JP6827744B2 - タービンシステムの過渡的な排出温度制御 - Google Patents
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Description
本明細書で開示される主題は、タービンシステムに関し、より具体的には、特定の排出温度を提供するタービンシステム制御のためのシステムおよび方法に関する。
発電所で動力を提供するガスタービンなどの特定のタービンシステムは、通常、圧縮機、燃焼器システム、およびタービンを有する少なくとも１つのガスタービンエンジンを含む。燃焼器システムは、燃料と圧縮空気との混合気を燃焼させて高温燃焼ガスを生成し、次に高温燃焼ガスがタービンのブレードを駆動して、たとえば、回転動力を生成する。ガスタービンエンジンにより生成された排気ガスは、窒素酸化物（ＮＯx、ＮＯおよびＮＯ2を含む）、硫黄酸化物（ＳＯx）、酸化炭素（ＣＯx）、および未燃焼炭化水素などの特定の副生成物を含むことがある。
ガスタービンシステムの動作をモニタし、制御する制御システムを含むことができる。たとえば、制御システムは、燃焼温度、燃料流量、および圧縮機空気流量などの種々のパラメータを制御して、指定された動力出力を有し、および／または排気ガス排出量を低減させるように、ガスタービンシステムを動作させることができる。ガスタービンシステムの動作が急激にまたは過渡的に変化する場合（たとえば、要求される出力が低下した場合、またはある負荷経路から別の負荷経路に切り替わるもしくは遷移する場合）に、制御システムは、それに応じて種々のパラメータを調整することができる（たとえば、必要とされる動力のみを生成するように、および／または新たな排気ガス排出量を有するように）。したがって、ガスタービンシステムの制御を向上させることは、特に過渡期間中には、有益であろう。
本開示の範囲に相応する特定の実施形態を、以下に要約する。これらの実施形態は特許請求の範囲を限定しようとするものではなく、むしろ、これらの実施形態は特定の実施形態の概要を提供しようとするものにすぎない。実際、本開示の実施形態は、以下に記載する実施形態に類似してもよく、あるいは異なってもよい様々な形態を含むことができる。
一実施形態では、システムが提供される。システムは、プロセッサを備えるタービン制御システムを含む。プロセッサは、タービンシステムの通常負荷経路（ＮＬＰ）とタービンシステムの冷負荷経路（ＣＬＰ）との間で遷移するための入力を受信するように構成される。プロセッサは、入力に基づいて一酸化炭素（ＣＯ）設定点を決定するようにさらに構成される。プロセッサは、ＣＯ設定点に基づいて温度制御を適用するようにさらに構成され、通常負荷経路は、冷負荷経路と比較して、より高い排出温度を含む。
別の実施形態では、本方法は、プロセッサにより、ガスタービンシステムの通常負荷経路（ＮＬＰ）とガスタービンシステムの冷負荷経路（ＣＬＰ）との間で遷移するための入力を受信するステップを含む。本方法は、プロセッサにより、入力に基づいて一酸化炭素（ＣＯ）設定点を決定するステップと、プロセッサにより、ＣＯ設定点に基づいて温度制御を適用するステップと、を含み、通常負荷経路は、冷負荷経路と比較して、より高い排出温度を含む。
別の実施形態では、非一時的なプロセッサ実行可能命令を格納する機械可読媒体が提供される。プロセッサ実行可能命令は、タービンシステムの通常負荷経路（ＮＬＰ）とタービンシステムの冷負荷経路（ＣＬＰ）との間で遷移するための入力を受信するように構成される。プロセッサ実行可能命令は、入力に基づいて一酸化炭素（ＣＯ）設定点を決定し、ＣＯ設定点に基づいて温度制御を適用するようにさらに構成され、通常負荷経路は、冷負荷経路と比較して、より高い排出温度を含む。
本開示のこれらの、ならびに他の特徴、態様および利点は、添付の図面を参照しつつ以下の詳細な説明を読めば、よりよく理解されよう。添付の図面では、図面の全体にわたって、類似する符号は類似する部分を表す。
以下で、本開示の１つまたは複数の具体的な実施形態を説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を提供しようと努力しても、実際の実施のすべての特徴を本明細書に記載することができるというわけではない。エンジニアリングまたは設計プロジェクトのような実際の実施の開発においては、開発者の特定の目的を達成するために、たとえばシステム関連および事業関連の制約条件への対応等実施に特有の決定を数多くしなければならないし、また、これらの制約条件は実施毎に異なる可能性があることが理解されるべきである。さらに、このような開発作業は複雑で時間がかかるかもしれないが、にもかかわらず、この開示の利益を得る当業者にとっては、設計、製作、および製造の日常的な仕事であることが理解されるべきである。
