DE102008002610A1

DE102008002610A1 - Verfahren zur (Online-) Betriebsüberwachung und Regelung einer Gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE102008002610A1
Application number: DE200810002610
Authority: DE
Inventors: Anton Dr. Nemet; Hans Dr. Wettstein
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: Ansaldo Energia IP UK Ltd
Priority date: 2007-07-11
Filing date: 2008-06-24
Publication date: 2009-01-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur (Online-)Betriebsüberwachung und Regelung einer Gasturbinenanlage, welche einen Verdichter zur Verdichtung angesaugter Umgebungsluft, eine Brennkammer zur Verbrennung von zugeführtem Brennstoff mittels der verdichteten Luft, und eine den Verdichter und einen elektrischen Generator antreibende Turbine umfasst, welche von dem in der Brennkammer erzeugten Heißgas durchströmt wird. Eine Vereinfachung des Verfahrens wird dadurch erreicht, dass in einem ersten Schritt mittels eines mathematisch-physikalischen Prozessmodells (24) für die Gasturbine, insbesondere aus einer Datentabelle (27) mit für die Gasturbinenanlage (11) charakteristischen Daten, erste Prozessparameter (PR1, ..., PRn) berechnet werden, dass in einem zweiten Schritt während des Betriebs der Gasturbinenanlage (11) fortlaufend oder in vorgegebenen Zeitabständen ausgewählte Messgrößen aufgenommen und aus den aufgenommenen ausgewählten Messgrößen den ersten Prozessparametern (PR1, ..., PRn) entsprechende zweite Prozessparameter (PR1', ..., PRn') ermittelt werden, dass in einem dritten Schritt die berechneten ersten Prozessparameter (PR1, ..., PRn) mit den ermittelten zweiten Prozessparametern (PR1', ...,PRn') verglichen werden, und dass aus dem Ergebnis des Vergleichs Rückschlüsse auf den Zustand der Gasturbinenanlage gezogen werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasturbinen. Sie betrifft ein Verfahren zur (Online-)Betriebsüberwachung und Regelung einer Gasturbinenanlage gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
STAND DER TECHNIK
Die TIT(Turbineneinlasstemperatur)-Regelung und -Überwachung ist von ausschlaggebender Bedeutung für die Zuverlässigkeit von Gasturbinen. Eine deutliche Überschreitung der oberen Grenzwerte kann innerhalb von Sekunden zu Überhitzungen in der Brennkammer und Turbinenbeschaufelung und damit zu grossen Schäden führen. Für die Überwachung und Regelung von Gasturbinenanlagen sind dabei bisher spezielle Regelungen eingesetzt worden, wie sie beispielsweise unter dem Namen EGATROL bekannt sind (siehe z. B. ABB Review 1/1998, S. 23–29, Abb. 3).
Ein stark vereinfachtes Schema einer typischen Gasturbinenanlage ist in 1 dargestellt. Die Gasturbinenanlage 11 umfasst einen Verdichter 13, der über einen Lufteinlass 12 Umgebungsluft ansaugt und verdichtet. Die verdichtete Luft wird über eine Zuleitung 14 in eine nachfolgende Brennkammer 15 geleitet, wo sie zur Verbrennung eines über eine Brennstoffzufuhr 16 zugeführten Brennstoffes herangezogen wird. Das dabei erzeugte Heissgas wird über einen Heissgaskanal 17 auf den Eingang einer Turbine 18 gegeben und in der Turbine 18 unter Arbeitsleistung entspannt. Das aus der Turbine austretende Abgas gelangt über eine Abgasleitung 19 entweder direkt in einen Abgasauslass oder in einen nachgeschalteten Abhitzedampferzeuger eines Wasser/Dampfkreislaufs. Die Turbine 18 treibt über eine gemeinsame Welle 20 den Verdichter 13 und einen Generator 21 an, der die erzeugte elektrische Leistung über einen Maschinentransformator 22 an ein (nicht eingezeichnetes) Netz oder einen Verbraucher abgibt. Im Verdichter 13 kann zusätzlich eine verstellbare Verdichtervorleitreihe 23 angeordnet sein, mit welcher der Zustrom der Luft zum Verdichter 13 gesteuert werden kann. In der Gasturbinenanlage 11 sind gemäss dem Standard ASME PTC 22-1997 mit eingekreisten Zahlen von 1 bis 10 markierte Zustandsebenen definiert, wobei (1) beispielsweise die Umgebungsluft bezeichnet, (2) den Verdichtereinlass, (3) den Verdichterauslass, (4) den Brennkammereinlass, usw.. Diese Zahlen sind den entsprechenden Prozessparametern in den nachfolgenden Erläuterungen zugleich als Indizes zugeordnet.
Bisher beruht die TIT-Bestimmung für die Regelung und Überwachung hauptsächlich auf einer TAT(Turbinenauslasstemperatur)-Messung (Abgastemperatur) und einer Messung von p3 (Druck nach dem Verdichter). Die Nachteile dieses Standes der Technik sind:

• Hoher Aufwand für die TAT-Messung. Infolge der erforderlichen Mittelung wird ein Gitter von Messpunkten erforderlich mit typischerweise zwischen 5 und 50 Punkten. Meistens sind es Thermoelemente, die im Abgasstrom eingebaut werden.
• Die TAT-Messtechnik ist inhärent langsamer als die Reaktion der Temperatur der zu schützenden Beschaufelung auf schnelle Temperaturexkursionen des Heissgases. Das zwingt zu aufwendigen Zusatzmassnahmen mit entsprechenden Kosten.
• Um die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit der Anlagen zu gewährleisten, müssen die Messelemente leicht und schnell auswechselbar gemacht werden, was zu zusätzlichem Aufwand führt.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welches die Nachteile bekannter Lösungen vermeidet und sich insbesondere durch einen verringerten apparativen Aufwand bei gleichzeitig hoher Sicherheit und grosser Reaktionsschnelligkeit auszeichnet.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Wesentlich für die Erfindung ist, dass in einem ersten Schritt mittels eines mathematisch-physikalischen Prozessmodells für die Gasturbine, insbesondere aus einer Datentabelle mit für die Gasturbinenanlage charakteristischen Daten, erste Prozessparameter berechnet werden, dass in einem zweiten Schritt während des Betriebs der Gasturbinenanlage fortlaufend oder in vorgegebenen Zeitabständen ausgewählte Messgrössen aufgenommen und aus den aufgenommenen ausgewählten Messgrössen den ersten Prozessparametern entsprechende zweite Prozessparameter ermittelt werden, dass in einem dritten Schritt die berechneten ersten Prozessparameter mit den ermittelten zweiten Prozessparametern verglichen werden, und dass aus dem Ergebnis des Vergleichs Rückschlüsse auf den Zustand der Gasturbinenanlage gezogen werden.
Insbesondere werden dabei als ausgewählte Messgrössen zumindest die folgenden Grössen verwendet:

• Die Umgebungstemperatur oder die Verdichtereintrittstemperatur,
• der Umgebungsdruck und der Druckverlust am Eintritt des Verdichters, oder der Verdichtereintrittsdruck,
• die Umgebungsfeuchte,
• die Gasturbinendrehzahl,
• der Druckverlust am Austritt der Gasturbinenanlage,
• Massenstrom, Druck, Temperatur, Zusammensetzung und unterer Heizwert des eingesetzten Brennstoffes,
• Die Wärmeverluste infolge Kühlluftkühlung, Schmierölkühlung, Gehäusemantelkühlung, Diffusorkühlung, Wärmeabstrahlung der heissen Bauteile und Wärmeentnahme über ein geschlossenes Kühlsystem (z. B. Dampfkühlung),

Eine Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass als weitere Messgrössen die folgenden Grössen verwendet werden:

• Die thermodynamische Gasturbinenleistung,
• der Verdichteraustrittsdruck,
• die Verdichteraustrittstemperatur,
• die Turbinenabgastemperatur,
• die Massenströme, Drücke und Temperaturen im Kühlluftsystem der Gasturbine, und
• die zu- oder abgeführten Wärmeströme, ausgedrückt durch Energiebilanzen für die betreffenden Teilsysteme auf der Basis von Massenstrom-, Druck- und Temperaturmessungen,

