KR20160104566A

KR20160104566A - 순차적 연소를 갖는 가스 터빈의 작동을 제어하는 방법

Info

Publication number: KR20160104566A
Application number: KR1020160021782A
Authority: KR
Inventors: 안드레아스 얀 쉐스니; 피르민 쉬셀; 피오트르 지베르트; 토르스텐 뤼데케; 라자시워 디탈
Original assignee: 제네럴 일렉트릭 테크놀러지 게엠베하
Priority date: 2015-02-26
Filing date: 2016-02-24
Publication date: 2016-09-05
Also published as: EP3061944A1; CN105927392B; JP2016166610A; CN105927392A; US20160252017A1; EP3061945B1; EP3061945A1

Abstract

본 발명은 순차적 연소를 갖는 가스 터빈(10)의 작동을 제어하는 방법에 관한 것으로서, 가스 터빈(10)은 가변 입구 가이드 베인(VIGV)을 갖는 압축기(12), 제1 연소기(13), 상기 제1 연소기(13) 하류에 있는 고압 터빈(14), 상기 고압 터빈(14) 하류에 있는 제2 연소기(16), 및 상기 제2 연소기(16) 하류에 있는 저압 터빈(17)을 포함한다.
목표 NOx 방출물 한계를 초과하는 것의 방지뿐만 아니라 구성부품 응력 증가의 방지는, 적어도 하나의 국부적 TAT1 측정값이 베이스 부하 작동 중에 예정된 임계값보다 높게 증가하면, 평균 TAT1 온도(TAT1 AVG)을 조정함으로써 달성된다.

Description

순차적 연소를 갖는 가스 터빈의 작동을 제어하는 방법{METHOD FOR CONTROLLING THE OPERATION OF A GAS TURBINE WITH SEQUENTIAL COMBUSTION}

본 발명은 가스 터빈의 기술에 관한 것이다. 본 발명은 순차적 연소를 갖는 가스 터빈의 작동을 제어하는 방법에 관한 것이다.

순차적 연소를 갖는 가스 터빈의 제어는 종래 다양한 문헌의 주제였었다.

예를 들어, 문헌 US 8,434,312는 순차적 연소를 갖는 가스 터빈의 저-CO 방출물 부분 부하 작동을 위한 방법을 개시하며, 이 경우 제2 연소기의 작동 버너의 공기비(λ)는 부분 부하에서 최대 공기비(λ max)보다 낮게 유지된다. 최대 공기비(λ)를 감소시키기 위해, 가스 터빈의 작동 개념에서 일련의 변경이 개별적으로 또는 조합하여 실행되고 있다. 한가지 변경은 제2 연소기와 결합하기 전에 가변 압축기 입구 가이드 베인(VIGV)들의 줄(row)의 개방이다. 제2 연소기와 결합하기 전에, 가변 압축기 입구 가이드 베인들의 줄은 신속히 폐쇄되며, 연료가 동기 방식으로 제2 연소기의 버너 내로 주입된다. 다른 변경은 부분 부하에서 개별 버너들의 비활성화이다.

문헌 EP 2 600 063 A2는 단계적 및/또는 순차적 연소를 갖는 가스 터빈의 작동 방법을 개시하며, 여기서 제2 스테이지 또는 제2 연소기의 버너들이 부하 중에 순차적으로 켜지고 비부하(de-loading) 중에 꺼지며, 이에 의하여 총 연료 질량 유동 및 압축기 입구 가이드 베인들이 동시에 조정되어 필요한 CO 방출물 목표에 대하여 가스 터빈 작동 온도 및 엔진 동력의 제어를 가능하게 한다.

