(57)【要約】      （修正有）【課題】ガスタービンシステムの圧縮機の着氷、を検出するためのシステムおよび方法を提供する。【解決手段】制御器５６は、圧縮機２４のそのときの圧縮機効率値、圧縮機のそのときの圧縮機流量値、またはこれらを任意に組み合わせたものを決定することと、そのときの圧縮機効率値を圧縮機の圧縮機効率モデルと比較すること、そのときの圧縮機流量値を圧縮機の圧縮機流量モデルと比較すること、またはこれらを任意に組み合わせることと、そのときの圧縮機効率値と圧縮機効率モデルとの間の第１の差が第１のしきい値より大きい場合、そのときの圧縮機流量値と圧縮機流量モデルとの間の第２の差が第２のしきい値より大きい場合、またはこれらが任意に組み合わさった場合に、入口抽気加熱システムに着氷指示を与えることとによって、圧縮機の入口部の着氷状態を検出するように構成される。【選択図】図１
2018204604.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機（２４）の入口抽気加熱システム（４０）に結合された制御器（５６）を備えるシステムであって、前記制御器（５６）が、前記圧縮機（２４）の入口部（２３）の着氷状態（３３０）を検出するように構成され、前記着氷状態（３３０）を検出することが、
前記圧縮機（２４）のそのときの圧縮機効率値、前記圧縮機（２４）のそのときの圧縮機流量値、またはこれらを任意に組み合わせたものを決定することであって、前記そのときの圧縮機効率値および前記そのときの圧縮機流量値が、前記圧縮機（２４）の検知された圧縮機値に少なくとも部分的に基づく、決定することと、
前記そのときの圧縮機効率値を前記圧縮機（２４）の圧縮機効率モデルと比較すること、前記そのときの圧縮機流量値を前記圧縮機（２４）の圧縮機流量モデルと比較すること、またはこれらを任意に組み合わせることと、
前記そのときの圧縮機効率値と前記圧縮機効率モデルとの間の第１の差が第１のしきい値より大きい場合、前記そのときの圧縮機流量値と前記圧縮機流量モデルとの間の第２の差が第２のしきい値より大きい場合、またはこれらが任意に組み合わさった場合に、前記入口抽気加熱システム（４０）に着氷指示（１９４）を与えることと
を含む、システム。
【請求項２】
前記制御器（５６）が、前記入口抽気加熱システム（４０）から前記圧縮機（２４）の前記入口部（２３）への抽気流量（１６６）を、前記第１の差を前記第１のしきい値より小さくするように、または前記第２の差を前記第２のしきい値より小さくするように決定するように構成される、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記着氷指示（１９４）を前記入口抽気加熱システム（４０）に与えたときに、前記制御器（５６）が、前記入口抽気加熱システム（４０）から前記圧縮機（２４）の前記入口部（２３）への抽気流を自動的に制御するように構成される、請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記圧縮機（２４）および前記制御器（５６）に結合された圧縮機センサを備え、前記圧縮機センサが、前記検知された圧縮機値を前記制御器（５６）に提供するように構成され、前記圧縮機センサが、温度センサ、圧力センサ、またはこれらを任意に組み合わせたものを備える、請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記制御器（５６）に結合された１つまたは複数の周囲環境センサを備え、
前記制御器（５６）が、
前記１つまたは複数の周囲環境センサから周囲環境データを受け取ることであって、前記周囲環境データが、前記入口部（２３）への流れの周囲温度、前記入口部（２３）への前記流れの湿度、またはこれらを任意に組み合わせたものを含むことと、
前記周囲環境データを１つまたは複数の着氷しきい値と比較することと、
前記周囲環境データが前記１つまたは複数の着氷しきい値を満足する場合にのみ、前記入口部（２３）の前記着氷状態（３３０）を検出することと
を行うように構成される、請求項１記載のシステム。
【請求項６】
前記着氷状態（３３０）を検出することが、
前記圧縮機（２４）の前記そのときの圧縮機効率値および前記圧縮機（２４）の前記そのときの圧縮機流量値を決定することと、
前記そのときの圧縮機効率値を前記圧縮機（２４）の前記圧縮機効率モデルと比較すること、および前記そのときの圧縮機流量値を前記圧縮機（２４）の前記圧縮機流量モデルと比較することと、
前記第１の差が前記第１のしきい値より大きく、かつ前記第２の差が前記第２のしきい値より大きい場合に、前記入口抽気加熱システム（４０）に前記着氷指示（１９４）を与えることと
を含む、請求項１記載のシステム。
【請求項７】
前記着氷状態（３３０）を検出することが、
圧縮機効率の変化率、圧縮機流量の変化率、またはこれらを任意に組み合わせたものを決定することと、
前記圧縮機効率の変化率を効率の変化率しきい値と比較すること、前記圧縮機流量の変化率を流量の変化率しきい値と比較すること、またはこれらを任意に組み合わせることと、
前記圧縮機効率の変化率が前記効率の変化率しきい値より大きい場合、前記圧縮機流量の変化率が前記流量の変化率しきい値より大きい場合、またはこれらが組み合わさった場合に、前記入口抽気加熱システム（４０）に前記着氷指示（１９４）を与えることと
を含む、請求項１記載のシステム。
【請求項８】
前記圧縮機効率モデルが、予測される効率の悪化に少なくとも部分的に基づき、前記圧縮機流量モデルが、予測される流量の悪化に少なくとも部分的に基づく、請求項１記載のシステム。
【請求項９】
前記入口抽気加熱システム（４０）が、前記圧縮機（２４）から前記圧縮機（２４）の前記入口部（２３）への抽気通路（４４）を備える、請求項１記載のシステム。
【請求項１０】
前記圧縮機効率モデルおよび前記圧縮機流量モデルが、前記圧縮機（２４）の負荷、前記圧縮機（２４）の速度、またはこれらを組み合わせたものに少なくとも部分的に基づく、請求項１記載のシステム。
【請求項１１】
圧縮機（２４）の入口抽気加熱システム（４０）に結合された制御器（５６）を備えるシステムであって、前記制御器（５６）が、前記圧縮機（２４）の入口部（２３）の着氷状態（３３０）を検出するように構成され、前記着氷状態（３３０）を検出することが、
前記圧縮機（２４）のそのときの圧縮機効率値、前記圧縮機（２４）のそのときの圧縮機流量値、またはこれらを任意に組み合わせたものを決定することであって、前記そのときの圧縮機効率値および前記そのときの圧縮機流量値が、前記圧縮機（２４）の検知された圧縮機値に少なくとも部分的に基づく、決定することと、
前記圧縮機（２４）の圧縮機効率モデルを前記そのときの圧縮機効率値と比較すること、前記圧縮機（２４）の圧縮機流量モデルを前記そのときの圧縮機流量値と比較すること、またはこれらを任意に組み合わせることと、
前記比較に基づいて、前記圧縮機効率モデルを前記そのときの圧縮機効率値に合わせるように、前記圧縮機効率モデルになされる第１の修正、および前記圧縮機流量モデルを前記そのときの圧縮機流量値に合わせるように、前記圧縮機流量モデルになされる第２の修正、またはこれらを任意に組み合わせたものを決定することと、
前記圧縮機効率モデルへの前記第１の修正が第１のしきい値より大きい場合、前記圧縮機流量モデルへの前記第２の修正が第２のしきい値より大きい場合、またはこれらが任意に組み合わさった場合に、前記入口抽気加熱システム（４０）に着氷指示（１９４）を与えることと
を含む、システム。
【請求項１２】
前記制御器（５６）が、抽気流量（１６６）を、前記第１の修正を前記第１のしきい値より小さくするように、または前記第２の修正を前記第２のしきい値より小さくするように決定するように構成される、請求項１１記載のシステム。
【請求項１３】
前記圧縮機（２４）および前記制御器（５６）に結合された圧縮機センサを備え、前記圧縮機センサが、前記検知された圧縮機値を前記制御器（５６）に提供するように構成され、前記圧縮機センサが、温度センサ、圧力センサ、またはこれらを任意に組み合わせたものを備える、請求項１１記載のシステム。
【請求項１４】
前記制御器（５６）に結合された１つまたは複数の周囲環境センサを備え、
前記制御器（５６）が、
前記１つまたは複数の周囲環境センサから周囲環境データを受け取ることであって、前記周囲環境データが、前記入口部（２３）への流れの周囲温度、前記入口部（２３）への前記流れの湿度、またはこれらを任意に組み合わせたものを含むことと、
前記周囲環境データを１つまたは複数の着氷しきい値と比較することと、
前記周囲環境データが前記１つまたは複数の着氷しきい値を満足する場合にのみ、前記入口部（２３）の前記着氷状態（３３０）を検出することと
を行うように構成される、請求項１１記載のシステム。
【請求項１５】
前記圧縮機効率モデルが、予測される効率の悪化に少なくとも部分的に基づき、前記圧縮機流量モデルが、予測される流量の悪化に少なくとも部分的に基づく、請求項１１記載のシステム。
【請求項１６】
前記着氷状態（３３０）を検出することが、
前記圧縮機（２４）の前記そのときの圧縮機効率値および前記圧縮機（２４）の前記そのときの圧縮機流量値を決定することと、
前記圧縮機（２４）の前記圧縮機効率モデルを前記そのときの圧縮機効率値と比較すること、および前記圧縮機（２４）の前記圧縮機流量モデルを前記そのときの圧縮機流量値と比較することと、
前記比較に基づいて、前記圧縮機効率モデルを前記そのときの圧縮機効率値に合わせるように、前記圧縮機効率モデルになされる前記第１の修正、および前記圧縮機流量モデルを前記そのときの圧縮機流量値に合わせるように、前記圧縮機流量モデルになされる前記第２の修正を決定することと、
