JP6294640B2 - ガスタービン作動のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本明細書に開示される主題は、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には特定のガスタービンの作動特性をガスタービンのエンジンの製品寿命にわたって維持するためのシステムおよび方法に関する。

ガスタービンエンジンは一般に、圧縮機、燃焼器およびタービンを含む。圧縮機は、空気取り入れ口からの空気を圧縮し、その後圧縮された空気を燃焼器に誘導する。燃焼器では、圧縮機から受け取った圧縮空気は、燃料と混合され、燃焼されて燃焼ガスを生成する。燃焼ガスはタービンへと誘導される。タービンでは、燃焼ガスはタービンのタービンブレードにぶつかるようにその周りを流れ、これによりタービンの回転および任意の外部負荷を駆動させる。外部負荷は、発電機を含む場合がある。ガスタービンエンジンが作動する際、構成要素が劣化および／または汚れる場合があり、これによりシステムの寿命にわたって性能が低下することになる。性能の低下は、ガスタービンエンジンの出力および／または効率の低下ならびに作動コストの増加の形態であり得る。

本発明で元々主張されている範囲に見合った特定の実施形態を以下に概説する。これらの実施形態は、主張される発明の範囲を限定することは意図するものではなく、これらの実施形態は、単に本発明の可能な形態の簡単な概略を提供することを意図している。当然のことながら、本発明は、以下に記載される実施形態と同様の、あるいはそれと異なる可能性のある様々な形態を包含することができる。

米国特許出願公開第２０１１／００５４９６５号明細書

第１の実施形態では、システムは、ガスタービンエンジンの１つまたは複数の構成要素のフィードバックおよび予測される耐用年数に基づいて、ガスタービンエンジンの１つまたは複数のパラメータを調節することで、ガスタービンエンジンの劣化に応じて、閾値レベルを超える動力出力または効率の少なくとも一方の低下に実質的に対処するように構成されたコントローラを含む。

第２の実施形態では、方法は、ガスタービンエンジンを作動させるステップと、新しく清潔な状況におけるガスタービンエンジンの基準負荷動作に基づいて基準出力値を決定するステップとを含む。方法はまた、矯正パラメータを取得するステップと、少なくとも一部が基準出力値および矯正パラメータに基づいて目標出力値を決定するステップとを含む。これに加えて、本発明は、ガスタービンエンジンの出力値を監視するステップと、この出力値と目標出力値を比較するステップと、出力値と目標出力値の差が閾値より小さくなるようにガスタービンエンジンの１つまたは複数の作動条件を調節するステップとを含む。出力値と目標出力値の差は、新しい清潔な状況と比べて、少なくとも一部がガスタービンエンジンの劣化および／または汚れによって生じる。

第３の実施形態では、方法は、ガスタービンエンジンを作動させるステップと、新しく清潔な状況におけるガスタービンエンジンの基準負荷動作に基づいて基準出力値を決定するステップとを含む。方法はまた、基準負荷におけるガスタービンエンジンの１つまたは複数の構成要素の予測される耐用年数を決定するステップと、ガスタービンエンジンの第１の構成要素の目標耐用年数を決定するステップと、少なくとも一部が基準出力値および目標耐用年数に基づいて計算された出力値を決定するステップとを含む。さらに、方法は、ガスタービンエンジンの出力値を監視するステップと、出力値と計算された出力値を比較するステップと、出力値と計算された出力値の差が閾値より小さくなるようにガスタービンエンジンの１つまたは複数の作動条件を調節するステップとを含む。

本発明の上記のおよび他の特徴、様相および利点は、以下の詳細な記載を添付の図面を参照してよむことでより適切に理解されるようになるであろう。この図面では同様の符号は図面を通して同様の部品を表している。

所望のガスタービンシステムの作動特性を製品寿命にわたって維持するためのシステムおよび方法を取り込んだガスタービンシステムの一実施形態の概略ブロック図である。 図１のガスタービンシステムの出力を維持するための方法の一実施形態のフロー図である。 図１のガスタービンシステムの構成要素の製品寿命を維持するための方法の一実施形態のフロー図である。 入り口ガイドベーン（ＩＧＶ）の角度および燃焼温度の変化に応じたガスタービン動力の変化を示すグラフである。 入り口ガイドベーン（ＩＧＶ）の角度および燃焼温度の変化に応じたガスタービン加熱速度の変化を示すグラフである。

本発明の１つまたは複数の特定の実施形態を以下に記載する。このような実施形態を簡潔に記載するために、実際の実装形態の全ての機能が、本明細書に記載されていない場合もある。このような実際の実装形態の、何らかの設計または設計プロジェクトでの開発において、例えばシステム関連および商業関連の制約に準拠するなど、この開発者の特定の目的を達成するために多数の実装形態に固有の決定を行う必要があり、これは実装形態によって異なる可能性があることを理解されたい。さらにこのような開発の取り組みは、複雑で時間がかかるものではあるが、それでもやはり、本開示の恩恵を有する当業者にとって、設計、作製および製造を請け負うことは日常的であることを理解されたい。

本発明の様々な実施形態の要素を導入する際、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」および［ｓａｉｄ」は、その要素の１つまたは複数が存在することを意味することを意図している。用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、包括的であることが意図されており、列記される要素以外の付加的な要素が存在し得ることを意味している。