순차적 연소를 갖는 가스 터빈의 기본 제어 계획이 도 1에 도시되어 있다. 가스 터빈(10)은 동심 케이싱에 의해 둘러싸여 있는 로터(11)를 포함한다. 압축기(12)는 제1, 소위 EV 버너(22)들을 갖는 제1 연소기(13)로 플레넘(plenum)을 통해 들어가는 공기를 압축한다. 그 결과로 인한 과열 가스가 제1 또는 고압 터빈(14)을 구동한다. 고압 터빈(14)의 하류에서 제2, 소위 SEV 버너(15)들이 연료를, 여전히 공기를 포함하는 가스로 분사하고, 이 가스를 제2 연소기(16)에서 재가열한다. 재가열된 가스는 제2 또는 저압 터빈(17)을 구동하고, 최종적으로 가스 터빈(10)에서 배출된다.

가스 터빈(10)의 작동을 제어하는 컨트롤러(20)는 고압 터빈(14)의 출구에서 많은(예로서 24개) 지점들에서 측정되는 고압 터빈(14)의 터빈 출구 온도(TAT1)를 갖는 TAT1 측정치(21)를 수신한다. 더 나아가서, 컨트롤러는 저압 터빈(17)의 출구에서 다양한 지점들에서 측정되는 저압 터빈(17)의 터빈 출구 온도(TAT2)를 갖는 TAT2 측정치(18)를 수신한다. 끝으로, 컨트롤러는 가스 터빈(10)의 배기 가스 유동에 놓이는 NOx CEMS 측정수단(19)으로부터 NOx 방출물 데이터를 수신한다. 측정된 데이터를 사용하여, 컨트롤러(20)는 EV 버너 제어부(23)를 이용하여 제1 연소기(13)의작동을 제어한다.

도 1에 도시된 형식의 순차적 연소를 갖는 가스 터빈(10)에서, TAT1 측정치(21), 즉 (제1) 고압 터빈(14)의 터빈 출구 온도(TAT)의 측정은 누출에 의한 영향을 받는다.

이러한 누출은 깨끗한 새 엔진(또는 사고 후 재조립된 엔진)에서는 작지만 작동 중에 증가한다.

이러한 누출은 평균 TAT1 온도(TAT1 AVG)를 부여하기 위해 평균화되는, 단일 TAT1 측정치들 일부에 영향을 주는데, 왜냐하면 각각의 온도 센서가 냉각 누출 유동에 의해 영향을 받아 측정 오류를 일으키는데, 즉 저온을 표시하기 때문이다.

그런 다음, 컨트롤러는 설계 온도에서 TAT1(제각기 고압 터빈(14)의 터빈 입구 온도 TIT1)을 유지하도록 연료 유동을 제어한다. 측정 오류 때문에, 실제 TAT1 및 실제 TIT1 값들이 증가하여 높은 NOx 방출물(및 기계의 증가된 수명 시간 소비)을 유도한다.

NOx 방출물의 중대한 증가가 검출된 후 엔진을 재조정하여 문제를 해결할 수 있다. 그러나, 이러한 해법은 성가시고, 기계의 조작자에게 불만족스럽고, 구성요소의 수명에 악영향을 준다.

연속 방출물을 갖는 개선된 폐쇄 루프 제어, 가능하면 맥동 피드백 루프를 사용하는 것이 더 양호한 방법이 될 것이다.

본 발명의 목적은 종래 해법의 단점을 피하고 목표로 한 NOx 방출물 한계의 초과뿐만 아니라 구성요소의 응력 증가를 방지할 수 있는, 순차적 연소를 갖는 가스 터빈의 작동을 제어하는 방법을 제공하는 것이다.

이러한 목적 및 다른 목적들은 청구항 제1항에서 청구하는 방법에 의해 해결된다.

본 발명에 따른 방법은 순차적 연소를 갖는 가스 터빈의 작동을 제어하기 위해 사용되며, 이 가스 터빈은 가변 입구 가이드 베인들을 갖는 압축기, 제1 연소기, 상기 제1 연소기 하류에 있는 고압 터빈, 상기 고압 터빈 하류에 있는 제2 연소기, 및 상기 제2 연소기 하류에 있는 저압 터빈을 포함한다.

