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QUERVERWEIS AUF IN BEZUG STEHENDE ANMELDUNGEN
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Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Zeitrang einer vorläufigen Patentanmeldung in den Vereinigten Staaten mit der Nummer 61/878,802, die einen Anmeldetag vom 17. September 2013 hat und die durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein gasturbinenbasiertes Aggregat. Genauer bezieht sich die Erfindung auf ein System und ein Verfahren zum Betreiben eines gasturbinenbasierten Aggregats basierend zumindest teilweise auf einen Hardware-Lebenszeitverbrauchswert.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Eine Turbomaschine, wie etwa eine Gasturbine, enthält allgemein einen Einlassabschnitt, einen Kompressorabschnitt, einen Brennkammerabschnitt, der eine Mehrzahl von Brennkammern aufweist, einen Turbinenabschnitt und einen Abgasabschnitt. Der Einlassabschnitt reinigt und konditioniert ein Arbeitsfluid (zum Beispiel Luft) und gibt das Arbeitsfluid an den Kompressorabschnitt ab. Der Kompressorabschnitt komprimiert das Arbeitsfluid zunehmend und gibt ein mit hohem Druck komprimiertes Arbeitsfluid an die Brennkammern ab, wo es mit einem Brennstoff gemischt und in einem Brennraum verbrannt wird, um Verbrennungsgase mit einer hohen Temperatur und einem hohen Druck zu erzeugen. Die Verbrennungsgase strömen entlang eines Heißgaspfades in den Turbinenabschnitt, wo sie sich ausdehnen, um Arbeit zu erzeugen. Zum Beispiel kann das Ausdehnen der Verbrennungsgase in dem Turbinenabschnitt eine mit einem Generator verbundene Welle rotieren, um Elektrizität zu erzeugen.
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Jede Brennkammer enthält verschiedenen Hardwarekomponenten. Zum Beispiel kann eine konventionelle Gasturbinenbrennkammer ein oder mehrere Brennstoffdüsen, eine Brennkammerauskleidung, eine Kühlströmungshülse, einen Übergangskanal, eine Prallhülse, eine Kappenanordnung und/oder verschiedenen Befestigungshardware, wie etwa Klammern und Radialkompressionsdichtungen oder Ringdichtungen. Die Turbine enthält allgemein verschiedene Hardwarekomponenten, aufweisend stationäre Schaufeln oder Statorschaufeln, rotierbare Turbinenschaufeln und Rotorscheiben. Mit der Zeit können verschiedenen Faktoren aufweisend thermische Zyklen, Schwingungen und/oder Druckpulse innerhalb der Gasturbine zu einer Hardwarekomponentenverschlechterung führen. Als Folge davon müssen regelmäßig anberaumte Abschaltungen zur Inspektion und Reparatur durchgeführt werden, was die Maschinenverfügbarkeit beeinträchtigt. Typischerweise haben Gasturbinen Steuersysteme, die ihren Betrieb überwachen und steuern. Üblicherweise führen Steuersysteme verschiedenen Planungsalgorithmen durch, die verschiedene Effektoren oder Gasturbineneingangswerte, wie etwa eine Brennstoffströmung, einen Einlassleitflügelwinkel und andere Steuereingangsgrößen einstellen oder steuern, um einen sicheren und effizienten Betrieb der Gasturbine bereitzustellen, während verschiedene Betriebsaspekte der Gasturbine überwacht werden, um die Leistungs- und Effizienzziele zu erreiche, während gleichzeitig vorgegebene Hardwarekomponenten Lebenszeitanforderungen erfüllt werden.
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Gasturbinensteuersysteme empfangen typischerweise verschiedenen Betriebsparameter und Vorgaben als Eingangsgrößen, die in Verbindung mit den Ablaufalgorithmen Turbinensteuereinstellungen bestimmen, um den gewünschten Betriebsmodus oder Betriebszustand zu erreichen, während auch Hardwarekomponenten Lebensdaueranforderungen erfüllt werden. Gemessene oder sensierte Betriebsparameter können enthalten, sind aber nicht beschränkt auf einen Kompressoreinlassdruck und eine Kompressoreinlasstemperatur, einen Kompressorausgangsdruck und eine Kompressorausgangstemperatur, eine Turbinenabgastemperatur und eine Generatorleistungsabgabe. Gewünschte Betriebsmodi oder Betriebszustände können enthalten, sind aber nicht beschränkt auf Volllastbetrieb mit voller Drehzahl, Basislastbetrieb und Teillastbetrieb der Gasturbine. Die Betriebsmodi sind allgemein durch einen oder mehrere von einer gewünschten Generatorleistungsabgabe, Emissionsgrenzen und/oder Abgasemissionsanforderungen bestimmt, wie etwa für ein Gas-und-Dampfkraftwerk, das einen Abhitzedampferzeuger aufweist.
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Die Ablaufalgorithmen (zum Beispiel Abgastemperatur gegenüber Kompressordruckverhältnis, Brennstoffanteile gegenüber Verbrennungsreferenztemperatur, Einlassabzapfwärme gegenüber Einlassleitflügelposition (IGV-Position), Kompressorbetriebsgrenzlinie gegenüber korrigierte Drehzahl und IGV-Position, usw. können typischerweise definiert werden, um die Gasturbine gegen bekannte Betriebsgrenzen oder Betriebsbeschränkungen (zum Beispiel Emissionsanforderungen, Brennkammerdynamiken, mageres Verlöschen, Kompressorpumpen, Kompressorvereisung, Kompressorspalten, Aero-mechanische, usw.) zu schützen. Die Ablaufalgorithmen sind typischerweise zumindest zum Teil basiert auf nicht verbundenen Feldversuchen, vorherbestimmten Konstruktionsbedingungen und/oder Labordaten.
