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JP2018150931A - 温度軌道を介して機械応力を制御するためのシステムおよび方法 - Google Patents

温度軌道を介して機械応力を制御するためのシステムおよび方法 Download PDF

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Abstract

【課題】温度軌道を介して機械応力を制御するためのシステムおよび方法を提供する。【解決手段】方法は、プロセッサを介して、蒸気タービンシステムの構成要素のための指令された温度速度を決定するステップを含む。この方法は、プロセッサを介して、蒸気タービンシステムの構成要素のための測定された温度速度を決定するステップをさらに含む。この方法はさらに、プロセッサを介して、指令された温度速度および測定された温度速度に少なくとも部分的に基づいて可変乗数を決定するステップを含む。この方法はまた、プロセッサを介して、可変乗数を指令された温度速度に適用することによって乗算された温度速度コマンドを導出するステップを含む。【選択図】図１

Description

本明細書に開示される主題は、産業制御システムに関し、より詳細には、温度軌道を使用して機械応力を制御することに関する。
ガスタービンシステムなどの産業機械は、発電供給をすることができる。例えば、ガスタービンシステムは、典型的には、空気のような作動流体を圧縮する圧縮機、圧縮された作動流体を燃料とともに燃焼させる燃焼器、および燃焼された流体を回転動力に変換するタービンを含む。例えば、圧縮空気は、流体を加熱して膨張させる燃焼器に噴射され、膨張した流体は押しやられてガスタービンを通過する。次いで、ガスタービンは、例えば、一連のブレード段によって、膨張した流体を回転動力に変換することができる。次いで、回転動力は、電力を生成する発電機を含み得る負荷を駆動するために使用され得る。ガスタービンエンジンは、蒸気タービンシステムを介して回収され得る一定量の廃熱を発生させることができる。蒸気タービンシステムは、ガスタービンシステムの排気（または別の供給源）を介して生成された蒸気を使用して、蒸気タービンブレードを回転させることができる。回転動力を生成するために、蒸気タービンブレードを使用することができ、回転動力は第２の負荷を駆動することができる。第２の負荷は、電力を生成する第２の発電機を含むことができる。蒸気タービンシステムの応力制御のような機械応力制御を改善することは有益であろう。
特開平０９−３１７４０４号公報
最初に主張された発明の範囲に相応する特定の実施形態を以下に要約する。これらの実施形態は、主張された発明の範囲を限定することを意図するものではなく、むしろ、これらの実施形態は、本発明の可能な形態の簡単な要約を提供することのみを意図している。実際、本発明は、以下に示す実施形態と同様であるかまたは異なっていてもよい様々な形態を含み得る。
第１の実施形態では、方法は、プロセッサを介して、蒸気タービンシステムの構成要素のための指令された温度速度を決定するステップを含む。方法は、さらに、プロセッサを介して、蒸気タービンシステムの構成要素のための測定された温度速度を決定するステップを含む。方法は、さらに、プロセッサを介して、指令された温度速度および測定された温度速度に少なくとも部分的に基づいて可変乗数を決定するステップを含む。方法は、プロセッサを介して、可変乗数を指令された温度速度に適用することによって乗算された温度速度コマンドを導出するステップも含む。
第２の実施形態では、システムは、産業システムのボイラに動作可能に結合するように構成されたコントローラを含み、ボイラは蒸気タービンシステムに流体的に結合され、コントローラはプロセッサを含む。プロセッサは、蒸気タービンシステムの構成要素の指令された温度速度を決定するように構成される。プロセッサは、さらに、蒸気タービンシステムの構成要素の測定された温度速度を決定するように構成される。プロセッサは、さらに、指令された温度速度および測定された温度速度に少なくとも部分的に基づいて可変乗数を決定するように構成される。プロセッサは、また、可変乗数を指令された温度速度に適用することによって、産業システムのための乗算された温度速度コマンドを導出するように構成される。
第３の実施形態では、１つまたは複数の有形の非一時的な機械可読媒体は、プロセッサに、蒸気タービンシステムの構成要素の指令された温度速度を決定させる命令を含む。プロセッサは、さらに、蒸気タービンシステムの構成要素の測定された温度速度を決定するように構成される。プロセッサは、さらに、指令された温度速度および測定された温度速度に少なくとも部分的に基づいて可変乗数を決定するように構成される。プロセッサは、また、可変乗数を指令された温度速度に適用することによって、産業システムのための乗算された温度速度コマンドを導出するように構成される。
本発明のこれらおよび他の特徴、態様、および利益は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むことによって、よりよく理解されるであろう。図面全体を通して同様の符号は同様の部品を表す。
本実施形態による１つまたは複数の産業機械を含む産業システムの一実施形態のブロック図である。 図１の産業システムに含まれる本開示の一実施形態による蒸気タービンシステムのブロック図である。 図２の蒸気タービンシステムの１つまたは複数の構成要素の温度速度を制御するための本開示の一実施形態によるプロセスのフローチャートである。
以下、本発明の１つまたは複数の特定の実施形態について説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を提供するために、実際の実装のすべての特徴は明細書に記載されないかもしれない。どのようなエンジニアリングまたは設計プロジェクトでもそうした実際の実装を開発するには、実装ごとに異なり得るシステム関連やビジネス関連の制約の遵守などのような、開発者の具体的な目標を達成するための実装固有の決定を多数行う必要があることを理解されたい。さらに、そのような開発努力は、複雑で時間がかかるが、それにもかかわらず、本開示の利益を受ける当業者にとって設計、製作および製造の日常的な事業であることを理解されたい。
