JP5512163B2 - ガスタービンエンジンシステムを運転するための方法及びシステム - Google Patents

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービンエンジンの運転を制御するための方法及び装置に関する。

ガスタービンエンジンは一般的に、圧縮機セクション、燃焼器セクション、及び少なくとも１つのタービンセクションを含む。圧縮機は空気を加圧し、この加圧空気は燃料と混合されて燃焼器に送られる。この混合気は次に、点火されて高温の燃焼ガスを生じる。燃焼ガスはタービンに送られ、このタービンは、燃焼ガスからエネルギーを抽出して圧縮機を駆動し、並びに発電機のような負荷を駆動し、或いはフライト中の航空機を推進する有用な仕事を生み出す。

ガスタービンエンジンは、多くの様々な運転条件で作動し、燃焼器性能は、広範囲のエンジン運転条件にわたってエンジン運転を可能にする。燃焼器性能の制御を利用してガスタービンエンジン運転全体を改善することができる。より具体的には、ＮＯｘエミッション及び燃焼ダイナミクスレベルを所定の限界値の範囲内に維持しながら、ガス燃料組成、例えば発熱量及び比重の変動をより大きくすることができる。乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃焼システムを備えたガスタービンは一般的に、多ノズル予混合燃焼器を含む燃料送出システムを利用する。ＤＬＮ燃焼器設計は、希薄予混合燃焼を利用して、水又は蒸気のような稀釈剤を使用することなく低ＮＯｘエミッションを達成している。希薄予混合燃焼は、ピーク火炎温度及びＮＯｘ生成を低く維持するために、燃焼器火炎ゾーンの上流側での燃料及び空気を予混合すること、及び燃料の希薄可燃限界近傍での運転を含む。希薄予混合燃焼及びガスタービン運転範囲において発生する広い燃空比範囲に固有の安定性の問題を取り扱うために、ＤＬＮ燃焼器は一般的に、個々に又はサブグループ毎に燃料供給される各燃焼チャンバ内に複数の燃料ノズルを有する。ガスタービン燃料システムは、個別に制御される送出回路を有し、各チャンバ内の各ノズルグループに供給する。制御システムは、タービン運転範囲において各回路への燃料流れ（燃料スプリット)を変えて火炎安定性、低エミッション、及び許容可能な燃焼器寿命を維持している。各ノズルサブグループへの燃料流れは、ガス制御弁（ＧＣＶ）を介して制御される。燃料スプリットは、アクティブなＧＣＶ間における全燃料コマンド（燃料ストローク基準)を分けるように機能し、その結果得られた百分率ＧＣＶ燃料流れコマンドはバルブ位置に変換されて、ノズルサブグループへの所望の燃料流れを達成している。

多くの離散制御システムは、サードパーティ又はプライベートパーティのソフトウェアインターフェースプログラムを用いて実行可能なソフトウェアコードを構造化し作成する。これらのソフトウェアインターフェースは、ソフトウェア構造の柔軟性を制限する可能性があり、一般的に、ブール又はロジックベースソフトウェアストラテジーにより焦点が当てられ、多くの場合、ネストされたループ又はマトリックスベースのソフトウェアには好適ではない。幾つかのデジタル制御システムプラットフォームは、ループ（ｉｆ、ｗｈｉｌｅ、他)ベースのソフトウェアを直接可能ではなく、更に動的に拡張可能なマトリックスが可能ではなく、従って、変数作成時に指定される全マトリックス次元が固定される。このような制約条件では、反復マトリックスベースの流体システム流れモデルの実施時に幾つかの課題が発生する。

米国特許第７，３６３，０９４ Ｂ２号公報 米国特許第７，２６９，９５３ Ｂ２号公報 米国特許第７，２１９，０４０ Ｂ２号公報 米国特許第６，８２３，６７５ Ｂ２号公報 米国特許第６，８２３，２５３ Ｂ２号公報 米国特許第６，２２６，９７４ Ｂ１号公報 米国特許第５，４５７，６２５号公報

１つの実施形態では、ガスタービンエンジンシステムが、流れ制御装置からの燃料の流れを受けるように構成された少なくとも１つの燃焼器と燃料制御システムとを有するガスタービンエンジンを含む。燃料制御システムは、燃料供給源からの燃料の流れを流れ制御装置に送るように構成された配管システムと、経時的に可変である燃料の流れ特性を示す信号を発生させるように構成されたセンサと、プロセッサを有するコントローラとを含む。プロセッサは、発生信号を受信し、配管システムの流れモデル及び受信信号を使用して配管システムを通って流れる複数の離散的ボリュームの進行を反復的に追跡し、流れ制御装置を使用して燃料の流れを制御するようにプログラミングされている。

別の実施形態では、配管システム及び燃料流れ制御装置を含む燃料制御システムを有するガスタービンエンジンを運転するコンピュータ実装方法が提供される。本方法は、配管システムの入口で燃料の流れ特性を示す信号を受信するステップと、一次元マトリックスを使用して配管システムの少なくとも一部分をモデル化するステップと、受信信号及びモデルを使用して流れ制御装置における燃料の流れ特性を決定するステップと、決定された特性を使用して燃料の流れ及び燃料スプリットのうちの少なくとも１つを自動的に制御するステップとを含む。

更に別の実施形態では、燃料制御システムは、燃料制御システムへの燃料の流れを許可するように構成された燃料入口と、該燃料入口と流れ連通して結合された燃料配管システムと、燃料制御システム負荷における１つ又はそれ以上の噴射ポイントへの流れを調節するように構成され且つ燃料配管システムを介して燃料入口と流れ連通して結合された少なくとも１つの流れ制御装置とを含む。燃料制御システムはまた、燃料入口に流入する燃料の流れ特性を示す信号を送信するように構成された入力装置と、所定のスキャン速度で複数のロジック回路をスキャンするようにプログラミングされたコントローラとを含む。コントローラは更に、燃料の流れ特性を示す入力装置からの信号を受信し、複数の一次元マトリックスを含む流れモデル及び送信信号を使用して、燃料配管システムを通過する燃料の流れの進行をリアルタイムで追跡し、追跡された燃料流れを使用して前記燃料の最低値及び燃料スプリットのうちの少なくとも１つを自動的に制御して燃料特性における比較的大きな変動を許容できるようにプログラミングされている

