JP5789266B2 - 排気温度対タービン圧力比に基づくタービン制御方法および装置 - Google Patents
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Description
ttxr
tamb=[tambi]=[tamb1,tamb2,…,tamb7]
であり、ただし添え字iは、
tamb<tamb2の場合は2、
tamb2≦tamb<tamb3の場合は3、
tamb3≦tamb<tamb4の場合は4、
tamb4≦tamb<tamb5の場合は5、
tamb5≦tamb<tamb6の場合は6、
tamb6≦tambの場合は7
であり、式中、tambは実際の室温である。
igv=[igvj]=[igv1,igv2,…,igv6]として定められ、ただし、添え字jは、
igv<igv2の場合は2、
igv2≦igv<igv3の場合は3、
igv3≦igv<igv4の場合は4、
igv4≦igv<igv5の場合は5、
igv5≦igvの場合は6
であり、式中、igvは実際のigv角度である。
tnh=[tnhk]=[tnh1,tnh2,tnh3,tnh4]として定義され、添え字kは、
tnh<tnh2の場合は2であり、
tnh2≦tnh<tnh3の場合は3であり、
tnh3≦tnhの場合は4であり、
ただし、tnhは、実際のシャフト速度の割合である。i、jおよびkの値は、応用例によって異なり、多数の可能性を含み得る。
希薄燃料の場合、ttxl=[ttxli,j,k]、
希薄燃料の場合、tprl=[tprli,j,k]、
リッチ燃料の場合、ttxr=[ttxri,j,k]、および
リッチ燃料の場合、tprr=[tprri,j,k]
である。
ttxh=ttxha+Δttxh
によって与えられ、ただし、ttxhaは、最適なttxおよびtprの点でのガスタービンの動作についての参照曲線を定め、圧縮機入口圧力およびガスタービン排気圧降下を考慮もし、Δttxhは、タービンの入口圧力降下および排気圧降下が変化する間に、タービン入口温度を最適な値に維持するために使用されるttxhaの補正である。
ttxha=ttxhr・(LHV−LHVl)/(LHVr−LHVl)+ttxhl・(LHVr−LHV)/(LHVr−LHVl)
として定義され、ただし、ttxhaを定めるパラメータは、次のように定義され、すなわち、
ttxhr=ttxri-1+(ttxri−ttxri-1)/(tprri−tprri-1)・(tpr−tprri-1)、
ttxhl=ttxli-1+(ttxli−ttxli-1)/(tprli−tprli-1)・(tpr−tprli-1)
であり、
LHVは、実際の燃料の低い発熱量であり、
LHVlは、希薄燃料の低い発熱量であり、
LHVrは、リッチ燃料の低い発熱量である。
以下の双線形補間が適用され、すなわち、
ttxli-1=双線形補間(ttxli-1,j-1,k-1,ttxli-1,j,k-1,ttxli-1,j,k,ttxli-1,j-1,k,igv,tnh)=
ttxli-1,j-1,k-1(igvj−igv)/(igvj−igvj-1)・(tnhk−tnh)/(tnhk−tnhk-1)+
ttxli-1,j,k-1・(igv−igvj-1)/(igvj−igvj-1)・(tnhk−tnh)/(tnhk−tnhk-1)+
ttxli-1,j,k・(igv−igvj-1)/(igvj−igvj-1)・(tnh−tnhk-1)/(tnhk−tnhk-1)+
ttxli-1,j-1,k・(igvj−igv)/(igvj−igvj-1)・(tnh−tnhk-1)/(tnhk−tnhk-1)、
ttxli=双線形補間(ttxli,j-1,k-1,ttxli,j,k-1,ttxli,j,k,ttxli,j-1,k,igv,tnh)=
ttxli,j-1,k-1・(igvj−igv)/(igvj−igvj-1)・(tnhk−tnh)/(tnhk−tnhk-1)+
ttxli,j,k-1・(igv−igvj-1)/(igvj−igvj-1)・(tnhk−tnh)/(tnhk−tnhk-1)+
ttxli,j,k・(igv−igvj-1)/(igvj−igvj-1)・(tnh−tnhk-1)/(tnhk−tnhk-1)+
ttxli,j-1,k・(igvj−igv)/(igvj−igvj-1)・(tnh−tnhk-1)/(tnhk−tnhk-1)、
