KR100315179B1

KR100315179B1 - 가스터빈발전설비및냉각제흐름제어방법

Info

Publication number: KR100315179B1
Application number: KR1019930018483A
Authority: KR
Inventors: 윌리암로렌스멕케르티; 아킴아론본시렌
Original assignee: 드폴 루이스 에이; 웨스팅하우스 일렉트릭 코포레이션
Priority date: 1992-09-15
Filing date: 1993-09-14
Publication date: 2002-02-19
Also published as: JP3415658B2; DE69307242D1; EP0590829A3; EP0590829A2; KR940007347A; JPH06193463A; CA2106113A1; EP0590829B1; US5307619A; TW258778B

Abstract

본 발명의 가스 터빈 발전 설비(gas turbine power plant)는 연소기(combustors)내로 냉각제를 주입하여, 천연 가스 연료 및/또는 기름의 연소로 인해 생성되는 질소산화물의 레벨을 감소시킨다. 제어 시스템은 연소기내로 유입되는 냉각제의 주입을 제어하여 NOx 방출량을 감소시킴으로써, 터빈 사이클 효율성(turbine cycle efficiency)을 향상시키면서도, 연소기내의 불꽃이 꺼지는 점까지 냉각제가 과도하게 주입되지 않도록 한다. PID 제어기를 제어 시스템에서 퍼센트 오차 바이어스를 제공하는 데 사용함으로써, 냉각제 주입의 조정이 터빈 효율성을 증가시키는 방식으로 터빈 부하(turbine load)를 따른다.

Description

가스 터빈 발전 설비 및 냉각제 흐름 제어 방법{APPARATUS AND METHOD OF AUTOMATIC NOX CONTROL FOR A GAS TURBINE}

본 발명은 전반적으로 하나 이상의 가스 터빈(gas turbines)을 가진 발전 설비(power plants)에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 연소 공정(combustion process)동안 생성되는 NOx 방출량을 줄이기 위해, 가스 터빈 연소기내로의 냉각제(coolant) 주입을 자동으로 제어하는 시스템에 관한 것이다.

가스 터빈 발전 설비의 연소기내에서 연소되는 천연 가스 연료와 기름은 원하지 않는 정도의 질소산화물을 생성한다고 알려져 있다. 따라서, 이같은 NOx의 방출량을 줄이기 위해서 증기 또는 물과 같은 냉각제가 연소기내로 주입된다. 흔히 알려진 바와 같이, 연소기내로 주입되는 증기 또는 물은 연소될 때, 천연 가스 연료 및 기름의 온도를 감소시켜 연소중에 생성되는 NOx를 감소시킨다.

마텐스(Martens) 등의 미국 특허 제 4,160,362 호에는 가스 터빈 배기 가스중의 NOx 방출량을 줄이기 위해 연소기내로 유입되는 증기 및 물의 흐름을 제어하는 시스템이 개시되어 있다. 마텐스는 NOx 방출량이 원하는 정도로 되도록 하는데필요한 것보다 많은 증기가 주입되면, 터어빈 전체를 통한 총 흐름량이 불필요하게 증가되어 사이클 효율이 떨어지게 된다는 문제를 인식했다. 그래서, NOx 방출량의 필수적인 감소를 희생시키지 않고서 연소기내로의 냉각제 흐름을 적절하게 제한하여 발전 설비를 높은 효율로 가동시키는 것이 바람직하다.

일반적으로, 생성된 NOx의 양을 측정하기 위한 센서(sensors)는 터빈 배기 스택(stack)에 설치된다. 연소기내로 유입되는 증기 및 물의 흐름을 제어하는 데 사용되는 제어 시스템내로의 입력을 위한 매개 변수로서, NOx 센서의 출력을 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, 센서들은 어떤 환경에서는 완전한 동작을 하지 못하므로 믿을 수 없다.