本発明の様々な実施形態の要素を導入する場合、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」および「ｓａｉｄ」は、１つまたは複数の要素が存在することを意味することを意図している。「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語は、包括的であり、列挙された要素以外の追加の要素が存在し得ることを意味することが意図される。
産業制御システムは、例えば直接応力制御を適用することによって、蒸気タービンシステムなどの産業システムの応力を制御することができる。例えば、デルタ応力（例えば、経時的な応力変化）を表すｘ軸および現在の総応力を表すｙ軸を有する応力グラフをオペレータに表示し、制御に使用することができる。ｙ軸値が高いほど、蒸気タービンシステムを運転するときに応力の変化（すなわち、ｘ値）を少なくすべきである。本明細書に記載の技術は、代替的にまたは付加的に、温度速度（例えば、経時的な温度変化）を制御することができる。すなわち、特定の実施形態では、蒸気タービンシステムの温度速度は、応力と対照的に制御されてもよい。
例えば、タービンへの蒸気の流量、蒸気圧力などを制御することによって、特定の蒸気タービンシステム構成要素（例えば、シャフト、ケーシング、ブレードまたはバケット、入口など）の温度速度の変化を制御することができ、プラントまたは蒸気タービン始動の過程で所望の運転寿命（例えば、総寿命時間）を維持しながらシステムをより迅速に始動させることができる。実際に、解決すべき問題は、特定の蒸気タービン構成要素の材料、幾何学的形状、および／または流体力学に基づいて所望の温度速度の変化を「後退する」または導出することによって温度（例えば、バルク温度）速度の変化の導出として再構成される。特定の実施形態では、制御システムの出力は、一定の応力目標を満たすための所望の温度速度の変化であってもよい。
したがって、本実施形態は、例えば、産業システムの１つまたは複数の構成要素における所望の応力レベルに基づいて温度速度を制御するためのシステムおよび方法に関する。蒸気タービンシステムの実施形態では、制御は、蒸気タービンシステムの高速始動、ローディング、アンローディング、ベースローディングなどを含み得る。特定の実施形態では、所与の平均温度速度の変化（例えば、バルク温度速度の変化）を比較的小さな温度変化にわたって維持し、所与の平均温度速度の変化を典型的に妨害し得る特定の変動にもかかわらず所与の平均温度速度の変化を維持するように、固定の温度速度乗数とは対照的に、可変の温度速度乗数を使用することができる。具体的には、本明細書に記載の産業制御システムの実施形態は、閉ループ温度速度制御（ＣＬＴＲＣ）を使用して、指令された温度速度の変化および測定された温度速度の変化に少なくとも部分的に基づいて可変の速度乗数を決定することができる。可変乗数は、例えば蒸気流、蒸気圧などを制御するために、産業システム、例えば蒸気タービンの温度速度コマンドに適用することができる。
このように、ＣＬＴＲＣは、環境、産業システムの製造、産業システムの動作などに起因する変動を考慮することができる。したがって、産業制御システムは、産業システムが、動作特性（例えば、小さい温度変化）の大きなスパンにわたって所与の平均温度速度の変化を達成し、所与の平均温度速度を温度変化にわたって一定速度に維持することを可能にすることができる。本明細書で使用される場合、「温度速度の変化」は、経時的な温度の程度の変化を示すことができる。例えば、「温度速度の変化」は、単位時間当たりの温度の単位（例えば、摂氏／分、摂氏／秒）などで測定することができる。本明細書に記載の技術は、ターボエキスパンダなどの他のターボ機械にも適用可能である。
以上のことを念頭に置いて、産業システムの例を図１に示す。本実施形態は、（例えば、図１に示すように）蒸気タービンに流体的に結合されたガスタービンシステムに関して説明されているが、産業システム１０は、いくつかの実施形態では、ターボエキスパンダ、油圧タービンシステム、１つまたは複数の圧縮機システム（例えば、空気誘導圧縮機、往復圧縮機、遠心圧縮機、軸流式圧縮機、スクリュー圧縮機など）、１つまたは複数の電気モータシステム、例えばファン、押出機、送風機、遠心ポンプを含む産業システム、または産業プラントまたは他の産業施設に含まれ得る任意の様々な他の産業機械を含むことができることを理解されたい。
図１に示すように、産業システム１０は、ガスタービンシステム１２と、監視制御システム１４と、燃料供給システム１６と、を含む。ガスタービンシステム１２は、圧縮機２０と、燃焼システム２２と、燃料ノズル２４と、ガスタービン２６と、排気部２８と、を含むことができる。動作中、ガスタービンシステム１２は、空気３０を圧縮機２０内に引き込み、圧縮機２０は空気３０を圧縮し、空気３０を燃焼システム２２（例えば、燃焼システム２２はいくつかの燃焼器を含み得る）に移動させることができる。燃焼システム２２では、燃料ノズル２４（またはいくつかの燃料ノズル２４）は、燃料を噴射して圧縮空気３０と混合して例えば空燃混合気を生成することができる。
空燃混合気は、燃焼システム２２内で燃焼して高温燃焼ガスを生成することができ、高温燃焼ガスはタービン２６の下流に流れて１つまたは複数のタービン段を駆動する。例えば、燃焼ガスは、タービン２６を通って移動して、タービンブレードの１つまたは複数の段を駆動することができ、それによってシャフト３２を回転駆動することができる。シャフト３２は、シャフト３２のトルクを用いて発電する発電機などの負荷３４に接続することができる。高温燃焼ガスは、タービン２６を通過した後、排気部２８により環境へと、排ガス３６として排出される。排ガス３６は、二酸化炭素（ＣＯ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）などのガスを含み得る。
