DE112014003023B4 - Kompressorsteuervorrichtung, Kompressionsausrüstung, Kompressorsteuerungsverfahren und Kompressionsverschlechterungsbestimmungsverfahren - Google Patents

Abstract

Kompressorsteuervorrichtung (50), umfassend:eine Berechnungsvorrichtung für eine korrigierte Drehzahl, die eine korrigierte Drehzahl eines Kompressors (30) berechnet, undeine Pumpsteuereinheit (55), die ein Endsteuerelement steuert, um ein Pumpen des Kompressors (30) zu verhindern,wobei die Berechnungsvorrichtung für eine korrigierte Drehzahl umfasst:eine Aufnahmeeinheit (52), die eine Drehzahl des Kompressors (30), die von einem Drehzahl-Messgerät (45) erfasst wird, eine Schallgeschwindigkeit eines in den Kompressor (30) gesaugten Einlassgases, die von einem Schallgeschwindigkeitsmessgerät (40) erfasst wird, und einen Ausgangsdruck des Kompressors (30), der von einem Druckmesser (46) erfasst wird, empfängt; undeine Berechnungseinheit für eine korrigierte Drehzahl (53), die die korrigierte Drehzahl des Kompressors (30) mithilfe einer Referenzzustandsgröße, die durch ein spezifisches Referenzwärmeverhältnis, eine Referenzgaskonstante und eine Referenztemperatur des Einlassgases in einem Referenzzustand bestimmt wird, der Schallgeschwindigkeit, die durch die Aufnahmeeinheit empfangen wird, und der Drehzahl, die durch die Aufnahmeeinheit (52) empfangen wird, ermittelt; undwobei die Pumpsteuereinheit (55)ein Enddruckverhältnis oder ein Vorenddruckverhältnis, das um eine vorgegebene Menge kleiner als das Enddruckverhältnis ist, in Bezug auf die korrigierte Drehzahl, die von der Berechnungsvorrichtung für eine korrigierte Drehzahl ermittelt wurde, mithilfe einer vorgegebenen Beziehung zwischen der korrigierten Drehzahl und dem Enddruckverhältnis des Kompressors (30) oder dem Vorenddruckverhältnis bestimmt,das Enddruckverhältnis oder das Vorenddruckverhältnis mit dem tatsächlichen Druckverhältnis des Kompressors (30), das anhand des Ausgangsdrucks, der an der Aufnahmeeinheit (52) empfangen wird, bestimmt wird, vergleicht, unddas Endsteuerelement in Übereinstimmung mit dem Vergleichsergebnis steuert.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kompressorsteuervorrichtung, eine Kompressionsausrüstung, ein Kompressorsteuerungsverfahren und ein Kompressionsverschlechterungsbestimmungsverfahren.
• Beim Betreiben eines Kompressors ist es notwendig, das Vibrationsphänomen, das als Pumpen bekannt ist und das mit Druckschwankungen oder Rückfluss innerhalb eines Kompressors einhergeht, zu verhindern, um den Kompressor und die nahegelegene Ausrüstung zu schützen.
• Pumpen kann durch Steuern des tatsächlichen Druckverhältnisses des Kompressors, so dass es kleiner als das Enddruckverhältnis ist, verhindert werden. Das Enddruckverhältnis wird bei jeder korrigierten Drehzahl des Kompressors bestimmt. Die korrigierte Drehzahl ist ein Wert, der anhand der tatsächlichen Drehzahl N des Kompressors sowie des spezifischen Wärmeverhältnisses κ des Einlassgases, der Gaskonstanten R des Einlassgases und der absoluten Temperatur T des Einlassgases bestimmt wird. Deshalb schwankt die korrigierte Drehzahl in Übereinstimmung mit der Temperatur, Zusammensetzung und dergleichen des Einlassgases. Mit anderen Worten, wenn die Temperatur, Zusammensetzung oder dergleichen des Einlassgases schwankt, schwankt die korrigierte Drehzahl entsprechend, und als Folge schwankt auch das Enddruckverhältnis.
• Deshalb wird in WO 2012/ 132 062 A1 ein Verfahren zur Bestimmung des Enddruckverhältnisses in Übereinstimmung mit der korrigierten Drehzahl durch Erfassen der Temperatur des Einlassgases und Ermitteln der korrigierten Drehzahl in Übereinstimmung mit dieser Temperatur vorgeschlagen. Außerdem wird in WO 2012/ 132 062 A1 ein Verfahren zum Bestimmen des Enddruckverhältnisses in Übereinstimmung mit der korrigierten Drehzahl durch Erfassen der Temperatur und der Dichte des Einlassgases und Ermitteln der korrigierten Drehzahl in Übereinstimmung mit der Temperatur und Dichte vorgeschlagen. Zusätzlich wird in WO 2012/ 132 062 A1 ein Verfahren zum Bestimmen des Enddruckverhältnisses in Übereinstimmung mit der korrigierten Drehzahl durch Erfassen der Temperatur des Einlassgases sowie Erfassen der Zusammensetzung des Einlassgases durch Gaschromatographie und Ermitteln der korrigierten Drehzahl in Übereinstimmung mit dieser Temperatur und Zusammensetzung vorgeschlagen.
  Aus der WO 2010/ 040 734 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der eine Schallgeschwindigkeit (Vsd) eines in einen Kompressor angesaugten Gases und eine Drehzahl (N) eines Kompressors erfasst werden und aus diesen Werten eine Drehzahl (Ne) zur Vermeidung eines Stoßes ermittelt wird.
• EP 2 215 365 B1 , WO 2012/ 177 582 A2 und US 4 971 516 A offenbaren weitere Kompressorsteuervorrichtungen und/oder -verfahren.
  Das in dem WO 2012/ 132 062 A1 offenbarte Verfahren kommt im Prinzip zur Anwendung, wenn der Zustand, zum Beispiel die Temperatur, die Zusammensetzung oder dergleichen, des Einlassgases, das in den Kompressor gesaugt wird, variiert. Jedoch wird bei dem im WO 2012/ 132 062 A1 offenbarten Verfahren zum Ermitteln der korrigierten Drehzahl des Kompressors eine vergleichsweise lange Zeit benötigt, um die Temperatur, die Zusammensetzung oder dergleichen des Einlassgases zu erfassen, was das Problem mit sich bringt, dass nicht auf plötzliche Schwankungen in der Temperatur oder Zusammensetzung reagiert werden kann. Außerdem werden bei dem in WO 2012/ 132 062 A1 offenbarten Verfahren das spezifische Wärmeverhältnis κ und die Gaskonstante R des Einlassgases anhand der Dichte oder dergleichem des Einlassgases geschätzt, was das Problem mit sich bringt, dass es nicht möglich ist, die korrigierte Drehzahl des Kompressors genau zu ermitteln.
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist deshalb das Bereitstellen eines Kompressorsteuerungsverfahrens und von Vorrichtungen, die dieses Verfahren implementieren, die in der Lage sind, die korrigierte Drehzahl in einem kurzen Zeitraum genau zu ermitteln.
• Die erfindungsgemäße Lösung sieht die Kompressorsteuervorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1, die Kompressionsausrüstung mit dem Merkmalen des Patentanspruches 11, das Kompressorsteuerungsverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 13 und das Kompressorverschlechterungsbestimmungsverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 15 vor.
• Erfindungsgemäße Kompressorsteuervorrichtung umfasst eine Berechnungsvorrichtung für eine korrigierte Drehzahl, die enthält:
• eine Aufnahmeeinheit, die die Drehzahl des Kompressors, die von einem Drehzahl-Messgerät erfasst wird, und die Schallgeschwindigkeit des Einlassgases, das in den Kompressor eingesaugt und von einem Schallgeschwindigkeitsmessgerät erfasst wird, empfängt; und eine Berechnungseinheit für eine korrigierte Drehzahl, die die korrigierte Drehzahl des Kompressors mithilfe einer Referenzzustandsgröße, die durch ein spezifisches Referenzwärmeverhältnis, eine Referenzgaskonstante und eine Referenztemperatur des Einlassgases in einem Referenzzustand bestimmt wird, bestimmt; die Schallgeschwindigkeit, die von der Aufnahmeeinheit empfangen wird; und die Drehzahl, die von der Aufnahmeeinheit empfangen wird.
• Zu den Parametern, die die korrigierte Drehzahl bestimmen, gehören die Referenzzustandsgröße des Einlassgases, die tatsächliche Zustandsgröße des Einlassgases und die tatsächliche Drehzahl des Kompressors. Von diesen Parametern ist die Referenzzustandsgröße des Einlassgases ein vorgegebener konstanter Wert. Andererseits schwankt die tatsächliche Zustandsgröße des Einlassgases bei Schwankung der Zusammensetzung oder der Temperatur des Einlassgases, und die tatsächliche Drehzahl des Kompressors schwankt bei Schwankung des Betriebszustands des Kompressors.
• Hierbei ist die Zustandsgröße des Einlassgases die Größe, die durch die spezifische Wärme, die Gaskonstante und die Temperatur des Einlassgases bestimmt wird und ist die Schallgeschwindigkeit des Einlassgases selbst. Deshalb kann durch Erfassen der Schallgeschwindigkeit des Einlassgases die tatsächliche Zustandsgröße des Einlassgases ermittelt werden.
• Deshalb wird in der Berechnungsvorrichtung für eine korrigierte Drehzahl von den Parametern, die die korrigierte Drehzahl definieren, die Drehzahl des Kompressors, die einer der variablen Parameter ist, mithilfe des Drehzahl-Messgeräts ermittelt, und die Zustandsgröße des Einlassgases, die der verbleibende variable Parameter ist, mithilfe des Schallgeschwindigkeitsmessgeräts ermittelt. Außerdem wird in der Berechnungsvorrichtung für eine korrigierte Drehzahl die korrigierte Drehzahl mithilfe der vorgegebenen Referenzzustandsgröße des Einlassgases, der vom Drehzahl-Messgerät erfassten Drehzahl und der vom Schallgeschwindigkeitsmessgerät erfassten Schallgeschwindigkeit (= Zustandsgröße) ermittelt.
• Deshalb kann in der Berechnungsvorrichtung für eine korrigierte Drehzahl die korrigierte Drehzahl genauer ermittelt werden als durch Schätzen der tatsächlichen Zustandsgröße des Einlassgases anhand der Temperatur oder dergleichem des Einlassgases.
• Außerdem ist die Antwortverzögerungszeit des Schallgeschwindigkeitsmessgeräts und des Drehzahl-Messgeräts extrem kurz im Vergleich zu den erfassten Änderungen der Objekte. Deshalb kann in der Berechnungsvorrichtung für eine korrigierte Drehzahl die korrigierte Drehzahl im Vergleich zum Ermitteln der korrigierten Drehzahl auf der Grundlage des Erfassens eines der Parameter, die die korrigierte Drehzahl mithilfe von einer Temperaturmessung, Gaschromatographie oder dergleichem definieren, in einem extrem kurzen Zeitraum ermittelt werden.
• Hierbei kann die Berechnungsvorrichtung für eine korrigierte Drehzahl das Drehzahl-Messgerät und das Schallgeschwindigkeitsmessgerät einschließen.
• In diesem Fall kann in der Berechnungsvorrichtung für eine korrigierte Drehzahl das Schallgeschwindigkeitsmessgerät einen Schalloszillator und einen Schallempfänger einschließen, die einander gegenüberliegend an einer Rohrleitung, durch die das Einlassgas strömt, in einer Richtung senkrecht zur Achse der Rohrleitung angeordnet sind. Die Rohrleitung ist ein Element, das einen Strömungsweg bildet, durch welchen das Einlassgas strömt, und schließt nicht nur Rohre mit einem ringförmigen Querschnitt, wie Stahlrohr oder dergleichen ein, sondern auch kanalartige Elemente, die in einem rechteckigen Querschnitt aus einer dünnen Platte gebildet sind.