따라서, NOx 센서의 불확실성을 고려하기 위해서, 연소기내로 흐르는 증기 또는 물의 흐름을 터빈 부하(turbine load)의 함수로서 설정한다. 표준 부하 대 흐름 곡선으로서 알려진 이 함수는, 동작 유닛(operational unit) 또는 유사물에 대해 실제로 행한 NOx 방출 시험으로 결정된다. 사전설정된 NOx 세트 포인트(set point)를 기초로 한 현장 시험동안, 원하는 NOx 세트 포인트에서 NOx를 실제로 방출하는 물 또는 증기의 유량은 터빈 부하의 함수로 도시된다. 따라서, 실제 동작 조건동안, 특정 터빈 부하에서 NOx 방출량이 원하는 세트 포인트 레벨로 되도록 하는데 필요한 증기 흐름 세트 포인트는 표준 부하 대 흐름 곡선으로부터 결정된다. 상기 곡선으로부터의 매개 변수들은 연소기내로 유입되는 냉각제의 흐름을 제어하는 시스템에서 사용될 수 있다.

그러나, 입구 가이드 밴(inlet guide vanes)의 위치와 같은 터빈 동작 조건뿐만 아니라 환경 조건의 변화, 즉 연소기 영역의 주변 온도는, 표준 부하 대 흐름 곡선에 영향을 미친다. 이러한 변수들은 NOx 방출량이 원하는 정도로 되도록 하는 데에 있어 실제 필요한 증기 흐름의 양에 영향을 미친다. 표준 부하 대 흐름 곡선을 생성할 때 이러한 변수들이 고려되지 않았으므로, 상기 곡선은 소정 크기의 오차를 갖는다. 이와 같은 오차를 고려하기 위해, 센서에 의해 측정되는 실제 NOx 레벨을 상기 제어 시스템에서 표준 곡선을 조정하기 위한 매개 변수로서 사용한다. 그러나, 후술하는 바와 같이, 이 같은 조정은 센서가 어떤 조건하에서는 완전히 동작하지 못한다는 사실에 의해 제한될 수 있다.

특정 터빈 부하에서의 실제 동작 조건 동안에, NOx의 양이 원하는 세트 포인트로 되도록 하기 위해, 상기 증기 흐름 세트 포인트를 표준 부하 대 흐름 곡선으로부터 결정한다. 제어 사이클의 출발점에서, 밸브(valve)는 상기 세트 포인트 유량으로 증기 또는 물을 터빈 연소기 안으로 주입한다. 그러나, 표준 곡선의 오차로 인해, 상기 센서에 의해 측정되는 NOx의 실제 레벨은 NOx 세트 포인트로부터 대개는 변할 것이다. 따라서, 상기 제어 시스템은, 밸브가 증기 흐름 세트 포인트와 비교되는 증기를 다소 주입하여, 센서에 의해 측정된 NOx 레벨이 NOx 세트 포인트로 되도록 오차를 고려하여야 한다.

표준 부하 대 흐름 곡선과 관련된 가변 조건에 영향을 줄 수 있는 오차를 측정하기 위해 냉각제 주입 제어 시스템에 사용될 수 있는 장치들이 알려져 있다.

이러한 하나의 장치로서는 마텐스의 특허에 개시된 합산기(summer)가 있다. 측정된 오차는 상기 표준 곡선에 영향을 미치는 변수들을 고려하기 위해, 그 표준 부하 대흐름 곡선에서 얻어지는 증기 흐름 세트 포인트를 조정하는 데 사용된다.

예를 들면, 제 1 도는 종래 기술에 따른 합산 장치(summing device)를 사용하여 얻은 오차 조정을 나타내는 조정된 표준 부하 대 흐름 곡선을 도시한다. 점선들은 조정된 증기 흐름 세트 포인트를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 합산 장치는 이산값의 오차를 제공한다. 여기서 오차의 크기는 곡선상의 모든점에서 동일하다. 따라서, 이러한 장치는, 제어 시스템의 직선 바이어스(bias)를 제공한다.

그러나, 냉각제 주입 시스템에 직선 바이어스 제어를 제공하는 장치를 사용하면, 어떤 환경에서는 비효율적이고 가스 터빈에 손상을 줄 수도 있다는 문제가 인식되었다. 제 1 도에 도시된 바와 같이, 제어 시스템이 직선 바이어스 제어 장치를 사용하는 경우, 시스템이 측정한 오차의 양, 결과적으로 시스템이 동작하는 오차 범위는 터빈이 저부하(low load)일 때와 고부하(high load)일 때 동일하다.

