(57)【要約】      （修正有）【課題】蒸気タービンロータ応力を管理するための制御システム及びその使用方法を提供する。【解決手段】制御システム２００は蒸気タービンロータのロータ表面温度を測定するセンサ２０２を含み、温度は蒸気を目標温度まで加熱するための熱源からの排気ガスの関数である。制御システム２００は蒸気タービンロータ応力動特性用の逆プロセスモデル２１０を使用して基準蒸気タービンロータ応力とフィードバック蒸気タービンロータ応力に基づいて目標温度を算出し、蒸気タービンロータの測定表面温度に基づいて測定蒸気タービンロータ応力を算出し、蒸気タービンロータ応力動特性用のプロセスモデル２０８を使用して目標温度に基づいて推定蒸気タービンロータ応力を算出し、測定蒸気タービンロータ応力と推定蒸気タービンロータ応力に基づいて、フィードバック蒸気タービンロータ応力を算出するために構成されてセンサ２０２に連結されるコントローラ２０４を含む。【選択図】図２
2017072125.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気タービンロータ（１３４）の表面温度を測定するために構成され、前記表面温度が蒸気を目標蒸気温度（３１４）まで加熱するために使用される熱源からの排気ガスの関数である、温度センサ（２０２）と、
前記温度センサ（２０２）に連結されたコントローラ（２０４）と、を含む発電プラント（１００）用の制御システム（２００）であって、前記コントローラ（２０４）が、
蒸気タービンロータ応力動特性用の逆プロセスモデル（２１０など）を使用して、基準蒸気タービンロータ応力（３１８）とフィードバック蒸気タービンロータ応力（３１６）に基づいて、前記目標蒸気温度（３１４）を算出し、
前記蒸気タービンロータ（１３４）の測定表面温度に基づいて、測定蒸気タービンロータ応力（３１０）を算出し、
前記蒸気タービンロータ応力動特性用のプロセスモデル（２０８など）を使用して、前記目標蒸気温度（３１４）に基づいて、推定蒸気タービンロータ応力（３１２）を算出し、
前記測定蒸気タービンロータ応力（３１０）と前記推定蒸気タービンロータ応力（３１２）に基づいて、前記フィードバック蒸気タービンロータ応力（３１６）を算出するために構成される、
発電プラント（１００）用の制御システム。
【請求項２】
前記熱源は、ガスタービンエンジン（１０２）を含む、請求項１記載の制御システム。
【請求項３】
前記温度センサ（２０２）は、蒸気タービンシェル温度を測定するために構成され、それから前記蒸気タービンロータ（１３４）の前記表面温度が決定できる、請求項１記載の制御システム。
【請求項４】
前記コントローラ（２０４）は、前記測定蒸気タービンロータ応力（３１０）と前記推定蒸気タービンロータ応力（３１２）の差として、前記フィードバック蒸気タービンロータ応力（３１６）を算出するためにさらに構成される、請求項１記載の制御システム。
【請求項５】
前記コントローラ（２０４）は、前記基準蒸気タービンロータ応力（３１８）と前記フィードバック蒸気タービンロータ応力（３１６）の差に基づいて、前記目標蒸気温度（３１４）を算出するためにさらに構成される、請求項４記載の制御システム。
【請求項６】
前記コントローラ（２０４）は、前記基準蒸気タービンロータ応力（３１８）を低域通過フィルタ処理するためにさらに構成される、請求項１記載の制御システム。
【請求項７】
前記コントローラ（２０４）は、前記蒸気タービンロータ（１３４）の推定表面温度と、前記目標蒸気温度（３１４）と前記蒸気タービンロータ（１３４）の前記測定表面温度との間の目標温度差と、に基づいて、前記目標蒸気温度（３１４）を算出するために、前記逆プロセスモデル（２１０など）を使用して、さらに構成される、請求項１記載の制御システム。
【請求項８】
前記コントローラ（２０４）は、前記目標蒸気温度（３１４）と、前記排気ガスから前記蒸気への熱交換用の熱交換モデルと、に基づいて、排気ガス温度を算出するためにさらに構成される、請求項１記載の制御システム。
【請求項９】
熱源から放出されて排気ガス温度を有する排気ガスを使用して、蒸気を加熱することと、
前記蒸気を蒸気流量で蒸気タービン（１３０）の中に通すことと、
蒸気タービンロータ表面温度を測定することと、
前記蒸気タービンロータ表面温度と前記蒸気タービンロータ応力動特性用のプロセスモデル（２０８など）に基づいて、フィードバック蒸気タービンロータ応力（３１６）を決定することと、
前記フィードバック蒸気タービンロータ応力（３１６）と基準蒸気タービンロータ応力（３１８）に基づいて、目標蒸気タービンロータ応力（３２０）を算出することと、
前記目標蒸気タービンロータ応力（３２０）と前記蒸気タービンロータ応力動特性用の逆プロセスモデル（２１０など）に基づいて、前記熱源と前記排気ガス温度を制御するための目標蒸気温度（３１４）を算出することと、
を含む、発電プラント（１００）を制御する方法。
【請求項１０】
前記蒸気を加熱することは、前記排気ガスを熱回収蒸気発生器（１１６）の中に放出することを含み、それを通って前記蒸気が凝縮物貯蔵器から蒸気ヘッダ（１２４）の中に流れ込む、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記蒸気を通すことは、所定の蒸気圧力と蒸気温度に達すると、前記蒸気を前記蒸気ヘッダ（１２４）から解放することを含む、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
フィードバック蒸気タービンロータ応力（３１６）を決定することは、
前記蒸気タービンロータ表面温度に基づいて、測定蒸気タービンロータ応力（３１０）を算出することと、
前記プロセスモデル（２０８など）を使用して推定蒸気タービンロータ応力（３１２）を算出することであって、前記プロセスモデル（２０８など）が、
