KR101401135B1

KR101401135B1 - 전력망 주파수 제어 서브 시스템 및 복합 사이클 발전 시스템

Info

Publication number: KR101401135B1
Application number: KR1020070102538A
Authority: KR
Inventors: 필립 린 앤드류; 티모시 앤드류 멜서트; 존 에드워드 포드
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2006-10-12
Filing date: 2007-10-11
Publication date: 2014-05-29
Also published as: US20080095294A1; KR20080033866A; CN101162883B; EP1914394A1; JP2008095691A; US7608938B2; EP1914394B1; CN101162883A

Abstract

본원 발명에는 복합 사이클 발전 시스템(100)용 전력망 주파수 제어 서브 시스템이 제공된다. 복합 사이클 발전 시스템용 전력망 주파수 제어 서브 시스템은 증기 유동 제어 밸브(136)를 포함하는 증기 터빈(138)과, 상기 제어 밸브를 통해 상기 증기 터빈과 유체 연통하여 결합되는 증기 공급원(124)과, 열 에너지 저장부를 포함하는 증기 공급원과, 입구 안내 베인(102)을 포함하는 연소 터빈(112)과, 상기 증기 터빈과 상기 연소 터빈 중 적어도 하나에 결합되는 전력 발전기를 포함하며, 상기 발전기는 전력망(164)과 전기적으로 결합되고, 상기 발전기와 전력망의 주파수는 상기 망의 작동 주파수와 동조되며, 제어기(162)는 소정의 기간 동안 실질적으로 일정한 소정의 망 주파수 회복률을 용이하게 유발하기 위해, 증기 유동 제어 밸브 및 입구 안내 베인을 실질적으로 동시에 조절하도록 구성된다.

Description

전력망 주파수 제어 서브 시스템 및 복합 사이클 발전 시스템{METHODS AND APPARATUS FOR ELECTRIC POWER GRID FREQUENCY STABILIZATION}

본 발명은 일반적으로 전력망(electric power grid)에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 전력망에 연결되는 복합 사이클 발전 시스템(combined-cycle power system)을 작동하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.

본원에서 "전체 부하(full-load)"라는 용어는 "정격 출력" 및 "최대 연속 정격(maximum continuous rating)"(MCR)과 혼용된다. 이러한 용어는 발전 시스템 및 그에 연관되는 구성요소에 대한 연속적인 작동 출력의 상부 범위를 나타낸다. "부분 부하(partial load)"는 전체 부하 아래의 출력 레벨을 나타낸다.

전력망은 통상적으로 상기 전력망에 전기를 공급하기 위한 복수의 발전 시스템 및 상기 전력망으로부터 전기를 끌어쓰는 복수의 전기 소비자를 포함한다. 전기의 발전 및 소비가 실질적으로 동일할 때, 망 주파수(grid frequency)는 실질적으로 일정하다. 망 주파수는 통상적으로 실질적으로 안정적인 값으로 유지되는 매개변수이다. 유럽 및 북미의 시스템에 대한 공칭 표준 망 주파수의 예는 각각 50Hz 및 60Hz이다.

과도 특성(transient nature)의 주파수 편차는 증가 또는 감소된 소비 및/또는 발전 시스템의 제거나 추가에 기인할 수 있다. 소비 증가 및 발전 시스템의 제거는 망 주파수의 감소를 야기하는 경향이 있다. 소비 감소 및 발전 시스템의 추가는 망 주파수의 증가를 야기하는 경향이 있다. 전력 소비 및 전력 발전은 대략 +0.5Hz 내지 -0.5Hz 범위에서 주파수 변동을 야기할 수 있는 시간-종속 변수이다. 일반적으로, 주파수 과도현상은 단기적이며, 즉 수초에서 수분 내에 측정되며, 전술한 바와 같이 소규모이다. 주파수 과도현상의 크기는 통상적으로 변동 지속 내내 상기 전력망 및 관련 상호연결된 전력망 내에서 총 전력 레벨에 대한 전력 변동의 크기의 비율에 의해 영향을 받는다. 전술된 소량의 주파수 과도현상은 공칭 상호연결된 전력망의 통상적인 대용량에 비교하여 통상적인 전력 변동의 소용량에 일치한다. 또한, 일반적으로, 전력망은 실질적으로 일정한 범위 내에서 망 주파수를 유지함에 있어서 자체-보정되는 경향이 있다. 예를 들어, 표준치로부터 주파수 편차를 갖는 경우에, 복수의 발전기 시스템에 걸친 발전 범위에 있어서의 근시일(near-term)의 변동은 주파수 과도현상이 통상적으로 소비자에게 영향을 주지않도록 주파수 과도현상의 지속시간 및 크기를 완화하기 위한 적어도 하나의 제저 전략 및 적어도 하나의 제어 시스템에 의해 용이하게 이루어질 수 있다.

대략 +0.5Hz 내지 -0.5Hz 범위를 벗어나고, 예를 들어 하나 이상의 발전기의 당면 손실에 따른 주파수 감소에 의한 과도현상과 같은 보다 큰 주파수 과도현상으로서 때때로 트립(trip)으로 언급되는 과도현상은 큰 주파수 감소를 유발하는 경향이 있을 수 있다. 주파수 과도현상 크기 및 지속시간을 완화시키는 하나의 가능한 방법으로는 때때로 시스템 보류(system reserve)라고도 하며, 과도현상의 수초 내에 주파수 감소에 대응하여 전력망 내에서 이용 가능한 대기 발전 용량의 일정량을 구비하는 것이 있다. 예를 들어, 상기 전력망 상의 특정 발전 유닛은 전력망으로의 관련된 발전 출력에 있어서의 신속한 증가를 개시하도록 할 수 있다.

많은 공지된 발전 설비는 증기 터빈 발전기(STG), 연소 터빈 발전기(CTG) 또는 이들의 결합체를 포함한다. 이러한 구성은 일반적으로 관련된 발전기에 회전 가능하게 결합된 터빈을 포함한다. 발전기 주파수는 통상적으로 전력망 주파수와 동시에 발생하며, 전력망 주파수와 실질적으로 유사한 속도로 회전한다.

많은 공지된 STGs는 증기 발전 장치, 예를 들어 보일러와 유체 연통하여 작동한다. 일반적으로, 공기 및 연료는 결과적으로 물을 끊여 증기를 생성하기 위해 사용되는 열 에너지를 발산하도록 연소된다. 발생된 증기는 터빈으로 안내되며, 여기서 증기의 열 에너지는 기계적 에너지로 변환되어 터빈의 회전자를 회전시킨다. 발생된 전력은 터빈으로의 증기 유동의 비율에 비례한다.

