KR20020065859A - 연소 온도 결정 방법 및 연소 온도 결정 제어 시스템 - Google Patents

연소 온도 결정 방법 및 연소 온도 결정 제어 시스템 Download PDF

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KR20020065859A
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Abstract

주변 공기의 설계 물함량과는 다른 압축기(12)로 들어가는 공기내의 물함량에 대하여 배기 가스 온도, 터빈 압력비 및 압축기 방출 온도에 근거한 가스 터빈(10) 점화 온도 제어 알고리즘 및 연소 기준 온도 알고리즘을 조정하는 시스템이 개시된다. 주변 공기내의 물함량은 건식 벌브 온도 센서(40)와 습식 벌브 온도 또는 습도 센서(42)로부터의 측정 데이터로부터 제어 시스템에 의해 계산된다.

Description

연소 온도 결정 방법 및 연소 온도 결정 제어 시스템{SYSTEM AND METHOD FOR DETERMINING GAS TURBINE FIRING AND COMBUSTION REFERENCE TEMPERATURES HAVING CORRECTION FOR WATER CONTENT IN COMBUSTION AIR}
본 발명은 가스 터빈 제어 시스템 분야에 관한 것으로, 상세하게는, 연소 시스템의 방출시 가스 온도의 결정과 제어에 관한 것이다.
가스 터빈은, 특히 연소 시스템이 터빈의 입구로 방출하는 경우, 고온에서 작동한다. 연소기 방출 덕트 또는 터빈 입구 섹션내의 가스 온도를 신뢰성 있게 측정하는 만족스러운 수단은 개발되지 않았다. 그러나, 연소기 방출과 터빈 입구에서의 온도는 가스 터빈을 제어하고 다수의 연소 모드를 통해 연소 시스템을 시퀀싱하기 위해 결정된다. 이들 온도는 신뢰성 있게 측정될 수 있는 터빈 매개변수, 즉, 배기 가스 온도, 압축기 방출 온도 및 압력, 및 다른 공지된 가스 터빈 매개변수에 근거하여 가스 터빈 제어 시스템에 의해 간접적으로 결정된다.
신뢰성있게 측정될 수 있는 2개의 핵심적인 가스 온도는 점화 온도(firing temperature)와 연소 기준 온도(combustion reference temperature)이다. 이들 온도는 점화 온도를 제어하고 가스 터빈 연소 섹션의 모드를 시퀀싱하기 위해 사용된다.
터빈 섹션의 제 1단 출구 노즐에서의 가스 온도인 점화 온도의 정확한 제어는 다음과 같은 이유 때문에 필요하다.
1. 점화 온도는 산업 또는 전력용 서비스에서 가스 터빈의 출력을 제한하기 위해 통상 사용되는 매개변수이다. 정격 출력 또는 보증 출력의 달성하는 것은 일반적으로 가스 터빈이 그 정격 점화 온도에서 작동하는 것을 필요로 한다.
2. 터빈 노즐과 버킷의 수명은 그들의 작동 온도의 함수이다. 그들의 수명은 점화 온도가 정격 온도를 초과하면 감소될 것이다.
3. 예혼합 연료 및 공기로 작동하는 가스 터빈 연소 시스템의 배출 성능은 그 작동 온도에 민감하다. 연소 온도가 정격 연소 온도를 초과하면, 질소산화물(NOx) 배출물이 증가할 것이다. 실제의 온도가 정격 온도보다 낮으면, 일산화탄소(CO) 배출물이 증가할 것이다.
연소 기준 온도는 연소기 방출에서의 가스 온도와 관련된다. 연소 기준 온도는, 부분 부하에서 전체 부하로 변환하는 동안의 부분 부하, 또는 부하를 받지 않는 동안 작동하는 가스 터빈의 제어에 중요하다. 연소 기준 온도는 연소 시스템을 최적으로 시퀀싱하고, 그에 따른, 신뢰성 있는 작동과 터빈 배기 가스내의 질소산화물과 일산화탄소 배출물을 효과적으로 제어하기 위해 사용된다. 따라서, 연소 기준 온도의 정확한 결정이 연소 시퀀싱에 요구된다.
