JP6470896B2 - タービンのモデル及びシミュレーションベースの制御 - Google Patents

Description

本明細書で開示する主題は、工業制御システムに関し、より具体的にはタービン用のモデル及びシミュレーションベースの制御システムに関する。

工業制御システムなどのある種のシステムは、タービンシステムの制御及び分析を可能にする能力を提供することができる。例えば工業制御システムは、タービンシステムを制御する際に使用されるデータを記憶するコントローラ、フィールドデバイス、及びセンサを含むことがある。ある種の工業制御システムは、工業制御システムを強化するためにモデリング及びシミュレーションシステムを使用する場合がある。モデリング及び／又はシミュレーションシステムを改善することは、有益となるであろう。

米国特許第７７４２９０４号公報

出願時に特許請求されている本発明と範囲において同等であるいくつかの実施形態を、以下に要約する。これらの実施形態は、特許請求されている本発明の範囲を限定することが意図されているのではなく、むしろこれらの実施形態は、本発明の可能な形態の概要を提供することのみが意図されている。実際本発明は、以下に記載する実施形態と同様の場合もあれば、それらとは異なる場合もある、種々の形態を包含し得る。

第１の実施形態では、システムは、ガスタービンシステムのタービンシステム動作挙動をモデル化するように構成されたガスタービンシステムモデルと、ボトミングサイクルシステムのボトミングサイクル挙動をモデル化するように構成されたボトミングサイクル性能（ＢＣＰ）モデルを含むシャフト寄与モデル（ｓｈａｆｔ ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ）（ＳＣＭ）とを含む。ガスタービンシステムモデルは、ＳＣＭからのＳＣＭ出力を受け取るように、かつ、アクチュエータを制御するためにＳＣＭ出力を使用するように構成される。アクチュエータは、ガスタービンシステムに動作可能に結合される。

第２の実施形態では、方法は、タービン動作パラメータを受け取るステップと、発電機動作パラメータを受け取るステップと、タービン動作パラメータ及び発電機動作パラメータに基づいて１以上のガスタービン動作境界をモデル化するステップと、１以上のガスタービン動作境界に基づいてタービンシステムアクチュエータを作動させるステップとを含む。

第３の実施形態では、コンピュータ実行可能コードが記憶される非一時的有形コンピュータ可読媒体が提供される。コードは、タービン動作パラメータを受け取り、発電機動作パラメータを受け取り、タービン動作パラメータ及び発電機動作パラメータに基づいて１以上のガスタービン動作境界をモデル化し、１以上のガスタービン動作境界に基づいてタービンシステムアクチュエータを作動させるための命令を含む。

本発明のこれら及び他の、特徴、態様、及び利点は、以下の詳細な説明を、類似する符号が図面全体を通して類似する部分を表す添付の図面を参照して読むことでより良く理解されよう。

コントローラを含む、モデル及びシミュレーションベースの制御に適した工業制御システムの実施形態のブロック図である。 図１のシステムを含む、モデル及びシミュレーションベースの制御システムの実施形態のブロック図である。 図１のシステムのモデル及びシミュレーションベースの制御を実装するのに適した処理の実施形態のフローチャートである。

本発明の１つ以上の特定の実施形態を、以下で説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を提供するために、実際の実装形態のすべての特徴を本明細書では説明しない場合がある。いかなるそのような実際の実装形態の開発においても、いかなる工学又は設計のプロジェクトにおいてもと同じように、実装形態ごとに変動し得るシステム関連及び事業関連の制約の準拠などの開発者の特定の目標を達成するために、数多くの実装形態固有の決定を行わなければならないことを理解されたい。さらにそのような開発での腐心は、複雑であり時間がかかるものであり得るが、それでも本開示の利益を受ける当業者にとっては、設計、製作、及び製造の日常の仕事であろうことを理解されたい。

本発明の様々な実施形態の要素を紹介するとき、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、及び「前記」は、要素の１つ又は複数が存在することを意味することが意図される。用語「備える」、「含む」、及び「有する」は、包括的であり、列挙した要素以外の追加的な要素が存在し得ることを意味することが意図される。

タービン制御システムに含まれるモデルベース制御（ＭＢＣ）システムによって、発電機に結合されるガスタービンシステムなどのある種のタービンシステムが、実際の動作パラメータ又は動作挙動を監視し、ガスタービンシステムの制御を調整かつチューニングするためのリアルタイム動作境界を発生させることが可能になり得る。しかしながらＭＢＣは、単一シャフトガスタービンシステム又は同様の工業システムと難なく互換的にはならない場合がある、その理由は、全発電機パワー出力に対するガスタービンシステムのパワー出力寄与のリアルタイムガスタービンモデルをチューニングするために使用される主要な動作パラメータが、単一駆動シャフト構成で利用可能でない場合があるからである。ガスタービンシステム入口温度、燃焼器出口温度、及び燃焼温度上昇などのＭＢＣ用に使用される推定した（例えば非測定の）動作パラメータのモデル精度は、著しい変動性を受ける場合がある。本開示の実施形態は、ガスタービンシステムの発電機パワー出力に対する測定される寄与を、駆動シャフトパワー出力に対するすべての非ガスタービンシステムの寄与を推定するリアルタイム動作境界モデルで置換する。シャフトパワー出力に対する寄与のリアルタイム推定を使用することにより、リアルタイム動作境界モデルを、関係のあるＭＢＣ制御パラメータの推定変動性が実質的に低減又は除去され得るような精度によって発生させることができる。本明細書では「動作境界」は、所望の条件で、所望の動作パラメータ範囲内で、又はそれらの組合せで動作するように、タービンシステム、発電機、ボトミングサイクルシステム、又はそれらの組合せを制御かつ調節するための、１つ以上の制御設定点又は制御される性能動作条件を指すことができる。