전력 보류(power reserve)를 유지하는 공지된 하나의 방법은 증기 발전기, STG 및 전력망이 증기 발전기 및 STG 배열체의 전체 정격 부하보다 적은 일정 값에서 작동하는 때때로 정상 상태 조건으로 언급되는 평형 상태에 있도록, 부분적으로 개방되거나, 조절된 위치에서 적어도 하나의 관련 증기 공급 제어 밸브를 작동하는 것이다. 전체 부하 및 부분 부하 사이의 차이는 종종 스피닝 보류(spinning reserve)로 언급된다. 제어기는 시스템 주파수에 있어서의 감소를 감지하도록, 그리고 주파수 과도현상을 감지하는 수초 내에 증기 밸브에 전달되는 제어 신호를 발생시키기 위해 사용된다. 제어 신호는 밸브가 더욱 개방 위치로 이동하도록 유발하며, 증기 발생 장치, 예를 들어 과열기의 구성요소 내에 저장되는 열 에너지는 증기 발생기를 통해 증가된 증기 유동을 거치자 마자 제거되기 시작한다. 냉각 유체, 공기 및 연료는 시간이 지남에 따라 이어서 증가하여, 증기 발생기, STG 및 전력망 사이에서 수정된 평형을 이루는 것을 용이하게 한다. 그러나 많은 증기 발생기 및 STG 복합체는 응력 증가에 대한 가능성을 완화하고 이에 영향을 받은 구성요소를 오래 사용하도록 소정의 매개변수 내에서 작동하며, 수정된 평형을 유지하기 위해, 2 내지 5분이 걸릴 수 있다. 또한, 전술된 방식으로 통상적으로 저장된 열 에너지의 양은 제한된다. 또한, 많은 증기 발생기 및 STG 복합체는 안정되고 제어된 응답으로 전력망 주파수 과도현상에 효과적으로 응답하지 못할 수도 있다. 예를 들어, STG에 대해 전술된 증기 밸브는 너무 빠른 시기에 개방하고, 열 에너지 보류를 고갈시켜 너무 신속하여 지속적이고 효과적인 응답을 전달할 수 없을 수도 있다. 이와 달리, STG에 대한 증기 밸브는 너무 늦게 개방되어 시간에 맞춘 효과적인 응답을 전달하지 못할 수도 있다.

많은 공지된 CTGs는 연소기 조립체 내에서 연료-공기 혼합물을 점화시키고, 고온 가스 경로를 통해 터빈 조립체에 안내되는 연소 가스 증기를 발생시킨다. 압축 공기는 통상적으로 터빈에 결합되는 압축기 조립체에 의해 연소기 조립체에 안내된다. 즉, 압축기, 터빈 및 발전기가 동일한 속도로 회전한다. 발전된 전력은 가스 유동 증기의 온도 및 터빈으로의 연소 가스 유동의 비율에 비례한다. 통상적으로, 많은 공지된 CTGs는 STG(및 그에 관련된 증기 공급원)보다 작동적으로 더욱 동적인 거동을 가짐으로써, CTGs는 시스템 과도현상에 더욱 신속하게 응답할 수 있다.

전력 보류를 유지하기 위한 하나의 공지된 방법은 CTG 및 전력망이 CTG의 전체 정격 부하보다 작은 일정 값으로 작동하는 평형 상태에 있도록 부분적으로 개방되거나 조절되는 위치에서 적어도 하나의 관련 공기 안내 베인 및 적어도 하나의 연료 공급 밸브로 CTG를 작동하는 것이다. STG에 대해 전술된 바와 같이, 전체 부하와 부분 부하 사이의 차이는 종종 스피닝 보류로 언급된다. 제어기는 망 주파수에 있어서의 감소를 감지하고, 공기 입구 안내 베인 및 연료 공급 밸브가 주파수 과도현상을 감지하는 추가 수초 내에 개방하게 하는 신호를 발생한다. 압축기, 터빈 및 발전기가 동일 축에 결합되고, 전력망에 동조하는 발전기가, 망 주파수가 감소함에 따라 감소하기 때문에, CTG 내로 보다 적은 공기를 안내하도록 초기 바이어스(bias)가 존재한다. 이러한 상태는 CTG 전력 발생을 증가시키기 위해 연속적인 활동에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 CTG 전력 발생에 있어서 감소하는 바이어스를 개시한다. 또한, 관련된 압축기를 통한 기류를 증가시키는 바이어스가 후속하는 기류를 감소시키는 바이어스는 압축기 서지(surge)에 대한 가능성, 즉 기류의 실질적으로 제어되지 않은 변동 및 압축기 배출 압력을 도입할 수 있으며, 이러한 서지 가능성은 압축기 정격 기류의 하단부에서 보다 더 표명된다. 베인이 기류를 증가시키기 위해 개방되고, 밸브가 연료 유동을 증가시키기 위해 개방됨에 따라, 연소 가스의 질량 유속 및 연소 가스 온도는 시스템 주파수 과도현상을 감지하는 수초 내에 증가를 개시한다. 공기 및 연료는 시간이 지남에 따라 연속적으로 증가되어 CTG 및 전력망 사이의 수정된 평형의 형성을 보다 용이하게 한다. 발생을 감소시키는 초기 바이어스를 극복하여 CTG를 가속화하기 위해, 연소 터빈은 정점 점화(peak-fire)를 필요로 할 수 있다. 즉, 기류의 연속적 증가가 후속하며, 가스 증기 온도를 신속하게 증가시키기 위한 연소의 속도의 신속한 증가가 요구될 수 있다. 비록 CTG가 주파수 과도현상에 응답하기 위해 보다 많은 동적 능력을 포함할 수 있지만, 많은 공지된 CTGs는 CTG와 연관된 물질의 일부 상의 응력을 완화하기 위해 가스 터빈 온도를 증가시키기 위한 지속 시간을 연장할 수 있는 온도 구배 제한 및 온도를 가질 수 있다.

그렇지 않으면, 구성요소의 응력은 증가할 수 있으며, 이와 관련된 수명은 부정적으로 영향을 받을 수 있다.

많은 공지된 증기 발생 장치 및 CTG는 그들의 작동 발전 범위의 상단부 근처 범위에서 열적으로 가장 효율적으로 작동한다. 발전 레벨을 상기 범위 이하로 유지하는 것은 결과적으로 작동 비용을 증가시키면서 열 효율을 감소시킬 수 있으며, 이는 또한 설비 소유주가 보유하고 있던 전력 및 통상적으로 발생되지 않은 전력의 판매로부터의 잠재적인 수입에 대한 부정을 유발할 수 있다.

많은 공지된 복합 사이클 발전 설비는 통상적으로 적어도 하나의 CTG 및 적어도 하나의 STG를 포함한다. 이러한 설비에 대한 일부의 공지된 구성은 CTG로부터 열 회수 증기 발전기(HRSG)로 연소 가스 배기를 안내하는 단계를 포함하며, 여기서 연소 가스 배기로부터의 열 에너지가 물을 끊여 증기로 바꾸며, 이어서 이러한 증기는 STG로 안내된다. 통상적으로, 복합 사이클 설비는 망 주파수 과도현상에 대한 주 응답 메커니즘으로서 CTG를 사용하는 반면 STG는 부수적 응답으로서 유지되도록 구성된다. 비록, 이러한 통상적인 구성이 효율적인 이점 및 그에 따른 작동에 있어서의 경제성을 제공하지만, 응답 구성 및 방법은 망 주파수 과도현상에 신속하고 효율적으로 응답하는데에 있어서의 전술한 도전 중 적어도 일부를 포함한다.

