DE4108787C2 - Vorrichtung zum Steuern der einer Gasturbine zugeführten Brennstoffmenge - Google Patents

Vorrichtung zum Steuern der einer Gasturbine zugeführten Brennstoffmenge

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern der einer Gasturbine zugeführten Brennstoffmenge gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei Maschinen, bei denen der Antrieb und die Last zusammenhängen, etwa in der Form eines Generators und einer damit kombinierten Antriebsmaschine, wird als Lastrücknahme oder "First Cut Back" der Zustand bezeichnet, daß die Last am Generator abrupt auf Null oder einen gewissen festen Wert reduziert wird, während die gewöhnliche oder normale Drehzahl aufrechterhalten bleibt. Im Falle einer solchen Lastrücknahme ist es erforderlich, die Antriebsmaschine so zu steuern, daß weniger Energie zugeführt wird.
Beispielsweise wird nämlich in rotierenden Maschinen wie einer Dampfturbine im Falle einer solchen Lastrücknahme die erzeugte Energie in Rotationsenergie umgewandelt, wodurch die Drehzahl ansteigt, wenn die Dampfzuführung nicht verringert wird. Rotierende Maschinen haben jedoch eine obere Grenze für die Drehzahl, die durch die Festigkeit des verwendeten Materiales bestimmt wird, so daß es erforderlich ist, ein Dampfzuführventil so zu steuern, daß es auf einen geeigneten Öffnungswert eingestellt wird, der verhindert, daß die Drehzahl die obere Grenze übersteigt. Erfolgt die Lastrücknahme bei einer Gasturbine, ist es erforderlich, die zugeführte Brennstoffmenge aus dem gleichen Grund zu reduzieren. Eine Gasturbine besteht im allgemeinen aus einem Kompressor, einer Brennkammer und einer Turbine. In die Brennkammer wird Brennstoff eingespritzt, der dort mit Luft verbrannt wird, die durch den Kompressor hoch verdichtet wurde. Das Verbrennungsgas expandiert in der Turbine und erzeugt oder leistet dort Arbeit. Da es erforderlich ist, daß der Kompressor jederzeit verdichtete Luft erzeugt, um die Drehzahl der Gasturbine konstant zu halten, muß auch ohne Last an der Turbine eine Arbeit geleistet werden, die der Verdichtungsarbeit entspricht, mit dem Ergebnis, daß auch dann eine gewisse vorgegebene Menge an Brennstoff zuzuführen ist, wenn keine Last an der Gasturbine anliegt. Des weiteren kann in der Brennkammer der Gasturbine keine Verbrennung erfolgen, wenn die der Brennkammer zugeführte Brennstoffmenge unter einem gewissen Grenzwert liegt, da sonst der Brennvorgang ungewollt erlischt (im Englischen als "Flameout" bezeichnet). Dieses ungewollte Erlöschen hat zur Folge, daß aus der Gasturbine Luft zusammen mit brennbaren Stoffen austritt, eine extrem gefährliche Situation. Eine der Funktionen, die das Brennstoffmengenregelventil deshalb notwendigerweise auszuführen hat, ist es deshalb, schnell von der Öffnung im normalen Betriebszustand zu einer Öffnung überzugehen, bei der die Brennstoffmenge derjenigen für den Zustand ohne Last entspricht, ohne daß der Brennvorgang erlöscht und ohne daß zum Zeitpunkt der Lastrücknahme die Drehzahl wesentlich ansteigt.
Aus der US-PS 4 185 203 ist eine Steuervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt, bei der Einrichtungen vorgesehen sind, um bei einer plötzlichen Lastabschaltung eine unzulässige Beschleunigung der Turbinenrotoren zu verhindern. Einrichtungen zur Vermeidung des o. g. Problems des Flammerlöschens werden nicht vorgeschlagen.
Aus der DE-OS 26 35 993 ist es zwar bekannt, bei einer gattungsgemäßen Steuervorrichtung einen statischen, minimalen Brennstofffluß vorzusehen, auf den bei Lastabschaltung heruntergefahren wird, um ein Verlöschen der Flamme zu vermeiden.