가스 터빈 제어를 위해, 가스 터빈 점화 온도 및 연소 기준 온도는, 터빈 배기 가스 온도, 터빈 압력비, 및, 일부 경우에, 압축기 방출 온도에 근거한 알고리즘을 사용하여 통상 결정되었다. 이들 알고리즘에 대한 입력 데이터에는, 측정된터빈 배기 가스 온도, 터빈 입구 압력과 의사(擬似)하는 압축기 방출 압력. 터빈 배기 압력과 의사하는 대기압, 및 압축기 방출 온도가 포함된다.
종래의 점화 온도 알고리즘은 터빈 배기 가스 온도와 터빈을 통한 온도 강하의 합이다. 배기 가스 온도는 직접 측정될 수 있다. 터빈 온도 강하는 터빈 작동 유체 조성, 터빈의 압력비, 터빈 효율, 및 공냉되는 노즐, 버킷, 휠 및 슈라우드로부터 가스 스트림으로 들어가는 공기에 의한 희석의 함수이다. 연소 기준 온도는 터빈 온도 강하를 결정하기 위해 사용되는 것과 유사한 알고리즘을 포함하는 알고리즘에 의해 결정되며, 연소기 방출에서의 가스 온도의 결정에 관련된 매개변수를 갖는 다른 알고리즘 요소를 구비할 수도 있다. 터빈 효율과 냉각 공기 희석이 작동 조건에 따라 변하므로, 점화 온도와 연소 기준 온도에 대한 알고리즘은 각 가스 터빈 모델에 특정되고 가스 터빈 모델의 정상 운전 범위에 걸친 조건에 맞춘 일련의 사이클의 설계 계산으로부터 대체로 추출된다. 알고리즘은 압축기 방출 온도에 대하여 편위된 배기 가스 온도와 터빈 압력비의 함수이며, 이는 안정적 제어 운전에 실제적이도록 선형화된다.
터빈을 통과하는 가스내의 물함량(water content)은 연소 기준 온도 및 점화 온도를 결정하기 위해 사용되는 알고리즘내에 설계 물함량 레벨인 것으로 추정된다. 터빈 작동 유체내의 대부분의 가스 성분은, 탄화수소의 연소로부터 형성된 이산화탄소 및 물과, 연소에 사용되지 않는 공기(과잉 공기)와 연소된 공기에 포함되는 수증기이다. 터빈 작동 유체내의 변화하는 물함량은 연소 공기내의 변화하는 물함량에서 기인한다. 터빈을 통과하는 작동 유체내의 물함량을 비설계(off-design)하는 효과는 터빈을 통하는 가스 온도 강하의 계산에 대한 그 효과에 대하여 현재의 제어 시스템에서는 제어 목적을 위해 고려되지 않는다. 오히려, 종래의 알고리즘은 작동 유체의 물함량이 작동 유체내의 물의 설계(또는 계획) 레벨에 있다고 가정한다. 이들 종래의 알고리즘은 물함량의 설계 레벨을 벗어나지 않는다. 작동 유체의 물함량은 터빈을 통하는 가스 온도 강하에 영향을 미친다. 이는, 터빈 작동 유체의 평균 열역학 특성에 대한 물함량의 효과로 설명된다. 이 방법에 영향을 주는 열역학적 특성은 비열비(정압비열을 정적비열로 나눈 비)이며, 이는 다음과 같이 그 압력비에 대한 열역학 처리의 온도비에 관련된다.
T1/T2 = (P1/P2)exp K
여기서, T1은 입구 온도(도 R)이고, T2는 방출 온도(도 R)이고, P1은 입구 압력(psia)이고, P2는 방출 압력(psia)이며, K는 비열비이다.
등엔트로피 지수는 수증기에 대하여 1.3이고, 터빈 작동 유체의 공기와 다른 성분에 대해서는 1.4이다. 수증기에 대한 감소된 등엔트로피 지수가 공기와 이산화탄소에 비해 압력비를 넘어 팽창될 때 온도 강하를 감소시킨다. 이 인자가, 가스 터빈이 설계 물함량 레벨과는 다른 작동 유체 물함량으로 운전될 때 점화 온도 및 연소 온도 계산에 현저한 영향을 준다. 작동 유체의 주분율(major fraction)이 주변 공기 또는 가습된 주변 공기인 연소 공기이므로, 주변 공기 습도가 제어 알고리즘에 대한 설계 기준과 실질적으로 다를 때, 또한 물이 증발 냉각기에 의해 또는 가스 터빈 출력 증대용의 과포화 시스템(습식 압축)에 의해 인공적으로 연소 공기내로 분사될 때, 비설계 물함량이 발생한다.
