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

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