(57)【要約】      （修正有）【課題】ガスタービンのループ利得の調節のための方法を提供する。【解決手段】ガスタービンの過渡特性を含む少なくとも１つの出力を推定するために定常状態モデルの少なくとも１つの入力を摂動させることによって過渡モデルを作成することを含む。この方法は、過渡モデルに基づいて、コントローラ４０の利得を、連続的に調整、所定の間隔で調整、または要件トリガに基づいて調整、あるいはこれらの任意の組み合わせにて調整することを含む。利得は、ガスタービンのコントローラの基準信号とフィードバック信号との間の差分に対する応答を規定する。この方法は、調整後の利得をコントローラに送ることを含む。コントローラは、調整後の利得に基づいてプロセスを制御する。【選択図】図１
2018138784.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン（１０）のための制御システム（４８）であって、
基準信号（５４）と前記ガスタービン（１０）のフィードバック信号（５２）との間の差分（５８）を求め、
前記差分（５８）と、前記差分（５８）に対する該コントローラ（４０）の応答に対応する該コントローラ（４０）の利得に基づいて、前記ガスタービン（１０）のプロセスを制御する
ように構成されたコントローラ（４０）と、
前記プロセスへの少なくとも１つの入力に基づいて前記プロセスの少なくとも１つの出力を推定するように構成された定常状態モデル（６８）を求め、
前記定常状態モデル（６８）の少なくとも１つの入力を摂動させることによって、前記ガスタービン（１０）の過渡特性を含む前記少なくとも１つの出力を推定することにより、過渡モデル（７０）を作成し、
前記過渡モデル（７０）に基づき、連続的、所定の間隔、または要件トリガに基づいて、前記コントローラ（４０）の前記利得を調整し、
前記調整後の利得を前記コントローラ（４０）へと送信する
ように構成されたチューナ（５０）と
を備え、
前記コントローラ（４０）は、前記調整後の利得に基づいて前記プロセスを制御するように構成されている、制御システム（４８）。
【請求項２】
前記プロセッサ（６４）は、当該制御システム（４８）における非線形性に基づいて前記プロセスの前記少なくとも１つの出力を調整するために前記過渡モデル（７０）を作成するように構成されている、請求項１に記載の制御システム（４８）。
【請求項３】
前記プロセッサ（６４）は、前記ガスタービン（１０）の動作を摂動させることなく前記過渡モデル（７０）を作成するために前記定常状態モデル（６８）を使用して当該システム上で前記少なくとも１つの出力を推定するように構成されている、請求項１に記載の制御システム（４８）。
【請求項４】
前記プロセッサ（６４）は、前記過渡特性を含む前記出力を推定する前記定常状態モデル（６８）の少なくとも１つの入力を摂動させることによって過渡モデル（７０）を作成するように構成されている、請求項１に記載の制御システム（４８）。
【請求項５】
前記プロセッサ（６４）は、前記少なくとも１つの入力および前記少なくとも２つの推定された出力に基づいて線を計算する最小二乗法を使用して最良適合を決定するように構成されている、請求項４に記載の制御システム（４８）。
【請求項６】
前記コントローラ（４０）は、比例積分コントローラを備え、前記利得は、比例利得、積分利得、または両方を含み、前記比例利得は、前記差分（５８）の大きさに比例して前記コントローラ（４０）の前記少なくとも１つの出力を変化させ、前記積分利得は、或る期間にわたる前記差分（５８）の大きさの和に比例して前記コントローラ（４０）の前記少なくとも１つの出力を変化させる、請求項１に記載の制御システム（４８）。
【請求項７】
前記コントローラ（４０）は、前記ガスタービン（１０）の動作の最中に周期的な間隔で前記利得を調整するように構成されている、請求項１に記載の制御システム（４８）。
【請求項８】
前記コントローラ（４０）は、前記過渡モデル（７０）を介して決定された安定性マージンに基づいて前記利得の安定性を制御するように構成されている、請求項１に記載の制御システム（４８）。
【請求項９】
前記コントローラ（４０）は、前記ガスタービン（１０）のハードウェアの劣化に少なくとも部分的に基づき、時間の経過につれて前記過渡モデル（７０）を調整するように構成されている、請求項１に記載の制御システム（４８）。
【請求項１０】
プロセッサ（６４）によって、ガスタービン（１０）のコントローラ（４０）によって制御されるプロセスをモデル化する定常状態モデル（６８）であって、少なくとも１つの入力に基づいて前記プロセスの少なくとも１つの出力を推定する定常状態モデル（６８）を得るステップ（８２）と、
前記プロセッサ（６４）により、前記定常状態モデル（６８）の少なくとも１つの入力を摂動させることによって、前記ガスタービン（１０）の過渡特性を含む前記少なくとも１つの出力を推定することにより、過渡モデル（７０）を作成するステップ（８４）と、
前記プロセッサ（６４）により、前記過渡モデル（７０）に基づき、前記ガスタービン（１０）の前記コントローラ（４０）の基準信号（５４）とフィードバック信号（５２）との間の差分（５８）に対する応答を定める前記コントローラ（４０）の利得を、連続的に調整、所定の間隔で調整、または要件トリガに基づいて調整、あるいはこれらの任意の組み合わせにて調整するステップ（８８）と、
