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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennersteuerung einer Gasturbine
und insbesondere eine Verbrennersteuerung, die ein Brennstoff-Luft-Verhältnis zwischen
dem Brennstoff und der Luft steuert, die einem Verbrenner zugeleitet
werden.
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Stand der
Technik
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Bisher
wird als ein Verbrenner einer Gasturbinenanlage ein Verbrenner verwendet,
der mit einer Vorsteuerdüse
versehen ist, welche eine Diffusionsverbrennung mit einem Vorsteuerlicht
durch Diffundieren von Brennstoffgas ausführt, und einer Hauptdüse, die
eine vorgemischte Verbrennung durch Mischen von Luft mit Brennstoff
ausführt.
Eine Gasturbine dreht sich durch Verwenden eines Verbrennungsgases
von diesem Verbrenner, und dann erzeugt ein Generator Elektrizität mittels
einer Bewegungsenergie dieser Gasturbine. Demzufolge ist es in einer
Energieerzeugungsanlage, die eine Gasturbine verwendet, möglich, die
Ausgangsleistung eines Generators durch Steuern der Verbrennung
eines Verbrenners zu steuern.
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Beim
Steuern der Verbrennung eines solchen Verbrenners, wie er oben beschrieben
ist, wird ein Brennstoffverhältnis
eines Vorsteuerbrennstoffs, der der Vorsteuerdüse zugeleitet wird, zu einem Hauptbrennstoff,
der der Hauptdüse
zugeleitet wird, ebenfalls gesteuert. Durch Steuern dieses Brennstoffverhältnisses
auf einen geeigneten Wert ist es möglich, die Menge des ausgestoßenen NOx zu beschränken. 6 zeigt
eine Konstruktion dieser herkömmlichen Verbrennersteuerung
zum Steuern eines Verbrenners, der mit einer Vorsteuerdüse und einer
Hauptdüse
ausgestattet ist.
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Eine
Verbrennersteuerung 100 in 6 erzeugt
auf der Grundlage einer Ausgangsleistung eines Generators 4 ein
Bypass-Ventilsteuersignal, um das Öffnen eines Verbrenner-Bypassventils 8 zu steuern,
welches durch einen Öffnungs-Bearbeitungsabschnitt 102 dieses
Bypassventils bestimmt ist, und liefert das Signal an ein Verbrenner-Bypassventil 8,
um so die Luftmenge zu steuern, die einem Verbrenner 3 zugeleitet
wird. Außerdem
erzeugt diese Verbrennersteuerung 100 auf der Grundlage
einer Ausgangsleistung eines Generators 4 ein IGV-Steuersignal,
um ein Öffnen
einer Einlassführungsschaufel
(inlet guide vane, IGV) 5 zu steuern, welche durch einen
IGV-Öffnungs-Bearbeitungsabschnitt 103 bestimmt
wird, und leitet das Signal an die IGV 5 weiter, um so
die Luftmenge zu steuern, die einem Kompressor 1 zugeleitet
wird. Hier berechnen der Bypassventil-Öffnungs-Bearbeitungsabschnitt 102 und
der IGV-Öffnungs-Bearbeitungsabschnitt 103 Werte
eines Bypassventilsteuersignals und einer IGV-Steuersignals auf
der Grundlage der Graphen in den 3 und 4.
Die Abszissen in den 3 und 4 stehen
für eine
Ausgangsleistung eines Generators.
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Außerdem erzeugt
die Verbrennersteuerung 100 ein Befehlssignal für die Brennstoffdurchflussmenge
(CSO) durch Ermitteln eines Unterschieds zwischen einer Ausgangsleistung
des Generators 4 und einem Sollwert der Ausgangsleistung
des Generators in einem Subtraktionsabschnitt 9 und anschließendes Addieren
eines integralen Bestandteils im PI-Abschnitt 10. Wenn der Wert
dieses CSO von dem PI-Abschnitt 10 mit einem vorbestimmten
Wert L unter Verwendung eines Begrenzers 11 verglichen
wird und bestimmt wird, dass er geringer ist als der vorbestimmte
Wert L, werden die CSOs einem Vorsteuerverhältnis-Bearbeitungsabschnitt 101 und
einem Multiplikationsabschnitt 12 zugeleitet.
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In
dem Vorsteuerverhältnis-Bearbeitungsabschnitt 101 wird
ein in dem Multiplikationsabschnitt 12 verwendeter Multiplikationswert
in dem Multiplikationsabschnitt 12 auf der Grundlage des
CSO gesetzt, um dem Multiplikationsabschnitt 12 zugeleitet zu
werden. In dem Multiplikationsabschnitt 12 wird der von
einem Begrenzer 11 zugeleitete CSO mit dem Multiplikationswert,
der von dem Vorsteuerverhältnis-Bearbeitungsabschnitt 101 her
zugeleitet wird, multipliziert, um ein Vorsteuer-Brennstoffsteuerungssignal zu erzeugen,
das einem Vorsteuer-Brennstoffsteuerungsventil 7 zugeleitet
werden soll. Außerdem
wird in einem Subtraktionsabschnitt 13 ein Vorsteuer-Brennstoffsteuerungssignal,
das von dem Multiplikationsabschnitt 12 geliefert wird, von
dem CSO subtrahiert, welcher von dem Begrenzer 11 geliefert
wird, um so ein Hauptbrennstoff-Steuerungssignal zu erzeugen, das
einem Hauptbrennstoff-Steuerungsventil 6 zugeleitet werden
soll. Außerdem
wird in dem Vorsteuerverhältnis-Bearbeitungsabschnitt 101 ein
Wert für
ein Vorsteuer-Brennstoffsteuerungssignal
erhalten auf der Grundlage eines Graphen in 2. Außerdem repräsentiert
die Abszisse in 2 einen CSO Wert.
