KR20240070862A - 유전알고리즘을 기반으로 하는 가스터빈 제어 장치 및 그 방법 - Google Patents

유전알고리즘을 기반으로 하는 가스터빈 제어 장치 및 그 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20240070862A
KR20240070862A KR1020220152296A KR20220152296A KR20240070862A KR 20240070862 A KR20240070862 A KR 20240070862A KR 1020220152296 A KR1020220152296 A KR 1020220152296A KR 20220152296 A KR20220152296 A KR 20220152296A KR 20240070862 A KR20240070862 A KR 20240070862A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
gas turbine
schedule
outlet temperature
control device
turbine control
Prior art date
Application number
KR1020220152296A
Other languages
English (en)
Inventor
김동섭
박영광
김진서
Original Assignee
인하대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 인하대학교 산학협력단 filed Critical 인하대학교 산학협력단
Priority to KR1020220152296A priority Critical patent/KR20240070862A/ko
Publication of KR20240070862A publication Critical patent/KR20240070862A/ko

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C9/00—Controlling gas-turbine plants; Controlling fuel supply in air- breathing jet-propulsion plants
    • F02C9/26—Control of fuel supply
    • F02C9/28—Regulating systems responsive to plant or ambient parameters, e.g. temperature, pressure, rotor speed
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B11/00—Automatic controllers
    • G05B11/01—Automatic controllers electric
    • G05B11/36—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential
    • G05B11/42—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential for obtaining a characteristic which is both proportional and time-dependent, e.g. P. I., P. I. D.
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N3/00—Computing arrangements based on biological models
    • G06N3/12—Computing arrangements based on biological models using genetic models

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Computational Linguistics (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Evolutionary Biology (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Feedback Control In General (AREA)

Abstract

본 발명은 유전알고리즘을 기반으로 하는 가스터빈 제어 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 유전알고리즘을 기반으로 하는 가스터빈 제어 장치는 설계 프로그램을 이용하여 설계된 가스 터빈을 시뮬레이션하여 결과데이터를 획득하는 시뮬레이션부, 유전알고리즘을 기반으로 획득한 결과데이터로부터 축의 회전 속도 및 터빈출구온도(TET)에 대한 목표 스케줄을 추출하는 스케줄 추출부, 제어하고자 하는 가스터빈의 운전 데이터를 획득하는 데이터 획득부, 그리고 획득한 운전 데이터를 이용하여 부하 증감발율(ramp rate)이 증가되는지 여부를 판단하고, 부하 증감발율(ramp rate)이 증가되는 것으로 판단되면 기 추출된 스케줄에 따라 PID 제어기를 통해 가스터빈에 유입되는 연료 유량 및 VIGV 각도를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

