JP2017502206A - 過渡状態中のガスタービンエンジンを制御するための制御システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

ガスタービンエンジンのための制御システムおよび方法が、提供される。コントローラ（４０）は、空燃比を制御するための少なくとも１つのパラメータに応答する。そのパラメータは、温度センサ（４２）からの測定されたエンジン排気温度であってもよい。エンジンのランピング条件などの過渡状態中に、そのようなパラメータの測定値は、過渡条件中の１つまたは複数の制御設定値に影響を及ぼす時間遅れを有することもある。コントローラは、そのような制御設定値を補正し、そのような過渡条件中の燃焼不安定性および高排出量を回避するためにパラメータの測定値についてバイアスを予測的に決定するようにプログラムされる。

Description

本発明は、全体として、ガスタービンエンジンなどの、発電のための制御システムおよび方法に関し、より詳細には、ランピング(ramping)などの過渡状態中のガスタービンエンジンを制御するための制御システムおよび方法に関する。

ガスタービン発電所などの発電システムは、燃焼効率を改善するために高機能の燃焼部品およびプロセスを含む。最近の市場動向は、ガスタービンエンジンに対して高速ランピング能力を要求する。例えば、風力エネルギーの利用による発電の出現に伴って、電力会社は、風変動にかかわらず一定のグリッド発電を維持するためにガスタービンを風力タービン使用地(wind turbine fields)と相互接続することもある。したがって、高速ランピング能力を有することは、ガスタービンエンジンが、商用発電を一定のレベルに維持しかつ任意の他のグリッド外乱を軽減するのに有用となり得るように、望ましい能力になりつつある。この技術分野においてなされた進歩にもかかわらず、これらの高速ランピング条件中に、適切なエンジン燃焼力学を維持しかつ次に排出量の許容できるレベルを提供することができる制御システムおよび方法の必要性があり続ける。

本発明は、図面を考慮して下記の記述において説明される。

エンジンの過渡条件中の理想的なエンジン排気温度応答を測定されたエンジン排気温度応答に対して比較して概念化するために使用され得るそれぞれのプロット例を示す図である。 エンジンの過渡条件中の実際の燃焼器空燃比（ＡＦＲ）を理想的な燃焼器ＡＦＲに対して比較して概念化するために使用され得るそれぞれのプロット例を示す図である。 本発明の態様を具体化する制御システムが有益であるガスタービンシステムの一例の概略図である。

本発明者らは、限定されない一例では、４０ＭＷ／ｍｉｎに至るまでのかつ潜在的にはさらにより高いランピング速度を含むこともある、比較的高速のランピング条件を伴うこともあるなどの、過渡条件中のガスタービンエンジンの運転に関連して起こり得るある問題を革新的に克服した。本発明者らは、測定されたエンジン排気温度の遅れが、エンジンの空燃比（ＡＦＲ）の変動につながることもあり、それが次に、そのような過渡状態中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の高排出量および高燃焼不安定性をもたらすこともあることを賢明にも理解した。本発明者らは、一実施形態例では、測定されたエンジン排気温度の遅れの影響を取り除くまたは少なくとも実質的に低減する、革新的な制御システムおよび方法を提案する。

図１は、プロット６によって表される、エンジンのランピング条件などの過渡状態中の理想的なエンジン排気温度応答（プロット４）を測定されたエンジン排気温度応答（プロット５）に対して比較するために使用され得るそれぞれのプロット例を示す。この例では、理想的なエンジン排気温度応答と測定されたエンジン排気温度との間の約３０秒の時間遅れ（矢印７によって表される）を理解することができる。

測定されたエンジン排気温度のそのような時間遅れの結果として、エンジン空燃比（ＡＦＲ）は、エンジンのランピング条件中に変動することもある。これは、図２で理解することができ、この図ではプロット８は、実際の測定された燃焼器ＡＦＲの一例を表し、プロット９は、理想的な燃焼器ＡＦＲを表す。プロット８上の円１１は、比較的高い排出量および高い燃焼不安定性の傾向がある領域を表す。エンジンが定常状態運転に達した後、測定された排気温度およびＡＦＲは、理想的な排気温度およびＡＦＲと実質的に一致し、結果として、排出量および燃焼力学要件を満たすことができる。

