(57)【要約】【課題】  制御システム（１０）を提供する。【解決手段】  制御システム（１０）は、ガスタービン（１４）用の燃料供給圧力を調整するように構成された要素モデル（１１６）と、該ガスタービンに供給される燃料圧を検知するように構成された圧力センサ（１０８）と、積分状態フィードバックを含むフィードバックモジュール（１１７）であって、燃料圧の変化に対する該制御システムの応答時間が容易に減少するように該要素モデルに対して正のフィードバック参照信号を提供するように構成された該フィードバックモジュール（１１７）とを含む。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御システム（１０）であって、
ガスタービン（１４）用の燃料供給圧力を調整するように構成された要素モデル（１１６）と、
該ガスタービンに供給される燃料圧を検知するように構成された圧力センサ（１０８）と、
積分状態フィードバックを含むフィードバックモジュール（１１７）であって、燃料圧の変化に対する該制御システムの応答時間が容易に減少するように該要素モデルに対して正のフィードバック参照信号を提供するように構成された該フィードバックモジュール（１１７）と
からなる、制御システム（１０）。
【請求項２】
前記制御システム（１０）が圧力制御弁（１０６）を含み、前記要素モデル（１１６）が燃料供給における該圧力制御弁の応答を表すように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記制御システム（１０）が圧力センサ（１１０）と、燃料供給を該ガスタービン（１４）と連結する相互接続配管とを含み、前記要素モデル（１１６）がさらに、燃料供給における該圧力センサ（１０８）と相互接続配管の応答を表すように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記要素モデル（１１６）がさらに、燃料供給における複数の部品の応答を表すように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記積分状態フィードバックモジュール（１１７）がさらに、圧力設定値と加算されて積分信号を生成する圧力フィードバック信号からなる信号を積分するように構成された積分器（１２２）を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記積分状態フィードバックモジュール（１１７）がさらに、制御利得（１２４）を乗じた該要素モデル（１１６）からの状態フィードバック信号を該積分信号に加算して、積分・加算信号を生成するように構成された加算器（１３０）を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記積分状態フィードバックモジュール（１１７）がさらに、前記要素モデル（１１０）に入力される供給圧力フィードフォワード信号を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
さらに、該要素モデル（１１０）の出力によって制御される該ガスタービンエンジン（１４）への燃料供給を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
燃料供給制御弁（１０４）を通る燃料供給システムからの燃料流を受け入れるように構成された燃焼器と、
該燃料供給制御弁の動的応答の制御を容易にするように構成された制御システム（１０）とからなり、
前記制御システムは、要素モデル（１１６）を使用して該燃焼器への燃料供給圧力を調整し、該燃焼器への燃料供給の圧力信号を受信し、該要素モデルに対して積分状態フィードバックを加えて、該燃焼器への燃料供給圧力の変化に対する燃料制御弁の応答時間を容易に減少させるように構成されたプロセッサからなる、ガスタービンエンジンアセンブリ（１４）。
【請求項１０】
前記プロセッサがさらに、該要素モデル（１１６）を使用して、燃料供給における少なくとも１つの部品の燃料圧または燃料流の変化に対する応答を表すように構成される、請求項９に記載のアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概してガスタービンに関し、より詳細にはガスタービン用燃料制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