• In der Berechnungsvorrichtung für eine korrigierte Drehzahl sind der Schalloszillator und der Schallempfänger des Schallgeschwindigkeitsmessgeräts in einer Richtung senkrecht zur Achse der Rohrleitung, durch die das Einlassgas strömt, einander gegenüberliegend angeordnet. Deshalb kann in der Berechnungsvorrichtung für eine korrigierte Drehzahl ein Durchschnittswert der Schallgeschwindigkeit des Einlassgases an jeder Position im Querschnitt der Rohrleitung ermittelt werden. Außerdem kann in der Berechnungsvorrichtung für eine korrigierte Drehzahl, wenn sich die Zusammensetzung des Einlassgases ändert, die Schallgeschwindigkeit des Einlassgases nur an einer spezifischen Position in Axialrichtung der Rohrleitung ermittelt werden, mit anderen Worten in der Strömungsrichtung des Einlassgases innerhalb der Rohrleitung. Deshalb kann in der Berechnungsvorrichtung für eine korrigierte Drehzahl die Änderung der Schallgeschwindigkeit im Zusammenhang mit einer Änderung in der Zusammensetzung des Einlassgases genauer ermittelt werden, als wenn der Schalloszillator und der Schallempfänger einander gegenüberliegend in Axialrichtung der Rohrleitung angeordnet sind.
• Außerdem kann jede der vorstehend beschriebenen Berechnungsvorrichtungen für eine korrigierte Drehzahl eine Ausgabeeinheit einschließen, die die korrigierte Drehzahl, die von der Berechnungseinheit für eine korrigierte Drehzahl ermittelt wurde, ausgibt.
• In dieser Berechnungsvorrichtung für eine korrigierte Drehzahl kann durch Ausgeben der korrigierten Drehzahl ein Bediener oder dergleichen des Kompressors den Status des Kompressors überprüfen.
• Außerdem schließt die erfindungsgemäße Kompressorsteuervorrichtung ein:
• eine der Berechnungsvorrichtungen für eine korrigierte Drehzahl, wie vorstehend beschrieben; und eine Pumpsteuereinheit, die ein Endsteuerelement steuert, um Pumpen des Kompressors zu verhindern. Die Aufnahmeeinheit empfängt mindestens den Ausgangsdruck des Kompressors, der von einem Druckmesser erfasst wird. Die Pumpsteuereinheit bestimmt das Enddruckverhältnis oder das Vorenddruckverhältnis, das um eine vorgegebene Menge kleiner ist als das Enddruckverhältnis, in Bezug auf die korrigierte Drehzahl, die von der Berechnungsvorrichtung für eine korrigierte Drehzahl ermittelt wurde, mithilfe einer vorgegebenen Beziehung zwischen der korrigierten Drehzahl und dem Enddruckverhältnis des Kompressors oder dem Vorenddruckverhältnis. Außerdem vergleicht die Pumpsteuereinheit das Enddruckverhältnis oder das Vorenddruckverhältnis mit dem tatsächlichen Druckverhältnis des Kompressors, das durch den von der Aufnahmeeinheit empfangenen Ausgangsdruck bestimmt wird, und steuert das Endsteuerelement in Übereinstimmung mit dem Vergleichsergebnis.
• Es gibt eine konstante Beziehung zwischen der korrigierten Drehzahl zum Pumpen des Kompressors und dem Enddruckverhältnis oder dem Vorenddruckverhältnis. Deshalb kann durch Ermitteln der korrigierten Drehzahl das Enddruckverhältnis oder das Vorenddruckverhältnis bei der korrigierten Drehzahl ermittelt werden.
• Diese Steuervorrichtung schließt die Berechnungsvorrichtung für eine korrigierte Drehzahl ein, so dass eine genaue korrigierte Drehzahl in einem extrem kurzen Zeitraum bezogen auf die Schwankung in der Zusammensetzung oder dergleichem des Einlassgases ermittelt werden kann. Deshalb kann in der Kompressorsteuervorrichtung ein genaues Enddruckverhältnis oder Vorenddruckverhältnis innerhalb eines extrem kurzen Zeitraums, bezogen auf die Schwankung in der Zusammensetzung oder dergleichem des Einlassgases, ermittelt werden. Deshalb können mit der Steuervorrichtung das genaue Enddruckverhältnis oder Vorenddruckverhältnis und die tatsächliche Verdichterleistung des Kompressors in einem extrem kurzen Zeitraum, bezogen auf die Änderung in der Zusammensetzung oder dergleichem des Einlassgases, verglichen werden.
• Deshalb kann bei dieser Steuervorrichtung, auch wenn sich die Zustandsgröße des Brenngases ändert und das Potenzial für das Auftreten von Pumpen des Brenngaskompressors zunimmt, dieses Potenzial genau bestimmt werden und ein Steuerungsverfahren kann gegen das Pumpen ausgeführt werden, bevor Pumpen auftritt.
• Hierbei kann in der Kompressorsteuervorrichtung das Endsteuerelement einen Einlassströmungsratenregler einschließen, der die Strömungsrate des Einlassgases regelt, und die Pumpsteuereinheit kann eine Anweisung an den Einlassströmungsratenregler ausgeben, um die Fließgeschwindigkeit des Einlassgases in Übereinstimmung mit dem Vergleichsergebnis zu erhöhen.
• Außerdem kann bei einer der vorstehenden Kompressorsteuervorrichtungen das Endsteuerelement einen Rücklaufströmungsratenregler einschließen, der die Strömungsrate des Gases regelt, das vom Gasauslass des Kompressors zur Einlassseite des Kompressors zurückgeführt wird, und die Pumpsteuereinheit kann eine Anweisung an den Rücklaufströmungsratenregler ausgeben, um die Strömungsrate des Gases, das zur Einlassseite zurückgeführt wird, in Übereinstimmung mit dem Vergleichsergebnis zu erhöhen.
• Außerdem kann bei einer der vorstehenden Kompressorsteuervorrichtungen das Endsteuerelement einen Extraktströmungsratenregler aufweisen, der die Strömungsrate des Gases regelt, das aus dem Kompressor extrahiert wird, und die Pumpsteuereinheit kann eine Anweisung an den Extraktströmungsratenregler ausgeben, um die Strömungsrate des in Übereinstimmung mit dem Vergleichsergebnis extrahierten Gases zu erhöhen.
• Außerdem kann bei einem der vorstehenden Kompressorsteuervorrichtungen das Endsteuerelement ein Anhalte-Endsteuerelement einschließen, das den Kompressor anhält, und die Pumpsteuereinheit kann eine Anweisung an das Endsteuerelement ausgeben, um einen Vorgang zum Anhalten des Kompressors in Übereinstimmung mit dem Vergleichsergebnis auszuführen.
• Außerdem kann bei einer der vorstehenden Kompressorsteuervorrichtungen die Pumpsteuereinheit das Vorenddruckverhältnis für eine korrigierte Drehzahl, die von der Steuervorrichtung für eine korrigierte Drehzahl ermittelt wurde, bestimmen und kann eine Anweisung an das Endsteuerelement ausgeben wenn das tatsächliche Druckverhältnis gleich dem oder größer als das Vorenddruckverhältnis ist.
• Außerdem kann eine der vorstehenden Kompressorsteuervorrichtungen ferner eine Wirkungsgradberechnungseinheit, die den Wirkungsgrad des Kompressors in Übereinstimmung mit der korrigierten Drehzahl, die von der Berechnungseinheit für eine korrigierte Drehzahl ermittelt wird, und dem tatsächlichen Druckverhältnis des Kompressors, das anhand des von der Aufnahmeeinheit empfangenen Ausgangsdrucks mithilfe einer vorgegebenen Beziehung zwischen der korrigierten Drehzahl, dem Druckverhältnis und dem Wirkungsgrad des Kompressors bestimmt wird, berechnet; und eine Ausgabeeinheit, die den von der Wirkungsgradberechnungseinheit berechneten Wirkungsgrad ausgibt, einschließen.
• Bei diesen Steuervorrichtungen kann der Grad der Verschlechterung der Leistung des Kompressors überprüft werden, indem der von der Ausgabeeinheit ausgegebene Wirkungsgrad und der tatsächliche Wirkungsgrad des Kompressors verglichen werden.
• Außerdem schließt Kompressionsausrüstung als ein Gesichtspunkt der Erfindung zum Lösen des vorstehenden Problems ein:
• eine der vorstehend beschriebenen Kompressorsteuervorrichtungen; den Kompressor; und das Endsteuerelement.
• Hierbei komprimiert in der Kompressionsausrüstung der Kompressor Brenngas, das als das Gas von einer Brennkammer verbrannt wird.
• Außerdem umfasst das erfindungsgemäße Kompressorsteuerungsverfahren ein Berechnungsverfahren der korrigierten Drehzahl, das einschließt:
• einen Schallgeschwindigkeitserfassungsschritt zum Erfassen der Schallgeschwindigkeit des Einlassgases, das in einen Kompressor eingesaugtes Gas ist; und einen Schritt zum Berechnen der korrigierten Drehzahl zum Ermitteln der korrigierten Drehzahl des Kompressors mithilfe einer Referenzzustandsgröße, die durch ein spezifisches Referenzwärmeverhältnis, eine Referenzgaskonstante und eine Referenztemperatur des Einlassgases in einem Referenzzustand bestimmt wird; der Schallgeschwindigkeit, die im Schallgeschwindigkeitserfassungsschritt erfasst wird; und der Drehzahl, die im Drehzahlerfassungsschritt erfasst wird.
• Außerdem schließt das erfindungsgemäße Kompressorsteuerungsverfahren ein:
• Ausführen des Berechnungsverfahrens der korrigierten Drehzahl;
• Ausführen eines Ausgangsdruckerfassungsschritts zum Erfassen des Ausgangsdrucks des Kompressors und eines Pumpsteuerungsschritts zum Steuern des Pumpens durch Steuern des Betriebs eines Endsteuerelements, um ein Pumpen des Kompressors zu verhindern.
• Bei dem Pumpsteuerungsschritt wird das Enddruckverhältnis oder das Vorenddruckverhältnis, das um eine vorgegebene Menge kleiner ist als das Enddruckverhältnis, in Bezug auf die korrigierte Drehzahl, die durch Ausführen des Berechnungsverfahren der korrigierten Drehzahl ermittelt wird, mithilfe einer Beziehung zwischen der korrigierten Drehzahl und dem Enddruckverhältnis des Kompressors oder dem Vorenddruckverhältnis bestimmt, das Enddruckverhältnis oder das Vorenddruckverhältnis wird mit dem tatsächlichen Druckverhältnis des Kompressors, das aus dem Ausgangsdruck bestimmt wird, der im Ausgangsdruckerfassungsschritt erfasst wird, verglichen, und das Endsteuerelement wird in Übereinstimmung mit dem Vergleichsergebnis gesteuert.
• Hierbei kann bei dem Kompressorsteuerungsverfahren im Pumpsteuerungsschritt das Vorenddruckverhältnis für eine korrigierte Drehzahl, die durch Ausführen des Berechnungsverfahren der korrigierten Drehzahl ermittelt wird, bestimmt werden, und wenn das tatsächliche Druckverhältnis gleich dem oder größer als das Vorenddruckverhältnis ist, kann eine Anweisung an das Endsteuerelement ausgegeben werden.
• Außerdem führt das Kompressorverschlechterungsbestimmungsverfahren aus:
• Das Berechnungsverfahren der korrigierten Drehzahl; einen Ausgangsdruckerfassungsschritt zum Erfassen des Ausgangsdrucks des Kompressors; einen Druckverhältnisberechnungsschritt zum Ermitteln des tatsächlichen Druckverhältnisses des Kompressors, das anhand des Ausgangsdrucks, der im Ausgangsdruckerfassungsschritt erfasst wird, bestimmt wird; einen ersten Wirkungsgradberechnungsschritt zum Berechnen eines tatsächlichen Wirkungsgrads des Kompressors; einen zweiten Wirkungsgradberechnungsschritt zum Berechnen eines Wirkungsgrads des Kompressors in Übereinstimmung mit der korrigierten Drehzahl, die durch Ausführen des Erfassungsverfahrens der korrigierten RPM ermittelt wird, und des Druckverhältnisses, das im Druckverhältnisberechnungsschritt ermittelt wird, mithilfe einer vorgegebenen Beziehung zwischen der korrigierten Drehzahl, dem Druckverhältnis und dem Wirkungsgrad des Kompressors; und einen Vergleichsschritt zum Vergleichen des im ersten Wirkungsgradberechnungsschritt berechneten Wirkungsgrads und des im zweiten Wirkungsgradberechnungsschritt berechneten Wirkungsgrads.
• Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung kann eine genaue korrigierte Drehzahl in einem extrem kurzen Zeitraum ermittelt werden, selbst wenn die Temperatur oder die Zusammensetzung des Einlassgases schwankt.
• 1 ist ein Anlagenschema, das eine Gasturbinenanlage gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
• 2 ist eine schematische Ansicht, die die Konfiguration eines Schallgeschwindigkeitsmessgeräts in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
• 3 ist eine grafische Darstellung, die die Eigenschaften des Kompressors zeigt.
• 4 ist eine grafische Darstellung, die eine Kennlinie des IGV-Endöffnungsgrads in der Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
• 5 ist ein Fließschema, das den Betrieb der Steuervorrichtung in der Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
• 6 ist ein Fließschema, das ein Kompressorverschlechterungsbestimmungsverfahren in der Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
• 7 ist ein Diagramm, das eine Kennlinie des IGV-Endöffnungsgrads in einer Modifikation der Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
• Es folgt eine ausführliche Beschreibung einer Ausführungsform einer Gasturbinenanlage, die eine Kompressionsausrüstung gemäß der vorliegenden Erfindung, und verschiedene Modifikationen, mit Bezug auf die Zeichnungen einschließt.
• Wie in 1 veranschaulicht, schließt eine Gasturbinenanlage gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Gasturbine 10 ein, die mit einem Brenngas betrieben wird, einen Generator 19, der elektrischen Strom erzeugt und von der Gasturbine 10 angetrieben wird, und Brenngasausrüstung 20, die Brenngas zur Gasturbine 10 führt, ein.
• Die Gasturbine 10 schließt einen Luftkompressor 11, der Luft komprimiert, eine Brennkammer 12, die ein Brenngas in der vom Luftkompressor komprimierten Luft verbrennt, um heißes Brenngas zu erzeugen, und eine Turbine 13 ein, die von dem Brenngas angetrieben wird.
• Die Brenngasausrüstung 20 schließt eine Hochofengas (blast furnace gas, BFG)-Leitung 21, durch welche BFG als Brenngas mit niedrigem Brennwert aus einem Hochofen eines Eisen- oder Stahlwerks strömt; eine Koksofengas (coke oven gas, COG)-Leitung 22, durch welche COG als Brenngas mit hohem Brennwert aus einem Koksofen einer Koksanlage strömt; eine Brennstoffleitung 24, durch welche als Brenngas entweder eines oder beide von dem BFG aus der BFG-Leitung 21 und dem COG aus der COG-Leitung 22 strömt; einen Axialströmungs-Brenngaskompressor 30, der das Brenngas komprimiert; eine Brennstoffzufuhrleitung 25, die das Brenngas, das im Brenngaskompressor 30 komprimiert wurde, der Brennkammer 12 zuführt; eine Brennstoffrücklaufleitung 26, die Brenngas in der Brennstoffzufuhrleitung 25 zur Brennstoffleitung 24 zurückführt; und eine Extraktionsleitung 27, die Brenngas, das aus dem Brenngaskompressor 30 extrahiert wurde, zur Brennstoffrücklaufleitung 26 führt, ein.
• Die Brenngasausrüstung 20 schließt ferner einen Rauchgasfilter (EP) 35, der Staub im Brenngas, das durch die Brennstoffleitung 24 strömt, sammelt, und einen Kühler 36, der das Brenngas, das durch die Brennstoffrücklaufleitung 26 strömt, kühlt, ein. Der Rauchgasfilter 35 ist an der Brennstoffleitung 24 auf der nachgeschalteten Seite oder auf der zum Brenngaskompressor 30 weisenden Seite der Position, an der die Brennstoffrücklaufleitung 26 in die Brennstoffleitung 24 übergeht, bereitgestellt. Außerdem ist der Kühler 36 an der Brennstoffrücklaufleitung 26 zwischen der Position, an der die Extraktionsleitung 27 in die Brennstoffrücklaufleitung 26 übergeht, und der Position, an der die Brennstoffrücklaufleitung 26 in die Brennstoffleitung 24 übergeht, bereitgestellt.
• Ein Schallgeschwindigkeitsmessgerät 40, das die Schallgeschwindigkeit im Brenngas, das durch die Brennstoffleitung 24 strömt, erfasst, ist an der Brennstoffleitung 24 an einer dem Rauchgasfilter 35 nachgeschalteten Position bereitgestellt. Ein Strömungsratenregelventil 47, das die Fließgeschwindigkeit des Brenngases, das durch die Brennstoffzufuhrleitung 25 strömt und der Brennkammer 12 zugeführt wird, regelt, und ein Druckmesser 46, der den Druck des Brenngases, das vom Brenngaskompressor 30 ausgegeben wird, erfasst, sind an der Brennstoffzufuhrleitung 25 bereitgestellt. Ein Rücklauf-Strömungsratenregelventil (Rücklaufströmungsratenregler) 48, das von dem Brenngas, das durch die Brennstoffzufuhrleitung 25 geströmt ist, die Strömungsrate desjenigen Brenngases reguliert, das zur Brennstoffleitung 24 zurückgeführt wird, ist an der Brennstoffrücklaufleitung 26 auf der nachgeschalteten Seite der Position, an der die Extraktionsleitung 27 in die Brennstoffrücklaufleitung 26 übergeht, bereitgestellt. Ein Extraktions-Strömungsratenregelventil (Extraktionsströmungsratenregler) 49, das die Strömungsrate von aus dem Brenngaskompressor 30 extrahiertem Brenngas regelt, ist an der Extraktionsleitung 27 bereitgestellt.
• Ein Einlassströmungsratenregler 31 ist am Brenngaskompressor 30 bereitgestellt, um die Einlassströmungsrate von Brenngas zu regeln. Der Einlassströmungsratenregler 31 schließt eine Einlassleitschaufel (IGV) 32, die am Einlass des Brenngaskompressors 30 bereitgestellt ist, und eine Leitschaufelantriebsvorrichtung 33, die den Grad der Öffnung (IGV-Öffnungsgrad) der Einlassleitschaufel 32 ändert, ein. Die Drehwelle des Brenngaskompressors 30 ist über eine Kupplung 38 und ein Untersetzungsgetriebe 39 mechanisch mit der Drehwelle des Generators 19 oder der Gasturbine 10 verbunden. Ein Drehzahl-Messgerät 45, das die Drehzahl der Drehwelle erfasst, ist am Brenngaskompressor 30 bereitgestellt.
• Die Brenngasausrüstung 20 schließt ferner eine Kompressorsteuervorrichtung 50 ein, die ein Endsteuerelement steuert, um ein Pumpen des Brenngaskompressors 30 auf der Grundlage der Werte, die vom Schallgeschwindigkeitsmessgerät 40, dem Drehzahl-Messgerät 45 und dem Druckmesser 46 erfasst werden, zu verhindern. Hierbei ist das Endsteuerelement der Einlassströmungsratenregler 31. Jedoch kann das Endsteuerelement ein beliebiges oder eine Kombination einer Vielzahl von dem Einlassströmungsratenregler 31, dem Rücklauf-Strömungsratenregelventil 48, dem Extraktions-Strömungsratenregelventil 49, dem Zulauf-Strömungsratenregelventil 47 und der Kupplung 38 sein.
• Die Kompressorsteuervorrichtung 50 schließt das Schallgeschwindigkeitsmessgerät 40, das Drehzahl-Messgerät 45, den Druckmesser 46, eine Aufnahmeeinheit 52, die die erfassten Werte empfängt, eine Berechnungseinheit für eine korrigierte Drehzahl 53, die eine korrigierte Drehzahl mithilfe der vom Schallgeschwindigkeitsmessgerät 40 erfassten Schallgeschwindigkeit und der vom Drehzahl-Messgerät 45 erfassten Drehzahl ermittelt, eine Pumpsteuereinheit 55, die Anweisungen an den Einlassströmungsratenregler 31 als das Endsteuerelement mithilfe der korrigierten Drehzahl ausgibt, und eine Ausgabeeinheit 54, wie eine Anzeige, die die von der Berechnungseinheit für eine korrigierte Drehzahl 53 und der Pumpsteuereinheit 55 ermittelten Werte ausgibt, ein. Es ist zu beachten, dass in der vorliegenden Ausführungsform eine Berechnungsvorrichtung für eine korrigierte Drehzahl 51 von der Aufnahmeeinheit 52, der Berechnungseinheit für eine korrigierte Drehzahl 53 und der Ausgabeeinheit 54 konfiguriert wird. Außerdem wird in der vorliegenden Ausführungsform eine Berechnungsvorrichtung für eine korrigierte Drehzahl von der Berechnungsvorrichtung für eine korrigierte Drehzahl 51, dem Schallgeschwindigkeitsmessgerät 40 und dem Drehzahl-Messgerät 45 konfiguriert. Mit anderen Worten wird die Kompressorsteuervorrichtung 50 so konfiguriert, dass sie die Berechnungsvorrichtung für eine korrigierte Drehzahl und die Pumpsteuereinheit 55 umfasst.
• Wie in 2 veranschaulicht, schließt das Schallgeschwindigkeitsmessgerät 40 einen Schalloszillator 41, der Ultraschallwellen erzeugt; einen Schallempfänger 42, der die vom Schalloszillator 41 erzeugten Ultraschallwellen empfängt; und einen Rechner 43, der die Schallgeschwindigkeit des Gases in dem Raum zwischen dem Schalloszillator 41 und dem Schallempfänger 42 ab dem Zeitpunkt des Erzeugens der Ultraschallwelle durch den Schalloszillator 41 bis zum Empfangen der Ultraschallwelle durch den Schallempfänger 42 ermittelt, ein. Der Schalloszillator 41 und der Schallempfänger 42 sind an einer Rohrleitung 24a installiert, von der die Brennstoffleitung 24 konfiguriert wird, und sind einander gegenüberliegend in einer Richtung senkrecht zur Achse Ap der Rohrleitung 24a angeordnet. Der Abstand D zwischen dem Schalloszillator 41 und dem Schallempfänger 42, mit anderen Worten der Innendurchmesser der Rohrleitung 24a, wird in dem Rechner 43 voreingestellt. Der Rechner 43 ermittelt die Schallgeschwindigkeit des Gases in dem Raum zwischen dem Schalloszillator 41 und dem Schallempfänger 42, mit anderen Worten, des Brenngases, das in den Brenngaskompressor 30 eingesaugt wird, anhand der Zeit vom Erzeugen der Ultraschallwelle durch den Schalloszillator 41, bis die Ultraschallwelle am Schallempfänger 42 empfangen wird, und des vorgegebenen Abstands D, wie vorstehend beschrieben.
• Als Nächstes werden Eigenschaften des Kompressors mithilfe der in 3 gezeigten graphischen Darstellung beschrieben. Es ist zu beachten, dass die Horizontalachse der graphischen Darstellung die korrigierte Strömungsrate des Kompressors ist, und die Vertikalachse das Druckverhältnis des Kompressors ist. Außerdem sind die Enddruckverhältniskurve Cr, die das Enddruckverhältnis bei jeder korrigierten Drehzahl angibt, und die Kennlinie der korrigierten Drehzahl Nr, die die Beziehung zwischen der korrigierten Strömungsrate und dem Druckverhältnis für jede korrigierte Drehzahl angibt, in dieser graphischen Darstellung gezeigt.
• Zunächst werden die verschiedenen Parameter, die bei der Beschreibung der Eigenschaften des Kompressors verwendet werden, beschrieben.
• Das Druckverhältnis ist das Verhältnis des Drucks des Einlassgases zum Druck des Auslassgases. Deshalb gilt, je höher der Druck des Auslassgases in Bezug auf den Druck des Einlassgases ist, um so höher ist das Druckverhältnis.
• Die korrigierte Strömungsrate ist die tatsächliche Massenströmungsrate des Einlassgases, das in den Kompressor gesaugt wird, korrigiert zur Strömungsrate in Übereinstimmung mit dem Zustand des Einlassgases, und wird durch die folgende Gleichung (1) definiert. $$\text{G}0=\text{G}\times \left[\surd \left(\mathrm{\kappa }0\text{RT}/\mathrm{\kappa }\text{R}0\text{T}0\right)\right]/\left(\text{P}/\text{P}0\right)$$