Die US-PS 4 432 201 beschreibt eine Regelung für eine Fluggasturbine, bei der Begrenzungseinrichtungen vorgesehen sind, um unzulässig hohe Beschleunigungen oder Verzögerungen der Turbine bei schnellen Laständerungen zu verhindern, wobei abklingende Korrekturterme verwendet werden. Maßnahmen zur Vermeidung des Flammerlöschens sind nicht offenbart.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Steuervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, die in der Lage ist, das Verlöschen des Brennvorgangs in der Gasturbinenbrennkammer auch bei plötzlicher Reduzierung der Last sicher zu verhindern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Insbesondere weist die Erfindung eine Vorrichtung zum Steuern der einer Gasturbine zugeführten Brennstoffmenge auf, die ein Brennstoffmengenregelventil zum Steuern der Menge des einer Brennkammer zugeführten Brennstoffs und eine Ventilöffnungssteuereinrichtung zur Ausgabe eines Öffnungsbefehles an das Brennstoffmengenregelventil entsprechend der Größe einer Last an der Turbine aufweist, wodurch die Verbrennungssteuerung gemäß der Last an der Turbine erfolgt. Die Ventilöffnungssteuereinrichtung enthält eine Korrektursteuereinrichtung zum Betreiben des Brennstoffmengenregelventiles mit hoher Geschwindigkeit in einer anfänglichen Stufe des Öffnens und Schließens davon und mit niedrigerer Geschwindigkeit in der Nähe des gewünschten Öffnungswertes.
Es wird somit erfindungsgemäß, um die Brennstoffzuführung sofort auf den Wert zu bringen, der bei plötzlich verringerter Last erforderlich ist, das Brennstoffmengenregelventil mit hoher Geschwindigkeit geschlossen, bis die für die kleine Last erforderliche Brennstoffmenge halbwegs erreicht ist, und danach mit einer geringeren Geschwindigkeit geschlossen als vorher, entsprechend der ausgeführten Korrektur. Wenn die für die geänderte Last erforderliche Brennstoffmenge erreicht ist, das heißt wenn der erwünschte oder Soll-Öffnungswert erreicht ist, wird daher die Öffnungs- und Schließgeschwindigkeit des Regelventils herabgesetzt. Folglich ist es möglich, ein Unterschwingen des Regelventiles zu verringern, wodurch es wiederum möglich ist, das Verlöschen des Brennvorganges in der Brennkammer sicher zu verhindern, ohne daß die Drehzahl der Gasturbine über einen Grenzwert ansteigt.
Ein Ausführungsbeispiel für das Verfahren und die Vorrichtung zum Steuern der einer Gasturbine zugeführten Brennstoffmenge wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Gasturbinen-Regelsystems zur Erläuterung einer Ausführungsform des Brennstoffmengen- Steuerverfahrens;
Fig. 2 eine graphische Darstellung von charakteristischen Kurven, die erhalten werden, wenn eine Gasturbine gemäß der Ausführungsform nach Fig. 1 betrieben wird;
Fig. 3 ein Blockdiagramm eines herkömmlichen Gasturbinen-Regelsystems zur Erläuterung des herkömmlichen Steuerverfahrens;
Fig. 4 eine graphische Darstellung von charakteristischen Kurven, die erhalten werden, wenn eine Gasturbine gemäß Fig. 3 betrieben wird; und
Fig. 5 und 6 Diagramme zur Darstellung von Korrekturwerten für die erwünschte Öffnung eines Brennstoffmengenregelventiles bei dem Verfahren der Fig. 1 und 2.