本発明の実施形態によるガスタービンエンジンシステムの概略図。 図１に示すシステムで使用することができる例示的な燃料システム流れネットワークの概略図。 本発明の例示的な実施形態で使用することができる制御ボリュームモデルの概略図。 入口体積流量Ｑ１を仮定した第１の時間ステップ増分での制御ボリュームモデル３００の概略図。 入口体積流量Ｑ２を仮定した第２の時間ステップ増分での制御ボリュームモデル３００の概略図。 入口体積流量Ｑ３を仮定した第３の時間ステップ増分での制御ボリュームモデル３００の概略図。 入口体積流量Ｑ４を仮定した第４の時間ステップ増分での制御ボリュームモデル３００の概略図。 入口体積流量Ｑ５を仮定した第４の時間ステップ増分での制御ボリュームモデル３００の概略図。 本発明の実施形態による流体流れモデルを実施する方法のデータフロー図６００。 マトリックス要素ループが１つのコントローラスキャンにおいてどのようにして更新されるかを示すデータフロー図。 本発明の実施形態によるガスタービンエンジンを運転する例示的な方法のフローチャート。

各図面は、本明細書で説明する方法及びシステムの例示的な実施形態を示している。

本明細書では、産業環境において使用されるガスタービンエンジンの関連においてその方法及び装置について説明しているが、本明細書で説明する方法及び装置は、それに限定されないが、航空機及び船舶に設置されたタービンを含む他の燃焼タービンシステム用途においてもその有用性を見出すことができることは企図される。更に、本明細書に記載した原理及び教示は、それに限定されないが、天然ガス、液化天然ガス、ガソリン、灯油、ディーゼル燃料、及びジェット燃料のような様々な可燃性燃料を使用するガスタービンエンジンに適用可能である。従って、以下の本明細書の記載は、限定ではなく単なる例示として記載されているに過ぎない。

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。更に、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。

図１は、圧縮機１２、燃焼器１４、圧縮機１２に駆動的に結合されたタービン１６、及び制御システム１８を含むガスタービンエンジンシステム１０の概略図である。入口ダクト２０は、周囲空気を圧縮機に送る。１つの実施形態では、噴射された水及び／又は他の加湿剤もまた、入口ダクト２０を介して圧縮機に送られる。入口ダクト２０は、ダクト、フィルタ、スクリーン、及び入口ダクト２０を介して圧縮機１２の１つ又はそれ以上の入口ガイドベーン２１内に流れる周囲空気の圧力損失の一因となる吸音装置を有することができる。排気ダクト２２は、タービン１６の出口からの燃焼ガスを、例えばエミッションコントローラ及び吸音装置内に送る。排気ダクト２２は、タービン１６に背圧を加える吸音材及びエミッションコントローラを含むことができる。入口圧力損失及び背圧の量は、ダクト２０、２２への構成部品の付加及び入口ダクト及び排気ダクトを閉塞させるダスト及び汚れに起因して、時間の経過と共に変わる可能性がある。タービン１６は、電力を発生させる発電機２４を駆動することができる。圧縮機１２の入口損失及びタービン排気圧力損失は、ガスタービンを通る補正流れの関数となる傾向がある。更に、入口損失及びタービン背圧の量は、ガスタービンを通過する流量と共に変わる可能性がある。

ガスタービンエンジンシステム１０の運転は、タービン１６、発電機２４、及び周囲環境の様々な条件を検出する複数のセンサ２６によってモニタすることができる。例えば、温度センサ２６は、ガスタービンエンジンシステム１０を囲む周囲温度、圧縮機吐出温度、タービン排気ガス温度、及びガスタービンエンジンを通過するガス流の他の温度測定値をモニタすることができる。圧力センサ２６は、周囲圧力、並びに圧縮機入口及び出口位置、タービン排気位置、及びガスタービンを通過するガス流の他の位置における静的及び動的圧力レベルをモニタすることができる。湿球温度計及び乾球温度計のような湿度センサ２６は、圧縮機の入口ダクトにおける周囲湿度を測定する。センサ２６はまた、フローセンサ、速度センサ、火炎検出センサ、弁位置センサ、ガイドベーン角度センサ、及びガスタービンエンジンシステム１０の運転に対して様々なパラメータを感知する他のセンサを含むことができる。本明細書で使用する場合、「パラメータ」とは物理的特性を意味し、その数値を用いて、定義された位置での温度、圧力、及びガス流量のようなガスタービンエンジンシステム１０の運転条件を定義することができる。

燃料制御システム２８は、燃料供給源から燃焼器１４に向かって流れる燃料、及び燃焼チャンバの周りに位置決めされた種々の燃料ノズル内に流れる燃料間の燃料スプリットを調節する。燃料制御システム２８はまた、燃焼器用の燃料の種類を選択することができる。燃料制御システム２８は、分離ユニットとするか、又は制御システム１８の構成部品とすることができる。燃料制御システム２８はまた、燃料ノズルサブグループに向かって流れる燃料の一部分を決める燃料スプリットコマンドを生成し実施することができる。

制御システム１８は、センサ入力及びオペレータによる命令を使用してガスタービンの運転を制御するようにプログラムを実行するプロセッサ２９を有するコンピュータシステムとすることができる。コントローラ１８が実行するプログラムは、燃焼器１４への燃料流れを調節するためのスケジュールアルゴリズムを含むことができる。コントローラが発生する命令により、ガスタービン上のアクチュエータが、例えば燃料供給源と燃焼器との間で該燃焼器に向かって流れる燃料の流れ、燃料スプリット、及び燃料の種類を調節する弁（アクチュエータ３２）を調整し、圧縮機上の入口ガイドベーン２１（アクチュエータ３０)を調整し、更にガスタービン上で他の制御設定値を起動させることになる。