본 발명에 따른 방법은:

가스 터빈이 베이스 부하 조건들하에서 작동하고 있는지를 확인하는 단계;

고압 터빈의 터빈 출구 온도(TAT1)를 다양한 지점들에서 국부적으로 연속 측정하는 단계;

다양한 국부적 TAT1 측정값들을 평균화하여 평균 TAT1 온도(TAT1 AVG)를 구하는 단계;

상기 평균 TAT1 온도(TAT1 AVG)에 의존하여 제1 연소기의 작동을 제어하는 단계;

상기 평균 TAT1 온도(TAT1 AVG)보다 높은 적어도 하나의 국부적 TAT1 측정값이 증가하는지 여부를 체크하는 단계;

상기 적어도 하나의 국부적 TAT1 측정값이 예정된 임계값보다 높게 증가하면 상기 평균 TAT1 온도(TAT1 AVG)를 조정하는 단계를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따라서 상기 베이스 부하 조건들은 개방될 상기 가변 입구 가이드 베인(VIGV)들, 베이스 부하 값에서 존재하는 상기 제1 연소기의 터빈 입구 온도, 및 베이스 부하 값에서 존재하는 상기 제2 연소기의 터빈 입구 온도를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 따라서 상기 평균 TAT1 온도(TAT1 AVG)보다 높은, 다수의 국부적 TAT1 측정값의 이동 평균이 체크되고, 상기 이동 평균이 예정된 임계값보다 높게 증가하면 상기 평균 TAT1 온도(TAT1 AVG)가 조정된다.

특히, 하나의 실시예에 따라서 상기 이동 평균의 가장 큰 국부적 TAT1 측정값은 무시될 수 있다. 추가 실시예에 따라서 TAT1 AVG보다 높은 다수의 TAT1 측정치는 무시된다.

특히, 상기 이동 평균은 예를 들어 10분 이상의 시간 척도(time scale)에서 평가될 수 있다.

또한 특히 상기 이동 평균은 20분의 시간 척도에서 평가될 수 있다.

여전히 본 발명의 추가 실시예에 따라서 상기 예정된 임계값은 지역 TAT1 기준값보다 적어도 5K 높다. 지역 TAT1 기준값은 예로서 작동 주기의 개시에서 가스 터빈이 조정되었을 때 적어도 하나의 국부적 TAT1 측정값의 평균이 될 수 있다. 대안으로 지역 TAT1 기준값은 작동 주기의 개시에서 베이스 부하 작동 중에 TAT1 AVG를 향하여 적어도 하나의 국부적 TAT1 측정값의 차이에 의해 결정되는 기준값이 될 수 있다. 적어도 하나의 국부적 TAT1 측정값의 절대 온도에 도달되었을 때 TAT1 조정을 트리거(trigger)하는 대신에, TAT1 조정은 적어도 하나의 국부적 TAT1 측정값과 TAT1 AVG 사이의 차이가 기준값, 즉 온도차를 초과할 때 트리거된다. 온도차를 사용함으로써 작동 개념의 변화로 인하여 TAT1 AVG에 대한 목표값의 가능한 변화가 TAT1 조정에 어떤 영향도 주지 않는다. 목표 TAT1, 제각기 목표 터빈 입구 온도 TIT1은 예로서 연료 방식의 연료 구성물, 예로서 연료 가스 또는 연료 오일의 사용에서 변화를 고려하도록 변화될 수 있다.

특히, 상기 예정된 임계값은 예로서 지역 TAT1 기준값보다 10K 높을 수 있다.

바로 본 발명의 다른 실시예에 따라서 평균 TAT1 온도(TAT1 AVG)의 상기 조정은 상기 평균 TAT1 온도(TAT1 AVG)를 예정량만큼 단계적으로 감소시킴으로써 실시된다. 실제 TAT1 온도(TAT1 AVG)는 예로서 컨트롤러에서 측정된 값에 오프셋(offset)을 추가함으로써 감소될 수 있다. 따라서 컨트롤러는 TAT1 AVG의 증가된 값을 사용하여 제1 연소기의 작동을 제어한다. 목표 제어값들이 변하지 않기 때문에 컨트롤러는 연료 유동을 감소시켜 오프셋 후의 온도를 목표 값들로 감소시킨다.