일 실시예에서, 전력망에 연결된 복합 사이클 발전 시스템을 작동하는 방법이 제공된다. 상기 복합 사이클 시스템은 적어도 하나의 발전기, 상기 적어도 하나의 발전기에 결합된 증기 터빈, 상기 적어도 하나의 발전기에 결합된 연소 터빈 및 적어도 하나의 제어 밸브를 통해 상기 증기 터빈과 유체 연통하는 열 에너지 저장부를 갖는 증기 공급원을 포함한다. 이러한 방법은 제 1 출력으로 증기 터빈을 작동하는 단계, 제 1 출력으로 연소 터빈을 작동하는 단계 및 제 1 열 에너지 레벨로 상기 증기 공급원을 작동하는 단계를 포함하며, 상기 증기 터빈은 제 1 위치에 적어도 하나의 제어 밸브를 구비하고, 상기 연소 터빈은 제 1 위치에 적어도 하나의 공기 입구 안내 베인을 구비한다. 상기 증기 터빈 및 연소 터빈은 증기 터빈, 연소 터빈 및 전력망이 표준화된 망 주파수 값과 실질적으로 유사한 주파수로 작동하도록, 전력망의 작동 주파수와 동조된다. 망 주파수 편차가 표준화된 망 주파수 값으로부터 멀어지는 것을 감지할 때, 상기 시스템은 열 에너지 저장부의 현재의 열 에너지 용량을 결정하고, 적어도 하나의 증기 유동 제어 밸브의 소정의 변경율 및 열 에너지 저장부의 현재의 열 에너지 용량을 사용하여 가용 주파수 회복률을 결정한다. 만약, 결정된 가용 주파수 회복률이 망 주파수 편차 및 소정의 회복 구간보다 크다면, 상기 적어도 하나의 증기 유동 제어 밸브를 제 2 위치로 이동시켜 소정의 기간 동안 소정의 망 주파수 회복률을 이루도록 하는데, 이때 상기 소정의 주파수 회복률은 실질적으로 일정하다. 만약, 결정된 가용 주파수 회복률이 망 주파수 편차 및 소정의 회복 구간보다 낮다면, 적어도 하나의 연소 터빈의 입구 안내 베인을 제 2 위치로, 그리고 적어도 하나의 증기 유동 제어 밸브를 제 2 위치로 실질적으로 동시에 이동시켜, 소정의 기간 동안 소정의 망 주파수 회복률을 이루도록 하는데, 이때 상기 소정의 주파수 회복률은 실질적으로 일정하다.

또 다른 실시예에서, 복합 사이클 발전 시스템용 전력망 주파수 제어 서브 시스템은 증기 터빈을 포함하며, 상기 증기 터빈은 증기 유동 제어 밸브, 상기 제어 밸브를 통해 상기 증기 터빈에 유체 연통하는 증기 공급원을 구비하고, 상기 증기 공급원은 열 에너지 저장부와, 입구 안내 베인, 상기 증기 터빈 및 연소 터빈 중 적어도 하나에 결합된 발전기 및 제어기를 구비하며, 상기 발전기는 전력망에 전기적으로 결합되고, 상기 발전기 및 전력망의 주파수는 전력망의 작동 주파수에 동조되며, 상기 제어기는 상기 증기 유동 제어 밸브 및 상기 입구 안내 베인을 조절하여 실질적으로 동시에, 소정의 기간동안 실질적으로 일정한 소정의 망 주파수 회복률을 유도하는 것을 용이하게 한다.

또 다른 실시예에서, 복합 사이클 발전 시스템은, 증기 유동 제어 밸브를 구비하며 적어도 하나의 발전기에 연결되는 증기 터빈과, 열 에너지 저장부를 구비하며 상기 증기 유동 제어 밸브를 통해 상기 증기 터빈과 유체 연통하는 증기 공급원과, 상기 적어도 하나의 발전기에 결합되며 입구 안내 베인을 구비하는 연소 터빈과, 상기 증기 유동 제어 밸브, 상기 증기 공급원 및 상기 입구 안내 베인에 연통적으로 결합된 제어기를 포함한다. 상기 제어기는 열 에너지 저장부의 현재의 열 에너지 저장 용량을 결정하고, 증기 유동 제어 밸브의 소정의 변화율 및 열 에너지 저장부의 현재의 열 에너지 용량을 사용하여 가용 주파수 회복률을 결정하며, 열 에너지 저장부의 가용 주파수 회복률을 초과하는 전력망 저 주파수 상태에 응답하여 상기 증기 유동 제어 밸브와 실질적으로 동시에 입구 안내 베인을 개방하고, 열 에너지 저장부의 가용 주파수 회복을 초과하는 망 고 주파수 상태에 응답하여 상기 증기 유동 제어 밸브와 실질적으로 동시에 입구 안내 베일을 폐쇄한다.

도 1은 예시적인 복합 사이클 발전 시스템(100)의 개략도이다. 시스템(100)은 적어도 하나의 연소 터빈의 입구 안내 베인(102)과, 적어도 하나의 연소기(106)와 유체 연통하는 연소 터빈 압축기(104)와, 적어도 하나의 연료 공급 밸브(110)를 통해 연소기(106)와 유체 연통하는 연료 저장 설비와, 연소 터빈(112)과, 공통 축(114)과, 상기 축(114)을 통해 터빈(112) 및 압축기(104)에 회전 가능하게 연결되는 연소 터빈 발전기(CTG; 116)와, 발전기 출력 연결부(118)와, 복수의 CTG 센서(120)와, 열 회수 증기 발전기(HRSG; 124)와 유체 연통하는 연소 터빈 배기 가스 덕트(122)를 포함한다. HRSG(124)는 제 1 튜브 뱅크 세트(126)와, 제 2 튜브 뱅크 세트(128)와, 증기 드럼(130)과, 제 3 튜브 뱅크(132)를 포함하며, 상기 튜브 뱅크(126, 128, 132) 및 드럼(130)은 서로 유체 연통된다. 시스템(100)은 적어도 하나의 증기 유동 제어 밸브(136)를 통해 증기 터빈(138)과 유체 연통하는 과열 증기 헤더(134)를 더 포함한다. 공통 축(140)은 터빈(138)을 증기 터빈 발전기(STG; 142)에 회전 가능하게 연결한다. 시스템(100)은 복수의 STG 센서(144) 및 발전기 출력 연결부(146)를 더 포함한다. 또한, 증기 터빈 증기 배기 덕트(148), 응축기(150), 냉각수 유동을 갖는 냉각 유체 튜브 다발(151), 응축액 공급 헤더(152), 응축액/급수 펌프(154) 및 급수 공급원 헤더(156)는 서로 유체 연통한다. HRSG 가스 배기 덕트(158)는 HRSG(124) 및 적층부(160)와 유체 연통한다. 시스템(100)의 자동 및 수동 제어는 제어기(162)를 통해 용이하게 된다. 발전기(116, 142)는 전달 라인(166)을 통해 전력망(164)과 상호연결된다. 소비자(168)는 다른 발전 설비(170)처럼 전력망(164)에 연결된다.

전력은 CTG(116)에 의해 발생된다. 압축기(104)는 공기를 입구 안내 베인(102)을 통해 연소기(106)로 안내한다. 이와 달리, 복수의 신속 작동 안내 베인이 사용될 수도 있다. 연료는 저장 설비(108)로부터 연료 밸브(110)를 통해 연소기(106)로 안내된다. 예시적인 일 실시예에서, 저장 설비(108)는 천연 가스 공급 스테이션이다. 이와 달리, 설비(108)는 천연 가스 저장 탱크, 연료 오일 저장 탱크 또는 연료 오일 트레일러일 수도 있다. 또한, 이와 달리, 상기 시스템(100)은 설비(108)가 합성 가스를 생성하는 석탄가스화 복합 발전[Integrated Gasification Combined Cycle(IGCC)] 공장을 포함할 수도 있다. 연소기(106)는 점화되고 연료를 공기와 연소시켜, 결과적으로 터빈(112)에 안내되는 고온, 즉 약 섭씨 1316℃(화씨 2400℉)의 연소 가스를 발생시킨다. 예시적인 실시예에서, 터빈(112)은 연소기(106)가 점화되어 예를 들어, 천연 가스, 연료 오일 또는 그 외 다른 연료를 연소시키는 다중 연료 유닛이다. 연소 가스 내의 열 에너지는 터빈(112)에서 회전 에너지로 변환된다. 전술한 바와 같이, 터빈(112)은 축(114)을 통해 압축기(104) 및 발전기(116)에 회전 가능하게 연결되며, 압축기(104) 및 발전기(116)는 실질적으로 유사한 회전 속도로 터빈(112)과 함께 회전한다. 발전기(116)는 상기 발전기(116)가 망(164)과 동조되지 않을 때, 축(114) 회전 속도에 직접 비례하는 주파수로 전류 및 전압을 발생시킨다. 발전기(116)의 출력은 발전기(116)가 망(164)에 동조될 때, 망(164) 주파수와 실질적으로 유사한 주파수에서 상호연결부(118)를 통해 망(164)으로 전달된다. 발전기(116)는 여기 시스템(도 1에 도시되지 않음)을 통해 제어될 수 있다. 복수의 센서(120)는 적어도 하나의 전류 변환기(도 1에 도시되지 않음), 하나의 전압 변환기(도 1에 도시되지 않음) 및 하나의 주파수 변환기(도 1에 도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 센서(120)의 출력은 제어기(162)로 전달된다.

