KR0159931B1 - 연소 터어빈내의 연료 흐름 제어 장치 - Google Patents

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제임스 테일러 폴
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에이. 미치 2세
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Abstract

본 발명은 연소 터어빈의 연료 흐름을 제어하기 위한 방법 및 장치로서, 속도 기준 및 실제 속도 신호가 주어지며, 제어 신호에 응답하여 연료의 흐름을 제어하는 조절기와, 실제 속도 신호와 속도 기준 신호간의 차를 나타내는 제어 신호를 발생하는 제어기와, 제어 신호의 발생 전에 드룹의 상쇄를 위해 속도 기준 신호를 수정하는 제1조절 부재와, 제어 신호의 발생 전에 속도 오차의 상쇄를 위해 속도 기준 신호를 수정하는 제2조절 부재를 포함한다. 본 발명과 함께 사용하기 위해 고려된 부하 조건은 발전기용 차단기의 폐쇄 시점이다.

Description

연소 터어빈 내의 연료 흐름 제어 장치
제1도는 본 발명의 원리에 따라 동작하게 배열한 가스 터어빈 발전 장치의 평면도.
제2도 및 제3도는 제1도에 도시한 가스 터어빈 발전 플랜트의 동작에 사용할 수 있는 각각의 전기 시스템을 도시한 도면.
제4도는 제1도에 도시한 가스 터어빈 발전 플랜트에 이용되는 회전 정류기 여자기 및 발전 플랜트의 개략도.
제5도는 제1도에 도시한 발전 플랜트에 이용되는 산업용 가스 터어빈의 정면도.
제6도 내지 제8도는 제5도에 도시한 가스 터어빈에 이용되는 터어빈의 연료 노즐 및 부속품을 도시한 도면.
제9도 및 제10도는 제5도에 도시한 가스 터어빈과 더불어 이용되는 기체 및 액체 연료 공급 시스템의 개략도.
제11도는 제1도에 도시한 가스 터어빈 발전 플랜트를 동작시키는데 이용되는 디지털 컴퓨터 제어 시스템의 블록도.
제12도는 제11도에 도시한 컴퓨터 제어 시스템을 동작시키는데 이용될 수도 있는 제어 루우프의 개략도.
제13도는 본 발명의 최대 순간 부하 픽업 제한 신호를 발생하는 제어 루우프의 개략도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100 : 발전 플랜트 102 : 발전기
104 : 터어빈 120 : 조작자 콘솔
130 : 모터 제어 센터 135 : 밧데리
136 : 발전기용 차단기 138 : 선로 차단기
139 : 발전기 계자 차단기 158,160 : 베어링
159,161 : 온도 검출기 162,164 : 발전기 진동 변환기
166 : 점화 여자기 전기자 171,177 : 가감 저항기
173 : 가산기 175 : 게이트 제어 수단
179 : 오차 검출기 180 : 사이리스터 스위치
212 : 화염 센서 216 : 가스 기동 밸브
263 : 가스 트로틀 밸브 270 : 바이패스 오일 조절기 밸브
274 : 오일 트로틀 밸브 304 : 속도 기준 수단
305 : 기동 램프 제어 수단 306 : 최대 순간 부하 리미터
307 : 최고 배기 온도 제어 수단 308 : 최대 MW 제어 수단
309 : MW 센서 310 : 스위치
311 : 발전기용 차단기 제어 수단 312,420 : PID 제어기
314 : 속도 센서 315 : 백업 속도 센서
317 : 이중 연료 제어 수단 320 : 충전기
326 : 접촉 폐쇄 입력 시스템 327 : 접점
328 : A/D 입력 시스템 329 : 센서
330 : 프린터 332 : 로그 수단
334 : 중앙 처리기 336 : 원격 패널
338 : 속도 제어 수단 340 : 계기 출력 수단
342 : 접점 폐쇄 출력 시스템 344 : 이중 연료 제어 수단
345 : 가이드 베인 제어 수단 346 : 가이드 베인 IP
428 : 델타 속도 수단 442 : 지연 수단
본 발명은 일반적으로 연소 터어빈(combustion turbines) 분야에 관한 것으로 특히 발전기용 차단기(generator breaker)의 폐쇄 시점에 있어서 최소 부하로부터 베이스 부하에 이르기까지 연소 터어빈 발전 플랜트(combustion turbine power plants)의 연료 흐름을 제어하는 제어 시스템 분야에 관한 것이다. 본 발명은 가스 터어빈 발전 플랜트 분야에 이용할 수도 있으며, 그러한 장치에 관련시켜 설명할 것이나, 본 발명은 또한 다른 용도를 갖는 연소 터어빈에 적용할 수 있다.
가스 터어빈 발전 플랜트는 소위 베이스 부하, 중간 부하 및 피이크 부하 전력 시스템 용도로 이용된다. 병합 사이클 발전 플랜트는 통상 베이스 또는 중간 부하 전력 시스템 용도로 이용되지만, 한편, 발전기 구동용으로서 단일의 가스 터어빈을 이용하는 발전 플랜트는 비교적 비용이 적게 들기 때문에 피이크 부하 전력 시스템 용도로 사용하기에 매우 유용하다.
가스 터어빈의 운전, 특히 발전 플랜트의 운전에 있어서, 릴레이-공기압 시스템으로부터 아날로그형 전자 제어 시스템, 디지털 제어 시스템 및 최근의 컴퓨터를 구비한 소프트웨어 제어 시스템에 이르기까지 각종 유형의 제어 시스템이 활용되고 있다. 본 출원인에게 양도되고 본 명세서에 참고로 인용되는 기라스(Giras) 등의 미합중국 특허 제4,308,463호에는 몇몇의 이러한 종래의 시스템이 수록되어 있다. 상기 특허에는 또한 가스 터어빈 발전 플랜트와 더불어 사용하기 위해 디지털 컴퓨터를 구비한 제어 시스템(digital computer based control system)이 개시되어 있다. 상기 미합중국 특허 제4,308,463호에 개시된 제어 시스템은 본 발명에서 설명하는 시스템의 전신이라고 할 수 있다. 기라스 등의 특허는 본 명세서에 교차 인용되는 특허중 하나이다.
기라스 등의 특허에 이어, 미국 펜실바니아 피츠버그에 소재하는 웨스팅하우스 일렉트릭 코오포레이숀은 POWERLOGLC 및 POWERLOGIC Ⅱ라는 이름의 다른 제어 시스템을 소개하고 있다. 기라스 등의 특허와 마찬가지로, 이들 제어 시스템은 가스 터어빈 발전 플랜트를 제어하는데 사용된다. 그러나, 이러한 제어 시스템은 주로 마이크로프로세서를 구비한 컴퓨터 시스템, 즉, 소프트웨어로 구현되는 제어 시스템인 반면에, 종래의 제어 시스템은 전기 및 전자 하드웨어로 구현된다.
POWERLOGLC 및 POWERLOGIC Ⅱ 제어 시스템의 동작 원리는 조작자가 단일의 버튼(single button)을 누름으로써 터어빈 발전기가 소위 기동 준비 상태로부터 전출력 상태로 될 수 있다는 것이다. 발전기용 차단기의 폐쇄시에 연료 흐름을 제어하는 베이스 부하에 이르기까지 모든 터어빈-발전기 운전 모드를 제어하는 것이 가능할 것이다.
본 발명은 POWERLOGIC Ⅱ 시스템의 개량에 관한 것이다. 전술한 종래의 연소 터어빈-발전기 제어 시스템에 있어서, 발전기용 차단기의 폐쇄 시점으로부터 베이스 부하에 이르기까지의 연료 흐름은 사전 설정된 비율로 터어빈 속도 설정점 기준(turbine speed setpoint reference)을 증가시킴으로써 달성된다. 이러한 제어 방식은 비례 적분 미분(PID) 제어기에 포지티브(positive) 오차를 발생시켜 터어빈 출력을 증가시킴으로써 발전기 부하의 증가를 초래한다. 발전기 부하는 최소의 발전기 부하가 검출될 때, 즉 킬로와트 한계에 도달할 때까지 증가할 것이다. 불행하게도, 총 시스템 응답 시간으로 인하여, 연료 제어는 최소 부하 설정점을 오버슈트하는 경향이 있다. 그 결과, 사전 설정된 최소 부하로 발전기 부하를 유지시키기 위해서는 조작자가 개입해야 한다.
따라서, 본 발명의 주목적은 조작자가 개입하지 않고서도 발전기 부하를 사전 설정된 최소치에 자동적으로 유지시키는 터어빈-발전기 제어 방식을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 고려해 본 발명에 의한 연소 터어빈의 연료 흐름을 제어하는 방법 및 장치에 있어서는, 속도 기준 신호가 주어지고 실제 속도 신호가 주어지며, 상기 방법 및 장치는 제어 신호에 응답하여 연료 흐름을 조절하는 연료 흐름 조절기와, 실제 속도 신호와 속도 기준 신호간의 차를 나타내는 제어 신호를 발생하는 제어기와, 제어 신호의 발생 전에 드룹의 상쇄를 위해 속도 기준 신호를 변형하는 제1조절 부재와, 제어 신호의 발생 전에 속도 오차의 상쇄를 위해 속도 기준 신호를 수정하는 제2조절 부재를 포함한다. 본 발명과 함께 사용하기 위해 특별히 고려된 부하조건은 발전기용 차단기의 폐쇄 시점이다.
본 발명은 첨부도면에 일 예로 도시한 바람직한 실시예에 대한 다음의 설명으로부터 보다 용이하게 알 수 있을 것이다.
제13도에는 발전기용 차단기의 폐쇄 시점에 연소 터어빈-발전기내 연료 흐름을 제어하는 신규한 시스템이 설명되어 있다. 본 발명은 소프트웨어 또는 하드웨어 중 어떤 것으로도 구현될 수 있으나, 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서는 차후 설명할 중앙 처리 장치에 내장된 소프트웨어로 구현한다. 그러나, 본 발명과 관련하여 사용되는 특정 프로그램을 설명하기에 앞서, 동작 환경, 즉 가스 터어빈 구동형 발전 플랜트에 대한 전반적인 설명이 우선적으로 이루어진다. 본 발명은 단일 가스 터어빈이 발전기 구동 장치로 사용되는 가스 터어빈 발전 플랜트, 특히 피이크 부하 전력 시스템에 관하여 설명하고 있으나, 본 발명은 광범위한 용도를 갖는다는 것을 이해하여야 한다.
