CH701018B1 - Verfahren zur Steuerung eines einstellbaren Entnahmestroms in einer Turbinenanlage aufgrund eines Druckverhältnisses. - Google Patents

Verfahren zur Steuerung eines einstellbaren Entnahmestroms in einer Turbinenanlage aufgrund eines Druckverhältnisses. Download PDF

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CH701018B1 CH00683/10A CH6832010A CH701018B1 CH 701018 B1 CH701018 B1 CH 701018B1 CH 00683/10 A CH00683/10 A CH 00683/10A CH 6832010 A CH6832010 A CH 6832010A CH 701018 B1 CH701018 B1 CH 701018B1
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Abstract

Ein Verfahren zur Steuerung eines einstellbaren Entnahmestroms in einer Turbinenanlage wird geschaffen, wobei der Entnahmestrom eine Zufuhr von verdichteter Luft enthält, die dem Verdichter (106) entnommen und durch Entnahmeleitungen (204) der Turbine (110) zugeführt wird, wobei die Entnahmeleitungen (204) eine einstellbare Entnahmeöffnung (208) aufweisen und das Verfahren die Schritte enthält: Messen einer Anzahl von Turbinenanlagenbetriebsparametern; Überwachen der gemessenen Betriebsparameter der Turbinenanlage durch eine Steuerungseinheit (210); Berechnen eines Betriebsparameters, der ein Druckverhältnis eines gemessenen Drucks in einer der Entnahmeleitungen (204) zu einem Druck am Auslass des Verdichters (106) umfasst in Abhängigkeit von einer modellgestützten Steuerung und den gemessenen Betriebsparametern; Steuern und Anpassung der Einstellung einer der einstellbaren Entnahmeöffnungen (208), Vergleichen des Verhältnisses gemessener Drücke mit einem vorgegeben Druckverhältnis, und bei Überschreitung eines vorgegebenen Druckverhältnisses Bestimmen eines verringerten Entnahmestroms.

Description

Beschreibung Hintergrund der Erfindung
[0001 ] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Steuerung eines einstellbaren Entnahmestroms in einer Turbinenanlage. Das Verfahren dient insbesondere der Verbesserung der Effizienz und/oder des Betriebs von Gasturbinenanlagen, wobei gemeint ist, dass dieser Begriff, wenn er hierin verwendet wird und es nicht im Einzelnen anders festgelegt ist, alle Arten von Gas- oder Verbrennungsturbinen oder rotierenden Triebwerken einschliesslich Flugzeugtriebwerken, Energieerzeugungsanlagen und anderen enthält. Im Einzelnen, jedoch ohne eine Beschränkung darauf, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Verfahren, die zur Steuerung von Verdichterentnahmeströmen während des Betriebs zur Verbesserung der Anlageneffizienz gehören.
[0002] Allgemein enthalten Gasturbinenanlagen einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine. Der Verdichter und die Turbine enthalten allgemein Reihen von Schaufeln, die axial in Stufen angeordnet sind. Jede Stufe enthält eine Reihe von in Umfangsrichtung beabstandeten Stator- bzw. Leitschaufeln, die feststehend sind, sowie eine Reihe von Rotor- bzw. Laufschaufeln, die um eine zentrale Achse oder Welle umlaufen. Im Betrieb rotieren allgemein die Verdichterlaufschaufeln um die Welle und verdichten im Zusammenwirken mit den Leitschaufeln einen Luftstrom. Die Zufuhr von verdichteter Luft wird danach in der Brennkammer zum Verbrennen eines zugeführten Brennstoffs verwendet. Danach wird der entstehende Strom heisser Gase aus der Verbrennung, d.h. das Arbeitsfluid, durch den Turbinenabschnitt der Anlage expandiert. Der Strom des Arbeitsfluides durch die Turbine versetzt die Laufschaufeln in eine Drehbewegung. Die Laufschaufeln sind mit einer zentralen Welle verbunden, so dass die Rotation der Laufschaufeln die Welle dreht.
[0003] Auf diese Weise wird die in dem Brennstoff enthaltene Energie in die mechanische Energie der rotierenden Welle umgewandelt, die z.B. zum Drehen der Laufschaufeln des Verdichters, damit die für die Verbrennung benötigte Zufuhr von verdichteter Luft bereitgestellt wird, und der Wicklungen eines Generators verwendet wird, damit elektrische Energie erzeugt wird. Wegen der extremen Temperaturen des Heissgaspfades, die zwischen etwa 1316 °C (2400°F) und 1427 °C (2600°F) erreichen können, und der hohen Rotationsgeschwindigkeiten sind die Turbinenschaufeln während des Betriebs mit extremen mechanischen und thermischen Belastungen hochgradig beansprucht. Wie ein Fachmann erkennt, erfordert dies allgemein, dass Gasturbinenanlagen dazu ausgelegt sind, dem Verdichter während des Betriebs Luft zu entnehmen und diese Luft zum Kühlen von Elementen in dem Heissgaspfad zu verwenden. Diese Entnahme hat jedoch einen Preis, weil die Verwendung der Verdichterluft in dieser Weise die Effizienz der Turbinenanlage verringert. Daher sollte sie verringert oder minimiert werden, wo immer es möglich ist.
[0004] Wie ein Fachmann erkennt, verwendet eine konventionelle Anlagenausführung bei der Entnahme von Kühlluft aus dem Verdichter im Allgemeinen einen Einheitsansatz, was bedeutet, dass die Entnahmemenge festgelegt ist. Eine Folge dieses Ansatzes besteht darin, dass die Maschinen häufig über die benötigte Menge hinaus Kühlluft aus dem Verdichter entnehmen. Wenn der Effizienznachteil im Zusammenhang mit der Nutzung überschüssiger Kühlluft und der Wunsch zur Vermeidung dieses Nachteils in dem möglichen Masse unter den üblichsten Betriebsbedingungen gegeben sind, wird die einheitliche Entnahmekapazität allgemein kleiner bemessen als derjenige Wert, der für bestimmte Anwendungen, wie z.B. für eine Spitzenleistungserzeugung unter heissen Umgebungsbedingungen, erforderlich sein könnte, oder grösser als derjenige Wert ist, der für andere Situationen, wie z.B. einen Grundlastbetrieb unter kälteren Umgebungsbedingungen, benötigt wird.
[0005] Zwecks Minimierung und Optimierung der Entnahme von Kühlluft aus dem Verdichter verwenden einige Gasturbinensysteme eine Technik, die eine einstellbare Entnahmemenge aus dem Verdichter zulässt. Selbst wenn eine einstellbare Entnahme möglich ist, scheitern konventionelle Turbinensteuerungsverfahren und -Systeme jedoch daran, diese Möglichkeit vollständig zu nutzen, so dass die erreichbaren Anstiege der Abgabeleistung und der Effizienz realisiert werden. Es sind computerimplementierte Verfahren und Systeme verfügbar, die Maschinenbetriebsparameter messen und überwachen und aus diesen Daten das Maschinensystem modellieren, so dass weitere Betriebsparameter berechnet und zur Feinabstimmung des Betriebs verwendet werden können. Wie es unten im Einzelnen erläutert ist, kann diese Art von Technik in einigen Beispielen (wie hierin vorgesehen) abgewandelt und wirksam eingesetzt werden, so dass in Kombination mit einer Technik einer einstellbaren Verdichterentnahme eine erhöhte Anlageneffizienz erreicht werden kann. Es ist hieraus der vorliegenden Erfindung die Aufgabe gestellt, ein verbessertes Verfahren im Zusammenhang mit der Steuerung von variablen, d.h. einstellbaren Kühlluftentnahmewerten zu schaffen, so dass grössere Leistungsabgabewerte, eine erhöhte Effizienz und/oder eine in anderer Weise gesteigerte Leistungsfähigkeit erreichbar sind.
