ガスタービン用のモデルに基づく空気／燃料協調制御装置
【課題】ガスタービンの燃料制御装置及び燃焼用空気制御装置有する制御システムを提供する。
【解決手段】空気／燃料協調制御装置１３及び関連方法は、燃料制御装置２３、燃焼用空気制御装置２５及び定常空気対燃料モデル１５を提供する。燃料制御装置は燃料制御出力信号３３を生成し、燃焼用空気制御装置は燃焼用空気制御出力信号４７を生成する。燃料制御装置は、第１及び第２ループ制御信号の少なくとも１つに基づいて予備燃料制御信号４１を決定し、予備燃料制御信号に基づいて燃料制御出力信号を決定する。定常空気対燃料モデルは、予備燃料制御信号を処理して、予想定常燃焼用空気制御信号５３を決定する。燃焼用空気制御装置は、第３ループ制御信号３７ｃ及び第４ループ制御信号３７ｃの少なくとも１つに基づいて予備燃焼用空気制御信号５１を決定し、予備燃焼用空気制御信号及び予想定常燃焼用空気制御信号に基づいて燃焼用空気制御出力信号を決定する。
【解決手段】空気／燃料協調制御装置１３及び関連方法は、燃料制御装置２３、燃焼用空気制御装置２５及び定常空気対燃料モデル１５を提供する。燃料制御装置は燃料制御出力信号３３を生成し、燃焼用空気制御装置は燃焼用空気制御出力信号４７を生成する。燃料制御装置は、第１及び第２ループ制御信号の少なくとも１つに基づいて予備燃料制御信号４１を決定し、予備燃料制御信号に基づいて燃料制御出力信号を決定する。定常空気対燃料モデルは、予備燃料制御信号を処理して、予想定常燃焼用空気制御信号５３を決定する。燃焼用空気制御装置は、第３ループ制御信号３７ｃ及び第４ループ制御信号３７ｃの少なくとも１つに基づいて予備燃焼用空気制御信号５１を決定し、予備燃焼用空気制御信号及び予想定常燃焼用空気制御信号に基づいて燃焼用空気制御出力信号を決定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンの制御システムに関し、より詳細には、燃料制御装置及び燃焼用空気制御装置の両方を有する制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは一般に発電機に連結されて、発電機を駆動する。クロスチャンネル制御装置を用いて、ガスタービンの燃焼室に供給される燃料及び空気の量を制御することが知られている。既知のクロスチャンネル制御装置は、燃料供給制御装置への入力であるタービン速度誤差信号に作用する。そのようなクロスチャンネル制御装置は速度誤差信号を処理し、その結果処理された速度誤差信号はタービン排気温度誤差信号に付加される。タービン排気温度誤差信号と処理された速度誤差信号の合計は、伝達関数を用いて空気供給制御装置によって処理されて、燃焼室に供給される空気を制御する制御信号を生成する。例えば、米国特許第５，４８７，２６５号（１９９６年１月３０日）及び米国特許第５，６３６，５０７号（１９９７年６月１０日）を参照のこと。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第５４８７２６５号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
１つの態様によれば、本発明はガスタービンの制御システムを提供する。制御システムは、燃料制御アクチュエータ及び燃焼用空気制御アクチュエータを含む。空気／燃料協調制御装置（ＣＡＦ）は、燃料制御アクチュエータ及び燃焼用空気制御アクチュエータの動作を制御する。空気／燃料協調制御装置は、複数のガスタービン状態入力信号を受信し、入力信号に基づいて、第１誤差信号、第２誤差信号、第３誤差信号及び第４誤差信号を測定する。空気／燃料協調制御装置は、燃料制御装置、燃焼用空気制御装置及び定常空気対燃料モデルを含む。燃料制御装置は、燃料制御出力信号を燃料制御アクチュエータに提供して、燃料制御アクチュエータの動作を制御する。燃料制御装置は、第１ループ制御信号を得るために第１伝達関数を用いて第１誤差信号を処理し、第２ループ制御信号を得るために第２伝達関数を用いて第２誤差信号を処理する。燃料制御装置は、第１ループ制御信号及び第２ループ制御信号の少なくとも１つに基づいて予備燃料制御信号を決定し、予備燃料制御信号に基づいて燃料制御出力信号を決定する。燃焼用空気制御装置は、燃焼用空気制御出力信号を燃焼用空気制御アクチュエータに提供して、燃焼用空気制御アクチュエータの動作を制御する。定常空気対燃料モデルは、燃料制御装置と通信し、予備燃料制御信号を処理して予想定常燃焼用空気制御信号を決定する。燃焼用空気制御装置は、第３ループ制御信号を得るために第３伝達関数を用いて第３誤差信号を処理し、第４ループ制御信号を得るために第４伝達関数を用いて第４誤差信号を処理する。燃焼用空気制御装置は、第３ループ制御信号及び第４ループ制御信号の少なくとも１つに基づいて予備燃焼用空気制御信号を決定し、予備燃焼用空気制御信号及び予想定常燃焼用空気制御信号に基づいて燃焼用空気制御出力信号を決定する。
【０００５】
別の態様によれば、本発明はガスタービンの空気供給及び燃料供給を制御する方法を提供する。第１誤差信号は、ガスタービンの第１状態に基づいて生成される。第２誤差信号は、ガスタービンの第２状態に基づいて生成される。第３誤差信号は、ガスタービンの第３状態に基づいて生成される。第４誤差信号は、ガスタービンの第４状態に基づいて生成される。第１誤差信号は、第１ループ制御信号を得るために第１伝達関数に従って処理される。第２誤差信号は、第２ループ制御信号を得るために第２伝達関数に従って処理される。第３誤差信号は、第３ループ制御信号を得るために第３伝達関数に従って処理される。第４誤差信号は、第４ループ制御信号を得るために第４伝達関数に従って処理される。予備燃料制御信号は、第１ループ制御信号及び第２ループ制御信号の少なくとも１つに基づいて生成される。燃料制御出力信号は、予備燃料制御信号に基づいて生成される。燃料制御アクチュエータは、燃料制御出力信号に基づいて燃料流量を調整する。定常空気対燃料モデルが提供される。定常空気対燃料モデルは、予備燃料制御信号から、予想定常燃焼用空気制御信号を生成する。予備燃焼用空気制御信号は、第３ループ制御信号及び第４ループ制御信号の少なくとも１つに基づいて生成される。燃焼用空気制御出力信号は、予備燃焼用空気制御信号及び予想定常燃焼用空気制御信号に基づいて生成される。燃焼用空気制御出力信号は、燃焼用空気制御アクチュエータに提供される。燃焼用空気制御アクチュエータは、燃焼用空気制御出力信号に基づいて燃焼用空気の量を調整する。
【０００６】
本発明の前述及びその他の態様は、添付図面を参照しながら以下の説明を読むことで本発明に関わる当業者には明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】ガスタービン及びガスタービン用制御システムの概略図である。
【図２】入口案内翼位置対燃料ストローク基準を示すグラフである。
【図３】ガスタービン及びガスタービン用制御システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
次に、例示的実施形態が示される添付図面を参照して、本発明の特徴及び態様を以下により完全に説明する。できる限り、同一又は同様の部品を参照するために、図面を通して同一の参照番号を使用する。しかしながら、本発明は多くの異なる形態で実施することができ、本明細書に記載の実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではない。これらの例示的実施形態は、本開示が完全且つ完璧であるように、且つ当業者に本発明の技術的範囲を十分に伝達するように提供される。
【０００９】
様々な信号が後述される。当然のことながら、信号は、アナログ信号、デジタル信号、又はレジスタ等の記憶場所に保存されたデータ値であってよい。様々な回路及び回路の一部が後述される。当然のことながら、回路及び回路の一部は、個別電気部品、集積回路を介して、且つ／又はプロセッサによるプログラム命令の実行によって実施できる。
【００１０】
本発明の技術的効果は、ヘビーデューティガスタービンの制御に使用される空気／燃料協調（ＣＡＦ）制御機能の改善である。ＣＡＦ機能は、希薄ブローアウト、排気過温度、及び圧縮機サージのような問題を回避すべく、系統周波数過渡状態中に空気及び燃料の制御を協調させる。
【００１１】
