JP6812107B2

JP6812107B2 - ガスタービン比例ドループ調速機のための補正システムおよび方法

Info

Publication number: JP6812107B2
Application number: JP2016014985A
Authority: JP
Inventors: ユーフイ・チェン; ブライアン・エドワード・スイート; スコット・ウィリアム・ツェペック
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2015-02-03
Filing date: 2016-01-29
Publication date: 2021-01-13
Anticipated expiration: 2036-01-29
Also published as: US9932850B2; EP3054129A1; US20160222816A1; EP3054129B1; JP2016153645A

Description

本明細書に開示されている主題は、産業用制御システム、より具体的には、タービンのための、ドループ応答制御の産業用制御システムに関する。

ガスタービン（電気を生成する目的で動力を生成する）に燃料を供給するシステムは、多くの場合、電力網のシステム周波数の変化に対する特定の出力応答を定めた規制に従わなければならない。周波数が低下する場合、各ガスタービンの調速機は、電力網周波数制御に寄与するために、燃料流量を増加させて比例出力応答を発生させることによって補償しなければならない。この補償は、発電産業では「ドループ」制御と呼ばれることが多い。

ドループ制御システムは、比例積分（ＰＩ：ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｉｎｔｅｇｒａｌ）または比例積分微分（ＰＩＤ：ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｉｎｔｅｇｒａｌｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）の制御器ではなく比例制御器が使用される場合、「比例ドループ調速機」（または「比例ドループ制御システム」）と呼ばれる。比例ドループ調速機は、単純かつロバストであり、発電設備に使用されてきた。しかしながら、この種のドループ調速機に関して、電力網の周波数変動に対するドループ出力応答は、首尾一貫せず、周囲の運転条件、機械性能の劣化、およびタービン初期負荷レベルに依存する。ドループ出力応答は、いくつかの条件下では、この変動に起因して電力網機関（ｇｒｉｄａｕｔｈｏｒｉｔｙ）の要件を満たすことができない場合がある。

本開示は、比例ドループ調速機からの従来の燃料流量コマンドを補正し、その結果、周波数変動について予測可能なより一貫性のあるドループ出力応答を行うことによってこの問題に対処する。

米国特許出願公開第２０１４／０２６０２９３号明細書

独創的に特許請求されている発明の範囲に相応する特定の実施形態が、以下で要約される。これらの実施形態は、特許請求されている発明の範囲を限定するためのものではなく、正しくは、これらの実施形態は、本発明の可能な形態の簡単な概要を提供するためのものに過ぎない。実際、本発明は、以下で述べられる実施形態と同様である場合もあれば、異なる場合もある様々な形態を包含し得る。

第１の実施形態において、システムは、タービンシステムの運転挙動を制御するように構成される制御器を含み、該制御器は、タービンシステムに関連付けられている電力系統の周波数変動の指標としてタービンシステムの１つ以上の運転特性を検出するように構成されたドループ応答システムであって、周波数変動の指標に応答してタービンシステムの出力を変化させるように応答を生成するようさらに構成されているドループ応答システムと、比例ドループ補正制御システムであって、ガスタービン出力および速度−負荷誤差に基づいて算出されるドループ出力応答ならびに公称ドループ出力比に基づいて補正係数を求め、ドループ応答システムによって生成される応答に適用される補正係数であって、ドループ応答システムによって生成される応答を補正するように構成される補正係数を生成するように構成された比例ドループ補正制御システムとを含む。

別の実施形態において、方法は、タービンシステム運転パラメータを受信するステップであって、該タービンシステム運転パラメータが、タービンシステムに関連付けられている電力系統の周波数変動の指標を含むステップと、周波数変動に応じてタービンシステムの出力を変化させるために補正係数を求めるステップであって、補正係数が、ドループ出力応答および公称ドループ出力比に基づき、ドループ出力応答が、ガスタービン出力および速度−負荷誤差に基づいて算出されるステップと、補正係数に少なくとも部分的に基づいてタービンシステムの出力を変化させるステップとを含む。

さらなる実施形態において、非一時的なコンピュータ可読媒体は、そこに記憶されるコンピュータ実行可能コードを含み、該コードは、タービンシステムに関連付けられている電力系統の周波数変動の指標を含むタービンシステム運転パラメータを受信させ、周波数変動に応じてタービンシステムの出力を変化させるために生成される応答に適用される補正係数であって、定格ガスタービン出力およびプリセットドループレベルを含む公称ドループ出力比ならびにガスタービン出力および速度−負荷誤差を含むドループ出力応答に基づく補正係数を生成させ、ならびに補正された応答に応じてタービンシステムの出力を変化させる命令を含む。

本発明のこれらのおよび他の特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明が添付図面を参照しながら読まれるときにより良く理解されるようになる。なお、添付図面では、同じ符号が、図面を通して同じ部分を示している。

本実施形態に係る、制御器を含む発電システムの実施形態のブロック図である。本実施形態に係る、図１の制御器内に含まれるドループ応答制御システムの実施形態のブロック図である。図２のドループ応答制御システム内に含まれる比例ドループ補正制御システムの実施形態のブロック図である。本実施形態に係る、図２のドループ応答制御システムの実施に適した工程の実施形態のフローチャートである。