前記プロセッサ（６４）により、前記調整後の利得を前記コントローラ（４０）へと送信するステップと
を含んでおり、
前記コントローラ（４０）は、前記調整後の利得に基づいて前記プロセスを制御するように構成されている、方法（８０）。
【請求項１１】
前記ガスタービン（１０）が動作しているときに前記利得を調整すること
を含む、請求項１０に記載の方法（８０）。
【請求項１２】
前記コントローラ（４０）の前記調整後の利得の安定性を保証するために前記過渡モデル（７０）に基づいて利得マージン、位相マージン、またはこれらの任意の組み合わせを決定すること
を含む、請求項１０に記載の方法（８０）。
【請求項１３】
ｓ領域内の伝達関数を有する過渡モデル（７０）を作成すること
を含む、請求項１０に記載の方法（８０）。
【請求項１４】
前記定常状態モデル（６８）は、線形、指数、または対数方程式を含む、請求項１０に記載の方法（８０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書において開示される主題は、ターボ機械に関し、より詳しくは、ガスタービンのための調整制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
発電システムにおいて、ガスタービンまたは蒸気タービンなどのタービンが、燃料および空気（例えば、酸化剤）を回転エネルギへと変換することができる。例えば、ガスタービンは、圧縮機によって空気を圧縮し、圧縮した空気を燃料と混合して、空気−燃料混合物を形成することができる。次いで、ガスタービンの燃焼器が、空気−燃料混合物を燃焼させ、燃焼プロセスからのエネルギを使用して１つ以上のタービンブレードを回転させることにより、回転エネルギを生み出すことができる。次いで、回転エネルギを、発電機によって電気に変換し、電力網、車両、または他の負荷へと供給することができる。
【０００３】
ガスタービンの種々のサブシステムを、ガスタービンの効率および／または出力を改善するように制御することができる。例えば、ガスタービンは、とりわけ温度および／または圧力を制御する比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラを含むことができる。しかしながら、ＰＩＤコントローラは、周囲の温度および／または圧力、劣化、などのシステムにおける非線形性を、考慮しない可能性がある。これらの非線形性が考慮されないことで、ガスタービンの動作の効率が低くなる可能性がある。
【発明の概要】
【０００４】
出願時の特許請求の範囲に記載される開示と範囲において同等である特定の実施形態が、以下に要約される。これらの実施形態は、特許請求の範囲に記載される開示の範囲を限定しようとするものではなく、むしろ、これらの実施形態は、本開示について考えられる形態の概要を提供しようとするものにすぎない。実際、実施形態は、以下に記載される実施形態に類似しても、あるいは以下に記載される実施形態から異なってもよい種々の形態を包含することができる。
【０００５】
第１の実施形態においては、ガスタービンのための制御システムが、基準信号とガスタービンのフィードバック信号との間の差分を求め、差分と、差分に対するコントローラの応答に対応するコントローラの利得に基づいて、ガスタービンのプロセスを制御するように構成されたコントローラと、プロセスへの少なくとも１つの入力に基づいてプロセスの少なくとも１つの出力を推定するように構成された定常状態モデルを求め、定常状態モデルの少なくとも１つの入力を摂動させることによって、ガスタービンの過渡特性を含む少なくとも１つの出力を推定することにより、過渡モデルを作成し、過渡モデルに基づき、連続的、所定の間隔、または要件トリガに基づいて、コントローラの利得を調整し、調整後の利得をコントローラへと送信するように構成されたチューナとを含んでおり、コントローラは、調整後の利得に基づいてプロセスを制御するように構成されている。
【０００６】
第２の実施形態においては、一方法が、プロセッサによって、ガスタービンのコントローラによって制御されるプロセスをモデル化する定常状態モデルであって、少なくとも１つの入力に基づいてプロセスの少なくとも１つの出力を推定する定常状態モデルを得ることと、プロセッサにより、少なくとも１つの入力およびガスタービンのプロセスにおける予想される変化を定常状態モデルへと入力することによって、プロセスの少なくとも１つの出力への変化をモデル化する過渡モデルを作成することと、プロセッサにより、定常状態モデルの少なくとも１つの入力を摂動させることによって、ガスタービンの過渡特性を含む少なくとも１つの出力を推定することにより、過渡モデルを作成することと、プロセッサにより、過渡モデルに基づき、ガスタービンのコントローラの基準信号とフィードバック信号との間の差分に対する応答を定めるコントローラの利得を、連続的に調整、所定の間隔で調整、または要件トリガに基づいて調整、あるいはこれらの任意の組み合わせにて調整することと、プロセッサにより、調整後の利得を、コントローラへと送信することとを含んでおり、コントローラは、調整後の利得に基づいてプロセスを制御するように構成されている。
【０００７】
