(57)【要約】      （修正有）【課題】ガスエンジンのガス供給ラインにおける輸送遅れを判定し、この輸送遅れに基づいてガス供給パラメータを制御することが可能なガスエンジン組立体および制御システムを提供する。【解決手段】。ガスエンジン組立体１００は、圧縮機１２１、燃焼システム１３０、バイパスライン１５３および制御システムを含む。制御システムは、輸送遅れ値に基づいてガス供給パラメータを制御するように構成される。輸送遅れ値は、ガス供給制御機構が調節される時間と、これに対応してガスの特性が修正されたガスをガス供給制御機構から下流の所定の地点において受け取る時間との間の遅滞に相当する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のガス供給ラインからガスを受け取り、前記ガスを圧縮するように構成された圧縮機と、
第２のガス供給ラインを介して前記圧縮機から前記ガスを受け取り、前記ガスと燃料とを燃焼させるように構成された燃焼システムと、
前記第１のガス供給ラインに接続された一端と、前記第２のガス供給ラインに接続された反対側の端部とを有することで、前記第１および第２のガス供給ラインの一方からの前記ガスの全てではなく前記ガスの一部を前記第１および第２のガス供給ラインの他方へと迂回させるバイパスラインと、
輸送遅れ値に基づいてガス供給パラメータを制御するように構成され、前記輸送遅れ値が、ガス供給制御機構が調節される時間と、これに対応するガスの特性の調節を前記ガス供給制御機構から下流の所定の地点において受け取る時間との間の遅れに相当する制御システムとを備えるガスエンジン組立体。
【請求項２】
前記ガス供給制御機構が、ガス／空気混合機であり、前記ガスが、空気と、空気以外のガスの混合物である、請求項１記載のガスエンジン組立体。
【請求項３】
前記ガス供給制御機構が、前記第１のガス供給ラインに提供される空気以外のガスの量を調節するように構成されたガス流量調節弁である、請求項１記載のガスエンジン組立体。
【請求項４】
前記バイパスラインが、ターボチャージャーとして作動される前記ガスエンジン組立体に基づいて前記ガスの前記一部を下流に送るように構成される、請求項１記載のガスエンジン組立体。
【請求項５】
前記制御システムが、少なくとも前記第２のガス供給ラインに沿って前記ガスの濃度を経時的に判定することによって、前記輸送遅れ値を計算するように構成される、請求項１記載のガスエンジン組立体。
【請求項６】
前記制御システムが、前記ガスの圧力を測定することによって、前記ガスの前記濃度を計算するように構成される、請求項５記載のガスエンジン組立体。
【請求項７】
前記第１のガス供給ラインに沿った第１のセンサと、
前記第２のガス供給ラインに沿った第２のセンサとをさらに備え、
前記制御システムが、前記第１および第２のセンサからの測定値の経時的な分析に基づいて前記輸送遅れ値を計算するように構成される、請求項１記載のガスエンジン組立体。
【請求項８】
前記第１および第２のセンサからの前記測定値を経時的に分析するステップが、第１のガス供給コマンド信号に相当する前記第１のセンサからの前記測定値において第１の特徴を検出するステップと、前記第１のガス供給コマンド信号に相当する前記第２のセンサからの前記測定値において第２の特徴を検出するステップと、前記第１の特徴の発生と第２の特徴の発生の間の時間差に基づいて前記輸送遅れ値を計算するステップとを含む、請求項７記載のガスエンジン組立体。
【請求項９】
ガス供給源と燃焼システムの間のガス供給路に沿った少なくとも１つのセンサから測定値を受信し、ガス供給制御機構が調節される時間と、これに対応してガスの特性が調節されたガスが、前記ガス供給制御機構から下流の所定の地点に到達する時間との間の遅れに相当する輸送遅れ値を計算するように構成された輸送遅れ計算モジュールと、
前記輸送遅れ値に基づいて前記ガス供給制御機構を制御するために、ガス供給制御信号を生成するように構成されたガス供給機構制御モジュールとを備えるガスエンジン制御回路。
【請求項１０】
ガスタービンの所望の状況に相当する目標値を生成するように構成された目標値生成器をさらに備え、
前記ガス供給機構制御モジュールが、前記目標値と前記輸送遅れ値に基づいて前記ガス供給制御機構を制御するために前記ガス供給制御信号を生成する、請求項９記載のガスエンジン制御回路。
【請求項１１】
前記目標値を前記少なくとも１つのセンサからの前記測定値と比較し、前記目標値と前記測定値との差に基づいて誤差値を生成するように構成された比較装置をさらに備え、
前記ガス供給制御機構制御モジュールが、前記誤差値と前記輸送遅れ値に基づいて前記ガス供給制御信号を生成するように構成される、請求項１０記載のガスエンジン制御回路。
【請求項１２】
前記輸送遅れ計算モジュールが、前記ガス供給路に沿った少なくとも２つのセンサから少なくとも２セットの測定値を経時的に受信し、前記少なくとも２セットの測定値の経時的な分析に基づいて前記輸送遅れ値を計算するように構成される、請求項９記載のガスエンジン制御回路。
【請求項１３】
前記輸送遅れ計算モジュールが、前記少なくとも２つのセンサの中の第１のセンサからの第１のセットの測定値において第１の特徴を検出するように構成され、前記第１の特徴が、第１のガス供給制御信号に相当し、
前記輸送遅れ計算モジュールが、前記少なくとも２つのセンサの中の第２のセンサからの第２のセットの測定値において第２の特徴を検出するように構成され、前記第２の特徴が、前記第１のガス供給制御信号に相当し、
前記輸送遅れ計算モジュールが、前記第１の特徴の発生と第２の特徴の発生の間の時間差に基づいて前記輸送遅れ値を計算するように構成される、請求項１２記載のガスエンジン制御回路。
【請求項１４】
