(57)【要約】      （修正有）【課題】コントローラ、ガスタービンおよびガスタービンの燃焼システムを自己調節するための方法を提供する。【解決手段】ガスタービンのための調節カーブのセットから第１の調節カーブを選択するステップと、所定のレシピに基づき、１つまたは複数の動作パラメータを変更することによって、ガスタービンの安定した動作点をアンバランスにするステップと、調節パラメータを決定し、ガスタービンの現在の動作点が第１の調節カーブ上に戻される間、それらを格納するステップと、安定した動作点を回復するために、調節パラメータのバックアップを生成するステップとを含む。【選択図】図１
2013047512.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンの燃焼システムを自己調節するための方法であって、
前記ガスタービンのための調節カーブのセットから第１の調節カーブを選択するステップと、
所定のレシピに基づき、１つまたは複数の動作パラメータを変更することによって、前記ガスタービンの安定した動作点をアンバランスにするステップと、
調節パラメータを決定し、前記ガスタービンの現在の動作点が前記第１の調節カーブ上に戻される間、それらを格納するステップと、
前記安定した動作点を回復するために、調節パラメータのバックアップを生成するステップと
を含む、方法。
【請求項２】
第２の調節カーブを選択し、前記第２の調節カーブについて上記のステップを繰り返すことによって、前記ガスタービンの振る舞いを学習するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記ガスタービンの日々の動作パラメータを格納するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記格納された日々の動作パラメータおよび現在の動作パラメータに基づき、前記調節パラメータのバックアップを生成するステップをさらに含む、請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記ガスタービンのクリティカル条件と前記調節パラメータのバックアップの間の距離をチェックするステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項６】
燃焼ダイナミックスおよびガスタービン排出に関する警報を受信するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記格納された日々の動作パラメータ、現在の動作パラメータおよびガスタービン排出に基づき、前記調節パラメータのバックアップを生成するステップをさらに含む、請求項６記載の方法。
【請求項８】
ガスタービンの燃焼システムを自己調節するための前記ガスタービン中のコントローラであって、
前記ガスタービンの調節カーブを格納するように構成される記憶装置と、
前記記憶装置に接続されるプロセッサであって、
前記ガスタービンのための調節カーブのセットから第１の調節カーブを選択するように、
所定のレシピに基づき、１つまたは複数の動作パラメータを変更することによって、前記ガスタービンの安定した動作点をアンバランスにするように、
調節パラメータを決定し、前記ガスタービンの現在の動作点が前記第１の調節カーブ上に戻される間、それらを格納するように、および
前記安定した動作点を回復するために、調節パラメータのバックアップを生成するように
構成されるプロセッサと
を含む、コントローラ。
【請求項９】
ガスタービンであって、
燃焼システムと、
前記ガスタービンの前記燃焼システムの調節カーブを格納するように構成される記憶装置を有するコントローラと、
前記記憶装置に接続されるプロセッサであって、
前記ガスタービンのための調節カーブのセットから第１の調節カーブを選択するように、
所定のレシピに基づき、１つまたは複数の動作パラメータを変更することによって、前記ガスタービンの安定した動作点をアンバランスにするように、
調節パラメータを決定し、前記ガスタービンの現在の動作点が前記第１の調節カーブ上に戻される間、それらを格納するように、および
前記安定した動作点を回復するために、調節パラメータのバックアップを生成するように
構成されるプロセッサと
を含む、ガスタービン。
【請求項１０】
コンピュータ実行可能命令を含むコンピュータ可読媒体であって、前記命令は、実行されたとき、ガスタービンの燃焼システムを自己調節するための方法を実施し、前記方法は、
前記ガスタービンのための調節カーブのセットから第１の調節カーブを選択するステップと、
所定のレシピに基づき、１つまたは複数の動作パラメータを変更することによって、前記ガスタービンの安定した動作点をアンバランスにするステップと、
調節パラメータを決定し、前記ガスタービンの現在の動作点が前記第１の調節カーブ上に戻される間、それらを格納するステップと、
前記安定した動作点を回復するために、調節パラメータのバックアップを生成するステップと
を含む、コンピュータ可読媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ここに開示する主題の実施形態は、一般に、方法およびシステムに関し、より具体的には、ガスタービンの燃焼システムを自動的に自己調節するためのメカニズムおよび技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、軍事から発電まで、産業の多くの分野で使用される。ガスタービンは、電気エネルギーを生成するために主に使用される。しかし、ガスタービンのなかには、様々な車両、航空機、船舶などを推進するために使用されるものもある。用途に従って、タービンは、異なるセッティングと条件の下で動作することが求められる。これには、動作を維持するための制御システムの開発が必要であった。制御システムは、ガスタービンの燃焼システムを制御するように設計される。残念なことに、これらの制御システムの多くには、タービン制御を実施するために、固定値に基づく静的解析が使用される。また、これらのシステムの多くは、少なくともある程度の手動介入が必要であり、それによって、コストが増加し、誤りが発生する可能性が増加する。たとえば、ガスタービンの従来の燃焼システムは、ガスタービンの寿命にわたって２〜３回調節することが必要である。専門の技術者がこのステップを手動で行う。これらの技術者を各ガスタービンの現場に配備することが必要であり、それは、時間がかかり高価なプロセスである。これらの考慮にもかかわらず、ガスタービンには、排ガス規制の少なくとも最低限のレベルを証明するようにガスタービンに要求する規制が課せられる。これらのいわゆる「グリーン」規制（ｇｒｅｅｎ  ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓ）は、ガスタービンの運転を管理することへのさらなる推進力としての役割を果たす。したがって、前に述べた問題および欠点を回避するシステムおよび方法を提供することは、望ましいはずである。