유전알고리즘을 기반으로 하는 가스터빈 제어 장치 및 그 방법{Apparatus for Gas turbine controlling based on genetic algorithms and method thereof}
본 발명은 유전알고리즘을 기반으로 하는 가스터빈 제어 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유전알고리즘을 기반으로 도출한 제어변수의 최적 목표 스케쥴을 이용하여 가스터빈 제어 운전에서 발생되는 언더슛(undershoot) 또는 오버슛(overshoot)을 억제할 수 있는 가스터빈 제어 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
가스 터빈은 연소가스의 흐름으로부터 에너지를 추출하는 회전동력기관이다. 가스 터빈은 압축기와 터빈 그리고 연소실로 구성되어 있고, 압축기에서 압축된 공기가 연료와 혼합되어 연소함으로써 고온 고압의 기체가 팽창하고 이 힘을 이용하여 터빈을 구동한다.
가스터빈은 석탄화력발전소, 원자력발전소 등 기존의 다른 발전시스템에 비해 빠른 시동과 정지, 유연한 부하 추종 운전, 높은 비출력 및 낮은 오염물질 배출 등의 장점을 가진다.
따라서, 최근에는 백업 발전 시스템으로 가스터빈에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 일반적으로 가스터빈의 출력을 제어하기 위해서는 피드백 신호를 이용하는 PID(Proportional-Integral-Differential controller) 제어기를 사용하며, 기 설정된 스케줄을 기반으로 제어한다.
기존의 가스터빈 제어 방식은 PID 제어기를 사용하여 제어변수를 사전에 계획된 스케줄대로 운전하도록 조작변수를 조절하는 방식으로 운전한다.
제어변수는 축의 회전속도와 터빈출구온도이며, 조작변수는 연료유량과 가변형 인렛 가이드 베인(variable inlet guide vane, VIGV)의 각도이다. 부하 증감발 운전시, 축 회전속도는 3600rpm으로 유지되도록 조작변수인 연료유량을 조절한다.
도 1은 종래 방식에 따른 PID 제어기를 이용한 가스터빈 제어 로직을 나타내는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 터빈출구온도는 압력비와 관계식을 이용하여 미리 계획된 스케줄대로 제어되도록 조작변수인 VIGV의 각도를 조절한다.
이러한 제어 방식은 피드백 신호가 전달되고 액추에이터(actuator)가 작동하기까지 지연시간이 발생하므로 목표 스케줄과 제어변수가 완전히 일치하지 않고 제어변수가 언더슛(undershoot) 또는 오버슛(overshoot)되는 현상이 발생한다.
또한 부하 증감발율(ramp rate)이 증가하면, 순간적인 출력과 부하의 차이가 커지므로 회전속도와 터빈입구 및 출구온도는 더 큰 언더슛(undershoot) 또는 오버슛(overshoot)이 발생한다.
순간적인 터빈 입구 온도의 상승은 고온 부품에 손상을 주고 수명에 악영향을 미치기 때문에 종래에는 언더슛(undershoot) 또는 오버슛(overshoot)을 고려하여 가스터빈의 부하 증감발율(ramp rate)을 제한하였다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2022-0127917호 (2022.09.20. 공개)에 개시되어 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 유전알고리즘을 기반으로 도출한 제어변수의 최적 목표 스케쥴을 이용하여 가스터빈 제어 운전에서 발생되는 언더슛(undershoot) 또는 오버슛(overshoot)을 억제할 수 있는 가스터빈 제어 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
이러한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 실시예에 따르면, 유전알고리즘을 기반으로 하는 가스터빈 제어 장치는 설계 프로그램을 이용하여 설계된 가스 터빈을 시뮬레이션하여 결과데이터를 획득하는 시뮬레이션부, 유전알고리즘을 기반으로 획득한 결과데이터로부터 축의 회전 속도 및 터빈출구온도(TET)에 대한 목표 스케줄을 추출하는 스케줄 추출부, 제어하고자 하는 가스터빈의 운전 데이터를 획득하는 데이터 획득부, 그리고 획득한 운전 데이터를 이용하여 부하 증감발율(ramp rate)이 증가되는지 여부를 판단하고, 부하 증감발율(ramp rate)이 증가되는 것으로 판단되면 기 추출된 스케줄에 따라 PID 제어기를 통해 가스터빈에 유입되는 연료 유량 및 VIGV 각도를 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 스케줄 추출부는, 부하 상승구간에서 최대 변화 폭, 변화 형태 및 변화하는 기간을 포함하는 제1 변수에 따라 회전속도에 대한 목표 스케줄을 추출할 수 있다.
상기 스케줄 추출부는, 부하 상승 구간에서 변화 폭 및 기울기를 포함하는 제2 변수에 따라 터빈출구온도에 대한 목표 스케줄을 추출할 수 있다.
상기 스케줄 추출부는, 하기의 수학식을 이용하여 목적함수를 산출할 수 있다.
여기서, i=1은 속도는 나타내고, i=2는 터빈출구온도(TET)를 나타낸다.
상기 편차(deviation)은, 하기의 수학식을 이용하여 산출될 수 있다.
여기서, PV는 측정값을 나타내고, SP는 설정값을 나타내며, a는 최대 변화 폭을 나타내고, b는 변화의 형태를 나타내며, c는 변화하는 기간을 나타내고, t는 시간을 나타낸다.
