KR101639203B1 - 가스 엔진을 위한 가스량 제어 - Google Patents

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프라샨트 스리니바산
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Abstract

가스 엔진 조립체는 압축기, 연소 시스템, 바이패스 라인 및 제어 시스템을 포함한다. 제어 시스템은 이송 지연값에 따라 가스 공급 매개 변수를 제어하도록 구성되어있다. 이송 지연값은 가스 공급 제어 장치가 조절될 때의 시간과 가스 특성에 대응하는 조절을 갖는 가스가 가스 공급 제어기구로부터 하류의 미리결정된 시간에서 수용되는 시간 사이의 지연에 대응한다.

Description

가스 엔진을 위한 가스량 제어{GAS DOSAGE CONTROL FOR GAS ENGINE}
본 명세서에 개시된 주제는 가스 엔진의 가스량(gas dosage) 제어, 특히, 터보차저 가스 엔진의 가스 공급 라인에서의 이송 지연을 결정하고 이송 지연에 근거하여 가스 공급 매개변수를 제어하는 것에 관한 것이다.
가스 엔진의 가스 터빈은 가스, 공기 또는 가스/공기 혼합물과 같은 유체를 압축기 내로 제공하여, 유체를 연소기로 가열하고, 가열된 유체를 터빈 단을 통해 구동함으로써 전력을 생성한다. 터빈 단은 샤프트에 고정된 블레이드 또는 버킷을 포함하며, 가열된 유체가 블레이드 또는 버킷으로 지향됨에 따라 샤프트를 회전시키도록 구성되며, 샤프트를 회전시켜 전력을 생성한다. 터보차저 터빈에서, 샤프트의 회전은 압축기 내로 공기의 유입을 강제하여, 압축기 내의 블레이드를 회전시키는데 이용될 수 있다.
압축기 및 연소 시스템으로의 가스의 공급은 가스량 밸브에 의해 제어될 수 있으며, 압축기 및 연소 시스템에 공급되는 가스 및 공기의 혼합물은 가스 혼합기에 의해서 제어될 수 있다. 그러나, 원하는 양의 가스, 또는 원하는 가스/공기 혼합물을 유동시키기 위해서, 가스량 밸브 또는 가스 혼합기에 제어 신호를 전송할 때, 가스 공급 밸브와 같은 가스 공급 제어 기구가 조절되는 시간과, 가스 특성에서의 대응하는 변화가 가스 공급 제어 기구로부터 하류 지점에서 수신되는 시간 사이에 지연이 존재한다.
본 발명은 가스 엔진의 가스량 제어, 특히, 터보차저 가스 엔진의 가스 공급 라인에서의 이송 지연을 결정하고 이송 지연에 근거하여 가스 공급 매개변수를 제어하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 가스 엔진 조립체는 제 1 가스 공급 라인으로부터의 가스를 수용하여, 가스를 압축하도록 구성된 압축기를 포함한다. 연소 시스템은 제 2 가스 공급 라인을 통해서 압축기로부터의 가스를 수용하여 가스 및 연료를 연소시킨다. 바이패스 라인은, 제 1 및 제 2 가스 공급 라인 중 하나로부터 제 1 및 제 2 가스 공급 라인 중 다른 하나로 가스 전부보다는 적은 가스 일부를 우회시키기 위해서, 제 1 가스 공급 라인에 연결되는 일 단부, 및 제 2 가스 공급 라인에 연결되는 대향 단부를 갖는다. 제어 시스템은 이송 지연에 근거하여 가스 공급 매개변수를 제어하며, 상기 이송 지연은 가스 공급 기구가 조절될 때의 시간과, 가스의 특성에서의 대응하는 변화가 가스 공급 기구로부터 하류의 미리결정된 지점에서 검출되는 시간 사이의 지연에 대응한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 이송 지연 산출 모듈은 가스 공급원과 연소 시스템 사이의 가스 공급 경로를 따라서 적어도 하나의 센서로부터의 측정값을 수용하며, 가스 공급 제어 기구가 조절되는 시간과, 가스 특성의 대응하는 조절을 갖는 가스가 연소 시스템에 도달하는 시간 사이의 지연에 대응하는 이송 지연 값을 산출한다. 가스 공급 기구 명령 모듈은 이송 지연값에 근거하여 가스 공급 기구를 제어하도록 가스 공급 제어 신호를 생성한다.
본 발명의 또 다른 양태에 따라서, 가스 엔진 조립체의 작동을 제어하는 방법은, 가스 공급 경로를 따라서 적어도 하나의 센서로부터 적어도 한 세트의 측정값을 달성하는 단계를 포함하며, 상기 가스 공급 경로는 가스 공급원으로부터 압축기로, 그리고 압축기로부터 가스 터빈의 연소 시스템으로 가스를 공급하도록 구성된다. 가스 엔진 조립체는 가스 공급원과 압축기 사이의 가스 공급 경로를 따라서 연결되는 일 단부, 및 압축기와 연소 시스템 사이의 가스 공급 경로를 따라서 연결되는 대향 단부를 구비한 바이패스 라인을 포함한다. 이 방법은 가스 공급 제어 기구가 조절되는 시간과, 가스 특성의 대응하는 조절을 갖는 가스가 가스 공급 제어 기구로부터 하류의 미리결정된 지점에서 수용되는 시간 사이의 지연에 대응하는 이송 지연값을 산출하는 단계를 포함한다. 이 방법은 이송 지연값에 근거하여 가스 공급 제어 기구를 제어하도록 가스 공급 제어 신호를 생성시키는 단계를 포함한다.
이들 장점과 기타 장점 및 특징은 도면을 참조하여 하기의 상세한 설명으로부터 보다 명백해질 것이다.