以下では、本発明の１つ以上の特定の実施形態について説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するために、本明細書では、実際の実施態様の特徴のすべてが説明されない場合もある。このような実際の実施態様の開発（工学または設計プロジェクトにおけるような）において、実施態様ごとに異なり得る、開発者の特定の目標（システム関連およびビジネス関連の制約の遵守など）を達成するために、実施態様に特有の多数の決定がなされなければならないことが理解されるべきである。さらに、このような開発の努力は、込み入っていて、時間がかかるものであるかもしれないが、本開示の利益を受ける当業者にとっては設計、製作、および製造に関する日常的な取り組みであることが理解されるべきである。

本発明の様々な実施形態の要素を導入するとき、冠詞「ある（ａ）」、「ある（ａｎ）」、「前記（ｔｈｅ）」、および「前記（ｓａｉｄ）」は、その要素が１つ以上存在することを意味することが意図されている。用語「を備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「を含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「を有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、包含的であり、列挙されている要素以外にも付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ている。

本実施形態は、例えばガスタービンシステムのドループ応答（すなわち、システムが電力網のシステムにおける「ドループ」に応答する方法）の制御に有用なシステムおよび方法に関する。本明細書で使用される場合、「ドループ」は、主要な発電発動機（例えば、タービンおよび発電機など）に、主要な発電発動機に接続され得る電力網の対応する周波数（例えば、電気周波数）変動を補償させる必要があり得る周波数（例えば、速度）変動の度合いを意味し得る。実際は、ガスタービンシステムの出力は、電力網の周波数変動に応答するとき、周囲の運転条件（例えば、入口温度および入口圧力など）、機械性能の劣化（例えば、タービン効率）、ならびにガスタービンシステムの初期負荷レベルに依存するため、ガスタービンシステムのドループ応答制御には何らかの誤差が発生し得る。このことは、ガスタービンシステムおよび発電機が、このようなシステムを律する、国および／または地域から命じられる特定の発電および送電の品質保証（ＱＡ）の基準、法律、および／または要件を遵守することができない事態をもたらし得る。したがって、比例ドループ補正制御システムが提供される。

比例ドループ補正制御システムは、一様かつ繰り返し可能な、ガスタービンシステムのドループ応答を可能にし得る。現在開示されている実施形態は、主にガスタービンシステムに関して述べられ得るが、現在開示されている実施形態は、蒸気タービンシステム、風力タービンシステム、水力発電システム、および地熱発電システムなどを含む発電システムに適用され得ることが理解されるべきである。

前述の内容を踏まえて、本明細書に開示されている技術を組み込んだ発電システム（図１に示されている産業用発電システム１０など）の実施形態について説明することは有用であり得る。描かれているように、システム１０は、ガスタービンシステム１２、発電機１４、電力網１６、および制御器１８を含んでもよい。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、および取入口２８をさらに含んでもよい。燃焼器２０は、燃焼器２０内のチャンバで燃焼を発生させるために例えば空気と混合され得る燃料を受け入れてもよい。燃焼器２０は、高温の加圧排気ガスを生成してもよい。次に、燃焼器２０は、排気ガスにタービン２２を通過させ、１つ以上の排気出口に向かわせてもよい。このように、タービン２２は、ロータの一部であってもよい。排気ガスが、タービン２２を通過するとき、ガスは、タービンブレードに、ガスタービンシステム１２の軸線に沿った駆動シャフト２４を回転させ得る。さらに詳細に述べられるように、駆動シャフト２４は、システム１０の様々な構成要素（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も含む）に結合されてもよい。特定の実施形態において、運転パラメータ（例えば、圧力、温度、速度、およびトルクなど）は、図２に関して以下でより詳細に述べられるように、ガスタービンシステム１２のドループ応答を制御するためにガスタービンシステム１２、発電機１４、および駆動シャフト２４の１つ以上から検知または推定されてもよい。

駆動シャフト２４は、例えば同軸に配列されてもよい１つ以上のシャフトを含んでもよい。駆動シャフト２４は、ロータを形成するようにタービン２２と圧縮機２６とを連結するシャフトを含んでもよい。同様に、圧縮機２６は、駆動シャフト２４に結合されたブレードを含んでもよい。このようにして、タービン２２におけるタービンブレードの回転は、タービン２２と圧縮機２６とを連結しているシャフトに、圧縮機２０内のブレードを回転させる。このような機構は、圧縮機２０で空気を圧縮してもよい。圧縮機２６におけるブレードの回転は、空気取入口２８を介して受け入れられ得る空気を圧縮してもよい。圧縮された空気は、例えばより高い効率の燃焼を可能にするために燃焼器２０に供給されて燃料と混合されてもよい。特定の実施形態において、ガスタービンシステム１２はまた、電力網１６用の電力を生成する目的で発電機１４を駆動するために機械力を生成してもよい。

ガスタービンシステム１２は、発電システム１０の運転および性能に関係する様々な物理的パラメータおよび運転パラメータを監視するように構成された多数のセンサおよびフィールドデバイス（ｆｉｅｌｄｄｅｖｉｃｅ）をさらに含んでもよい。センサおよびフィールドデバイスは、例えば、入口センサおよび入口フィールドデバイス３０ならびに出口センサおよび出口フィールドデバイス３２（例えば、圧力トランスミッタ、温度トランスミッタ、流量トランスミッタ、燃料センサ、およびクリアランスセンサなど）を含んでもよい。図示されてはいないが、発電機１４はまた、多数のセンサおよびフィールドデバイス３０および３２を含んでもよいこともまた理解されるべきである。入口センサおよび入口フィールドデバイス３０ならびに出口センサおよび出口フィールドデバイス３２はまた、ガスタービンシステム１２および発電機１４の環境（例えば、周囲）条件を測定してもよい。

