(57)【要約】【課題】弁の流量特性の変化に対応できる燃料流量制御装置を提供する。【解決手段】燃料流量制御装置は、燃料流量調節弁が設けられた燃料系統を流れる燃料の状態量から、前記燃料流量調節弁より下流に設けられたノズルの前後における圧力を取得し、前記取得した圧力に基づいて前記ノズルに流れる燃料の流量を推定する流量推定部と、前記流量推定部の推定結果に基づいて前記燃料流量調節弁の弁開度を調節する弁開度調節部と、を備える。【選択図】図２
2016023594.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料流量調節弁が設けられた燃料系統を流れる燃料の状態量から、前記燃料流量調節弁より下流に設けられたノズルの前後における圧力を取得し、前記取得した圧力に基づいて前記ノズルに流れる燃料の流量を推定する流量推定部と、
前記流量推定部の推定の結果に基づいて前記燃料流量調節弁の弁開度を調節する弁開度調節部と、
を備えることを特徴とする燃料流量制御装置。
【請求項２】
前記弁開度調節部は、燃料流量指令値と前記流量推定部が推定した燃料の流量との偏差が小さくなるようにフィードバック制御を行い、弁開度を調節する
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料流量制御装置。
【請求項３】
燃料流量指令値に応じて前記燃料流量調節弁に求められる流量特性の指令値を算出する流量特性指令値算出部
をさらに備え、
前記弁開度調節部は、前記流量特性指令値算出部が算出した流量特性の指令値を取得し、前記燃料流量指令値と前記流量推定部が推定した燃料の流量との偏差に基づいて前記取得した流量特性の指令値の補正量を算出するとともにその補正量を前記取得した流量特性の指令値に加算し、さらに前記加算後の流量特性の指令値に基づいて前記弁開度を調節する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料流量制御装置。
【請求項４】
前記燃料の流量が定常状態かどうかを判定する状態判定部と、
前記流量推定部が燃料の流量の推定に用いる推定モデルに用いる係数を補正する係数補正部と、
をさらに備え、
前記係数補正部は、前記状態判定部の判定結果が定常状態である場合に、前記燃料流量調節弁の下流における燃料流量の計測値と、前記状態量から燃料の温度と前記ノズルの前後における圧力とを取得し、前記燃料流量の計測値と前記推定モデルとに基づいて前記係数を補正する
ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料流量制御装置。
【請求項５】
燃料流量指令値に応じて燃料系統に設けられた燃料流量調節弁に求められる流量特性の指令値を算出する流量特性指令値算出部と、
前記流量特性指令値算出部が算出した流量特性の指令値を取得し、当該取得した流量特性の指令値に基づいて前記燃料流量調節弁の弁開度を調節する弁開度調節部と、
を備え、
前記弁開度調節部は、前記燃料系統を流れる燃料の状態量から前記燃料流量調節弁の下流における燃料流量の計測値を取得し、取得した燃料流量の計測値と前記燃料流量指令値との偏差に基づいて前記流量特性の指令値の補正量を算出するとともにその補正量を前記取得した流量特性の指令値に加算し、さらに前記加算後の流量特性の指令値に基づいて前記弁開度を調節する
を備えることを特徴とする燃料流量制御装置。
【請求項６】
前記燃料系統を流れる燃料の状態量を取得する状態量取得部
をさらに備え、
前記状態量取得部は、少なくとも前記燃料流量調節弁の下流における圧力の計測値を取得し、前記燃料流量調節弁の下流に複数の圧力計が設けられている場合、それら複数の圧力計による計測値の中央値を選択する
ことを特徴とする請求項１から請求項５の何れか１項に記載の燃料流量制御装置。
【請求項７】
前記燃料系統を流れる燃料の状態量を取得する状態量取得部
をさらに備え、
前記状態量取得部は、少なくとも前記燃料流量調節弁の下流における圧力の計測値を取得し、前記燃料流量調節弁の下流に複数の圧力計が設けられている場合、それら複数の圧力計による計測値の平均値を計算する
ことを特徴とする請求項１から請求項５の何れか１項に記載の燃料流量制御装置。
【請求項８】
前記状態量に対して遅れを補償やノイズ除去を行う信号処理部、
をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項７の何れか１項に記載の燃料流量制御装置。
【請求項９】
請求項１から請求項８の何れか１項に記載の燃料流量制御装置を備えることを特徴とする燃焼器。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃焼器を備えることを特徴とするガスタービン。
【請求項１１】
燃料流量調節弁が設けられた燃料系統を流れる燃料の状態量から、前記燃料流量調節弁より下流に設けられたノズルの前後における圧力を取得し、前記取得した圧力に基づいて前記ノズルに流れる燃料の流量を推定し、
前記推定の結果に基づいて前記燃料流量調節弁の弁開度を調節する
ことを特徴とする燃料流量制御方法。
【請求項１２】
燃料流量制御装置のコンピュータを、
燃料流量調節弁が設けられた燃料系統を流れる燃料の状態量から、前記燃料流量調節弁より下流に設けられたノズルの前後における圧力を取得し、前記取得した圧力に基づいて前記ノズルに流れる燃料の流量を推定する手段、
前記推定の結果に基づいて前記燃料流量調節弁の弁開度を調節する手段、
