DE60208483T2

DE60208483T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Kraftstoffregelung von Gasturbinen

Info

Publication number: DE60208483T2
Application number: DE60208483T
Authority: DE
Inventors: Mitsubishi Heavy Industries Satoshi Takasago Tanaka
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-11-13
Filing date: 2002-10-29
Publication date: 2006-08-31
Anticipated expiration: 2022-10-30
Also published as: CA2408704A1; CN1419043A; JP3881871B2; JP2003148169A; EP1310647A1; US7047747B2; DE60208483D1; EP1310647B1; CA2408704C; US20030093184A1; CN1230612C

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1) Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Technologie zum Steuern bzw. Regeln von Kraftstoff für eine Gasturbine durch Wiedergeben von Änderungen eines Drucks einer Gasturbinen-Brennkammer, einer Ausgangsleistung eines Generators und einer gesteuerten Ausgangsleistung für ein Strömungsraten-Steuerventil bei einem Anhebebetrag eines Drucksteuerventils.
2) Beschreibung des Standes der Technik
5 ist ein Blockdiagramm zur Darstellung eines herkömmlichen Verfahrens zum Steuern von Kraftstoff für eine Gasturbine. Eine Rohrleitung 52, die einer Gasturbine 51 Kraftstoff zuführt, ist in einem Bereich von einer Kraftstoffsteuerquelle 53 zu der Gasturbine 51 vorgesehen. Diese Rohrleitung 52 ist mit einem Temperatursteuerventil 54, einem Drucksteuerventil 55 und einem Strömungsratensteuerventil 56 versehen. Diese Ventile stellen die Strömungsrate des in der Rohrleitung 52 strömenden Kraftstoffs ein. Das Temperatursteuerventil 54 dient dazu, die Kraftstofftemperatur konstant zu halten. Das Drucksteuerventil 55 dient dazu, einen Differentialdruck zu steuern. Dies liegt daran, dass das Strömungsratensteuerventil 56 optimal gesteuert werden kann, wenn der Differentialdruck zwischen der stromaufwärten und der stromabwärtigen Seite des Strömungsratensteuerventils 56 konstant ist. Das Strömungsratensteuerventil 56 dient zum Drosseln der Strömungsrate des Kraftstoffs.
Das Temperatursteuerventil 54 wird durch Rückkopplungssteuerung gesteuert. D.h. eine Subtrahiereinheit erhält eine Abweichung zwischen einem Temperatur-Zielwert 57 zur Kraftstoffgaszufuhr und eine Kraftstoffgastemperatur, nachdem das Kraftstoffgas durch ein Heizelement 58 erwärmt worden ist. Die Abweichung wird einer Bearbeitung durch einen Proportional/Integral-Controller (PI-controller) 59 unterzogen, um eine gesteuerte Ausgangsleistung zu erhalten. Der Anhebebetrag des Temperatursteuerventils 54 wird basierend auf der gesteuerten Ausgangsleistung gesteuert. Desgleichen wird das Drucksteuerventil 55 durch Rückkopplungssteuerung gesteuert. D.h. die Abweichung zwischen einem Zielwert 60 eines Differentialdrucks über dem Strömungsratensteuerventil 56 und einem tatsächlichen Differentialdruck über dem Strömungsratensteuerventil 56 wird errechnet. Die Abweichung wird einer Bearbeitung durch einen Proportional/Integral/Differential-Controller (PID-Controller) 61 unterzogen, um dadurch den Anhebebetrag bzw. Hub zu steuern.
Auf ähnliche Weise wird das Strömungsratensteuerventil 56 durch Rückkopplungssteuerung gesteuert. D.h. eine Abweichung zwischen einem Last-Zielwert 63 eines Generators 62 ("Generatorlast-Zielwert"), der mit der Gasturbine 51 verbunden ist, und einer tatsächlichen Last 64 des Generators wird erhalten. Die Abweichung wird einer Verarbeitung durch einen PID-Controller 65 unterzogen. Die sich ergebende Abweichung wird in einen Anhebebetrag des Strömungsratensteuerventils 56 mittels gewünschter Konversionsfunktionen F × 1 (durch das Bezugssymbol 66 bezeichnet) und F × 2 (durch das Bezugssymbol 67 bezeichnet) umgewandelt, um dadurch den Anhebebetrag bzw. Hub zu steuern.
Der Stand der Technik weist jedoch die folgenden Nachteile auf. Falls sich ein Zufuhr-Gasdruck stark ändert, ändert sich der Differentialdruck über dem Strömungsratensteuerventil 56 eine Zeit lang. Außerdem wird, wenn die Ausgangleistung (Last) des Generators 62 plötzlich sinkt, das Strömungsratensteuerventil 56 gedrosselt. Es besteht jedoch ein zeitlicher Unterschied zwischen dem Abfall der Ausgangsleistung des Generators 62 und dem Drosseln des Strömungsratensteuerventils 56. Während dieser Zeit nimmt die verbrauchte Menge des Kraftstoffgases an der stromabwärtigen Seite des Strömungsratensteuerventils 56 ab und führt zu einer Erscheinung, dass der Druck des Kraftstoffs stromab des Strömungsratensteuerventils 56 ansteigt und der Differentialdruck über dem Strömungsratensteuerventil 56 rasch zunimmt.
