DE102011122406A1 - Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine, welche einen Verdichter zur Verdichtung von Frischluft, eine Brennkammer zur Verbrennung eines zugeführten gasförmigen Brennstoffs mittels der komprimierten Luft und eine Turbine zur Entspannung des bei der Verbrennung entstehenden Heissgases umfasst, wobei die Zufuhr des gasförmigen Brennstoffs über wenigstens ein Steuerventil (19) nach Massgabe eines vorgegebenen Last-Sollwerts (28) mittels einer Steuerung (20) geregelt wird, in der mittels einer Gleitdruckregelung (25) cmd) durch einen Massenstrom-Ventilhub-Wandler (23) erzeugter Ventilhub-Stellbefehl (scmd) mit einem Ventilhub-Grenzwert (min{slim1, slim2}) verglichen wird und ein Last-Grenzwert (37) zur Reduzierung des Last-Sollwerts (28) erzeugt wird, wenn der Ventilhub-Grenzwert (min{slim1, slim2}) überschritten wird. Eine Regelung mit grossem Regelbereich wird auf einfache Weise dadurch erreicht, dass zum Erreichen eines stabilen Betriebs für die Regelung bzw. Begrenzung ein unterer Druckabfallverhältnis-Grenzwert (xlim) des Druckabfallverhältnisses (x) verwendet wird, wobei das Druckabfallverhältnis (x) der Quotient aus dem am Steuerventil (19) auftretenden Druckabfall (dp) und dem Druck (p1) vor dem Steuerventil (19) ist.