제1도에는, 연소 또는 가스 터어빈(104)에 의해 구동되는 AC 발전기(102)를 포함하는 가스 터어빈 발전 플랜트(100)가 도시되어 있다. 이러한 실시예에 있어서, 가스 터어빈(104)은 웨스팅하우스 일렉트릭 코오포레이숀사가 제작한 W501D5 형의 터어빈인 것이 바람직하다.
발전 플랜트(100)의 전형적인 사용은 연속적인 전력 발생이 요망되고 가스 터어빈(104)으로부터의 폐열(exhaust heat)이, 예를 들어, 급수 가열기, 보일러 또는 절약기와 같은 다른 목적으로 사용하기를 원하는 경우에 사용된다. 발전 플랜트(100)는, 비교적 투자비용이 적다는 장점 이외에도, 부하 집중 지역, 즉 인구 밀집 지역이나 공장지대에 비교적 가깝게 설치할 수 있으므로, 냉각수의 공급을 필요로 하지 않아 송전 설비 비용을 절감시킬 수 있다는 이점이 있다. 또한, 발전 플랜트(100)는 거의 무인화되어 멀리 떨어진 장소로부터 자동적인 운전이 가능하게 된다.
지역 사회에 있어 발전 플랜트(100)의 설치는 유입 및 배출 배관구조물(112 및 114)에 제각기 결합된 유입 및 배출 소음기(108 및 110)의 사용으로 문제가 되지 않는다. 발전 플랜트(100)에 대해 추가적으로 유리한 동작 특성은 신속한 기동 및 짧은 대기 시간이다.
발전 플랜트(100)는 견고한 프레임형의 조립식 강철 구조물 형태의 인클로저(enclosure)(도시되지 않음)를 갖출 수 있다. 이러한 형태의 구조물은, 전형적으로, 지붕 및 벽이 조립식 패널로 커버되는 구조적으로 견고한 강철 프레임을 포함한다. 지붕 및 벽의 구성은 열 손실(heat loss) 및 소음 침투가 최소가 되도록 하는 동시에, 필요시 완전한 분해가 가능하도록 설계된다.
본 명세서에 설명되어 있는 발전 플랜트(100)의 크기와 관련된 이해를 얻기 위해 제어부가 단일 발전 장치(single plant unit)에 제공된 경우, 발전 플랜트(100)의 기초는 약 32m의 길이를 갖는다. 그 길이는 참조부호(116)로 표시된 바와 같이 주제어부(master control station)에 대한 제공을 위해 증가될 수 있다. 다른 플랜트 장치가 상기한 발전 플랜트(100)와 하나의 군을 이루어 공통 제어를 하는 경우에 주제어부는 기능이 보장될 것이다. 본 발명은 다수의 발전 플랜트에 대한 주제어부 세팅에 이용될 수 있으나, 간료성을 위해 본 발명은 본 명세서에서는 단일 터어빈 발전기(single turbine generator)에만 관련하여 설명된다.
캐비넷(cabinet)(118) 내의 마이크로프로세서를 구비한 컴퓨터 및 기타 제어 시스템은 발전 플랜트(100)를 동작시키고 제어한다. 바람직한 실시예에 있어서, 캐비넷(118)은 웨스팅하우스 일렉트릭 코오포레이숀사에 의해 판매되는 WDPF 장치를 포함하며, 두 개의 분산 처리 장치(distributed processing unit), 즉 엔지니어 콘솔(engineers console) 및 로거(logger)를 포함할 수 있다. 이러한 기타 제어 시스템 회로는 컴퓨터 제어 시스템과 각종 동작 장치 및 상태 센서를 인터페이스하는데 필요하고 적절한 입력/출력(I/O) 회로를 포함할 것이다. 제어 캐비넷(118)과 연관된 조작자 캐비넷(120)은 진동 모니터(vibration monitor), UV 화염 검출기용 전자 장치, 싱크로스코프(synchroscope), 각종 푸시버튼 스위치, 산업용 컴퓨터 및 전자기계식 카운터 및 타이머를 포함한다. 자동 송/수신 프린터(automatic send/receive printer)(122) 및 비정상적인 전력 시스템 상태를 감지하는 보호 릴레이 패널(protective relay panel)(124)은 제어 캐비넷(118)과 연관된다.
발전 플랜트(100)에 대한 기동력은, 바람직한 실시예에 있어서, AC 모터 장치인 기동엔진(126)에 의해 제공된다. 기동 엔진(126)은 보조 받침대(auxiliary bedplate) 상에 장착되며, 기동 기어 장치(starting gear unit)(128)를 통해 가스 터어빈(104)의 구동 샤프트에 결합된다. 초기 기동기간동안, AC 모터(126)는 회전 기어(turning gear)(130) 및 기동 기어(132)를 통해 동작하여 가스 터어빈을 구동시킨다. 터어빈(104)이 대략 정격 속도의 20%에 도달할 때, 점화가 이루어진다. AC 모터(126)는 터어빈(104)이 지속 속도(sustaining speed)에 이를 때까지 계속적으로 동작한다. AC 모터(126)는, 터어빈 디스크 공동 온도가 과도하게 높아지는 경우 열에 의한 샤프트의 휨을 방지하기 위해, AC 모터(126)는 보다 더 오랫동안 동작될 수도 있다.
모터 제어 센터(motor control center)(134)는 또한 보조 받침대 상에 장착되며, 모터 기동기 및 기타 장치를 구비하여 발전 플랜트(100)와 연관된 각종 보조 설비 아이템을 동작시킨다. 모터 제어 센터(134)용 전기 차단기는 전면에 장착하는 것이 바람직하다. 모터 제어 센터(134) 및 보조 받침대 상에 장착된 기타 장치와 연관된 센서 또는 접점 요소들로부터의 각종 신호는 제11도와 관련하여 보다 상세히 설명될 제어 시스템에 사용하기 위해 전송된다.
플랜트 밧데리(135)는 보조 받침대 또는 스키드(skid)의 일단부 근처에 배치된다. 제11도와 관련하여 설명되는 밧데리 충전기는 차단기(도시되지 않음)를 통해 모터 제어 센터(134)에 접속된다. 밧데리(135)는 125볼트의 정격전압 및 60개의 셀을 갖는 EHGS-17 EXIDE와 같은 임의의 옥외형 밧데리(carry heavy duty control battery)일 수 있다. 여하튼, 밧데리(135)는 비상시 조명, 보조 모터 부하, AC 컴퓨터 공급 전압용으로 충분한 전력 및 기타 제어 전력을 발전 플랜트(100)의 가동 중지 후 한 시간동안 공급할 수 있어야 한다.
제2도에는 발전 플랜트(100)와 함께 사용하기 위한 하나의 가능한 내부 전력 시스템은 개략적으로 도시되어 있다. 일단 발전 플랜트(100)가 동작되면, 발전기(102)에 의해 발생된 전력은 발전기용 차단기(136)를 통해 전력 시스템에 전송되고, 13.8KV 버스(137)를 통해, 주트랜스포머(도시되지 않음) 및 선로 차단기(line breaker)(138)에 공급된다. 발전 플랜트에 대한 보조 전력은 보조 차단기(auxiliary)(139) 및 보조 전력 480V 버스(140)를 통해 내부 전력 시스템으로부터 얻어진다. 발전기용 차단기(136)는 발전 플랜트(100)에 대한 동기 및 보호 분리 장치로서 작용한다.
적절한 480V 전원을 내부 전력 시스템에서 이용할 수 없는 경우, 제3도에 도시한 바와 같이 보조 전력 트랜스포머(auxiliary power transformer)(141)가 제공될 수 있다. 분리 스위치(142)는 트랜스포머(141)와 스테이션 13.8KV 버스(137) 간에 접속된다. 제3도에 도시한 바와 같은 배열은 소위 블랙(black) 플랜트 기동 동작을 제공할 수 있다. 이러한 배열의 경우, 가스 터어빈(104)은 어떤 시점에서도 기동될 수 있는데, 그 이유는 보조 장치들이 활성화되는 경우에는 언제나 발전기(102)나 내부 전력 시스템으로부터 전력을 공급받기 때문이다. 블랙 기동(black start), 즉 데드 시스템(dead system)에 있어서, 가스 터어빈(104)은, 발전 플랜트(100)가 접속되어 있는 외부 전력 시스템이 발전기(102)로부터 전력을 받을 준비가 되어 있지 않다고 할지라도, 소위 스피닝(spinning) 예비 전원으로서 이용하기 위해 어떤 시점에서도 기동될 수도 있다. 또한, 제2도 및 제3도에 도시된 회로는 고장시 발전 플랜트(100)에 가스 터어빈(104)의 가동 중단 없이 문제가 있는 외부 전력 시스템으로부터 분리될 수 있게 한다. 전력 시스템 부하에 가장 가까이 있는 차단기는 부하를 떨어뜨리기 위해 트립되고, 발전기(102)를 계속적으로 가동시켜 그의 보조 장치들에 전력을 공급한다.
제3도에 도시된 방식의 추가적인 장점은, 전력 시스템에 대한 접속이 플랜트(100)와 시스템의 다음 차단기 사이에서 영구적인 고장을 일으키기 쉬운 경우에 제공되는 보호성에 있다. 이러한 상황에서, 그러한 고장이 발생하는 경우에 선로 차단기(138)는 고장을 제거하기 위한 차단기가 될 것이며, 보조 시스템은 가스 터어빈(104)이 순서적으로 가동을 중단할 수 있게 하거나 대기상태로 계속 동작될 수 있게 발전기(102)에 의해 활성화된 상태로 유지될 것이다.
제3도의 배열은, 시스템의 전압이 낮거나 주파수가 낮은 상황 동안 가스 터어빈(104)이 기동되도록 프로그램 되는 경우에 바람직하다. 이러한 이벤트 동안, 자동적인 기동은 터어빈(104)이 속도가 상승되게 하고, 발전기용 차단기(136)를 폐쇄시켜 보조 부하에 전력이 공급될 수 있게 할 수 있다. 그런 다음, 터어빈-발전기 장치가 가동되어 원하는 때에 즉시 이용될 수 있을 것이다. 제3도의 배열은, 부족 주파수 또는 부족 전압 신호가 시스템으로부터 가스 터어빈(104)을 분리시키는데 사용되어야 할 경우에 또한 이용될 수 있다.
