KR101034921B1

KR101034921B1 - 2축 가스 터빈용 보정 매개변수 제어 방법

Info

Publication number: KR101034921B1
Application number: KR1020057011145A
Authority: KR
Inventors: 안드레아 카소니; 스테파노 그로피; 알레산드로 루쏘
Original assignee: 누보 피그노네 홀딩 에스피에이
Priority date: 2002-12-17
Filing date: 2003-12-10
Publication date: 2011-05-17
Also published as: JP2006509957A; EP1581732A1; CN1745233A; CN101187317B; CN100347427C; US7634914B2; CN101187317A; NO20053516L; KR20050086916A; ITMI20022660A1; US20060242963A1; EP1581732B1; JP4546836B2; DE60332557D1; AU2003296644A1; WO2004055340A1

Abstract

가스 터빈의 제 1 휠의 입구에서의 가스의 온도(Tfire) 및 공연비(F/A)를 특정 한계값내에 유지하도록 연료 밸브의 개방을 제어하는 제 2 제어 루프에 의해 상기 터빈이 보호되며, 설정점 배기 온도(TX)가 기준 매개변수와 상이한 단일 주위 또는 작동 매개변수에 관한 보정값을 가산한 기준 온도(TXbase)의 합계로서 연산되는 방식으로 제어되며, 제 2 제어 루프는 축방향 압축기의 출구와 대기 사이에 위치된 밸브(블리드 밸브)의 개방을 제어하고 F/A비를 제어하며, 배기 온도가 선형 근사에 의해 연산된 값을 갖도록 제어된다.

Description

2축 가스 터빈용 보정 매개변수 제어 방법{CORRECTED PARAMETER CONTROL METHOD FOR A TWO-SHAFT GAS TURBINE}

본 발명은 2축 가스 터빈용 보정 매개변수 제어 방법에 관한 것이다.

공지된 바와 같이, 2축 가스 터빈은 압축기, 하나 또는 그 이상의 연소실 및 하나 또는 그 이상의 스테이지를 갖는 2개의 터빈 휠로 이루어진 기계로서, 하나의 터빈 휠은 축에 의해 압축기에 연결되는 한편, 다른 터빈 휠은 제 2 축에 의해 하중에 연결된다.

외부 환경으로부터 취해진 공기는 가압되는 압축기로 공급된다. 압축기는, 압축 공기의 일부를 대기로 배출시키는 블리드 밸브(bleed valve)로 공지된 적당한 벤트 밸브를 구비할 수 있다.

가압된 공기는 연소실 재킷(combustion chamber jacket)의 외부를 지나 이 재킷을 냉각한 다음, (외부 파이프로부터 얻어진) 공기 및 연료 가스를 혼합하는 기능을 갖는 한 조의 버너에 도달하게 되어서, 결국 연소용 가스-공기 혼합물을 제공한다. 공기와 가스의 예혼합은, 국부적인 온도가 이하의 제 1 연소 영역내에 포 함되게 하여서, 질소 산화물과 같은 오염물의 형성을 제한한다.

연소 반응은 온도 및 그로 인해 가스의 엔탈피가 증가되는 재킷내에서 일어난다.

그 후, 고온 및 고압에서의 가스는 적당한 파이프를 통해 터빈의 상이한 스테이지로 통과하여, 가스의 엔탈피를 사용자에 유용한 기계 에너지로 변환한다.

소정의 가스 터빈의 최대 효율을 얻기 위해서, 이하에서 온도(Tfire)로 언급되는 제 1 터빈 휠까지의 입구에서의 가스의 온도는 가능한 한 높아야 하지만, 터빈의 사용시에 도달할 수 있는 최대 온도는 사용되는 재료의 강도에 의해 제한되는 것으로 알려져 있다.

오염물을 적게 배출하기 위해서, 공연비(하기에서 F/A로 약기함)는 적당히 제어되어야 하지만, F/A의 허용가능한 값은 가스 터빈내의 점화 손실 또는 연소실내의 압력 맥동(pressure pulsation)의 발생이라는 문제점에 의해 제한되는 것이 알려져 있다.

실제로, 오염물을 적게 배출함과 아울러 고효율을 산출하는 2축 가스 터빈용 열역학 사이클을 설계하기 위한 요구조건이 있다.

그러나, 가스 터빈의 공칭 열역학 사이클은 교란 요인(disturbance factor)에 의해 실제적인 적용에 있어서 변경되는데, 이 교란 요인으로서는,

- 주위 조건의 변경(압력, 온도 및 습도)

- 입구 공기 흡입 파이프내의 압력 강하의 변경

- 배출 가스 배기 파이프내의 압력 강하의 변경

- (사용자에 연결된) 저압 축의 속도의 변경 등이 있다.

이들 교란 요인에 대해 적당한 공차가 이루어지지 않으면,

- (터빈의 열역학 성능의 감소를 초래하는) 최대 하중 조건에서의 제 1 터빈 휠의 입구에서의 최대 온도(Tfire)를 달성하지 못함

- 터빈을 위한 유지 보수 간격의 감소를 초래하는 최대 하중 조건에서의 제 1 터빈 휠의 입구에서의 최대 온도(Tfire)의 초과

- (하기에서 NO_x로 약기한) 질소 산화물, 일산화탄소와 같은 오염물의 배출의 증가를 초래하는 연소실내에서의 보정된 공연비(F/A)를 달성하지 못하고, 연소실내에서의 위험한 압력 맥동 또는 연소실내에서의 점화 손실의 발생이 일어날 수 있다.