Description

• TECHNISCHES GEBIET
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Steuerung von Gasturbinen. Sie betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Gasturbine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• STAND DER TECHNIK
• In 1 ist in einem stark vereinfachten Schema eine Gasturbine 10 dargestellt, die mit einem gasförmigen Brennstoff 16 betrieben wird. Die Gasturbine 10 umfasst einen Verdichter 11, der Frischluft 14 ansaugt und verdichtet und die komprimierte Luft 15 einer Brennkammer 12 zuführt, wo sie zur Verbrennung des gasförmigen Brennstoffs 16 verwendet wird. Das entstehende Heissgas 17 wird in einer nachfolgenden Turbine 13 unter Arbeitsleistung entspannt und als Abgas 18 abgeführt. Die Turbine 13 treibt den Verdichter 11 und einen Generator 21 zur Erzeugung elektrischer Energie an. Die Zufuhr des gasförmigen Brennstoffs 16 zu Brennkammer 12 wird mit einem Steuerventil 19 gesteuert und geregelt, das an eine Steuerung 20 angeschlossen ist. Ein Beispiel für eine solche Regelung ist aus der EP 1 310 647 bekannt.
• Ein bekanntes Problem beim Betrieb einer Gasturbine sind Schwingungen in der Regelung der Gasturbine. Für derartige Schwingungen in der Gasturbinenregelung gibt es verschiedene Ursachen. Eine davon wird hauptsächlich verursacht durch einen zu geringen Druckabfall am Steuerventil 19 für die Brenngaszufuhr.
• Ein weit verbreitetes Mittel gegen einen niedrigen Gasdruck ist der so genannte Gleitdruck-Betrieb, bei dem die Last der Gasturbine herabgesetzt wird, um den erforderlichen Gasdruck abzusenken, und zwar basierend entweder (a) auf einem festen maximalen Steuerventilhub-Grenzwert oder (b) auf dem Verdichter-Ausgangsdruck. Ein solches Vorgehen ist beispielsweise in der US 7,549,293 B2 beschrieben.
• Um den erforderlichen Brennstoffmassenstrom aufrechtzuerhalten, wird der Steuerventilhub bei geringer werdender Gasversorgung automatisch vergrössert. Aus diesem Grunde ist im Vergleich zur Abfrage des Verdichter-Ausgangsdrucks (Variante b) die Abfrage des Steuerventilhubs (Variante a) eine genauere Methode zum Detektieren eines niedrigen Gasdrucks. Der Nachteil der Variante (a) ist, dass ein fester maximaler Steuerventilhub-Grenzwert auf der Grundlage der Abmessungen des Steuerventils individuell bestimmt werden muss.
• Der Steuerventilhub-Einsatz ist üblicherweise so ausgelegt, dass alle vertraglich vereinbarten Randbedingungen für die Umgebungstemperatur und die Brenngas-Zusammensetzung eingehalten werden. Es kann aber sein, dass das Ventil für gewisse Randbedingungen überdimensioniert ist. Ein solches überdimensioniertes Steuerventil kann einen derart niedrigen Druckabfall haben, dass die Gasturbinenregelung instabil wird.
• Die Abfrage des Verdichter-Ausgangsdrucks gemäss Variante (b) bedeutet einen Schutz gegen zu niedrigen Brenngas-Versorgungsdruck. Der Nachteil dieser Variante ist jedoch, dass der Schutz auf festen Grössen basiert, die aus angenommenen Randbedingungen berechnet werden. Diese Bedingungen müssen auch den „worst case” abdecken, was zu einem vergleichsweise konservativen Schutz führt und eine vermeidbare Verringerung der Verlässlichkeit der Maschine zur Folge hat.
• Wird deshalb die Variante (b) durch die Variante (a) ersetzt, muss dafür Sorge getragen werden, dass die Gasturbine stabil betrieben werden kann, und zwar unabhängig von den Abmessungen des Steuerventils und den Umgebungsbedingungen.
• DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
• Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemässes Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine dahingehend zu verbessern, dass die Nachteile der bisherigen Lösungen vermieden werden und auf einfache Weise ein stabiler Betrieb über einen breiteren Bereich gewährleistet werden kann.
• Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Beim erfindungsgemässen Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine, welche einen Verdichter zur Verdichtung von Frischluft, eine Brennkammer zur Verbrennung eines zugeführten gasförmigen Brennstoffs mittels der komprimierten Luft und eine Turbine zur Entspannung des bei der Verbrennung entstehenden Heissgases umfasst, wird die Zufuhr des gasförmigen Brennstoffs über wenigstens ein Steuerventil nach Massgabe eines vorgegebenen Last-Sollwerts mittels einer Steuerung geregelt, in der mittels einer Gleitdruckregelung ein aus einem Brennstoffmassenstrom-Stellbefehl durch einen Massenstrom-Ventilhub-Wandler erzeugter Ventilhub-Stellbefehl mit einem Ventilhub-Grenzwert verglichen wird und ein Last-Grenzwert zur Reduzierung des Last-Sollwerts erzeugt wird, wenn der Ventilhub-Grenzwert überschritten wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zum Erreichen eines stabilen Betriebs für die Regelung bzw. Begrenzung ein unterer Druckabfallverhältnis-Grenzwert des Druckabfallverhältnisses verwendet wird, wobei das Druckabfallverhältnis der Quotient aus dem am Steuerventil auftretenden Druckabfall und dem Druck vor dem Steuerventil ist.
• Eine Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Ventilhub-Grenzwert fest vorgegeben wird, dass ein zweiter Ventilhub-Grenzwert mit dem unteren Druckabfallverhältnis-Grenzwert nach Massgabe der Gleichung

  

  berechnet wird, wobei m_cmd ein Brennstoffmassenstrom-Stellbefehl an das Steuerventil (19), N₁ eine Konstante, F_P ein konstanter Leitungsgeometrie-Faktor, f^–1(K_v) eine Steuerventil-Charakteristik, M das Brenngas-Molekulargewicht, Z ein Kompressibilitätsfaktor des Brenngases und Y ein Expansionsfaktor gemäss der Gleichung

  

  ist, wobei x_s = F(x_lim, F_rx_T), und

  