前記圧縮機効率モデルへの前記第１の修正が前記第１のしきい値より大きい場合、前記圧縮機流量モデルへの前記第２の修正が第２のしきい値より大きい場合、またはこれらが任意に組み合わさった場合に、前記入口抽気加熱システム（４０）に前記着氷指示（１９４）を与えることと
を含む、請求項１１記載のシステム。
【請求項１７】
圧縮機（２４）の入口部（２３）への流れの周囲温度、前記入口部（２３）への前記流れの湿度、またはこれらを任意に組み合わせたものを含む周囲環境データを受け取ることと、
前記圧縮機（２４）の出力の温度、前記圧縮機（２４）の前記出力の圧力、またはこれらを任意に組み合わせたものを含む、前記圧縮機（２４）の検知された圧縮機値を受け取ることと、
前記周囲環境データを１つまたは複数の着氷しきい値と比較することと、
前記周囲環境データが前記１つまたは複数の着氷しきい値を満足する場合にのみ、前記入口部（２３）の着氷状態（３３０）を検出することであって、
前記圧縮機（２４）のそのときの圧縮機効率値、前記圧縮機（２４）のそのときの圧縮機流量値、またはこれらを任意に組み合わせたものを決定することであって、前記そのときの圧縮機効率値および前記そのときの圧縮機流量値が、前記圧縮機（２４）の前記検知された圧縮機値に少なくとも部分的に基づく、決定することと、
前記そのときの圧縮機効率値を前記圧縮機（２４）の圧縮機効率モデルと比較すること、前記そのときの圧縮機流量値を前記圧縮機（２４）の圧縮機流量モデルと比較すること、またはこれらを任意に組み合わすことと、
前記そのときの圧縮機効率値と前記圧縮機効率モデルとの間の第１の差が第１のしきい値より大きい場合、前記そのときの圧縮機流量値と前記圧縮機流量モデルとの間の第２の差が第２のしきい値より大きい場合、またはこれらが任意に組み合わさった場合に、入口抽気加熱システム（４０）に着氷指示（１９４）を与えることと
を含む、前記着氷状態（３３０）を検出することと
を含む方法。
【請求項１８】
前記着氷状態（３３０）を検出することが、
圧縮機効率の変化率、圧縮機流量の変化率、またはこれらを任意に組み合わせたものを決定することと、
前記圧縮機効率の変化率を効率の変化率しきい値と比較すること、前記圧縮機流量の変化率を流量の変化率しきい値と比較すること、またはこれらを任意に組み合わせることと、
前記圧縮機効率の変化率が前記効率の変化率しきい値より大きい場合、前記圧縮機流量の変化率が前記流量の変化率しきい値より大きい場合、またはこれらが組み合わさった場合に、前記入口抽気加熱システム（４０）に前記着氷指示（１９４）を与えることと
を含む、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記圧縮機効率モデルが、予測される効率の悪化に少なくとも部分的に基づき、前記圧縮機流量モデルが、予測される流量の悪化に少なくとも部分的に基づく、請求項１７記載の方法。
【請求項２０】
前記着氷指示（１９４）に少なくとも基づいて、抽気流を、抽気流を前記圧縮機（２４）から前記圧縮機（２４）の前記入口部（２３）に向けるように前記入口抽気加熱システム（４０）を制御することを含む、請求項１７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示する主題は、ガスタービンシステムの圧縮機に関し、より詳細には、ガスタービンシステムの圧縮機の着氷を検出するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンシステムは一般に、圧縮機と、燃焼器と、タービンとを含む。圧縮機は、吸気部から空気を受け入れて、その空気を圧縮した後、この圧縮空気を燃焼器に向ける。燃焼器は圧縮空気と燃料との混合物を燃焼させて高温燃焼ガスを生成する。燃焼ガスはタービンに向けられて、発電機または他の負荷を駆動するなどの仕事を発生する。いくつかの実施形態では、ガスタービンシステムの吸気部に供給された空気は、過冷却水滴を含むことがあり、それによって入口が着氷することがある。防氷システムは、入口の着氷がガスタービンシステムの性能および信頼性に悪い影響を与えることを防ぐように制御動作を採ることができる。不幸にも、伝統的な防氷システムは、圧縮機の着氷を低減するために保守的過ぎる制御動作を実行することがある。伝統的な防氷システムは、着氷が実際に起こるより頻繁に圧縮機の入口抽気加熱システムを作動させるなどの制御動作を実行し、したがってガスタービンシステムの性能に悪い影響を与えることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第９３５９９５９号明細書
【発明の概要】
【０００４】
本来、特許請求される主題の範囲に相応する特定の実施形態を以下に要約する。これらの実施形態は、特許請求する主題の範囲を限定することを意図するものではなく、むしろ、これらの実施形態は、本主題の可能な形態の簡潔な概要を提供することだけを意図する。実際、本主題は、下記に説明する実施形態と同様な、または異なる様々な形態を含むことができる。
【０００５】
第１の実施形態では、システムは、圧縮機の入口抽気加熱システムに結合された制御器を含む。制御器は、圧縮機の入口部の着氷状態を検出するように構成される。さらに、着氷状態を検出することは、圧縮機のそのときの圧縮機効率値、圧縮機のそのときの圧縮機流量値、またはこれらを任意に組み合わせたものを決定することを含む。そのときの圧縮機効率値およびそのときの圧縮機流量値は、圧縮機の検知された圧縮機値に少なくとも部分的に基づく。さらに、着氷状態を検出することは、そのときの圧縮機効率値を圧縮機の圧縮機効率モデルと比較すること、そのときの圧縮機流量値を圧縮機の圧縮機流量モデルと比較すること、またはこれらを任意に組み合わせることを含む。さらに、着氷状態を検出することは、そのときの圧縮機効率値と圧縮機効率モデルとの間の第１の差が第１のしきい値より大きい場合、そのときの圧縮機流量値と圧縮機流量モデルとの間の第２の差が第２のしきい値より大きい場合、またはこれらが任意に組み合わさった場合に、入口抽気加熱システムに着氷指示を与えることを含む。
【０００６】
第２の実施形態では、システムは、圧縮機の入口抽気加熱システムに結合された制御器を含む。制御器は、圧縮機の入口部の着氷状態を検出するように構成される。着氷状態を検出することは、圧縮機のそのときの圧縮機効率値、圧縮機のそのときの圧縮機流量値、またはこれらを任意に組み合わせたものを決定することを含む。そのときの圧縮機効率値およびそのときの圧縮機流量値は、圧縮機の検知された圧縮機値に少なくとも部分的に基づく。さらに、着氷状態を検出することは、圧縮機の圧縮機効率モデルをそのときの圧縮機効率値と比較すること、圧縮機の圧縮機流量モデルをそのときの圧縮機流量値と比較すること、またはこれらを任意に組み合わせることを含む。さらに、着氷状態を検出することは、その比較に基づいて、圧縮機効率モデルをそのときの圧縮機効率値に合わせるように、圧縮機効率モデルになされる第１の修正、および圧縮機流量モデルをそのときの圧縮機流量値に合わせるように、圧縮機流量モデルになされる第２の修正、またはこれらを任意に組み合わせたものを決定することを含む。さらに、着氷状態を検出することは、圧縮機効率モデルへの第１の修正が第１のしきい値より大きい場合、圧縮機流量モデルへの第２の修正が第２のしきい値より大きい場合、またはこれらが任意に組み合わさった場合に、入口抽気加熱システムに着氷指示を与えることを含む。
【０００７】
第３の実施形態では、方法は、圧縮機の入口部への流れの周囲温度、入口部への流れの湿度、またはこれらを任意に組み合わせたものを含む周囲環境データを受け取ることを含む。本方法はまた、圧縮機の出力の温度、圧縮機の出力の圧力、またはこれらを任意に組み合わせたものを含む圧縮機の検知された圧縮機値を受け取ることを含む。さらに、本方法は、周囲環境データを１つまたは複数の着氷しきい値と比較することを含む。さらに、本方法は、周囲環境データが１つまたは複数の着氷しきい値を満足する場合にのみ、入口部の着氷状態を検出することを含む。着氷状態を検出することは、圧縮機のそのときの圧縮機効率値、圧縮機のそのときの圧縮機流量値、またはこれらを任意に組み合わせたものを決定することを含む。そのときの圧縮機効率値およびそのときの圧縮機流量値は、圧縮機の検知された圧縮機値に少なくとも部分的に基づく。着氷状態を検出することはまた、そのときの圧縮機効率値を圧縮機の圧縮機効率モデルと比較すること、そのときの圧縮機流量値を圧縮機の圧縮機流量モデルと比較すること、またはこれらを任意に組み合わすことを含む。さらに、着氷状態を検出することは、そのときの圧縮機効率値と圧縮機効率モデルとの間の第１の差が第１のしきい値より大きい場合、そのときの圧縮機流量値と圧縮機流量モデルとの間の第２の差が第２のしきい値より大きい場合、またはこれらが任意に組み合わさった場合に、入口抽気加熱システムに着氷指示を与えることとを含む。
【０００８】
本主題のこれらのおよび他の特徴、態様、および利点は、図面全体を通して同様な符号が同様な部品を表す添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読めば、よりよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】着氷状態を検出するための制御器を有するガスタービンシステムの実施形態のブロック図である。