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발명의 요약

따라서, 본 발명의 목적은, 특히 오염물을 적게 배출함과 아울러 높은 기계 효율을 성취하게 하는 2축 가스 터빈용 보정 매개변수 제어 방법을 제안함으로써 전술한 문제점을 극복할 수 있는 Tfire 및 F/A를 제어하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 신뢰성 있고, 기계의 제어 패널상에서 용이하게 실시되는 단순한 관계에 의해 적용되는 2축 가스 터빈용 보정 매개변수 제어 방법을 제안하는 것이다.

본 발명의 이들 및 다른 목적은 청구범위 제 1 항에 개시된 바와 같이 2축 가스 터빈용 보정 매개변수 제어 방법을 제안함으로써 성취된다.

2축 가스 터빈용 보정 매개변수 제어 방법의 또 다른 특징은 종속항들로 특정된다.

본 발명에 따른 2축 가스 터빈용 보정 매개변수 제어 방법의 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여 예로서 비제한적으로 제공된 발명의 상세한 설명에 의해 보다 명확해 질 것이다.

도 1은 기계가 표준 조건, 즉 저압 휠의 속도가 100%이고, 압력 강하가 흡입 및 배기 파이프에서 영(0)이며, 상대 습도가 60%에서의 Tfire 또는 F/A의 한계값에 도달한 작동 조건에 관한 배기 온도(TX)와 압축비(PR) 사이의 상호 관계를 도시한 도면으로서, 가스 터빈용 최대 허용가능한 배기 온도를 도시한 도면,

도 2는 표준 작동 조건에서의 최대 배기 온도의 2가지 곡선을 도시한 도면으로서, 제 1 곡선(21)은 Tfire의 한계값으로의 도달에 기인한 최대 배기 온도의 곡선을 나타내고; 제 2 곡선(23)은 F/A의 한계값으로의 도달에 기인한 최대 배기 온도의 곡선을 나타내고 있음,

도 3은 Tfire의 한계값에 기인한 최대 배기 온도의 곡선이 저압 휠의 속도 변경에 의해 변경되는 방법을 도시한 도면,

도 4는 F/A의 한계값에 기인한 최대 배기 온도의 곡선이 저압 휠의 속도 변경에 의해 변경되는 방법을 도시한 도면,

도 5는 60%의 표준값에 대한 주위 습도의 변경에 기인한 최대 배기 온도의 변 상호 관계의 다이아그램,

도 6은 최대 배기 온도의 변경과 0㎜H₂O의 표준값에 대한 입구 파이프내의 압력 강하의 변경 사이의 상호 관계를 도시한 도면,

도 7은 최대 배기 온도의 변경과 0㎜H₂O의 표준값에 대한 배기 파이프내의 압력 강하의 변경 사이의 상호 관계를 도시한 도면,

도 8은 기계가 표준 조건, 즉 저압 휠의 속도가 100%이고, 압력 강하가 흡입 및 배기 파이프에서 영(0)이며, 상대 습도가 60%에서의 F/A의 공칭값에 도달한 작동 조건에 관한 배기 온도(TX)와 압축비(PR)와 (독립 매개변수로서 사용된) 주위 온도 사이의 상호 관계를 도시한 도면으로서, 본 곡선은 F/A의 공칭값을 성취하기 위한 소망된 배기 온도를 나타냄,

도 9는 주위 온도에 대해 치수화하지 않고서 도 8로부터 유도된 도면,

도 10은 저압 휠의 상이한 속도에 관한 (도 9에서와 같이) 한 조의 비치수화된 곡선을 도시한 도면,

도 11은 공칭 F/A를 성취하는데 필요한 배기 온도의 변경과 60%의 표준값에 대한 주위 습도의 변경 사이의 상호 관계를 도시한 도면,

도 12는 공칭 F/A를 성취하는데 필요한 배기 온도의 변경과 0㎜H₂O의 표준값에 대한 흡입 파이프내의 압력 강하의 변경 사이의 상호 관계를 도시한 도면,

도 13은 공칭 F/A를 성취하는데 필요한 배기 온도의 변경과 0㎜H₂O의 표준값에 대한 배기 파이프내의 압력 강하의 변경 사이의 상호 관계를 도시한 도면.

도면을 참조하여, 2축 가스 터빈용 보정 매개변수 제어 방법을 설명한다. 제어 시스템은 하기의 작용을 독립적으로 수행하는 것에 의한 2개의 피드백 제어 루프(feedback control loop)로 이루어진다.

1. 제 1 루프 : Tfire 및 F/A를 특정값으로 유지하기 위해 연료 밸브의 개방을 제한함으로써 기계를 보호

2. 제 2 루프 : 블리드 밸브의 개방을 제어함으로써 F/A를 제어

기계를 높은 값의 Tfire 또는 F/A로부터 보호하기 위한 제어 루프에 대한 설명을 개시하고자 한다.

최대 하중에서의 한계 작동 조건은 하기의 경우중 하나가 존재할 때 이루어진다.

- 최대 공연비(F/A)가 연소실내에 도달됨. 즉, 연소실내의 가스의 최대 온도 증대(Trise)가 있음.