以下で詳細に考察するように、開示される実施形態は、ガスタービンエンジンの構成要素の製品寿命に対してガスタービンエンジンの出力値を維持するためのシステムおよび方法を提供する。新しい清潔な状態では、ガスタービンエンジンは典型的には、最も好ましい出力を生成し、これは基準出力値と呼ばれてよい。ガスタービンエンジンの効率およびコスト効果を保つために、ガスタービンエンジンの作動を基準出力値に、またはおおよそその値に維持することが恐らく望ましい。少なくとも１つの矯正パラメータ（概ね環境条件に基づく）が基準出力値に適用され、ガスタービンエンジンのタービンに関する目標出力値を決定する。この目標出力値は、ガスタービンエンジンの少なくとも１つの作動条件を調節することによって、ガスタービンエンジンの製品寿命を通して維持することができる。

例えば監視され維持され得る出力値には、これに限定するものではないが動力出力、加熱速度またはそれらの組み合わせが含まれてよい。ガスタービンエンジンの動力出力は、シャフトが回転する際に生成される電気出力であってよく、これはワットで測定されてよい。ガスタービンの加熱速度は、それがガスタービンに流れ込む燃料のエネルギー値をガスタービンによる動力出力と比較するため、効率測定値と同様である（例えば加熱速度は、燃料の流量に燃料加熱値を掛け、ガスタービンの動力出力で割ったものに等しい）。さらに調節され得る作動条件には、これに限定するものではないが、燃焼温度、排気温度、燃料の流量、燃料組成（例えば１つまたは複数の燃料）、燃料加熱値、酸化剤の酸素含有量（例えば、空気、酸素が豊富な空気、酸素が少ない空気または純粋な酸素）、燃料と空気の比率、燃料の温度、燃焼力学、排出物の流量、入り口ガイドベーンの角度またはそれらの組み合わせが含まれてよい。このようにして、ガスタービンエンジンの出力値が、おおよそ基準出力目標値に維持されることで、システムの製品寿命またはメンテナンス計画にマイナスの影響を与えることなくシステムの効率を上げることができる。しかしながら代替の実施形態では、ガスタービンエンジンの作動条件は、ガスタービンエンジンの出力値が、目標出力値より十分に大きいまたは十分に小さくなるように調節されることで、ガスタービンエンジンの製品寿命要件またはメンテナンス計画要件を満たすことができる。例えばガスタービンエンジンの構成要素のメンテナンス計画は、タービンの製品寿命が終わる前に予定される場合、ガスタービンエンジンの作動条件は、出力値がメンテナンスに影響することなく、基準出力目標値を超えるように調節される場合もある。この方法において、最大出力および／または加熱速度は、計画停電以前にガスタービンエンジンから導き出されてよい。ガスタービンエンジンは、コントローラおよび１つまたは複数のセンサを組み込むことで、ガスタービンエンジンの出力値を監視し作動条件を調節することができる。

ここで図面に注目すると、図１は、ガスタービンエンジン１２を有するガスタービンシステム１０の一実施形態のブロック図を示している。以下で考察するように、システム１０は、制御システム３６を含んでおり、これはガスタービンエンジン１２の様相を監視し制御することで性能の劣化および／または低下に対処しており、具体的には監視されたフィードバックに応じて基準負荷出力、加熱速度および種々の他の出力を維持する。ガスタービンシステム１０は、液体、または天然ガスおよび／または合成ガスなどのガス状の燃料を使用してガスタービンシステム１０を駆動させることができる。描かれるように、１つまたは複数の燃料ノズル１４が、燃料の供給１６を取り入れることができる。各々の燃料ノズル１４はその後、燃料と酸化剤（例えば空気）を混合し、燃料と空気の混合気を燃焼器１８に分配することができる。複数の燃焼器１８が、ガスタービンエンジン１２の周りに円周方向に配列されてよい。さらなる混合作用が、燃焼器１８において燃料と空気の間で行なわれる。燃焼器１８の外にまたはそれとは別個になるように概略的に示されているが、燃料ノズル１４は、燃焼器１８の内側に配設される場合もある。燃料と空気の混合気は、燃焼器１８のチャンバ内で燃焼し、これにより高温の加圧燃焼ガスを形成する。燃焼器１８は燃焼ガスをタービン２０を通って、排気出口２２に向けて誘導する。燃焼ガスがタービン２０を通過する際、ガスがタービン２０内でブレードを押すことで、シャフト２４をガスタービンシステム１０の長手軸に沿って回転させる。

示されるように、シャフト２４は、ガスタービンシステム１０の様々な構成要素に接続されており、これには圧縮機２６も含まれる。圧縮機２６はまた、シャフト２４に結合された圧縮機ブレードを含む。シャフト２４が回転する際、圧縮機２６内の圧縮機ブレードもまた回転し、これによって空気取り入れ口３０からの周辺空気２８を圧縮する。空気取り入れ口３０は、一連の入り口ガイドベーン（ＩＧＶ）３２を介して周辺空気２８を供給することができ、この入り口ガイドベーンは、圧縮機２６へと運ばれる周辺空気２８の量を調節する。ＩＧＶ３２は、一定の角度で配設されてよく、この角度を拡大させたり縮小させたりすることで、圧縮機２６への周辺空気２８を増減させることを可能にする。シャフト２４はまた、負荷３４に結合されてよく、この負荷は、車両または固定負荷であってよく、これは、例えば発電所の発電機または航空機のプロペラなどであってよい。負荷３４は、タービンシステム１０の回転出力によって動力を与えることが可能な任意の好適な装置を含むことができる。

