WO2004010052A1 - Verfahren zur steuerung der einbringung inerter medien in einen brennraum - Google Patents

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WO2004010052A1
WO2004010052A1 PCT/CH2003/000443 CH0300443W WO2004010052A1 WO 2004010052 A1 WO2004010052 A1 WO 2004010052A1 CH 0300443 W CH0300443 W CH 0300443W WO 2004010052 A1 WO2004010052 A1 WO 2004010052A1
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WO
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pulsation
omega
mass flow
deviation
parameter
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PCT/CH2003/000443
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English (en)
French (fr)
Inventor
Fulvio Magni
Nadja Merkle
Wilfried Strittmatter
Georg Weltzl
Peter Wisatzke
Original Assignee
Alstom Technology Ltd
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/16—Systems for controlling combustion using noise-sensitive detectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L7/00—Supplying non-combustible liquids or gases, other than air, to the fire, e.g. oxygen, steam
    • F23L7/002—Supplying water
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M20/00—Details of combustion chambers, not otherwise provided for, e.g. means for storing heat from flames
    • F23M20/005—Noise absorbing means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2241/00—Applications
    • F23N2241/20—Gas turbines

Definitions

  • the present invention relates to a method for controlling the introduction of inert media, in particular water or steam, into the combustion zone of a combustion chamber according to the preamble of claim 1. It also relates to a control circuit which enables the method to be operated. The invention also relates to a computer program with which a computer is programmed to carry out steps of the control method according to the invention.
  • inert media such as water or steam
  • combustion zones of combustion chambers for example gas turbine combustion chambers
  • mass flow of the inert medium is adjusted relative to the mass flow of the fuel. The ratio of mass flow of inert medium to mass flow
  • Fuel is commonly referred to as omega ( ⁇ ).
  • omega ⁇
  • the course of the Omega over a performance parameter is used in experiments - this can be the shaft power of the gas turbine, but it is also quite common to relate the shaft power to other sizes, such as the ambient conditions - with which the machine will be operated in the future.
  • the amount of fuel can also be used as a measure of the thermal output as a performance parameter. This means that the introduction of inert medium is operated in an open control chain, and is therefore not able to react to external influencing parameters such as strongly changing environmental conditions and the resulting shifts in pressure conditions, different fuel compositions, but also simply signs of aging of the machine.
  • the invention seeks to remedy this.
  • the invention characterized in the claims is based on the object of specifying a method of the type mentioned at the outset which avoids the disadvantages of the prior art and in particular is able to produce favorable conditions with regard to the combustion pulsations while at the same time adhering to predetermined emission limit values. According to the invention, this object is achieved using the entirety of the features of claim 1.
  • the invention is therefore based on precontrolling the mass flow of the inert medium, in particular steam or water, to a base value in a first step according to the prior art depending on a performance parameter and the amount of fuel.
  • the performance parameter can be the useful power of a gas turbine on the one hand, or its relative power, based on the maximum power of the respective one
  • a control deviation is determined from the pulsation parameter determined in this way and a target value of the pulsation parameter.
  • the setpoint and control deviation are not to be interpreted narrowly, but it is immediately clear to the person skilled in the art that the setpoint can also be understood to mean a minimum of the pulsation parameter, which is not known a priori, depending on Omega, or that the setpoint in this context is completely equivalent can also be understood in the sense of a permissible operating range, such that the control deviation then exceeds or falls below the limit values of the
  • An omega deviation is determined depending on the control deviation.
  • the omega deviation can, for example, be stored in a digital memory as a digital map depending on the control deviation and the load parameter, or can be predetermined by a functional, in particular linear, relationship with the control deviation.
  • a required change in the inert media mass flow can be calculated from the omega deviation in knowledge of the fuel mass flow, which change is realized by an intervention in the control mechanisms of the inert media mass flow, for example a throttle element.
  • the essence of the invention is, therefore, to pre-control the introduction of inert media into the combustion zone of a combustion chamber - for example to reduce nitrogen oxide - in an open control chain, and then to regulate the pulsation in a closed control loop with a pulsation parameter as a guide variable.
  • a step in the evaluation of the pulsation measured values is a frequency analysis - also equivalent to a bandpass filtering.
  • pulsation intensities in at least two are used to calculate the pulsation parameter
  • pulsation intensity is deliberately left vague in this context, but clearly expresses that it is a quantity that quantifies the effect of the pulsations.
  • these can be the amplitudes determined in the frequency bands. Since these can be subject to comparatively high fluctuations in time, measures for smoothing the course over time are advantageously used.
  • One possibility for this is to use a maximum value of the amplitudes occurring in a certain time window. As a result, the pulsation intensity changes only when a higher amplitude occurs or when the maximum value of the amplitudes falls outside the time window.
  • the pulsation intensity is set equal to the mean of the amplitudes occurring in a defined time window before "now".
  • a device suitable for carrying out the method according to the invention comprises means for recording pulsation measurement values, means for recording the actual omega, means for evaluating the pulsation measurement values; Means for calculating the characteristic pulsation parameter, means for determining the control deviation, means for determining the omega deviation as a function of the control deviation, and means for changing the inert media mass flow.
  • a well-known measuring amplifier or, if the measured values are already available as current or voltage signals, a corresponding measured value input of a downstream evaluation unit functions as a means for detecting pulsation measured values.
  • Actual Omega is generally already provided by a machine control, for example in the form of a current or voltage signal, possibly also as a digitized measured value.
  • the device receives the mass flow signals of fuel and inert medium, from which Omega is calculated in an analog or digital divider.
  • Means for changing the inert media mass flow are also to be understood as a signal output at which a corresponding manipulated variable for the actuator of the inert media mass flow is present.
  • the device can be constructed fully analog, fully digital, or partly from digital and partly from analog components, which the person skilled in the art is familiar with as individual components. With knowledge of the invention, the person skilled in the art is also familiar with a large number of possibilities for selecting suitable components and combining them in a suitable manner, without requiring a detailed and explicit teaching on how to build them Device must be given; however, knowledge of the invention itself is absolutely necessary in order to enable the person skilled in the art to do this.
  • at least some of the means mentioned can also be implemented in the form of a suitably programmed computer, which programming requires a corresponding computer program product which can also be suitably stored on a computer-readable medium.
  • the means for pulsation evaluation contain at least two bandpass filters, which have a signal connection on the input side with the means for recording the pulsation measured values.
  • the means for calculating the pulsation parameter include a difference former which is in signal connection on the input side with the bandpass filters.
  • the means for determining the control deviation advantageously include one
  • Difference generator which is on the input side with the means for calculating the pulsation parameter and a reference value transmitter in signal connection.
