DE102016113660A1

DE102016113660A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Optimierung einer Vermischung mittels Dampfsammler und Aufladung mittels Gasturbine in Kombikraftwerken

Info

Publication number: DE102016113660A1
Application number: DE102016113660.3A
Authority: DE
Inventors: Ranjit Ramesh Rao; Xu Cheng; Frederick Charles Huff; Jacob Nathaniel Adams
Original assignee: Emerson Process Management Power and Water Solutions Inc
Current assignee: Emerson Process Management Power and Water Solutions Inc
Priority date: 2015-07-24
Filing date: 2016-07-25
Publication date: 2017-01-26
Also published as: US20210108541A1; GB2543379A; CN111810264B; US10781723B2; PH12016000253A1; CN111810264A; GB2584807B; CA3193632A1; CA2937086A1; US20170022846A1; GB2584261A; GB202013002D0; CA3193657A1; CN106368750A; US11391185B2; GB2584807A; GB201612494D0; GB2584261B; GB2543379B; CN106368750B

Abstract

Verfahren und Vorrichtungen zum Optimieren der Rampenraten in Kombikraftwerken sind hierin offenbart. Ein hierin offenbartes Beispielsverfahren schließt die Vorhersage eines ersten Sollwertes für eine Gasturbine in einem Kombikraftwerk ein über einen Prognosehorizont und die Vorhersage eines zweiten Sollwertes für einen Dampfgenerator über den Prognosehorizont. Das Beispielsverfahren schließt das Identifizieren einer ersten Dampfeigenschaft von Dampf ein generiert bei dem Dampfgenerator in dem Kombikraftwerk, basierend auf dem zweiten Sollwert. Das Beispielsverfahren schließt das Vergleichen der ersten Dampfeigenschaft mit einer zweiten Dampfeigenschaft von Dampf ein, verbunden mit einer Dampfturbine in dem Kombikraftwerk und das dynamische Anpassen von mindestsens einem ersten Sollwert oder einem zweiten Sollwert, basierend auf dem Vergleich.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER OFFENBARUNG
Diese Offenbarung betrifft im Allgemeinen Kombikraftwerke, und insbesondere Verfahren und eine Vorrichtung zur Optimierung einer Mischung mittels Dampfsammler und Aufladung mittels Gasturbine in Kombikraftwerken.
HINTERGRUND
Ein Kombikraftwerk, wie zum Beispiel ein kombiniertes Gasdampfturbinenkraftwerk, beinhaltet mindestens eine Gasturbine und eine Dampfturbine. In einem Kombikraftwerk wird Abgas, welches durch die Gasturbine hergestellt wird, mittels eines Abhitzedampferzeugers (HRSG) eingefangen, welcher Dampf aus der Wärmeenergie in dem Abgas produziert. Der Dampf wird der Dampfturbine zur Verfügung gestellt, wodurch eine verbesserte Effizienz des Kraftwerks bereitgestellt wird durch die Herstellung von Elektrizität durch mehrfache thermodynamische Zyklen und gleichzeitige Reduzierung der Treibstoffkosten.
Obwohl die Bereitstellung des Abgases von der Gasturbine an die Dampfturbine eine zusätzliche Quelle von Elektrizität bereitstellt, beeinflusst der Druck und die Temperatur des Dampfes, der mittels der HRSG der Dampfturbine bereitgestellt wird, den Betrieb der Dampfturbine und die Bedingungen der Dampfturbine (z. B. Dampfsättigung). Dampf, welcher von der HRSG mittels eines Dampfsammlers in einer in Betrieb befindlichen Dampfturbine eingeführt ist, sollte grundsätzlich zu den Dampfbedingungen der arbeitenden Dampfturbine passen (z. B. wie in dem Dampfsammler gemessen), um keinen übermäßigen Stress auf die Dampfturbine zu bewirken durch beispielsweise das Einführen von Dampf, welcher eine im Wesentlichen unterschiedliche Enthalpiewerte hat oder durch Einführen von gesättigtem Dampf (z. B., welches unter Bedingungen vorkommt, bei denen Dampf (Gas) und Wasser (Flüssigkeit) nebeneinander bestehen) in die Dampfturbine einzuführen, welches die Dampfturbine beschädigen kann. Beispielsweise sollten die Druckwerte des Dampfes, welche durch die HRSG hergestellt werden, im Wesentlichen dieselben sein oder innerhalb eines vorbestimmten Grenzbereiches eines Druckwertes eines Dampfes am Kopf der Dampfturbine. Im Wesentlichen gewährt die Übereinstimmung der Eigenschaften des Dampfes, welcher durch das HRSG hergestellt wird, und des Dampfes am Kopf der Dampfturbine, bevor der HRSG-Dampf in die Dampfturbine eingeführt wird, eine verbesserte Stabilisierung innerhalb des Kombikraftwerks im Hinblick auf andere HRSGs in dem System. Falls beispielsweise Dampf von einer HRSG mit einem signifikant höheren Druck als ein Druck des Dampfes am Dampfturbinenkopf in die Dampfturbine eingespeist wird, wäre der andere HRSG nicht in der Lage sein, Dampf in die Dampfturbine einzuspeisen, ohne die Dampfturbine zu beschädigen. In einem Kombikraftwerk wird Dampf, welcher durch ein HRSG hergestellt wird, der nicht die Druck- und/oder Temperaturwerte für die Einbringung in die Dampfturbine erfüllt, über einen Bypass geführt oder durch ein oder mehrere Kontrollventile daran gehindert, in die Dampfturbine einzudringen. Übermäßiger Dampf über den Bypass führt zu einem Verlust an Effizienz, da der Dampf im Bypass nicht durch die Dampfturbine genutzt wird und somit eine nicht wiederverwendete Abwärme darstellt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
1 stellt ein schematisches Diagramm dar, welches Komponenten eines Kombikraftwerks darstellt, in welchen die hier offenbarten Beispiele mit aufgenommen werden können.
2 stellt ein Blockdiagramm eines Beispiels für ein Kontrollsystem dar zur Bestimmung der Sollwerte von einem oder mehreren Komponenten des in 1 dargestellten Kombikraftwerks.
3 zeigt ein Flussdiagramm eines Beispielverfahrens, das ausgeführt werden kann, um das Beispielskontrollsystem von 2 mit aufzunehmen.
4 zeigt ein Diagramm eines Beispiels für eine Prozessorplattform, welche verwendet werden kann, um das Beispielverfahren von 3 auszuführen und/oder, mehr generell, um das Beispielskontrollsystem von 2 mit aufzunehmen.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine hier offenbartes Beispielverfahren schließt das Vorausbestimmen eines ersten Sollwertes für eine Gasturbine in einem Kombikraftwerk über einen Prognosehorizont und das Vorausbestimmen eines zweiten Sollwertes für den Dampfgenerator über den Prognosehorizont mit ein. Das Beispielsverfahren schließt das Identifizieren einer ersten Dampfeigenschaft des Dampfes mit ein, welcher durch den Dampfgenerator in dem Kombikraftwerk hergestellt wird, basierend auf dem zweiten Sollwert. Das Beispielsverfahren schließt das Vergleichen der ersten Dampfeigenschaften mit den zweiten Dampfeigenschaften des Dampfes ein, verbunden mit einer Dampfturbine in einem Kombikraftwerk und das dynamische Anpassen von mindestens einem ersten Sollwert oder dem zweiten Sollwert, basierend auf dem Vergleich.
Ein hier offenbartes Beispielsystem schließt einen Regler ein, um einen ersten Sollwert einer Gasturbine vorherzusagen, basierend auf einem Prognosemodell und einem ersten Gewichtsfaktor. In dem Beispielsystem ist der Regler ausgelegt, um einen zweiten Sollwert eines Dampfgenerators vorherzubestimmen, verbunden mit der Gasturbine, basierend auf einem Prognosemodell und einem zweiten Gewichtsparameter. Auch ist in dem Beispielsystem der Regler ausgelegt, um eine Position des Ventils des Dampfgenerators, basierend auf dem zweiten Sollwert zu bestimmen. Das Beispielsystem schließt eine Nachstelleinrichtung mit ein, um mindestens einen der ersten Gewichtsfaktoren oder der zweiten Gewichtsfaktoren, basierend auf der Bestimmung nachzustellen. In dem Beispielsystem ist, falls das erste Ventil in einer Position ist, der Regler ausgelegt, um mindestens einen der dritten Sollwerte der Gasturbine vorherzusagen, oder eines vierten Sollwertes des Dampfgenerators, basierend auf dem Prognosemodell und dem entsprechend geregelten Gewichtsfaktor oder dem geregelten zweiten Gewichtsfaktor, um das erste Ventil in eine zweite Position zu bewegen, um eine Menge an Dampf, welcher durch das Ventil fließt, zu reduzieren.
Eine weitere Beispielsmethode, die hier offenbart ist, schließt das Vorhersagen eines Lastsollwerts für eine Gasturbine und einer Dampfsollwertrampe für einen Dampfgenerator, welcher operativ mit der Gasturbine gekoppelt ist, ein. Das Beispielsverfahren schließt das Bestimmen einer Position eines Bypassventils des Dampfgenerators ein, basierend auf dem Lastsollwert und der Dampfsollwertrampe. Das Beispielsverfahren schließt das Identifizieren einer ersten Dampfeigenschaft eines Dampfes einer Dampfturbine, die operativ an den Dampfgenerator gekoppelt ist, mit ein. Das Beispielsverfahren schließt das dynamische Anpassen des Lastsollwerts oder der Dampfsollwertrampe, basierend auf der Position des Bypassventils, ein um zu bewirken, dass der Dampfgenerator Dampf generiert, welcher die zweiten Dampfeigenschaften aufweist. Die zweite Dampfeigenschaft ist im Wesentlichen identisch zu der ersten Dampfeigenschaft.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Als Nebenprodukt produziert eine Gasturbine bei der Herstellung von Elektrizität Abwärme. In einem Kombikraftwerk wird die Abwärme durch einen Abhitzedampferzeuger (HRSG) geführt, welcher Dampf erzeugt durch Überführung der Abwärme zu Wärmewasser, anstatt als Abfall behandelt zu werden und über einen Abgaskamin entfernt zu werden. Der Dampf wird eingeführt in oder gemischt mit dem Dampf an einem Dampfturbinenkopf, wo er von einem Generator verwendet wird, der mit einer Dampfturbine assoziiert ist, um Elektrizität herzustellen.
Der Dampf, welcher in die Dampfturbine mittels des HRSG eingeführt wird, sollte bestimmte Druck- und Temperaturqualitäten aufweisen. So sollte beispielsweise der Druck, die Temperatur und/oder die Enthalpie-Werte (d.h. eine Funktion von Druck und Temperatur) des Dampfes, welcher mittels des HRSG hergestellt wird, im Wesentlichen übereinstimmen mit den Bedingungen am Dampfturbinenkopf oder dem Dampfstrom der Dampfturbine (d.h., eine Quelle, wo Dampf, produziert von der Abwärme von einer oder mehreren Gasturbinen in die Dampfturbine eingeführt ist), um zu verhindern, dass übermäßiger Stress auf die Dampfturbine ausgeübt wird durch Bewirken von signifikantem Druck, Temperatur, oder Enthalpieunterschieden am Dampfkopf, um es anderen HRSGs im Kombikraftwerk zu ermöglichen, Dampf, welcher bei diesen HRSGs zu dem Dampfkopf produziert wird, zur Verfügung zu stellen. Der Dampf, der bei dem HRSG hergestellt wird und nicht den benötigen Druck, Temperatur und/oder Enthalpiequalitäten aufweist, wird davon abgehalten an die Dampfturbine weitergeleitet zu werden durch eine Serie von Kontrollventilen, die bewirken, dass der Dampf die Dampfturbine umgeht. Beispielsweise leiten Bypasskontrollventile den Dampf, welcher unerwünschte Druck-, Temperatur- und/oder Enthalpiequalitäten aufweist, weg von der Dampfturbine hin zu, beispielsweise, einen Kondensator, wo der Dampf in eine Flüssigkeit kondensiert wird durch Kühlung des Dampfes. Isolationsventile hindern den Dampf daran, in die Dampfturbine einzudringen. Wenn der Dampf, welcher durch denie HRSG hergestellt wird, im Wesentlichen die Dampfdruck- und/oder Temperaturparameter für die Dampfturbine erfüllt, gestatten die Isolationsventile es dem Dampf in die Dampfturbine einzudringen.