例えば、入口センサおよび入口フィールドデバイス３０ならびに出口センサおよび出口フィールドデバイス３２は、周囲温度、周囲圧力、湿度、および空気の質（例えば、空気中の粒子状物質）を測定してもよい。また、入口センサおよび入口フィールドデバイス３０ならびに出口センサおよび出口フィールドデバイス３２は、ガスタービンシステム１２の運転および性能に関係するエンジンパラメータ（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、回転部品と固定部品との間のクリアランス、圧縮機吐出圧力、汚染（例えば、窒素酸化物、硫黄酸化物、炭素酸化物、および／または粒子状物質の数）、ならびにタービン２２の排気圧力など）を測定してもよい。さらに、センサおよびフィールドデバイス３０および３２はまた、アクチュエータ情報（弁位置、スイッチ位置、スロットル位置、および可変形状部品（例えば、空気入口）の幾何学的位置など）を測定してもよい。かなり詳細に述べられるように、制御器１８は、ガスタービンシステム１２（例えば、タービン２２、圧縮機２６、取入口２８）および発電機１４の１つ以上ならびに（結果的に）電力網１６への電力出力を能動的に制御する目的でドループ補正を導出および生成するために測定を使用してもよい。

特定の実施形態において、発電機１４は、電力網１６の運転周波数（例えば、ヨーロッパおよびアジアの大半の国では約５０Ｈｚであり、北アメリカの国では約６０Ｈｚである）に関して固定および／または可変の速度で回転してもよい１つ以上のロータ（図示せず）を含んでもよい。特定の実施形態において、電力網１６の運転周波数の変動は、電力網１６への発電供給が、電力網１６の負荷需要を満たすのに不十分であることまたは電力網１６への発電供給が、電力網１６の負荷需要を上回っていることを示し得る。このような場合、電力網１６における周波数変動を補償するために、ガスタービンシステム１２および結果的に発電機１４の出力（例えば、燃料流量）を変化させる制御機構を用意することが有用であり得る。このような制御機構は、一般にガスタービンシステム１２の「ドループ応答」と呼ばれ得る。具体的には、ガスタービンシステム１２（および結果的に発電機１４）のドループ応答は、ガスタービンシステム１２の出力の１００％の変化に関係する周波数変動のパーセントの観点から求められてもよい。例えば、一実施形態において、ガスタービンシステム１２および発電機１４は、４％のドループ応答で運転されるように制御されてもよい。すなわち、ガスタービンシステム１２の出力は、電力網１６の周波数の４％の変動に対して１００％の変化を受けてもよい。したがって、４％ドループの定義は、電力網１６の周波数の１％の変化ごと（例えば、タービンシャフト２４の１％の速度変化ごと（電力網１６の周波数とタービン２２の速度は互いに比例し得るため））にガスタービンシステム１２の出力が２５％変化することに相当し得る。このように所定のドループ（調定率としても知られる）における発電機の負荷変動に応じたタービンの速度基準を「タービン速度／負荷基準」といい、この基準からのずれを「タービン速度／負荷誤差」という。さらに理解されるように、ガスタービンシステム１２のドループ応答は、電力網１６の周波数および／または負荷の変動を補償するために制御されてもよい。さらに、ガスタービンシステム１２のドループ応答は、ガスタービンシステム１２の周囲条件（例えば、温度および圧力など）、機械性能の劣化（例えば、タービン効率）、ならびに初期負荷レベルにかかわりなく制御され得る。

先ほど指摘したように、システム１０はまた、制御器１８を含んでもよい。制御器１８は、ガスタービンシステム１２のドループ応答を制御するための様々な制御アルゴリズムおよび制御技術の生成および実施に適してもよい。また、制御器１８は、オペレータインターフェースを提供してもよく、オペレータインターフェースを介して、エンジニアまたは技術者は、発電システム１０の構成要素（ガスタービンシステム１２の構成要素および発電機１４など）を監視してもよい。したがって、制御器１８は、読み取り可能かつ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ならびに読み取り可能かつ実行可能なコンピュータ命令および他のデータを記憶するために使用され得るメモリを含んでもよい。これらの命令は、有形の非一時的なコンピュータ可読媒体（メモリおよび／または制御器１８の他のストレージ）に記憶されるプログラムとしてエンコードされてもよい。特定の実施形態において、制御器１８はまた、様々な産業用制御ソフトウェア（ヒューマンマシンインターフェース（ＨＭＩ：ｈｕｍａｎ−ｍａｃｈｉｎｅｉｎｔｅｒｆａｃｅ）ソフトウェア、製造実行システム（ＭＥＳ：ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｅｘｅｃｕｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ）、分散制御システム（ＤＣＳ：ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ）、および／または監視制御データ収集（ＳＣＡＤＡ：ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ）システムなど）のホストであってもよい。制御器１８は、１つ以上の産業用通信（例えば、有線または無線の）プロトコル（ハート（Ｈａｒｔ）および／または無線ハートなど）をさらにサポートしてもよい。例えば、制御器１８は、ＧＥＥｎｅｒｇｙのＧＥＣｏｎｔｒｏｌＳＴ（構成ツールおよび同様の制御データを様々なフィールド設備およびフィールドデバイスに割り当て、分散させ得る）をサポートしてもよい。

