JP7158832B2 - 音波センサを備えた有害ガスシステム - Google Patents
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Description
本開示は、一般にガスタービンに関する。特に、本開示は、タービンエンクロージャにおけるガス漏れ検出のためのシステムに関する。
ガスタービンは、様々な用途で動力を生成するために使用される。周囲環境からタービンを保護するために、またその逆のために、ガスタービンは、適切な入口、排気出口、および換気などを備えたエンクロージャ内に収容または封入することができる。例えば、ガスタービンは、エンクロージャ内に収容することができ、それは、タービン動作中の騒音の低減を容易にし、燃料ガスが周辺環境に漏出することなどの公害を封じ込めることができる。燃料および配管システムの一般的な健全性を監視し、大きな燃料漏れを検出するためにセンサを設置することができるが、軽微な漏れを検出することは困難である。軽微な漏れは気づかれない場合があり、タービンシステムの生産性と信頼性が低下するおそれがある。
最初に特許請求する主題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される実施形態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本主題の可能性がある形式の概要を提供しようとするものにすぎない。実際、ここで特許請求される実施形態は、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。
第１の実施形態では、ガスタービンエンクロージャ内に配置されたガスタービンエンジンからのガス漏れを監視するためのガス監視システムは、プロセッサと、プロセッサに通信可能に結合されたメモリと、を含むコントローラを含む。メモリは、プロセッサによって実行された場合に、ガスタービンエンジンの動作中に１つまたは複数のセンサからガスタービンエンジンを有するガスタービンシステムに関連する１つまたは複数の動作パラメータを取得することを含む動作を実行する命令を格納する。この動作はまた、ガスタービンエンクロージャ内のガス漏れを監視し、１つまたは複数の動作パラメータに基づいてガスタービンエンクロージャ内のガス漏れの重大度を示すガス指標を生成するためのガス漏れ監視モデルを利用することを含む。この動作は、指標を出力することをさらに含む。
第２の実施形態では、システムは、ガスタービンエンクロージャと、ガスタービンエンクロージャ内に配置されたガスタービンエンジンと、タービンエンクロージャ内に配置された１つまたは複数のセンサと、を含む。システムはまた、プロセッサと、プロセッサに通信可能に結合されたメモリと、を含むコントローラを含む。メモリは、プロセッサによって実行された場合に、ガスタービンエンジンの動作中に１つまたは複数のセンサからガスタービンエンジンを有するガスタービンシステムに関連する１つまたは複数の動作パラメータを取得することを含む動作を実行する命令を格納する。この動作はまた、ガスタービンエンクロージャ内のガス漏れを監視し、１つまたは複数の動作パラメータに基づいてガスタービンエンクロージャ内のガス漏れの重大度を示すガス指標を生成するためのガス漏れ監視モデルを利用することを含む。この動作は、指標を出力することをさらに含む。
第３の実施形態では、非一時的なコンピュータ可読媒体は、コンピュータ実行可能コードを格納する。このコードは、ガスタービンエンジンの動作中に１つまたは複数のセンサからガスタービンエンクロージャ内に配置されたガスタービンエンジンを有するガスタービンシステムに関連する１つまたは複数の動作パラメータを取得するための命令を含む。このコードはまた、ガスタービンエンクロージャ内のガス漏れを監視し、１つまたは複数の動作パラメータに基づいてガスタービンエンクロージャ内のガス漏れの重大度を示すガス指標を生成するためのガス漏れ監視モデルを利用することを含む。このコードは、指標を出力することをさらに含む。
ここで開示する技術のこれらの、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。
以下に、ここで開示する実施形態の１つまたは複数の特定の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などの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、例えばシステム関連および事業関連の制約条件への対応など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ごとに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を理解されたい。
ここで開示する実施形態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。
以下に説明するように、ガス（例えば、有害ガス、可燃性ガス、燃料ガス）の漏れ状況またはガスタービンの外でのガスの存在のシステム評価を提供し、保守／修理作業が必要とし、開始時にシステムアドバイスを発行する傾向を報告するために、モデル（例えば、能動的なガス漏れまたはガス存在監視モデル）を開発することができる。以下の図示する実施形態は、有害ガス漏れ状況を評価するためのモデルを説明するが、このモデルは、有害ガス漏れ状況に限定されず、任意の供給源からの任意のガス（不必要なガスまたは望ましくないガス）を検出する場合に使用することができる。例えば、このモデルは、エンクロージャ内またはエンクロージャ外のガスタービンシステムの漏れによる、あるいはガスタービンシステムの機械部品またはシステムの誤動作または故障による、ガスの望ましくない存在を監視するために使用することができる。