制御システム３６を使用して、ガスタービンエンジン１２の作動を制御することで、ガスタービンシステム１０の作動効率を上げることができる。例えば制御システム３６を使用してガスタービンエンジン１２の種々のパラメータを監視し、調節することができる。詳細にはコントローラ３８は、持続性の、機械による読出し可能な媒体（例えばメモリ３７）に記憶され、１つまたは複数のプロセッサ３９上で実行可能な指示を含むことができる。コントローラ３８はまた、多様なセンサ４０と通信することで、ガスタービンエンジン１２の様相を監視することができる。特定の実施形態において、コントローラ３８が、工業用コントローラ３８を含む場合があり、これは二重または三重の冗長コントローラであり、２つ、３つまたはそれ以上のプロセッサ３９を備える。例えばプロセッサ３９は、汎用または特定用途向けマイクロプロセッサを含む場合がある。いくつかの実施形態において、コントローラ３８は、特定用途向けまたは汎用コンピュータを含む場合がある。同様にメモリ３７は、揮発性および／または不揮発性メモリ、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ、ハードディスクドライブ、取り外し可能ディスクドライブおよび／または取り外し可能ディスク（例えばＣＤ、ＤＶＤ、ブルーレイディスク、ＵＳＢペンドライブなど）ならびにそれらのいずれかの組み合わせを含むことができる。特定の構成要素に関わらず、メモリ３７に記憶された指示は、開示される実施形態の様々な監視、分析および制御機能を実行するように特別に設計されてよい。描かれる実施形態ではコントローラ３８は、センサ４０と相互作用することができ、これらのセンサには、排気温度センサ４２、周辺温度センサ４４、周辺空気圧センサ４６およびＩＧＶ角度センサ４８が含まれる。さらにコントローラ３８は、作動弁５０およびＩＧＶアクチュエータ５２と相互作用することで、以下に詳細に記載されるようにガスタービンエンジン１２の作動を調節することができる。

図２は、ガスタービンエンジン１２の出力をガスタービンエンジン１２の製品寿命（操作者、製造元などによって確立された）を通して維持することで、ガスタービンエンジン１２の効率を改善させるための方法７０を描くフロー図である。特定の実施形態において、方法７０は、メモリ３７に記憶されコントローラ３８のプロセッサ３９によって実行可能な指示またはコードを含むことができる。よって方法７０の各々のステップは、このような指示またはコードを含む場合があり、またセンサフィードバック、数学的アルゴリズム、コンピュータ／数学的モデル、履歴データおよびトレンド、ルックアップテーブル、知識ベースデータ、エキスパートデータ、市場／価格データなどを採用する場合がある。先に挙げたように、ガスタービンエンジン１２は、新しいおよび／または清潔な装置として最大出力を生成することができる。しかしながらガスタービンエンジン１２の製品寿命全体を通して、ガスタービンエンジン１２の内部構成要素は劣化し、その結果出力および効率が低下する可能性がある。よってガスタービンエンジン１２の最初の作動時に（ブロック７２）、新しいおよび／または清潔な作動時のタービンの出力値に相当する基準出力値が決定されてよい（ブロック７４）。例えば基準出力値は、動力出力および／または加熱速度であってよい。基準出力値は、制御システム３６内に記憶され（例えばメモリ３７に）、ガスタービンエンジン１２がその作動を通して劣化／汚れたときに得られる出力値と比較することができる。

制御システム３６の精度を改善するために、複数の矯正パラメータが取得されてよい（例えばセンサ４０によって）（ブロック７６）。矯正パラメータは、情報（例えば数学式、データ、トレンド、履歴データ、コンピュータモデル、知識ベースデータ、エキスパートデータなど）および制御システム３６に（例えばメモリ３７に）記憶された指示と共に使用され、ガスタービンエンジン１２の特殊な傾向およびガスタービンエンジン１２の環境の影響を打ち消すことができる。このような矯正パラメータには、温度センサ４４によって測定された周辺空気２８の温度、圧力センサ４６によって測定された周辺空気２８の圧力、周辺空気２８の湿度、圧縮機２６の入り口温度、ガスタービンエンジン１２の圧力損失および／または排気口２２の圧力のロスが含まれてよい。例えば矯正パラメータは、空気の密度が高く、タービン２０を通る質量流量が自然と増大する低温の日に考慮され、これにより圧縮機２６および／または燃焼器１８からの要件を軽減することができる。

