JP2023044719A - タービン出口マッハ数サロゲートを利用した非モデルベース制御のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】タービン出口マッハ数のサロゲート値を利用した非モデル型制御
【解決手段】 システムは、圧縮機（１６）と、燃焼器（１８）と、タービン（２２）と、排気部（２４）とを含むガスタービンシステム（１０）を含む。システムはまた、ガスタービンシステム（１０）の構成要素に結合された複数のセンサ（４０）を含む。本システムは、ガスタービンシステム（１０）及び複数のセンサ（４０）に通信可能に結合され、ガスタービンシステム（１０）の動作を制御するように構成されたコントローラ（３８）をさらに含み、コントローラ（３８）は、複数のセンサ（４０）からのフィードバックに基づいてタービン出口マッハ数のサロゲート値を計算し、サロゲート値を利用してガスタービンシステム（１０）の制御動作を導出するように構成される。
【選択図】図１

Description

本明細書に開示される主題は、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、ガスタービンエンジンを制御するためのシステム及び方法に関する。

一般に、ガスタービンシステムの性能は、時間の経過とともに低下する可能性がある。産業用制御システムなどの特定のシステムは、ガスタービンシステムの制御及び分析を可能にする能力を提供することができる。例えば、産業用制御システムは、タービンシステムを制御する際に使用されるデータを記憶するコントローラ、フィールド装置、及びセンサを含むことができる。特定の産業用制御システムは、産業用制御システムを強化するためにモデリングを使用することができる。例えば、モデルベースのコントロール（例えば、オンボードのリアルタイムのガスタービンモデル）は、直接測定されないパラメータに対する直接境界制御のためのパラメータを計算するために利用され得る。しかしながら、特定のガスタービンシステムは、これらのモデルベースの制御がない場合がある。これらのガスタービンシステムが全出力で様々な境界制約に向かって走行し、広範囲の運転条件にわたって最大の性能を発揮できるようにするために、モデルベースの制御を利用できないこれらのガスタービンシステムのための代替制御を提供することは有益である。

最初に特許請求の範囲で請求された対象（subject matter）と範囲が一致する特定の実施形態を以下に要約する。これらの実施形態は、特許請求の範囲で請求された対象の範囲を限定することを意図しておらず、むしろ、これらの実施形態は、請求対象の可能な形態の簡潔な要約を提供することのみを意図している。実際、本発明の請求対象は、以下に記載する実施形態と類似していても異なっていてもよい様々な形態を含むことができる。

第１の実施形態では、システムが提供される。本システムは、圧縮機、燃焼器、タービン、及び排気部（排気セクション）を含むガスタービンシステムを含む。システムはまた、ガスタービンシステムの構成要素に結合された複数のセンサを含む。本システムは、ガスタービンシステム及び複数のセンサに通信可能に結合され、ガスタービンシステムの動作を制御するように構成されたコントローラをさらに含み、コントローラは、複数のセンサからのフィードバックに基づいてタービン出口マッハ数（turbine exit Mach number）のサロゲート値（surrogate value：代替値）を計算し、サロゲート値を利用してガスタービンシステムの制御動作を導出するように構成される。

第２の実施形態では、方法が提供される。本方法は、ガスタービンシステムの構成要素に結合された複数のセンサからのフィードバックをコントローラで受信することを含み、ガスタービンシステムは、圧縮機、燃焼器、タービン、及び排気部を含む。本方法はまた、コントローラを介して、複数のセンサからのフィードバックに基づいてタービン出口マッハ数のサロゲート値を計算するステップを含む。本方法はさらに、コントローラを介してサロゲート値を利用してガスタービンシステムの制御動作を導出するステップを含む。

第３の実施形態では、非一時的なコンピュータ可読媒体が提供される。コンピュータ可読媒体は、プロセッサによって実行されると、プロセッサにアクションを実行させるプロセッサ実行可能コードを含む。動作は、ガスタービンシステムの構成要素に結合された複数のセンサからのフィードバックを受信することを含み、ガスタービンシステムは、圧縮機、燃焼器、タービン、及び排気部を含む。本方法はまた、複数のセンサからのフィードバックに基づいてタービン出口マッハ数のサロゲート値を計算するステップを含む。本方法はさらに、コントローラを介してサロゲート値を利用してガスタービンシステムの制御動作を導出するステップを含み、サロゲート値はガスタービンシステムの境界制御（boundary control）として作用する。

本発明のこれら及び他の特徴、態様、及び利点は、以下の詳細な説明を添付の図面を参照して読むとよりよく理解されるであろう。

本技術の態様による、タービンシステムの性能を制御する際にタービン出口マッハ数のサロゲート値を計算し利用することができるタービンシステムのブロック図である。 本技術の態様による、タービン出口マッハ数に対するタービン出口流れ関数のグラフである。 本技術の態様による、圧縮機吐出圧力に対するタービン出口流のグラフである。 本技術の態様による、タービン出口温度に対する排気温度のグラフである。 本技術の態様による、排気部出口での排気圧力に対するタービン出口総圧力のグラフである。 本技術の態様による、タービン出口マッハ数に対するタービン出口マッハ数のサロゲート値（タービン出口流れ関数の構成要素又はタービン出口流れ関数の構成要素に強く相関する測定パラメータから導出される）のグラフである。 本技術の態様による、複数の負荷掃引（multiple load sweeps）にわたるタービン出口マッハ数に対するタービン出口マッハ数のサロゲート値（タービン出口流れ関数の構成要素に強く相関する測定パラメータから導出される）のグラフである。 本技術の態様による、タービン出口マッハ数のサロゲート値を利用するタービン出口マッハ数境界制御のための一実施形態の機能ブロック図である。 本開示の態様による、タービンエンジンシステムを制御するためにタービン出口マッハ数のサロゲート値を利用する方法のフローチャートである。 本開示の態様による、タービンエンジンシステムを制御するための直接境界制御のパラメータにサロゲート値を利用する方法のフローチャートである。