본 발명으로 간주되는 대상은, 특히 상세한 설명의 결론으로 청구범위에 언급되고 본 발명의 청구항에 명확하게 기재되어 있다. 본 발명의 전술 및 다른 특징, 및 이점은 첨부된 도면과 함께 다음의 상세한 설명으로부터 자명하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가스 엔진 조립체를 도시하는 도면,
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 엔진 조립체를 도시하는 도면,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 엔진 조립체를 도시하는 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 엔진 제어기의 블록 선도,
도 5는 일 실시예에 따른 가스 엔진을 제어하기 위한 방법의 흐름도.
상세한 설명은 도면을 참조하여 예로서, 이점 및 특징과 함께 본 발명의 실시예를 설명한다.
가스 엔진 시스템에서, 가스 또는 공기 공급 기구가 조절되는 시간과, 연소 시스템으로의 가스 유동 내의 대응하는 변화가 연소 시스템에서 수신되는 시간 사이에 지연이 존재한다. 이 지연은 가스/공기 공급 시스템 내의 비효율성 또는 오차를 야기할 수 있다. 본 발명의 실시예는 결정된 이송 지연에 근거하여 가스/공기 혼합물을 제어하는 것과 관련되어 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가스 엔진 조립체(100)를 도시하고 있다. 조립체(100)는 가스 공급 시스템(110), 터빈 구조물(120), 연소 시스템(130) 및 엔진 제어 조립체(140)를 포함한다. 작동 중에, 가스 공급 시스템은 가스를 제 1 가스 공급 라인(150)을 따라서 터빈 구조물(120)에 공급한다. 터빈 구조물(120)은 압축기(121), 터빈 단(122) 및 압축기(121)의 블레이드를 터빈 단(122)의 버킷과 연결하는 샤프트(123)를 포함한다. 작동 중에, 터빈 구조물(120)은 샤프트(123)를 갖는 압축기(121)의 블레이드를 구동시킴으로써 압축기(121) 내로 가스의 유입을 강제함으로써 터보차저로서 작동할 수 있다.
가스는 제 2 가스 공급 라인(152)을 통해서 압축기(121)로부터 연소 시스템(130)으로 유동한다. 가스 공급 라인(152)은 예를 들어, 가스를 다수의 연소기로 지향시키기 위해서 흡기 매니폴드(131)에서 하나의 유동 경로에서 다수의 유동 경로로 분할될 수 있다. 가스는 연소 시스템 내에서 연소되고 가열될 수 있으며, 다수의 연소기에 대응하는 배기 매니폴드(132)로부터 다수의 유동 경로를 통해 출력될 수 있다. 가스는 제 3 가스 공급 라인(154)을 통해 연소 시스템(130)으로부터 터빈 단(122)으로 지향된다. 가스는 배기 경로(155)를 통해 터빈 단(122)으로부터 배출되며, 상기 가스는 공기 중으로 방출될 수 있으며, 저장을 위해 포집될 수 있으며, 추가의 가열 또는 냉각 작동을 위해 재-사용될 수 있으며, 또는 기타 다른 목적을 위해 이용될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 바이패스 라인(153)은 압축기(121)의 상류에서 제 1 가스 공급 라인(151)에 연결되는 제 1 단부(156) 및 압축기(121)의 하류에서 제 2 가스 공급 라인(152)에 연결되는 제 2 단부(157)를 포함한다. 제 1 가스 공급 라인(151) 및 제 2 가스 공급 라인(152) 내의 압력 사이의 압력비에 따라서, 가스는 제 1 단부(156)에서 제 2 단부(157)로, 또는 제 2 단부(157)에서 제 1 단부(156)로 유동할 수 있다. 예를 들어, 엔진 조립체(100)가 터보차저로서 작동되도록 구성될 때, 가스는 제 1 가스 공급 라인(151)에 연결된 단부(156)에서 제 2 가스 공급 라인(152)에 연결된 제 2 단부(157)로 바이패스 라인(153)을 따라서 유동하여 압축기(121)를 우회할 수 있다. 바이패스 라인(153)을 통해 전달되는 가스는 제 1 가스 공급 라인(151)으로부터의 가스의 일부분이며, 제 1 가스 공급 라인(151)을 통해 유동하는 가스의 나머지는 압축기(121)로 유동한다.
바이패스 라인(153)은 제 1 가스 공급 라인(151) 또는 제 2 가스 공급 라인(152)으로부터의 가스의 일부를 우회시키기 때문에, 가스 공급 시스템(110) 내에서, 또는 제 1 가스 공급 라인(151) 또는 제 2 가스 공급 라인(152)을 따라서, 또는 바이패스 라인(153)을 따라서, 밸브와 같은 가스 공급 기구를 제어하는 것은 가스 공급 시스템(110)과 연소 시스템(130) 사이의 가스의 유동에서 비-선형 응답(non-linear response)을 야기한다. 다시 말해, 미리결정된 양만큼 가스 유동을 증가시키도록 밸브를 조절하는 것은 연소 시스템(130)의 흡기 매니폴드(131)에서, 가스 농도와 같은 가스 특성에서의 비례 또는 선형 변화를 야기하지 않을 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 가스는 폐가스 또는 가스 혼합물, 또는 대기 공기(이하, 상세한 설명에서 "공기(air)"로도 언급됨) 및 산소, 질소 또는 임의의 다른 가스와 같은 다른 가스의 조합 또는 대기 공기가 아닌 가스의 혼합물일 수 있다. 다시 말해서, 상세한 설명에서 용어 "가스(gas)"는 폐가스 또는 비-공기 가스(non-air gases)의 혼합물을 언급하거나 용어가 사용되는 문맥에 따라서, 가스/공기 혼합물을 언급할 수 있다. 예를 들어, 제 1 가스 공급 라인(151) 및 제 2 가스 공급 라인(152)을 통해 유동하는 가스는 가스/공기 혼합물일 수 있지만, 도 2의 가스 공급원(111)과 같은 가스 공급원으로부터 공급되는 가스는 폐가스 또는 공기가 아닌 가스의 혼합물일 수 있다.
