KR0160298B1

KR0160298B1 - 연소터어빈의 연료 흐름 제어 방법 및 장치

Info

Publication number: KR0160298B1
Application number: KR1019900020263A
Authority: KR
Inventors: 로렌스 맥카티 윌리엄; 리챠드 웨스코트 커미트
Original assignee: 엠.피.린치; 웨스팅하우스 일렉트릭 코오포레이숀
Priority date: 1989-12-11
Filing date: 1990-12-10
Publication date: 1999-01-15
Also published as: JPH04214933A; EP0432570B1; DE69009710D1; KR910012515A; DE69009710T2; CA2031894A1; AU6650490A; EP0432570A3; EP0432570A2; JP3178847B2; MX173472B; AU627952B2

Abstract

연소 터어빈의 연료 흐름을 제어하는 방법 및 장치에 있어서는, 연소 터어빈의 부하를 나타내는 부하 신호가 제공되며, 상기 장치는 제어 신호에 응답하여 연소 터어빈을 조절하는 연료 흐름 조절 수단과, 부하 신호와 제한 신호간의 차를 나타내는 제어 신호를 발생하여 상기 연료 흐름 조절 수단에 제공하는 제어기와, 부하 신호와 최대 순간 부하치의 합을 나타내는 제한 신호를 발생하며 제1 값으로 부터 상기 합까지 시간에 걸쳐 제한 신호를 변화시키는 리미터를 포함한다.

Description

연료 터어빈의 연료 흐름 제어 방법 및 장치

제1도는 본 발명의 원리에 따라 동작하도록 배열된 가스 터어빈 발전장치의 평면도.

제2 및 제3도는 제1도에 도시한 가스 터어빈 발전 플랜트의 동작시에 사용할 수 있는 각각의 전기적 시스템을 도시한 도면.

제4도는 제1도에 도시한 가스 터어빈 발전 플랜트에 이용되는 회전 정류기 여자기 및 발전기의 개략도.

제5도는 제1도에 도시한 발전 플랜트에 이용되는 산업용 가스 터어빈의 정면도.

제6 내지 8도는 제5도에 도시한 가스 터어빈에 이용되는 터어빈의 연료 노즐 및 부품을 도시한 도면.

제9 및 10도는 각각 제5도에 도시한 가스 터어빈과 함께 이용되는 기체 및 액체 연료 공급 시스템 각각의 개략도.

제11또는 제1도에 도시한 가스 터어빈 발전 플랜트를 동작시키는데 이용되는 디지탈 컴퓨터 제어 시스템의 블럭도.

제12또는 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 주요부분에 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 : 가감저항기

173 : 가산기 175 : 게이트 제어 수단

179 : 오차 검출기 180 : 사이리스터 스위치

212 : 화염 센서 216 : 가스 시동밸브

263 : 가스 트로틀 밸브 270 : 바이패스 오일 조절기 밸브

274 : 오일 트로틀 밸브 304 : 속도 기준 수단

305 : 시동 램프 제어수단 306 : 최대 순간 부하 리미터

307 : 최고 배기 온도제어수단 308 : 최대 MW 제어수단

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 입력시스템 329 : 로그 수단

330 : 프린터 332 : 센서

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 제인 IP

450 : 합산기 454,456 : 바이어스 불럭

458 : 비교기 460 : 기준 블럭

본 발명은 일반적으로 연소 터어빈(combustion turbines) 분야에 관한 것으로, 특히 부하 변동(load transients)동안 연료 흐름을 제어 하기 위한 제어 시스템(control systems) 분야에 관한 것이다. 본 발명은 가스 터어빈 발전 플랜트 분야에서 특히 유용할 수도 있으므로, 이러한 장치에 관련시켜 설명될 것이나, 본 발명은 또한 다른 용도를 갖는 연소 터어빈에 적용될 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 이용되며, 발전기 구동용으로서 단일의 가스 터어빈을 이용하는 발전 플랜트는 비교적 비용이 적게 들기 때문에 피이크 부하 전력 시스템용으로 매우 유용하다.

가스 터어빈의 동작, 특히 발전 플랜트의 동작에 있어서, 릴레이-공기압형 시스템으로 부터 아날로그형 전자 제어 시스템, 디지탈 제어 시스템 및 최근의 컴푸터를 구비한 소프트웨어 제어 시스템에 이르기까지 각종 유형의 제어 시스템이 활용되어 왔다. 본 출원인에게 양도 되고 본 명세서에 참고로 인용되는 기라스(Giras) 등의 미합중국 특허 제 4,308,463 호에는 이러한 종래의 시스템중 몇몇이 기술되어 있다.

이 특허에는 또한 가스 터어빈 발전 플랜트와 더불어 사용하기 위해 디지탈 컴퓨터를 구비한 제어 시스템(digital computer based control system)이 개시되어 있다. 이 미합중국 특허 제 4,308,463 호에 개시된 제어 시스템은 본 발명에서 설명하는 시스템의 전신이라고 할 수 있다. 기라스 등의 특허는 본 명세서에서 교차 인용되는 특허 패밀리중 하나이다.

