JP2023548713A - 動的プロセス中にガスタービン燃焼を安定に維持するための方法、コンピュータ可読媒体及びタービン制御システム - Google Patents

Abstract

本発明は、動的プロセス中にガスタービン燃焼を安定に維持するための方法、コンピュータ可読媒体及びタービン制御システムを提供している。【数１】TIFF2023548713000041.tif73161

Description

本発明は、ガスタービン制御システムに関し、特にガスタービン制御システムの制御方法に関する。

ガスタービンの運転の柔軟性に対する市場の要求はますます高まっている。通常の周波数応答に加えて、クイックスタート、負荷抑制、アイランドモード運転、拡張周波数応答などの動的運転が顧客から求められることが多い。これらの動的運転におけるガスタービンの安定性はますます重要になってきている。

ＮＯｘ排出量を低減するため、現代のガスタービンは予混合式燃焼を採用している。図１に示すように、予混合式燃焼は、燃料と空気の混合過程、可燃性混合物の安定化学反応過程という２つの過程を空間的に分離している。

予混合式燃焼には、一般的に炎の逆火（燃料が過多である時に発生し）、及び炎の消炎（燃料が過少である時に発生し）という２つの制限がある。燃焼条件がこの２つの制限に近づくと、燃焼振動が発生する。通常、予混合式炎の空燃比（すなわち、混合気中の空気と燃料との質量の割合）の運転可能範囲は、拡散式炎に比べてかなり狭くなっている。

図２に示すように、実際にガスタービンの運転中は、ＮＯｘ排出量を低減するために、燃焼をできるだけリーン燃料側に押していく。タービン制御の観点から言えば、空燃比はより正確に制御されなければならない。これは、定常運転時に温度レベルを制御することによって実現されている。しかし、ガスタービンが動的に運転している場合、空気通路と燃料通路の動的特性が異なるため、燃焼室入口における空燃比を正確に制御することが困難である。

これは、燃焼室の運転ラインとリーン燃焼限界値との間に十分な余裕を持たせる必要がある要因の一つである。これにより、ＮＯｘ排出量が増加してしまう。また、この過渡過程での空燃比の制御が容易でないという難点も、タービンの動的性能を制限する。

従って、本発明は、タービンの動的プロセスにおける空燃比制御の精度を向上させる方法が必要である。

発明の内容
本発明は、ガスタービン制御システムに適用される新規な制御方法である。燃焼室への燃料流量と空気流量とを動的にマッチングさせることにより、動的プロセスにおける燃焼の安定な維持やＮＯｘ排出の低減などの目的を達成している。

本発明は、動的プロセス中にガスタービン燃焼を安定に維持するための方法を提供しており、前記方法は、

その中、Ｇ_ｆ（ｓ）は、燃料制御弁サーボシステムから燃焼室入口までの燃料通路の全伝達関数であり、Ｇ_air（ｓ）は、ＶＩＧＶサーボシステムから燃焼室入口までの空気通路の全伝達関数である。

一実施例では、前記方法において、
前記燃焼室入口における燃料流量は、

一実施例では、前記空燃比は、

である。
一実施例では、前記方法において、
タービンプロセスを加速させ、且つ前記燃料通路及び前記空気通路の応答を改善するように、前記燃料通路及び前記空気通路に追加の補償器が追加されており、
前記燃焼室入口における燃料流量を

にする。
一実施例では、前記補償器Ｇ_{ＡＣＣＥＬ}は、

であり、
その中、ｔ_１とｔ_２は、時定数であり、且つ、ｔ_１＞ｔ_２、ｓは、ラプラス変換の複素数変数である。

一実施例では、燃料通路の動的特性にマッチングするように前記空気通路のみが補償される場合に、

である。
一実施例では、空気通路の動的特性にマッチングするように前記燃料通路のみが補償される場合に、

である。
一実施例では、前記燃料通路は、ガス通路及びオイル通路を含み、

のように補償され、

本発明は、実行する時に、前記動的プロセス中にガスタービン燃焼を安定に維持するための方法を実行するコンピュータ指令が格納されているコンピュータ可読媒体をさらに提供している。