前記輸送遅れ計算モジュールが、ガス供給源から前記ガスを受け取り、前記ガスを圧縮するように構成された圧縮機と、前記圧縮機から前記ガスを受け取り前記ガスと燃料とを燃焼させるように構成された燃焼システムと、前記ガス供給源と前記圧縮機の間の前記ガス供給路に沿って接続された一端と、前記圧縮機と前記燃焼システムの間の前記ガス供給路に沿って接続された反対側の端部とを有するバイパスラインとを有するガスタービンの前記ガス供給路の前記輸送遅れ値を計算するように構成され、
前記輸送遅れ計算モジュールが、前記ガスの全てではなく前記ガスの一部が前記バイパスラインを通るように迂回することを考慮することによって前記輸送遅れ値を計算するように構成される、請求項９記載のガスエンジン制御回路。
【請求項１５】
ガスエンジン組立体の作動を制御する方法であって、
前記ガスエンジン組立体のガス供給路に沿った少なくとも１つのセンサから少なくとも１セットの測定値を取得するステップであって、前記ガス供給路が、ガス供給源から圧縮機を介して燃焼システムにガスを供給するように構成され、前記ガスエンジン組立体が、前記ガス供給源と前記圧縮機の間の前記ガス供給路に沿って接続された一端と、前記圧縮機と前記燃焼システムの間の前記ガス供給路に沿って接続された反対側の端部とを有するバイパスラインを含むステップと、
ガス供給制御機構が調節される時間と、これに対応してガスの特性が調節されたガスを前記ガス供給制御機構から下流の前記ガス供給路に沿った所定の地点において受け取る時間との間の遅れに相当する輸送遅れ値を計算するステップと、
前記輸送遅れ値に基づいて前記ガス供給制御機構を制御するためにガス供給制御信号を生成するステップとを含む方法。
【請求項１６】
前記輸送遅れ値を計算するステップが、前記ガス供給路からのガス流の一部を前記バイパスラインを通るように分岐させることを考慮して、前記少なくとも１セットの測定値を非線形アルゴリズムに適用するステップを含む、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記ガス供給路に沿った前記所定の地点が、前記燃焼システムの吸気マニフォルドである、請求項１５記載の方法。
【請求項１８】
前記輸送遅れ値が、前記少なくとも１セットの測定値の経時的な分析に基づいて計算される、請求項１５記載の方法。
【請求項１９】
前記少なくとも１つのセンサが、前記圧縮機の下流に位置する第１のセンサと、前記圧縮機の上流に位置する第２のセンサとを含む、請求項１５記載の方法。
【請求項２０】
前記輸送遅れ値を計算するステップが、
前記第１のセンサからの第１のセットの測定値における第１の特徴を検出し、前記第１の特徴が、第１のガス供給制御信号に相当するステップと、
前記第２のセンサからの第２のセットの測定値における第２の特徴を検出し、前記第２の特徴が、第１のガス供給制御信号に相当するステップと、
前記第１の特徴の発生と前記第２の特徴の発生の間の時間差を計算するステップとを含む、請求項１９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示される主題は、ガスエンジンのガス流量の制御に関し、より詳細にはターボチャージャーガスエンジンのガス供給ラインにおける輸送遅れを判定し、この輸送遅れに基づいてガス供給パラメータを制御することに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスエンジンのガスタービンは、ガス、空気またはガス／空気混合物などの流体を圧縮機へと供給し、この流体を燃焼器によって加熱し、加熱した流体をタービン段を通るように押しやることによって動力を生成する。タービン段は、シャフトに固定されたブレードまたは動翼を含み、これらは、加熱された流体がブレードまたは動翼に誘導される際、シャフトを回転させるように構成され、シャフトを回転させて動力を生成する。ターボチャージャータービンでは、このシャフトの回転を利用して、圧縮機におけるブレードを回転させ、強制的に空気を圧縮機へと誘導することができる。
【０００３】
圧縮機および燃焼システムへのガスの供給は、ガス流量調節弁によって制御することができ、圧縮機および燃焼システムに供給される空気とガスの混合物は、ガス混合機によって調節することができる。しかしながら所望の量のガス、または所望のガス／空気混合物が燃焼器に流れるようにガス流量弁またはガス混合機に制御信号を送信する場合、ガス供給制御機構、例えばガス供給弁が調節される時間と、これに対応するガスの特性の変化をガス供給制御機構から下流の特定の地点において受け取る時間との間に遅れが生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１２／００９５６６８号明細書
【発明の概要】
【０００５】
本発明の一態様によると、ガスエンジン組立体は、第１のガス供給ラインからガスを受け取り、このガスを圧縮するように構成された圧縮機を含む。燃焼システムが、第２のガス供給ラインを介して圧縮機からガスを受け取り、ガスと燃料とを燃焼させる。バイパスラインは、第１のガス供給ラインに接続された一端と、第２のガス供給ラインに接続された反対側の端部とを有することで、第１および第２のガス供給ラインの一方からのガスの全てではないガスの一部を第１および第２のガス供給ラインの他方へと迂回させる。制御システムは、輸送遅れに基づいてガス供給パラメータを制御し、輸送遅れは、ガス供給機構が調節される時間と、これに対応するガスの特性の変化がガス供給制御機構から下流の所定の地点において検出される時間との間の遅れに相当する。
【０００６】
本発明の別の態様によると、輸送遅れ計算モジュールが、ガス供給源と、燃焼システム間のガス供給路に沿った少なくとも１つのセンサから測定値を受信し、ガス供給機構が調節される時間と、これに対応してガスの特性が調節されたガスが燃焼システムに到達する時間との間の遅れに相当する輸送遅れ値を計算する。ガス供給機構コマンドモジュールが、ガス供給制御信号を生成し、輸送遅れ値に基づいてガス供給制御機構を制御する。
