KR20030065359A - 가스 터빈 제어 방법 및 다수의 연소실을 구비한 가스 터빈 - Google Patents

가스 터빈 제어 방법 및 다수의 연소실을 구비한 가스 터빈 Download PDF

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Abstract

다수의 연소실(16)용의 다수의 연료 밸브(60)를 구비한 가스 터빈용 제어 시스템 및 방법론은 연료 밸브(60)를 관련 연소실(16)에 맞추어 아산화 방출과, 동압, 및 연료/공기 비의 변화를 최적화시키는 것을 포함한다. 또한, 그 다음 연료 밸브(60)의 정밀 조정을 이용하여 동압 변동, 아산화 질소 방출 또는 연료/공기 비의 변화를 사전설정된 레벨 내에 유지한다.

Description

가스 터빈 제어 방법 및 다수의 연소실을 구비한 가스 터빈{PERFORMANCE ENHANCED CONTROL OF DLN GAS TURBINES}
본 발명은 가스 터빈용 연료 제어 시스템에 관한 것으로서, 특히 다수의 연소실을 구비한 공업용 가스 터빈의 연료 조정 시스템에 관한 것이다.
공업용 가스 터빈은 더 높은 효율로 작동함과 아울러 바람직하지 않은 공기 오염 방출물질은 적게 발생시키는 것이 요구된다. 일반적으로, 가스 터빈의 고 효율은 가스 터빈의 연소실내의 전체의 가스 온도를 증가시키는 것에 의해 달성된다. 연소실 내의 최대 가스 온도를 저하시키는 것에 의해 방출이 감소된다. 결과적으로 연소실을 뜨겁게 만드는 고 효율의 요구는 오염물질이 적은 가스 터빈의 규정 요건의 범위와 상반된다.
종래의 탄화수소 연료를 때는 가스 터빈에 의해 생성되는 주요한 공기 오염방출물질은 질소 산화물(NOx), 일산화탄소(CO) 및 미연소 탄화수소(UHC)이다. 각 연소실의 연소 반응 구역내의 고온 가스 온도가 최대일 때 가스 터빈 내의 분자 질소의 산화는 극적으로 증가한다. 질소 산화물을 형성하는 화학반응 속도는 온도의 지수 함수이다. 최대의 고온에 일시적으로만 도달하는 경우에도 NOx방출물질의 양은 매우 크다. NOx방출물질을 감소시키는 일반적인 방법은 희박 연료-공기 비를 유지함으로써 연소실 내의 최대 고온 가스 온도를 저하시키는 것이다.
연소실내의 연료 및 공기 혼합물이 너무 희박하면, 일산화탄소 및 미연소된 탄화수소의 과도한 배출이 발생한다. CO 및 UHC 방출은 불완전 연소에 기인한다. 이들 방출물질은 연료 및 공기 혼합물이 반응 구역내의 연소를 과도하게 억제하는 경우에 주로 발생한다. 반응 구역 내의 온도는 완전 연소를 지지하기에 충분해야 하거나 또는 평형을 달성하기 전에 화학 연소 반응이 억제될 것이다. 유감스럽게도, 가연성의 희박한 한계 근처의 연료 및 공기 혼합물로 작동하는 현재의 저 NOx연소기에서 연소의 조기 억제가 자주 발생한다.
연소 억제에 기인하는 CO 및 UHC 방출물질의 발생 비율은 반응 구역 온도의 비 선형 함수이고 그리고 희박 연료 공기 비의 가연성 한계에서 급격히 정점에 도달한다. CO 및 UHC 방출물질을 최소화하기 위해서, 가스 터빈 연소기의 연소 구역은 가연성의 희박한 한계를 피하기 위해 충분한 연료 공기 혼합물을 가져야 한다. 그러나, 연소기는 NOx방출을 감소시키기 위해 여전히 희박한 연료 공기 혼합물로작동해야 한다. 감소된 CO, UHC 및 NOx방출물질에 대한 상반된 요건의 균형을 맞추기 위해서는, 공업용 가스 터빈의 연소기의 반응 구역에 연료 공기 혼합물에 대한 극히 정밀한 제어가 필요하다.
가스 터빈의 각 연소실내의 연료 공기비는 동일해야 한다. 각 연소기내의 일정한 연료 공기 혼합물은 혼합물을 CO, UHC 및 NOx배출을 가장 잘 감소시키는 희박한 비율로 유지하는 것을 가능하게 한다. 또한, 연소실 사이의 균일한 연료 공기 비는 가스 터빈의 연소기들 사이에 균일한 온도 분포를 보장한다. 균일한 온도 및 압력 분포는 연소기, 터빈 및 가스 터빈의 다른 고온 유동 부품에 대한 열적 및 기계적 응력을 감소시킨다. 이러한 응력의 감소는 연소기 및 터빈 부품의 작동 수명을 연장시킨다. 어떤 연소실(다른 연소실은 제외)내의 최대 고온 가스 온도는 열 응력을 증가시키고 그리고 고온의 고 연료 공기 비의 연소실과 그들 연소실의 바로 하류측의 터빈 부품의 재료의 강도를 감소시킨다.