가스 엔진 조립체(100)는 가스 공급 제어 기구(162, 164)를 포함하며, 바이패스 라인(153) 및 제 2 가스 공급 라인(152)을 따라 위치된 밸브(V)(162, 164)로서 상세한 설명에 언급되기도 한다. 이들은 조립체(100) 내의 가스 유동을 제어하기 위한 밸브의 위치의 예로서 제공되며, 본 발명의 실시예는 추가의 밸브, 조립체(100) 내의 상이한 위치에 위치되는 밸브, 및 밸브 이외에 임의의 다른 형태의 가스 공급 제어 기구를 포함한다.
가스 엔진 조립체(100)는 또한, 센서(S)(161, 163)를 포함한다. 센서(161)는 제 1 가스 공급 라인(151)을 따라서 위치될 수 있으며, 센서(163)는 제 2 가스 공급 라인(152)을 따라서 위치될 수 있다. 센서(161, 163)는 예로서 제공되지만, 본 발명의 실시예는 예를 들어, 바이패스 라인(153)을 따라서, 가스 공급 시스템(110) 내에, 터빈 구조물(120) 내에, 다수의 유동 경로(131 또는 132) 중 하나 이상을 따라서, 제 3 가스 공급 라인(154)을 따라서 또는 배기 유동 경로(155)를 따라서, 조립체(100) 내에 임의의 구성의 센서를 포함한다. 센서(161, 163)는 압력 센서, 온도 센서, 유동 센서, 또는 임의의 다른 형태의 센서와 같은 임의의 형태의 센서를 포함할 수 있다.
가스 유동 경로는 제 1, 제 2 및 제 3 가스 공급 라인(151, 152, 154), 바이패스 라인(153) 및 배기 경로(155)로서 기재되지만, 본 발명의 실시예는 라인 또는 도관에 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예는 가스의 유동을 한정하며 지향시킬 수 있는 임의의 구조물을 포함한다. 예로서, 구조물은 라인, 관, 및 터빈 구조물(120)과 같은, 구조물 내로 천공되거나 형성된 구멍, 골조 부품 또는 터빈 구조물(120) 또는 임의의 다른 구조물과 같은 골조 구조물에 의해 형성된 구멍을 포함한다. 제 1, 제 2 및 제 3 가스 공급 라인(151, 152, 154), 바이패스 라인(153) 및 배기 경로(155)는 임의의 형상을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 관형, 실질적으로 평면형, 직선형, 곡선형, 좁은 상이한 형상을 갖는 상이한 부분을 가질 수 있으며, 단면적을 감소시키며, 단면적을 증가시키거나, 조립체(100)의 설계 고려사항에 따른 임의의 다른 형상을 가질 수 있다.
가스 엔진 조립체(100)는 가스 공급 시스템(100)으로부터 연소 시스템(130)으로의 가스의 공급을 제어하도록 구성된 엔진 제어 조립체(140)를 더 포함한다. 일 실시예에서, 엔진 제어 조립체(140)는 처리 회로, 메모리, 프로그램가능한 논리, 수동 전기적 부품과 같은 회로 및 데이터를 수신, 저장, 분석 및 전송하는 다른 회로를 포함한다. 엔진 제어 조립체(140)는 센서(161, 163)로부터 측정값(141)을 수용하고 저장한다. 측정값(142)은 제 1 및 제 2 가스 공급 라인(151, 152)을 따라서 가스의 이송 지연을 측정하기 위해서 피드 포워드 분석 유닛(142) 내에서 이용되지만, 바이패스 라인(153)을 통한 가스 유동의 일부분의 우회를 고려한다. 따라서, 일 실시예에서, 피드 포워드 분석 유닛(142)은 피드 포워드 보상 신호를 생성하기 위해서 비-선형 알고리즘을 적용한다.
일 실시예에서, 피드 포워드 분석 유닛(142)은 입력으로서 측정된 센서 데이터를 수용하고, 출력으로서 가스 엔진 조립체(100)의 이송 지연에 대응하는 하나 이상의 값을 생성하는 알고리즘을 표시하도록 구성된 소프트웨어 및 하드웨어 중 하나 또는 모두를 포함한다. 알고리즘은 (예를 들어, 가스 공급 시스템(110)을 통해서, 제 1 가스 공급 라인(151)을 따라서, 압축기(121)를 통해서, 제 2 가스 공급 라인(152)을 따라서, 그리고 바이패스 라인(153)을 따라서) 엔진 상태의 함수로서, 가스 공급 경로를 따라서 매니폴드 내의 가스 농도의 변화를 형성한다. 일부 실시예에서, 엔진 상태는 연소 시스템(130)의 연소 레벨, 터빈 구조물(120)의 회전 속도 또는 토크 레벨, 연료 소비 레벨, 가스 유동 레벨, 배기 레벨 또는 임의의 다른 엔진 상태에 대응한다.
일 실시예에서, 알고리즘은 가스 공급 기구와 흡기 매니폴드(131) 사이의 이송 지연을 나타내는 비-선형 알고리즘이다. 알고리즘은 제 1 및 제 2 가스 공급 라인(151, 152)으로부터 그리고 바이패스 라인(153)을 통해 가스의 일부분을 우회시키는 것을 고려한다.
엔진 제어 조립체(140)는 또한, 목표값 생성기(143)를 포함한다. 목표값은 엔진 상태, 예를 들어, 가스 매개변수의 값에 대응한다. 일 실시예에서, 목표값은 연소 시스템(130)의 흡기 매니폴드(131)에서 원하는 가스의 농도에 대응한다. 일 실시예에서, 목표값은 사용자로부터의 데이터 입력과 같은 참고 데이터, 가스 터빈을 제어하기 위한 모델 데이터, 또는 임의의 다른 참고 데이터에 근거하여 산출된다. 예를 들어, 가스 엔진 조립체(100)는 샤프트(123)의 회전 속도와 같은 원하는 전력 출력 레벨, 샤프트(122)의 토크 레벨, 미리-결정된 배기 출력 레벨, 미리결정된 연료 소비 레벨, 미리결정된 가스 소비 레벨, 이러한 레벨의 임의의 조합, 또는 전력 출력에 대응하는 임의의 다른 기준을 달성하기 위해서 목표값을 산출하는 모델에 따라서 제어될 수 있다.