  

  wobei
• G0: korrigierte Strömungsrate
• G: tatsächliche Massenströmungsrate des Einlassgases
• κ0: spezifisches Referenzwärmeverhältnis des Einlassgases
• κ: tatsächliches spezifisches Wärmeverhältnis des Einlassgases
• R0: Referenzgaskonstante des Einlassgases
• R: tatsächliche Gaskonstante des Einlassgases
• T0: Referenztemperatur des Einlassgases
• T: tatsächliche Temperatur des Einlassgases
• P0: Referenzdruck des Einlassgases
• P: tatsächlicher Druck des Einlassgases
• Die korrigierte Drehzahl ist die Drehzahl des Kompressors, korrigiert zur Drehzahl in Übereinstimmung mit dem Zustand des Einlassgases, das in den Kompressor eingesogen wird, und wird in Übereinstimmung mit der folgenden Gleichung (2) definiert. $$\text{N}0=\text{N}\times \surd \left(\mathrm{\kappa }0\text{R}0\text{T}0\right)/\surd \left(\mathrm{\kappa }\text{RT}\right)$$

  

  wobei
• N0: korrigierte Drehzahl
• N: tatsächliche Drehzahl
• Von den Parametern, die die korrigierte Drehzahl definieren, sind die tatsächliche Drehzahl N, das tatsächliche spezifische Wärmeverhältnis κ des Einlassgases, die tatsächliche Gaskonstante R des Einlassgases und die tatsächliche Temperatur T des Einlassgases jeweils variable Parameter. Andererseits sind die verbleibenden Parameter das spezifische Referenzwärmeverhältnis κ0 des Einlassgases, die Referenzgaskonstante R0 des Einlassgases und die Referenztemperatur T0 des Einlassgases, und sind jeweils Parameter, die während der Entwicklung des Kompressors definiert werden und feste Werte aufweisen.
• Das Enddruckverhältnis ist das Druckverhältnis, bei dem Pumpen auftritt, wenn das Druckverhältnis des Kompressors diesen Wert übersteigt. Wie in 3 gezeigt, ist die Kompressor-Enddruckverhältniskurve Cr eine Kurve, in der das Enddruckverhältnis zunimmt, wenn die korrigierte Drehzahl zunimmt.
• Wenn die korrigierte Strömungsrate variiert wird, während eine bestimmte korrigierte Drehzahl aufrechterhalten wird, mit anderen Worten, wenn die tatsächliche Drehzahl des Kompressors konstant gehalten wird wenn der Zustand des Einlassgases konstant ist, nimmt das Druckverhältnis plötzlich ab, wenn die korrigierte Strömungsrate von der korrigierten Strömungsrate beim Enddruckverhältnis erhöht wird. Mit anderen Worten beschreibt die Kennlinie der korrigierten Drehzahl Nr bei einer bestimmten korrigierten Drehzahl die scharfe nach unten rechts weisende Kurve in der in 3 gezeigten graphischen Darstellung.
• Es gibt eine Kennlinie der korrigierten Drehzahl Nr für jede korrigierte Drehzahl. Die Kennlinie Nr für eine hohe korrigierte Drehzahl hat eine höhere korrigierte Strömungsrate und ein höheres Druckverhältnis als eine Kennlinie Nr für eine niedrige korrigierte Drehzahl.
• Außerdem ist der Schnittpunkt der Kennlinie der korrigierten Drehzahl Nr und der Enddruckverhältniskurve Cr das Enddruckverhältnis bei der korrigierten Drehzahl. Deshalb ist das Enddruckverhältnis in Bezug auf die korrigierte Drehzahl eindeutig definiert. Deshalb kann durch vorheriges Erstellen der Beziehung zwischen korrigierter Drehzahl und Enddruckverhältnis für jede korrigierte Drehzahl, vorausgesetzt, die korrigierte Drehzahl kann für einen Kompressor bestimmt werden, der tatsächlich in Betrieb ist, das Enddruckverhältnis bei der korrigierten Drehzahl ermittelt werden.
• Deshalb wird in der vorliegenden Ausführungsform für jede korrigierte Drehzahl die Beziehung zwischen der korrigierten Drehzahl und dem Enddruckverhältnis oder einem Vorenddruckverhältnis, das um eine vorgegebene Menge (zum Beispiel mehrere Prozent des Enddruckverhältnisses) kleiner als das Enddruckverhältnis ist, vorab bestimmt, und diese Beziehung wird vorab in der Pumpsteuereinheit 55 der Kompressorsteuervorrichtung 50 gespeichert. Es ist zu beachten, dass eine Vorenddruckverhältniskurve Crb, die die Änderung im Vorenddruckverhältnis in Bezug auf Änderungen in der korrigierten Strömungsrate und Druckverhältnis zeigt, eine Kurve ist, bei welcher das Enddruckverhältnis zunimmt, wenn die korrigierte Strömungsrate zunimmt, wie bei der Enddruckverhältniskurve Cr, wie in 3 gezeigt, jedoch ist das Druckverhältnis um die vorgegebene Menge kleiner als das der Enddruckverhältniskurve Cr.
• Wie in Gleichung (2), wie vorstehend beschrieben, definiert, wird die korrigierte Drehzahl N0 durch das tatsächliche spezifische Wärmeverhältnis κ des Einlassgases, die tatsächliche Gaskonstante R des Einlassgases und die tatsächliche Temperatur T des Einlassgases bestimmt und schwankt in Übereinstimmung mit der tatsächlichen Zustandsgröße (√(κRT) des Einlassgases.
• Wie im Abschnitt zum Stand der Technik erwähnt, wird in WO 2012/ 132 062 A1 ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem die Temperatur T des Einlassgases als einer der Parameter, die die korrigierte Drehzahl N0 definieren, erfasst, und die korrigierte Drehzahl N0 wird in Bezug auf die Temperatur T unter der Annahme ermittelt, dass die anderen Parameter, die die korrigierte Drehzahl N0 definieren, konstant sind. Außerdem wird in WO 2012/ 132 062 A1 ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem die Temperatur T und die Dichte des Einlassgases erfasst werden, (κR) aus der Dichte geschätzt wird und die korrigierte Drehzahl N0 in Bezug auf das geschätzte (κR) und Temperatur T ermittelt wird. Zusätzlich wird in WO 2012/ 132 062 A1 ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem die Temperatur T des Einlassgases erfasst wird und die Zusammensetzung des Einlassgases durch Gaschromatographie erfasst wird und auf der Grundlage des Erfassungsergebnisses der Zusammensetzung κ und R geschätzt werden und die korrigierte Drehzahl N0 in Bezug auf das geschätzte κ und R und die Temperatur T ermittelt wird.
• Bei dem Verfahren, bei dem von den Parametern, die die korrigierte Drehzahl N0 definieren, nur die Temperatur T des Einlassgases erfasst wird, wird angenommen, dass alle Parameter außer der Temperatur T des Einlassgases konstant sind, so dass, wenn die Zusammensetzung des Einlassgases schwankt, keine genaue korrigierte Drehzahl N0 ermittelt werden kann.
• Außerdem wird bei dem Verfahren, bei dem die Temperatur T und die Dichte des Einlassgases erfasst werden, (κR) aus der Dichte geschätzt, so dass, wenn die Zusammensetzung des Einlassgases schwankt, die korrigierte Drehzahl N0 zu einem bestimmten Genauigkeitsgrad ermittelt werden kann. Jedoch wird auch bei diesem Verfahren (κR) aus der Dichte geschätzt, so dass kein genauer Wert von (κR) ermittelt werden kann und kein genauer Wert der korrigierten Drehzahl N0 ermittelt werden kann.
• Bei dem Verfahren, bei welchem die Temperatur T des Einlassgases erfasst wird und die Zusammensetzung des Einlassgases durch Gaschromatographie erfasst wird, werden κ und K aus der Zusammensetzung des Einlassgases geschätzt, so dass es möglich ist, ein genaues κ und K zu ermitteln. Als Folge kann bei diesem Verfahren eine genaue korrigierte Drehzahl N0 ermittelt werden. Jedoch dauert das Erfassen der Zusammensetzung des Einlassgases durch Gaschromatographie mehrere Minuten oder länger, so dass nach Änderung der Zusammensetzung des Einlassgases eine genaue korrigierte Drehzahl N0 ermittelt wird, nachdem mehrere Minuten oder mehr ab der Zeit, zu der sich die Zusammensetzung des Einlassgases geändert hat, vergangen sind. Deshalb wird angenommen, dass es, wenn sich die Zusammensetzung des Einlassgases ändert, in vielen Fällen nicht möglich ist, ein Pumpen des Kompressors zu verhindern, selbst wenn der Kompressor auf der Grundlage des Enddruckverhältnisses in Übereinstimmung mit der korrigierten Drehzahl N0 gesteuert wird, die mit diesem Verfahren ermittelt wird. Das Verfahren zum Erfassen der Zusammensetzung des Einlassgases mithilfe von Gaschromatographie ist kein praktisches Verfahren zum Verhindern von Pumpen eines Kompressors aufgrund von Erscheinungen, bei denen sich die Zusammensetzung des Einlassgases plötzlich ändert, wie Kanalbildung in einem Hochofen und dergleichen.
• Außerdem ist jedes der in WO 2012/ 132 062 A1 vorgeschlagenen Verfahren ein Verfahren, bei dem die Temperatur T des Einlassgases erfasst wird. Beim Erfassen der Temperatur des Einlassgases kann, wenn sich die Temperatur T des Einlassgases ändert, die Temperatur nach der Änderung erst erfasst werden, wenn das Sensorelement des Temperatursensors sich an die Temperatur nach der Änderung angepasst hat. Mit anderen Worten ist zum Erfassen der Temperatur T des Einlassgases mit einem Temperatursensor eine bestimmte Zeitspanne ab dem Zeitpunkt der Änderung der Temperatur erforderlich, so dass nach der Änderung der Temperatur des Einlassgases die korrigierte Drehzahl N0 erst ermittelt werden kann, wenn dieser bestimmte Zeitraum vergangen ist. Zum Verhindern von Pumpen des Kompressors mit den Verfahren, bei welchen die Temperatur des Einlassgases erfasst wird, wird deshalb angenommen, dass es in einigen Fällen aufgrund der Verzögerung beim Steuern des Kompressors im Zusammenhang mit der Verzögerung beim Erfassen der Temperatur nicht möglich ist, Pumpen des Kompressors zu verhindern.
• Hierbei wird die Schallgeschwindigkeit V des Einlassgases durch die folgende Gleichung (3) definiert. $$\text{V}=\surd \left(\mathrm{\kappa }\text{RT}\right)$$

