特開 2022-55337 温度に基づいたガスタービンの制御および方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022055337

(43)【公開日】2022-04-07

(54)【発明の名称】温度に基づいたガスタービンの制御および方法

(51)【国際特許分類】

   F02C 9/00 20060101AFI20220331BHJP

   F02C 7/00 20060101ALI20220331BHJP

   F02C 9/28 20060101ALI20220331BHJP

【ＦＩ】

F02C9/00 A

F02C7/00 A

F02C9/28 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2021152928

(22)【出願日】2021-09-21

(31)【優先権主張番号】17/034,801

(32)【優先日】2020-09-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

【公序良俗違反の表示】

（特許庁注：以下のものは登録商標）

１．ＪＡＶＡ

２．ＳＭＡＬＬＴＡＬＫ

(71)【出願人】

【識別番号】390041542

【氏名又は名称】ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ

(74)【代理人】

【識別番号】100105588

【弁理士】

【氏名又は名称】小倉 博

(72)【発明者】

【氏名】エリック・ノヴォア・パティーノ

(72)【発明者】

【氏名】ギレルモ・デルガド・ラミレス

(72)【発明者】

【氏名】ウリエル・エドゥアルド・ソリア・モレノ

(57)【要約】

【課題】温度に基づいたガスタービンの制御および方法を提供する。
【解決手段】ガスタービン（１０）を所望のガスタービン（１０）生産値で動作させるための方法（１００）。方法（１００）は、周囲温度および排気（２２）温度に対する基準ガスタービン（１０）シャフト速度のスケジュール（２５０）に基づいて所望のガスタービン（１０）生産値を設定するステップと、ガスタービン（１０）シャフト速度と基準ガスタービン（１０）シャフト速度との差が所定の範囲内であるかまたは範囲外であるかを判定するために、ガスタービン（１０）シャフト速度の値を基準ガスタービン（１０）シャフト速度と比較するステップと、差が所定の範囲外であることに応答して、ガスタービン（１０）がほぼ所望のガスタービン（１０）生産値で動作するように、ガスタービン（１０）シャフト速度の変化を開始するステップと、を含む。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガスタービン（１０）を所望のガスタービン（１０）生産値で動作させるための方法（１００）であって、前記方法（１００）は、
周囲温度および排気（２２）温度に対する基準ガスタービン（１０）シャフト（５０）速度のスケジュール（２５０）に基づいて所望のガスタービン（１０）生産値を設定するステップと、
ガスタービン（１０）シャフト（５０）速度と前記基準ガスタービン（１０）シャフト（５０）速度との差が所定の範囲内であるかまたは範囲外であるかを判定するために、前記ガスタービン（１０）シャフト（５０）速度の値を前記基準ガスタービン（１０）シャフト（５０）速度と比較するステップと、
前記差が前記所定の範囲外であることに応答して、前記ガスタービン（１０）がほぼ前記所望のガスタービン（１０）生産値で動作するように、前記ガスタービン（１０）シャフト（５０）速度の変化を開始するステップと、
を含む方法（１００）。

【請求項2】

ガスタービン（１０）シャフト（５０）速度の前記変化は、前記ガスタービン（１０）シャフト（５０）速度を増加させること、または前記ガスタービン（１０）シャフト（５０）速度を減少させることの一方である、請求項１に記載の方法（１００）。

【請求項3】

前記方法（１００）は、
前記ガスタービン（１０）シャフト（５０）速度を検出するステップと、
前記ガスタービン（１０）における前記周囲温度を検出するステップと、
前記ガスタービン（１０）の前記排気（２２）温度を検出するステップと、
のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法（１００）。

【請求項4】

前記方法（１００）はリアルタイムで行われる、請求項１に記載の方法（１００）。

【請求項5】

前記ガスタービン（１０）シャフト（５０）速度と前記基準ガスタービン（１０）シャフト（５０）速度との差が前記所定の範囲内にあるかどうかを判定するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法（１００）。

【請求項6】

前記ガスタービン（１０）は航空転用ガスタービン（１０）を含む、請求項１に記載の方法（１００）。

【請求項7】

前記ガスタービン（１０）シャフト（５０）速度と前記基準ガスタービン（１０）シャフト（５０）速度との前記差が前記所定の範囲内であるかまたは範囲外であるかを判定するステップは、制御部（１８）で行われる、請求項１に記載の方法（１００）。

【請求項8】

所望のガスタービン（１０）生産値でガスタービン（１０）を動作させるための装置であって、前記装置は、
少なくとも１つの温度整合アルゴリズム（２５）を含む制御部（１８）であって、前記少なくとも１つの温度整合アルゴリズム（２５）はコンピュータプロセッサ上に提供される、制御部（１８）を含み、
前記コンピュータプロセッサは、コンピュータ実行可能命令を格納するように動作可能であり、前記コンピュータ実行可能命令は、
周囲温度および排気（２２）温度に対する基準ガスタービン（１０）シャフト（５０）速度のスケジュール（２５０）に基づいて所望のガスタービン（１０）生産値を設定し、
前記ガスタービン（１０）シャフト（５０）速度と前記基準ガスタービン（１０）シャフト（５０）速度との差が所定の範囲内であるかまたは範囲外であるかを判定するために、前記ガスタービン（１０）シャフト（５０）速度の値を前記基準ガスタービン（１０）シャフト（５０）速度と比較し、
前記差が前記所定の範囲外であることに応答して、前記ガスタービン（１０）がほぼ前記所望のガスタービン（１０）生産値で動作するように、前記ガスタービン（１０）シャフト（５０）速度の変化を開始するように動作可能である、ガスタービン（１０）を動作させるための装置。

【請求項9】

前記ガスタービン（１０）シャフト（５０）速度の前記変化は、前記ガスタービン（１０）シャフト（５０）速度を増加させる、請求項８に記載のガスタービン（１０）を動作させるための装置。

【請求項10】

前記ガスタービン（１０）シャフト（５０）速度の前記変化は、前記ガスタービン（１０）シャフト（５０）速度を減少させる、請求項８に記載のガスタービン（１０）を動作させるための装置。