図３は、例示的ガスタービンシステム１０の概略図を示し、ガスタービンシステム１０のある構成要素は、本明細書ではエンジンと呼ばれることもあり、ガスタービンシステム１０にとっては、本発明の態様が有益である。本発明の実施形態は、様々なガスタービンまたは他の発電システムとともに使用され得ることを理解されたい。システム１０は、周囲空気流１４を吸い込むために圧縮機１２を含んでもよく、周囲空気流１４は、圧縮機１２へ、次いで燃焼器２０へと空気流を制御するための入口案内翼（ＩＧＶ）１６によって調節されてもよい。圧縮空気１８は、燃焼器２０に提供され、燃焼ガス２２は、タービン２４に提供され、タービン２４でエネルギーが、シャフト２６を回転させるために取り出される。シャフト２６は、圧縮機１２および発電機（図示せず）などの付属装置に動力を供給してもよい。

システム１０は、燃料システム３０を含んでもよく、燃料システム３０は一実施形態例では、可燃燃料３２の少なくとも１つの制御可能な流れを燃焼器２０に提供してもよい。コントローラ４０は、実行可能命令を有するプロセッサもしくはコンピュータ、デジタルもしくはアナログ制御システム、または入力信号もしくはデータパケットを受け取り、データを処理し、命令を実行し、適切な出力信号を生成し、かつデータパケットを送信するための他のデバイスの形で提供されてもよい。コントローラ４０は、本発明の様々な態様を実行するための適切な制御モジュールおよびデータベースを有して構成されてもよい。一実施形態例では、コントローラ４０は、空燃比を制御するための少なくとも１つのパラメータに応答してもよい。エンジンのランピング条件などの過渡状態中に、そのようなパラメータの測定値は、エンジンの過渡条件中の少なくとも１つの制御設定値に影響を及ぼす時間遅れを含む。本発明の態様によれば、コントローラ４０は、そのような制御設定値を補正するために、エンジン排気温度（Ｔｅｘｈ）バイアスなどの補正を予測的に決定するようにプログラムされてもよい。

一実施形態例では、コントローラ４０は、部分的にエンジンＴｅｘｈ測定結果に基づくエンジン制御を提供する。本発明の態様を限定することなく、コントローラ４０は、出口温度制御（ＯＴＣ）コントローラと呼ばれてもよく、そのようなパラメータは、熱電対などの温度センサ４２によって測定され得るものなど、測定されたエンジン排気温度を含んでもよい。一般に、時間遅れを提示しかつ空燃比を制御するために使用され得るコントローラ４０に提供される任意の温度測定値または表示度数は、そのような測定値または表示度数が取得され得る場所にかかわらず、本発明の態様が有益であることを理解されたい。したがって、エンジン排気温度測定という用語は、エンジン排気場所に限定される必要はない。例えば、そのような測定は、ブレード経路(blade path)温度測定、または同様の測定を含んでいる。一実施形態例では、バイアスの決定は、少なくとも部分的にエンジンの過渡条件中のエンジンのランプ速度および測定されたエンジン排気温度の時間遅れに基づいてもよい。一実施形態例では、バイアスは、現在のエンジン条件における定常状態エンジンＴｅｘｈ値に適用されてもよい。

一実施形態例では、バイアスの決定は、下式、
Texh_bias,1 = a×(MW_rate×Δt_lag×(Texh_SS,1-Texh_SS,2))+b
に基づいており、
上式で、
Texh_bias,1 = 現在のエンジン条件における定常状態排気温度(Texh)値へのバイアス、
Texh_SS,1 = 現在のエンジン条件における定常状態Texh値、
Texh_SS,2 = 目標エンジン条件における定常状態Texh値、
MW_rate = エンジンのランプ速度、
Δt_lag = 遅れ時間の値、
a = 比例係数、および
b = 場所固有の(site-specific)定数である。