본 발명의 추가 실시예에 따라서 가스 터빈의 배기가스의 NOx 함량은 NOx CEMS 측정수단에 의해 측정되고, 추가로 NOx 방출물 측정값들의 이동 평균이 예정된 임계값보다 높은 경우에, 상기 평균 TAT1 온도(TAT1 AVG)만이 조정된다.

특히, NOx CEMS 방출물 측정값들의 상기 이동 평균은 예로서 20분의 시간 척도에서 평가되고, 상기 임계값은 보장된 NOx 방출물 레벨의 80%가 될 수 있다.

특히, 추가 실시예에 따라서 압력 맥동이 상기 제1 연소기에서 측정되고, 덧붙여 특히 100 Hz와 150 Hz 사이의 주파수 밴드에서 상기 측정된 압력 맥동의 저주파 부분이 특히 30 mbar의 예정된 임계값보다 낮은 경우에, 상기 평균 TAT1 온도(TAT1 AVG)만이 조정된다.

또한 특히, 상기 조정 표준들 모두가 개별 베이스 부하 사이클들의 예정된 수 및 예정된 작동 시간에 대해 충족되는 경우에, 상기 평균 TAT1 온도(TAT1 AVG)만이 조정된다.

특히, 개별 베이스 부하 사이클들의 상기 예정된 수는 예로서 적어도 5가 될 수 있고, 상기 예정된 작동 시간은 예로서 적어도 120분이 될 수 있다.

본 발명은 이제 다른 실시예들을 이용하며 첨부된 도면을 참고하여 더 상세히 설명될 것이다.
도 1은 순차적 연소를 갖는 가스 터빈 및 그 작동을 위한 폐쇄 루프 제어회로를 도시한다.

본 발명은 이미 언급한 GT26과 같이 순차적 연소를 갖는 가스 터빈의 제1(EV) 연소기의 폐쇄 루프 제어를 개선하기 위해 반자동 제어 논리를 채용하는, 능동 TAT1 제어(ATC)에 관한 것이다. 최종 목표는 보장된 상한계에 도달하지 않게 NOx 방출물을 유지하는 것이다.

이것은 (제1) 고압 터빈(14)의 평균 터빈 출구 온도, 즉 TAT1 AVG를 프로세스 제어 온도로서 채용함으로써 이루어진다. 실제 GT26 터빈의 선형 회귀 분석은, 실제 24 TAT1 측정치들 중 가장 뜨거운 8개의 평균은 측정된 NOx 방출물과 베이스 부하에서의 제어된 TAT1 AVG 사이의 불일치(mismatch)를 나타낼 수 있다는 것을 보여주었다.

본 발명에 따라서 20분 동안 평균화된 가장 뜨거운 8개의 TAT1 측정치들은, 예로서 EV 과열가스 온도 편차로서 제1 (EV) 연소기의 폐쇄 루프 제어 교란을 교정하며, 이에 의해 보장된 레벨에서 NOx 방출물을 유지하기 위한 지시기로서 사용된다.

이러한 특별한 경우에 컨트롤러(20) 내의 최종 제어 논리 디자인은 아래의 5가지 다른 표준들을 연속적으로 충족한 후에 베이스 부하에서 10 Kelvin 만큼 EV 프로세스 제어 온도 TAT1 AVG의 반자동 단계적 감소를 수행한다:

1. GT 베이스 부하 조건들이 주어진다:

2. 가장 뜨거운 8개의 TAT1 측정값들의 20분 이동 평균은 기준 측정치에 대하여 10 Kelvin만큼 증가되었다:

3. NOx OEMS 방출물 측정값들의 20분 이동 평균은 보장된 값의 80%보다 높다:

4. 제1 연소기(13)의 100 Hz - 150 Hz 맥동 밴드는 30 mbar의 압력보다 작다:

5. 조건들 1, 2, 3, 4는 베이스 부하 작동의 5 개별 시간들 동안 및 120분 동안 충족된다.

마지막 5번째 표준이 충족되면 ATC의 해제가 주어지고 조작자에 의해 활성화될 수 있다.