として機能させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料流量制御装置、燃焼器、ガスタービン、燃料流量制御方法及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンの燃料流量調節弁（ＦＣＶ）の制御方法には、さまざまな方法が提案されている。従来の制御方法の一例（第一制御方法）について図１５を用いて説明する。図１５は、従来の燃料流量制御方法の一例を示す第一の図である。符号４０は燃料の温度を計測する温度計である。符号２１は圧力調節弁（ＰＣＶ）であり、符号１７は燃料流量調節弁である。圧力調節弁２１は、燃料流量調節弁１７の上流の圧力が所定の圧力となるようにフィードバック制御（以下、ＦＢ制御）する。符号４２は、燃料流量調節弁１７の下流の圧力を計測する圧力計である。符号４４は、ＦＦ制御器である。ＦＦ制御器４４は、燃料の流量指令値と、ＦＣＶ上流圧設定値と、温度計４０が計測した燃料ガスの温度と、圧力計４２が計測した圧力とを入力し、燃料流量調節弁１７の流量特性であるＣｖ値を算出する。ＦＣＶ上流圧設定値を燃料流量調節弁１７の上流圧として用いるのは、圧力調節弁２１によって燃料流量調節弁１７の上流の圧力がＦＣＶ上流圧設定値となるように制御されていることを前提としているからである。ＦＦ制御器４４は、算出したＣｖ値を関数発生器４５に出力する。関数発生器４５は、Ｃｖ値と弁開度指令値とを対応付けたテーブルを備えており、入力したＣｖ値に対応する弁開度指令値を求め、燃料流量調節弁１７の弁開度を制御する。燃料流量調節弁１７で調節された燃料ガスは、複数のノズル（例えばノズル４７Ａ、４７Ｂ）から燃焼器へ噴射される。この制御方法では、温度や圧力などの計測値や設定値を入力値としたＦＦ制御によってＣｖ値を算出し、Ｃｖ値と弁開度を対応付けたテーブルを用いて変換した弁開度指令値によって燃料流量調節弁１７の開度を制御している。その為、過渡状態など圧力調節弁２１によって制御される圧力がＦＣＶ上流圧設定値に追随しない場面では、ＦＦ制御器４４が入力するＦＣＶ上流圧設定値が、実際の圧力とずれているため、算出するＣｖ値にもずれが生じてしまう。また、燃料流量調節弁１７の特性が変化することによってＣｖ値が変化したり、実際の燃料流量調節弁１７のＣｖ値が元々設計値とずれている場合などは、そのずれを補償する機会がないため定常状態における燃料流量制御の精度が低くなってしまう。
【０００３】
次に従来の制御方法の他の例について図１６を用いて説明する。図１６は、従来の燃料流量制御方法の一例を示す第二の図である。この第二制御方法では、ＦＦ制御器の入力値にＦＣＶ上流圧設定値の代わりに燃料流量調節弁１７の上流に設けた圧力計４１の計測値を用いている。その為、ＦＣＶ上流圧が急激に変動するような場面でも，第一制御方法よりも早い応答が可能であるという利点がある。しかし、燃料流量調節弁１７の特性が変化することによる燃料流量制御の精度の低下を防ぐことはできない。
【０００４】
さらに従来の制御方法の別の例について図１７を用いて説明する。図１７は、従来の燃料流量制御方法の一例を示す第三の図である。この第三制御方法では、ＦＢ制御器４９と燃料流量調節弁１７の下流に設けた流量計４３による燃料流量の計測値を用いてＦＢ制御を行う。この第三制御方法では、ＦＢ制御によって燃料流量計測値を燃料流量指令値に近づけるように弁開度を制御する。そのため、Ｃｖ値などの燃料流量調節弁１７の特性が変化しても、燃料流量計測値は燃料流量指令値に追従する。そのため第一、第二制御方法のように、燃料流量調節弁１７の特性が変化することによる燃料流量制御の精度の低下を防ぐことができる。
【０００５】
なお、関連する技術として特許文献１には、フィードバック制御及びフィードフォワード制御によって燃料流量調節弁の上流に設けられた圧力調節弁を制御する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０６−１４６９３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述のように第一、第二制御方法では、燃料流量調節弁１７の特性が変化することによる燃料流量の制御精度の低下を防ぐことができない。また、上述の第三制御方法では、燃料流量調節弁の下流に設けられた流量計が計測する燃料流量計測値は、実際にノズルから燃焼器に供給される燃料流量の変動に対して応答遅れが生じることがあり、そのような場合に燃料流量の制御精度が低下を防ぐことができない。また、特許文献１の方法は、これらの課題を解決するものではない。
【０００８】
そこでこの発明は、上述の課題を解決することのできる燃料流量制御装置、燃焼器、ガスタービン、燃料流量制御方法及びプログラムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様は、燃料流量調節弁が設けられた燃料系統を流れる燃料の状態量から、前記燃料流量調節弁より下流に設けられたノズルの前後における圧力を取得し、前記取得した圧力に基づいて前記ノズルに流れる燃料の流量を推定する流量推定部と、前記流量推定部の推定の結果に基づいて前記燃料流量調節弁の弁開度を調節する弁開度調節部と、を備えることを特徴とする燃料流量制御装置である。
【００１０】
本発明の第２の態様における前記弁開度調節部は、燃料流量指令値と前記流量推定部が推定した燃料の流量との偏差が小さくなるようにフィードバック制御を行い、弁開度を調節する。
【００１１】
本発明の第３の態様における燃料流量制御装置は、燃料流量指令値に応じて前記燃料流量調節弁に求められる流量特性の指令値を算出する流量特性指令値算出部をさらに備え、前記弁開度調節部は、前記流量特性指令値算出部が算出した流量特性の指令値を取得し、前記燃料流量指令値と前記流量推定部が推定した燃料の流量との偏差に基づいて前記取得した流量特性の指令値の補正量を算出するとともにその補正量を前記取得した流量特性の指令値に加算し、さらに前記加算後の流量特性の指令値に基づいて前記弁開度を調節する。
