DE10341758A1

DE10341758A1 - Gaskompressor-Steuer- bzw. Regelvorrichtung und Gasturbinenkraftwerksteuer- bzw. Regelmechanismus

Info

Publication number: DE10341758A1
Application number: DE10341758A
Authority: DE
Inventors: Satoshi Takasago Tanaka
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2002-09-11
Filing date: 2003-09-10
Publication date: 2004-03-25
Anticipated expiration: 2023-09-11
Also published as: CN1231661C; DE10341758B4; JP3854556B2; CN1487181A; JP2004100612A; US20040045275A1; US6907722B2

Abstract

Es sind eine Gaskompressor-Steuer- bzw. Regelvorrichtung (200) und ein Gasturbinenkraftwerk-Steuer- bzw. Regelmechanismus offenbart. Ein von einem Gaskompressor (4) druckbeaufschlagtes Brennstoffgas wird einer Gasturbine (2) über eine Brennstoffgasleitung (3A) zugeführt. Eine Gasturbinen-Steuer- bzw. Regelvorrichtung (100) stellt die Strömungsrate des Brennstoffgases in der Gasturbine (2) durch Ausführen einer Öffnungs- und Schließsteuerung eines Drucksteuerventils (5) und eines Strömungssteuerventils (6) ein. Die Gaskompressor-Steuer- bzw. Regelvorrichtung (200) steuert einen Brennstoffgasdruck (P¶1¶) am Auslass des Gaskompressors (4) durch Ausführen einer Öffnungs- und Schließsteuerung eines Rückführventils (8) und eines Einlassleitflügels IGV (9). Falls eine Lastzurückweisung oder ein Lastverlust auftritt, öffnet die Gaskompressor-Steuer- bzw. Regelvorrichtung (200) das Rückführventil (8) in einer vorauseilenden Weise und schließt das IGV (9) in einer vorauseilenden Weise. Somit kann ein Anstieg des Brennstoffgasdrucks (P¶1¶) am Gaskompressorauslass verhindert werden, und ein Anstieg eines Brennstoffgasdrucks (P¶2¶) am Einlass der Gasturbine (2) kann unterdrückt werden, wodurch ein stabiler Betrieb gewährleistet wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gaskompressor-Steuer- bzw. Regelvorrichtung und einen Gasturbinenkraftwerk-Steuer- bzw. Regelmechanismus, die so ausgebildet sind, dass sie einen Druckanstieg eines einer Gasturbine zugeführten Brennstoffgases selbst dann unterdrücken können, wenn eine Lastzurückweisung (load rejection) oder ein Lastverlust (load loss) auftritt.
In einem Gasturbinenkraftwerk, wie es in 4 gezeigt ist, wird eine Gasturbine 2 für den Drehantrieb eines Generators 1 mit einem Brennstoffgas aus einem Gaskompressor 4 über eine Brennstoffgasleitung 3 versorgt. D.h., das Brennstoffgas zur Verwendung in der Gasturbine 2 wird durch den Gaskompressor 4 mit einem für die Gasturbine 2 geeigneten Druck beaufschlagt.
Die von der Gasturbine 2 verbrauchte Brennstoffmenge variiert mit einer von der Gasturbine 2 angeforderten Generatorlast. Im einzelnen fällt ein Brennstoffgasdruck P₂ am Einlass der Gasturbine, wenn eine Gasturbinen-Generator-Leistungsabgabe zunimmt, so dass es erforderlich ist, dass der Gaskompressor 4 den Druck des Brennstoffgases weiter steigert. Wenn andererseits die Gasturbinen-Generator-Leistungsabgabe abnimmt, nimmt der Brennstoffgasdruck P₂ am Gasturbineneinlass zu, so dass es erforderlich ist, dass der Gaskompressor 4 den Druck des Brennstoffgases senkt.

Ein herkömmliches konkretes Steuer- bzw. Regelverfahren zum Steuern der Gasturbine 2 und des Gaskompressors 4 wird nachstehend beschrieben.

Wie in 4 gezeigt ist, sind ein Drucksteuerventil 5 und ein Strömungssteuerventil 6 in die Brennstoffgasleitung 3 eingefügt. Das Drucksteuerventil 5 ist stromauf (näher am Gaskompressor 4) angeordnet, während das Strömungssteuerventil 6 stromab (näher an der Gasturbine 2) angeordnet ist.

Eine Gasturbinen-Steuer- bzw. Regelvorrichtung 10 steuert die Ventilöffnung des Strömungssteuerventils 6 (d.h., PID-Regler) derart, dass eine Abweichung zwischen einer tatsächlichen Generator-Leistungsabgabe W₁ und einem voreingestellten Zielwert W₀ der Generatorlast Null beträgt. Die Gasturbinen-Steuer- bzw. Regelvorrichtung 10 steuert auch die Ventilöffnung des Drucksteuerventils 5 (d.h., PID-Regler) so, dass eine Abweichung zwischen einem Strömungssteuerventil-Differentialdruck ΔP₁, der der Unterschied zwischen dem Brennstoffgasdruck stromauf des Strömungssteuerventils 6 und dem Brennstoffgasdruck stromab des Strömungssteuerventils 6 ist, und einem voreingestellten Wert ΔP₀ eines Strömungssteuerventil-Differentialdrucks Null beträgt.

Andererseits ist der Gaskompressor 4 mit einer Rückführleitung 7 zum Zurückführen des Brennstoffgases aus dem Gaskompressorauslass zum Gaskompressoreinlass, einem in die Rückführleitung 7 eingesetzten Rückführventil 8 und einem Einlassleitflügel IGV (inlet guide vane) 9 zum Steuern/Regeln der in den Gaskompressor 4 aufgenommenen Luftmenge versehen.

