JP2010255627A - タービン部品にサージ保護を与えるためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】タービン部品にサージ保護を与えるためのシステム及び方法を提供すること。
【解決手段】本方法の実施形態は、タービン部品に関するサージ保護限界を決定するよう動作可能な１以上のプロセッサ（３１８）により実施されるコンピュータ実装命令を含む。プロセッサ（３１８）は、タービン部品の運転に関連する測定値を受信し、受信した１以上の測定値をタービン部品の動作条件を予測するために実行されるサイクルモデル（３２４）に提供する。タービン部品の予測された動作条件は更に、受信した１以上の測定値に少なくとも部分的に基づいて調整することができる。更に、サージ保護限界は、タービン部品の調整された予測動作条件に基づいて調整することができる。
【選択図】 図３

Description

本発明の実施形態は、全体的にタービンに関し、より詳細には、タービン部品の適応サージ保護に関する。

ガスタービンは、発電用パワープラントなどの幅広い用途で利用されている。ガスタービンの運転中、効率及び特定出力は、ガスタービンの高い燃焼器燃焼温度に少なくとも部分的に依存する。所与の燃焼器燃焼温度に関連するのは、タービンの効率を最大にし、増大する燃焼器燃焼温度と共に高くなる最適燃焼器圧力比である。従って、発電で使用されるガスタービンでは、通常、高効率を達成するために比較的高い圧力比で圧縮機を作動させるのが望ましい。

しかしながら、高い圧縮機圧力でのガスタービンの運転は、圧縮機のストール／サージ、すなわち、圧縮機の圧力比が所与の圧縮機速度で臨界値を超えたときに生じる状態を招き、結果として、圧縮機吐出圧の急激な低下を生じる可能性がある。ストール／サージは更に、何らかの補正措置がとられるまでは、圧縮機内で連続的な圧力振動を引き起こす可能性がある。従って、ガスタービンエンジンの圧縮機におけるストール／サージの発生は、タービン性能を低下させ、及び／又はガスタービン内で損傷を招く可能性がある。

比較的高い効率を得るためには、ガスタービンはサージ条件近傍で運転されることが多い。通常はガスタービンは、不安定な圧縮機動作を回避するためにサージ境界から十分に離れたマージンの圧縮機圧力比で運転される。従来のタービンシステムでは、サージ保護ロジックは通常静的なものであった。すなわち、サージ保護ロジックは、圧縮機用に確立されると固定とれ、圧縮機の作動中には変更することができない。静的サージ保護は、最悪の場合の圧縮機作動条件を考慮してサージを回避しなければならないので、圧縮機は、その作動の大部分において過剰に保護されることが多く、性能損失を生じる結果となる。更に、複数の圧縮機ユニットが作動中である場合は、過剰な補償により圧縮機ユニットの一部が遙かに標準を下回って機能する結果となり、システムの全体の効率に影響を及ぼす可能性がある。

米国特許第６３６４６０２号明細書

上記の必要性の一部又は全ては、本発明の特定の実施形態によって対処することができる。本発明の実施形態は、タービン部品にサージ保護をもたらすためのシステム、方法、及びコンピュータプログラムを含むことができる。

本発明の１つの実施形態によれば、タービン部品にサージ保護を与えるための方法が開示される。タービン部品に関するサージ保護限界を決定することができる。タービン部品の運転に関連する１以上の測定値を受信し、タービン部品の動作条件を予測するために実行されるサイクルモデルに提供することができる。タービン部品の予測された動作条件は、受信した１以上の測定値に少なくとも部分的に基づいて調整することができる。タービン部品の調整された予測動作条件に基づいてサージ保護限界を調整することができる。

本発明の別の実施形態によれば、タービン部品にサージ保護を与えるシステムが提供される。本システムは、１以上のセンサと、１以上のプロセッサとを含むことができる。１以上のセンサは、タービン部品の運転に関連するパラメータを測定するよう動作可能とすることができる。１以上のプロセッサは、タービン部品に関するサージ保護限界を決定するよう動作可能とすることができる。１以上のプロセッサは更に、１以上のセンサから測定データを受信し、タービン部品の動作条件を予測するために１以上のプロセッサにより実行されるサイクルモデルに、受信した測定データを提供するよう動作可能とすることができる。タービン部品の予測された動作条件は、受信した測定データに少なくとも部分的に基づいて調整することができる。１以上のプロセッサは更に、タービン部品の調整された予測動作条件に基づいてサージ保護限界を調整するよう動作可能とすることができる。

本発明の別の実施形態によれば、組み込みコンピュータ可読プログラムコードを有するコンピュータ使用可能媒体を含むコンピュータプログラムが開示される。コンピュータ可読プログラムコードは、タービン部品の動作条件を予測するよう動作可能なサイクルモデルの実行を可能にするために実行されるよう適合することができる。コンピュータプログラムは更に、タービン部品の運転に関連する１以上の測定値を受信するよう適合することができ、受信した１以上の測定値をサイクルモデルに提供することができる。タービン部品の予測された動作条件は、受信した１以上の測定値に少なくとも部分的に基づいて調整することができる。次に、タービン部品の調整された予測動作条件に基づいてサージ保護限界を調整することができる。

追加のシステム、方法、装置、及び態様は、本発明の種々の実施形態の技術によって実現される。本発明の他の実施形態及び態様は、本明細書で詳細に説明され、請求の範囲に記載されている発明の一部と見なされる。他の実施形態及び態様は、明細書及び図面を参照すると理解することができる。

