JP5301347B2 - 複合サイクル発電システムの制御装置 - Google Patents

Description

本明細書に開示した主題は、総括的には複合サイクル（ＣＣ）発電システムに関する。

増大する使用サイクル要求、上昇する燃料コスト、無秩序な競合エネルギー市場及び厳しい環境規制により、ＣＣ発電システム作動の一層迅速なシーケンスの必要性が求められている。さらに、発電システム所有者は、地域の環境規制、エネルギー送出要求及び現在の燃料及びエネルギー価格に応じて異なる始動目標を達成すべく努力している。一般的な始動目標は、始動時間の短縮である。しかしながら、発電システムオペレータは、エミッション、燃料コスト又は正味熱消費率を最少化する必要がある。一部の始動手順は数時間にわたって行われまた負荷、市場又は発電システム条件はその時間の間に変化する可能性があるため、更なる柔軟性（フレキシビリティ）もまた有用である。

参考文献としてその全体を本明細書に組み入れている本出願と同一出願人の２００５年９月６日出願の米国特許出願第２００７／００５５３９２号は、発電システムをモデル予測制御するためのシステム及び方法を記載している。この制御システムは、幾つかの発電システム構成要素のためのモデルを含んでおり、そのモデルは、発電システム構成要素の挙動を予測するようになっている。このシステムはまた、発電システム構成要素の作動パラメータに対応する入力を受けて、モデルに従って発電システムの性能基準を改善する制御装置を含む。

幾つかの複合サイクル発電システムは、少なくとも２つのガスタービンエンジン（ＧＴ）を含んでいる。各ＧＴは、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）と結合される。各ＧＴからの排気ガスは、対応するＨＲＳＧ内に送られて、蒸気タービン組立体（ＳＴ）を駆動することのようなその他の発電システムプロセスで使用するための蒸気を発生させる。

複数のＧＴを備えた発電システムは、始動プロセスを選択する際に、ただ１つのＧＴを備えたシステムよりも大きな柔軟性を有する。各ＨＲＳＧがＳＴに連結されるＧＴ負荷（連結点）の選択及びＧＴがＳＴに連結される順序（始動シーケンス）の選択を使用して、始動性能の改善を達成することができる。しかしながら、そのような選択肢からの最良の選択は、常に明らかというわけではない。加えて、あらゆる始動シーケンスは、発電システム及び構成要素制約条件を考慮に入れながら制御しなくてはならない。制約条件の幾つかの例としては、ＳＴロータにおける最大応力、隣り合う回転部品及び固定部品間の最大膨張差又は最小間隙、並びに最高金属及び蒸気温度が含まれる。

多くの複合サイクル発電システム始動プロセスでは、回転している歯車及びファイアから離れた第１のＧＴは、先行ＧＴと呼ばれ、また第２のＧＴは、遅延ガスタービンと呼ばれる。遅延ＧＴ蒸気をＳＴ内に混合(融合)させることは、様々なＳＴ構成要素内に大きな温度勾配を生じさせる場合がある。温度勾配の大きさに応じて、ＳＴ内に熱応力が生じるか或いはＳＴ内における熱応力が増大する可能性がある。ＧＴ負荷速度が非常に高い場合には、ＳＴ内に大きな熱応力が生じて、高い応力及び不均一な熱膨張を招き、これにより、摩擦が生じるおそれがある。反対に、緩やかなＧＴ負荷速度は、安全な作動を保証するが、燃料コストを増大させ、発電システムの有用性を低下させる。

過渡作動の間に最適な発電プラント制御動作を行うことにおける１つの課題は、異なる構成要素のダイナミックスの異なるタイムスケールである。例えば、始動プロセスの間に、ＧＴエフェクタ（燃料弁開度及び吸気案内ベーン角度など）における変化は、数秒のうちにＧＴの状態を変更させるが、それによる応力及び間隙への影響は、比較的長い遅れの後に、一般的には１０分〜３０分の範囲内で顕れる。制御装置がこれら長期のつまり「将来の」応力又は間隙を正確に予測する能力を有していない場合には、加えられるＧＴ負荷は一般的に、ＳＴに過大熱応力が生じるのを防止するために、控えめでありかつ非常に低い負荷速度を含む。もう１つの過渡作動は、遅延ＨＲＳＧ内で発生させた蒸気をＳＴ内に混合（融合）することにある。ＳＴの過大応力を防止するために、少なくとも幾つかの公知の複合サイクル発電システムは、遅延ＨＲＳＧ内で発生させた蒸気を長時間にわたって手動で混合させている。しかしながら、遅延蒸気をＳＴ内に緩やかに混合させることは、混合の完了を不必要に遅らせることになるおそれがある。場合によっては、過渡作動は、手動で制御する作業からなることになり、オペレータは、将来の制約条件（又は限界条件）の遵守を保証しながらその作業を開始する時点を決定しなくてはならない。その作業を開始する制御誘導は一般的に、その作業を可能にする前に不必要に長い遅れが導入される可能性があるという意味で、控えめなものである。本出願と同一出願人の２００８年２月２９日出願の米国特許出願第１２／０４０２９６号は、この効率損失を減少させるように第２のＨＲＳＧから蒸気を導入するタイミングを決定する方法を記載している。

米国特許出願第２００７／００５５３９２号 米国特許出願第１２／０４０２９６号 米国特許第４，２２２，２２９号公報 米国特許第５，０４２，２４６号公報 米国特許第６，３７０，８８０号公報 米国特許第７，２０６，６４４号公報 米国特許出願公開第２００６／０２３３６３７号公報 米国特許出願公開第２００７／０００５３９２号公報

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複合サイクル発電システムの作動をさらに改善して、該発電システム及びその構成要素の始動状態を改善することは有益であると言える。

