KR101343734B1

KR101343734B1 - 가스 터빈 엔진의 제어 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR101343734B1
Application number: KR1020070080652A
Authority: KR
Inventors: 마지드 페이즈
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2006-08-15
Filing date: 2007-08-10
Publication date: 2013-12-19
Also published as: US20080041063A1; KR20080015730A; CN101126352A; US20100018183A1; JP2008045552A; CN101126352B; US7644574B2; CH701480B1; US8056317B2

Abstract

본원에서는 제어 시스템(10)이 제공된다. 제어 시스템(10)은 가스 터빈(14)에 대한 연료 공급 압력을 조절하기에 적합한 부품 모델(116)과, 상기 가스 터빈에 공급되는 연료의 압력을 검지하기에 적합한 압력 센서(108)와, 적분 상태 피드백을 포함하고, 연료 압력의 변화에 대한 상기 제어 시스템(10)의 응답 시간이 용이하게 감소되도록 정의 피드백 참조 신호(positive feedback reference signal)를 상기 부품 모델에 제공하기에 적합한 피드백 모듈(117)을 포함한다.

Description

가스 터빈 엔진의 제어 방법 및 시스템{METHODS AND SYSTEMS FOR GAS TURBINE ENGINE CONTROL}

본 발명은 일반적으로 가스 터빈에 관한 것으로, 특히 가스 터빈용 연료 제어 시스템에 관한 것이다.

공지된 적어도 일부의 산업용 가스 터빈 연료 제어 시스템은 적절한 작동을 위한 일련의 평행 가스 제어 밸브의 상류부에 고정 연료 압력에 의존한다. 이러한 이유로, 압력 제어 밸브는 상기 일련의 평행 가스 제어 밸브의 직 상류부에 적용되어 이러한 압력을 제어하게 된다.

압력 제어 밸브 응답에 대한 개선은 가스 터빈 연료 시스템 압력 제어에 바람직하다. 늦은 응답 및 낮은 대역폭은 제어된 매개변수를 갖는 제어 시스템의 열악한 트랙킹 작용(tracking action)을 야기할 수도 있다. 보다 짧은 응답의 라이즈 타임(rise time) 및 보다 높은 주파수 명령 참조 신호에 대한 보다 우수한 트랙킹 작용을 포함하는 개선된 연료 제어 시스템 동적 응답을 제공하는 알고리즘은 전체 터빈 시스템 작동을 개선하게 된다.

일 실시예에서, 제어 시스템은 가스 터빈용 연료 공급 압력을 조절하기 위한 부품 모델과, 가스 터빈에 공급되는 연료의 압력을 검지하기 위한 압력 센서와, 적분 상태 피드백(integral plus state feedback)을 포함하는 피드백 모듈로서, 연료 압력의 변화에 대한 가스 터빈 연료 제어 시스템의 응답 시간이 용이하게 감소되도록 상기 부품 모델에 정의 피드백 참조 신호(positive feedback reference signal)를 제공하는, 상기 피드백 모듈을 포함한다.

또 다른 실시예에서, 가스 터빈 연료 제어 시스템 내의 연료 제어 밸브의 동적 응답을 제어하기 위한 방법은 부품 모델을 사용하여 가스 터빈용 연료 공급 압력을 조절하는 단계와, 가스 터빈으로의 연료 공급 압력을 검지하는 단계와, 연료 공급 압력에 있어서의 변화에 대한 연료 제어 밸브의 응답 시간의 감소 및 연료 제어 밸브 응답의 대역폭의 증가 중 적어도 어느 하나를 용이하게 하기 위해 상기 부품 모델에 적분 상태 피드백을 적용하는 단계를 포함한다.

또 하나의 다른 실시예에서, 가스 터빈 엔진 조립체는 연료 공급 시스템으로부터 연료 공급 제어 밸브를 통해 연료의 유동을 수용하는 연소기와, 상기 연료 공급 제어 밸브의 동적 응답을 용이하게 제어하기 위한 제어 시스템을 포함하며, 상기 제어 시스템은 부품 모델을 사용하여 연소기로의 연료 공급 압력을 조절하고, 연소기로의 연료 공급의 압력 신호를 수신하며, 부품 모델에 적분 상태 피드백을 적용하여 연소기에 대한 연료 공급 압력의 변화에 대한 연료 제어 밸브 응답 시간을 용이하게 감소시키는 프로세서를 포함한다.