따라서, 측정된 NOx 레벨이 NOx 세트 포인트를 초과하는 경우, 오차를 고려한 증기 흐름 세트 포인트 이상에서의 조정은 고부하에서의 동작 또는 저부하에서의 동작에 관계없이 동일할 것이다. 고 터빈 부하에서, 추가적인 증기 흐름량은 증기 흐름 세트 포인트 이상의 작은 퍼센트의 증가에 불과할 수도 있다. 그러나, 저부하에서, 추가적인 증기량은 비교적 낮은 증기 흐름 세트 포인트 이상의 큰 퍼센트 증가일 수도 있다. 저부하 조건에서의 이러한 증가에 제어 시스템이 응답하는 경우, 밸브들은 NOx 방출량을 감소시키는 데 필요한 것보다 그 이상일 수 있는 레벨의 냉각제를 주입함으로써, 터빈 사이클 효율을 감소시킨다. 또한, 냉각제의 과도한 주입 때문에 연소기의 불꽃이 꺼져, 터빈이 오동작하고 손상을 입을 수도 있다.

연료 주입 시스템에 직선 바이어스 제어 장치를 사용함으로써 발생하는 문제는, 하나 이상의 가스 터빈을 단일의 방출물 스택(emissions stack)에 연결하고 그 스택에 단 하나의 NOx 센서를 설치하여 다수의 가스 터빈용으로 사용하는 경우 배증된다. 예를 들면, 두 개의 가스 터빈이 단일 스택에 연결된 경우, 두 개의 터빈을 동일 라인상에 설치하되 하나의 터빈에만 증기가 주입되게 한 시동 조건(start-up conditions)하에서는, 증기가 주입되는 유닛의 증기 흐름 조정은 두 유닛으로부터의 조합된 NOx 레벨에 근거하기 때문에 과도주입 가능성이 증가된다. 또한, 두 개의 가스 터빈을 단일 스택에 연결하고 둘다 동일 라인상에 설치하되, 각각 상이한 부하 상태에서 동작하는 경우, 제어 변수의 합을 사용하는 직선 바이어스 제어 시스템은 유닛들간의 충돌을 야기한다.

따라서, NOx 방출 레벨을 감소시키기 위해 가스 터빈 발전 설비의 연소기내로 유입되는 냉각제의 흐름을 자동으로 제어하는 시스템으로서, 시스템 매개 변수의 퍼센트 바이어스를 제공하는 장치를 사용하는 제어 시스템이 요구된다. 본 발명은 이와 같은 필요성을 충족시키는 시스템을 제공한다.

천연 가스 연료 및/또는 기름을 연소시키는 적어도 하나의 연소기를 가진 가 터빈을 적어도 하나 이상 구비한 가스 터빈 발전 설비에 있어서, 각 연소기내로 주입되는 냉각제의 흐름을 제어하는 방법 및 시스템이 제공된다. 이 방법은 발전 설비가 생성한 NOx의 측정량과 사전설정된 NOx 방출량간의 퍼센트 오차를 나타내는 신호를 생성하는 단계를 포함한다. 상기 신호는 표준 부하 대 흐름 곡선이 갖는 오차를 고려하기 위해, 사전설정된 냉각제 흐름 세트 포인트를 조정하는 데 사용된다. 조정된 냉각제 흐름 세트 포인트와 냉각제 주입 트로틀 밸브(coolant injection throtle valves)에 의해 주입된 냉각제 흐름 측정량간의 퍼센트 오차를 나타내는 제 2 신호가 생성된다. 트로틀 밸브를 통하여 연소기내로 유입되는 냉각제의 흐름은 상기 제 2 신호에 따라 제어된다. PID 제어기는 입력 매개 변수들 사이의 퍼센트 오차 신호를 생성하는 데 사용된다. 냉각제 흐름 세트 포인트의 조정은 연소기내로 유입되는 냉각제의 과도한 주입을 피하기 위해 제한 될 수도 있다.본 발명은, NOx 센서가 두 개 이상의 가스 터빈으로 냉각제를 주입하는 제어 시스템에 사용되는 발전 설비에 사용할 경우 특히 적합하다.