簡潔に言うと、本明細書に開示した１つの実施形態によると、ガスタービンエンジン（ＧＴ）、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）及び蒸気タービン（ＳＴ）を含みかつ公称作動制約条件を有する複合サイクル発電システムのための制御システムを提供する。本制御システムは、オペレータが発電システムの予測作動パラメータに関する情報を見ることができるディスプレイと、オペレータが発電システムの付加的作動制約条件を提供することができるユーザインタフェースと、あらゆる付加的作動制約条件に対応する入力を受信しかつ発電システムの構成要素作動パラメータを取得し、公称制約条件及びあらゆる付加的制約条件を満たすＧＴ、ＨＲＳＧ及びＳＴの入力プロフィールを生成し、また発電システムの予測作動パラメータに関する情報を生成するように構成された制御装置とを含む。

本明細書に開示した別の実施形態によると、ＧＴ、ＨＲＳＧ及びＳＴを含む複合サイクル発電システムのための制御システムを提供する。本制御システムは、始動させるＧＴの数、それらＧＴを始動させる順序、ＳＴに対するＨＲＳＧの融合形式、又はそれらの組合せに関する命令をオペレータが提供することができるユーザインタフェースと、複数のパラメータを使用してダイナミックス及び制約条件を表すように構成された、ＧＴ、ＨＲＳＧ及びＳＴのためのモデルと、パラメータに対応する入力を受信し、また制約条件を満たすＧＴ、ＨＲＳＧ及びＳＴの入力プロフィールを生成しかつ少なくとも１つの発電システム作動パラメータを最適化するように構成されたオプティマイザとを含む。この実施形態では、オプティマイザはさらに、発電システム作動の段階移行を検出しかつ入力プロフィールを更新するように構成される。

本明細書に開示した別の実施形態によると、ＧＴ、ＨＲＳＧ及びＳＴを含む複合サイクル発電システムのための制御システムを提供する。本制御システムは、発電システムの構成要素パラメータを取得し、ＧＴ、ＨＲＳＧ及びＳＴの入力プロフィールを生成し、かつＧＴの少なくとも１つ、ＨＲＳＧの少なくとも１つ、ＳＴ、又は前述のもののいずれかの組合せの作動制約条件に対する代替制御動作をマップ化することによって代替作動シナリオを生成するように構成された制御装置を含む。

本発明のこれらの及びその他の特徴、態様及び利点は、その全体を通して同じ参照符号が同様な部分を表している添付図面を参照して以下の詳細な説明を読む時に、一層よく理解されるようになるであろう。

本明細書に開示した１つの実施形態による例示的な複合サイクル発電システムの概略図。 本明細書に開示した１つの態様によるフロー図。 本明細書に開示した１つの態様によるフロー図。 本明細書に開示した１つの態様によるフロー図。

図１は、例示的な複合サイクル発電システム１０の概略図である。一般的に、システム１０は、先行側１２と遅延側１４とを含む。先行側１２は、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）１８に流れ連通状態で結合されたガスタービンエンジン（ＧＴ）１６を含む。ＨＲＳＧ１８は、蒸気タービン組立体（ＳＴ）２０と流れ連通状態で結合される。ＳＴ２０は、高圧（ＨＰ）タービン２２、中圧（ＩＰ）タービン２４及び低圧（ＬＰ）タービン２６を含む。ＩＰタービン２４は、ＩＰ対ＬＰクロスオーバヘッダ２８を用いてＬＰタービン２６に流れ連通状態で結合される。タービン２２、２４及び２６は各々、ロータシャフト３０に結合され、ロータシャフト３０はまた、発電機３２に結合される。

図１の実施形態では、先行ＧＴ１６は、圧縮機３４、燃焼器３６及びタービン３８を含む。圧縮機３４は、燃焼器３６と流れ連通状態で結合され、燃焼器３６は、タービン３８の上流に流れ連通状態で結合される。圧縮機３４及びタービン３８は各々、発電機４２に結合されたロータシャフト４０に結合される。作動時に、ＧＴ１６に流入する空気は、圧縮機３４によって加圧され、加圧された空気は次に、燃焼器３６に送られる。燃焼器３６は、燃料源（図示せず）から燃料４４を受けかつ燃料４４及び空気を混合し、この混合気に点火して高温の燃焼ガス４６を形成する。燃焼ガス４６は、タービン３８に送られて該タービン３８を回転させる。タービン３８の回転により、シャフト４０が発電機４２を回転させ、該発電機４２が電気を発生するようにする。燃焼ガス４７は、タービン３８から吐出されかつＨＲＳＧ１８に送られて、ＨＲＳＧ１８内で蒸気を発生させるように該ＨＲＳＧ１８を通して送られる水を加熱するのを可能にする。

ＨＲＳＧ１８は、あらゆる適切なタイプのＨＲＳＧを含むことができる。１つの例では、ＨＲＳＧ１８は、ＨＰドラム４８、ＩＰドラム５０及びＬＰドラム５２を含む。ＨＰドラム４８は、ＨＰ蒸気ヘッダ５４と流れ連通状態で結合されて、ＨＰ蒸気がＨＰタービン２２に送られるのを可能にする。ＩＰドラム５０は、ＩＰ蒸気ヘッダ５６と流れ連通状態で結合されて、ＩＰ蒸気又は高温再熱蒸気がＩＰタービン２４に送られるのを可能にする。ＬＰドラム５２は、ＬＰ蒸気ヘッダ５８と流れ連通状態で結合されて、ＬＰ蒸気がＬＰタービン２６に送られるのを可能にする。

