EP1764486A1 - Method for determining the actual peak load of a power plant and device for regulating - Google Patents
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- EP1764486A1 EP1764486A1 EP05020252A EP05020252A EP1764486A1 EP 1764486 A1 EP1764486 A1 EP 1764486A1 EP 05020252 A EP05020252 A EP 05020252A EP 05020252 A EP05020252 A EP 05020252A EP 1764486 A1 EP1764486 A1 EP 1764486A1
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- F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
- F01K13/00—General layout or general methods of operation of complete plants
- F01K13/02—Controlling, e.g. stopping or starting
Definitions
- the present invention relates to a method for determining the current maximum power of a power plant, in particular a gas turbine plant or a gas and steam turbine plant.
- the present invention relates to a control device for controlling a power plant, in particular a gas turbine plant or a gas and steam turbine plant.
- the network operator In a power grid, the network operator must ensure the balance between the load, ie the requested power, and the power provided. Differences between the load on the one hand and the available power on the other hand lead to a change in the network frequency, which adversely affects the network operation and worst case can lead to the complete collapse of the network.
- control reserve In order to be able to react quickly in the event of sudden imbalances between the load and the available power, the grid operators purchase reserve power from the generators, the so-called control reserve.
- a power plant participating in the control reserve must be able to provide a given power within a certain period of time.
- a power plant participating, for example, in the so-called minute reserve must be able to provide a certain power after a few minutes (in Germany 15 minutes).
- Other backup modes require power to be delivered within a few seconds.
- those control reserves that must be available within seconds are important for the frequency support operation of the network.
- a power plant participating in the frequency support operation must be able to quickly make available the agreed reserve power, for example 5% of the maximum power, in the event of a frequency decline.
- power plant operators must know at all times how large the currently possible maximum power of the power plant is, and adjust the power setpoint of the system on the basis of the maximum power taking into account the reserve power.
- the maximum output mainly depends on the compressor inlet conditions, in particular on the temperature, the humidity and the pressure of the ambient air entering the compressor, as well as on the degree of contamination of the compressor and on the mains frequency.
- the power setpoint for the current driving style of the power plant then results from the maximum power minus the agreed reserve throttle.
- the maximum power is estimated by the power plant operator and entered the power setpoint manually. If the boundary conditions change, for example the compressor inlet conditions or the degree of contamination of the compressor, the power setpoint must be readjusted manually. The frequency of readjustment depends both on the stability of the compressor entry conditions and on the desired reliability of the control reserve to be observed.
- Object of the present invention is to provide a suitable for automation method for determining the current maximum power of a power plant available.
- a further object of the invention is to provide a control device for controlling a power plant on the basis of a reference variable representing a power setpoint.
- the first object is achieved by a method according to claim 1, the second object by a control device according to claim 12 solved.
- the third object is achieved by a power plant, in particular a gas turbine plant or a gas and steam turbine plant according to claim 15.
- the dependent claims contain advantageous embodiments of the invention.
- the method according to the invention can replace the estimation of the maximum power of the power plant operator and makes it possible to regulate a power plant on the basis of a reference variable representing a power setpoint.
- the power setpoint then results from the current maximum power value determined by the method according to the invention minus the required control reserve and, if necessary, less a safety reserve.
- the method according to the invention therefore makes it possible to automatically track the power setpoint when the boundary conditions change.
- the agreed control reserve can thus be met automatically and precisely. Furthermore, it can be ensured that the power plant can be operated while maintaining this control reserve at maximum power and maximum efficiency.
- the reference power can be redetermined, whereby in particular the degree of contamination of the compressor can be taken into account when determining the current maximum power.
- the current gas turbine power and the current value of the at least one measured variable can be measured, for example, during base load conditions, and the reference power can be newly determined on the basis of the power plant model or the at least one conversion curve. Since in the calibration the compressor entry conditions are included as measured variables, and the result of the calibration depends on the state of the contamination of the air inlet filter, the filter contamination in the reference power is taken into account.
- the conversion quantity may in particular be a conversion factor with which the reference power is to be multiplied.
- the measured variables are measured continuously or repeatedly and the current maximum power is determined continuously or repeatedly.
- the method according to the invention can be used in particular for determining the current desired power value of a power plant, in particular a turbine plant, from the current maximum power of the power plant.
- the current power setpoint is then determined based on the current maximum power determined by the method according to the invention. This can be done in particular continuously or repeatedly.
- the power setpoint calculation unit can be designed, in particular, for calculating the power setpoint value on the basis of the maximum power size, a predetermined control reserve size and a predetermined safety variable.
- the safety variable can serve to ensure that the control reserve is reliably maintained. For example, if calibration of the reference maximum power occurs at certain intervals, the safety margin may be used, for example, to absorb shifts in the reference maximum power that occur between two calibrations.
- the control device may include, for example, a power sensor that is designed to detect the current power of the power plant and to output a performance variable representing the current power.
- a power sensor that is designed to detect the current power of the power plant and to output a performance variable representing the current power.
- an updating unit which is connected to the power sensor for receiving the power quantity, for receiving the sensor size with the at least one measured variable sensor and for outputting a reference power to the memory.
- the updating unit is designed to determine the reference power from the received power quantity and the at least one received sensor size.
- a power plant according to the invention which can be configured in particular as a gas turbine plant or as a gas and steam turbine plant, is equipped with a control device according to the invention.
- the power setpoint can be tracked automatically with changes in the boundary conditions.
- the invention will be described below by way of example with reference to determining the maximum power of a gas and steam turbine plant.
- the invention is not limited to use in gas and steam turbine plants. In particular, it can also be used in gas turbine plants without a downstream steam turbine.
- the gas and steam turbine plant 1 shown schematically in FIG. 1 comprises a gas turbine plant 1a and a steam turbine plant 1b.
- the gas turbine plant 1a is equipped with a gas turbine 2, a compressor 4 and at least one combustion chamber 6 connected between the compressor 4 and the gas turbine 2.
- a gas turbine 2 By means of the compressor 4, fresh air L is sucked in, compressed and fed via the fresh air line 8 to one or more burners of the combustion chamber 6.
