DE2916629A1

DE2916629A1 - Nicht-lineare zweifach-regelschaltung

Info

Publication number: DE2916629A1
Application number: DE19792916629
Authority: DE
Inventors: Raymond Thomas Girard; Daniel Johnson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1978-04-25
Filing date: 1979-04-25
Publication date: 1979-10-31
Also published as: IT1112868B; FR2424414B1; NL7903120A; JPS54158507A; FR2424414A1; US4188781A; IT7922005A0; GB2019618A; GB2019618B; JPS6331653B2

Description

Nicht-J inearu Zwe i fach-Regelsohaltung

Die Erfindung bezieht sieh auf Regel syst erne auf Gasturbinengeneratoren und insbesondere auf eine Regelanordnung für eint" verbesserte Frequenzregelung unter variierenden Lastzuständen.

Einer der Hauptvorteile der Verwendung von Gasturbinengeneratoren in Dampfturbinen- und Gasturbinen-Kraftwerken ist das Vermögen der Gasturbine, schnell auf Laständerungen anzusprechen, um so die Netzfrequenz im wesentlichen konstant zu halten. Um einen gewünschten Prozentsatz an frequenzregelung zu bewirken, beispielsweise ¹I %y muß das Turbinenregelsystem die Brennstoff strömung zur Turbine in einer vorgewählten oder programmierten Weise als eine Punktion von Änderungen in der Netzfrequenz verändern. Leider benötigt jedoch in bestimmten Situationen, wie große Änderungen in der Frequenz des Systems, die vorprogrammierte Belastung oder Entlastung einer Gasturbine einen unerwünscht langen Zeitraum, bevor die Systemfrequenz innerhalb der gewünschten Regelgrenzen wieder hergestellt ist.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Regelschaltung zu schaffen, die schneller auf Frequenzabweichungen oberhalb einer vorgewählten Abweichung anspricht.

Weiterhin soll eine zweifache Regelung der Systemfrequenz geschaffen werden in Abhängigkeit von dem Ausmaß der Abweichung von der Sollfrequenz des Systems. Erfindungsgemäß wird, kurz gesagt, eine Regelschaltung geschaffen, die Drehzahlabweichungen eines Gasturbinengenerators abtastet und ein nicht-lineares Drehzahl-Steuersignal an die Brennstoffregelung der Turbine liefert, um schnell eine im wesentlichen konstante Drehzahl der Turbine wieder herzustellen.

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Gemäß einem Ausfuhrungubel^pi ei viel' Erfin<!ung wird ein Fehl ei— signal, das die Differenz ",wischen, der tst-Turbinendrehzahl und einem Solldrehzahlsignai darstellt, einem BegrenzurigsverstärKer zugeführt, der Fehlersignale oberhalb eines vorgewählten Sehwellwertes begrenzt und das begrenzte Gignal dem Fehlersignal hinzuaddiert, um dadurch ein nicht-lineares Drehzahlsteuersignal au bilden, das die Brennstoffzufuhr zur Turbine immer dann vergrößert oder verkleinert, wenn die Abweichung in der Turbinendrehzahl oberhalb oder unterhalb des gewählten Schwellwertes ist.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Figur 1 ist ein vereinfachtes Funktionsbild der Regelanordnung bei Verwendung bei einem einzelnen Gasturbinengenerator.

Figur 2 ist ein schematisches elektrisches Schaltbild von dem Drehzahl-Regelabschnitt der in Figur 1 gezeigten Regelanordnung.

Figur 3 ist ein Kurvenbild und zeigt eine typische Charakteristik für ein nicht-lineares Brennstoffregelsignal.

Figur 4 ist eine graphische Darstellung und zeigt eine Frequenzänderung des Systems als eine Funktion der Turbinenlast.