本発明の種々の実施形態に従って利用することができる１つの例示的なガスタービンの部分断面図。 本発明の種々の実施形態に従って利用することができるタービンに関連する圧縮機の例示的なサージマップ。 本発明の種々の実施形態による、タービン部品にサージ保護をもたらすのに利用できる１つの例示的なシステムの概略図。 本発明の種々の実施形態による、タービン部品にサージ保護をもたらすシステムにより利用することができる例示的なソフトウェアモジュールのブロック図。 本発明の例示的な実施形態による、タービン部品にサージ保護をもたらす１つの例示的な方法を示すフローチャート。

以上において本発明を概略的に説明してきたが、ここで必ずしも縮尺通りに描かれていない添付図面を参照する。

次に、本発明の全てではなく一部の実施形態を示している添付図面を参照しながら、本発明の例示的な実施形態を以下でより詳細に説明する。当然、本発明は、多くの様々な形態で具現化することができ、本明細書で記載される実施形態に限定されるものと解釈すべきではなく、むしろこれらの実施形態は、本開示が適用可能な法適要件を満足するように提供される。全体を通じて同じ参照符号が同じ要素を示す。

タービン部品、例えばガスタービンの圧縮機にサージ保護を与えるシステム、方法、及びコンピュータプログラムが開示される。本発明の種々の実施形態は、タービン部品の作動に関連するデータを測定するよう動作可能な１以上のセンサを含むことができる。更に、本発明の実施形態はまた、タービン部品に関する初期サージ保護限界を決定するよう動作可能な１以上のプロセッサを含むことができる。プロセッサは更に、センサから受信した測定データに少なくとも部分的に基づいてリアルタイム又はほぼリアルタイムでタービン部品の期待動作条件を予測するための１以上のサイクルモデルを実行するよう動作することができる。サイクルモデルを利用して、受信した測定データ及び／又は予測された期待動作条件に少なくとも部分的に基づいてタービン部品の予測された期待動作条件を調整することができる。初期サージ保護限界は、タービン部品の調整された予測動作条件に少なくとも部分的に基づいて調整することができる。この点に関して、タービン部品は、適切なサージラインを下回って作動することができると共に、タービンの作動効率が向上及び／又は最大になる。複数のタービンユニットでは、１以上のサイクルモデルは、リアルタイム又はほぼリアルタイムで各タービンユニットの動作条件に基づいて各ユニットの予測動作条件及びサージ保護限界を生成し調整するよう動作することができる。この点に関して、最悪条件近傍で運転していないユニットに対しては過剰保護及び／又は過剰補償を回避することができると同時に、最悪条件近傍で動作しているユニットに対するサージ保護を提供し、従って、システム全体の効率を向上させることができる。

本発明の種々の実施形態は、タービン部品に対するサージ保護をもたらす１以上の特定用途のコンピュータ、システム、及び／又は特定の機械を含むことができる。特定用途のコンピュータ又は特定の機械は、種々の実施形態において望ましい幅広い種類のソフトウェアモジュール、例えば、サージ保護モジュール及び１以上のサイクルモデルを含むことができる。これらの種々のソフトウェア構成要素を利用して、タービン部品の比較的正確且つ安定した動作を表すことができる。利用可能なサイクルモデルの１つの実施例は、リアルタイム又はほぼリアルタイムでタービン部品の動作条件の決定を可能にするオンボードサイクルモデルである。決定された動作条件に少なくとも部分的に基づいて、サージ保護モジュールは、最初に決定されたサージ保護限界ラインを調整してエンジンの運転効率を向上させるよう動作可能である。オンボードサイクルモデルを使用することによって、リアルタイム又はほぼリアルタイムで、及び全ての動作条件下でタービン部品の期待動作条件の決定を可能にすることができる。このタービン部品の期待動作条件のリアルタイム又はほぼリアルタイムのシミュレーション及び決定により、過酷な動作条件下でも安定性及び最適性能を確保することが可能になる。

本明細書で説明される本発明の実施形態は、タービン部品における動的又は可変のサージ保護を提供する技術的作用を有することができる。タービン部品についてのサージ保護限界は、タービンの運転中にリアルタイム又はほぼリアルタイムで調整することができる。その結果、タービンの効率を高めることができる。

図１は、本発明の種々の実施形態に従って利用することができる１つの例示的なガスタービン１００を示している。ガスタービン１００は、スタンドアローンのタービンとして利用することができ、或いは、例えば、蒸気タービン及び電力を発生するための発電機を含む複合サイクル構成の一部を形成することができる。本発明の種々の実施形態は、例えば、蒸気タービン、ガスタービンなどの種々の異なるタービン又は他の機械に関連して、更に、圧縮機又は他のタービン部品といったタービンの異なる部品の範囲内で本発明の種々の実施形態を利用することができる。非限定的な例証として、ガスタービンの圧縮機段を参照して本発明の実施形態を説明する。

例示的なガスタービン１００は、単純サイクルシステムを形成するために発電機と関連して利用することができる。加えて、或いは代替として、例示的なガスタービン１００は、発電用途の複合サイクルシステムにおける蒸気タービンに結合することができる。複合サイクル又は単純サイクルシステムの何れにおいても、ガスタービン１００の運転が比較的低コストで高出力を生じるよう最大運転効率を可能にすることが望ましい。ガスタービン１００の効率は燃焼器燃焼温度に正比例するので、燃焼器燃焼温度が上昇するにつれて、運転効率もまた上昇する。