Kurze Beschreibung der Erfindung
[0006] Diese Aufgabe ist erfindungsgemäss durch ein Verfahren nach Anspruch 1 zur Steuerung eines einstellbaren Entnahmestroms in einer Turbinenanlage gelöst, die einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine enthält, wobei der Entnahmestrom eine Zufuhr verdichteter Luft enthält, die dem Verdichter entnommen und der Turbine zugeführt wird, während sie durch eine oder mehrere Entnahmeleitungen die Brennkammer umgeht, wobei wenigstens eine der Entnahmeleitungen eine einstellbare Entnahmeöffnung aufweist, die eine Anzahl von Einstellungen aufweist, die von einer Steuereinheit gesteuert werden, wobei das Verfahren die Schritte enthält: Messen einer Anzahl von Turbinenanlagenbetriebsparametern, wobei die gemessenen Betriebsparameter wenigstens einen einer Temperatur in der Turbine zugeordneten Parameter, einen der Einstellung der einstellbaren Entnahmeöffnung zugeordneten Parameter, einen einem Druck
2 in dem Verdichter zugeordneten Parameter, einen dem Druck in einer der Entnahmeleitungen zugeordneten Parameter und einen der Menge des Entnahmestroms zugeordneten Parameter enthalten; Überwachen der gemessenen Betriebsparameter der Turbinenanlage durch die Steuerungseinheit; Berechnen wenigstens eines Betriebsparameters auf der Grundlage einer modellgestützten Steuerung und der gemessenen Betriebsparameter durch die Steuerungseinheit, wobei der wenigstens eine berechnete Betriebsparameter wenigstens ein Verhältnis eines gemessenen Drucks in einer der einen oder mehreren Entnahmeleitungen zu einem gemessenen Druck am Auslass des Verdichters enthält; und Steuern und Anpassung der Einstellung wenigstens einer der einstellbaren Entnahmeöffnungen, so dass ein verringerter und/oder minimaler Entnahmestrom festgelegt wird, indem verglichen wird, ob das Verhältnis der gemessenen Drücke ein vorgegebenes Druckverhältnis überschreitet.
[0007] Die gestellte Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zur Steuerung eines variablen Entnahmestroms in einer Turbinenanlage gelöst, die einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine enthält, wobei der Entnahmestrom eine Zufuhr von verdichteter Luft umfasst, die dem Verdichter entnommen und der Turbine zugeführt wird, wobei die Brennkammer durch eine oder mehrere Entnahmeleitungen umgangen wird und wenigstens eine der Entnahmeleitungen eine variable Entnahmeöffnung aufweist, die eine Anzahl von Einstellungen aufweist, die durch eine Steuerungseinheit gesteuert werden, wobei das Verfahren die Schritte enthält: Messen einer Anzahl von Turbinenanlagenbetriebsparametern, wobei die gemessenen Betriebsparameter wenigstens einen einer Temperatur in der Turbine zugeordneten Parameter, einen der Einstellung der variablen Entnahmeöffnung zugeordneten Parameter, einen der Menge des Entnahmestroms zugeordneten Parameter und, gemäss Anspruch 3, einen einer Brennstoffzufuhr zu der Brennkammer zugeordneten Parameter enthält; Überwachen der gemessenen Betriebsparameter der Verbrennungsturbinenanlage durch die Steuerungseinheit; Einstellen wenigstens einer variablen Entnahmeöffnung auf einen Einstellwert, der eine näherungsweise maximale Menge des Entnahmestroms zulässt; Berechnen wenigstens eines berechneten Betriebsparameters in Abhängigkeit von einer modellgestützten Steuerung und den gemessenen Betriebsparametern durch die Steuerungseinheit, wobei die berechneten Betriebsparameter wenigstens eine gegenwärtige Turbineneinlasstemperatur und eine maximale Turbineneinlasstemperatur enthalten; und Beeinflussen der Einstellung der Brennstoffzufuhr zu der Brennkammer, so dass ein erhöhter und/oder maximaler Wert der Anlagenabgabeleistung festgelegt wird, indem die Werte der gegenwärtigen Turbineneinlasstemperatur und der maximalen Turbineneinlasstemperatur verglichen werden.
[0008] Diese und weitere Merkmale der vorliegenden Anmeldung werden bei Durchsicht der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele deutlich, wenn sie in Verbindung mit den Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen betrachtet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0009] Diese Merkmale dieser Erfindung werden durch ein sorgfältiges Studium der folgenden detaillierteren Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet werden, vollständiger verstanden:
[0010] Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Turbinenanlage, in der bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden;
[0011 ] Fig. 2 ist eine Schnittansicht des Verdichterabschnitts der Gasturbinenanlage aus Fig. 1 ;
[0012] Fig. 3 ist eine Schnittansicht des Turbinenabschnitts der Gasturbinenanlage aus Fig. 1 ;
[0013] Fig. 4 ist eine schematische Darstellung eines Turbinensystems gemäss einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung;
[0014] Fig. 5 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung darstellt; und
[0015] Fig. 6 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung darstellt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
[0016] Nun unter Bezug auf die Zeichnungen: Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Gasturbinenanlage 100, die zur Beschreibung einer beispielhaften Umgebung verwendet wird, in der die vorliegende Erfindung eingesetzt werden kann. Es wird von Fachleuten jedoch erkannt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Art der Benutzung beschränkt ist. Wie gesagt, kann die vorliegende Erfindung auch in anderen Typen von Gasturbinenanlagen verwendet werden. Allgemein arbeiten Gasturbinenanlagen durch das Entziehen von Energie aus einem unter Druck stehenden Strom eines heissen Gases, das durch die Verbrennung eines Brennstoffes in einem Strom verdichteter Luft erzeugt wird. Wie in Fig. 1 dargestellt, ist die Gasturbinenanlage 100 mit einem axialen Verdichter 106, der über eine gemeinsame Welle oder einen gemeinsamen Rotor mit einem stromabwärtigen Turbinenabschnitt oder einer Turbine 1 10 mechanisch gekoppelt ist, und einer Brennkammer 1 12 ausgestattet, die zwischen dem Verdichter 106 und der Turbine 1 10 angeordnet ist.
[0017] Fig. 2 stellt eine Ansicht eines beispielhaften mehrstufigen axialen Verdichters 106 dar, der in der Gasturbinenanlage aus Fig. 1 verwendet werden kann. Wie gezeigt, enthält der Verdichter 106 eine Anzahl von Stufen. Jede Stufe enthält eine Reihe von Verdichterlaufschaufeln 120, gefolgt von einer Reihe von Verdichterleitschaufeln 122. Demnach enthält ei-
3 ne erste Stufe eine Reihe von Verdichterlaufschaufeln 120, die um eine zentrale Welle rotieren, gefolgt von einer Reihe von Verdichterleitschaufeln 122, die im Betrieb stationär bleiben. Die Verdichterleitschaufeln 122 sind allgemein in Umfangsrichtung voneinander beabstandet und um die Drehachse herum feststehend angeordnet. Die Verdichterlaufschaufeln 120 sind in Umfangsrichtung beabstandet und an der Welle angebracht, und wenn sich die Welle im Betrieb dreht, drehen sich die Verdichterlaufschaufeln 120 um diese. Wie ein Fachmann erkennen wird, sind die Verdichterlaufschaufeln 120 so ausgebildet, dass sie kinetische Energie auf die Luft oder das Fluid, die/das durch den Verdichter 106 strömt, übertragen, wenn sie um die Welle gedreht werden. Der Verdichter 106 kann über die in Fig. 2 dargestellten Stufen hinaus weitere Stufen enthalten. Die weiteren Stufen enthalten eine Anzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Verdichterlaufschaufeln 120, gefolgt von einer Anzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Verdichterleitschaufeln 122.
[0018] Fig. 3 stellt eine Teilansicht eines beispielhaften Turbinenabschnitts oder einer Turbine 1 10 dar, die in der Gasturbinenanlage aus Fig. 1 verwendet werden kann. Die Turbine 1 10 enthält auch eine Anzahl von Stufen. Es sind drei beispielhafte Stufen dargestellt, aber es könnten auch mehr oder weniger Stufen in der Turbine 1 10 vorhanden sein. Eine erste Stufe enthält eine Anzahl von Turbinenlaufschaufeln oder Turbinenrotorblättern 126, die im Betrieb um die Welle umlaufen, und eine Anzahl von Düsen oder Turbinenleitschaufeln 128, die im Betrieb stationär bleiben. Die Turbinenleitschaufeln 128 sind allgemein in Umfangsrichtung voneinander beabstandet und bezüglich der Drehachse feststehend angeordnet. Die Turbinenlaufschaufeln 126 sind zur Drehung um die (nicht gezeigte) Welle an einem (nicht gezeigten) Turbinenrad angebracht. Eine zweite Stufe der Turbine 1 10 ist ebenfalls dargestellt. Die zweite Stufe enthält in ähnlicher Weise eine Anzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Turbinenleitschaufeln 128 gefolgt von einer Anzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Turbinenlaufschaufeln 126, die ebenfalls zur Drehung an einem Turbinenrad angebracht sind. Eine dritte Stufe ist ebenfalls dargestellt und enthält in ähnlicher Weise eine Anzahl von Turbinenleitschaufeln 128 und -laufschaufeln 126. Es wird erkannt, dass die Turbinenleitschaufeln 128 und die Turbinenlaufschaufeln 126 in dem Heissgaspfad der Turbine 1 10 liegen. Die Strömungsrichtung der heissen Gase durch den Heissgaspfad ist durch den Pfeil gekennzeichnet. Wie ein Fachmann erkennt, enthält die Turbine 110 über die in Fig. 3 dargestellten Stufen hinaus noch weitere Stufen. Jede weitere Stufe enthält eine Reihe von Turbinenleitschaufeln 128 gefolgt von einer Reihe von Turbinenlaufschaufeln 126.