したがって、制御器１８は、入口センサおよび入口フィールドデバイス３０、出口センサおよび出口フィールドデバイス３２、ガスタービンシステム１２、ならびに発電機１４に通信可能に接続されてもよい。制御器１８は、様々なソフトウェアアプリケーションおよびシステムを動作させ、サポートすることならびに制御器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、ストレージ、ゲートウェイ、およびプログラマブルロジック制御器（ＰＬＣ：ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｌｏｇｉｃｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ））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してもよい。実際、特定の実施形態において、制御器１８は、１つ以上のドループ応答制御システムおよび／またはアルゴリズム（ドループ応答制御システム３４など）をサポートしてもよい。

したがって、図２は、ドループ応答制御システム３４の実施形態の概略図である。ドループ応答制御システム３４は、制御器１８の一部として含まれてもよく、また、比例ドループ調速機３６および比例ドループ補正制御システム３８をさらに含んでもよい。詳細には、ドループ応答制御システム３４は、ソフトウェアシステム、ハードウェアシステム、またはこれらの組み合わせであってもよい。ドループ応答制御システム３４は、ガスタービンシステム１２の出力（および（結果的に）発電機１４の出力）が、電力網１６の電気周波数の変動に応じて調整されるようにドループ応答を制御するために使用されてもよい。具体的には、ドループ応答制御システム３４は、電力網１６の周波数（例えば、制御器１８によって受信される）または発電機１４の速度を監視し、電力網１６の公称周波数（例えば、６０Ｈｚ）からの周波数変動の度合いに応じてガスタービンシステム１２への燃料流量および発電機１４の出力を調整してもよい。例えば、０．１Ｈｚの周波数の増加（例えば、６０．１Ｈｚは、電力網１６への発電供給が、電力網１６の負荷需要を上回っていることを示す）の場合、燃料流量および／またはガスタービンシステム１２の取入口２８が、システム１０のガスタービンシステム１２、発電機１４、および電力網１６の間のバランスを維持する目的で出力を低下させるために小さくされてもよい。同様の例において、０．１Ｈｚの周波数の低下（例えば、５９．９Ｈｚは、電力網１６への発電供給が、電力網１６の負荷需要を下回っていることを示す）の場合、燃料流量および／またはガスタービンシステム１２の取入口２８が、システム１０のガスタービンシステム１２、発電機１４、および電力網１６の間のバランスを維持する目的で出力を増加させるために大きくされてもよい。

描かれているように、比例ドループ調速機３６は、タービン速度／負荷基準入力４０および運転周波数入力４２を含んでもよい。図１に関して先ほど指摘したように、入力４０および４２は、例えば入口センサおよび入口フィールドデバイス３０ならびに出口センサおよび出口フィールドデバイス３２または他の装置を介して制御器１８によって受信されてもよい。注目に値し得るように、周波数入力４２は、電力網１６から直接測定される電気周波数またはガスタービンシステム１２および発電機１４に結合されたシャフト２４の速度に基づいて導出される電気周波数であってもよい。具体的には、タービン速度／負荷基準入力４０は、パーセンテージの値として示されるタービン２２の速度／負荷基準であってもよい。例えば、１００％の値は、定格速度およびゼロ出力（ＭＷ）を示し、１０４％の値は、公称４％ドループ設定では全出力（ＭＷ）を示す。同様に、運転周波数入力４２は、パーセンテージの値として示されてもよく、その場合、電力網１６の周波数の１％の変動は、公称４％ドループ設定ではガスタービンシステム１２の出力（ＭＷ）の２５％の変化に対応してもよい。したがって、図示のように、入力４０および４２の差は、燃料コマンドドループゲイン４６が掛けられ得る速度／負荷誤差パーセンテージを算出するために計算されてもよい。燃料コマンドドループゲイン４６は、速度／負荷誤差のパーセンテージ当たりの燃料コマンド変化を示してもよい。次に、速度／負荷誤差パーセンテージと燃料コマンドドループゲイン４６の積の結果は、公称燃料流量コマンド６２を導出するために燃料コマンド定数４８（例えば、全速力かつ発電機１４の負荷なしでの燃料コマンド）と組み合わされてもよい。次に、機関限界（ａｕｔｈｏｒｉｔｙｌｉｍｉｔ）５８および６０を有するクランプ５６を通過した後、公称燃料流量コマンドは、ガスタービンシステム１２への燃料流量を調整するために（結果的に、ガスタービンシステム１２のドループ応答を制御するために）ガスタービンシステム１２の１つ以上のエフェクタ（例えば、アクチュエータおよび弁など）に出力されてもよい。

しかしながら、ガスタービンシステム１２の出力応答が、周囲の運転条件（例えば、圧縮機２６の入口温度および入口圧力）、機械性能の劣化（例えば、タービン効率）、ならびにガスタービンシステム１２の初期負荷レベルに依存し得るため、ガスタービンシステム１２のドループ応答制御には何らかの誤差が発生し得る。例えば、１％の電力網１６の周波数変動は、ガスタービンシステム１２の出力の１０ＭＷの調整を必要とし得るため、周囲条件（例えば、通常温度の日に比べて寒い日もしくは暖かい日および／または１日のうちのより寒いもしくはより暖かい時間帯）に応じて、１％の電力網１６の周波数変動は、例えば、寒い（例えば、５０〜７０度の）日では１１〜１２ＭＷのドループ応答の変化または暖かい（例えば、８０〜１００度の）日では８〜９ＭＷの変化をもたらし得る。このことは、ガスタービンシステム１２および発電機１４が、このようなシステムを律する、国および／または地域から命じられる特定の発電および送電の品質保証（ＱＡ）の基準、法律、および／または要件を遵守することができない事態をもたらし得る。