본 발명에 따라 구성되고 배치된 연소 또는 가스 터빈(100)을 제 2 도에 도시한다. 본 명세서에 기술된 실시예에서, 가스 터빈(100)은, 바람직하게는 웨스팅하우스 일렉트릭 코포레이션(Westinghouse Electric Corporation)에 의해 W501D5형으로 제작된 것으로서, 3600 rpm 의 정격 속도를 가진 단순한 원형이다. 도면으로부터 명백하듯이, 터빈(100)은 2-베어링 1-축 구조(two bearing single shaft construction)의 냉각단 동력 구동(cold-end power drive) 및 축상 배기 장치(axial exhaust)를 포함한다. 여과된 입구 공기는 입구 배관(inlet ductwork)(106)으로부터 플랜지형 입구 다기관(flanged inlet manifold)(104)을 통하여 다단식 축상 흐름 압축기(multistage axial flow compressor)(102)로 들어간다. 가압된 압축기 출구 공기는 가스 터빈(100)의 길이 방향축 둘레에 위치하는 케이싱(casing)(114)의 섹션(section)(112)내에 원추형으로 설치된 총 14 개의 환형 연소기(110)를 포함하는 연소 시스템(108)내로 직접 들어간다.

연소기(110)에서 천연 가스 연료 및/또는 기름이 연소하는 동안 생성되는 NOx 방출량의 제어는 연소기(110)내로 냉각제를 주입함으로써 이루어진다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 연소기(110)내로 주입되는 냉각제는 증기이다. 다른 실시예에서, 냉각제는 물이고, 또다른 실시예에서, 냉각제는 증기와 물의 혼합물이다.

제 3 도는 본 발명에 따른 시스템내에 구현된 구조의 개략적인 평면도이다. 바람직한 실시예에서, 두 개의 가스 터빈(100, 100')이 단일 배기 방출물 스택(120)에 연결된다. 스택(120)은 양쪽 터빈에서 생성된 NOx 방출물의 조합 레벨을 측정하는 센서(122)를 포함한다. 제어기(124)는 사전설정된 NOx 세트 포인트와, 터빈(100, 100')에서 생성되어 센서(122)에서 측정되는 조합된 NOx 방출물간의 퍼센트 오차를 측정한다. 제어기(124)의 출력은 각 터빈(100, 100')의 사전설정된 냉각제 흐름 세트 포인트를 조정하는 데 사용된다. 조정된 냉각제 흐름 세트 포인트는 트로틀 밸브(128, 128')에 의해 각 연소기(110, 110')로 주입되는 냉각제 흐름의 실제 측정량과 함께 각 터어빈의 제 2 제어기(126, 126')에 입력된다. 제어기(126, 126')는 조정된 냉각제 흐름 세트 포인트와 냉각제 흐름의 실제 측정량간의 퍼센트 오차를 측정한다. 제어기(126, 126')의 퍼센트 오차 출력은, 트로틀 밸브(128, 128')로부터 연소기(110, 110')내로 주입되는 냉각제를 제어하여, 원하는 NOx 세트 포인트에 NOx 방출물 레벨을 유지하는 데에 사용된다.

바람직한 실시예에서, 제어기(124) 및 제어기(126, 126')는 비례 적분 및 미분(proportional integral and derivative), 즉 PID 제어기이다. PID 제어기는 두 개의 입력 매개 변수간의 소정의 편차를 인식하고, 그 편차를 0이 되도록 적분한다. 일반적으로 알려진 바와 같이, PID 제어기는 적분 동안에 오차 범위내에서 동작한다. 상기 제어기의 출력 신호는 두 개의 입력 매개 변수의 편차가 0이 되도록 하기 위해, 이 같은 + 또는 -의 오차 범위에 걸쳐 동작한다. 본 발명에 따라서, PID 제어기는 + 또는 -%로 표현되는 오차 범위내에서 동작하며, 그 출력 신호는 퍼센트 오차를 나타낸다. 따라서, 두 개의 입력 매개 변수간의 편차가 0 일때, PID 는 만족되고 출력 신호는 0 퍼센트 오차로 될 것이다. 따라서, 상기 제어 시스템 바이어스는 직선 바이어스 제어가 아닌 퍼센트에 근거를 두고 있다.

