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JP2799792B2 - ガスタービン起動制御方式 - Google Patents
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JP2799792B2 - ガスタービン起動制御方式 - Google Patents

ガスタービン起動制御方式

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JP2799792B2
JP2799792B2 JP3285672A JP28567291A JP2799792B2 JP 2799792 B2 JP2799792 B2 JP 2799792B2 JP 3285672 A JP3285672 A JP 3285672A JP 28567291 A JP28567291 A JP 28567291A JP 2799792 B2 JP2799792 B2 JP 2799792B2
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rotation speed
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gas turbine
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exhaust gas
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泰太郎 田中
靖弘 小川
貢 足利
正宏 衣斐
康史 永田
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Kawasaki Motors Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はガスタービン起動制御方
式に関する。さらに詳しくは、ファジィ制御によるガス
タービン起動制御方式に関する。
【0002】
【従来の技術】ガスタービンの起動制御には、燃料を過
剰に投入することに起因する過度な燃焼温度上昇あるい
は圧縮機のサ−ジングを発生させることなく、しかも安
定した回転数制御が可能となる自立回転数まで短時間で
ガスタ−ビンを加速させるなど、多様な制御仕様が要求
される。一方、燃料着火直後の低回転域では、外気の温
度、圧力の変化、あるいはガスタ−ビンが充分に冷却さ
れた状態からの起動(以下、コ−ルドスタ−トともい
う)であるか、停止直後などガスタ−ビンが充分に冷却
されていない状態からの起動(以下、ホットスタ−トと
もいう)であるかなど、種々の要因によりガスタ−ビン
特性が様々に変わることに加えて、回転数が上昇するに
伴ってガスタ−ビン特性は著しく変動する。
【0003】このような制御技術上の難しさから、従来
のガスタ−ビン起動の多くには、ガスタ−ビンを加速さ
せるに必要な燃料流量を、試験デ−タなどをもとにして
回転数の関数で表した燃料スケジュ−ルによる起動方式
が用いられてきた。しかし、この起動方式では、燃料着
火直後のガスタ−ビン特性に大きく影響を与える起動時
の様々な条件変化に適切に対応することが難しく、特に
ホットスタ−ト時の燃焼温度の過度な上昇を防止するた
めの排ガス温度制限が確実に行えないなど、信頼性の面
から満足のいく起動が行えないという問題がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる従来技
術の問題点に鑑みなされたものであって、起動時の条件
変化に対しても常に要求される制御仕様を満足するガス
タービン起動制御方式を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】ガスタ−ビン起動制御に
おいて要求される制御仕様を常に満足させるためには、
ガスタ−ビンがどのような状態(回転数が低い、回転数
が高い、排ガス温度が高いなど)にあるかをとらえ、そ
の状態に応じた制御則を適用することが必要である。し
かし、回転数が高い、排ガス温度が高いなどの状態を厳
密に定義するのが難しい。この点について本発明者ら
は、これらの状態を明確な数値で表現することなしに各
制御仕様を満足するための制御則をアルゴリズム化でき
るファジィ制御の応用が有効であることを見出し本発明
を完成するに至った。
【0006】すなわち、本発明のガスタービン起動制御
方式は、メンバ−シップ関数が、(1)回転数に関する
メンバ−シップ関数と、(2)排ガス温度に関するメン
バ−シップ関数と、(3)回転数加速度に関するメンバ
−シップ関数とからなり、ファジィル−ルが、(1)回
転数が低いならば、燃料スケジュ−ルに基づく燃料制御
弁操作量を出力するというル−ルと、(2)回転数が高
いならば、回転数加速度演算結果に基づく燃料制御弁操
作量を出力するというル−ルと、(3)排ガス温度が高
いならば、排ガス温度制御演算結果に基づく燃料制御弁
操作量を出力するというル−ルと、(4)回転数が高
く、かつ回転数加速度が大きいならば、回転数加速度制
御演算結果に基づく燃料制御弁操作量を出力するという
ル−ルとからなり、前記メンバ−シップ関数およびファ
ジィル−ルを用いて、燃料スケジュ−ルに基づく燃料制
御弁操作量、回転数加速度演算結果に基づく燃料制御弁
