KR20200041949A - 가스 터빈 제어 장치, 가스 터빈 제어 방법, 프로그램 - Google Patents

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Abstract

가스 터빈에 투입하는 연료의 단위 시간당 유량을 산출한다. 가스 터빈에 투입하는 공기의 단위 시간당 유량을 산출한다. 가스 터빈의 연소기에 관한 열에너지의 입력과 출력의 관계를 나타내는 물리 모델식을 이용하여 터빈 입구 온도를 산출한다. 터빈 입구 온도에 기초하여 연소기에 복수 접속되는 연료 공급 계통 각각의 연료 배분비를 산출한다.

Description

가스 터빈 제어 장치, 가스 터빈 제어 방법, 프로그램
본 발명은 가스 터빈 제어 장치, 가스 터빈 제어 방법, 프로그램에 관한 것이다.
본원은 2017년 10월 18일에 일본에 출원된 특허출원 제2017-201965호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
가스 터빈은 연소 효율이나 연소 안정성을 고려하여 복수의 연료 공급 계통으로 나누어서 가스 터빈을 구성하는 연소기에 연료를 공급할 필요가 있다. 관련되는 가스 터빈의 제어 방법에서는, 설계 시에 얻어진 열평형 데이터(heat balance data)에 의해 터빈 입구 온도를 추정하고, 그 터빈 입구 온도를 기초로 각 연료 공급 계통에 연료를 배정하는 비율(연료 배분비)을 결정하고 있다. 또한, 연료 배분비와 터빈 입구 온도의 관계에 의해서는 연소 진동이 발생하는 경우가 있지만, 연소 진동은 연소기 등에 손상을 주기 때문에 그 진동을 억제할 필요가 있다.
특허문헌 1에는, 발전기 출력이나 연료 지령 값을 기초로 터빈 입구 온도를 산출하는 방법이 개시되어 있다. 그러나 이러한 터빈 입구 온도의 산출 방법은, 특히 출력이 변동하는 과도 응답 시에는, 발전기 출력으로부터 가스 터빈의 출력 값을 올바르게 산출할 수 없을 가능성이 있어서 정밀도가 떨어진다. 또한, 특허문헌 1의 기술에서는, 연료 제어 신호 지령 값을 기초로 산출한 가스 터빈 출력 값의 보정을 행하고, 그 보정 값을 이용하여 터빈 입구 온도를 산출하고 있다. 그러나 그러한 보정 값을 산출 대상의 가스 터빈에 맞도록 적절히 조정할 필요가 있었다.
특허문헌 1: 일본 공개특허공보 제2015-161176호
그래서 이 발명은, 상술의 과제를 해결하는 가스 터빈 제어 장치, 가스 터빈 제어 방법, 프로그램을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명의 제1 양태에 의하면, 가스 터빈 제어 장치는, 가스 터빈에 투입하는 연료의 단위 시간당 유량을 상기 가스 터빈의 계측 값에 기초하여 산출하는 연료 유량 산출부와, 상기 가스 터빈에 투입하는 공기의 단위 시간당 유량을 상기 가스 터빈의 계측 값에 기초하여 산출하는 공기 유량 산출부와, 상기 가스 터빈의 연소기에 관한 열에너지의 수지 관계(收支關係)를 나타내는 물리 모델식(physical model equation)에 상기 연료의 단위 시간당 유량과, 상기 공기의 단위 시간당 유량과, 연료의 온도와, 가스 터빈 차실의 공기 온도를 입력하여 터빈 입구 온도를 산출하는 터빈 입구 온도 산출부와, 상기 터빈 입구 온도에 기초하여 상기 연소기에 복수 접속되는 연료 공급 계통 각각의 연료 배분비를 산출하는 연료 배분비 산출부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상술의 가스 터빈 제어 장치는, 상기 가스 터빈의 배기가스 온도와, 상기 터빈 입구 온도로부터 산출된 가스 터빈의 배기가스 온도와의 비율에 기초하여, 상기 터빈 입구 온도를 보정하는 보정부를 구비하고, 상기 연료 배분비 산출부는 상기 보정부에서 보정한 보정 후의 터빈 입구 온도에 기초하여 상기 연료 배분비를 산출해도 좋다.
상술의 가스 터빈 제어 장치에 있어서, 상기 보정부는, 정격 시의 배기가스 온도와 정격 시의 터빈 입구 온도와의 관계에 기초하여, 상기 터빈 입구 온도를 보정해도 좋다.
상술의 가스 터빈 제어 장치에 있어서, 상기 공기 유량 산출부는 상기 단위 시간당 추기 유량(抽氣流量)을 감(減)한 상기 공기의 단위 시간당 유량을 산출해도 좋다.
상술의 가스 터빈 제어 장치에 있어서, 상기 터빈 입구 온도 산출부는 상기 물리 모델식에 상기 공기의 습도를 입력하여 상기 터빈 입구 온도를 산출해도 좋다.