기라스 등의 특허에 이어, 미국 펜실바니아 피츠버그에 소재하는 웨스팅하우스 일렉트릭 코오포레이숀사에 의해 POWERLOGIC 및 POWERLOGIC II 라는 이름의 다른 제어 시스템이 소개되었다. 기라스등의 특허와 마찬가지로, 이들 제어 시스템은 가스 터어빈 발전 플랜트를 제어하는데 사용된다. 그러나, 이러한 제어 시스템은 주로 마이크로프로세서를 구비한 컴퓨터 시스템으로, 즉, 종래의 제어 시스템이 전기 및 전자 하드웨어로 구현되는 반면에 이 제어 시스템은 소프트웨어로 구현되었다.

POWERLOGIC 및 POWERLOGIC II 제어 시스템의 동작 원리는, 조작자가 단일의 버튼(single button)을 누름으로써 터어빈 발전기를 소위 시동 준비 상태로 전출력 상태로 되게 할 수 있다는 것이다. 요구된 발전 출력의 큰 단계적 변화 동안의 연료 흐름 제어를 비롯한 모든 터어빈 발전기 동작 모드가 제어되어야 한다.

본 발명은 POWERLOGIC II 시스템의 개량에 관한 것이다. 필요한 전력 출력에 있어서의 큰 단계적 변화동안, 종래의 시스템은 하나의 단계 변화 출력에 대해 25% 정격부하 최대치를 제공하는데, 이것은 제어 신호 출력(CSO)을 연료치에 제한하는 개루우프형의 제어 방식으로 구현된다. 이러한 개루우프 제어는 조정시 에러가 발생하기 쉬울뿐만 아니라, 부하 변동 동안 밸브 운동을 제한하게 된다. 밸브 운동에 대한 이 같은 제한은 변동동안의 신속한 복구를 방해한다.

본 명세서에서는 가스 터어빈 발전 플랜트 및 POWERLOGIC II 제어 시스템의 동작을 전반적으로 설명하고 있으나, 본 발명은, 특히, 가스터어빈의 연료 제어와 관련되며, 보다 자세하게는 부하 변동동안 연료 흐름 제어를 개량하는 것임에 주목해야 한다.

따라서, 본 발명의 목적은 연소 터어빈 발전 플랜트의 신속한 부하 응답을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 있어서는, 연소 터어빈의 부하를 나타내는 부하 신호가 제공되며, 제어 신호에 응답하여 연소 터어빈내의 연료의 흐름을 조절하는 장치가 제공되며, 부하 신호와 제한 신호간의 차를 나타내는 제어 신호를 발생하여 상기 조절하는 장치에 제어 신호를 제공하는 제어기와; 부하 신호와 최대 순간 부하치의 합을 나타내는 제한 신호를 발생하며, 제1값으로부터 상기 합까지 시간에 걸쳐 제한 신호를 변화시키는 리미터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 첨부 도면에 단지 실시예에 의해 도시된 바람직한 실시예에 대한 다음의 설명으로부터 보다 용이하게 나타내어진다.

부하 변동 동안 터어빈-발전기내의 연료 흐름을 제어하는 신규한 시스템, 특히, 요구된 발전 출력에 있어서의 큰 단계적 변화동안의 연료 흐름 제어에 사용하기 위한 신규한 시스템이 제13도와 관련하여 설명된다. 본 발명은 소프트웨어 또는 하드웨어중 어떤 것으로도 구현될 수 있으나, 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서는 차후 설명될 중앙 처리 장치에 내장된 소프트웨어로 구현된다. 그러나, 본 발명의 특정 프로그램을 설명하기에 앞서, 본 발명, 즉, 가스 터어빈 구동형 발전 플랜트의 동작 환경에 대한 전반적인 설명을 먼저 기술한다. 본 발명은 가스 터어빈 발전 플랜트, 특히, 단일 가스 터어빈을 발전기 구동수단으로 사용하는 피이크 부하 동력 시스템에 관하여 설명하고 있으나, 본 발명은 광범위한 용도로 사용된다.

제1도에는, 연소 또는 가스 터어빈(104)에 의해 구동되는 AC 발전기(102)를 포함하는 가스 터어빈 발전 플랜트(100)가 도시되어 있다. 본 명세서에서 설명되는 실시예에 있어서, 가스 터어빈(104)은 웨스팅하우스 일렉트릭 코오포레이숀사에 의해 제조된 W 501D5 형이 바람직하다.

발전 플랜트(100)는 전형적으로 연속적인 전력 발생이 요망되고 가스 터어빈(104)으로 부터의 폐열(exhaust heat)이, 예를 들어, 급수 가열기, 보일러 또는 절약장치와 같은 특정 목적용으로 사용하기 위해 필요한 경우에 사용된다. 발전 플랜트(100)는, 비교적 투자 비용이 적다는 장점 이외에도, 냉각수의 공급을 필요로 하지 않는, 시스템 요건으로 표시된 바와 같은 집중 지역, 즉 인구 밀집 지역이나 공장지대에 비교적 가깝게 설치할 수 있으므로, 송전 설비 비용을 절감시킬 수 있다는 잇점이 있다. 또한, 발전 플랜트(100)는 무인화되어 멀리 떨어진 장소로 부터 자동적으로 동작시키는 것이 가능하다.

발전 플랜트(100)의 설치에 대한 지역 사회의 승인율이, 유입 및 배출 배관구조물(112 및 114)에 제각기 결합된 유입 및 배출 소음기(108 및 110)를 사용하므로써 향상되었다. 신속한 시동 및 짧은 대기 시간은 발전 플랜트(100)에 대한 추가적으로 유리한 동작 특성이다.

