CH701480B1 - Steuerungssystem für eine Gasturbinenmotoranordnung und Gasturbinenmotoranordnung - Google Patents

Abstract

Ein Steuerungssystem wird geschaffen. Ein Steuerungssystem schliesst ein Regelungsmodul (116), das angepasst ist, einen Brennstoffzufuhrdruck für eine Gasturbine zu regeln, einen Druckmessfühler (108), der angepasst ist, einen Druck von der Gasturbine zugeführtem Brennstoff zu erfassen, eine Brennstoffzufuhrleitung und ein Rückkopplungsmodul (117) ein, welches eine Rückkopplung einschliesst, wobei das Rückkopplungsmodul (117) angepasst ist, ein positives Rückkopplungs-Referenzsignal an das Regelungsmodul (116) zu liefern, so dass eine Reaktionszeit des Steuerungssystems auf Änderungen im Brennstoffdruck reduziert wird.

Description

Hintergrund der Erfindung

[0001] Diese Erfindung betrifft ein Steuerungssystem für eine Gasturbinenmotoranordnung und eine Gasturbinenmotoranordnung.

[0002] Zumindest einige bekannte industrielle Gasturbinen-Brennstoffregelungssysteme basieren auf einem stetigen Brennstoffdruck oberstromig eines Satzes von parallelen Gasregelventilen für den richtigen Betrieb. Aus diesem Grund wird unmittelbar oberstromig des Satzes von parallelen Gasregelventilen ein Druckregelventil eingesetzt, um diesen Druck zu regulieren.

[0003] Eine Verbesserung der Reaktion des Druckregelventils ist wünschenswert für die Druckregelung eines Gasturbinen-Brennstoffsystems. Eine langsame Reaktion und niedrige Bandbreite können zu einem schlechten Nachlaufverhalten des Regelungssystems mit dem geregelten Parameter führen. Ein Algorithmus, der eine verbesserte dynamische Reaktion eines Brennstoffregelungssystems schafft, einschliesslich einer kürzeren Anstiegszeit der Reaktion und eines besseren Nachlaufverhaltens für Befehlsreferenzsignale höherer Frequenz, kann den Turbinengesamtbetrieb verbessern.

Kurzbeschreibung der Erfindung

[0004] In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung schliesst ein Steuerungssystem für eine Gasturbinenmotoranordnung ein Regelungsmodul, das angepasst ist, einen Brennstoffzufuhrdruck für die Gasturbinenmotoranordnung zu regeln, einen Druckmessfühler, der angepasst ist, einen Druck von der Gasturbinenmotoranordnung zugeführtem Brennstoff zu erfassen, eine Brennstoffzufuhrleitung und ein Rückkopplungsmodul ein, welches angepasst ist, ein positives Rückkopplungs-Referenzsignal an das Regelungsmodul zu liefern, so dass eine Reaktionszeit des Steuerungssystems auf Änderungen im Brennstoffdruck reduziert wird.

[0005] In einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung schliesst eine Gasturbinenmotoranordnung eine Brennkammer, die angepasst ist, einen Strom von Brennstoff von einem Brennstoffzufuhrsystem über ein Brennstoffzufuhr-Regelventil aufzunehmen, und ein Steuerungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das angepasst ist, die Steuerung eines dynamischen Ansprechverhaltens des Brennstoffzufuhr-Regelventils zu erleichtern, ein, wobei das Steuerungssystem eine Verarbeitungseinheit einschliesst, die angepasst ist, einen Brennstoffzufuhrdruck zu der Brennkammer unter Verwendung eines Regelungsmoduls zu regulieren, ein Drucksignal der Brennstoffzufuhrleitung zu der Brennkammer zu empfangen und eine Rückkopplung auf das Regelungsmodul anzuwenden, um eine Reaktionszeit des Brennstoffzufuhr-Regelventils auf eine Änderung in dem Brennstoffzufuhrdruck zu der Brennkammer zu reduzieren.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

