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Hintergrund der Erfindung
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Die
vorliegende Anmeldung bezieht sich allgemein auf Verfahren, Systeme
und/oder eine Vorrichtung zum Verbessern der Effizienz und/oder
des Betriebs von Gasturbinenanlagen, wobei gemeint ist, dass dieser
Begriff, wenn er hierin verwendet wird und es nicht im Einzelnen
anders festgelegt ist, alle Arten von Gas- oder Verbrennungsturbinen
oder rotierenden Triebwerken einschließlich Flugzeugtriebwerken,
Energieerzeugungsanlagen und anderen enthält. Im Einzelnen, jedoch ohne
eine Beschränkung
darauf, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Verfahren, Systeme
und/oder Vorrichtungen, die zur Steuerung von Verdichterentnahmeströmen während des
Betriebs zur Verbesserung der Anlageneffizienz gehören.
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Allgemein
enthalten Gasturbinenanlagen einen Verdichter, eine Brennkammer
und eine Turbine. Der Verdichter und die Turbine enthalten allgemein Reihen
von Schaufeln, die axial in Stufen angeordnet sind. Jede Stufe enthält eine
Reihe von in Umfangsrichtung beabstandeten Stator- bzw. Leitschaufeln, die
feststehend sind, sowie eine Reihe von Rotor- bzw. Laufschaufeln,
die um eine zentrale Achse oder Welle umlaufen. Im Betrieb rotieren
allgemein die Verdichterlaufschaufeln um die Welle und verdichten im
Zusammenwirken mit den Leitschaufeln einen Luftstrom. Die Zufuhr
von verdichteter Luft wird danach in der Brennkammer zum Verbrennen
eines zugeführten
Brennstoffs verwendet. Danach wird der entstehende Strom heißer Gase
aus der Verbrennung, d. h. das Arbeitsfluid, durch den Turbinenabschnitt
der Anlage expandiert. Der Strom des Arbeits fluides durch die Turbine
versetzt die Laufschaufeln in eine Drehbewegung. Die Laufschaufeln
sind mit einer zentralen Welle verbunden, so dass die Rotation der
Laufschaufeln die Welle dreht.
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Auf
diese Weise wird die in dem Brennstoff enthaltene Energie in die
mechanische Energie der rotierenden Welle umgewandelt, die z. B.
zum Drehen der Laufschaufeln des Verdichters, damit die für die Verbrennung
benötigte
Zufuhr von verdichteter Luft bereitgestellt wird, und der Wicklungen
eines Generators verwendet wird, damit elektrische Energie erzeugt
wird. Wegen der extremen Temperaturen des Heißgaspfades, die zwischen etwa
1316°C (2400°F) und 1427°C (2600°F) erreichen
können,
und der hohen Rotationsgeschwindigkeiten sind die Turbinenschaufeln
während
des Betriebs mit extremen mechanischen und thermischen Belastungen
hochgradig beansprucht. Wie ein Fachmann erkennt, erfordert dies
allgemein, dass Gasturbinenanlagen dazu ausgelegt sind, dem Verdichter
während
des Betriebs Luft zu entnehmen und diese Luft zum Kühlen von
Elementen in dem Heißgaspfad
zu verwenden. Diese Entnahme hat jedoch einen Preis, weil die Verwendung
der Verdichterluft in dieser Weise die Effizienz der Turbinenanlage
verringert. Daher sollte sie verringert oder minimiert werden, wo
immer es möglich
ist.
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Wie
ein Fachmann erkennt, verwendet eine konventionelle Anlagenausführung bei
der Entnahme von Kühlluft
aus dem Verdichter im Allgemeinen einen Einheitsansatz, was bedeutet,
dass die Entnahmemenge festgelegt ist. Eine Folge dieses Ansatzes besteht
darin, dass die Maschinen häufig über die
benötigte
Menge hinaus Kühlluft
aus dem Verdichter entnehmen. Wenn der Effizienznachteil im Zusammenhang
mit der Nutzung überschüssiger Kühlluft und
der Wunsch zur Vermeidung dieses Nachteils in dem möglichen
Maße unter
den üblichsten
Betriebsbe dingungen gegeben sind, wird die einheitliche Entnahmekapazität allgemein
kleiner bemessen als derjenige Wert, der für bestimmte Anwendungen, wie
z. B. für
eine Spitzenleistungserzeugung unter heißen Umgebungsbedingungen, erforderlich
sein könnte, oder
größer als
derjenige Wert ist, der für
andere Situationen, wie z. B. einen Grundlastbetrieb unter kälteren Umgebungsbedingungen,
benötigt
wird.
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Um
sich dieser Aufgabe zuzuwenden, verwenden einige Gasturbinensysteme
eine Technik, die eine variable Entnahmemenge aus dem Verdichter
zulässt.
Selbst wenn eine variable Entnahme möglich ist, scheitern konventionelle
Turbinensteuerungsverfahren und -systeme jedoch daran, diese Möglichkeit
vollständig
zu nutzen, so dass die erreichbaren Anstiege der Abgabeleistung
und der Effizienz realisiert werden. Es sind computerimplementierte
Verfahren und Systeme verfügbar,
die Maschinenbetriebsparameter messen und überwachen und aus diesen Daten
das Maschinensystem modellieren, so dass weitere Betriebsparameter
berechnet und zur Feinabstimmung des Betriebs verwendet werden können. Wie
es unten im Einzelnen erläutert ist,
kann diese Art von Technik in einigen Beispielen (wie hierin vorgesehen)
abgewandelt und wirksam eingesetzt werden, so dass in Kombination
mit einer Technik einer variablen Verdichterentnahme eine erhöhte Anlageneffizienz
erreicht werden kann. Als Ergebnis besteht Bedarf an einer verbesserten
Vorrichtung, verbesserten Verfahren und/oder Systemen im Zusammenhang
mit der Steuerung von variablen Kühlluftentnahmewerten, so dass
größere Leistungsabgabewerte,
eine erhöhte
Effizienz und/oder eine in anderer Weise gesteigerte Leistungsfähigkeit
erreichbar sind.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Die
vorliegende Anmeldung beschreibt demnach ein Verfahren zur Steuerung
eines variablen Entnahmestroms in einer Turbinenanlage, die einen Verdichter,
eine Brennkammer und eine Turbine enthält, wobei der Entnahmestrom
eine Zufuhr verdichteter Luft enthält, die dem Verdichter entnommen
und der Turbine zugeführt
wird, während
sie durch eine oder mehrere Entnahmeleitungen die Brennkammer umgeht,
wobei wenigstens eine der Entnahmeleitungen eine variable Entnahmeöffnung aufweist,
die eine Anzahl von Einstellungen aufweist, die von einer Steuereinheit
gesteuert werden, wobei das Verfahren die Schritte enthält: Messen
einer Anzahl von Turbinenanlagenbetriebsparametern, wobei die gemessenen
Betriebsparameter wenigstens einen einer Temperatur in der Turbine
zugeordneten Parameter, einen der Einstellung der variablen Entnahmeöffnung zugeordneten
Parameter, einen einem Druck in dem Verdichter zugeordneten Parameter,
einen dem Druck in einer der Entnahmeleitungen zugeordneten Parameter
und einen der Menge des Entnahmestroms zugeordneten Parameter enthält; Überwachen
der gemessenen Betriebsparameter der Verbrennungsturbinenanlage
durch die Steuerungseinheit; Berechnen wenigstens eines berechneten
Betriebsparameters auf der Grundlage einer modellgestützten Steuerung
und der gemessenen Betriebsparameter durch die Steuerungseinheit,
wobei der wenigstens eine berechnete Betriebsparameter wenigstens
ein kritisches Verhältnis
gemessener Drücke enthält; und
Beeinflussen der Einstellung wenigstens einer der variablen Entnahmeöffnungen,
so dass ein verringerter und/oder minimaler Entnahmestrom festgelegt
wird, indem verglichen wird, ob das kritische Verhältnis gemessener
Drücke
ein planmäßiges kritisches
Druckverhältnis überschreitet.