발전 플랜트(100)에는 견고한 프레임형 조립식 강철 구조물 형태의 인클로저(enclosure)(도시되지 않음)가 제공된다. 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 단일의 플랜트 장치(single plant unit)에 제공된 경우, 발전 플랜트(100)의 기초는 약 32m의 길이를 갖는다. 이 기초 길이는 참조부호(116)로 표시된 바와 같이 주 제어부(master control station)에 대한 제공을 위해 증가될 수 있다. 발전 플랜트(100)와 하나의 군을 이루는 추가의 플랜트 장치가 공통 제어되어야 하는 경우에 주 제어부의 기능이 보장된다. 본 발명은 다수의 발전 플랜트를 위한 주 제어부 세팅에도 이용될 수 있으나, 설명을 간략히 하기 위하여 본 명세서에서는 본 발명을 단일 터어빈 발전기(single turbine generator)에만 관련하여 설명한다.

발전 플랜트(100)의 동작 및 제어를 위하여 캐비넷(cabiner)(118)내에 마이크로프로세서를 구비한 컴퓨터 및 기타 제어 시스템 회로가 제공된다. 바람직한 실시예에 있어서, 캐비넷(118)은 웨스팅하우스 일렉트릭 코오포레이숀사에 의해 판매되는 WDPF 장치를 포함하며, 두개의 분산 처리 장치(distributed processing unit), 즉 엔지니어콘솔(engineers console) 및 로거(logger)를 포함할 수 있다. 이러한 기타 제어 시스템 회로는 컴퓨터 제어 시스템을 각종 동작 장치 및 상태 센서와 인터페이스하는데 필요한 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 시동력은, 바람직한 실시예에 있어서, AC 모터 장치인 시동 엔진(126)에 의해 제공된다. 시동 엔진(126)은 보조 받침대(auxiliary bedplate)상에 장착되며, 시동 기어 장치(starting gear unit)(128)를 통해 가스 터어빈(104)의 구동 샤프트에 결합된다. 초기 시동기간 동안, AC 모터(126)는 회전 기어(turning gear)(130) 및 시동 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 이를때 까지 계속적으로 동작한다. AC 모터(126)는 터어빈 디스크 공동 온도가 과도하게 높아지는 경우 열에 의한 샤프트이 휨을 방지하기 위해, AC 모터(126)는 보다 더 오랫동안 동작될 수도 있다.

모터 제어 센터(motor contron center)(134)는 또한 보조 받침대상에 장착되며, 모터 시동기 및 기타 장치를 구비하여 발전 플랜트(100)와 연관된 각종 보조 설비 아이템을 동작시킨다. 모터 제어 센터(134)용 전기 차단기는 전면에 장착하는 것이 장착하는 것이 바람직하다. 모터 제어 센터(134) 및 보조 받침대상에 장착된 기타 장치와 연관된 센서 또는 접점 요소들로 부터의 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 관력하여 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 EXIDE 와 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 중지후 한 시간동안 공급할 수 있어야 한다.

제2도에는 발전 플랜트(100)와 함께 사용하기 위한 하나의 가능한 내부 전력 시스템이 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 전력시스템으로 부터 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)플랜드 시동 동작을 제공할 수 있다. 이러한 배열의 경우, 가스 터어빈(104)은 어떤 시점에서도 시동될 수 있는데, 그 이유는 보조 장치들이 활성화되는 경우에는 언제나 발전기(102)나 내부전력 시스템으로 부터 전력을 공급받기 때문이다. 블랙시동(black start), 즉 데드 시스템(dead system)에 있어서, 가스 터어빈(104)은, 발전 플랜트(100)가 접속되어 있는 외부 전력 시스템이 발전기(102)로 부터 전력을 받을 준비가 되어 있지 않다고 할지라도, 소위 스피닝(spinning) 예비 전원으로서 이용하기 위해 어떤 시점에서도 시동될 수도 있다. 또한, 제2 및 3도에 도시된 회로는 고장시 발전 플랜트(100)가 가스 터어빈(104)의 가동 중단없이 문제가 있는 외부 전력시스템으로 부터 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 상황동안 가스 터어빈(104)이 시동되도록 프로그램 되는 경우에 바람직하다. 이러한 이벤트동안, 자동적인 시동은 터어빈(104)의 속도가 상승되게 하고, 발전기용 차단기(136)을 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 시스템으로 부터 가스 터어빈(104)을 분리시키는데 사용되어야 할 경우에 또한 이용될 수 있다.

스위치기어 패드(switchgear pad)(143)에는 발전기용 차단기(136)을 비롯한 15KV 스위치 기어(144, 145 및 146)가 포함된다. 보조 전력 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 요소로 부터의 신호를 수신한다.

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 한쌍의 베어링(158 및 160)에 의해 지지된다.

통상적인 발전기 진동 변환기(162 및 164)는 플랜트 제어 시스템에 대한 입력 데이타를 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:RTC)(181 A-F)는 제4도에 도시된 바와 같이 공기 유입 및 유출 온도와 베어링 오일 드레인 온도(bearing oil drain temperature)를 측정하도록 설치된다. 온돈 센서 및 진동 변환기(162 및 164)로 부터의 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 유기시키기 위해 회전된다. 이렇게 함으로써 전압은 여자기 회전 요소상에 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)로 부터의 신호는 또한 발전기 메가왓트 신호로서 사용되고, 제어 신호로서 캐비넷(118)에 공급된다.