したがって、比例ドループ補正制御システム３８を用意することが有用であり得る。実際、比例ドループ補正制御システム３８は、電力網１６の周波数の特定の変動に関してドループ出力応答（例えば、実際のドループ出力比）が、周囲の運転条件（例えば、圧縮機２６の入口温度および入口圧力）、機械性能の劣化（例えば、タービン効率）、ならびにガスタービンシステム１２の初期負荷レベルにかかわらない仕方で公称燃料流量コマンドを調整し得る。したがって、比例ドループ補正制御システム３８は、例えば品質保証（ＱＡ）検査、安全度水準（ＳＩＬ：ｓａｆｅｔｙｉｎｔｅｇｒｉｔｙｌｅｖｅｌ）検査、および運転などの期間にわたって繰り返し可能な一貫性のある、ガスタービンシステム１２の周波数ドループ応答を可能にし得る。比例ドループ補正制御システム３８は、公称燃料流量コマンド６２が掛けられて、補正された燃料流量コマンド６５をもたらし得る補正係数５０を出力してもよい。図２に示されているように、補正された燃料流量コマンド６５は、クランプ５６に渡されてもよい。クランプは、燃料流量コマンドに対して、上界および／または下界を含めて上限６０および／または下限５８を提供してもよい。

補正係数５０を求める一方法は、予め算出したパラメータルックアップテーブルと共に周囲の運転条件（例えば、入口温度および入口圧力など）を考慮することである。ルックアップテーブルは、補正係数を生成するために様々な温度および圧力を考慮する。しかしながら、ルックアップテーブルを使用することは、異なるパラメータのたくさんの事前構成を含み得る。これは、望ましくなく、管理が困難な場合がある。したがって、比例ドループ補正制御システム３８は、正規化された応答を実現し、周囲の運転条件を考慮するより単純でよりロバストな解決策を提供する。さらに、この解決策は、補正のためのパラメータとして、メガワットセンサからの値を使用しなくてもよい。したがって、比例ドループ補正制御システム３８の利点の１つは、これがメガワットセンサからの測定値を使用しなくても補正係数を提供する（例えば、補正のための制御ループへの発電機の出力がなくても補正係数を提供する）ことである。

図３は、比例ドループ補正制御システム３８の概略図である。図３に示されているように、比例ドループ補正制御システム３８の出力は、図２にも示されている補正係数５０である。比例ドループ補正制御システム３８は、４つの一般的なセクション、すなわち、公称ドループ出力比セクション６６、測定セクション６８、イネーブルセクション７０、および保持セクション７２を含む。

公称ドループ出力比セクション６６は、一般に一定値である入力を使用する。プリセットセクション６６は、定格ガスタービン出力値７４およびドループ値７６を含む。定格ガスタービン出力値は、ベース負荷におけるガスタービン定格（例えば、保証）メガワット出力（例えば、４００ＭＷ）であってもよい。ドループ７６は、どのくらいの速さで発電所が周波数変動に反応すべきかを記述するプリセット値であってもよい。例えば、ドループ値が、４にプリセットされている場合、これは、１％の速度変動があった場合に、発電が２５％変化すべきであることを意味する。ドループ７６は、例えば、地域によって規定されてもよい。したがって、ドループ７６は、この関連では一般に一定値であると見られてもよい。定格ガスタービン出力７４およびドループ７６が組み合わされ（例えば、掛けられるか、または割られる）て、公称ドループ出力比７８がもたらされる。公称ドループ出力比は、ドループ出力応答８０が制御されるターゲットである。

測定セクション６８は、ドループ出力応答８０を生成するために使用される。比例ドループ補正制御システム３８の測定セクション６８は、ガスタービン出力８２を含む。ガスタービン出力８２は、プラント構成に基づいて求められる。蒸気タービンおよびガスタービン１２が同じ発電機１４を共用する単一シャフト運転の場合、ガスタービン１２の寄与のオンラインモデル推定８６が、ガスタービン出力８２として使用される。そうでなければ、ガスタービン出力推定または測定された発電機出力８８のどちらかが、ガスタービン出力８２として使用されてもよい。したがって、単一シャフト運転でない場合、測定された発電機出力が使用されてもよい（ただし、使用されなければならないわけではない）。ガスタービン出力８２は、機関限界（例えば、上限５５および下限５７）を提供するクランプ５３を含む。次に、ガスタービン出力８２は、ドループ出力応答８０を算出するために他の値と共に使用されてもよい。

比例ドループ補正制御システム３８の測定セクション６８は、タービン速度／負荷基準４０および電力網周波数４２を含んでもよい。これらの値は、図２と同じ値であってもよい（例えば、制御器１８のメモリから検索されるか、または同じセンサから受信される）上で説明したように、速度−負荷誤差は、速度／負荷基準４０および電力網周波数４２に基づいて算出される。上記と同様に、入力４０とおよび４２の差は、上限４５および下限４７を有する別のクランプ４３によって制限され得る速度／負荷誤差パーセンテージ４１を算出するために計算されてもよい。次に、速度−負荷誤差４１およびガスタービン出力８２は、ドループ出力応答８０を算出するために使用されてもよい（例えば、掛けられるか、または割られる）。次に、ドループ出力応答８０および公称ドループ出力比７８は、ドループ補正がイネーブルセクション７０で有効にされた（９２）ときに、補正係数（例えば、第１の補正係数または最初の補正係数）を算出するためにブロック１１４で使用されてもよい（例えば、掛けられるか、または割られる）。

