WO2019175091A1 - Verfahren zur steuerung einer spaltminimierung einer gasturbine - Google Patents

Verfahren zur steuerung einer spaltminimierung einer gasturbine Download PDF

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WO2019175091A1
WO2019175091A1 PCT/EP2019/055994 EP2019055994W WO2019175091A1 WO 2019175091 A1 WO2019175091 A1 WO 2019175091A1 EP 2019055994 W EP2019055994 W EP 2019055994W WO 2019175091 A1 WO2019175091 A1 WO 2019175091A1
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gas turbine
gap
threshold value
maximum value
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PCT/EP2019/055994
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Hans-Georg Gamm
Marcus HÜNING
Uwe Kahlstorf
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/14—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/14—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing
    • F01D11/20—Actively adjusting tip-clearance
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01D25/14—Casings modified therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01D17/04—Arrangement of sensing elements responsive to load
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2270/00—Control
    • F05D2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
    • F05D2270/305—Tolerances
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2270/00—Control
    • F05D2270/80—Devices generating input signals, e.g. transducers, sensors, cameras or strain gauges

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a gap minimization of an adjustable gap between a rotor and a housing of a gas turbine, wherein the Gasturbi ne one, in particular hydraulic, Spaltinstellvoriques comprises.
  • the invention further relates to a Steuervorrich device for performing the method and a gas turbine with such a control device.
  • EP 2 843 198 A1 discloses a method as well as a device for controlling a rotor clearance (tip clearance) of a gas turbine engine of an aircraft. Steps of the method include measuring at least one motor parameter; Determining the engine power requirement from the at least one engine parameter; and calculating the rotor gap in view of the determined engine power requirement.
  • the device for controlling the rotor gap is controlled to increase or decrease the root top clearance based on the difference between the calculated clearance and a predefined target clearance.
  • EP 2 549 065 A1 also describes a system for operating a turbine comprising a rotating component and a non-rotating component separated from the rotating component by a gap.
  • a first The actuator is connected to the non-rotating component and the first actuator comprises a shape memory alloy.
  • a method of operating the turbine includes detecting a parameter that reflects the gap between the non-rotating component and the rotating component, and generating a parameter signal that reflects the gap. The method further includes generating a control signal for at least one actuator based on the parameter signal and moving at least a portion of the non-rotating component relative to the rotating component to vary the gap.
  • the invention has for its object to propose an improved HCO logic, which in particular at a load change an optimal use of the gap setting is possible during operation of the gas turbine.
  • the object is achieved by a method for controlling a gap minimization of an adjustable gap between a rotor and a housing of a Gasturbi ne, wherein the gas turbine comprises a, in particular hydraulic, Spaltinstellvoriques, comprising the following steps te:
  • an actual value of the operating parameter is continuously determined and compared with the lower threshold and the upper threshold, and over a predetermined period of time, the maximum value of the actual value is determined
  • a limit value for the operating parameter is determined and the gap minimization is activated when the actual value is above the limit and deactivated when the actual value is below the limit.
  • a control device for carrying out the method comprising a, in particular hydraulic, Spaltinstellvoriques as means for determining the actual value of the Radioparame age.
  • the means for determining the actual value of the operating parameter may be sensors for a direct measurement or, alternatively, another variable correlated with the operating parameter may be measured directly and, on this basis, the operating parameters calculated indirectly.
  • gap minimization is in this case an axial offset of the rotor of the gas turbine is understood against the flow direction, which offset with the aid of in particular the hydraulic With tel for adjusting the gap between the rotor and the Ge housing is performed.
  • HCO is used in the following text for the term gap minimization.
  • the gap minimization or the HCO function can be activated (the rotor is shifted towards the housing) or deactivated.
  • the invention is based on the consideration to provide a new HCO logic, which is mainly simple and robust, but can minimize the dangers in the operating phases with activated Spal toptimierung. For this purpose, numerous investigations of transient maneuvers were carried out by means of computer simulation, which form the basis for the improved HCO logic.
  • an operating parameter is used ter, with the aid of the operating state of the gas turbine is detected.
  • an operating parameter e.g. the power of the gas turbine
  • a normalized relative power, temperatures or pressures along the main gas channel or temperature and pressure conditions are used.
  • the operating parameter is chosen so that it is based on a
  • the computer simulation by means of the simulation program he follows in particular outside of the operation, e.g. in the development stage of the gas turbine.
  • a simulation program is understood to mean a so-called digital twin of the gas turbine.
  • the simulation program or simulation model provides a more detailed overview of the status of the turbine with different parameter settings. This makes it possible to better determine operating parameters that are tailored to the application scenario in order to optimally drive the gas turbine. In the specific case, the behavior of the gas turbine with respect to the gap between the rotor and the housing in the ongoing changes in the operating parameter is under investigation.
  • the simulation data set generated by the simulation program then serves to select the upper threshold and the lower threshold such that optimal utilization of the HCO is possible in which the HCO is activated as long as possible with acceptable column losses.
  • the essential feature for the evaluation of the simulations is that the narrowest gap of the different maneuvers ver should be equal to ensure that not a maneuver "destroyed" the column.
  • the actual value of the operating parameters is continuously recorded, whereby "continuous" includes both the case of a continuous, uninterrupted, direct measurement or calculation from measured data, as well as the case of direct measurement or calculation from measured data at short intervals.
  • the currently detected actual value is compared with the lower and upper threshold values, whereby the course of the actual value is subdivided into at least three operating regimes or ranges: a lower range, a middle transition range and an upper range.
  • the maximum value of the actual value over a period of time in the immediate past is recorded.
  • a limit value is determined with the aid of the correlation from the simulation results, which is then tightened when the actual value is in the transitional range between the lower and the upper threshold value.