Eine Änderung des Differentialdrucks über dem Strömungsratensteuerventil 56 bedeutet eine Änderung der der Gasturbine 51 zugeführten Wärme. Falls sich die zugeführte Wärme verändert, wird die Verbrennung einer Brennkammer unstabil und es kann eine Verbrennungsvibration auftreten und den Bruch der Brennkammer verursachen.
EP-B-0 377 292 offenbart ein integriertes Boost-Kompressor/Gasturbinen-Steuersystem, bei dem ein Kraftstoffgas-Boost-Kompressor den Kraftstoffgasdruck vor dem Zuführen des Kraftstoffgases zu den Gasturbinensteuerventilen verstärkt, nämlich das Stop-/Geschwindigkeitsverhältnis oder das Drucksteuerventil und das Gassteuerungs- oder Volumenventil, die ihrerseits der Gasturbine das Kraftstoffgas liefern. Druckabfälle über diesen Ventilen und damit Energiesteigerungs-Anforderungen werden durch Antrieb dieser Ventile auf eine voll geöffnete Position unter normalen Betriebsbedingungen und auch bei Einsatz der Ventile in ihrem normalen Steuermodus bei anderen Betriebsbedingungen wie dem Hochfahren und einem plötzlichen Lastabfall minimiert.
DE-A-195 18 634 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern der Kraftstoffzufuhr und der Verteilung in einem Gasturbinenmotor, bei dem ein durch eine zentrale Pumpe zugeführter Kraftstoff auf zwei oder mehr Teil-Kraftstoffströme verteilt wird, wobei jeder Teil-Kraftstoffstrom unabhängig von den anderen gesteuert werden kann. In jeder Teil-Kraftstoffstrom-Rohrleitung sind ein Drosselventil und ein Dosierventil, das auf der Basis eine Druckdifferentials gesteuert wird, der Reihe nach angeordnet, und eine Recheneinheit ist vorgesehen, welche die Pumparbeit gemäß dem Druckabfall an den einzelnen Drosselventilen steuert.
ABRISS DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern von Kraftstoff für eine Gasturbine bereitzustellen, die in der Lage sind, in geeigneter Weise ein Drucksteuerventil zu steuern, auch wenn die Wärmeeingabe in die Gasturbine verändert wird oder dgl., und ein Programm, das einen Computer veranlasst, das Kraftstoffsteuerverfahren auszuführen.
Das Gasturbinen-Kraftstoffsteuerverfahren gemäß einem Aspekt dieser Erfindung umfasst die Merkmale von Anspruch 1.
Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens und der Steuervorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Das Programm gemäß einem weiteren Aspekt dieser Erfindung, wie er in Anspruch 4 definiert ist, veranlasst einen Computer, irgendeines der Gasturbinen-Kraftstoffsteuerverfahren der Erfindung auszuführen.
Das Programm wird dazu verwendet, das Ziel-Drucksteuerventil und den Kraftstoff für die Gasturbine mittels eines Computers als Hardwarequelle zu steuern. Dieses Programm bildet ein Element des Computers durch einen Speicher bzw. eine Speicherung, die in dem Computer verwendet wird, oder durch ein Speichermedium wie z.B. eine flexible Platte, und dient dazu, Daten einzugeben, verschiedene Rechenvorgänge auszuführen und Daten auszugeben. Es ist dadurch möglich, das Gasturbinen-Kraftstoffsteuerverfahren mittels des Computers zu realisieren.
Die Gasturbinen-Kraftstoffsteuervorrichtung gemäß einem noch anderen Aspekt dieser Erfindung ist in Anspruch 5 definiert.
Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind im einzelnen in der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen dargelegt oder gehen aus diesen hervor.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
1 ein schematisches Diagramm, das ein Verfahren zum Steuern einer Strömungsrate von Kraftstoff für eine Gasturbine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
2A und 2B erläuternde Ansichten, die eine Steuervorrichtung erläutern, wobei 2A ein Funktionsblockdiagramm der Steuervorrichtung ist und 2B ein Blockdiagramm zur Darstellung der Hardware der Steuervorrichtung ist,
3 ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern eines Drucksteuerventils zeigt,
4 ein Blockdiagramm, das einen Prozessablauf von der Eingabe bis zur Ausgabe darstellt, und
5 ein Blockdiagramm, das ein herkömmliches Verfahren zum Steuern von Kraftstoff für eine Gasturbine zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es ist anzumerken, dass die vorliegende Erfindung nicht durch die zu erläuternde Ausführungsform eingeschränkt ist. Es ist ebenfalls anzumerken, dass die Bestandteile dieser Ausführungsform Bestandteile umfassen, die ein Fachmann einfach austauschen kann, oder solche, die im wesentlichen gleich sind.