상술의 가스 터빈 제어 장치에 있어서, 상기 터빈 입구 온도 산출부는 공기의 습도에 따라 변동시킨 비엔탈피(specific enthalpy)를 이용하여 상기 터빈 입구 온도를 산출해도 좋다.
상술의 가스 터빈 제어 장치에 있어서, 상기 공기 유량 산출부는 상기 가스 터빈의 기동 후의 경과 시간에 따른 단위 시간당 추기 유량을 산출하고, 그 추기 유량을 감한 상기 공기의 단위 시간당 유량을 산출해도 좋다.
상술의 가스 터빈 제어 장치는 상기 차실의 공기 온도를 상기 가스 터빈의 계측 값에 기초하여 산출하는 차실 온도 산출부를 구비해도 좋다.
상술의 가스 터빈 제어 장치에 있어서, 상기 물리 모델식은 비정상 물리 모델식이어도 좋다.
본 발명의 제2 양태에 의하면, 가스 터빈 제어 방법은, 가스 터빈 제어 장치가 가스 터빈에 투입하는 연료의 단위 시간당 유량을 상기 가스 터빈의 계측 값에 기초하여 산출하고, 상기 가스 터빈에 투입하는 공기의 단위 시간당 유량을 상기 가스 터빈의 계측 값에 기초하여 산출하고, 상기 가스 터빈의 연소기에 관한 열에너지의 수지 관계를 나타내는 물리 모델식에 상기 연료의 단위 시간당 유량과, 상기 공기의 단위 시간당 유량과, 연료의 온도와, 가스 터빈 차실의 공기 온도를 입력하여 터빈 입구 온도를 산출하고, 상기 터빈 입구 온도에 기초하여 상기 연소기에 복수 접속되는 연료 공급 계통 각각의 연료 배분비를 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제3 양태에 의하면, 프로그램은, 가스 터빈 제어 장치의 컴퓨터를, 가스 터빈에 투입하는 연료의 단위 시간당 유량을 상기 가스 터빈의 계측 값에 기초하여 산출하는 연료 유량 산출 수단, 상기 가스 터빈에 투입하는 공기의 단위 시간당 유량을 상기 가스 터빈의 계측 값에 기초하여 산출하는 공기 유량 산출 수단, 상기 가스 터빈의 연소기에 관한 열에너지의 수지 관계를 나타내는 물리 모델식에 상기 연료의 단위 시간당 유량과, 상기 공기의 단위 시간당 유량과, 연료의 온도와, 가스 터빈 차실의 공기 온도를 입력하여 터빈 입구 온도를 산출하는 터빈 입구 온도 산출 수단, 상기 터빈 입구 온도에 기초하여 상기 연소기에 복수 접속되는 연료 공급 계통 각각의 연료 배분비를 산출하는 연료 배분비 산출 수단으로서 기능시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 가스 터빈 제어 장치는, 급격하게 가스 터빈 출력이 변동하는 바와 같은 과도 응답 시에 있어서도 터빈 입구 온도를 보다 정밀도 높게 산출할 수 있다. 이에 의해 가스 터빈 제어 장치는 터빈 입구 온도에 따른 각 연료 공급 계통의 연료 분배비를 산출할 수 있고, 가스 터빈의 연소 진동의 발생을 억제한 안정적인 연소를 과도 응답 시에 있어서도 실현할 수 있다.
도 1은 가스 터빈 발전 플랜트의 계통도이다.
도 2는 제1 실시형태에 의한 가스 터빈 제어 장치의 기능 블록을 나타내는 도면이다.
도 3은 가스 터빈 제어 장치의 처리 플로를 나타내는 도면이다.
도 4는 제2 실시형태에 의한 가스 터빈 제어 장치의 기능 블록을 나타내는 도면이다.
<제1 실시형태>
이하, 본 발명이 제1 실시형태에 의한 가스 터빈 제어 장치와 당해 장치를 포함하는 가스 터빈 발전 플랜트를 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 실시형태에 의한 가스 터빈 발전 플랜트의 계통도이다.
본 실시형태의 가스 터빈 발전 플랜트(100)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 가스 터빈(10), 가스 터빈(10)의 구동에 의해 발전하는 발전기(16), 가스 터빈(10)을 제어하는 가스 터빈 제어 장치(20), 연료를 공급하는 공급 장치(40)를 구비하고 있다. 가스 터빈(10)과 발전기(16)는 로터(15)로 연결되어 있다. 또한, 가스 터빈 발전 플랜트(100)는 추가로 스팀 터빈을 설치하고, 로터(15)에 그 스팀 터빈이 연결된 가스 터빈 컴바인드 사이클 발전 플랜트(GTCC)라도 좋다.
가스 터빈(10)은, 압축기(11)와, 연료 공급 계통(50)과, 연소기(12)와, 터빈(13)을 구비한다.
압축기(11)는 외부 공기를 압축하여 고압의 압축 공기를 생성한다. 보다 상세하게는, 압축기(11)는, 주축선 주위로 회전하는 압축기 로터(111)와, 압축기 로터(111)를 외주 측으로부터 덮는 압축기 차실(112)을 구비한다. 터빈(13)은, 주축선 주위로 회전하는 터빈 로터(131)와, 터빈 로터(131)를 외주 측으로부터 덮는 터빈 차실(132)을 구비한다.