[0019] Im Einsatz verdichtet die Drehung der Verdichterlaufschaufeln 120 in dem axialen Verdichter 106 einen Luftstrom. In der Brennkammer 1 12 wird Energie freigesetzt, wenn die verdichtete Luft mit einem Brennstoff gemischt und gezündet wird. Die entstehende Strömung heisser Gase aus der Brennkammer 1 12, die als Arbeitsfluid bezeichnet wird, wird danach über die Turbinenlaufschaufeln 126 geleitet, wobei der Arbeitsfluidstrom die Drehung der Turbinenlaufschaufeln 126 um die Welle bewirkt. Dadurch wird die Energie des Arbeitsfluidstroms in mechanische Energie der rotierenden Schaufeln und wegen der Verbindung zwischen den Laufschaufeln und der Welle in mechanische Energie der rotierenden Welle umgewandelt. Die mechanische Energie der Welle kann danach zum Antrieb der Drehbewegung der Verdichterlaufschaufeln 120, damit die notwendige Zufuhr verdichteter Luft bewirkt wird, und z.B. auch zum Antrieb eines Generators zur Erzeugung von Elektrizität verwendet werden.
[0020] Bevor weiter fortgefahren wird, beachte man, dass es zur klaren Vermittlung der Erfindung der vorliegenden Anmeldung notwendig sein kann, eine Terminologie zu wählen, die sich auf bestimmte Maschinenkomponenten oder Teile einer Turbinenanlage bezieht und diese beschreibt. Wo immer es möglich ist, wird die übliche Industrieterminologie verwendet und in einer Weise benutzt, die mit ihrer übernommenen Bedeutung übereinstimmt. Fachleute werden erkennen, dass auf bestimmte Komponenten häufig mit mehreren unterschiedlichen Namen Bezug genommen wird.
[0021 ] Ausserdem können hierin verschiedene beschreibende Ausdrücke verwendet werden, die für Turbinenanlagenanwendungen üblich sind. Die Definitionen für diese Begriffe sind die folgenden: Der Ausdruck «Laufschaufel» ist ohne weitere Erläuterung eine Bezugnahme auf die rotierenden Schaufeln entweder des Verdichters 106 oder der Turbine 1 10 und umfasst sowohl die Verdichterlaufschaufeln 120 als auch die Turbinenlaufschaufeln 126. Der Ausdruck «Leitschaufel» ist ohne weitere Erläuterung eine Bezugnahme auf die stationären Schaufeln entweder des Verdichters 106 oder der Turbine 1 10 und umfasst sowohl die Verdichterleitschaufeln 122 als auch die Turbinenleitschaufeln 128. Der Ausdruck «Schaufel» wird hierin unter Bezug auf beide Arten von Schaufeln verwendet. Demnach umfasst der Ausdruck «Schaufel» ohne weitere Spezifizierung alle Arten von Schaufeln der Turbinenanlage, die Verdichterlaufschaufeln 120, Verdichterleitschaufeln 122, Turbinenlaufschaufeln 126 und Turbinenleitschaufeln 128 umfassen. Weiterhin sind «stromabwärts» und «stromaufwärts» Ausdrücke, die, wenn sie hierin verwendet werden, eine Richtung bezogen auf die Strömung des Arbeitsfluides durch die Turbine bezeichnen. Demnach bezeichnet der Ausdruck «stromabwärts» die Richtung der Strömung, während der Ausdruck «stromaufwärts» die der Strömung durch die Turbine hindurch entgegengesetzte Richtung bezeichnet. Im Zusammenhang mit diesen Begriffen beziehen sich die Ausdrücke «hinten» und/oder «Hinterkante» auf die stromabwärtige Richtung, das stromabwärtige Ende und/oder die Richtung des stromabwärtigen Endes der beschriebenen Komponente. Die Begriffe «vorne» oder «Vorderkante» bezeichnen die stromaufwärtige Richtung, das stromaufwärtige Ende und/oder die Richtung des stromaufwärtigen Endes der beschriebenen Komponente. Der Ausdruck «radial» bezieht sich auf eine Bewegung oder Position senkrecht zu einer Achse. Es ist häufig erforderlich, Elemente zu beschreiben, die sich an unterschiedlichen radialen Positionen bezogen auf eine Achse befinden. In diesem Falle kann, wenn sich eine erste Komponente näher als eine zweite Komponente an der Achse befindet, hierin gesagt sein, dass sich die erste Komponente «innen» oder «radial innerhalb» von der zweiten Komponente befindet. Wenn sich die erste Komponente andererseits von der Achse weiter als die zweite Komponente entfernt befindet, kann hierin gesagt sein, dass sich die erste Komponente «aussen» oder «radial ausserhalb» der zweiten Komponente befindet. Der Begriff «axial» bezieht sich auf eine Bewegung
4 oder eine Position parallel zu einer Achse. Der Ausdruck «in Umfangsrichtung» bezieht sich auf eine Bewegung oder Position um eine Achse herum.
[0022] Wieder mit Bezug auf die Figuren: Fig. 4 stellt eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, ein Turbinensystem 200, dar. Wie genauer beschrieben ist, sind eine Vorrichtung, Verfahren und/oder Systeme vorgesehen, die zum Zwecke der Verbesserung des Betriebs einer Verbrennungs- oder Gasturbinenanlage eine variable Verdichterentnahme und eine modellgestützte Steuerung verwenden. Wenn hierin der Begriff «variable Verdichterentnahme» verwendet wird, ist dieser als die Fähigkeit bzw. Möglichkeit definiert, die Menge eines Luftstroms zu steuern, der dem Verdichterabschnitt einer Gasturbine entnommen wird. Die «variable Verdichterentnahme» beinhaltet zumindest die Möglichkeit, wenigstens zwei verschiedene Werte der Luftstromentnahme vorzusehen. Wenn hierin der Begriff «modellgestützte Steuerung» verwendet wird, ist dies ein Verfahren zur Steuerung einer Turbinenanlage auf der Grundlage eines Modells des Anlagenbetriebs. Demnach wird eine Turbinenanlage nicht nur anhand gemessener Betriebsparameter, sondern auch anhand von solchen Betriebsparametern gesteuert, die aus einem gegebenen Turbinenanlagenmodell und den gemessenen Betriebsparametern berechnet werden. Wie unten genauer erläutert ist, bietet die vorliegende Erfindung unter anderem durch die Integration der einstellbaren Verdichterentnahme und der modellgestützten Steuerung eine gesteigerte betriebliche Effizienz. Es wird erkannt, dass bestimmte beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorhandene Verdichterentnahmerohrleitungen oder -Zufuhrleitungen und ein konventionelles Ventil oder eine konventionelle Öffnung, das/die in der vorhandenen Rohrleitung eingebaut ist, zur einstellbaren Entnahme verwenden. Die Steuerung der einstellbaren Entnahme-Öffnung, wie sie unten genauer beschrieben ist, ist auf Anlagenbetriebsparameter gestützt, die von einer Steuerungseinheit gemäss einem konventionellen modellgestützten Steuerungsprogramm oder -System, das zum Betrieb gemäss den hierin detailliert beschriebenen Verfahrensschritten abgewandelt worden ist, gemessen, überwacht und/oder berechnet werden. Auf diese Weise wird die Leistungsfähigkeit der Anlage gesteigert, indem aus der einstellbaren Verdichterentnahme und den verfügbaren Kühlstromwerten durch die Nutzung der modellgestützten Steuerung grössere Vorteile gezogen werden. Im Einzelnen kann die vorliegende Erfindung, wie es unten genauer erläutert ist, zur Erhöhung oder Maximierung der Abgabeleistung der Anlage oder der Effizienz verwendet werden.
