DE102011000148A1

DE102011000148A1 - System und Verfahren zum Steuern eines Hochfahrvorgangs einer Gasturbine

Info

Publication number: DE102011000148A1
Application number: DE102011000148A
Authority: DE
Inventors: David August SC Snider; Randy S. SC Rosson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2010-01-27
Filing date: 2011-01-14
Publication date: 2011-07-28
Anticipated expiration: 2031-01-15
Also published as: JP5860594B2; CN102135037B; CH702608A2; US8833085B2; CN102135037A; CH702608B1; DE102011000148B4; JP2011153621A; US20110179802A1

Abstract

Geschaffen ist ein System und Verfahren zum Regeln/Steuern des Hochfahrvorgangs einer Gasturbine. Das System und das Verfahren beinhalten die Schritte: Definieren einer Soll-Hochfahrzeit für den Hochfahrvorgang der Gasturbine; und Ermitteln einer Restzeit, um die Soll-Hochfahrzeit zu erreichen. Das System und das Verfahren beinhalten die Schritte: Überwachen wenigstens eines Parameters, der dem Hochfahrvorgang zugeordnet ist; und Ermitteln eines ersten Arbeitspunkts für den Parameter. Das System und das Verfahren passt den ersten Arbeitspunkt für den Parameter zumindest teilweise auf der Grundlage der Restzeit für den Hochfahrvorgang an einen zweiten Arbeitspunkt an. Das System und das Verfahren regelt/steuert einen Wirkparameter basierend auf dem zweiten Arbeitspunkt für den Parameter.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Gasturbinen und speziell Systeme und Verfahren zum Steuern des Hochfahrvorgangs von Gasturbinen.
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Existierende Systeme und Verfahren zum Steuern des Hochfahrs einer Gasturbine basieren auf definierten Ablaufplänen, die unterschiedliche Hochfahrparameter betreffen, beispielsweise minimalen/maximalen Brennstoffzustrom, Beschleunigungsrate, Anfahrdrehmoment und sonstige geeignete Parameter. Die vordefinierten Ablaufpläne definieren Hochfahrcharasteristika für die Gasturbine. Es werden Hochfahrparameter eingestellt, um nominalen Pfaden zu folgen, die in den Ablaufplänen dargelegt sind. Allerdings kann der Gasturbinenhochfahrvorgang in der Praxis aufgrund von Änderungen, beispielsweise der Umgebungstemperatur oder der Leistung einer Komponente, von den in den Ablaufplänen dargelegten nominalen Pfaden abweichen. Diese Abweichungen lassen sich während des Hochfahrens nicht korrigieren und können zu wesentlichen Abweichungen der Hochfahrzeit für die Gasturbine führen. Dies kann wiederum die Lebensdauer von Komponenten, die Laufschaufelspitzentoleranzen und die Leistung der Gasturbine beeinträchtigen.
Ein Ansatz einer Behandlung von Abweichungen des Hochfahrvorgangs basiert darauf, während der Hochfahrzeit große Toleranzen zuzulassen. Allerdings ist ein derartiger Ansatz aufgrund von Problemen der Berechenbarkeit und des Wirkungsgrads möglicherweise nicht immer erwünscht. Darüber hinaus werden im Handel zunehmend garantierte Hochfahrzeiten für Gasturbinen vorausgesetzt.
Ein weiterer Ansatz, der bei einem Gasturbinenhochfahrvorgang zur Behandlung von Abweichungen genutzt werden kann, ist der Einsatz eines Soll-Verfolgungsplans. Bei diesem Ansatz wird die Gasturbinendrehzahl oder ein sonstiger geeigneter Hochfahrparameter gegenüber der Zeitachse überwacht. Die Steuerroutine ermittelt, ob fehlerhafte Abweichungen der Gasturbinendrehzahl oder sonstiger geeigneter Parameter auftreten, und stellt vielfältige Wirkparameter ein, z. B. den Brennstoffzustrom und das Anfahrdrehmoment, um jeden Fehler zu korrigieren.
Nachdem die Gasturbinendrehzahl naturgemäß eine träge Antwortcharakteristik aufweist, kann die Regelung, nachdem ein Fehler aufgetreten ist, bei dem Versuch, den Fehler zu beheben, allerdings rasch an festgelegten Grenzen übersteuern. Gewöhnlich ist es nicht erwünscht, den Betrieb bei Regelungsgrenzen, beispielsweise bei einer maximalen Zündungs- oder Abgastemperatur, aufrecht erhalten. Falls der Fehler nahezu Null ist, kann der Mangel an Empfindlichkeit darüber hinaus dazu führen, dass Regelkreise rasch von der einen Grenze zur anderen regeln, was Verschleiß und sonstige Hardwareprobleme hervorruft.
