JP4606425B2 - ポンプシステムの制御方法およびデマンドフローシステム - Google Patents

Description

本発明は、自動較正方法および状態監視方法を備えるガスタービンエンジン用の計量ポンプに関する。

従来、デマンドフローシステムは、制御部、モータおよびポンプを備える。デマンドフローシステムは、例えば、ガスタービンエンジンなどへの燃料供給を調整する計量システムとして機能する。燃料供給の調整は、計量ポンプとして周知のようにポンプを直接制御することによって従来よりなされている。このような計量ポンプはモータを備え、モータ速度が、所望の流量を提供するように変化する。デマンドフローシステムの効率は、モータ制御の精度およびポンプの製造公差に依存している。

従来のデマンドフローシステムは、通常、製造後の初期段階でのみ較正が行われていた。しかしながら、従来のデマンドフローシステムに関する主問題は、システムの初始動時のシステム精度の測定と、システムの耐用期間中におけるシステム精度つまり状態（ｈｅａｌｔｈ）の監視と、の双方を含むシステム精度である。これらのシステムは、製造後の初期段階で較正されるので、許容できるシステム公差に基づくシステムのばらつきおよびシステム運転環境における変化に起因して、デマンドフローシステムは、製品の耐用期間の間に所望の運転上の必要条件を満たすことができなくなることがある。

従って、初始動時の自動較正ができ、かつ状態監視システムが性能を監視して性能損失を補償するように再較正できる、計量ポンプを提供することが求められている。

本発明の計量ポンプは、デマンドフローシステム用の内部のループ電流とポンプ吐出圧力とが相関する方法が組み込まれている。システム電流は、ポンプ吐出圧力に比例することが判明している。各々のポンプは、設計により、背圧や所定ポンプ速度での流量の特性が予め決定しているので、このような関係（相関）性を発展させることができ、例えば、ポンプ／モータ速度、作動温度およびシステム電流などの情報を利用することによって、運転条件つまりシステムの状態を判定することができる。

ポンプ／モータ速度は、システム制御部によって測定され、制御される。さらに、システム温度は、システム制御部によって測定される。この制御部は、測定したシステム温度を監視し、予め決定された許容システム運転温度の範囲内で、誘導抵抗（ＩＲ）損失などのシステムの損失を補償し、密度および粘性の変化を補償する。本発明の計量ポンプを備えるデマンドフローシステムに関しては、システム制御部は、システムの内部ループを通る電流を測定するために、電流測定の実効値（ＲＭＳ）法を使用する。このことは、システム制御部によって直接的にまたは間接的に電流を測定することによってなされる。

このシステムの初期の較正は、「停止」試験を用いて行われ、ここで、システムが停止している間、ポンプは、極めて低速の既知の速度で動かされる。このような条件下において、ポンプは、「空転状態（ｄｅａｄ−ｈｅａｄｅｄ）」であり、「流量」は、漏出量のみである。これによって、システムはベースフローマップを作成することができる。ここで状態監視機構を組み込むことによって、ベースフローマップは、調整可能となり、すなわち、ポンプ速度は、測定した漏出量を考慮するように、流量要求に対し増加または減少する。適宜の調整がされた後は、電流が、ポンプ性能に直接比例する。

初始動後、状態監視機構は、ポンプ性能の指標として電流を測定することを継続し、ポンプ性能を所望のレベルに維持するようにモータ速度を継続的に調整する。これによって、システムは、運転条件の変化による性能損失などの性能損失に対する補償およびポンプの磨耗に対する補償が可能となる。

図１は、本発明の計量ポンプ１４を備える例示的なデマンドフローシステム１０を概略的に示す。システム制御部１２は、モータ１６に与えられる電流を制御する。このモータ１６は、例えば燃料などの所望の流体流を装置２０に供給するポンプ１８を制御する。この例示的なシステム１０においては、装置２０はガスタービンエンジンであるが、装置２０は、流体の供給を調整する必要があるいづれの装置であっても良い。

モータ１６に与えられる電流量は、モータ１６の速度に直接的に関連している。モータ１６の速度は、ポンプ１８によってガスタービンエンジン２０に供給される流体圧力に比例する。ポンプ１８によって供給された流体圧力は、ポンプ１８からガスタービンエンジン２０への流体流量に対応する。このように、モータ１６に与えられる電流量とポンプ１８からの流体流量との間にはある関連性が存在する。