압축기 로터(111)와 터빈 로터(131)는 주축선 상에서 일체로 접속된다.
연소기(12)는 압축기(11)에 의해 생성된 압축 공기 속에서 연료 공급 계통(50)으로부터 공급되는 연료를 연소시킴으로써, 고온 고압의 연소 가스를 생성한다. 연소기(12)는, 연소기 내통(121)과, 연소기 내통(121)을 덮는 연소기 차실(17)을 구비한다. 또한, 압축기 차실(112)과 연소기 차실(17)과 터빈 차실(132)은 서로 연결된다.
발전기(16)는 압축기 로터(111)의 일단(一端)에 접속된다. 발전기(16)는 압축기 로터(111)의 회전에 의해 구동됨으로써 전력을 생성한다.
연료 공급 계통(50)은 공급 장치(40)로부터 공급되는 연료의 압력 및 유량을 조정한다. 연료 공급 계통(50)은, 조정 밸브(18)와, 노즐(123)과, 매니폴드 배관(124)을 구비한다. 조정 밸브(18)는 압력 조정 밸브나 연료 유량 조정 밸브 등이다.
또한, 도 1에는, 가스 터빈(10)이 연료 공급 계통(50a, 50b, 50c‥)을 갖는 양태를 나타내고 있다. 또한, 도 1에서는, 조정 밸브(18)로서, 연료 공급 계통마다 연료 유량이나 압력을 조정하는 제1 조정 밸브(18a), 제2 조정 밸브(18b), 제3 조정 밸브(18c)가 설치되어 있는 양태를 나타내고 있다. 도 1에 있어서는, 연료 공급 계통이 50a, 50b, 50c의 3계통만을 나타내고 있지만, 연료 공급 계통의 수는 3개에 한정되지 않는다. 예를 들어, 가스 터빈(10)은, 연소기(12)의 톱 해트부(top hat portion)에 연료를 공급하는 톱 해트 연료 공급 계통, 연소기(12)의 내통의 중심부에 연료를 공급하는 파일럿 연료 공급 계통, 연소기(12)의 내통에 있어서 파일럿 연료 공급 계통을 둘러싸는 부분에 연료를 공급하는 메인 연료 공급 계통을 구비해도 좋다. 또한, 도 1에는 연소기(12)를 1개만 도시하고 있지만, 연소기(12)는 16개 등의 복수 개 존재하고, 각 연소기(12)에 각각의 연료 공급 계통(50a, 50b, 50c‥)으로부터 연료가 공급된다. 일 예로서, 가스 터빈 발전 플랜트(100)는, 16계통의 연료 공급 계통(50)이 각 연소기(12)에 각각 접속되어 있다.
가스 터빈(10)에는, 당해 가스 터빈(10)의 상태량을 계측하는 복수의 계측기가 설치된다. 일 예로서는, 가스 터빈(10)에는, 연료 공급 계통(50)의 연료 유량을 계측하는 연료 유량 센서(20a), 노즐(123)의 통과 유량(노즐 통과 유량)을 계측하는 노즐 유량 센서(20b), 배기가스 유량을 계측하는 배기가스 유량 센서(20c), 매니폴드 배관(124) 안의 압력(Pin)을 계측하는 매니폴드 압력 센서(20d), 압축기 입구 온도를 계측하는 온도 센서(20e), 압축기 인덱스 차압(Pindex)을 계측하는 인덱스 차압계(20f) 등이 설치된다. 또한, 압축기 인덱스 차압(Pindex)이란, 압축기(11)의 압축기 흡입 케이싱부의 압력과, 압축기 내부의 날개 부근의 압력차이며, 압축기가 흡입하는 공기 유량의 지표가 되는 값이다. 연료 유량, 노즐 통과 유량 또는 연료 밸브 통과 유량, 배기가스 유량, 및 매니폴드 압력은 모두 가스 터빈(10)의 상태량이다. 또한, 가스 터빈(10)에는 다른 계측기도 설치되어 있다. 예를 들어, 가스 터빈(10)에는, 연소기 차실(17)의 압력(Pout), 연료 온도(Tf), 차실 공기 온도(Tcs), 배기가스 온도(T2T)를 계측하는 계측기가 구비된다. 이들이 가스 터빈(10)의 상태량이다.
또한, 이하에 설명하는 터빈 입구 온도는 연소기(12)로부터 분출되는 고온의 연소 가스가 터빈(13)에 들어가는 입구의 온도를 나타낸다. 압축기(11)에는, 인렛 가이드 베인(inlet guide vane)(IGV)(14)이 설치되어 있다. IGV(14)는 압축기(11)에 유입하는 공기의 양을 조절한다.
도 2는 제1 실시형태에 의한 가스 터빈 제어 장치의 기능 블록을 나타내는 도면이다.
