JP2010261439A - ガスタービン停止 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービン停止方法に関し、ロータの速度を制御し、停止のばらつきを最小化する。
【解決手段】ガスタービン１００は、ロータ１１０と、目標の燃料対空気比プロファイル１３４に基づいてガスタービン１００の停止を制御し、且つ／又は指定継続時間の停止を実現するために目標の速度スケジュール１３６に従ってロータ１１０速度を制御するための制御装置１０２とを含む。制御装置１０２は、始動装置１１４を係合させてロータ１１０を回転させることによってロータ１１０速度を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、概してガスタービンエンジン技術に関する。より詳細には、本発明は燃料対空気比及び／又はロータ速度制御を用いたガスタービン停止に関する。

現在のガスタービン停止方法は、時間に応じて燃料流量を減少させる。この方法は、タービンの最高速度での燃料流量を測定してから、時間と共に燃料流量（Ｆ）を減少させる（ｄＦ／ｄｔ）ことによって実現できる。特定のタービンに関して燃料流量及び／又はロータ速度が十分に低い（例えば、最高速度の２０％）と、燃料流は停止し、タービンは最低速度まで減速して、タービンの停止が完了する。

米国特許第６，２５３，５３７Ｂ１号

上記の方法によってもたらされる１つの課題は、停止反応の大きなばらつきを招き、容易に制御できないことである。より詳細には、時間に応じて燃料流量を減少させることによってガスタービンを停止することは、燃料流量とタービンの動作速度の間の直接的関係を保証するものではない。むしろ、様々な減量、異なるタービン状態等の差によって、ロータ速度対時間の著しい変化が生じる。吸気はロータ速度に応じたものであり、燃料流量は速度に直接関係していないので、ロータ速度の変化は燃料対空気比の有意差を生じさせる。従って、燃料流量を減少させても、必ずしもタービンの操作方法を制御できるわけではない。特に、制御されずに変動する燃料対空気比は、焼成温度、排気温度及び排出速度の変動を招く。更に、この方法によって、例えば、最高速度から「ターニングギヤ速度」、即ちロータの曲がりを防止するためにロータが外部電源によって絶えず回転しなければならない速度まで減速するのにかかる時間等の、多くの特性が予測不可能になる。実際の動作において部品がさらされる時間及び温度は変動するので、部品寿命を正確に予測することも困難にする。更に、停止反応のばらつきはタービン隙間に影響を及ぼすことになり、必要な隙間の更なる保守的傾向が生まれ、結果としてガスタービン性能の損失が生じる可能性がある。

本発明の第１態様は、ロータと、空気流量、ロータ速度又は燃料流量の少なくとも１つを制御することによってガスタービンの停止を制御して、停止のばらつきを最小化するための制御装置とを備えるガスタービンを提供する。

本発明の第２態様は、ロータと、ロータに連結されてロータの回転を駆動する始動装置を含む発電機と、目標の速度スケジュールに従ってロータ速度を制御して、ガスタービンの指定継続時間の停止を実現するための制御装置であって、始動装置を係合させてロータを回転させることによってロータ速度を制御する制御装置とを備える。

本発明の第３態様は、目標の燃料対空気比プロファイルを実現するための空気流量、目標の燃料対空気比プロファイルを実現するための燃料流量、又は指定継続時間の停止を実現するために構成された目標の速度スケジュールに従ったロータ速度の少なくとも１つを制御することによって、ガスタービンの停止を制御するステップを含む方法を提供する。

本発明の実施形態による動力装置の要部の概略図を示す。 負荷整流インバータ（ＬＣＩ）公称速度対電流スケジュールを示す。

図１では、実施形態による制御装置１０２を含む動力装置９０を図示する。動力装置９０は、ガスタービン１００を含む。ガスタービン１００は、現在知られている又は将来開発される任意のガスタービンである。ガスタービン１００は、天然ガス等の燃料を燃焼させることによってロータ１１０を回転させる。ロータ１１０は、ロータ１１０の回転から電力を発生させる発電機１１２に連結される。発電機１１２は、モータ、負荷整流インバータ（ＬＣＩ）又は外部トルクをロータ１１０に印加するための同様の構造等の始動装置１１４を含む、現在知られている又は将来開発される任意の発電機である。明らかなように、始動装置１１４はロータ１１０に連結され、ロータ１１０の回転を駆動する発電機１１２の動作を逆転させるように構成される。ＬＣＩが用いられる場合、分かり易い言葉では、発電機１１２をモータ回転させる。

