JP2008151136A - ガスタービン燃料制御を可能にするシステム及びガスタービン組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料供給系内の圧力変動の影響を低減できるガスタービンの燃料供給調整方法を提供する。
【解決手段】制御システムは、ガスタービンの燃料供給を調整するように構成された構成要素モデル１１４を含み、更に、ガスタービンに供給される燃料の圧力を感知するように構成された圧力センサ１０８を含む。制御システムは更に、構成要素モデルに基準信号を提供して圧力外乱の除去におけるシステム応答の増大を可能にし且つ燃料制御バルブ１０４応答の外乱除去帯域幅を増大させるように構成されたガス供給圧力フィードフォーワードと組み合わされた比例積分制御装置を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は総括的に、ガスタービンに関し、より具体的にはガスタービンと共に用いられる燃料制御システムに関する。

少なくとも幾つかの公知の産業用ガスタービン燃料制御システムは、適正な動作のための並列ガス制御バルブのセットの上流側のＰ２圧力として知られる定常燃料圧力に基づく。燃料圧力の制御を可能にするためには、少なくとも一部の公知のガスタービンエンジンは、並列ガス制御バルブの直ぐ上流側にある圧力制御バルブを含む。

しかしながら、かかる燃料制御システムを用いた少なくとも一部のエンジンは、依然として並列ガス制御バルブから上流側の振動燃料圧力（Ｐ１）を生じる。例えば、Ｐ１供給圧力によって誘起されたＰ２振動は、制御パラメータを用いた制御システムのトラッキング動作が不十分になる可能性がある。加えて、かかる圧力振動はまた、Ｐ１圧力として知られるガス燃料供給圧力の変動によって引き起こされる可能性がある。公知の制御システムは一般に、Ｐ２エラーに対してのみ作用するが、Ｐ１外乱除去機能が不十分である。
米国特許第７，１０７，７７４ Ｂ２号公報 米国特許第６，９５７，５４０ Ｂ１号公報 米国特許第６，８９４，４０３ Ｂ２号公報 米国特許第６，６０８，３９５ Ｂ１号公報 米国特許第６，５４３，２３４ Ｂ２号公報 米国特許第６，３９７，５７５ Ｂ２号公報 米国特許第６，３６４，６０２ Ｂ１号公報 米国特許第６，０６５，２８３号公報

１つの態様において、制御システムが提供される。本制御システムは、ガスタービンの燃料供給を調整するように構成された構成要素モデルと、ガスタービンに供給される燃料の圧力を感知するように構成された圧力センサと、圧力外乱の除去におけるシステム応答の増大を可能にし且つ燃料制御バルブ（１０４）応答の外乱除去帯域幅を増大させるため基準信号を構成要素モデルに供給するように構成されたガス供給圧力フィードフォーワードと組み合わせた比例積分制御装置と、を含む。

別の態様において、ガスタービン組立体が提供される。本組立体は、燃料供給システムから燃料供給制御バルブを通る燃料流量を受けるように構成された燃焼器と、燃料供給制御バルブの動的応答の制御を可能にするように構成された制御システムとを含む。本制御システムは、構成要素モデルを用いて燃焼器への燃料供給圧力を調整し、燃焼器への燃料供給の圧力信号を受け取り、ガス供給圧力フィードフォーワードと組み合わされた比例積分制御装置を構成要素モデルに適用して圧力外乱の除去におけるシステム応答の増大及び燃料供給制御バルブ応答の外乱除去帯域幅の増大を可能にするように構成されたプロセッサを含む。

またここでは、ガスタービン燃料制御システムにおける燃料制御バルブの動的応答を制御するための方法が開示される。この方法は、構成要素モデルを用いてガスタービンの燃料供給圧力を調整する段階と、ガスタービンへの燃料供給の圧力を感知する段階と、ガス供給圧力フィードフォーワード信号と組み合わされた比例積分制御アルゴリズムを燃料制御バルブを制御する圧力コマンド信号に適用して圧力外乱の除去におけるシステム応答を高め、且つ燃料制御バルブ応答の外乱除去帯域幅を増大させる段階とを含む。

図１は、ガスタービンエンジン１４を含む発電プラント１２で用いることができる例示的な制御システム１０の概略図である。例示的な実施形態において、ガスタービンエンジン１４は、複合サイクル構成の一体型シャフト２０を通して蒸気タービン１６と発電機１８とに結合される。他の様々な実施形態において、ガスタービンエンジン１４は、単純サイクルガスタービンエンジン構成の発電機に結合される。他の実施形態においては、ガスタービンエンジン１４は、他の構成の他の原動力に結合される点に留意すべきである。