  • the gas turbine In the low load range, the gas turbine is usually only operated for a very short time, if at all, because of the pollutant emissions and the low efficiency. Consequently the efficiency in this load range contributes very negligibly to the overall efficiency over the operating cycle of the machine. In this respect, there is no need to activate the HCO in this difficult environment. For this reason, the lower threshold is defined for the operating parameter. In the lower area, below the lower threshold value, therefore, the gap minimization is deactivated or remains deactivated, if it was not already switched on or already switched off.
  • the analyzes carried out show that it is in the range of high loads of the gas turbine, in which area the HCO is switched on in the Re gel, even with load fluctuations after a leadership or adaptation of the HCO is not required.
  • a start from a low-load range is not critical for the use of gap minimization.
  • the upper threshold value for the operating parameter is defined. In the upper area, above the upper threshold value, the gap minimization is therefore activated or remains activated if it was already switched on.
  • the correlation between the actual value of the operating parameter and the maximum value of the operating parameter from the immediate past is taken into account.
  • the HCO function is activated or deactivated depending on the behavior of the gas turbine in the predefined time period.
  • the limit value of the operating parameter is required, which depends on the maximum value. If the actual value is above the limit value, ie between the limit value and the upper threshold value, the gap minimization is or remains activated. If, however, the actual value is below the limit value, ie between the lower threshold value and the limit value, the gap optimization is or remains deactivated.
  • the proposed method is a very precise activation of the HCO function, which bine several HCO activation hours are obtained in the operation of Gastur, which acts positively on the efficiency of the gas turbine.
  • the method limits the complexity of subdividing the operating regimes of the gas turbine to only three cases in which the HCO logic must decide whether to turn on or off the HCO.
  • the HCO logic described above also provides better match with machine behavior and is independent of any active one
  • the relative power which is normalized to the rated power of the gas turbine.
  • the relative power is directly coupled to the absolute power, which is well available in the control of the gas turbine and requires no additional hardware effort to be detected.
  • the time interval is between 20 minutes and 3 hours, in particular between 30 minutes and 90 minutes.
  • the time span is due to the reaction time of the turbine and is thus machine-dependent.
  • the period of time is predetermined in particular in the control of the gas turbine.
  • the lower threshold at a relative power is between 30% and 45%. This means that the gap minimization is switched on, only when at least 30% of the rated power of the gas turbine are reached. Below this relative power, it is provided that the HCO function is permanently inactive.
  • the upper threshold value for a relative power is preferably between 50% and 65%. At the latest when 65% of the rated output of the gas turbine is reached, depending on the case, this can already be achieved at 50% of the nominal output of the gas turbine. bine, the HCO is activated and remains permanently active above the upper threshold.
  • the gap minimization is preferably delayed activated when the actual value exceeds the threshold.
  • a time-delayed activation of the HCO prevents a considerable load difference from being bypassed by rapid maneuvers. For this reason, another block of HCO is defined which blocks HCO activation for a period of a few minutes to a maximum of 30 minutes.
  • Threshold defines multiple levels for the maximum value, where only the highest level is exceeded for the activation or deactivation of the gap minimization, which was exceeded by the maximum value in the time span. In this way, no continuous storage of the maximum value is required each time the maximum value is changed. Only when, for example, increases the gas turbine in a higher power level, it is noted that the gas turbine has been operated above this level. Such a procedure represents a further simplification in the determination of the limit value, since thereby the maximum value remains constant over a longer time.
  • the correlation between the limit value and the maximum value is preferably predefined.
  • the connexion maximum value and the limit value is specified in particular in the form of a table. For the application this is completely sufficient, and very reliable and controllable. It is thus only necessary to know the maximum value of the operating parameter in order to determine the limit value quickly and without great computational effort.
  • each stage it is preferable for each stage to have a correlation between the Limit value and the maximum value predefined. The respective correlations are recorded in the table.
  • the correlation between the limit value and the maximum value is determined by calculation. This is done in particular according to a formula stored in the control.
  • the procedural rens intimide from determining the actual value of the operating parameters in the operation of the gas turbine advantageously continuously performed continuously as soon as the gas turbine in operation genome men becomes.
  • FIG 1 is a graphical representation of the three performance areas shown, in which the performance of a gas turbine not shown in detail with a Spaltinstellvortechnisch according to the new HCO logic is divided and which is characterized by under different operating regimes.
  • the Spaltin adjusting device which in particular is hydraulically driven, is part of a Steuervor direction not shown here in detail, which communicates with not-shown sensors, which monitor the operation of the gas turbine, data technology commu.
  • the relative power P REL is plotted on the X axis.
  • carry which is formed by the current power, which is normalized by the rated power of the gas turbine.
  • the maximum value of the relative power P MAX of the gas turbine is plotted on the Y axis.
  • the three regions U, M and 0 on the X-axis are separated by a lower threshold Pu and an upper threshold P 0 .
  • the power range is marked U.
  • the power range is indicated by O.
  • the middle transition region M is between the lower threshold Pu and the upper threshold P 0 .
  • the line F which extends over the transition region M he shows the dependence of the limit value P G of Maxi value P MAX ⁇
  • This dependency is stored in the embodiment shown, for example, in a table to which the Steue can access tion.
  • the table in turn is based on a simulation data set generated by means of a simulation program or digital twin for this turbine type.
  • the decision as to whether the HCO is activated or deactivated or remains active or inactive is based on the development of an actual value Pi of the relative power P REL .
  • the maximum value PM A X for a period of time which always corresponds to the last hour of the actual value Pi (see FIG. 2).
  • the time span is also stored in the controller and is machine-specific. The time span can also be shorter than 1 hour (eg the measurements of the relative power P UML from the last 45 min are used) or even longer (eg 90 min). If the actual value Pi in the lower range U is below the lower threshold value Pu, the controller deactivates the gap minimization or, if the gap minimization is already active, it remains switched off.
