(57)【要約】      （修正有）【課題】燃焼基準温度を性格に判断して、ガスタービンの動作及び／性能を補正するシステム及び方法を提供する。【解決手段】一実施形態によれば、複数の燃焼器を備えるガスタービンの性能を補正する方法３００は、ガスタービンのガス排気温度を測定するステップ３０５と、少なくとも部分的にガス排気温度に基づいてガスタービンの熱伝達率を推定するステップ３１０とを含む。熱伝達率の推定後、この方法では、過渡的に正確な燃焼基準温度を推定し、このパラメータを用いてガスタービンの複数の燃焼器を制御するステップ３２０に進む。そうすることで、ガスタービンの性能が補正されて、信頼性のある一貫した動作が保証される。【選択図】図３
2010276023.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃焼器を含むガスタービン（２０５）の動作及び／又は性能を補正するシステム（２００）において、
前記ガスタービン（２０５）のガス排気温度（２２０）を判断する少なくとも１つのセンサ（２４０）と、
制御装置（２４５）であって、
前記ガス排気温度（２２０）を前記少なくとも１つのセンサ（２４０）から受信し、
少なくとも部分的に前記ガス排気温度（２２０）に基づいて前記ガスタービンの過渡的熱伝達率（２２５）を推定し、且つ
少なくとも部分的に前記ガスタービン（２２０）の前記推定された過渡的熱伝達率（２２５）に基づいて前記複数の燃焼器を制御する、制御装置（２４５）とからなるシステム（２００）。
【請求項２】
少なくとも部分的に前記ガス排気温度（２２０）に基づいて前記ガスタービン（２０５）の過渡的熱伝達率（２２５）を推定するために、前記制御装置（２４５）は更に、
少なくとも部分的に前記ガス排気温度（２２０）に基づいて前記ガスタービン（２０５）のバルクガス温度（２３０）を推定し、
前記ガスタービン（２０５）のバルクタービンロータ金属温度（２３５）を推定し、
少なくとも部分的に前記ガスタービンの熱伝達率と、前記推定されたバルクタービンロータ金属温度（２３５）と、前記推定されたバルクガス温度（２３０）とに基づいて第１の調整係数を判断し、且つ
少なくとも部分的に前記推定されたバルクガス温度（２３０）と、前記推定されたバルクタービンロータ金属温度（２３５）と、前記第１の調整係数とに基づいて前記推定される熱伝達率（２２５）を計算する、請求項１に記載のシステム（２００）。
【請求項３】
バルクタービンロータ金属温度（２３５）を推定するために、前記制御装置（２４５）は更に、
少なくとも部分的に前記ガスタービン（２０５）のバルクタービンロータ金属温度（２３５）と前記ガスタービン（２０５）のバルクガス温度（２３０）とに基づいて第２の調整係数を判断し、且つ
少なくとも部分的に前記第２の調整係数に基づいてバルクタービンロータ金属温度（２３５）を推定する、請求項２に記載のシステム（２００）。
【請求項４】
前記ガスタービン（２０５）のバルクガス温度（２３０）を推定するために、前記制御装置（２４５）は更に、
定常状態燃焼基準温度を判断し、且つ
少なくとも部分的に前記ガス排気温度（２２０）と前記定常状態燃焼基準温度とに基づいて、前記バルクガス温度（２３０）を推定する、請求項２に記載のシステム（２００）。
【請求項５】
少なくとも部分的に前記ガスタービン（２０５）の前記推定された過渡的熱伝達率（２２５）に基づいて前記複数の燃焼器を制御するために、前記制御装置（２４５）は更に、
少なくとも部分的に前記ガスタービン（２０５）の前記推定された過渡的熱伝達率（２２５）に基づいて過渡的燃焼基準温度（２１５）を計算し、且つ
少なくとも部分的に前記過渡的燃焼基準温度（２１５）に基づいて、前記複数の燃焼器に付随する少なくとも１つの燃焼特性を調節する、請求項１に記載のシステム（２００）。
【請求項６】
前記ガスタービンの定常状態燃焼基準温度を判断する少なくとも１つのセンサを更に含み、
少なくとも部分的に前記ガスタービン（２０５）の前記推定された熱伝達率（２２５）に基づいて過渡的燃焼基準温度（２１５）を計算するために、前記制御装置（２４５）は更に、
少なくとも部分的に前記推定された熱伝達率（２２５）に基づいて燃焼基準温度偏差を判断し、且つ
少なくとも部分的に前記燃焼基準温度偏差と前記ガスタービンの前記定常状態燃焼基準温度とに基づいて、前記過渡的燃焼基準温度（２１５）を計算する、請求項５に記載のシステム（２００）。
【請求項７】