【００１２】
本発明の第４の態様における燃料流量制御装置は、前記燃料の流量が定常状態かどうかを判定する状態判定部と、前記流量推定部が燃料の流量の推定に用いる推定モデルに用いる係数を補正する係数補正部と、をさらに備え、前記係数補正部は、前記状態判定部の判定結果が定常状態である場合に、前記燃料流量調節弁の下流における燃料流量の計測値と、前記状態量から燃料の温度と前記ノズルの前後における圧力とを取得し、前記燃料流量の計測値と前記推定モデルとに基づいて前記係数を補正する。
【００１３】
本発明の第５の態様における燃料流量制御装置は、燃料流量指令値に応じて燃料系統に設けられた燃料流量調節弁に求められる流量特性の指令値を算出する流量特性指令値算出部と、前記流量特性指令値算出部が算出した流量特性の指令値を取得し、当該取得した流量特性の指令値に基づいて前記燃料流量調節弁の弁開度を調節する弁開度調節部と、を備え、前記弁開度調節部は、前記燃料系統を流れる燃料の状態量から前記燃料流量調節弁の下流における燃料流量の計測値を取得し、取得した燃料流量の計測値と前記燃料流量指令値との偏差に基づいて前記流量特性の指令値の補正量を算出するとともにその補正量を前記取得した流量特性の指令値に加算し、さらに前記加算後の流量特性の指令値に基づいて前記弁開度を調節する。
【００１４】
本発明の第６の態様における燃料流量制御装置は、前記燃料系統を流れる燃料の状態量を取得する状態量取得部をさらに備え、前記状態量取得部は、少なくとも前記燃料流量調節弁の下流における圧力の計測値を取得し、前記燃料流量調節弁の下流に複数の圧力計が設けられている場合、それら複数の圧力計による計測値の中央値を選択することを特徴とする請求項１から請求項５の何れか１項に記載の燃料流量制御装置。
【００１５】
本発明の第７の態様における燃料流量制御装置は、前記燃料系統を流れる燃料の状態量を取得する状態量取得部をさらに備え、前記状態量取得部は、少なくとも前記燃料流量調節弁の下流における圧力の計測値を取得し、前記燃料流量調節弁の下流に複数の圧力計が設けられている場合、それら複数の圧力計による計測値の平均値を計算する。
【００１６】
本発明の第８の態様における燃料流量制御装置は、前記状態量に対して遅れを補償やノイズ除去を行う信号処理部をさらに備える。
【００１７】
本発明の第９の態様は、上述の燃料流量制御装置を備えることを特徴とする燃焼器である。
【００１８】
本発明の第１０の態様は、上述の燃焼器を備えることを特徴とするガスタービンである。
【００１９】
本発明の第１１の態様は、燃料流量調節弁が設けられた燃料系統を流れる燃料の状態量から、前記燃料流量調節弁より下流に設けられたノズルの前後における圧力を取得し、前記取得した圧力に基づいて前記ノズルに流れる燃料の流量を推定し、前記推定の結果に基づいて前記燃料流量調節弁の弁開度を調節することを特徴とする燃料流量制御方法である。
【００２０】
本発明の第１２の態様は、燃料流量制御装置のコンピュータを、燃料流量調節弁が設けられた燃料系統を流れる燃料の状態量から、前記燃料流量調節弁より下流に設けられたノズルの前後における圧力を取得し、前記取得した圧力に基づいて前記ノズルに流れる燃料の流量を推定する手段、前記推定の結果に基づいて前記燃料流量調節弁の弁開度を調節する手段、として機能させるためのプログラムである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、燃料流量制御の精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る第一実施形態におけるガスタービンプラントの系統図である。
【図２】本発明に係る第一実施形態における燃料流量制御装置の一例を示すブロック図である。
【図３】本発明に係る第一実施形態における燃料流量制御方法の一例を示す図である。
【図４】本発明に係る第一実施形態における燃料流量制御処理のフローチャートである。
【図５】本発明に係る第二実施形態における燃料流量制御装置の一例を示すブロック図である。
【図６】本発明に係る第二実施形態における燃料流量制御方法の一例を示す図である。
【図７】本発明に係る第二実施形態における燃料流量制御処理のフローチャートである。
【図８】本発明に係る第三実施形態における燃料流量制御装置の一例を示すブロック図である。
【図９】本発明に係る第三実施形態における燃料流量制御方法の一例を示す図である。
【図１０】本発明に係る第四実施形態における燃料流量制御装置の一例を示すブロック図である。
【図１１】本発明に係る第四実施形態における燃料流量制御方法の一例を示す図である。
【図１２】本発明に係る第四実施形態におけるノズル特性の補正処理のフローチャートである。
【図１３】本発明に係る第五実施形態における燃料流量制御装置の一例を示すブロック図である。
【図１４】本発明に係る第五実施形態における燃料流量制御方法の一例を示す図である。
【図１５】従来の燃料流量制御方法の一例を示す第一の図である。
【図１６】従来の燃料流量制御方法の一例を示す第二の図である。
【図１７】従来の燃料流量制御方法の一例を示す第三の図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
＜第一実施形態＞
以下、本発明の第一実施形態による燃料流量制御装置を図１〜図４を参照して説明する。
図１は本発明に係る第一実施形態におけるガスタービンプラントの系統図である。
本実施形態のガスタービンプラントは、図１に示すように、ガスタービン１０と、ガスタービン１０の駆動で発電する発電機１６と、ガスタービン１０へ燃料を供給する燃料供給装置２０と、燃料供給の制御を行う燃料制御装置２６と、燃料流量調節弁の制御を行う燃料流量制御装置３０とを備えている。ガスタービン１０と発電機１６は、ロータ１５で連結されている。