本主題の１つ以上の具体的な実施形態を以下に説明する。これらの実施形態の簡潔な説明の提供に努めるため、実際の実装のすべての特徴は、明細書に記載されていない場合がある。このような実際の実装の開発では、エンジニアリングプロジェクトの場合と同様に、システム関連及びビジネス関連の制約への準拠など、実装ごとに異なる可能性がある開発者の特定の目標を達成するために、実装固有の決定を多数行う必要があることを認識すべきである。さらに、そのような開発努力は複雑で時間がかかるかもしれないが、それにもかかわらず、本開示の利益を有する当業者のための加工及び製造の日常的な作業であることが認識されるべきである。

本主題の様々な実施形態の要素を導入する場合、「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、「ｓａｉｄ」は、要素が１つ以上あることを意味することを意図している。「含む」、「含む」、及び「有する」という用語は、包含的であることを意図しており、リストされた要素以外の追加の要素があり得ることを意味する。

現在の多くの大型のガスタービンシステムは、広範囲の運転条件に亘って最大の性能を提供するために、全出力で種々の境界制約（boundary constraints）に対応して運転される。典型的には、この性能レベルを達成するための鍵となる要素は、直接的な境界制御パラメータ（例えば、タービン出口マッハ数（Ｍｎ））のための正確な計算を提供する制御システムに、ガスタービンのリアルタイムモデルが組込まれる（オンボードモデル）、モデルベース制御（ＭＢＣ）制御方式（戦略：ストラテジー）の利用である。特定のガスタービンシステムにおけるＭＢＣ制御方式が使用できない場合は、完全な性能潜在能力を達成する能力を妨げる。

本開示は、ＭＢＣ制御を有していない大型のガスタービン（ヘビーデューティガスタービン）の限界制御のために利用することができる、正確かつ堅牢（ロバスト）な（及び容易に構築され得る）タービン出口Ｍｎのサロゲート値を提供するシステム及び方法に向けられている。特定の実施形態では、タービン出口Ｍｎのサロゲート値を利用するＭＢＣ制御を使用しない方法（非ＭＢＣストラテジー）は、オンボードモデルを有するガスタービンシステムにおいても利用することができ、オンボードモデルは、タービン出口Ｍｎ制御のための規定（provision）を欠いている。タービン出口Ｍｎのサロゲート値は、ガスタービンシステム内のセンサからのフィードバック（例えば、測定パラメータ）に基づいて計算される。これらの測定されたパラメータ（例えば、圧縮機吐出口圧力、排気部出口圧力、及び半径方向プロファイル効果のために調整された排気温度）は、タービン出口Ｍｎを直接計算するために使用されるが、ガスタービンシステム（例えば、タービン出口流量、タービン出口合計圧力、及びタービン出口温度）上では測定されないタービン出口補正流量関数に関連するパラメータに相関する。タービン出口Ｍｎのサロゲート値の限界レベルは、のサロゲート値空間で定義された限界を有するサイクル性能に基づく等価Ｍｎに機能的に対応する。タービン出口Ｍｎのサロゲート値は、制御動作（例えば、入口ガイドベーン（ＩＧＶ）のアクチュエータ上で）を導出し実行するために利用され得る。タービン出口Ｍｎのサロゲート値の利用は、ガスタービンシステムのハードウェアのアップグレードを可能にし、これはハードウェアのアップグレードをサポートするための完全なＭＢＣアップグレードよりも費用効果が高い。

上述のことを念頭に置いて、図１は、タービンシステム１０の性能を制御する際にタービン出口Ｍｎのサロゲート値を計算し、タービン出口Ｍｎのサロゲート値を利用するために本開示の技術を使用することができるタービンシステム１０（例えば、ガスタービンシステム）の一実施形態のブロック図である。図示のタービンシステム１０は、発電機などの負荷１４に結合されたガスタービンエンジン１２を含む。ガスタービンエンジン１２は、圧縮機１６と、各々が少なくとも一つの燃料ノズル２０を有する複数の燃焼器１８と、タービン２２と、排気部２４（排気セクション：例えば、ディフューザ部）とを含む。図示のように、一つ以上のシャフト２６が、負荷１４、圧縮機１６、及びタービン２２を接続する。圧縮機１６は、少なくとも一列の入口ガイドベーン（ＩＧＶ）２５を含む。圧縮機１６及びタービン２２は各々、ステータ又はシュラウド内で回転するブレードを有するロータを含む。運転中、圧縮機１６は、空気３０を受け取り、圧縮空気３２を燃焼器１８及び／又は燃料ノズル２０に送り、次いで、燃焼器１８内の燃焼領域に燃料３４（又は空気－燃料混合物）を噴射する。次に、混合気は燃焼器１８内で燃焼して高温燃焼ガス３６を生成し、タービン１８内のブレードを駆動する。タービン１８がシャフト２６を回転させるように駆動されると、圧縮機１６は、空気１６を燃焼器１８および／または燃料ノズル２０に送るべく圧縮するように駆動される。