制御装置１０２は、動力装置９０の実質的に全ての部分、例えば、ガスタービン１００、発電機１１２、始動装置１１４、制御弁、燃料流量、空気流量等を制御する、現在知られている又は将来開発される任意の制御システムである。更に、本発明の実施形態によれば、制御装置１０２は、空気流量、ロータ速度又は燃料流量の少なくとも１つを制御することによって、ガスタービン１００の停止を制御して停止のばらつきを最小化する。これは、時間に応じて燃料流量を単に減少させる従来技術とは対照的であり、即ち、従来技術はその他のシステム要件を満たすために燃料流量を制御するのではない。制御装置１０２は、サイクル温度、排出速度、部品寿命、隙間、停止継続時間等の多種多様なパラメータを最適化するために停止を制御できる。

一実施形態では、制御装置１０２は、目標の燃料対空気比プロファイルに基づいて停止を制御する。この場合、制御装置１０２は、最適化された停止を実現するために構成されたモデルに基づく目標の燃料対空気比プロファイルを実現するために、空気流量Ａ又は燃料流量ＷＦを制御できる。空気流量Ａは、タービン１００内の吸気ベーンを制御することによって部分的に制御でき、燃料流量ＷＦは、例えば燃料ポンプ（図示せず）を制御することによって部分的に制御できる。別の実施形態では、制御装置１０２は、指定継続時間の停止を実現するための目標の速度スケジュールに従ってロータ速度Ｎを制御することによって、停止を制御する。この場合、制御装置１０２は、始動装置１１４を係合させてロータを回転させることによってロータ速度Ｎを制御し、即ち、目標の速度スケジュールに適合するようにロータ速度Ｎを増減させる。

上記の実施形態は別々に用いても良く、又は一緒に用いても良い。即ち、制御装置１０２は、モデル１３２に基づく目標の燃料対空気比プロファイル１３４を実現するための空気流量Ａ及び／又は燃料流量ＷＦ、及び／又は指定継続時間の停止を実現するために構成された目標の速度スケジュール１３６に従ったロータ速度Ｎの少なくとも１つを制御する。

構造的に、制御装置１０２は、ハードウェア、ソフトウェア又はそれらの組み合わせの形態を取るかに関わらず、動力装置９０を制御するために従来から用いられる任意の形態のコンピュータ化された制御システムである。この点に関して、制御装置１０２は、明確に図示されていないが、動力装置９０を制御するための多種多様な異なる機能を含むことが分かる。本発明の実施形態によれば、制御装置１０２は更に、上記の停止技術を提供するように構成される。これらの機能を達成するために、制御装置１０２は、焼成温度等のパラメータを測定するハードをモデル化するためのアドバンストリアルタイムエンジンシミュレータ（ＡＲＥＳ）等のオンボードサイクルモデル簡易相関（ＯＣＭＳＣ）システムである、現在知られている又は将来開発される任意のモデリングシステムを含むモデラー１３０を備える。モデル１３２は、目標の燃料対空気比プロファイル１３４及び目標の速度スケジュール１３６を含む。制御装置１０２は、燃料流量制御装置１４０と、誤差決定器１５２及び始動装置制御器１５４を含むロータ速度制御装置１５０と、ニューラルネットワーク１６０とを更に備える。

動作中、モデラー１３０は、目標の燃料対空気比プロファイル１３４を定式化するために、特定のガスタービン１００の動作をモデル化する。一実施形態では、モデラー１３０は停止のばらつきを最小化するように動作をモデル化する。目標の燃料対空気比プロファイル１３４は、一定時間の所望の燃料対空気比のスケジュールを含み、それに従うと、所望のプロファイルを実現することになる。燃料対空気比のモデル化は、制御の精度を向上させるために望ましい。しかしながら、燃料対空気比は、燃料流量ＷＦ、圧縮機排気圧力、入口圧力降下、排気温度等のその他のパラメータに基づく既知の方法で推定できる。必要であれば、燃料対空気比は、モデラー１３０を用いてある範囲の温度にわたって標準化することができる。

一実施形態では、目標の燃料対空気比プロファイル１３４を実現するために、制御装置１０２の燃料流量制御装置１４０は、ロータ速度Ｎに応じて空気流量Ａ及び／又は燃料流量ＷＦを制御する（必要に応じてＡ及び／又はＷＦを増減する）。燃料流量制御装置１４０は、空気流量Ａ及び／又は燃料流量ＷＦを決定する多数の弁、ベーン、ポンプ等のいずれかに命令できる。必要に応じて、その他のパラメータの制御も使用できる。燃料対空気比プロファイルに基づく停止の制御は、燃料流量ＷＦを単に減少させて、さもなければ無制限に流れるガスタービンの操作を可能にする従来技術に比べて、停止をより正確に制御する。従って、サイクル温度、排出速度、部品寿命、隙間等をより良好に制御できる。

