JP2013139767A - 発電システム用の作動流体センサシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】タービン及び発電システムの運転、性能、及び/又は効率を分析するための作動流体センサシステムを提供すること。
【解決手段】発電システムの運転を分析するよう適合された作動流体センサシステムが開示される。一実施形態では、作動流体センサシステムは、タービン内に配置されるよう適合されたセンサのセットを備え、該センサのセットが、作動流体に曝すためにタービンの流路内に延びたプローブ部を含み、該プローブ部が、作動流体によってプローブ部に作用する力に反応して、作動流体の含水量を示すよう適合されている。
【選択図】 図1

Description

本明細書で開示される主題は、発電プラントシステムに関し、より詳細には、タービン及び発電システムの運転、性能、及び/又は効率を分析するための作動流体センサシステムに関する。
一部にお発電プラントシステム(例えば、特定の原子力発電、単純サイクル及び複合サイクル発電プラントシステム)は、設計及び運転においてタービンを利用する。これらのシステム及びタービン(例えば、蒸気タービン、低圧蒸気タービン、その他)の一部の運転及び性能の分析は、タービンの作動流体(例えば、排出蒸気)の含水量を分析することにより支援及び/又は実施することができる。この分析によって、技師及び/又は設計者が保守、設計調整及びプラント運転(例えば、どのタービンをどの時点で作動させるか、特定のタービンについて運転パラメータを調整する必要があるか否か、特定のタービンについて保守を実施する必要があるか否か、その他)に関する情報を十分に得た上で決定を下すことが可能とすることができる。低圧(LP)蒸気タービンを組み込んだシステムでは、LPタービン排出蒸気の測定含水量は、LPタービン排出圧力、LPタービン入口圧力、及びLPタービン作動温度に関するデータと共に使用して、LPタービン効率を計算することができる。従って、タービン、特にタービン排気内の含水量を迅速に、正確且つ確実に測定することが望ましい。一部の発電プラントシステムは、タービン内の作動流体の含水量を求めるために排出蒸気のサンプルを抽出して分析することに頼っている。他のシステムでは、排出蒸気の含水量を決定するために、減光理論を用いた光学センサの利用を試みている。しかしながら、サンプルは、取得及び試験を行うのが困難な場合があり、光学センサの設置、較正、及び作動を低コストで又は効率的に実施できない可能性がある。従って、これらのシステムは、正確さに欠け、時間を要し、技術的に複雑で、及び/又は実現可能ではない場合がある。
米国特許第7231835号明細書
発電システムの運転を分析するためのシステムが開示される。一実施形態では、作動流体センサシステムは、タービン内に配置されるよう適合されたセンサのセットを備え、該センサのセットが、作動流体に曝すためにタービンの流路内に延びたプローブ部を含み、該プローブ部が、作動流体によってプローブ部に作用する力に反応して、作動流体の含水量を示すよう適合されている。
本発明の第1の態様は、タービン内に配置されるよう適合されたセンサのセットを備え、該センサのセットが、作動流体に曝すためにタービンの流路内に延びたプローブ部を含み、該プローブ部が、作動流体によってプローブ部に作用する力に反応して、作動流体の含水量を示すよう適合されているシステムを提供する。
本発明の第2の態様は、タービンの作動特性を決定するよう適合された少なくとも1つのコンピュータデバイスを備えたシステムを提供し、該コンピュータデバイスが、タービンにおける作動流体の流れに曝されるセンサのセットから、センサのセットに対する抗力係数、タービンにおける現行の周囲条件のセット又はセンサのセットに対する作動流体の浸食作用のうちの少なくとも1つを含む流れデータを取得し、該流れデータに基づいて作動流体の含水量を決定し、作動流体の含水量に基づいて前記タービンについての作動特性を決定する、ことを含む動作を実施することにより、タービンの作動特性を決定する。
本発明の第3の態様は、ガスタービンと、ガスタービンに動作可能に接続された熱回収蒸気発生器(HRSG)と、HRSGに動作可能に接続された蒸気タービンと、ガスタービン又は蒸気タービンの少なくとも1つに動作可能に接続された発電機と、蒸気タービン内に配置されるよう適合されたセンサのセットとを備え、センサのセットが、蒸気タービンの流路内に延びて作動流体に曝されるプローブ部を含み、該プローブ部が、作動流体により加えられた力に対してプローブ部上で反応して、作動流体の含水量を示すよう適合されている、複合サイクル発電システムを提供する。
本発明のこれら及び他の特徴は、本発明の種々の実施形態を示した添付図面を参照しながら、本発明の種々の態様に関する以下の詳細な説明から容易に理解されるであろう。
本発明の一実施形態による、蒸気タービンの一部の概略切り欠き図。 本発明の一実施形態による、蒸気タービンの一部の概略切り欠き図。 本発明の一実施形態による、蒸気タービンの一部の概略切り欠き図。 本発明の一実施形態による、蒸気タービンの一部の概略切り欠き図。 本発明の一実施形態による、蒸気タービンの一部の概略切り欠き図。 本発明の一実施形態による、蒸気タービンの一部の概略切り欠き図。 本発明の一実施形態によるシステムを含む環境の概略図。 本発明の一実施形態によるプロセスを示す方法のフロー図。 本発明の一実施形態による、複数シャフト複合サイクル発電プラントの一部の概略図。 本発明の一実施形態による、単一シャフト複合サイクル発電プラントの一部の概略図。
本発明の図面は縮尺通りではない点に留意されたい。当該図面は、本発明の典型的な態様のみを描くことを意図しており、従って、本発明の範囲を限定するものとみなすべきではない。図面では、同じ参照符号は、複数の図面にわたり同じ要素を示している。
本明細書で示されるように、本発明の態様は、タービンにおける作動流体(例えば、蒸気)についての流れデータセット(例えば、センサセットの抗力係数、作動流体の温度、タービンでの現行の周囲条件のセット、センサセットに対する作動流体の浸食作用、含水量値、その他)を取得して処理することによって、タービンの運転を分析するよう構成されたシステムを提供する。これらのシステムは、タービンの流路内に配置されたセンサのセットを含み、作動流体と相互作用して、流れデータセット(例えば、センサセットの抗力係数、作動流体の温度、タービンでの現行の周囲条件のセット、センサセットに対する作動流体の浸食作用、含水量値、その他)についてのデータ流れ値を取得するようにする。