【発明の概要】
【０００３】
一例示の実施形態によれば、ガスタービンの燃焼システムを自己調節するための方法がもたらされる。この方法は、ガスタービンのための調節カーブのセットから第１の調節カーブを選択するステップと、所定のレシピに基づき、１つまたは複数の動作パラメータを変更することによって、ガスタービンの安定した動作点をアンバランスにするステップと、調節パラメータを決定して、ガスタービンの現在の動作点が第１の調節カーブ上に戻される間、それらを格納するステップと、安定した動作点を回復するために、調節パラメータのバックアップを生成するステップとを含む。
【０００４】
別の例示の実施形態によれば、ガスタービンの燃焼システムを自己調節するためのコントローラがガスタービンにもたらされる。コントローラは、ガスタービンの調節カーブを格納するように構成される記憶装置と、記憶装置に接続されるプロセッサとを含み、プロセッサは、ガスタービンのための調節カーブのセットから第１の調節カーブを選択し、所定のレシピに基づき、１つまたは複数の動作パラメータを変更することによって、ガスタービンの安定した動作点をアンバランスにし、調節パラメータを決定して、ガスタービンの現在の動作点が第１の調節カーブ上に戻される間、それらを格納し、かつ、安定した動作点を回復するために、調節パラメータのバックアップを生成するように構成される。
【０００５】
さらに別の例示の実施形態によれば、燃焼システムと、ガスタービンの燃焼システムの調節カーブを格納するように構成される記憶装置を有するコントローラと、記憶装置に接続されるプロセッサとを含むガスタービンがもたらされる。このプロセッサは、ガスタービンのための調節カーブのセットから第１の調節カーブを選択し、所定のレシピに基づき、１つまたは複数の動作パラメータを変更することによって、ガスタービンの安定した動作点をアンバランスにし、調節パラメータを決定して、ガスタービンの現在の動作点が第１の調節カーブ上に戻される間、それらを格納し、かつ、安定した動作点を回復するために、調節パラメータのバックアップを生成するように構成される。
【０００６】
さらに別の例示の実施形態によれば、コンピュータ実行可能命令を含むコンピュータ可読媒体がもたらされ、その命令は、実行されたとき、上記に述べたような、ガスタービンの燃焼システムを自己調節するための方法を実施する。
【０００７】
添付図面は、本明細書中に包含され、その一部分を構成しており、１つまたは複数の実施形態を示し、本記述とともに、これらの実施形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】ガスタービンを制御するためのシステムの実施形態を表す図である。
【図２】ガスタービンの例を表す図である。
【図３】ガスタービンを制御するための方法の一実施形態を表す図である。
【図４】どのようにして適応制御を実施することができるのかを概念的に表す図である。
【図５】ガスタービンを制御するための方法の別の実施形態を表す図である。
【図６】自己調節モジュールの一実施形態を表す図である。
【図７】ガスタービンを自己調節するための方法の一実施形態を表す図である。
【図８】自己調節方法が実施される、コントローラの一実施形態を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
例示の実施形態に関する以下の記述では、添付図面が参照される。異なる図面中の同じ参照符号は、同じ、または同様の要素を識別する。以下の詳細な記述は、本発明を限定するものでない。それよりも、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。以下の実施形態では、簡単化のために、ガスタービンの燃焼システムの専門用語および構造に関して論議する。しかし、次に論議する実施形態は、ガスタービンに限定されず、他のターボマシンに適用することができる。
【００１０】
本明細書の全体にわたって、「一実施形態（ｏｎｅ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」または「実施形態（ａｎ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」に対する言及は、実施形態に関して述べる具体的な特徴、構造または特性が、開示する主題の少なくとも１つの実施形態中に含まれることを意味する。したがって、本明細書の全体にわたる様々な場所で句「一実施形態中」または「実施形態中」が見られても、必ずしも同じ実施形態を言及するものとは限らない。さらに、具体的な特徴、構造または特性は、１つまたは複数の実施形態中で、任意の適した形態で組み合わすことができる。
【００１１】
図１に、ガスタービンを制御するためのシステムの一実施形態を表す。図１のシステムは、静的システムとは違って、ステータス、セッティング、排出および他の性能関連の情報の履歴アーカイブを自動的に生成し、次いで制御データを適応的に調節することによって、ガスタービンの燃焼システムを適応制御し、それによってタービンの動作、その効率を向上させ、タービンからの排出を減少させる、または、さもなければ、タービンが、１つまたは複数の目的とする範囲内で動作するようにさせる。この動的な制御を通じて、本システムは、ユーザの介入が全くなしに、またはそれが最小で、どんな制御データが、目的とするタービン用途にもっとも適切であるのかを自動的に「学習する」。
【００１２】
図１に表すように、第１の実施形態は、プロセッサ１０と、記憶装置２０と、ガスタービン３０と、センサ４０と、負荷５０とを含む。第１の実施形態は、具体的にはタービンの動作の制御に関するが、他の実施形態では、システムは、異なるタイプの電源または発電機の動作を動的にかつ適応的に制御するために適用可能である。
【００１３】
プロセッサ１０は、様々なフェーズの動作の全体にわたってタービンをモニタし、次いで、内部または外部のメモリ中に格納されたスケジュールおよび制御データならびにアルゴリズムに基づき、ガスタービンの燃焼システムを自動的に制御するが、以下でより詳細に論議する。プロセッサは、構造上、マイクロコンピュータ、コントローラ、または、たとえば前に述べたスケジュールおよび制御プログラムによって駆動される他のタイプの処理チップまたはチップのセットとすることができる。内部メモリの例は、参照符号１５によって表す。