Figur 1 zeigt schematisch eine Gasturbine 10 mit einem Kompressor 11, einer Brennkammer 12 und einer Turbine 13, die zum Antrieb eines Generators 14 verbunden ist. In den Kompressoreinlaß eintretende Luft unterstützt die Verbrennung des in die Brennkammer 12 eingespritzten Brennstoffes, wodurch erhitzte Gase durch die Turbine 13 hindurchtreten, um dadurch eine Drehung der Turbinenwelle und somit des Generators 14 zu bewirken. Die durch den Generator 14 erzeugte elektrische Leistung wird über Schalter 15 auf das Netzsystem gegeben.

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Figur 1 stellt auch ein Ciasturbinen-Regelsystem l'( zum Regeln der Gasturbine 10 dar, das in der US-PS 3 520 133 näher beschrieben ist. Kurz gesagt, umfaßt das Regelsystem 17 mehrere geschlossene Regelkreise, wie beispielsweise eine Temperaturregelung 18, eine Drehzahl- und Lastregelung 19 und eine Beschleunigungsregelung 20. Weiterhin ist eine Regelung 21 zum Hochfahren vorgesehen, die auf verschiedene, normalerweise beim Hochfahren auftretende Ereignisse anspricht, wie beispielseweise das Erreichen der Zünddrehzahl und der Abtastung von Flammen in den Brennkammern. Die verschiedenen Regler signalisieren die Größe der Brennstoffströmüng gemäß dem durch jeden entsprechenden Regler begrenzten Parameter, und ein Minimalwertgatter 25 selektiert das kleinste Brennstoffströmungssignal und führt dieses dem Brennstoffregler 30 zu. Wie in Figur 1 dargestellt ist, enthält das Turbinenregelsystem einen Drehzahlfühler 32, der die Drehzahl der Turbinenwelle abtastet und ein elektrisches Signal mit einer Amplitude erzeugt, die der Turbinendrehzahl direkt proportional ist. Das Turbinendrehzahlsignal wird als eine Eingangsgröße der Drehzahl- und Lastregelung 19* der Beschleunigungsregelung 20 und der Anlaufsteuerung 21 zugeführt, wie es in Figur 1 dargestellt ist. Die Temperaturregelung 18 wird andererseits mit Eingangsgrößen von dem Abgasstutzen 35 versehen, der die heißen Turbinenabgase von der Turbine führt.

Die Ausgangssignalcharakteristiken von jedem der Regler 18 bis sind schematisch in Figur 1 dargestellt. Wie vorstehend bereits erwähnt wurde, selektiert das Minimalwertgatter 25 das kleinste Brennstoffströmungssignal und führt dieses dem Brennstoffregler 30 zu. Da die vorliegende Erfindung vorwiegend auf die Frequenzregelung durch Regelung der Turbinenbrennstoffzufuhr gerichtet ist, werden das Starten der Turbine oder die Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Regelkreisen nicht weiter erläutert.

In Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Drehzahl- und Lastregelung 19 dargestellt. Das Drehzahlsignal von dem Wandler 32 wird einer Eingangsimpedanz 41 zugeführt, die mit dem Eingang des Operationsverstärkers 42 verbunden ist. In ähnlicher Weise

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wird eine Spannung, die die synchrone Drehzahl (d. h. 100 % Drehzahl) darstellt, wie sie beispielsweise durch einen externen Steuerknopf ausgewählt und durch die Bezeichnung V_ dargestellt ist, einer zweiten Eingangsimpedanz 43 zugeführt, die mit dem gleichen Eingang des Operationsverstärkers 42 verbunden ist. Die "Vorwärtsverstärkung des Operationsverstärkers 42 ist einstellbar und ist durch das Verhältnis der Rückkopplungsimpedanz 44 und den Eingangsimpedanzen 41 und 43 festgelegt. Der Operationsverstärker 42 arbeitet als eine Vergleichseinrichtung und liefert ein Ausgangssignal mit einer Größe und einem Sinn proportional zur Differenz zwischen den zwei Eingangssignalen. Wie aus der folgenden detaillierten Beschreibung noch deutlicher werden wird, bildet die Verstärkung des Operationsverstärkers 42 in Verbindung mit dem nachfolgenden Operationsverstärker 45 (der in Abhängigkeit von der gesamten gewünschten Verstärkung notwendig sein kann oder nicht) die Verstärkung der Regelanordnung und stellt somit die Abfallcharakteristik der Turbine ein, d. h. die Tendenz des Abfalles der Turbinendrehzahl bei einer Lasterhöhung. Beispielsweise können die vereinigten Verstärkungen der Verstärker 42 und 45 auf etwa 12 eingestellt sein.