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In
einer Verbrennersteuerung 100, die wie oben beschrieben
aufgebaut ist, wird, wenn eine Belastung einer Gasturbine 2 gering
ist und eine Ausgangsleistung eines Generators 4 gering
ist, um die Verbrennungsschwingungen zu beschränken und eine stabile Verbrennung
zu erzielen, eine Öffnung einer
IGV 5 geschlossen, um die Durchflussmenge von Luft zu vermindern,
die in einen Kompressor 1 hineinströmt, und eine Öffnung eines
Verbrenner-Bypassventils 8, um die Durchflussmenge von
komprimierter Luft zu erhöhen,
die direkt in die Gasturbine 2 von dem Kompressor 1 her
einströmt.
Durch Vermindern der Durchflussmenge von Luft zu dem Verbrenner 3 auf
die oben beschriebene Art und Weise wird ein Brennstoff-Luft-Verhältnis erhöht. Wenn
außerdem
eine Belastung einer Gasturbine 2 hoch ist und eine Ausgangsleistung
des Generators 4 hoch ist, wird, um eine Ausstoßmenge von
NOx zu beschränken, die Durchflussmenge der
Luft, die in den Kompressor 1 einströmt, erhöht durch Öffnen der IGV, und eine Menge
von Druckluft, die direkt in die Gasturbine 2 von dem Kompressor 1 her
einströmt,
wird vermindert durch Schließen
des Verbrenner-Bypassventils 8. Durch Erhöhen der
Durchflussmenge der Luft, die dem Verbrenner 3 zugeleitet
wird, auf die oben beschriebene Art und Weise, wird das Brennstoff-Luft-Verhältnis vermindert.
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Wenn
eine Ausgangsleistung von einem Generator gering ist, wird außerdem,
um die Verbrennung einer Vorsteuerdüse zu aktivieren und Verbrennungsschwingungen
zu beschränken,
um dadurch eine stabile Verbrennung zu erzielen, ein Verhältnis eines
Vorsteuer-Brennstoffs zu dem gesamten Brennstoff, der dem Verbrenner 3 zugeleitet
wird (das sogenannte Vorsteuerverhältnis) erhöht durch Schließen des
Hauptbrennstoff-Steuerungsventils 6 und Öffnen des
Vorsteuer-Brennstoffsteuerungsventils 7.
Wenn eine Ausgangsleistung eines Generators hoch ist, wird außerdem,
um die Verbrennung einer Vorsteuerdüse zu beschränken und
die menge des ausgestoßenen
NOx zu beschränken, das Vorsteuerverhältnis vermindert
durch Öffnen
des Hauptbrennstoff-Steuerungsventils 6 und Schließen des
Vorsteuer-Brennstoffsteuerungsventils 7.
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Herkömmlich wird
eine durch die Verbrennung erhaltene thermische Energie mittels
einer Gasturbine 2 in eine kinetische Energie umgewandelt,
und diese kinetische Energie wird mittels eines Generators 4 auf
die oben erwähnte
Art und Weise in eine elektrische Energie umgewandelt. Wie oben
beschrieben, zeigt außerdem
die Ausgangsleistung des Generators 4 auch einen Zustand,
der nahe einem Verbrennungszustand in dem Verbrenner 3 ist,
und eine Antwortverzögerung
auf eine Veränderung
des Verbrennungszustands in dem Verbrenner 3 ist gering.
Demzufolge werden, wie oben erwähnt,
herkömmlich
das Vorsteuerverhältnis
und die Öffnung einer
IGV 5 und eines Verbrenner-Bypassventils 8 gewählt auf
der Basis einer Ausgangsleistung eines Generators 4.
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Weil
in einer herkömmlichen
Verbrennersteuerung eine Durchflussmenge von Luft, die einem Verbrenner
zugeleitet wird, und eine Durchflussmenge von Brennstoff, der einer
Vorsteuerdüse
und einer Hauptdüse
zugeleitet wird, gesetzt werden auf der Basis einer Ausgangsleistung
eines Generators, kann jedoch eine akkurate Steuerung nicht ausgeführt werden
in einem Fall, wo ein Energiefaktor des elektrischen Versorgungssystems
eines Generators verändert
wird oder in einem Fall, wo ein Verbund-Energieerzeugungssystem,
das eine Dampfturbine verwendet, gleichzeitig einer rapiden Belastungsschwankung
unterliegt.
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In
einem Fall, in dem die reaktive Energie erhöht wird, was zu einer Variation
des Energiefaktors führt,
wird nämlich
die Proportionalität
zwischen einem Vortriebs-Drehmoment der Gasturbine, erhalten durch
die Verbrennung, und der Generator-Ausgangsleistung zerbrochen,
weil die Generator-Ausgangsleistung
durch die effektive elektrische Energie gemessen wird. Zu diesem
Zeitpunkt wird, weil die Generator-Ausgangsleistung gering wird, obwohl
das Vortriebsdrehmoment der Gasturbinen sich nicht verändert, eine
solche Steuerung ausgeführt,
die das Vorsteuerverhältnis
und das Brennstoff-Luft-Verhältnis vergrößert.