さらに、図示のタービンシステム１０は、タービンシステム１０の動作を一般的に制御することができるコントローラ３８を含む。例えば、特定の実施形態では、コントローラ３８は、ガスタービンエンジン１２全体に配置された多数のセンサ４０（例えば、温度センサー、圧力センサー、流量センサー、又は他の適切なセンサー）に結合されてもよい。コントローラ３８は、タービンエンジン１２に関する情報を受信するために、センサ４０と通信（例えば、ネットワーク又はバスを介して）することができる。例えば、コントローラ３８は、ガスタービンエンジン１２の排気部２４に結合された温度センサ４０と通信して、排気ガス（例えば、制御排気温度測定面に沿って測定する）の温度を受け取ることができる。さらなる例では、圧縮機１６に結合された圧力センサ４０は、圧縮機吐出圧力をコントローラ３８に通信することができる。さらに別の例では、排気部２４に結合された圧力センサ４０は、排気部２４の出口で排気圧力をコントローラ３８に通信することができる。さらに、特定の実施形態では、コントローラ３８は、ガスタービンエンジン１２の動作を制御又は変更するために、タービンシステムの特定の構成要素（例えば、圧縮機１６、燃焼器１８、タービン２２、吸気ベーン（例えば、ＩＧＶ２５）、弁、ポンプ、アクチュエータ、又は他の適切な構成要素）と通信することもできる。例えば、コントローラ３８は、ガスタービンエンジン１２の圧縮機１６と通信して、吸気ベーンを開閉して圧縮機１６内への空気３０の量を増減させるようにフィールド機器（field device）に指示することができる。加えて、コントローラ３８は、ガスタービンエンジン１２上の燃料アクチュエータと通信して、燃料供給源３４と燃焼器１８との間を流れる燃料の流れ、燃料分割、及び／又はタイプを選択的に調整することができる。さらに、コントローラ３８は、ＩＧＶの相対位置を調整し、入口抽気熱を調整し、又はガスタービンエンジン１２上の他の制御設定を起動するために、追加のアクチュエータと通信することができる。

さらに、コントローラ３８によって実行される動作には、センサ４０からのフィードバックに基づいてタービン出口Ｍｎのサロゲート値を決定又は計算することが含まれる。例えば、以下により詳細に説明されるように、タービン出口Ｍｎのサロゲート値は、圧縮機吐出量圧力、排気部出口圧力、及び半径方向プロファイル効果について調整された排気温度に基づいて計算され得る。タービン出口Ｍｎのサロゲート値は、ガスタービンエンジン１２の境界制御又は動作限界（boundary control or operational limit）として機能する。コントローラ３８によって実行される動作には、ガスタービンエンジン１２の制御動作を導出するためにタービン出口Ｍｎのサロゲート値を利用することも含まれる。特に、サロゲート値は、コンプレッサＩＧＶ、閉ループ最大オープンエフェクタ制御制約（closed loop max open effector control constraint）への入力として利用することができる。

さらに、コントローラ３８は、プロセッサ４２と、プロセッサ４２に通信可能に結合されたメモリ４４（例えば、一過性でないコンピュータ可読媒体／メモリ回路）とを含み、図１のガスタービンシステム１０に関連する動作を実行するために実施される１つ以上の命令セット（例えば、プロセッサ実行可能命令）を記憶する。より具体的には、メモリ４４は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などの揮発性メモリ、及び／又は読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、光学ドライブ、ハードディスクドライブ、又はソリッドステートドライブなどの不揮発性メモリを含むことができる。さらに、プロセッサ４２は、一つ以上の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、一つ以上のフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、一つ以上の汎用プロセッサ、又はそれらの任意の組み合わせを含むことができる。さらに、「プロセッサ」という用語は、当該技術分野でプロセッサと呼ばれる集積回路のみに限定されるものではなく、コンピュータ、プロセッサ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラマブルロジックコントローラ、特定用途向け集積回路、及び他のプログラマブル回路を広く指す。

図２は、タービン出口Ｍｎに対する出口流れ関数（exit flow function）のグラフ４６である。グラフ４６は、タービン出口軸Ｍｎを表すＸ軸４８と、タービン出口流れ関数を表すＹ軸５０とを含む。ガスタービンのタービンの固定最終段（fixed last stage）のタービン出口流関数は、流れ成分（ＷＸ）すなわちタービン出口流、圧力成分（Ｐ_Ｔ３）すなわち総圧力（total pressure）、及び温度成分（Ｔ_Ｔ３）すなわち総温度（total temperature）の関数である。グラフ４６のプロット５２に示されるように、タービン出口流れ関数は、タービン出口Ｍｎと強く相関し、非ＭＢＣ制御方法（ストラテジー）においてタービン出口Ｍｎのサロゲート値として機能し得る。より具体的には、タービン出口Ｍｎは、タービン出口流れとタービン出口絶対温度をタービン出口圧力で割った平方根との積にほぼ比例する。さらに、タービン出口Ｍｎのサロゲート値の限界レベルは、サロゲート値空間で定義された限界を有するサイクル性能に基づく等価Ｍｎに関数的に対応する。タービン出口Ｍｎのサロゲート値は、ＭＢＣ制御方法において実際のタービン出口Ｍｎを利用するよりも少なくとも同様に（良くないとしても）、動作点を制限タービン出口Ｍｎに調整することができる。特に、タービン出口Ｍｎのサロゲート値は、周囲条件、排気システム設計圧力降下変動、部品性能変動、及び制御センサの不確実性において変動を処理するのに十分に堅牢であり、使用可能である。