上記を念頭に置くと、図１に例示する工業発電システム１０（例えば複合サイクル発電システム）などの、本明細書で開示する技法を組み込む発電システムの実施形態を説明することが有用となり得る。図示のようにシステム１０は、ガスタービンシステム１２、発電機１４、ボトミングサイクルシステム１６、及びコントローラ１８を含み得る。ガスタービンシステム１２は、燃焼器２０、タービン２２、圧縮機２６、及び取入口２８をさらに含み得る。燃焼器２０は、燃焼器２０内部の房での燃焼のために空気と混合され得る燃料を受け取ることができる。この燃焼器２０は、高温高圧の排気ガスを生成可能である。次いで燃焼器２０は、排気ガスを、タービン２２を通して１つ以上の排気出口に向けることができる。したがってタービン２２は、ロータの一部であり得る。排気ガスがタービン２２を通過する際、ガスは、ガスタービンシステム１２の軸に沿って駆動シャフト２４を回転させるようにタービンブレードを押し進めることができる。さらに詳細に考察するように、駆動シャフト２４は、ガスタービンシステム１２の構成要素だけでなく、発電機１４、及びボトミングサイクルシステム１６の構成要素もまた含む、システム１０の様々な構成要素に結合可能である。いくつかの実施形態では動作特性（例えば圧力、温度、流速等）を、以下で図２に関してより詳細に説明するように、ガスタービンシステム１２の制御モデルを発生させるために駆動シャフト２４から検知又は推定することができる。

駆動シャフト２４は、例えば同心円状に位置調整され得る１つ以上のシャフトを含み得る。駆動シャフト２４は、タービン２２を圧縮機２６に連結してロータを形成するシャフトを含み得る。同様に圧縮機２６は、駆動シャフト２４に結合されるブレードを含み得る。したがってタービン２２でのタービンブレードの回転によって、タービン２２を圧縮機２６に連結するシャフトが圧縮機２６内部のブレードを回転させる。そのような機構は、圧縮機２６内の空気を圧縮することができる。圧縮機２６内のブレードの回転は、空気取入口２８によって受け取ることが可能な空気を圧縮することができる。圧縮した空気を、例えばより高い効率の燃焼を考慮するように、燃焼器２０に給送し、燃料と混合することができる。いくつかの実施形態ではガスタービンシステム１２は、発電機１４を駆動して電力を生産するために機械パワーをさらに発生させる場合がある。

ガスタービンシステム１２は、発電システム１０の動作及び性能に関係する、複数の物理パラメータ及び動作パラメータを監視するように構成されている、いくつかのセンサ及びフィールドデバイスをさらに含み得る。センサ及びフィールドデバイスは、例えばタービン２２及び圧縮機２６の入口及び出口の部分の近辺にそれぞれ布置される、例えば入口センサ及びフィールドデバイス３０並びに出口センサ及びフィールドデバイス３２（例えば圧力伝送器、温度伝送器、流量伝送器、燃料センサ、［例えば回転構成要素と定置構成要素との間の距離を測定する］隙間センサ）を含み得る。例示しないが、発電機１４及びボトミングサイクルシステム１６が、いくつかのセンサ及びフィールドデバイス３０及び３２をさらに含み得ることをさらに理解されたい。入口センサ及びフィールドデバイス３０並びに出口センサ及びフィールドデバイス３２は、環境状態を測定することができる。例えば入口センサ及びフィールドデバイス３０並びに出口センサ及びフィールドデバイス３２は、室温、大気圧、湿度、及び空気質（例えば空気中の微粒子）を測定することができる。入口センサ及びフィールドデバイス３０並びに出口センサ及びフィールドデバイス３２は、排気ガス温度、ロータ速度、エンジン温度、エンジン圧力、燃料温度、エンジン燃料流量、排気流量、振動、回転構成要素と定置構成要素との間の隙間、圧縮機吐出圧力、汚染（例えば酸化窒素、酸化硫黄、酸化炭素、及び／又は微粒子の総数）、及びタービン排気圧力などの、ガスタービンシステム１２の動作及び性能に関係するエンジンパラメータをさらに測定することができる。さらにセンサ及びフィールドデバイス３０及び３２は、バルブ位置、スイッチ位置、スロットル位置、及び可変の幾何形状の構成要素（例えば空気入口）の幾何形状の位置などのアクチュエータ情報をさらに測定することができる。