能動的有害ガス（または「ハズガス」）を監視するためのモデルは、定期的に診断／評価レポート、保守および修理の勧告、および動作調整を生成するために、サービスプラットフォーム（例えば、クラウドコンピューティングサービス、分散制御システムなど）に接続することができる。モデルは、エンクロージャ内の配管および機器のレイアウト情報、タービンシステムの動作中に収集される動作パラメータ／条件に基づいて開発され更新することができ、動作パラメータ／条件としては、限定はしないが、漏れまたは有害ガス濃度（例えば、可燃性ガスの濃度、液体燃料蒸気の分圧）、漏れ速度、漏れ容積、漏れサイズ、漏れ位置、および漏れの重大度、ならびに燃料および発電システムの各種動作データ（エンクロージャの空気圧と温度、エンクロージャの換気ファンの流量とファンのカーブ、燃料ガスの圧力と温度、燃料ガスの流量、タービンの出力と効率、圧縮機の燃料の流量、排気の温度と圧力、ガスタービン排気温度など）が含まれる。
有害ガス濃度と漏れサイズとの間に相関関数を確立することができ、そのような相関を使用して漏れの重大度（例えば、軽微な漏れ、大きな漏れ）を評価することができる。ここで、漏れサイズは、有害ガス濃度と組み合わせた漏れ体積と定義され、漏れサイズは、例えばエンクロージャ内の燃料ガス配管から漏れた量に関係する。より具体的には、漏れサイズは、爆発下限（ＬＥＬ）と爆発上限（ＵＥＬ）との間にある（例えば、２つの限界の間のガスの量が爆発的である）有害ガス濃度レベルを有する体積を指す。燃焼は、十分に大きな着火可能なサイズの漏れポケット（例えば、容積に特定の範囲の引火性有害ガスおよび酸素混合物を含む）のみで点火することができる。各ガスは、それ自体のＬＥＬおよびＵＥＬ（例えば、ガス特有）を有し、本明細書で説明する有害ガス濃度は、バランス空気に対する全容積の百分率（％）によって定義されることにも留意。例えば、メタン（例えばＣＨ4）ガスは、空気中に体積分率約５％（例えばＬＥＬ）、および体積分率約１５％（例えばＵＥＬ）を有することができ、メタノールガス（ＣＨ3ＯＨ）は、ＬＥＬとして体積分率約６％、およびＵＥＬとして体積分率約３６％を有することができる。
漏れサイズは、エンクロージャ内のガスタービンシステムの任意の部品からの有害ガスの漏れを指してもよい。漏れサイズが大きい場合には、エンクロージャ内の大量の有害ガスのために有害ガス濃度が高いので、検出が比較的容易であり得る。しかし、漏れサイズが小さい場合には、エンクロージャの換気のために有害ガス濃度が低くなり、そのような低濃度は容易に検出されない可能性がある。例えば、検出可能な最小の有害ガス濃度が約５％のＬＥＬ（例えば、ＣＨ4が空気の約０．２５％の体積分率）である場合には、軽微な漏れ（例えば、漏れのレベルまたは重大度）は、検出することが不可能であり得る漏れ（例えば、５％未満のＬＥＬ）と呼ばれる。一実施形態では、検出可能な有害ガス濃度の範囲を増加させるために、液体燃料蒸気の分圧を検出することができる音波センサを利用して、１％ＬＥＬ未満の有害ガス濃度で軽微な漏れを検出することができる。一実施形態では、ガスタービンエンクロージャ内に配置されたガスタービンエンジンからの有害ガス漏れを監視するための有害ガス監視システムは、プロセッサと、プロセッサに通信可能に結合されたメモリと、を含むコントローラを含む。メモリは、プロセッサによって実行された場合に、ガスタービンエンジンの動作中に１つまたは複数のセンサからガスタービンエンジンを有するガスタービンシステムに関連する１つまたは複数の動作パラメータを取得することを含む動作を実行する命令を格納する。この動作はまた、ガスタービンエンクロージャ内の有害ガス漏れを監視し、１つまたは複数の動作パラメータに基づいてガスタービンエンクロージャ内の有害ガス漏れの重大度を示す有害ガス指標を生成するための有害ガス漏れ監視モデルを利用することを含む。この動作は、指標を出力することをさらに含む。このように、自己診断能力を備えた能動的な有害ガス監視モデルは、発電の信頼性と可用性を向上させるためにデジタル発電所に統合され、運用の最適化と資産の最適化に貢献する。
図１は、タービンエンクロージャ１４（例えば、ガスタービンエンクロージャ）によって囲まれまたは収容されたタービンシステム１０の一実施形態の部分概略図である。タービンシステム１０は、固定式または可動式ガスタービン発電ユニットであってもよい。例えば、タービンシステム１０は、統合ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）発電プラントまたは単純サイクル発電プラントなどの発電プラントに配置された固定式ユニットであってもよい。例えば、タービンシステム１０は、トレーラーによって運ばれる可動式ユニットであってもよい。タービンシステム１０は、ガスタービンまたはガスタービンエンジン１２と、ガスタービン１２を収容するエンクロージャ１４（例えば、ガスタービンエンクロージャ）と、ガスタービン１２によって駆動される負荷１６（例えば、発生機、発電機）と、を含む。タービンシステム１０はまた、ガスタービン１２の上流にある燃焼吸気システム１８と、換気吸気システム２０と、を含む。ガスタービンエンクロージャ１４は、第１の吸気ポート２２（例えば、第１の吸気ポートまたはタービン吸気口）、第２の吸気ポート２４（例えば、第２の吸気ポートまたはエンクロージャ換気口）、および空気出口ポート２６を画定することができる。