更に、圧縮機圧力比は燃焼器燃焼温度に関連付けられ、該圧縮機圧力比は、燃焼器燃焼温度の増大に伴って増大する。すなわち、燃焼温度が増大し、ガスタービン１００の運転効率を増大させると、圧縮機圧力比もまた増大する。ガスタービン１００の圧縮機１０２は、ガスタービン１００の効率的な運転を求めて所望の圧縮機圧力比を維持するよう機能することができる。しかしながら、高い圧縮機圧力比運転は、ストール及び／又はサージなどの圧縮機１０２の空力不安定を生じる可能性があり、ガスタービン１００の部品及び／又は運転効率に悪影響を及ぼす。但し、圧縮機１０２の動作条件又は領域は、入口案内翼１０４の角度、燃焼器内の燃料流量などの特定の臨界タービン制御パラメータを制御することによって制御することができる。特定の実施形態において、タービン制御パラメータは、例えば、圧縮機入口及び出口温度並びに圧力など、種々の運転パラメータに依存することができる。これらの運転パラメータを利用して、最適性能を得るためのタービン制御パラメータの最適制御を可能にすることができる。従って、特定の運転パラメータの好適な制御によって、ガスタービン１００のストール／サージを阻止する運転領域に圧縮機の動作を制限することができる。以下の段落において、図２は、１以上のタービン運転パラメータに対するタービンの安定及び不安定動作条件／領域の関係を示しており、図３は、これらのタービン運転パラメータのリアルタイム又はほぼリアルタイムでの決定を可能にする方法、システム、又は装置の例示的な実施形態を記載している。

図２は、例示的なタービン圧縮機の例示的なサージマップ２００を示す。図１に示す圧縮機１０２のような圧縮機用の例示的な動作領域を示す。サージマップ２００は、補正空気流量の関数としてプロットされた圧縮機圧力比を示す。圧力比は、圧縮機の入口圧力に対する出口圧力の比である。圧力比及び補正流量の両方は、種々の圧縮機流れパラメータを測定することにより取得することができる。例えば、入口圧力は、圧力管により圧縮機の入口で圧力を測定することによって取得することができ、出口圧力は、圧縮機の出口に位置付けられた圧力管により同様に測定することができる。これらの圧力測定は、１以上のセンサにより電気信号に変換することができ、更に、圧力比を提供するよう処理することができる。更に、補正空気流量は、圧縮機の入口又は出口で測定された差圧に比例する。よって、差圧測定値は、１以上のセンサにより電気信号に変換され、補正空気流量を提供することができる。

図２を参照すると、サージマップ２００は、限界を表すサージライン２０２を示し、この限界内では、図１に示すタービン１００などの例示的なガスタービンの圧縮機１０２がサージ及び／又はストールを発生することなく安全に動作することができる。タービンの効率は、超過することなくできる限りサージライン２０２に近接して動作するときに最大になることができる。従って、運転限界ライン２０４は、タービンの安全な運転を確保するために、ストール／サージ２０２から離れた所定の限界又はマージンで定義し設定することができる。この所定の限界又はマージンはまた、サージ限界又はサージマージンと呼ぶことができる。加えて、ガスタービン１００などのタービンがこれに沿って通常運転されるラインである運転ライン２０６も図２に示されている。運転限界ライン２０４は、これを超えると圧縮機の動作が安全ではなくなる最大空力負荷を表し、運転ライン２０６は、種々のガスタービン部品の運転間の空力−熱力平衡を表す。

サージマップ２００上に示したサージライン２０２は、補正圧縮機速度の選択値に対するサージ条件を圧縮機が入力する圧縮機圧力比を検出することによって経験的に決定することができる。例示的な圧縮機１０２の速度及び入口案内翼（ＩＧＶ）１０４の位置は、サージマップ２００上の運転位置の場所に影響を及ぼすことができる。例えば、一定の圧縮機速度では、圧縮機が図２に示すサージ条件に達するまでは、圧力比は空気流量の減少と共に増大する。従って、例示的なガスタービン１００の種々の部品の運転を管理する運転パラメータは、運転限界ライン２０４に対する運転ライン２０６の位置／場所を少なくとも部分的に決定することができる。

しかしながら、種々のタービン部品における流量及び／又は動作条件は、リアルタイムに変化する可能性があり、これにより運転ライン２０６の場所の変化を生じる。一方、動作条件の変化は、運転パラメータの変化につながる可能性がある。更に、サージライン２０２自体は、温度、先端クリアランス、ブレード摩耗、圧縮機速度などの運転パラメータにより影響を受ける可能性がある。すなわち、タービンのサージラインはリアルタイムで変化することができる。従って、運転ライン２０６の変化をリアルタイムに予測し、これに応じてサージライン２０２をリアルタイムで調整し、タービン運転をサージライン２０２に近接して維持することにより比較的高い効率を得ることができるようにする制御システムに対する必要性がある。本発明の種々の実施形態では、運転限界ライン２０４、従って運転ライン２０６は、運転限界ライン２０４の場所に影響を与える運転パラメータのリアルタイムの変化に少なくとも部分的に基づいて、リアルタイム又はほぼリアルタイムでサージライン２０２に向かって近付けることができる。運転限界ライン２０４をサージライン２０２に近付けることで、ガスタービン１００の運転に関連する種々の運転パラメータは、運転ライン２０６が運転限界ライン２０４に近付くことによって、比較的高い運転効率及び高出力を実現できるように制御することができる。