ＨＰ蒸気ヘッダ５４は、圧力及び温度（ＰＴ）センサ６０、ＨＰ遮断弁６２並びにＨＰバイパス弁６４を含むものとして示している。ＰＴセンサ６０は、ＨＰ蒸気ヘッダ５４並びに／或いはＨＰドラム４８内の圧力及び温度を測定する。ＨＰ蒸気ヘッダ５４は、ＨＰ遮断弁６２を介してＨＰタービン２２と、また／又はＨＰバイパス弁６４を介して低温再熱蒸気ヘッダ６６と流れ連通状態で結合することができる。ＨＰ遮断弁６２は、ＨＰ蒸気がＨＰタービン２２に送られるのを可能にするために開放するか或いはＨＰ蒸気がＨＰタービン２２に送られるのを実質的に阻止するために閉鎖するかのいずれかとすることができる。それに代えて、ＨＰ遮断弁６２は、ＨＰ蒸気の少なくとも一部分がＨＰタービン２２に送られるのを可能にするように可変調整することができる。ＨＰバイパス弁６４としては、低温再熱蒸気ヘッダ６６に送られるＨＰ蒸気の量を調量する絞りタイプの弁を含むことができる。

低温再熱蒸気ヘッダ６６は、低温再熱遮断弁６８を含み、ＨＲＳＧ１８と流れ連通状態で結合することができる。１つの例示的な実施形態では、低温再熱遮断弁６８は、ＨＰタービン２２とＨＲＳＧ１８との間に結合されて、ＨＰタービン２２から吐出されかつＨＲＳＧ１８に送られる低温再熱蒸気の流れを制御するのを可能にする。

図１の実施形態では、ＩＰ蒸気ヘッダ５６は、ＰＴセンサ７０、高温再熱ＩＰ遮断弁７２及びＩＰバイパス弁７４を含む。ＰＴセンサ７０は、ＩＰ蒸気ヘッダ５６並びに／或いはＩＰドラム５０内のＩＰ蒸気の圧力及び温度を測定する。ＩＰ蒸気ヘッダ５６は、高温再熱ＩＰ遮断弁７２を介してＩＰタービン２４と、また／又はＩＰバイパス弁７４を介して凝縮器７６と流れ連通状態で結合される。ＩＰ遮断弁７２は、ＩＰ蒸気をＩＰタービン２４に送るために開放するか或いはＩＰ蒸気がＩＰタービン２４に送られるのを実質的に阻止するために閉鎖するかのいずれかとすることができる。それに代えて、ＩＰ遮断弁７２は、ＩＰ蒸気の少なくとも一部分をＩＰタービン２４に送るのを可能にするような複数位置に調整することができる。ＩＰバイパス弁７４は、凝縮器７６に送られるＩＰ蒸気の量を調量する絞りタイプの弁とすることができる。

この例示的な実施形態では、ＬＰ蒸気ヘッダ５８は、ＰＴセンサ７８、ＬＰ遮断弁８０及びＬＰバイパス弁８２を含む。ＰＴセンサ７８は、ＬＰ蒸気ヘッダ５８並びに／或いはＬＰドラム５２内のＬＰ蒸気の圧力及び温度を測定する。ＬＰ蒸気ヘッダ５８は、ＬＰ遮断弁８０を介してＬＰタービン２６と、また／又はＬＰバイパス弁８２を介して凝縮器７６と流れ連通状態で結合することができる。ＬＰ遮断弁８０は、ＬＰ蒸気をＬＰタービン２６に送るのを可能にするために開放するか或いはＬＰ蒸気がＬＰタービン２６に送られるのを実質的に阻止するために閉鎖するかのいずれかとすることができる。それに代えて、ＬＰ遮断弁８０は、ＬＰタービン２６に送られるＬＰ蒸気の量を調量するような複数位置に調整することができる。ＬＰバイパス弁８２としては、凝縮器７６に送られるＬＰ蒸気の量を調量する絞りタイプの弁を含むことができる。

この例示的な実施形態では、遅延側１４は、ＨＲＳＧ１１８と流れ連通状態で結合されてＳＴ２０のための蒸気を発生させるのを可能にしたＧＴ１１６を含む。ＨＲＳＧ１１８は、ＳＴ２０と流れ連通状態で結合される。ＧＴ１１６は、先行ＧＴ１６と実質的に同一であるエンジンを含むことができ、対応する数の要素（圧縮機１３４、燃焼器１３６、タービン１３８、ロータシャフト１４０、発電機１４２並びに燃焼ガス１４６及び１４７）を備えており、従ってここでは詳述しない。同様に、ＨＲＳＧ１１８は、ＨＲＳＧ１８と同様なＨＲＳＧを含むことができ、従って次のような要素、つまりＨＰドラム１４８、ＩＰドラム１５０、ＬＰドラム１５２、ＨＰ蒸気ヘッダ１５４、ＩＰ蒸気ヘッダ１５６、ＬＰ蒸気ヘッダ１５８、ＰＴセンサ１６０、ＨＰ遮断弁１６２、ＨＰバイパス弁１６４、低温再熱蒸気ヘッダ１６６、低温再熱遮断弁１６８、ＰＴセンサ１７０、高温再熱ＩＰ遮断弁１７２、ＩＰバイパス弁１７４、凝縮器１７６、ＰＴセンサ１７８、ＬＰ遮断弁１８０及びＬＰバイパス弁１８２については詳述しない。