そのいくつかのセンサ及びフィールドデバイス３０及び３２を、ガスタービンシステム１２、発電機１４、及びボトミングサイクルシステム１６の様々な動作段階に関係する、物理パラメータ及び動作パラメータを監視するようにさらに構成することができる。そのいくつかのセンサ及びフィールドデバイス３０及び３２により入手された測定値を、コントローラ１８に通信可能に結合され得るデータバスライン１９、２１、２３、２５を介して伝送することができる。より詳細に考察するように、コントローラ１８は、測定値を使用して、ガスタービンシステム１２、発電機１４、及びボトミングサイクルシステム１６のうちの１つ又は複数を能動的に制御するためのモデルを計算し発生させることができる。

さらにセンサ及びフィールドデバイス３０及び３２は、コントローラ１８に対する測定値を検知かつ伝送することができる。例えばデータバスライン１９を、圧縮機２６から測定値を伝送するために利用することができ、一方でデータバスライン２１を、タービン２２から測定値を伝送するために利用することができる。燃焼器２０のセンサ、取入口２８のセンサ、排気及び負荷のセンサを含む他のセンサを使用することができることを理解されたい。同様にフィールドバスファウンデーション、プロフィバス、又はＨａｒｔ及び／もしくはＷｉｒｅｌｅｓｓ Ｈａｒｔのフィールドデバイスなどの「スマート」フィールドデバイスを含む、任意の型のフィールドデバイスを使用することができる。

先に指摘したようにいくつかの実施形態では、システム１０はボトミングサイクルシステム１６をさらに含み得る。ボトミングサイクルシステム１６を、駆動シャフト２４を介して発電機１４及びガスタービンシステム１２に機械的に結合することができ、コントローラ１８を介して発電機１４及びガスタービンシステム１２に通信可能に結合することができる。ボトミングサイクルシステム１６は、発電機１４のパワー（例えば電力）出力にさらに寄与することができる。例としてボトミングサイクルシステム１６は、変換されなければ浪費され得る熱エネルギー（例えばガスタービンシステム１２の排気エネルギー）を、例えば発電機１４を駆動するために使用され得る追加的なパワーに変換するように構成された任意のシステムであり得る。例えばボトミングサイクルシステム１６は、ランキンサイクル、ブレイトンサイクル、又は他の同様の蒸気駆動のパワー（例えば機械的及び電気的である）発生システムであり得る。

いくつかの実施形態ではボトミングサイクルシステム１６は、廃熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）３３、蒸気タービンシステム３４、及び他の負荷システム３６を含み得る。廃熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）３３は、例えばガスタービンシステム１２から加熱排気ガスを受け取ることができる。ＨＲＳＧ３３は、加熱排気ガスを使用して、例えば水を加熱し、蒸気タービンシステム３４にパワー供給するために使用される蒸気を生産することができる。蒸気タービンシステム３４は、各々が単一駆動シャフト２４によって発電機１４を駆動するように直列型で利用され得る、高圧（ＨＰ）（例えば、ほぼ２０００〜２４００ｐｓｉ）タービン３８、中圧（ＩＰ）（例えば、ほぼ３００〜３４５ｐｓｉ）タービン４０、及び低圧（ＬＰ）（例えば、ほぼ３０〜３５ｐｓｉ）タービン４２の組合せであり得る。

同様に他の負荷３６は、駆動シャフト２４のパワー出力に、したがって発電機１４のパワー出力に寄与することができる様々な機械負荷を含み得る。例えば機械負荷は、各々がパワー（例えば機械エネルギー又は電気エネルギー）を発生させるために、又はその発生を促進するために使用され得る、追加的なタービン、発電機、負荷圧縮機等々のような様々な固定機器及び回転機器を含み得る。いくつかの実施形態では、ボトミングサイクルシステム１６の構成要素（例えば蒸気タービンシステム３４、他の負荷３６）のパワー出力を、単一駆動シャフト２４のパワー出力に対するボトミングサイクルシステム１６の寄与を推定するために、シャフト寄与モデル（ＳＣＭ）を発生させるために使用することができる。

上記で指摘したように、システム１０はコントローラ１８を含み得る。コントローラ１８は、単一駆動シャフト２４の出力パワーを推定するために、種々の制御モデル及びシミュレーションを発生させ実装するのに適したものであり得る。コントローラ１８は、オペレータインターフェースをさらに提供することができ、オペレータインターフェースによって工学者又は専門技術者は、ガスタービンシステム１２及びボトミングサイクルシステム１６の構成要素などの発電システム１０の構成要素を監視することができる。したがってコントローラ１８は、可読及び実行可能なコンピュータ命令を処理する際に使用され得るプロセッサ並びに可読及び実行可能なコンピュータ命令と他のデータとを記憶するために使用され得るメモリを含み得る。これらの命令を、コントローラ１８のメモリ又は他の記憶装置などの有形非一時的コンピュータ可読媒体に記憶されるプログラムに符号化することができる。いくつかの実施形態ではコントローラ１８は、ヒューマンマシンインターフェース（ＨＭＩ）ソフトウェア、製造実行システム（ＭＥＳ）、分散制御システム（ＤＣＳ）、及び／又は監視制御データ収集（ＳＣＡＤＡ）システムなどの様々な工業制御ソフトウェアのホスト役となることができる。コントローラ１８は、ファウンデーションフィールドバス、又はＨａｒｔ及び／もしくはＷｉｒｅｌｅｓｓ Ｈａｒｔなどの、１つ以上の工業通信（例えば有線又はワイヤレスである）プロトコルをさらにサポートすることができる。例えばコントローラ１８は、構成ツール及び同様の制御データを、様々なフィールド機器及びフィールドデバイスに割当て分散させることが可能な、ＧＥ Ｅｎｅｒｇｙ ＧＥ ＣｏｎｔｒｏｌＳＴをサポートすることができる。