本開示の様々な実施形態の要素を導入する場合に、「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「前記（ｔｈｅ）」および「前記（ｓａｉｄ）」は１つまたは複数の要素があることを意味するものである。「備える」、「含む」、および「有する」という用語は、包括的なものであって、列挙された要素以外の付加的な要素があり得ることを意味するものである。
上述したように、タービンシステムは、指定された動力出力を生成するために、特定の排出温度（たとえば、排気温度、燃焼温度）、燃料流量、空気流量、および他のパラメータによって規定される定常状態条件で動作することができる。たとえば、ガスタービンエンジンは、ベース負荷動力を生成する連続的基礎（たとえば、ベース負荷）の上で動作することができる。ガスタービンエンジンはまた、部分負荷（たとえば、ベース負荷の一部）、たとえば、ガスタービンエンジンの始動中にも動作することができる。始動中には、ガスタービンエンジンは、１つまたは複数の所定の（たとえば、プログラムされた）経路、たとえば、通常負荷経路（ＮＬＰ）および冷負荷経路（ＣＬＰ）に沿ってベース負荷に向かって動作することができる。各所定の経路は、経路の様々な部分において、燃料流量、空気流量、燃焼温度、およびＣＯ排出量などの動作パラメータの特定の組を用いてガスタービンエンジンを動作させることを含むことができる。ガスタービンエンジンが１つの所定の経路から別の所定の経路に切り替わる場合には、１つまたは複数の動作パラメータを調整することができる。たとえば、所与の負荷レベルにおいて、ＮＬＰは、より高い燃焼温度または排気温度に対応することができ、ＣＬＰは、より低い燃焼温度または排気温度に対応することができる。ガスタービンエンジンがＮＬＰからＣＬＰ切り替わる場合には、燃焼または排気温度を低下させることができる（たとえば、燃料流量を減少させることによって）。ガスタービンエンジンの燃焼温度が低下すると、ＣＯからＣＯ2への酸化反応が抑えられる（たとえば、燃焼システムの低温領域により）ことがあり、したがってＣＯ排出量が増加するおそれがある。したがって、遷移によって、所望のしきい値（たとえば規制限界）を超える燃焼温度および対応するＣＯ排出レベルになるおそれがある。
本明細書では、タービンシステムの過渡的な動作を制御するための技術が提供される。より具体的には、本開示による技術は、始動中または停止中にガスタービンエンジンがＮＬＰ動作からＣＬＰ動作に切り替わる際に、ガスタービンエンジンの過渡的制御に適用することができる。始動中または停止中に、本明細書で説明される技術は、負荷を増減する要求に応じて入口案内ベーン（ＩＧＶ）制御ループ利得を増減するように調整することができ、それによって定常状態温度基準よりも高い燃焼温度でタービンエンジンが動作することを維持することができるので、過渡的な運転性の問題の可能性を低減することができる。規制ＣＯ限界および係数を乗じた予測されたＣＯの最小値に基づいてＣＯレベルを目標とすることができ、それはＣＯ排気温度を過渡的に上昇させて、時間フィルタに基づいて温度の低下を制御する。したがって、排気温度基準のより大きな変化を最小にし、または除去することができ、これによってＩＧＶおよび燃料ストローク基準（ＦＳＲ）制御の揺れを最小にするので、ＩＧＶの過大もしくは過小な開口、および／またはブローアウトを招くおそれのある過多もしくは過少な燃料供給などの動作性の問題を低減または除去することができる。
以上を念頭に置いて、図１は、ガスタービンシステム１０の動作を制御するための、本開示による、コントローラ１２を含むタービンシステム１０のブロック図である。ガスタービンシステム１０は、ガスタービンエンジン１４およびボトミングサイクル１６を含む。ガスタービンエンジン１４は、限定はしないが、単純サイクル・ヘビーデューティ・ガスタービンシステムまたは航空機エンジン派生燃焼システムを含んでもよい。ボトミングサイクル１６は、ガスタービンエンジン１４により生成された熱（たとえば、排気からの廃熱）を利用して電力を生成するように構成され、廃熱回収ボイラおよび蒸気タービンなどの他の構成要素、たとえば、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）を含むことができる。
ガスタービンエンジン１４は、圧縮機２２、タービン燃焼器２４、およびタービン２６を含む。タービン燃焼器２４は、ディーゼル、天然ガスまたは合成ガスなどの液体燃料および／または気体燃料をタービン燃焼器２４内に導くことができる１つまたは複数の燃料ノズル２８を含む。図示した実施形態では、ガスタービンエンジン１４は１つのタービン燃焼器２４を含むが、ガスタービンエンジン１４は任意の数のタービン燃焼器２４を含むことができることに留意されたい。