少なくとも部分的に前記燃焼基準温度偏差に基づいて前記過渡的燃焼基準温度（２１５）を計算するために、前記制御装置（２４５）は更に、前記燃焼基準温度偏差を前記定常状態燃焼基準温度から引いて前記過渡的燃焼基準温度（２１５）を計算する、請求項６に記載のシステム（２００）。
【請求項８】
少なくとも部分的に前記ガスタービン（２０５）の前記推定された過渡的熱伝達率（２２５）に基づいて前記複数の燃焼器を制御するために、前記制御装置（２４５）は更に、
前記推定された過渡的熱伝達率（２２５）が希薄燃焼条件の存在を示す時に、前記複数の燃焼器を調節する、請求項１に記載のシステム（２００）。
【請求項９】
少なくとも１つの圧縮機と複数の燃焼器とタービンと排気口とを備える少なくとも１つのガスタービン（２０５）と、
前記排気口に接続される少なくとも１つのセンサ（２４０）と、
少なくとも１つの制御装置（２４５）であって、
ガス排気温度（２２０）を前記センサ（２４０）から受信し、
少なくとも部分的に前記ガス排気温度（２２０）に基づいて前記ガスタービン（２０５）の熱伝達率（２２５）を推定し、且つ
少なくとも部分的に前記ガスタービン（２０５）の前記推定された過渡的熱伝達率（２１５）に基づいて前記複数の燃焼器を制御する、制御装置（２４５）とからなるガスタービンシステム（２００）。
【請求項１０】
前記制御装置（２４５）は更に、
前記推定された熱伝達率（２２５）が希薄燃焼条件の存在を示す時に、前記複数の燃焼器を調節する、請求項９に記載のガスタービンシステム（２００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンに関し、特にガスタービンの動作及び／又は性能を補正するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、特にタービン部の入口への燃焼システムの吐出部において、高温で動作する。燃焼器排気ダクト又はタービン入口部のガス温度を確実に測定することができる申し分のない計測器はまだ開発されていないが、これらの温度は、確実に測定又は判断されるタービンパラメータを用いて推定できる。このため、測定可能又は判断可能なタービンパラメータを用いることにより、制御システムを使用して複数の燃焼用燃料供給回路のスケジューリングを行なうことができる。
【０００３】
直接測定することはできないが、判断することは可能であり、且つ燃焼用燃料供給回路の制御に用いられるこうしたパラメータの一つは、燃焼基準温度（「ＣＲＴ」）である。ＣＲＴは、燃焼器の排気部のガス温度に関係する。ＣＲＴは、燃焼用燃料供給回路を最適に制御するための重要な制御手段となり得る。ＣＲＴを正確に判断することにより、適正な燃料制御を介してガスタービンを確実に信頼性高く動作させることができると共に、タービン排気ガス中のＮＯｘ及びＣＯ排出量を効果的に制御できる。
【０００４】
通常運転時に、従来のシステム及び方法を用いて確実にＣＲＴを測定することはできないため、ガスタービン制御システムは、一般に、以前に測定された定常状態データから導かれる経験的伝達関数に従ってＣＲＴを推定する。この伝達関数は、輸送遅れやセンサの動特性及び最も重要なものとしてタービンを定常状態動作温度にするのに必要とされるエネルギー量を指すタービンのヒートソーク等の過渡的現象を考慮しない。従って、ガスタービン制御に用いられる推定ＣＲＴは、起動時及び停止時等の過渡期においてガスタービンシステムの状態を正確に反映するわけではない。これらの過渡的事象時には、計算されたＣＲＴは実際のＣＲＴとは実質的に相違し、その結果、信頼性の低い運転及び更にはガスタービンの運転停止を招き得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６，８０５，４８３Ｂ２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、ガスタービンの制御及び確実な運転のためにＣＲＴを正確に判断することが求められると共に、ガスタービンの性能を補正するシステム及び方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施形態は、上記の要求の一部又は全部に対処できるものである。本発明の実施形態は、ガスタービンの動作及び／又は性能を補正するシステム及び方法を意図するものである。一実施形態によれば、複数の燃焼器を含むガスタービンの性能を補正する方法が得られる。この方法は、ガスタービンのガス排気温度の測定から開始される。また、この方法では、続いて、少なくとも部分的にガス排気温度に基づいて、ガスタービンの過渡的熱伝達率が推定される。この方法は、少なくとも部分的に推定された過渡的熱伝達率に基づいて、ガスタービンの複数の燃焼器を制御することによって進められる。