したがってコントローラ１８を、コントローラ１８と、入口及び出口のセンサ及びフィールドデバイス３０及び３２、ガスタービンシステム１２、並びにボトミングサイクルシステム１６との間の通信を考慮したものであり得る、プラントデータバス並びにバスライン１９、２１、２３、及び２５に通信可能に結合することができる。実際コントローラ１８は、様々なソフトウェアアプリケーション及びシステムを走らせサポートすることが可能な並びにコントローラ１８の一部として含まれ得る様々なハードウェア（例えばプロセッサ、記憶装置、ゲートウェイ、プログラマブルロジックコントローラ［ＰＬＣ］等々）を管理することが可能な、１つ以上のオペレーティングシステムをサポートすることができる。例えばいくつかの実施形態ではコントローラ１８は、ガスタービンシステムモデル５０及びシャフト寄与モデル（ＳＣＭ）５２などの、１つ以上のリアルタイムのモデルベースの制御システム及びアルゴリズムをサポートすることができる。

このことに応じて図２では、先に考察した制御モデル（例えばガスタービンモデル５０、ＳＣＭ５２）を含む、図１のシステム１０のコントローラ１８を図示する。上記で指摘したように図１に関して、ガスタービンシステム１２は、単一駆動シャフト２４を介して発電機１４に機械的に結合することができる。同様にボトミングサイクルシステム１６は、単一駆動シャフト２４を介して発電機１４に機械的にさらに結合することができる。したがってガスタービンシステム１２及びボトミングサイクルシステム１６は、発電機１４の全出力パワー５５に集合的に寄与することができる。有利にはガスタービンシステムモデル５０及びシャフト寄与モデル（ＳＣＭ）５２を、発電システム１０を能動的に制御するために、カルマンフィルタ４８を介して受け取られる検知かつ推定した動作パラメータに、又は他の推定技法（例えば線形２次推定、リカッチ（Ｒｉｃｃａｔｉ）推定）に基づいて発生させることができる。

いくつかの実施形態ではコントローラ１８は、１つ以上のカルマンフィルタ４８を介して処理された、ガスタービンシステム１２及びボトミングサイクルシステム１６の検知かつ推定したパワー出力を受け取り分析することができる。カルマンフィルタ４８を、ハードウェア、ソフトウェア、又はそれらの組合せとして実装可能であることを理解されたい。カルマンフィルタ４８は各々が、１つ以上の再帰関数を実装することにより発電処理の状態を効率的かつ高精度に推定するために、１組の数学方程式及びコンピュータ計算を含み得る。例えばカルマンフィルタ４８は各々が、様々なセンサ（例えばセンサ及びフィールドデバイス３０及び３２）からの測定したガスタービンシステム１２の動作パラメータ又は動作挙動と、１つ以上のモデル（例えばガスタービンシステムモデル５０、ＳＣＭ５２）から出力される推定した動作パラメータとの間の差を指示する信号を（入力として）受け取ることができる。

カルマンフィルタ４８は各々が、モデル性能乗数の変化に対する推定されるパラメータのモデルの不確定性の重み付け感度を表す数字の配列であり得る、カルマンフィルタ利得行列（ＫＦＧＭ）をさらに含み得る。カルマンフィルタ４８は各々が、供給される入力を使用して、モデル（例えばガスタービンモデル５０、ＳＣＭ５２）をチューニングするために適用される性能乗数を発生させ、推定されるガスタービン１２の動作パラメータの精度を高めることができる。カルマンフィルタ４８のカルマンフィルタ利得行列（ＫＦＧＭ）を、数学方程式の正方配列（例えば３×３、４×４、６×６）又は非正方配列（例えば４×６又は６×４）により計算することができる。数学方程式は、モデル感度行列（ＭＳＭ）、並びにモデル及び測定の不確定性の推定値を（入力として）さらに含み得る。カルマンフィルタ４８のＭＳＭを、ガスタービンシステムモデル５０の摂動及び評価によりリアルタイムで、オンラインで計算することができる。カルマンフィルタ４８は、推定した動作パラメータと測定した動作パラメータとの間の差を最小にするように乗数値を最適化することができる。例えばガスタービンシステムモデル５０は、実際のガスタービンシステム１２の変化する効率、燃料、流量能力、及び他のパラメータに対して適応的であり得る。カルマンフィルタにより発生される出力性能乗数は、ガスタービンシステム１２の測定されるパラメータとより良く調和するようにガスタービンシステムモデル５０を適応させる。それでもカルマンフィルタ４８は、ガスタービンシステム１２のリアルタイムのチューニングを実施するために、センサ測定値だけに依拠し得るのではなく、ＳＣＭ５２により発生される高精度の推定したモデルを使用可能であることを理解されたい。