Der Ausgang des Operationsverstärkers 45 ist über eine Impedanz 50 mit dem Eingang eines Operationsverstärkers 46, der in einer noch zu beschreibenden Weise als eine Begrenzungseinrichtung wirkt, und über eine Impedanz 58 mit dem Eingang eines zweiten Operationsverstärkers 47 verbunden, der eine Summierungsfunktion ausübt. Der Operationsverstärker 46 enthält neben einer Eingangsimpedanz 50 und einer Rückkopplungsimpedanz 51 ferner zwei Dioden 52 und 53 und zugehörige Vorspannelemente 54 bzw. 55. Die Funktion der Dioden 52 und 53 in Verbindung mit den Vorspannelementen 54 und 55 besteht darin, die Größe der Ausgangsspannung aus dem Operationsverstärker 46 auf einen Wert zu begrenzen, der durch die Vorspannelemente 54 und 55 ausgewählt ist. Für den hier beschriebenen Anwendungsfall ist der Operationsverstärker 46 mit einer Einheitsverstärkung versehen durch Einstellung der Impedanzen 50 und 51 j und die Ausgangsgröße des Verstärkers 46 ist im wesentlichen eine lineare Funktion der Eingangsgröße, bis

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die Begrenzung^- oder ouhwellwerte, die durch die Dioden 52 und 53 und die Vorspannelemente 54 und 55 festgelegt sind, überschritten werden. An diesem Punkt bleibt die Ausgangsgröße des Operationsverstärkers 46 auf einem konstanten Wert.

Wie weiterhin in Figur 2 dargestellt ist, ist der Ausgang des Operationsverstärkers 46 mit einer Eingangsimpedanz des Operationsverstärkers 47 verbunden. Die Verstärkung des Operationsverstärkers 47 ist durch das Verhältnis der Rückkopplungsimpedanz 61 und der Eingangsimpedanz 60 festgelegt. Der Rückkopplungsimpedanz 61 ist ein RC-Glied 62 mit einer so ausgewählten Zeitkonstanten parallel geschaltet, daß die gewünschte Signaldämpfurig erhalten wird, um einen stabilen Betrieb des Systems sicherzustellen. Der Ausgang des Verstärkers 47 ist über eine"Impedanz 66 mit dem Eingang eines Verstärkers 65 verbunden. Weiterhin ist mit dem gleichen Eingang über eine Impedanz 67 das Sollwert signal Vp für die synchrone Drehzahl und über eine Impedanz 68 das Drehzahlsignal vom Wandler 3^ verbunden. Weiterhin wird dem gleichen Eingang über eine Impedanz 69 ein D2^jehzahl-Last-Sollwertsignal zugeführt, das die gewählte Solldrehzahl darstellt. Eine ausführlichere Beschreibung des Sollwertsignales ist in der eingangs genannten US-PS 3 520 133 gegeben.

Figur 3 stellt ein Beispiel der Ausgangsspannungscharakteristik aus der Drehzahl- und Lastregelschaltung 19 als eine Funktion von Drehzahlabweichungen der Turbinenwelle dar. Beispielsweise wird zwischen 99)5 und 100, 5 % der Nenndrehzahl die Ausgangsspannungscharakteristik V beispielsweise durch ein Spannungssignal mit einer ersten Steigung wiedergegeben. Wenn jedoch die Turbinenwellendrehzahl entweder größer oder kleiner als diese Werte ist, nimmt die Ausgangsspannung V mit einer wesentlichen größeren Geschwindigkeit und somit einer größeren Steigung zu. Diese nicht-lineare Spannung wird der Brennstoffregelung 30 (wie sie in Figur 1 dargestellt ist) zur Vergrößerung oder Verkleinerung der Brennstoffzufuhr gemäß den Abweichungen von der Solldrehzahl zugeführt. Eine nicht-lineare Charakteristik der in Figur 3 dargestellten Art ist besonders wünschenswert zur