【請求項11】

前記ガスタービン（１０）シャフト（５０）速度、前記ガスタービン（１０）の周囲温度、および前記ガスタービン（１０）の前記排気（２２）温度は、
前記ガスタービン（１０）シャフト（５０）速度を検出することと、
前記ガスタービン（１０）における前記周囲温度を検出することと、
前記ガスタービン（１０）の前記排気（２２）温度をリアルタイムで検出することと、
によって取得される、請求項８に記載のガスタービン（１０）を動作させるための装置。

【請求項12】

前記命令は自動的に開始される、請求項８に記載のガスタービン（１０）を動作させるための装置。

【請求項13】

前記ガスタービン（１０）は航空転用ガスタービン（１０）を含む、請求項８に記載のガスタービン（１０）を動作させるための装置。

【請求項14】

前記制御部（１８）は、前記ガスタービン（１０）シャフト（５０）速度と前記基準ガスタービン（１０）シャフト（５０）速度との間の前記差が前記所定の範囲内であるかまたは範囲外であるかを判定するための温度整合アルゴリズム（２５）を含む、請求項８に記載のガスタービン（１０）を動作させるための装置。

【請求項15】

ガスタービン（１０）を動作させるためのコンピュータ実行可能命令を含む非一時的コンピュータ可読媒体であって、前記命令は、
周囲温度および排気（２２）温度に対する基準ガスタービン（１０）シャフト（５０）速度のスケジュール（２５０）に基づいて所望のガスタービン（１０）生産値を設定し、
ガスタービン（１０）シャフト（５０）速度と基準ガスタービン（１０）シャフト（５０）速度との差が所定の範囲内であるかまたは範囲外であるかを判定するために、前記ガスタービン（１０）シャフト（５０）速度の値を前記基準ガスタービン（１０）シャフト（５０）速度と比較し、
前記差が前記所定の範囲外であることに応答して、前記ガスタービン（１０）がほぼ前記所望のガスタービン（１０）生産値で動作するように、前記ガスタービン（１０）シャフト（５０）速度の変化を開始するための命令を含む、非一時的コンピュータ可読媒体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書で開示される主題は、一般に、ガスタービンエンジン（以下、「ガスタービン」）などのターボ機械システムに関する。具体的には、本主題は、ガスタービンシステムを制御するための方法およびシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

タービンシステムでは、点火温度は、タービンの燃焼システム内で生成される温度、例えば火炎温度である。点火制御アルゴリズムは、例えば、ガスタービンシステムによって生成される燃焼生成を制御することによって、所望の点火温度を導出し、次いでタービンの実際の点火温度を提供する方法を決定することができる。点火制御アルゴリズムは、排気温度、圧縮機圧力比、および圧縮機入口温度などのタービンパラメータに基づいて所望の点火温度を決定することができる。

【0003】

従来の点火制御アルゴリズムは、ガスタービンの動作環境および部品の性能に関する静的な仮定を組み込んでいる。現在の点火制御アルゴリズムはまた、互いに相互依存するガスタービン動作状態および制約を考慮する。点火温度制御の精度およびこれらの点火制御アルゴリズムに関連する性能レベルは、ガスタービンが経年劣化するにつれて低下する可能性があり、アルゴリズムは、そのような仮定および状態の相互依存性のために季節調整を必要とする可能性がある。従来のアルゴリズムは、一般に、周囲空気の温度および湿度の季節変動などの周囲動作条件の変動を考慮していない。むしろ、従来のアルゴリズムは、一般に、周囲条件、例えば、湿度、圧縮機入口圧力損失およびタービン背圧が特定の定義された条件のままであるか、またはこれらの条件の変動が目標排気タービン温度に影響を及ぼさないと仮定する。

【0004】

モデルベースの制御（ＭＢＣ）アルゴリズムなどの特定の点火制御アルゴリズムは、経時的なガスタービン動作環境および／または構成要素の性能の変動を組み込むことができる。ＭＢＣ点火制御アルゴリズムは、ガスタービンの様々な動作状態および制約を独立した状態として扱い、より正確な点火温度制御および性能レベルの向上をもたらすことができる。しかしながら、ＭＢＣ点火制御アルゴリズムを実装するには、認定された技術者によるガスタービンコントローラのソフトウェアおよび／またはハードウェアの完全なオーバーホールが必要になる場合があり、これは時間がかかり高価になる可能性がある。

【発明の概要】

【0005】

本開示の第１の態様は、ガスタービンを所望のガスタービン生産値で動作させるための方法を提供する。本方法は、周囲温度および排気温度に対する基準ガスタービンシャフト速度のスケジュールに基づいて所望のガスタービン生産値を設定するステップと、ガスタービンシャフト速度と基準ガスタービンシャフト速度との差が所定の範囲内であるかまたは範囲外であるかを判定するために、ガスタービンシャフト速度の値を基準ガスタービンシャフト速度と比較するステップと、差が所定の範囲外であることに応答して、ガスタービンがほぼ所望のガスタービン生産値で動作するように、ガスタービンシャフト速度の変化を開始するステップと、を含む。

【0006】

本開示の第２の態様は、ガスタービンを所望のガスタービン生産値で動作させるための装置を提供する。装置は、少なくとも１つの温度整合アルゴリズムを含む制御部を含み、少なくとも１つの温度整合アルゴリズムはコンピュータプロセッサ上に提供される。コンピュータプロセッサは、コンピュータ実行可能命令を格納するように動作可能であり、コンピュータ実行可能命令は、周囲温度および排気温度に対する基準ガスタービンシャフト速度のスケジュールに基づいて所望のガスタービン生産値を設定し、ガスタービンシャフト速度と基準ガスタービンシャフト速度との差が所定の範囲内であるかまたは範囲外であるかを判定するために、ガスタービンシャフト速度の値を基準ガスタービンシャフト速度と比較し、差が所定の範囲外であることに応答して、ガスタービンがほぼ所望のガスタービン生産値で動作するように、ガスタービンシャフト速度の変化を開始するように動作可能である。