  
• Von den Parametern, die die korrigierte Drehzahl definieren ist, abgesehen von der tatsächlichen Drehzahl N, der sich ändernde Parameter die tatsächliche Zustandsgröße (√(κRT)) des Einlassgases, wie vorstehend erwähnt. Die tatsächliche Zustandsgröße (√(κRT)) des Einlassgases ist die Schallgeschwindigkeit V des Einlassgases, wie durch Gleichung (3) angegeben. Deshalb kann durch Erfassen der Schallgeschwindigkeit V des Einlassgases die tatsächliche Zustandsgröße (√(κRT)) des Einlassgases genau ermittelt werden. Zudem ist die Reaktionsfähigkeit des Erfassens der Schallgeschwindigkeit durch das Schallgeschwindigkeitsmessgerät 40 extrem hoch in Bezug auf Änderungen in der Schallgeschwindigkeit, so dass es quasi nicht notwendig ist, eine Verzögerung in der Steuerung des Kompressors im Zusammenhang mit einer Verzögerung beim Erfassen der Schallgeschwindigkeit zu berücksichtigen.
• Deshalb wird in der vorliegenden Ausführungsform die tatsächliche Drehzahl N des Brenngaskompressors 30 mit dem Drehzahl-Messgerät 45 erfasst, und die Schallgeschwindigkeit V des Einlassgases wird mit dem Schallgeschwindigkeitsmessgerät 40 erfasst, und die korrigierte Drehzahl N0 wird auf Grundlage dieser Erfassungsergebnisse ermittelt, und das Enddruckverhältnis oder das Vorenddruckverhältnis wird in Bezug auf diese korrigierte Drehzahl N0 ermittelt.
• Als Nächstes wird der Betrieb der Kompressorsteuervorrichtung 50 in der vorliegenden Ausführungsform in Übereinstimmung mit dem in 5 dargestellten Fließschema beschrieben.
• Zunächst wird in der Berechnungsvorrichtung für eine korrigierte Drehzahl in der Kompressorsteuervorrichtung 50 die korrigierte Drehzahl des Brenngaskompressors 30 ermittelt (Schritt zum Berechnen der korrigierten Drehzahl (S10)).
• In dem Schritt zum Berechnen der korrigierten Drehzahl (S10) werden ein Erfassen der Drehzahl des Brenngaskompressors 30 durch das Drehzahl-Messgerät 45 (S11) und ein Erfassen der Schallgeschwindigkeit des Einlassgases durch das Schallgeschwindigkeitsmessgerät 40 (S12) ausgeführt.
• Beim Erfassen der Drehzahl des Brenngaskompressors 30 durch das Drehzahl-Messgerät 45 ist die Verzögerungszeit beim Erfassen der Drehzahl im Bezug auf die Änderung in der Drehzahl ausreichend klein im Vergleich mit der Zeit, die zum Ändern des Zustands des Einlassgases erforderlich ist. Außerdem ist im Falle des Erfassens der Schallgeschwindigkeit durch das Schallgeschwindigkeitsmessgerät 40 die Verzögerungszeit beim Erfassen der Schallgeschwindigkeit im Bezug auf die Änderung in der Schallgeschwindigkeit ausreichend klein im Vergleich zu der Zeit, die zum Ändern des Zustands des Einlassgases erforderlich ist.
• In der vorliegenden Ausführungsform, wie vorstehend in Verbindung mit 2 beschrieben, sind der Schalloszillator 41 und der Schallempfänger 42 des Schallgeschwindigkeitsmessgeräts 40 einander gegenüberliegend in einer Richtung senkrecht zur Achse Ap der Rohrleitung 24a, von der die Brennstoffleitung 24 konfiguriert wird, angeordnet. Deshalb kann in der vorliegenden Ausführungsform ein Durchschnittswert der Schallgeschwindigkeit des Einlassgases an jeder Position im Querschnitt der Rohrleitung ermittelt werden. Außerdem kann in der vorliegenden Ausführungsform, wenn sich die Zusammensetzung des Einlassgases ändert, die Schallgeschwindigkeit des Einlassgases nur an einer spezifischen Position in Axialrichtung der Rohrleitung 24a ermittelt werden, mit anderen Worten in der Strömungsrichtung des Brenngases innerhalb der Rohrleitung 24a. Deshalb kann die Schallgeschwindigkeit im Zusammenhang mit einer Änderung in der Zusammensetzung des Einlassgases genauer erfasst werden, als wenn der Schalloszillator 41 und der Schallempfänger 42 einander gegenüberliegend in Axialrichtung der Rohrleitung 24a, von der die Brennstoffleitung 24 konfiguriert wird, angeordnet sind.
• Es ist zu beachten, dass im Vorstehenden der Schalloszillator 41 und der Schallempfänger 42 des Schallgeschwindigkeitsmessgeräts 40 einander gegenüberliegend in einer Richtung senkrecht zur Achse Ap der Rohrleitung 24a angeordnet sind. Jedoch können der Schalloszillator 41 und der Schallempfänger 42 des Schallgeschwindigkeitsmessgeräts 40 auf einer Seite in einer Richtung senkrecht zur Achse Ap der Rohrleitung 24a angeordnet sein. In diesem Gehäuse wird die Ultraschallwelle, die vom Schalloszillator 41 erzeugt wird, vom Schallempfänger 42 empfangen, nachdem sie an der Innenoberfläche auf der anderen Seite in der Richtung senkrecht zur Achse Ap der Rohrleitung 24a reflektiert wurde.
• Nach dem Erfassen der Drehzahl und Schallgeschwindigkeit (S11, S12) empfängt die Aufnahmeeinheit 52 der Kompressorsteuervorrichtung 50 die erfasste Drehzahl und Schallgeschwindigkeit. Als Nächstes ermittelt die Berechnungseinheit für eine korrigierte Drehzahl 53 der Kompressorsteuervorrichtung 50 die korrigierte Drehzahl gemäß Gleichung (2) mithilfe der Drehzahl N und der Schallgeschwindigkeit V, die von der Aufnahmeeinheit 52 empfangen wird (Schritt zum Berechnen der korrigierten Drehzahl (S13)). Zu dieser Zeit verwendet die Berechnungseinheit für eine korrigierte Drehzahl 53 in Gleichung (2) das spezifische Referenzwärmeverhältnis κ0, die Referenzgaskonstante R0 und die Referenztemperatur T0, die vorab gespeichert werden. Alternativ wird eine zuvor bestimmte Größe als die Referenzzustandsgröße (√(κ0R0T0)) in Gleichung (2) verwendet. Außerdem verwendet die Berechnungseinheit für eine korrigierte Drehzahl 53 die erfasste Schallgeschwindigkeit V (= √(κRT)) von Einlassgas als die tatsächliche Zustandsgröße (√(κRT)) des Einlassgases in Gleichung (2).
• Dadurch wird der Schritt zum Berechnen der korrigierten Drehzahl (S10) vollendet.
• Der Druckmesser 46 erfasst den Ausgangsdruck des Brenngaskompressors 30 (S15), und die Aufnahmeeinheit 52 der Kompressorsteuervorrichtung 50 empfängt diesen Ausgangsdruck. Es ist zu beachten, dass ein Erfassen des Ausgangsdrucks (S15) zur selben Zeit wie das vorstehend beschriebene Erfassen der Drehzahl (S11) und Erfassen der Schallgeschwindigkeit (S12) durchgeführt wird.
• Als Nächstes wird der Betrieb des Einlassströmungsratenreglers 31 als das Endsteuerelement von einer Pumpsteuereinheit 55 in der Kompressorsteuervorrichtung 50 in Übereinstimmung mit der korrigierten Drehzahl N0 gesteuert (Pumpsteuerungsschritt (S20)).
• Im Pumpsteuerungsschritt (S20) ermittelt die Pumpsteuereinheit 55 der Kompressorsteuervorrichtung 50 das tatsächliche Druckverhältnis des Brenngaskompressors 30 mithilfe des Ausgangsdrucks, der von der Aufnahmeeinheit 52 empfangen wird (S21). Der Eingangsdruck des Brenngaskompressors 30 in der Gasturbinenanlage in Übereinstimmung mit der vorliegenden Ausführungsform ist im Wesentlichen konstant. Deshalb ermittelt die Pumpsteuereinheit 55 das tatsächliche Druckverhältnis mithilfe des Eingangsdrucks, der vorab gespeichert wird, und des erfassten Ausgangsdrucks (S21). Deshalb kann, wenn der Eingangsdruck des Brenngaskompressors 30 im Wesentlichen konstant ist, der Ausgangsdruck als das „Druckverhältnis“ im weiten Sinne behandelt werden. Es ist zu beachten, dass es wünschenswert ist, wenn die Änderungen im Eingangsdruck vergleichsweise groß sind, dass in Schritt 15 der Eingangsdruck zusammen mit dem Ausgangsdruck erfasst wird und das tatsächliche Druckverhältnis mithilfe des erfassten Eingangsdrucks und Ausgangsdrucks ermittelt wird.
• Als Nächstes bestimmt die Pumpsteuereinheit 55 mithilfe der Beziehung zwischen der korrigierten Drehzahl und des Enddruckverhältnisses oder des Vorenddruckverhältnisses, das vorab definiert wurde, das Enddruckverhältnis oder das Vorenddruckverhältnis in Bezug auf die korrigierte Drehzahl, die im Schritt zum Berechnen der korrigierten Drehzahl (S10) ermittelt wurde (S22).
• Als Nächstes vergleicht die Pumpsteuereinheit 55 das in Schritt 22 ermittelte Enddruckverhältnis oder das Vorenddruckverhältnis mit dem tatsächlichen Druckverhältnis, das in Schritt 21 ermittelt wurde (S23). Bei diesem Vergleich wird, wenn das Vorenddruckverhältnis in Schritt 23 definiert wird, bestimmt, ob das tatsächliche Druckverhältnis gleich dem oder größer als das Vorenddruckverhältnis ist. Außerdem wird, wenn das Enddruckverhältnis in Schritt 23 definiert wird, bestimmt, ob das tatsächliche Druckverhältnis gleich einem oder größer als ein Druckverhältnis ist, das um die vorgegebene Menge kleiner als das Enddruckverhältnis ist, mit anderen Worten das Vorenddruckverhältnis.
• In Schritt 23 kehrt das Verfahren zu den Schritten 11, 12 und 15 zurück, wenn die Pumpsteuereinheit 55 bestimmt, dass das tatsächliche Druckverhältnis nicht gleich dem oder größer als das Vorenddruckverhältnis ist, mit anderen Worten, dass das tatsächliche Druckverhältnis kleiner als das Vorenddruckverhältnis ist.
• Wenn in Schritt 23 bestimmt wird, dass das tatsächliche Verhältnis gleich dem oder größer als das Vorenddruckverhältnis ist, besteht eine große Möglichkeit des Auftretens von Pumpen im Brenngaskompressor 30, so dass die Pumpsteuereinheit 55 die Steuerungsgröße des Endsteuerelements ermittelt, mit anderen Worten den IGV-Öffnungsgrad im Einlassströmungsratenregler 31 ermittelt (S24).
• Hierbei wird die Beziehung zwischen dem IGV-Öffnungsgrad und dem Enddruckverhältnis oder dem Vorenddruckverhältnis anhand von 4 beschrieben. In der in 4 gezeigten grafischen Darstellung ist die Horizontalachse der IGV-Öffnungsgrad und die Vertikalachse das Druckverhältnis. Außerdem zeigt 4 Kennlinien des IGV-Endöffnungsgrads Or, die die Beziehung zwischen dem IGV-Öffnungsgrad und dem Enddruckverhältnis oder dem Vorenddruckverhältnis für jede korrigierte Drehzahl zeigen.
• Wie in 4 gezeigt, ist die Beziehung zwischen dem IGV-Öffnungsgrad und dem Enddruckverhältnis oder dem Vorenddruckverhältnis bei einer bestimmten korrigierten Drehzahl eine Beziehung, bei welcher das Enddruckverhältnis oder das Vorenddruckverhältnis zunimmt, wenn der IGV-Öffnungsgrad zunimmt. Deshalb sind Kennlinien des IGV-Endöffnungsgrads Or in Bezug auf die bestimmte korrigierte Drehzahl Kurven rechts nach oben weisend. Die Kurven des IGV-Endöffnungsgrads Or für jede korrigierte Drehzahl werden vorab in der Pumpsteuereinheit 55 gespeichert. Von der Vielzahl von Kurven des IGV-Endöffnungsgrads Or weist die Kurve des IGV-Endöffnungsgrads Or für eine hohe korrigierte Drehzahl ein höheres Druckverhältnis in Bezug auf den gleichen IGV-Öffnungsgrad auf als die Kennlinie des IGV-Endöffnungsgrads Or in Bezug auf eine korrigierte Drehzahl, die niedriger als diese korrigierte Drehzahl ist.