【図２】図１のガスタービンシステムの圧縮機の実施形態の概略図である。
【図３】図１の制御器の実施形態のブロック図である。
【図４】図１の制御器によって決定される圧縮機パラメータ、および着氷状態の検出の実施形態のグラフ表示である。
【図５】図２の圧縮機の着氷状態を判定するための方法の実施形態のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本主題の１つまたは複数の特定の実施形態を下記で説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するため、実際の実施態様のすべての特徴を本明細書で説明することはできない。いかなるこうした実際の実施態様の開発に際しても、あらゆるエンジニアリングプロジェクトまたは設計プロジェクトにおけるように、システム関連およびビジネス関連の制約を遵守することなど、実施態様ごとに変わり得る開発者の特定の目標を達成するために、実施態様特有の多くの決定を行われなければならないことを認識すべきである。さらに、このような開発の取り組みは、複雑であり時間を要する場合があるが、それにもかかわらず、この開示の恩恵を受ける当業者にとっては、設計、製作、および製造の定常作業であることを認識すべきである。
【００１１】
本主題の様々な実施形態の要素を導入するときに、冠詞「１つ（ａ）」、「１つ（ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」、および「前記（ｓａｉｄ）」は、それらの要素のうちの１つまたは複数があることを意味することを意図する。用語「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、包括的であることを意図し、列挙した要素以外に追加の要素があり得ることを意味する。
【００１２】
本実施形態は、ガスタービンシステムの圧縮機の着氷状態を検出するためのシステムおよび方法を対象にする。着氷状態が検出されたとき、本実施形態はさらに、入口抽気加熱システムに着氷指示を与えることを含む。着氷指示に基づいて、入口抽気加熱システムは、圧縮機の着氷を低減または除去するように制御動作を実行することができる。制御動作は、入口抽気加熱システムからの抽気流を制御することを含むことができる。伝統的な防氷システムは、ガスタービンシステムの外側の周囲環境条件のみに基づいて制御動作を実行することがある。伝統的な防氷システムはまた、制御動作の運用においても保守的である。すなわち、伝統的な防氷システムは、着氷が実際には起こらない、または着氷が起こりそうもないときも含めて、単に着氷の可能性があることを周囲条件が示すたびに制御動作を使用することがある。制御動作は、入口抽気加熱システムを利用して圧縮機から高温圧縮空気を吸気セクションに供給することを含むので、着氷が起こらなかったとき、および着氷が起こりそうでないときに入口抽気加熱システムを使用すると、エネルギーおよび費用を浪費することになる。したがって、本明細書で説明する技法の利点は、着氷が始まった後、または着氷が起こりそう、または起こっているであろうと着氷条件が示すときなど、入口抽気加熱システムをより適切に利用することによってガスタービンシステムの効率を上昇させることを含むことを理解されたい。本実施形態は、とりわけ圧縮機内の温度、圧縮機内の圧力、または圧縮機の周囲条件などを表すセンサ信号を発生するセンサを利用することを含む。いくつかの実施形態では、制御器は、まず、周囲条件が着氷の可能性を示しているかを判定することができる。例えば、制御器は、ガスタービンエンジンに供給される空気の環境条件（例えば、低温、高湿度、過冷却水滴の存在）が着氷をもたらすかを判定することができる。次いで、制御器は続いて、決められた圧縮機パラメータに基づいて圧縮機の着氷状態を検出する。この着氷状態は、圧縮機に着氷が起こった、または起こりそうであるときを示すことができる。圧縮機パラメータは、例えば、センサデータから決定された圧縮機効率および圧縮機流量を含むことができる。下記で詳細に説明するように、圧縮機パラメータは、圧縮機出口温度、圧縮機出口圧力、またはこれらを任意に組み合わせたものに少なくとも部分的に基づくことができる。圧縮機パラメータがベースラインから所定のしきい値の外側にあると、制御器は着氷状態を検出することができる。いくつかの実施形態では、これに加えて、またはこれに代えて、着氷状態は、ベースラインを圧縮機パラメータに合わせるようにベースラインになされた修正が、しきい修正より大きいときに検出することができる。したがって、入口抽気加熱システムによって熱を圧縮機の入口に加えることなどの制御動作を採って、圧縮機の着氷状態を低減または除去することができる。このようにして、開示する実施形態は、浪費エネルギーを低減しながら制御動作をより適切に使用することによって圧縮機およびガスタービンシステムの効率を上昇させることができる。
【００１３】
図面を参照すると、図１は、着氷状態にあるかを検出し、それが検出された場合には着氷状態への対応を制御するためのガスタービンシステム１０の実施形態のブロック図である。着氷状態にあるかは、圧縮機２４、圧縮機２４の一部分（例えば、入口）、ガスタービンシステム１０の吸気セクション２６、またはこれらを任意に組み合わせたものに対して検出することができる。本開示は任意のターボ機械システムに関することができ、本明細書で説明するガスタービンシステム１０は、本開示が適用される範囲を限定するものではない。ターボ機械システムは、エネルギーをロータから流体に、またはその逆に伝達することを含む任意のシステムに関することができ、図示のガスタービンシステム１０は、ターボ機械システムの実施形態を代表するものとして示されているに過ぎない。下記で詳細に説明するように、開示するガスタービンシステム１０（例えば、タービンシステム、ガスタービン）は、制御器５６を使用して圧縮機２４（例えば、圧縮機２４の入口部２３）の着氷状態を検出することができる。上記のように、ガスタービンシステム１０は、入口抽気加熱システム４０によって熱を加えるなどの制御動作を採って検出された着氷状態を低減または除去することができる。
【００１４】
動力を発生するために、ガスタービンシステム１０は、天然ガスまたは水素リッチ合成ガスなどの液体または気体燃料を使用してガスタービンシステム１０を駆動することができる。ガスタービンシステム１０は、１つまたは複数の燃焼器１６内に配置された１つまたは複数の燃料ノズル１２を含むことができる。図示のように、燃料ノズル１２は燃料１４を取り入れて、その燃料１４を燃焼器１６に送出する。燃焼器１６はまた、圧縮機２４からの圧縮空気１５、酸素、酸素富化空気、酸素低減空気、またはこれらを任意に組み合わせたものなど、酸化剤を受け入れることができる。以下の説明では、酸化剤を圧縮空気１５と呼ぶが、開示する実施形態では任意の適切な酸化剤を使用することができる。いくつかの実施形態では、矢印１７で示すように、圧縮空気１５は任意に燃料ノズル１２に導かれてもよい。燃料ノズル１２は、所望の燃焼、エミッション、燃料消費、および出力のために適切な比率の燃料−空気混合物２１を燃焼器１６内に分配することができる。圧縮空気１７が燃料ノズル１２を通るようには導かれない実施形態では、燃料１４と圧縮空気１５は、燃焼器１６内で燃料−空気混合物を形成するように混合することができる。燃料−空気混合物は燃焼器１６内のチャンバで燃焼し、それによって高温加圧排気ガスを生成する。燃焼器１６は、排気ガスを、燃焼器尾筒を通って、タービンノズル、および他の段のブレードおよびノズルに入るように向ける。排気ガスは、タービン１８をタービンケーシング１９（例えば、外側ケーシング）内で回転させる。排気ガスがタービン１８を通過するとき、ガスはタービンブレードを押してガスタービンシステム１０の軸に沿ってシャフト２２を回転させる。
【００１５】
図示のように、シャフト２２は、圧縮機２４を含むガスタービンシステム１０の様々な構成部品に接続することができる。図２を参照してより詳細に説明するように、圧縮機２４はまた、シャフト２２に結合されたブレードを含む。シャフト２２が回転すると、圧縮機２４内のブレードもまた圧縮機ケーシング２５（例えば、外側ケーシング）内で回転する。ブレードは、吸気セクション２６から受け入れた空気１３を圧縮し、圧縮機２４は、その圧縮した空気１７を燃料ノズル１２または燃焼器１６に向ける。圧縮機２４からの圧縮空気（排出空気）の一部分は、矢印２７に示すように、タービン１８またはその構成部品の方へ迂回して燃焼器１６を通過しない。排出空気２７の流れは、排出空気流量弁２９によって制御することができる。排出空気（例えば、冷却流体）は、ステータのシュラウド、ノズル、またはロータのバケットなどの１つまたは複数のタービン構成部品を冷却するために利用することができる。シャフト２２はまた、例えば、発電プラントの発電機、または航空機のプロペラなどの乗物の負荷、または定置負荷のことがある負荷２８に接続することができる。負荷２８は、ガスタービンシステム１０の回転出力によって動力を得ることができる任意の適切な装置を含むことができる。ガスタービンシステム１０は、軸または軸方向３０、軸３０に向かう、または軸３０から離れる半径方向３２、および軸３０の周りの周方向３４に沿って延在することができる。
【００１６】