또한, 전력은 STG(142)에서 발생된다. HRSG(124)는 과열 증기를 증기 헤더(134) 및 제어 밸브(136)를 통해 터빈(138)으로 전달한다. 제어 밸브(136)는 제어기(162)를 통해 연속적으로 바이어싱되어, 이하 추가로 설명되는 바와 같이 터빈(138)으로 흐르는 증기 유동을 조절한다. 제어기(162)는 센서(144)로부터 입력을 수신한다. 예시적인 실시예에서, 센서(144)는 밸브(136)의 바로 상부 및 하부에 압력 변환기를 포함한다. 증기 내의 열 에너지는 축(140)을 회전시키는 터빈(138) 내의 기계적 에너지로 변환된다. 전술한 바와 같이, 터빈(138)은 축(140)을 통해 발전기(142)에 회전 가능하게 결합되며, STG(142)는 실질적으로 유사한 회전 속도로 터빈(138)과 함께 회전한다. 발전기(142)는 상기 발전기(142)가 망(164)과 동조하지 않을 때, 축(140) 회전 속도와 직접 비례하는 주파수로 전압 및 전류를 발생시킨다. 발전기(142)의 출력은 상기 발전기(142)가 망(164)과 동조되지 않을 때, 망(164) 주파수와 실질적으로 유사한 주파수에서 상호연결부(146)를 통해 망(164)에 전달된다. 발전기(142)는 여기 시스템(도 1에 도시되지 않음)을 통해 제어될 수도 있다. 복수의 센서(144)는 적어도 하나의 전류 변환기(도 1에 도시되지 않음), 하나의 전압 변환기(도 1에 도시되지 않음) 및 하나의 주파수 변환기(도 1에 도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 센서(144)의 출력은 제어기(162)로 전달된다.

이와 달리, 다양한 구성을 포함하는 증기 터빈 조립체가 사용될 수도 있다. 예를 들어, 증기 터빈 조립체는 고압 부분, 중압 부분 및 저압 부분을 포함할 수 있다. 또한, 또 다른 예에서, 증기 터빈 조립체 및 연소 터빈 조립체는 단일 발전기를 회전 가능하게 구동하는 단일 축에 회전 가능하게 결합될 수도 있다.

터빈(138)용 증기는 HRSG(124)를 통해 발생된다. 이와 달리, HRSG(124)는 독립 착화 보일러 장치에 의해 대체될 수 있다. 예시적인 실시예에서, HRSG(124)는 터빈(112)으로부터 덕트(122)를 통해 배기 가스를 수용한다. 일반적으로, 연소 터빈으로부터의 가스 배기는 대략 538℃ 내지 649℃(1000℉ 내지 1200℉)의 온도 범위로 축(114)을 회전시키기 위해 터빈(112)내에서 기계적 에너지로 변환되지 않는 가용 열 에너지를 포함한다. 배기 가스는 과열 튜브 뱅크(132)로서 예시적인 실시예에 도시된 고온 증기 발생 구성요소로부터 HRSG(124)를 통해 저온 튜브 뱅크(128)로 먼저 유동하고, 그 후에 튜브 뱅크(126)로 유동한다. 가스는 일반적으 로 상기 가스를 주변환경으로 안내하는 주변환경 제어 서브 시스템(도 1에 도시되지 않음)을 통해 덕트(158)로 안내되고, 이어서 적층부(160)로 안내된다. 일반적으로, 실질적으로 주변환경으로의 배기 상에 가스 증기내에는 가용 열 에너지가 거의 잔류하지 않는다.

물은 HRSG(124)에서 증기를 발생시키기 위해 가열된다. 보충-냉각수는 응축기(150)에 저장된다. 예시적인 실시예에서, 응축기(150)는 터빈(138)으로부터 덕트(148)를 통해 증기를 수용하는 메인 응축기를 포함한다. 또한, 응축기(150)는 물 저장 및 튜브 다발(151)을 위한 공동(도 1에 도시되지 않음)을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 튜브 다발(151)은 냉각 타워, 호수 또는 강을 포함할 수 있는 공급원(도 1에 도시되지 않음)으로부터 냉각수를 안내하는 복수의 튜브를 포함한다. 터빈(138)으로부터 배출된 증기는 튜브 다발(151)의 외측면에 걸쳐 유동하며, 여기서 열 에너지는 증기로부터 튜브 다발 벽을 통해 냉각수로 전달된다. 증기로부터 열 에너지를 제거하는 것은 액상으로의 유체의 상태 변화를 유발한다. 액체는 응축기(150) 내에 수집되며, 상기 응축기로부터 흡입 헤더(152)를 통해 펌프(154)로 안내된다. 예시적인 실시예에서, 펌프(154)는 급수 펌프이다. 이와 달리, 펌프(154)는 일련의 응축액 부스터 펌프, 응축액 펌프 및 급수 펌프일 수도 있다. 또한, 이와 달리, HRSG(124)로의 진입 이전에 급수를 예열하는 적어도 하나의 급수 가열기가 시스템(100)에 포함될 수도 있다. 급수는 제 1 튜브 뱅크(126)로 진입하고, 열 에너지는 튜브 뱅크(126)를 지나 튜브(126) 내의 급류로 유동하는 연소 가스 증기로부터 전달된다. 가열된 급류는 튜브 뱅크(128)로 안내되며, 여기서 열 에너지는 가스 증기가 튜브(128)의 인접에 고온을 갖는다는 점을 제외하고는 튜브(126)와 관련된 것과 실질적으로 유사한 방식으로 급류에 전달된다. 이점에 의해 물과 증기의 혼합물인 급류는 튜브(128)로부터 증기 드럼(130)으로 안내된다. 예시적인 실시예에서, 증기 드럼(130)은 증기 및 물 유동 증기로부터 물을 제거하고 물을 드럼(130)으로 복귀시키는 복수의 증기/물 분리 장치(도 1에 도시되지 않음)를 포함한다. 실질적으로 대부분의 물이 제거된 증기는 과열기 튜브 뱅크(132)에 추가로 안내되며, 여기서 터빈(112)으로부터의 배기 가스 증기는 가장 높은 온도에 있으며, 튜브(126, 128)에서와 유사한 방식으로 튜브(132) 내에서 열 에너지를 증기로 변환시킨다. 과열된 증기는 HRSG(124)로부터 배출시 증기 헤더(134)로 안내된다.

CTG(116)로부터의 전류는 상호연결선(119)을 통해 전달선(166)으로 전달된다. 전류는 유사하게 STG(142)로부터 상호연결부(146)를 통해 전달선(166)으로 전달된다. 전달선(166)은 시스템(100)과 망(164)을 연결한다. 다른 발전 설비(170)는 소비자(168)에 의한 사용을 위해 전력을 발생시켜 전력망(164) 내로 전달한다.