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Die
vorliegende Anmeldung beschreibt weiterhin ein Verfahren zur Steuerung
eines variablen Entnahmestroms in einer Turbinenanlage, die einen Verdichter,
eine Brennkammer und eine Turbine enthält, wobei der Entnahmestrom
eine Zufuhr von verdichteter Luft umfasst, die dem Verdichter entnommen
und der Turbine zugeführt
wird, wobei die Brennkammer durch eine oder mehrere Entnahmeleitungen
umgangen wird und wenigstens eine der Entnahmeleitungen eine variable
Entnahmeöffnung aufweist,
die eine Anzahl von Einstellungen aufweist, die durch eine Steuerungseinheit
gesteuert werden, wobei das Verfahren die Schritte enthält: Messen
einer Anzahl von Turbinenanlagenbetriebsparametern, wobei die gemessenen
Betriebsparameter wenigstens einen einer Temperatur in der Turbine
zugeordneten Parameter, einen der Einstellung der variablen Entnahmeöffnung zugeordneten
Parameter, einen der Menge des Entnahmestroms zugeordneten Parameter
und einen einer Brennstoffzufuhr zu der Brennkammer zugeordneten
Parameter enthält; Überwachen
der gemessenen Betriebsparameter der Verbrennungsturbinenanlage
durch die Steuerungseinheit; Einstellen wenigstens einer variablen Entnahmeöffnung auf
einen Einstellwert, der eine näherungsweise
maximale Menge des Entnahmestroms zulässt; Berechnen wenigstens eines
berechneten Betriebsparameters in Abhängigkeit von einer modellgestützten Steuerung
und den gemessenen Betriebsparametern durch die Steuerungseinheit, wobei
die berechneten Betriebparameter wenigstens eine gegenwärtige Turbineneinlasstemperatur
und eine maximale Turbineneinlasstemperatur enthalten; und Beeinflussen
der Einstellung der Brennstoffzufuhr zu der Brennkammer, so dass
ein erhöhter und/oder
maximaler Wert der Anlagenabgabeleistung festgelegt wird, indem
die Werte der gegenwärtige
Turbineneinlasstemperatur und der maximalen Turbineneinlasstemperatur
verglichen werden.
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Diese
und weitere Merkmale der vorliegenden Anmeldung werden bei Durchsicht
der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
deutlich, wenn sie in Verbindung mit den Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen betrachtet
werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Diese
und weitere Merkmale dieser Erfindung werden durch ein sorgfältiges Studium
der folgenden detaillierteren Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen
der Erfindung, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet
werden, vollständiger
verstanden und wahrgenommen:
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1 ist
eine schematische Darstellung einer beispielhaften Turbinenanlage,
in der bestimmte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung verwendet werden können;
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2 ist
eine Schnittansicht des Verdichterabschnitts der Gasturbinenanlage
aus 1;
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3 ist
eine Schnittansicht des Turbinenabschnitts der Gasturbinenanlage
aus 1;
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4 ist
eine schematische Darstellung eines Turbinensystems gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Anmeldung;
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5 ist
ein Flussdiagramm, das den Betrieb einer beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Anmeldung darstellt; und
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6 ist
ein Flussdiagramm, das den Betrieb einer beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Anmeldung darstellt.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Nun
unter Bezug auf die Zeichnungen: 1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Gasturbinenanlage 100,
die zur Beschreibung einer beispielhaften Umgebung verwendet wird,
in der die vorliegende Erfindung eingesetzt werden kann. Es wird von
Fachleuten jedoch erkannt, dass die vorliegende Erfindung nicht
auf diese Art der Benutzung beschränkt ist. Wie gesagt kann die
vorliegende Erfindung auch in anderen Typen von Gasturbinenanlagen
verwendet werden. Allgemein arbeiten Gasturbinenanlagen durch das
Entziehen von Energie aus einem unter Druck stehenden Strom eines
heißen
Gases, das durch die Verbrennung eines Brennstoffes in einem Strom
verdichteter Luft erzeugt wird. Wie in 1 dargestellt,
kann die Gasturbinenanlage 100 mit einem axialen Verdichter 106,
der über
eine gemeinsame Welle oder einen gemeinsamen Rotor mit einem stromabwärtigen Turbinenabschnitt
oder einer Turbine 110 mechanisch gekoppelt ist, und einer Brennkammer 112 ausgestattet
sein, die zwischen dem Verdichter 106 und der Turbine 110 angeordnet ist.
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2 stellt
eine Ansicht eines beispielhaften mehrstufigen axialen Verdichters 106 dar,
der in der Gasturbinenanlage aus 1 verwendet
werden kann. Wie gezeigt kann der Verdichter 106 eine Anzahl
von Stufen enthalten. Jede Stufe kann eine Reihe von Verdichterlaufschaufeln 120 gefolgt
von einer Reihe von Verdichterleitschaufeln 122 enthalten. Demnach
kann eine erste Stufe eine Reihe von Verdichterlaufschaufeln 120,
die um eine zentrale Welle rotieren, gefolgt von einer Reihe von
Verdichterleitschaufeln 122, die im Betrieb stationär bleiben,
enthalten. Die Verdichterleitschaufeln 122 sind allgemein
in Umfangsrichtung voneinander beabstandet und um die Drehachse
herum feststehend angeordnet. Die Verdichterlaufschaufeln 120 sind
in Umfangsrichtung beabstandet und an der Welle angebracht, und
wenn sich die Welle im Betrieb dreht, drehen sich die Verdichterlaufschaufeln 120 um
diese. Wie ein Fachmann erkennen wird, sind die Verdichterlaufschaufeln 120 so
ausgebildet, dass sie kinetische Energie auf die Luft oder das Fluid,
die/das durch den Verdichter 106 strömt, übertragen, wenn sie um die
Welle gedreht werden. Der Verdichter 106 kann über die
in 2 dargestellten Stufen hinaus weitere Stufen enthalten.
Die weiteren Stufen können eine
Anzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Verdichterlaufschaufeln 120 gefolgt
von einer Anzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Verdichterleitschaufeln 122 enthalten.
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3 stellt
eine Teilansicht eines beispielhaften Turbinenabschnitts oder einer
Turbine 110 dar, die in der Gasturbinenanlage aus 1 verwendet
werden kann. Die Turbine 110 kann auch eine Anzahl von
Stufen enthalten. Es sind drei beispielhafte Stufen dargestellt,
aber es könnten
auch mehr oder weniger Stufen in der Turbine 110 vorhanden
sein. Eine erste Stufe enthält
eine Anzahl von Turbinenlaufschaufeln oder Turbinenrotorblättern 126,
die im Betrieb um die Welle umlaufen, und eine Anzahl von Düsen oder
Turbinenleitschaufeln 128, die im Betrieb stationär bleiben.
Die Turbinenleitschaufeln 128 sind allgemein in Umfangsrichtung
voneinander beabstandet und bezüglich
der Drehachse feststehend angeordnet. Die Turbinenlaufschaufeln 126 können zur
Drehung um die (nicht gezeigte) Welle an einem (nicht gezeigten)
Turbinenrad angebracht sein. Eine zweite Stufe der Turbine 110 ist
ebenfalls dargestellt. Die zweite Stufe enthält in ähnlicher Weise eine Anzahl
von in Umfangsrichtung beabstandeten Turbinenleitschaufeln 128 gefolgt
von einer Anzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Turbinenlaufschaufeln 126,
die ebenfalls zur Drehung an einem Turbinenrad angebracht sind.
Eine dritte Stufe ist ebenfalls dargestellt und enthält in ähnlicher
Weise eine Anzahl von Turbinenleitschaufeln 128 und -laufschaufeln 126.
Es wird erkannt, dass die Turbinenleitschaufeln 128 und
die Turbinenlaufschaufeln 126 in dem Heißgaspfad
der Turbine 110 liegen. Die Strömungsrichtung der heißen Gase
durch den Heißgaspfad
ist durch den Pfeil gekennzeichnet. Wie ein Fachmann erkennt, kann
die Turbine 110 über
die in 3 dargestellten Stufen hinaus noch weitere Stufen
enthalten. Jede weitere Stufe kann eine Reihe von Turbinenleitschaufeln 128 gefolgt
von einer Reihe von Turbinenlaufschaufeln 126 enthalten.
