CH708856A2

CH708856A2 - Verfahren zum Steuern/Regeln des Betriebs einer Gasturbine während des Teillastbetriebs.

Info

Publication number: CH708856A2
Application number: CH01681/14A
Authority: CH
Inventors: Chi Ming Ho; Skigh Elliot Lewis; David Leach; Priscilla Graves Childers
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2013-11-04
Filing date: 2014-11-03
Publication date: 2015-05-15
Also published as: DE102014115478A1; CN204691908U; JP2015090150A; US20150121887A1

Abstract

Ein Verfahren zum Steuern/Regeln der Betriebsfähigkeit einer Gasturbine während des Teillastbetriebes umfasst das Erkennen, dass ein Verbrennungssystem der Gasturbine im Teillastbetrieb arbeitet, wobei das Verbrennungssystem eine Treibstoffquelle (15), Treibstoffkreise (14) und Ventile (16) umfasst, die funktional zwischen der Treibstoffquelle (15) und den jeweiligen Treibstoffkreisen (14) angeordnet sind; das Definieren erster und zweiter Grenzen auf der Basis erster und zweiter Parameter; und das automatische Steuern/Regeln jedes der Ventile (16), um den Treibstofffluss zu jedem der Treibstoffkreise (14) gemäss den definierten ersten und zweiten Grenzen zu steuern/regeln.

Description

Beschreibung

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

[0001 ] Der Gegenstand der vorliegenden Beschreibung ist der Betrieb von Gasturbinen und insbesondere die automatisierte Steuerung von Gasturbinen im Teillastbetrieb zum Verbessern der Flammenstabilität und des Verbrennungswirkungsgrades, um die Spreizung der Abgastemperatur, die Verbrennungsdynamik und die Emissionen zu beeinflussen, während keine anderen Grenzen überschritten werden, wie zum Beispiel Abgastemperatur-Grenzwerte und Beschleunigungsraten-Grenzwerte.

[0002] Der Teillastbetrieb einer Gasturbine ist hochtransient und unterliegt aufgrund der Umgebungsbedingungen und des Zustands der Turbine vor dem Anlassen der Maschine starken Schwankungen. Ausserdem machen es Ungewissheiten bei den Luft- und Treibstoffströmen im Teillastbetrieb zu einer besonderen Herausforderung, den Teillastbetrieb zu verstehen. Zwar ist der Diffusionsbetrieb recht stabil und erfordert kein detailliertes Verständnis der Teillastströme, doch der Vormischbetrieb reagiert auf solche Schwankungen besonders empfindlich.

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[0003] Gemäss einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern/Regeln der Betriebsfähigkeit einer Gasturbine während des Teillastbetriebes bereitgestellt und umfasst das Erkennen, dass ein Verbrennungssystem der Gasturbine im Teillastbetrieb arbeitet, wobei das Verbrennungssystem eine Treibstoffquelle, Treibstoffkreise und Ventile umfasst, die funktional zwischen der Treibstoffquelle und den jeweiligen Treibstoffkreisen angeordnet sind, das Definieren erster und zweiter Grenzen auf der Basis erster und zweiter Parameter und das automatische Steuern/Regeln jedes der Ventile, um den Treibstofffluss zu jedem der Treibstoffkreise gemäss den definierten ersten und zweiten Grenzen zu steuern/regeln.

[0004] Das Definieren kann umfassen, zusätzliche Grenzen auf der Basis mindestens der ersten und zweiten Parameter zu definieren.

[0005] Jedes der oben erwähnten Verfahren kann umfassen, dass die erste Grenze mit einer fetten Verlösch-Grenze (RBO) des Verbrennungssystems verknüpft ist und die zweite Grenze mit einer mageren Verlösch-Grenze (LBO) des Verbrennungssystems verknüpft ist, und wobei die ersten und zweiten Parameter ein Treibstoffdüsen-Äquivalenzverhältnis bzw. einen Brennkammer-Lastgradparameter umfassen.

[0006] Jedes der oben erwähnten Verfahren kann umfassen, dass die erste Grenze mit einer fetten Verlösch-Grenze (RBO) eines zentralen Treibstoffdüsenkreises des Verbrennungssystems verknüpft ist und die zweite Grenze mit Brennaufsatz-Metalltemperaturen oder -emissionen verknüpft ist.

[0007] Jedes der oben erwähnten Verfahren kann umfassen, dass die erste Grenze mit einem Verbindungs- und Trennungsgrenzwert eines äusseren Treibstoffdüsenkreises des Verbrennungssystems verknüpft ist und die zweite Grenze mit Querzündrohrtemperaturen und Verbrennungsdynamik verknüpft ist.

[0008] Jedes der oben erwähnten Verfahren kann des Weiteren Folgendes umfassen: Inbeziehungsetzen der ersten und zweiten Grenzen mit dem Treibstofffluss über erste bzw. zweite Transferfunktionen.