가스 터빈 점화 온도 제어 및 연소 기준 온도의 함수로서의 연소 배열은 터빈 섹션을 통해 흐르는 가스내의 수증기에서의 변동에 응답하는 특징을 갖지 않으며, 따라서 터빈을 통한 가스 온도 강하에 대한 잘못된 계산이 나타난다. 연소 공기내의 실제의 수증기 함량이 설계 물함량보다 실질적으로 높다면, 제어 시스템은 점화 온도를 정격 점화 온도보다 낮은 온도에 틀리게 제한할 것이고 연소 시스템을 최적 기준 온도보다 낮은 연소 기준 온도로 시퀀싱할 것이다. 연소 공기내의 실제의 수증기 함량이 설계 수증기 함량보다 실질적으로 낮다면, 제어 시스템은 점화 온도를 정격 온도보다 낮은 온도에 제한할 것이고 연소 시스템을 의도된 기준 온도보다 높은 연소 기준 온도에서 시퀀싱할 것이다. 정격 점화 및 연소 온도를 벗어나 작동시키면 가스 터빈의 운전 범위와 배기 방출 레벨에 악영향이 나타난다.
온화한 기후에서의 주변 공기내의 수증기 함량에서의 변동이 단지 대략 3%이므로, 주변 공기내의 정상 물함량은 심각한 문제를 일으키지 않는다. 주변 함습량에서의 이러한 작은 변동은 터빈 온도 강하 계산에서 대략 -12℉의 전체 변동을 일으킬 것이다. 정격 터빈 점화 온도 및/또는 연소 기준 온도로부터의 이러한 근소한 온도 변동은 가스 터빈 운전 또는 질소산화물 또는 일산화탄소 배출물에 악영할을 주는 경향은 없다. 따라서, 연소 기준 온도 및 점화 온도를 결정하기 위해 사용되는 알고리즘은 물함량을 변수로서 취급하지 않는다. 그러나, 열대 기후에서의 주변 공기는 물함량 변동이 크므로, 압축기의 공기 흡입구로 물을 분사하는 것이 또한 흡입 공기의 물함량이 설계 물함량 레벨로부터 실질적으로 변하게 한다.
수분사(water injection) 시스템은 압축기 입구 공기의 물함량을 실질적으로증가시킬 수 있다. 미국 특허 제 5,867,990 호 및 제 5,930,990 호와 유럽 특허 제 EP 0 781 909 A2 호에 개시된 것과 같은 습식 압축 시스템은 가스 터빈 압축기에 과포화 공기/물 입구 혼합물을 제공한다. 점화 온도는 작동 유체의 고 물함량 때문에 감소되고 따라서 습식 압축 시스템에 의해 제공된 동력 증대가 감소된다. 또한, 터빈 일산화탄소 배출물이 감소된 점화 온도와 공기와 함께 연소 시스템으로 들어가는 첨가된 물에 의해 증가된다. 습식 압축 시스템이 부분 부하 운전 도중 사용된다면, 연소 기준 온도에서의 에러가 연소기를 시퀀싱하는 것에 악영향을 미친다.
작동 유체내의 수증기 함량이 설계 수증기 함량 값으로부터 실질적으로 변하므로, 가스 터빈의 점화 온도 및 연소 기준 온도에 대한 정확한 계산을 제공하기 위해 터빈 제어 알고리즘을 조정하는 방법 및 시스템이 개발되어 왔다. 상기 방법 및 시스템은, 습식 압축 시스템으로 운전되고 수증기 함량이 설계 레벨과는 실질적으로 상이한 주변 환경내의 가스 터빈의 제어 및 시퀀싱을 개선한다.
가스 터빈 정격 출력, 효율, 배출 성능의 달성과 터빈 및 연소 시스템 요소의 수명은 모두 점화 온도의 정확한 제어에 의존한다. 다수의 연소 모두에서 작동하는 연소 시스템이 장착된 가스 터빈은, 통상 연소 기준 온도로 지칭되는 유사한 계산된 온도에 근거하여 시퀀싱된다. 연소 기준 온도를 정확하게 결정하는 것이 연소 시스템에 최적 시퀀싱을 위해 요구된다. 마찬가지로, 대부분의 산업용 가스터빈에 대한 점화 온도 제어는 배기 가스 온도와 터빈 압력비에 근거한다.