Eine Gaskompressor-Steuer- bzw. Regelvorrichtung 20 ermittelt P₀–i₁, was eine Abweichung zwischen einem Brennstoffgasdruck P₁ am Gaskompressorauslass und einem eingestellten Wert P₀ eines voreingestellten Brennstoffgas-Zuführdrucks ist. Unter Verwendung einer Steuerfunktion Fx₁ für das Rückführventil 8 steuert/regelt die Gaskompressor-Steuer- bzw. Regelvorrichtung 20 (PID-Regelung), die Ventilöffnung des Rückführventils 8 gemäß der Abweichung P₀–P₁ Unter Verwendung einer Steuerfunktion Fx₂ für das IGV 9 steuert/regelt die Gaskompressor-Steuer- bzw. Regelvorrichtung 20 (PID-Regelung) außerdem die Flügelöffnung des IGV 9 gemäß der Abweichung P₀–P₁.

Die Gaskompressor-Steuer- bzw. Regelvorrichtung 20 übt nämlich eine Steuerung/Regelung zur Betätigung des IGV 9 und des Rückführventils 8 des Gaskompressors 4 derart aus, dass der Brennstoffgasdruck P₁ am Gaskompressorausgang konstant ist. Konkret gesagt steuert die Gaskompressor-Steuer- bzw. Regelvorrichtung 20 die Öffnungen derart, dass die Öffnung des Rückführventils 8 verringert und die Öffnung des IGV 9 vergrößert wird, wenn eine Steuerung zum Anheben des Brennstoffgasdrucks P₁ erfolgt, und dass die Öffnung des Rückführventils 8 vergrößert und die Öffnung des IGV 9 verringert wird, wenn eine Steuerung zum Absenken des Brennstoffgasdrucks P₁ erfolgt.

Im allgemeinen werden die Gasturbine 2 und der Gaskompressor 4 von unterschiedlichen Herstellern hergestellt, und es ist zur allgemeinen Praxis geworden, dass die Gasturbine 2 und der Gaskompressor 4 nicht zusammenwirkend gesteuert werden.

Bei einer Gasturbinen-Energieerzeugungseinrichtung mit einer Gasturbine und einem Generator, die miteinander verbunden sind, gab es eine Technik zum Durchführen einer vorauseilenden Steuerung (preceding control), um eine Fehlzündung oder eine Rückzündung eines Combustors infolge einer Instabilität der Verbrennung zu verhindern (siehe beispielsweise die ungeprüfte Japanische Patentveröffentlichung Nr. 1994-241062).

Falls die Last an der Gasturbine 2 abrupt abfällt, nämlich wenn eine Lastzurückweisung (Hauptabschaltvorrichtung offen) auftritt oder wenn ein Lastverlust der Gasturbine auftritt, steigt der Brennstoffgasdruck P₂ (P₁) am Gasturbineneinlass (dem Gaskompressorauslass) steil an. In diesem Fall ist eine herkömmliche einfache Einschleifen-Rückkoppelungsregelung über den Druck am Gaskompressor 4, wie sie in 4 gezeigt ist, nicht ausreichend, um diesen steilen Anstieg zu bewältigen. Somit steigt der Brennstoffgasdruck P₂ (P₁) erheblich an und geht dann auf den gewünschten Druck zurück.

Infolgedessen kann eine Differentialdrucksteuerung bzw. -regelung der Gasturbine solche Druckänderungen nicht mehr bewältigen, so dass eine übermäßige Brennstoffmenge in die Gasturbine 2 geladen wird und zu einem Ausfall des Combustors oder zu Brennstoffschwankungen oder -schwingungen führt.

Daher würde herkömmlicherweise ein großer Abstand zwischen der Gasturbine 2 und dem Gaskompressor 4 vorgesehen, um die Brennstoffgasleitung 3 zu verlängern und ein ausreichend großes Leitungsvolumen zu gewährleisten, wodurch die Erhöhung des Brennstoffgasdrucks infolge eines plötzlichen Lastabfalls (Lastzurückweisung, Lastverlust) der Gasturbine aufgefangen wird.

In letzter Zeit ist es jedoch erforderlich gewesen, ein Kraftwerk aus ökonomischen Gründen auf begrenztem Raum aufzubauen. Bei diesem begrenzten Raum stößt das herkömmliche Verfahren, eine lange Rohrleitung zwischen der Gasturbine und dem Gaskompressor bereitzustellen, an seine Grenzen.

Die Erfindung wurde in Anbetracht der früheren Technologien getätigt. Ihre Aufgabe ist es, eine Gaskompressor-Steuer- bzw. Regelvorrichtung und einen Gasturbinenkraftwerk-Steuer- bzw. Regelmechanismus bereitzustellen, die eine übermäßige Zunahme eines Brennstoffgasdrucks in einer Brennstoffgasleitung während des Auftretens eines plötzlichen Lastabfalls (Lastzurückweisung oder Lastverlust) verhindern können, selbst wenn die Brennstoffgasleitung, die eine Gasturbine und einen Gaskompressor miteinander verbindet, kurz ist.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung zur Erfüllung der obigen Aufgabe ist eine Gaskompressor-Steuer- bzw. Regelvorrichtung zum Ausführen einer Öffnungssteuerung eines Rückführventils vorgesehen, das in eine Rückführleitung eingefügt ist, welche ein Brennstoffgas von einem Auslass eines Gaskompressors zu einem Einlass des Gaskompressors zurückführt, und eine Öffnungssteuerung eines in dem Gaskompressor vorgesehenen Einlassleitflügels,
wobei die Gaskompressor-Steuer- bzw. Regelvorrichtung umfasst:
eine Berechnungseinheit zum Berechnen eines normalen Rückführventil-Öffnungsbefehls (r₁) und eines normalen Einlassleitflügel-Öffnungsbefehls (i₁) auf der Basis einer Abweichung zwischen einem Brennstoffgasdruck (P₁) am Gaskompressorauslass und einem voreingestellten Wert (P₀) eines eingestellten bzw. Soll-Brennstoffgaszuführdrucks, und
eine Berechnungseinheit zum Berechnen eines vorauseilenden Rückführventil-Öffnungsbefehls (r₂) und eines vorauseilenden Einlassleitflügel-Öffnungsbefehls (i₂) auf der Basis einer Abweichung zwischen einer tatsächlichen Generator-Leistungsabgabe (W₁), die eine tatsächliche Leistungsabgabe eines im Drehantrieb von einer Gasturbine, welcher das Brennstoffgas aus dem Gaskompressor geliefert wird, angetriebenen Generators ist, und einer Generator-Leistungsabgabe (W₁') mit Verzögerung erster Ordnung, die durch eine Berechnung einer Verzögerung erster Ordnung der tatsächlichen Generator-Leistungsabgabe (W₁) erhalten wurde, und
wobei die Gaskompressor-Steuer- bzw. Regelvorrichtung durchführt:
während eines normalen Betriebs, eine Öffnungssteuerung des Rückführventils, basierend auf einem Wert des normalen Rückführventil-Öffnungsbefehls (r₁) und eine Öffnungssteuerung des Einlassleitflügels, basierend auf einem Wert des normalen Einlassleitflügel-Öffnungsbefehls (i₁) und
bei einem plötzlichen Lastabfall, eine Öffnungssteuerung des Rückführventils, basierend auf einem Wert, der durch Addieren des vorauseilenden Rückführventil-Öffnungsbefehls (r₂) und des normalen Rückführventil-Öffnungsbefehls (r₁) erhalten wird, und eine Öffnungssteuerung des Einlassleitflügels, basierend auf einem Wert, der durch Addieren des vorauseilenden Einlassleitflügel-Öffnungsbefehls (i₂) zu dem normalen Einlassleitflügel-Öffnungsbefehl (i₁) erhalten wird.