システムの初期の較正は、「停止」試験を用いて行われ、ポンプ１８は、システムが停止している状態で、極めて低速の既知の速度で回転（ｒｕｎ）させられる。このような条件下において、ポンプ１８は、「空転状態」で、「流量」は、ポンプ１８からの漏出量のみである。これによって、システムがベースフローマップ（ＢＦＭ）を作成することができる。測定された漏出量を考慮するように、流量要求に対してポンプ速度を増加または減少することによって、状態監視機構は、ＢＦＭを調整するように使用される。適宜な調整がなされた後は、電流は、ポンプ性能に直接比例する。従って、後続する電流監視ステップは、ポンプ性能を示す。

このように、初始動後、状態監視機構は、ポンプ性能の指標として電流を監視し続け、ポンプ性能を所望のレベルに維持するようにモータ速度を継続的に調整する。これによって、システムは、運転条件の変化による性能損失などの性能損失に対する補償、およびポンプの磨耗に対する補償が可能となる。例えば、実際に測定したポンプ漏出量が、期待されるポンプ漏出量よりも大きかった場合、制御部１２は、モータ１６に送られる電流を増加させ、過剰なポンプ漏出量に対応するように、ポンプ１８からガスタービンエンジン２０に送られる実際の流量を増大させる。逆に、実際に測定したポンプ漏出量が、期待された漏出量よりも少なかった場合は、制御部１２は、モータ１６に送られる電流を減少させ、ポンプ１８からガスタービンエンジン２０に送られる実際の流量は減少する。このような調整は、調整されたＢＦＭに反映される。状態監視プロセスは、システム１０の日常の運転中およびシステムの耐用期間中、継続的に繰り返される。

図２は、本発明の一実施例による、計量ポンプ１４用の自動較正方法および動的なシステム調整方法を概略的に示している。図２に例示されるように、フローリファレンス（ＦＲ）は、初期のＢＦＭを作成するために使用される。このＦＲは、例えば、ポンプ漏出量を示す背圧や流量などの既知のシステム特性に基づいて、制御部１２によって作成される。上記ＢＦＭは、モータ速度の関数としてＦＲがどのように変化するかを示している。従って、ＢＦＭは、初期のシステム性能の基準として使用される。

既知のシステム運転特性は、オリジナルのシステム設計によって定められるが、設計の許容範囲内においてばらつく場合がある。従って、ＢＦＭが一度決定された後、システムの初始動の際に、第１のシステムの動的な補償（Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ，ＳＤＣ１）が実行される。ＳＤＣ１は、上述の「停止」試験を利用してなされる初期の較正段階である。このような条件下で、ポンプ１８は、「空転状態（ｄｅａｄ−ｈｅａｄｅｄ）」であり、「流量」は、ポンプ漏出量のみである。ＳＤＣ１の較正段階では、制御部１２は、システムの運転条件の変化に適応するように、動的な定数（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｃｏｎｓｔａｎｔ，ＤＣ１）に基づいてＦＲを調整する。これにより、システム１０は実際のコンポーネントの製造公差を補償、すなわち、きついポンプや緩いポンプに対する補償をすることによって、実際のシステムの運転条件に基づいてＢＦＭを調整することを含む初期の自動較正を行う。

この実施例においては、ＤＣ１は、初期のポンプ漏出量であり、制御部１２は、オリジナルのＦＲに基づいて期待される初期のポンプ漏出量から、実際に測定された漏出量との偏差を考慮するように、ＦＲを調整する。既知のシステム運転特性に基づいて作成されたオリジナルのＦＲは、ＢＦＭを作成するために使用される。しかしながら、ポンプ１８のアッセンブリに対応した設計上の公差によって、既知のシステム運転特性は、ポンプ１８の実際の寸法に基づいた許容公差の範囲内で変化する場合がある。ＳＤＣ１の較正段階は、初期のポンプ漏出量を決定することによってこのような変化に対応し、これは、上述したようにポンプ１８が「きつい」あるいは「緩い」ことを示す指標となる。初期のポンプ漏出量を考慮し、かつ初期のポンプ漏出量に関係なく所望の流量を供給するように、所望の流量要求に対応するポンプ速度を増加させたり減少させたりすることによって、ＢＦＭを個々に調整する。

