Устройство и способ регулирования температуры выхлопа газовой турбины

Изобретение предназначено для газовой турбины. Устройство управления газотурбинной установкой имеет средства управления для селективного управления температурой выхлопного газа (TS) турбины на основе, по меньшей мере, двух различных эталонных значений (T_SRIFV0, T_SRIFV1, T_SRIFV2…T_SRIFVn), относящихся к выходной мощности (Р) установки. Технический результат изобретения - обеспечение высоких рабочих характеристик при низких нагрузках и, в частности, при минимальной внешней нагрузке. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к газотурбинной установке, к устройству для управления газовой турбиной и к способу управления ею.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В последние годы повышенный спрос к повышению производительности газотурбинной силовой установки и все более строгие нормы, регулирующие выбросы загрязняющих газов (например, NO_x, CO), привели к исследованиям в области систем управления, сконструированных для увеличения производительности установки, в то же время поддерживая низкие уровни выброса загрязняющих газов.

В частности, существует повышенный рыночный спрос на улучшение эффективности работы при пониженной нагрузке, то есть при работе установки на уровне ниже заданного уровня выходной мощности. Особое значение придается эффективности установки при минимальной внешней нагрузке и понижению минимальной внешней нагрузки. Потребление энергии в ночное время фактически намного ниже, чем потребление в дневное время, таким образом, энергоустановки имеют тенденции к работе на минимальном допустимом уровне мощности, что упоминается как минимальная внешняя нагрузка, - для экономии топлива. Улучшение эффективности установки при минимальной внешней нагрузке и, прежде всего, понижение минимальной нагрузки регулирования, имело бы огромные экономические преимущества, придавая установке возможности, например, для производства большей энергии без повышения затрат, путем простого увеличения эффективности установки при низкой нагрузке.

В соответствии с одним из известных решений, раскрытых в GB 1374871, предлагается устройство управления газотурбинной установкой, содержащее средства управления для управления температурой выхлопного газа турбины, причем средства управления конфигурированы для селективного управления температурой на основе, по меньшей мере, двух различных эталонных значений, относящихся к выходной мощности установки, при этом средства управления выполнены с возможностью подачи на привод приводного сигнала для приведения в действие поворотных лопастей (IGV) на основе ошибки температуры выхлопа. В данном документе также раскрывается способ управления газотурбинной установкой, включающий стадию управления температурой выхлопного газа турбины, которая включает селективное управление температурой на основе, по меньшей мере, двух различных эталонных значений, относящихся к значению выходной мощности установки, причем стадия управления температурой выхлопного газа турбины включает в себя стадию подачи на привод приводного сигнала для приведения в движение поворотных лопастей, причем стадия подачи приводного сигнала для приведения в движение поворотных лопастей (IGV) включает вычисление приводного сигнала на основе ошибки температуры выхлопа.

ОПИСАНИЕ ОЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является создание устройства для управления газотурбинной установкой, которое является совместимым как с установками, содержащими экологичные горелки нового поколения, например, типа, описанного в GB 1374871, а также в заявке на патент ЕР 1710502, поданной Ansaldo Energia S.p.A., так и с установками, содержащими традиционные горелки, и такого, которое конструируется для поддержания низких уровней выброса загрязняющих газов, хотя, в то же время, обеспечивают высокие рабочие характеристики при низких нагрузках и, в частности, при минимальной внешней нагрузке. Согласно настоящему изобретению предусматривается устройство управления и способ по пп.1 и 5 соответственно.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Неограничивающий вариант осуществления настоящего изобретения будет описываться в качестве примера со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 показывает блок-схему газотурбинной установки, содержащей устройство управления согласно настоящему изобретению;

Фиг.2 показывает блок-схему устройства управления согласно настоящему изобретению;

Фиг.3 показывает график функции управления для устройства управления на Фиг.2;

Фиг.4 показывает график температуры выхлопа газовой турбины на Фиг.1 по отношению к выходной мощности в процентах.

НАИЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Номер 1 на Фиг.1 показывает газотурбинную электроустановку. Установка 1 по существу содержит узел турбины 3; генератор 4, который с помощью узла турбины 3 преобразует производимую механическую энергию в активную электрическую энергию - в дальнейшем упоминаемую просто как выходная мощность Р; устройство управления 5; модуль порогового детектирования 6 и привод 7.

Узел турбины 3 содержит компрессор 9, камеру 10 сгорания и газовую турбину 11. Более конкретно, компрессор 9 содержит впускную ступень с изменяемой геометрией 14, содержащую, в свою очередь, группу поворотных лопастей или так называемых IGV (лопаток входного направляющего аппарата) (не показываются для простоты), которые могут устанавливаться под различными углами наклоном с помощью привода 7 для регулирования впуска воздуха с помощью компрессора 9.