さらに、入口抽気加熱システム４０を使用して圧縮機２４の着氷状態を軽減することができる。入口抽気加熱システム４０は、圧縮機出口流体を吸気セクション２６、または圧縮機２４の入口部２３に戻すように再循環することができ、これは、一般に「入口抽気加熱」と呼ばれる。入口抽気加熱システム４０から加えられる熱は、圧縮機２４の着氷を低減するが、圧縮機２４から燃焼器１６に排出される圧縮空気量を減少させ得る。したがって、圧縮機２４の作動中のすべてに、または着氷の可能性がある（例えば、環境条件が着氷の生成を促進する）だけで入口抽気加熱を使用することはせず、着氷が存在する、または顕著であるときだけ入口抽気加熱を使用して圧縮機２４の効率を上昇させることは有利となり得る。例えば、環境条件は、温度が温度しきい値より低い、湿度が湿度しきい値より高い、または過冷却水滴が検出されると着氷の可能性があると判定するために監視されることがある。入口抽気加熱システム４０は、抽気通路４４に沿って配置された入口抽気流量弁４２を含むことができる。入口抽気流量弁４２を制御して、ガスタービンシステム１０の吸気セクション２６、または圧縮機２４の入口部２３への抽気流量を制御することができる。
【００１７】
いくつかの実施形態では、入口抽気加熱システム４０は、圧縮機２４からの抽気流以外の熱源を利用して、検出された着氷状態を制御することができることは理解されよう。例えば、いくつかの実施形態では、入口抽気加熱システム４０は任意に、圧縮機からの抽気流とは別の熱源４６を含むことができる。いくつかの実施形態では、入口抽気加熱システムは、熱流を熱通路４８に沿って吸気セクション２６へ供給することができる。熱通路４８は、吸気セクション２６への熱流の量を制御するように制御することができる熱源弁５０を含むことができる。熱流は、吸気セクション２６に加えられ、圧縮機２４に入る空気１３と混合することができる。熱流から加えられた熱は空気１３の温度を上昇させることができ、これは、次に、圧縮機２４の着氷を低減または除去することができる。いくつかの実施形態では、熱源４６は、吸気部２６に受け入れられた空気１３を加熱する熱交換器を含むことができる。熱源４６の熱交換器は、燃焼器１６、タービン１８、排熱回収蒸気発生器、リボイラ、またはこれらを任意に組み合わせたものなど、ガスタービンシステム１０の他の領域からの加熱流体の流れを利用することができる。さらに、本明細書で示される入口抽気加熱システム４０は、圧縮機２４の着氷状態を低減または除去するために制御動作として使用することができるシステムの単なる例に過ぎないことは理解されよう。実際、本明細書で開示する着氷検出技法に基づく入口抽気加熱システム４０に加えて、またはそれに代えて、他の防氷制御動作を使用することができる。
【００１８】
特定の着氷検出技法は、ガスタービンシステム１０の周囲条件（例えば、湿度、温度）のみを監視して、周囲条件が、圧縮機２４が着氷する可能性がある条件と一致するときはいつでも圧縮機２４に抽気流を向けることがある。例えば、いくつかの着氷検出技法は、環境条件が着氷の可能性があることを示すときはいつでも圧縮機２４に抽気流を向けることがある。例えば、環境条件は、温度が温度しきい値より低い、湿度が湿度しきい値より高い、または過冷却水滴が検出されると着氷の可能性があると判定するために監視されることがある。しかしながら、着氷の可能性があることを示す環境条件は、すべての観察システムにおいて実際の着氷と一致しないことがある。例えば、着氷の可能性があることを示す環境条件で着氷となるのは、その時間の１０％より少ないことがある。したがって、環境条件だけに基づいて入口抽気加熱システム４０を使用することは保守的過ぎであり、それによって入口抽気加熱システム４０のエネルギーを浪費することがある。したがって、本明細書で説明する実施形態はまず、周囲条件が着氷状態の可能性があることを示しているかを判定し、次いで、圧縮機効率、圧縮機流量、またはこれらを任意に組み合わせたものなどの圧縮機パラメータに基づいて着氷状態が存在しているかを検出することができる。次いで、入口抽気加熱システム４０を作動させて抽気流を吸気セクション２６、または圧縮機２４の入口部２３に向けるなどの制御動作をより適切に使用し、それによって、ガスタービンシステム１０の効率を上昇させることができる。
【００１９】
制御器５６（例えば、電子制御器またはプロセッサベースの制御器）は、ガスタービンシステム１０の動作を管理することができる。制御器５６は、ガスタービンシステム１０の制御要素と通信し、燃焼パラメータを調節し、システム全体の流体の流れを調節し、ガスタービンシステム１０の動作を調節し、センサ入力を受け取るなどを行うことができる。制御器５６は、ガスタービンシステム１０全体のセンサ、制御弁、およびポンプ、または他の流量調節機構と電気的に通信することによって、ガスタービンシステム１０の動作を独立して制御することができる。例えば、制御器５６は、入口抽気加熱システム４０、入口抽気流量弁４２、熱源弁５０、および排出空気流量弁２９を制御することができる。制御器５６は、完全に、または部分的に自動化された、分散制御システム（ＤＣＳ：ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｓｙｓｔｅｍ）または任意のコンピュータベースのワークステーションを含むことができる。例えば、制御器５６は、汎用または特定用途向けプロセッサ５８を使用する任意の装置とすることができ、それらの両方とも一般的には、命令を記憶するためのメモリ６０（例えば、メモリ回路）を含むことができる。
【００２０】
プロセッサ５８は、１つまたは複数の処理装置を含むことができ、メモリ６０は、ガスタービンシステム１０を制御するためにプロセッサ５８によって実行可能な命令をまとめて保存する１つまたは複数の有形の非一時的な機械読取可能な媒体を含むことができる。制御器５６のプロセッサ５８を使用して着氷状態を検出して、制御動作を実行することができる。より詳細には、制御器５６は、ガスタービンシステム１０の様々な構成部品からの入力信号を受信し、制御信号を出力してガスタービンシステム１０の様々な構成部品を制御し、それらと通信する。制御器５６は、とりわけ、ガスタービンシステム１０の流量、エンジン速度、弁位置、およびエミッションなどを制御することができる。
【００２１】
制御器５６は、プロセッサ５８およびメモリ６０を有するものとして説明してきたが、制御器５６は、制御器５６がガスタービンシステム１０および関係する構成部品の動作を制御することができるようにいくつかの他のコンピュータシステム構成部品を含むことができることを留意すべきである。例えば、制御器５６は、制御器５６が他のコンピューティングシステムと通信することを可能にする通信構成部品を含むことができる。制御器５６はまた、制御器５６がグラフィカルユーザインターフェースなどを介してユーザと接続することを可能にする入力／出力構成部品を含むことができる。
【００２２】
本実施形態に示すように、制御器５６はネットワーク装置６２に結合される。制御器５６とネットワーク装置６２の一方または両方は、本明細書で説明する実施形態を実行する、または含むことができることを留意されたい。いくつかの実施形態では、ネットワーク装置６２は、サービス（ＰａａＳ）などのクラウドベースのプラットフォームとすることができる。いくつかの実施形態では、ネットワーク装置６２は、工業的規模の分析を実行して、ガスタービンシステム１０、およびガスタービンシステム１０の各構成部品（例えば、圧縮機２４）の性能を分析することができる。図示のように、ネットワーク装置６２は、データベース６４に通信可能に結合される。データベース６４およびメモリ６０は、ガスタービンシステム１０に関係した（例えば、１つまたは複数のセンサによって受け取られた）履歴データ、１つまたは複数のモデル、および他のデータを保存することができる。例えば、データベース６４およびメモリ６０は、圧縮機２４の着氷状態を検出し、入口抽気加熱システム４０に着氷指示を提供するための着氷モデルを保存することができる。制御器５６は、着氷モデルを検知データと比較して着氷状態を検出して、着氷指示に基づいて制御動作を実行することができる。制御動作は、下記でより詳細に説明するように、入口抽気加熱システム４０の抽気流量を決定すること、操作者に指示を表示すること、または他の制御動作を含むことができる。
【００２３】
さらに、制御器５６、ネットワーク装置６２、およびガスタービンシステム１０の他の構成部品の間の通信は、無線接続（例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）  Ｌｏｗ  Ｅｎｅｒｇｙ、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）、ＷｉＦｉ（登録商標））または有線接続（例えば、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ）によるものとすることができる。いくつかの実施形態では、制御器５６およびネットワーク装置６２は、ラップトップコンピュータ、スマートフォン、タブレット、パソコン、ヒューマンマシンインターフェースなどを含むことができる。いくつかの実施形態では、制御器５６およびネットワーク装置６２は、ターボ機械を制御する機能を実行する単一のコンピューティング装置とすることができる。さらに、いくつかの実施形態では、本明細書に開示する実施形態は、ハードウェア実装を用いて少なくとも部分的に具現化することができる。例えば、制御器５６およびネットワーク装置６２の論理要素は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ：ｆｉｅｌｄ  ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ｇａｔｅ  ａｒｒａｙ）、または他の特定の回路を含むことができる。