공업용 가스 터빈의 다수의 연소실 내에 실제로 균일한 온도 및 압력 분포를 달성하는 것은 매우 어려운 것으로 입증되었다. 예컨대, 연소실 내의 기류 분포는 연소실 및 그들 조립체의 구성요소의 변화에 의해 혼란하게 된다. 이러한 변화는 필요한 제조 공차, 연소기 및 가스 터빈 부품의 설치 및 조립에 기인한다. 또한, 기류의 통로는 불규칙적으로 압축기로부터 연소 시스템에 접근하고 그리고 연소기의 배출구에서 터빈으로 빠져나간다. 이러한 불규칙한 통로는 연소기를 통과하는 기류에 영향을 미치고, 연소기에 불균일한 기류 분포를 야기시킨다. 예컨대, 국부기류 저항은 압축기 배출 기류 통로내의 터빈 베어링 윤활유의 선에 의해 발생된다. 연소실 사이의 불규칙한 기류 분포는 각 연소실의 연료 공기 비에 상이한 영향을 미친다. 각 연소실내의 기류의 변화는 전체의 연소실내에 일정한 연료 공기 비를 유지하는 것을 어렵게 한다.
종래의 다중 연소실을 갖춘 공업용 가스 터빈의 연료 시스템은 연소실 사이에 균일한 연료 흐름 분배를 제공한다. 이러한 시스템은 각 연소실에 대해 동일한 연료 비를 계량하는 공통 제어장치를 구비한다. 이 시스템은 각 연소실에 균일한 연료 공기비를 유지하기 위해 각 연소실로의 연료 흐름을 조정하지 않는다. 따라서, 이러한 종래의 연료 시스템은 기류가 연소실 사이에 균일하게 분포되지 않는 경우 전체의 연소실에 실제로 균일한 연료 공기 비를 유지할 수 없다.
상술한 문제점을 극복하기 위해 제안된 하나의 시스템은 제네럴 일렉트릭사에 양도되고 본원에 참조로 인용되는 비베(Beebe)등에게 발행된 미국 특허 제 5,661,969 호에 개시된 바와 같이 다중 연소실 가스 터빈 연소 시스템내의 각 연소실로의 연료 흐름을 조정하는 것을 포함한다. 연소실 사이의 연료 흐름 분포는 기류 분포와 조화되어 연소실 사이에 균일한 연료 공기 비의 분포를 달성하도록 조정된다. 최적의 연료 조정은 연소실들 사이의 제어되지 않은 기류 변화에 관계 없이 연료 공기비를 균등하게 한다.
연료 조정 시스템에 대한 제어 신호는 (1) 개개의 연소실의 연료 유량과, (2) 개개의 연소실의 동압 레벨과, (3) 전체의 터빈 배출구 주변의 가스 터빈 배기 온도 분포이다. 이들 신호는 조정 시스템에 의해 설정된 최적의 연료 흐름 분포를측정하기 위해 개별적으로 또는 함께 사용될 수도 있다. 이러한 연료 조정 시스템에 대한 제어 신호를 달성하기 위해 각 연소실 마다 종래의 수단이 사용된다. 이러한 수단은 가스 터빈 산업에 공지되어 있고 신뢰할만한 것으로 입증되었다.
상기 비베 등의 특허에 개시된 시스템의 일 실시예는 압축기와, 이 압축기로부터 압축 공기를 수용하는 다중 연소실 연소기와, 압축기에 연결되어 구동되고 또 연소기로부터의 배기를 수용하는 터빈과, 다중 연소실 연소기의 각 연소실에 연료를 공급하기 위한 연료 시스템을 포함하며, 상기 연료 시스템은 개개의 연소실로의 연료를 조정하여 각 연소실로의 기류와 조화시키는 가스 터빈이다.
마찬가지로, 상기 비베 등의 다른 실시예는 다수의 연소실을 구비한 가스 터빈의 연소부를 포함하며, 연소실 중 적어도 하나는 압축기로부터의 공기와 연료 분배기로부터의 연료를 수용하는 적어도 하나의 연소 반응 구역을 포함하고, 상기 연료 분배기는 연료 조정 구멍과 연료 조정 밸브를 구비하며, 상기 적어도 하나의 연소실의 연료 조정 밸브는 연소실로의 연료의 흐름을 조정하도록 개별적으로 설정된다.
상기 비베 등의 특허에 개시된 이들 시스템에 의해 제공되는 이점은, 다중 연소실 사이의 연료 공기 비의 분포를 균일하게 하여 가스 터빈의 전체의 부하 범위에 걸쳐 산화 질소, 일산화탄소 및 미연소 탄화 수소를 포함하는 가스 터빈 배기가스 중의 유해한 공기 오염물질의 방출을 최소화하는 것이다. 또한, 연료 공기 비의 균일한 분포는 가스 터빈의 고온 유동 부품의 작동 수명을 연장시킨다.
따라서, 상기 비베 등의 특허에 개시된 시스템은 공업용 가스 터빈 내의 다중 연소실 연소 시스템의 전체의 연소실 사이에 균일한 연료 공기 비의 분포를 달성하는 방법을 제공한다. 특히, 기류가 연소실 사이에서 균일하게 분포되지 않는 경우, 상기 시스템은 다중 연소실 가스 터빈 연소실 시스템의 각 연소실에 균일한 연료 공기비를 유지한다. 상기 시스템은 연소실 사이의 연료 흐름 분포를 조정하여 각 연소실로의 기류 변화와 조화시키도록 작동한다.
본 발명은 최대의 성능을 달성함과 동시에 방출 요건을 충족시키고 설비의 수명을 최적화하는데 중요한 기계 작동 변수의 연결된 피드백 제어를 특징으로 한다. 특히, 본 발명은 최적 레벨의 중요한 변수를 달성하는 방법으로 터빈을 작동시킬 입력 및 제어 방법을 억제된 최적화 제어 알고리듬(예컨대, 억제된 기울기 탐색 기법)에 제공하기 위해 개개의 연소실에 센서 및 연료 유량 제어장치의 열을 필요로 한다. 본 발명은 각각의 개별 연소실내의 연료 대 공기비 및 동압의 제어를 향상시켜 그들 개개의 성능을 최대화시킨다.