터빈을 통과하는 터빈 작동 유체내의 물함량이 설계 함량과 실질적으로 다를 경우, 점화 온도 및 연소 기준 온도를 결정하는 알고리즘은 작동 유체내의 수증기와 공기의 열역학 특성을 고려한다. 가스 터빈용의 제어 시스템은 정확한 터빈 점화 및 연소 기준 온도를 결정하기 위해 이들 알고리즘을 사용한다. 따라서, 작동 유체내의 물함량은, 압축기에 공급되는 주변 공기내의 수증기 함량, 증발 냉각기에 의해 압축기 입구 공기내로 증발된 물, 또는 물로 작동 유체를 과포화하기 위해 압축기로 들어가기 전의 공기내로 공급된 물을 비롯한 여러 이유 때문에, 설계값으로부터 실질적으로 변한다. 그럼에도 불구하고, 상기 알고리즘은 제어 시스템이 수증기를 고려하여 정확한 터빈 점화 및 연소 기준 온도를 결정하게 한다.
가스 터빈 압축기로 들어가는 공기의 측정된 물함량에 근거하여 가스 터빈 점화 온도 제어 및 연소 기준 온도를 결정하도록 알고리즘을 조정하는 전형적 방법이 개시된다. 압축기로 들어가는 공기내의 물함량은, 수증기, 주변 공기의 습도, 공기 포화기(증발 냉각기)에 의해 증발된 물, 및 과포화 시스템에 의해 입구 공기에 공급된 물을 더한 공기의 측정 유량으로부터 제어 시스템에 의해 결정된다.
특히, 실제의 물함량이 설계 물함량과 상이할 경우(가스 터빈 흡입 공기가 주변 공기일 경우) 압축기로 들어가는 공기내의 물함량을 고려한, 가스 터빈 점화 온도 제어 알고리즘 및 연소 기준 온도 알고리즘을 조정(배기 가스 온도, 터빈 압력비 및 압축기 방출 온도에 근거함)하는 시스템이 개시된다. 주변 공기내의 물함량은, 건식 벌브 온도(bulb temperature) 센서 및 습식 벌브 온도 또는 습도 센서로부터의 입력에 근거하여 제어 시스템에 의해 계산된다.
배기 가스 온도, 터빈 압력비, 압축기 방출 온도 및 공기 흡입 덕트내에 위치한 매체형 증발 냉각기에 의해 증발된 물을 더한 주변 공기내의 물함량에 근거하여, 가스 터빈 점화 온도 알고리즘 및 연소 기준 온도 알고리즘을 조정하는 시스템 및 제어 방법이 또한 개시된다. 공기/물 혼합물의 수분율(water fraction)은, 주변 공기 건식 벌브 온도, 주변 습식 벌브 온도 및 가스 터빈 압력기용의 증발 냉각기의 하류의 공기 흡입 덕트내에서 측정된 건식 벌브 온도에 관한 데이터로부터 계산된다.
다른 실시예는, 특히 물함량이 설계 함량과 상이하고 물함량이 공기 흡입 덕트내에 위치한 무화수 분무형(atomized water spray type) 증발 냉각기에 의해 분사된 물을 더한 주변 공기내의 물함량일 경우, 배기 가스 온도, 터빈 압력비, 압축기 방출 온도, 및 가스 터빈 압축기로 들어가는 공기의 물함량을 포함하는 입력 매개변수를 갖는 제어 알고리즘에 근거하여 가스 터빈 점화 온도 및 연소 기준 온도를 결정하는 시스템과 제어 방법이다. 증발 냉각기의 하류에서의 공기/물 혼합물의 수분율은, 주변 공기 건식 벌브 온도와 습식 벌브 온도, 및 또한 가스 터빈 압축기로의 공기/물 혼합물(가스 터빈 공기 흡입 벌루트내의 유량 센서에 의해 측정되거나 또는 가스 터빈 작동 유체 유량을 측정하는 다른 방법으로 측정됨)으로 나눈 증발 냉각기내에 공급된 물(물 전달 파이프내의 유량 센서에 의해 측정됨)의 양으로부터 결정된 주변 공기내의 물함량이다.