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Das Erzwingen einer strikten Betriebsübereinstimmung mit einem starren Ablaufplan basieren und/oder modelbasierten Steuerungssystemen, kann zu ökonomischen Leistungsverlusten bei verschiedenen Betriebsmodi, wie etwa bei Basislast, Volllast mit voller Drehzahl oder Teillast der Gasturbine führen, was die gesamten ökonomischen Vorteile oder potenziellen Gewinne der gasturbinenbasierten Aggregateinrichtung potenziell beeinträchtigt. Daher besteht ein Bedarf für ein System und ein Verfahren zum Betreiben eines gasturbinenbasierten Aggregats, das einem Inhaber/Betreiber die Fähigkeit verleiht, die potenziellen Hardwarekomponenten Lebensdauereffekte beim Betreiben der Gasturbine außerhalb der vordefinierten Ablaufplanalgorithmen zu beurteilen, basierend auf einem Echtzeit- oder Fast-Echtzeit-Komponentenhardwareverschleiß.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Aspekte und Vorteile der Erfindung sind unten in der nachfolgenden Beschreibung ausgeführt oder ergeben sich aus der Beschreibung oder können durch Ausüben der Erfindung erkannt werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein System zur Steuerung eines gasturbinenbasierten Aggregats. Das System enthält eine Mehrzahl von Sensoren, wobei jeder Sensor dazu eingerichtet ist, zu sensieren und ein Signal, das charakteristisch ist für einen Betriebsparameter der Gasturbine zu kommunizieren oder zu übertragen. Das System enthält außerdem ein Steuersystem, das eine Recheneinrichtung aufweist. Die Recheneinrichtung steht in elektronischer Kommunikationsverbindung mit jedem Sensor von der Mehrzahl der Sensoren. Das Steuersystem ist dazu eingerichtet, die Signale von den Sensoren zu empfangen, den kumulativen Verschleiß für eine oder mehrere Hardwarekomponenten der Gasturbine basierend zumindest zum Teil auf einem oder mehreren der Signale mittels der Recheneinrichtung zu berechnen, Eingabebefehle, wie etwa von einer Bedienperson, zu empfangen, die charakteristisch sind für einen gewünschten Betriebsmodus für die Gasturbine, eine Hardwareverbrauchsrate für die Hardwarekomponente basierend zumindest zum Teil auf dem kumulativen Verschleiß und den gewünschten Betriebsmodus mittels der Recheneinrichtung zu berechnen und die Hardwareverbrauchsrate über eine Anzeigeeinrichtung einer Bedienperson anzuzeigen.
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Ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Steuerung eines gasturbinenbasierten Aggregats. Das Verfahren enthält das Berechnen eines kumulativen Verschleißes für eine Hardwarekomponente der Gasturbine basierend zumindest zum Teil auf einem oder mehreren sensorisch erfassten Betriebsparametern mittels einer Recheneinrichtung eines Steuersystems und eingeben eines gewünschten Betriebsmodus für die Gasturbine in das Steuersystem. Das Verfahren kann auch das Berechnen einer Hardwareverbrauchsrate für die entsprechende Hardwarekomponente umfassen, basierend zumindest zum Teil auf dem kumulativen Verschleiß und einem oder mehreren der Betriebsparameter und einem oder mehreren Ausgangsparametern des gewünschten Betriebsmodus mittels der Recheneinrichtung. Das Verfahren kann außerdem das Bereitstellen der Hardwareverbrauchsrate mittels einer Anzeigeeinrichtung für eine Bedienperson enthalten.
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Durchschnittsfachleute werden die Merkmale und die Aspekte von solchen Ausführungsbeispielen und anderen nach dem Studium der Beschreibung besser verstehen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine vollständige und ausführbare Offenbarung der vorliegenden Erfindung, einschließlich des bevorzugten Ausführungsbeispiels davon, ist für einen Fachmann genauer in dem verbleibenden Teil der Beschreibung ausgeführt, der eine Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beinhaltet, in denen:
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1 ein funktionales Blockschaltbild eines beispielhaften gasturbinenbasierten Aggregats innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Offenbarung ist;
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2 eine Querschnittsseitenansicht einer beispielhaften Brennkammer ist, wie sie in verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung beinhaltet sein kann;
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3 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Betreiben eines gasturbinenbasierten Aggregats entsprechend einem oder mehreren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung bereitstellt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es wird nunmehr im Detail auf vorhandene Ausführungsbeispiele der Erfindung Bezug genommen, wobei ein oder mehrere Beispiele davon in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind. Die detaillierte Beschreibung verwendet Zahlen- und Buchstaben-Bezeichnungen, um auf Merkmale in den Zeichnungen Bezug zu nehmen. Gleiche oder ähnliche Bezeichnungen in den Zeichnungen und der Beschreibung wurden verwendet, um auf gleiche oder ähnliche Teile der Erfindung Bezug zu nehmen.
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Wie es hierin verwendet wird, können die Begriffe „erster”, „zweiter”, und „dritter” austauschbar verwendet werden, um eine Komponente von einer anderen zu unterscheiden und sind nicht dazu beabsichtigt, einen Ort oder eine Wichtigkeit der individuellen Komponenten anzugeben. Die Begriffe „stromaufwärts” oder „stromabwärts” beziehen sich auf die relative Richtung mit Bezug auf die Fluidströmung in einem Fluiddurchgang. Zum Beispiel bezieht sich „stromaufwärts” auf die Richtung, aus der das Fluid strömt und „stromabwärts” bezieht sich auf die Richtung, in die das Fluid strömt. Wenn Elemente von Aspekten der vorliegenden Offenbarung oder der Ausführungsbeispiele davon eingeführt werden, sind die Artikel „ein”, „eine”, „der” und „dieser” dazu bestimmt auszudrücken, dass dort eine oder mehrere von den Elementen vorhanden sind. Die Begriffe „aufweisend”, „enthaltend” und „mit” sind dazu bestimmt inklusiv zu sein und auszudrücken, dass dort zusätzliche Elemente sein können, die sich von den angeführten Elementen unterscheiden.