ドループ補正は、様々な状況で有効にされてもよい（９２）。実施形態において、イネーブルビット１０４がターンオンされ、ドループ運転が許可される（１０６）（例えば、ガスタービンシステム１２が、グリッド１６に接続される）。さらに、ドループ補正を可能にするために、２つのケース、すなわち、（１）ＣおよびＤ（１０９）によって示されているように、単一シャフト運転１０８であり、オンラインモデルが有効である（１１０）ケースまたは（２）単一シャフト運転ではない（１１１）（例えば、発電機が、ガスタービンのみによって駆動される）ケースのいずれか一方が真となり得る。図３に示されているように、ブロック１１２は、上で説明したロジックを反映している。実施形態が、図３に関して説明されているロジックを使用し得るからといって、本開示は、そのようなものとして限定されることを意図されておらず、ドループ補正の有効／無効を判定する任意の方法が使用されてもよい。

上で言及したように、ドループ補正が有効にされた（９２）とき、公称ドループ出力比７８は、最初の補正係数５１を求めるためにドループ出力応答８０によって割られてもよい。ドループ補正が無効なとき、公称ドループ出力比７８は、補正係数が使用されない（例えば、補正係数＝１になる）ようにそれ自体によって割られてもよい。次に、補正係数５１は、上限６３および下限５９を有するクランプ６１（例えば、機関限界）によって制限されてもよい（例えば、第２のまたは中間の補正係数）。点１２２における補正係数は、新しく生成された補正係数５１またはラッチ１２４に以前に保持された補正係数のいずれかであり得る。図３に示されているように、ラッチ１２４は、点１２２における補正係数が保持セクション７２に基づいて保持され得ることを反映するように示されている。

保持セクション７２は、点１２２における補正係数が、新しい補正係数５１に更新されるべき場合または点１２２における補正係数が、繰り返し保持されるべき場合を判定するために使用される。ガスタービンシステム１２の負荷に対応する、保持セクション７２の負荷レベル１２６が、閾値１２８を下回るとき、前の補正係数１２４を補正係数５０として使用し続ける（点９４における補正係数に更新する代わりに）ことが、上で説明したアルゴリズムがより高い負荷によりより良く用いられ得るため、有益であり得る。したがって、保持セクション７２は、タービンシステム１２の負荷レベル１２６および低い負荷レベル（例えば、１００．１５％）に対応する閾値１２８を含んでもよい。負荷レベル１２６が、閾値１２８を上回るとき、点９４における新しい補正係数が、点１２２における補正係数として使用され、最終的な補正係数５０を出力するためにレートリミッタ１３０を通過する。レートリミッタ１３０は、最終的なドループ補正係数５０の変化のレートを制限してもよい。クランプ６１、ラッチ１２４、およびレートリミッタ１３０が使用されているが、これらの構成要素は、例として使用されている。付加的および／または代替的な方法が、公称ドループ出力比およびドループ出力応答に基づいてドループ補正係数を望ましいレベルに調整するために使用されてもよい。

次に図４を参照すると、図１に描かれている発電システム１０に含まれる例えば制御器１８を使用することによって燃料流量コマンドを求めるのに有用な工程１３２の実施形態を示すフロー図が提示されている。工程は、非一時的なコンピュータ可読媒体（例えば、メモリ）に記憶され、制御器１８に含まれる例えば１つ以上のプロセッサによって実行されるコードまたは命令を含んでもよい。工程１３２は、制御器１８がガスタービンシステム１２の運転パラメータを受信する（ブロック１３４）ことから始められてもよい。運転パラメータは、定格ガスタービン出力７４、ドループ７６、ガスタービン出力推定もしくは測定された発電機出力８８、ガスタービン出力推定８６、タービン速度／負荷基準４０、電力網周波数４２、負荷レベル１２６、閾値１２８、イネーブル設定１０４、ドループ許可設定１０６、単一シャフト運転１０８が真であるか否か、またはオンラインモデルが有効であるか否か（１１０）を含んでもよい。前述したように、制御器１８は、ドループ補正を有効／無効にするか否か（ブロック１３６）を判定するために、ドループ補正のイネーブル１０４ビット、ドループ運転許可１０６ビット、単一シャフト運転１０８ビット、および／またはオンラインモデル有効１１０ビットを受信してもよい。ドループ補正が無効な場合、システムは、補正を出力しない（ブロック１３８）。これは、図３に示されているように、公称ドループ出力比を取得し、これをドループ出力応答の代わりにそれ自体で割ることによって実行されてもよい。