【0007】

本開示の第３の態様は、ガスタービンを動作させるためのコンピュータ実行可能命令を含む非一時的コンピュータ可読媒体を提供し、命令は、周囲温度および排気温度に対する基準ガスタービンシャフト速度のスケジュールに基づいて所望のガスタービン生産値を設定し、ガスタービンシャフト速度と基準ガスタービンシャフト速度との差が所定の範囲内であるかまたは範囲外であるかを判定するために、ガスタービンシャフト速度の値を基準ガスタービンシャフト速度と比較し、差が所定の範囲外であることに応答して、ガスタービンがほぼ所望のガスタービン生産値で動作するように、ガスタービンシャフト速度の変化を開始するための命令を含む。

【0008】

本開示の例示的な態様は、本明細書に記載される問題および／または説明されていない他の問題を解決するように設計される。

【0009】

本開示のこれらおよび他の特徴は、本開示の様々な実施形態を描写する添付図面と併せて、本開示の様々な態様の以下の詳細説明からさらに容易に理解されよう。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本開示の一実施形態による、ガスタービンの目標排気温度を決定するためのシステムの例示的な概略図である。

【図2】本開示の一実施形態による、タービンシャフト速度差（ＮＰＴ）決定を決定するためのデータフローを示す概略図である。

【図3】本開示の一実施形態による方法のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本開示の図面は、原寸に比例していないことに留意されたい。図面は、本開示の典型的な態様だけを図示することを意図しており、したがって、本開示の範囲を限定するものと考えるべきではない。図面では、類似する符号は、図面間で類似する要素を表す。

【0012】

最初の問題として、現在の技術を明瞭に説明するために、ガスタービンおよびガスタービン制御システム内の関連の機械構成要素について言及および説明するときに、特定の専門用語を選択することが必要になると考えられる。可能な限り、一般的な工業専門用語が、その受け入れられた意味と同じ意味で使用および利用される。別途記載のない限り、このような専門用語は、本出願の文脈および添付の特許請求の範囲と一致する広義の解釈を与えられるべきである。当業者であれば、多くの場合、特定の構成要素がいくつかの異なるまたは重複する用語を使用して参照されることがあることを理解するであろう。単一の部品であるとして本明細書に記載され得るものは、複数の構成要素からなるものとして別の文脈を含み、かつ別の文脈で参照されてもよい。あるいは、複数の構成要素を含むものとして本明細書に記載され得るものは、単一の部品として他の場所で参照されてもよい。

【0013】

また、本明細書ではいくつかの記述上の用語を繰り返し使用する場合があり、本項の始めでこれらの用語を定義することが有用であるはずである。これらの用語およびその定義は、別途記載のない限り、以下の通りである。本明細書で使用する場合、「下流」および「上流」とは、タービンエンジンを通る作動流体、または例えば、燃焼器を通る空気の流れ、もしくはタービンの構成要素システムの１つを通る冷却材などの流体の流れに対する方向を示す用語である。「下流」という用語は、流体の流れの方向に対応し、「上流」という用語は、流れの反対の方向を指す。「前方」および「後方」という用語は、別途指定のない限り、方向を指し、「前方」はエンジンの前部または圧縮機端部を指し、「後方」はエンジンの後部またはタービン端部を指す。

【0014】

多くの場合に、中心軸線に対して様々な半径方向位置に配置された部品を説明することが必要になる。「半径方向」という用語は、軸線に垂直な移動または位置を指す。例えば、第１の構成要素が第２の構成要素よりも軸線に近接して位置する場合には、本明細書では、第１の構成要素は第２の構成要素の「半径方向内側」または「内方」にあると述べる。一方、第１の構成要素が第２の構成要素よりも軸線から遠くに位置する場合には、本明細書では、第１の構成要素は第２の構成要素の「半径方向外側」または「外方」にあると述べることができる。「軸方向」という用語は、軸線に平行な移動または位置を指す。最後に、「円周方向」という用語は、軸線周りの移動または位置を指す。このような用語は、タービンの中心軸線に関連して適用することができることが理解されよう。

【0015】

加えて、以下に記載のように、本明細書ではいくつかの記述的用語を規則通りに使用することができる。「第１の」、「第２の」、および「第３の」という用語は、ある構成要素を別の構成要素から区別するために交換可能に使用することができ、個々の構成要素の場所または重要性を示すことを意図するものではない。

【0016】

本明細書で使用される専門用語は、単に特定の実施形態を説明するためのものにすぎず、本開示を限定することを意図するものではない。本明細書で使用する場合、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、および「この（ｔｈｅ）」は、特に明示しない限り、複数形も含むことを意図している。「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」および／または「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、本明細書で使用する場合、記載した特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成要素が存在することを明示するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそれらの組が存在することまたは追加することを除外しないことがさらに理解されよう。「任意の」または「任意に」は、後で述べられる事象または状況が、起こる場合も起こらない場合もあることを意味し、この記述は、その事象が起こる事例と、起こらない事例とを含む。

【0017】

ある要素または層が別の要素または層「の上にある」、「に係合される」、「に接続される」、または「に結合される」と言及される場合、他の要素または層の直接上にある、に係合される、接続される、または結合されてもよく、介在する要素または層が存在してもよい。逆に、ある要素が別の要素または層「の直接上にある」、「に直接係合される」、「に直接接続される」、または「に直接結合される」と言及される場合、介在する要素または層は存在しなくてよい。要素間の関係を説明するために使用される他の語も、同様のやり方で解釈されるべきである（例えば、「～の間に」に対して「直接的に～の間に」、「～に隣接して」に対して「直接的に～に隣接して」など）。本明細書で使用する場合、「および／または」という用語は、関連する列挙された項目のいずれか、ならびに１つまたは複数のすべての組み合わせを含む。