1 ist ein schematisches Diagramm, das ein Verfahren zum Steuern einer Strömungsrate von Kraftstoff für eine Gasturbine in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Diese Ausführungsform ist die gleiche wie im Stand der Technik insofern, als ein Generator 2 mit einer Gasturbine 1 verbunden ist, eine Rohrleitung 4 in einem Bereich von einer Kraftstoffzuführquelle 3 zu der Gasturbine 1 vorgesehen ist und die Rohrleitung 4 mit Ventilen wie z.B. einem Temperatursteuerventil 5, einem Drucksteuerventil 6 und einem Strömungsratensteuerventil 7 versehen ist. Daher werden hier äquivalente Bestandteile nicht weiter erläutert. Da ferner auch die Steuerverfahren zum Steuern des Temperatursteuerventils 5 und des Strömungsratensteuerventils 7 die gleichen wie im Stand der Technik sind, werden diese Verfahren hier nicht erläutert.
Die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist durch ein Verfahren zum Steuern des Drucksteuerventils 6 gekennzeichnet. Im einzelnen erfasst ein Sensor einen Druck 9, der zum Zuführen von Kraftstoffgas ("Kraftstoffgaszuführdruck") verwendet wird und der stromauf des in der Rohrleitung 4 vorgesehen Drucksteuerventils 6 erfaßt wird, einen Druck 10 in einem Brennkammergehäuse ("Brennkammergehäusedruck") der Gasturbine 1, eine Ausgangsleistung 12 eines mit der Gasturbine 1 verbundenen Generators und eine gesteuerte Ausgangsleistung 14 für das Strömungsratensteuerventil 7, das basierend auf der Differenz zwischen einem Zielwert 13 einer Generatorlast und einer tatsächlichen Ausgangsleistung 12 eines Generators betrieben wird, wobei die erfassten Werte in eine Steuervorrichtung 8 eingegeben werden.
Außerdem wird ähnlich dem Stand der Technik ein Differentialdruck 15 zwischen dem stromaufwärtigen Punkt und dem stromabwärtigen Punkt des Strömungsratensteuerventils 7 ("Strömungsratensteuerventil-Differentialdruck") in die Steuervorrichtung 8 eingegeben. Ein Zielwert bzw. eine Zielgröße 16 des Strömungsratensteuerventil-Differentialdrucks wird ebenfalls in die Steuervorrichtung 8 eingegeben. Die Steuervorrichtung 8 führt eine gewünschte Rechenoperation basierend auf den eingegebenen Werten 9, 10, 12, 14, 15 und 16 durch und gibt einen Anhebebefehl 17 für das Drucksteuerventil 6 aus.
2A und 2B sind erläuternde Ansichten, die die Steuervorrichtung erklären. 2A ist ein Funktionsblock diagramm der Steuervorrichtung 8, und 2B ist ein Blockdiagramm zur Darstellung der Hardware der Steuervorrichtung 8. Wie in 2A gezeigt ist, umfasst die Steuervorrichtung 8 einen Eingabeabschnitt 21, einen Rechenabschnitt 22 und einen Ausgabeabschnitt 23. Die Steuervorrichtung 8 kann auch mit einem Benutzer-Schnittstellenabschnitt wie z.B. einem Monitor zur Wartung oder dgl. versehen sein. Die Werte 10, 12, 14, 15 und 16, wie z.B. der Kraftstoffgas-Zuführdruck 9, werden als elektrische Signale in den Eingabeabschnitt 21 eingegeben.
Der Rechenabschnitt 22 führt eine später zu erläuternde Rechenoperation basierend auf den elektrischen Signalen aus, die in den Eingabeabschnitt 21 eingegeben werden. Der Ausgabeabschnitt 23 gibt als elektrisches Signal den Anhebebefehl 17 für das Drucksteuerventil aus, der von dem Rechenabschnitt 22 abgeleitet wird. Da der Rechenabschnitt 22 einen Speicherabschnitt aufweist, führt der Rechenabschnitt 22 einen Rechenvorgang durch Lesen und Schreiben von Daten in den und aus dem Speicherabschnitt durch.
Wie in 2B gezeigt ist, ist die Hardware der Steuervorrichtung 8 durch einen Prozessor 24, ein ROM 25, ein RAM 26, eine Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle (I/O) 27 und eine Benutzerschnittstelle 28, die miteinander durch einen Bus 29 verbunden sind, konfiguriert. Im einzelnen ist der Prozessor 24 eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU = central processing unit) oder ein digitaler Signalprozessor (DSP = digital signal processor), der als Computer mit komplexem Befehlssatz (CISC = complex instruction set computer) oder als Computer mit reduziertem Befehlssatz (RISC = reduced instruction set computer) dient.