Модуль 6 порогового детектирования содержит некоторое количество сенсоров (не показываются для простоты) для определения определенного количества параметров установки 1, которые затем подаются на устройство управления 5. Более конкретно, модуль 6 порогового детектирования определяет температуру выхлопного газа или так называемую температуру выхлопа T_S турбины 11; выходную мощность Р или так называемую нагрузку; положение IGV_POS поворотных лопаток впускной ступени 14 компрессора 9 и поток топлива Q_F.

Устройство 5 управления по существу содержит первый модуль 18 управления для управления температурой выхлопа T_S; модуль 19 выбора эталонной величины, который снабжает первый модуль 18 управления эталонными значениями T_SRIF температуры выхлопа; и второй модуль 20 управления, который работает во время переходных режимов подачи топливом, таких как изменения потока топлива Q_F, для подачи сигнала управления U_c в первый модуль управления 18.

Обращаясь к Фиг.2, модуль 19 выбора эталонной величины содержит модуль 22 постоянной эталонной величины, модуль 23 переменной эталонной величины и модуль 24 выбора.

Модуль 22 постоянной эталонной величины выдает постоянную эталонную величину температуры выхлопа T_SRIFC, обычно определенную заранее, которая не изменяется вместе с изменением других параметров установки 1 и которая предпочтительно может модифицироваться только опытным специалистом.

Модуль 23 переменной эталонной величины принимает положение IGV_POS поворотных лопастей компрессора 9 и выдает переменную эталонную величину температуры выхлопа T_SRIFV, которая изменяется как функция положения IGV_POS поворотных лопастей и, следовательно, опосредованно, как функция выходной мощности Р установки 1.

Более конкретно, модуль 23 переменной эталонной величины содержит первый вычислительный модуль 25 и второй вычислительный модуль 26.

Первый вычислительный модуль 25 принимает положение IGV_POS регулируемых поворотных лопастей и выдает ЭТАЛОННУЮ величину температуры выхлопа T_SRIFVO, вычисленную на основе функции F (IGV_POS), которая определяется заранее и которая различается согласно типу установки. Для каждого положения IGV_POS регулируемых IGV первый вычислительный модуль 25 выдает эталонную величину T_SRIFV0, T_SRIFV1, T_SRIFV2…T_SRIFVn, причем эти величины повышаются и понижаются постепенно.

Более конкретно, функция F(IGV_POS) различается согласно типу горелки, используемой в газотурбинной установке 1. Например, номер 50 на Фиг.3 показывает функцию F(IGV_POS) для установки, оборудованной экологичной горелкой, например, типа, который описан в заявке на патент ЕР 1710502, поданной Ansaldo Energia S.p.A. Номер 51 показывает функцию F(IGV_POS) для установки, оборудованной обычной горелкой.

Понятно, что показанные функции F(IGV_POS) 51 и 52 являются исключительно иллюстративными и могут различаться в зависимости от типа используемой горелки. Первый вычислительный модуль 25 предпочтительно содержит библиотеку функций F(IGV_POS), перекрывающую большинство доступных на рынке в данный момент горелок газотурбинных установок.

Второй вычислительный модуль 26 принимает и запоминает эталонную величину T_SRIFV1, вычисленную с помощью первого вычислительного модуля 25, и выдает эталонную величину T_SRIFV, которая имеет структуру времени разгона между последней запомненной эталонной величиной T_SRIFV0 и полученной эталонной величиной T_SRIFV1, для того, чтобы избежать внезапных изменений эталонной величины T_SRIFV, и для замедления изменений эталонной величины T_SRIFV относительно изменения положения IGV.

Постоянная эталонная величина T_SRIFC и переменная эталонная величина T_SRIFV подаются в модуль 24 выбора, который на основе предопределенных, предпочтительно введенных оператором, установок выбирает из переменных и постоянных эталонных значений T_SRIFC и T_SRIFV эталонную величину T_SRIF для подачи в первый модуль 18 управления.

Первый модуль 18 управления принимает измеренное значение температуры выхлопа T_S из модуля порогового детектирования 6 и эталонную величину T_SRIF из модуля выбора эталонной величины 19 и выдает приводной сигнал U_IGV приводу 7 для установки положения IGV компрессора 9.

Более конкретно, первый модуль 18 управления содержит модуль 27 вычисления ошибки, который вычисляет ошибку температуры e_T, то есть разницу между измеренной температурой выхлопа T_S и эталонной величиной T_SRIF; и модуль 28 привода IGV, который передает приводной сигнал U_IGV на привод 7, основываясь на ошибке температуры e_T. Предпочтительно модуль 28 привода генерирует приводной сигнал U_IGV, используя алгоритм управления PID (пропорционально-интегрально - дифференциальное регулирование).