【0018】

図１は、圧縮機と、燃焼器１２と、圧縮機に駆動可能に結合されたガスタービン１０と、制御システム１８（以下「制御部」）と、を有するガスタービンアセンブリ１３を示す。圧縮機への入口２０は、周囲空気および場合によっては注入された水を圧縮機に供給する。入口２０は、各々が入口２０を通って圧縮機の入口ガイドベーン２１に流入する周囲空気の圧力損失に寄与し得るダクト、フィルタ、スクリーンおよび吸音装置を有することができる。図１のガスタービン１０は、本開示の実施形態が使用され得る航空転用ガスタービン（ガスタービン）であり得る。そのような航空転用ガスタービンエンジンの例には、ニューヨーク州スケネクタディのゼネラルエレクトリック社によって製造された航空転用ガスタービンのＬＭＳ１００、ＬＭ２５００、ＬＭ６０００、ＬＭ１８００ｅ、ＬＭ１６００、およびＴＭ２５００シリーズが含まれる。本実施形態がこのタイプのガスタービンに限定されないことは、当業者によって理解されるであろう。本実施形態は、発電および航空機で使用されるエンジンなどの、燃焼タービンエンジン、蒸気タービンエンジン、および他のタイプの回転式エンジンで用いることができる。

【0019】

ガスタービン１０の排気部２２は、燃焼ガスをガスタービン１０の出口から、例えば排出制御部および吸音装置を有するダクトを通して導く。排気部２２は、ガスタービン１０に背圧を加える。背圧の量は、排気部２２への構成要素の追加、ならびに排気通路を詰まらせる塵および埃のために経時的に変化し得る。ガスタービン１０は、電力（メガワット（ＭＷ）生産）または「ガスタービン生産」を生成する発電機２４に接続されたシャフト５０を駆動することができる。

【0020】

ガスタービンの動作は、タービン、発電機、および環境の様々な状態を検出するいくつかのセンサ２６によって監視することができる。少なくとも１つのセンサ２６は、燃焼器１２およびガスタービン１０からの排気の温度を検出するために、ガスタービン１０の排気部２２にまたはその中に配置される。本開示によって具体化される一態様では、２つ以上のセンサ２６を設けることができ、例えば、実施形態を限定するものではないが、２、３、４、５、６、７、８またはそれ以上のセンサ２６を排気部２２にまたはその中に配置することができる。ガスタービンの排気温度は反射性であり、ガスタービンによって生成される出力にほぼ比例することが、一般的なガスタービン動作原理である。

【0021】

さらに、温度センサは、ガスタービンを取り囲む周囲温度、圧縮機吐出温度、タービン排気ガス温度、およびガスタービンを通るガス流の他の温度測定値を監視することができる。本開示によって具体化されるように、任意の数の温度センサを上記の場所にまたはその中に設けることができる。

【0022】

さらに、少なくとも１つのセンサ２６は、タービンシャフト速度（ＮＰＴ）を決定するために、シャフト／ロータ５０（以下、説明を容易にするために「シャフト」）上に、そこに、またはその中に配置される。タービンシャフト速度（ＮＰＴ）は、実施形態の一態様では、以下に説明するように、ガスタービン１０による所望の生産に達するためにシャフト速度を増加または減少させるのに必要なタービンシャフト速度差を決定するために評価される。

【0023】

センサ２６はまた、ガスタービン１０の動作に関連する様々なパラメータを検出する流量センサ、速度センサ、火炎検出器センサ、バルブ位置センサ、ガイドベーン角センサなどを含むことができる。本明細書で使用する場合、「パラメータ」および同様の用語は、所与のタービン動作状態を表すために使用することができるタービン内の定義された位置における温度、圧力、および流れなどのタービンの動作状態を定義するために使用することができる項目を指す。

【0024】

制御部１８は、ニューヨーク州スケネクタディのゼネラルエレクトリック社のＭＡＲＫ（商標）またはＳＰＥＥＤＴＲＯＮＩＣ（商標）ガスタービン制御システムを含むことができる。ＭＡＲＫおよびＳＰＥＥＤＴＲＯＮＩＣは、ニューヨーク州スケネクタディのゼネラルエレクトリック社の商標である。制御部１８は、メモリを含むコンピュータまたはコンピュータシステムを含むことができる。コンピュータシステムは、センサ２６または他のソースから入力されたデータ、および例えばヒューマンマシンインターフェース（ＨＭＩ）を介した人間のオペレータからの命令を使用してガスタービンの動作を制御するためのプログラムを実行するプロセッサを含むことができる。制御部１８によって実行されるプログラムは、燃焼器１２への燃料流量を調整するためのスケジューリングアルゴリズムを含むことができる。燃焼ガスは排気部２２から流出し、排気温度は排気部２２内または排気部２２上の温度センサ２６によって決定することができる。制御部１８によって生成されたコマンドは、ガスタービンのアクチュエータに、例えば、燃料の流れおよび種類を調整する燃料供給源と燃焼器との間のバルブ、圧縮機の入口ガイドベーン２１、およびガスタービン１０の他の制御設定を調整させる。

【0025】

制御部１８は、コントローラのコンピュータメモリに記憶された温度整合アルゴリズム２５に部分的に基づいて、ガスタービンを調整する。温度整合アルゴリズム２５は、制御部１８がガスタービン１０を特定の所定の動作条件および限界内に維持し、燃焼器の点火温度を所定の温度限界内に維持することを可能にする。

【0026】

制御部１８は、ガスタービン１０の排気温度、ならびにガスタービン１０の動作の他の変数の測定値をデータまたは入力として受信し、特定の実施形態では、制御部１８は、センサ２６または他の供給源からデータまたは入力を受信する。燃焼システムの制御部１８は、タービン排気温度に依存して、ガスタービン１０の動作状態、例えばタービン排気温度を決定し、電力またはガスタービン生産（ＭＷ）を管理することができる。