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Jedes Beispiel ist zur Erläuterung der Erfindung bereitgestellt, nicht zur Beschränkung der Erfindung. Tatsächlich wird es Fachleuten offenbar werden, dass Modifikationen und Abwandlungen der vorliegenden Erfindung gemacht werden können, ohne von dem Bereich oder von dem Gedanken davon abzuweichen. Zum Beispiel können Merkmale, die als Teil von einem Ausführungsbeispiel veranschaulicht oder beschrieben sind, bei einem anderen Ausführungsbeispiel verwendet werden, um zu einem noch weiteren Ausführungsbeispiel zu gelangen. Daher ist es beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung solche Modifikationen und Abwandlungen umfasst, die innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente sind.
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Obwohl beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung allgemein im Kontext eines gasturbinenbasierten Aggregats zum Zwecke der Veranschaulichung beschrieben werden, wird ein Durchschnittsfachmann leicht erkennen, dass Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung auf irgendwelche turbomaschinenbasierten Aggregate, wie etwa eine Flugzeuggasturbine und/oder marinebasierten Gasturbine angewandt werden können und nicht irgendeine bestimmte Turbomaschine beschränkt ist, solange es nicht ausdrücklich in den Ansprüchen angegeben ist.
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Verschiedene Faktoren beeinträchtigen die Profitabilität oder Ökonomie einer gasturbinenbasierten Aggregateinrichtung. Insbesondere sind die Instandhaltungskosten und die Verfügbarkeit des Aggregats zur Bereitstellung von Elektrizität für das Netz zwei der wichtigsten finanziellen Belange für einen Inhaber und/oder Betreiber von einem auf einer Schwerlastgasturbine basierten Aggregat. Daher ist eine Vorausplanung für Instandhaltungsabschaltungen notwendig, um die Abschaltdauer zu verringern und ungeplante oder erzwungene Abschaltungen zu vermeiden. Einige der primären Faktoren, die den Instandhaltungsplanungsprozess beeinträchtigen beinhalten einen Betriebsmodus oder Leistungsproduktionsanforderungen eines Betreibers, Betriebsanwendungen, Emissionsbeschränkungen und die Konstruktionsgrenzen von verschiedenen Hardwarekomponenten.
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Wie es hierin angegeben ist, sind der Betriebsmodus und/oder Betriebsanwendungen massiv durch die Auslaegungsgrenzen von jeder individuellen Hardwarekomponente beeinflusst, insbesondere solche, die mit dem Verbrennungsprozess in Verbindung stehen und/oder solche, die in Kontakt mit Verbrennungsgasen gelangen, sind von größtem Kostenaufwand und von größter Bedeutung für einen Inhaber/Betreiber. Zum Beispiel enthalten Teile des Verbrennungssystems allgemein Brennstoffdüsenanordnungen, Brennkammerauskleidungen, Übergangskanäle, Strömungshülsen, Prallhülsen und Überschlagrohre. Komponenten der Turbine, die mit den heißen Verbrennungsgasen in Kontakt kommen, enthalten allgemein Statorschaufeln, stationäre Deckbänder und Rotorschaufeln. Jede von diesen Komponenten erfordert eine sorgfältige Aufmerksamkeit und hat direkten Einfluss auf den Instanthaltungsplan für und die Kosten zum Besitzen/Betreiben der Gasturbine aufgrund der verschiedenen Faktoren, aufweisend thermisch mechanische Schwächung, Kriechen und/oder Verbrennungsdynamiken. Die erwartete oder gewünschte Lebensdauer von diesen Hardwarekomponenten ist allgemein in Bezug auf Betriebsstunden sowie auch als Anzahl von Zyklen oder Stopps und Starts definiert.
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Planungsalgorithmen von konventionellen Gasturbinensteuersystem bestimmen Einstellungen für Turbinensteuereffektoren oder Turbinensteuereingangswerten, die die Turbine veranlassen, innerhalb vorgegebener Grenzen zu arbeiten, wie etwa ein vorherbestimmter Zündzeitplan, der beträchtlich durch die Konstruktionsgrenzen der individuellen Hartwarekomponenten beeinträchtigt sein kann. Typischerweise schützen die Ablaufalgorithmen gegen Szenarien des schlimmsten Falls und haben eingebaute Annahmen, die auf bestimmten Betriebszuständen basieren, die versuchen die Zeit zwischen den Instandhaltungsintervallen zu maximieren oder zu optimieren. Jedoch kann es Zeiten geben, zu denen ein Betreiber es bevorzugen würde, die sofortige Ökonomie oder Profitabilität des Aggregats zu Lasten der Hardwarekomponenten Lebensdauer zu optimieren. Das hierin offenbarte System und Verfahren ermöglichen allgemein das Betreiben des gasturbinenbasierten Aggregats basierend auf einer Echtzeit- oder Fast-Echtzeit-Hardwareverbrauchsrate anstelle des Steuerns der Gasturbine basierend auf starren herkömmlichen Steuerablaufplanungen, wodurch es einem Betreiber ermöglicht wird, die Gesamtökonomie der Gasturbine mit einem klaren Verständnis für den potenziellen Einfluss auf die Hardwarelebensdauer und die verbleibende Zeit zwischen Instandhaltungsintervallen zu optimieren.