一部の発電システム(例えば、蒸気タービン、ガスタービン、その他を含む)の設計及び運転は、構成要素の保守、及び/又は幾つかの運転パラメータの規制及び漸次的調整を含むことができる。運転パラメータの調整及び/又は保守業務の性能は、システム及び/又は構成要素(例えば、システム内のタービン)の効率によって規定することができる。所与のタービンにおける作動流体の含水量測定値により、タービンの効率/性能特性の直接的でリアルタイムの決定を可能にすることができる。しかしながら、現行のシステムは、タービンにおける含水量を測定する迅速で、日常的で及び/又は正確な方法を有していない。含水量測定及びタービン効率分析に正確さと確実さに欠ける結果、非最適な設計、保守作業の遅れ及び不適切さ、並びにシステム効率の低下を生じる可能性がある。
従来システムとは対照的に、本発明の実施形態は、タービン運転を正確且つ確実に分析するシステムを提供する。本システムは、センサのセットをタービンの作動流体の流路内に拡張し、これによりセンサセットを作動流体に直接曝して、センサセットを作動流体と反応させるようにする。センサセットの反応(例えば、表面浸食、抗力係数、その他)により、所与の運転範囲(例えば、特定速度、特定負荷特性、特定状態、その他)におけるタービンの流れデータを生成する。流れデータセットの分析により、作動流体の含水量及び関連タービン性能レベルが決定される。
当業者には理解されるように、本明細書で記載されるシステムは、例えば、発電プラントシステム、発電システム、タービンシステム、その他の一部として、システム、方法、オペレータディスプレイ又はコンピュータプログラム製品として具現化することができる。従って、本発明の実施形態は、完全ハードウェア実施形態、完全ソフトウェア実施形態(ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコード、その他を含む)、或いはソフトウェア及びハードウェア態様を組み合わせた実施形態の形態をとることができ、本明細書ではこれら全てを総称して「回路」、「モジュール」又は「システム」と呼ぶ。
1以上のコンピュータ使用可能な、或いはコンピュータ読取り可能な(可読)媒体のあらゆる組み合わせを利用することができる。コンピュータ使用可能な又はコンピュータ読取り可能な媒体は、例えば限定ではないが、電子、磁気、光学、電磁、赤外線又は半導体のシステム、装置又はデバイスとすることができる。コンピュータ可読媒体のより具体的な実施例(非網羅的リスト)には、以下のもの、つまり1以上の配線を有する電気接続、ポータブルコンピュータディスケット、ハードディスク、ランダムアクセスメモリ(RAM)、読取り専用メモリ(ROM)、消去プログラム可能読取り専用メモリ(EPROM又はフラッシュメモリ)、光ファイバ、ポータブルコンパクトディスク読取り専用メモリ(CD−ROM)、光学記憶装置、インターネット又はイントラネットをサポートするもののような伝送媒体、或いは磁気記憶装置が含まれる。コンピュータ使用可能な又はコンピュータ読取り可能な媒体は、プログラムが例えば紙又はその他の媒体の光学スキャニングにより電子的にキャプチャされ、次に必要に応じてコンパイルされ、翻訳され、或いは好適な方法で処理されて、次いでコンピュータメモリ内に記憶することができるので、プログラムを印刷した紙又は別の好適な媒体であってもよい。本明細書において、コンピュータ使用可能な又はコンピュータ読取り可能な媒体は、命令実行システム、装置又はデバイスにより使用され、或いはこれらと関連して使用されるプログラムを内蔵、記憶、通信又は伝送することができるあらゆる媒体とすることができる。コンピュータ使用可能な媒体は、共に具体化されたコンピュータ使用可能なプログラムコードをベースバンド内又は搬送波の一部として備えた送信データ信号を含むことができる。コンピュータ使用可能なプログラムコードは、限定ではないが、無線、有線、光ファイバケーブル、RFなどを含むあらゆる適切な媒体を使用して伝送することができる。
本発明の動作を実施するためのコンピュータプログラムコードは、ジャバ(Java(登録商標))、スモールトーク(Smalltalk)、C++などのようなオブジェクト指向プログラミング言語、並びに「C」プログラミング言語又は同様のプログラミング言語のような従来型手続きプログラミング言語を含む、1以上のプログラミング言語のあらゆる組み合わせで記述することができる。プログラムコードは、ユーザのコンピュータ上で完全に、スタンドアロンソフトウェアパッケージとしてユーザのコンピュータ上で部分的に、ユーザのコンピュータ上で部分的に且つリモートコンピュータ上で部分的に、或いはリモートコンピュータ又はサーバ上で完全に実行することができる。後者の状況では、リモートコンピュータは、ローカルエリアネットワーク(LAN)又は広域ネットワーク(WAN)を含むあらゆるタイプのネットワークを介してユーザのコンピュータに接続することができ、或いはこの接続は、外部コンピュータに対して(例えば、インターネットサービスプロバイダを使用してインターネットを介して)行うことができる。
これらのコンピュータプログラム命令はまた、コンピュータ又はその他のプログラム可能データ処理装置に指示して特定の様式で機能させることができるコンピュータ可読媒体内に記憶され、該コンピュータ可読媒体内に記憶した命令が、ブロック図の1つ又は複数のブロックにおいて特定した機能/動作を実行する命令手段を含む製品を形成するようにすることができる。
コンピュータプログラム命令はまた、コンピュータ又はその他のプログラム可能データ処理装置上にロードして、該コンピュータ又はその他のプログラム可能データ処理装置上で一連の動作ステップを実行してコンピュータ実装プロセスを生成させるようにし、コンピュータ又はその他のプログラム可能データ処理装置上で実行される命令が、フローチャート及び/又はブロック図の1つ又は複数のブロックにおいて特定した機能/動作を実行するプロセスを構成するようにすることができる。