タービン燃焼器２４は、空気燃料混合気を点火し燃焼させ、次に高温の加圧燃焼ガス３４（たとえば、排気ガス）をタービン２６内に渡す。タービン２６のタービンブレードは、シャフト３６に結合され、シャフト３６はまたガスタービンエンジン１４の全体にわたっていくつかの他の構成要素に結合される。いくつかの実施形態では、タービン燃焼器２４は、ニューヨーク州ＳｃｈｅｎｅｃｔａｄｙのＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能な乾式低窒素酸化物（ＮＯx）（ＤＬＮ）燃焼器２４である。ＤＬＮ燃焼器２４は、たとえば、排出レベルを低減するためのいくつかのモードを実行することができる。モードは、一次ノズルのみに燃料が供給される一次モード、一次および二次ノズルの両方に燃料が供給され、一次および二次ノズルの両方が火炎を有する希薄−希薄モード、燃料が二次ノズルのみに供給される二次モード、ならびに燃料が一次および二次ノズルの両方に供給されるが火炎は二次ノズルのみにある予混合モードを含むことができる。部分負荷では、ＤＬＮ燃焼器２４に供給される燃料は、一次モードで動作することができるが、予混合モードでは動作することができない。燃焼ガス３４がタービン２６内のタービンブレードを通過する際に、タービン２６が回転するように駆動されて、シャフト３６を回転させる。最終的に、燃焼ガス３４は、排気ガス３８の流れとしてガスタービンエンジン１４から出る。さらに、シャフト３６を負荷４０に結合することができ、負荷４０はシャフト３６の回転によって駆動される。たとえば、負荷４０は、ガスタービンエンジン１４の回転出力により動力（電力）を発生することができる、発電機、飛行機のプロペラなどの任意の適切な装置であってもよい。
圧縮機ブレードは、圧縮機２２の部品として含まれている。圧縮機ブレードは、シャフト３６に結合され、上述したように、シャフト３６がタービン２６によって回転されるにつれて回転する。圧縮機２２内の圧縮機ブレードの回転により、空気取り入れ口４２からの空気を圧縮して圧縮空気４４にする。それから圧縮空気４４は、タービン燃焼器２４の燃料ノズル２８内に供給される。１つまたは複数の燃料ノズル２８は、燃料を浪費しないように、または過剰な排出量を生じさせないように、圧縮空気４４と燃料とを混合して燃焼（たとえば、燃料をより完全に燃焼させる燃焼）に適した混合比を生成する。
タービン２６を出た排気ガス流３８は、ボトミングサイクル１６に向かって下流方向４６に流れ続けることができる。燃焼過程の結果として、排気ガス流３８は、窒素酸化物（ＮＯx、ＮＯおよびＮＯ2を含む）、硫黄酸化物（ＳＯx）、酸化炭素（ＣＯx、ＣＯを含む）、および未燃焼炭化水素などの特定の副生成物を含む場合がある。次に排気ガス流３８を、さらなる処理および／または使用のためにボトミングサイクル１６に供給することができる。たとえば、ボトミングサイクル１６は、ガス処理システム、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）、および蒸気タービンを含むことができる。
上述したように、ガスタービンシステム１０は、始動中または停止中のガスタービンシステム１０の過渡的な動作を含む、ガスタービンシステム１０の動作を制御するために使用することができるコントローラ１２を含む。より具体的には、過渡的な動作中に、コントローラ１２は、たとえば、システム１０の始動中または停止中に、次のＮＬＰ動作から次のＣＬＰ動作に切り替えるように、ガスタービンシステム１０の動作を制御するように構成される。過渡状態（たとえば、ＣＯおよび窒素酸化物などの特定の種の高すぎる排気排出量）を最小にし、もしくは防止するために、および／またはブローアウト状態を防止するために、コントローラ１２は、新たなＣＯ基準としてＣＯ目標を設定することができ、ＣＯ目標は規制ＣＯ限界および係数を乗じた予測されたＣＯの最小値に基づいている。コントローラ１２がＣＬＰ動作に従っていると、コントローラ１２は、追加的にまたは代替的に特定の負荷要求（たとえば、オペレータの負荷要求）に基づいて入口案内ベーン（ＩＧＶ）制御ループ利得を増減するように調整することができ、それによって定常状態温度基準よりも高い燃焼温度でタービンエンジンが動作することを維持することができるので、過渡的な運転性の問題の可能性を低減することができる。
ＮＬＰ動作およびＣＬＰ動作、ならびにＮＬＰからＣＬＰへの遷移（またはその逆）を説明することが有益であり得る。したがって、図２は、始動中にガスタービンシステム１０を制御するために用いることができるＮＬＰ１００の一実施形態およびＣＬＰ１０２の一実施形態を示す。図２に示すように、軸１０１に示す燃料燃焼または燃料消費が軸１０３に示す所望の負荷レベルに対して増加するにつれて、ＮＬＰ１００およびＣＬＰ１０２は、それぞれ全般的に上昇傾向を示している。図示するように、始動中には、ガスタービンシステム１０は、初期負荷レベル１０６および初期燃料燃焼１０８に対応し得る第１の点１０４からスタートして、所望のベース負荷レベル１１２に対応し得る第２の点１１０に向かって動くことができる。第１の点１０４から第２の点１１０まで、ガスタービンエンジンは、１つもしくは複数の経路または曲線（たとえば、負荷レベルの関数としての燃料燃焼）、たとえば、ＮＬＰ１００および／またはＣＬＰ１０２に沿って動作することができる。