さらにカルマンフィルタ４８のＭＳＭ及びＫＦＧＭを、リアルタイムで計算することができ、そのことによってカルマンフィルタ４８は、利用可能なセンサの数、及びモデル（例えばＳＣＭ５２）の推定した出力パラメータ５９と比較するのに利用可能な測定した出力パラメータ５７の型の変化に適応することが可能になり得る。ガスタービンシステム１２及び／又はボトミングサイクルシステム１６の１つ以上の動作パラメータを、例えばセンサの故障に起因してもはや測定することができない場合、カルマンフィルタ４８は、測定される動作パラメータの損失に対して責任をもつように修正され得るとともに、ガスタービンシステム１２及び／又はボトミングサイクルシステム１６のモデル化した動作境界に基づいて性能乗数の発生を継続することができる。さらにモデル（例えばＳＣＭ５２）が低精度又は不正確になり得る場合、カルマンフィルタ４８を、制御システム内部で調整することができ、又はガスタービンシステム１２の動作パラメータもしくは動作挙動の調整を反映するために、モデル（例えばＳＣＭ５２）をリアルタイムで調整するように構成することができる。

先に考察したようにコントローラ１８は、単一駆動シャフト２４の全パワー出力５５に対するガスタービンシステム１２及びボトミングサイクルシステム１６の寄与を推定するために、ガスタービンシステムモデル５０及びシャフト寄与モデル（ＳＣＭ）５２を使用する、かつ／又は発生させることができる。いくつかの実施形態ではガスタービンシステムモデル５０は、適応型リアルタイムエンジンシミュレーション（ＡＲＥＳ）及びモデルベース制御（ＭＢＣ）を含み得る。例えばガスタービンシステムモデル５０（例えばＡＲＥＳ及びＭＢＣ）はリアルタイムで、ガスタービンシステム１２の１つ以上の動作パラメータ（例えば圧縮機２６の吐出温度、圧力、流速等々）をモデル化することができる。ガスタービンシステムモデル５０は、１つ以上のカルマンフィルタ４８を介して、ガスタービンシステム１２のリアルタイムの動作パラメータの入力を受け取ることができる。ガスタービンシステムモデル５０により受け取られる動作パラメータのリアルタイム入力は、例えばタービン２２及び圧縮機２６の吐出圧力、温度、排気エネルギー（例えば空気流量、温度、及び燃料組成の組合せ）、並びにガスタービンシステム１２のパワー出力を含み得る。次いでガスタービンシステムモデル５０により受け取られる動作パラメータのリアルタイム入力を、シャフト寄与モデル（ＳＣＭ）５２に出力することができ（例えば出力パラメータ５７）、ＳＣＭ５２は、（例えばボトミングサイクルシステム１６の動作パラメータ又は動作挙動に基づく）ボトミングサイクル性能（ＢＣＰ）モデル５４、及び（例えば他の負荷システム３６の動作パラメータ又は動作挙動に基づく）他の負荷モデル５６を含み得る。次いでＳＣＭ５２は、ガスタービンシステム１２に対するモデル動作境界を発生させることができる。具体的にはＳＣＭ５２は、ガスタービンシステムモデル５０から受け取られるリアルタイム動作パラメータに基づいて、ガスタービンシステム１２のパワー出力５９の寄与の推定を発生させることができる。