第１の吸気ポート２２は、ガスタービン１２の上流の燃焼吸気システム１８に結合されている。燃焼吸気システム１８は、ガスタービン１２に供給される空気を濾過するための１つまたは複数のフィルタを含むことができる。第１の吸気ポート２２は、ガスタービン１２内に空気を導く。例えば、第１の吸気ポート２２は、ガスタービン１２の圧縮機内に空気を導くことができる。例えば、ガスタービン１２は、ポート２２からの空気を圧縮し、空気と燃料とを混合し、空気燃料混合物を燃焼させて１つまたは複数のタービンを駆動することができる。第２の吸気ポート２４は、換気吸気システム２０に接続されている。換気吸気システム２０は、ガスタービン１２のエンクロージャ１４に供給される空気を濾過するための１つまたは複数のフィルタを含むことができる。換気吸気システム２０は、１つまたは複数のファン３０を介してエンクロージャ１４内に空気を供給することができる。第２の吸気ポート２４は、ガスタービン１２を取り囲むエンクロージャ１４内に空気を導き、エンクロージャを換気する。出口ポート２６は、ガスタービン１２からの排気ガスおよびエンクロージャ１４からの空気（例えば、換気空気）を排気するために排気スタック３８に結合される。ガスタービン１２は、エンクロージャ１４を通って延在し、負荷１６に結合するシャフト４０を含む。後述するように、部品（例えば、エンクロージャ１４の内部に収容された部品）およびタービンシステム１０の他の関連する部分は、図３に示すように、燃料漏れ状況を検出し、監視し、評価するためのスマート有害ガスシステムに結合されてもよい。
図２は、ガスタービン１２の発電を示す、タービンシステム１０の一実施形態の概略図である。タービンシステム（例えば、ガスタービンシステム、二重燃料タービンシステム）１０は、タービンシステム１０を駆動するために、天然ガスおよび／または水素に富んだ合成ガスなどの液体または気体燃料を使用することができる。図示するように、燃料ノズル５０（例えば、多管燃料ノズル）は、液体燃料システム５４または気体燃料システム５６から燃料供給５２を取り入れて、空気、酸素、酸素富化空気、酸素低減空気、またはこれらの任意の組み合わせなどの酸化剤と燃料を混合する。以下の説明では、酸化剤として空気を参照しているが、任意の適切な酸化剤を開示された実施形態で使用することができる。燃料および空気が混合されると、燃料ノズル５０は、最適な燃焼、排出物、燃料消費、および出力に適した比率で、燃料空気混合物を複数の燃焼器５８内に分配する。タービンシステム１０は、複数の燃焼器５８の内側に位置する１つまたは複数の燃料ノズル５０を含むことができる。燃料空気混合物は、複数の燃焼器５８のそれぞれの内部のチャンバ内で燃焼し、それによって高温の加圧排気ガスを生成する。複数の燃焼器５８は、排気ガスをガスタービン１２を通して（例えば、出口ポート２６に向けられた）排気出口６０の方に導く。排気ガスがガスタービン１２を通過すると、ガスはタービンブレードに力を与えて、タービンシステム１０の軸に沿った駆動シャフト４０を回転させる。図示するように、シャフト４０は、圧縮機６２を含むタービンシステム１０の様々な部品に接続されてもよい。圧縮機６２はまた、シャフト４０に結合されたブレードを含む。シャフト４０が回転すると、圧縮機６２内のブレードも回転し、それにより、タービン空気取入口２２から圧縮機６２を通る空気を圧縮して、燃料ノズル５０および／または複数の燃焼器５８に送る。シャフト４０はまた、負荷１６に接続することもでき、負荷１６は、例えば、発電プラントの発電機または航空機のプロペラなどの車両または固定された負荷であってもよい。負荷１６は、タービンシステム１０の回転出力によって動力が供給され得る任意の適切な装置を含むことができる。燃料ノズル５０は、燃料プレナムを有するエンドカバーを含む、または接続することができ、燃料プレナムは、燃料噴射器に燃料を直接供給することによって燃料分布を改善することができ、燃料噴射器は、複数の燃焼器５８に放出される前に、空気と予混合される管に燃料を供給することができる。後述するように、部品（例えば、エンクロージャ１４の内部に収容された部品）およびタービンシステム１０の他の関連する部分は、図３に示すように、燃料漏れ状況を検出し、監視し、評価するためのスマート有害ガスシステムに結合されてもよい。
図３は、タービンシステム１０の燃料漏れ状況を検出し、評価するためのスマート有害ガスシステム８０を示すブロック図である。スマート有害ガスシステム８０は、コントローラ８２、有害ガス監視モデル８４、およびサービスプラットフォーム８６（例えば、クラウドコンピューティングサービス、分散制御システム）を含むことができる。コントローラ８２は、サービスプラットフォーム８６、有害ガス監視モデル８４、およびタービンシステム１０の様々な部品およびシステム（例えば、気体燃料システム５６および液体燃料システム５４）と、有線もしくは無線ネットワークまたは通信システムを介して通信可能に結合される（例えば、データ転送、命令の送受）。いくつかの実施形態では、コントローラ８２は、サービスプラットフォーム８６の一部（例えば、クラウドコンピュータサービス、分散制御システムなど）であってもよい。コントローラ８２は、プロセッサ９０と、プロセッサ９０に通信可能に結合されたメモリ９２（例えば、非一時的なコンピュータ可読媒体／メモリ回路）と、を有し、メモリ９２は、ガスタービンシステム１０（例えば、タービンシステム１０の様々な部品およびシステム）に関連する動作を実行するように実装された１つまたは複数の命令セット（例えば、プロセッサ実行可能命令）を格納する。より具体的には、メモリ９２は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などの揮発性メモリ、および／または読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、光ドライブ、ハードディスクドライブ、もしくはソリッドステートドライブなどの不揮発性メモリを含むことができる。さらに、プロセッサ９０は、１つまたは複数の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、１つまたは複数のフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、１つまたは複数の汎用プロセッサ、あるいはそれらの任意の組み合わせを含むことができる。さらに、プロセッサという用語は、当技術分野でプロセッサと呼ばれる集積回路に限定されず、コンピュータ、プロセッサ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラマブルロジックコントローラ、特定用途向け集積回路、および他のプログラム可能回路を広く指している。