別の実施形態では、モデラー１３０は、目標の速度スケジュール１３６、即ち一定時間の所望ロータ速度Ｎのスケジュールを定式化するために、特定のガスタービン１００の動作をモデル化する。目標の速度スケジュール１３６は、指定継続時間の停止を実現するように構成される。制御装置１０２は、始動装置１１４を係合させてロータ１１０を回転させることによって停止中のロータ速度Ｎを制御する。ほとんどの場合、制御装置１０２は物理的にロータ１１０の減速度を低下させるように命令することになるが、減速率の増加又はロータ１１０の速度の増加もまた最適化されているものによって決まることが望ましい。このような停止の継続時間を制御することにより、最高速度から「ターニングギヤ速度」まで減速するのにかかる時間のより大きな予測性が提供される。このタイプの制御は更に、熱及び機械的負荷への部品の暴露のより良好な制御によって部品寿命を正確に予測するのを容易にする。

この技術は、従来の始動装置１１４（ＬＣＩ）制御方式に容易に導入できる。特に、ロータ速度制御装置１５０は、始動装置１１４の一部である始動装置制御器１５４を介して、目標の速度スケジュールを実現するために構成された公称始動装置スケジュールに従って、始動装置１１４のトルク出力を制御する。明らかなように、始動装置１１４のトルク出力はロータ１１０の回転を駆動する。例示的な公称始動装置スケジュールは、始動装置１１４（ＬＣＩ）への電流入力対速度として図２に示される。ロータ速度制御装置１５０の誤差決定器１５２は、目標の速度スケジュール１３６から、即ち指定時間の停止において、ロータ１１０の実速度Ｎと目標速度ＮＴａｒｇの間の誤差Ｎｅｒｒを決定する。ロータ速度Ｎは、例えば、赤外線センサ等の現在知られている又は将来開発される任意の方法を用いて測定される。ロータ速度制御装置１５０は、ロータ１１０の回転を駆動して誤差Ｎｅｒｒを補正することによって、始動装置制御器１５４を介して始動装置１１４を制御する。ロータ速度制御装置１５０は、公称始動装置スケジュール（図２）の適切である部分に電流スケーラーを導入することによって補正を実施する。必要に応じて、ロータ速度制御装置１５０によって実行された始動装置の電流スケーリングは、それによって電流が変化するスケールを調整するための速度制限を含んでも良く、それによって電流を変更することのできる最大量を決定するためのクランプを含んでも良い。

上記の動作に加えて、過去の実績に基づいて停止制御を向上させるために、ニューラルネットワーク１６０を使用する。ニューラルネットワーク１６０は、現在知られている又は将来開発される任意の人工知能又は数値技術を使用する。一実施形態では、ニューラルネットワーク１６０は、過去の実績に基づいて目標の燃料対空気比プロファイル１３４及び／又は目標の速度スケジュール１３６を含むモデル１３２を調整するために使用される。更に、いずれのプロファイルも、サイクル温度、排出速度、部品寿命、隙間等の特定の停止特性を最適化するように調整される。

本明細書において「第１」、「第２」等の用語は、いかなる順序、数量、又は重要性も意味するものではなく、１つの要素を別のものから区別するために用いられており、本明細書において単数形で記載したものであっても、数量の限定を意味するものではなく、参照されたものが少なくとも１つ存在することを意味するものである。数量に用いられる「約」という修飾語は、記載の数値を含み、文脈ごとに定まる意味を持つ（例えば、特定の数量の測定に付随する誤差の範囲を含む）。本明細書で用いる「（ｓ）」という接尾辞は、それを付した語の単数形と複数形を包含することによって、その用語のものが１つ以上存在することを意味する（例えば、ｍｅｔａｌ（ｓ）は１種以上の金属を包含する）。

本明細書では様々な実施形態を説明しているが、当業者は、それらにおける要素の様々な組み合わせ、変形又は改良を行うことができ、またそれらが本発明の範囲内に属することは、本明細書から理解されるであろう。更に、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料を本発明の教示に適合させるために多くの修正を行うことができる。従って、本発明は、本発明を実施するための最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲に属する全ての実施形態を包含するものとする。

９０ 動力装置
１０２ 制御装置
１００ ガスタービン
１１０ ロータ
１１２ 発電機
１１４ 始動装置
１３４ 目標の燃料対空気比プロファイル
１３２ モデル
１３６ 目標の速度スケジュール
１３０ モデラー
１４０ 燃料流量制御装置
１５０ ロータ速度制御装置
１５２ 誤差決定器
１５４ 始動装置制御器
１６０ ニューラルネットワーク

Claims (18)