또 다른 실시예는, 배기 가스 온도, 터빈 압력비 및 가스 터빈 압축기로 들어가는 공기내의 물함량에 대한 압축기 방출 온도에 근거하여 가스 터빈 점화 온도 알고리즘 및 연소 기준 온도 알고리즘을 조정하는 시스템과 제어 방법이다. 물함량에는 주변 공기의 물함량과 흡입 덕트 또는 가스 터빈 압축기 흡입 볼류트내에 위치한 무화수 분무형 과포화 그리드내로 분사된 물의 양이 포함된다. 과포화 그리드의 하류의 공기/물 혼합물의 수분율은, 가스 터빈 공기 흡입 볼류트상의 유량 센서 또는 가스 터빈 작동 유체 유량을 측정하는 다른 방법에 의해 측정된 가스 터빈 압축기로의 공기/물 혼합물 유량으로 나눈 물 전달 파이프내의 유량 센서에 의해 측정된 과포화 그리드내에 분사된 물을 더한, 측정된 주변 공기 건식 벌브 온도 및 측정된 주변 공기 습식 벌브 온도로부터 계산되는 주변 공기내의 물함량이다.
도 1은 수분사 시스템과 관련 제어 시스템을 갖는 가스 터빈 시스템의 제 1 실시예의 개략적인 다이어그램,
도 2는 수분사 시스템과 관련 제어 시스템을 갖는 가스 터빈 시스템의 제 2 실시예의 개략적인 다이어그램,
도 3은 수분사 시스템과 관련 제어 시스템을 갖는 가스 터빈 시스템의 제 3 실시예의 개략적인 다이어그램,
도 4는 수분사 시스템과 관련 제어 시스템을 갖는 가스 터빈 시스템의 제 4 실시예의 개략적인 다이어그램.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
12 : 압축기14 : 연소 섹션
16 : 터빈18 : 발전기
20 : 공기 입구 후드24 : 공기 흡입 덕트
30 : 제어 시스템32 : 압축기 방출 압력 센서
36 : 배기 가스 온도 센서40 : 건식 벌브 온도 센서
42 : 습식 벌브 온도 센서
도 1은 과포화 수분사 시스템을 갖는 가스 터빈 공기 흡입 시스템의 제 1 실시예의 다이어그램이다. 가스 터빈(10)은 압축기(12), 연소 섹션(14), 터빈(16) 및 터빈 배기 시스템을 구비한다. 가스 터빈의 작동 유체는, 압축기로 들어가고 고온 가스로 전환되는 연소 섹션내에서 연료와 혼합되고, 그 후 터빈 배기 가스로서 나오는 공기/물 혼합물이다. 가스 터빈의 출력은 발전기(18) 또는 다른 동력 부하와 결합될 수 있다.
공기/물 혼합물은 공기 입구 후드(20)로부터 압축기로 들어가고 초기에는 압축기의 입구 가이드 베인(inlet guide vanes; IGVs)을 통과한다. 혼합물은, 일반적으로 스테이터의 열(cascade)과 회전하는 압축기 블레이드를 구비하며 또한 원심압축기 스테이지를 구비할 수도 있는 일련의 압축기 스테이지를 통과함에 따라, 점진적으로 압축된다. 공기 입구 후드(20)의 입구는, 공기 필터(26)와 입구 공기 스쿠프(28)를 구비하는 공기 흡입 덕트(24)에 연결된다. 주변 공기는 스쿠프에 들어가고 여과되며 공기가 압축기에 들어가는 후드(20)로 인도된다.
제너럴 일렉트릭 마크 파이브(General Electric Mark V, 등록상표)와 같은, 종래의 가스 터빈 제어 시스템(30)이 가스 터빈(10)의 운전을 관리한다. 제어 시스템은 가스 터빈의 조건과 작동을 감시하는 다양한 센서[예를 들면, 가스 터빈의 회전 속도를 검지하는 회전 속도 센서; 압축기 입구와 압축기 방출(PT-압력 센서)(32)에서의 압력 및 작동 유체 압력(정압 및 총압)을 검지하는 공기 유량 센서(FS); 압축기 방출(TE-온도 센서)(34), 터빈 배기 가스(TE-온도 센서)(36) 및 가스 터빈내의 다른 위치에서의 가스 터빈 작동 유체의 온도를 측정하는 압축기 및 터빈내의 온도 센서]에 대한 입력 신호를 수용한다.