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Mit Bezug auf die Figuren ist 1 eine schematische Darstellung eines gasturbinenbasierten Aggregats 10 enthaltend eine Gasturbine 12, einen Kompressor 14, ein Brennkammersystem aufweisend eine oder mehrere Brennkammern 16 stromabwärts des Kompressors 14, eine Turbine 18 stromabwärts der Brennkammern 16, die mit dem Kompressor 14 antriebsverbunden ist, und eine Steuerung oder ein Steuersystem 20. In einer Konfiguration leitet ein Einlasskanal 22 Umgebungsluft über eine oder mehrere Einlassleitflügel und in den Kompressor 14. Der Kompressor 14 komprimiert die Umgebungsluft zunehmend und leitet die komprimierte Luft zu den Brennkammern 16, wo sie mit einem Brennstoff gemischt und verbrannt wird, um Verbrennungsgase 26 zu produzieren. Die Verbrennungsgase 26 werden durch die Turbine 18 geleitet, wodurch die Rotation einer Welle 28 verursacht wird. Die Verbrennungsgase 26 können dann von einem Auslass der Turbine 18 in einen Abgaskanal 30 geleitet werden, der verschiedene Emissionssteuerungen und/oder schallabsorbierende Einrichtungen und/oder ein Wärmegerinnungssystem, wie etwa einen Abhitzedampferzeuger (nicht gezeigt) aufweisen kann. Die Turbine 18 kann über die Welle 28 einen Generator 32 antreiben, um elektrische Leistung zu erzeugen.
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Bei bestimmten Konfigurationen sind verschiedenen Sensoren 34 elektronisch mit dem Steuersystem 20 verbunden. Die Sensoren 34 können Strömungssensoren, Drehzahlsensoren, Flammdetektorsensoren, Ventilpositionssensoren, Leitflügelwinkelsensoren, Temperatursensoren, akustische Sensoren, Drucksensoren und/oder andere Sensoren aufweisen, die verschiedenen Betriebsparameter in Bezug auf den Betrieb der Brennkammern 16 und/oder Gasturbine 12 sensieren. Ein Brennstoffsteuersystem 36 kann vorhanden sein, um den zu den Brennkammern 16 fließenden Brennstoff zu regeln. Das Brennstoffsteuersystem 36 kann Brennstoffteile zwischen Brennstoffkreisläufen innerhalb jeder Brennkammer 16 steuern, die die Strömungssteuerung des Brennstoffs in verschiedene Brennstoffdüsen innerhalb jeder Brennkammer 14 ermöglichen. Das Brennstoffsteuersystem 36 kann, unter anderen Funktionen, auch eine Brennstoffart oder Zusammensetzung zur Verbrennung in den Brennkammern 16 auswählen und/oder die Temperatur des Brennstoffs regeln. Das Brennstoffsteuersystem 26 kann eine separate Einheit oder eine Komponente des Steuersystems 20 sein.
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2 stellt eine Querschnittsseitenansicht einer beispielhaften Brennkammer 16 bereit, wie sie verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beinhalten kann. Wie veranschaulicht ist die Brennkammer 16 zumindest teilweise durch ein Kompressorauslass- oder äußeres Gehäuse 38 umgeben. Eine Endabdeckung 40 kann mit dem Kompressorauslassgehäuse 38 verbunden sein. Das Kompressorauslassgehäuse 38 bildet allgemein ein Hochdruckplenum 39, das die Brennkammern 16 zumindest teilweise umgibt. Das Hochdruckplenum 39 steht in Fluidverbindung mit dem Kompressor 14.
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Verschiedene Hardwarekomponenten sind innerhalb des äußeren Gehäuses 38 angeordnet. Zum Beispiel weisen die Hardwarekomponenten allgemein eine oder mehrere Brennstoffdüsen 42 auf, die sich axial stromabwärts von der Endabdeckung 40 erstrecken. Eine oder mehrere Ringverkleidungen, wie etwa eine Brennkammerauskleidung 44 und/oder ein Übergangskanal 46 erstrecken sich stromabwärts von den Düsen 42, um einen Heißgaspfad 48 durch das Kompressorauslassgehäuse 38 zu bilden, um die heißen Verbrennungsgase 26 zu dem Einlass 50 der Turbine 18 zu leiten. Eine ringförmige Strömungshülse 52 kann die Brennkammerauskleidung 44 zumindest teilweise umgeben und eine ringförmige Prallhülse 54 kann den Übergangskanal 46 zumindest teilweise umgeben, um einen ringförmigen Kühlströmungsdurchgang 56 dazwischen zu bilden. Eine Stufe oder eine Reihe von stationären oder Statorschaufeln 58 kann an den Turbineneinlass 50 angeordnet sein.
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Die Turbine 18 enthält allgemein verschiedene Hardwarekomponenten, die auch in direkten oder indirekten Kontakt mit den heißen Verbrennungsgasen 26 gelangen. Zum Beispiel können die Hardwarekomponenten der Turbine 18 aufweisen, sind aber nicht beschränkt auf eine oder mehrere Reihen oder Stufen von rotierbaren Turbinenschaufeln 60 und eine oder mehrere Reihen von stationären oder Statorschaufeln 62. Die Turbinenschaufeln 60 können mit der Welle 28 über eine oder mehrere Rotorscheiben 64 verbunden sein, die sich von der Welle 28 radial nach außen erstrecken. Während des Betriebs kann komprimierte Luft von dem Kompressor 16 und/oder ein Kühlmedium, wie etwa Dampf, in verschiedene Zwischenräume gelenkt werden, die zwischen benachbarten Rotorscheiben 64 gebildet sind, die hierin als Radzwischenraum 66 bezeichnet werden und/oder in verschiedene Kühlströmungspfade, die innerhalb der Turbinenrotorschaufeln 60 und/oder der stationären Schaufeln 58, 62 gebildet sind, um diese Hardwarekomponenten oder Freiräume zu kühlen.