前述の式から理解できるように、エンジン排気温度バイアスは、エンジンのランプ速度、遅れ時間値、ならびに現在のエンジン条件および目標エンジン条件におけるエンジン排気温度値の差に比例する。例えば、遅れが、補正されないままであった場合、コントローラは、エンジンが実際に目標条件に達したことを適切に決定することができず、コントローラは、測定されたエンジン排気温度の遅れ値が最終的に追い付くまで、ＩＧＶおよび／または燃料流量設定値についてこの間違った決定を補償しようと試みることもある。このバイアスは本質的に、エンジンが定常状態値から燃焼過剰(overfire)にも燃焼不足(underfire)にもならず、したがって燃焼不安定性および高排出量を回避する条件を予測することによってランピング条件について新しい疑似エンジン状態を規定する。Ｔｅｘｈバイアス値が決定された後、適切な制御論理表が、以下の表１に示されるように作り出されてもよい。一実施形態例では、そのような制御論理表は本質的に、周囲温度および／またはエンジン負荷に応じてコントローラ４０によって決定されるバイアスを調整するように構成されるバイアス調整器４４として機能する。

決定されたバイアスに基づいて補正される一制御設定例は、エンジンの過渡条件中の入口案内翼１６を位置決めするための制御設定値である。補正されてもよい別の制御設定例は、エンジンの過渡条件中の燃焼器２０への可燃燃料３２の制御可能な流れに対する需要量を制御することである。

測定されたエンジン排気温度の遅れの影響を取り除くまたは少なくとも実質的に低減するために過渡条件中のガスタービンエンジンにおいて使用され得る、本発明のある装置例の態様、および本明細書で開示される方法は、任意の適切なプログラミング言語またはプログラミング技法を使用する任意の適切なプロセッサシステムによって実施されてもよいことを理解されたい。システムは、例えばハードウェア実施形態、ソフトウェア実施形態またはハードウェアおよびソフトウェア要素を両方とも備える実施形態を伴ってもよい、任意の適切な回路の形を取ることができる。一実施形態では、システムは、ソフトウェアおよびハードウェア（例えば、プロセッサ、センサ、その他）として実施され、それらは、ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコード、その他を含んでもよいが、しかしそれらに限定されない。さらに、プロセッサシステムのパーツは、コンピュータまたは任意の命令実行システムによってまたはそれと関連して使用するためにプログラムコードを提供するコンピュータで使用可能な媒体またはコンピュータ可読媒体からアクセス可能なコンピュータプログラム製品の形を取ることができる。コンピュータ可読媒体の例は、半導体またはソリッドステートメモリ、磁気テープ、取り外し可能なコンピュータディスケット、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、リジッド磁気ディスクおよび光ディスクなどの、非一時的有形コンピュータ可読媒体を含んでもよい。光ディスクの現在の例は、コンパクトディスク−読み出し専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、コンパクトディスク−読み出し／書き込み（ＣＤ−Ｒ／Ｗ）およびＤＶＤを含む。インターフェースディスプレイは、タブレット、フラットパネルディスプレイ、ＰＤＡ、または同様のものであってもよい。

本発明の様々な実施形態が、本明細書で示され、述べられたが、そのような実施形態が、ほんの一例として提供されることは、明らかであろう。多数の変形、変更および置換は、本明細書における発明から逸脱することなくなされてもよい。それに応じて、本発明は、添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲によってのみ限定されることが、意図されている。

４ 理想的なエンジン排気温度応答のプロット
５ 測定されたエンジン排気温度応答のプロット
６ エンジンの過渡状態のプロット
７ 矢印
８ 測定された燃焼器空燃比のプロット
９ 理想的な燃焼器空燃比のプロット
１０ ガスタービンシステム
１１ 高排出量および高燃焼器不安定性の傾向がある領域
１２ 圧縮機
１４ 周囲空気流
１６ 入口案内翼（ＩＧＶ）
１８ 圧縮空気
２０ 燃焼器
２２ 燃焼ガス
２４ タービン
２６ シャフト
３０ 燃料システム
３２ 可燃燃料
４０ コントローラ
４２ 温度センサ
４４ バイアス調整器

Claims (19)