센서는 또한, 기압 센서(PT)(38)로 기압과 같은 주변 조건과, 건식 벌브 온도 센서(TE)(40)와 습식 벌브 온도 센서(TE)(42)로 주변 온도를 감시한다. 센서 신호는, 전기 와이어, 무선 링크 및 다른 통신 경로와 같은 통상적인 수단을 통해 컨트롤러(30)에 전송된다.
제어 시스템(30)은 가스 터빈, 다양한 압력 및 온도 센서, 공기 및 물 유량 센서로부터 센서 입력을 수용하는 컴퓨터 시스템을 구비할 수 있다(도 2, 도 3 및 도 4의 유량 센서 참조). 컴퓨터내의 프로세서가 센서 입력을 평가하고 연소 기준 온도 및 점화 온도를 결정한다. 센서 측정값과 가스 터빈 작동 매개변수로부터 저장된 데이터를 검색하기 위해, 또한 연소 기준 및 가스 터빈 점화 온도를 결정하는데 유용한 출력을 발생하도록 이 데이터를 이용하는 알고리즘을 검색하기 위해, 프로세서는 컴퓨터 메모리 유닛에 액세스한다. 컴퓨터는 실제의 점화 온도가 소망의 점화 온도에 부합하도록 연료 유동율(flow rate)을 연소기에 조정하기 위해 연료 연소기(14)에 명령 신호를 방출한다. 또한, 가스 터빈 출력이 최적의 연소기 작동과 낮은 배기 배출물을 달성하기 위해 변함에 따라 제어 시스템은 연소기 작동 모드를 시퀀싱하도록 계산된 연소 기준 온도를 인가한다. 제어 시스템은 가스 터빈 작동 매개변수와 주변 공기 조건에 응답한다. 제어 시스템은 가스 터빈 제어 시스템용의 컴퓨터와 합체될 수 있다. 시스템은 물 분무형 증발 냉각기(공기 포화 시스템), 단일 수분사 그리드형 과포화 시스템, 2단 과포화 시스템 및 다른 수분사 시스템에 적용 가능하다.
제어 시스템(30)은 공기 덕트(24), 후드(20) 및 압축기 입구 가이드 베인으로 들어가는 공기의 물함량에 부분적으로 근거하여 연소 기준 온도 및 점화 온도를 결정한다. 제어 시스템은, 압축기 방출 온도(Tcd)[온도 센서(34)]; 압축기 방출 압력 또는 터빈 입구 압력(Plt)[압력 센서(34)]; 배기 가스 온도(Tx)[온도 센서(36)]; 및 대기압(Pa)[센서(38)]으로부터의 입력 신호에 근거하여 이들 온도를 결정한다. 또한, 컨트롤러는 압축기로 들어가는 작동 유체(공기/물 혼합물)의 수분율(WF)에 더 근거하여 연소 기준 온도(CRT) 및 가스 점화 온도(FT)를 결정한다. 연소 기준 온도(CRT) 및 가스 점화 온도(FT)를 결정하기 위한 전형적인 식은 다음과 같다.
FT=f(Tx, Plt, Pa, Tcd, WF)
CRT=f(Tx, Plt, Pa, Tcd, WF)
WF=f(Tadb, Tawb)
여기서, TAdb는 주변 공기 건식 벌브 온도이고, Tawb는 주변 공기 습식 벌브 온도이다.
도 1에 도시된 실시예에 있어서, 가스 터빈 점화 온도 및 연소 기준 온도 알고리즘(종래의 알고리즘)은 주변 공기내의 수증기(WF) 함량에 대하여 조정된다. 본 실시예에 있어서, 공기 흡입 덕트(24)는 압축기 입구(20)에 공급되는 공기의 물함량을 증가하기 위한 어떠한 가습 장치도 갖지 않는다. 주변 공기의 습도(WF)는 압축기 흡입 공기 건식 벌브 온도(Tadb)와 습식 벌브 온도(Tawb)로부터 결정된다. 주변 수분율(WF)에 근거하여, 제어 시스템은 측정된 수증기(WF) 함량과 압축기로 들어가는 공기내의 수증기 함량 사이의 차이에 근거한 점화 온도 제어 및 연소 기준 온도 알고리즘(종래의 알고리즘으로부터 결정된 바와 같음)을 조정하는 것을 결정한다.