ＣＬＰ１０２は、より低い排気温度を全般的に維持しながら、ＮＬＰ１００より高い正味効率をもたらすことができる。より具体的には、ＮＬＰ１００では、通常、燃焼温度および排気温度がより高いが、ＮＬＰ１００ではＣＯがより低く、ＮＯｘはより高い。より低い排気温度は、正味効率を上げるだけでなく部品寿命を延ばすこともできる。ＣＬＰ１０２は、ＮＬＰ１００と比較して、同じ負荷に対して燃焼温度の低下と共に入口案内ベーンの角度を増加させる（より高い空気流量および圧縮率）ことによってシステム１０の効率を全般的に向上させることができる。ＮＬＰ１００は、通常、より高い排出温度、たとえば、燃焼温度を有しており、排気温度は、通常、ＣＬＰ１０２と比較してＮＬＰ１００ではより高い。ＮＬＰ１００では、より高い燃焼および排気温度が見いだされるが、ＮＬＰ１００ではＣＯがより低く、ＮＯxがより高い。
ＮＬＰ１００およびＣＬＰ１０２は、初期負荷レベル１０６とベース負荷レベル１１２との間の負荷レベルの一部で重なっていてもよい。例として、ＮＬＰ１００およびＣＬＰ１０２は、第１の点１０４と第３の点１１４との間、および第４の点１１６と第２の点１１０との間で重なっていてもよい。第３の点１１４と第４の点１１６との間では、ＮＬＰ１００およびＣＬＰ１０２は重なっておらず、ガスタービンシステム１０は、ＮＬＰ１００とＣＬＰ１０２との間で切り替わることができる。たとえば、ガスタービンシステム１０は、第１の点１０４からスタートし、ＮＬＰ１００に沿ってベース負荷点１１０に向かって動くことができる。ＮＬＰ１００上の第５の点１１８において、ガスタービンシステム１０は、たとえば遷移線１２２を経由して、ＣＬＰ１０２上の第６の点１２０に切り替わることができる。遷移線１２２は垂直線として示しているが、遷移１２２は、正または負の傾きを有する直線であってもよいし、非線形（たとえば、曲線）であってもよい。第３の点１１４と第４の点１１６との間では、ＣＬＰ１０２は、任意の負荷レベルにおいてＮＬＰ１００より少ない燃料燃焼を含むので、ガスタービンシステム１０は、ＣＬＰ１０２に沿って動作している場合には、ＮＬＰ１００と比較してより低い燃焼および排気温度を有することができる。
より低い燃焼温度は、ガスタービンシステム１０のより高いＣＯ排出レベルに対応することができる。したがって、ガスタービンシステム１０は、ＣＬＰ１０２に沿って動作する場合に所定のＣＯしきい値（たとえば規制ＣＯ限界）の近くで動作することができる。すなわち、一実施形態では、ＣＬＰ１０２は、設計により所定のＣＯしきい値に近いＣＯ排出量をもたらす可能性がある。したがって、ＮＬＰ１００からＣＬＰ１０２へ切り替える際に（たとえば、遷移線１２２において）、所定のＣＯしきい値を超えるＣＯ排出量が生じないように、燃料燃焼レベルの揺れを低減または除去しなければならない。コントローラ１２は、以下に詳細に述べるように、ＮＬＰ１００からＣＬＰ１０２への（またはその逆の）遷移動作において、所定のＣＯしきい値を遵守するようにガスタービンシステム１０を制御することができる。
より具体的には、図１に戻り、コントローラ１２は、遷移コントローラ６２および微調整コントローラ６４を含み、これらは始動中または停止中に協働してガスタービンシステム１０を制御して、ＮＬＰ１００からＣＬＰ１０２へ切り替えて（たとえば、遷移過程１２２に沿って）、ＣＬＰ１０２に沿ってベース負荷レベル（たとえば、ベース負荷点１１０）に向かって進むようにすることができ、あるいはＣＬＰ１０２からＮＬＰ１００へ切り替えて（たとえば、遷移過程１２２の逆）、ＮＬＰ１００に沿ってベース負荷レベル（たとえば、ベース負荷点１１０）に向かって進むようにすることができる。特定の実施形態では、ＣＯコントローラ６５および／または他のコントローラ（たとえば、窒素酸化物［ＮＯx］コントローラ）を用いてもよい。ＣＯコントローラ６５は、システム１０の化学、流体の流れ、および／または物理に基づくモデルなどのモデルに基づく制御技術を含むことができる。ＣＯコントローラ６５は、温度入力（たとえば排気温度入力）、燃料流量、圧力、速度などの特定の入力を受信して、所望のＣＯレベルを維持するのに適した制御入力（たとえば、ＩＧＶ入力、燃料流量入力）を導出することができる。コントローラ（たとえば、６２、６４、６５）は、メモリ６８に格納されて、１つまたは複数のプロセッサ６６によって実行可能なソフトウェアで実現されてもよいし、および／またはハードウェアで実現されてもよい。
遷移コントローラ６２は、排気３８中のＣＯ排出レベルに基づいて、ＮＬＰ１００とＣＬＰ１０２との間のガスタービンシステム１０の切り替えを制御するように構成される。排気３８中のＣＯ排出レベルは、タービン２６の出口に動作可能に結合され、配置され、または流体連通するセンサ７０などの任意の適切な装置によって、連続的および／または周期的にモニタすることができる。ガスタービンシステム１０が新たな負荷経路に切り替えられると（たとえば、ＮＬＰ１００からＣＬＰ１０２へ）、微調整コントローラ６４は、ベース負荷レベルに向かって新たな負荷経路に沿って動作するようにガスタービンシステム１０を制御するように構成される。