本発明は、メモリとプロセッサとを含み、前記メモリには、前記プロセッサ上で実行可能なコンピュータ指令が格納されており、前記プロセッサは、前記コンピュータ指令を実行する際に、前記動的プロセス中にガスタービン燃焼を安定に維持するための方法を実行するタービン制御システムをさらに提供している。

図面の説明
本発明の以上の発明内容および以下の具体的な実施形態は、添付図面と合わせて読むと、よりよく理解される。なお、図面は、請求項に係る発明の一例にすぎない。図面において、同一の符号は、同一又は類似の要素を表している。

予混合式燃焼の２つのプロセスを示している。 動的運転を行う場合のガスタービンの空気通路および燃料通路の動的特性を示している。 本発明の一実施形態によるタービン制御システムを示している。 本発明の一実施形態による燃料通路および空気通路の伝達関数の概略図を示している。 本発明の一実施形態による燃料制御弁指令δ_{ｆ，ＣＬＣ}およびＶＩＧＶ角度指令θ_{ＶＩＧＶ，ＣＬＣ}の補償後のシステム伝達関数全体の概略図を示している。 図５を簡略化した図である。 本発明の一実施形態による補償器を備えたタービン制御システムを示している。 補償なしの燃料－空気流量比を示している。 本発明の一実施形態による補償器を備えた燃料－空気流量比を示している。

具体的な実施形態
以下では、本発明の詳細な特徴および利点を、具体的な実施形態において詳しく説明するが、それは、当業者が本発明の技術内容を理解し、実施するために十分であり、且つ、本明細書に開示された明細書、特許請求の範囲、および図面から、当業者が本発明に関連する目的および利点を容易に理解することができる。

動的プロセスにおける燃焼の安定性を確保し、ＮＯｘ排出量を低減するために、燃焼室への燃料空気流量比を正確に制御しなければならない。しかし、空気流路と燃料流路とは異なる動的特性があるため、これは実際に非常に難しい。本発明は、動的プロセスにおける燃焼器（またはバーナー）入口の空燃比の制御精度を向上させることができる新規な制御方法を開示している。

図３は、本発明の一実施形態によるタービン制御システムを示している。ガスタービンは、圧縮機と、燃焼室と、タービンとの３つの部品からなる。空気は、圧縮機で圧縮され、燃焼室で燃料と混合して燃焼した後、タービン内で膨張してワークをする。空気の流量は、圧縮機の入口での可変吸気ガイドベーン（ＶＩＧＶ、ｖａｒｉａｂｌｅ ｉｎｌｅｔ ｇｕｉｄｅ ｖａｎｅ）によって調整される。燃料の流量は、燃料デリバリパイプにおける燃料制御弁によって調整される。可変吸気ガイドベーン（ＶＩＧＶ）サーボシステム及び燃料制御弁は、タービン制御システムから受信した電気信号に従って制御される。入出力カードは、デジタル信号をこの電気信号に変換する役割を担っている。このデジタル信号は、燃料制御弁ストローク指令δ_{ｆ，ＣＬＣ}及びＶＩＧＶ角度指令θ_{ＶＩＧＶ，ＣＬＣ}を含むが、これらに限定されるものではない。図３に示すように、燃料制御弁ストローク指令δ_{ｆ，ＣＬＣ}は、閉ループコントローラーで生成されるものである。ＶＩＧＶ角度指令θ_{ＶＩＧＶ，ＣＬＣ}も、閉ループコントローラーで計算されるものである。

図４に示すように、燃料制御弁ストローク指令δ_{ｆ，ＣＬＣ}と、燃焼室内のｉ番目のバーナー（バーナーｉと略す）またはｉ番目の燃焼器（燃焼器ｉと略す）への燃料質量流量

との関係は、次のようになった。

ここで、Ｋ_ｖは、バルブの特性によって決定されるストロークと流量との間の変換係数である。Ｇ_ｖ（ｓ）は、バルブサーボの動的特性を表している。
Ｇ_ＦＤＳ（ｓ）は、燃料分配系の伝達関数である。Ｋ_{ｆ，Ｂ－ｉ}は、全燃料流量に占めるバーナーｉの燃料流量の割合である。Ｇ_{ｆ，Ｂ－ｉ}（ｓ）は、バーナーｉの手前の燃料分岐管路の伝達関数である。ｓは、ラプラス変換の複数変数を表している。