【０００７】
本発明のさらに別の態様によると、ガスエンジン組立体の作動を制御する方法は、ガス供給路に沿った少なくとも１つのセンサから少なくとも１セットの測定値を取得するステップを含み、ガス供給路は、ガスタービンのガス供給源から圧縮機へ、および圧縮機から燃焼システムへとガスを供給するように構成される。ガスエンジン組立体は、ガス供給源と圧縮機の間のガス供給路に沿って接続された一端と、圧縮機と燃焼システムの間のガス供給路に沿って接続された反対側の端部とを有するバイパスラインを含む。この方法は、ガス供給機構制御機構が調節される時間と、これに対応してガスの特性が調節されたガスをガス供給制御機構から下流の所定の地点において受け取る時間との間の遅れに相当する輸送遅れ値を計算するステップを含む。方法は、輸送遅れ値に基づいてガス供給制御機構を制御するためにガス供給制御信号を生成するステップを含む。
【０００８】
これらのおよびその他の利点および特徴は、図面と併せて以下の記載からより明らかになるであろう。
【０００９】
本発明として見なされる主題は、この明細書の終わりにある特許請求の範囲において詳細に指摘され、明白に主張される。本発明の上記のおよびその他の特徴および利点は、添付の図面と併せて以下の詳細な記載から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態によるガスエンジン組立体の図である。
【図２】本発明の別の実施形態によるガスエンジン組立体の図である。
【図３】本発明の別の実施形態によるガスエンジン組立体の図である。
【図４】本発明の一実施形態によるガスエンジン制御装置のブロック図である。
【図５】一実施形態によるガスエンジンを制御するための方法のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
詳細な記載は、一例として図面を参照して、利点および特徴と共に本発明の実施形態を説明している。
【００１２】
ガスエンジンシステムにおいて、ガスまたは空気供給機構が調節される時間と、燃焼システムへのガス流におけるこれに対応する変化を燃焼システムにおいて受け取る時間との間には遅れが存在する。この遅れは、結果としてガス／空気供給システムにおける非効率または誤差につながる可能性がある。本発明の実施形態は、判定された輸送遅れに基づいてガス／空気混合物を調節することに関する。
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態によるガスエンジン組立体１００を示す。組立体１００は、ガス供給システム１１０、タービン構造体１２０、燃焼システム１３０およびエンジン制御組立体１４０を含む。作動中、ガス供給システムは、第１のガス供給ライン１５１に沿ってタービン構造体１２０までガスを供給する。タービン構造体１２０は、圧縮機１２１、タービン段１２２および、圧縮機１２１のブレードをタービン段１２２の動翼と接続するシャフト１２３を含む。作動中、タービン構造体１２０は、シャフト１２３によって圧縮機１２１のブレード駆動することによりガスを圧縮機１２１へと強制的に誘導することによって、ターボチャージャーとして作動することができる。
【００１４】
ガスは、圧縮機１２１から、第２のガス供給ライン１５２を介して燃焼システム１３０へと流れる。ガス供給ライン１５２は、吸気マニフォルド１３１において１つの流路から複数の流路へと分割させることで、例えばガスを複数の燃焼器に誘導することができる。ガスは、燃焼システムにおいて燃焼および加熱することができ、複数の流路を介して複数の燃焼器に対応する排気マニフォルド１３２から出力させることができる。ガスは、燃焼システム１３０から第３のガス供給ライン１５４を介してタービン段１２２へと誘導される。ガスは、排気経路１５５を介してタービン段１２２から放出され、この場合ガスは、空気中へと放出することができ、保管するために捕捉することができ、さらなる加熱または冷却作業のために再利用することができ、または任意の他の目的のために利用することができる。
【００１５】
本発明の実施形態では、バイパスライン１５３は、圧縮機１２１の上流で第１のガス供給ライン１５１に接続された第１の端部１５６と、圧縮機１２１の下流で第２のガス供給ライン１５２に接続された第２の端部１５７とを有する。第１のガス供給ライン１５１における圧力と、第２のガス供給ライン１５２における圧力との圧力比によって、ガスは、第１の端部１５６から第２の端部１５７へ、または第２の端部１５７から第１の端部１５６へのいずれかに流れることができる。例えば、エンジン組立体１００が、ターボチャージャーとして作動するように構成される場合、ガスは、バイパスライン１５３に沿って第１のガス供給ライン１５１に接続された端部１５６から、第２のガス供給ライン１５２に接続された第２の端部１５７へと、圧縮機１２１を迂回して流れることができる。バイパスライン１５３を介して送られるガスは、第１のガス供給ライン１５１からのガスのほんの一部であり、第１のガス供給ライン１５１を通って流れる残りのガスは、圧縮機１２１へと流れる。
【００１６】
バイパスライン１５３は、第１または第２のガス供給ライン１５１または１５２からのガスの一部を迂回させるため、ガス供給システム１１０における、あるいは第１または第２のガス供給ライン１５１、１５２に沿った、あるいはバイパスライン１５３に沿った弁などのガス供給機構を制御することで、ガス供給システム１１０と燃焼システム１３０の間のガスの流れにおいて非線形応答が生じることになる。換言すると、所定の量だけガス流を増加させるように弁を調節することは、結果として恐らく、燃焼システム１３０の吸気マニフォルド１３１における、例えばガスの濃度などのガスの特性の比例的なまたは線形の変化にはならない。