도 1은 가스 터빈 엔진(14)을 포함하는 발전 설비(12)에 대한 예시적인 제어 시스템(10)의 개략도이다. 일 실시예에서, 가스 터빈 엔진(14)은 복합 사이클 구성의 단일축(20)을 통해 증기 터빈(16) 및 발전기(18)에 결합된다. 본 발명의 다양한 다른 실시예에서, 가스 터빈 엔진(14)은 단순 사이클 가스 터빈 엔진 구성 내의 발전기에 결합된다. 또한, 다른 원동기를 구비한 가스 터빈 엔진의 추가적인 구성이 본 발명의 다양한 실시예와 관련하여 고려된다.

예시적인 실시예에 있어서, 가스 터빈 엔진(14)은 가스 터빈 및 연료 제어 서브시스템(22)을 통해 제어 시스템(10)에 의해 제어된다. 증기 터빈(16), 열 회수 증기 발생기(24) 및 플랜트 보조장비(balance of plant equipment; 26)와 같은 다른 장비는 발전 설비(12) 내의 각각의 제어 서브시스템을 통해 제어 시스템(10)에 의해 제어된다. 서브시스템 각각은, 상기 장비에 결합되고 상기 장비의 작동 매개변수의 함수인 신호를 제공하는 센서 및 제어 부재(도시되지 않음)와 연통된다. 각각의 유닛용 서브시스템은 서로 연통하고, 또한 단일, 이중 리던던트 또는 삼중 리던던트 버스 시스템(redundant bus system)일 수도 있는 유닛 데이터 버스(30)를 통해 플랜트 제어 시스템(28)과 연통한다. 플랜트 제어 시스템(28)은 엔지니어링 워크스테이션(engineering workstation; 32), 적어도 하나의 작동자 워크스테이션(34), 및 유닛 데이터 버스(30)를 통해 결합된 각각의 서브시스템으로부터 그곳에 전송되는 데이터를 수신 및 저장하는 데이터 히스토리언 및 프린터와 같은 그 외 다른 디스플레이 및 인간-기계 인터페이스와 연통한다.

서브시스템은 예를 들어, 발전기 여기 및 보호 서브시스템(38)과, 고정식 시동기 서브시스템(40)과, 증기 터빈 및 바이패스 제어 서브시스템(42)과, 열 회수 증기 발생기(HRSG) 및 증기 사이클 기계적 보조 서브시스템(44)과, 유닛 보조 제어 서브시스템(46)을 포함한다.

도 2는 가스 터빈 엔진(14; 도 1에 도시됨)과 함께 사용될 수 있는 제어 시스템(10)의 가스 터빈 엔진 연료 제어부의 개략도이다. 일 실시예에서, 가스 터빈 엔진은 각각 연료 제어 밸브(104)를 포함하는 하나 이상의 연료 분배 라인(102)으로부터 연료의 공급을 수용한다. 연료 분배 라인(102)은 연료 제어 밸브(104)로부터 상류부에 위치되는 압력 제어 밸브(106)로부터 연료의 유동을 수용한다. 연료 공급 압력 센서(108)는 압력 제어 밸브(106)로부터 상류측의 연료 공급부와 유체 연통으로 결합되며, 인터밸브 압력 센서(110)는 압력 제어 밸브(106)로부터 하류측의 연료 공급부와 유체 연통으로 결합된다.

연료 공급 압력 센서(108)는 압력 제어 밸브(106)로부터 상류측의 연료 공급 압력의 함수인 신호(P1)를 발생시키며, 인터밸브 압력 센서(110)는 압력 제어 밸브(106)로부터 하류측의 연료 제어 압력의 함수인 인터밸브 압력 신호(P2)를 발생시킨다. 압력 제어 밸브(106)의 위치는 압력 제어 밸브(106)에 결합된 액추에이터(112)에 의해 제어된다. 액추에이터(112)는 가스 터빈 엔진 연료 제어 서브시스템(114)의 출력(y)으로부터 제어된다.

가스 터빈 엔진 연료 제어 서브시스템(114)은, 밸브, 배관, 및 제어 시스템(10)과 적분 상태 피드백 모듈(117)에 영향을 미치는 매개변수를 처리하기 위한 센서를 포함하는 연료 공급 구성요소의 응답을 나타내는 부품 모델(116)을 포함한다. 적분 상태 피드백 모듈(117)의 내측 루프는 피드백 매개변수(118)이다. 연료 공급 압력 신호(P1)는 연료 제어 서브시스템(114)에 대한 피드포워드(feedforward)를 제공한다. 인터밸브 압력 신호(P2)는 연료 제어 서브시스템(114)의 제어된 매개변수이다. 인터밸브 압력 신호(P2)와 제어 시스템(10)으로부터의 압력 설정값(setpoint) 신호는 적분기(122) 내로 공급되고 게인(124)에 인가되는 에러 신호(120)를 발생시키기 위해 합쳐진다. 가산된 에러 신호(126) 및 상태 피드백 신호(128)는 가산기(130)에서 결합된다. 결과적인 신호는 추가적인 처리를 위해 부품 모델(116)로 전송된다. 부품 모델(116) 내의 연료 공급 구성요소를 기술하기 위해 사용된 매개변수의 불확실성 또는 연료 공급 구성요소에 작용하는 교란은 정상 상태 제어 에러를 유발할 수도 있다. 이러한 효과를 회피하기 위해, 상태 피드백 구성이 연료 제어 서브시스템(114)의 내측 루프에 사용된다.