ガスタービン１０は、空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機１１と、圧縮空気と燃料ガスとを混合して燃焼させ、高温の燃焼ガスを生成する燃焼器１２と、燃焼ガスにより駆動するタービン１３と、を備えている。
圧縮機１１には、ＩＧＶ１４が設けられている。ＩＧＶ１４は圧縮機１１へ流入する空気の量を調節する。
【００２４】
燃焼器１２は、燃焼器１２に燃料を供給する燃料供給装置２０と接続されている。燃焼器１２には、火炎の安定燃焼や低ＮＯｘを実現するために複数の系統から燃料が供給される。燃料供給装置２０と、燃焼器１２の間には、燃料の供給系統ごとに燃料の供給量を調節する燃料流量調節弁１７〜１９が設けられている。燃料流量調節弁１７〜１９の上流には、圧力調節弁や温度計などの計測器が備えられている。また、燃料流量調節弁１７〜１９の下流には、圧力計などの計測器が備えられている。これらの構成の詳細については後述する。
【００２５】
燃料制御装置２６は、ガスタービンの負荷などに応じて燃料流量指令値を算出し、燃料流量制御装置３０に出力する。
燃料流量制御装置３０は、燃料流量指令値を取得し、燃料流量調節弁１７〜１９の上流及び下流に設けられた計測器が計測した燃料に関する状態量に基づいて、燃料流量調節弁１７〜１９の弁開度を調節し、燃焼器１２に供給する燃料の流量を調節する。
【００２６】
図２は、本発明に係る第一実施形態における燃料流量制御装置の一例を示すブロック図である。
燃料流量制御装置３０は、状態量取得部３１、燃料流量推定部３２、弁開度調節部３３、記憶部３４を有している。
状態量取得部３１は、燃料流量調節弁が設けられた燃料系統を流れる燃料に関する諸々の状態量を取得する。状態量とは、例えば、燃料流量調節弁の上流及び下流における圧力、燃料の流量及び温度である。本実施形態では状態量取得部３１は、燃料の温度計測値と、ノズルの上流及び下流の圧力計測値を取得する。または、状態量取得部３１は、ノズルの上流と下流のうち上流の圧力計測値のみを取得する。なお、ノズルの上流に複数の圧力計が備えられている場合、状態量取得部３１は、それら複数の圧力計が計測した値のうち中央値を選択して、この値をノズル上流における圧力に設定する。または、状態量取得部３１は、複数の圧力計が計測した値の平均値を算出して、この値をノズル上流における圧力に設定する。状態量取得部３１は、これら状態量を他の機能部へ出力する。
【００２７】
燃料流量推定部３２は、燃焼室に燃料を噴射するノズル前後の圧力差を用いて燃料流量を推定する。ノズルの上流の圧力（車室圧力）には、燃料流量調節弁の下流での圧力の計測値を用いる。ノズルの下流の圧力（燃焼室圧力）には、圧力計で計測した値を用いてもよいし、燃焼室圧力の推定値を用いてもよい。燃料流量推定部３２は、ノズルの前後圧と、ノズルの口径、燃料の温度などの情報を取得し、以下の式によって燃料流量を算出する。
【００２８】
【数１】
2016023594.tif 000003
【００２９】
【数２】
2016023594.tif 000004
【００３０】
式（１）は、非チョーク時の燃料流量の算出式である。式（２）は、チョーク時の燃料流量の算出式である。チョークと非チョークの判定は、Ｐ０÷Ｐ１＜２のとき非チョークと判定し、式（１）で計算を行う。また、Ｐ０÷Ｐ１≧２のときチョークと判定し、式（２）で計算を行う。また、ガス密度γ０は、以下の式で表すことができる。Ｔｆは、温度計４０が計測した燃料の温度である。
γ０  ＝  γＮ  ×  ｛  ２７３  ÷（Ｔｆ  ＋  ２７３）  ｝
×  （Ｐ０  ÷  １．０３３  ）              ・・・・（３）
なお、Ｇは燃料流量［ｋｇ／ｓ］、Ｃｄはノズル流量係数、Ａはノズル１本あたりの合計径面積［ｍ２］、ｇは重力加速度［ｍ／ｓ２］、ｋは比熱比、Ｐ０はノズル前の圧力［ａｔａ］、Ｐ１はノズル後方の圧力［ａｔａ］、γ０はガス密度［ｋｇ／ｍ３］、γＮは０℃でのガス密度［ｋｇ／ｍ３］である。Ｃｄなどの係数は、記憶部３４に予め記憶されているものとする。
また、ノズル下流の圧力（燃焼室圧力）Ｐ１には、燃焼器による圧損を考慮したノズル上流での圧力の計測値（車室圧力）より所定の割合だけ小さな値を用いることが可能である。燃焼室圧力の推定は、例えば以下のようにして行うことが可能である。ノズルの上流の圧力計測値をＰ、燃焼器による圧損をｘ％とする。すると、ノイズ下流の圧力は以下の式で推定することができる。
燃焼室における圧力  =  Ｐ  ×  （  １−（ｘ  ÷  １００）  ）  ・・・・（４）
燃料流量推定部３２は、式（１）や式（２）でノズル１本あたりの燃料流量を算出し、制御対象となる燃料流量調節弁に接続されたノズルの数を乗算することで燃料流量を推定する。
燃料流量は、燃料流量調節弁の下流で実際に計測するだけではなく、実際に燃焼器に投入される燃料流量であるノズル流量を用いることが可能である。本実施形態では、燃料流量推定部３２がノズル流量を用いて燃料流量を算出する。
【００３１】
弁開度調節部３３は、ＦＢ制御器を有している。ＦＢ制御器は、燃料制御装置２６が算出した燃料流量指令値と燃料流量推定部３２が推定した燃料流量推定値とを入力し、それらの偏差を求め、この偏差が小さくなるような補正量を、例えばＰＩ（Proportional Integral）制御などフィードバック制御の手法を用いて算出する。この補正量の算出には関数を用いてもよいし、燃料流量の偏差と補正量とを対応づけた記憶部３４が保持するテーブルを用いてもよい。また、弁開度調節部３３は、この補正量を考慮して弁開度指令値を算出する。弁開度指令値の算出には関数を用いてもよいし、燃料流量指令値と弁開度指令値とを対応づけた記憶部３４が保持するテーブルから弁開度指令値を読み込んで決定してもよい。