システム１０はまた、それに限定されないが、遮断弁６２、６８、７２、８０、１６２、１６８、１７２及び１８０、バイパス弁６４、７４、８２、１６４、１７４及び１８２、タービン２２、２４及び２６、並びにＰＴセンサ６０、７０、７８、１６０、１７０及び１７８を含む複数の構成要素に通信状態で結合された制御装置８４を含む。制御装置８４は、システム１０内において構成要素との間で信号を送信及び／又は受信する。制御装置８４は、システム１０が本明細書に説明したように機能するのを可能にするあらゆる適当な制御装置とすることができる。この例示的な実施形態では、制御装置８４は、下記の処理を実行するように該制御装置８４を構成するエンジン制御ソフトウエアを含むプロセッサベースのシステムである。プロセッサとしては、広義にはコンピュータ、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、プログラム可能論理制御装置、アプリケーション専用集積回路及びその他のプログラム可能回路が含まれる。制御装置８４はまた、一般的にメモリ（図示せず）、複数の入力チャネル（図示せず）及び複数の出力チャネル（図示せず）を含む。

この例示的な実施形態では、制御装置８４は、データ伝送を可能にする複数のワイヤ結線８６を介してシステム構成要素に通信状態で結合される。別の実施形態では、制御装置８４は、システム１０が本明細書に説明したように機能するのを可能にするトランシーバ又はあらゆるその他のワイヤレス通信装置を介して無線式にシステム構成要素に結合される。別の実施形態では、制御装置８４は、遠隔配置し、かつネットワークを介してシステム１０の構成要素と通信することができる。

制御装置８４は、システム構成要素から複数の入力を受信し、それらの入力を処理し、プログラム化アルゴリズム及び／又は個別状況に基づいて適切な出力を生成し、また適切なシステム構成要素に信号を送信してそれらの構成要素を制御する。この例示的な実施形態では、制御装置８４は、予測アルゴリズムを利用する。１つの実施形態では、制御装置８４は、前述の米国特許出願第２００７／００５５３９２号に記載されているようなモデル予測制御（ＭＰＣ）アルゴリズムを利用する。それに代えて、制御装置８４は、システム１０が本明細書に説明したように機能するのを可能にするあらゆるアルゴリズム及び／又はプログラムを利用することができる。１つの例示的な実施形態では、アルゴリズムは、遅延ＨＲＳＧ１１８内で生成した遅延蒸気がＳＴ２０内に送られるか又は混合される場合におけるＳＴ２０構成要素内の将来の温度勾配、圧力差又は応力を予測する。

この例示的な実施形態では、制御装置８４は、システム構成要素を制御して、先行及び遅延ＧＴ１６及び１１６で生成された蒸気が、ＳＴ２０内のいずれの構成要素にも過大応力を生じさせずにＳＴ２０内に送られるのを可能にする。より具体的には、制御装置８４は、ＳＴ２０内に生じる応力をＳＴ２０の所定の作動制約条件の範囲内のレベルまで低減するのを可能にする。さらに、幾つかの実施形態では、制御装置８４は、遅延蒸気をＳＴ２０内に混合するのに必要な時間量を最少にするのを可能にする。従って、制御装置８４は、ＳＴ２０への過大応力を防止するのを可能にし、かつＳＴ２０の作動効率及び寿命を増大させるのを可能にする。

例示的な実施形態では、十分な量の先行蒸気がＳＴ２０に供給されて、ＳＴ２０に動力供給するのを可能にする。１つの実施形態では、ＨＲＳＧ１８は、先行ＨＲＳＧである。従って、エンジン１１６及びＨＲＳＧ１１８は、遅延構成要素として使用される。先行ＧＴ１６が指定されると、ＧＴ１６の作動が開始されて、燃焼ガス４６がＨＲＳＧ１８に送られるようになる。ＨＲＳＧ１８からの蒸気をＳＴ２０内に送り込むのに先立って、ヘッダ５４、５６、及び５８内には十分な量の蒸気圧が発生される。この例示的な実施形態では、制御装置８４は、遮断弁６２、７２及び８０並びにバイパス弁６４、７４及び８２を選択的に位置決めすることによって、先行ＨＰ、ＩＰ及びＬＰヘッダ５４、５６及び５８内の圧力を制御する。より具体的には、この例示的な実施形態では、制御装置８４は、参考文献としてその全体を本明細書に組み入れている前述の米国特許出願第１２／０４０２９６号に記載されているような論理ＨＰ設定点ＳＰ１及びＳＰ２を用いてＨＰ遮断弁６２及びＨＰバイパス弁６４を制御する。

この例示的な実施形態では、先行ＧＴ１６及び先行ＨＲＳＧ１８が、ＨＰタービン２２に動力を供給するのに十分な蒸気流量を発生しているようになると、バイパス弁６４が閉鎖され、また制御装置８４内にプログラムされた入口圧力制御（ＩＰＣ）論理が、ＴＲＵＥ論理（図示せず）を制御装置８４に送信する。ＴＲＵＥ ＩＰＣ論理を受信すると、制御装置８４は、ＨＰ、ＩＰ及びＬＰ設定点ＳＰ２を使用してそれぞれの先行ＨＰ、ＩＰ及びＬＰ蒸気ヘッダ５４、５６及び５８内の蒸気圧を制御し始める。制御装置８４がＩＰＣからＴＲＵＥ論理を受信すると、制御装置８４は、モデル予測制御アルゴリズムを起動させ、このモデル予測制御アルゴリズムが、ＳＴ２０内に遅延蒸気が混合される場合におけるＳＴ２０の最大予測応力を計算し始める。弁の作動によってＧＴ１１６及びＨＲＳＧ１１８を融合させるための１つの方法も、前述の米国特許出願第１２／０４０２９６号にさらに記載されている。弁の作動に加えて、前述の米国特許出願第１２／０４０２９６号に記載されているように、先行及び遅延蒸気の化学組成を求めることができ、また制御装置８４は、先行及び遅延蒸気の化学組成に基づいて、遅延蒸気を先行蒸気内に混合することが許されるかどうかを判定することができる。