また、図４に示すように、可変吸気ガイドベーンＶＩＧＶ角度指令θ_{ＶＩＧＶ，ＣＬＣ}とバーナーｉへの空気質量流量

との間には以下の関係がある。

ここで、Ｇ_ＶＩＧＶ（ｓ）は、ＶＩＧＶサーボの伝達関数である。Ｋ_cは、ＶＩＧＶ角度と圧縮機流量との間の変換係数である。Ｇ_ｃ（ｓ）は、圧縮機の動的特性の伝達関数である。
Ｋ_{ａｉｒ，Ｂ－ｉ}は、全空気流量に占めるバーナーｉの空気流量の割合である。

上記２つの式から、燃料通路と空気通路とは異なる動的特性（伝達関数が異なり）を持つことが分かる。図５に示すように、燃料制御弁指令δ_{ｆ，ＣＬＣ}およびＶＩＧＶ角度指令θ_{ＶＩＧＶ，ＣＬＣ}の後に補償器を追加することができ、その中、補償器は、燃料指令補償関数および空気指令補償関数によって実現される。燃料指令補償関数Ｇ_{ｆ，Ｂ－ｉ，ＣＯＭＰ}（ｓ）は、バーナーｉの燃料通路のために付加されるものであり、空気指令補償関数Ｇ_{ａｉｒ，Ｂ－ｉ，ＣＯＭＰ}（ｓ）は、空気通路のために付加されるものである。

図５の補償器は、バーナーｉのために設計されるものである。実際には、補償するために燃焼器を１つしか選択できない。これは最も重要な燃焼器であっても、仮想的な平均燃焼器であってもよい。補償を必要とするバーナーが既に選択された場合、図５を図６に簡略化することができる。上記２つの式は、以下のように簡略化することもできる。

ここで、Ｇ_{ｆ，ＣＯＭＰ}（ｓ）は、燃料制御弁ストローク指令に加えられた補償であり、Ｇ_ｆ（ｓ）は、制御弁からバーナー（または燃焼器）入口までの燃料通路の全伝達関数である。
Ｇ_{ａｉｒ，ＣＯＭＰ}（ｓ）は、ＶＩＧＶ角度指令に加えられた補償であり、Ｇ_ａｉｒ（ｓ）は、ＶＩＧＶサーボシステムから燃焼室入口までの空気通路の総伝達関数である。

２つの補償器は、異なる目的に応じて異なる方法で設計されることができる。たとえば、燃焼室入口での空燃比の動的挙動を設計通りにするために、２つの補償器が次の関係を満たさせるようにすることができる。

補償器は、以下の目的で導入された。
図７に示すように、燃料流量と空気流量をリニアに増加させて、燃料－空気流量比を一定に維持させることを考慮する。しかし、閉ループコントローラーでは燃料制御弁ストローク指令とＶＩＧＶ角度指令を正確に生成して燃料流量と空気流量をリニアに増加させることができるが、燃料通路と空気通路の動的特性（伝達関数）が異なるため、燃焼室入口の実際の燃料－空気流量比は図８のように変動している。例えば、最大の燃料－空気流量比は０．５０７６であり、０．５より０．０７６高くなっており、これは炎温度が２２℃程度変動していることに相当し、燃焼安定性の問題に繋いている。本発明より開示された補償器を適用することにより、燃料－空気流量比を図９に示すように低減させることができる。なお、補償器は完璧であることは不可能であり、小さな変動が残っている可能性があることを注意すべきである。

本発明の具体的な実施形態は、比較的に単刀直入のほうである。図７に示すように、燃料制御弁ストローク指令δ_{ｆ，ＣＬＣ}は、入出力カードに送信される前に燃料流量補償器Ｇ_{ｆ，ＣＯＭＰ}（ｓ）によって補償される。同様に、ＶＩＧＶ指令θ_{ＶＩＧＶ，ＣＬＣ}は、入出力カードに送信される前に空気流量補償器Ｇ_{ａｉｒ，ＣＯＭＰ}（ｓ）によって補償される。２つの補償器は、プログラムの形でタービン制御システムに直接にプログラムされることができる。