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In
einer Verbund-Energieerzeugungsanlage, wo eine Dampfturbine mit
einer Gasturbine mittels einer Welle verbunden ist, ist außerdem die
Generator-Ausgangsleistung äquivalent
der Gesamtheit eines Vortriebsdrehmoments einer Gasturbine und eines
Vortriebsdrehmoments einer Dampfturbine. Daher wird die Generator-Ausgangsleistung
auf der Grundlage des Vortriebsdrehmoments einer Gasturbine erhalten
unter der Annahme, dass ein Vortriebsdrehmoment einer Dampfturbine
stabil ist, und das Vorsteuerverhältnis und das Brennstoff-Luft-Verhältnis werden
in dem Verbrenner auf der Grundlage der Generator-Ausgangsleistung
gesteuert, die äquivalent
zu diesem erhaltenen Vortriebsdrehmoment einer Gasturbine ist. Demzufolge
wird die Generator-Ausgangsleistung, die äquivalent zu einem Vortriebsdrehmoment
einer Gasturbine ist, nicht akkurat bestimmt, und wenn eine rapide
Belastungsschwankung auftritt, ist es unmöglich, das Vorsteuerverhältnis und
das Brennstoff-Luft-Verhältnis
in dem Verbrenner akkurat zu steuern.
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Um
das oben erwähnte
Problem zu lösen, wird
bevorzugt, das Vorsteuerverhältnis
und das Brennstoff-Luft-Verhältnis
in einem Verbrenner durch die Temperatur des Verbrennungsgases am
Auslass des Verbrenners zu steuern (d.h. durch die Temperatur des
Verbrennungsgases, das zu dem Einlass einer Gasturbine geleitet
wird (im folgenden auch als Turbineneinlasstemperatur bezeichnet).
In neueren Gasturbinen gibt es jedoch, weil die Turbineneinlasstemperatur
1500°C überschreitet,
keine Temperaturmesseinrichtungen, die die Turbineneinlasstemperatur
kontinuierlich für
eine längere
Zeit messen können.
Obwohl ein Verfahren vorhanden ist, die Turbineneinlasstemperatur
durch eine Berechnung aus dem Gehäusedruck eines Verbrenners
und der Abgastemperatur einer Gasturbine zu schätzen, ist die Antwort der Abgastemperatur
auf einen Verbrennungszustand schlecht. Als Ergebnis wird ein verzögerter Wert
der tatsächlichen
Turbineneinlasstemperatur zugeleitet, was zu einer Antwortverzögerung beim
Steuern des Vorsteuerverhältnisses
und des Brennstoff-Luft-Verhältnisses
in dem Verbrenner führt.
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Offenbarung
der Erfindung
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Verbrennersteuerung
zu schaffen, die eine Turbineneinlasstemperatur akkurat ohne eine
Antwortverzögerung
berechnen kann und auch einen Verbrenner steuern kann auf der Grundlage
der Turbineneinlasstemperatur, die sich aus dieser Berechnung ergibt.
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Um
das oben erwähnte
Ziel zu erreichen, ist gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Verbrennersteuerung, die an einer Gasturbine angebracht
ist, welche an einer gleichen Welle eines Generators montiert ist,
um die relevante Gasturbine mit Verbrennungsgas zu versorgen, um
diese zu drehen, versehen mit:
einem Brennstoff-Durchflussmengen-Bearbeitungsabschnitt,
der eine Durchflussmenge des Brennstoffs, der dem Verbrenner zugeleitet
wird, setzt auf der Grundlage eines Differentialwerts zwischen einer Ausgangsleistung
des Generators und einer Soll-Ausgangsleistung des Generators,
einem
Turbineneinlasstemperatur-Bearbeitungsabschnitt, der eine Turbineneinlasstemperatur
bestimmt, die als eine Temperatur von Verbrennungsgas dient, das
in die Gasturbine einströmt,
von dem Verbrenner her, auf der Grundlage einer Durchflussmenge
und einer Temperatur von Brennstoff bzw. Luft, die in den Verbrenner
einströmen,
einem
Vorsteuerverhältnis-Bearbeitungsabschnitt, der
ein Vorsteuerverhältnis
setzt, das als ein Verhältnis
aus einem Vorsteuer-Brennstoff, der einer Vorsteuerdüse innerhalb
des Verbrenners zugeleitet wird, welche eine Diffusionsverbrennung
eines Vorsteuerlichts ausführt,
zu der gesamten Brennstoffdurchflussmenge dient, welche als Gesamtheit
aus dem besagten Vorsteuer-Brennstoff und einem Haupt-Brennstoff
dient, welcher einer Hauptdüse
innerhalb des Verbrenners zugeleitet wird, welche eine vorgemischte
Verbrennung durch Mischen von Luft und Brennstoff ausführt, und
zwar auf der Grundlage einer von dem besagten Turbineneinlasstemperatur-Bearbeitungsabschnitt
bestimmten Turbineneinlasstemperatur, und
einem Luftdurchflussmengen-Bearbeitungsabschnitt,
der eine Durchflussmenge von Luft, die innerhalb des Verbrenners
strömt,
auf der Basis einer von dem besagten Turbineneinlasstemperatur-Bearbeitungsabschnitt
bestimmten Turbineneinlasstemperatur setzt,
dadurch gekennzeichnet,
dass
Durchflussmengen des besagten Vorsteuer-Brennstoffs und
des besagten Hauptbrennstoffs gesteuert werden auf der Grundlage
eines von dem Vorsteuerverhältnis-Bearbeitungsabschnitt
bestimmten Vorsteuerverhältnisses
und der besagten Brennstoffdurchflussmenge, bestimmt von dem besagten Brennstoffdurchflussmengen-Bearbeitungsabschnitt,
und
der Verbrennungszustand des Verbrenners gesteuert wird
durch Steuern einer Durchflussmenge von Luft, die in das Innere
des Verbrenners hineinströmt,
mittels einer Luftdurchflussmenge, die von dem besagten Luftdurchflussmengen-Bearbeitungsabschnitt bestimmt
wird.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine Blockdiagramm, das einen Aufbau einer Gasturbinen-Energieerzeugungsanlage
zeigt, welche mit einer Verbrennersteuerung gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung versehen ist,
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2 ist
ein Graph, der eine Beziehung zwischen einem Vorsteuerverhältnis und
einer Turbineneinlasstemperatur oder CSO zeigt,
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3 ist
ein Graph, der eine Beziehung zwischen einer Öffnung eines Verbrenner-Bypassventils und
einer Turbineneinlasstemperatur oder einer Generator-Ausgangsleistung
zeigt,
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4 ist
ein Graph, der eine Beziehung zwischen einer Öffnung einer IGV und einer
Turbineneinlasstemperatur oder einer Generator-Ausgangsleistung zeigt,
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5 ist
ein Diagramm, das ein Beispiel des inneren Aufbaus eines Turbineneinlasstemperatur-Bearbeitungsabschnitts
darstellt, und
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6 ist
ein Blockdiagramm, das einen Aufbau einer herkömmlichen Gasturbinen-Energieerzeugungsanlage
zeigt.