排ガス３６は、熱エネルギを含み、熱エネルギは、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）システム３７によって回収することができる。発電プラント１０などの複合サイクルシステムでは、高温排気３６は、ガスタービン２６から流れてＨＲＳＧ３７に送られ、高温高圧蒸気５０を生成するために使用されてもよい。その後、ＨＲＳＧ３７によって生成された蒸気５０は、さらなる発電のために蒸気タービンシステム４１を通過してもよい。さらに、生成された蒸気は、燃料を燃焼させて未処理の合成ガスを生成するために使用されるガス化装置など、蒸気が使用され得る任意の他のプロセスに供給されてもよい。ガスタービンエンジンの発電サイクルは「トッピングサイクル」と呼ばれることがあり、蒸気タービンエンジンの発電サイクルはしばしば「ボトミングサイクル」と呼ばれることがある。これらの２つのサイクルを組み合わせると、両方のサイクルで効率が向上する可能性がある。特に、トッピングサイクルからの排熱を捕捉し、ボトミングサイクルで使用するための蒸気を生成するために使用することができる。特定の実施形態では、蒸気タービンシステム４１は、例えば、以下にさらに説明するように、一定の応力レベルまたは一定の応力速度を維持することができる温度速度制御を提供するために、ＣＬＴＲＣを介して制御されてもよい。
特定の実施形態では、システム１０は、コントローラ３８も含むことができる。コントローラ３８は、いくつかのセンサ４２、ヒューマンマシンインターフェース（ＨＭＩ）オペレータインターフェース４４、および、システム１０の構成要素の制御に適した１つまたは複数のアクチュエータ４３に通信可能に接続されてもよい。アクチュエータ４３は、システム１０の様々な構成要素を制御するのに適したバルブ、スイッチ、ポジショナ、ポンプなどを含むことができる。コントローラ３８は、センサ４２からデータを受信し、圧縮機２０、燃焼器２２、タービン２６、排気部２８、負荷３４、ＨＲＳＧ３７、蒸気タービンシステム４１などを制御するために使用することができる。
現在の実施形態では、レベル速度の変化は、閉ループ温度速度制御（ＣＬＴＲＣ）を使用してシステム１０によって実施されてもよい。例えば、アクチュエータ４３は、蒸気タービンシステム４１への指令された温度速度の変化を実現するために使用され得る、１つまたは複数のバルブ、ポンプ、圧力調整器、圧力増加システムなどを含み得る。ＣＬＴＲＣは、１つの実施形態では、所望の一定レベルの応力に基づくことができる１つまたは複数のアクチュエータに可変乗数を適用することができる。可変乗数は、瞬時温度速度の変化が指令された温度速度の変化、またはある場合には、所与の平均応力レベル（または平均応力速度）を所望の範囲にわたって維持するように計算される温度速度の変化と一致するように選択されてもよい。ＨＭＩオペレータインターフェース４４は、コントローラ３８に提供され得るオペレータ入力（例えば、ユーザ指定の温度速度の変化）を受信するために使用され得る。さらに理解されるように、ＨＭＩオペレータインターフェース４４を介して受信されたセンサ４２のデータおよび／または入力に応答して、コントローラ３８は、ケーシング、シャフト、ブレードなどの蒸気タービンシステム４１の特定の構成要素の温度速度の変化を制御することができる。可変乗数を適用することにより、ＣＬＴＲＣは、ＣＬＴＲＣを実装しないシステムよりも動作特性（例えば、応力変化が小さいかまたはない、温度変化が小さい）の比較的大きいスパンにわたって所与の平均温度速度の変化を達成することができる。さらに、蒸気タービンシステム４１の始動、ローディング、アンローディングなどの間に、ＣＬＴＲＣは、所望の応力レベルまたは所望の応力速度を尊重しながら、より速い始動時間、ローディング時間、およびアンローディング時間をもたらす温度速度を有する基準軌道に従うことができる。
特定の実施形態では、ＨＭＩオペレータインターフェース４４は、システム１０の１つまたは複数のコンピュータシステムによって実行可能であってもよい。プラントオペレータは、ＨＭＩオペレータインターフェース４４を介して産業システム１０とインターフェース接続することができる。したがって、ＨＭＩオペレータインターフェース４４は、プラントオペレータがコマンド（例えば、制御コマンドおよび／または動作コマンド）をコントローラ３８に提供することができるように、様々な入出力デバイス（例えば、マウス、キーボード、モニタ、タッチスクリーン、または他の適切な入力デバイスおよび／または出力デバイス）を含むことができる。さらに、コントローラ３８および／またはセンサ４２からの動作情報は、ＨＭＩオペレータインターフェース４４を介して提示されてもよい。同様に、コントローラ３８は、産業システム１０の構成要素（例えば、圧縮機２０、タービン２６、燃焼器２２、負荷３４など）に結合された、例えば１つまたは複数のアクチュエータ４３、トランスデューサなどの１つまたは複数の最終制御要素を制御する役割を担うことができる。
特定の実施形態では、センサ４２は、コントローラ３８に様々な動作データを提供するのに有用な様々なセンサのいずれかであってもよい。例えば、センサ４２は、圧縮機２０の流量、圧力、および温度、タービン２６の速度および温度、圧縮機２０およびタービン２６の振動、ならびに排ガス３６の流量、排ガス３６中の温度、圧力および排出（例えば、ＣＯ２、ＮＯｘ）レベル、燃料３１中の炭素含有量、燃料３１の温度、圧縮機２０およびタービン２６の温度、圧力、クリアランス（例えば、圧縮機２０の回転部分と静止部分との間の距離、タービン２６の回転部分と静止部分との間の距離、および／または他の静止構成要素と回転構成要素との間の距離）、火炎温度または強度、振動、燃焼ダイナミックス（例えば、圧力、火炎強度などの変動）、負荷３４からの負荷データ、タービン２６からの出力電力などを提供することができる。センサ４２はまた、蒸気タービンシステム４１に配置された熱電対、サーミスタなどの温度センサを含むことができる。センサ４２はまた、流量計（例えば、差圧流量計、速度流量計、質量流量計、容積流量計、開チャネル流量計）などの流量センサ、および、蒸気タービンシステム４１に配置された連続レベルトランスミッタ、超音波トランスデューサ、レーザレベルトランスミッタなどの液面センサを含むことができる。さらに、センサ４２は、蒸気タービンシステム４１に含まれているピエゾ抵抗圧力センサ、差圧センサ、光学圧力センサなどの圧力センサを含むことができる。アクチュエータ４３は、ポンプ、バルブ、リニアアクチュエータ、スイッチなどを含むことができる。