- the supplied air is mixed with supplied via a fuel power 10 liquid or gaseous fuel B and the mixture is then ignited.
- the resulting combustion exhaust gases form a working medium AM of the gas turbine plant 1a, which is fed to the gas turbine 2, where it performs work under relaxation and drives a shaft 14 coupled to the gas turbine 2.
- the shaft is coupled with the gas turbine 2 as well as with the compressor 4 and with a generator 12 to drive them.
- a load transmission can still be connected between the compressor 4 and the generator 12 be.
- the expanded working medium AM ' is discharged via an exhaust pipe 15 to a heat recovery steam generator 30 of the steam turbine plant 1b.
- the steam turbine installation 1 b comprises a steam turbine 32, a condenser 34 and a feedwater pump 36.
- the waste heat steam generator 30 is connected to the steam turbine 32 via a steam line 31. This is in turn connected via a vapor line 33 to the capacitor 34.
- a condensate line 35 connects the condenser 34 to the heat recovery steam generator 30.
- the steam generator 30, the steam turbine 32, the condenser 34, the steam lines 31 and 33 and the condensate line 35 together form a water-steam cycle of the steam turbine plant.
- the circulation of the condensate or the steam is accomplished by the condensate pump 36. It should be noted at this point that the circuit diagram shown in FIG.
- the heat recovery steam generator 30 often includes a plurality of evaporators, reheater, preheater, etc. with which the steam can be further heated or the condensate can be preheated.
- the steam turbine 32 may have a plurality of turbine stages, which are designed for different steam pressures and steam temperatures. These are usually connected in series and increase the efficiency of the steam turbine plant.
- a control circuit for regulating the power of the gas turbine plant 1a of the gas and steam turbine plant 1 is shown schematically in FIG 2 as a block diagram.
- the control circuit is used in the present example for acting on the combustion chamber 6 supplied air mass flow and / or the combustion chamber 6 supplied fuel mass flow.
- the air supply and the fuel supply therefore form the controlled system 56 of the control circuit 50.
- an actuator 54 is present, which control signals for a fuel supply valve and for the vanes of the first compressor vane row or rows.
- disturbances z which act on the controlled system 56, also lead to changes in the gas turbine power.
- the current power P of the gas turbine is measured and output in the form of a power quantity.
- the power quantity is subtracted from a power setpoint W in a subtracter 60 and the difference is forwarded to the controller 52.
- R denotes the required control reserve (in percent) and S a security (also in percent) which serves to be able to comply with the required control reserve with the greatest possible certainty.
- the currently possible maximum power P max also enters this formula. However, this maximum power is not a constant quantity, but depends on boundary conditions.
- Such boundary conditions x i are in particular compressor entry conditions such as the temperature, humidity and pressure of entering the compressor 4 air L.
- compressor entry conditions such as the temperature, humidity and pressure of entering the compressor 4 air L.
- achievable maximum power from the degree of contamination of the compressor 4, the degree of contamination of the air intake filter, the aging of the power plant components, the grid frequency, etc. influenced.
- the determination of the desired power value P soll is explained below with reference to the block diagram shown in FIG.
- the block diagram shows a device for determining the desired power value, which enters into the control circuit 50 shown in FIG.
- the device 70 includes a number of measurement size sensors, shown as block 72.
- Measured variable sensors can be, for example, sensors which determine the compressor inlet temperature, the compressor inlet humidity, the compressor inlet pressure of the ambient air, the mains frequency, etc.
- the device 70 includes as a further sensor, a power sensor 73, with which the current gas turbine power can be detected.
- the device 70 further comprises a calculation unit 74, which includes a gas turbine model and outputs a conversion factor f (x i ), a memory 75, in which a reference power P ref is stored, and a multiplication unit 76, which is connected to the memory 75 for receiving the reference power P ref and connected to the calculation unit 74 for receiving the conversion factor f (x i ).
- the multiplication unit 76 is designed to calculate the maximum power by multiplying the reference power P ref by the conversion factor f (x i ) and outputting the value of the maximum power P max .
- the device 70 comprises a power setpoint calculation unit 78 as well as two memories or memory locations 80, 82 in which the value R for the control reserve or the value S for the safety are stored.
- the device 70 may comprise an offset memory 84, in which offset values for the measured variables x i measured by the measuring-quantity sensors 72 are stored. These offsets can be added to the determined measured variables x i before they are input to the calculation unit 74.
- the device 70 includes one with the calculation unit 74 for receiving the conversion factor f (x i ) and reference power calculation unit 86 connected to the memory 75 for outputting the reference power P ref and a trigger unit 88 connected to the memory 75 for triggering a memory operation in the memory 75.
- the determination of the power target value P soll is carried out with the embodiment illustrated in FIG 3 device 70 by using the measured values detected by the measuring size sensors 72 are x i transmitted to the calculation unit 74 that includes a model of the gas turbine plant and on the basis of the detected measured variables the conversion factor f (x i ).
- offsets can be added to the acquired measured variables before the measured variables x i are entered into the calculation unit 74.
- the conversion factor is forwarded to the multiplication unit 76, where it is multiplied by a reference power P ref related to the memory 75.
- the product of the reference power P ref and the conversion factor f (x i ) provides the maximum possible power P max of the gas turbine plant.
- the calculation unit 74 and the multiplication unit 76 together form a conversion unit which converts the reference power P ref into the current maximum power P max on the basis of the measured values x i .
- the power setpoint calculation unit 78 the power setpoint P soll is then calculated according to the formula 1 from the maximum power P max , the required control reserve R and the safety S and forwarded as a reference variable to the control circuit 50 shown in FIG.
- a new reference power P ref is calculated and stored in the memory 75. Calibration is possible, for example, during base load conditions of the gas turbine plant.
- the current gas turbine power is detected by means of the power sensor 73 and forwarded to the reference power calculation unit 86. It also receives from the calculation unit 74 the current conversion factor f (x i ).