目標出力値は、基準出力値および少なくとも１つの矯正パラメータに基づいて決定されてよい（ブロック７８）。さらに目標出力値は、操作者、製造元などによって提供されるガスタービンエンジン１２の製品寿命の考慮すべき問題を反映する場合がある。この方法において、方法７０を採用することで、ガスタービンエンジン１２がその全体の作動を通して、ガスタービンエンジン１２の製品寿命および／またはメンテナンス計画に影響を与えることなく、目標出力値を生成する（すなわち性能が劣化せずに）ことを可能にすることができる。ガスタービンエンジン１２が作動する際、制御システム３６は、出力値（例えば実際の出力値）を監視することができる（ブロック８０）。監視された出力値は、動力出力および／または加熱速度であるため、基準出力値および目標出力値と比較可能であり得る。制御システム３６は、作動時に得られた出力値を基準出力値（例えば新しいおよび／または清潔な作動に基づいた）から決められた目標出力値と比較するようにコード化されてよい（ブロック８２）。作動中、制御システム３６が、出力値と、目標出力値の差が閾値より大きいと感知した場合、ガスタービンエンジン１２の出力値が、目標出力値とおおよそ等しくなるように、ガスタービンエンジン１２の少なくとも１つの作動条件が調節されてよい（ブロック８４）。換言すると、作動条件を調節することで、ガスタービンエンジン１２の出力値を増大させ、相対的に一定であり基準出力値とおおよそ等しくなるように維持し、これによりガスタービンエンジン１２の総出力および効率を経時的に増大させることができる。

調節可能な作動条件には、燃焼器１８内の燃焼温度、温度センサ４２によって測定される排気口２２の温度、弁５０によって制御される燃料の流量、燃料組成（例えば１つまたは複数の燃料）、燃料加熱値、酸化剤の酸素含有量（例えば、空気、酸素が豊富な空気、酸素が少ない空気または純粋な酸素）、燃料と空気の比率、燃料の温度、燃焼力学、排出物の流量、ＩＧＶアクチュエータ５２によって制御される際のＩＧＶ３２の角度またはそれらの組み合わせが含まれてよい。例えば、出力値が目標出力値より小さい場合、制御システム３６は、燃焼器１８内の燃焼温度を上げるための指示を与えることで、タービン２０に流入する燃焼ガスのエネルギーを増大させ、これによりガスタービンエンジン１２の動力出力を増大させることができる。あるいはコントローラ３８は、排気口２２において測定される温度を上昇させる場合もあり、これもまた燃焼温度の上昇に起因してよい。さらに制御システム３６は、作動弁５０を開放して、燃焼器１８に送られる燃料の流量を上げることによって、燃焼温度を上昇させることができる。制御システム３６はまた、ＩＧＶアクチュエータ５２を使用してＩＧＶ３２を開放させることによって、燃焼器１８に供給される酸化剤の量を増加させる場合もある（例えば、タービンを通る総質量流量を増大させる）。ガスタービンエンジン１２の作動は、出力値（例えば加熱速度および／または動力出力）が目標出力値とおおよそ一致するように実質的に維持されてよい。ガスタービンエンジン１２の構成要素の作動限界（例えば圧力、温度など）は、調節可能な作動条件に関する許容可能な範囲を制限することで、加速する構成要素の劣化に対抗するように保護し、製品寿命を保持することができる。例えば燃焼器１８材料は、最大燃焼温度を限定する場合がある。これに加えて、ＩＧＶ３２および作動弁５０は、幾何学的および／または物理的に課せられ、超えることができない完全に開放した位置を有する。ガスタービンエンジン１２の出力値の増加に関して先に記載したが、上記の調節は、先に記載したように低温の日など、出力値を低下させるために適用される場合もある。

図３は、ガスタービンエンジン１２の構成要素の製品寿命に基づいてタービン２０を作動させることにより、ガスタービンエンジン１２の効率および総動力生成を改善させるための方法１００を描くフロー図である。特定の実施形態において、方法１００は、メモリ３７に記憶されコントローラ３８のプロセッサ３９によって実行可能な指示またはコードを含むことができる。よって方法１００の各々のステップは、このような指示またはコードを含むことができ、またセンサフィードバック、数学的アルゴリズム、コンピュータ／数学的モデル、履歴データおよびトレンド、ルックアップテーブル、知識ベースデータ、エキスパートデータ、市場／価格データなどを採用する場合がある。例えばタービン２０（またはガスタービンエンジン１２のいずれかの異なる構成要素）がメンテナンス停電を要求する前に、ガスタービンエンジン１２の構成要素がメンテナンス停電を要求した場合、タービン２０は、増大した出力と引き換えとなり得る余剰の製品寿命を有することになる。したがってガスタービンエンジン１２は、目標出力値を超えて作動される場合があり、これはタービン２０の製品寿命を縮めることになる。この方法において、最大量の出力は、余剰の製品寿命を犠牲にすることによって、ガスタービンエンジン１２の計画停電以前にタービン２０から引き出すことができる。さらにいくつかの実施形態において、方法１００は、高まる顧客の要求、例えば電力要求など、リアルタイムの電気の価格付け、他の発電所の停電などに基づいて、製品寿命および／またはメンテナンス計画を単に調節する目的でガスタービンエンジン１２の操作者によって利用される場合もある。あるいは方法１００は、停電を延期するためにガスタービンエンジン１２の製品寿命を延ばすために利用される場合もある。そのような一実施形態において、ガスタービンエンジン１２は、目標出力値以下で作動されることで、製品寿命および作動期間を延ばすことができる。例えばタービン２０が、システム全体１０の停電より数週間前に停電を予定された場合、ガスタービンエンジン１２は、タービン２０の使用可能な寿命をシステム１０のものと等しくなるまで延ばす目的で目標出力値以下で作動される場合がある。