목표값은 오차값을 생성시키기 위해서 목표값을 측정값(141)과 비교하는 피드백 분석 유닛(144)에 제공된다. 피드 포워드 분석값 및 오차값은 가스 엔진 조립체(100)의 작동을 제어하도록 제어 신호를 생성시키기 위해서 제어 신호 생성기(145)에 제공된다. 제어 신호의 예는 밸브(162, 164)를 제어하기 위해, 가스 공급 시스템(110)으로부터 가스 공급을 제어하기 위해, 연소 시스템(130)에 공급되는 연료를 제어하거나 가스 엔진 조립체(100)의 임의의 다른 매개변수를 제어하기 위해서 제어 신호를 포함한다.
일 실시예에서, 피드 포워드 분석 유닛(142)은 압력 및 온도 센서로부터 압력 데이터 및 온도 데이터 중 단 하나 또는 모두에 근거하여 이송 지연을 산출한다. 다른 실시예에서, 피드 포워드 분석 유닛(142)은 압력 센서로부터의 압력 데이터, 온도 센서로부터의 온도 데이터, 압축기(121), 샤프트(123) 또는 터빈 단(122)의 회전 속도 데이터, 가스 공급 기구를 통한 가스 질량 유량 중 단 하나 또는 하나 이상에 근거하여 이송 지연을 산출한다. 다시 말해, 가스 엔진 조립체(100)는 임의의 수의 센서 및 임의의 형태의 센서를 포함할 수 있으며, 피드 포워드 분석 유닛(142)은 이송 지연을 산출하기 위해서 각각의 다양한 형태의 센서를 이용할 수 있으며, 또는 피드 포워드 분석 유닛(142)은 터빈 구조물(120)의 압력 센서, 온도 센서 및 회전 속도 센서와 같은 센서의 서브세트만을 이용하여 이송 지연을 산출할 수 있다.
일 실시예에서, 가스 엔진 조립체(100)는 람다 센서 및 산소 농도 센서 중 하나 또는 모두를 포함하지 않는다. 이러한 실시예에서, 피드 포워드 분석 유닛(142)은 가스 공급 경로를 따라서, 다른 센서 예를 들어, 압력 센서, 온도 센서, 회전 속도 센서 및 가스 유동 센서에 근거하여 가스 공급 제어 신호(145)를 조절하기 위해서 시스템에 대한 이송 지연을 산출한다. 다른 실시예에서, 가스 엔진 조립체(100)는 람다 센서 및 산소 농도 센서 중 하나 또는 모두를 포함한다. 이러한 실시예에서, 피드 포워드 분석 유닛(142)은 시스템 중복을 제공하기 위해서 이송 지연을 산출할 수 있다. 이러한 실시예에서, 피드 포워드 분석 유닛(142)에 의해 산출된 이송 지연은 가스 엔진 조립체(100) 내의 센서 고장, 소프트웨어 고장 또는 다른 이상을 검출하기 위해서 람다 센서 또는 산소 농도 센서 중 하나 또는 모두에 의해 생성되는 데이터와 비교된다.
도 1은 바이패스 라인(153)의 제 1 단부(156)의 상류의 가스 공급 시스템(100)으로부터 주입되는 가스를 갖는 엔진 조립체(100)의 구성을 도시하고 있다. 그러나, 본 발명의 실시예는 가스 공급 라인(151) 및 공기 공급 라인(152)을 따라서 임의의 지점에서 가스 주입을 포함하고 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 바이패스 라인(153)의 제 1 단부(156)는 가스 공급 시스템(110)의 상류에 위치된다. 이러한 실시예에서, 공기는 가스 공급 시스템(110)에 제공될 수 있으며, 공기는 바이패스 라인(153)의 제 1 단부(156)에서 바이패스 라인(153)의 개구에 걸쳐서 유동할 수 있다. 가스는 전술된 바와 같이 가스 공급 시스템(110)에 의해 기류에 혼합될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 가스 공급 시스템(110)은 스로틀 밸브(164)로 언급될 수도 있는 밸브(164) 이전에 바이패스 라인(153)의 제 2 단부(167)로부터 하류의 공급 라인(152) 내로 가스를 주입할 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 실시예는 가스 공급 시스템(110)으로부터 제 1 공급 라인(151) 및 제 2 공급 라인(152)으로 가스를 도입시키는 임의의 구성을 포함한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 엔진 조립체(200)를 도시하고 있다. 도 1과 동일한 가스 엔진 조립체(200)의 요소는 전술되어 있으며, 도 2와 관련하여 다시 기재되지 않는다. 도 2에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서, 가스 공급 시스템(110)은 가스 공급원(111), 가스량 밸브(V)(112), 센서(S)(113) 및 공기/가스 혼합기(M)(114)를 포함한다. 가스 공급원(111)은 저장 용기, 가스 여과 시스템 또는 비-공기 가스를 가스 엔진 조립체(200)에 제공하기 위한 다른 시스템 또는 경로일 수 있다.
가스량 밸브(112)는 가스 엔진 조립체(200) 내로 비-공기 가스의 유동을 제어하고, 센서(113)는 비-공기 가스의 특성, 예를 들어, 압력, 온도, 농도, 유동률, 또는 임의의 다른 특징을 검출한다. 혼합기(114)는 연소 시스템(130)에 공급될 비-공기 가스에 추가되는 공기의 양을 제어한다. (비-공기 가스, 또는 공기 및 비-공기 가스의 혼합물, 또는 가스/공기 혼합물일 수 있는) 합성 가스(resulting gas)는 압축기(121)에 공급되며, 일부는 도 1과 관련하여 기재된 바와 같이, 바이패스 라인(153)을 통하여 우회될 수 있다.