스위치기어 패드(switchgear pad)(143)에는 발전기용 차단기(136)를 비롯한 15KV 스위치 기어(144,145 및 146)가 포함된다. 보조전력 트랜스포머(141) 및 분리 스위치(142)는 사용자가 사용하기 위해 선택되는 경우 스위치기어 패드(143) 상에 또한 배치된다. 발전기 여자 시스템(generator excitation system)과 연관된 여자 스위치기어(150)는 스위치기어 패드(143) 상에 또한 포함된다. 이후 본 명세서에 상세히 설명될 바와 같이, 캐비넷(118) 의 I/O 회로는 각종 스위치기어 패드 장치와 연관된 소정의 센서 또는 접점 요소로부터의 신호를 받는다.
압력 스위치 및 게이지 캐비넷(pressure switch and guage cabinet)(152)은 보조 받침대에 또한 포함된다. 캐비넷(152)은 압력 스위치, 게이지, 조절기(regulators) 및 가스 터어빈 동작에 필요한 기타 요소들을 포함한다.
특별히 도시하지는 않았지만, 플랜트(100)는 터어빈 고압력 냉각 시스템(turbine high pressure cooling system) 및 윤활유 냉각용의 방열형 공기-오일 냉각기(radiation-type air-to-oil cooler)를 또한 포함한다. 이러한 장치는 임의의 알려진 구조일 수 있다.
제4도에는 브러시리스 여자기(brushless exciter)(154)를 포함한 발전기(102)가 보다 상세히 예시되어 있다. 발전기(102) 및 여자기(154)의 회전 요소는 한 쌍의 베어링(158 및 160)에 의해 지지된다. 통상적인 발전기 진동 변환기(162 및 164)는 플랜트 제어 시스템에 대한 압력 데이터를 발생할 목적으로 베어링(158 및 160)에 결합된다. 이차 저항기(도시되지 않음)를 갖는 접지용 배전 트랜스포머는 발전기의 중성점을 접지시키기 위해 제공된다.
고정자 권선(stator winding) 내에 설치된 저항 온도 검출기(resistance temperature detectors:RTD)(181 A-F)는 제4도에 도시된 바와 같이 공기 유입 및 유출 온도와 베어링 오일 드레인 온도(bearing oil drain temperature)를 측정하도록 설치된다. 온도 센서 및 진동 변환기(162 및 164)로부터의 신호는 제어 시스템, 즉 캐비넷(118)에 전송된다.
여자기(154)의 동작시, 영구 자석 계자 부재(permanent magnet field member)(165)는 전압 조절기(도시되지 않음)를 통해 고정 AC 여자기 계자(stationary AC exciter field)(168)에 결합된 파이롯트 여자기 전기자(pilot exciter armature)(166)에 전압을 유지시키기 위해 회전된다. 이렇게 함으로써 전압은 여자기 회전 요소 상에 형성된 AC 여자기 전기자(172)에 유기되어 다이오드 휠(174)에 휴즈와 함께 장착된 다이오드 양단간에 인가됨으로써 발전기(102)의 회전 계자 요소(176)를 활성화시킨다. 발전기 전압은 고정 전기자 계자 권선(178)에 유기되어 플랜트(100)가 동기되고 선로에 접속되는 경우 발전기용 차단기(136)를 통해 전력 시스템에 전류를 공급한다. 트랜스포머(180)는 조절기(170)에 피드백 신호(feedback signal)를 공급하여 여자기 계자(168)의 여자 레벨을 제어한다. 트랜스포머(180)로부터의 신호는 또한 발전기 메가와트 신호로서 사용되고, 제어 신호로서 캐비넷(118)에 공급된다. 본 발명과 관련하여, 발전기 메가와트 신호는 터어빈(104)의 부하를 표시하기 위해 사용된다.
일반적으로, 여자기(154)는 브러시, 슬립 링 및 발전기 계자에 대한 외부 접속을 사용하지 않고 동작한다. 따라서, 브러시 마모(brush wear), 탄소 먼지(carbon duct), 브러시 보수 및 브러시 교환의 필요성이 배제된다.
발전기 계자(176)의 여자에 필요한 모든 전력은 여자기-발전기 샤프트로부터 공급된다. 유일한 외부 전기 접속은 고정 AC 여자기 계자(168)와 여자 스위치기어(150)(제1도) 사이에만 존재한다.
바람직한 실시예에 있어서, 여자기의 전체 부분은 발전기(102)에 의해 지지된다. 발전기 회전자(rotor)는 발전기 샤프트로부터 여자기 회전자를 제거할 필요없이 설치 및 제거될 수 있다.
브러시리스 여자 시스템 조절기(170)는 브러시리스 여자기 계자(168)의 여자 레벨을 결정하는데 있어서 주파수에 관계없이 3상 전압의 평균을 취하도록 응답한다. 조절기(170)가 분리되는 경우, 모터 운전 베이스 조절 가감저항기(motor operated base adjust rheostat)(171)는 캐비넷(118)으로부터의 컴퓨터 출력 신호에 의해 설정된다. 가감저항기의 출력은 가산 회로(173)를 통해 사이리스터 게이트 제어부(thyristor gate control)(175)에 인가된다. 조절기(170)가 가능하고 있는 경우, 베이스 조절 가감저항기는 사전 설정 베이스 여자 위치에 설정되고, 모터 운전 전압 기준 조절 가감저항기(motor operated voltage reference adjust rheostat)(177)가 정밀한 발전기 전압을 제어하도록 컴퓨터 조절된다.
오차 검출기(error detector)(179)는 오차 출력 신호를 가산 회로(173)에 인가하며, 오차 출력 신호는 전압 기준 가감저항기(177)에 인가된 컴퓨터 출력 기준 트랜스포머(180)로부터의 발전기 전압 피드백 신호간의 차를 나타낸다. 가산 회로(173)는 오차 신호와 베이스 가감저항기 신호를 가산하여 게이트 제어부(175)에 공급되는 출력을 발생한다. 오차 검출기(179)에 있어서, 기준 전압은 온도 보상 제너 다이오드(temperature compensating zener diode)의 사용에 의해 실질적으로 일정하게 유지된다. 게이트 제어부(175)에 있어서, 고체 사이리스터 점호 회로(solid state thyristor firing circuitry)가 사이리스터 또는 실리콘 제어 정류기(silicon controlled rectifiers)(180)에 공급되는 전압에 대해 0°에서 180°까지 가변적인 게이팅 펄스(gating pulse)를 발생하는데 이용된다.
실리콘 제어 정류기(180)는 포지티브 및 네거티브의 여자기 계자용 전압을 공급하는 인버터 브리지 구성(inverter bridge configuration)(도시되지 않음)에 접속된다. 그러나, 여자기 계자 전류는 반전될 수 없다. 따라서, 조절기(170)는 여자기 계자(168)의 여자 레벨을 제어한 다음, 게이트 제어 수단(175)으로부터의 출력 레벨에 따라 실리콘 제어 정류기(180)가 매 사이클마다 도통되는 사이클 각을 제어함으로써 발전기 전압을 제어한다.
제5도를 참조하면, 바람직한 실시예의 경우 W501D5인 가스 터어빈(104)은 3600rpm의 정격 속도를 갖는 단순 사이클 형태로 도시되어 있다. 도면으로부터 분명히 알 수 있는 바와 같이, 터어빈(104)은 2베어링 단일 샤프트 구조를 갖는 저온 단측 구동(cold-end power drive) 및 축 방향 배출 구성을 포함한다. 여과된 유입 공기는 유입 배관 구조물(inlet ductwork)(112)로부터 플랜지형 유입 매니폴드(flanged inlet manifold)(183)를 통해 다단 축방향 흐름 압축기(185)로 유입된다. 유입 가이드 베인 어셈블리(inlet guide vane assembly)(182)는 특히 기동 중 서어지를 방지하기 위해 압축기 유입구를 가로질러 지지된 베인을 포함한다. 모든 가이드 베인이 가스 스트림과 관련하여 배치되는 각도는 균일하며, 유입 가이드 베인 어셈블리(182) 내의 베인에 결합된 공기압 작동식 위치 설정링(도시되지 않음)에 의해 제어된다.
압축기(185)는 수평면을 따라 베이스 반부와 커버 반부로 분리되는 케이싱(casing)(184)을 구비하고 있다. 압축기 케이싱(184)을 포함한 터어빈 케이싱 구조는 베어링(188 및 189)을 통해 터어빈 회전 요소, 즉 터어빈 샤프트를 지지한다. 제4도와 관련하여 설명된 바와 같이 유사한 진동 변환기(제11도)가 가스 터어빈 베어링(188 및 189)에 제공된다. 압축기 회전자 구조(186)는 임의의 알려진 방법으로 터어빈에 고착된다.
압축기 케이싱(184)은 또한 공기 흐름 통로를 따라 연속적인 고정 블레이드 열의 형태로 고정 블레이드(190)를 지지한다. 또한, 케이싱(184)은 압축시에 공기 흐름을 수용하는 압력 용기(pressure vessel)로서 작용한다. 블리드 흐름은, 기동 중 서어지를 방지하기 위해 알려진 기법에 따라 중간 압축기 단(intermediate compressor stages)으로부터의 밸브 제어에 의해 얻어진다.
압축기 유입 공기는 압축기(185) 내의 단을 통해 환형으로 흐른다. 디스크(194)에 의해 회전자(186)에 장착된 블레이드(192)는 용도에 따라 공기역학적 및 구조적인 견지에서 적절히 설계된다. 압축기 유입 및 유출 공기온도는 적절히 지지된 열전쌍(제11도)에 의해 측정된다.
이제, 연소 시스템을 고찰해 보기로 한다. 압축된 압축기 유출 공기는 가스 터어빈(104)의 종축을 중심으로 케이싱(184)의 섹션(200) 내에 원추형으로 장착된 총 16개의 캔-환형 연소기(can-annualr combustion)(198)를 포함하는 연소 시스템 내로 향한다. 연소기 쉘 압력은 압축기-연소기 흐름 통로에 결합된 적절한 센서에 의해 검출되며, 압력 스위치 및 게이지 캐비넷(152)에 검출된 신호를 제공한다.