  • Analog operational amplifier circuits which are connected on the input side to the means for determining the control deviation and on the output side have a functional connection with the control deviation, have proven to be particularly suitable as means for determining the omega deviation; an analog or digital memory, in which the respective omega deviation as a function of the control deviation is stored, has also proven to be suitable.
  • the means for changing the inert media mass flow should also be understood to mean an analog or digital signal output to which a signal corresponding to the omega deviation is present.
  • FIG. 1 shows a gas turbine with an inert medium feed and control unit
  • Figure 2 shows an example of the spectrum of the combustion chamber pulsations
  • Figure 3 shows an example of the course of the amplitudes of
  • FIG. 4 shows a block diagram of a control loop according to the invention
  • Figure 5 shows a first, analog embodiment of an inventive
  • Figure 6 shows a second, digital embodiment of an inventive
  • FIG. 7 shows an exemplary course of the control range of the omega controller as a function of a performance parameter.
  • the gas turbine shown in FIG. 1 to illustrate the invention essentially consists of compressor 1, turbine 2, and combustion chamber 3. Air conveyed by compressor 1 flows under pressure into combustion chamber 3 and is heated there by the combustion of a fuel. Hot gas is in the
  • Turbine 2 relaxes with the delivery of a mechanical power, which drives the compressor 1, and one via a shaft 4 with the gas turbine coupled generator 5 is used.
  • a fuel line 11 leads to the combustion chamber 3 and, in an embodiment that is frequently encountered, is operatively connected to a fuel distribution system (not shown).
  • a fuel control valve 13 and a fuel quantity measuring point 15 are located in the fuel line 11.
  • An inert medium line 12 also leads to the combustion chamber, via which water or steam, for example, is supplied during operation of the gas turbine and is introduced into the combustion zone within the combustion chamber 3. and thus reduces the formation of nitrogen oxides by reducing the maximum flame temperature.
  • An actuator 14 and a flow measuring point 16 are arranged in the inert medium line 12.
  • a pulsation measuring device 17 for measuring combustion pulsations is arranged on the combustion chamber.
  • the use of high-temperature-resistant piezoelectric pressure transducers is known here, among other things.
  • the charge signal is converted in a charge amplifier 18 into a pulsation measurement signal PBK which, for example, reproduces the time-dependent combustion chamber pressure curve in a frequency range from 10 Hz to a few kHz.
  • PBK pulsation measurement signal
  • the pulsation measurement is particularly important for machine monitoring because the inert media injection via line 12 can lead to an increase in pulsations to critical values.
  • the machine controller 20 has a large number of signal inputs and outputs, of which only those that are essential for the implementation of the invention are shown in the drawing.
  • pulsations are to be mentioned as signal inputs.
  • a power signal PEL of the generator measured values AMB of a sensor 19 for ambient conditions, i.e. air temperature, pressure and humidity, and signals M B s and MH 2 O of the flow measuring points 15, 16 of the fuel line 11 and the inert medium line, for example NOx Water pipe, 12, led to the control device 20.
  • the control device 20 comprises an omega controller 210. Starting from the omega controller 210, an actuating signal YH 2 0 is led to the actuator 14 for the inert medium.
  • a relative power is preferably made from the power signal P E ⁇ _ and the ambient conditions AMB PREL of the gas turbine calculated.
  • a number of basic values for the fuel mass flow-related inert medium mass flow that is to say for omega, are initially determined as a function of the relative power PREL.
  • emissions are measured as part of a series of tests, and with a number of reference values for the relative power, Omega is set so that permissible emission limit values as well as permissible pulsation limit values are observed.
  • the target omega to be set is interpolated between these base values.
  • compliance with the limit values is verified with the values thus determined for omega in one or more series of tests, and the gas turbine is operated with these settings.
  • Pulsation measurements or measurement data from an emissions measurement device are not used for control interventions on the inert media mass flow, but only to take actions such as warnings or an emergency shutdown when certain limit values are exceeded.
  • pronounced changes in the ambient conditions, in particular temperature fluctuations, or the operating state of the gas turbine, for example a cold machine immediately after starting can have a major influence on the pulsation behavior. It is not only the sum of the pulsations that is of interest, but also the pulsation peaks that usually occur in narrow frequency ranges, which can be extremely damaging due to the pure frequency excitation, especially if they are close to the natural frequency of certain components.
  • FIG. 3 An example of a spectrum of combustion chamber pulsations is shown qualitatively in FIG. While some of the pulsations are distributed over the spectrum over a broad band, two frequencies f1 and f2 are noticeable, at which high amplitudes are observed. The pulsation amplitudes at these frequencies depend on the mass flow ratio Omega. The dependence shown in FIG. 3 is actually frequently observed in practice: with an increasing proportion of inert media, the amplitude increases, while the higher one Frequency f2 is observed, while the amplitude observed at the lower frequency f 1 increases.
  • an omega control according to the invention must therefore regulate the same amplitudes for two characteristic frequencies f 1 and f2 of the combustion pulsations.
  • FIG. 4 shows a schematic structure of an omega controller 210 as
  • a register 21 receives an input signal PREL for the relative gas turbine power, which was calculated in a manner known per se from the electrical generator power P E L and the ambient conditions AMB. Depending on this input variable, register 21 determines a basic omega ⁇ 0 . From basic omega and a fuel mass flow signal M B s, which is supplied by the fuel flow measuring point 15, not shown in FIG. 4, the control element 211 determines a manipulated variable YH 2 O for the inert media actuator 14. This influences the inert media actuator 14. Mass flow M H2 o - A computing element 214 determines
  • the inert media mass flow MH 2 0 continues to influence the processes taking place in the combustion chamber 3. Among other things, this manifests itself in changed pulsations, which are detected by the measuring probe 17 and converted into a pulsation signal PBK in the measuring amplifier 18.
  • the pulsation signal P B ⁇ is converted into a pulsation parameter P B ⁇ , see FIG. educated.
  • Control element 213 determines a control deviation of the pulsation parameter, and uses this to determine an omega deviation ⁇ .
  • the actual omega ⁇ A ⁇ and the omega deviation ⁇ are combined in a summer to a new target omega ⁇ S OLL, from which the control element 211 the Inert media manipulated variable YH 2 0 newly determined.
  • the evaluation element 212 preferably contains means or algorithms which, for example by averaging over a certain time, low-pass filtering the amplitudes, or determining a maximum occurring in a specific time interval, bring about a temporal smoothing of the course of the pulsation parameter.
  • the control element 213 is advantageously designed such that an omega deviation is only formed when the control deviation exceeds a threshold value. Both measures together prevent the controller from being overly nervous or unstable.
  • the control element 211 is advantageously designed as an integrator and contains a limitation for the deviation of the omega to be set from the basic omega.