작동시에, 연료에 대한 요구는 연료를 공급받고 있는 가스 터빈 엔진이 예를 들어, 발전소로부터 증가된 전기적 부하를 공급하도록 기계적 출력을 증가시킴에 따라 서서히 변경될 수 있다. 또한, 연료에 대한 요구는 전기적 요구의 급속한 상승으로 인한 단계적 상승과 같이 급속하게 변경될 수도 있다. 압력 센서(108, 110)는 증가된 연료 요구에 의한 각각의 라인 내의 압력 변화를 검지한다. P1은 압력 피드포워드 신호를 부품 모델(116)에 제공하고, 인터밸브 압력 신호(P2)는 제어 시스템(10)으로부터 수신된 인터밸브 압력 설정값과 합쳐진다. 에러 신호(120)가 적분되고, 미리 결정된 게인이 인가된다. 결과적으로 적분된 신호는 부품 모델(116)로부터의 게인 조절된 상태 피드백 신호와 합쳐진다. 그 후, 부품 모델(116)은 모델 매개변수 및 압력 피드포워드 신호(P1)를 처리된 에러 신호에 인가하여 설정값으로 인터밸브 연료 압력을 조절하기 위해 압력 제어 밸브(106)를 조정하도록 액추에이터(112)에 전송되는 제어 출력(y)을 발생시킨다. 가스 터빈 엔진 연료 제어 서브시스템(114)에 적분 상태 피드백 제어 회로를 사용하는 것은 공지된 연료 제어 시스템에 비해 개선된 동적 응답을 제공한다. 개선된 동적 응답은 더 높은 주파수 명령 참조 신호에 대한 개선된 트랙킹 작용 및 제어된 매개변수 내의 단계적 변화에 대한 응답으로서의 보다 작은 라이즈 타임을 포함한다.

도 3은 인터밸브 압력(P2)에 있어서의 단계적 변화에 대한 연료 제어 서브시스템의 응답을 도시하는 그래프(300)이다. 그래프(300)는 시간 단위로 눈금이 새겨진 x축(302)과, 인터밸브 압력(P2)의 단위로 눈금이 새겨진 y축(304)을 포함한다. 그래프(300)는 인터밸브 압력 신호(P2)의 단계적 증가를 도시하는 궤적(306)을 포함한다. 궤적(308)은 종래의 가스 터빈 엔진 연료 제어 서브시스템에 의한 단계적 증가에 대한 응답을 도시하고, 궤적(310)은 본 발명의 일 실시예에 따라 가스 터빈 엔진 연료 제어 서브시스템(114)에 대한 응답을 도시한다. 일 실시예에서, 궤적(308)은 궤적(306)에 의해 도시된 단계적 변화가 개시되고 대략 2.41초 후에 실질적으로 정상 상태값에 이른다. 본 발명의 일 실시예에 따라 가스 터빈 엔진 연료 제어 서브시스템(114)의 응답을 도시하는 궤적(310)은 궤적(306)에 의해 도시된 단계적 변화가 개시되고 대략 0.48초 후에 실질적으로 정상 상태값에 이른다. 종래의 서브시스템과 본 발명의 일 실시예에 따른 서브시스템 사이의 응답에 있어서의 차이는 응답성에 있어서 대략 5배의 개선을, 그리고 이에 대응하여 대역폭에 있어 대략 5배의 개선을 나타낸다.

비록, 가스 연료 공급 시스템에 대해 설명되었지만, 본 발명의 실시예는 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 다른 형태의 연료를 제어하는 연료 공급 시스템이 본 발명의 다른 실시예에 사용될 수도 있다. 또한, 연료 제어 밸브에 대한 참조는 댐퍼, 컨베이어, 및 다양한 스피드 팬 및 송풍기와 같은 그 외 다른 연료 유동 및 압력 조절 장치를 포함한다.

본 발명의 기술적 효과는 조절된 가스 인터밸브 압력에 있어서의 가스 연료 시스템 공급 압력 변이의 효과를 용이하게 감소시키는 것이다.

전술된 가스 터빈 엔진 연료 공급 제어 서브 시스템은 비용 효율적이고 높은 신뢰성을 갖는다. 상기 서브 시스템은 연료 요구 사항 변화로 인한 연료 공급 압력 변화가 상대적으로 단기간에 완화되도록 연료 공급 압력 제어 밸브에 대한 개선 된 동적 응답을 허용한다.