コントローラ３８は、開示された技術を実行するためにソフトウェアプログラムを実行するプロセッサ３９（例えば、マイクロプロセッサ）を含むことができる。さらに、プロセッサ３９は、複数のマイクロプロセッサ、１つまたは複数の「汎用」マイクロプロセッサ、１つまたは複数の特殊用途マイクロプロセッサ、および／または１つまたは複数の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣＳ）、またはそれらのなんらかの組み合わせを含むことができる。例えば、プロセッサ３９は、１つまたは複数の縮小命令セット（ＲＩＳＣ）プロセッサを含むことができる。コントローラ３８は、制御ソフトウェア、ルックアップテーブル、構成データなどの情報を記憶することができるメモリデバイス４０を含むことができる。メモリデバイス４０は、揮発性メモリなどの有形の非一時的な機械可読媒体（例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ））および／または不揮発性メモリ（例えば、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ、ハードドライブ、または任意の他の適切な光、磁気、または固体記憶媒体、またはそれらの組み合わせ）を含むことができる。
メモリデバイス４０は、様々な目的に適した様々な情報を記憶することができる。例えば、メモリデバイス４０は、プロセッサが実行するための機械可読命令および／またはプロセッサ実行可能命令（例えば、ファームウェアまたはソフトウェア）を記憶することができる。１つの実施形態では、命令が実行されると、プロセッサ３９は蒸気タービンシステム４１の指令された温度速度の変化を決定する。例えば、１つの実施形態では、プロセッサ３９は、所望の一定応力レベル設定点および／または応力レベル速度設定点を決定し、所望の一定レベル設定点および／または応力レベル速度設定点を達成するために温度速度設定点を導出し、温度速度設定点に基づいて１つまたは複数のアクチュエータ４３に指令することができる。実際、特定の実施形態では、命令は、プロセッサ３９に蒸気タービンシステム４１の特定の構成要素の測定された温度速度の変化を決定させる。温度速度の変化は、以下にさらに詳細に説明されるように蒸気タービンシステム４１に配置されたシャフト、ケーシング、入口、出口、ブレードなどのような構成要素および／または構成要素の一部分の温度の温度速度の変化を参照することができる。
図２は、図１の蒸気タービンシステム４１の一実施形態を示す概略ブロック図である。図示された実施形態は一例に過ぎず、蒸気タービンシステム４１の様々な実装を使用することができることに留意されたい。図示されるように、蒸気タービンシステム４１は、蒸気タービンエンジン５２を駆動するために蒸気６４を使用するように構成されてもよく、および／または様々なプロセス５４に蒸気供給を届けるように構成されてもよい。特定の実施形態では、蒸気タービンシステム４１は、蒸気５０を生成して蒸気タービンシステム４１に出力するＨＲＳＧ３７に含まれる１つまたは複数のボイラ５７（例えば、蒸気発生ボイラ）に流体的に結合されてもよい。
蒸気タービンシステム４１は、高圧蒸気タービンセクション５６（例えば、ＨＰ蒸気タービン５６）および／または低圧蒸気タービンセクション５８（例えば、ＬＰ蒸気タービン５８）を含む。蒸気タービンシステム４１は、中圧蒸気タービンセクション（例えば、ＭＰ蒸気タービン）および／または他の蒸気セクションも含むことができる。特定の実施形態では、ボイラ５７によって出力される蒸気５０は、蒸気タービンシステム４１のＨＰ蒸気タービン５６セクションに入る高圧の高温蒸気であってもよい。蒸気タービンシステム４１は、蒸気５０を利用して負荷６０を駆動することができる。より具体的には、ＨＰ蒸気タービン５６のブレードは、蒸気５０の流れを回転運動に変換して、シャフトシステム６２を回転させることができる。蒸気５０のエネルギが回転運動に変換されると、蒸気５０は、圧力および／または熱を失い、蒸気６４としてＬＰ蒸気タービン５８に供給されてもよい。蒸気６４は、蒸気５０と比較して熱および／または圧力が少ないので、したがって、ＬＰ蒸気タービン５８は、蒸気６４のような低圧蒸気に対してより最適化されている。
ＬＰ蒸気タービン５８は、蒸気６４をシャフトシステム６２（同軸シャフトを含む１つまたは複数のシャフト）の回転運動に変換することができる。シャフトシステム６２は、電力を生成するための発電機であり得る負荷６０に結合されて示されている。
さらに、特定の実施形態では、蒸気タービンシステム４１の動作中に、蒸気タービンシステム４１は、低圧蒸気および／または凝縮水を含み得る排気６６を生成し得る。例えば、ＬＰ蒸気タービン５８からの排気６６は、凝縮器６８に導かれてもよい。凝縮器６８は、冷却塔または他のタイプのヒートシンクを利用して、凝縮器６８から出力された加熱水を冷却水用に交換することができ、冷却水は凝縮プロセスを補助する。特定の実施形態では、凝縮器６８からの凝縮液７０は、次に、ボイラ５７に導かれてもよい。図示された実施形態では、凝縮器６８からの凝縮液７０は、ボイラ５７に供給される前に、ホットウェルポンプ７４を介して脱気器ヒータ７２に送られる。脱気器ヒータ７２は、トレイ型脱気装置、スプレー型脱気装置、またはそれらの組み合わせを含むことができる。例えば、脱気器ヒータ７２は、１つまたは複数のスプレーヘッド（例えば、スプレーヘッダ）を有するエンクロージャ、垂直に積み重ねられた配列で配置された複数のトレイ、またはそれらの組み合わせを含むことができる。脱気器ヒータ７２は、蒸気７６を使用する蒸気セクションを含むことができる。蒸気７６からの熱は、凝縮液７０を飽和温度へ加熱するのを容易にし、それによって凝縮液７０中の溶解ガスを取り除く助けとなる。次いで、溶解ガスは、脱気器ヒータ７２のエンクロージャの通気口を通って退出し得る。脱気器ヒータ７２は、処理された加熱凝縮液７６の供給源を貯蔵するように構成された貯蔵タンク７８に、処理された凝縮液７６を送ることができる。
