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HINTERGRUND
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Der hier offenbarte Erfindungsgegenstand betrifft Gasturbinen und insbesondere Systeme und Verfahren zur Steuerung der Gasturbinen.
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Die Leistung von Gasturbinensystemen kann ganz allgemein mit der Zeit nachlassen. Bestimmte Systeme, beispielsweise ein Steuerungssystem für die Industrie, können Funktionen bieten, mit denen die Steuerung und Analyse des Gasturbinensystems möglich ist. Das Steuerungssystem für die Industrie kann beispielsweise Steuereinheiten, Feldgeräte und Sensoren umfassen, die Daten speichern, die bei der Steuerung des Turbinensystems verwendet werden. Bestimmte Steuerungssysteme für die Industrie können zur Optimierung des Steuerungssystems für die Industrie die Modellierung einsetzen. Es wäre von Vorteil, die Modellierung so zu verbessern, dass zum Aufrechterhalten und/oder Maximieren der Gasturbinenleistung die nachlassende Gasturbinenleistung berücksichtigt wird.
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KURZE BESCHREIBUNG
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Bestimmte Ausführungsformen, deren Geltungsbereich der ursprünglich beanspruchten Erfindung entspricht, sind nachstehend zusammengefasst. Diese Ausführungsformen sollen den Geltungsbereich der beanspruchten Erfindung nicht einschränken, sondern sollen vielmehr lediglich eine kurze Zusammenfassung möglicher Formen der Erfindung bereitstellen. So kann die Erfindung verschiedene Formen umfassen, die den nachstehend dargelegten Ausführungsformen ähneln oder sich von ihnen unterscheiden können.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform weist ein System ein Gasturbinensystem mit einem Verdichter, einer Brennkammer und einer Turbine auf. Das System weist auch eine Steuereinheit auf, die zur Datenübertragung mit dem Gasturbinensystem gekoppelt und so ausgelegt ist, dass sie Betriebsabläufe des Gasturbinensystems steuert. Das System umfasst ferner ein Lebensdauerverbrauchsmodell, das so ausgelegt ist, dass es eine Betriebslebensdauer des Gasturbinensystems auf der Grundlage von sowohl einem Gesundheitszustand von ein oder mehreren Bauteilen des Gasturbinensystems als auch von Betriebsbedingungen des Gasturbinensystems ermittelt. Die Steuereinheit ist so ausgelegt, dass sie zumindest das Lebensdauerverbrauchsmodell zum Ableiten einer Steuerungsmaßnahme für das Gasturbinensystem verwendet.
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Das Lebensdauerverbrauchsmodell des zuvor erwähnten Systems kann so ausgelegt sein, dass es eine tatsächliche Lebensdauerverbrauchsrate für das Gasturbinensystem auf der Grundlage von sowohl dem Gesundheitszustand des einen oder der mehreren Bauteile des Gasturbinensystems als auch von den Betriebsbedingungen des Gasturbinensystems berechnet.
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Das Lebensdauerverbrauchsmodell jedes beliebigen zuvor erwähnten Systems kann so ausgelegt sein, dass es zur Ermittlung der Betriebslebensdauer des Gasturbinensystems sowohl eine Lebensdauerverbrauchszielrate für das Gasturbinensystem als auch die tatsächliche Lebensdauerverbrauchsrate verwendet.
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Das Lebensdauerverbrauchsmodell jedes beliebigen zuvor erwähnten Systems kann so ausgelegt sein, dass es die Lebensdauerverbrauchszielrate auf der Grundlage der tatsächlichen Lebensdauerverbrauchsrate anpasst.
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Die Steuereinheit jedes beliebigen zuvor erwähnten Systems kann so ausgelegt sein, dass sie das Lebensdauerverbrauchsmodell zum Anpassen von mindestens einer leistungsorientierten Betriebsbedingung für das Gasturbinensystem verwendet.
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Die Steuereinheit jedes beliebigen zuvor erwähnten Systems kann so ausgelegt sein, dass sie zum Ableiten der Steuerungsmaßnahme für das Gasturbinensystem ein oder mehrere Verbrennungsgrenzenmodelle für das Gasturbinensystem verwendet.
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Die Steuereinheit jedes beliebigen zuvor erwähnten Systems kann so ausgelegt sein, dass sie zum Ableiten der Steuerungsmaßnahme für das Gasturbinensystem die mindestens eine angepasste leistungsorientierte Betriebsbedingung und Betriebsgrenzen für das Gasturbinensystem verwendet.
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Die Steuereinheit jedes beliebigen zuvor erwähnten Systems kann so ausgelegt sein, dass sie zum Ableiten der Steuerungsmaßnahme für das Gasturbinensystem eine leistungsbezogene Gesundheit von einem oder mehreren Bauteilen des Gasturbinensystems verwendet, wobei die leistungsbezogene Gesundheit einen aktuellen leistungsbezogenen Gesundheitszustand des einen oder der mehreren Bauteile bezogen auf einen leistungsbezogenen Gesundheitszustand des einen oder der mehreren Bauteile darstellt, als das eine oder die mehreren Bauteile neu waren.
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Die Betriebsbedingungen jedes beliebigen zuvor erwähnten Systems können tatsächliche Betriebsbedingungen, statistisch abgeleitete Schätzungen von wahrscheinlichsten Betriebsbedingungen oder eine Kombination daraus umfassen.