Somit besteht in der Technik ein Bedarf nach einem verbesserten System und Verfahren zum Steuern eines Gasturbinenhochfahrvorgangs, um garantierte Hochfahrzeiten mit verringerten Toleranzen zu ermöglichen, und um die oben erwähnten Nachteile zu bewältigen.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Aspekte und Vorteile der Erfindung werden zum Teil in der folgenden Beschreibung erörtert, oder können sich offensichtlich aus der Beschreibung ergeben, oder können durch die Praxis der Erfindung erfahren werden.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Hochfahrvorgangs einer Gasturbine. Zu dem Verfahren gehören die Schritte: Definieren einer Soll-Hochfahrzeit, um eine Betriebsdrehzahl für die Gasturbine zu erreichen; und Ermitteln einer Restzeit, um die Soll-Hochfahrzeit zu erreichen. Zu dem Verfahren gehören die Schritte: Überwachen wenigstens eines Parameters, der dem Hochfahrvorgang zugeordnet ist. Das Verfahren bestimmt einen ersten Arbeitspunkt für den Parameter und passt den ersten Arbeitspunkt für den Parameter zumindest teilweise auf der Grundlage der für den Hochfahrvorgang verbleibenden Restzeit an einen zweiten Arbeitspunkt an. Basierend auf dem zweiten Arbeitspunkt für den Parameter stellt das Verfahren einen Wirkparameter ein.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung betrifft ein System zum steuern des Hochfahrvorgangs einer Gasturbine. Das System beinhaltet ein Überwachungssystem, das dazu eingerichtet ist, einen Parameter für den Gasturbinenhochfahrvorgang zu überwachen, und ein Rückführungssignal bereitzustellen, das den Parameter kennzeichnet ist. Das System beinhaltet ferner ein Steuersystem, das dazu eingerichtet ist, eine Restzeit für den Hochfahrvorgang der Gasturbine zu ermitteln, um eine Soll-Hochfahrzeit zu erreichen. Das Steuersystem ist dazu eingerichtet, einen ersten Arbeitspunkt für den Parameter zu bestimmen, und den ersten Arbeitspunkt für den Parameter basierend auf der Restzeit für den Hochfahrvorgang an einen zweiten Arbeitspunkt anzupassen. Das Steuersystem ist dazu eingerichtet, zumindest teilweise auf der Grundlage des Rückführungssignals und des zweiten Arbeitspunkts für den Parameter ein Fehlersignal zu erzeugen, und ist dazu eingerichtet, auf der Grundlage des Fehlersignals einen Wirkparameter zu steuern.
Es können Änderungen und Modifikationen an den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden.
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der Beschreibung und der beigefügten Patentansprüche verständlicher. Die beigefügten Zeichnungen, die dieser Beschreibung einverleibt sind und einen Bestandteil davon bilden, veranschaulichen Ausführungsbeispiele der Erfindung, und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Grundzüge der Erfindung zu erläutern.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Eine vollständige und in die Praxis umsetzbare Beschreibung der vorliegenden Erfindung, die den besten Modus der Erfindung beinhaltet, die an den Fachmann gerichtet ist, ist in der Beschreibung unterbreitet, die auf die beigefügten Figuren Bezug nimmt:
1 zeigt graphisch exemplarische Beschleunigungskurven, die gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung genutzt werden können;
2 veranschaulicht graphisch als Funktion der Restzeit abgetragene exemplarische Beschleunigungskurven, die dazu dienen, eine vordefinierte Betriebsdrehzahl zu erreichen, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
3 veranschaulicht graphisch einen exemplarischen Hochfahrvorgang für eine Gasturbine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 zeigt eine exemplarische Steuerungs-Topologie für ein Steuersystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 zeigt eine exemplarische Steuerungs-Topologie für ein Steuersystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 veranschaulicht einen exemplarischen Kurvenanpassungsplan gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
7 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es wird nun im Einzelnen auf Ausführungsbeispiele der Erfindung Bezug genommen, wobei einige Beispiele derselben in den Zeichnungen veranschaulicht sind. Sämtliche Beispiele dienen der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken. Der Fachmann wird ohne weiteres erkennen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne von dem Gegenstand oder Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können Merkmale, die als Teil eines Ausführungsbeispiels veranschaulicht oder beschrieben sind, in Verbindung mit einem anderen Ausführungsbeispiel verwendet werden, um noch ein weiteres Ausführungsbeispiel hervorzubringen. Die vorliegende Erfindung soll daher solche Modifikationen und Abweichungen abdecken, soweit diese in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche und deren äquivalenten Formen fallen.
Die vorliegende Beschreibung betrifft allgemein ein System und ein Verfahren für eine verbesserte Hochfahrvorgangssteuerung. Während die vorliegende Beschreibung mit Bezug auf Gasturbinen erstellt ist, sollte der Fachmann anhand der hierin dargelegten Offenbarungen verstehen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Steuerung von Hochfahrvorgängen von Gasturbinen beschränkt ist, sondern gleichermaßen auf andere Technologien anwendbar ist. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung benutzen Kurvenplanung, um Abweichungen der Hochfahrzeit wesentlich zu reduzieren, ohne Probleme der Regelungsantwort und Stabilität hervorzurufen. Parameter, die der Steuerung von Hochfahrvorgängen zugeordnet sind, werden in Verbindung mit dem aktuellen Stand der Hochfahrvorgangsdaten genutzt, um Echtzeitanpassungen an Steuerplänen durchzuführen, um eine vordefinierte Soll-Hochfahrzeit zu erreichen.
Anpassungen an den Steuerungsplänen können mittels Interpolationstabellen oder sonstiger Funktionen erfolgen, die nicht den Einsatz zusätzlicher Regelkreise erfordern. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können mit verhältnismäßig geringfügigen Erweiterungen einer bestehenden Konstruktion zur Steuerung von Hochfahrvorgängen einer Gasturbine oder anderer Einrichtungen verwirklicht werden. Da die Anpassungen an Hochfahrparametern unter Berücksichtigung der am Ende eines Hochfahrvorgangs auftretenden kumulativen Wirkung durchgeführt werden, werden Nachstellvorgänge reduziert.
Die erfindungsgemäßen Verfahren und Systeme der Ablaufkurvensteuerung führen auf der Grundlage einer Restzeit Anpassungen an Steuerungsplänen durch, um eine Soll-Hochfahrzeit zu erreichen. Die Soll-Hochfahrzeit ist ein für die Gasturbine oder für eine andere Einrichtung gesetztes Zeitziel, um eine vordefinierte Betriebsdrehzahl für eine Gasturbine zu erreichen, z. B. eine Drehzahl von 100% oder eine volle Drehzahl. Die Soll-Hochfahrzeit kann in Entsprechung zu kundenspezifischen Güteanforderungen oder sonstigen Anforderungen vordefiniert sein. Die zum Erreichen der Soll-Hochfahrzeit verbleibende Restzeit lässt sich durch eine Erfassung der verstrichenen Hochfahrzeit ermitteln oder berechnen.
In Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden mehrere Hochfahrvorgänge mit Abweichungen in den Ablaufplänen nachgeahmt, um eine Familie von Hochfahrcharasteristika zu entwickeln. Diese Charakteristiken können graphisch gegen die Restzeit abgetragen werden, um mehrere Kurven zu definieren, die verfügbar sind, um den Hochfahrvorgang ausgehend von jedem Punkt während des Hochfahrvorgang bei der Soll-Hochfahrzeit zu vervollständigen (d. h. eine vordefinierte Betriebsdrehzahl zu erreichen). Basierend auf der aktuellen Drehzahl und der zur Vervollständigung des Hochfahrvorgangs verbleibenden Restzeit können zweckmäßige Anpassungen an die bestehenden Ablaufpläne durchgeführt werden, um die geforderten Kurven hervorzubringen.
Beispielsweise veranschaulicht 1 mehrere als Funktion der Drehzahl gegenüber der Zeit abgetragene Beschleunigungskurven 10, 12 und 14 für einen Gasturbinenhochfahrvorgang. Die Beschleunigungskurve 10 repräsentiert einen nominalen Beschleunigungsplan, während die Beschleunigungskurven 12 und 14 jeweils Abweichungen von ±10% gegenüber dem nominalen Beschleunigungsplan repräsentieren. Während in 1 lediglich drei Kurven veranschaulicht sind, sollte der Fachmann anhand der hierin dargelegten Offenbarungen verstehen, dass eine beliebige Anzahl von Beschleunigungskurven bereitgestellt werden kann, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die in 1 gezeigten mehreren Beschleunigungskurven 10, 12 und 14 werden verwendet, um basierend auf der Restzeit Anpassungen an bestehenden Ablaufplänen zu ermitteln, um bei der Soll-Hochfahrzeit eine vordefinierte Betriebsdrehzahl zu erreichen.
2 trägt die Beschleunigungskurven 10, 12, 14 nach 1 als Kurven, die von einer vordefinierten Betriebsdrehzahl, z. B. einer Drehzahl von 100%, stammen, als eine Funktion der Restzeit graphisch ab. Die gestrichelte Linie 15 in 2 und 3 veranschaulicht einen exemplarischen Hochfahrvorgang. Vor dem Punkt ”A” eilt die Beschleunigung der Gasturbine dem nominalen Beschleunigungsplan nach. Dies lässt sich beispielsweise auf eine träge Initialisierung des Anfahrdrehmoments und/oder auf eine allmähliche Beschleunigung der Gasturbine bei reduziertem Brennstoff zurückzuführen.
An dem Punkt ”A” werden die zum Erreichen der Soll-Hochfahrzeit verbleibende Restzeit und die aktuelle Gasturbinendrehzahl bestimmt. Basierend auf der Restzeit und der aktuellen Drehzahl werden Anpassungen an dem Beschleunigungsplan vorgesehen, so dass die Gasturbine mit Ablauf der Soll-Hochfahrzeit eine vordefinierte Betriebsdrehzahl erzielt. Wie beispielsweise in 2 und 3 gezeigt, ist die geeignete Kurve, um bei der Soll-Hochfahrzeit die vordefinierte Betriebsdrehzahl einer Drehzahl von etwa 100% zu erreichen, auf der +10%-Beschleunigungskurve 12 begründet. Das Steuersystem und -verfahren steuert auf der Grundlage des angepassten Beschleunigungsplans unterschiedliche Wirkparameter, z. B. den Brennstoffzustrom, die Turbinenzündung und/oder ein auf die Gasturbine ausgeübtes Anfahrdrehmoment, so dass die Gasturbine die vordefinierte Betriebsdrehzahl bei der Soll-Hochfahrzeit erreichen kann.
Anpassungen an die Ablaufpläne können fortlaufend durchgeführt werden, und es können mehrere Hochfahrpläne gleichzeitig angepasst werden. Beispielsweise können das Anfahrdrehmoment und der Brennstoffzustrom angepasst werden, um die Gasturbinenbeschleunigung ohne Stabilitätsprobleme optimal zu steuern. Da Anpassungen anhand von Interpolationstabellen oder als Funktionen der Restzeit ermittelt werden, sind außerdem keine zusätzlichen Regelkreise erforderlich.
Mit Bezug auf 4 wird nun ein exemplarisches Steuersystem 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung im Einzelnen erörtert. Das Steuersystem 100 überwacht vielfältige Parameter, die einem Hochfahrvorgang einer Gasturbine zugeordnet sind. Wie veranschaulicht, wird beispielsweise eine Gasturbinendrehzahl N durch ein Überwachungssystem überwacht, und ein Drehzahlsignal 102 wird dem Steuersystem 100 als eine Eingabe bereitgestellt. Außerdem wird eine Gasturbinenbeschleunigung Ndot überwacht, und es wird auch ein Beschleunigungseingabesignal 104 dem Steuersystem 100 als ein Eingabesignal bereitgestellt. Obwohl das Steuersystem 100 die Drehzahl N und die Beschleunigung Ndot als Betriebsparameter überwacht, die dem Gasturbinenhochfahrvorgang zugeordnet sind, sollte dem Fachmann anhand der hierin unterbreiteten Beschreibung klar sein, dass die vorliegende Erfindung gleichermaßen auf andere Hochfahrparameter anwendbar ist, z. B. Brennstoffzustrom, Abgastemperatur, Turbinenzündung und sonstige geeignete Betriebsparameter.