일반적으로, 여자기(154)는 브러시, 슬립링 및 발전기 계자에 대한 외부 접속을 사용하지 않고 동작한다. 따라서, 브러시 마모(braush wear), 탄소 먼지(carbon duct), 브러시 보수 및 브러시 교환의 필요성이 배제된다.

발전기 계자(176)의 여자에 필요한 모든 전력은 여자기-발전기 샤프트로 부터 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 샤프트로 부터 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 동작 베이스 조절 가감저항기(motor operated base adjust rheostat)(171)는 캐비넷(118)으로 부터의 컴퓨터 출력 신호에 의해 설정된다. 가감저항기의 출력은 가산 회로(173)를 통해 사이리스터 게이트 제어브(thyristor gate control)(175)에 인가된다. 조절기(170)가 기능하고 있는 경우, 베이스 조절 가감저항기는 사전설정 베이스 여자 위치에 설정되고, 모터 동작 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 인가되며, 오차 출력신호는 전압 기준 가감저항기(177)에 인가된 컴퓨터 출력 기준 트랜스포머(180)로 부터의 발전기 전압 피드백 신호간의 차를 나타내다. 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 네가티브의 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)으로 부터의 출력 레벨에 따라 실리콘 제어 정류기(180)가 매 사이클 마다 도통되는 사이클 각을 제어함으로써 발전기 전압을 제어한다.

제5도를 참조하면, 바람직한 실시예의 경우 W501D5 인 가스 터어빈(104)은 3600rpm의 정격 속도를 갖는 단순 사이클 형태로 도시되어 있다. 도면으로 부터 분명히 알 수 있는 바와 같이, 터어빈(104)은 2 베어링 단일 샤프트 구조를 갖는 저온 단측 구동(cold-end power drive) 및 축 방향 배출 구성을 포함한다. 여과된 유입공기는 유입 배관 구조물(inlet ductwork)(112)로 부터 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 시동중 서어지를 방지하기 위해 압축기 유입구를 가로질러 지지된 베인을 포함한다. 모든 가이드 베인이 가스 스트림과 관련하여 배치되는 각또는 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 bessel)로서 작용한다. 블리드 흐름은, 시동중 서어지를 방지하기 위해 알려진 기법에 따라 중간 압축기 단(intermediate compressor stages)으로 부터의 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 공기온또는 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 시스템내로 향한다. 연소기 쉘 압력은 압축기-연소기 흐름 통로엔 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 왕복가능한 피스톤(retractable pistons)에 장작되어 점화가 실행된 후 플러그가 연소 구역으로 부터 철거될 수 있게 된다.

한 쌍의 UV 화염 검출기(212 및 214)는 14개의 연소기 바스킷(198)내의 점화 및 연속된 연소의 존재를 확인하기 위해 각 그룹내의 말단 연소기의 각각 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 절연파괴를 야기한다. 화염 모니터는 펄스열이 지연 시간을 초과하는 경우 화염 릴레이의 동작전에 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(202)이 오일 노즐의 외주연에 위치한다. 외측 가스 노즐(222)은 분무 공기 노즐(220)의 주위에 배치되어 연료 노즐(216)의 어셈블리를 완성한다. W501F 터어빈용 주 연료 노즐만이 도시되어 있다는 것에 주목해야 하며, 이 터어빈은 또한 도시되지 않은 파일롯 시스템을 포함한다.

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.

가스상태의 연료는 유입 파이프(entry pipe)(230) 및 매니폴드/다중 노즐장치(232)를 통해 흐른 후에 설명될 것이다.

일반적으로, 터어빈 연소 과정에는 액체 연료나 기체 연료만을, 또는 액체 연료 및 가스상태의 연료 모두가 사용될 수 있다. BTU 함량을 갖는 고로용 가스로 부터 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 천연가스, ＃2 증류물 및 일체 가스화 복합 사이클 발전 플랜트에서 발생된 석탄에서 추출된 낮은 BTU 가스로 제한된다.

연료 가스내의 응축가능한 액체가 노즐(216)에 도달하지 못하도록 하기 위해, 연료 공급 관로에는 적절한 트랩 및 가열기가 사용될 수 있다. 과또한 침착 및 침식을 방지하기 위해 먼지 함량의 최대값은 0.01 gr./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 100 SSU 보다 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. 과또한 블레이드 침착을 방지하기 위해, 액체 연료 회분 함량은 바나듐, 나트륨, 칼슘 및 황을 포함하는 부식성 성분(corrosive constinents)의 최대치까지 제한된다.

압축기 유출 공기 흐름의 일부는 각 연소기(198)에서 연료와 혼합되어 점화후에 연소되며, 압축기 유출 공기 흐름의 나머지는 연소 생성물과 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 고압 공기 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 연소시스템 가스 흐름이 환상 흐름 패턴으로 4개의 반응단이 제공되고, 가열되고 가압되 가스의 운동에너지를 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 공동내에 지지되어 공동 온도신호를 제어 시스템에 공급한다.