제어기(162)는 프로세서(도 1에 도시되지 않음), 메모리(도 1에 도시되지 않음), 복수의 입력 채널(도 1에 도시되지 않음), 복수의 출력 채널(도 1에 도시되지 않음)을 포함하며, 컴퓨터(도 1에 도시되지 않음)를 포함할 수도 있다. 본원에 사용된 바와 같이, 컴퓨터란 용어는 본 기술분야에서 컴퓨터라 일컬어지는 집적 회로만으로 한정되는 것은 아니며, 프로세서, 마이크로콘트롤러, 마이크로컴퓨터, 프로그램 가능한 논리 제어기, 특정 집적 회로 및 그 외 다른 프로그램 가능한 회로를 의미하는 것으로 광범위하게 사용되며, 이러한 용어는 본원에서 혼용된다. 예시적인 실시예에서, 메모리는 이에 한정되는 것은 아니나, 랜덤 액세스 메모리와 같은 컴퓨터-판독식 매체를 포함한다. 이와 달리, 플로피 디스크, 컴팩트 디스크, 판독 전용 메모리(CD-ROM), 광자기 디스크(MOD), 및/또는 디지털 다방면 디스크(DVD)가 사용될 수도 있다. 또한, 예시적인 실시예에서, 복수의 입력 채널은 이에 한정되는 것은 아니나, 마우스 및 키보드와 같은 작동자 인터페이스와 관련된 컴퓨터 주변기기를 나타낸다. 이와 달리, 다른 컴퓨터 주변기기, 예를 들어 스캐너가 사용될 수도 있다. 더 나아가, 예시적인 실시예에서, 복수의 출력 채널은 이에 한정되는 것은 아니나, 작동자 인터페이스 모니터를 포함할 수도 있다.

제어기(162)는 복수의 센서로부터 복수의 입력을 수신하며, 이들 복수의 센서 중 일부는 센서(120, 144)이며, 상기 제어기는 입력을 처리하고, 프로그램된 알고리즘 및 특정 환경에 기초하여 적절한 출력을 발생시키며, 신호를 상기 적절한 시스템(100) 구성요소에 전달하여 이들 구성요소를 바이어싱시킨다. 예를 들어, 망(164) 상의 작은 하방 주파수 과도현상의 경우, 즉 대략 0.5Hz 이하인 경우, 제어기(162)는 센서(120)로부터 전달된 주파수 입력을 수신할 것이다. 이어서, 제어기(120)는 입구 안내 베인(102) 및 연료 밸브(110)에 대한 개구 바이어스를 유발한다. 입구 안내 베인(102)은 잠재적 압축기에 대한 소정의 여유가 유지되도록 과도현상 내내 조절된다. 연소기(106) 내의 연소는 증가하고 가스 증기 질량 유속 및 가스 증기 온도에 있어서의 유사한 증가를 유발한다. 가스 증기 온도에 있어서의 변화는 터빈(112) 구성요소 내의 포텐셜 응력을 완화하기 위해 온도 구배 매개변수 및 소정의 온도 범위 내에 유지된다. 터빈(112)은 가속되고, 회전 가속은 축(114)을 통해 발전기(116) 내에 유발되며, 이에 따라 예를 들어, 유럽의 50Hz, 북미의 60Hz의 공칭 시스템 주파수 값을 향해 망(164) 주파수에 대한 부분적인 증가를 유발한다. 유사하게, 대략 0.5Hz 이하의 망 주파수에 있어서의 감지된 증가에 대해, 제어기(162)는 센서(120)로부터 주파수 입력을 수신하고, 공기 안내 베인(102) 및 연료 밸브(110)에 대한 근접 바이어스를 유발하여 연소기(106)에 의해 발생된 가스 증기의 온도 및 질량 유속을 감소시킨다. 터빈(112)을 통해 축(114)의 후속 유발된 감속은 또한 CTG(116)를 감속시키고, 공칭 주파수 값을 향한 망(164) 주파수 감소가 유발된다.

유사한 공정이 STG(142)에 대해 관측될 수도 있다. 센서(144)는 망(164) 주파수에 있어서의 감소를 감지하며, 관련 신호를 제어기(162)로 전달한다. 제어기(162)는 증기 밸브(136)에 대한 개구 바이어스를 유발한다. 밸브(136)는 소정의 매개변수의 범위 내에서 밸브(136)의 상류 및 하류에서 증기 헤더(134) 압력을 유지하는 것과 동일한 속도로 개방된다. 또한, HRSG(124)의 적절한 제어는 증기 온도에 있어서의 소정의 연속한 변화가 터빈(138) 구성요소 내의 포텐셜 응력을 완화시키기 위해 온도 구배 매개변수 및 소정의 온도의 범위 내에 유지되도록 유지된다.

도 2는 저-주파수 상태에서 전력망(164)에 대한 복합 사이클 발전 시스템(100)(도 1에 도시됨)의 예시적인 응답에 대한 그래프(200)이다. 응답 그래프(200)는 시간의 함수로서, CTG(116) 및 STG(142)의 대략적 출력을 나타내는 2%의 증가분으로 종축(202; y축)을 포함한다. 종축(202)은 그래프(200)의 원점에 88%의 값을 포함하며, CTG(116) 및 STG(142) MCR에 대응하여 최상단으로서 100%를 포함한다. 그래프(200)는 또한 1분씩 증가하는 것으로 분으로 표시된 시간을 나타내는 횡축(x축)을 포함한다. 시간=0은 전력망(164) 상의 저 주파수 과도현상의 초기를 나타낸다. 시간=7분은 과도현상을 나타내며, 시스템(100) 응답은 실질적으로 완전하다. 곡선(206)은 포텐셜 CTG(116) 대 시간을 도시한다. 곡선(208)은 비교 목적으로 본원에 설명된, 본 발명 없이 포텐셜 STG(142) 출력 응답 대 시간을 도시한다. 곡선(210)은 본원에 설명된 본 발명으로 이루어진 포텐셜 STG(142) 출력 응답 대 시간을 도시한다.

도 3은 복합 사이클 발전 시스템(100)(도 1에 도시됨)의 전력망 주파수 과도현상 상태에 대한 응답의 예시적인 방법(300)의 흐름도이다. 방법(300)은 실질적으로 정상 상태에서 STG(142) 및 CTG(116)를 작동시키되, 상기 STG(142)는 MCR에서 작동하고, CTG(116)는 MCR 이하의 부분 부하에서 작동하는, 상기 작동 단계를 포함한다. 밸브(136)는 STG(142)가 MCR에서 작동되도록 충분히 개방되고, 베인(102) 및 밸브(110)는 시스템(100)이 발전의 주파수 민감성 모드에서 작동하는 것으로 언급될 수 있도록 조절된 위치에 있다. 이와 달리, 시스템(100)은 공칭 급송 모드에서 작동될 수 있으며, 여기서 전력 급송 관리자는 시스템(100)과 다른 설비(170) 출력을 지시한다.