1. ロータ（１１０）と、
   空気流量、ロータ（１１０）速度又は燃料流量の少なくとも１つを制御することによって前記ガスタービン（１００）の停止を制御して、停止のばらつきを最小化するための制御装置（１０２）とを備える、ガスタービン（１００）。
2. 前記制御装置（１０２）は、目標の燃料対空気比プロファイル（１３４）に基づいて停止を制御する、請求項１に記載のガスタービン。
3. 過去の実績に基づいて前記目標の燃料対空気比プロファイルを調整するニューラルネットワーク（１６０）を更に備える、請求項２に記載のガスタービン。
4. 前記制御装置（１０２）は、前記ロータ（１１０）速度に応じて燃料流量を制御する、請求項１に記載のガスタービン。
5. 前記ロータ（１１０）に連結されて前記ロータ（１１０）の回転を駆動する始動装置（１１４）を含む発電機（１１２）を更に備え、
   前記制御装置（１０２）は、前記始動装置（１１４）を係合させて前記ロータ（１１０）を回転させることによって停止中の前記ロータ（１１０）速度を制御する、請求項１に記載のガスタービン。
6. 前記制御装置（１０２）は、指定継続時間の停止を実現するために目標の速度スケジュール（１３６）に従って前記ロータ（１１０）速度を制御する、請求項５に記載のガスタービン。
7. 過去の実績に基づいて前記目標の速度スケジュール（１３６）を調整するニューラルネットワーク（１６０）を更に備える、請求項６に記載のガスタービン。
8. 前記制御装置（１０２）は、
   前記目標の速度スケジュールを実現するために構成された公称始動装置（１１４）スケジュールに従って、前記始動装置（１１４）のトルク出力を制御すること、
   前記ロータ（１１０）の実速度と前記目標の速度スケジュールの間の誤差を決定すること、及び
   前記始動装置（１１４）の前記トルク出力を制御して前記誤差を補正することによって、前記ロータ（１１０）速度を制御する、請求項６に記載のガスタービン。
9. 前記始動装置（１１４）は負荷整流インバータ（ＬＣＩ）である、請求項５に記載のガスタービン。
10. ロータ（１１０）と、
    前記ロータ（１１０）に連結されて前記ロータ（１１０）の回転を駆動する始動装置（１１４）を含む発電機（１１２）と、
    目標の速度スケジュール（１３６）に従ってロータ（１１０）速度を制御して、前記ガスタービン（１００）の指定継続時間の停止を実現するための制御装置（１０２）であって、前記始動装置（１１４）を係合させて前記ロータ（１１０）を回転させることによって前記ロータ（１１０）速度を制御する前記制御装置（１０２）とを備える、ガスタービン（１００）。
11. 前記制御装置（１０２）は更に、目標の燃料対空気比プロファイル（１３４）に基づいて停止を制御する、請求項１０に記載のガスタービン。
12. 前記目標の燃料対空気比プロファイル（１３４）はモデル（１３２）に基づく、請求項１１に記載のガスタービン。
13. 過去の実績に基づいて前記モデル（１３２）を調整するニューラルネットワーク（１６０）を更に備える、請求項１２に記載のガスタービン。
14. 前記制御装置（１０２）は、
    前記ロータ（１１０）速度に対する所望の減速度プロファイルを実現するために公称始動装置（１１４）スケジュールを作成すること、
    前記ロータ（１１０）の実速度と前記目標の速度スケジュールの間の誤差を決定すること、及び
    前記始動装置（１１４）のトルク出力を制御して前記誤差を補正することによって、前記ロータ（１１０）速度を制御する、請求項１０に記載のガスタービン。
15. 過去の実績に基づいて前記目標の速度スケジュール（１３６）を調整するニューラルネットワーク（１６０）を更に備える、請求項１０に記載のガスタービン。
16. 目標の燃料対空気比プロファイル（１３４）を実現するための空気流量、
    前記目標の燃料対空気比プロファイル（１３４）を実現するための燃料流量、又は
    指定継続時間の停止を実現するために構成された目標の速度スケジュール（１３６）に従ったロータ（１１０）速度の少なくとも１つを制御することによって、ガスタービン（１００）の停止を制御するステップを含む方法。
17. ニューラルネットワーク（１６０）を提供して、過去の実績に基づいて前記目標の燃料対空気比プロファイル（１３４）及び前記目標の速度スケジュール（１３６）の少なくとも１つを調整するために前記ニューラルネットワーク（１６０）を使用するステップを更に含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記ロータ（１１０）速度の制御は、
    前記ロータ（１１０）速度に対する所望の減速度プロファイルを実現するために公称始動装置（１１４）スケジュールを作成すること、
    前記ロータ（１１０）の実速度と前記目標の速度スケジュールの間の誤差を決定すること、及び
    前記始動装置（１１４）のトルク出力を制御して前記誤差を補正することを含む、請求項１６に記載の方法。