【００１４】
一適用例によれば、プロセッサは、認知モデル化および動的制御を実施するルールベースのエンジン、ニューラルネットワーク、あるいは仮想機械または状態機械の１つまたは複数としてもよく、またはそれらの中の１つまたは複数を含むこともできる。記憶装置２０は、このモデル化を支援するためのスケジュールおよび制御データを格納することができる。また、この記憶装置は、生のセンサおよび他のデータを格納するためのアーカイブとして働くことができ、それらデータからタービン性能、効率および排出情報を導き出すことができる。
【００１５】
プロセッサが、ルールベース（または推論）のエンジンである、またはそれを含む場合、記憶装置２０は、情報を格納する知識ベースとして働くことができ、その情報は、たとえば、セッティング、ルール、制限事項、安全マージンおよび／または他の制御データの初期セットを含み、ガスタービンの燃焼システムの動作をマッピングする、およびモデル化するのに使用されることになる。また、記憶装置は、タービンを管理するために、メモリ１５に格納されるアルゴリズムの代わりに、またはそれに加えて、様々な制御アルゴリズムを格納することができる。また、センサデータを含む、またはそれから導き出される性能、効率性、排出関連のデータおよび燃焼ダイナミックスは、タービンが動作を継続して行っているとき、記憶装置２０中のアーカイブに入れることができる。
【００１６】
初期のセッティング、ルール、制限事項および／または他の制御データは、このアーカイブに入れられたデータに基づき、自動的に調節されて、目的とする性能レベルを達成することができる。たとえば、記憶装置中の初期制御データは、所定の性能レベルを達成する目的に最適でない恐れがある。あるいは、燃焼システムは、所望の動作条件に引き戻される必要がある場合がある。ステータス情報およびセンサデータを時間とともにアーカイブに入れて解析し、ルールベースのエンジンを使用して、性能を向上させるためにどのように制御データを調節することができるのかを決定することができる。エンジンのルールは、これらの調節を管理することができ、次いで、調節は、タービンのための新しい制御データとして格納することができる。
【００１７】
プロセッサは、これらの「学習」技術を通じて、もし燃焼問題が起こったら、ユニットを動作状態に維持するために使用されるバックアップのカーブを動的にかつ適応的に構築することができる。バックアップのカーブまたは新しいカーブは、燃焼ダイナミックスを最小にすることができ、トリップが起こるリスクを減少させることになり、またカーブの手動調節の必要性を減少させることになる。
【００１８】
プロセッサが、ニューラルネットワーク（または他の技術）である、またはそれを含む場合、ネットワークは、タービンの動作をモデル化するための異なるパラメータ、セッティング、制限事項および／または条件に対応する複数のニューロン（たとえば、プログラミング構築）を含むことができる。ニューロンは、どのようにタービンを、異なる動作および／または負荷の条件の下で制御すべきかを定めるために、相互接続することができる。相互接続および／またはニューロン自体は、センサからフィードバックされる情報およびアーカイブに入れられた情報に基づき、調節し、削除し、および／または置きかえて、タービンが、１つまたは複数の目的とする範囲内で動作するようにさせることができる。
【００１９】
一実施形態によれば、ニューラルネットワークは、所定の条件または動作パラメータに対応する状態および遷移を有する有限状態機械に基づくことができる。その機械は、たとえば１つまたは複数の格納されたアルゴリズムに基づきタービンを制御するために、その初期構成から動的に変更することができる。異なる数学的なモデル化技術を、図１のシステム中のプロセッサの機能を果たすために、他の実施形態で使用することができる。
【００２０】
さらに、人工知能が、いくつかの用途に都合が良いと判明している場合があるが、他の実施形態では、異なる処理アーキテクチャを使用することができる。たとえば、プロセッサは、アーカイブに入れられたセンサ、性能および／または排出データに基づき、タービンの適応制御を実施する制御プログラムが予めロードされた、マイクロプロセッサ駆動の回路とすることができる。他の実施形態では、プロセッサは、ここに述べるタイプの適応制御を実施するノート型パソコンまたは他のタイプのコンピュータとすることができる。
【００２１】
記憶装置２０は、処理アーキテクチャに関係なく、例示の適用例では、動作の様々な条件およびフェーズにおけるガスタービンの燃焼システムのための制御データの初期セットを格納することができる。この制御データは、示すように、動作パラメータ、制限事項および／またはスケジュールデータを含むことができる。ＤＬＥガスタービンの場合、パラメータは、ただしこれらに限定されないが、燃焼温度、圧縮機比、圧縮機入口の圧力および温度、圧縮機出口の圧力および温度、タービン排気温度、入口案内静翼セッティング、燃焼基準温度および／または他の燃焼パラメータ、および入口ブリード熱流量、さらにその上、他も含むことができる。
【００２２】
制限事項は、排出レベル、燃焼動圧、リーン・ブロー・アウト（ｌｅａｎ−ｂｌｏｗ−ｏｕｔ）、圧縮機サージ限界、圧縮機氷結、燃料流量限界、燃焼器燃料配給レベル（またはスプリット（ｓｐｌｉｔｓ））、効率限界、圧縮機クリアランス、さらにその上、他の動作および／または環境のセッティングまたは制約事項を含むことができる。
【００２３】
スケジュールデータは、排気温度対圧縮機圧力比、燃料スプリット（ｓｐｌｉｔｓ）対燃焼基準温度、入口ブリード熱対入口案内静翼セッティング、および圧縮機動作限界ライン対修正速度および入口案内静翼セッティング、さらにその上、他も含むことができる。他のタイプのタービンおよびそれらの用途のために、異なる、または追加のパラメータを使用することができる。
【００２４】
記憶装置２０中の情報は、一緒に解釈して、ガスタービンの燃焼システムの動作が、様々な条件の下でモデル化されるのを可能にする。この情報は、それと違って評価して、ガスタービンの動作空間およびその付随する負荷を「マップする」ことができ、そのマップは、ガスタービンが、安定した最適な、または他の目的とする範囲で動作する状態に維持するために、燃焼および／または他の動作側面を制御するための基礎として使用することができる。構造の観点から、記憶装置は、メモリ、データベース、ルールまたは知識ベース、あるいはその組み合わせの１つまたは複数とすることができる。
【００２５】