図面を参照すると、流れデータセットを生成し分析することにより、タービン及び発電システムの運転、性能、及び/又は効率を分析するよう構成されたシステムの実施形態が開示される。図の構成要素の各々は、図1〜10に示すような有線、無線又は他の従来の手段を介して接続することができる。具体的には、図1を参照すると、本発明の実施形態によるタービン110(例えば、蒸気タービン)の一部を含む例示的な環境100が示される。タービン110は、該タービン110において流路117に通信可能に接続された作動流体センサシステム120を含むことができる。作動流体センサシステム120は、流路117内に配置されたセンサ140のセットに接続されるコンピュータデバイス122を含むことができる。センサ140のセットは、流路117内の作動流体107に曝され/これと相互作用するプローブ142を含む。コンピュータデバイス122は、作動流体107とセンサ140のセットとの間の相互作用を監視及び/又は分析し、この相互作用に基づいて流れデータセットを生成するよう構成される。
本発明の一実施形態では、センサ140のセットは、タービン110に接続され且つ流路117の一部を拡張/遮断するよう適合されたプローブ部142(例えば、円筒、翼形部、その他)のあらゆる数又は組み合わせを含むことができる。これらのプローブ部142は、拡張可能且つ流路117から取り外し可能であり、タービン110の運転中に作動流体107に接触するよう適合させることができる。一実施形態では、プローブ部142は、タービン110の一部が設計点条件(例えば、特定負荷、特定速度、その他)にて安定化されると、流路117に挿入することができる。作動流体107への曝露及び/又は作動流体107によって加えられた力に対するプローブ部142の反応を用いて、流れデータセットを作成し、及び/又は作動流体107の含水量を決定することができる。
一実施形態では、プローブ部142は、所定の時間期間の間作動流体107に曝された後に取り外され、分析されて流れデータセットを作成し、作動流体107の流れ特性及び/又はタービン110の作動特性(例えば、作動流体107の含水量、タービン110の作動状態、タービン110の性能、その他)を決定することができる。一実施形態では、作動流体107とセンサ140のセットとの間の接触は、プローブ部142を浸食する可能性がある。一実施形態では、センサ140のセットは、作動流体107への曝露の前後で重量を量ることができ、作動流体107への曝露の前と作動流体107への曝露の後でのセンサ140のセットの重量の差違によりプローブ部142の浸食速度が決定付けられる。次いで、決定された浸食速度を用いて、作動流体107の含水量を計算及び/又は決定することができる。別の実施形態では、プローブ部142の粗度の決定(例えば、テクスチャ/表面粗度の決定)は、作動流体107への曝露の後に行うことができる。次いで、粗度の決定は、作動流体107への曝露の前からのプローブ部142の既知の粗度と比較してプローブ部142の浸食速度を決定し、従って、作動流体107の含水量を決定することができる。一実施形態では、センサ140のセットは、犠牲プローブ/試料を含むことができる。別の実施形態では、センサ140のセットは、該センサ140のセットの一部の周りに配置された犠牲/浸食コーティングを含むことができる。一実施形態では、浸食コーティングは、低耐浸食性を有することができる。別の実施形態では、センサ140のセットは、センサ140の少なくとも一部の周りに配置された浸食シースを含むことができる。一実施形態では、浸食シースは、低耐浸食性を有することができる。
別の実施形態では、センサ140のセットは、作動流体107の流れによって加えられるプローブ部142に対する抗力値(例えば、抗力係数)のセットを決定するよう適合することができる。一実施形態では、コンピュータデバイス122は、センサ140のセットによって決定される抗力係数に基づいて作動流体107の含水量を決定することができる。一実施形態では、センサ140のセットは、温度計と、圧力トランスデューサ187(仮想線で示す)のセットとを含むことができ、コンピュータデバイス122は、ロードセルを含むことができる。コンピュータデバイス122は、温度計、圧力トランスデューサ187のセット及びロードセルから得られたデータを処理し、プローブ部142の抗力係数を決定することができる。一実施形態では、複数の圧力トランスデューサ187は、プローブ部142の中央付近に配置することができる。一実施形態では、圧力トランスデューサ187のセットは、プローブ部142内に配置され、プローブ部142内に形成されたポート188(仮想線で示す)のセットを介して作動流体107bに曝すことができる。一実施形態では、コンピュータデバイス122は、センサ140のセットにおける各プローブ部142間で決定された抗力係数の差に基づいて作動流体107の含水量を決定することができる。一実施形態では、プローブ部142は、互いに対して様々な形状を有することができる。別の実施形態では、コンピュータデバイス122は、センサ140のセットによって決定された抗力係数の平均に基づいて作動流体107の含水量を決定することができる。一実施形態では、コンピュータデバイス122は、タービン110の外部に配置することができる。一実施形態では、コンピュータデバイス122は、タービン110の位置に対して遠隔に配置(例えば、発電プラントの別個の部分、地理的に異なる場所、その他)することができる。別の実施形態では、コンピュータデバイス122は、タービン110の内部構成要素であってもよい。センサ140のセットは、タービン110全体にわたって配置された、センサデバイス、トランスデューサ、温度計、その他の組み合わせを含む、現在公知の又は将来開発される何れかの検知デバイスを含むことができる。
図2に参照すると、実施形態による、流路を定めるタービン110の一部の概略部分切り欠き図が示される。図1と図2の間で同様の参照符号が付与された要素は、図1を参照して説明されたように実質的に同様とすることができる。更に、図2〜10を参照して図示され説明される実施形態では、同様の参照符号の付与は、同じ要素を表すことができる。これらの要素の冗長的な説明は、明確にするために省略している。最終的に、図1〜10及びこれらに付随する説明の構成要素は、本明細書で記載されるあらゆる実施形態に適用することができる。