前述の米国特許出願第１２／０４０２９６号に記載されているように制御装置によって取得することができるその他の任意選択的制約条件には、ＳＴ２０構成要素の温度が含まれ、それらには、それに限定されないが、ＨＰタービン２２及びＩＰタービン２４の表面温度及びボア温度、ＳＴ２０内の現在の応力変化率、並びにＳＴ２０構成要素の温度が変化している割合、遅延蒸気がＳＴ２０内に混合される場合におけるＳＴ２０内の予測応力、遅延蒸気がＳＴ２０内に混合される場合における、予測アルゴリズムを使用してのＳＴ２０の最大予測応力、ＳＴ２０の所定の温度と遅延ＨＰ及びＩＰ蒸気ヘッダ１５４及び１５６の圧力及び温度、将来への指定時間内におけるＳＴ２０の最大予測応力が含まれる。

図１及び図２によって表した１つの制御実施形態では、複合サイクル発電システム１０のための制御システム１１は、オペレータが発電システム１０の予測作動パラメータに関する情報を見ることができるディスプレイ９２（図２、ステップ２０１）と、オペレータが発電システム１０の付加的作動制約条件を提供することができるユーザインタフェース９４と、（ａ）あらゆる付加的作動制約条件に対応する入力を受信し（図２、ステップ２０２）かつ発電システムの構成要素作動パラメータを取得し（図２、ステップ２０３）、（ｂ）公称制約条件及びオペレータによって提供されたあらゆる付加的制約条件を満たすＧＴ、ＨＲＳＧ及びＳＴの入力プロフィールを生成し、また（ｃ）発電システムの予測作動パラメータに関する情報を生成する（図２、ステップ２０４）ように構成された制御装置８４とを含む。１つの実施例では、構成要素パラメータは、例えばＳＴ２０の熱電対センサ（図示せず）、ＧＴ１６及び１１６の排気ガスのための温度センサ（図示せず）並びに／或いはＳＴ２０の圧力トランスデューサのようなセンサによって取得した値を含む。別の実施例では、構成要素パラメータは、そのようなセンサによって取得した値に基づいた計算から得ることができる。

図２は、専ら説明のために示したものである。例えば、各ステップは、図示した通りの順序で実行する必要はなく、また図示した反復ループは、任意選択的であるが有利なものであると思われる。一層具体的な実施形態では、制御装置８４が、入力プロフィールを生成しながら少なくとも１つの発電システム作動パラメータを最適化するようにさらに構成されるのが有利である。例えば、前述の米国特許出願第２００７００５５３９２号のモデル予測制御のような技術を使用することができる。ＭＰＣ法は、ＧＴ、ＨＲＳＧ、ＳＴ及びその他の複合サイクル発電システム構成要素のモデル、センサ情報、並びに効率的なオンラインオプティマイザを使用して、安全な作動を維持しながら予め指定した負荷シーケンス全体にわたり各ＧＴのための最適始動プロフィールを生成する。例えば、構成要素作動パラメータを使用して、モデルは、システムダイナミックスを予測し、かつ将来の制約条件に対する現在の制御動作（ＧＴ負荷）の効果を探ることができる。１つの実施形態では、オプティマイザは、発電システムにおける全ての制約条件を満たす最適入力プロフィールを生成する最適化問題をオンラインでモデルを使用して提起しかつ解決する。各制御ステップにおいて、最適化問題は、後続ステップにおける最適制御動作に適合するように形成されかつ解決される。次に、新規なセンサ測定値の組を使用して、構成要素作動パラメータを取得しかつモデルパラメータを調整して予測ダイナミックスにおける精度を最大にする。この調整の後に、新規な最適化問題が形成され、また処理を繰り返すことができる。アルゴリズムは、リアルタイム制御システム上での実行に合わせて設計しかつ最適化することができる。

公称又は作動制約条件には、多様な原因による制約条件が含まれる可能性がある。そのような制約条件には一般的に、少なくとも発電システム構成要素に対する一定の物理的制約条件が含まれるが、任意選択的にさらに政府規制の遵守又はオペレータ命令に関連する性能要件が含まれる可能性がある。そのような制約条件は、該制約条件の性質に応じて最大限界値又は最小限界値のいずれかに関するものとすることができる。物理的公称作動制約条件の幾つかの例としては、ＳＴロータ内の応力又は応力変化率、隣り合う回転部品及び固定部品間の膨張差又は間隙、並びに金属及び蒸気温度又は温度変化率が含まれる。付加的作動制約条件の幾つかの例としては、前述の公称制約条件に対する変更した制約条件並びに例えば等温線制約条件、ＨＲＳＧ制約条件及び付加的蒸気ドラム応力制約条件のような新規な制約条件が含まれる。

予測作動パラメータには、あらゆる１つ又は複数の所望のパラメータを含むことができ、一般的にはオペレータがあらゆる付加的作動制約条件を提供する時に考慮する所望の情報を与えるように選択したパラメータであることになる。例えば、予測作動パラメータには、予測ＧＴ負荷、ＳＴのロータ応力値，ＧＴ排気温度、部分始動時間、全始動時間、エミッション生成、燃料消費量、出費、周囲温度、使用可能蒸気、構成要素温度、構成要素圧力、又はそれらの組合せを含むことができる。別の実施形態では、以下に一層詳細に説明するように、制御装置８４は、代替シナリオに関する情報を生成するように構成され、またディスプレイは、代替シナリオに関するそのような情報を示すように構成される。