- the reference power P ref then results from the quotient of the measured power, hereinafter referred to P kal , and the conversion factor determined on the basis of the simultaneously measured measured variables x i , referred to below as f kal (x i ).
- the thus determined new reference power P ref is then stored in the memory 75 as a new, ie calibrated, reference power and is subsequently available to the conversion unit 76 as a reference power P ref .
- a trigger unit 88 serves to trigger the storage of the new reference power.
- the calculation unit 74, the reference power calculation unit 86 and the trigger unit 88 together form an updating unit for updating or calibrating the reference power P ref .
- a model of the power plant was used in the calculation unit 74.
- conversion curves which represent a relationship f i for each detected measured variable x i .
- the conversion factor f (x i ) then results from the product of the individual factors f i .
- the regular calibration of the reference power P ref makes it possible to take account of changing contamination states of the compressor. For example, an increasing contamination with unchanged position of the compressor guide vanes leads to a reduction of the air mass flow to the combustion chamber. Since the maximum possible power at a given turbine exhaust gas temperature depends, inter alia, on the air mass flow, increasing pollution leads to a reduction in the maximum turbine output.
- the calibration can take into account the increasing reduction in maximum power. After cleaning the compressor is then again the largest possible air mass flow available. By means of a recalibration, the system can then be adapted to the cleaned compressor again.
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der aktuellen Maximalleistung einer Kraftwerksanlage, insbesondere einer Gasturbinenanlage oder einer Gas- und Dampfturbinenanlage. Daneben betrifft die vorliegende Erfindung eine Regelvorrichtung zum Regeln einer Kraftwerksanlage, insbesondere einer Gasturbinenanlage oder einer Gas- und Dampfturbinenanlage.The present invention relates to a method for determining the current maximum power of a power plant, in particular a gas turbine plant or a gas and steam turbine plant. In addition, the present invention relates to a control device for controlling a power plant, in particular a gas turbine plant or a gas and steam turbine plant.
In einem Stromnetz ist vom Netzbetreiber das Gleichgewicht zwischen der Last, also der angeforderten Leistung, und der zur Verfügung gestellten Leistung zu gewährleisten. Unterschiede zwischen der Last einerseits und der zur Verfügung stehenden Leistung andererseits führen zu einer Änderung der Netzfrequenz, was sich nachteilig auf den Netzbetrieb auswirkt und schlimmsten Falls zum völligen Zusammenbruch des Netzes führen kann.In a power grid, the network operator must ensure the balance between the load, ie the requested power, and the power provided. Differences between the load on the one hand and the available power on the other hand lead to a change in the network frequency, which adversely affects the network operation and worst case can lead to the complete collapse of the network.
Um bei plötzlich auftretenden Ungleichgewichten zwischen der Last und der zur Verfügung stehenden Leistung schnell reagieren zu können, kaufen die Netzbetreiber bei den Stromerzeugern Reserveleistung ein, die sogenannte Regelreserve. Ein Kraftwerk, das an der Regelreserve teilnimmt, muss in der Lage sein, innerhalb einer bestimmten Zeitspanne eine vorgegebene Leistung bereitstellen zu können. Ein beispielsweise an der sogenannten Minutenreserve teilnehmendes Kraftwerk muss in der Lage sein, nach wenigen Minuten (in Deutschland 15 Minuten) eine bestimmte Leistung zu erbringen. Andere Reservebetriebsarten erfordern das Erbringen der Leistung innerhalb von wenigen Sekunden.In order to be able to react quickly in the event of sudden imbalances between the load and the available power, the grid operators purchase reserve power from the generators, the so-called control reserve. A power plant participating in the control reserve must be able to provide a given power within a certain period of time. A power plant participating, for example, in the so-called minute reserve must be able to provide a certain power after a few minutes (in Germany 15 minutes). Other backup modes require power to be delivered within a few seconds.
Insbesondere diejenigen Regelreserven, die innerhalb von Sekunden abrufbar sein müssen, sind für den Frequenzstützbetrieb des Netzes von Bedeutung. Bei Abweichungen der Netzfrequenz von der Sollfrequenz muss ein am Frequenzstützbetrieb teilnehmendes Kraftwerk in der Lage sein, rasch die vereinbarte Reserveleistung, beispielsweise 5% der Maximalleistung, im Falle eines Frequenzeinbruches zur Verfügung stellen zu können. Dazu muss Kraftwerksbetreiber zu jeder Zeit wissen, wie groß die aktuell mögliche Maximalleistung des Kraftwerkes ist, und den Leistungssollwert der Anlage auf der Basis der Maximalleistung unter Berücksichtigung der Reserveleistung einstellen. Die Maximalleistung hängt vor allem von den Verdichtereintrittsbedingungen, insbesondere von der Temperatur, der Feuchte und dem Druck der in den Verdichter eintretenden Umgebungsluft, sowie von dem Verschmutzungsgrad des Verdichters und von der Netzfrequenz ab. Der Leistungssollwert für die aktuelle Fahrweise des Kraftwerkes ergibt sich dann aus der Maximalleistung abzüglich der vereinbarten Regereserve.In particular, those control reserves that must be available within seconds, are important for the frequency support operation of the network. For deviations of the mains frequency From the nominal frequency, a power plant participating in the frequency support operation must be able to quickly make available the agreed reserve power, for example 5% of the maximum power, in the event of a frequency decline. For this purpose, power plant operators must know at all times how large the currently possible maximum power of the power plant is, and adjust the power setpoint of the system on the basis of the maximum power taking into account the reserve power. The maximum output mainly depends on the compressor inlet conditions, in particular on the temperature, the humidity and the pressure of the ambient air entering the compressor, as well as on the degree of contamination of the compressor and on the mains frequency. The power setpoint for the current driving style of the power plant then results from the maximum power minus the agreed reserve throttle.