[0009] Jedes der oben erwähnten Verfahren kann des Weiteren Folgendes umfassen: automatisches Steuern/Regeln jedes der Ventile zum Steuern/Regeln des Treibstoffflusses zu jedem der Treibstoffkreise, um den Verbrennungswirkungsgrad aufrecht zu erhalten, wobei das automatische Steuern/Regeln jedes der Ventile das Anwenden einer Regelkreissteuerung auf ein Ziel umfasst, das zwischen den ersten und zweiten Grenzen definiert wird.

[0010] Jedes der oben erwähnten Verfahren kann des Weiteren Folgendes umfassen: Anlegen einer Vorspannung an das Ziel.

[0011 ] Jedes der oben erwähnten Verfahren kann des Weiteren Folgendes umfassen: Variieren einer Aufwärmzeit auf der Basis von Radraumtemperaturen.

[0012] Jedes der oben erwähnten Verfahren kann des Weiteren Folgendes umfassen: Steuern/Regeln des Verbrennungssystems dergestalt, dass eine zuvor festgelegte Beschleunigungsrate aufrecht erhalten wird.

[0013] Gemäss einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern/Regeln der Betriebsfähigkeit einer Gasturbine während des Teillastbetriebes bereitgestellt und umfasst das Erkennen, dass ein Verbrennungssystem der Gasturbine im Teillastbetrieb arbeitet, wobei das Verbrennungssystem eine Treibstoffquelle, Treibstoffkreise und Ventile umfasst, die funktional zwischen der Treibstoffquelle und den jeweiligen Treibstoffkreisen angeordnet sind, das Definieren magerer und fetter Verlösch-Grenzen (LBO, RBO) auf der Basis eines Treibstoffdüsen-Äquivalenzverhältnisses und eines Brennkammer-Lastgradparameters, und das automatische Steuern/Regeln jedes der Ventile zum Steuern/Regeln des Treibstoffflusses zu jedem der Treibstoffkreise gemäss den definierten LBO- und RBO-Grenzen.

[0014] Gemäss einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein System zum Steuern/Regeln der Betriebsfähigkeit einer Gasturbine während des Teillastbetriebes bereitgestellt und umfasst ein Verbrennungssystem, das bei Teillast betrieben werden kann, um ein Arbeitsfluid aus der Verbrennung zu erzeugen, wobei das Verbrennungssystem eine Treibstoffquelle, Treibstoffkreise und Ventile umfasst, die funktional zwischen der Treibstoffquelle und den jeweiligen Treibstoffkreisen an-

2 geordnet sind, und eine Steuereinheit. Die Steuereinheit umfasst codierte Daten bezüglich der ersten und zweiten Grenzen des Verbrennungssystems auf der Basis erster und zweiter Parameter des Verbrennungssystems und einen Prozessor, der dafür konfiguriert ist, jedes der Ventile automatisch zu steuern/regeln, um den Treibstofffluss zu jedem der Treibstoffkreise gemäss den definierten ersten und zweiten Grenzen zu steuern/regeln.

[0015] Die erste Grenze des Systems kann mit einer fetten Verlösch-Grenze (RBO) des Verbrennungssystems verknüpft sein, und die zweite Grenze kann mit einer mageren Verlösch-Grenze (LBO) des Verbrennungssystems verknüpft sein.

[0016] Die ersten und zweiten Parameter jedes oben erwähnten Systems können ein Treibstoffdüsen-Äquivalenzverhältnis bzw. einen Brennkammer-Lastgradparameter umfassen.

[0017] Die ersten und zweiten Grenzen jedes oben erwähnten Systems können auf die ersten und zweiten Parameter und zusätzliche Terrae gestützt werden.

[0018] Das Treibstoffdüsen-Äquivalenzverhältnis jedes oben erwähnten Systems kann ein lokales Treibstoff-Luft- Verhältnis, geteilt durch ein stoichiometrisches Treibstoff-Luft-Verhältnis, umfassen.

[0019] Der Prozessor jedes oben erwähnten Systems kann des Weiteren dafür konfiguriert sein, die ersten und zweiten Grenzen über erste bzw. zweite Transferfunktionen zu dem Treibstofffluss in Beziehung zu setzen.

[0020] Der Prozessor jedes oben erwähnten Systems kann des Weiteren dafür konfiguriert sein, jedes der Ventile automatisch zu steuern/regeln, um den Treibstofffluss zu jedem der Treibstoffkreise zu steuern/regeln, um den Verbrennungswirkungsgrad aufrecht zu erhalten.

[0021 ] Der Prozessor jedes oben erwähnten Systems kann des Weiteren dafür konfiguriert sein, eine Aufwärmzeit auf der Basis von Radraumtemperaturen zu variieren.

[0022] Der Prozessor jedes oben erwähnten Systems kann des Weiteren dafür konfiguriert sein, das Verbrennungssystem zu steuern/regeln, um eine zuvor festgelegte Beschleunigungsrate aufrecht zu erhalten.