본 발명에 따르면, PID 제어기의 퍼센트 오차 범위는 가변적이다. 범위가 더 큰 경우, PID 제어기의 출력 신호는 냉각제 흐름 세트 포인트에 큰 조정을 행한다. 바람직한 실시예에서, PID 제어기(124) 및 제어기(126, 126')는 약 -100%에서 +100% 사이의 퍼센트 오차 범위를 갖는다.

제 4 도는, 제 3 도에 도시된 실시예에 있어서, 가스 터빈(100, 100')에서 생성되는 NOx의 양을 제어하기 위해, 연소기(110, 110')내로 유입되는 냉각제의 흐름을 제어하는 방법을 흐름도로 도시한 것이다. (300)에서, 사전설정된 NOx 방출량 세트 포인트와, 발전 설비에서 생성되어 센서(122)에서 측정된 NOx 방출량간의 퍼센트 오차를 나타내는 신호가, 제어기(124)에 의해서 생성된다. (300)에서 생성된 상기 신호는, (302)에서, 그 신호를 나타내는 매개 변수로 변환된다. (304), (304')에서, (302)의 출력은 각 가스 터빈(100, 100')의 냉각제 흐름 세트 포인트를 조정하는 데 사용되고, 그 조정된 냉각제 흐름 세트 포인트를 나타내는 제 2 매개 변수가 산출된다. 따라서, (302)에서의 출력 신호는 두 개의 터빈(100, 100')의냉각제 흐름 세트 포인트에 동일한 퍼센트 조정을 제공한다.

(306), (306')에서는, 각 가스 터빈(100, 100')에 대해, 조정된 냉각제 흐름세트 포인트 매개 변수와 냉각제 흐름의 측정량간의 퍼센트 오차를 나타내는 제 2 신호가 제어기(126, 126')에 의해 생성된다. (308), (308')에서는, (306),(306')으로부터의 신호에 따라, 주입 트로틀 밸브(128, 128')를 통하여 연소기(110, 110')내로 유입되는 냉각제의 흐름이 제어된다.

제 5 도를 참조하면, NOx 세트 포인트와 측정된 NOx 방출량간의 퍼센트 오차를 얻기 위해, 상기 NOx 세트 포인트는 (310)의 시스템으로 유입되는 연산자이다. 상기 NOx 세트 포인트는 미국 정부의 환경 공해 조절 표준(government enviornmental pollution control standards)을 근거로 사전설정된다. 두 개의 터빈(100, 100')에서 생성된 NOx의 실제 조합 레벨은 배기 스택(120)에 있는 (312)의 센서(122)에 의해 측정된다. (310) 및 (312)의 출력 매개 변수는 (314)의 PID 제어기로 입력된다. (314)의 PID 제어기로부터의 퍼센트 오차 신호 출력은 (316)의 상기 퍼센트 오차를 표시하는 매개 변수로 변환된다. (312)에서 측정된 NOx의 실제 레벨이 (310)의 NOx 세트 포인트보다 큰 경우 PID 제어기 출력은 양(positive)의 퍼센트 오차로 될 것이다. 따라서, 측정된 NOx 레벨이 상기 세트 포인트보다 작은 경우, 상기 퍼센트 오차는 음(negative)으로 될 것이다.