  • the controller activates the gap minimization or, if the gap minimization is already active, it remains switched on.
  • the gap minimization is turned on or off depending on whether the actual value Pi is the relative power P ⁇ EL in the region M 'below the limit value P G or in the range M "above the limit value P G.
  • the limit value P G As already explained, the maximum power PM A X of the maximum power PM A X in the last hour can be derived from the maximum value PM A X based on the correlation (F) stored in the controller.
  • the maximum value PM A X can also be defined on the Y-axis several stages for the maximum value PM A X, with the activation or deactivation tion of the gap minimization is taken into account only, wel che is the highest level of the maximum value PM A X was exceeded in the last hour. For example, between 3 and 10 such stages may be defined, which may also be different in size.
  • the line F looks somewhat different for each stage, ie the predefined or calculated correlation between the limit value P G and the maximum value PM A X can vary from stage to stage.
  • a further barrier of the HCO can be incorporated, which blocks the HCO activation for eg 15 min.
  • the lock engages, in particular, after a considerable increase in load or power in the transition region M or in the upper region 0, which follows a considerable load or power drop in the lower region U.
  • FIG. 2 in which the relative power P REL is plotted against the time t. Up to the time point ti, the actual value Pi is substantially constant and is in the upper power range 0, in which the HCO is active. Between ti and t 3 , Pi drops rapidly until a value below the lower threshold Pu is reached. When falling below the limit value P G in the transition region M at the time point 12 while the gap minimization is turned off.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Spaltminimierung für einen einstellbaren Spalt zwischen einem Rotor und einem Gehäuse einer Gasturbine. Um im Betrieb der Gasturbine eine hochpräzise Spalteinstellung zu gewährleisten, wird laufend ein Istwert (PI) eines Betriebsparameters, beispielsweise die relative Leistung (Prel) der Gasturbine, ermittelt und mit einem unteren und einem oberen Schwellwert (PU, PO) verglichen, über eine vorgegebene Zeitspanne ein Maximalwert (Pmax) des Istwertes (PI) bestimmt und daraus ein Grenzwert (PG) bestimmt, der zwischen dem unteren und dem oberen Schwellwert (PU, PO) liegt. Dies erfolgt auf Basis einer aus Simulationsdaten extrahierten Korrelation. Liegt der Istwert (PI) unterhalb des unteren Schwellwerts (PU) wird die Spaltminimierung deaktiviert, wohingegen sie oberhalb des oberen Schwellwerts (PO) aktiviert wird. Zwischen den Schwellwerten (PU, PO) wird die Spaltminimierung aktiviert, sofern der Istwert (PI) oberhalb des Grenzwertes (PG) liegt, jedoch deaktiviert, wenn dieser unterhalb des Grenzwerts (PG) liegt.

Description

Verfahren zur Steuerung einer Spaltminimierung einer Gastur bine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Spaltminimierung eines einstellbaren Spalts zwischen einem Rotor und einem Gehäuse einer Gasturbine, wobei die Gasturbi ne eine, insbesondere hydraulische, Spalteinstellvorrichtung umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Steuervorrich tung zur Durchführung des Verfahrens sowie eine Gasturbine mit einer solchen Steuervorrichtung.
Um einen maximalen Gasturbinenwirkungsgrad zu ermöglichen, ist es von entscheidender Bedeutung, die Spalte zwischen den rotierenden und den statischen Bauteilen während des Betriebs möglichst klein zu halten. Bei einem konischen Turbinen- Strömungskanal ist eine Möglichkeit hierzu, nachdem transien te Phasen, in welchen die Spalte an den Schaufelspitzen sich maximal verengen, durchfahren sind, den Rotor im stationären Hochlast-Betrieb z.B. mit einer Hydraulik axial zu verfahren. Wird der Rotor gegen die Strömungsrichtung verfahren, dann reduzieren sich die Spalte.
Aus der EP 2 843 198 Al gehen ein Verfahren sowie eine Vor richtung zum Steuern eines Rotorspalts (Tip Clearance) eines Gasturbinentriebwerks eines Flugzeugs hervor. Schritte des Verfahrens umfassen das Messen von mindestens einem Motorpa rameter; Bestimmen der Motorleistungsanforderung aus dem min destens einen Motorparameter; und Berechnen des Rotorspaltes angesichts des bestimmten Motorleistungsbedarfs. Die Vorrich tung zum Steuern des Rotorspalts wird gesteuert, um den Ro torspitzenfreiraum, basierend auf der Differenz zwischen dem berechneten Freiraum und einem vordefinierten Zielfreiraum zu erhöhen oder zu verringern.
In der EP 2 549 065 Al ist ebenfalls ein System zum Betreiben einer Turbine umfassend eine rotierende Komponente und eine nicht rotierende Komponente, die von der rotierenden Kompo nente durch einen Spalt getrennt ist, beschrieben. Ein erster Aktuator ist mit der nicht rotierenden Komponente verbunden, und der erste Aktuator umfasst eine Formgedächtnislegierung. Ein Verfahren zum Betreiben der Turbine umfasst das Erfassen eines Parameters, der den Spalt zwischen der nicht rotieren den Komponente und der rotierenden Komponente widerspiegelt, und das Erzeugen eines Parametersignals, das den Spalt re flektiert. Das Verfahren umfasst ferner das Erzeugen eines Steuersignals für mindestens ein Stellglied auf der Grundlage des Parametersignals und das Bewegen mindestens eines Teils der nicht rotierenden Komponente relativ zu der rotierenden Komponente, um den Spalt zu verändern.