[0023] Diese und weitere Vorteile und Merkmale werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen deutlicher erkennbar.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0024] Der hier besprochene Gegenstand, der als die Erfindung angesehen wird, wird in den Ansprüchen am Schluss der Spezifikation besonders herausgestellt und gesondert beansprucht. Die oben angesprochenen sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen ersichtlich, wobei in den Zeichnungen folgendes dargestellt ist:

[0025] Fig. 1 ist ein schematisches Schaubild eines Gasturbinentriebwerks gemäss Ausführungsformen;

[0026] Fig. 2 ist eine vergrösserte Ansicht einer Brennkammer und von Treibstoffkreisen der Gasturbinentriebwerks von Fig. 1 ;

[0027] Fig. 3 ist ein schematisches Schaubild einer Steuereinheit des Gasturbinentriebwerks von Fig. 1 ;

[0028] Fig. 4 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern/Regeln der Betriebsfähigkeit einer Gasturbine während des Teillastbetriebes gemäss Ausführungsformen veranschaulicht;

[0029] Fig. 5 ist ein Flussdiagramm, das ein detailliertes Verfahren zum Steuern/Regeln der Betriebsfähigkeit einer Gasturbine während des Teillastbetriebes gemäss weiteren Ausführungsformen veranschaulicht;

[0030] Fig. 6 ist eine grafische Darstellung von Betriebsgrenzen, die durch das Verfahren von Fig. 4 verwendet werden;

[0031 ] Fig. 7 ist eine grafische Darstellung von Ergebnissen einer Ausführung des Verfahrens von Fig. 5; und

[0032] Fig. 8 ist eine grafische Darstellung von erfolgreichen Start und Fehlstarts Starts eines Gasturbinentriebwerks.

[0033] Die detaillierte Beschreibung erläutert Ausführungsformen der Erfindung zusammen mit Vorteilen und Merkmalen beispielhaft mit Bezug auf die Zeichnungen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[0034] Die folgende Beschreibung betrifft eine automatisierte Strategie zur Steuerung des Teillastbetriebes eines Gasturbinentriebwerks, wobei ein Gasturbinensteuerungssystem automatisch die Treibstoffströme zu jedem der Treibstoffkreise des Gasturbinentriebwerks steuert/regelt, um die Flammenstabilität und den Verbrennungswirkungsgrad zu verbessern, um die Spreizung der Abgastemperatur, die Verbrennungsdynamik und die Emissionen zu beeinflussen, während andere Grenzen wie Abgastemperatur-Grenzwerte und Beschleunigungsraten-Grenzwerte nicht überschritten werden.

[0035] Mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 wird ein Gasturbinentriebwerk 10 bereitgestellt, das einen Verdichter 11 , eine Brennkammer 12 und eine Turbinensektion 13 umfasst. Der Verdichter 1 1 verdichtet Einlassluft und gibt die verdichtete Einlassluft an die Brennkammer 12 über Treibstoffkreise 14 aus. Obgleich zwei Treibstoffkreise 14 in den Fig. 1 und 2 gezeigt sind, versteht es sich, dass auch ein einzelner Treibstoffkreis 14 oder mehr als zwei Treibstoffkreise 14 in dem Gasturbinentriebwerk 10 vorhanden sein können. Die Treibstoffkreise 14 erhalten jeweils Treibstoff von der Treibstoffquelle

3 15 über Ventile 16, die eine Menge an Treibstoff, die jeder Treibstoffkreis 14 empfängt, erhöhen oder verringern. Innerhalb der Treibstoffkreise 14 werden der empfangene Treibstoff und die verdichtete Einlassluft vermischt und in einen Innenraum 120 der Brennkammer 12 als brennbare Materialien eingespritzt. Die brennbaren Materialien werden innerhalb des Innenraums 120 verbrannt und erzeugen ein sehr heisses und unter hohem Druck stehendes Arbeitsfluid, das mittels eines Übergangsstücks 17, das in den Fluidstrom zwischen der Brennkammer 12 und der Turbinensektion 13 eingesetzt ist, in die Turbinensektion 13 gerichtet wird. Ein Teil des Treibstoffkreises 14 kann so angeordnet sein, dass die brennbaren Materialien als Teil eines mageren Späteinspritz-Systems (LLI), das an dem Gasturbinentriebwerk 10 angeordnet ist, in einen Innenraum des Übergangsstücks 17 eingespritzt werden. Innerhalb der Turbinensektion 13 dehnt sich das sehr heisse und unter hohem Druck stehende Arbeitsfluid aus, um mechanische Energie zu erzeugen, welche die Drehung eines Rotors 18 bewirkt, der sich durch die Turbinensektion 13, den Verdichter 11 und einen Generator 19 erstreckt. Die Drehung des Rotors 18 bewirkt den Betrieb des Verdichters 1 1 und kann zur Erzeugung von Elektrizität im Generator

19 verwendet werden.

[0036] Gemäss Ausführungsformen, und wie in Fig. 2 gezeigt, können die Treibstoffkreise 14 einen ersten Treibstoffkreis (PM1 -Kreis) 141 und einen zweiten Treibstoffkreis (PM2-Kreis) 142 umfassen. Der PM1 -Kreis 141 speist eine zentrale Treibstoff düse in der Brennkammer 12, oder in einer Flammrohr-Ring-Anordnung die zentrale Treibstoffdüse in jedem der Flammrohre der Brennkammer 12. Der PM2-Kreis 142 speist zwei der fünf äusseren Treibstoffdüsen in der Brennkammer 12 oder, im Fall der Flammrohr-Ring-Anordnung, zwei der fünf äusseren Treibstoffdüsen in jedem der Flammrohre der Brennkammer 12.