図３は、本発明の種々の実施形態によるタービン部品にサージ保護を与えるのに用いることが可能な１つの例示的な実施形態の概略図である。図３は、ガスタービン３０２の動作条件を予測し、これに応じて圧縮機などのタービン部品のサージ限界をリアルタイム又はほぼリアルタイムで調整するよう動作可能とすることができるシステム３００を示している。ガスタービン３０２は、タービンに続いて排気口につながる燃焼器部品と直列流れ連通した圧縮機部品を含むことができる。タービンは、負荷に結合された発電機を駆動するよう動作可能とすることができる。更に、１以上のセンサ３０４をガスタービン３０２の部品の１つ又はそれ以上に結合し、入口及び出口温度並びに圧力、排気温度並びに圧力、圧縮機速度、入口案内翼角度など、タービンに関連する１以上の運転パラメータを検知及び／又は測定することができる。センサにより形成される測定値は、測定データと呼ぶことができる。好適なセンサ又は検知デバイスの実施例は、限定ではないが、電圧センサ、圧力センサ、温度センサ、速度センサ、位置センサ、その他を含む。

コントローラ３０６は、１以上のセンサ３０４から測定データを受信することができる。加えて、特定の実施形態において、コントローラ３０６は、測定データ及び／又は、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、広域ネットワーク（ＷＡＮ）、インターネット、又はデータ伝送可能な他の何れかのネットワークなど、あらゆる数の好適なネットワークを通じて１以上の外部データ源３０８からの他のデータを受信する
ことができる。本発明の特定の実施形態において、外部データ源３０８は、タービン１０２及び／又はタービン１０２の１以上の部品の運転に関連する格納データ源とすることができる。特定の実施形態において、コントローラ３０６は、センサ３０４から受信したリアルタイムデータ及び外部データ源３０８からの格納データを同時に処理し、タービン部品のより正確な予測動作条件を提供することができる。他の実施形態では、外部データ源３０８は、リアルタイムデータを含むことができ、独立して或いは１以上のセンサ３０４と共にコントローラ３０６に結合されて、コントローラに測定データを提供することができる。更に、本発明の種々の実施形態において、コントローラ３０６は、ネットワーク３１０などの１以上の好適なネットワークを介してコントローラ３０６と通信する１以上の外部制御システム３１２により少なくとも部分的に制御することができる。

コントローラ３０６は、タービン部品のサージ保護限界を動的に決定可能にするプロセッサ駆動デバイスとすることができる。例えば、コントローラ３０６は、あらゆる数の専用コンピュータ又は他の特定の機械、特定用途向け回路、プログラマブル論理コントローラ（ＰＬＣ）、マイクロコントローラ、パーソナルコンピュータ、マイクロコンピュータなどを含むことができる。特定の実施形態において、コントローラ３０６の作動は、コントローラ３０６に関連する１以上のプロセッサにより実行されるコンピュータ実行又はコンピュータ実装命令によって制御することができる。この命令は、本発明の種々の実施形態において要求通りに１以上のソフトウェア構成要素に具現化することができる。命令の実行は、タービン部品のサージ保護を決定するよう動作可能な専用コンピュータ又は他の特定の機械を形成することができる。

コントローラ３０６は、１以上の入力／出力（「Ｉ／Ｏ」）インタフェース３１４、１以上のネットワークインタフェース３１６、１以上のプロセッサ３１８、及び／又は１以上のメモリデバイス３２０を含むことができる。Ｉ／Ｏインタフェース３１４は、例えば、センサ３０４、ユニバーサルシリアルバスポート、シリアルポート、ディスクドライブ、ＣＤ−ＲＯＭドライブ、赤外線受信器、及び／又はディスプレイ、キーボード、マウス、キーパッド、制御パネル、タッチスクリーンセンサ、リモート制御装置、マイクロフォンなど、コントローラ３０６とのユーザ対話を可能にする１以上の入力／出力デバイスとコントローラ３０６との間で通信を可能にすることができる。１以上のＩ／Ｏインタフェースを利用して、測定データ及び／又は幅広い種類のセンサ及び／又は入力デバイスからの他のデータを受信し又は収集することができる。

１以上のネットワークインタフェース３１６は、例えば、ローカルエリアネットワーク、広域ネットワーク、インターネット、又はデータ伝送可能な他の何れかのネットワークなど、１以上の好適なネットワーク３１０へのコントローラ３０６の接続を可能にすることができる。この点に関して、コントローラ３０６は、測定データ、及び／又はデータ源３０８及び／又は外部制御システム３１２などの他のネットワークデバイス及び／又はシステムからの制御データを受信することができる。加えて、幾つかの実施形態では、ネットワークインタフェース３１６を利用して、センサ３０４からの測定データを受信することができる。

１以上のプロセッサ３１８は、センサ３０４及び／又外部データ３１０からのタービン部品の作動に関連する測定データを受けるように動作可能にすることができる。１以上のプロセッサ３１８は、以下でより詳細に検討するようなあらゆる数のソフトウェアアプリケーションを利用して、測定値データを処理し、タービン部品についてのサージ保護パラメータを動的に決定することができる。タービン部品の作動に関連する測定値の実施例は、限定ではないが、タービン部品の入口案内翼の測定値、タービン部品の温度、タービン部品の圧力、タービン部品の入口抽気熱、及び／又はタービン部品のクリアランスを含み、更に、タービン部品の作動に関する他の何れかの測定データを含むことができる。