Die Operation einer Gasturbine schließt das Bestimmen eines Lastsollwertes, oder eines Wertes ein, der eine Rate kontrolliert, bei dem die Gasturbine eine Menge von Energie produziert (z. B. Megawatts (MW)/min). Beispielsweise kann ein Operator für den Übergang der Gasturbine vom Nicht-Betriebszustand zur Herstellung von 100 MW innerhalb einer Stunde die Lastsollwerte manipulieren, um die Zielenergieproduktion innerhalb der Zielzeitperiode zu erfüllen. Da die Gasturbine arbeitet, um die Ziellast zu erreichen, oder die Menge an Energie, nimmt die Menge von Abwärme, die durch die Gasturbine erzeugt wird, zu. Die Zunahme der Menge von Abgas kann zu einer Zunahme des Dampfes, welcher durch den HRSG hergestellt wird, resultieren. Allerdings werden der Druck-, die Temperatur- und/oder die Enthalpie-Qualitäten (d.h. eine Funktion von Druck und Temperatur) des Dampfes, welcher durch den HRSG hergestellt wird, als Resultat der erhöhten Last an der Gasturbine, möglicherweise nicht substantiell den Bedingungen des Dampfkopfes entsprechen. Deshalb wird der Dampf umgeleitet, um nicht in die Dampfturbine eingeführt zu werden.
Eine gewisse Menge von Bypassdampf wird benötigt, um den HRSG zu kühlen, um eine Überhitzung zu vermeiden. Allerdings bewirkt ein Überschuss von Bypassdampf einen Verlust an Effizienz des Kombikraftwerks, da der Bypassdampf nicht von der Dampfturbine verwendet wird, um Elektrizität herzustellen, und somit Abwärme darstellt. Auch kann eine Zunahme der Menge des Bypassdampfes und somit einer Abnahme der Dampfmenge, welche der Dampfturbine zur Verfügung gestellt wird, zu einem erhöhten Stress des Kondensators oder des Kombikraftwerks führen, welches letztlich den Bypassdampf empfängt und den Bypassdampf in Wasser überführt. Darüber hinaus kann eine Zunahme der Menge des Bypassdampfes zu einer Materialermüdung in einen oder mehreren Komponenten der HRSG führen.
Ein HRSG kann verschiedene Abschnitte enthalten, basierend auf einer Nummer von Drucklevels im Hinblick auf die Dampfherstellung. Beispielsweise schließt ein Dreifachdruck-HRSG einen Hochdruckabschnitt, einen heißen Zwischenüberhitzungs/Mitteldrucksabschnitt (HRH) und einen Niedrigdruckabschnitt ein. Jeder Abschnitt des HRSG schließt eine Dampftrommel und einen Verdampfer ein, um das Wasser in dem HRSG in Dampf zu überführen. Überhitzer erhitzen den Dampf, um die Temperatur des Dampfes über den Sättigungspunkt hinaus zu erhöhen. Dampf, welcher durch den Hochdruckabschnitt, dem HRH, und den Niedrigdruckabschnitt erzeugt wurde, wird in die Dampfturbine überführt.
Beispielsweise kontrollieren ein Hochdruckbypassventil und ein Druckisolierungsventil die Abgabe des Hochdruckdampfes an die Dampfturbine, basierend auf den Qualitäten des Hochdruckdampfes (beispielsweise Druck, Temperatur und/oder Enthalpie). In Beispielen, in denen der Hochdruckdampf durch das Hochdruckbypassventil geführt wird (d.h., das Hochdruckisolationsventil ist geschlossen), wird der Dampf durch die kalte Zwischenüberhitzungsleitung, wo es gekühlt wird, geführt, über den Rückerhitzer rückerhitzt, und mit dem Dampf kombiniert, der von dem mittleren Dampfabschnitt erzeugt wurde. Der rückerhitzte/Mitteldruckdampf wird durch ein heißes Zwischenüberhitzungsbypassventil (HRH) zu einem Verdampfer oder der Druckturbine über ein heißes Zwischenüberhitzungsventil geführt. Druck, Temperatur und/oder Enthalpiezielwerte für den Dampf, welcher bei dem HRSG produziert wird, können verwendet werden, um die Hochdruck- und HRH-Bypassventile zu kontrollieren im Hinblick auf die gewünschten Dampfqualitäten.
Üblicherweise beeinflusst ein Operator die Gasturbinenlastsollwerte oder einen Wert, welcher eine Rate kontrolliert, bei dem die Last der Gasturbine eine Zielenergiemenge erreicht. Der Operator beeinflusst auch die Sollwerte für Druck, Temperatur und/oder Enthalpie der Hochdruck- und HRH-Abschnitte des HRSG, oder Werte, die die Rampenrate kontrollieren (z. B. pro Sekunde), bei denen die Hochdruck- und HRH-Abschnitte Dampf generieren, welcher Zieldruck (beispielsweise psi), Temperatur (zum Beispiel °F), und/oder Enthalpie(z. B. BTU/1b)-Qualitäten aufweisen. Indem der Operator die Sollwerte für die Gasturbine, den Hochdruckabschnitt und den HRH-Abschnitt beeinflusst, versucht der HRSG Dampfqualitäten zu erreichen (z. B. Druck, Temperatur und/oder Enthalpie), die mit den Bedingungen an dem Kopf (den Köpfen) der Dampfturbine übereinstimmen, wobei gleichzeitig eine minimale Menge von Bypassdampf erzeugt wird, um Verluste an Effizienz zu reduzieren. Allerdings ist eine Balance zwischen dem Einstellen des Gasturbinenlastsollwerts, um die Ziellast zu erreichen, und gleichzeitig die Kontrolle des Öffnens und Schließens der Bypassventile im Hinblick auf die Qualitäten des Dampfes schwierig für einen Operator durchgängig zu erzielen aufgrund der vielfältigen Prozessvariablen und eingestellten Variablen, die die Arbeit des Kombikraftwerkes betreffen.
Offenbart werden hier Beispielsverfahren und Systeme zur Bestimmung eines Gasturbinenlastsollwertes, eines Hochdruckrampensollwertes (beispielsweise im Hinblick auf den Dampf, welcher in dem Hochdruckabschnitt des HRSG erzeugt wird), und eines HRH-Rampensollwerts (zum Beispiel im Hinblick auf den Dampf, der in dem HRH-Abschnitt des HRSG produziert wird). Der Hochdruckrampensollwert und der HRH-Rampensollwert können ein Drucksollwert sein, ein Temperatursollwert, oder ein Enthalpiesollwert im Hinblick auf die Erzeugung von Dampf in den betreffenden Abschnitten des HRSG. In einigen Beispielen ist der Gasturbinensollwert auch ein Temperatursollwert im Hinblick auf eine Temperatur des Abgases anstelle eines Lastssollwerts. Die hier offenbarten Beispiele bestimmen die Sollwerte, um die Gasturbine zu laden, und die Hochdruck- und HRH-Abschnitte mit einer Rampe zu versehen, um Dampf zu produzieren, welcher zum Beispiel Enthalpien aufweist, die mit den Enthalpiebedingungen am Dampfturbinenkopf übereinstimmen. Indem sie die optimalen Sollwerte bestimmen, reduzieren die hier offenbarten Beispiele die Menge des Dampfes, der von der Dampfturbine umgangen wird durch die Öffnung des Bypassventils.
In den offenbarten Beispielsverfahren und Systemen werden die Sollwerte bestimmt durch Verwendung einer Model Predictive Control (MPC), welche die Sollwerte vorhersagt über eine Vorgriffsperiode oder einen Prognosehorizont. Bei der Bestimmung der Sollwerte berücksichtigt die MPC-Logik verschiedene Prozessbeschränkungen im Hinblick auf die Gasturbine und den HRSG, die Kontrollgewichte, wie Ziellasten oder Start-up-Zeiten, und ökonomische Überlegungen, wie die Gasturbinenemission, Compliance-Anforderungen und Energiekosten. Weiterhin schließen die offenbarten Beispiele Modellanpassungsmechanismen ein, um die Wärmeübertragungsmodelle oder Enthalpiemodelle anzupassen, welche bei dem offenbarten Beispiel verwendet werden, um die Sollwerte zu bestimmen, basierend auf den Bedingungen (z. B. Temperatur) an dem HRSG. Basierend auf verschiedenen Variablen und Gewichtsfaktoren entscheidet die MPC-Logik den optimalen Sollwert für die Gasturbine und die Hochdruck- und HRH-Abschnitte des HRSG, die im Wesentlichen die Zieloperationswerte erzielen, während sie gleichzeitig die Produktion von überschüssigem Bypassdampf minimieren.
Zurückkehrend zu den Abbildungen, zeigt 1 ein schematisches Diagramm eines Beispielsystems 100, welches Komponenten eines Kombikraftwerkes zeigt, in welchem die hier offenbarten Beispiele mit eingeschlossen werden können. Das Beispielsystem 100 schließt eine Gasturbine 102 ein. Ein oder mehrere Regler kontrollieren die Arbeit der Gasturbine 102. Beispielsweise kann ein Lastsregler 104 die Last oder die Menge von Energie, welche von der Gasturbine 102 hergestellt wird, kontrollieren. Wie oben offenbart, produziert die Gasturbine 102 während der Arbeit Abgas 106. In dem Beispielsystem 100 verlässt das Abgas 106 die Gasturbine 102 und tritt in einen Abhitzedampferzeuger (HRSG) 108 ein.
Der Beispiels-HRSG 108 von 1 schließt einen Hochdruckabschnitt (HP) 110 ein, einen heißen Zwischenüberhitzungs/Übergangsdruckabschnitt (HRH/IP) 112, und einen Niedrigdruck(LP)-Abschnitt 114. Der Hochdruckabschnitt 110 schließt einen Hochdruckkessel 116 und einen Hochdrucküberhitzer 118 ein. Der HRH-Abschnitt 112 schließt einen mittleren Druckkessel 120 ein, einen mittleren Drucküberhitzer 122, und einen Rückerhitzer 124. Der Niedrigdruckabschnitt 114 schließt eine Niedrigdrucktrommel 126 und einen Niedrigdrucküberhitzer 128 ein. Dampf, welcher durch die betreffenden Abschnitte 110, 112, 114 des HRSG 108 produziert wird, wird der Dampfturbine zur Verfügung gestellt. In dem Beispielsystem 100 von 1 schließt die Dampfturbine eine Hochdruckdampfturbine 130 ein, eine mittlere Druckdampfturbine 132, und eine Niedrigdruckdampfturbine 134. Das Beispielsystem 100 von 1 kann zusätzliche Gasturbinen und/oder Dampfturbinen (z. B. vier Gasturbinen, welche in einen Kopf einspeisen, der Dampf an zwei Dampfturbinen zur Verfügung stellt).
Während der Arbeitsweise, wenn der Dampf, welcher durch die Hochdruckabschnitt 110 produziert wird, Qualitäten aufweist (z. B. Druck), welche im Wesentlichen mit den Bedingungen eines Hochdruckdampfturbinenkopfes 136 der Hochdruckdampfturbine 130 übereinstimmen, öffnet ein Hochdruckisolationsventil 138, um es dem Dampf von dem Hochdruckabschnitt 110 des HRSG 108 zu ermöglichen, in die Hochdruckdampfturbine 130 zu fließen, wie es in 1 durch einen Hochdruckdampfströmungsweg 140 dargestellt wird.
Beispielsweise misst ein erster Drucküberträger (PT) 142 den Druck des Dampfes, welcher durch den Hochdruckabschnitt 110 produziert wird. Wenn der Dampf, welcher durch den ersten Drucktransmitter 142 gemessen wird, im Wesentlichen übereinstimmt mit einem Druck, welcher durch einen zweiten Drucktransmitter 144 gemessen wird, welcher mit dem Hochdruckdampfdruckturbinenkopf 136 assoziiert ist, dann öffnet das Hochdruckisolationsventil 138 und gestattet dem Dampf, über den Hochdruckdampfströmungsweg 140 in die Hochdruckdampfturbine 130 zu fließen. Oder anders gesagt, der Dampf, der durch den Hochdruckabschnitt 110 produziert wird, mischt sich mit dem Dampf am Hochdruckdampfturbinenkopf 136 und der gemischte Dampf wird der Hochdruckdampfturbine 130 zur Verfügung gestellt. Zusätzlich oder stattdessen kann das Beispielsystem 100 Temperatursensoren und/oder Enthalpiesensoren einschließen, um die Temperatur und/oder die Enthalpiewerte des Dampfes an dem Hochdruckabschnitt 110 und dem Hochdruckdampfturbinenkopf 136 zu messen. Das Beispielsystem 100 kann auch Drucktransmitter in Ergänzung zu den ersten und zweiten Drucktransmittern 142, 144 einschließen.