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
1 ein stark vereinfachtes Schema einer Gasturbinenanlage mit den darin eingezeichneten standardisierten Zustandsebenen, wie sie zur Verwirklichung der Erfindung geeignet ist;
2 ein erstes Schema zur Betriebsüberwachung einer Gasturbinenanlage nach 1 gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 ein zweites Schema zur Erstellung einer Energiebilanz für aktive Regeleingriffe und automatische Schutzaktionen gemäss einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
4 ein drittes Schema zur Verbesserung des dynamischen Regelverhaltens der Gasturbine gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Mit der vorliegenden Erfindung wird die periodische (typischerweise in Sekundenbruchteile erfolgende) Bilanzierung einer Gasturbinenanlage 11 auf Basis eines durch geeignete Mittelungsverfahren erzeugten eindimensionalen Prozessmodells 24 mittels mathematisch-physikalischer Beschreibung der wesentlichen Komponenten der Gasturbine vorgeschlagen, wobei die Implementierung und Einbindung dieses Prozessmodells 24

a) direkt in der für die Regelung der Gasturbinenanlage zuständigen Rechnereinheit oder
b) auf einem mit gängiger Betriebs- und Anwendungssoftware ausgestatteten und über eine Schnittstelle mit der für die Regelung der Gasturbinenanlage zuständigen Rechnereinheit verbundenen externen Rechner erfolgen kann.

Für den letztgenannten Anwendungsfall ist dabei der Erfüllung von Sicherheits-, Zuverlässigkeits- und Echtzeitkriterien ausdrückliche Beachtung zu schenken.
Besonderes Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Anwendung eines mathematisch-physikalischen Prozessmodells 24 für die Gasturbine, welches mit vergleichsweise einfachen Mitteln formuliert und in oben genannte Systeme implementiert werden kann, um sowohl die (Online-)Betriebsüberwachung zu unterstützen als auch die Regelung und den Schutz der Gasturbinenanlage 11 zu verbessern.
Die verschiedenen Ausgestaltungen und Anwendungsgebiete des vorgeschlagenen Verfahrens werden nachfolgend näher erläutert:
(Online-)Betriebsüberwachung für Zustandsmonitoring:
Mit Kenntnis der individuellen Charakteristiken der Gasturbinenkomponenten (Verdichter 13, Turbine 18, Überströmleitungen, Brennkammer 15), welche vorab auf Basis von Prototypmessungen oder mit detaillierten 3D-CFD-Rechenmethoden bestimmt werden können und zweckmässigerweise in Form von tabellierten Daten dem Prozessmodell 24 bereitgestellt werden, lässt sich unter Berücksichtigung der Messgrössen

• Umgebungstemperatur T1 oder Verdichtereintrittstemperatur T2 (in 2 gestrichelt eingezeichnet)
• Umgebungsdruck p1 und Druckverlust am Eintritt Δp1-2 oder Verdichtereintrittsdruck p2 (in 2 gestrichelt eingezeichnet)
• Umgebungsfeuchte RH1
• Gasturbinendrehzahl n9
• wenn anwendbar: Stellwinkel α_VGV der Verdichtervorleitreihe VGV
• Druckverlust am Austritt Δp7-8 der Gasturbinenanlage 11
• Massenstrom m_f, Druck p_f, Temperatur T_f, Zusammensetzung und unterer Heizwert Hu des eingesetzten Brennstoffs
• wenn anwendbar: Massenströme aller zu- und abgeführten Wasser/Dampfmengen, nämlich – zugeführtes Wasser infolge eines Verdampfungskühlers (evaporative cooler) – zugeführtes Wasser infolge eines „Fogging"- oder „High Fogging"-Systems – abgeführtes Wasser infolge eines Kühlers (chilling system) – Wasser/Dampfeinspritzung zur Leistungssteigerung oder zur Emissionsregelung (entweder in die Brennkammer 15 oder in das Kühlluftsystem der Gasturbine, z. B. gemäss der EP-B1-0 995 891 oder US-A-6,161,385 )

