JP6952457B2 - スケーリング係数を用いたパワー出力−排出量パラメータのためのガスタービンのチューニングにおける複合確率的制御の適用、関連する制御システム、コンピュータプログラム製品および方法 - Google Patents

スケーリング係数を用いたパワー出力−排出量パラメータのためのガスタービンのチューニングにおける複合確率的制御の適用、関連する制御システム、コンピュータプログラム製品および方法 Download PDF

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Description

本明細書で開示される主題は、チューニングおよび制御システムに関する。より具体的には、本明細書で開示される主題は、ガスタービンのチューニングおよび制御システムに関する。
少なくともいくつかの公知のガスタービンエンジンは、その動作を監視し制御するコントローラを含む。公知のコントローラは、ガスタービンエンジンの燃焼システムおよびエンジンの動作パラメータを使用するガスタービンエンジンの他の動作態様を管理する。少なくともいくつかの公知のコントローラは、ガスタービンエンジンの現在の動作状態を示す動作パラメータを受信し、物理ベースのモデルまたは伝達関数によって動作境界を画定し、動作パラメータを動作境界モデルに適用する。加えて、少なくともいくつかの公知のコントローラはまた、動作パラメータをスケジューリングアルゴリズムに適用することにより誤差項を判定し、１つ以上のガスタービンエンジン制御エフェクタを調整することによって境界を制御する。しかし、少なくともいくつかの動作パラメータは、センサを使用した測定の実行が困難なパラメータなどの非測定パラメータであることがある。このようなパラメータのいくつかには、着火温度（すなわち、第１段のタービンベーン出口温度）、燃焼器出口温度、および／またはタービンの第１段のノズル入口温度が含まれる。
少なくともいくつかの公知のガスタービンエンジン制御システムは、圧縮機の入口圧力および入口温度、圧縮機の出口圧力および出口温度、タービンの排気圧力および排気温度、燃料流量および温度、周囲条件、および／または発電機出力などの測定パラメータを使用して非測定動作パラメータを間接的に制御または監視する。しかし、間接的パラメータの値には不確実性があり、燃焼ダイナミックスおよび排出量を低減するために、関連するガスタービンエンジンをチューニングする必要がある場合がある。非測定パラメータの不確実性のため、このような公知の制御システムを含むガスタービンエンジンには設計マージンが使用される。このような設計マージンを使用すると、最悪の場合の動作境界を防ぎ、これに対処しようとして多くの動作条件でガスタービンエンジンの性能を低下させることがある。そのうえ、このような公知の制御システムの多くは、ガスタービンエンジンの着火温度または排気温度を正確に推定できず、その結果、エンジンの効率が低下し、２基以上のガスタービンエンジンを有する設備で機械ごとの変動を生じることがある。
産業用ガスタービンで着火温度の機械ごとの変動を低減することは困難であることが実証されている。たとえば、着火温度は、ガスタービンおよびそれらのアセンブリの構成要素内での変動を含めて、多くの異なる変数の関数である。これらの変動は、ガスタービンの部品の製造、設置、および組み立てに必要な許容差に起因するものである。加えて、ガスタービンの動作パラメータを測定するために使用される制御装置およびセンサは、それらの測定において一定量の不確実性を含む。それは、着火温度など、ガスタービンエンジンの非測定動作パラメータの変動を必然的に生じる、測定された動作パラメータおよび機械構成要素の変動値を検知するために使用される測定システムの不確実性である。これらの生来の不正確さの組み合わせによって、公知の周囲条件のセットでガスタービンエンジンの設計上の着火温度を達成することが困難になり、その結果、機械ごとの着火温度の変動が生じる。
英国特許出願公開第２５２０９８５号明細書
様々な実施形態は、アクションを実行することによってガスタービン（ＧＴ）セットをチューニングするように構成された少なくとも１つのコンピューティングデバイスを有するシステムを含み、アクションは、各ＧＴの測定された周囲条件に基づいて、ＧＴセットの各ＧＴをベース負荷レベルでモデリングすることと、ＧＴセットの各ＧＴにそれぞれのパワー出力（メガワット（ＭＷ）パワー出力）を調整してそれぞれのパワー出力と公称パワー出力値との間の差の割合に等しいスケーリングされたパワー出力値に一致させるように指令して、それぞれのパワー出力の調整中に各ＧＴの実際の排出量値を測定することと、周囲条件におけるそれぞれの測定された実際の排出量値および公称排出量値と排出量スケール係数との間の差に基づいて、ＧＴセットの各ＧＴの動作条件を調整することと、を含む。
第１の態様は、アクションを実行することによってガスタービン（ＧＴ）セットをチューニングするように構成された少なくとも１つのコンピューティングデバイスを有するシステムを含み、アクションは、各ＧＴの測定された周囲条件に基づいて、ＧＴセットの各ＧＴをベース負荷レベルでモデリングすることと、ＧＴセットの各ＧＴにそれぞれのパワー出力（ＭＷパワー出力）を調整してそれぞれのパワー出力と公称パワー出力値との間の差の割合に等しいスケーリングされたパワー出力値に一致させるように指令して、それぞれのパワー出力の調整中に各ＧＴの実際の排出量値を測定することと、周囲条件におけるそれぞれの測定された実際の排出量値および公称排出量値と排出量スケール係数との間の差に基づいて、ＧＴセットの各ＧＴの動作条件を調整することと、を含む。
第２の態様は、少なくとも１つのコンピューティングデバイスによって実施されると、少なくとも１つのコンピューティングデバイスにアクションを実行することによってガスタービン（ＧＴ）セットをチューニングさせるプログラムコードを有するコンピュータプログラム製品を含み、アクションは、各ＧＴの測定された周囲条件に基づいて、ＧＴセットの各ＧＴをベース負荷レベルでモデリングすることと、ＧＴセットの各ＧＴにそれぞれのパワー出力（ＭＷパワー出力）を調整してそれぞれのパワー出力と公称パワー出力値との間の差の割合に等しいスケーリングされたパワー出力値に一致させるように指令して、それぞれのパワー出力の調整中に各ＧＴの実際の排出量値を測定することと、周囲条件におけるそれぞれの測定された実際の排出量値および公称排出量値と排出量スケール係数との間の差に基づいて、ＧＴセットの各ＧＴの動作条件を調整することと、を含む。
第３の態様は、少なくとも１つのコンピューティングデバイスを使用して実行されるガスタービン（ＧＴ）セットをチューニングするコンピュータ実装方法を含み、方法は、各ＧＴの測定された周囲条件に基づいて、ＧＴセットの各ＧＴをベース負荷レベルでモデリングすることと、ＧＴセットの各ＧＴにそれぞれのパワー出力（ＭＷパワー出力）を調整してそれぞれのパワー出力と公称パワー出力値との間の差の割合に等しいスケーリングされたパワー出力値に一致させるように指令して、それぞれのパワー出力の調整中に各ＧＴの実際の排出量値を測定することと、周囲条件におけるそれぞれの測定された実際の排出量値および公称排出量値と排出量スケール係数との間の差に基づいて、ＧＴセットの各ＧＴの動作条件を調整することと、を含む。
本発明のこれらおよび他の特徴は、本発明の様々な実施形態を示す添付図面と併せて、本発明の様々な態様の以下の詳細な説明からより容易に理解されるであろう。
本発明の様々な実施形態による、制御システムを含むガスタービンエンジン（ＧＴ）の概略図である。 本発明の様々な実施形態による、図１の制御システムと使用してＧＴの動作を制御することができる制御アーキテクチャの概略図である。 図１の制御システムによって使用されるＧＴのモデルを使用した、図１のＧＴエンジンの統計的に有意な数の動作状態の確率的シミュレーションのグラフ図である。 本発明の様々な実施形態による方法を示すフロー図である。 ２次元パワー出力（ＭＷ）対排出量（ＮＯx）のグラフにおける、図４のフロー図に例示された工程のグラフ図である。 ２次元パワー出力（ＭＷ）対排出量（ＮＯx）のグラフにおける、図４のフロー図に例示された工程のグラフ図である。 ３次元パワー出力（ＭＷ）対排出量（ＮＯx）対着火温度（Ｔ４）のグラフにおける、図４のフロー図に例示された工程のグラフ図である。 本発明の様々な実施形態による、誤差信号対パワー出力（ＭＷ）のグラフにおけるガスタービンの調整の例示的なグラフ図である。 本発明の様々な実施形態による制御システムを含む例示的な環境を示す図である。
本発明の図面は、必ずしも縮尺通りではないことに留意されたい。図面は、本発明の典型的な態様だけを図示することを意図しており、したがって、本発明の範囲を限定すると考えるべきではない。図面の中で、図面間の同じ符号は同じ要素を示す。
上述したように、本明細書で開示される主題は、チューニングおよび制御システムに関する。より具体的には、本明細書で開示される主題は、ガスタービンのチューニングおよび制御システムに関する。