制御システム１８は、その一部をコントローラのコンピュータメモリ内に記憶させたアルゴリズムに基づいてガスタービンを調節する。このアルゴリズムにより、制御システム１８がタービン排気中のＮＯｘ及びＣＯエミッションを一定の所定エミッション限界値の範囲内に維持し、更に燃焼器燃焼温度を所定の温度限界値の範囲内に維持することが可能になる。このアルゴリズムは、最新の圧縮機圧力比、周囲絶対湿度、入口圧力損失、及びタービン排気背圧に対するパラメータ変数の入力を有する。アルゴリズムが使用する入力パラメータにより、制御システム１８は、周囲温度及び湿度の季節的変化、並びにガスタービンの入口ダクト２０における入口圧力損失及び排気ダクト２２における排気背圧の変化に適応する。周囲条件、並びに入口圧力損失及び排気背圧に対する入力パラメータにより、ＮＯｘ、ＣＯ及び制御システム１８において実行するタービン燃焼アルゴリズムは、ガスタービン運転の季節的変化及び入口圧力損失及び背圧の変化について自動的に補償することが可能になる。従って、オペレータが周囲条件の季節的変化並びに入口圧力損失又はタービン排気背圧の変化を補償するようガスタービンを手動で調整する必要性が低減される。

燃焼器１４は、ＤＬＮ型燃焼システムとすることができる。制御システム１８は、ＤＬＮ型燃焼システムを制御し、且つ燃料スプリットを決定するようプログラミング及び修正を行うことができる。

制御システム１８が実行するスケジュール及びアルゴリズムは、部分負荷ガスタービン運転条件時のＮＯｘ、燃焼器ダイナミクス、及び燃焼温度限界値に影響を与える周囲条件（温度、湿度、入口圧力損失、及び排気背圧)の変動に適応する。制御システム１８は、排気ガス温度及び燃焼器燃料スプリットを同時にスケジュールする。制御システム１８は、所望のタービン排気ガス温度及び燃焼器燃料スプリットの設定のような、ガスタービンをスケジュールするためのアルゴリズムを適用し、ガスタービンの作動性境界に適合しながら性能目的を満たすようにする。制御システム１８は、部分負荷運転時中の燃焼器温度上昇及びＮＯｘのレベルを同時に決定し、燃焼ダイナミクス境界に対する運転マージンを増大させ、これによりガスタービンの作動性、信頼性、及び可用性を向上させるようにする。

燃焼器燃料スプリットは、燃焼ダイナミクスのような他の作動性境界を観測しながら所望の燃焼モードを維持するよう制御システム１８によってスケジュールされる。所与の負荷レベルにおいて、サイクルマッチポイント及び燃焼器燃料スプリットは、結果として生じるＮＯｘエミッションに影響を及ぼす。部分負荷運転中のＮＯｘ及び燃焼器温度上昇を同時にレベリングすることにより、エミッションコンプライアンス又は部品寿命に悪影響を与えることなく、燃焼ダイナミクスのレベルを最低限にし、ガスタービンの運転上のエンベロープが拡大する。

燃焼器１４は、各燃焼器において２つ又はそれ以上の噴射器グループに備えられて、運転モード、エミッション、及び機械負荷に対する燃焼ダイナミクスレベルの調整を可能にする複数の燃料制御弁を含む。複数の燃料ガス制御弁間の燃料スプリットを調整することによって、機械負荷範囲全体にわたってエミッション及びダイナミクスが最適化される。燃料スプリット調整は、燃焼基準温度と呼ばれる計算基準パラメータに依存し、これは、機械排気温度及び他の連続モニタ機械パラメータの関数である。

本明細書で説明する本発明の実施形態は、例えば様々な燃料組成及び発熱量の複合サイクル発電プラントにおける燃焼システムに対しての燃料流れを管理する方法及び制御システムを定義する。燃料特性の変化が極めて大きいときに滑らかな移行を可能にする燃料流れ制御方法を用いて、電気配電網に対する変動を最小化すると同時に、スタックエミッションを所定限界値の範囲内に維持する。燃料加湿システムは、発電プラントの複合サイクル性能全体を高めるために用いられる。燃料の加湿化により生じる燃料組成変化を補償する方法は、加湿システムの故障状態下並びに複合発電プラントの正常始動及び負荷運転中での燃焼システム運転を可能にするのに使用される。燃料組成及び／又は発熱量における大きな変化は、火炎消失又は過剰温度などの燃焼器火炎安定性の問題を生じる可能性があり、発電ユニットをオフラインにトリップさせる可能性がある。

燃料組成及び含水量を測定するのに使用する装置は通常、ガス制御弁のかなり上流側でのみ利用可能であるので、流れモデルを使用して燃料システム流れの調整の適切なタイミングを決定する。燃料システムに対する燃料を適切に制御するためには、主燃料制御要素すなわち燃料ガス制御弁における燃料の物理的特性が既知でなければならない。その組成がほとんど変化しない燃料では、物理的特性は一定と仮定され、圧力及び温度などの測定パラメータを使用して、ガスタービンへの燃料送出を適切に制御する。しかしながら、燃料組成及び対応する物理的特性が大幅に変わるような状況では、この仮定はもはや有効でなく、ガスタービン燃料制御は、燃料が燃料ガス制御弁又は燃焼器に流入するまでその検出ポイントからこうした変動を追跡し、このような変動を考慮するように燃料流れを調整するようプログラミングされる。

燃料加湿を利用する燃焼システムは、正常負荷／無負荷中並びにシステム不調又はトリップ状態後の加湿タワー再始動中に燃料組成が変化する期間を生じる。正常負荷及び無負荷中に、ボトミングサイクルにおいて十分なエネルギーが利用可能であり、燃焼システムにおいて状態が好ましい場合には、複合サイクル性能を最適化するために燃料ガスに加湿が行われる。燃料に湿気を加えることにより物理的特性が大きく変化し、その結果として、燃料制御は、燃料コマンド又は燃料システム流量ゲインのいずれかに対して必要な調整を行う必要がある。

ガス制御弁（ＧＣＶ）における加湿ガスの物理的特性の測定が実施可能ではないので、ＧＣＶの入口での燃料特性を予測するのに流体流れモデルが利用される。この流れモデルは、システム内の水蒸気含有量を追跡し、システムを通過する加湿ガスの物理的移送遅れを予測する。燃料加湿タワー出口で算出される水蒸気モル分率を流れモデルにおいて使用し、システム全体にわたり、最終的にはＧＣＶ入口における天然ガス／水蒸気混合気中の水蒸気量を時間的に連続して算出する。次に、ＧＣＶでモデル化された水蒸気モル分率は、流量ゲイン調整計算において利用され、燃料加湿移行中に燃料コマンドを再線形化し且つ負荷過渡応答を最小にする。