脱気器ヒータ７２は、凝縮液７０から様々な腐食性化合物および／または溶解ガス（例えば、酸素、二酸化炭素など）を除去して、ポンプ８０を介してボイラ５７に送られ得る処理された凝縮液または流体７６を生成するように構成されてもよい。特定の実施形態では、コントローラ３８は、センサ４２およびアクチュエータ４３を介して蒸気タービンシステム４１に動作可能に結合されてもよい。コントローラ３８は、プロセッサ３９を介してメモリ４０に記憶されたコンピュータ命令またはコードを実行することによって、蒸気タービンシステム４１の特定の態様（またはすべて）を制御するために使用され得る。例えば、コントローラ３８は、蒸気タービンシステム４１に配置された１つまたは複数のセンサ４２との間で信号を送信または受信し、信号を処理し、アクチュエータ４３に送られ得る制御動作を導出することができる。センサ４２は、限定はしないが、温度、流体の流速、圧力、速度、クリアランス、またはそれらの任意の組み合わせなど、蒸気タービンシステム４１の様々な条件またはパラメータを測定することができる。
より具体的には、コントローラ３８は、センサ４２から受信した情報を使用して、温度速度制御に適したアクチュエータ４３に作動信号を送信することができる。１つの実施形態では、コントローラ３８は、一定の応力レベルなどの所望の応力レベルを導出することができる。例えば、始動中、始動応力レベルは、ボイラ５７の流体の温度速度を制御することによって維持することができる。流体温度を制御して一定の応力レベルを維持することによって、蒸気タービンシステム４１の構成要素（例えば、ＨＰ蒸気タービン５６、ボイラ５７、ＬＰ蒸気タービン５８、負荷６０、凝縮器６８、脱気器ヒータ７２、ポンプ７４、タンク７８、ポンプ８０、および／または蒸気タービンシステム４１のすべての流体導管など）の寿命を増加させることができる。特定の実施形態では、一定の応力レベルは、蒸気タービンシステム４１の構成要素（例えば、ＨＰ蒸気タービン５６、ボイラ５７、ＬＰ蒸気タービン５８、負荷６０、凝縮器６８、脱気器ヒータ７２、ポンプ７４、タンク７８、ポンプ８０、および／または蒸気タービンシステム４１によって使用されるすべての流体導管など）の、サイズ、幾何学的形状（例えば形状）、壁の厚さ、製造材料、および／または所望の応力レベルを維持するのに適した流体流れの変化のような動作中の構成要素の流体力学などの特性を分析することによって決定することができる。同様に、タービンエンジン１２の始動中、ベースロード運転中、停止運転中、トリップ動作中などの間の応力とは対照的に、温度速度を制御することができる。
図３は、図２に示す蒸気タービンシステム４１の１つまたは複数の構成要素（例えば、ＨＰ蒸気タービン５６、ボイラ５７、ＬＰ蒸気タービン５８、負荷６０、凝縮器６８、脱気器ヒータ７２、ポンプ７４、タンク７８、ポンプ８０、および／または蒸気タービンシステム４１によって使用されるすべての流体導管など）の温度速度を制御する、本開示の一実施形態によるプロセス１００のフローチャートである。プロセス１００は、コントローラ３８のプロセッサ３９によって実行されるコンピュータ命令として実装され、メモリ４０に記憶され得る。図示された実施形態では、プロセッサ３９は、例えば、蒸気タービンシステム４１の１つまたは複数の構成要素のための指令された温度速度を決定することができる（ブロック１０２）。１つの実施形態では、指令された温度速度は、ＨＰ蒸気タービン５６、ボイラ５７、ＬＰ蒸気タービン５８、負荷６０、凝縮器６８、脱気器ヒータ７２、ポンプ７４、タンク７８、ポンプ８０、および／または蒸気タービンシステム４１によって使用されるすべての流体導管の１つまたは複数（またはそれらの組み合わせ）のための応力レベル設定点に基づいて決定することができ、応力レベル設定点は、例えば蒸気タービンシステム４１および／またはガスタービンシステム１２の始動動作中、ベースロード動作中、トリップ動作中、シャットダウン動作中に一定レベルに維持されるべき応力の量である。したがって、プロセス１００は、指令された温度速度の決定の一部として一定の応力レベルを決定することができる（ブロック１０２）。例えば、始動中、特定の一定応力レベルが望ましい場合がある。したがって、プロセス１００は、構成要素のサイズ、幾何学的形状（例えば、形状）、壁の厚さ、製造材料、および／または例えば、温度変化（例えば、始動温度の上昇）の間の膨張を防止するのに適した流体流れの変化などのような流体力学を分析することによって、一定の応力レベルを導き出すことができる。次に、プロセス１００は、所望の一定応力レベルに基づいて、指令された温度速度を決定して、例えば構成要素のサイズおよび幾何学的形状（例えば形状）、現在の排気３６の流量および温度、蒸気タービンシステム４１の導管を通る流体の流量などを分析することによって所望の一定応力レベルを維持し、指令された温度速度を導き出すことができる。
いくつかの実施形態では、指令された温度速度は、上述したように、一定応力を維持するために構成要素（例えば、ＨＰ蒸気タービン５６、ボイラ５７、ＬＰ蒸気タービン５８、負荷６０、凝縮器６８、脱気器ヒータ７２、ポンプ７４、タンク７８、ポンプ８０、および／またはすべての流体導管）を分析することによって導き出された温度基準カーブであり得る。他の実施形態では、温度基準カーブは、所望の応力範囲内に留まる上昇応力を可能にすることができる。さらに他の実施形態では、指令された温度速度は、入力として現在の温度、圧力、流量、速度、クリアランスなどを取り得る物理ベースのモデルを含むモデルに従うことができ、次いで出力として所望の温度速度設定点を導き出すことができる。さらに他の実施形態では、指令された温度速度は一定速度であってもよい。
