DE102007044729B4

DE102007044729B4 - Verfahren und System für das Erkennen eines transienten Netzereignisses und den Übergang zum elektrischen Inselbetrieb

Info

Publication number: DE102007044729B4
Application number: DE102007044729.0A
Authority: DE
Inventors: Scott William Szepek; John Michael Undrill; Michael Joseph Alexander; Warren James Mick
Original assignee: General Electric Technology GmbH
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2006-09-19
Filing date: 2007-09-18
Publication date: 2024-05-23
Anticipated expiration: 2027-09-19
Also published as: CN101150292B; RU2007134749A; RU2438027C2; US7457688B2; JP2008075652A; KR20080026070A; KR101458206B1; US20080071427A1; JP5457626B2; CN101150292A; DE102007044729A1

Abstract

Verfahren zur Steuerung der Brennstoffzufuhrkreisläufe für mehrere verbundene Gasturbinen, die eine erste Gasturbine enthalten, wobei dieses Verfahren umfasst:Erkennen eines transienten Netzereignisses (52) basierend auf einer Anzeige einer schnellen Veränderung eines Brennstoffsteuerbefehls an die erste Gasturbine und/oder einer Beschleunigung einer Turbinenwelle der ersten Gasturbine;Erkennen, ob ein Stromnetz (12) mit einem Generatorausgang der ersten Gasturbine verbunden ist oder nicht;beim Erkennen des transienten Netzereignisses einem Gasturbinencontroller zu befehlen (71), wenigstens eine der verbundenen Gasturbinen zu mindestens einer Zwischenlast zu transferieren, falls das Stromnetz (12) getrennt ist;eine Brennkammer-Brennstoffaufteilung anzupassen, um die Stabilität der Brennkammer in wenigstens einer der verbundenen Gasturbinen während des transienten Netzereignisses aufrechtzuerhalten, undein vorher festgelegtes Insellastanforderungssignal zu verwenden, um eine Insellastanforderung unter den verbundenen Gasturbinengeneratoren aufzuteilen, falls das Stromnetz (12) verbunden ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung von elektrischer Leistung für Energieversorgungsunternehmen und insbesondere darauf, Kraftwerksgeneratoren in den Inselbetrieb zu versetzen.
Inselsteuerung bezieht sich typischerweise auf den Übergang vom parallelen Netzbetrieb zum isolierten Betrieb, auch bekannt als Inselbetrieb, und anschließend zum stationären Inselbetrieb. Typischerweise verwendet man den Inselbetrieb, um relativ kleine Eigenbedarfslasten zu versorgen. Parallelnetzbetrieb ist typisch für die Stromversorgung einer externen elektrischen Last. Der Übergang zum Inselbetrieb findet statt als Ergebnis der Trennung der Verbindungsleitungs-Stromunterbrecher, die den Generator mit der externen Last verbinden, wobei die Turbine in Betrieb bleibt, um die elektrischen Lasten des örtlichen Kraftwerks zu versorgen. Während des Übergangs zum Inselbetrieb reagiert das Steuersystem auf die Öffnung der Verbindungsleitungs-Stromunterbrecher, und ermöglicht es dem Inselmodus-Drehzahlregler, automatisch die Systemfrequenz gemäß dem Inselmodus-Drehzahleinstellwert einzuregeln.
Die Betriebsfähigkeit von Gasturbinen im Inselbetrieb beinhaltet üblicherweise zwei Stadien: Das Netztrennungsstadium und das Inselmodus-Reglersteuerungs-Stadium. Während des Netztrennungsstadiums findet ein Lastabwurf der Gasturbine statt. Der plötzliche Lastverlust des Generators kann bewirken, dass die Gasturbine extrem beschleunigt, bis hin zu Überdrehzahlbedingungen. Um der Beschleunigung der Welle und der Überdrehzahl entgegenzuwirken, reagiert der Drehzahlregler, z. B. ein Droop-Regler, mit einer schnellen Brennstoffverringerung, um die Beschleunigung zu beschränken und ein Überdrehen des Gasturbinengenerators zu vermeiden. Die schnelle Brennstoffverringerung durch die Reaktion des Drehzahlreglers erzwingt Einschränkungen der Turbinenbetriebsfähigkeit während des Netztrennungsstadiums. Im nächsten Stadium übernimmt der Inselmodusregler die Steuerung und regelt die Frequenz auf den Inselmodus-Drehzahleinstellwert ein.
Kraftwerke müssen oft nach einer unerwarteten Trennung vom Stromnetz für eine ununterbrochene Stromversorgung sorgen, um die örtlichen elektrischen Lasten während der vorübergehenden Trennung vom Netz und darüber hinaus zu versorgen. Die Differenz (Netto-Lastungleichgewicht) zwischen der Lastanforderung des örtlichen Kraftwerks und der Strommenge, die gerade vor der Netztrennung zum Stromnetz exportiert wurde, bestimmt die Reaktion des elektrischen Übergangsvorganges und des Gasturbinengenerators während des Netztrennungsstadiums. Wenn das Netto-Lastungleichgewicht groß ist, kann die daraus resultierende Reaktion hinsichtlich Generatorgeschwindigkeit und -Beschleunigung beträchtlich sein. Die resultierende Reaktion der Gasturbine kann über deren Fähigkeit bestimmen, die elektrische Last des örtlichen Kraftwerks während des Netztrennungsstadiums zu versorgen.
Herkömmlicherweise wird derselbe Droop-Regler, der die Gasturbine im Parallelbetrieb mit dem Stromnetz steuert, verwendet, um den Übergang der Gasturbine zum Inselbetrieb zu bewirken. Ein Droop-Regler passt die Brennstoffanforderung der den Generator antreibenden Gasturbine an, um eine gewünschte Frequenz für das Stromnetz beizubehalten. Bei Trennung vom Netz reagiert der Droop-Regler auf Veränderungen der Inselmodus-Frequenz, die als Resultat von Veränderungen der örtlichen Last auftreten. Die Last- und Frequenzveränderungen, die während des Überganges vom Netzbetrieb zum Inselbetrieb auftreten, können schnell auftreten und beträchtlich sein. Während dieses Übergangs kann es vorkommen, dass der Droop-Regler nicht vollständig auf die Veränderungen reagieren kann. Weiter ist es möglich, dass der Droop-Regler während des Inselbetriebes die Generatorfrequenz nicht wieder auf die Nominalfrequenz einregelt. Zusätzliche Funktionalität wie beispielsweise ein Voreinstellungs- und Justierungsalgorithmus wurden zu einem herkömmlichen Droop-Regler hinzugefügt, um während der Inselreglersteuerung eine Korrektur und Wiederherstellung der Nominalfrequenz zu ermöglichen.
Bei der Netztrennung reagiert der Gasturbinenbrennstoffregler auf die daraus resultierende Beschleunigung der Welle durch schnelle Verringerung der Brennstoffzufuhr zu den Brennkammern. Die Beschleunigung erhöht den Luftstrom zur Gasturbine. Die Brennstoffreduzierung, verbunden mit der Veränderung des Gasturbinenluftstroms, resultiert vorübergehend in einem Brennstoff/Luftgemisch in der Brennkammer, das die Dry Low NOx-Auslegungsspezifikationen für die Gasturbinen-Betriebsfähigkeit übersteigt.
Die herkömmliche Methode für die Handhabung derartiger Übergangszustände ist der Übergang zu einem Verbrennungsbetriebsmodus, der die schnellen, den Brennstoff und die Luft betreffenden Veränderungen während des Übergangs unterstützt. Dieses herkömmliche Verfahren beschränkt die maximale Inselstromlastanforderung während des Übergangszustandes und erfordert in einigen Fällen erheblichen örtlichen Lastabwurf in dem Kraftwerk. Alternativ wurde eine sorgsame Handhabung des Gasturbinenbetriebes vor der Netztrennung dort angewendet, wo der Kraftwerksbetrieb die Stromabgabe des Kraftwerks einschränkt und dadurch das Netto-Lastungleichgewicht zum Zeitpunkt der Netztrennung beschränkt. Dieses herkömmliche Verfahren kann die vom Gasturbinengenerator im Normalbetrieb erreichbare Maximallast beschränken.
JP H08-178 290 A offenbart ein System und Verfahren zur Steuerung der Brennstoffzufuhrkreisläufe für eine Gasturbine unter Verwendung verzweigter Leitungen. Es sind vier Brennstoffzufuhrleitungen vorgesehen, zu denen eine erste und eine zweite Diffusionsbrennstoffzufuhrleitung, die über ein erstes bzw. zweites Brennstoffsteuerventil mit einer Brennstoffversorgungsleitung verbunden sind, sowie eine Pilotvormischbrennstoffzufuhrleitung und eine Hauptbrennstoffzufuhrleitung gehören, die über ein weiteres Brennstoffsteuerventil und ein Brennstoffverteilungsventil mit der Brennstoffversorgungsleitung verbunden sind. Eine Steuereinrichtung steuert die Ventile in Abhängigkeit von jeweiligen Betriebsbedingungen, einschließlich bei der Lastabschaltung und im Einzellastbetrieb, gemäß vorbestimmten Funktionen an, um unterschiedliche Brennstoffaufteilungen auf die Zufuhrleitungen zu erzielen, einen Betrieb bei geringen NOx-Emissionen zu ermöglichen und bei reiner Diffusionsverbrennung eine ausreichende Flammenstabilität sicherzustellen.
JP H04-358 725 A offenbart ein Verfahren zur lastabhängigen Steuerung mehrerer verbundener Gasturbinen, wobei eine Lastanforderung erfasst und ein vorbestimmtes Lastanforderungssignal verwendet wird, um die Lastanforderung unter den verbundenen Gasturbinen aufzuteilen. Insbesondere wird, wenn bei einer erfassten Lastanforderung eine Leistungsabgabe eines Generators kleiner als ein vorgeschriebener Wert ist, dieser Generator in den Leerlaufbetriebszustand versetzt, um eine Lärmreduktion und Verbesserung der Haltbarkeit zu erreichen.
Es existiert schon lange ein Bedarf an einem Gasturbinensteuersystem, das einen verbesserten Betrieb im Inselmodus und einen besseren Übergang zum Inselmodus ermöglicht. Weiterhin existiert auch schon lange ein Bedarf an einem Steuersystem, das weder einigen noch allen oben beschriebenen Einschränkungen der herkömmlichen Steuersysteme unterliegt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Um den Bedarf zu decken wurde ein Verfahren zur transienten Steuerung der Brennstoffzufuhr für die Brennstoffzufuhrkreisläufe mehrerer verbundener Gasturbinen, die eine erste Gasturbine enthalten, entwickelt, das die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 aufweist. Das Verfahren umfasst ein Erkennen eines transienten Netzereignisses basierend auf der Anzeige einer schnellen Veränderung eines Brennstoffsteuerbefehls an die erste Gasturbine und/oder einer Beschleunigung der Turbinenwelle der ersten Gasturbine und Erkennen, ob ein Stromnetz mit einem Generatorausgang der ersten Gasturbine verbunden ist oder nicht. Sobald das transiente Netzereignis angezeigt wird, umfasst das Verfahren, einem Gasturbinencontroller den Befehl zu erteilen, wenigstens eine der verbundenen Gasturbinen zu mindestens einer Zwischenlast zu transferieren, falls das Stromnetz getrennt ist, und eine Brennkammer-Brennstoffaufteilung zur Erhaltung der Brennkammerstabilität während des transienten Netzereignisses einzustellen. Das Verfahren umfasst ferner, ein vorher festgelegtes Insellastanforderungssignal zu verwenden, um die gesamte Insellastanforderung unter den verbundenen Gasturbinengeneratoren aufzuteilen, falls das Stromnetz verbunden ist.
Es wurde ein weiteres Verfahren zur transienten Steuerung der Brennstoffzufuhr für die Brennstoffzufuhrkreisläufe für mehrere verbundene Gasturbinen, die eine erste Gasturbine enthalten, entwickelt, das die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 9 aufweist. Das Verfahren umfasst ein Erkennen eines transienten Netzereignisses basierend auf der Anzeige einer schnellen Veränderung eines Brennstoffsteuerbefehls an die Gasturbine und/oder einer Beschleunigung der Turbinenwelle der ersten Gasturbine als Folge des transienten Netzereignisses und Erkennen, ob ein Stromnetz mit einem Generatorausgang der ersten Gasturbine verbunden ist oder nicht. Sobald das transiente Netzereignis angezeigt wird, umfasst das Verfahren, einem Gasturbinencontroller den Befehl zu erteilen, die Gasturbine zu mindestens einer Zwischenlast zu transferieren, falls das Stromnetz getrennt ist, und eine Brennkammer-Brennstoffaufteilung zur Erhaltung der Brennkammerstabilität in wenigstens einer der verbundenen Gasturbinen während des transienten Netzereignisses einzustellen. Das Verfahren umfasst ferner, ein vorher festgelegtes Insellastanforderungssignal zu verwenden, um die gesamte Insellastanforderung unter den verbundenen Gasturbinengeneratoren aufzuteilen, falls das Stromnetz verbunden ist.
Es wurde ein Brennstoffsteuersystem für die Brennstoffzufuhrkreisläufe einer Vielzahl von verbundenen Gasturbinen entwickelt, wobei dieses System umfasst: eine Gasturbine mit einer Brennkammer und einem Controller, ein Erkennungssystem, das den Zustand eines Stromnetzes überwacht und ein transientes Netzereignis erkennt, wobei der Controller einen Computer umfasst, der einen Übergangs-Brennstoff-Steueralgorithmus ausführt, sobald er ein Signal vom Erkennungssystem erhält, das das transiente Netzereignis anzeigt, und wobei der Algorithmus die folgenden Ablaufschritte ausführt: Erzeugen eines Steuersignals, um mindestens eine der Gasturbinen zu einer Zwischenlast zu transferieren, Einstellen einer Brennkammer-Brennstoffaufteilung, um die Stabilität der Brennkammer während des transienten Netzereignisses aufrechtzuerhalten und Aufteilung einer Insellastanforderung unter den verbundenen Gasturbinengeneratoren, basierend auf einem vorher festgelegten Insellastanforderungssignal.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