【０００８】
本発明の他の実施形態によれば、複数の燃焼器を含むガスタービンの性能を補正するシステムが得られる。システムは、ガスタービンのガス排気温度を測定する少なくとも１つのセンサを含む。また、システムは、少なくとも１つのセンサからガス排気温度を受信する制御装置を含む。更に、制御装置は、少なくとも部分的にガス排気温度に基づいてガスタービンの過渡的熱伝達率を推定する。更にまた、制御装置は、少なくとも部分的にガスタービンの推定された過渡的熱伝達率に基づいて複数の燃焼器を制御する。
【０００９】
本発明の更に他の実施形態によれば、ガスタービンシステムが得られる。ガスタービンシステムは、少なくとも１つの圧縮機と複数の燃焼器とタービンと排気口とを備える、少なくとも１つのガスタービンを含む。また、ガスタービンシステムは、排気口に接続される少なくとも１つのセンサを含む。その上、システムは、少なくとも１つのセンサからガス排気温度を受信する制御装置を含む。更に、制御装置は、少なくとも部分的にガス排気温度に基づいてガスタービンの過渡的熱伝達率を推定する。更にまた、制御装置は、少なくとも部分的にガスタービンの推定された過渡的熱伝達率に基づいて複数の燃焼器を制御する。
【００１０】
本発明のその他の実施形態及び態様は、以下の説明を以下の図面と併せて読むことによって明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】従来のガスタービンシステムを示す。
【図２】本発明の一実施形態に従った例示的なガスタービンシステムを示す。
【図３】本発明の一実施形態に従ってガスタービンの性能を補正する、例示的な方法を示す。
【図４】本発明の他の実施形態に従ってガスタービンの性能を補正する、例示的な方法を示す。
【図５】本発明の実施形態に従ってガスタービンの性能を補正する、例示的なシステム及び方法の性能特性を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
このように本発明を一般的な観点から説明し終えたところで、次に、必ずしも一定の比率で示されているわけではない添付図面を参照する。
【００１３】
以下に、本発明の例示的実施形態を示す添付図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。しかし、本発明は、多くの異なる形態で実施され得、本明細書に示す例示的実施形態に限定されると解釈されるべきではなく、むしろこれらの実施形態の提示は、本開示により当業者に本発明の範囲が分かるようにするためのものである。同様の符号は、図面全体を通して同様の要素を示す。
【００１４】
ガスタービンエンジンは、ブレイトン熱力学サイクルに基づいて仕事を生み出す空気吸入エンジンであり、（発電所等の）発電設備を駆動する動力源として、推進用（例えば航空機、船舶又は戦車等の軍装備品の）又はその他の用途（例えば機械的駆動システム）に用いられる。特に、ガスタービンエンジンにおいて、熱エネルギーは、燃料と空気との燃焼、燃料と酸化剤との燃焼、化学反応及び／又は熱源との熱交換によって得られる。熱エネルギーは、その後、有用な仕事に変換されると共に、スラスト、軸動力又は電気の形態で出力される。
【００１５】
ガスタービンエンジンの性能又は動作は、アクチュエータを用いることによって制御される。ガスタービンエンジンのアクチュエータの非限定的な例には、燃料調整弁、入口案内翼、可変静翼、可変翼、ブリード弁、始動弁、隙間制御弁、インレットブリードヒート、可変排気口等がある。検出されるエンジン値の非限定的な例には、温度、圧力、ロータ回転数、アクチュエータ位置及び／又は流量等がある。ガスタービンによって生じる動力の制御は、一般に、燃焼器内への燃料流と空気流とを制御することによって行なわれる。
【００１６】
図１を参照すると、燃焼式ガスタービンシステム１００は、連続的な流れの関係で、空気取入口（又は入口）１４と圧縮機１２と燃焼器２０とタービン２８と排気口４２とを含むガス流路を有する。ガスタービンシステム１００において、制御モジュール４４は、主に性能と動作との制御を担う。例えば、制御モジュール４４は、制御弁２６を介して燃焼器２０に供給される燃料２４の量を制御する燃料制御モジュール５０を内蔵する。同時に、制御モジュール４４は、空気入口１４の吸込ベーンを制御することで、燃焼器２０へと流れる空気の量を制御する。そうすることで、制御モジュール４４は、燃焼器２０に流入する燃料流と空気流との両方を制御できる。