표준 부하 대 흐름 곡선으로부터 결정되고, 터빈 부하 및 원하는 NOx 세트 포인트 레벨에 근거를 둔, 각 터빈(100, 100')의 상기 냉각제 흐름 세트 포인트는 (318), (318')에서 시스템내로 판독된다. (316)의 퍼센트 오차 매개 변수 출력은,부하 대 흐름 곡선내에 설정된 오차를 고려하기 위해 (318), (318')으로부터의 냉각제 흐름 세트 포인트를 조정하는 데 사용된다. (320), (320')에서, 냉각제 흐름 세트 포인트의 조정은 (316)의 퍼센트 오차 출력과 (318), (318')의 냉각제 흐름 세트 포인트의 곱에 의해 이루어지며, 조정된 냉각제 흐름 세트 포인트로 된다. (314)의 PID 제어기로부터의 퍼센트 오차 출력이 양이면, 냉각제 흐름 세트 포인트의 조정은 상기 세트 포인트의 퍼센트 증가로 될 것이고, 음의 퍼센트 오차는 냉각제 흐름 세트 포인트를 감소시킬 것이다. 제 6 도는 본 발명에 따른 조정된 부하 대 흐름 곡선을 도시한 것이다. 점선은 (320) 또는 (320')의 조정된 냉각제 흐름 세트 포인트에 근거를 둔 시스템 동작 오차 범위를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 저 터빈 부하에서 상기 오차 조정의 크기는, 고 터빈 부하에서의 오차 조정과 비교했을 때 작다. 따라서, 직선 바이어스 제어 시스템과 비교할 경우, 저부하에서 냉각제가 과도주입될 가능성이 감소된다. 두 개의 유닛이 상이한 부하 상태에서 동작하는 경우, 각각의 유닛은 동일 퍼센트만큼 NOx 방출량 레벨의 감소에 기여하게 될 것이다. 또한, 냉각제의 추가로 야기되는 증가된 흐름을 고려하면, 사이클 효율이 터빈의 전체 부하 능력에 걸쳐 극대화되며, NOx 방출량이 필요한 만큼 감소된다.

(320), (320')에서 냉각제 흐름 세트 포인트의 조정은, NOx 센서가 완전히 고장난 경우에 냉각제가 연소기내로 과도주입되지 않도록, 가능하게는 연소기내에 불꽃이 없는 점까지 제한 될 수도 있다. 냉각제 흐름 세트 포인트의 퍼센트 변화는 사전설정된다. 이 사전설정된 퍼센트 변화는 PID 제어기의 최대 퍼센트 출력 오차에서 냉각제 흐름 세트 포인트의 최대 조정을 나타낸다. 제 7 및 8 도는 이러한 제한의 효과를 도시한다. 예를 들어, 상기 PID 제어기가 -100%에서 +100% 사이의 오차 범위를 갖는다고 가정한다. 상기 조정에 어떠한 제한도 없는 경우, (314)의 PID 제어기에서 판독되는 100% 퍼센트 오차는, 상기 세트 포인트의 100%의 냉각제 흐름 세트 포인트에서의 조정, 또는 증가와 같다. 따라서, 제 7 도에 굵은 점선으로 도시된 바와 같이, 두 개의 매개 변수간에 선형 관계가 형성된다. 제한이 있는 경우, 냉각제 흐름 세트 포인트의 조정이 ±10%의 퍼센트 변화로 제한된다고 가정하면, (314)의 PID 제어기에서 판독되는 100%의 퍼센트 오차는 상기 세트 포인트의 10%의 냉각제 흐름 세트 포인트에서의 조정 또는 증가와 같다. 또한, 제 7 도에 가는 점선으로 도시된 바와 같이, 두 개의 매개 변수간에 선형 관계가 형성된다. 이러한 제한의 효과는 제 8 도에 표준 부하 대 흐름 곡선으로 도시된다. 가는 점선으로 도시된 바와 같이, 냉각제 흐름 세트 포인트의 조정은 냉각제 흐름 세트 포인트의 예정된 퍼센트 변화 범위로 제한되고, 제한이 없는 경우의 조정보다 작다.

냉각제 흐름 세트 포인트의 퍼센트 변화 크기는 가변적인 것으로서, 연소기내에서의 과도분사(over-spraying)를 피하기 위해 냉각제 흐름의 양을 제한하도록 선택된다. 바람직한 실시예에서, 냉각제 흐름 세트 포인트의 퍼센트 변화는 ±10%이다. 이것은 최대 증기 흐름량이 증기 흐름 세트 포인트보다 10% 높게 될 수 있게 함으로써, 화염이 꺼지는 점까지 과도분사될 가능성이 방지되고, 증기 주입중일 때의 NOx 방출량이 수용할만한 레벨내에 있게 된다. 퍼센트 변화의 다른 크기는 본 발명의 범주내에 속하며, 밸브는 표준 부하 대 흐름 곡선에 근거하여 선택될 수도 있다.