【００１７】
本発明の実施形態では、ガスは、純粋なガスまたはガス混合物、すなわち大気中の空気（本明細書では「空気」とも呼ばれる）と別のガス、例えば酸素、窒素または任意の他のガス、または大気中の空気以外の複数のガスの混合物との組み合わせであってよい。換言すると、本明細書における用語「ガス」は、この用語が使用される文脈によって、純粋なガスまたは空気以外のガスの混合物を指すか、またはガス／空気混合物を指す場合がある。例えば第１のガス供給ライン１５１および第２のガス供給ライン１５２を流れるガスは、ガス／空気混合物であってよく、その一方でガス供給源、例えば図２のガス供給源１１１から供給されるガスは、純粋なガスまたは空気以外のガスの混合物であってよい。
【００１８】
ガスエンジン組立体１００は、ガス供給制御機構１６２および１６４を含み、これらは本明細書では弁（Ｖ)１６２および１６４とも呼ばれ、バイパスライン１５３および第２のガス供給ライン１５２に沿って位置する。これらは組立体１００においてガス流を制御するための弁の一例として提供されており、本発明の実施形態は、追加の弁、組立体１００内の異なる場所に位置する弁、および弁以外の他のタイプのガス供給制御機構も包含する。
【００１９】
ガスエンジン組立体１００はまた、センサ（Ｓ)１６１および１６３を含む。センサ１６１は、第１のガス供給ライン１５１に沿って配置されてよく、センサ１６３は、第２のガス供給ライン１５２に沿って配置されてよい。センサ１６１および１６３は、一例として提供されているが、本発明の実施形態は、例えばバイパスライン１５３に沿った、ガス供給システム１１０内、タービン構造体１２０内、多数の流路１３１または１３２の１つまたは複数に沿った、第３のガス供給ライン１５４に沿った、または排気流路１５５に沿った組立体１００内での任意の配置のセンサも包含する。センサ１６１および１６３は、任意のタイプのセンサ、例えば圧力センサ、温度センサ、流量センサまたは任意の他のタイプのセンサを含む場合もある。
【００２０】
ガスの流路を第１の、第２のおよび第３のガス供給ライン１５１、１５２および１５４、バイパスライン１５３ならびに排気経路１５５として記載されてきたが、本発明の実施形態は、ラインまたは導管に限定されるものではなく、実施形態は、ガスの流れを制限し、誘導することができるいずれの構造体も包含する。一例の構造体には、ライン、管、ホースおよび例えばタービン構造体１２０などの構造体の中に穴あけされた、または形成された空洞、例えばフレーム構成要素もしくはタービン構造体１２０または任意の他の構造体などのフレーム構造体によって形成された空洞が含まれる。第１の、第２のおよび第３のガス供給ライン１５１、１５２および１５４、バイパスライン１５３および排気経路１５５は、いずれの形状も含むことができ、かつ例えば管状、実質的に平坦な、直線の、湾曲した、狭い、断面積が縮小する、断面積が拡大する、または組立体１００の設計問題による任意の他の形状などの様々な形状を有する種々の部分を有することができる。
【００２１】
ガスエンジン組立体１００はさらに、エンジン制御組立体１４０を含み、これはガス供給システム１１０から燃焼システム１３０へのガスの供給を制御するように構成されている。一実施形態において、エンジン制御組立体１４０は、処理回路、メモリ、プログラム可能論理、受動電気構成要素および他の回路などの回路を含むことで、データを受信、記憶、分析および送信する。エンジン制御組立体１４０は、センサ１６１および１６３からの測定値１４１を受信し記憶する。測定値１４１は、フィードフォワード分析装置１４２において利用され、第１および第２のガス供給ライン１５１および１５２に沿ったガスの輸送遅れを測定し、その一方で、バイパスライン１５３を通るガス流の一部の分岐を考慮する。したがって、一実施形態においてフィードフォワード分析装置１４２は、非線形アルゴリズムを適用することで、フィードフォワード補償信号を生成する。
【００２２】
一実施形態において、フィードフォワード分析装置１４２は、測定されたセンサデータを入力として受信し、ガスエンジン組立体１００の輸送遅れに相当する１つまたは複数の値を出力として生成するアルゴリズムを表すように構成されたソフトウェアまたはハードウェアの一方またはその両方を含む。このアルゴリズムは、ガス供給路（例えばガス供給システム１１０を通る、第１のガス供給ライン１５１に沿った、圧縮機１２１を通る、第２のガス供給ライン１５２に沿った、およびバイパスライン１５３に沿った）に沿ったマニフォルド中のガス濃度の変化をエンジン状況の関数として記述する。いくつかの実施形態において、エンジン状況は、燃焼システム１３０の燃焼レベル、タービン構造体１２０の回転速度もしくはトルクレベル、燃料消費レベル、ガス流レベル、排気レベルまたは他のエンジン状況に相当する。
【００２３】
一実施形態において、アルゴリズムは、ガス供給機構と吸気マニフォルド１３１間の輸送遅れを表す非線形アルゴリズムである。このアルゴリズムは、第１および第２のガス供給ライン１５１および１５２からのガスの一部をバイパスライン１５３を通るように迂回させることを考慮している。
【００２４】
エンジン制御組立体１４０はまた、目標値生成器１４３を含む。目標値は、ガスパラメータの値など特定のエンジン状況に相当する。一実施形態において、目標値は、燃焼システム１３０の吸気マニフォルド１３１において所望されるガスの濃度に相当する。一実施形態において、目標値は、ユーザからのデータ入力、ガスタービンを制御するためのモデルデータ、または任意の他の基準データなどの基準データに基づいて計算される。例えばガスエンジン組立体１００は、シャフト１２３の回転速度、シャフト１２２のトルクレベル、事前定義された排気出力レベル、所定の燃料消費レベル、所定のガス消費レベル、これらのレベルの何らかの組み合わせ、または出力に対応する任意の他の判定基準などの所望の出力レベルを達成するように目標値を計算する特定のモデルに従って制御することができる。