前記目標蒸気温度（３１４）、蒸気質量流量、及び前記蒸気から蒸気タービンロータ表面への熱伝達用の対流モデル（４０２）に基づいて、推定蒸気タービンロータ表面温度を算出すること、
前記推定蒸気タービンロータ表面温度と、前記蒸気タービンロータ表面から蒸気タービンロータかさへの熱伝達用の伝導モデル（４０４）と、に基づいて、推定蒸気タービンかさ温度を算出すること、及び
前記推定蒸気タービンロータ表面温度と前記推定蒸気タービンかさ温度の差と、前記蒸気のための流通路用の伝導係数に基づいて、前記推定蒸気タービンロータ応力（３１２）を算出すること、を含む、推定蒸気タービンロータ応力（３１２）を算出することと、
前記測定蒸気タービンロータ応力（３１０）と前記推定蒸気タービンロータ応力（３１２）の差を算出することと、
を含む、請求項９記載の方法。
【請求項１３】
前記目標蒸気タービンロータ応力（３２０）を算出することは、
前記基準蒸気タービンロータ応力（３１８）と前記フィードバック蒸気タービンロータ応力（３１６）の差を算出することと、
合計を低域通過フィルタ処理することと、
を含む、請求項９記載の方法。
【請求項１４】
前記逆プロセスモデル（２１０など）を使用する前記目標蒸気温度（３１４）を算出することは、
前記目標蒸気タービンロータ応力（３２０）に、平均蒸気タービンロータ応力から目標蒸気タービンロータかさ温度の時間微分までの動特性を表しているゲインを適用することと、
目標蒸気タービンロータ表面温度の時間微分をもたらす前記目標蒸気タービンロータかさ温度の前記時間微分をフィルタ処理することと、
前記基準蒸気タービンロータ表面温度、蒸気質量流量、及び熱伝達係数に基づいて、前記蒸気温度と前記蒸気タービンロータ表面温度の目標温度差を算出することと、
前記推定蒸気タービンロータ表面温度と前記目標温度差の合計として前記目標蒸気温度（３１４）を算出することと、
を含む、請求項９記載の方法。
【請求項１５】
ガスタービン負荷（２１８）の下で回転し、排気ガスを排気ガス温度で放出するために構成されるガスタービンエンジン（１０２）であって、前記排気ガスが蒸気を目標蒸気温度（３１４）まで加熱するために構成される、ガスタービンエンジン（１０２）と、
前記蒸気が前記目標蒸気温度（３１４）と蒸気流量で中に通され、電気発生器（１１４、１４０）を回転するために構成される蒸気タービン（１３０）と、
蒸気タービンロータ表面温度を測定するために構成される温度センサ（２０２）と、
コントローラ（２０４）であって、
蒸気タービンロータ応力動特性用の逆プロセスモデル（２１０など）を使用して、基準蒸気タービンロータ応力（３１８）とフィードバック蒸気タービンロータ応力（３１６）に基づいて、前記目標蒸気温度（３１４）を算出し、
前記蒸気タービンロータ（１３４）の測定表面温度に基づいて、測定蒸気タービンロータ応力（３１０）を算出し、
前記蒸気タービンロータ応力動特性用のプロセスモデル（２０８など）を使用して、前記目標蒸気温度（３１４）に基づいて、推定蒸気タービンロータ応力（３１２）を算出し、
前記測定蒸気タービンロータ応力（３１０）と前記推定蒸気タービンロータ応力（３１２）に基づいて、前記フィードバック蒸気タービンロータ応力（３１６）を算出するために構成されるコントローラ（２０４）と、
を含む発電プラント。
【請求項１６】
前記コントローラ（２０４）は、蒸気流の変化と前記ガスタービンエンジン（１０２）の負荷（２１８）に基づいて、前記測定蒸気タービンロータ応力（３１０）を算出するためにさらに構成される、請求項１５記載の発電プラント。
【請求項１７】
前記コントローラ（２０４）は、前記測定蒸気タービンロータ応力（３１０）と前記推定蒸気タービンロータ応力（３１２）の差として、前記フィードバック蒸気タービンロータ応力（３１６）を算出するためにさらに構成される、請求項１６記載の発電プラント。
【請求項１８】
前記コントローラ（２０４）は、蒸気質量流量と前記目標蒸気温度（３１４）に基づいて、前記推定蒸気タービンロータ応力（３１２）を算出するためにさらに構成される、請求項１６記載の発電プラント。
【請求項１９】
前記コントローラ（２０４）は、
前記蒸気から前記蒸気タービン（１３０）のロータ表面までの対流を算出するための対流モデル（４０２）と、
推定蒸気タービンロータ表面温度に基づいて、前記ロータ表面から前記蒸気タービン（１３０）のかさまでの伝導を算出するための伝導モデル（４０４）と、
前記対流モデル（４０２）からの前記推定蒸気タービンロータ表面温度と前記伝導モデル（４０４）からの推定蒸気タービンロータかさ温度との差に基づく応力算出と、
に基づく前記推定蒸気タービンロータ応力（３１２）を算出するためにさらに構成される、請求項１８記載の発電プラント。
【請求項２０】
前記コントローラ（２０４）は、前記基準蒸気タービンロータ応力（３１８）を低域通過フィルタ処理するためにさらに構成される、請求項１５記載の発電プラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の分野は、一般に発電プラントに関し、より具体的には、蒸気タービンロータ応力を管理するための制御システム及びその使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