[0037] Das Gasturbinentriebwerk 10 kann des Weiteren mehrere Sensoren 20 umfassen, die in dem gesamten Verdichter 1 1 , der Brennkammer 12 und der Turbinensektion 13 angeordnet sind. Die Sensoren 20 können Temperatursensoren 201 umfassen, wie zum Beispiel Thermopaare, die im Abgasstrom der Brennkammer 12 angeordnet sind, um Abgastemperaturen zu detektieren, und in Radraumhohlräumen in der Turbinensektion 13 angeordnet sind, um Temperaturen in den Radraumhohlräumen zu detektieren. Die Sensoren 20 können ausserdem Positionssensoren 202 umfassen, die so angeordnet sind, dass sie eine Rückmeldung zum Ventilhub des Ventils 16 ausgeben, sowie Drucksensoren 203, die in einem Einlass (zum Beispiel einem aufgeweiteten Einlass) des Verdichters 1 1 angeordnet sind, um Einlassluftströme und -druck am Verdichter zu messen, und/oder Strömungsmessungssensoren 204, die in den Treibstoffkreisen 14 angeordnet sind, um statische und dynamische Drücke mindestens des in den Treibstoffkreisen 14 empfangenen Treibstoffs zu detektieren und um TreibstoffStrömungsraten zu messen. Zusammengenommen ergeben die Messwerte der Sensoren

20 ein Bild der Zyklusbedingungen, wie zum Beispiel Drücke, Temperaturen, Luftstrom und Treibstofffluss, innerhalb des Gasturbinentriebwerks 10 während des gesamten Betriebes.

[0038] Das Gasturbinentriebwerk 10 der Fig. 1 und 2 kann in mehreren Modi und mit mehreren Geschwindigkeiten unter belasteten (d. h. Volllast oder VL) oder unbelasteten (d. h. ohne Last oder OL) Bedingungen betrieben werden. Genauer gesagt, kann das Gasturbinentriebwerk 10 aus einem Null-Geschwindigkeits-Zustand heraus gestartet werden und kann über einen Teillastzustand mehrere Minuten lang beschleunigt werden, bevor es einen Voll-Geschwindigkeits-Zustand erreicht. Die Betriebsfähigkeit des Gasturbinentriebwerks 10 der Fig. 1 und 2 kann Betriebsgrenzen unterworfen sein, die mit dem Verbrennungssystem 31 (siehe Fig. 3) Zusammenhängen, das die Brennkammer 12, die Treibstoffkreise 14, die Treibstoffquelle 15 und die Ventile 16 umfasst.

[0039] Zum Beispiel kann es mit der Ausgestaltung des PM1 -Kreises 141 und des PM2-Kreises 142, wie oben beschrieben, drei oder mehr Betriebsgrenzen zum Steuern/Regeln des Äquivalenzverhältnisses von Treibstoffdüsen geben. Dazu gehören einen magere Verlösch-Grenze (LBO) für das Treibstoffdüsen-Äquivalenzverhältnis für den PM1 -Kreis 141 , eine fette Verlösch-Grenze (RBO) für das Treibstoffdüsen-Äquivalenzverhältnis für den PM1 -Kreis 141 und eine dritte Grenze für das Treibstoffdüsen-Äquivalenzverhältnis für den PM2-Kreis 142. Diese dritte Grenze wird als eine Verbindungs- und Trennungs(V/T)-Grenze bezeichnet, nahe der die Flamme des PM2-Kreises 142 ein transientes Verhalten durch Verbinden mit der, bzw. Trennen von der, Treibstoffdüsenspitze aufweist, wodurch eine hohe Verbrennungsdynamik und -Instabilität hervorgerufen werden. Alternativ kann die RBO-Grenze für den PM1 -Kreis 141 mit Grenzwerten kombiniert werden, die auf Brennaufsatzmetall-Temperaturen oder -emissionen basieren. Darüber hinaus kann, wenn man nur die V/T-Grenze des PM2-Kreises 142 betrachtet, die V/T-Grenze mit Grenzwerten kombiniert werden, die auf Querzündrohrtemperaturen und Verbrennungsdynamik basieren.