- 최대 온도(Tfire)가 존재함.

이들 값은 평면(PR-TX)상의 곡선, 즉 축방향 압축기의 압축비(PR)의 함수로서 배기 온도(TX)를 나타내는 곡선의 형태로 나타낼 수 있는데, 이 곡선상의 조건에 도달할 때 곡선은 최대 허용가능한 배기 온도의 곡선을 나타내도록 연료의 흐름이 감소된다.

도 1은 압축비(PR)의 함수로서 흡입 및 배출구에서의 0㎜H₂O의 압력 강하 및 60%의 상대 습도를 갖는 100%의 하중 속도(즉, 하중이 인가되는 저압 축의 속도)에서의 랭킨(Rankine) 온도로 나타낸 최대 허용가능한 배기 온도(TX)의 곡선의 예를 다이아그램으로 도시하고 있다.

보다 명확하게는, 도 1의 다이아그램에서의 곡선은 3개의 지대(zone)를 갖는다.

낮은 압축비(PR)에 대해, 배기 파이프의 재료에 대한 한계로 기인한 최대 배기 온도(TX)의 수평방향 지대(11)가 있다. 압축비(PR)의 증가시에, 곡선은 최대값(Tfire)에 기인한 한계값이 적용가능한 지대(13)로 내려간다.

곡선은 최대값(Trise)의 한계값이 결정 요인인 지대(15)로 연속되고, 온도(TX)는 압축비(PR)가 증대될 때 더욱 감소된다.

도 2는 압축비(PR)의 함수로서 최대 허용가능한 배기 온도(TX)의 2개의 곡선을 도시하고 있다.

보다 명확하게는, 최대 온도(Tfire)에 관한 곡선(21)과, 최대값(Trise)에 관한 곡선(23)이 있다. 2개의 곡선(21, 23)은 음(-)의 경사로 제 1 근사값에 대해 직선인 경향을 가지며, 특히 2개의 곡선은 25에서 교차한다.

실제 온도(TX)에 대한 제어 곡선은, 각각의 압축비(PR)에 대해 곡선(21, 23)으로부터 최대 온도(TX)를 선택함으로써 결정된다.

이에 따라, 낮은 압축비(PR)에서, 최대값(Tfire)이 결정 요인인 한편, 최대값(Trise)의 한계값은 교차점(25)으로부터 앞쪽으로 결정된다.

최대값(Tfire)에 관한 곡선(21)은, 과열에 기인한 온도에 의해 야기된 손상으로부터 기계를 보호하고, 항상 활동적이다.

한편, 곡선(23)은 최대 허용가능한 공연비(F/A) 및 이에 따른 최대값(Trise)에 따라 다르고, 연소 시스템의 특정 요구조건을 만족하도록 변경될 수 있다.

따라서, 2개의 상이한 기준점 또는 설정점이 연료 제어 루프의 TX 제어기를 위해 확립될 수 있도록, 2개의 별개 다이아그램에서 추가적으로 이용가능한 2개의 곡선(21, 23)을 갖는 것이 유용하다. 최소의 분리 장치(selector)는 압축비(PR)로 곡선(21, 23)에 도입함으로써 얻은 TX값으로부터 최소값을 선택함으로써 배기 온도(TX)의 적절한 설정점을 선택할 것이다.

결국, 저압 축에 대한 각각의 주위 조건 및 각각의 하중 특성은 특정 온도 제어 곡선을 필요로 한다.

상이한 상황을 고려하기 위해서, 2축 가스 터빈용 보정 매개변수 제어 방법은, 가스 터빈이 이상적인 구성에 항상 있음을 보장하도록 하기의 공식에 따라 실시된다.

[수학식 1]

TX = TXbase + DeltaTX_DPin + DeltaTX_DPout + DeltaTX_Hum + DeltaTX_PCNLP

명확하게는, 선형 근사(linear approximation)가 제공되는데,

- TXbase는 저압 축의 100%의 회전 속도, 배출 및 흡입 파이프내의 0㎜H₂O의 압력 강하 및 60%의 상대 습도 기준 온도에서 얻은 최대 배기 온도로서, 이는 도 2의 곡선(21, 23)으로부터의 동일한 PR에 대해 얻은 TX의 최소값과 동일하다.

- DeltaTX_DPin은 0㎜H₂O의 공칭값에 대한 흡입 파이프내의 압력 강하의 변경에 기인한 온도(TX)의 보정값이다(도 6 참조).

- DeltaTX_DPout는 0㎜H₂O의 공칭값에 대한 배기 파이프내의 압력 강하의 변경에 기인한 온도(TX)의 보정값이다(도 7 참조).

- DeltaTX_Hum은 60%의 공칭값에 대한 공기의 상대 습도의 변경에 기인한 온도(TX)의 보정값이다(도 5 참조).

- DeltaTX_PCNLP는 100%의 공칭값에 대한 저압 축의 속도의 변경에 기인한 온도(TX)의 보정값이며, 이 매개변수는 도 3 및 도 4의 곡선으로부터 동일한 PR에 대해 얻은 TX의 최소값과 TXbase 사이의 차로 알려져 있다.

따라서, 상기 수학식 1에서, 배기 온도(TX)는 DeltaTX_DPin, DeltaTX_DPout, DeltaTX_Hum 및 DeltaTX_PCNLP라는 4가지 보정값을 가산한 기준 온도(TXbase)로부터 유도된다.