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Beste Art
und Weise zum Ausführen
der Erfindung
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Mit
Bezug auf die Zeichnungen wird nun eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung beschrieben. 1 ist ein Blockdiagramm, das
einen Aufbau einer Gasturbinen-Energieerzeugungsanlage
zeigt, welche versehen ist mit einer Verbrennersteuerung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. In 1 werden
für die
gleichen Bereiche wie in 6 die gleichen Bezugszeichen verwendet,
und auf ihre ausführliche
Erläuterung wird
verzichtet.
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Eine
Gasturbinen-Energieerzeugungsanlage in 1 ist versehen
mit einem Kompressor 1, der mit einem IGV 5 ausgestattet
ist, welcher als stationäre
Schaufel in einer ersten Stufe dient, einet Gasturbine 2,
die an der gleichen Welle des Kompressors 1 vorgesehen
ist, einem Verbrenner 3, der Verbrennungsgas zuliefert,
um so die Gasturbine 2 zu drehen, und einem Generator 4,
der durch Drehen der Gasturbine 2 gedreht wird, um so Elektrizität zu erzeugen.
Außerdem
sind vorgesehen ein Hauptbrennstoff-Steuerungsventil 6,
das eine Durchflussmenge des Brennstoffs setzt, der einer Hauptdüse (nicht
dargestellt) des Verbrenners 3 zugeleitet wird; ein Vorsteuer-Brennstoffsteuerungsventil 7,
das eine Durchflussmenge des Brennstoffs setzt, der einer Vorsteuerdüse (nicht
dargestellt) des Verbrenners 3 zugeleitet wird; ein Verbrenner-Bypassventil 8,
das eine Durchflussmenge von Luft setzt, die von dem Kompressor 1 aus
zu der Gasturbine 2 umgeleitet wird, um so eine Durchflussmenge
von Luft zu bestimmen, die dem Verbrenner 3 zugeleitet
wird; und eine Verbrennersteuerung 20, die ein Brennstoff-Luft-Verhältnis und
ein Vorsteuerverhältnis
des Verbrenners 3 steuert.
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Um
eine Brennstoffdurchflussmenge Gf bzw. eine Brennstofftemperatur
Tf von Brennstoff für
den Verbrenner 3 zu messen, sind außerdem eine Durchflussmengen-Messeinrichtung 21 und
eine Temperatur-Messeinrichtung 22 vorgesehen, die vor
einer Verzweigung in einem Kanal für die Brennstoffzufuhr angebracht
sind, welcher Brennstoff zu einer Hauptdüse bzw. einer Vorsteuerdüse leitet;
eine Temperatur-Messeinrichtung 23,
die am Ausgang eines Kompressors 1 angebracht ist, um so
eine Temperatur T3 von Druckluft zu messen, die aus dem Kompressor 1 ausgegeben
wird; und eine Differentialdruck-Messeinrichtung 24, die
vor und nach dem IGV 5 des Kompressors 1 angebracht
ist, um so der Differentialdruck Pd von Luft zu messen, die in den
Kompressor 1 hineinströmt.
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Wenn
eine Gasturbinen-Energieerzeugungsanlage wie oben beschrieben aufgebaut
ist, wird eine Menge der in einen Kompressor 1 hineinströmenden Luft
gesetzt durch eine Öffnung
einer IGV, und eine Menge der von dem Kompressor 1 in den
Verbrenner 3 einströmenden
Luft wird mittels eines Verbrenner-Bypassventils 8 gesetzt.
Wenn in dem Kompressor 1 komprimierte Luft zu dem Verbrenner 3 geleitet
wird, wird nicht nur eine Diffusionsverbrennung mittels einer Vorsteuerdüse ausgeführt, der
Brennstoff über
ein Vorsteuer-Brennstoffsteuerungsventil 7 zugeleitet
wird, sondern es wird auch eine vorgemischte Verbrennung ausgeführt mittels einer
Hauptdüse,
der Brennstoff mittels eines Hauptbrennstoff-Steuerungsventils 6 zugeleitet
wird. Als Konsequenz wird Hochtemperatur-Verbrennungsgas, erhalten
als Ergebnis der Verbrennung in dem Verbrenner 3, einer
Gasturbine 2 zugeleitet. Wenn die Gasturbine 2 gedreht
wird durch Verbrennungsgas, das mittels des Verbrenners 3 zugeleitet
wird, wird ein Generator 4, der die gleiche Welle teilt,
auch gedreht, so dass der Generator 4 Elektrizität erzeugt und
elektrische Energie ausgibt.
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Dabei
wird die Durchflussmenge Gf des gesamten Brennstoffs, der dem Verbrenner 3 zugeleitet wird,
mittels einer Durchflussmengen-Messeinrichtung 21 gemessen,
und auch die Temperatur Tf dieses Brennstoffs wird gemessen mittels
einer Temperaturmesseinrichtung 22. Zusätzlich wird eine Temperatur
T3 der Luft, die dem Verbrenner 3 von dem Kompressor 1 her
zugeleitet wird, mittels der Temperaturmesseinrichtung 23 gemessen.