Das Drehzahlsignal 102 und das Beschleunigungseingabesignal 104 werden von dem Steuersystem 100 genutzt, um Steuerungsausgabesignale zu bestimmen, die dazu dienen, vielfältige Wirkparameter zu steuern. Beispielsweise stellt das Steuersystem 100 ein Brennstoffausgabesteuersignal 182 bereit, um den der Gasturbine während des Hochfahrens zugeführten Brennstoffzustrom zu steuern. Weiter erzeugt das Steuersystem 100 ein Drehmomentausgabesteuersignal 176, um die Größe eines der Gasturbine bereitgestellten Anfahrdrehmoments zu steuern. Obwohl das Steuersystem 100 mit Bezug auf eine Steuerung von Wirkparametern erörtert ist, die den Brennstoffzustrom und das Anfahrdrehmoment betreffen, sollte der Fachmann anhand der hierin dargelegten Beschreibungen verstehen, dass die vorliegende Erfindung gleichermaßen auf andere geeignete Wirkparameter anwendbar ist, um Hochfahrcharasteristiken von Gasturbinen anzupassen.
Das Drehzahlsignal 102 wird mehreren Hochfahrplänen bereitgestellt, zu denen ein Beschleunigungsplan 130, ein Minimalbrennstoffplan 150 und ein Anfahrdrehmomentplan 170 gehören. Der Beschleunigungsplan 130, der Minimalbrennstoffplan 150 und der Anfahrdrehmomentplan 170 werden von dem Steuersystem 100 genutzt, um einen ersten Arbeitspunkt für einen Hochfahrparameter zu ermitteln. Beispielsweise wird der Beschleunigungsplan 130 verwendet, um basierend auf der aktuellen Drehzahl N der Gasturbine einen ersten Arbeitspunkt für die Gasturbinenbeschleunigung zu ermitteln. Das Steuersystem 100 erzeugt basierend auf dem in dem Beschleunigungsplan 130 dargelegten Arbeitspunkt ein erstes Beschleunigungssteuersignal 132.
In ähnlicher Weise wird der Minimalbrennstoffplan 150 verwendet, um basierend auf der aktuellen Drehzahl N der Gasturbine einen Arbeitspunkt für einen minimalen Brennstoffzustrom zu der Gasturbine zu ermitteln. Das Steuersystem 100 erzeugt basierend auf dem in dem Minimalbrennstoffplan 150 dargelegten Arbeitspunkt ein minimales Brennstoffsignal 152. Der Anfahrdrehmomentplan 170 wird verwendet, um basierend auf der aktuellen Drehzahl der Gasturbine einen ersten Arbeitspunkt für das Anfahrdrehmoment zu ermitteln. Das Steuersystem 100 erzeugt basierend auf dem in dem Anfahrdrehmomentplan 170 dargelegten Arbeitspunkt ein erstes Anfahrdrehmomentsignal 172.
Der Beschleunigungsplan 130, der Minimalbrennstoffplan 150 und der Anfahrdrehmomentplan 170 basieren auf nominalen Pfade für einen Hochfahrvorgang der Gasturbine. Der Gasturbinenhochfahrvorgang kann aufgrund vielfältiger Betriebsbedingungen von den nominalen Pfade abweichen, die in dem Beschleunigungsplan 130, dem Minimalbrennstoffplan 150 und dem Anfahrdrehmomentplan 170 dargelegt sind. Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist das Steuersystem 100 dazu eingerichtet, Anpassungen an den Arbeitspunkten, die in den Hochfahrplänen, z. B. in dem Beschleunigungsplan 130 und in dem Anfahrdrehmomentplan 170, dargelegt sind, durchzuführen, um Abweichungen des Gasturbinenhochfahrvorgangs zu behandeln, so dass die Gasturbine eine vordefinierte Betriebsdrehzahl bei einer vordefinierten Soll-Hochfahrzeit erreichen kann.
Das Steuersystem 100 führt Anpassungen an den Arbeitspunkten durch, die durch den Beschleunigungsplan 130 und durch den Anfahrdrehmomentplan 170 bereitgestellt sind, in dem es zunächst eine Restzeit ermittelt, die der Gasturbine verbleibt, um eine Soll-Hochfahrzeit zu erreichen. Die Soll-Hochfahrzeit wird durch einen Benutzer oder durch einen sonstigen Anwender des Steuersystems vordefiniert, um kundenspezifischen Güteanforderungen oder sonstigen zweckmäßigen Anforderungen zu entsprechen. Die Soll-Hochfahrzeit wird dem Steuersystem 100 als ein T_Soll-Signal 106 bereitgestellt.
Speziell wird das die Soll-Hochfahrzeit kennzeichnende T_Soll-Signal 106 an die Steuervorrichtung 110 ausgegeben. Die Steuervorrichtung 110 nimmt außerdem ein Zeitsignal 105 auf, das die verstrichene Zeit kennzeichnet. Die Steuervorrichtung 110 ist dazu eingerichtet, ein Restzeitsignal 112 bereitzustellen, das basierend auf dem T_Soll-Signal 106 und dem Zeitsignal 105 eine Restzeit kennzeichnet. Die Steuervorrichtung 110 kann ein Summierer oder eine sonstige Steuervorrichtung sein, die dazu eingerichtet ist, das Restzeitsignal 112 basierend auf dem T_Soll-Signal 106 und dem Zeitsignal 105 zu erzeugen.
Das Steuersystem 100 ist dazu eingerichtet, die Arbeitspunkte, die in den Hochfahrplänen, z. B. in dem Beschleunigungsplan 130 und in dem Anfahrdrehmomentplan 170 dargelegt sind, auf der Grundlage des Restzeitsignals 112 anzupassen. Die in den Hochfahrplänen dargelegten Arbeitspunkte werden auf der Grundlage von Kurvenplänen angepasst. Wie oben erörtert, werden die Kurvenpläne entwickelt, indem mehrere Hochfahrvorgänge mit Abweichungen in den Ablaufplänen nachgebildet werden, um eine Familie von Hochfahrcharasteristiken zu entwickeln. Die Entwicklung der Ablaufpläne kann eine Änderung einer Rangordung oder vorgegebener Grenzen beinhalten. Beispielsweise können die Kurvenpläne, um eine gesteigerte Stabilität bei niedrigen Drehzahlen vorzusehen, Änderungen des Anfahrdrehmoments gegenüber Änderungen anderer Hochfahrparameter vorziehen, z. B. der Beschleunigung, des Brennstoffzustroms, der Turbinenzündung, der Abgastemperatur oder sonstiger geeigneter Hochfahrparameter. Diese Charakteristiken können als Funktion der Restzeit vorgesehen sein, um mehrere Kurven zu definieren, die verfügbar sind, um den Hochfahrvorgang ausgehend von jedem Punkt während des Hochfahrvorgangs bei der Soll-Hochfahrzeit zu vervollständigen.