同様に、ガスタービンシステムモデル５０から受け取られるリアルタイム動作パラメータに加えて、ＳＣＭ５２は、１つ以上のカルマンフィルタ４８を介して、リアルタイムのボトミングサイクルシステム１６の動作パラメータの入力をさらに受け取ることができる。やはりＳＣＭ５２により受け取られる動作パラメータのリアルタイム入力は、例えば蒸気タービンシステム３４、他の負荷システム３６、及びボトミングサイクルシステム１６に含まれ得る同様の工業機械の、圧力、温度、流速、排気等々を含み得る。ＳＣＭ５２は、単一駆動シャフト２４の、したがって発電機１４のさらなる動作パラメータ（例えば速度、トルク等々）をさらに受け取ることができる。したがって、ガスタービンシステムモデル５０、ボトミングサイクルシステム１６、及び発電機１４から受け取られるリアルタイム動作パラメータの総和は、単一駆動シャフト２４の全パワー出力５５に相当し得る。したがってＳＣＭ５２は、発電機１４の出力（すなわち、ガスタービンシステム１２及びボトミングサイクルシステム１６のパワー出力寄与を含む単一駆動シャフト２４の全パワー出力５５）と、ガスタービンシステムモデル５０並びにボトミングサイクル性能（ＢＣＰ）モデル５４及び他の負荷モデル５６の両方から受け取られる動作パラメータに基づくＳＣＭ５２のモデルすなわち推定した出力５８との間の差を計算することにより、推定又は推測されるモデルを発生させることができる。すなわち、ＳＣＭ５２により推定されるパワー出力５８（例えばＢＣＰモデル５４及び他の負荷モデル５６のパワー出力）が、発電機１４のパワー出力（例えば駆動シャフト２４の全パワー出力５５）から減算されて、推定又は推測したガスタービンシステム１２のパワー出力５９を生み出すことができる。次いで推定したガスタービンシステム１２のパワー出力５９を、ガスタービンシステムモデル５０に入力することができる。次いでガスタービンシステムモデル５０は、例えば駆動シャフト２４の速度及びトルクを制御するためのアクチュエータ出力を発生させることにより、１つ以上のカルマンフィルタ４８を介してリアルタイムで連続的にガスタービンシステム１２を制御可能にチューニングすることができる。具体的にはガスタービンシステムモデル５０は、受け取った推定したガスタービンシステム１２のパワー出力５９を、ガスタービンシステム１２から検知した関係のある動作パラメータ（例えば圧縮機２６の吐出圧力、吐出温度、排気温度、及びガスタービンシステム１２の寄与のみを含む発電機１４の出力）と比較することにより、ガスタービンシステム１２をチューニングすることができる。

指摘する価値があり得ることであるが、本開示の実施形態を用いない場合、ガスタービンシステムモデル５０（例えばＡＲＥＳ及びＭＢＣ）の実装形態は、リアルタイムデータの削減及びガスタービンシステム１２の制御を実施するために、圧縮機２６の吐出圧力、温度、排気温度、及びガスタービンシステム１２の寄与のみを含む発電機１４の出力の測定値にほぼ排他的に依拠した、１つ以上のカルマンフィルタ４８を使用した可能性がある。本開示の実施形態は、発電機１４のパワー出力５５の測定値への依拠をなくすことができ、その測定値をリアルタイムの推定したガスタービンシステム１２のパワー出力５９で置換することができ、そのパワー出力５９を、上記で指摘したように、発電機１４の全パワー出力５５と、発電機１４の全パワー出力５５に対する追加的な寄与のＳＣＭ５２の推定したパワー出力５８との間の差として計算することができる。さらにこのことが、ガスタービンシステム１２のパワー出力５９の推定かつモデル化した値を提供することができ、この値を、ガスタービンシステムモデル５０に入力し、ガスタービンシステム１２の能動的かつリアルタイムな制御のために、１つ以上のアクチュエータ出力又は制御信号を発生させるために使用することができる。

次に図３に移ると、例えば図２に図示する発電システム１０に含まれるコントローラ１８を使用することにより、ガスタービンシステムモデル５０及びシャフト寄与モデル（ＳＣＭ）５２を発生させる際に有用な処理６０の実施形態を例示するフロー図が提示されている。処理６０は、非一時的機械可読媒体（例えばメモリ）に記憶され、例えばコントローラ１８に含まれる１つ以上のプロセッサにより実行される、コード又は命令を含み得る。処理６０は、コントローラ１８がガスタービンシステム１２の動作パラメータを受け取ること（ブロック６２）から開始することができる。先に考察したように、コントローラ１８のガスタービンシステムモデル５０は、１つ以上のカルマンフィルタを介して、ガスタービンシステム１２の検知した動作パラメータを受け取ることができる。同様にコントローラ１８は、発電機１４の動作パラメータ（例えば速度、トルク等々）を受け取ることができる（ブロック６４）。さらに同様にコントローラ１８は、他のシャフト（例えばボトミングサイクルシステム１６）動作パラメータを受け取ることができる（ブロック６６）。次いで処理６０は、受け取った動作パラメータのモデリングを継続することができる。例えばコントローラ１８は、１つ以上のガスタービンシステム１２の動作境界をモデル化することができ（ブロック６８）、並びに１つ以上のシャフト寄与（例えばＳＣＭ５２）動作境界をモデル化することができる（ブロック７０）。次いでコントローラ１８のＳＣＭ５２を、ガスタービンシステム１２の出力を使用して更新することができる（ブロック７２）。例えばＳＣＭ５２は、ガスタービンシステムモデル５０からガスタービンシステム１２の動作パラメータ５７を受け取ることができる。次いでＳＣＭ５２は、駆動シャフト２４の全パワー出力５５に対するガスタービンシステム１２の寄与を推定するために、受け取ったガスタービンシステム１２の動作出力パラメータ５７を利用することができる。次いで推定したガスタービンシステム１２の出力５９を、ガスタービンシステムモデル５０に出力することができ、そこでガスタービンシステムモデル５０を、推定又は計算した発電機１４の寄与及び他のシャフト出力寄与を使用して更新することができる（ブロック７６）。次いでガスタービンシステム１２の制御作動体を、更新したガスタービンシステムモデル５０に基づいて調整することができる（ブロック７８）。例えば１つ以上のアクチュエータ制御信号を、例えば駆動シャフト２４の速度及びトルクを制御するために、したがってガスタービンシステム１２を制御するために、ガスタービンシステムモデル５０により発生させることができる。