空気／燃料協調制御装置を備えた既知のガスタービンの課題は、空気供給及び燃料供給制御装置への入力の協調が必ずしもそれらの出力、空気及び燃料需要それぞれを協調させるわけではないことである。この理由の１つは、タービン速度誤差とタービン排気温度誤差との関係が直観的ではなく、クロスチャンネル制御装置の設計及び調整を困難にするからである。もう１つの理由は、燃料供給制御装置内の制約がタービン速度誤差を差し迫った燃料供給変化の不十分な指標にするからである。
【００１２】
既知のクロスチャンネル制御装置は、速度誤差と排気温度誤差を関連付ける「制御誤差空間」で作動する。しかしながら、速度誤差と排気温度誤差との正確な関係は決定するのが難しい。より良い方法は、制御チャンネル内の誤差信号に作用する各制御伝達関数の後に位置する「要求空間」で作動するクロスチャンネル制御装置を備えることである。要求空間内のクロスチャンネル制御装置は、空気及び燃料供給を協調させるために、定常空気対燃料モデル等の空気と燃料との直接的関係を利用できる。空気と燃料との正確な関係は、誤差信号間の正確な関係よりも容易に決定できる。従って、要求空間に位置するクロスチャンネル制御装置を有する空気／燃料協調制御装置は、既知のクロスチャンネル制御装置よりも容易に設計及び調整できる。要求空間内にクロスチャンネル制御装置を有することは、燃料供給制御装置内の制約を反映することを可能にもする。
【００１３】
図１は、ガスタービン１１及びガスタービン用の空気／燃料協調制御装置１３の概略図であり、制御装置１３の要求空間部分で作動するクロスチャンネル制御装置を含んでいる。図１のクロスチャンネル制御装置は、定常空気対燃料モデル１５である。更に以下で後述するように、定常空気対燃料モデル１５は、ガスタービンの燃料供給と、定常状態下での燃焼用空気供給との関係を提供する。
【００１４】
ガスタービン１１は、ガスタービンに関する様々な状態を検知する複数のセンサ１７を有する。センサの例としては、ガスタービンの回転速度を検知する速度センサ、ガスタービンの排気ガスの温度を検知する温度センサ、ガスタービンによって駆動される発電機１９によって供給される電力を検知する電力レベルセンサ、及びガスタービンの圧縮機圧力を検知する圧力センサが挙げられる。ガスタービンに関する更なる状態を検知する追加のセンサは、要求に応じて提供できる。ガスタービンに関する状態の推定は、直接センサに代わり得る。センサ１７は、制御装置１３への入力としてフィードバック信号２１を提供する。
【００１５】
次に、空気／燃料協調制御装置１３について詳細に述べる。空気／燃料協調制御装置１３は、クロスチャンネル制御装置（例えば、定常空気対燃料モデル１５）、燃料制御装置２３及び燃焼用空気制御装置２５等のサブ制御装置を含む。制御装置１３は、電子制御装置であってよく、１つ以上のプロセッサを含んでもよい。例えば、制御装置１３は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、個別論理回路等の１つ又はそれ以上を含む。制御装置１３は、メモリを更に含んでもよく、制御装置に本明細書においてそれに属するものとされる機能性を提供させるプログラム命令を保存できる。メモリは、例えば、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、電気的消去可能プログラマブルＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリ等の１つ以上の揮発性、不揮発性、磁気、光学、電気媒体を含み得る。制御装置１３は、制御装置への様々なアナログ入力を処理する１つ以上のアナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換器を更に含んでもよい。
【００１６】
制御装置１３は、誤差計算器２７ａ〜２７ｆを含む。各センサ１７からのフィードバック信号２１は、各誤差計算器２７ａ〜２７ｆに入力されて、関連する基準値２９ａ〜２９ｆと比較される。誤差計算器２７ａ〜２７ｆの出力は誤差信号３１ａ〜３１ｆであり、検知された状態と基準値との差を表す。例えば、ガスタービンの検知された回転速度を速度基準と比較して回転速度誤差信号を決定することができ、ガスタービンの検知された排気ガス温度を温度基準と比較して排気温度誤差信号を決定できる。基準値２９ａ〜２９ｆは、境界値又は目標値であってよい。境界値は、例えば、最高温度又は圧力、或いは最低速度等の、できれば超えるべきではない限界作動状態を決めるものである。目標値は、所望速度等の所望の作動状態を決めるものである。
【００１７】
図１において、３つの誤差計算器２７ａ〜２７ｃは、それぞれ燃料制御装置２３への入力として誤差信号３１ａ〜３１ｃを提供し、３つの誤差計算器２７ｄ〜２７ｆは、それぞれ燃焼用空気制御装置２５への入力として誤差信号３１ｄ〜３１ｆを提供する。当然のことながら、３つ以上又は以下の誤差計算器が燃料制御装置２３及び燃焼用空気制御装置２５に誤差信号を提供してもよく、燃料制御装置及び燃焼用空気制御装置は同数の関連する誤差計算器を備える必要はない。
【００１８】
誤差信号３１ａ〜３１ｃは、燃料制御出力信号３３を生成するために、燃料制御装置２３によって処理される。燃料制御装置２３は、ガスタービン上の燃料制御アクチュエータ３５に燃料制御出力信号３３を提供して、燃料制御アクチュエータの動作を制御する。燃料制御アクチュエータ３５は、燃料制御出力信号３３に応答して、ガスタービンの燃焼室に提供される燃料の量を制御する。燃料制御アクチュエータ３５は、例えば、燃料制御装置２３からの燃料ストローク基準（ＦＳＲ）信号に基づいて、１つ以上の燃料弁の燃料ストローク６３を制御できる。燃料制御装置２３は、燃料制御アクチュエータ３５の動作を制御することによって、燃焼領域に提供される燃料の量を制御する。
【００１９】
燃料制御装置２３は、各伝達関数Ｋａ（ｓ）〜Ｋｃ（ｓ）を用いて誤差信号３１ａ〜３１ｃを処理する。伝達関数Ｋａ（ｓ）〜Ｋｃ（ｓ）は、各々が比例積分（ＰＩ）制御スキーム、比例積分微分（ＰＩＤ）制御スキーム、又は要求に応じてその他の制御スキームを実施できる。
【００２０】
伝達関数Ｋａ（ｓ）〜Ｋｃ（ｓ）からの出力であるループ燃料制御信号３７ａ〜３７ｃは、燃料制御装置２３の選択ロジック３９に提供される。燃料制御装置２３は、選択ロジック３９を介して、ループ燃料制御信号３７ａ〜３７ｃの少なくとも１つに基づいて予備燃料制御信号４１を決定する。選択ロジック３９は、予備燃料制御信号４１としてループ燃料制御信号３７ａ〜３７ｃの１つを選択するためのアルゴリズムを提供できる。選択ロジックは、予備燃料制御信号４１としてループ燃料制御信号を選択する際に１つのループ燃料制御信号を他のものよりも優先させる、即ち信号を比較してどちらがより大きい／より小さい値を有するかを決定できる。選択ロジックの例としては、ｍａｘ（ｍｉｎ（３７ａ，３７ｂ），３７ｃ）を挙げることができる。この場合、ループ燃料制御信号３７ａ及び３７ｂが比較され、２つ（３７ａ，３７ｂ）の小さい方が更に信号３７ｃと比較され、大きな信号が予備燃料制御信号４１として選択される。そのようなアルゴリズムは、最高温度／圧力、最低運転速度等のガスタービン境界条件を決めるときに役立つ可能性がある。選択ロジック３９は、境界条件の優先権に基づいてループ燃料制御信号３７ａ〜３７ｃを比較し、ガスタービンが境界条件の一部又は全部の範囲内で作動するように予備燃料制御信号４１としてループ燃料制御信号を選択できる。必要に応じて、選択ロジックは、予備燃料制御信号４１を得るために、ループ燃料制御信号３７ａ〜３７ｃの２つ以上を数学的に結合（例えば、加算、平均化など）できる。
【００２１】
燃料制御装置２３は、アクチュエータダイナミクス補償器４３を選択的に含む。アクチュエータダイナミクス補償器４３は、予備燃料制御信号４１を処理して、燃料制御アクチュエータ３５と燃焼用空気制御アクチュエータ４５との応答特性差を補償する。燃焼用空気制御アクチュエータ４５は、ガスタービン１１の燃焼室に提供される空気の量を制御する。燃料制御アクチュエータ３５及び燃焼用空気制御アクチュエータ４５は、異なる応答特性を有する可能性がある。例えば、燃料制御アクチュエータ３５は、燃焼用空気制御アクチュエータ４５が燃焼室に提供される空気の量を変更できるのよりもより迅速に燃料流量を変更することが可能である。この場合、アクチュエータダイナミクス補償器４３は、遅延を予備燃料制御信号４１に追加することによって燃料制御出力信号３３の変更を遅延させることができる。アクチュエータダイナミクス補償器４３は任意であって、実施形態ではアクチュエータダイナミクス補償器４３を欠いており、予備燃料制御信号４１は燃料制御出力信号３３と同等又は同一である。
【００２２】