さらに、システムは、第２のシステムの動的な調整（Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｙｎａｍｉｃ Ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ，ＳＤＣ２）を備え、このＳＤＣ２は、コンポーネントの磨耗や、例えば温度変化などの環境要因を含むシステムの運転条件の変化に適応するように、システムの耐用期間において、システムの運転中に継続的に作動し、状態監視システム機構として機能する。

ＳＤＣ２は、システムに状態−監視関係を組み込むものである。この状態−監視関係は、システムに関連した運転特性を監視し、所望のシステム運転機能レベルを達成し、保持するように、運転特性を調整する。この例示的なシステムにおいては、監視される運転特性は、ＲＭＳ電流であり、所望のシステム運転機能レベルは、通常システム機能レベル（Ｎｏｒｍａｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）である。

図３は、本発明の一実施例による、システム運転特性とシステム運転機能レベルとの間の状態監視関係の例をグラフとして示している。この例示的なシステムにおいては、システム運転特性は、モータ速度に直接関連（相関）するＲＭＳ電流であり、システム状態ファクタは、システム圧力の関数であるポンプ漏出量である。

ＲＭＳ電流とポンプ漏出量との間は、ある関係性によって規定されている。公称の特性ライン（ＮＣＬ）は、この関係性に基づいて決定され、公称の特性範囲（ＮＣＲ）は、システムの温度変化の関数として決定される。システム運転機能レベル（ＳＯＦＬ）は、ＮＣＬに沿って決定される。この例示的なシステムにおいては、ＳＯＦＬは、強システムレベル（Ｓｔｒｏｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）、通常システム機能レベル、弱ポンプレベル（Ｗｅａｋ Ｐｕｍｐ）、およびシステムを取り外すべきレベルを含む。

システムの初期較正中に、初期ＳＯＦＬが判定される。この初期ＳＯＦＬは、公称の温度で所望の流量を得るのに要するＲＭＳ電流に基づいており、初期のポンプ公差に対応するポンプ漏出量を考慮するように、初期の較正中に調整される。ＲＭＳ電流は、直接モータ速度に関連性（相関）を有する。従って、初期ＳＯＦＬが、強システムレベルの場合、制御部は所望の流量を得るようにモータ速度を低減させ、ＳＯＦＬを通常システム機能レベルまで下げる。逆に、初期ＳＯＦＬが、通常システム機能レベルよりも低い場合、制御部は、所望の流量を得るようにモータ速度を増加させ、ＳＯＦＬを通常システム機能レベルまで上げる。

実際のモータ速度、システム温度、ＲＭＳ電流は、システムの通常運転中およびシステムの耐用期間中、継続的に監視される。しかしながら、システムの耐用期間中、ポンプの磨耗は避けられない。ポンプ１８が磨耗を始めると、ポンプ１８によって得られる圧力が減少し、ポンプによって送られる流量も減少し、ポンプ１８は、ＳＯＦＬが下がった弱ポンプレベルで運転されることとなる。

ポンプ１８によって得られる圧力は、ＲＭＳ電流に比例するので、ＲＭＳ電流が減少すると、ポンプ１８によって得られる圧力も減少する。従って、測定されたシステム作動温度に基づいて、制御部１２は、所望の流量を保証するために、ポンプの磨耗に適応するようにモータ速度を増加させ、ＳＯＦＬが通常システム機能レベルとなる。モータ速度の増加は、モータ１６に供給される電流の増加を招き、このような電流における増加は、ポンプ１８によって得られる圧力に比例する。

しかしながら、システムの耐用期間中のある時点で、ＳＯＦＬは、ポンプ１８の磨耗が危険なレベルとなり、このレベルではシステムが損失に適応できなくなることを示す、最終レベル（システムを取り外すべき段階）に達することがある。つまり、システム内のポンプ漏出量が危険なレベルに到達し、ポンプを交換すべきである。

システムが通常システム機能レベル以外のＳＯＦＬにある場合、システムは、ユーザに通知し、可能であれば対応処置を行う。しかしながら、システムが、最終レベル（システムを取り外すべき段階）に達すると、システムは停止し、ユーザにポンプを交換しなければならないことを通知する。

さらに、本発明の方法は、計量ポンプに関して記載してきたが、本発明の方法は、計量ポンプに限定する意図ではなく、さらに、例えば、スイッチ‐抵抗（ＳＲ）モータやステッピングモータなどの他の種類のモータを備えるポンプに適用することが可能である。ＳＲモータを備えるシステムにおいては、ＲＭＳ電流の代替として、位相電流を測定してもよい。