【００１７】
システム１００のその他の様々なアクチュエータも制御モジュール４４への作動入力によって制御できる。同様に、排気温度センサ６０のようなセンサから、複数の制御システムにより監視及び使用されるパラメータの測定値又は検出値が得られる。ガスタービンシステム１００における所望の燃費の達成、所望の出力の確立及び維持、及び排出レベルの低減によって効率的な運転を維持するためには、多くの重大なタービン動作パラメータを判断して、最適な燃料流量と分配と吸込み空気流量を維持することが必要である。このようなパラメータの非限定的な例には、排気口４２の高温燃焼ガスの温度を表す排気ガス温度６１と、タービンのバルクタービンガスの質量平均温度を表すバルクガス温度６３と、タービンのロータ構成要素の温度を表すバルクタービンロータ温度６４等がある。
【００１８】
本発明のある実施形態に従って判断されてガスタービン制御に用いられる他のタービン動作パラメータとして、燃焼基準温度（「ＣＲＴ」）６２がある。ＣＲＴ６２は、燃焼器の排気部及びタービン部の入口のガス温度に関係する。ある例では、ＣＲＴ６２を用いて、燃焼器燃料流供給回路のスケジューリングが行なわれ、燃焼器の様々な部分に送られる燃料の分配が制御される。
【００１９】
図２は、本発明の一実施形態に従ってガスタービン２０５の性能を補正する例示的なシステム２００を示す。本明細書のシステム及び方法は、単一のガスタービンのみに関して記載しているが、本発明の他の実施形態によれば、多数のガスタービンを用いるシステムにも本明細書に記載のシステム及び方法を用いることができることを理解されたい。システム２００において、ガスタービン２０５は、空気取入口と圧縮機と燃焼器２１０とタービンロータ２１８とガス出口（又は排気口）とを含む連続的な流れのガス流路を有する。ガスタービン２０５において混合気が点火されて高温燃焼ガスが生じ、且つこれらの高温燃焼ガスの熱エネルギーが有用な仕事に変換されると、この連続的な流れの流路に沿った様々な点における空気温度が異なる。例えば、燃焼器の出口とタービンの入口のガス温度を表すＣＲＴ２１５は、ＴＥｘｈａｕｓｔ２２０として表される、ガスタービン２０５の排気口の空気温度よりはるかに高温となる。ガスタービン２０５が定常状態にある時、この温度差は、有用な仕事に変換される熱エネルギーの量に関係する。
【００２０】
しかし、ガスタービン２０５が過渡状態にある時、過渡的ＣＲＴ２１５とＴＥｘｈａｕｓｔ２２０との間の温度差は、エネルギー変換を表すだけではない。有用な仕事に変換される熱エネルギーの量に加えて、過渡的ＣＲＴ２１５とＴＥｘｈａｕｓｔ２２０との間の温度差は、一つにはガスタービン内のバルク排気ガスとタービンのロータ構成要素２１８との間において伝達される熱エネルギーの量によるものである。この熱伝達が過渡状態において起こるのは、タービン部の高温排気ガスの温度がタービンのロータ構成要素２１８の温度と異なるからである。その結果、過渡期間中、熱は定常状態において平衡点に達するまでタービン内の高温排気ガスからタービンのロータ構成要素２１８へ、又はその逆に伝達される。システム１００において、ガスタービン内の過渡的熱伝達特性を６５で表し、システム２００においては、ガスタービン部２０５内の過渡的熱伝達特性はＱｄｏｔ２２５として表される。更に、システム２００において、バルクタービンガスの質量平均温度はＴＢＧ２３０として表され、バルクロータ構成要素２１８の温度はＴＢＲ２３５として表される。
【００２１】
システム２００は更に、ガスタービン２０５の性能を補正するように構成されるセンサ２４０と制御装置２４５とを含む。センサ２４０は、例えば、ガスタービン２０５の排気口のガス温度ＴＥｘｈａｕｓｔ２２０を測定できるように構成される。センサ２４０は、ガス温度ＴＥｘｈａｕｓｔ２２０を検出、入手又は監視するいかなるセンサ、変換器又はプローブであって良い。例えば、センサ２４０は、ガスタービン２０５の排気温度と共に変動する抵抗を有するサーミスタを基本とするプローブでも良い。センサ２４０は、この抵抗に対応する温度に基づく信号を制御装置２４５に伝達でき、この目的のために制御装置２４５と電気通信する。センサ２４０は、システム２００においては単一の温度センサとして図示されているが、これは例示的実施形態であることを理解されたい。排気温度を直接測定する必要はなく、ガスタービン内のその他のセンサからの入力を用いて判断又は推定できる。このため、複数の温度センサの実施形態に加えて、その他の種類のセンサ２４０が本発明の実施形態に従って用いられる。