例えば、メモリ９２は、エンクロージャ１４内の燃料配管および部品のレイアウト情報を格納することができる。例えば、メモリ９２は、オペレータまたはユーザによって（例えば、コントローラ８２および／またはサービスプラットフォーム８６を介して）入力された情報を格納することができる。例えば、メモリ９２は、タービンシステム１０およびスマート有害ガスシステム８０の様々な部品およびシステムからの情報（例えば、動作パラメータおよび動作条件）を取得するための命令を格納し、取得した情報をメモリ９２に格納することができる。情報は、エンクロージャ１４内（例えば、図１に示す任意の部品）に配置されたセンサおよび／またはガスタービンシステム１０の部品（例えば、図２に示される任意の部品）に配置されたセンサによって収集され得る。例えば、これらのセンサは、液体燃料システム５４の１つまたは複数のセンサ９４、気体燃料システム５６の１つまたは複数のセンサ９６、複数の燃焼器５８の１つまたは複数のセンサ９８、ガスタービン１２の１つまたは複数のセンサ１００、排気部６０の１つまたは複数のセンサ１０２、ならびにタービンエンクロージャ１４内に配置された１つまたは複数のセンサ１０４を含む。１つまたは複数のセンサ９４、９６、９８、１００、１０２、１０４は、温度センサ（例えば、熱電対、抵抗温度検出器すなわちＲＴＤ、および弾性表面波センサすなわちＳＡＷ）、圧力センサ（例えば、圧力トランスデューサ、圧力トランスミッタ、ピエゾメータ、圧力インジケータ、およびマノメータ）、ガスセンサ（例えば、微細構造ガスセンサ、赤外線センサ、赤外線カメラ、超音波センサ、電気化学ガスセンサ、半導体センサ、電気化学センサ、熱量測定ガスセンサ、ＳＡＷ）、流量センサ（例えば、流量計、熱質量流量計、および超音波流量計）、加速度計（例えば、高温加速度計）、速度センサ（例えば、タービン速度センサおよび磁気速度センサ）、位置センサ、電流センサ、電圧センサ、およびタイマを含むことができるが、これらに限定されない。
１つまたは複数のセンサ９４、９６、９８、１００、１０２、１０４は、有害ガス監視モデル８４に供給される情報（例えば、動作パラメータおよび動作条件）を取得するためにコントローラ８２に結合される。例えば、情報は、エンクロージャの空気圧および温度、エンクロージャの換気ファンの流量およびファンのカーブ、有害ガス濃度（例えば、％ＬＥＬ）、燃料ガスの圧力および温度、液体燃料蒸気の分圧、漏れ容積、漏れ流量、漏れサイズ、漏れ位置、燃料ガス流量、タービンの出力および効率、圧縮機の空気流量、排出温度および圧力、ならびにガスタービン排気温度などを含むが、これらに限定されない。上述のパラメータのいずれも、時間加重平均データに基づいて決定されてもよいことが理解されよう。さらに、エンクロージャ１４内に配置された１つまたは複数のセンサ１０４は、少なくとも１つの弾性波センサまたは弾性表面波センサ（ＳＡＷ）を含んでもよく、それは１兆分の１の分解能で単一のセンサ上の広い範囲のガスを検出することができる。ここで、ＳＡＷは、液体燃料蒸気の分圧を検出するために、スマート有害ガスシステム８０において特に利用することができる。このように、スマート有害ガスシステム８０は、漏れレベルが軽微（例えば、１％ＬＥＬ未満の燃料蒸気として検出される低い漏れ濃度）であって、ガスタービン１２をトリップ／シャットダウンする、および／または燃料供給（例えば、気体燃料システム５６および／または液体燃料システム５４）を停止するにはまだ顕著ではない場合であっても、タービンシステム１０の燃料漏れ状況を検出し評価することができる。
このことを念頭に置いて、図４は、特に液体燃料蒸気検出を用いた軽微な漏れを検出するためのＳＡＷ１３０の斜視図を示す。ＳＡＷ１３０は、圧電基板１４０の表面１３８上に配置された入力トランスデューサ１３２、出力トランスデューサ１３４、および検出膜１３６を含むことができる。トランスデューサ１３２、１３４は、入力信号を圧電基板１４０を介して機械波信号に変換することができる。例えば、入力および出力トランスデューサ１３２、１３４は、それぞれ（例えば、矢印１４２によって示すように）伝搬する音響表面波を発射し、受信するために使用される。検出膜１３６は、ガス特有検出膜であってもよく、それは金属、金属酸化物、金属窒化物、ポリマー、または生物学的材料（例えば、抗原、細菌バイオフィルム、または細胞培養物）であってもよい。検出膜１３６がガスに曝されると、検出膜１３６内の機械的および電気的摂動が、音波の進行の特性（例えば、経路、振動、周波数、速度、振幅、および位相特性）に対応する変化を引き起こす（矢印１４２で示す）。音波の特性におけるこれらの変化は、（例えば出力トランスデューサ１３４を使用して）デジタル信号に変換され、監視され、測定される対応する物理的差異を検出するために解析される。
図３の説明に戻ると、有害ガス監視モデル８４はコントローラ８２と通信可能に結合され、タービンシステム１０に関連する動作を出力する。有害ガス監視モデル８４は、漏れ状況（例えば、漏れ濃度、速度、サイズ、容積、位置、および／または重大度）を予測し、タービンシステム１０の部品の保守および修理の勧告を行い、タービンシステム１０の１つまたは複数の部品の動作を調整することができる。さらに、有害ガス監視モデル８４は、エキスパート経験、解析モデル、計算流体力学（ＣＦＤ）モデル（例えば、漏れ位置を予測するため）、機械学習アルゴリズム、外挿モデルなどを含むことができ、有害ガス監視モデル８４は、よりスマート（例えば、より正確な予測およびより良い勧告）になるように、時間の経過と共に更新され、訓練され得る。