【００２５】
目標値は、フィードバック分析装置１４４に提供され、この装置は、目標値を測定値１４１と比較することで誤差値を生成する。フィードフォワード分析値と、誤差値は、制御信号生成器１４５に提供され、ガスエンジン組立体１００の作動を制御する制御信号を生成する。制御信号の例には、弁１６２および１６４を制御するための制御信号、ガス供給システム１１０からのガスの供給を制御するための制御信号、燃焼システム１３０に供給される燃料を制御するための制御信号、またはガスエンジン組立体１００の任意の他の可変パラメータを制御するための制御信号が含まれる。
【００２６】
一実施形態において、フィードフォワード分析装置１４２は、圧力センサおよび温度センサからの圧力データと温度データの一方のみまたはその両方に基づいて輸送遅れを計算する。別の実施形態において、フィードフォワード分析装置１４２は、圧力センサから圧力データ、温度センサからの温度データ、圧縮機１２１、シャフト１２３またはタービン段１２２の回転速度データ、およびガス供給機構を通るガス流の量のうちの１つのみまたはその複数に基づいて輸送遅れを計算する。換言すると、ガスエンジン組立体１００は、任意の数および任意のタイプのセンサを含むことができ、フィードフォワード分析装置１４２は、種々のセンサの各々を利用して、輸送遅れを計算することができる、またはフィードフォワード分析装置１４２は、圧力センサ、温度センサおよびタービン構造体１２０の回転速度センサのみのセンサのサブセットのみを利用して輸送遅れを計算する場合もある。
【００２７】
一実施形態において、ガスエンジン組立体１００は、ラムダセンサおよび酸素濃度センサの一方またはその両方を含まない。このような一実施形態において、フィードフォワード分析装置１４２は、システムに関する輸送遅れを計算することで、例えば圧力センサ、温度センサ、回転速度センサおよびガス流センサなどのガス供給路に沿った他のセンサに基づいてガス供給制御信号１４５を調節する。別の実施形態において、ガスエンジン組立体１００は、ラムダセンサおよび酸素濃度センサの一方またはその両方を含む。このような一実施形態において、フィードフォワード分析装置１４２は、輸送遅れを計算することでシステムの冗長性を提供することができる。このような一実施形態において、フィードフォワード分析装置１４２によって計算された輸送遅れは、ラムダセンサおよび酸素濃度センサの一方またはその両方によって生成されたデータと比較され、センサの故障、ソフトウェアの故障、またはガスエンジン組立体１００における他の異常を検出する。
【００２８】
図１は、ガスエンジン組立体１００の構成を示しており、これはバイパスライン１５３の第１の端部１５６の上流でガス供給システム１１０から噴射されるガスを有する。しかしながら本発明の実施形態は、ガスおよび空気供給ライン１５１および１５２に沿ったいずれの地点でのガスの噴射も包含する。例えば、一実施形態においてバイパスライン１５３の第１端部１５６は、ガス供給システム１１０の上流に位置する。このような一実施形態において、空気をガス供給システム１１０に供給することができ、この空気は、バイパスライン１５３の第１の端部１５６においてバイパスライン１５３の開口を横切るように流れることができる。上記で考察したように、ガス供給システム１１０によってガスを空気ストリーム内に混合させることができる。
【００２９】
さらに別の実施形態において、ガス供給システム１１０は、弁１６４より前で、ガスバイパスライン１５３の第２の端部１５７から下流でガスを供給ライン１５２へと噴射する場合もあり、この弁は、絞り弁１６４と呼ばれる場合もある。換言すると、本発明の実施形態は、ガス供給システム１１０から第１および第２のガス供給ライン１５１および１５２へとガスを取り込む任意の構成を包含する。
【００３０】
図２は、本発明の別の実施形態によるガスエンジン組立体２００を示す。図１のもとの同様のガスエンジン組立体２００の要素は、予め記載されているため、図２に関して繰り返し記載されない。図２に示されるように一実施形態において、ガス供給システム１１０は、ガス供給源１１１、ガス流量調節弁（Ｖ)１１２、センサ（Ｓ)１１３および空気／ガス混合物（Ｍ）１１４を含む。ガス供給源１１１は、貯蔵容器、濾過システムまたはガスエンジン組立体２００に空気以外のガスを提供する他のシステムまたは経路であってよい。
【００３１】
ガス流量調節弁１１２は、ガスエンジン組立体２００への空気以外のガスの流れを調節し、センサ１１３は、圧力、温度、濃度、流量または任意の他の特性などの空気以外のガスの特性を検出する。混合機１１４は、燃焼システム１３０に供給すべき空気以外のガスに加えられる空気の量を調節する。結果として生じるガス（これは空気以外のガス、または空気と空気以外のガスの混合物、すなわちガス／空気混合物であってよい）が、圧縮機１２１に供給され、図１に関して考察したように一部をバイパスライン１５３を通るように迂回させることができる。
【００３２】
一実施形態において圧縮機１２１からのガスは、ガスの温度を管理する中間冷却器１６８に供給される。弁１６４は、これは絞り弁１６４と呼ばれる場合もあり、燃焼システム１３０へのガスの流れを制御する。センサ１６５は、絞り弁１６４から下流に位置しており、吸気マニフォルド１３１におけるガスの特性を検出する。一実施形態において、吸気マニフォルド１３１の複数の流路の各々は、別個のセンサ１６５を含む。
【００３３】