[0040] Während Operationen, die mit dem Teillastzustand Zusammenhängen, sind die vorrangig zu betrachtenden Faktoren für die Betriebsfähigkeit das vollständige oder teilweise Verlöschen, Überhitzung, eine überhöhte Verbrennungsdynamik-Amplitude, niedrige Verbrennungswirkungsgrade und übermässige Beschleunigung. Ein vollständiges oder teilweises Verlöschen der Flamme in einem oder mehreren der Flammrohre der Brennkammer 12 kann zu hohen Abgastemperaturspreizungen führen und kann ein Aussetzen des Gasturbinentriebwerks 10 verursachen. Eine der Ursachen für ein solches Verlöschen steht im Zusammenhang mit Schwankungen im Treibstoff- und/oder Luftstrom, die dazu führen, dass die Treibstoffdüsen ihre jeweiligen Grenzen überschreiten (zum Beispiel übersteigt das Treibstoffdüsen-Äquivalenzverhältnis des PM1 -Kreises 141 seine LBO- oder RBO-Grenze, oder das Treibstoffdüsen-Äquivalenzverhältnis des PM2-Kreises 142 überschreitet die Verbindungs- und Trennungsgrenze). Überhitzung tritt ein, wenn das Treibstoffdüsen-Äquivalenzverhältnis des PM2-Kreises 142 zu hoch wird; die Verbrennungsdynamik-Amplituden in einem bestimmten Frequenzbereich können die Akzeptanzgrenze für bestimmte Teile der Brennkammer 12 überschreiten; niedrige Verbrennungswirkungsgrade können einen hohen Grad an CO und UHC erzeugen, was angesichts immer strengerer Emissionsvorschriften zu

4 einem Problem werden kann; und in einem niedrigen Geschwindigkeitsbereich, bevor das Gasturbinentriebwerk 10 in eine Beschleunigungssteuerung übergeht, kann die Beschleunigung ihren Grenzwert überschreiten, wenn zu viel Treibstoff angewiesen wird. Das heisst, wenn das Gasturbinentriebwerk 10 auf Beschleunigungssteuerung ist, so kann die Menge an Treibstoff, die erforderlich ist, um dem Beschleunigungsplan zu folgen, die Abgastemperatur an ihren Grenzwert heranführen.

[0041 ] Mit Bezug auf Fig. 3 wird ein System 30 zum Steuern/Regeln der Betriebsfähigkeit des Gasturbinentriebwerks 10 von Fig. 1 während Operationen im Zusammenhang mit dem Teillastzustand bereitgestellt. Wie in Fig. 2 gezeigt, umfasst das System 30 das Verbrennungssystem 31 , das bei Teillast betrieben werden kann, um ein Arbeitsfluid aus der Verbrennung zu erzeugen, und eine Steuereinheit 32. Die Steuereinheit 32 umfasst ein Computer-lesbares Medium 320, auf dem codierte Daten 321 gespeichert sind, einen Prozessor 322 und Servoeinheiten 323, die jedem der Treibstoffkreise 14 und jedem der Ventile 16 zugeordnet und mit ihnen wirkverbunden sind. Die codierten Daten 321 können sich auf erste und zweite Betriebsgrenzen des Verbrennungssystems 30 beziehen (zum Beispiel die magere Verlösch-Grenze (LBO) für das Treibstoffdüsen-Äquivalenzverhältnis für den PM1 -Kreis 141 und die fette Verlösch-Grenze (RBO) für das Treibstoffdüsen-Äquivalenzverhältnis für den PM1 -Kreis 141 ), die auf ersten und zweiten Parametern des Verbrennungssystems 30 basieren. Der Prozessor 322 ist dafür konfiguriert, auf die codierten Daten 321 zuzugreifen und die Servoeinheiten 323 anzusteuern, um jedes der Ventile 16 automatisch zu steuern/regeln.

[0042] Die Steuerung erlaubt dem Prozessor 322 das Steuern/Regeln der Treibstoffströme zu jedem der Treibstoffkreise 14 gemäss den definierten ersten und zweiten Betriebsgrenzen des Verbrennungssystems 30. Die Steuerung erlaubt dem Prozessor 322 ausserdem das Anlegen jeweiliger Vorspannungen in Richtung der Äquivalenzverhältnisse des PM1 -Kreises 141 und/oder des PM2-Kreises 142. Die Vorspannungen erlauben ein Abstimmen zum Berücksichtigen von Schwankungen zwischen Flugzeugen beispielsweise bei den Luftstromberechnungen.

[0043] Mit Bezug auf die Fig. 4-8 kann der Prozessor 322 dafür konfiguriert sein zu erkennen, dass das Verbrennungssystem 30 des Gasturbinentriebwerks 10 im Teillastzustand arbeitet (Operation 40). In einem solchen Fall greift der Prozessor 322 auf die codierten Daten 321 zu und definiert anhand der codierten Daten 321 mindestens die ersten und zweiten Betriebsgrenzen, wie zum Beispiel Äquivalenzverhältnisgrenzen des PM1 -Kreises 141 (siehe Fig. 6) und des PM1 -Kreises 142, anhand der ersten und zweiten Parameter (Operation 41 ) und kann weitere Betriebsgrenzen anhand der ersten und zweiten Parameter sowie weiterer Parameter definieren (zum Beispiel die dritte Grenze für das Treibstoffdüsen-Äquivalenzverhältnis für den PM2-Kreis 142). Die ersten und zweiten Betriebsgrenzen bilden ein Teillastmodell, das dafür verwendet werden kann, Echtzeitvorhersagen der Zyklusbedingungen für die Betriebssteuerung des Gasturbinentriebwerks 10 zu erzeugen.