本発明の計量ポンプを備える例示的なデマンドフローシステムを示す図。 本発明の一実施例における計量ポンプ用の自動較正方法および動的なシステム調整方法を示す図。 本発明の一実施例におけるシステムの作動温度レベルとＳＯＦＬとの間の状態監視関係を示す図。

符号の説明

１０…デマンドフローシステム
１２…制御部
１６…モータ
１８…ポンプ
２０…ガスタービン

Claims (23)

1. （ａ）第１のシステム運転特性を選択し、測定するステップと、
   （ｂ）少なくとも計量ポンプ漏出量を含むシステム状態ファクタを選択するステップと、
   （ｃ）上記第１のシステム運転特性と上記システム状態ファクタとの間の相関関係に基づいてシステム運転機能レベルを判定するステップと、
   （ｄ）上記システム運転機能レベルを所望のシステム運転機能レベルと比較するステップと、
   （ｅ）上記システム運転機能レベルが、所望のシステム運転機能レベルと異なる場合に、所望のシステム運転機能レベルを達成するように、第２のシステム運転特性を調整するステップと、
   を備えることを特徴とするポンプシステムの制御方法。
2. 上記第１のシステム運転特性と上記システム状態ファクタとの間の、公称の相関関係を決定するステップをさらに含む請求項１に記載のポンプシステムの制御方法。
3. 上記ポンプシステムは、エンジンに所望の量の燃料を輸送する計量ポンプを備え、上記ポンプシステムを停止している間に、上記計量ポンプを回転することによって上記ポンプ漏出量を測定し、かつ測定したポンプ漏出量に基づいて上記公称の相関関係を調整することを特徴とする請求項２に記載のポンプシステムの制御方法。
4. 上記公称の相関関係および予め決定されたシステムの作動温度範囲に基づいて、公称の相関関係の範囲を決定し、上記所望のシステム運転機能レベルの限界値をさらに画定するように上記公称の相関関係の範囲を用いるステップをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載のポンプシステムの制御方法。
5. 上記所望のシステム運転機能レベルの限界を画定するためのシステム温度を測定し、上記第２のシステム運転特性を測定し、上記所望のシステム運転機能レベルを達成するように上記ステップ（ｃ）〜（ｅ）を繰り返すステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のポンプシステムの制御方法。
6. 上記第１のシステム運転特性および上記第２のシステム運転特性の少なくとも１つが、直接的な測定方法によって測定されることを特徴とする請求項５に記載のポンプシステムの制御方法。
7. 上記第１のシステム運転特性が、システム電流であることを特徴とする請求項１に記載のポンプシステムの制御方法。
8. 上記システム電流が、実効値（ＲＭＳ）電流であることを特徴とする請求項７に記載のポンプシステムの制御方法。
9. 上記システム電流が、位相電流であることを特徴とする請求項７に記載のポンプシステムの制御方法。
10. 上記第２のシステム運転特性が、モータ速度であることを特徴とする請求項１に記載のポンプシステムの制御方法。
11. ステップ（ｂ）〜ステップ（ｅ）を継続的に繰り返すことを特徴とする請求項１に記載のポンプシステムの制御方法。
12. 上記第１のシステム運転特性がシステム電流であり、上記第２のシステム運転特性がモータ速度であり、システム状態ファクタがポンプ漏出量であり、所望のシステム運転機能レベルが通常システム機能レベルであることを特徴とする請求項１に記載のポンプシステムの制御方法。
13. 上記ステップ（ｅ）が、測定したシステム温度が予め決定したシステム作動温度範囲外となり、システム電流が通常システム機能レベルに対応する最大値を超えた場合に、公称の相関関係に基づいて、モータ速度を下げることを特徴とする請求項１２に記載のポンプシステムの制御方法。
14. 上記ステップ（ｅ）が、測定されたシステム温度が予め決定されたシステム作動温度範囲外となり、システム電流が通常システム機能レベルに対応する最小値より低い値に下がった場合に、公称の相関関係に基づいてモータ速度を増加させることをさらに含む請求項１２に記載のポンプシステムの制御方法。
15. モータと、
    このモータによって駆動されるとともにエンジンに所望の流量の燃料を輸送する計量ポンプであって、モータ速度が所望のポンプ性能レベルを維持するように継続的に調整される、計量ポンプと、