  gelten, mit dem Isentropenkoeffizienten κ_g für das Brenngas und dem Isentropenkoeffizienten κ_a für Luft, und dass ein Ventilhub-Stellbefehl mit dem Minimum der beiden Ventilhub-Grenzwerte verglichen wird.
• Vorzugsweise wird zur Berechnung x_s = min{x_lim, F_rx_T} verwendet wird.
• Besonders vorteilhaft ist es, wenn gemäss einer anderen Ausgestaltung der Erfindung zur Begrenzung der Empfindlichkeit der Massenstrom-Ventilhub-Umwandlung gegenüber den Druckmessungen x_s = min{x, F_rx_T} mit x = max{ dp / p1 , x_lim – 0,01) verwendet wird.
• Insbesondere wird ein Wert des unteren Druckabfallverhältnis-Grenzwertes (x_lim) von zwischen 0,09 und 0,11 verwendet wird.
• Eine andere Ausgestaltung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass mehrere Steuerventile geregelt werden, und dass die Reduzierung des Last-Sollwerts einsetzt, sobald bei einem der Steuerventile der Ventilhub-Grenzwert (min{s_lim1, s_lim2}) überschritten wird.
• KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
• Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
• 1 das stark vereinfachte Schema einer Gasturbinenanlage, wie sie zur Realisierung der Erfindung geeignet ist;
• 2 eine bewährtes Schema zur Gleitdrucksteuerung einer Gasturbinenanlage gemäss 1 mit einem Software-Teil SW und einem Hardware-Teil HW; und
• 3 in einer zu 2 vergleichbaren Darstellung eine Steuerungsschema gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
• Die Erfindung geht aus von einem bekannten Konzept der Gleitdruckregelung, wie es in 2 vereinfacht wiedergegeben ist. Das wesentliche Prinzip des dargestellten Konzeptes, das sich in einen Software-Teil SW und einen Hardware-Teil HW unterteilen lässt, ist die Begrenzung des maximal möglichen Steuerventilhubs bei einer Lastverringerung der Gasturbine. Die Begrenzung ist ein fester Hub-Sollwert, an dem die Gasturbine mit der Lastverringerung beginnt. Gemäss 2 wird in der Steuerung 20 ein gewünschter Sollwert 28 für die Last als Last-Stellbefehl 29 an einen Gasturbinenregler 22 gegeben. Der Gasturbinenregler 22 gibt den erforderlichen Brennstoffmassenstrom-Stellbefehl m_cmd an einen Massenstrom-Ventilhub-Wandler 23, der seinerseits einen Ventilhub-Stellbefehl s_cmd an das Steuerventil 19 abgibt.
• Der Brenngas-Massenstrom durch das Steuerventil 19 hängt von veränderlichen Parametern wie zum Beispiel dem Gasdruck p1 vor dem Steuerventil 19, dem Druckabfall dp am Steuerventil 19, der Brennstofftemperatur T, und von fest vorgegebenen Konstanten wie zum Beispiel der Molekülmasse M, dem Isentropenkoeffizienten κ, der Charakteristik f(Hub) und den Parametern des Steuerventils 19, F_p und x_T, ab. Der Massenstrom-Ventilhub-Wandler 23 wandelt den Brennstoffmassenstrom-Stellbefehl m_cmd in den Ventilhub-Stellbefehl s_cmd um.
• Die grau unterlegten Teile 24 und 25 in 2 repräsentieren das grundlegende Gleitdruck-Konzept, bei welchem mittels einer Gleitdruckregelung 25 der Ventilhub-Stellbefehl s_cmd mit einem festen Ventilhub-Grenzwert s_lim aus der Ventilhub-Grenzwert-Einheit 24 verglichen wird. Wenn dieser feste Ventilhub-Grenzwert s_lim überschritten wird, wird ein Last-Grenzwert 37 zur Reduzierung des Last-Sollwerts 28 erzeugt. Die Last der Gasturbine wird dann soweit verringert, bis der Ventilhub-Stellbefehl s_cmd wieder innerhalb des erlaubten Bereiches liegt.
• Ausgehend von dieser Konfiguration schlägt nun die Erfindung gemäss dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Steuerung 20 vor, anstelle des einen festen Ventilhub-Grenzwerts s_lim (siehe 2) nunmehr das Minimum min{s_lim1, s_lim2} zweier Grenzwerte zu nehmen, nämlich des bereits bekannten festen Ventilhub-Grenzwerts s_lim, jetzt als s_lim1 bezeichnet, und eines zweiten Ventilhub-Grenzwerts s_lim2, der sich nach dem Druckabfallverhältnis-Grenzwert x_lim, d. h. nach dem Minimum des Verhältnisses von dem Druckabfall am Steuerventil 19 und dem Druck p1 vordem Steuerventil 19, dp/p1, richtet.
• Der Ventilhub-Stellbefehl s_cmd wird vom Massenstrom-Ventilhub-Wandler 23 auf der Basis des Brennstoffmassenstrom-Stellbefehls m_cmd, der Gaseigenschaften und der charakteristischen Werte des Steuerventils 19 berechnet. Der Ventilhub-Stellbefehl s_cmd ergibt sich wie folgt:

  
• Mit dem Brennstoffmassenstrom-Stellbefehl m_cmd, wobei gilt:

N₁

= Konstante

F_p

= Leitungsgeometrie-Faktor (konstant)

f^–1(K_v)

= Steuerventil-Charakteristik

M

= Brenngas-Molekulargewicht

Z

= Kompressibilitätsfaktor des Brenngases (variiert mit der Gasmischung)

Y

= Expansionsfaktor, der wie folgt definiert ist:


wobei gilt: x_s = min{x, F_rx_T}, (3) x = dp / p1 (4) und

mit dem Isentropenkoeffizienten K_g für das Brenngas und dem Isentropenkoeffizienten κ_a für Luft (≈ 1,4).
• Das kritische Druckabfallverhältnis am Steuerventil 19, x_T, ist das Druckabfallverhältnis x, bei dem der blockierte Strömungszustand erreicht wird, wenn Luft als Medium benutzt wird. Bei einer blockierten Strömung wächst der Massenstrom durch das Steuerventil 19 nicht mehr mit dem Druckabfall dp über dem Steuerventil 19, wenn die Bedingungen stromaufwärts gleich bleiben. Für ein von Luft verschiedenes gasförmiges Medium wird der blockierte Strömungszustand erreicht, wenn das Druckabfallverhältnis x den für das Gas kritischen Druckabfall erreicht oder überschreitet: x ≥ F_rx_T (6)
• Ist das Druckabfallverhältnis x klein, wird der Ventilhub-Stellbefehl s_cmd sehr empfindlich im Bezug auf die Genauigkeit der Gasdruckmessung. Es wird beobachtet, dass eine Verringerung des Druckabfallverhältnisses x eine Vergrösserung des Verhältnisses zwischen dem gemessenen Brennstoffmassenstrom und dem durch Stellbefehl vorgegebenen Massenstrom zur Folge hat. Daraus ergibt sich, dass sich der Stabilitätsbereich der Regelung erheblich verringert. Um die notwendige Stabilität der Regelung sicherzustellen, muss daher das Druckabfallverhältnis x durch einen unteren Grenzwert eingeschränkt werden. Wenn die Verringerung des Stabilitätsbereiches nicht mehr als 20% betragen soll, darf das Druckabfallverhältnis x im vorliegenden Fall nicht kleiner sein als 0,11.
• Das minimale Druckabfallverhältnis X_lim ist deutlich kleiner, abhängig von der Grösse des Steuerventils 19. Es wird bestimmt durch den Stabilitätsbereich der geschlossenen Regelschleife und kann durch einen Online-Test der Stabilitätsgrenzen durch Reduzierung des Brenngas-Versorgungsdrucks ermittelt werden. Für die meisten Anwendungen kann X_lim auf einen Wert zwischen 0,09 und 0,11 festgesetzt werden.
• Zur Kombination mit dem festen Ventilhub-Grenzwert s_lim1 muss das minimale Druckabfallverhältnis x_lim in einem zweiten Massenstrom-Ventilhub-Wandler 26 (3) in einen zulässigen Ventilhub-Grenzwert s_lim2 umgewandelt werden:

  

  wobei X_lim anstelle von x zur Berechnung der Grössen Y und x_s benutzt wird.
• Der maximale Hub zur Einleitung des Gleitdruckbetriebs ist: s_cmd = min{s_lim1, s_lim2} (8).
• Er wird durch den Minimumbildner 27 bestimmt (3), wobei der Wert s_lim1 fest liegt und z. B. 90% beträgt.
• Um die Empfindlichkeit der Massenstrom-Ventilhub-Umwandlung gegenüber der Genauigkeit der Druckmessungen zu begrenzen, muss das Druckabfallverhältnis x in der Gleichung (3) wie folgt begrenzt werden: x = max{ dp / p1, x_lim – 0,01} (9).
• Falls mehr als ein Steuerventil 19 in Betrieb ist, wird der Gleitdruckbetrieb aktiviert, sobald einer der Ventilhub-Stellbefehle seinen durch Gleichung (8) bestimmten Grenzwert erreicht.
• Bezugszeichenliste

10

Gasturbine

11

Verdichter

12

Brennkammer

13

Turbine

14

Frischluft

15

komprimierte Luft

16

Brennstoff (gasförmig)

17

Heissgas

18

Abgas

19

Steuerventil

20, 20'