タービン出口流量、総圧力、及びタービン出口での総温度は、容易に測定又は利用できない。しかしながら、タービン出口流、総圧力、及び総温度は、図３乃至５に示されるように、測定されたパラメータを制御するために強い相関を有する。特定の実施形態では、タービン出口Ｍｎのサロゲート値を決定する際に、図３乃至図５のパラメータに対する他のパラメータ及び／又は追加のパラメータを利用することができることに留意されたい。図３は、圧縮機吐出圧力に対するタービン出口流のグラフ５４である。グラフ５４は、圧縮機吐出圧力を表すＸ軸５６と、タービン出口流を表すＹ軸５８とを含む。タービン出口流は圧縮機入口流に比例するので、圧縮機抽出の固定された設計及びタービンの１段目の形状については、タービン入口圧力と圧縮機流との間に強い相関関係がある。所与の燃焼システムについて、これは、タービン入口圧力と圧縮機吐出口圧力との間で同様に強い均衡を示すように拡張することができる。プロット６０は、流れ成分又はタービン出口流れが、圧縮機吐出時に圧力と強い相関を有することを示す。従って、圧縮機吐出量圧力（測定されたパラメータ）は、タービン出口Ｍｎのサロゲート値を計算する際に、タービン出口流のサロゲート値として機能し得る。

図４は、タービン出口温度に対する排気温度のグラフである。グラフ６２は、排気温度を表すＸ軸６４と、タービン出口温度を表すＹ軸６６とを含む（制御排気温度フレーム（control exhaust temperature frame）で排気部内で測定され、半径方向プロファイル効果（radial profile effects）のために調整されたものである）。タービン出口の総温度は典型的な排気温度測定に強く関係している。これらは、タービン出口と排気部の制御排気温度測定面（control exhaust temperature measurement plane）との間に導入される排気フレーム冷却の希釈化効果によって異なる。プロット６８は、温度成分又はタービン出口温度が、排気部で測定された排気温度と強い相関を有することを示す。これは、排気温度がタービン出口温度にフレームブロワー希釈化（frame blower dilution）を加えたものであるであることから予想される。従って、排気温度（測定されたパラメータ）は、タービン出口Ｍｎのサロゲート値を計算する際にタービン出口温度のサロゲート値として作用し得る。

図５は、排気部出口での排気圧力に対するタービン出口総圧力のグラフである。グラフ７０は、排気部出口における排気圧力を表すＸ軸７２と、タービン出口の総圧力を表すＹ軸７４とを含む。タービン出口圧力は、排気部すなわち排気ディフューザーセクションの出口において測定された圧力に強く関連し、主に排気システムの圧力回復によって相関される。全負荷運転に関連する限られた範囲のタービン出口Ｍｎにわたってサロゲートを使用することを意図した固定設計の場合、この圧力回復（pressure recovery）の変動はかなり限定的される。これらの境界条件は、排気システム圧力回復を通して関連付けられ、関心のある範囲は、旋回角およびＭｎにおいて限られた変動を有する。プロット７６は、圧力部品又はタービン出口の総圧力が、排気部の出口で測定されるときに、排気圧力と強い相関を有することを示す。従って、排気圧力（測定されたパラメータ）は、タービン出口Ｍｎのサロゲート値を計算する際に、タービン出口合計圧力のサロゲート値として機能させることができる。