第３の実施形態においては、非一時的なコンピュータ可読媒体が、チューナのプロセッサによって実行されるように構成された命令を含んでおり、命令は、ガスタービンのコントローラによって制御されるプロセスをモデル化する定常状態モデルであって、少なくとも１つの入力に基づいてプロセスの少なくとも１つの出力を推定する定常状態モデルを得ること、定常状態モデルの少なくとも１つの入力を摂動させることによって、ガスタービンの過渡特性を含む少なくとも１つの出力を推定することにより、過渡モデルを作成すること、過渡モデルに基づき、コントローラの利得を、連続的に調整、所定の間隔で調整、または要件トリガに基づいて調整すること、および調整後の利得をコントローラへと送信することを、プロセッサに実行させるように構成された命令を含んでおり、コントローラは、調整後の利得に基づいてプロセスを制御するように構成されている。
【０００８】
本開示のこれらの特徴、態様、および利点、ならびに他の特徴、態様、および利点は、添付の図面を参照しつつ以下の詳細な説明を検討することで、よりよく理解されよう。添付の図面においては、図面の全体を通して、類似する符号は類似する部分を表している。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ガスタービンの１つ以上の動作パラメータを制御するガスタービンシステムの一実施形態によるコントローラのブロック図である。
【図２】コントローラの利得を調整する図１のコントローラ用の一実施形態によるチューナの制御システムである。
【図３】コントローラの利得を更新するためにガスタービンの制御システムによって実行される一実施形態によるプロセスのフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本開示の１つ以上の特定の実施形態が、以下で説明される。これらの実施形態の簡潔な説明を提供しようとする努力において、必ずしも実際の実施のすべての特徴は、本明細書に記載されないかもしれない。そのようなあらゆる実際の実施の開発においては、あらゆる工学または設計プロジェクトと同様に、実施ごとにさまざまであり得るシステム関連および事業関連の制約の順守などの開発者の具体的な目標を達成するために、実施ごとに特有の多数の決定を行わなければならないことを、理解すべきである。さらに、そのような開発の努力が、複雑かつ時間を必要とするものであり得るが、それでもなお本明細書の開示の恩恵を被る当業者にとって設計、製作、および製造の日常的な取り組みにすぎないと考えられることを、理解すべきである。
【００１１】
本開示の種々の実施形態の構成要素を紹介するとき、冠詞「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「この（ｔｈｅ）」、および「前記（ｓａｉｄ）」は、その構成要素が１つ以上存在することを意味するように意図される。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語は、包括的なものであって、列挙された要素以外の付加的な要素があり得ることを意味するものである。
【００１２】
本開示の実施形態は、ガスタービン、蒸気タービン、および／または圧縮機などのターボ機械の制御システムに関する。例えば、ガスタービンは、１つ以上の圧縮機と、燃焼器と、１つ以上のタービンブレードとを含むことができる。ガスタービンは、空気をより高い圧力へと圧縮する１つ以上の圧縮機において、空気などの酸化剤を受け取ることができる。空気は、燃料と混合されて、燃焼器によって燃焼させられる空気−燃料混合物を形成する。燃焼プロセスからのエネルギは、１つ以上のタービンのタービンブレードを回転させるために使用される。タービンブレードの回転エネルギは、タービンブレードに結合したシャフトを回転させて、車両または発電機などの１つ以上の負荷を駆動することができる。発電機は、住宅用、産業用、または任意の他の適切な目的に使用される電力を供給するために電力網に接続されてよい。
【００１３】
ガスタービンは、ガスタービンの１つ以上の動作を制御する制御システムを含むことができる。例えば、ガスタービンの制御システムは、燃料および酸化剤の温度、タービンの種々の段の圧力、ガスタービンに入る空気−燃料の比、などを制御することができる。制御システムは、基準信号とフィードバック信号との間の差分（例えば、誤差）を割り出すことによってガスタービンの１つ以上の動作を制御する比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラなどの１つ以上のコントローラを含むことができる。ＰＩＤコントローラは、ＰＩＤコントローラの比例利得、積分利得、および微分利得に基づいてＰＩＤコントローラからの出力信号を調整することによって、時間の経過につれて差分を小さくすることができる。例えば、コントローラは、所望の出口圧力の基準信号と、燃焼器の出口の圧力センサからのフィードバックとを比較することによって、燃焼器の出口圧力を制御することができる。
【００１４】