Aus der WO 2014/016153 Al ist ein Verfahren zur Minimierung eines einstellbaren Spalts zwischen einer Laufschaufel und einem Gehäuse einer Turbine bekannt. Durch Verschiebung von Läufer und Gehäuse gegeneinander, soll der Spalt zwischen Läufer und Gehäuse auf einfache Art und Weise minimiert wer den. Dazu wird ein Ausgangssignal eines dem Läufer und/oder dem Gehäuse zugeordneten Körperschallüberwachungssystems als Maß für die Größe des Spalts und damit zur Einstellung eines minimalen Spalts herangezogen.
Ein weiteres Verfahren zum Teillast-Betrieb einer Gasturbine bei aktiver hydraulischer Spalteinstellung ist beispielsweise aus der WO 2015/128193 Al bekannt.
Um ein marktfähiges Produkt zu erzeugen, muss die Entschei dung über die angefahrene Position des Rotors automatisch ge steuert oder geregelt werden. Da eine dauerhafte Messung der Betriebsspalte technisch schwer umsetzbar bzw. sehr teuer ist, ist eine andere Vorgehensweise nötig. Hier wird in der Steuerung der Gasturbine eine HCO (Hydraulic Clearance Opti- misation) Logik benötigt, die basierend auf messbaren Größen vorgibt, wie die Spaltoptimierung zu verfahren ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte HCO Logik vorzuschlagen, die insbesondere bei einem Lastwech- sei während des Betriebs der Gasturbine eine optimale Nutzung der Spalteinstellung ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Steuerung einer Spaltminimierung eines einstellbaren Spalts zwischen einem Rotor und einem Gehäuse einer Gasturbi ne, wobei die Gasturbine eine, insbesondere hydraulische, Spalteinstellvorrichtung umfasst, enthaltend folgende Schrit te :
mit Hilfe eines Simulationsprogramms wird der Betrieb der Gasturbine bei unterschiedlichen Parametereinstellungen abgebildet und ein Simulationsdatensatz wird erstellt, der die Abhängigkeit der Spaltgröße von einem Betriebsparame ter enthält,
anhand vom Simulationsdatensatz werden ein unterer
Schwellwert und ein oberer Schwellwert für den Betriebspa rameter festgelegt,
weiterhin wird für einen Übergangsbereich zwischen dem un teren Schwellwert und dem oberen Schwellwert eine Korrela tion zwischen dem Betriebsparameter und einem Maximalwert des Betriebsparameters aus dem Simulationsdatensatz extra hiert,
während des Betriebs der Gasturbine wird laufend ein Ist wert des Betriebsparameters ermittelt und mit dem unteren Schwellwert und dem oberen Schwellwert verglichen, und über eine vorgegebene Zeitspanne wird der Maximalwert des Istwertes bestimmt,
wobei beim Vergleich des Istwerts mit dem unteren Schwell wert und dem oberen Schwellwert, wenn der Istwert:
unterhalb des unteren Schwellwerts liegt, die Spaltmini mierung deaktiviert wird,
oberhalb des oberen Schwellwerts liegt, die Spaltminimie rung aktiviert wird,
im Übergangsbereich liegt, mit Hilfe des Maximalwerts aus der vorgegebenen Zeitspanne unter Heranziehung der Korre lation ein Grenzwert für den Betriebsparameter ermittelt wird und die Spaltminimierung aktiviert wird, wenn der Istwert oberhalb des Grenzwertes liegt und deaktiviert wird, wenn der Istwert unterhalb des Grenzwerts liegt.
Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch eine Steuervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, umfassend eine, insbesondere hydraulische, Spalteinstellvorrichtung so wie Mittel zur Ermittlung des Istwerts des Betriebsparame ters. In Abhängigkeit vom Betriebsparameter können die Mittel zur Ermittlung des Istwerts des Betriebsparameters hierbei Sensoren für eine direkte Messung sein oder alternativ kann eine andere, mit dem Betriebsparameter korrelierte Größe di rekt gemessen und auf dieser Grundlage der Betriebsparameter rechnerisch indirekt ermittelt werden.
Die Aufgabe wird schließlich erfindungsgemäß gelöst durch ei ne Gasturbine mit einer solchen Steuervorrichtung.
Die in Bezug auf das Verfahren nachstehend angeführten Vor teile und bevorzugten Ausgestaltungen lassen sich sinngemäß auf die Steuervorrichtung und die Gasturbine übertragen.
Unter Spaltminimierung wird hierbei ein axialer Versatz des Rotors der Gasturbine gegen die Strömungsrichtung verstanden, welcher Versatz mit Hilfe insbesondere der hydraulischen Mit tel zum Einstellen des Spaltes zwischen dem Rotor und dem Ge häuse durchgeführt wird. Der Begriff HCO wird im weiteren Text mit dem Begriff Spaltminimierung gleichgesetzt. Die Spaltminimierung bzw. die HCO-Funktion kann dabei aktiviert (der Rotor ist zum Gehäuse hin verschoben) oder deaktiviert werden .
Unter „aktiviert wird" bzw. „deaktiviert wird" soll nicht al leine das Ein- bzw. Ausschalten der HCO verstanden, sondern im Falle, dass die Spaltminimierung bereits aktiv ist, ist „aktiviert werden" gleichzusetzen mit „aktiviert bleiben".
Das Gleiche bezieht sich auf eine bereits ausgeschaltete Spaltminimierung, in diesem Fall bedeutet „deaktiviert wer den" auch „deaktiviert bleiben". Die Erfindung basiert auf der Überlegung, eine neue HCO Logik bereitzustellen, die vor allem einfach und robust ist, jedoch die Gefahren in den Betriebsphasen mit eingeschalteter Spal toptimierung minimieren kann. Hierzu wurden zahlreiche Unter suchungen von transienten Manövern mittels Computersimulation durchgeführt, welche die Grundlage für die verbesserte HCO Logik bilden.