각각의 보정항은 기준 매개변수와 상이한 단일 주위 또는 작동 매개변수에 관한 것이고, 가스 터빈의 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 연산된다. 이 시뮬레이션은 기준 조건으로부터 상이한 각각의 조건에 대해 최대 허용가능한 온도(Tfire 또는 Trise)에 도달하도록 설정함으로써 이루어진다.

상기 시뮬레이션으로 얻은 배기 온도(TX)는 기준 온도(TXbase)와 비교되어서, 보정항들은 그 차이로서 적절하게 그 값을 구할 수 있다.

2개의 제어 곡선(21, 23)이 규정되어 있기 때문에, 2가지 온도(TXbase)가 제공되고, 각각의 보정항은 양자에 추가되어야 한다.

지금부터, DeltaTX_PCNLP, 즉 (하중이 인가된) 저압 터빈의 속도와 기준 속도 사이의 차에 기인한 배기 온도 보정항의 값을 구하는 방법을 설명할 것이다.

저압 터빈의 속도는 배기 온도(TX)의 보정을 위한 매우 중요한 매개변수인데, 그 이유는 저압 터빈의 효율 및 그에 따른 Tfire에도 직접적으로 작용하기 때문이다.

이것의 중요성을 고려할 수 있도록, 최대 배기 온도 곡선은 고려되는 각각의 속도에 대해 얻을 수 있다.

그 다음, 현재의 배기 온도(TX)의 값을 구하는 수학식 2는 상술한 것과 다소 차이가 있는데, 즉

[수학식 2]

TX = TXbase(PCNLP) + DeltaTX_DPin + DeltaTX_DPout + DeltaTX_Hum

여기서, TXbase(PCNLP)는 저압 터빈의 특정 속도에 대해 얻은 기준 온도이다.

명확하게는, TXbase(PCNLP)의 2가지 값이 있는데, 이것은 최대 온도(Tfire)를 위한 곡선(21)과 최대 허용가능한 온도(Trise)를 위한 곡선(23)이 있기 때문이다. 이에 따라, 하기의 수학식 3은 압축비(PR)에 따른 기준 곡선의 추가적인 허용값으로 요구된다.

[수학식 3]

TX_maxTfire = TXbase_maxTfire(PCNLP, PR) + DeltaTX_DPin + DeltaTX_DPout + DeltaTX_Hum

[수학식 4]

TX_maxTrise = TXbase_maxTrise(PCNLP, PR) + DeltaTX_DPin + DeltaTX_DPout + DeltaTX_Hum

양자의 온도 곡선(TXbase_maxTfire, TXbase_maxTrise)은 2개의 독립 변수, 즉 압축비(PR) 및 저압 터빈 속도(PCNLP)가 있기 때문에, 2차원 표의 형태로 제공될 수도 있다.

도 3은 최대값(Tfire)을 이루게 하는 압축비(PR)의 함수로서 랭킨 온도로 나타낸 최대 온도(TX)의 다이아그램을 도시하고 있다. 이것은 속도(PCNLP)의 특정값 각각을 위한 한 조의 곡선(27)을 도시하고 있다. 보다 명확하게는, 이 속도가 증대될 때, 곡선(27)은 대체로 음(-)값으로 증대되는 경사를 가지고, 압축비(PR)의 상승으로 감소되는 형태를 항상 갖는다.

도 4는 최대값(Trise)을 이루게 하는 압축비(PR)의 함수로서 랭킨 온도로 나타낸 최대 온도(TX)의 다이아그램을 도시하고 있다. 이것은 속도(PCNLP)의 특정값각각을 위한 한 조의 곡선(29)을 도시하고 있다. 보다 명확하게는, 이 속도가 증대될 때, 곡선(29)은 대체로 음(-)값으로 증대되는 경사를 가지고, 압축비(PR)의 상승으로 감소되는 형태를 항상 갖는다.

지금부터, 항 DeltaTX_Hum, 즉 주위 습도를 허용하는 온도(TX)의 보정에 대한 값을 구하는 방법을 설명할 것이다.

사실, 대기 습도에 특성을 부여하는 중요한 매개변수는, 온도 및 대기압에 따라 다른 상대 습도(RH)가 아니라, 대기의 절대 함수율(absolute water content)인 비습도(specific humidity)(SH)이다.

부가적으로, 본 실시예에 따르면, 최대 배기 온도(TX)의 곡선은 60%의 일정 상대 습도를 가정함으로써 얻는다.

이들 2가지 이유에 대해, 공기의 수분 함유량(moisture content)을 나타내기 위한 가장 편리한 매개변수는, 실제 비습도와 수학식 5에 따른 (동일한 온도 및 대기압의 조건에서의) 60%의 상대 습도에서의 비습도 사이의 차로 규정되는 차(DeltaSH)로 나타난다.

[수학식 5]

DeltaSH = SH_current - SH_60%RH

DeltaTX_Hum이 DeltaSH의 함수로서 다이아그램상에 도시되는 경우, 선형의 상호 관계가 이들 2가지 변수 사이에서 나타난다.