ＰＩＤコントローラの利得は、ガスタービンの既知の構成要素（例えば、圧縮機、燃焼器、タービンブレード）から推定される１つ以上の因子に基づいて、オフラインで予め決定されてよい。しかしながら、利得を予め設定することにより、ＰＩＤコントローラは、システムの非線形性を考慮しない可能性がある。例えば、ガスタービンを取り囲む周囲温度および周囲圧力などの種々の運転パラメータ、ならびにガスタービンの部品の劣化が、ＰＩＤコントローラによって考慮されないやり方でガスタービンの動作に影響を及ぼす可能性がある。この例において、ＰＩＤコントローラの予め決定された利得は、周囲温度、周囲圧力、および劣化がＰＩＤコントローラによって考慮されず、したがってこのような非線形性を考慮するコントローラと比べ、基準信号とフィードバック信号との差分を小さくする処置をとるうえでコントローラが遅れることになるがゆえに、システムの効率を下げてしまう可能性がある。
【００１５】
以上を念頭に、本開示の実施形態は、コントローラの利得を調整することによってコントローラ内の非線形パラメータを考慮するシステムおよび方法を説明する。例えば、ガスタービンの制御システムは、コントローラの利得を調整する回路を有するチューナを含むことができる。チューナは、ガスタービンの１つ以上の動作パラメータをモデル化する定常状態モデルを得ることができる。定常状態モデルは、一般に、時間的に不変であるガスタービンシステムのプロセスの挙動を規定する模擬によるプロセスを指すことができる。動作パラメータの例として、温度および圧力を使用することができるが、ガスタービンのコントローラは、ガスタービンの任意の適切な動作パラメータを制御することができる。チューナは、ガスタービンから定常状態モデルへと種々の測定値を受け取ることができる。次いで、チューナは、定常状態モデルに入力（例えば、摂動）を挿入して、ガスタービンシステムの非線形性を考慮する過渡モデルを作成または更新することができる。過渡モデルは、状態の変化の最中にガスタービンによって実行されるプロセスの挙動を規定する模擬によるガスタービンシステムであってよい。例えば、チューナは、ステップ応答を決定するために、定常状態モデルにステップ入力を挿入することができる。すなわち、チューナは、モデルを摂動させ、定常状態モデルへともたらされる特定の入力についてのシステム特性を推定することで、ガスタービンの実際の動作に影響を与えることなく過渡モデルを決定することができる。次いで、チューナは、定常状態モデルおよび過渡応答に基づいて伝達関数（例えば、ｓ領域の入力／出力関係）を決定することができる。伝達関数は、ガスタービンの入力に対するガスタービンの一部の出力を特徴付けることができる。例えば、伝達関数は、燃焼器内の音響からの燃焼器内の圧力変動を、燃焼器へと燃焼ノズルに流入する燃料の流れを制御するために燃料弁を開閉する信号に対して特徴付けることができる。次いで、チューナは、要求された性能基準（例えば、所定の安定性マージン）を確保するために、上述の伝達関数に基づいて、その特定の動作点において必要な利得を決定することができる。
【００１６】
ここで図面を参照すると、図１が、ガスタービンシステム１０の一実施形態のブロック図を示している。この図は、燃料ノズル１２、燃料供給源１４、および燃焼器１６を含む。図示のように、燃料供給源１４は、液体燃料ならびに／あるいは天然ガスまたは合成ガスなど気体燃料をタービンシステム１０へと燃料ノズル１２を通って燃焼器１６に送る。燃焼器１６は、燃料−空気混合物を着火および燃焼させた後に、高温の加圧された燃焼ガス１７（例えば、排気）をタービン１８へと送る。タービンブレードを、シャフト１９に結合させることができ、シャフト１９は、図示のようにタービンシステム１０の各所のいくつかの他の構成要素に接続される。燃焼ガス１７がタービン１８のタービンブレードを通過するとき、タービン１８が駆動されて回転し、シャフト１９の回転を生じさせる。最終的に、燃焼ガス１７は、排気出口２０を介してタービンシステム１０から出ることができる。
【００１７】
タービンシステム１０の一実施形態においては、圧縮機のブレードが、圧縮機２２の構成要素として含まれる。圧縮機２２内のブレードは、シャフト１９に結合させられてよく、上述のようにシャフト１９がタービン１８によって駆動されて回転するときに、回転することができる。圧縮機２２は、吸気口２４を介してタービンシステム１０へと空気を取り入れることができる。さらに、シャフト１９を、シャフト１９の回転によって動作させることができる負荷２６に結合させることができる。例えば、負荷２６は、発電プラントまたは外部の機械的な負荷など、タービンシステム１０の回転出力によって出力を生み出すことができる任意の適切な装置であってよい。例えば、負荷２６として、発電機、飛行機のプロペラ、などを挙げることができる。吸気口２４は、低温空気取り入れ口などの適切な機構を介して空気３０をタービンシステム１０へと引き込み、その後に空気３０を燃料ノズル１２を介して燃料供給源１４と混合する。タービンシステム１０によって取り込まれた空気３０を、圧縮機２２内のブレードを回転させることによって送り、圧縮して加圧空気とすることができる。次いで、参照番号３２によって示される加圧空気を、燃料ノズル１２へと送ることができる。次いで、燃料ノズル１２が、燃料を無駄にせず、あるいは過度の排出物を生じさせることがないように、例えば燃料をより完全に燃焼させる燃焼など、燃焼のための適切な混合比を生み出すべく、参照番号３４によって示されるように加圧空気と燃料を混合する。
【００１８】