[0023] Wie ein Fachmann erkennt, ist eine Verdichterentnahme in einer beliebigen Verdichterstufe eines Turbinensystems vorgesehen. Der entnommene Strom kann in den Turbinenabschnitt der Anlage eingespeist werden, um Elemente zu kühlen und/oder die Elemente während des Betriebs auf geeigneten Temperaturen zu halten. Wenn hierin der Ausdruck entnommener Strom verwendet wird, ist es so gemeint, dass er sich auf eine beliebige Luftzufuhr bezieht, die aus dem Verdichter entnommen oder abgezapft und dem Turbinenabschnitt der Anlage zum Kühlen von Elementen, Spülen von Hohlräumen oder zu ähnlichen Zwecken zugeführt wird. Die Menge der entnommenen Luft ist in konventionellen Systemen allgemein unveränderlich. Ein konventionelles einstellbares Verdichterentnahmeventil oder eine konventionelle einstellbare Verdichterentnahmeöffnung kann verwendet werden, um einen veränderlichen Wert der Verdichterluftentnahme zu ermöglichen.
[0024] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind unten unter Bezug auf Blockdiagramme von Systemen, Verfahren, Vorrichtungen und/oder Computerprogrammprodukten gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Die beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung sind im Anschluss hieran unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen vollständiger beschrieben, in denen die gleichen Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen die gleichen Elemente kennzeichnen.
[0025] Wie gesagt stellt Fig. 4 ein beispielhaftes Turbinensystem 200 zur Anwendung der modellgestützten Steuerung gemäss dem hierin geschaffenen Verfahren zum Steuern der Entnahmeströme aus dem Verdichter 106 dar, so dass die Anlageneffizienz für bestimmte Anwendungen gesteigert wird. Das in Fig. 4 gezeigte, beispielhafte Turbinensystem 200 ist eine Gasturbine, die zum Antreiben eines (nicht gezeigten) elektrischen Generators verwendet wird. Wie in der beispielhaften Ausführungsform aus Fig. 4 gezeigt, enthält das Turbinensystem 200 einen Verdichter 106, eine Turbine 1 10 und eine Brennkammer 1 12, wobei der allgemeine Betrieb derselben oben genauer beschrieben ist.
[0026] Wie ebenfalls gezeigt, enthält das Turbinensystem 200 Entnahmeleitungen oder -kanäle 204, die in Strömungsverbindung mit einem Entnahmepunkt oder einer Entnahmestufe des Verdichters 106 angeordnet sind. Die Entnahmeleitung 204 ist allgemein das Leitungssystem, das die entnommenen Ströme aus dem Verdichter 106 zu der Turbine 1 10 führt. In einigen beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung ist der Entnahmepunkt in dem Verdichter 106 an der Stufe 9 und/oder der Stufe 13 angeordnet, wobei eine Entnahme auch an anderen Stufen stattfinden könnte. Gemäss einigen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden die gesteuerten einstellbaren Entnahmeströme an einer beliebigen Komponente in einer beliebigen Stufe der Turbine 110 zum Kühlen von Elementen, Spülen von Hohlräumen oder anderen ähnlichen Zwecken wieder eingespeist, wie es Fachleute erkennen werden. Um eine Steuerung und Handhabung der Entnahmeströme während des Betriebs der Turbinenanlage zu ermöglichen, ist die Entnahmeleitung 204 mit einer oder mehreren einstellbaren Entnahmeöffnungen 208 verbunden oder enthält diese. Wie in dem dargestellten Ausführungsbeispiel von Fig. 4 gezeigt, setzen sich die Entnahmeleitungen 204 über die einstellbaren Entnahmeöffnungen 208 hinaus fort, und sie führen den entnommenen Strom an eine gewünschte Stelle innerhalb der Turbine 1 10.
[0027] In beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung weisen die einstellbaren Entnahmeöffnungen 208 eine oder mehrere Öffnungen mit einer einstellbaren Geometrie auf. Die Geometrie jeder Öffnung 208 wird gemäss einem oder mehreren Turbinenbetriebsparametern der Anlage gesteuert. Wie unten genauer erläutert ist, steuern die Öffnungen 208 die Mengen der Entnahmeströme, um bestimmte gewünschte Betriebseigenschaften zu erhalten. In beispielhaften Aus-
5 führungsformen der Erfindung sind die einstellbaren Entnahmeöffnungen 208 in eine vorhandene oder konventionelle Entnahmeleitung 204 eingebaut. In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung werden eine oder mehrere einstellbare Entnahmeöffnungen 208 betrieben, um wenigstens eine Öffnungseinstellung mit einem relativ geringen Durchfluss, eine Öffnungseinstellung mit einem grossen Durchfluss und/oder weitere Einstellungen festzulegen. Eine Steuerungseinheit 210 steuert die Einstellungen der einen oder mehreren einstellbaren Entnahmeöffnungen 208 so, dass diese Einstellungen so vorgenommen werden, wie es von einem Systembediener des Turbinensystems 200 gewünscht wird. Eine beispielhafte einstellbare Entnahmeöffnung ist ein Ventil (z.B. ein hydraulisches Durchgangsventil, ein pneumatisches Ventil, ein Absperrventil etc.), wobei der Hub des Ventils von der Steuerungseinheit 210 mit konventionellen Mitteln gesteuert wird.
[0028] Wie ein Fachmann erkennt, erfüllt die Steuerungseinheit 210 zahlreiche Funktionen, die eine Brennstoff-, Luft- und Emissionssteuerung, eine Ablaufsteuerung für den Turbinenbrennstoff und Hilfsfunktionen zum Hochfahren, Herunterfahren und Abkühlen, eine Synchronisation und Spannungsanpassung des Generators und des Systems, eine Überwachung aller Turbinen-, Steuerungs- und Hilfsfunktionen, eine Überwachung aller Turbinenbetriebsparameter, einen Schutz vor unsicheren und nachteiligen Betriebsbedingungen und/oder weitere ähnliche Funktionen umfassen. In einigen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind die Steuerungseinheit 210 und die Art, auf die sie die Entnahmeströme steuert und beeinflusst, in ein konventionelles oder vorhandenes Mehrparameter-Turbinenanlagensteuerungssystem (z.B. vorhandene modellgestützte Steuerungssysteme oder Steuerungssysteme mit korrigierten Parametern) einbezogen. In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Steuerungseinheit 210 für ein Gasturbinensystem eine Komponente und/oder ein Modul, das in vorhandene Turbinensteuerungssysteme, wie etwa das Speedtronic™ Mark VI Control System der General Electric Company, jedoch ohne eine Beschränkung auf dieses, einbezogen ist. Wie ein Fachmann erkennt, sind das Messen, Überwachen, Berechnen und Steuern von Turbinenanlagenbetriebsparametern und des Turbinenanlagenbetriebs einschliesslich der notwendigen Sensoren und Computer-betätigten Mechanismen (z.B. den einstellbaren Entnahmeöffnungen 208) in einem oder mehreren dieser konventionellen Systeme zu finden, die zum Funktionieren gemäss der hierin beschriebenen Erfindung abgewandelt sind.
[0029] Wie in Fig. 4 gezeigt, nutzen beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung eine integrierte Steuerungseinheit 210, um durch die Steuerung einer oder mehrerer einstellbarer Entnahmeöffnungen 208 eine aktive Modulation der Entnahmeströme während des Betriebs zu bewirken. Die Steuerungseinheit 210 ist zum Steuern der Entnahmeströme als Reaktion auf einen oder mehrere gemessene oder berechnete Anlagenbetriebsparameter im Zusammenhang mit den verschiedenen Komponenten des Turbinensystems 200 in der Lage. Demnach werden gemäss einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ein oder mehrere Betriebsparameter im Zusammenhang mit dem Turbinensystem 200 von der Steuerungseinheit 210 über konventionelle Sensoren gemessen, die an einem oder mehreren Orten in dem Turbinensystem 200 angeordnet sind. Die Sensoren sind über die verschiedenen Komponenten und/oder Stufen des Turbinensystems 200, die den Verdichter 106, die Brennkammer 1 12, die Turbine 1 10, die einstellbaren Entnahmeöffnungen 208, die Entnahmeleitungen 204 und weitere enthalten, verteilt angeordnet und übermitteln Informationen an die Steuerungseinheit (210), wie es erforderlich ist. Wie ein Fachmann erkennt, nehmen die Sensoren Messwerte in Verbindung mit Ventilstellungen, einer Temperatur, einem Druck und weiteren derartigen Messwerten auf, wie es unten beschrieben ist. Konventionelle Turbinenanlagensensoren werden in Steuerungssystemen mit geschlossenem Regelkreis verwendet. Die Steuerungseinheit 210 überwacht dann die gemessenen Informationen von den Sensoren (man beachte, dass die Sensoren auch ein Teil der Steuerungseinheit 210 sind) und zeichnet die gemessenen Informationen auf. Die Steuerungseinheit 210 verwendet die erhaltenen Daten von den Sensoren, um Berechnungen im Zusammenhang mit Betriebsparametern vorzunehmen, die nicht durch einen Sensor gemessen worden sind, wie z.B. der Flammentemperatur. Diese Berechnungen basieren auf konventionellen modellgestützten Steuerungssystemen oder anderen ähnlichen Verfahren. Wie unten erläutert, verwendet die Steuerungseinheit 210 diese Berechnungen und die gesammelten Daten, um die Entnahmeströme zum Verbessern des Betriebs der Turbinenanlage zu modulieren.