図2に戻ると、本実施形態では、タービン110は、第1のプローブセンサ142、第2のプローブセンサ144、及びタービン110の一部に接続され且つ流路117と接触したスクープセンサ146とを含むことができる。第1のプローブセンサ142は、タービン110の一部に接続され、流路117に部分的に延びる。一実施形態では、第1のプローブセンサ142は、翼形部形状を含むことができる。別の実施形態では、第1のプローブセンサ142は、円筒形状を含むことができる。第2のプローブセンサ144は、タービン110の複数の部分に接続され、ロータ119の上を流路117の一部を通って横断/延伸することができる。一実施形態では、第2のプローブセンサ244は、流路117を複数の別個の部分に分けて分析する。スクープセンサ146は、流路117の一部に延びて、カップ又はスコップ様の形状を有する。一実施形態では、スクープセンサ146は、タービン110の運転中に作動流体107の一部を取り込むように適合されている。第1のプローブセンサ142、第2のプローブセンサ144、スクープセンサ146、及び/又はセンサ140のセットの何れもが、現在公知又は将来開発される何らかの方法でタービン110に取り付けることができる点は理解される。一実施形態では、アパーチャのセットをタービン110内に形成し、第1のプローブセンサ142、第2のプローブセンサ144、スクープセンサ146、及び/又はセンサ140のセットの挿入、取り出し、及び/又は固定を可能にすることができる。
図3を参照すると、実施形態による流路を定めるタービン110の一部の概略部分切り欠き図が示される。この実施形態では、センサ140のセットは、タービン110の周りで間隔を置いて配置されて流路117内に延びる複数のセンサを含む。一実施形態では、センサ140のセットは、流路117の周りで円周方向に間隔を置いて配置された4つのセンサを含む。一実施形態では、センサ140のセットは、流路117の外周の周りにほぼ等距離で配置される。別の実施形態では、センサ140のセットは、横断プローブ及びレーキによる低圧診断試験手法を補完するよう適合することができ、このセンサのセットは、既存のアパーチャ、ブラケット、及び/又は試験構成要素を固定するように設計された他のハードウェアに取り付けられ及び/又は内部に設置される。センサ140のセット、第1のプローブセンサ142、第2のプローブセンサ144、及びスクープセンサ146は、特定の角度で流路117内に配置されて図示されているが、これらのセンサは、タービン110及び/又は流路117内であらゆる角度、構成又は向きに配置できる点は理解される。更に、センサ140のセットは、第1のプローブセンサ142、第2のプローブセンサ144、スクープセンサ146又は現在公知の又は将来開発される他の何れかのセンサもしくはセンサ形状のあらゆる数又は組み合わせを含むことができる。
図4を参照すると、実施形態による作動流体センサシステム121を含むタービン110の一部の概略部分切り欠き図が示されている。この実施形態では、作動流体センサシステム121は、タービン110に接続された支持ブラケット154を含み、該支持ブラケットは、プローブセンサ150に接続されたロードセルを支持するよう適合されている。一実施形態では、プローブセンサ150は、タービン110により定められる流路117内に延びることにより、作動流体107に曝される。作動流体107が流路117を通って移動すると、該作動流体107がプローブセンサ150に力を及ぼし、これはロードセル152により測定することができる。一実施形態では、ロードセル152は、測定された力に基づき、プローブセンサ150にかかる抗力係数を計算することができる。別の実施形態では、ロードセル152は、力の測定値をコンピュータデバイス122(図7に示す)に送信することができ、該コンピュータデバイス122は、測定した力を処理して、プローブセンサ150に対する抗力係数、関連する作動流体107の含水量、及び/又はタービン110のあらゆる数の作動特性を決定することができる。一実施形態では、コンピュータデバイス122は、プローブセンサ150の抗力係数に基づいてタービン110の効率及び/又は少なくとも1つの作動特性を決定することができる。
図5を参照すると、実施形態による作動流体センサシステム123を含むタービン110の一部の概略部分切り欠き図が示される。この実施形態では、作動流体センサシステム123は、スクープセンサベースシステム147を介してタービン110に接続されたスクープセンサ146を含む。一実施形態では、スクープセンサ146は、タービン110により定められる流路117内に延びて作動流体107に曝される。作動流体107が流路117を通って移動すると、該作動流体107がスクープセンサ146に力を及ぼし、これはスクープセンサベースシステム147により測定及び/又は分析することができる。一実施形態では、スクープセンサ246は、作動流体107内のある量の水を取り込み、取り込んだ水をスクープセンサベースシステム147に運び、定量化し及び/又は更に分析することができる。一実施形態では、スクープセンサベースシステム147は、スクープセンサ146によって取り込まれた水の量並びにスクープセンサ146が作動流体107に対して曝された時間期間に基づいて作動流体107の含水量を決定することができる。別の実施形態では、スクープセンサベースシステム147は、スクープセンサ146によって取り込まれた水量の測定値をコンピュータデバイス122(図7に示す)に送信し、該コンピュータデバイス122がこの測定値を処理して作動流体107の含水量を決定することができる。別の実施形態では、スクープセンサベースシステム147は、測定された力に基づいてスクープセンサ146に対する抗力係数を計算することができる。別の実施形態では、スクープセンサベースシステム147は、力の測定値をコンピュータデバイス122(図7に示す)に送信し、該コンピュータデバイス122がこの測定された力を処理して、スクープセンサ146の抗力係数、作動流体107の関連する含水量、及び/又はタービン110のあらゆる数の作動特性を決定することができる。
図6を参照すると、実施形態による作動流体センサシステム125を含むタービン110の一部の概略部分切り欠き図が示される。この実施形態では、作動流体センサシステム125は、タービン110に接続されたベースブラケット149を含み、該ベースブラケット149は、横プローブセンサ157を支持するよう適合されている。一実施形態では、横プローブセンサ157は、流路117内に延びて、作動流体107に曝される。作動流体107が流路117を通って移動すると、該作動流体107は、横プローブセンサ157に力を及ぼし、横プローブセンサ157の表面を浸食させる。一実施形態では、横プローブセンサ157は、流路117を横断する。一実施形態では、ベースブラケット149は、横プローブセンサ157をタービン110に固定するよう適合される。