Anhand der Fig. 1 wird im folgenden ein Ausführungsbeispiel beschrieben. Die von einem Ausgangsleistungsdetektor 6, der sich an einer Last 9 befindet und das Lastsignal bildet, festgestellte Ausgangsleistung W wird mit einer eingestellten Ausgangsleistung W*, die einen erwünschten Wert oder Sollwert darstellt, mittels eines Komparators 1 verglichen und durch eine erste Recheneinheit 2 gemäß der dabei erhaltenen Regelabweichung ΔW in eine Solldrehzahl N* umgewandelt. Die Umwandlungsfunktion ist bei einer Gasturbine gewöhnlich für den Fall, daß der erwünschte Wert gleich der Nennleistung ist, auf 104% und für den Fall ohne Last auf 100% eingestellt, während die Solldrehzahl N* mit einer vorgegebenen festen Rate erhöht wird, wenn die Regelabweichung ΔW positiv ist, und mit einer festen vorgegebenen Rate erniedrigt wird, wenn ΔW negativ ist. Für den Fall, daß an der Last 9 keine Energie benötigt wird, wird sie jedoch auf 100% eingestellt. Die von einem Drehzahldetektor 7 an einer Gasturbine 8 festgestellte Istdrehzahl N wird mit der Solldrehzahl N* in einem Komparator 3 verglichen und das dabei erhaltene Ausgangssignal ΔN durch eine zweite Recheneinheit 4 in den erwünschten Öffnungswert Ro eines Brennstoffmengenregelventiles 12 umgewandelt.
Eine Begrenzer-Recheneinheit 5 dient dazu, den Minimalwert für die erwünschte Öffnung des Brennstoffmengenregelventiles 12 zu berechnen, wobei die Öffnung des Brennstoffmengenregelventiles der Brennstoffmenge für das Auftreten des Verlöschens des Brennvorganges in einer Brennkammer 14 entspricht. Dieses Verlöschen des Brennvorganges erfolgt in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Brennkammer, das heißt es erfolgt, wenn das Brennstoff-Luft-Verhältnis gleich oder kleiner einem gewissen festgesetzten Wert wird. Da sich die der Brennkammer 14 vom Kompressor 13 zugeführte Luftmenge mit der Atmosphärentemperatur und der Drehzahl ändert, korrigiert die Recheneinheit 5 den Minimalwert der erwünschten Öffnung des Brennstoffmengenregelventiles 12 entsprechend der von einem Atmosphärentemperaturdetektor 11 festgestellten Temperatur und der Istdrehzahl N. In einer Korrektur- Recheneinheit 10 erfolgt ein Regelvorgang derart, daß in einem Addierer 16 ein durch ein weiter unten noch erläutertes Verfahren aus Parametern, die eine durch einen Öffnungsdetektor 15 für das Brennstoffmengenregelventil 12 festgestellte Ventilöffnung R einschließen, bestimmter und zeitabhängiger Korrekturfaktor ΔR₁ zu der erwünschten Öffnung R₁ des Brennstoffmengenregelventiles 12 hinzuaddiert wird und schließlich das sich ergebende R₂ als erwünschte Öffnung des Brennstoffmengenregelventiles 12 ausgegeben wird, wodurch sich die Ausgangsleistung gemäß R₂ an die Soll-Ausgangsleistung W* annähert.
Ein Druckregelventil 17 dient dazu, den Einlaßdruck P₂ am Brennstoffmengenregelventil 12, der von einem Druckdetektor 18 erfaßt wird, konstant zu halten. Die Brennstoffdurchflußmenge, die die Ausgangsleistung der Gasturbine bestimmt, ist daher durch die Öffnung des Brennstoffmengenregelventiles 12 eindeutig festgelegt.