일 실시예에서, 압축기(121)로부터의 가스는 가스의 온도를 제어하기 위해서 인터쿨러(168)에 공급된다. 스로틀 밸브(164)로서 언급될 수 있는 밸브(164)는 가스의 유동을 연소 시스템(130) 내로 제어한다. 센서(165)는 스로틀 밸브(164)로부터 하류에 위치되며, 흡기 매니폴드(131)에서 가스의 특성을 검출한다. 일 실시예에서, 흡기 매니폴드(131)의 각각의 다수의 유동 경로는 분리된 센서(165)를 포함한다.
일 실시예에서, 가스 엔진 조립체는 배기 매니폴드(132) 및 터빈 단(122)으로부터 출력된 배기 가스의 특성을 검출하기 위해서 센서(166, 167)를 포함한다. 본 발명의 실시예에서, 가스 유동에서의 대응하는 특징이 흡기 매니폴드(131)에서 수용되는 시간까지 가스 공급 기구가 제어되는 시간 사이의 이송 지연은 하나 이상의 센서(113, 161, 163, 165, 166, 167)로부터 검출되는 데이터에 근거하여 산출될 수 있다. 일 실시예에서, 이송 지연은 센서(113, 161, 163, 165, 166, 167) 중 2개 이상으로부터의 데이터에 근거하여 산출된다. 일 실시예에서, 이송 지연은 2개 이상의 센서(113, 161, 163, 165, 166, 167)로부터의 분석 데이터에 근거하여 산출된다.
예를 들어, 일 실시예에서, 가스 공급 제어 신호는 제 1 가스 공급 라인(151)에 공급되는 가스 대 공기의 비를 조절하기 위해서 혼합기(114)에 전송된다. 가스의 압력 또는 온도에서의 변화와 같은 가스 유동 특성에서의 변화는 센서(161)에 의해 검출되며, 대응하는 특징은 센서(161)에 의해 엔진 제어 조립체(140)에 제공되는 데이터 세트 내에서 검출된다. 압력 또는 온도와 같은 가스 유동 특성에서의 변화는 센서(165)에 의해서도 검출되며, 대응하는 특징은 센서(165)에 의해 엔진 제어 조립체(140)에 제공되는 데이터 세트 내에서 검출된다. 일 실시예에서, 센서(161, 165)로부터의 데이터 세트 내에서 검출되는 특징은 적어도 가스의 일부분이 압축기(121)를 우회하도록 우회시키는 (또는 제 1 가스 공급 라인(151)이 제 2 가스 공급 라인(152)으로부터 피드백되는), 적어도 일부분 바이패스 라인(153) 때문에, 공기 대 가스의 비에서의 변화에 비-선형 관계를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 엔진 제어 조립체(140)의 피드 포워드 분석 유닛(142)은 유동 특성의 변화에 대응하는 특징이 센서(161, 165)로부터 데이터 세트에 표시되는 시간을 분석하며, 가스 특성에서의 변화(예를 들어, 가스의 변화된 농도)를 갖는 가스의 대응하는 부분이 흡기 매니폴드(131)에 도달하는 시간으로 혼압기(114)가 설정(setting)을 변경하는 시간 사이에서의 이송 지연을 결정한다. 제어 신호 생성기(145)는 산출된 이송 지연값을 고려하여 밸브 또는 다른 가스 공급 제어 기구를 제어하기 위해서 제어 신호를 조절하거나 생성시킨다.
도 1 및 도 2는 단일-단 가스 터빈을 도시하지만, 본 발명의 실시예는 단일 단에 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 2-단 가스 엔진 조립체(300)를 도시하고 있다.
2-단 가스 엔진 조립체(300)는 2-단 가스 엔진 조립체(300)가 저-압 터빈 구조물(320) 및 고-압 터빈 구조물(330)을 포함하는 것을 제외하고, 도 1 및 도 2의 가스 터빈 조립체(100, 200)와 유사하다. 2개의 터빈 구조물(320, 330)만이 도 3에 도시되어 있지만, 본 발명의 실시예는 임의의 수의 터빈 구조물을 포함한다.
2-단 가스 엔진 조립체(300)는 가스 공급 시스템(310), 저-압 터빈 구조물(320), 고-압 터빈 구조물(330), 및 연소 시스템(350)을 포함한다. 가스 공급 시스템(310)은 가스 공급원(311), 가스량 밸브(V)(312), 센서(S)(313) 및 공기/가스 혼합기(M)(314)를 포함한다. 가스 공급원(311), 가스량 밸브(V)(312), 센서(S)(313) 및 공기/가스 혼합기(M)(314)는 도 2의 가스 공급원(111), 가스량 밸브(V)(112), 센서(S)(113) 및 공기/가스 혼합기(M)(114)와 관련하여 전술되어 있다.
공기/가스 혼합기(314)로부터 산출된 (비-공기 가스, 또는 공기 및 비-공기 가스의 혼합물, 또는 가스/공기 혼합물일 수 있는) 가스가 저-압 터빈 구조물(320)의 압축기(321)에 공급된다. 저-압 터빈 구조물은 압축기(321), 터빈 단(322) 및 터빈 단(322)으로의 가스의 공급에 근거하여 회전되는 샤프트(323)를 포함한다. 일부 상황에서, 가스 유동 전부보다는 적은, 공기/가스 혼합기(314)로부터의 가스의 일부분은 바이패스 라인(340, 344) 중 하나 또는 모두를 통해 우회된다. 가스는, 가스의 온도를 제어하기 위해서 압축기(321)로부터 인터쿨러(362)에 공급되며, 가스는 고-압력 터빈 구조물(330)의 압축기(331)로 전달된다. 고-압력 터빈 구조물(330)은 압축기(331), 터빈 단(332) 및 터빈 단(332)으로의 가스의 공급에 근거하여 회전되는 샤프트(333)를 포함한다. 일부 상황에서, 가스 유동 전부보다 적은, 압축기(321)로부터의 가스의 일부분이 바이패스 라인(342, 344) 중 하나 또는 모두를 통해 우회된다.