Wegen der oben beschriebenen Merkmale kann im Fall eines Lastverlustes (load loss) oder einer Lastzurückweisung (load rejection) das Rückführventil in einer vorauseilenden Weise geöffnet werden, und der Einlassleitflügel (IGV) kann in ein einer vorauseilenden Weise geschlossen werden. Als Ergebnis kann der Brennstoffgasdruck am Gaskompressorauslass gesenkt werden, um die Erhöhung des Brennstoffgasdruckes am Gasturbineneinlass zu unterdrücken. Somit kann ein stabiler Betrieb durchgeführt werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Gasturbinenkraftwerk-Steuer- bzw. Regelmechanismus vorgesehen mit:
einer Gaskompressor-Steuer- bzw. Regelvorrichtung zum Durchführen einer Öffnungssteuerung eines Rückführventils, das in eine Rückführleitung eingefügt ist, welche ein Brennstoffgas von einem Auslass eines Gaskompressors zu einem Einlass des Gaskompressors zurückleitet, und einer Öffnungssteuerung eines Einlassleitflügels IGV, der in dem Gaskompressor vorgesehen ist, und
einer Gasturbinen-Steuer- bzw. Regelvorrichtung zum Durchführen einer Öffnungssteuerung eines Drucksteuerventils und eines Strömungssteuerventils, die in eine Gasleitung eingefügt sind, welche das Brennstoffgas von dem Gaskompressor einer Gasturbine zuführt, wobei diese dadurch gekennzeichnet ist, dass:
die Gasturbinen-Steuer- bzw. Regelvorrichtung eine Berechnungseinheit zum Zuführen einer tatsächlichen Generator-Leistungsabgabe (W₁) umfasst, die eine tatsächliche Leistungsabgabe eines von der Gasturbine drehangetriebenen Generators ist, zu der Gaskompressor-Steuer- bzw. Regelvorrichtung, und zum Zuführen eines Signals (SW) für einen plötzlichen Lastabfall zu der Gaskompressor-Steuer- bzw. Regelvorrichtung über eine voreingestellte Zeitspanne, wenn ein Lastverlust oder eine Lastzurückweisung auftritt, und wobei
die Gaskompressor-Steuer- bzw. Regelvorrichtung umfasst:
eine Berechnungseinheit zum Berechnen eines normalen Rückführventil-Öffnungsbefehls (r₁) und eines normalen Einlassleitflügel-Öffnungsbefehls (i₁) auf der Basis einer Abweichung zwischen einem Brennstoffgasdruck (P₁) am Gaskompressorauslass und einem voreingestellten Wert (P₀) eines eingestellten bzw. Soll-Brennstoffgaszuführdrucks, und
einer Berechnungseinheit zum Berechnen eines vorauseilenden Rückführventil-Öffnungsbefehls (r₂) und eines vorauseilenden Einlassleitflügel-Öffnungsbefehls (i₂) auf der Basis einer Abweichung zwischen einer tatsächlichen Generator-Leistungsabgabe (W₁), die die tatsächliche Leistungsabgabe des Generators ist, und einer Generator-Leistungsabgabe (W₁') mit Verzögerung erster Ordnung, die durch eine Berechnung einer Verzögerung erster Ordnung der tatsächlichen Generator-Leistungsabgabe (W₁) erhalten wurde, und
wobei die Gaskompressor-Steuer- bzw. Regelvorrichtung durchführt:
wenn das Signal für einen plötzlichen Lastabfall nicht eingegangen ist, eine Öffnungssteuerung des Rückführventils, basierend auf einem Wert des normalen Rückführventil-Öffnungsbefehls (r₁), und eine Öffnungssteuerung des Einlassleitflügels, basierend auf einem Wert des normalen Einlassleitflügel-Öffnungsbefehls (i₁), und
wenn das Signal für einen plötzlichen Lastabfall eingegangen ist, eine Öffnungssteuerung des Rückführventils, basierend auf einem durch Addieren des vorauseilenden Rückführventil-Öffnungsbefehls (r₂) mit dem normalen Rückführventil-Öffnungsbefehl (r₁) erhaltenen Wert, und eine Öffnungssteuerung des Einlassleitflügels, basierend auf einem durch Addieren des vorauseilenden Einlassleitflügel-Öffnungsbefehls (i₂) zu dem normalen Einlassleitflügel-Öffnungsbefehl (i₁) erhaltenen Wert.

Wegen der oben beschriebenen zusammenwirkenden Steuerung/Regelung durch die Gasturbinen-Steuer- bzw. Regelvorrichtung und die Gaskompressor-Steuer- bzw. Regelvorrichtung kann im Fall eines Lastverlustes oder einer Lastzurückweisung das Rückführventil in einer vorauseilenden Weise geöffnet werden, und der Einlassleitflügel (IGV) kann in einer vorauseilenden Weise geschlossen werden.