さらに、タービンシステム１０は、タービンシステム１０の動作に関連する測定値を取得するための１つ以上のセンサ３５を含む。図示のセンサ３５は、燃料ノズル１２、燃焼器１６、タービン１８、および圧縮機２２に組み合わせられている。タービンシステム１０が例えば発電プラントの構成要素である特定の実施形態においては、排気出口２０を、排気から熱を回収して蒸気タービンなどの種々の用途に使用するための蒸気を生成する熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）へと接続でき、次いでＨＲＳＧを排気スタックへと接続することができる。排気スタックは、ＨＲＳＧの排気ガスを大気へと向け直すことができる。したがって、センサ３５を、ＨＲＳＧおよび排気スタックなどの種々の発電プラント構成要素に組み合わせることができる。
【００１９】
センサ３５は、流体、温度、圧力、などに関する種々の測定値を得ることができる。すなわち、特定のセンサ３５を使用して、気体、気体−液体混合物、または液体の特性を測定することができる。例えば、特定の実施形態は、燃焼器１６からのガス流を監視して、種々の排出物、温度、圧力、流量、時間における変動、空間における変化、などを検出することができる。他のセンサ３５の実施形態は、例えば、ブレードの異常、回転効率、などを検出するために、タービン１８を通過するガス流を監視することができる。センサ３５の実施形態は、種々の排出物の測定値も得ることができる。例えば、圧縮機２２に組み合わせられるセンサ３５は、圧縮機の出口圧力を測定するための音響センサであってよい。ＰＫ２という圧縮機の出口圧力が以下で詳細に説明されるが、任意の適切な測定値を、本明細書に記載される実施形態に従ってセンサ３５によって監視できることに、注意すべきである。
【００２０】
タービンシステム１０は、タービンシステム１０の動作パラメータを制御する１つ以上のアクチュエータ３７（例えば、弁）を含むことができる。図示の実施形態において、タービンシステム１０は、燃料ノズル１２に入る燃料の流れを制御する予混合燃料弁を含む。予混合燃料弁が以下で詳細に説明されるが、本明細書に記載の実施形態に従ってガスタービンシステム１０の動作を制御するために、任意の適切なアクチュエータ／制御部を使用できることに、注意すべきである。
【００２１】
コントローラ４０を、ガスタービンシステム１０の１つ以上の動作パラメータを示す信号を受信するために、センサ３５のうちの１つ以上に電気的に接続することができる。例えば、コントローラ４０は、圧縮機２２に組み合わせられたセンサ３５から、圧縮機２２からの空気３０の出口圧力を示す信号を受信することができる。さらに、コントローラ４０は、ガスタービンシステム１０の１つ以上の動作パラメータを制御するための信号を送信するために、１つ以上のアクチュエータ３７に電気的に接続される。例えば、コントローラ４０は、燃料ノズル１２に流入する燃料の流れを制御するために、燃料ノズル１２に組み合わせられたアクチュエータ３７に信号を送ることができる。
【００２２】
コントローラ４０は、センサ３５から受信したデータを用いてガスタービンシステム１０のさまざまな動作を制御することができる。例えば、比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラなどのコントローラ４０は、ガスタービンシステム１０の所望の動作を示す基準信号とセンサ３５からの１つ以上の測定値のフィードバック信号との間の差分（例えば、誤差）を割り出すことによって、ガスタービンシステム１０の１つ以上の動作を制御することができる。ＰＩＤコントローラが、本明細書において説明されるが、これは、ガスタービンシステム１０の所望の動作の制御に適した比例、積分、および微分の利得の任意の組み合わせを含むことができる。コントローラ４０は、コントローラ４０の比例利得、積分利得、微分利得、またはこれらの組み合わせに基づいてコントローラ４０からアクチュエータ３７への出力信号を調整することによって、時間の経過とともに差分を小さくすることができる。例えば、コントローラ４０は、所望の出口圧力の基準信号と燃焼器の出口の圧力センサからのフィードバックとの間の差分に基づいて燃料ノズルの燃料弁の開閉を制御することによって、燃焼器の出口圧力を制御することができる。
【００２３】
比例利得は、基準信号とガスタービンのフィードバック信号との間の差分に比例する項であってよい。積分利得は、一定期間にわたる差の合計に比例する項であってよい。微分利得は、差分の変化率に比例する項であってよい。コントローラ４０は、ガスタービンの構成要素（例えば、燃焼器、圧縮機、およびタービンブレード）に基づいてオフラインで予め決定および評価された利得（例えば、項）に基づいて動作パラメータを制御することができる。コントローラにおいて非線形パラメータを考慮するために、チューナは、ガスタービンシステムがオンラインであるときにコントローラ４０の利得を調整することができる。さらに、チューナは、ガスタービンシステムの変化をシミュレートするために、定常状態モデルおよび過渡モデルを使用することができる。ガスタービンシステムの非線形パラメータをモデル化するチューナによってコントローラの利得を調整することで、コントローラは、システムの安定性を維持しながら、基準信号とガスタービンのフィードバック信号との間の差分をより迅速に減少させることにより、ガスタービンの効率を改善することができる。
【００２４】