ガスタービンエンジン１２は、基準出力値を決定する（ブロック１０４）ために最初は作動されてよい（ブロック１０２）。先に記載したように、基準出力値は、ガスタービンエンジン１２の新しいおよび／または清潔な作動に基づいているため基準出力値として最大出力値を取得することができる。基準出力値は、ガスタービンエンジン１２の動力出力および／または効率であってよい。基準出力値を利用して、ガスタービンエンジン１２の構成要素の製品寿命に基づいて、ガスタービンエンジン１２の予測される耐用年数（例えば製品寿命モデル）を決定することができる（ブロック１０６）。一般に、製造元は、基準出力値におけるガスタービンエンジン１２の予測される耐用年数の推奨を提供する場合がある。さらにガスタービンエンジン１２の目標の耐用年数を決定することができる（ブロック１０８）。特定の実施形態において、目標耐用年数は、ガスタービンエンジン１２の構成要素の製品寿命に基づく場合がある。例えばガスタービンエンジン１２は、圧縮機２６のメンテナンス停電がガスタービンエンジン１２の他の構成要素のメンテナンス日に先行することが原因で運転停止を予定される場合があり、よって圧縮機２６のメンテナンス停電は、ガスタービンエンジン１２の目標耐用年数を指示することができる。

ガスタービンエンジン１２の計算された出力値は、少なくとも一部が目標耐用年数および基準出力値に基づいて決定されてよい（ブロック１１０）。例えばガスタービンエンジン１２の目標耐用年数がタービン２０の予測される耐用年数より短い場合、ガスタービンエンジン１２によって供給される総出力を最大にするために、計算される出力値は、基準出力値より大きくなり得る。換言するとタービン２０の耐用年数は、ガスタービンエンジン１２を基準出力値を超えて作動させることによって短縮させることができる。したがってタービン２０の余剰の製品寿命（例えば予測される耐用年数マイナス目標耐用年数）は、総出力の増加と引換えられる。計算される出力値は、それが基準出力値に関連するとき、動力出力および／または効率であってよい。ガスタービンエンジン１２が作動する際、ガスタービンエンジン１２によって実際に実現する出力値は監視されてよい（ブロック１１２）。制御システム３６は、この出力値（例えば実際の出力値）を計算された出力値と比較することができる（ブロック１１４）。さらにコントローラ３８は、ガスタービンエンジン１２の少なくとも１つの作動条件を調節するための指示を提供することで、出力値と計算された出力値の差が閾値より小さくなるようにする（ブロック１１６）。作動条件は、図２に関して上記に記載したようにいかなる組み合わせで調節されてもよい。

図４は、ＩＧＶ３２の角度および燃焼温度の変化に応じたガスタービンエンジン１２の動力出力の変化を描くグラフ１３０である。グラフ１３０は、ＩＧＶ３２の角度および燃焼器１８内の燃焼温度の変化がどのようにガスタービンエンジン１２の動力出力に影響を与える可能性があるかを描いている。ｘ軸１３２は、第１の変数（例えば作動条件）、すなわちＩＧＶ３２の角度の変化を表しており、角度の変化はｘ軸１３２の右端に向かって大きくなっている（例えば、ＩＧＶ３２は、右側に向かってより大きく開いている）。第２の変数（例えば作動条件）、すなわち燃焼温度の変化は、グラフ１３０内の一連の線によって示されている。飾りのない線１３４は、低い燃焼温度を表しており、点線１３６は、中間の燃焼温度を表しており、ｘ’によって印が付けられた線１３８は、高い燃焼温度を表している。ｙ軸１４０は、変数の要因として、結果として生じるガスタービンエンジン１２の動力出力の変化を表している。

グラフ１３０は、変数に対するガスタービンエンジン１２の動力出力に関する単純な傾向を呈示している。例えばＩＧＶ３２の角度の変化が増大する際（例えばＩＧＶが完全に開放した位置に接近する際）、ガスタービンエンジン１２によって供給される動力出力は増大する。同様に、燃焼器１８内の燃焼温度が上昇する際、ガスタービンエンジン１２の動力出力は増大する。よってＩＧＶ３２の開放および燃焼器１８における燃焼温度の上昇は、動力出力を維持しようとする中でガスタービンエンジン１２の劣化に経時的に対抗する有効な方法であり得る。グラフ１３０の特定の地点に注目することが望ましい。詳細には地点１４２および１４４は、ガスタービンエンジン１２の作動に関する重要な値を表している。地点１４２は、基準燃焼温度およびＩＧＶ３２の基準角度に相当し、ガスタービンエンジン１２が新しいおよび／または清潔な状態で最初に作動される際のその基準出力値（例えばガスタービンエンジン１２の動力または効率）を示している。地点１４４は、高い燃焼温度およびＩＧＶ３２の角度の大きな変化に相当し、新しい清潔な状態でのガスタービンエンジン１２に潜在的な動力出力の増大が生じることになる。一般にガスタービンエンジン１２がその製品寿命を通して作動する際、変数（例えば作動条件）は、ガスタービンエンジン１２の劣化および／または汚れに起因する動力の損失に対抗する可能性のあるこのような能力を利用するためにいずれの組み合わせでも調節することができる。さらに、先に記載したように追加の作動条件が調節される場合もある。