Infolgedessen kann der Brennstoffgasdruck am Gaskompressorauslass gesenkt werden, um den Anstieg des Brennstoffgasdruckes am Gasturbineneinlass zu unterdrücken. Somit kann ein stabiler Betrieb durchgeführt werden.

Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung, die nachstehend gegeben wird, und den beigefügten Zeichnungen, die lediglich der Veranschaulichung dienen und damit die Erfindung nicht einschränken, besser verständlich, wobei zeigen:
1 ein Block-Konfigurationsdiagramm zur Darstellung eines Gasturbinenkraftwerks mit Steuer- bzw. Regelvorrichtungen und einem Steuer- bzw. Regelmechanismus gemäß der Erfindung,
2 ein Blockdiagramm zur Darstellung der dynamischen Eigenschaften des Gasturbinenkraftwerks bei einer Lastzurückweisung oder einem Lastverlust,
3 ein vereinfachtes Blockdiagramm zur Darstellung der dynamischen Eigenschaften des Gasturbinenkraftwerks bei einer Lastzurückweisung oder einem Lastverlust, und
4 ein Block-Konfigurationsdiagramm zur Darstellung eines Gasturbinenkraftwerks mit einer herkömmlichen Steuer- bzw. Regelvorrichtung.
Bevorzugte Ausführungsformen und Wirkungen der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, welche die Erfindung keineswegs einschränken.
Bei der Erfindung werden Signale einer tatsächlichen Generator-Leistungsabgabe, eines parallelen Abfalls (parallel-off) und plötzlichen Lastabfalls (plötzlicher Abfall der Generator-Leistungsabgabe) von einer Gasturbinen-Steuer- bzw. Regelvorrichtung einer Gaskompressor-Steuer- bzw. Regelvorrichtung zugeführt. Falls eine Lastzurückweisung oder ein Lastverlust in einer Gasturbine auftritt, betätigt die Gaskompressor-Steuer- bzw. Regelvorrichtung ein IGV und ein Rückführventil eines Gaskompressors in einer vorauseilenden Weise, um einen Anstieg des Brennstoffgasdrucks am Einlass der Gasturbine zu verhindern.
Die folgende Bernoulli'sche Gleichung (1) ist gültig zwischen einer Brennstoffgas-Strömungsgeschwindigkeit V₁ und einem Brennstoffgasdruck P₁ am Auslass des Gaskompressors sowie einer Brennstoffgas-Strömungsgeschwindigkeit V₂ und einem Brennstoffgasdruck P₂ am Einlass der Gasturbine. Aus dieser Bernoulli'schen Gleichung (1) wird eine Gleichung (2) abgeleitet.
wobei:
V₁: Brennstoffgas-Strömungsgeschwindigkeit (m/s) am Gaskompressorauslass,
V₂: Brennstoffgas-Strömungsgeschwindigkeit (m/s) am Gasturbineneinlass,
P₁: Brennstoffgasdruck (kg/m²) am Gaskompressorauslass,
P₂: Brennstoffgasdruck (kg/m²) am Gasturbineneinlass, und
γ: spezifisches Gewicht (kg/m³) des Gasturbinenbrennstoffs.
Ferner gilt die folgende Beziehung (3) statisch zwischen der Strömungsgeschwindigkeit V des von der Gasturbine verbrauchten Brennstoffgases und eine Generator-Leistungsabgabe MW.
wobei
MW: Gasturbinen-Generator-Leistungsabgabe (tatsächliche Generatorlast) (MW), und
A: Querschnittsfläche der Rohrleitung
D.h., falls eine Lastzurückweisung oder ein Lastverlust auftritt, verringert sich die Brennstoffgas-Strömungsgeschwindigkeit (der Brennstoffverbrauch) V₂ am Gasturbineneinlass. Falls der Brennstoffgasdruck P₁ und die Brennstoffgas-Strömungsgeschwindigkeit (Austragung) V₁ am Gaskompressorauslass zu dieser Zeit nicht variieren, steigt der Brennstoffgasdruck P₂ am Gasturbineneinlass.
Nachdem der Brennstoffgasdruck P₂ am Gasturbineneinlass gestiegen ist, folgt die Brennstoffgas-Strömungsgesehwindigkeit (Brennstoffgas-Strömungsrate) V₁ am Gaskompressorauslass der Brennstoffgas-Strömungsgeschwindigkeit (dem Brennstoffverbrauch) V₂ am Gasturbineneinlass, so dass V₁ = V₂, woraufhin der Brennstoffgasdruck P₁ am Gaskompressorauslass ebenfalls steigt.
Schließlich wird der Brennstoffgasdruck auf einen vorgeschriebenen Wert durch die Brennstoffgasdrucksteuerung bzw. -regelung am Gasturbineneinlass und die Brennstoffgasdrucksteuerung bzw. -regelung am Gaskompressorauslass gesteuert bzw. geregelt. Somit kehren beide Brennstoffgasdrücke, P₁ und P₂, zu ihren vorgeschriebenen Werten zurück und stabilisieren sich. Inzwischen fluktuiert der Brennstoffgasdruck P₂ am Gasturbineneinlass und verursacht eine Anomalie bei der Verbrennung in der Gasturbine, die Verbrennungsschwankungen bzw. -schwingungen erzeugt.
Wenn die Brennstoffgasleitung zwischen der Gasturbine und dem Gaskompressor lang ist, braucht es Zeit, bis V₁ = V₂ ist. Der Brennstoffgasdruck am Gaskompressorauslass fluktuiert minimal. Somit kehrt der Brennstoffgasdruck P₂ am Gasturbineneinlass früh zu dem vorgeschriebenen Wert zurück und kann einen Einfluss auf die Gasturbinenverbrennung minimieren. Folglich wurde die Brennstoffgasleitung bisher lang gestaltet.