본 발명은 다중 실 기계장치 내의 개개의 연소기 통에 센서를 배치하고 그리고 연소기 통으로의 연료 유량을 제어하는 것에 의해 성능-출력 및 효율-과 배출을 최적화하기 위해 피드백 제어를 이용한다. 이 기계장치는 물 등의 희석제가 연소기 내에 주입되는 종래의 확산 연소기 또는 희박한 예비혼합된 건조 저 질소 산화물[Dry Low NOx(DLN)] 연소 시스템을 구비할 수도 있다.
본 발명은 다중실 기계장치에 존재하고 그리고 "최악의 경우"의 동압 제어 수단 등을 적용할 필요가 있는 고유의 실간 변수로 인해 발생하는 방출물질, 특히 산화 질소를 최소화한다. 이것에 의해, 일정한 가스 터빈으로부터의 출력 및 효율을 향상시키는(예컨대, 점화 온도 및 압력 비의 증가에 의해) 동시에 방출 요건을 만족시키는 것이 가능하다.
본 발명은 가스 터빈의 출력 능력을 최대화하는 동시에 각 연소실 내의 전체의 방출물 및 동압 변동을 허용 가능한 범위 내로 유지한다. 본 발명은 다양한 부하 상태 및 다양한 주위 상태에 직면하여 이러한 최적화를 수행한다.
첨부 도면은 본 발명의 일 실시예의 하기의 상세한 설명에 사용되는 참조 부호를 포함한다.
도 1은 부분 단면도로 도시된 가스 터빈 엔진의 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 연료 조정 시스템의 블록 선도,
도 3은 도 2에 도시된 연료 조정 시스템용 기구 및 제어 시스템의 개략도,
도 4는 컴퓨터화된 기구의 개략도,
도 5는 활성 연료 조정을 이용한 일반적 연소 및 연료 시스템 설비의 예시적 실시예의 개략도,
도 6은 연소 시스템 방출물의 예시적 관계를 나타낸 그래프,
도 7은 연소 압력 동역학의 예시적 관계를 나타낸 그래프.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
12 : 가스 터빈14 : 압축기
15 : 압축기 배기 덕트16 : 연소실
18 : 터빈20 : 전이 구역
24 : 상류 연소 반응구역26 : 제 2 또는 하류 연소 반응구역
31 : 외측 케이싱36 : 제 1 연료 노즐
38 : 중앙 또는 제 2 연료 노즐43 : 연료 관
45 : 제 1 분배기46 : 제 2 연료 조정 유닛
48 : 제 1 연료 조정 유닛60 : 연료 조정 제어 밸브
65 : 연료 조정 밸브70 : 컴퓨터 제어기
72 : 솔레노이드74 : 조정 연료 구멍
100 : 제어 밸브(연료 밸브)200 : 연소기(연소실)
도 1은 압축기(14), 압축기 배기 덕트(15), 다중 연소실(하나만 도시됨)(16), 및 단일의 블레이드로 표시된 터빈(18)을 포함하는 가스 터빈(12)을 도시하고 있다. 상세하게 도시하지는 않았지만, 터빈이 공통 축을 따라 압축기에 연결되어 구동되는 것으로 공지되어 있다. 압축기의 압축된 유입 공기는 화살표(19)로 표시된 바와 같이 연소기로 향하고, 연소기에서 압축 공기는 연소기를 냉각시키고 연소용 공기를 제공한다.
다수의 연소실(16)이 가스 터빈의 원주 둘레에 배치되어 있다. 하나의 특수한 가스 터빈에는, 가스 터빈의 원주 둘레에 14개의 연소실이 배치된다. 전이 덕트(20)가 개개의 연소실의 출구를 터빈의 입구에 연결하여 연소 과정의 생성물을 터빈에 반송한다.
본 발명은 미국 특허 제 4,292,801 호에 개시된 유형의 이단 이중 모드의 저 NOx연소기에 특히 유용하다. 상기 특허에 개시되고 도 1 및 도 2 에 도시된 바와 같이, 각 연소실(16)은 벤투리 목 구역(28)으로 분리된 제 1 또는 상류 연소 반응 구역(24) 및 제 2 또는 하류 연소 반응 구역(26)을 포함한다. 각 연소실은 압축기 배출 기류를 연소실에 전달하는 연소기 유동 슬리브(30)로 둘러싸여 있다. 연소실은 터빈 케이싱(32)에 볼트 결합된 외측 케이싱(31)으로 추가로 둘러싸여 있다.
제 1 연료 노즐(36)이 상류 반응 구역(24)에 연료를 반송하고 그리고 이것은 중앙의 제 2 연료 노즐(38)의 둘레에 환상 열로 배열되어 있다. 하나의 전형적인 가스 터빈에서, 각 연소실은 6개의 제 1 노즐 및 하나의 제 2 노즐을 포함할 수도 있다. 연료는 중앙의 환상 연료 매니폴드(42)로부터 노즐에 반송된다. 이 매니폴드로부터, 연료가 필터를 통해 제 1(24) 및 제 2(26) 연소 반응 구역의 연료 분배기에 관으로 전달된다. 제 2 분배기(44)는 제 2 연료 노즐(38)에 연료를 반송하고 그리고 제 1 분배기(45)는 제 1 노즐(36)에 연료를 반송하는 환상 배관 유닛이다.
각 분배기는 관련 연료 조정 유닛을 구비한다. 제 2 분배기용 제 2 연료 조정 유닛(46)은 기술자가 조작하는 조정가능 밸브(60)를 구비한다. 기술자는 압력, 온도, 및 연료 유량 센서로부터의 센서 신호를 판독한다. 유사한 제 1 연료 조정 유닛(48)은 제 1 노즐로의 연료 흐름을 조정한다. 제 1 연소실내의 점화는 스파크플러그(48)에 의해 그리고 십자 점화 관(50)을 통해 인접한 연소실에 의해 발생된다.