1 ist ein Schemadiagramm einer Stromerzeugungs- und Lastanlage, zu dem ein Gasturbinengenerator gehört.
2 ist ein Flussdiagramm als Funktionsdiagramm, das den herkömmlichen Betrieb eines Droop-Reglers zeigt, der auf Betrieb im Inselmodus eingestellt ist.
Die 3 und 4 sind Schemadiagramme, die konventionelle Brennstoffdüsengruppen und eine konventionelle Brennstoffkreislaufanordnung für eine Gasturbine mit einer Dry Low Nitrous Oxide (DLN)-Brennkammer darstellen.
5 zeigt die Modusbezeichnungen für eine beispielhafte konventionelle DLN-Brennkammer für eine industrielle Gasturbine.
6 zeigt eine Modussequenz für den Übergang der DLN-Brennkammer von der Zündung zur Volllast sowie von der Volllast zum Herunterfahren.
7 zeigt eine neue Inselmodussteuerfunktion, die verwendet wird, um den Übergang einer Vielzahl von Einheiten in den Inselmodus zu bewirken.
8 ist ein Diagramm einer neuen Lastaufteilungsmethode, um eine Vielzahl von Einheiten in den Inselmodus zu transferieren.
9 zeigt einen neuen Anker-Brennstoffkreislauf-Anpassungsalgorithmus, der verwendet wird, um die Brennkammerleistung während bedeutender Übergangszustände zu verbessern.
Die 10 bis 33 sind Diagramme, die die simulierte Leistung eines Controllers zeigen, der darauf eingestellt ist, auf die in 9 dargestellte Weise zu funktionieren, während eine Gasturbine von einer Grundlast in den Inselmodus übergeht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es werden ein Verfahren und ein System zum Erkennen einer Stromnetztrennung und für den Übergang zum Betrieb im Inselmodus offenbart. Zu dem Zeitpunkt, an dem die Netztrennung festgestellt wird, steuern das Verfahren und das System eine Gruppe verbundener Gasturbinen während der transienten Netztrennung, um die Betriebsfähigkeit des Gasturbinengenerators aufrechtzuerhalten. Das Verfahren und System für die transiente Steuerung der Brennstoffzufuhr erhöhen die Betriebsfähigkeit der Gasturbine. Das System kann auf einem herkömmlichen Gasturbinencontroller angewendet werden, der einen Droop-Regler beinhalten kann. Zum System gehören generell zusätzliche Softwaresteueralgorithmen.
1 ist ein Schemadiagramm eines elektrisches Systems 5 in Form einer Stromerzeugungs- und Lastanlage, zu der ein oder mehrere Gasturbinengeneratoren 10 gehören, der/die mit dem Netz 12 eines Energieversorgungsunternehmens und einer örtlichen Stromlast (Kraftwerks-Hilfsanlagen) 14, wie beispielsweise eine Fertigungsanlage vor Ort beim Generator verbunden ist/sind. Eine einzelne Linie stellt in der 1 die Mehrphasenstromleitungen dar, die den Generator mit dem Netz und der Stromlast verbinden. Das Kraftwerk kann Hilfsanlagen bzw. örtliche Stromlasten 14 enthalten, die den Kraftwerksbetrieb für die verbundenen Gasturbinengeneratoren 10 unterstützen. Transformatoren wandeln die Ausgangsspannung des Generators in eine gewünschte Eingangsspannung für die Kraftwerks-Hilfsanlagen und das Netz um.
Stromunterbrecher stellen Verbindungen zwischen dem Gasturbinengenerator 10 und dem Netz 12 sowie dem Generator und den örtlichen Stromlasten 14 her. Ein Generator-Stromunterbrecher 20 verbindet den Gasturbinengenerator 10 mit den Transformatoren 16 und 18, ein Verbindungsleitungs-Stromunterbrecher 22 verbindet den Aufwärtstransformator 16 mit dem Netz 12 und ein dritter Hilfsstromunterbrecher 24 verbindet den Hilfstransformator 18 mit den örtlichen Stromlasten 14 (Kraftwerks-Hilfsanlagenlasten).
Der Inselmodus tritt ein, wenn die Ausgangsleistung des Gasturbinengenerators 10 vom Stromnetz getrennt ist. Im Inselmodus ist der Verbindungsleitungs-Stromunterbrecher 22 geöffnet und der Generator-Stromunterbrecher 20 und der Hilfsstromunterbrecher 24 (Hilfsanlagenlast-Stromunterbrecher) bleiben geschlossen. Während des Inselbetriebs kann es vorkommen, dass der Gasturbinengenerator 10 nur die örtliche Stromlast 14 durch den Hilfstransformator 18 der Einheit mit Strom versorgt.
Während Gasturbinen das Stromnetz mit Strom versorgen, verwenden sie üblicherweise einen Droop-Regler, um eine gewünschte elektrische Frequenz der Generator-Ausgangsleistung beizubehalten. Wenn der Gasturbinengenerator 10 ein Netz 12 mit Strom versorgt, zeigt ein Abfallen der elektrischen Frequenz üblicherweise an, dass bei der Stromversorgung des Netzes 12 die Stromversorgungskapazität geringer ist als die Lastanforderung an das Netz. Umgekehrt ist die Stromversorgungskapazität bei der Stromversorgung des Netzes größer als die Lastanforderung, wenn die Stromfrequenz im Netz 12 über der Nominalfrequenz liegt.
Der Droop-Regler gleicht Frequenzschwankungen im Netz aus, indem er die Ausgangsleistung einer Turbine verändert, und zwar invers proportional zur Differenz zwischen der elektrischen Netzfrequenz und der nominalen Netzfrequenz, z. B. der Nennfrequenz. Wenn beispielsweise die Netzfrequenz unter eine nominale Netzfrequenz abfällt, erkennt der Droop-Regler den Netzfrequenzabfall und befiehlt der Turbine, ihre Ausgangsleistung invers proportional zur Differenz zwischen der Nenn-Netzfrequenz und der tatsächlichen Netzfrequenz zu erhöhen. Wenn umgekehrt die Netzfrequenz über die Nennfrequenz steigt, erkennt der Droop-Regler die Differenz zwischen der tatsächlichen und der nominalen Netzfrequenz und befiehlt dem Turbinengenerator die Leistungsabgabe entsprechend zu reduzieren.
Die Reaktion eines Gasturbinengeneratorreglers auf einen Frequenzabfall wird üblicherweise in Prozent der Frequenzänderung angegeben, die erforderlich ist, um eine Änderung der Turbinenlastabgabe um 100 % zu bewirken. So bedeutet beispielsweise eine Droop-Reaktion von 4 %, dass sich die Gasturbinenlastabgabe bei einer 4 %-igen Änderung der Netzfrequenz um 100 % ändert. Mit anderen Worten: ein 4 % Droop-Regler wird bei jeder Netzfrequenzänderung von 1 % die Gasturbinenausgangsleistung um 25 % verändern. Netzfrequenz und Turbinengeschwindigkeit sind zueinander proportional. Bei einer Droop-Reaktion von 4 % verändert jede 1 %- ige Änderung der Turbinenwellengeschwindigkeit die Generatorausgangsleistung um 25%.
2 zeigt die üblichen Droop-Steueralgorithmen und die üblichen automatischen Frequenzkorrekturalgorithmen, die bei der Inselmodusreglersteuerung Anwendung finden. Üblicherweise wird derselbe Droop-Regler 26, der die Gasturbine im Parallelbetrieb mit dem Stromnetz regelt, auch für den Übergang der Gasturbine zum Inselmodus verwendet. Ein Droop-Regler passt die Brennstoffanforderung der den Generator antreibenden Gasturbine an, um eine gewünschte Frequenz für das elektrische Netz beizubehalten. Bei Trennung vom Netz reagiert der Droop-Regler auf Veränderungen der Inselmodusfrequenz, die als Konsequenz von Veränderungen der örtlichen Kraftwerkslast auftreten. Die Last- und Frequenzänderungen, die während des Übergangs vom Netz- zum Inselmodusbetrieb auftreten, können beträchtlich sein und schnell auftreten. Während dieses Übergangs kann es vorkommen, dass der Droop-Regler nicht vollständig auf die Veränderungen reagieren kann. Weiter ist es möglich, dass der Droop-Regler während des Inselbetriebes die Generatorfrequenz nicht wieder auf die Nominalfrequenz einstellt. Zusätzliche Funktionalität wie beispielsweise ein Voreinstellungs- und Justierungsalgorithmus wurden zu einem herkömmlichen Droop-Regler hinzugefügt, um während der InselmodusReglersteuerung eine Korrektur und eine Wiederherstellung der Nominalfrequenz zu ermöglichen.
2 zeigt einen herkömmlichen Droop-Regler mit einem zusätzlichen automatischen Frequenzkorrekturalgorithmus, der bei der Inselmodusreglersteuerung verwendet wird. Der Droop-Regler 26 ist ein Computercontroller zum Erzeugen eines Brennstoffsteuerbefehls 28, der von einem Brennstoffbegrenzer 30 in einen Brennstoffsteuerbefehl (FSR) an den Brennstoffcontroller (nicht dargestellt) der Brennkammer umgewandelt wird. Der Regler enthält eine Transferfunktion 32, die ein Drehzahlsteuerungs-Brennstoffbefehlssignal (FSRN-Signal) generiert, für das ein niedriger Wert gewählt 34 wurde, zusammen mit dem Beschleunigungs-Brennstoffsteuerlimit 37 und anderen Brennstoffbefehlen im Controller.