• Kühlluftkühlung
• Schmierölkühlung
• Gehäusemantelkühlung
• Diffusorkühlung
• Wärmeabstrahlung der heissen Bauteile
• Wärmeentnahme über ein geschlossenes Kühlsystem (z. B. Dampfkühlung)

11

24

2

Gemäss 2 werden die aufgezählten gemessenen Grössen PR1', .., PRn' auf einen Vergleicher 25 gegeben, wo sie mit den berechneten Prozessparametern PR1, .., PRn, die anhand der Datentabelle 27 mit Hilfe des Prozessmodells 24 berechnet worden sind, verglichen werden. Das Ergebnis des Vergleichs kann in einer Anzeige 26 angezeigt bzw. zur Steuerung von weitergehenden Massnahmen eingesetzt werden.
(Online-)Energiebilanz für aktive Regeleingriffe und automatische Schutzaktionen:
Das zuvor charakterisierte Verfahren kann mit einer Messung der zusätzlichen Grössen

• thermodynamische Gasturbinenleistung P9 (bei sog. „Single Shaft"-Kombianlagen kann diese Messung durch eine Drehzahl- und Drehmomentmessung substituiert werden; in jedem Fall aber ist eine Kompensation der kinetischen Leistungen infolge von Drehzahlgradienten nötig)
• Verdichteraustrittsdruck p3
• Verdichteraustrittstemperatur T3
• Turbinenabgastemperatur T7
• Massenströme m_Kl, Drücke p_Kl und Temperaturen T_Kl im Kühlluftsystem der Gasturbine
• zu- oder abgeführte Wärmeströme (ausgedrückt durch Energiebilanzen für die betreffenden Teilsysteme auf Basis von Massenstrom-, Druck- und Temperaturmessungen)

_f

3

• die Ermittlung und Bewertung der Komponentenwirkungsgrade im Hinblick auf das Zustandsmonitoring der Gasturbinenkomponenten, wie oben beschrieben;
• die (Online-)Bilanzierung zur Bestimmung der Gasturbinenfeuerungstemperatur für aktive Regeleingriffe und automatische Schutzaktionen mit dem Ziel einer Verbesserung der Regelgüte sowie Erhöhung der Betriebssicherheit der Gasturbinenanlage 11;
• die Fehleranalyse durch Vergleich der bilanzierten Kreisprozessparameter mit den korrespondierenden nach obigem Verfahren vorausberechneten Werten.