１以上のメモリデバイス３２０は、例えば、キャッシュ、読み出し専用メモリ、ランダムアクセスメモリ、磁気記憶装置など、何れかの好適なメモリデバイスとすることができる。メモリデバイス３２０は、例えば、タービン部品の作動に関連する測定データ３２２、オペレーティングシステム３２８、タービン動作条件の動的予測及び調整を可能にする１以上のサイクルモデル３２４、及び／又はサージ保護限界の動的調整を可能にするサージ保護モジュール３２６など、コントローラ３０６により利用されるデータ、実行可能命令、及び／又は種々のプログラムモジュールを格納することができる。サイクルモデル３２４及びサージ保護モジュール３２６は、コントローラ３０６が利用することができるソフトウェアモジュールの実施例である。オペレーティングシステム（ＯＳ）３２８は、コントローラの全体的な実行及び／又は作動、並びにコントローラ３０６による１以上の他のソフトウェアモジュールの実行を可能にすることができる。プロセッサ３１８は、オペレーティングシステム３２８を利用して、サイクルモデル３２４及びサージ保護モジュール３２６内にプログラムドロジックを実装することができ、この際に、測定データ３２２内のデータを利用することができる。実装されるプログラムドロジックは、１以上のプロセッサ３１８がサイクルモデル３２４及び／又はサージ保護モジュール３２６を実行するコンピュータ命令を含むことができる。従って、コントローラ３０６は、タービン部品に対する保護を提供する専用又は特定の機械を形成するためのソフトウェアを実行することができる。

システム１００の例示的な作動において、コントローラ３０６に含まれるプロセッサ３１８は、測定データを受信し、受信した測定データの少なくとも一部を１以上のサイクルモデル３２４に提供し、該サイクルモデル３２４がプロセッサ３１８により実行されて、タービン部品の動作条件を予測するようにする。１つの例示的な実施形態において、サイクルモデル３２４は、オンボードサイクルモデルとすることができ、ガスタービンサイクルのモデルを示すことができる。オンボードサイクルモデル３２４は、タービン部品マップを含むことができ、該マップは、リアルタイム又はほぼリアルタイムでの測定データ／運転因子の所与のセットの下でのタービンの種々の部品の挙動を記述する。更に、オンボードサイクルモデル３２４は、アクティブ制御システムを形成する複数の機械モデルを含み、タービンの幅広い異なる動作ポイント及び幅広い動作条件下で迅速で正確な計算を可能にすることができる。オンボードサイクルモデル３２４は、タービンの作動に関連する測定データに少なくとも部分的に基づいてリアルタイム又はほぼリアルタイムでタービン部品の動作条件を予測するよう動作可能にすることができる。オンボードサイクルモデル３２４は更に、タービンの作動に関連する予測動作条件及び／又は１以上の測定データに部分的に基づいてリアルタイム又はほぼリアルタイムで予測動作条件を調整するよう動作可能とすることができる。この調整された予測動作条件は、その後、サージ保護モジュール３２６に提供することができ、リアルタイム又はほぼリアルタイムでタービンのサージ保護限界の計算及び／又は調整を可能にする。加えて、サージ保護モジュール３２６は、ガイドベーン、燃料流量制御などのパラメータを制御し、サージ保護限界をリアルタイム又はほぼリアルタイムで動的に調整するコンピュータ実装可能命令のセットを含むことができる。従って、コントローラ３０６は、コンピュータ可読プログラムを形成することができ、該製品は、１以上のセンサ３０４から受信した測定データを処理し、該測定データをタービンの動作条件を制御するよう動作可能な制御信号に変換する。

図４は、図３に示すシステム３００など、タービン部品にサージ保護を与えるシステムが利用可能な例示的なソフトウェアモジュールのブロック図である。図４は、タービン部品に関連するサージ保護限界及び運転ラインを動的に調整することによって、互いに連動して利用して、タービン部品にサージ保護を与える複数のソフトウェアモジュールを示す。種々のソフトウェアモジュールは、オペレーティングシステム４０２、サージ保護及び限界ライン決定モジュール４０４、及び１以上のサイクルモジュール４０６を含むことができる。幅広い種類の異なるサイクルモデルは、例えば、オンボードサイクルモデル、タービン部品に関連する種々のモデル、及び／又は種々の予測モデルなど、本発明の種々の実施形態において要望通りに利用することができる。オンボードサイクルモデルは、モデル化された部品に関連する測定データに少なくとも部分的に基づいた１以上のタービン部品の動的モデリングを可能にすることができる。例示的な部品モデル４０８は、圧縮機モデル及びタービンモデルを含むことができる。過渡クリアランスモデル４１０などの幾つかの予測モデルは、本発明の種々の実施形態において要望通りに利用することができる。

オペレーティング４０２システムは、１以上の他のソフトウェアモジュールが実行又は稼働することができるプラットフォームを提供することができる。種々のモデルは、ガスタービンの圧縮機及びタービン内に位置付けられた１以上のセンサから測定データを受信することができる。受信した測定データに少なくとも部分的に基づいて、モデルは、１以上のタービン部品の挙動を予測及び／又はモデル化することができる。例えば、種々の部品モデルは、これらそれぞれの部品の挙動をモデル化することができる。タービンの測定値の１つの変化は、対応するタービン部品の挙動に影響を与え、ひいては他のタービン部品の挙動に影響を及ぼす可能性がある。従って、部品モデル４０８及び／又は過渡クリアランスモデル４１０により決定される部品の挙動は、オンボードサイクルモデルに更に提供され、該オンボードサイクルモデルが、部品モデル４０８及び／又は過渡クリアランスモデル４１０から受信した出力に部分的に基づいて、マッチポイント、すなわちタービンの運転効率を高めるタービン部品の望ましい／最適化された動作ポイントを計算するよう動作可能にすることができる。しかしながら、流れ条件の変化（悪化）は、時間の経過と共にマッチポイントのばらつきを生じる測定データの変化をもたらす可能性がある。従って、部品モデル４０８及び過渡クリアランスモデル４１０は、オンボードサイクルモデルと共同して利用して、タービン運転ラインを動的に予測し、経時的にこれを調整することができる。