In einem Ausführungsbeispiel kann der Kurvenplan eine Interpolationstabelle beinhalten, die Anpasswerte bereitstellt, um die in den Hochfahrplänen dargelegten Arbeitspunkte basierend auf der Restzeit und auf der aktuellen Turbinendrehzahl einzustellen. In weiteren Ausführungsbeispielen können die Anpasswerte als eine Funktion der Restzeit und der aktuellen Turbinendrehzahl ermittelt werden. Die Anpasswerte sind auf der Grundlage der Anzahl von Kurven definiert, um bei der Soll-Hochfahrzeit eine vordefinierte Betriebsdrehzahl zu erreichen. Da die Anpassungen anhand von Interpolationstabellen oder als Funktionen der Restzeit ermittelt werden können, sind keine zusätzlichen Regelkreise erforderlich.
Unter Bezugnahme auf 4 werden das Restzeitsignal 112 und das Drehzahlsignal 102 an den Beschleunigungskurvenplan 120 ausgegeben. Basierend auf dem Restzeitsignal 112 und dem Drehzahlsignal 102 wird anhand des Beschleunigungskurvenplans 120 ein Beschleunigungsanpassungssignal 122 bestimmt. Das Beschleunigungsanpassungssignal 122 wird an die Steuervorrichtung 140 ausgegeben.
Die Steuervorrichtung 140 nimmt ein erstes Fehlersignal 136 von einer Steuervorrichtung 135 auf. Die Steuervorrichtung 135 ist dazu eingerichtet, das erste Fehlersignal 136 basierend auf dem Beschleunigungssteuersignal 132 und auf dem Beschleunigungseingabesignal 104 zu bestimmen. Die Steuervorrichtung 135 kann ein Summierer oder eine sonstige geeignete Einrichtung sein, die dazu dient, eine fehlerhafte Abweichung zwischen dem Beschleunigungssteuersignal 132 und dem Beschleunigungseingabesignal 104 zu bestimmen.
Die Steuervorrichtung 140 summiert das Beschleunigungsanpassungssignal 122 mit dem ersten Fehlersignal 136, um ein Beschleunigungssteuersignal 142 zu erzeugen, das einen zweiten Arbeitspunkt für die Beschleunigung der Gasturbine kennzeichnet. Auf diese Weise passt das Steuersystem* 100 den in dem Beschleunigungsplan 130 dargelegten ersten Arbeitspunkt basierend auf der Restzeit an einen zweiten Arbeitspunkt an, um bei der Soll-Hochfahrzeit eine vordefinierte Betriebsdrehzahl zu erreichen. Wie in 4 dargestellt, kann die Anpassung an den in dem Beschleunigungskurvenplan 120 dargelegten Beschleunigungsarbeitspunkt mittels einer verhältnismäßig geringen Erweiterung der typischen Konstruktion einer Steuerung von Hochfahrvorgängen einer Gasturbine verwirklicht werden.
Das Steuersystem 100 ist dazu eingerichtet, einen Wirkparameter, z. B. den Brennstoffzustrom oder das Anfahrdrehmoment, basierend auf dem zweiten Arbeitspunkt für den Hochfahrparameter zu regeln/steuern. Beispielsweise wird das Beschleunigungssteuersignal 142 an den Regler 145 ausgegeben, der basierend auf dem Beschleunigungssteuersignal 142 ein Brennstoffzustromsteuersignal 146 erzeugt. Der Regler 145 kann ein Proportional-Regler, Proportional-Integral-Regler, Proportional-Differential-Regler, Proportional-Integral-Differential-Regler oder ein sonstiger geeigneter Regler sein.
Das Brennstoffzustromsteuersignal 146 wird bei einer Steuervorrichtung 180 mit einem Minimalbrennstoffzustromsignal 152 verglichen. Die Steuervorrichtung 180 ermittelt welches der Signale Brennstoffzustromsteuersignal 146 und Minimalbrennstoffzustromsignal 152 größer ist. Die Steuervorrichtung 180 gibt das größere der Signale Brennstoffzustromsteuersignal 146 und Minimalbrennstoffzustromsignal 152 als das Brennstoffausgabesteuersignal 182 aus. Auf diese Weise regelt/steuert das Steuersystem 100 einen Wirkparameter, d. h. den Brennstoffzustrom, basierend auf dem zweiten Arbeitspunkt für die Beschleunigung.
In ähnlicher Weise werden das Restzeitsignal 112 und das Drehzahlsignal 102 dem Anfahrdrehmomentkurvenplan 160 bereitgestellt. Ein Anfahrdrehmomentanpassungssignal 162 wird anhand des Anfahrdrehmomentkurvenplans 160 bestimmt, der auf dem Restzeitsignal 112 und dem Drehzahlsignal 102 basiert. Das Anfahrdrehmomentanpassungssignal 162 wird an eine Steuervorrichtung 175 ausgegeben. Die Steuervorrichtung 175 addiert den Wert des Anfahrdrehmomentanpassungssignals 162 zu dem ersten Anfahrdrehmomentsteuersignal 172 und erzeugt ein Anfahrdrehmomentausgabesteuersignal 176. Das Steuersystem 100 beeinflusst basierend auf dem Anfahrdrehmomentausgabesteuersignal 176 das auf die Gasturbine ausgeübte Anfahrdrehmoment. Auf diese Weise steuert das Steuersystem 100 einen Wirkparameter, d. h. das Anfahrdrehmoment, basierend auf dem zweiten Arbeitspunkt für das Anfahrdrehmoment.