Die vorher erwähnte Erscheinung – der Anstieg des Brennstoffgasdrucks P₂ am Gasturbineneinlass bei einer Lastzurückweisung oder einem Lastverlust – kann auch dann ausgeschaltet werden, wenn die Brennstoffgasleitung zwischen der Gasturbine und dem Gaskompressor kurz ist, indem eine Steuerung derart durchgeführt wird, dass der Brennstoffgasdruck P₁ am Gaskompressorauslass in einer vorauseilenden weise gesenkt wird.
Die dynamischen Eigenschaften bei einer Lastzurückweisung oder einem Lastverlust werden, wie in 2 gezeigt ist, mittels eines Blockdiagramms ausgedrückt. In 2 stellt T₁ eine Verzögerungszeit von der Zufuhr von Brennstoff zur Gasturbine bis zur Wiederspiegelung bzw. Auswirkung der Brennstoffzufuhr am Ausgang der Gasturbine dar, und T₂ stellt die Zeit von einer Änderung der Brennstoffströmungsgeschwindigkeit am Gasturbineneinlass bis zur Auswirkung der Änderung der Brennstoffströmungsgeschwindigkeit auf die Brennstoffströmungsgeschwindigkeit am Gaskompressorauslass dar.
In dem Blockdiagramm der 2 verlängert sich die Verzögerungszeit T₂, falls die Brennstoffgasleitung zwischen der Gasturbine und dem Gaskompressor lang ist. Infolgedessen nimmt das Rechenergebnis V₁ ²–V₂ ² bei einer Lastzurückweisung oder einem Lastverlust einen hohen negativen Wert an. Somit ist auch dann, wenn der Brennstoffgasdruck P₂ am Gasturbineneinlass einen hohen Wert annimmt, der Brennstoffgasdruck P₁ am Gaskompressorauslass nicht sehr hoch.
Schließlich ist V₁ = V₂, und der Brennstoffgasdruck P₁ am Gaskompressorauslass ist gleich dem Brennstoffgasdruck P₂ am Gasturbineneinlass.
Das in 2 gezeigte Blockdiagramm kann vereinfacht werden, wie im Blockdiagramm der 3 gezeigt ist.
Vor dem Auftreten einer Lastzurückweisung oder eines Lastverlustes, ist der Brennstoffgasdruck P₁ am Gaskompressorauslass gleich dem Brennstoffgasdruck P₂ am Gasturbineneinlass. Somit ergibt sich im Fall einer Lastzurückweisung oder eines Lastverlustes, dass der Anstieg des Brennstoffgasdrucks am Gaskompressorauslass von dem Wert der tatsächlichen Generator-Leistungsabgabe vor dem Auftreten der Lastzurückweisung oder des Lastverlustes abhängt, oder davon abhängt, wie schnell die tatsächliche Generator-Leistungsabgabe gefallen ist.
Beispiel
Als nächstes wird ein Beispiel, das die Erfindung verkörpert, mit Bezug auf 1 beschrieben. Teile, welche die gleichen Fähigkeiten wie bei der vorbekannten Technologie gemäß 4 zeigen, tragen die gleichen Bezugsziffern, und Beschreibungen dieser Teile werden nur kurz dargelegt.
Wie in 1 gezeigt ist, ist ein Gaskompressor 4 mit einer Rückführleitung 7, einem Rückführventil 8 und einem IGV (inlet guide vane) 9 versehen. Ein Drucksteuerventil 5 und ein Strömungssteuerventil 6 sind in eine Brennstoffgasleitung 3A eingefügt. Ein Brennstoffgas, dessen Druck durch den Gaskompressor 4 erhöht wird, wird durch die Brennstoffgasleitung 3A geleitet und einer Gasturbine 2 zugeführt. Die mit dem Brennstoffgas belieferte Gasturbine 2 treibt rotationsmäßig einen Generator 1 an, um elektrische Energie zu erzeugen.
Die Brennstoffgasleitung 3A ist kürzer als die herkömmliche Brennstoffgasleitung 3. Die oben erwähnte mechanische Auslegung und Konfiguration sind die gleichen wie bei der vorbekannten Technologie (siehe 4), außer dass die Brennstoffgasleitung 3A kürzer ist.
Eine Gasturbinen-Steuer- bzw. Regelvorrichtung 100 steuert die Ventilöffnung des Strömungssteuerventils 6 (d.h., PID-Regelung) derart, dass eine Abweichung zwischen einer tatsächlichen Generator-Leistungsabgabe W₁ und einem eingestellten Wert Wo einer eingestellten Ziel-Generatorlast Null beträgt. Die Gasturbinen-Steuer- bzw. Regelvorrichtung 100 steuert auch die Ventilöffnung des Drucksteuerventils 5 (d.h. PID-Regelung), so dass eine Abweichung zwischen einem Strömungssteuerventil-Differentialdruck ΔP₁, der die Differenz zwischen dem Brennstoffgasdruck stromauf des Strömungssteuerventils 6 und dem Brennstoffgasdruck stromab des Strömungssteuerventils 6 ist, und einem voreingestellten Wert ΔP₀ eines voreingestellten Strömungssteuerventil-Differentialdrucks Null ist. Diese Steuerungs- bzw. Regelungsfähigkeiten sind die gleichen wie diejenigen der herkömmlichen Gasturbinen-Steuer- bzw. Regelvorrichtung 10 (siehe 4).
Bei der vorliegenden Ausführungsform weist die Gasturbinen-Steuer- bzw. Regelvorrichtung 100 darüber hinaus neue Fähigkeiten (1) und (2) auf, die den vorbekannten Technologien fehlen:

(1) die Fähigkeit, ein Signal SW für einen plötzlichen Lastabfall, einen One-Shot-Puls, an eine Gaskompressor-Steuer- bzw. Regelvorrichtung 200 über eine voreingestellte Zeitspanne zu senden, wenn ein plötzlicher Lastabfall (d.h. mindestens entweder ein Lastabfall oder eine Lastzurückweisung auftritt). In diesem Fall ist die Zeitspanne, während der das Signal SW für einen plötzlichen Lastabfall ausgegeben wird (die Zeitspanne, während der der One-Shot-Puls einen hohen Pegel aufweist), diejenige Zeitspanne zwischen dem Auftreten eines Lastverlustes oder einer Lastzurückweisung und dem Stabilisieren der Brennstoffgasdrücke P₁, P₂ bei vorgeschriebenen Werten. Diese Zeitspanne wird für jedes Kraftwerk eingestellt.
(2) die Fähigkeit, die tatsächliche Generator-Leistungsabgabe W₁ der Gaskompressor-Steuer- bzw. Regelvorrichtung 200 zu senden.

Die Gaskompressor-Steuer- bzw. Regelvorrichtung 200 weist die Fähigkeit auf, die Ventilöffnungen des Rückführventils 8 und des IGV 9 zu steuern und führt eine Steuerung in unterschiedlicher Weise zwischen einem normalen Betrieb (einem Betrieb ohne Lastverlust oder Lastzurückweisung) und dem Auftreten eines Lastverlusts oder einer Lastzurückweisung durch.
Zunächst werden die jeweiligen Rechenfähigkeiten der Gaskompressor-Steuer- bzw. Regelvorrichtung 200 beschrieben.
Dann werden die Arten der Steuerung während eines Normalbetriebs und im Fall eines plötzlichen Lastabfalls (Lastverlust oder Lastzurückweisung) erläutert.
Die Abweichungs-Berechnungseinheit 201 der Gaskompressor-Steuer- bzw. Regelvorrichtung 200 ermittelt eine Brennstoffgasdruckabweichung P₁–P₀, die eine Abweichung zwischen dem Brennstoffgasdruck P₁ am Gaskompressorauslass und einem voreingestellten Wert eines eingestellten bzw. Soll-Gaszuführdrucks P₀ ist.
Eine PID-Reglereinheit 202 ermittelt einen normalen Rückführventil-Öffnungsbefehl r₁ auf der Basis der Brennstoffgasdruckabweichung P₁–P₀, während eine PID-Reglereinheit 203 einen normalen IGV-Öffnungsbefehl i₁ auf der Basis der Brennstoffgasdruckabweichung P₁–P₀ ermittelt.
Eine Addiereinheit 204 addiert den normalen Rückführventil-Öffnungsbefehl r₁ und einen (später zu beschreibenden, vorauseilenden Rückführventil-Öffnungsbefehl r₂, um einen Rückführventil-Befehl r₃ zu ermitteln. Desgleichen addiert eine Addiereinheit 205 den normalen IGV-Öffnungsbefehl i₁ und einen vorauseilenden IGV-Öffnungsbefehl i₂ (der später zu beschreiben ist), um einen IGV-Befehl i₃ zu ermitteln.
Eine Rückführventil-Steuer- bzw. Regelungsfunktionseinheit (Fx₁) 206 ermittelt ein Rückführventil-Öffnungssteuersignal R eines Werts, der dem Rückführventil-Befehl r₃ entspricht, und eine Öffnungssteuerung des Rückführventils 8 wird durchgeführt, die auf den Wert des Rückführventil-Öffnungssteuersignals R anspricht. Desgleichen ermittelt eine IGV-Steuer- bzw. Regelungsfunktionseinheit (Fx₂) 207 ein IGV-Öffnungssteuersignal I eines Werts, der dem IGV-Befehl i₃ entspricht, und eine Öffnungssteuerung des IGV 9 wird in Reaktion auf den Wert des IGV-Öffnungssteuersignals I durchgeführt.
Eine Verzögerungsfunktionseinheit erster Ordnung 208 gibt die tatsächliche Generator-Leistungsabgabe W₁ unverändert während der Zeitspanne aus, in der das Signal SW für einen plötzlichen Lastabfall nicht eingegangen ist, und gibt eine tatsächliche Generator-Leistungsabgabe W₁' einer Verzögerung erster Ordnung aus, die aus der Berechnung einer Verzögerung erster Ordnung der tatsächlichen Generator-Leistungsabgabe W₁ während der Zeitspanne, in der das Signal SW für einen plötzlichen Lastabfall eingegangen ist, erhalten wurde.
Eine Abweichungs-Berechnungseinheit 209 ermittelt eine tatsächliche Generator-Leistungsabgabenabweichung W₁'–W₁, die eine Abweichung zwischen der tatsächlichen Generator-Leistungsabgabe mit Verzögerung erster Ordnung W₁' und der tatsächlichen Generator-Leistungsabgabe W₁ ist. Eine vorauseilende Rückführventil-Steuer- bzw. Regelungsfunktionseinheit (Fx₄) 210 ermittelt den vorauseilenden Rückführventil-Öffnungsbefehl r₂ auf der Basis der tatsächlichen Generator-Leistungsabgabenabweichung W₁'–W₁. Eine vorauseilende IGV-Steuer- bzw. Regelungsfunktionseinheit (Fx₃) 211 ermittelt einen vorauseilenden IGV-Öffnungsbefehl i₂ auf der Basis der tatsächlichen Generator-Leistungsabgabenabweichung W₁'–W₁.
Wenn das Signal SW für einen plötzlichen Lastabfall nicht eingegangen ist, ist die Ausgabe der Abweichungs-Berechnungseinheit 209 gleich Null, so dass der vorauseilende Rückführventil-Öffnungsbefehl r₂ und der vorauseilende IGV-Öffnungsbefehl i₂ ebenfalls Null betragen. Wenn das Signal SW für einen plötzlichen Lastabfall eingegangen ist, verstärkt sich die Abweichung zwischen der tatsächlichen Generator-Leistungsabgabe mit Verzögerung erster Ordnung W₁' und der tatsächlichen Generator-Leistungsabgabe W₁. Infolgedessen werden der vorauseilende Rückführventil-Öffnungsbefehl r₂ und der vorauseilende IGV-Öffnungsbefehl i₂ ausgegeben, die Steuerwerte annehmen, welche dem Wert der tatsächlichen Generator-Leistungsabgabenabweichung W₁' – W₁ entsprechen, die von der Abweichungs-Berechnungseinheit 209 ausgegeben wurde.