本明細書に開示した実施形態は、単一のＧＴ又は複数のＧＴを備えた発電システムのために使用することができ、ＧＴが複数のＧＴを含みまたＨＲＳＧが複数のＨＲＳＧを含む場合に特に有用であると思われる。そのような実施形態では、制御装置８４は、ＧＴ及びＨＲＳＧの各々のために入力プロフィールを生成するように構成される。１つの例示的な実施形態では、ユーザインタフェース９４は、始動させるＧＴの数、それらＧＴを始動させる順序、ＳＴに対するＨＲＳＧの融合形式（連結）、それらＧＴの融合のための負荷レベル、又はそれらの組合せに関する命令をオペレータが提供することができるように構成される。そのような実施形態では、例えば混合点に到達する時間、混合を完了する時間、所望の負荷に到達する時間、等温線状態、又はそれらの組合せを予測作動パラメータに含ませることが有益である。

別の実施形態では、ユーザインタフェース９４は、性能要件に関する命令をオペレータが提供することができるように構成され、また制御装置８４は、性能要件を受信し、入力プロフィールを生成する時にこの性能要件を使用するように構成される。性能要件には、例えば始動時間、エミッション生成、燃料消費量、正味熱消費率、又はそれらの組合せのような要件を含むことができる。制御装置８４は、性能要件を使用して、推奨始動シーケンスを生じるように構成することができる。別の実施形態では、ユーザインタフェースは、所望に応じてオペレータが性能要件を変更することができるようにすることができる。複合サイクル発電システムの全始動時間は３時間〜４時間の期間にわたって行われる場合があり、またこの時間の間に要求が変化する可能性があるので、この選択肢は有益である。

図１及び図３により、別の制御実施形態を示している。この実施形態は、図２の実施形態とは別個に又は該実施形態と組合せて使用することができ、始動させるＧＴの数、それらＧＴを始動させる順序、ＳＴに対するＨＲＳＧの融合形式、又はそれらの組合せに関する命令をオペレータが提供することができる（図３、ステップ３０１）ユーザインタフェース９４を含む。また、複数のパラメータを使用してダイナミックス及び制約条件を表す（図３、ステップ３０２）ように構成された、ＧＴ、ＨＲＳＧ及びＳＴのためのモデル８８と、パラメータに対応する入力を受信し、また制約条件を満たすＧＴ、ＨＲＳＧ及びＳＴの入力プロフィールを生成しかつ少なくとも１つの発電システム作動パラメータを最適化する（図３、ステップ３０３）ように構成されたオプティマイザ９０とを含む。図３の実施形態では、オプティマイザ９０はさらに、発電システムの作動の段階移行を検出しかつ入力プロフィールを更新する（図３、ステップ３０４）ように構成される。段階移行の１つの実施例は、ＳＴに対するＨＲＳＧの連結又は遮断である。段階移行検出の利点は、オプティマイザ９０が性能の改善のためにプロフィールを自動的に再構成することができることである。段階変化は、例えば蒸気弁位置センサ、遮断弁センサ、バイパス弁センサ、ＧＴ排気温度センサ、ＨＲＳＧ出力センサ、又は発電システム出力センサのようなセンサ（図示せず）からデータを取得しかつ評価することによって検出することができる。

図１及び図４により、さらに別の制御実施形態を示している。この実施形態は、図２及び図３の実施形態のいずれか又は両方とは別個に又はそれらと共に使用することができる。図４の実施形態では、制御装置８４は、発電システムの構成要素パラメータを取得し（図４、ステップ４０１）、ＧＴ、ＨＲＳＧ及びＳＴの入力プロフィールを生成し（図４、ステップ４０２）、かつＧＴの少なくとも１つ、ＨＲＳＧの少なくとも１つ、ＳＴ、又はそれらいずれかの組合せの作動制約条件に対する代替制御動作をマップ化することによって代替作動シナリオを生成する（図４、ステップ４０３）ように構成される。

作動シナリオは、個々の制御動作の長期にわたる結果の予測を助けるのに有用である。例えば、１つの実施形態では、代替制御動作には、ＨＲＳＧ融合に関する動作が含まれる。ＳＴに対するＨＲＳＧの融合の間において、主な制御エフェクタは、遮断及びバイパス弁であり、また主な作動制約条件の１つは、ＳＴロータ内における許容応力レベルである。一般的に、バイパス及び遮断弁に関連する時定数は、数秒のオーダであるが、ＳＴロータ応力の時定数は、１０〜２０分のオーダである。複数ＧＴ−ＨＲＳＧ対が存在するような複合サイクルの始動時には、ＳＴ内へのＨＲＳＧの融合は、不必要な待機を回避するために可能な限り早く完了させるべきである制御事象であると言える。この融合(混合)は、現時点ではＳＴに連結されていないＨＲＳＧ内で発生させた蒸気を流入させる（ＳＴ内に）プロセスである。このプロセスの間には、蒸気をＳＴ内に強制的に送るためには、その特定のＨＲＳＧのための遮断弁は、開放されるべきであり、またバイパス弁は、閉鎖されるべきである。発電システムがＳＴ応力のような作動制約条件付近で作動している場合には、一般的操作手順は、混合プロセスを開始する前にＳＴロータ内の応力が事前指定レベル以下に低下するまで待機することを必要とする可能性がある。制御装置は、代替制御動作のために複数の予測法を使用して、非融合及び複数融合事象をシミュレートして（これは異なる時間に行われる）、将来の制約条件違背なしに融合を行うのに推奨される時間は何時であるかを決定することができる。このようにして、融合事象を可能にするために応力が事前指定レベル以下になるまで待機する必要がなくなって、大幅に時間が節減されることになる。