가스는 압축기(331)로부터 인터쿨러(364) 및 혼합기(370)로 공급된다. 혼합기(370)는 가스 공급원(368)으로부터 비-공기 가스를 수용하며, 가스의 유동은 가스 공급 제어 기구(V)(369)에 의해 제어될 수 있다. 2개의 혼합기(370, 314)가 도 3에 도시되어 있지만, 일 실시예에서, 공기만이 제 1 압축기(321)에 공급되며, 2-단 가스 터빈(300)은 가스 공급 시스템(310)을 포함하지 않는다. 이러한 실시예에서, 혼합기(370)는 흡기 매니폴드(351)에 공급되는 가스와 공기의 비를 제어하도록 구성된 공기/가스 혼합기(370)이다. 2개의 가스 공급원(311, 368)이 존재하는 다른 실시예에서, 2개의 혼합기(314, 370)가 존재하며, 혼합기(370)는 연소 시스템(350)으로 유동하는 공기/가스 혼합물에, 가스 공급원(311)으로부터의 가스와는 상이한 가스 또는 동일한 가스의 추가를 제어한다.
스로틀 밸브(371)는 흡기 매니폴드(351) 내로 가스의 유동을 제어하며, 가열되고 연소된 가스는 배기 매니폴드(352)로부터 유동하고 터빈 단(332, 322)으로 유동한다. 가스 공급 제어 기구는 밸브(V)(312, 366, 367, 368, 369, 371)로서 언급되기도 하며, 가스의 유동 및 공기/가스 혼합물을 가스 공급원(311, 368)으로부터 연소 시스템(350)으로 제어한다. 밸브(312, 366, 367, 368, 369, 371)는 가스 및 공기/가스 혼합물의 유동을 제어하기 위해서, 도 1에 도시된 엔진 제어 조립체(140)와 같은 엔진 제어 조립체에 의해 제어된다. 센서(313, 363, 365, 372, 373, 374, 375)는 2-단 가스 엔진 조립체(300) 내의 가스 및 공기/가스 혼합물의 특성을 측정한다. 센서(313, 363, 365, 372, 373, 374, 375)는 도 1 및 도 2의 전술된 센서(113, 161, 163, 165, 166, 167)와 유사하다.
도 1 및 도 2와 관련하여 전술된 바와 같이, 하나 이상의 센서(313, 363, 365, 372, 373, 374, 375)로부터의 측정값 데이터가 2-단 가스 엔진 조립체(300)의 이송 지연을 산출하기 위해서 엔진 제어 조립체(140)에 공급된다. 엔진 제어 조립체(140)는 가스 공급 기구(312, 366, 367, 368, 369, 371)를 제어하기 위해서 이송 지연을 고려하여 가스 공급 기구 제어 신호를 생성한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가스 엔진 제어기(400)를 도시하고 있다. 가스 엔진 제어기(400)는 예를 들어, 도 1의 엔진 제어 조립체(140)에 대응할 수 있다. 가스 엔진 제어기(400)는 도 1 내지 도 3의 가스 터빈 조립체(100, 200, 300)와 같은 가스 엔진 조립체의 작동 상태 사이에서의 이행을 설명하기 위해서 알고리즘을 표시하는 하드웨어 및 소프트웨어 중 하나 또는 모두를 포함하는, 궤도 생성기(402)를 포함한다. 다시 말해, 궤도 생성기(402)는 다른 제어 시스템 또는 임의의 다른 소스로부터 메모리 내에 저장되는, 사용자로부터 입력 데이터로서 참고 데이터를 수용한다. 궤도 생성기(402)는 엔진 조립체의 현재 상태 및 목표 상태를 결정한다. 궤도 생성기(402)는 현재 상태로부터 목표 상태의 궤도를 산출하고, 궤도에 따른 지점에 대응하는 목표값을 출력한다. 가스 엔진 조립체의 목표 상태의 예는 출력 전력 레벨, 샤프트 또는 터빈 단의 회전 속도, 연소 시스템의 온도 또는 압력, 소비된 연료, 가스 유동, 또는 가스 엔진 조립체의 임의의 다른 상태와 같은 임의의 측정가능한 매개변수를 포함한다.
가스 엔진 제어기(400)는 가스 엔진 조립체의 센서로부터의 측정값 및 궤도 생성기(402)로부터의 목표값을 입력으로서 수용하는 비교 유닛(404)을 포함한다. 유닛(404)은 이전에 측정된 데이터와 목표값 사이의 차이에 대응하는 오차값을 생성한다. 오차값은 다수의 수, 다양한 수, 값들 또는 임의의 다른 값들의 부분 집합을 규정하는 방정식일 수 있다. 오차값은 오차값에 근거하여 가스 엔진 조립체의 가스 공급 기구를 제어하기 위해서 보상 신호를 생성시키는 보상 신호 생성기(406)에 출력된다.
가스 엔진 제어기(400)는 또한, 이송 지연 산출기(408)를 포함한다. 이송 지연 산출기(408)는 도 1의 피드 포워드 분석 유닛(142)에 대응할 수 있다. 이송 지연 산출기는 입력으로서, 측정된 센서 데이터를 수용하며, 출력으로서, 가스 엔진 조립체의 이송 지연에 대응하는 하나 이상의 값을 생성하는, 알고리즘을 표시하도록 구성된 소프트웨어 및 하드웨어 중 하나 또는 모두를 포함한다. 알고리즘은 엔진 상태의 함수로서 가스 공급 경로를 따라서 매니폴드 내의 가스 농도의 변화를 나타낸다. 엔진 상태는 연소 시스템의 연소 레벨, 터빈 구조물의 회전 속도 또는 토크 레벨 또는 임의의 다른 엔진 상태에 대응할 수 있다.