補償器の特定の設計方法は、以下の説明を参照することができる。
燃料制御弁から燃焼器（又はバーナー）入口までの燃料通路の伝達関数と、ＶＩＧＶから燃焼器（又はバーナー）入口までの空気通路の伝達関数とは異なっている。図６に示すように、制御弁ストローク指令とＶＩＧＶ角度指令を補正することができる。その結果、燃焼器（またはバーナー）の入口での燃料流量と空気流量は、それぞれ次の式で計算することができる。

燃焼室入口での空燃比の動的挙動を設計通りにするために、補償器は次の関係を満たすことができる。

明らかに、

Ｋ_ｖとＫ_ｃは変換係数であるので、空燃比は、動的プロセス中でも

に比例している。
一実施例では、燃料通路の動的特性にマッチングするように空気通路のみを補償することができ、この場合、補償器は以下のように設計されることができ、
Ｇ_{ｆ，ＣＯＭＰ}（ｓ）＝１

である。
一実施例では、空気通路の動的特性にマッチングするように燃料通路のみを補償することができ、この場合、補償器は以下のように設計されることができ、
Ｇ_{ａｉｒ，ＣＯＭＰ}（ｓ）＝１

である。
一実施例では、ガスを圧縮する可能であるが、オイルを圧縮する可能ではないので、ガス通路の伝達関数Ｇ_ｆ＿ｇ（ｓ）とオイル通路の伝達関数Ｇ_ｆ＿ｏ（ｓ）とは大きく異なる。そのため、制御弁ストローク指令の補正は、ガス運転時とオイル運転時とでは異なっていなければならない。

一実施例では、燃料通路および空気通路に追加の補償器Ｇ_{ＡＣＣＥＬ}を追加することもできる。

燃料通路または空気通路に大きな容積がある場合、あるいは制御弁サーボとＶＩＧＶサーボが比較的に遅い場合、燃焼器入口での燃料流量

と空気流量

は制御システムの指令よりも大きく遅れている。
Ｇ_{ＡＣＣＥＬ}は、プロセスを加速させ、燃料通路と空気通路の応答性を向上させるように設計されている。たとえば、Ｇ_{ＡＣＣＥＬ}は、次の伝達関数として設計することができる。

ここで、ｔ_１とｔ_２は時定数であり、ｓはラプラス変換の複素数変数である。
本願および特許請求の範囲に示されるように、文脈では例外を明示的に示唆しない限り、「一」、「一つ」、「一種」、および／または「その」などの用語は、特に単数を指すものではなく、複数を含むこともある。一般的に、「備える」および「含む」という用語は、明確に記載されたステップおよび要素を含むことを示すだけであり、これらのステップおよび要素は排他的な羅列を構成せず、方法または装置は、他のステップまたは要素を含む場合がある。

本明細書は、本願の実施例によるシステム内のいくつかのモジュールを様々に参照しているが、任意数の異なるモジュールを使用してタービン制御システム内で動作させることができる。前記モジュールは、例示的なものにすぎず、前記システムおよび方法の異なる態様は、異なるモジュールを使用することができる。

同時に、本願には、本願の実施例を説明するために特定の用語を使用する。例えば、「一つの実施例」、「一実施例」、および／または「いくつかの実施例」は、本願の少なくとも１つの実施例に関連する特徴、構成、または特徴を意味する。従って、本明細書において異なる箇所で２回以上言及されている「一実施例」または「一つの実施例」または「一つの代替的な実施形態」は、必ずしも同じ実施例を意味するものではないことが強調され、留意されるべきである。さらに、本願の一つまたは複数の実施例におけるいくつかの特徴、構成、または特徴を適切に組み合わせることができる。