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Das Steuersystem, wie es hierin beschrieben ist, kann einen oder mehrere Prozessoren oder Prozessoreinheiten, Systemspeicher und einige Arten von computerlesbaren Medien aufweise. Zum Beispiel enthält das Steuersystem 20 in verschiedenen Ausführungsbeispielen ein Rechensystem oder eine Recheneinrichtung 68, die mindestens einen Prozessor 70 hat, der Programme und Befehle ausführt, um den Betrieb der Gasturbine 12 unter Verwendung von Sensoreingaben, Planungsalgorithmen, Steuermodellen, und/oder Befehlen von menschlichen Bedienpersonen auszuführen. Die Programme und Befehle, die durch das Steuersystem 20 ausgeführt werden, können unter anderem das Sensieren und/oder das Modellieren von Betriebsparametern, Betriebsbeschränkungen, das Anwenden von Betriebsbeschränkungsmodellen, das Anwenden von Planungsalgorithmen und das Anwenden von Beschränkungssteuerlogik aufweisen.
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Bei einem Ausführungsbeispiel, wie es in 1 veranschaulicht ist, ist das Steuersystem 20 dazu eingerichtet, die Signale 72 von dem einen oder den mehreren Sensoren 34 zu empfangen, die den Betrieb der Gasturbine 12 überwachen. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen können die Sensoren 34 dazu eingerichtet sein, verschiedene Betriebsparameter der Gasturbine 12 zu sensieren und diese Signale 72, die charakteristisch für die Betriebsparameter sind, zurück zu dem Steuersystem 20 und/oder der Recheneinrichtung zu kommunizieren oder zu übertragen. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen können die Sensoren 34 Temperatursensoren aufweise, die die eine Umgebungstemperatur um die Gasturbine 12, eine Brennstofftemperatur, eine Kompressorausgangstemperatur, eine Verbrennungsgastemperatur an der stationären Schaufel 58 oder dem Einlass zu der Turbine 18, eine Verbrennungsgastemperatur bei verschiedenen Stufen innerhalb der Turbine 18, eine Kühlungsluft- oder Mediumströmungstemperatur zu dem Radzwischenraum 66 und/oder den Turbinenhardwarekomponenten und eine Turbinenabgastemperatur überwachen.
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Gleichermaßen können die Sensoren 34 bei bestimmten Ausführungsbeispielen verschiedene Drucksensoren aufweisen, die den Umgebungsdruck und/oder statische und dynamische Druckniveaus am Kompressoreingang und am Kompressorausgang und/oder den Druck innerhalb des Kompressorauslassgehäuses und/oder den Druck an dem Turbinenauslass und/oder an anderen Stellen in dem Heißgaspfad 48 durch die Gasturbine 12 überwacht oder sensiert. Zusätzlich oder alternativ können die Sensoren 34 verschiedenen Feuchtigkeitssensoren aufweisen, zum Beispiel Luftfeuchtigkeitsmesser, die die Umgebungsluftfeuchtigkeit an dem Einlasskanal 22 des Kompressors 14 messen. Die Sensoren können auch die Generatorausgangsleistung detektieren oder sensieren. Die Sensoren 34 können auch Strömungssensoren, Drehzahlsensoren, Flammdetektorsensoren, Ventilpositionssensoren, Leitflügelwinkelsensoren oder dergleichen aufweisen, die verschiedene Betriebsparameter sensieren, die relevant sind für den Betrieb der Gasturbine 12 und/oder des gasturbinenbasierten Aggregats 10. Wie es hierin verwendet wird bezieht sich „Betriebsparameter” auf Merkmale, die verwendet werden können, um die Betriebszustände der Gasturbine 12 zu definieren, wie etwa Temperaturen, Drücke und Gasströmungen an definierten Stellen in der Gasturbine 12.
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Bei einem Ausführungsbeispiel, wie es in 1 dargestellt ist, weist das Steuersystem 20 eine Anzeigeeinrichtung 74 auf. Die Anzeigeeinrichtung 74 kann zum Beispiel ein kapazitiver berührungsempfindlicher Bildschirm sein, der in das Steuersystem 20 integriert ist oder außerhalb des Steuersystems 20 vorhanden ist. Eine Bedieneingabefunktionalität kann in der Anzeigeeinrichtung 74 bereitgestellt werden, die als Bedieneingabeauswahleinrichtung wirken kann. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen kann die Anzeige eine mobile Kommunikationseinrichtung aufweisen, wie etwa aber nicht beschränkt auf ein Smartphone, einen Tabletcomputer, einen Laptopcomputer oder dergleichen.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist ein System 100 zur Steuerung eines Gasturbinenaggregats 10 bereitgestellt. Das System 100 enthält eine Mehrzahl von Sensoren 34, wobei jeder Sensor 34 dazu eingerichtet ist einen Betriebsparameter der Gasturbine 12 zu sensieren und/oder ein Signal 72 das charakteristisch für einen Betriebsparameter der Gasturbine 12 ist an das Steuersystem 20 zu kommunizieren. Zum Beispiel können die Sensoren 34 bei bestimmten Ausführungsbeispielen dazu eingerichtet sein, Betriebsparameter, wie etwa Temperaturen, Drücke und/oder Gasströmungen an definierten Stellen in und/oder um die Gasturbine 12 zu sensieren.
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Die Sensoren 34 können innerhalb oder an einem oder mehreren Abschnitten der Gasturbine 12 angeordnet sein. Zum Beispiel können die Sensoren 34 verbunden sein mit und/oder angeordnet sein innerhalb von irgendeinem oder irgendeiner Kombination von dem Einlasskanal 22, dem Kompressor 14, dem Kompressorauslassgehäuse 38, den Brennkammern 16, dem Brennstoffsteuersystem 36, dem Turbineneinlass 50, der Turbine 18, dem Abgaskanal 30, dem Heißgaspfad 48, dem Generator 32 oder können aufgebaut oder angeordnet sein, um Umgebungszustände um die Gasturbine 12 zu sensieren. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Sensoren 34 dazu eingerichtet, die Kompressorauslasstemperatur und/oder die Verbrennungsgastemperatur und/oder die Kühlmediumtemperatur und/oder die Abgastemperatur zu überwachen oder zu detektieren. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Sensoren 34 dazu eingerichtet, Umgebungszustände an dem Einlass 22 zu der Gasturbine 12, die Brennstofftemperatur, die Brennstofftemperatur, die Brennstoffzusammensetzung, die Temperatur im Radzwischenraum 66, Verbrennungsdynamiken und Brennkammertypen zu sensieren, zu überwachen oder zu detektieren.