Verbesserung des dynamischen Regelverhaltens der Gasturbine:
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens ergibt sich, wenn die Turbinenabgastemperaturmessung (T7) durch die zuvor unberücksichtigte Messung des Brennstoffwärmestroms (m_f, p_f, T_f, Hu) in dem vorgenannten Bilanzierungsschema ersetzt wird (4).
Insbesondere lässt diese Variante eine Verbesserung des dynamischen Regelverhaltens der Gasturbinenanlage 11 erwarten, da die Nachteile der durch die inhärente Trägheit der Turbinenabgastemperaturmessung bedingte zeitliche Verzögerung des Messsignals bei stark transienten Lastwechseln weitgehend eliminiert und überwunden werden.
Redundante Messinstrumentierungen:
Aus Gründen der Betriebssicherheit und -zuverlässigkeit der Gasturbinenanlage 11 ist es von Vorteil, wenn gemäss einer anderen Ausgestaltung der Erfindung die Messinstrumentierungen für die o. g. Verfahren redundant ausgeführt werden.
Ausgehend von einer Standard-Instrumentierung, wie sie beispielsweise für die bekannten Turbinentypen GT26 und GT13E2 eingesetzt wird, können hier ausgewählte oder auch alle Messinstrumente mehrfach vorgesehen werden.
Vereinfachte Turbinenabgastemperaturmessung:
Eine bevorzugte Weiterbildung des o. g. Verfahrens, bei dem im Bilanzierungsschema die Turbinenabgastemperaturmessung (T7) durch die Messung des Brennstoffwärmestroms (m_f, p_f, T_f, Hu) ersetzt wird, ermöglicht weiterhin, die gegenwärtig bei Gasturbinen verwendete Instrumentierung für die Turbinenabgastemperaturmessung (T7) in ihrer Komplexität derart zu vereinfachen, dass sich die Messung lediglich auf die für die Lebensdauer der Komponenten kritischen Betriebszustände wie beispielsweise radiale Temperaturspreizungen (TAT-Spreizung) oder ein lokales Erreichen von Temperaturgrenzwerten (TAT-Spitzen) beschränkt, aber gleichzeitig der Schutz der Maschine und das Auslösen entsprechender Schutzaktionen gewährleistet bleibt.
Besonders vorteilhafte Ergebnisse lassen sich erreichen, wenn die Mehrheit der im Stand der Technik verwendeten Temperatursonden, die in ihrer Gesamtheit zur Ermittlung der energetisch gemittelten Turbinenabgastemperatur (T7) beispielsweise nach dem aus EP-A1-1 655 590 bekannten Verfahren erforderlich sind, weitgehend eingespart und durch die Installation einer reduzierten Anzahl über den äusseren Umfang am Turbinenaustritt in Wandnähe verteilter Temperatursonden ersetzt werden kann. Hierdurch ergibt sich auch eine Vereinfachung in Herstellung und Montage, die sich vor allem auf das Anbringen und Verkabeln der Temperatursonden bezieht.
(Online-)Berechnung des Turbinenabgasmassenstroms:
Eine bevorzugte Weiterbildung des o. g. Energiebilanzverfahrens, bei der die Brennstoffwärmestrommessung (m_f, p_f, T_f, Hu) zusammen mit der Turbinenabgastemperaturmessung (T7) berücksichtigt wird, erlaubt mit der Bilanzierung des Verdichteransaugmassenstroms und der Kenntnis der zugeführten Brennstoffmassenstroms sowie der zu- und abgeführten Wasser/Dampfmengen die genaue Berechnung des Turbinenabgasmassenstroms. Ist die Gasturbinenanlage 11 Teil eines Kombikraftwerks mit nachgeschaltetem Abhitzedampferzeuger und zugehörigem Wasser/Dampfkreislauf (siehe z. B. ABB Review 3/1996, S. 24–32), kann der berechnete Turbinenabgasmassestrom mit Vorteil für die zuverlässige Regelung des Wasser/Dampfkreislaufs genutzt werden.
Anwendung auf Gasturbinen mit sequentieller Verbrennung:
Das erfindungsgemässe Verfahren und seine o. g. Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in der Anwendung nicht auf Gasturbinenanlagen mit einer Brennkammer und einer nachfolgenden Turbine beschränkt, sondern lassen sich generell auch bei Gasturbinen mit sequentieller Verbrennung mit Vorteil anwenden. Bei derartigen, aus dem Stand der Technik bekannten Gasturbinen (siehe z. B. die WO-A1-2005/064232 oder ABB Review 5/1998, S. 12–20) wird der Heissgasstrom aus einer ersten Brennkammer durch eine erste Turbine (Hochdruckturbine) geschickt, dann in einer zweiten Brennkammer noch einmal erhitzt und in einer zweiten Turbine (Niederdruckturbine) entspannt. Entsprechend treten zwei Turbinenabgastemperaturen und zwei Brennstoffmassenströme auf. Zur Verbesserung des dynamischen Regelverhaltens lassen sich entsprechend dem Fall mit einfacher Verbrennung die beiden Turbinenabgastemperaturmessungen durch die Brennstoffmassen- und -wärmestrommessungen beider Brennkammern ersetzen. Dazu muss der Druck nach der Hochdruckturbine und vor der Niederdruckturbine erfasst werden, was auf einfache Weise möglich ist.