상기 스케줄 추출부는, 유전알고리즘을 이용하여 상기 제1 변수 및 제2 변수를 변화하여 목적함수를 감소시켜 축의 회전속도 및 터빈출구온도(TET)에 대한 설정값을 추출할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 가스터빈 제어 장치를 이용한 가스터빈 제어 방법은 설계 프로그램을 이용하여 설계된 가스 터빈을 시뮬레이션하여 결과데이터를 획득하는 단계, 유전알고리즘을 기반으로 획득한 결과데이터로부터 축의 회전 속도 및 터빈출구온도(TET)에 대한 목표 스케줄을 추출하는 단계, 제어하고자 하는 가스터빈의 운전 데이터를 획득하는 단계, 그리고 획득한 운전 데이터를 이용하여 부하 증감발율(ramp rate)이 증가되는지 여부를 판단하고, 부하 증감발율(ramp rate)이 증가되는 것으로 판단되면 기 추출된 스케줄에 따라 PID 제어기를 통해 가스터빈에 유입되는 연료 유량 및 VIGV 각도를 제어하는 단계를 포함한다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 유전알고리즘을 이용하여 최적화된 목표 스케줄을 도출하고, 도출된 목표 스케줄을 이용하여 가스터빈을 제어하므로 부하 증감발율(ramp rate)을 향상시키더라도 회전속도와 가스터빈의 입구 및 출구 온도의 언더슛(undershoot) 또는 오버슛(overshoot)을 억제하여 가스터빈을 안정적으로 운전할 수 있다.
도 1은 종래 방식에 따른 PID 제어기를 이용한 가스터빈 제어 로직을 나타내는 도면이다.
도 2는 가스터빈을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가스터빈 제어장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가스터빈 제어장치를 이용한 가스터빈 제어방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5는 회전 속도 및 터빈출구온도(TET)에 대한 설정값 스케줄을 나타내는 예시도이다.
도 6은 도 4에 도시된 S420단계에서 유전알고리즘을 이용하여 최적화하는 과정을 나타내는 그래프이다.
도 7은 시뮬레이션 결과를 이용하여 제어하였을 때의 축의 회전 속도 및 터빈출구온도(TET)에 발생된 영향을 나타내는 도면이다.
도 8은 Ramp rate이 향상되기 전의 회전속도의 최적화된 목표 스케줄 및 undershoot 억제 효과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 Ramp rate이 향상되기 전의 터빈출구온도의 최적화된 목표 스케줄 및 overshoot 억제 효과를 나타내는 그래프이다.
도 10은 Ramp rate이 향상되기 전의 목표 스케줄 최적화 운전 시, 터빈출구온도 및 출력 변화 결과를 나타내는 그래프이다.
도 11은 Ramp rate이 향상되기 전의 목표 스케줄 최적화 운전 시, 터빈입구온도, 연료유량 및 VIGV 각도 변화 결과를 나타내는 그래프이다.
도 12는 Ramp rate이 향상 후의 회전속도의 최적화된 목표 스케줄 및 undershoot 억제 효과를 나타내는 그래프이다.
도 13은 Ramp rate이 향상 후의 터빈출구온도의 최적화된 목표 스케줄 및 overshoot 억제 효과를 나타내는 그래프이다.
도 14는 Ramp rate이 향상 후의 목표 스케줄 최적화 운전 시, 터빈출구온도 및 출력 변화 결과를 나타내는 그래프이다.
도 15는 Ramp rate이 향상 후의 목표 스케줄 최적화 운전 시, 터빈입구온도, 연료유량 및 VIGV 각도 변화 결과를 나타내는 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
이하에서는 도 2 및 도 3을 이용하여 본 발명의 실시예에 따른 가스터빈 제어 장치에 대해 더욱 상세하게 설명한다.
도 2는 가스터빈을 설명하기 위한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 가스터빈(100)은 압축기, 연소기, 터빈으로 구성된다. 압축기와 터빈은 회전축을 이용하여 연결되며, 압축기의 일측에 형성된 입구를 통해 유입되는 공기 유량에 따라 VIGV의 각도가 조절된다.
앞서 설명한 바와 같이, 가스터빈(100)은 PID 제어기(200)를 통해 제어되며, PID 제어기(200)는 부하 변화에 따라 공정 변수의 사전 계획된 값을 얻기 위해 가스터빈 제어장치(300)로부터 수신된 조작 변수를 이용하여 가스터빈(100)을 제어한다. 여기서 공정 변수는 회전축의 회전속도와 터빈 출구 온도(TET)를 나타내고, 조작 변수는 연료 유량 및 VIGV의 각도를 나타낸다.
본 발명의 실시예에서는 종래와 동일하게 PID 제어기를 통해 가스터빈을 제어하되, 가스터빈을 시뮬레이션하여 획득한 운전데이터로부터 추출된 제어 변수의 최적 목표 스케줄을 이용하여 가스터빈을 제어한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가스터빈 제어장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 가스터빈 제어장치(300)는 시뮬레이션부(310), 스케줄 추출부(320), 운전 데이터 획득부(330) 및 제어부(340)를 포함한다.
먼저 시뮬레이션부(310)는 설계 프로그램을 이용하여 현장에서 구동되고 있는 가스터빈(100)과 유사한 가스 터빈을 설계하고, 설계된 가스 터빈을 시뮬레이션하여 결과데이터를 획득한다.
