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DE102008002907A1 - Systeme und Verfahren für die Anwendung eines Verbrennungsdynamik-Algorithmus bei einer Mehrrohrbrennkammer - Google Patents

Systeme und Verfahren für die Anwendung eines Verbrennungsdynamik-Algorithmus bei einer Mehrrohrbrennkammer Download PDF

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DE102008002907A1
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DE
Germany
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gas turbine
model
operating frequency
frequency data
median value
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE102008002907A
Other languages
English (en)
Inventor
Garth Curtis Frederick
Thomas Raymond Farrel
Timothy Andrew Healy
John Carver Maters
Jonathan Carl Thatcher
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by General Electric Co filed Critical General Electric Co
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

Ausführungsformen der Erfindung können Systeme und Verfahren für die Anwendung eines Verbrennungsdynamik-Abstimmalgorithmus bei einer Mehrrohrbrennkammer zur Verfügung stellen. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann ein Verfahren zur Steuerung einer Gasturbine mit einem Gasturbinenmodell bei einer Gasturbine mit mehreren Rohren angewendet werden. Das Verfahren kann das Sammeln von Betriebsfrequenzdaten umfassen, die mehreren Rohren der Gasturbine zugeordnet sind. Das Verfahren kann außerdem das Ermitteln der Abweichung zwischen den Betriebsfrequenzdaten von zumindest zwei Rohren beinhalten. Ferner kann das Verfahren das Ermitteln eines Medianwertes umfassen, der zumindest zum Teil auf der Abweichung beruht. Das Verfahren kann darüber hinaus die Eingabe des Medianwertes in ein Gasturbinenmodell beinhalten, wobei das Gasturbinenmodell zumindest teilweise auf der Grundlage des Medianwertes einen Steuervorgang ermittelt. Das Verfahren kann überdies die Ausgabe eines Steuerbefehls umfassen, um den Gasturbinensteuervorgang auszuführen.

Description

  • FACHGEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung bezieht sich auf die Steuerung der Verbrennungsdynamik und insbesondere auf Systeme und Verfahren für die Anwendung eines Verbrennungsdynamik-Abstimmalgorithmus bei einer Mehrrohrbrennkammer.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Konstruktion und Betrieb eines Verbrennungssystems in einer Rotationsmaschine wie beispielsweise einer Gasturbine können komplex sein. Zum Betreiben derartiger Maschinen können konventionelle Verbrennungsdynamik-Abstimmalgorithmen einen oder mehrere mit verschiedenen Gasturbinenkomponenten verbundene Sensoren benutzen, um die Leistungs- und Betriebsdaten der Gasturbine zu erhalten. Beispielsweise kann eine Einrohrbrennkammer die Ausgaben mehrerer Verbrennungsdynamiksensoren verwenden, um die Brennkammer unter Anwendung eines konventionellen dynamischen Abstimmalgorithmus abzustimmen. Ein weiteres Beispiel ist eine Rohrbrennkammer des ringförmigen Typs, die mehrere Rohre in einer ringförmigen Anordnung umfassen und die Eingaben mehrerer Verbrennungsdynamiksensoren – einer pro Rohr – nutzen kann, um die Brennkammer unter Verwendung eines anderen konventionellen Verbrennungsdynamik-Abstimmalgorithmus einzustellen. Um Abweichungen zwischen den einzelnen Rohren Rechnung zu tragen, kann ein Verbrennungsdynamik-Abstimmalgorithmus der letzteren Art prüfen, ob die Messergebnisse eines jeden Sensors in einem vorgegebenen Messbereich liegen. Dann können die Sensoren auf einen mittleren Leistungswert eingestellt werden oder es können alternativ die Ausgaben aller Sensoren gemittelt werden, um ein Dynamiksignal zu ermitteln, auf das zu reagieren ist.
  • In einigen Fällen können ein oder mehrere mit einer Brennkammer – wie zum Beispiel einer Einrohrbrennkammer oder einer Rohrringbrennkammer – verbundene Sensoren mangelhafte oder fehlerhafte Daten oder Messergebnisse ausgeben. Beispielsweise kann ein Sensor während des Brennkammerbetriebs versagen und keine Daten mehr liefern bzw. fehlerhafte oder mangelhafte Daten liefern. Liefern mehr als ein Sensor mangelhafte oder fehlerhafte Daten oder Messwerte, können derartige Daten oder Messwerte in den konventionellen Verbrennungsdynamik-Abstimmalgorithmus gelangen. In anderen Fällen können eine mangelhafte Abstimmung oder reduzierte Effizienz übermäßige Schwingungen in der Brennkammer oder eine Beschädigung der Brennkammer zur Folge haben.