【００２２】
一方、制御装置２４５は、センサ２４０からＴＥｘｈａｕｓｔ２２０に対応する信号を、その信号が直接測定値であるか又はその他のセンサ入力から導かれた推定値であるかに関わらず受信して、この信号を用いてガスタービン２０５の性能を補正するように構成される。制御装置２４５は、ハードウェア、ソフトウェア又はこれらを組み合わせたものを用いて実施され、本明細書に記載の機能を果たす。例として、制御装置２４５は、処理装置、ＡＳＩＣ、比較器、微分モジュール又はその他のハードウェア手段とされる。制御装置２４５は更に、記憶装置に記憶されて処理装置又はその他の処理手段によって実行できるソフトウェア又はその他のコンピュータ実行可能命令からなる。
【００２３】
制御装置２４５には、ガスタービン２０５の制御に用いられる複数の弁及びアクチュエータが付随し、システム１００に関連して上記に説明したものは、その例である。制御装置２４５は、ガスタービン２０５内の複数の構成要素を制御する指令信号を発生させる。制御装置２４５により発生する指令信号により、タービンのアクチュエータは、例えば、燃料供給部と燃焼器との間において流量、燃料分配及び燃焼器へと流れる燃料の種類を調整する弁の調節と、圧縮機の入口案内翼の調節と、インレットブリードヒートの調節と、ガスタービン２０５のその他の制御設定の起動とを行なう。
【００２４】
適切な指令信号を判断するために、制御装置２４５は、以下で詳細に説明する、図３に示す例示的な方法３００を実行できるものとされる。制御装置２４５は、ガスタービン２０５及びセンサ２４０に対して遠隔配置される。制御装置２４５は更に、ガスタービン２０５及びセンサ２４０と同じ位置に配置されるか、更には一体化される。制御装置２４５に後述の例示的な方法の実施形態を実行させるようにするには、制御装置２４５をソフトウェア、ハードウェア、ファームウェア又はこれらの何らかの組合せに適合させる。多数の制御装置２４５を用いることができ、それによって本明細書に記載の異なる機能が複数の異なる制御装置２４５で実行され得ることを理解されたい。簡略化するために、制御装置２４５を単一の構成要素として示すが、複数のコンピュータ処理装置及び／又は異なる機能を意図した複数のソフトウェアの応用があり得ることが分かる。
【００２５】
図３は、本発明の実施形態を動作させる例示的な方法３００を示す。少なくとも部分的に制御装置２４５のような複数の制御装置を有する制御システムにより実施される、システム２００におけるガスタービン２０５等のガスタービンの動作及び／又は性能を補正する例示的な方法を示す流れ図を示す。
【００２６】
方法３００は、ガスタービンのガス排気温度を判断するブロック３０５から始まる。例示的なシステム２００において、この判断は、センサ２４０により得られて制御装置２４５に供給される直接測定による。直接測定に加えて、ガスタービンのガス排気温度を判断する多くのその他の実施形態が存在する。例えば、いくつかの温度センサを用いて、これらのセンサの測定値の平均からガス排気温度を判断できる。その他の実施形態では、ガス排気温度を他のパラメータから判断し、ガス排気の測定値に従って判断しなくても良い。これらの実施形態は、当該技術分野において周知である。
【００２７】
一旦ガスタービンのガス排気温度が判断されると、方法３００ではブロック３１０に進み、システム２００におけるＱｄｏｔ２２５等の過渡的熱伝達率が、少なくとも部分的にガス排気温度に基づいて判断される。少なくとも部分的にガス排気温度に基づいてガスタービンの過渡的熱伝達率を推定する多くの実施形態が存在する。例えば、一実施形態では、ガスタービンのバルクガス温度を少なくとも部分的にガス排気温度に基づいて推定するブロック３１５を含む。この例示的実施形態において、ガスタービンの過渡的熱伝達率は、少なくとも部分的に、ガス排気温度に加えて、バルクガス温度とバルクロータ温度とに基づいて推定される。
【００２８】
図４に、少なくとも部分的にガスタービンの過渡的熱伝達率に基づいて過渡的に正確な燃焼基準温度を推定する例示的な方法４００を示す。この過渡的熱伝達率は、少なくとも部分的にガス排気温度、バルクガス温度及びバルクロータ温度に基づく。ブロック４０５において、ガスタービンの測定ガス排気温度ＴＥｘｈａｕｓｔ４０７が、定常状態燃焼基準温度ＣＲＴＳＳ４０６と合計される。これらの２つの温度の和は、その後、ブロック４１０で平均され、ＴＢＧ４１１が推定される。ＣＲＴＳＳ４０６は、例えば現場運転時に得られた定常状態測定値から導かれる経験に基づく計算値である。これに代わる方法として、ＣＲＴＳＳ４０６は、経験に基づくこと又は基づかないことがある数学的モデリング技術を用いる等して、当該技術分野において周知のその他の方法に従って推定される。ＣＲＴＳＳ４０６は、システム動作時に記録されるその他の入力及び測定との組合せからも推定又は判断される。