一実施形態において、ガスエンジン組立体は、センサ１６６および１６７を含むことで、排気マニフォルド１３２およびタービン段１２２からの排ガス出力の特性をそれぞれ検出する。本発明の実施形態において、ガス供給機構が制御される時間と、吸気マニフォルド１３１においてこれに対応するガス流の特徴を受け取るまでの時間との間の輸送遅れは、センサ１１３、１６１、１６３、１６５、１６６および１６７の１つまたは複数から検出されたデータに基づいて計算することができる。一実施形態において輸送遅れは、センサ１１３、１６１、１６３、１６５、１６６および１６７の２つ以上からのデータに基づいて計算される。一実施形態において輸送遅れは、センサ１１３、１６１、１６３、１６５、１６６および１６７の２つ以上からのデータの経時的な分析作業に基づいて計算される。
【００３４】
例えば、一実施形態において、ガス供給制御信号が混合機１１４に送信され、第１のガス供給ライン１５１に供給されるガスと空気の比率を調節する。ガス流の特性の変化、例えばガスの圧力または温度の変化が、センサ１６１によって検出され、これに対応する特徴が、センサ１６１によってエンジン制御組立体１４０に提供されるデータセットにおいて検出される。ガス流の特性の変化、例えば圧力または温度の変化はまた、センサ１６５によっても検出され、これに対応する特徴が、センサ１６５によってエンジン制御組立体１４０に提供されるデータセットにおいて検出される。一実施形態において、センサ１６１および１６５からのデータセットにおいて検出された特徴は、空気とガスの比率の変化に対して非線形の関係を有するが、ガスの少なくとも一部を分岐させて圧縮機１２１を迂回させる（または第２のガス供給ライン１５２から第１のガス供給ライン１５１に戻るように供給させる）バイパスライン１５３に少なくとも一部起因している。一実施形態において、エンジン制御組立体１４０のフィードフォワード分析装置１４２は、流れの特性における変化に対応する特徴が、センサ１６１および１６５からのデータセットに現れる時間を分析し、混合機１１４が設定を変える時間と、ガス特性における変化（例えばガスの濃度の変化）を有するガスの対応する部分が吸気マニフォルド１３１に達した時間との間の輸送遅れを判定する。制御信号生成器１４５はこのとき、計算された輸送遅れ値を考慮しつつ、制御信号を調節または生成し弁または他のガス供給制御機構を制御する。
【００３５】
図１および図２は、一段式のガスタービンを示しているが、本開示の実施形態は、一段式に限定されるものではなく、例えば図３は、本発明の実施形態による２段式のガスエンジン組立体３００を示している。
【００３６】
２段式ガスエンジン組立体３００は、２段式ガスエンジン組立体３００が、低圧タービン構造体３２０と、高圧タービン構造体３３０とを含むこと以外は、図１および図２のガスエンジン組立体１００および２００と同様である。２つのタービン段３２０および３３０が図３に示されているが、本発明の実施形態は、任意の数のタービン構造を包含する。
【００３７】
２段式ガスエンジン組立体３００は、ガス供給システム３１０、低圧タービン構造体３２０、高圧タービン構造体３３０および燃焼システム３５０を含む。ガス供給システム３１０は、ガス供給源３１１、ガス流量調節弁（Ｖ)３１２、センサ（Ｓ)３１３および空気／ガス混合機（Ｍ)３１４を含む。ガス供給源３１１、ガス流量調節弁（Ｖ)３１２、センサ（Ｓ)３１３および空気／ガス混合機（Ｍ)３１４は、図２にガス供給源１１１、ガス流量調節弁（Ｖ)１１２、センサ（Ｓ)１１３および／または空気／ガス混合機（Ｍ)１１４に関して予め記載されている。
【００３８】
空気／ガス混合機３１４から出力されたガス（これは、空気以外のガス、または空気と空気以外のガスの混合物、すなわちガス／空気混合物であってよい）は、低圧タービン構造体３２０の圧縮機３２１へと供給される。低圧タービン構造体は、圧縮機３２１と、タービン段３２２と、タービン段３２２へのガスの供給に基づいて回転するシャフト３２３とを含む。一部の状況では、空気／ガス混合機３１４からのガスの一部が（ガス流の全てではない）、バイパスライン３４０および３４４の一方またはその両方を通るように分岐される。ガスは圧縮機３２１から中間冷却器３６２へと供給されることで、ガスの温度が制御され、ガスは、高圧タービン構造体３３０の圧縮機３３１に送られる。高圧タービン構造体３３０は、圧縮機３３１と、タービン段３３２と、タービン段３３２へのガスの供給に基づいて回転するシャフト３３３とを含む。一部の状況では、圧縮機３２１からのガスの一部が（ガス流の全てではない）、バイパスライン３４２および３４４の一方またはその両方を通るように分岐される。
【００３９】
ガスは、圧縮機３３１から中間冷却器３６４および混合機３７０へと供給される。混合機３７０は、ガス供給源３６８から空気以外のガスを受け取り、ガスの流れは、ガス供給制御機構（Ｖ)３６９によって制御することができる。２つの混合機３７０および３１４が図３に示されているが、一実施形態では、空気のみが第１の圧縮機３２１に供給され、２段式ガスタービン３００は、ガス供給システム３１０を含まない。このような一実施形態では、混合機３７０は、吸気マニフォルド３５１に供給されるガスと空気の比率を調節するように構成された空気／ガス混合機３７０である。２つのガス供給源３１１および３６８が存在し、２つの混合機３１４および３７０が存在する別の実施形態において、混合機３７０は、燃焼システム３５０へと流れる空気／ガス混合物に対するガス供給源３１１からのガスと同一のガスまたはそれと異なるガスの追加を調節する。
【００４０】
絞り弁３７１は、吸気マニフォルド３５１へのガスの流れを制御し、加熱され燃焼したガスが、排気マニフォルド３５１から流れ出て、タービン段３３２および３２２へと流れる。ガス供給制御機構は、これは弁（Ｖ)３１２、３６６、３６７、３６８、３６９および３７１とも呼ばれ、ガス供給源３１１および３６８から燃焼システム３５０へのガスのおよび空気／ガス混合物の流れを制御する。弁３１２、３６６、３６７、３６８、３６９および３７１は、エンジン制御組立体、例えば図１に示されるエンジン制御組立体１４０などによって制御されることで、ガスおよび空気／ガス混合物の流れを制御する。センサ３１３、３６３、３６５、３７２、３７３、３７４および３７５が、２段式ガスエンジン組立体３００におけるガスと、空気／ガス混合物の特性を測定する。センサ３１３、３６３、３６５、３７２、３７３、３７４および３７５は、図１および図２のセンサ１１３、１６１、１６３、１６５、１６６および１６７と同様であり、これは予め記載されている。