Steuerung

21

Generator

22

Gasturbinenregler

23, 26

Massenstrom-Ventilhub-Wandler

24

Ventilhub-Grenzwert-Einheit

25

Gleitdruckregelung

27

Minimumbildner

28

Sollwert

29

Last-Stellbefehl (Load CMD)

T

Brennstofftemperatur

p1

Druck (vor dem Steuerventil)

dp

Druckabfall (am Steuerventil)

m_cmd

Brennstoffmassenstrom-Stellbefehl

min{s_lim1, s_lim2}

Minimum von Ventilhub-Grenzwerten s_lim1, s_lim2

s_lim, s_lim1

Ventilhub-Grenzwert (fest)

s_lim2

Ventilhub-Grenzwert (abhängig von dp/p1,)

s_cmd

Ventilhub-Stellbefehl

x_lim

Druckabfallverhältnis-Grenzwert

37

Last-Grenzwert

SW

Software

HW

Hardware

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• EP 1310647 [0002]
• US 7549293 B2 [0004]

Claims (6)

1. Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine (10), welche einen Verdichter (11) zur Verdichtung von Frischluft (14), eine Brennkammer (12) zur Verbrennung eines zugeführten gasförmigen Brennstoffs (16) mittels der komprimierten Luft (15) und eine Turbine (13) zur Entspannung des bei der Verbrennung entstehenden Heissgases (17) umfasst, wobei die Zufuhr des gasförmigen Brennstoffs (16) über wenigstens ein Steuerventil (19) nach Massgabe eines vorgegebenen Last-Sollwerts (28) mittels einer Steuerung (20) geregelt wird, in der mittels einer Gleitdruckregelung (25) ein aus einem Brennstoffmassenstrom-Stellbefehl (m_cmd) durch einen Massenstrom-Ventilhub-Wandler (23) erzeugter Ventilhub-Stellbefehl (s_cmd) mit einem Ventilhub-Grenzwert (min{s_lim1, s_lim2}) verglichen wird und ein Last-Grenzwert (37) zur Reduzierung des Last-Sollwerts (28) erzeugt wird, wenn der Ventilhub-Grenzwert (min{s_lim1, s_lim2}) überschritten wird, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erreichen eines stabilen Betriebs für die Regelung bzw. Begrenzung ein unterer Druckabfallverhältnis-Grenzwert (x_lim) des Druckabfallverhältnisses (x) verwendet wird, wobei das Druckabfallverhältnis (x) der Quotient aus dem am Steuerventil (19) auftretenden Druckabfall (dp) und dem Druck (p1) vor dem Steuerventil (19) ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine erster Ventilhub-Grenzwert (s_lim1) fest vorgegeben wird, dass ein zweiter Ventilhub-Grenzwert (s_lim2) mit dem unteren Druckabfallverhältnis-Grenzwert (x_lim) nach Massgabe der Gleichung

   

   berechnet wird, wobei m_cmd ein Brennstoffmassenstrom-Stellbefehl an das Steuerventil (19), N₁ eine Konstante, F_p ein konstanter Leitungsgeometrie-Faktor, f^–1(K_v) eine Steuerventil-Charakteristik, M das Brenngas-Molekulargewicht, Z ein Kompressibilitätsfaktor des Brenngases und Y ein Expansionsfaktor gemäss der Gleichung

   

   ist, wobei x_s = F(x_lim, F_rx_T), und

   

   gelten, mit dem Isentropenkoeffizienten κ_g für das Brenngas und dem Isentropenkoeffizienten κ_a für Luft, und dass ein Ventilhub-Stellbefehl (s_cmd) mit dem Minimum der beiden Ventilhub-Grenzwerte (s_lim1, s_lim2) verglichen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung x_s = min{x_lim, F_rx_T} verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Begrenzung der Empfindlichkeit der Massenstrom-Ventilhub-Umwandlung gegenüber den Druckmessungen x_s = min{x, F_rx_T} mit x = max( dp / p1 , x_lim – 0,01} verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wert des unteren Druckabfallverhältnis-Grenzwertes (x_lim) von zwischen 0,09 und 0,11 verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Steuerventile (19) geregelt werden, und dass die Reduzierung des Last-Sollwerts (28) einsetzt, sobald bei einem der Steuerventile (19) der Ventilhub-Grenzwert (min{s_lim1, s_lim2}) überschritten wird.

Images