一実施形態では、ベースブラケット149は、技師により操作可能にすることができ、これにより流路117からの挿入及び取り出しが可能になる。一実施形態では、技師は、所定の時間期間の間、横プローブセンサ157を流路117に挿入し、次いで、検査のため横プローブセンサ157を取り出すことができる。一実施形態では、技師は、作動流体107に曝露した後に横プローブセンサ157の重量を量り、この重量を、作動流体107に曝す前の横プローブセンサ157の既知の重量と比較することができる。次に、技師は、曝露前後の横プローブセンサ157の重量間の差違に基づき、横プローブセンサ157の浸食速度及び作動流体107の関連する含水量を決定することができる。別の実施形態では、技師は、作動流体107に曝された後の横プローブセンサ157の表面状態(例えば、粗度)を決定し、この表面状態を、作動流体107に曝す前の横プローブセンサ157の既知の表面状態と比較することができる。次に、技師は、表面状態の差違を利用して、横プローブセンサ157の浸食速度及び作動流体107の関連する含水量を決定することができる。一実施形態では、技師は、横プローブセンサ157に関する浸食速度又は表面粗度の経時的な増加に基づいて、作動流体107の含水量及び/又はタービン110効率を決定することができる。一実施形態では、技師は、測定した浸食速度又は表面粗度の増大値と、検査室試験設備で策定された浸食速度又は表面粗度の増大値のセットとを相関/比較することができる。この策定された値は、同等のプローブセンサに対して制御された環境で実施される試験のセットから得られる。一実施形態では、標準コード試験によるLPタービン効率を使用することで較正を行うことができる。コンピュータデバイス122は、技師により実施された分析の何れかを実施することができる点は理解される。更に、コンピュータデバイス122を用いて、取り出し及び挿入を含む横プローブセンサ157の使用を自動化することができる。
図7を参照すると、本発明の実施形態を含む、作動流体センサシステム124を含む例示的な環境200が示されている。環境200は、本明細書で記載される種々のプロセスを実施できるコンピュータインフラストラクチャ202を含む。詳細には、コンピュータインフラストラクチャ202は、作動流体センサシステム124を備えたコンピュータデバイス122を含めて図示され、該作動流体センサシステム124により、コンピュータデバイス122は、開示の処理ステップを実行することによりタービン110の作動を分析できる。一実施形態では、コンピュータデバイス122は、センサ140のセットに対する抗力係数に基づいて、タービン110の効率及び/又は少なくとも1つの作動特性を決定することができる。コンピュータソフトウェアは、LPタービン効率計算に必要な所要の熱力学変数の算出を可能にするため蒸気特性ルーチンを含むことができる。
上述し且つ以下で詳細に検討するように、作動流体センサシステム124は、とりわけ、本明細書で記載される運転/作動流体分析をコンピュータデバイス122が実行できる技術的作用を有する。図7に示される種々の構成要素の一部は、コンピュータデバイス122内に含まれる1以上のコンピュータデバイスに対して独立して実施し、組み合わせ、及び/又はメモリ内に記憶することができる点は理解される。更に、構成要素及び/又は機能の一部は実装されなくてもよく、或いは、追加のスキーマ及び/又は機能を作動流体センサシステム124の一部として含めることもできる点は理解される。
コンピュータデバイス122は、メモリ212、プロセッサユニット(PU)214、入力/出力(I/O)インタフェース216、及びバス218を含めて図示されている。更に、コンピュータデバイス122は、外部I/Oデバイス/リソース220及びストレージシステム222と通信状態で示されている。当業者には周知のように、一般に、PU214は、PU214は、メモリ212及び/又はストレージシステム222内に格納されるコンピュータプログラムコード(作動流体センサシステム124などの)を実行する。コンピュータプログラムコードを実行している間、PU214は、グラフィカルユーザインタフェース230及び/又は動作データ234などのデータを、メモリ212、ストレージシステム222、及び/又はI/O)インタフェース216との間で読み込み及び/又は書き込みを行うことができる。バス218は、コンピュータデバイス122において構成要素の各々の間の通信リンクを提供する。I/Oデバイス220は、ユーザがコンピュータデバイス122と対話できるようにするあらゆるデバイス又は、コンピュータデバイス122が1以上の他のコンピュータデバイスと通信できるようにするあらゆるデバイスを含むことができる。入力/出力デバイス(限定ではないが、キーボード、ディスプレイ、ポインティングデバイス、その他)は、直接的か又は仲介I/Oコントローラを介してシステムに結合することができる。
一部の実施形態では、図7に示すように、環境200は、任意選択的に、タービン110及びコンピュータデバイス122に(例えば、無線又は有線手段を介して)通信可能に接続された、第1のプローブセンサ242、第2のプローブセンサ244、及びスクープセンサ246を含むことができる。第1のプローブセンサ242、第2のプローブセンサ244、及びスクープセンサ246は、温度計、湿度検知装置、ガスタービン計器、蒸気タービン計器、その他を含む、当該技術分野で公知のあらゆる数のセンサを含むことができる。一部の実施形態では、コンピュータデバイス122及び/又は作動流体センサシステム124は、タービン110上又はその内部に配置することができる。
何れの場合においても、コンピュータデバイス122は、ユーザがインストールしたコンピュータプログラムコードを実行できるあらゆる汎用コンピュータ製造物品(例えば、パーソナルコンピュータ、サーバ、ハンドヘルドデバイス、その他)を含むことができる。しかしながら、コンピュータデバイス122は、種々の実施可能な等価コンピュータデバイス及び/又は開示事項の種々のプロセスステップを実施できる技師を表しているにすぎない点は理解される。この点に関して、他の実施形態では、コンピュータデバイス122は、特定の機能を実施するハードウェア及び/又はコンピュータプログラムコードを備えた何らかの専用のコンピュータ製造物品、専用及び汎用のハードウェア/ソフトウェアの組み合わせを備えた何らかのコンピュータ製造物品、その他を含むことができる。何れの場合も、プログラムコード及びハードウェアは、標準のプログラミング及びエンジニアリング技術をそれぞれ用いて作成することができる。一実施形態では、コンピュータデバイス122は、分散制御システムであるか又は含むことができる。別の実施形態では、コンピュータデバイス122は、ガスタービンと一体化することができる。別の実施形態では、コンピュータデバイス122は、蒸気タービンと一体化することができる。別の実施形態では、コンピュータデバイス122は、発電システム140の一部とすることができる。一実施形態では、コンピュータデバイス122は、MARK VIコントローラを含むことができる。別の実施形態では、コンピュータデバイス122は、タービン110に近接して位置する監視ユニットと、タービン110に遠隔の位置にあるプロセッシングユニットとを含むことができる。