別の実施形態では、代替制御動作は、遮断弁を開放するかどうか／何時またどれほど開放するかに関連する動作、及び／又は等温線を横切るＧＴ負荷に関連する動作を含むことができる。例えば幾つかの複合サイクル発電プラントは、例えば限られた蒸気アテンポレーション能力に起因した等温線制約条件と呼ばれる作動限界値を受ける。等温線制約条件というのは、高排気温度に対応するＧＴ負荷において長時間留まる限界値を意味している。例えば、１つの実施形態では、等温線温度は、約６５０℃であり、またその等温線に対応するＧＴ負荷範囲は、気温１５℃の日において３０％〜４０％の範囲となるが、作動領域の負荷範囲は、周囲温度に大いに左右される可能性がある。等温線制約条件が存在する場合には、ＧＴは、高い作動温度によって生じる損傷を回避するために、指定最小負荷速度で等温線領域を横切ることが必要となる可能性がある。異なる時間に等温線を横切るための複数予測の使用は、分析が将来のＳＴロータ過大応力を何ら予測しない場合にのみＧＴ負荷が等温線を横切ることを可能にする。

ＧＴ等温線制約条件を取り扱うように設計した１つの一層特殊な実施形態では、代替制御動作は、異なる将来の時間に等温線を横切ることを含む。この実施形態では、ＧＴ負荷が等温線領域に近付く時はいつでも、制御システムが別の等温線横断時間をシミュレートしかつ関連する将来のＳＴロータ応力を評価しながら、ＧＴ負荷を維持するようにする。これらの分析の結果、制御システムは、どの等温線横断時間がＳＴ過大応力を生じることになるかまた生じないことになるかをリアルタイムに判定する。このようにして、代替シナリオのリアルタイム分析を使用して、応力限界値に従った最も早期の等温線横断時間を決定することができる。

マップ化しようとする制御動作のタイプとは独立した別の一層特殊な実施形態では、制御装置８４は、代替制御動作をシミュレートし、作動制約条件に対する複数代替制御動作の効果を予測し、かつ複数代替制御動作のどれが作動制約条件に違背することになるかまた違背しないことになるかを識別する（図４、ステップ４０４）ように構成される。幾つかの実施形態では、代替制御動作をランク付けするように制御装置をさらに構成することも有益である可能性がある。代替制御動作の選択は、制御装置によって自動的に行うか又はオペレータによって選択的に行うことができる。１つの実施形態では、ディスプレイ９２は、発電システムの代替作動シナリオ及び代替制御動作の予測効果を表示するように構成され、またユーザインタフェース９４は、オペレータによって使用されて、始動させるＧＴの数、それらＧＴを始動させる順序、及び／又はＳＴに対するＨＲＳＧの融合形式に関する命令を提供することができる。制御装置８４は次に、いずれかのそのような命令を使用して入力プロフィールを生成するように構成される。制御装置８４は、推奨制御動作、非推奨制御動作、又はそれらの組合せを決定するように構成することができ、またそのような情報もまた、表示することができる。１つの例示的な実施形態では、制御装置８４は、例えば作動制約条件に違背するか又は非推奨制御動作を構成することになるオペレータ命令のいかなる発生も阻止する（又は無効にする）ように構成される。

図２の予測作動パラメータに関するか又は図４の代替作動シナリオ及び制御動作に関するかのどちらかの表示選択肢の場合には、オペレータは、入手可能な一層多くの情報を有しており、またオペレータ命令を使用可能にしかつ電力網に電力を送出するのに一層適している。さらに、制御装置がシミュレーションに基づく経験からの知識を組み込んで、異なる性能指数、発電システム内の異なる初期状態、及び当該現場における異なる環境条件に対して最も適した始動シーケンス並びに連結形式を決定する時に、オペレータは、始動を構成するために多数の決定を下すことから解放され、従って現時点における市場又は送電状態に応じた少数の決定に集中することができる。

本明細書で使用する場合に、前に数詞のない要素又はステップの表現は、そうではないことを明確に述べていない限り複数のそのような要素又はステップの存在を排除するものではないと理解されたい。さらに、本発明の「１つの実施形態」という表現は、記載した特徴を同様に組み入れた付加的な実施形態の存在を排除するものとして解釈されることを意図するものではない。以上、蒸気をＳＴ内に送るためのシステム及び方法の例示的な実施形態について詳細に説明している。この説明したシステム及び方法は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろそのシステムの構成要素は、本明細書に記載したその他の構成要素とは独立してかつ別個に利用することができる。さらに、この方法に記載したステップは、本明細書に記載したその他のステップとは独立してかつ別個に利用することができる。

本明細書では本発明の一部の特徴のみを例示しかつ説明してきたが、当業者には多くの修正及び変更が想起されるであろう。従って、提出した特許請求の範囲は、全てのそのような修正及び変更をそれらが本発明の技術思想の範囲内に含まれるものとして保護しようとするものであることを理解されたい。