【００４１】
図１および図２に関して上記で考察したように、１つまたは複数のセンサ３１３、３６３、３６５、３７２、３７３、３７４および３７５からの測定値は、エンジン制御組立体１４０に供給され、２段式ガスエンジン組立体３００の輸送遅れを計算する。エンジン制御組立体１４０は、この輸送遅れを考慮してガス供給機構制御信号を生成することで、ガス供給機構３１２、３６６、３６７、３６８、３６９および３７１を制御する。
【００４２】
図４は、本発明の一実施形態によるガスエンジン制御装置４００を示す。ガスエンジン制御装置４００は、例えば図１のエンジン制御組立体１４０に相当する可能性がある。ガスエンジン制御装置４００は、軌道生成器４０２を含み、これには、例えば図１から図３のガスタービン組立体１００、２００および３００などのガスエンジン組立体の作動状況間の移行を記述するアルゴリズムを表すハードウェアおよびソフトウェアの一方またはその両方が含まれる。換言すると、軌道生成器４０２は、ユーザから、メモリに記憶された、別の制御システムから、または任意の他の供給源から入力データとして基準データを受信する。軌道生成器４０２は、エンジン組立体の現在の状況および目標とする状況を判定する。軌道生成器４０２は、現在の状況から目標状況までの軌道を計算し、この軌道に沿った特定の地点に対応する目標値を出力する。ガスエンジン組立体の目標状況の例には、任意の測定可能なパラメータ、例えば出力レベル、シャフトまたはタービン段の回転速度、燃焼システムの温度または圧力、消費される燃料、ガス流またはガスエンジン組立体の任意の他の状況が含まれる。
【００４３】
ガスエンジン制御装置４００はまた、ガスエンジン組立体のセンサからの測定値と、軌道生成器４０２からの目標値を入力として受信する比較装置４０４を含む。比較装置４０４は、現在測定されたデータと、目標値との差に相当する誤差値を生成する。この誤差値は、特定の数字、特定の範囲の数字、サブセットの値を定義する式または任意の他の値であってよい。誤差値は、補償信号生成器４０６に出力され、これは、この誤差値に基づいてガスエンジン組立体のガス供給機構を制御する補償信号を生成する。
【００４４】
ガスエンジン制御装置４００はまた、輸送遅れ計算機４０８を含む。輸送遅れ計算機４０８は、図１のフィードフォワード分析装置１４２に相当する可能性がある。輸送遅れ計算機は、測定されたセンサデータを入力として受信し、ガスエンジン組立体の輸送遅れに相当する１つまたは複数の値を出力として生成するアルゴリズムを表すように構成されたソフトウェアおよびハードウェアの一方またはその両方を含む。このアルゴリズムは、エンジン状況の関数として、ガス供給路に沿ったマニフォルドにおけるガス濃度の変化を記述する。エンジン状況は、燃焼システムの燃焼レベル、タービン構造体の回転速度もしくはトルクレベル、または任意の他のエンジン状況に相当する場合がある。
【００４５】
一実施形態において、アルゴリズムは、ガス供給機構と吸気マニフォルド間の輸送遅れを表す非線形アルゴリズムである。アルゴリズムは、一部のガス（ガスの全てではない）が、ガスストリームが中を流れる圧縮機から上流および下流に接続された端部を有するガスエンジン組立体のバイパスラインを通るように分岐させることを考慮している。
【００４６】
補償信号および輸送遅れ値は、輸送遅れ補償装置４１０に提供され、この輸送遅れ信号に基づいて補償信号を調節する。調節された補償信号は、制御信号生成器４１２に出力され、これは、ガスエンジン組立体におけるガス供給制御機構に対する１つまたは複数の適切な制御信号を生成することで、ガスエンジンシステムの燃焼システムへのガスまたは空気／ガス混合物の流れを制御する。
【００４７】
いくつかの実施形態において、軌道生成器４０２、比較装置４０４、補償信号生成器４０６、輸送遅れ計算機４０８、輸送遅れ補償装置４１０および制御信号生成器４１２は、同一のコンピュータチップ、マイクロコントローラ回路、集積回路、回路基板または処理回路およびメモリを封入する筐体を有するコンピュータに組み入れられる。他の実施形態において、軌道生成器４０２、比較装置４０４、補償信号生成器４０６、輸送遅れ計算機４０８、輸送遅れ補償装置４１０および制御信号生成器４１２の１つまたは複数は、複数のコンピュータチップ、マイクロコントローラ回路、集積回路、回路基板またはコンピュータに分散されて組み入れられる。
【００４８】
図５は、一実施形態によるガスエンジン組立体を制御する方法のフローチャートを示している。ブロック５０２において、ガスエンジン組立体におけるセンサ測定値が取得される。センサ測定値には、圧力センサ、温度センサ、エンジン速度センサおよびガス流センサが含まれてよい。一実施形態において。センサ測定値は、ラムダセンサおよび酸素濃度センサの一方またはその両方を除外する。センサ測定値は、ガス供給源と燃焼システム間のガス供給のガスの特性と、ガスタービンの特性、例えば回転速度のうちの一方またはその両方に相当する。いくつかの実施形態において、センサ測定値は、ガス供給源と燃焼システム間のガス／空気混合物のガス／空気混合物特性に相当する。
【００４９】
ブロック５０４において、測定値は、１つまたは複数の目標値と比較され、誤差値を生成する。一実施形態において、目標値は、ガスエンジン組立体の現在の状況と、ガスエンジン組立体の目標状況に対応する軌道に基づいて計算される。このような一実施形態において、目標値は、この軌道に沿った地点に相当し、誤差値は、現在測定されたガスタービンの特性と、目標のガスタービンの特性との差に相当する。