さらに、有害ガス監視モデル８４は、診断モジュール１０８を含むことができ、診断モジュール１０８は、有害ガス漏れの現在の状態またはパラメータ（例えば、漏れ濃度、漏れの速度、容積、サイズ、および位置）を報告し、漏れ状況（例えば、有害ガスの濃度、容積、サイズ、および／または重大度）の評価を報告し、保守と修理のための勧告を発行し、かつ／あるいは、タービンシステム１０の１つまたは複数の部品の動作を発行または調整することができる。例えば、診断モジュール１０８は、タービンシステム１０からの現在の漏れ状況（例えば、漏れ濃度、速度、サイズ、位置、および／または重大度）、動作条件、パラメータおよびデータを監視し、分析された結果を履歴記録と比較することができる。現在の漏れ状況、動作条件、パラメータおよびデータも分析し、有害ガス監視モデル８４および／またはエキスパート経験の予測と比較することができる。診断は、比較に基づいて発行されてもよい。他の実施形態では、診断モジュール１０８は、比較に基づいてタービンシステム１０の動作条件／パラメータを調整するための勧告を発行することもできる。
診断モジュール１０８によって発行された診断結果はまた、有害ガス監視モデル８４にフィードバックされ、有害ガス監視モデル８４を更新／訓練することができることが理解されよう。さらに、有害ガス監視モデル８４、診断モジュール１０８、およびそれらに含まれるすべてのデータは、コントローラ８２のメモリ９２に格納することができる。他の実施形態では、有害ガス監視モデル８４、診断モジュール１０６、およびそれらに含まれるすべてのデータは、サービスプラットフォーム８６にアップロードされ、サービスプラットフォーム８６に格納される（例えば、コントローラ８２のプロセッサ９０による命令で）。認可されたユーザは、サービスプラットフォーム８６を介して、データ、結果／報告、有害ガス監視モデル８４、および診断モジュール１０６にアクセスすることができる。認可されたユーザはまた、サービスプラットフォーム８６を介して顧客／ユーザ経験およびエキスパート経験を提供することができ、これらの情報は、有害ガス監視モデル８４を訓練／更新するために使用することができる。このように、スマート有害ガスシステム８０は、動作最適化のためのデジタル発電所に統合され、タービンシステム１０の信頼性および可用性を高めるためにオンライン診断を利用可能とすることができる。
一実施形態では、有害ガス監視モデル８４は、有害ガス指標（例えば、数値）を生成することができ、それは、エンクロージャ１４内の漏れ状態／状況を評価する（例えば、有害ガス漏れの重大度を示す）ための有害ガスバロメータとして機能する。有害ガスバロメータは、タービンシステム１０の動作中に更新および較正されてもよく、有害ガス指標は、タービンシステム１０の動作の経過中の時間加重平均データに基づいて算出することができる。有害ガスバロメータは、データ（例えば、１つまたは複数のセンサ９４、９６、９８、１００、１０２、１０４によって収集される）を記録し続け、警告、助言、および適切な処置（例えば、タービンシステム１０の１つまたは複数の部品の動作を発行または調整する）を行うことができるところまでエンクロージャの有害ガスバロメータの精度を向上させるように学習することができる。有害ガスバロメータの利用は、タービンシステム１０の試運転および較正の際に開始することができる。例えば、有害ガスバロメータは、測定された有害ガス濃度を漏れサイズ（例えば、有害ガス濃度と組み合わせた漏れ量）と相関させることができ、そのような相関を使用して漏れの重大度（例えば、軽微な漏れから大きな漏れまでの漏れのレベル）を評価することができる。例えば、エンクロージャの有害ガスバロメータは、１から６までの有害ガス指標を生成することができ、有害ガス指標＝１は、予め指定されたしきい値（例えば、約１％ＬＥＬ）よりも小さい漏れ濃度を有する軽微な漏れに対応することができ、指標＝６は、別の予め指定されたしきい値（例えば、約５％ＬＥＬ以上）より大きい漏れ濃度を有する大きな漏れに対応することができ、そのような漏れでは、ガスタービン１２を停止すべきであり、かつ／または燃料供給（例えば、気体燃料システム５６および／または液体燃料システム５４）を停止すべきである。このように、漏れの重大度は、重大度に比例する有害ガス指標でランク付けすることができる。有害ガス指標に基づいて、診断モジュール１０６は、診断結果を発行し、タービンシステム１０の部品の保守および修理の勧告を行い、かつ／またはタービンシステム１０の１つもしくは複数の部品の動作を調整すること（例えば、シャットダウン動作、エンクロージャの換気ファンの流量を減少または増加させることなど）ができる。本明細書では、１～６の指標番号は一例としてのみ提供され、この指標番号は、任意の最小値から最大値の範囲の任意の正の整数であってもよいことが理解されよう。
有害ガスバロメータは、任意の適切なリモートまたはローカルデバイス（例えば、コントローラ８２またはサービスプラットフォーム８６に接続されたデバイス）の画面上に表示することができる。図５は、ディスプレイ画面１５０上に出力された能動的有害ガス監視モデル８４によって生成される有害ガスバロメータの概略図である。図示する実施形態では、有害ガスバロメータは、有害ガス指標１５２、有害ガス種（例えば、ＣＨ4）１５４、有害ガス濃度（例えば、％ＬＥＬ）１５６、またはそれらの任意の組み合わせを表示することができる。有害ガスバロメータは、棒グラフ１５８で表示することができ、棒グラフ１５８はカラーコード化することができる。例えば、緑色は、有害ガス漏れがほとんどなく、漏れ状態が健全であることを示すことができ、黄色は、軽微な漏れを示すことができ、赤色は、大きな漏れを示すことができる。