고온 합금 회전자 블레이드(246)는 디스크상에 장착되어 회전자 어셈블리를 형성한다. 개별적인 블레이드의 기부는 어떤 적절한 방법으로 압축기(185)의 출구(outlet)로 부터 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 디스크위를 흘러서 유니트 동작 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 자유로은 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 부착딘 플랜지형 유출 매니폴드(250)를 통해 실질적으로 대기압에서 터어빈으로 부터 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)의내측 주변부에 지지되어 특히 발전 플랜트이 시동 기간동안 제어 시스템에 사용하기 위해 블레이드 온도의 신속한 응답표시를 제공한다. 유출 온도 검출기는 주로 발전 플랜트(100)의 부하 동작동안 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 참조하며, 연료 시스템(251)은 연료 밸브 동작의 제어하에서 가스 노즐(222)에 가스상태의 연료를 공급하기 위해 마련된다. 가스는 가스 공급원(gas source)으로 부터 다이어프램 동작 압력 조절 밸브(diaphram operational pressure regulating valve)(254)에 전달된다. 미합중국 표준 규격C 37.2-1956 에 규정되어 있는 바와 같이 필요한 경우 IEEE 스위치기어 번호가 본 명세서에 일반적으로 사용된다는 것에 주목할 필요가 있다.

시동 밸브(starting valve)(256)는 3600RPM 까지의 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 점화시에도 연소 바스킷내에서 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 사전설정된 레벨에 도달하면 기계적인 작동으로 가스 연료 흐름을 중단시킨다. 공기압 동작식 분리 밸브(264)를 온/오프하는 것과 같이 공기압 동작식 벤트 밸브(262)는 트립 밸브(260)로 부터 트랩된 가스가 대기중으로 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 연료원으로 부터 액체 연료 흐름을 14개의 노즐(218)(단지 8개만 도시됨)에 공급한다. 펌프 토출 압력은 제어 시스템에 이용하기 위해 검출기(267)에 의해 감지된다. 바이패스 밸프(bypass vlve)(271)는 전자공기압 변환기(electropneumatic converter)(270) 및 부스터 릴레이(booster relay)(272)에 의해 공기압적으로 동작되어 복귀관로(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 시동중 램프 펌프 토출 압력 제어를 위해 제공된다. 트로틀 밸브(throttle valve)(272)는 토출 압력 조절기 밸브(270)에 대한 램프 압력 제어 동작동안 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 변화기 위치 제어 동작을 결정한다. 그러한 동작동안, 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 연로 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 경로내에 배치된다. 펌프(284)는 단일 샤프트상에 장착되며, 장착된 펌프는 매니폴드(283)로 부터의 오일 흐름에 의해 구동되어 실질적으로 동일한 노즐 연료 흐름을 발생한다. 체크 밸브(286)는 노즐(218)로 부터의 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 제어하에서 동작된다. 발전 플랜트 제어 시스템(300)은 제1도의 발전 플랜트(100)내에 포함된 제어 캐비넷(118), 압력 스위치 및 게이지 캐비넷(152), 그리고 다른 요소내에 배치된 요소들을 포함한다. 다수의 플랜트가 동작될 경우, 제어 시스템(300)은 추가적인 플랜트 동작에 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 또다른 잇점은, 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 동작 기능이 포함되어 있다는 것이다.

제어 시스템(300)은 시퀀스 시동-정지 플랜트 동작, 감시 및 플랜트 보호를 위한 경보 기능을 자동적으로 신뢰성있고 효율적으로 제공하여, 플랜트 시동중 소도/부하 제어와, 동작 및 가동 중단을 정확히 신뢰성있고 능률적으로 수행한다. 플랜트 조작자는 수동 동작으로 개별단계를 통해 터어빈 시동 사이클을 선택적으로 행할 수 있다.

자동제어하에서, 발전 플랜트(100)는 국부적인 조작자 제어하에서 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 상태로 부터 시동되고, 바람직하게는 통상의 고정 시간내에 동기 속도까지 정확하고 효율적인 제어하에서 가속되어 수동 또는 자동으로 전력 시스템과 동기되며, 바람직한 램프 제어하에서 사전 선택가능한 일정한 부하 레벨 또는 온도 제한 제어 부하레벨까지 부하가 걸리며, 그에 따라 양호한 발전 플랜트 관리를 달성하게 된다.

플랜트(100)의 시동을 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 시동은 프로그램된 컴퓨터 제어하에서 개시된다. 플랜트 장치는 전력 발생을 위한 플랜트의 능력을 증가시키기 위해 가능한 경우 동시에 시동된다. 프로그램 제어하에서, 셧다운 경보가 발생하지 않는 한 일반적으로 하나의 시퀀스 단계가 완료되면 다음 시퀀스 단계가 개시된다. 플랜트의 이용성은 또한 점화 실패의 경우 여러 차례 점화를 시도하는 시동 시퀀스에 의해 향상된다.

시동 시퀀스는 시동 엔진을 시동시켜 동작시킴으로써 저속으로 부터 가스 터어빈(104)을 가속시키고, 터닝 기어를 중단시키고, 약 10%의 정격 속도에서 점화 시스템내에서 연료를 점화시키고, 약 60%의 정격 속도까지 가스 터어빈을 가속하여 시동 엔진을 중지시키고, 동기 속도까지 가스 터어빈(104)을 가속시키며, 발전기용 차단기(136)의 폐쇄후 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 블럭의 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, 시동 램프 한계 연료 수요 및 최고 배기 온도 제한 연료 수요는 가스 터어빈의 비선형 특성에 따라서 바람직하게는 비선형으로 보다 정확하고, 효율적이며, 유용하고 신뢰성있는 가스 터어빈 장치 동작을 성취할 수 있다. 제어 배열(302)은 사이클 온도, 가스 터어빈 장치 속도, 시동중의 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 연료로 부터 다른 연료로의 자동적인 범프리스 전달을 위해 제공될 수 있다. 상이한 연료간의 범프리스 플랜트 전달 및 그에 관련된 플랜트 동작은 이미 알려져 있으며 본 명세서에 참고로 인용되는 미합중국 특허 제 3,919,623 호에 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 표시로 부터의 선택에 의해 연료 요구를 제한하는데 이용된다. 이들 한계 표시는 속도 제어부(303), 시동램프 제어부(305), 최대 배기 온도 제어부(307), 최대 메가와트 제어부(308) 및 최대 순간 부하 픽업 리미터(306)에 의해 각기 발생된다.