確率的制御は、測定された出力（メガワット、ＭＷ）、および総称してＮＯx排出量と呼ばれるモノ窒素酸化物ＮＯおよびＮＯ2（一酸化窒素および二酸化窒素）に基づいて、ガスタービン（ＧＴ）の動作状態を設定するための方法である。本明細書に記載されるように、様々な実施形態は、測定値に誤差が存在するＧＴのチューニングおよび制御を提供する。従来の手法は、測定値の誤差が存在する制御メカニズムを計算しチューニングするために存在するが、パワー出力およびＮＯx測定値の特定の観点においてＧＴ制御機能を考慮してチューニングするように設計されていない。
本明細書で使用する用語「Ｐ５０ＧＴ」または「Ｐ５０機械」は、フリート内の平均（または、公称）のガスタービンまたは同様の機械を意味する。このＰ５０測定に関連するパラメータは理想的であると考えられ、実際のガスタービンにおいてめったに達成されない。本明細書で使用する他の用語は、ａ）「着火温度（Ｔ４）」（第１段のノズルの下流側であり、タービン（たとえば、ＧＴ）内の第１の回転バケットの上流側の平均温度である）、およびｂ）「Ｔ３．９」（ガスタービン内の燃焼温度であり、着火温度より高い）を含む。当技術分野で公知の着火温度は測定することができないが、他の測定値および公知のパラメータから推測される。本明細書で使用する用語「表示着火温度」は、制御機器、たとえば、ＧＴ構成要素を監視および／または制御する制御システムの１つ以上の構成要素によって示されるような着火温度を意味する。「表示」着火温度は、ＧＴ制御システムに接続された従来の検知／試験機器から着火温度の最良の推定値を表す。
加えて、特定のガスタービンに対する本明細書に記載の用語「ベース負荷」は、定格着火温度でのガスタービンの最大出力を意味し得る。さらに、本明細書に記載され当技術分野で公知のように、所与のガスタービンにおけるベース負荷は、周囲動作条件の変化に基づいて変化する。ベース負荷は、当技術分野で「定格回転数定格負荷」と呼ばれることもある。さらに、ＮＯxは燃料組成物に敏感であることがわかっており、それ自体は、ガスタービンで行われる任意のチューニング工程（本明細書に記載のチューニング工程を含む）において考慮される。
さらに、本明細書に記載の用語「排気エネルギー」は、ＧＴの排気セクション（出口）での排気ガスの温度測定値および圧力測定値に基づいて決定され得る、ＧＴを出る排気ガス内に含まれるエネルギーを意味する。この排気エネルギーは、ＧＴを通って流れる燃焼ガスの量に直接関係しており、他の動作パラメータ、たとえばパワー出力と相関させることができる。
本明細書に記載の様々な実施形態は、ＧＴのパワー出力および排出量パラメータを使用してＧＴ（たとえば、２つ以上のＧＴのフリート）の確率的制御を可能にする。様々な実施形態によれば、手法は、以下の工程を含むことができる。
１）測定された周囲条件に基づいて、１つ以上のガスタービン（たとえば、フリート内の）を設計されたベース負荷（ＭＷ値、ＮＯx値、燃料流量値、排気エネルギー値）でモデリングする工程。モデリング工程は、１つ以上のガスタービンを表すモデル（たとえば、統計的モデル、測定ベースのモデルなど）を取得することと、測定された周囲条件を入力として使用して、ガスタービンが設計ベース負荷へと接近する際にガスタービンの挙動をシミュレートする（モデリングする）こととを含むことができる。本明細書に記載されるように、理想的な状況では、ＧＴは、Ｐ５０パワー出力（公称パワー出力）値およびＰ５０ＮＯx（排出量）値を含むＰ５０（公称）動作パラメータに収束すべきである。しかし、本明細書で示されるように、これは現実の動作では起こらない。モデルは、この現実の動作を反映したものとなる。
２）１つ以上のＧＴにそのパワー出力（ＭＷ）を調整してそれぞれのパワー出力（ＭＷ）と公称パワー出力（Ｐ５０パワー出力）値との間の差の割合に等しいスケーリングされたパワー出力値に一致させるように指令して、その調整中に実際のＮＯx値を測定する工程。１つ以上のＧＴがそのパワー出力を調整中、すなわち、定常状態動作の前に、実際のＮＯx値の測定が実行される。本明細書に記載されるように、この実際のＮＯx値は、パワー出力がスケーリングされたパワー出力値に接近するように調整されている間に測定され得（最新測定値が決定される）、反復的に１つ以上のＧＴの動作条件を洗練してＧＴを所望の状態に近づけるために使用される。スケーリングされたパワー出力値は、パワースケール係数を使用して導出することができ、０より大きい１以下の数となり得る。すなわち、各ＧＴのパワー出力がある値（たとえば、ｘ ＭＷ）だけ公称パワー出力とは異なる場合、この工程は、各ＧＴにそのパワー出力を調整してそのＧＴのパワー出力と公称出力、たとえば０．７ｘとの間の差の割合に等しい値に一致させるように指令することを含む。本明細書で述べるように、この工程は、各ＧＴの実際のＮＯx値をＰ５０ＮＯx値に近づけるのに役立つ可能性があるが、その目標には完全に達しない。加えて、このパワー出力調整は、その所望のレベルに対して着火温度が上昇するという別の懸念に対処していない。
３）測定された実際のＮＯx値（工程２）と、周囲条件の予想Ｐ５０ＮＯx値と、排出量スケール係数（たとえば、０と１以下の数との間、パワースケール係数と同様または別個の値）との間の差（デルタＮＯx）に基づいて、各ＧＴの動作条件を調整する工程。デルタＮＯx値は、従来の手法を使用して各ＧＴのデルタパワー出力（ＭＷ）値（ＧＴの実際のパワー出力とＰ５０パワー出力レベルでのパワー出力との間の差を表す）に変換することができる。この工程において、Ｐ５０パワー出力値から逸脱する各ＧＴは、そのＧＴのデルタパワー出力（ＭＷ）値に接近する（および到達する、またはほぼ到達する）ように、排出量スケール係数によって調整された、（デルタＮＯx値から変換された）デルタパワー出力値の固定の割合でその動作条件を調整する。この調整は、そのＧＴのＰ５０パワー出力／Ｐ５０ＮＯx特性にほぼ直交するパワー出力／ＮＯx空間の線上に各ＧＴを移動させることになる。上述した一般的な工程は、本明細書においてさらに詳細に記載される。
以下の記載において、その一部を形成する添付図面が参照されるが、これは本教示を実施することができる特定の例示的な実施形態の例証として示されるものである。これらの実施形態は、当業者が本教示を実施することができるように十分に詳しく記載され、本教示の範囲から逸脱することなく他の実施形態が使用されてもよいこと、および変更が行われてもよいことは理解されるはずである。したがって、以下の記載は単なる例証である。
図１は、様々な実施形態による、制御システム１８を含むガスタービンエンジン（ＧＴ）１０の概略図である。様々な実施形態において、ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１２と、燃焼器１４と、圧縮機１２に駆動的に結合されたタービン１６と、コンピュータ制御システムまたはコントローラ１８とを含む。圧縮機１２への入口ダクト２０は、周囲空気、場合によっては注入水を圧縮機１２に送る。ダクト２０は、ダクト、フィルタ、スクリーン、または入口ダクト２０を通って圧縮機１２の入口ガイドベーン（ＩＧＶ）２１内に流れる周囲空気の圧力損失の一因となる吸音装置を含むことができる。ガスタービンエンジン１０からの燃焼ガスは、排気ダクト２２を通って導かれる。排気ダクト２２は、吸音材と、ガスタービンエンジン１０への背圧を誘起する排出量制御装置とを含むことができる。入口圧力損失および背圧の量は、入口ダクト２０および排気ダクト２２への構成要素の追加により、および／または入口ダクト２０および排気ダクト２２それぞれに詰まる塵や埃の結果、経年と共に変化することがある。様々な実施形態において、ガスタービンエンジン１０は、電力を生成する発電機２４を駆動する。
たとえばフリート内の１つ以上のガスタービンエンジン（ＧＴ）を含むことができるＧＴセットを測定、分析および／または制御する様々な実施形態が記載される。これらの手法は、２つ以上のＧＴと同じく単一のＧＴにも同様に適用されることを理解されたい。さらに、本明細書で使用する用語「セット」は、１以上を意味することを理解されたい。
様々な実施形態において、複数の制御センサ２６は、ガスタービンエンジン１０、発電機２４の様々な動作条件、および／またはガスタービンエンジン１０の動作中の周囲環境を検出する。多くの場合、複数の冗長制御センサ２６が、同じ動作条件を測定することができる。たとえば、冗長温度制御センサ２６のグループが、周囲温度、圧縮機の排出温度、タービンの排気ガス温度、および／またはガスタービンエンジン１０を通るガス流（図示せず）の他の動作温度を監視することができる。同様に、別の冗長圧力制御センサ２６のグループが、周囲圧力、圧縮機１２での静圧および動圧レベル、タービン１６の排気、および／またはガスタービンエンジン１０の他のパラメータを監視することができる。制御センサ２６は、限定ではないが、流量センサ、圧力センサ、速度センサ、火炎検出器センサ、バルブ位置センサ、ガイドベーン角度センサ、および／またはガスタービンエンジン１０の動作中に様々な動作パラメータを検知するために使用できる他の装置を含むことができる。