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Im
Einsatz kann die Drehung der Verdichterlaufschaufeln 120 in
dem axialen Verdichter 106 einen Luftstrom verdichten.
In der Brennkammer 112 kann Energie freigesetzt werden,
wenn die verdichtete Luft mit einem Brennstoff gemischt und gezündet wird.
Die entstehende Strömung
heißer
Gase aus der Brennkammer 112, die als Arbeitsfluid bezeichnet werden
kann, wird danach über
die Turbinenlaufschaufeln 126 geleitet, wobei der Arbeitsfluidstrom die
Drehung der Turbinenlaufschaufeln 126 um die Welle bewirkt.
Dadurch wird die Energie des Arbeitsfluidstroms in mechanische Energie
der rotierenden Schaufeln und wegen der Verbindung zwischen den Laufschaufeln
und der Welle in mechanische Energie der rotierenden Welle umgewandelt.
Die mechanische Energie der Welle kann danach zum Antrieb der Drehbewegung
der Verdichterlaufschaufeln 120, damit die notwendige Zufuhr
verdichteter Luft bewirkt wird, und z. B. auch zum Antrieb eines
Generators zur Erzeugung von Elektrizität verwendet werden.
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Bevor
weiter fortgefahren wird, beachte man, dass es zur klaren Vermittlung
der Erfindung der vorliegenden Anmeldung notwendig sein kann, eine
Terminologie zu wählen,
die sich auf bestimmte Maschinenkomponenten oder Teile einer Turbinenanlage bezieht
und diese beschreibt. Wo immer es möglich ist, wird die übliche Industrieterminologie
verwendet und in einer Weise benutzt, die mit ihrer übernommenen
Bedeutung übereinstimmt.
Es ist jedoch beabsichtigt, dass jeder derartigen Terminologie eine
breite Bedeutung zuerkannt wird und sie nicht eng ausgelegt wird,
wodurch die hierin beabsichtigte Bedeutung und der Bereich der beigefügten Ansprüche unangemessen
beschränkt
würden.
Fachleute werden erkennen, dass auf bestimmte Komponenten häufig mit
mehreren unterschiedlichen Namen Bezug genommen wird. Außerdem kann
das, was hierin als ein einziges Element beschrieben sein mag, in
einem anderen Zusammenhang mehrere Komponenten enthalten und als
aus mehreren Komponenten bestehend bezeichnet sein, oder was hierin
als mehrere Komponenten enthaltend beschrieben ist, kann in einigen
Fällen
als ein einziges Element gestaltet und bezeichnet sein. Demnach
sollte beim Verständnis des
Bereichs der hierin beschriebenen Erfindung die Aufmerksamkeit nicht
nur auf die gelieferte Teminologie und Beschreibung gerichtet werden,
sondern auch auf die Struktur, Konfiguration, Funktion und/oder
den Gebrauch der hierin beschriebenen Komponenten.
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Außerdem können hierin
verschiedene beschreibende Ausdrücke
verwendet werden, die für Turbinenanlagenanwendungen üblich sind.
Die Definitionen für
diese Begriffe sind die folgenden: Der Ausdruck „Laufschaufel” ist ohne
weitere Erläuterung eine
Bezugnahme auf die rotierenden Schaufeln entweder des Verdichters 106 oder
der Turbine 110 und umfasst sowohl die Verdichterlaufschaufeln 120 als auch
die Turbinenlaufschaufeln 126. Der Ausdruck „Leitschaufel” ist ohne
weitere Erläuterung
eine Bezugnahme auf die stationären
Schaufeln entweder des Verdichters 106 oder der Turbine 110 und
umfasst sowohl die Verdichterleitschaufeln 122 als auch die
Turbinenleitschaufeln 128. Der Ausdruck „Schaufel” wird hierin
unter Bezug auf beide Arten von Schaufeln verwendet. Demnach umfasst
der Ausdruck „Schaufel” ohne weitere
Spezifizierung alle Arten von Schaufeln der Turbinenanlage, die
Verdichterlaufschaufeln 120, Verdichterleitschaufeln 122, Turbinenlaufschaufeln 126 und
Turbinenleitschaufeln 128 umfassen. Weiterhin sind „stromabwärts” und „stromaufwärts” Ausdrücke, die,
wenn sie hierin verwendet werden, eine Richtung bezogen auf die
Strömung
des Arbeitsfluides durch die Turbine bezeichnen. Demnach bezeichnet
der Ausdruck „stromabwärts” die Richtung
der Strömung,
während
der Ausdruck „stromaufwärts” die der
Strömung
durch die Turbine hindurch entgegengesetzte Richtung bezeichnet.
Im Zusammenhang mit diesen Begriffen beziehen sich die Ausdrücke „hinten” und/oder „Hinterkante” auf die
stromabwärtige
Richtung, das stromabwärtige
Ende und/oder die Richtung des stromabwärtigen Endes der beschriebenen
Komponente. Die Begriffe „vorne” oder „Vorderkante” bezeichnen
die stromaufwärtige
Richtung, das stromaufwärtige
Ende und/oder die Richtung des stromaufwärtigen Endes der beschriebenen
Komponente. Der Ausdruck „radial” bezieht
sich auf eine Bewegung oder Position senkrecht zu einer Achse. Es
ist häufig
erforderlich, Elemente zu beschreiben, die sich an unterschiedlichen
radialen Positionen bezogen auf eine Achse befinden. In diesem Falle
kann, wenn sich eine erste Komponente näher als eine zweite Komponente
an der Achse befindet, hierin gesagt sein, dass sich die erste Komponente „innen” oder „radial
innerhalb” von
der zweiten Komponente befindet. Wenn sich die erste Komponente
andererseits von der Achse weiter als die zweite Komponente entfernt
befindet, kann hierin gesagt sein, dass sich die erste Komponente „außen” oder „radial
außerhalb” der zweiten
Komponente befindet. Der Begriff „axial” bezieht sich auf eine Bewegung
oder eine Position parallel zu einer Achse. Der Ausdruck „in Umfangsrichtung” bezieht
sich auf eine Bewegung oder Position um eine Achse herum.
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Wieder
mit Bezug auf die Figuren: 4 stellt
eine beispielhafte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, ein Turbinensystem 200 dar.
Wie genauer beschrieben ist, sind eine Vorrichtung, Verfahren und/oder
Systeme vorgesehen, die zum Zwecke der Verbesserung des Betriebs
einer Verbrennungs- oder Gasturbinenanlage eine variable Verdichterentnahme
und eine modellgestützte
Steuerung verwenden. Wenn hierin der Begriff „variable Verdichterentnahme” verwendet
wird, ist dieser als die Fähigkeit
bzw. Möglichkeit
definiert, die Menge eines Luftstroms zu steuern, der dem Verdichterabschnitt
einer Gasturbine entnommen wird. Die „variable Verdichterentnahme” beinhaltet
zumindest die Möglichkeit,
wenigstens zwei verschiedene Werte der Luftstromentnahme vorzusehen.
Wenn hierin der Begriff „modellgestützte Steuerung” verwendet
wird, ist dies ein Verfahren zur Steuerung einer Turbinenanlage
auf der Grundlage eines Modells des Anlagenbetriebs. Demnach kann
eine Turbinenanlage nicht nur anhand gemessener Betriebsparameter, sondern
auch anhand von solchen Betriebsparametern gesteuert werden, die
aus einem gegebenen Turbinenanlagenmodell und den gemessenen Betriebsparametern
berechnet werden. Wie unten genauer erläutert ist, bietet die vorliegende
Erfindung unter anderem durch die Integration der variablen Verdichterentnahme
und der modellgestützten
Steuerung eine gesteigerte betriebliche Effizienz. Es wird erkannt,
dass bestimmte beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung vorhandene Verdichterentnahmerohrleitungen oder -zufuhrleitungen und
ein konventionelles Ventil oder eine konventionelle Öffnung,
das/die in der vorhandenen Rohrleitung eingebaut ist, zur variablen
Entnahme verwenden. Die Steuerung der variablen Entnahmeöffnung, wie
sie unten genauer beschrieben ist, kann auf Anlagenbetriebsparameter
gestützt
sein, die von einer Steuerungseinheit gemäß einem konventionellen modellgestützten Steuerungsprogramm
oder -system, das zum Betrieb gemäß den hierin detailliert beschriebenen
Verfahrensschritten abgewandelt worden ist, gemessen, überwacht
und/oder berechnet werden. Auf diese Weise kann die Leistungsfähigkeit der
Anlage gesteigert werden, indem aus der variablen Verdichterentnahme und
den verfügbaren
Kühlstromwerten
durch die Nutzung der modellgestützten Steuerung
größere Vorteile
gezogen werden. Im Einzelnen kann die vorliegende Erfindung, wie
es unten genauer erläutert
ist, zur Erhöhung
oder Maximierung der Abgabeleistung der Anlage oder der Effizienz
verwendet werden.