【００２４】
図示のように、制御器５６は、圧縮機２４内に配置された１つまたは複数のセンサ７０と通信している。センサ７０は、周囲条件または圧縮機２４に関係するデータを収集し、それらのデータを示すセンサ信号１００（例えば、電圧）を制御器５６に送信することができる。例えば、センサ７０は、圧縮機２４の圧縮機ケーシング２５に結合されてデータを収集することができる。センサ７０は、図２を参照して下記でより詳細に説明するように、１つまたは複数の段での圧縮機内の温度、圧縮機内の圧力、または他の圧縮機データを表す信号を送信することができる。したがって、センサ７０は、音響センサ、圧力センサ、振動センサ、圧電センサ、温度センサ、またはこれらを任意に組み合わせたものなど、圧縮機データを収集するために適した任意のタイプのセンサとすることができる。いくつかの実施形態では、図３を参照して説明するように、センサ７０は、異なるタイプのセンサであり、ガスタービンシステム１０に関係する異なるタイプのデータを収集することができる。いくつかの実施形態では、センサ信号１００は、センサ７０から、または制御器５６からネットワーク装置６２のデータベース６４に送信することができる。
【００２５】
さらに、１つまたは複数のセンサ７０を、ガスタービンシステム１０内に配置することができる。例えば、ガスタービンシステム１０には、ガスタービンシステム１０の周囲条件を決定するために使用される周囲データ（例えば、周囲環境データ）を収集する１つまたは複数のセンサ７０（例えば、周囲環境センサ）がある。具体的には、周囲データは、吸気セクション２６への空気１３の周囲温度、吸気セクション２６への空気１３の湿度、または他の周囲データを含むことができる。周囲データを収集するために、センサ７０は、吸気セクション２６の表面（例えば、内面、外面）、圧縮機ケーシング２５の内面、ガスタービンシステム１０の様々な構成部品の外面、またはガスタービンシステム１０の周囲データを収集するために適した任意の他の場所に配置することができる。したがって、周囲データを収集するために使用されるセンサ７０は、音響センサ、圧力センサ、振動センサ、圧電センサ、温度センサ、湿度センサ、ダストセンサ、またはこれらを任意に組み合わせたものなどの任意の適切なタイプのセンサとすることができる。
【００２６】
制御器５６は、圧縮機２４の着氷状態を検出する前に周囲データに基づいて周囲条件を決定することができる。例えば、いくつかの実施形態では、制御器５６は、周囲データを１つまたは複数の着氷しきい値と比較し、続いて、着氷しきい値を満足する場合のみ、着氷状態が存在するかを検出することができる。すなわち、制御器５６は、着氷しきい値を満足する場合のみ、入口部２３または圧縮機２４に着氷状態が存在するかを検出することができる。湿度が特定の割合より高い場合のみ、湿度周囲データは着氷しきい値を満足することができる。温度が特定のしきい値より低い（例えば、摂氏１０度より低い）場合のみ、温度周囲データは着氷しきい値を満足することができる。本明細書で説明する周囲条件の決定は単なる例であることは理解されよう。実際、制御器５６は、過冷却水滴の検出など、任意の周囲条件着氷検出方法によって、周囲条件が、圧縮機２４が着氷する可能性があることを示しているかを判定することができる。着氷状態の可能性があるときを判定し、着氷状態の可能性がある場合のみ、着氷状態の状態ベースの検出を実行することによって、制御動作をより適切に使用して、それによって、ガスタービンシステム１０の効率をさらに上昇させることができる。さらに、制御器５６は、センサデータを分析して、着氷状態の可能性がある場合のみ着氷状態を検出することによって、リソース（例えば、プロセッサ５８）をより効率的に利用することができる。
【００２７】
本明細書で開示する技法は、ガスタービンシステム１０のより詳細な説明を参照すればより良く理解することができる。次に、図２を参照すると、圧縮機２４は、ロータまたはシャフト２２の周りに段または列８２に配置されたいくつかの組のブレード８０を含むことができる。図２の圧縮機２４を、図１の要素を参照して説明する。圧縮機２４の入口部２３は、吸気セクション２６から空気１３（例えば、流体）を受け入れることができる。吸気セクション２６は、円錐状の内面８４を含んで圧縮機２４の構成部品を冷却することができる。圧縮機２４の１つまたは複数の段８２は、圧縮機２４の入口部２３の一部として考えることができる。例えば、入口部２３は、圧縮機２４の上流１０％から２５％を含むことができる。作動中、空気１３は、圧縮機２４を通って軸方向３０に移動し、圧縮機２４のブレード８０の組によって圧縮され、圧縮機２４の出口８６から燃焼システム（例えば、燃焼器１６およびタービン１８）に排出される。すなわち、ブレード８０のそれぞれの組は、空気の体積を減少させながら空気を圧縮機２４の中を回転移動させ、それによって空気を圧縮する。
【００２８】
一組の入口案内翼８８は、任意の所与の時点で、圧縮機２４に入る空気量を制御することができる。いくつかの実施形態では、入口案内翼は、ガスタービンシステム１０の半径方向３２に対して角度を回転して、圧縮機２４に入る空気量を制御することができる。入口案内翼の角度が比較的小さい（すなわち、「実質的に閉じている」）とき、受け入れる空気は少なく、ブレードの角度が比較的大きい（すなわち、「実質的に開いている」）とき、受け入れる空気は多い。入口案内翼８８のブレードの角度は、制御動作として制御器５６によって制御して、検出された着氷状態を低減または除去することができる。
【００２９】
圧縮機２４の着氷状態が存在するとき、圧縮機２４、または圧縮機２４の入口部２３はすでに、氷が蓄積していることがある、または圧縮機２４または入口部２３は氷が蓄積しそうになっていることがある。すなわち、着氷状態にあるとき、水滴が圧縮機２４の構成部品（例えば、１つまたは複数の組のブレード８０または入口案内翼８８）上に氷結していることがある。少量の着氷は、圧縮機２４の動作にはほとんど、または全く悪影響がないことがある。しかしながら、着氷量が増えると、何の制御もしなければ、ガスタービンシステム１０の効率が低下する、または圧縮機２４の構成部品に損傷を与えることがある。したがって、着氷状態が検出されたとき、制御動作を使用して圧縮機２４の着氷を低減または除去することができる。さらに、いくつかの伝統的な防氷技法では、周囲条件が、圧縮機２４の着氷の可能性があることを示しただけで制御動作を作動させて着氷を防ぐが、これとは対照的に、着氷状態が検出された後に制御動作を採るだけにすれば経済的に有利となり得る。
【００３０】
さらに、上記のように、制御器５６は、制御動作として入口抽気加熱システム４０を制御して、検出された着氷状態を低減または除去することができる。例えば、制御器５６は入口抽気流量弁４２を制御して抽気通路４４に沿う抽気流を制御することができる。任意に、制御器５６は、これに加えて、熱源弁５０を制御して熱通路４８に沿う熱流を制御することができる。これらの流れは、圧縮機２４の入口部２３に向けられる空気１３に加えられる。抽気流は、圧縮機２４の特定のパラメータに基づいて、または制御器５６の計算に基づいて調節することができる。本明細書で説明する技法は、制御動作として、検出された着氷状態に応じて入口抽気加熱システム４０を制御して、圧縮機２４内で検出された着氷を低減または除去することができることが有利である。
【００３１】
いくつかの実施形態では、制御器５６は、１つまたは複数のセンサ７０から圧縮機データおよび周囲データを収集することができる。本実施形態に示すように、センサ７０は圧縮機２４内に含まれる。いくつかの実施形態では、センサ７０（例えば、周囲センサ、周囲環境センサ）は、吸気セクション２６に配置される。センサ７０は、さらに、吸気セクション２６内に配置されて、圧縮機２４に入る空気１３に関係する周囲データを送信する。さらに、センサ７０（例えば、圧縮機センサ）は、圧縮機２４内または圧縮機２４の下流に配置することができる、あるいはこれらを任意に組み合わせて配置することができる。センサ７０は、例えば、図１を参照して上記で説明したように、圧縮機データ、周囲データ、またはこれらを任意に組み合わせたものを収集するために適した任意のタイプのセンサを含むことができる。
【００３２】
図示のように、圧縮機データおよび周囲データを示すセンサ信号１００（例えば、電圧）を制御器５６に送信することができる。制御器５６はさらに、センサ信号１００をネットワーク装置６２に送信することができる。ネットワーク装置６２が制御器５６に含まれる実施形態では、センサ７０によって生じたセンサ信号１００を、直接、ネットワーク装置６２に送信することができる。ネットワーク装置６２は、周囲データおよび圧縮機データを後に使用するためにデータベース６４内に保存することができる。
【００３３】