本明細書で使用する用語「パラメータ」は、温度、圧力、および／またはガスタービンエンジン１０内の所定位置でのガス流量などの、ガスタービンエンジン１０の動作条件を定義するために使用できる特性を意味する。ある種のパラメータは測定され、すなわち、検知され、直接知ることができるが、一方、別のパラメータはモデルによって計算され、したがって推定され、間接的に判明する。ある種のパラメータは、最初にユーザによってコントローラ１８に入力されてもよい。測定され、推定され、またはユーザにより入力されるパラメータは、ガスタービンエンジン１０の所与の動作状態を表す。
燃料制御システム２８は、燃料供給源（図示せず）から燃焼器１４への燃料流量、一次燃料ノズルと二次燃料ノズル（図示せず）との間のスプリット量、および燃焼器１４に流入する二次空気との混合量を調整する。燃料制御システム２８はまた、燃焼器１４内で使用される燃料のタイプを選択することができる。燃料制御システム２８は別個のユニットでもよく、またはコントローラ１８の構成要素でもよい。
コントローラ（制御システム）１８は、少なくとも部分的に制御センサ２６の入力、およびオペレータ要員からの命令に基づいてガスタービンエンジン１０の動作を制御する動作を実施する、少なくとも１つのプロセッサ（図示せず）および少なくとも１つのメモリデバイス（図示せず）を含むコンピュータシステムとすることができる。コントローラは、たとえばガスタービンエンジン１０のモデルを含むことができる。コントローラ１８によって実施される動作には、動作パラメータの検知およびモデリング、動作境界のモデリング、動作境界モデルの適用、または燃焼器１４への燃料流量を調整することなどによってガスタービンエンジン１０の動作を制御するスケジューリングアルゴリズムの適用が含まれてもよい。コントローラ１８は、限定ではないが、着火温度などの制御出力を生成するために、ガスタービンエンジン１０の動作パラメータを、ガスタービンエンジン１０によって使用される動作境界モデル、またはスケジューリングアルゴリズムと比較する。コントローラ１８によって生成される指令により、ガスタービンエンジン１０の燃料アクチュエータ２７は、燃料流量、燃料スプリット、および／または燃料供給源と燃焼器１４との間で送られる燃料のタイプを選択的に調整することができる。アクチュエータ２９にＩＧＶ２１の相対位置を調整させ、入口抽気熱を調整させ、またはガスタービンエンジン１０の他の制御設定を起動させる別の指令を生成してもよい。
動作パラメータは一般に、ガスタービンエンジン１０内の所定位置、および所与の動作状態での温度、圧力、およびガス流量などのガスタービンエンジン１０の動作条件を示す。ある種の動作パラメータは測定され、すなわち、検知され、直接知ることができるが、一方、別の動作パラメータはモデルによって推定され、間接的に判明する。推定され、またはモデリングされる動作パラメータは推定動作パラメータとも呼ばれ、限定ではないが、たとえば着火温度、および／または排気温度を含むことができる。動作境界モデルは、ガスタービンエンジン１０の１つ以上の物理的境界によって画定することができ、したがって、各々の境界でのガスタービンエンジン１０の最適な条件を表すことができる。さらに、動作境界モデルは、いずれかの他の境界または動作条件とは独立していてもよい。スケジューリングアルゴリズムを使用してタービン制御アクチュエータ２７，２９の設定を決定し、ガスタービンエンジン１０を所定の限度内で動作させることができる。通常、スケジューリングアルゴリズムは、最悪状況の事象を防ぎ、ある動作状態に基づいた組み込まれた前提条件を有する。境界制御は、コントローラ１８などのコントローラが、ガスタービンエンジン１０を好ましい状態で動作させるようにタービン制御アクチュエータ２７，２９を調整することができる工程である。
図２は、（図１に示す）ガスタービンエンジン１０の動作を制御するために（図１に示す）コントローラ１８と使用することができる例示的な制御アーキテクチャ２００の概略図である。より具体的には、様々な実施形態において、制御アーキテクチャ２００はコントローラ１８に実装され、モデルベースの制御（ＭＢＣ）モジュール５６を含む。ＭＢＣモジュール５６は、ガスタービンエンジン１０の堅牢な高忠実度の物理ベースのモデルである。ＭＢＣモジュール５６は、測定された条件を入力動作パラメータ４８として受信する。このようなパラメータ４８には、限定ではないが、周囲圧力および周囲温度、燃料流量および燃料温度、入口抽気熱、および／または発電機の電力損失が含まれてもよい。ＭＢＣモジュール５６は、入力動作パラメータ４８をガスタービンモデルに適用して公称着火温度５０（または公称動作状態４２８）を決定する。ＭＢＣモジュール５６は、本明細書に記載のように、制御アーキテクチャ２００およびガスタービンエンジン１０の動作を可能にする任意のプラットフォームに実装することができる。
さらに、様々な実施形態において、制御アーキテクチャ２００は、ガスタービンエンジン１０の特定の動作パラメータを推定する適応リアルタイムエンジンシミュレーション（ＡＲＥＳ）モジュール５８を含む。たとえば、一実施形態において、ＡＲＥＳモジュール５８は、制御アルゴリズムで使用される、制御センサ２６によって生成されるような直接検知されない動作パラメータを推定する。ＡＲＥＳモジュール５８はまた、測定される動作パラメータを推定して、推定された条件と測定された条件とを比較できるようにする。この比較は、ガスタービンエンジン１０の動作を中断せずにＡＲＥＳモジュール５８を自動的にチューニングするために使用される。
ＡＲＥＳモジュール５８は、限定ではないが、周囲圧力および周囲温度、圧縮機の入口ガイドベーン位置、燃料流量、入口抽気熱の流れ、発電機の電力損失、入口ダクトおよび排気ダクトの圧力損失、および／または圧縮機の入口温度などの入力動作パラメータ４８を受信する。次いでＡＲＥＳモジュール５８は、限定ではないが、排気ガス温度６２、圧縮機の排出圧力、および／または圧縮機の排出温度などの推定動作パラメータ６０を生成する。様々な実施形態において、ＡＲＥＳモジュール５８は、入力動作パラメータ４８と合わせて推定動作パラメータ６０をガスタービンモデルへの入力として使用して、たとえば計算された着火温度６４などの出力を生成する。
様々な実施形態において、コントローラ１８は、入力として計算された着火温度５２を受信する。コントローラ１８は、比較器７０を使用して計算された着火温度５２を公称着火温度５０と比較し、補正係数５４を生成する。補正係数５４は、ＭＢＣモジュール５６の公称着火温度５０を調整して、補正された着火温度６６を生成するために使用される。コントローラ１８は、比較器７４を使用してＡＲＥＳモジュール５８からの制御出力とＭＢＣモジュール５６からの制御出力とを比較し、差分値を生成する。次いでこの差分値は、カルマンフィルタ利得マトリクス（図示せず）に入力され、ＡＲＥＳモジュール５８の制御モデルを継続的にチューニングするために使用される、コントローラ１８に供給される正規化された補正係数を生成することにより、ガスタービンエンジン１０の増強された制御を促進する。代替の実施形態において、コントローラ１８は、入力として排気温度補正係数６８を受信する。排気温度補正係数６８は、ＡＲＥＳモジュール５８の排気温度６２を調整するために使用することができる。
図３は、コントローラ１８によって使用されるガスタービンエンジンのモデルを使用した、図１のガスタービンエンジン１０の統計的に有意な数の動作状態の確率的シミュレーションを示すグラフである。グラフは、ガスタービンエンジン１０の着火温度に対するパワー出力を表す。線３００は、複数のデータ点３０８の線形回帰モデルである。線３０２は、データ点３０８に対応する９９％の予測区間を表す。さらに、線３０４は、ガスタービンエンジン１０の公称または設計上の着火温度５０を表し、線３０６は、ガスタービンエンジン１０の公称または設計上のパワー出力を表す。様々な実施形態において、図３に示す確率的シミュレーションは、８０の単位の着火温度の近似変動を示している。この変動は、ガスタービンエンジン１０の構成要素の公差と、コントローラ１８および制御センサ２６の測定の不確実性に起因し得る。
本明細書には、実際のガスタービンエンジン１０の動作状態、たとえば着火温度および／または排気温度の変動の低減を促進し、ガスタービンエンジン１０のパワー出力、排出量、および寿命の変動の低減を促進する、ガスタービンエンジン１０をチューニングする手法が記載される。本明細書に記載の確率的制御手法は、ガスタービンエンジン１０を設置中の様々な周期でチューニングする個別工程として実装することができ、あるいは、ガスタービンエンジン１０の動作中に所定の間隔で周期的におよび／または連続的に実行するようにコントローラ１８内に実装することができる。前述のように、着火温度は推定パラメータであるため、これらの手法はガスタービンの着火温度を直接測定しない。しかし、これらの確率的制御手法は、ガスタービンエンジン１０の着火温度の強力な指標である直接測定されたパラメータをもたらし、ガスタービンエンジン１０内全体の着火温度の制御を改良することができる。