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Wie
ein Fachmann erkennt, kann eine Verdichterentnahme in einer beliebigen
Verdichterstufe eines Turbinensystems vorgesehen sein. Der entnommene
Strom kann in den Turbinenabschnitt der Anlage eingespeist werden,
um Elemente zu kühlen und/oder
die Elemente während
des Betriebs auf geeigneten Temperaturen zu halten. Wenn hierin
der Ausdruck entnommener Strom verwendet wird, ist es so gemeint,
dass er sich auf eine beliebige Luftzufuhr bezieht, die aus dem
Verdichter entnommen oder abgezapft und dem Turbinenabschnitt der
Anlage zum Kühlen
von Elementen, Spülen
von Hohlräumen
oder zu ähnlichen
Zwecken zugeführt
wird. Die Menge der entnommenen Luft ist in konventionellen Systemen allgemein
unveränderlich.
Ein konventionelles variables Verdichterentnahmeventil oder eine
konventionelle variable Verdichterentnahmeöffnung kann verwendet werden,
um einen veränderlichen
Wert der Verdichterluftentnahme zu ermöglichen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind unten unter Bezug auf Blockdiagramme von Systemen, Verfahren,
Vorrichtungen und/oder Computerprogrammprodukten gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
Erfindung beschrieben. Die beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung
sind im Anschluss hieran unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen vollständiger beschrieben,
in denen die gleichen Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen
die gleichen Elemente kennzeichnen. Tatsächlich kann diese Erfindung
in zahlreichen verschiedenen Formen verkörpert sein und darf nicht als
auf die hierin gelieferten Beispiele beschränkt angesehen werden; vielmehr
werden diese Beispiele geliefert, damit diese Offenbarung den anwendbaren
gesetzlichen Vorschriften genügt.
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Wie
gesagt stellt 4 ein beispielhaftes Turbinensystem 200 zur
Anwendung der modellgestützten
Steuerung gemäß dem hierin
geschaffenen Verfahren zum Steuern der Entnahmeströme aus dem
Verdichter 106 dar, so dass die Anlageneffizienz für bestimmte
Anwendungen gesteigert wird. Das in 4 gezeigte,
beispielhafte Turbinensystem 200 kann eine Gasturbine sein,
die zum Antreiben eines (nicht gezeigten) elektrischen Generators
verwendet wird. Wie in der beispielhaften Ausführungsform aus 4 gezeigt
kann das Turbinensystem 200 einen Verdichter 106,
eine Turbine 110 und eine Brennkammer 112 enthalten,
wobei der allgemeine Betrieb derselben oben genauer beschrieben
ist.
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Wie
ebenfalls gezeigt kann das Turbinensystem 200 Entnahmeleitungen
oder -kanäle 204 enthalten,
die in Strömungsverbindung
mit einem Entnahmepunkt oder einer Entnahmestufe des Verdichters 106 angeordnet
sind. Die Entnahmeleitung 204 ist allgemein das Leitungssystem,
das die entnommenen Ströme
aus dem Verdichter 106 zu der Turbine 110 führt. In
einigen beispielhaften Ausführungsformen
der Erfindung kann der Entnahmepunkt in dem Verdichter 106 an
der Stufe 9 und/oder der Stufe 13 angeordnet sein,
wobei eine Entnahme auch an anderen Stufen stattfinden könnte. Gemäß einigen
beispielhaften Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung können
die gesteuerten variablen Entnahmeströme an einer beliebigen Komponente
in einer beliebigen Stufe der Turbine 110 zum Kühlen von
Elementen, Spülen
von Hohlräumen
oder anderen ähnlichen
Zwecken wieder eingespeist werden, wie es Fachleute erkennen werden.
Um eine Steuerung und Handhabung der Entnahmeströme während des Betriebs der Turbinenanlage
zu ermöglichen,
kann die Entnahmeleitung 204 mit einer oder mehreren variablen
Entnahmeöffnun gen 208 verbunden
sein oder diese enthalten. Wie in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
von 4 gezeigt können
sich die Entnahmeleitungen 204 über die variablen Entnahmeöffnungen 208 hinaus
forstsetzen und den entnommenen Strom an eine gewünschte Stelle
innerhalb der Turbine 110 führen.
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In
beispielhaften Ausführungsformen
der Erfindung können
die variablen Entnahmeöffnungen 208 eine
oder mehrere Öffnungen
mit einer variablen Geometrie aufweisen. Die Geometrie jeder Öffnung 208 kann
gemäß einem
oder mehreren Turbinenbetriebsparametern der Anlage gesteuert werden.
Wie unten genauer erläutert
ist, können
die Öffnungen 208 die
Mengen der Entnahmeströme
steuern, um bestimmte gewünschte
Betriebseigenschaften zu erhalten. In beispielhaften Ausführungsformen
der Erfindung können
die variablen Entnahmeöffnungen 208 in
eine vorhandene oder konventionelle Entnahmeleitung 204 eingebaut
sein. In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung können eine
oder mehrere variable Entnahmeöffnungen 208 betrieben werden,
um wenigstens eine Öffnungseinstellung
mit einem relativ geringen Durchfluss, eine Öffnungseinstellung mit einem
großen
Durchfluss und/oder weitere Einstellungen festzulegen. Eine Steuerungseinheit 210 kann
die Einstellungen der einen oder mehreren variablen Entnahmeöffnungen 208 so
steuern, dass diese Einstellungen so vorgenommen werden können, wie
es von einem Systembediener des Turbinensystems 200 gewünscht wird.
Eine beispielhafte variable Entnahmeöffnung kann ein Ventil (z.
B. ein hydraulisches Durchgangsventil, ein pneumatisches Ventil,
ein Absperrventil etc.) sein, wobei der Hub des Ventils von der
Steuerungseinheit 210 mit konventionellen Mitteln gesteuert
werden kann.
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Wie
ein Fachmann erkennt, kann die Steuerungseinheit 210 zahlreiche
Funktionen erfüllen,
die eine Brennstoff-, Luft- und Emissionssteuerung, eine Ablaufsteuerung
für den Turbinenbrennstoff
und Hilfsfunktionen zum Hochfahren, Herunterfahren und Abkühlen, eine
Synchronisation und Spannungsanpassung des Generators und des Systems,
eine Überwachung
aller Turbinen-, Steuerungs- und Hilfsfunktionen, eine Überwachung
aller Turbinenbetriebsparameter, einen Schutz vor unsicheren und
nachteiligen Betriebsbedingungen und/oder weitere ähnliche
Funktionen umfassen. In einigen beispielhaften Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung können
die Steuerungseinheit 210 und die Art, auf die sie die
Entnahmeströme
steuert und beeinflusst, in ein konventionelles oder vorhandenes
Mehrparameter-Turbinenanlagensteuerungssystem (z. B. vorhandene
modellgestützte
Steuerungssysteme oder Steuerungssysteme mit korrigierten Parametern)
einbezogen sein. In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann
die Steuerungseinheit 210 für ein Gasturbinensystem eine
Komponente und/oder ein Modul sein, das in vorhandene Turbinensteuerungssysteme,
wie etwa das SpeedtronicTM Mark VI Control
System der General Electric Company, jedoch ohne eine Beschränkung auf
dieses, einbezogen ist. Wie ein Fachmann erkennt, können die Aspekte
der vorliegenden Erfindung, die das Messen, Überwachen, Berechnen und Steuern
von Turbinenanlagenbetriebsparametern und des Turbinenanlagenbetriebs
einschließlich
der notwendigen Sensoren und Computer betätigten Mechanismen (z. B. den
variablen Entnahmeöffnungen 208)
enthalten, in einem oder mehreren dieser konventionellen Systeme
zu finden sein, die zum Funktionieren gemäß der hierin beschriebenen
Erfindung abgewandelt sein können.