  • All elements can be fully digital, fully analog, or can include both analog and digital elements.
  • the entire control unit 20 together with the omega controller can be designed as a suitably programmed computer.
  • the pulsation signal P B ⁇ is led to two bandpasses BP1 and BP2, which filter the pulsation signals at the frequencies f1 and f2 from the total signal.
  • Two terms RMS1 and RMS2 form the RMS RMS values of the alternating components determined in this way.
  • the RMS signals are processed in two low-pass filters LP1 and LP2, so that extreme transients of the signals, which could endanger the stability of the control loop, are switched off.
  • the amplitudes occurring at frequency f2 are subject to very strong fluctuations, so that pulsation peaks are no longer adequately weighted by the low-pass filtering in LP2.
  • the determined value is therefore overlaid with an additive constant K.
  • the pulsation parameter PBK becomes. S calculated.
  • the control element 213, which is designed as a proportional element with a dead band, provides the output variable then an omega deviation ⁇ if the pulsation parameter exceeds the threshold value of the dead band. If the amplitude determined at frequency f2 is greater than that determined at f1, omega is increased, which reduces the amplitude at frequency f2 in accordance with the characteristic shown in FIG. 3. Conversely, if the amplitude at f1 is greater than that at f2, omega is reduced, resulting in a smaller amplitude at f1.
  • the pulsation signal P B ⁇ is discretized in terms of amplitude and time in an analog / digital converter A / D.
  • the digitized signal is subjected to a frequency analysis in a frequency analyzer FFT.
  • Amplitude values at two frequencies f1 and f2 are forwarded to FIFO memories FIF01 and FIF02, and a number of chronologically successive amplitude values are stored there.
  • Suitable means MAX1 and MAX2 determine the highest amplitude value stored in a FIFO.
  • the pulsation parameter PBK.S is also formed here by a (digital) difference generator, and the omega deviation is determined from this in the control element 213.
  • the basic omega ⁇ 0 is predetermined as a function of the relative power P RE L.
  • the control range of the omega controller is advantageously limited upwards and downwards by the limit values ⁇ MI N and ⁇ M AX . This will make it excessive
  • AMB ambient conditions temperature, pressure, humidity
  • FFT frequency analyzer FIFO1 FFT frequency analyzer FIFO1.
  • FIFO2 FiFo memory
  • ⁇ Omega ratio of the inert media mass flow to the fuel mass flow ⁇ o basic Omega, performance-dependent pre-controlled Omega value

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Steuerung der Einbringung inerter Medien in den Brennraum einer Gasturbine wird das Verhältnis des Inertmedien-Massenstroms zum Brennstoff-Massenstrom, Omega, (Ω) in einem ersten Schritt als Funktion der relativen Gasturbinenleistung (PREL) auf einen Sollwert (Ω0) vorgesteuert. Ein Steuerelement (211) berechnet aus dem Omega-Sollwert und der Brennstoffmenge (MBS) eine Inertmedien-Stellgrösse (YH2O) für ein Inertmedien-Stellorgan (14). Dessen Stellung resultiert in einem Inertmedien-Massenstrom (MH2O). Dieser beeinflusst die Vorgänge in der Brennkammer (3), was sich unter anderem in den Brennkammerpulsationen (PBK) manifestiert, die mit einer Messeinrichtung (17) und einem Signalverstärker (18) bestimmt werden. In einem Auswerteglied (212) wird aus diesem Messwert eine Pulsationskenngrösse (PBK,S) gebildet. Ein Regelglied (213) bestimmt hieraus eine Omega-Abweichung (ΔΩ). Weiterhin wird in einem Rechenglied (214) aus dem Inertmedien-Massenstrom (MH2O) und dem Brennstoff Massenstrom (MBS) das Ist-Omega (ΩΑΚΤ) gebildet. Durch eine Addition von Ist-Omega und Omega-Abweichung wird ein neuer Omega-Sollwert (ΩSOLL) bestimmt.

Description

Verfahren zur Steuerung der Einbringung inerter Medien in einen
Brennraum
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Einbringung inerter Medien, insbesondere Wasser oder Dampf, in die Verbrennungszone eines Brennraums gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft weiterhin eine Regelungsschaltung, welche einen Betrieb des Verfahrens ermöglicht. Die Erfindung betrifft weiterhin auch ein Computerprogramm, mit dem ein Computer zur Ausführung von Schritten des erfindungsgemässen Regelungsverfahrens programmiert wird.
Stand der Technik
Es ist bekannt, in Verbrennungszonen von Brennräumen, beispielsweise Gasturbinenbrennkammern, inerte Medien wie Wasser oder Dampf einzubringen, um die Stickoxidproduktion in der Verbrennungszone zu vermindern. Gemäss einem bei Gasturbinen üblichen Verfahren wird der Massenstrom des inerten Mediums relativ zum Massenstrom des Brennstoffs eingestellt. Das Verhältnis Massenstrom inertes Medium zu Massenstrom
Brennstoff wird üblicherweise mit Omega (Ω) bezeichnet. Nach dem Stand der Technik wird in Versuchen ein Verlauf des Omega über einer Leistungskenngrösse - dieses kann die Wellenleistung der Gasturbine sein, wobei es aber auch durchaus üblich ist, die Wellenleistung auf andere Grossen, wie beispielsweise die Umgebungsbedingungen zu beziehen - festgelegt, mit dem die Maschine inskünftig betrieben wird. Bei einer einfachen Feuerung kann beispielsweise auch die Brennstoffmenge als Mass für die Thermische Leistung als Leistungskenngrösse herangezogen werden. Das heisst, die Einbringung inerten Mediums wird in einer offenen Steuerkette betrieben, und ist dementsprechend nicht in der Lage, auf äussere Einflussparameter wie stark wechselnde Umgebungsbedingungen und daraus resultierende Verschiebungen der Druckverhältnisse, unterschiedliche Brennstoffzusammensetzungen, aber auch schlicht Alterungserscheinungen der Maschine, zu reagieren. Um solche Störgrössen auszugleichen muss die Medieneinbringung in einem geschlossenen Regelkreis betrieben werden. Aus EP 0 590 829 A2 ist bekannt, den Stickoxidausstoss einer Gasturbine zu messen und als Leitgrösse für eine Einspritzung inerter Medien heranzuziehen, und Omega somit im geschlossenen Regelkreis zu regeln.
Beide Ansätze lassen jedoch ausser Acht, dass die Einspritzung inerter Medien in Flammen durchaus auch Effekte auf die Verbrennungsstabilität und damit auf die Verbrennungspulsationen und damit die Brennkammerpulsationen von Gasturbinenbrennkammern hat. Selbstverständlich könnte der Wert Omega auch auf eine reine Pulsationsoptimierung geregelt werden, wobei hier tendenziell mit hohen Emissionswerten zu rechnen wäre.