図２が、ガスタービンシステム１０のコントローラ４０を調整するチューナ５０を含む制御システム４８のブロック図である。チューナ５０は、コントローラ４０とは別個のものとして以下で説明されるが、いくつかの実施形態において、チューナ５０は、コントローラ４０に組み込まれて、ガスタービンシステム１０の１つ以上の動作を制御してもよい。上述のように、コントローラ４０は、音響センサ３５からの圧力変動フィードバックなどのフィードバック信号５２に基づいて、ガスタービンシステム１０の１つ以上の動作を制御する。比較器５６が、フィードバック信号５２を基準信号５４と比較し、差分５８（例えば、誤差）をコントローラ４０へともたらすことができる。コントローラ４０は、差分５８を取得し、差分に基づいてガスタービンシステム１０の予混合燃料弁などの１つ以上の動作パラメータを制御することができる。いくつかの実施形態において、比較器５６は、コントローラ４０の一部として含まれてよく、あるいはコントローラ４０に加えて回路を含むことができる。コントローラ４０は、差分５８に基づいてコントローラ４０の応答を制御するＰＩＤ利得を含むことができる。
【００２５】
コントローラ４０は、プロセッサ６０または複数のプロセッサと、メモリ６２とを含むことができる。プロセッサ６０を、現時点において開示されている技術を実行するための命令を実行するために、メモリ６２に動作可能に接続することができる。これらの命令は、メモリ６２および／または他の記憶装置などの有形の非一時的なコンピュータ可読媒体に格納されたプログラムまたはコードにエンコードされてもよい。プロセッサ６０は、汎用プロセッサ（例えば、デスクトップ／ラップトップコンピュータのプロセッサ）、システムオンチップ（ＳｏＣ）デバイス、または集積回路（例えば、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、など）、あるいは何らかの他のプロセッサ構成であってよい。この実施形態において、メモリ６２は、これらに限られるわけではないが、ハードディスクドライブ、ソリッドステートドライブ、ディスケット、フラッシュドライブ、コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタルビデオディスク、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、ならびに／あるいはプロセッサ６０による命令および／またはデータの格納、取り出し、および／または実行を可能にする任意の適切な記憶装置、などのコンピュータ可読媒体を含む。メモリ６２は、１つ以上のローカルおよび／またはリモート記憶装置を含むことができる。
【００２６】
チューナ５０は、プロセッサ６４または複数のプロセッサならびにメモリ６６などの回路を含むことができる。プロセッサ６４は、メモリ６６に動作可能に接続されてよく、コントローラ４０に関して上述したプロセッサ６０およびメモリ６２の回路と同様の回路を含むことができる。チューナ５０は、以下に説明するステップを実行するようにプロセッサ６４に指示する回路および／またはソフトウェア（例えば、コード）などのハードウェアを含むことができる。例えば、プロセッサ６４は、ガスタービンシステム１０のプロセスをモデル化する定常状態モデル６８をプロセッサ６４に生成させる命令を取得することができる。すなわち、定常状態モデル６８は、１つ以上の動作パラメータに基づいて、図１のガスタービンシステム１０などのガスタービンシステムによって実行されるプロセスを推定する一般的なモデルであってよい。例えば、定常状態モデル６８は、予混合燃料弁の位置（例えば、燃料のスプリット）の指令、化学量論比、燃焼室における差圧、などに基づいて圧縮機の出口圧力の推定値をもたらすことができる。
【００２７】
定常状態モデル６８は、線形、指数、対数、または他の式、あるいは１つ以上の動作パラメータをガスタービンシステム１０の推定される動作に関連付ける任意の他の適切なモデルであってよい。例えば、定常状態モデル６８は、予混合燃料弁の位置を、音響センサを介して受信された測定値および／またはガスタービンシステム１０の他の測定値に、
Ｄｙｎ＝Ｆ（ＦＦ、Ａｍｂ、Ａ、Ｂ、・・・）＋Ｃ  式（１）
などと関連付ける指数モデルであってよく、
ここで、Ｄｙｎは、モデルから推定される燃焼器内の圧力変動の振幅であり、ＦＦは、測定された燃料流量であり、Ａ、Ｂ、およびＣは、回帰定数である。関心対象の伝達関数（特定のスプリットにおける燃料の流れとダイナミクスとの間の関係）に応じて、モデルへと送り込まれる独立パラメータを摂動させ、ガスタービンシステム１０からの応答を推定することによって過渡モデルを作成することができる。ＦＦ、Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＡｍｂが例として示されているが、任意の適切な独立パラメータが過渡モデルの項と共に使用されてよいことに、留意されたい。
【００２８】