Für die optimierte Spalteinstellung wird ein Betriebsparame ter herangezogen, mit dessen Hilfe der Betriebszustand der Gasturbine erfasst wird. Als Betriebsparameter kann z.B. die Leistung der Gasturbine, eine normierte relative Leistung, Temperaturen oder Drücke entlang des Hauptgaskanals oder auch Temperatur- und Druckverhältnisse verwendet werden. Der Be triebsparameter ist dabei so gewählt, dass er auf eine
Laständerung reagiert.
Die Computersimulation mittels des Simulationsprogramms er folgt insbesondere außerhalb des Betriebs, z.B. im Entwick lungsstadium der Gasturbine. Unter Simulationsprogramm wird hierbei ein sogenannter digitaler Zwilling der Gasturbine verstanden. Das Simulationsprogramm oder Simulationsmodell ermöglicht einen genaueren Überblick über den Status der Tur bine bei unterschiedlichsten Parametereinstellungen. Somit lassen sich besser auf das Einsatzszenario abgestimmte Be triebsparameter ermitteln, um die Gasturbine optimal zu be treiben. Im konkreten Fall wird das Verhalten der Gasturbine in Bezug auf den Spalt zwischen dem Rotor und dem Gehäuse bei den laufenden Veränderungen des Betriebsparameters unter sucht .
Der durch das Simulationsprogramm generierte Simulationsda tensatz dient anschließend dazu, den oberen Schwellwert und den unteren Schwellwert derart zu wählen, dass eine optimale Nutzung der HCO möglich ist, bei der die HCO so lange wie möglich aktiviert ist unter akzeptablen Verlusten der Spalte. Das wesentliche Merkmal für die Auswertung der Simulationen ist dabei, dass der engste Spalt der unterschiedlichen Manö- ver möglichst gleich sein soll, um sicherzustellen, dass nicht ein Manöver die Spalte „zerstört".
Eine Erkenntnis aus bisherigen Analysen ist, dass es insbe sondere große Lastreduzierungen sind, die zu einer transien ten Spaltverkleinerung führen und mit denen somit eine HCO Deaktivierung einhergehen muss. Es gilt somit den Maximalwert des Betriebsparameters aus der Zeit vor einem Lastsprung zu berücksichtigen, denn der Maximalwert des Betriebsparameters verschiebt die Grenze für die HCO Aktivierung. Aus diesem Grund wird aus dem Simulationsdatensatz eine Korrelation zwi schen der Entwicklung des Maximalwerts des Betriebsparameters gegenüber der Entwicklung des Betriebsparameters extrahiert. Das Ergebnis dieser Analyse kann beispielsweise als Funktion ausgegeben werden, die unter anderem eine gerade, konvexe, oder konkave Abhängigkeit zeigen kann.
Im Betrieb der Gasturbine wird der Istwert des Betriebspara meters laufend erfasst, wobei „laufend" sowohl der Fall einer kontinuierlichen, ununterbrochenen, direkten Messung oder Be rechnung aus Messdaten, als auch der Fall einer direkten Mes sung oder Berechnung aus Messdaten in kurzen Zeitabständen umfasst. Der aktuell erfasste Istwert wird mit dem unteren und dem oberen Schwellwert verglichen, wobei der Verlauf des Istwerts in mindestens drei Betriebsregime oder Bereiche un terteilt wird: in einen unteren Bereich, einen mittleren Übergangsbereich und einen oberen Bereich.
Ergänzend dazu wird der Maximalwert des Istwerts über eine Zeitspanne in der unmittelbaren Vergangenheit erfasst. Auf Basis des Maximalwerts wird mit Hilfe der Korrelation aus den Simulationsergebnissen ein Grenzwert bestimmt, der dann her angezogen wird, wenn sich der Istwert im Übergangsbereich zwischen dem unteren und dem oberen Schwellwert befindet.
Im niedrigen Lastbereich wird die Gasturbine aufgrund der Schadstoffemissionen und des niedrigen Wirkungsgrades, wenn überhaupt, meistens nur sehr kurze Zeit betrieben. Somit trägt der Wirkungsgrad in diesem Lastbereich nur sehr ver nachlässigbar zu dem Gesamtwirkungsgrad über den Betriebszyk lus der Maschine bei. Insofern besteht kein Erfordernis zur Aktivierung der HCO in diesem schwierigen Umfeld. Aus diesem Grund wird der untere Schwellwert für den Betriebsparameter definiert. Im unteren Bereich, unterhalb des unteren Schwell werts, wird daher die Spaltminimierung deaktiviert oder bleibt deaktiviert, falls sie noch nicht eingeschaltet war oder bereits ausgeschaltet wurde.
Die durchgeführten Analysen zeigen, dass es im Bereich hoher Lasten der Gasturbine, in welchem Bereich die HCO in der Re gel eingeschaltet ist, selbst bei Lastschwankungen eine Nach führung bzw. Anpassung der HCO nicht erforderlich ist. Auch ein Anfahren aus einem Niedriglastbereich ist unkritisch für den Einsatz der Spaltminimierung. Hierzu wird der obere Schwellwert für den Betriebsparameter definiert. Im oberen Bereich, oberhalb des oberen Schwellwerts, wird die Spaltmi nimierung daher aktiviert oder bleibt aktiviert, wenn sie be reits eingeschaltet war.