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Das System einer beliebigen zuvor erwähnten Art kann einen Aktor umfassen, der mit dem Gasturbinensystem gekoppelt ist, wobei die Steuerungsmaßnahme das Steuern des Aktors umfasst.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform umfasst ein Verfahren das Empfangen von mindestens einer Turbinenbetriebsbedingung eines Gasturbinensystems und das Empfangen eines Gesundheitszustands von mindestens einem Bauteil des Gasturbinensystems. Das Verfahren umfasst auch das Modellieren einer Betriebslebensdauer des Gasturbinensystems auf der Grundlage der mindestens einen Turbinenbetriebsbedingung und des Gesundheitszustands des mindestens einen Bauteils. Das Verfahren umfasst ferner das Ausgeben einer Steuerungsmaßnahme auf der Grundlage von zumindest der Betriebslebensdauer des Gasturbinensystems zum Steuern des Gasturbinensystems.
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Das Verfahren kann beinhalten, dass das Modellieren der Betriebslebensdauer des Gasturbinensystems das Berechnen einer tatsächlichen Lebensdauerverbrauchsrate für das Gasturbinensystem auf der Grundlage der mindestens einen Turbinenbetriebsbedingung und des Gesundheitszustands des mindestens einen Bauteils umfasst.
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Jedes beliebige zuvor erwähnte Verfahren kann beinhalten, dass das Modellieren der Betriebslebensdauer des Gasturbinensystems das Verwenden einer Lebensdauerverbrauchszielrate für das Gasturbinensystem und der tatsächlichen Lebensdauerverbrauchsrate für das Modellieren der Betriebslebensdauer des Gasturbinensystems umfasst.
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Jedes beliebige zuvor erwähnte Verfahren kann beinhalten, dass das Modellieren der Betriebslebensdauer des Gasturbinensystems das Anpassen der Lebensdauerverbrauchszielrate auf der Grundlage der tatsächlichen Lebensdauerverbrauchsrate umfasst.
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Jedes beliebige zuvor erwähnte Verfahren kann das Anpassen von mindestens einer leistungsorientierten Betriebsbedingung für das Gasturbinensystem auf der Grundlage der Betriebslebensdauer des Gasturbinensystems umfassen.
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Jedes beliebige zuvor erwähnte Verfahren kann das Ableiten der Steuerungsmaßnahme auf der Grundlage der mindestens einen angepassten leistungsorientierten Betriebsbedingung und von Betriebsgrenzen für das Gasturbinensystem umfassen. Jedes beliebige zuvor erwähnte Verfahren kann beinhalten, dass die mindestens eine Turbinenbetriebsbedingung eine tatsächliche Betriebsbedingung oder eine statistisch abgeleitete Schätzung einer wahrscheinlichsten Betriebsbedingung umfasst.
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Gemäß einer dritten Ausführungsform ist ein nichtflüchtiges computerlesbares Medium mit darauf gespeichertem auf Rechnern ausführbarem Code bereitgestellt. Der Code umfasst Befehle zum Empfangen von mindestens einer Turbinenbetriebsbedingung eines Gasturbinensystems und Empfangen eines Gesundheitszustands von mindestens einem Bauteil des Gasturbinensystems. Die Befehle umfassen auch das Modellieren einer Betriebslebensdauer des Gasturbinensystems auf der Grundlage der mindestens einen Turbinenbetriebsbedingung und des Gesundheitszustands des mindestens einen Bauteils. Die Befehle umfassen ferner das Ausgeben einer Steuerungsmaßnahme auf der Grundlage von zumindest der Betriebslebensdauer des Gasturbinensystems zum Steuern des Gasturbinensystems.
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Die Befehle zum Modellieren der Betriebslebensdauer des Gasturbinensystems auf dem nichtflüchtigen computerlesbaren Medium können Befehle zum Berechnen einer tatsächlichen Lebensdauerverbrauchsrate für das Gasturbinensystem auf der Grundlage der mindestens einen Turbinenbetriebsbedingung und des Gesundheitszustands des mindestens einen Bauteils umfassen.
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Die Befehle zum Modellieren der Betriebslebensdauer des Gasturbinensystems auf einem beliebigen zuvor erwähnten nichtflüchtigen computerlesbaren Medium können Befehle zum Verwenden einer Lebensdauerverbrauchszielrate für das Gasturbinensystem und der tatsächlichen Lebensdauerverbrauchsrate für das Modellieren der Betriebslebensdauer des Gasturbinensystems umfassen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung unter Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen in sämtlichen Zeichnungen gleiche Teile darstellen, besser zu verstehen, wobei:
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1 ein Blockschaubild eines Turbinensystems mit einer Einheit für die modellbasierte Regelung (MBC), bei der ein ARES-Modell (adaptiver Echtzeit-Maschinensimulator) und ein LV-Modell (Lebensdauerverbrauch) verwendet werden, gemäß Aspekten des vorliegenden Verfahrens ist;
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2 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Erzeugen des LV-Modells für das Turbinensystem von 1 ist; und
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3 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Verwenden des LV-Modells, das in 2 erzeugt wurde, bei der Steuerung des Turbinensystems von 1 ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Eine oder mehrere konkrete Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend beschrieben. Um diese Ausführungsformen kurz und knapp zu beschreiben, sind möglicherweise nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Ausführung in der Beschreibung beschrieben. Es sollte erkannt werden, dass bei der Entwicklung einer derartigen tatsächlichen Ausführung, wie bei jedem technischen Projekt oder Konstruktionsprojekt, zahlreiche ausführungsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um die konkreten Ziele der Entwickler zu erreichen, beispielsweise die Einhaltung systembezogener und unternehmensbezogener Vorgaben, die sich von einer Ausführung zur nächsten unterscheiden können. Es sollte ferner erkannt werden, dass dieser Entwicklungsaufwand komplex und zeitaufwendig sein könnte, für einen Durchschnittsfachmann, der aus dieser Offenbarung Nutzen zieht, aber dennoch Routine in der Konstruktion, Herstellung und Produktion wäre.