図２で上述したように、タービン出口流れ関数は、タービン出口Ｍｎと強く相関しており、非ＭＢＣ制御方式においてタービン出口Ｍｎのサロゲート値として機能し得る。従って、タービン出口Ｍｎのサロゲート値は、タービン出口絶対温度の平方根にタービン圧力を乗じた値に基づいてもよい。図５は、タービン出口Ｍｎに対するタービン出口Ｍｎのサロゲート値（タービン出口流れ関数の構成要素又はタービン出口流れ関数の構成要素に強く相関する測定パラメータから導出される）のグラフ７８である。グラフ７８は、タービン出口軸方向Ｍｎを表すＸ軸８０と、タービン出口Ｍｎサロゲート（ＰＲ＊Ｓｑｒｔ（Ｔ））を表すＹ軸８２とを含み、ここで、ＰＲは圧力比に等しく、Ｔは温度に等しい。プロット８４は、タービン出口軸方向Ｍｎに対してタービン出口流れ関数の（例えば、タービン出口の総圧力（Ｐ_Ｔ３）及びタービン出口の絶対温度（Ｔ_Ｔ３）の値を導き出すためにＭＢＣを利用するシステムで収集されるような）成分について計算されたタービン出口Ｍｎのサロゲート値を表す。プロット８６は、タービン出口軸方向Ｍｎに対して、排気部の制御排気温度測定面で測定されるタービン排気温度（Ｔ_Ｘ）及び排気部の出口で測定される排気圧力（Ｐ_Ｘ）のような、タービン出口流れ関数の成分に強く相関する（かつ代替として利用される）測定パラメータを利用して計算されたタービン出口Ｍｎのサロゲート値を表す。グラフ表示７８に示されるように、プロット８６におけるタービン出口Ｍｎのサロゲート値についてのサロゲート測定パラメータを利用することは、プロット８４におけるタービン出口流れ関数の成分を利用することと同様にタービン出口軸方向Ｍｎに相関される。従って、次式（Ｐ_ＣＤ／Ｐ_Ｘ）＊（Ｔ_{ＴＸＭ＿Ｒ}）（ここで、Ｐ_ＣＤは測定された圧縮機吐出量圧力を表し、Ｔ_{ＴＸＭ＿Ｒ}はランキン調整（Rankine adjusted）されたタービン排気温度を表す）から導出されるタービン出口Ｍｎのサロゲート値は、タービン出口Ｍｎに強く関連し、合理的な境界制御のサロゲート値を提供し得る。

図７は、複数の負荷掃引にわたるタービン出口Ｍｎ（Ｘ軸９０）に対するタービン出口Ｍｎのサロゲート値（Ｙ軸９２）（タービン出口流れ関数の成分に強く相関する測定パラメータから導出される）のグラフ８８である。複数の負荷掃引（multiple load sweeps）を、ガスタービンシステムを用いて、異なる周囲圧力条件（例えば、通常のサイクル性能を想定して、１２．７から１４．７ポンド力／平方インチ（ｐｓｉａ）又は約８７．６から１０１．４キロパスカル（ｋＰａ）の範囲）でベースＭｎ掃引にわたって実施した。更に、複数負荷掃引を、公称サイクル性能とＴ_ｆｉｒｅ抑制（suppression）を有するタービン出口Ｍｎ制御に対して期待される異なる極低温（例えば、－６０°Ｆから－１０°Ｆ、又は約－５１．１°Ｃから－１２．２°Ｃの範囲）にわたってガスタービンシステムを用いて実施した。プロット９４は、タービン出口Ｍｎのサロゲート値（タービン出口流れ関数の成分に強く相関する測定パラメータから導出される）が、タービン出口Ｍｎと強い相関を有することを示す。

図８は、タービン出口Ｍｎサロゲートを利用したタービン出口Ｍｎ境界制御のための実施形態の機能ブロック図である。破線部９６は、サロゲート・タービン出口Ｍｎのための制御コードを表し、破線部９８は、ＩＧＶのｃｏｎから最小値、最大値及びパスへの制約のための制御コード（control code for IGV con to Min, Max, and Path constraints）を表す。破線部９６に示されるように、タービン出口Ｍｎ限界（Mn,x Limit）は、タービン出口Ｍｎサロゲート限界（Mn,xSurrogate Limit）を生成するために、制御曲線１００又はテーブル（タービン出口Ｍｎサロゲート（Mn,x surrogate）とタービン出口Ｍｎ限界との関係）に当てはめられる。タービン出口サロゲート限界（一定限界又は可変限界であり得る）は、比較器１０２に与えられる。また、破線部９６に示すように、測定された圧縮機吐出量圧力（Ｐ_ｃｄ）は、排気部の出口において測定された排気圧力によって（参照番号１０４に示すように）除算され、タービン圧力比（ＴＰＲ）が得られる。排気部の制御排気温度測定面で測定されるタービン排気温度（ＴＸ）は、タービンの絶対出口温度となるために基準日温度（standard day temperature）（例：４５９．６７）を加算して比較器１０６に与えられる。比較器１０６の出力の平方根（参照番号１０８によって示されるように）は、ランキンタービン排気温度（Ｔ_{ｘＲａｎｋｉｎｅ}）を提供し、この温度は、タービン出口Ｍｎサロゲートを生成するためのＴＰＲによって（参照番号１１０によって示されるように）乗算される。タービン出口Ｍｎサロゲートは、破線部９８内のコントローラ（例えば比例積分コントローラ：proportional integral controller）１１２への入力として提供される出力を生成するために、タービン出口サロゲート限界と共に比較器１０２に提供される。コントローラは、タービン出口Ｍｎサロゲートから導出されたコンプレッサＩＧＶ、閉ループ最大オープンエフェクタ制約（compressor IGV, closed loop max open effector constraint：ＩＧＶ_Ｍｎ，ｘ）をＩＧＶループ優先順位付け及び選択ロジック１１４に提供する。さらに、他の最大オープンＩＧＶ制約又は他の境界、スケジュール、及びパス（例えば、最大圧縮機吐出温度、圧縮機操作性、エアロ制約、機械的限界など）からのＩＧＶ要求が、ＩＧＶループ優先順位付け及び選択ロジック１１４に提供される。ＩＧＶ_Ｍｎ、ｘ及び他の最大オープンＩＧＶ制約は、優先選択を介して進み、ＩＧＶループ優先順位付け及び選択ロジック１１４は、ＩＧＶ設定又はＩＧＶ要求を出力する。