制御器５６は、センサ信号１００を処理して、着氷モデルによって使用される１つまたは複数の圧縮機パラメータを発生させて圧縮機２４の着氷状態を検出することができる。例えば、制御器５６は、センサ信号１００に基づいて、そのときの圧縮機効率値およびそのときの圧縮機流量値を決定することができる。そのときの圧縮機効率値およびそのときの圧縮機流量値は、適応型リアルタイムモデルに基づいて決定することができる。いくつかの実施形態では、制御器は、適応型リアルタイムモデルを使って、瞬時に検知されたセンサ信号１００に基づいて、そのときの圧縮機効率値およびそのときの圧縮機流量値を予測することができる。そのときの圧縮機効率値およびそのときの圧縮機流量値は、多くのタイプのセンサからのリアルタイム入力、例えば、圧縮機入口温度、入口露点温度、圧縮機出口温度、圧縮機出口圧力、またはそれらを任意に組み合わせたものなどに基づいて決定することができる。すなわち、各センサ信号１００が制御器５６によって受信されと、各センサ信号１００に対するそのときの圧縮機効率値およびそのときの圧縮機流量値を、適応型リアルタイムモデル、データ照合乗数（例えば、モデル化されたパラメータを測定値と等しくするパラメータ）、厳密推定などによって決定することができる。センサ信号１００には、送信元のセンサ７０に少なくとも部分的に基づいて、タイムスタンプまたはサンプル番号を割り当てることができる。いくつかの実施形態では、制御器５６はセンサ信号１００をネットワーク装置６２に送信することができる。ネットワーク装置６２は、センサ信号１００をデータベース６４に保存し、後でこれらのセンサ信号１００をデータベース６４から引き出してさらに処理することができる。特定の実施形態では、ネットワーク装置６２は、ガスタービンシステム１０から遠隔に配置することができる。さらに、いくつかの実施形態では、ネットワーク装置６２は、本明細書で開示する着氷検出方法を実行することができる。
【００３４】
制御器５６は、圧縮機効率および圧縮機流量などの各圧縮機パラメータに対するベースラインモデルを発生させることができる。各圧縮機パラメータに対するベースラインモデルは予め決められたモデルとすることができ、制御器５６はこれを使用して、ガスタービンシステムの公知の要素に基づいて各圧縮機パラメータを予測する。例えば、各圧縮機パラメータに対するベースラインモデルは、ガスタービンシステム１０の作動時間、ガスタービンシステムの燃焼時間、またはガスタービンシステム１０を示す他の要素に基づいて決める、または予め決めることができる。例えば、圧縮機効率モデルは、着氷状態が存在しないときに圧縮機２４に対して予想される圧縮機効率の範囲を確立するために、所定の数の圧縮機効率値から発生させることができる。同様に、圧縮機流量モデルは、着氷状態が存在しないときに圧縮機２４に対して予想される圧縮機流量の範囲を確立するために、所定の数の圧縮機流量値から発生させることができる。これらの値を利用してベースラインモデルを発生させることができ、後で、そのときの圧縮機パラメータ値に対して比較するために、メモリ６０またはデータベース６４にそれらを保存することができる。制御器５６は、限定するものではないが、圧縮機入口温度、入口露点温度、圧縮機出口温度、および圧縮機出口圧力を含む様々な独立変数を示すセンサ信号１００を受信することができる。さらに、制御器５６は、圧縮機の使用時間にわたって予測される圧縮機パラメータの悪化に少なくとも部分的に基づいてベースラインモデルを更新することができる。例えば、制御器５６は、予測される効率の悪化に基づいて圧縮機効率モデルを更新することができる。さらに、制御器５６は、予測される流量の悪化に少なくとも部分的に基づいて圧縮機流量モデルを更新することができる。１つまたは複数の圧縮機パラメータを決定するために使用される制御器５６の入力および出力の例を、図３を参照して下記で説明する。圧縮機パラメータ、およびそれに対応する圧縮機パラメータモデルに基づいて着氷状態を検出する例を、図４を参照して下記でより詳細に説明する。
【００３５】
図３は、圧縮機２４の入口部２３の着氷状態を検出するための制御器５６の実施形態のブロック図である。図示のように、制御器５６は入力を受け取って、圧縮機パラメータを計算または決定することができる。制御器５６は、圧縮機パラメータをベースラインモデルと比較することに少なくとも部分的に基づいて着氷状態を検出することができる。上記のように、ベースラインモデルは予め決められたモデルとすることができ、制御器５６はこれを使用して、ガスタービンシステムの公知の要素に基づいて各圧縮機パラメータを予測する。
【００３６】
例えば、制御器５６は、センサ７０からセンサデータ１５０を受け取ることができる。センサデータ１５０は、上記の１つまたは複数のセンサ７０（例えば、圧縮機センサ、周囲環境センサ）からのセンサ入力１５２（例えば、センサ信号１００）を含むことができる。いくつかの実施形態では、センサデータ１５０は、周囲温度１６０、周囲圧力１６１、相対湿度１６２、圧縮機２４の速度１６３、圧縮機２４の圧力比１６４、入口案内翼の角度１６５、入口抽気加熱システム４０からの抽気流量１６６、抽気流温度１６７、またはこれらを任意に組み合わせたものを含む。これらのタイプのセンサデータ１５０は、単なる例であることが意図されている。したがって、より多くのタイプまたは異なるタイプのセンサデータ１５０が、着氷状態の検出のための制御器５６への入力とすることができる。
【００３７】
制御器５６はまた、履歴データ１７０を受け取ることができる。履歴データ１７０は、ネットワーク装置６２のデータベース６４または制御器５６のメモリ６０に保存することができる。さらに、履歴データ１７０は、制御器５６が以前に受け取ったセンサデータ１５０を含むことができる。さらに、履歴データ１７０は、ガスタービンシステム１０または圧縮機２４の全作動時間１８０、圧縮機２４の最後の保守点検からの作動時間１８１、圧縮機効率ベースライン１８２、圧縮機流量ベースライン１８３などの圧縮機パラメータベースライン、またはガスタービンシステム１０に関係する他の履歴値などの履歴入力１７２を含むことができる。圧縮機効率ベースライン１８２および圧縮機流量ベースライン１８３は、制御器５６が着氷状態を検出するために使用されるモデルとすることができる。
【００３８】
センサデータ１５０に少なくとも部分的に基づいて、制御器５６は、圧縮機効率１９０の値および圧縮機流量１９２の値を決定（例えば、計算）することができる。いくつかの実施形態では、圧縮機効率１９０の値および圧縮機流量１９２の値は、ガスタービンのモデルを発生させて、それを使用して、次いでガスタービンのモデルの出力をセンサデータ１５０と一致させることによってリアルタイムに決定することができる。すなわち、上記のように、制御器５６は適応型リアルタイムモデルを使用して、センサデータ１５０に基づいて圧縮機効率１９０の値および圧縮機流量１９２の値を予測することができる。例えば、圧縮機効率１９０および圧縮機流量１９２は、データ照合乗数、厳密推定、または他の計算方法によって決定することができる。圧縮機効率１９０および圧縮機流量１９２は経時的に監視され、各圧縮機パラメータに対する各ベースライン（例えば、ベースラインモデル）と比較することができる。制御器５６は、各ベースラインに基づいて各圧縮機パラメータに対する予め規定したしきい値を決定することができる。例えば、効率しきい値を圧縮機効率に対して予め決定することができ、流量しきい値を圧縮機流量に対して予め決定することができる。これに加えて、またはこれに代えて、制御器５６はまた、予測されるガスタービンシステム１０の悪化に基づいて各圧縮機パラメータに対する所定のしきい変化率を決定することができる。例えば、効率の変化率しきい値を圧縮機効率に対して予め決定することができ、流量の変化率しきい値を圧縮機流量に対して予め決定することができる。いくつかの実施形態では、予め決定されたしきい変化率は、全作動時間１８０、保守点検からの作動時間１８１、またはこれらを任意に組み合わせたものに少なくとも部分的に基づくことができる。
【００３９】
次いで、１つまたは複数の圧縮機パラメータが所定のしきい値から外れた場合、制御器５６は着氷状態を検出して、着氷指示１９４を発生させることができる。さらに、１つまたは複数の圧縮機パラメータの変化率（例えば、変化割合）が所定のしきい変化率を超えた場合、制御器５６は着氷状態を検出して、着氷指示１９４を発生させることができる。圧縮機２４の着氷状態は、圧縮機パラメータが所定のしきい値および所定のしきい変化率の一方または両方を超えることに基づいて検出することができることは理解されよう。さらに、圧縮機パラメータのモデルに対する修正に基づいて、制御器５６は着氷状態を検出して、着氷指示１９４を発生させることができる。例えば、１つの圧縮機パラメータに対するベースラインを新たに決定された圧縮機パラメータに合わせるようにそのベースラインになされた修正が、修正しきい値より大きい場合、着氷指示１９４を発生させることができる。
【００４０】
さらに、入口抽気加熱システム４０に着氷指示１９４が提供されて、着氷状態を軽減するように制御動作を開始することができる。着氷状態の検出に圧縮機パラメータを所定のしきい値と比較する例を、図４を参照して下記で説明する。さらに、圧縮機効率１９０および圧縮機流量１９２は、圧縮機パラメータの例であることを理解されたい。したがって、本明細書で開示する技法によって、圧縮機２４の動作を示す他の圧縮機パラメータを使用して着氷状態を検出して、着氷指示１９４を発生させることができる。
【００４１】
図４は、圧縮機２４の着氷状態を検出するために使用される圧縮機パラメータの値３０２の実施形態のグラフ表示３００である。値３０２は、例示するために示されている。他の圧縮機パラメータを表す他の信号もまた使用することができる。例えば、値３０２は、圧縮機効率、圧縮機流量、または圧縮機効率と圧縮機流量の両方を含む合成パラメータを表すことができる。参照符号３０４（Ｘ軸）は値３０２の時間を表す。また、参照符号３０６（Ｙ軸）は、圧縮機効率などの圧縮機パラメータを表す。上記のように、圧縮機パラメータの値３０２は、多変量解析によって解析することができ、したがって、１つまたは複数のセンサ入力１５２を含む多くの様々な独立変数と比較することができる。したがって、本明細書で説明する圧縮機パラメータおよび時間は、着氷状態を検出するために使用可能な複数の可能な次元のうちの２つの次元を含むことを理解されたい。さらに、値３０２は概して、時間の経過とともに減少しているように見える。なぜならば、圧縮機の通常の作動では、圧縮機効率および圧縮機流量パラメータなどの圧縮機パラメータは長時間経過すると一般的には減少することが予想されることを理解されたい。しかしながら、定期保守および他の修正は、本明細書で開示する技法によって説明することができる予想される態様で値３０２に影響を及ぼすことがある。