  • Es existiert daher ein Bedarf an Systemen und Verfahren für die Anwendung eines Verbrennungsdynamik-Abstimmalgorithmus bei einer Mehrrohrbrennkammer.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Einige oder alle der oben beschriebenen Bedürfnisse können durch Ausführungsformen der Erfindung erfüllt werden. Die Ausführungsformen der Erfindung sind allgemein auf Systeme und Verfahren für die Anwendung eines Verbrennungsdynamik-Abstimmalgorithmus bei einer Mehrrohrbrennkammer gerichtet. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann ein Verfahren zur Steuerung einer Gasturbine mit einem Gasturbinenmodell bei einer Gasturbine mit mehre ren Rohren durchgeführt werden. Das Verfahren kann das Sammeln von Betriebsfrequenzdaten umfassen, die mehreren Rohren der Gasturbine zugeordnet sind. Zusätzlich kann das Verfahren die Ermittlung der Abweichung zwischen den Betriebsfrequenzdaten von mindestens zwei Rohren umfassen. Das Verfahren kann weiter die Ermittlung eines Medianwertes umfassen, der zumindest teilweise auf der Abweichung beruht. Das Verfahren kann überdies die Eingabe des Medianwertes in ein Gasturbinenmodell umfassen, wobei das Gasturbinenmodell – zumindest teilweise auf der Grundlage des Medianwertes – einen Gasturbinensteuervorgang ermittelt. Darüber hinaus kann das Verfahren die Ausgabe eines Steuerbefehls umfassen, um den Gasturbinensteuervorgang auszuführen.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann ein System zur Steuerung einer Gasturbine mit mehreren Rohren umgesetzt werden. Das System kann eine Vielzahl von Sensoren umfassen, die dafür eingerichtet sind, einem jeweiligen Rohr zugeordnete Betriebsfrequenzdaten zu sammeln. Überdies kann das System ein Modell umfassen, das für den Empfang von Daten von der Vielzahl von Sensoren eingerichtet ist. Das Modell kann dafür eingerichtet sein, eine Abweichung zwischen den Betriebsfrequenzdaten von zumindest zwei Rohren festzustellen. Außerdem kann das Modell dafür eingerichtet sein, einen Medianwert zu ermitteln, der zumindest teilweise auf der Abweichung basiert. Das Modell kann darüber hinaus dafür eingerichtet sein, eine Ausgabe zu ermitteln, die zumindest teilweise auf dem Medianwert basiert. Überdies kann das System eine Steuervorrichtung umfassen, die dafür eingerichtet ist, einen Gasturbinensteuervorgang zu ermitteln, der zumindest teilweise auf der Ausgabe des Gasturbinenmodells basiert, und kann ferner für die Ausgabe eines Steuerbefehls eingerichtet sein, um den Gasturbinensteuervorgang auszuführen.
  • Gemäß einer noch anderen Ausführungsform der Erfindung kann ein System umgesetzt werden, das dafür eingerichtet ist, eine Gasturbine mit mehreren Rohren, von denen jedes zumindest einen Sensor aufweist, zu steuern. Das System kann zumindest ein Modell umfassen, das dafür eingerichtet ist, die Leistung einer Gasturbine zu schätzen. Das System kann überdies mindestens einen Schätzer umfassen, der dafür eingerichtet ist, einen gegenwärtigen Zustand der Gasturbine festzustellen, und das Modell mit Betriebsfrequenzdaten der Sensoren zu initialisieren. Außerdem kann das System zumindest eine modellbasierte Steuervorrichtung umfassen, die dafür eingerichtet ist, eine Ausgabe des Schätzers zu verwenden und der Gasturbine mindestens einen Steuerbefehl zu erteilen.
  • Aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen sind andere Ausführungsformen und Gesichtspunkte von Ausführungsformen der Erfindung ersichtlich.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Nach der allgemeinen Beschreibung der Erfindung wird nun auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind.
  • 1 ist ein Schemadiagramm, das die Anordnung einer beispielhaften Gasturbine zeigt, das von einer Ausführungsform dieser Erfindung gesteuert werden könnte.
  • 2 ist ein Blockdiagramm, das Komponenten eines Gasturbinensteuersystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt.
  • 3 ist ein Blockdiagramm, das ein beispielhaftes Verbrennungsdynamik-Abstimm-Modell während der Ausführung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt.
  • Die 4–5 zeigen eine Reihe beispielhafter Betriebsfrequenzdaten eines Modells und einer Gasturbine gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
  • Die 6–7 zeigen eine Reihe beispielhafter Korrelationen von Betriebsfrequenzdaten eines Modells und einer Gasturbine gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
  • Die 8–9 zeigen eine Reihe beispielhafter vorgeschlagener und geschätzter Betriebsfrequenzdatenpunkte eines Modells und einer Gasturbine gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen, die beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung zeigen, umfassender beschrieben. Die Erfindung kann jedoch in vielen Formen ausgeführt werden und sollte nicht als auf die hier dargestellten Ausführungsformen beschränkt angesehen werden; vielmehr werden diese Ausführungsformen zur Verfügung gestellt, damit Fachleute aus dieser Offenbarung den Anwendungsbereich dieser Erfindung entnehmen können. Dieselben Bezugszeichen kennzeichnen in allen Zeichnungen dieselben Elemente.
  • Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf Blockdiagramme und Schemadarstellungen von Verfahren und Systemen gemäß Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Es ist ersichtlich, dass jeder Block der Diagramme, wie auch Kombinationen von Diagrammblöcken, durch Computerprogrammanweisungen ausgeführt werden können. Diese Computerprogrammanweisungen können auf einen oder mehrere Allzweck- oder Spezialcomputer oder andere programmierbare Datenverarbeitungsgeräte zur Herstellung von Maschinen aufgespielt werden, sodass die Anweisungen, die auf dem Computer oder sonstigen programmierbaren Datenverarbeitungsgerät ausgeführt werden, Mittel zur Ausführung der in dem Block oder den Blöcken spezifizierten Funktionen erzeugen. Derartige Computerprogrammanweisungen können auch in einem computerlesbaren Speicher gespeichert werden, der einen Computer oder ein sonstiges programmierbares Datenverarbeitungsgerät so steuern kann, dass es auf eine bestimmte Weise funktioniert, sodass die in dem computerlesbaren Speicher gespeicherten Anweisungen ein Produkt einschließlich der Anweisungen herstellen, die die in dem Block oder den Blöcken spezifizierten Funktionen implementieren.
  • In Ausführungsformen dieser Erfindung kann jedes physische System, jedes Steuersystem, jede Eigenschaft der Gasturbine oder eines Gasturbinensubsystems modelliert werden, darunter unter anderem die Gasturbine selbst, der Gasweg und die Gaswegdynamik, Aktoren, Effektoren oder andere Steuervorrichtungen, die jedes Verhalten der Gasturbine abwandeln oder ändern, Sensoren, Monitore oder Sensorsysteme, das Brennstoffmesssystem, das Brenn stoffzufuhrsystem, das Schmiersystem und/oder das Hydrauliksystem. Die Modelle dieser Komponenten und/oder Systeme können physikbasierte Modelle (einschließlich ihrer linearen Annäherungen) sein. Zusätzlich oder alternativ können die Modelle auf linearer und/oder nichtlinearer Systemidentifikation, neuralen Netzwerken und/oder deren Kombinationen basieren.