tprli-1=双線形補間(tprli-1,j-1,k-1,tprli-1,j,k-1,tprli-1,j,k,tprli-1,j-1,k,igv,tnh)=
tprli-1,j-1,k-1・(igvj−igv)/(igvj−igvj-1)・(tnhk−tnh)/(tnhk−tnhk-1)+
tprli-1,j,k-1・(igv−igvj-1)/(igvj−igvj-1)・(tnhk−tnh)/(tnhk−tnhk-1)+
tprli-1,j,k・(igv−igvj-1)/(igvj−igvj-1)・(tnh−tnhk-1)/(tnhk−tnhk-1)+
tprli-1,j-1,k・(igvj−igv)/(igvj−igvj-1)・(tnh−tnhk-1)/(tnhk−tnhk-1)、
tprli=双線形補間(tprli,j-1,k-1,tprli,j,k-1,tprli,j,k,tprli,j-1,k,igv,tnh)=
tprli,j-1,k-1・(igvj−igv)/(igvj−igvj-1)・(tnhk−tnh)/(tnhk−tnhk-1)+
tprli,j,k-1・(igv−igvj-1)/(igvj−igvj-1)・(tnhk−tnh)/(tnhk−tnhk-1)+
tprli,j,k・(igv−igvj-1)/(igvj−igvj-1)・(tnh−tnhk-1)/(tnhk−tnhk-1)+
tprli,j-1,k・(igvj−igv)/(igvj−igvj-1)・(tnh−tnhk-1)/(tnhk−tnhk-1)、
ttxri-1=双線形補間(ttxri-1,j-1,k-1,ttxri-1,j,k-1,ttxri-1,j,k,ttxri-1,j-1,k,igv,tnh)=
ttxri-1,j-1,k-1・(igvj−igv)/(igvj−igvj-1)・(tnhk−tnh)/(tnhk−tnhk-1)+
ttxri-1,j,k-1・(igv−igvj-1)/(igvj−igvj-1)・(tnhk−tnh)/(tnhk−tnhk-1)+
ttxri-1,j,k・(igv−igvj-1)/(igvj−igvj-1)・(tnh−tnhk-1)/(tnhk−tnhk-1)+
ttxri-1,j-1,k・(igvj−igv)/(igvj−igvj-1)・(tnh−tnhk-1)/(tnhk−tnhk-1)、
ttxri=双線形補間(ttxri,j-1,k-1,ttxri,j,k-1,ttxri,j,k,ttxri,j-1,k,igv,tnh)=
ttxri,j-1,k-1・(igvj−igv)/(igvj−igvj-1)・(tnhk−tnh)/(tnhk−tnhk-1)+
ttxri,j,k-1・(igv−igvj-1)/(igvj−igvj-1)・(tnhk−tnh)/(tnhk−tnhk-1)+
ttxri,j,k・(igv−igvj-1)/(igvj−igvj-1)・(tnh−tnhk-1)/(tnhk−tnhk-1)+
ttxri,j-1,k・(igvj−igv)/(igvj−igvj-1)・(tnh−tnhk-1)/(tnhk−tnhk-1)、
tprri-1=双線形補間(tprri-1,j-1,k-1,tprri-1,j,k-1,tprri-1,j,k,tprri-1,j-1,k,igv,tnh)=
tprri-1,j-1,k-1・(igvj−igv)/(igvj−igvj-1)・(tnhk−tnh)/(tnhk−tnhk-1)+
tprri-1,j,k-1・(igv−igvj-1)/(igvj−igvj-1)・(tnhk−tnh)/(tnhk−tnhk-1)+
tprri-1,j,k・(igv−igvj-1)/(igvj−igvj-1)・(tnh−tnhk-1)/(tnhk−tnhk-1)+
tprri-1,j-1,k・(igvj−igv)/(igvj−igvj-1)・(tnh−tnhk-1)/(tnhk−tnhk-1)、および
tprri=双線形補間(tprri,j-1,k-1,tprri,j,k-1,tprri,j,k,tprri,j-1,k,igv,tnh)=
tprri,j-1,k-1・(igvj−igv)/(igvj−igvj-1)・(tnhk−tnh)/(tnhk−tnhk-1)+
tprri,j,k-1・(igv−igvj-1)/(igvj−igvj-1)・(tnhk−tnh)/(tnhk−tnhk-1)+