Der Dampf des Hochdruckabschnitts 110, welcher in die Hochdruckdampfturbine 130 eingeführt wird über den Hochdruckdampfturbinenkopf 136, kann eine Temperatur von beispielsweise 1000°F und einen Druck von 2400 psi aufweisen. In einigen Beispielen, wenn der Dampf von dem Hochdruckabschnitt 110 in die Hochdruckdampfturbine 130 eingeführt wird, wird ein Teil des Dampfes zurückgeschickt zu dem HSG 108 (d.h. nicht alle Energie ist durch die Hochdruckturbine 130 dem Dampf entzogen). So wie ein Teil der Energie des Dampfes durch die Hochdruckdampfturbine 130 verwendet wurde, um Elektrizität zu produzieren, werden Temperatur und/und Druck des Dampfes reduziert, verglichen zu dem Dampf, welcher an den Hochdruckdampfturbinenkopf 136 übermittelt wird (z. B. zu einem Druck von 700 psi), und somit hat der Dampf weniger Enthalpie. In solchen Beispielen folgt der Dampf, der die Hochdruckdampfturbine 130 verlässt, einem ersten kalten Rückhitzeströmungsweg 145, wo der Dampf in den HRH-Abschnitt 112 eingeführt wird und durch den Rückerhitzer 124 rückerhitzt wird. Erhöhen der Temperatur des Dampfes zurück zu, beispielsweise, 1000°F, erhöht die Enthalpie des Dampfes trotz eines Abfalls im Druck. Somit kann der Dampf bei dem HRH-Abschnitt 112 verarbeitet werden, um zusätzlichen Dampf zu generieren für die Übermittlung zu der mittleren Druckdampfturbine 132.
Wenn der von dem HRH-Abschnitt 112 generierte Dampf der HRSG 108 Qualitäten (z. B. Druck, Temperatur, und/oder Enthalpie) aufweist, die im Wesentlichen den Bedingungen an einer mittleren Druckdampfturbine 132 entsprechen, öffnet ein HRH-Isolationsventil 148 und gestattet dem Dampf aus dem HRH-Abschnitt 112 der HRSG 108 sich mit dem Dampf an dem Mitteldruckdampfturbinenkopf 146 zu mischen für die Weiterleitung an die mittlere Druckdampfturbine 132, wie in 1 dargestellt über einen HRH-Dampfstrompfad 150. Dampf, der die mittlere Druckdampfturbine 132 verlässt, fließt über einen zweiten kalten Nacherhitzungsströmungsweg 153, wie in 1 dargestellt, in den Niedrigdruckabschnitt 114, wo er durch den Niedrigdrucküberhitzer 128 rückerhitzt wird.
In dem Beispielsystem 100 wird der an dem Niedrigdruckabschnitt 114 produzierte Dampf an die Niedruckdruckdampfturbine 134 übermittelt mittels eines Niedruckdruckdampfturbinenkopfes 152, wie dargestellt bei einem Niedrigdruckdampfströmungsweg 154 in 1. Das Beispielsystem 100 kann auch weitere Druck-, Temperatur- und/oder Enthalpiesensoren einschließen, in Verbindung mit der HRH-Abschnitt 112, dem Niedrigdruckabschnitt 114, dem Mitteldruckdampfturbinenkopf 146, und dem Niedrigdruckdampfturbinenkopf 152, um die Qualitäten des Dampfes innerhalb des Systems 100 zu messen.
Die Niedrigdruckturbine 134 ist mit einem Kondensator 156 verbunden. In dem Beispielsystem 100 verliert der Dampf, der durch die Hochdruckdampfturbine 130 und die mittlere Druckdampfturbine 132 zur Verfügung gestellt wird, Enthalpie, da Energie des Dampfes verwendet wird, um die Arbeit auszuführen oder Elektrizität zu generieren. Wie oben offenbart, fließt der Dampf, der die Turbinen 130, 132 verlässt, durch die entsprechenden ersten und zweiten kalten Zwischenübererhitzungsströmungswege 145, 153 und wird an dem Niedrigdruckabschnitt 114 entgegengenommen. Nachdem Dampf, der durch den Niedrigdrucküberhitzer 128 nacherhitzt wird, durch die Niedrigdruckturbine 134 verwendet wird, kann der Dampf nicht genug Enthalpie haben, um in dem Beispielsystem 100 weiter verwendet zu werden, ohne signifikanten Energieverbrauch zu erfordern, um den Druck des Dampfes nachzuerhitzen oder zu erhöhen. Der Dampf als solcher wird an den Kondensator 156 übermittelt, wo er zu Wasser überführt wird. Somit wird in dem Beispielsystem 100 der Dampf, der durch dem HRSG 108 generiert wird und nicht durch die Turbinen 130, 132, 134 verwendet wird, in Wasser umgewandelt.
Wie oben offenbart, können zu einer bestimmten Zeit ein oder mehrere Qualitäten des Dampfes, der durch den HRSG 108 generiert wird, nicht mit den Bedingungen oder nicht im Wesentlichen mit den Bedingungen an den Dampfturbinenköpfen 36, 146, 152 übereinstimmen. Beispielsweise wird, falls der Druck des Dampfes, welcher durch den Hochdruckabschnitt 110 generiert wird und durch den ersten Drucküberträger 142 gemessen wird, im Wesentlichen kleiner sein als der Druck an dem Hochdruckdampfturbinenkopf 136, wie er bei dem zweiten Drucküberträger 144 gemessen ist, in diesem Fall wird das Hochdruckisolationsventil 138 nicht öffnen. In solchen Beispielen wird der Dampf, welcher durch den Hochdruckabschnitt 110 generiert wird, davon abgehalten, sich mit dem Dampf an dem Hochdruckdampfdruckturbinenkopf 136 zu mischen und in die Hochdruckdampfturbine 130 eingeführt zu werden.
Wie in 1 dargestellt, fließt Dampf, der durch den Hochdruckabschnitt 110 der HRSG 108 aus dem Abgas 106 generiert wird, und welcher nicht eine oder mehrere von Druck-, Temperatur- oder Enthalpie-Qualitäten aufweist, die im Wesentlichen mit den Bedingungen an dem Hochdruckdampfturbinenkopf 136 übereinstimmen, durch einen ersten Bypassströmungsweg 156 fließen. In solchen Beispielen ist das Hochdruckisolationsventil geschlossen und ein Hochdruckbypassventil 158 ist offen, um den Dampf, welcher bei dem Hochdruckabschnitt 110 generiert wird, über den ersten Bypassströmungsweg 156 zu führen. In dem Beispielsystem 110 ist der Dampf des Hochdruckabschnitt 110, welcher durch den Bypassströmungsweg 156 fließt, gekühlt durch eine erstes Wasserspray 160, um eine Überhitzung der HRSG 108 zu verhindern. Der Dampf fließt durch die HRH-Abschnitt 112 des HRSG 108, wo er kombiniert wird mit dem mittleren Druckdampf und nacherhitzt wird durch den Nacherhitzer 124 als Teil der Dampferhitzung mittels des HRH-Abschnitts 112.
Falls die Druck-, Temperatur-, und/oder Enthalpie-Qualitäten des durch den HRH-Abschnitt 112 generierten Dampfes nicht im Wesentlichen den Bedingungen an der mittleren Druckdampfturbine 132 entsprechen, wird das HRH-Isolationsventil 148 geschlossen und ein HRH-Bypassventil 162 geöffnet, so dass der Dampf von dem HRH-Abschnitt 112 über einen zweiten Bypassströmungsweg 164 fließt. In einigen Beispielen wird der Dampf, der durch den zweiten Bypassströmungsweg 164 fließt, mittels eines zweiten Wassersprays 166 gekühlt. Der Bypassdampf, der durch den zweiten Bypassströmungsweg 164 fließt, wird durch die Niedrigdruckdampfturbine 134 geleitet, um durch die Niedrigdruckdampfturbine 134 zu fließen. Der Bypassdampf, der nicht von der Niedrigdruckdampfturbine 134 verwendet wird (d.h., nicht alle Energie wird durch die Niedrigdruckdampfturbine 134 von dem Bypassdampf entzogen), wird an den Kondensator 156 übermittelt, wo er in Wasser umgewandelt wird.
Somit kontrollieren in dem Beispielssystem 100 die Isolationsventile 138, 148 und die Bypassventile 158, 162 einen Fluss des Dampfes, welcher durch die Hochdruck- und HRH-Abschnitte 110, 112 des HRSG 108 generiert wird, basierend auf Qualitäten, Eigenschaften, oder Bedingungen des Dampfes, wie beispielsweise Druck oder Enthalpie relativ zu den Bedingungen an dem Hochdruck- und Mitteldruckdampfturbinenkopfes 136, 146. Das Beispielsystem 100 kann Isolationsventile und/oder Bypassventile mit einschließen in Ergänzung zu den Isolationsventilen 138, 148 und den Bypassventilen 158, 162. Allerdings kann das Generieren von Dampf, welcher Qualitäten hat, die akzeptabel sind, um den Dampf in die Hochdruck- und Mitteldruckdampfturbinen 130, 132 einzuführen, schwierig sein im Hinblick auf den Betrieb der Gasturbine 102. Da die Gasturbine 102 arbeitet, um Ziellasten zu erreichen, kann mehr Abgas 106 produziert werden und durch den HRSG 108 aufgefangen werden. Der HRSG 108 produziert Dampf von dem eingefangenen Abgas 106. Allerdings kann zu viel Dampf, der durch den HRSG 108 produziert wird, zu einem überschüssigen Bypassdampf führen. Beispielsweise, wenn der durch den Hochdruckabschnitt 110 generierte Dampf des HRSG 108 von dem Abgas 106 nicht akzeptabel ist für eine Vermischung mit dem Dampf an dem Hochdruckdampfturbinenkopf 136, öffnet das Hochdruckbypassventil 158. Da die Gasturbine weiterhin Abgas 106 produziert, setzt der Hochdruckabschnitt 110 damit fort, Dampf zu generieren. Folgend dem ersten Bypassströmungsweg 156, betritt der Dampf des Hochdruckabschnitts 110 den HRH-Abschnitt 112, wo zusätzlicher Dampf generiert wird. Der Dampf, welcher an dem HRH-Abschnitt 112 generiert wird, kann auch zu Bypassdampf führen. Somit kann ein Öffnen des Hochdruckbypassventils 158 zu Bypassdampf führen, welcher nicht durch die Hochdruckdampfturbine 130 verwendet wird, und somit Abwärme darstellt.
Das Beispielsystem 100 schließt einen modell-prädiktiven Regler 168 (im Weiteren „der Regler 168“) ein, um die optimale Last der Gasturbine 102 und einer Rampe der HRSG 108 im Hinblick auf die Dampferzeugung bei gleichzeitiger Minimierung der Menge des Bypassdampfes zu bestimmen. Der Regler 168 bestimmt einen Lastrampensollwert für die Gasturbine 102 für die Gasturbine 102. Der Regler 168 bestimmt auch den Sollwert für den Hochdruckabschnitt 110 und den HRH-Abschnitt 112, um Dampf zu generieren, welcher eine oder mehr Qualitäten (z. B. Druck, Temperatur, Enthalpie) aufweist im Hinblick auf die Bedingungen an den entsprechenden Dampfturbinen 130, 132. Bei der Vorhersage der Sollwerte kontrolliert der Regler 168 die Rückmeldung des Bypassventils 158, 162 auf den Dampf (z. B. ein Druck des Dampfes), um die Menge des generierten Bypassdampfes zu minimieren. Wie unten erläutert werden wird, in Verbindung mit 2, sagt der Regler 168 die Sollwerte für die Gasturbine 102 und die Hochdruck- und HRH-Abschnitten 110, 112 der Abschnitt 110 voraus. In einigen Beispielen bestimmt der Regler 112 einen Sollwert für den Niedrigdruckabschnitt 114 des HRSG 108 basierend auf einer oder mehreren Eingaben (z. B. durch den Drucküberträger 142) und passt die vorhergesagten Sollwerte an im Hinblick auf Prozessbeschränkungen, ökonomische Erwägungen und Modellanpassungen. Das Beispielssystem 100 kann ein oder mehrere Regler einschließen zur Implementierung der vom Regler 168 bestimmten Sollwerte. Zum Beispiel ist ein Gasturbinenlastzielregler (GTC) 170, ein Hochdruckdampfregler (HPC) 172, und ein HRH Dampfregler 174 verbunden mit einem Regler 168 zum Empfangen und Erwidern von Kontrollsignalen, die vom Regler 168 generiert wurden.