少なくともいくつかの公知の工業ガスタービン燃料制御システムは、正しく使用するために一連の並列ガス制御弁の上流の定常燃料圧に依存している。このため、圧力制御弁を一連の並列ガス制御弁のすぐ上流で使用してこの圧力を調整している。
【特許文献１】米国特許第４，２７７，８３２号公報
【特許文献２】米国特許第５，４２７，０８３号公報
【特許文献３】米国特許第５，５８８，４１５号公報
【特許文献４】米国特許第５，６８５，２６８号公報
【特許文献５】米国特許第６，５９８，５８９Ｂ２号公報
【特許文献６】米国特許第６，８８２，９２４Ｂ２号公報
【特許文献７】米国特許第６，９５９，６９２Ｂ２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ガスタービン燃料システムの圧力制御には、圧力制御弁の応答改善が望まれている。応答の鈍さと帯域幅の低さによって、制御パラメータによる制御システムのトラッキング行動が弱くなる可能性がある。燃料制御システムの動的応答の改善を達成するアルゴリズムは、応答の立ち上がり時間を短くし、高周波の命令基準信号に対するトラッキング行動を向上させ、タービンシステム全体の動作を向上させる傾向がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
一実施形態では、制御システムは、ガスタービン用の燃料供給圧力を調整するように構成された要素モデルと、該ガスタービンに供給される燃料圧を検知するように構成された圧力センサと、積分状態フィードバックを含むフィードバックモジュールであって、燃料圧の変化に対する該ガスタービン燃料制御システムの応答時間が容易に減少するように該要素モデルに対して正のフィードバック参照信号を提供するように構成された該フィードバックモジュールとを含む。
【０００５】
別の実施形態では、ガスタービン燃料制御システムにおける燃料制御弁の動的応答を制御する方法は、要素モデルを使用してガスタービン用の燃料供給圧力を調整し、該ガスタービンへの燃料供給圧力を検知し、該要素モデルに積分状態フィードバックを加えて、該燃料供給圧力の変化に対する該燃料制御弁の応答時間の減少または該燃料制御弁の応答帯域の増加を容易にすることを含む。
【０００６】
さらに別の実施形態では、ガスタービンエンジンアセンブリは、燃料供給制御弁を通る燃料供給システムからの燃料流を受け入れるように構成された燃焼器と、該燃料供給制御弁の動的応答の制御を容易にするように構成された制御システムとを含み、該制御システムは、要素モデルを使用して該燃焼器への燃料供給圧力を調整し、該燃焼器への燃料供給の圧力信号を受信し、該要素モデルに対して積分状態フィードバックを加えて、該燃焼器への燃料供給圧力の変化に対する燃料制御弁の応答時間を容易に減少させるように構成されたプロセッサを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は、ガスタービンエンジン１４を含む発電装置１２用の例示的な制御システム１０の概略図である。例示的な実施形態では、ガスタービンエンジン１４は、複合サイクル構成で一体型シャフト２０を介して蒸気タービン１６および発電機１８に連結される。本発明の他のさまざまな実施形態では、ガスタービンエンジン１４は、単純サイクルガスタービンエンジン構成で発電機に連結される。本発明のさまざまな実施形態に関しては、他の原動力を備えたガスタービンエンジンのさらなる構成も意図される。
【０００８】
例示的な実施形態では、ガスタービンエンジン１４は、ガスタービンおよび燃料制御サブシステム２２を介して制御システム１０によって制御される。蒸気タービン１６、熱回収蒸気発生器２４およびバランスオブプラント機器２６などの他の機器は、発電装置１２の各制御サブシステムを介して制御システム１０によって制御される。各サブシステムは、該機器に連結されるセンサや制御部材（図示せず）と連絡し、該機器の運転パラメータの関数である信号を提供するように構成される。各装置のサブシステムは、単一、二重冗長または三重冗長バスシステムであり得る単一データバス３０を介して、互いにかつプラント制御システム２８と連絡している。プラント制御システム２８は、エンジニアリングワークステーション３２、少なくとも１つのオペレータワークステーション３４、およびプリンタや単一データバス３０を介して連結される各サブシステムから送信されるデータを受信し記憶するデータヒストリアンなどの他のディスプレイ・ヒューマンマシンインタフェース３６と連絡している。