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Bei bestimmten Ausführungsbeispielen enthält das System 100 außerdem das Steuersystem 20 einschließlich der Recheneinrichtung 68, die in elektronischer Kommunikationsverbindung mit jedem der Sensoren 34 steht. Das Steuersystem 20 und/oder die Recheneinrichtung 68 sind dazu eingerichtet, die Signale 72 von den Sensoren 34 zu empfangen. Zum Beispiel können die Sensoren 34 mit dem Steuersystem 20 und/oder der Recheneinrichtung 68 über verschiedenen drahtgebundene Verbindungen, Stecker und dergleichen verbunden sein. Zusätzlich oder alternativ können die Sensoren 34 über eine drahtlose Verbindung in elektronischer Kommunikationsverbindung mit dem Steuersystem 20 und/oder der Recheneinrichtung 68 stehen.
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Bei bestimmten Ausführungsbeispielen sind das Steuersystem 20 und/oder die Recheneinrichtung 68 dazu eingerichtet, den kumulativen Verschleiß für eine oder mehrere Hardwarekomponenten der Brennkammer 16 und/oder der Turbine 18 über einen oder mehrere ausführbare Algorithmen zu berechnen, die zumindest zum Teil auf einem oder mehreren der Signale 72 basieren, die durch die Sensoren 34 bereitgestellt werden, wobei die Signale charakteristisch sind für einen oder mehrere Betriebsparameter der Gasturbine. Der Begriff „kumulativer Verschleiß”, wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf thermischen, mechanischen oder anderen lebensdauerbegrenzenden Verschleiß, der die verbleibende oder nutzbare Lebensdauer der Hardwarekomponenten reduziert. Der kumulative Verschleiß kann zumindest zum Teil basierend auf einem Ausgangszustand oder bekannten Verwendungsstunden einer bestimmten Hardwarekomponente ermittelt werden. Zum Beispiel würde eine neue Hardwarekomponente keinen kumulativen Verschleiß haben. Wenn die Hardwarekomponente benutzt wird, steigt der kumulative Verschleiß an.
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Bei einem Ausführungsbeispiel kann das Steuersystem 20 und/oder die Recheneinrichtung 68 programmiert sein, um einen oder mehrere Algorithmen auszuführen, die eine Schadenssummierung in Echtzeit oder nahe Echtzeit bereitstellen, unter Verwendung von Standardlebenszeittechniken, wie etwa, aber nicht beschränkt auf Schadensintegrale, Rainflow-Zählung und Miner-Regel, die dann verwendet werden können, um den kumulativen Verschließ zu integrieren und eine Schätzung der verbleibenden nutzbaren Lebensdauer bereitzustellen. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen sind das Steuersystem 20 und/oder die Recheneinrichtung 68 mit einem oder mehreren physikbasierten Hardwarekomponentenlebensdauermodellen von zumindest einer von der einen oder den mehreren Hardwarekomponenten der Gasturbine 12 programmiert. Als solcher kann der kumulative Verschleiß bei bestimmten Ausführungsbeispielen zumindest teilweise berechnet oder geschätzt werden basierend zumindest zum Teil auf den physikbasierten Hardwarekomponentenlebenszeitmodellen.
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Bei bestimmten Ausführungsbeispielen sind das Steuersystem 20, die Recheneinrichtung 68 und/oder die Anzeigeeinrichtung 74 dazu eingerichtet, Eingabebefehle zu empfangen, die charakteristisch sind für einen gewünschten Betriebsmodus der Gasturbine 12. Zum Beispiel kann der gewünschte Betriebsmodus Betriebsmodi für Volllast bei voller Drehzahl, Basislast, Teillast, Hochfahren oder Herunterfahren für die Gasturbine 12 aufweisen. Der gewünschte Betriebsmodus kann zumindest teilweise auf einem oder mehreren ökonomischen Zielen des Aggregats beruhen. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen können die ökonomischen Ziele enthalten, sind aber nicht beschränkt auf die Aggregatsausgangsleistung, Effizienz, Hardwarekomponentenreparaturkosten, Risiko von ungeplanten Stilllegungen, Aggregathochlaufzeit und/oder Aggregatemissionen.
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Bei bestimmten Ausführungsbeispielen sind das Steuersystem 20 und/oder die Recheneinrichtung 68 dazu eingerichtet, eine Hardwareverbrauchsrate mittels einem oder mehreren ausführbaren Algorithmen zu berechnen, die zumindest zum Teil auf den kumulativen Verschleiß von einer oder mehreren der Hardwarekomponenten und dem gewünschten Betriebsmodus basieren. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Hardwareverbrauchsrate zumindest teilweise auf einem oder mehreren Ausgangsparametern des gewünschten Betriebsmodus basieren, wie etwa der Leistungsabgabe. In einem Ausführungsbeispiel kann die Hardwareverbrauchsrate zumindest teilweise auf den physikbasierten Hardwarekomponentenlebenszeitmodellen beruhen.
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Der Hardwareverbrauchsratenalgorithmus kann auf der Zündtemperatur innerhalb der Brennkammer 16 und/oder der Verbrennungsgastemperatur innerhalb der Turbine 18 und/oder der Kühlluftzulufttemperatur und/oder der Turbinenabgastemperatur und/oder Umgebungsbedingungen um die Gasturbine 12 herum und/oder der Brennstofftemperatur und/oder der Brennstoffanteile und/oder der Brennstoffqualität oder Brennstoffzusammensetzung und/oder der Kompressorausgangstemperatur und/oder der Temperatur im Radzwischenraum und/oder Verbrennungsdynamiken und/oder der Brennkammertypen und/oder der Betriebsdaten vom Abhitzedampferzeuger, wie etwa Dampftemperatur, und/oder der Generatorausgangsleistung und/oder der Hardwarekomponentenauslegungsgrenzen, die vorher in dem Steuersystem 20 gespeichert wurden oder dem Steuersystem 20 zur Verfügung gestellt werden, basieren.