操作量および排ガス温度制御演算結果に基づく燃料制御
弁操作量に対して、ファジィ演算処理を行なうことによ
り得られた燃料弁開度指令値を用いてガスタ−ビンの起
動制御を行なうことを特徴としている。
【0007】
【作用】本発明のガスタービン起動制御方式において
は、ガスタ−ビンの起動制御に要求される個々の制御仕
様に対応する各制御則を、ガスタ−ビンの状態に応じて
適用する。このとき、一定の条件を境にして切り換える
のではなく、ガスタ−ビンの状態を図4〜6のようなフ
ァジィ量でとらえることにより、各制御則がガスタ−ビ
ンの状態に応じて適度に重み付けされて適用される。そ
のため、起動時の条件によらず、常にそれぞれの制御仕
様を適度に満足するように起動を行うことができる。
【0008】
【実施例】以下、添付図面を参照しながら本発明のガス
タービン起動制御方式について説明する。
【0009】図1は本発明の制御ロジックの一実施例を
示す概略図、図2は本発明のガスタービン起動制御方式
に用いる制御装置の電気的構成を示す概略図、図3はガ
スタ−ビンの起動プロセスの一例の説明図、図4は回転
数に関するメンバーシップ関数のグラフ、図5は排ガス
温度に関するメンバーシップ関数のグラフ、図6は回転
数加速度に関するメンバ−シップ関数のグラフである。
【0010】ガスタ−ビン起動制御において要求される
制御仕様を常に満足させるためには、ガスタ−ビンがど
のような状態(回転数が低い、回転数が高い、排ガス温
度が高いなど)にあるかをとらえ、その状態に応じた制
御則を適用することが必要である。しかし、回転数が高
い、排ガス温度が高いなどの状態を厳密に定義するのが
難しいことから、これらの状態を明確な数値で表現する
ことなしに各制御仕様を満足するための制御則を、アル
ゴリズム化できるファジィ制御の応用が有効である。
【0011】ファジィ制御を適用するに当たっては、ガ
スタ−ビン起動プロセスの一例(図3参照)に示される
低回転域では、着火直後のガスタ−ビン特性が不確定な
上、空気流速が遅いことによりガスタ−ビンの応答性が
非常に悪いため、フィ−ドバック制御が不可能であり燃
料スケジュ−ルによる加速を行う。また、同図に示され
る高回転域では、回転数の上昇に伴って空気流速が増す
ことによりガスタ−ビンの応答性が徐々に向上し制御が
行いやすくなることから、一定の加速割合で加速させる
ために回転数加速度制御を行う。一方、排ガス温度が高
くなった場合には、燃焼温度の過度な上昇を防ぐための
排ガス温度制御を行う。さらに、高回転領域において回
転数加速度が大きくなりすぎると、過剰な燃料を投入す
ることにより圧縮機にサージングが発生するので、この
サージングを確実に防するために回転数加速度制御を行
う。
【0012】上述したガスタ−ビンの状態(回転数が高
い、回転数が低い、排ガス温度が高い、回転数加速度が
大きい)を図4〜6のようなメンバ−シップ関数でとら
え、下記のように基本となるファジィル−ルを構築し
た。
【0013】ル−ル1:回転数が低いならば、燃料スケ
ジュ−ルに基づく燃料制御弁操作量を出力する。
【0014】ル−ル2:回転数が高いならば、回転数加
速度制御演算結果に基づく燃料制御弁操作量を出力す
る。
【0015】ル−ル3:排ガス温度が高いならば、排ガ
ス温度制御演算結果に基づく燃料制御弁操作量を出力す
る。
【0016】ル−ル4:回転数が高く、かつ回転数加速
度が大きいならば、回転数加速度制御演算結果に基づく
燃料制御弁操作量を出力する。
【0017】本発明のファジィ制御においては、まず排
ガス温度測定装置および回転数計測装置により排ガス温
度および回転数を計測し、それらの計測値により前記各
ルールへの適合度を算出する。しかるのち、その適合度
を利用して別途演算処理されて得られた燃料スケジュー
ル演算結果、回転数加速度制御演算結果および排ガス温
度制御演算結果に基づく燃料制御弁操作量を演算処理し
て燃料制御弁開度指令値を算出し燃料流量を制御してい
るのである(図1参照)。これを数式で表現すれば数1
のようになる。
【0018】
【数1】
【0019】ここに、 μ1:ルール1に対する適合度 μ2:ルール2に対する適合度 μ3:ルール3に対する適合度 μ4:ルール4に対する適合度 w1:燃料スケジュール演算結果に基づく燃料制御弁操
作量 w2:回転数加速度制御演算結果に基づく燃料制御弁操
作量 w3:排ガス温度制御演算結果に基づく燃料制御弁操作
量 w4:回転数加速度制御演算結果に基づく燃料制御弁操
作量 を示す。
【0020】なお、前述の演算処理を本明細書では、
「ファジィ演算処理」と定義する。
【0021】次に、本発明のガスタービン起動制御方式
に用いる制御装置の構成について図2を参照しながら説
明する。図2において、1は回転数計測装置、2は排ガ
ス温度計測装置、3は吸気温度計測装置、吸気圧力計測
装置や圧縮機出口圧力計測装置などからなるガスタービ
ン制御用計測装置、4は燃料制御弁アクチュエ−タ、5
は主制御装置、6はモニタ装置を示す。
【0022】回転数計測装置1、排ガス温度計測装置
2、ガスタービン制御用計測装置3、燃料弁アクチェ−
タ4は従来よりガスタービン起動制御方式に用いられて
いるものと同様であるので、その構成の詳細についての
説明は省略する。
【0023】主制御装置5は、入出力インターフェー
ス、CPU、ROMおよびRAMから構成されている。
ROMには、燃料スケジュール演算用プログラム、回転