本開示の実施形態の技術的効果は、リアルタイムのガスタービンシステムモデル並びにボトミングサイクル性能（ＢＣＰ）モデル及び他の負荷モデルを含み得るシャフト寄与モデル（ＳＣＭ）を発生させることを含む。発電機の全パワー出力に対するガスタービンシステムの測定される寄与が、全パワー出力に対する推定されるガスタービンシステムの寄与で置換される。このことに応じて、発電機の全パワー出力に対するガスタービンシステムの推定される寄与を、発電機の全パワー出力とリアルタイムのシャフトパワー寄与モデル（ＳＣＭ）からのパワー出力との間の差として計算することができる。ＳＣＭは、ガスタービンシステムの寄与を除いた発電機の全パワー出力に対する追加的な寄与の推定値を発生させるために、ボトミングサイクルシステムのリアルタイム動作パラメータとともにガスタービンシステムモデルから受け取られるリアルタイム動作パラメータを含み得る。

記述した本説明では、最良の形態を含めて本発明を開示するために、さらには、任意のデバイス又はシステムを作製かつ使用すること、及び任意の組み込んだ方法を実施することを含めて、本発明を当業者ならば誰でも実施することができるようにするために例を使用する。本発明の特許的な範囲は、特許請求の範囲により定義され、当業者が想到する他の例を含み得る。そのような他の例は、それらの例が、特許請求の範囲の文字通りの文言と異ならない構造要素を有するならば、又はそれらの例が、特許請求の範囲の文字通りの文言と実質的な違いのない等価の構造要素を含むならば、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 工業発電システム、発電システム、システム
１２ ガスタービンシステム、ガスタービン
１４ 発電機
１６ ボトミングサイクルシステム
１８ コントローラ
１９ データバスライン、バスライン
２０ 燃焼器
２１ データバスライン、バスライン
２２ タービン
２３ データバスライン、バスライン
２４ 駆動シャフト、単一駆動シャフト
２５ データバスライン、バスライン
２６ 圧縮機
２８ 取入口、空気取入口
３０ 入口センサ及びフィールドデバイス、センサ及びフィールドデバイス
３２ 出口センサ及びフィールドデバイス、センサ及びフィールドデバイス
３３ 廃熱回収ボイラ、ＨＲＳＧ
３４ 蒸気タービンシステム
３６ 他の負荷システム、他の負荷
３８ 高圧タービン
４０ 中圧タービン
４２ 低圧タービン
４８ カルマンフィルタ
５０ ガスタービンシステムモデル、ガスタービンモデル
５２ シャフト寄与モデル、ＳＣＭ
５４ ボトミングサイクル性能（ＢＣＰ）モデル、ＢＣＰモデル
５５ 全出力パワー、全パワー出力、パワー出力
５６ 他の負荷モデル
５７ 測定した出力パラメータ、出力パラメータ、動作パラメータ、動作出力パラメータ
５８ 推定した出力、パワー出力、推定したパワー出力
５９ 推定した出力パラメータ、パワー出力、出力
６０ 処理
６２、６４、６６、６８、７０、７２、７６、７８ ブロック

Claims (20)