[0030] Im Einzelnen enthalten die Betriebsparameter, die von der Steuerungseinheit 210 des Turbinensystems 200 gemessen, überwacht und aufgezeichnet worden sind, für beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung: Turbinenabgastemperatur und/oder -druck, Verdichterluftstrom, Verdichtereinlasstemperatur, Verdichterauslasstemperaturen, Verdichtereinlassdruck, Verdichterauslassdruck, Brennstoffstrom, Verbrennungsdynamiken, -Verteilung und Einlassluftstrom und/oder weitere Parameter, wie es unten beschrieben ist. In einigen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung überwacht die Steuerungseinheit 210 einen oder mehrere Betriebsparameter (z.B. eine Brennkammeraustrittstemperatur, eine Turbinenreferenztemperatur, die Turbinenflammentemperatur etc.) in Abhängigkeit von gemessenen Anlagenbetriebsparametern und zeichnet sie auf. Wie hierin erwähnt steuert die Steuerungseinheit 210 die einstellbare Entnahmeöffnung 208 gemäss beliebigen von all diesen gemessenen, überwachten, aufgezeichneten und/ oder berechneten Anlagenbetriebsparametern (d.h. Daten darüber, wie die Anlage arbeitet, und zu den Bedingungen, unter denen sie arbeitet).
[0031 ] Das Turbinensystem 200, das in Fig. 4 gezeigt und unter Bezug auf Fig. 4 beschrieben ist, wird nur als Beispiel gegeben. Es sind zahlreiche weitere Turbinensystembetriebsumgebungen, -architekturen und/oder -konfigurationen möglich. Dementsprechend dürfen die Ausführungsbeispiele der Erfindung nicht als auf irgendeine bestimmte Betriebsumgebung, Architektur oder Konfiguration beschränkt angesehen werden, die in Fig. 4 gezeigt und unter Bezug auf Fig. 4 beschrieben ist. Unten wird unter Bezug auf die Fig. 5 und 6 eine detailliertere Beschreibung des Betriebs zum Steuern der Verdich-
6 terentnahmeströme aus einem Verdichter eines Turbinensystems in Übereinstimmung mit den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Anmeldung geliefert.
[0032] Die Fig. 5 und 6 stellen ein beispielhaftes Flussdiagramm zum Steuern der Entnahmeluftströme aus einem Verdichter eines Turbinensystems gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Es wird erkannt, dass ein oder mehrere Blöcke und/oder Kombinationen von Blöcken in den Fig. 5 und 6 durch Computerprogrammbefehle implementiert sind. Diese Computerprogrammbefehle werden in einen Vielzweckcomputer, einen Spezialzweckcomputer oder eine andere programmierbare Datenverarbeitungseinrichtung geladen, um eine solche Maschine zu ergeben, dass die Befehle, die auf dem Computer oder der anderen programmierbaren Datenverarbeitungseinrichtung ausgeführt werden, Mittel zum Implementieren der Funktionalität des jeweiligen Blockes des Blockdiagramms oder der Kombinationen von Blöcken in dem Blockdiagramm schaffen, wie es in den Beschreibungen unten im Einzelnen erläutert ist. Diese Computerprogrammbefehle sind auch in einem computerlesbaren Speicher gespeichert, der einen Computer oder eine andere programmierbare Datenverarbeitungseinrichtung zum Funktionieren in einer bestimmten Weise einschliesslich der Implementierung der in dem Block oder den Blöcken festgelegten Funktionen veranlasst. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind auch durch ein Anwendungsprogramm implementiert, das auf einem Betriebssystem eines Computers läuft. Zusätzlich oder alternativ ist das Anwendungsprogramm (ganz oder zum Teil) in einem entfernten Speicher oder in einem Speicher angeordnet, um Ausführungsbeispiele der Erfindung in die Praxis umzusetzen, wobei Aufgaben durch entfernte Verarbeitungseinrichtungen ausgeführt werden, die durch ein Kommunikationsnetz angebunden sind.
[0033] Es wird auch erkannt, dass jeder Block und/oder jede Kombination von Blöcken in den Fig. 5 und 6 durch auf Spezialzweckhardware gestützte Computersysteme, die die festgelegten Funktionen oder Elemente erfüllen, oder durch Kombinationen aus Spezialzweckhardware und Computerbefehlen implementiert ist. Diese Ausführungsbeispiele werden auch mit anderen Computersystemkonfigurationen, die handgeführte Vorrichtungen, Multiprozessorsysteme, Mikroprozessor-gestützte oder programmierbare Unterhaltungselektronik, Minicomputer, Mainframecomputer etc. enthalten, in die Praxis umgesetzt.
[0034] Die in Fig. 5 dargestellte beispielhafte Ausführungsform bezieht sich auf ein Verfahren zum Erhöhen und/oder Maximieren der Turbinenabgabeleistung. Dieses Verfahren ist durch die Verwendung von konventionellen modellgestützten Steuerungssystemen und einer einstellbaren Entnahme implementiert. Gemäss dieser beispielhaften Ausführungsform steigert die Turbinenanlage ihre Leistungsabgabe. Dies wird durch Anwendung der einstellbaren Entnahme, um die Entnahme von Luft aus dem Verdichter zu maximieren, und danach bei gegebenen Entnahmeströmen durch eine Neuformulierung der oberen Temperaturgrenzen durch das Betreiben der Anlage bei Temperaturen erreicht, die oberhalb der zuvor akzeptierten oberen Grenzen liegen. Diese Art des Betriebs gewährt z.B. Bedienern die Flexibilität, die Abgabeleistung an heissen Tagen während des Spitzenbedarfs zu erhöhen.
[0035] Wie in Fig. 5 gezeigt ist, beginnt ein beispielhaftes Verfahren 500 bei einem Block 502, wo ein oder mehrere Turbinenanlagenbetriebsparameter von der Steuerungseinheit 210 überwacht werden. Wie erwähnt, ermöglicht die Verwendung von Sensoren, dass eine Vielzahl von gemessenen und/oder berechneten Turbinenbetriebsparametern durch die Steuerungseinheit 210 aufgezeichnet und/oder überwacht wird. Demnach kann das Verfahren bei dem Block 502 einen oder mehrere Turbinenbetriebs-Parameter messen, berechnen, aufzeichnen und/oder überwachen, die einen oder mehrere der folgenden enthalten: a) Entnahmeleitungsdruck für eine oder mehrere der Entnahmeleitungen 204 (Diese Messung wird durch einen Druckwandler vorgenommen, der stromabwärts der einstellbaren Entnahmeöffnungen angeordnet ist); b) Entnahmestromwert (Dieser kann berechnet werden, wenn z.B. die bekannten Abmessungen der Entnahmeleitungen 204 und der gemessene Druck in den Entnahmeleitungen 204 gegeben sind); c) die Einstellungen der einstellbaren Entnahmeöffnungen 208; d) Verdichteraustrittsdruck; e) Umgebungsbedingungen; f) Turbineneinlasstemperatur («Tfire»)(Tfire wird berechnet, wenn die gemessene Gasturbinenauslasstemperatur und weitere gemessene Parameter gegeben sind); g) Gasturbinenleistungsabgabewert/-Iastwert; und h) Gasturbinenauslasstemperatur.