제6도에는 점화 목적상 연소기(198)가 교차-화염 튜브(cross-flame tubes)(202)에 의해 교차 접속되는 것이 도시되어 있다. 컴퓨터에 의해 인에이블되고 순서화된 점화 시스템(computer enabled sequenced ignition system)(204)은 4개의 연소기(198)로 이루어진 각각의 연소기 그룹과 연관된 점화기(206 및 208)를 포함한다. 각 그룹에 있어서, 연소기(198)는 직렬 교차 접속되며, 두 개의 그룹은 참조부호(210)로 도시된 바와 같이 하나의 단부에서만 교차 접속된다. 컴퓨터가 발생하는 인에이블 신호는 후에 설명될 것이다.
일반적으로, 점화시스템(204)은 용량 방전 점화기(capacitance discharge igniter)와 점화기(206 및 208)의 일부를 형성하는 각각의 스파크 플러그(spark plugs)에 대한 배선을 포함한다. 스파크 플러그는 점화기(206 및 208) 내의 왕복 가능한 피스톤(retractable pistons)에 장착되어 점화가 실행된 후 플러그가 연소 구역으로부터 철거될 수 있게 된다.
한 쌍의 UV 화염 검출기(212 및 214)는 14개의 연소기 바스킷(918) 내의 점화 및 연속된 연소의 존재를 확인하기 위해 각 그룹 내의 말단 연소기의 각각에 연관된다. 화염 감지 능력의 용장성(redundancy)은 화염 검출기의 고온 환경을 고려하는 경우 특히 바람직하다.
일반적으로, UV 화염 검출기는 보통의 연소기 화염에 의해 크기가 변하나 연소기 바스킷 환경의 다른 요소들에 의해서는 크게 변하지 않는 1900 내지 2900Å의 파장을 갖는 UV 방사에 응답한다. 화염이 존재하는 경우, 화염 릴레이(flame relay)를 동작시키기 위해 검출기 펄스가 발생되어 적분되고 증폭된다. UV 방사는 펄스열(pulse train)을 야기하는 가스 전압 전열 파괴를 야기한다. 화염 모니터는 펄스열이 지연 시간을 초과하는 경우 화염 릴레이의 동작 전에 지연 시간을 가산한다.
제7도에는, 각 연소기(198)의 압축기 단부에 장착된 이중 연료 노즐(dual fuel nozzle)(216)의 정면도가 도시되어 있다. 오일 노즐(218)은 이중 노즐(216)의 중심부에 위치하며, 분무 공기 노즐(220)이 오일 노즐의 외주연에 위치한다. 외측 가스 노즐(222)은 분무 공기 노즐(220)의 주위에 배치되어 연료 노즐(216)의 어셈블리를 완성한다.
제8도의 단면도에 도시한 바와 같이, 연료 오일 또는 기타 액체 연료는 도관(conduit)(224)을 통해 오일 노즐(218) 내로 유입되는 반면에, 분무 공기는 보어(bore)(228)를 통해 매니폴드(226) 내로 유입된다. 가스 상태의 연료는 유입 파이프(entry pipe)(230) 및 매니폴드/다중 노즐 장치(232)를 통해 흐른 후에 노즐(222)을 통해 배출된다. 도관(224 및 230)을 통해 흐르는 연료의 조절은 후에 설명될 것이다.
일반적으로, 터어빈 연소 과정에는 액체 연료나 기체 연료만을, 또는 액체 연료 및 가스 상태의 연료 모두가 사용될 수 있다. BTU 함량을 갖는 고로용 가스로부터 천연 가스, 부탄 또는 프로판과 같은 높은 BTU 함량을 갖는 가스에 이르기까지 다양한 가스 연료가 연소될 수 있다. 그러나, 오늘날의 엄격한 환경 규제로 인해 연료는 천연 가스, #2 증류물 및 일체 가스화 복합 사이클 발전 플랜트에서 발생된 석탄 추출된 낮은 BTU 가스로 제한된다.
연료 가스 내의 응축 가능한 액체가 노즐(216)에 도달하지 못하도록 하기 위해 연료 공급 관로에는 적절한 트랩 및 가열기가 사용될 수 있다. 과도한 침착 및 침식을 방지하기 위해 먼지 함량의 최대값은 0.01gr./ft 입자로 설정된다. 또한, 연료 가스에서 H2S 형태의 유황 함유량을 5%(몰 퍼센트)보다 크지 않은 값으로 제한함으로써 침식이 최소화된다.
액체 연료와 관련하여, 연료의 점성은 적절한 분무를 보장하기 위해 노즐에서 100SSU보다 작아야 한다. 대부분의 증류물은 이러한 요건을 충족시킨다. 그러나, 대부분의 원유 및 나머지 연료는 비록 점성 사양이 충족된다 할지라도 화학적 사양을 충족하도록 부가적인 처리를 필요로 할 것이다. 과도한 블레이드 침착을 방지하기 위해, 액체 연료 회분 함량은 바나듐, 나트륨, 칼슘 및 황을 포함하는 부식성 성분(corrosive constinents)의 최대치까지 제한된다.
압출기 유출 공기 흐름의 일부는 각 연소기(198)에서 연료와 혼합되어 점화후에 연소되며, 압축기 유출 공기 흐름의 나머지는 연소생성물과 혼합되어 연소기(198)를 통해 다단 반응형 터어빈(234)(제5도) 내로 유입된다. 연소기 케이싱 섹션(200)은 수직 케이싱 조인트(vertical casing joint)(238)를 통해 터어빈 케이싱(turbine casing)(236)에 결합된다. 압축기(185)와 터어빈(234) 사이에는 어떠한 고압공기 또는 오일 시일(oil seal)도 요구되지 않는다.
이제, 제5도에 도시되어 있는 터어빈(104)의 토오크 발생 부분에 대해 고찰한다. 토오크 또는 터어빈부(234)에는 이러한 반응단을 통해 다중 스트림 연소 시스템 가스 흐름이 환상 흐름 패턴으로 4개의 반응단이 제공되고, 가열되고 가압된 가스의 운동 에너지를 터어빈 회전으로 변환시켜 압축기(185) 및 발전기(102)를 구동시킨다. 터어빈 회전자는 관통 볼트(through bolts)에 의해 스터브 샤프트(stub shaft)에 장착된 4개의 디스크 블레이드 어셈블리(240,242,244 및 245)로 형성된다. 온도 감지용 열전쌍(제11도)은 디스크 공동 내에 지지되어 공동 온도 신호를 제어 시스템에 공급한다.
고온 합금 회전자 블레이드(246)는 디스크 상에 장착되어 회전자 어셈블리를 형성한다. 개별적인 블레이드의 기부는 어떤 적절한 방법으로 압축기(185)의 출구(outlet)로부터 추출되어 냉각 시스템을 통과한 공기에 의해 냉각된다. 따라서, 블레이드의 기부는 회전 블레이드(246)에 대해 히트 싱크(heat sink)로서 역할을 한다. 냉각 공기는 또한 각각의 터어빈 디스크 위를 흘러서 유니트 운전 부하 범위에 걸쳐 비교적 일정한 낮은 금속 온도를 제공한다.
터어빈 회전구조에 대한 2개의 지지 베어링(188 및 189)은 바람직하게는 소위 틸팅 패드 베어링(tilting pad bearing)이다. 베어링 하우징은 케이싱 구조의 외측에 있기 때문에 구조의 유입 및 유출 단부를 통해 접근하기 용이하다. 전체적인 터어빈 지지 구조는 샤프트 정렬을 방해함이 없이 자유로운 팽창 및 수축이 가능하다.
터어빈(234)에 대한 압력 수용 용기(pressure containment vessel)로서 작용하는 것 외에도, 터어빈 케이싱(236)은 회전자 블레이드 열에 의해 산재된 고정 블레이드 열을 형성하는 고정 블레이드(248)를 지지한다. 가스 흐름은 유출 배관구조물(114)에 부착된 플랜지형 유출 매니폴드(250)를 통해 실질적으로 대기압에서 터어빈으로부터 배출된다.
발전기 및 가스 터어빈 진동 변환기(제11도)는 제어 시스템의 입력에 대한 진동 모니터, 예를 들면, 벤틀리-네바다(Bently-Nevada) 진동 모니터 시스템으로 기본적인 진동 신호를 전송하는 것과 같은 통상적인 속도 변환기일 수 있다. 한 쌍의 통상적인 속도 검출기(제12도)는 적절한 터어빈-발전기 샤프트 위치에서 지지된다. 속도 검출기에 의해 발생된 신호는 제어 시스템에서 발전 플랜트 동작을 판정하는데 이용된다.
다수의 열전쌍이 가스 터어빈 베어링 오일 드레인과 결합된다. 또한, 블레이드 흐름 경로에 대한 열전쌍은 소정의 알려진 방법으로 유출 매니폴드(250)의 내측 주변부에 지지되어 특히 발전 플랜트의 기동기간 제어 시스템에 사용하기 위해 블레이드 온도의 신속한 응답표시를 제공한다. 유출 온도 검출기는 주로 발전 플랜트(100)의 부하 운전동안 제어 시스템에 사용하기 위해 평균 유출 온도를 판정할 목적으로 유출 배관구조물(114) 내에 배치된다. 가스 터어빈(104)용의 적절한 고속 응답 차폐 열전쌍은 개별적인 후벽 가이드에 의해 지지된 얇은 벽의 고강도 합금의 외장 또는 웰(well)을 갖는 소형의 알루미나 절연물의 열전쌍이다. 전술한 열전쌍 및 다른 온도 검출기의 중요성은 제11도와 관련하여 설명될 것이다.
이제, 터어빈(104)의 연료 시스템을 고찰한다. 제9도를 참조하면, 연료 시스템(251)은 연료 밸브 동작의 제어 하에서 가스 노즐(222)에 가스 상태의 연료를 공급하기 위해 마련된다. 가스는 가스 공급원(gas source)으로부터 다이어프램 동작 압력 조절 밸브(diaphram operational pressure regulating valve)(254)에 전달된다. 미합중국 표준 규격 C 37.2-1956에 규정되어 있는 바와 같이 필요한 경우 IEEE 스위치기어 번호가 본 명세서에 일반적으로 사용된다는 것에 주목할 필요가 있다.