プロセッサ６４は、定常状態モデル６８への入力を変化（例えば、摂動）させて、ガスタービンシステム１０のセンサ読み取りへの変化に基づく動的出力を生成することができる。例えば、プロセッサ６４は、ガスタービンシステム１０の性能に依存する過渡モデル７０の作成または更新に使用される出力を生成するために、定常状態モデル６８への予混合の入力を摂動させることができる。予混合の入力の摂動は、プロセスの事前の性能のモデル化からガスタービンの性能の予期される変化に基づいてステップ入力を変更することを指すことができる。例えば、特定の予混合回路への燃料の流れの摂動は、測定される燃焼缶の圧力変動に変化をもたらす。予混合回路の燃料の流れに関する圧力変動のステップ応答を評価することにより、圧力変動のダイナミクスを捕捉することができる。この評価の一例は、ｓ領域の伝達関数として表すことができる。すなわち、定常状態モデル６８は、ガスタービンシステム１０が動作していない状態でオフラインにて作成された一般的なモデルであってよい。過渡モデル７０は、特定のガスタービンシステム１０が、摂動に起因して他のガスタービンに対して特定のガスタービンシステム１０の非線形な変化（例えば、劣化、周囲温度、など）ゆえに出力し得る応答を、推定することができる。いくつかの実施形態においては、ガスタービンシステム１０が、ガスタービンシステム１０が負荷へと出力をもたらすオンラインの状態であるときに、過渡モデル７０を作成または更新することができる。
【００２９】
過渡モデルは、例えば式２
【００３０】
【数１】
2018138784.tif 000003
に示されるようにｓ領域で表される伝達関数を含むことができ、
ここで、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、およびＥは、逐次最小二乗に基づく回帰などの任意の適切な技術を使用することによって決定される伝達関数係数である。
【００３１】
定常状態モデル６８を摂動させることによって、ガスタービンシステム１０は、過渡モデル７０を作成または更新するチューナ５０の影響を受けないままであることができる。すなわち、プロセッサ６４は、ガスタービンシステム１０の実際の動作に影響を与えることなく、定常状態モデル６８の摂動の影響を推定することができる。過渡モデル７０を作成または更新するために、プロセッサ６４は、定常状態モデル６８にステップ入力（例えば、Ｃ）をもたらすことができる。ステップ入力は、ステップ応答と呼ばれるモデルの変化への応答を生じさせる定常状態モデル６８への瞬間的な変化を指すことができる。プロセッサ６４は、ステップ入力に対するステップ応答に基づいて過渡モデル７０を推定することができる。さらに、プロセッサ６４は、経時的な定常状態モデル６８へのステップ応答を近似する最小二乗最適化７４のような技術を用いて最良適合線を計算することによって過渡モデル７０を決定することができる。次いで、プロセッサ６４は、過渡モデル７０に基づいて、利得マージン、位相マージン、または両方などの所定の安定性マージンが満足されるように、コントローラ利得を決定することができる。チューナ５０は、コントローラ４０の利得を調整するコントローラチューナ７２の回路および／または命令を含むことができる。例えば、プロセッサ６４は、過渡モデル７０の安定性マージンに基づいてコントローラ利得を生成または更新する命令を実行することができる。伝達関数は、ガスタービンシステム１０の動作の出力をシステムへの入力に関連付けることができる。さらに、プロセッサ６４は、伝達関数に基づいてガスタービンコントローラ４０の利得を決定することができる。例えば、プロセッサ６４は、定常状態モデル６８および／または過渡モデル７０の安定性マージンに基づいて、比例利得、積分利得、微分利得、またはこれらの任意の組み合わせを決定することができる。すなわち、プロセッサ６４は、基準信号５４とフィードバック信号５２との間の差分に対するコントローラ４０の応答の割合を表す項を決定することができる。例えば、プロセッサ６４は、コントローラが最良適合モデルおよび伝達関数に基づいて所望の出力を与えるように利得が計算される直接合成を使用してコントローラ４０の利得を計算することができる。さらに、チューナ５０は、安定性マージンを使用してコントローラ４０の安定性を保証することができる。次いで、プロセッサ６４は、伝達関数に基づいてコントローラ４０の利得を調整するために、ガスタービンコントローラ４０に信号を送信することができる。
【００３２】
図３が、コントローラ４０の利得を調整するためにガスタービンシステム１０のチューナ５０のメモリ６６上の回路および／または命令によって実行されるプロセス８０のフロー図を示している。ブロック８２において、プロセッサ６４は、ガスタービンシステム１０の動作に関連する定常状態モデル６８を得ることができる。上述のように、動作は、コントローラ４０を介して制御される任意の適切な動作であってよい。定常状態モデル６８は、制御される動作に応じて、線形、指数、対数、または任意の他の適切なモデルであってよい。定常状態モデル６８は、一般的に、ガスタービンのプロセスへの入力に基づいてガスタービンのプロセスの出力をモデル化することができる。ブロック８４において、プロセッサ６４は、調整される特定のガスタービンシステム１０に基づいて定常状態モデル６８を変更するために少なくとも１つの入力を入力することによって過渡モデル７０を作成または更新することができる。例えば、プロセッサ６４は、定常状態モデル６８へともたらされる入力パラメータを摂動させるステップ入力を定常状態モデル６８へともたらすことができる。上述したように、過渡モデルを作成するために、プロセッサ６４は、定常状態モデル６８への入力を摂動させて、少なくとも１つの出力を推定することができる。少なくとも１つの出力は、ガスタービンの動作パラメータの変化の場合のガスタービンの予期される出力を反映するガスタービンの過渡特性（例えば、予混合回路の燃料の流れに対する圧力変動のステップ応答）を含むことができる。