ガスタービン３０は、乾式低公害型（ｄｒｙ  ｌｏｗ−ｅｍｉｓｓｉｏｎ）（ＤＬＥ）ガスタービンまたは乾式低窒素型（ｄｒｙ−ｌｏｗ  ｎｉｔｒｏｕｓ）（ＮＯX）タービン、さらにその上、電力、車両または産業用途に使用される、その他多数のタービンのいずれか１つを含む、任意のタイプのタービンとすることができる。ＤＬＥタービンの例は、ターボジェット、ターボファンおよびターボプロップベースのエンジンに使用されるものを含む。
【００２６】
図２に、本明細書に述べる１つまたは複数の実施形態によって制御することができるガスタービンの例を表す。ガスタービンは、圧縮機１１２と、少なくとも１つの燃焼器１１４と、圧縮機１１２に結合されるタービン１１６と、コンピュータ制御システム１１８とを含み、コンピュータ制御システム１１８は、たとえば、図１のプロセッサ１０を含む、またはそれに対応することができる。
【００２７】
また、ガスタービンは、いくつかのダクトを含む。たとえば、入口ダクト１２０は、入口案内静翼１２１のセットを通じて、周囲空気を圧縮機１１２に送り、排気ダクト１２２は、燃焼ガスを、タービン１１６から、たとえば発電機１２４に、またはそれを通るように誘導する。また、１つまたは複数の排ガス規制および騒音軽減のための装置を含めて、規制を遵守することができる。
【００２８】
また、ガスタービンは、燃料供給源から燃焼器１１４（燃焼システム）への燃料の流れ、および異なるグループのノズル中で流れる燃料間の１つまたは複数のスプリットを通る燃料の流れを調整するための燃料制御システム１２８を含む。たとえば、燃焼器は、１次ノズルおよび２次ノズルを含むことができ、さらに、他の燃焼器は、スプリットの多数の組み合わせが可能である、３つの異なるバーナのグループを含むことができる。また、燃料制御システムは、燃焼器に対して燃料のタイプを選択することができる。燃料制御システム１２８は、別個のユニットとすることができる、または主コントローラ１１８の構成要素とすることができる。
【００２９】
（図１のプロセッサ１０に対応することができる）コントローラ１１８は、少なくとも１つのプロセッサを有するコンピュータシステムとすることができ、そのプロセッサは、プログラムおよび演算を実行して、センサ入力および人間オペレータからの指示を使用しながらガスタービンの燃焼システムの動作を制御する。前に示したように、コントローラが実行するプログラムおよび演算は、何よりも、動作パラメータを検知する、またはモデル化するステップと、動作境界をモデル化するステップと、動作境界モデルを適用するステップと、スケジュールアルゴリズムを適用するステップと、境界においてループを閉じるために、境界制御ロジックを適用するステップとを含むことができる。
【００３０】
コントローラが生成するコマンドによって、ガスタービンの燃焼システムにおけるアクチュエータに、たとえば、流れ、燃料スプリットおよび燃焼器に流れる燃料のタイプを調整する、燃料供給源と燃焼器の間のバルブ（たとえばアクチュエータ１２７）を調節させ、圧縮機における入口案内静翼１２１（アクチュエータ１２９）を調節させ、入口ブリード熱を調節させ、さらにその上、ガスタービンにおける他の制御セッティングを起動させることができる。
【００３１】
用語「ガスタービン」は、本明細書で使用するとき、タービン自体を言うだけでなく、ただしこれらに限定されないが、入口ダクト、案内静翼、圧縮機、燃料コントローラ、燃焼器および出口ダクトを含む、その付随する機能のすべても言うことができる。これらの要素に関するセンサデータをプロセッサにフィードバックして、初期モデル化データを調節し、さらにその上、適応的な動的な制御に関連する他の側面を実施するために使用することができる。
【００３２】
図１に戻ると、センサ４０は、タービンのアーキテクチャの全体にわたって所定の場所に、いくつかの場合では負荷に位置付けられる。例は、温度センサ、流量センサ、圧力センサ、燃焼動圧センサおよび湿度センサ、さらにその上、図２のセンサ１２６を含む。
【００３３】
また、センサは、たとえばガスタービンを囲繞する周囲温度、圧縮機吐き出し温度、タービン排気ガス温度およびタービンを通るガス流の他の温度測定をモニタするために、冗長温度センサのグループを含むことができる。
【００３４】
他のセンサは、周囲圧力、圧縮機入口における静圧および動圧のレベルおよび出口タービン排気、さらにその上、ガス流中の他の場所におけるそれらをモニタするセンサを含むことができる。追加の例は、湿球および乾球の温度計、圧縮機入口ダクト中の湿度センサ、流量センサ、速度センサ、火炎検出器センサ、バルブ位置センサ、案内静翼角度センサを含む。
【００３５】
負荷５０は、用途に応じて異なる。たとえば、負荷は、発電機またはエンジン／スロットルベースの負荷とすることができる。
【００３６】
図３に、ガスタービンを制御するための方法の一実施形態を表す。この方法は、たとえば図１のシステムによって、または他のシステムによって実施することができ、タービンを動的に制御して、たとえば性能効率の特定のレベルを達成するために、および／またはある排出標準を満たすために、使用することができる。例示の目的で、本方法は、図１のシステムを参照して述べる。
【００３７】
初期ステップでは、ガスタービンの燃焼システムに関する情報が、記憶装置中に格納される（ブロック２１０）。前に示したように、この情報は、ただしこれらに限定されないが、セッティング、パラメータ、制限事項および／またはスケジュールデータを含み、タービンの動作を初期に制御するための制御データの初期セットとすることができる。この情報は、システムの製造業者によって記憶装置中にロードすることができ、したがって、タービンの動作点および条件の初期のマッピングまたはモデル化と見なすことができる。この初期モデル化は、タービンが最適な、または所定の範囲内で動作するように制御しない恐れがあり、したがって、本明細書に述べるその後のステップによる調節が、求められる。
【００３８】
記憶装置中の情報とともに使用するために、アルゴリズムの付随セットを格納することができる。アルゴリズムは、格納された制御データに基づき、タービンの様々な要素のタイミングおよび動作を制御することができる。一実施形態によれば、アルゴリズム自体は、調節を受けない場合がある。この場合、セッティング、制限事項および他の格納された制御データだけを調節して、性能に影響を及ぼすことができる。他の実施形態では、調節は、制御データに加えてアルゴリズム自体に対して自動的に実施することができる。
【００３９】
情報およびアルゴリズムが格納された後、タービンは、初期のマッピングおよびモデル化データに基づき、動作することができる。動作の間、プロセッサは、リアルタイム、またはほぼリアルタイムで、ステータス情報、センサデータおよび性能統計データをセンサから受信する（ブロック２２０）。この情報は、記憶装置２０または別の記憶装置中のアーカイブに入れられる、および／または格納および解析のために、遠隔地にネットワークを通じて送ることができる。