燃焼用空気制御装置２５に着目すると、燃焼用空気制御装置は燃焼用空気制御出力信号４７を生成する。燃焼用空気制御装置２５は、ガスタービン１１上の燃焼用空気制御アクチュエータ４５に燃焼用空気制御出力信号４７を提供して、燃焼用空気制御アクチュエータの動作を制御する。燃焼用空気制御アクチュエータ４５は、燃焼用空気制御出力信号４７に応答して、ガスタービン１１の燃焼室に提供される空気の量を制御する。燃焼用空気制御アクチュエータ４５は、例えば、ガスタービン１１の入口案内翼６５の位置（例えば、角度）を制御できる。燃焼用空気制御装置２５は、燃焼用空気制御アクチュエータ４５の動作を制御することによって、燃焼領域に提供される空気の量を制御する。
【００２３】
燃焼用空気制御装置２５は、各伝達関数Ｋｄ（ｓ）〜Ｋｆ（ｓ）を用いて誤差信号３１ｄ〜３１ｆを処理する。伝達関数Ｋａ（ｓ）〜Ｋｃ（ｓ）と同様に、伝達関数Ｋｄ（ｓ）〜Ｋｆ（ｓ）は、例えばＰＩ又はＰＩＤ制御スキーム等の所望の制御スキームを実施できる。ループ燃焼用空気制御信号３７ｄ〜３７ｆは、伝達関数Ｋｄ（ｓ）〜Ｋｆ（ｓ）から出力され、燃焼用空気制御装置２５内の選択ロジック４９に提供される。燃焼用空気制御装置２５は、選択ロジック４９を介して、予備燃焼用空気制御信号５１を決定する。燃料制御装置２３内の選択ロジック３９と同様に、選択ロジック４９は、予備燃焼用空気制御信号５１としてループ燃焼用空気制御信号３７ｄ〜３７ｆの１つを選択するためのアルゴリズムを提供できる。選択ロジックは、予備燃焼用空気制御信号５１としてループ燃焼用空気制御信号を選択する際に１つのループ燃焼用空気制御信号を他のものよりも優先させる、即ち信号を比較してどちらがより大きい／より小さい値を有するかを決定できる。選択ロジックの例としては、ｍａｘ（ｍｉｎ（３７ｄ，３７ｅ），３７ｆ）を挙げることができる。選択ロジックは、排気温度、圧縮機圧力比等に関連するガスタービンの作動境界条件に基づいて決めることができる。選択ロジック４９は、境界条件の優先権に基づいてループ燃焼用空気制御信号３７ｄ〜３７ｆを比較し、ガスタービンが境界条件の一部又は全部の範囲内で作動するように予備燃焼用空気制御信号５１としてループ燃焼用空気制御信号を選択できる。必要に応じて、選択ロジックは、予備燃焼用空気制御信号５１を得るために、ループ燃焼用空気制御信号３７ｄ〜３７ｆの２つ以上を数学的に結合（例えば、加算、平均化など）できる。
【００２４】
空気／燃料協調制御装置１３の要求空間部分で作動する定常空気対燃料モデル１５は、燃料制御装置２３及び燃焼用空気制御装置２５の両方と通信する。定常空気対燃料モデル１５は、燃料制御装置２３から予備燃料制御信号４１を受信し、予備燃料制御信号４１に基づいて予想定常燃焼用空気制御信号５３を計算する。定常空気対燃料モデル１５は、予想定常燃焼用空気制御信号５３を燃焼用空気制御装置２５に提供する。図には示されていないが、定常空気対燃料モデル１５は、実際の定常状態への自動適応を含んでもよい。換言すれば、モデルは、燃焼用空気制御出力信号４７と予想定常燃焼用空気制御信号との定常差を除去するために自動的に調整できる。この適応は、定常空気対燃料モデル１５の精度を向上させる。
【００２５】
燃焼用空気制御装置２５は、定常空気対燃料モデル１５から予想定常燃焼用空気制御信号５３を受信する。燃焼用空気制御装置２５は、予備燃焼用空気制御信号５１及び予想定常燃焼用空気制御信号５３の一方又は両方に基づいて燃焼用空気制御出力信号４７を決定する。例えば、燃焼用空気制御装置２５は、予備燃焼用空気制御信号５１及び予想定常燃焼用空気制御信号５３を結合して、燃焼用空気制御出力信号４７を決定するための加算回路５５を含む。予備燃焼用空気制御信号５１及び予想定常燃焼用空気制御信号５３は加算回路５５によって加算することができ、加算回路５５の出力は燃焼用空気制御出力信号４７である。選択的に、図１に示すように、燃焼用空気制御装置２５は、加算回路５５からの出力を処理して、燃料制御アクチュエータ３５と燃焼用空気制御アクチュエータ４５との応答特性差を補償するアクチュエータダイナミクス補償器５７を含む。アクチュエータダイナミクス補償器が存在するならば、アクチュエータダイナミクス補償器５７の出力は、加算回路５５の出力そのままではなく、燃焼用空気制御出力信号４７である。
【００２６】
予備燃焼用空気制御信号５１及び予想定常燃焼用空気制御信号５３を結合するために、加算回路５５以外のその他の方法を使用してもよい。例えば、状況に応じて一方の入力に他方よりも重みを加えるアルゴリズムを介して結合を行なってもよい。
【００２７】
予想定常燃焼用空気制御信号５３は、燃料制御装置２３及び燃焼用空気制御装置２５の動作を協調させる役目をする。そのような協調は、ガスタービンの様々な悪条件が発生する可能性を削減できる。例えば、そのような協調は、希薄ブローアウト、排気過温度及び圧縮機サージの可能性を削減できる。
【００２８】
定常空気対燃料モデル１５は、予備燃料制御信号４１から予想定常燃焼用空気制御信号５３を計算するためにそのモデルを使用する。図２に示すように、空気対燃料モデル５９は、入口案内翼位置（ＩＧＶ）を燃料ストローク基準（ＦＳＲ）と関連付けることができる。或いは、空気対燃料モデルは、空気流を燃料流と直接関連付けることができる。予備燃料制御信号４１は、燃料制御アクチュエータ３５を直接的又は間接的に制御する。所定の予備燃料制御信号４１に関して、定常空気対燃料モデル１５は、空気対燃料モデルを用いて対応する予想定常燃焼用空気制御信号５３を決定及び出力する。当然のことながら、空気対燃料モデルは、数学的方程式を用いたアルゴリズムを介して、ルックアップテーブルを介して、又はその他の既知のモデリング技術を介して、実施できる。
【００２９】
図２に示すように、モデル５９は、ＦＳＲとＩＧＶとの定常相関関係を提供できる。定常空気対燃料モデル１５は、予想定常燃焼用空気制御信号５３を出力して、一般に図示の定常経路６１に沿ってガスタービン１１の動作を維持し、高速過渡状態（定常経路６１からの高速偏差）を補償する。図２に湾曲した矢印で図式的に示す、定常経路からの偏差、例えば所定のＦＳＲに対して高すぎる又は低すぎるＩＧＶ値は、希薄ブローアウト、排気過温度及び圧縮機サージ等の悪条件の発生をもたらす可能性がある。
【００３０】
図２において、定常経路６１は区分的線形である。定常経路６１は、ＩＧＶが低範囲のＦＳＲにわたって一定である水平部分を有する。水平部分の後、定常経路６１は、ＦＳＲが増加するにつれて一定の右上がり斜線を有する。当然のことながら、定常経路は、湾曲部分、或いは直線及び湾曲部分の組み合わせを有する。
【００３１】
図３は、ガスタービン１１及び空気／燃料協調制御装置１３の概略図である。図３に示す空気／燃料協調制御装置１３は、図１に示すものと同様である。しかしながら、図３において、予想定常燃焼用空気制御信号５３は、燃焼用空気制御装置２５に直接ではなく、境界計算器６７に提供される。境界計算器６７は、予想定常燃焼用空気制御信号５３に付加される可変バイアスを決定する。境界計算器６７は、予想定常燃焼用空気制御信号５３にバイアスを加減算して、予備燃焼用空気制御信号５１に対する上下限境界を出力する。上下限境界信号６９は、予備燃焼用空気制御信号と共にクランプ部分７１に提供される。クランプ部分の出力７３は、上下限境界信号６９によってクランプされた予備燃焼用空気制御信号５１である。予備燃焼用空気制御信号５１が境界内にある場合、クランプ部分の出力７３は予備燃焼用空気制御信号に等しい。予備燃焼用空気制御信号５１が上限境界より上又は下限境界より下にある場合、クランプ部分の出力７３はそれぞれ上限又は下限境界に等しい。
【００３２】
任意のアクチュエータダイナミクス補償器５７を欠いた図３による実施形態では、クランプ部分の出力７３は、燃焼用空気制御出力信号４７である。任意のアクチュエータダイナミクス補償器５７を含む図３による実施形態では、クランプ部分の出力７３はアクチュエータダイナミクス補償器５７に提供され、アクチュエータダイナミクス補償器が出力７３を処理して、燃料制御アクチュエータ３５と燃焼用空気制御アクチュエータ４５との応答特性差を補償する。
【００３３】
境界を決定するのに使用されるバイアスは可変である。境界計算器６７は、予想定常燃焼用空気制御信号５３の変化率を分析する。予想定常燃焼用空気制御信号５３の変化率が小さい場合、定常又は定常近傍状態が生じ、バイアスは比較的大きく設定される。バイアスを比較的大きく設定することによって、伝達関数Ｋｄ（ｓ）〜Ｋｆ（ｓ）が、予想定常燃焼用空気制御信号５３よりも、燃焼用空気制御出力信号４７の制御において優位を占めることができる。予想定常燃焼用空気制御信号５３の変化率が大きい場合、高速過渡状態が生じ、バイアスは比較的小さく又は０に設定される。バイアスマージンを比較的小さく設定することによって、予想定常燃焼用空気制御信号５３が、伝達関数Ｋｄ（ｓ）〜Ｋｆ（ｓ）よりも、燃焼用空気制御出力信号４７の制御において優位を占めることができる。高速過渡状態中、ループ燃焼用空気制御信号３７ｄ〜３７ｆを無視し、モデル５９に従った予想定常燃焼用空気制御信号５３に基づいて燃焼用空気制御出力信号４７を制御することが望ましい。