【００４２】
着氷状態の検出を見やすくするために、圧縮機効率モデルまたは圧縮機流量モデルなどのベースライン３１０もまた、グラフ表示３００上に示すことができる。ベースライン３１０は、ガスタービンシステム１０の公知の要素に基づいて各圧縮機パラメータを予測するために使用される所定のモデルとすることができる。さらに、圧縮機パラメータの既定のしきい値３１１は、ベースライン３１０に基づいて定めることができる。例えば、既定のしきい値３１１は、ベースライン３１０に対して上限値３１４で定められた上側しきい値３１２を含むことができる。同様に、既定のしきい値３１１は、ベースライン３１０に対して下限値３１８で定められた下側しきい値３１６を含むことができる。本実施形態では、上限値３１４と下限値３１８とは等しいように見えるが、いくつかの実施形態では、上限値３１４と下限値３１８とは互いに異なることがあることを理解されたい。したがって、値３０２の様々なサンプル（例えば、データ点）は、グラフ表示３００上にプロットされて、着氷状態の検出のために既定のしきい値３１１と比較することができる。さらに、いくつかの実施形態では、変化率（例えば、微係数）は、圧縮機パラメータ値３０２の連続したサンプル間の差を連続したサンプルの各時刻間の差で割ったものとして定めることができる。
【００４３】
いくつかの実施形態では、制御器５６は、値３０２が既定のしきい値３１１の外側にあるとき、着氷状態を検出することができる。例えば、着氷状態は、１つまたは複数の値３０２が、上側しきい値３１２より大きい、または下側しきい値３１６より小さいとき、検出することができる。さらに、いくつかの実施形態では、制御器５６は、値３０２の変化率が所定のしきい変化率３４３より大きいとき、着氷状態を検出することができる。さらに、制御器５６は、値３０２が既定のしきい値３１１の外側にあるとともに、値３０２の変化率が所定のしきい変化率３４３より大きいとき、着氷状態を検出することができる。本明細書で開示される技法は、着氷状態を検出するときに値３０２の変化率を考慮することによって、着氷状態が存在するときと、汚れまたはプロセスの変化によって生じる圧縮機パラメータの他の変化とを区別することができる。
【００４４】
さらに、いくつかの実施形態では、制御器５６は、予測される圧縮機パラメータの悪化（例えば、予測される効率の悪化、予測される流量の悪化）または同定された圧縮機２４の作動状態に基づいて、ベースライン３１０および既定のしきい値３１１を修正することができる。圧縮機２４の作動状態は、とりわけ、起動モード、定常状態モード、負荷モード、除荷モード、または停止モード、などとして同定することができる。例えば、圧縮機効率モデルに基づくベースライン３１０は一般的に、保守点検間隔の間で圧縮機が定常状態モードで作動している時間にわたって低下することがある。使用時間にわたる予想される圧縮機効率の低下は、予測される効率の悪化に具現化されることがある。しかしながら、定常状態モードでの作動中に、予測される悪化率よりも大きな率で圧縮機効率の低下が検出されれば、それは着氷状態に対応し得る。圧縮機パラメータ（例えば、圧縮機効率）に対するベースライン３１０および既定のしきい値３１１は、定常状態モード中よりも起動モードまたは停止モード中の方が低くなり得ることは理解される。さらに、負荷モードまたは除荷モード中の予想される圧縮機パラメータの変化率は、定常状態モード中の予想される圧縮機パラメータの変化率を超え得ることは理解される。
【００４５】
いくつかの実施形態では、着氷状態３３０は、値３０２が所定のしきい値３１１の外側になり始める時点３４１での値３０２において検出される。いくつかの実施形態では、制御器５６は、検出された値３０２の変化率３４２が所定のしきい変化率３４３より大きくなる時点３４０で着氷状態を検出することができる。着氷状態３３０は、制御器５６によって検出されると説明しているが、いくつかの実施形態では、本明細書で説明する着氷状態３３０の検出はまた、ネットワーク装置６２または任意の他の適切な装置によって実行することができることを理解されたい。
【００４６】
いくつかの実施形態では、制御器５６は、ベースライン３１０を圧縮機パラメータの値３０２に合わせる（例えば、一致させる）ようにベースライン３１０になされた修正（例えば、調節）に基づいて着氷状態３３０を検出する。例えば、制御器５６は、圧縮機効率モデルをそのときの圧縮機効率値に合わせるように圧縮機効率モデルになされる修正を決定することができる。さらに、制御器５６は、圧縮機流量モデルをそのときの圧縮機流量値に合わせるように、圧縮機流量モデルになされる修正を決定することができる。いくつかの実施形態では、これらの修正は、乗数の使用、またはモデルに対する他の一致調節とすることができる。次いで、これらの修正をそれぞれの修正しきい値と比較して、着氷状態３３０を検出することができる。例えば、制御器５６は、ベースライン３１０への修正がベースライン３１０の係数を５０％だけ変えることを計算することがある。しかしながら、その係数に対するそれぞれの修正しきい値が２０％のことがある。したがって、制御器５６は、それゆえ、係数への修正がそれぞれの修正しきい値より大きいため、ベースライン３１０への修正は着氷状態３３０を示していると決定することができる。制御器５６は、１つまたは複数の圧縮機パラメータに対するベースラインへの修正に基づいて着氷状態３３０を検出することができる。
【００４７】
着氷状態３３０を低減または除去するために、制御器５６は１つまたは複数の制御動作を実行することができる。いくつかの実施形態では、制御動作は、値３０２が所定のしきい値３１１内に入るまで実行することができる。いくつかの実施形態では、制御動作は、値３０２が所定のしきい値３１１を超える量に基づいた所定の時間、実行することができる。値３０２が所定のしきい値３１１内に横切って戻ると、制御器５６は、着氷状態が低減または除去されたと判定して制御動作を調節または停止することができる。制御動作は、着氷状態３３０を示す信号を入口抽気加熱システム４０に送信すること、値３０２を所定のしきい値３１１内にすることができる入口抽気加熱システム４０からの抽気流の温度または量を決定すること、決定された抽気流量になるように入口抽気加熱システム４０の要素を制御すること、または、操作者が着氷状態３３０を手動で制御することができるように着氷指示を提供することを含むことができる。いくつかの実施形態では、制御器５６は、着氷指示を提供した後、自動的に入口抽気加熱システム４０に抽気を流し始めさせることができる。制御動作は制御器５６によって実行されるように説明しているが、いくつかの実施形態では、本明細書で説明する制御動作はまた、ネットワーク装置６２または任意の他の適切な装置によって実行することができることを理解されたい。
【００４８】
着氷状態３３０の検出は、各ガスタービンシステム１０、および所望の誤り棄却量に対して特に適合させることができる。いくつかの実施形態では、制御器５６は、値３０２の変化率が所定のしきい変化率より大きくても、値が所定のしきい値３１１を横切らなければ着氷状態ではないと判定することができる。さらに、制御器５６は、値３０２が所定のしきい値３１１の外側にあっても、値３０２の変化率がしきい変化率より大きくなければ着氷状態ではないと判定することができる。さらに、制御器５６は、ベースライン３１０を値３０２に合わせるようにベースライン３１０になされた修正が、それぞれの修正しきい値より大きくなければ、着氷状態ではないと判定することができる。さらに、値３０２が所定のしきい値３１１を横切っただけの場合、または値３０２の変化率が短時間（例えば、１、５、１５、または３０秒より短い時間）、しきい変化率より大きい場合、制御器５６は軽い制御動作を実行することができる。軽い制御動作は、より受動的な制御動作とすることができ、それは、例えば、指示を表示することによって制御動作を推奨すること、したがってすべての操作者に着氷状態がまもなく生じるかもしれないことを警告することである。変化率が所定のしきい変化率より大きいとき、値３０２が所定のしきい値３１１を超えているとき、ベースライン３１０を値に合わせるようにベースライン３１０になされた修正が、それぞれの修正しきい値より大きいとき、またはこれらが任意に組み合わされたときに着氷状態３３０を検出することによって、本明細書で開示する技法は、周囲条件が着氷の可能性を示すたびに入口抽気加熱システムを使用する防氷技法に比べて、より効率的に制御動作を実行することができる。すなわち、本明細書で開示する技法は、そのときの着氷状態または起こりそうな着氷状態を検出して、それらに応じて制御動作を実行することによって、着氷の可能性があるだけで入口抽気加熱システムを使用する防氷技法に対して、ガスタービンシステムの効率を上昇させる。
【００４９】