따라서, 본 발명에 따른 2축 가스 터빈용 보정 매개변수 제어 방법에서의 대기 습도에 기인한 보정을 실시하기 위해서, 2가지 상호 관계를 이용할 필요가 있는데, 즉

- 도 5에 도시한 DeltaSH의 함수로서의 DeltaTX_Hum

- 온도를 랭킨으로 나타낸 하기의 값으로 보간(interpolation)함으로써 얻을 수 있는 대기 온도의 함수로서의 SH_60%RH:

SH_60%RH (T=419.67) = 0.000070

SH_60%RH (T=428.67) = 0.000116

SH_60%RH (T=437.67) = 0.000188

SH_60%RH (T=446.67) = 0.000299

SH_60%RH (T=455.67) = 0.000464

SH_60%RH (T=464.67) = 0.000707

SH_60%RH (T=473.67) = 0.001059

SH_60%RH (T=482.67) = 0.001560

SH_60%RH (T=491.67) = 0.002263

SH_60%RH (T=500.67) = 0.003324

SH_60%RH (T=509.67) = 0.004657

SH_60%RH (T=518.67) = 0.006367

SH_60%RH (T=527.67) = 0.008670

SH_60%RH (T=536.67) = 0.011790

SH_60%RH (T=545.67) = 0.015966

SH_60%RH (T=544.67) = 0.021456

SH_60%RH (T=563.67) = 0.028552

SH_60%RH (T=527.67) = 0.037585

SH_60%RH (T=581.67) = 0.048949이다.

도 5는 직선(31)으로 나타낸, 랭킨 온도로 나타낸 DeltaTX_Hum과 DeltaSH 사이의 선형 근사를 도시하고 있다.

지금부터, 매개변수 DeltaTX_DPin, 즉 흡입 파이프내의 압력 강하에 기인한 온도의 보정을 설명할 것이다.

0의 값, 즉 압력 강하가 없는 것이 흡입 파이프내의 압력 강하를 위한 기준값으로서 선택되어 있기 때문에, 보정값 DeltaTX_DPin은 측정된 압력 강하 DPin의 함수로서 직접 나타낼 수 있다.

영(0)이 아닌 압력 강하로 최대값(Tfire) 또는 최대값(Trise)에 도달하기 위한 다양한 시뮬레이션을 수행함으로써, DPin과 DeltaTX_DPin 사이의 상호 관계가 있었음이 알려졌다. 이 상호 관계는 제 1 근사에 선형이며, 도 6에 도시되어 있다.

보다 명확하게는, 도 6은 랭킨으로 나타낸 DeltaTX_DPin과 ㎜H₂O로 나타낸 DPin 사이의 선형 근사를 직선(33)으로 도시하고 있다.

지금부터, 매개변수 DeltaTX_DPout, 즉 배기 파이프내의 압력 강하에 기인한 온도의 보정을 설명할 것이다.

0의 값, 즉 압력 강하가 없는 것이 흡입 파이프내의 압력 강하를 위한 기준값으로서 선택되어 있기 때문에, 보정값 DeltaTX_DPout은 측정된 압력 강하 DPout의 함수로서 직접 나타낼 수 있다.

영(0)이 아닌 압력 강하로 최대값(Tfire) 또는 최대값(Trise)에 도달하기 위한 다양한 시뮬레이션을 수행함으로써, DPout과 DeltaTX_DPout 사이의 상호 관계가 있었음이 알려졌다. 이 상호 관계는 제 1 근사에 선형이며, 도 7에 도시되어 있다.

보다 명확하게는, 도 7은 랭킨으로 나타낸 DeltaTX_DPout과 ㎜H₂O로 나타낸 DPin 사이의 선형 근사를 직선(35)으로 도시하고 있다.

제 2 루프 : 부분 하중으로 블리드 밸브의 개방을 제어함으로써 F/A(및 이에 따른 Trise)를 제어하기 위한 제어 루프를 설명할 것이다. 이 밸브는 대기와 축방향 압축기의 출구 사이에 위치되어 있다. 제어 루프 제어기의 설정점은 기계의 모든 작동 조건에 대해 얻은 한 조의 TX-PR 맵(map)으로부터 얻어진다.

각각의 주위 조건에 대해, 공칭 F/A(또는 공칭 Trise)를 달성하기 위한 배기 온도(TX)에 대한 무한 개수의 곡선이 있는데, 특히 다른 조건이 일정하다면, 대기 온도의 각 값에 대한 제어 곡선을 규정하는 것이 가능하다.

도 8은 압축비(PR)의 함수로서 저압 축의 소정 속도로 부분 하중에 대한 최대 온도(TX)(랭킨 온도로 표시)의 다이아그램을 도시하고 있다. 이것은 각각의 대기 온도의 소정값에 대한 한 조의 곡선(37)을 도시하고 있다. 보다 명확하게는, 이 온도가 상승할 때, 곡선(37)은 대체로 보다 높은 값을 취하는 한편, 압축비(PR)가 증대될 때 감소되는 형태를 항상 갖는다.

본 발명에 따르면, 모든 전술한 곡선(37)이 대기 온도에 따라 달라지지 않도록 도 9에 도시된 단일 곡선(39)까지 감소되는 보정 매개변수 방법이 사용되고 있다.

곡선(39)은 하기의 수학적 변환에 의해 얻는다.