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Wenn Elemente verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorgestellt werden, sollen die Artikel "ein", "eine", "der", "die" und "das" bedeuten, dass ein oder mehrere der Elemente vorhanden sind. Die Begriffe "umfassen", "enthalten" und "aufweisen" sollen einschließend sein und bedeuten, dass zusätzliche Elemente außer den aufgeführten Elementen vorhanden sein können.
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Mit dem vorliegend offenbarten System kann ein Modell (z.B. LV-Modell (Lebensdauerverbrauchs-)) erstellt werden, um eine Betriebslebensdauer eines Gasturbinensystems (d.h. wie lange das Gasturbinensystem arbeiten wird, bevor ein Austausch notwendig wird) zu ermitteln und dieses Modell bei der Steuerung des Betriebs des Gasturbinensystems zu verwenden. Es ist beispielsweise eine Steuereinheit, die den Betrieb des Gasturbinensystems steuert, zur Datenübertragung mit dem Gasturbinensystem gekoppelt. Die Steuereinheit ist so ausgelegt, dass sie zumindest das LV-Modell zum Ableiten einer Steuerungsmaßnahme für das Gasturbinensystem verwendet (z.B. Steuern eines Aktors, der mit dem Gasturbinensystem gekoppelt ist). Die Steuereinheit kann auch leistungsorientierte Betriebsbedingungen, Verbrennungsgrenzenmodelle, Betriebsgrenzen (z.B. Emissionsgrenzwerte, Pumpschutzgrenzen bei Verdichtern usw.) und/oder die leistungsbezogene Gesundheit von einem oder mehreren Bauteilen des Gasturbinensystems verwenden. Das LV-Modell, das von der Steuereinheit verwendet wird, ermittelt die Betriebslebensdauer des Gasturbinensystems auf der Grundlage von einem Gesundheitszustand von einem oder mehreren Bauteilen des Gasturbinensystems und/oder von Betriebsbedingungen (z.B. tatsächliche Betriebsbedingungen und/oder statistisch abgeleitete Schätzungen der wahrscheinlichsten Betriebsbedingungen) des Gasturbinensystems. Das LV-Modell kann eine tatsächliche Lebensdauerverbrauchsrate (d.h. tatsächliche Verbrauchsrate der Betriebslebensdauer des Gasturbinensystems) für das Gasturbinensystem berechnen. Das LV-Modell kann zur Ermittlung der Betriebslebensdauer sowohl die tatsächliche Lebensdauerverbrauchsrate als auch eine Lebensdauerverbrauchszielrate (d.h. Verbrauchszielrate der Betriebslebensdauer des Gasturbinensystems) für das Gasturbinensystem verwenden. Das LV-Modell kann ferner die Lebensdauerverbrauchszielrate auf der Grundlage der tatsächlichen Lebensdauerverbrauchsrate anpassen. In bestimmten Ausführungsformen kann die Lebensdauerverbrauchsrate von der Steuereinheit zum Anpassen von einer oder mehreren der leistungsorientierten Betriebsbedingungen des Gasturbinensystems verwendet werden. Das LV-Modell kann bei der Bestimmung einer verbesserten Lastbetriebsbedingung für das Gasturbinensystem zumindest teilweise auf der Grundlage der Betriebslebensdauer des Gasturbinensystems verwendet werden. Das LV-Modell kann die Verminderung von Abweichungen von Maschine zu Maschine in Situationen mit mehreren Gasturbinen vereinfachen.
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Vor diesem Hintergrund ist 1 ein Blockschaubild einer Ausführungsform eines Turbinensystems 10 (z.B. Gasturbinensystem), bei der die vorliegend offenbarten Verfahren zum Ermitteln einer Betriebslebensdauer des Turbinensystems 10 und Verwenden der Betriebslebensdauer beim Steuern der Leistung des Turbinensystems 10 verwendet werden können. Das dargestellte Turbinensystem 10 weist eine Gasturbine 12 auf, die mit einer Last 14 wie einem elektrischen Generator gekoppelt ist. Die Gasturbine 12 weist einen Verdichter 16, eine Vielzahl von Brennkammern 18, die jeweils mindestens eine Kraftstoffdüse 20 aufweisen, eine Turbine 22 und einen Abgasabschnitt 24 auf. Wie dargestellt ist, verbinden eine oder mehrere Wellen 26 die Last 14, den Verdichter 16 und die Turbine 22. Der Verdichter 16 und die Turbine 22 weisen jeweils einen Rotor mit Schaufeln auf, die sich in einem Stator oder Deckband drehen. Während des Betriebs nimmt der Verdichter 16 Luft 30 auf und gibt verdichtete Luft 32 an die Brennkammern 18 und/oder Kraftstoffdüsen 20 ab, die dann Kraftstoff 34 (oder ein Kraftstoff-Luft-Gemisch) in einen Verbrennungsbereich in den Brennkammern 18 einspritzen. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch wiederum verbrennt in den Brennkammern 18 unter Entstehung von heißen Verbrennungsgasen 36, die Schaufeln in der Turbine 18 antreiben. Wenn die Turbine 18 so angetrieben wird, dass sie die Welle 26 dreht, wird bewirkt, dass der Verdichter 16 die Luft 16 in die Brennkammern 18 und/oder Kraftstoffdüsen 20 hinein verdichtet.