図４は、様々な実施形態に従って実行される方法を示すフロー図である。本明細書に記載されるように、方法は、コンピュータプログラム製品（たとえば、非一時的コンピュータプログラム製品）として実装される少なくとも１つのコンピューティングデバイスを使用して実行（たとえば、実施）され、あるいは以下の工程を含むことができる。
工程Ｐ１：各ＧＴ１０の測定された周囲条件に基づいて、ＧＴセットの各ＧＴ１０をベース負荷レベル（たとえば、目標表示着火温度）でモデリングする工程。モデリング工程は、１つ以上のガスタービンを表すモデル（たとえば、統計的モデル、測定ベースのモデルなど）を取得することと、測定された周囲条件を入力として使用して、ガスタービンが設計ベース負荷へと接近する際にガスタービンの挙動をシミュレートする（モデリングする）こととを含むことができる。本明細書で述べるように、ベース負荷（目標表示着火温度での）は、測定された周囲条件のパワー出力（ＭＷ）値および排出量値に関連する。さらに本明細書で述べるように、ＧＴセットの各ＧＴ１０をベース負荷レベルでモデリングすることに応答して、各ＧＴ１０は、公称パワー出力値（Ｐ５０パワー出力）または公称排出量値（Ｐ５０ＮＯx）の少なくとも１つを達成しないため、現実の挙動をモデリングする。様々な実施形態によれば、ＧＴセットの各ＧＴ１０をそれぞれのパワー出力にモデリングして公称パワー出力値に一致させる工程は、公称排出量値に一致させずに各ＧＴ１０の実際の排出量値を公称排出量値に近づける。
工程Ｐ２：ＧＴセットの各ＧＴ１０にそれぞれのパワー出力を調整してそれぞれのパワー出力と公称パワー出力（Ｐ５０パワー出力）値との間の差の割合に等しいスケーリングされたパワー出力値に一致させるように指令して、それぞれのパワー出力の調整中に、各ＧＴ１０の実際の排出量値を測定する工程。各ＧＴ１０がそのパワー出力を調整中（たとえば、スナップショットとして、漸進的に、または反復的に）、すなわち、定常状態動作の前に、実際の排出量値の測定が実行される。本明細書に記載されるように、この実際の排出量値は、各ＧＴ１０のパワー出力がスケーリングされたパワー出力値に接近するように調整されている間に測定され得（最新測定値が決定される）、反復的に各ＧＴ１０の動作条件を洗練してＧＴ１０を所望の状態に近づけるために使用される（工程Ｐ３に関して説明するように）。スケーリングされたパワー出力値は、パワースケール係数を使用して導出することができ、０より大きく１より小さい数となり得る。すなわち、各ＧＴのパワー出力がある値（たとえば、ｘ ＭＷ）だけ公称パワー出力とは異なる場合、この工程は、各ＧＴにそのパワー出力を調整してそのＧＴのパワー出力と公称出力、たとえば０．６ｘまたは０．７ｘとの間の差の割合に等しい値に一致させるように指令することを含む。パワースケール係数（ＳMW）は、１つ以上のモデリング工程を使用して作成され、ＧＴ１０のフリートが別個のＭＷ／ＮＯx条件で動作する際にどのように実行するかを予測することができる。様々な実施形態において、パワースケール係数は、様々な条件下で特定のＧＴ１０の反復試験および／またはモデリングを使用して導出することができる。場合によっては、パワースケール係数（ＳMW）は、ＧＴ１０のフリートに対する所望の標準偏差に基づいて、たとえば、１つ以上のモデルに基づいて選択され、パワースケール係数は、ＧＴ１０が公称ＧＴの一部の標準偏差帯域内に留まることを示す。様々な実施形態において、工程Ｐ２はさらに、各ＧＴ１０のそれぞれの測定された実際の排出量値（過渡状態中に測定、場合によっては繰り返して）と公称排出量値との間の差を、各ＧＴ１０の周囲条件値におけるそれぞれのパワー出力値と公称パワー出力値との間の差に変換することを含む。
工程Ｐ３：周囲条件におけるそれぞれの測定された実際の排出量値および公称排出量値と排出量スケール係数（たとえば、０と１との間、パワースケール係数と同様または別個の値）との間の差に基づいて、ＧＴセットの各ＧＴ１０の動作条件を調整する工程。様々な実施形態によれば、各ＧＴ１０の動作条件を調整する工程は、それぞれのパワー出力値と公称パワー出力値との間の差の固定の割合で、排出量スケール係数によって調整されたＧＴセットの各ＧＴ１０の動作条件を調整することを含み、それにより各ＧＴ１０のパワー出力がそれぞれの公称パワー出力値に接近する（場合によっては、到達する、またはほぼ到達する）。様々な実施形態によれば、それぞれのパワー出力値と公称パワー出力値との間の差の固定の割合で、排出量スケール係数（たとえば、０．７、０．８、０．９）によって調整されたＧＴセットの各ＧＴ１０の動作条件を調整することは、各ＧＴ１０の公称パワー出力／公称排出量特性に直交するパワー出力対排出量をプロットしたグラフ空間の線上に各ＧＴ１０を並べる。
工程Ｐ３に関して説明されたような各ＧＴ１０の動作条件の調整は、工程Ｐ２の間に取得した対応するＧＴ１０の実際の排出量値の最新測定値に基づいて反復的に（たとえば、２回以上）実行することができることを理解されたい。すなわち、過渡状態（たとえば、定常状態ではない）の測定値の使用は、各ＧＴ１０をＭＷ／ＮＯx空間の目標位置に近づけるために動作条件の反復修正を可能にする。
図５〜７は、ＧＴ（ＧＴ１０と同様）セット（複数）を表す例示的なデータセットに関する、パワー出力対排出量（ＮＯx）のグラフによる図４で説明した工程のグラフ図である。図５〜６に示すすべてのデータ点は、表示着火温度での排出量（ＮＯx）に対するパワー出力を表しており、ここで「表示」着火温度とは、ＧＴ１０のコントローラによって表示または出力された着火温度である。すなわち、「表示」着火温度は、必ずしも実際の着火温度（本明細書に記載されるように、正確に測定することができない）ではなく、ＧＴ１０のコントローラ（および関連機器）によって推定される着火温度である。
本実施例、たとえば図５に示すように、線ＧＬの中心点は、ＧＴセットの平均着火温度（Ｔ４）の関数である。平均燃焼温度（Ｔ３．９）は、平均着火温度の関数であり、平均着火温度より大きい。本明細書で述べるように、平均着火温度が上昇するにつれて平均燃焼温度も上昇し、これは、線ＧＬが線ＲＬに直交したまま大きいパワー出力／ＮＯx値にシフトすることを意味し、ベース負荷でセットの平均ＧＴのパワー出力／ＮＯx特性を画定する。ＢＬで示された２つの線は、線ＧＬを境界づけ、ＧＴセット間の統計的変動を平均線ＲＬから２つのシグマ（Σ）に画定する。本発明者らは、経験的試験を通して、線ＲＬに直交する所与の線に沿って測定した場合、実際の着火温度（Ｔ４）において線ＲＬから＋／−１０度の範囲を線ＢＬが表すことを発見した。図６は、図５のグラフ図であり、ＲＬ（パワー出力／ＮＯx特性）および線ＢＬに直交する線に沿った、ＧＴのフリートの別個の例示的なパワー出力／ＮＯx値での平均Ｔ４（着火温度）の表示が追加されている。本実施例において平均Ｔ４（Ｂ）および平均Ｔ４（Ｐ）は、それぞれＴ４＝華氏２，４１０度およびＴ４＝華氏２，４３０度での例示的なフリートを示している。図６はまた、パワー出力／ＮＯx特性線に直交する着火温度（Ｔ４）の「スイープ」または変動に沿った単一のＧＴの実施例である、線ＰＬを示している。ＰＬは、着火温度（Ｔ４）の変化によりパワー出力／ＮＯxがどのように変わるかを示している。
図７は、工程Ｐ３（図４）、すなわち、周囲条件におけるそれぞれの測定された実際の排出量値と公称排出量値との間の差に基づいて、ＧＴセットの各ＧＴの動作条件を調整する工程の３次元グラフ図である。すなわち、図７に示すように、（適用された排出量スケール係数によりスケーリングされる）着火温度（Ｔ４）空間にわたるＧＬ（図５〜６）の平面によって画定されるＧＬ平面は、ＧＴセットが着火温度（Ｔ４）空間で動作するモデルを示している。すなわち、実際の着火温度（Ｔ４）はＧＴセットの各ＧＴについて直接測定することはできないが、ＧＬ平面は、ＧＴセット内のＧＴの着火温度の最も正確なモデルを表す。様々な実施形態によれば、工程Ｐ３は、それぞれのＧＴの排出量スケール係数におけるそれぞれの測定された実際の排出量値（ＮＯx値）と公称（平均）排出量値（ＮＯx値）との間の差に基づいて、各ＧＴの動作条件を調整することを含む。すなわち、様々な実施形態によれば、各ＧＴの動作条件は、そのパワー出力／ＮＯx値が２次元空間（図５〜６）のＧＬ、および３次元空間（図７）のＧＬ平面と交差するように調整される。公称（Ｐ５０）パワー出力／ＮＯx線とＧＬ平面の交差は、所望の平均実着火温度（Ｐ４）の最も正確なモデルを表し、各ＧＴ１０をそのＧＬ平面に接近するようにチューニングすることにより、フリートにわたって着火温度変動は低減され、フリートの寿命が延びる。