Ein in dem Prozessor 24 auszuführendes Programm ist in dem ROM oder einem Flash-Speicher 25 oder dgl. vorab gespeichert. Dieses ROM oder dgl. 25 speichert auch ein Kommunikationsprogramm zum Herstellen einer Kommunikation mit der Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 27 und ein Programm zum Eingeben und Ausgeben von Daten in die bzw. von der Benutzerschnittstelle 28. Obwohl dies nicht gezeigt ist, ist die Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle mit einem A/D-Wandler oder einem D/A-Wandler je nach den Vorrichtungen (einem Solenoidventil, verschiedenen Sensoren und dgl.), die mit ihm verbunden sind, versehen. Der Prozessor 8 wurde zwar basierend auf einer digitalen Verarbeitung mittels Software erläutert, das Programm kann aber auch durch eine analoge Verarbeitung mittels Hardware realisiert werden.
Ein Verfahren zum Erhalten eines Anhebebetrags des Drucksteuerventils wird nachstehend erläutert. Im einzelnen wird dieses Verfahren mittels Werten des Kraftstoffgas-Zuführdrucks 9, der stromauf des Drucksteuerventils 6 erfaßt wird, des Brennkammergehäusedrucks 10 der Gasturbine 1, der Ausgangsleistung 12 des Generators, der mit der Gasturbine 1 verbunden ist, und der gesteuerten Ausgangsleistung 14 für das Strömungsratensteuerventil 7, das basierend auf dem Unterschied zwischen dem Generatorlast-Zielwert 13 und der tatsächlichen Ausgangsleistung 12 des Generators 2 betrieben wird, ausgeführt.
Um die folgende Erklärung zu vereinfachen, werden die Symbole wie folgt verwendet. Das Symbol V bezeichnet eine Massenströmungsrate (kg/h) von in der Gasturbine strömendem Kraftstoff, ρ bezeichnet eine spezifische Schwerkraft (kg/m³) des Gasturbinenkraftstoffs, MW bezeichnet eine Ausgangsleistung des Gasturbinen-Generators (tatsächliche Generatorlast) (MW), Cvp bezeichnet einen Cv-Wert als Leitfähigkeit des Drucksteuerventils 6, Cvt bezeichnet einen Cv-Wert als Leitfähigkeit des Strömungsratensteuerventils, Lp bezeichnet einen Anhebebetrag des Drucksteuerventils und Lt bezeichnet einen Anhebebetrag des Strömungsratendrucksteuerventils. Außerdem bezeichnet ein Symbol p1 den Kraftstoffgas-Zuführdruck, p2 bezeichnet den Brennkammergehäusedruck, Δpp bezeichnet einen Differentialdruck über dem Drucksteuerventil, Δpt bezeichnet den Strömungsratensteuerventil-Differentialdruck, und CSO (CSO = Controlled Signal Output) bezeichnet eine gesteuerte Ausgabe für das Strömungsratensteuerventil, die durch eine auf der Differenz zwischen dem Ausgangsleistungs-Zielwert des Generators und der tatsächlichen Ausgangsleistung des Generators basierende Operation erhalten wird.
Falls die in dem Kraftstoff enthaltene Wärmemenge konstant ist, enthalten die Gasturbinen-Generatorausgangsleistung MW und die Gasturbinen-Masseströmungsrate einströmenden Kraftstoffs die Beziehung einer durch die Wärmebilanz erhaltenen Funktion. Ausgehend davon, dass diese Funktion f_MW ist, ist die folgende Gleichung gegeben MW = fMW(V) (1)
Diese Funktion f_MW wird durch eine auf ein dynamisches Verhalten bezogene Verzögerungsfunktion erster Ordnung spezifiziert. Umgekehrt ist zum Erhalt der Gasturbinen-Masseströmungsrate für einströmenden Kraftstoff aus der Gasturbinengenerator-Ausgangsleistung die folgende Gleichung (1)' gegeben V = fMW –1(MW) (1)'
Demgemäß wird die Funktion f_MW ^–1 eine auf das dynamische Verhalten bezogene Progressfunktion erster Ordnung.
Der Kraftstoff wird durch das Temperatursteuerventil gesteuert. Deshalb ist, vorausgesetzt dass die Temperatur konstant ist, die spezifische Schwerkraft ρ proportional zu dem Zuführdruck und kann wie folgt spezifiziert werden, wobei Kp eine Proportionalkonstante ist. ρ = Kp·p1 (2)
Jede der folgenden Gleichungen gilt für den Cv-Wert, die Massenströmungsrate, die spezifische Schwerkraft und den Differentialdruck sowohl in bezug auf das Drucksteuerventil als auch das Strömungsratensteuerventil. Cvp = V·(√ρ)/(√Δpp) (3) Cvt = V·(√ρ)/(√Δpt) (3)'
Da das Strömungsratensteuerventil basierend auf der CSO bzw. gesteuerten Signalausgabe arbeitet, halten die CSO und der Cv-Wert des Strömungsratensteuerventils die Beziehung einer Funktion. Falls diese Beziehung als Funktion f_CSO ausgedrückt wird, ist die folgende Gleichung gegeben. Cvt = fCSO(CSO) (4)
Diese Funktion f_CSO ist durch eine auf das dynamische Verhalten bezogene Verzögerungsfunktion erster Ordnung spezifiziert.