従来のガスタービンエンジンでは、ロータブレード先端とステータケーシングとの間の半径方向クリアランスなどのクリアランスは、圧縮機速度、ケーシング温度、ブレード材料、その他と共に動的に変化し、タービンの運転効率に影響を与えることができる。過渡クリアランスモデル４１０は、オンボードサイクルモデルと共同して動作し、タービン内のクリアランス条件及び／又はタービン内のサージ保護に対するクリアランス作用を予測又はモデル化することができる。過渡クリアランスモデル４１０は、１以上のクリアランスセンサ及び／又は他のセンサからの測定データを受信するように動作可能とすることができる。クリアランスセンサは、タービン部品の前端、後端、中間段などのタービン部品における選択的位置での先端クリアランスのような、クリアランスの検知を可能にすることができる。タービン部品において有利な位置に配置されたクリアランスセンサによって検知されるクリアランスに少なくとも部分的に基づいて、過渡クリアランスモデル４１０は、タービン内の他の位置にあるクリアランスをリアルタイム又はほぼリアルタイムで決定可能にする。過渡クリアランスモデル４１０からの１以上の出力は、更に、オンボードサイクルモデルに提供され、タービン動作条件のより正確な予測を可能にすることができる。この点に関して、サージ保護限界ラインは、クリアランス条件に少なくとも部分的に基づいて調整することができる。加えて、過渡クリアランスモデル４１０を使用することにより、タービンにおける特定の位置にクリアランスセンサ／プローブを配置する（タービン内部の空気流の外乱につながる可能性がある）必要性を最小限にすることができる。

加えて、オンボードサイクルモデルは、予め格納されていたデータ及び／又はタービン内に配置されたセンサから受信した１以上の測定値に少なくとも部分的に基づいて、タービンの初期サージ保護限界を決定するよう動作可能にすることができる。次いで、サージ保護限界は、リアルタイム又はほぼリアルタイムで動的に調整することができる。サージ保護限界の動的決定を可能にする１以上の測定値の実施例は、入口案内翼角度、タービン部品の温度、タービン部品の圧力、入口抽気熱流量、又はタービン部品のクリアランスを含むことができる。しかしながら、タービンの運転効率を高めるために、オンボードサイクルモデルにより決定される調整された予測動作条件は、サージ保護及び限界ライン決定モジュール４０４に提供することができ、該モジュール４０４は、調整動作条件に少なくとも部分的に動的に基づいてサージ保護限界を調整するよう動作可能にすることができる。本発明の種々の実施形態では、サージ保護モジュール４０４は、ガイドベーン角度、燃料流量などのタービンパラメータを制御して、サージ保護限界に関する動作ポイントを調整するためのコンピュータ実装可能命令を含むことができる。従って、１以上のソフトウェアモジュールは、タービン部品にサージ保護を与えるよう動作可能な専用機械を形成することができる。

図５は、本発明の例示的な実施形態による、タービン部品にサージ保護を与える１つの例示的な方法５００を示すフローチャートである。

方法５００は、ブロック５０５から開始することができる。ブロック５０５において、ガスタービンの圧縮機など、タービン部品についてのサージ保護限界ラインを決定することができる。サージ保護限界ラインはまた、図２に示す運転限界ライン２０４に類似した運転限界ラインのような、運転限界ラインと呼ぶことができる。タービン部品は、サージを受けることなく安全に運転するよう、サージ限界ラインを下回って運転することができる。タービン部品の安全な運転を確保するために、部品についてのサージ保護限界ラインを決定することができる。本発明の種々の実施形態では、サージ保護限界ラインは、流れの低下、従ってタービンの動作条件の変化を考慮するよう動的に決定することができる。本発明の１つの例示的な実施形態において、サージ保護限界ラインは、タービン部品と連続通信したコントローラ内に含まれる予測ソフトウェアモジュールにより動的に生成することができる。サージ保護限界ラインの決定に続き、工程はブロック５１０に進むことができる。

ブロック５１０において、タービン部品の運転に関連する１以上の測定値を受信することができる。タービンは、該タービンの異なる部品に配置され、タービンの運転に関連する１以上の測定データを測定するよう動作可能な複数のセンサ又はプローブを含むことができる。１以上の測定データの実施例は、入口案内翼角度、入口及び出口温度、入口及び出口圧力、タービン部品の入口抽気熱、又はタービン部品におけるクリアランスを含む。１以上の測定データに使用されるセンサは、限定ではないが、圧力センサ、温度センサ、位置センサ、速度センサ、その他を含む。コントローラに内蔵される予測モジュールは、１以上の測定データを受信することができる。１以上の測定データの受信しに続いて、工程は、ブロック５１５に進むことができる。

ブロック５１５では、コントローラに内蔵されたオンボードサイクルモデルなどのサイクルモデルを実行し、タービン部品の期待動作条件を予測することができる。コントローラに内蔵されたオンボードサイクルモデルなどの予測モデルは、センサから受信した１つ又は複数の測定値に基づいてタービンの異なる部品の挙動を数学的に近似するよう動作可能な部品モジュールを含むことができる。本発明の種々の実施形態において、オンボードサイクルモデルは、タービンの運転をモデル化し、タービンの動作条件をリアルタイム又はほぼリアルタイムで予測するためのコンピュータ実装可能命令／コンピュータプログラムコードのセットを含むことができる。本発明の特定の実施形態では、オンボードサイクルモデルは、過渡クリアランスモデルと共同で機能し、タービンの期待動作条件のより正確な予測を提供することができる。過渡クリアランスモデルは、タービンの異なる部分におけるクリアランスをモデル化することができる。過渡クリアランスモデルの出力は更に、サイクルモデルに提供され、システムにおいて動的に変化するクリアランスに対するタービン部品の変化した応答の決定を可能にし、従って、結果としてタービンの期待動作条件の改善予測をもたらす。コントローラ内に含まれ、コンピュータ実装命令を実施するよう動作可能な１以上のプロセサは、オンボードサイクルモデルを実行することができる。従って、タービンの期待動作条件を予測するためにコンピュータプログラムロジックを実装するよう動作可能な１以上のプロセッサを伴う本発明の実施形態は、タービン部品にサージ保護を与える専用機械を形成することができる。オンボードサイクルモデルの実行に続いて、工程はブロック５２０に進むことができる。