2 zeigt ein Blockdiagramm eines Beispielskontrollsystems 200 einschließlich eines Beispielsmodellvorhersagereglers 202 der verwendet werden kann, um den Regler 168 von 1 zu implementieren. Zur Veranschaulichung wird das Beispielskontrollsystem 200 offenbart in Verbindung mit dem Beispiels-Kombikraftwerk 100 von 1. Allerdings kann das Beispielskontrollsystem 200 einschließlich des Reglers 202 mit anderen Kombikraftwerksystemen verwendet werden.
Der Regler 202 aus 2 bestimmt einen Lastsollwert 204 für die Gasturbine 102 aus 1 oder sagt diesen voraus. Im Beispielkontrollsystem aus 2 bestimmt der Regler 202 außerdem einen ersten Enthalpiesollwert 206 für den Hochdruckabschnitt 110 des HRSG 108 und einen zweiten Enthalpiesollwert 208 für den HRH-Abschnitt 112. Der Beispielregler 202 kann jedoch Drucksollwerte, Temperatursollwerte und/oder andere Kombinationen davon für den Hochdruckabschnitt 110 und den HRH-Abschnitt 112 bestimmen. In einigen Beispielen kann der Gasturbinensollwert statt eines Lastsollwerts außerdem ein Temperatursollwert im Hinblick auf eine Temperatur des Abgases sein. Wenngleich der Regler 202 aus 2 drei Sollwerte bestimmt, die der Gasturbine 102, dem Hochdruckabschnitt 110 bzw. dem HRH-Abschnitt 112 entsprechen, kann der Regler 202 ferner weniger Variablen in Betracht ziehen und Sollwerte zum Beispiel nur für die Gasturbine 102 und den Hochdruckabschnitt 110 bestimmen. In einigen Beispielen bestimmt der Regler 202 einen Sollwert für den Niedrigdruckabschnitt 114 des HRSG 108.
Der Regler 202 empfängt Eingangswerte (z. B. Verwendereingaben) im Hinblick auf die Zielsollwerte für die Gasturbine 102, den Hochdruckabschnitt 110, und den HRH-Abschnitt 112. Beispielsweise empfängt der Regler 202 (1) einen Ziellastsollwert 210 für die Gasturbine 102, (2) einen ersten Zielenthalpiesollwert 212 für den Hochdruckabschnitt 110, und (3) einen zweiten Zielenthalpiesollwert 214 für den HRH-Abschnitt 112. Beispielsweise kann der Gasturbinenziellastssollwert 210 ein Wert oder eine Rate sein (z. B. MW/min), der die Gasturbine 112 bewegt von einem Nicht-Betriebsstatus (z. B. 0 MW generierend) zu einem Betriebsstatus, generierend eine vorbestimmte Menge von Megawatts (z. B. 100 MW). Der erste Zielenthalpiesollwert 212 kann eine Rate sein, bei der der Hochdruckabschnitt 110 Dampf generiert, welcher einen Enthalpiewert (z. B. in BTU/1b), welcher im Wesentlichen einem Enthalpiewert entspricht eines Dampfes an dem Hochdruckdampfturbinenkopf 136 (z. B. in BTU/1b) der Hochdruckdampfturbine 130. Der zweite Zielenthalpiesollwert 214 kann eine Rate sein, bei der die HRH-Abschnitt 112 einen Dampf generiert, welcher Enthalpiewerte hat, die im Wesentlichen Enthalpiewerten an dem Mitteldruckdampfturbinenkopf 146 der mittleren Druckdampfturbine 132 von 1 entsprechen.
Der Regler 202 empfängt auch Eingaben bezüglich zu den tatsächlichen oder aktuellen Betriebsbedingungen der Gasturbine 102, dem Hochdruckabschnitt 110, und dem HRH-Abschnitt 112. Beispielsweise kann eine Eingabe der Gasturbine 102 eine Temperatur 216 des Abgases 106 beinhalten. Die Temperatur 216 kann direkt von einer Temperaturmessung 218 des Abgases 106 bestimmt werden oder von einer aktuellen Last abgeleitet werden (z. B. Megawatts) 220, welche durch die Gasturbine 102 produziert wird, welche die Temperatur 216 des Abgases 106 betrifft, wenn die Gasturbine 102 Arbeit ausführt.
Eingaben werden auch gesendet an den Regler 202 von dem Hochdruckabschnitt 110 des HRSG 108. Beispielsweise kann ein erster Enthalpiewert 222 bestimmt werden, basierend auf einer Dampfdruckmessung 224 und einer Dampftemperaturmessung 226 des Dampfes, welcher in dem Hochdruckabschnitt 110 generiert wird. In ähnlicher Weise schließen Eingaben, welche durch den Regler 202 von dem HRH-Abschnitt 112 empfangen werden, einen zweiten Enthalpiewert 228 ein, basierend auf einer Dampfdruckmessung 230 und einer Dampftemperaturmessung 232 des Dampfes, generiert in dem HRH-Abschnitt 112. Die Dampfdruckmessungen 224, 230 und die Dampftemperaturmessungen 226, 232 können an die Regler 202 mittels Druck oder Temperatursensoren übermittelt werden, so wie an den ersten Drucktransmitter 142 von 1. In einigen Beispielen können die Dampf-, Druck-, Temperatur- und/oder Enthalpie-Wert des HRSG 108 (und/oder der Dampfturbinen 130, 132, 134) von bekannten Dampfkurven, basierend auf empirischen Daten erhalten werden.
Um die Sollwerte 204, 206, 208 vorauszusagen, führt der Regler 202 eine oder mehrere Optimierungsgleichungen, basierend auf den Eingaben 210, 212, 214, 216, 222, 228 durch. Bei der Durchführung der Optimierung berücksichtigt der Regler 202 auch andere Faktoren, die die Rampe der Gasturbine 102, den Hochdruckabschnitt 110 und den HRH-Abschnitt 112 betreffen. Beispielsweise übermittelt ein Prozessbeschränkungsadapter 236 eine oder mehr Prozessbeschränkungen an den Regler 202, der die Implementierung der vorhergesagten Sollwerte 204, 206, 208 beschränkt im Hinblick auf physikalische und/oder operationale Beschränkungen von einer oder mehr Komponenten des Kombikraftwerkes. Beispiele für die Prozessbeschränkungen, welche durch den Prozessbeschränkungsadapter 236 übermittelt werden, schließen eine Minimum- und/oder eine Maximum-Rate ein, bei denen die Gasturbine 102 hochgefahren werden kann, um einen Zielwert zu produzieren, ohne die Gasturbine 102 zu beschädigen; einen maximalen Wert von Stress (z. B. thermischen Stress), dem der HRSG 108 widerstehen kann; maximale Rampenwerte im Hinblick auf das Erreichen von Druck- und/oder Temperaturwerten für den Dampf, welcher in dem Hochdruckabschnitt 110 und/oder der HRH-Abschnitt 112 produziert wird; und Trommelniveaus, die bezeichnend sind für eine Menge von Wasser erhältlich in dem Hochdruckabschnitt 110 und/oder dem HRH-Abschnitt 112 für die Überführung in Dampf.
Das Beispielskontrollsystem schließt einen Adapter für einen ökonomischen Faktor 238 ein. Der Adapter 238 für den ökonomischen Faktor stellt ein oder mehr ökonomische Faktoreingaben zur Verfügung an den Regler 202 für die Berücksichtigung bei der Entscheidung der Sollwerte 204, 206, 208. Beispielsweise können Anforderungen für die Voraussetzung oder Übereinstimmung im Hinblick auf die Emissionen der Gasturbine als Gewichtsfaktor in der Bestimmung des optimalen Lastsollwerts 204 der Gasturbine 102 dienen. Ebenso können Energiekosten für die Gasturbine als Gewichtsfaktor dienen oder Beschränkung im Hinblick auf die Bestimmung des optimalen Lastsollwerts 204 der Gasturbine 102. In einigen Beispielen werden die Gewichtsfaktoren, wie die Emissionsbeschränkungen, über den Anwender eingegeben.
Das Beispielskontrollsystem 200 schließt auch einen Modelladapter 240 ein, der die Modelle oder Algorithmen, die von dem Regler 202 entwickelt werden, bei der Bestimmung der Sollwerte 204, 206, 208 anpasst. So können beispielsweise ein oder mehrere Hitzeübertragungsmodelle, die von dem Regler 202 verwendet werden, basierend auf Bedingungen 242 des HRSG 108 durch den Modelladapter 240 angepasst werden, wie beispielsweise eine Metalltemperatur der Trommeln 116, 120, 126 des HRSG 108 oder Röhren des HRSG 108, in welchen der Dampf generiert ist.
Basierend auf den Eingaben, welche an den Regler 202, wie oben offenbart, übermittelt werden, entwickelt der Regler 202 eine Model Predictive Control(MPC)-Logik, um den Gasturbinenlastssollwert 204 vorherzusagen, den ersten Enthalpiesollwert 206 des Hochdruckabschnitts 110, und den zweiten Enthalpiesollwert 208 für den HRH-Abschnitt 112. Beispielsweise stellt ein vorhergesagter Prozessoutput der MPC-Logik im Hinblick auf den Gasturbinenlastssollwert 204 eine Lastrückmeldung der Gasturbine 102 dar, basierend auf einer Kontrolleingabe generiert bei dem Regler 202 und übermittelt an die Gasturbine 102. MPC-Logik unterstützt die Optimierung von zukünftigen Verhalten eines Prozesses über eine endliche Prognoseperiode oder einen Prognosehorizont. Im Speziellen produziert die MPC-Logik ein Kontrollsignal, das eine objektive Funktion minimiert, so dass eine vorhergesagte Ausgangsvariable einer Referenzzeitschiene folgt oder im Wesentlichen folgt. In dem Beispielskontrollsystem 200 verwendet der Regler 202 MPC-Logik, um das Verhalten zu optimieren (z. B. das Betriebsverhalten) der Gasturbine 102, so dass ein vorhergesagter Prozessoutput oder eine vorhergesagte Lastsollwertoutputzeitschiene sich dem Ziellastsollwert 210 annähert. In ähnlicher Weise versucht der Regler 202 beim Vorhersagen der Enthalpiesollwerte 206, 208 für die Hochdruck- und HRH-Abschnitte 110, 112 des HRSG 108, das Verhalten oder den Betrieb der Hochdruck- und HRH-Abschnitte 110, 112 im Hinblick auf die Zielenthalpiesollwerte 212, 214 zu optimieren, welche den Bedingungen an den Köpfen 136, 146 der Dampfturbinen 130, 132 entsprechen können.
Der Regler 202 verwendet auch die MPC-Logik, um die vorhergesagten Lastsollwerte 204 der Gasturbine und die vorhergesagten Sollwerte 206, 208 der Hochdruck- und HRH-Abschnitten 110, 112 anzupassen, um die Menge an Bypassdampf zu minimieren. Beispielsweise berücksichtigt der Regler 202 bei der Bestimmung des ersten Enthalpiesollwertes 206 und des zweiten Enthalpiesollwertes 208 das Verhalten (z. B. das Öffnen oder Schließen) der Bypassventile 158, 162 in Erwiderung auf den Dampf, welcher durch den Hochdruckabschnitt 110 und den HRH-Abschnitt 112 generiert wird, basierend auf den entsprechenden ersten und zweiten Enthalpiesollwerten 206, 208. Der Regler 202 entscheidet auch eine Menge von Abgas, welches generiert wird durch die Gasturbine 102, wenn die Gasturbine 102 hochfährt, basierend auf dem Lastsollwert 204. Wenn der Regler 202 diese Operation der Gasturbine und/oder des HRSG 108, basierend auf dem Lastsollwert 204, dem ersten Enthalpiesollwert 206, und/oder dem zweiten Enthalpiesollwert 208 beschließt, bewirkt dies, dass eines oder mehrere der Bypassventile 158, 162 öffnen und eine Überschussmenge an Bypassdampf produziert wird (z. B. basierend auf einer vorbestimmten Schwelle), passt der Regler 202 sich dynamisch an die vorhergesagten Sollwerte 204, 206, 208 an. Somit entscheidet der Regler 202 die vorhergesagten Sollwerte 204, 206, 208 im Hinblick auf die Zielsollwerte 210, 212, 214, während er optimal die Menge an Dampf, welche durch den ersten und zweiten Bypassströmungsweg 156, 164 fließt, minimiert.