典型的な公知の複合サイクル発電プラントは、ガスタービンを含み、その中で、例えば、限定ではないが、オイルや天然ガスなどの燃料が燃焼される。ガスタービンエンジンからの排気ガスは、１つ又は複数のガスタービンによって押し出される。排気ガスは、熱回収蒸気発生器を通り過ぎて、内部の水を加熱して蒸気を発生させる。ガスタービンの負荷と排気ガスの温度は、燃焼システムと制御の制限のせいで高度に結び付く。そういった制限は一般に、ガスタービン排気質量流量とガスタービン排気温度の間に１対１の関係を招き、それは、蒸気流量と蒸気温度の間の直接の１対１の関係を導く。蒸気は、ボイラの中に収集されて圧力を増大させる。蒸気は、十分な蒸気圧力に達すると、蒸気タービンの中に通され、これにより蒸気タービンが回転する。蒸気は、その後に一般に凝縮されて熱回収蒸気発生器に戻される。蒸気タービンは、発生器を回転させて電気を発生させる。蒸気タービンに蒸気を通す機構は、例えば、限定ではないが、蒸気が多段階に加熱及び再加熱されて多段階に蒸気タービンに通されるアーキテクチャを含んでいる多重構成で構成される場合がある。
【０００３】
動作をある期間していないとき、蒸気タービンのシェルとロータは、著しく冷える。蒸気タービンロータの温度は、蒸気タービンロータ自体の上で、あるいは、ロータ即ち回転可能な部分というよりむしろシェル即ち固定した部分の上で測定した温度によって評価してもよい。あるいは、蒸気タービンロータの温度は、例えば、限定ではないが、高温測定法などの非接触の方法を含めて任意の他の適切な方法によって評価してもよい。複合サイクル発電プラントの始動の間、プラントは理想的には、制約なしで可能な限り速やかにプラントの負荷を制御できる状態にされる。しかしながら、蒸気タービンロータの表面は典型的には、ロータのかさ（ｂｕｌｋ）を上まわる異なった比率で熱くなり、ロータ全体にわたる半径方向の温度変化を招く。そういった温度変化は、ロータの金属上の熱応力として現れ、ロータの経時的な金属疲労に寄与する。ガスタービン排気ガスの温度が蒸気温度を推進するので、プラント全体は、蒸気タービンロータが、ロータ表面応力が制限されない状態にされるまで、ガスタービン排気流れを低温に保持する必要性によって制約を受ける。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第８，８５７，１８４号明細書
【発明の概要】
【０００５】
一実施態様では、発電プラント用の制御システムが提供される。制御システムは、温度センサとコントローラを含む。温度センサは、蒸気タービンロータのロータ表面温度を測定するために構成される。ロータ表面温度は、蒸気を目標蒸気温度まで加熱するために使用される熱源からの排気ガスの関数である。コントローラは、温度センサに連結される。コントローラは、蒸気タービンロータ応力動特性用の逆プロセスモデルを使用して、基準蒸気タービンロータ応力とフィードバック蒸気タービンロータ応力に基づいて、目標蒸気温度を算出するために構成される。コントローラは、蒸気タービンロータの測定表面温度に基づいて、測定蒸気タービンロータ応力を算出するためにさらに構成される。コントローラは、蒸気タービンロータ応力動特性用のプロセスモデルを使用して、目標蒸気温度に基づいて、推定蒸気タービンロータ応力を算出するためにさらに構成される。コントローラは、測定蒸気タービンロータ応力と推定蒸気タービンロータ応力に基づいて、フィードバック蒸気タービンロータ応力を算出するためにさらに構成される。
【０００６】
他の実施態様では、発電プラントを制御する方法が提供される。方法は、熱源から放出される排気ガスを使用して、蒸気を加熱することを含み、排気ガスは、排気ガス温度を有する。方法は、蒸気を蒸気流量で蒸気タービンの中に通すことをさらに含む。方法は、蒸気タービンロータ表面温度を測定することをさらに含む。方法は、蒸気タービンロータ表面温度と蒸気タービンロータ応力動特性用のプロセスモデルに基づいて、フィードバック蒸気タービンロータ応力を決定することをさらに含む。方法は、フィードバック蒸気タービンロータ応力と基準蒸気タービンロータ応力に基づいて、目標蒸気タービンロータ応力を算出することをさらに含む。方法は、目標蒸気タービンロータ応力と蒸気タービンロータ応力動特性用の逆プロセスモデルに基づいて、熱源と排気ガス温度を制御するための目標蒸気温度を算出することをさらに含む。
【０００７】
さらに他の態様では、発電プラントが提供される。発電プラントは、ガスタービンエンジンと、蒸気タービンと、温度センサと、コントローラと、を含む。ガスタービンエンジンは、ガスタービン負荷の下で回転して排気ガスを排気ガス温度で放出するために構成され、排気ガスは、蒸気を目標蒸気温度まで加熱するために構成される。蒸気は、目標蒸気温度と蒸気流量で蒸気タービンの中に通される。蒸気タービンは、電気発生器を回転させるために構成される。温度センサは、蒸気タービンロータ表面温度を測定するために構成される。コントローラは、蒸気タービンロータ応力動特性用の逆プロセスモデルを使用して、基準蒸気タービンロータ応力とフィードバック蒸気タービンロータ応力に基づいて、目標蒸気温度を算出するために構成される。コントローラは、蒸気タービンロータの測定表面温度に基づいて、測定蒸気タービンロータ応力を算出するためにさらに構成される。コントローラは、蒸気タービンロータ応力動特性用のプロセスモデルを使用して、目標蒸気温度に基づいて、推定蒸気タービンロータ応力を算出するためにさらに構成される。コントローラは、測定蒸気タービンロータ応力と推定蒸気タービンロータ応力に基づいて、フィードバック蒸気タービンロータ応力を算出するためにさらに構成される。
【０００８】
本開示のこれらの、並びに、他の特徴、態様、及び利点は、図面全体にわたって同様の符号が同様の部品を指す添付の図面を参照して、以下の詳細な説明が解釈されるとき、良好に理解されることになろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】例示的な複合サイクル発電プラントのブロック図である。
【図２】図１に示す複合サイクル発電プラントなどの発電プラントに使用するための例示的な制御システムのブロック図である。
【図３】図１に示す複合サイクル発電プラントなどの発電プラントに使用するための例示的な制御システムの概略図である。