Darstellung der Erfindung
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der in den Ansprüchen gekennzeichneten Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der Eingangs genannten Art anzugeben, welches die Nachteile des Standes der Technik vermeidet, und insbesondere in der Lage ist, bei gleichzeitiger Einhaltung vorgegebener Emissionsgrenzwerte günstige Verhältnisse bezüglich der Verbrennungspulsationen herzustellen. Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe unter Verwendung der Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung beruht demnach darauf, den Massenstrom des inerten Mediums, insbesondere Dampf oder Wasser, in einem ersten Schritt gemäss dem Stand der Technik abhängig von einer Leistungskenngrösse und der Brennstoffmenge auf einen Basiswert vorzusteuern. Die Leistungskenngrösse kann einerseits die Nutzleistung einer Gasturbine sein, oder deren relative Leistung, bezogen auf die Maximalleistung bei den jeweiligen
Umgebungsbedingungen; selbstverständlich lassen sich auch weitere sinnvolle Kenngrössen bilden, in welche die Nutzleistung der Gasturbine eingeht. Bei einer einfachen Feuerung wäre daran zu denken, beispielsweise die Brennstoffmenge als Mass für die thermische Leistung heranzuziehen. Dabei wird üblicherweise nicht der Inertmedien-Massenstrom unmittelbar vorgegeben, sondern das Verhältnis von Inertmedien-Massenstrom zu Brennstoffmassenstrom, welche dimensionslose Grosse auch als Omega (Ω) bezeichnet wird; der Inertmedien-Massenstrom wird dann so eingestellt, dass der Omega-Sollwert erreicht wird. Erfindungsgemäss erfolgt ergänzend zu der Vorsteuerung des Inertmedien-Massenstroms eine Regelung in Abhängigkeit von gemessenen Pulsationswerten. In der Praxis hat sich nämlich gezeigt, dass abhängig vom Betriebszustand bereits eine geringe Änderung von Omega starke Auswirkungen auf auftretende Verbrennungspulsationen haben kann. Daher werden die Pulsationen auf an sich bekannte Art gemessen, erfasst, und ausgewertet. Sodann wird eine Pulsationskenngrösse gebildet. Dies könnte ein RMS-Summenpegel über einen breiten Frequenzbereich sein. Es können dies aber auch Amplituden bei wohldefinierten Frequenzen oder in engen Frequenzbändern sein. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden bei der Auswertung durch Bandpassfilterung oder durch eine Frequenzanalyse Amplituden in wenigstens zwei eng definierten Frequenzbereichen ermittelt, und die Amplitudenwerte bei zwei Frequenzbereichen voneinander abgezogen; diese Differenz stellt dann die Pulsationskenngrösse dar. Selbstverständlich sind diese Beispiele keinesfalls abschliessend zu verstehen. Aus der so bestimmten Pulsationskenngrösse und einem Sollwert der Pulsationkenngrösse wird eine Regelabweichung bestimmt. Sollwert und Regelabweichung sind hierbei nicht eng auszulegen, sondern für den Fachmann wird unmittelbar klar, dass unter dem Sollwert durchaus auch ein a priori nicht bekanntes Minimum der Pulsationskenngrösse in Abhängigkeit von Omega zu verstehen sein kann, oder, dass der Sollwert in diesem Zusammenhang vollkommen gleichwertig auch im Sinne eines zulässigen Betriebsbereiches verstanden werden kann, derart, dass die Regelabweichung dann ein Über- oder Unterschreiten von Grenzwerten der
Pulsationskenngrösse ist. Abhängig von der Regelabweichung wird eine Omega-Abweichung bestimmt. Die Omega-Abweichung kann beispielsweise als digitales Kennfeld abhängig von der Regelabweichung und der Lastkenngrösse in einem digitalen Speicher abgelegt sein, oder durch einen funktionalen, insbesondere linearen, Zusammenhang mit der Regelabweichung vorgegeben sein. Letztlich kann aus der Omega-Abweichung in Kenntnis des Brennstoffmassenstroms eine erforderliche Veränderung des Inertmedien- Massenstroms berechnet werden, der durch einen Eingriff auf die Steuerungsmechanismen des Inertmedien-Massenstroms, beispielsweise ein Drosselorgan realisiert wird.
Kern der Erfindung ist also, die Einbringung von Inertmedien in die Verbrennungszone eines Brennraums zunächst - beispielsweise zur Stickoxid- Reduzierung - in einer offenen Steuerkette vorzusteuern, und im Weiteren zur Pulsationsoptimierung in einem geschlossenen Regelkreis mit einer Pulsationskenngrösse als Leitgrösse zu regeln.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn neben einem Basiswert für Omega ein oberer und ein unterer Omega-Grenzwert in Abhängigkeit von der Leistungskenngrösse vorgegeben sind. Es wird dann sichergestellt, dass durch die Omega-Regelung diese Grenzwerte nicht über- oder unterschritten werden. Damit kann vermieden werden, dass der Omega-Istwert zu weit vom Omega- Basiswert abweicht, was zu weitreichenden insbesondere betriebstechnischen Problemen führen kann, beispielsweise einem Überschreiten zulässiger Emissionswerte.
Es erweist sich weiterhin auch vorteilhaft, wenn in der Regelung ein Totband implementiert ist, in dem Sinne, dass eine Veränderung von Omega erst aktiv wird, wenn die Regelabweichung der Pulsationskenngrösse einen bestimmten Schwellenwert überschreitet. Diese Massnahme verhindert ein übersensibles "nervöses" Eingreifen der Regelung.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens, welche im Ausführungsbeispiels noch eingehend beschrieben ist, stellt ein Schritt bei der Auswertung der Pulsationsmesswerte eine Frequenzanalyse - gleichwertig auch eine Bandpassfilterung - dar. Dabei werden zur Berechnung der Pulsationskenngrösse Pulsationsintensitäten in wenigstens zwei
Frequenzbändern miteinander verrechnet. Der Ausdruck Pulsationsintensität ist in diesem Zusammenhang bewusst etwas vage gelassen, bringt aber deutlich zum Ausdruck, dass hiermit eine die Wirkung der Pulsationen quantifizierende Grosse gemeint ist. Dies können einerseits die in den Frequenzbändern ermittelten Amplituden sein. Da diese vergleichsweise hohen zeitlichen Fluktuationen unterliegen können, werden mit Vorteil Massnahmen zur Glättung des zeitlichen Verlaufs herangezogen. Eine Möglichkeit hierzu ist, einen Maximalwert der in einem bestimmten Zeitfenster anfallenden Amplituden heranzuziehen. Dadurch ändert die Pulsationsintensität erst, wenn eine höhere Amplitude auftritt, oder, wenn der Maximalwert der Amplituden aus dem Zeitfenster fällt. In einer weiteren Ausführungsform wird die Pulsationsintensität jeweils gleich dem Mittelwert der in einem definierten Zeitfenster vor "Jetzt" anfallenden Amplituden gesetzt. Letztere Massnahme ist häufig einfacher zu realisieren, hat jedoch den Nachteil, dass bei starken Fluktuationen durchaus schädliche Spitzenwerte ungenügend berücksichtigt werden. Diesem kann Rechnung getragen werden, indem der Mittelwert mit einer additiven Konstanten belegt wird, wenn die zeitlichen Schwankungen sehr hoch sind, insbesondere die Standardabweichung der zeitabhängigen Amplituden einen bestimmten Wert überschreitet. Wird die additive Konstante beispielsweise gleich dem Doppelten der Standardabweichung gewählt, so ist die in Folge bestimmte Pulsationsintensität grösser als rund 95% der Pulsationsamplituden, womit Spitzenwerte hinreichend abgedeckt sind.