[0006] <tb>Fig. 1<sep>ist eine schematische Ansicht eines beispielhaften Steuerungssystems für ein Kraftwerk, das einen Gasturbinenmotor einschliesst; <tb>Fig. 2<sep>ist ein schematisches Diagramm eines Abschnittes eines Steuerungssystems, das mit dem in Fig. 1gezeigten Gasturbinenmotor verwendet werden kann; und <tb>Fig. 3<sep>ist ein Graph, der eine Reaktion von Subsystemen zur Brennstoffregelung auf eine sprunghafte Veränderung des Zwischenventildrucks P2 veranschaulicht.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0007] Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines beispielhaften Steuerungssystems 10 für ein Kraftwerk 12, das einen Gasturbinenmotor 14 einschliesst. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Gasturbinenmotor 14 in einer Kombizyklus-Konfiguration über eine monolithische Welle 20 an eine Dampfturbine 16 und einen elektrischen Leistungsgenerator 18 gekoppelt. In verschiedenen anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist der Gasturbinenmotor 14 in einer Einzelzyklus-Gasturbinenmotorkonfiguration an einen Generator gekoppelt. Zusätzliche Konfigurationen eines Gasturbinenmotors mit anderen Primärantriebsvorrichtungen werden in Bezug auf die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ebenfalls in Erwägung gezogen.

[0008] In der beispielhaften Ausführungsform wird der Gasturbinenmotor 14 durch das Steuerungssystem 10 über ein Gasturbinen- und Brennstoffregel-Subsystem 22 gesteuert. Andere Anlagen, wie etwa die Dampfturbine 16, ein Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator 24, und die Anlagenperipherie 26 werden von dem Steuerungssystem 10 durch jeweilige Steuerungssubsysteme in dem Kraftwerk 12 gesteuert. Die jeweiligen Subsysteme sind so angepasst, um mit Messfühlern und Steuerelementen (nicht dargestellt) zu kommunizieren, die mit den Anlagen gekoppelt sind und Signale bereitstellen, die eine Funktion der Betriebsparameter der Anlage darstellen. Die Subsysteme für jede Einheit kommunizieren miteinander und mit einem Anlagensteuerungssystem 28 über einen Einheiten-Datenbus 30, welcher ein einzelnes, ein doppelt redundantes oder ein dreifach redundantes Bussystem sein kann. Das Anlagensteuerungssystem 28 kommuniziert mit einer Technik-Arbeitsstation 32, zumindest einer Bediener-Arbeitsstation 34 und anderen Anzeige- oder Mensch-Maschine-Schnittstellen 36, wie etwa Druckern und einem Datenlogger, der Daten, die von jeweiligen, durch den Einheitsdatenbus 30 angekoppelten Subsystemen an ihn übertragen werden, aufnimmt und speichert.

[0009] Die Subsysteme schliessen zum Beispiel ein Generatorerregungs- und Schutz-Subsystem 38, ein statisches Starter-Subsystem 40, ein Dampfturbinen- und Beipasssteuerungs-Subsystem 42, ein Subsystem 44 für den Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator (HRSG – heat recovery steam generator) und mechanische Hilfselemente (MA – mechanical auxiliaries) für den Dampfzyklus, und ein Einheiten-Hilfssteuerungs-Subsystem 46 ein.

[0010] Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm eines Abschnitts zur Gasturbinenmotor-Brennstoffregelung des Steuerungssystems 10, das mit dem Gasturbinenmotor 14 (in Fig. 1dargestellt) verwendet werden kann. In der beispielhaften Ausführungsform erhält der Gasturbinenmotor eine Zufuhr von Brennstoff durch eine oder mehrere der Brennstoffverteilungsleitungen 102, die jeweils ein Brennstoffregelventil 104 einschliessen. Die Brennstoffverteilungsleitungen 102 erhalten einen Strom von Brennstoff aus einem Druckregelventil 106, das oberstromig von den Brennstoffregelventilen 104 angeordnet ist. Ein Brennstoffzufuhr-Druckmessfühler 108 ist in Strömungsverbindung mit der Brennstoffzufuhr oberstromig vom Druckregelventil 106 gekoppelt, und ein Zwischenventil-Druckmessfühler 110 ist in Strömungsverbindung mit der Brennstoffzufuhr unterstromig vom Druckregelventil 106 gekoppelt.

