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EP3540182A1 - Verfahren zur steuerung einer spaltminimierung einer gasturbine - Google Patents

Verfahren zur steuerung einer spaltminimierung einer gasturbine Download PDF

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Publication number
EP3540182A1
EP3540182A1 EP18176962.1A EP18176962A EP3540182A1 EP 3540182 A1 EP3540182 A1 EP 3540182A1 EP 18176962 A EP18176962 A EP 18176962A EP 3540182 A1 EP3540182 A1 EP 3540182A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
value
gas turbine
gap
max
upper threshold
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP18176962.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Georg Gamm
Marcus HÜNING
Uwe Kahlstorf
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to CN201980018689.1A priority Critical patent/CN111836947B/zh
Priority to PCT/EP2019/055994 priority patent/WO2019175091A1/de
Priority to JP2020538123A priority patent/JP6861325B2/ja
Priority to US16/976,257 priority patent/US11060412B2/en
Priority to EP19714116.1A priority patent/EP3704354B1/de
Publication of EP3540182A1 publication Critical patent/EP3540182A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/14—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/14—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing
    • F01D11/20—Actively adjusting tip-clearance
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
    • F01D25/14—Casings modified therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/02—Arrangement of sensing elements
    • F01D17/04—Arrangement of sensing elements responsive to load
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2270/00—Control
    • F05D2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
    • F05D2270/305—Tolerances
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2270/00—Control
    • F05D2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
    • F05D2270/335—Output power or torque
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2270/00—Control
    • F05D2270/80—Devices generating input signals, e.g. transducers, sensors, cameras or strain gauges