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Bei bestimmten Ausführungsbeispielen sind das Steuersystem 20 und/oder die Recheneinrichtung 68 dazu eingerichtet, die Hardwareverbrauchsrate in Echtzeit und/oder Fast-Echtzeit oder zu jedem angeforderten Zeitpunkt irgendeiner interessierenden Partei anzuzeigen, wie etwa einer Bedienperson und/oder einem Inhaber, mittels der Anzeigeeinrichtung 74 oder einer anderen Anzeigeeinheit, wie etwa einem LCD- oder CRT-Monitor und/oder entfernt über Drahtverbindungsmittel, wie etwa das Internet oder mittels verschiedener drahtloser Mittel, wie etwa einem Mobiltelefone, einem Smartphone, einem Tablet oder einem PDA durch Textnachrichten, E-Mail, drahtlose Netzwerke oder dergleichen.
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In bestimmten Ausführungsbeispielen kann die Hardwareverbrauchsrate als ein numerischer oder anderer Wert an der Anzeigeeinrichtung 74 angezeigt werden. Zum Beispiel kann eine Hardwareverbrauchsrate von 1,0 anzeigen, dass eine bestimmte Leistungsabgabe, Auswahl oder ein gewünschter Betriebsmodus keinen nachteiligen oder beschleunigten Effekt auf die Lebenszeit der verschiedenen Hardwarekomponenten haben würde. Eine Hardwareverbrauchsrate von größer als 1,0, wie etwa 1,1, kann einen beschleunigten Effekt auf die Hardwarekomponente oder Komponenten anzeigen, mithin das Sinken der Zeit zwischen den Instandhaltungsintervallen. Gleichermaßen kann eine Hardwareverbrauchsrate von weniger als 1,0, wie etwa 0,9, einen verzögerten Effekt auf die Hardwarekomponentenlebenszeit anzeigen, mithin das Einsteigen der Zeit zwischen den Instandhaltungsintervallen.
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Das hierin bereitgestellte System 100 stellt einem Inhaber und/oder Betreiber ein Echtzeitwerkzeug oder ein nahe der Echtzeit arbeitendes Werkzeug zur Analyse von verschiedenen ökonomischen und/oder anderen Faktoren bereit, wie etwa Brennstoffkosten, Einfluss auf die Gasturbinenverfügbarkeit, Abschaltzeitplanung, zukünftige Instandhaltungskosten, aktuelle Kosten der Leistung, Einfluss auf den Kundennutzen und Einnahmeströme basierend auf der Hardwareverbrauchsrate, sowie zum Einstellen und Auswählen des gewünschten Betriebsmodus der Gasturbine und/oder des Aggregats. Zum Beispiel kann der Betreiber basierend auf der Hardwareverbrauchsrate und irgendwelchen der ökonomischen und/oder anderen Faktoren, die oben angeführt sind, auswählen, die Gasturbine in einen Modus zu betreiben, die eine höhere Leistung zu Lasten von der Hardwarelebensdauer produziert, um die Einnahme für das Aggregat zu erhöhen oder eine kritische Kundenanforderung zu erfüllen. Alternativ kann der Betreiber wählen, in einem Modus zu arbeiten, der die Lebenszeit der Hardware erhöht, wodurch Kosten hinsichtlich der Instandhaltung, der Reparatur und der Stillstandszeiten gespart werden.
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Zusätzlich zum Bereitstellen der Hardwareverbrauchsrate kann das Steuersystem 20 auch Daten verwenden, die in Bezug auf verschiedene Betriebsparameter von den verschiedenen Sensoren 34 der Gasturbine 12 allein oder in Verbindung mit verschiedenen Ingenieurs- oder Auslegungsgrenzeingaben beziehen, um einen Algorithmus auszuführen, der die verbleibende Lebensdauer von jeder oder einigen der verschiedenen Hardwarekomponenten berechnet. Zum Beispiel kann ein Algorithmus für die verbleibende Lebenszeit auf einem oder mehreren von der Zündtemperatur innerhalb der Brennkammern 16, der Verbrennungsgastemperatur innerhalb der Turbine 18, der Turbinenabgastemperatur, Umgebungsbedingungen, um die Gasturbine 12 herum, Brennstoffanteildaten, Brennstofftemperatur, Brennstoffqualität oder Brennstoffzusammensetzung, Kompressorausgangstemperatur, Temperatur des Radzwischenraums, Verbrennungsdynamiken, Prozentanteil an der Volllast, Brennkammerart, Materialzusammensetzung der verschiedenen Hardwarekomponenten, historische Lebensdaten und physikbasierte Lebenszeitschätzungen der verschiedenen Hardwarekomponenten basieren.