【図４】図２及び３に示す制御システムに使用するための例示的なプロセスモデルの概略図である。
【図５】図２及び３に示す制御システムに使用するための例示的な逆プロセスモデルの概略図である。
【図６】図２及び３に示す制御システムに使用するための他の例示的な逆プロセスモデルの概略図である。
【図７】図１に示す複合サイクル発電プラントなどの発電プラントを制御する例示的な方法の流れ図である。
【図８】図１に示す複合サイクル発電プラントに使用するための例示的な複合サイクル発電プラントの始動についてのプロット図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
別段の表示がない限り、本明細書で提供する図面は、本開示の実施形態の特徴を示すことを意味している。これらの特徴は、本開示の１つ又は複数の実施形態を含む幅広い多様なシステムに適用可能であると考える。したがって、図面は、本明細書に開示した実施形態の実施に必要とされる当業者に公知の従来の特徴をすべて含むことを意味していない。
【００１１】
以下の明細書と特許請求の範囲では、以下の意味を有するいくつかの用語を参照する。
【００１２】
単数形の「１つ（ａ）」、「１つ（ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」は、文脈上別に規定することが明らかな場合を除いて複数の対象を含む。
【００１３】
「随意の（ｏｐｔｉｏｎａｌ）」又は「随意的に（ｏｐｔｉｏｎａｌｌｙ）」は、その後に記載される事象もしくは事件が起き得るか又は起き得ないこと、及び、その記載がその事象の起きる場合と起きない場合とを含むこと、を意味する。
【００１４】
近似させる語法は、本明細書及び特許請求の範囲の全体にわたりここに使用されているように、それが関連する基本機能の変更を招くことなく、許容できる変更が可能である任意の数量表示を修正するために適用することができる。したがって、「約（ａｂｏｕｔ）」、「およそ（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」、及び、「ほぼ（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」などの１つ又は複数の用語によって修正される数値は、その指示された数値に厳格に限定されるべきではない。少なくともいくつかの場合では、近似させる語法は、その値を測定するための機器の精度に対応することがある。ここで本明細書及び特許請求の範囲の全体にわたり、範囲の限定は、結合及び／又は交換を行うことができ、そういった範囲は、文脈上や言語上別に規定することが明らかな場合を除き、同一視されると共にその中に含まれる部分範囲のすべてを含む。
【００１５】
本明細書に記載した発電プラント用の制御システムは、蒸気タービンロータ上の熱応力を管理するための１つ又は複数のガスタービンからの排気ガス温度の内部モデル制御を提供する。熱応力は一般に、発電プラントの始動中に蒸気タービンロータ内で生じ、蒸気温度と蒸気流は、蒸気タービンが動作温度に達するときに、蒸気タービンロータの表面と蒸気タービンロータのかさの間の温度変化を引き起こす。本明細書に記載した制御システムは、１つ又は複数のガスタービンの負荷と蒸気流の変化とに関係なく、蒸気温度の制御と熱応力の管理を容易にする。
【００１６】
図１は、本明細書で紹介する制御システムと方法が具体化即ち実行され得る例示的な複合サイクル発電プラント１００のブロック図である。複合サイクル発電プラント１００は、ガスタービンエンジン１０２を含み、その中では、空気１０８が燃料１１０と混合されて燃焼され、排気ガス１１２を発生させ、それがガスタービン１０６を介して放出される。排気ガス１１２により、ガスタービン１０６が回転する。ガスタービン１０６は、発生器１１４に回動可能に連結されており、発生器１１４は、ガスタービン１０６と共に回転して電気を発生させる。
【００１７】
ガスタービン１０６は、排気ガス１１２を熱回収蒸気発生器１１６の中に放出する。冷却された排気ガス１１８は、熱回収蒸気発生器１１６から離れて行き、典型的には、複合サイクル発電プラント１００から排気ダクト１２０を通して放出される。排気ガス１１２は、排気ガス温度で熱回収蒸気発生器１１６の中に入る。排気ガス温度は、ガスタービンエンジン１０２内の空気１０８の進入と燃料１１０の進入の調節を介して燃焼プロセスを制御することによって制御可能である。熱回収蒸気発生器１１６は、排気ガス１１２から水１４２及び蒸気１２２への熱伝達を容易にする。
【００１８】
蒸気１２２は、所望の蒸気圧力に達するまで、蒸気ヘッダ１２４内に形成される。所望の蒸気圧力に達すると、加圧蒸気１２６は、バルブ１２８を通して解放される。バルブ１２８が開くと、加圧蒸気１２６は、蒸気タービン１３０の中に通される。蒸気タービン１３０は、固定されている蒸気タービンシェル１３２と、回転可能な蒸気タービンロータ１３４と、を含む。蒸気タービン１３０は、蒸気タービンロータ１３４に連結された複数の蒸気タービンバケット１３５を含む。加圧蒸気１２６が蒸気タービンバケット１３５に通されるので、蒸気タービンロータ１３４は、回転し、排気蒸気１３６は、凝縮器１３８に向けられる。蒸気タービンロータ１３４は、蒸気タービン１３０と共に回転して電気を発生させる発生器１４０に連結されている。凝縮器１３８は、排気蒸気１３６を冷却して、凝縮物１４２を形成し、それは凝縮物貯蔵器１４４に収集される。凝縮物１４２は、その後に熱回収蒸気発生器１１６に戻されて、そこでは蒸気１２２に再度変換される。
【００１９】