Второй модуль 20 управления принимает значение Р выходной мощности установки 1 и значение потока топлива Q_F от модуля 6 порогового детектирования и в переходном режиме подачи топлива подает сигнал в первый модуль 18 управления - в частности, в модуль 28 привода - сигнал управления U_c, коррелирующий с градиентом мощности ΔР/Δt, для изменения приводного сигнала U_IGV.

Более конкретно, второй модуль управления 20 содержит вычислительный модуль 29, библиотечный модуль 30 и модуль анализа 31. Вычислительный модуль 29 принимает и запоминает величину выходной мощности Р и вычисляет ее градиент ΔР/Δt для передачи на модуль анализа 31, а также принимает и запоминает значение потока топлива Q_F и вычисляет изменение потока топлива ΔQ_F для передачи на модуль 31 анализа.

Библиотечный модуль 30 содержит определенное число кривых сигналов управления U_C для различных изменений потока топлива ΔQ_F, и каждая из них соответствует соответствующему значению градиента мощности ΔР/Δt.

В случае изменения потока топлива ΔQ_F (переходные режимы подачи топлива) модуль 31 анализа выбирает данный сигнал управления U_c из библиотечного модуля 30 на основе значения градиента мощности ΔP/Δt и значения изменения потока топлива ΔQ_F и подает его на первый модуль 18 управления.

Сигнал управления U_C, подаваемый на модуль 28 привода, по существу принимает на себя управление приводом 7 на основе ошибки температуры е_Т. То есть сигнал управления U_C от второго модуля 20 управления воздействует на модуль 28 привода так, чтобы приводной сигнал U_IGV создавал изменение положения IGV в основном на основе значения градиента мощности ΔР/Δt и изменения потока топлива Q_F.

В результате устройство 5 управления имеет возможность отвечать на данные изменения мощности Р и потока топлива Q_F до того, как эти изменения подействуют на температуру выхлопа T_S, и, следовательно, обеспечивать точную установку положения для IGV.

Работа устройства 5 управления, как описано выше, создает картину температуры выхлопа T_S как функцию процента выходной мощности Р от номинальной мощности P_N, как показано на Фиг.4.

Более конкретно, Фиг.4 показывает первую кривую температуры выхлопа T_S 40, которая контролируется с помощью устройства 5 управления, когда селектор 24 установлен для выбора постоянной эталонной величины температуры выхлопа T_SRIFC. Кривая 40 монотонно повышается до эталонной величины температуры выхлопа T_SRIFC, в этот момент установление положения IGV с помощью устройства 5 управления создает постоянную температуру выхлопа T_S до тех пор, пока IGV не будут полностью открыты.

Кривые 41 и 42, с другой стороны, показывают температуру выхлопа T_S как контролируемую с помощью устройства 5 управления, когда селектор 24 установлен для выбора переменной эталонной величины температуры выхлопа T_SRIFV.

Более конкретно, кривая 41 показывает температуру выхлопа T_S для установки, оборудованной экологичной горелкой, которая безопасно делает возможными высокие температуры в переделах до максимального разрешенного уровня выбросов NO_x. В установках данного типа первый вычислительный модуль 25 модуля переменной эталонной величины 23 основывается на функции F(IGV_POS) (Фиг.3), сконструированной для установок с экологичными горелками, то есть допускающих поддержание более высоких температур выхлопа. Кривая температуры выхлопа T_S 41 создается с помощью устройства 5 управления, по этой причине кривая отличается более высокими температурами, чем кривая постоянной эталонной величины (кривая 40), особенно при низких процентных значениях мощности Р (около 40%). С помощью преимущества устройства 5 управления эффективность установки 1 тем самым повышается, особенно при низких значениях мощности Р, преимущество этого очевидно, в частности, во время работы установки 1 в ночное время, то есть когда установка работает на минимальной мощности Р.

Кривая 42 показывает температуру выхлопа T_S для установки, оборудованной обычной горелкой, которая не предоставляет возможности повышения температуры выхлопа T_S, что приводило бы к неприемлемым уровням выброса NO_x. В установках данного типа первый вычислительный модуль 25 модуля переменной эталонной величины 23 основывается поэтому на функции F(IGV_POS), сконструированной для установок с обычными горелками, для создания кривой температуры выхлопа T_S (42), отличающейся более низкими температурами, чем кривая постоянной эталонной величины (кривая 40) при низких значениях выходной мощности Р (около 40%). Понижение температуры выхлопа T_S сильно понижает выбросы NO_x, что особенно важно при работе при минимальной внешней нагрузке. Когда установка работает на минимальной мощности Р, то есть при минимальной внешней нагрузке, большое количество сильно загрязняющего газа должно подаваться для поддержания горения пламени горелки 10, таким образом, выбросы NO_x обычно являются достаточно высокими. Следовательно, посредством устройства 5 управления является возможным снизить температуру выхлопа T_S и, следовательно, выбросы NO_x, при минимальной внешней нагрузке.