さらに、新規で有用なプロセス、機械、製品、物質の組み合わせ、またはそれらに対する新規で有用な改良を含む、特許性を備えるいくつかの種類または状況によって、本願の各態様を説明し、表すことができることを当業者は理解するであろう。従って、本願の様々な態様は、ハードウェアによって完全に実行されてもよく、ソフトウェア（ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコードなどを含み）によって完全に実行されてもよく、またはハードウェアとソフトウェアとの組み合わせによって実行されてもよい。上記のハードウェアまたはソフトウェアは、「データブロック」、「モジュール」、「エンジン」、「ユニット」、「コンポーネント」、または「システム」と呼ばれることができる。さらに、本願の様々な態様は、コンピュータ可読プログラムコードを含む１つまたは複数のコンピュータ可読媒体にあるコンピュータ製品として表現され得る。

コンピュータ可読信号媒体は、例えば、ベースバンド上またはキャリアの一部として、コンピュータプログラムコーディングを内部に含む伝搬データ信号を含むことができる。当該伝播信号は、電磁形態、光形態等、または適切な組合せ形態を含む様々な表現形態を有することができる。コンピュータ可読信号媒体は、コンピュータ可読記憶媒体以外の任意のコンピュータ可読媒体としてもよく、当該媒体は、指令実行システム、装置、またはデバイスに接続することによって、使用中のプログラムのために通信、伝播、または送信を実現することができる。コンピュータ可読信号媒体上に配置されたプログラムコードは、無線、ケーブル、光ファイバケーブル、ＲＦ、または類似する媒体、またはこれらの媒体の任意の組み合わせを含む任意の適切な媒体を介して伝播することができる。

本願の各部の動作に必要なコンピュータプログラムコーディングは、Ｊａｖａ（登録商標）、Ｓｃａｌａ、Ｓｍａｌｌｔａｌｋ、Ｅｉｆｆｅｌ、ＪＡＤＥ、Ｅｍｅｒａｌｄ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、ＶＢ．ＮＥＴ、Ｐｙｔｈｏｎ等のオブジェクト指向のプログラミング言語、Ｃ言語、Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ、Ｆｏｒｔｒａｎ ２００３、Ｐｅｒｌ、ＣＯＢＯＬ２００２、ＰＨＰ、ＡＢＡＰ等の従来のプログラム化プログラミング言語、Ｐｙｔｈｏｎ、Ｒｕｂｙ、Ｇｒｏｏｖｙ等の動的プログラミング言語、又は他のプログラミング言語等を含む任意の１つ以上のプログラム言語で記述することができる。プログラムコーディングは、完全にユーザコンピュータ上で、またはスタンドアロンソフトウェアパッケージとしてユーザコンピュータ上で、一部にユーザコンピュータ上で且つ一部にリモートコンピュータ上で、または完全にリモートコンピュータまたはサーバ上で実行することができる。後者の場合、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）やワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）などの任意のネットワーク形式でユーザコンピュータに接続したり、外部コンピュータ（インターネットなど）に接続したり、クラウドコンピューティング環境で接続したり、サービスとしてソフトウェアであるサビース（ＳａａＳ）を使用したりすることができる。

本明細書で使用される用語および表現は、説明のためにのみ使用されるものであり、本発明はこれらの用語および表現に限定されるべきではない。これらの用語および表現を使用することは、任意の例示および説明（またはその一部）の等価な特徴を排除することを意味するものではなく、可能性のある様々な修正も請求の範囲内に含まれることが認識されるべきである。その他の変更、変更、置換も可能である。従って、クレームは、これらすべての等価物をカバーしているものとみなすべきである。

同様に、本発明は現在の具体的な実施形態を参照して説明されているが、当業者であれば、上記の実施形態は本発明を説明するためにのみ使用され、本発明の精神から逸脱することなく、様々な等価な変更または置換が可能であり、従って、本発明の精神の範囲内で上記の実施形態の変更または変形は、すべて本願の特許請求の範囲内に収まることを認識すべきであることを注意すべきである。

Claims (10)