【0027】

周囲温度の上昇は、ガスタービン入口空気の密度を低下させ、したがってガスタービンを通る質量流量を減少させ、したがって出力（質量流量に比例する）を減少させるので、周囲温度は、動作状態を決定する制御部１８において考慮されるべき要因である。周囲温度の変化は、ガスタービンの全負荷出力および発熱量だけでなく、部分負荷性能および最適出力タービン速度にも影響を及ぼす。体積流量がほぼ一定のままである一定速度では、質量流量は温度の低下と共に増加し、温度の上昇と共に減少する。周囲温度の変化は、ガスタービンの全負荷出力および発熱量だけでなく、部分負荷性能および最適出力タービン速度にも影響を及ぼす。

【0028】

ガスタービンの生産とガスタービンの排気温度との間の関係は、ほとんどのガスタービンでは一般に非線形であり得る。さらに、生産と排気温度との関係は、同じガスタービンであっても場所によって同じではない場合がある。生産とガスタービン排気温度との間の関係における一貫性および直線性の欠如は、周囲温度、燃料成分、周囲湿度、標高、入口冷却、燃料加熱、および他の要因を含むがこれらに限定されないいくつかの要因に起因することができる。

【0029】

図２は、本開示の一実施形態による、タービン排気ガス温度に従って生産の向上／最適化におけるガスタービン１０の動作を修正するための、タービンシャフト速度差（ＮＰＴ）決定を決定するためのデータフローを示す。図３は、本開示によって実施されるプロセスのフローチャートである。図２および図３に示す方法１００を参照すると、方法１００は、本開示によって実施されるように、ガスタービン１０の排気温度を制御する。制御方法１００は、以下に説明するように、燃料需要およびガスタービン１０への流れを調整することによって実現することができる。制御部１８は、限定はしないが、発電機、機械駆動装置、または他の機械などの負荷に結合されたシャフト５０に対応するシャフト速度（ＮＰＴ）を利用して、燃料需要および流量、したがってガスタービンの生産を修正する。

【0030】

図２を参照すると、本開示によって具体化されるように、プロセスに従って制御部１８へのデータまたは入力が示されている。データは、制御部１８の温度整合モジュールの温度整合アルゴリズム２５に提供される。データには、限定はしないが、以下が含まれる。

【0031】

ＨＭＩによる温度整合ＯＮ。この入力は、オペレータがこの機能を選択／有効化するために、制御部１８に接続されたＨＭＩによって提供される。

【0032】

ＨＭＩによる温度整合ＯＮ。この入力は、オペレータがこの機能を選択／無効にするために、制御部１８に接続されたＨＭＩによって提供される。

【0033】

オペレータの所望に応じて設定される排気温度設定点。

【0034】

発電機または他の負荷に結合されたガスタービンシャフトなどのシャフト速度に対応するシャフト速度基準（ＮＰＴ）。この速度は、燃料流量を制御するために、制御部１８ならびにそのアルゴリズムおよびソフトウェアによって使用される。

【0035】

ΔＴ周囲は、ガスタービンシステムからの生産を計算するために使用される周囲温度の変化である。

【0036】

Δ排気温度は、排気温度設定点－検出された排気温度である。

【0037】

速度調整（ＮＰＴ）は、発電機または他の負荷に接続された検出されたシャフト速度（ＮＰＴ）に基づくガスタービン燃料流量調整値である。

【0038】

速度調整（ＮＰＴ）は、制御部１８で速度基準が有効になっていることを確認するために、制御部１８の温度整合アルゴリズム２５によって使用される値である。

【0039】

排気温度設定点ＭＡＸは、ガスタービン１０のオペレータによって設定されたエンジンソフトウェアで許容される最大排気温度である。

【0040】

排気温度設定点ＳＥＬは、排気部２２に配置された温度センサの平均である。排気温度設定点ＳＥＬは、制御部１８からの出力であり、温度整合アルゴリズム２５に再入力される。

【0041】

生産ＭＷｍｉｎは、電力を生産することが可能な最小生産量（単位メガワット）である。これは通常、所与のガスタービンについて定数、例えば１．５ＭＷである。

【0042】

生産ＭＷｍａｘは、電力を生産することが可能な最大生産量（単位メガワット）である。この限界は、制御部１８によって計算される。

【0043】

ＮＰＴＲＥＱは、排気温度設定点を達成するためのシャフト速度である。

【0044】

ＮＰＴＲＥＦは、ガスタービン１０の制御部１８の温度整合アルゴリズム２５で設定されたシャフト速度基準である。ＮＰＴＲＥＦ＝ＮＰＴＲＥＱ－ＮＰＴである。

【0045】

排気温度（フィードバック）は排気温度設定点ＳＥＬと同じであるが、温度整合アルゴリズム２５への入力値である。

【0046】

特定の態様では、本開示によって実施されるように、排気温度センサは、排気温度センサ値を取得する。次いで、排気温度センサ値は、排気温度設定点と比較され、排気温度設定点は、ガスタービン１０の所望の排気温度であり、ガスタービン１０がその最高の所望の必要な効率で動作する、向上した所望のガスタービン出力を提供する。燃料需要および燃料流量は、シャフト速度（ＮＰＴ）に基づき、排気温度に比例する。ガスタービンの温度、および当然のことながら結果として生じる排気温度を制御することは、空気流がシャフト速度と共に減少するにつれて、燃料流量を減少させることによって排気ガス温度を制限する。逆に、シャフト速度を増加させるために、燃料流量およびガスタービン出力を増加させると、ガスタービンの温度および結果として生じる排気温度が上昇する。

【0047】

温度整合アルゴリズム２５は、周囲温度を考慮して、シャフト速度（ＮＰＴ）および排気温度のスケジュール２５０を参照する。スケジュール２５０は、ガスタービンの負荷に対するガスタービンシャフト速度と排気温度との直接相関があるため、シャフト速度と排気温度とのアライメント比較を含む。所与のガスタービンについて、ガスタービン排気温度をガスタービンシャフト速度に関連付けるスケジュールを提供することができ、これは、スケジュール２５０を参照する温度整合アルゴリズム２５によってアクセスされ得る。