  • Gasturbinen sind luftatmende Triebwerke, die auf der Grundlage des thermodynamischen Joule-Prozesses (Brayton Cycle) Arbeit erzeugen. Einige nichteinschränkende Beispiele für Gasturbinen sind unter anderem: Flugzeugtriebwerke, Energiesysteme, Antriebsmaschinen für Schiffsanwendungen, als Pumpen eingesetzte Turbinen, in GuD-Kraftwerken eingesetzte Turbinen und Turbinen für andere industrielle Anwendungen. In Gasturbinen wird thermische Energie aus der Verbrennung von Brennstoff mit Luft, der Verbrennung von Brennstoff mit einem Oxydator, chemischen Reaktionen und/oder Wärmetausch mit einer thermischen Quelle gewonnen. Die thermische Energie wird dann in nutzbare Arbeit umgewandelt. Diese Arbeit kann eine Ausgangsleistung in der Form von Schub, Wellenleistung oder Elektrizität sein. Die Leistung oder der Betrieb dieser Gasturbinen wird durch die Verwendung von Aktoren gesteuert. Zu den nichteinschränkenden Beispielen für Aktoren in Gasturbinen gehören Brennstoffmessventile, Einlassleitschaufeln, variable Leitschaufeln, variable Geometrie, Anzapfventile, Startventile, Spaltregelungsventile (clearance control valves), Einlassabzapfwärme (inlet bleed heat), variable Schubdüsen und Ähnliches. Zu den nichteinschränkenden Beispielen für erfasste Gasturbinenwerte gehören Temperaturen, Drücke, Rotorgeschwindigkeiten, Aktorpositionen und/oder Ströme.
  • Ein beispielhaftes Schaubild einer beispielhaften Gasturbine 100 wird in 1 gezeigt. Die gezeigte Beispielgasturbine 100 weist ein Rohrringbrennkammersystem auf, wie beispielsweise die GE-Energy-Hochleistungs-Gasturbinenserie. Mehrere Rohre 102, 104, 106, 108, 110, 112, 114, 116, 118, 120, 122, 124, 126, 128, auch als Nummer 114 bezeichnet, können in einer ringförmigen Konfiguration ausgerichtet sein. Jedes Rohr 102–128 kann zumindest einen Sensor umfassen, wie beispielsweise einen Staudruckwandler, der in der Lage ist, eine Betriebsfrequenz des Rohrs oder der Gasturbinenkomponente zu messen oder auf andere Weise zu erfassen. Ein Beispiel für einen geeigneten Sensor wird in dem U.S.-Patent Nr. 6 708 568 offenbart. Signale jedes Sensors können unter Verwendung der Spektralanalyse oder ähnlicher Verfahren zur Isolierung einer interessierenden Frequenz verarbeitet werden.
  • Bei einer Ausführungsform können Betriebsfrequenzdaten von jedem Rohr 102–128, wie beispielsweise Messungen des Staudrucks, unter Anwendung einer Fast-Fourier-Transformation zur Ermittlung des Frequenzgehalts und der Frequenzamplituden verarbeitet werden. Durch die Verwendung dieser Daten kann eine Frequenzverteilung wie beispielsweise ein Histogramm erzeugt werden. Zumindest teilweise auf der Grundlage des Histogramms kann für ein bestimmtes Rohr oder eine bestimmte Gasturbinenkomponente eine repräsentative Betriebsfrequenz ausgewählt werden. Wie in 3 dargestellt, können Betriebsfrequenzdaten oder ausgewählte repräsentative Betriebsfrequenzen für jedes Rohr 102–128 als Eingabe, wie beispielsweise 330, für ein beispielhaftes Verbrennungsdynamik-Abstimmmodell und einen Abstimmalgorithmus benutzt werden. Es ist ersichtlich, dass „Betriebsfrequenzinformationen" und „Betriebsfrequenzdaten" denselben Inhalt beschreiben können, und dass beide Begrif fe unter anderem Folgendes umfassen können: Betriebsdaten, Betriebsdrücke, Betriebsstaudrücke und Betriebsamplitudendaten.
  • Fachleute werden erkennen, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen auf eine Vielzahl verschiedener Systeme angewendet werden können und nicht auf Gasturbinen oder andere Vorrichtungen beschränkt sind, die den in 1 beschriebenen gleichen.
  • 2 stellt eine Steueranordnung dar, bei der ein beispielhaftes Gasturbinenmodell gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgeführt wird. Das in 2 gezeigte Steuerungssystem 200 ist dafür eingerichtet, die physische Triebwerkanlage oder die Gasturbine 210 zu überwachen und zu steuern, um unter einer Vielzahl von Bedingungen eine im Wesentlichen optimale Leitung zu erreichen. Die Anlage oder die Gasturbine 210 kann Sensoren umfassen, die Werte Y bestimmter Parameter erfassen oder messen. Diese Parameter können unter anderem folgende umfassen: Bläserdrehzahl, Betriebsfrequenzen, Staudrücke, Betriebsdrücke, Betriebsdruckverhältnisse und Temperaturen. Die Anlage oder die Gasturbine 210 kann auch einen oder mehrere Aktoren umfassen, die durch eine oder mehrere Steuereingaben U gesteuert werden. Die Anlage oder die Gasturbine 210 kann zum Beispiel der in 1 dargestellten Gasturbine 100 ähneln.