【００３４】
当然のことながら、クランプ部分７１は完全に選択ロジック４９の下流ではなく、それに組み込まれてもよい。ループ燃焼用空気制御信号３７ｄ〜３７ｆの１つ以上は、クランプ部分の下流で作動する。例えば、クランプ部分への入力は、ｍａｘ（３７ｄ，３７ｅ）となるのに対して、クランプ部分の出力は３７ｆと比較されて、両者の小さい方がアクチュエータダイナミクス補償器への入力となる。これにより、境界計算器６７からの上下限境界信号６９よりも３７ｆを生成する制御ループに高い優先権を効果的に与える。
【００３５】
要約して言えば、本発明は、ガスタービンのためのモデルに基づく空気／燃料協調制御装置を提供する。
【００３６】
本開示が一例であり、詳細を追加、修正又は省略することにより、本開示に含まれる教示の正当な範囲から逸脱することなく様々な変更が可能であることは明白である。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲が必然的に限定される範囲を除けば、本開示の特定の詳細に限定されることはない。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンの制御システムに関し、より詳細には、燃料制御装置及び燃焼用空気制御装置の両方を有する制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは一般に発電機に連結されて、発電機を駆動する。クロスチャンネル制御装置を用いて、ガスタービンの燃焼室に供給される燃料及び空気の量を制御することが知られている。既知のクロスチャンネル制御装置は、燃料供給制御装置への入力であるタービン速度誤差信号に作用する。そのようなクロスチャンネル制御装置は速度誤差信号を処理し、その結果処理された速度誤差信号はタービン排気温度誤差信号に付加される。タービン排気温度誤差信号と処理された速度誤差信号の合計は、伝達関数を用いて空気供給制御装置によって処理されて、燃焼室に供給される空気を制御する制御信号を生成する。例えば、米国特許第５，４８７，２６５号（１９９６年１月３０日）及び米国特許第５，６３６，５０７号（１９９７年６月１０日）を参照のこと。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第５４８７２６５号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
１つの態様によれば、本発明はガスタービンの制御システムを提供する。制御システムは、燃料制御アクチュエータ及び燃焼用空気制御アクチュエータを含む。空気／燃料協調制御装置（ＣＡＦ）は、燃料制御アクチュエータ及び燃焼用空気制御アクチュエータの動作を制御する。空気／燃料協調制御装置は、複数のガスタービン状態入力信号を受信し、入力信号に基づいて、第１誤差信号、第２誤差信号、第３誤差信号及び第４誤差信号を測定する。空気／燃料協調制御装置は、燃料制御装置、燃焼用空気制御装置及び定常空気対燃料モデルを含む。燃料制御装置は、燃料制御出力信号を燃料制御アクチュエータに提供して、燃料制御アクチュエータの動作を制御する。燃料制御装置は、第１ループ制御信号を得るために第１伝達関数を用いて第１誤差信号を処理し、第２ループ制御信号を得るために第２伝達関数を用いて第２誤差信号を処理する。燃料制御装置は、第１ループ制御信号及び第２ループ制御信号の少なくとも１つに基づいて予備燃料制御信号を決定し、予備燃料制御信号に基づいて燃料制御出力信号を決定する。燃焼用空気制御装置は、燃焼用空気制御出力信号を燃焼用空気制御アクチュエータに提供して、燃焼用空気制御アクチュエータの動作を制御する。定常空気対燃料モデルは、燃料制御装置と通信し、予備燃料制御信号を処理して予想定常燃焼用空気制御信号を決定する。燃焼用空気制御装置は、第３ループ制御信号を得るために第３伝達関数を用いて第３誤差信号を処理し、第４ループ制御信号を得るために第４伝達関数を用いて第４誤差信号を処理する。燃焼用空気制御装置は、第３ループ制御信号及び第４ループ制御信号の少なくとも１つに基づいて予備燃焼用空気制御信号を決定し、予備燃焼用空気制御信号及び予想定常燃焼用空気制御信号に基づいて燃焼用空気制御出力信号を決定する。
【０００５】
別の態様によれば、本発明はガスタービンの空気供給及び燃料供給を制御する方法を提供する。第１誤差信号は、ガスタービンの第１状態に基づいて生成される。第２誤差信号は、ガスタービンの第２状態に基づいて生成される。第３誤差信号は、ガスタービンの第３状態に基づいて生成される。第４誤差信号は、ガスタービンの第４状態に基づいて生成される。第１誤差信号は、第１ループ制御信号を得るために第１伝達関数に従って処理される。第２誤差信号は、第２ループ制御信号を得るために第２伝達関数に従って処理される。第３誤差信号は、第３ループ制御信号を得るために第３伝達関数に従って処理される。第４誤差信号は、第４ループ制御信号を得るために第４伝達関数に従って処理される。予備燃料制御信号は、第１ループ制御信号及び第２ループ制御信号の少なくとも１つに基づいて生成される。燃料制御出力信号は、予備燃料制御信号に基づいて生成される。燃料制御アクチュエータは、燃料制御出力信号に基づいて燃料流量を調整する。定常空気対燃料モデルが提供される。定常空気対燃料モデルは、予備燃料制御信号から、予想定常燃焼用空気制御信号を生成する。予備燃焼用空気制御信号は、第３ループ制御信号及び第４ループ制御信号の少なくとも１つに基づいて生成される。燃焼用空気制御出力信号は、予備燃焼用空気制御信号及び予想定常燃焼用空気制御信号に基づいて生成される。燃焼用空気制御出力信号は、燃焼用空気制御アクチュエータに提供される。燃焼用空気制御アクチュエータは、燃焼用空気制御出力信号に基づいて燃焼用空気の量を調整する。
【０００６】
本発明の前述及びその他の態様は、添付図面を参照しながら以下の説明を読むことで本発明に関わる当業者には明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】ガスタービン及びガスタービン用制御システムの概略図である。
【図２】入口案内翼位置対燃料ストローク基準を示すグラフである。
【図３】ガスタービン及びガスタービン用制御システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
次に、例示的実施形態が示される添付図面を参照して、本発明の特徴及び態様を以下により完全に説明する。できる限り、同一又は同様の部品を参照するために、図面を通して同一の参照番号を使用する。しかしながら、本発明は多くの異なる形態で実施することができ、本明細書に記載の実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではない。これらの例示的実施形態は、本開示が完全且つ完璧であるように、且つ当業者に本発明の技術的範囲を十分に伝達するように提供される。
【０００９】
様々な信号が後述される。当然のことながら、信号は、アナログ信号、デジタル信号、又はレジスタ等の記憶場所に保存されたデータ値であってよい。様々な回路及び回路の一部が後述される。当然のことながら、回路及び回路の一部は、個別電気部品、集積回路を介して、且つ／又はプロセッサによるプログラム命令の実行によって実施できる。
【００１０】
本発明の技術的効果は、ヘビーデューティガスタービンの制御に使用される空気／燃料協調（ＣＡＦ）制御機能の改善である。ＣＡＦ機能は、希薄ブローアウト、排気過温度、及び圧縮機サージのような問題を回避すべく、系統周波数過渡状態中に空気及び燃料の制御を協調させる。
【００１１】
空気／燃料協調制御装置を備えた既知のガスタービンの課題は、空気供給及び燃料供給制御装置への入力の協調が必ずしもそれらの出力、空気及び燃料需要それぞれを協調させるわけではないことである。この理由の１つは、タービン速度誤差とタービン排気温度誤差との関係が直観的ではなく、クロスチャンネル制御装置の設計及び調整を困難にするからである。もう１つの理由は、燃料供給制御装置内の制約がタービン速度誤差を差し迫った燃料供給変化の不十分な指標にするからである。