【0048】

さらに、実施形態の特定の態様では、発電機２４の生産は、ガスタービン１０の動作に比例する。一方、発電機２４はシャフト５０によってガスタービン１０に接続されているが、発電機２４の生産量はまた、向上した所望のガスタービン出力を提供するためにガスタービン１０に対する燃料需要に比例する。

【0049】

したがって、ガスタービン１０の排気温度と発電機の生産の両方がシャフト５０に接続され、したがってシャフト速度（ＮＰＴ）に比例する。ガスタービン１０の排気温度および発電機の生産の両方はまた、ガスタービンアセンブリ１３の所望の生産のための燃料需要に比例する。したがって、シャフト速度（ＮＰＴ）は燃料需要に直接関係する。したがって、シャフト速度（ＮＰＴ）は、向上した所望のガスタービン出力を提供するために制御部１８によって計算される燃料需要を調整するために使用することができるガスタービン１０の動作の変数である。

【0050】

図２および図３を参照すると、動作方法１００（以下でさらに詳細に説明する）の間、ガスタービンのオペレータは、制御部１８において温度整合アルゴリズム２５を開始することによって制御部１８を作動させることができる。Ｓ１０１の開始は、ヒューマンマシンインターフェース（ＨＭＩ）を介してガスターボ機械オペレータによって温度整合アルゴリズム「オン」または「オフ」を設定することを含む。制御部１８において温度整合アルゴリズム２５を開始することにより、ガスタービン１０の排気部２２からのデータ、例えばセンサ読み取り値を、ガスタービン１０の動作を向上させるために解析することが可能になる。さらに、方法１００でＨＭＩがオンになっているかどうかにかかわらず、センサ２６は、Ｓ１０２でガスタービン１０およびガスタービン１０の動作中のガスタービン１０の関連する性能特性を監視することができる。したがって、ガスターボ機械のオペレータがＨＭＩで温度整合を開始すると、センサ読み取り値をリアルタイムで解析することができる。

【0051】

ガスターボ機械のオペレータは、Ｓ１０５において、温度整合および方法論のために様々な「固定」値を設定することができる。これらの固定値には、周囲温度に対する基準ガスタービンシャフト速度のスケジュールに基づく所望のガスタービン生産値、排気温度設定点、シャフト速度（ＮＰＴ）基準、生産（ＭＷ）最大値、および生産（ＭＷ）最小値が含まれるが、これらに限定されない。

【0052】

Ｓ１１０において、制御部１８は、例えば、周囲温度、検出された排気温度、および検出されたシャフト速度（ＮＰＴ）について、センサ２６または他の供給源からデータを受信する。検出された排気温度は、Ｓ１１５において、温度整合アルゴリズム２５によって、ガスタービン１０を動作させるための所望の排気温度設定点と比較され得る。より具体的には、Ｓ１１５において、温度整合アルゴリズム２５は、ガスタービンシャフト速度と基準ガスタービンシャフト速度との間の差が所定の範囲内または範囲外であると判定することができる。

【0053】

Ｓ１１６において、比較は、所定の範囲内であるかまたは所定の範囲外であるガスタービンシャフト速度と基準ガスタービンシャフト速度との間の差が所定の範囲より大きいかを判定する（後述する）。差は、検出された排気温度が所望の排気温度設定点よりも高いこと、または検出された排気温度が所望の排気温度設定点よりも低いことのいずれかであり得、制御部１８は、動作を開始し、Ｓ１２０でシャフト速度（ＮＰＴ）を修正する。当然ながら、温度整合Ｓ１０１が開始されていない場合には、方法１００は実行されないが、上述したように、ターボ機械オペレータが温度整合を開始する必要があると後で判定した場合には、Ｓ１０２で検出を継続することができる。所定の範囲は、検出された排気温度と所望の排気温度設定点との間の誤差または偏差として特徴付けることができる。

【0054】

さらに、Ｓ１１６における比較が所定の範囲（以下に説明する）外ではない差を示す場合には、制御部１８は、ガスタービン１０が所望の生産量に達することができる条件で動作していると判定する。したがって、制御部１８によって何の動作も開始されず、ガスタービン１０の動作はＳ１１７で継続する。Ｓ１３０において、方法１００による監視が継続され、排気温度が継続して監視される。

【0055】

検出された排気温度および所望の排気温度設定点の差が所定の範囲を超えることに応答して、ガスタービンシャフト速度（ＮＰＴ）がＳ１２０で変更されて、ガスタービンをほぼ所望のガスタービン生産値で動作させ、これは温度整合プロセスの温度勾配に対して許容可能である。傾斜の大きさは、検出された排気温度および所望の排気温度の設定値の差に等しく、その結果、検出された排気温度および所望の排気温度の設定値の差が負である場合、ステップＳ１２５の燃料需要量の変化率が低減または負になる。検出された排気温度および所望の排気温度の設定値の差が正である場合、燃料需要の変化率、したがって燃料流量Ｓ１２５が増加または正である。

【0056】

Ｓ１２０でガスタービンシャフト速度の変化を開始し、差が所定の範囲外であることに応答して燃料流量を修正Ｓ１２５した後に、ガスタービン１０は、ほぼ所望のガスタービン生産値で動作することができる。さらに、センサ２６は、Ｓ１３０においてガスタービン１０の排気温度を監視および検出し続ける。ガスタービン１０のこの検出された排気温度は、Ｓ１１０で入力として方法１００にフィードバックされ得る。したがって、方法１００は、リアルタイムの検出されたデータまたは入力を受信し、Ｓ１１５で温度整合アルゴリズムが検出されたシャフト速度（ＮＰＴ）が所定の範囲外であると判定するまで動作し続ける。その時点で、方法１００は、Ｓ１２０においてシャフト速度（ＮＰＴ）を修正し、方法１００は上述したように継続する。

【0057】

本開示によって実施されるように、燃料流量の変化率は、下流の熱機械装置およびプロセスによって必要とされる任意の温度勾配または特性に適合するように調整可能である。本開示の特定の態様によれば、そのような下流の熱機械装置およびプロセスは、熱回収システム、発電機、機械的負荷、または現在知られているかまたは以降開発される他の熱機械装置およびプロセスを含むが、これらに限定されない。