도 2는 미국 특허 제 4,292,801 호에 개시된 바와 같은 이단 이중 모드 저 NOx연소 시스템에 적용되는 연료 조정 시스템을 도시하고 있다. 가스 터빈 연소 시스템의 다중 연소실(16)은 연소실 1, 2, 3 내지 N으로 표시되고, 여기서 N은 연소 시스템 내의 연소실의 총 수이다. 각 연소실내의 제 1 및 제 2 반응구역의 양측에서 연소 반응이 독립적으로 또는 동시에 일어난다. 연료 및 공기가 연소실의 반응 구역 내에 도입되고, 연소가 발생하며, 연료가 산화되어 열을 방출함으로써 연소 가스 중의 온도 및 압력 상승이 발생한다. 대표적인 적용에서, 연료는 메탄, CH4등이고, 평형을 이루는 연소의 산화 생성물은 주로 이산화탄소(CO2) 및 물(H2O)이다. 연소 생성물은 주로 압축기로부터 연소기를 통해 희석 공기로서 공급되는 과잉 공기로 희석된다.
전체의 연소실(16) 내의 반응 구역(24, 26) 내의 고온 가스 온도의 분포는 각 연소실의 반응 구역 내의 연료 공기 비에 의존한다. 연소실에서 유출되고 터빈(18)의 제 1 단에 유입되는 연소 가스의 흐름 중의 고온 가스 온도 및 압력의 분포는 각각의 연소실 내의 전체 연료 공기 비에 의존한다.
일반적으로, 공기 유량은 각각의 연소실에 대해 변화될 것이다. 각 반응 구역으로의 연료 유량은 기류의 변화를 고려하여 조정된다. 각각의 연소실의 제 1 및 제 2 연소 구역으로의 연료 유량은 전체의 연소실로의 평균 연료 유량에 비례하여 조정된다(즉, 상승 또는 하강한다). 이러한 유량 조정은 각 연소실마다 연료 유량을 공기 유량에 조화시키는 연료 조정 시스템(46, 48)에 의해 달성된다.
기술자는 측정된 상태에 응답하여 제 1 및 제 2 연료 노즐의 양자로의 연료 유량을 조정한다. 이러한 조정은 가스 터빈의 작동 중에 언제든지 이루어질 수 있다. 유량을 각 연소실에 대해 개별적으로 조정함으로써, 연료 유량이 각 연소실내의 개개의 공기 유량과 조화되어 각 연소실에 일정한 연료 공기 비를 유지할 수 있다.
도 3은 단일 연소실용 연료 조정 유닛(46, 48)의 형상을 도시한 것이다. 연료 조정 제어 밸브(60)는 각각의 연소실의 각 연소 구역에 대한 연료 공급관의 유동 저항을 변경시키는 것에 의해 각 연소 구역(24, 26)으로의 연료 유량을 조정한다.
연료 조정 제어 밸브를 설정하도록 사용되는 측정된 변수는 (1) 각 연료 조정 시스템으로의 측정된 연료 유량과, (2) 측정된 연소실 동압과, (3) 가스 터빈 배기중의 측정된 가스 온도 분포이다. 기술자는 개개의 연소실 동압과, 가스 터빈 배기 온도의 분포와, 개개의 연소실 연료 유량을 감시한다.
각 연소실 내의 각 반응 구역으로의 연료 유량을 측정하기 위해 종래의 연료 유량계(64)가 연료 조정 시스템에 포함된다. 이러한 측정된 연료 유량은 각 연소실 내의 제 1 및 제 2 연소 구역 사이에 소망하는 연료 유량 분할을 유지하기 위해 사용된다. 각 연소실로의 총 연료 유량 및 각 반응 구역으로의 연료 유량은 밸브(60)를 거쳐 조정되어 연소실에 대한 기류 분포와 조화된다.
각 연소실 내의 종래의 동압 센서(66)(도 1)는 연료 조정 밸브(60)를 조정하는 기술자에게 표시되는 연소실 압력 측정치를 제공한다. 유사하게, 종래의 배기 열전쌍 열(66)(도 1은 하나의 열전쌍 프로브만을 도시함)은 터빈에서 유출되는 배기 가스의 온도 분포에 관한 데이터를 기술자에게 제공한다. 압력 및 온도 센서와 연료 유량계로부터의 데이터가 주어지면, 기술자는 각 연소실에 대해 연료 조정 밸브를 각각의 반응 구역에 맞게 조정할 수 있다. 이런 방법으로, 각 반응 구역으로의 연료 유량을 조정하여 전체의 연소실 내에 균일한 연료 공기 혼합물을 유지할 수 있다.
도 4는 연료 조정 밸브가 수동 제어보다는 컴퓨터에 의해 작동되는 변형 실시예의 연료 조정 유닛의 상세도를 도시하고 있다. 컴퓨터(70)는 센서 데이터를 감시하여 연료 유량을 연속적으로 조정함으로써 각 연소실에 균일한 연료 공기 비를 유지한다. 수동 방법에 있어서, 조정 밸브(60)는 설치시에 고정된 위치에 설정되고 그리고 보수유지 중에 조정될 수 있다. 기류 분포가 터빈의 수명을 상당히 변경시킬 것으로 예상되지 않기 때문에 이러한 수동 조작법은 충분하다. 따라서, 일단 가스 터빈의 설치시에 연료 유량이 각 연소실에 맞게 조정되면, 가스 터빈의 수명 중에 연료와 공기의 조화가 유효할 것이라고 예상하는 것이 합당하다. 그러나, 실제로 정확한 연료 공기 조정을 바라는 경우에는 연속된 컴퓨터 제어식 연료 조정이 바람직할 수 있다.