[0044] Mit dem Teillastmodell, das anhand der ersten und zweiten Betriebsgrenzen gebildet wird und das dafür verwendet werden kann, die Echtzeitvorhersagen der Zyklusbedingungen zu erzeugen, setzt der Prozessor 322 die ersten und zweiten Grenzen mit den Treibstoffströmen in den Treibstoffkreisen 14 über erste bzw. zweite Transferfunktionen in Beziehung und steuert/regelt die Servoeinheiten 323 an, jedes der Ventile 16 automatisch zu steuern/regeln, um die Treibstoffströme zu jedem der Treibstoffkreise 14 gemäss den definierten ersten und zweiten Betriebsgrenzen und den ersten und zweiten Transferfunktionen zu steuern/regeln (Operation 42). Die resultierende Steuerung der Treibstoffströme zu jedem der Treibstoffkreise 14 erlaubt es dem Prozessor 322, die Margen im Zusammenhang mit den ersten und zweiten Betriebsgrenzen aufrecht zu erhalten und erforderlichenfalls zu verbessern.

[0045] Genauer gesagt, und mit Bezug auf Fig. 5, kann der Prozessor 322 Verdichter- und Brennkammerluftströme sowie einen Verbrennungs-Lastgradparameter berechnen (Operation 400). An diesem Punkt berechnet der Prozessor 322 LBOund RBO-Grenzwerte für den PM1 -Kreis 141 (Operation 401 ) und kann das Soll-Äquivalenzverhältnis des PM1 -Kreises 141 auf eine Mitte zwischen den LBO- und RBO-Grenzwerten (Operation 402) gemäss einer Regelkreis-Steuerungsstrategie einstellen. Der Prozessor 322 setzt dann das Soll-Äquivalenzverhältnis des PM1 -Kreises 142 auf einen zuvor festgelegten Wert oder auf einen Wert, der als kleiner als der V/T-Grenzwert definiert wurde (Operation 403), und berechnet die Treibstoffströme des PM1 -Kreises 141 und des PM2-Kreises 142, die für die eingestellten Sollwerte erforderlich sind (Operation 404). An diesem Punkt berechnet der Prozessor 322 Treibstoff-Teilungsverhältnisse, um die berechneten Treibstoffströme zu erfüllen (Operation 405). Eine oder beide der Operationen 402 und 403 können des Weiteren das Anlegen einer Vorspannung (406) an die Soll-Äquivalenzverhältnisse durch den Prozessor 322 umfassen, um ein Abstimmen zum Berücksichtigen von Schwankungen zwischen Flugzeugen beispielsweise bei den Luftstromberechnungen zu erlauben.

[0046] Das heisst, mit Bezug auf die Fig. 6 und 7, die resultierende Steuerung erlaubt dem Prozessor 322 das Steuern/ Regeln des Betriebes des Gasturbinentriebwerks 10 dergestalt, dass die ersten und zweiten Betriebsgrenzen weder angenähert noch überschritten werden, was die Wahrscheinlichkeit eines erfolgreichen Starts erhöht, wie in Fig. 8 gezeigt.

[0047] Wie oben angemerkt, und gemäss Ausführungsformen, kann die erste Betriebsgrenze mit einer fetten Verlösch (RBO)-Grenze des Verbrennungssystems 30 verknüpft sein, und die zweite Betriebsgrenze kann mit einer mageren Verlösch (LBO)-Grenze des Verbrennungssystem 30 verknüpft sein. Gemäss weiteren Ausführungsformen, und wie in Fig. 4 gezeigt, können die ersten und zweiten Parameter ein Treibstoffdüsen-Äquivalenzverhältnis umfassen, das durch Teilen eines lokalen Treibstoff-Luft-Verhältnisses durch ein stoichiometrisches Treibstoff-Luft-Verhältnis erhalten wird, bzw. können einen Brennkammer-Lastgradparameter umfassen. Alternative oder zusätzliche Beispiele der ersten und zweiten Betriebsgrenzen können verknüpft sein mit: Abgastemperaturspreizungen, Verbrennungsdynamik, Verbrennungswirkungsgra-

5 den, Metalltemperatur-Grenzwerten für Treibstoffdüsen, Kappen, Querzündrohre, Auskleidungen, Leerkartuschen, Flüssigtreibstoffkartuschen usw., Abgastemperaturen und/oder Beschleunigungsraten oder Gesamtbeschleunigungszeiten. In jedem Fall können die ersten und zweiten Parameter Charakteristika des Verbrennungssystems 30 sein, die mit diesen Alternativen oder zusätzlichen Beispielen verknüpft sind oder sie auf sonstige Weise definieren können.