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Das dargestellte Turbinensystem 10 weist zudem eine Steuereinheit 38 auf, die ganz allgemein die Betriebsabläufe des Turbinensystems 10 steuern kann. In bestimmten Ausführungsformen kann zum Beispiel die Steuereinheit 38 mit mehreren Sensoren 40 (z.B. Temperatursensoren, Drucksensoren, Abstandssensoren, Durchflusssensoren, Schwingungssensoren, Flammensensoren oder andere geeignete Sensoren) gekoppelt sein, die in der gesamten Gasturbine 12 angeordnet sind. Die Steuereinheit 38 kann (z.B. über ein Netzwerk oder einen Bus) mit den Sensoren 40 Daten austauschen, um Informationen zur Turbine 12 zu erhalten. Die Steuereinheit 38 kann beispielsweise mit einem Temperatursensor 40 Daten austauschen, der mit dem Abgasabschnitt 24 der Gasturbine 12 gekoppelt ist, um eine Abgastemperatur zu empfangen. Als weiteres Beispiel kann ein Durchflusssensor 40, der mit der Kraftstoffdüse 20 der Gasturbine 12 gekoppelt ist, der Steuereinheit 38 die zeitbezogene Menge mitteilen, mit der der Kraftstoffdüse 20 ein flüssiger Kraftstoff zugeführt wird. Des Weiteren kann die Steuereinheit 38 in bestimmten Ausführungsformen zur Steuerung oder Veränderung des Betriebs des Gasturbine 12 auch Daten mit bestimmten Bauteilen des Turbinensystems (z.B. der Verdichter 16, die Brennkammer 18, die Turbine 22, Einlassschaufeln (z.B. Eintrittsleitschaufeln (inlet guide vane (IGV)), Ventile, Pumpen, Aktoren oder andere geeignete Bauteile) austauschen. Die Steuereinheit 38 kann beispielsweise Daten mit dem Verdichter 16 der Gasturbine 12 austauschen, damit das Feldgerät angewiesen wird, einen Lufteinlass zu öffnen oder zu schließen, sodass mehr oder weniger Luft 30 in den Verdichter 16 einströmen kann. Die Steuereinheit 38 kann zusätzlich mit einem Kraftstoff-Aktor an der Gasturbine 12 Daten austauschen, damit der Kraftstoffstrom, die Kraftstoffaufteilung und/oder eine Kraftstoffsorte, die zwischen der Kraftstoffzufuhr 34 und den Brennkammern 18 geleitet wird, gezielt geregelt werden. Die Steuereinheit 38 kann ferner mit zusätzlichen Aktoren Daten austauschen, damit eine relative Stellung der IGV eingestellt wird, die Luftrückführung zum Verdichtereinlass (Inlet Bleed Heat) eingestellt wird oder andere Steuereinstellungen an der Gasturbine 12 aktiviert werden.
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Von der Steuereinheit 38 ausgeführte Vorgänge umfassen zudem das Erfassen oder Modellieren von Betriebsparametern, das Modellieren der Betriebslebensdauer des Systems 10, das Modellieren von Betriebsgrenzen, das Anwenden von Betriebsgrenzenmodellen oder das Anwenden von Planungsalgorithmen, mit denen der Betrieb der Gasturbine 12 gesteuert wird (z.B. auf der Grundlage von Betriebsgrenzen, leistungsorientierten Betriebsbedingungen, der Betriebslebensdauer des Systems 10 usw.), beispielsweise ein Kraftstoffstrom zur Brennkammer 18 geregelt wird. Die Steuereinheit 38 verwendet die Betriebsgrenzen, die leistungsorientierten Betriebsbedingungen, Verbrennungsgrenzenmodelle und/oder die Betriebslebensdauer des Systems 10 zur Erzeugung von Steuerungsausgaben wie den zuvor beschriebenen.
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Das dargestellte Turbinensystem 10 weist ferner eine Einheit für die modellbasierte Regelung (MBC) 42 auf. Die MBC-Einheit 42 kann nichtflüchtigen Code oder Befehle enthalten, der bzw. die in einem maschinenlesbaren Medium (z.B. Speicher 41) gespeichert ist bzw. sind und von einem Prozessor (z.B. Prozessor 43) zum Umsetzen der hier offenbarten Verfahren verwendet wird bzw. werden. Die MBC-Einheit 42 kann ganz allgemein ein oder mehrere Modelle (z.B. das ARES-Modell (Adaptive Real-time Engine Simulator) 44 und/oder das LV-Modell (Lebensdauerverbrauchs-) 45, die in dem Speicher 41 gespeichert sein können) zum Simulieren des Betriebs eines Systems (z.B. das Turbinensystem 10) und/oder einer Betriebslebensdauer des Systems verwenden. Je nach dem Ergebnis der Modelle (z.B. das ARES-Modell 44 und/oder das LV-Modell 45) kann die MBC-Einheit 42 mehrere Parameter der Gasturbine 12 bestimmen, die für eine Veränderung (z.B. zur Verbesserung oder Abänderung der Leistung des Turbinensystems 10) empfohlen werden können. In bestimmten Ausführungsformen kann die MBC-Einheit 42 zur Datenübertragung mit der Steuereinheit 38 gekoppelt sein, damit sie Informationen zum Betrieb des Turbinensystems 10 (z.B. über die Sensoren 40) erhält. Für derartige Ausführungsformen kann die MBC-Einheit 42 zusätzlich, je nach dem Ergebnis des Modells (z.B. das ARES-Modell 44 und/oder das LV-Modell 45), der Steuereinheit 38 Befehle zu einem oder mehreren Parametern der Gasturbine 12, die für eine Veränderung empfohlen werden können, zur Abänderung des Betriebs des Gasturbinensystems 10 liefern. In anderen Ausführungsformen kann die MBC-Einheit 42 Teil der Steuereinheit 38 (z.B. als Hardware, Software oder eine Kombination daraus) sein oder als die Steuereinheit 38 dienen, wodurch die MBC-Einheit 42 in der Lage ist, direkt Daten mit den Sensoren 40 und/oder den Bauteilen (z.B. der Verdichter 16, die Brennkammern 18, die Turbine 22 oder andere geeignete Bauteile) des Turbinensystems 10 auszutauschen, damit sie Informationen empfängt und den Betrieb des Turbinensystems 10 steuert.