図９は、タービンエンジンシステムを制御するためにタービン出口Ｍｎのサロゲート値を利用する方法１１６のフローチャートである。方法１１６の一つ以上のステップは、ガスタービンシステム（例えば、図１のコントローラ３８）の制御装置によって実行することができる。方法１１６は、ガスタービンシステムの構成要素に結合されたセンサからのフィードバックを受信するステップ（ブロック１１８）を含む。例えば、圧縮機又は排気部に結合されたセンサからフィードバックを受け取ることができる。フィードバックは、圧縮機排出圧力、排気部出口圧力、及び排気温度（例えば、排気部内の制御排気温度測定面に沿って測定する）などの測定パラメータを含むことができる。測定されたパラメータは、タービン出口Ｍｎのサロゲート値を直接計算するために使用されるであろうが、ガスタービンシステム上で測定されないか、又は利用できないタービン出口流れ関数に関連するパラメータに相関する（及び代替として機能する）。方法１１６はまた、センサからのフィードバックに基づいてタービン出口Ｍｎのサロゲート値を計算するステップ（ブロック１２０）を含む。例えば、タービン出口Ｍｎのサロゲート値は、上記のように測定された圧縮機吐出量圧力、排気部出口圧力、及び排気温度に基づいて計算され得る。タービン出口Ｍｎのサロゲート値は、ガスタービンシステムの境界制御として機能する。方法１１６はさらに、タービン出口Ｍｎのサロゲート値を利用してガスタービンシステムの制御動作を導出するステップ（ブロック１２２）を含む。制御動作は、図８で説明したように導出される。方法１１６は、アクチュエータを制御するために、コンプレッサ内のＩＧＶに結合されたアクチュエータに（サロゲート値に基づいて）制御信号を供給するステップをさらに含む（ブロック１２４）。タービン出口Ｍｎのサロゲート値は、非ＭＢＣ制御方式（非ＭＢＣ戦略：ｎｏｎＭＢＣストラテジ）において利用され得る。特定の実施形態では、ＭＢＣを含むが、タービン出口ＭｎのためのＭＢＣが利用できないガスタービンシステム（例：レガシーシステム：従来システム）上でタービン出口Ｍｎのサロゲート値が利用される。

タービン出口Ｍｎのサロゲート値を利用するための非ＭＢＣ方制御方式はまた、境界制御を提供する他のパラメータのために利用することができる。図１０は、タービンエンジンシステムを制御するための直接境界制御（direct boundary control）のためのパラメータとしてのサロゲート値を利用する方法１２６のフローチャートである。方法１２６の一つ以上のステップは、ガスタービンシステム（例えば、図１のコントローラ３８）の制御装置によって実行することができる。方法１２６は、ガスタービンシステムの構成要素に結合されたセンサからのフィードバックを受信するステップ（ブロック１２８）を含む。例えば、フィードバックは、圧縮機、燃焼器、タービン、排気部、又はガスタービンシステムの他の構成要素に結合された複数のセンサから受け取ることができる。測定されたパラメータは、本来であればサロゲート値を直接計算するために利用されるが、ガスタービンシステム上で測定されていないか、又は利用できない所望の境界制御パラメータのためのサロゲート値に関連するパラメータと相関する（かつ、代替として機能する）ことができる。方法１１６はまた、センサからのフィードバックに基づいて所望の境界制御パラメータに対するサロゲート値を計算するステップ（ブロック１３０）を含む。方法１２６はさらに、ガスタービンシステムの制御動作を導出するために所望の境界制御パラメータのサロゲート値を利用するステップ（ブロック１３２）を含む。方法１２６はさらに、ガスタービンシステムの構成要素又は構成要素又はアクチュエータを制御するため、構成要素に結合されたアクチュエータに制御信号（サロゲート値に基づく）を提供するステップ（ブロック１３４）を含む。

開示された実施形態の技術的効果は、ＭＢＣ制御を有しないヘ大型ガスタービンの限界制御（limit control）のために利用され得る、正確かつ堅牢な（かつ容易に構築され得る）タービン出口Ｍｎのサロゲート値を提供することを含む。特定の実施形態では、タービン出口Ｍｎのサロゲート値を利用する非ＭＢＣ制御方式は、オンボードモデルを有するガスタービンシステムにおいても利用することができ、オンボードモデルは、タービン出口Ｍｎ制御において十分対応していない。タービン出口Ｍｎのサロゲート値の利用は、ガスタービンシステムのハードウェアのアップグレードを可能にし、これはハードウェアのアップグレードをサポートするための完全なＭＢＣアップグレードよりも費用効果が高い。タービン出口Ｍｎのサロゲート値は、ＭＢＣ制御方式において実際のタービン出口Ｍｎを利用するのと同等に（より良いとは言えないながらも）、動作点を制限タービン出口Ｍｎで調整することができる。特に、タービン出口Ｍｎのサロゲート値は、周囲条件、排気システム設計圧力降下変動、部品性能変動、及び制御センサの不確実性において変動を処理するのに十分に堅牢で使用可能である。