Unter Bezugnahme auf 5 wird nun ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung im Einzelnen erörtert. 5 veranschaulicht ein Steuersystem 200, das ein Drehzahlsignal 202 und ein Beschleunigungssignal 204 als Eingangssignale aufnimmt. Das Steuersystem 200 ist dazu eingerichtet, ein Brennstoffzustromausgabesteuersignal 246 zu erzeugen, um einen Wirkparameter, d. h. den Brennstoffzustrom, zu steuern, so dass bei einer Soll-Hochfahrzeit eine vordefinierte Betriebsdrehzahl für die Gasturbine erreicht wird.
Das Steuersystem 200 nimmt ein T_Soll-Signal 206, das die vordefinierte Soll-Hochfahrzeit für die Gasturbine kennzeichnet und ein Zeitsignal 205 auf, das die für den Hochfahrvorgang verstrichene Zeit kennzeichnet. Das T_Soll-Signal 206 und das Zeitsignal 205 werden an eine Steuervorrichtung 210 ausgegeben, die auf der Grundlage des T_Soll-Signals 206 und des Zeitsignals 205 ein Restzeitsignal 212 bestimmt. Die Steuervorrichtung 210 kann ein Summierer oder eine sonstige geeignete Einrichtung sein, die dazu dient, das Restzeitsignals 212 anhand des T_Soll-Signals 206 und des Zeitsignals 205 zu bestimmen.
Sowohl das Restzeitsignal 212 als auch das Drehzahlsignal 202 werden beide an einen Beschleunigungskurvenplan 220 ausgegeben. Im Folgenden wird nun die Steuerlogik für den Beschleunigungskurvenplan 220 im Einzelnen erörtert. Das Drehzahleingabesignal 202 wird an einen Hochfahrrestzeitplan 222 ausgegeben, der eine Soll-Restzeit gegenüber der Drehzahl für die Gasturbine basierend auf einer Soll-Kurve für die Gasturbinenbeschleunigung abträgt. Ein Soll-Restzeitsignal 224 wird anhand des Hochfahrrestzeitplans 222 bestimmt. Das Soll-Restzeitsignal 224 und das Restzeitsignal 212 werden an eine Steuervorrichtung 225 ausgegeben. Die Steuervorrichtung 225 dividiert das Restzeitsignal 212 durch das Soll-Restzeitsignal 224, um ein Restzeitverhältnissignal 226 zu erzeugen.
Das Restzeitverhältnissignal 226 wird an einen Kurvenanpassungsplan 228 ausgegeben. Ein exemplarischer Kurvenanpassungsplan 228 ist in 6 veranschaulicht. Der Kurvenanpassungsplan 228 gibt Beschleunigungsanpasswerte Δ Ndot als Funktion der Drehzahl wieder. Der geeignete Beschleunigungsanpasswert kann ermittelt werden, indem der Ablaufkurve gefolgt wird, die dem geeigneten Restzeitverhältnissignal 226 zugeordnet ist, das an den Kurvenanpassungsplan 228 ausgegeben ist.
Beispielsweise beinhaltet ein exemplarischer Kurvenanpassungsplan 228 gemäß 6 drei Ablaufkurven 20, 22 und 24. Die Ablaufkurve 20 kann einem Restzeitverhältnis von etwa 1 zugeordnet sein. Die Ablaufkurve 22 kann einem Restzeitverhältnis von etwa 0 zugeordnet sein. Die Ablaufkurve 24 kann einem Restzeitverhältnis von etwa 2 zugeordnet sein. Anpasswerte Δ Ndot, die Restzeitverhältnissen zugeordnet sind, die nicht genau gleich 0, 1 oder 2 sind, lassen sich durch Interpolation oder durch sonstige geeignete Verfahren ermitteln.
Basierend auf der Kurve 20 sind, falls das Restzeitverhältnis etwa 1 beträgt (d. h., falls das Restzeitsignal und das Soll-Restzeitsignal im Wesentlichen übereinstimmen), keine Anpassungen erforderlich, was einen Beschleunigungsanpasswert Δ Ndot von etwa 0 ergibt. Basierend auf der Kurve 22 wird, falls das Restzeitverhältnis etwa 0 beträgt oder zwischen 0 und 1 liegt (d. h., falls das Restzeitsignal dem Soll-Restzeitsignal nacheilt), ein anhand der Kurve 22 ermittelter geeigneter Anpasswert Δ Ndot erzeugt, um die zweckmäßige Anpassung der Beschleunigung der Gasturbine zu bewirken. Wie in 6 dargestellt, hängt die Größe des Anpasswerts Δ Ndot von der aktuellen Drehzahl der Gasturbine ab. In ähnlicher Weise wird, falls das Restzeitverhältnis etwa 2 beträgt oder zwischen 1 und 2 liegt (d. h., falls das Restzeitsignal dem Soll-Restzeitsignal vorauseilt), basierend auf der Kurve 24 ein anhand der Kurve 24 ermittelter geeigneter Anpasswert Δ Ndot erzeugt, um die zweckmäßige Anpassung der Beschleunigung der Gasturbine zu bewirken. Die Größe des Anpasswerts Δ Ndot hängt von der aktuellen Drehzahl der Gasturbine ab.