ＧＬ（およびＧＬ平面）は、どのようにガスタービンが設計および構築されるかの特性であり、パワー出力／ＮＯx空間において、その中心は、フリートの特定のタイプのＧＴ１０についてのＰ５０パワー出力およびＰ５０ＮＯxの交点である。２次元空間（たとえば、図５〜６のＢＬ間の空間）におけるＧＬの長さは、所与のタイプのＧＴのＧＴハードウェア間変動（たとえば、同じ仕様に対する２つの機械の製造の物理的ばらつき）によって画定される。ＧＴ１０のパワー出力／ＮＯx値をＧＬ（およびＧＬ平面）と一致させるためにそのＧＴ１０の動作条件を変更することによって、実際の着火温度（Ｔ４）の変動が最小限になる。
様々な実施形態によれば、図５〜７に示すグラフ図は、方程式１〜４から導出することができ、ＧＴ１０の動作状態（ΔＯｐｅｒａｔｉｎｇＳｔａｔｅ）の変化、ならびに実際の着火温度（ΔＴ4）の変化における解を提供する。示されているように、方程式１〜４は以下の通りである。
Figure 0006952457
 ここで、ステップ１＝工程Ｐ１；ステップ２＝工程Ｐ２；ステップ３＝工程Ｐ３；変数１＝ＧＴ１０の外部センサから測定することができる（たとえば、メガワット出力）第１の性能変数；変数２＝ＧＴ１０の外部センサから測定することができる（たとえば、排気温度、排気ガス流量など）第２の（変数１とは異なるが独立したものではない）性能変数（たとえば、排出量）；ＳV1＝変数１のスケール係数（たとえば、ＭＷスケール係数）；ＳV2＝変数２のスケール係数（たとえば、ＮＯxスケール係数）。以下の表１に示すように、例示的なスケール係数は、実際の着火温度、排出量、メガワット出力などを操作するために様々な実施形態に従って選択され得る。本明細書で述べるように、用語「ステップ１」、「ステップ２」、および「ステップ３」は、工程Ｐ１、Ｐ２、およびＰ３を意味するために使用することができる。
Figure 0006952457
 表１における例示的なスケール係数で明らかなように、ＭＷ（ステップ２、または工程Ｐ２）およびＮＯx（ステップ３、または工程Ｐ３）のスケール係数は、ＧＴ１０の特定のＧＴ１０またはフリートの所望の結果を向上させるために経験的および／またはモデルベースのデータに応じて選択することができる。たとえば、目的がＭＷまたはＮＯxのいずれかの変動を最小にすることである場合、「ｍｉｎ ＭＷ」または「ＮＯx ｍｉｎ」の交点を選択するようにスケール係数を選択すればよい。「ｍｉｎ ＭＷ」ボックスから右に移動する（ＮＯxスケール係数を増加させる）と、ＭＷの変動とＮＯxおよびＴ４の変動に対する燃料が入れ替わる。「平衡変動」と示された帯域は、４次元ＭＷ／ＮＯx／Ｔ４／燃料空間（図７）における最小の領域を表す。１つのＧＴ１０については、０．８７５のＮＯxスケール係数でＴ４変動が最小である。そのような最小となる値は、ＧＴの燃焼器（たとえば、乾式低ＮＯx燃焼器）のＮＯx対Ｔ４特性の関数である。２つのスケール係数（ＭＷスケール係数およびＮＯxスケール係数）が適用される場合、０．４のＭＷスケール係数は、以前に開示された（スケーリングされていない）手法と実質的に同等となり得る変動をもたらす。しかし、この例示的な表に見られるように、ＭＷスケール係数としての０．７とＮＯxスケール係数としての０．９２５の組み合わせは、ＧＴ１０のフリートにＴ４の最小変動をもたらす。
様々な実施形態によれば、本明細書に述べる方程式１〜４は、周囲条件での測定された過渡排出量（工程Ｐ２）と公称排出量値との間の差に基づいて、工程Ｐ１〜Ｐ３を反復的に実行することを説明するために修正されてもよい。すなわち、各ＧＴ１０がその目標パワー出力値および／または排出量値に接近するにつれて、その電流値（過渡ＭＷおよび／または過渡ＮＯx値）と目標値（たとえば、Ｐ５０ＭＷ、Ｐ５０ＮＯx）との差は、誤差信号（たとえば、誤差信号＝所望の状態3−現在の状態1、ここで、数値指標は工程Ｐ１〜Ｐ３に対応する）として方程式で表すことができる。エラー信号が０に接近するにつれて、実際のＧＴ１０動作条件とその目標動作条件との間の差が小さくなる（誤差信号０が望まれる場合）。
図８は、本明細書に記載の工程Ｐ１〜Ｐ３を受けるＧＴ（たとえば、ＧＴ１０）の誤差信号対ＭＷにおける例示的な進行のグラフ図である。Ｐ１によって強調されたデータ点は、下の（相対的な）パワー出力（ＭＷ）に関連する高い誤差信号を示しており、Ｐ２によって強調されたデータ点は、パワー出力（ＭＷ）を増加させることによって少なくとも部分的に行われたその高い誤差信号における一部の補正を示している。しかし、本実施例では、工程Ｐ２はＧＴ１０のパワー出力をあまりにも大きく増加させるので、比較的高い負の誤差信号値となる。しかし、データ点Ｐ２からデータ点Ｐ３への移行は、本開示の様々な特徴を強調しており、望ましくない（たとえば、低いまたは高い）誤差信号から誤差信号０に向かって漸進的に移動することを可能にする。すなわち、本明細書に記載の工程Ｐ２で取得した過渡排出量値を使用することで、所望のレベル（たとえば、０．０の許容範囲内）に到達するまで、ＧＴ１０の誤差信号は段階的に低減される。図８のこの例示的な図は、ＧＴ１０がその関連する誤差信号を最小にするように調整することができる１つの方法を示しており、他の調整（たとえば、大きい負の誤差信号から小さい正の信号へ、さらに小さい負の誤差信号への調整）は、本発明の様々な態様に従って可能であることを理解されたい。図８のグラフ図は、本明細書の様々な実施形態に従って説明されるように、過渡測定値を利用して工程Ｐ２からＰ３へのＧＴ１０の増分調整を示す誤差信号対排出量（ＮＯx）についても同様に示すことができることを理解されたい。
図９は、少なくとも１つのコンピューティングデバイス８１４を介してＧＴ１０と結合されたコントローラ（制御システム１８）を示す例示的な環境８０２を示している。本明細書に記載されるように、制御システム１８は、ガスタービンエンジン（ＧＴ）を制御するのに使用される任意の従来の制御システム構成要素を含むことができる。たとえば、制御システム１８は、ＧＴ１０の１つ以上の構成要素を作動させるための電気的および／または電気機械的構成要素を含むことができる。制御システム１８は、プロセッサ、メモリ、入力／出力、バスなどのコンピュータ化された副構成要素を含むことができる。制御システム１８は、外部ソース（たとえば、少なくとも１つのコンピューティングデバイス８１４）からの動作条件に基づいて機能を実行するように構成する（たとえば、プログラムする）ことができ、および／またはＧＴ１０のパラメータに基づいて事前にプログラムされた（エンコードされた）命令を含むことができる。
システム８０２はまた、制御システム１８およびＧＴ１０と接続（たとえば、配線接続および／または無線で）された少なくとも１つのコンピューティングデバイス８１４を含むことができる。様々な実施形態において、コンピューティングデバイス８１４は、たとえば、本明細書に記載の流量計、温度センサなどの複数の従来のセンサを介して、ＧＴ１０と動作可能に接続される。コンピューティングデバイス８１４は、たとえば、従来の配線接続および／または無線手段を介して制御システム１８と通信可能に接続することができる。制御システム１８は、様々な実施形態による動作中にＧＴ１０を監視するように構成される。
さらに、コンピューティングデバイス８１４は、ユーザ８３６と通信状態で示されている。ユーザ８３６は、たとえば、プログラマーまたはオペレータとすることができる。これらの構成要素とコンピューティングデバイス８１４との間の対話は、本出願の他の場所で検討する。
本明細書で述べるように、本明細書に記載の工程の１つ以上は、たとえば、本明細書に記載のコンピューティングデバイス８１４のような少なくとも１つのコンピューティングデバイスによって実行することができる。他の場合では、これらの工程の１つ以上は、コンピュータ実装方法に従って実行することができる。さらに他の実施形態において、これらの工程の１つ以上は、少なくとも１つのコンピューティングデバイス（たとえば、コンピューティングデバイス８１４）でコンピュータプログラムコード（たとえば、制御システム１８）を実施し、少なくとも１つのコンピューティングデバイスに工程（たとえば、本明細書に記載の手法に従って少なくとも１つのＧＴ１０をチューニングする）を実行させることにより実行することができる。
さらに詳細には、コンピューティングデバイス８１４は、処理構成要素１２２（たとえば、１つ以上のプロセッサ）、記憶構成要素１２４（たとえば、記憶階層構造）、入力／出力（Ｉ／Ｏ）構成要素１２６（たとえば、１つ以上のＩ／Ｏインターフェースおよび／またはデバイス）、および通信経路１２８を含めて示されている。一実施形態において、処理構成要素１２２は、記憶構成要素１２４で少なくとも部分的に具現化される制御システム１８のようなプログラムコードを実施する。プログラムコードを実施している間、処理構成要素１２２はデータを処理することができ、その結果、さらなる処理のため記憶構成要素１２４および／またはＩ／Ｏ構成要素１２６との間で読み出しおよび／または書き込みを行うことができる。経路１２８は、コンピューティングデバイス８１４の構成要素の各々間の通信リンクを提供する。Ｉ／Ｏ構成要素１２６は、１つ以上のヒューマンＩ／Ｏデバイスまたはストレージデバイスを備えることができ、これによりユーザ８３６は、コンピューティングデバイス８１４および／または１つ以上の通信デバイスと対話可能となり、ユーザ１３６および／またはＣＳ１３８が、任意のタイプの通信リンクを使用してコンピューティングデバイス８１４と通信できるようになる。この点に関して、制御システム１８は、ヒューマンおよび／またはシステムと制御システム１８との対話を可能にするインターフェースセット（たとえば、グラフィカルユーザインターフェース、アプリケーションプログラムインターフェース、および／または同様のもの）を管理することができる。