• Zum Beispiel extrahiert in der in 4 gezeigten grafischen Darstellung die Pumpsteuereinheit 55 zunächst die Kurve des IGV-Endöffnungsgrads Or1, die der korrigierten Drehzahl entspricht, die im Schritt zum Berechnen der korrigierten Drehzahl (S10) ermittelt wurde. Als Nächstes wird die Position P1, die dem in Schritt 21 ermittelten Druckverhältnis R1 und dem aktuellen IGV-Öffnungsgrad O1 entspricht, aufgezeichnet, und das Positionsverhältnis der Position P1 und der Kurve des IGV-Endöffnungsgrads Or1 wird verglichen. In der in 4 gezeigten grafischen Darstellung bestimmt die Pumpsteuereinheit 55 einen IGV-Öffnungsgrad O2, der größer als der aktuelle IGV-Öffnungsgrad O1 ist, wenn die Position P1 höher als die Kurve des IGV-Endöffnungsgrads Or1 ist. Als Folge wird das Druckverhältnis von R1 zu R2 verändert, und der Betriebspunkt wird die neue Position P2. In der in 4 gezeigten grafischen Darstellung ist die Position P2 niedriger als die Kurve des IGV-Endöffnungsgrads Or1, so dass kein Pumpen möglich ist.
• Es ist zu beachten, dass, wenn die Pumpsteuereinheit 55 den IGV-Öffnungsgrad ermittelt, ein wie vorstehend beschriebenes Aufzeichnen nicht in der in 4 gezeigten grafischen Darstellung erfolgt, sondern es wird ein dem Aufzeichnen äquivalentes Verfahren durchgeführt.
• Die Pumpsteuereinheit 55 gibt den in Schritt 24 ermittelten IGV-Öffnungsgrad an den Einlassströmungsratenregler 31 aus (S25). Als Folge wird der IGV-Öffnungsgrad des Einlassströmungsratenreglers 31 der von der Pumpsteuereinheit 55 ausgegebene IGV-Öffnungsgrad, mit anderen Worten wird der IGV-Öffnungsgrad erhöht. Wenn der IGV-Öffnungsgrad erhöht wird, nimmt auch das Enddruckverhältnis oder das Vorenddruckverhältnis in Bezug auf diesen IGV-Öffnungsgrad zu, und das tatsächliche Druckverhältnis wird kleiner als das Enddruckverhältnis oder das Vorenddruckverhältnis, so dass die Möglichkeit des Auftretens von Pumpen in dem Brenngaskompressor 30 reduziert wird.
• In der vorliegenden Ausführungsform, wie vorstehend beschrieben, wird von den Parametern, die die korrigierte Drehzahl definieren, die tatsächliche Zustandsgröße (√(κRT)) des Einlassgases, ein variabler Parameter, durch Erfassen der Schallgeschwindigkeit V (= √(κRT)) des Einlassgases ermittelt. In der vorliegenden Ausführungsform kann deshalb die korrigierte Drehzahl genauer ermittelt werden als beim Schätzen der tatsächlichen Zustandsgröße (√(κRT)) des Einlassgases mithilfe der Temperatur, der Dichte oder dergleichem des Einlassgases. Deshalb kann in der vorliegenden Ausführungsform das Potenzial für das Auftreten von Pumpen, das durch Schwankung in der Zusammensetzung oder Schwankung in der Temperatur des Brenngases hervorgerufen wird, genau bestimmt werden.
• Außerdem werden in der vorliegenden Ausführungsform von den Parametern, die die korrigierte Drehzahl definieren, die tatsächliche Zustandsgröße (√(κRT)) des Einlassgases und die Drehzahl des Brenngaskompressors 30, die variablen Parameter, vom Schallgeschwindigkeitsmessgerät 40 bzw. dem Drehzahl-Messgerät 45 erfasst. Wie vorstehend erwähnt, sind die Antwortverzögerungszeiten des Schallgeschwindigkeitsmessgeräts 40 und des Drehzahl-Messgeräts 45 extrem kurz im Vergleich zu den erfassten Änderungen in den Objekten. Deshalb kann in der vorliegenden Ausführungsform eine Steuerungsverzögerung des Brenngaskompressors 30 im Zusammenhang mit der Verzögerung im Erfassen dieser Parameter minimiert werden. Deshalb kann in der vorliegenden Ausführungsform ein Steuerungsverfahren gegen das Pumpen durchgeführt werden, bevor Pumpen auftritt, auch wenn das Potenzial für das Auftreten von Pumpen im Brenngaskompressor 30 aufgrund von Änderungen in der Zustandsgröße des Brenngases zunimmt.
• Die Zusammensetzung und dergleichen von BFG aus einem Hochofen eines Eisen- oder Stahlwerks kann gemäß dem Zustand des Hochofens mit Leichtigkeit schwanken. Außerdem wird in der Gasturbinenanlage gemäß der vorliegenden Ausführungsform, wenn sich die Zusammensetzung oder dergleichen des BFG ändert und der Brennwert reduziert wird, das COG-Gas mit hohem Brennwert mit dem BFG gemischt, um das Brenngas zu erzeugen. Mit anderen Worten kann in der Gasturbinenanlage gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Zusammensetzung des Brenngases, das in den Brenngaskompressor 30 eingesaugt wird, mit Leichtigkeit variieren. Außerdem werden sowohl das BFG als auch das COG von der Anlage, die diese erzeugt, durch eine Rohrleitung zu dem Brenngaskompressor 30 geführt, so dass die Schwankung in der Temperatur in Übereinstimmung mit dem Betriebszustand des Hochofens oder dergleichen vergleichsweise groß ist. Mit anderen Worten ist bei dem Brenngaskompressor 30 gemäß der vorliegenden Ausführungsform das Potenzial für das Auftreten von Pumpen, das durch Schwankung in der Zusammensetzung oder Schwankung in der Temperatur des Brenngases hervorgerufen wird, vergleichsweise hoch. Deshalb ist ein Ausführen des wie vorstehend beschriebenen Steuerungsverfahrens extrem vorteilhaft für solch einen Brenngaskompressor 30.
• Die Ausgabeeinheit 54 der Kompressorsteuervorrichtung 50 gibt die korrigierte Drehzahl, die von der Berechnungseinheit für eine korrigierte Drehzahl 53 ermittelt wurde, oder das tatsächliche Druckverhältnis, den IGV-Öffnungsgrad oder dergleichen, die von der Pumpsteuereinheit 55 ermittelt wurden, in Übereinstimmung mit externen Anweisungen aus. Deshalb kann in der vorliegenden Ausführungsform ein Bediener der Anlage der Gasturbine 10 den Status des Brenngaskompressors 30 anhand der Ausgabe der Ausgabeeinheit 54 überprüfen.
• Wenn der Brenngaskompressor 30 neu ist, kann der Wirkungsgrad in Übereinstimmung mit dem Druckverhältnis und der korrigierten Drehzahl mithilfe einer vorgegebenen Beziehung zwischen dem Wirkungsgrad des Brenngaskompressors 30, dem Druckverhältnis und der korrigierten Drehzahl ermittelt werden. Andererseits, da der Brenngaskompressor 30 betrieben wird und Anhaftung von im Brenngas enthaltenen Fremdstoffen oder dergleichem an den Schaufeln und dergleichen des Brenngaskompressors 30 zunimmt, wird die Leistung des Brenngaskompressors 30 verschlechtert, und der Wirkungsgrad des Brenngaskompressors 30 wird verringert.
• In der vorliegenden Ausführungsform wird der Grad der Verschlechterung in der Leistung des Brenngaskompressors 30 durch das folgende Verfahren bestimmt.
• Wie im Fließschema von 6 veranschaulicht, erfasst das Drehzahl-Messgerät 45 zunächst die Drehzahl des Brenngaskompressors 30 (S31). Zusätzlich erfasst das Schallgeschwindigkeitsmessgerät 40 die Schallgeschwindigkeit des Einlassgases (S32), und der Druckmesser 46 erfasst den Ausgangsdruck des Brenngaskompressors 30 (S34). Jeder der erfassten Werte wird von der Aufnahmeeinheit 52 der Kompressorsteuervorrichtung 50 empfangen.
• Als Nächstes ermittelt die Berechnungseinheit für eine korrigierte Drehzahl 53 der Kompressorsteuervorrichtung 50 die korrigierte Drehzahl des Brenngaskompressors 30 mithilfe der in Schritt 31 erfassten Drehzahl und der in Schritt 32 erfassten Schallgeschwindigkeit, wie vorstehend beschrieben (S33). Es ist zu beachten, dass die Verfahren in Schritten 31, 32 und 33 den Schritt zum Berechnen der korrigierten Drehzahl (S30) in 6 bilden, welcher der gleiche ist wie der Schritt zum Berechnen der korrigierten Drehzahl (S10). Zusätzlich ermittelt die Pumpsteuereinheit 55 der Kompressorsteuervorrichtung 50 das tatsächliche Druckverhältnis des Brenngaskompressors 30 mithilfe des in Schritt 34 erfassten Ausgangsdrucks (S35). Es ist zu beachten, dass auch in diesem Fall, wenn die Schwankung im Eingangsdruck vergleichsweise groß ist, vorzugsweise das tatsächliche Druckverhältnis mithilfe des erfassten Eingangsdrucks und Ausgangsdrucks ermittelt wird, wie bei dem Verfahren in Schritt 21 in 5. Sowohl die korrigierte Drehzahl, die von der Berechnungseinheit für eine korrigierte Drehzahl 53 ermittelt wird, als auch das Druckverhältnis, das von der Pumpsteuereinheit 55 ermittelt wird, werden von der Ausgabeeinheit 54 der Kompressorsteuervorrichtung 50 in Übereinstimmung mit Anweisungen vom Bediener oder dergleichem ausgegeben.
• Als Nächstes berechnet der Bediener oder dergleichen der Gasturbinenanlage den aktuellen Wirkungsgrad des Brenngaskompressors (erste Wirkungsgradberechnung: S36) mithilfe jedes der verschiedenen Parameter, die den aktuellen Betriebsstatus des Brenngaskompressors 30 angeben.
• Zusätzlich berechnet der Bediener oder dergleichen den Wirkungsgrad des Brenngaskompressors 30 in Übereinstimmung mit der korrigierten Drehzahl und der Druckverhältnisausgabe von der Ausgabeeinheit 54 anhand der Beziehung zwischen dem Wirkungsgrad des Brenngaskompressors 30, dem Druckverhältnis und der korrigierten Drehzahl, die vorab bestimmt werden (zweite Wirkungsgradberechnung: S37). Dieser Wirkungsgrad ist der Wirkungsgrad beim Betrieb mit der korrigierten Drehzahl und der Druckverhältnisausgabe aus der Ausgabeeinheit 54 in dem Stadium, wenn der Brenngaskompressor 30 neu ist, mit anderen Worten in dem Stadium, wenn die Leistung des Brenngaskompressors 30 sich nicht verschlechtert hat.
• Der Bediener oder dergleichen vergleicht den aktuellen Wirkungsgrad des Brenngaskompressors 30 und den Wirkungsgrad des Brenngaskompressors 30 in dem Stadium, wenn die Leistung nicht verschlechtert ist (S38). Außerdem bestimmt der Bediener oder dergleichen das Ausmaß, zu welchem der aktuelle Wirkungsgrad des Brenngaskompressors 30 im Vergleich zu dem Wirkungsgrad des Brenngaskompressors 30 in dem Stadium, in dem die Leistung nicht verschlechtert ist, abgenommen hat. Der Bediener oder dergleichen führt Reparaturen oder dergleichen am Brenngaskompressor 30 in Übereinstimmung mit dem Grad der Reduzierung des aktuellen Wirkungsgrads des Brenngaskompressors 30 durch.
• In der vorliegenden Ausführungsform, wie vorstehend beschrieben, kann die korrigierte Drehzahl ermittelt werden, so dass der Wirkungsgrad des Brenngaskompressors 30 genau ermittelt werden kann. Als Folge können in der vorliegenden Ausführungsform Reparaturen und dergleichen am Brenngaskompressor 30 zur geeigneten Zeit in Übereinstimmung mit dem Grad der Reduzierung im aktuellen Wirkungsgrad des Brenngaskompressors 30 durchgeführt werden.