스케줄 추출부(320)는 유전알고리즘을 기반으로 획득한 결과데이터로부터 목표 스케줄을 산출한다. 부연하자면, 유전알고리즘은 선택된 변수를 변화시켜가며 목적함수를 줄이는 최적의 해를 찾는다. 따라서, 스케줄 산출부(320)는 제1 변수를 변화시켜 회전속도에 대한 목표 스케줄을 추출한다. 여기서 제1 변수는 부하 상승구간에서 목표 스케줄의 최대 변화 폭, 변화 형태 및 변화하는 기간을 포함한다.
또한, 스케줄 산출부(320)는 언더슛(undershoot) 또는 오버슛(overshoot)을 최소하기 위하여 제2 변수를 변화시켜 터빈출구온도(TET)의 목표 스케줄을 추출한다. 여기서, 제2 변수는 부하 상승구간에서 목표 스케줄의 초기 변화 폭과 기울기를 포함한다.
데이터 획득부(330)는 현재 시점에서 현장에서 구동되고 있는 가스터빈(100)의 운전 데이터를 획득한다. 여기서 운전 데이터는 축의 회전속도, 터빈입구온도(TIT), 터빈출구온도(TET), 연료유량 및 VIGV 각도를 포함한다.
제어부(340)는 획득한 운전 데이터를 이용하여 부하 증감발율(ramp rate)이 증가되는지 여부를 판단하고, 부하 증감발율(ramp rate)이 증가되는 것으로 판단되면 기 추출된 스케줄에 따른 회전축의 속도 및 터빈출구온도를 추출한다. 그 다음, 제어부(340)는 추출된 회전축의 속도 및 터빈 출구 온도를 PID 제어기(200)에 전달하여 PID 제어기(200)로 하여금 가스터빈(100)에 유입되는 연료 유량 및 VIGV 각도를 제어하게 한다.
이하에서는 도 4 내지 도 6을 이용하여 본 발명의 실시예에 따른 가스터빈 제어장치(300)를 이용한 가스터빈 제어방법에 대해 더욱 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가스터빈 제어장치를 이용한 가스터빈 제어방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 가스터빈 제어장치(300)는 설계 프로그램을 통해 가스터빈을 설계하고 시뮬레이션을 수행한다(S410).
이를 다시 설명하면, 시뮬레이션부(310)는 설계 프로그램을 통해 하기의 표 1에 기재된 설계 사양에 따라 가스터빈을 설계한다.
그 다음, 시뮬레이션부(310)는 설계 프로그램을 통해 설계된 가스터빈을 시뮬레이션한다.
부하가 변화하면 샤프트 출력과 발전기의 부하 불균형으로 인해 회전속도가 변화한다. 따라서, 시뮬레이션부(310)는 연료유량을 조작하여 회전속도를 설정값으로 유지시킨다.
그리고 조작한 연료유량 변화에 따른 측정 TET가 제어곡선의 TET 설정값과 다를 경우에 시뮬레이션부(310)는 VIGV 각도를 조정한다.
즉, 시뮬레이션부(310)는 가스터빈에 대한 부하가 증가하여 오버슛(overshoot)이 발생되면 회전 속도에 대한 기준값을 감소시키고, 언더슛(undershoot)이 발생되면 회전 속도 및 터빈출구온도(TET)에 대한 기준값을 증가시킨다.
스케쥴 추출부(320)는 회전 속도 및 터빈출구온도(TET)에 대한 기준값을 증가 또는 감소하여 목표 스케쥴을 추출한다(S420)
도 5는 회전 속도 및 터빈출구온도(TET)에 대한 설정값 스케줄을 나타내는 예시도이다.
부하 프로파일에 따라 전체 시동 시퀀스를 복수개의 섹션으로 나눈다.
도 5a는 속도에 따른 시뮬레이션 결과를 나타낸 것으로서, 채워지지 않은 사각형 표시가 있는 점선은 원래의 회전 속도 설정지점을 나타내고, 실선 사각형 표시가 있는 실선은 최적화 프로세스 중간에 있는 임의의 설정값 스케줄을 나타낸다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 부하 변경에 따른 패턴은 A/B, C/D, E/F구간에서 반복하여 최대 부하 조건에 도달한다. 즉, 설정값이 변화한 다음 기존의 제어 설정값으로 되돌아 감을 알 수 있다.
따라서, 스케줄 추출부(320)는 회전 속도에 대응하여 설정값 최대 변화 폭, 변화 형태 및 변화하는 기간 등 부하 변화 주기(A, C, E)의 세 가지 파라미터를 최적화 대상으로 추출한다.
또한, 도 5b는 터빈출구온도(TET)에 따른 시뮬레이션 결과를 나타낸 것으로서, 채워지지 않은 사각형 표시가 있는 점선은 기존 컨트롤의 설정값을 나타내고, 솔리드 사각형 표시가 있는 실선은 새로운 설정값을 나타낸다.
도 5b에 도시된 바와 같이 D 구간 및 F구간에서는 부하가 일정하여 오버슛(overshoot) 또는 언더슛(undershoot)이 발생하지 않으므로 스케줄 추출부(320)는 C구간에서 E 구간까지를 최적화 대상으로 추출한다.
그 다음, 스케줄 추출부(320)는 하기의 수학식 1 및 2를 이용하여 목적 함수를 산출한다.
여기서 목적 함수는 기존 제어의 설정값과 설정값 변화로 시뮬레이션된 공정 변수의 값 사이에서 발생된 차이를 나타낸다.
편차가 0에 가까우면 오버슛(overshoot) 또는 언더슛(undershoot)이 최소화됨을 나타낸다.
여기서, i=1은 속도는 나타내고, i=2는 터빈출구온도(TET)를 나타낸다.
여기서, PV는 측정값을 나타내고, SP는 설정값을 나타내며, a는 최대 변화 폭을 나타내고, b는 변화의 형태를 나타내며, c는 변화하는 기간을 나타내고, t는 시간을 나타낸다.
그 다음, 본 발명의 실시예에 따른 스케줄 추출부(320)는 유전알고리즘을 이용하여 선택된 변수를 변화시켜가며 상기의 수학식 1 및 2에서의 목적함수를 최소화한다.
도 6은 도 4에 도시된 S420단계에서 유전알고리즘을 이용하여 최적화하는 과정을 나타내는 그래프이다.