컴퓨터 제어기(70)는 본 출원의 양수인인 제너럴 일렉트릭 캄파니에 의해 시판되는 공업용 가스 터빈용의 MARK V 제어기 컴퓨터와 같은 종래의 제어기이다.컴퓨터는 배기 열전쌍 열(68) 및 연소실 동압 센서(66)로부터의 센서 데이터를 수신한다. 유사하게, 컴퓨터 제어기는 각 연소 구역마다 유량계(64)로부터의 유량 데이터를 수신한다. 센서 입력을 이용하여, 컴퓨터 제어기는 연료 조정 밸브(65)를 조정하는 솔레노이드(72)를 활성화시킨다.
수동 및 컴퓨터 제어 실시예의 양자에서 연료 조정 밸브(60)는 직렬로 된 조정 밸브(65) 및 조정 연료 구멍(74)과 병렬의 주 연료 구멍(76)을 포함한다. 병렬 주 연료 구멍 및 조정 연료 구멍은 연소실 사이의 연료 유량 분포의 우연한 극단적인 변화로부터 가스 터빈을 보호한다. 전체의 연료가 연료 조정 구멍을 통해 흐르면, 연료가 기류에 맞도록 조정되는 동안 극심한 연료 변화가 발생할 수도 있다. 병렬 주 연료 구멍 및 조정 연료 구멍은 연료 조정 유닛에 의한 연료 유량의 최대 변동을 제한한다.
본 발명은 2단의 저 NOx연소 시스템에 적용되는 것으로 설명하였지만, 시스템이 다수의 연소실을 사용한다면, 1단의 저 NOx연소 시스템, 1단의 종래의 연소 시스템 또는 모든 다른 가스 터빈 연소 시스템에 적용될 수 있다.
도 5는 활성 연료 조정과 관련된 일반적인 연소 및 연료 시스템 설비의 구성의 예시적 형태를 도시하고 있다. 도 5에 있어서, 1-n 연료관으로부터 각 연료 밸브(100)를 통해 각각의 1-N 연소기(200)에 연료가 공급된다. 각각의 1 내지 N 연소기에 대한 각각의 1 내지 n 연료 회로상의 조정 밸브의 동등한 활동적 제어는, 전체의 연소실의 합에 의해 생성되는 전체의 산화질소 배출을 최소화하는 동시에전체의 연소실 내의 동압 변동을 허용 가능한 한계 내에 유지한다. 제어 시스템은 전체의 아산화 질소 방출과 각 연소실(200)내의 동압 변동을 감시하는 것에 의해 각 제어 밸브(100)를 활발하게 조정한다. 조정 알고리듬은 동압 변동과 연료 대 공기 비의 함수로서 생성되는 아산화 질소 방출 사이의 주지된 관계와 독립 연료 회로 사이의 연료 분할을 이용한다. 또한, 조정 알고리듬은 일반적인 NOx를 향상시키는 습득 알고리듬과 출발점으로서 사용되는 동력학적 관계 사이의 균형을 맞춘다.
도 6 및 도 7은 하나의 가능한 연소 형태에 대한 이들 관계의 예를 도시한 것이다. 예컨대, 도 6은 NOx방출 및 동압 변동(δPi)이 반송되는 연료의 함수로서 어떻게 변화되는 가를 나타낸다. 일정한 반송 연료 밸브의 경우에 알 수 있는 바와 같이, NOx방출은 최소화되는 반면 동압 변동은 최대로 된다. 도 7은 반송된 연료가 변화되는 만큼 배기 가스의 온도(ΔTex)도 변화되는 것을 도시하고 있다.
본 발명의 조정 알고리듬은 비선형 방출 특성 대 연료 공기비 특성의 평형을 맞추어, 연료를 연료 유량의 단위 감소에 따라서 최대의 증대 방출이 감소된 연료 노즐로부터 연료 유량의 단위 증가에 따라서 최소의 증대 방출이 증가된 노즐을 향하여 이동시킨다. 근본적인 효과는 가스 터빈의 출력 능력을 최대화함과 동시에 다변량적 의미에서 각각의 개별 연소실내의 전체의 방출과 개개의 동압 변동을 최소화하는 것이 될 것이다. 조정 알고리듬도 연소기 사이의 연료/공기 비의 변화를 이용하여 가스 터빈의 출력 성능을 최적화하는 것이 가능하다. 연소기 사이의 연료/공기 비의 변화를 검출하는 한가지 방법은 연소기의 배기 온도를 검출하거나 탐지하는 것이다. 연소기 사이의 연료/공기 비의 변화를 검출하는 다른 방법은 열전쌍을 이용하여 각 연소기의 화염 온도를 검출하는 것이다. 각 조정 알고리듬은 개개의 가스 터빈에 특유하고 그리고 가스 터빈의 작동 특성에 의해 결정된다.
이 방법은 일산화탄소를 포함하는 모든 다른 바람직하지 않은 방출물의 측정 및 제한에도 유사하게 적용된다. 최소화될 기능은 각 유형의 방출물의 허용가능한 출력 한계에 비교할 때 가장 한정하는 것이다.
이 방법은 일반적인 경우에 개개의 연소실로 이루어지는 것으로 가정될 모든 다중실 연소 시스템에 적용 가능하다. 여기서, N은 연소실의 수이다.
독립적으로 예정된 다수의 연료 회로에 의해서 각 연소실에 연료가 반송된다. 여기서, n은 연료 회로의 수이다.
각 연료 회로를 통해 각 연소실에 반송되는 연료는, fij= j 번째 연료 회로를 통해 I 번째 연소실에 반송되는 연료이다.