【００４０】
所定の動作時間が経過した後、タービン動作の性能、排出および／または燃焼システムの他の側面の履歴記録が展開される。ここで、この情報は、プロセッサによって解析することができる（ブロック２３０）。所定の経過時間は、たとえば動作のある一定時間に対応することができる、および／または様々なフェーズの動作の間、タービンを制御するために使用される、ある一定のスケジュールに対応することができる。解析は、たとえば様々な性能統計データを所定の標準または制限事項と比較するステップ、および／または排出レベルを政府または他の意図された限界と比較するステップを含むことができる。プロセッサは、これらの比較の結果に基づき、ガスタービンが、許容できる、または最適なレベルで動作しているのかどうかを決定することができる。
【００４１】
ガスタービンが、たとえばアーカイブに入れられた情報および／またはセンサデータに基づき、目的とするレベルまたは範囲の外側で動作していると決定されたとき、プロセッサは、ガスタービンをマッピングまたはモデル化するために格納された初期制御データ（たとえば、格納されたセッティング、制限事項または他の情報）の１つまたは複数を自動的に「調節する」ことができる（ブロック２４０）。この調節するプロセスは、様々な方法で実施することができる。
【００４２】
たとえば、効率または性能パラメータ、あるいは保護パラメータ（たとえば、燃焼動圧が、過度の振動からエンジンを保護するために使用される測定値である）が、ある一定の範囲の外側に在ると決定された場合、所定の正または負の増分を用いて、燃焼温度を自動的に調節することができる。次いで、タービンの性能を測定して、何らかの改善がなされたのかどうかを決定することができる。改善されていない場合、センサおよび／または他の性能データによって、タービンが目的とする範囲内で動作していると示されるまで、追加の増分による調節を繰り返して実施することができる。次いで、増分によって得られたデータは、その後で、たとえば、条件または状況が同じ、または同様のセットが現れたとき使用するために、制御データの変更セットの一部分として格納することができる（ブロック２５０）。この方法では、ガスタービンの燃焼システムの動作を制御するモデル化データは、時間とともに、適応的に調節され、それによって、タービンの自動的な動的な調節を実施することができる。また、燃料スプリットは、同じ方法で調節して、燃焼ダイナミックスを最小にすることができるパラメータである。
【００４３】
別の例によれば、タービンが範囲外で動作していると決定されたとき、燃焼温度は、１つまたは複数の所定の固定値に設定することができる。また他の実施形態では、異なる調節技術を使用することができる。また、他のパラメータを調節して、燃焼ダイナミックス制御を達成することができる。これらのパラメータは、圧縮機比、圧縮機入口の圧力および温度、圧縮機出口の圧力および温度、タービン排気温度、入口案内静翼セッティング、燃焼基準温度および／または他の燃焼パラメータ、および入口ブリード熱流量を含むことができ、それらのすべては、タービン効率に関連する。もちろん、また、調節を実施するとき、負荷ステータスおよび条件を考慮に入れることができる。
【００４４】
また、様々な制限事項は、プロセッサによって実施される比較に基づき、自動的に調節することができる。たとえば、タービンの排出レベルが、１つまたは複数のフェーズの動作の間、ある一定の限界を超えると決定された場合、ガスタービンの燃焼システムの対応するセッティングは、それらの排出が限界より低いように、制御することができる。また、既存の規制が変更された、または新しい規制が課された場合、これらの制限事項に対応する、記憶装置中の制御データは、更新して、タービンが規制に適合して動作するようにさせることができる。
【００４５】
他の制限事項は、ただしこれらに限定されないが、ガス／燃料組成、リーン・ブロー・アウト、圧縮機サージ限界、圧縮機氷結、燃料流量限界、燃焼器燃料配給レベル（またはスプリット）、および圧縮機クリアランスを含む。
【００４６】
また、様々なスケジュールデータは、プロセッサによって実施される比較に基づき、自動的に調節することができる。このデータは、排気温度対圧縮機圧力比、燃料スプリット対燃焼基準温度、入口ブリード熱対入口案内静翼セッティング、および圧縮機動作限界ライン対修正速度および入口案内静翼セッティングを含むことができる。
【００４７】
これらのステップの結果は、タービンの動作をモデル化し制御するための制御データの改善されたセットを形成することになる。調節された制御データは、図１の記憶装置２０中に格納することができ、プロセッサ１０からの信号２５に基づき、調節することができる。次いで、調節された制御データを、その後、プロセッサによって信号ライン４５を通じて呼び出すことができ、制御信号を生成し、信号ライン３５を通じてタービンに送ることができる。
【００４８】
図４に、前に述べた適応的な方法をどのように実施することができるのかを概念的に表す。制御データの初期セットが格納された後、タービンを動作させ、性能、排出および／または他のタービン関連データをアーカイブに入れて、履歴記録を生成する（ブロック２６０）。ガスタービンの動作は、プログラムされたときに、または一定間隔で、意図的に変更され（たとえば、アンバランスにされる）、現在のデータおよびアーカイブに入れられたデータを解析して（ブロック２７０）、所定の範囲の外側に在る、またはある一定の制限事項または限界を超えているタービン性能の状況を識別する（ブロック２８０）。次いで、制御データは、範囲内または限界内での性能をもたらすように調節される（ブロック２９０）。制御データは、このプロセスを通じて、適応的に調節されて、タービンの性能を向上させ、制御システムは、ガスタービンがパラメータの変更時にどのように反応するのか、およびガスタービンを正常な動作条件内にどのように戻すことができるのかを「学習する」。
【００４９】
図５に、ガスタービンを制御するための方法の別の実施形態を表す。この方法は、ソフトウェア、専用ハードウェアまたはそれらの組み合わせで実施することができる。図５の実施形態は、前の方法でのように、図１のシステムまたは別のシステムによって実施して、タービンが１つまたは複数の所定の性能または排出の範囲内で動作するように制御することができる。方法は、図２に表すコントローラ１１８で恐らく実施される。コントローラ１１８のより詳細な構造は、後で論議する。
【００５０】