例示的な実施形態において、ガスタービンエンジン１４は、制御システム１０によってガスタービン及び燃料制御サブシステム２２を介して制御される。蒸気タービン１６、熱回収蒸気発生器２４、及び残りのプラント機器２６などの他の機器は、制御システム１０によって発電プラント１２のそれぞれの制御サブシステムを介して制御される。それぞれのサブシステムは、機器に結合されるセンサ及び制御部材（図示せず）と通信し、機器の動作パラメータの関数である信号を供給するように構成される。各ユニットのためのサブシステムは、互いに通信し、更に、単一、二重冗長、又は三重冗長バスシステムとすることができるユニットデータバス３０を介してプラント制御システム２８と通信する。プラント制御システム２８は、エンジニアリングワークステーション３２、少なくとも１つのオペレータワークステーション３４、並びに、限定ではないが、プリンタ、及びユニットデータバス３０を通して結合されるそれぞれのサブシステムから送信されるデータを受信し記憶するデータヒストリアンなどの他のディスプレイ及びヒューマンマシンインターフェース３６と通信する。

例示的な実施形態において、サブシステムは、例えば、限定ではないが、発電機励起及び保護サブシステム３８、静電スタータサブシステム４０、蒸気タービン及びバイパス制御サブシステム４２、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）及び蒸気サイクル機械補助サブシステム４４、並びにユニット補助制御システム４６を含む。

図２は、ガスタービンエンジン１４（図１に図示）と共に用いることができる制御システム１０（図１に図示）のガスタービンエンジン燃料制御部分１００の系統図である。例示的な実施形態において、ガスタービンエンジン１４は、１つ又は複数の燃料分配ライン１０２から燃料供給を受け、各燃料分配ラインは、流体連通して結合される少なくとも１つの燃料制御バルブ１０４を含む。より具体的には、例示的な実施形態において、燃料分配ライン１０２に送給される燃料流量は、燃料制御バルブ１０４から上流側で流体連通して結合された圧力制御バルブ１０６から排出される。例示的な実施形態において、インターバルブ圧力センサ１０８が、圧力制御バルブ１０６から下流側で且つ燃料制御バルブ１０４から上流側にあり燃料供給源と流体連通して結合される。

燃料は、制御部１０６によって所望の圧力に維持される圧力Ｐ１で圧力制御バルブ１０６に供給される。インターバルブ圧力センサ１０８は、圧力制御バルブ１０６から下流側の燃料制御圧力の関数であるインターバルブ圧力信号Ｐ２を発生する。圧力制御バルブ１０６の動作は、圧力制御バルブ１０６に結合されるアクチュエータ１１０によって制御される。一実施形態において、アクチュエータ１１０は空気圧で起動される。アクチュエータ１１０は、ガスタービンエンジン燃料制御サブシステム１１２の出力ｙにより制御される。

ガスタービンエンジン燃料制御サブシステム１１２は、構成要素モデル１１４を含み、これは、バルブ、配管、及びセンサを含む、燃料供給構成要素の所望の応答を提示するようにプログラムされて制御システム１０に作用するパラメータを処理する。構成要素モデル１１４はまた、フィードフォーワードパラメータ１１８を含む積分状態フィードフォーワードモジュール１１６を含む。例示的な実施形態において、フィードフォーワードモジュール１１６は、燃料インターバルブ圧力設定値信号Ｐ２Ｃを燃料制御サブシステム１１２に提供するように構成される。インターバルブ圧力信号Ｐ２は、燃料制御サブシステム１１２の制御パラメータである。燃料制御サブシステム１１２はまた、燃料制御サブシステム１１２内でエラー信号を供給するようにプログラムされた積分器１２２及び比例器１２６を含む。更にサブシステム１１２は、エラー信号を調整するようにＰ１のゲイン供給するゲイン１２７を含む。