  • Die Werte Y der erfassten oder gemessenen Parameter werden an einen Zustandsschätzer 220 geliefert. Die in den Zustandsschätzer 220 eingegebenen Werte, wie beispielsweise Sensoreingaben, Betriebsfrequenzen oder Staudrücke, können dafür verwendet werden, einen oder mehrere Werte in dem Zustandsschätzer 220 zu initialisieren.
  • Der Zustandsschätzer 220 kann ein Modell 230 der Anlage oder der Gasturbine 210 umfassen. Das Modell 230 kann von dem Zustandsschätzer 220 dafür verwendet werden, einen oder mehrere Zustandsparameter zu erzeugen, darunter Schätzungen von Leistungsparametern. Ein Beispiel eines geeigneten Gasturbinenmodells wird als 300 in 3 detaillierter beschrieben.
  • Die von dem Zustandsschätzer 220 und dem zugehörigen Modell 230 erzeugten Zustandsparameter können an ein modellbasiertes Steuer- und Vorhersagemodul oder Steuermodul 240 übermittelt werden. Das Steuermodul 240 kann die Zustandsparameter dafür nutzen, eine Optimierung durchzuführen, um Anweisungen für einen oder mehrere Aktoren der Anlage oder der Gasturbine 210 zu ermitteln. Das Steuermodul 240 kann beispielsweise eine Optimierung durchführen, um einen oder mehrere Gasturbinensteuervorgänge und die entsprechenden Steuerbefehle für einen oder mehrere Aktoren der Gasturbine zu ermitteln. Im Hinblick darauf kann das Steuermodul 240 einen Optimierer 250 und ein Modell 260 umfassen. Das zugehörige Modell 260 des Steuermoduls 240 kann mit dem zugehörigen Modell 230 des Zustandsschätzers 220 identisch sein. Für Fachleute ist ersichtlich, dass ein Gasturbinenmodell entweder im Zustandsschätzer 220 oder dem Steuermodul 240 oder in beiden ausgeführt werden kann. Die Ausführung von einem oder beiden Modellen 230, 260 ermöglicht eine schnelle Konvergenz der Optimierung der Gasturbine 210.
  • Bei der Anwendung können Ausführungsformen der Erfindung dafür verwendet werden, ein Gasturbinenmodell, wie beispielsweise die Modelle 230, 260, beim Anfahren der Anlage oder der Gasturbine 210 zu initialisieren. Ausführungsformen der Erfindung können ferner dafür verwen det werden, die dynamischen Zustände der Modelle 230, 260 nach einem Ereignis, wie beispielsweise einem Lastabwurf oder einem Sensorversagen, zu re-initialisieren. Andere Ausführungsformen der Erfindung können unter anderen Umständen dazu verwendet werden, dynamische Zustände anderer Maschinentypen oder Vorrichtungen zu initialisieren.
  • 3 ist ein Schemadiagramm, das ein Beispielmodell während der anfänglichen Konfiguration und der normalen Ausführung gemäß Ausführungsformen der Erfindung zeigt. Dieses Diagramm stellt die Datenverarbeitung durch verschiedene Module dar, die einem Modell 300, wie beispielsweise einem Verbrennungsdynamik-Abstimmungsalgorithmus-Modell zugeordnet sind. Wie dargestellt, kann das Modell 300 einige oder alle der folgenden Module gemäß Ausführungsformen der Erfindung umfassen: den Sensorenzustandsblock 302, den Medianblock 304, den Transferfunktions(TF)-Abstimmblock 306, einen Speicherblock 308, den Mediandynamikblock 310, den modellbasierten Steueralgorithmusblock 312, den Standardabweichungsblock 314, den Durchschnittsblock 316, den Kovarianzblock 318, den Konstantenblock 320, den Mediandynamikblock 322, den Medianzielblock 324 sowie einen Speicherblock 326. Die Modulblöcke 302–326 stellen verschiedene Module des „Runtime"-Typs dar, für die verschiedene Parameter in jedes der Module 302–326 eingegeben werden können, und für die man jeweils entsprechende Ausgaben von den Modulen 302–326 gemäß Ausführungsformen der Erfindung erhalten kann. Für Fachleute ist ersichtlich, dass verschiedene Ein- und Ausgaben als Dateneingaben, Vektoren, Matrizen, Funktionen und andere mathematische Mittel konfiguriert werden können. In jedem Fall kann das gezeigte Beispielmodell 300 Modellvorhersagen ermitteln und Verbrennungsmodell-Vorhersagen auf gemessene Leistungen in einer Echtzeitumgebung einer Gasturbine, wie beispielsweise 100 in 1 oder eine ähnliche Vorrichtung, abstimmen. Das Beispielmodell 300 kann mit der als 100 in 1 gezeigten Gasturbine und dem als 200 in 2 gezeigten System angewendet werden.
  • Der Sensorzustandsblock 302 empfängt eine oder mehrere Eingaben 328 von einer Gasturbine 330, die der in 1 gezeigten Gasturbine 100 ähnelt. Die Eingaben können zum Beispiel Betriebsfrequenzdaten oder Staudruckdaten von einem oder mehreren Sensoren sein, die jeweils Rohren zugeordnet sind, die in einer ringförmigen Konfiguration ausgerichtet sind. In der in 3 gezeigten Ausführungsform kann man Eingaben von 14 Sensoren – ein Sensor pro Rohr einer Gasturbine mit Rohrringbrennkammer – erhalten. Zusätzlich kann der Sensorenzustandsblock 302 ermitteln, ob einige oder alle der Eingaben 328 gültige Eingabesignale sind. Bei einer Ausführungsform kann der Sensorenzustandsblock 302 durch Vergleichen der Eingaben 328 mit einem zuvor gespeicherten Datensatz ermitteln, ob einige oder alle der Eingaben 328 innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegen.
  • Bei anderen Ausführungsformen kann jede beliebige Anzahl von Eingaben der Gasturbine oder jede beliebige Anzahl von der Gasturbine zugeordneten Rohren in den Sensorenzustandsblock 302 eingegeben werden.