실질적으로 정상상태에서 STG(302) 및 CTG(116)를 용이하게 작동하기 위해, 밸브(136), 센서(144) 및 제어기(162)는 주파수-민감성 모드에서 시스템(100)을 작 동시키기 위해 연동한다. 밸브(136)는 상기 밸브(136)가 STG(142)가 MCR에서 작동하게 충분히 개방되도록 구성 및 위치되고 제어기(162)와 연동한다. 각 위치의 대응하는 HRSG(124) 배압과 관련하여, 완전 개방과 완전 폐쇄 위치 사이의 복수의 밸브(136) 위치는 특정 증기 질량 유량을 용이하게 발생시킨다. HRSG(124) 배압은 실질적으로 즉시 이용 가능한 전력의 저장 유지 및 이하 설명되는 바와 같이 사용될 수 있는 열 에너지를 저장하는 실질적으로 즉시 이용 가능한 능력의 저장 유지를 용이하게 한다. 제어기(162)는 전력 증가 또는 감소 요구에 응답하여 적절한 배압을 유지하면서 전력을 발생시키기에 적절하게 밸브(136)를 이동시키는 신호를 전달한다. 제어기(162)는 기존의 전력 요구, 기존의 증기 유동속도, 기존의 망 주파수 및 기존의 HRSG 배압의 함수로서 밸브(136)를 이동시킨다. 밸브(136), 제어기(162) 및 센서(144)의 연동은 이하 추가로 설명된다. 전술한 연동은 시스템(100)으로 하여금 상대적으로 고효율 발전을 용이하게 하는 출력 레벨에서 작동되도록 한다는 점을 나타낸다.

시스템(100)은 센서(120, 144)를 통해 망(164) 상의 주파수 과도현상 상태를 검지한다. 이러한 경우는 도 2의 시간=0분에 대응한다. 도시된 저 주파수 상태는 망 주파수 감소가 표준 주파수 아래의 0.5Hz보다 클 수 있도록 소비자(168)에 의해 전력 요구에 있어서의 큰 증가 또는 하나 이상의 발전 유닛(170)의 결과일 수도 있다. 고-주파수 상태는 소비자에 의한 전력 요구에 있어서의 큰 감소에 기인할 수도 있다. 제어기(162)는 시스템(100)으로부터 신속한 발전 변화에 대한 요구로서 과도현상을 해석한다.

제어기(162)는 HRSG(124) 내에 저장된 증기의 양 및 에너지 성분에 기초하여 HRSG(124)의 현재의 열 에너지 용량을 결정한다. 상대적으로 작은 주파수 과도현상 동안, HRSG(124)의 열 에너지 용량은 망 주파수를 표준 주파수로 복귀시키기 위해 요구되는 에너지를 보상하기에 충분한 에너지를 저장 또는 발산할 수 있다. 상대적으로 큰 주파수 과도현상 동안, HRSG(124)의 열 에너지 용량은 망 주파수를 표준 주파수로 복귀시키기 위해 요구되는 에너지를 보상하기에 충분한 에너지를 저장 또는 발산할 수 없다. 또한, 제어기(162)는 소정의 밸브(136) 변화율 및 열 에너지 저장부의 현재의 열 에너지 용량을 사용하여 가용 주파수 회복률을 결정한다. 만약, 상기 가용 주파수 회복률이 망 주파수 편차 및 소정의 회복 기간보다 크다면, 제어기(162)는 신호를 증기 유동 제어 밸브(136)로 전달하여, 열 에너지 저장부와, 소정의 시간에 증기 유동 제어 밸브(136)만을 사용하여 표준 주파수로 망 주파수를 용이하게 복귀시키는 증기 터빈 사이의 열 에너지 전달을 유발한다.

만약, 상기 소정의 주파수 회복률이 망 주파수 편차 및 소정의 회복 기간보다 작다면, 제어기(162)는 신호를 증기 유동 제어 밸브(136), 입구 안내 베인(102) 및 연료 밸브(110)로 전달하여, 소정의 기간동안 실질적으로 일정한 소정의 주파수 회복률을 용이하게 하도록 STG(142) 및 CTG(116)가 실질적으로 동시에 신속하게 변경된다.

응답 그래프(200)의 곡선(208)은 본원에 설명된 본 발명을 구비하지 않은 것으로 비교 목적으로 제시된 전술된 저 주파수 과도현상에 대한 STG(142)의 포텐셜 응답을 도시한다. 이러한 환경에서, 밸브(136)는 실질적으로 완전히 개방된 위치 로 신속하게 개방된다. 터빈(138)으로의 증기 유동은 신속하게 증가하고, STG(142)의 발전 출력은 MCR의 100%에 실질적으로 유사한 값에 따라 증가한다. 그러나, 전력 출력은 MCR의 100%와 실질적으로 유사한 값에 고정되어 유지되고, 1분 이하에서, 전력 출력은 HRSG(124) 내의 밸브(136)의 상류측 증기 배압이 열 에너지 보류가 고갈됨에 따라 감소할 때, 감소된다. 응답 그래프(200)의 곡선(206)은 CTG(116) 응답을 나타낸다. 제어기(162)는 베인(102) 및 밸브(110)를 실질적으로 완전히 개방된 위치를 향해 이동시키기 시작한다. 예시적인 실시예에서, 입구 안내 베인(102)은 포텐셜 압축기 서지 상태에 대한 소정의 여유가 유지되도록 과도현상 내내 조절된다. HRSG(124) 내의 열 에너지 보류의 사용은 베인(102) 조절 및 후속하는 포텐셜 서지 상태에 대한 여유 증가를 용이하게 한다. 이와 달리, 활동 압축기 서지 관리에 대한 방법은 제어 설계에 일체화될 수 있다. 압축기(104)로부터의 기류가 증가하기 시작함에 따라, 밸브(110) 및 이에 따라 연료-풍부 혼합물을 구비한 피크 점화 터빈(112)은 보다 신속하게 응답한다. 밸브(110) 개구(안전 및 제어 목적)와 관련된 시간 제한 및 CTG(116) 주파수 감소에 비례한 전술된 압축기(104) 속도 감소로 인해 CTG(116)가 STG(142)보다 약간 더 느리다고 알려진다. CTG(116)와 관련된 이러한 환경은 HRSG(124) 열 저장부 내에 있는 실질적으로 즉시 이용 가능한 추가 증기 유동 용량과 비교된다.

CTG(116)는 응답 그래프(200) 상의 곡선(206)으로 도시된 MCR의 대략 96% 내지 98%의 고정 출력으로 유지된다. 관련된 고원은 피크 점화가 연소 가스 증기 온도 및 가스 증기 온도 구배를 증가시키고, 가스 증기와 접촉할 수 있는 터빈(112) 구성요소 내의 열 응력을 유발을 감소시키고 적절한 가이드 라인 내에 연료 대 공기 비율을 유지시키는 소정의 매개변수의 범위 내에서 제어되어야 하기 때문에, CTG(116) 초기 응답이 100% MCR 이하로 제한됨을 도시한다.

증가된 기류가 베인(102) 개구 및 CTG(116) 가속으로 인해 유발됨에 따라, 터빈(112)을 통한 질량 유속은 증가하고, 연료 밸브(110)는 보다 많은 연료를 허용하기 위해 추가로 개방되도록 다시 한번 바이어싱된다. 결과적으로, CTG(116) 출력은 실질적으로 MCR의 100%가 유지될 때까지 고정 비율로 증가한다. 출력에 있어서 정상적인 증가의 개시를 유지하기 위해 저 주파수 상태를 감지하는 시스템(100)으로부터 대략 2분 및 실질적으로 100% MCR을 유지하기 위해 6분 내지 7분이 걸린다고 알려져 있다.

연소 가스의 질량 유속 및 온도가 HRSG(124)로 안내되고, 가스로부터 HRSG(124) 내 물/증기 회로로의 관련 열 에너지 전달이 증가함에 따라, STG(142) 전력 출력 내의 감소는 완화되기 시작하고, 곡선(208)은 대략 과도현상의 대략 초기 3분 내에 곡선(206)을 따른다. STG(142)는 과도현상의 초기 7분 내에 MCR의 실질적으로 100%를 유지한다.