• Es ist zu beachten, dass hier die erste Wirkungsgradberechnung (S36) nach der Berechnung der korrigierten Drehzahl (S33) und der Berechnung des tatsächlichen Druckverhältnisses (S35) und vor der Berechnung des zweiten Wirkungsgrads (S37) durchgeführt wird. Jedoch kann die erste Wirkungsgradberechnung (S36) in jedem Stadium durchgeführt werden, vorausgesetzt, sie erfolgt vor dem Vergleich der zwei Wirkungsgrade (S38).
• Außerdem führt hier der Bediener oder dergleichen die erste Wirkungsgradberechnung (S36) und die zweite Wirkungsgradberechnung (S37) durch, sie können jedoch auch von der Kompressorsteuervorrichtung 50 durchgeführt werden. Wenn die erste Wirkungsgradberechnung (S36) von der Kompressorsteuervorrichtung 50 ausgeführt wird, wird jeder der verschiedenen Parameter, die den aktuellen Betriebsstatus des Brenngaskompressors 30 angeben, von den Sensoren und dergleichen durch die Aufnahmeeinheit 52 empfangen, und der aktuelle Wirkungsgrad wird mit jedem der verschiedenen Parameter berechnet. Außerdem kann, wenn die zweite Wirkungsgradberechnung (S37) von der Kompressorsteuervorrichtung 50 ausgeführt wird, die Beziehung zwischen dem Wirkungsgrad des Brenngaskompressors 30, dem Druckverhältnis und der korrigierten Drehzahl vorab in der Kompressorsteuervorrichtung 50 gespeichert werden, und mithilfe dieser Beziehung kann der Wirkungsgrad in Übereinstimmung mit der korrigierten Drehzahl und dem Druckverhältnis berechnet werden.
• Eine erste Modifikation ist eine Modifikation der Berechnung des IGV-Öffnungsgrads (S24), der in 7 gezeigt ist.
• Wie anhand von 4 erörtert, weist von der Vielzahl von Kurven des IGV-Endöffnungsgrads Or die Kurve des IGV-Endöffnungsgrads Or für eine hohe korrigierte Drehzahl ein höheres Druckverhältnis in Bezug auf den gleichen IGV-Öffnungsgrad auf als die Kennlinie des IGV-Endöffnungsgrads Or für eine korrigierte Drehzahl, die niedriger als diese korrigierte Drehzahl ist. Deshalb ist die Beziehung zwischen der korrigierten Drehzahl und dem Enddruckverhältnis oder dem Vorenddruckverhältnis bei einem bestimmten IGV-Öffnungsgrad eine Beziehung, bei welcher das Enddruckverhältnis oder das Vorenddruckverhältnis zunimmt, wenn die korrigierte Drehzahl zunimmt. Deshalb ist in dem Diagramm von 7 die Beziehung zwischen der korrigierten Drehzahl und dem Enddruckverhältnis oder dem Vorenddruckverhältnis bei einem bestimmten IGV-Öffnungsgrad, welcher die Kurve des IGV-Endöffnungsgrads Ora ist, eine nach oben rechts weisende Kurve. Es ist zu beachten, dass in dem in 7 dargestellten Diagramm die Horizontalachse die korrigierte Drehzahl ist und die Vertikalachse das Druckverhältnis ist.
• Die Kurven des IGV-Endöffnungsgrads Ora für jeden IGV-Öffnungsgrad werden vorab in der Pumpsteuereinheit 55 in Übereinstimmung mit dieser Modifikation gespeichert. Von der Vielzahl von Kurven des IGV-Endöffnungsgrads Ora weist die Kurve des IGV-Endöffnungsgrads Ora für einen großen IGV-Öffnungsgrad ein höheres Druckverhältnis in Bezug auf dieselbe korrigierte Drehzahl auf als die Kennlinie des IGV-Endöffnungsgrads Ora für einen IGV-Öffnungsgrad, der niedriger ist als dieser IGV-Öffnungsgrad.
• In dieser Modifikation extrahiert die Pumpsteuereinheit 55 zunächst die Kurve des IGV-Endöffnungsgrads Ora1 entsprechend dem aktuellen IGV-Öffnungsgrad O1 (nicht dargestellt) im in 7 gezeigten Diagramm. Als Nächstes wird die Position P1, die dem in Schritt 21 ermittelten Druckverhältnis R1 und der in Schritt 13 ermittelten korrigierten Drehzahl N01 entspricht, aufgezeichnet, und das Positionsverhältnis der Position P1 und der Kurve des IGV-Endöffnungsgrads Ora1 wird verglichen. In dem in 7 dargestellten Diagramm wird, wenn die Position P1 höher ist als die Kurve des IGV-Endöffnungsgrads Oral, ein IGV-Öffnungsgrad O3 (nicht dargestellt), der größer als der aktuelle IGV-Öffnungsgrad O1 ist, bestimmt. Indem der tatsächliche IGV-Öffnungsgrad gleich O3 eingestellt wird, ändert sich das Druckverhältnis von R1 zu R3, und der Betriebspunkt ändert sich zu der neuen Position P3. In dem in 7 gezeigten Diagramm ist die Position P3 niedriger als die Kurve des IGV-Endöffnungsgrads Ora3, die dem neu bestimmten IGV-Öffnungsgrad O3 entspricht, so dass ein Pumpen nicht möglich ist.
• In den Ausführungsformen und der ersten Modifikation, wie vorstehend beschrieben, wird, wenn das Potenzial für das Auftreten von Pumpen in dem Brenngaskompressor 30 zunimmt, der Einlassströmungsratenregler 31, der eines der Endsteuerelemente ist, so gesteuert, dass er das Potenzial für das Auftreten von Pumpen in dem Brenngaskompressor 30 reduziert. Jedoch kann ein anderes Endsteuerelement so gesteuert werden, dass das Potenzial zum Auftreten von Pumpen des Brenngaskompressors 30 reduziert wird.
• Zu solchen Endsteuerelementen gehören zum Beispiel das Rücklauf-Strömungsratenregelventil (Rücklaufströmungsratenregler) 48, das Extraktions-Strömungsratenregelventil (Extraktionsströmungsratenregler) 49, das Zulauf-Strömungsratenregelventil 47 und die Kupplung 38.
• Wenn der Ventilöffnungsgrad des Rücklauf-Strömungsratenregelventils 48 erhöht wird, wird der Ausgangsdruck des Brenngaskompressors 30 reduziert, und der Eingangsdruck wird erhöht. Deshalb wird durch Erhöhen des Ventilöffnungsgrads des Rücklauf-Strömungsratenregelventils 48 das Druckverhältnis des Brenngaskompressors 30 reduziert, und das Potenzial zum Auftreten von Pumpen kann reduziert werden. Außerdem wird, wenn der Ventilöffnungsgrad des Extraktions-Strömungsratenregelventils 49 erhöht wird, der Ausgangsdruck des Brenngaskompressors 30 reduziert. Deshalb wird durch Erhöhen des Ventilöffnungsgrads des Extraktions-Strömungsratenregelventils 49 das Druckverhältnis des Brenngaskompressors 30 reduziert, und das Potenzial zum Auftreten von Pumpen kann reduziert werden.
• Wenn das Rücklauf-Strömungsratenregelventil 48 oder das Extraktions-Strömungsratenregelventil 49 als das Endsteuerelement verwendet werden, wird, wenn die Pumpsteuereinheit 55 bestimmt, dass das tatsächliche Druckverhältnis gleich dem oder größer als das Vorenddruckverhältnis in Schritt 23 in 5 ist, eine Anweisung an das Rücklauf-Strömungsratenregelventil 48 oder das Extraktions-Strömungsratenregelventil 49 ausgegeben, um den Ventilöffnungsgrad zu erhöhen. In diesem Fall bestimmt die Pumpsteuereinheit 55 den Ventilöffnungsgrad des Rücklauf-Strömungsratenregelventils 48 oder des Extraktions-Strömungsratenregelventils 49 in Übereinstimmung mit vorgegebenen Regeln, wie den in 4 oder 7 gezeigten. Als Folge wird der Ventilöffnungsgrad des Rücklauf-Strömungsratenregelventils 48 oder der Ventilöffnungsgrad des Extraktions-Strömungsratenregelventils 49 erhöht, so dass die Fließgeschwindigkeit des Brenngases, das durch die Ventile 48, 49 strömt, zunimmt und das Potenzial für das Auftreten von Pumpen reduziert wird.
• Wenn das Zulauf-Strömungsratenregelventil 47 geschlossen ist, ist die Zulaufströmungsrate von Brenngas zur Brennkammer 12 der Gasturbine 10 reduziert, und als Folge wird der Druck innerhalb der Brennkammer 12 allmählich reduziert, und der Ausgangsdruck des Brenngaskompressors 30 wird reduziert. Wenn das Zulauf-Strömungsratenregelventil 47 als das Endsteuerelement verwendet wird, wird, wenn die Pumpsteuereinheit 55 bestimmt, dass das tatsächliche Druckverhältnis gleich dem oder größer als das Vorenddruckverhältnis in Schritt 23 ist, eine Anweisung ausgegeben, um das Zulauf-Strömungsratenregelventil 47 zu schließen, mit anderen Worten wird eine Anhalte-Anweisung ausgegeben. Als Folge wird das Zulauf-Strömungsratenregelventil 47 geschlossen, und ein Pumpen des Brenngaskompressors 30 kann verhindert werden.
• Wenn die Kupplung 38 geöffnet wird, wird die Antriebskraft des Brenngaskompressors 30 eliminiert, so dass kein Pumpen des Brenngaskompressors 30 auftritt. Deshalb wird bei Verwendung der Kupplung 38 als das Endsteuerelement, wenn die Pumpsteuereinheit 55 bestimmt, dass das tatsächliche Druckverhältnis gleich dem oder größer als das Vorenddruckverhältnis in Schritt 23 ist, eine Anweisung zum Öffnen der Kupplung 38 ausgegeben, mit anderen Worten wird eine Anhalte-Anweisung ausgegeben. Als Folge wird die Kupplung 38 geöffnet, und ein Pumpen des Brenngaskompressors 30 kann verhindert werden.
• Es ist zu beachten, dass die Gasturbine 10 zusammen mit dem Brenngaskompressor 30 angehalten wird, wenn das Zulauf-Strömungsratenregelventil 47 oder die Kupplung 38 als Folge einer Anhalte-Anweisung betrieben werden.
• Wie vorstehend beschrieben gibt es verschiedene Arten von Endsteuerelementen abgesehen von dem Einlassströmungsratenregler 31, die als das Endsteuerelement verwendet werden können, das einer Steuerung in der Pumpensteuerung unterliegt. Es ist zu beachten, dass im Vorstehenden beim Steuern von Pumpen ein beliebiges der Endsteuerelemente gesteuert wurde, jedoch können zwei oder mehr Endsteuerelemente der mehreren Endsteuerelemente gesteuert werden. Durch Steuern von zwei oder mehr Endsteuerelementen auf diese Weise kann das Potenzial zum Auftreten von Pumpen im Vergleich zum Steuern eines einzelnen Endsteuerelements reduziert werden.
• In der Gasturbinenanlage, wie vorstehend beschrieben, werden zwei Gasarten, BFG und COG, als das Brenngas der Gasturbine 10 verwendet. Jedoch kann ein anderes Brenngas als Brenngas der Gasturbine 10 verwendet werden, zum Beispiel rohes Synthesegas aus einem Erdölrückstand-IGCC, Brenngas, das aus flüssigem Brennstoff vergast wurde, oder Biogas aus der Gärung von organischem Abfall (wie Rohabfall oder dergleichem) oder Viehdung.
• Außerdem wurde in der wie vorstehend beschrieben Ausführungsform ein Beispiel beschrieben, bei dem der Brenngaskompressor 30 in der Gasturbinenanlage gesteuert wurde, jedoch kann eine ähnliche Steuerung am Luftkompressor 11 der Gasturbinenanlage durchgeführt werden. Außerdem kann eine ähnliche Steuerung an einem Gaskompressor in einer anderen Anlage, wie einer Chemieanlage, durchgeführt werden.
• Außerdem ist die Steuerung, wie vorstehend beschrieben, extrem effektiv zum Steuern von Kompressoren, in welchen die Zusammensetzung des Einlassgases schwankt, jedoch kann die wie vorstehend beschriebene Steuerung zum Beispiel auch zum Steuern von Kompressoren verwendet werden, wobei nur die Temperatur des Einlassgases schwankt.
• Außerdem ist die vorliegende Erfindung nicht auf Axialströmungskompressoren beschränkt, sondern kann auch auf Radialverdichter angewendet werden.
• Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung kann eine genaue korrigierte Drehzahl in einem extrem kurzen Zeitraum ermittelt werden, selbst wenn die Temperatur oder die Zusammensetzung des Einlassgases schwankt.
• Bezugszeichenliste