図６は、有害ガス監視モデル８４を開発するための方法１７０を示すフローチャートである。方法１７０のステップのうちの１つまたは複数は、コントローラ８２によって実行することができる。方法１７０は、モデルを生成する（ステップ１７８）ために、履歴データ１７２を適合させるステップ、エキスパート経験１７４を適合させるステップ、およびその他１７６（例えば、任意の関連情報、データ、およびユーザ／オペレータ入力）を適合させるステップを含み、ステップ１７８で生成されたモデルは、さらなる訓練／更新を受ける有害ガス監視モデル８４の初期モデルである。履歴データは、エンクロージャ内の配管および機器のレイアウト情報、漏れまたは有害ガスの濃度、速度、容積、サイズ、場所、および重大度、エンクロージャの気圧および温度、エンクロージャの換気ファンの流量およびファンのカーブ、燃料ガスの圧力と温度、液体燃料蒸気の分圧、燃料ガスの流量、タービンの出力および効率、圧縮機の燃料流量、排出温度および圧力、ガスタービンの排気温度、エキスパート経験、またはこれらの組み合わせを含むことができるが、これらに限定されない。エキスパート経験は、燃料システム（例えば、気体燃料システム５６および液体燃料システム５４、バルブ、ノズル、ポンプ、パイプなど）および／またはタービンシステム１０の動作に関連する任意のユーザまたはオペレータの入力であってもよい。方法１７０はまた、タービンシステム１０を動作させるステップ（ステップ１８０）と、タービンシステム１０を試運転して較正した後に、タービンシステム１０からデータを収集するステップ（ステップ１８２）と、を含む。ここで収集されるデータは、タービンシステム１０および特に燃料システム（例えば、気体燃料システム５６および液体燃料システム５４、バルブ、ノズル、ポンプ、配管、タービン出力および効率）および／またはガスタービンシステム１０の動作中にセンサ（例えば、センサ９４、９６、９８、１００、１０２、１０４）を介して収集された動作パラメータを含むことができる。これらの動作パラメータは、漏れまたは有害ガス濃度、漏れ速度、容積、およびサイズ、エンクロージャの空気圧および温度、液体燃料蒸気の分圧、エンクロージャの換気ファンの流量およびファンカーブ、燃料ガスの圧力および温度、液体燃料蒸気の分圧、燃料ガスの流量、圧縮機の燃料流量、排出温度および圧力、ガスタービン排気温度、またはこれらの組み合わせを含むことができるが、これらに限定されない。収集したデータは、有害ガス監視モデル８４に供給される。
方法１７０はまた、測定された有害ガス濃度を漏れサイズに相関させるステップ（ステップ１８４）を含み、有害ガス監視モデル８４が軽微な漏れを検出することを可能にする。上述したように、有害ガス濃度と漏れサイズとの間に相関関係を確立することができ、そのような相関を使用して、漏れの重大度を評価するためのエンクロージャの有害ガスバロメータを開発することができる。一実施形態では、有害ガス濃度と漏れサイズとの間の相関を、ユーザ経験およびエキスパート経験として入力された情報と共に使用して、漏れの重大度を評価するためのエンクロージャの有害ガスバロメータを開発することができる。他の実施形態では、相関は、任意の１つまたは複数の動作パラメータ間で確立することができる。さらに、有害ガス監視モデル８４は、１つまたは複数の動作パラメータの変動間の相関に基づいて開発されてもよい。さらに、有害ガス監視モデル８４は、オペレータ／ユーザ入力、およびシステム設計段階で作成された物理に基づくモデルを利用した流体流シミュレーションにさらに基づいて開発されてもよい。
方法１７０は、モデルを訓練し更新するステップ（ステップ１８６）をさらに含む。この段階で、有害ガス監視モデル８４は、ステップ１８４までで収集されたデータおよび開発された相関（例えば、ステップ１７８からステップ１８４）に少なくとも部分的に基づいて、特定の動作パラメータ、条件、または漏れ状況の変化（例えば、エンクロージャ１４の内部）を予測するように動作可能である。例えば、有害ガス監視モデル８４は、将来における燃料漏れ状態（例えば、濃度、速度、容積、大きさ、および位置）および漏れの重大度（例えば、エンクロージャ有害ガスバロメータによってランク付けされた軽微な漏れから大きな漏れ）を予測することができる。有害ガス監視モデル８４による予測は、有害ガス監視モデル８４の検証および訓練／更新のための実際の状況／データと比較することができる。さらに、有害ガス監視モデル８４は、上述した１つまたは複数の動作パラメータに基づいて訓練され更新されてもよい。
図７は、有害ガス監視モデル８４を利用するための方法１９０を示すフローチャートである。方法１９０のステップのうちの１つまたは複数は、コントローラ８２によって実行することができる。方法１９０は、タービンシステム１０の動作を開始するステップ（ステップ１９２）、および有害ガス監視モデル８４を用いて診断を実行するステップ（ステップ１９４）を含む。タービンシステム１０の動作を開始すると、動作状態および動作パラメータがその場または実質的にその場で有害ガス監視モデル８４に供給され、診断モジュール１０８がエンクロージャ１４内の漏れ状態／状況の診断（例えば、報告および更新）を発行することを可能にする。例えば、診断モジュール１０８は、有害ガスバロメータを含むことができ、漏れが存在するかどうか、および／または漏れの重大度を判定するために、測定された有害ガス濃度を漏れサイズと相関させるステップを含むことができる。診断モジュール１０８は、有害ガス漏れ状態が重大（例えば、有害ガスバロメータによって評価されるような大きな漏れ）であって、タービンシステム１０をシャットダウンするべきであるか、あるいは燃料供給（例えば、気体燃料システム５６または液体燃料システム５４）を停止するべきであると判断することができる。診断モジュール１０８は、有害ガス漏れ状態が軽微（例えば、有害ガスバロメータによって評価されるような軽微な漏れ）であり、タービンシステム１０は正常に動作することができると判断することができる。