図２は、本発明の実施形態による例示的な燃料システム流れネットワーク２００の概略図である。この例示的な実施形態では、対象となる制御ボリューム２０２は、第１の入口流体ストリーム２０４、第２の入口流体ストリーム２０６、及び１つ又はそれ以上のガス制御弁２１０に供給する単一出口ストリーム２０８を含む。入口燃料ヘッダ２１２は、流量オリフィス２１４及び温度センサ２１６を含む。ヘッダ２１２は、タワー入口制御弁２１８及び第１の分岐路２２２を介して燃料加湿タワー２２０に供給し、第２の分岐路２２６を介してタワーバイパス制御弁２２４に供給する。第１の入口流体ストリーム２０４は、圧力センサ２２８及び温度センサ２３０を含む。第１の入口流体ストリーム２０４及び第２の入口流体ストリーム２０６は、共通燃料ヘッダ２３２において結合される。例示的な実施形態では、共通燃料ヘッダ２３２は、直列流れ関係で圧力センサ２３４、温度センサ２３６、性能ヒータ２３８、温度センサ２４０、洗浄装置２４２、濾過器２４４、圧力センサ２４６、及び温度センサ２４８を含む。出口燃料ヘッダ２５０は、補助ストッパ弁２５２、安全リリーフ弁２５４、圧力センサ２５６、及び１つ又はそれ以上のガス制御弁２１０を含む。

燃焼システムに対する燃料送出を正確に制御するためには、ガス制御弁２１０のような主燃料制御要素における燃料の物理的特性が既知でなければならない。組成がほとんど変化しない燃料では、燃料成分及び物理的特性は一定であると仮定することができ、圧力及び温度のような物理的パラメータを用いて、ガスタービンへの燃料を制御することができる。場合によっては、燃料の物理的特性は大幅に変わる可能性があり、その結果、こうした仮定は誤ったもの又は不正確なものとなる。

燃料加湿システムを利用した幾つかの燃焼システムでは、燃料の物理的特性は、正常負荷／無負荷並びにシステム不調後の再始動中、又はトリップ状態中に大きく変化する可能性がある。正常負荷及び無負荷中、ボトミングサイクルにおいて十分なエネルギーが利用可能であり且つ燃焼システムにおいて状態が好ましい場合には、複合サイクル性能を有利にするために燃料ガスに湿気が付加される。燃料に湿気を付加することにより物理的特性が大幅に変化し、その結果、燃料制御システムには、燃料コマンド又はこれに応じた燃料システム流量ゲインのいずれかに対し対応する調整の実施が課せられる。

物理的特性の測定値が、加湿タワーとガス制御弁（ＧＣＶ）との間で利用可能ではなく、また連続的に測定するには実用可能でもない場合には、物理的流れモデルを利用してＧＣＶの入口における燃料特性を予測する。この流れモデルは、システムを通過する流体の水蒸気含有量及び物理的移送遅れを表している。燃料加湿タワーの下流側の流体ストリームに対しては、追加の天然ガス燃料又は水が付加されないと仮定することができる。燃料加湿タワー出口で算出される水蒸気モル分率は、流れモデルに送給され、次いで、システムの境界条件に基づいてガス制御弁入口で連続して計算される。タワーから出る物理的特性は、乾式天然ガス入口燃料に付加された水として測定することができ、且つＧＣＶでの後続の物理的特性では、限定されないが、システムにおける混合気温度、圧力、流速、及びボリュームに基づいて決定されることになる。次いで、ＧＣＶで算出された水蒸気モル分率は、物理的特性の算出において使用され、この算出に従って流量ゲインを適切に調整し、燃料コマンドを再線形化し、調整しない場合に移行中に生じたはずの負荷過渡応答を最小限になるようにする。

制御システムは、流れモデルを利用して流量ゲイン調整の時間を適切に調整しており、この流量ゲイン調整は、ガス制御弁入口での燃料の物理的特性を使用して、物理的特性の変化により生じる可能性のある予想される変化に対して補正する。

適正な燃料制御を維持することは、ガスタービン燃焼システムにおいて特に重要である。乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃焼システムを備えたガスタービンは通常、多ノズル予混合燃焼器を含む燃料送出システムを利用する。ＤＬＮ燃焼器設計は、希薄予混合燃焼を利用して、水又は蒸気のような稀釈剤を使用することなく低ＮＯｘエミッションを達成する。希薄予混合燃焼は、燃焼器火炎ゾーンの上流側での燃料及び空気の予混合と、ピーク火炎温度及びＮＯｘ生成を低く維持するために燃料の希薄可燃限界近傍での運転を伴う。希薄予混合燃焼器に内在する安定性の問題並びにガスタービン運転範囲全体にわたって生じる広い燃空比に対応するために、ＤＬＮ燃焼器は通常、各燃焼チャンバにおいて複数の燃料ノズルを有し、個々に又はサブグループ単位で燃料が供給される。ガスタービン燃料システムは、各チャンバにおけるノズルの各グループに供給するための個別制御送出回路を有している。制御システムは、火炎安定性、低エミッション、及び許容可能な燃焼器寿命を維持するように、タービン運転範囲にわたって各回路への燃料流量（燃料スプリット)を変化させることになる。各ノズルサブグループへの燃料流量は、ガス制御弁（ＧＣＶ）を介して制御される。燃料スプリットは、アクティブなＧＣＶ間で全燃料コマンド（燃料ストローク基準)を分割するように機能し、その結果得られた百分率ＧＣＶ燃料流れコマンドは、ノズルサブグループへの所望の燃料流れを達成するためにバルブ位置に変換される必要がある。