일 실시예에서, 증기 터빈(138)의 입구에 대한 온도 세트 지점은 소정의 기간에 대한 소정의 망 주파수 회복률을 용이하게 하도록 선택되는 일시적인 온도 운동 한계로 일시적으로 설정된다. 또 다른 실시예에서, HRSG(124) 온도에 대한 온도 세트 지점은 소정의 기간에 대한 소정의 망 주파수 회복률을 용이하게 하도록 선택되는 일시적인 온도 운동 한계로 일시적으로 설정된다. 일시적인 온도 운동에 대한 온도 설정 지점을 설정하는 것은 증기 공급원(124) 내의 보다 많은 열 에너지의 저장을 허용함으로써, 또는 증기 공급원(124)으로부터의 에너지의 보다 많은 양을 방출함으로써 소정의 망 주파수 회복률을 용이하게 얻게된다.

본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 제어기(162)는 증기 공급원(124)의 현재의 열 에너지 용량을 결정하고, 밸브(136)를 사용하여 주파수 과도현상을 완화하도록 응답 시간을 결정한다. 만약, 소정의 응답 시간이 소정의 제한 내에 있다면, 제어기(162)는 밸브(136)를 통해 증기 공급원(124) 내에 저장된 에너지를 사용하여 주파수 과도현상을 보정한다. 만약, 소정의 응답 시간이 소정의 제한 내에 있지 않거나, 증기 공급원(124)의 현재의 열 에너지 용량이 주파수 과도현상을 보정하기에 충분하지 않다면, 제어기(162)는 밸브(136)를 통해, 그리고 실질적으로 동시에 CTG(116)의 출력 레벨을 증가시킴으로써, 증기 공급원(124)에 저장된 에너지를 이용하여 주파수 과도현상을 보정한다. 증기 공급원(124)의 저장 에너지의 용량 내에 있는 주파수 과도현상을 보정하기 위해 STG(142)만을 사용하는 것은 CTG(116)에 대한 온도 및 응력 과도현상을 용이하게 감소시킨다. 제어기(162)가, 주파수 과도현상 및/또는 증기 공급원(124)에 저장된 에너지의 크기가, STG(142)가 주파수 과도현상을 보정할 수 있는 것을 방지하는 것을 결정할 때, 제어기(162)는 주파수 과도현상에 대한 보정을 용이하게 할 STG(142)와 CTG(116)의 상대적인 기여를 결정하고, 소정의 기간 내에 주파수 과도현상을 보정할 대략적인 위치로 밸브(136), 밸브(110) 및 IGV(102)를 신속하게 경사이동한다.

본원에 설명된 전력망 주파수 제어 서브 시스템을 위한 방법 및 장치는 복합 사이클 발전 시스템의 작동을 용이하게 한다. 보다 구체적으로는, 전술된 전력망 주파수 제어 서브 시스템을 설계하고, 설치하고, 작동시키는 것은 연결된 전력망 상의 저-주파수 과도현상 동안, 표준화된 전력망 주파수를 유지하는 것을 용이하게 하기 위해 열 에너지 저장 용량을 사용함으로써 복합 사이클 전력 시스템의 작동을 용이하게 한다. 또한, 연결된 전력망 상의 고-주파수 과도현상은 또한 전력망 주파수 제어 서브 시스템으로 완화될 수 있다. 결과적으로, 안정된 전력망 주파수의 유지는 용이하게 실행될 수 있으며, 확장된 유지 비용 및 복합 사이클 발전 시스템 정지 기간은 감소하거나 제거될 수도 있다.

비록, 본원에 설명 및/또는 도시된 방법 및 장치는 복합 사이클 발전 시스템, 보다 구체적으로는 전력망 주파수 제어 서브 시스템용 방법 및 장치에 대해 설명 및/또는 도시되지만, 본원에 설명 및/또는 도시된 방법 및 장치는 일반적으로 전력망 주파수 제어 서브 시스템이나 복합 사이클 발전 시스템에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 본원에 설명 및/또는 도시된 방법은 소정의 시스템을 설계, 설치 및 작동하기에 적합하다.

복합 사이클 발전 시스템과 관련한 전력망 주파수 제어 서브 시스템의 예시적인 실시예가 상세하게 전술되었다. 상기 방법, 장치 및 시스템은 본원에 설명된 특정 실시예나 설계, 설치 및 작동되는 특정 전력망 주파수 제어 서브 시스템에 한정되지 않으며, 오히려 전력망 주파수 제어 서브 시스템을 설계, 설치 및 작동하는 방법은 본원에 설명된 다른 방법, 장치 및 시스템, 또는 본원에 설명되지 않은 구성요소를 설계, 설치 및 작동하는 방법, 장치 및 시스템으로부터 독립적이고 별도 로 사용될 수 있다. 예를 들어, 다른 구성요소가 본원에 설명된 방법을 사용하여 설계, 설치 및 작동될 수도 있다.

본원에 사용된 바와 같이, 실시간 제어기를 참조하면, 실시간은 결과에 영향을 미치는 입력에 있어서의 변경 후 실질적으로 짧은 기간에 발생하는 결과를 나타낸다. 상기 기간은 규칙적으로 반복되는 일의 각각의 반복 사이의 시간이다. 이러한 반복되는 일은 주기적 일이라 한다. 상기 기간은 결과의 중요성 및/또는 결과를 도출해내기 위해 입력의 처리를 실행하는 시스템의 능력에 근거하여 선택될 수 있는 실시간 시스템의 설계 매개변수이다.

본원에 사용된 바와 같이, 제어기란 용어는 마이크로콘트롤러, 리듀스 인스트럭션 세트 서킷(reduced instruction set circuit; RISC), 애플리케이션-스페시픽 인테그레이트 서킷(application-specific integrated circuit; ASICs), 논리 회로 및 그 외 본원에 설명된 기능을 실행할 수 있는 다른 회로나 프로세서를 포함하는 컴퓨터 시스템과 같은 프로세서 기반 또는 마이크로프로세서 기반 시스템을 포함할 수 있다. 전술된 예들은 단지 예시일 뿐이며, 제어기라는 용어의 정의 및/또는 의미를 한정하려는 것은 아니다.

다양한 실시예 또는 그 구성요소는 컴퓨터 시스템의 일부로서 실행될 수도 있다. 컴퓨터 시스템은 컴퓨터, 입력 장치, 디스플레이 유닛 및 예를 들어, 인터넷에 접속하기 위한 인터페이스를 포함할 수 있다. 또한, 이는 통신 버스에 연결될 수 있는 마이크로프로세서를 포함할 수도 있다. 컴퓨터는 랜덤 액세스 메모리(RAM) 및 리드 온리 메모리(ROM)를 포함할 수 있는 메모리뿐만 아니라, 하드디스크 드라이브 또는 플로피 디스크, 광 디스크 드라이브 등과 같은 제거 가능한 저장 드라이브일 수 있는 저장 장치를 포함할 수 있다. 또한, 저장 장치는 컴퓨터 프로그램 또는 그 외 다른 명령을 컴퓨터 시스템에 로딩하는 다른 유사한 수단일 수도 있다.