方法１９０はまた、有害ガス監視モデル８４を使用して、予測を実行するステップ（ステップ１９８）、保守の勧告を提供するステップ（ステップ１９６）、タービンシステム１０の少なくとも１つの部品の動作を調整するステップ（ステップ２００）を含む。タービン動作と同時に、有害ガス監視モデル８４に条件およびパラメータを連続的に供給して、有害ガス監視モデル８４をタービンシステム１０の最新かつ同時の状態に更新する。したがって、有害ガス監視モデル８４は、エンクロージャ１４内の漏れ状態／状況、将来における漏れの特定のパラメータ／条件（例えば、濃度、速度、容積、サイズ、位置、および重大度）を予測することができる。例えば、有害ガス監視モデル８４は、燃料システムの特定の部品（例えば、ガスタービンシステム１０の部品）が将来（例えば、数日、数週間、数ヶ月、または数年のうちに）漏れを経験する可能性があることを予測することができる。さらなる例として、有害ガス監視モデル８４は、エンクロージャ１４内の漏れの重大度が（例えば、有害ガスバロメータによって評価されるような）予め指定されたレベルを超えて、将来（例えば数日、数週間、数ヶ月または数年のうちに）タービンシステム１０を停止しなければならない、かつ／あるいは、気体燃料システム５６および／または液体燃料システム５４を停止しなければならないことを予測することができる。
上述したように、有害ガス監視モデル８４は、保守勧告を提供するために利用することもできる（ステップ１９６）。例えば、有害ガス監視モデル８４は、サービスプラットフォーム８６に通信可能に結合され、ガスタービンシステム１０のエンクロージャ１４内の特定の部品が、ある期間（例えば、数日、数週間、数ヵ月、または数年）後に、軽微なまたは大きな漏れ（例えば、エンクロージャの有害ガスバロメータによって評価される）を経験する可能性があると予測された場合には、有害ガス監視モデル８４は、予測された発行／問題の発生前に部品を修復または交換するための保守勧告（例えば、サービスプラットフォーム８６を介してユーザ／オペレータなどに伝達される）を発行する。さらに、有害ガス監視モデル８４は、タービンシステム１０の少なくとも１つの部品の動作を調整するために利用することができる（ステップ２００）。例えば、有害ガス監視モデル８４は、重大な／大きな漏れが発生したことを予測し、制御信号を（例えば、サービスプラットフォーム８６および／またはコントローラ８２を介して）提供して、タービンシステム１０の動作をシャットダウンし、かつ／あるいは、気体燃料システム５６および／または液体燃料システム５４を停止することができる。有害ガス監視モデル８４はまた、タービンシステム１０の任意の部品の動作を調整することができる。例えば、有害ガス監視モデル８４は、漏れの大きさおよび／または重大度を低減または抑制するために、気体または液体燃料の流量を増加または減少させるように制御信号を送信することができる。例えば、有害ガス監視モデル８４は、制御信号を送信して、エンクロージャ換気ファンのファン流量を増減させることができる。
本明細書は、本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、いかなる当業者もここで開示された実施形態を実施することができるように実施例を用いており、任意の装置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。ここで開示された実施形態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が請求項の字義通りの文言と異ならない構造要素を有する場合、または、それらが請求項の字義通りの文言と実質的な差異がない等価な構造要素を含む場合には、このような他の実施例は特許請求の範囲内であることを意図している。
１０ ガスタービンシステム
１２ ガスタービン
１４ エンクロージャ
１６ 負荷
１８ 燃焼吸気システム
２０ 換気吸気システム
２２ 第１の吸気ポート
２４ 第２の吸気ポート
２６ 空気出口ポート
３０ ファン
３８ 排気スタック
４０ 駆動シャフト
５０ 燃料ノズル
５２ 燃料供給
５４ 液体燃料システム
５６ 気体燃料システム
５８ 燃焼器
６０ 排気出口
６２ 圧縮機
８０ スマート有害ガスシステム
８２ コントローラ
８４ 有害ガス監視モデル
８６ サービスプラットフォーム
９０ プロセッサ
９２ メモリ
９４ センサ
９６ センサ
９８ センサ
１００ センサ
１０２ センサ
１０４ センサ
１０６ 診断モジュール
１０８ 診断モジュール
１３０ ＳＡＷ
１３２ 入力トランスデューサ
１３４ 出力トランスデューサ
１３６ 検出膜
１３８ 表面
１４０ 圧電基板
１４２ 矢印
１５０ ディスプレイ画面
１５２ 有害ガス指標
１５４ 有害ガス種
１５６ 有害ガス濃度
１５８ 棒グラフ
１７０ 方法
１７２ 履歴データ
１７４ エキスパート経験
１７６ その他
１７８ ステップ
１８０ ステップ
１８２ ステップ
１８４ ステップ
１８６ ステップ
１９０ 方法
１９２ ステップ
１９４ ステップ
１９６ ステップ
１９８ ステップ
２００ ステップ
１２ ガスタービン
１４ エンクロージャ
１６ 負荷
１８ 燃焼吸気システム
２０ 換気吸気システム
２２ 第１の吸気ポート
２４ 第２の吸気ポート
２６ 空気出口ポート
３０ ファン
３８ 排気スタック
４０ 駆動シャフト
５０ 燃料ノズル
５２ 燃料供給
５４ 液体燃料システム
５６ 気体燃料システム
５８ 燃焼器
６０ 排気出口
６２ 圧縮機
８０ スマート有害ガスシステム
８２ コントローラ
８４ 有害ガス監視モデル
８６ サービスプラットフォーム
９０ プロセッサ
９２ メモリ
９４ センサ
９６ センサ
９８ センサ
１００ センサ
１０２ センサ
１０４ センサ
１０６ 診断モジュール
１０８ 診断モジュール
１３０ ＳＡＷ
１３２ 入力トランスデューサ
１３４ 出力トランスデューサ
１３６ 検出膜
１３８ 表面
１４０ 圧電基板
１４２ 矢印
１５０ ディスプレイ画面
１５２ 有害ガス指標
１５４ 有害ガス種
１５６ 有害ガス濃度
１５８ 棒グラフ
１７０ 方法
１７２ 履歴データ
１７４ エキスパート経験
１７６ その他
１７８ ステップ
１８０ ステップ
１８２ ステップ
１８４ ステップ
１８６ ステップ