動作において、複合サイクル発電プラント１００の始動中に、蒸気タービン１３０は、加速され、発生器１４０を介して負荷を負う。蒸気流が増加するにつれ、電気的な負荷は増加し、その一方、蒸気タービン１３０は速度が維持される。蒸気タービン１３０は、可能な限り速やかに動作温度まで達することが望ましいが、この始動が実行され得る比率は、蒸気温度と蒸気流のせいで蒸気タービン１３０上に誘導される応力によって制限される。より具体的には、動作パラメータ又は蒸気タービンロータ１３４上の熱応力は、始動率を制限する。より高い蒸気温度は、より高い蒸気流と同様に、蒸気タービンロータ１３４をより速く加熱させる。しかしながら、蒸気タービンロータ１３４が加熱されると、蒸気タービンロータ１３４の表面と蒸気タービンロータ１３４のかさ（どちらも図示せず）の間の温度差を招く。そういった温度差は、蒸気タービンロータ１３４上の熱応力と経時的な金属疲労を招く。
【００２０】
また、動作において、蒸気タービン１３０は、始動中の蒸気タービンロータ応力を管理するために、蒸気タービンロータ応力プロファイルに応じて動作温度にされる。蒸気タービンロータ応力プロファイルは、始動中に負う蒸気タービンロータ応力を特徴とする。蒸気タービンロータ表面温度は、蒸気１２２の蒸気温度の調節を介して制御され、また、蒸気タービン１３０の中への蒸気流の関数でもある。蒸気温度は、上に記載するように制御される排気ガス１１２の排気ガス温度の調節を介して制御される。
【００２１】
図２は、複合サイクル発電プラント１００（図１に示す）などの発電プラントを制御するための例示的な制御システム２００のブロック図である。制御システム２００は、センサ２０２とコントローラ２０４を含む。センサ２０２は、蒸気タービンロータ１３４（図１に示す）などの蒸気タービンロータの表面温度を測定するために構成された温度センサである。センサ２０２は、特定の実施形態では、蒸気タービンロータ温度を直接測定するために構成される。他の実施形態では、センサ２０２は、蒸気タービンロータ表面温度に関係する蒸気タービンシェル温度を測定するために構成される。同様に、特定の実施形態では、蒸気タービンロータ温度と蒸気タービンシェル温度は、センサ２０２の測定した蒸気状態に基づいて推定する場合がある。センサ２０２は、蒸気タービン１３０（図１に示す）などの蒸気タービン２０６に連結してもよい。特定の実施形態では、例えば、センサ２０２は、蒸気タービンシェル１３２（図１に示す）などの蒸気タービンシェルに連結される。特定の実施形態は、蒸気流を測定するための他のセンサを含む。
【００２２】
コントローラ２０４は、プロセスモデル２０８と逆プロセスモデル２１０を含む。プロセスモデル２０８は、プラントプロセス２１２をモデル化する。プラントプロセス２１２は、燃焼プロセス２１４を含み、それによって、燃料１１０などの燃料と空気１０８などの空気とが、ガスタービンエンジン１０２などのガスタービンエンジンの中で混ぜ合わされて、排気ガス１１２（図１に示す）などの排気ガスの発生のために燃焼される。発生した排気ガスは、ガスタービンエンジンからガスタービン１０６（図１に示す）などのガスタービンを通して放出される。排気ガスがガスタービンを通して放出されるので、ガスタービンは、ガスタービン負荷２１８を駆動する。ガスタービン負荷２１８は、例えば、限定ではないが、発生器１１４（図１に示す）などの電気発生器を含む。
【００２３】
プラントプロセス２１２は、熱回収及び蒸気発生プロセス２１６を含み、それによって、排気ガスが、熱回収蒸気発生器１１６（図１に示す）などの熱回収蒸気発生器の中に放出されて、蒸気１２２（同じく図１に示す）などの蒸気を加熱する。発生した蒸気は、蒸気タービン２０６の中に通されて、蒸気タービン２０６のロータを回転させ、蒸気タービン負荷２２０を駆動する。蒸気タービン負荷２２０は、例えば、限定ではないが、発生器１４０（図１に示す）などの電気発生器を含む。
【００２４】
プラントプロセス２１２は、少なくとも蒸気温度と蒸気流の関数として応力を蒸気タービン２０６のロータ上に誘導する。プロセスモデル２０８は、プラントプロセス２１２から生まれる蒸気タービンロータ応力を推定する。コントローラ２０４は、測定蒸気タービンロータ応力を決定し、測定蒸気タービンロータ応力と推定蒸気タービンロータ応力の差を用いてプラントプロセス２１２を制御する。差は、制御入力後のプラントプロセス２１２に適用される外乱を表し、あるいは、モデル化されない動特性を表すこともある。差は、フィードバックして、基準蒸気タービンロータ応力から差し引く。基準蒸気タービンロータ応力は、発電プラントが始動する際に従う基準蒸気タービンロータ応力プロファイルから引き出される。
【００２５】
基準蒸気タービンロータ応力と蒸気タービンロータ応力の変動差は、目標蒸気タービンロータ応力と時々呼ばれており、蒸気温度を算出するために逆プロセスモデル２１０で使用される。蒸気温度は、燃焼プロセス２１４を介して制御され得る指令排気ガス温度に変換される。
【００２６】
コントローラ２０４は、ガスタービン負荷２１８を介してガスタービンの負荷を制御するためにさらに構成され、熱回収蒸気発生器２１６内で発生する蒸気量を駆動し、さらには、蒸気タービン２０６によって発生する動力を駆動する。
【００２７】
図３は、複合サイクル発電プラント１００（図１に示す）などの発電プラントに使用するための例示的な制御システム３００の概略図である。制御システム３００は、プラントプロセス２１２（図２に示す）などのプラントプロセス３０２と、プロセスモデル２０８（同じく図２に示す）などのプロセスモデル３０４を含む。制御システム３００は、逆プロセスモデル３０６と低域通過フィルタ（ＬＰＦ）３０８をさらに含む。
【００２８】