가스 터빈 제어 장치(20)는 컴퓨터이며, ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 하드 디스크 드라이브(HDD) 등의 기억부, CPU(Central Processing Unit), 통신 인터페이스 등의 하드웨어에 의해 구성되어도 좋다.
가스 터빈 제어 장치(20)의 CPU는 사용자 조작에 기초하여, 기억하고 있는 제어 프로그램을 실행한다. 이에 의해, 가스 터빈 제어 장치(20)에는, 연료 유량 산출부(201), 공기 유량 산출부(202), 터빈 입구 온도 산출부(203), 보정부(204), 연료 배분비 산출부(205), 밸브 개방도 산출부(206)를 구비한다. 또한, 연료 배분비 산출부(205)는 연료 공급 계통마다의 연료 배분비를 산출하는 제1 연료 배분비 산출부(205a), 제2 연료 배분비 산출부(205b), 제3 연료 배분비 산출부(205c‥)를 구비한다. 또한, 밸브 개방도 산출부(206)는 연료 공급 계통마다의 밸브 개방도를 산출하는 제1 밸브 개방도 산출부(206a), 제2 밸브 개방도 산출부(206b), 제3 밸브 개방도 산출부(206c‥)를 구비한다.
연료 유량 산출부(201)는 가스 터빈(10)에 투입하는 연료의 단위 시간당 유량을 가스 터빈(10)의 계측 값에 기초하여 산출한다.
공기 유량 산출부(202)는 가스 터빈(10)에 투입하는 공기의 단위 시간당 유량을 가스 터빈(10)의 계측 값에 기초하여 산출한다.
터빈 입구 온도 산출부(203)는, 가스 터빈(10)의 연소기(12)에 관한 열에너지의 입력과 출력의 관계를, 연료의 단위 시간당 유량과, 공기의 단위 시간당 유량과, 연료의 온도와, 가스 터빈(10)의 차실의 공기 온도를 이용하여 나타내는 물리 모델식을 이용하여, 터빈 입구 온도를 산출한다.
보정부(204)는, 터빈 입구 온도와, 취득한 가스 터빈(10)의 배기가스 온도와의 비율에 기초하여, 터빈 입구 온도를 보정하는 보정항(補正項)을 산출하여, 터빈 입구 온도를 보정항으로 보정한다.
연료 배분비 산출부(205)(205a, 205b, 205c‥)는, 보정된 터빈 입구 온도에 기초하여, 복수의 연소기(12)에 각각 접속되는 각 연료 공급 계통의 연료 배분비를 산출한다.
밸브 개방도 산출부(206)(206a, 206b, 206c‥)는, 각 연료 공급 계통의 연료 배분비에 기초하여, 각 연료 공급 계통의 밸브 개방도를 산출한다.
가스 터빈 제어 장치(20)는, 제어 프로그램을 실행함으로써, 실제로는 도 2에 도시하는 기능부 이외의 기능도 갖는 것으로 되지만, 설명의 편의상 도 2에 도시하는 기능부만 설명하는 것으로 한다.
도 3은 본 실시형태에 의한 가스 터빈 제어 장치의 처리 플로를 나타내는 도면이다.
먼저 연료 유량 산출부(201)는 매니폴드 배관(124)의 압력(Pin), 연소기 차실(17)의 압력(Pout), 연료 온도(Tf)를 취득한다. 매니폴드 배관(124)의 압력(Pin)은 매니폴드 압력 센서(20d)에 의해 계측된다. 연료 노즐의 출구 압력(Pout), 연료 온도(Tf)도 마찬가지로 센서에 의해 계측된다. 연료 유량 산출부(201)는 매니폴드 배관(124)의 압력(Pin), 연소기 차실(17)의 압력(Pout), 연료 온도(Tf)를 연료 유량 산출식(1)에 대입하여, 가스 터빈(10)의 각 연소기(12)에 투입되는 합계의 단위 시간당 연료 유량(Gf)을 산출한다(스텝 S101).
[수 1]
Figure pct00001
또한, 공기 유량 산출부(202)는 압축기 인덱스 차압(Pindex)을 인덱스 차압계(20f)로부터, 또한 압축기 입구 온도(T1c)를 온도 센서(20e)로부터 취득한다. 인덱스 차압(Pindex)을 계측함으로써, 압축기(11)를 흐르는 공기 유량이 산출 가능해진다. 공기 유량 산출부(202)는 인덱스 차압(Pindex)과 압축기 입구 온도(T1c)를 공기 유량 산출식(2)에 대입하여, 압축기(11)에 유입하는 단위 시간당 공기 유량(Ga)을 산출한다(스텝 S102).