[0048] Gemäss weiteren Ausführungsformen kann der Prozessor 322 dafür konfiguriert sein, den Verbrennungswirkungsgrad des Verbrennungssystems 30 zu steuern/regeln, um Betriebsfähigkeitsmargen aufrecht zu erhalten und das Emissionsverhalten zu verbessern. Der Prozessor 322 kann ausserdem eine Logik 3221 (siehe Fig. 2) umfassen, um Aufwärmzeiten des Verbrennungssystems 30 anhand von Radraumtemperaturen zu variieren, die durch die Sensoren 20 detektiert werden, die in dem Radraum der Turbinensektion 13 angeordnet sind. Die Aufwärmzeiten erfolgen nach der Zündung und dem Querzünden, und für einen Kaltstart (wobei die durchschnittliche Radraumtemperatur weniger als beispielsweise etwa 150 F beträgt) veranlasst der Prozessor 322 das Verbrennungssystem 30, 2-2,5 Minuten lang eine Aufwärmung durchzuführen. Für einen Warmstart (wobei die durchschnittlichen Radraumtemperaturen mehr als beispielsweise etwa 450 °F betragen) veranlasst der Prozessor 322 das Verbrennungssystem 30, 1—4 Minuten lang eine Aufwärmung durchzuführen. Für durchschnittliche Radraumtemperaturen zwischen beispielsweise etwa 150-450 °F steuert/regelt der Prozessor 322 die Aufwärmzeit ab etwa 2 oder 2,5-4 Minuten auf eine lineare Interpolation. Die variablen Aufwärmzeiten verbessern den Verbrennungswirkungsgrad und das Emissionsverhalten für einen Kaltstart, aber für den Fall eines Warmstarts wird nicht riskiert, die Abgastemperatur-Grenzwerte zu überschreiten.

[0049] Gemäss weiteren Ausführungsformen kann der Prozessor 322 eine zusätzliche Logik 3222 (siehe Fig. 2) für eine Regelkreis-Beschleunigungssteuerung umfassen, die es dem Prozessor 322 erlaubt, das Gasturbinentriebwerk 10 und das Verbrennungssystem 30 auf eine gleichmässige Beschleunigung zu steuern/regeln. Eine solche gleichmässige Beschleunigung verlängert die Rotorlebensdauer und verringert das Risiko einer Beschädigung des Verdichters 1 1 und der Turbinensektion 13. Genauer gesagt, kann der Prozessor 322 die Treibstoffströme zu den Treibstoffkreisen 14 steuern/regeln, um eine spezifizierte Beschleunigungsrate mindestens während des gesamten Startvorgangs aufrecht zu erhalten.

[0050] Obgleich die Erfindung ausführlich in Verbindung mit nur einer begrenzten Anzahl von Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht es sich natürlich, dass die Erfindung nicht auf diese offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr kann die Erfindung dahingehend modifiziert werden, dass sie jede beliebige Anzahl von Variationen, Abänderungen, Substituierungen oder äquivalenten Anordnungen umfasst, die bisher nicht beschrieben wurden, die aber mit dem Wesen und Schutzumfang der Erfindung übereinstimmen. Darüber hinaus mögen zwar verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden sein, doch es versteht sich, dass Aspekte der Erfindung auch nur einige der beschriebenen Ausführungsformen umfassen könnten. Dementsprechend ist die Erfindung nicht so zu verstehen, als würde sie durch die obige Beschreibung eingeschränkt werden, sondern sie wird allein durch den Schutzumfang der beiliegenden Ansprüche beschränkt.

[0051 ] Ein Verfahren zum Steuern/Regeln der Betriebsfähigkeit einer Gasturbine während des Teillastbetriebes umfasst das Erkennen, dass ein Verbrennungssystem 30 der Gasturbine im Teillastbetrieb arbeitet, wobei das Verbrennungssystem 30 eine Treibstoffquelle 15, Treibstoffkreise 14 und Ventile 16 umfasst, die funktional zwischen der Treibstoffquelle 15 und den jeweiligen Treibstoffkreisen 14 angeordnet sind; das Definieren erster und zweiter Grenzen auf der Basis erster und zweiter Parameter; und das automatische Steuern/Regeln jedes der Ventile 16, um den Treibstofffluss zu jedem der Treibstoffkreise 14 gemäss den definierten ersten und zweiten Grenzen zu steuern/regeln.

Bezugszeichenliste

[0052]

