の値に対する曲線であり、前記曲線(29)が、この速度が増大するにつれて全体的により大きな負の勾配を有し、圧縮比PRの増大と共に常に下降するタイプの曲線であることを特徴とする請求項8に記載の制御方法。
- 前記補正値DeltaTX_Humが、比湿SHに依存しており、実比湿と相対湿度60%(同一条件の温度及び大気圧において)における比湿SH_60%RHとの間の差分として定義される、差分DeltaSHの関数として次式:
DeltaSH=SH_current−SH_60%RH
で表されることを特徴とする請求項3に記載の制御方法。 - 前記DeltaTX_Humと前記DeltaSHとの間に線形の相関関係があることを特徴とする請求項12に記載の制御方法。
- 温度をランキン度で表した以下の値:
SH_60%RH(T=419.67)=0.000070
SH_60%RH(T=428.67)=0.000116
SH_60%RH(T=437.67)=0.000188
SH_60%RH(T=446.67)=0.000299
SH_60%RH(T=455.67)=0.000464
SH_60%RH(T=464,67)=0.000707
SH_60%RH(T=473.67)=0.001059
SH_60%RH(T=482.67)=0.001560
SH_60%RH(T=491.67)=0.002263
SH_60%RH(T=500.67)=0.003324
SH_60%RH(T=509.67)=0.004657
SH_60%RH(T=518.67)=0.006367
SH_60%RH(T=527.67)=0.008670
SH_60%RH(T=536.67)=0.011790
SH_60%RH(T=545.67)=0.015966
SH_60%RH(T=554.67)=0.021456
SH_60%RH(T=563.67)=0.028552
SH_60%RH(T=572.67)=0.037585
SH_60%RH(T=581.67)=0.048949
を補間することにより、大気温度の関数として前記湿度SH_60%RHを求めることができることを特徴とする請求項12に記載の制御方法。 - 前記補正値DeltaTX_Dpinが、測定圧力低下値Dpinの関数として直接表されることを特徴とする請求項3に記載の制御方法。
- DeltaTX_Dpinと前記Dpinとの間に線形の相関関係(33)があることを特徴とする請求項15に記載の制御方法。
- 前記補正値DeltaTX_Dpoutが、測定圧力低下Dpoutの関数として直接表されることを特徴とする請求項3に記載の制御方法。
- 前記DeltaTX_Dpoutと前記Dpoutとの間に線形の相関関係(35)があることを特徴とする請求項17に記載の制御方法。
- 2軸ガスタービンのための補正パラメータ制御方法であって、
部分負荷における前記タービンの制御が、燃焼室内におけるガスの温度上昇Triseを(従って、燃空比F/Aを)指定限度内に維持するように燃料弁の開放を制御する第2の制御ループによって与えられ、前記制御が、前記ガスタービンの各動作条件に対して得られる圧縮比PRの関数としての排気温度TXのマップのセットによって与えられることを特徴とする制御方法。 - 制御曲線が、大気温度の各値に対して定められることを特徴とする請求項19に記載の制御方法。
- 前記低圧シャフトの所与の速度における部分負荷に対する前記温度TXと圧縮比PRとの間の関係を示すグラフが存在し、各関係曲線(37)が、大気温度の指定値と関係付けられ、前記曲線(37)が、この大気温度が上昇すると全体的により高い値となり、圧縮比PRが減少するにつれて下降するタイプの曲線であることを特徴とする請求項20に記載の制御方法。
- 前記曲線(37)が、単一の曲線(39)にまとめられて前記大気温度に対する依存性が排除されることを特徴とする請求項21に記載の制御方法。
- 前記曲線(39)が、次の数学的変換:
TTX=TX・(518.67/TCD)X
によって得られる(上式において、TXは実排気温度、518.67は基準温度、TCDは、定数の単位と同じ測定単位で表された圧縮機の排気温度、Xはこのようにして計算された前記TTXの値と前記補間曲線(39)との間の平均二乗偏差を最小にするように計算される無次元指数、TTXは変換された排気温度、すなわち換算温度)ことを特徴とする請求項22に記載の制御方法。 - PRの実際の値が既知であるときに前記変換の逆数を適用すると、前記曲線(39)が、基準温度TXbaseを与え、該基準温度TXbaseから前記第2のF/A制御ループのコントローラに設定点が計算されることを特徴とする請求項23に記載の制御方法。
- 前記排気温度TXが、基準パラメータとは異なる単一の環境又は動作パラメータに関係する補正値を前記基準温度TXbaseに加算した和として線形近似により計算されることを特徴とする請求項24に記載の制御方法。
- 前記補正値が4つ存在し、前記排気温度TXが、次式:
TX=TXbase+DeltaTX_Dpin+DeltaTX_Dpout+DeltaTX_RH+DeltaTX_PCNLP
で表される(上式において、TXbaseは、前記変換式を逆変換することによって求められ、すなわちTXbase=TTX/((518.67/TCD)X)であり、DeltaTX_Dpinは、公称値0mmH2Oに対する吸気管内における圧力低下の変動による温度TXの補正値であり、DeltaTX_Dpoutは、公称値0mmH2Oに対する排気管内における圧力低下の変動による温度TXの補正値であり、DeltaTX_Humは、公称値60%に対する空気の相対湿度の変動による温度TXの補正値であり、DeltaTX_PCNLPは、公称値100%に対する低圧シャフトの速度の変動による温度TXの補正値である)ことを特徴とする請求項25に記載の制御方法。 - 各補正項がガスタービンのコンピュータシミュレーションによって計算され、前記所望のF/A比が、基準条件とは異なる各々の条件に対して異なる部分負荷において指定され、前記補正項を差分として適正に評価するために、前記シミュレーションによって求められた前記排気温度TXが前記基準温度TXbaseと比較されることを特徴とする請求項26に記載の制御方法。