Im Übergangsbereich zwischen dem unteren Schwellwert und dem oberen Schwellwert wird die Korrelation zwischen dem Istwert des Betriebsparameters und dem Maximalwert des Betriebspara meters aus der unmittelbaren Vergangenheit berücksichtigt. Dabei wird im Übergangsbereich zwischen dem unteren und dem oberen Schwellwert die HCO-Funktion in Abhängigkeit des Ver haltens der Gasturbine in der vordefinierten Zeitspanne akti viert oder deaktiviert. Hierzu wird der Grenzwert des Be triebsparameters benötigt, der vom Maximalwert abhängig ist. Wenn der Istwert oberhalb des Grenzwertes liegt, d.h. zwi schen dem Grenzwert und dem oberen Schwellwert, wird oder bleibt die Spaltminimierung aktiviert. Wenn der Istwert je doch unterhalb des Grenzwertes, d.h. zwischen dem unteren Schwellwert und dem Grenzwert liegt, wird oder bleibt die Spaltoptimierung deaktiviert. Durch das vorgeschlagene Verfahren erfolgt eine sehr präzise Aktivierung der HCO-Funktion, wodurch im Betrieb der Gastur bine mehrere HCO-Aktivierungsstunden dazu gewonnen werden, was sich positiv auf den Wirkungsgrad der Gasturbine aus wirkt. Durch das Verfahren ist die Komplexität der Untertei lung der Betriebsregime der Gasturbine auf nur drei Fälle be schränkt, in denen die HCO-Logik entscheiden muss, ob die HCO eingeschaltet oder ausgeschaltet wird. Die oben beschriebene HCO-Logik bietet zudem eine bessere Übereinstimmung mit dem Maschinenverhalten und ist unabhängig von einer aktiven
Spaltmessung .
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird als Betriebsparameter die relative Leistung verwendet, welche auf die Nennleistung der Gasturbine normiert ist. Die relati ve Leistung ist direkt an die absolute Leistung gekoppelt, welche in der Steuerung der Gasturbine gut verfügbar ist und keinen zusätzlichen Hardware-Aufwand erfordert, um erfasst zu werden .
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt die Zeitspanne zwischen 20 Minuten und 3 Stunden, insbesondere zwischen 30 min und 90 min. Die Zeitspanne ist durch die Re aktionszeit der Turbine bedingt und ist somit maschinenabhän gig. Die Zeitspanne ist insbesondere in der Steuerung der Gasturbine vorgegeben.
Bevorzugt liegt der untere Schwellwert bei einer relativen Leistung zwischen 30 % und 45 %. Dies bedeutet, dass die Spaltminimierung eingeschaltet wird, erst wenn mindestens 30 % der Nennleistung der Gasturbine erreicht sind. Unterhalb dieser relativen Leistung ist es vorgesehen, dass die HCO Funktion dauerhaft inaktiv ist.
Weiterhin bevorzugt liegt der obere Schwellwert bei einer re lativen Leistung zwischen 50 % und 65 %. Spätestens wenn 65 % der Nennleistung der Gasturbine erreicht werden, fallabhängig kann dies auch bereits bei 50 % der Nennleistung der Gastur- bine erfolgen, wird die HCO aktiviert und bleibt über dem oberen Schwellwert dauerhaft aktiv.
Nach einem Abfall der relativen Leistung, der von einem An stieg der relativen Leistung gefolgt wird, wird die Spaltmi nimierung vorzugsweise verzögert aktiviert, wenn der Istwert den Grenzwert überschreitet. Durch eine zeitlich verzögerte Aktivierung der HCO wird verhindert, dass eine beträchtliche Lastdifferenz durch zügige Manöver umgangen wird. Aus diesem Grund wird eine weitere Sperre der HCO definiert, die eine HCO Aktivierung für den Zeitraum von einigen wenigen Minuten bis maximal 30 Minuten blockiert.
Im Hinblick auf eine besonders einfache Maschinensteuerung werden zwischen dem unteren Schwellwert und dem oberen
Schwellwert mehrere Stufen für den Maximalwert definiert, wo bei für die Aktivierung oder Deaktivierung der Spaltminimie rung lediglich berücksichtigt wird, welche die höchste Stufe ist, die vom Maximalwert in der Zeitspanne überschritten wur de. Auf diese Weise ist keine laufende Speicherung des Maxi malwerts bei jeder Änderung des Maximalwerts erforderlich. Lediglich wenn, beispielsweise die Gasturbine in eine höhere Leistungsstufe steigt, wird festgehalten, dass die Gasturbine über diesem Level betrieben wurde. Eine solche Vorgehensweise stellt eine weitere Vereinfachung bei der Bestimmung des Grenzwertes dar, da dadurch der Maximalwert über eine längere Zeit konstant bleibt.
Bevorzugt ist die Korrelation zwischen dem Grenzwert und dem Maximalwert vordefiniert. Aus praktischen Gründen ist der Zu sammenhang Maximalwert und dem Grenzwert insbesondere in Form einer Tabelle vorgegeben. Für die Anwendung ist dies vollkom men ausreichend, und sehr zuverlässig und kontrollierbar. Es ist somit lediglich erforderlich, den Maximalwert des Be triebsparameters zu kennen, um schnell und ohne großen rech nerischen Aufwand den Grenzwert zu bestimmen. Im Falle, dass der Übergangsbereich in mehrere Stufen unterteilt ist, ist vorzugsweise für jede Stufe eine Korrelation zwischen dem Grenzwert und dem Maximalwert vordefiniert. Die jeweiligen Korrelationen sind in der Tabelle erfasst.
Gemäß einer alternativen Ausführung wird die Korrelation zwi schen dem Grenzwert und dem Maximalwert rechnerisch bestimmt. Dies erfolgt insbesondere nach einer in der Steuerung hinter legten Formel.
Um einen maximalen Wirkungsgrad im Betrieb der Gasturbine mit aktiver Spaltminimierung durch eine maximale zeitliche Aus nutzung der Spaltminimierung zu erreichen, werden die Verfah rensschritte ab dem Ermitteln des Istwerts des Betriebspara meters im Betrieb der Gasturbine vorteilhafterweise kontinu ierlich durchgeführt, sobald die Gasturbine in Betrieb genom men wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer
Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
FIG 1 die Aufteilung der relativen Leistung einer
Gasturbine in drei Bereiche bezüglich der HCO- Aktivierung, und
FIG 2 einen Ausschnitt vom Verlauf der relativen
Leistung der Gasturbine über die Zeit.