図５は、圧縮機２４の着氷状態を検出するための方法３５０の実施形態のフロー図である。方法３５０はいくつかの任意選択のステップを含むことができる。図５の方法３５０を、図１〜４の要素を参照して説明する。いくつかの実施形態では、方法３５０は制御器５６によって実行することができる。しかしながら、制御器５６は、ガスタービンシステム１０から遠隔に配置することができる、または、方法３５０は、ネットワーク装置６２によって実行することができる。さらに、方法３５０のうちの１つまたは複数のステップは、同時に実行することができる、または図５の順序とは異なる順序で実行することができる。
【００５０】
まず、方法３５０は任意に、ガスタービンシステム１０に関係する周囲条件（例えば、環境条件）を測定すること（ブロック３５２）を含むことができる。周囲条件は、圧縮機２４に入る空気１３に関する湿度、圧力、および温度など、空気の環境条件を測定することを含むことができる。方法３５０はまた、測定された周囲条件に少なくとも部分的に基づいて、圧縮機２４の着氷の可能性があるかを決定すること（ノード３５４）を含むことができる。例えば、いくつかの実施形態では、周囲条件はそれぞれの着氷しきい値と比較される。周囲条件がそれぞれの着氷しきい値を満足しなければ、圧縮機２４の着氷の可能性がない。したがって、圧縮機２４の着氷の可能性がない場合、方法３５０はブロック３５２に戻って、着氷の可能性があると判定されるまで、周囲条件の測定を継続することができる。
【００５１】
方法３５０がノード３５４によって圧縮機２４の着氷の可能性があると判断した場合、方法３５０はそのときの圧縮機パラメータ値を決定すること（ブロック３５６）を含むことができる。そのときの圧縮機パラメータ値は、圧縮機効率、圧縮機流量、またはこれらを任意に組み合わせたものの値とすることができる。そのときの圧縮機パラメータ値は、リアルタイムセンサ信号１００を通じて適応型リアルタイムモデルによって決定または予測することができる。そのときの圧縮機パラメータの値は制御器５６に保存することができる。さらに、方法３５０は、そのときの圧縮機パラメータ値をベースライン圧縮機パラメータ値と比較すること（ブロック３５８）を含むことができる。圧縮機パラメータのベースライン３１０は、圧縮機２４の着氷状態が検出されていなときに（例えば、通常の作動中）、ガスタービンシステム１０から収集されたデータに基づいて決定することができる。圧縮機パラメータベースラインは、圧縮機入口温度、入口露点温度、圧縮機出口温度、および圧縮機出口圧力、またはこれらを任意に組み合わせたものなど、多くのタイプのセンサからの入力に基づいて決定したものとすることができる。方法３５０はさらに、ベースライン３１０に対して所定のしきい値３１１を定めることができる。上記のように、ベースライン３１０は、とりわけ、予測される圧縮機パラメータの悪化などに基づいて変えることができる。さらに、圧縮機パラメータのベースライン３１０は、テストベンチで生成され、同様の特性を有するガスタービン１０の制御器５６に提供された所定のモデルとすることができる。
【００５２】
いくつかの実施形態では、方法３５０はまた、そのときの圧縮機パラメータ値と特定の圧縮機値に対するベースライン３１０との間の差が、所定のしきい値３１１より大きいかどうかを決定すること（ノード３６０）を含む。差が所定のしきい値３１１より大きくない場合、方法３５０はブロック３５６に戻って、そのときの圧縮機パラメータ値を決定することを続ける。上記のように、いくつかの実施形態では、これに加えて、またはこれに代えて、圧縮機値の変化率を所定のしきい変化率３４３と比較することができる。したがって、着氷状態は、値が所定のしきい値の外側にあるとき、値の変化率が所定のしきい変化率より大きいとき、またはこれらが任意に組み合わされたときのみ検出することができる。
【００５３】
さらに、差が所定のしきい値３１１より大きい場合、方法３５０は、方法３５０が任意に対応を決定すること（ブロック３６２）を含むことができることを決定した。この対応は、入口抽気加熱システム４０に着氷指示を提供すること、着氷指示を操作者に提供すること、着氷指示に基づいて制御動作を決定すること、またはこれらを任意に組み合わせたものを含むことができる。さらに、方法３５０は制御動作を伝達すること（ブロック３６４）を含むことができる。表示によってユーザに伝達する、入口抽気加熱システム４０に伝達して抽気を流す、入口案内翼８８に伝達して半径方向３２に対するその角度を調節する、またはこれらを任意に組み合わせるこができる。いくつかの実施形態では、方法３５０は、着氷状態が検出されなくなるまで、ブロック３５６に戻ってもよい。
【００５４】
さらに、方法３５０は、圧縮機パラメータ値をベースライン圧縮機パラメータ値と比較することに関連して上記で説明してきたが、これに加えて、またはこれに代えて、着氷状態の検出は、ベースライン３１０への修正を計算することによって実行することができることを理解されたい。例えば、そのときの圧縮機値を決定した（ブロック３５６）後、ベースラインをそのときの圧縮機値に合わせるようベースライン３１０になされる修正を計算することができる。次いで、その修正は、それぞれの修正しきい値と比較することができる。その修正がそれぞれの修正しきい値より大きい場合、着氷状態が検出され、それにしたがって制御動作を実行することができる。
【００５５】
本主題の技術的効果は、ガスタービンシステムの圧縮機の着氷状態を検出して、圧縮機の着氷を低減または除去するように制御動作を実行するためのシステムおよび方法を含む。本明細書で説明した実施形態は、圧縮機パラメータ（例えば、圧縮機効率、圧縮機流量）のモデルを利用して着氷状態を検出することができる。圧縮機パラメータのモデルは、検知された周囲環境条件、圧縮機出力パラメータ（例えば、圧縮機出口温度、圧縮機出口圧力）、ガスタービンパラメータ、またはこれらを任意に組み合わせたものに少なくとも部分的に基づくことができる。１つまたは複数の圧縮機パラメータをそれぞれの圧縮機パラメータのモデルと比較すること、それぞれのモデルをそのときの１つまたは複数の圧縮機パラメータに合わせるようにそれぞれのモデルになされる修正を比較すること、またはこれらを任意に組み合わせることが、周囲環境条件をしきい値だけと比較することよりも信頼性高く着氷状態を示すことができる。圧縮機の着氷状態を検出すると、ガスタービンシステムの制御器は、圧縮機への空気流を加熱し、圧縮機への吸気流量を調節し、または、ガスタービンシステムの操作者に着氷状態に関して知らせ、またはこれらを任意に組み合わせたことをするように制御動作を実行することができる。したがって、本明細書で説明した実施形態によって、ガスタービンシステムは、圧縮機の着氷状態を低減または除去するように制御動作をより適切に管理することができ、それによって、ガスタービンシステムの効率を上昇させることができる。
【００５６】
本明細書では、最良の態様を含む例を用いて本主題を開示し、また、任意の装置またはシステムの作製および使用、ならびに任意の組み入れられた方法の実施を含め、当業者が本主題を実施できるようにしている。本主題の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が想到する他の例を含むことができる。このような他の例は、特許請求の範囲の文言と相違ない構成要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言と実質的に相違ない等価の構成要素を含む場合、特許請求の範囲内であることを意図されている。
【符号の説明】
【００５７】
１０  ガスタービンシステム
１２  燃料ノズル
１３  空気
１４  燃料
１５  圧縮空気
１６  燃焼器
１７  圧縮空気
１８  タービン
１９  タービンケーシング
２１  燃料−空気混合物
２２  シャフト
２３  入口部
２４  圧縮機
２５  圧縮機ケーシング
２６  吸気セクション
２７  排出空気
２８  負荷
２９  排出空気流量弁
３０  軸方向
３２  半径方向
３４  周方向
４０  入口抽気加熱システム
４２  入口抽気流量弁
４４  抽気通路
４６  熱源
４８  熱通路
５０  熱源弁
５６  制御器
５８  プロセッサ
６０  メモリ
６２  ネットワーク装置
６４  データベース
７０  センサ
８０  ブレード
８２  段
８４  内面
８６  出口
８８  入口案内翼
１００  センサ信号
１５０  センサデータ
１５２  センサ入力
１６０  周囲温度
１６１  周囲圧力
１６２  相対湿度
１６３  速度
１６４  圧力比
１６５  入口案内翼の角度
１６６  抽気流量
１６７  抽気流温度
１７０  履歴データ
１７２  履歴入力
１８０  全作動時間
１８１  保守点検からの作動時間
１８２  圧縮機効率ベースライン
１８３  圧縮機流量ベースライン
１９０  圧縮機効率
１９２  圧縮機流量
１９４  着氷指示
３００  グラフ表示
３０２  圧縮機パラメータの値
３０４  Ｘ軸
３０６  Ｙ軸
３１０  ベースライン
３１１  しきい値
３１２  上側しきい値
３１４  上限値
３１６  下側しきい値
３１８  下限値
３３０  着氷状態
３４０  時点
３４１  時点
３４２  変化率
３４３  しきい変化率
３５０  方法
３５２  ブロック
３５４  ノード
３５６  ブロック
３５８  ブロック
３６０  ノード
３６２  ブロック
３６４  ブロック
【図１】
2018204604.tif 000003
【図２】
2018204604.tif 000004
【図３】
2018204604.tif 000005
【図４】
2018204604.tif 000006
【図５】
2018204604.tif 000007
【外国語明細書】
2018204604000001.pdf