ドループ補正が有効にされた場合、制御器１８は、公称ドループ出力比７８を求めてもよい（ブロック１４０）。公称ドループ出力比７８は、ドループ７６によって割られた定格ガスタービン出力７４であってもよい。さらに、制御器１８は、ドループ出力応答８０（例えば、実際のドループ出力比）を求めてもよい（ブロック１４２）。ドループ出力応答８０は、例えば、単一シャフト運転８４の場合、速度／負荷誤差パーセンテージ（タービン速度／負荷基準４０と電力網周波数４２との差を用いて発見された）によって割られたガスタービン出力推定８６であってもよい。他の詳細（測定された発電機出力８８の使用など）は、図３に関して上に説明されている。次に、制御器１８は、プロセッサによって、ドループ補正係数５０（例えば、最初のおよび／または第２の補正係数）を発見するために公称ドループ出力比７８およびドループ出力応答８０を使用してもよい（ブロック１４４）。これは、公称ドループ出力比７８をドループ出力応答８０で割ることによってなされてもよい。次に、制御器１８は、ガスタービンシステム１２の負荷レベル１２６が閾値１２８を上回ったか否かを判定してもよい（ブロック１４６）。負荷があまりに低い場合、制御器１８は、前の補正係数を使用してもよい（ブロック１４８）。負荷レベル１２６が、閾値１２８を上回る場合、制御器１８は、更新された補正係数を使用してもよい（ブロック１４９）。次に、制御器は、ドループ補正係数および公称燃料流量コマンドに基づいて実際の燃料流量コマンドを求めてもよい（ブロック１５０）。次に、制御器は、実際の燃料流量コマンドに基づいて１つ以上のタービン制御エフェクタを調整してもよい（ブロック１５２）。

本実施形態の技術的効果は、発電システムのガスタービンシステムのドループ応答の制御に有用なシステムおよび方法を含み得る。具体的には、比例ドループ補正制御システムは、ガスタービンシステムに接続された電力網の周波数の特定の変動に関してドループ出力応答が、周囲の運転条件、機械性能の劣化、およびガスタービンシステムの初期負荷レベルにかかわらない仕方で通常の燃料流量コマンドを調整し得る。さらに、比例ドループ補正制御システムは、多くのプリセット値を使用する結果としてより複雑なシステムをもたらすルックアップテーブルを用いずに判定を行うために使用されてもよい。したがって、比例ドループ補正制御システムは、一様かつ繰り返し可能な、ガスタービンシステムのドループ応答を可能にする洗練された解決策を提供し得る。

この記載された説明では、最良の態様を含めて本発明を開示するために、さらには、任意の当業者が任意の装置またはシステムの作製および使用ならびに任意の組み込み方法の実行を含めて本発明を実施することを可能にするために、例が使用されている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって規定されており、また、当業者によって想到される他の例を含み得る。このような他の例は、特許請求の範囲の文言と異ならない構造的要素を有する場合または特許請求の範囲の文言と実質的に異ならない均等な構造的要素を含む場合に、特許請求の範囲内にあることが意図されている。

１０発電システム
１２ガスタービンシステム
１４発電機
１６電力網
１８制御器
２０燃焼器
２２タービン
２４シャフト
２６圧縮機
２８空気取入口
３０入口センサ
３２出口センサ
３４ドループ応答制御システム
３６比例ドループ調速機
３８比例ドループ補正制御システム
４０タービン速度／負荷基準
４１速度−負荷誤差
４２運転周波数入力
４３、５３、５６、６１クランプ
４５、５５、６０、６３上限
４６燃料コマンドドループゲイン
４７、５７、５８、５９下限
４８燃料コマンド定数
５０補正係数
５１最初の補正係数
６２公称燃料流量コマンド
６５補正された燃料流量コマンド
６６公称ドループ出力比セクション
６８測定セクション
７０イネーブルセクション
７２保持セクション
７４定格ガスタービン出力
７６ドループ
７８公称ドループ出力比
８０ドループ出力応答
８２ガスタービン出力
８４単一シャフト運転
８６ガスタービン出力推定
８８測定された発電機出力
９２有効になったドループ補正
９４、１２２点
１０４イネーブルビット
１０６ドループ許可設定
１０８単一シャフト運転
１０９ＣおよびＤ
１１０有効なオンラインモデル
１１１非単一シャフト運転
１１２、１１４ブロック
１２４ラッチ
１２６負荷レベル
１２８閾値
１３０レートリミッタ