Die Fig. 2 zeigt das Verhalten dieser Regelung bei einer Lastrücknahme, das heißt wenn die Soll-Ausgangsleistung W* für die Last 9 vom Nennwert plötzlich auf Null zurückgeht, im Vergleich mit der herkömmlichen Regelung. Des weiteren zeigt die Fig. 5 ein Beispiel für den Korrekturwert ΔR₁. Der Korrekturwert ΔR₁ ist dabei als ΔR₁=f(R(T₁), Zeit) ausgedrückt, wobei angenommen wird, daß R(T₁) die Öffnung R des Brennstoffmengenregelventiles zum Zeitpunkt T₁ darstellt. Dieser Korrekturwert ΔR₁ dient dazu, eine Korrektur zur Verringerung der Ventil-Schließgeschwindigkeit auszuführen. Im Falle der Verwendung des Korrekturwertes ΔR₁ ist es möglich, daß sich die Öffnung des Brennstoffmengenregelventiles asymptotisch und glatt einem Mindestwert annähert, der der minimalen erwünschten Öffnung des Brennstoffmengenregelventiles entspricht, ohne daß ein Unterschwingen erfolgt, wie es beim Punkt P des herkömmlichen Regelverfahrens der Fall ist. Es ist auch möglich, den Korrekturwert ΔR₁ unter Verwendung der Gasturbinen-Ausgangsleistung W zum Zeitpunkt T₁ als Parameter auszudrücken. In diesem Fall ergibt sich der Korrekturfaktor ΔR₁ wie folgt:
ΔR₁ = f(W(T₁), Zeit).
Auch kann der Korrekturwert ohne Schwierigkeiten durch eine Computersimulation mit einem Modell der Gasturbine 8 und der anderen Einrichtungen sowie der Regelvorrichtungen bestimmt werden. Im Falle des Ausdrückens des Korrekturwertes ΔR₁ als ΔR₁=f(W(T₁), Zeit) ergibt sich beispielsweise
ΔR₁ = b × W(T₁) - a × (T - T₁),
wobei a und b Konstanten sind. Es reicht aus, die Computersimulation auszuführen, während die Werte von a und b so bestimmt werden, daß der maximale Wert des ersten Termes der obigen Gleichung die Ventilöffnung des Brennstoffmengenregelventiles zum Zeitpunkt T₁ nicht übersteigt und daß die Korrekturgröße spätestens zum Zeitpunkt T₂ zu Null wird, an dem die Drehzahl nach der Lastrücknahme maximal ist, was es erfordert, daß die Abnahme der Brennstoffmenge so klein wie möglich ist. Dies ist gleichermaßen anwendbar auf die Fälle der Anwendung anderer Polynomausdrücke oder anderer Funktionen für ΔR₁, und es wird in diesen Fällen die Genauigkeit des Ergebnisses anhand der Tatsache beurteilt, daß die Öffnung des Brennstoffmengenregelventiles kein Unterschwingen zeigt oder daß das Brennstoff-Luft- Verhältnis kein Unterschwingen zeigt.
Die obige Ausführungsform kann entweder durch elektronische Analogschaltungen oder durch einen digitalen Rechner in die Praxis umgesetzt werden. Die Fig. 6 zeigt ein Beispiel für den Korrekturwert ΔR₁ im Falle der Verwendung eines digitalen Rechners. In diesem Fall werden zu jedem Abtastzeitpunkt ΔT Ausgangssignale erzeugt, so daß der Korrekturwert zwar wie im Falle der Fig. 5 durch ΔR=f(R(T₁), Zeit) ausgedrückt wird, dabei jedoch ein stufenförmiger Verlauf angenommen wird.
Die Fig. 3 der Zeichnung zeigt ein Blockdiagramm eines herkömmlichen Brennstoffmengenregelsystems. Bei diesem System wird die von einem Ausgangsleistungsdetektor 6, der sich an einer Last 9 befindet, festgestellte Ausgangsleistung W mit einer eingestellten Ausgangsleistung W*, die einen erwünschten Wert oder Sollwert darstellt, mittels eine Komparators 1 verglichen und durch eine Recheneinheit 2 gemäß der dabei erhaltenen Regelabweichung ΔW in eine Solldrehzahl N* umgewandelt. Die Umwandlungsfunktion ist bei einer Gasturbine gewöhnlich für den Fall, daß der erwünschte Wert gleich der Nennleistung ist, auf 104% und für den Fall ohne Last auf 100% eingestellt, während die Solldrehzahl N* mit einer vorgegebenen festen Rate erhöht wird, wenn die Regelabweichungen ΔW positiv ist, und mit einer festen vorgegebenen Rate erniedrigt wird, wenn ΔW negativ ist.