  • Bei einer Ausführungsform kann in Abhängigkeit davon, ob alle der Eingaben 328 innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegen, ermittelt werden, ob einige oder alle Eingaben 328 genutzt werden sollen. Andere Ausführungsformen können andere Arten von Prüfungen der Eingabesignalvalidität umfassen, wie beispielsweise eine einfache Prüfung des Bereichs oder die Anwendung eines Algorithmus, um die Validität des Eingabesignals festzustellen oder zu bewerten. In dem Fall, dass einige oder alle Eingaben 328 die Eingabesignalvaliditätsprüfung nicht bestehen oder nicht innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegen, können einige oder alle Eingaben 328 zurückgewiesen werden, und es kann in Bezug auf einige oder alle Eingaben 328 auf weitere Maßnahmen verzichtet werden. Alternativ können einige oder alle Eingaben 328 durch zusätzliche Daten ersetzt werden. In dem Fall, dass einige oder alle Eingaben 328 sich als gültige Eingabesignale herausstellen oder innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegen, können einige oder alle Eingaben 328 von anderen Komponenten des Gasturbinenmodells, wie beispielsweise dem Modell 300, weiter verarbeitet werden.
  • In dem Fall, dass einige oder alle Eingaben 328 sich als gültige Eingabesignal herausstellen oder innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegen, können einige oder alle Eingaben über 332 an den Medianblock 304 übermittelt werden. Der Medianblock 304 kann auf der Grundlage einiger oder aller übermittelter Eingaben 328 einen Medianwert 334 ermitteln. Der Medianwert 334 kann an den Transferfunktions(TF)-Abstimmblock 306 übermittelt werden, um im Speicherblock 308 gespeichert und später aus diesem wieder abgerufen zu werden. Der Medianwert 334 kann außerdem in den Mediandynamik-Transferfunktions(TF)-Block 310 eingegeben werden. Auf diese Weise kann der Transferfunktions(TF)-Abstimmblock 306 den Medianwert 334 für die Abstimmung oder Änderung des Mediandynamik-Transferfunktions(TF)-Blocks 310 nutzen, um die Differenz zwischen dem Medianwert 334 und dem Mediandynamik-Transferfunktions(TF)-Block 310 zu reduzieren. Der Speicherblock 308 kann zur Speicherung und Verarbeitung der variablen Abstimmungsdaten genutzt werden, die für die Abstimmung und Änderung des Mediandynamik-Transferfunktions(TF)-Blocks 310 verwendet werden.
  • Der Mediandynamik-Transferfunktions(TF)-Block 310 kann unter Anwendung des Medianwertes 334 mit einer Mediandynamik-Transferfunktion Eingaben empfangen oder anderweitig abgestimmt oder geändert werden, um eine Eingabe „M hat" 336 für den modellbasierten Steueralgorithmusblock 312 zu ermitteln. Wie die vielen auf den Mediandynamik-Transferfunktions(TF)-Block 310 gerichteten Eingabepfeile zeigen, können zusätzliche Medianwerte für andere Betriebsfrequenzen eingegeben und gleichzeitig verarbeitet werden. Bei einer Ausführungsform können mehrere Eingaben im Mediandynamik-Transferfunktions(TF)-Block 310 ausgeführt werden, und die Ausgabe des Blocks 310 kann eine Funktion einer beliebigen Anzahl unterschiedlicher Betriebsparameter und -konstanten sein.
  • Bei der Verwendung des Medianwertes 334 in Verbindung mit der Eingabe „M hat" 336 und der zugehörigen Abstimmungsvariablen aus 306 und/oder 308, kann die Steuerung der Gasturbine 330 durch den modellbasierten Steueralgorithmusblock 312 anfällig für Probleme sein, wenn die Abweichungen zwischen den Betriebsfrequenzen der einzelnen Rohre der Gasturbine 330 relativ groß sind. Die Mediantransferfunktionen können Funktionen von Betriebszuständen sein, darunter unter anderem: Brennstoffstrom, Brennkammer-Brennstoffverteilungen, Brennstofftemperatur, Brennstoffzusammensetzung, Brennstoffdruck und Brennkammer-Luftstrom.
  • Wieder auf den Sensorzustandsblock 302 bezogen, werden einige oder alle Eingaben 328, wie beispielsweise die Betriebsfrequenzdaten, durch 338 in den Standardabweichungsblock 314 eingegeben, wo eine Standardabweichung 340 ermittelt werden kann. Weiter werden einige oder alle Eingaben 328, wie beispielsweise die Betriebsfrequenzdaten, durch 342 in den Mittelwertblock 316 eingegeben, wo ein Mittelwert 344 ermittelt werden kann. Zumindest teilweise auf der Grundlage der Eingabe der Standard-Abweichung 340 und des Mittelwertes 344 in den Kovarianzblock 318 kann der Kovarianzblock 318 die Kovarianz zwischen den Eingaben 328 ermitteln, die den Rohren der Gasturbine 330 zugeordnet sind. Der Mittelwert 344 kann zum Beispiel durch die Standardabweichung 340 dividiert werden, um einen Kovarianzwert 346 zu ermitteln, der repräsentativ für den Betrieb der Gasturbine 330 ist.
  • Bei einer Ausführungsform kann der Kovarianzwert 346 durch eine triebwerkabhängige Funktion, wie beispielsweise 348, modifiziert werden. Eine triebwerkabhängige Funktion kann beispielsweise auf der Grundlage früherer Daten ermittelt werden, die über einen gewissen Zeitraum von einem oder mehreren aus einer Reihe ähnlicher Triebwerke übernommen wurden. Wir wenden uns nun dem Konstantenblock 320 zu, wo der Kovarianzwert 346 mit der triebwerkabhängigen Funktion 348 multipliziert oder anderweitig durch diese angepasst werden kann, um ein „Maximum bis Median-Dynamikverhältnis" 350 zu ermitteln, das repräsentativ für den Betrieb der Gasturbine 330 ist.