일 실시예에서, 알고리즘은 가스 공급 기구와 흡기 매니폴드 사이의 이송 지연을 나타내는 비-선형 알고리즘이다. 알고리즘은 가스 스트림이 통하여 유동하는 압축기로부터 상류 및 하류에 연결된 단부를 갖는 가스 엔진 조립체의 바이패스 라인을 통해서, 가스 전부 보다는 적은 가스의 일부를 우회시키는 것을 고려한다.
보상 신호 및 이송 지연값은 이송 지연 신호에 근거하여 보상 신호를 조절하기 위해서 이송 지연 압축기(410)에 제공된다. 조절된 보상 신호는, 가스 또는 공기/가스 혼합물의 유동을 가스 엔진 시스템의 연소 시스템으로 제어하기 위해서 가스 엔진 조립체 내의 가스 공급 제어 기구에 하나 이상의 적합한 제어 신호를 생성시키는 제어 신호 생성기(412)에 출력된다.
일부 실시예에서, 궤도 생성기(402), 비교 유닛(404), 비교 신호 생성기(406), 이송 지연 산출기(408), 이송 지연 보상기(410) 및 제어 신호 생성기(412)가 동일한 컴퓨터 칩, 마이크로컨트롤러 회로, 집적 회로, 회로 보드 또는 처리 회로 및 하우징 인클로징 처리 회로(housing enclosing processing circuitry) 및 메모리를 갖는 컴퓨터 내에서 구현된다. 다른 실시예에서, 궤도 생성기(402), 비교 유닛(404), 보상 신호 생성기(406), 이송 지연 산출기(408), 이송 지연 보상기(410) 및 제어 신호 생성기(412) 중 하나 이상은 다수의 컴퓨터 칩, 마이크로컨트롤러 회로, 집적 회로, 회로 보드 또는 컴퓨터에 따라서 분산된 방식으로 구현된다.
도 5는 일 실시예에 따라서, 가스 엔진 조립체를 제어하는 방법의 흐름도를 도시하고 있다. 블록(502)에서, 센서 측정값은 가스 엔진 조립체 내에서 달성된다. 센서 측정값은 압력 센서, 온도 센서, 엔진 속도 센서, 및 가스 유동 센서를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 센서 측정값은 람다 센서 및 산소 농도 센서 중 하나 또는 모두를 제외한다. 센서 측정값은 가스 공급원과 연소 시스템 사이의 가스 공급의 가스 특성 및 회전 속도와 같은 가스 터빈 특성 중 하나 또는 모두에 대응한다. 일부 실시예에서, 센서 측정값은 가스 공급원과 연소 시스템 사이의 가스/공기 혼합물의 가스/공기 혼합물 특성에 대응한다.
블록(504)에서, 측정값은 오차값을 생성시키기 위해서 하나 이상의 목표값과 비교된다. 일 실시예에서, 목표값은 가스 엔진 조립체의 현재 상태 및 가스 엔진 조립체의 목표 상태에 대응하는 궤도에 근거하여 산출된다. 이러한 실시예에서, 목표값은 궤도에 따른 지점에 대응하며, 오차값은 이전-측정된 가스 터빈 특성과 목표 가스 터빈 특성 사이의 차이에 대응한다.
블록(506)에서, 이송 지연을 산출하기 위해서 시간에 걸쳐서 분석된다. 일 실시예에서, 이송 지연은 입력으로서, 측정된 센서 데이터를 수신하며, 출력으로서, 가스 엔진 조립체의 이송 지연에 대응하는 하나 이상의 값을 생성시키는 알고리즘에 근거하여 결정된다. 알고리즘은 엔진 상태의 함수로서 가스 공급 경로를 따라서 매니폴드 내의 가스 농도의 변화를 나타낸다. 일부 실시예에서, 엔진 상태는 연소 시스템의 연소 레벨, 터빈 구조물의 회전 속도 또는 토크 레벨 또는 임의의 다른 엔진 상태에 대응한다. 일 실시예에서, 알고리즘은 가스 공급 기구와 흡기 매니폴드 사이의 이송 지연을 나타내는 비-선형 알고리즘이다. 알고리즘은 가스 흐름이 통하여 유동하는 압축기로부터 상류 및 하류에 연결된 단부를 갖는 가스 엔진 조립체의 바이패스 라인을 통하여 가스의 일부분을 우회시키는 것을 고려한다.
일 실시예에서, 시간에 걸친 측정값의 분석은 가스 공급 제어 신호에 대응하는 제 1 센서로부터 제 1 세트의 측정값에서의 제 1 특징을 확인하는 것, 동일한 가스 공급 제어 신호에 대응하는 제 2 센서로부터 제 2 세트의 측정값에서의 제 2 특징을 확인하는 것을 포함한다. 그 다음, 이송 지연이 제 1 특징과 제 2 특징 사이의 시간상 차이에 근거하여 산출된다.
블록(508)에서, 제어 신호는 산출된 오차값 및 이송 지연값에 근거하여 하나 이상의 가스 공급 기구를 제어하도록 생성된다.
본 발명의 실시예는, 적어도 일부분으로, 가스 공급 경로에 따른 바이패스 라인에 의해 연소 시스템으로 도입되는 비-선형 특성을 고려하는 이송 지연값에 근거하여 가스 엔진 조립체를 제어한다. 본 발명의 실시예는 입력, 온도, 엔진 속도 및 가스 유동 센서와 같은 임의의 형태의 센서를 포함하는 시스템을 포함하며, 일 실시예에서, 시스템은 람다 센서 또는 산소 농도 센서를 포함하지 않는다. 실시예는 단일-단 및 다수-단 터빈 조립체를 포함한다.