Während des Netzbetriebes wird ein Leistungs-Feedbacksignal (MW Feedback MWATT) durch eine Transferfunktion geleitet und angepasst, z. B. vervielfacht, durch einen Droop-Anpassungsfaktor 40. Eine Differenz zwischen dem sich ergebenden DWDROOP-Signal und dem Drehzahl/Laststeuerbefehlssignal (TNR) wird als das Steuerbefehl-Lastreferenzsignal (TNRL) angewendet. Die Differenz zwischen dem TNRL-Signal und dem tatsächlichen Drehzahlsignal (THN) wird auf die Transferfunktion 32 angewendet um das Drehzahlsteuerungs-Brennstoffbefehlssignal (FSRN) zu generieren.
Sobald die Inselmodus-Steuerung aktiviert ist, wird die Differenz zwischen einem Drehzahlreferenzsignal (TNRI) und einem Turbinenwellendrehzahl-Feedbacksignal (TNH) durch einen Fehleranpassungsvorgang verarbeitet und durch eine Rampenraten-Wandlung umgewandelt, um ein Eingangssignal zu generieren, dass auf eine Regler-Einstellwertfunktion 42 angewendet wird. Das Eingangssignal löst den automatischen Regler-Einstellwertvorgang aus, um das Drehzahl/Laststeuerbefehlssignal (TNR) zu verstärken oder zu verringern. So wird das TNR verstärkt oder verringert, um dem Drehzahleinstellwert zu entsprechen.
Im Inselbetriebs-Reglersteuermodus wird der Gasturbinen Drehzahl/Lastregler, z. B. ein Droop-Regler, speziell für die Drehzahlsteuerung verwendet. Im Gegensatz dazu wird der Drehzahl/Lastregler für die Laststeuerung verwendet, wenn die Gasturbine mit einem Netz verbunden ist. Im Inselmodus steuert der Gasturbinen-Droop-Regler 26 den Brennstoff, um dem Inselmodus-Drehzahlfehler entgegenzuwirken, der die Differenz zwischen einem Inselmodus-Drehzahleinstellwert und der Systemfrequenz ist. Wenn der Drehzahleinstellwert nicht identisch mit der Systemfrequenz ist, justiert der Droop-Regler die Brennstoffsteuersignale auf einen Maximal- oder Minimalwert, um den Drehzahlfehler zu verringern. Üblicherweise sollte eine Gasturbine unter Inselmodus-Reglersteuerung nicht über 90 % ihrer Kapazität belastet werden, um bei Bedarf einen adäquaten Spielraum für die Reaktion auf einen Abfall der Inselmodusfrequenz zu haben. Wenn zusätzliche Kapazität erforderlich ist, sollte andere Stromerzeugungsausrüstung hinzugenommen werden, um die isolierte Strominsel unter Droop-Regler-Steuerung zu versorgen.
Gasturbinen, die mit Dry Low NOx (DLN)-Brennkammeranlagen ausgerüstet sind, verwenden üblicherweise ein Brennstoffzufuhrsystem mit vorgemischten Brennkammern mit mehreren Düsen. Die Anforderungen an DLN- Brennstoffzufuhrsysteme beschränken üblicherweise die Fähigkeit des Controllers, die Brennstoffzufuhr zu den Brennkammern als Antwort auf eine sich schnell ändernde Last anzupassen. DLN-Systeme sind eine Herausforderung in Bezug auf die Anforderungen des örtlichen Kraftwerks, hohe Stromlastanforderungen während einer transienten Netztrennung zu unterstützen. Industrielle Gasturbinen verwenden häufig magere vorgemischte Brennkammerdesigns, um niedrige NOx-Emissionen zu erreichen, ohne Verdünnungsmittel wie Wasser oder Dampf zu benutzen. Magere vorgemischte Verbrennung beinhaltet die Vormischung von Brennstoff und Luft stromauf von der Flammenzone der Brennkammer sowie einen Betrieb nahe der Entflammbarkeitsgrenze des mageren Brennstoffgemisches, um die Flammenhöchsttemperaturen und damit auch die NOx-Erzeugung niedrig zu halten. Mager vorgemischte Brennkammerdesigns werden oft als Dry Low NOx-Brennkammern bezeichnet (DLN). Um den Stabilitätsproblemen zu begegnen, die der mageren vorgemischten Verbrennung und der großen Bandbreite des Brennstoff-Luftverhältnisses inhärent sind, die quer durch den Gasturbinen-Betriebsbereich auftritt, verfügen DLN-Brennkammern üblicherweise über mehrere Brennstoffdüsen in jeder Brennkammer, die einzeln oder in Untergruppen mit Brennstoff versorgt werden. Das Gasturbinenbrennstoffsystem verfügt über einen separat gesteuerten Kreislauf für die Versorgung jeder Düsengruppe in jeder Brennkammer. Das Steuersystem variiert die Brennstoffzufuhr für jeden Kreislauf im Betriebsbereich der Turbine, um die Flammenstabilität, niedrige Emissionen und eine akzeptable Brennkammer-Lebensdauer zu erhalten.
Die 3 und 4 sind Schemadiagramme, die die Brennstoffdüsengruppe 43 und die Brennstoff-Kreislaufanordnung 44 einer Gasturbine mit einer DLN-Brennkammer 45 darstellen. Eine DLN-Brennkammer kann über sechs in drei Düsengruppen, PM1, PM2 und PM3, angeordnete Brennstoffdüsen 46 verfügen. Der jede Gruppe versorgende Brennstoffkreislauf wird durch ein ähnliches Bezugszeichen bezeichnet: z. B. versorgt der PM1-Kreislauf die PM1-Düsen. Die BrennstoffKreisläufe können ein Drehzahlventil (SRV), Gassteuerventile (GCV_) für jede Düsengruppe und ein Gassteuerventil (GCV4) für den Vierfachverteiler (Q), ein Gehäuse sowie Vormischverteiler umfassen. Die Brennstoffkreisläufe können in verschiedenen Abschnitten des Turbinenbetriebsbereiches an- und abgestellt werden. Ein Verbrennungsmodus wird benutzt, um zu kennzeichnen, wann ein bestimmter Satz von Brennstoffkreisläufen aktiv ist, d. h. mit Brennstoff versorgt wird.
5 zeigt die Modus-Zuordnungen für eine beispielhafte übliche DLN-Brennkammer 45 einer industriellen Gasturbine. 6 zeigt eine herkömmliche Modussequenz für die Überleitung der DNL-Brennkammer von der Entzündung zur Volllast, wie auch von der Volllast zum Herunterfahren. Für jeden Betriebsmodus wird üblicherweise einer der aktiven Brennstoffkreisläufe als „Ankerkreislauf“ (anchor circuit) bestimmt. Der „Ankerkreislauf“ wird bevorzugt mit Brennstoff versorgt, um im Bereich dieses speziellen Modus einen geeigneten Spielraum für die Flammenlöschgrenze beizubehalten. Die kräftigen Flammen an den Düsen, die vom „Ankerkreislauf“ versorgt werden, gewährleisten die Stabilität der gesamten Brennkammer, indem sie die restlichen mit Brennstoff versorgten Düsen in der Brennkammer steuern, die auf sehr viel magererem Niveau betrieben werden können. Selbst unter Anwendung der Modus- und Ankerkreislauf-Vorgehensweisen auf viele DLN-Brennkammerdesigns stellen Übergangszustände großer Gasturbinen in Hinsicht auf die Erhaltung der Flammenstabilität immer noch eine Herausforderung für das Gasturbinen-Brennstoffsteuersystem dar.
Das herkömmliche Verfahren, mit ausgeprägten Übergangszuständen fertigzuwerden, ist der Übergang zu einem robusten Verbrennungsbetriebsmodus, der die schnellen Veränderungen hinsichtlich Brennstoff und Luft während des Übergangszustandes unterstützen kann. Dieses herkömmliche Verfahren begrenzt die maximale Stromlastanforderung im Inselmodus während des Übergangszustandes und erfordert in einigen Fällen einen beträchtlichen Lastabwurf vor Ort im Kraftwerk. Wenn die erwartete Stromanforderung für den Inselmodus die unter Verwendung der herkömmlichen Methode erreichbare Maximallast übersteigt, sind alternative Verfahren nötig, um die Stabilität der Gasturbinenbrennkammer während des Netztrennungs/Lastabwurfsstadiums zu erhöhen. Diese alternativen Verfahren sollten während des Netztrennungs-Übergangszustands und während des Betriebes im Inselmodus höhere Kraftwerks-Insellasten unterstützen. Es wird ein neuer Übergangszustands-Brennstoff-Steueralgorithmus benötigt, der Teillastabwürfe während des Übergangs zum Inselmodus ermöglicht, wo die ursprüngliche Insellastanforderung des Kraftwerks die Standard-Maximalgrenzen für den Insellastabwurf übersteigt. Der Übergangszustands-Brennstoff-Steueralgorithmus sollte keine zusätzlichen Einschränkungen des Betriebes erfordern, die die Ausgangsleistung des Gasturbinengenerators im Normalbetrieb, z. B. Nicht-Inselmodus, einschränken.
Das hier offenbarte neue Verfahren und System stellen eine integrierte Lösung für die Netztrennung und den Inselbetrieb bei erhöhten Insellasten des Kraftwerks zur Verfügung. Das Verfahren und das System sind geeignet für Hochleistungs-Gasturbinen, die elektrische Leistung erzeugen. Das Verfahren und das System können zur Steuerung von Gasturbinengeneratoren im Falle eines ungeplanten Übergangs zum Inselmodus eingesetzt werden.
Es wurde eine Verfahrensweise für die Handhabung des Gasturbinenbrennstoffsystems entwickelt, um die Betriebsfähigkeit von Gasturbinen während einer Netztrennung und dem Übergang zum Inselbetrieb aufrechtzuerhalten, ohne den normalen Betrieb des Gasturbinengenerators zu beeinträchtigen.
Der Übergangszustands-Brennstoff-Steueralgorithmus kann folgende drei Hauptelemente umfassen:

(A) Erkennen eines Übergangszustands: Der Übergangsmodus wird nach dem Erkennen eines vorübergehenden Netzereignisses, entweder durch eine schnelle Änderung der Brennstoffanforderung oder durch eine Beschleunigung der Turbinenwelle, ausgelöst. Beim Erkennen des vorübergehenden Netzereignisses wird der Übergangszustands-Brennstoff-Steueralgorithmus aktiviert. Der Erkennungsalgorithmus wird in Verbindung mit der Inselmodus-Lastaufteilung und dem Insel-Verbrennungsmodus-Auswahlalgorithmus verwendet, um während einer Netztrennung den Übergang der Gasturbine zum Zwischenlastbetrieb zu befehlen.
(B) Transiente Brennstoffsteuerung und die Auswahl des Verbrennungsmodus: Der Übergangszustands-Brennstoff-Steueralgorithmus stellt die Brennstoffaufteilung der Brennkammer und die Übergangspunkte von Modus zu Modus ein, um während des transienten Netzereignisses die spezifizierte Stabilität der Brennkammer aufrechtzuerhalten. Da die Turbinenparameter, die normalerweise den Übergang von einem Modus zum anderen steuern, während eines bedeutenden Übergangszustands eventuell nicht schnell genug reagieren, werden andere, schnellere Parameter verwendet, um präventiv die Übergänge von Modus zu Modus und die Brennstoffaufteilung zu beeinflussen, wenn ein bedeutender Übergangszustand erkannt wird. Beispielsweise wird der Übergangszustands-Brennstoff-Steueralgorithmus die Brennstoffzufuhr zu einem Kreislauf (dem „Ankerkreislauf“) erhöhen, um die Löschgrenze der Brennkammer während des Übergangs zur Inselmodusreglersteuerung zu erhöhen.
(C) Insellastzuweisung: Das vom Kunden gelieferte Insellastanforderungssignal wird in einem Lastzuweisungsalgorithmus verarbeitet, der automatisch die gesamte Insellast unter den verbundenen Gasturbinengeneratoren aufteilt. Die aufgeteilte Lastanforderung wird bei der Auswahl eines geeigneten Ziel-DNL-Modus für den Übergangszustand verwendet und außerdem für die Voreinstellung des Gasturbinen-Drehzahl/Last-Referenzbefehls (TNR).