tprri,j,k・(igv−igvj-1)/(igvj−igvj-1)・(tnh−tnhk-1)/(tnhk−tnhk-1)+
tprri,j-1,k・(igvj−igv)/(igvj−igvj-1)・(tnh−tnhk-1)/(tnhk−tnhk-1)
である。
Δttxh=ttxh・((pamb実際+Δp排気 参照)/(pamb実際+Δp排気))(γ/(1-γ))-1)+
((pamb実際−Δp入口 参照)/(pamb実際−Δp入口))(γ/(1-γ))-1))によって与えられ、
ただし、γ=a・tpr+bであり、aおよびbは一定であり、γは、ガスタービンのポリトロープ拡張(p・t((1-γ)/γ)=一定)にフィットするようになされる。
ΔPK=Δttxr・(LHV−LHVl)/(LHVr−LHVl)+Δttxl・(LHVr−LHV)/(LHVr−LHVl)によって与えられ、
LHVは、実際の燃料の最低発熱量、
LHVlは、希薄燃料の最低発熱量、
LHVrは、リッチ燃料の最低発熱量、
Δttxl=Δttxli-1+(Δttxli−Δttxli-1)・(tamb−tambi-1)/(tambi−tambi-1)、および
Δttxr=Δttxri-1+(Δttxri-1−Δttxri-1)・(tamb−tambi-1)/(tambi−tambi-1)である。
Δp排気=aa・p排気・v2−(ρ空気−ρ排気)・Δh、この式は、
aa・ρ排気・v2=aa・ρ排気・(W排気/(ρ排気・ab))2=
aa・(W排気/ab)2/ρ排気=a/ρ排気・W排気2のように書き直すことができる。
ρ排気=ρ排気 参照・ttx参照/ttx実際・pamb実際/pamb参照
のように表すことができる。
大気密度は、
ρ空気=ρ空気 参照・tamb参照/tamb実際・pamb実際/pamb参照、
のように表すことができ、ただし、
ρ排気は、ttx実際温度およびpamb実際周囲気圧での排気の密度、
ρ排気 参照は、ttx参照温度およびpamb参照周囲気圧での排気の密度、
ρ空気は、実際の圧力および温度での大気の密度、
ρ空気 参照は、参照圧力および温度での大気の密度、
Δhは、ガスタービンの排気と、外気への煙道の吐出との間の高度差、
vは、煙道内部の排気速度、
ttx参照は、参照排気温度、
ttx実際は、実際の排気温度、
pamb参照は、参照周囲気圧、
pamb実際は、実際の周囲気圧、
W排気実際は、実際の排気の質量流量、および
aは、特定の排気ダクトに典型的な定数である。
W空気実際=SGha・p入口実際/p入口参照・(f3・x3+f2・x2+f1・x+f0)・f4・W空気参照・k、ただし、
f0=a0・y3+b0・y2+c0・y、
f1=a1・y3+b1・y2+c1・y、
f2=a2・y3+b1・y2+c2・y、
f3=a3・y3+b1・y2+c3・y、
tnh実際/tnh参照<tnh閾値の場合、f4=a41・z3+b41・z2+c41・z+d41、
tnh実際/tnh参照≧tnh閾値の場合、a42・z3+b42・z2+c42・z+d42、
x=igv実際/igv参照、
y=tnh実際/tnh参照・(t入口参照/t入口実際)0.5、
z=tnh実際/tnh参照・(t入口参照/t入口実際)、ならびに
aiおよびaijは、応用特有の定数である。
fa比=W燃料実際/W空気実際=W燃料参照/W空気参照・LHV参照/LHV実際=fa比 参照・LHV参照/LHV実際。
W排気実際=W空気実際・(1−IBH一部)・(1+fa比 参照・LHV参照/LHV実際)として評価される。
SGha=ρha/ρda、
mha=mda+mwv、
mda=mha・(1−sh)、
mwv=mha・sh、および
vha=mha/ρha=mda/ρda+mwv/ρwv
である。
mha=mda・ρha/ρda+mwv・ρha/ρwvが得られる。ただし、
ρha/ρda=SGhaおよびρha/ρwv=ρha・ρda/ρda・ρwv=SGha/SGwvである。
mha=mda・ρha/ρda+mwv・ρha/ρwv=mda・SGha+mwv・SGha/SGwv、または
mha=(1−sh)・mha・SGha+sh・mha・SGha/SGwvである。
この最後の式をmhaで割ると、
1=(1−sh)・SGha+sh・SGha/SGwv、または