図５は、ＩＧＶ３２の角度および燃焼温度の変化に応じたガスタービンエンジン１２の加熱速度の変化を描くグラフ１６０である。グラフ１６０は、ＩＧＶ３２の角度および燃焼器１８における燃焼温度の変化がどのようにガスタービンエンジン１２の加熱速度に影響を与える可能性があるかを描いている。ｘ軸１６２は、第１の変数（例えば作動条件）、すなわちＩＧＶ３２の角度の変化を表しており、角度の変化はｘ軸１６２の右端に向かって大きくなっている（例えば、ＩＧＶ３２は、右側に向かってより大きく開いている）。第２の変数（例えば作動条件）、すなわち燃焼温度の変化は、グラフ１６０内の一連の線によって示されている。飾りのない線１６４は、低い燃焼温度を表しており、点線１６６は、中間の燃焼温度を表しており、ｘ’によって印が付けられた線１６８は、高い燃焼温度を表している。ｙ軸１７０は、変数の要因として、結果として生じるガスタービンエンジン１２の加熱速度の変化を表している。

グラフ１６０は、変数に対するガスタービンエンジン１２の加熱速度（例えば、燃料によって供給されるエネルギーがガスタービンエンジン１２による動力出力と比較されて）の傾向を呈示している。例えばＩＧＶ３２の角度の変化が増大する際、ガスタービンエンジン１２の加熱速度はＵ字形を呈する可能性がある。よってＩＧＶ３２の開放は、曲線の変曲点１７２に達するまでは、ガスタービンエンジン１２の劣化に対抗する有効な方法であり得る。変曲点１７２に達した後、ＩＧＶ３２の開放は、ガスタービンエンジン１２の加熱速度にとって好ましいものではなくなる可能性がある。したがって変曲点１７２は、所与の燃焼温度におけるガスタービンエンジン１２に関する最適な到達可能な加熱速度を示している可能性がある。地点１７４は、基準燃焼温度および基準ＩＧＶ３２角度に相当し、ガスタービンエンジン１２が新しく清潔な状態にあるときのその基準出力値を示している。一般にガスタービンエンジン１２がその製品寿命を通して作動する際、変数（例えば作動条件）は、ガスタービンエンジン１２の劣化および／または汚れに起因する動力の損失に対抗する可能性のあるこのような能力利用するために、いずれの組み合わせでも調節することができる。さらに、図４および図５における傾向は、確固たる制御方法を提供するために同時に検討され適用されてよい。さらに追加の作動条件が調節されることでガスタービンエンジン１２の作動に影響を与える場合もある。

本発明の技術的効果には、ガスタービンエンジン１２の構成要素の製品寿命に対してガスタービンエンジン１２の出力値を維持することが含まれる。ガスタービンエンジン１２は、新しいおよび／または清潔なときに最大出力を生成し、最大効率で作動し、これは基準出力値と呼ばれる。ガスタービンエンジン１２の効率およびコスト効果を保持するために、ガスタービンエンジン１２の作動をこの基準出力値に維持することが恐らく望ましい。矯正パラメータが（一般に環境および／またはシステム条件に基づく）基準出力値に適用され、ガスタービンエンジン１２に関する目標出力値を決定することができる。制御システム３６を用いてガスタービンエンジン１２の少なくとも１つの作動条件を調節することによって、ガスタービンエンジン１２の目標出力値を製品寿命を通して維持することができる。例えば監視され維持され得る出力値には、動力出力、加熱速度またはそれらの組み合わせが含まれてよい。さらに調節され得る作動条件には、燃焼器１８における燃焼温度、温度センサ４２によって測定される排気口２２の温度、弁５０によって制御される燃料の流量、燃料組成（例えば１つまたは複数の燃料）、燃料加熱値、酸化剤の酸素含有量（例えば、空気、酸素が豊富な空気、酸素が少ない空気または純粋な酸素）、燃料と空気の比率、燃料の温度、燃焼力学、排出物の流量、ＩＧＶアクチュエータ５２によって制御されるＩＧＶ３２の角度またはそれらの組み合わせが含まれてよい。このようにして、ガスタービンエンジン１２の出力値は、およそ基準出力値に維持され、ガスタービンエンジン１２の出力および／または効率を上げることができる。許容可能な調節範囲を制限することによって、ガスタービンエンジン１２の製品寿命またはメンテナンス計画に与える影響を最小限にすることができる。しかしながら代替の実施形態では、ガスタービンエンジン１２の作動条件は、ガスタービンエンジン１２の出力値が目標出力値と十分に異なるように調節されることで、ガスタービンエンジン１２における種々の構成要素の製品寿命またはメンテナンス計画要件に適合される場合もある。例えばタービン２０の製品寿命が終わる前にガスタービンエンジン構成要素の運転停止が予定される場合、ガスタービンエンジン１２の作動条件は、出力値が基準出力値を超えるように調節される可能性がある。この方法において最大動力出力および／または加熱速度は、ガスタービンエンジン１２の計画停電以前にガスタービンエンジン１２から引き出すことができる。ガスタービンエンジンシステム１０は、コントローラ３８および多様なセンサ４０を組み込むことで、ガスタービンシステム１０の出力値を監視し作動条件を調節することができる。