【０００９】
サブシステムは、例えば発電機励起・保護サブシステム３８、静的起動器サブシステム４０、蒸気タービン・バイパス制御サブシステム４２、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）・蒸気サイクル機械的補助装置サブシステム４４およびユニット補助制御サブシステム４６を含む。
【００１０】
図２は、ガスタービンエンジン１４（図１に示す）で使用することのできる制御システム１０のガスタービンエンジン燃料制御部分の概略図である。例示的な実施形態では、ガスタービンエンジンは、各々が燃料制御弁１０４を含む１つ以上の燃料分配管１０２から燃料の供給を受ける。燃料分配管１０２は、燃料制御弁１０４の上流に位置する圧力制御弁１０６からの燃料流を受け入れる。燃料供給圧力センサ１０８は圧力制御弁１０６の上流で燃料供給と流れ連通状態で連結され、弁内圧力センサ１１０は圧力制御弁１０６の下流で燃料供給と流れ連通状態で連結される。
【００１１】
燃料供給圧力センサ１０８は圧力制御弁１０６の上流の燃料供給圧力の関数である信号Ｐ１を生成し、弁内圧力センサ１１０は圧力制御弁１０６の下流の燃料制御圧力の関数である弁内圧力信号Ｐ２を生成ずる。圧力制御弁１０６の位置は、圧力制御弁１０６に連結されるアクチュエータ１１２によって制御される。アクチュエータ１１２は、ガスタービンエンジン燃料制御サブシステム１１４の出力ｙで制御される。
【００１２】
ガスタービンエンジン燃料制御サブシステム１１４は、弁、配管、センサなどの燃料供給部品の応答を表して、制御システム１０に影響を及ぼすパラメータを処理するように構成された要素モデル１１６と、積分状態フィードバックモジュール１１７とを含む。積分状態フィードバックモジュール１１７の内側ループは、フィードバックパラメータ１１８である。燃料供給圧力信号Ｐ１は、燃料制御サブシステム１１４に対してフィードフォワードを行う。弁内圧力信号Ｐ２は、燃料制御サブシステム１１４の制御パラメータである。弁内圧力信号Ｐ２と制御システム１０からの圧力設定信号を加算すると発生する誤差信号１２０は積分器１２２に送り込まれ、利得１２４が加えられる。積分誤差信号１２６と状態フィードバック信号１２８は、加算器１３０で結合される。合成信号は要素モデル１１６に送信されて、さらに処理される。要素モデル１１６内の燃料供給部品を評するために使用されるパラメータの不確かさや、燃料供給部品に作用する障害は、定常制御誤差を引き起こす可能性がある。そのような影響を退けるために、燃料制御サブシステム１１４の内側ループ内で定常フィードバック構成が使用される。
【００１３】
動作中、燃料需要は、例えば電力供給網からさらなる電気負荷を供給するために、ガスタービンエンジンに供給される燃料の機械出力が増すにつれてゆっくりと変化する可能性がある。加えて、燃料需要は急速に、例えば電力需要の急上昇によって段階的に上昇するように変化する可能性もある。圧力センサ１０８および１１０は、燃料需要が増すことによってそれぞれの管内での圧力変化を検知する。Ｐ１は要素モデル１１６に圧力フィードフォワード信号を与え、弁内圧力信号Ｐ２は制御システム１０から受け取った弁内圧力設定値と加算される。誤差信号１２０は積分され、所定の利得が加えられる。合成積分信号は、要素モデル１１６からの利得調整状態フィードバック信号と加算される。その後、要素モデルはモデルパラメータと圧力フィードフォワード信号Ｐ１を処理誤差信号に加え、アクチュエータ１１２に送信される制御出力ｙを生成して、弁内燃料圧力が設定値に戻るように調整すべく圧力制御弁１０６を調節する。ガスタービンエンジン燃料制御サブシステム１１４内で積分状態フィードバック制御回路を使用することにより、公知の燃料制御システムよりも改善された動的応答が得られる。動的応答の改善により、制御パラメータの階段状変化に応じた立ち上がり時間が短くなり、高周波の命令基準信号に対するトラッキング行動が向上する。
【００１４】