１９０ 方法
１９２ ステップ
１９４ ステップ
１９６ ステップ
１９８ ステップ
２００ ステップ
Claims (12)
- ガスタービンエンクロージャ（１４）内に配置されたガスタービンエンジン（１２）からのガス漏れを監視するためのガス監視システム（８０）であって、当該ガス監視システム（８０）が１つ又は複数のセンサ（９４～１０４）とコントローラ（８２）とを含み、前記コントローラ（８２）が、
プロセッサ（９０）と、
前記プロセッサ（９０）に通信可能に結合されたメモリ（９２）と
を含み、前記メモリ（９２）が、前記プロセッサ（９０）によって実行された場合に、
前記ガスタービンエンジン（１２）の動作中に１つ又は複数のセンサ（９４～１０４）から前記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）に関連する１つ又は複数の動作パラメータを取得することと、
前記ガスタービンエンクロージャ（１４）内のガス漏れを監視するとともに前記１つ又は複数の動作パラメータに基づいて前記ガスタービンエンクロージャ（１４）内のガス漏れの重大度を示すガス指標（１５２）を生成するためにガス漏れ監視モデル（８４）を利用することと、
前記ガス指標（１５２）を出力することと、
前記１つ又は複数の動作パラメータに基づいて前記ガスタービンエンジン（１２）の動作中に前記ガス漏れ監視モデル（８４）を更新することと
を含む動作を実行する命令を格納しており、
前記１つ又は複数のセンサ（９４～１０４）が、液体燃料蒸気の分圧を検出するように構成された少なくとも１つの音波センサを含み、かつ
前記ガス漏れ監視モデル（８４）が、爆発下限の１％未満の漏れを検出するように構成される、ガス監視システム（８０）。 - 前記ガス指標（１５２）が、前記ガス漏れの前記重大度を示す数値を含む、請求項１に記載のガス監視システム（８０）。
- 前記ガス指標（１５２）が、前記ガス漏れの前記重大度を示すグラフィック表示を含む、請求項１に記載のガス監視システム（８０）。
- 前記１つ又は複数の動作パラメータが、前記液体燃料蒸気の前記分圧を含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のガス監視システム（８０）。
- 前記１つ又は複数の動作パラメータが、ガス濃度（１５６）及び漏れサイズを含む、請求項１に記載のガス監視システム（８０）。
- ガス漏れを監視するために前記ガス漏れ監視モデル（８４）を利用することが、前記ガス漏れの重大度を判定するために、前記ガス濃度（１５６）を漏れサイズに相関させることを含む、請求項５に記載のガス監視システム（８０）。
- 前記ガス指標（１５２）を生成するために前記ガス漏れ監視モデル（８４）を利用することが、前記ガスタービンシステム（１０）の試運転及び較正の際に始まる、請求項１に記載のガス監視システム（８０）。
- 前記メモリ（９２）が、前記プロセッサ（９０）によって実行された場合に、少なくとも履歴データ（１７２）及び前記１つ又は複数の動作パラメータに基づいて前記ガス漏れ監視モデル（８４）を生成することを含む動作を実行する命令を格納する、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のガス監視システム（８０）。
- 前記メモリ（９２）が、前記プロセッサ（９０）によって実行された場合に、前記ガス漏れ監視モデル（８４）を利用して、前記ガスタービンシステム（１０）の部品の保守の勧告を生成し提供することを含む動作を実行する命令を格納する、請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載のガス監視システム（８０）。
- 前記メモリ（９２）が、前記プロセッサ（９０）によって実行された場合に、前記ガス漏れ監視モデル（８４）を利用して前記タービンシステム（１０）の少なくとも１つの部品の動作を調整するための制御動作を生成し提供することを含む動作を実行する命令を格納する、請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載のガス監視システム（８０）。
- システムであって、
ガスタービンエンクロージャ（１４）と、
前記ガスタービンエンクロージャ（１４）内に配置されたガスタービンエンジン（１２）と、
前記タービンエンクロージャ（１４）内に配置された１つ又は複数のセンサ（９４～１０４）と、
請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載のガス監視システム（８０）と
を備える、システム。 - コンピュータ実行可能コードが格納された非一時的なコンピュータ可読媒体であって、前記コードが、
ガスタービンエンジン（１２）の動作中に１つ又は複数のセンサ（９４～１０４）からガスタービンエンクロージャ（１４）内に配置された前記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）に関連する１つ又は複数の動作パラメータを取得し、
前記ガスタービンエンクロージャ（１４）内のガス漏れを監視するとともに前記１つ又は複数の動作パラメータに基づいて前記ガスタービンエンクロージャ（１４）内のガス漏れの重大度を示すガス指標（１５２）を生成するためにガス漏れ監視モデル（８４）を利用し、
前記ガス指標（１５２）を出力し、
前記１つ又は複数の動作パラメータに基づいて前記ガスタービンエンジン（１２）の動作中に前記ガス漏れ監視モデル（８４）を更新する
ための命令を含み、
前記１つ又は複数のセンサ（９４～１０４）が、液体燃料蒸気の分圧を検出するように構成された少なくとも１つの音波センサを含み、かつ
前記ガス漏れ監視モデル（８４）が、爆発下限の１％未満の漏れを検出するように構成される、非一時的なコンピュータ可読媒体。
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