- 各々が速度PCNLPの各所与の値に対する曲線である一連の曲線(41)が、圧縮比PRの関数として前記最大排気温度TXのグラフに示されることを特徴とする請求項27に記載の制御方法。
- 現在の排気温度TXを評価するための式が、
TX=TXbase(PCNLP)+DeltaTX_Dpin+DeltaTX_Dpout+DeltaTX_RH
で表される(上式において、TXbase(PCNLP)は、低圧タービンの特定の速度に対して求められる基準温度)ことを特徴とする請求項28に記載の制御方法。 - 前記指数Xが、低圧ホイールの速度の関数であることを特徴とする請求項23及び29に記載の制御方法。
- 中間速度PCNLPに対する指数Xが、以下の考慮される速度PCNLP:
PCNLP=105%ならば、X=0.323
PCNLP=100%ならば、X=0.33225
PCNLP=90%ならば、X=0.34
PCNLP=80%ならば、X=0.34425
PCNLP=70%ならば、X=0.351
PCNLP=60%ならば、X=0.348
PCNLP=50%ならば、X=0.3505
において計算されるXの値の補間によって計算することができることを特徴とする請求項30に記載の制御方法。 - 前記補正値DeltaTX_RHが、下記の事柄:
・3つの周囲温度(非常に寒い日、ISO基準状態、非常に暑い日)
・3つのレベルの相対湿度(0、60、及び100%)
・三乗則による負荷特性
を考慮することによって計算されることを特徴とする請求項26に記載の制御方法。 - 基準レベルを達成するために、F/Aの所望の値を指定して9つのシミュレーションが行われ、次いでTXの現在値がPRの関数としてグラフ上にプロットされ、前記グラフと前記基準曲線との間の差分が次式:
DeltaTX_RH=TX−TXbase
で表されるような前記DeltaTX_RHを与えることを特徴とする請求項32に記載の制御方法。 - 前記DeltaTX_RHの値が、比湿の現在値SH_currentと基準値であるRH=60%における比湿SH_60%RHとの差分DeltaSH:DeltaSH=SH_current−SH_60%RH
の関数としてグラフ上にプロットされることを特徴とする請求項33に記載の制御方法。 - 前記グラフが、DeltaSHの増大と共に上昇する2つの直線(43及び45)を示し、DeltaSHがゼロより小さい場合に有効な第1の直線(43)は、DeltaSHがゼロより大きい場合に有効な第2の直線(45)よりも大きな勾配を有し、2つの直線(43及び45)が両軸線の原点近傍の点を通ることを特徴とする請求項34に記載の制御方法。
- 前記補正値DeltaTX_Dpinが、前記測定圧力低下Dpinの関数として直接表されることを特徴とする請求項26に記載の制御方法。
- 下記の事柄:
・3つの周囲温度(非常に寒い日、ISO基準状態、非常に暑い日)
・吸気管内における3つの圧力低下(0、100、及び200mm水柱)
・三乗則による負荷特性
が考慮されることを特徴とする請求項36に記載の制御方法。 - 基準レベルを達成するために、前記F/Aの所望の到達値を指定して9つのシミュレーションが行われ、次にTXの現在値がPRの関数としてグラフ上にプロットされ、前記グラフと基準曲線との差分が、次式:
DeltaTX_Dpin=TX−TXbase
で表されるDeltaTX_Dpinを与えることを特徴とする請求項37に記載の制御方法。 - 前記DeltaTX_Dpinの値が、前記Dpinと線形的に相関付け(47)られ、前記値がDpinの上昇と共に増大することを特徴とする請求項38に記載の制御方法。
- 前記補正値DeltaTX_Dpoutが、前記測定圧力低下Dpoutの関数として直接表されることを特徴とする請求項26に記載の制御方法。
- 下記の事柄:
・3つの周囲温度(非常に寒い日、ISO基準状態、非常に暑い日)
・排気管内における3つの圧力低下(0、100、及び200mm水柱)
・三乗則による負荷特性
が考慮されることを特徴とする請求項40に記載の制御方法。 - 基準レベルを達成するために、前記F/Aの所望の到達値を指定して9つのシミュレーションが行われ、次にTXの現在値がPRの関数としてグラフ上にプロットされ、前記グラフと基準曲線との差分が、次式:
DeltaTX_Dpout=TX−TXbase
で表されるDeltaTX_Dpoutを与えることを特徴とする請求項41に記載の制御方法。 - 前記DeltaTX_Dpoutの値が、前記Dpoutと線形的に相関付けられ(47)、前記値がDpoutの上昇と共に増大することを特徴とする請求項42に記載の制御方法。
- 前記最大排気温度TXを計算するための相関関係が、次式:
TX=TTX(PCNLP、PR)/((518.67/TCD)X(PCNLP))+DeltaTX_RH(DeltaSH)+DeltaTX_Dpin(Dpin)+DeltaTX_Dpout(Dpout)
であることを特徴とする請求項35、39、及び43に記載の制御方法。 - 前記2軸ガスタービンが、乾燥窒素酸化物(NOX)還元システムを備えることを特徴とする請求項1又は19に記載の制御方法。
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