図３は、本発明の例示的な実施形態で使用することができる制御ボリュームモデル３００の概略図である。例示的な実施形態では、制御ボリュームモデル３００は、ノードポイント３０４によって複数の等間隔に配置された要素３０２に分割される。制御ボリュームモデル３００は、デジタル制御システムにおいて使用するソフトウェアベースの方法で使用され、制御ボリュームにおける流体流れ及び組成を時間単位で離散的にアクティブにモデル化する。流れモデル内への入力は、流体密度、組成、流量、及び時間ステップもしくはモデルメッシュサイズを含む。モデルは次に、システムの１−Ｄマップを作成し、これはステップ間隔毎に更新される。制御ボリュームを完全にモデル化するのに必要なノードポイントの数又はモデルメッシュサイズは、例えばモデル時間ステップ、及び最小流体流量によって決定される。

流体流れモデルは、プロセス変数のリアルタイム測定が実施可能ではないようなデジタル制御システムにおいて適用することができる。この場合、流体流れモデルを用いて、実際のリアルタイム運転状態に対して予測的に制御することができる。例えば、燃料組成は、供給源、運転条件（圧力、温度)、出力増大（水／蒸気噴射)における変化に起因して、或いは幾つかの他の手段によってタービン運転中に変えることができる。このような場合には、電気配電網に対する変動を最小にすると共に、大きな燃料組成変化が発生したときに許容可能な限界値の範囲内にスタックエミッションを維持するためには、燃料流れをアクティブに制御する方式が必要となる。補正がない場合、燃料組成及び／又は発熱量の大きな変化により、火炎消失又は過剰温度などの燃焼器火炎安定性の問題が必然的に生じ、発電ユニットがオフラインにトリップする可能性がある。本発明は、ガスタービン用途において、配管システムにおいて加湿ガス燃料の組成を過渡的にモデル化し、燃料制御パラメータをリアルタイムで正確にアクティブ補正するように使用される。

流れモデル方程式
流体流れモデルは、その一部が流体ダイナミクスに基づいたアルゴリズムを含む。例えば、制御ボリュームにおける定常流の質量保存について評価するレイノルズ輸送定理は、次式を与え、制御ボリューム内に出入りする質量流量が等しいことを述べている。

上式で、
ρ＝流体密度
Ａ＝断面積
Ｖ＝システム制御ボリューム
式（１）は、密度の大きな変化が皆無かそれに近い状態の非圧縮性流体として作用する場合に更に簡約化されて次式を得る。

_上式で、
Ｑ＝流体の体積流量
式（１）及び式（２）は、流体流れが定常状態で、δρ／δｔ＝０、制御ボリューム内の質量ソース又はシンクは無視してよく、非圧縮性とした場合に流体密度が制御ボリューム全体を通して一定であるという条件でのあらゆる所与の制御ボリュームにおいて、流体の物理的組成の特性を特徴付けるための流体流れモデルにおいて使用することができる。

制御ボリュームを完全にモデル化するのに必要なノードポイント３０４の数、又はモデルメッシュサイズは、次式に従って、モデル時間ステップ及び最小流体流量によって決定される。

上式で、
Ｑｍｉｎ＝流体の最小可能体積流量［ｆｔ^３／秒］
Ｖｔｏｔ＝全制御システム体積［ｆｔ^３］
Δｔ＝モデル時間ステップ［秒］
モデルの精度は、流れモデルメッシュ要素のサイズに依存する。幾つかの用途では、ソフトウェアフレームワーク環境は、マトリックスのサイズを制限し、及び／又は定義されるとマトリックスのサイズを一定に維持する必要がある。このような場合には、境界マトリックス及び特性マトリックスは、それらが上式によって定められる要素の少なくとも最小数を含むように定義される。

モデルメッシュサイズが決定されると、制御ボリューム内の流れは、一定の断面積を有した１−Ｄ管流れに簡素化することができる。このような簡素化により、１−Ｄマトリックスを使用して時間ステップ毎に各離散的流体要素をモデル化して、均一に更新することが可能になる。時間ステップΔｔ毎の１−Ｄマトリックス流れモデルの作成及び更新を行うために使用されるステップは、直線距離移動計算、境界マトリックス更新、境界マトリックスシフト、及び特性マトリックス更新を含む。

直線距離移動計算
最初に空の制御ボリューム開始条件を考えると、境界マトリックス及び特性マトリックスはゼロに初期設定される。各モデル時間ステップでは、最新のシステム質量流量又は体積流量が計算され、これを用いて使用中の流れモデル１−ｄ管体を介して移動される均等直線距離を決定する。

上式で、
Ｑ（ｄｔ）＝所与の時間ステップでの流体の体積流量［ｆｔ^３／秒］
Ａｃ＝システムモデル断面積［ｆｔ^２］
Δｔ＝モデル時間ステップ［秒］
図４Ａは、Ｑ１の入口体積流量を仮定した第１の時間ステップ増分での制御ボリュームモデル３００の概略図である。図４Ｂは、Ｑ２の入口体積流量を仮定した第２の時間ステップ増分での制御ボリュームモデル３００の概略図である。図４Ｃは、Ｑ３の入口体積流量を仮定した第３の時間ステップ増分での制御ボリュームモデル３００の概略図である。

境界マトリックス更新
直線移動距離が計算されると、境界マトリックスにおける各境界は、各境界値を直線移動距離だけ増分することによって管内で更新又はシフトされる。このプロセスは、各モデル時間ステップで繰り返される。質量又は体積流量は、時間ステップ中に一定を維持し、全時間ステップ後にのみ更新されると仮定する。

図４Ａにおいて、流体は管体に流入せず、第１の流体要素Ｘ１が制御ボリュームモデル３００の外側に示されている。基本流体境界は、あらゆる所与の流体要素Ｘについて最も左又は最終のポイントとして定義される。図４Ｂにおいて、Δｔ秒の第１の時間増分後、流体要素Ｘ１の境界ｂ１はゼロに等しく、第１の特性要素Ｘ１の最も右の端部は、境界ｂ１から距離ｄ１を示す。図４Ｃにおいて、第２の時間増分が経過した後、流体要素Ｘ１の境界ｂ１は、与えられた距離だけモデルを前進している。基本流体境界ｂ２はゼロに等しい。

境界マトリックスシフト
基本流体境界は、あらゆる所与の流体要素について最も左又は最終のポイントとして定義される。このことは、境界アレイにおける第１の境界要素が常にゼロに等しくなければならないことを意味する。境界マトリックスは、移動した直線距離を付加することによって最初に更新されるので、境界マトリックスは１つの要素だけシフトダウンする必要があり、第１の要素に対してゼロが挿入される。