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Wie
in 4 gezeigt nutzen beispielhafte Ausführungsformen
der Erfindung eine integrierte Steuerungseinheit 210, um
durch die Steuerung einer oder mehrerer variabler Entnahmeöffnungen 208 eine
aktive Modulation der Entnahmeströme während des Betriebs zu bewirken.
Die Steuerungseinheit 210 ist zum Steuern der Entnahmeströme als Reaktion
auf einen oder mehrere gemessene oder berechnete Anlagenbetriebsparameter
im Zusammenhang mit den verschiedenen Komponenten des Turbinensystems 200 in
der Lage. Demnach können gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung ein oder mehrere Betriebsparameter im Zusammenhang
mit dem Turbinensystem 200 von der Steuerungseinheit 210 über konventionelle
Sensoren gemessen werden, die an einem oder mehreren Orten in dem
Turbinensystem 200 angeordnet sind. Die Sensoren können über die
verschiedenen Komponenten und/oder Stufen des Turbinensystems 200, die
den Verdichter 106, die Brennkammer 112, die Turbine 110,
die variablen Entnahmeöffnungen 208, die
Entnahmeleitungen 204 und weitere enthalten, verteilt angeordnet
sein und Informationen an die Steuerungseinheit (210) übermitteln,
wie es erforderlich ist. Wie ein Fachmann erkennt, können die
Sensoren Messwerte in Verbindung mit Ventilstellungen, einer Temperatur,
einem Druck und weiteren derartigen Messwerten aufnehmen, wie es
unten beschrieben ist. Konventionelle Turbinenanlagensensoren können in
Steuerungssystemen mit geschlossenem Regelkreis verwendet werden.
Die Steuerungseinheit 210 überwacht dann die gemessenen
Informationen von den Sensoren (man beachte, dass die Sensoren auch
als ein Teil der Steuerungseinheit 210 angesehen werden
können)
und zeichnet die gemessenen Informationen auf. Die Steuerungseinheit 210 kann
die erhaltenen Daten von den Sensoren verwenden, um Berechnungen
im Zusammenhang mit Betriebsparametern vorzunehmen, die nicht durch
einen Sensor gemessen worden sind, wie z. B. der Flammentemperatur.
Diese Berechnungen können auf
konventionellen modellgestützten
Steuerungssystemen oder anderen ähnlichen
Verfahren basieren. Wie unten erläutert kann die Steuerungseinheit 210 diese
Berechnungen und die gesammelten Daten verwenden, um die Entnahmeströme zum Verbessern
des Betriebs der Turbinenanlage zu modulieren.
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Im
Einzelnen können
die Betriebsparameter, die von der Steuerungseinheit 210 des
Turbinensystems 200 gemessen, überwacht und aufgezeichnet worden
sind, für
beispielhafte Ausführungsformen der
vorliegenden Anmeldung enthalten: Turbinenabgastemperatur und/oder
-druck, Verdichterluftstrom, Verdichtereinlasstemperatur, Verdichterauslasstemperaturen,
Verdichtereinlassdruck, Verdichterauslassdruck, Brennstoffstrom,
Verbrennungsdynamiken, -verteilung und Einlassluftstrom und/oder
weitere Parameter, wie es unten beschrieben ist. In einigen beispielhaften
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung kann die Steuerungseinheit 210 einen oder
mehrere Betriesparameter (z. B. eine Brennkammeraustrittstemperatur,
eine Turbinenreferenztemperatur, die Turbinenflammentemperatur etc.)
in Abhängigkeit
von gemessenen Anlagenbetriebsparametern berechnen, überwachen
und aufzeichnen. Wie hierin erwähnt
kann die die Steuerungseinheit 210 die variable Entnahmeöffnung 208 gemäß beliebigen
von all diesen gemessenen, überwachten,
aufgezeichneten und/oder berechneten Anlagenbetriebsparametern (d.
h. Daten darüber,
wie die Anlage arbeitet, und zu den Bedingungen, unter denen sie
arbeitet) steuern.
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Das
Turbinensystem 200, das in 4 gezeigt
und unter Bezug auf 4 beschrieben ist, wird nur
als Beispiel gegeben. Es sind zahlreiche weitere Turbinensystembetriebsumgebungen,
-architekturen und/oder -konfigurationen möglich. Dementsprechend dürfen die
Ausführungsbeispiele
der Erfindung nicht als auf irgendeine bestimmte Betriebsumgebung,
Architektur oder Konfiguration beschränkt angesehen werden, die in 4 gezeigt
und unter Bezug auf 4 beschrieben ist. Unten wird
unter Bezug auf die 5 und 6 eine detailliertere
Beschreibung des Betriebs zum Steuern der Verdichterentnahmeströme aus einem
Verdichter eines Turbinensystems in Übereinstimmung mit den Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Anmeldung geliefert.
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Die 5 und 6 stellen
ein beispielhaftes Flussdiagramm zum Steuern der Entnahmeluftströme aus einem
Verdichter eines Turbinensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung dar. Es wird erkannt, dass ein oder mehrere Blöcke und/oder
Kombinationen von Blöcken
in den 5 und 6 durch Computerprogrammbefehle
implementiert sein können.
Diese Computerprogrammbefehle können
in einen Vielzweckcomputer, einen Spezialzweckcomputer oder eine
andere programmierbare Datenverarbeitungseinrichtung geladen werden,
um eine solche Maschine zu ergeben, dass die Befehle, die auf dem
Computer oder der anderen programmierbaren Datenverarbeitungseinrichtung ausgeführt werden,
Mittel zum Implementieren der Funktionalität des jeweiligen Blockes des
Blockdiagramms oder der Kombinationen von Blöcken in dem Blockdiagramm schaffen,
wie es in den Beschreibungen unten im Einzelnen erläutert ist.
Diese Computerprogrammbefehle können
auch in einem computerlesbaren Speicher gespeichert sein, der einen Computer
oder eine andere programmierbare Datenverarbeitungseinrichtung zum
Funktionieren in einer bestimmten Weise einschließlich der
Implementierung der in dem Block oder den Blöcken festgelegten Funktionen
veranlassen kann. Ausführungsbeispiele der
Erfindung können
auch durch ein Anwendungsprogramm implementiert sein, das auf einem
Betriebssystem eines Computers läuft.
Zusätzlich
oder alternativ kann das Anwendungsprogramm (ganz oder zum Teil)
in einem entfernten Speicher oder in einem Speicher angeordnet sein,
um Ausführungsbeispiele
der Erfindung in die Praxis umzusetzen, wobei Aufgaben durch entfernte
Verarbeitungseinrichtungen ausgeführt werden, die durch ein Kommunikationsnetz
angebunden sind.
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Es
wird auch erkannt, dass jeder Block und/oder jede Kombination von
Blöcken
in den 5 und 6 durch auf Spezialzweckhardware
gestützte
Computersysteme, die die festge legten Funktionen oder Elemente erfüllen, oder
durch Kombinationen aus Spezialzweckhardware und Computerbefehlen
implementiert sein kann. Diese Ausführungsbeispiele können auch
mit anderen Computersystemkonfigurationen, die handgeführte Vorrichtungen, Multiprozessorsysteme,
Mikroprozessor gestützte oder
programmierbare Unterhaltungselektronik, Minicomputer, Mainframecomputer
etc. enthalten, in die Praxis umgesetzt werden.
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Die
in 5 dargestellte beispielhafte Ausführungsform
bezieht sich auf ein Verfahren zum Erhöhen und/oder Maximieren der
Turbinenabgabeleistung. Dieses Verfahren kann durch die Verwendung von
konventionellen modellgestützten
Steuerungssystemen und einer variablen Entnahme implementiert sein.