Die folgende Beziehung gilt für den Kraftstoffgas-Zuführdruck, den Brennkammergehäusedruck, den Drucksteuerventil-Differentialdruck und den Strömungsratensteuerventil-Differentialdruck. p1 = p2 + Δpp + Δpt (5)
Sowohl das Drucksteuerventil als auch das Strömungsratensteuerventil haben eine Funktion zwischen dem Cv-Wert und dem für jedes Ventil spezifischen Anhebebetrag (Lp oder Lt). Ausgehend davon, dass die Funktionen dieser Werte fp und ft sind, sind jeweils die folgenden Gleichungen erfüllt. Lp = fp(Cvp) (6) Lt = ft(Cvt) (6)'
Aus den Gleichungen (1)', (2) und (3)' wird Cvt als Cv-Wert des Strömungsratensteuerventils wie folgt ausgedrückt. Cvt = {fMW –1(MW)}·√(Kp·p1)/√Δpt (7)
Anhand der Gleichung (7) wird Δpt wie folgt ausgedrückt. Δpt = {fMW –1(MW)}2·(Kp·p1)/Cvt2 (8)
Aus den Gleichungen (4) und (8) wird Δpt auch wie folgt ausgedrückt. Δpt = {fMW –1(MW)}2·(Kp·p1)/{fCSO(CSO)}2 (9)
Aus den Gleichungen (5) und (9) wird der Drucksteuerventil-Differentialdruck Δpp wie folgt ausgedrückt. Δpp = p1 – p2 – {fMW –1(MW)}2·(Kp·p1)/{fCSO(CSO)}2 (10)
Entsprechend wird Cvp als Cv-Wert des Drucksteuerventils wie folgt ausgedrückt. [TEXT FEHLT](11)
Zusätzlich wird anhand der Gleichung (6) der Anhebebetrag Lp des Drucksteuerventils 6 wie folgt ausgedrückt. [TEXT FEHLT](12)
Falls das so erhaltene Lp Lp1 ist ("zusätzlicher Anhebebetrag" in den Ansprüchen), und ein von der Rückkoppelungssteuerung mittels eines herkömmlichen Differentialdrucks über dem Strömungsratensteuerventil erhaltener Anhebebetrag Lp2 ist, so ist der endgültige Anhebebetrag Lps des Drucksteuerventils als Lps = Lp1 + Lp2 gegeben. Demgemäß ist es möglich, Lps mittels des Kraftstoffgas-Zuführdrucks p1, des Brennkammergehäusedrucks p2, der Ausgangsleistung MW des Generators, der gesteuerten Ausgangsleistung CSO für das Strömungsratensteuerventil, welches basierend auf der Differenz zwischen dem Generatorausgangsleistungs-Zielwert und der tatsächlichen Generatorausgangsleistung betrieben wird, und des Strömungsratensteuerventil-Differentialdrucks und dessen Zielwert zu erhalten.
3 ist ein Ablaufdiagramm, welches das Steuerverfahren des Drucksteuerventils zeigt. Die ersten bis vierten Schritte geben die Schritte S101 bis S104 an, in denen der Kraftstoffgas-Zuführdruck p1, der Brennkammergehäusedruck p2, die Generatorausgangsleistung MW, die gesteuerte Ausgangsleistung CSO für das Strömungsratensteuerventil, welches basierend auf der Differenz zwischen dem Generatorausgangsleistungs-Zielwert und der tatsächlichen Generatorausgangsleistung betrieben wird, erfasst werden. Die erfassten Werte werden über den I/O eingegeben, der der Eingabeabschnitt der Steuervorrichtung 8 ist.
Der Rechenabschnitt 22 wandelt die Gasturbinen-Massenströmungsrate V eingeströmten Kraftstoffs basierend auf der Größe der Generatorausgangsleistung MW mittels der S105). Der Rechenabschnitt 22 wandelt dann die spezifische Schwerkraft ρ des Kraftstoffs, basierend auf der Größe des Kraftstoffgaszuführdrucks p1 mittels der Gleichung (2) um und wandelt sie ab (Schritt S106). Der Wert bzw. die Größe der gesteuerten Ausgangsleistung CSO für das Strömungsratensteuerventil 7, das basierend auf dem abgeleiteten V und ρ und der Differenz zwischen dem Generatorausgangsleistungs-Zielwert und der tatsächlichen Generatorausgangsleistung betrieben wird, wird zur Ableitung des Strömungsratensteuerventil-Differentialdrucks Δpt aus der Gleichung (9) verwendet (Schritt S107).
Der Rechenabschnitt 22 leitet den Drucksteuerventil-Differentialdruck Δpp mittels des Brennstoffgas-Zuführdrucks p1, des Brennkammergehäusedrucks p2 und des Strömungsratensteuerventil-Differentialdrucks Δpt, der nach obiger Erläuterung erhalten wird, ab (Schritt S108). Diese Werte werden des Drucksteuerventils aus der Gleichung (11) in den Cvp-Wert umgewandelt (Schritt S109), und der Anhebebetrag Lp1 wird aus der Gleichung (6) abgeleitet (Schritt S110). Der endgültige Anhebebetrag Lps, der zur Steuerung des Drucksteuerventils verwendet wird, wird durch Addieren des durch die herkömmliche Rückkoppelungssteuerung erhaltenen Anhebebetrags Lp2 zu dem Anhebebetrag Lp1 erhalten (Schritte S111 und S112).