同様に、流体特性マトリックスは、各要素をアレイ内でシフトダウンすることによって更新される。ソフトウェア環境によってマトリックスをアクティブにリサイズできない場合には、モデル境界及び特性マトリックスにおける最終要素は、マトリックスシフトステップ中に外す必要がある。

特性マトリックス更新
流れモデルループにおける最終ステップは、流体特性マトリックスを更新することである。流体流れモデルを使用して、流体の物理的特性をリアルタイムに追跡する。例えば、ガスタービンシステムでは、出力増大のために燃料に水が付加されるガス燃料加湿システムを使用する。このシステムは、負荷サイクル中に乾式天然ガスと加湿燃料との間を移行する。発熱量が低い湿潤燃料の結果としてタービン出力における変動を防止するために、燃料流れモデルを使用して燃料・水混合気の濃度を追跡し、ガスタービン燃焼システムによってリアルタイムで燃焼されている燃料濃度を予測する。特性マトリックス更新では、制御ボリュームへの入口における最新流体特性が、特性マトリックスアレイ内に第１の要素として挿入される。

図５Ａ及び図５Ｂは、流れモデルがどのようにして更新されるかを更に示すために、第４及び第５の時間ステップをグラフで示した制御ボリュームモデル３００の概略図である。図５Ａは、入口体積流量Ｑ４を仮定する第４の時間ステップ増分での制御ボリュームモデル３００の概略図である。図５Ｂは、入口体積流量Ｑ５を仮定する第５の時間ステップでの制御ボリュームモデル３００の概略図である。

各時間ステップについての流体流れモデルの出力を使用して、制御ボリュームにおけるあらゆる位置での流体の物理的特性を決定することができる。固定の物理的位置での流体特性は、次式に従って固定位置の均等な１−Ｄ直線長さを算出することによって決定することができる。

上式で、
Ａｃ＝システムモデル断面積［ｆｔ^２］
Ｖ_{ｆｉｘｅｄ}＝固定位置の前方の体積［ｆｔ^３］
直線距離が分かると、その位置における流体特性は、算出直線距離よりも大きい第１の境界マトリックス要素を求めることによって決定することができる。そのインデックスがｉに等しい場合、固定位置におけるその所与の時間ステップでの流体特性は、ｐ［ｉ−１］に等しい。

図６は、本発明の実施形態による、流体流れモデルを実施するための方法のデータフロー図６００である。最初に、モデルマトリックスのサイズが、システム制御ボリュームにおいて全ての境界要素を適当にモデル化するのに十分に大きいマトリックスが確保されるように決定される。このことは、制御ボリュームへの最小の予測体積流量を決定し、モデルマトリックスの最小サイズをモデル時間ステップと結合することによって達成される。上記の式（３）から、最小マトリックスサイズ及びモデル時間ステップは、特定のシステム用途に適合するように最適化することができる。この例示的な実施形態では、本方法は、距離計算ステップ６０２を含み、ここでは、流れ要素によって移動する距離が、流体Ｑの体積流、管の断面積Ａｃ、及びモデル時間ステップΔｔから決定される。決定された距離は、境界更新ステップ６０６に伝達される（６０４）。マトリックス操作方式又はソフトウェアループは、モデルが各時間ステップ増分時に連続して更新できるように作成される。全ての離散的制御システムは、設定制御スキャン速度でのコード実行により動作する。タービンコントローラにおいて、コードは通常、開始から終わりまでこのスキャン速度の範囲内の指定順序で実行される。このソフトウェア環境の反復性を利用して、指定時間ステップで流れモデルを介して人為的にループ化することができる。制御システムプラットフォームが、単一のスキャン速度でマトリックス計算及び操作を実施することができる場合には、流体流れモデルの比較的より単純な実施を利用することができる。

しかしながら、ソフトウェアプラットフォームが、単一コントローラスキャンでマトリックスを完全に操作することができない場合には、本明細書で説明するような付加的なループ方式を利用して、モデルマトリックスアレイ内の要素を連続更新する。幾つかのデジタル制御システムでは、マトリックス計算は、マトリックスから数値を「得ること」、必要な計算を実施すること、次いでその値をマトリックスアレイに「戻すこと」に限定される。この限定的なマトリックス計算は、流体流れモデルのようなマトリックスベース機能の実施を制限し複雑にする。流体流れモデルの実施を成功させるために、コントローラスキャンの反復性をこの場合も利用して、各マトリックス要素をループし、反復的に更新する。最小モデル時間ステップは、モデルアレイ内の要素の数に制御システムスキャン速度を乗算する積に制限される。

一次元境界マトリックス６０８及び一次元距離マトリックス６１０は、境界更新ステップ６０６中に更新される。マトリックス６０８において、ｂ（０）は流れ要素の特性を表し、対応するＤ（Δｔ)は要素が制御ボリューム又は管体の下に移動した距離を表す。要素は、順次インデックスが付けられ、該要素が制御ボリュームを通して移動し、例えば管体を通ってバーナまで移動していることを示す。コントローラの各スキャン中に、流れ要素は、第２の要素から始まり最終の流れ要素、例えば管体の端部での流れに隣接した流れ要素まで更新される。ｎ個の要素が存在する場合、アルゴリズムは、ｎ−１要素のマトリックスを更新することから開始する。ｎ番目の要素は、制御ボリュームから出る要素であり、従って、もはやアルゴリズムに対して対象となるものではない。

最新のスキャンに対する更新境界マトリックス要素６１２は、マトリックスシフトステップ６１４に送信されて、Ｂ（ｎ−１）として表わされる。Ｂ（ｎ−１）の値は、境界マトリックス６０８のｂ（ｎ）要素までシフトされ、境界更新ステップ６０６は、全ての境界要素のシフトが完了するまで反復して終了される。各要素のシフトは１つのコントローラスキャンを行い、その結果、３０個の要素を含むマトリックスには、モデル化された管体を移動する燃料の体積のモデルを実施するのに３０のコントローラスキャンが必要となる。