ブロック５２０において、１以上の測定値の一部をオンボードサイクルモデルに提供することができる。複数のセンサから受け取られ、タービン部品の期待動作条件の予測の際に使用される１以上の測定値は、オンボードサイクルに提供され、タービン部品に関連する予測動作条件の調整を可能にすることができる。この点に関して、タービン部品の予測動作条件は、タービンの運転に少なくとも部分的に基づいて動的に調整することができる。次に、工程はブロック５２５に進むことができる。

ブロック５２５では、タービン部品の期待運転は、１以上の測定値の少なくとも一部に基づいて調整することができる。１以上の測定値は、動的に変化し、タービン部品の期待動作条件の変化につながる可能性がある。ブロック５２０においてオンボードサイクルモデルに提供される１以上の測定値に少なくとも部分的に基づいて、オンボードサイクルモデルは、タービン部品の期待動作条件を調整することができる。タービン部品の期待動作条件の調整に続いて、工程はブロック５３０に進むことができる。

ブロック５３０では、サージ保護限界ラインは、タービン部品の調整された期待動作条件に基づいて調整することができる。コントローラに含まれるサージ保護ソフトウェアモジュールは、サイクルモデルによって最初に決定されたサージ保護限界ラインを調整するよう動作可能とすることができる。タービンの運転効率を高めるために、システムは、サージ限界ラインにできる限り近付けて動作させる必要がある。従って、タービンの運転ラインを定めるタービンの期待動作条件が与えられると、サージ限界ラインは、タービンの運転ラインにより近くなるように調整することができる。サージ限界ラインは、タービンの調整された期待動作条件に少なくとも部分的に基づいて調整することができる。従って、コントローラがセンサから受信する１以上の測定データを処理して、燃料流量バルブ及び入口案内翼などのタービンアクチュエータを制御する信号に変換することができる。

方法５００は、次に続くブロック５３０で終了することができる。

図５の方法５００で説明した工程は、必ずしも図５に記載の順序で実施する必要はなく、あらゆる好適な順序で実施してもよい。加えて、本発明の特定の実施形態では図５に記載の段階又は工程の全てよりも多い又は少なく実施することができる。

本発明の実施形態は、蒸気タービン、ガスタービンなどの様々なタイプのタービンに適用することができる。本発明のサージコントローラは、回転ストール／サージのリスクに曝される圧縮機を含むあらゆる圧縮（ポンプ）システムに適用することができる。実施例には、何らかの空気調整システム又は冷蔵システムなど、ガスタービンエンジン及び冷却システムが含まれる。本発明は更に、軸流圧縮機、工業用送風機、遠心圧縮機、遠心式冷凍機、及びボイラーを含む、様々な圧縮機に適用することができる。更に、本発明の実施形態は、タービンの圧縮機部品及びタービン部品など、タービンの様々な部品に関連することができる。これまで本明細書において取り上げられ／提供された何れかの実施例は、単に説明の目的で提供されたものに過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない点は理解されるであろう。

本発明は、本発明の例示的な実施形態による、システム、方法、装置、及び／又はコンピュータプログラムのブロック図及びフロー図を参照しながら上記で説明された。ブロック図及びフロー図の１以上のブロック、ブロック図及びフロー図におけるブロックの組み合わせはそれぞれ、コンピュータ実行可能プログラム命令により実装することができる点は理解されるであろう。同様に、本発明の一部の実施形態によれば、ブロック図及びフロー図の一部のブロックは、必ずしも提示された順序で実施する必要はない場合があり、或いは、必ずしも全てを実施する必要がない場合がある。

これらのコンピュータ実行可能プログラム命令は、汎用コンピュータ、専用コンピュータ、プロセッサ、又は他のプログラマブルデータ処理装置にロードされて特定機械を生成し、コンピュータ、プロセッサ、又は他のプログラマブルデータ処理装置上で実行される命令が、フローチャートの１つ又は複数のブロックにおいて指定される１以上の機能を実施する手段をもたらすようになる。これらのコンピュータ実行可能プログラム命令はまた、コンピュータ可読メモリ内に格納することができ、コンピュータ又は他のプログラマブルデータ処理装置に特定の方法で機能するよう指示することができ、コンピュータ可読メモリ内に格納された命令は、１つ又は複数のフロー図ブロックにおいて指定された１以上の機能を実施する命令手段を含む、製造物品をもたらすようになる。例証として、本発明の実施形態は、コンピュータ可読プログラムコード又はプログラム命令が記憶されたコンピュータ使用可能媒体を含むコンピュータプログラムを提供することができ、上記コンピュータ可読プログラムコードは、１つ又は複数のフロー図ブロックにて指定される１以上の機能の実施を実行するよう適合されている。コンピュータプログラム命令はまた、コンピュータ又は他のプログラム可能データ処理装置上にロードされて、一連の操作段階又はステップをコンピュータ又は他のプログラム可能装置上で実施させ、コンピュータ又は他のプログラム可能装置上で実行される命令が１つ又は複数のフロー図ブロックにおいて指定される機能を実施するための段階又はステップを提供するようなコンピュータ実装プロセスをもたらすことができる。