Устройство 5 управления также обеспечивает понижение минимального значения внешней нагрузки. А именно с помощью понижения температуры выхлопа T_S подача газа для поддержания горения пламени горелки 10 может увеличиваться, а минимальное значение внешней нагрузки тем самым уменьшается.

Фиг.4 показывает две кривые 41 и 42 для температуры выхлопа T_S, которые контролируются с помощью устройства 5 управления, когда селектор 24 настраивается для выбора переменной эталонной величины температуры выхлопа T_SRIFV. В зависимости от установленной функции F(IGV_POS) первого вычислительного модуля 25 модуля переменной эталонной величины 23, однако, при необходимости может получаться ряд различных кривых температур выхлопа T_S.

Очевидно, что в устройстве, как описано в данном документе, могут быть выполнены изменения, без отступления, однако, от рамок прилагаемой формулы изобретения.

1. Устройство (5) управления газотурбинной установкой, содержащее средства управления для управления температурой выхлопного газа (T_S) турбины (11), причем средства управления конфигурированы для селективного управления температурой (T_S) на основе, по меньшей мере, двух различных эталонных значений (T_SRIFV0, T_SRIFV1, T_SRIFV2…T_SRIFVn), относящихся к выходной мощности (Р) установки (1), при этом средства управления выполнены с возможностью подачи на привод (7) приводного сигнала (U_ICV) для приведения в действие поворотных лопастей (IGV) на основе ошибки (e_T) температуры выхлопа (T_S), отличающееся тем, что содержит вторые средства управления, конфигурированные для подачи селективно в ответ на изменения потока горючего (Q_F), сигнала управления (U_c) на основе значений потока горючего (Q_F) и выходной мощности (Р) установки (1), причем средства управления конфигурированы для подачи приводного сигнала (U_IGV) на основе сигнала управления (U_c) и селективно в ответ на изменения потока горючего (Q_F).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что эталонные значения (T_SRIFV0, T_SRIFV1, T_SRIFV2…T_SRIFVn) относятся к положению (IGV_POS) поворотных лопастей (IGV) компрессора (9) газотурбинной установки (1).

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что различные эталонные значения (T_SRIFV0, T_SRIFV1, T_SRIFV2…T_SRIFVn) повышаются постепенно.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что различные эталонные значения (T_SRIFV0, T_SRIFV1, T_SRIFV2…T_SRIFVn) понижаются постепенно.

5. Способ управления газотурбинной установкой, включающий стадию управления температурой выхлопного газа (T_S) турбины (11), причем стадия управления температурой выхлопного газа (T_S) включает селективное управление температурой (T_S) на основе, по меньшей мере, двух различных эталонных значений (T_SRIFV0, T_SRIFV1, T_SRIFV2…T_SRIFVn), относящихся к значению выходной мощности (Р) установки (1), причем стадия управления температурой выхлопного газа (T_S) турбины (11) включает в себя стадию подачи на привод (7) приводного сигнала (U_IGV) для приведения в движение поворотных лопастей (IGV), причем стадия подачи приводного сигнала (U_IGV) для приведения в движение поворотных лопастей (IGV) включает вычисление приводного сигнала (U_IGV) на основе ошибки (e_T) температуры выхлопа (T_S), отличающийся тем, что стадия управления температурой выхлопного газа (T_S) турбины (11) включает в себя стадию вычисления сигнала управления (U_c) на основе значений потока горючего (Q_F) и выходной мощности (Р) установки (1) и стадию селективного вычисления приводного сигнала (U_IGV) на основе сигнала управления (U_c).

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что эталонные значения (T_SRIFV0, T_SRIFV1, T_SRIFV2…T_SRIFVn) относятся к положению (IGV_POS) поворотных лопастей (IGV) компрессора (9) газотурбинной установки (1).

7. Способ по п.5 или 6, отличающийся тем, что различные эталонные значения (T_SRIFV0, T_SRIFV1, T_SRIFV2…T_SRIFVn) повышаются постепенно.

8. Способ по п.5 или 6, отличающийся тем, что различные эталонные значения (T_SRIFV0, T_SRIFV1, T_SRIFV2…T_SRIFVn) понижаются постепенно.