Ein Aspekt dieser beispielhaften Ausführungsform besteht darin, dass
die Turbinenanlage ihre Leistungsabgabe steigern kann. Dies kann
durch Anwendung der variablen Entnahme, um die Entnahme von Luft
aus dem Verdichter zu maximieren, und danach bei gegebenen Entnahmeströmen durch
eine Neuformulierung der oberen Temperaturgrenzen durch das Betreiben
der Anlage bei Temperaturen erreicht werden, die oberhalb der zuvor
akzeptierten oberen Grenzen liegen. Diese Art des Betriebs kann z.
B. Bedienern die Flexibilität
gewähren,
die Abgabeleistung an heißen
Tagen während
des Spitzenbedarfs zu erhöhen.
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Wie
in 5 gezeigt ist, kann ein beispielhaftes Verfahren 500 bei
einem Block 502 beginnen, wo ein oder mehrere Turbinenanlagenbetriebsparameter
von der Steuerungseinheit 210 überwacht werden. Wie erwähnt ermöglicht die
Verwendung von Sensoren, dass eine Vielzahl von gemessenen und/oder
berechneten Turbinenbetriebsparametern durch die Steuerungseinheit 210 aufgezeichnet und/oder überwacht
wird. Demnach kann das Verfahren bei dem Block 502 einen
oder mehrere Turbinenbe triebsparameter messen, berechnen, aufzeichnen und/oder überwachen,
die einen oder mehrere der folgenden enthalten:
- a)
Entnahmeleitungsdruck für
eine oder mehrere der Entnahmeleitungen 204 (Diese Messung kann
durch einen Druckwandler vorgenommen werden, der stromabwärts der
variablen Entnahmeöffnungen
angeordnet ist.);
- b) Entnahmestromwert (Dieser kann berechnet werden, wenn z.
B. die bekannten Abmessungen der Entnahmeleitungen 204 und
der gemessene Druck in den Entnahmeleitungen 204 gegeben sind.);
- c) die Einstellungen der variablen Entnahmeöffnungen 208;
- d) Verdichteraustrittsdruck;
- e) Umgebungsbedingungen;
- f) Turbineneinlasstemperatur („Tfire”) (Tfire kann berechnet werden,
wenn die gemessene Gasturbinenauslasstemperatur und weitere gemessene Parameter
gegeben sind.);
- g) Gasturbinenleistungsabgabewert/-lastwert; und
- h) Gasturbinenauslasstemperatur.
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Sofern
nichts anderes gesagt ist, kann das Messen, Berechnen, Aufzeichnen
und/oder Überwachen
der Turbinenbetriebsparameter mit konventionellen Mitteln und Verfahren
durchgeführt
werden. Es können
auch andere Betriebsparameter überwacht werden.
Die Überwachung
des Blocks 502 kann kontinuierlich oder periodisch aktualisiert
werden, und die aktualisierten Daten können von anderen Schritten
in dem Verfahren verwendet werden, wie es in dem Flussdiagramm eingezeichnet
ist.
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Bei
dem Block 504 kann das Verfahren feststellen, ob der Systembediener
die Anlagenabgabeleistung steigern und/oder die Anlagenabgabenleistung
maximieren möchte.
Wenn festgestellt wird, dass der Systembediener die Anlagenabgabeleistung
steigern und/oder maximieren möchte,
kann das Verfahren zu dem Block 506 fortschreiten. Wenn
festgestellt wird, dass der Systembediener die Anlagenabgabeleistung
nicht steigern und/oder maximieren möchte, kann das Verfahren enden
oder den Block 504 wiederholen. (Man beachte, dass die
Feststellung, ob der Systembediener die Anlagenabgabeleistung steigern
und/oder maximieren möchte,
in einer bevorzugten alternativen Ausführungsform automatisch und
ohne eine gegenwärtige
oder zusätzliche Eingabe
von dem Systembediener vorgenommen werden kann. Das heißt, das
Verfahren kann die Anlagenabgabeleistung automatisch erhöhen und/oder maximieren,
wenn bestimmte Bedingungen erfüllt sind.
Ein Systembediener, der ein beliebiger Entscheider sein kann, der
den Betrieb der Turbinenanlage steuert, kann diese Bedingungen festlegen.
In bestimmten Fällen
können
diese Bedingungen solche Faktoren wie Umgebungsbedingungen und Strompreise
während
des Spitzenbedarfs enthalten. Auf diese Weise kann der Systembediener
oder ein anderer Entscheider zum Beispiel eine Entscheidung fällen, wann
es kostengünstig
ist, die Anlagenabgabeleistung über
ein Grundlastniveau hinaus zu erhöhen oder zu maximieren, und
Regeln aufstellen, die es ermöglichen,
dass dies automatisch geschieht.)
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In
dem Block 506 kann das Verfahren die variablen Entnahmeöffnungen 208 in
eine weiter geöffnete
oder im Wesentlichen vollständig
geöffnete
Stellung (d. h. die Einstellung, die es ermöglicht, dass näherungsweise
die größte Menge
des Entnahmestroms von dem Verdichter zu der Turbine strömt) bringen.
Wenn die variablen Entnahmeöffnungen 208 schon
auf die vollständig
geöffnete
Stellung eingestellt worden sind, kann das Verfahren zu dem Block 504 zurückkehren,
ohne eine Aktion ausgeführt
zu haben, oder in einigen Ausführungsbeispielen
zu dem Block 510 fortschreiten.
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In
dem Block 510 und/oder den darauffolgenden Blöcken wendet
sich das Verfahren allgemein dem Steuerungsmechanismus zu, der den
Brennstoffstrom zu der Brennkammer und/oder den Wert der Leistungsabgabe
der Verbrennungsmaschine steuert. Das Verfahren kann z. B. das aktuelle
Tfire messen und/oder berechnen, das die gegenwärtige Turbineneinlasstemperatur
wiedergibt, und Tfire_max bestimmen, das die maximale Turbineneinlasstemperatur
wiedergibt, bei der die Turbinenanlage auf der Grundlage der Temperaturgrenzen der
Heißgaspfadelemente
und der Entnahmemenge (d. h. der Kühlluftmenge, die zum Kühlen der
Heißgaspfadelemente
verfügbar
ist) arbeiten kann. Tfire_aktuell und Tfire_max können unter
Verwendung eines modellgestützten
Steuerungsansatzes berechnet werden, wenn die aktuellsten gemessenen
Turbinenbetriebsparameter gegeben sind, die im Block 502 beschrieben
sind, die beliebige Änderungen
der gemessenen Turbinenbetriebsparameter enthalten, die in Folge
einer Einstellung der variablen Entnahmeöffnungen 208 in eine
weiter geöffnete oder
im Wesentlichen vollständig
geöffnete
Stellung (durch den Betrieb des Blockes 506) und/oder der
Erhöhung
oder Verringerung der Brennstoffzufuhr zu der Brennkammer, die sich
aus dem Betrieb der Blöcke 513 und 514 (wie
unten erläutert)
ergeben haben kann, auftreten. Wie ein Fachmann erkennt, kann die Berechnung
von Tfire_aktuell durch das modellgestützte Steuerungssystem zu einem
großen
Teil z. B. auf der Grundlage von gemessenen Betriebsparametern,
wie etwa Turbinenauslasstemperaturdaten, Umgebungsbedingungsdaten
und/oder den Verdichterdruckverhältnisdaten
vorgenommen werden. Wie ein Fachmann erkennt, kann die Berechnung
von Tfire_max durch das modellgestützte Steuerungssystem zum großen Teil
z. B. auf der Grundlage der Modellvorhersage von Betriebsparametern,
die zum Beispiel den Wert des Entnahmestroms bei der gegebenen neuen
Einstellung und die Temperaturbegrenzungen der Komponenten in dem
Heißgaspfad
enthalten, bei erhöhten
Temperaturen Tfire vorgenommen werden. Der für diese Berechnungen verwendete
modellgestützte
Steuerungsansatz kann z. B. Turbinenbetriebssteuerungssysteme, wie
etwa MBC Full Note Cycle Control, das ARES-Modell und andere ähnliche Steuerungssysteme enthalten.