１０ 複合サイクル発電システム
１１ 制御システム
１２ 先行側
１４ 遅延側
１６、１１６ ガスタービンエンジン（ＧＴ）
１８、１１８ 熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）
２０ 蒸気タービン組立体（ＳＴ）
２２ 高圧（ＨＰ）タービン
２４ 中圧（ＩＰ）タービン
２６ 低圧（ＬＰ）タービン
２８ ヘッダ
３０ ロータシャフト
３２ 発電機
３４、１３４ 圧縮機
３６、１３６ 燃焼器
３８、１３８ タービン
４０、１４０ ロータシャフト
４２、１４２ 発電機
４４ 燃料
４６、１４６ 燃焼ガス
４７、１４７ 燃焼ガス
４８、１４８ ＨＰドラム
５０、１５０ ＩＰドラム
５２、１５２ ＬＰドラム
５４、１５４ ＨＰ蒸気ヘッダ
５６、１５６ ＩＰ蒸気ヘッダ
５８、１５８ ＬＰ蒸気ヘッダ
６０、１６０ ＰＴセンサ
６２、１６２ ＨＰ遮断弁
６４、１６４ ＨＰバイパス弁
６６、１６６ 低温再熱蒸気ヘッダ
６８、１６８ 低温再熱遮断弁
７０、１７０ ＰＴセンサ
７２、１７２ 高温再熱ＩＰ遮断弁
７４、１７４ ＩＰバイパス弁
７６、１７６ 凝縮器
７８、１７８ ＰＴセンサ
８０、１８０ ＬＰ遮断弁
８２、１８２ ＬＰバイパス弁
８４ 制御装置
８６ 結線
８８ モデル
９０ オプティマイザ
９２ ディスプレイ
９４ インタフェース
２０１ 表示ステップ
２０２ 受信ステップ
２０３ 取得ステップ
２０４ 生成ステップ
３０１ 受信ステップ
３０２ モデルステップ
３０３ 生成ステップ
３０４ 更新ステップ
４０１ 取得ステップ
４０２ 生成ステップ
４０３ 生成ステップ
４０４ 変更ステップ

Claims (7)

1. ガスタービンエンジン（ＧＴ）（１６）、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）（１８）及び少なくとも１つの蒸気タービン（ＳＴ）（２０）を含みかつ公称作動制約条件を有する複合サイクル発電システム（１０）のための制御システムであって、
   オペレータに前記発電システムの予測作動パラメータに関する情報を提供するディスプレイ（９２）と、
   オペレータから
   （ａ）前記発電システムの付加的作動制約条件、および
   （ｂ）始動させるＧＴの数、それらＧＴを始動させる順序、前記ＳＴに対する前記ＨＲＳＧの融合形式、前記ＧＴの融合のための負荷レベル、又はそれらの組合せに関する作動命令
   を受け取るユーザインタフェース（９４）と、
   （ａ）あらゆる付加的作動制約条件に対応する入力を受信し、
   （ｂ）センサを使って、前記発電システムの構成要素作動パラメータを取得し、
   （ｃ）前記公称制約条件及びあらゆる付加的制約条件を満たす前記ＧＴ、ＨＲＳＧ及びＳＴの入力プロフィールを生成し、
   （ｄ）前記入力プロフィールおよび前記構成要素作動パラメータに基づいて、前記発電システムの予測作動パラメータに関する情報を生成し、
   （ｅ）前記複合サイクル発電システムの始動に必要な複数の構成要素を制御する
   制御装置（８４）と、
   を含む、制御システム。
2. 前記制御装置が、前記入力プロフィールを生成している間に、少なくとも１つの発電システム作動パラメータを最適化するようにさらに構成される、請求項１に記載の制御システム。
3. 前記ユーザインタフェースが、性能要件に関する命令をオペレータが提供することができるように構成され、
   前記制御装置が、前記性能要件を受信し、かつ前記入力プロフィールを生成する時に前記性能要件を使用するように構成される、
   請求項１に記載の制御システム。
4. ガスタービン（ＧＴ）（１６、１１６）、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）（１８、１１８）及び少なくとも１つの蒸気タービン（ＳＴ）（２０）を含む複合サイクル発電システム（１０）のための制御システムであって、
   始動させるＧＴの数、それらＧＴを始動させる順序、前記ＳＴに対する前記ＨＲＳＧの融合形式、又はそれらの組合せに関する命令をオペレータから受け取るユーザインタフェースと、
   複数のパラメータを使用してダイナミックス及び制約条件を表すように構成された、前記ＧＴ、ＨＲＳＧ及びＳＴのためのモデルと、
   前記パラメータに対応する入力を受信し、また前記制約条件を満たす前記ＧＴ、ＨＲＳＧ及びＳＴの入力プロフィールを生成しかつ少なくとも１つの発電システム作動パラメータを最適化するように構成されたオプティマイザと、
   を含み、
   前記オプティマイザが、センサからの情報により発電システム作動の段階移行を検出し、検出された段階移行を用いて前記入力プロフィールを更新するようにさらに構成され、
   前記段階移行は、ＨＲＳＧを前記ＳＴに連結し又は遮断する、
   制御システム。
5. ガスタービン（ＧＴ）（１６、１１６）、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）（１８、１１８）及び少なくとも１つの蒸気タービン（ＳＴ）（２０）を含む複合サイクル発電システム（１０）のための制御システムであって、
   （ａ）センサから前記発電システムの構成要素パラメータを取得し、
   （ｂ）始動させるＧＴの数、それらＧＴを始動させる順序、前記ＳＴに対する前記ＨＲＳＧの融合形式、又はそれらの組合せに関する作動命令をオペレータから受け取り、
   （ｃ）前記構成要素パラメータと前記作動命令を利用して、前記ＧＴ、ＨＲＳＧ及び前記少なくとも１つのＳＴの入力プロフィールを生成し、
   （ｄ）前記ＧＴの少なくとも１つ、前記ＨＲＳＧの少なくとも１つ、前記ＳＴ、又は前述のもののいずれかの組合せの作動制約条件に対する代替制御動作をマップ化することによって代替作動シナリオを生成する、
   制御装置（８４）を備える、
   制御システム。
6. 前記制御装置が、
   前記代替制御動作をシミュレートし、
   前記作動制約条件に対する前記複数代替制御動作の効果を予測し、かつ
   前記複数代替制御動作のどれが前記作動制約条件に違背することになりまた違背しないことになるかを識別する、ように構成される、
   請求項５に記載の制御システム。
7. 前記発電システムの代替作動シナリオ及び前記代替制御動作の予測効果を表示するように構成されたディスプレイをさらに含む、請求項６に記載の制御システム。
   

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