【００３２】
記憶部３４は、燃料流量の偏差と補正量とを対応付けたテーブルまたは関数、燃料流量の推定を行うプログラムや推定の計算式に用いる係数などを記憶している。
【００３３】
次に第一実施形態における燃料流量の制御方法について燃料流量調節弁１７を例に図３を用いて説明する。
図３は、本発明に係る第一実施形態における燃料流量制御方法の一例を示す図である。
符号４０は、燃料の温度を計測する温度計である。符号４２は、燃料流量調節弁１７の下流の圧力を計測する圧力計である。なお、この圧力計４２は、冗長化のため複数個設けられていてもよい。符号４７Ａ、４７Ｂは、燃料流量調節弁１７が備えられた燃料系統に接続されたノズルである。符号４８は、燃焼室の圧力を計測する圧力計である。
【００３４】
符号４９は、弁開度調節部３３が有するＦＢ制御器である。ＦＢ制御器４９は、燃料制御装置２６から燃料流量指令値と、燃料流量推定部３２が推定した燃料流量とを取得し、それらの偏差を求める。そして、ＦＢ制御器４９は、この偏差が小さくなるよう補正量を算出する。弁開度調節部３３は、この補正量を燃料流量指令値に加算した値を用いて弁開度指令値を算出して燃料流量調節弁１７に指令する。
【００３５】
なお、圧力計４８は省略が可能である。その場合、燃料流量推定部３２は、圧力計４２の計測値を用いて式（４）によりノズル下流における圧力を推定する。また、ノズル上流に圧力計４２が複数設けられている場合、燃料流量推定部３２は、複数の圧力計による計測値の中央値を用いて燃料流量を推定する。または、燃料流量推定部３２は、複数の圧力計による計測値の平均値を用いて燃料流量を推定する。
【００３６】
図４は、本発明に係る第一実施形態における燃料流量制御処理のフローチャートである。前提として、状態量取得部３１は、温度計４０から燃料温度、圧力計４２から燃料流量調節弁下流（ノズル上流）の圧力計測値、圧力計４８からノズル下流の圧力計測値を定期的に取得しているものとする。
まず、燃料流量推定部３２が、温度計４０と圧力計４２及び圧力計４８による計測値を状態量取得部３１から取得し、式（１）または式（２）によって燃料流量を推定する（ステップＳ１１）。燃料流量推定部３２は、算出した燃料流量推定値を弁開度調節部３３に出力する。弁開度調節部３３は、燃料制御装置２６から燃料流量指令値を取得し、燃料流量推定部３２が推定した燃料流量との偏差を求めその偏差を小さくするような弁開度をフィードバック制御によって求める（ステップＳ１２）。弁開度調節部３３は、求めた弁開度を燃料流量調節弁に指令する（ステップＳ１３）。
これらステップＳ１１〜Ｓ１３は、燃料流量指令値と燃料流量推定値が等しくなるまで繰り返される。
【００３７】
本実施形態によれば、フィードバック制御によって、燃料流量の推定値が燃料流量指令値と等しくなるように燃料流量調節弁を制御する。それにより、Ｃｖ値など燃料流量調節弁の特性の変化に関わらず、燃料流量の制御精度を向上することができる。また、燃料流量の推定値を算出するので流量計を新たに設ける必要が無いという利点がある。また、流量計による計測値を用いる場合、流量計を設ける位置とノズルとの距離やその間の配管容積などに応じて、応答遅れが生じることがあるが、本実施形態によればノズル前後の圧力差によって燃料流量を推定するため、より実態に即した燃料流量に基づいた燃料流量の制御を行うことができる。
【００３８】
＜第二実施形態＞
以下、本発明の第二実施形態による燃料流量制御装置を図５〜図７を参照して説明する。
図５は、本発明に係る第二実施形態における燃料流量制御装置の一例を示すブロック図である。
図５で示すように、本実施形態において燃料流量制御装置３０は、Ｃｖ指令値算出部３５を備えている点が第一実施形態とは異なる。また、記憶部３４には、Ｃｖ値と弁開度との対応テーブルが格納されており、弁開度調節部３３は、このテーブルを用いて弁開度を算出する。また、弁開度調節部３３の有するＦＢ制御器４９は、燃料流量指令値と燃料流量推定値の偏差を小さくするＣｖ値の補正量を算出する。他の構成は第一実施形態と同様である。
Ｃｖ指令値算出部３５は、燃料制御装置２６から燃料流量指令値を取得し、燃料流量指令値に応じたＣｖ値を算出する。より具体的には、Ｃｖ指令値算出部３５は、ＦＦ制御器を有しており、このＦＦ制御器は、燃料制御装置２６から取得した燃料流量指令値と、状態量取得部３１から取得した燃料流量調節弁の上流及び下流の圧設計測値と、燃料の温度計測値とに基づいてＣｖ値を算出する。Ｃｖ指令値算出部３５は、算出したＣｖ値を、弁開度調節部３３へ出力する。Ｃｖ指令値算出部３５が算出したＣｖ値は、燃料流量調節弁が、燃料流量指令値が示す流量の燃料を燃焼器に供給するために必要となるＣｖ値である。つまり、この算出したＣｖ値は、Ｃｖ値が算出したＣｖ値となるように燃料流量調節弁を開いたときに流れる燃料の流量が燃料流量指令値となると想定される値である。以下、Ｃｖ指令値算出部３５が算出したＣｖ値をＣｖ指令値と称する。
【００３９】
図６は、本発明に係る第二実施形態における燃料流量制御方法の一例を示す図である。
図３と異なる構成及び機能を中心に説明を行う。燃料流量調節弁１７、燃料流量推定部３２、温度計４０、圧力計４２、ノズル４７Ａ、ノズル４７Ｂ、圧力計４８については図３と同様である。
符号４１は、燃料流量調節弁１７の上流の圧力を計測する圧力計である。圧力計４１は、計測した圧力を状態量取得部３１へ出力する。
符号４４は、Ｃｖ指令値算出部３５が有するＦＦ制御器である。ＦＦ制御器４４は、状態量取得部３１が取得した温度計４０が計測した燃料の温度と圧力計４１が計測した燃料流量調節弁１７の上流の圧力と圧力計４２が計測した燃料流量調節弁１７の下流の圧力と、燃料制御装置２６から取得した燃料流量指令値とに基づいてＣｖ指令値を算出する。