본 발명의 실시예는 터빈 조립체, 엔진 제어 시스템, 회로, 조립체, 프로그램 및 모델뿐만 아니라, 전력 출력을 제어하기 위해 제공된 가스 공급 라인을 포함하며, 가스 공급 라인을 따라 바이패스 라인을 포함하는 다른 엔진 조립체를 포함한다. 본 발명의 실시예는 또한, 예를 들어, 터빈 조립체를 제어, 이송 지연값을 산출, 가스 공급 제어 신호를 생성시키기 위한 방법을 포함한다.
본 발명의 제한된 수의 실시예에만 관련하여 상세하게 기재되어 있지만, 본 발명은 이러한 전술된 실시예에만 한정되는 것이 아님을 이해해야만 한다. 다소, 본 발명은, 변형, 변경, 대체 또는 지금까지 설명하지 않은 동등한 구성을 얼마든지 포함하도록 수정하지만, 본 발명의 사상 및 범위에 상응할 수 있다. 추가로, 본 발명의 다양한 실시예가 전술되었지만, 또한, 본 발명의 실시예는 전술된 실시 예의 일부만을 포함할 수 있다는 것을 이해해야한다. 따라서, 본 발명은 상술한 설명에 의해 한정되는 것으로 간주되어서는 안되며, 첨부된 특허 청구 범위에 의해서만 제한된다.

Claims (10)

  1. 가스 엔진 조립체에 있어서,
    제 1 가스 공급 라인으로부터의 가스를 수용하고 상기 가스를 압축하도록 구성된 압축기;
    상기 압축기로부터의 상기 가스를 제 2 가스 공급 라인을 통해서 수용하고 상기 가스 및 연료를 연소하도록 구성된 연소 시스템;
    상기 제 1 및 제 2 가스 공급 라인 중 하나로부터 상기 제 1 및 제 2 가스 공급 라인 중 다른 하나로 가스 전부보다는 적은 가스의 일부분을 우회시키도록, 상기 제 1 가스 공급 라인에 연결된 일 단부 및 상기 제 2 가스 공급 라인에 연결된 대향 단부를 구비한 바이패스 라인; 및
    가스 공급 제어 기구가 조절될 때의 시간과, 가스 특성에서의 대응하는 조절이 상기 가스 공급 제어 기구로부터 하류의 미리결정된 지점에서 수용되는 시간 사이의 지연에 대응하는 이송 지연값에 근거하여 가스 공급 매개변수를 제어하도록 구성된 제어 시스템을 포함하고,
    상기 가스 엔진 조립체는 상기 제 1 가스 연료 공급 라인에 따른 제 1 센서; 및 상기 제 2 가스 공급 라인에 따른 제 2 센서를 더 포함하며,
    상기 제어 시스템은 시간에 걸쳐서 상기 제 1 및 제 2 센서로부터의 측정값을 분석하는 것에 근거하여 상기 이송 지연값을 산출하도록 구성되는
    가스 엔진 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 공급 제어 기구는 가스/공기 혼합기이며,
    상기 가스는 공기 및 비-공기 가스(non-air gas)의 혼합물인
    가스 엔진 조립체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 공급 제어 기구는 상기 제 1 가스 공급 라인에 제공되는 비-공기 가스의 양을 조절하도록 구성된 가스량 밸브(gas dosage valve)인
    가스 엔진 조립체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 바이패스 라인은 터보차저로서 작동되는 상기 가스 엔진 조립체에 근거하여 하류의 상기 가스의 일부분을 전달하도록 구성된
    가스 엔진 조립체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 시간에 걸쳐서 적어도 상기 제 2 가스 공급 라인에 따라서 상기 가스의 농도를 결정함으로써 상기 이송 지연값을 산출하도록 구성된
    가스 엔진 조립체.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 상기 가스의 압력을 측정함으로써 상기 가스의 농도를 산출하도록 구성된
    가스 엔진 조립체.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    시간에 걸쳐서 제 1 및 제 2 센서로부터의 측정값을 분석하는 것은, 제 1 가스 공급 명령 신호에 대응하는 상기 제 1 센서로부터의 측정값에서의 제 1 특징을 검출하는 것, 상기 제 1 가스 공급 명령 신호에 대응하는 상기 제 2 센서로부터의 측정값에서의 제 2 특징을 검출하는 것, 및 상기 제 1 및 제 2 특징의 발생 사이의 시간상 차이에 근거하여 이송 지연값을 산출하는 것을 포함하는
    가스 엔진 조립체.
  9. 청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    가스 엔진 제어 회로에 있어서,
    가스 공급원과 연소 시스템 사이의 가스 공급 경로에 따라서 적어도 두 개의 센서로부터의 측정값을 수용하고, 가스 공급 제어 기구가 조절되는 시간과, 가스 특성의 대응하는 조절을 갖는 가스가 가스 공급 제어 기구로부터 하류의 미리결정된 지점에 도달하는 시간 사이의 지연에 대응하는 이송 지연값을 산출하도록 구성된 이송 지연 산출 모듈; 및
    상기 이송 지연값에 근거하여 상기 가스 공급 제어 기구를 제어하도록 가스 공급 제어 신호를 생성시키도록 구성된 가스 공급 기구 제어 모듈을 포함하고,
    상기 가스 엔진 제어 회로는 시간에 걸쳐서 상기 적어도 두 개의 센서로부터의 측정값을 분석하는 것에 근거하여 상기 이송 지연값을 산출하도록 구성되는
    가스 엔진 제어 회로.
  10. 청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 9 항에 있어서,
    가스 터빈의 원하는 상태에 대응하는 목표값을 생성시키도록 구성된 목표값 생성기를 더 포함하며,
    상기 가스 공급 기구 제어 모듈은 상기 목표값 및 상기 이송 지연값에 근거하여 상기 가스 공급 제어 기구를 제어하도록 상기 가스 공급 제어 신호를 생성시키는
    가스 엔진 제어 회로.
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