Durch diese Schritte wird der endgültig erhaltene Anhebebetrag des Drucksteuerventils von dem Ausgabeabschnitt der Steuervorrichtung an das Drucksteuerventil ausgegeben. Diese Schritte werden mit einer Abtastrate wiederholt, die von der Steuervorrichtung spezifiziert wird, um kontinuierlich einen angemessenen Anhebebetrag für das Drucksteuerventil auszugeben (Schritt S113). Die Schritte können über ein Programm als Software verkörpert sein. Die Steuervorrichtung führt die Steuerung aus.
4 ist ein Blockdiagramm zur Darstellung der Schritte von der Eingabe bis zur Ausgabe nach obiger Erläuterung. Dieses Blockdiagramm ist eine Kombination von Blöcken, die aus der Gleichung (12) gebildet sind, und denjenigen der herkömmlichen Rückkoppelungssteuerung. In 4 bezeichnet ein Bezugssymbol ×31 eine Multipliziereinheit, ÷32 eine Dividiereinheit, +33 eine Addiereinheit und Δ34 eine Subtrahiereinheit. Diese beiden Eingaben, die in die Dividiereinheit eingegeben werden, sind eine dividierte Seite (N/[TEXT FEHLT]) bzw. eine dividierende Seite ([TEXT FEHLT]/D). Der Brennstoffgas-Zuführdruck p1 (durch ein Bezugssymbol 35 bezeichnet), der Brennkammergehäusedruck p2 (durch ein Bezugssymbol 36 bezeichnet), die Generatorausgangsleistung MW (durch ein Bezugssymbol 37 bezeichnet) sowie der Strömungsratensteuerventil-Differentialdruck Δpt (durch ein Bezugssymbol 38 bezeichnet) werden getrennt von den entsprechenden Bestandteilen gezeigt, sie gehören aber zu den entsprechenden Elementen.
Gemäß den bisher erläuterten Verfahren kann auch dann, wenn der Kraftstoffgaszuführdruck p1 zunimmt, das Drucksteuerventil rasch geschlossen werden, und daher kann eine Zunahme des Strömungsratensteuerventil-Differentialdrucks Δpt (eine Zunahme an der stromaufwärtigen Seite) verhindert werden. Umgekehrt kann auch dann, wenn der Kraftstoffgaszuführdruck p1 abnimmt, das Drucksteuerventil rasch geöffnet werden und eine Abnahme des Strömungsratensteuerventil-Differentialdrucks Δpt (eine Abnahme an der stromaufwärtigen Seite) dadurch verhindert werden. Infolgedessen ist es auch dann, wenn sich der Brennstoffgaszuführdruck zyklisch ändert, möglich, die Änderung des Strömungsratensteuerventil-Differentialdrucks Δpt zu minimieren und zu verhindern, dass die Verbrennung der Brennkammer infolge der Änderung des Brennstoffgaszuführdrucks unstabil wird.
Wenn die Generatorausgangsleistung (Last) MW rasch abfällt, wird ein Signalfluß, für den die Funktion f_MW ^–1(MW) verwendet wird, schneller bei dem Hub des Drucksteuerventils beeinflusst als ein Signalfluß, für den die Funktion f_CSO(CSO) benutzt wird. Dies liegt daran, dass die Funktion f_MW ^–1(MW) eine Zeitprogressfunktion ist und die Funktion f_CSO(CSO) eine Zeitverzögerungsfunktion ist. Infolgedessen wird das Drucksteuerventil rasch geschlossen und ermöglicht es, zu verhindern, dass der Strömungsratensteuerventil-Differentialdruck abnimmt.
Nach einer Weile nimmt der Wert des Signals, für den die Funktion f_CSO(CSO) benutzt wird, allmählich ab (um das Strömungsratensteuerventil für Brennstoffgas tatsächlich zu schließen). Daher wird das Drucksteuerventil geöffnet und der Strömungsratensteuerventil-Differentialdruck wird schließlich zu dem Drucksteuerventil zurückgespeist. Demgemäß ist es auch dann, wenn die Generatorausgangsleistung rasch abnimmt, möglich, die Änderung des Strömungsratensteuerventil-Differentialdrucks zu minimieren und dadurch zu verhindern, dass die Verbrennung der Brennkammer infolge des plötzlichen Abfalls der Generatorausgangsleistung unstabil wird.
Wie bisher erläutert wurde, ist es gemäß dem Gasturbinen-Brennstoffsteuerverfahren nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung auch dann, wenn sich der Gaszuführdruck plötzlich ändert, möglich, das Drucksteuerventil rasch zu öffnen und zu schließen und eine Änderung in dem Strömungsratensteuerventil-Differentialdruck zu verhindern. Es ist dadurch möglich, zu verhindern, dass die Verbrennung der Brennkammer infolge der Änderung des Brennstoffgaszuführdrucks unstabil wird.