初期ステップでは、ガスタービンの燃焼システムを制御する上で使用するために、初期調節カーブが選択される（ブロック３１０）。所与のガスタービンは、複数の調節カーブを有し、それらは、格納されて、ガスタービンの燃焼システムを動作させるために使用される。調節カーブは、ただしこれらに限定されないが、他の実施形態で前に論議したことのいずれかを含む、タービンの異なる要素の１つまたは複数のセッティング、パラメータまたは制限事項を指定することができる。したがって、調節カーブは、定常状態での、その様々なフェーズの動作において、動作をモデル化するためのガスタービンの初期マッピングをもたらすと見なすことができる。
【００５１】
一例によれば、調節カーブは、タービン温度排気（ｔｕｒｂｉｎｅ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｅｘｈａｕｓｔ）（ｔｔｘ）をタービン圧力比（ｔｕｒｂｉｎｅ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｒａｔｉｏ）（ｔｐｒ）と関連付けるカーブとすることができる。タービン温度排気は、タービンの出口の温度に対応することができ、タービン圧力比は、圧縮機の吐き出し圧力とタービンの排気圧の間の比に対応することができる。あるいは、圧力の読みは、ガスタービンの他の場所で取ることができる。燃焼システムに関する別の例によれば、調節カーブは、バーナのグループの火炎温度を燃焼器入口温度と関連付けるカーブとすることができる。
【００５２】
他の調節カーブは、以下のパラメータの組み合わせを関連付けることができ、すなわち、ただ数例を挙げると、燃焼温度、速度、入口ゲート静翼角度、湿度およびブリード条件である。さらに、異なる環境条件下では、異なるカーブを使用することができる。たとえば、湿度が比較的高いレベルであるときは、ある１つのカーブを使用することができ、湿度が比較的低いレベルであるときは、別のカーブを使用することができる。周囲温度に基づくと、同じことが当てはまることがある。効率性、排出および（許容可能な）燃焼ダイナミックスにおける調節を可能にするために、また他のカーブが、ガス／燃料比または他の燃焼関連パラメータに関連することができる。
【００５３】
動作が初期調節カーブに基づき開始された後、２つのイベントの１つが、起きることがある。第１のイベントは、警報を受け取った場合に対応する（ブロック３２０）。警報は、燃焼パラメータが所定の範囲中に入った、またはそこから出たことが検出されたとき、および／または、排出パラメータが所定の制限事項を破ったことが検出されたとき、内部制御アルゴリズムによって生成することができる。これが発生したとき、警報情報がコントローラ１１８に送られて、アンバランスにするステップを実施し（ブロック３４０）、そのことは、後で論議する。警報を生成するために使用される範囲、制限事項または閾値は、たとえば製造業者によって、または現場で技術者によって、システム中にプログラムすることができる。排出パラメータは、ガスタービンで直接測定する、または専用モジュールによって、ガスタービンの動作パラメータに基づき評価することができることに留意されたい。
【００５４】
第２のイベントは、アンバランスにするステップ３４０を起動し、所定のスケジュールアルゴリズムが実行された場合に対応する（ブロック３３０）。このスケジュールアルゴリズム（自己調節アルゴリズム）は、性能効率および／または排出を決定するために、コントローラが、動作の期間の全体にわたって一定の、または所定の間隔で、センサデータを受信し、それを解析するようにさせることができる。これは、たとえば初期学習の間、日に２〜３回起こることがある。ステップ３３０が起きているとき、ガスタービンは、定常状態で動作していることに留意されたい。
【００５５】
アンバランスにするステップが実施されたとき、コントローラは、ガスタービンの１つまたは複数のパラメータを決定する。ガスタービンは、このステップの直前では定常状態で動作している。コントローラは、ガスタービンが定常状態から離れるように、ガスタービンの１つまたは複数のパラメータを変更する。言い換えると、アンバランスにするステップ３４０の後、ガスタービンの動作点が、ステップ３１０で選択された特定の調節カーブから離れて遠ざかる。この段階で、ガスタービンが調節カーブ上に戻り、定常状態で動作するように、アクションを取ることが必要である。
【００５６】
しかし、ステップ３２０で、アンバランスにするステップ３４０が起動された場合、２つの選択肢がある。警報を生成したイベントがシステムをアンバランスにしたと考えられ、アンバランスにするステップがもう必要でない、またはアンバランスにするステップ３４０が、ガスタービンをさらにアンバランスにするのかのどちらかである。ガスタービンをアンバランスにするために使用することができるパラメータの例をステップ３５０に示し、それらは、ただしこれらに限定されないが、ガスタービンの様々なリング中の燃料スプリット、バーナ間の燃料のスプリット、燃料／空気比、バイアスなどを含む。しかし、これらのパラメータのマージンは、その状態からはガスタービンを定常状態に戻すことができないクリティカルな状態を超えて、ガスタービンがアンバランスにされるのを防止するように、この期間中に定められる。アンバランスにするステップは、たとえば前に述べたような１つまたは複数の関連するパラメータを自動的に増加する、そうでなければ繰り返して、または一回だけ調節することによって、初期調節カーブからずらすステップを含むことができる。これらのパラメータは、ガスタービンの燃焼システムに関連付けることができる。
【００５７】
アンバランスにするステップ（学習期間中、日に２〜３回、たとえば、月に３〜１２回起こることがある）の後、コントローラは、ガスタービンの性能および／または排出の変化をモニタする（ブロック３６０）。調節パラメータは、システムに対するアンバランスの影響およびシステムが不均衡にどのように応答するのかをマップするために、記録される。
【００５８】
ステップ３７０で、コントローラは、定常状態でガスタービンを動作させるために、適切なパラメータ（それに応じて、パラメータがステップ３５０でアンバランスにされた）を調節する。パラメータの様々な組み合わせを用いてガスタービンをアンバランスにし、次いでガスタービンの動作点を所望のカーブ中に戻す、これらのプロセスは、学習ステップ３７０を構成する。このステップの間、検討中である特定の調節カーブのためのバックアップが、生成される。このバックアップは、「学習期間」の間、改善される、または拡大される。適宜、バックアップは、実際の状況でガスタービンがアンバランスになったとき、コントローラによってオペレータに提案することができる。
【００５９】