追加でまたは代替として、指令された温度速度は、ステップ状の入力（例えば、構成要素の温度の量が一連の１つまたは複数のステップで変更される）であってもよい。このような実施形態では、指令された温度速度（例えば、指令された温度速度設定点）は、コントローラ３８で受信された、またはＨＭＩオペレータインターフェース４４から受信された、またはコントローラ３８を介して計算されたステップ状の温度速度入力として受信される（導き出される）。そのように、プロセッサ３９は、指令された温度速度を、監視制御システム１４で受信された、またはＨＭＩオペレータインターフェース４４から受信された、あるいはコントローラ３８を介して導き出されたステップ状の温度速度として決定することができる。同様に、ＨＭＩオペレータインターフェースは、時間に対する一連の温度点としての温度基準カーブ、および一定の所望の温度速度（例えば、一定の温度速度を使用する場合）を入力するために使用することができる。
いくつかの実施形態では、温度速度設定点は、傾斜入力であってもよい（例えば、構成要素［例えば、ＨＰ蒸気タービン５６、ボイラ５７、ＬＰ蒸気タービン５８、負荷６０、凝縮器６８、脱気器ヒータ７２、ポンプ７４、タンク７８、ポンプ８０、および／またはすべての流体導管］の温度速度量は、傾斜して変化する）。連続的に変化する温度速度設定点入力は周期的に受信され、連続する更新温度速度設定点を受信する間の期間は、監視制御システム１４および／または標準化に基づくことができる。
傾斜入力のこのようなシナリオでは、基準として使用するために設定点を傾斜させる速度を知ることが有利である。コントローラ３８は、連続する温度速度設定点の間の経過時間を決定する速度検出ロジックを含むことができる。プロセッサ３９は、連続温度速度量の差を経過時間で除算して、平均温度速度を得ることができる。指令された温度速度は、平均温度速度であると決定されてもよい。連続するサンプル間の時間が期間しきい値（例えば、８秒以上、８．１秒以上などの範囲）を超えて増加する場合、温度速度設定点はステップ状であると仮定され、指令された温度速度は、ステップ状の温度速度設定点に基づいて決定することができる。
コントローラ３８は、センサ４２に少なくとも部分的に基づいて、構成要素（例えば、ＨＰ蒸気タービン５６、ボイラ５７、ＬＰ蒸気タービン５８、負荷６０、凝縮器６８、脱気器ヒータ７２、ポンプ７４、タンク７８、ポンプ８０、および／またはすべての流体導管）の測定された温度速度を決定することができる（ブロック１０４）。例えば、センサ４２は、構成要素の１つまたは複数の位置で温度速度を測定することができる。（ブロック１０４）の別の測定は、生成された蒸気（例えば、蒸気５０、６４、７６）および／または蒸気タービンシステム４１の導管内の流体の排気３６の温度測定を含むことができる。（ブロック１０４）の別の測定は、生成された蒸気（例えば、蒸気５０、６４、７６）および／または蒸気タービンシステム４１の導管内の流体の排気３６の圧力測定も含むことができる。
温度速度制限構成要素モジュールは、温度速度しきい値の増加および減少を設定することができる。例えば、フィルタの温度速度制限構成要素は、温度速度しきい値を決定された指令された温度速度の１．５倍、２倍、３倍、またはそれ以上に増加および減少して設定することができる。このように、指令され得る温度速度を超える可能性がある（例えば、上昇する温度速度しきい値より上であるか、または低下する温度速度しきい値よりも低い）ノイズが検出され、低減され得る。
いくつかの実施形態では、軌道形式の制御を実施して、間隔にわたる平均測定温度速度と指令された温度速度とを一致させることができる。この軌道形式の制御は、いくつかの実施形態では、選択的に有効および／または無効にされてもよい。いくつかの実施形態では、デフォルトで、軌道形式の制御が有効にされる。１つの区間にわたる平均測定温度速度が決定され得る。指令された温度速度および／または一定の応力レベル設定点が変化するたびに、コントローラ３８は、現在の温度（または温度速度）値および目標温度（または温度速度）値を保存することができる。例えば、現在の温度値および目標温度値をメモリデバイス４０に保存することができる。これらの値の差は、指令された温度速度で除算され、変化中に経過した時間が決定される。フリーランニングタイマーもリセットされる。区間と経過時間との間の時間に対応する残りの温度速度は、区間と経過時間との間の差で除算され、残りの区間の間維持され得る平均温度速度を与える。有効にすると、軌道形式の制御によって下流のロジックが瞬時または現在の温度速度を調整して、平均測定温度速度を満たすことができる。
いくつかの実施形態では、命令は、指令された温度速度および／または測定された温度速度に少なくとも部分的に基づいて、プロセッサ３９に可変乗数を決定させることができる。さらに、命令は、プロセッサ３９に可変乗数を温度速度コマンドに適用させることができる。例えば、１つの実施形態では、可変乗数は、温度速度コマンドに可変乗数を乗算することによって温度速度コマンドに適用される。コントローラ３８は、次に、蒸気タービンシステム４１、ガスタービンシステム１２、またはそれらの組み合わせのアクチュエータ４３に信号を送信して、乗算された温度速度コマンドに基づいて温度速度を制御することができる。上述したように、応力レベルを制御するために適用される固定乗数技術とは対照的に、本明細書に記載されたＣＬＴＲＣ技術を使用することにより、可変温度乗数が頻繁に更新され、効率が向上する。いくつかの実施形態では、乗数は、応力レベルを一定値に維持するように更新される。
コントローラ３８は、指令された温度速度および測定された温度速度に少なくとも部分的に基づいて可変乗数を決定することができる（ブロック１０６）。例えば、コントローラ３８は、指令された温度速度と測定された温度速度との間の差に基づいて可変乗数を計算することができる比例積分レギュレータを含むことができる。測定された温度速度は、瞬時測定温度速度または上記で決定された平均測定温度速度のいずれかを含むことができる。いくつかの実施形態では、可変乗数は最小しきい値と最大しきい値との間にあってもよい。例えば、可変乗数は、０．７５と指令された温度速度に対する所望の（例えば、最大の）許容温度速度の比との間であってもよい。いくつかの実施形態では、温度速度が温度速度設定点の特定の不感帯内にある場合、可変乗数は１に設定されてもよい。さらに、いくつかの実施形態では、コントローラ３８が起動されると、可変乗数は１にプリセットされてもよい。