1, .., 10: Zustandsebene (der Gasturbinenanlage) nach ASME PTC 22-1997
11: Gasturbinenanlage
12: Lufteinlass
13: Verdichter
14: Zuleitung
15: Brennkammer
16: Brennstoffzufuhr
17: Heissgaskanal
18: Turbine
19: Abgasleitung
20: Welle
21: Generator
22: Maschinentransformator
23: Verdichtervorleitreihe (Variable Guide Vane VGV)
24: Prozessmodell
25: Vergleicher
26: Anzeige
27: Datentabelle
EB: Energiebilanz
dQ/dt: Wärmeverlust
m_f: Brennstoffmassenstrom
m_Kl: Kühlluftmassenstrom
m_W,D: Wasser/Dampf-Massenstrom
n9: Gasturbinendrehzahl
p1: Umgebungsdruck
p2: Verdichtereintrittsdruck
Δp1-2: Druckverlust am Eintritt
p3: Verdichteraustrittsdruck
Δp7-8: Druckverlust am Austritt der Gasturbinenanlage
p_f: Brennstoffdruck
p_Kl: Kühlluftdruck
P9: thermodynamische Gasturbinenleistung
PR1, .., PRn: Parameter (berechnet)
PR1', .., PRn': Parameter (gemessen)
RH1: Umgebungsfeuchte
T1: Umgebungstemperatur
T2: Verdichtereintrittstemperatur
T3: Verdichteraustrittstemperatur
T7: Turbinenabgastemperatur
T_f: Brennstofftemperatur
T_Kl: Kühllufttemperatur
VGV: Verdichtervorleitreihe
α_VGV: Stellwinkel VGV

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 0995891 B1 [0019]
- US 6161385 A [0019]
- EP 1655590 A1 [0027]
- WO 2005/064232 A1 [0029]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- ABB Review 1/1998, S. 23–29, Abb. 3 [0002]
- ABB Review 3/1996, S. 24–32 [0028]
- ABB Review 5/1998, S. 12–20 [0029]