符号４５は、弁開度調節部３３が有する関数発生器である。関数発生器４５は、ＦＦ制御器４４が算出したＣｖ指令値にＦＢ制御器４９が算出した補正量を加算した値を取得し、Ｃｖ値と弁開度の対応テーブルからＣｖ指令値に対応する弁開度を求める。
【００４０】
本実施形態の弁開度調節部３３が有するＦＢ制御器４９は、燃料制御装置２６が算出した燃料流量指令値と、燃料流量推定部３２が推定した燃料流量とを取得してその偏差を求め、この偏差が小さくなるようなＣｖ指令値の補正量を算出する。このＣｖ指令値の補正量の算出には関数を用いてもよいし、記憶部３４が燃料流量の偏差とＣｖ値の補正量とを対応づけたテーブルを保持しており、このテーブルを用いて決定してもよい。また、弁開度調節部３３は、Ｃｖ指令値算出部３５が算出したＣｖ指令値を取得し、取得したＣｖ指令値にＦＢ制御器４９が算出したＣｖ指令値補正量を加算する。そして、弁開度調節部３３は、Ｃｖ指令値補正量を加算した後のＣｖ指令値に基づいてＣｖ値と弁開度の対応テーブルからＣｖ指令値に対応する弁開度を求め、燃料流量調節弁１７に対してその弁開度を指令する。弁開度調節部３３は、Ｃｖ値と弁開度の対応テーブルから弁開度を求めるときに補間計算を行ってもよい。
なお、圧力計４８が設けられていない場合、第一実施形態と同様にノズル下流の圧力を式（４）によって推定する。また、圧力計４２が複数設けられている場合については、燃料流量推定部３２に加え、Ｃｖ指令値算出部３５も複数の計測値の中央値や平均値を用いる。
【００４１】
図７は、本発明に係る第二実施形態における燃料流量制御処理のフローチャートである。前提として、状態量取得部３１は、温度計４０から燃料温度、圧力計４１から燃料流量調節弁上流の圧力、圧力計４２から燃料流量調節弁下流の圧力、圧力計４８からノズル下流の圧力を定期的に取得しているものとする。
まず、燃料流量推定部３２が、第一実施形態と同様に燃料流量を推定する（ステップＳ１１）。燃料流量推定部３２は、燃料流量推定値を弁開度調節部３３へ出力する。弁開度調節部３３は、燃料流量推定部３２から燃料流量推定値を、燃料制御装置２６から燃料流量指令値を取得して偏差を求め、その偏差が小さくなるようなＣｖ指令値補正量を算出する（ステップＳ１４）。また、ステップＳ１１及びＳ１４と並行して、Ｃｖ指令値算出部３５が、燃料流量指令値と、燃料温度計測値と、燃料流量調節弁上流及び下流の圧力計測値と、を取得し、これらの値を用いてＦＦ制御によってＣｖ指令値を計算する（ステップＳ１５）。Ｃｖ指令値算出部３５は、Ｃｖ指令値を弁開度調節部３３へ出力する。次に、弁開度調節部３３は、取得したＣｖ指令値と算出したＣｖ指令値補正量とを加算し、加算後の値について記憶部３４が記憶するＣｖ値と弁開度の対応テーブルを用いて弁開度を求める（ステップＳ１６）次に弁開度調節部３３は、求めた弁開度を燃料流量調節弁に指令する（ステップＳ１３）。
【００４２】
本実施形態によれば、流量計を新たに設けることなくＦＢ制御による目標への高い追随性によって燃料流量の制御精度を向上するという第一実施形態の効果に加え、ＦＦ制御によって外乱等への速応性を向上することができる。
【００４３】
＜第三実施形態＞
以下、本発明の第三実施形態による燃料流量制御装置を図８〜図９を参照して説明する。
図８は、本発明に係る第三実施形態における燃料流量制御装置の一例を示すブロック図である。
図８で示すように、本実施形態において燃料流量制御装置３０は、燃料流量推定部３２を備えていない。また状態量取得部３１は、燃料流量調節弁の下流における燃料流量の計測値を取得する点が第二の実施形態とは異なる。他の構成は、第二の実施形態と同様である。
【００４４】
図９は、本発明に係る第三実施形態における燃料流量制御方法の一例を示す図である。燃料流量調節弁１７、温度計４０、圧力計４１、圧力計４２、ＦＦ制御器４４、関数発生器４５、ノズル４７Ａ、ＦＢ制御器４９については第二実施形態の図６と同様である。
本実施形態では、燃料流量調節弁１７の下流に流量計４３が設けられている。
第二実施形態との違いについて説明する。第二実施形態では、燃料流量推定部３２がノズル前後の圧力差と燃料の温度とから推定した燃料流量推定値を用いた。本実施形態では弁開度調節部３３は、燃料流量推定値の代わりに、燃料流量調節弁１７の下流に設けられた流量計４３による燃料流量の計測値を用いて弁開度を算出する。具体的には、弁開度調節部３３は、燃料制御装置２６が算出した燃料流量指令値と、流量計４３が計測した燃料流量の計測値とを入力し、弁開度調節部３３が有するＦＢ制御器４９は、それらの値の偏差を求め、その偏差を補正するＣｖ指令値補正量を算出する。また弁開度調節部３３は、Ｃｖ指令値算出部３５が算出したＣｖ指令値を取得し、取得したＣｖ指令値にＣｖ指令値補正量を加算する。そして、弁開度調節部３３は、Ｃｖ値と弁開度の対応テーブルを用いてＣｖ指令値補正量を加算した後のＣｖ指令値に対応する弁開度を求め、その弁開度となるよう燃料流量調節弁１７の開度を制御する。
処理フローについて説明する。本実施形態では、図７のフローチャートにおけるステップＳ１１において、燃料流量推定部３２が燃料流量を推定する代わりに、状態量取得部３１が流量計４３による燃料流量計測値を取得し、その値を弁開度調節部３３に出力する。他の処理ステップＳ１３、Ｓ１４、Ｓ１５、Ｓ１６については第二実施形態と同様であるため説明を省略する。
【００４５】
本実施形態によれば、第二実施形態と同様の効果を得ることができる。また、燃料流量の計測値を用いることで、定常状態においてより精度の高い燃料流量の入力値に基づいて燃料流量制御を行うことができる。また、ＦＦ制御とＦＢ制御を組み合わせることで、従来の第三制御方法に比べ、燃料流量の制御精度を高めることができる。