도 2는, 가스 터빈 점화 온도(FT)와 연소 기준 온도(CRT) 알고리즘이 매체 증발 냉각기(50)에 의해 증발된 물을 더한 주변 공기내의 수증기 함량에 대하여 조정되는 제 2 실시예를 도시한다. 증발 냉각기의 방출에서의 공기내의 수분율(WF)은 측정된 주변 공기 건식 벌브 온도(Tadb)와 증발 냉각기의 하류의 덕트(24)내의 건식 벌브 온도(Tlcdb)로부터 제어 시스템에 의해 계산된다. 덕트(24)내의 건식벌브 온도는 덕트내의 건식 벌브 온도 센서(52)로부터 결정된다. 수분율(WF)은 주변 건식 벌브 온도(Tadb), 주변 습식 벌브 온도(Tawb)와 덕트내의 건식 벌브 온도(Tlcdb)의 함수이다. 점화 온도(FT) 및 연소 기준 온도(CRT)는 상술된 점화 온도 및 연소 기준 온도에 대한 식을 사용하여 결정된다. 제어 시스템은 압축기로 들어가는 공기내의 수증기(WF) 함량과 압축기로 들어가는 공기내의 설계 수증기 함량 사이의 차이에 근거한 점화 온도 제어 및 연소 기준 온도 알고리즘에 대한 조정을 계산한다.
도 3은, 가스 터빈 점화 온도(FT)와 연소 기준 온도(CRT) 알고리즘이 무화수 분무형 증발 냉각기(54)에 의해 증발된 물을 더한 주변 공기내의 수증기(WF) 함량에 대하여 조정되는 제 3 실시예를 도시한다. 증발 냉각기(54)의 방출에서의 공기내의 수분율(WF)은, 측정된 주변 공기 건식 벌브 온도(Tadb), 주변 공기 습식 벌브 온도(Tawb), 분무형 증발 냉각기로의 물유량(Wec), 및 압축기로의 공기/물 혼합물 공기 유량(Wa)으로부터 제어 시스템(30)에 의해 결정된다. 냉각기(54)에 의해 분사된 물의 양 또는 비는 물공급원(58)으로부터 냉각기로의 물 유량을 측정하는 물 유량 센서(56)에 의해 결정된다. 압축기로의 공기/물 혼합물은 IGV/압축기 입구 부근에 위치한 공기 유량 센서(60)에 의해 측정된다.
증발 냉각기의 하류의 수분율은 공기/물 혼합물 유량(Wa)으로 나눈 증발 냉각기내의 분사된 물의 양 또는 비(Wec)를 더한 건식 벌브 및 습식 벌브 온도로부터 계산된다. 제어 시스템은 측정된 수증기(WF) 함량과 압축기로 들어가는 공기내의 설계 수증기 함량 사이의 차이에 근거한 점화 온도 제어 및 연소 기준 온도 알고리즘에 대한 조정을 계산한다.
도 4는, 가스 터빈 점화 온도 및 연소 기준 온도 알고리즘이 가스 터빈 압축기에 공급된 공기를 물로 과포화시키는 무화수 분무형 시스템내에서 분사된 물을 더한 주변 공기내의 수증기 함량에 대하여 조정되는 제 4 실시예를 도시한다. 이 수분사 시스템은 무화 노즐의 그리드(62)와 흡입 공기 덕트(24)를 통해 흐르는 공기를 포화시키도록 물을 분사하는 매니폴드(manifold)를 구비한다. 물 유량 센서(63)가 포화 그리드(62)로의 물 유량을 결정한다. 분사 시스템은 노즐의 과포화 그리드(64)와 덕트(24)를 통하여 흐르는 포화된 공기/물 혼합물로의 물안개(과포화 레벨임)를 주입하는 매니폴드를 더 구비한다. 물 유량 센서(66)는 과포화 그리드(64)로의 물 유량을 결정한다. 분무형 과포화 시스템의 방출에서의 공기내의 수분율의 계산을 위한 측정된 데이터에는, 주변 공기 건식 벌브 온도(Tadb)와 습식 벌브 온도(Tawb), 포화 그리드로의 물 유량(Wsg), 과포화 그리드로의 물 유량(Wssg), 및 공기/물 혼합물 유량이 포함된다. 과포화 시스템의 하류의 수분율은 공기/물 혼합물 유량으로 나눈 과포화 시스템내에 분사된 물(Wssg+Wsg)을 더한 건식 벌브 및 습식 벌브 온도로부터 계산된다. 제어 시스템은 측정된 물함량과 압축기로 들어가는 공기내의 설계 물함량 사이의 차이에 근거한 점화 온도 제어 및 연소 온도 알고리즘에 대한 조정을 계산한다.