1. ガスタービンエンジンのための制御システムであって、
   空燃比を制御するための少なくとも１つのパラメータに応答するコントローラを備え、前記エンジンの過渡条件中に、前記少なくとも１つのパラメータの測定値は、前記エンジンの前記過渡条件中の少なくとも１つの制御設定値に影響を及ぼす時間遅れを含み、前記コントローラは、前記少なくとも１つの制御設定値を補正するためのバイアスを予測的に決定するようにプログラムされる、制御システム。
2. 前記コントローラは、部分的にエンジン排気温度測定結果に基づく制御を提供し、前記少なくとも１つのパラメータは、測定されたエンジン排気温度を含む、請求項１に記載の制御システム。
3. 前記バイアスの決定は、少なくとも部分的に前記過渡条件中の前記エンジンのランプ速度および前記測定されたエンジン排気温度の前記時間遅れに基づいている、請求項２に記載の制御システム。
4. 前記バイアスは、現在のエンジン条件における定常状態排気温度値に適用される、請求項２に記載の制御システム。
5. 前記バイアスの決定は、下式、
   Texh_bias,1 = a×(MW_rate×Δt_lag×(Texh_SS,1-Texh_SS,2))+b
   に基づいており、
   上式で、
   Texh_bias,1 = 現在のエンジン条件における定常状態排気温度(Texh)値へのバイアス、
   Texh_SS,1 = 前記現在のエンジン条件における前記定常状態Texh値、
   Texh_SS,2 = 目標エンジン条件における定常状態Texh値、
   MW_rate = 前記エンジンのランプ速度、
   Δt_lag = 前記遅れ時間の値、
   a = 比例係数、および
   b = 場所固有の定数である、請求項２に記載の制御システム。
6. 圧縮機への流入空気の流れを制御するための入口案内翼をさらに備え、前記少なくとも１つの制御設定値は、前記エンジンの前記過渡条件中の前記入口案内翼を位置決めするための制御設定値を含む、請求項１に記載の制御システム。
7. 燃焼器への少なくとも１つの燃料の流れを制御するための燃料システムをさらに備え、前記少なくとも１つの制御設定値はさらに、前記少なくとも１つの燃料の流れに対する需要量を含む、請求項１に記載の制御システム。
8. 周囲温度に応じて前記バイアスを調整するように構成されるバイアス調整器をさらに備える、請求項２に記載の制御システム。
9. エンジン負荷に応じて前記バイアスを調整するように構成されるバイアス調整器をさらに備える、請求項２に記載の制御システム。
10. 周囲温度および／またはエンジン負荷に応じて前記バイアスを調整するように構成されるバイアス調整器をさらに備える、請求項２に記載の制御システム。
11. ガスタービンエンジンを制御するための方法であって、
    少なくとも１つのパラメータに応答するコントローラを用いて空燃比を制御するステップと、
    前記エンジンの過渡条件中に、前記エンジンの前記過渡条件中の少なくとも１つの制御設定値に影響を及ぼす時間遅れを含む、前記少なくとも１つのパラメータの値を測定するステップと、
    前記少なくとも１つの制御設定値を補正するためのバイアスを予測的に決定するステップと、
    を含む、方法。
12. 前記制御するステップは、部分的にエンジン排気温度測定結果に基づく制御するステップを含み、前記少なくとも１つのパラメータは、測定されたエンジン排気温度を含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記バイアスを決定する前記ステップは、少なくとも部分的に前記過渡条件中の前記エンジンのランプ速度および前記測定されたエンジン排気温度の前記時間遅れに基づいている、請求項１２に記載の方法。
14. 現在のエンジン条件における定常状態排気温度値に前記バイアスを適用するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
15. 前記バイアスを決定する前記ステップは、下式、
    Texh_bias,1 = a×(MW_rate×Δt_lag×(Texh_SS,1-Texh_SS,2))+b
    に基づいており、
    上式で、
    Texh_bias,1 = 現在のエンジン条件における定常状態排気温度(Texh)値へのバイアス、
    Texh_SS,1 = 前記現在のエンジン条件における前記定常状態Texh値、
    Texh_SS,2 = 目標エンジン条件における定常状態Texh値、
    MW_rate = 前記エンジンのランプ速度、
    Δt_lag = 前記遅れ時間の値、
    a = 比例係数、および
    b = 場所固有の定数である、請求項１２に記載の方法。
16. 入口案内翼を用いて圧縮機への流入空気の流れを制御するステップをさらに含み、前記少なくとも１つの制御設定値は、前記エンジンの前記過渡条件中の前記入口案内翼を位置決めするための制御設定値を含む、請求項１１に記載の方法。
17. 燃焼器への少なくとも１つの燃料の流れを制御するステップをさらに含み、前記少なくとも１つの制御設定値はさらに、前記少なくとも１つの燃料の流れに対する需要量を含む、請求項１１に記載の方法。
18. 周囲温度に応じて前記バイアスを調整するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
19. エンジン負荷に応じて前記バイアスを調整するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。

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