Mit weiterem Bezug auf 5 wird das Anpasswertsignal 250, das den anhand des Kurvenanpassungsplans 228 ermittelten zweckmäßigen Anpasswert kennzeichnet, an eine Steuervorrichtung 235 ausgegeben. Das Steuersystem* 200 verwendet das Anpasswertsignal 250, um Anpassungen an Arbeitspunkten durchzuführen, die in einem Hochfahrbeschleunigungsplan 230 dargelegt sind. Speziell wird das Drehzahleingabesignal 202 an den Hochfahrbeschleunigungsplan 230 ausgegeben. Ein erster Arbeitspunkt wird anhand des Hochfahrbeschleunigungsplans 230 bestimmt und wird als ein erstes Beschleunigungssteuersignal 232 bereitgestellt. Das erste Beschleunigungssteuersignal 232 wird an die Steuervorrichtung 235 ausgegeben, die das Anpasswertsignal 250 mit dem ersten Beschleunigungssteuersignal 232 summiert, um ein zweites Beschleunigungssteuersignal 236 zu erzeugen. Die Steuervorrichtung 235 kann ein Summierer oder eine sonstige geeignete Steuervorrichtung sein, die dazu dient, das zweite Beschleunigungssteuersignal 236 anhand des ersten Beschleunigungssteuersignals 232 und des Anpasswertsignals 250 zu erzeugen.
Das Steuersystem 200 ist dazu eingerichtet, auf der Grundlage des zweiten Beschleunigungssteuersignals 236 einen Wirkparameter zu steuern, z. B. den Brennstoffzustrom oder das Anfahrdrehmoment. Beispielsweise wird das zweite Beschleunigungssteuersignal 236 gemeinsam mit dem Beschleunigungseingabesignal 204 an eine Steuervorrichtung 240 ausgegeben. Die Steuervorrichtung 240 bestimmt basierend auf dem zweiten Beschleunigungssteuersignal 236 und dem Beschleunigungseingabesignal 204 ein Fehlersignal 242. Die Steuervorrichtung 240 kann ein Summierer oder eine sonstige geeignete Einrichtung sein, die dazu dient, eine fehlerhafte Abweichung zwischen dem zweiten Beschleunigungssteuersignal 236 und dem Beschleunigungseingabesignal 204 zu bestimmen. Das Fehlersignal 242 wird an einen Regler 245 ausgegeben, der basierend auf dem Fehlersignal 242 ein Brennstoffzustromausgabesteuersignal 246 erzeugt. Der Regler 245 kann ein Proportional-Regler, ein Proportional-Integral-Regler, ein Proportional-Differential-Regler, Proportional-Integral-Differential-Regler oder ein sonstiger geeigneter Regler sein. Das Brennstoffzustromausgabesteuersignal 246 wird verwendet, um den Brennstoffzustrom zu steuern, so dass bei einer Soll-Hochfahrzeit eine vordefinierte Betriebsdrehzahl für die Gasturbine erreicht wird.
Mit Bezug auf 7 wird nun ein Flussdiagramm für ein Verfahren 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung im Einzelnen erörtert. In Schritt 310 definiert das Verfahren eine Soll-Hochfahrzeit. Die Soll-Hochfahrzeit ist die gewünschte Zeit, in der die Gasturbine die vordefinierte Betriebsdrehzahl erreichen soll. Die Soll-Hochfahrzeit kann auf der Grundlage kundenspezifischer Güteanforderungen oder anderer Anforderungen definiert sein.
In Schritt 320 bestimmt das Verfahren 300 eine zum Erreichen der Soll-Hochfahrzeit verbleibende Restzeit. Die Restzeit wird von dem Verfahren 300 verwendet, um Anpassungen an Arbeitspunkten für vielfältige Hochfahrparameter durchzuführen. Die Restzeit kann durch Überwachen der verstrichenen Zeit und der Anfangszeit des Hochfahren für den Hochfahrvorgang ermittelt werden. Beispielsweise kann die Restzeit durch Subtraktion der verstrichenen Zeit von der Soll-Hochfahrzeit berechnet werden.
In Schritt 330 überwacht das Verfahren 300 einen Parameter, der dem Hochfahrvorgang zugeordnet ist. Beispielsweise kann das Verfahren die Gasturbinendrehzahl, die Beschleunigung, das Anfahrdrehmoment, den Brennstoffzustrom, die Abgastemperatur, die Turbinenzündung oder sonstige geeignete Parameter überwachen, die dem Hochfahrvorgang zugeordnet sind. In Schritt 340 bestimmt das Verfahren 300 einen ersten Arbeitspunkt für den Parameter. Der erste Arbeitspunkt kann anhand vordefinierter Hochfahrpläne basierend auf einem nominalen Pfad für den Hochfahrparameter bestimmt werden.
In Schritt 350 passt das Verfahren 300 den ersten Arbeitspunkt für den Parameter zumindest teilweise auf der Grundlage der Restzeit für den Hochfahrvorgang an einen zweiten Arbeitspunkt an. Beispielsweise kann das Verfahren 300 dem ersten Arbeitspunkt für den Parameter einen Anpasswert bereitstellen, um den ersten Arbeitspunkt an den zweiten Arbeitspunkt anzupassen. In Schritt 360 steuert das Verfahren basierend auf dem zweiten Arbeitspunkt einen Wirkparameter, z. B. den Brennstoffzustrom, das Anfahrdrehmoment, die Turbinenzündung oder einen sonstigen geeigneten Wirkparameter. Somit verwendet das Verfahren 300 einen aktuellen Zustand der Hochfahrvorgangsdaten, um an Steuerplänen Echtzeitanpassungen durchzuführen, so dass eine vordefinierte Soll-Startzeit erreicht wird.
Die vorliegende Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung einschließlich des besten Modus zu beschreiben, und um außerdem jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in der Praxis einzusetzen, beispielsweise beliebige Einrichtungen und Systeme herzustellen und zu nutzen, und beliebige damit verbundene Verfahren durchzuführen. Der patentfähige Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann andere dem Fachmann in den Sinn kommende Beispiele umfassen. Solche anderen Beispiele sollen in den Schutzumfang der Ansprüche fallen, falls sie strukturelle Elemente enthalten, die sich von dem wörtlichen Inhalt der Ansprüche nicht unterscheiden, oder falls sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem wörtlichen Inhalt der Ansprüche enthalten.