기동 밸브(starting valve)(256)는 3600RPM까지의 터어빈 속도에서 노즐(222)에 대한 가스 연료 흐름을 결정한다. 밸브(256)는 컴퓨터 발생 제어 신호에 응답하여 공기압 액츄에이터(261)에 의해 공기압적으로 위치된다. 점화를 위해 밸브(256)는 공기압 액츄에이터(261)가 완전히 폐쇄된 위치에 있는 경우 부분적으로 개방된다. 압력 조절 밸브(257)는 일정한 압력을 제공하며, 따라서 점화 시에도 연소 바스킷 내에서 반복적인 가스 점화를 위해 일정한 가스 흐름을 제공한다.
밸브(257 및 256)가 최대 흐름 범위에 도달할 때, 밸브(258)가 개방되어 최대 부하 출력의 연소 터어빈에 대한 가스 흐름을 제어한다.
공기압 동작식 트립 밸브(pneumatically operated trip valve)(260)는, 터어빈 과속도가 110% 정격 속도와 같은 사전 설정된 레벨에 도달하면 기계적인 작동으로 가스 연료 흐름을 중단시킨다. 공기압 동작식 분리 밸브(264)를 온/오프 하는 것과 같이 공기압 동작식 벤트 밸브(262)는 트립 밸브(260)로부터 트랩된 가스가 대기 중으로 배출되게 한다. 밸브(262 및 264)는 통상 폐쇄형이다. 분리 밸브 연료 제어 동작은 압력스위치 및 게이지 캐비넷(152)(제1도 및 제11도)을 통해 인가되는 전자 제어 신호에 의해 개시된다.
제10도를 참조하면, 액체 연료 공급 시스템(liquid fuel supply system)(266)은 모터 구동 주연료 펌프(268)의 펌프 동작에 의해 임의의 적절한 연료원으로부터 액체 연료 흐름을 14개의 노즐(218)(단지 8개만 도시됨)에 공급한다. 펌프 토출 압력은 제어 시스템에 이용하기 위해 검출기(267)에 의해 감지된다. 바이패스 밸브(bypass valve)(271)는 전자공기압 변환기(electropneumatic converter)(270) 및 부스터 릴레이(booster relay)(272)에 의해 공기압적으로 동작되어 복귀 관로(return line)에 대한 액체 연료 바이패스 흐름을 결정하므로써, 액체 연료 토출 압력을 조절한다. 컴퓨터 발생 제어 신호는 펌프 토출 압력 제어를 위해, 특히 터어빈 기동 중 램프 펌프 토출 압력 제어를 위해 제공된다. 트로틀 밸브(throttle valve)(272)는 토출 압력 조절기 밸브(270)에 대한 램프 압력 제어 동작 동안 최소 위치로 유지된다. 압력 스위치(pressure switch)(271)는 펌프(268)가 가압된 유입 흐름을 갖는지를 표시한다.
압력 램핑 후, 공기압 동작식 트로틀 밸브(272)는 공기압 액츄에이터(274) 및 부스터 릴레이(276)에 의해 결정된 바와 같이 노즐(218)에 대한 액체 연료 흐름을 제어하도록 위치된다. 컴퓨터 발생 제어 신호는 트로틀 밸브(272)에 대한 변환기 위치 제어 동작을 결정한다. 그러한 동작 동안, 바이패스 밸브(270)는 연료 토출 압력이 일정하게 유지되도록 계속해서 동작한다.
가스 연료 시스템(251)에서와 같이, 기계적으로 작동되며 공기압적으로 동작되는 과속도 트립 밸브(278)는 터어빈이 과속되면 액체 연료 흐름을 중단시킨다. 액체 연료 흐름 통로에는 적절한 필터(280)가 포함되며, 가스 연료 시스템(251)에서와 같이 전기적으로 동작되며 공기압적으로 동작되는 분리 밸브(282)는 액체 매니폴드(283)에 대한 액체 연료 흐름의 온/오프 제어를 제공한다.
14개(8개만 도시됨)의 용적식 펌프(positive displacement pumps)(284)는 각기 노즐(218)에 대한 개별적인 액체 연료 흐름 경로 내에 배치된다. 펌프(284)는 단일 샤프트 상에 장착되며, 장착된 펌프는 매니폴드(283)로부터의 오일 흐름에 의해 구동되어 실질적으로 동일한 노즐 연료 흐름을 발생한다. 체크 밸브(286)는 노즐(218)로부터의 역류를 방지한다.
이제, 플랜트(100)의 제어에 이용되는 제어 시스템을 고찰한다. 발전 플랜트(100)는 제11도에 개략적으로 도시된 일체형 터어빈-발전기 컴퓨터를 구비한 제어 시스템(300)의 제어 하에서 동작된다. 발전 플랜트 제어 시스템(300)은 제1도의 발전 플랜트(100) 내에 포함된 제어 캐비넷(118), 압력 스위치 및 게이지 캐비넷(152), 그리고 다른 요소 내에 배치된 요소들을 포함한다. 다수의 플랜트가 운전될 경우, 제어 시스템(300)은 추가적인 플랜트 운전에 필요한 어떤 추가적인 회로가 마련된다.
제어 시스템(300)은 집중식 시스템 패키징을 특징으로 한다. 따라서, 제1도에 도시된 제어 캐비넷(118)은 전체 속도/부하 제어 패키지, 자동 플랜트 시퀀스 패키지 및 시스템 감시 패키지를 내장한다.
플랜트 조작자에 대한 또 다른 이점은, 바람직한 실시예에 있어서, 제어 시스템(300)에 의해 제공된 일체형 터어빈-발전기 플랜트 제어에 적합한 단일 조작자 패널(single operator's panel)에 터어빈 및 발전기 운전 기능이 포함되어 있다는 것이다.
제어 시스템(300)은 시퀀스 기동-정지 플랜트 운전, 감시 및 플랜트 보호를 위한 경보 기능을 자동적으로 신뢰성 있고 효율적으로 제공하여, 플랜트 기동 중 속도/부하 제어와, 운전 및 가동 중단을 정확히 신뢰성 있고 능률적으로 수행한다. 플랜트 조작자는 수동 운전으로 개별 단계를 통해 터어빈 기동 사이클을 선택적으로 행할 수 있다.
자동제어 하에서, 발전 플랜트(100)는 국부적인 조작자 제어 하에서 동작되거나, 또는 조작자를 동반하지 않고 원격 감시 제어에 의해 동작될 수 있다. 또한, 플랜트(100)는 일반적인 경우에 있어서 터어빈 수리 시간을 길게 하기 위해 정지 상태로부터 기동되고, 바람직하게는 통상의 고정 시간 내에 동기 속도까지 정확하고 효율적인 제어 하에서 가속되어 수동 또는 자동으로 전력 시스템과 동기되며, 바람직한 램프 제어 하에서 사전 선택가능한 일정한 부하 레벨 또는 온도 제한 제어 부하 레벨까지 부하가 걸리며, 그에 따라 양호한 발전 플랜트 관리를 달성하게 된다.
플랜트(100)의 기동을 위해, 제어 시스템(300)은 우선적으로 조작자 스위치, 온도 측정기, 압력 스위치 및 기타 센서 장치에 의해 발생된 소정 상태의 정보를 필요로 한다. 전체적인 플랜트의 상태가 만족스럽다고 판단되는 경우, 발전 플랜트의 기동은 프로그램된 컴퓨터 제어 하에서 개시된다. 플랜트 장치는 전력 발생을 위한 플랜트의 능력을 증가시키기 위해 가능한 경우 동시에 기동된다. 프로그램 제어 하에서, 셧다운 경보가 발생하지 않는 한 일반적으로 하나의 시퀀스 단계가 완료되면 다음 시퀀스 단계가 개시된다. 플랜트의 이용성은 또한 점화 실패의 경우 여러 차례 점화를 시도하는 기동 시퀀스에 의해 향상된다.
기동 시퀀스는 기동 엔진을 기동시켜 동작시킴으로써 저속으로부터 가스 터어빈(104)을 가속시키고, 터닝 기어를 중단시키고, 약 20%의 정격 속도에서 점화 시스템 내에서 연료를 점화시키고, 약 60%의 정격 속도까지 가스 터어빈을 가속하여 기동 엔진을 중지시키고, 동기 속도까지 가스 터어빈(104)을 가속시키며, 발전기용 차단기(136)의 폐쇄 후 전력을 로드하는 것을 포함한다. 셧다운 동안, 연료 흐름은 중단되고, 가스 터어빈(104)은 감속되고 관성 정지된다. 냉각 오프 기간동안 터닝 기어가 시동되어 터어빈 회전 요소를 구동한다.
제12도에 도시된 제어 루우프 배열(control loop arrangement)(302)은 제어 시스템(300)(제11도) 내에 구현되고 본 발명의 다른 많은 용도에 적용할 수 있는 바람직한 범용 제어 루우프를 나타낸 것이다. 보호, 시퀀스화, 보다 상세한 제어 기능 및 기타 제어 시스템 동작의 다른 면에 대해서는 본 명세서에서 순차적으로 보다 상세히 고찰한다. 도면에 있어서, SAMA 표준 기능 기호가 이용된다.
제어 루우프 배열(302)은 가스 터어빈 발전 플랜트(100)의 동작에 사용하기 위한 프로세스 제어 루우프 블록의 배열을 포함한다. 제어 원리의 많은 면이 하드 또는 소프트 형태로 구현될 수 있기 때문에 제12도에는 하드웨어와 소프트웨어 요소간의 설명이 이루어져 있지 않다.
일반적으로, 속도 요건을 만족시키는데 필요한 연료 수요 표시를 결정하기 위해 피이드포워드 특성(feedforward characterization)을 이용하는 것이 바람직하다. 터어빈 속도, 주변 온도 및 압력, 가변 제어 부하 또는 플랜트 메가와트, 연소기 쉘 압력 및 터어빈 배기 온도를 포함하는 측정된 프로세스 변수는 연료 수요를 제한, 교정 또는 제어하는데 이용되어 장치 설계 한계가 초과되지 않게 된다. 피이드포워드 속도 연료 수요의 특성화, 기동 램프 한계 연료 수요 및 최고 배기 온도 제한 연료 수요는 가스 터어빈의 비선형 특성에 따라서 바람직하게는 비선형으로 보다 정확하고, 효율적이며, 유용하고 신뢰성 있는 가스 터어빈 장치 동작을 성취할 수 있다. 제어 배열(302)은 사이클 온도, 가스 터어빈 장치 속도, 기동 중의 가속도, 부하율 및 압축기 서어지 마진을 유지할 수 있다.