[수 2]
Figure pct00002
터빈 입구 온도 산출부(203)는 연료 유량 산출부(201)의 산출한 연료 유량(Gf)을 취득한다. 터빈 입구 온도 산출부(203)는 공기 유량 산출부(202)의 산출한 공기 유량(Ga)을 취득한다. 터빈 입구 온도 산출부(203)는 또한 연료 온도(Tf)를 취득한다. 터빈 입구 온도 산출부(203)는 또한 연소기 차실(17)의 차실 공기 온도(Tcs)를 취득한다. 연소기 차실의 공기 온도(Tcs)는 센서에 의해 계측된다. 터빈 입구 온도 산출부(203)는 그들 취득한 연료 유량(Gf), 공기 유량(Ga), 연료 온도(Tf), 연소기 차실(17)의 차실 공기 온도(Tcs)를 식(3)으로 나타내는 연소기 주변의 비정상 물리 모델에 대입하여, 터빈 입구 온도(T1T)를 산출한다(스텝 S103). 터빈 입구 온도 산출부(203)는 산출한 터빈 입구 온도(T1T)를 보정부(204)에 출력한다. 또한, 식(3)으로 나타내는 비정상 물리 모델은, 연소기(12)에 유입하는 열에너지와, 연소기(12)로부터 유출하는 열에너지가 동일한 것을 나타내는 모델식을, 그 모델식에 포함되는 터빈 입구 온도(T1T)를 좌변에, 다른 요소를 우변에 갖는 식으로서 변형한 것이다. 비정상 물리 모델에 있어서의 연소기(12)에 유입하는 열에너지는 연료의 열에너지, 공기의 열에너지, 연소 가스의 발열 에너지의 합계에 의해 나타내진다. 또한, 연소기(12)로부터 유출하는 열에너지는 터빈(13)의 입구에 있어서의 열에너지에 의해 나타내진다. 여기서 공기의 열에너지는 연소기 차실(17)에 유입하는 공기에 포함되는 수증기에 의한 습도의 영향을 고려한 비엔탈피에 따라 변동한다. 따라서 터빈 입구 온도 산출부(203)는 연소기 차실(17)에 유입하는 공기의 습도를 센서로부터 취득하고, 그 습도에 근거하는 비엔탈피를 계산하고, 당해 비엔탈피를 이용하여 공기의 열에너지를 산출해도 좋다.
[수 3]
Figure pct00003
여기서 실제로는 압축기(11)에 유입한 공기가 연소기(12)에 유입하는 전 단계에서 추기(抽氣)되기 때문에, 공기 유량 산출부(202)는 단위 시간당 그 추기 유량을 감한 단위 시간당 공기 유량(Ga)을 산출하고, 터빈 입구 온도 산출부(203)는 당해 추기 유량을 감한 공기 유량(Ga)을 채용한 상기 식(3)에 의해 터빈 입구 온도(T1T)를 산출해도 좋다. 이 추기 유량은 가스 터빈(10)의 출력 값이나 터빈 입구 온도(T1T)의 값의 증가에 따라서 단조증가(單調增加)한다. 공기 유량 산출부(202)는 가스 터빈(10)의 출력 값이나 터빈 입구 온도(T1T)의 값에 따른 추기 유량을 나타내는 데이터 테이블(data table)의 보간 계산(補間計算)이나, 소정의 계산식을 이용하여 추기 유량을 산출해도 좋다. 또한, 추기 유량을 터빈 입구 온도(T1T)의 값에 기초하여 산출하는 경우에는, 공기 유량 산출부(202)는 직전에 산출된 터빈 입구 온도(T1T)의 값을 이용하는 등으로 해도 좋다.
여기서 가스 터빈(10)이 기동한 직후는 압축기(11)나 배관 등의 열팽창 등에 의한 형상 변화에 기초하여 상기한 추기 유량도 변화한다. 따라서 공기 유량 산출부(202)는 가스 터빈(10)의 기동 후의 경과 시간에 따른 단위 시간당 추기 유량의 보정식을 채용하여 보다 정밀도가 높은 기동 후의 추기 유량을 산출해도 좋다. 그리고 터빈 입구 온도 산출부(203)는, 이와 같이 보정된 보다 정밀도가 높은 추기 유량을 감한 공기 유량(Ga)을 이용하여, 터빈 입구 온도(T1T)를 산출해도 좋다.
보정부(24)는 터빈 입구 온도(T1T)를 배기가스 온도(T2T)에 기초하여 추가로 보정해도 좋다. 구체적으로는, 가스 터빈 제어 장치(20)가, 미리 가스 터빈(10)이 정격 운전되고 있을 때의 정격 시 배기가스 온도(T4)와 그때의 정격 시 터빈 입구 온도(T5)의 관계를 나타내는 정보를 기억하고 있는 것으로 한다. 보정부(24)는 그 정격 시 배기가스 온도(T4)와 정격 시 터빈 입구 온도(T5)의 관계를 나타내는 정보를 취득한다. 보정부(24)는, 정격 시 배기가스 온도(T4)와 정격 시 터빈 입구 온도(T5)와의 관계에 기초하여, 터빈 입구 온도(T1T)의 보정 값을 산출한다. 일 예로는, 보정부(24)는, 정격 시 배기가스 온도(T4)로부터 배기가스 온도(T2T)를 감한 값(Tx)이 정격 시 터빈 입구 온도(T5)로부터 터빈 입구 온도(T1T)를 감한 값(Ty)과 동등하거나, 또는 소정의 정수(a) 배로 되는 터빈 입구 온도(T1T)의 보정 값을 산출한다. 또한, 정격 시 배기가스 온도(T4)와 그때의 정격 시 터빈 입구 온도(T5)의 관계는 연소기 차실(17)의 압력에 의해 변동하여 좋다. 이 경우, 보정부(24)는 연소기 차실(17)의 압력을 센서로부터 취득하고, 이 압력의 값에 기초하여 보정한 정격 시 배기가스 온도(T4)와 그때의 정격 시 터빈 입구 온도(T5)의 관계를 이용하여, 상술한 바와 같이 터빈 입구 온도(T1T)의 보정 값을 산출해도 좋다.