図8を参照すると、本発明の実施形態による、例示的な方法の流れ図が示されている。事前プロセスP0において、タービン110の運転が開始され、作動流体センサシステム124及び/又はコンピュータデバイス122による分析のため試験レベル(例えば、速度、特定負荷、特定運転パラメータのセット、その他)の状態にされる。すなわち、タービン110の運転パラメータは、種々の蒸気温度、負荷又は他の運転パラメータの範囲から選択され、選択範囲内で運転を安定させるよう構成される。選択されたタービン110の運転条件の範囲は、必ずしも限定されるものではないが、タービン110の設計運転条件を含む。一実施形態では、タービン110の運転パラメータは固定することができる。別の実施形態では、タービン110の運転パラメータは、ベースレベルに設定されて、分析中に変えることができる。この試験プロセスは、タービン110の自動/計画的分析、タービン110の条件指示分析又はタービン110の手動/ユーザコマンドによる分析の何れかとすることができる。事前プロセスP0に続いて、プロセスP1において、作動流体センサシステム124が起動し、センサ140のセットのプローブ部142がタービン110内の流路117に延びる。タービン110内への延伸及び/又は挿入により、プローブ部142は、タービン110の作動により流路117内に送られる作動流体107と接触して反応する。プロセスP1に続いて、プロセスP2Aにおいて、技師及び/又はコンピュータデバイス122が作動流体107についての流れデータのセットを取得する。流れデータは、メモリ212、ストレージシステム222、及び/又はセンサ140のセットのうちの少なくとも1つから取得することができる。流れデータは、作動流体107の温度、作動流体107の圧力、プローブ部142の浸食速度、作動流体107中のプローブ部142の抗力係数、その他を含むことができる。一実施形態では、センサ140のセットは、ロードセル152に接続することができ、該ロードセルは、作動流体107についてのリアルタイム及び/又は更新データ値を取得する。プロセスP2Aに続いて、プロセスP3Bにおいて、技師及び/又はコンピュータデバイス122が流れ特性データ235(例えば、ルックアップテーブル、センサ140のセットについての既知の抗力係数の事前生成曲線、蒸気タービン設計基準、その他)にアクセスし、センサ140のセットを介してタービン110から取得された流れデータ234に基づいて作動流体107の含水量を決定する。一実施形態では、流れ特性データ235は、制御条件下で運転検査室試験タービンにおいて策定されて、同等の流れ特性データ235のセットを生成し、これが取得した流れデータ234と相関させることができる。一実施形態では、作動流体107の含水量は、プローブ部142の抗力係数を含水量の関数として考慮することにより決定することができる。
一実施形態では、技師、コンピュータデバイス122、及び/又はPU214は、抗力係数ルックアップテーブル、事前生成抗力係数曲線、及び/又は格納抗力係数データの何れかにアクセスすることができる。技師、コンピュータデバイス122、及び/又はPU214は、抗力係数ルックアップテーブル、事前生成抗力係数曲線、及び/又は格納抗力係数データの何れかにおけるデータ点と流れデータセット234とを比較し、作動流体107の含水量を決定することができる。プロセスP3Bに続いて、プロセスP4において、技師、コンピュータデバイス122、及び/又はPU214は、決定した作動流体107の含水量に基づいて、タービン110の作動状態及び/又は効率を決定することができる。
或いは、プロセスP3Bにおいて、プローブ部142は、所定の時間期間(例えば、数分、数時間、数日、その他)の間、タービン110の作動中に流路117内に延びたままである。プローブ部142が所定の時間期間の間曝露された後、プローブ部142は流路117から引き出される。プローブ部142の引き出しは、自動的か又は技師によって手動で実施することができる。更に、プローブ部142は、同時に又は個別に引き出すことができる。一実施形態では、センサ140のセットの各プローブ部142は、様々な時間期間にわたり漸次的に引き出すことができる。何れにしても、プロセスP3Bに続いて、プロセスP3Bにおいて、センサ140のセットが分析され、作動流体107への曝露の効果を判断することができる。一実施形態では、センサ140のセットは、引き出された後に重量を量ることができ、この重量は、センサ140のセットの作動流体107への曝露前の既知の重量と比較され、センサ140のセットが受けた浸食損失量を求めることができる。次に、この浸食損失量は、関連の作動流体107の含水量を決定するのに使用される。別の実施形態では、プローブ部142の表面粗度は、引き出された後に求めることができる。この表面粗度は、プローブ部142の作動流体107への曝露前の既知の表面粗度と比較され、作動流体107がプローブ部142にもたらした浸食影響を決定する。次に、決定された浸食影響は、関連する作動流体107の含水量を求めるのに使用される。プロセスP3Bに続いて、プロセスP4において、技師、コンピュータデバイス122、及び/又はPU214は、決定した作動流体107の含水量に基づいて、タービン110の作動状態及び/又は効率を決定することができる。
プロセスP4に続いて、プロセスP5において、技師、コンピュータデバイス122、及び/又はPU214は、センサ140のセットからの読取値に基づいて、メモリ212、ストレージシステム222、及び/又は流れ特性データセット235の何れかを更新する。一実施形態では、これらのリアルタイムの読取値は、流れデータセット234を更新し、予測ソフトウェアを較正し、運転条件及び/又はタービン設計仕様を調整するのに使用される。これらの読取値は、メモリ212及びストレージシステム222の何れかに保存され、コンピュータデバイス122による流れデータ分析及びタービン運転予測を強化する。一実施形態では、これらの読取値は、コンピュータデバイス122による分析に織り込まれる。