図示するように、プロセッサ６６は、任意の汎用または特定用途向けプロセッサであってもよい。メモリ６８は、本明細書に記載した方法および制御動作を実行するためにプロセッサ６６によって実行可能な命令を集合的に格納する１つまたは複数の有形の非一時的な機械可読媒体を含むことができる。たとえば、メモリ６８は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、フラッシュメモリ、または他の光ディスク記憶装置、磁気ディスク記憶装置、または他の磁気記憶装置を含むことができる。コントローラ１２は、コントローラ１２への種々のアナログ入力を処理するための１つまたは複数のアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器と、デジタル出力を、１つまたは複数のアクチュエータ（たとえば、ＩＧＶアクチュエータ、燃料バルブ）を作動させることができるアナログ信号に変換するためのデジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）変換器と、をさらに含むことができる。いくつかの実施形態では、遷移コントローラ６２および微調整コントローラ６４は、本明細書に記載した制御動作の実行を容易にするために、プロセッサ６６およびメモリ６８に加えて、またはその代わりに、別々のプロセッサおよびメモリをそれぞれ含んでもよい。遷移コントローラ６２および微調整コントローラ６４は、一例として示したものであり、その機能をコントローラ１２内に組み合わせて組み込んでもよい。
コントローラ１２は、ガスタービンシステム１０の様々な位置に配置された、センサ７０を含む１つまたは複数のセンサからの１つまたは複数の入力をモニタすることができる。センサは、たとえば、圧力センサ、レベルセンサ、温度センサ、流量センサ、組成センサ、濃度センサ、ならびに状態および位置表示器（たとえばリミットスイッチ、ホール効果スイッチ、音響近接スイッチ、線形可変差動変圧器、位置変換器）などを含むことができる。センサは、ガスタービンシステム１０の様々な構成要素に結合され、またはその中もしくはその周りに配置され、またはそれに流体連通して、その動作情報を取得することができる。たとえば、圧縮機出口センサ７８は、圧縮機２２の出口に動作可能に結合され、燃焼器２４内に流入する空気の温度、ガス流量、および圧力を含む情報を取得することができる。１つまたは複数の燃料センサ８０は、１つまたは複数の燃料ノズル２８に動作可能に結合され、燃焼器２４内に流入する燃料の温度、ガス流量、および圧力を含む情報を取得することができる。燃料センサ８０と圧縮機出口センサ７８との組み合わせは、燃焼器２４内での燃料対空気比の情報を提供することができる。
さらに、コントローラ１２は、ガスタービンシステム１０の様々な構成要素に動作可能に結合され、ガスタービンシステム１０の動作を制御することができる。たとえば、コントローラ１２は、ガスタービンシステム１０の様々な構成要素（たとえば、スイッチ、バルブ、モータ、ソレノイド、またはポジショナなど）に結合され、それを移動または制御するように構成された１つまたは複数のアクチュエータの動作を制御することができる。さらなる例として、コントローラ１２は、空気取り入れ口４２（たとえば、入口案内ベーンアクチュエータなどのアクチュエータ８４により）および／または圧縮機２２（たとえば、アクチュエータ８６により）の動作を制御して、流量、温度、および圧力などを含む空気取り入れを調整することができる。コントローラ１２は、１つまたは複数の燃料ノズル２８の動作を（たとえば、１つまたは複数のアクチュエータ８８により）制御して、流量、温度、圧力、および燃料分割などを含む、燃焼器２４に流入する燃料を調整することができる。
さらに、コントローラ１２は、ユーザ入力に基づいて、ユーザからの入力（たとえば、コマンド、機能）を受信し、ガスタービンシステム１０の動作を制御するように構成されたユーザ入力システム９４を含むことができる。たとえば、ユーザ入力システム９４は、所定のＣＯ排出レベル（たとえば、負荷レベルおよび燃焼温度などの関数として）、負荷経路（たとえば、ＮＬＰ１００、ＣＬＰ１０２）、切り替え点（たとえば、ガスタービンシステム１０が１つの負荷経路から別の負荷経路に切り替わる負荷レベル）、所望の電力（たとえば、メガワット）、所望の燃料比、電力価格、電力需要、燃料価格、燃焼停止間隔、および／またはタービンシステム１０の動作に関連する他の情報を含むことができる。