SGwv=SGha・((1−sh)・SGwv+sh)である。
最終的に、
SGha=SGwv/((1−sh)・SGwv+sh)である。
p入口実際は、圧縮機入口での実際の空気圧であり、
p入口参照は、圧縮機入口での参照空気圧であり、
tambは、室温であり、
t入口実際は、圧縮機入口での実際の空気湿度であり、少なくとも2つの熱電対を用いて測定することができ、それによって熱電対の最大の読取り値が、t入口実際であると考えられ、または1つの熱電対が故障しているおよび/または読取り値の差があまりに大きい(例えば10F)場合、tambは、t入口実際と考えられる。
t入口参照は、圧縮機入口での参照空気湿度であり、
tnh実際は、圧縮機の実際の速度であり、
tnh参照は、圧縮機の参照速度であり、
igv実際は、実際のigv角度であり、
igv参照は、参照igv角度であり、
W空気実際は、圧縮機入口での実際の空気質量流量であり、
W空気参照は、圧縮機入口での参照空気質量流量であり、
W排気実際は、実際の排気の質量流量であり、
W燃料実際は、燃料の質量流量であり、
IBH一部は、圧縮機吐出からブリードした空気の一部であり、
fa比 参照は、参照燃料空気質量比であり、
LHV参照は、参照ガス燃料のLHVであり、
LHV実際は、実際のガス燃料のLHVであり、
shは、空気比湿であり、
SGxxは、xxの比重(以下の添え字の並びを参照)であり、
ρxxは、xxの密度(以下の添え字の並びを参照)であり、
mxxは、xxの質量(以下の添え字の並びを参照)であり、
vxxは、xxの体積(以下の添え字の並びを参照)であり、
haは、湿っぽい空気であり、
wvは、水蒸気であり、および
daは、乾燥空気である。
− f1=a1・y3+b1・y2+c1・y、
− f2=a2・y3+b1・y2+c2・y、
− f3=a3・y3+b1・y2+c3・y、
− tnh実際/tnh参照<tnh閾値の場合、f4=a41・z3+b41・z2+c41・z+d41、および、
− tnh実際/tnh参照≧tnh閾値の場合、a42・z3+b42・z2+c42・z+d42。
12 圧縮機
14 燃焼器
16 タービン
18 コンピュータ制御システム(コントローラ)、メインコントローラ、コントローラ
20 入口ダクト、入口
21 入口案内翼
22 排気ダクト
24 発電機
26 センサ
27 アクチュエータ
28 燃料制御システム
29 アクチュエータ
30 ガスタービン
32 圧縮機
34 センサ
36 入口ダクト
40 燃焼器
42 経路
44 送りダクト
45a 弁
45b 弁
50 タービン
52 ダクト、入口ダクト
54 発電機
56 シャフト
58 シャフト
60 出口ダクト、出口、点、位置
70 制御装置、コントローラ
72 入力ポート
74 出力ポート
80 点、位置
90 曲線
92 接線
100 温度制御曲線、制御曲線、曲線
102 温度制御曲線、制御曲線、曲線
104 参照排気温度曲線、曲線、参照排気温度曲線ttxh、ttxh曲線
110 データセレクタユニット、壁
112 補間器ユニット、補間器、一次バーナ
114 データセレクタユニット、二次バーナ
116 補間器、燃料供給ライン
118 計算ユニット、燃料供給ライン
120 線形補間器、一次領域
122 点火ユニット
124 火炎
126 二次領域
140 データセレクタユニット
142 双線形補間器ユニット、補間器
144 データセレクタユニット
146 補間器ユニット、補間器
148 計算ユニット
150 線形補間器
200 一次モード
202 希薄−希薄モード、希薄−希薄プレフィルモードサブモード
204 希薄−希薄モード、希薄−希薄過渡モード
206 希薄−希薄モード、希薄−希薄定常状態、希薄−希薄定常状態モード
220 閾値曲線ttxth、曲線
222 曲線
224 ttxth+Δttx1閾値曲線
240 曲線ttxh、曲線
242 曲線
250 予混合二次、予混合二次モード
260 動作点、ガスタービンの動作点
260a 位置
260b 位置
260c 動作点
262 曲線、閾値曲線
264 曲線、閾値曲線
266 ttxh曲線、ttxh
270 等温曲線
280 予混合過渡、予混合過渡モード
290 予混合定常状態、予混合定常状態モード、予混合モード、予混合モード
300 動作点
300a 新しい位置
900 コントローラ