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In zumindest einem Ausführungsbeispiel, wie es in 3 gezeigt ist, stellt das System 100 ein Verfahren 200 zur Steuerung des gasturbinenbasierten Aggregats 10 bereit. Wie es in 3 bei 202 gezeigt ist, umfasst das Verfahren 200 das Ermitteln oder Berechnen des kumulativen Verschleißes für zumindest eine der Hardwarekomponenten der Gasturbine 12 basierend zumindest zum Teil auf dem einen oder mehreren sensierten Betriebsparametern, mittels der Recheneinrichtung 68 des Steuersystems 20. Bei einem Ausführungsbeispiel enthalten die sensierten Betriebsparameter zumindest einem von der Kompressorausgangstemperatur, der Verbrennungsgastemperatur, der Kühlmediumtemperatur und der Abgastemperatur. Bei einem Ausführungsbeispiel enthalten der eine oder die mehreren sensierten Betriebsparameter zumindest einen von den Umgebungsbedingungen an dem Einlass der Gasturbine, der Brennstofftemperatur, der Brennstoffqualität oder Zusammensetzung, der Temperatur im Radzwischenraum, der Verbrennungsdynamiken und des Brennkammertyps. In einem Ausführungsbeispiel ist die Hardwarekomponente der Gasturbine 12 eine von der Brennkammerauskleidung 44, dem Übergangskanal 46, einer Brennstoffdüse 42, einer stationären Turbinenschaufel 58 oder einer Turbinenschaufel 60. In einem Ausführungsbeispiel ist der kumulative Verschleiß zumindest teilweise basiert auf einem physikbasierten Hardwarelebenszeitmodell der Komponente der Gasturbine.
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Bei 204 enthält das Verfahren 200 das Eingeben eines gewünschten Betriebsmodus für die Gasturbine 12 in das Steuersystem 20. Zum Beispiel kann eine Bedienperson wünschen, die Gasturbine 12 bei Basislast, Volllast mit voller Drehzahl, Teillast oder in einigen anderen Betriebsmodi zu betreiben. Bei 206 enthält das Verfahren 200 das Ermitteln oder Berechnen einer Hardwareverbrauchsrate für die wenigstens eine Hardwarekomponente mittels der Recheneinrichtung 68 und/oder des Steuersystems 20 basierend zumindest zum Teil auf dem kumulativen Verschleiß und dem gewünschten Betriebsmodus. Bei einem Ausführungsbeispiel basiert die Hardwareverschleißrate zumindest zum Teil auf einem oder mehreren Ausgangsparametern, die mit dem gewünschten Betriebsmodus der Gasturbine 12 verbunden sind, wie etwa, aber nicht beschränkt auf die Generatorleistungsabgabe. Bei 208 enthält das Verfahren 200 das Bereitstellen der Hardwareverbrauchsrate über die Anzeigeeinrichtung 74 für die Bedienperson.
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In weiteren Ausführungsbeispielen kann das Verfahren 200 das Auswählen des gewünschten Betriebsmodus basiert auf der Hardwareverbrauchsrate umfassen. In weiteren Ausführungsbeispielen kann das Verfahren 200 das Auswählen eines anderen gewünschten Betriebsmodus basierend auf der Hardwareverbrauchsrate aufweisen, das Berechnen einer zweiten Hardwareverbrauchsrate basierend zumindest zum Teil auf den kumulierten Verschleiß, mittels der Recheneinrichtung und das Bereitstellen der zweiten Hardwareverbrauchsrate mittels der Anzeigeeinrichtung 74 für die Bedienperson. Zusätzlich oder alternativ kann das Verfahren 200 das Auswählen des gewünschten Betriebsmodus für die Gasturbine basierend zumindest zum Teil auf der Hardwareverbrauchsrate und einer oder mehreren ökonomischen Zielen des Aggregats aufweisen. Zum Beispiel können die ökonomischen Ziele des Aggregats bei einem Ausführungsbeispiel zumindest eines von der verbleibenden Hardwarekomponentenlebensdauer, der Gasturbinenstillstandszeitplanung, der Aggregatausgangsleistung, der Wärmerate der Gasturbine und der Emissionserfüllung des Aggregats enthalten.
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Bei anderen Ausführungsbeispielen kann das Verfahren 200 das gleichzeitige Anzeigen verschiedener Hardwareverbrauchsraten umfassen, die zu verschiedenen Leistungsabgabeoptionen innerhalb eines vorher spezifizierten Bereichs eines vom Betreiber gewünschten Betriebsmodus mittels der Anzeigeeinrichtung 74. Zusätzlich oder alternativ kann das Verfahren 200 außerdem das Vergleichen und/oder Analysieren von verschiedenen ökonomischen und/oder anderen Faktoren aufweisen, wie etwa Brennstoffkosten, Einfluss auf die Gasturbinenverfügbarkeit, Stillstandsplanungen, zukünftige Instandhaltungskosten, aktuelle Leistungskosten, Einfluss auf einen Kundennutzen und Einnahmeströme, basierend auf der Hardwareverbrauchsrate, sowie das Einstellen und Auswählen des gewünschten Betriebsmodus der Gasturbine und/oder des Aggregats. Zum Beispiel kann der Betreiber basierend auf der Hardwareverbrauchsrate und irgendeinem von den ökonomischen und/oder anderen Faktoren, die oben erwähnt sind, auswählen, die Gasturbine in einem Modus zu betreiben, der eine höhere Leistung zu Lasten der Hardwarelebensdauer zu betreiben, um die Einnahmen für das Aggregat zu erhöhen oder eine kritische Kundenanforderung zu erfüllen. Alternativ kann der Betreiber wählen in einem Modus zu arbeiten, der die Lebenszeit der Hardware verlängert, wodurch Kosten in Bezug auf die Instandhaltung, die Reparatur und die Stillstandszeiten eingespart werden.
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Die schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung zu offenbaren, einschließlich des bevorzugten Ausführungsbeispiels und auch um irgendeinen Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung auszuführen, einschließlich des Herstellens und des Verwendens von irgendwelchen Einrichtungen oder Systemen und des Ausführens von irgendwelchen beinhalteten Verfahren. Der patentierbare Schutzbereich der Erfindung ist durch die Patentansprüche definiert und kann andere Beispiele enthalten, die Fachleuten offenbar werden. Solche anderen Beispiele sind dazu bestimmt innerhalb des Schutzbereichs der Patentansprüche zu liegen, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die nicht von dem Wortlaut der Patentansprüche abweichen oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit nicht substantiellen Unterschieden von dem Wortlaut der Patentansprüche aufweisen.