調節カーブの新しい採用基準が、ステップ３８０で定式化され／格納され、その後、コントローラは、ステップ３１０に戻って、別の調節カーブを選択する。上記に述べたステップは、すべての調節カーブが検討されてしまうまで繰り返される。このプロセスは、繰り返し実施され、それぞれの場合、ガスタービンの性能を最適化するように、またはそうでなければ、ガスタービンが調節によって１つまたは複数の目的とする範囲またはレベル内で動作するようにさせるように、適応的に生成される調節カーブが自動的に生成されるまで、さらに、またさらに調節を実施する。
【００６０】
いくつかの任意選択のステップを含めることができる。たとえば、調節カーブが変更された後、故障が起こった場合、その調節カーブの再生を可能にするために、変更された調節カーブに対応するバックアップ情報を外部記憶装置中に格納することができる。バックアップ情報は、たとえばインターネットまたはバックチャネルの通信リンクを通じて、外部記憶装置に転送することができる。また、このカーブを格納することによって、オペレータが、所望なら、さらに調節するのを可能にすることになる。
【００６１】
上記に論議した方法は、図６に示すようなコントローラで実施することができる。コントローラ４００は、ガスタービン４０２の燃焼システムのコントローラ、またはガスタービンに対して遠隔に位置するコントローラとすることができる。コントローラ４００は、ガスタービンからリンク４０４を介して動作データを受信し、この情報を、リンク４０６を介して自己調節モジュール４０８に入力する。自己調節モジュール４０８は、コントローラ４００の一部分とする、またはそれから独立することができる。自己調節モジュール４０８は、図５で論議した方法を基本的に実施する最適化アルゴリズムを含む。定数４１０の最適化されたセットが、モジュール４０８によって生成され、これらの定数は、直接コントローラ４００に、または検討するためにコントローラ４００のオペレータに、いずれかに提供される。次いで、ガスタービンのオペレータは、定数４１２の初期セットを変更することができ、それは、定数４１０の最適化されたセットに基づき、ガスタービンを制御するために使用される。
【００６２】
したがって、自己調節モジュール４０８を有するガスタービンは、動作パラメータを使用することになり、ガスタービンは、動作点の曲面を明確にするために日々記録する。モジュールは、調節定数のバックアップを定め（たとえば、識別された調節定数は、異なる燃焼モードで異なる燃焼リングに対して、燃焼温度ＴｆｉｒｅをＴ３と結び付けるテーブルとすることができる）、それによって、安定した動作を回復し、ガスタービンを生産状態に維持するために、動作点とクリティカル条件の間の距離を確認する。モジュールは、このマップを使用し、現在の動作点を解析して、燃焼パラメータの新しいセットを提案し、それを修正し、それによって信頼性のある動作とシステムの自己調節を可能にすることになる。したがって、ガスタービンに備えられることになる、かかる斬新なモジュールは、都合の良いことに、ガスタービンの履歴から学習して、安全な条件のマップを定め、ガスタービンからデータを収集して操作性に対する安全マージンを定め、燃焼システムの調節をする必要性を減少させることによって、オペレータがガスタービンを管理するのを支援し、燃焼部分における潜在的な問題を理解するための診断の指標のセットを提供し、前に最適化された状態に基づき、燃焼調節定数を更新することによって、排出を減少させるシステムを提供する。
【００６３】
図７に示す例示の実施形態によれば、ガスタービンの燃焼システムを自己調節するための方法がもたらされる。本方法は、ガスタービンのための調節カーブのセットから第１の調節カーブを選択するステップ７００と、所定のレシピに基づき、１つまたは複数の動作パラメータを変更することによって、ガスタービンの安定した動作点をアンバランスにするステップ７０２と、調節パラメータを決定し、ガスタービンの現在の動作点が第１の調節カーブ上に戻される間、それらを格納するステップ７０４と、安定した動作点を回復するために、調節パラメータのバックアップを生成するステップ７０６とを含む。適宜、本方法は、第２の調節カーブを選択し、第２の調節カーブについて上記のステップを繰り返すことによって、ガスタービンの振る舞いを学習するステップ、またはガスタービンの日々の動作パラメータを格納するステップ、および格納された日々の動作パラメータおよび現在の動作パラメータに基づき、調節パラメータのバックアップを生成するステップを含む。さらに、方法は、ガスタービンのクリティカル条件と調節パラメータのバックアップの間の距離をチェックするステップと、燃焼ダイナミックスおよびガスタービン排出に関する警報を受信するステップと、格納された日々の動作パラメータ、現在の動作パラメータおよびガスタービン排出に基づき、調節パラメータのバックアップを生成するステップとを含むことができる。
【００６４】
別の実施形態によれば、コンピュータ命令およびコードを格納するためのコンピュータ可読媒体をもたらし、前に述べた制御方法の実施形態のステップのすべてを、またはその一部分を実行することができる。コンピュータ可読媒体は、たとえば、図１のメモリ１５または別の記憶装置に対応することができる。
【００６５】
上記に論議した例示の実施形態によって動作を実施することが可能な、代表的なコントローラおよび／またはモジュールの例を図８に示す。ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェアまたはその組み合わせを使用して、ここに述べた様々なステップおよび動作を実施することができる。図８の構造８００は、かかるシステムに関連して使用することができる例示のコントローラ／モジュールである。
【００６６】
例示の実施形態中で述べた行為を実施するのに適した例示の構造８００は、サーバ８０１を含むことができ、それは、図２および図６に表すコントローラのいずれにも対応することができる。このようなサーバ８０１は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）８０４に、およびリードオンリメモリ（ＲＯＭ）８０６に結合される中央処理装置（ＣＰＵ）８０２を含むことができる。また、ＲＯＭ８０６は、プログラマブルＲＯＭ（ＰＲＯＭ）、消去可能なＰＲＯＭ（ＥＰＲＯＭ）など、プログラムを格納するための他のタイプの記憶媒体とすることができる。プロセッサ８０２は、他の内部および外部の構成要素と入出力（Ｉ／Ｏ）回路８０８およびバス８１０を介して通信し、制御信号などを提供することができる。プロセッサ８０２は、当技術分野で知られているような、ソフトウェアおよび／またはファームウェアの命令によって指図されるような様々な機能を果たす。