プラントプロセス３０２は、蒸気タービンロータ１３４（図１に示す）などの蒸気タービンロータ上に、蒸気タービンロータ表面温度に基づいて測定可能な応力をもたらす。応力は、測定蒸気タービンロータ応力３１０として表現され、また、例えば、限定ではないが、蒸気温度、蒸気流、及び、蒸気タービンとガスタービン１０６（図１に示す）などのガスタービンの負荷、を含めてプラントプロセス３０２の様々な態様の関数である。プロセスモデル３０４は、少なくとも目標蒸気温度３１４に基づいて推定蒸気タービンロータ応力３１２を算出する。
【００２９】
フィードバック蒸気タービンロータ応力３１６は、測定蒸気タービンロータ応力３１０と推定蒸気タービンロータ応力３１２の差であり、それはフィードバックされて基準蒸気タービンロータ応力３１８から差し引かれる。フィードバック蒸気タービンロータ応力３１６は、推定誤差、並びに、プラントプロセス３０２に対する測定されない外乱及びモデル化されない動特性を表す。その結果は、目標蒸気タービンロータ応力３２０である。ＬＰＦ３０８は、基準蒸気タービンロータ応力３１８を表す信号を円滑化するために構成される。特定の実施形態では、ＬＰＦ３０８は省略している。
【００３０】
逆プロセスモデル３０６は、目標蒸気タービンロータ応力３２０を目標蒸気温度３１４に変換するために構成される。複合サイクル発電プラントでは、プラントプロセス３０２は一般に、直接蒸気温度というよりはむしろ排気ガス温度を介して制御可能である。特定の実施形態では、制御システム３００は、蒸気温度３１４を指令排気ガス温度に変換するためのモデル構成要素をさらに含む。さらに、特定の実施形態では、制御システム３００は、ガスタービン排気温度が目標蒸気温度３１４に達するための閉ループ制御システムを含む。
【００３１】
図４は、制御システム２００及び３００（図２及び３にそれぞれ示す）に使用するための例示的なプロセスモデル４００の概略図である。プロセスモデル４００は、対流モデル４０２、伝導モデル４０４、及び、熱応力モデル４０６を含む。
【００３２】
対流モデル４０２は、蒸気１２２（図１に示す）などの発生蒸気から蒸気タービンロータ１３４（同じく図１に示す）などの蒸気タービンロータの表面への経時的な熱伝達の動特性を表す。対流モデル４０２は、２つの入力、すなわち、目標蒸気温度３１４（図３に示す）などの蒸気温度ＴSteamと、直接測定可能、又は、バルブ１２８（図１に示す）で測定した圧力などの制御システム２００及び３００内の他の測定値から推測可能、のどちらかである蒸気質量流量
【００３３】
【数１】
2017072125.tif 000003
と、を利用する。対流モデル４０２は、蒸気から蒸気タービンロータの表面への熱伝達のための熱伝達係数ｋ1をさらに利用する。対流モデル４０２は、下の式１によって統制され、それによって推定蒸気タービンロータ表面温度ＴSurfaceが解決される。
【００３４】
【数２】
2017072125.tif 000004
伝導モデル４０４は、蒸気タービンロータの表面から蒸気タービンロータのかさへの経時的な熱伝達の動特性を表す。伝導モデル４０４は、推定蒸気タービンロータ表面温度ＴSurfaceに基づいて推定蒸気タービンかさ温度ＴBulkを算出する。伝導モデル４０４は、下の式２（熱方程式）によって統制され、
【００３５】
【数３】
2017072125.tif 000005
ここで、Ｔは、固体温度を表し、ｘは、空間次元を表し、αは、材料の熱拡散率を表し、ｔは、一時的数値変数を表す。表面温度とかさ温度の関係は、適切な方法を用いて、偏微分方程式を離散化することによって取得することができる。
【００３６】
熱応力モデル４０６は、推定蒸気タービンロータ表面温度ＴSurfaceと推定蒸気タービンかさ温度ＴBulkに基づいて、蒸気タービンロータ上の推定熱応力σestを算出するために構成される。参照により本明細書に組み込まれる米国特許第６，９３９，１００号にさらに記載されている熱応力モデル４０６は、係数ｋ2も利用しており、下の式３によって統制される。
【００３７】
【数４】
2017072125.tif 000006
図５は、制御システム２００及び３００（図２及び３にそれぞれ示す）に使用するための例示的な逆プロセスモデル５００の概略図である。逆プロセスモデル５００は、スカラ変換器５０２、フィルタ５０４、及び乗算器５０６を含む。逆プロセスモデル５００は、プロセスモデル４００（図４に示す）と数学的に逆のものになるように構成される。スカラ変換器５０２は、目標蒸気タービンロータ応力σtargetから平均蒸気タービンロータ温度の時間微分
【００３８】
【数５】
2017072125.tif 000007
に変換するための動特性を表すゲインｇ1を適用する。
【００３９】
フィルタ５０４は、下の式４によって統制されるリード／ラグフィルタを含む。フィルタ５０４は、蒸気タービンロータ表面温度の時間微分
【００４０】
【数６】
2017072125.tif 000008
をもたらす。
【００４１】
【数７】
2017072125.tif 000009
ここで、τ1とτ2は、２つの時定数を表し、ｓは、ラプラス変数を表す。
【００４２】
乗算器５０６は、推定蒸気タービンロータ表面温度ＴSurfaceと目標蒸気温度ＴSteamの温度差ＴSteam−ＴSurfaceについて、上の式１を解決する。乗算器５０６は、蒸気タービンロータ表面温度の時間微分
【００４３】
【数８】
2017072125.tif 000010
を熱伝達係数ｋ1と蒸気質量流量
【００４４】
【数９】
2017072125.tif 000011
で有効に割って、所望温度差ΔＴについて解決する。目標蒸気温度ＴSteamは、その後に所望温度差ΔＴから対流モデル４０２内で算出された推定蒸気タービンロータ表面温度を差し引くことによって算出される。
【００４５】
図６は、制御システム２００及び３００（図２及び３にそれぞれ示す）に使用するための例示的な逆プロセスモデル６００の概略図である。逆プロセスモデル６００は、蒸気タービンロータかさと蒸気タービンロータ表面の理想温度差を決定するために目標蒸気タービンロータ応力を定数ｋ3で割る除算器６１０を含む。