제어 배열(302) 내의 연료 수요는 터어빈 가스 또는 액체 연료 밸브(256,258 및 272)에 대한 위치 제어를 제공한다. 또한, 제어 배열(302)은, 가스 및 액체 연료의 동시 연소를 제공할 수 있으며 원하는 경우 한 연료로부터 다른 연료로의 자동적인 범프리스 전달을 위해 제공될 수 있다. 상이한 연료간의 범프리스 플랜트 전달 및 그에 관련된 플랜트 운전은 이미 알려져 있으며 본 명세서에 참고로 인용되는 미합중국 특허 제3,919,623호에 개시되어 있다.
제12도에 도시된 다수의 제어 루우프 기능의 조합에 있어서, 저연료 수요 선택기(low fuel demand selector)(316)는 각 제어 루우프에 의해 발생된 각종 연료 한계 표시로부터의 선택에 의해 연료 요구를 제한하는데 이용된다. 이들 한계 표시는 속도 제어부(303), 기동 램프 제어부(305), 최대 배기 온도 제어부(307), 최대 메가와트 제어부(308) 및 최대 순간 부하 픽업 리미터(306)에 의해 각기 발생된다.
기동 동안 및 점화 후, 기동 램프 제어부(305)는 약 80%의 정격 속도까지 터어빈(104)을 가속하기 위해 폐루우프 연료 수요를 제공한다. 80%의 속도로부터 동기화 속도에 이르기까지, 속도 제어부(303)는 터어빈(104)을 제어하여 동기화동안 일정한 가속도 및 원하는 속도를 유지한다.
발전기(102)의 동기화 후에, 터어빈 속도는 발전 시스템이 큰 경우 전력 시스템 주파수에 의해 조절된다. 따라서, 동기화 후에 속도 제어부(303)는 발전기(102)의 메가와트 출력이 램핑을 야기하기 위해 잘 알려진 기법에 의해 (304)에서 발생된 속도 기준 신호를 램핑함으로써 연료 흐름을 조절한다. 특히 제13도와 관련하여 설명된 본 발명은 속도 기준을 이용하여 연료 흐름을 조절하며, 속도 제어 수단(303)의 범주에 포함된다.
바람직한 실시예에 있어서, 속도 제어부(303)는 비례 적분 미분(PID) 제어기(312)를 포함한다. 발전기(102)의 메가와트 출력을 나타내는 메가와트 피드백 신호는 임의의 알려진 기법에 의해 (309)에서 발생되어 스위치(310)에 제공된다. 스위치(310)는 발전기용 차단기 제어부(311)가 발전기용 차단기가 폐쇄되었음을 나타낼 때마다 메가와트 피드백 신호를 제어기(312)의 네거티브 입력단에 제공된다. 터어빈 속도를 나타내는 신호는 속도 센서(314), 임의의 잘 알려진 기법에 의해 발생되어 제어기(312)의 또 다른 네거티브 입력단에 제공된다. 속도 기준 신호는 제어기(312)의 포지티브 입력단에 제공된다.
제어기(312)는 그의 입력을 가산한 경우에 영(0)으로 되고, 동기화시 센서(314)로부터의 속도 신호가 본질적으로 일정하기 때문에, 속도 기준 신호는 메가와트 신호에 의해 균형을 이루게 되어 제어기(312)의 출력은 부하를 픽업하기 위해 속도 기준 신호의 램핑을 표시할 것이다.
터어빈 부하, 즉 발전기 메가와트 출력이 증가됨에 따라, 제어 루우프(305,306,307 및 308)는 어떤 최대 제한 조건이 초과되는 경우에 저연료 수요 선택기(306)를 통해 연료 흐름을 제어할 수 있다. 이것은 메가와트 출력 증가에 따라 배기 온도가 증가할 때 실제로 발생될 것이다. 최대 배기 온도 제어부(307)는 궁극적으로 터어빈(104)에 대한 연료 흐름을 최대 허용 온도까지 제어할 것이다.
낮은 주변 온도에서, 최대 메가와트 제어부(308)가 무효로 되기 전에는 로우가 선택될 것이다.
저연료 수요 선택기(316)로부터 출력된 연료 수요 표시는 이중 연료 제어부에 인가되며, 이 이중 연료 제어부에서 연료 요구 신호가 처리되어 가스 기동 및 트로틀 밸브에 이용하기 위한 가스 연료 수요 신호나, 오일 트로틀 및 압력 바이패스 밸브에 이용하기 위한 액체 연료 수요 신호 또는 가스 및 오일 밸브 모두에 이용하기 위한 가스 및 액체 수요 신호의 조합으로서 발생된다.
제어 배열(302)은 일반적으로 과도한 부하율, 부하 과도 중의 과도하게 높은 속도 변동, 과도하게 높은 발전기용 차단기 폐쇄 속도, 과부하를 초래할 수도 있는 과도하게 높은 연료 흐름, 모든 정의된 운전 모드동안 연소기 시스템의 연소 정지를 초래할 수 있는 과도하게 낮은 연료 흐름, 압축기 서어지 및 과잉 터어빈 유입 배기 및 블레이드의 과온도를 포함하는 각종 요인들로부터 가스 터어빈 장치를 보호한다. 또한, 제어 시스템(300)에 구현된 바와 같이 제어 배열(302)은 시스템 안정도(system stability)와 과도 응답(transient response) 및 조절 능력에 관련한 NEMA 공보 Gas Turbine Governors, SM 32-1960에 개시된 모든 요건을 충족시킨다.
이제, 제11도에 블록도로 상세히 도시된 제어 시스템(300)을 고찰한다. 제어 시스템(300)은 중앙 처리기(central processor)(334) 및 연관된 입/출력 인터페이스 장치를 포함하는 범용 컴퓨터 시스템(general purpose computer system)을 포함한다.
특히 컴퓨터(334)에 대한 인터페이스 장치는 각종 플랜트 및 장치 조건의 상태를 나타내는 접점 또는 다른 유사한 신호를 주사하는 접점 폐쇄 입력 시스템(contact closure input system)(326)을 포함한다. 상태 접점은 전형적으로 각종 플랜트 장치와 연관된 사전 설정된 조건을 감지할 수 있는 구동 회로(도시되지 않음)에 의해 동작되는 수은 습윤형 릴레이(mercury wetted relays)(도시되지 않음)의 접점일 수 있다. 상태 접점 데이터는, 예를 들면, 제어 및 시퀀스 프로그램 내의 인터록 논리 기능, 보호 및 경보 시스템 기능과 프로그램된 감시 및 로깅에 이용된다.
입력 인터페이싱이 통상적인 가스 터어빈 발전 플랜트(100)로부터의 아날로그 신호를 각 아날로그 채널 입력에 대해 사전 설정된 속도로 샘플하여 컴퓨터 처리를 위해 디지털 값으로 변환하는 아날로그 입력 시스템(328)에 의해 컴퓨터(334)에 또한 제공된다. 통상적인 프린터(330)는, 예를 들면, 참조부호(332)로 표시된 바와 같은 로깅 프린트 출력 등의 목적으로 사용된다.
출력 인터페이싱은 일반적으로 컴퓨터에 대한 통상적인 접점 폐쇄 출력 시스템(conventional contact closure output system)(342)에 의해 컴퓨터에 제공된다. 아날로그 출력은 프로그램 제어 하에서 접점 폐쇄 출력 시스템(326)을 통해 전송된다. 제1도와 관련하여 앞서 고찰한 플랜트 밧데리(135)는 발전 플랜트(100)에 있어서 컴퓨터 시스템, 제어 시스템 및 다른 요소를 동작시키는데 필요한 공급 전압을 제공한다. 밧데리 충전은 적절한 충전기(320)에 의해 이루어진다.
접점 폐쇄 입력 시스템(326)에는 터어빈, 보호 릴레이 스위치 기어, 압력 스위치 및 게이지 캐비넷과 기동 엔진 접점이 접속된다. 또한, 모터 제어 센터(130) 내의 것들과 같은 소정의 커스터머 선택 접점(327D) 및 기타 접점(327C)이 접점 폐쇄 입력 시스템(326)에 접속된다.
아날로그/디지털(A/D) 입력 시스템(328)에는 대부분은 이미 간략하게 설명된 각종 플랜트 프로세스 센서 또는 검출기로부터의 출력이 인가된다. 각종 아날로그 신호는 가스 터어빈(104)과 연관된 센서에 의해 발생되어 시스템(334)에 입력되며, 여기서 각종 목적을 위해 처리된다. 터어빈 센서(329A-K)는 다수의 블레이드 경로 열전쌍, 디스크 공동 열전쌍, 배기 매니폴드 열전쌍, 베어링 열전쌍, 압축기 유입 및 토출 열전쌍과, 기타 센서 블록으로 표시한 바와 같은 오일 저장기 열전쌍, 베어링 오일 열전쌍 및 주연료 유입측 열전쌍을 포함한다.
연소기 쉘 압력 센서 및 주속도 센서(314)와, 백업 속도 센서(315)는 자신들의 출력 신호가 아날로그 입력 시스템(328)에 결합되도록 한다. 터어빈 지지 금속 열전쌍은 기타 센서 블록(329K) 내에 포함된다.
발전기(102) 및 플랜트 스위치 기어와 연관된 센서(329L-R)는 또한 컴퓨터(334)에 결합된다. 발전기 온도 센서는 고정자 저항 온도 검출기, 유입공기 열전쌍, 유출공기 열전쌍 및 베어링 드레인 열전쌍을 포함한다. 발전기(102) 및 가스 터어빈(104)과 연관된 진동 센서(vibration sensors)(162)는 회전 장치 진동이 감시될 수 있는 조작자 콘솔(operator console)(120)을 통해 아날로그 입력 시스템(328)과 결합된다. 제11도에 표시된 바와 같이, 보호 릴레이 캐비넷 내에 위치되는 추가적인 센서는 각종 버스, 선로, 발전기 및 여자기 전기 상태(exciter electrical conditions)를 나타내는 신호를 발생한다.