この記述された説明は、最良の態様を含む主題を開示するために、また、任意の装置又はシステムを製造及び使用すること、及び任意の組み込まれた方法を実行することを含む、当業者が主題を実施することを可能にするために、例を使用する。発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者に想起可能な他の例を含むことができる。そのような他の例は、それらが特許請求の範囲の文字どおりの言語と異ならない構造的要素を有する場合、又はそれらが特許請求の範囲の文字どおりの言語と実質的に異ならない同等の構造的要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内であることを意図している。

本明細書で提示され、請求されている技術は、本技術分野を明らかに改善する実際的な性質の材料対象及び具体例に言及され、適用され、したがって、抽象的、無形的又は純粋に理論的ではない。さらに、この明細書の末尾に添付された特許請求の範囲が、「［機能］を［実行］するための手段．．．」又は「［機能］を［実行］するためのステップ．．．」として指定された一つ又は複数の要素を含んでいる場合、そのような要素は３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．第１１２条（ｆ）に基づいて解釈されることが意図されている。しかし、他の方法で指定された要素を含むクレームについては、当該要素は３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．第１１２条（ｆ）に基づいて解釈されないことが意図されている。

本発明のさらなる態様は、以下の実施態様によって提供される。
［実施態様１］
圧縮機（１６）と燃焼器（１８）とタービン（２２）と排気部（２４）とを含むガスタービンシステム（１０）と、
ガスタービンシステム（１０）の構成部品に結合された複数のセンサ（４０）と、
ガスタービンシステム（１０）及び複数のセンサ（４０）とに通信可能に結合され、ガスタービンシステム（１０）の動作を制御するように構成されたコントローラ（３８）であって、コントローラ（３８）は、複数のセンサ（４０）からのフィードバックに基づいてタービン出口マッハ数のサロゲート値を計算し、サロゲート値を利用してガスタービンシステム（１０）の制御動作を導出するように構成される、コントローラ（３８）と。
を含むシステム。
［実施態様２］
圧縮機（１６）内の入口ガイドベーン（２５）に結合されたアクチュエータを含み、制御動作がアクチュエータを制御することを含む、実施態様１に記載のシステム。
［実施態様３］
複数のセンサ（４０）は、圧縮機（１６）及びタービン（２２）に結合される、実施態様１に記載のシステム。
［実施態様４］
フィードバックが、圧縮機吐出圧力に関する測定パラメータ、排気セクション出口圧力に関する測定パラメータ及び、半径方向プロファイル効果のために調整された排気温度に関する測定パラメータを含む、実施態様３に記載のシステム。
［実施態様５］
測定されたパラメータは、タービン出口マッハ数を直接計算するために使用されるが、ガスタービンシステム（１０）上で測定されないタービン出口流れ関数に相関するパラメータに関連する、実施態様４に記載のシステム。
［実施態様６］
パラメータは、タービン出口流、タービン出口圧力、及びタービン出口絶対温度を含む、実施態様５に記載のシステム。
［実施態様７］
サロゲート値は、ガスタービンシステム（１０）のための境界制御として機能するように構成される、実施態様１に記載のシステム。
［実施態様８］
圧縮機（１６）と燃焼器（１８）とタービン（２２）と排気部（２４）とを含むガスタービンシステム（１０）の構成要素に結合された複数のセンサ（４０）からのフィードバックをコントローラ（３８）が受け取るステップと、
複数のセンサー（４０）からのフィードバックに基づいて、コントローラ（３８）がタービン出口マッハ数のサロゲート値を計算するステップと、
サロゲート値を利用してガスタービンシステム（１０）の制御動作をコントローラ（３８）が導出するステップと、
を含む方法。
［実施態様９］
アクチュエータを制御するために、圧縮機（１６）内の入口ガイドベーン（２５）に結合されたアクチュエータに、サロゲート値に基づく制御信号を提供するステップを含む、実施態様８に記載の方法。
［実施態様１０］
複数のセンサー（４０）が、圧縮機（１６）及びタービン（２２）に結合される、実施態様８に記載の方法。
［実施態様１１］
フィードバックが、圧縮機吐出圧力に関する測定パラメータ、排気セクション出口圧力に関する測定パラメータ及び、半径方向プロファイル効果のために調整された排気温度に関する測定パラメータを含む、実施態様１０に記載の方法。
［実施態様１２］
測定されたパラメータは、タービン出口マッハ数を直接計算するために使用されるが、ガスタービンシステム（１０）上で測定されないタービン出口流れ関数に相関するパラメータに関連する、実施態様１１に記載の方法。
［実施態様１３］
パラメータは、タービン出口流、タービン出口圧力、及びタービン出口絶対温度を含む、実施態様１２に記載の方法。
［実施態様１４］
サロゲート値は、ガスタービンシステム（１０）のための境界制御として機能する、実施態様８に記載の方法。
［実施態様１５］
ガスタービンシステムの構成要素に結合された複数のセンサからのフィードバックをプロセッサに受信させるプロセッサ実行可能コードを含む、非一時的なコンピュータ可読媒体であって、
プロセッサによって実行されると、
圧縮機、燃焼器、タービン、及び排気部を含むガスタービンシステムの複数のセンサーからのフィードバックに基づいてタービン出口マッハ数のサロゲート値を計算するステップと、
サロゲート値を利用してガスタービンシステム（１０）の制御動作を導出するステップと、
が実行され、サロゲート値がガスタービンシステムの境界制御として機能する、非一時的なコンピュータ可読媒体。
［実施態様１６］
プロセッサ実行可能コードは、プロセッサによって実行されると、プロセッサに、サロゲート値に基づく制御信号を、圧縮器内の入口ガイドベーンに結合されたアクチュエータに供給させ、アクチュエータを制御する、実施態様１５に記載の非過渡的コンピュータ可読媒体。
［実施態様１７］
複数のセンサー（４０）が、圧縮機（１６）及びタービン（２２）に結合される、実施態様１５に記載の非過渡的コンピュータ可読装置。
［実施態様１８］
フィードバックが、圧縮機吐出圧力に関する測定パラメータ、排気セクション出口圧力に関する測定パラメータ及び、半径方向プロファイル効果のために調整された排気温度に関する測定パラメータを含む、実施態様１７に記載の非過渡的コンピュータ読取り可能なコンピュータ。
［実施態様１９］
測定されたパラメータは、タービン出口マッハ数を直接計算するために使用されるが、ガスタービンシステム（１０）上で測定されないタービン出口流れ関数に相関するパラメータに関連する、実施態様１８に記載の非過渡的コンピュータ可読装置。
［実施態様２０］
パラメータは、タービン出口流、タービン出口圧力、及びタービン出口絶対温度を含む、実施態様１９に記載の非過渡的コンピュータ可読装置。