Gleiche Bezugszeichen haben in den Figuren die gleiche Bedeu tung .
In FIG 1 ist eine graphische Darstellung der drei Leistungs bereiche gezeigt, in welche die Leistung einer nicht näher gezeigten Gasturbine mit einer Spalteinstellvorrichtung gemäß der neuen HCO Logik unterteilt ist und welche durch unter schiedliche Betriebsregime gekennzeichnet ist. Die Spaltein stellvorrichtung, die insbesondere hydraulisch angetrieben wird, ist Teil einer hier nicht näher gezeigten Steuervor richtung, die mit ebenfalls nicht gezeigten Sensoren, welche den Betrieb der Gasturbine überwachen, datentechnisch kommu niziert. Auf die X-Achse ist die relative Leistung PREL aufge- tragen, welche durch die aktuelle Leistung gebildet ist, die durch die Nennleistung der Gasturbine normiert ist. Auf der Y-Achse ist der Maximalwert der relativen Leistung PMAX der Gasturbine aufgetragen. Die drei Bereiche U, M und 0 auf der X-Achse sind durch einen unteren Schwellwert Pu und einen oberen Schwellwert P0 voneinander getrennt. Zwischen Null und dem unteren Schwellwert Pu ist der Leistungsbereich mit U ge kennzeichnet. Oberhalb des oberen Schwellwerts P0 ist der Leistungsbereich mit O gekennzeichnet. Zwischen dem unteren Schwellwert Pu und dem oberen Schwellwert P0 befindet sich der mittlere Übergangsbereich M, in dem ein Grenzwert PG liegt. Die Schwellwerte Pu und P0 sind maschinenspezifisch und sind in der Steuerung der Gasturbine, die in einer nicht gezeigten Steuerungsvorrichtung enthalten ist, hinterlegt. Beispielsweise beträgt Pu=40 % und Po=60 %. Diese Zahlenwerte können ggf. auch geändert werden.
Die Linie F, welche sich über dem Übergangsbereich M er streckt, zeigt die Abhängigkeit des Grenzwerts PG vom Maxi malwert PMAX · Diese Abhängigkeit ist im gezeigten Ausführungs beispiel in einer Tabelle hinterlegt, auf welche die Steue rung zugreifen kann. Die Tabelle wiederum basiert auf einem Simulationsdatensatz, der mittels eines Simulationsprogramms oder digitalen Zwillings für diesen Turbinentyp generiert wurde .
Die Entscheidung, ob die HCO aktiviert oder deaktiviert wird bzw. aktiv oder inaktiv bleibt, basiert auf der Entwicklung eines Istwerts Pi der relativen Leistung PREL · Hierzu wird für eine Zeitspanne, welche z.B. stets der letzten Stunde ent spricht, der Maximalwert PMAX des Istwerts Pi (siehe FIG 2) erfasst. Die Zeitspanne ist ebenfalls in der Steuerung hin terlegt und ist maschinenspezifisch. Die Zeitspanne kann auch kürzer als 1 Stunde sein (z.B. werden die Messungen der rela tiven Leistung PUML aus den letzten 45 min herangezogen) oder auch länger sein (z.B. 90 min) . Wenn der Istwert Pi im unteren Bereich U unterhalb des unte ren Schwellwerts Pu liegt, schaltet die Steuerung die Spalt minimierung aus oder, falls die Spaltminimierung bereits in aktiv ist, bleibt sie ausgeschaltet.
Wenn der Istwert Pi im oberen Bereich 0 oberhalb des oberen Schwellwerts P0 liegt, schaltet die Steuerung die Spaltmini mierung ein, oder, falls die Spaltminimierung bereits aktiv ist, bleibt sie eingeschaltet.
Im Übergangsbereich M wird die Spaltminimierung ein- oder ausgeschaltet in Abhängigkeit davon, ob der Istwert Pi der relativen Leistung P^EL im Bereich M' unterhalb des Grenzwerts PG oder im Bereich M" oberhalb des Grenzwerts PG liegt. Der Grenzwert PG, wie bereits erläutert, lässt sich anhand der in der Steuerung hinterlegten Korrelation (F) aus dem Maximal wert PMAX der Maximalleistung PMAX in der letzten Stunde ablei ten .
Zur Vereinfachung der Erfassung des Maximalwerts PMAX können zudem auf der Y-Achse mehrere Stufen für den Maximalwert PMAX definiert werden, wobei für die Aktivierung oder Deaktivie rung der Spaltminimierung lediglich berücksichtigt wird, wel che die höchste Stufe ist, die vom Maximalwert PMAX in der letzten Stunde überschritten wurde. Beispielsweise können zwischen 3 und 10 solcher Stufen definiert sein, die auch un terschiedlich groß sein können. Insbesondere sieht dabei die Linie F für jede Stufe etwas anders aus, d.h. die vordefi nierte oder berechnete Korrelation zwischen dem Grenzwert PG und dem Maximalwert PMAX kann von Stufe zu Stufe variieren.