【００１２】
既知のクロスチャンネル制御装置は、速度誤差と排気温度誤差を関連付ける「制御誤差空間」で作動する。しかしながら、速度誤差と排気温度誤差との正確な関係は決定するのが難しい。より良い方法は、制御チャンネル内の誤差信号に作用する各制御伝達関数の後に位置する「要求空間」で作動するクロスチャンネル制御装置を備えることである。要求空間内のクロスチャンネル制御装置は、空気及び燃料供給を協調させるために、定常空気対燃料モデル等の空気と燃料との直接的関係を利用できる。空気と燃料との正確な関係は、誤差信号間の正確な関係よりも容易に決定できる。従って、要求空間に位置するクロスチャンネル制御装置を有する空気／燃料協調制御装置は、既知のクロスチャンネル制御装置よりも容易に設計及び調整できる。要求空間内にクロスチャンネル制御装置を有することは、燃料供給制御装置内の制約を反映することを可能にもする。
【００１３】
図１は、ガスタービン１１及びガスタービン用の空気／燃料協調制御装置１３の概略図であり、制御装置１３の要求空間部分で作動するクロスチャンネル制御装置を含んでいる。図１のクロスチャンネル制御装置は、定常空気対燃料モデル１５である。更に以下で後述するように、定常空気対燃料モデル１５は、ガスタービンの燃料供給と、定常状態下での燃焼用空気供給との関係を提供する。
【００１４】
ガスタービン１１は、ガスタービンに関する様々な状態を検知する複数のセンサ１７を有する。センサの例としては、ガスタービンの回転速度を検知する速度センサ、ガスタービンの排気ガスの温度を検知する温度センサ、ガスタービンによって駆動される発電機１９によって供給される電力を検知する電力レベルセンサ、及びガスタービンの圧縮機圧力を検知する圧力センサが挙げられる。ガスタービンに関する更なる状態を検知する追加のセンサは、要求に応じて提供できる。ガスタービンに関する状態の推定は、直接センサに代わり得る。センサ１７は、制御装置１３への入力としてフィードバック信号２１を提供する。
【００１５】
次に、空気／燃料協調制御装置１３について詳細に述べる。空気／燃料協調制御装置１３は、クロスチャンネル制御装置（例えば、定常空気対燃料モデル１５）、燃料制御装置２３及び燃焼用空気制御装置２５等のサブ制御装置を含む。制御装置１３は、電子制御装置であってよく、１つ以上のプロセッサを含んでもよい。例えば、制御装置１３は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、個別論理回路等の１つ又はそれ以上を含む。制御装置１３は、メモリを更に含んでもよく、制御装置に本明細書においてそれに属するものとされる機能性を提供させるプログラム命令を保存できる。メモリは、例えば、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、電気的消去可能プログラマブルＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリ等の１つ以上の揮発性、不揮発性、磁気、光学、電気媒体を含み得る。制御装置１３は、制御装置への様々なアナログ入力を処理する１つ以上のアナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換器を更に含んでもよい。
【００１６】
制御装置１３は、誤差計算器２７ａ〜２７ｆを含む。各センサ１７からのフィードバック信号２１は、各誤差計算器２７ａ〜２７ｆに入力されて、関連する基準値２９ａ〜２９ｆと比較される。誤差計算器２７ａ〜２７ｆの出力は誤差信号３１ａ〜３１ｆであり、検知された状態と基準値との差を表す。例えば、ガスタービンの検知された回転速度を速度基準と比較して回転速度誤差信号を決定することができ、ガスタービンの検知された排気ガス温度を温度基準と比較して排気温度誤差信号を決定できる。基準値２９ａ〜２９ｆは、境界値又は目標値であってよい。境界値は、例えば、最高温度又は圧力、或いは最低速度等の、できれば超えるべきではない限界作動状態を決めるものである。目標値は、所望速度等の所望の作動状態を決めるものである。
【００１７】
図１において、３つの誤差計算器２７ａ〜２７ｃは、それぞれ燃料制御装置２３への入力として誤差信号３１ａ〜３１ｃを提供し、３つの誤差計算器２７ｄ〜２７ｆは、それぞれ燃焼用空気制御装置２５への入力として誤差信号３１ｄ〜３１ｆを提供する。当然のことながら、３つ以上又は以下の誤差計算器が燃料制御装置２３及び燃焼用空気制御装置２５に誤差信号を提供してもよく、燃料制御装置及び燃焼用空気制御装置は同数の関連する誤差計算器を備える必要はない。
【００１８】
誤差信号３１ａ〜３１ｃは、燃料制御出力信号３３を生成するために、燃料制御装置２３によって処理される。燃料制御装置２３は、ガスタービン上の燃料制御アクチュエータ３５に燃料制御出力信号３３を提供して、燃料制御アクチュエータの動作を制御する。燃料制御アクチュエータ３５は、燃料制御出力信号３３に応答して、ガスタービンの燃焼室に提供される燃料の量を制御する。燃料制御アクチュエータ３５は、例えば、燃料制御装置２３からの燃料ストローク基準（ＦＳＲ）信号に基づいて、１つ以上の燃料弁の燃料ストローク６３を制御できる。燃料制御装置２３は、燃料制御アクチュエータ３５の動作を制御することによって、燃焼領域に提供される燃料の量を制御する。
【００１９】
燃料制御装置２３は、各伝達関数Ｋａ（ｓ）〜Ｋｃ（ｓ）を用いて誤差信号３１ａ〜３１ｃを処理する。伝達関数Ｋａ（ｓ）〜Ｋｃ（ｓ）は、各々が比例積分（ＰＩ）制御スキーム、比例積分微分（ＰＩＤ）制御スキーム、又は要求に応じてその他の制御スキームを実施できる。
【００２０】
伝達関数Ｋａ（ｓ）〜Ｋｃ（ｓ）からの出力であるループ燃料制御信号３７ａ〜３７ｃは、燃料制御装置２３の選択ロジック３９に提供される。燃料制御装置２３は、選択ロジック３９を介して、ループ燃料制御信号３７ａ〜３７ｃの少なくとも１つに基づいて予備燃料制御信号４１を決定する。選択ロジック３９は、予備燃料制御信号４１としてループ燃料制御信号３７ａ〜３７ｃの１つを選択するためのアルゴリズムを提供できる。選択ロジックは、予備燃料制御信号４１としてループ燃料制御信号を選択する際に１つのループ燃料制御信号を他のものよりも優先させる、即ち信号を比較してどちらがより大きい／より小さい値を有するかを決定できる。選択ロジックの例としては、ｍａｘ（ｍｉｎ（３７ａ，３７ｂ），３７ｃ）を挙げることができる。この場合、ループ燃料制御信号３７ａ及び３７ｂが比較され、２つ（３７ａ，３７ｂ）の小さい方が更に信号３７ｃと比較され、大きな信号が予備燃料制御信号４１として選択される。そのようなアルゴリズムは、最高温度／圧力、最低運転速度等のガスタービン境界条件を決めるときに役立つ可能性がある。選択ロジック３９は、境界条件の優先権に基づいてループ燃料制御信号３７ａ〜３７ｃを比較し、ガスタービンが境界条件の一部又は全部の範囲内で作動するように予備燃料制御信号４１としてループ燃料制御信号を選択できる。必要に応じて、選択ロジックは、予備燃料制御信号４１を得るために、ループ燃料制御信号３７ａ〜３７ｃの２つ以上を数学的に結合（例えば、加算、平均化など）できる。
【００２１】
燃料制御装置２３は、アクチュエータダイナミクス補償器４３を選択的に含む。アクチュエータダイナミクス補償器４３は、予備燃料制御信号４１を処理して、燃料制御アクチュエータ３５と燃焼用空気制御アクチュエータ４５との応答特性差を補償する。燃焼用空気制御アクチュエータ４５は、ガスタービン１１の燃焼室に提供される空気の量を制御する。燃料制御アクチュエータ３５及び燃焼用空気制御アクチュエータ４５は、異なる応答特性を有する可能性がある。例えば、燃料制御アクチュエータ３５は、燃焼用空気制御アクチュエータ４５が燃焼室に提供される空気の量を変更できるのよりもより迅速に燃料流量を変更することが可能である。この場合、アクチュエータダイナミクス補償器４３は、遅延を予備燃料制御信号４１に追加することによって燃料制御出力信号３３の変更を遅延させることができる。アクチュエータダイナミクス補償器４３は任意であって、実施形態ではアクチュエータダイナミクス補償器４３を欠いており、予備燃料制御信号４１は燃料制御出力信号３３と同等又は同一である。
【００２２】