【0058】

ステップＳ１２５の燃料流量の変化率は、本開示によって実施されるように、燃料流量の変化率自体の間に調整または抑制することもできる。例えば、燃料流量の変化率は、測定された排気温度が所望の排気温度設定点に近づくにつれて減少することができる。燃料流量のこの変化率の変化は、検出された温度が所望の排気温度設定点を超えて低下するのを回避するために、燃料流量最大値の変化を遅くする。

【0059】

ガスタービン１０への燃料流量は、本開示によって実施される方法１００のプロセスが境界内にある限り、シャフト速度（ＮＰＴ）を変更することによって制御部１８によって制御することができる。実施形態の態様によれば、これらの境界は、以下を含む。
ａ）ガスタービン１０に燃焼器の最も近い段で検出された温度は、最大排気温度限界を超えない。最大排気温度限界は、オペレータによって決定され、制御部１８に設定される。
ｂ）ガスタービン１０による生産は、確立された最小限界を上回っている。最小生産限界は、オペレータによって決定され、制御部１８に設定される。
ｃ）ガスタービン１０による生産は、確立された最大限界を下回る。最大生産限界は、オペレータによって決定され、制御部１８に設定される。

【0060】

所望の排気温度設定点に対する測定された排気温度が所定の範囲内にあるか、または任意のプロセス限界に達すると、制御部１８の温度整合アルゴリズム２５は、燃料流量の補償を停止する。その後に、プロセスは、本開示によって実施されるように、定常状態動作に進む。

【0061】

本開示によって実施されるように、データまたは入力が制御部１８に提供され、温度整合アルゴリズム２５は、現場状況に基づいて動的に、かつリアルタイムで自動的に解析する。一般的な関係を介したこのリアルタイム解析対静的アルゴリズムおよびプログラミングは、ガスタービン１０が「ライブ」またはリアルタイムレベルで動作して、ガスタービン所有者に望ましいガスタービン生産を提供することを可能にする。

【0062】

本開示によって実施されるように、制御部１８は、コンピュータの形態で提供されてもよく、性能を向上させるためにガスタービンの生産を制御するために、少なくともタービンシャフト／ロータ速度基準（ＮＰＴ）、周囲温度、および検出された排気温度を考慮する温度整合アルゴリズム２５を含む。これらの要因は、制御部１８および温度整合アルゴリズム２５によって使用され、排気温度目標に基づいて、強化されたまたは最適な生産で、燃焼器１２を含むがこれに限定されないガスタービン１０およびその関連構成要素を修正および動作させることが望まれる、増加または減少のいずれかの差動シャフト速度（ＮＰＴ）を決定する。

【0063】

制御部１８の温度整合アルゴリズム２５は、リアルタイムで、動的に、および自動的に実行することができる計算を含む。したがって、制御部１８のオペレータは、時間の経過と共に温度整合アルゴリズムを再プログラムする必要はない。本明細書で使用される場合、リアルタイムとは、結果、例えば計算に影響を及ぼすデータまたは入力の変化後に、実質的に短期間に発生することを指す。例示的な実施形態では、計算は、制御部１８のスキャン時間およびクロック速度によって決定される周期性でリアルタイムに更新される。

【0064】

実施形態の一態様は、限定はしないが、既存の発電所の制御部１８が複合サイクル発電所（ＣＣＰＰ）にあってもよいということである。さらに、提供される実施形態の特定の態様は、本開示によって実施されるように、補助動力ユニット、産業用ガスタービン、発電用の産業用ガスタービン、機械駆動用の産業用ガスタービン、マイクロタービン、または現在知られているもしくは以降開発される任意の他のタービンの制御のための制御部１８を提供することができる。

【0065】

当業者によって理解されるように、本開示は、システム、方法、またはコンピュータプログラム製品として具体化されてもよい。したがって、本開示は、完全にハードウェアの実施形態、完全にソフトウェアの実施形態（ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコード等を含む）、または、本明細書において「回路」、「モジュール」、および／もしくは「システム」とすべて一般的に呼ぶことができるソフトウェアおよびハードウェア態様を組み合わせた実施形態の形式をとることができる。さらに、本開示は、媒体内に具現化されたコンピュータ使用可能プログラムコードを有する表現の任意の有形な媒体で具現化されるコンピュータプログラム製品の形態をとることができる。

【0066】

１つまたは複数のコンピュータ使用可能媒体またはコンピュータ可読媒体の任意の組み合わせが利用されてもよい。コンピュータ使用可能媒体またはコンピュータ可読媒体は、例えば、これらに限定されないが、電子、磁気、光学、電磁気、赤外線、または半導体システム、装置、デバイス、または伝搬媒体とすることができる。コンピュータ可読媒体のより具体的な例（包括的でないリスト）として以下のものが挙げられる。すなわち、１つもしくは複数のワイヤを有する電気的接続、携帯用コンピュータフロッピーディスク、ハードディスク、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、消去可能なプログラム可能読み出し専用メモリ（ＥＰＲＯＭもしくはフラッシュメモリ）、光ファイバ、携帯型コンパクトディスク読み取り専用メモリ（ＣＤ－ＲＯＭ）、光学記憶装置、インターネットもしくはイントラネットをサポートするような伝送媒体、または磁気記憶装置などである。コンピュータ使用可能媒体またはコンピュータ可読媒体は、プログラムを印刷した適切な媒体でもよく、プログラムは、例えば、その紙または他の媒体の光学スキャンを介して電子的に取り込むことができ、その後、必要に応じて、適切な様式でコンパイル、解釈、または処理することができ、その後、コンピュータメモリに格納することができることに留意されたい。本明細書の文脈では、コンピュータ使用可能媒体またはコンピュータ可読媒体は、命令実行システム、装置、もしくはデバイスによって、またはそれと併せて使用されるプログラムを包含、格納、通信、伝搬、または輸送することができる任意の媒体であってもよい。コンピュータ使用可能媒体は、ベースバンドにまたは搬送波の一部として具現化されたコンピュータ使用可能プログラムコードを有する伝搬されたデータ信号を含んでもよい。コンピュータ使用可能プログラムコードは、無線、有線、光ファイバケーブル、ＲＦなどを含むがこれらに限定されない任意の適切な媒体を使用して送信することができる。