流れモデル反復ループにおける最終ステップは、流体特性マトリックス６１８を更新する（６１６）ことである。流体流れモデルを使用して流体の物理的特性をリアルタイムで追跡することができる。例えば、ガスタービンシステムでは、出力増大のために天然ガス燃料に水が付加されるガス燃料加湿システムを利用する。このシステムは、負荷サイクル中に乾式天然ガスと加湿燃料との間を移行する。発熱量が低い湿潤燃料の結果として、タービン出力における変動を防止するために、燃料流れモデルを使用して燃料・水混合気の濃度を追跡し、ガスタービン燃焼システムによってリアルタイムで燃焼されている燃料濃度を予測する。特性マトリックス更新６１６において、制御ボリュームへの入口における最新の流体特性が、特性マトリックスアレイ６１８内に第１の要素として挿入される。特性マトリックスアレイ６１８における最終要素は、既にモデル化が終えてもはや対象ではないものとしてモデルにおいて破棄される。

図７は、マトリックス要素ループが、１つのコントローラスキャンにおいてどのように更新されるかを示したデータフロー図である。幾つかの用途において、制御ボリューム全体における一定の流体密度は正確に仮定することができない。非定常密度流体流れを取扱う複数の方法が存在する。最初に、密度変化が発生する制御ボリュームにおいて設定ポイントが存在する場合、複数の流れモデルを使用して互いに平行に重ね合わせ、制御ボリューム全体における密度の影響を良好にモデル化することができる。或いは、密度変化が離散的でない場合には、平均密度が入口及び出口流れ密度に基づいて決定される。出口及び入口流体密度の変化が比較的小さい場合、密度補正マトリックスが次式に従ってこの小さい変化を考慮するように構成される。

上式で、
ρ＝流体流れ密度［ｌｂｓ／ｆｔ^３］
Δρ＝デルタ流体流れ密度［ｌｂｓ／ｆｔ^３］

上式で、
［ρ］＝密度補正マトリックス
Δρ＝デルタ流体流れ密度［ｌｂｓ／ｆｔ^３］。

この方式は、単一スキャンでマトリックス計算を実施することができる制御システムに適用することができ、従って、上述した反復ループの使用を必要としない。

図８は、本発明の実施形態によるガスタービンエンジンを運転する例示的な方法８００のフローチャートである。この例示的な実施形態では、方法８００は、燃料システム制御ボリュームモデルをノードポイントで分割される等間隔に配置された要素に分割することによって流れモデルを作成するステップ８０２と、モデル時間ステップ及び最小流体流量を使用して制御ボリュームを完全にモデル化するためのノードポイントの数、又はモデルメッシュサイズを決定するステップ８０４と、一次元境界マトリックス及び一次元特性マトリックスをゼロに初期設定するステップ８０６とを含む。本方法８００は更に、最新システム質量流量又は体積流量を反復して計算８１０し流れモデル一次元管体を通って移動する均等直線距離を決定するステップと、各境界値を直線移動距離だけ増分することによって境界マトリックスにおける境界を更新するステップ８１２と、境界流体特性マトリックスを更新するステップ８１４とを含む。本方法８００はまた、各時間ステップにおいて、制御ボリュームにおけるあらゆる位置での流体流れモデルの出力及び流体の物理的特性を決定するステップ８１６と、流れ制御装置で決定された燃料特性を使用してガスタービンエンジン燃料流れを制御するステップ８１８とを含む。

本明細書で使用する場合、プロセッサという用語は、中央処理装置、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、縮小命令セット回路（ＲＩＳＣ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、ロジック回路、及び本明細書で説明した機能を実行できるあらゆる他の回路又はプロセッサを意味する。

本明細書で使用する場合、用語「ソフトウェア」及び「ファームウェア」は同義的であり、ＲＡＭメモリ、ＲＯＭメモリ、ＥＰＲＯＭメモリ、ＥＥＰＲＯＭメモリ、及び不揮発性ＲＡＭ（ＮＶＲＡＭ）メモリを含む、プロセッサ２９によって実行するためメモリ内に記憶されるあらゆるコンピュータプログラムを含む。上述のメモリ形式は単なる例示的なものに過ぎず、従ってコンピュータプログラムの記憶装置に使用可能なメモリの形式に関して限定するものではない。

以上の明細書に基づいて理解されるように、本開示の上述の実施形態は、コンピュータソフトウェア、ファームウェア、或いはそのあらゆる組合せ又はサブセットを含むコンピュータプログラム又はエンジニアリング技術を使用して実施することができ、この技術的作用は、デジタル制御システムにおいて、制御ボリュームの流体流れ及び組成を時間単位で離散的にアクティブモデル化することであり、ここでは流れモデルへの入力は、流体密度、組成、流量、及び時間ステップ又はモデルメッシュサイズを含む。次いでモデルは、時間ステップ間隔毎に更新されるシステムの１−Ｄマップを作成する。コンピュータ読取り可能コード手段を有するこのような結果として得られるあらゆるプログラムは、１つ又はそれ以上のコンピュータ読取り可能媒体内で具現化され又は提供され、これにより本開示の検討された実施形態による、コンピュータプログラム製品、すなわち製造物品を形成することができる。コンピュータ読取り可能媒体は、例えば、限定ではないが、固定（ハード)ドライブ、ディスケット、光学ディスク、磁気テープ、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）のような半導体メモリ、及び／又はインターネット或いは他の通信ネットワークもしくはリンクのようなあらゆる送信／受信媒体とすることができる。コンピュータコードを含む製造物品は、１つの媒体からコードを直接実行することによって、又は１つの媒体から他の媒体にコードをコピーすることによって、或いはネットワーク上でコードを送信することによって実施及び／又は利用することができる。

上述の方法及び装置は、プロセス変数の少なくとも一部のリアルタイム測定が実施可能又は利用可能でない場合に、流体流れを自動的に連続してモデル化し、該モデルをデジタル制御システムに適用して、該流体流れを実際のリアルタイム運転条件に予測的に制御する、コスト効果があり信頼性のある手段を提供する。結果として、本明細書で説明した方法及び装置により、コスト効果があり信頼性のある方法でガスタービンエンジンの運転が可能になる。