[0036] Sofern nichts anderes gesagt ist, wird das Messen, Berechnen, Aufzeichnen und/oder Überwachen der Turbinenbetriebsparameter mit konventionellen Mitteln und Verfahren durchgeführt. Es werden auch andere Betriebsparameter überwacht. Die Überwachung des Blocks 502 wird kontinuierlich oder periodisch aktualisiert, und die aktualisierten Daten werden von anderen Schritten in dem Verfahren verwendet, wie es in dem Flussdiagramm eingezeichnet ist.
7 [0037] Bei dem Block 504 stellt das Verfahren fest, ob der Systembediener die Anlagenabgabeleistung steigern und/oder die Anlagenabgabenleistung maximieren möchte. Wenn festgestellt wird, dass der Systembediener die Anlagenabgabeleistung steigern und/oder maximieren möchte, schreitet das Verfahren zu dem Block 506 fort. Wenn festgestellt wird, dass der Systembediener die Anlagenabgabeleistung nicht steigern und/oder maximieren möchte, endet das Verfahren, oder es wiederholt den Block 504. (Man beachte, dass die Feststellung, ob der Systembediener die Anlagenabgabeleistung steigern und/oder maximieren möchte, in einer bevorzugten alternativen Ausführungsform automatisch und ohne eine gegenwärtige oder zusätzliche Eingabe von dem Systembediener vorgenommen wird. Das heisst, das Verfahren erhöht die Anlagenabgabeleistung automatisch und/oder maximiert sie, wenn bestimmte Bedingungen erfüllt sind. Ein Systembediener, der ein beliebiger Entscheider sein kann, der den Betrieb der Turbinenanlage steuert, legt diese Bedingungen fest. In bestimmten Fällen enthalten diese Bedingungen solche Faktoren wie Umgebungsbedingungen und Strompreise während des Spitzenbedarfs. Auf diese Weise fällt der Systembediener oder ein anderer Entscheider zum Beispiel eine Entscheidung, wann es kostengünstig ist, die Anlagenabgabeleistung über ein Grundlastniveau hinaus zu erhöhen oder zu maximieren, und stellt Regeln auf, die es ermöglichen, dass dies automatisch geschieht.)
[0038] In dem Block 506 bringt das Verfahren die einstellbaren Entnahmeöffnungen 208 in eine weiter geöffnete oder im Wesentlichen vollständig geöffnete Stellung (d.h. die Einstellung, die es ermöglicht, dass näherungsweise die grösste Menge des Entnahmestroms von dem Verdichter zu der Turbine strömt). Wenn die einstellbaren Entnahmeöffnungen 208 schon auf die vollständig geöffnete Stellung eingestellt worden sind, kehrt das Verfahren zu dem Block 504 zurück, ohne eine Aktion ausgeführt zu haben, oder schreitet in einigen Ausführungsbeispielen zu dem Block 510 fort.
[0039] In dem Block 510 und/oder den darauffolgenden Blöcken wendet sich das Verfahren allgemein dem Steuerungsmechanismus zu, der den Brennstoffstrom zu der Brennkammer und/oder den Wert der Leistungsabgabe der Verbrennungsmaschine steuert. Das Verfahren misst z.B. das aktuelle Tfire und/oder berechnet jenes, das die gegenwärtige Turbineneinlasstemperatur wiedergibt, und bestimmt das Tfire_max, das die maximale Turbineneinlasstemperatur wiedergibt, bei der die Turbinenanlage auf der Grundlage der Temperaturgrenzen der Heissgaspfadelemente und der Entnahmemenge (d.h. der Kühlluftmenge, die zum Kühlen der Heissgaspfadelemente verfügbar ist) arbeitet. Tfire_aktuell und Tfire_max werden unter Verwendung eines modellgestützten Steuerungsansatzes berechnet, wenn die aktuellsten gemessenen Turbinenbetriebsparameter gegeben sind, die im Block 502 beschrieben sind, die beliebige Änderungen der gemessenen Turbinenbetriebsparameter enthalten, die in Folge einer Einstellung der einstellbaren Entnahmeöffnungen 208 in eine weiter geöffnete oder im Wesentlichen vollständig geöffnete Stellung (durch den Betrieb des Blockes 506) und/oder der Erhöhung oder Verringerung der Brennstoffzufuhr zu der Brennkammer, die sich aus dem Betrieb der Blöcke 513 und 514 (wie unten erläutert) ergeben haben kann, auftreten. Wie ein Fachmann erkennt, wird die Berechnung von Tfire_aktuell durch das modellgestützte Steuerungssystem zu einem grossen Teil z.B. auf der Grundlage von gemessenen Betriebsparametern, wie etwa Turbinenauslasstemperaturdaten, Umgebungsbedingungsdaten und/oder den Verdichterdruckverhältnisdaten vorgenommen. Wie ein Fachmann erkennt, wird die Berechnung von Tfire_max durch das modellgestützte Steuerungssystem zum grossen Teil z.B. auf der Grundlage der Modellvorhersage von Betriebsparametern, die zum Beispiel den Wert des Entnahmestroms bei der gegebenen neuen Einstellung und die Temperaturbegrenzungen der Komponenten in dem Heissgaspfad enthalten, bei erhöhten Temperaturen Tfire vorgenommen. Der für diese Berechnungen verwendete modellgestützte Steuerungsansatz enthält z.B. Turbinenbetriebssteuerungssysteme, wie etwa MBC Full Note Cycle Control, das ARES-Modell und andere ähnliche Steuerungssysteme.
[0040] In dem Block 512 vergleicht das Verfahren die berechneten Werte von Tfire_aktuell und Tfire_max. Wenn Tfire_max Tfire_aktuell um einen vorbestimmten Betrag überschreitet, kehrt das Verfahren zu dem Block 513 zurück, wo die Brennstoffzufuhr zu der Brennkammer erhöht wird. Wenn Tfire_aktuell Tfire_max um einen vorbestimmten Wert überschreitet, schreitet das Verfahren zu dem Block 514 fort, wo die Brennstoffzufuhr zu der Brennkammer verringert wird. Wenn Tfire_max und Tfire_aktuell im Wesentlichen gleich sind oder innerhalb eines vorbestimmten Bereiches umeinander liegen, kann gesagt werden, dass das Verfahren 500 einen näherungsweise maximalen Wert der Brennstoffzufuhr zu der Brennkammer und/oder einen maximalen Leistungsabgabewert bestimmt hat. Wenn dies der Fall ist, schreitet das Verfahren 500 zu dem Block 516 fort.
[0041 ] In dem Block 513 erhöht das Verfahren die Brennstoffzufuhr zu der Brennkammer. Das Verfahren schreitet danach zu dem Block 510 fort.
[0042] In dem Block 514 verringert das Verfahren, wie beschrieben, die Brennstoffzufuhr zu der Brennkammer. Das Verfahren schreitet danach zu dem Block 510 fort.
[0043] In dem Block 516 endet das Verfahren oder kehrt, wie gezeigt, zu dem Block 502 zurück. Auf diese Weise ermöglicht es das Verfahren 500 Turbinensystemen im Betrieb, durch die Verwendung der modellgestützten Steuerung und der einstellbaren Entnahme die Abgabeleistung zu erhöhen und/oder zu maximieren.
[0044] Fig. 6 stellt eine weitere beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren 600, dar. Das in Fig. 6 dargestellte Ausführungsbeispiel bezieht sich auf das Erhöhen der Turbinenanlageneffizienz und/oder das Optimieren der Turbineneffizienz durch die Verwendung einer modellgestützten Steuerung und einer einstellbaren Entnahme. Wie unten genauer beschrieben ist, ist es z.B. einem Systembediener ermöglicht, die Entnahmeströme zu beschneiden, die unnötigerweise zu hoch sind, während auf einem Grundlast- oder Teillastniveau gearbeitet wird, so dass die Anlage effizienter betrieben wird. Wie erwähnt ermöglicht es die Verwendung von Sensoren, dass eine Vielzahl von gemessenen
8 und/oder berechneten Turbinenbetriebsparametern durch die Steuerungseinheit 210 aufgezeichnet und/oder überwacht wird. Dementsprechend misst, berechnet, zeichnet auf und/oder überwacht das Verfahren in dem Block 602 einen oder mehrere Turbinenbetriebsparameter, die einen oder mehrere der folgenden enthalten,: a) Entnahmeleitungsdruck für eine oder mehrere der Entnahmeleitungen 204 (Diese Messung wird durch einen Drucksensor vorgenommen, der stromabwärts der einstellbaren Entnahmeöffnungen angeordnet ist); b) einen Entnahmestromwert (Dieser wird berechnet, wenn z.B. die bekannten Abmessungen der Entnahmeleitungen 204 und der gemessene Druck in den Entnahmeleitungen 204 gegeben ist); c) die Einstellungen der variablen Entnahmeöffnungen 208; d) den Verdichteraustrittsdruck; e) Umgebungsbedingungen; f) die Turbineneinlasstemperatur («Tfire »)(Tfire wird berechnet, wenn die gemessene Gasturbinenauslasstemperatur und weitere gemessene Parameter gegeben sind); g) die Gasturbinenabgabeleistung/-Iastwert; und h) die Gasturbinenauslasstemperatur.