Für den Fall, daß an der Last 9 keine Energie benötigt wird, wird sie jedoch auf 100% eingestellt.
Die von einem Drehzahldetektor 7 an einer Gasturbine 8 festgestellte Istdrehzahl N wird mit der Solldrehzahl in einem Komparator 3 verglichen und das dabei erhaltene Ausgangssignal ΔN durch eine Recheneinheit 4 in die erwünschte Öffnung R₀ eines Brennstoffmengenregelventiles 12 umgewandelt.
Eine Recheneinheit 5 dient dazu, den Minimalwert für die erwünschte Öffnung des Brennstoffmengenregelventiles 12 zu berechnen, so daß die Öffnung des Brennstoffmengenregelventiles innerhalb eines Bereiches eingestellt wird, der das Verlöschen des Brennvorganges in einer Brennkammer 14 verhindert. Dieses Verlöschen des Brennvorganges erfolgt in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Brennkammer, daß heißt es erfolgt, wenn das Brennstoff-Luft-Verhältnis gleich oder kleiner einem gewissen festgesetzten Wert wird. Da sich die der Brennkammer 14 vom Kompressor 13 zugeführte Luftmenge mit der Atmosphärentemperatur und der Drehzahl ändert, korrigiert die Recheneinheit 5 den Minimalwert der erwünschten Öffnung des Brennstoffmengenregelventiles 12 in Reaktion auf die von einem Atmosphärentemperaturdetektor 11 festgestellte Temperatur und die Istdrehzahl N.
Ein Druckregelventil 17 dient dazu, den Einlaßdruck P₂ am Brennstoffmengenregelventil 12, der von einem Druckdetektor 18 erfaßt wird, konstant zu erhalten. Die Brennstoffdurchflußmenge, die die Ausgangsleistung der Gasturbine bestimmt, ist daher durch die Öffnung des Brennstoffmengenregelventiles 12 eindeutig festgelegt.
Bei einer Änderung von R₁, dem Ausgangssignal der Recheneinheit 5, wird so entsprechend die Öffnung des Brennstoffmengenregelventiles 12 verändert, um die Bennstoffdurchflußmenge einzustellen und dadurch die Ausgangsleistung W der eingestellten Soll-Ausgangsleistung W* anzunähern. Auf diese Weise wird ein Regelvorgang ausgeführt.
Die Fig. 4 der Zeichnung zeigt das Verhalten des herkömmlichen Regelsystems, wenn die Last zurückgenommen wird, das heißt, wenn die Soll-Ausgangsleistung W* der Last 9 plötzlich vom Nennwert auf Null zurückgeht.
Es wird dabei angenommen, daß die Lastrücknahme zu einem Zeitpunkt T₁ erfolgt. Die Soll-Ausgangsleistung W* ändert sich vom Punkt A₁ über den Punkt A₂ zum Punkt A₃. Unter der Annahme, daß A und B Konstanten sind, erfolgt in der Recheneinheit 4 eine Berechnung auf der Basis der folgenden Formel:
R₀ = A × (N*-N)+B
Die Werte für B entsprechen den Linien g und h, das heißt Zuständen ohne Last.
In der Recheneinheit 5 wird ein Wert für die erwünschte minimale Ventilöffnung festgelegt, der der Linie e entspricht. Die erwünschte Öffnung R₁ des Brennstoffmengenregelventiles ändert sich daher vom Punkt B₁ über den Punkt B₂ zum Punkt B₃, verläuft danach durch den Punkt B₄ und nähert sich der Linie g asymptotisch. Die Öffnung des Brennstoffmengenregelventiles 12 ändert sich vom Punkt C₁ über den Punkt P zum Punkt C₃ und geht gemäß der Änderung der erwünschten Öffnung dann zur Linie h über. Die Ausgangsleistung W der Gasturbine ändert sich entsprechend der Linie c. Während der Periode t₁, bei der die Ausgangsleistung der Gasturbine nach der Lastrücknahme zum Zeitpunkt T₁ nicht kleiner als Null ist, steigt die Anzahl N der Umdrehungen vorübergehend vom Punkt D₁ zum Punkt D₂ an und fällt dann zur Linie a ab, wenn die Öffnung des Brennstoffmengenregelventiles 12 auf die Linie d eingestellt ist.