Außerdem
wird ein Differentialdruck Pd von Luft, die in den Kompressor 1 einströmt, mittels
einer Differentialdruck-Messeinrichtung 24 gemessen. Dann
werden die Brennstoffdurchflussmenge Gf, die Brennstofftemperatur Tf,
die Lufttemperatur T3, der Differentialdruck Pd und eine Öffnung k
eines Verbrenner-Bypassventils 8, die gemessen wurden,
der Verbrennersteuerung 20 zugeleitet.
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Dann
werden das Brennstoff-Luft-Verhältnis und
das Vorsteuerverhältnis
eines Verbrenners 3 mittels einer Verbrennersteuerung 20 gewählt auf
der Grundlage der Brennstoffdurchflussmenge Gf, der Brennstofftemperatur
Tf, der Lufttemperatur T3, des Differentialdrucks Pd und der Öffnung k
des Verbrenner-Bypassventils 8. Demzufolge werden ein IGV-Steuerungssignal,
ein Hauptbrennstoff-Steuerungssignal,
ein Vorsteuer-Brennstoffsteuerungssignal bzw. ein Bypassventilsteuerungssignal
erzeugt auf der Basis des gewählten
Brennstoff-Luft-Verhältnisses
und des gewählten
Vorsteuerverhältnisses, um
einem IGV 5, einem Hauptbrennstoff-Steuerungsventil 6,
einem Vorsteuer-Brennstoffsteuerungsventil 7 und
einen Verbrenner-Bypassventil 8 zugeleitet
zu werden.
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Diese
Verbrennersteuerung 20 ist versehen mit: einem Subtraktionsabschnitt 9,
der die Ausgangsleistung E0 eines Generators 4 empfängt und den
Differenzwert E1–E0
zwischen dieser Ausgangsleistung E0 und einer Soll-Ausgangsleistung
E1 berechnet; einem PI-Abschnitt 10, der einen CSO erzeugt
durch Addieren eines integralen Bestandteils zu dem Differenzwert
E1–E0,
den der Subtraktionsabschnitt 9 beschafft hat; einem Begrenzer 11,
der einen CSO liefert, der als L dient, wenn der Wert des CSO von
dem PI-Abschnitt 10 größer ist
als L; einem Multiplikationsabschnitt 12, der ein Vorsteuer-Brennstoffsteuerungssignal
erzeugt, indem ihm ein CSO von dem Begrenzer 11 zugeleitet
wird; einem Subtraktionsabschnitt 13, der ein Hauptbrennstoff-Steuerungssignal
erzeugt durch Subtrahieren eines Werts eines Vorsteuer-Brennstoffsteuerungssignals,
das von dem Multiplikationsabschnitt 12 zugeleitet wird, von
einem Wert des CSO, der von dem Begrenzer 11 zugeleitet
wird; einem Luftdurchflussmengen-Bearbeitungsabschnitt 14,
der eine Durchflussmenge G3 von Luft bestimmt, die in den Verbrenner 3 einströmt, auf
der Basis eines Differentialdrucks Pd und einer Öffnung k eines Verbrenner-Bypassventils 8;
einem Turbineneinlasstemperatur-Bearbeitungsabschnitt 15,
der eine Turbineneinlasstemperatur T4 beschafft auf der Grundlage
einer Brennstoffdurchflussmenge Gf, Brennstofftemperatur Tf, Luftdurchflussmenge G3
und Lufttemperatur T3; einem Vorsteuerverhältnis-Bearbeitungsabschnitt 16,
der ein Vorsteuerverhältnis
berechnet auf der Basis einer Turbineneinlasstemperatur T4, um dem
Multiplikationsabschnitt 12 zugeleitet zu werden; einem
Bypassventilöffnungs-Bearbeitungsabschnitt 17,
der ein Bypassventilsteuerungssignal erzeugt auf der Basis einer
Turbineneinlasstemperatur T4; und einem IGV-Öffnungs-Bearbeitungsabschnitt 18, der
ein IGV-Steuerungssignal erzeugt auf der Basis der Turbineneinlasstemperatur
T4.
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In
einer Verbrennersteuerung 20, die wie oben beschrieben
aufgebaut ist, wird, wenn eine Ausgangsleistung E0 von einem Generator 4 einem Subtraktionsabschnitt 9 zugeleitet
wird, eine tatsächliche
Ausgangsleistung E0 von einer Soll-Ausgangsleistung E1 des Generators 4 subtrahiert
und ein Differenzwert E1–E0
bestimmt. Um die Antwort-Charakteristik zufriedenstellend für diesen
Differenzwert E1–E0
zu machen, wird ein CSO erzeugt, indem ein integralen Bestandteil
zu einem PI-Abschnitt 10 addiert wird und einem Begrenzer 11 zugeleitet
wird. In diesem Begrenzer 11 wird der CSO Wert mit L verglichen,
und wenn der CSO kleiner ist als L, wird der CSO von dem Papier
Abschnitt 10 so ausgegeben, wie er ist; wenn aber der CSO
größer ist
als L, wird der CSO ausgegeben, der äquivalent zu L ist.
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Wenn
ein Differentialdruck Pd zwischen dem Innendruck und dem Außendruck
einer IGV 5, gemessen mittels einer Differentialdruck-Messeinrichtung 24,
und eine Öffnung
k eines Verbrenner-Bypassventils 8 einem Luftdurchflussmengen-Steuerungsabschnitt 14 zugeleitet
werden, wird außerdem eine
Durchflussmenge G3 von Luft beschafft, die dem Verbrenner 3 von
einem Kompressor 1 mittels des Verbrenner-Bypassventils 8 zugeleitet
wird. Zusammen mit der Luftdurchflussmenge G3, bestimmt mittels
dieses Luftdurchflussmengen-Bearbeitungsabschnitts 14,
werden dann eine Brennstoffdurchflussmenge Gf, eine Brennstofftemperatur
Tf und eine Lufttemperatur T3, gemessen mittels eines Durchflussmengen-Messabschnitts 21 bzw.
mittels Temperaturmessabschnitten 22 und 23, einem
Turbineneinlasstemperatur-Bearbeitungsabschnitt 15 zugeleitet.