この書面による記載は、本発明を開示することを目的とした最適な様相を含む例を利用しており、また任意の装置またはシステムを作製し利用すること、ならびに任意の採用された方法を実行することを含め、当業者が本発明を実施することができるようにするものである。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義されており、当業者が思い付く他の例を含むことができる。このような他の例は、それらが特許請求の範囲の文字通りの言い回しと相違ない構造上の要素を含む場合、あるいはそれらが特許請求の範囲の文字通りの言い回しとわずかな相違点を有する等価な構造上の要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内にあることが意図されている。

１０ ガスタービンシステム
１２ ガスタービンエンジン
１４ 燃料ノズル
１６ 燃料の供給
１８ 燃焼器
２０ タービン
２２ 排気口
２４ シャフト
２６ 圧縮機
２８ 周辺空気
３０ 空気取り入れ口
３２ 入り口ガイドベーン
３４ 負荷
３６ 制御システム
３７ メモリ
３８ コントローラ
３９ プロセッサ
４０ センサ
４２ 排気温度センサ
４４ 周辺温度センサ
４６ 周辺空気圧センサ
４８ ＩＧＶ角度センサ
５０ 作動弁
５２ ＩＧＶアクチュエータ
７０ 方法
７２ ガスタービンエンジンを作動する
７４ 基準出力値を決定する
７６ 矯正パラメータを取得する
７８ 目標出力値を決定する
８０ 出力値を監視する
８２ 出力値を目標出力値と比較する
８４ 出力値が目標出力値と等しくなるように作動条件を調節する
１００ 方法
１０２ ガスタービンを作動する
１０４ 基準出力値を決定する
１０６ 予測される耐用年数を決定する
１０８ 目標耐用年数を決定する
１１０ 計算された出力値を決定する
１１２ 出力値を監視する
１１４ 出力値を計算された出力値と比較する
１１６ 出力値が計算された出力値と等しくなるように作動条件を調節する
１３０ 新しい清潔なガスタービンエンジンの作動
１３２ ＩＧＶの角度の変化
１３４ 飾りのない線
１３６ 点線
１３８ ｘ’によって印が付けられた線
１４０ ガスタービンの出力の変化
１４２、１４４ 地点
１６０ 新しい清潔なガスタービンエンジンの作動
１６２ ＩＧＶの角度の変化
１６４ 飾りのない線
１６６ 点線
１６８ ｘ’によって印が付けられた線
１７０ ガスタービンの加熱速度の変化
１７２ 変曲点
１７４ 地点

Claims (20)