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Für das in 1 dargestellte Turbinensystem 10 kann das ARES-Modell 44 den Betrieb eines Modellturbinensystems (z.B. orientiert am Turbinensystem 10) simulieren. Das ARES-Modell 44 kann beispielsweise Eingangsdaten zum Betrieb der Gasturbine 12 entweder direkt von den Sensoren 40 (z.B. über das Netzwerk) oder indirekt von einer anderen Quelle (z.B. über die Steuereinheit 38 oder von einer Bedienperson bereitgestellt) empfangen. Als konkretes Beispiel kann das ARES-Modell 44 Eingangsdaten von den Sensoren 40 empfangen, einschließlich einer Temperatur für den Abgasabschnitt 24, eines Durchflusses für den Kraftstoff 34, der in die Kraftstoffdüse 20 der Brennkammer 18 einströmt, eines Durchsatzes für die Luft 30, die in den Verdichter 16 einströmt, der Umgebungsbedingungen nahe dem Turbinensystem 10, der Drehzahl der Turbine 22, des Abstands zwischen Turbinen- und/oder Verdichterschaufeln und dem umgebenden Deckband, Abgasemissionen, Schwingung, Verbrennungsdynamik und so weiter. In bestimmten Ausführungsformen kann des Weiteren das ARES-Modell 44 Eingangsdaten zum Turbinensystem 10 von einer Bedienperson oder einem Nutzer empfangen. In bestimmten Ausführungsformen kann beispielsweise eine Bedienperson der MBC-Einheit 42 weitere Eingangsdaten zum Turbinensystem 10 liefern, beispielsweise Informationen, die möglicherweise nicht von den Sensoren 40 erfasst werden.
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Für das in 1 dargestellte System 10 kann das LV-Modell 45 die Betriebslebensdauer des Systems 10 (z.B. Gasturbine 12) ermitteln. Das LV-Modell 45 kann Eingangsdaten zum Betrieb der Gasturbine 12 beispielsweise entweder direkt von den Sensoren 40 (z.B. über das Netzwerk) oder indirekt von einer anderen Quelle (z.B. über die Steuereinheit 38 oder von einer Bedienperson bereitgestellt) empfangen. Zu diesen Eingangsdaten können ein Gesundheitszustand von einem oder mehreren Bauteilen des Gasturbinensystems 10 (z.B. Verdichter 16, Brennkammer 18, Turbine 22, Abgasabschnitt 24 usw.) gehören. Die Eingangsdaten können zudem tatsächliche Betriebsbedingungen umfassen. Die Eingangsdaten können auch statistisch abgeleitete Schätzungen der wahrscheinlichsten Betriebsbedingungen umfassen. Die Betriebsbedingungen können die Leistung (z.B. Lastleistung) der Gasturbine 12, den Durchfluss, den Druck, die Temperatur und/oder die spezifische Luftfeuchtigkeit am Verdichtereinlass, den Druck und/oder die Temperatur am Verdichterauslass, den Druck und/oder die Temperatur am Turbinenauslass, die Emissionswerte (z.B. NOx, CO usw.), die Schwingungsamplitude, die Schwingungsfrequenz, den Abstand, Bedingungen für ein mögliches Schleifen und weitere Betriebsbedingungen betreffen. Weitere Betriebsbedingungen können die Flammtemperatur, Verbrennungsdynamik, die Temperatur der Metallteile (z.B. Turbinengehäuse, Brennkammern usw.) umfassen. Die Eingangsdaten können von dem LV-Modell 45 zur Berechnung einer tatsächlichen Lebensdauerverbrauchsrate für das System 10 verwendet werden. In bestimmten Ausführungsformen kann dem LV-Modell 45 eine Lebensdauerverbrauchszielrate auf der Grundlage einer Betriebsstundenanzahl für das System 10 zur Verfügung gestellt werden. Das LV-Modell 45 verwendet zur Ermittlung der Betriebslebensdauer des Gasturbinensystems 10 sowohl die Lebensdauerverbrauchszielrate als auch die tatsächliche Lebensdauerverbrauchsrate. In bestimmten Ausführungsformen kann das LV-Modell 45 die Lebensdauerverbrauchszielrate auf der Grundlage der tatsächlichen Lebensdauerverbrauchsrate anpassen. Wenn beispielsweise die Lebensdauer des Systems 10 zu schnell verbraucht ist, kann das LV-Modell 45 die Lebensdauerverbrauchszielrate anpassen (z.B. senken). Wie nachstehend ausführlicher beschrieben ist, verwendet die Steuereinheit 38 das LV-Modell 45 (z.B. die Betriebslebensdauer) zum Ableiten einer Steuerungsmaßnahme für das Gasturbinensystem 10 (z.B. Steuerungsaktoren) zur Bestimmung einer verbesserten Lastbetriebsbedingung für das Gasturbinensystem 10.