10

Gasturbine

11

Luftkompressor

12

Brennkammer

13

Turbine

19

Generator

20

Brenngasausrüstung

21

BFG-Leitung

22

COG-Leitung

24

Brennstoffleitung

25

Brennstoffzufuhrleitung

26

Brennstoffrücklaufleitung

27

Extraktleitung

30

Brenngaskompressor (oder einfach Kompressor)

31

Einlassströmungsratenregler

38

Kupplung

39

Untersetzungsgetriebe

40

Schallgeschwindigkeitsmessgerät

41

Schalloszillator

42

Schallempfänger

43

Rechner

45

Drehzahl-Messgerät

46

Druckmesser

47

Zulauf-Strömungsratenregelventil

48

Rücklauf-Strömungsratenregelventil (Rücklaufströmungsratenregler)

49

Extraktions-Strömungsratenregelventil

50

Kompressorsteuervorrichtung

51

Berechnungsvorrichtung für eine korrigierte Drehzahl

52

Aufnahmeeinheit

53

Berechnungseinheit für eine korrigierte Drehzahl

54

Ausgabeeinheit

55

Pumpsteuereinheit

Claims (15)

1. Kompressorsteuervorrichtung (50), umfassend: eine Berechnungsvorrichtung für eine korrigierte Drehzahl, die eine korrigierte Drehzahl eines Kompressors (30) berechnet, und eine Pumpsteuereinheit (55), die ein Endsteuerelement steuert, um ein Pumpen des Kompressors (30) zu verhindern, wobei die Berechnungsvorrichtung für eine korrigierte Drehzahl umfasst: eine Aufnahmeeinheit (52), die eine Drehzahl des Kompressors (30), die von einem Drehzahl-Messgerät (45) erfasst wird, eine Schallgeschwindigkeit eines in den Kompressor (30) gesaugten Einlassgases, die von einem Schallgeschwindigkeitsmessgerät (40) erfasst wird, und einen Ausgangsdruck des Kompressors (30), der von einem Druckmesser (46) erfasst wird, empfängt; und eine Berechnungseinheit für eine korrigierte Drehzahl (53), die die korrigierte Drehzahl des Kompressors (30) mithilfe einer Referenzzustandsgröße, die durch ein spezifisches Referenzwärmeverhältnis, eine Referenzgaskonstante und eine Referenztemperatur des Einlassgases in einem Referenzzustand bestimmt wird, der Schallgeschwindigkeit, die durch die Aufnahmeeinheit empfangen wird, und der Drehzahl, die durch die Aufnahmeeinheit (52) empfangen wird, ermittelt; und wobei die Pumpsteuereinheit (55) ein Enddruckverhältnis oder ein Vorenddruckverhältnis, das um eine vorgegebene Menge kleiner als das Enddruckverhältnis ist, in Bezug auf die korrigierte Drehzahl, die von der Berechnungsvorrichtung für eine korrigierte Drehzahl ermittelt wurde, mithilfe einer vorgegebenen Beziehung zwischen der korrigierten Drehzahl und dem Enddruckverhältnis des Kompressors (30) oder dem Vorenddruckverhältnis bestimmt, das Enddruckverhältnis oder das Vorenddruckverhältnis mit dem tatsächlichen Druckverhältnis des Kompressors (30), das anhand des Ausgangsdrucks, der an der Aufnahmeeinheit (52) empfangen wird, bestimmt wird, vergleicht, und das Endsteuerelement in Übereinstimmung mit dem Vergleichsergebnis steuert.
2. Kompressorsteuervorrichtung (50) nach Anspruch 1, ferner umfassend: das Drehzahl-Messgerät (45) und das Schallgeschwindigkeitsmessgerät (40).
3. Kompressorsteuervorrichtung (50) nach Anspruch 2, wobei das Schallgeschwindigkeitsmessgerät (40) einen Schalloszillator (41) und einen Schallempfänger (42) einschließt, die einander gegenüberliegend an einer Rohrleitung (24a), durch die das Einlassgas strömt, angeordnet sind, in einer Richtung senkrecht zu einer Achse (Ap) der Rohrleitung (24a).
4. Kompressorsteuervorrichtung (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner umfassend eine Ausgabeeinheit (54), die die korrigierte Drehzahl ausgibt, die von der Berechnungseinheit für eine korrigierte Drehzahl (53) ermittelt wurde.
5. Kompressorsteuervorrichtung (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Endsteuerelement einen Einlassströmungsratenregler (31) einschließt, der die Strömungsrate des Einlassgases regelt, und die Pumpsteuereinheit (55) eine Anweisung an den Einlassströmungsratenregler (31) ausgibt, um die Fließgeschwindigkeit des Einlassgases in Übereinstimmung mit dem Vergleichsergebnis zu erhöhen.
6. Kompressorsteuervorrichtung (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei Das Endsteuerelement einen Rücklaufströmungsratenregler (31) einschließt, der die Strömungsrate von Gas, das von dem Gasausgang aus dem Kompressor (30) zur Einlassseite des Kompressors (30) zurückgeführt wird, regelt und die Pumpsteuereinheit (55) eine Anweisung an den Rücklaufströmungsratenregler (31) ausgibt, um die Strömungsrate des Gases, das zur Einlassseite zurückgeführt wird, in Übereinstimmung mit dem Vergleichsergebnis zu erhöhen.
7. Kompressorsteuervorrichtung (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Endsteuerelement einen Extraktströmungsratenregler (49) einschließt, der die Fließgeschwindigkeit des Gases, das aus dem Kompressor (30) extrahiert wird, regelt, und die Pumpsteuereinheit (55) eine Anweisung an den Extraktströmungsratenregler (49) ausgibt, um die Strömungsrate des extrahierten Gases in Übereinstimmung mit dem Vergleichsergebnis zu erhöhen.
8. Kompressorsteuervorrichtung (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Endsteuerelement ein Anhalte-Endsteuerelement einschließt, das den Kompressor (30) anhält, und die Pumpsteuereinheit (55) eine Anweisung an das Anhalte-Endsteuerelement ausgibt, um einen Vorgang auszuführen, um den Kompressor (30) in Übereinstimmung mit dem Vergleichsergebnis anzuhalten.
9. Kompressorsteuervorrichtung (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Pumpsteuereinheit (55) ein Vorenddruckverhältnis in Bezug auf die von der Berechnungsvorrichtung für eine korrigierte Drehzahl ermittelte korrigierte Drehzahl bestimmt und eine Anweisung an das Endsteuerelement ausgibt, wenn das tatsächliche Druckverhältnis gleich dem oder größer als das Vorenddruckverhältnis ist.
10. Kompressorsteuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, ferner umfassend: eine Wirkungsgradberechnungseinheit, die einen Wirkungsgrad des Kompressors (30) in Übereinstimmung mit der von der Berechnungseinheit für eine korrigierte Drehzahl (53) ermittelten korrigierten Drehzahl und dem tatsächlichen Druckverhältnis des Kompressors (30), das anhand des von der Aufnahmeeinheit (52) empfangenen Ausgangsdrucks mithilfe einer vorgegebenen Beziehung zwischen der korrigierten Drehzahl, dem Druckverhältnis und dem Wirkungsgrad des Kompressors (30) bestimmt wird, berechnet; und eine Ausgabeeinheit (54), die den von der Wirkungsgradberechnungseinheit berechneten Wirkungsgrad ausgibt.
11. Kompressionsausrüstung, umfassend: die Kompressorsteuervorrichtung (50), die in einem der Ansprüche 1 bis 10 beschrieben ist; den Kompressor (30); und das Endsteuerelement.
12. Kompressionsausrüstung nach Anspruch 11, wobei der Kompressor (33) Brenngas komprimiert, das von einer Brennkammer (12) als das Gas verbrannt wird.
13. Kompressorsteuerungsverfahren, aufweisend: einen Drehzahlerfassungsschritt zum Erfassen einer Drehzahl eines Kompressors (30); einen Schallgeschwindigkeitserfassungsschritt zum Erfassen einer Schallgeschwindigkeit eines Einlassgases, das ein in den Kompressor (30) eingesaugtes Gas ist; einen Schritt zum Berechnen einer korrigierten Drehzahl zum Ermitteln einer korrigierten Drehzahl des Kompressors (30) mithilfe einer Referenzzustandsgröße, die durch ein spezifisches Referenzwärmeverhältnis, eine Referenzgaskonstante und eine Referenztemperatur des Einlassgases in einem Referenzzustand bestimmt wird; der Schallgeschwindigkeit, die im Schallgeschwindigkeitserfassungsschritt erfasst wird; und der Drehzahl, die im Drehzahlerfassungsschritt erfasst wird; einen Ausgangsdruckerfassungsschritt zum Erfassen eines Ausgangsdrucks des Kompressors (30); und einen Pumpsteuerungsschritt zum Steuern eines Vorgangs eines Endsteuerelements, um ein Pumpen des Kompressors (30) zu verhindern, wobei im Pumpsteuerungsschritt ein Enddruckverhältnis oder ein Vorenddruckverhältnis, das um eine vorgegebene Menge kleiner als das Enddruckverhältnis ist, in Bezug auf die durch Ausführen des Berechnungsverfahrens einer korrigierten Drehzahl ermittelten korrigierte Drehzahl mithilfe einer Beziehung zwischen der korrigierten Drehzahl und dem Enddruckverhältnis oder dem Vorenddruckverhältnis des Kompressors (30) bestimmt wird, das Enddruckverhältnis oder das Vorenddruckverhältnis mit einem tatsächlichen Druckverhältnis des Kompressors (30), das aus dem im Ausgangsdruckerfassungsschritt erfassten Ausgangsdruck bestimmt wird, verglichen wird und das Endsteuerelement in Übereinstimmung mit dem Vergleichsergebnis gesteuert wird.
14. Kompressorsteuerungsverfahren nach Anspruch 13, wobei in dem Pumpsteuerungsschritt das Enddruckverhältnis in Bezug auf die durch Ausführen des Berechnungsverfahrens einer korrigierten Drehzahl ermittelten korrigierte Drehzahl bestimmt wird, und wenn das tatsächliche Druckverhältnis gleich dem oder größer als das Vorenddruckverhältnis ist, eine Anweisung an das Endsteuerelement ausgegeben wird.
15. Kompressorverschlechterungsbestimmungsverfahren, aufweisend: einen Drehzahlerfassungsschritt zum Erfassen einer Drehzahl eines Kompressors (30); einen Schallgeschwindigkeitserfassungsschritt zum Erfassen einer Schallgeschwindigkeit eines Einlassgases, das ein in den Kompressor (30) eingesaugtes Gas ist; einen Schritt zum Berechnen einer korrigierten Drehzahl zum Ermitteln einer korrigierten Drehzahl des Kompressors (30) mithilfe einer Referenzzustandsgröße, die durch ein spezifisches Referenzwärmeverhältnis, eine Referenzgaskonstante und eine Referenztemperatur des Einlassgases in einem Referenzzustand bestimmt wird; der Schallgeschwindigkeit, die im Schallgeschwindigkeitserfassungsschritt erfasst wird; und der Drehzahl, die im Drehzahlerfassungsschritt erfasst wird; einen Ausgangsdruckerfassungsschritt zum Erfassen eines Ausgangsdrucks des Kompressors (30); einen Druckverhältnisberechnungsschritt zum Ermitteln eines tatsächlichen Druckverhältnisses des Kompressors (30), das aus dem im Ausgangsdruckerfassungsschritt erfassten Ausgangsdruck bestimmt wird; einen ersten Wirkungsgradberechnungsschritt zum Berechnen eines tatsächlichen Wirkungsgrads des Kompressors (30) ; einen zweiten Wirkungsgradberechnungsschritt zum Berechnen eines Wirkungsgrads des Kompressors (30) in Übereinstimmung mit der durch Ausführen des Schritts zum Berechnen einer korrigierten Drehzahl ermittelten korrigierten Drehzahl und dem im Druckverhältniserfassungsschritt ermittelten Druckverhältnis, mithilfe einer vorgegebenen Beziehung zwischen der korrigierten Drehzahl, dem Druckverhältnis und dem Wirkungsgrad des Kompressors (30); und einen Vergleichsschritt zum Vergleichen des im ersten Wirkungsgradberechnungsschritt berechneten Wirkungsgrads und des im zweiten Wirkungsgradberechnungsschritt berechneten Wirkungsgrads.

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