ここで図３を参照すると、この図は、ＮＬＰ１００からＣＬＰ１０２に切り替えて、たとえば、ベース負荷に達するまでＣＬＰ１０２上を進む場合の動作などの、ガスタービンシステム１０の過渡的動作に適した制御処理１４０の一実施形態のブロック図である。上述したように、ガスタービンシステム１０は、始動中または部分負荷の際に、１つまたは複数の負荷経路（たとえば、ＮＬＰ１００、ＣＬＰ１０２）に沿ってベース負荷に向かって動作することができる。たとえば、ガスタービンシステムは、ＮＬＰもしくは高温始動１４２（たとえば、図２のＮＬＰ１００で示す）および／またはＣＬＰもしくは低温始動１４４（たとえば、図２のＣＬＰ１０２で示す）で動作することができる。ユーザは、始動（または停止）中の任意の時点で、たとえば、コントローラ１２のユーザ入力システム９４を用いて、特定の負荷経路を選択することができる（ブロック１４６）。換言すれば、ユーザは、１つの負荷経路から別の負荷経路に切り替えることができる。いくつかの実施形態では、コントローラ１２（たとえば、プロセッサ６６およびメモリ６８）は、始動または停止中に自動的に負荷経路を選択し、および／または１つの負荷経路から別の負荷経路に自動的に切り替えることができる。
例示目的のために、以下では、たとえば図２に示すように遷移１２２に沿ったＮＬＰ１００からＣＬＰ１０２への切り替えに基づいて説明する。しかし、本明細書に記載したシステムおよび方法は、ＮＬＰ１００からＣＬＰ１０２への任意の遷移線もしくは曲線に沿った切り替え、および／または反転過程（たとえば、ＣＬＰ１０２からＮＬＰ１００への切り替え）にも適用可能であることに留意されたい。図示するように、制御処理１４０は、たとえば、センサ７０および／またはＣＯコントローラ６５により使用されるモデルにより、排気３８中のＣＯ排出レベルを測定または他の方法で導出する（ブロック１４８）ことを含む。測定および／または導出されたＣＯ排出レベルの、所定のＣＯしきい値に対する近接度は、調整関数またはＣＯ限界モデル１５２を適用することに基づいて決定することができる（ブロック１５０）。すなわち、ブロック１５０は、予測された温度および得られた予測されたＣＯ（モデル１５２により予測される）を見て、予測されたＣＯを測定されたＣＯと比較し、比較に基づいてＣＯ限界１５４を導出することができる。ＣＯ限界１５４は、たとえば、規制排出レベルを遵守することができる。次に、温度制御（ブロック１５８）中に、たとえば係数および／または時間フィルタ１５６を介して、ＣＯ限界１５４を適用することができる。温度制御（ブロック１５８）は、たとえば、遷移コントローラ６２および／またはＣＯコントローラ６５を介して適用することができる。たとえば、排気３８の温度などの温度は、ＣＯ限界１５４に係数（たとえば、０．０８〜１．２０）を乗じることにより制御することができる（ブロック１５８）。このように、上昇した温度は、排出規制限界を遵守することができる。温度が、たとえば、係数を乗じない範囲に戻るので、時間フィルタまたは時間範囲は、温度を制御する（ブロック１５８）ために使用することができる。より具体的には、開始点１６０は、温度上昇制御の開始を示し、それから点１６２に上昇して点１６４に進む。このように時間フィルタは、１６２と１６４との間の時間および／または１６０と１６２と１６４との間の時間である。時間フィルタの後に、温度は下がって点１６６に戻る。したがって、過渡状態（たとえば、より高いまたはより低い負荷期間）の間に、排気温度基準の揺れを低減または除去することができ、これによってＩＧＶおよびＦＳＲ制御問題を低減または除去することができる。
遷移１２０がＣＬＰ動作１０２に入ると、コントローラシステム１２は、（たとえば、微調整コントローラ６４を介して）ＩＧＶ利得またはバイアス１７０を適用することにより過渡状態に応答することができる。より具体的には、負荷変化１６８に応答して、制御システム１２（たとえば、微調整コントローラ６４）は、調整モデル１７２にアクセスし、現在の状態に基づいてＩＧＶ利得１７０を増加または減少させることができる。たとえば、より高い負荷の変化からは、より低いＩＧＶ利得１７０が得られ、一方、より低い負荷の変化からは、より高いＩＧＶ利得１７０が得られる。したがって、タービンシステム１０がＣＬＰ動作１０２である場合に発生する過渡状態を低減または除去することができる。
図４は、本開示による、ガスタービンシステム１０の過渡的動作を制御するための処理２００の一実施形態のフローチャートである。処理２００は、上記の構成要素（たとえば、コントローラ１２、センサ７０）により実行することができる。処理２００は、プロセッサ６６により実行可能であり、かつコントローラシステム１２のメモリ６８に格納されたコンピュータコードまたは命令として実現することができる。図示した実施形態では、処理２００は、ガスタービンシステム１０の始動中または停止中に、ＮＬＰ１００およびＣＬＰ１０２などの２つの負荷経路間の遷移（たとえば、遷移１２０）を開始するステップ（ブロック２０２）を含む。遷移（たとえば、遷移１２０）中に過渡状態が発生した場合には、過渡的遷移制御を適用する（ブロック２０４）ことができ、たとえば、上述したように、規制ＣＯ限界および係数を乗じた予測されたＣＯの最小値に基づいてＣＯレベルを目標とすることができ、ＣＯ排気温度を過渡的に上昇させる。制御は、次に時間フィルタに基づいて温度の低下を適用することができる。