図面のデータ流れ図及びブロック図は、本発明の種々の実施形態によるシステム、方法、及びコンピュータプログラム製品の可能性のある実施例のアーキテクチャ、機能、及び作動を例示している。この点において、フローチャート又はブロック図における各ブロックは、特定のロジック機能を実現する1以上の実行可能命令を構成するコードのモジュール、セグメント又は一部を表すことができる。また、特定の代替の実施構成において、ブロックで示す機能は、図面に示す順番以外で起こり得ることを理解されたい。例えば、連続して示した2つのブロックは、実際には、含まれる機能に応じて実質的に同時に実行することができ又は場合によっては逆の順序で実行されてもよい。また、ブロック図及び/又はフローチャート図の各ブロック、並びにブロック図及び/又はフローチャート図におけるブロックの組み合わせは、特定の機能又は動作を実施する専用ハードウェアベースのシステムによって、或いは、専用ハードウェアとコンピュータ命令の組み合わせによって実施できる点に留意されたい。
図9を参照すると、複数シャフト複合サイクル発電プラント500の一部の概略図が示される。複合サイクル発電プラント500は、例えば、発電機570に動作可能に接続されたガスタービン580を含むことができる。発電機570及びガスタービン580は、シャフト515により機械的に結合することができ、該シャフト515は、ガスタービン580と発電機570との間でエネルギーを伝達することができる。また、図9に示すのは、ガスタービン580及び蒸気タービン592に動作可能に接続された熱交換器586である。熱交換器586は、従来の導管(番号の付与は省略)を介してガスタービン580及び蒸気タービン592の両方に流体接続することができる。熱交換器586は、従来の複合サイクル発電システムで使用されるような、従来の熱回収蒸気発生器(HRSG)とすることができる。発電の技術分野において公知のように、HRSG586は、ガスタービン580からの高温排出ガスを給水と組み合わせて使用して蒸気を生成し、これが蒸気タービン592に送給される。蒸気タービン592は、任意選択的に、第2の発電機システム570に(第2のシャフト515を介して)結合することができる。発電機システム570、ガスタービン580、HRSG586、及び蒸気タービン592の何れかは、図7又は本明細書で記載される他の実施形態のコンピュータデバイス122を介して作動流体センサシステム124に動作可能に接続することができる。発電機570及びシャフト515は、当該技術分野で公知のあらゆるサイズ又はタイプのものとすることができ、用途又は接続されるシステムに応じて異なることができる。発電機及びシャフトには明確にするために同じ参照符号が付与されているが、これらの発電機又はシャフトは必ずしも同一であることを示唆するものではない。発電機システム570及び第2のシャフト515は、上述の発電機570及びシャフト515と実質的に同様に動作することができる。本発明の一実施形態(仮想線で示す)において、作動流体センサシステム124は、コンピュータデバイス122を介して蒸気タービン592を監視するのに用いることができる。図10に示す別の実施形態では、単一シャフト複合サイクル発電プラント600は、単一のシャフト515を介してガスタービン580及び蒸気タービン592の両方に結合された単一の発電機570を含むことができる。ガスタービン580及び蒸気タービン592は、図7又は本明細書で記載される他の実施形態のコンピュータデバイス122を介して作動流体センサシステム124に動作可能に接続することができる。
本開示の作動流体センサシステムは、何れかの発電システム、複合サイクル発電システム、タービン又は他のシステムに限定されず、他の発電システムと共に用いることができる。加えて、本発明のシステムは、本明細書で記載される作動流体センサシステムによって提供される運転分析からの利益を受けることができる、本明細書で記載されていない他のシステムと共に用いることができる。
本明細書で考察されるように、種々のシステム及び構成要素は、「取得」及び/又は「伝達」データ(例えば、運転データ、構成要素温度、システム仕様、その他)として説明されている。対応するデータは、何らかの解決手段を用いて取得できることは理解される。例えば、対応するシステム/構成要素は、データを生成し、及び/又はこれらを用いてデータを生成し、1以上のデータ記憶装置又はセンサ(例えば、データベース)からデータを取り出し、別のシステム/構成要素からデータを受け取り、及び/又は同様のことを行うことができる。データが特定のシステム/構成要素によって生成されない場合、別のシステム/構成要素を図示のシステム/構成要素とは別に実装することができ、この別のシステム/構成要素は、データを生成して、これを当該システム/構成要素に提供し、及び/又は当該システム/構成要素がアクセスできるようにデータを格納する。
本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明するためのものに過ぎず、本発明を限定するものではない。本明細書で使用される単数形態は、前後関係から明らかに別の意味を示さない限り、複数形態も含む。更に、本明細書内で使用する場合に、「含む」及び/又は「備える」という用語は、そこに述べた特徴部、完全体、ステップ、動作、要素及び/又は構成部品の存在を明示しているが、1以上の特徴部、完全体、ステップ、動作、要素、構成部品及び/又はそれらの群の存在又は付加を排除するものではないことは理解されるであろう。
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。
107 作動流体
110 タービン
117 流路
119 ロータ
120 流体センサシステム
121 作動流体センサシステム
122 コンピュータデバイス
123 作動流体センサシステム
124 作動流体センサシステム
125 作動流体センサシステム
140 センサのセット
142 プローブ部
144 第2のプローブセンサ
146 スクープセンサ
147 スクープセンサベースシステム
149 ベースブラケット
150 プローブセンサ