Eine zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeignete Vorrichtung umfasst Mittel zur Erfassung von Pulsations-Messwerten, Mittel zur Erfassung des Ist-Omega, Mittel zur Auswertung der Pulsationsmesswerte; Mittel zur Berechnung der charakteristischen Pulsationskenngrösse, Mittel zur Bestimmung der Regelabweichung, Mittel zur Bestimmung der Omega- Abweichung als Funktion der Regelabweichung, und Mittel zur Veränderung des Inertmedien-Massenstroms. Als Mittel zur Erfassung von Pulsations- Messwerten fungiert beispielsweise und bevorzugt ein hinreichend bekannter Messverstärker, oder, falls die Messwerte bereits als Strom- oder Spannungssignale zur Verfügung stehen, ein entsprechender Messwerteingang einer nachgeschalteten Auswerteeinheit. Ist-Omega wird im allgemeinen bereits von einer Maschinensteuerung beispielsweise in Form eines Strom- oder Spannungssignals bereitgestellt, gegebenenfalls auch als digitalisierter Messwert. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erhält die Vorrichtung die Massenstrom-Signale von Brennstoff und Inertmedium, aus welchem in einem analogen oder digitalen Dividierer Omega berechnet wird. Unter Mitteln zur Veränderung des Inertmedien-Massenstroms ist durchaus auch ein Signalausgang zu verstehen, an dem eine entsprechende Stellgrösse für das Stellglied des Inertmedien-Massenstroms anliegt.
Die Vorrichtung kann vollanalog, volldigital, oder teilweise aus digitalen und teilweise aus analogen Komponenten, welche dem Fachmann jeweils als einzelne Komponenten geläufig sind, aufgebaut sein. In Kenntnis der Erfindung ist dem Fachmann auch eine Vielzahl von Möglichkeiten geläufig, geeignete Komponenten auszuwählen und in geeigneter Weise zu kombinieren, ohne dass eine detaillierte und explizite Lehre zum Aufbau einer derartigen Vorrichtung gegeben werden muss; die Kenntnis der Erfindung an sich ist jedoch unbedingt erforderlich, um den Fachmann hierzu in die Lage zu versetzen. Insbesondere kann auch wenigstens ein Teil der genannten Mittel in Form eines auf geeignete Weise programmierten Computers realisiert sein, welche Programmierung ein entsprechendes Computerprogrammprodukt erfordert, welches weiterhin auf geeignete Weise auf einem computerlesbaren Medium speicherbar ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform beinhalten die Mittel zur Pulsationsauswertung wenigstens zwei Bandpassfilter, welche eingangsseitig mit den Mitteln zur Erfassung der Pulsations-Messwerte in Signalverbindung stehen. Die Mittel zur Berechnung der Pulsationskenngrösse beinhalten in einer bevorzugten Ausführungsform einen Differenzbildner, welche eingangsseitig mit den Bandpassfiltern in Signalverbindung steht. Die Mittel zur Bestimmung der Regelabweichung beinhalten mit Vorteil einen
Differenzbildner, welcher eingangsseitig mit den Mitteln zur Berechnung der Pulsationskenngrösse sowie einem Referenzwertgeber in Signalverbindung steht. Als Mittel zur Bestimmung der Omega-Abweichung erweisen sich insbesondere analoge Operationsverstärkerschaltungen als geeignet, welche eingangsseitig mit den Mitteln zur Bestimmung der Regelabweichung in Verbindung stehen, und ausgangsseitig einen funktioneilen Zusammenhang mit der Regelabweichung darstellen; es erweist sich weiterhin ein analoger oder digitaler Speicher als geeignet, in welchem die jeweilige Omega- Abweichung in Abhängigkeit von der Regelabweichung gespeichert ist. Unter den Mitteln zur Veränderung des Inertmedien-Massenstroms ist in diesem Zusammenhang auch ein analoger oder digitaler Signalausgang zu verstehen, an dem ein der Omega-Abweichung entsprechendes Signal anliegt. Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung illustrierten
Ausführungsbeispiels näher erläutert. Im einzelnen zeigen Figur 1 eine Gasturbine mit Inertmedien-Einbringung und Steuereinheit;
Figur 2 ein Beispiels für das Spektrum der Brennkammerpulsationen einer
Gasturbine aus Figur 1 ;
Figur 3 ein Beispiele für den Verlauf der Amplituden von
Brennkammerpulsationen bei zwei ausgewählten Frequenzen f1 und f2 in Abhängigkeit vom Massenstromverhältnis Omega des Inertmediums und des
Brennstoffs;
Figur 4 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemässen Regelkreises;
Figur 5 eine erste, analoge Ausführungsform eines erfindungsgemässen
Reglers; Figur 6 eine zweite, digitale Ausführungsform eines erfindungsgemässen
Reglers;
Figur 7 einen exemplarischen Verlauf des Regelbereichs des Omega-Reglers in Abhängigkeit von einer Leistungskenngrösse.