Bisher wird die Maximalleistung vom Kraftwerksbediener geschätzt und der Leistungssollwert manuell eingegeben. Bei Änderungen der Randbedingungen, beispielsweise der Verdichtereintrittsbedingungen oder des Verschmutzungsgrades des Verdichters, muss der Leistungssollwert manuell nachgestellt werden. Die Häufigkeit des Nachstellens hängt dabei sowohl von der Stabilität der Verdichtereintrittsbedingungen als auch von der gewünschten Zuverlässigkeit der einzuhaltenden Regelreserve ab.So far, the maximum power is estimated by the power plant operator and entered the power setpoint manually. If the boundary conditions change, for example the compressor inlet conditions or the degree of contamination of the compressor, the power setpoint must be readjusted manually. The frequency of readjustment depends both on the stability of the compressor entry conditions and on the desired reliability of the control reserve to be observed.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein zur Automatisierung geeignetes Verfahren zum Ermitteln der aktuellen Maximalleistung einer Kraftwerksanlage zur Verfügung zu stellen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Regelvorrichtung zum Regeln einer Kraftwerksanlage auf der Basis einer einen Leistungssollwert repräsentierenden Führungsgröße zur Verfügung zu stellen. Schließlich ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Kraftwerksanlage zur Verfügung zu stellen.Object of the present invention is to provide a suitable for automation method for determining the current maximum power of a power plant available. A further object of the invention is to provide a control device for controlling a power plant on the basis of a reference variable representing a power setpoint. Finally, it is an object of the present invention to provide an improved power plant.
Die erste Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1, die zweite Aufgabe durch eine Regelvorrichtung nach Anspruch 12 gelöst. Die dritte Aufgabe wird durch eine Kraftwerksanlage, insbesondere eine Gasturbinenanlage oder eine Gas- und Dampfturbinenanlage nach Anspruch 15 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.The first object is achieved by a method according to
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln der aktuellen Maximalleistung einer Kraftwerksanlage umfasst die folgenden Schritte:
- Erfassen mindestens einer die Maximalleistung beeinflussenden Messgröße. Im Falle einer Gasturbinenanlage oder einer Gas- Und Dampfturbinenanlage kann als Messgröße mindestens eine der folgenden Größen gemessen werden: Verdichter-Eintrittstemperatur der Gasturbine, Verdichter-Eintrittsdruck der Gasturbine, Verdichter-Eintrittsfeuchte der Gasturbine, die Netzfrequenz oder die Betriebsstunden seit der letzten Reinigung des Verdichters (Verdichterwäsche).
- Ermitteln einer Umrechnungsgröße aus der mindestens einen erfassten Messgröße, welche die Änderung der aktuellen Maximalleistung bezogen auf eine Referenzleistung repräsentiert. Das Ermitteln der Umrechnungsgröße kann hierbei beispielsweise anhand eines Kraftwerksmodells oder anhand mindestens einer vorab ermittelten Umrechnungskurve, in der Umrechnungsgrößen in Abhängigkeit von den Messgrößen gegeben sind, ermittelt werden.
- Umrechnen der Referenzleistung, die insbesondere eine Referenz-Maximalleistung darstellen kann, in die aktuelle Maximalleistung mit Hilfe der Umrechnungsgröße.
- Detecting at least one of the maximum power influencing measure. In the case of a gas turbine plant or a gas and steam turbine plant, at least one of the following variables can be measured: Compressor inlet temperature of the gas turbine, compressor inlet pressure of the gas turbine, gas turbine compressor inlet moisture, the mains frequency or the operating hours since the last time the compressor was cleaned (compressor wash).
- Determining a conversion quantity from the at least one detected measured variable, which represents the change of the current maximum power relative to a reference power. The determination of the conversion quantity can be determined, for example, by means of a power plant model or by means of at least one previously determined conversion curve, in which conversion variables are given as a function of the measured variables.
- Converting the reference power, which may in particular represent a reference maximum power, in the current maximum power using the conversion size.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann das Schätzen der Maximalleistung vom Kraftwerksbediener ersetzen und ermöglicht ein Regeln einer Kraftwerksanlage auf der Basis einer einen Leistungssollwert repräsentieren Führungsgröße. Der Leistungssollwert ergibt sich dann aus dem mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmten aktuellen Maximalleistungswert abzüglich der geforderten Regelreserve und ggf. weiter abzüglich einer Sicherheitsreserve.The method according to the invention can replace the estimation of the maximum power of the power plant operator and makes it possible to regulate a power plant on the basis of a reference variable representing a power setpoint. The power setpoint then results from the current maximum power value determined by the method according to the invention minus the required control reserve and, if necessary, less a safety reserve.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht daher ein automatisches Nachführen des Leistungssollwertes bei Änderungen der Randbedingungen. Die vereinbarte Regelreserve kann so automatisch und präzise eingehalten werden. Weiterhin kann sichergestellt werden, dass das Kraftwerk unter Einhaltung dieser Regelreserve bei maximaler Leistung und maximalem Wirkungsgrad betrieben werden kann.The method according to the invention therefore makes it possible to automatically track the power setpoint when the boundary conditions change. The agreed control reserve can thus be met automatically and precisely. Furthermore, it can be ensured that the power plant can be operated while maintaining this control reserve at maximum power and maximum efficiency.
Mittels einer Kalibrierung, die vorteilhafterweise regelmäßig durchgeführt wird, kann die Referenzleistung neu ermittelt werden, wodurch insbesondere der Verschmutzungsgrad des Verdichters beim Ermitteln der aktuellen Maximalleistung Berücksichtigung finden kann. Zum Kalibrieren der Referenzleistung können die aktuelle Gasturbinenleistung und der aktuelle Wert der mindestens einen Messgröße beispielsweise bei Grundlastzuständen gemessen und daraus auf der Basis des Kraftwerksmodells oder der mindestens einen Umrechnungskurve die Referenzleistung neu ermittelt werden. Da in das Kalibrieren die Verdichtereintrittsbedingungen als Messgrößen mit eingehen, und das Ergebnis der Kalibrierung vom Zustand der Verschmutzung des Lufteintrittsfilters abhängt, wird die Filterverschmutzung in der Referenzleistung berücksichtigt.By means of a calibration, which is advantageously carried out regularly, the reference power can be redetermined, whereby in particular the degree of contamination of the compressor can be taken into account when determining the current maximum power. For calibrating the reference power, the current gas turbine power and the current value of the at least one measured variable can be measured, for example, during base load conditions, and the reference power can be newly determined on the basis of the power plant model or the at least one conversion curve. Since in the calibration the compressor entry conditions are included as measured variables, and the result of the calibration depends on the state of the contamination of the air inlet filter, the filter contamination in the reference power is taken into account.