処理２００は、次に動作がＣＬＰ１０２に完全に遷移したかどうかを判断する（判断２０６）。完全に遷移していない場合には、処理２００は、ブロック２０４に戻って繰り返す。制御が現在ＣＬＰ１０２にある場合には、処理２００は微調整制御を適用する（ブロック２０８）。たとえば、負荷を増減する要求に応じてＩＧＶ制御ループ利得１７０を増減するように変化させることができ、それによって定常状態温度基準よりも高い燃焼温度でタービンエンジンが動作することを維持することができるので、過渡的な運転性の問題の可能性を低減することができる。このようにして、制御システム１２は、ＮＬＰ１００とＣＬＰ１０２との間で遷移する場合およびＣＬＰ１０２で動作している場合であっても、過渡的な問題を最小にするまたは防止することができる。
本発明の技術的効果は、ＮＬＰ動作からＣＬＰ動作への（またはその逆の）遷移中の、およびＣＬＰ動作中の過渡状態に関する問題を最小にするまたは防止することを含む。ＣＬＰ動作は、ＮＬＰ動作と比較して、同じ負荷に対して燃焼温度の低下と共にＩＧＶ角度を増加させる（より高い空気流量および圧縮機圧力比）ことができるので、通常、ＮＬＰ動作よりも効率的である。同様に、過渡状態に起因する制御の過補正を最小にするまたは除去することができる。過渡状態のより最適な取扱いを提供することにより、装置寿命を最大にすることができ、動作をより効率的に行うことができる。
本明細書は、実施形態を開示するために実施例を用いており、最良の形態を含んでいる。また、いかなる当業者も本発明を実施することができるように実施例を用いており、任意のデバイスまたはシステムを製作し使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含んでいる。本開示の特許され得る範囲は、請求項によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、特許請求の範囲の文言との差がない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言との実質的な差がない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にある。
１０ ガスタービンシステム
１２ コントローラシステム、制御システム
１４ ガスタービンエンジン
１６ ボトミングサイクル
２２ 圧縮機
２４ タービン燃焼器
２６ タービン
２８ 燃料ノズル
３４ 加圧燃焼ガス
３６ シャフト
３８ 排気ガス流
４０ 負荷
４２ 空気取り入れ口
４４ 圧縮空気
４６ 下流方向
６２ 遷移コントローラ
６４ 微調整コントローラ
６５ ＣＯコントローラ
６６ プロセッサ
６８ メモリ
７０ センサ
７８ 圧縮機出口センサ
８０ 燃料センサ
８４ アクチュエータ
８６ アクチュエータ
８８ アクチュエータ
９４ ユーザ入力システム
１０１ 軸
１０２ 冷負荷経路（ＣＬＰ）、ＣＬＰ動作
１０３ 軸
１０４ 第１の点
１０６ 初期負荷レベル
１０８ 初期燃料燃焼
１１０ 第２の点、ベース負荷点
１１２ 所望のベース負荷レベル
１１４ 第３の点
１１６ 第４の点
１１８ 第５の点
１２０ 第６の点、遷移
１２２ 遷移線、遷移過程
１４０ 制御処理
１４２ 高温始動
１４４ 低温始動
１４６ ブロック
１４８ ブロック
１５０ ブロック
１５２ ＣＯ限界モデル
１５４ ＣＯ限界
１５６ 時間フィルタ
１５８ ブロック
１６０ 開始点
１６２ 点
１６４ 点
１６６ 点
１６８ 負荷変化
１７０ バイアス、ＩＧＶ制御ループ利得
１７２ 調整モデル
２００ 処理
２０２ ブロック
２０４ ブロック
２０６ 判断
２０８ ブロック
１２ コントローラシステム、制御システム
１４ ガスタービンエンジン
１６ ボトミングサイクル
２２ 圧縮機
２４ タービン燃焼器
２６ タービン
２８ 燃料ノズル
３４ 加圧燃焼ガス
３６ シャフト
３８ 排気ガス流
４０ 負荷
４２ 空気取り入れ口
４４ 圧縮空気
４６ 下流方向
６２ 遷移コントローラ
６４ 微調整コントローラ
６５ ＣＯコントローラ
６６ プロセッサ
６８ メモリ
７０ センサ
７８ 圧縮機出口センサ
８０ 燃料センサ
８４ アクチュエータ
８６ アクチュエータ
８８ アクチュエータ
９４ ユーザ入力システム
１０１ 軸
１０２ 冷負荷経路（ＣＬＰ）、ＣＬＰ動作
１０３ 軸
１０４ 第１の点
１０６ 初期負荷レベル
１０８ 初期燃料燃焼
１１０ 第２の点、ベース負荷点
１１２ 所望のベース負荷レベル
１１４ 第３の点
１１６ 第４の点
１１８ 第５の点
１２０ 第６の点、遷移
１２２ 遷移線、遷移過程
１４０ 制御処理
１４２ 高温始動
１４４ 低温始動
１４６ ブロック
１４８ ブロック