Darüber hinaus kann eine weitere Sperre der HCO eingebaut werden, welche die HCO-Aktivierung für z.B. 15 min blockiert. Die Sperre greift insbesondere nach einem erheblichen Last- bzw. Leistungsanstieg im Übergangsbereich M oder im oberen Bereich 0, der auf einen erheblichen Last- bzw. Leistungsab fall in den unteren Bereich U folgt. Dieser Fall ist in FIG 2 gezeigt, in welcher die relative Leistung PREL über der Zeit t aufgetragen ist. Bis zum Zeit punkt ti ist der Istwert Pi im Wesentlichen konstant und liegt im oberen Leistungsbereich 0, in welchem die HCO aktiv ist. Zwischen ti und t3 fällt Pi rasant ab, bis ein Wert un terhalb des unteren Schwellwerts Pu erreicht ist. Beim Unter schreiten des Grenzwerts PG im Übergangsbereich M zum Zeit punkt 12 wird dabei die Spaltminimierung abgeschaltet. Zwi schen t3 und 14 bleibt der Istwert Pi im unteren Bereich U und somit bleibt die HCO inaktiv. Zwischen t4 und t7 steigt der Pi stetig an, wobei zum Zeitpunkt ts der Grenzwert PG erneut überschritten wird. Jedoch löst dies noch keine Aktivierung der HCO in ts aus, sondern die Spaltminimierung erfolgt erst nach z.B. weiteren 15 min, zum Zeitpunkt t6, obwohl der Ist wert Pi die ganze Zeit im Bereich M" liegt. Zum Zeitpunkt t7 befindet sich der Istwert Pi erneut auf dem Niveau des Aus gangszustands der Gasturbine gemäß FIG 2.
Würde nach t4 vor dem Aktivieren der HCO der Istwert Pi z.B. erneut abfallen, würde dies unter Umständen PMAX aus der letz ten Stunde beeinflussen, was wiederum zu einem neuen Grenz wert PG führen könnte.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Steuerung einer Spaltminimierung eines ein stellbaren Spalts zwischen einem Rotor und einem Gehäuse einer Gasturbine, wobei die Gasturbine eine, insbesondere hydraulische, Spalteinstellvorrichtung umfasst,
g e k e n n z e i c h n e t d u r c h
folgende Schritte:
mit Hilfe eines Simulationsprogramms wird der Betrieb der Gasturbine bei unterschiedlichen Parametereinstellungen abgebildet und ein Simulationsdatensatz wird erstellt, der die Abhängigkeit der Spaltgröße von einem Betriebsparame ter enthält,
anhand vom Simulationsdatensatz werden ein unterer
Schwellwert (Pu) und ein oberer Schwellwert (P0) für den Betriebsparameter festgelegt,
weiterhin wird für einen Übergangsbereich (M) zwischen dem unteren Schwellwert (Pu) und dem oberen Schwellwert (P0) eine Korrelation (F) zwischen dem Betriebsparameter und einem Maximalwert (PMAX) des Betriebsparameters aus dem Si mulationsdatensatz extrahiert,
während des Betriebs der Gasturbine wird laufend ein Ist wert (P ) des Betriebsparameters ermittelt und mit dem un teren Schwellwert (Pu) und dem oberen Schwellwert (P0) verglichen,
und über eine vorgegebene Zeitspanne wird der Maximalwert (PMAX) des Istwertes (Pi) bestimmt,
wobei beim Vergleich des Istwerts (P ) mit dem unteren Schwellwert (Pu) und dem oberen Schwellwert (P0) , wenn der Istwert (P ) :
unterhalb des unteren Schwellwerts (Pu) liegt, die Spalt minimierung deaktiviert wird,
oberhalb des oberen Schwellwerts (P0) liegt, die Spaltmi nimierung aktiviert wird,
im Übergangsbereich (M) liegt, mit Hilfe des Maximalwerts (PMAX) aus der vorgegebenen Zeitspanne unter Heranziehung der Korrelation (F) ein Grenzwert (PG) für den Betriebspa rameter ermittelt wird und die Spaltminimierung aktiviert wird, wenn der Istwert (Pi) oberhalb des Grenzwertes (PG) liegt und deaktiviert wird, wenn der Istwert (Pi) unter halb des Grenzwerts (PG) liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei als Betriebsparameter die relative Leistung (PREL) verwendet wird, welche auf die Nennleistung der Gasturbine normiert ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Zeitspanne, in welcher der Maximalwert (PMAX) bestimmt wird, zwischen 20 Minuten und 3 Stunden beträgt, insbesondere zwischen 30 min und 90 min.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3,
wobei der untere Schwellwert (PU) bei einer relativen Leistung (PREL) zwischen 30 % und 45 % liegt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
wobei der obere Schwellwert (PO) bei einer relativen Leis tung (PREL) zwischen 50 % und 65 % liegt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
wobei nach einem Abfall der relativen Leistung (PREL) , der von einem Anstieg der relativen Leistung (PREL) gefolgt wird, die Spaltminimierung verzögert aktiviert wird, wenn der Istwert (PI) den Grenzwert (PG) überschreitet.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei zwischen dem unteren Schwellwert (PU) und dem oberen Schwellwert (PO) mehrere Stufen für den Maximalwert (PMAX) definiert werden, wobei für die Aktivierung oder Deakti vierung der Spaltminimierung lediglich berücksichtigt wird, welche die höchste Stufe ist, die vom Maximal wert (PMAX) in der Zeitspanne überschritten wurde.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
wobei die Korrelation zwischen dem Grenzwert (PG) und dem Maximalwert (PMAX) vordefiniert ist.
9. Verfahren nach Anspruch 7 und Anspruch 8,
wobei für jede Stufe eine Korrelation zwischen dem Grenz wert (PG) und dem Maximalwert (PMAX) vordefiniert ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Korrelation zwischen dem Grenzwert (PG) und dem Maximalwert (PMAX) rechnerisch bestimmt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei im Betrieb der Gasturbine das Verfahren kontinuier lich durchgeführt wird.
12. Steuervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine, ins besondere hydraulische, Spalteinstellvorrichtung sowie Mittel zur Ermittlung des Istwerts des Betriebsparame ters .
13. Gasturbine mit einer Steuervorrichtung nach Anspruch 12.
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