Die Zeichnung ist stark schematisiert; für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht unmittelbar notwendige Elemente sind weggelassen.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Die in Figur 1 zur Illustration der Erfindung dargestellte Gasturbine besteht im Wesentlichen aus Verdichter 1 , Turbine 2, sowie Brennkammer 3. Vom Verdichter 1 geförderte Luft strömt unter Druck in die Brennkammer 3 und wird dort durch Verbrennung eines Brennstoffes erhitzt. Heissgas wird in der
Turbine 2 unter Abgabe einer mechanischen Leistung entspannt, welche zum Antrieb des Verdichters 1 , sowie eines über eine Welle 4 mit der Gasturbine gekoppelten Generators 5 genutzt wird. Zur Brennkammer 3 führt eine Brennstoffleitung 11 , welche in einer häufig anzutreffenden Ausführungsform mit einem nicht dargestellten Brennstoffverteilsystem in Wirkverbindung steht. In der Brennstoffleitung 11 befindet sich ein Brennstoff-Regelventil 13 und eine Brennstoffmengen-Messstelle 15. Zur Brennkammer führt weiterhin eine Inertmedienleitung 12, über die im Betrieb der Gasturbine beispielsweise Wasser oder Dampf zugeführt wird, welches innerhalb der Brennkammer 3 in die Verbrennungszone eingebracht wird, und somit über eine Verminderung der maximalen Flammentemperatur die Stickoxidbildung vermindert. In der Inertmedienleitung 12 sind ein Stellorgan 14 und eine Durchflussmessstelle 16 angeordnet. An der Brennkammer ist eine Pulsationsmesseinrichtung 17 zur Messung von Verbrennungspulsationen angeordnet. Bekannt ist hier unter anderem die Verwendung hochtemperaturbeständiger piezoelektrischer Druckaufnehmer. Deren Ladungssignal wird in einem Ladungsverstärker 18 in ein Pulsationsmessignal PBK umgewandelt, das beispielsweise den zeitabhängigen Brennkammer-Druckverlauf in einem Frequenzbereich von 10 Hz bis zu einigen kHz wiedergibt. Die Pulsationsmessung ist insbesondere deswegen zur Maschinenüberwachung von Bedeutung, weil die Inertmedieneindüsung über die Leitung 12 zu einem Ansteigen der Pulsationen auf kritische Werte führen kann. Die Maschinensteuerung 20 verfügt in der Realität über eine Vielzahl von Signalein- und -ausgängen, von denen nur die für die Ausführung der Erfindung wesentlichen in der Zeichnung dargestellt sind. Als Signaleingänge sind in diesem Zusammenhang einerseits die bereits erwähnten Pulsationen zu nennen. Weiterhin sind ein Leistungssignal PEL des Generators, Messwerte AMB eines Sensors 19 für Umgebungsbedingungen, also Lufttemperatur, -druck, und -feuchte, sowie Signale MBs und MH2O der Durchflussmessstellen 15, 16 der Brennstoffleitung 11 und der Inertmedienleitung, beispielsweise NOx-Wasserleitung, 12, zur Steuerungsvorrichtung 20 geführt. Die Steuerungsvorrichtung 20 umfasst einen Omega-Regler 210. Ausgehend vom Omega-Regler 210 ist ein Stellsignal YH20 zum Stellorgan 14 für das Inertmedium geführt. Aus dem Leistungssignal PEι_ und dem Umgebungsbedingungen AMB wird bevorzugt eine relative Leistung PREL der Gasturbine berechnet. In einer Ausführungsform der Erfindung wird zunächst eine Anzahl von Basiswerten für den brennstoffmassenstrombezogenen Inertmediumsmassenstrom, also für Omega, in Abhängigkeit von der Relativleistung PREL festgelegt. Dazu werden im Rahmen von Versuchensreihen Emissionen gemessen, und bei einer Anzahl von Stützwerten der Relativleistung wird Omega so eingestellt, dass zulässige Emissionsgrenzwerte wie auch zulässige Pulsationsgrenzwerte eingehalten werden. Zwischen diesen Stützwerten wird das einzustellende Soll-Omega interpoliert. Bei einer nach dem Stand der Technik üblichen Vorgehensweise wird die Einhaltung der Grenzwerte mit den so ermittelten Werten für Omega in einer oder mehreren Versuchsreihen verifiziert, und die Gasturbine wird mit diesen Einstellungen betrieben. Pulsationsmesswerte oder auch Messdaten einer Emissions-Betriebsmesseinrichtung werden nicht zu Steuereingriffen auf den Inertmedienmassenstrom verwendet, sondern nur, um beim Überschreiten bestimmter Grenzwerte Aktionen wie Warnungen oder auch eine Notabschaltung. Es ist nunmehr aber bekannt, dass ausgeprägte Veränderungen der Umgebungsbedingungen, insbesondere Temperaturschwankungen, oder der Betriebszustand der Gasturbine, beispielsweise eine kalte Maschine unmittelbar nach einem Start, grossen Einfluss auf das Pulsationsverhalten haben können. Dabei sind nicht nur Summenpegel der Pulsationen von Interesse, sondern auch üblicherweise auftretende Pulsationsspitzen in engen Frequenzbereichen, welche aufgrund der Reinfrequenzanregung stark schädigend wirken können, gerade, wenn sie in der Nähe der Eigenfrequenz bestimmter Komponenten liegen.
In Figur 2 ist eine Beispiel für ein Spektrum von Brennkammerpulsationen qualitativ dargestellt. Während ein Teil der Pulsationen breitbandig über das Spektrum verteilt ist, fallen zwei Frequenzen f1 und f2 auf, bei denen hohe Amplituden beobachtet werden. Die Pulsationsamplituden bei diesen Frequenzen sind abhängig vom Massenstromverhältnis Omega. Die in Fig. 3 dargestellte Abhängigkeit wird in der Praxis tatsächlich häufig beobachtet: Mit steigendem Inertmedienanteil nimmt die Amplitude, die bei der höheren Frequenz f2 beobachtet wird, ab, während die bei der niedrigeren Frequenz f 1 beobachtete Amplitude ansteigt. Aus diesen gegenläufigen Trends ergibt sich im Interesse eines breitbandigen Pulsationsspektrums, das möglichst wenig Energie in engen Spektralbereichen bündelt, ein Optimum für Omega, das etwa da zu suchen ist, wo gleiche Amplituden bei beiden charakteristischen Frequenzen auftreten. Eine erfindungsgemässe Omega-Regelung muss im dargestellten Fall also gleiche Amplituden für zwei charakteristische Frequenzen f 1 und f2 der Verbrennungspulsationen einregeln.