Bei der Gaskompressor-Steuer- bzw. Regelvorrichtung 200 mit den obigen Fähigkeiten beträgt der vorauseilende Rückführventil-Öffnungsbefehl r₂ normalerweise Null. Damit ist der Rückführventilbefehl r₃ = der normale Rückführventil-Öffnungsbefehl r₁. Infolgedessen ermittelt die Rückführventil-Steuerfunktionseinheit 206 das Rückführventil-Öffnungssteuersignal R eines Werts, der dem Rückführventil-Befehl r₃ (= r₁) entspricht. In Reaktion auf den Wert des Rückführventil-Öffnungssteuersignals R wird eine Öffnungssteuerung des Rückführventils 8 durchgeführt.
Normalerweise beträgt der vorauseilende IGV-Öffnungsbefehl i₂ Null. Damit ist der IGV-Befehl i₃ = der normale IGV-Öffnungsbefehl i₁. Infolgedessen ermittelt die IGV-Steuerfunktionseinheit 207 das IGV-Öffnungssteuersignal I eines Werts, der dem IGV-Befehl i₃ (= i₁) entspricht. In Reaktion auf den Wert des IGV-Öffnungssteuersignals I wird eine Öffnungssteuerung des IGV 9 durchgeführt.
Infolgedessen ist, wenn der Brennstoffgasdruck P₁ hoch ist, die Ventilöffnung des Rückführventils 8 groß, während die Öffnung des IGV gering ist. Wenn der Brennstoffgasdruck P₁ niedrig ist, ist die Ventilöffnung des Rückführventils 8 kurz, während die Öffnung des IGV groß ist.
Bei der Gaskompressor-Steuer- bzw. Regelvorrichtung 200 mit den obigen Fähigkeiten nimmt der vorauseilende Rückführventil-Öffnungsbefehl r₂ einen bestimmten Wert im Fall eines Lastverlustes oder einer Lastzurückweisung an. Somit ist der Rückführventil-Befehl r₃ = der normale Rückführventil-Öffnungsbefehl r₁ + der vorauseilende Rückführventil-Öffnungsbefehl r₂. Infolgedessen ermittelt die Rückführventil-Steuer- bzw. Regelungsfunktionseinheit 206 das Rückführventil-Öffnungssteuersignal R eines Werts, der dem Rückführventil-Befehl r₃ (= r₁ + r₂) entspricht. In Reaktion auf den Wert des Rückführventil-Öffnungssteuersignals R wird eine Öffnungssteuerung des Rückführventils 8 durchgeführt.
Bei einem Lastverlust oder einer Lastzurückweisung nimmt der vorauseilende IGV-Öffnungsbefehl i₂ einen bestimmten Wert an. Somit ist der IGV-Befehl i₃ = der normale IGV-Öffnungsbefehl i₁ + der vorauseilende IGV-Öffnungsbefehl i₂. Folglich ermittelt die IGV-Steuer- bzw. Regelungsfunktionseinheit 207 das IGV-Öffnungssteuersignal I eines Werts, der dem IGV-Befehl i₃ (= i₁ + i₂) entspricht. In Reaktion auf den Wert des IGV-Öffnungssteuersignals I wird eine Öffnungssteuerung des IGV 9 durchgeführt.
Infolgedessen kann bei einem Lastverlust oder einer Lastzurückweisung das Rückführventil 8 in einer vorauseilenden Weise geöffnet werden, während das IGV in einer vorauseilenden Weise geschlossen werden kann. Dadurch kann der Brennstoffgasdruck P₁ am Gaskompressorauslass gesenkt werden, und der Anstieg des Brennstoffgasdrucks P₂ am Gasturbineneinlass kann unterdrückt werden.
Wegen der oben beschriebenen Steuerung bzw. Regelung kann bei der kurzen Brennstoffgasleitung 3A ein übermäßiges Ansteigen der Brennstoffgasdrücke P₁, P₂ verhindert werden, und ein Ausfall des Brenners bzw. Combustors oder das Auftreten von Verbrennungsschwankungen bzw. -schwingungen können bei einem Lastverlust oder einer Lastzurückweisung verhindert werden. Somit kann ein stabiler Betrieb sichergestellt werden.
Wenn tatsächlich eine Lastzurückweisung oder ein Lastverlust auftreten, genügt es, einen Anstieg des Brennstoffgasdrucks P₂ am Gasturbineneinlass zu unterbinden. Folglich werden den Funktionen Fx₃, Fx₄, die von den Funktionseinheiten 210, 211 für vorauseilende Steuerung gemäß 1 verwendet werden, nicht die Werte eingegeben, die strikt durch die in den Blockdiagrammen der 2 und 3 gezeigten Berechnungen erhalten wurden, sondern sie werden anfänglich mit Werten versorgt, die ausreichend kleiner als die durch die Berechnungen vorgegebenen Werte sind. Anschließend werden die gelieferten Werte gemäß Änderungen im Brennstoffgasdruck P₂ am Gasturbineneinlass während Lastfluktuationen angepasst.
Die Zeitkonstante T₂, die in der Funktionseinheit 208 für Verzögerung erster Ordnung verwendet wird, wird auch durch tatsächliches Betreiben des Kraftwerks und Beobachten einer Verzögerung bei Änderungen des Brennstoffgasdrucks P₁ am Gaskompressorauslass in Reaktion auf Änderungen im Brennstoffgasdruck P₂ am Gasturbineneinlass bestimmt.
Die Erfindung wurde zwar auf die vorstehende Art und Weise beschrieben, es ist jedoch anzumerken, dass die Erfindung hierdurch keineswegs eingeschränkt ist, sondern auf viele andere Weisen variiert werden kann. Solche Variationen sind nicht als Abweichen vom Geist und Schutzumfang der Erfindung zu verstehen, und alle Modifikationen, die einem Fachmann ersichtlich sind, sollen in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche aufgenommen werden.