数加速度演算用プログラム、排ガス温度制御演算用プロ
グラム、ファジィ演算用プログラムなどの他に起動が完
了した後におけるガスタ−ビンの運転を行なうための種
々の制御演算用プログラムなどが格納されている。RA
Mには回転数計測装置1からの回転数や排ガス温度計測
装置2からの排ガス温度、その他の計測値、燃料スケジ
ュ−ルのデ−タ、メンバ−シップ関数やファジィル−ル
のデ−タ等が一時的に格納される。ファジィ演算プログ
ラムは、メンバ−シップ関数をもとに各ファジィル−ル
への適合度μ1〜μ4を演算する前件部演算部と、ファジ
ィル−ルに基づいて各制御演算結果w1〜w4に重みを付
けて式1により制御量を出力する後件部演算部とからな
る。
【0024】モニタ装置6は、モニタ用CPUとそれと
通信ケーブルで接続されているパソコンとからなる。な
お、モニタ装置6と主制御装置5とは、バスで接続され
ている。
【0025】図7〜10は、本発明のガスタービン起動
制御方式を航空用ガスタービンに適用した場合の排ガス
温度(図7および図9)および回転数(図8および図1
0)についての計測結果を示すグラフである。また図7
および図8はいわゆるコールドスタートの場合について
のものであり、図9および図10はいわゆるホットスタ
ートの場合についてのものである。図7および図9から
明らかなように、本発明のガスタービン起動制御方式に
よれば、コールドスタートとホットスタートとのように
起動時の条件が変わった場合でも、同程度の起動時間に
て起動を行うことができる。また図10から明らかなよ
うに、ホットスタ−ト時における排ガス温度の上昇が制
限値以下に制御されており、このことから従来の起動方
式では問題となっていたホットスタ−ト時の燃焼温度の
過度な上昇が確実に防止される。また、本起動制御方式
においては、コ−ルドスタ−ト、ホットスタ−トのいず
れの場合にも、サ−ジングの発生は見られなかった。
【0026】なお、当然のことながら本発明のガスター
ビン起動制御方式が適用できるガスタービンの種類に特
に限定はなく、航空用ガスタービンのみならずヘビーデ
ューティー用ガスタービンにも好適に適用することがで
きる。
【0027】
【発明の効果】以上説明したように、本発明においては
ファジィ制御をガスタービンの起動制御に有効に応用す
ることで、ガスタ−ビンの状態に対応して、常に要求さ
れる制御仕様を満足した起動を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の制御ロジックの一実施例を示す概略図
である。
【図2】本発明のガスタービン起動制御方式に用いる制
御装置の電気的構成を示す概略図である。
【図3】ガスタ−ビンの起動プロセスの一例を示した図
である。
【図4】回転数に関するメンバ−シップ関数のグラフで
ある。
【図5】排ガス温度に関するメンバ−シップ関数のグラ
フである。
【図6】回転数加速度に関するメンバ−シップ関数のグ
ラフである。
【図7】コールドスタート時の排ガス温度と時間の関係
を示すグラフである。
【図8】コールドスタート時の回転数と時間の関係を示
すグラフである。
【図9】ホットスタート時の排ガス温度と時間の関係を
示すグラフである。
【図10】ホットスタート時の回転数と時間の関係を示
すグラフである。
【符号の説明】
1 回転数計測装置 2 排ガス温度計測装置 3 ガスタービン制御用計測装置 4 燃料制御弁アクチュエ−タ 5 主制御装置 6 モニタ装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 衣斐 正宏 明石市川崎町1番1号 川崎重工業株式 会社 明石工場内 (72)発明者 永田 康史 明石市川崎町1番1号 川崎重工業株式 会社 明石工場内 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) F02C 7/26

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 メンバ−シップ関数が、 (1)回転数に関するメンバ−シップ関数と、 (2)排ガス温度に関するメンバ−シップ関数と、 (3)回転数加速度に関するメンバ−シップ関数とから
    なり、ファジィル−ルが、 (1)回転数が低いならば、燃料スケジュ−ルに基づく
    燃料制御弁操作量を出力するというル−ルと、 (2)回転数が高いならば、回転数加速度演算結果に基
    づく燃料制御弁操作量を出力するというル−ルと、 (3)排ガス温度が高いならば、排ガス温度制御演算結
    果に基づく燃料制御弁操作量を出力するというル−ル
    と、 (4)回転数が高く、かつ回転数加速度が大きいなら
    ば、回転数加速度制御演算結果に基づく燃料制御弁操作
    量を出力するというル−ルとからなり、前記メンバ−シ
    ップ関数およびファジィル−ルを用いて、燃料スケジュ
    −ルに基づく燃料制御弁操作量、回転数加速度演算結果
    に基づく燃料制御弁操作量および排ガス温度制御演算結
    果に基づく燃料制御弁操作量に対してファジィ演算処理
    を行なうことにより得られた燃料制御弁開度指令値を用
    いてガスタ−ビンの起動制御を行なうことを特徴とする
    ガスタービン起動制御方式。
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