어떤 연소실에 반송되는 전체의 연료는 전체의 연료 회로를 통해 연소실에 반송되는 연료의 합과 같거나, 또는
i 번째 연소실에 반송된 연료 유량이다.
가스 터빈에 반송된 총 연료 유량은
가스 터빈에 반송된 총 연료 유량이다.
평균 연소실 연료 유량은
어떤 개개의 연소실에 의해 반송된 아산화 질소의 레벨은
NOxi= i 번째 연소실로부터의 NOx.
가스 터빈에 의해 배출된 아산화 질소 레벨은 하기 식의 평균 연소실 레벨이다.
NOx는 fij의 비선형 함수이다.
δpi= i 번째 연소실 내의 연소기 동력학
연소기 동력학은 고 비선형 함수인 것에 주의하라.
Δ(δpi)= 연소기간 연소기 동력학의 변화
ΔTex= 배기 온도 윤곽
중요한 제어 변수는
KCP's : fij, f
기계에서 적당한 Y's : NOx, Δδ(pi), ΔTex
주의 : NOxi및 δpi는 fij조작에 역으로 반응한다.
제어 계획은 다음의 과업을 포함한다.
Ⅰ. fij의 제어에 의해 Δ(δpi), Δ(NOxi), Tex를 동시에 최적화(최소화)한다.
Ⅱ. a) 기본 부하에서 fT를 제어하여 NOx를 미리 규정된 값(즉, 9ppm 보증에 대해서 8.9 ppm 까지) 증가시킨다.
항목 Ⅰ및 Ⅱ는 연속적으로, 즉 주위의 변화에 따라 실행될 것이라는 점에 주의하라.
b) 부분 부하에서, 항목 Ⅰ을 실행하지만, 미리 선택된 부하 또는 연료/공기 비(기계 배기 온도)의 변화를 유지한다.
상기 과업 Ⅰ 및 Ⅱ에 따라서, 제어 계획의 시행을 지금부터 설명할 것이다. 가스 터빈은 연소기 사이의 연료/공기 비의 변화를 탐지하는 수단, 즉 예컨대 배기장치 내의 다수의 온도 센서 또는 연소실내의 열전쌍을 구비한다. 최저 온도와 최고 온도 사이의 확산 및, 실제로 주변부 및 원주 둘레의 온도 패턴은 연소기 통 사이의 상이한 작동 상태를 나타낸다. 이러한 변화를 감소시키는 것이 바람직하다.이것은 통이 온도 확산을 표준 이상으로 만드는 추정 방법에 기초한 모형 및 통을 균일한 온도 상태에 이르게 하는 제어 작용에 의해 달성된다. 이 모형은 신경 망에 의해 사용되는 것과 같은 방정식에 기포한 데이터 뿐만아니라 물리적 방정식의 조합일 것이다. 이 제어 작용은 연소기 통내의 온도가 실질적으로 동일하고 그리고 평균 온도가 개개의 통 온도의 양호한 근사치라는 것을 보장할 것이다.
NOx는 연소 온도와 직접적인 상호관련이 있다. 그러므로, 제어 온도가 NOx를 제어한다. 이 개념은 NOx생성을 위한 비선형 모형을 거쳐 각 통에 의해 생성되는 NOx의 양을 추정하기 위한 것이다. 변수에 의해 성성되는 NOx양을 개산하기 위한 모형이 존재한다. 본 발명의 신규성은 개개의 통에 의해 생성되는 NOx의 양을 개산하는 것이다. NOx의 온라인 측정을 이용 가능하더라도, 이 방법을 사용하여 통들 사이에 총 NOx양을 배당할 수 있다. 일단 각 통에 의해 방출되는 NOx의 상대량을 추정하면, 시스템은 개개의 통으로의 연료 유량을 조작하여 양을 감소시키거나 제어한다.
NOx를 제어하는 것이 강요되지 않으면 이것은 어렵지 않을 것이다. 유감스럽게도, 이것은 사실이 아니다. 연소기 통 내의 동압은 또한 온도의 함수이며, 온도 변화는 고음에 이를 수 있다. 그러므로, NOx의 제어는 음을 허용 가능한 레벨 이하로 유지하는 작동상의 제약을 받는다. 이것은 각 통 내의 동압을 탐지하고,신호를 처리하고 또 신호를 제어기에 전송하는 것에 의해 수행된다. 그 다음, NOx제어 알고리듬에서 이 신호를 이용하여 최적화를 강요한다.
본 발명을 현재 가장 실제적이고 바람직한 실시예로 간주되는 것과 관련하여 설명하였지만, 본 발명은 개시한 실시예에 한정되지 않고, 반대로 첨부된 청구범위의 정신 및 범위 내에 포함되는 각종 수정 및 동등한 설비를 포함하는 것으로 의도되도록 이해되어야 한다.
본 발명은 최대의 성능을 달성함과 동시에 방출 요건을 충족시키고 설비의 수명을 최적화하고, 각각의 연소실 내의 연료 대 공기비 및 동압을 제어를 향상시켜 그들 개개의 성능을 최대화하며, 가스 터빈의 출력 능력을 최대화하는 동시에 각 연소실 내의 전체의 방출 및 동압 변동을 허용 가능한 범위 내로 유지한다.

Claims (10)

  1. 다수의 연소기(16)와, 관련된 다수의 연료 관(43) 및 상기 다수의 연소기(16) 중 적어도 하나에 대한 밸브(60)를 구비한 가스 터빈(12)에 사용하기 위한 가스 터빈 제어 방법에 있어서,
    상기 연료 밸브(60)의 각각을 각 연소기(16)에 독립적으로 맞추어 아산화 질소의 방출을 전체의 연소기(16)의 합에 의해 생성되는 목표 레벨로 제어하는 단계와,
    상기 연료 밸브(60)의 각각을 정밀하게 조정하여 전체의 연소기(16)의 동압 변동을 사전 설정된 한계 내에 유지하는 단계를 포함하는
    가스 터빈 제어 방법.