Auch wenn die Generatorausgangsleistung (Last) MW plötzlich abfällt, ist es möglich, einen angemessenen Signalfluß durch die Wirkung des Zeitfortschritts und der Zeitverzögerungskompensation der zu verwendenden Funktionen aufrechtzuerhalten. Es ist dadurch möglich, das Drucksteuerventil rasch zu schließen und eine Zunahme des Strömungsratensteuerventil-Differentialdrucks zu vermeiden. Daher ist es auch bei plötzlichem Abfall der Generatorausgangsleistung möglich, zu vermeiden, dass die Verbrennung der Brennkammer infolge des plötzlichen Abfalls der Generatorausgangsleistung unstabil wird.
Gemäß dem Programm ist es als weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung möglich, die Gasturbinenbrennstoffsteuermethode mittels einer Hardwareresource, wie z.B. einem Computer, auszuführen. Es ist dadurch möglich, ein Steuersystem aufzustellen, welches Änderungen in dem Brennstoffgas-Zuführdruck und der Generatorausgangsleistung widersteht.
Gemäß der Gasturbinen-Brennstoffsteuervorrichtung nach einem noch anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es somit auch dann, wenn sich der Gaszuführdruck ändert, möglich, das Drucksteuerventil rasch zu öffnen und zu schließen und eine Änderung des Strömungsratensteuerventil- Differentialsdrucks zu vermeiden. Es ist dadurch möglich, zu vermeiden, dass die Verbrennung der Brennkammer infolge der Änderung des Brennstoffgaszuführdrucks unstabil wird.
Auch wenn die Generatorausgangsleistung (Last) MW plötzlich abfällt, ist es möglich, einen angemessenen Signalfluß durch die Wirkung der Zeitforschritts- und Zeitverzögerungskompensation der zu verwendenden Funktionen aufrechtzuerhalten. Es ist dadurch möglich, das Drucksteuerventil rasch zu schließen und eine Zunahme des Strömungsratensteuerventil-Differentialdrucks zu vermeiden. Daher ist es auch dann, wenn die Generatorausgangsleistung plötzlich abfällt, möglich, zu vermeiden, dass die Verbrennung der Brennkammer infolge des plötzlichen Abfalls der Generatorausgangsleistung unstabil wird.

Claims

Gasturbinen-Kraftstoffsteuerverfahren zum Steuern eines Anhebebetrags eines Drucksteuerventils (6), das in einer Rohrleitung (4) vorgesehen ist, in der Kraftstoff für eine Gasturbine 1 strömt, durch Rückkoppeln eines tatsächlich erhaltenen Differentialdrucks (15) über einem ebenfalls in der Rohrleitung (4) vorgesehenen Strömungsraten-Steuerventil (7) zu dem Drucksteuerventil (6), und durch Veranlassen, dass der Differentialdruck einem gewünschten Zielwert (16) des Differentialdrucks folgt, wobei das Gasturbinen-Kraftstoffsteuerverfahren umfasst: Ausdrücken einer Leitfähigkeit des Drucksteuerventils (6) mittels: einem zum Zuführen von Kraftstoffgas angewandten Druck (9), der stromauf des Drucksteuerventils (6) an der Rohrleitung (4) erfasst wird, und/oder einem Druck (10) in einem Brennkammergehäuse der Gasturbine (1) und/oder einer Ausgangsleistung (12) eines mit der Gasturbine (1) verbundenen Generators (2), und/oder einer gesteuerten Ausgangsleistung (14) für das Strömungsraten-Steuerventil (7), das basierend auf einer Differenz zwischen einem Ausgangsleistungs-Zielwert (13) des Generators (2) und einer tatsächlichen Ausgangsleistung (12) des Generators (2) betrieben bzw. betätigt wird, Erhalten eines zusätzlichen Anhebebetrag des Drucksteuerventils (6) aus einer Beziehung zwischen der Leitfähigkeit des Drucksteuerventils (6) und dem Anhebebetrag, und Addieren des zusätzlichen Anhebebetrags zu dem Anhebebetrag.
Gasturbinen-Kraftstoffsteuerverfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Ermitteln einer Massenströmungsrate von in die Gasturbine (1) einströmenden Kraftstoff, die aus einer Beziehung mit der Ausgangsleistung (12) des mit der Gasturbine (1) verbundenen Generators (2) abgeleitet wird, Ermitteln einer spezifischen Schwerkraft des Kraftstoffs durch Multiplizieren des Drucks (9) für Kraftstoffgaszufuhr, der stromauf des Drucksteuerventils (6) erfasst wird, mit einer Proportionalkonstante für eine Beziehung zwischen dem Druck (9) der Kraftstoffgaszufuhr und der spezifischen Schwerkraft des Kraftstoffs, Ermitteln des Differentialdrucks (15) über dem Strömungsraten-Steuerventil (7) durch Multiplizieren eines Quadrats der Massenströmungsrate mit der spezifischen Schwerkraft des Kraftstoffs zum Erhalten eines Produkts, und Dividieren des Produkts durch ein Quadrat einer Leitfähigkeit des Strömungsraten-Steuerventils (7), die von einer gesteuerten Ausgangsleistung für das Strömungsraten-Steuerventil (7) mittels einer Funktion zwischen der gesteuerten Ausgangsleistung für das Strömungsraten-Steuerventil (7) und der Leitfähigkeit des Strömungsraten-Steuerventils (7) erhalten wird, wobei die gesteuerte Ausgangsleistung basierend auf einer Differenz zwischen dem Ausgangsleistungs-Zielwert (13) des Generators (2) und der tatsächlichen Ausgangsleistung (12) des Generators (2) erhalten wird, und Ermitteln der Leitfähigkeit des Drucksteuerventils (6) durch Dividieren eines Produkts zwischen der Massenströmungsrate und einer Quadratwurzel der spezifischen Schwerkraft des Kraftstoffs durch eine Quadratwurzel eines Differentialdrucks über dem Drucksteuerventil (6), wobei die Quadratwurzel des Differentialdrucks durch Subtrahieren des Drucks (10) in dem Brennkammergehäuse der Gasturbine (1) von dem Druck (9) für die Kraftstoffgaszufuhr, um einen Druck zu erhalten, und durch weiteres Subtrahieren des Differentialdrucks von dem erhaltenen Druck ausgedrückt wird.
Gasturbinen-Kraftstoffsteuerverfahren nach Anspruch 2, wobei die Massenströmungsrate von in die Gasturbine (1) einströmendem Kraftstoff durch eine progressive Funktion erster Ordnung einer Ausgangsleistung des mit der Gasturbine (1) verbundenen Generators (2) ausgedrückt wird, und die Leitfähigkeit des Strömungsraten-Steuerventils (7) durch eine Verzögerungsfunktion erster Ordnung der gesteuerten Ausgangsleistung für das Strömungsraten-Steuerventil (7) ausgedrückt wird.
Ein Programm, das beim Betrieb einen Computer veranlasst, das Gasturbinen-Kraftstoffsteuerverfahren gemäß Anspruch 1, 2 oder 3 auszuführen.
Gasturbinen-Kraftstoffsteuervorrichtung (8) zum Steuern eines Anhebebetrags eines Drucksteuerventils (6), das in einer Rohrleitung (4) vorgesehen ist, in der Kraftstoff für eine Gasturbine 1 strömt, durch Rückkoppeln eines tatsächlich erhaltenen Differentialdrucks (15) über einem ebenfalls in der Rohrleitung (4) vorgesehenen Strömungsraten-Steuerventil (7) zu dem Drucksteuerventil (6) und Veranlassen, dass der Differentialdruck einem gewünschten Zielwert (16) des Differentialdrucks folgt, wobei die Gasturbinen-Kraftstoffsteuervorrichtung (8) umfasst: eine Eingabeeinheit (21), die, als elektrische Signale, eingibt: einen Druck (9), der zum Zuführen von Kraftstoffgas angewandt wird und der stromauf des Drucksteuerventils (6) an der Rohrleitung (4) erfasst wird, und/oder einen Druck (10) in einem Brennkammergehäuse der Gasturbine (1), und/oder eine Ausgangsleistung (12) eines mit der Gasturbine (1) verbundenen Generators und/oder eine gesteuerte Ausgangsleistung (14) für das Strömungsraten-Steuerventil (7), das basierend auf einer Differenz zwischen einem Ausgangsleistungs-Zielwert (13) des Generators (2) und einer tatsächlichen Ausgangsleistung (12) des Generators (2) betrieben wird, eine arithmetische Einheit (22), die eine Leitfähigkeit des Drucksteuerventils (6) basierend auf den Werten der in die Eingabeeinheit (21) eingegebenen elektrischen Signale ermitteln kann, um einen zusätzlichen Anhebebetrag des Drucksteuerventils (6) aus einer Beziehung zwischen der Leitfähigkeit des Drucksteuerventils (6) und dem Anhebebetrag zu erhalten, und um eine Summe des Anhebebetrags und des zusätzlichen Anhebebetrags zu erhalten, und eine Ausgabeeinheit (23), welche die Summe als elektrisches Signal (17) ausgeben kann.
Gasturbinen-Kraftstoffsteuervorrichtung nach Anspruch 5, ferner mit einer Benutzerschnittstelle (28).
Gasturbine (1), mit: einem in bzw. an einer Rohrleitung (4), in der Kraftstoff für die Gasturbine (1) strömt, vorgesehenen Drucksteuerventil (6), einem ebenfalls in bzw. an der Rohrleitung (4) zu dem Drucksteuerventil (6) vorgesehenen Strömungsraten-Steuerventil (7), und einer Gasturbinen-Kraftstoffsteuervorrichtung (8) gemäß Anspruch 5 oder 6 zum Steuern eines Anhebebetrags des Drucksteuerventils (6) entsprechend der Signalausgabe von der Ausgabeeinheit (23) der Steuervorrichtung (8).