流れモデルを使用してガス制御弁入口における燃料ガスの物理的特性を自動的に連続して決定して、ガス燃料流量ゲインに対する対応する補正を決定するための例示的な方法及び装置が上記で詳細に説明されている。例証された装置は、本明細書で説明した特定の実施形態に限定されるものでなく、むしろ、各々の構成部品は、本明細書で説明した他の構成部品から独立して別個に利用することができる。各システム構成部品はまた、他のシステム構成部品と組み合わせて使用することもできる。

本発明を種々の特定の実施形態について説明してきたが、本発明は請求項の精神及び範囲内にある変更形態で実施可能である点は当業者であれば理解されるであろう。

１０ ガスタービンエンジンシステム
１２ 圧縮機
１４ 燃焼器
１６ タービン
１８ 制御システム
２０ 入口ダクト
２１ 入口ガイドベーン
２２ 排気ダクト
２４ 発電機
２６ 温度センサ
２８ 燃料制御システム
２９ プロセッサ
３２ 調整弁（アクチュエータ）
２００ 燃料システム流れネットワーク
２０２ 対象ボリューム
２０４ 第１の入口流体ストリーム
２０６ 第２の入口流体ストリーム
２０８ 単一出口ストリーム
２１０ ガス制御弁
２１２ 入口燃料ヘッダ
２１４ 流れオリフィス
２１６ 温度センサ
２１８ タワー入口制御弁
２２０ 燃料加湿タワー
２２２ 第１の分岐路
２２４ タワーバイパス制御弁
２２６ 第２の分岐路
２２８ 温度センサ
２３０ 温度センサ
２３２ 共通燃料ヘッダ
２３４ 圧力センサ
２３６ 温度センサ
２３８ 性能ヒータ
２４０ 温度センサ
２４２ 洗浄装置
２４４ 濾過器
２４６ 圧力センサ
２４８ 温度センサ
２５０ 出口燃料ヘッダ
２５２ 補助ストッパ弁
２５４ 安全リリーフ弁
２５６ 圧力センサ
３００ 制御ボリュームモデル
３０２ 要素
３０４ ノードポイント
６００ データフロー図
６０２ 距離計算ステップ
６０４ 送信
６０６ 境界更新ステップ
６０８ 一次元境界マトリックス
６１０ 一次元距離マトリックス
６１２ 境界マトリックス要素
６１４ マトリックスシフトステップ
６１６ 特性マトリックス更新
６１６ 特性マトリックスアレイ
８００ 方法
８０２ 燃料システム制御ボリュームモデルをノードポイントで分割された等間隔に配置された要素に分けることによって流れモデルを作成する
８０４ モデル時間ステップ及び最小流体流量を使用して制御ボリュームを完全にモデル化するノードポイントの数、又はモデルメッシュサイズを決定する
８０６ 一次元境界マトリックス及び一次元特性マトリックスをゼロに初期設定する
８１０ 各境界値を直線移動距離だけ増分することによって境界マトリックスにおける境界を更新する
８１２ 境界流体特性マトリックスを更新する
８１４ 各時間ステップにおいて、流体流れモデルの出力と制御ボリュームにおけるあらゆる位置での流体の物理的特性を決定する
８１６ 流れ制御装置における決定された燃料特性を使用してガスタービンエンジン燃料流れを制御する

Claims (9)

1. 流れ制御装置からの燃料の流れを受けるように構成された少なくとも１つの燃焼器（１４）を含むガスタービンエンジンと、
   燃料制御システムと、
   を備えるガスタービンエンジンシステム（１０）であって、
   前記燃料制御システムが、
   燃料供給源からの燃料の流れを前記流れ制御装置に送るように構成された配管システムと、
   経時的に可変である燃料の流れ特性を示す信号を発生させるように構成されたセンサと、
   前記発生信号を受信し、前記配管システムの流れモデル及び前記受信信号を用いて前記配管システムを通って流れる複数の離散的ボリュームの進行を反復的に追跡し、前記流れ制御装置を使用して前記燃料の流れを制御するようにプログラミングされたプロセッサを有するコントローラと、
   を含み、
   前記流れモデルが、複数の制御ボリューム要素（３０２）に分割された一次元線形制御ボリュームを含み、前記制御ボリューム要素の個数が前記流れモデルメッシュを定める、
   ガスタービンエンジンシステム（１０）。
2. 前記一次元線形制御ボリュームにおける前記制御ボリューム要素（３０２）の個数が、次式を用いて決定される、請求項１に記載のガスタービンエンジンシステム（１０）。
   要素の個数＝Ｖｔｏｔ／（Ｑｍｉｎ * Δｔ）
   ここで、
   Ｑｍｉｎ＝燃料の最小可能体積流量、
   Ｖｔｏｔ＝全制御ボリューム、
   Δｔ＝モデル時間ステップ
   である。
3. 前記制御ボリューム要素（３０２）が各々、一次元アレイにおけるそれぞれの要素に対応する、請求項１に記載のガスタービンエンジンシステム（１０）。
4. 前記プロセッサ（２９）が更に、前記流れモデルの時間ステップ中に、該時間ステップ時の前記燃料の流れの体積流量、前記配管システムの断面積、及び前記流れモデル時間ステップを使用して、前記制御ボリューム要素（３０２）によって移動される直線距離を決定するようにプログラミングされる、
   請求項１に記載のガスタービンエンジンシステム（１０）。
5. 前記流れモデルは、各マトリックス要素が対応する前記制御ボリューム要素（３０２）の特性を有する一次元マトリックス（６０８）を含む、請求項１に記載のガスタービンエンジンシステム（１０）。
6. 前記プロセッサ（２９）が更に、前記コントローラの各スキャン中に１次元アレイの単一要素を更新するようにプログラミングされている、請求項１に記載のガスタービンエンジンシステム（１０）。
7. 前記プロセッサ（２９）が更に、各モデル時間ステップにおいて前記燃料の流れの物理的特性を自動的に決定するようにプログラミングされている、請求項１に記載のガスタービンエンジンシステム（１０）
8. 前記燃料の流れの物理的特性が前記燃料の含水量を含む、請求項７に記載のガスタービンエンジンシステム（１０）。
9. 前記プロセッサ（２９）が更に、前記流れモデルを通って前記要素が移動された直線距離を使用して各制御ボリューム要素（３０２）の境界を維持するようにプログラミングされている、請求項１に記載のガスタービンエンジンシステム（１０）。
   
   

Images