여기서 배기가스 온도(T2T)는 가스 터빈(10)의 출력 변화에 응답성이 늦은 계측 값이다. 그러나 배기가스 온도(T2T)는 응답성이 낮지만 정밀도가 좋은 값이다. 배기가스 온도와 터빈 입구 온도와는 강한 상관이 있다. 따라서 보정부(24)는, 이 정밀도가 좋은 배기가스 온도(T2T)를 이용하여, 스텝(S103)에서 구한 응답성이 높은 터빈 입구 온도(T1T)를 보정한다. 구체적으로는, 보정부(24)는, 터빈 입구 온도(T1T)에 기초하여, 배기가스 온도 추정 값(T4T)을 산출한다. 배기가스 온도 추정 값(T4T)은 터빈(13) 입구의 온도를 터빈 입구 온도(T1T)로 가정한 경우의 배기가스의 온도 추정 값이다.
보정부(24)는 터빈 입구 온도(T1T)를 취득하고, 미리 정해진 소정의 산출식에 터빈 입구 온도(T1T)를 입력하여 임시 배기가스 온도 추정 값(T3T)을 산출한다. 이 산출식은 터빈 입구 온도(T1T)를 배기가스의 온도로 환산하기 위한 식이다.
보정부(24)는 임시 배기가스 온도 추정 값(T3T)에 대하여, 시간마다의 값의 변화를 지연시키는 처리를 행하여, 배기가스 온도 추정 값(T4T)을 산출한다.
보정부(24)는, 배기가스 온도(T2T)와 터빈 입구 온도(T1T)로부터 산출한 배기가스 온도 추정 값(T4T)과의 비율에 기초하여, 터빈 입구 온도(T1T)를 보정하는 보정항(X4)을 산출한다. 본 실시형태에서는, 보정항(X4)은, 일 예로서는, 배기가스 온도(T2T)를 배기가스 온도 추정 값(T4T)으로 나눈 비율(X1)에 조정 계수(α)를 곱한 조정 비율(X2)과, 전회 산출된 보정항(X4)인 과거 보정항(X4')에 1-α을 곱한 과거 조정 비율(X3)을 가산한 값이다. 그리고 보정부(24)는 터빈 입구 온도(T1T)에 이 보정항(X4)을 곱하여 보정 후의 터빈 입구 온도(T1T')를 산출한다(스텝 S104). 보정항(X4)은 배기가스 온도 추정 값(T4T)에 대한 배기가스 온도(T2T)의 비율이기 때문에, 보정 후의 터빈 입구 온도(T1T')는 터빈 입구 온도(T1T)에 대하여 보정항(X4)이 곱해짐으로써, 응답성과 함께 산출 정밀도가 높은 값으로 되어 있다. 가스 터빈 제어 장치(20)는, 응답성과 산출 정밀도가 높은 보정 후의 터빈 입구 온도(T1T')에 기초하여, 연소 가스의 온도를 판단한다. 따라서 가스 터빈 제어 장치(20)는 응답성과 산출 정밀도가 높은 보정 후의 터빈 입구 온도(T1T')를 산출하는 것이 가능해진다. 보정부(204)는 보정 후의 터빈 입구 온도(T1T')를 연료 배분비 산출부(205)로 출력한다.
연료 배분비 산출부(205)에 있어서는, 제1 연료 배분비 산출부(205a), 제2 연료 배분비 산출부(205b), 제3 연료 배분비 산출부(205c)가 대응하는 각 연료 공급 계통(50a, 50b, 50c) 각각의 연료 배분비를 산출한다(스텝 S105). 각 연료 배분비의 합계는 100%가 된다. 제1 연료 배분비 산출부(205a), 제2 연료 배분비 산출부(205b), 제3 연료 배분비 산출부(205c)가 대응하는 각 연료 공급 계통(50a, 50b, 50c) 각각의 연료 배분비를 보정 후의 터빈 입구 온도(T1T')와 연료 배분비의 관계식에 의해 산출한다. 또한, 각 연료 공급 계통(50a, 50b, 50c) 각각에 관한 보정 후의 터빈 입구 온도(T1T')와 연료 배분비와의 대응 관계는 달라도 좋다. 제1 연료 배분비 산출부(205a), 제2 연료 배분비 산출부(205b), 제3 연료 배분비 산출부(205c)는 산출한 밸브 개방도를 밸브 개방도 산출부(206)로 출력한다. 즉, 제1 연료 배분비 산출부(205a)는 산출한 연료 배분비(Da)를 제1 밸브 개방도 산출부(206a)로 출력한다. 제2 연료 배분비 산출부(205b)는 산출한 연료 배분비(Db)를 제2 밸브 개방도 산출부(206b)로 출력한다. 제3 연료 배분비 산출부(205c)는 산출한 연료 배분비(Dc)를 제3 밸브 개방도 산출부(206c)로 출력한다.