Um die vorhergesagten Endpunkte 204, 206 und 208 im Hinblick auf das Erreichen oder im Wesentlichen Erreichen der Zielsollwerte 210, 212, 214 zu auszugleichen und gleichzeitig die Menge an Bypassdampf zu minimieren, wendet der Regler Kontrollgewichte an um die Zielwerte 204, 206 und 208 zu bestimmen. Beispielsweise führt eine Erhöhung der Rate bei der die Gasturbine 102 eine Last generiert, zu einer erhöhten Menge von Abgas, und somit Dampf. Die erhöhte Menge von Dampf kann dazu führen, dass die Bypassventile 158 und 162 mehr öffnen, als zum Erreichen der Ziellast erforderlich ist, und somit zu übeschüssigem Bypassdampf führen. In solchen Beispielen kann der Regler 202 dadurch antworten, dass er die Lasterwiderung der Gasturbinenlast reduziert, und somit weniger Gewicht anwendet, um die Gasturbinenziellast 210 zu erreichen im Hinblick auf das Potential für überschüssigen Bypassdampf.
Als anderes Beispiel kann der Regler 202 Druckzielwerte für den Hochdruckabschnitt und den HRH-Abschnitt 110, 112 voraussagen. Als Übergang der Gasturbine 102 von einem Nicht-Betriebszustand in einen Betriebszustand kann der Regler 202 beispielsweise 100 MW innerhalb eines vorbestimmten Zeitraums den Drucksollwert für den Hochdruckabschnitt 110 erhöhen um einen bestimmten Dampfdruckwert für der Gasturbine während des Betriebs aufrechtzuerhalten. Wenn der Zeitpunkt für die Gasturbine 102 näherrückt um um 100 MW zu produzieren, passt der Regler 202 dynamisch die angewendete Masse an den Gasturbinenladungssollwert 204 an, sodass die Gasturbine 102 das 100 MW-Ziel innerhalb der vorhergesagten Zeit erreicht. Der Regler 202 kann weniger Masse zu dem Drucksollwert des Hochdruckabschnitts 110 ausüben durch ein Reduzieren einer Erwiderungsgeschwindigkeit auf den Drucksollwert. Der Regler reduziert den Drucksollwert des Hochdruckabschnitts 110 um die Öffnung des Bypassventils 158 zu regulieren im Hinblick auf die erhöhte Dampfproduktion resultierend aus der erhöhten Abgasproduktion (d.h. aufgrund des erhöhten Gasturbinenlastsollwertes 204). Somit passt der Regler 202 dynamisch die Sollwerte 204, 206 und 208 an um das Verhalten oder den Betrieb der Gasturbine, des HRSG 108, und der Bypassventile 158, 162 im Hinblick auf die Zielsollwerte 210, 212, 214 zu optimieren und gleichzeitig die Menge von Bypassdampf zu begrenzen.
Als ein Beispiel für die MPC-Logik, welche durch den Regler 202 mit eingeschlossen wird, um, beispielsweiseden Gasturbinenlastsollwert 204 zu bestimmen, wird ein aktueller oder Echtzeitstatus der Gasturbine 102 zu einer Sammlungszeit k ermittelt, um die initialen Bedingungen für eine oder mehrere Statusvariablen, die mit der Gasturbine 102 assoziiert sind, zu erhalten. Generell kann eine Multi-Input- und Multi-Output-Anlage beschrieben werden, mit den folgenden Zustandsraumgleichungen: x(k + 1) = Ax(k) + Bu(k) (Eq. 1a); und y(k) = Cx(k) (Eq. 1b); wobei x ein variable Zustandsvektor ist; u ein Kontrolleingabevektor ist; y ist ein Prozessausgabevektor; und A, B und C sind Konstanten.
Eine MPC-Optimierung zum Zeitpunkt k kann ausgeführt werden, basierend auf den folgenden Konventionen und Ausdrücken. Eine gemessene Zustandsvariable der Gasturbine 102 zum Zeitpunkt k kann beschrieben werden mit dem Ausdruck x(k│k) = x(k) und eine erwartete Statusvariable zur Zeit k kann beschrieben werden als x ˆ(k|k). Ebenfalls kann ein Prognosehorizont für die Optimierung dargestellt werden durch die Variable H_p und ein Kontrollhorizont kann dargestellt werden durch die Variable H_c. Ein oder mehr vorhergesagte Statusvariablen zur Zeit k + i, basierend auf der gemessenen Statusvariablen x(k) (oder der erwarteten Statusvariablen x ˆ(k|k)) können beschrieben werden als x^p(k + i│k), wobei (i = 1, ..., H_p). Ebenso können ein oder mehrere vorhergesagte Kontrolleingabevariablen zum Zeitpunkt k + i beschrieben werden als u^p(K + i – 1│k), wobei (i = 1, ..., H_p). Basierend auf den vorgegangenen Konventionen und Ausdrücken kann die MPC-Logik bei dem Regler 202 wie folgt implementiert werden.
Als erstes werden initiale oder erwartete Bedingungen für eine oder mehrere Statusvariablen x zum Zeitpunkt k erhalten. Die erwarteten Zustandsvariablen x ˆ(k|k) zum Zeitpunkt k können erhalten werden bei Anwendung der folgenden Zustandsschätzungsgleichung: x ˆ(k|k) = (A – K_eCA)·x ˆ(k – 1|k – 1) + (B – K_eCB)·u(k – 1) + K_ey(k) (Gleichung 2), wobei K_e ein vordefiniertes Zustandsschätzungsziel ist und y(k) eine Echtzeitmessung der Outputvariablen y(k) ist.
Um die Rampenrate der Gasturbine 202 zu der augenblicklichen Probenentnahmezeit k zu optimieren, wird eine vorhergesagte Statusvariable x^p(k│k) in der Weise definiert, dass x^p(k|k) = x ˆ(k|k), wobei x ˆ(k|k) die erwartete Statusvariable darstellt, die durch Nutzung der obigen Gleichung 2 gefunden wurde. Die folgende Optimierung ist gelöst zu der Probenentnahmezeit k um einen Unterschied zwischen einem vorhergesagten Prozessergebnis y^p und einem Zielsollwert y_set (z. B. der Ziellastsollwert 210) zu minimieren und eine vorhergesagte Kontrolleinabe oder Anforderungssignal u^p, welches die Anforderungen an die Turbinenlast repräsentiert, zu bestimmen, der an der Gasturbine 102 anzulegen ist:
wobei
err(k) = y(k) – y^p(k|k); (Ausgabefehler)
x^p(k + i + 1|k) = Ax^p(k + i|k) + Bu^p(k + i|k) (Statusgleichung);
y^p(k + i|k) = Cx^p(k + i|k) (Ausgabegleichung);
u^p(k + H_c + j|k) = u^p(k + H_c|k), (j = 1, 2, ..., H_p–H_c) und
|u^p(k + i|k)| ≤ U_max (Kontrolleingabeschränkungen);
|y^p(k + i|k)| ≤ Y_max (Prozessausgangsbeschränkungen); und
(i = 0, 1, ..., H_p).
Die Ausgangsgleichung wird verwendet, um die vorhergesagte Prozessleistung y^p oder die Lastantwort der Gasturbine 102 zu kalkulieren. Um die Differenz zwischen der vorhergesagten Prozessleistung y^p und dem Zielsollwert Y_set zu minimieren, erfasst Gleichung 3 jeglichen Fehler zwischen der Prozessleistung y(k), (z. B. die tatsächliche Prozessleistung zum Zeitpunkt k) und die vorhergesagte Leistung y^p(k│k) zum Zeitpunkt k, wie er bei der Leistungsfehlergleichung err(k) oben dargestellt wird. Darüber hinaus werden Beschränkungen der vorhergesagten Prozessleistung y^p erfasst in dem Optimierungsprozess von Gleichung 3. Beispielsweise definieren die Prozessleistungsbeschränkungen Y_max eine erwartete Grenze oder einen Bereich für die vorhergesagte Prozessleistung y^p. Die Prozessleistungsbeschränkungen Y_max können angesehen werden als weiche Beschränkungen in dem Sinn, dass die Prozessleistungsbeschränkung Y_max die Leistung der Gasturbine 102 repräsentiert im Sinne von Prozessabweichungen von dem erwarteten Bereich für die vorhergesagte Prozessleistung y^p. In einigen Beispielen kann die vorhergesagte Prozessleistung y^p abweichen von (z. B. überschreiten) den Prozessleistungsbeschränkungen Y_max, falls die Optimierung von Gleichung 3 Machbarkeitsproblemen begegnet im Hinblick auf die Minimierung der Differenz zwischen der vorhergesagten Prozessleistung y^p und dem Zielsollwert y_set. In solchen Beispielen kann die Prozessleistungsbeschränkung Y_max abgeschwächt werden in einem Bemühen, die Wahrscheinlichkeit des Auffindens einer machbaren Lösung für die Optimierung des Sollwertes zu erhöhen.
Das vorhergesagte Prozesskontrolleingangssignal u^p wird an den Gasturbinenregler (z. B. die Regler 104, 170) übermittelt und repräsentiert einen Lastbedarf, an dem die Gasturbine 102 antwortet (z. B. durch das Generieren oder im Wesentlichen Generieren der vorhergesagten Prozessleistung y^p). Nach Empfang des Prozesskontrolleingangsignals u^p durch den Gasturbinenregler wird das Prozesskontrolleingangssignal u^p umgewandelt in ein oder mehrere Gerätekontrollsignale, wie beispielsweise ein Kraftstoffeingangssignal oder ein Turbinenbeeinflussungsventilpositionssignal, basierend auf den Ladeanforderungen in Verbindung mit dem Prozesseingangssignal u^p. Die Optimierung von Gleichung 3 beschränkt das vorhergesagte Prozesskontrolleingangssignal u^p im Hinblick auf physikalische oder operative Beschränkungen der Gasturbine 102. Zum Beispiel repräsentiert die Kontrolleingangsbeschränkung U_max physikalische oder operative Beschränkungen (z. B. Last) von einer oder mehreren Komponenten der Gasturbine 102. Die Kontrolleingangsbeschränkungen U_max beschränken die vorhergesagten Prozesskontrolleingangssignale u^p im Hinblick auf die physikalischen oder operationalen Beschränkungen der Turbinenkomponenten im Hinblick auf die Rampe der Gasturbine 102 in Erwiderung auf die Ladeanforderung. Im Gegensatz zu den Prozessleistungsbeschränkungen Y_max, sind die Kontrolleingangsbeschränkungen U_max harte Beschränkungen, da sie die physikalischen oder operationalen Beschränkungen von einer oder mehreren Komponenten der Turbine 102 repräsentieren, die nicht ohne Schäden für die Gasturbine 102 davon abweichen können.
In Gleichung 3 sind die Parameter Q und R Gewichtsfaktoren im Hinblick auf die vorhergesagte Prozessleistung y^p und das vorhergesagte Kontrolleingangssignal u^p. Zum Beispiel, falls der Q-Parameter einen großen Wert hat im Verhältnis zu dem R-Parameter, resultiert das vorhergesagte Kontrolleingangssignal u^p in einer mehr aggressiven Lastanforderung, die auf die Gasturbine 102 bei dem Regler 202 angelegt wird (z. B. resultierend in einer schnelleren Rampenrate) als verglichen dazu, wenn der R-Parameter einen größeren Wert relativ zu dem Q-Parameter (z. B. eine langsamere Rampenrate, aber, in manchen Beispielen, eine mehr stabile Antwort durch die Gasturbine 102) hat. In einigen Beispielen sind die Werte der Parameter Q und R auf vorbestimmte oder empirische Werte basiert. Die Werte der Parameter Q und R können angepasst werden im Hinblick auf ein oder mehr von, zum Beispiel, dem Zielsollwert y_set, der vorhergesagten Prozessleistung y^p, und/oder dem vorhergesagten Kontrolleingangssignal u^p.