従って、ブロック図及びフロー図のブロックは、指定される機能を実施するための手段の組み合わせ、指定機能を実施する段階又はステップの組み合わせ、並びに指定機能を実施するためのプログラム命令手段に対応する。また、ブロック図及びフロー図の各ブロック並びにブロック図及びフロー図におけるブロックの組み組み合わせは、指定の機能、段階又はステップ、或いは専用ハードウェア及びコンピュータ命令の組み合わせを実施する専用ハードウェアベースのコンピュータシステムにより実施することができることは、理解されるであろう。

現時点で最も実用的且つ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に添付の請求項の技術的思想及び範囲内に含まれる様々な修正形態及び均等な構成を保護するものであることを理解されたい。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

１００ ガスタービン
１０２ 圧縮機
１０４ 入口案内翼
２００ サージマップ
２０２ サージ保護限界
２０４ 運転限界ライン
２０６ 運転ライン
２０８ 定速又はＩＧＶライン
３００ サージ保護システム
３０２ ガスタービン
３０４ センサ
３０６ コントローラ
３０８ データソース
３１０ ネットワーク
３１２ 外部制御システム
３１４ 入力出力（Ｉ／Ｏ）インタフェース
３１６ ネットワークインタフェース
３１８ プロセッサ
３２０ メモリ
３２２ 測定データ
３２４ サイクルモデル
３２６ サージ保護モジュール
４０２ オペレーティングシステム
４０４ サージ保護及び限界ライン決定モジュール
４０６ サイクルモデル
４０８ 部品モデル
４１０ 過渡クリアランスモデル
５００ タービン部品にサージ保護をもたらす方法
５０５ ブロック
５１０ ブロック
５１５ ブロック
５２０ ブロック
５２５ ブロック
５３０ ブロック

Claims (10)

1. タービン部品にサージ保護を与えるための方法（５００）であって、当該方法が、
   タービン部品に関するサージ保護限界を決定する段階（５０５）と、
   タービン部品の運転に関連する１以上の測定値を受信する段階（５１０）と、
   タービン部品の動作条件を予測するために実行される（５１５）サイクルモデルに受信した１以上の測定値を提供する段階（５２０）であって、タービン部品の予測された動作条件を、受信した１以上の測定値に少なくとも部分的に基づいて調整（５２５）する段階と、
   タービン部品の調整された予測動作条件に基づいてサージ保護限界を調整する段階（５３０）
   を含む方法。
2. 前記タービン部品がタービン圧縮機を備える、請求項１記載の方法（５００）。
3. 前記タービン部品の運転に関連する１以上の測定値を受信する段階（５１０）が、タービン部品の入口案内翼の角度、タービン部品の温度、タービン部品の圧力、タービン部品の入口抽気熱、又はタービン部品のクリアランスに関連する１以上の測定値を受信する段階を含む、請求項１又は請求項２記載の方法（５００）。
4. 当該方法が、サイクルモデル以外の予測モデルから１以上の出力を受信する段階と、受信した１以上の出力をサイクルモデルに提供する段階とをさらに含んでおり、タービン部品の予測された動作条件が、受信した１以上の出力に少なくとも部分的に基づいてさらに調整される、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の方法（５００）。
5. 前記タービン部品に関するサージ保護限界を決定する段階（５０５）が、サイクルモデルを利用してタービン部品に関する初期サージ保護限界を決定する段階を含む、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の方法（５００）。
6. タービン部品にサージ保護を与えるシステム（３００）であって、当該システムが、
   タービン部品の運転に関連するパラメータを測定するよう動作可能な１以上のセンサ（３０４）と、
   １以上のプロセッサと
   を備えており、上記１以上のプロセッサ（３１８）が、
   タービン部品に関するサージ保護限界を決定するステップと、
   １以上のセンサ（３０４）から測定データを受信するステップと、
   タービン部品の動作条件を予測するために１以上のプロセッサ（３１８）により実行されるサイクルモデル（３２４）に受信した測定データを提供するステップであって、タービン部品の予測された動作条件を、受信した測定データに少なくとも部分的に基づいて調整するステップと、
   タービン部品の調整された予測動作条件に基づいてサージ保護限界を調整するステップと
   を実行できる、システム（３００）。
7. 前記タービン部品がタービン圧縮機を備える、請求項６記載のシステム（３００）。
8. 前記タービン部品の運転に関連するパラメータが、タービン部品の入口案内翼の角度、タービン部品の温度、タービン部品の圧力、タービン部品の入口抽気熱、又はタービン部品のクリアランスに関連する１以上のパラメータを含む、請求項６又は請求項７記載のシステム（３００）。
9. １以上のプロセッサ（３１８）がさらに、サイクルモデル以外の予測モデルから１以上の出力を受信するステップと、受信した１以上の出力をサイクルモデルに提供するステップであって、タービン部品の予測された動作条件を、受信した１以上の出力に少なくとも部分的に基づいてさらに調整するステップとを実行できる、請求項６乃至請求項８のいずれか１項記載のシステム（３００）。
10. コンピュータ可読プログラムコードが記憶されたコンピュータ使用可能媒体を含むコンピュータプログラムであって、上記コンピュータ可読プログラムコードが、
    タービン部品の動作条件を予測するよう動作可能なサイクルモデルを実行するステップと、
    タービン部品の運転に関連する１以上の測定値を受信するステップと、
    受信した１以上の測定値をサイクルモデルに提供するステップであって、タービン部品の予測された動作条件を、受信した１以上の測定値に少なくとも部分的に基づいて調整（５２５）するステップと、
    タービン部品の調整された予測動作条件に基づいてサージ保護限界を調整するステップと
    を実行するように構成されている、コンピュータプログラム。

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