Claims

Verfahren zur (Online-)Betriebsüberwachung und Regelung einer Gasturbinenanlage (11), welche einen Verdichter (13) zur Verdichtung angesaugter Umgebungsluft, eine Brennkammer (15) zur Verbrennung von zugeführtem Brennstoff mittels der verdichteten Luft, und eine den Verdichter (13) und einen elektrischen Generator (21) antreibende Turbine (18) umfasst, welche von dem in der Brennkammer erzeugten Heissgas durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt mittels eines mathematisch-physikalischen Prozessmodells (24) für die Gasturbine, insbesondere aus einer Datentabelle (27) mit für die Gasturbinenanlage (11) charakteristischen Daten, erste Prozessparameter (PR1, .., PRn) berechnet werden, dass in einem zweiten Schritt während des Betriebs der Gasturbinenanlage (11) fortlaufend oder in vorgegebenen Zeitabständen ausgewählte Messgrössen aufgenommen und aus den aufgenommenen ausgewählten Messgrössen den ersten Prozessparametern (PR1, .., PRn) entsprechende zweite Prozessparameter (PR1', .., PRn') ermittelt werden, dass in einem dritten Schritt die berechneten ersten Prozessparameter (PR1, .., PRn) mit den ermittelten zweiten Prozessparametern (PR1', .., PRn') verglichen werden, und dass aus dem Ergebnis des Vergleichs Rückschlüsse auf den Zustand der Gasturbinenanlage gezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als ausgewählte Messgrössen zumindest die folgenden Grössen verwendet werden: • Die Umgebungstemperatur (T1) oder die Verdichtereintrittstemperatur (T2), • der Umgebungsdruck (p1) und der Druckverlust am Eintritt des Verdichters (Δp1-2), oder der Verdichtereintrittsdruck (p2), • die Umgebungsfeuchte (RH1), • die Gasturbinendrehzahl (n9), • der Druckverlust (Δp7-8) am Austritt der Gasturbinenanlage, • Massenstrom (m_f), Druck (p_f), Temperatur (T_f), Zusammensetzung und unterer Heizwert (Hu) des eingesetzten Brennstoffes, • Die Wärmeverluste (dQ/dt) infolge Kühlluftkühlung, Schmierölkühlung, Gehäusemantelkühlung, Diffusorkühlung, Wärmeabstrahlung der heissen Bauteile und Wärmeentnahme über ein geschlossenes Kühlsystem (z. B. Dampfkühlung), und dass als zu vergleichende Prozessparameter übergeordnete Kreisprozessparameter wie die thermodynamische Gasturbinenleistung (P9) und/oder spezifische Prozessparameter wie die Turbinenabgastemperatur (T7), der Verdichteraustrittsdruck (p3) oder die Verdichteraustrittstemperatur (T3) herangezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (13) eine verstellbare Verdichtervorleitreihe (VGV) aufweist, und dass als zusätzliche Messgrösse der Stellwinkel (α_VGV) der Verdichtervorleitreihe (VGV) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbinenanlage (11) zur Kühlung, Leistungssteigerung oder dgl. Wasser und/oder Dampf mit der Umgebung austauscht, und dass als zusätzliche Messgrösse die zugehörigen Wasser/Dampf-Massenströme (m_W,D) verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als weitere Messgrössen die folgenden Grössen verwendet werden: • Die thermodynamische Gasturbinenleistung (P9), • der Verdichteraustrittsdruck (p3), • die Verdichteraustrittstemperatur (T3), • die Turbinenabgastemperatur (T7), • die Massenströme (m_Kl), Drücke (p_Kl) und Temperaturen (T_Kl) im Kühlluftsystem der Gasturbine, und • die zu- oder abgeführten Wärmeströme, ausgedrückt durch Energiebilanzen für die betreffenden Teilsysteme auf der Basis von Massenstrom-, Druck- und Temperaturmessungen, dass ohne Berücksichtigung des Brennstoffwärmestroms (m_f, p_f, T_f, Hu) eine Energiebilanz (EB) für die Gasturbinenanlage (11) berechnet und aus den Messgrössen ermittelt wird, und dass die Energiebilanz (EB) zur Überwachung und Regelung der Gasturbinenanlage (11) herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiebilanz (EB) zur Ermittlung und Bewertung der Komponentenwirkungsgrade im Hinblick auf eine Überwachung des Zustands der Gasturbinenkomponenten eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiebilanz (EB) zur Bestimmung der Feuerungstemperatur der Gasturbine für aktive Regeleingriffe und automatische Schutzaktionen verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Energiebilanz (EB) ein Vergleich der bilanzierten Kreisprozessparameter mit den nach dem Prozessmodell berechneten Kreisprozessparametern zur Fehleranalyse herangezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Bilanzierung die Turbinenabgastemperatur (T7) als Messgrösse durch den Brennstoffwärmestrom (m_f, p_f, T_f, Hu) ersetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Messgrössen entsprechende Messinstrumente an der Gasturbinenanlage (11) bereitgestellt werden, und dass zur Erhöhung der Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit der Gasturbinenanlage (11) die Messinstrumente aus Gründen der Redundanz zumindest teilweise mehrfach vorgesehen sind.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Gasturbinenanlage (11) Temperatursonden zur Messung der Turbinenabgastemperatur (T7) vorgesehen werden, welche ausschliesslich zur Bestimmung von für die Lebensdauer der Komponenten der Gasturbinenanlage (11) kritischen Betriebszuständen wie z. B. radialen Temperaturspreizungen oder lokalem Erreichen von Temperaturgrenzwerten verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbinenanlage (11) Teil eines Kombikraftwerks ist, dass unter Berücksichtigung des Brennstoffwärmestroms (m_f, p_f, T_f, Hu) der Turbinenabgasmassenstrom berechnet wird, und dass der berechnete Turbinenabgasmassenstrom zur Regelung des der Gasturbinenanlage nachgeschalteten Wasser/Dampf-Kreislaufs verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbinenanlage mit einer sequentiellen Verbrennung mit zwei Brennkammern und zwei Turbinen ausgestattet ist, und dass entsprechend die Temperaturen, Drücke und Brennstoffgrössen beider Brennkammern und Turbinen gemessen und in dem Prozessmodell (24) berücksichtigt werden.