In diesem Turbineneinlasstemperatur-Bearbeitungsabschnitt 15 wird
eine Turbineneinlasstemperatur T4 bestimmt auf der Grundlage einer
Transferfunktion, ausgedrückt
durch die Gleichung (2), die sich aus einer Gleichung (1) ergibt. Cp4 Vcb γ 4 Δ(dT4/dt) = Cpf Gf Tf + Cp3 G3
T3 + η Hf
Gf – Cp4
G4 T4 (1) T4(s) = Cpf Gf(s) Tf(s) +
Cp3 G3(s) T3(s) + η Hf Gf(s))/(Cp4
G4(s) + Cp4 Vcb γ 4
s) (2)
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Hierbei
ist Cp3 eine spezifische Wärme
eines Gehäuses
eines Verbrenners 3; Cp4 eine spezifische Wärme des
Verbrennungsgases; Cpf eine spezifische Wärme eines Brennstoffs; η eine thermische
Effizienz eines Verbrenners 3; Hf eine Wärmemenge
des Brennstoffs; γ4
das spezifische Gewicht von Brennstoffgas; Vcb ein Volumen eines
Verbrenners; und G4 eine Durchflussmenge des Turbineneinlass-Verbrennungsgases
(= G3 + Gf). Außerdem sind
G3(s), T3(s), G4(s), Gf(s) und Tf(s) Funktionen von s, und jede
ist eine Funktion, welche sich abhängig von gemessenen Werten
verändert.
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Hierbei
drückt
die Gleichung (1) das dynamische Verhalten einer Turbineneinlasstemperatur
aus. Der erste Teil der rechten Seite der Gleichung stellt die thermische
Energie dar, die Brennstoffgas hat. Ein zweiter Teil der rechten
Seite der Gleichung repräsentiert
die thermische Energie der einströmenden Luft. Ein dritter Teil
der rechten Seite der Gleichung steht für die thermische Energie, die
durch die Verbrennung erzeugt wird. Ein vierter Teil der rechten Seite
der Gleichung steht für
die Energie, welche notwendig ist, um das Verbrennungsgas auf die
momentane Turbineneinlasstemperatur T4 zu bringen. Die linke Seite
der Gleichung steht für
eine Veränderung der
thermischen Energie aufgrund des Verbrennungsgases mit Bezug auf
eine Veränderung
der Turbineneinlasstemperatur T4. Demzufolge bedeutet, wenn die
rechte Seite der Gleichung positiv ist, dass Energie, die von dem
Verbrenner 3 zugeleitet wird, höher ist als eine Energie, die
notwendig ist, um die momentane Turbineneinlasstemperatur T4 zu
erreichen. Wenn dagegen die rechte Seite der Gleichung negativ ist,
bedeutet dies, dass eine von dem Verbrenner 3 zugeleitete
Energie geringer ist als die Energie, die notwendig ist, um die
momentane Turbineneinlasstemperatur T4 zu erreichen.
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Der
Wert der Turbineneinlasstemperatur T4, der bestimmt wird in einem
Turbineneinlasstemperatur-Bearbeitungsabschnitt 15 auf
der Basis einer Transferfunktion der Gleichung (2), wird einem Vorsteuerverhältnis-Bearbeitungsabschnitt 16,
einem Bypassventilöffnungs-Bearbeitungsabschnitt 17 und einem
IGV-Öffnungs-Bearbeitungsabschnitt 18 zugeleitet.
Dann wird in dem Vorsteuerverhältnis-Bearbeitungsabschnitt 16 ein
Vorsteuerverhältnis
bestimmt auf der Grundlage der 2 und einem
Multiplikationsabschnitt 12 zugeleitet. Außerdem wird
in dem Bypassventilöffnungs-Bearbeitungsabschnitt 17 ein
Bypassventilsteuerungssignal bestimmt, das ein Wert auf der Basis
von 3 ist, um einem Verbrenner-Bypassventil 8 zugeleitet
zu werden. Außerdem wird
in dem IGV-Öffnungs-Bearbeitungsabschnitt 18 ein
IGV-Steuerungssignal, das ein Wert auf der Grundlage der 4 ist,
bestimmt und dem IGV 5 zugeleitet. Hier repräsentieren
die Abszissen in den 2 bis 4 eine Turbineneinlasstemperatur
T4. Wenn die Turbineneinlasstemperatur T4 hoch ist, wird in anderen
Worten das Vorsteuerverhältnis
gering, und wenn die Turbineneinlasstemperatur T4 einen vorbestimmten
Wert überschreitet,
wird eine Veränderung
gemacht, um nicht nur das Verbrenner-Bypassventil 8 zu
schließen,
sondern auch das IGV 5 zu öffnen.
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Ein
von dem Vorsteuerverhältnis-Bearbeitungsabschnitt 16 auf
die oben erwähnte
Art und Weise bestimmtes Vorsteuerverhältnis wird dem Multiplikationsabschnitt 12 zugeleitet,
um in diesem Multiplikationsabschnitt 12 wird das Vorsteuerverhältnis mit
dem CSO modifiziert, der von dem Begrenzer 11 zugeleitet
wird. Wenn das Vorsteuerverhältnis
P ist, wird nun ein Vorsteuer-Brennstoffsteuerungssignal, das gleich
einem Wert P Δ CSO
ist, von dem Multiplikationsabschnitt 12 ausgegeben und
einem Subtraktionsabschnitt 13 und einem Vorsteuer-Brennstoffsteuerungsventil 7 zugeleitet.