Claims

Gaskompressor-Steuer- bzw. Regelvorrichtung (200) zum Durchführen einer Öffnungssteuerung eines Rückführventils (8), das in eine Rückführleitung (7) eingefügt ist, welche ein Brennstoffgas von einem Auslass eines Gaskompressors (4) zu einem Einlass des Gaskompressors (4) zurückleitet, und einer Öffnungssteuerung eines Einlassleitflügels (IGV) (9), der in dem Gaskompressor (4) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaskompressor-Steuer- bzw. Regelvorrichtung (200) umfasst: eine Berechnungseinheit zum Berechnen eines normalen Rückführventil-Öffnungsbefehls (r₁) und eines normalen Einlassleitflügel-Öffnungsbefehls (i₁) auf der Basis einer Abweichung zwischen einem Brennstoffgasdruck (P₁) am Gaskompressorauslass und einem voreingestellten Wert (P₀) eines eingestellten bzw. Soll-Brennstoffgaszuführdrucks, und eine Berechnungseinheit zum Berechnen eines vorauseilenden Rückführventil-Öffnungsbefehls (r₂) und eines vorauseilenden Einlassleitflügel-Öffnungsbefehls (i₂) auf der Basis einer Abweichung zwischen einer tatsächlichen Generator-Leistungsabgabe (W₁), die eine tatsächliche Leistungsabgabe eines im Drehantrieb von einer Gasturbine (2), welcher das Brennstoffgas aus dem Gaskompressor (4) geliefert wird, angetriebenen Generators (1) ist, und einer Generator-Leistungsabgabe (W₁') mit Verzögerung erster Ordnung, die durch eine Berechnung einer Verzögerung erster Ordnung der tatsächlichen Generator-Leistungsabgabe (W₁) erhalten wurde, und wobei die Gaskompressor-Steuer- bzw. Regelvorrichtung (200) durchführt: während eines normalen Betriebs, eine Öffnungssteuerung des Rückführventils (8), basierend auf einem Wert des normalen Rückführventil-Öffnungsbefehls (r₁) und eine Öffnungssteuerung des Einlassleitflügels (9), basierend auf einem Wert des normalen Einlassleitflügel-Öffnungsbefehls (i₁) und bei einem plötzlichen Lastabfall, eine Öffnungssteuerung des Rückführventils (8), basierend auf einem Wert, der durch Addieren des vorauseilenden Rückführventil-Öffnungsbefehls (r₂) und des normalen Rückführventil-Öffnungsbefehls (r₁) erhalten wird, und eine Öffnungssteuerung des Einlassleitflügels (9), basierend auf einem Wert, der durch Addieren des vorauseilenden Einlassleitflügel-Öffnungsbefehls (i₂) zu dem normalen Einlassleitflügel-Öffnungsbefehl (i₁) erhalten wird.
Gasturbinenkraftwerk-Steuer- bzw. Regelmechanismus mit: einer Gaskompressor-Steuer- bzw. Regelvorrichtung (200) zum Durchführen einer Öffnungssteuerung eines Rückführventils (8), das in eine Rückführleitung (7) eingefügt ist, welche ein Brennstoffgas von einem Auslass eines Gaskompressors (4) zu einem Einlass des Gaskompressors (4) zurückleitet, und einer Öffnungssteuerung eines Einlassleitflügels (9), der in dem Gaskompressor (4) vorgesehen ist, und einer Gasturbinen-Steuer- bzw. Regelvorrichtung (100) zum Durchführen einer Öffnungssteuerung eines Drucksteuerventils (5) und eines Strömungssteuerventils (6), die in eine Gasleitung (3A) eingefügt sind, welche das Brennstoffgas von dem Gaskompressor (4) einer Gasturbine (2) zuführt, wobei diese dadurch gekennzeichnet ist, dass: die Gasturbinen-Steuer- bzw. Regelvorrichtung (100) eine Berechnungseinheit zum Zuführen einer tatsächlichen Generator-Leistungsabgabe (W₁) umfasst, die eine tatsächliche Leistungsabgabe eines von der Gasturbine (2) drehangetriebenen Generators (1) ist, zu der Gaskompressor-Steuer- bzw. Regelvorrichtung (200), und zum Zuführen eines Signals (SW) für einen plötzlichen Lastabfall zu der Gaskompressor-Steuer- bzw. Regelvorrichtung (200) über eine voreingestellte Zeitspanne, wenn ein Lastverlust oder eine Lastzurückweisung auftritt, und wobei die Gaskompressor-Steuer- bzw. Regelvorrichtung (200) umfasst: eine Berechnungseinheit zum Berechnen eines normalen Rückführventil-Öffnungsbefehls (r₁) und eines normalen Einlassleitflügel-Öffnungsbefehls (i₁) auf der Basis einer Abweichung zwischen einem Brennstoffgasdruck (P₁) am Gaskompressorauslass und einem voreingestellten Wert (P₀) eines eingestellten bzw. Soll-Brennstoffgaszuführdrucks, und einer Berechnungseinheit zum Berechnen eines vorauseilenden Rückführventil-Öffnungsbefehls (r₂) und eines vorauseilenden Einlassleitflügel-Öffnungsbefehls (i₂) auf der Basis einer Abweichung zwischen einer tatsächlichen Generator-Leistungsabgabe (W₁), die die tatsächliche Leistungsabgabe des Generators (1) ist, und einer Generator-Leistungsabgabe (W₁') mit Verzögerung erster Ordnung, die durch eine Berechnung einer Verzögerung erster Ordnung der tatsächlichen Generator-Leistungsabgabe (W₁) erhalten wurde, und wobei die Gaskompressor-Steuer- bzw. Regelvorrichtung (200) durchführt: wenn das Signal (SW) für einen plötzlichen Lastabfall nicht eingegangen ist, eine Öffnungssteuerung des Rückführventils (8), basierend auf einem Wert des normalen Rückführventil-Öffnungsbefehls (r₁), und eine Öffnungssteuerung des Einlassleitflügels (9), basierend auf einem Wert des normalen Einlassleitflügel-Öffnungsbefehls (i₁), und wenn das Signal (SW) für einen plötzlichen Lastabfall eingegangen ist, eine Öffnungssteuerung des Rückführventils (8), basierend auf einem durch Addieren des vorauseilenden Rückführventil-Öffnungsbefehls (r₂) mit dem normalen Rückführventil-Öffnungsbefehl (r₁) erhaltenen Wert, und eine Öffnungssteuerung des Einlassleitflügels (9), basierend auf einem durch Addieren des vorauseilenden Einlassleitflügel-Öffnungsbefehls (i₂) zu dem normalen Einlassleitflügel-Öffnungsbefehl (i₁) erhaltenen Wert.