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In
dem Block 512 kann das Verfahren die berechneten Werte
von Tfire_aktuell und Tfire_max vergleichen. Wenn Tfire_max Tfire_aktuell
um einen vorbestimmten Betrag überschreitet,
kann das Verfahren zu dem Block 513 zurückkehren, wo die Brennstoffzufuhr
zu der Brennkammer erhöht
werden kann. Wenn Tfire_aktuell Tfire_max um einen vorbestimmten
Wert überschreitet,
kann das Verfahren zu dem Block 514 fortschreiten, wo die
Brennstoffzufuhr zu der Brennkammer verringert werden kann. Wenn Tfire_max
und Tfire_aktuell im Wesentlichen gleich sind oder innerhalb eines
vorbestimmten Bereiches umeinander liegen, kann gesagt werden, dass
das Verfahren 500 einen näherungsweise maximalen Wert
der Brennstoffzufuhr zu der Brennkammer und/oder einen maximalen
Leistungsabgabewert bestimmt hat. Wenn dies der Fall ist, kann das
Verfahren 500 zu dem Block 516 fortschreiten.
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In
dem Block 513 kann das Verfahren die Brennstoffzufuhr zu
der Brennkammer erhöhen.
Das Verfahren kann danach zu dem Block 510 fortschreiten.
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In
dem Block 514 kann das Verfahren, wie beschrieben, die
Brennstoffzufuhr zu der Brennkammer verringern. Das Verfahren kann
danach zu dem Block 510 fortschreiten.
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In
dem Block 516 kann das Verfahren, wie gezeigt, enden oder
zu dem Block 502 zurückkehren. Auf
diese Weise kann es das Verfahren 500 Turbinensystemen
im Betrieb ermöglichen,
durch die Verwendung der modellgestützten Steuerung und der variablen
Entnahme die Abgabeleistung zu erhöhen und/oder zu maximieren.
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6 stellt
eine weitere beispielhafte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren 600, dar. Das
in 6 dargestellte Ausführungsbeispiel bezieht sich
auf das Erhöhen
der Turbinenanlageneffizienz und/oder das Optimieren der Turbineneffizienz
durch die Verwendung einer modellgestützten Steuerung und einer variablen
Entnahme. Wie unten genauer beschrieben ist, kann dieser Aspekt
der vorliegenden Erfindung es z. B. einem Systembediener ermöglichen,
die Entnahmeströme
zu beschneiden, die unnötigerweise
zu hoch sind, während
auf einem Grundlast- oder Teillastniveau gearbeitet wird, so dass
die Anlage effizienter betrieben wird. Wie erwähnt ermöglicht es die Verwendung von Sensoren,
dass eine Vielzahl von gemessenen und/oder berechneten Turbinenbetriebsparametern durch
die Steuerungseinheit 210 aufgezeichnet und/oder überwacht
wird. Dementsprechend kann das Verfahren in dem Block 602 einen
oder mehrere Turbinenbetriebsparameter, die einen oder mehrere der
folgenden enthalten, messen, berechnen, aufzeichnen und/oder überwachen:
- a) Entnahmeleitungsdruck für eine oder mehrere der Entnahmeleitungen 204 (Diese
Messung kann durch einen Drucksensor vorgenommen werden, der stromabwärts der
variablen Entnahmeöffnungen
angeordnet ist.);
- b) einen Entnahmestromwert (Dieser kann berechnet werden, wenn
z. B. die bekannten Abmessungen der Entnahmeleitungen 204 und
der gemessene Druck in den Entnahmeleitungen 204 gegeben
ist.);
- c) die Einstellungen der variablen Entnahmeöffnungen 208;
- d) den Verdichteraustrittsdruck;
- e) Umgebungsbedingungen;
- f) die Turbineneinlasstemperatur („Tfire”) (Tfire kann berechnet werden,
wenn die gemessene Gasturbinenauslasstemperatur und weitere gemessene
Parameter gegeben sind.);
- g) die Gasturbinenabgabeleistung/-lastwert; und
- h) die Gasturbinenauslasstemperatur.
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Sofern
nichts anderes gesagt ist, kann das Messen, Berechnen, Aufzeichnen
und/oder Überwachen
der Turbinenbetriebsparameter mit konventionellen Mitteln und Verfahren
vorgenommen werden. Es können
auch andere Betriebsparameter überwacht
werden. Die Überwachung
des Blockes 602 kann kontinuierlich oder periodisch aktualisiert
werden, und die aktualisierten Daten können von anderen Schritten
in dem Verfahren verwendet werden, wie es in dem Flussdiagramm eingezeichnet
ist.
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In
dem Block 604 kann das Verfahren feststellen, ob der Systembediener
die Entnahmestromwerte verringern oder minimieren möchte, so
dass die Anlageneffizienz erhöht
und/oder optimiert wird. (Man beachte, dass das Verfahren in einer
bevorzugten alternativen Ausführungsform
Entnahmestromwerte automatisch verringern oder minimieren kann, so
dass die Effizienz während
der meisten Betriebsbedingungen erhöht oder optimiert wird, d.
h. bei allen oder den meisten Grundlast- oder Teillastwerten, ohne
eine Eingabe von dem Systembediener zu empfangen. Das bedeutet,
dass der Betrieb gemäß den anderen
Schritten des Verfahrens 600 in einem solchen Ausführungsbei spiel
das Default-Steuerungsschema sein kann, so dass die Anlage während den
meisten Betriebsbedingungen bei einem verringerten oder minimieren
Entnahmestromwert arbeitet.) Wenn in dem Block 604 festgestellt
wird, dass der Systembediener den Entnahmestromwert verringern möchte, so
dass die Anlageneffizienz erhöht und/oder
optimiert wird, kann das Verfahren zu dem Block 606 fortschreiten.
Wenn festgestellt wird, dass der Systembediener den Entnahmestromwert
nicht senken möchte,
um die Anlageneffizienz zu erhöhen und/oder
zu optimieren, kann das Verfahren den Block 604 wiederholen.
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In
dem Block 606 kann das Verfahren ein kritisches Verhältnis gemessener
Drücke
berechnen. Wie ein Fachmann erkennt, ist das kritische Verhältnis gemessener
Drücke
das Druckverhältnis über der Entnahmeleitung 204,
d. h. das Verhältnis
des Druckes in der Entnahmeleitung zu dem Druck an dem Auslass des
Verdichters 106. Das gemessene Druckniveau in der Entnahmeleitung 204 kann
durch einen Druckwandler gemessen werden, der stromabwärts von
der variablen Entnahmeöffnung 208 angeordnet ist.
Das Druckniveau an dem Auslass des Verdichters 106 kann
durch konventionelle Mittel an dem Auslass des Verdichters 106 gemessen
werden. In den Fällen,
in denen mehr als eine Entnahmeleitung 204 vorhanden ist,
z. B. in einem System, das jeweils eine Entnahmeleitung 204 aufweist,
die Verdichterluft aus der neunten und der dreizehnten Stufe des
Verdichters entnimmt, kann für
jede einzelne Entnahmeleitung 204 ein Wert für das kritische
Verhältnis
gemessener Drücke
berechnet werden.
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In
dem Block 608 kann das Verfahren ein planmäßiges kritisches
Druckverhältnis
bestimmen. Wie ein Fachmann erkennt, ist das planmäßige kritische
Druckverhältnis
ein vorbestimmter Wert oder eine vorbestimmte Grenze, die durch
die Ausführungen
der Heißgaspfadkomponenten
festgelegt ist. Der planmäßige kritische
Druckwert bezeichnet den Schwellenwert, oberhalb dessen die Heißgaspfadkomponenten
nicht ausreichend gekühlt
werden, sich überhitzen
können
oder die Lebensdauer der Teile beeinträchtigen können. Im Einzelnen kann die
Bestimmung des planmäßigen kritischen
Druckverhältnisses
in einigen Fällen
allgemein drei betriebliche Eigenschaften in Verbindung mit der
Bereitstellung eines ausreichenden Entnahmestroms (d. h. Kühlmittel)
für die
Heißgaspfadelemente
enthalten. Diese betrieblichen Eigenschaften können eine Rückflussreserve bzw. -marge,
Radraumtemperaturmesswerte (die einen ausreichenden Radraumspülstrom anzeigen
können)
und tatsächliche
Metalltemperaturen in dem Heißgaspfad
enthalten. Allgemein stellt das Betreiben der Turbinenanlage in
der Weise, dass der Wert des kritischen Verhältnisses gemessener Drücke kleiner
als das planmäßige kritische
Druckverhältnis
bleibt, sicher, dass die Heißgaspfadkomponenten
bei akzeptablen Temperaturen arbeiten. Wie ein Fachmann erkennt,
kann das planmäßige kritische
Druckverhältnis
ein einziger Wert oder eine Liste von Werten sein, die von der gegenwärtigen Lasteinstellung,
Umgebungsbedingungen und/oder weiteren Faktoren abhängt.