[수학식 6]

TTX = TX·(518.67/TCD)^x

여기서,

- TX는 실제 배기 온도,

- 518,67은 이 경우에 랭킨 온도로 표시되는 기준 온도,

- TCD는 상수와 양립하는 측정 단위, 이 경우에서 랭킨 온도로 나타낸 압축기의 배기 온도,

- X는 이 방식으로 연산된 TTX의 값과 보간 곡선(39) 사이의 평균 2차 편차를 최소화하는 방식으로 연산된 무차의 지수(nondimensional exponent),

- TTX는 이후 하강된 온도로 언급되는 전술한 관계에 의해 변환된 배기 온도이다.

PR의 실제값을 알게 되고, 상기 변환을 반대로 적용한 후, 곡선(39)은 F/A(및 이에 따른 Trise)를 위한 제어 루프의 TX 제어기용 설정점을 산출한다.

곡선(39)을 이용하면, 도 8의 모든 곡선(37)을 설명하기 위해 요구된 복수 개의 점들에 들어가는 것이 불필요하다.

대기 온도에 대한 의존성이 없어지더라도, 부분 하중의 온도(TX)의 곡선은 하기의 조건에 따라 다르다.

- 흡입 파이프내의 압력 강하

- 배기 파이프내의 압력 강하

- 대기 습도

- (예컨대, 하중과 속도 사이의 상호 관계에 의한) 하중 상호 관계

최대 배기 온도 곡선에 관해 상술한 바와 유사한 방식에 있어서, 가스 터빈용 보정 매개변수 제어 방법은 부분 하중 제어 곡선의 경우에 대한 설계 조건과 상이한 작동 조건을 고려할 수 있게 한다.

이것은 수학식 7로 나타낸다.

[수학식 7]

TX = TXbase + DeltaTX_DPin + DeltaTX_DPout + DeltaTX_RH + DeltaTX_PCNLP

여기서, TXbase는 사전 제공된 수학식을 역으로 함으로써 얻어지며, 이에 따라

[수학식 8]

TXbase = TTX / ((518.67/TCD)^X)이다.

상기 수학식 8의 각 항은 전술한 매개변수를 고려하는 기준 온도 곡선에서의 보정을 나타낸다.

각 보정항은 가스 터빈의 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 연산된다. 이 시뮬레이션은, 기준 조건과 상이한 각각의 조건 및 상이한 부분 하중에 대해, 소정의 F/A의 달성(및 이에 따른 소정의 Trise의 달성)을 특정함으로써 수행된다.

이전 시뮬레이션에 의해 얻은 배기 온도는, 차이로서 적절한 방식으로 보정항의 값을 구하기 위해서 기준 온도(TXbase)와 비교된다.

지금부터, 항 DeltaTX_PCNLP, 즉 하중이 인가된 저압 터빈의 속도에 기인한 배기 온도의 보정에 대한 값을 구하는 방법을 설명할 것이다.

전술한 바와 같이, 저압 터빈 속도는 배기 온도(TX)의 보정값을 위한 가장 중요한 매개변수인데, 그 이유는 저압 터빈의 효율 및 이에 따른 Tfire에 대해 직접 작용하기 때문이다.

이 중요성을 고려하기 위해서, 부분 하중 배기 온도 곡선이 고려되는 각각의 속도에 대해 얻을 수 있다.

따라서, 현재의 배기 온도(TX)에 대한 값을 구하기 위한 수학식 8은 상기 얻어진 것과 다소 차이가 있다.

[수학식 9]

TX = TXbase(PCNLP) + DeltaTX_DPin + DeltaTX_DPout + DeltaTX_RH

도 10은 압축비(PR)의 함수로서 랭킨 온도로 나타낸 감소된 온도(TTX)의 다이아그램을 도시하고 있다. 이것은 한 조의 곡선(41)을 도시하고 있으며, 하나는 속도(PCNLP)의 소정값을 위한 것이다. 매개변수 TXbase의 참값(true value)을 알기 위해서, 지수 X의 값을 알아야 하는데, 이 지수는 저압 휠의 속도의 함수이고, 2축 터빈을 위한 전형적인 값은 예로서 아래에 제공되어 있다.

PCNLP = 105%이면, X = 0.323

PCNLP = 100%이면, X = 0.33225

PCNLP = 90%이면, X = 0.34

PCNLP = 80%이면, X = 0.34425

PCNLP = 70%이면, X = 0.351

PCNLP = 60%이면, X = 0.348

PCNLP = 50%이면, X = 0.3505

지금부터, DeltaTX_RH, 즉 주위 습도에 기인한 온도의 보정값에 대한 값을 구하는 방법을 설명할 것이다.

주위 습도의 기준값은 60%이다. 공기중 수분 함유량(비습도)의 현재값은 일정한 것이 아니라, 대기 온도에 따라 다르다.

상이한 조건에서의 습도의 영향을 평가하기 위해서, 본 발명에서 하기의 것이 고려되었다.

- 3가지 주위 온도(매우 추운 날, ISO 표준 조건, 매우 더운 날)

- 3가지 레벨의 상대 습도(0%, 60%, 100%)

- 입방 법칙(cubic law)에 따른 하중 특성

이에 따라, 기준 레벨을 성취하기 위해서, F/A의 소정값 및 이에 따른 Trise의 달성을 특정하도록 9가지 시뮬레이션이 수행되었다. 그 다음, TX의 현재값은 PR의 함수로서 다이아그램으로 도시되었다.