  2. 다수의 연소기(16)와, 관련된 다수의 연료 관(43) 및 상기 다수의 연소기(16)의 각각에 대한 밸브(60)를 구비한 가스 터빈(12)에 사용하기 위한 가스 터빈 제어 방법에 있어서,
    상기 다수의 연소기(16)의 각각으로부터 동압 변동 및 NOx방출을 측정하는 단계와,
    상기 연소기(16)의 각각으로부터 연료/공기 비의 변화를 탐지하는 단계와,
    상기 연료 밸브(60)의 각각을 조정하여 상기 다수의 연소기(16)를 횡단하는연료/공기 비의 변화를 증대시키는 단계와,
    상기 다수의 연소기(16) 중 하나가 최대 동압 변동을 갖는 것을 확인하는 단계와,
    최대 동압 변동을 갖는 상기 다수의 연소기(16)의 하나와 관련된 상기 다수의 연료 밸브(60)의 각각에 반송되는 연료를 정밀하게 조정하여, 상기 최대 동압 변동을 감소시키는 동시에 상기 NOx방출을 저 레벨로 유지하는 단계를 포함하는
    가스 터빈 제어 방법.
  3. 다수의 연소기(16)와, 관련된 다수의 연료 관(43) 및 상기 다수의 연소기(16)의 각각에 대한 밸브(60)를 구비한 가스 터빈(12)에 사용하기 위한 가스 터빈 제어 방법에 있어서,
    상기 다수의 연소기(16)에 대해 허용 가능한 연소 동압 기준을 결정하는 단계와,
    상기 다수의 연소기(16)로부터의 허용 가능한 NOx방출 기준을 결정하는 단계와,
    상기 다수의 연소기(16)로부터의 연소기 사이의 연료/공기 비의 변화에 대한 허용 가능한 기준을 결정하는 단계와,
    상기 다수의 밸브(60)로의 연료 유량을 제어하여 연소압 동력학, NOx방출, 및 상기 다수의 연소기(16)로부터의 연료/공기 비 변화를 증대시키는 단계와,
    상기 가스 터빈(12)의 기본 부하에서, 상기 다수의 밸브로의 연료 유량을 제어하여 NOx방출을 상기 허용 가능한 NOx방출 기준으로 조정하는 단계를 더 포함하는
    가스 터빈 제어 방법.
  4. 다수의 연소기(16)와, 관련된 다수의 연료 관(43) 및 상기 다수의 연소기(16)의 각각에 대한 밸브(60)를 구비한 가스 터빈(12)에 사용하기 위한 가스 터빈 제어 방법에 있어서,
    상기 다수의 연소기(16)에 대해 허용 가능한 연소 동압 기준을 결정하는 단계와,
    상기 다수의 연소기(16)로부터의 허용 가능한 NOx방출 기준을 결정하는 단계와,
    상기 다수의 연소기(16)로부터의 연료/공기 비의 변화에 대한 허용 가능한 기준을 결정하는 단계와,
    상기 다수의 밸브(60)로의 연료 유량을 제어하여 연소압 동력학, NOx방출, 및 상기 다수의 연소기(16)로부터의 연료/공기 비 변화를 증대시키는 단계와,
    상기 가스 터빈(12)의 기본 부하에서, 상기 다수의 밸브로의 연료 유량을 제어하여 상기 연료/공기 비 변화 기준을 유지하는 단계를 더 포함하는
    가스 터빈 제어 방법.
  5. 다수의 연소실(16)을 구비한 가스 터빈(12)에 있어서,
    상기 연소실의 각각이
    압축기(14)로부터 공기를 수용하고 그리고 연료 분배기(42)로부터 연료를 수용하는 적어도 하나의 연소 반응 구역(24, 26)과,
    상기 연료 분배기(42, 44)는 연료 조정 구멍 및 연료 조정 밸브(60)를 구비하고, 상기 각각의 연소실(16)의 연료 조정 밸브(60)는 연소실로의 연료의 유량을 조정하도록 개별적으로 조절 가능하고,
    연소기 내의 동적 가스 압력을 검출하는 압력 센서(66)와,
    상기 다수의 연소실로부터의 연료/공기 비의 변화를 검출하기 위한 연료/공기 비 센서(64)와,
    상기 압력 센서(66)에 의해 검출된 동적 가스 압력 및 상기 연료/공기 비 센서(64)에 의해 검출된 연료/공기 비의 변화를 최적화하도록 상기 연료 조정 밸브를 작동 가능하게 조정하기 위해, 그리고 상기 연소실의 각각에 대한 연료 조정 밸브(60)를 조정하여 상기 연료/공기 비의 변화를 사전설정된 레벨로 유지하기 위해 상기 연료 조정 밸브(60) 및 상기 센서(64, 66)에 결합된 컴퓨터 제어기(70)를 포함하는
    가스 터빈.