Claims

システム（１０）であって、
タービンシステム（１２）の運転挙動を制御するように構成された制御器（１８）を備え、該制御器（１８）が、
前記タービンシステム（１２）に関連付けられている電力系統の周波数変動の指標として前記タービンシステム（１２）の１つ以上の運転特性を検出するように構成されたドループ応答システム（３４）であって、前記周波数変動の前記指標に応答して前記タービンシステム（１２）の出力を変化させるための公称燃料流量コマンド（６２）としての応答を生成するようさらに構成されているドループ応答システム（３４）と、
比例ドループ補正制御システム（３８）であって、
前記タービンシステム（１２）のガスタービン出力（８２）及びタービン速度／負荷誤差（４１）に基づいて算出されるドループ出力応答（８０）並びに該ドループ出力応答（８０）が制御される目標である公称ドループ出力比（７８）に基づいて補正係数を求め、
前記ドループ応答システム（３４）によって生成される前記応答に適用される前記補正係数であって、前記ドループ応答システム（３４）によって生成される前記応答を補正するように構成される前記補正係数を出力する
ように構成された比例ドループ補正制御システム（３８）と
を備えるシステム（１０）。
前記比例ドループ補正制御システム（３８）が、前記タービンシステム（１２）が単一シャフト運転（８４）の場合にガスタービン出力推定（８６）を前記ガスタービン出力（８２）として使用するように構成されている、請求項１に記載のシステム（１０）。
前記比例ドループ補正制御システム（３８）が、前記公称ドループ出力比（７８）として、算出されたドループ出力比を求めるように構成されており、前記算出されたドループ出力比が、定格ガスタービン出力（７４）及びプリセットドループレベル（７６）に基づいて求められる、請求項１又は請求項２に記載のシステム（１０）。
前記比例ドループ補正制御システム（３８）が、前記タービン速度／負荷誤差（４１）として、タービン速度／負荷基準（４０）と電力網周波数（４２）との差を使用するように構成されている、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のシステム（１０）。
前記比例ドループ補正制御システム（３８）が、上限（６３）、下限（５９）、又はこれらの任意の組み合わせ内に前記補正係数を制限するように構成され、前記補正係数が、前記補正係数の変化のレートを制限するためにレートリミッタ（１３０）を使用することによってさらに制限される、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のシステム（１０）。
前記比例ドループ補正制御システム（３８）が、タービン速度／負荷基準（４０）と閾値（１２８）とを比較することによって前記タービンシステム（１２）の負荷レベル（１２６）を監視するように構成されており、前記負荷レベル（１２６）が前記閾値（１２８）を上回り、かつ１組のドループ条件が満たされる場合に、前記補正係数を更新し、前記負荷レベル（１２６）が前記閾値（１２８）を下回るときに、前の補正係数を補正係数として使用する、請求項５に記載のシステム（１０）。
前記公称ドループ出力比（７８）が、前記ドループ出力応答（８０）によって割られるか、あるいは、前記公称ドループ出力比（７８）に、前記ドループ出力応答（８０）が掛けられることにより、前記補正係数が得られる、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のシステム（１０）。
方法であって、
タービンシステム（１２）の１つ以上の運転特性を検出するようにドループ応答システム（３４）を構成するステップと、
タービンシステム運転パラメータを受信するステップであって、該タービンシステム運転パラメータが、前記タービンシステム（１２）に関連付けられている電力系統の周波数変動の指標を含むステップと、
前記周波数変動の前記指標に応答して前記タービンシステム（１２）の出力を変化させるための公称燃料流量コマンド（６２）としての応答を生成するステップと、
前記周波数変動に応じて前記タービンシステム（１２）の出力を変化させるための補正係数を、ドループ出力応答（８０）並びに該ドループ出力応答（８０）が制御される目標である公称ドループ出力比（７８）に基づいて求めるステップであって、前記補正係数が、前記ドループ出力応答（８０）が、前記タービンシステム（１２）のガスタービン出力（８２）及びタービン速度／負荷誤差（４１）に基づいて算出されるステップと、
前記補正係数に基づいて前記タービンシステム（１２）の前記出力を変化させるステップと
を含む方法。
前記公称ドループ出力比（７８）として、算出されたドループ出力比を求めるステップであって、前記算出されたドループ出力比が、定格ガスタービン出力（７４）及びプリセットドループレベル（７６）に基づいて求められるステップを含む、請求項８に記載の方法。
前記補正係数が、発電機出力、メガワットセンサ、又はこれらの任意の組み合わせを用いずに求められる、請求項８又は請求項９に記載の方法。
前記ガスタービン出力（８２）を前記タービン速度／負荷誤差（４１）で割ることにより、前記ドループ出力応答（８０）を得るステップであって、前記タービン速度／負荷誤差（４１）が、タービン速度／負荷基準（４０）と電力網周波数（４２）との差を含むステップを含む、請求項８乃至請求項１０のいずれか１項に記載の方法。
前記タービンシステム（１２）の速度パーセンテージ値及び周波数パーセンテージ値に基づいて、前記タービンシステム（１２）の第１の運転パラメータに対応する負荷レベル（１２６）を導出するステップと、
前記負荷レベル（１２６）と閾値（１２８）とを比較するステップと、
前記比較に基づいて保持を実行するステップであって、前記保持が、前記負荷レベル（１２６）が前記閾値（１２８）を下回るときは前の補正係数を前記補正係数として使用し、前記保持が、前記負荷レベル（１２６）が前記閾値（１２８）を上回るときは前記補正係数を使用するステップと
を含む、請求項８乃至請求項１１のいずれか１項に記載の方法。
タービンシステム（１２）の１つ以上の運転特性を検出するように構成されたドループ応答システム（３４）で用いるための非一時的なコンピュータ可読媒体であって、そこに記憶されるコンピュータ実行可能コードを有し、該コードが、
前記タービンシステム（１２）に関連付けられている電力系統の周波数変動の指標を含むタービンシステム運転パラメータを受信させ、
前記周波数変動の前記指標に応答して前記タービンシステム（１２）の出力を変化させるための公称燃料流量コマンド（６２）としての応答を生成させ、
前記周波数変動に応じて前記タービンシステム（１２）の出力を変化させるために生成される応答に適用される補正係数であって、公称ドループ出力比（７８）及びドループ出力応答（８０）に基づく補正係数を生成させ、並びに
前記応答に適用される補正係数に応じて前記タービンシステム（１２）の前記出力を変化させる
命令を含み、
前記公称ドループ出力比（７８）が、前記ドループ出力応答（８０）が制御される目標であって、定格ガスタービン出力（７４）及びプリセットドループレベル（７６）を含んでおり、前記ドループ出力応答（８０）が、前記タービンシステム（１２）のガスタービン出力（８２）及びタービン速度／負荷誤差（４１）を含んでいる、非一時的なコンピュータ可読媒体。
前記命令が、前記補正係数及び前記公称燃料流量コマンド（６２）に基づいて前記補正された応答として実際の燃料流量コマンドであって、前記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るアクチュエータを駆動するよう構成される実際の燃料流量コマンドを導出させる命令を含む、請求項１３に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。