Nach der Vervollständigung der Optimierung von Gleichung 3 zum Zeitpunkt k ist die vorhergesagte Kontrolleingangsvariable u^p eingestellt als das Kontrolleingangssignal u(k) zum Zeitpunkt k in der Weise u(k) = u^p(k│k). Indem das Kontrolleingangssignal u(k) als die (z. B. erste) vorhergesagte Kontrolleingangsvariable u^p eingestellt ist, wird ein Kontrollsignal repräsentativ für den vorhergesagten Kontrolleingang u^p(k│k) zum Zeitpunkt k zu dem Gasturbinenregler gesendet. Somit ist in der oben offenbarten MPC-Logik der vorhergesagte Kontrolleingang u^p(k│k) das tatsächliche Kontrolleingangssignal, welches an den Gasturbinenregler gesendet wird.
Durch Umsetzung der oben offenbarten MCP-Logik werden die Schritte für die Identifizierung der initialen Bedingungen für die Statusvariablen und die Durchführung der Optimierung von Gleichung 3 wiederholt für eine anschließende Echtzeit (z. B. tatsächliche) Aufnahmezeit k + 1. Ein neues vorhergesagtes Kontrolleingangssignal u^p(k + 1) wird bestimmt und das Kontrolleingangssignal u(k + 1) wird als das vorhergesagte Kontrolleingangssignal u^p(k + 1) gesetzt. Somit dient das vorhergesagte Kontrolleingangssignal u^p zu jeder Aufnahmezeit k, k + 1, k + n, usw., als das Kontrolleingangssignal, welches an den Gasturbinenregler gesendet wird. Die oben offenbarte MPC-Logik (z. B. in Verbindung mit Gleichungen 1a–3) kann mit einbezogen werden mit dem Regler 202, um die ersten und zweiten Sollwerte 206, 208 (z. B. Enthalpiesollwerte) zu bestimmen für die Hochdruck- und HRH-Abschnitte 110, 112 und um Kontrollsignale zu generieren, korrespondierend zu den Sollwerten 206, 208, im Wesentlichen der gleichen Weise als offenbart im Hinblick auf den Gasturbinensollwert 204. Somit verwendet der Regler 202 ein systematisches Modell, um die Sollwerte für Komponenten, zum Beispiel, des Kombikraftwerks 100 von 1 zu verwenden.
Die Kontrollsignale, welche durch den Regler 202 hergestellt werden, werden an die betreffenden Regler gesendet in Verbindung mit der Gasturbine 102, dem Hochdruckabschnitt 110, und dem HRH-Abschnitt 112 (z. B. die Regler 170, 172, 174). Nach Empfang der Kontrollsignale werden die Kontrollsignale umgewandelt in ein oder mehrere Gerätkontrollsignale, zum Beispiel, Rampe der Gasturbine 102, um Last zu produzieren, oder, zum Beispiel, den Hochdruckabschnitt 110 zu rampen, um Dampf mit einem bestimmten Enthalpiewert zu produzieren. In einigen Beispielen schließt das Beispielkontrollsystem 200 einen Entscheidungsunterstützungsverstärker 244 ein, der die Einbeziehung der vorhergesagten Sollwerte auswertet während der Operation der Gasturbine 102 und/oder der HRSG 108 und dynamisch den Regler 102 abstimmt (indem er, zum Beispiel, die Algorithmen oder Gewichtsfaktoren anpasst, die durch den Regler 102 verwendet werden) als Teil des Rückmeldemechanismus.
Falls beispielsweise ein aktueller Druck des Dampfes, der an dem Hochdruckabschnitt 110 hergestellt ist, 800 psi beträgt und der Druck des Dampfes an dem Hochdruckdampfturbinenkopf 136 der Hochdruckdampfturbine 130 2000 psi beträgt, entscheidet der Regler 202 einen optimalen Drucksollwert, so dass der Druck des Dampfes, welcher an dem Hochdruckabschnitt 110 hergestellt wird, entspricht oder im Wesentlichen entspricht 2000 psi für ein Mischen mit dem Dampf an dem Hochdruckdampfturbinenkopf 136. Der Regler 202 generiert ein Kontrolleingangssignal, passend zu dem Drucksollwert, um den Hochdruckabschnitt 110 zu rampen von dem Herstellen des Dampfes, aufweisend einen Druck von 800 psi zu Dampf, aufweisend einen Druck von 2000 psi. In Erwiderung auf das Kontrolleingangssignal produziert ein Regler, verbunden mit dem Hochdruckabschnitt 110 ein oder mehrere Gerätekontrollsignale, um den Druck zu erhöhen des Dampfes, welcher hergestellt wird durch den Hochdruckabschnitt 110. Solch eine Zunahme des Dampfdruckes kann erreicht werden durch schrittweise Erhöhung während der Arbeit des Hochdruckabschnitts 110 über eine Zeitperiode (z. B. als vorgesagt bei dem Regler 202 über den Prognosehorizont). Darüber hinaus erwägt der Regler 202 bei der Bestimmung des optimalen Drucksollwertes den Effekt des Druckwandels auf die Bewegung der Bypassventile 158, 162. Falls der Drucksollwert bewirkt, dass die Bypassventile 158, 162 geöffnet werden, kann der Regler 202 dynamisch das Kontrollsignal anpassen, welches an den Regler durch den Hochdruckabschnitt 110 gesendet wird, um die Schaffung von überschüssigem Bypassdampf zu verhindern.
In anderen Beispielen kann das Kontrolleingangssignal, welches durch den Regler 202 hergestellt wird, zu dem Bypassventil 158, 162 gesendet werden. Beispielsweise können die Kontrolleingangssignale, die zu den vorhergesagten Drucksollwerten korrespondieren, für den Hochdruckabschnitt 110 und/oder den HRH-Abschnitt 112 umgewandelt werden in Ventilpositionssignale, die ein Ausmaß kontrollieren, mit dem die Bypassventile 158, 162 offen sind, um den Dampfdruck zu regulieren. In solchen Beispielen kann der Regler 202 auch Rampenratenbeschränkungen beachten im Hinblick auf, zum Beispiel, den Hochdruckabschnitt 110. Verrechnung für die Rampenratenbeschränkungen des HRSG 108 hält den Regler davon ab, zu versuchen, einen Wandel im Druck zu generieren von, für zum Beispiel 800 psi bis 2000 psi, mittels einer einzelnen Ventilpositionsänderung, und dabei riskierend eine Destabilisierung des HRSG 108.
Somit verrechnet das Kontrollsystem 200 einschließlich dem Beispielregler 202 verschiedene Prozessvariablen und Beschränkungen, um die operationalen Verläufe der Gasturbine 102 und des HRSG 108 zu optimieren im Hinblick auf das Herstellen von Energie, das Produzieren von Dampf, aufweisend Qualitäten, die im Wesentlichen die Bedingungen der Dampfturbine entsprechen, und eine Menge von Bypassdampf zu minimieren. In einigen Beispielen sind die Verhaltens- oder operationalen Verläufe der Gasturbine und/oder der HRSG 108 iterativ kalkuliert durch den Regler 202 für einen oder mehrere vorhergesagte Sollwerte über Zeit, um Profile zu erstellen, die die Erwiderung der Gasturbine 102 und/oder der HRSG 108 widergeben über die Prognoseperiode. Bei der Bestimmung der Sollwerte berücksichtigt der Regler 202 die Bewegung der Bypassventile 158, 162 im Hinblick auf die Qualitäten des Dampfes (z. B. Enthalpie, Druck) hergestellt bei dem HRSG 102, um nicht überschüssigen Bypassdampf zu erzeugen. Bei der Durchführung der Optimierung berücksichtigt der Regler 202 auch Prozessbeschränkungen, um nicht die Gasturbine 102 und/oder den HRSG 108 zu beschädigen oder zu belasten, zum Beispiel, durch das Senden von Befehlen, um die Last zu erhöhen, oder die Dampftemperatur zu einer Rate, die zu Stress für die Gasturbine 102 und/oder den HRSG 108 führen kann. Basierend auf den Zielsollwerten und den verschiedenen Prozessbeschränkungen, Variablen, Gewichten, und Modellen, entscheidet der Regler 202 die optimalen Sollwerte für das Laden der Gasturbine 102 und das Rampen der Hochdruck- und HRH-Abschnitt 110, 112 des HRSG 108 bei gleichzeitigem Minimieren der Produktion von überschüssigem Bypassdampf.
Während eine Beispielsweise für das Implementieren des Kombikraftwerkes von 1 in 2 dargestellt ist, können ein oder mehrere der Elemente, Prozesse und/oder Geräte, welche in 2 abgebildet sind, kombiniert, geteilt, wieder angeordnet, ausgelassen, herausgenommen und/oder in einer anderen Weise aufgenommen werden. Darüber hinaus können der Beispielmodellvorhersageregler 202, der Beispielprozessbeschränkungsadapter 236, der Beispiels-Ökonomiefaktoradapter 238, der Beispielmodelladapter 240, der Beispielentscheidungsunterstützungseinsteller 244, und/oder, mehr generell, das Beispielkontrollsystem 200 von 2 implementiert werden bei Hardware, Software, Firmware und/oder jeglicher Kombination von Hardware, Software und/oder Firmware. So können, beispielsweise, der Beispielsmodellvorhersageregler 202, der Beispielprozessbeschränkungsadapter 236, der Beispiels-Ökonomiefaktoradapter 238, der Beispielmodelladapter 240, der Beispielentscheidungsunterstützungseinsteller 244, und/oder mehr generell, das Beispielkontrollsystem 200 von 2 implementiert werden bei einem oder mehreren Analog- oder Digitalschaltkreis(en), logischen Schaltkreisen, programmierbaren Prozessor(en), anwendungsspezifische integrierte Schaltkreis(e) (ASIC(s)), programmierbare logische Gerät(e) (PLD(s)) und/oder feldprogrammierbare Logikgerät(e) (FPLD(s)). Beim Lesen von einem der Vorrichtungs- oder Systemansprüche dieses Patents, der eine reine Software- und/oder Firmware-Implementierung, den Beispielmodellvorhersageregler 202, den Beispielprozessbeschränkungsadapter 236, den Beispiels-Ökonomiefaktoradapter 238, den Beispielmodelladapter 240, und den Beispielentscheidungsunterstützungseinsteller 244 erfasst, sind hiermit ausdrücklich in der Weise definiert, dass sie ein greifbares computerlesbares Speichergerät oder Speicherscheibe, wie einen Speicher, eine Digital-Versatil-Disk (DVD), eine Kompaktdisk (CD), eine Blu-ray-Disk, usw. einschließen, welche die Software und/oder Firmware speichern. Darüber hinaus kann das Beispielkontrollsystem 200 von 2 ein oder mehrere Elemente mit einschließen, Prozesse und/oder Geräte in Ergänzung hierzu, oder anstelle dessen, die, welche in 2 abgebildet sind, und/oder kann mehr als eines von irgendeinem der von allen illustrierten Elementen, Prozessen und Geräten einschließen.
Eine Flowchart-Darstellung eines Beispielverfahren, das verwendet werden kann, um das Beispielkontrollsystem 200 von 2 zu implementieren, ist in 3 abgebildet. In diesem Beispiel kann die Methode implementiert werden durch Verwendung von maschinenlesbaren Instruktionen, wie ein Programm für die Ausführung bei einem Prozessor, wie dem Prozessor 412, abgebildet in der Beispielprozessorplattform 400, welche unten diskutiert wird im Zusammenhang mit 4 mit einschließt. Das Programm kann eingebettet sein in eine Software, gespeichert auf einem greifbaren computerlesbaren Speichermedium, wie zum Beispiel CD-ROM, einer Floppy-Disk, einem Laufwerk, einer Digital-Versatil-Disk (DVD), eine Blu-ray-Disk, oder einem Speicher, verbunden mit dem Prozessor 412, aber das ganze Programm und/oder Teile davon können alternativ dazu ausgeführt werden mit einem Gerät, welches verschieden ist von dem Prozessor 412 und/oder eingebettet ist in Firmware oder zugehöriger Hardware. Weiterhin, obwohl das Beispielsprogramm beschrieben ist mit Bezug auf den Flowchart, abgebildet in 3, können viele andere Methoden für das Implementieren des Beispielkontrollsystems 200 alternativ genutzt werden. Beispielsweise kann die Reihenfolge der Ausführung der Blöcke geändert werden und/oder einige der Blöcke beschrieben können geändert werden, eliminiert werden, oder kombiniert werden.