【００４６】
逆プロセスモデル６００は、理想温度差を推定蒸気タービンロータかさ温度Ｔbulkと合計するために構成された加算器６２０を含み、目標蒸気タービンロータ表面温度ＴSurfaceを生じさせる。
【００４７】
逆プロセスモデル６００は、式５で与えられるフィルタを適用するフィルタ付き微分器６３０を含む。
【００４８】
【数１０】
2017072125.tif 000012
ここで、τは、時定数であり、ｓは、ラプラス変数である。目標蒸気タービンロータ表面温度のフィルタ処理された微分は、蒸気タービンロータ表面温度の時間微分
【００４９】
【数１１】
2017072125.tif 000013
をもたらす。
【００５０】
乗算器６４０は、目標蒸気タービンロータ表面温度ＴSurfaceと目標蒸気温度ＴSteamの温度差ＴSteam−ＴSurfaceについて、上の式１を解決する。乗算器６４０は、蒸気タービンロータ表面温度の時間微分
【００５１】
【数１２】
2017072125.tif 000014
を熱伝達係数ｋ1と蒸気質量流量
【００５２】
【数１３】
2017072125.tif 000015
で有効に割って、所望温度差ΔＴについて解決する。目標蒸気温度ＴSteamは、その後に目標蒸気タービンロータ表面温度と所望温度差ΔＴを加算器６５０で加算することによって算出される。
【００５３】
図７は、制御システム２００及び３００（図２及び３にそれぞれ示す）などの制御システムを使用し、さらに、コントローラ２０４（図２に示す）などのコントローラを使用する、複合サイクル発電プラント１００などの発電プラントの始動を制御する例示的な方法７００の流れ図である。さて、図１、３、及び６を参照すると、方法７００は、スタートステップ７１０で開始する。熱回収及び蒸気発生ステップ７２０では、蒸気１２２は、排気温度でガスタービン１０６から放出される排気ガス１１２を使用して、目標蒸気温度ＴSteamまで加熱される。蒸気ヘッダ１２４内が十分な圧力に達すると、加圧蒸気１２６は、蒸気入場ステップ７３０で、蒸気タービン１３０の中に蒸気流量で通される。
【００５４】
蒸気１２２が蒸気タービンロータ１３４の中を進むので、蒸気タービンロータ表面温度は、温度測定ステップ７４０で測定され、それから測定蒸気タービンロータ応力３１０が算出される。応力フィードバックステップ７５０では、蒸気タービンロータ応力動特性のためのプロセスモデル３０４は、目標蒸気温度３１４と蒸気質量流量
【００５５】
【数１４】
2017072125.tif 000016
に基づいて、推定蒸気タービンロータ応力３１２を算出するために使用される。フィードバック蒸気タービンロータ応力３１６は、測定蒸気タービンロータ応力３１０と推定蒸気タービンロータ応力３１２の差として算出される。
【００５６】
目標蒸気タービンロータ応力ステップ７６０で、目標蒸気タービンロータ応力３２０は、フィードバック蒸気タービンロータ応力３１６と基準蒸気タービンロータ応力３１８に基づいて算出される。
【００５７】
逆モデル化ステップ７７０では、逆プロセスモデル３０６は、熱源と排気ガス１１２の温度を制御するための目標蒸気温度３１４を算出するために使用される。逆プロセスモデル３０６は、入力として目標蒸気タービンロータ応力３２０を受容して、蒸気タービンロータ１３４の表面と加圧蒸気１２６の間の目標温度差ΔＴに基づいて目標蒸気温度３１４を算出する。この方法は、エンドステップ７８０で終了する。
【００５８】
図８は、複合サイクル発電プラント１００（図１に示す）と制御システム２００及び３００（図２及び３にそれぞれ示す）に使用するための例示的な複合サイクル発電プラントの始動についてのプロット８００である。プロット８００は、応力プロファイルのサブプロット８１０、蒸気流のサブプロット８２０、及び、温度のサブプロット８３０を含む。
【００５９】
応力プロファイルのサブプロット８１０は、黒色で示す基準蒸気タービンロータ応力プロファイルと、時間と対比して灰色で示すプラントプロセス２１２（図２に示す）などのプラントプロセスから生まれる実際蒸気タービンロータ応力と、を含む。基準蒸気タービンロータ応力プロファイルは、５０重量キロポンド毎平方インチ（ｋｓｉ）の基準蒸気タービンロータ応力を示す。時間ゼロで始まっている実際蒸気タービンロータ応力は、５０ｋｓｉに向かって上昇し始める。
【００６０】
蒸気流のサブプロット８２０は、始動の全体にわたる蒸気流の変化を示す。蒸気流は、時間ゼロで、そして、その後の約４０分で再度、急激に上昇する。温度のサブプロット８３０は、黒色で示す蒸気温度ＴSteamと、時間と対比して灰色で示す蒸気タービンロータ表面温度ＴSurfaceと、を示す。蒸気温度ＴSteamのプロットは、実際蒸気タービンロータ応力の増加を引き起こさずに４０分での流量のスパイクを明らかにするために目標蒸気温度ＴSteamを修正している制御システム２００及び３００（図２及び３にそれぞれ示す）などの制御システムを示す。
【００６１】
上に記載した発電プラント用の制御システムは、蒸気タービン上の熱応力を管理するために１つ又は複数のガスタービンからの排気ガス温度の内部モデル制御を提供する。熱応力は一般に、発電プラントの始動中に蒸気タービンロータ中に発生し、蒸気温度と蒸気流は、蒸気タービンが動作温度にされるときに、蒸気タービンロータ表面と蒸気タービンロータのかさの間の温度変化を引き起こす。本明細書に記載した制御システムによって、１つ又は複数のガスタービンの負荷と蒸気流の変化に関係なく、蒸気温度の制御と熱応力の管理が容易になる。
【００６２】