Auf diese Weise reagiert die Ausgangsleistung W auf eine Änderung der Soll-Ausgangsleistung W*.
Bei diesem Steuerverfahren wird jedoch die minimale Öffnung des Ventiles kleiner als es dem minimalen Sollwert für die erwünschte Öffnung entspricht, mit dem Ergebnis, daß der Brennstoff der Brennkammer in einer Menge zugeführt wird, die unter der erwünschten Brennstoffmenge liegt. Um dies zu verhindern, kann der Grenzwert zwar vorher festgelegt werden, und zwar so, daß der Grenzwert, der tatsächlich der Linie f entsprechen sollte, zur Linie e angehoben wird, die durch die Korrektur um einen Differenzbetrag ΔB entsprechend einer Differenz ΔC zwischen den Linien d und b nach oben erhalten wird. Diese Maßnahme hat jedoch zur Folge, daß der Anstieg der Drehzahl zum Zeitpunkt der Lastrücknahme weiter gefördert wird, so daß sie nicht als Lösung des Problems angesehen werden kann.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Steuern der einer Gasturbine zugeführten Brennstoffmenge im Fall einer plötzlichen Lastverminderung, mit
einem Brennstoffmengenregelventil (12) zum Einstellen der der Gasturbine (8) zugeführten Brennstoffmenge,
einem Drehzahldetektor (7) zum Erfassen der Drehzahl (N) der Gasturbine (8),
einer ersten Recheneinheit (2) zur Umwandlung einer Ausgangsleistungsanforderung für die Gasturbine in ein Signal für eine Solldrehzahl (N*), und
einer zweiten Recheneinheit (4) zum Einstellen eines gewünschten Öffnungswertes (R₀) am Brennstoffmengenregelventil (12) auf der Basis einer Abweichung (ΔN) zwischen der Istdrehzahl (N) und der Solldrehzahl (N*) der Gasturbine (8),
gekennzeichnet durch
eine Begrenzer-Recheneinheit (5) zum Einstellen eines minimalen Wertes für die Öffnung des Brennstoffmengenregelventils (12),
eine Korrektur-Recheneinheit (10) zum Bestimmen eines Korrekturwertes (ΔR₁) für den minimalen Wert der erwünschten Öffnung des Brennstoffmengenregelventils (12) in Abhängigkeit von zumindest der tatsächlichen Öffnung (R) des Brennstoffmengenregelventils (12) und/oder einem Lastsignal (W), wobei der Korrekturwert (ΔR₁) vom Zeitpunkt (T₁) des Auftretens einer Lastrücknahme bis zu dem Zeitpunkt (T₂), zu dem die Drehzahl der Gasturbine (8) einen Maximalwert erreicht, abnimmt, und
einen Addierer (16), der das Ausgangssignal der Begrenzer-Recheneinheit (5) und den Korrekturwert (ΔR₁) zur Bildung eines Stellsignals (R₂) für das Brennstoffmengenregelventil (12) addiert und das Ausgangssignal des Addierers (16) dem Brennstoffmengenregelventil (12) zuführt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Korrekturwertes (ΔR₁) mit der Zeit treppenförmig abnimmt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Korrekturwertes (ΔR₁) mit der Zeit kontinuierlich abnimmt.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anfangsgröße des Korrekturwerts zum Zeitpunkt der Lastverminderung (T₁) eine Funktion der Öffnung des Brennstoffmengenregelventils (12) zu diesem Zeitpunkt (R(T₁)) ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Korrekturwerts (ΔR₁) zu Beginn des Regelvorgangs steiler abfällt als bei Ende des Regelvorgangs.
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