Weil dieses Vorsteuer-Brennstoffsteuerungssignal dem Subtraktionsabschnitt 13 zugeleitet
wird, wird durch Subtrahieren des Vorsteuer-Brennstoffsteuerungssignals von
dem von dem Begrenzer 11 zugeleiteten CSO in dem Subtraktionsabschnitt 13 ein
Hauptbrennstoff-Steuerungssignal von dem Subtraktionsabschnitt 12 berechnet,
das äquivalent
(1 – P)ΔCSO ist, und
dem Hauptbrennstoff-Steuerungsventil 6 zugeleitet.
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Indem
die Verbrennersteuerung 20 auf die oben erwähnte Art
und Weise betrieben wird, ist es möglich, den Verbrennungszustand
eines Verbrenners 3 auf der Grundlage der Turbineneinlasstemperatur
T4 zu steuern. In anderen Worten wird, wenn die Turbineneinlasstemperatur
T4 hoch ist, durch Öffnen
der IGV 5 sowie durch Schließen des Verbrenner-Bypassventils 8 die
Durchflussmenge der in den Verbrenner 3 einströmenden Luft
erhöht,
um dadurch das Brennstoff-Luft-Verhältnis zu
vermindern. Durch Öffnen
des Hauptbrennstoff-Steuerungsventils 6 und Schließen des
Vorsteuer-Brennstoffsteuerungsventils 7 kann
außerdem
das Vorsteuerverhältnis
vermindert werden, um so die Menge des ausgestoßenen NOx zu
beschränken,
das zu Zeiten einer hohen Belastung erzeugt wird.
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Wenn
die Turbineneinlasstemperatur T4 gering ist, ist es nicht nur durch
Schließen
der IGV 5, sondern auch durch Öffnen des Verbrenner-Bypassventils 8 möglich, die
Durchflussmenge der Luft zu erhöhen,
die in den Kompressor 3 einströmt, um so das Brennstoff-Luft-Verhältnis zu
erhöhen.
Durch nicht nur Schließen
des Hauptbrennstoff-Steuerungsventils 6,
sondern auch Öffnen
des Vorsteuer-Brennstoffsteuerungsventils 7 ist
es außerdem auch
möglich,
das Vorsteuerverhältnis
zu erhöhen, um
so eine Verbrennungsschwingung zu beschränken, die zu Zeiten einer geringen
Belastung erzeugt wird, und eine stabile Verbrennung zu schaffen.
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In
einer Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung wird außerdem
eine Turbineneinlasstemperatur T4 bestimmt auf der Basis einer Transferfunktion
in der Gleichung (2) in einem Turbineneinlasstemperatur-Bearbeitungsabschnitt 15.
Es kann jedoch eine in 5 dargestellte Konstruktion verwendet
werden. Der in 5 dargestellte Turbineneinlasstemperatur-Bearbeitungsabschnitt 15 ist so
aufgebaut, dass er auf der unten stehenden Gleichung (3) basiert.
In der Gleichung (3) ist T4 eine momentane Turbineneinlasstemperatur,
T4k eine Turbineneinlasstemperatur aus einer vorhergehenden Berechnung, Δt eine Zeit,
zu der gemessene Werte von dem Messabschnitten 22 bis 24 zugeleitet
werden. Außerdem
wird die momentane Turbineneinlasstemperatur T4 als Gleichung (4)
mittels der Gleichung (3) ausgedrückt. Cp4 Cdb γ 4Δ(T4 – T4k)/Δt = Cpf Gf
Tf + Cp3 G3 T3 + η Hf
Gf – Cp4
G4 T4 (3) T4 = ((Cpf Gf Tf + Cp3 G3
T3 + η Hf
Gf) Δ Δt + Cp4 Vcb γ 4 Δ T4k)/(Δt Cp4 G4
+ Cp4 Vcb γ 4) (4)
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In 5 wird,
nachdem eine Brennstofftemperatur Tf und eine Brennstoffdurchflussmenge
Gf in dem Multiplikationsabschnitt 31 multipliziert worden sind,
eine als eine Konstante dienende spezifische Wärme des Brennstoffs Cpf in
dem Multiplikationsabschnitt 32 multipliziert; und nachdem
die Lufttemperatur T3 und die Luftdurchflussmenge G3 in dem Multiplikationsabschnitt 33 multipliziert
worden sind, wird auch eine als eine Konstante dienende spezifische Wärme des
Gehäuses
Cp3 des Verbrenners 3 in dem Multiplikationsabschnitt 34 multipliziert.
Außerdem wird
die Brennstoffdurchflussmenge Gf mit einem Wert η Δ Hf multipliziert, welcher multipliziert
wird mit der Wärmeeffizienz η und der
Wärmemenge
des Brennstoffs Hf des Verbrenners 3, die als Konstanten dienen,
in dem Multiplikationsabschnitt 36. Nachdem die Werte,
die von den Multiplikationsabschnitten 32 und 34 beschafft
werden, in dem Additionsabschnitt 35 addiert worden sind,
werden der von diesem Additionsabschnitt 35 bestimmte Wert
und der von dem Multiplikationsabschnitt 36 bestimmte Wert
in dem Additionsabschnitt 37 addiert.
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Der
von dem Additionsabschnitt 37 wie oben beschrieben gelieferte
Wert (Cpf Gf Tf + Cp3 G3 T3 + η Hf
Gf) wird mit der Zeit Δt,
die als Konstante dient, in dem Multiplikationsabschnitt 38 multipliziert.