燃焼用空気制御装置２５に着目すると、燃焼用空気制御装置は燃焼用空気制御出力信号４７を生成する。燃焼用空気制御装置２５は、ガスタービン１１上の燃焼用空気制御アクチュエータ４５に燃焼用空気制御出力信号４７を提供して、燃焼用空気制御アクチュエータの動作を制御する。燃焼用空気制御アクチュエータ４５は、燃焼用空気制御出力信号４７に応答して、ガスタービン１１の燃焼室に提供される空気の量を制御する。燃焼用空気制御アクチュエータ４５は、例えば、ガスタービン１１の入口案内翼６５の位置（例えば、角度）を制御できる。燃焼用空気制御装置２５は、燃焼用空気制御アクチュエータ４５の動作を制御することによって、燃焼領域に提供される空気の量を制御する。
【００２３】
燃焼用空気制御装置２５は、各伝達関数Ｋｄ（ｓ）〜Ｋｆ（ｓ）を用いて誤差信号３１ｄ〜３１ｆを処理する。伝達関数Ｋａ（ｓ）〜Ｋｃ（ｓ）と同様に、伝達関数Ｋｄ（ｓ）〜Ｋｆ（ｓ）は、例えばＰＩ又はＰＩＤ制御スキーム等の所望の制御スキームを実施できる。ループ燃焼用空気制御信号３７ｄ〜３７ｆは、伝達関数Ｋｄ（ｓ）〜Ｋｆ（ｓ）から出力され、燃焼用空気制御装置２５内の選択ロジック４９に提供される。燃焼用空気制御装置２５は、選択ロジック４９を介して、予備燃焼用空気制御信号５１を決定する。燃料制御装置２３内の選択ロジック３９と同様に、選択ロジック４９は、予備燃焼用空気制御信号５１としてループ燃焼用空気制御信号３７ｄ〜３７ｆの１つを選択するためのアルゴリズムを提供できる。選択ロジックは、予備燃焼用空気制御信号５１としてループ燃焼用空気制御信号を選択する際に１つのループ燃焼用空気制御信号を他のものよりも優先させる、即ち信号を比較してどちらがより大きい／より小さい値を有するかを決定できる。選択ロジックの例としては、ｍａｘ（ｍｉｎ（３７ｄ，３７ｅ），３７ｆ）を挙げることができる。選択ロジックは、排気温度、圧縮機圧力比等に関連するガスタービンの作動境界条件に基づいて決めることができる。選択ロジック４９は、境界条件の優先権に基づいてループ燃焼用空気制御信号３７ｄ〜３７ｆを比較し、ガスタービンが境界条件の一部又は全部の範囲内で作動するように予備燃焼用空気制御信号５１としてループ燃焼用空気制御信号を選択できる。必要に応じて、選択ロジックは、予備燃焼用空気制御信号５１を得るために、ループ燃焼用空気制御信号３７ｄ〜３７ｆの２つ以上を数学的に結合（例えば、加算、平均化など）できる。
【００２４】
空気／燃料協調制御装置１３の要求空間部分で作動する定常空気対燃料モデル１５は、燃料制御装置２３及び燃焼用空気制御装置２５の両方と通信する。定常空気対燃料モデル１５は、燃料制御装置２３から予備燃料制御信号４１を受信し、予備燃料制御信号４１に基づいて予想定常燃焼用空気制御信号５３を計算する。定常空気対燃料モデル１５は、予想定常燃焼用空気制御信号５３を燃焼用空気制御装置２５に提供する。図には示されていないが、定常空気対燃料モデル１５は、実際の定常状態への自動適応を含んでもよい。換言すれば、モデルは、燃焼用空気制御出力信号４７と予想定常燃焼用空気制御信号との定常差を除去するために自動的に調整できる。この適応は、定常空気対燃料モデル１５の精度を向上させる。
【００２５】
燃焼用空気制御装置２５は、定常空気対燃料モデル１５から予想定常燃焼用空気制御信号５３を受信する。燃焼用空気制御装置２５は、予備燃焼用空気制御信号５１及び予想定常燃焼用空気制御信号５３の一方又は両方に基づいて燃焼用空気制御出力信号４７を決定する。例えば、燃焼用空気制御装置２５は、予備燃焼用空気制御信号５１及び予想定常燃焼用空気制御信号５３を結合して、燃焼用空気制御出力信号４７を決定するための加算回路５５を含む。予備燃焼用空気制御信号５１及び予想定常燃焼用空気制御信号５３は加算回路５５によって加算することができ、加算回路５５の出力は燃焼用空気制御出力信号４７である。選択的に、図１に示すように、燃焼用空気制御装置２５は、加算回路５５からの出力を処理して、燃料制御アクチュエータ３５と燃焼用空気制御アクチュエータ４５との応答特性差を補償するアクチュエータダイナミクス補償器５７を含む。アクチュエータダイナミクス補償器が存在するならば、アクチュエータダイナミクス補償器５７の出力は、加算回路５５の出力そのままではなく、燃焼用空気制御出力信号４７である。
【００２６】
予備燃焼用空気制御信号５１及び予想定常燃焼用空気制御信号５３を結合するために、加算回路５５以外のその他の方法を使用してもよい。例えば、状況に応じて一方の入力に他方よりも重みを加えるアルゴリズムを介して結合を行なってもよい。
【００２７】
予想定常燃焼用空気制御信号５３は、燃料制御装置２３及び燃焼用空気制御装置２５の動作を協調させる役目をする。そのような協調は、ガスタービンの様々な悪条件が発生する可能性を削減できる。例えば、そのような協調は、希薄ブローアウト、排気過温度及び圧縮機サージの可能性を削減できる。
【００２８】
定常空気対燃料モデル１５は、予備燃料制御信号４１から予想定常燃焼用空気制御信号５３を計算するためにそのモデルを使用する。図２に示すように、空気対燃料モデル５９は、入口案内翼位置（ＩＧＶ）を燃料ストローク基準（ＦＳＲ）と関連付けることができる。或いは、空気対燃料モデルは、空気流を燃料流と直接関連付けることができる。予備燃料制御信号４１は、燃料制御アクチュエータ３５を直接的又は間接的に制御する。所定の予備燃料制御信号４１に関して、定常空気対燃料モデル１５は、空気対燃料モデルを用いて対応する予想定常燃焼用空気制御信号５３を決定及び出力する。当然のことながら、空気対燃料モデルは、数学的方程式を用いたアルゴリズムを介して、ルックアップテーブルを介して、又はその他の既知のモデリング技術を介して、実施できる。
【００２９】
図２に示すように、モデル５９は、ＦＳＲとＩＧＶとの定常相関関係を提供できる。定常空気対燃料モデル１５は、予想定常燃焼用空気制御信号５３を出力して、一般に図示の定常経路６１に沿ってガスタービン１１の動作を維持し、高速過渡状態（定常経路６１からの高速偏差）を補償する。図２に湾曲した矢印で図式的に示す、定常経路からの偏差、例えば所定のＦＳＲに対して高すぎる又は低すぎるＩＧＶ値は、希薄ブローアウト、排気過温度及び圧縮機サージ等の悪条件の発生をもたらす可能性がある。
【００３０】
図２において、定常経路６１は区分的線形である。定常経路６１は、ＩＧＶが低範囲のＦＳＲにわたって一定である水平部分を有する。水平部分の後、定常経路６１は、ＦＳＲが増加するにつれて一定の右上がり斜線を有する。当然のことながら、定常経路は、湾曲部分、或いは直線及び湾曲部分の組み合わせを有する。
【００３１】
図３は、ガスタービン１１及び空気／燃料協調制御装置１３の概略図である。図３に示す空気／燃料協調制御装置１３は、図１に示すものと同様である。しかしながら、図３において、予想定常燃焼用空気制御信号５３は、燃焼用空気制御装置２５に直接ではなく、境界計算器６７に提供される。境界計算器６７は、予想定常燃焼用空気制御信号５３に付加される可変バイアスを決定する。境界計算器６７は、予想定常燃焼用空気制御信号５３にバイアスを加減算して、予備燃焼用空気制御信号５１に対する上下限境界を出力する。上下限境界信号６９は、予備燃焼用空気制御信号と共にクランプ部分７１に提供される。クランプ部分の出力７３は、上下限境界信号６９によってクランプされた予備燃焼用空気制御信号５１である。予備燃焼用空気制御信号５１が境界内にある場合、クランプ部分の出力７３は予備燃焼用空気制御信号に等しい。予備燃焼用空気制御信号５１が上限境界より上又は下限境界より下にある場合、クランプ部分の出力７３はそれぞれ上限又は下限境界に等しい。
【００３２】
任意のアクチュエータダイナミクス補償器５７を欠いた図３による実施形態では、クランプ部分の出力７３は、燃焼用空気制御出力信号４７である。任意のアクチュエータダイナミクス補償器５７を含む図３による実施形態では、クランプ部分の出力７３はアクチュエータダイナミクス補償器５７に提供され、アクチュエータダイナミクス補償器が出力７３を処理して、燃料制御アクチュエータ３５と燃焼用空気制御アクチュエータ４５との応答特性差を補償する。
【００３３】
境界を決定するのに使用されるバイアスは可変である。境界計算器６７は、予想定常燃焼用空気制御信号５３の変化率を分析する。予想定常燃焼用空気制御信号５３の変化率が小さい場合、定常又は定常近傍状態が生じ、バイアスは比較的大きく設定される。バイアスを比較的大きく設定することによって、伝達関数Ｋｄ（ｓ）〜Ｋｆ（ｓ）が、予想定常燃焼用空気制御信号５３よりも、燃焼用空気制御出力信号４７の制御において優位を占めることができる。予想定常燃焼用空気制御信号５３の変化率が大きい場合、高速過渡状態が生じ、バイアスは比較的小さく又は０に設定される。バイアスマージンを比較的小さく設定することによって、予想定常燃焼用空気制御信号５３が、伝達関数Ｋｄ（ｓ）〜Ｋｆ（ｓ）よりも、燃焼用空気制御出力信号４７の制御において優位を占めることができる。高速過渡状態中、ループ燃焼用空気制御信号３７ｄ〜３７ｆを無視し、モデル５９に従った予想定常燃焼用空気制御信号５３に基づいて燃焼用空気制御出力信号４７を制御することが望ましい。