図３は、弁内圧力Ｐ２の階段状変化に対する燃料制御サブシステムの応答を示すグラフ３００である。グラフ３００は、時間単位で変化するｘ軸３０２と、弁内圧力Ｐ２単位で変化するｙ軸３０４を有する。グラフ３００は、弁内圧力Ｐ２の段階的増加を示す軌跡３０６を有する。軌跡３０８は従来技術のガスタービンエンジン燃料制御サブシステムでの段階的増加に対する応答を示し、軌跡３１０は本発明の一実施形態にしたがったガスタービンエンジン燃料制御サブシステム１１４に対する応答を示す。例示的実施形態では、軌跡３０８は、軌跡３０６によって示される階段状変化が始まってから約２．４１秒後に実質的な定常値に達する。本発明の一実施形態にしたがったガスタービンエンジン燃料制御サブシステム１１４の応答を示す軌跡３１０は、軌跡３０６によって示される階段状変化が始まってから約４８秒後に実質的な定常値に達する。従来技術のサブシステムと本発明の一実施形態にしたがったサブシステム間の応答差は、応答性での約５倍の改善と、同様に帯域幅での約５倍の改善を示している。
【００１５】
ガス燃料供給システムに関して説明したが、本発明の実施形態はそれに限定することを意図していない。したがって、他の形態の燃料を制御する燃料供給システムもまた、本発明の他の実施形態で使用することができる。さらに、燃料制御弁の参照には、ダンパー、コンベヤー、可変ファンやブロワー等の他の燃料流および圧力調節装置も含む。
【００１６】
本発明の技術的効果は、ガス燃料システムの供給圧力変化が調整ガスの弁内圧力に与える影響の削減を容易にすることである。
【００１７】
上記のガスタービンエンジン燃料供給制御サブシステムは、費用効果があり、信頼性が高いものである。このサブシステムにより、燃料供給圧力制御弁に対する動的応答が改善されて、燃料需要の変化による燃料供給圧力の変化が比較的短い期間で軽減されるようになる。したがって、ガスタービンエンジン燃料供給制御サブシステムは、費用効果的で信頼性のある方法でガスタービンエンジンの動作を容易にするものである。
【００１８】
本発明をさまざまな特定の実施形態に関して説明してきたが、当業者には、本発明が特許請求の範囲の精神および範囲内での変更を加えて実施可能であることがわかるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ガスタービンエンジンを含む発電装置用の例示的な制御システムの概略図である。
【図２】図１に示されるガスタービンエンジンで使用することができる制御システムの一部分の概略図である。
【図３】弁内圧力Ｐ２の階段状変化に対する燃料制御サブシステムの応答を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２０】
１０  制御システム
１２  発電装置
１４  ガスタービンエンジン
１６  蒸気タービン
１８  発電機
２０  一体型シャフト
２２  燃料制御サブシステム
２４  熱回収蒸気発生器
２６  プラント機器
２８  プラント制御システム
３０  単一データバス
３２  エンジニアリングワークステーション
３４  オペレータワークステーション
３６  ヒューマンマシンインタフェース
３８  励起・保護サブシステム
４０  静的起動器サブシステム
４２  バイパス制御サブシステム
４４  サイクル機械的補助装置サブシステム
４６  ユニット補助制御サブシステム
１０２  燃料分配管
１０４  燃料制御弁
１０６  圧力制御弁
１０８  燃料供給圧力センサ
１１０  圧力センサ
１１２  アクチュエータ
１１４  エンジン燃料制御サブシステム
１１６  要素モデル
１１７  状態フィードバックモジュール
１１８  フィードバックパラメータ
１２０  誤差信号
１２２  積分器
１２４  利得
１２６  積分誤差信号
１２８  状態フィードバック信号
１３０  加算器
３００  グラフ
３０２  Ｘ軸
３０４  Ｙ軸
３０６  軌跡
３０８  軌跡
３１０  軌跡
【図１】
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【図２】
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【図３】
2008045552.tif 000005