【0067】

本開示の動作を実行するためのコンピュータプログラムコードは、Ｊａｖａ、Ｓｍａｌｌｔａｌｋ、Ｃ＋＋などのオブジェクト指向プログラミング言語および「Ｃ」プログラミング言語または同様のプログラミング言語などの従来の手続き型プログラミング言語を含む１つまたは複数のプログラミング言語の任意の組み合わせで記述されてもよい。プログラムコードは、完全にユーザのコンピュータで、部分的にユーザのコンピュータで、独立したソフトウェアパッケージとして、部分的にユーザのコンピュータで、部分的に遠隔コンピュータで、または完全に遠隔コンピュータもしくはサーバで実行することができる。後者のシナリオでは、リモートコンピュータは、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）または広域ネットワーク（ＷＡＮ）を含む任意のタイプのネットワークを介してユーザのコンピュータに接続されてもよく、あるいは、外部コンピュータに（例えば、インターネットサービスプロバイダを使用したインターネットを介して）接続されてもよい。

【0068】

これらのコンピュータプログラム命令は、コンピュータまたは他のプログラム可能なデータ処理装置に対して特定の様式で機能するように指示することができるコンピュータ可読媒体に格納することもでき、これにより、コンピュータ可読媒体に格納された命令は、フローチャートおよび／またはブロック図のブロックまたは複数のブロックで指定される機能／動作を実施する命令手段を含む製品を製造する。

【0069】

コンピュータまたは他のプログラム可能な装置で一連の動作ステップを実行させてコンピュータ実行処理を生成するために、コンピュータプログラム命令をコンピュータまたは他のプログラム可能なデータ処理装置にロードすることもでき、それにより、コンピュータまたは他のプログラム可能な装置で実行される命令は、フローチャートおよび／またはブロック図のブロックまたは複数のブロックで指定される機能／動作を実施するためのプロセスを提供する。

【0070】

図面のフローチャートおよびブロック図は、本開示の様々な実施形態による、システム、方法、およびコンピュータプログラム製品の可能な実施態様のアーキテクチャ、機能、および動作を示す。これに関連して、フローチャートまたはブロック図における各ブロックは、モジュール、セグメント、またはコードの一部を表すことができ、それは、指定された論理機能を実現するための１つまたは複数の実行可能命令を含む。いくつかの代替的な実施態様では、ブロックで説明した機能は図で説明した順序と異なる順序で行われてもよいことにも留意されたい。例えば、連続して示す２つのブロックが、実際に、実質的に同時に実行されてもよいし、またはそれらのブロックが含まれる機能に応じて時には逆の順序で実行されてもよい。ブロック図およびフローチャートの各ブロック、ならびにブロック図および／またはフローチャートのブロックの組み合わせが、指定された機能もしくは動作を実行する専用のハードウェアベースのコンピュータシステム、あるいは専用ハードウェアおよびコンピュータ命令の組み合わせによって実現することができることもまた留意されたい。

【0071】

上記の図面は、本開示のいくつかの実施形態による関連する処理のいくつかを示す。これに関連して、図面の流れ図内の各図面またはブロックは、記載した方法の実施形態に関連するプロセスを表している。いくつかの代替の実施態様では、図面またはブロックで説明した動作は、図で示した順序から外れて生じてもよいし、または例えば、関連する動作に応じて、実際には実質的に同時に、または逆の順序で実行されてもよいことにも留意されたい。また、当業者であれば、処理を説明する付加的なブロックを追加することができることを認識するであろう。

【0072】

本明細書および特許請求の範囲を通してここで使用される、近似を表す文言は、関連する基本的機能に変化をもたらすことなく、差し支えない程度に変動し得る任意の量的表現を修飾するために適用することができる。本明細書で使用される場合、「およそ」は、記載された値の＋／－１０％、または範囲を示す。したがって、「およそ」、「約」、および「実質的に」などの用語によって修飾された値は、明記された厳密な値に限定されるものではない。少なくともいくつかの例では、近似を表す文言は、値を測定するための機器の精度に対応することができる。

【0073】

ここで、ならびに本明細書および特許請求の範囲を通して、範囲の限定は組み合わせおよび／または置き換えが可能であり、文脈または文言が特に指示しない限り、このような範囲は識別され、それに包含されるすべての部分範囲を含む。範囲の特定の値に適用される「約」は、両端の値に適用され、値を測定する計器の精度に特に依存しない限り、記載された値の＋／－１０％を示すことができる。

【0074】

以下の特許請求の範囲におけるミーンズプラスファンクションまたはステッププラスファンクションの要素すべての、対応する構造、材料、動作、および均等物は、具体的に請求された他の請求要素と組み合わせてその機能を実施するための、一切の構造、材料、または動作を包含することを意図している。本開示の記述は、例示および説明の目的で提示されており、網羅的であることも、または本開示を開示した形態に限定することも意図していない。当業者には、本開示の範囲および趣旨から逸脱することなく多くの修正および変形が明らかであろう。本開示の原理および実際の用途を最良に説明し、想定される特定の使用に適するように様々な修正を伴う様々な実施形態について本開示を他の当業者が理解することができるようにするために、本実施形態を選択し、かつ説明した。

【符号の説明】

【0075】

１０ ガスタービン
１２ 燃焼器
１３ ガスタービンアセンブリ
１８ 制御部、制御システム
２０ 入口
２１ 入口ガイドベーン
２２ 排気部
２４ 発電機
２５ 温度整合アルゴリズム
２６ 温度センサ
５０ シャフト／ロータ
１００ 方法、制御方法、動作方法
２５０ スケジュール

【図1】

【図2】

【図3】

【外国語明細書】