각 연료 공급 계통(50a, 50b, 50c) 각각에 대응하는 제1 밸브 개방도 산출부(206a), 제2 밸브 개방도 산출부(206b), 제3 밸브 개방도 산출부(206c)는, 대응하는 연료 공급 계통의 연료 배분비와 연료 제어 지령 값(CSO)을 밸브 개방도 산출식에 대입하여, 대응하는 연료 공급 계통의 제1 조정 밸브(18a), 제2 조정 밸브(18b), 제3 조정 밸브(18c)의 밸브 개방도를 산출한다(스텝 S106). 즉, 제1 밸브 개방도 산출부(206a)는 제1 조정 밸브(18a)의 밸브 개방도(Oa)를 산출하고, 제2 밸브 개방도 산출부(206b)는 제2 조정 밸브(18b)의 밸브 개방도(Ob)를 산출하며, 제3 밸브 개방도 산출부(206c)는 제3 조정 밸브(18c)의 밸브 개방도(Oc)를 산출한다. 제1 밸브 개방도 산출부(206a)는 제1 조정 밸브(18a)로 산출한 밸브 개방도(Oa)를 출력하고, 제2 밸브 개방도 산출부(206b)는 제2 조정 밸브(18b)로 산출한 밸브 개방도(Ob)를 출력하며, 제3 밸브 개방도 산출부(206c)는 제3 조정 밸브(18c)로 산출한 밸브 개방도(Oc)를 출력한다. 제1 조정 밸브(18a), 제2 조정 밸브(18b), 제3 조정 밸브(18c)는 각각 입력한 밸브 개방도로 제어된다.
상술의 처리에 의하면, 터빈 입구 온도의 산출에 가스 터빈(10)의 출력 값을 이용하지 않고, 보다 과도 응답이 빠른 계측 값을 연소기 주변의 비정상 물리 모델식에 대입하여 터빈 입구 온도를 산출하고 있다. 따라서 가스 터빈(10)이 급격하게 출력 변동하는 바와 같은 과도 응답 시에 있어서도, 터빈 입구 온도와 연료 분배비가 적절한 관계를 유지할 수 있고, 연소 진동이 발생하지 않는 안정적인 연소를 실현할 수 있다.
<제2 실시형태>
도 4는 제2 실시형태에 의한 가스 터빈 제어 장치의 기능 블록을 나타내는 도면이다.
가스 터빈 제어 장치(20)는 계측 값에 기초하여 차실 공기 온도(Tcs')를 계산하도록 해도 좋다. 제2 실시형태에 의한 차실 공기 온도(Tcs')의 계산은, 압축기 인덱스 차압(Pindex)의 산출에 이용된 압축기 입구 압력(P1C)과 압축기 출구 압력(P2C), 압축기 입구 온도(T1c), 차실 공기 온도 계측 값(TCS_MEA)의 값을 차실 공기 온도 산출식에 대입하여 산출한다. 차실 공기 온도의 계측 값(TCS_MEA)은 일반적으로 계측에 시간 지연을 수반하기 때문에, 계측 값(TCS_MEA)을 그대로 이용하지 않고, 응답성을 향상시키는 상기 산출식에 의한 산출을 실시한다. 이에 의해, 차실 공기 온도 산출부(207)는 압축기 입구 압력(P1C)과, 압축기 출구 압력(P2C)과, 압축기 입구 온도(T1c)와, 차실 공기 온도 계측 값(TCS_MEA)을 물리 모델인 식(10)에 입력하여 산출함으로써, 응답이 빠른 차실 공기 온도(Tcs')를 계산할 수 있다.
[수 4]
Figure pct00004
상술의 가스 터빈 제어 장치(20)는 내부에 컴퓨터 시스템을 갖고 있다. 그리고 상술한 각 처리의 과정은 프로그램의 형식으로 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기억되어 있고, 이 프로그램을 컴퓨터가 읽어 내어 실행함으로써, 상기 처리가 행해진다. 여기서 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체란, 자기 디스크, 광자기 디스크, CD-ROM, DVD-ROM, 반도체 메모리 등을 말한다. 또한, 이 컴퓨터 프로그램을 통신 회선에 의해 컴퓨터에 전송하고, 이 전송을 받은 컴퓨터가 당해 프로그램을 실행하도록 해도 좋다.