따라서, 가스 터빈 엔진 연료 공급 제어 서브 시스템은 비용 효율적이고 신뢰성 있는 방식으로의 가스 터빈 엔진의 작동을 용이하게 한다.

비록, 본 발명이 다양한 특정 실시예에 관하여 기술되었지만, 본원은 특허청구범위의 취지 및 범위 내에서 변형예로서 실시될 수도 있음을 당업자는 이해할 것이다.

도 1은 가스 터빈 엔진을 포함하는 전력 발생 장치에 대한 예시적인 제어 시스템의 개략도,

도 2는 도 1에 도시된 가스 터빈 엔진과 함께 사용될 수 있는 제어 시스템의 일부에 대한 개략적인 도면,

도 3은 인터밸브 압력(P2)의 단계 변화에 대한 연료 제어 서브시스템의 응답을 도시하는 그래프.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

12: 발전 설비 14: 가스 터빈 엔진

16: 증기 터빈 18: 발전기

20: 단일축 22: 연료 제어 서브시스템

24: 열 회수 증기 발생기 26: 플랜트 보조장비

28: 플랜트 제어 시스템 30: 유닛 데이터 버스

Claims

제어 시스템에 있어서,

가스 터빈용 연료 공급 압력을 조절하도록 구성된 부품 모델과,

상기 가스 터빈에 공급된 연료의 압력을 검지하도록 구성된 압력 센서와,

적분 상태 피드백(integral plus state feedback) 및 가산기(summer)를 포함하는 피드백 모듈을 포함하며,

상기 피드백 모듈은, 연료 압력의 변화에 대한 상기 제어 시스템의 응답 시간이 용이하게 감소되도록, 상기 부품 모델에 대해서 정의 피드백 참조 신호(positive feedback reference signal)를 제공하도록 구성되며,

상기 가산기는 제어 게인을 승산한 상기 부품 모델로부터의 상태 피드백 신호를 상기 적분 신호에 가산해서, 적분/가산 신호를 생성하도록 구성된

제어 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 제어 시스템이 압력 제어 밸브를 더 포함하며,

상기 부품 모델은 연료 공급에 있어서 상기 압력 제어 밸브의 응답을 나타내도록 구성된

제어 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 제어 시스템이 압력 센서와, 연료 공급을 상기 가스 터빈과 연결하는 상호연결 배관을 더 포함하며,

상기 부품 모델은 또한 연료 공급에 있어서 상기 압력 센서와 상호 연결 배관의 응답을 나타내도록 구성된

제어 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 부품 모델은 또한 연료 공급에 있어서 복수의 부품의 응답을 나타내도록 구성된

제어 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 적분 상태 피드백 모듈은 또한 압력 설정값(setpoint)과 가산되어 적분 신호를 생성하는 압력 피드백 신호로 이뤄지는 신호를 적분하도록 구성된 적분기를 더 포함하는

제어 시스템.
삭제
제 1 항에 있어서,

적분 상태 피드백 모듈은 또한 상기 부품 모델에 입력되는 공급 압력 피드포워드 신호(supply pressure feedforward signal)를 포함하는

제어 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 부품 모델의 출력에 의해 제어되는 가스 터빈 엔진으로의 연료 공급을 더 포함하는

제어 시스템.
가스 터빈 엔진 조립체에 있어서,

연료 공급 압력을 제어하도록 구성된 압력 제어 밸브를 통해 연료 공급 시스템으로부터의 연료의 유동을 수용하도록 구성된 연소기와,

상기 압력 제어 밸브의 동적 응답의 제어를 용이하게 하도록 구성된 제어 시스템을 포함하며,

상기 제어 시스템은, 부품 모델을 사용하여 상기 연소기로의 연료 공급 압력을 조절하고, 상기 연소기로의 연료 공급의 압력 신호를 수신하고, 상기 부품 모델에 대해서 적분 상태 피드백을 가해서, 상기 연소기로의 연료 공급 압력의 변화에 대한 압력 제어 밸브의 응답 시간을 용이하게 감소시키고, 제어 게인을 승산한 압력 피드백 신호를 적분 신호에 가산해서, 적분/가산 신호를 생성하도록 프로그래밍화된 프로세서를 포함하는

가스 터빈 엔진 조립체.
제 9 항에 있어서,

상기 프로세서는 또한, 상기 부품 모델을 사용하여, 연료 공급에 있어서 적어도 하나의 부품의 연료 압력 및 연료 유동 중 적어도 하나의 변화에 대한 응답을 나타내도록 구성된

가스 터빈 조립체.