【００４６】
＜第四実施形態＞
以下、本発明の第四実施形態による燃料流量制御装置を図１０〜図１２を参照して説明する。
第三実施形態では、燃料流量を取得するために推定値ではなく計測値を用いた。燃料流量調節弁１７の下流における燃料流量計測値は、定常状態においては、実際に燃焼器に投入される燃料流量と均衡しており、例えば第三実施形態のような燃料流量の計測値に基づく制御でも燃料流量の制御精度を高めることが可能である。しかし、計測を行う燃料流量調節弁１７の下流と燃料が噴射されるノズルの間には、マニホールドなどの配管容積があり、燃料は、マニホールドより複数のノズルに分配される。それら配管やノズルの容積の影響により、燃料調節弁の下流で計測する燃料流量計測値には、応答遅れが生じる場合がる。そのため過渡期においては、ノズル前の燃料流量調節弁１７下流で計測する燃料流量と、実際にノズルから供給される燃料流量とで時間的にずれが生じる。そこで本実施形態では、過渡状態においても高い推定精度が期待できるノズル前後の圧力差から燃料流量を推定する方法を用いつつ、定常状態においては信頼性の高い燃料流量計測値を用いてノズル特性の補正を行い、燃料流量の推定精度をより高める。
本実施形態は、第一及び第二実施形態と組み合わせることが可能である。第二実施形態と組み合わせた場合を例に説明を行う。
図１０は、本発明に係る第四実施形態における燃料流量制御装置の一例を示すブロック図である。
図１０で示すように、本実施形態において燃料流量制御装置３０は、補正機能付き燃料流量推定部５０を備えている点が第二実施形態と異なる。他の構成は第二実施形態と同様である。補正機能付き燃料流量推定部５０は、燃料流量推定部３２と、定常状態判定部３６と、係数補正部３７とを有している。
定常状態判定部３６は、燃料の流量が定常状態かどうかを判定する。例えば、定常状態判定部３６は、燃料流量の計測値を評価して、その値が所定の期間において所定の範囲に収まっている場合、定常状態であると判定する。なお、定常状態の判定には、燃料流量推定部３２が推定した燃料流量推定値を用いてもよい。
係数補正部３７は、燃料流量推定部３２が燃料流量の推定に用いる推定モデルに用いる係数を補正する。推定モデルとは例えば式（１）や式（２）である。また係数とは、例えばノズル特性を示すＣｄ値である。係数補正部３７は、定常状態判定部の判定結果が定常状態である場合に、燃料流量調節弁の下流における燃料流量の計測値と、燃料流量の推定モデルとに基づいて係数Ｃｄ値を算出する。
本実施形態の燃料流量推定部３２は、係数補正部３７が補正したＣｄ値を用いて燃料流量を推定する。
【００４７】
図１１は、本発明に係る第四実施形態における燃料流量制御方法の一例を示す図である。
図６と異なる構成及び機能を中心に説明を行う。燃料流量調節弁１７、温度計４０、圧力計４１、圧力計４２、ＦＦ制御器４４、関数発生器４５、ノズル４７Ａ、ノズル４７Ｂ、圧力計４８、ＦＢ制御器４９については図６と同様である。
符号４３は、燃料流量調節弁１７の下流における燃料流量を計測する流量計である。流量計４３は、計測した燃料流量を状態量取得部３１へ出力する。
符号５０は、補正機能付きの燃料流量推定部である。補正機能付き燃料流量推定部５０は、定常状態判定部３６と係数補正部３７と燃料流量推定部３２に対応している。まず、定常状態判定部３６は、燃料流量が定常状態かどうかを判定する。定常状態である場合、係数補正部３７は、流量計４３による燃料流量調節弁１７の下流での燃料流量の計測値と、温度計４０と圧力計４２及び圧力計４８による計測値を状態量取得部３１から取得し、例えば式（１）または式（２）を用いてＣｄ値を算出する。具体的な算出方法の一例を示すと、係数補正部３７は、式（１）または式（２）の左辺に流量計４３による燃料流量計測値を代入し、右辺に温度計４０と圧力計４２及び圧力計４８による計測値を代入する。そして、係数補正部３７は、この式をＣｄ値について解き、定常状態における燃料流量の計測値に基づいた補正後のＣｄ値を求める。係数補正部３７は、記憶部３４に補正後のＣｄ値を書き込む。燃料流量推定部３２は、係数補正部３７が算出した補正後のＣｄ値を式（１）または式（２）に適用して、燃料流量の推定を行う。
なお、圧力計４８は省略が可能である。その場合、係数補正部３７は、圧力計４２の計測値を用いて式（４）によりノズル下流における圧力を推定する。また、ノズル上流に圧力計４２が複数設けられている場合、係数補正部３７は、複数の圧力計による計測値の中央値を用いて燃料流量を推定する。または、係数補正部３７は、複数の圧力計による計測値の平均値を用いて燃料流量を推定する。
【００４８】
図１２は、本発明に係る第四実施形態におけるノズル特性の補正処理のフローチャートである。この処理は、図７のフローチャートにおける例えばステップＳ１１〜Ｓ１４と並行して行われる処理である。
まず、定常状態判定部３６が、流量計４３が計測した燃料流量の所定時間における変動を評価し、燃料流量が定常状態にあるかどうかを判定する（ステップＳ１７）。所定時間における変動が所定の範囲に収まらない場合、定常状態判定部３６は、定常状態ではないと判定する。この場合（ステップＳ１７：Ｎｏ）、ステップＳ１７の判定処理を繰り返す。一方、所定時間における変動が所定の範囲に収まる場合、定常状態判定部３６は、定常状態であると判定する。この場合（ステップＳ１７：Ｙｅｓ）、係数補正部３７は、状態量取得部３１から燃料温度計測値、ノズルの上流及び下流における圧力計測値、燃料流量調節弁下流における燃料流量計測値を取得し、式（１）または式（２）よりＣｄ値を算出する（ステップＳ１８）。係数補正部３７は、算出した補正後のＣｄ値を記憶部３４に書き込む。