１０：タービンシステム １２：ガスタービンエンジン １４：負荷 １６：圧縮機 １８：燃焼器 ２０：燃料ノズル ２２：タービン ２４：排気部 ２５：入口ガイドベーン ２６：シャフト ３０：空気 ３２：圧縮空気 ３４：燃料 ３６：高温燃焼ガス ３８：コントローラ ４０：センサ ４２：プロセッサ ４４：メモリ ４８：タービン出口軸数 ５０：タービン出口流れ関数 ５６：圧縮機吐出圧力－ＰＳＩＡ ５８：タービン出口流－ＰＰＳ ６４：ＴＴＸＭ、排気温度－Ｆ ６６：ＴＴ３、タービン出口温度－Ｆ ７２：排気部出口における排気圧力－ＰＳＩＡ ７４：ＰＹ３、タービン出口総圧力－ＰＳＩＡ ８０：タービン出口軸方向マッハ数 ８２：タービン出口軸方向 ８４：タービン出口ＭｎサロゲートＰＲ＊√Ｔ ９０：タービン出口マッハ数 ９２：タービン出口Ｍｎサロゲート １００：制御曲線 １１２：比例積分コントローラ １１４：ＩＧＶループ優先順位付け及び選択ロジック

Claims (10)

1. 圧縮機（１６）と燃焼器（１８）とタービン（２２）と排気部（２４）とを含むガスタービンシステム（１０）と、
   ガスタービンシステム（１０）の構成部品に結合された複数のセンサ（４０）と、
   ガスタービンシステム（１０）及び複数のセンサ（４０）とに通信可能に結合され、ガスタービンシステム（１０）の動作を制御するように構成されたコントローラ（３８）であって、コントローラ（３８）は、複数のセンサ（４０）からのフィードバックに基づいてタービン出口マッハ数のサロゲート値を計算し、サロゲート値を利用してガスタービンシステム（１０）の制御動作を導出するように構成される、コントローラ（３８）と。
   を含むシステム。
2. 圧縮機（１６）内の入口ガイドベーン（２５）に結合されたアクチュエータを含み、制御動作がアクチュエータを制御することを含む、請求項１に記載のシステム。
3. 複数のセンサ（４０）は、圧縮機（１６）及びタービン（２２）に結合される、請求項１に記載のシステム。
4. フィードバックが、圧縮機吐出圧力に関する測定パラメータ、排気セクション出口圧力に関する測定パラメータ及び、半径方向プロファイル効果のために調整された排気温度に関する測定パラメータを含む、請求項３に記載のシステム。
5. 測定されたパラメータは、タービン出口マッハ数を直接計算するために使用されるが、ガスタービンシステム（１０）上で測定されないタービン出口流れ関数に相関するパラメータに関連する、請求項４に記載のシステム。
6. パラメータは、タービン出口流、タービン出口圧力、及びタービン出口絶対温度を含む、請求項５に記載のシステム。
7. サロゲート値は、ガスタービンシステム（１０）のための境界制御として機能するように構成される、請求項１に記載のシステム。
8. 圧縮機（１６）と燃焼器（１８）とタービン（２２）と排気部（２４）とを含むガスタービンシステム（１０）の構成要素に結合された複数のセンサ（４０）からのフィードバックをコントローラ（３８）が受け取るステップと、
   複数のセンサー（４０）からのフィードバックに基づいて、コントローラ（３８）がタービン出口マッハ数のサロゲート値を計算するステップと、
   サロゲート値を利用してガスタービンシステム（１０）の制御動作をコントローラ（３８）が導出するステップと、
   を含む方法。
9. アクチュエータを制御するために、圧縮機（１６）内の入口ガイドベーン（２５）に結合されたアクチュエータに、サロゲート値に基づく制御信号を提供するステップを含む、請求項８に記載の方法。
10. 複数のセンサー（４０）が、圧縮機（１６）及びタービン（２２）に結合される、請求項８に記載の方法。

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