1. ガスタービンエンジンの１つまたは複数の構成要素のフィードバックおよび予測される耐用年数に基づいて、前記ガスタービンエンジンの１つまたは複数のパラメータを調節するように構成されたコントローラであって、持続性の、機械による読出し可能な媒体に配された指示を含むコントローラを備えるシステムであって、前記指示が、
   前記ガスタービンエンジンを作動し、
   基準負荷における前記ガスタービンエンジンの新しい清潔な作動に基づいて、基準動力出力、基準加熱速度またはそれらの組み合わせを決定し、
   矯正パラメータを取得し、
   少なくとも一部が前記基準動力出力、基準加熱速度またはそれらの組み合わせならびに前記矯正パラメータに基づいて、目標動力出力、目標加熱速度またはそれらの組み合わせを決定し、
   前記ガスタービンエンジンの動力出力、加熱速度またはそれらの組み合わせを監視し、
   前記動力出力を前記目標動力出力と比較し、前記加熱速度を前記目標加熱速度と比較し、あるいはそれらの組み合わせを比較し、
   前記動力出力と前記目標動力出力の差、前記加熱速度と前記目標加熱速度の差、またはそれらの組み合わせが閾値より小さくなるように、前記ガスタービンエンジンの１つまたは複数のパラメータを調節し、前記動力出力と前記目標動力出力の差、前記加熱速度と前記目標加熱速度の差、またはそれらの組み合わせが、少なくとも一部が前記ガスタービンエンジンの劣化および／または汚れによって生じ、
   前記ガスタービンエンジンの前記基準負荷に基づいて少なくとも１つの基準出力値を決定し、
   前記基準負荷における前記ガスタービンエンジンの少なくとも１つの構成要素の少なくとも１つの予測される耐用年数を決定し、
   前記ガスタービンエンジンの１つ以上の構成要素の少なくとも１つの目標耐用年数を決定し、
   少なくとも一部が前記少なくとも１つの基準出力値および前記少なくとも１つの目標耐用年数に基づいて少なくとも１つの計算された出力値を決定し、
   前記ガスタービンエンジンの少なくとも１つの出力値を監視し、
   前記少なくとも１つの出力値と前記少なくとも１つの計算された出力値を比較し、
   前記少なくとも１つの出力値と前記少なくとも１つの計算された出力値の少なくとも１つの差が少なくとも１つの閾値より小さくなるように前記ガスタービンエンジンの少なくとも１つの作動条件を調節する、
   システム。
2. 前記動力出力または加熱速度の少なくとも一方が、前記基準出力値のおおよそ１０％の範囲内であり、前記基準出力値が、新しく清潔な前記ガスタービンエンジンの基準出力値に基づいている、請求項１に記載のシステム。
3. 前記コントローラが、前記ガスタービンエンジンを含む発電所の作動を制御するように構成される、請求項１に記載のシステム。
4. 前記コントローラが、メモリおよび少なくとも１つのプロセッサを備える、請求項１に記載のシステム。
5. 前記コントローラの入力信号を生成するように構成されたセンサを備え、前記入力信号が、前記ガスタービンエンジンの前記パラメータを示している、請求項１に記載のシステム。
6. 前記センサが、周辺温度センサ、周辺圧力センサ、周辺湿度センサ、圧縮機入り口温度センサ、入り口圧力センサまたは排気口圧力センサまたはそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つである、請求項５に記載のシステム。
7. 前記ガスタービンエンジンの作動条件を調節するように構成されたアクチュエータを備える、請求項１に記載のシステム。
8. 前記アクチュエータが、入り口ガイドベーンアクチュエータ、または燃料流れ制御弁アクチュエータまたはそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つである、請求項７に記載のシステム。
9. ガスタービンエンジンを作動するステップと、
   基準負荷における前記ガスタービンエンジンの新しい清潔な作動に基づいて基準出力値を決定するステップと、
   矯正パラメータを取得するステップと、
   少なくとも一部が前記基準出力値および前記矯正パラメータに基づいて目標出力値を決定するステップと、
   前記ガスタービンエンジンの出力値を監視するステップと、
   前記出力値を前記目標出力値と比較するステップと、
   前記出力値と前記目標出力値の差が閾値より小さくなるように、前記ガスタービンエンジンの作動条件を調節するステップであって、前記出力値と前記目標出力値の差が、少なくとも一部が前記ガスタービンエンジンの劣化および／または汚れによって生じるステップと、
   前記ガスタービンエンジンの前記基準負荷に基づいて少なくとも１つの基準出力値を決定するステップと、
   前記基準負荷における前記ガスタービンエンジンの少なくとも１つの構成要素の少なくとも１つの予測される耐用年数を決定するステップと、
   前記ガスタービンエンジンの１つ以上の構成要素の少なくとも１つの目標耐用年数を決定するステップと、
   少なくとも一部が前記少なくとも１つの基準出力値および前記少なくとも１つの目標耐用年数に基づいて少なくとも１つの計算された出力値を決定するステップと、
   前記ガスタービンエンジンの少なくとも１つの出力値を監視するステップと、
   前記少なくとも１つの出力値と前記少なくとも１つの計算された出力値を比較するステップと、
   前記少なくとも１つの出力値と前記少なくとも１つの計算された出力値の少なくとも１つの差が少なくとも１つの閾値より小さくなるように前記ガスタービンエンジンの少なくとも１つの作動条件を調節するステップと、
   を含む、方法。
   
10. 前記出力値が、動力出力または加熱速度あるいはそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つである、請求項９に記載の方法。
11. 前記基準出力値が、新しいガスタービンエンジン、または清潔なガスタービンエンジンまたはそれらの組み合わせの作動に相当する、請求項９に記載の方法。
12. 前記矯正パラメータが、周辺温度、周辺圧力、周辺湿度、圧縮機入り口温度、入り口圧力損失または排気口圧力損失あるいはそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含む、請求項９に記載の方法。
13. 前記作動条件が、燃焼温度、排気温度、燃料の流量、排気物の流量または入り口ガイドベーンの角度またはそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含む、請求項９に記載の方法。
14. 前記作動条件を最大作動条件より小さくなるように維持するステップを含む、請求項９に記載の方法。
15. 前記最大作動条件が、少なくとも一部が基準負荷における前記ガスタービンエンジンの構成要素の予測される耐用年数に基づく、請求項１４に記載の方法。
16. ガスタービンエンジンを作動するステップと、
    前記ガスタービンエンジンの基準負荷に基づいて基準出力値を決定するステップと、
    前記基準負荷における前記ガスタービンエンジンの第１の構成要素の予測される耐用年数を決定するステップと、
    前記ガスタービンエンジンの１つまたは複数の構成要素の目標耐用年数を決定するステップと、
    少なくとも一部が前記基準出力値および前記目標耐用年数に基づいて計算された出力値を決定するステップと、
    前記ガスタービンエンジンの出力値を監視するステップと、
    前記出力値を前記計算された出力値と比較するステップと、
    前記出力値と前記計算された出力値の差が閾値より小さくなるように前記ガスタービンエンジンの作動条件を調節するステップと、
    を含む、方法。
17. 前記目標耐用年数が、前記ガスタービンエンジンの少なくとも１つの予測される運転停止を基にする、請求項１６に記載の方法。
18. 前記ガスタービンエンジンの前記予測される運転停止が、前記第１の構成要素とは異なる前記ガスタービンエンジンの第２の構成要素の交換または修理を基にする、請求項１７に記載の方法。
19. 前記目標耐用年数が、前記予測される耐用年数より短い、請求項１６に記載の方法。
20. 前記計算された出力値が、前記基準出力値より大きい、請求項１６に記載の方法。