【００２９】
ＴＢＧ４１１は、ガスタービン排気ガス中に存在する熱エネルギーの推定値を表す。ＴＥｘｈａｕｓｔ４０７及びＣＲＴＳＳ４０６は、ＴＢＧ４１１を判断するための初期パラメータとしての役割を果たす。タービンの入口における排気のＣＲＴＳＳ４０６は、タービンの入口の熱エネルギーを表し、タービンの出口における排気のＴＥｘｈａｕｓｔ４０７は、タービン部の出口の熱エネルギーを表す。ＣＲＴＳＳ４０６とＴＥｘｈａｕｓｔ４０７との平均をとることにより、ガスタービン排気ガス中の熱エネルギーの平均推定値が得られる。或いは、少なくとも部分的にＴＥｘｈａｕｓｔ４０７及びＣＲＴＳＳ４０６に基づいてバルクガス温度ＴＢＧ４１１を推定するために用いられるその他の方法又は伝達関数が存在し得る。或いは、ＴＥｘｈａｕｓｔ４０７及びＣＲＴＳＳ４０６の一方又は他方又は両方を用いる必要がなく、むしろ異なる測定又は推定パラメータを用いる、直接測定法の使用を含むその他の手段を適用してＴＢＧ４１１を判断しても良い。
【００３０】
例示的な方法４００において、一旦ガスタービンのバルクガス温度が推定されると、タービンのロータ構成要素の温度、すなわちバルクロータ温度ＴＢＲ４１６が判断される。このＴＢＲ４１６の推定値は、現場、実験室又は実時間の測定値を用いて経験的に判断されるか、数学的モデリング技術により判断されるか、これらの２つを組み合わせたものにより判断されるか、或いは上記の複数の推定値及び測定値の関数として定められる。このような関数が定められるのは、ガスタービンの過渡的熱伝達率がタービン内のバルクガス温度とタービンのロータ構成要素の温度とに関係するためである。具体的には、ガスタービンが過渡モードで動作している時、熱は、どちらがより高い過渡的温度にあるかによって、タービン内のバルクガスからタービンのロータ構成要素へ、及びその逆に伝達される。このため、タービンのロータ構成要素の温度は、タービンのバルクガス温度の関数として推定される。
【００３１】
例示的な方法４００において、ＴＢＲ４１６は、バルクガス温度ＴＢＧ４１１の関数として推定される。例えば、現場測定データを用い、過渡動作時におけるバルクガスとタービンのロータ構成要素との間の熱伝達特性の経験的知識に基づいて、伝達関数が定められ、バルクガス温度に適用されて、バルクロータ温度が推定される。この伝達関数は、一次又は二次ラグ関数とされ得るが、これに限定されるわけではない。この伝達関数は、第２の調整係数を表し、例えば異なる温度のバルクロータガスに対するタービンのバルクロータ金属の加熱的又は冷却的熱応答を反映するシステム熱時間定数に対応する。ブロック４１５において、この伝達関数がＴＢＧ４１１に適用されて、ＴＢＲ４１６が推定される。或いは、タービンバルクロータ温度ＴＢＲ４１６は、直接測定されても良い。
【００３２】
ブロック４２０において、ガスタービンの過渡的熱伝達率Ｑｄｏｔ４２１は、バルクガス温度ＴＢＧ４１１とバルクロータ温度ＴＢＲ４１６とを用いて推定される。熱は、タービン内のバルクガスからタービンのロータ構成要素に、及びその逆に伝達されるため、過渡的熱伝達率は、熱伝達係数の関数として定められる。この例示的実施形態において、過渡的熱伝達率は、ＴＢＧ４１１とＴＢＲ４１６との差に同調定数Ｋ１  ４２２を掛けた値として推定される。同調定数Ｋ１  ４２２は、第１の調整係数を表し、ガスタービンの熱伝達率、ガスタービンのバルクタービンロータ金属温度及びガスタービンのバルクガス温度に基づく。この関係を考慮すると、Ｋ１  ４２２は、現場データ、モデリングデータ又はその両方に基づき、ガスタービンの過渡的熱伝達率において生ずるが、上記の測定値及び計算値には反映されないこともある変動を表す。Ｋ１  ４２２は、定数値とされ、記憶装置に記憶されるか、又はガスタービンの他の性能特性から導かれるスケジュールに従って判断される。例えば、Ｋ１  ４２２は、実際の熱伝達率、又は最新の数値及び計算処理技術を用いて判断されるシミュレーションによる熱伝達率に基づく。Ｋ１  ４２２は、手さぐり法により判断される固定された定数であっても良い。いかなる場合も、同調定数Ｋ１  ４２２を判断して、Ｋ１  ４２２をＴＢＧ４１１とＴＢＲ４１６との差に適用することにより、ガスタービンの過渡的熱伝達率Ｑｄｏｔ４２１が推定される。そうすることで、ガスタービンの推定された過渡的熱伝達率は、少なくとも部分的にガス排気温度、バルクガス温度及びバルクロータ温度に基づくことになり、その理由は、後者の２つのパラメータは部分的にガス排気温度ＴＥｘｈａｕｓｔ４０７から判断されるためである。