[0045] Sofern nichts anderes gesagt ist, wird das Messen, Berechnen, Aufzeichnen und/oder Überwachen der Turbinenbetriebsparameter mit konventionellen Mitteln und Verfahren vorgenommen. Es werden auch andere Betriebsparameter überwacht. Die Überwachung des Blockes 602 wird kontinuierlich oder periodisch aktualisiert, und die aktualisierten Daten werden von anderen Schritten in dem Verfahren verwendet, wie es in dem Flussdiagramm eingezeichnet ist.
[0046] In dem Block 604 stellt das Verfahren fest, ob der Systembediener die Entnahmestromwerte verringern oder minimieren möchte, so dass die Anlageneffizienz erhöht und/oder optimiert wird. (Man beachte, dass das Verfahren in einer bevorzugten alternativen Ausführungsform Entnahmestromwerte automatisch verringern oder minimieren kann, so dass die Effizienz während der meisten Betriebsbedingungen erhöht oder optimiert wird, d.h. bei allen oder den meisten Grundlast- oder Teillastwerten, ohne eine Eingabe von dem Systembediener zu empfangen. Das bedeutet, dass der Betrieb gemäss den anderen Schritten des Verfahrens 600 in einem solchen Ausführungsbeispiel das Default-Steuerungsschema sein kann, so dass die Anlage während den meisten Betriebsbedingungen bei einem verringerten oder minimierten Entnahmestromwert arbeitet.) Wenn in dem Block 604 festgestellt wird, dass der Systembediener den Entnahmestromwert verringern möchte, so dass die Anlageneffizienz erhöht und/oder optimiert wird, schreitet das Verfahren zu dem Block 606 fort. Wenn festgestellt wird, dass der Systembediener den Entnahmestromwert nicht senken möchte, um die Anlageneffizienz zu erhöhen und/oder zu optimieren, wiederholt das Verfahren den Block 604.
[0047] In dem Block 606 berechnet das Verfahren ein kritisches Verhältnis gemessener Drücke. Wie ein Fachmann erkennt, ist das kritische Verhältnis gemessener Drücke das Druckverhältnis über der Entnahmeleitung 204, d.h. das Verhältnis des Druckes in der Entnahmeleitung zu dem Druck an dem Auslass des Verdichters 106. Das gemessene Druckniveau in der Entnahmeleitung 204 wird durch einen Druckwandler gemessen, der stromabwärts von der einstellbaren Entnahmeöffnung 208 angeordnet ist. Das Druckniveau an dem Auslass des Verdichters 106 wird durch konventionelle Mittel an dem Auslass des Verdichters 106 gemessen. In den Fällen, in denen mehr als eine Entnahmeleitung 204 vorhanden ist, z.B. in einem System, das jeweils eine Entnahmeleitung 204 aufweist, die Verdichterluft aus der neunten und der dreizehnten Stufe des Verdichters entnimmt, wird für jede einzelne Entnahmeleitung 204 ein Wert für das kritische Verhältnis gemessener Drücke berechnet.
[0048] In dem Block 608 bestimmt das Verfahren ein vorgegebenes kritisches Druckverhältnis. Wie ein Fachmann erkennt, ist das vorgegebene kritische Druckverhältnis ein vorbestimmter Wert oder eine vorbestimmte Grenze, die durch die Ausführungen der Heissgaspfadkomponenten festgelegt ist. Der vorgegebene kritische Druckwert bezeichnet den Schwellenwert, oberhalb dessen die Heissgaspfadkomponenten nicht ausreichend gekühlt werden, sich überhitzen können oder die Lebensdauer der Teile beeinträchtigen können. Im Einzelnen enthält die Bestimmung des vorgegebenen kritischen Druckverhältnisses in einigen Fällen allgemein drei betriebliche Eigenschaften in Verbindung mit der Bereitstellung eines ausreichenden Entnahmestroms (d.h. Kühlmittel) für die Heissgaspfadelemente. Diese betrieblichen Eigenschaften enthalten eine Rückflussreserve bzw. -marge, Radraumtemperaturmesswerte (die einen ausreichenden Radraumspülstrom anzeigen können) und tatsächliche Metalltemperaturen in dem Heissgaspfad. Allgemein stellt das Betreiben der Turbinenanlage in der Weise, dass der Wert des kritischen Verhältnisses gemessener Drücke kleiner als das vorgegebene kritische Druckverhältnis bleibt, sicher, dass die Heissgaspfadkomponenten bei akzeptablen Temperaturen arbeiten. Wie ein Fachmann erkennt, ist das vorgegebene kritische Druckverhältnis ein einziger Wert oder eine Liste von Werten, die von der gegenwärtigen Lasteinstellung, Umgebungsbedingungen und/oder weiteren Faktoren abhängt.
[0049] In dem Block 610 vergleicht das Verfahren für eine oder alle der Entnahmeleitungen 204 das kritische Verhältnis gemessener Drücke von dem Block 606 mit dem vorgegebenen kritischen Druckverhältnis von dem Block 608. Wenn
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Claims (7)

  1. festgestellt wird, dass das kritische Verhältnis gemessener Drücke das planmässige kritische Druckverhältnis um einen vorbestimmten Betrag überschreitet, schreitet das Verfahren zu dem Block 614 fort. Wenn festgestellt wird, dass das planmässige kritische Druckverhältnis das kritische Verhältnis gemessener Drücke um einen vorbestimmten Betrag überschreitet, schreitet das Verfahren zu dem Block 612 fort. Wenn festgestellt wird, dass das kritische Verhältnis gemessener Drücke und das planmässige kritische Druckverhältnis im Wesentlichen gleich sind oder in einem vorbestimmten Bereich umeinander liegen, schreitet das Verfahren zu dem Block 616 fort. [0050] In dem Block 612 kann das Verfahren die einstellbaren Entnahmeöffnungen auf eine Stellung einstellen, die den Entnahmestrom verringert, der von dem Verdichter 106 zu der Turbine 1 10 fliesst, d.h. die einstellbare Entnahmeöffnung auf eine weiter geschlossene Position einstellen. Dies kann getan werden, weil das vorgegebene kritische Druckverhältnis, das das kritische Verhältnis gemessener Drücke um einen vorbestimmten Betrag überschreitet, anzeigt, dass dem Verdichter übermässig Kühlmittel entnommen wird. Das Verfahren schreitet danach zu dem Block 606 fort. [0051 ] In dem Block 614 stellt das Verfahren die einstellbaren Entnahmeöffnungen auf eine Stellung ein, die den Entnahmestrom, der von dem Verdichter 106 zu der Turbine 110 fliesst, vergrössert, d.h., es stellt die einstellbaren Entnahmeöffnungen auf eine weiter geöffnete Position ein. Dies kann notwendig sein, weil das kritische Verhältnis gemessener Drücke, das das planmässige kritische Druckverhältnis um einen vorbestimmten Betrag überschreitet, anzeigt, dass dem Verdichter nicht genügend Kühlmittel entnommen wird. Das Verfahren schreitet danach zu dem Block 606 fort. [0052] In dem Block 616 kann das Verfahren wie gezeigt enden oder zu dem Block 602 zurückkehren. Wie ein Fachmann erkennt, ermöglicht das Verfahren 600 im Betrieb einem Systembediener, einen unnötigen Entnahmestrom so zu beschneiden, dass die Effizienz der Turbinenanlage erhöht und/oder maximiert wird. [0053] Die beispielhaften Verfahrenselemente aus den Fig. 5 und 6 sind im Wege eines Beispiels gezeigt, wobei auch andere Verfahrens- und Flussbeispiele eine geringere oder grössere Anzahl von Elementen aufweisen, und derartige Elemente sind gemäss anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung auch in alternativen Konfigurationen angeordnet. Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung bieten die technischen Wirkungen einer Verbesserung und/oder Maximierung der Abgabeleistung und/oder der Effizienz einer Verbrennungsturbinenanlage durch die Nutzung einstellbarer Entnahmeströme (durch eine oder mehrere einstellbare Entnahmeöffnungen hindurch) und ein modellgestütztes Steuerungssystem. [0054] Gemäss einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Verfahrensschritte der Fig. 5 und 6 ausserdem zu einem kombinierten/einzigen Verfahren kombiniert, wie ein Fachmann erkennen wird. In einem Beispiel für diese Art von Ausführungsform verringert oder minimiert das Verfahren z.B. die Entnahmestromwerte gemäss dem Verfahren aus Fig. 6 automatisch, so dass die Effizienz unter den meisten Betriebsbedingungen (d.h. bei allen oder den meisten Grundlast- oder Teillastniveaus ohne Empfang einer Eingabe von dem Systembediener) gesteigert oder optimiert wird. Nach dem Empfang einer Eingabe von dem Systembediener (oder, wie beschrieben, automatisch nach der Erfüllung bestimmter festgelegter Bedingungen) erhöht oder maximiert das Verfahren bei erhöhten oder maximierten Entnahmestromwerten die Abgabeleistung. [0055] Wie ein Fachmann erkennt, werden die zahlreichen verschiedenen Merkmale und Konfigurationen, die oben in Bezug auf verschiedene beispielhafte Ausführungsformen beschrieben worden sind, weiterhin wahlweise zur Bildung anderer möglicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet. Zum Zwecke der Kürze und unter Berücksichtigung der Fähigkeiten eines Fachmanns ist nicht jeder mögliche Schritt hier im Einzelnen erörtert worden, wobei jedoch beabsichtigt ist, dass alle Kombinationen und möglichen Ausführungsbeispiele, die von den verschiedenen beigefügten Ansprüchen umfasst sind, Teil der vorliegenden Anmeldung sind. Weiterhin werden Fachleute anhand der obigen Beschreibung verschiedener beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung Verbesserungen, Änderungen und Abwandlungen erkennen. Patentansprüche 1. Verfahren zur Steuerung eines einstellbaren Entnahmestroms in einer Turbinenanlage (100), die einen Verdichter (106), eine Brennkammer (1 12) und eine Turbine (1 10) enthält, wobei der Entnahmestrom eine Zufuhr verdichteter Luft enthält, die dem Verdichter (106) entnommen und unter Umgehung der Brennkammer (1 12) durch eine oder mehrere Entnahmeleitungen (204) der Turbine (1 10) zugeführt wird, wobei wenigstens eine der Entnahmeleitungen (204) eine einstellbare Entnahmeöffnung (208) aufweist, die eine Anzahl von Einstellungen aufweist, die von einer Steuerungseinheit (210) gesteuert werden, wobei das Verfahren die Schritte enthält: Messen einer Anzahl von Turbinenanlagenbetriebsparametern, wobei die gemessenen Betriebsparameter wenigstens einen mit einer Temperatur in der Turbine (110) zusammenhängenden Parameter, einen mit der Einstellung der einstellbaren Entnahmeöffnung (208) zusammenhängenden Parameter, einen mit einem Druck in dem Verdichter (106) zusammenhängenden Parameter, einen mit dem Druck in einer der Entnahmeleitungen (204) zusammenhängenden Parameter und einen mit dem Wert des Entnahmestroms zusammenhängenden Parameter umfassen; Überwachen der gemessenen Betriebsparameter der Turbinenanlage (100) durch die Steuerungseinheit (210); Berechnen wenigstens eines Betriebsparameters, der wenigstens ein Verhältnis eines gemessenen Drucks in einer der einen oder mehreren Entnahmeleitungen (204) zu einem gemessenen Druck am Auslass des Verdichters (106) umfasst, in Abhängigkeit von einer modellgestützten Steuerung und den gemessenen Betriebsparametern durch die Steuerungseinheit (210); und gemäss diesen berechneten gemessenen und berechneten Betriebsparametern 10 Steuerung und Anpassung der Einstellung wenigstens einer der einstellbaren Entnahmeöffnungen (208), Vergleichen des Verhältnisses der gemessenen Drücke mit einem vorgegebenen Druckverhältnis, und bei Überschreitung eines vorgegebenen Druckverhältnisses Bestimmen eines verringerten und/oder minimalen Entnahmestroms.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1 , das zudem die folgenden Schritte enthält: a) Festlegen des vorgegebenen Druckverhältnisses eines gemessenen Drucks in einer der einen oder mehreren Entnahmeleitungen (204) zu einem gemessenen Druck am Auslass des Verdichters (106) als Schwellenwert, oberhalb dessen Elemente in dem Heissgaspfad der Turbine (110) nicht ausreichend gekühlt sind; und b) Vergleichen des Verhältnisses gemessener Drücke in einer der einen oder mehreren Entnahmeleitungen (204) zu einem gemessenen Druck am Auslass des Verdichters (106) mit dem vorgegebenen Druckverhältnis.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 , zudem umfassend die Schritte: Einstellen wenigstens einer einstellbaren Entnahmeöffnung (208) auf eine Einstellung, die einen maximalen Wert des Entnahmestroms ermöglicht; Berechnen wenigstens eines Betriebsparameters, der wenigstens eine aktuelle Turbineneinlasstemperatur und eine maximale Turbineneinlasstemperatur enthält, in Abhängigkeit von einer modellgestützten Steuerung und den gemessenen Betriebsparametern; und Steuern und Anpassen der Einstellung der Brennstoffzufuhr zu der Brennkammer (112) in der Weise, dass durch Vergleichen der Werte der aktuellen Turbineneinlasstemperatur und der maximalen Turbineneinlasstemperatur ein erhöhter und/oder näherungsweise maximaler Wert der Leistungsabgabe der Anlage erreicht wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, umfassend: a) Einstellen wenigstens einer der einstellbaren Entnahmeöffnungen (208) auf eine Einstellung, die einen näherungsweise maximalen Wert des Entnahmestroms ermöglicht; b) Berechnen der gegenwärtigen Turbineneinlasstemperatur und der maximalen Turbineneinlasstemperatur in Abhängigkeit von den gegebenen Änderungen der gemessenen Betriebsparameter, die sich aus der Einstellung ergeben, die einen näherungsweise maximalen Wert des Entnahmestroms für die wenigstens eine einstellbare Entnahmeöffnung (208) ermöglichen, wobei die Berechnung der maximalen Turbineneinlasstemperatur von einer näherungsweise maximalen Brennkammeraustrittstemperatur abhängt, bei der die Turbinenanlage (100) bei den gegebenen Temperaturgrenzen der Heissgaspfadelemente und dem angenäherten Wert des Entnahmestroms bei der Einstellung, die einen näherungsweise maximalen Wert des Entnahmestroms für die wenigstens eine einstellbare Entnahmeöffnung (208) zulässt, arbeiten kann; und Vergleichen der gegenwärtigen Turbineneinlasstemperatur und der maximalen Turbineneinlasstemperatur.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3, wobei die modellgestützte Steuerung ein Verfahren zum Steuern einer Turbinenanlage (100) in Abhängigkeit von einem Computer-implementierten Modell des Betriebs der Turbinenanlage (100) enthält und die Steuerung der Turbinenanlage (100) von einer Anzahl gemessener Betriebsparameter und berechneter Betriebsparameter abhängt, wobei die berechneten Betriebsparameter in Abhängigkeit von dem Computer-implementierten Modell des Betriebs und den gemessenen Betriebsparametern berechnet werden.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3, wobei wenigstens ein Teil des entnommenen Stroms den Heissgaspfadelementen in der Turbine (110) zugeführt wird, so dass der entnommene Strom die Elemente während des Betriebs kühlt.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3, wobei die Messung der gemessenen Betriebsparameter durch eine Anzahl von Sensoren vorgenommen wird, die wenigstens einen Drucksensor enthalten, der stromabwärts von der einstellbaren Entnahmeöffnung (208) angeordnet ist; und die Sensoren Betriebsparameterdaten sammeln und die Betriebsparameterdaten an die Steuerungseinheit (210) übermitteln. 11
CH00683/10A 2009-05-08 2010-05-05 Verfahren zur Steuerung eines einstellbaren Entnahmestroms in einer Turbinenanlage aufgrund eines Druckverhältnisses. CH701018B1 (de)

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US12/437,730 US8355854B2 (en) 2009-05-08 2009-05-08 Methods relating to gas turbine control and operation

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