  • In Abhängigkeit von der früheren Betriebsleistung der Gasturbine 330 kann ein oberer Spezifikationsgrenzwert (OSG) 352 vorgegeben werden, der auf der höchsten oder maximalen Betriebsfrequenz oder dem höchsten Staudruck basiert, mit denen die Gasturbine 330 sicher betrieben werden kann, oder es kann ein beliebiger anderer gewünschter Betriebsgrenzwert vorgegeben werden. Wie durch den Mediandynamikblock 322 dargestellt, kann das „Maximum bis Medi an"-Dynamikverhältnis 350 durch den OSG 352 angepasst oder anderweitig modifiziert werden. In diesem Fall kann das „Maximum bis Median"-Dynamikverhältnis 350 durch den OSG 352 geteilt werden, um einen Medianzielwert 354 zu erhalten.
  • Der Medianzielwert 354 kann durch den Medianzielwertblock 324 übermittelt und im Speicherblock 326 für einen späteren Abruf gespeichert werden. Schließlich kann der Medianzielwert 354 in den modellbasierten Steueralgorithmusblock 312 eingegeben werden.
  • Bei der Verwendung des Medianzielwertes 354 kann die Steuerung der Gasturbine 330 durch den modellbasierten Steueralgorithmusblock 312 verbessert werden, da hierbei Abweichungen zwischen Rohren der Gasturbine 330 Rechnung getragen werden kann. Die Gasturbine 330 auf diese Weise zu steuern, kann den Einfluss mangelhafter Sensormesswerte minimieren, indem ein maximaler Verbrennungsdynamikgrenzwert für einige oder alle der Gasturbine 330 zugeordneten Rohre beibehalten wird. Bei einer Ausführungsform ist, während der Medianzielwert 354 kontinuierlich berechnet und in den modellbasierten Steueralgorithmusblock 312 eingegeben wird, der Regelkreis 302–310, 314–328, 332–354 fortwährend „geschlossen", was eine bessere Steuerung der Gasturbine 330 bewirken kann. Bei einer anderen Ausführungsform kann durch das gezeigte Modell 300 eine gleichzeitige oder anderweitige Echtzeitverarbeitung anderer Betriebsfrequenzen durchgeführt und verarbeitet werden.
  • Beim Gebrauch können einige oder alle der oben genannten Verfahren und Anweisungen angewendet und nach Bedarf wiederholt werden, um die Verbrennung in mehreren Rohren einer Gasturbine, wie beispielsweise einer Gas turbine mit Rohrringbrennkammer, während der Ausführung des Modells zu jeder Zeit automatisch und dynamisch abzustimmen. Auf diese Weise kann die Gasturbine dafür eingerichtet werden, den Betriebszustand des Verbrennungsdynamik-Algorithmus-Modells darauf abzustimmen, sich der gemessenen Dynamikleistung der Gasturbine oder einer anderen interessierenden Vorrichtung anzupassen.
  • Die 4–9 stellen verschiedene Betriebsfrequenzdaten eines bestimmtem Gasturbinentyps dar, der ein Verbrennungsdynamik-Abstimmmodell gemäß einer Ausführungsform der Erfindung – ähnlich dem in den 1–3 beschriebenen – ausführt. Die 4, 6 und 8 zeigen Betriebsfrequenzdaten, Korrelationen und vorgeschlagene sowie geschätzte Zielwerte für eine bestimmte Betriebsfrequenz, während die 5, 7 und 9 Betriebsfrequenzdaten, Korrelationen und vorgeschlagene sowie geschätzte Zielwerte für eine andere Betriebsfrequenz zeigen.
  • Die 4 und 5 zeigen jeweils eine Reihe beispielhafter Betriebsfrequenzdaten des stationären Zustands 400, 500, für die Gasturbine. In den 4 und 5 sind circa 50 Datenpunkte entlang der x-Achse 402, 502 geplottet, und die Spitze-Spitze-Staudrücke (psi) der Datenpunkte werden durch die y-Achse 404, 504 gezeigt. In jeder Figur werden das Betriebsfrequenz-Maximum (Betriebsfrequenz-Maximum-Daten) und der Median der Betriebsfrequenzdaten für jeden Datenpunkt gezeigt. Auf die Angaben in diesen Figuren bezogen, ist der Verlauf des Betriebsfrequenz-Maximums 506 in 5 relativ gleichmäßig, verglichen mit dem Verlauf des Betriebsfrequenz-Maximums 406 in 4. Insbesondere scheint das Betriebsfrequenz-Maximum 406 in 4 zwischen den Datenpunkten 24–30 signifikant zuzunehmen, während das Betriebsfrequenz-Maximum 506 in
  • 5 für die gezeigten Datenpunkte relativ konstant bleibt.
  • Im Allgemeinen kann – in Abhängigkeit von den Betriebsfrequenz-Maximum-Daten – ein Medianwert, ähnlich dem mit Bezug auf den Medianblock 304 in 3 beschriebenen Medianwert 334 – für die Betriebsdaten bei einer bestimmten Spitzenfrequenz ausgewählt werden. Beispielsweise kann bei Verwendung der Betriebsfrequenz-Maximum-Daten 506 in 5 ein Medianwert, wie beispielsweise der Wert „2", gewählt werden, da das Betriebsfrequenz-Maximum 506 relativ konstant bei ungefähr dem Wert von 2 psi an der y-Achse 504 zu liegen scheint. Im Gegensatz dazu wären die Betriebsfrequenz-Maximum-Daten 406 in 4 nicht zur Auswahl eines Medianwertes, wie beispielsweise dem Wert „2", geeignet, da die Daten 406 für die gezeigten Datenpunkt nicht relativ gleichmäßig verlaufen und die von einem Teil der Datenpunkte gezeigte signifikante Zunahme jeden gewählten Medianwert nachteilig beeinflussen könnte.