Die Umrechnungsgröße, mit deren Hilfe die aktuelle Maximalleistung ermittelt wird, kann insbesondere ein Umrechnungsfaktor sein, mit dem die Referenzleistung zu multiplizieren ist.The conversion quantity, with the help of which the current maximum power is determined, may in particular be a conversion factor with which the reference power is to be multiplied.
Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Regelverfahren, in dem der Leistungssollwert bei Änderungen der Randbedingungen automatisch nachgeführt wird, werden die Messgrößen kontinuierlich oder wiederholt gemessen und die aktuelle Maximalleistung kontinuierlich oder wiederholt ermittelt.In the application of the method according to the invention in a control method in which the power setpoint is tracked automatically with changes in the boundary conditions, the measured variables are measured continuously or repeatedly and the current maximum power is determined continuously or repeatedly.
Wie bereits erwähnt, kann das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere zum Ermitteln des aktuellen Leistungssollwerts einer Kraftwerksanlage, insbesondere einer Turbinenanlage, aus der aktuellen Maximalleistung der Kraftwerksanlage zum Einsatz kommen. Der aktuelle Leistungssollwert wird dann auf der Basis der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelten aktuellen Maximalleistung festgelegt. Dies kann insbesondere kontinuierlich oder wiederholt erfolgen.As already mentioned, the method according to the invention can be used in particular for determining the current desired power value of a power plant, in particular a turbine plant, from the current maximum power of the power plant. The current power setpoint is then determined based on the current maximum power determined by the method according to the invention. This can be done in particular continuously or repeatedly.
Eine erfindungsgemäße Regelvorrichtung zum Regeln einer Kraftwerksanlage, insbesondere einer Gasturbinenanlage oder einer Gas- und Dampfturbinenanlage auf der Basis einer einen Leistungssollwert repräsentierenden Führungsgröße umfasst:
- Mindestens einen zum Erfassen einer die Maximalleistung der Kraftwerksanlage beeinflussenden Messgröße und zum Ausgeben einer diese Messgröße repräsentierenden Sensorgröße ausgebildeten Messgrößensensor. Der Messgrößensensor kann insbesondere zum Messen einer der nachfolgenden Größen ausgebildet sein: Verdichter-Eintrittstemperatur, Verdichter-Eintrittsdruck, Verdichter-Eintrittsfeuchte, Netzfrequenz.
- Einen Speicher mit einer darin gespeicherten Referenzleistung.
- Eine mit dem mindestens einen Messgrößensensor zum Empfang der Sensorgröße und mit dem Speicher zum Empfang der Referenzleistung verbundene Umrechnungseinheit. Die Umrechnungseinheit umfasst ein Kraftwerksmodell oder mindestens eine Umrechnungskurve und ist zum Umrechnen der Referenzleistung in die aktuelle Maximalleistung sowie zum Ausgeben einer die Maximalleistung repräsentierenden Maximalleistungsgröße ausgebildet.
- Außerdem umfasst die erfindungsgemäße Regelungsvorrichtung eine Leistungssollwert-Berechnungseinheit, die zum Empfang der Maximalleistungsgröße mit der Umrechnungseinheit verbunden ist und die zum Berechnen des Leistungssollwerts auf der Basis der Maximalleistungsgröße und mindestens einer vorgegebenen Regelreservegröße sowie zum Ausgeben einer Leistungssollwertgröße als Führungsgröße ausgestaltet ist. Mit der erfindungsgemäßen Regelungsvorrichtung kann der Leistungssollwert aus vorhanden Messgrößen berechnet und bei einer Änderung der Randbedingungen automatisch nachgeführt werden.
- At least one for detecting a maximum power of the power plant conditioning measuring variable and for outputting a sensor size representing this measured variable formed Meßgrößenensensor. The measured variable sensor can be designed, in particular, for measuring one of the following variables: compressor inlet temperature, compressor inlet pressure, compressor inlet moisture, mains frequency.
- A memory with a reference power stored in it.
- A conversion unit connected to the at least one measured-quantity sensor for receiving the sensor size and to the memory for receiving the reference power. The conversion unit comprises a power plant model or at least one conversion curve and is designed to convert the reference power into the current maximum power and to output a maximum power size representing the maximum power.
- In addition, the control device according to the invention comprises a power setpoint calculation unit which is connected to the conversion unit for receiving the maximum power quantity and which is designed to calculate the power setpoint value on the basis of the maximum power size and at least one predetermined control reserve size and for outputting a power setpoint value as a reference variable. With the control device according to the invention, the power setpoint can be calculated from existing measured variables and tracked automatically when the boundary conditions change.
Die Leistungssollwert-Berechnungseinheit kann insbesondere zum Berechnen des Leistungssollwertes auf der Basis der Maximalleistungsgröße, einer vorgegebenen Regelreservegröße und einer vorgegebenen Sicherheitsgröße ausgebildet sein. Die Sicherheitsgröße kann dabei dazu dienen, sicherzustellen, dass die Regelreserve zuverlässig eingehalten wird. Wenn beispielsweise in bestimmten Zeitabständen eine Kalibrierung der Referenzmaximalleistung erfolgt, kann die Sicherheitsgröße etwa dazu dienen, Verschiebungen der Referenzmaximalleistung, die zwischen zwei Kalibrierungen erfolgen, aufzufangen.The power setpoint calculation unit can be designed, in particular, for calculating the power setpoint value on the basis of the maximum power size, a predetermined control reserve size and a predetermined safety variable. The safety variable can serve to ensure that the control reserve is reliably maintained. For example, if calibration of the reference maximum power occurs at certain intervals, the safety margin may be used, for example, to absorb shifts in the reference maximum power that occur between two calibrations.