시동동안 및 점화후, 시동 램프 제어부(305)는 약 80%의 정격 속도까지 터어빈(104)을 가속하기 위해 폐루우프 연료 수요를 제공한다.

80%의 속도로 부터 동기화 속도에 이르기까지, 속도 제어부(303)는 터어빈(104)을 제어하여 동기화동안 일정한 가속도 및 원하는 속도를 유지한다.

발전기(102)의 동기화 후에, 터어빈 속또는 발전 시스템이 큰 경우 전력 시스템 주파수에 의해 조절된다. 따라서, 동기화 후에 속도 제어부(303)는 발전기(102)의 메가와트 출력의 램핑을 야기하기 위해 잘 알려진 기법에 의해(304)에서 발생된 속도 기준 신호를 램핑함으로써 연료 흐름을 조절한다.

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 때 마다 메가와트 피드백 신호를 제어기(312)의 네가티브 입력단에 제공한다. 터어빈 속도를 나타내는 신호는 속도 센서(314), 임의의 잘 알려진 기법에 의해 발생되어 제어기(312)의 또 다른 네가티브 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)로 부터의 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 무효로되기 전에는 로우가 선택될 것이다.

저연료 수요 선택기(316)로 부터 출력된 연료 수요 표시는 이중 연료 제어부에 인가되며, 이 이중 연료 제어부에서 연료 요구 신호가 처리되어 가스 시동 및 트로틀 밸브에 이용하기 위한 가스 연료 수요신호나, 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 과또한 부하율, 부하 과도중의 과도하게 높은 속도 변동, 과도하게 높은 발전기용 차단기 폐쇄 속도, 과부하를 초래 할 수도 있는 과도하게 높은 연료 흐름, 모든 정의된 동작 모드동안 연소기 시스템의 연소 정지를 초래할 수 있는 과도하게 낮은 연료 흐름, 압축기 서어지 및 과잉 터어빈 유입 배기 및 블레이드의 과온도를 포함하는 각종 용인들로 부터 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 블럭도로 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 사전설정된 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 데이타는, 예를 들면, 제어 및 시퀀스 프로그램내의 인터록 논리 기능, 보호 및 경보 시스템 기능과 프로그램된 감시 및 로깅에 이용된다.

입력 인터페이싱이 통상적인 가스 터어빈 발전 플랜트(100)로 부터의 아날로그 신호를 각 아날로그 채널 입력에 대해 사전설정된 속도로 샘플하여 컴퓨터 처리를 위해 디지탈 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 출력등의 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 제어하에서 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 시동 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/디지탈(A/D) 입력 시스템(328)에는 대부분은 이미 간략하게 설명된 각종 플랜트 프로세스 센서 또는 검출기로 부터의 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 블럭(329K)으로 표시한 바와 같은 오일 저장기 열전쌍, 베어링 오일 열전쌍 및 주연료 유입 열전쌍을 포함한다.

연소기 쉘 압력 센서 및 주속도 센서와, 백업 속도 센서는 자신들의 출력 신호가 아날로그 입력 시스템(328)에 결합되도록 한다. 터어빈 지지 금속 열전쌍은 기타 센서 블럭(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, 유출 공기열전쌍 및 베어링 드레인 열전쌍을 포함한다. 발전기(102) 및 가스 터어빈(104)과 연관된 진동 센서(vibration sensors)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 캐비넷내에 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.

순간적인 부하 변동이 일어나는 태양은 전력회사의 전기 그리드에 있어서 공통적이다. 터어빈(104)의 최대 출력에 도달하지 않은 상태로 속도 또는 주파수 제어에 의해 동작되는 경우, 연료 흐름은 속도 제어기(303)에 의해 제어된다. 전술한 바와 같이, 제어기(303)는 세개의 입력, 즉 속도 기준, 속도 및 MW를 포함한 PID 제어기(312)를 구비한다. 정상 상태동안, 이들 입력의 대수 합은 영이다. 전력회사의 그리드에 커다란 수요가 인가되면, 속도 신호가 감소하여 대수합은 더이상 영으로 되지 않게 된다. 제어기(312)가 응답하여 저연료 수요 선택기(316)에 의해 선택될 연료 흐름 제어 신호를 발생하고, 연료 흐름이 가능한 신속히 증가된다. 연료 흐름이 증가하면 MW 신호가 증가하게 될 것이다. MW 신호는 제어기(312)로의 입력의 대수합이 다시 영으로 될 때까지 증가할 것이다.

부하 수요가 급격히 증가하여 연료 흐름이 급격히 증가하면, 터어빈 부품에 급격한 과도적 성질의 응력으로 인해 수리가 불가능한 손상을 끼칠 수 있다. 따라서, 손상을 피하기 위해서는 급격한 외부 부하 수요를 제한하는 것이 중요하다. 이러한 제한은 본 발명의 최대 순간 부하 픽업 리미터에 의해 제공된다.