1. 燃料流量補償関数Ｇ_{ｆ，ＣＯＭＰ}（ｓ）で燃料制御弁ストローク指令δ_{ｆ，ＣＬＣ}を補償し、
   空気流量補償関数Ｇ_{ａｉｒ，ＣＯＭＰ}（ｓ）でＶＩＧＶ指令θ_{ＶＩＧＶ，ＣＬＣ}を補償し、
   その中、燃料流量補償関数Ｇ_{ｆ，ＣＯＭＰ}（ｓ）と空気流量補償関数Ｇ_{ａｉｒ，ＣＯＭＰ}（ｓ）とは、
   

   

   
   という関係を満たしており、
   その中、Ｇ_ｆ（ｓ）は、燃料制御弁サーボシステムから燃焼室入口までの燃料通路の全伝達関数であり、Ｇ_ａｉｒ（ｓ）は、ＶＩＧＶサーボシステムから燃焼室入口までの空気通路の全伝達関数である
   ことを特徴とする動的プロセス中にガスタービン燃焼を安定に維持するための方法。
2. 前記燃焼室入口における燃料流量は、
   

   

   
   であり、その中、Ｋ_ｖは、バルブ特性により決定されるストロークと流量との間の変換係数であり、
   前記燃焼室入口における空気流量は、
   

   

   
   であり、その中、Ｋ_ｃは、ＶＩＧＶ角度と圧縮機流量との間の変換係数である
   ことを特徴とする請求項１に記載の動的プロセス中にガスタービン燃焼を安定に維持するための方法。
3. 前記空燃比は、
   

   

   
   ことを特徴とする請求項２に記載の動的プロセス中にガスタービン燃焼を安定に維持するための方法。
4. タービンプロセスを加速させ、且つ前記燃料通路及び前記空気通路の応答を改善するように、前記燃料通路及び前記空気通路に追加の補償器が追加されており、
   前記燃焼室入口における燃料流量を
   

   

   
   前記燃焼室入口における空気流量を
   

   

   
   ことを特徴とする請求項１に記載の動的プロセス中にガスタービン燃焼を安定に維持するための方法。
5. 前記補償器Ｇ_{ＡＣＣＥＬ}は、
   

   

   
   その中、ｔ_１とｔ_２は、時定数であり、且つ、ｔ_１＞ｔ_２、ｓは、ラプラス変換の複素数変数である
   ことを特徴とする請求項４に記載の動的プロセス中にガスタービン燃焼を安定に維持するための方法。
6. 燃料通路の動的特性にマッチングするように前記空気通路のみが補償される場合に、
   前記燃料流量補償関数は、
   Ｇ_{ｆ，ＣＯＭＰ}（ｓ）＝１であり、
   前記空気流量補償関数は、
   

   

   
   ことを特徴とする請求項１に記載の動的プロセス中にガスタービン燃焼を安定に維持するための方法。
7. 空気通路の動的特性にマッチングするように前記燃料通路のみが補償される場合に、
   前記空気流量補償関数は、Ｇ_{ａｉｒ，ＣＯＭＰ}（ｓ）＝１であり、
   前記燃料流量補償関数は、
   

   

   
   ことを特徴とする請求項１に記載の動的プロセス中にガスタービン燃焼を安定に維持するための方法。
8. 前記燃料通路は、ガス通路及びオイル通路を含み、前記燃料制御弁ストローク指令δ_{ｆ，ＣＬＣ}は、ガス運転時及びオイル運転時に、
   

   

   
   のように補償され、
   その中、前記ガス通路の伝達関数は、Ｇ_ｆ＿ｇ（ｓ）であり、前記オイル通路の伝達関数は、Ｇ_ｆ＿ｏ（ｓ）である
   ことを特徴とする請求項１に記載の動的プロセス中にガスタービン燃焼を安定に維持するための方法。
9. 実行する時に、請求項１～８のいずれか一項に記載の動的プロセス中にガスタービン燃焼を安定に維持するための方法を実行するコンピュータ指令が格納されている
   ことを特徴とするコンピュータ可読媒体。
10. メモリとプロセッサとを含み、
    前記メモリには、前記プロセッサ上で実行可能なコンピュータ指令が格納されており、
    前記プロセッサは、前記コンピュータ指令を実行する際に、請求項１～８のいずれか一項に記載の動的プロセス中にガスタービン燃焼を安定に維持するための方法を実行する
    ことを特徴とするタービン制御システム。

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