본 발명이 현재 가장 실용적이고 바람직한 실시예로 생각되는 것과 관련하여 기술되었지만, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되는 것이 아니라, 첨부된 특허청구범위의 정신과 범위내에 포함되는 다양한 변형 및 등가의 장치를 커버하는 것으로의도됨이 이해되어야 한다.
본 발명의 연소 온도 결정 방법 및 연소 온도 결정 제어 시스템에 의하면, 가스 터빈의 점화 온도 및 연소 기준 온도에 대한 정확한 계산을 제공하는 터빈 제어 알고리즘을 조정하는 방법 및 시스템이 제공된다. 이에 따라, 설계값으로부터 변하는 작동 유체내의 물함량을 고려하여 정확한 터빈 점화 온도 및 연소 기준 온도를 결정할 수 있다. 그러므로, 실제의 물함량이 설계 물함량과 상이할 경우에도, 터빈 동력 감소 및 일산화탄소 등의 배출물의 증가를 피할 수 있다.

Claims (8)

  1. 압축기(12)와 터빈(16)을 갖는 가스 터빈(10)의 연소 섹션(14)내의 연소 온도를 결정하는 방법으로, 상기 연소 온도는 배기 가스 온도, 터빈 압력비, 및 압축기 방출 온도를 포함하는 인자에 근거하는, 상기 방법에 있어서,
    a)압축기로 들어가는 공기 스트림의 실제의 물함량을 측정하는 단계와,
    b)상기 연소 온도를 결정하는데 사용되는 인자 중의 하나로서 상기 실제의 물함량을 포함시키는 단계를 포함하는
    연소 온도 결정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 물함량은 상기 가스 터빈의 공기 흡입 덕트(24)로 들어가는 주변 공기의 수분율로부터, 상기 공기 흡입 덕트에 결합된 수분사 시스템(54)에 의해 공기내로 분사된 물(56)의 비율(56)에 근거하여 결정되는
    연소 온도 결정 방법.
  3. 압축기(12), 연소 섹션(14) 및 터빈(16)을 갖는 가스 터빈(10)의 연소 온도를 결정하는 제어 시스템에 있어서,
    상기 압축기로 들어가는 공기의 물함량을 나타내는 데이터를 발생하는 상기 압축기 상류의 적어도 하나의 물함량 센서(40, 42)와,
    상기 물함량을 나타내는 데이터에 부분적으로 근거하여 상기 연소 온도를 결정하는 알고리즘을 실행하는 프로세서와,
    물함량을 나타내는 상기 데이터와 상기 프로세서에 의해 실행되는 알고리즘을 저장하는 데이터 및 프로그램 메모리로서, 상기 프로세서는 상기 연소 섹션을 제어하도록 결정된 연소 온도를 나타내는 출력을 발생하는, 데이터 및 프로그램 메모리를 포함하는
    연소 온도 결정 제어 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 연소 섹션의 제어는 상기 출력에 응답하는 연소 연료 유동률 밸브를 포함하는
    연소 온도 결정 제어 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 물함량 센서는 건식 벌브 온도 센서(40)와 습식 벌브 온도 센서(42)를 포함하는
    연소 온도 결정 제어 시스템.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 가스 터빈이 수분사 시스템(54)을 더 구비하고 상기 제어 시스템이 상기 수분사 시스템의 상류의 제 1 건식 벌브 온도 센서(40)와 상기 수분사 시스템의 하류의 제 2 건식 벌브 온도 센서(52)를 더 포함하는
    연소 온도 결정 제어 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 수분사 시스템의 상류의 습식 벌브 온도 센서(42)를 더 포함하는
    연소 온도 결정 제어 시스템.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 가스 터빈이 무화수 노즐의 과포화 그리드(64)를 더 구비하고, 상기 시스템이 상기 그리드의 상류의 습식 벌브 온도 센서(42)와 건식 벌브 온도 센서(40) 및 상기 노즐에 의한 무화수 물의 유량을 나타내는 데이터를 발생하는 물 유량 센서(63, 66)를 포함하는
    연소 온도 결정 제어 시스템.
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