コントローラ３８は、可変乗数を蒸気タービン４１の温度速度コマンドに適用することができる（ブロック１０８）。いくつかの実施形態では、乗算された温度速度コマンドは、同調乗算器によってさらに乗算されてもよい。いくつかの実施形態では、乗算された温度速度コマンドは、アクチュエータ４３（例えば、ポンプ、バルブ）に供給される前に、所望の（例えば、最大の）温度速度に適用されてもよい。
次に、コントローラ３８は、蒸気タービンシステム４１、ガスタービンシステム１２、またはそれらの組み合わせに信号を送信して、乗算された温度速度コマンドに少なくとも部分的に基づいて１つまたは複数のアクチュエータ４３を制御することができる（ブロック１１０）。いくつかの実施形態では、信号は、蒸気タービン１２の流量調整器（例えば、ポンプ、バルブ、リストリクタなどの１つまたは複数のアクチュエータ４３）に送られて、例えば蒸気５０、６４、７６の蒸気の流量を調整することができる。次いで、アクチュエータ４３は、可変乗数で指令された温度速度をもたらすことができ、構成要素の寿命を改善することができる応力レベルまたは応力速度を提供することができる。結果としての制御は、より効率的な蒸気タービンシステム４１を可能にし、施設１０のエネルギ回収を支援する。本明細書に記載の技術は、ターボエキスパンダのような他の同様のシステムを制御するために使用され得ることを理解されたい。
本実施形態の技術的効果は、産業システムにおける温度速度を制御するためのシステムおよび方法に関する。具体的には、産業制御システムは、指令された温度速度および測定された温度速度に少なくとも部分的に基づいて可変乗数を決定することができ、これは、応力制御の代わりに蒸気タービンシステムなどの産業システムの温度速度コマンドに適用することができる。すなわち、応力レベルまたは応力速度を制御するのではなく、本明細書に記載の技術は温度速度を制御する。一例では、温度速度は、一定の応力レベルまたは一定の応力速度を維持することができる。測定された温度速度は、瞬時または平均の測定された温度速度であってもよい。このように、産業システムの環境、製造、産業システムの動作などによる変動が説明され得る。したがって、産業制御システムは、産業システムがより長い運転寿命を達成することを可能にすることができる。
この記述された説明は、最良の形態を含む本発明を開示するための例を使用しており、また、任意のデバイスまたはシステムを製造および使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含む本発明を当業者が実施できるようにするための例も使用している。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が思い付く他の例を含むことができる。そのような他の例は、特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を有する場合、または、特許請求の範囲の文言との差異がほとんどない同等の構造要素を含む場合に、特許請求の範囲内にあることが意図される。
本明細書に提示され特許請求されている技術は、現在の技術分野を明らかに改善し、抽象的、無形的または純粋理論ではない実用的な性質の有形物および具体的事例を参照しこれらに適用される。さらに、本明細書の末尾に添付された請求項が「［機能］を［実行］するための手段．．．」または「［機能］を［実行］するためのステップ．．．」として指定された１つまたは複数の要素を含む場合、そのような要素は、米国特許法第１１２条（ｆ）の規定で解釈されることを意図している。しかしながら、他の方法で指定された要素を含む請求項については、そのような要素は、米国特許法第１１２条（ｆ）の規定で解釈されるべきではないことを意図している。
１０ 産業システム
１２ ガスタービンシステム
１４ 監視制御システム
１６ 燃料供給システム
２０ 圧縮機
２２ 燃焼器
２４ 燃料ノズル
２６ ガスタービン
２８ 排気部
３０ 空気
３１ 燃料
３２ シャフト
３４ 負荷
３６ 排ガス
３７ ＨＲＳＧ
３８ コントローラ
３９ プロセッサ
４０ メモリデバイス
４１ 蒸気タービンシステム
４２ センサ
４３ アクチュエータ
４４ ＨＭＩオペレータインターフェース
５０ 蒸気
５２ 蒸気タービンエンジン
５４ プロセス
５６ ＨＰ蒸気タービン
５７ ボイラ
５８ ＬＰ蒸気タービン
６０ 負荷
６２ シャフトシステム
６４ 蒸気
６６ 排気
６８ 凝縮器
７０ 凝縮液
７２ 脱気器ヒータ
７４ ポンプ
７６ 蒸気
７８ タンク
８０ ポンプ
１００ プロセス

Claims (20)

  1. プロセッサ（３９）を介して、蒸気タービンシステム（４１）の構成要素のための指令された温度速度を決定するステップと、
    前記プロセッサ（３９）を介して、前記蒸気タービンシステム（４１）の前記構成要素のための測定された温度速度を決定するステップと、
    前記プロセッサ（３９）を介して、前記指令された温度速度および前記測定された温度速度に少なくとも部分的に基づいて可変乗数を決定するステップと、
    前記プロセッサ（３９）を介して、前記可変乗数を前記指令された温度速度に適用することによって乗算された温度速度コマンドを導出するステップと、
    を含む方法。
  2. 前記プロセッサ（３９）を介して電力生産システムに信号を送信して、前記乗算された温度速度コマンドに少なくとも部分的に基づいて前記蒸気タービンシステム（４１）の前記構成部品のための前記温度速度を制御するステップを含み、前記電力生産システムは、前記蒸気タービンシステム（４１）を含む、
    請求項１記載の方法。
  3. 前記信号は、アクチュエータ（４３）を作動させて、前記蒸気タービンシステム（４１）の前記構成要素の一定の応力レベル、前記蒸気タービンシステム（４１）の前記構成要素の一定の応力速度、またはそれらの組み合わせを維持するように構成される、
    請求項２記載の方法。