【００３３】
また別の実施形態において、熱伝達は直接測定される。更にまた他の実施形態では、その他の伝達関数が用いられ、上記の入力と同じ入力、上記の入力とは異なる入力又はこれらの２つを組み合わせたものが必要とされる。
【００３４】
再び図３を参照する。ブロック３１０においてガスタービンの過渡的熱伝達率を推定した後、例示的な方法３００ではブロック３２０に進み、少なくとも部分的に推定された過渡的熱伝達率に基づいて、ガスタービンの燃焼器が制御され、所望の性能が達成される。ガスタービンの性能は、ガスタービンの過渡的熱伝達率に従って変動するため、ガスタービンの性能は、この差異を判断して相応に補償することによって補正される。この補償は、例えば、システム２００及び制御装置２４５に関連して説明したようなガスタービンの様々なアクチュエータ及び弁の制御に反映される。
【００３５】
少なくとも部分的に推定された過渡的熱伝達率に基づいて、所望の性能を達成するために燃焼器を制御する方法を判断する多くの実施形態が存在する。例えば、一実施形態では、ガスタービン制御に用いられる過渡的燃焼基準温度を計算するブロック３２５を含む。ブロック３２５において、過渡的燃焼基準温度は、以前の推定された過渡的熱伝達率に部分的に基づく。
【００３６】
再び図４を参照し、推定された過渡的熱伝達率を用いて過渡的燃焼基準温度を計算する例示的な方法４００の一実施形態を示す。ブロック４２５において、Ｑｄｏｔ４２１又はゼロの大きい方の値が最大ブロック４２５からＱｄｏｔ’４２６へと通過する。この機能をＱｄｏｔ４２１に適用すると、ゼロより大きいＱｄｏｔ４２１の値のみが得られることになり、すなわち、Ｑｄｏｔ４２１が負数でない限り、Ｑｄｏｔ’４２６はＱｄｏｔ４２１に等しくなる。この例示的実施形態において、Ｑｄｏｔ４２１がゼロより大であると推定される場合、ガスタービン内において所望の条件より希薄な条件が存在することを示す。
【００３７】
この例示的実施形態では、ブロック４２５の機能を用いて、意図される条件より希薄な条件でガスタービンが動作している過渡状態においてのみ、過渡的燃焼基準温度を判断する。意図される条件より希薄な条件でガスタービンが動作している時は、燃焼の吹消え及びタービンの運転停止が生じる危険性が増すが、この防ぐべき危険性が補償される。その他の実施形態では、意図される条件より濃厚な条件でガスタービンが動作している時に一般に悪化する過剰な排出を防ぐことが望ましい場合がある。これらの実施形態においては、ブロック４２５が迂回され、ゼロに対するＱｄｏｔ４２１の値に関わりなく、Ｑｄｏｔ’４２６とＱｄｏｔ４２１とが等しくなる。
【００３８】
また他の実施形態では、ブロック４２５においてその他の関数を用いて、Ｑｄｏｔ４２１の選別又は制限を行なって過渡的偏差を解消する。これらの関数及びフィルタは、Ｑｄｏｔ４２１だけではなく、その他のパラメータ又は測定値に従って定められる。制限パラメータの例には、何らかの測定パラメータ（例えば排気温度、周囲圧力）、何らかの推定パラメータ（例えばＣＲＴＳＳ）又は何らかの指令信号（例えば燃料流指令、ＩＧＶ指令）等がある。ブロック４２５は更に、何らかの測定又は推定パラメータに従って推定Ｑｄｏｔ４２１を変動させる伝達関数とされる。
【００３９】
ブロック４３０において、燃焼基準温度偏差ＣＲＴＢＩＡＳ４３１が熱伝達率Ｑｄｏｔ’４２６の関数として判断される。ＣＲＴＢＩＡＳ４３１は、過渡状態においてガスタービン内で起こる熱伝達を考慮するために、ＣＲＴＳＳ４０６に適用される修正項を表す。この例示的実施形態では、同調定数Ｋ２  ４３２をＱｄｏｔ’４２６に掛けてＣＲＴＢＩＡＳ４３１を推定する。同調定数Ｋ２  ４３２は、現場データ、シミュレーションデータ又はこれらの両方に基づき、ＣＲＴＳＳ４０６において過渡条件を適正に考慮するために、過渡的熱伝達率に適用される調整値を表す。その結果、一旦この調整値が定められ、且つＱｄｏｔ’４２６に適用されると、ＣＲＴＢＩＡＳ４３１が判断される。
【００４０】