In Fig. 4 ist ein schematischer Aufbau eines Omega-Reglers 210 als
Blockschaltbild detaillierter dargestellt. Innerhalb der Steuereinheit 20 erhält ein Register 21 ein Eingangssignal PREL für die relative Gasturbinenleistung, welches aus der elektrischen Generatorleistung PEL und den Umgebungsbedingungen AMB auf an sich bekannte Weise berechnet wurde. Abhängig von dieser Eingangsgrösse bestimmt das Register 21 ein Basis- Omega Ω0. Aus Basis-Omega und einem Brennstoff-Massenstromsignal MBs, welches von der in Fig. 4 nicht dargestellten Brennstoff-Durchflussmessstelle 15 geliefert wird, bestimmt das Steuerelement 211 eine Stellgrösse YH2O für das Inertmedien-Stellglied 14. Dieses beeinflusst den Inertmedien- Massenstrom MH2o- Ein Rechenglied 214 bestimmt aus
Brennstoffmassenstrom und Inertmedienmassenstrom das Ist-Omega ΩAκτ- Der Inertmedien-Massenstrom MH20 beeinflusst weiterhin die in der Brennkammer 3 ablaufenden Prozesse. Dies manifestiert sich unter Anderem in veränderten Pulsationen, welche durch die Messsonde 17 erfasst und im Messverstärker 18 in ein Pulsationssignal PBK umgesetzt werden. In einem Auswerteglied 212 wird aus dem Pulsationssignal PBκ mittels geeigneter und maschinenspezifisch zu bestimmender Transformationen eine zu regelnde, insbesondere zu optimierende, Pulsationskenngrösse PBκ,s. gebildet. Regelglied 213 bestimmt eine Regelabweichung der Pulsationskenngrösse, und bestimmt daraus eine Omega-Abweichung ΔΩ. In einem Summierer werden das Ist-Omega ΩAκτ und die Omega-Abweichung ΔΩ zu einem neuen Soll-Omega ΩSOLL zusammengeführt, aus dem das Steuerelement 211 die Inertmedien-Stellgrösse YH20 neu bestimmt. Bevorzugt beinhaltet das Auswerteglied 212 Mittel oder Algorithmen, welche, beispielsweise durch Mittelwertbildung über eine gewisse Zeit, Tiefpassfilterung der Amplituden, oder Bestimmung eines in einem bestimmten Zeitintervall anfallenden Maximums, eine zeitliche Glättung des Verlaufs der Pulsationskenngrösse bewirken. Das Regelglied 213 ist mit Vorteil so aufgebaut, dass erst dann eine Omega-Abweichung gebildet wird, wenn die Regelabweichung einen Schwellwert überschreitet. Beide Massnahmen zusammen vermeiden ein übermässig nervöses bis instabiles Verhalten des Reglers. Das Steuerelement 211 ist mit Vorteil als Integrator ausgeführt, und beinhaltet eine Begrenzung für die Abweichung des einzustellenden Omega vom Basis-Omega.
Alle Elemente können volldigital, vollanalog, oder sowohl analoge als auch digitale Elemente beinhaltend ausgeführt sein. Insbesondere kann die gesamte Steuereinheit 20 mitsamt dem Omega-Regler als geeignet programmierter Computer ausgeführt sein.
Fig. 5 zeigt eine erste Ausführungsform des Auswertegliedes 212 mit vollanalogem Aufbau. Das Pulsationssignal PBκ wird zu zwei Bandpässen BP1 und BP2 geführt, welche die Pulsationssignale bei den Frequenzen f1 und f2 aus dem Gesamtsignal filtern. Zwei Glieder RMS1 und RMS2 bilden auf an sich bekannte Weise die RMS-Effektivwerte der so ermittelten Wechselanteile. Die RMS-Signale werden in zwei Tiefpässen LP1 und LP2 weiterverarbeitet, so, dass extreme Transienten der Signale, welche die Stabilität des Regelkreises gefährden könnten, ausgeschaltet werden. Im dargestellten Fall ist weiterhin unterstellt, dass die bei der Frequenz f2 auftretenden Amplituden sehr starken Fluktuationen unterworfen ist, so, dass durch die Tiefpassfilterung in LP2 Pulsationsspitzen nicht mehr adäquat gewichtet werden. Der ermittelte Wert wird daher mit einer additiven Konstanten K überlagert. Durch Differenzbildung der beiden ermittelten Werte bei den Frequenzen f 1 und f2 wird die Pulsationskenngrösse PBK.S berechnet. Das Regelglied 213, welches als Proportionalglied mit Totband ausgeführt ist, liefert als Ausgangsgrösse dann eine Omega-Abweichung ΔΩ, wenn die Pulsationskenngrösse den Schwellwert des Totbandes überschreitet. Wenn die bei der Frequenz f2 bestimmte Amplitude grösser ist als die bei f1 bestimmte, wird Omega erhöht, was in Übereinstimmung mit der in Fig. 3 dargestellten Charakteristik die Amplitude bei der Frequenz f2 vermindert. Wenn umgekehrt die Amplitude bei f1 grösser ist als die bei f2, wird Omega vermindert, was in einer kleineren Amplitude bei f1 resultiert.
In Fig. 6 ist eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Auswertegliedes 212 aus digitalen Komponenten dargestellt. Das Pulsationssignal PBκ wird in einem Analog-Digital-Wandler A/D amplituden- und zeitdiskretisiert. Das digitalisierte Signal wird in einem Frequenzanalysator FFT einer Frequenzanalyse unterzogen. Amplitudenwerte bei zwei Frequenzen f1 und f2 werden an Fifo- Speicher FIF01 und FIF02 weitergeleitet, und dort wird eine Anzahl zeitlich aufeinanderfolgender Amplitudenwerte gespeichert. Geeignete Mittel MAX1 und MAX2 bestimmen den jeweils höchsten in einem Fifo gespeicherten Amplitudenwert. Im weiteren wird auch hier durch einen (digitalen) Differenzbildner die Pulsationskenngrösse PBK.S gebildet, und daraus wird im Regelglied 213 die Omega-Abweichung ermittelt.
Fig. 7 zeigt schliesslich eine mit Vorteil zu implementierende Begrenzung des Regelbereiches des Omega-Reglers 210. Basis-Omega Ω0 ist in Abhängigkeit von der Relativleistung PREL vorgegeben. Mit Vorteil ist, wie in Figur 7 dargestellt, der Regelbereich des Omega-Reglers nach oben und unten durch die Grenzwerte ΩMIN und ΩMAX begrenzt. Damit werden übermässige
Abweichungen vom Basis-Omega, was zu unzulässigen Emissionswerten oder aber zum Flammenlöschen führen könnte, vermieden.