動作中、制御システム１０からのインターバルブ圧力信号Ｐ２及びインターバルブ圧力設定値信号Ｐ２Ｃが合計されて、エラー信号１２０を発生し、該エラー信号は、積分器１２２に送られて積分され、積分エラー信号１２４を生成する。更にエラー信号１２０はまた比例器１２６に送られ、乗算されて比例エラー信号１２８を生成する。積分エラー信号１２４及び比例エラー信号１２８は、加算器１３０で組み合わされて、積分／比例エラー信号を生成する。インターバルブ圧力設定値信号Ｐ２Ｃを示すフィードフォーワード信号１３２も加算器１３０に送られ、積分／比例エラー信号に付加され、フィードフォーワード／積分／比例エラー信号１３４を生成する。更に、圧力Ｐ１のゲイン１３３が加算器１３０に送られ、減算されてフィードフォーワード／積分／比例エラー信号１３４を調整する。調整されたフィードフォーワード／積分／比例エラー信号１３４は、構成要素モデル１１４に伝送され、制御バルブ１０６を開閉するように更に処理される。

具体的には、動作中、燃料を供給されているガスタービンエンジンが機械出力を増大させて、例えば電力網からの供給する電気負荷が増大すると、燃料要求は緩慢に変化する場合がある。加えて、燃料要求は、電力需要の急増によるステップ上昇のように、急激に変化することがある。圧力センサ１０８は、増大した燃料要求に起因するバルブ間の圧力変化を感知する。インターバルブ圧力信号Ｐ２は、制御システム１０から受け取ったインターバルブ圧力設定点ＰＣ２と合計される。エラー信号１２０は積分され乗算されて、積分エラー信号１２４及び比例エラー信号１２８をそれぞれ提供する。得られた積分エラー信号１２４及び比例エラー信号１２８は合計され、フィードフォーワード信号１３２が加算されて、処理されたエラー信号を提供する。処理されたエラー信号は次に、Ｐ１のゲインによって調整され、構成要素モデル１１４に送信される。次いで、構成要素モデル１１４は、モデルパラメータを処理されたエラー信号に適用して制御出力ｙを発生し、これは、アクチュエータ１１０に伝送されて、圧力制御バルブ１０６を変調し、インターバルブ燃料圧力を設定点値に戻すように調整する。積分状態フィードフォーワード制御回路をガスタービンエンジン燃料制御サブシステム１１２で用いることにより、公知の燃料制御システムに比べて改善された動的応答を提供する。改善された動的応答は、より高い周波数コマンド基準信号での制御パラメータ及び改善されたトラッキング動作におけるステップ変化に応答して、より小さな立ち上がり時間を含む。

一実施形態において、ガスタービン燃料制御システムにおける燃料制御バルブの動的応答を制御する方法が提供される。本方法は、構成要素モデルを用いてガスタービンの燃料供給圧力を調整する段階と、ガスタービンへの燃料供給の圧力を感知する段階と、ガス供給圧力フィードフォーワード信号と組み合わされた比例積分制御アルゴリズムを燃料制御バルブを制御する圧力コマンド信号に適用して、圧力外乱の除去におけるシステム応答を高め、且つ燃料制御バルブ応答の外乱除去帯域幅を増大させる段階とを含む。

ガス燃料供給システムに関して説明したが、本発明の実施形態は、限定を意図するものではない。従って、燃料の他の形態を制御する燃料供給システムもまた、本発明の他の実施形態に用いることができる。更に、燃料制御バルブへの言及はまた、ダンパ、コンベヤ、及び可変速度ファン並びにブロアなど、他の燃料流量及び圧力調節装置を含む。

本発明の技術的作用は、調整されたガスインターバルブ圧力に対するガス燃料システム供給圧力変化の影響の低減を可能にすることである。

上述のガスタービンエンジン燃料供給制御サブシステムは、コスト効率が良く、且つ信頼性が高い。サブシステムによって、燃料供給圧力制御バルブの動的応答の改善が可能となり、これによって燃料要求変化に起因する燃料供給圧力変化は、比較的短い時間期間で軽減される。従って、ガスタービンエンジン燃料供給制御サブシステムは、コスト効率が良く信頼性のある方法でガスタービンエンジンの動作を促進する。

本発明は、様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明は、請求項の精神及び範囲内にある修正を実施することができる点は当業者であれば認識するであろう。

ガスタービンエンジンを含む発電プラントに用いることができる例示的な制御システムの概略図。 図１に示すガスタービンエンジンに用いることができる制御システムの一部の系統図。