(326), (326')에서, 각 터빈(100, 100')에 대해 밸브(128, 128')에 의해 연소기(110, 110')내로 주입되는 냉각제의 실제 흐름 레벨이 상기 시스템으로 입력된다. 이 측정된 냉각제 흐름의 양과 (320), (320')의 조정된 냉각제 흐름 세트 포인트는 각 터빈의 (328), (328')의 제 2 PID 제어기로 입력된다. (328), (328')에서, PID 제어기는 퍼센트 오차 신호를 생성한다.

(328), (328')의 퍼센트 오차 출력은 (330), (330')의 냉각제 주입 트로틀 밸브에 필요한 제어에 사용된다. (320), (320')의 조정된 냉각제 흐름 세트 포인트가 (326), (326')의 냉각제의 실제 흐름 레벨보다 큰 경우, 측정된 NOx는 NOx 세트 포인트보다 크다. 따라서, (328), (328')의 퍼센트 오차 신호 출력은 트로틀 밸브가 필요로 하는 양을 퍼센트 증가시켜, 더 많은 냉각제가 연소기내로 주입되어 NOx 방출량의 레벨이 감소되도록 한다. (320), (320')의 조정된 냉각제 흐름 세트 포인트가 (326), (326')의 냉각제의 실제 흐름 레벨보다 작은 경우, 측정된 NOx는 NOx 세트 포인트 값보다 낮으므로, 오차 신호는 트로틀 밸브가 필요로 하는 양을 감소시킨다. 비록, 실제 NOx 방출량 레벨이 세트 포인트보다 낮은 것이 바람직한 상황이지만, 터빈 전체에 걸친 소정의 불필요한 흐름량을 감소시키기 위해 트로틀 밸브가 필요로 하는 양의 퍼센트가 감소될 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 제어 시스템은 터빈에서 생성되는 NOx 레벨을 제어하고, 최대의 터빈 사이클 효율을 제공한다.

본 발명에 따른, 연소기(110)내로 주입되는 냉각제 흐름의 제어는 퍼센트 바이어스 제어에 국한되지 않는다. 따라서, 표준 부하 대 흐름 곡선의 오차 범위가가스 터빈 동작 부하의 범위에 걸쳐 일정하지 않은 제어는 본 발명의 범주내에 속한다.

제 1 도는 종래 기술의 제어 시스템에 따른 오차 조정을 나타내는 표준 부하대 흐름 곡선을 도시한 도면

제 2 도는 본 발명에 따라 동작하도록 배열된 발전 설비에 사용하는 산업용 가스 터빈의 정면도

제 3 도는 본 발명에 따른 시스템에 구현된 구조의 개략적인 평면도

제 4 도는 제 3 도에 도시된 구조의 동작을 위한 본 발명에 따른 방법의 흐름도

제 5 도는 본 발명을 실행하는 방법의 흐름도

제 6 도는 본 발명에 따른 오차 조정을 나타내는 표준 부하 대 흐름 곡선을 도시한 도면

제 7 도는 본 발명에 따른 제어 매개 변수를 도시한 도면

제 8 도는 본 발명에 따른 오차 조정을 나타내는 표준 부하 대 흐름 곡선을 도시한 도면

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100, 100' : 가스 터빈 102 : 다단식 축상 흐름 압축기

104 : 플랜지형 입구 다기관 106 : 입구 배관

108 : 연소 시스템 110 : 연소기

112 : 섹션 114 : 케이싱

120 : 스택 122 : 센서

124, 126, 126' : 제어기 128, 128' : 트로틀 밸브

Claims

적어도 하나의 연소기(cumbustor)(110)를 가진 적어도 하나의 가스 터빈(gas turbine)(100)을 구비하며, 또한 상기 적어도 하나의 연소기(110)내에 주입되는 냉각제의 흐름을 제어하고 냉각제 흐름의 양을 측정하는 시스템을 구비하는 가스 터빈 발전 설비(gas turbine power plant)에 있어서,

상기 적어도 하나의 가스 터빈(100)에 의해 생성되는 질소산화물(NOx)의 방출량을 측정하는 센서 수단(sensing means)과,

NOx 방출량 세트 포인트와 상기 측정된 NOx 방출량간의 퍼센트 오차(percent error)를 나타내는 제 1 신호를 생성하는 제 1 제어기 수단과,