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2 ist ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens 66 zum Erzeugen eines Lebensdauerverbrauchsmodells 45 für das Turbinensystem 10 von 1. Das Verfahren 66 kann als ausführbare Codebefehle umgesetzt sein, die auf einem nichtflüchtigen materiellen computerlesbaren Medium wie dem zuvor beschriebenen Speicher 41 gespeichert sind. Das Verfahren 66 umfasst das Empfangen (z.B. am Prozessor 43) von einer oder mehreren Turbinenbetriebsbedingungen 68 für das Gasturbinensystem 10 (Block 70). Bei den Betriebsbedingungen 68 kann es sich wie zuvor beschrieben um tatsächliche Betriebsbedingungen und/oder statistisch abgeleitete Schätzungen der wahrscheinlichsten Betriebsbedingungen handeln. Einige der Betriebsbedingungen 68 können zum Beispiel Betriebsparameter wie die Leistung (z.B. Lastleistung) der Gasturbine 12, den Durchfluss, den Druck, die Temperatur und/oder die spezifische Luftfeuchtigkeit am Verdichtereinlass, den Druck und/oder die Temperatur am Verdichterauslass, den Druck und/oder die Temperatur am Turbinenauslass, die Emissionswerte (z.B. NOx, CO usw.) und weitere Betriebsbedingungen umfassen. In bestimmten Ausführungsformen können die Betriebsbedingungen 68 Zyklusinformationen hinsichtlich Betriebsparametern wie der Feuerungstemperatur und/oder Abgastemperatur umfassen. Das Verfahren 66 umfasst auch das Empfangen (z.B. am Prozessor 43) eines Gesundheitszustands 72 (z.B. Betriebszustand, äußerer Zustand usw.) von einem oder mehreren Bauteilen (z.B. Verdichter 16, Verdichterlaufschaufeln und/oder -leitschaufeln, Brennkammer 18, Kraftstoffdüse 20, Turbine 22, Turbinenlaufschaufeln und/oder -leitschaufeln, Abgasabschnitt 24 usw.) des Turbinensystems 10 (Block 74). Auf der Grundlage des Gesundheitszustands 72 von einem oder mehreren Bauteilen des Systems und der einen oder den mehreren Betriebsbedingungen 68 umfasst das Verfahren 66 das Ermitteln (z.B. über den Prozessor 43) einer tatsächlichen Lebensdauerverbrauchsrate 76 (z.B. Verschlechterungsrate des Systems 10 und/oder von Bauteilen des Systems 10). Das Verfahren 66 umfasst das Verwenden sowohl der tatsächlichen Lebensdauerverbrauchsrate 76 als auch einer Lebensdauerverbrauchszielrate 79 auf der Grundlage einer Betriebsstundenanzahl für das System 10 zum Modellieren der Betriebslebensdauer des Systems 10 (Block 80) zwecks Erzeugung des LV-Modells 45. In bestimmten Ausführungsformen umfasst das Verfahren 66 das Anpassen (z.B. über den Prozessor 43) der Lebensdauerverbrauchszielrate 79 auf der Grundlage der tatsächlichen Lebensdauerverbrauchsrate 76 (Block 82) zur Erzeugung einer angepassten Lebensdauerverbrauchszielrate 84. Wenn beispielsweise die Lebensdauer des Systems 10 zu schnell verbraucht ist, kann das LV-Modell 45 die Lebensdauerverbrauchszielrate 79 anpassen (z.B. senken). Wenn die Lebensdauer des Systems 10 jedoch den Erwartungen entspricht, wird die Lebensdauerverbrauchszielrate 79 möglicherweise nicht angepasst. Wie zuvor erwähnt ist, wird das LV-Modell 45 (z.B. die Betriebslebensdauer des Systems 10) zum Ableiten einer Steuerungsmaßnahme für das Gasturbinensystem 10 (z.B. Steuerungsaktoren) verwendet (z.B. über die MBC-Einheit 42 und/oder die Steuereinheit 38), um eine verbesserte Lastbetriebsbedingung für das Gasturbinensystem 10 zu bestimmen. Damit ist eine aktive und anpassungsfähige Verwendung eines integrierten Steuerungsansatzes, bei dem die Leistung des Systems 10 und Zielsetzungen zum Lebensdauerverbrauch der Heißgaswege kombiniert werden, in einer Steuerungsgesamtstrategie für das System 10 möglich. Mit diesem integrierten Steuerungsansatz bleibt die Leistung des Systems 10 erhalten, wenn sich die Gasturbinenleistung durch den Betrieb verschlechtert.