전술한 다이아그램과 기본 곡선 사이의 차는 DeltaTX_RH를 산출하며, 이는 수학식 10으로 나타낸다.

[수학식 10]

DeltaTX_RH = TX - TXbase

랭킹 온도로 나타낸 DeltaTX_RH의 값은 DeltaSH의 함수로서 도 11에 도시되어 있으며, DeltaSH는 비습도의 현재값(SH-current)과 기준값인 RH = 60%, SH_60%RH에서의 비습도 사이의 차로서 규정된다. 이것은 수학식 11로 나타낸다.

[수학식 11]

DeltaSH = SH_current - SH_60%RH

도 11은 DeltaSH의 증가로 상승하는 2개의 직선(43, 45)을 도시하고 있으며, DeltaSH가 0 미만일 경우의 직선(43)은 DeltaSH가 0을 초과할 때의 직선(45)보다 더 큰 경사를 갖고, 2개의 직선(43, 45)은 축의 원점 근방의 점을 통과한다. 예를 들면, 직선(43)상의 점(44)은 RH = 0%를 갖는 50℃의 주위 온도에서의 다양한 부분 하중을 나타내고, 직선(45)상의 점(46)은 RH = 100%를 갖는 50℃의 주위 온도에서의 다양한 부분 하중을 나타낸다.

보다 명확하게는, 도 11은,

- 소정 DeltaSH에 대해, DeltaTX_RH는 하중 및 이에 따른 압축비(PR)에서도 실제로 독립적이다(3℉의 최대 편차는 0%의 RH를 갖는 50℃에서 관찰됨).

- DeltaTX_TH는 직선(43, 45)의 2개의 부분에 의해 도시된 바와 같이 DeltaSH에 선형으로 비례한다. SH_60%RH와 주위 온도 사이의 관계는 이미 설명되었다.

지금부터, 매개변수 DeltaTX_DPin, 즉 흡입 파이프내의 압력 강하에 기인한 배기 온도의 보정을 설명할 것이다.

0의 값, 즉 압력 강하가 없는 것이 흡입 파이프내의 압력 강하를 위한 기준으로서 선택되었기 때문에, 측정된 압력 강하 DPin의 함수로서 직접 나타낼 수 있다.

상이한 조건에서의 흡입 파이프내의 압력 강하의 효과를 연산하기 위해서, 본 발명에서 하기의 것이 고려되었다.

- 흡입 파이프내의 3가지 압력 강하(0, 100 및 200㎜H₂O)

- 입방 법칙에 따른 하중 특성

고려되는 압력 강하는 부분 하중에서 적절하게 감소되었다.

전술한 다이아그램과 기본 곡선 사이의 차는 DeltaTX_DPin을 산출하며, 이는 수학식 12로 나타낸다.

[수학식 12]

DeltaTX_DPin = TX - TXbase

랭킨 온도로 나타낸 DeltaTX_DPin의 값은 DPin의 함수로서 도 12에 도시되어 있다.

도 12는 DPin의 증가로 상승하는 ㎜H₂O로 나타낸 직선(47)을 도시하고 있다.

보다 명확하게는, 도 12는,

- 소정 DeltaDPin에 대해, DeltaTX_DPin은 하중 및 이에 따른 압축비(PR)에서도 실제로 독립적이다(2℉의 최대 편차가 관찰됨).

- DeltaTX_DPin은 DPin에 선형으로 비례한다.

지금부터, 매개변수 DeltaTX_DPout, 즉 배기 파이프내의 압력 강하에 기인한 배기 온도의 보정을 설명할 것이다.

0의 값, 즉 압력 강하가 없는 것이 배기 파이프내의 압력 강하를 위한 기준으로서 선택되었기 때문에, 측정된 압력 강하 DPout의 함수로서 직접 나타낼 수 있다.

상이한 조건에서의 배기 파이프내의 압력 강하의 효과를 연산하기 위해서, 본 발명에서 하기의 것이 고려되었다.

- 배기 파이프내의 3가지 압력 강하(0, 100 및 200㎜H₂O)

- 입방 법칙에 따른 하중 특성

고려되는 압력 강하는 부분 하중에서 적절하게 감소되었다.

전술한 다이아그램과 기본 곡선 사이의 차는 DeltaTX_DPout을 산출하며, 이는 수학식 13으로 나타낸다.

[수학식 13]

DeltaTX_DPout = TX - TXbase

랭킨 온도로 나타낸 DeltaTX_DPout의 값은 DPout의 함수로서 도 13에 도시되어 있다.

도 13은 DPout의 증가로 상승하는 ㎜H₂O로 나타낸 직선(49)을 도시하고 있다.

결과적으로, 상기 설명의 견지에서, 본 발명에 따른 2축 가스 터빈용 보정 매개변수 제어 방법에 따르면, 최대 배기 온도(TX)를 연산하기 위한 상호 관계는,

[수학식 14]

TX = TTXbase(PCNLP, PR) / ((518.67/TCD)^X(PCNLP)) +

DeltaTX_RH (DeltaSH) +

DeltaTX_DPin (DPin) +

DeltaTX_DPout (DPout)이다.

본 발명에 따른 방법은 건조 질소 산화물(NOx) 환원 시스템(소위, 건조 저 NOx 또는 DLN 시스템)을 갖는 2축 가스 터빈에 유리하게 적용될 수 있다.