いずれにしても、コンピューティングデバイス８１４は、インストールされたプログラムコードを実施可能な１つ以上の汎用コンピューティング製品（たとえば、コンピューティングデバイス）を備えることができる。本明細書で使用されるように、「プログラムコード」は、情報処理機能を有するコンピューティングデバイスが、直接、あるいは（ａ）別の言語、コードまたは表記法への変換、（ｂ）異なるマテリアル形式での復元、および／または（ｃ）展開のいずれかの組み合わせの後で、特定の機能を実行するあらゆる言語、コード、または表記法の任意の命令の集合を意味することを理解されたい。この点に関して、制御システム１８は、システムソフトウェアおよび／またはアプリケーションソフトウェアのいずれかの組み合わせとして具現化することができる。いずれにしても、コンピューティングデバイス８１４の技術的効果は、本明細書の様々な実施形態による少なくとも１つのＧＴ１０をチューニングすることである。
さらに、制御システムは、モジュール１３２のセットを使用して実装することができる。この場合、モジュール１３２は、制御システム１８によって使用されるタスクセットをコンピューティングデバイス８１４が実行できるようにすることができ、また、制御システム１８の他の部分とは別に別個に構築および／または実装することができる。制御システム１８は、特定用途の機械／ハードウェアおよび／またはソフトウェアを備えるモジュール１３２を含むことができる。いずれにしても、２つ以上のモジュール、および／またはシステムは、それぞれのハードウェアおよび／またはソフトウェアの一部／すべてを共有することができることを理解されたい。さらに、本明細書で検討された機能の一部は実装されなくてもよく、あるいは、追加の機能をコンピューティングデバイス８１４の一部として含めることができることを理解されたい。
コンピューティングデバイス８１４が複数のコンピューティングデバイスを備える場合、各コンピューティングデバイスは、具現化された制御システム１８の一部（たとえば、１つ以上のモジュール１３２）だけを有することができる。しかし、コンピューティングデバイス８１４および制御システム１８は、本明細書に記載の工程を実行できる様々な実施可能な等価コンピュータシステムだけを表していることを理解されたい。この点に関して、他の実施形態では、コンピューティングデバイス８１４および制御システム１８により提供される機能は、プログラムコードを有してまたは有さずに汎用および／または特定用途のハードウェアのいずれかの組み合わせを含む１つ以上のコンピューティングデバイスによって少なくとも部分的に実装することができる。各実施形態において、ハードウェアおよびプログラムコードは、含まれている場合、標準的なエンジニアリングおよびプログラミング技法をそれぞれ使用して作成することができる。
いずれにしても、コンピューティングデバイス８１４は、複数のコンピューティングデバイスを含み、コンピューティングデバイスは、任意のタイプの通信リンクを介して通信することができる。さらに、本明細書に記載の工程を実行している間、コンピューティングデバイス８１４は、任意のタイプの通信リンクを使用して１つ以上の他のコンピュータシステムと通信することができる。いずれの場合においても、通信リンクは、様々なタイプの有線および／または無線リンクのいずれかの組み合わせを含み、１つ以上のタイプのネットワークの任意の組み合わせを含み、および／または様々なタイプの伝送技法およびプロトコルの任意の組み合わせを利用することができる。
本明細書で検討されるように、制御システム１８は、コンピューティングデバイス８１４が少なくとも１つのＧＴ１０を制御および／またはチューニングすることを可能にする。制御システム１８は、本明細書に記載の１つ以上のアクションを実行する論理回路を含むことができる。一実施形態において、制御システム１８は、上述の機能を実行する論理回路を含むことができる。構造上は、論理回路は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、または本明細書に記載の機能を実行できる任意の他の特定用途機械構造など、様々な形態のいずれかをとることができる。論理回路は、ソフトウェアおよび／またはハードウェアなど、様々な形態のいずれかをとることができる。しかし、例示の目的で、制御システム１８およびこれに含まれる論理回路は、特定用途機械として本明細書に記載される。本明細書から理解されるように、論理回路が上述の機能の各々を含むように例示されているが、添付の特許請求の範囲に記載される本発明の教示によれば、機能のすべてが必須な訳ではない。
様々な実施形態において、制御システム１８は、本明細書に記載の１つ以上のＧＴ１０の動作パラメータを監視するように構成することができる。加えて、制御システム１８は、それらの動作パラメータを修正して本明細書に記載の制御および／またはチューニング機能を達成するよう、１つ以上のＧＴ１０に対して指令するように構成される。
図示され本明細書に記載されるフロー図において、図示していない他の工程を実行することができ、様々な実施形態に応じて工程の順序を再配列することができることを理解されたい。加えて、１つ以上の記載の工程の間に中間プロセスを実行してもよい。図示され本明細書に記載される工程の流れは、様々な実施形態の限定とみなすべきではない。
いずれの場合においても、たとえば制御システム１８を含む本発明の様々な実施形態の技術的効果は、本明細書に記載の１つ以上のＧＴ１０を制御および／またはチューニングすることである。
様々な実施形態において、互いに「結合される」ものとして記載される構成要素は、１つ以上の境界部に沿って接合することができる。いくつかの実施形態において、これらの境界部は、別個の構成要素間の接合部を含むことができ、他の場合では、これらの境界部は、堅固におよび／または一体的に形成される相互接続部を含むことができる。すなわち、場合によっては、互いに「結合される」構成要素は、単一の連続部材を画定するよう同時に形成することができる。しかし、他の実施形態では、これらの結合された構成要素は、別個の部材として形成されて、その後、公知の工程（たとえば、締結、超音波溶接、接着）を通じて接合してもよい。
要素または層が別の要素または層「の上にある」、「に係合される」、「に接続される」、または「に結合される」と呼ばれる場合には、要素または層は、直接的に、別の要素または層の上にあり、係合され、接続され、または結合することができ、あるいは、介在要素または介在層が存在してもよい。対照的に、要素が別の要素または層「の直接上にある」、「に直接係合される」、「に直接接続される」、または「に直接結合される」と呼ばれる場合には、介在要素または介在層は存在しない。要素間の関係を説明するために使用する他の言葉も同様に解釈すべきである（たとえば、「の間に」と「の間に直接」、「隣接する」と「直接隣接する」など）。本明細書で使用される用語「および／または」は、関連する記載された項目の１つ以上のいずれかの組み合わせ、およびすべての組み合わせを含む。
本明細書で使用される用語は、単に特定の実施形態を説明するためのものに過ぎず、本開示を限定するものではない。本明細書で使用する単数形態「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、および「この（ｔｈｅ）」は、特に明示しない限り、複数形態も含むことが意図される。用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」および／または「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、本明細書で使用される場合、記載した特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成要素が存在することを明示するが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそれらの組が存在することまたは追加することを除外しないことがさらに理解されよう。
本明細書は、本発明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、当業者であれば想起され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含む場合、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。