  4. 前記プロセッサ（３９）を介して、構成要素のサイズ、構成要素の幾何学的形状、構成要素の壁の厚さ、構成要素の材料、適用する流体力学、またはそれらの組み合わせを分析することによって、前記一定の応力レベル、前記一定の応力速度、またはそれらの組み合わせを導出するステップを含む、
    請求項３記載の方法。
  5. 前記プロセッサ（３９）を介して前記一定の応力レベルを導出することは、前記構成要素のサイズ、前記構成要素の幾何学的形状、前記構成要素の壁の厚さ、前記構成要素の材料、流体力学、またはそれらの組み合わせを分析することを含む、
    請求項４記載の方法。
  6. 前記蒸気タービンシステム（４１）の前記構成要素は、ケーシング、シャフト、ボイラ（５７）、前記シャフトに接続された負荷（６０）、凝縮器（６８）、脱気器ヒータ（７２）、ポンプ（７４）、タンク（７８）、流体導管、またはそれらの組み合わせを含む、
    請求項１記載の方法。
  7. 産業システムのボイラ（５７）に動作可能に結合するように構成されたコントローラ（３８）を含み、前記ボイラ（５７）は蒸気タービンシステム（４１）に流体的に結合され、前記コントローラ（３８）はプロセッサ（３９）を含む、システムであって、
    前記プロセッサ（３９）は、
    前記蒸気タービンシステム（４１）の構成要素の指令された温度速度を決定し、
    前記蒸気タービンシステム（４１）の前記構成要素の測定された温度速度を決定し、
    前記指令された温度速度および前記測定された温度速度に少なくとも部分的に基づいて可変乗数を決定し、
    前記可変乗数を前記指令された温度速度に適用することによって、前記産業システムのための乗算された温度速度コマンドを導出する、
    ように構成される、
    システム。
  8. 前記プロセッサ（３９）は、電力生産システムに信号を送信して、前記乗算された温度速度コマンドに少なくとも部分的に基づいて前記蒸気タービンシステム（４１）の前記構成部品のための前記温度速度を制御するように構成され、前記電力生産システムは、前記蒸気タービンシステム（４１）を含む、
    請求項７記載のシステム。
  9. 前記信号は、アクチュエータ（４３）を作動させて、前記蒸気タービンシステム（４１）の前記構成要素の一定の応力レベル、前記蒸気タービンシステム（４１）の前記構成要素の一定の応力速度、またはそれらの組み合わせを維持するように構成される、
    請求項８記載のシステム。
  10. 前記プロセッサ（３９）は、構成要素のサイズ、構成要素の幾何学的形状、構成要素の壁の厚さ、構成要素の材料、適用する流体力学、またはそれらの組み合わせを分析することによって、前記一定の応力レベル、前記一定の応力速度、またはそれらの組み合わせを導出するように構成される、
    請求項９記載のシステム。
  11. 前記プロセッサ（３９）は、前記構成要素のサイズ、前記構成要素の幾何学的形状、前記構成要素の壁の厚さ、前記構成要素の材料、流体力学、またはそれらの組み合わせを分析することによって、前記一定の応力レベルを導出するように構成される、
    請求項１０記載のシステム。
  12. 前記プロセッサ（３９）は、構成要素の寿命を最大にするために前記一定の応力レベルを導出するように構成される、
    請求項１１記載のシステム。
  13. 前記プロセッサ（３９）は、ステップ状の温度速度を受信または導出することに少なくとも部分的に基づいて前記指令された温度速度を決定するように構成される、
    請求項７記載のシステム。
  14. 前記プロセッサ（３９）は、傾斜温度速度を受信または導出することに少なくとも部分的に基づいて前記指令された温度速度を決定するように構成される、
    請求項７記載のシステム。
  15. 前記産業システムは、前記ボイラを有する排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）（３７）システムを含む、
    請求項７記載のシステム。
  16. プロセッサ（３９）に、
    蒸気タービンシステム（４１）の構成要素の指令された温度速度を決定させ、
    前記蒸気タービンシステム（４１）の前記構成要素の測定された温度速度を決定させ、
    前記指令された温度速度および前記測定された温度速度に少なくとも部分的に基づいて可変乗数を決定させ、
    前記可変乗数を前記指令された温度速度に適用することによって、産業システムのための乗算された温度速度コマンドを導出させる、
    ように構成された命令を含む、１つまたは複数の有形の非一時的な機械可読媒体。
  17. 前記プロセッサ（３９）に、電力生産システムに信号を送信させて、前記乗算された温度速度コマンドに少なくとも部分的に基づいて前記蒸気タービンシステムの前記構成部品のための前記温度速度を制御させるように構成された命令を含み、前記電力生産システムは、前記蒸気タービンシステム（４１）を含む、
    請求項１６記載の１つまたは複数の機械可読媒体。
  18. 前記信号は、アクチュエータ（４３）を作動させて、前記蒸気タービンシステム（４１）の前記構成要素の一定の応力レベル、前記蒸気タービンシステム（４１）の前記構成要素の一定の応力速度、またはそれらの組み合わせを維持するように構成される、
    請求項１７記載の１つまたは複数の機械可読媒体。
  19. 前記プロセッサ（３９）に、前記アクチュエータ（４３）を作動させて前記一定の応力レベルを維持させるように構成された前記命令は、前記プロセッサ（３９）に、構成要素のサイズ、構成要素の幾何学的形状、構成要素の壁の厚さ、構成要素の材料、適用する流体力学、またはそれらの組み合わせを分析させるように構成された命令を含む、
    請求項１８記載の１つまたは複数の機械可読媒体。
  20. 前記測定された温度速度を決定するための前記命令は、前記プロセッサ（３９）に、平均測定温度速度を決定させる命令を含む、
    請求項１６記載の１つまたは複数の機械可読媒体。
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