접점 폐쇄 출력에 의해 동작되는 다른 장치는 발전기 계자 차단기(139) 및 발전기와 선로 차단기(138 및 136)를 포함한다. 모터로 동작되는 발전기용 여자기 계자 가감저항기(171 및 177)와, 모터 제어 센터(130)와 압력 스위치 및 게이지 캐비넷(343) 내의 각종 장치들도 접점 폐쇄 출력에 응답하여 기능한다. 프린터(330)는 중앙 처리기(334)에 대한 특정 입/출력 채널에 있어서 직접적으로 동작된다.
제13도에는 특히 베이스 부하에 도달될 때까지 발전기용 차단기(136)의 폐쇄 시점에서 부하를 조절하기 위한 시스템이 도시되어 있다. 전술한 바와 같이, 이 부하 제어기는 중앙 처리기(334)에 내장된 프로그램에 의해 구현되는 것이 바람직하다. 이것은 발전기용 차단기(136)가 폐쇄된 경우, 최소 발전기 부하를 설정하고 속도 기준과 터어빈 속도간의 오차 감도를 최소화하는 기능을 완수한다. 일반적으로, 발전기용 차단기가 폐쇄된 경우, 본 발명의 시스템은 최소 발전기용 부하를 설정하기 위해 연료 흐름을 증가시킨다.
발전기용 차단기의 폐쇄와 베이스 부하의 달성과의 사이에 있어서의 모든 통상적인 동작 중에, 발전기 부하는 본 발명에 의해 이용되는 바와 같은 속도 기준에 의해 제어된다. 발전기용 차단기가 폐쇄된 경우, 제13도의 제어기는 인에이블되어 베이스 부하에 도달될 때까지 드룹 조속기 제어(droop governor control)를 효과적으로 제어한다. 베이스 부하에 도달하면, 전형적으로 최대 배기 온도 제어부(307)가 연료 흐름을 제어할 것이다.
드룹 조속기 비는 발전기 부하에 100% 변화를 초래하는 터어빈 속도의 퍼센트 변화율이다. 드룹 조속기 비가 4%로 특정된, 즉 속도 기준의 4% 변화가 발전기 부하의 100% 변화를 초래하는 터어빈을 고찰한다. 드룹 제어 곡선은 메가와트의 발전기 부하 신호를 델타 속도 신호로 변환하는데 이용된다. 본 명세서의 설명 목적 상, 드룹 제어 곡선은 0.00MW에서-6RPM, 150MW에서 144RPM의 좌표를 갖는 직선으로 한다. 드룹 제어 곡선은 이미 알려져 있으며 사용된 특정 터어빈에 따라 변할 수 있다. 이미 알려져 있는 것으로 사용하는 특정 터어빈에 따라 변할 수 있다.
본 발명에 있어서, 드룹 조속기 제어를 구현하는 연료 흐름 제어 신호의 발생은 드룹 제어 곡선과 관련하여 델타 속도값을 결정하고, 속도 기준에서 델타 속도값을 감산하여 부하 조절된 속도 기준을 발생함으로써 구현된다. 예를 들면, 발전기용 차단기(136)가 폐쇄된 경우, 발전기 부하는 0이 되며, 드룹 비는 -6RPM이다. 이 값을 속도 기준으로부터 감산할 때, 그 결과는 속도 기준보다 6RPM 높은 제어 설정점일 것이다. 이것은 결국 6RPM 제어 신호로 되며, 이에 의해 연료 흐름을 증가시킨다. 그러나, 속도 기준 신호 여자 오차가 보상되어야 한다.
발전기용 차단기(136)가 폐쇄된 경우, 통상 속도 기준과 실제 터어빈 속도 사이에는 오차가 존재할 것이다. 이 오차는 그의 판정, 즉 속도 기준으로부터 실제 터어빈 속도의 감산하고, 부하 조절 속도 기준에 대한 오차를 감산함으로써 고려된다. 속도 기준 및 실제 터어빈 속도간의 차는 임의의 적절한 방법으로 얻어질 수 있다.
오차 신호에 대한 보상 후, 얻어진 제어 신호는 저연료 수요 선택기(316)에 인가된다. 발전기용 차단기(136)는 폐쇄되었기 때문에, 터어빈 속도는 그리드 주파수로 인해 변할 수 없다. 따라서, 연료 흐름이 증가하면 발전기 부하가 증가하게 될 것이다. 제13도의 제어 회로를 이용한 경우, 제어 회로의 출력이 감소하는 동안 발전기 부하는 계속적으로 증가할 것이다. 연료 흐름 제어 신호는 최소 발전기 부하, 즉 6MW에서 0으로 감소될 것이다.
전술한 바와 같이, 저연료 수요 선택기(316)에 제공되는 연료 흐름 제어 신호는 PID 제어기(420)에 의해 발생된다. PID 제어기(420)의 출력은 실제 터어빈 속도와 드룹 및 속도 오차에 대해 조정된 속도 기준 신호를 나타내는 한계 신호간의 차를 나타낸다. 제11도에 도시된 속도 센서(314)에 의해 발생된 터어빈 속도 신호는 제어기(420)의 네거티브 또는 피드백 입력단에 직접적으로 공급된다. 한계 신호는 제어기(420)의 포지티브 입력단에 공급된다.
한계 신호는 차동 블록(422) 및 차동 블록(424)의 포지티브 입력단에 속도 기준 신호를 제공함으로써 발생된다. 속도 기준 신호는 알려진 기법으로 중앙 처리기(334)에 의해 발생된다. 차동 블록(422)의 네거티브 입력은 T형 블록(426)에 의해 공급된다. 소위 T형 블록은 3개의 입력단과 하나의 출력단을 갖는 기능 스위치 장치라는 것이 당업자에게 잘 알려져 있다. T형 블록에 대한 입력의 하나인 제어 입력은 논리 하이(logic high) 또는 논리 로우(logic low)인 디지털형 신호(digital type signal)이다. 제어 입력이 논리 하이일 때, T형 블록에 대한 비제어 입력의 하나가 출력으로 제공된다. 제어 입력이 논리 로우일 때, 기타 비제어 입력이 T형 블록의 출력으로 제공된다.
T형 블록(426)과 관련하여, 접점 폐쇄 출력 시스템(316)이 발전기용 차단기 폐쇄 명령을 개시할 때, 이 시스템에 의해 제어 입력이 발생된다. 이 시점에서, T형 블록(426)에 대한 제어 입력은 논리 하이로 되며, 기타 모든 시점에서, T형 블록(426)에 대한 제어입력은 논리 로우로 된다. T형 블록(426)에 공급되는 하나의 입력은 전술한 델타 속도 신호를 발생하는 기준 블록(428)에 의해 발생된다. 델타 속도 신호는 드룹 제어 곡선의 함수이다. 이러한 입력은 제어 신호가 논리 하이일 때, 즉 발전기용 차단기가 폐쇄되었을 때, T형 블록(426)의 출력단에 공급된다. T형 블록(426)의 다른 입력은 일정한 기준 신호이다. 이러한 일정한 기준 신호는 발전기용 차단기가 개방된 때 터어빈 속도가 기준 신호의 값을 따르도록 0의 값을 갖는다. 이러한 상황에서, 제어기(420)는 속도 기준과 실제 터어빈 속도 신호간의 차를 반영하게 될 것이다.
차동 블록(422)의 출력은 차동 블록(432)의 포지티브 입력단에 공급되며, 부하에 대해 조절된 속도 기준을 나타낸다. 차동 블록(432)에 대한 네거티브 입력은 주로 T형 블록(434)의 출력이다. 차동 블록(432)의 입력과 T형 블록(434)의 출력 사이에 개재된 T형 블록(436)은 약 1사이클 동안 T형 블록(434)의 출력을 유지할 소위 트랩으로서 구성된다.
이러한 1사이클 동안, 지연 블록(442)은 T형 블록(436)의 제어 입력을 논리 로우로 유지시켜 T형 블록의 출력은 차동 블록(434)의 출력이 되고, 이어 차동 블록(424)의 출력이 되도록 한다. 사이클의 종료 직전에, 지연 블록(442)은 T형 블록(436)의 제어 입력이 논리 하이로 될 수 있도록 한다. 이 시점에서, T형 블록(436)의 출력은 자신의 입력으로, 즉 트랩된다. 1사이클 동안 T형 블록(436)의 출력은 효율적으로 차동 블록(424)의 출력이기 때문에, T형 블록(436)은 그의 제어 입력이 논리 로우로 될 때까지 그의 값에 차동 블록(432)의 입력으로 계속 공급될 것이며, T형 블록(436)의 제어 입력이 논리 로우로 되는 것은 발전기용 차단기(136)가 개방될 때이다. 달리 말해서, 일단 시간 지연 블록(442)에 의해 T형 블록(436)에 대한 제어 입력이 논리 하이로 될 때, 차동 블록(432)에 대한 네거티브 입력은 발전기용 차단기(136)가 폐쇄되는 시점에 있어서의 속도 기준값과 실제 터어빈 속도간의 차일 것이다.
T형 블록(434)에 대한 제어 신호는 소위 단발 회로(438)에 의해 발생된다. 이 단발 회로(438)는 알려진 단안정 멀티바이브레이터(monostable multivibrator)나 그의 소프트웨어 등가물을 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 발전기용 차단기 신호가 논리 로우와 논리 하이 사이를 전이할 때, 단발 회로(438)는 소정 기간동안 논리 하이 신호를 발생한다. 이러한 논리 하이 신호는 T형 블록(434)의 제어 입력으로서 이용된다. T형 블록(434)의 제어 입력이 논리 로우 신호일 때, 기준 블록(440)의 출력은 T형 블록(434)의 출력이 된다. 발전기용 차단기가 개방된 때 기준 블록(440)의 출력은 영으로 되고, 따라서 터어빈 속도는 속도 기준값을 따르게 될 것이다.
T형 블록(434)의 제어 입력이 논리 하이일 때, 차동 블록(424)의 출력은 T형 블록(434)의 출력이 된다. 차동 블록(424)은 속도 기준 신호와 실제 터어빈 속도간의 차를 나타내는 출력 신호를 발생한다.