【００３４】
当然のことながら、クランプ部分７１は完全に選択ロジック４９の下流ではなく、それに組み込まれてもよい。ループ燃焼用空気制御信号３７ｄ〜３７ｆの１つ以上は、クランプ部分の下流で作動する。例えば、クランプ部分への入力は、ｍａｘ（３７ｄ，３７ｅ）となるのに対して、クランプ部分の出力は３７ｆと比較されて、両者の小さい方がアクチュエータダイナミクス補償器への入力となる。これにより、境界計算器６７からの上下限境界信号６９よりも３７ｆを生成する制御ループに高い優先権を効果的に与える。
【００３５】
要約して言えば、本発明は、ガスタービンのためのモデルに基づく空気／燃料協調制御装置を提供する。
【００３６】
本開示が一例であり、詳細を追加、修正又は省略することにより、本開示に含まれる教示の正当な範囲から逸脱することなく様々な変更が可能であることは明白である。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲が必然的に限定される範囲を除けば、本開示の特定の詳細に限定されることはない。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン（１１）の制御システムであって、
燃料制御アクチュエータ（３５）と、
燃焼用空気制御アクチュエータ（４５）と、
前記燃料制御アクチュエータ（３５）及び前記燃焼用空気制御アクチュエータ（４５）の動作を制御する空気／燃料協調制御装置（１３）であって、複数のガスタービン（１１）状態入力信号を受信し、入力信号に基づいて、第１誤差信号（３１ａ）、第２誤差信号（３１ｂ）、第３誤差信号（３１ｄ）及び第４誤差信号（３１ｅ）を測定する、前記空気／燃料協調制御装置（１３）とを含んでおり、
前記空気／燃料協調制御装置（１３）は、
燃料制御出力信号（３３）を燃料制御アクチュエータ（３５）に提供して、前記燃料制御アクチュエータ（３５）の動作を制御する燃料制御装置（２３）であって、
第１ループ制御信号（３７ａ）を得るために第１伝達関数を用いて前記第１誤差信号（３１ａ）を処理し、第２ループ制御信号（３７ｂ）を得るために第２伝達関数を用いて前記第２誤差信号（３１ｂ）を処理し、
前記第１ループ制御信号（３７ａ）及び前記第２ループ制御信号（３７ｂ）の少なくとも１つに基づいて予備燃料制御信号（４１）を決定し、前記予備燃料制御信号（４１）に基づいて前記燃料制御出力信号（３３）を決定する、前記燃料制御装置（２３）と、
燃焼用空気制御出力信号（４７）を前記燃焼用空気制御アクチュエータ（４５）に提供して、前記燃焼用空気制御アクチュエータ（４５）の動作を制御する燃焼用空気制御装置（２５）と、
前記燃料制御装置（２３）と通信し、前記予備燃料制御信号（４１）を処理して予想定常燃焼用空気制御信号（５３）を決定する定常空気対燃料モデルとを含んでおり、
前記燃焼用空気制御装置（２５）は、第３ループ制御信号（３７ｄ）を得るために第３伝達関数を用いて前記第３誤差信号（３１ｄ）を処理し、第４ループ制御信号（３７ｅ）を得るために第４伝達関数を用いて前記第４誤差信号（３１ｅ）を処理し、
前記燃焼用空気制御装置（２５）は、前記第３ループ制御信号（３７ｄ）及び前記第４ループ制御信号（３７ｅ）の少なくとも１つに基づいて予備燃焼用空気制御信号（５１）を決定し、前記予備燃焼用空気制御信号（５１）及び前記予想定常燃焼用空気制御信号（５３）に基づいて前記燃焼用空気制御出力信号（４７）を決定する、制御システム。
【請求項２】
前記空気・燃料協調制御装置（１３）は、前記予備燃焼用空気制御信号（５１）に適用される上下限境界を決定するための境界計算器（６７）を含んでおり、前記境界計算器（６７）は、前記予想定常燃焼用空気制御信号（５３）の変化率に基づいて前記上下限境界を決定する、請求項１に記載の制御システム。
【請求項３】
前記定常空気対燃料モデル（１５）は、実際の定常状態に基づいて自動的に調整される、請求項１に記載の制御システム。
【請求項４】
前記ガスタービン（１１）状態入力信号の少なくとも１つは、推定された状態に基づいている、請求項１に記載の制御システム。
【請求項５】
前記ガスタービン（１１）状態入力信号の少なくとも１つは、前記ガスタービン（１１）に関するセンサ（１７）によって提供される、請求項１に記載の制御システム。
【請求項６】
前記ガスタービン（１１）に関する前記センサ（１７）は、前記ガスタービン（１１）の回転速度を検知し、速度信号（３７ｃ）を生成する速度センサ（１７）と、前記ガスタービン（１１）の排気温度を検知し、温度信号（３７ｃ）を生成する温度センサ（１７）とを含む、請求項５に記載の制御システム。
【請求項７】
前記燃料制御装置（２３）は、前記燃料制御アクチュエータ（３５）と前記燃焼用空気制御アクチュエータ（４５）との応答特性差を補償するアクチュエータダイナミクス補償器（４３）を含んでおり、前記アクチュエータダイナミクス補償器（４３）は、前記予備燃料制御信号（４１）を処理して、前記燃料制御出力信号（３３）を決定する、請求項１に記載の制御システム。
【請求項８】
前記燃料制御出力信号（３３）を決定する際、前記アクチュエータダイナミクス補償器（４３）は、遅延を前記予備燃料制御信号（４１）に追加する、請求項７に記載の制御システム。
【請求項９】
前記燃料制御出力信号（３３）は、前記予備燃料制御信号（４１）に等しい、請求項１に記載の制御システム。
【請求項１０】
前記燃焼用空気制御装置（２５）は、前記燃料制御アクチュエータ（３５）と前記燃焼用空気制御アクチュエータ（４５）との応答特性差を補償するアクチュエータダイナミクス補償器（４３）を含む、請求項１に記載の制御システム。
【請求項１１】
前記燃焼用空気制御アクチュエータ（４５）は、入口案内翼の位置を制御する、請求項１に記載の制御システム。
【請求項１２】
前記燃料制御アクチュエータ（３５）は、燃料ストローク（６３）を制御しており、前記定常空気対燃料モデル（１５）は、燃料ストローク（６３）基準と前記入口案内翼の前記位置との定常相関関係を提供する、請求項１１に記載の制御システム。
【請求項１３】
ガスタービン（１１）の空気供給及び燃料供給を制御する方法であって、
前記ガスタービン（１１）の第１状態に基づいて第１誤差信号（３１ａ）を生成するステップと、
前記ガスタービン（１１）の第２状態に基づいて第２誤差信号（３１ｂ）を生成するステップと、
前記ガスタービン（１１）の第３状態に基づいて第３誤差信号（３１ｄ）を生成するステップと、
前記ガスタービン（１１）の第４の検知された状態に基づいて第４誤差信号（３１ｅ）を生成するステップと、
第１ループ制御信号（３７ａ）を得るために第１伝達関数に従って前記第１誤差信号（３１ａ）を処理するステップと、
第２ループ制御信号（３７ｂ）を得るために第２伝達関数に従って前記第２誤差信号（３１ｂ）を処理するステップと、
第３ループ制御信号（３７ｄ）を得るために第３伝達関数に従って前記第３誤差信号（３１ｄ）を処理するステップと、
第４ループ制御信号（３７ｅ）を得るために第４伝達関数に従って第４誤差信号（３１ｅ）を処理するステップと、
前記第１ループ制御信号（３７ａ）及び前記第２ループ制御信号（３７ｂ）の少なくとも１つに基づいて、予備燃料制御信号（４１）を生成するステップと、
前記予備燃料制御信号（４１）に基づいて燃料制御出力信号（３３）を生成するステップと、
前記燃料制御出力信号（３３）を燃料制御アクチュエータ（３５）に提供するステップと、
前記燃料制御アクチュエータ（３５）によって、前記燃料制御出力信号（３３）に基づいて燃料流量を調整するステップと、
定常空気対燃料モデル（１５）を提供するステップと、
前記定常空気対燃料モデル（１５）によって前記予備燃料制御信号（４１）から、予想定常燃焼用空気制御信号（５３）を生成するステップと、
前記第３ループ制御信号（３７ｄ）及び前記第４ループ制御信号（３７ｅ）の少なくとも１つに基づいて、予備燃焼用空気制御信号（５１）を生成するステップと、
前記予備燃焼用空気制御信号（５１）及び前記予想定常燃焼用空気制御信号（５３）に基づいて、燃焼用空気制御出力信号（４７）を生成するステップと、
前記燃焼用空気制御出力信号（４７）を燃焼用空気制御アクチュエータ（４５）に提供するステップと、
前記燃焼用空気制御アクチュエータ（４５）によって、前記燃焼用空気制御出力信号（４７）に基づいて燃焼用空気の量を調整するステップとを含む、方法。
【請求項１４】