【００３３】
ステップ入力後の定常状態モデル６８の出力を使用して、ガスタービンシステム１０の予期される出力パラメータを推定することができる。さらに、プロセッサ６４は、過渡モデル７０および既存のコントローラ利得に基づいて安定性マージンを決定することができる。安定性マージンは、プロセスが安定性を失う可能性のある利得または位相変動の量を指すことができる。
【００３４】
上述のように、過渡モデルは、例えば、定常状態モデル６８および／または過渡モデル７０によって表される入力と出力との間の関係に基づく動作の制御に関連する伝達関数を含むことができる。伝達関数は、制御される動作の出力と入力との間の比を規定することができる。伝達関数は、ラプラス変換、ｚ変換、または例えば逐次最小二乗推定などの任意の他の適切な方法を行うことによって決定されてよい。
【００３５】
さらに、プロセッサ６４は、関係に基づいてコントローラ４０の比例利得、積分利得、微分利得、またはこれらの任意の組み合わせを決定することができる。例えば、比例利得について、プロセッサ６４は、利得および／または位相マージンに基づいて安定性を維持しながら、基準信号とフィードバック信号との間の差分を最小にするコントローラ４０の基準信号とフィードバック信号との差分に対する応答割合を決定することができる。
【００３６】
ブロック８８において、プロセッサ６４は、伝達関数に基づいてコントローラ４０の利得を調整することができる。いくつかの実施形態において、チューナ５０は、コントローラ４０へと利得の調整を示す信号を送ることができる。次いで、コントローラ４０は、信号を受信し、受信した信号に基づいて利得を調整することができる。特定の実施形態において、チューナ５０は、コントローラ４０に組み込まれ、調整後の利得に基づいてガスタービンシステム１０の動作を制御することができる。コントローラ４０の利得を調整することにより、チューナ５０は、ガスタービンシステム１０のコントローラ４０が、ガスタービンシステム１０が動作しているときにガスタービンシステム１０のセンサ３５からのデータに基づいて動作を制御するために使用される利得を調整することを可能にすることができる。さらに、チューナ５０は、コントローラ４０が、動作中の特定のガスタービンシステム１０に特有ではないオフラインモデルの精度にあまり依存しないようにすることができる。さらに、チューナ５０は、定常状態モデル６８を摂動させて過渡モデル７０を作成することによってガスタービンシステム１０を摂動させることなくコントローラ４０の利得を調整することができる。
【００３７】
本開示の技術的効果は、ガスタービンの動作を制御するコントローラの利得の調整を含む。コントローラは、ガスタービンによって実行される動作の定常状態モデルを得ることができる。コントローラは、定常状態モデルに少なくとも１つの入力を入力することによって過渡モデルを作成または更新することができ、ここで過渡モデルはガスタービンの性能に依存する。コントローラは、定常状態モデルおよび／または過渡モデルからの安定性マージンに基づいて、ガスタービンの動作に関連する伝達関数を作成または更新することができる。コントローラは、伝達関数に基づいてコントローラの利得を調整することができる。いくつかの実施形態において、コントローラは、コントローラの利得への調整を示す信号を送信することができる。他の実施形態において、コントローラは、調整後の利得に基づいてガスタービンの動作を制御することができる。コントローラの利得を調整することによって、コントローラの動作は、劣化または周囲条件からガスタービンシステム１０の出力を改善するように適応する。
【００３８】
本明細書は、最良の態様を含むいくつかの実施形態を開示するとともに、あらゆる装置またはシステムの製作および使用ならびにあらゆる関連の方法の実行を含む実施形態の実施を当業者にとって可能にするために、いくつかの実施例を使用している。本開示の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのような他の実施例は、特許請求の範囲の文言から相違しない構造要素を有しており、あるいは特許請求の範囲の文言から実質的に相違しない同等な構造要素を含むならば、特許請求の範囲の技術的範囲に包含される。
【符号の説明】
【００３９】
１０  ガスタービンシステム
１２  燃料ノズル
１４  燃料供給源
１６  燃焼器
１７  燃焼ガス
１８  タービン
１９  シャフト
２０  排気出口
２２  圧縮機
２４  吸気口
２６  負荷
３０  空気
３２  加圧空気
３４  空気−燃料混合物
３５  センサ
３７  アクチュエータ
４０  ガスタービンコントローラ
４８  制御システム
５０  チューナ
５２  フィードバック信号
５４  基準信号
５６  比較器
５８  差分
６０  プロセッサ
６２  メモリ
６４  プロセッサ
６６  メモリ
６８  定常状態モデル
７０  過渡モデル
７２  コントローラチューナ
７４  最小二乗最適化
８０  方法
【図１】
2018138784.tif 000004
【図２】
2018138784.tif 000005
【図３】
2018138784.tif 000006
【外国語明細書】
2018138784000001.pdf