위에 기재된 표준들 1-5의 의미는 이하에 더 상세히 설명될 것이다.

표준 1에 대해서

베이스 부하 조건들은, 가변 입구 가이드 베인(VIGV)들이 개방되고(베이스 부하 개방에 대해 1°이내), 제1 연소기에서 터빈 입구 온도(TIT1)가 베이스 부하 TIT1에 있고, 그리고 제2 연소기에서 터빈 입구 온도(TIT2)가 베이스 부하 TIT2에 있는 경우에 주어진다.

표준 2에 대해서

일반적으로, TAT1 AVG(보통 GT26에서 24개의 국부적 TAT1 측정값이 있다)보다 높은 적어도 하나의 국부적 TAT1 측정값이 증가하는지 여부를 체크해야 한다. 만일 이것이 임계값(예로서, 10 K, 또한 5K가 될 수 있다)보다 높게 증가하면, TAT1 AVG 값이 조정된다.

단지 TATI AVG만이 조정된다. 저압 터빈(17)의 하류에서 측정되는 TAT2 AVG는 조정되지 않는다(저압 터빈(17)의 하류에 있는 배기 덕트에서는 냉각되지 않으며 따라서 냉각 공기 누출로 인한 잠재적 변화가 없다).

시간 주기는 당연히 20분, 예로서 단지 10분 이상보다 더 짧을 수 있다.

하나 또는 모든 TAT1 측정값들이 사용될 수 있다(예를 들어 평균보다 높은 어떠한 개수의 TAT1 측정치들의 이동 평균이 사용될 수 있고; 또한 예를 들어 가장 뜨거운 국부적 TAT1 측정값이 무시될 수 있다).

표준 3에 대해서

20분의 시간 주기가 하나의 예이다. 이 시간 주기는 더 짧거나 더 길 수 있다. 80%-값 NOx 방출물에도 동일하다.

표준 4에 대해서

제1 연소기(13)의 100 Hz - 150 Hz 맥동 밴드는 또한 "저주파 맥동" 또는 "희박 블로오프 맥동(lean blow off pulsation)"으로 부르고 있다.

표준 5에 대해서

"베이스 부하 작동의 5 개별 시간들(5 separate times of base load operation)"은 가스 터빈이 -당연히 이 실시예에서만- 연속적 베이스 부하 작동들 사이에서 베이스 부하보다 낮은 부하로 로딩될 수 없다(deloaded)는 것을 의미한다.

더구나, 조정은 또한 자동으로 이루어질 수 있으며, 즉 조작자가 조정하지 않을 수 있다.

본 발명의 방법의 장점들은 이하와 같다:

특히 시동을 많이 하는 엔진에서 TAT1 쉬프트(Shift)의 더 빠른 전파를 관찰할 수 있다. 현재의 해법은 단지 엔진 조작자가 관심을 기울이는 것에 반응하며, 왜냐하면 보장된 또는 환경적 NOx 방출물 한계가 초과되기 때문이다. 본 발명의 장점은 목표 NOx 방출물 한계의 초과의 방지뿐만 아니라 구성요소의 응력 증가의 방지이다.

10 가스 터빈
11 로터
12 압축기
13 연소기
14 고압 터빈(TAT1)
15 SEV 버너
16 연소기
17 저압 터빈(TAT2)
18 TAT2 측정치(들)
19 NOx CEMS 측정수단
20 컨트롤러
21 TAT1 측정치(들)
22 EV 버너
23 EV 버너 제어부