1. ガスタービンシステムのタービンシステム動作挙動をモデル化するように構成されたガスタービンシステムモデルと、
   ボトミングサイクルシステムのボトミングサイクル挙動をモデル化するように構成されたボトミングサイクル性能（ＢＣＰ）モデルを含むシャフト寄与モデル（ＳＣＭ）であって、前記ガスタービンシステムモデルが、前記ＳＣＭからのＳＣＭ出力を受け取るように、かつ、アクチュエータを制御するために前記ＳＣＭ出力を使用するように構成され、前記アクチュエータが、前記ガスタービンシステムに動作可能に結合されるシャフト寄与モデル（ＳＣＭ）と、
   を備える、システム。
2. 前記ガスタービンシステムモデルが、発電機に配設される発電機センサからのセンサ出力を受け取るように、かつ、前記センサ出力を使用しアクチュエータ出力を導出するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
3. 前記ガスタービンシステムモデルが、前記ＳＣＭ出力と前記センサ出力とを組合せ、推定したガスタービンシステムパワー出力を導出するように、かつ、前記推定したガスタービンシステムパワー出力を使用し前記アクチュエータ出力を導出するように構成されている、請求項２に記載のシステム。
4. 前記ＢＣＰモデルが、ガスタービンシステムモデル出力を受け取り、前記ボトミングサイクルシステムの前記ボトミングサイクル挙動の前記ＢＣＰモデルをチューニングするように構成されている、請求項１から３のいずれかに記載のシステム。
5. 前記ガスタービンシステムモデルが、前記ガスタービンシステムから受け取られるセンサデータにカルマンフィルタを適用し、前記タービンシステム動作挙動の前記ガスタービンシステムモデルをチューニングするように構成されている、請求項１から３のいずれかに記載のシステム。
6. 前記ＢＣＰモデルが、前記ボトミングサイクルシステムから受け取られるセンサデータにカルマンフィルタを適用し、前記ボトミングサイクル挙動の前記ＢＣＰモデルをチューニングするように構成されている、請求項１から３のいずれかに記載のシステム。
7. 前記ＳＣＭが、負荷の負荷挙動をモデル化するように構成された負荷モデルを含み、前記負荷が、前記ガスタービンシステムに機械的に結合するように構成されている、請求項１から６のいずれかに記載のシステム。
8. 前記ＳＣＭ出力が、推定したシャフト負荷を含む、請求項１から７のいずれかに記載のシステム。
9. 前記ガスタービンシステムモデル及び前記ボトミングサイクル性能モデルを有するコントローラを備え、前記コントローラが、アクチュエータ出力を使用しアクチュエータを作動させるように構成され、前記アクチュエータが、前記ガスタービンシステムへの燃料の流量を制御するように構成されている、請求項１から８のいずれかに記載のシステム。
10. 前記ガスタービンシステムを有するガス化複合発電（ＩＧＣＣ）プラントを備える、請求項１から９のいずれかに記載のシステム。
11. ガスタービンシステムを運転する方法であって、
    タービン動作パラメータを受け取るステップと、
    発電機動作パラメータを受け取るステップと、
    前記タービン動作パラメータ及び前記発電機動作パラメータに基づいて１以上のガスタービン動作境界をモデル化するステップと、
    ボトミングサイクルシステムのボトミングサイクル挙動をモデル化するように構成されたボトミングサイクル性能（ＢＣＰ）モデルを含むシャフト寄与モデル（ＳＣＭ）を適用するステップであって、
    前記モデル化するステップは、アクチュエータを制御するために前記ＳＣＭ出力を使用するために、前記ＳＣＭからのＳＣＭ出力を受け取るステップを含み、
    前記アクチュエータが、前記ガスタービンシステムに動作可能に結合される、
    ステップと、
    前記１以上のガスタービン動作境界に基づいて、前記アクチュエータを作動させるステップと、
    を含む、方法。
12. 他のシャフト出力パラメータを受け取るステップと、前記タービン動作パラメータ、前記発電機動作パラメータ、及び前記他のシャフト出力パラメータに基づいて前記１以上のガスタービン動作境界をモデル化するステップとを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記他のシャフト出力パラメータが、ボトミングサイクルシステムパラメータ、他の負荷パラメータ、又はそれらの組合せを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記発電機動作パラメータを受け取る前記ステップが、発電機センサを使用し発電機センサ出力を受け取るステップを含む、請求項１１から１３のいずれかに記載の方法。
15. 前記１以上のガスタービン動作境界をモデル化する前記ステップが、前記タービン動作パラメータに、前記発電機動作パラメータに、又はそれらの組合せにカルマンフィルタを適用するステップを含む、請求項１１から１４のいずれかに記載の方法。
16. ガスタービンシステムを制御するためのコンピュータ実行可能コードが記憶された非一時的コンピュータ可読媒体であって、前記コードが、
    タービン動作パラメータを受け取るステップと、
    発電機動作パラメータを受け取るステップと、
    前記タービン動作パラメータ及び前記発電機動作パラメータに基づいて１以上のガスタービン動作境界をモデル化するステップと、
    ボトミングサイクルシステムのボトミングサイクル挙動をモデル化するように構成されたボトミングサイクル性能（ＢＣＰ）モデルを含むシャフト寄与モデル（ＳＣＭ）を適用するステップであって、
    前記モデル化するステップは、アクチュエータを制御するために前記ＳＣＭ出力を使用するために、前記ＳＣＭからのＳＣＭ出力を受け取るステップを含み、
    前記アクチュエータが、前記ガスタービンシステムに動作可能に結合される、
    ステップと、
    前記１以上のガスタービン動作境界に基づいて、前記アクチュエータを作動させるステップと、
    を実行するための命令を含む、
    非一時的コンピュータ可読媒体。
17. 前記コードが、
    シャフト出力パラメータを受け取り、前記タービン動作パラメータ、前記発電機動作パラメータ、及び前記シャフト出力パラメータに基づいて前記１以上のガスタービン動作境界をモデル化するステップを実行するための
    命令を含む、請求項１６に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
18. 前記コードが、
    ガスタービンシステムから受け取られるセンサデータにカルマンフィルタを適用し、ガスタービンシステム動作挙動のモデルをチューニングするステップを実行するための命令を含む、請求項１６または１７に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
19. 前記発電機動作パラメータを受け取るための前記命令が、発電機センサを使用し前記発電機動作パラメータを受け取るステップを実行するための命令を含み、前記発電機センサが発電機に配設される、請求項１６から１８のいずれかに記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
20. 前記１以上のガスタービン動作境界をモデル化するステップを実行するための前記命令が、前記タービン動作パラメータに、前記発電機動作パラメータに、又はそれらの組合せにカルマンフィルタを適用するステップを実行するための命令を含む、請求項１６から１９のいずれかに記載の非一時的コンピュータ可読媒体。