Außerdem
beinhaltet ein Speicher 30 eine Turbineneinlasstemperatur
T4k, die sich aus einer vorangehenden Berechnung ergeben hat, und
wenn diese Turbineneinlasstemperatur T4k dem Multiplikationsabschnitt 39 zugeleitet
wird, werden die spezifische Wärme
Cp4 von Brennstoffgas, die als Konstante dient, das Volumen Vcb
als Verbrennungsgas 3 und das spezifische Gewicht γ4 des Verbrennungsgases multipliziert.
In dem Additionsabschnitt 40 wird dann ein Wert (Cpf Gf
Tf + Cp3 G3 T3 + η Hf
Gf)Δ Δt, bestimmt
von dem Multiplikationsabschnitt 38, einem von dem Multiplikationsabschnitt 39 bestimmten
Wert hinzu addiert.
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Nachdem
in dem Additionsabschnitt 41 die Brennstoffdurchflussmenge
Gf und die Luftdurchflussmenge G3 addiert worden sind, so dass die
Turbineneinlass-Verbrennungsgas-Durchflussmenge G4
bestimmt worden ist, wird dann diese Turbineneinlass-Verbrennungsgas-Durchflussmenge
G4 mit einem Wert der Zeit Δt
multipliziert, die als Konstante dient, multipliziert mit der spezifischen
Wärme Cp4 des
Verbrennungsgases in dem Multiplikationsabschnitt 42. In
dem Additionsabschnitt 43 wird dann der Multiplikationswert
aus der spezifischen Wärme Cp4
von Brennstoffgas, die als Konstante dient, einem Volumen Vcb des
Verbrenners 3 und des spezifischen Gewichts γ4 des Verbrennungsgases
einem Wert hinzuaddiert, der von dem Multiplikationsabschnitt 42 bestimmt
worden ist.
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Wenn
ein Wert A = ((Cpf Gf Tf + Cp3 G3 T3 + η Hf Gf) Δ Δt + Cp4 Vcb γ4 Δ T4k), bestimmt von einem Addierer 40,
und ein Wert B = (Δt
Cp4 G4 + Cp4 Vcb γ4),
bestimmt von dem Additionsabschnitt 43, dem Subtraktionsabschnitt 44 zugeleitet
werden, wird A/B berechnet, um so die momentane Turbineneinlasstemperatur
T4 zu bestimmen. Dann wird die bestimmte Turbineneinlasstemperatur
T4 einem Vorsteuerverhältnis-Bearbeitungsabschnitt 16 zugeleitet,
einem Bypassventilöffnungs-Bearbeitungsabschnitt 17 und
einem IGV-Öffnungs-Bearbeitungsabschnitt 18 und
in dem Speicher 30 untergebracht als Turbineneinlasstemperatur
T4k.
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Hier
ist ein Turbineneinlasstemperatur-Bearbeitungsabschnitt 15 nicht
auf ein Konstruktionsbeispiel beschränkt, wie es in 5 dargestellt
ist, sondern er kann auch auf andere Art und Weise aufgebaut sein,
solange die Turbineneinlasstemperatur T4 auf der Grundlage einer
Funktion in der Gleichung (1) bestimmt werden kann. Außerdem wird
die Durchflussmenge G3 von Luft, die einem Verbrenner 3 zugeleitet
wird, bestimmt auf der Basis eines Differentialdruck Pd von Luft,
die in einen Kompressor 1 einströmt, und eine Öffnung k
eines Verbrenner-Bypassventils 8, kann aber auch direkt
mittels eines Durchflussmessers gemessen werden, der in einem Kanal zum
Zuleiten von Luft von dem Verbrenner 3 montiert ist.
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Gewerbliche
Anwendbarkeit
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Wie
oben beschrieben, ist es mit Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung, weil es in einem Turbineneinlasstemperatur-Bearbeitungsabschnitt
möglich
ist, eine Turbineneinlasstemperatur auf der Grundlage einer Durchflussmenge
und die Temperatur von Brennstoff bzw. Luft zu bestimmen, die einem
Verbrenner zugeleitet werden, möglich, eine
Turbineneinlasstemperatur zu bestimmen, die der tatsächlichen
Temperatur relativ nahe kommt. Weil der Verbrennungszustand eines
Verbrenners auf der Grundlage dieser Turbineneinlasstemperatur gesteuert
wird, ist es außerdem
möglich,
dessen Antwort zu verbessern. Anders als herkömmlich ist es außerdem,
weil der Verbrennungszustand eines Verbrenners nicht auf der Grundlage
einer Generator-Ausgangsleistung
gesteuert wird, möglich,
den Verbrennungszustand so zu steuern, dass er stets bei einem optimalen
Verbrennungszustand gehalten wird, und zwar unabhängig von
Störungen
des elektrischen Energiesystems und einer Veränderung in dem Zustand einer
Dampfturbine, die an der gleichen Welle angebracht ist wie eine
Gasturbine.
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ZUSAMMENFASSUNG:
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Der
Turbineneinlasstemperatur-Bearbeitungsabschnitt (15) bestimmt
die Turbineneinlasstemperatur (T4) auf der Grundlage der Durchflussmenge
(Gf) und der Temperatur (Tf) des Brennstoffs, der einem Verbrenner
(3) zugeleitet werden soll, und der Durchflussmenge (G3)
und der Temperatur (T3) von Luft. Auf der Grundlage dieser Turbineneinlasstemperatur
(T4) wird in einem Vorsteuerverhältnis-Bearbeitungsabschnitt
(16) ein Vorsteuerverhältnis
gesetzt, und in einem Bypassventilöffnungs-Bearbeitungsabschnitt
(17) und einem IGV-Bearbeitungsabschnitt (18)
werden ein Bypassventil-Steuerungssignal
bzw. ein IGV-Steuerungssignal erzeugt.