도 6a는 도 5a의 A 구간에서 회전속도에 대한 설정값 스케줄을 최적화하는 과정을 나타내는 것으로서, 설정값 스케줄의 폭, 형태 및 시간이 변화함에 따라 목적함수의 값이 달라짐을 확인할 수 있다.
도 6b는 도 5b의 C 구간 내지 F 구간에서 터빈출구온도(TET)에 대한 설정값 스케줄을 최적화하는 과정을 나타내는 것으로서, 변화 폭과 기울기를 변화함에 따라 목적함수의 값이 달라짐을 확인할 수 있다. 다만, D구간 및 F구간은 터빈출구온도(TET)가 변화하지 않으므로 단일 지점으로 표현된다.
S420단계가 완료된 상태에서 데이터 획득부(330)는 최적화된 설정값 스케줄을 적용하고자 하는 가스터빈(100)으로부터 운전 데이터를 획득한다(S430).
여기서, 운전 데이터는 부하량, 축의 회전속도, 터빈입구온도(TIT), 터빈출구온도(TET), 연료유량 및 VIGV 각도를 포함한다.
그 다음, 제어부(340)는 현재 시점에서 획득한 운전 데이터를 이용하여 최적화된 스케쥴에 따라 PID 제어기(200)를 통해 가스터빈(100)를 제어한다(S440).
이를 다시 설명하면, 제어부(340)는 획득한 운전 데이터를 이용하여 부하량이 증가하는지 여부를 판단한다.
부하량이 증가되는 것으로 판단되면, 제어부(340)는 S420단계에서 추출된 축의 회전 속도 및 터빈출구온도(TET)의 설정값 스케줄에 따라 운전될 수 있도록 가스터빈(100)에 유입되는 연료유량 및 VIGV 각도를 제어하는 신호를 생성한다.
도 7 내지 도 15를 이용하여 본 발명의 실시예에 따른 가스터빈 제어 장치를 이용하여 스케줄링을 하였을 때의 결과에 대해 더욱 상세하게 설명한다.
도 7은 시뮬레이션 결과를 이용하여 제어하였을 때의 축의 회전 속도 및 터빈출구온도(TET)에 발생된 영향을 나타내는 도면이다.
도 7a는 도 5a에 도시된 A 구간 및 B 구간에서 회전 속도 스케줄을 나타내는 것으로서, 원형의 설정점은 종래의 스케줄에 따른 회전 속도를 나타내고, 사각형의 설정점은 최적화된 스케줄에 따른 회전 속도를 나타낸다.
도 7a에 도시된 바와 같이, 최적화된 스케줄에 따른 회전 속도에 대응하는 설정점은 사다리꼴 모양을 가지며, 설정점이 최대 변화로 수렴될 때까지 점차 원호의 형태로 증가하였고, A구간에서의 변경 기간은 21초였다.
또한, 부하가 일정해지면서 최적화된 설정점은 점차 원호 형태로 감소되었으며, B 구간에서의 변경 기간은 15초였다.
도 7b는 도 5b에 도시된 C 구간 및 E 구간에서 터빈출구온도(TET) 스케줄을 나타내는 것으로서, 원형의 설정점은 종래의 스케줄에 따른 터빈출구온도(TET)를 나타내고, 사각형의 설정점은 최적화된 스케줄에 따른 터빈출구온도(TET)를 나타낸다.
도 7b에 도시된 바와 같이, 기존의 스케줄에서 발생된 오버슛(overshoot)이 감소됨을 확인할 수 있으며, 로드가 일정해지면 최적화된 설정값은 기존 제어의 설정값을 따르는 것을 확인할 수 있다.
도 8은 Ramp rate이 향상되기 전의 회전속도의 최적화된 목표 스케줄 및 undershoot 억제 효과를 나타내는 그래프이고, 도 9는 Ramp rate이 향상되기 전의 터빈출구온도의 최적화된 목표 스케줄 및 overshoot 억제 효과를 나타내는 그래프이고, 도 10은 Ramp rate이 향상되기 전의 목표 스케줄 최적화 운전 시, 터빈출구온도 및 출력 변화 결과를 나타내는 그래프이고, 도 11은 Ramp rate이 향상되기 전의 목표 스케줄 최적화 운전 시, 터빈입구온도, 연료유량 및 VIGV 각도 변화 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 회전속도의 언더슛(undershoot)은 1/6배로 감소하였고 터빈출구온도의 오버슛(overshoot)은 최대 2.3℃만큼 감소하였다. 터빈입구온도의 오버슛(overshoot)은 최대 6.3℃만큼 감소하였다.
도 12는 Ramp rate이 향상 후의 회전속도의 최적화된 목표 스케줄 및 undershoot 억제 효과를 나타내는 그래프이고, 도 13은 Ramp rate이 향상 후의 터빈출구온도의 최적화된 목표 스케줄 및 overshoot 억제 효과를 나타내는 그래프이고, 도 14는 Ramp rate이 향상 후의 목표 스케줄 최적화 운전 시, 터빈출구온도 및 출력 변화 결과를 나타내는 그래프이고, 도 15는 Ramp rate이 향상 후의 목표 스케줄 최적화 운전 시, 터빈입구온도, 연료유량 및 VIGV 각도 변화 결과를 나타내는 그래프이다.
도 12 내지 도 15에 도시된 바와 같이, Ramp rate이 약 3배 향상되었을 경우, 회전속도의 언더슛(undershoot)은 1/9.5 배로 감소하였고 터빈출구온도의 오버슛(overshoot)은 최대 7.3℃만큼 감소하였다. 터빈입구온도의 오버슛(overshoot)은 최대 22.7℃만큼 감소하였다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 유전알고리즘을 이용하여 최적화된 목표 스케줄을 도출하고, 도출된 목표 스케줄을 이용하여 가스터빈을 제어하므로 부하 증감발율(ramp rate)을 향상시키더라도 회전속도와 가스터빈의 입구 및 출구 온도의
언더슛(undershoot) 또는 오버슛(overshoot)을 억제하여 가스터빈을 안정적으로 운전할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100 : 가스터빈
200 : PID 제어기
300 : 가스터빈 제어장치
310 : 시뮬레이션부
320 : 스케줄 추출부
330 : 운전 데이터 획득부
340 : 제어부