본 발명에 따른 2축 가스 터빈용 보정 매개변수 제어 방법의 특징 및 이점은 상기 설명에 의해 명확하게 이루어져 있다.

특히, DLN 2축 터빈의 제어용으로의 보정 매개변수는, 기존의 제어 패널내에 용이하게 실시될 수 있는 단순한 관계에 의해 교란 요인에 기인한 효과를 보정 및 제거가능하다.

마지막으로, 이러한 방식으로 고안된 2축 가스 터빈용 보정 매개변수 제어 방법은 본 발명으로부터 벗어남이 없이 여러 가지 방식으로 수정 및 변경될 수 있고, 또한 모든 구성요소는 동일 요소 또는 매개변수로 대체될 수 있다.

따라서, 본 발명의 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해 한정된다.

Claims

2축 가스 터빈용 보정 매개변수 제어 방법으로서,

상기 터빈의 제 1 휠의 입구에서의 가스의 온도(Tfire) 및 공연비(F/A)를 특정 한계값내에 유지하도록 연료 밸브의 개방을 제어하는 제 1 제어 루프에 의해 상기 터빈이 보호되며,

설정점 배기 온도(TX)가 기준 매개변수와는 상이한 단일 주위 또는 작동 매개변수에 관한 보정값을 가산한 기준 온도(TXbase)의 합계로서 연산되는 방식으로 제어되는, 2축 가스 터빈용 보정 매개변수 제어 방법에 있어서,

4가지의 보정값이 있으며, 상기 배기 온도(TX)는,

수학식 TX = TXbase + DeltaTX_DPin + DeltaTX_DPout + DeltaTX_Hum + DeltaTX_PCNLP으로 나타내며, 여기서

DeltaTX_DPin은 0㎜H₂O의 공칭값에 대한 흡입 파이프내의 압력 강하의 변경에 기인한 온도(TX)의 보정값이고,

DeltaTX_DPout는 0㎜H₂O의 공칭값에 대한 배기 파이프내의 압력 강하의 변경에 기인한 온도(TX)의 보정값이고,

DeltaTX_Hum은 60%의 공칭값에 대한 공기의 상대 습도의 변경에 기인한 온도(TX)의 보정값이며,

DeltaTX_PCNLP는 100%의 공칭값에 대한 저압 축의 속도의 변경에 기인한 온도(TX)의 보정값인 것을 특징으로 하는

2축 가스 터빈용 보정 매개변수 제어 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 보정값은 상기 가스 터빈의 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 연산되며, 상기 시뮬레이션은 기준 조건과 상이한 각각의 조건에 대해, 상기 온도(Tfire)의 도달 최대값 또는 상기 공연비(F/A)의 도달 최대값을 지정하는 것에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는

2축 가스 터빈용 보정 매개변수 제어 방법.
제 2 항에 있어서,

상기 시뮬레이션으로 얻은 상기 배기 온도(TX)는, 상기 보정값을 그 차이로서 구하기 위해서, 기준 온도(TXbase)와 비교되는 것을 특징으로 하는

2축 가스 터빈용 보정 매개변수 제어 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 저압 터빈의 각각 고려된 속도에 대해 최대 배기 온도 곡선이 형성되는 것을 특징으로 하는

2축 가스 터빈용 보정 매개변수 제어 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 보정값 DeltaTX_Hum은 비습도(SH)에 따라 다르고, 실제 비습도와 수학식 DeltaSH = SH_current - SH_60%RH에 따른 (동일한 온도 및 대기압의 조건에서의) 60%의 상대 습도에서의 비습도(SH_60%RH) 사이의 차로 규정되는 차(DeltaSH)의 함수로 나타내는 것을 특징으로 하는

2축 가스 터빈용 보정 매개변수 제어 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 보정값 DeltaTX_DPin은 측정된 압력 강하 DPin의 함수로서 직접 나타내는 것을 특징으로 하는

2축 가스 터빈용 보정 매개변수 제어 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 보정값 DeltaTX_DPout는 측정된 압력 강하 DPout의 함수로 직접 나타내는 것을 특징으로 하는

2축 가스 터빈용 보정 매개변수 제어 방법.
2축 가스 터빈용 보정 매개변수 제어 방법에 있어서,

부분 하중에서의 상기 터빈의 제어는 연소실내의 가스의 온도 상승값(Trise)[및 이에 따른 공연비(F/A)]을 특정 한계값내에 유지하도록 벤트 밸브의 개방을 제어하는 제 2 제어 루프에 의해 제공되며,

상기 제어는 상기 가스 터빈의 각각의 작동 조건에 대해 얻어진 압축비(PR)의 함수로서 배기 온도(TX)의 맵(map) 세트에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는

2축 가스 터빈용 보정 매개변수 제어 방법.
제 8 항에 있어서,

제어 곡선은 대기 온도의 각각의 값에 대해 규정되는 것을 특징으로 하는

2축 가스 터빈용 보정 매개변수 제어 방법.
제 1 항 또는 제 8 항에 있어서,

상기 2축 가스 터빈은 건조 질소 산화물(NOx) 환원 시스템을 구비하는 것을 특징으로 하는

2축 가스 터빈용 보정 매개변수 제어 방법.
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