    制御部と、を備え、この制御部が、計量ポンプの基準流量に対応し、少なくとも１つの測定されたシステム運転特性と、少なくとも測定されたポンプ漏出量を含むシステム状態ファクタとの間の相関関係に基づいて決定された基準システム運転機能レベルを判定し、この基準システム運転機能レベルを、所望の計量ポンプ流量に対応した所望のシステム運転機能レベルと比較し、上記基準システム運転機能レベルが上記所望のシステム運転機能レベルと異なる場合に、上記所望のシステム運転機能レベルに達するように、少なくともモータ速度を含む少なくとも１つのシステム運転特性を初期段階で調整し、システムを使用している間実際の上記システム運転機能レベルを監視し、計量ポンプの性能損失を補償することによって、上記所望のシステム運転機能レベルで上記実際のシステム運転機能レベルを維持するように上記少なくとも１つのシステム運転特性を調整することを継続する
    ことを特徴とするデマンドフローシステム。
16. 上記少なくとも１つの測定されたシステム運転特性が、システム電流およびシステム作動温度を含み、かつ少なくとも１つの上記システム運転特性がモータ速度を含み、上記システム作動温度が上記所望のシステム運転機能レベルの限界を画定するように用いられることを特徴とする請求項１５に記載のデマンドフローシステム。
17. 測定したシステム温度が予め決定されたシステム作動温度範囲外となり、測定したシステム電流が予め決定された最大電流よりも大きい場合に、上記制御部がモータ速度を下げることを特徴とする請求項１６に記載のデマンドフローシステム。
18. 測定したシステム温度が予め決定されたシステム作動温度範囲外となり、測定したシステム電流が予め決定された最小電流よりも小さい場合に、上記制御部がモータ速度を上げることを特徴とする請求項１６に記載のデマンドフローシステム。
19. 上記ポンプシステムは、エンジンに所望の量の燃料を輸送する計量ポンプを備え、上記ポンプ漏出量を測定するように、上記ポンプシステムが停止し、かつ上記計量ポンプが低速の既知の速度で回転している状態で初期の較正を行い、測定されたポンプ漏出量に基づいてベースフローマップを作成し、上記測定されたポンプ漏出量を考慮するようにポンプ速度を増加または減少することによって、上記ベースフローマップを調整するように状態監視機構を使用することを特徴とする請求項１に記載のポンプシステムの制御方法。
20. 上記ポンプシステムは、エンジンに所望の量の燃料を輸送する計量ポンプを備え、既知のシステム特性に基づいてフローリファレンスを作成し、少なくとも上記フローリファレンスに基づいて初期のベースフローマップを作成し、上記フローリファレンスを実際の測定された漏出量の偏差を考慮するように調整しながら、初期のポンプ漏出量からなる動的な定数に基づいて上記フローリファレンスを調整するように第１のシステムの動的な補償を実行することを特徴とする請求項１に記載のポンプシステムの制御方法。
21. 上記制御部は、ポンプ漏出量を測定するように、上記デマンドフローシステムが停止し、かつ上記計量ポンプが低速の既知の速度で回転している状態で初期の較正を行い、測定されたポンプ漏出量に基づいてベースフローマップを作成し、上記測定されたポンプ漏出量を考慮するようにポンプ速度を増加または減少することによって、上記ベースフローマップを調整するように状態監視機構を使用することを特徴とする請求項１５に記載のデマンドフローシステム。
22. 既知のデマンドフローシステム特性に基づいたベースフローマップと、ポンプ漏出量を考慮する上記デマンドフローシステムの初期の較正に基づいて調整されたベースフローマップと、を備えることを特徴とする請求項１５に記載のデマンドフローシステム。
23. 既知のデマンドフローシステム特性に基づいたフローリファレンスと、
    上記フローリファレンスに基づいた初期のベースフローマップと、
    上記計量ポンプの初期の較正と、測定されたポンプ漏出量を含む測定された動的な定数に基づいたシステムの動的な補償と、
    上記システムの動的な補償に基づいて調整されたベースフローマップと、
    上記所望のシステム運転機能レベルを維持するためにモータ速度が継続的に調整されるように、上記調整されたベースフローマップと比較して上記システム運転特性を継続的に監視するシステムの動的な調整と、
    を備えることを特徴とする請求項１５に記載のデマンドフローシステム。

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