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In
dem Block 610 kann das Verfahren für eine oder alle der Entnahmeleitungen 204 das
kritische Verhältnis
gemessener Drücke
von dem Block 606 mit dem planmäßigen kritischen Druckverhältnis von
dem Block 608 vergleichen. Wenn festgestellt wird, dass
das kritische Verhältnis
gemessener Drücke
das planmäßige kritische
Druckverhältnis
um einen vorbestimmten Betrag überschreitet,
kann das Verfahren zu dem Block 614 fortschreiten. Wenn
festgestellt wird, dass das planmäßige kritische Druckverhältnis das
kritische Verhältnis
gemessener Drücke
um einen vorbestimmten Betrag überschreitet, kann
das Verfahren zu dem Block 612 fortschreiten. Wenn festgestellt
wird, dass das kritische Verhältnis gemessener
Drücke
und das planmäßige kritische Druckverhältnis im
Wesentlichen gleich sind oder in einem vorbestimmten Bereich umeinander
liegen, kann das Verfahren zu dem Block 616 fortschreiten.
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In
dem Block 612 kann das Verfahren die variablen Entnahmeöffnungen
auf eine Stellung einstellen, die den Entnahmestrom verringert,
der von dem Verdichter 106 zu der Turbine 110 fließt, d. h.
die variable Entnahmeöffnung
auf eine weiter geschlossene Position einstellen. Dies kann getan
werden, weil das planmäßige kritische
Druckverhältnis,
das das kritische Verhältnis
gemessener Drücke
um einen vorbestimmten Betrag überschreitet,
anzeigen kann, dass dem Verdichter übermäßig Kühlmittel entnommen wird. Das
Verfahren kann danach zu dem Block 606 fortschreiten.
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In
dem Block 614 kann das Verfahren die variablen Entnahmeöffnungen
auf eine Stellung einstellen, die den Entnahmestrom, der von dem
Verdichter 106 zu der Turbine 110 fließt, vergrößert, d.
h. die variablen Entnahmeöffnungen
auf eine weiter geöffnete Position
einstellen. Dies kann notwendig sein, weil das kritische Verhältnis gemessener
Drücke,
das das planmäßige kritische
Druckverhältnis
um einen vorbestimmten Betrag überschreitet,
anzeigen kann, dass dem Verdichter nicht genügend Kühlmittel entnommen wird. Das
Verfahren kann danach zu dem Block 606 fortschreiten.
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In
dem Block 616 kann das Verfahren wie gezeigt enden oder
zu dem Block 602 zurückkehren. Wie
ein Fachmann erkennt, ermöglicht
das Verfahren 600 im Betrieb einem Systembediener, einen
unnötigen
Entnahmestrom so zu beschneiden, dass die Effizienz der Turbinenanlage
erhöht
und/oder maximiert wird.
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Die
beispielhaften Verfahrenselemente aus den 5 und 6 sind
im Wege eines Beispiels gezeigt, wobei auch andere Verfahrens- und
Flussbeispiele eine geringere oder größere Anzahl von Elementen aufweisen
können,
und derartige Elemente können
gemäß anderen
Ausführungsbeispielen der
Erfindung auch in alternativen Konfigurationen angeordnet sein.
Beispielhafte Ausführungsformen der
Erfindung können
die technischen Wirkungen einer Verbesserung und/oder Maximierung
der Abgabeleistung und/oder der Effizienz einer Verbrennungsturbinenanlage
durch die Nutzung variabler Entnahmeströme (durch eine oder mehrere
variable Entnahmeöffnungen
hindurch) und ein modellgestütztes
Steuerungssystem bieten.
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Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung können
die Verfahrensschritte der 5 und 6 außerdem zu
einem kombinierten/einzigen Verfahren kombiniert werden, wie ein
Fachmann erkennen wird. In einem Beispiel für diese Art von Ausführungsform
kann das Verfahren z. B. die Entnahmestromwerte gemäß dem Verfahren
aus 6 automatisch verringern oder minimieren, so dass
die Effizienz unter den meisten Betriebsbedingungen (d. h. bei allen
oder den meisten Grundlast- oder Teillastniveaus ohne Empfang einer Eingabe
von dem Systembediener) gesteigert oder optimiert wird. Nach dem
Empfang einer Eingabe von dem Systembediener (oder, wie beschrieben,
automatisch nach der Erfüllung
bestimmter festgelegter Bedingungen) kann das Verfahren bei er höhten oder maximierten
Entnahmestromwerten die Abgabeleistung erhöhen oder maximieren.
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Wie
ein Fachmann erkennt, können
die zahlreichen verschiedenen Merkmale und Konfigurationen, die
oben im Bezug auf verschiedene beispielhafte Ausführungsformen
beschrieben worden sind, weiterhin wahlweise zur Bildung anderer
möglicher Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Zum Zwecke der Kürze und
unter Berücksichtigung
der Fähigkeiten
eines Fachmanns ist nicht jeder mögliche Schritt hier im Einzelnen
erörtert
worden, wobei jedoch beabsichtigt ist, dass alle Kombinationen und
möglichen
Ausführungsbeispiele,
die von den verschiedenen beigefügten
Ansprüchen
umfasst sind, Teil der vorliegenden Anmeldung sind. Weiterhin werden
Fachleute anhand der obigen Beschreibung verschiedener beispielhafter
Ausführungsformen
der Erfindung Verbesserungen, Änderungen
und Abwandlungen erkennen. Es ist beabsichtigt, dass derartige Verbesserungen, Änderungen
und Abwandlungen innerhalb des Fachwissens ebenfalls durch die beigefügten Ansprüche abgedeckt
sind. Weiterhin sollte deutlich werden, dass sich das Vorangegangene
nur auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Anmeldung bezieht und zahlreiche Änderungen
und Abwandlungen hieran vorgenommen werden können, ohne von dem Geist und
dem Bereich der Anmeldung abzuweichen, wie sie durch die folgenden
Ansprüche
und die Äquivalente
derselben festgelegt ist.
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Ein
Verfahren zur Steuerung eines variablen Entnahmestroms in einer
Verbrennungsturbinenanlage 100 wird geschaffen, wobei der
Entnahmestrom eine Zufuhr von verdichteter Luft enthält, die
dem Verdichter 106 entnommen und durch Entnahmeleitungen 204 der
Turbine 110 zugeführt
wird, wobei die Entnahmeleitungen 204 eine variable Entnahmeöffnung 208 aufweisen
und das Verfahren die Schritte enthält: Messen einer Anzahl von
Turbinenanlagenbetriebsparametern; Überwachen der gemessenen Betriebsparameter
der Verbrennungsturbinenanlage 100 durch eine Steuerungseinheit 210;
Einstellen der variablen Entnahmeöffnungen 210 auf eine
Stellung, die einen näherungsweise
maximalen Wert des Entnahmestroms ermöglicht; Berechnen wenigstens
eines berechneten Betriebsparameters, der wenigstens eine gegenwärtige Turbineneinlasstemperatur und
eine maximale Turbineneinlasstemperatur enthält, durch die Steuerungseinheit 210 in
Abhängigkeit
von einer modellgestützten
Steuerung und den gemessenen Betriebsparametern; und Beeinflussen der
Einstellung der Brennstoffzufuhr zu der Brennkammer 112,
so dass durch Vergleichen der Werte der aktuellen Turbineneinlasstemperatur
und der maximalen Turbineneinlasstemperatur ein erhöhter und/oder
maximaler Wert der Anlagenabgabeleistung bestimmt wird.