  • Die 6 und 7 zeigen die Ausführung eines Verbrennungsdynamik-Abstimmmodells, das die in den 4 und 5 gezeigten Betriebsfrequenzdaten 400, 500 derselben Gasturbine verwendet. In den 6 und 7 werden beispielhafte „Maximum-Median"-Korrelationen 600, 700 zwischen den jeweiligen vorhergesagten maximalen Betriebsdaten und den gemessenen maximalen Betriebsdaten aus den 4 und 5 gezeigt. Bei den in den 6 und 7 gezeigten Ausführungsformen wurde die folgende zu dem Verbrennungsdynamik-Abstimmmodell gehörende Gleichung angewendet: Vorhergesagtes Max = Median × KOV × Funktion (oder Konstante)
  • Für die Daten in beiden Figuren wurden Medianwerte (Median), Kovarianzen (KOV) und die triebwerkabhängige Funktion (Funktion oder Konstante) für jeden Datenpunkt ermittelt, und es wurden die resultierenden maximalen Betriebsdaten ermittelt. Die Ermittlung der Medianwerte, Kovarianzen und triebwerkabhängigen Funktionen wird wie die mit Bezug auf den Medianwert 334, den Kovarianzwert 346 und die triebwerkabhängige Funktion 348 in 3 beschriebenen Ermittlungen und Berechnungen vorgenommen. Die resultierenden Datenpunkte der 6 und 7 wurden an der jeweiligen, den gemessenen Maximaldruck anzeigenden x-Achse 602, 702 geplottet und an der jeweiligen, den vorhergesagten Maximaldruck anzeigenden y-Achse 604, 704 geplottet. Wie in beiden Figuren gezeigt, ergeben die „Maximum-Median"-Korrelationen 600, 700 für jeden Betriebsfrequenzdatensatz relativ gerade Linien. Daher kann auf der Grundlage dieser Korrelationen ein neuer Medianzielwert, ähnlich dem mit Bezug auf den Medianzielblock 324 in 3 gezeigten 354 ermittelt oder anderweitig ausgewählt werden, um mit dem Verbrennungsdynamik-Abstimmmodell, ähnlich 300 in 3, angewendet zu werden.
  • Wir wenden uns den 8 und 9 zu, wo die jeweils vorgeschlagenen Spitzen(SP)-Medianzieldaten 800, 900 gezeigt werden. Bei den gezeigten Ausführungsformen wurde die folgende Gleichung angewendet, um unter Verwendung der anderen vorhandenen Daten das geschätzte Spitzen(SP)-Maximum zu ermitteln: Geschätztes SP Max = SP max – [(SP max/SP Median) × (SP Median – SP Medianzielwert)]
  • Als Ergebnis der Anwendung dieser Gleichung wurden die geschätzten Spitzen (SP)-Maximum-Daten 802, 902 ermittelt. Wie die geschätzten Spitzen (SP)-Maximum-Daten 802, 902 für beide Betriebsfrequenzen zeigen, kann die ausgeführte Ausführungsform des Verbrennungsdynamik-Abstimmmodells für die speziellen Betriebsfrequenzdaten der gezeigten Gasturbine den oberen Spezifikationsgrenzwert (OSG) näher bei einem Wert von circa 2 psi halten.
  • Fachleuten werden aufgrund der in der vorangehenden Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen präsentierten Lehren viele Abwandlungen und andere Ausführungsformen der hier dargelegten Erfindungen einfallen. Es ist daher für Durchschnittsfachleute ersichtlich, dass die Erfindung in vielen Formen verkörpert werden kann und nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt sein sollte. Daher ist zu beachten, dass die Erfindungen nicht auf die offenbarten spezifischen Ausführungsformen beschränkt sein sollen, und dass Abwandlungen und andere Ausführungsformen in dem Anwendungsbereich der angefügten Ansprüche enthalten sein sollen. Obwohl spezifische Begriffe benutzt werden, werden diese nur in einem generischen und beschreibenden, nicht einschränkenden Sinn gebraucht.
  • Ausführungsformen der Erfindung können Systeme und Verfahren für die Anwendung eines Verbrennungsdynamik-Abstimmalgorithmus bei einer Mehrrohrbrennkammer zur Verfügung stellen. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann ein Verfahren zur Steuerung einer Gasturbine mit einem Gasturbinenmodell bei einem Triebwerk mit mehreren Rohren angewendet werden. Das Verfahren kann das Sammeln von Betriebsfrequenzdaten umfassen, die mehreren Rohren der Gasturbine zugeordnet sind. Das Verfahren kann außerdem das Ermitteln der Abweichung zwischen den Betriebsfrequenzdaten von zumindest zwei Rohren beinhalten. Ferner kann das Verfahren das Ermitteln eines Medianwertes umfassen, der zumindest zum Teil auf der Abweichung beruht. Das Verfahren kann darüber hinaus die Eingabe des Medianwertes in ein Gasturbinenmodell beinhalten, wobei das Gasturbinenmodell zumindest teilweise auf der Grundlage des Medianwertes einen Steuervorgang ermittelt. Das Verfahren kann überdies die Ausgabe eines Steuerbefehls umfassen, um den Gasturbinensteuervorgang auszuführen.