7 zeigt einen beispielhaften allgemeinen Sequence-Flow 50 des Übergangszustands-Brennstoff-Steueralgorithmus. Der Algorithmus mindert die Risiken des unbeabsichtigten Verlustes der Erzeugung von elektrischer Leistung während ungeplanter Netztrennungsereignisse durch zeitnahes Erkennen von elektrischen Übergangszuständen, Reaktion auf den Übergangszustand und Brennstoffmanagement nach dem Übergang. Zusätzlich verbessert der Algorithmus dort die Gasturbinenbetriebsfähigkeit, wo ein Stromübertragungs-Systemereignis den Gasturbinengenerator beeinträchtigt, während das Kraftwerk noch mit dem Netz verbunden ist. Der Übergangszustands-Brennstoff-Steueralgorithmus erkennt das Ereignis, reagiert darauf ungeachtet des Netzverbindungsstatus und verteilt den Brennstoff für die Gasturbinen derart neu, dass die Robustheit der Brennkammer verbessert wird. Nach der Restabilisierung stellt der Steueralgorithmus die Nominaleinstellungen und die nominale Brennstoffverteilung wieder her, um den Betrieb im Beharrungszustand wiederherzustellen.
Der Übergangszustands-Brennstoff-Steueralgorithmus (kurz Sequenz 50) beinhaltet zusätzliche Maßnahmen, um die „Fern-Erkennung“ eines Stromunterbrechers zu ermöglichen, für den Fall, dass die Erkennung der Verbindungsleitung versagt. Die Fern-Erkennung ist so eingestellt, dass sie reagiert, wenn eine Netztrennung angezeigt wird, basierend auf der Überwachung der physikalischen Maschinengeschwindigkeit, der Beschleunigung der Welle oder beidem. Die Fern-Erkennung löst die Reaktion des Brennstoffsystems aus, um ein zweites Mittel zum Erkennen des Übergangs zum Inselmodus zur Verfügung zu haben. Die Fern-Erkennung kann einen Beschleunigungsmesser oder einen Drehzahlmesser beinhalten, die die Gasturbinenwelle überwachen.
Die Sequenz 50 kann durch ein Übertragungssystemereignis initiiert werden, wie beispielsweise den schnellen Verlust der Netzlast (transientes Netzereignis 52), der in einem folgenden Ablaufschritt einen Geschwindigkeits- /Beschleunigungsübergangszustand 54 verursachen kann. Während des Übertragungssystemereignisses entscheidet der Controller im Ablaufschritt 56 („Entfernter Stromkreisunterbrecher offen ?“), ob der Verbindungsleitungs-Stromunterbrecher 22 umgeschaltet hat. Falls der Fern-Verbindungsleitungs-Stromunterbrecher seine Position verändert hat (Ja), initiiert der Controller die Lastabwurfsequenz 58 und entscheidet dann, ob der Insel-Steuermodus gewählt wurde 60. Falls nicht, wird eine normale Lastabwurfsequenz zu FSNL aktiviert („zu FSNL übergehen“, 62 in 7), die Brennkammern werden im Lastabwurfmodus betrieben, z. B. im Modus 1, und der Brennstoff wird transferiert, z. B. reduziert, um die Gasturbine bei voller Geschwindigkeit und Nulllast (FSNL) zu unterstützen. Sobald der Lastabwurfmodus ausgelöst wird 64, geht die Einheit zur normalen Droop-Steuerung 66 über.
Falls beim Ablaufschritt „Entfernter Stromkreisunterbrecher offen ?“ 56 die Verbindungsleitungs-Stromunterbrecher nicht umgeschaltet wurden (Nein), wenn ein Übertragungssystemereignis eintritt, (was darauf hinweist, dass die Ausgangsleistung des Generators mit dem Netz verbunden bleibt), kann die Gasturbine beschleunigen und dadurch eine Veränderung der Generatorfrequenz und/oder - Leistung verursachen. Falls die Drehzahl- und Beschleunigungsänderung signifikant ist, wird die Aktivierung der Übergangszustandserkennung 68 ausgelöst. Falls der Fern-Verbindungsleitungs-Stromunterbrecher seine Position verändert hat (Ablaufschritt 56, Ja) oder die Aktivierung der Übergangszustandserkennung ausgelöst wird (Ja), führt die Anker-Brennstoffkreislauf-Übergangszustands-Aufteilungsanpassung eine Brennkammer-Brennstoffaufteilungsanpassung 70 des nominalen Online Ablaufprogramms durch.
9 beschreibt die Anker-Brennstoffkreislauf-Aufteilungsanpassung (Brennkammer-Brennstoffaufteilung 70). Die Anker-Brennstoffkreislauf- Aufteilung (gepunktete Linie) wird angepasst, um zur Erhaltung der Brennkammerstabilität während des Übergangszustands beizutragen. Während des Übergangs-Initiationsmodus wird die Anker-Brennstoffkreislauf- Aufteilung, ausgehend von der nominalen Aufteilung vor dem Ereignis, derart angepasst, dass während des anfänglichen Lastabschaltungs-Übergangszustands der Anker-Kreislauf-Brennstoffstrom größer oder gleich dem Brennstoffstrom vor dem Ereignis ist. Sobald der Controller entscheidet, dass die Initiierung des Übergangszustands abgeschlossen ist, lässt man die Anker-Brennstoffkreislauf-Aufteilung zur Nominalaufteilung, plus einer Zugabe während des Übergangs-Wiederherstellungsmodus, zurückkehren. Schließlich wird die Anker-Brennstoffkreislauf-Aufteilung auf den nominalen Aufteilungseinstellwert zurückgefahren, wenn die Übergangs-Ausrichtung aufgehoben wird, d. h. sobald der Controller entscheidet, dass die Übergangsperiode abgeschlossen ist, und dass die Maschine sich im Beharrungszustand stabilisiert hat.
Eine Übergangszustands-Brennstoffsteuerungs-Aufteilungs-anpassung verwaltet die Brennstoffverteilung an die Verbrennungs-Brennstoffkreisläufe während bedeutender, schneller Übergangszustände. Die Brennstoffanpassung kann vom Online-Ablaufprogramm abweichen, da sie unter Berücksichtigung der Größe der Störung unabhängig von üblichen Ablaufeingaben angeordnet wird. Das ist erforderlich, da die üblichen Brennstoffverteilungs-Algorithmen durch das Übergangsverhalten und die Wärmeabgabe von Gaspfadkomponenten während des Übergangszustands verlangsamt werden.
Während aller Betriebszustände berechnet der Controller einen anwendbaren, voraktivierten Ziel-Reglereinstellwert (s. „den erforderlichen Reglersteuerbefehl berechnen und voreinstellen“, 80 in 7) und führt eine Auswahl des Verbrennungsmodus 82 durch, der in der Sequenz 50 angewendet wird. Der Controller führt den Übergang zur Insellast 86 aus und führt einen Lastabwurf durch, bis die berechnete Ziellast und der berechnete Verbrennungsmodus erreicht sind, wenn die Netztrennung eingetreten ist (Ablaufschritt 56, Ja). Der Übergang zur Insellast 86 erfolgt unter Anwendung des voraktivierten Insellast-Befehlsalgorithmus 78. Der Insellast-Befehlsalgorithmus verwendet als Eingaben den Lead/Lag-Status der Einheit 76 und das Insellast-Anforderungssignal von dem Kraftwerkssteuersystem 74. Der Lead/Lag-Status der Einheit 76 wird durch eine aktive Berechnung der normalisierten Last der Einheit 72 ermittelt, was ein gefiltertes MWATT-Ausgangssignal der Einheit normalisiert, unter Verwendung von Umgebungsbedingungen als Normalisierungsparameter. Der angeschlossene Generator mit der höchsten Ausgangsleistung erhält üblicherweise den Lead-Status. Die Insellastanforderung vom Kraftwerkssteuersystem zusammen mit dem Lead/Lag-Status der Einheit wird dann im in 8 dargestellten Insellast-Befehlsalgorithmus verarbeitet. Sobald der Lastabwurfsmodus ausgelöst ist 88, und die Anker-Brennstoffkreislauf-Übergangszustands-Aufteilungsanpassung (Brennkammer-Brennstoffaufteilung 70) abgeschlossen ist, geht die Einheit zur Inselmodusreglersteuerung über 90.
Wenn in einem einzelnen elektrischen System mehrere Anlagen zur Stromerzeugung vorhanden sind, ist es notwendig, eine Lead-Turbine und eine Lag-Turbine zu bestimmen, s. Ablaufschritt 76. Wie vorher erwähnt, erhält üblicherweise der angeschlossene Generator mit der höchsten Ausgangsleistung den Lead-Status. Die Lead-Turbine diktiert unter den verbundenen Einheiten die Lastaufteilung während des Lastabwurfsstadiums. Die Lead-Gasturbine berechnet den anfänglichen Prozentsatz der gesamten Kraftwerksinsellast, den sie während des anfänglichen Lastabwurfsstadiums übernehmen wird. Die Lag-Turbine erhält dann den Befehl, Last abzuwerfen, bis die verbleibende, nicht von der Lead-Gasturbine übernommene Insellast erreicht ist. Wenn daher der Befehl der Lead-Turbine gleich der gesamten Kraftwerks-Lastanforderung ist, wird der Lag-Turbine damit befohlen, in den FSNL-Zustand überzugehen. Zusätzliche Maßnahmen werden getroffen, um sicherzustellen, dass die Lead- und Lag-Gasturbinen über ausreichend Kapazität verfügen, um den Übergang zu ihren entsprechenden befohlenen Lasten durchzuführen. Wenn entweder die Lead- oder die Lag-Gasturbine den Befehl erhält, ihr Leistungsvermögen zu überschreiten, löst die Insellast-Fehlererkennung 84 einen Übergang zur Eigenbedarfsleistung aus. Diese Steuerung der Lead/Lag-Turbinen trägt durch unabhängige Drehzahlerkennung für jede Gasturbine dazu bei, sicherzustellen, dass die Steuerung mehrerer Gasturbinen keine Vibrationen auslöst. Ohne einen Lead- und Lag-Status, wenn jeder Regler für jede Turbine auf das reagiert, was er feststellt, existiert in der Systemdynamik die Möglichkeit, dass die Turbinen gegenseitig auf ihre Reaktionen auf ein erkanntes Ereignis reagieren und damit Vibrationen auslösen.
8 ist ein beispielhafter neuer Steueralgorithmus für die Handhabung von Insellast für zwei Gasturbinen, (Einheit 1 und Einheit 2), während des Betriebes im Inselmodus. Der in 9 gezeigte Algorithmus ist eine Insellastaufteilungsfunktion. Der Algorithmus teilt die Insellastanforderung nach einem vorher festgelegten Programm unter zwei verbundenen Gasturbinen auf, um zur Handhabung des Verbrennungs-Übergangszustands jeder Gasturbine während des Lastabwurfsstadiums beizutragen. Die Lastaufteilungsfunktion dient auch dazu, zu verhindern, dass die verbundenen Gasturbinen versuchen, eine Last von mehr als 90 % ihrer Kapazität zu übernehmen, so dass ein angemessener Spielraum für die Frequenzreaktion erhalten bleibt. Der Algorithmus bestimmt den bevorzugten Gasturbinen-Insellastanteil für jede Einheit, in Abhängigkeit von dem Insellastniveau (in Prozent der Gesamt-Insellast der Einrichtung). 9 zeigt eine bevorzugte Lastzuweisung an mehrere Gasturbinen unter Berücksichtigung eines optimalen Betriebes während eines Lastabwurfs bis zur Hohen Insellast. Die Figur wird dazu verwendet, die vorher festgelegte Insellast unter den Gasturbinen auf stabilste Weise und unter Berücksichtigung des Ziel-DLN-Betriebsmodus und der Leistungsfähigkeit des Verbrennungssystems aufzuteilen. Die in der Tabelle dargestellten Fälle werden unten in Verbindung mit Tabelle 2 und den 10 bis 33 beschrieben.
Während 8 eine Gasturbinenanlage mit zwei Einheiten zeigt, kann der Algorithmus für eine Anlag mit mehr als zwei Gasturbinen entwickelt werden, unter Anwendung dieser Offenbarung und bei normalen Fähigkeiten auf dem Fachgebiet der industriellen Gasturbinen.
Es wurde ein Test durchgeführt unter Verwendung einer Mark-VI-Gasturbinentriebwerks-Steuersoftware von General Electric (GE), als integrierte Echtzeitsimulation, unter Verwendung des Übergangszustands-Brennstoff-Steueralgorithmus, wie oben in Verbindung mit den 7 und 8 beschrieben, angewendet in dem Steuersystem eines industriellen Gasturbinengenerators (Modell GE 7FA+e). Es wurden Simulationen durchgeführt, um die Möglichkeiten und Grenzen des Übergangszustands-Brennstoff-Steueralgorithmus zu demonstrieren, auf eine Netztrennung zu reagieren und die Steueralgorithmen auf den Inselmodus einzustellen. Die Simulation des Übergangs zum Inselmodus wurde verwendet, um die Möglichkeiten des Algorithmus über eine Bandbreite von Insellasten und Umgebungsbedingungen hinweg zu verifizieren. Diese Bedingungen werden in Tabelle 1 zusammengefasst:

Tabelle 1 - Anforderungen für den Übergang zum Inselmodus

Lastspanne der Einrichtung Umgebungstemperaturspanne

180 bis 265 MW
Die Simulationsfälle demonstrieren die Inselfunktion unter mehreren Schlüsselbedingungen, die Auslegungsbedingungen repräsentieren. Diese Fälle werden in Tabelle 2 aufgeführt.

Tabelle 2 - Simulationsfälle

Fall Insellast (MWATT) Umgebungstemp. (F) Anlagenlast Einheit 1 Zielbed. Einheit 2 Zielbed.

Schritt zu 85 MW Schritt zu FSNL
In Tabelle 2 repräsentieren die Fälle 1A, 1B und 1C Insellastzustände für drei Umgebungsbedingungen, bei denen ein Gasturbinengenerator (Einheit 1) Strom für die Inselvolllastanforderung liefert und bei einem zweiten Generator (Einheit 2) offline ein „Nulllast bei voller Geschwindigkeit“-Zustand (FSNL) ausgelöst wird. Die Fälle 2A, 2B und 2C repräsentieren Insellastzustände, bei denen die Inselstromlastanforderung unter den zwei Gasturbinengeneratoren (Einheit 1 und Einheit 2) aufgeteilt wird. Diese sechs Fälle (1A bis 1C und 2A bis 2C) decken die Laststufen ab, die voraussichtlich in einem Kraftwerk auftreten, und repräsentieren Gründe für die Steuerung von Geschwindigkeit und Brennkammerstabilität. Fall 3 repräsentiert die geringste Last, die bewirkt, dass die beiden Gasturbinengeneratoren online bleiben, unter Verwendung der in 6 dargestellten Insellastaufteilungsfunktion, die zeigt, wie jeder Fall mit Bezug auf die Insellastaufteilungsfunktion einzuordnen ist.
Fall 4 repräsentiert einen Schritt zu 10 % der Gasturbinenlast. Dieser Fall ist eine wichtige Auslegungsbedingung für die Bewertung der dampfseitigen Leistung. Die Abgaszustände der Gasturbine werden für alle Fälle angegeben.
Tabelle 3 fasst die Drehzahlreaktion und die Löschgrenze für alle vorgestellten Fälle zusammen. Die Drehzahlreaktion liegt für alle Fälle innerhalb der Auslegungsbedingungen.

Tabelle 3 - Zusammenfassung der Simulationsfälle

Fall Maximalgeschwindigk. Minimalgeschwindigk. Durchschn. PM1 Löschgrenze Minimale PM1 Löschgrenze

Auslegungszielwert

Die Daten wurden während der Simulationen gesammelt und mehrere Schlüssel-Maschinenparameter werden in den Diagrammen in den 10 bis 32 aufgeführt. Die Parameter aus den Diagrammen werden in Tabelle 4 definiert.

Tabelle 4 - Definition der Signale
Signal	Definition	TYP	techn. Maßeinheit
CSGV	Dralldrossel-Winkel	Float
FSR	Fuel Stroke Reference
	MWATT Ausgang
	MVAR Ausgang
	Abgasmassenstrom
	Stromunterbrecherstatus	Bool
	Turbinengeschwindigkeit
	Abgastemperatur
	PM1 Düsenbrennstoffstrom
	PM1 Düsenbrennstoffstrom
	PM1 Düsen-Brennstoffstrom
	Vierfachvert.-Brennstoffstrom