１５０ ブロック
１５２ ＣＯ限界モデル
１５４ ＣＯ限界
１５６ 時間フィルタ
１５８ ブロック
１６０ 開始点
１６２ 点
１６４ 点
１６６ 点
１６８ 負荷変化
１７０ バイアス、ＩＧＶ制御ループ利得
１７２ 調整モデル
２００ 処理
２０２ ブロック
２０４ ブロック
２０６ 判断
２０８ ブロック
Claims (12)
- システムであって、当該システムが、
プロセッサ（６６）を備えるタービン制御システム（１２，６２，６４，６５）を含み、前記プロセッサ（６６）が、
タービンシステム（１０）の通常負荷経路（ＮＬＰ）（１００）と前記タービンシステム（１０）の冷負荷経路（ＣＬＰ）（１０２）との間で遷移するための入力を受信し、
前記入力に基づいて一酸化炭素（ＣＯ）限界を決定し、
前記ＣＯ限界に係数を乗じることによりＣＯ目標を決定し、もってＣＯ目標温度を上昇せしめ、
ある期間について前記ＣＯ目標温度を維持し、
前記ＣＯ限界に基づいて温度制御を適用するように構成され、前記通常負荷経路（１００）が、前記冷負荷経路（１０２）と比較して、より高い排出温度を含む、システム。 - 前記係数が０．０８〜１．２である、請求項１に記載のシステム。
- 前記プロセッサ（６６）が、前記期間が終了した後に前記ＣＯ目標温度を低下させるように構成される、請求項１又は請求項２に記載のシステム。
- 前記プロセッサ（６６）が、ＣＯ排出レベルを決定し、予測ＣＯ排出量を決定し、予測ＣＯ排出量とＣＯ排出レベルとを比較し、かつ比較に基づいてＣＯ限界を導出することにより、前記ＣＯ限界を決定するように構成される、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。
- 前記プロセッサ（６６）が、前記タービンシステムを出る排気の排気温度を決定することにより、前記予測ＣＯ排出量を決定するように構成される、請求項４に記載のシステム。
- 前記プロセッサ（６６）が、前記タービンシステム（１０）が前記冷負荷経路（１０２）で動作しているか否かを判断し、前記タービンシステム（１０）が前記冷負荷経路（１０２）で動作している間に過渡状態を経験する場合には、微調整制御を適用するように構成される、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のシステム。
- 前記微調整制御が、ＩＧＶ利得バイアス（１７０）を適用することにより、ＩＧＶ利得制御を適用することを含む、請求項６に記載のシステム。
- 前記プロセッサ（６６）が、前記タービンシステム（１０）に燃料を供給するように構成された燃料バルブを調整することにより、或いは前記タービンシステム（１０）に酸化剤を供給するように構成された入口案内ベーンを調整することにより、或いはそれらの組み合わせにより、前記温度制御を適用するように構成され、前記より高い排出温度が、より高い燃焼温度、より高い排気温度又はそれらの組み合わせを含む、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のシステム。
- 方法であって、当該方法が、
プロセッサ（１０）により、ガスタービンシステム（１０）の通常負荷経路（ＮＬＰ）（１００）と前記ガスタービンシステム（１０）の冷負荷経路（ＣＬＰ）（１０２）との間で遷移するための入力を受信するステップであって、前記通常負荷経路（１００）が、前記冷負荷経路（１０２）と比較して、より高い排出温度を含む、ステップと、
前記プロセッサ（６６）により、前記入力に基づいて一酸化炭素（ＣＯ）限界を決定するステップと、
前記プロセッサ（６６）により、前記ＣＯ限界に係数を乗じることによりＣＯ目標を決定し、もってＣＯ目標温度を上昇せしめるステップと、
前記プロセッサ（６６）により、ある期間について前記ＣＯ目標温度を維持するステップと、
前記プロセッサ（６６）により、前記ＣＯ限界に基づいて温度制御を適用するステップと
を含む、方法。 - 前記一酸化炭素（ＣＯ）限界を決定するステップが、前記プロセッサ（６６）により、ＣＯ排出レベルを決定し、予測ＣＯ排出量を決定し、予測ＣＯ排出量とＣＯ排出レベルとを比較し、かつ比較に基づいてＣＯ限界を導出することを含む、請求項９に記載の方法。
- 前記プロセッサ（６６）により、前記ガスタービンシステム（１０）が前記冷負荷経路（１０２）で動作しているか否かを判断するステップと、前記プロセッサ（６６）により、前記ガスタービンシステム（１０）が前記冷負荷経路（１０２）で動作している間に過渡状態を経験する場合には、微調整制御を適用するステップとを含む、請求項９又は請求項１０に記載の方法。
- 前記プロセッサ（６６）により、前記微調整制御を適用するステップが、ＩＧＶ利得制御を適用するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
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