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Herbeiführung schneller Änderungen in der Turbinendrehzahl, um schnelle Laständerungen des Generators und auch schnelle Änderungen in der Ausgangsleistung der Turbine bei Netzfrequenzänderungen zu kompensieren. Wenn beispielsweise nur kleinere Laständerungen auftreten, d.. h. Änderungen, die eine Wellendrehzahländerung von weniger als dem gewählten Schwellwertprozentsatz erzeugen, variiert die Brennstoffsteuerspannung V mit einer kleineren Geschwindigkeit bzw. Steigung, um diese Drehzahländerung zu kompensieren. Wenn andererseits eine größere Änderung als der gewählte Schwellwertprozentsatz abgetastet wird, wird die Geschwindigkeit der Änderung der Brennstoffsteuerspannung V wesentlich vergrößert, um die wesentliche Abweichung in der Turbinendrehzahl schneller zu korrigieren.

Figur 4 stellt die Wirkung der oben beschriebenen Regelschaltung auf die Frequenzregelung eines typischen Kraftsystems dar. Bei 50 % Last an der Gasturbine und 4 % Regelung oder Abfall (ohne duale Regelung gemäß der vorliegenden Erfindung) wird, wenn die Turbinendrehzahl zwischen 98 und 102 % der synchronen Drehzahl variiert, eine Korrektur gemäß der 4 % Regelkurve herbeigeführt. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden jedoch Frequenzabweichungen von weniger als beispielsweise 0,5 % gemäß der 4 $-Regelkurve korrigiert, wogegen Frequenzabweichungen von mehr als 0,5$ gemäß der 1 % Regelkurve korrigiert werden. Somit wird deutlich, daß jede wesentliche Abweichung in der Turbinendrehzahl durch Verwendung der vorliegenden Erfindung schneller korrigiert wird als durch die Verwendung eines Reglers mit einer linearen Charakteristik, wie es für bekannte Anordnungen typisch ist.

Weiterhin wird deutlich, daß der Knickpunkt, an dem die Regelung von 4 % auf 1 % umschaltet, durch den Begrenzungspunkt des Operationsverstärkers 46 festgelegt ist. In ähnlicher Weise werden das Maß oder die Steigung der 4 %- und auch der 1 $-Regelkurven durch die Vorwärtsverstärkung der Drehzahlsteuerschaltung bestimmt. Dabei vergrößert eine größere Verstärkung die Steigung

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der Steuerspannung V und bewirkt demzufolge eine stärkere Änderung in der Brennstoffströmung zur Turbine.

Zusammenfassend wird also eine verbesserte Drehzahl- und Laststeuerschaltung beschrieben, die das Ansprechverhalten einer Gasturbine auf Frequenzänderungen, die durch Laständerungen herbeigeführt werden, wesentlich verbessert.

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Leerseite

Claims

Ansprüche

1. >. Nicht-linear-e Regelschaltung für ein Turbinengenerator-Regelsystem mit Mitteln zur Steuerung der Brennstoff strömung zur Turbine gemäß einem elektrischen Brennstoff-Befehlssignal, gekennzeichnet durch Mittel (42) zur Lieferung eines Differenzsignales, das der Differenz zwischen einem der synchronen Drehzahl proportionalen Sollwert signal" imd einem der Ist-Turbinendrehzahl proportionalen Signal proportional ist,

eine Begrenzungseinrichtung (45), die auf das Differenzsigrial anspricht und ein Ausgangssignal liefert, das unterhalb eines vorgewählten Schwellwertes dem Differenzsignal und oberhalb des vorgewählten Schwellwertes einem in der Größe begrenzten Signal proportional ist,

einen ersten Summierverstärker (47), der das Dif ferenzsigrial und das Ausgangssignal aus der Begrenzungseinrichtung (45) summiert, und

einen zweiten Summierverstärker (65), der das Ausgangssignal aus dem ersten Summierverstärker (47) und das der Ist-Turbinendrehzahl proportionale Signal summiert zur Lieferung des Befehlssignales, das bei einem Ausgangssignal oberhalb des Schwellwertes eine Brennstoffströmung mit höherer Geschwin-

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digkeit ermöglicht als bei einem Ausgangssignal unterhalb des Schwellwertes.

2. Regelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet j daß das Befehlssignal unterhalb des Schwellwertes eine Brennstoffströmung bei einer Geschwindigkeit ermöglicht, die durch eine 4 % Drehzahländerung von Leerlauf bis Vollast des Gasturbinengenerators festgelegt ist.

3. Regelschaltung nach Anspruch I₅ dadurch gekennzeichnet , daß das Befehlssignal oberhalb des Schwellwertes eine Brennstoffströmung mit einer Geschwindigkeit ermöglicht, die durch eine 1 % Drehzahländerung von Leerlauf bis Vollast des Gasturbinengenerators festgelegt ist.

4. Regelschaltung nach Anspruch I₃ dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel (42) zur Lieferung eines Differenzsignales einen Operationsverstärker umfassen, dessen Eingängen das Sollsignal und das Turbinendrehzahlsignal zugeführt ist.

5. Regelschaltung zum Abtasten von Drehzahlabweichungen eines Turbinengenerators und zur Lieferung eines nicht-linearen Brennstoffsteuersignales zur Turbine zum Regeln der Turbinendrehzahl, gekennzeichnet durch eine Vergleichseinrichtung zur Lieferung eines Ausgangsdifferenzsignales mit einer Größe und einem Sinn proportional zur Differenz zwischen einem der Drehzahl des Turbinengenerators proportionalen Signal und einer Solldrehzahl,

auf das Ausgangsdifferenz signal ansprechende Verstärkermittel zur Lieferung eines Ausgangssignales proportional zu dem Differenzsignal unterhalb eines vorgewählten Schwellwertes und einem in der Größe begrenzten Signal oberhalb des vorgewählten Schwellwertes, und

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Mittel zum Summieren des Ausgangs-Dif l'ererissigriales, den Ver— stärkerausgangssignales und des der Drehzahl proportional on Signales zur Lieferung des nicht-linearen Brennstoffsteuer— signales, das eine erste im wesentlichen konstante Steigung für Drehzahlabweichungen unterhalb des vorgewählten Schwellwertes und eine zweite, wesentlich größere Steigung für- Drehzahlabweichungen oberhalb des vorgewählten Schwellwertes aufweist .

6. Regelschaltung nach Anspruch 5₃ dadurch gekennzeichnet , daß die Verstärkermittel den vorgewählten Schwellwert festlegen.

7. Regelschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der vorgewählte Schwellwert eine Drehzahl ab weichung von etwa +_ 0,5 % von einer synchronen Drehzahl darstellt.

8. Regelschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Summiermittel eine erste Summiereinrichtung zum Summieren des Ausgangsdifferenzsignales und des Verstärkerausgangssignales und eine zweite Summiereinrichtung umfassen zum Summieren der Ausgangsgröße der ersten Summiereinrichtung und des der Drehzahl proportionalen Signals zur Lieferung des Brennstoffsteuersignales.

9. Regelschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß das Brennstoffsteuersignal

eine erste, im wesentlichen konstante Steigung besitzt derart, eine

daß die Turbine/erste Frequenzregelung von einem ersten Prozentsatz für Abweichungen in der Turbinendrehzahl unterhalb des vorgewählten Schwellwertes aufweist.

10. Regelschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß das Steuersignal eine zweite, wesentlich größere Steigung besitzt derart, daß die Turbine eine Frequenzregelung von einem zweiten Prozentsatz aufweist, der kleiner als der erste Prozentsatz ist.

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