Claims (12)

  1. 유전알고리즘을 기반으로 하는 가스터빈 제어 장치에 있어서,
    설계 프로그램을 이용하여 설계된 가스 터빈을 시뮬레이션하여 결과데이터를 획득하는 시뮬레이션부,
    유전알고리즘을 기반으로 획득한 결과데이터로부터 축의 회전 속도 및 터빈출구온도(TET)에 대한 목표 스케줄을 추출하는 스케줄 추출부,
    제어하고자 하는 가스터빈의 운전 데이터를 획득하는 데이터 획득부, 그리고
    획득한 운전 데이터를 이용하여 부하 증감발율(ramp rate)이 증가되는지 여부를 판단하고, 부하 증감발율(ramp rate)이 증가되는 것으로 판단되면 기 추출된 스케줄에 따라 PID 제어기를 통해 가스터빈에 유입되는 연료 유량 및 VIGV 각도를 제어하는 제어부를 포함하는 가스터빈 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스케줄 추출부는,
    부하 상승구간에서 최대 변화 폭, 변화 형태 및 변화하는 기간을 포함하는 제1 변수에 따라 회전속도에 대한 목표 스케줄을 추출하는 가스터빈 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스케줄 추출부는,
    부하 상승 구간에서 변화 폭 및 기울기를 포함하는 제2 변수에 따라 터빈출구온도에 대한 목표 스케줄을 추출하는 가스터빈 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스케줄 추출부는,
    하기의 수학식을 이용하여 목적함수를 산출하는 가스터빈 제어 장치:

    여기서, i=1은 속도는 나타내고, i=2는 터빈출구온도(TET)를 나타낸다.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 편차(deviation)은,
    하기의 수학식을 이용하여 산출되는 가스터빈 제어 장치:

    여기서, PV는 측정값을 나타내고, SP는 설정값을 나타내며, a는 최대 변화 폭을 나타내고, b는 변화의 형태를 나타내며, c는 변화하는 기간을 나타내고, t는 시간을 나타낸다.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 스케줄 추출부는,
    유전알고리즘을 이용하여 상기 제1 변수 및 제2 변수를 변화하여 목적함수를 감소시켜 축의 회전속도 및 터빈출구온도(TET)에 대한 설정값을 추출하는 가스터빈 제어 장치.
  7. 가스터빈 제어 장치를 이용한 가스터빈 제어 방법에 있어서,
    설계 프로그램을 이용하여 설계된 가스 터빈을 시뮬레이션하여 결과데이터를 획득하는 단계,
    유전알고리즘을 기반으로 획득한 결과데이터로부터 축의 회전 속도 및 터빈출구온도(TET)에 대한 목표 스케줄을 추출하는 단계,
    제어하고자 하는 가스터빈의 운전 데이터를 획득하는 단계, 그리고
    획득한 운전 데이터를 이용하여 부하 증감발율(ramp rate)이 증가되는지 여부를 판단하고, 부하 증감발율(ramp rate)이 증가되는 것으로 판단되면 기 추출된 스케줄에 따라 PID 제어기를 통해 가스터빈에 유입되는 연료 유량 및 VIGV 각도를 제어하는 단계를 포함하는 가스터빈 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 목표 스케줄을 추출하는 단계는,
    부하 상승구간에서 최대 변화 폭, 변화 형태 및 변화하는 기간을 포함하는 제1 변수에 따라 회전속도에 대한 목표 스케줄을 추출하는 가스터빈 제어 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 목표 스케줄을 추출하는 단계는,
    부하 상승 구간에서 변화 폭 및 기울기를 포함하는 제2 변수에 따라 터빈출구온도에 대한 목표 스케줄을 추출하는 가스터빈 제어 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 목표 스케줄을 추출하는 단계는,
    하기의 수학식을 이용하여 목적함수를 산출하는 가스터빈 제어 방법:

    여기서, i=1은 속도는 나타내고, i=2는 터빈출구온도(TET)를 나타낸다.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 편차(deviation)은,
    하기의 수학식을 이용하여 산출되는 가스터빈 제어 방법:

    여기서, PV는 측정값을 나타내고, SP는 설정값을 나타내며, a는 최대 변화 폭을 나타내고, b는 변화의 형태를 나타내며, c는 변화하는 기간을 나타내고, t는 시간을 나타낸다.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 목표 스케줄을 추출하는 단계는,
    유전알고리즘을 이용하여 상기 제1 변수 및 제2 변수를 변화하여 목적함수를 감소시켜 축의 회전속도 및 터빈출구온도(TET)에 대한 설정값을 추출하는 가스터빈 제어 방법.
KR1020220152296A 2022-11-15 2022-11-15 유전알고리즘을 기반으로 하는 가스터빈 제어 장치 및 그 방법 KR20240070862A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220152296A KR20240070862A (ko) 2022-11-15 2022-11-15 유전알고리즘을 기반으로 하는 가스터빈 제어 장치 및 그 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220152296A KR20240070862A (ko) 2022-11-15 2022-11-15 유전알고리즘을 기반으로 하는 가스터빈 제어 장치 및 그 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20240070862A true KR20240070862A (ko) 2024-05-22

Family

ID=91329898

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220152296A KR20240070862A (ko) 2022-11-15 2022-11-15 유전알고리즘을 기반으로 하는 가스터빈 제어 장치 및 그 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20240070862A (ko)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8694170B2 (en) Gas turbine operation control device and operation control method
JP4745767B2 (ja) 燃料流量制御装置及び発電システム並びに燃料流量制御方法
EP2339129B1 (en) Method of synchronizing a turbomachine generator to an electrical grid
EP2738371A2 (en) A system and method for operating a gas turbine in a turndown mode
US10161317B2 (en) Gas-turbine control device, gas turbine, and gas-turbine control method
EP2085588B1 (en) Intake air heating control apparatus for gas turbine
CA2845182C (en) System and method for engine transient power response
KR101843698B1 (ko) 제어 장치, 시스템 및 제어 방법
US10006315B2 (en) System and method for improved control of a combined cycle power plant
KR101883689B1 (ko) 플랜트 제어 장치, 플랜트 제어 방법 및 파워 플랜트
EP2339127A2 (en) Method for starting a turbomachine
JP2009019528A (ja) ガスタービンの運転制御装置および運転制御方法
JP3849071B2 (ja) ガスタービン設備の運転方法
KR20240070862A (ko) 유전알고리즘을 기반으로 하는 가스터빈 제어 장치 및 그 방법
Cao et al. Study of the speed control system of a heavy-duty gas turbine
EP3922834B1 (en) Systems and methods for determination of gas turbine fuel split for head end temperature control
JP2017145701A (ja) ガスタービンの制御装置および制御方法、並びにガスタービン
US11333070B2 (en) Gas turbine engine and methods of operating same
EP4151847A1 (en) System and method for non-model based control utilizing turbine exit mach number surrogate
JP6267084B2 (ja) 制御装置、システム及び制御方法
EP3067530A1 (en) Method for operating a gas turbine