Claims

순차적 연소를 갖는 가스 터빈(10)의 작동을 제어하는 방법으로서, 상기 가스 터빈(10)은 가변 입구 가이드 베인(VIGV)들을 갖는 압축기(12), 제1 연소기(13), 상기 제1 연소기(13) 하류에 있는 고압 터빈(14), 상기 고압 터빈(14) 하류에 있는 제2 연소기(16), 및 상기 제2 연소기(16) 하류에 있는 저압 터빈(17)을 포함하는, 상기 가스 터빈(10)의 작동을 제어하는 방법에 있어서,
상기 가스 터빈(10)이 베이스 부하 조건들하에서 작동하는 것을 확인하는 단계;
상기 고압 터빈(14)의 터빈 출구 온도(TAT1)를 다양한 지점들에서 국부적으로 연속 측정하는 단계;
다양한 국부적 TAT1 측정값들을 평균화하여 평균 TAT1 온도(TAT1 AVG)를 구하는 단계;
상기 평균 TAT1 온도(TAT1 AVG)에 의존하여 상기 제1 연소기(13)의 작동을 제어하는 단계;
상기 평균 TAT1 온도(TAT1 AVG)보다 높은 적어도 하나의 국부적 TAT1 측정값이 증가하는지 여부를 체크하는 단계;
상기 적어도 하나의 국부적 TAT1 측정값이 예정된 임계값보다 높게 증가하면 상기 평균 TAT1 온도(TAT1 AVG)를 조정하는 단계를 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 베이스 부하 조건들은 개방될 상기 가변 입구 가이드 베인(VIGV)들, 베이스 부하 값에서 존재하는 상기 제1 연소기(13)의 터빈 입구 온도(TIT1), 및 베이스 부하 값에서 존재하는 상기 제2 연소기(16)의 터빈 입구 온도(TIT2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 평균 TAT1 온도(TAT1 AVG)보다 높은, 다수의 국부적 TAT1 측정값의 이동 평균이 체크되고, 상기 이동 평균이 예정된 임계값보다 높게 증가하면 상기 평균 TAT1 온도(TAT1 AVG)가 조정되는 것을 특징으로 하는 방법.
제3항에 있어서, 상기 이동 평균의 가장 큰 지역 TAT1 온도값은 무시되는 것을 특징으로 하는 방법.
제3항에 있어서, 상기 이동 평균은 10분 이상의 시간 척도에서 평가되는 것을 특징으로 하는 방법.
제5항에 있어서, 상기 이동 평균은 20분의 시간 척도에서 평가되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 예정된 임계값은 지역 TAT1 기준값보다 적어도 5K 높은 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서, 상기 예정된 임계값은 지역 TAT1 기준값보다 10K 높은 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 평균 TAT1 온도(TAT1 AVG)를 조정하는 단계는 상기 평균 TAT1 온도(TAT1 AVG)를 예정된 양만큼 단계적으로 감소시킴으로써 실시되는 것을 특징으로 하는 방법.
제3항에 있어서, 상기 가스 터빈(10)의 배기가스들의 NOx 함량은 NOx CEMS 측정 수단(19)에 의해 측정되고, 덧붙여 NOx CEMS 방출물 측정값들의 이동 평균이 예정된 임계값보다 높은 경우에, 상기 평균 TAT1 온도(TAT1 AVG)만이 조정되는 것을 특징으로 하는 방법.
제10항에 있어서, 상기 NOx CEMS 방출물 측정값들의 상기 이동 평균은 20분의 시간 척도에서 평가되고, 상기 임계값은 보장된 NOx 방출물 레벨의 80%인 것을 특징으로 하는 방법.
제10항에 있어서, 상기 제1 연소기(13)에서 압력 맥동이 측정되고, 덧붙여 특히 100 Hz와 150 Hz 사이의 주파수 밴드에서 상기 측정된 압력 맥동의 저주파 부분이 특히 30 mbar의 예정된 임계값보다 낮은 경우에, 상기 평균 TAT1 온도(TAT1 AVG)만이 조정되는 것을 특징으로 하는 방법.
제12항에 있어서, 상기 조정 표준 모두가 개별 베이스 부하 사이클들의 예정된 수 및 예정된 작동 시간에 대해 충족되는 경우에, 상기 평균 TAT1 온도(TAT1 AVG)만이 조정되는 것을 특징으로 하는 방법.
제13항에 있어서, 개별 베이스 부하 사이클들의 상기 예정된 수는 적어도 5이고, 상기 예정된 작동 시간은 적어도 120분인 것을 특징으로 하는 방법.