조정된 냉각제 흐름 세트 포인트와 상기 냉각제 흐름의 측정량간의 퍼센트 오차를 나타내는 제 2 신호를 생성하는 것으로서, 상기 제 1 신호에 응답하여 상기 냉각제 흐름 세트 포인트를 조정하는 제 2 제어기 수단과,

상기 제 2 신호에 응답하여 상기 연소기내에 상기 냉각 흐름을 주입하는 주입 수단(injecting means)

을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 발전 설비.
제 1 항에 있어서,

상기 가스 터빈 발전 설비는 방출물 스택(emissions stack)(120)을 갖고, 상기 가스 터빈 발전 설비는 두 개의 가스 터빈(100)을 가지며, 상기 두 개의 가스터빈은 상기 방출물 스택(120)에 연결되고, 상기 센서 수단은 상기 방출물 스택내에 동작가능하게 설치된 가스 터빈 발전 설비.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 제어기 수단은 PID 제어기(126)인 가스 터빈 발전 설비.
제 3 항에 있어서,

상기 PID 제어기(126)는 퍼센트 오차를 약 -100%와 약 +100% 사이에서 발생하는 가스 터빈 발전 설비.
제 1 항에 있어서,

상기 제 2 제어기 수단은 PID 제어기(126)인 가스 터빈 발전 설비.
제 5 항에 있어서,

상기 PID 제어기(126)는 퍼센트 오차를 약 -100%와 약 +100% 사이에서 발생하는 가스 터빈 발전 설비.
제각기 적어도 하나의 연소기(110)를 가진 적어도 하나의 가스 터빈(100)을 구비하는 가스 터빈 발전기에서, 상기 각각의 연소기(110)내에 주입되는 냉각제의 흐름을 제어하는 방법에 있어서,

NOx 방출량 세트 포인트와 상기 발전 설비에 의해 생성되는 측정된 NOx의 방출량간의 퍼센트 오차를 나타내는 제 1 신호를 생성하는 단계와,

상기 제 1 신호에 따라 사전설정된 냉각제 흐름 세트 포인트를 조정하여 그 조정된 결과를 나타내는 매개 변수를 생성하는 단계와,

냉각제 흐름의 양을 측정하는 단계와,

상기 매개 변수와 상기 측정된 냉각제 흐름량간의 퍼센트 오차를 나타내는 제 2 신호를 생성하는 단계와,

상기 제 2 신호에 따라 상기 냉각제 흐름을 제어하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각제 흐름 제어 방법.
제 7 항에 있어서,

상기 제 1 신호는 PID 제어기(126)에 의해 생성되는 냉각제 흐름 제어 방법.
제 8 항에 있어서,

상기 PID 제어기(126)는 퍼센트 오차를 약 -100%와 약 +100% 사이에서 발생하는 냉각제 흐름 제어 방법.
제 7 항에 있어서,

상기 사전설정된 냉각제 흐름 세트 포인트의 조정은, 상기 제 1 신호와 상기 냉각제 흐름 세트 포인트를 곱하고, 상기 곱의 결과를 나타내는 제 3 신호를 생성한 후, 상기 제 3 신호를 상기 냉각제 흐름 세트 포인트에 더함으로써 이루어지는 냉각제 흐름 제어 방법.
제 7 항에 있어서,

상기 사전설정된 냉각제 흐름 세트 포인트의 조정은 상기 냉각제 흐름 세트 포인트의 사전설정된 퍼센트 변화까지 제한되는 냉각제 흐름 제어 방법.
제 11 항에 있어서,

상기 퍼센트 변화는 상기 냉각제 흐름 세트 포인트의 ±10%로 되는 냉각제 흐름 제어 방법.
제 7 항에 있어서,

상기 제 2 신호는 PID 제어기(126)에 의해 생성되는 냉각제 흐름 제어 방법.
제 13 항에 있어서,

상기 PID 제어기(126)는 퍼센트 오차를 약 -100%와 약 +100% 사이에서 발생하는 냉각제 흐름 제어 방법.