Zum Durchführen einer Kalibrierung kann die Regelungsvorrichtung beispielsweise einen Leistungssensor umfassen, der zum Erfassen der aktuellen Leistung der Kraftwerksanlage und zum Ausgeben einer die aktuelle Leistung repräsentierenden Leistungsgröße ausgestaltet ist. Weiterhin ist in dieser Ausgestaltung eine Aktualisierungseinheit vorhanden, die zum Empfang der Leistungsgröße mit dem Leistungssensor, zum Empfangen der Sensorgröße mit dem mindestens einen Messgrößensensor und zur Ausgabe einer Referenzleistung mit dem Speicher verbunden ist. Die Aktualisierungseinheit ist zum Ermitteln der Referenzleistung aus der empfangenen Leistungsgröße und der mindestens einen empfangenen Sensorgröße ausgestaltet.To perform a calibration, the control device may include, for example, a power sensor that is designed to detect the current power of the power plant and to output a performance variable representing the current power. Furthermore, in this embodiment there is an updating unit which is connected to the power sensor for receiving the power quantity, for receiving the sensor size with the at least one measured variable sensor and for outputting a reference power to the memory. The updating unit is designed to determine the reference power from the received power quantity and the at least one received sensor size.
Eine erfindungsgemäße Kraftwerksanlage, die insbesondere als Gasturbinenanlage oder als Gas- und Dampfturbinenanlage ausgestaltet sein kann, ist mit einer erfindungsgemäßen Regelungsvorrichtung ausgestattet. In einer derartigen Kraftwerksanlage kann der Leistungssollwert automatisch bei Änderungen der Randbedingungen nachgeführt werden.A power plant according to the invention, which can be configured in particular as a gas turbine plant or as a gas and steam turbine plant, is equipped with a control device according to the invention. In such a power plant, the power setpoint can be tracked automatically with changes in the boundary conditions.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
- FIG 1
- zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Gas- und Dampfturbinenkraftwerks in einer stark vereinfachten schematischen Darstellung.
- FIG 2
- zeigt die erfindungsgemäße Regelvorrichtung in einem Blockschaltbild.
- FIG 3
- zeigt in einer schematischen Darstellung einen Regelkreis für den Gasturbinenteil der in FIG 1 dargestellten Gas- und Dampfturbinenanlage.
- FIG. 1
- shows the basic structure of a gas and steam turbine power plant in a highly simplified schematic representation.
- FIG. 2
- shows the control device according to the invention in a block diagram.
- FIG. 3
- shows a schematic representation of a control loop for the gas turbine part of the gas and steam turbine plant shown in FIG.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand des Ermittelns der Maximalleistung einer Gas- und Dampfturbinenanlage beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf den Einsatz in Gas- und Dampfturbinenanlagen beschränkt. Insbesondere kann sie auch bei Gasturbinenanlagen ohne nachgeschaltete Dampfturbine zum Einsatz kommen.The invention will be described below by way of example with reference to determining the maximum power of a gas and steam turbine plant. However, the invention is not limited to use in gas and steam turbine plants. In particular, it can also be used in gas turbine plants without a downstream steam turbine.
Die in FIG 1 schematisch dargestellte Gas- und Dampfturbinenanlage 1 umfasst eine Gasturbinenanlage 1a sowie eine Dampfturbinenanlage 1b. Die Gasturbinenanlage 1a ist mit einer Gasturbine 2, einem Verdichter 4 sowie mindestens einer zwischen den Verdichter 4 und die Gasturbine 2 geschalteten Brennkammer 6 ausgestattet. Mittels des Verdichters 4 wird Frischluft L angesaugt, verdichtet und über die Frischluftleitung 8 einem oder mehreren Brennern der Brennkammer 6 zugeführt. Die zugeführte Luft wird mit über eine Brennstoffleistung 10 zugeführtem flüssigen oder gasförmigen Brennstoff B gemischt und das Gemisch wird anschließend entzündet. Die dabei entstehenden Verbrennungsabgase bilden ein Arbeitsmedium AM der Gasturbinenanlage 1a, welches der Gasturbine 2 zugeführt wird, wo es unter Entspannung Arbeit leistet und eine mit der Gasturbine 2 gekoppelte Welle 14 antreibt. Die Welle ist außer mit der Gasturbine 2 auch mit dem Verdichter 4 sowie mit einem Generator 12 gekoppelt, um diese anzutreiben. Je nach Ausführung der Gasturbinenanlage 1a kann zwischen den Verdichter 4 und den Generator 12 noch ein Lastgetriebe geschaltet sein. Das entspannte Arbeitsmedium AM' wird über eine Abgasleitung 15 an einen Abhitzedampferzeuger 30 der Dampfturbinenanlage 1b abgeführt.The gas and
Neben dem Abhitzedampferzeuger 30 umfasst die Dampfturbinenanlage 1b eine Dampfturbine 32, einen Kondensator 34 sowie eine Speisewasserpumpe 36. Der Abhitzedampferzeuger 30 ist über eine Dampfleitung 31 mit der Dampfturbine 32 verbunden. Diese ist wiederum über eine Dampfleitung 33 mit dem Kondensator 34 verbunden. Schließlich verbindet eine Kondensatleitung 35 den Kondensator 34 mit dem Abhitzedampferzeuger 30. Der Dampferzeuger 30, die Dampfturbine 32, der Kondensator 34, die Dampfleitungen 31 und 33 sowie die Kondensatleitung 35 bilden zusammen einen Wasser-Dampfkreislauf der Dampfturbinenanlage. Der Umlauf des Kondensates bzw. des Dampfes wird durch die Kondensatpumpe 36 bewerkstelligt. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass das in FIG 1 dargestellte Schaltbild eine stark vereinfachte Darstellung insbesondere der Dampfturbinenanlage enthält. In realen Dampfturbinenanlagen ist der Wasser-Dampfkreislauf in der Regel komplizierter aufgebaut. So umfasst der Abhitzedampferzeuger 30 oft mehrere Verdampfer, Zwischenerhitzer, Vorwärmer, etc. mit denen der Dampf weiter erhitzt bzw. das Kondensat vorerwärmt werden kann. Ebenso kann die Dampfturbine 32 mehrere Turbinenstufen aufweisen, welche für unterschiedliche Dampfdrücke und Dampftemperaturen ausgelegt sind. Diese sind in der Regel in Reihe geschaltet und erhöhen den Wirkungsgrad der Dampfturbinenanlage.In addition to the heat