Fall 1A (10 bis 12): Die Zustände sind Grundlast zu 85 MW Insellast bei einer Umgebungstemperatur von 30° F. Fall 1A beginnt mit beiden Einheiten im Grundlastzustand, z. B. Grundlast für ein Netz. Bei 30° F beträgt die Grundlast ca. 185 MW. Die Ziel-Insellast ist auf 85 MW voreingestellt. In 10 sinkt die Last anfänglich für ca. 0,3 Sekunden auf 42,5 MW und steigt dann auf 85 MW. Da die Insellastaufteilungsfunktion (Übergang zur Inselmodusreglersteuerung 90 in 7) fordert, dass die 85 MW-Last von nur einer Einheit übernommen werden soll, geht die zweite Einheit offline. Da eine kurze Verzögerung eintritt, bevor die zweite Einheit offline geht, wird die 85 MW-Last kurz unter beiden Einheiten aufgeteilt, 42,5 MW für jede Einheit, wie erwartet.
Beim Lastabwurf steigt die Geschwindigkeit (THN) schnell auf einen Maximalwert von 103,5 % an, bevor sie wieder in Richtung auf 100 % abfällt. Das Auslegungsziel für die Maximalgeschwindigkeit während Insel-Übergangszuständen beträgt 108%. Als Bezugsgröße: Eine typische Volllastabschaltung hat eine Überdrehzahl von ca. 106 % zur Folge, und das Auslöse-Niveau für Überdrehzahl ist bei 110 % eingestellt. Der in 7 dargestellte Fall zeigt wenig Untergeschwindigkeit. Das Auslegungsziel für Minimalgeschwindigkeit während eines Schrittes zu Insel-Übergangszuständen beträgt 98%. Das Auslöse-Niveau für Unterfrequenz ist bei 94 % eingestellt.
Als Reaktion auf die Drehzahl- und Beschleunigungszunahme befiehlt das Steuersystem eine wesentliche Verringerung der Gesamt-Brennstoffzufuhr wie unter FSR im zweiten Diagramm gezeigt. FSR fällt von 80 % auf einen Minimalgrenzwert von ca. 24%. Ein zweiter kleinerer Drehzahl-Übergangszustand tritt auf, als FSR über dem Minimalwert bei ca. 45 % ansteigt.
Die Funktion des Übergangszustands-Brennstoff-Steueralgorithmus wird in 11 dargestellt, die die Brennstoffströme in den vier Gas-Brennstoffkreisläufen zeigt. Während der Strom (W) zu den Brennstoffdüsen PM2 und PM3 und zu den Vierer-Kreisläufen stark verringert wird, wird der Strom (W) zum PM1-Kreislauf erhöht. Der PM1-Strom wird während des Übergangszustands angepasst, um eine ultra-stabile Flamme an der PM1-Düse aufrechtzuerhalten. Wenn der Übergangszustand fortschreitet, werden die einzelnen Brennstoffströme graduell auf ihre normalen stabilen Betriebsniveaus zurückgefahren. Um einzuschätzen, ob die Stabilität der Brennkammerflamme ausreichend ist, wurde für jeden Fall die Löschgrenze der Brennkammer berechnet. Für den Fall 1A liegt die durchschnittliche Löschgrenze während des Übergangszustands bei 26 % und die Minimal-Löschgrenze bei 18%. Als Bezugsgröße: Die Löschgrenze für Normalbetrieb im Beharrungszustand und im Verbrennungsmodus 6 liegt bei ca. 7%. Eine wesentliche Erhöhung der Löschgrenze wurde während des Schrittes zum Insel-Übergangszustand erreicht. Das Auslegungsziel für die Minimal-Löschgrenze beträgt 20 %, und daher ist im Fall 1A etwas weniger Spielraum bei der Löschgrenze vorhanden als erwünscht. Es ist davon auszugehen, dass mit zusätzlicher Abstimmung im Übergangszustands-Brennstoff-Steueralgorithmus eine Minimal-Löschgrenze von 20 % für alle Zustände erreicht werden wird.
Die Entwicklungstendenzen des Gasturbinen-Abgasmassenstroms und der Temperatur werden in 12 gezeigt. Die größten Änderungen des Maschinenzustands treten in den ersten 10 - 15 Sekunden des Übergangszustands ein.
Fall 1B (13 bis 15): Diese Simulation betrifft einen Übergang von Grundlast zu 85 MW Insellast bei einer Umgebungstemperatur von 86° F. Im Fall 1B beträgt die Ziel-Insellast 85 MW und die Umgebungstemperatur 86° F. Bei 86° F beträgt die Grundlast ca. 155 MW und die Laständerung im Fall 1B ist geringer als im Fall 1A. In 13 tritt derselbe anfängliche Schritt zu 42,5 MW ein wie im Fall 1A, auf Grund der Verzögerung, mit der die zweite Einheit offline geht. Die Maximalgeschwindigkeit für den Fall 1B beträgt 102,5 % und es gibt beinahe keinen Unterdrehzahlzustand. Die Entwicklung der Geschwindigkeit und anderer Turbinenzustände (s. 15) sind ähnlich wie im Fall 1A, aber von geringerer Größenordnung. Als allgemeine Regel kann man festhalten: Je geringer die Laständerung, desto geringer die Abweichungen vom Nominalwert für die meisten anderen Turbinenparameter. Die durchschnittliche und die Minimal-Löschgrenze der Brennkammer liegen bei 29 % und entsprechend bei 25 %, was ausreichend oberhalb des Auslegungsziels von 20 % ist.
Fall 1C (1 bis 18): Die Simulation nimmt einen Übergang von einer Grundlast zu 85 MW Insellast an, bei einer Umgebungstemperatur von 120° Fahrenheit. Im Fall 1C beträgt die Ziel-Insellast 85 MW und die Umgebungstemperatur 120° F. Bei 120° F beträgt die Grundlast ca. 130 MW, so dass die Laständerung geringer ausfällt, als in den Fällen 1A und 1B. Ein anfänglicher Schritt zu 42,5 MW tritt ein (derselbe wie in den Fällen 1A und 1B) auf Grund der Verzögerung, mit der die zweite Einheit offline geht. Die Maximalgeschwindigkeit im Fall 1C beträgt 101,6 % und es kommt zu beinahe keiner Untergeschwindigkeit. Die Entwicklung der Geschwindigkeit und anderer Turbinenzustände ist ähnlich wie in den Fällen 1A und 1B, aber von geringerer Größenordnung. Die durchschnittliche und die Minimal-Löschgrenze der Brennkammer liegen bei 29 % und entsprechend bei 24%.
Fall 2A (19 bis 21) ist die Simulation eines Übergangs von einer Grundlast zu 180 MW Insellast bei einer Umgebungstemperatur von 30° F. Fall 2A beginnt mit beiden Einheiten im Grundlast-Zustand bei einer Umgebungstemperatur von 30° F. Die Ziel-Insellast ist voreingestellt auf eine Last von 180 MW. Die Insellastaufteilungsfunktion fordert, dass die Last von 180 MW von beiden Einheiten übernommen werden soll, wobei jede 90 MW übernimmt. Beide Einheiten bleiben online und durchlaufen einen identischen Übergang von Grundlast (ca. 185 MW) bis zu 90 MW. Die Maximalgeschwindigkeit im Fall 2A beträgt 103,6 % und die Minimalgeschwindigkeit 99,7%. Diese Werte liegen nahe bei der Drehzahlentwicklung im Fall 1A, wo nur eine Einheit von 188 MW auf 85 MW heruntergefahren wurde, und bestätigen die Erfahrung, dass die beiden Einheiten sich unabhängig voneinander verhalten werden, wenn sie dieselbe Laständerung durchlaufen. Die Entwicklung der anderen Turbinenparameter ist ebenfalls ähnlich wie im Fall 1A. Die durchschnittliche und die Minimal-Löschgrenze der Brennkammer im Fall 2A liegen bei 27 % und entsprechend bei 21%.
Fall 2B (22 bis 24) ist eine Simulation eines Übergangs von einer Grundlast zu einer Insellast von 180 MW, bei einer Umgebungstemperatur von 86° F. Wie im Fall 2A bleiben beide Gasturbineneinheiten im Inselmodus online und durchlaufen einen identischen Übergang von der Grundlast (ca. 155 MW) zu 90 MW. Die Maximalgeschwindigkeit im Fall 2B beträgt 102,5 % und die Minimalgeschwindigkeit 99,9%. Die Entwicklung anderer Turbinenparameter ist ähnlich wie im Fall 2A, aber von geringerer Größenordnung. Die durchschnittliche und die Minimal-Löschgrenze der Brennkammer im Fall 2B liegen bei 30 % und entsprechend bei 24%.
Fall 2C (25 bis 27) ist eine Simulation eines Übergangs von einer Grundlast zu 180 MW Insellast bei einer Umgebungstemperatur von 120° F. Wie in den Fällen 2A und 2B bleiben beide Gasturbineneinheiten im Inselmodus online und durchlaufen einen identischen Übergang von der Grundlast (ca. 130 MW) zu 90 MW. Die Maximalgeschwindigkeit im Fall 2C beträgt 101,5 % und die Minimalgeschwindigkeit 99,9%. Die Entwicklung anderer Turbinenparameter ist ähnlich wie in den Fällen 1A und 1B, aber von geringerer Größenordnung. Die durchschnittliche und die Minimal-Löschgrenze der Brennkammer im Fall 2C liegen bei 29 % und entsprechend bei 23%.
Fall 3 (28 bis 30) ist eine Simulation eines Übergangs von Grundlast zu 140 MW Insellast bei einer Umgebungstemperatur von 86° F. Im Fall 3 beträgt die Ziel-Insellast 140 MW und die Umgebungstemperatur 86° F. Eine Last von 140 MW liegt nahe bei der niedrigsten Last, bei der die Insellastaufteilungsfunktion zwei Einheiten zur Versorgung der Last heranzieht. Beide Einheiten bleiben online und durchlaufen einen identischen Übergang von der Grundlast (157 MW) zu 70 MW. Die Maximalgeschwindigkeit im Fall 3 beträgt 103,2 % und die Minimalgeschwindigkeit 99,9%. Die Entwicklung anderer Turbinenparameter ist ähnlich wie in allen vorhergehenden Fällen. Die durchschnittliche und die Minimal-Löschgrenze der Brennkammer im Fall 3 liegen bei 27 % und entsprechend bei 21%.
Fall 4 (31 bis 33) ist eine Simulation eines Übergangs von Grundlast zu 32 MW Insellast bei einer Umgebungstemperatur von 86° F. Der Fall 4 enthält einen Zwischenschritt zu einer Insellast von nur 16 MW bei einer Umgebungstemperatur von 86° F. Die Lastaufteilungsfunktion versorgt diese Last durch eine Einheit, während die zweite Einheit in den „Nulllast bei voller Geschwindigkeit“-Zustand übergeht. Außerdem ist die Last klein genug, dass die Standardfunktion für den Übergang zum Inselmodus angewendet wird.
Die Laständerung im Fall 4 (ca. 155 MW zu 16 MW) ist größer als in einem der anderen Fälle, und wie erwartet ist die Drehzahlabweichung ebenfalls größer. Die Maximalgeschwindigkeit im Fall 4 beträgt 105,2 % und die Minimalgeschwindigkeit 99,2%. Die Entwicklung der anderen Turbinenparameter weicht etwas von der der anderen Fälle ab. Die Reaktion des Brennstoffsystems ist wie zu erwarten anders, da die Standardfunktion für den Übergang zum Inselmodus einen besonderen Modus und eine besondere Vorgehensweise bei der Brennstoffzufuhr anwendet. Die durchschnittliche und die Minimal-Löschgrenze der Brennkammer im Fall 4 liegen bei 55 % und entsprechend bei 47 %.
Während die Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben wurde, was gegenwärtig als die praktikabelste und bevorzugte Ausführungsform angesehen wird, ist zu beachten, dass die Erfindung nicht auf die offenbarte Ausführungsform beschränkt ist, sondern es im Gegenteil beabsichtigt ist, verschiedene Modifikationen und gleichwertige Anordnungen abzudecken, die im Geist und Anwendungsbereich der Patentansprüche enthalten sind.
Ein Verfahren zur Brennstoffsteuerung im Übergangszustand für die Brennstoffzufuhrkreisläufe für eine Vielzahl verbundener Gasturbinen, wobei dieses Verfahren umfasst: das Erkennen eines transienten Netzereignisses 52, basierend auf der Anzeige von einem oder beiden der folgenden Fälle: eine schnelle Veränderung eines Brennstoffsteuerbefehls an die Gasturbine und eine Beschleunigung der Turbinenwelle; bei Erkennen des transienten Netzereignisses einem Gasturbinencontroller zu befehlen 71, die Gasturbine zu mindestens einer Zwischenlast zu transferieren; eine Brennkammer-Brennstoffaufteilung anzupassen, um die Stabilität der Brennkammer während des transienten Netzereignisses aufrechtzuerhalten und ein vorher festgelegtes Insellastanforderungssignal zu verwenden, um eine Insellastanforderung unter den verbundenen Gasturbinengeneratoren aufzuteilen (9).
BEZUGSZEICHENLISTE