Wie oben erwähnt, kann das Beispielverfahren von 3 implementiert werden unter Verwendung von codierten Instruktionen (z. B. computer- und/oder maschinenlesbaren Instruktionen), gespeichert auf einem greifbaren computerlesbaren Speichermedium, wie beispielsweise einem Laufwerk, einem Flashmemory, einem Read-only-Memory (ROM), einer Kompaktdisk (CD), einer Digital-Versatil-Disk (DVD), einem Cache, einem Random-Access-Memory (RAM) und/oder irgendeinem anderen Speichergerät oder Speicherdisk, indem eine Information für irgendeine Dauer gespeichert ist (z. B. für die ausgedehnte Zeitperiode, permanent, für kurze Zeiten, für vorübergehendes Zwischenspeichern, und/oder für Caching von Information.) So wie er hier verwendet wird, ist der Begriff nicht-vorübergehendes computerlesbares Medium in der Weise definiert, dass er jeden Typ von computerlesbaren Speichergeräten und/oder Speicherdisk mit einschließt und Verbreitungssignale ausschließt und Transmissionsmedien ausschließt. So wie er hier verwendet wird, werden „greifbares computerlesbares Speichermedium“ und „greifbares maschinenlesbares Speichermedium“ auswechselbar verwendet. Zusätzlich oder alternativ kann die Beispielsmethode von 3 implementiert werdend durch codierte Anweisungen, (z. B. computer- oder maschinenlesbaren Anweisungen), gespeichert auf einem nicht-vorübergehendem computer- oder maschinenlesbaren Medium wie einem hard-disc-Laufwerk, einem flash-memory, einem read-only memory, einer Compaktdisc, einer digital-versatile-disc, einem cache, einer random-access memory, und/oder jedem anderen Speichergerät oder Speichermedium auf dem Information für eine Zeitdauer (z. B. für ausgedehnte Perioden, dauerhaft, für kurze Zeit, für vorübergehendes Speichern, und/oder für caching von Information) gespeichert wird. So wie er hier verwendet wird, ist der Begriff „nicht-vorübergehendes computerlesbares Medium“ explizit in der Weise definiert, dass er jede Art von computerlesbarem Speichergerät und Speicherdisk einschließt und sich verbreitende Signale und Transmissionsmedien ausschließt. So wie es hier verwendet wird, wenn die Formulierung „mindestens“ als Umstellungsbezeichnung in der Präambel eines Anspruches ist, ist er in der gleichen Weise offen, wie der Begriff „umfassend“ offen ist.
3 stellt eine Flowchart dar, stellvertretend für ein Beispielverfahren 300, das durch einen Regler implementiert werden kann (z. B. der Modell-prediktive Regler 168, 202 der 1 und 2) eines Kombikraftwerks, um Sollwerte vorauszusagen für eine Gasturbine (z. B. die Gasturbine 102 von 1) und eines HRSG (z. B. der HRSG 102 von 1). Das Beispielverfahren 300 beginnt mit dem Empfangen von Inputwerten für einen Zielgasturbinensollwert (z. B. Lastsollwert oder einen Abgastemperatursollwert), und Zielsollwerte für ein oder mehrere Drucklevels des HRSG, wie zum Beispiel einen Hochdruckabschnitt (z. B. den Hochdruckabschnitt 110 von 1), und einen HRH-Abschnitt (z. B. den HRH-Abschnitt 114 von 1) (Block 302). Die Zielsollwerte für den HRSG können Drucksollwerte, Temperatursollwerte, oder Enthalpiesollwerte im Hinblick zu den Qualitäten oder Bedingungen des Dampfes, produziert bei dem HRSG und im Hinblick auf Dampfqualitäten, die im Wesentlichen den Dampfbedingungen an einem oder mehreren Dampfturbinen (z. B. die Dampfturbinen 130, 132, 134 von 1) entsprechen. Das Beispielverfahren 300 schließt auch ein das Empfangen von aktuellen Operationsbedingungen für die Gasturbine und den HRSG (Block 304). Die aktuellen Operationsbedingungen können zum Beispiel, Dampfdruck, Dampftemperatur, Enthalpiewerte, Gasturbinenlast, und/oder Abgastemperatur einschließen.
In Ergänzung zum Empfangen von Eingaben bezüglich den Zielsollwerten und den aktuellen Operationsbedingungen für die Gasturbine und den HRSG, berücksichtigt das Beispielverfahren 300 andere Beschränkungen und/oder Gewichtsfaktoren, um die Sollwerte vorherzusagen. Das Beispielverfahren 300 schließt ein die Anwendung von einem oder mehreren Prozessbeschränkungen und/oder ökonomischen Faktoren als Teil der Bestimmung der vorhergesagten Sollwerte (Block 306). Die Prozessbeschränkungen können physikalische und/oder operationale Beschränkungen der Gasturbine und/oder des HRSG sein und können bereitgestellt werden von, zum Beispiel, dem Prozessbeschränkungsadapter 236 von 2. Die ökonomischen Faktoren können einschließen Gasturbinenemissionsbeschränkung oder Treibstoffkosten und können beispielsweise bereitgestellt werden von dem ökonomischen Faktoradapter 238 von 2.
Als Teil der Vorhersage der Sollwerte erfasst das Beispielverfahren 300 Bedingungen des HRSG, wie Metalltemperaturen der Trommel in einer oder mehreren Abschnitten des HRSG und/oder Röhren in dem HRSG, in dem Dampf produziert ist. In dem Beispielverfahren 300 wird eine Entscheidung getroffen, ob die Modelle oder Gleichungen (z. B. Hitzetransfermodelle), die von dem Regler verwendet werden, um die Sollwerte vorauszusagen, angeglichen werden sollen, basierend auf den Bedingungen an dem HRSG (Block 308). Wenn die Modelle angepasst werden sollen, schließt das Beispielverfahren 300 die Anwendung der angepassten Modelle als Teil der Bestimmung der Sollwerte (Block 310) ein.
Basierend auf den Inputs, den Prozessbeschränkungen, den ökonomischen Faktoren, und/oder den angepassten Modellen, sagt das Beispielverfahren 300 für die Gasturbine und den HRSG (z. B. den Hochdruckabschnitt und die HRH-Abschnitt des HRSG) Sollwerte voraus, unter Verwendung der Modell-prädiktiven Kontrolllogik (Block 312). Beispielsweise stellt ein vorhergesagter Lastsollwert für die Gasturbine eine Rate bereit, bei der die Gasturbine eine Last oder eine Menge von Energie generieren soll. In einigen Beispielen ist der vorhergesagte Lastsollwert für die Gasturbine auf den Zielgasturbinensollwerten basiert. Ein oder mehrere vorhergesagte Sollwerte für den HRSG können Drucksollwerte, Temperatursollwerte, oder Enthalpiesollwerte einschließen. In einigen Beispielen sind die ein oder mehreren vorhergesagten Sollwerte für den HRSG basiert auf Zielsollwerten und/oder Bedingungen an einem oder mehreren Dampfturbinen, so dass der Dampf hergestellt bei dem HRSG als Resultat der vorhergesagten Sollwerte Qualitäten (z. B. Druck) hat, die im Wesentlichen den Bedingungen an der Dampfturbine entsprechen. In dem Beispielverfahren 300 können die Sollwerte vorhergesagt werden bei Verwendung der MPC-Logik zur Verfügung gestellt werden als Kontrollsignale zu einem oder mehreren Reglern in Verbindung mit der Gasturbine und dem HRSG oder, in einigen Beispielen, als Positionsbefehl zu einem oder mehreren Kontrollventilen (z. B. den Bypassventilen 158, 162 von 1) für die Regulierung, zum Beispiel, des Dampfdrucks.
Obwohl die vorhergesagten Sollwerte ein oder mehrere der Zielsollpunkte erreichen oder im Wesentlichen erreichen, können im Betrieb die vorhergesagten Sollwerte eine Zunahme der Menge generiertem von Bypassdampf bei dem HRSG bewirken. Falls beispielsweise der vorhergesagte Lastsollwert für die Gasturbine darin resultiert, dass die Gasturbine eine erhöhte Menge von Abgas relativ zu den aktuellen Operationsbedingungen produziert, kann dort eine Zunahme in der Menge des Dampfes generiert bei dem HRSG auftreten. Wenn die Qualitäten des Dampfes, wie beispielsweise Druck oder Temperatur nicht im Wesentlichen den Dampfbedingungen an der Dampfturbine entsprechen, kann ein oder mehrere Bypassventile (z. B. das Bypassventil 158, 162 von 1) öffnen, so dass der Dampf einem Bypassströmungsweg folgt (z. B. der erste und zweite Bypassströmungsweg 156, 164 von 1) anstatt zu der Dampfturbine geleitet zu werden.
Um die Menge an durch den HRSG generiertem Bypassdampf zu minimieren, schließt das Beispielverfahren 300 die Bestimmung ein, ob eine Menge von Bypassdampf als Resultat der vorhergesagten Sollwerte eine Schwelle überschreitet (Block 314). Obwohl eine bestimmte Menge von Bypassdampf einen Kühlungsmechanismus für den HRSG bereitstellt, um eine Überhitzung zu verhindern, resultiert zu viel Bypassdampf in einem Effizienzverlust für das Kombikraftwerk, da der Bypassdampf nicht an die Dampfturbine übermittelt wird. In einigen Beispielen entscheidet der Regler 202, ob der vorhergesagte Sollwert in einer Menge von Bypassdampf resultiert, der, beispielsweise, eine Energiegewinnungseffizienzschwelle überschreitet oder eine Bypassdampfemissionsschwelle, basierend auf vorbestimmten Schwelleneingaben und/oder empirischen Daten.
Wenn die vorhergesagten Sollwerte in einer Menge von Bypassdampf resultieren, die die Schwelle überschreiten, schließt das Beispielverfahren 300 die Anpassung der vorhergesagten Endpunkte (Block 316) mit ein. Die Anpassung der vorhergesagten Sollwerte kann einschließen, beispielsweise, das Reduzieren der Gasturbinenlastsollwerte, um eine Menge von Abgas zu reduzieren. Als anderes Beispiel kann das Anpassen der vorhergesagten Sollwerte einschließen eine Erhöhung eines Temperatursollwertes für den HRSG, so dass die Temperatur des Dampfes produziert bei dem HRSG im Wesentlichen einer Temperatur des Dampfes an dem Dampfturbinenkopf entspricht, um ein Mischen des Dampfes zu gestatten und somit eine Reduktion in der Menge des Bypassdampfes. Das Beispielverfahren 300 schließt auch ein das dynamische Anpassen der Modellkontrolllogik, basierend auf der Anpassung der vorhergesagten Sollwerte (Block 318). Das Abstimmen der Modellkontrolllogik kann die Anpassung oder Revision einer oder mehrerer der Prozessbeschränkungen einschließen, Gewichtsfaktoren, oder Modelle, die verwendet werden zur Bestimmung der Sollwerte, so dass zukünftige Implementierungen das Beispielverfahren 300 optimal die Sollwerte vorhersagen, während sie gleichzeitig eine minimale Menge von Bypassdampf produzieren. In einigen Beispielen führt der Entscheidungsunterstützungstuner 244 von 2 die Abstimmung dynamisch aus.
4 ist ein Blockdiagramm einer Beispielprozessorplattform 400, geeignet zur Ausführung von Instruktionen zur Implementierung der Methode von 3 und dem Beispielkontrollsystem 200 von 2. Die Prozessorplattform 400 kann, zum Beispiel, ein Server sein, ein Personal-Computer, ein mobiles Gerät (z. B. ein Handy, ein Smartphone, ein Tablet, wie ein iPad^TM), ein Personal-digitaler Assistent (PDA), eine Internetanwendung, oder jeder andere Typ von Computergerät.
Die Prozessorplattform 400 des abgebildeten Beispiels schließt einen Prozessor 412 mit ein. Der Prozessor 412 des abgebildeten Beispiels ist Hardware. Beispielsweise kann der Prozessor 412 implementiert werden bei einem oder mehreren integrierten Schaltkreisen, logischen Schaltkreisen, Mikroprozessoren oder Reglern von irgendeiner gewünschten Familie oder Hersteller.