10 Gasturbinentriebwerk

1 1 Verdichter

12 Brennkammer

120 Innenraum

13 Turbinensektion

14 Treibstoff kreise

141 Erster Treibstoff (PMI )-Kreis

142 Zweiter Treibstoff (PM2)-Kreis

15 Treibstoffquelle

16 Ventile

17 Übergangsstück

6

Claims

18 Rotor 19 Generator 20 Sensoren 201 Temperatursensoren 202 Positionssensoren 203 Drucksensoren 204 Strömungsmessungssensoren 30 System 31 VerbrennungsSystem 32 Steuereinheit 320 Computer-lesbares Medium 321 Codierte Daten 322 Prozessor 3221 Logik 3222 Zusätzliche Logik 323 Servoeinheiten 40 Arbeiten im Teillastbetrieb - Operation 41 Definieren erster und zweiter Betriebsgrenzen - Operation 42 Automatisches Steuern/Regeln der Ventile - Operation 400 Berechnen der Luftströme und des Verbrennungs-Lastgradparameters - Operation 401 Berechnen der LBO- und RBO-Grenzwerte - Operation 402 Einstellen des Soll-Äquivalenzverhältnisses - Operation 403 Einstellen des Sollwertes auf weniger als den V/T-Grenzwert - Operation 404 Berechnen der Treibstoffströme - Operation 405 Berechnen der Treibstoff-Teilungsverhältnisse - Operation 406 Vorspannung Patentansprüche 1. Verfahren zum Steuern/Regeln der Betriebsfähigkeit einer Gasturbine während des Teillastbetriebes, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Erkennen, dass ein Verbrennungssystem der Gasturbine im Teillastbetrieb arbeitet, wobei das Verbrennungssystem eine Treibstoffquelle, Treibstoffkreise und Ventile umfasst, die funktional zwischen der Treibstoffquelle und den jeweiligen Treibstoffkreisen angeordnet sind; Definieren erster und zweiter Grenzen auf der Basis erster und zweiter Parameter; und automatisches Steuern/Regeln jedes der Ventile, um den Treibstofffluss zu jedem der Treibstoffkreise gemäss den definierten ersten und zweiten Grenzen zu steuern/regeln. 2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Definieren umfasst, zusätzliche Grenzen auf der Basis mindestens der ersten und zweiten Parameter zu definieren. 3. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die erste Grenze mit einer fetten Verlösch-Grenze (RBO) des Verbrennungssystems verknüpft ist und die zweite Grenze mit einer mageren Verlösch-Grenze (LBO) des Verbrennungssystems verknüpft ist, und wobei die ersten und zweiten Parameter ein Treibstoffdüsen-Äquivalenzverhältnis bzw. einen Brenn- 7 kammer-Lastgradparameter umfassen; und/oder wobei die erste Grenze mit einer fetten Verlösch-Grenze (RBO) eines zentralen Treibstoffdüsenkreises des Verbrennungssystems verknüpft ist und die zweite Grenze mit Brennaufsatzmetall-Temperaturen oder -emissionen verknüpft ist; und/oder wobei die erste Grenze mit einem Verbindungs- und Trennungsgrenzwert eines äusseren Treibstoffdüsenkreises des Verbrennungssystems verknüpft ist und die zweite Grenze mit Querzündrohrtemperaturen und Verbrennungsdynamik verknüpft ist. 4. Verfahren nach Anspruch 1 , das des Weiteren das Inbeziehungsetzen der ersten und zweiten Grenzen mit dem Treibstofffluss über erste bzw. zweite Transferfunktionen umfasst. 5. Verfahren nach Anspruch 1 , das des Weiteren das automatische Steuern/regeln jedes der Ventile zum Steuern/Regeln des Treibstoffflusses zu jedem der Treibstoffkreise umfasst, um den Verbrennungswirkungsgrad aufrecht zu erhalten, wobei das automatische Steuern/Regeln jedes der Ventile das Anwenden einer Regelkreissteuerung auf ein Ziel umfasst, das zwischen den ersten und zweiten Grenzen definiert wird. 6. Verfahren nach Anspruch 5, das des Weiteren das Anlegen einer Vorspannung an das Ziel umfasst. 7. Verfahren nach Anspruch 1 , das des Weiteren das Variieren einer Aufwärmzeit auf der Basis von Radraumtemperaturen umfasst. 8. Verfahren nach Anspruch 1 , das des Weiteren das Steuern/Regeln des Verbrennungssystems dergestalt umfasst, dass eine zuvor festgelegte Beschleunigungsrate aufrecht erhalten wird. 9. Verfahren zum Steuern/Regeln der Betriebsfähigkeit einer Gasturbine während des Teillastbetriebes, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Erkennen, dass ein Verbrennungssystem der Gasturbine im Teillastbetrieb arbeitet, wobei das Verbrennungssystem eine Treibstoffquelle, Treibstoffkreise und Ventile umfasst, die funktional zwischen der Treibstoffquelle und den jeweiligen Treibstoffkreisen angeordnet sind; Definieren magerer und fetter Verlösch-Grenzen (LBO und RBO) auf der Basis eines Treibstoffdüsen-Äquivalenzverhältnisses und eines Brennkammer-Lastgradparameters; und automatisches Steuern/Regeln jedes der Ventile zum Steuern/Regeln des Treibstoffflusses zu jedem der Treibstoffkreise gemäss den definierten LBO- und RBO-Grenzen. 10. System zum Steuern/Regeln der Betriebsfähigkeit einer Gasturbine während des Teillastbetriebes, wobei das System Folgendes umfasst: ein Verbrennungssystem, das bei Teillast betrieben werden kann, um ein Arbeitsfluid aus der Verbrennung zu erzeugen, wobei das Verbrennungssystem eine Treibstoffquelle, Treibstoffkreise und Ventile umfasst, die funktional zwischen der Treibstoffquelle und den jeweiligen Treibstoffkreisen angeordnet sind; und eine Steuereinheit, die codierte Daten bezüglich der ersten und zweiten Grenzen des Verbrennungssystems auf der Basis erster und zweiter Parameter des Verbrennungssystems sowie einen Prozessor umfasst, wobei der Prozessor dafür konfiguriert ist, jedes der Ventile automatisch zu steuern/regeln, um den Treibstofffluss zu jedem der Treibstoffkreise gemäss den definierten ersten und zweiten Grenzen zu steuern/regeln. 8