Ein Regelkreis zum Regeln der Leistung der Gasturbinenanlage 1a der Gas- und Dampfturbinenanlage 1 ist schematisch in FIG 2 als Blockschaltbild dargestellt. Der Regelkreis dient im vorliegenden Beispiel zum Einwirken auf den der Brennkammer 6 zugeführten Luftmassenstrom und/oder den der Brennkammer 6 zugeführten Brennstoffmassenstrom. Die Luftzufuhr und die Brennstoffzufuhr bilden daher die Regelstrecke 56 des Regelkreises 50. Zum Einwirken auf die Regelstrecke 56 ist ein Stellglied 54 vorhanden, welches Stellsignale für ein Brennstoffzufuhrventil sowie für die Leitschaufeln der ersten Verdichterleitschaufelreihe oder -reihen ausgibt. Außer dem Brennstoffmassenstrom und dem Luftmassenstrom führen auch Störgrößen z, welche auf die Regelstrecke 56 einwirken, zu Änderungen der Gasturbinenleistung. Mittels eines Leistungssensors 58 wird die aktuelle Leistung P der Gasturbine gemessen und in Form einer Leistungsgröße ausgegeben. Die Leistungsgröße wird in einem Subtrahierer 60 von einem Leistungssollwert W abgezogen und die Differenz an den Regler 52 weitergegeben. Dieser ermittelt ein Regelsignal REG, welches an das Stellglied 54 ausgegeben wird und dieses veranlasst mittels einer Stellgröße U auf die Regelstrecke 56 derart einzuwirken, dass der aktuelle Leistungswert an den Leistungssollwert W angeglichen wird.A control circuit for regulating the power of the
Der Leistungssollwert W soll die Regelreserve berücksichtigen, d.h. er muss kleiner sein, als die mögliche Maximalleistung der Gasturbinenanlage. Er wird aus der aktuell möglichen Maximalleistung gemäß der Formel
Aufgrund des Gesagten ist die Kenntnis der aktuellen möglichen Maximalleistung Pmax nötig, wenn der Leistungssollwert Psoll ermittelt werden soll.Based on what has been said, the knowledge of the current maximum power P max is necessary if the power setpoint P soll is to be determined.
Das Ermitteln des Leistungssollwertes Psoll wird nachfolgend anhand des in FIG 3 dargestellten Blockschaltbildes erläutert. Das Blockschaltbild zeigt eine Vorrichtung zum Ermitteln des Leistungssollwertes, welcher in den in FIG 2 dargestellten Regelkreis 50 eingeht.The determination of the desired power value P soll is explained below with reference to the block diagram shown in FIG. The block diagram shows a device for determining the desired power value, which enters into the
Die Vorrichtung 70 umfasst eine Anzahl von Messgrößensensoren, die als Block 72 dargestellt sind. Messgrößensensoren können beispielsweise Sensoren sein, welche die Verdichter-Eintrittstemperatur, die Verdichter-Eintrittsfeuchte, den Verdichter-Eintrittsdruck der Umgebungsluft, die Netzfrequenz, etc. ermitteln. Daneben umfasst die Vorrichtung 70 als weiteren Sensor einen Leistungssensor 73, mit dem die aktuelle Gasturbinenleistung erfasst werden kann. Die Vorrichtung 70 umfasst weiter eine Berechnungseinheit 74, welche ein Gasturbinenmodell beinhaltet und einen Umrechnungsfaktor f(xi) ausgibt, einen Speicher 75, in welchem eine Referenzleistung Pref gespeichert ist, sowie eine Multiplikationseinheit 76, welche mit dem Speicher 75 zum Empfang der Referenzleistung Pref und mit der Berechnungseinheit 74 zum Empfang des Umrechnungsfaktors f(xi) verbunden ist. Die Multiplikationseinheit 76 ist zum Berechnen der Maximalleistung durch Multiplikation der Referenzleistung Pref mit dem Umrechnungsfaktor f(xi) und zum Ausgeben des Wertes der Maximalleistung Pmax ausgestaltet. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 70 eine Leistungssollwert-Berechnungseinheit 78 sowie zwei Speicher oder Speicherplätze 80, 82, in denen der Wert R für die Regelreserve bzw. der Wert S für die Sicherheit gespeichert sind. Außerdem kann die Vorrichtung 70 einen Offset-Speicher 84 umfassen, in welchem Offset-Werte für die von den Messgrößensensoren 72 gemessenen Messgrößen xi gespeichert sind. Diese Offsets können zu den ermittelten Messgrößen xi hinzuaddiert werden, bevor diese in die Berechnungseinheit 74 eingegeben werden. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 70 eine mit der Berechnungseinheit 74 zum Empfang des Umrechnungsfaktors f(xi) und mit dem Speicher 75 zur Ausgabe der Referenzleistung Pref verbundene Referenzleistungsberechnungseinheit 86 sowie eine mit dem Speicher 75 verbundene Auslöseeinheit 88 zum Auslösen eines Speichervorganges im Speicher 75.The
Das Ermitteln des Leistungssollwertes Psoll mit der in FIG 3 dargestellten Vorrichtung 70 erfolgt, indem die von den Messgrößensensoren 72 erfassten Messgrößen xi an die Berechnungseinheit 74 weitergegeben werden, die ein Modell der Gasturbinenanlage enthält und anhand der erfassten Messgrößen den Umrechnungsfaktor f(xi) berechnet. Optional können zu den erfassten Messgrößen Offsets hinzuaddiert werden, bevor die Messgrößen xi in die Berechnungseinheit 74 eingegeben werden. Der Umrechnungsfaktor wird an die Multiplikationseinheit 76 weitergegeben, wo der mit einer vom Speicher 75 bezogenen Referenzleistung Pref multipliziert wird. Das Produkt aus der Referenzleistung Pref und dem Umrechnungsfaktor f(xi) liefert die mögliche Maximalleistung Pmax der Gasturbinenanlage. Die Berechnungseinheit 74 und die Multiplikationseinheit 76 bilden zusammen eine Umrechnungseinheit, welche die Referenzleistung Pref auf der Basis der Messwerte xi in die aktuelle Maximalleistung Pmax umrechnet. In der Leistungssollwert-Berechnungseinheit 78 wird dann der Leistungssollwert Psoll gemäß der Formel 1 aus der Maximalleistung Pmax, der geforderten Regelreserve R und der Sicherheit S berechnet und als Führungsgröße an den in FIG 2 dargestellten Regelkreis 50 weitergegeben.The determination of the power target value P soll is carried out with the embodiment illustrated in FIG 3
Außer den genannten Verdichter-Eintrittsbedingungen können weitere, die Maximalleistung der Gasturbinenanlage beeinflussende Messgrößen, beispielsweise die Netzfrequenz oder die Betriebsstunden seit der letzen Verdichterwäsche (xΔOH, OH: Operating Hours), erfasst und im Umrechnungsfaktor f(xi) berücksichtig werden.In addition to the compressor entry conditions mentioned, further measured variables influencing the maximum output of the gas turbine plant, for example the grid frequency or operating hours since the last compressor wash (x ΔOH , OH: operating hours), can be detected and taken into account in the conversion factor f (x i ).