燃料流量推定部３２は、次回から、補正後のＣｄ値を記憶部３４から読み込んで燃料流量の推定を行う。これにより、燃料流量の推定精度が向上する。
【００４９】
本実施形態では、ノズル特性を示すＣｄ値を、定常状態における燃料流量計測値を用いて補正することでより実態に合ったＣｄ値を用いて燃料流量を推定することができる。それにより、燃料流量の制御精度を向上することができる。特に負荷変動時などの過渡期においては、燃料流量調節弁の下流で計測した燃料流量の計測値は、実際に燃焼器に供給される燃料流量とずれが生じていることが多い。本実施形態によれば、実態に即したＣｄ値を用いて推定することでそのような過渡期における燃料流量の推定精度を高めることが可能である。
【００５０】
＜第五実施形態＞
以下、本発明の第五実施形態による燃料流量制御装置３０を図１３〜図１４を参照して説明する。
図１３は、本発明に係る第五実施形態における燃料流量制御装置の一例を示すブロック図である。本実施形態は、第一〜第四実施形態のうち何れか一つと組み合わせることが可能である。
図１３は、第四実施形態と組み合わせた場合の構成を示している。
図１３で示すように、本実施形態において燃料流量制御装置３０は、信号処理部５１を備えている点が第二実施形態と異なる。他の構成は第二実施形態と同様である。
信号処理部５１は、状態量取得部３１が取得する各計測値に位相補償やノイズ除去のためのフィルタ処理を行う。
【００５１】
図１４は、本発明に係る第五実施形態における燃料流量制御方法の一例を示す図である。
本実施形態では、温度計４０、圧力計４１、圧力計４２、流量計４３、圧力計４８の計測値は信号処理部５１に入力され、信号処理部５１が遅れ補償やノイズの除去を行った後の計測値信号を状態量取得部３１へ出力する。符号５２Ａ、５２Ｂは、信号処理部５１が有する位相補償器である。これら位相補償器５２Ａ，５２Ｂは、温度計や流量計など計測器の検出遅れに対して、進み要素でその遅れを補償する。特に温度計４０の場合、熱電対被覆などの影響で応答性が悪いため位相補償が有効である。また、信号処理部５１は、フィルタ器（図示せず）を有しており、圧力計４１、４２、４８や流量計４３の計測値からノイズを除去する。
【００５２】
本実施形態によれば、計測器の応答遅れや計測値にノイズが発生する場合でも、位相補償器やフィルタ器によって補正したより信頼性の高い状態量に基づいて弁開度を算出することで、燃料流量の制御精度を向上させることができる。
【００５３】
なお上述の燃料流量制御装置３０は内部に、コンピュータシステムを有している。そして、上述した燃料流量制御装置３０における各処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしてもよい。
【００５４】
また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。
状態量取得部３１、燃料流量推定部３２、弁開度調節部３３、Ｃｖ指令値算出部３５、定常状態判定部３６、係数補正部３７は、コンピュータがプログラムを実行することにより備わる機能である。また、燃料流量制御装置３０は、１台のコンピュータで構成されていても良いし、通信可能に接続された複数のコンピュータで構成されていてもよい。なお、Ｃｖ値は流量特性の一例である。Ｃｖ指令値算出部３５は、流量特性指令値算出部の一例である。
【００５５】
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。また、この発明の技術範囲は上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、ガスタービンの他にも、航空機用エンジン、ボイラなどで用いることができる。また、例えば、第二〜第四実施形態において、ＦＦ制御器４４が入力する燃料流量調節弁の上流における圧力は、計測値の代わりにＦＣＶ上流圧設定値であってもよい。
【符号の説明】
【００５６】
１０・・・ガスタービン
１１・・・圧縮機
１２・・・燃焼器
１３・・・タービン
１４・・・ＩＧＶ
１５・・・ロータ
１６・・・発電機
１７、１８、１９・・・燃料流量調節弁
２０・・・燃料供給装置
２１・・・圧力調節弁
２６・・・燃料制御装置
３０・・・燃料流量制御装置
３１・・・状態量取得部
３２・・・燃料流量推定部
３３・・・弁開度調節部
３４・・・記憶部
３５・・・Ｃｖ指令値算出部
３６・・・定常状態判定部
３７・・・係数補正部
４０・・・温度計
４１、４２、４８・・・圧力計
４３・・・流量計
４４・・・ＦＦ制御器
４５・・・関数発生器
４７・・・ノズル
４９・・・ＦＢ制御器
５０・・・補正機能付き燃料流量推定部
５１・・・信号処理部
５２・・・位相補償器
【図１】
2016023594.tif 000005
【図２】
2016023594.tif 000006
【図３】
2016023594.tif 000007
【図４】
2016023594.tif 000008
【図５】
2016023594.tif 000009
【図６】
2016023594.tif 000010
【図７】
2016023594.tif 000011
【図８】
2016023594.tif 000012
【図９】
2016023594.tif 000013
【図１０】
2016023594.tif 000014
【図１１】
2016023594.tif 000015
【図１２】
2016023594.tif 000016
【図１３】
2016023594.tif 000017
【図１４】
2016023594.tif 000018
【図１５】
2016023594.tif 000019
【図１６】
2016023594.tif 000020
【図１７】
2016023594.tif 000021