Geschaffen ist ein System und Verfahren zum Regeln/Steuern des Hochfahrvorgangs einer Gasturbine. Das System und das Verfahren beinhalten die Schritte: Definieren einer Soll-Hochfahrzeit für den Hochfahrvorgang der Gasturbine; und Ermitteln einer Restzeit, um die Soll-Hochfahrzeit zu erreichen. Das System und das Verfahren beinhalten die Schritte: Überwachen wenigstens eines Parameters, der dem Hochfahrvorgang zugeordnet ist; und Ermitteln eines ersten Arbeitspunkts für den Parameter. Das System und das Verfahren passt den ersten Arbeitspunkt für den Parameter zumindest teilweise auf der Grundlage der Restzeit für den Hochfahrvorgang an einen zweiten Arbeitspunkt an. Das System und das Verfahren regelt bzw. steuert einen Wirkparameter basierend auf dem zweiten Arbeitspunkt für den Parameter.
Bezugszeichenliste

10: Beschleunigungskurve
12: Beschleunigungskurve
14: Beschleunigungskurve
15: Exemplarischer Hochfahrvorgang
20: Ablaufkurve
22: Ablaufkurve
24: Ablaufkurve
100: Steuersystem
102: Drehzahlsignal
104: Beschleunigungseingabesignal
105: Zeitsignal
106: T_Soll-Signal-Eingabe
108: T_Start-Signal
110: Steuervorrichtung
112: Restzeitsignal
120: Beschleunigungskurvenplan
122: Beschleunigungsanpassungssignal
130: Beschleunigungsplan
132: Erstes Beschleunigungssteuersignal
135: Steuervorrichtung
136: Erstes Fehlersignal
140: Steuervorrichtung
142: Beschleunigungssteuersignal
145: Regler
146: Brennstoffzustromsteuersignal
150: Minimalbrennstoffplan
152: Minimalbrennstoffzustromsignal
160: Anfahrdrehmomentkurvenplan
162: Anfahrdrehmomentanpassungssignal
170: Anfahrdrehmomentplan
172: Erstes Anfahrdrehmomentsteuersignal
175: Steuervorrichtung
176: Anfahrdrehmomentausgabesteuersignal
180: Steuervorrichtung
182: Brennstoffausgabesteuersignal
200: Steuersystem*
202: Drehzahleingabesignal
204: Beschleunigungseingabesignal
205: Zeitsignal
206: T_Soll-Signal
210: Steuervorrichtung
212: Restzeitsignal
214: T_Rest-(Min.)-Signal
215: Steuervorrichtung
216: Zeitausgabesignal
220: Beschleunigungskurvenplan
222: Hochfahrrestzeitplan
224: Soll-Restzeitsignal
225: Steuervorrichtung
226: Restzeitverhältnissignal
228: Kurvenanpassungsplan
230: Hochfahrbeschleunigungsplan
232: Erstes Beschleunigungssteuersignal
235: Steuervorrichtung
236: Zweites Beschleunigungssteuersignal
240: Steuervorrichtung
242: Fehlersignal
245: Regler
246: Brennstoffzustromausgabesteuersignal
250: Anpasswertplan
255: Steuervorrichtung
260: Steuervorrichtung
300: Verfahren
310: Verfahrensschritt
320: Verfahrensschritt
330: Verfahrensschritt
340: Verfahrensschritt
350: Verfahrensschritt
360: Verfahrensschritt
N: Gasturbinendrehzahl
Ndot: Gasturbinenbeschleunigung

Claims

Verfahren (300) zum Steuern eines Hochfahrvorgangs einer Gasturbine mit den Schritten: Definieren einer Soll-Hochfahrzeit, um eine Betriebsdrehzahl für die Gasturbine zu erreichen (310); Ermitteln einer Restzeit, um die Soll-Hochfahrzeit zu erreichen (320); Überwachen wenigstens eines Parameters, der dem Hochfahrvorgang zugeordnet ist (330); Ermitteln eines ersten Arbeitspunkts für den Parameter (340); Anpassen des ersten Arbeitspunkts für den Parameter zumindest teilweise auf der Grundlage der Restzeit für den Hochfahrvorgang an einen zweiten Arbeitspunkt (350); Einstellen eines Wirkparameters basierend auf dem zweiten Arbeitspunkt für den Parameter (360).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Soll-Hochfahrzeit eine für die Gasturbine vordefinierte Zeit ist, um die Betriebsdrehzahl zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Arbeitspunkt für den Parameter teilweise anhand eines nominalen Pfades bestimmt wird, der in einem Hochfahrplan definiert ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Hochfahrplan zumindest teilweise auf der Drehzahl der Gasturbine begründet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Anpassen des ersten Arbeitspunkts für den Parameter an den zweiten Arbeitspunkt zumindest teilweise auf einem Anpasswert begründet ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Anpasswert wenigstens zu einem Teil anhand eines Parameterkurvenplans bestimmt wird, wobei der Parameterkurvenplan auf mehreren verschiedenen Hochfahrkurven begründet ist, die dazu dienen bei der Soll-Hochfahrzeit eine vordefinierte Betriebsdrehzahl zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ferner die Schritte beinhaltet: Ermitteln eines Restzeitverhältnisses anhand der Restzeit; Verwenden des Restzeitverhältnisses, um einen Anpasswert für den Parameter zu ermitteln; und Anpassen des ersten Arbeitspunkts an den zweiten Arbeitspunkt auf der Grundlage des Anpasswerts.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Anpasswert wenigstens zu einem Teil anhand eines Kurvenanpassungsplans bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Parameter wenigstens entweder eine Gasturbinenbeschleunigung oder ein Anfahrdrehmoment ist.
System (100) zum Steuern eines Hochfahrvorgangs einer Gasturbine, wobei das System dazu eingerichtet ist, das Verfahren jedes der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.