최대 순간 부하 픽업 리미터는 본 발명의 제13도에 도시되어 있다. 부하 픽업 리미터가 발생하는 제어 신호는 부하 변동동안, 즉 부하 수요의 증가 또는 감소동안 연료 흐름을 제어하기 위해 이용될 것이다. 바람직한 실시예에 있어서, 부하 픽업 리미터는 중앙 처리기(334)에서 소프트웨어에 의해 실현된다. 결과적으로, 처리기(334)에서 발생된 제어 신호는 이중 연료 제어 수단(317)에 전송될 것이다.

제13도에 도시한 바와 같이, 부하 수요 신호, 즉 트랜스포머(180)에서 감지된 전압에 관련하여 발생되고 중앙처리기(334)에서 사용하기 위한 임의의 공지된 방식으로 처리된 발전기 MW 신호는 PID 제어기(400)의 부 또는 피드백 입력으로 직접 공급된다. 발전기 MW 신호는 설정점 신호를 발생하는 비례기(402)로 제공된다. 이 설정점 신호는 연소 터어빈이 한번에 순간적으로 픽업할 수 있는 최대 부하를 나타낸다. 바람직한 실시예의 W501D5의 경우, 이 부하는 베이스 ISO 정격의 25% 또는 대략 25MW이다. 이러한 설정점 신호는 합산기(404)에 제공된다. 합산기(404)는 이 설정점 신호를 원래의 발전기 MW 신호에 합산하여 합산된 신호를 램프 발생기(406)에 제공한다.

램프 발생기(406)에 제공된 합산 신호는 터어빈(104)이 순간적으로 움직일 수 있는 최대 MW값을 나타낸다. 램프 발생기(406)는 부하 변동 이전의 부하 수요 신호와 합산 신호간의 부하 변동 동안 효과적으로 램프되는 출력 제한 신호를 발생한다. 이러한 램프의 증가 속또는 연소 터어빈에 의해 허용되는 최대치로 설정되고, 바람직한 실시예에 있어 분당 5MW이다. 예를 들면, 부하가 50MW에서 75MW로 증가된다고 가정하면, 이러한 상황에서, 램프 발생기(406)로부터의 출력 제한 신호는 50MW에서 75MW까지 사전선택된 방식으로 램프될 것이다.

전술한 바로 부터, 발전기 MW 신호가 부하 픽업의 증가를 나타내는 경우, 램프 발생기(406)는 발전기 MW 신호와 최대 스텝 MW 값의 합이 증가방향으로 서서히 램프될 수 있게 하는 신호를 발생한다. 발전기 MW 신호가 부하의 감소를 나타내는 경우, 램프 발생기(406)는 감소방향으로 서서히 램프될 필요는 없다. 바람직한 실시예에 있어서, 부하 감소가 발전기 MW 신호에 의해 표시되는 경우, 램프 발생기(406)는 부하 증가를 표시하는데 이용되는 속도 보다도 빨리 감소방향으로 램프한다. W501D5와 같은 몇몇 터어빈에 대해, 언로드 속또는 순간적으로 이루어질 수 있다.

램프 발생기(406)의 출력은 PID 제어기(400)의 정입력으로 제공된다. 이해될 바와 같이, PID 제어기(400)는 램프 발생기(406)의 출력과 원래의 발전기 MW 신호, 즉 부하 수요 신호간의 차를 나타내는 신호를 발생한다. 이러한 출력은 저연료 수요 선택기(316)로 제공된다. 저연료 수요 선택기(316)는 연료 수요 신호를 이중 연료 제어 수단에 제공된다. 연료 수요 신호가 처리되어 가스 기동 및 트로틀 밸브로 인가하기 위한 가스 연료 수요 신호나 오일 트로틀 밸브 및 압력 바이패스 밸브로 인가하기 위한 액체 연료 수요 신호 또는 가스 및 오일 밸브 모두에 인가하기 위한 가스 및 액체 연료 수요 신호의 조합으로서 발생된다는 것이 상기될 것이다.

결과적으로, 비례기(402)에 의해 발생되는 최대 설정점 신호보다 큰 부하 변화가 발생하면, 제어기(400)는 최대 스텝 부하가 발생될 수 있게 하고, 최대 스텝 부하를 초과하는 모든 부하는 정상적인 속도로 램프될 것이다. 역으로, 부하의 순간적인 감소가 발전기 MW 신호에서 검출되는 경우, PID 제어기(400)는 그 감소를 제한하지 않으며 연료 흐름이 정상적인 제어에 따르도록 감소될 수 있게 한다.

이해될 바와 같이, 정상 또는 서서히 변하는 부하 수요동안, 설정점 발생기로서 언급될 수도 있는 합산기(404)의 출력은 PID 제어기(400)에 제공되는 피드백 신호, 즉 발생기 MW 신호보다 훨씬 더 크다. 따라서, PID 제어기(400)는 높은 값으로 포화될 것이며, 낮은 값으로 선택되지 않을 것이다. 역으로, 발전기 MW 신호가 제한 신호로서 언급될 수도 있는 램프 발생기(406)의 출력을 초과하면, PID 제어기(400)는 저연료 수요 선택기(316)에 의한 낮은 값으로 초과하면, PID 제어기(400)는 저연료 수요 선택기(316)에 의한 낮은 값으로 선택되고, 이에 따라 연료 밸브(264)를 제어할 것이다. 부하가 증가하는 경우, 제한 신호는 서서히 램프 증가하고, 최종적으로 PID 제어기(400)는 더 이상 낮은 값을 선택하지 않게될 것이다. 이러한 상황에서, 연료 밸브(264)의 제어는 이미 언급한 속도 또는 온도 제어로 복귀한다.