［実施態様１］
アクションを実行することによってガスタービン（ＧＴ）（１０）セットをチューニングするように構成された少なくとも１つのコンピューティングデバイス（８１４）を備えるシステム（８０２）であって、前記アクションは、
各ＧＴ（１０）の測定された周囲条件に基づいて、前記ＧＴ（１０）セットの各ＧＴ（１０）をベース負荷レベルでモデリングすることと、
前記ＧＴ（１０）セットの各ＧＴ（１０）にそれぞれのパワー出力を調整して前記それぞれのパワー出力と公称パワー出力値との間の差の割合に等しいスケーリングされたパワー出力値に一致させるように指令して、前記それぞれのパワー出力の前記調整中に、各ＧＴ（１０）の実際の排出量値を測定することと、
前記周囲条件における前記それぞれの測定された実際の排出量値および公称排出量値と排出量スケール係数との間の差に基づいて、前記ＧＴ（１０）セットの各ＧＴ（１０）の動作条件を調整することと、を含むシステム（８０２）。
［実施態様２］
前記ベース負荷レベルが、前記測定された周囲条件のパワー出力値および排出量値に関連し、前記スケーリングされたパワー出力値が、パワースケール係数を使用して導出される実施態様１に記載のシステム（８０２）。
［実施態様３］
前記ＧＴ（１０）セットの各ＧＴ（１０）を前記ベース負荷レベルでモデリングすることに応答して、各ＧＴ（１０）が、前記公称パワー出力値または前記公称排出量値の少なくとも１つを達成しない実施態様１に記載のシステム（８０２）。
［実施態様４］
前記少なくとも１つのコンピューティングデバイス（８１４）が、各ＧＴ（１０）の前記それぞれの測定された実際の排出量値と前記公称排出量値との間の前記差を、各ＧＴ（１０）の前記周囲条件値におけるそれぞれのパワー出力値と前記公称パワー出力値との間の差に変換するようにさらに構成される実施態様１に記載のシステム（８０２）。
［実施態様５］
各ＧＴ（１０）の前記動作条件を前記調整することが、前記それぞれのパワー出力値と前記公称パワー出力値との間の前記差の固定の割合で前記ＧＴ（１０）セットの各ＧＴ（１０）の前記動作条件を調整することを含み、それにより各ＧＴ（１０）の前記パワー出力がそれぞれの公称パワー出力値に接近して到達する実施態様４に記載のシステム（８０２）。
［実施態様６］
前記それぞれのパワー出力値と前記公称パワー出力値との間の前記差の前記固定の割合で前記ＧＴ（１０）セットの各ＧＴ（１０）の前記動作条件を前記調整することが、前記各ＧＴ（１０）の公称パワー出力／公称排出量特性に直交するパワー出力対排出量をプロットしたグラフ空間の線（３００，３０２，３０４，３０６）上に各ＧＴ（１０）を並べる実施態様５に記載のシステム（８０２）。
［実施態様７］
前記ＧＴ（１０）セットの各ＧＴ（１０）にそれぞれのパワー出力を調整して前記それぞれのパワー出力と公称パワー出力値との間の前記差の前記割合に等しい前記スケーリングされたパワー出力値に一致させるように前記指令することが、前記公称排出量値に一致させずに各ＧＴ（１０）の実際の排出量値を前記公称排出量値に近づける実施態様１に記載のシステム（８０２）。
［実施態様８］
少なくとも１つのコンピューティングデバイス（８１４）によって実施されると、前記少なくとも１つのコンピューティングデバイス（８１４）にアクションを実行することによってガスタービン（ＧＴ）（１０）セットをチューニングさせるプログラムコードを備えるコンピュータプログラム製品であって、前記アクションは、
各ＧＴ（１０）の測定された周囲条件に基づいて、前記ＧＴ（１０）セットの各ＧＴ（１０）をベース負荷レベルでモデリングすることと、
前記ＧＴ（１０）セットの各ＧＴ（１０）にそれぞれのパワー出力を調整して前記それぞれのパワー出力と公称パワー出力値との間の差の割合に等しいスケーリングされたパワー出力値に一致させるように指令して、前記それぞれのパワー出力の前記調整中に、各ＧＴ（１０）の実際の排出量値を測定することと、
前記周囲条件における前記それぞれの測定された実際の排出量値および公称排出量値と排出量スケール係数との間の差に基づいて、前記ＧＴ（１０）セットの各ＧＴ（１０）の動作条件を調整することと、を含むコンピュータプログラム製品。
［実施態様９］
前記ベース負荷レベルが、前記測定された周囲条件のパワー出力値および排出量値に関連し、前記スケーリングされたパワー出力値が、パワースケール係数を使用して導出される実施態様８に記載のコンピュータプログラム製品。
［実施態様１０］
前記ＧＴ（１０）セットの各ＧＴ（１０）を前記ベース負荷レベルでモデリングすることに応答して、各ＧＴ（１０）が、前記公称パワー出力値または前記公称排出量値の少なくとも１つを達成しない実施態様８に記載のコンピュータプログラム製品。
［実施態様１１］
実施されると、前記少なくとも１つのコンピューティングデバイス（８１４）に各ＧＴ（１０）の前記それぞれの測定された実際の排出量値と前記公称排出量値との間の前記差を、各ＧＴ（１０）の前記周囲条件値におけるそれぞれのパワー出力値と前記公称パワー出力値との間の差に変換させる実施態様８に記載のコンピュータプログラム製品。
［実施態様１２］
各ＧＴ（１０）の前記動作条件を前記調整することが、前記それぞれのパワー出力値と前記公称パワー出力値との間の前記差の固定の割合で前記ＧＴ（１０）セットの各ＧＴ（１０）の前記動作条件を調整することを含み、それにより各ＧＴ（１０）の前記パワー出力がそれぞれの公称パワー出力値に接近して到達する実施態様１１に記載のコンピュータプログラム製品。
［実施態様１３］
前記それぞれのパワー出力値と前記公称パワー出力値との間の前記差の前記固定の割合で前記ＧＴ（１０）セットの各ＧＴ（１０）の前記動作条件を前記調整することが、前記各ＧＴ（１０）の公称パワー出力／公称排出量特性に直交するパワー出力対排出量をプロットしたグラフ空間の線（３００，３０２，３０４，３０６）上に各ＧＴ（１０）を並べる実施態様１２に記載のコンピュータプログラム製品。
［実施態様１４］
前記ＧＴ（１０）セットの各ＧＴ（１０）にそれぞれのパワー出力を調整して前記それぞれのパワー出力と公称パワー出力値との間の前記差の前記割合に等しい前記スケーリングされたパワー出力値に一致させるように前記指令することが、前記公称排出量値に一致させずに各ＧＴ（１０）の実際の排出量値を前記公称排出量値に近づける実施態様８に記載のコンピュータプログラム製品。
［実施態様１５］
少なくとも１つのコンピューティングデバイス（８１４）を使用して実行されるガスタービン（ＧＴ）（１０）セットをチューニングするコンピュータ実装方法であって、
各ＧＴ（１０）の測定された周囲条件に基づいて、前記ＧＴ（１０）セットの各ＧＴ（１０）をベース負荷レベルでモデリングすることと、
前記ＧＴ（１０）セットの各ＧＴ（１０）にそれぞれのパワー出力を調整して前記それぞれのパワー出力と公称パワー出力値との間の差の割合に等しいスケーリングされたパワー出力値に一致させるように指令して、前記それぞれのパワー出力の前記調整中に、各ＧＴ（１０）の実際の排出量値を測定することと、
前記周囲条件における前記それぞれの測定された実際の排出量値と公称排出量値との間の差に基づいて、前記ＧＴ（１０）セットの各ＧＴ（１０）の動作条件を調整することと、を含む方法。
［実施態様１６］
前記ベース負荷レベルが、前記測定された周囲条件のパワー出力値および排出量値に関連し、前記スケーリングされたパワー出力値が、パワースケール係数を使用して導出される実施態様１５に記載の方法。
［実施態様１７］
前記ＧＴ（１０）セットの各ＧＴ（１０）を前記ベース負荷レベルでモデリングすることに応答して、各ＧＴ（１０）が、前記公称パワー出力値または前記公称排出量値の少なくとも１つを達成しない実施態様１６に記載の方法。
［実施態様１８］
各ＧＴ（１０）の前記それぞれの測定された実際の排出量値と前記公称排出量値との間の前記差を、各ＧＴ（１０）の前記周囲条件値におけるそれぞれのパワー出力値と前記公称パワー出力値との間の差に変換することをさらに含む実施態様１７に記載の方法。
［実施態様１９］
各ＧＴ（１０）の前記動作条件を前記調整することが、前記それぞれのパワー出力値と前記公称パワー出力値との間の前記差の固定の割合で前記ＧＴ（１０）セットの各ＧＴ（１０）の前記動作条件を調整することを含み、それにより各ＧＴ（１０）の前記パワー出力がそれぞれの公称パワー出力値に接近して到達し、
前記それぞれのパワー出力値と前記公称パワー出力値との間の前記差の前記固定の割合で前記ＧＴ（１０）セットの各ＧＴ（１０）の前記動作条件を前記調整することが、前記各ＧＴ（１０）の公称パワー出力／公称排出量特性に直交するパワー出力対排出量をプロットしたグラフ空間の線（３００，３０２，３０４，３０６）上に各ＧＴ（１０）を並べる実施態様１８に記載の方法。
［実施態様２０］
前記ＧＴ（１０）セットの各ＧＴ（１０）にそれぞれのパワー出力を調整して前記それぞれのパワー出力と公称パワー出力値との間の前記差の前記割合に等しい前記スケーリングされたパワー出力値に一致させるように前記指令することが、前記公称排出量値に一致させずに各ＧＴ（１０）の実際の排出量値を前記公称排出量値に近づける実施態様１５に記載の方法。