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3 ist ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens 86 zum Verwenden des LV-Modells 45, das in 2 erzeugt wurde, bei der Steuerung des Turbinensystems 10 von 1. Das Verfahren 86 kann als ausführbare Codebefehle umgesetzt sein, die auf einem nichtflüchtigen materiellen computerlesbaren Medium wie dem zuvor beschriebenen Speicher 41 gespeichert sind. Das Verfahren 86 umfasst das Ermitteln (z.B. über einen Prozessor 43, der mit Leistungszielalgorithmen arbeitet) von einer oder mehreren leistungsorientierten Betriebsbedingungen 88 oder Auslegungsbetriebsbedingungen (Block 90). Die Betriebsbedingungen 88 (d.h. erwartete Bedingungen bei bestimmten Parametern) können eine erwartete erreichbare Leistung des Systems 10 über einen Umgebungsbetriebsbereich umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Die leistungsorientierten Betriebsbedingungen 88 können über Zeitpläne ermittelt werden, die in die Steuereinheit 38 programmiert sind, oder über ein in die Steuereinheit 38 integriertes Modell. Die oberen Grenzen von Grenzbedingungen 92 werden als Eingangsdaten bei der Ermittlung der leistungsorientierten Betriebsbedingungen 88 verwendet. Diese Grenzbedingungen 92 stehen für Nenn- oder Auslegungsbetriebsparameter (z.B. Temperaturen, Drücke, Gasströme usw.) für das Turbinensystem 10. Betriebsgrenzenmodelle können durch eine oder mehrere physikalische Grenzen des Turbinensystems 10 definiert werden und die oberen Grenzwerte der Grenzbedingungen 92 stehen für gewünschte Bedingungen für das Turbinensystem 10 an jeder Grenze.
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Das Verfahren 86 umfasst auch das Modellieren (z.B. über den Prozessor 43) der Betriebslebensdauer des Systems 10 (Block 94) zum Erzeugen des LV-Modells 45, wie zuvor in Verfahren 66 von 2 beschrieben ist. Das Verfahren 86 umfasst ferner das Anpassen von einer oder mehreren der leistungsorientierten Betriebsbedingungen 88 (z.B. Leistungsanforderung) auf der Grundlage der Betriebslebensdauer des Systems 10 aus dem LV-Modell 45 (Block 98) zum Erzeugen von einer oder mehreren angepassten leistungsorientierten Betriebsbedingungen 98.
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Das Verfahren 86 umfasst zudem das Ermitteln von Verbrennungsgrenzenmodellen 100 (z.B. für Emissionen wie NOx und CO und/oder die Verbrennungsdynamik) (Block 102). Die Verbrennungsgrenzenmodelle 100 können über das ARES-Modell 44 der MBC-Einheit 42 ermittelt werden. Das Verfahren 86 umfasst auch das Ermitteln der leistungsbezogenen Gesundheit 104 für ein oder mehrere Bauteile (z.B. Verdichter 16, Verdichterlaufschaufeln und/oder -leitschaufeln, Brennkammer 18, Kraftstoffdüse 20, Turbine 22, Turbinenlaufschaufeln und/oder -leitschaufeln, Abgasabschnitt 24 usw.) des Systems 10 (Block 106). Die leistungsbezogene Gesundheit 104 stellt einen aktuellen leistungsbezogenen Gesundheitszustand des einen oder der mehreren Bauteile bezogen auf einen leistungsbezogenen Gesundheitszustand desselben einen oder derselben mehreren Bauteile dar, als sie neu waren. Die leistungsbezogene Gesundheit 104 kann beispielsweise als ein Verhältnis der aktuellen leistungsbezogenen Gesundheit zu dem leistungsbezogenen Gesundheitszustand im Neuzustand (d.h. ein Ausgangs- oder Neuzustands-Gesundheitszustand) dargestellt werden. Ein Quotient von weniger als 1 für die leistungsbezogene Gesundheit 104 würde somit einen Leistungsverlust oder -abfall bei dem einen oder den mehreren Bauteilen darstellen. Ein Verhältnis von 1:1 für die leistungsbezogene Gesundheit 104 weist darauf hin, dass die Leistung des Bauteils nicht gemindert ist.
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Das Verfahren 86 kann (z.B. über einen Prozessor 43, der mit Planungsalgorithmen arbeitet) ferner Betriebsgrenzen 108 oder -einschränkungen, die Betriebslebensdauer des Systems aus dem LV-Modell 45, die Verbrennungsgrenzenmodelle 102 und/oder die leistungsbezogene Gesundheit 104 von einem oder mehreren Bauteilen zum Ableiten einer Steuerungsmaßnahme (Block 110) für das Gasturbinensystem 10 verwenden. Zu Betriebsgrenzen 108 können Pumpschutzgrenzen bei Verdichtern, Begrenzungen hinsichtlich der Mach-Zahl am Turbinenauslass, Durchflussgrenzwerte, Emissionsgrenzwerte, Flammtemperaturgrenzwerte, Grenzwerte der Verbrennungsdynamik, Begrenzungen auf Anlagenniveau auf der Grundlage von Ausgangs- oder Abgasbedingungen oder andere Begrenzungen gehören. Das Verfahren 86 umfasst auch das Ausgeben der Steuerungsmaßnahme für das Turbinensystem 10 (Block 112). Zu Steuerungsmaßnahmen kann das Steuern von Aktoren (z.B. Kraftstoffventil-Stellantrieb) des Turbinensystems 10 gehören, damit der Kraftstoffstrom, die Kraftstoffaufteilung und/oder eine Kraftstoffsorte, die zwischen der Kraftstoffzufuhr 34 und den Brennkammern 18 geleitet wird, gezielt geregelt werden. Zu Steuerungsmaßnahmen kann auch das Steuern von Aktoren zum Einstellen einer relativen