[0011] Der Brennstoffzufuhr-Druckmessfühler 108 erzeugt ein Signal P1, das eine Funktion des Brennstoffzufuhrdrucks oberstromig vom Druckregelventil 106 ist, und der Zwischenventil-Druckmessfühler 110 erzeugt ein Zwischenventildrucksignal P2, das eine Funktion des Brennstoffregeldrucks unterstromig vom Druckregelventil 106 ist. Eine Stellung des Druckregelventils 106 wird durch ein an das Druckregelventil 106 gekoppeltes Betätigungselement 112 gesteuert. Das Betätigungselement 112 wird von einem Ausgang eines Gasturbinenmotor-Brennstoffregelungs-Subsystems 114 gesteuert.

[0012] Das Gasturbinenmotor-Brennstoffregelungs-Subsystem 114 schliesst ein Regelungsmodul 116, das so angepasst ist, dass es die Reaktion der Brennstoffzufuhrkomponenten, einschliesslich der Ventile, der Rohrleitung, und der Sensoren darstellt, um Parameter zu verarbeiten, welche das Steuerungssystem 10 beeinflussen, sowie ein Rückkopplungsmodul (integral plus state feedback module) 117 ein. Eine innere Schleife des Rückkopplungsmoduls 117 ist ein Rückkopplungsparameter 118. Das Brennstoffzufuhrdrucksignal P1 schafft eine Vorwärtskopplung für das Brennstoffregelungs-Subsystem 114. Das Zwischenventildrucksignal P2 ist der gesteuerte Parameter des Brennstoffregelungs-Subsystems 114. Das Zwischenventildrucksignal P2 und ein Druckeinstellpunkt-Signal des Steuerungssystems 10 werden summiert, um ein Fehlersignal 120 zu erzeugen, das in einen Integrator 122 eingespeist wird, und eine Verstärkung 124 wird angelegt. Das integrierte Fehlersignal 126 und das Zustandsrückkopplungssignal 128 werden in einem Summierer 130 kombiniert. Das erhaltene Signal wird zur weiteren Verarbeitung an das Regelungsmodul 116 übertragen. Unsicherheiten in den Parametern, die zur Beschreibung der Brennstoffzufuhrkomponenten in dem Regelungsmodul 116 verwendet werden, oder Störungen, die auf die Brennstoffzufuhrkomponenten wirken, können bleibende Regelabweichungen verursachen. Um solche Auswirkungen zu vermeiden, wird die Zustandsrückkopplungs-Konfiguration in der inneren Schleife des Brennstoffregelungs-Subsystems 114 verwendet.

[0013] Während des Betriebs kann sich ein Bedarf nach Brennstoff langsam ändern, wenn die mit dem Brennstoff versorgten Gasturbinenmotoren die mechanische Leistungsabgabe erhöhen, um eine erhöhte elektrische Last zum Beispiel von einem elektrischen Leitungsnetz zu decken. Zusätzlich kann der Bedarf an Brennstoff sich schnell ändern, zum Beispiel sprunghaft ansteigen, wenn die elektrischen Anforderungen schnell ansteigen. Die Druckmessfühler 108 und 110 erfassen die Druckänderung auf Grund des erhöhten Brennstoffbedarfs in ihren jeweiligen Leitungen. P1 liefert ein Druckvorwärtskopplungssignal an das Regelungsmodul 116, und das Zwischenventildrucksignal P2 wird mit dem vom Steuerungssystem 10 erhaltenen Zwischenventil-Druckeinstellpunkt summiert. Das Fehlersignal 120 wird integriert und eine vorbestimmte Verstärkung angelegt. Das erhaltene integrierte Signal wird mit einem um die Verstärkung berichtigten Zustandsrückkopplungssignal von dem Regelungsmodul 116 summiert. Das Regelungsmodul wendet dann die Modellparameter und das Druckvorwärtskopplungssignal P1 auf das verarbeitete Fehlersignal an, um einen Steuerungsausgang y zu erzeugen, der an das Betätigungselement 112 übertragen wird, um das Druckregelventil 106 zur Einstellung des Zwischenventil-Brennstoffdrucks zurück auf den Wert des Einstellpunkts zu modulieren. Die Verwendung einer Integral-plus-Zustand-Regelungseinrichtung in dem Gasturbinenmotor-Brennstoffregelungs-Subsystem 114 schafft eine gegenüber bekannten Brennstoffregelungssystemen verbesserte dynamische Reaktion. Die verbesserte dynamische Reaktion schliesst eine kürzere Anstiegszeit in der Reaktion auf eine sprunghafte Änderung in dem gesteuerten Parameter sowie ein verbessertes Nachlaufverhalten für Befehlsreferenzsignale höherer Frequenz ein.