１０ ガスタービンエンジン
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
２０ 入口ダクト
２１ 入口ガイドベーン（ＩＧＶ）
２２ 排気ダクト
２４ 発電機
２６ 制御センサ
２７ アクチュエータ
２８ 燃料制御システム
２９ タービン制御アクチュエータ
４８ 入力動作パラメータ
５０ 公称着火温度
５２ 計算された着火温度
５４ 補正係数
５６ モデルベースの制御（ＭＢＣ）モジュール
５８ 適応リアルタイムエンジンシミュレーション（ＡＲＥＳ）モジュール
６０ 推定動作パラメータ
６２ 排気ガス温度
６４ 計算された着火温度
６６ 補正された着火温度
６８ 排気温度補正係数
７０ 比較器
７４ 比較器
１２２ 処理構成要素
１２４ 記憶構成要素
１２６ 入力／出力（Ｉ／Ｏ）構成要素
１２８ 通信経路
１３２ モジュール
１３６ ユーザ
１３８ ＣＳ
２００ 制御アーキテクチャ
３００ 線
３０２ 線
３０４ 線
３０６ 線
３０８ データ点
４２８ 公称動作状態
８０２ システム、環境
８１４ コンピューティングデバイス
８３６ ユーザ

Claims (9)

  1. 少なくとも１つのコントローラ（１８）を有する少なくとも１つのコンピューティングデバイス（８１４）であって、パワー出力パラメータ及びＮＯｘに関する排出パラメータに基づいて複数のガスタービン（１０）からなるセットの各ガスタービンをチューニングするように構成された少なくとも１つのコンピューティングデバイス（８１４）を備えるコンピューティングシステム（８０２）であって、
    少なくとも１つのコンピューティングデバイス（８１４）が、
    それぞれの測定された周囲条件に基づいて、前記セットの各ガスタービン（１０）をそれぞれのベース負荷レベルでモデリングし、
    前記セットの各ガスタービン（１０）に対して、それぞれのパワー出力パラメータの実際の値が、前記セットの各ガスタービン（１０）のそれぞれのパワー出力パラメータの実際の値と前記セットのパワー出力パラメータの公称値との間の差の割合に等しいスケーリングされたパワー出力パラメータの値に一致させるように指令し、前記それぞれのパワー出力パラメータの実際の値の調整中に、前記セットの各ガスタービン（１０）のそれぞれの排出パラメータの実際の値を測定し、かつ
    前記セットの各ガスタービン（１０）のそれぞれのスケーリングされた排出パラメータの値に基づいて、前記セットの各ガスタービン（１０）のそれぞれの動作パラメータの調整を行う
    ように構成されており、
    前記それぞれのスケーリングされた排出パラメータの値が、前記セットの各ガスタービン（１０）のそれぞれの排出パラメータの実際の値とそれぞれの測定された周囲条件での排出パラメータの公称値との差と排出スケール係数との積に等しく、前記セットの各ガスタービン（１０）のそれぞれの動作パラメータの調整が、排出パラメータに対してパワー出力パラメータをプロットしたグラフ空間内の第１の直線上に前記セットの各ガスタービン（１０）のデータ点を並べ、前記第１の直線が前記グラフ空間の特性直線に直交し、前記特性直線が、前記セットの各ガスタービンのベース負荷レベルにおける、前記セットを構成する複数のガスタービン全体について排出パラメータに対してパワー出力パラメータをプロットしたときの平均特性直線である、コンピューティングシステム（８０２）。
  2. 前記それぞれのベース負荷レベルが、前記それぞれの測定された周囲条件でのパワー出力パラメータのベース負荷値及び排出パラメータのベース負荷値に関連し、前記割合が、パワースケール係数を使用して導出される、請求項１に記載のコンピューティングシステム（８０２）。
  3. 前記セットの各ガスタービン（１０）を前記それぞれのベース負荷レベルでモデリングすることに応答して、前記セットの各ガスタービン（１０）が、前記セットのパワー出力パラメータの公称値又は前記それぞれの測定された周囲条件での排出パラメータの公称値の少なくとも１つを達成しない、請求項１に記載のコンピューティングシステム（８０２）。
  4. 前記少なくとも１つのコンピューティングデバイス（８１４）が、前記セットの各ガスタービン（１０）のそれぞれの排出パラメータの実際の値とそれぞれの測定された周囲条件での排出パラメータの公称値との間の差を、前記セットの各ガスタービン（１０）の前記第１の直線に沿ったそれぞれのパワー出力パラメータの値と前記セットのパワー出力パラメータの公称値との間の差に変換するようにさらに構成される、請求項１に記載のコンピューティングシステム（８０２）。
  5. 前記セットの各ガスタービン（１０）のそれぞれの動作パラメータの調整が、前記第１の直線に沿ったそれぞれのパワー出力パラメータの値と前記セットのパワー出力パラメータの公称値との間の差の固定の割合で前記セットの各ガスタービン（１０）の動作パラメータを調整することを含み、それにより前記セットの各ガスタービン（１０）のパワー出力パラメータが前記第１の直線に沿ったそれぞれのパワー出力パラメータの公称値に接近して到達する、請求項４に記載のコンピューティングシステム（８０２）。
  6. 前記セットの各ガスタービン（１０）に対して、それぞれのパワー出力パラメータの実際の値が、前記セットの各ガスタービン（１０）のそれぞれのパワー出力パラメータの実際の値と前記セットのパワー出力パラメータの公称値との間の差の割合に等しいスケーリングされたパワー出力パラメータの値に一致させるように指令することが、前記それぞれの測定された周囲条件での排出パラメータの公称値に一致させずに前記セットの各ガスタービン（１０）の排出パラメータを前記それぞれの測定された周囲条件での排出パラメータの公称値に近づける、請求項１に記載のコンピューティングシステム（８０２）。
  7. 少なくとも１つのコントローラ（１８）を有する少なくとも１つのコンピューティングデバイス（８１４）を使用して実行される、パワー出力パラメータ及びＮＯｘに関する排出パラメータに基づいて複数のガスタービン（１０）からなるセットの各ガスタービンをチューニングするためのコンピュータに実装された方法であって、当該方法が、
    それぞれの測定された周囲条件に基づいて、前記セットの各ガスタービン（１０）をそれぞれのベース負荷レベルでモデリングすることと、
    前記セットの各ガスタービン（１０）に対して、それぞれのパワー出力パラメータの実際の値が、前記セットの各ガスタービン（１０）のそれぞれのパワー出力パラメータの実際の値と前記セットのパワー出力パラメータの公称値との間の差の割合に等しいスケーリングされたパワー出力パラメータの値に一致させるように指令し、前記それぞれのパワー出力パラメータの実際の値の調整中に、前記セットの各ガスタービン（１０）のそれぞれの排出パラメータの実際の値を測定することと、
    前記セットの各ガスタービン（１０）のそれぞれのスケーリングされた排出パラメータの値に基づいて、前記セットの各ガスタービン（１０）のそれぞれの動作パラメータの調整を行うことと
    を含んでおり、
    前記それぞれのスケーリングされた排出パラメータの値が、前記セットの各ガスタービン（１０）のそれぞれの排出パラメータの実際の値とそれぞれの測定された周囲条件での排出パラメータの公称値との差と排出スケール係数との積に等しく、前記セットの各ガスタービン（１０）のそれぞれの動作パラメータの調整が、排出パラメータに対してパワー出力パラメータをプロットしたグラフ空間内の第１の直線上に前記セットの各ガスタービン（１０）のデータ点を並べ、前記第１の直線が前記グラフ空間の特性直線に直交し、前記特性直線が、前記セットの各ガスタービンのベース負荷レベルにおける、前記セットを構成する複数のガスタービン全体について排出パラメータに対してパワー出力パラメータをプロットしたときの平均特性直線である、方法。
  8. 前記それぞれのベース負荷レベルが、前記それぞれの測定された周囲条件でのパワー出力パラメータのベース負荷値及び排出パラメータのベース負荷値に関連し、前記割合がパワースケール係数である、請求項７に記載の方法。
  9. 前記セットの各ガスタービン（１０）を前記それぞれのベース負荷レベルでモデリングすることに応答して、前記セットの各ガスタービン（１０）が、前記セットのパワー出力パラメータの公称値又はそれぞれの測定された周囲条件での排出パラメータの公称値の少なくとも１つを達成しない、請求項８に記載の方法。
JP2016233754A 2015-12-16 2016-12-01 スケーリング係数を用いたパワー出力−排出量パラメータのためのガスタービンのチューニングにおける複合確率的制御の適用、関連する制御システム、コンピュータプログラム製品および方法 Active JP6952457B2 (ja)

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