Stellung von IGV, Einstellen der Luftrückführung zum Verdichtereinlass (Inlet Bleed Heat) oder zum Aktivieren anderer Steuereinstellungen des Turbinensystems 10 gehören. In bestimmten Ausführungsformen umfassen Steuerungsmaßnahmen das Abwandeln von Zielbetriebsanforderungen für das Turbinensystem 10. Das Abwandeln von Zielbetriebsanforderungen kann das Auswählen zwischen Anforderungen an die Position des Effektors (z.B. Aktor) umfassen, die Ziel- und Grenzwerten für den Betrieb des Turbinensystems 10 entsprechen. Alternativ kann das Abändern von Zielbetriebsanforderungen das Abwandeln eines Ziels (z.B. Leistung bis zu einer Zielhöhe) umfassen, damit ein bestimmter Grenzwert eingehalten wird. Beim Abwandeln eines Ziels zur Einhaltung eines bestimmten Grenzwerts können integrierte computerbasierte Modelle des Turbinensystems 10 verwendet werden, damit auf der Grundlage des Wissens über die Maschinengesundheit und zugehörige Grenzbedingungen eine Schätzung zu dem abgewandelten Ziels abgegeben werden kann. Das LV-Modell 45 (z.B. die Betriebslebensdauer des Systems 10) wird zusammen mit den anderen zuvor beschriebenen Faktoren zum Ableiten der Steuerungsmaßnahme für das Gasturbinensystem 10 (z.B. Steuerungsaktoren) verwendet (z.B. über die MBC-Einheit 42 und/oder die Steuereinheit 38), um eine verbesserte Lastbetriebsbedingung für das Gasturbinensystem 10 zu bestimmen. Damit ist eine aktive und anpassungsfähige Verwendung eines integrierten Steuerungsansatzes, bei dem die Leistung des Systems 10 und Zielsetzungen zum Lebensdauerverbrauch der Heißgaswege kombiniert werden, in einer Steuerungsgesamtstrategie für das System 10 möglich. Mit diesem integrierten Steuerungsansatz bleibt die Leistung des Systems 10 erhalten, wenn sich die Gasturbinenleistung durch den Betrieb verschlechtert. Das LV-Modell 45 kann die Verminderung von Abweichungen von Maschine zu Maschine in Situationen mit mehreren Gasturbinen 12 vereinfachen.
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Technische Wirkungen der offenbarten Ausführungsformen umfassen das Bereitstellen von Verfahren zum Ermitteln einer Betriebslebensdauer des Turbinensystems 10 und zum Verwenden der Betriebslebensdauer zusammen mit anderen Faktoren beim Steuern der Leistung des Turbinensystems 10. Offenbarte Ausführungsformen ermöglichen das Erarbeiten eines Modells (z.B. LV-Modell 45) zum Ermitteln der Betriebslebensdauer des Turbinensystems 10 und zum Verwenden dieses Modells 45 bei der Steuerung des Betriebs des Gasturbinensystems 10. Das LV-Modell 45 kann bei der Bestimmung einer verbesserten Lastbetriebsbedingung für das Turbinensystem 10 zumindest teilweise auf der Grundlage der Betriebslebensdauer des Turbinensystems 10 verwendet werden. Das LV-Modell 45 kann die Verminderung von Abweichungen von Maschine zu Maschine in Situationen mit mehreren Gasturbinen 12 vereinfachen. Die offenbarten Ausführungsformen ermöglichen eine aktive und anpassungsfähige Verwendung eines integrierten Steuerungsansatzes, bei dem die Leistung des Systems 10 und Zielsetzungen zum Lebensdauerverbrauch der Heißgaswege kombiniert werden, in einer Steuerungsgesamtstrategie für das System 10. Mit diesem integrierten Steuerungsansatz bleibt die Leistung des Systems 10 erhalten, wenn sich die Gasturbinenleistung durch den Betrieb verschlechtert.
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In dieser schriftlichen Beschreibung werden Beispiele verwendet, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsform, zu offenbaren und auch um es einem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung anzuwenden, einschließlich der Herstellung und Verwendung von Vorrichtungen oder Systemen und der Durchführung von darin enthaltenen Verfahren. Der patentierbare Geltungsbereich der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, an die der Fachmann denkt. Diese weiteren Beispiele sollen in den Geltungsbereich der Ansprüche fallen, wenn sie Strukturelemente aufweisen, die nicht vom genauen Wortlaut der Ansprüche abweichen oder wenn sie gleichwertige Strukturelemente mit unwesentlichen Unterschieden zum genauen Wortlaut der Ansprüche umfassen.
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Ein System weist ein Gasturbinensystem mit einem Verdichter, einer Brennkammer und einer Turbine auf. Das System weist auch eine Steuereinheit auf, die zur Datenübertragung mit dem Gasturbinensystem gekoppelt und so ausgelegt ist, dass sie Betriebsabläufe des Gasturbinensystems steuert. Das System weist ferner ein Lebensdauerverbrauchsmodell auf, das so ausgelegt ist, dass es eine Betriebslebensdauer des Gasturbinensystems auf der Grundlage von sowohl einem Gesundheitszustand von ein oder mehreren Bauteilen des Gasturbinensystems als auch von Betriebsbedingungen des Gasturbinensystems ermittelt. Die Steuereinheit ist so ausgelegt, dass sie zumindest das Lebensdauerverbrauchsmodell zum Ableiten einer Steuerungsmaßnahme für das Gasturbinensystem verwendet.