동작 중, 발전기용 차단기의 폐쇄 전에, 단발 회로(438)에 제공되는 신호 및 T형 블록(426)의 제어 입력은 논리 로우이다. 이어, 차동 블록(432)에 대한 네거티브 입력은 영의 값을 갖는 기준 블록(440)의 출력이다. 차동 블록(422)의 네거티브 입력단에 공급된 신호도 영이므로, 속도 기준 신호는 변하지 않는다. 따라서, 차동 블록(432)의 출력 역시 속도 기준 신호를 나타낸다.
발전기용 차단기(136)가 폐쇄된 때, T형 블록(426)의 제어 입력은 논리 하이로 된다. 따라서, 차동 블록(422)의 네거티브 입력단에 공급되는 신호는 메가와트의 발전기 부하와 동등한 델타 속도로서 표현된 드룹 제어 곡선이다. 이 함수는 0메가와트에서, 즉 발전기용 차단기(136)의 폐쇄 시점에서 -6RPM의 값을 갖기 때문에, 차동 블록(422)의 출력단에 나타내는 신호는 속도 기준 값과 함수 블록(428)의 출력간의 대수차, 즉 속도 기준-(-6)이 될 것이다. 달리 말해서, 차동 블록(422)의 출력은 속도 기준에 최소 부하와 동등한 RPM을 더한 것과 같다.
또한, 발전기용 차단기(136)가 폐쇄될 때, 단발 회로(438)의 출력은, T형 블록(434 및 436)과 연관하여 대략 차단기 폐쇄 시점에서 차동 블록(424)의 출력이 T형 블록(436)의 출력으로서 트랩되게 하는 소정의 시간 주기동안 논리 하이로 된다. 단발 회로(438) 및 시간 지연 회로(442)에 대한 타이밍 값은 시스템이 안정화될 수 있도록 선택된다. 주지된 바와 같이, 안정화는 터어빈 속도의 제어를 현시점에서 행하는 그리드 주파수로부터 이루어진다. 실제 타이밍 값은 터어빈 제어 시스템에서 사용하기 위해 선택한 특정 장치에 따라 변할 것이다. T형 블록(436)의 출력단에서 트랩된 값은 발전기용 차단기가 폐쇄된 직후의 속도 기준과 실제 터어빈 속도간의 차이다.
최종적으로 얻어진 효과로서, PID 블록(420)에 대한 포지티브 입력은 발전기용 차단기 폐쇄 직후의 실제 터어빈 속도보다 높은 최소 부하와 동등한 RPM인 값으로 대수학적으로 변경된 속도 기준값이 될 것이다. 결과적으로, PID 입력에 대한 포지티브 오차는 PID 출력을 보다 네거티브로 되며, 따라서 로우가 선택되고, 이에 의해서 연료 흐름이 증가한다. 발전기용 차단기의 폐쇄로 연료 흐름이 증가함에 따라서, 발전기 부하는 증가할 것이나, 터어빈 속도는 일정하게 유지된다. 함수 발생기(428)의 출력은 발전기 부하에 직접적으로 관련되기 때문에, 이 출력은 부하 증가에 따라 영으로 되려는 경향에 의해 PID 제어기(420)가 평형을 이루도록 한다. 이 함수의 영점 또는 x축 교차는 최소 부하점이다. 바람직한 실시예에 있어서, 델타 속도가 0RPM인 경우, 최소 부하는 6MW이다.
일단, 최소 부하가 설정되면, 부하 제어는 속도 기준값을 변화시킴으로써 달성된다. 속도 기준 값을 증가시키면, 초기에는 PID 제어기(420)의 입력단에는 포지티브 오차가 나타날 것이다. 이 오차는 제어기(420)의 출력을 증가시키며, 이에 의해 연료 흐름을 증가시킨다. 이러한 연료 흐름의 증가는 발전기 부하를 증가시킬 것이며, 발전기 부하의 증가는 함수 발생기(428)의 출력을 증가시켜 발전기 부하가 증가하여도 제어기(420)에 대한 입력이 평형, 즉 영이 되도록 한다.
하기의 예들을 고찰해 보기로 한다.
[예 1]
발전기용 차단기의 폐쇄 이전
T형 블록(426)의 출력=0
차동 블록(422)의 출력=속도 기준
T형 블록(436)의 출력=0
차동 블록(432)의 출력=속도 기준
제어기(420)의 출력은 속도 기준 값이 실제 터어빈 속도와 같을 때 0으로 될 것이라는 점을 주목해야 한다.
[예 2]
발전기용 차단기의 폐쇄시; 속도 기준=3598이고, 실제
터어빈 속도=3601
T형 블록(426)의 출력=-6RPM
차동 블록(422)의 출력=[3598-(-6)]=3604
T형 블록(436)의 출력=3598-3601=3607
차동 블록(432)의 출력=3604-(-3)=-3
제어기(420)의 출력=3607-3601=6
발전기용 차단기의 폐쇄시, 제어기(420)는 드룹 제어와 같은 로우 선택 신호를 발생한다.
[예 3]
발전기 부하가 6MW일 때
T형 블록(426)의 출력=0RPM
차동 블록(422)의 출력=3598
T형 블록(436)의 출력=3598-3601=-3
차동 블록(432)의 출력=3598-(-3)=3601
제어기(420)의 출력=3601-3601=0
발전기 부하가 6MW일 때 제어기(420)의 출력은 0이다.
본 발명의 제어는 또한 최소 부하 상태로부터 베이스 부하 상태에 이르기까지 연료 흐름을 제어한다. 이 기간 동안의 제어는 중앙 처리기가 발생한 속도 기준값을 변화시킴으로써 주로 달성된다.
[예 4]
최소 부하에서, 속도 기준 값은 3620으로 증가된다.
T형 블록(426)의 출력=0RPM
차동 블록(422)의 출력=3620
T형 블록(436)의 출력=-3
차동 블록(432)의 출력=3620-(-3)=3623
제어기(420)의 출력=3623-3601=22RPM
속도 기준이 증가되는 시점에 있어서는 터어빈은 최소 부하로 존재하기 때문에, T형 블록(426)의 출력은 0으로 잔류되며, T형 블록(436)의 출력은 -3으로 트랩된다.
제어기의 출력은 22RPM의 속도 변화가 생기도록 연료 흐름을 증가시킬 것이다. 그러나, 터어빈 속도는 변하지 않을 것이기 때문에, 즉 차단기 폐쇄시의 터어빈 속도는 그리드 주파수에 의해 제어되기 때문에, 부하는 증가된다.
[예 5]
부하가 28MW에 이르고; 속도 기준은 예 4와 동일하게 유지된다.
T형 블록(426)의 출력=22RPM(드룹 곡선의 값)
차동 블록(422)의 출력=3620-22=3598
T형 블록(436)의 출력=3598-3601=-3
차동 블록(432)의 출력=3598-(-3)=3601
제어기(420)의 출력=3601-3601=0
예 4의 속도 기준을 변경시킴으로써, 연료 흐름이 증가되고, 그 결과 부하가 증가되었다. 일단 부하가 28MW에 이르면, 연료 흐름의 변화는 0으로 감소되었다. 속도 기준을 반복적으로 변경시킴으로써, 본 발명은 발전기용 차단기 폐쇄와 베이스 부하간의 부하에 대한 연료 흐름을 제어하는데 이용될 수 있다.

Claims (7)

  1. 속도 기준 신호(a speed reference signal)와 실제 속도 신호(an actual speed signal)가 주어진 경우에, 연소 터어빈(a combustion turbine) 내의 연료 흐름을 제어하는 장치에 있어서, 제어 신호(a control signal)에 응답하여 상기 연소 터어빈 내의 연료 흐름을 조절하는 연료 흐름 제어 수단(fuel flow control means)과; 상기 실제 속도 신호와 상기 속도 기준 신호간의 차를 나타내는 제어 신호를 발생하여, 상기 연료 흐름 제어 수단에 제공하는 제어기 수단(controller means)과; 상기 제어 신호의 발생 전에 드룹(droop)을 상쇄하도록 상기 속도 기준 신호를 수정하는 제1조절 수단과; 상기 제어 신호의 발생 전에 속도 오차(speed error)를 상쇄하도록 상기 속도 기준 신호를 수정하는 제2조절 수단을 포함하는 연소 터어빈 내의 연료 흐름 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어기 수단은 비례 적분 미분 제어기(a proportional integral differential controller)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 터어빈 내의 연료 흐름 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1조절 수단은 드룹을 나타내는 드룹 기준 신호(a droop reference signal)를 발생하는 드룹 신호 발생 수단과, 상기 속도 기준 신호에서 상기 드룹 기준 신호를 감산함으로써 조절된 속도 기준 신호를 결정하는 감산 수단(substration means)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 터어빈 내의 연료 흐름 제어 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제2조절 수단은 상기 속도 기준 신호와 상기 실제 속도 신호간의 오차를 측정하는 오차 측정 수단과, 상기 조절된 속도 기준신호로부터 상기 오차를 감산하는 제2감산 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 터어빈 내의 연료 흐름 제어 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1조절 수단은 조절된 속도 기준 신호(an adjusted speed reference signal)를 발생하도록 되어 있고, 상기 제2조절 수단은 상기 조절된 속도 기준 신호를 수정함으로써 상기 속도 오차를 상쇄하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 연소 터어빈 내의 연료 흐름 제어 장치.
  6. 제4항에 있어서, 사전 규정된 이벤트의 발생시에 상기 제1 및 제2조절 수단을 인에이블링시키기 위하여 인에이블링 수단(enabling means)이 제공되는 것을 특징으로 하는 연소 터어빈 내의 연료 흐름 제어 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 연소 터어빈은 연료 흐름을 제어하도록 신호를 선택하는 선택 수단(a select means)을 포함하며, 상기 인에이블링 수단을 영 기준 신호(a zero reference means)를 제공하는 영 기준 수단과, 상기 이벤트의 발생 이전에는 상기 제1 및 제2조절 수단에 상기 드룹 기준 신호 및 상기 오차 신호 대신 상기 영 기준 신호를 제공하는 스위치 수단(switch means)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 터어빈 내의 연료 흐름 제어 장치.
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