[0014] Fig. 3 ist ein Graph 300, der eine Reaktion von Brennstoffregelungs-Subsystemen auf eine sprunghafte Veränderung des Zwischenventildrucks P2 veranschaulicht. Der Graph 300 schliesst eine in Zeiteinheiten skalierte x-Achse 302 und eine in Einheiten des Zwischenventildrucks P2 skalierte y-Achse 304 ein. Der Graph 300 schliesst eine Linie 306 ein, welche einen sprunghaften Anstieg des Zwischenventildrucksignals P2 veranschaulicht. Eine Linie 308 zeigt eine Reaktion eines Gasturbinenmotor-Brennstoffregelungs-Subsystems nach dem Stand der Technik auf den sprunghaften Anstieg, und eine Linie 310 zeigt eine Reaktion des Gasturbinenmotor-Brennstoffregelungs-Subsystems 114 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der beispielhaften Ausführungsform erreicht die Linie 308 ungefähr 2,41 Sekunden, nachdem die durch die Linie 306 veranschaulichte sprunghafte Änderung ausgelöst wurde, einen im Wesentlichen stabilen Wert. Die Linie 310, welche die Reaktion des Gasturbinenmotor-Brennstoffregelungs-Subsystems 114 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, erreicht ungefähr 0,48 Sekunden, nachdem die durch die Linie 306 veranschaulichte sprunghafte Änderung ausgelöst wurde, einen im Wesentlichen stabilen Wert. Die Differenz in der Reaktion zwischen dem Subsystem nach dem Stand der Technik und dem Subsystem in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist auf ungefähr fünffache Verbesserung in der Reaktionsfähigkeit sowie eine entsprechende ungefähr fünffache Verbesserung der Bandbreite hin.

[0015] Ein technischer Effekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Reduktion der Auswirkungen von Schwankungen im Druck des Gas-Brennstoffzufuhrsystems auf den geregelten Gas-Zwischenventildruck zu fördern.

[0016] Das oben beschriebene Subsystem zur Regelung der Brennstoffzufuhr eines Gasturbinenmotors ist kostengünstig und besonders zuverlässig. Das Subsystem erlaubt eine verbesserte dynamische Reaktion für das Brennstoffzufuhrdruck-Regelventil, so dass Änderungen des Brennstoffzufuhrdrucks auf Grund von Änderungen im Brennstoffbedarf in einer relativ kürzeren Zeit gemindert werden. Dementsprechend erleichtert das Subsystem zur Regelung der Brennstoffzufuhr eines Gasturbinenmotors den Betrieb des Gasturbinenmotors auf kostengünstige und zuverlässige Weise.

[0017] Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf verschiedene spezifische Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass die Erfindung mit Abwandlungen innerhalb des Wesens und des Schutzbereichs der Ansprüche ausgeführt werden kann.