    • 100
    Gasturbine
    102
    Rohr
    104
    Rohr
    106
    Rohr
    108
    Rohr
    110
    Rohr
    112
    Rohr
    114
    Rohr
    116
    Rohr
    118
    Rohr
    120
    Rohr
    122
    Rohr
    124
    Rohr
    126
    Rohr
    128
    Rohr
    200
    Steuersystem
    210
    Anlage oder Gasturbine
    220
    Zustandsschätzer
    230
    Modell
    240
    modellbasiertes Steuer- u. Vorhersagemodul o. Steuermodul
    250
    Optimierer
    260
    Modell
    Y
    Betriebsfrequenzdaten
    U
    Gasturbinen-Steuereingabe
    300
    Modell
    302
    Modellblock
    304
    Modellblock
    306
    partiell abgeleiteter Modellblock
    308
    partiell abgeleiteter Modellblock
    310
    Filterblock
    312
    Heißlagerungsblock
    314
    Leistungsparameter
    316
    Leistungsausgang des Modellblocks 302
    318
    Leistungsausgang des Modellblocks 304
    320
    phasenverschobene Variablen
    322
    Multiplier
    324
    vorhergesagter Wärmeübergang der Gasturbine
    326
    Multiplier
    330
    Ausgang des partiell abgeleiteten Modellblocks 306
    332
    Ausgang des partiell abgeleiteten Modellblocks 306
    334
    Ausgang des partiell abgeleiteten Modellblocks 308
    336
    Leistungsparameter der Gasturbine
    338
    Kovarianz-Ausgabe
    342
    Metalltemperaturen
    400
    Betriebsfrequenzdaten
    402
    x-Achse
    404
    y-Achse
    406
    Betriebsfrequenzdaten-Maximum
    408
    Median der Betriebsfrequenzdaten
    500
    Betriebsfrequenzdaten
    502
    x-Achse
    504
    y-Achse
    506
    Betriebsfrequenzdaten-Maximum
    508
    Median der Betriebsfrequenzdaten
    600
    Maximum-Median-Korrelation
    602
    x-Achse
    604
    y-Achse
    700
    Maximum-Median-Korrelation
    702
    x-Achse
    704
    y-Achse
    800
    vorgeschlagene Spitzen-Medianzielwerte
    802
    vorgeschlagene Maximalwerte
    900
    vorgeschlagene Medianzielwerte
    902
    geschätzte Spitzenmaximalwerte
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 6708568 [0020]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Steuerung einer Gasturbine (330) mit einem Gasturbinenmodell (300), wobei die Gasturbine (330) mehrere Rohre (102–128) umfasst und das Verfahren gekennzeichnet ist durch: Sammeln der mehreren Rohren der Gasturbine zugeordneten Betriebsfrequenzdaten (328); Ermittlung der Abweichung zwischen den Betriebsfrequenzdaten (328) mindestens zweier Rohre; Ermittlung eines Medianwertes (334), zumindest zum Teil auf der Grundlage der Betriebsfrequenzdaten (328); Eingabe des Medianwertes in ein Gasturbinenmodell, wobei das Gasturbinenmodell, zumindest teilweise auf der Grundlage des Medianwertes, einen Gasturbinensteuervorgang ermittelt, und Ausgabe eines Steuerbefehls, um den Gasturbinensteuervorgang auszuführen.
  2. System (200) zur Steuerung einer Gasturbine mit mehreren Rohren, wobei das System gekennzeichnet ist durch: eine Vielzahl von Sensoren, die dafür eingerichtet sind, Betriebsfrequenzdaten (Y) zu sammeln, die jeweils einem Rohr (102–128) zugeordnet sind; ein Modell (230, das dafür eingerichtet ist, Daten von der Vielzahl der Sensoren zu empfangen, wobei das Modell (230) eingerichtet ist für: Ermittlung der Abweichung zwischen den Betriebsfrequenzdaten (Y) von mindestens zwei Rohren; Ermittlung eines Medianwertes, zumindest teilweise auf der Grundlage der Abweichung, und Ermittlung einer Ausgabe, zumindest teilweise auf der Grundlage des Medianwertes; eine Steuervorrichtung (240), die dafür eingerichtet ist, zumindest teilweise auf der Grundlage der Ausgabe des Gasturbinenmodells (230), einen Gasturbinensteuervorgang zu ermitteln, und die ferner dafür eingerichtet ist, einen Steuerbefehl (U) auszugeben, um den Gasturbinensteuervorgang auszuführen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder das System nach Anspruch 2, wobei die Betriebsfrequenzdaten (328) Betriebsstaudrücke umfassen.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder das System nach Anspruch 2, wobei der Medianwert (334) zumindest teilweise auf einer Standardabweichung (340) und dem Mittel (344) aus mindestens einem Teil der Betriebsfrequenzdaten (328), die zumindest einem Teil der Vielzahl der Rohre zugeordnet sind, basiert.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 oder das System nach Anspruch 2, wobei der Medianwert (334) zumindest teilweise auf einer gasturbinenabhängigen Konstante (348) basiert.
  6. Verfahren nach Anspruch 1 oder das System nach Anspruch 2, wobei das Gasturbinenmodell (300) ein Verbrennungsdynamik-Abstimmungs-Algorithmusmodell umfasst.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: die Eingabe zusätzlicher Betriebsfrequenzdaten (328) in das Gasturbinenmodell (300), um die Gasturbinensteuerung zu verbessern.
  8. System (200) nach Anspruch 2, wobei das Modell (230) ferner eingerichtet ist für: den Empfang zusätzlicher Betriebsfrequenzdaten (Y) zur Verbesserung der Gasturbinensteuerung.
  9. System (200) nach Anspruch 2, wobei die Betriebsfrequenzdaten (Y) Staudrücke umfassen, das Model (230) ein Verbrennungsdynamik-Abstimmungs-Algorithmusmodell umfasst, und wobei das Model (230) ferner dafür eingerichtet ist, zusätzliche Betriebsfrequenzdaten (Y) in die modellbasierte Steuervorrichtung (240) einzugeben, um die Gasturbinensteuerung zu verbessern.
  10. System (200) nach Anspruch 2, wobei das Model (230) ferner dafür eingerichtet ist, eine beliebige Anzahl von Verfahrensschritten iterativ zu wiederholen, um die Gasturbinensteuerung zu verbessern.
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