이상의 설명으로 부터 이해될 수 있는 바와 같이, 본 발명은 연료 밸브로의 제어 신호가 스케일된 연료 밸브 신호 보다 실제 MW 신호에 의해 제어될 수 있게 하여, 보다 높은 정확도 및 보다 큰 재현성을 성취한다.

특정 실시예와 관련하여 본 발명을 도시하고 설명하였지만, 당업자라면 전술하고 청구범위에 기재한 본 발명의 원리를 벗어남이 없이 각종 변형 및 변경이 가능하다는 것을 인식할 것이다.

Claims

연소 터어빈(104)의 부하를 나타내는 부하 신호가 제공되며, 제어 신호에 응답하여 상기 연소 터어빈(104)의 연료 흐름을 조절하는 조절 수단(251, 258, 266, 272)이 제공되는 상기 연소 터어빈(104)의 연료 흐름 제어 장치에 있어서, 상기 부하 신호와 제한 신호간의 차를 나타내는 제어 신호를 발생하여 상기 제어 신호를 상기 조절 수단(251, 258, 266, 272)에 제공하는 제어기(400)와; 상기 부하 신호와 최대 순간 부하값의 합을 나타내는 상기 제한 신호를 발생하며, 상기 제한 신호를 시간에 따라 제1값으로부터 상기 합까지 변화시키는 리미터(402, 404, 406)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 터어빈의 연료 흐름 제어 장치.
제1항에 있어서, 상기 제어기(400)가 비례 적분 미분 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 터어빈의 연료 흐름 제어 장치.
제1항에 있어서, 상기 리미터(402, 404, 406)가 상기 최대 순간 부하값을 나타내는 기준 신호를 발생하는 기준 부재(402)와, 상기 부하 신호와 상기 기준 신호를 합산하여 합산된 신호를 발생하는 합산기(404)와, 부하 변동동안 상기 부하 변동 이전의 상기 부하 신호와 상기 합산된 신호 사이에서 변화하는 램프형 출력 신호를 발생하는 램프 부재(406)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 터어빈의 연료 흐름 제어 장치.
제3항에 있어서, 상기 연소 터어빈(104)이 발전기(102)를 구동하도록 연결되며, 상기 부하 신호가 상기 발전기(102)의 출력을 나타내며, 상기 기준 신호가 발전기 출력 요구의 사전선택된 최대 순간 변화를 나타내는 것을 특징으로 하는 연소 터어빈의 연료 흐름 제어 장치.
제4항에 있어서, 상기 사전선택된 최대치가 부하 요구의 25%인 것을 특징으로 하는 연소 터어빈의 연료 흐름 제어 장치.
제1항에 있어서, 상기 리미터(402, 404, 406)가, 부하 변동동안 부하가 증가하는가 또는 감소하는가에 따라 다른 비율로 상기 제한 신호를 변화시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 연소 터어빈의 연료 흐름 제어 장치.
제6항에 있어서, 상기 리미터(402, 404, 406)가, 부하가 감소중인 때 보다는 부하가 증가중인 때 더 느린 비율로 제한 신호에 적합되는 것을 특징으로 하는 연소 터어빈의 연료 흐름 제어 장치.
연소 터어빈(104)의 부하를 나타내는 부하 신호가 제공되고, 제어 신호에 응답하여 상기 연소 터어빈(104)의 연료 흐름을 조절하는 조절 수단(251, 258, 266, 272)을 포함하는 상기 연소 터어빈(104)의 연료 흐름을 제어하는 방법에 있어서, 제한 신호로부터 상기 부하 신호를 감산하여 상기 제어 신호를 상기 연료 흐름 조절 수단(251, 258, 266, 272)에 제공하므로써 상기 제어 신호를 발생하는 단계와; 상기 부하 신호를 최대 순간 부하값과 합산하므로써 상기 제한 신호를 발생하는 단계와; 상기 부하 신호의 감산전에 제1값으로부터 상기 합까지 시간에 따라 상기 제한 신호를 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 터어빈의 연료 흐름 제어 방법.
제8항에 있어서, 상기 제어 신호를 발생하는 단계는 비례 적분 미분 제어방법에 의해 성취되는 것을 특징으로 하는 연소 터어빈의 연료 흐름 제어 방법.
제8항에 있어서, 상기 제한 신호를 발생하는 단계는 상기 최대 순간 부하값을 나타내는 기준 신호를 발생하고 상기 부하 신호와 상기 기준 신호를 합산하여 합산된 신호를 발생하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 터어빈의 연료 흐름 제어 방법.
제10항에 있어서, 상기 제한 신호를 변화시키는 단계는 부하 변동동안 상기 부하 변동 이전의 상기 부하 신호와 상기 합산된 신호 사이에서 변화하는 램프형 출력 신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 연소 터어빈의 연료 흐름 제어 방법.
제8항에 있어서, 상기 제한 신호를 변화시키는 단계는 부하 변동 동안 부하가 증가중인가 감소중인가에 따라 다른 비율로 수행되는 것을 특징으로 하는 연소 터어빈의 연료 흐름 제어 방법.