  6. 다수의 연소실(16)을 구비한 가스 터빈(12)에 있어서,
    상기 연소실의 각각이
    압축기(14)로부터 공기를 수용하고 그리고 연료 분배기(42)로부터 연료를 수용하는 적어도 하나의 연소 반응 구역(24, 26)과,
    상기 연료 분배기는 연료 조정 구멍 및 연료 조정 밸브(60)를 구비하고, 상기 각각의 연소실(16)의 연료 조정 밸브(60)는 연소실로의 연료의 유량을 조정하도록 개별적으로 조절 가능하고,
    연소기 내의 동적 가스 압력을 검출하는 압력 센서(66)와,
    상기 다수의 연소실(16)로부터의 연료/공기 비의 변화를 검출하기 위한 연료/공기 비 센서(64)와,
    상기 압력 센서(66)에 의해 검출된 동적 가스 압력 및 상기 연료/공기 비 센서(64)에 의해 검출된 연료/공기 비의 변화를 최적화하도록 상기 연료 조정 밸브를 작동 가능하게 조정하기 위해, 그리고 상기 연소실의 각각에 대한 연료 조정 밸브(60)를 조정하여 상기 연료/공기 비의 변화를 사전설정된 레벨로 유지하기 위해 상기 연료 조정 밸브(60) 및 상기 센서(64, 66)에 결합된 컴퓨터 제어기(70)를 포함하는
    가스 터빈.
  7. 다수의 연소기(16)와, 관련된 다수의 연료 관(43) 및 상기 다수의 연소기(16) 중 적어도 하나에 대한 밸브(60)를 구비한 가스 터빈(12)용 제어 시스템에 있어서,
    상기 다수의 연소기(16) 내의 동적 가스 압력을 검출하기 위한 적어도 하나의 압력 센서(66)와,
    상기 다수의 연소기(16) 사이의 연료/공기 비를 검출하기 위한 적어도 하나의 연료/공기 비 센서(64)와,
    상기 다수의 연료 밸브(60)를 작동 가능하게 조정하여 상기 적어도 하나의 압력 센서(66)에 의해 검출된 동적 가스 압력을 증대시키고 그리고 상기 적어도 하나의 연료/공기 비 센서(64)에 의해 검출된 연료/공기 비의 변화를 증대시키기 위해, 그리고 상기 다수의 연료 밸브(60)를 조정하여 연료/공기 비의 변화를 사전설정된 레벨로 유지하기 위해 상기 다수의 연료 밸브(60) 및 상기 센서(64, 66)에 결합된 컴퓨터 제어기(70)를 포함하는
    가스 터빈용 제어 시스템.
  8. 다수의 연소기(16)와, 관련된 다수의 연료 관(43)과 상기 다수의 연소기(6) 중 적어도 하나에 대한 밸브(60)를 구비한 가스 터빈(12)용 제어 시스템에 있어서,
    상기 다수의 연소기(16) 내의 동적 가스 압력을 검출하기 위한 적어도 하나의 압력 센서(66)와,
    상디 다수의 연소기(16) 사이의 연료/공기 비를 검출하기 위한 적어도 하나의 연료/공기 비 센서(64)와,
    상기 다수의 연료 밸브(60)를 작동 가능하게 조정하여 상기 적어도 하나의 압력 센서(66)에 의해 검출된 동적 가스 압력을 증대시키고 그리고 상기 적어도 하나의 연료/공기 비 센서(64)에 의해 검출된 연료/공기 비의 변화를 증대시키기 위해, 그리고 상기 다수의 연료 밸브(60)를 조정하여 NOx의 방출을 사전 설정된 레벨로 유지하기 위해 상기 다수의 연료 밸브(60) 및 상기 센서(64, 66)에 결합된 컴퓨터 제어기(70)를 포함하는
    가스 터빈용 제어 시스템.
  9. 다수의 연소기(16)와, 관련된 다수의 연료 관(43)과 상기 다수의 연소기(16) 중 하나에 대한 밸브(60)를 구비한 가스 터빈(12)용 제어 시스템에 있어서,
    상기 다수의 연소기(16) 내의 동적 가스 압력을 검출하기 위한 압력 센서 수단(66)과,
    상기 다수의 연소기(16) 사이의 연료/공기 비의 변화를 검출하기 위한 연료/공기 비 센서 수단(64)과,
    상기 다수의 연료 밸브(60)를 작동 가능하게 조정하여 상기 적어도 하나의 압력 센서 수단(66)에 의해 검출된 동적 가스 압력을 증대시키고 그리고 상기 적어도 하나의 연료/공기 비 센서 수단(64)에 의해 검출된 연료/공기 비의 변화를 증대시키기 위해, 그리고 상기 다수의 연료 밸브(60)를 조정하여 연료/공기 비의 변화를 사전설정된 레벨로 유지하기 위해 상기 다수의 연료 밸브(60), 상기 센서 수단(64, 66), 및 상기 연료/공기 비 센서 수단(64)에 결합된 컴퓨터 제어기(70)를 포함하는
    가스 터빈용 제어 시스템.
  10. 다수의 연소기(16)와, 관련된 다수의 연료 관(43)과, 상기 다수의 연소기(16) 중 적어도 하나에 대한 밸브(60)를 구비한 가스 터빈(12)용 연료 시스템에 있어서,
    상기 다수의 연소기(16) 내의 동적 가스 압력을 검출하기 위한 압력 센서 수단(66)과, 상기 다수의 연소기(16) 사이의 연료/공기 비의 변화를 검출하기 위한 연료/공기 비 센서 수단(64)과,
    상기 다수의 연료 밸브(60)를 작동 가능하게 조정하여 상기 적어도 하나의 압력 센서 수단(66)에 의해 검출된 동적 가스 압력을 증대시키고 그리고 상기 적어도 하나의 연료/공기 비 센서 수단(64)에 의해 검출된 연료/공기 비의 변화를 증대시키기 위해, 그리고 상기 다수의 연료 밸브(60)를 조정하여 NOx의 방출을 사전 설정된 레벨로 유지하기 위해 상기 다수의 연료 밸브(60), 상기 센서 수단(64, 66), 및 상기 연료/공기 비 센서 수단(64)에 결합된 컴퓨터 제어기(70)를 포함하는
    가스 터빈용 제어 시스템.
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