152 ロードセル
154 支持ブラケット
157 横プローブセンサ
187 圧力トランスデューサのセット
188 ポートのセット
200 環境
202 コンピュータインフラストラクチャ
212 メモリ
214 プロセッサユニット(PU)
216 入力/出力(I/O)インタフェース
218 バス
220 外部I/Oデバイス/リソース
222 ストレージシステム
230 グラフィカルユーザインタフェース
234 流れデータ
235 流れ特性データ
500 複数シャフト複合サイクル発電プラント
515 シャフト
570 発電機システム
580 ガスタービン
586 熱交換器(HRSG)
592 蒸気タービン
600 単一シャフト複合サイクル発電プラント

Claims (20)

  1. タービン内に配置されるよう適合されたセンサのセットを備えた作動流体センサシステムであって、前記センサのセットが、作動流体に曝すために前記タービンの流路内に延びたプローブ部を含み、前記プローブ部が、前記作動流体によって前記プローブ部に作用する力に反応して、作動流体の含水量を示すよう適合されている、システム。
  2. 前記センサのセットが、所定の時間期間の間前記作動流体に曝されるように適合されている、請求項1記載のシステム。
  3. 前記センサのセットが、前記作動流体によって浸食されるように適合されている、請求項1記載のシステム。
  4. 前記センサのセットが、浸食性コーティング又は浸食性シースのうちの少なくとも1つを含む、請求項1記載のシステム。
  5. 前記センサのセットに接続され、前記作動流体によって前記プローブ部に作用する力を測定するよう構成されたロードセルと、
    前記ロードセル及び前記センサのセットに通信可能に接続されたコンピュータデバイスと、
    を更に備え、前記コンピュータデバイスが、前記ロードセルから得られた測定された力値と、前記センサのセットから得られた流れデータとを処理して、前記作動流体内の前記プローブ部の抗力係数を決定するよう適合されている、請求項1記載のシステム。
  6. 前記コンピュータデバイスが更に、前記抗力係数に基づいて前記タービンの作動特性又は前記タービンの効率のうちの少なくとも1つを決定するよう構成されている、請求項5記載のシステム。
  7. 前記センサのセットが、前記タービンの流路を横断する、請求項1記載のシステム。
  8. 前記センサのセットが、前記流路の外周の周りにほぼ等距離で配置される4つのプローブを含む、請求項1記載のシステム。
  9. 前記センサのセットに通信可能に接続されたコンピュータデバイスを更に備え、前記コンピュータデバイスが、前記プローブ部によって示された含水量を処理して、前記タービンの作動特性又は前記タービンの効率のうちの少なくとも1つを決定するよう適合されている、請求項1記載のシステム。
  10. タービンの作動特性を決定するよう適合された少なくとも1つのコンピュータデバイスを備えたシステムであって、前記コンピュータデバイスが、
    前記タービンにおける作動流体の流れに曝されるセンサのセットから、前記センサのセットに対する抗力係数、前記作動流体の温度、前記タービンにおける現行の周囲条件のセット又は前記センサのセットに対する前記作動流体の浸食作用のうちの少なくとも1つを含む流れデータを取得し、
    前記流れデータに基づいて作動流体の含水量を決定し、
    前記作動流体の含水量に基づいて前記タービンについての作動特性を決定する、
    ことを含む動作を実施することにより、前記タービンの作動特性を決定する、システム。
  11. 複合サイクル発電システムであって、
    ガスタービンと、
    前記ガスタービンに動作可能に接続された熱回収蒸気発生器(HRSG)と、
    前記HRSGに動作可能に接続された蒸気タービンと、
    前記ガスタービン又は前記蒸気タービンの少なくとも1つに動作可能に接続された発電機と、
    前記蒸気タービン内に配置されるよう適合されたセンサのセットと、
    を備え、前記センサのセットが、前記蒸気タービンの流路内に延びて作動流体に曝されるプローブ部を含み、前記プローブ部が、前記作動流体により加えられた力に対して前記プローブ部上で反応し、前記作動流体の含水量を示すよう適合されている、複合サイクル発電システム。
  12. 前記センサのセットが、所定の時間期間の間前記作動流体に曝されるように適合されている、請求項11記載の複合サイクル発電システム。
  13. 前記センサのセットが、前記作動流体によって漸次的に浸食されるように適合されている、請求項11記載の複合サイクル発電システム。
  14. 前記センサのセットが、浸食コーティング又は浸食シースのうちの少なくとも1つを含む、請求項11記載の複合サイクル発電システム。
  15. 前記センサのセットに接続され、前記作動流体によって前記プローブ部に作用する力を測定するよう構成されたロードセルと、
    前記ロードセル及び前記センサのセットに通信可能に接続されたコンピュータデバイスと、
    を更に備え、前記コンピュータデバイスが、前記ロードセルから得られた測定された力値と、前記センサのセットから得られた流れデータとを処理して、前記作動流体内の前記プローブ部の抗力係数を決定するよう適合されている、請求項11記載の複合サイクル発電システム。
  16. 前記コンピュータデバイスが更に、前記抗力係数に基づいて前記蒸気タービンの作動特性又は前記タービンの効率のうちの少なくとも1つを決定するよう構成されている、請求項15記載の複合サイクル発電システム。
  17. 前記センサのセットが、前記蒸気タービンの流路を横断する、請求項11記載の複合サイクル発電システム。
  18. 前記センサのセットが、前記流路の外周の周りにほぼ等距離で配置される4つのプローブを含む、請求項11記載の複合サイクル発電システム。
  19. 前記センサのセットに通信可能に接続されたコンピュータデバイスを更に備え、前記コンピュータデバイスは、前記プローブ部によって示された含水量を処理して、前記タービンの作動特性又は前記蒸気タービンの効率のうちの少なくとも1つを決定するよう適合されている、請求項11記載の複合サイクル発電システム。
  20. 前記センサのセットが、前記蒸気タービンの流路の排気部分内に配置される、請求項11記載の複合サイクル発電システム。
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