902 処理/制御装置、処理装置、プロセッサ
904 記憶装置/メモリ
906 特定用途プログラム、プログラム、特定用途アプリケーション
908 データ
910 ユーザインタフェース
912 ディスプレイ
914 キーパッド
916 スピーカ
918 マイクロフォン
920 デジタル信号プロセッサ(DSP)
922 送受信機
924 アンテナ
Claims (9)
- 圧縮機、燃焼器、および少なくともタービンを備えるガスタービンの動作点を制御する方法であって、
前記タービンの排気管でタービン排気圧を決定するステップと、
前記圧縮機で圧縮機吐出圧力を測定するステップと、
前記タービン排気圧および前記圧縮機吐出圧力に基づいてタービン圧力比を決定するステップと、
前記タービン圧力比の関数として前記タービンの前記排気管で排気温度を計算するステップと、
前記排気温度および前記タービン圧力比によって定めた平面内の参照排気温度曲線を特定するステップであって、前記参照排気温度曲線が、前記ガスタービンを動作させるのに最適であるそれらの点を含む、特定するステップと、
前記動作点を前記参照排気温度曲線上に維持するように前記ガスタービンを制御するステップと、
を含む、方法。 - 前記動作点を前記参照排気温度曲線上に維持するように前記圧縮機の入口に配設した入口案内翼の角度を調整するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記参照排気温度曲線を使用して前記燃焼器の入口温度を制御するステップをさらに含み、前記入口温度が、前記タービンの第1段ノズルの下流の燃焼生成物の温度である、
請求項1または2記載の方法。 - タービン排気圧を決定する前記ステップが、
前記タービンの煙道中の質量の流れによる排気圧降下を計算するステップと、
煙突効果による圧力回復を計算するステップであって、前記煙突効果が、前記タービンの前記排気管と大気への煙道吐出との間の高度差によるものである、圧力回復を計算するステップと、
前記質量の流れおよび前記圧力回復による前記排気圧降下を共に加えて前記タービン排気圧を得るステップと
を含む、請求項1乃至3のいずれか記載の方法。 - 前記タービン圧力比を決定する前記ステップが、前記圧縮機吐出圧力を前記タービン排気圧で割って前記タービン圧力比を得るステップを含む、請求項1乃至4のいずれか記載の方法。
- 前記排気温度を計算する前記ステップが、
前記排気温度および前記タービン圧力比によって定めた前記平面内の前記ガスタービンについての複数の動作点を特定するステップと、
前記特定した複数の点に複数の双線形補間を適用するステップと、
希薄ガスについての点の第1の集合、およびリッチガスについての点の第2の集合を決定するステップと、
を含む、請求項1乃至5のいずれか記載の方法。 - 線形補間を前記第1の集合および前記第2の集合内の同じタービン圧力比を有する点に適用するステップをさらに含む、請求項1乃至6のいずれか記載の方法。
- ポリトロープ補正を前記線形補間の結果に適用して設定点の排気温度を計算するステップをさらに含む、請求項7に記載の方法。
- ガスタービンの動作点を制御する制御装置を有するガスタービンであって、
流体を圧縮するように構成される圧縮機と、
前記圧縮機の吐出部に接続され、圧縮流体と燃料を混合するように構成される燃焼器と、
前記圧縮機に接続され、前記燃焼器からの燃焼したガスを膨張させて前記ガスタービンの出力へパワーを発生させるように構成される少なくともタービンと、
圧縮機吐出圧力を測定するために前記圧縮機の前記吐出部に設けた圧力センサと、
前記圧力センサと通信するプロセッサであって、
前記タービンの排気管でタービン排気圧降下を決定し、
前記タービン排気圧および前記圧縮機吐出圧力に基づいてタービン圧力比を決定し、
前記タービン圧力比の関数として前記タービンの前記排気管で排気温度を計算し、
前記排気温度および前記タービン圧力比によって定めた平面内の参照排気温度曲線を特定し、ただし、前記参照排気温度曲線が、前記ガスタービンを動作させるのに最適であるそれらの点を含むものであり、
前記動作点を前記参照排気温度曲線上に維持するように前記ガスタービンを制御する
ように構成されるプロセッサと、
を備える、ガスタービン。
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