Claims (10)

1. Steuerungssystem (10) für eine Gasturbinenmotoranordnung (14), umfassend: ein Regelungsmodul (116), das angepasst ist, einen Brennstoffzufuhrdruck für die Gasturbinenmotoranordnung (14) zu regeln; einen Druckmessfühler (108), der angepasst ist, einen Druck von der Gasturbinenmotoranordnung (14) zugeführtem Brennstoff zu erfassen; eine Brennstoffzufuhrleitung; und ein Rückkopplungsmodul (117), welches angepasst ist, ein positives Rückkopplungs-Referenzsignal an das Regelungsmodul (116) zu liefern, so dass eine Reaktionszeit des Steuerungssystems (10) auf Änderungen im Brennstoffdruck reduziert wird.

2. Steuerungssystem (10) nach Anspruch 1, welches ein Druckregelventil (106) umfasst und wobei das Regelungsmodul (116) angepasst ist, das Ansprechverhalten des Druckregelventils (106) in der Brennstoffzufuhrleitung darzustellen.

3. Steuerungssystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, welches einen Druckmessfühler (110) und eine Verbindungs-Rohrleitung umfasst, welche die Brennstoffzufuhr mit der Gasturbinenmotoranordnung (14) koppelt, und wobei das Regelungsmodul (116) des Weiteren angepasst ist, das Ansprechverhalten des Druckmessfühlers (110) und der Verbindungs-Rohrleitung in der Brennstoffzufuhrleitung darzustellen.

4. Steuerungssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Regelungsmodul (116) des Weiteren angepasst ist, das Ansprechverhalten einer Vielzahl von Komponenten in der Brennstoffzufuhrleitung darzustellen.

5. Steuerungssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Rückkopplungsmodul (117) des Weiteren einen Integrator (122) umfasst, der angepasst ist, ein Signal zu integrieren, das ein mit einem Druckeinstellpunkt summiertes Druckrückkopplungssignal umfasst, um ein integriertes Signal zu erzeugen.

6. Steuerungssystem (10) nach Anspruch 5, wobei das Rückkopplungsmodul (117) des Weiteren einen Summierer (130) umfasst, der angepasst ist, ein Zustand-Rückkopplungssignal von dem Regelungsmodul (116), das mit einer Regelungsverstärkung (124) multipliziert wird, mit dem integrierten Signal zu summieren, um ein Integral/Summensignal zu erzeugen.

7. Steuerungssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Rückkopplungsmodul (117) des Weiteren angepasst ist, ein Zufuhrdruck-Vorwärtskopplungssignal zu erzeugen und in das Regelungsmodul (116) einzugeben.

8. Steuerungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, des Weiteren umfassend eine Brennstoffzufuhr zu der Gasturbinenmotoranordnung (14), die durch eine Ausgabe des Regelungsmoduls (116) regelbar ist.

9. Gasturbinenmotoranordnung (14), umfassend: eine Brennkammer, die angepasst ist, einen Strom von Brennstoff von einem Brennstoffzufuhrsystem über ein Brennstoffzufuhr-Regelventil (104) aufzunehmen; und ein Steuerungssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das angepasst ist, die Steuerung eines dynamischen Ansprechverhaltens des Brennstoffzufuhr-Regelventils (104) zu erleichtern, wobei das Steuerungssystem (10) eine Verarbeitungseinheit umfasst, die angepasst ist, um: einen Brennstoffzufuhrdruck zu der Brennkammer unter Verwendung eines Regelungsmoduls (116) zu regulieren; ein Drucksignal der Brennstoffzufuhrleitung zu der Brennkammer zu empfangen; und eine Rückkopplung auf das Regelungsmodul (116) anzuwenden, um eine Reaktionszeit des Brennstoffzufuhr-Regelventils (104) auf eine Änderung in dem Brennstoffzufuhrdruck zu der Brennkammer zu reduzieren.

10. Gasturbinenmotoranordnung (14) nach Anspruch 9, wobei die Verarbeitungseinheit des Weiteren angepasst ist, das Ansprechverhalten zumindest einer Komponente in der Brennstoffzufuhr auf Änderungen in zumindest entweder dem Brennstoffdruck oder dem Brennstofffluss oder beider unter Verwendung des Regelungsmoduls (116) darzustellen.