Mittels der in FIG 3 dargestellten Vorrichtung 70 wird außerdem in regelmäßigen Abständen eine Kalibrierung durchgeführt.By means of the
Im Rahmen dieser Kalibrierung wird eine neue Referenzleistung Pref berechnet und im Speicher 75 abgelegt. Das Kalibrieren ist beispielsweise bei Grundlastzuständen der Gasturbinenanlage möglich. Dabei wird die aktuelle Gasturbinenleistung mittels des Leistungssensors 73 erfasst und an die Referenzleistungs-Berechnungseinheit 86 weitergegeben. Diese empfängt außerdem von der Berechnungseinheit 74 den aktuellen Umrechnungsfaktor f(xi). Die Referenzleistung Pref ergibt sich dann aus dem Quotienten der gemessenen Leistung, im folgenden Pkal bezeichnet, und dem auf der Basis der gleichzeitig gemessenen Messgrößen xi ermittelten Umrechnungsfaktor, im folgenden fkal(xi) bezeichnet. Die so ermittelte neue Referenzleistung Pref wird dann im Speicher 75 als neue, d.h. kalibrierte Referenzleistung, gespeichert und steht im Folgenden der Umrechnungseinheit 76 als Referenzleistung Pref zur Verfügung.As part of this calibration, a new reference power P ref is calculated and stored in the
Das Kalibrieren erfolgt bei Inbetriebnahme der Anlage und danach in regelmäßigen Abständen. Zum Auslösen des Speicherns der neuen Referenzleistung dient eine Auslöseeinheit 88. Die Berechnungseinheit 74, die Referenzleistungs-Berechnungseinheit 86 und die Auslöseeinheit 88 bilden zusammen eine Aktualisierungseinheit zum Aktualisieren bzw. Kalibrieren der Referenzleistung Pref.Calibration takes place when the system is started up and afterwards at regular intervals. A
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde in der Berechnungseinheit 74 ein Modell des Kraftwerks verwendet. Alternativ ist es auch möglich, Umrechnungskurven zu verwenden, die für jede erfasste Messgröße xi eine Beziehung fi repräsentieren. Der Umrechnungsfaktor f(xi) ergibt sich dann aus dem Produkt der Einzelfaktoren fi. Wenn beispielsweise je ein Faktor für die Verdichter-Eintrittstemperatur (Faktor fTV), für den Verdichter-Eintrittsdruck (fPV), die Verdichter-Eintrittstemperatur (fV) und für die Netzfrequenz (fN) vorhanden sind, so ergibt sich der Umrechnungsfaktor zu
Die regelmäßige Kalibrierung der Referenzleistung Pref ermöglicht es, wechselnde Verschmutzungszustände des Verdichters zu berücksichtigen. Beispielsweise führt eine zunehmende Verschmutzung bei unveränderter Stellung der Verdichterleitschaufeln zu einer Verringerung des Luftmassenstroms zur Brennkammer. Da die mögliche Maximalleistung bei einer gegebenen Abgastemperatur der Turbine unter anderem vom Luftmassenstrom abhängt, führt eine zunehmende Verschmutzung zu einer Verringerung der maximalen Turbinenleistung. Durch die Kalibrierung kann die zunehmende Verringerung der Maximalleistung berücksichtigt werden. Nach einer Reinigung des Verdichters steht dann wieder der größtmögliche Luftmassenstrom zur Verfügung. Mittels einer Neukalibrierung kann das System dann wieder an den gereinigten Verdichter angepasst werden.The regular calibration of the reference power P ref makes it possible to take account of changing contamination states of the compressor. For example, an increasing contamination with unchanged position of the compressor guide vanes leads to a reduction of the air mass flow to the combustion chamber. Since the maximum possible power at a given turbine exhaust gas temperature depends, inter alia, on the air mass flow, increasing pollution leads to a reduction in the maximum turbine output. The calibration can take into account the increasing reduction in maximum power. After cleaning the compressor is then again the largest possible air mass flow available. By means of a recalibration, the system can then be adapted to the cleaned compressor again.
Wird über einen (längeren) Zeitraum weder eine Kalibrierung noch eine Verdichterwäsche durchgeführt, so kann die sich ergebende Verringerung der Maximalleistung durch den Faktor fΔOH Berücksichtigung finden.If neither a calibration nor a compressor wash is carried out for a (longer) period of time, the resulting reduction of the maximum power can be taken into account by the factor f ΔOH .
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