本明細書に記載した方法、システム、及び装置の例示的な技術的効果は、（ａ）蒸気タービンロータ応力を経時的に近似させること、（ｂ）ガスタービン負荷と蒸気流に関係なく蒸気温度を制御すること、（ｃ）蒸気タービンを動作温度と速度にもっていくのに要する時間を減らすこと、（ｄ）発電プラント用の始動時間を減らすこと、（ｅ）蒸気タービンロータ上の熱応力を減らすこと、（ｆ）蒸気タービンの製品寿命を改善すること、（ｇ）発電プラントの生み出す動力の稼働率を増やすこと、のうちの少なくとも１つを含む。
【００６３】
発電プラントを制御するための方法、システム、及び装置の例示的な実施形態は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されないし、むしろ、システムの構成要素及び／又は方法のステップは、本明細書に記載した他の構成要素及び／又はステップから独立して別々に利用してもよい。例えば、方法は、他の非従来的な制御システムと組み合わせて使用してもよく、また、本明細書に記載したようなシステムと方法だけによる実施に限定されない。むしろ、例示的な実施形態は、改善された始動時間、減少した蒸気タービンロータ応力、改善された製品寿命、及び、増加した動力稼働率から利益を得る可能性のある他の多くの用途、機器、及びシステムと関連して、実施及び利用することができる。
【００６４】
本開示の様々な実施形態の特定の特徴が、いくつかの図面に示され、他には示されていないことがあり得るが、それは単に便宜上のためである。本開示の原理に従い、図面の任意の特徴は、任意の他の図面の任意の特徴と組み合わせて、参照及び／又は権利請求してもよい。
【００６５】
ここに記載した説明は、例を用いて、ベストモードを含めて本実施形態を開示していると共に、任意のデバイス又はシステムを製作及び使用することと任意の組み入れた方法を実行することとを含めて任意の当業者が実施形態を実施できるようにもしている。特許性を有する本開示の範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者の想到する他の例を含むことができる。そういった他の例は、特許請求の範囲の文字通りの用語と異ならない構造的要素がある場合に、あるいは、特許請求の範囲の文字通りの用語に対する差異の実体がないような等価な構造的要素が含まれる場合に、特許請求の範囲の範囲内にあるべきことを意図している。
【００６６】
次の特許請求の範囲の限定は、ミーンズプラスファンクション形式で記載されていないし、そういった特許請求の範囲の限定が、機能の記載でそれ以上の構造を欠くものが後に続く成句「ための手段（ｍｅａｎｓ  ｆｏｒ）」を、明白に使用していない限り、また、明白に使用するまでは、米国特許法第１１２条（ｆ）に基づいて解釈されるべきことを意図していない。
【符号の説明】
【００６７】
１００  複合サイクル発電プラント
１０２  ガスタービンエンジン
１０６  ガスタービン
１０８  空気
１１０  燃料
１１２  排気ガス
１１４  発生器
１１６  熱回収蒸気発生器
１１８  冷却された排気ガス
１２０  排気ダクト
１２２  蒸気
１２４  蒸気ヘッダ
１２６  加圧蒸気
１２８  バルブ
１３０  蒸気タービン
１３２  蒸気タービンシェル
１３４  蒸気タービンロータ
１３５  蒸気タービンバケット
１３６  排気蒸気
１３８  凝縮器
１４０  発生器
１４２  凝縮物
１４４  凝縮物貯蔵器
２００  制御システム
２０２  センサ
２０４  コントローラ
２０６  蒸気タービン
２０８  プロセスモデル
２１０  逆プロセスモデル
２１２  プラントプロセス
２１４  燃焼プロセス
２１６  熱回収及び蒸気発生プロセス
２１８  ガスタービン負荷
２２０  蒸気タービン負荷
３００  制御システム
３０２  プラントプロセス
３０４  プロセスモデル
３０６  逆プロセスモデル
３０８  低域通過フィルタ
３１０  測定蒸気タービンロータ応力
３１２  推定蒸気タービンロータ応力
３１４  目標蒸気温度
３１６  フィードバック蒸気タービンロータ応力
３１８  基準蒸気タービンロータ応力
３２０  目標蒸気タービンロータ応力
４００  プロセスモデル
４０２  対流モデル
４０４  伝導モデル
４０６  熱応力モデル
５００  逆プロセスモデル
５０２  スカラ変換器
５０４  フィルタ
５０６  乗算器
６００  逆プロセスモデル
６１０  除算器
６２０  加算器
６３０  フィルタ付き微分器
６４０  乗算器
６５０  加算器
７００  方法
７１０  スタートステップ
７２０  熱回収及び蒸気発生ステップ
７３０  蒸気入場ステップ
７４０  温度測定ステップ
７５０  応力フィードバックステップ
７６０  目標蒸気タービンロータ応力ステップ
７７０  逆モデル化ステップ
７８０  エンドステップ
８００  プロット
８１０  応力プロファイルのサブプロット
８２０  蒸気流のサブプロット
８３０  温度のサブプロット
ｋ1  熱伝達係数
ｋ3  定数
ＴSteam  蒸気温度
ｍSteam  蒸気流量
σest  推定熱応力
ＴSurface  推定蒸気タービン表面温度
ＴBulk  推定蒸気タービンかさ温度
Ｔavg  蒸気タービンロータかさ温度の時間微分
σtarget  目標蒸気タービンロータ応力
ｇ1  ゲイン
ΔＴ  温度差
ＴSurface  蒸気タービン表面温度の時間微分
【図１】
2017072125.tif 000017
【図２】
2017072125.tif 000018
【図３】
2017072125.tif 000019
【図４】
2017072125.tif 000020
【図５】
2017072125.tif 000021
【図６】
2017072125.tif 000022
【図７】
2017072125.tif 000023
【図８】
2017072125.tif 000024
【外国語明細書】
2017072125000001.pdf