Der Prozessor 412 des abgebildeten Beispiels schließt einen lokalen Speicher 413 ein (z. B. ein Cache). Der Prozessor 412 des illustrierten Beispiels ist in Kommunikation mit einem Hauptspeicher einschließlich einem flüchtigen Speicher 414 und einem nicht-flüchtigen Speicher 416 mittels eines Bus 418. Der volatile Speicher 414 kann implementiert werden durch Synchronous Dynamic Random Access Memory (SDRAM), Dynamic Random Access memory (DRAM), RAMBUS Dynamic Random Access Memory (RDRAM) und/oder jedem anderen Typ von Zufallszugangspeichergerät. Der nicht-flüchtige Speicher 416 kann implementiert werden mittels Flash-Speicher und/oder jedem anderen gewünschten Typ von Speichergerät. Der Zugang zu dem Hauptspeicher 414, 416 wird kontrolliert durch einen Speicherregler.
Die Prozessorplattform 400 des abgebildeten Beispiels schließt auch einen Interface-Schaltkreis 420 mit ein. Der Interface-Schaltkreis 420 kann implementiert werden bei jedem Typ von Interface-Standard, wie zum Beispiel ein Ethernet-Interface, ein Universal-Serial-Bus (USB), und/oder ein PCI Express Interface.
In dem abgebildeten Beispiel sind ein oder mehrere Inputgeräte 422 verbunden zu dem Interface-Schaltkreis 420. Das/die Inputgerät(e) 422 gestattet/gestatten einem Anwender Daten und Befehle in den Prozessor 412 einzugeben. Das Inputgerät/die Inputgeräte können implementiert werden bei, zum Beispiel, einem Audiosensor, einem Mikrofon, einer Kamera (Standbildkamera oder Video), einem Keyboard, einem Knopf, einer Maus, einem Touchscreen, einem Track-Pad, einem Trackball, einem Isopoint und/oder einem Stimmenerkennungssystem.
Ein oder mehrere Outputgeräte 424 sind auch verbunden zu dem Interface-Schaltkreis 420 des abgebildeten Beispiels. Die Outputgeräte 1024 können implementiert werden, zum Beispiel, durch Displaygeräten (z. B. eine Light-Emitting-Diode (LED), eine Organic-Light-Emitting-Diode (OLED), ein Flüssigkristall-Display, ein Cathode-Ray-Tube-Display (CRT), ein Touchscreen, ein taktiles Ausgabegerät, einen Drucker und/oder einen Lautsprecher). Der Interface-Schaltkreis 420 des abgebildeten Beispiels schließt somit typischerweise eine grafische Teiberkarte, einen grafischen Treiberchip oder einen grafischen Treiberprozessor ein.
Der Interface-Schaltkreis 420 des abgebildeten Beispiels schließt auch ein Kommunikationsgerät ein, wie einen Transmitter, einen Receiver, einen Transceiver, ein Modem und/oder Network-Interface-Karten, um den Austausch von Daten zu erleichtern mit externen Maschinen (z. B. Computing-Geräte jeder Art) über ein Netzwerk 426 (z. B. eine Ethernet-Connection, eine Digital-Subscriber-Line (DSL), eine Telefonlinie, ein Coaxialkabel, ein mobiles Telefonsystem, usw.).
Die Prozessplattform 400 des abgebildeten Beispiels schließt auch ein oder mehrere Massenspeichergeräte 428 zum Speichern von Software und/oder Daten ein. Beispiele solcher Massenspeichergeräte 428 schließen Floppy-Disk-Drivers ein, Hard-Drive-Disks, Kompakt-Disk-Drives, Blue-ray-Disk-Drives, RAID-Systeme, und digitale versatile Disk(DVD)-Laufwerke.
Codierte Instruktionen 432 zum Implementieren der Methode von 3 können im Massenaufbewahrungsgerät 428, in dem flüchtigen Speicher 414, in dem nicht-flüchtigen Speicher 416, und/oder auf einem entfernbaren tangilen computerlesbaren Speichermedium, wie einer CD oder einer DVD gespeichert werden.
Aus den vorstehenden Ausführungen wird gewürdigt werden, dass die oben offenbarte Vorrichtung, Methoden und Systeme die Rampensollwerte bestimmen zum Generieren einer Last mittels einer Gasturbine und zum Produzieren von Dampf mittels eines Abhitzedampferzeugers (HRSG), welcher Qualitäten hat, die gestatten, den Dampf mit dem Dampf am Dampfturbinenkopf zu mischen in einem Kombikraftwerk. Die offenbarten Beispiele verwenden Modell-prädiktive Kontrolllogik, um operationale Erwiderungen vorherzusagen der Gasturbine, des HRSG, und Kontrollventilen im Hinblick zum Generieren einer Last mittels der Gasturbine und zur-Verfügungstellen von Dampf an die Dampfturbine, um weitere Energie zu erzeugen. Die Modell-prädiktive Kontrolllogik erfasst mehrfache Eingaben, Variablen, Prozessbeschränkungen, und Gewichtsfaktoren, um die optimalen Rampensollwerte zu bestimmen, die eine Menge von generiertem Bypassdampf minimieren. Beim Minimieren der Menge von Bypassdampf reduzieren die offenbarten Beispiele Effizienzverluste durch Abwärme in dem Kombikraftwerk.
Obwohl verschiedene Beispielverfahren, Vorrichtungen und Arbeitsgegenstände hier offenbart wurden, ist der Umfang dieses Patentes nicht darauf beschränkt. Ganz im Gegenteil, dieses Patent deckt alle Methoden, Geräte und Arbeitsartikel ab, die annäherungsweise in den Umfang der Ansprüche dieses Patents fallen.

Claims

Verfahren umfassend: das Vorhersagen eines ersten Sollwertes für eine Gasturbine in einem kombinierten Kombikraftwerk über einen Prognosehorizont; Vorhersagen eines zweiten Sollwertes für einen Dampfgenerator über den Prognosehorizont; Identifizieren einer ersten Dampfeigenschaft von Dampf, generiert bei dem Dampfgenerator in dem Kombikraftwerk, basierend auf dem zweiten Sollwert; Vergleichen der ersten Dampfeigenschaft mit einer zweiten Dampfeigenschaft von Dampf in Verbindung mit einer Dampfturbine in dem Kombikraftwerk; und dynamisches Anpassen von mindestens einer der ersten Sollwerte oder der zweiten Sollwerte, basierend auf dem Vergleich.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Dampfeigenschaft ein Dampfdruckwert, ein Dampftemperaturwert, oder ein Dampfenthalpiewert ist; und/oder wobei der erste Sollwert ein Lastssollwert oder eine Abgastemperatursollwert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: Identifizieren eines Unterschiedes zwischen der ersten Dampfeigenschaft und der zweiten Dampfeigenschaft; und dynamisches Anpassen des mindestens einer der ersten Sollwerte oder der zweiten Sollwerte, basierend auf dem Unterschied.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, weiterhin umfassend das Vorhersagen des zweiten Sollwertes, basierend auf einem Zielsollwert für den Dampfgenerator.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 4, wobei der Zielsollwert auf der zweiten Dampfeigenschaft des Dampfes in Verbindung mit dem Dampfgenerator basiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, wobei der zweite Sollwert vorhergesagt wird für einen ersten Drucklevelabschnitt des Dampfgenerators und weiter umfassend das Vorhersagen eines dritten Sollwertes für einen zweiten Drucklevelabschnitt des Dampfgenerators.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 6, weiterhin umfassend: Identifizieren einer dritten Dampfeigenschaft von Dampf generiert an dem zweiten Drucklevelabschnitt; Vergleichen der dritten Dampfeigenschaft zu einer vierten Dampfeigenschaft von Dampf verbunden mit einer zweiten Dampfturbine in dem Kombikraftwerk; und dynamisches Anpassen wenigstens einer der ersten Sollwerte, der zweiten Sollwerte, oder des dritten Sollwertes, basierend auf dem Vergleich der dritten Dampfeigenschaft mit der vierten Dampfeigenschaft.
System umfassend: einen Regler, um: einen ersten Sollwert einer Gasturbine, basierend auf einem Prognosemodell und einem ersten Gewichtsfaktor vorauszusagen; einen zweiten Sollwert eines Dampfgenerators, verbunden mit der Gasturbine vorherzusagen, basierend auf dem Prognosemodell und einem zweiten Gewichtsfaktor; und Bestimmen einer Position des Ventils des Dampfgenerators, basierend auf dem zweiten Sollwert; und ein Einsteller, um mindestens eines des ersten Gewichtsfaktors oder des zweiten Gewichtsfaktors, basierend auf der Bestimmung einzustellen, wobei, falls das Ventil in einer Position ist, der Regler mindestens einen eines dritten Sollwertes der Gasturbine vorhersagt oder ein vierter Sollwert des Dampfgenerators, basierend auf dem Prognosemodell und den entsprechenden angepassten ersten Gewichtsfaktor oder den angepassten zweiten Gewichtsfaktor, um das erste Ventil in eine zweite Position zu bewegen, um eine Menge von Dampf, die durch das Ventil fließt, zu reduzieren.
System nach Anspruch 8, wobei der erste Gewichtsfaktor eine Emissionsbeschränkung für die Gasturbine ist; und/oder wobei das Prognosemodell weiterhin einen Hitzetransferalgorithmus einschließt und weiterhin einschließt einen Modelladapter, um dynamisch den Hitzetransferalgorithmus anzupassen, basierend auf einer Temperaturbedingung des Dampfgenerators.
System nach einem der Ansprüche 8 bis 9, insbesondere nach Anspruch 8, wobei der Regler eine Menge von Dampf bestimmt, die durch das Ventil fließt und der Anpasser mindestens einen der ersten Gewichtsfaktoren anpasst oder den zweiten Gewichtsfaktor, falls die Menge von Dampf eine Schwellenmenge überschreitet.
System nach einem der Ansprüche 8 bis 10, insbesondere nach Anspruch 8, wobei der Regler den ersten Sollwert vorhersagt, basierend auf den Operationsbedingungen der Gasturbine; und/oder wobei die erste Position im Wesentlichen eine offene Position und die zweite Position im Wesentlichen eine geschlossene Position ist.
System nach einem der Ansprüche 8 bis 11, insbesondere nach Anspruch 8, wobei der Regler eine Kontrollangabe zu einem Regler sendet, assoziiert mit dem Dampfgenerator oder ein Positionsbefehl zu dem Ventil, basierend auf dem zweiten Sollwert oder dem vierten Sollwert.
Verfahren umfassend: Vorhersagen eines Lastsollwertes für eine Gasturbine und einen Dampframpensollwert für einen Dampfgenerator operativ gekoppelt an die Gasturbine; Bestimmen einer Position eines Bypassventils des Dampfgenerators, basierend auf dem Lastsollwert und dem Dampframpensollwert; Identifizieren einer ersten Dampfeigenschaft von Dampf einer Dampfturbine operativ gebunden zu dem Dampfgenerator; dynamisches Anpassen des Lastsollwerts oder des Dampframpensollwerts, basierend auf der Position des Bypassventils, um zu bewirken, dass der Dampfgenerator Dampf generiert mit einer zweiten Dampfeigenschaft, die zweite Dampfeigenschaft im Wesentlich identisch zu der ersten Dampfeigenschaft ist.
Verfahren nach Anspruch 13, weiterhin umfassend das selektive Anpassen von dem Lastsollwert oder dem Dampframpensollwert, basierend auf einer Zielzeit für die Übertragung der Gasturbine von einem Nicht-Arbeitsstatus zu einem Arbeitsstatus; und/oder wobei der Prognoselastssollwert basiert auf einer maximalen Rampenrate für die Gasturbine.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 14, insbesondere nach Anspruch 13, wobei der Dampframpensollwert auf einer Bedingung des Dampfes der Dampfturbine am Kopf der Dampfturbine basiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, insbesondere nach Anspruch 15, wobei die erste Dampfeigenschaft ein Druckwert des Dampfes am Kopf ist und der Dampframpensollwert ein Drucksollwert ist.
Computer-lesbares Speichermedium, welches Instruktionen aufweist, die zumindest einen Prozessor dazu veranlassen, Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder 13 bis 16 zu implementieren, wenn die Instruktionen durch mindestens einen Prozessor ausgeführt werden.