또한, 상기 프로그램은 전술한 기능의 일부를 실현하기 위한 것이라도 좋다. 또한, 전술한 기능을 컴퓨터 시스템에 이미 기록되어 있는 프로그램과의 조합으로 실현되는 것, 이른바 차분 파일(차분 프로그램)이라도 좋다.
10: 가스 터빈
20: 가스 터빈 제어 장치
40: 공급 장치
201: 연료 유량 산출부
202: 공기 유량 산출부
203: 터빈 입구 온도 산출부
204: 보정부
205: 연료 배분비 산출부
206: 밸브 개방도 산출부

Claims (11)

  1. 가스 터빈에 투입하는 연료의 단위 시간당 유량을 상기 가스 터빈의 계측 값에 기초하여 산출하는 연료 유량 산출부와,
    상기 가스 터빈에 투입하는 공기의 단위 시간당 유량을 상기 가스 터빈의 계측 값에 기초하여 산출하는 공기 유량 산출부와,
    상기 가스 터빈의 연소기에 관한 열에너지의 수지 관계를 나타내는 물리 모델식에 상기 연료의 단위 시간당 유량과, 상기 공기의 단위 시간당 유량과, 연료의 온도와, 가스 터빈 차실의 공기 온도를 입력하여 터빈 입구 온도를 산출하는 터빈 입구 온도 산출부와,
    상기 터빈 입구 온도에 기초하여 상기 연소기에 복수 접속되는 연료 공급 계통 각각의 연료 배분비를 산출하는 연료 배분비 산출부
    를 구비하는 가스 터빈 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스 터빈의 배기가스 온도와, 상기 터빈 입구 온도로부터 산출된 가스 터빈의 배기가스 온도와의 비율에 기초하여, 상기 터빈 입구 온도를 보정하는 보정부를 구비하고,
    상기 연료 배분비 산출부는, 상기 보정부에서 보정한 보정 후의 터빈 입구 온도에 기초하여, 상기 연료 배분비를 산출하는
    가스 터빈 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 보정부는, 정격 시의 배기가스 온도와 정격 시의 터빈 입구 온도와의 관계에 기초하여, 상기 터빈 입구 온도를 보정하는
    가스 터빈 제어 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공기 유량 산출부는 상기 단위 시간당 추기 유량을 감한 상기 공기의 단위 시간당 유량을 산출하는
    가스 터빈 제어 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터빈 입구 온도 산출부는 상기 물리 모델식에 상기 공기의 습도를 입력하여 상기 터빈 입구 온도를 산출하는
    가스 터빈 제어 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터빈 입구 온도 산출부는 공기의 습도에 따라 변동시킨 비엔탈피를 이용하여 상기 터빈 입구 온도를 산출하는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈 제어 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공기 유량 산출부는 상기 가스 터빈의 기동 후의 경과 시간에 따른 단위 시간당 추기 유량을 산출하고, 그 추기 유량을 감한 상기 공기의 단위 시간당 유량을 산출하는
    가스 터빈 제어 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 차실의 공기 온도를 상기 가스 터빈의 계측 값에 기초하여 산출하는 차실 온도 산출부
    를 구비하는 가스 터빈 제어 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물리 모델식은 비정상 물리 모델식인
    가스 터빈 제어 장치.
  10. 가스 터빈 제어 장치가,
    가스 터빈에 투입하는 연료의 단위 시간당 유량을 상기 가스 터빈의 계측 값에 기초하여 산출하고,
    상기 가스 터빈에 투입하는 공기의 단위 시간당 유량을 상기 가스 터빈의 계측 값에 기초하여 산출하고,
    상기 가스 터빈의 연소기에 관한 열에너지의 수지 관계를 나타내는 물리 모델식에 상기 연료의 단위 시간당 유량과, 상기 공기의 단위 시간당 유량과, 연료의 온도와, 가스 터빈 차실의 공기 온도를 입력하여 터빈 입구 온도를 산출하고,
    상기 터빈 입구 온도에 기초하여 상기 연소기에 복수 접속되는 연료 공급 계통 각각의 연료 배분비를 산출하는
    가스 터빈 제어 방법.
  11. 가스 터빈 제어 장치의 컴퓨터를,
    가스 터빈에 투입하는 연료의 단위 시간당 유량을 상기 가스 터빈의 계측 값에 기초하여 산출하는 연료 유량 산출 수단,
    상기 가스 터빈에 투입하는 공기의 단위 시간당 유량을 상기 가스 터빈의 계측 값에 기초하여 산출하는 공기 유량 산출 수단,
    상기 가스 터빈의 연소기에 관한 열에너지의 수지 관계를 나타내는 물리 모델식에 상기 연료의 단위 시간당 유량과, 상기 공기의 단위 시간당 유량과, 연료의 온도와, 가스 터빈 차실의 공기 온도를 입력하여 터빈 입구 온도를 산출하는 터빈 입구 온도 산출 수단,
    상기 터빈 입구 온도에 기초하여 상기 연소기에 복수 접속되는 연료 공급 계통 각각의 연료 배분비를 산출하는 연료 배분비 산출 수단
    으로서 기능시키는 프로그램.
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