符号の説明

１０ 制御システム
１２ 発電プラント
１４ ガスタービンエンジン
１６ 蒸気タービン
１８ 発電機
２０ 一体型シャフト
２２ 燃料制御サブシステム
２４ 熱回収蒸気発生器
２６ プラント機器
２８ プラント制御システム
３０ ユニットデータバス
３２ エンジニアリングワークステーション
３４ ワークステーション
３６ ヒューマンマシンインターフェース
３８ 励起及び保護サブシステム
４０ 静電スタータサブシステム
４２ バイパス制御サブシステム
４４ サイクル機械補助サブシステム
４６ ユニット補助制御サブシステム
１００ エンジン燃料制御部分
１０２ 分配ライン
１０４ 燃料制御バルブ
１０６ 圧力制御バルブ
１０８ 圧力センサ
１１０ アクチュエータ
１１２ エンジン燃料制御サブシステム
１１４ 構成要素モデル
１１６ フィードフォーワードモジュール
１１８ フィードフォーワードパラメータ
１２０ エラー信号
１２２ 積分器
１２４ 積分エラー信号
１２６ 比例器
１２７ ゲイン
１２８ 比例エラー信号
１３０ 加算器
１３２ フィードフォーワード信号
１３３ 圧力Ｐ１
１３４ フィードフォーワード／積分／比例エラー信号

Claims (10)

1. ガスタービン（１４）の燃料供給源を調整するように構成された構成要素モデル（１１４）と、
   ガスタービンに供給される燃料の圧力を感知するように構成された圧力センサ（１０８）と、
   圧力外乱の除去におけるシステム応答の増大を可能にし且つ燃料制御バルブ（１０４）応答の外乱除去帯域幅を増大させるため基準信号を前記構成要素モデルに供給するように構成されたガス供給圧力フィードフォーワードと組み合わせた比例積分制御装置と、
   を含む制御システム（１０）。
2. 前記ガス供給圧力フィードフォーワードが、制御システム（１０）のための所定の圧力設定点を表す信号（１３２）を提供する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記制御システム（１０）が、圧力センサ（１０８）と、前記燃料供給源をガスタービン（１４）に結合する相互接続配管とを含み、前記構成要素モデル（１１４）が更に、燃料供給内の前記圧力センサ及び相互接続配管の応答を表すように構成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
4. 前記構成要素モデル（１１４）が更に、前記燃料供給源内の複数の構成要素の応答を表すように構成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
5. 前記比例積分制御装置が、圧力設定点と合計された圧力フィードバック信号を含む信号を積分して積分信号を生成するように構成された積分器（１２２）を含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
6. 前記比例積分制御装置が、圧力設定点と合計された圧力フィードバック信号を含む信号を乗算して比例信号（１２８）を生成するように構成された比例器（１２６）を含む、
   ことを特徴とする請求項５に記載のシステム。
7. 積分信号と比例信号（１２８）とを合計して積分／比例信号を生成し、
   前記積分／比例信号に前記圧力設定点のフィードフォーワード信号（１３２）を加算してフィードフォーワード／積分／比例信号（１３４）を生成する、
   ように構成された加算器を更に含む、
   ことを特徴とする請求項６に記載のシステム。
8. 前記構成要素モデル（１１４）の出力によって制御されるガスタービンエンジン（１４）への燃料供給源を更に含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
9. 燃料供給システムから燃料供給制御バルブ（１０６）を通る燃料流量を受けるように構成された燃焼器と、
   前記燃料供給制御バルブの動的応答の制御を可能にするように構成された制御システム（１０）と、
   を含むガスタービン組立体（１４）であって、
   前記制御システムが、
   構成要素モデル（１１４）を用いて前記燃焼器への燃料供給圧力を調整し、
   前記燃焼器への燃料供給源の圧力信号を受け取り、
   ガス供給圧力フィードフォーワードと組み合わされた比例（１２６）積分制御装置を前記構成要素モデル（１１４）に適用して、圧力外乱の除去におけるシステム応答の増大及び燃料供給制御バルブ応答の外乱除去帯域幅の増大を可能にする、
   ように構成されたプロセッサを含む、
   ことを特徴とするガスタービン組立体（１４）。
10. 前記プロセッサが更に、前記構成要素モデル（１１４）を用いて燃料圧力及び燃料流量の少なくとも１つの変化に対する前記燃料供給源の少なくとも１つの構成要素の応答を表すように構成されている、
    ことを特徴とする請求項９に記載の組立体。

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