컴퓨터 시스템은 입력 데이터를 처리하기 위해, 하나 이상의 저장 요소에 저장되는 일련의 명령을 실행한다. 또한, 상기 저장 요소는 요구되거나 필요하다면, 데이터 또는 다른 정보를 보관할 수 있으며, 처리 기계 내의 정보 공급원 또는 물리적 메모리 요소의 형태일 수도 있다. 이러한 일련의 명령은 컴퓨터 시스템으로 하여금 본 발명의 다양한 공정과 같은 특정 작동을 실행하도록 지시하는 다양한 지령을 포함할 수 있다. 일련의 명령은 소프트웨어 프로그램의 형태일 수 있다. 소프트웨어는 시스템 소프트웨어 또는 응용 소프트웨어와 같은 다양한 형태일 수 있다. 또한, 소프트웨어는 별도의 프로그램의 모임, 큰 프로그램 내의 프로그램 모듈, 또는 프로그램 모듈의 일부의 형태일 수 있다. 또한, 소프트웨어는 객체지향 프로그래밍의 형태로 프로그램되는 모듈을 포함할 수도 있다. 처리 기계에 의한 입력 데이터의 처리는 사용자 명령, 이전 처리의 결과 또는 다른 처리 기계에 의해 형성되는 요청에 응답으로 이루어질 수 있다.

본원에 설명된 바와 같이, '소프트웨어' 및 '펌웨어'라는 용어는 혼용될 수 있으며, 컴퓨터에 의해 실행될, RAM 메모리, ROM 메모리, EPROM 메모리, EEPROM 메로리 및 비-휘발성 RAM(NVRAM) 메모리를 포함하는 메모리 내에 저장되는 소정의 컴퓨터 프로그램을 포함한다. 전술된 메모리 유형은 예시에 불과하며, 컴퓨터 프로 그램을 저장하기 위해 사용되는 메모리의 유형을 제한하는 것은 아니다.

전술된 모델 예측 제어 방법은 비용 효율적이고 높이 신뢰할 만하다. 상기 방법은 전체 부하로의 제어된 램프 및 초기의 발산이 후속하는 가능한 가장 높게 결정되는 유지점(hold point)에 신속하게 도달하는 기계 로딩 프로파일 출력을 허용한다. 따라서, 모델 예측 제어 방법은 비용 효율적이고 높이 신뢰할 만한 기계의 작동을 용이하게 한다.

본 발명이 다양한 특정 실시예에 대해 설명되지만, 당업자는 본 발명이 특허청구범위의 취지 및 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것을 이해할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 예시적인 증기 터빈 발전 시스템에 대한 개략도,

도 2는 도 1에 도시된 증기 터빈 발전기의 단순화된 개략도,

도 3은 도 2에 도시된 터빈과 함께 사용될 수 있는 터빈 제어기의 출력을 제어하는 예시적인 방법의 흐름도.

Claims

복합 사이클 발전 시스템(100)용 전력망 주파수 제어 서브 시스템에 있어서,

증기 유동 제어 밸브(136)를 포함하는 증기 터빈(138)과,

상기 증기 유동 제어 밸브를 통해 상기 증기 터빈과 유체 연통하여 연결되며, 열 에너지 저장부를 포함하는 증기 공급원(124)과,

입구 안내 베인(102)을 포함하는 연소 터빈(112)과,

상기 증기 터빈과 상기 연소 터빈 중 적어도 하나에 결합되는 전력 발전기로서, 상기 전력 발전기는 전력망(164)에 전기적으로 결합되고, 상기 발전기 및 상기 전력망의 주파수는 상기 전력망의 작동 주파수에 동조되는, 상기 전력 발전기와,

미리 결정된 기간에 대해, 일정한 미리 결정된 망 주파수 회복률을 용이하게 유발하기 위해, 상기 증기 유동 제어 밸브 및 상기 입구 안내 베인을 동시에 조절하도록 구성되는 제어기(162)를 포함하는

전력망 주파수 제어 서브 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 증기 유동 제어 밸브(136)를 망 저 주파수 상태에 응답하여 개방하고, 상기 증기 유동 제어 밸브를 망 고 주파수 상태에 응답하여 폐쇄하도록 구성되는

전력망 주파수 제어 서브 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 제어기(162)는 상기 열 에너지 저장부의 현재의 열 에너지 용량을 결정하도록 구성되는

전력망 주파수 제어 서브 시스템.
제 3 항에 있어서,

상기 제어기(162)는 상기 열 에너지 저장부의 상기 현재의 열 에너지 용량 및 적어도 하나의 증기 유동 제어 밸브(136)의 미리 결정된 변화율을 사용하여 가용 주파수 회복률을 결정하도록 구성되는

전력망 주파수 제어 서브 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 제어기(162)는 망 저-주파수 상태에 응답하여 상기 입구 안내 베인(102)을 개방하고, 망 고-주파수 상태에 응답하여 상기 입구 안내 베인을 폐쇄하도록 구성되는

전력망 주파수 제어 서브 시스템.
복합 사이클 발전 시스템(100)에 있어서,

증기 유동 제어 밸브(136)를 포함하며, 적어도 하나의 전기 발전기에 결합되는 증기 터빈(138)과,

열 에너지 저장부를 포함하며, 상기 증기 유동 제어 밸브를 통해 상기 증기 터빈과 유체 연통하는 증기 공급원(124)과,

상기 적어도 하나의 전기 발전기에 결합되며, 입구 안내 베인(102)을 포함하는 연소 터빈(112)과,

상기 증기 유동 제어 밸브, 상기 증기 공급원 및 상기 입구 안내 베인에 통신 가능하게 결합되는 제어기(162)를 포함하며,

상기 제어기는,

상기 열 에너지 저장부의 현재의 열 에너지 용량을 결정하고,

상기 열 에너지 저장부의 현재의 열 에너지 용량 및 상기 증기 유동 제어 밸브의 미리 결정된 변화율을 사용하여 가용 주파수 회복률을 결정하고,

상기 열 에너지 저장부의 가용 주파수 회복률을 초과하는 망 저-주파수 상태에 응답하여, 상기 증기 유동 제어 밸브와 동시에 상기 입구 안내 베인을 개방하고,

상기 열 에너지 저장부의 가용 주파수 회복률을 초과하는 망 고-주파수 상태에 응답하여, 상기 증기 유동 제어 밸브와 동시에 상기 입구 안내 베인을 폐쇄하도록 구성되는

복합 사이클 발전 시스템.
제 6 항에 있어서,

상기 증기 공급원(124)은 열 회수 증기 발생기(124)를 포함하는

복합 사이클 발전 시스템.
제 6 항에 있어서,

상기 증기 터빈(138), 상기 연소 터빈(112) 및 상기 발전기(116)는 공통의 회전 가능한 축(114)에 함께 회전 가능하게 결합되어 있고, 이렇게 해서 상기 증기 유동 제어 밸브(136), 상기 입구 안내 베인(102) 및 상기 제어기(162)가 협동하여, 망 저-주파수 상태에 응답하여 상기 공통의 회전 가능한 축을 가속시키는 개방 위치를 향해, 또한 망 고-주파수 상태에 응답하여 상기 공통의 회전 가능한 축을 감속시키는 폐쇄 위치를 향해, 상기 증기 유동 제어 밸브 및 상기 입구 안내 베인을 이동시키도록 되어 있는

복합 사이클 발전 시스템.
제 6 항에 있어서,

상기 적어도 하나의 발전기는 제 1 발전기를 포함하며, 상기 제 1 발전기는 상기 증기 유동 제어 밸브(136)가 상기 제 1 발전기의 가속 또는 감속을 가능하게 하도록 상기 증기 터빈(138)에 회전 가능하게 결합되어 있는

복합 사이클 발전 시스템.
제 6 항에 있어서,

상기 적어도 하나의 발전기는 제 2 발전기를 더 포함하며, 상기 제 2 발전기는 상기 연소 터빈의 상기 입구 안내 베인(102)이 상기 제 2 발전기의 가속 또는 감속을 가능하게 하도록 상기 연소 터빈(112)에 회전 가능하게 결합되어 있는

복합 사이클 발전 시스템.