この時点で、例示的な方法４００は、ＣＲＴＢＩＡＳ４３１がＣＲＴＳＳ４０６に加算されて過渡的燃焼基準温度ＣＲＴＴ４３６が推定されるブロック４３５において終了する。その他の実施形態では、その他の伝達関数を用いて、ＣＲＴＳＳ４０６とＣＲＴＢＩＡＳ４３１とを組み合わせて過渡的燃焼基準温度ＣＲＴＴ４３６が推定される。
【００４１】
一旦ＣＲＴＴ４３６が推定されると、これを用いて燃焼器が制御され、ガスタービンの性能が補正される。例えば、図５の動作線図５００は、例示的な方法４００が実施される２００等のガスタービンシステムの性能特性を含む、例示的なガスタービンシステムの３つの性能特性を示す。動作線図５００では、ｙ軸の燃焼基準温度をｘ軸のガスタービン出力の関数として示す。様々な負荷における燃焼基準温度の定常状態測定値を５１０に示す。５２０は、システムが急速に負荷解除される時の、従来システムの様々な負荷における過渡的燃焼基準温度の推定値を示す。従来システムにおいて、燃焼基準温度の推定値は、経験に基づく伝達関数から導かれる。動作線図５００で示されるように、ガスタービンの負荷が急速に低下する時、従来システムの燃焼基準温度の推定値は、定常状態測定値から有意に変化する。上述のように、制御システムの燃焼基準温度の推定値におけるこうした大幅な変化は、信頼性を欠くガスタービン動作を引き起こし得る。
【００４２】
これに対して、５３０は、例示的な方法４００を用いる例示的なシステムの過渡的燃焼基準温度の推定値を示す。従来システムとは異なり、この例示的なシステムは、定常状態測定値にはるかに近い燃焼基準温度を推定する。従って、この例示的なシステムは、ガスタービンの制御システムの一部分として用いられる場合、この例示的なシステムが本発明の少なくとも一つの技術的効果である過渡状態燃焼基準温度をより正確に推定する能力を有することを考慮すると、はるかに信頼性のある性能曲線を達成する。また、例示的なシステムは、最小限の個数の入力に依存するため、より低い計算機能力を用いる相対的により単純な制御システムを用いることができる。相対的により単純且つ安価な設計を用いてより正確な動作を達成できることが、本発明のまた別の技術的効果である。
【００４３】
当業者には、上記の説明及び添付図面に示す教示内容を利用して、本明細書に記載の本発明の多くの改変態様及びその他の実施形態が想到されるであろう。従って、本発明は多くの形態で実施され得、上述の実施形態に限定されないことが当業者に理解されよう。このため、本発明は、開示の特定の実施形態に限定されるのではなく、改変態様及びその他の実施形態は、添付の特許請求の範囲内に含まれることが意図されていることを理解されたい。本明細書には特殊な用語が用いられているが、これらの用語は、限定するためではなく、包括的且つ説明的な意味で用いられている。
【符号の説明】
【００４４】
１２  圧縮機
１４  空気取入口（入口）
２０  燃焼器
２４  燃料
２６  弁
２８  タービン
４２  排気口
４４  制御モジュール
６０  排気温度センサ
６１  排気ガス温度
６２  燃焼基準温度（「ＣＲＴ」）
６３  バルクガス温度
６４  バルクタービンロータ温度
１００  ガスタービンシステム
２００  システム
２０５  ガスタービン
２１０  燃焼器
２１５  ＣＲＴ
２１８  タービンのロータ構成要素
２２０  ガスタービンの排気口（「ＴＥｘｈａｕｓｔ」）
２２５  ガスタービン内の過渡的熱伝達特性（「Ｑｄｏｔ」）
２３０  バルクタービンガス（「ＴＢＧ」）
２３５  バルクロータ構成要素（「ＴＢＲ」）
２４０  センサ
２４５  制御装置
３００  方法
３０５  ブロック
３１０  ブロック
３２０  ブロック
３２５  ブロック
４００  方法
４０５  ブロック
４０６  燃焼基準温度（「ＣＲＴＳＳ」）
４０７  ガス排気温度（「ＴＥｘｈａｕｓｔ」）
４１０  ブロック
４１１  推定された温度（「ＴＢＧ」）
４１５  ブロック
４１６  バルクロータ温度（「ＴＢＲ」）
４２０  ブロック
４２１  ガスタービン（「Ｑｄｏｔ」）
４２２  同調定数
４２５  ブロック
４２６  Ｑｄｏｔ’
４３０  ブロック
４３１  燃焼基準温度（「ＣＲＴｂｉａｓ」）
４３２  同調定数（「Ｋ２」）
４３６  過渡的燃焼基準温度（「ＣＲＴＴ」）
５００  動作線図
５１０  測定値
５２０  推定値
５３０  推定値
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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