【００６７】
また、サーバ８０１は、ハードおよびフロッピのディスクドライブ８１２、ＣＤ−ＲＯＭドライブ８１４、およびＤＶＤなど、情報を読み出す、および／または格納することが可能な他のハードウェアを含む、１つまたは複数のデータ記憶装置を含むことができる。一実施形態では、上記で論議したステップを実施するためのソフトウェアを、ＣＤ−ＲＯＭ８１６、ディスケット８１８、または携帯式で情報を格納することが可能な他の形態の媒体において格納し、配布することができる。これらの記憶媒体は、ＣＤ−ＲＯＭドライブ８１４、ディスクドライブ８１２などの装置中に挿入し、それによって読み出すことができる。サーバ８０１は、ディスプレイ８２０に結合することができ、それは、ＬＣＤディスプレイ、プラズマディスプレイ、ブラウン管（ＣＲＴ）など、知られているディスプレイまたは提示スクリーンの任意のタイプとすることができる。マウス、キーボード、マイクロフォン、タッチパッド、タッチパネル、音声認識システムなど、１つまたは複数のユーザインターフェースのメカニズムを含む、ユーザ入力インターフェース８２２を備える。
【００６８】
サーバ８０１は、ガスタービンの構成要素など、他の計算装置に結合することができる。サーバは、インターネット８２８などのグローバルエリアネットワーク（ＧＡＮ）におけるような、より大きいネットワーク構成の一部分とすることができ、それは、様々な地上通信線および／または移動クライアント／ウオッチャ装置へ最終的に接続されることを可能にする。
【００６９】
そのような構造８００（コントローラ）は、以下のステップ、すなわち、第２の調節カーブを選択し、第２の調節カーブについて上記のステップを繰り返すことによって、ガスタービンの振る舞いを学習するステップと、ガスタービンの日々の動作パラメータを格納するステップと、格納された日々の動作パラメータおよび現在の動作パラメータに基づき、調節パラメータのバックアップを生成するステップと、ガスタービンのクリティカル条件と調節パラメータのバックアップの間の距離をチェックするステップと、燃焼ダイナミックスおよびガスタービン排出に関する警報を受信するステップと、格納された日々の動作パラメータ、現在の動作パラメータおよびガスタービン排出に基づき、調節パラメータのバックアップを生成するステップとのうちの１つまたは複数を実施するように構成することができる。
【００７０】
また、当業者には理解されるように、例示の実施形態は、方法として、またはコンピュータプログラム製品で、無線通信システム、通信ネットワークにおいて実現することができる。したがって、例示の実施形態は、全体がハードウェアによる実施形態、またはハードウェアとソフトウェアの側面を組み合わせる実施形態の形態を取ることができる。さらに、例示の実施形態は、コンピュータ可読記憶媒体において格納されるコンピュータプログラム製品の形態を取ることができ、コンピュータ可読命令がその媒体において実行される。ハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、光記憶装置、またはフロッピディスクまたは磁気テープなどの磁気記憶装置を含む、任意の適切なコンピュータ可読媒体を利用することができる。コンピュータ可読媒体の他の非限定の例は、フラッシュタイプのメモリまたは他の知られているメモリを含む。
【００７１】
開示した例示の実施形態は、ガスタービンを自己調節するためのコントローラと、方法と、コンピュータソフトウェアとを提供する。この記述は、本発明を限定することを意図しないことを理解すべきである。それどころか、例示の実施形態は、代替形態、変更形態および均等形態をカバーすると意図され、それらは、添付の特許請求の範囲によって定義されるような、本発明の精神および範囲に含まれる。さらに、例示の実施形態の詳細な記述では、特許請求される発明の包括的な理解をもたらすために、多数の具体的な細部を述べている。しかし、そのような具体的な細部なしでも、様々な実施形態を実施することができることを当業者なら理解するはずである。
【００７２】
本例示の実施形態の特徴および要素は、具体的に組み合わせて実施形態中で述べられているが、それぞれの特徴または要素は、実施形態の他の特徴および要素なしで単独で使用することができ、またはここに開示した他の特徴および要素を有して、または有することなく、様々な組み合わせで使用することができる。この書面での記述は、開示する主題の例を使用して、当業者が、任意の装置またはシステムを製作し使用する、および任意の組み込まれた方法を実施することを含め、その主題を実施することを可能にしている。本主題の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者なら思い浮かぶ他の例を含むことができる。かかる他の例は、特許請求の範囲に含まれるものと意図される。
【符号の説明】
【００７３】
１０  プロセッサ
１５  内部メモリ
２０  記憶装置
２５  信号
３０  ガスタービン
３５  信号ライン
４０  センサ
４５  信号ライン
５０  負荷
１１２  圧縮機
１１４  燃焼器
１１６  タービン
１１８  コンピュータ制御システム、コントローラ
１２０  入口ダクト
１２１  入口案内静翼
１２２  排気ダクト
１２４  発電機
１２６  センサ
１２７  アクチュエータ
１２８  燃料制御システム
１２９  アクチュエータ
４００  コントローラ
４０２  ガスタービン
４０４  リンク
４０６  リンク
４０８  自己調節モジュール
４１０  定数
４１２  定数
８００  構造
８０１  サーバ
８０２  中央処理装置（ＣＰＵ）、プロセッサ
８０４  ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）
８０６  リードオンリメモリ（ＲＯＭ）
８０８  入出力（Ｉ／Ｏ）回路
８１０  バス
８１２  ハードおよびフロッピのディスクドライブ
８１４  ＣＤ−ＲＯＭドライブ
８１６  ＣＤ−ＲＯＭ
８１８  ディスケット
８２０  ディスプレイ
８２２  ユーザ入力インターフェース
８２８  インターネット
【図１】
2013047512.tif 000003
【図２】
2013047512.tif 000004
【図３】
2013047512.tif 000005
【図４】
2013047512.tif 000006
【図５】
2013047512.tif 000007
【図６】
2013047512.tif 000008
【図７】
2013047512.tif 000009
【図８】
2013047512.tif 000010
【外国語明細書】
2013047512000001.pdf