【００５０】
ブロック５０６において、測定値は経時的に分析し、輸送遅れを計算する。一実施形態において、輸送遅れは、測定されたセンサデータを入力として受信し、ガスエンジン組立体の輸送遅れに相当する１つまたは複数の値を出力として生成するアルゴリズムに基づいて判定される。 このアルゴリズムは、エンジン状況の関数として、ガス供給路に沿ったマニフォルドにおけるガス濃度の変化を記述する。いくつかの実施形態において、エンジン状況は、燃焼システムの燃焼レベル、タービン構造体の回転速度もしくはトルクレベルまたは任意の他のエンジン状況に相当する。一実施形態においてアルゴリズムは、ガス供給機構と吸気マニフォルド間の輸送遅れを表す非線形アルゴリズムである。アルゴリズムは、ガスストリームが中を流れる圧縮機から上流および下流に接続された端部を有する、ガスエンジン組立体のバイパスラインを通るようにガスの一部を分岐させることを考慮する。
【００５１】
一実施形態において、測定値の経時的な分析は、ガス供給制御信号に相当する第１のセンサからの第１のセットの測定値において第１の特徴を特定するステップと、同一のガス供給制御信号に相当する第２のセンサからの第２のセットの測定値において第２の特徴と特定するステップとを含む。輸送遅れはこの後、第１の特徴と第２の特徴の間の時間差に基づいて計算される。
【００５２】
ブロック５０８において、制御信号が生成され、計算された誤差値と、輸送遅れ値に基づいて１つまたは複数のガス供給機構を制御する。
【００５３】
本発明の実施形態は、ガス供給路に沿って燃焼システムまでのバイパスラインによって少なくとも一部が導入される非線形特性を考慮した輸送遅れ値に基づいてガスエンジン組立体を制御する。本発明の実施形態は、任意のタイプのセンサ、例えば圧力、温度、エンジン速度およびガス流センサを含むシステムを包含し、一実施形態において、システムは、ラムダセンサまたは酸素濃度センサを含まない。実施形態は、一段式および多段式タービン組立体を包含する。
【００５４】
本発明の実施形態は、タービン組立体、エンジン制御システム、回路、組立体、プログラムおよびモデル、ならびに出力を制御するために設けられたガス供給ラインを含み、かつガス供給ラインに沿ったバイパスラインを含む他のエンジン組立体を包含する。本発明の実施形態はまた、例えばタービン組立体を制御するための方法、輸送遅れ値を計算するための方法、ガス供給制御信号を生成するための方法を包含する。
【００５５】
本発明を、限られた数の実施形態のみに関連して詳細に記載してきたが、本発明はこのような開示される実施形態に限定されるものではないことを容易に理解すべきである。むしろ本発明は、これまで記載されていないが、本発明の精神および範囲に見合った任意の数の変形形態、代替形態、代用形態または等価な構成を組み込むように修正することができる。これに加えて、本発明の種々の実施形態を記載してきたが、本発明の態様は、記載される実施形態の一部のみを含むことができるものと理解すべきである。したがって本発明は、前述の記載によって制限されるものと理解すべきではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ制限されるものである。
【符号の説明】
【００５６】
１００  ガスエンジン組立体
１１０  ガス供給システム
１２０  タービン構造体
１２１  圧縮機
１２２  タービン段
１２３  シャフト
１３０  燃焼システム
１３１  吸気マニフォルド
１３２  排気マニフォルド
１４０  エンジン制御組立体
１４１  測定値
１４２  フィードフォワード分析装置
１４３  目標値生成器
１４４  フィードバック分析装置
１４５  制御信号生成器
１５１  第１のガス供給ライン
１５２  第２のガス供給ライン
１５３  バイパスライン
１５４  第３のガス供給ライン
１５５  排気経路
１５６  第１の端部
１５７  第２の端部
１６１  センサ
１６２  弁
１６３  センサ
１６４  弁
１６５  センサ
１６６  センサ
１６７  センサ
１６８  中間冷却器
３００  ２段式ガスエンジン組立体
３１０  ガス供給システム
３１１  ガス供給源
３１２  ガス流量調節弁
３１３  センサ
３１４  空気／ガス混合機
３２０  低圧タービン構造体
３２１  圧縮機
３２２  タービン段
３２３  シャフト
３３０  高圧タービン構造体
３３１  圧縮機
３３２  タービン段
３３３  シャフト
３４０  バイパスライン
３４２  バイパスライン
３４４  バイパスライン
３５０  燃焼システム
３５１  吸気マニフォルド
３５２  排気マニフォルド
３６１  センサ
３６２  中間冷却器
３６３  センサ
３６４  中間冷却器
３６５  センサ
３６６  ガス供給機構
３６７  ガス供給機構
３６８  ガス供給源
３６９  ガス供給制御機構
３７０  混合機
３７１  絞り弁
３７２  センサ
３７３  センサ
３７４  センサ
３７５  センサ
４００  ガスエンジン制御装置
４０２  軌道生成器
４０４  比較装置
４０６  補償信号生成器
４０８  輸送遅れ計算機
４１０  輸送遅れ補償装置
４１２  制御信号生成器
５０２  フローチャートブロック
５０４  フローチャートブロック
５０６  フローチャートブロック
５０８  フローチャートブロック
【図１】
2014219000.tif 000003
【図２】
2014219000.tif 000004
【図３】
2014219000.tif 000005
【図４】
2014219000.tif 000006
【図５】
2014219000.tif 000007
【外国語明細書】
2014219000000001.pdf