実際の定常状態に基づいて前記定常空気対燃料モデル（１５）を自動的に調整するステップを更に含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記燃料制御アクチュエータ（３５）と前記燃焼用空気制御アクチュエータ（４５）との応答特性差を補償するステップを更に含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１】
ガスタービン（１１）の制御システムであって、
燃料制御アクチュエータ（３５）と、
燃焼用空気制御アクチュエータ（４５）と、
前記燃料制御アクチュエータ（３５）及び前記燃焼用空気制御アクチュエータ（４５）の動作を制御する空気／燃料協調制御装置（１３）であって、複数のガスタービン（１１）状態入力信号を受信し、入力信号に基づいて、第１誤差信号（３１ａ）、第２誤差信号（３１ｂ）、第３誤差信号（３１ｄ）及び第４誤差信号（３１ｅ）を測定する、前記空気／燃料協調制御装置（１３）とを含んでおり、
前記空気／燃料協調制御装置（１３）は、
燃料制御出力信号（３３）を燃料制御アクチュエータ（３５）に提供して、前記燃料制御アクチュエータ（３５）の動作を制御する燃料制御装置（２３）であって、
第１ループ制御信号（３７ａ）を得るために第１伝達関数を用いて前記第１誤差信号（３１ａ）を処理し、第２ループ制御信号（３７ｂ）を得るために第２伝達関数を用いて前記第２誤差信号（３１ｂ）を処理し、
前記第１ループ制御信号（３７ａ）及び前記第２ループ制御信号（３７ｂ）の少なくとも１つに基づいて予備燃料制御信号（４１）を決定し、前記予備燃料制御信号（４１）に基づいて前記燃料制御出力信号（３３）を決定する、前記燃料制御装置（２３）と、
燃焼用空気制御出力信号（４７）を前記燃焼用空気制御アクチュエータ（４５）に提供して、前記燃焼用空気制御アクチュエータ（４５）の動作を制御する燃焼用空気制御装置（２５）と、
前記燃料制御装置（２３）と通信し、前記予備燃料制御信号（４１）を処理して予想定常燃焼用空気制御信号（５３）を決定する定常空気対燃料モデルとを含んでおり、
前記燃焼用空気制御装置（２５）は、第３ループ制御信号（３７ｄ）を得るために第３伝達関数を用いて前記第３誤差信号（３１ｄ）を処理し、第４ループ制御信号（３７ｅ）を得るために第４伝達関数を用いて前記第４誤差信号（３１ｅ）を処理し、
前記燃焼用空気制御装置（２５）は、前記第３ループ制御信号（３７ｄ）及び前記第４ループ制御信号（３７ｅ）の少なくとも１つに基づいて予備燃焼用空気制御信号（５１）を決定し、前記予備燃焼用空気制御信号（５１）及び前記予想定常燃焼用空気制御信号（５３）に基づいて前記燃焼用空気制御出力信号（４７）を決定する、制御システム。
【請求項２】
前記空気・燃料協調制御装置（１３）は、前記予備燃焼用空気制御信号（５１）に適用される上下限境界を決定するための境界計算器（６７）を含んでおり、前記境界計算器（６７）は、前記予想定常燃焼用空気制御信号（５３）の変化率に基づいて前記上下限境界を決定する、請求項１に記載の制御システム。
【請求項３】
前記定常空気対燃料モデル（１５）は、実際の定常状態に基づいて自動的に調整される、請求項１に記載の制御システム。
【請求項４】
前記ガスタービン（１１）状態入力信号の少なくとも１つは、推定された状態に基づいている、請求項１に記載の制御システム。
【請求項５】
前記ガスタービン（１１）状態入力信号の少なくとも１つは、前記ガスタービン（１１）に関するセンサ（１７）によって提供される、請求項１に記載の制御システム。
【請求項６】
前記ガスタービン（１１）に関する前記センサ（１７）は、前記ガスタービン（１１）の回転速度を検知し、速度信号（３７ｃ）を生成する速度センサ（１７）と、前記ガスタービン（１１）の排気温度を検知し、温度信号（３７ｃ）を生成する温度センサ（１７）とを含む、請求項５に記載の制御システム。
【請求項７】
前記燃料制御装置（２３）は、前記燃料制御アクチュエータ（３５）と前記燃焼用空気制御アクチュエータ（４５）との応答特性差を補償するアクチュエータダイナミクス補償器（４３）を含んでおり、前記アクチュエータダイナミクス補償器（４３）は、前記予備燃料制御信号（４１）を処理して、前記燃料制御出力信号（３３）を決定する、請求項１に記載の制御システム。
【請求項８】
前記燃料制御出力信号（３３）を決定する際、前記アクチュエータダイナミクス補償器（４３）は、遅延を前記予備燃料制御信号（４１）に追加する、請求項７に記載の制御システム。
【請求項９】
前記燃料制御出力信号（３３）は、前記予備燃料制御信号（４１）に等しい、請求項１に記載の制御システム。
【請求項１０】
前記燃焼用空気制御装置（２５）は、前記燃料制御アクチュエータ（３５）と前記燃焼用空気制御アクチュエータ（４５）との応答特性差を補償するアクチュエータダイナミクス補償器（４３）を含む、請求項１に記載の制御システム。
【請求項１１】
前記燃焼用空気制御アクチュエータ（４５）は、入口案内翼の位置を制御する、請求項１に記載の制御システム。
【請求項１２】
前記燃料制御アクチュエータ（３５）は、燃料ストローク（６３）を制御しており、前記定常空気対燃料モデル（１５）は、燃料ストローク（６３）基準と前記入口案内翼の前記位置との定常相関関係を提供する、請求項１１に記載の制御システム。
【請求項１３】
ガスタービン（１１）の空気供給及び燃料供給を制御する方法であって、
前記ガスタービン（１１）の第１状態に基づいて第１誤差信号（３１ａ）を生成するステップと、
前記ガスタービン（１１）の第２状態に基づいて第２誤差信号（３１ｂ）を生成するステップと、
前記ガスタービン（１１）の第３状態に基づいて第３誤差信号（３１ｄ）を生成するステップと、
前記ガスタービン（１１）の第４の検知された状態に基づいて第４誤差信号（３１ｅ）を生成するステップと、
第１ループ制御信号（３７ａ）を得るために第１伝達関数に従って前記第１誤差信号（３１ａ）を処理するステップと、
第２ループ制御信号（３７ｂ）を得るために第２伝達関数に従って前記第２誤差信号（３１ｂ）を処理するステップと、
第３ループ制御信号（３７ｄ）を得るために第３伝達関数に従って前記第３誤差信号（３１ｄ）を処理するステップと、
第４ループ制御信号（３７ｅ）を得るために第４伝達関数に従って第４誤差信号（３１ｅ）を処理するステップと、
前記第１ループ制御信号（３７ａ）及び前記第２ループ制御信号（３７ｂ）の少なくとも１つに基づいて、予備燃料制御信号（４１）を生成するステップと、
前記予備燃料制御信号（４１）に基づいて燃料制御出力信号（３３）を生成するステップと、
前記燃料制御出力信号（３３）を燃料制御アクチュエータ（３５）に提供するステップと、
前記燃料制御アクチュエータ（３５）によって、前記燃料制御出力信号（３３）に基づいて燃料流量を調整するステップと、
定常空気対燃料モデル（１５）を提供するステップと、
前記定常空気対燃料モデル（１５）によって前記予備燃料制御信号（４１）から、予想定常燃焼用空気制御信号（５３）を生成するステップと、
前記第３ループ制御信号（３７ｄ）及び前記第４ループ制御信号（３７ｅ）の少なくとも１つに基づいて、予備燃焼用空気制御信号（５１）を生成するステップと、
前記予備燃焼用空気制御信号（５１）及び前記予想定常燃焼用空気制御信号（５３）に基づいて、燃焼用空気制御出力信号（４７）を生成するステップと、
前記燃焼用空気制御出力信号（４７）を燃焼用空気制御アクチュエータ（４５）に提供するステップと、
前記燃焼用空気制御アクチュエータ（４５）によって、前記燃焼用空気制御出力信号（４７）に基づいて燃焼用空気の量を調整するステップとを含む、方法。
【請求項１４】
実際の定常状態に基づいて前記定常空気対燃料モデル（１５）を自動的に調整するステップを更に含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記燃料制御アクチュエータ（３５）と前記燃焼用空気制御アクチュエータ（４５）との応答特性差を補償するステップを更に含む、請求項１３に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−２４１８２９（Ｐ２０１１−２４１８２９Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０６８９０（Ｐ２０１１−１０６８９０）
【出願日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
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