Weitere Ausführungsformen der in den Ansprüchen gekennzeichneten Erfindung erschliessen sich dem Fachmann im Lichte dieser Ausführungen von selbst. Bezugszeichenliste
1 Verdichter
2 Turbine
3 Brennkammer
4 Welle
5 Generator
11 Brennstoffleitung
12 Inertmedienleitung, NOx-Wasser-Leitung
13 Brennstoff-Regelventil
14 Inertmedien-Stellorgan
15 Brennstoffmengenmessstelle, Brennstoff-Durchflussmessstelle
16 Inertmedien-Durchflussmessstelle
17 Pulsationsmesseinrichtung
18 Ladungsverstärker
19 Sensor für Umgebungsbedingungen
20 Maschinensteurung, Steuerungseinrichtung
21 Register
210 Omega-Regler
211 Steuerelement
212 Auswerteglied
213 Regelglied
214 Rechenglied
AMB Umgebungsbedingungen (Temperatur, Druck, Feuchte)
A/D Analog-Digital-Wandler
BP1. BP2 Bandpass
FFT Frequenzanalysator FIFO1. FIFO2 FiFo-Speicher
K additive Konstante
LP1. LP2 Tiefpass MBS Brennstoff-Massenstromsignal
MH2O Inertmedien-Massenstrom
MAX1 , MAX2 Maximalwert-Bestimmungsglieder
PBK Pulsationssignal PBK,S Pulsationskenngrösse
PEL Leistungssignal
PREL Leistungskenngrösse, Relative Gasturbinenleistung
RMS1 , RMS2 RMS-Effektivwert-Berechnungsglied
YH2O Inertmedien-Stellsignal, Stellgrösse
f 1 , f2 charakteristische Frequenzen des Pulsationsspektrums
Ω Omega: Verhältnis des Inertmedien-Massenstroms zum Brennstoff-Massenstrom Ωo Basis-Omega, leistungsabhängig vorgesteuerter Omega-Wert
ΩAκτ Ist-Omega
ΩSOLL Soll-Omega
Ω IN> Ω AX Omega-Grenzwert
ΔΩ Omega-Abweichung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Steuerung der Einbringung inerter Medien in die
Verbrennungszone eines Brennraums in einem geschlossenen Regelkreis, in dem das Verhältnis vom eingebrachtem Inertmedien-Massenstrom (MH2O) zum Brennstoff-Massenstrom (MBs) geregelt wird, welches Verhältnis als Omega (Ω) bezeichnet wird, wobei in einem ersten Verfahrensschritt der Inertmedien-Massenstrom für einen als Funktion einer
Leistungskenngrösse (PREL) festgelegten Basiswert von Omega (Ω0) vorgesteuert wird, gekennzeichnet durch die fortwährende Wiederholung eines Regelablaufs, welcher die folgenden Schritte beinhaltet: Festlegung des aktuellen Omega (ΩAκτ) als Ist-Omega; - Erfassung von Verbrennungspulsations-Messwerten(PBκ);
Auswertung der Pulsationsmesswerte; Bestimmung einer Pulsationskenngrösse (PBK.S); Bestimmung einer Regelabweichung aus der bestimmten Pulsationskenngrösse und einem Sollwert der Pulsationskenngrösse; - Bestimmung einer Omega-Abweichung (ΔΩ) als Funktion der
Regelabweichung;
Veränderung des aktuellen Omega um die Omega-Abweichung durch entsprechende Variation des Inertmedien-Massenstroms.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Funktion der Leistungskenngrösse (PREL) ein unterer (ΩMIN) und ein oberer (ΩMAX) Grenzwert für das einzustellende Omega (ΩSOLL) festgelegt sind, und bei der Veränderung des aktuellen Omega der obere Grenzwert nicht überschritten und der untere Grenzwert nicht überschritten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Totband für die Regelabweichung der Pulsationskenngrösse (PBK,S) vorgegeben ist, und bei einer Abweichung der Pulsationskenngrösse innerhalb dieses Totbandes keine Veränderung des aktuellen Omega erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schritt der Auswertung der Pulsationsmesswerte eine Frequenzanalyse (FFT) oder eine Bandpassfilterung (BP1 , BP2) ist, und, dass zur Berechnung der Pulsationskenngrösse Pulsationsintensitäten in wenigstens zwei Frequenzbändern (f 1 , f2) miteinander verrechnet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsationsintensität in einem Frequenzband gleich der bei der Frequenzanalyse oder bei der Bandpassfilterung ermittelten Amplitude in dem Frequenzband gesetzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsationsintensität in einem Frequenzband gleich dem Maximum der bei der Frequenzanalyse innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls ermittelten zeitabhängigen Amplituden in dem Frequenzband gesetzt wird.
7. Verfahren nach einem der Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsationsintensität in einem Frequenzband gleich einem zeitlichen Mittelwert der Amplituden oder Maxima der Amplituden, die bei der Frequenzanalyse in dem Frequenzband ermittelt wurden, gesetzt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, die Pulsationsintensität in einem Frequenzbereich vorgängig der Verrechnung mit den Pulsationsintensitäten in anderen Frequenzbereichen mit einer additiven Konstanten verrechnet wird, wenn die Standardabweichung der zeitabhängigen Pulsationsintensitäten einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend: Mittel zur Erfassung von Pulsations-Messwerten (18); Mittel zur Bestimmung des Ist-Omega (214); Mittel zur Auswertung der Pulsationsmesswerte; Mittel zur Berechnung der charakteristischen Pulsationskenngrösse (212); Mittel zur Bestimmung der Regelabweichung; Mittel zur Bestimmung der Omega-Abweichung als Funktion der Regelabweichung (213); Mittel zur Veränderung des Inertmedien- Massenstroms.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Auswertung der Pulsationsmesswerte wenigstens zwei Bandpassfilter (BP1 , BP2) beinhalten, welche eingansseitig mit den Mitteln zur Erfassung der Pulsations-Messwerte (18) in Signalverbindung stehen.
11.Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Berechnung der charakteristischen Pulsationskenngrösse wenigstens einen Differenzbildner beinhalten, welcher eingangsseitig mit wenigstens zwei Bandpassfiltern in Signalverbindung steht.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Bestimmung der Regelabweichung wenigstens einen Differenzbildner beinhalten, welcher eingangsseitig mit einem Referenzwertgeber und den Mitteln zur Berechnung der charakteristischen Pulsationskenngrösse in Signalverbindung stehen.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Mittel durch einen auf geeignete Weise programmierten Computer realisiert sind.
14. Computerprogrammprodukt, durch welches ein Computer zur Verwendung in einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13 programmiert wird.
15. Computerprogrammprodukt, das in einen Computer geladen werden kann und diesen zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 veranlasst.
16. Computerlesbarer Datenträger, auf dem ein Computerprogramm nach einem der Ansprüche 14 oder 15 in maschinenlesbarer Form oder als Quellcode gespeichert ist.
17. Gasturbine mit wenigstens einem Verdichter (1 ), wenigstens einer Turbine (2), und wenigstens einer Brennkammer (3), sowie mit Mitteln zur Einbringung eines Brennstoffmassenstroms (11) und eines Inertmedien- Massenstroms (12) in die Brennkammer; dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbine zur Steuerung des eingebrachten Inertmedien-Massenstroms (MH2o) eine Vorrichtung (210) nach einem der Ansprüche 9 bis 13 aufweist.
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