5: Elektrisches System
10: Gasturbinengenerator
12: Netz
14: Örtliche Stromlast
15: Gasturbinenmotorsteuerzentrum
16: Transformator, Aufwärtstransformator
18: Transformator, Hilfstransformator
20: Generator-Stromunter-ibrecher
22: Verbindungsleitungs-Stromunterbrecher
24: Hilfsstromunterbrecher
26: Droop-Regler
28: Brennstoff-Steuerbefehl
30: Brennstoffbegrenzer
32: Transferfunktion
34: niedriger Wert gewählt
37: Beschleunigungs-Brennstoffsteuerlimit
40: Droop-Anpassungsfaktor
42: Regler-Einstellwertfunktion
43: Brennstoffdüsengruppe
44: Brennstoffkreislaufanordnung
45: DNL-Brennkammer
46: Brennstoffdüsen
50: Sequenz
52: transientes Netzereignis, Übertragungsereignis
54: Geschwindigkeits-/Beschleunigungsübergangszustand
56: Ablaufschritt „Entfernter Stromkreisunterbrecher offen ?“
58: Lastabschaltung, Lastabwurfsequenz initiieren
60: Insel-Steuermodus ausgewählt?
62: zu FSNL übergehen
64: Lastabwurfmodus auslösen?
66: normale Droop-Steuerung
68: Aktivierung der Übergangszustandserkennung
70: Brennkammer-Brennstoffaufteilung
72: normalisierte Last der Einheit
74: Insellast-Anforderungssignal vom Kraftwerkssteuersystem
76: Lead/Lag-Status der Einheit
78: Insellast-Befehlsalgorithmus
80: den erforderlichen Reglersteuerbefehl berechnen und voreinstellen
82: Auswahl des Verbrennungsmodus
84: Insellast-Fehlererkennung
86: Übergang zur Insellast
88: Lastabwurfsmodus ausgelöst?
90: Übergang zur Inselmodusreglersteuerung

Ein Verfahren zur Brennstoffsteuerung im Übergangszustand für die Brennstoffzufuhrkreisläufe für eine Vielzahl verbundener Gasturbinen, wobei dieses Verfahren umfasst: das Erkennen eines transienten Netzereignisses 52, basierend auf der Anzeige von einem oder beiden der folgenden Fälle: eine schnelle Veränderung eines Brennstoffsteuerbefehls an die Gasturbine und eine Beschleunigung der Turbinenwelle; bei Erkennen des transienten Netzereignisses einem Gasturbinencontroller zu befehlen 71, die Gasturbine zu mindestens einer Zwischenlast zu transferieren; eine Brennkammer-Brennstoffaufteilung anzupassen, um die Stabilität der Brennkammer während des transienten Netzereignisses aufrechtzuerhalten und ein vorher festgelegtes Signal zur Insellastanforderung vom Kraftwerkssteuersystem zu verwenden, um eine Insellastanforderung unter den verbundenen Gasturbinengeneratoren aufzuteilen (9).

Claims

Verfahren zur Steuerung der Brennstoffzufuhrkreisläufe für mehrere verbundene Gasturbinen, die eine erste Gasturbine enthalten, wobei dieses Verfahren umfasst: Erkennen eines transienten Netzereignisses (52) basierend auf einer Anzeige einer schnellen Veränderung eines Brennstoffsteuerbefehls an die erste Gasturbine und/oder einer Beschleunigung einer Turbinenwelle der ersten Gasturbine; Erkennen, ob ein Stromnetz (12) mit einem Generatorausgang der ersten Gasturbine verbunden ist oder nicht; beim Erkennen des transienten Netzereignisses einem Gasturbinencontroller zu befehlen (71), wenigstens eine der verbundenen Gasturbinen zu mindestens einer Zwischenlast zu transferieren, falls das Stromnetz (12) getrennt ist; eine Brennkammer-Brennstoffaufteilung anzupassen, um die Stabilität der Brennkammer in wenigstens einer der verbundenen Gasturbinen während des transienten Netzereignisses aufrechtzuerhalten, und ein vorher festgelegtes Insellastanforderungssignal zu verwenden, um eine Insellastanforderung unter den verbundenen Gasturbinengeneratoren aufzuteilen, falls das Stromnetz (12) verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Anpassung der Brennstoffaufteilung eine Erhöhung für einen der Brennstoffkreisläufe in der wenigstens einen der verbundenen Gasturbinen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, das umfasst, die aufgeteilte Lastanforderung zum Auswählen eines Ziel-DLN-Verbrennungsmodus für den Übergangszustand zu verwenden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erkennen des transienten Netzereignisses eine Fernerkennung eines Drehzahlzustands der ersten Gasturbine umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Aufteilen umfasst, mindestens einer der verbundenen Gasturbinen keine Last (71) zuzuweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Aufteilen umfasst, die Insellastanforderung unter mehreren der verbundenen Gasturbinen aufzuteilen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erkennen des transienten Netzereignisses umfasst, Veränderungen der Verbindungsleitungs-Stromunterbrecher festzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das transiente Netzereignis (52, ) umfasst, dass eine Verbindung zwischen einem Stromnetz und einem oder mehreren Generatoren aufrechterhalten wird, die jeder von mindestens einer der mehreren verbundenen Gasturbinen angetrieben werden.
Verfahren zur Brennstoffsteuerung während eines Übergangszustands, betreffend die Brennstoffzufuhrkreisläufe für mehrere verbundene Gasturbinen, die eine erste Gasturbine enthalten, wobei das Verfahren umfasst: Erkennen eines transienten Netzereignisses (52) basierend auf einer Anzeige einer schnellen Veränderung eines Brennstoffsteuerbefehls an die erste Gasturbine und/oder einer Beschleunigung einer Turbinenwelle der ersten Gasturbine als Folge des transienten Netzereignisses; Erkennen, ob ein Stromnetz (12) mit einem Generatorausgang der ersten Gasturbine verbunden ist oder nicht; beim Erkennen des transienten Netzereignisses einem Gasturbinencontroller zu befehlen (71), wenigstens eine der verbundenen Gasturbinen zu mindestens einer Zwischenlast überzuleiten, falls das Stromnetz (12) getrennt ist; eine Brennkammer-Brennstoffaufteilung anzupassen (70), um die Stabilität der Brennkammer in wenigstens einer der verbundenen Gasturbinen während des transienten Netzereignisses aufrechtzuerhalten und ein vorher festgelegtes Insellastanforderungssignal zu verwenden, um eine Insellastanforderung unter den verbundenen Gasturbinengeneratoren aufzuteilen, falls das Stromnetz (12) verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend, ein Brennstoffreferenzsignal nach Erkennung des transienten Netzereignisses zu verringern.