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a gap minimization of an adjustable gap between a rotor and a housing of a gas turbine, wherein the gas turbine comprises means, in particular hydraulic means, for a gap adjustment.
  • the invention further relates to a control device for carrying out the method and to a gas turbine with such a control device.
  • WO 2014/016153 A1 For example, a method of minimizing an adjustable gap between a blade and a housing of a turbine is known. By displacement of rotor and housing against each other, the gap between the rotor and the housing is to be minimized in a simple manner.
  • an output signal of the rotor and / or the housing associated structure-borne noise monitoring system is used as a measure of the size of the gap and thus to set a minimum gap.
  • Another method for part-load operation of a gas turbine with active hydraulic gap adjustment is for example from WO 2015/128193 A1 known.
  • HCO Hydrophilic Clearance Optimization
  • the invention has for its object to provide an improved HCO logic that allows optimal use of the gap setting especially during a load change during operation of the gas turbine.
  • the object is further achieved according to the invention by a control device for carrying out the method.
  • the object is finally achieved according to the invention by a gas turbine with such a control device.
  • gap minimization means an axial offset of the rotor of the gas turbine against the flow direction, which offset is carried out with the aid of, in particular, the hydraulic means for adjusting the gap between the rotor and the housing.
  • HCO is used in the following text for the term gap minimization.
  • the gap minimization or the HCO function can be activated (the rotor is shifted towards the housing) or deactivated.
  • activated or “deactivated” does not only mean switching on or off of the HCO, but in the case where the gap minimization is already active, "to be activated” is to be equated with “remain activated”. The same applies to an already eliminated gap minimization, in this case “disabled” means "stay disabled”.
  • the invention is based on the consideration to provide a new HCO logic, which is mainly simple and robust, but can minimize the dangers in the operating phases with activated gap optimization.
  • numerous investigations of transient maneuvers were carried out by means of computer simulation, which form the basis for the improved HCO logic.
  • an operating parameter is used, with the aid of which the operating state of the Gas turbine is detected.
  • an operating parameter for example, the power of the gas turbine, a normalized relative power, temperatures or pressures along the main gas channel or temperature and pressure conditions can be used.
  • the operating parameter is chosen so that it responds to a load change.
  • the actual value of the operating parameter is continuously recorded, whereby "continuous" includes both the case of a continuous, uninterrupted, direct measurement or calculation from measured data, as well as the case of a direct measurement or calculation from measured data in short time intervals.
  • the currently detected actual value is compared with the lower and upper threshold values, the course of the actual value being subdivided into at least three operating regimes or ranges: a lower, a middle and an upper range.
  • a maximum value of the actual value over a period of time in the immediate past is recorded. Based on the maximum value, a limit value is determined, which is used when the actual value is in the middle range between the lower and the upper threshold value.
  • the gas turbine In the low load range, the gas turbine is usually only operated for a very short time, if at all, because of the pollutant emissions and the low efficiency. Thus, the efficiency in this load range contributes only very negligibly to the overall efficiency over the operating cycle of the machine. In this respect, there is no need to activate the HCO in this difficult environment. For this reason, the lower threshold is defined for the operating parameter. In the lower area, below the lower threshold, therefore, the gap minimization is deactivated or remains deactivated, if it was not already switched on or already switched off.
  • the analyzes carried out show that in the range of high loads of the gas turbine, in which range the HCO usually is switched on, a tracking or adaptation of the HCO is not required even with load fluctuations.
  • a start from a low-load range is not critical for the use of gap minimization.
  • the upper threshold value for the operating parameter is defined. In the upper area, above the upper threshold, the gap minimization is therefore activated or remains activated, if it was already switched on.
  • the analyzes show that it is in particular the large load reductions in the middle range, which lead to a transient splitting reduction and should thus be accompanied by an HCO deactivation.
  • the ratio of the actual value of the operating parameter to the maximum value of the operating parameter from the immediate past is taken into account. If the difference between the maximum value and the actual value falls below a load-dependent level, which is defined by the limit value, the gap minimization is to be deactivated. Otherwise, the HCO can be activated or remain.
  • the HCO function is activated or deactivated as a function of the behavior of the gas turbine in the predefined period of time.
  • the limit of the operating parameter is used, which depends on the maximum value. If the actual value is above the limit, i. between the threshold and the upper threshold, the gap minimization is or remains activated. However, if the actual value is below the limit, i. between the lower threshold and the limit value, the gap optimization is or remains deactivated.
  • the proposed method results in a very precise activation of the HCO function, whereby several HCO activation hours are obtained during operation of the gas turbine, which has a positive effect on the efficiency of the gas turbine.
  • the method limits the complexity of subdivision of the operating regime of the gas turbine to only three cases. where the HCO logic has to decide if the HCO is turned on or off.
  • the HCO logic described above also provides better match with machine behavior and is independent of active gap measurement.
  • the relative power which is normalized to the rated power of the gas turbine.
  • the relative power is directly coupled to the absolute power, which is well available in the control of the gas turbine and requires no additional hardware effort to be detected.
  • the time interval is between a few tens of minutes and a few hours, in particular between 30 minutes and 90 minutes.
  • the time span is due to the reaction time of the turbine and is thus machine-dependent.
  • the period of time is predetermined in particular in the control of the gas turbine.
  • the lower threshold at a relative power is between 30% and 45%. This means that the gap minimization is switched on, only when at least 30% of the rated power of the gas turbine are reached. Below this relative power, it is provided that the HCO function is permanently inactive.
  • the upper threshold is at a relative power between 50% and 65%. At the latest when 65% of the rated output of the gas turbine is reached, depending on the case, this can also be done at 50% of the nominal power of the gas turbine, the HCO is activated and remains permanently active above the upper threshold.
  • the gap minimization is preferably delayed activated when the actual value exceeds the limit.
  • a time-delayed activation of the HCO prevents a considerable load difference from being bypassed by rapid maneuvers. For this reason, another block of HCO is defined which blocks HCO activation for a period of a few minutes to a maximum of 30 minutes.
  • a plurality of steps for the maximum value are defined between the lower threshold value and the upper threshold value, with only consideration being given for the activation or deactivation of the gap minimization, which is the highest stage which was exceeded by the maximum value in the time interval. In this way, no continuous storage of the maximum value is required each time the maximum value is changed. Only when, for example, increases the gas turbine in a higher power level, it is noted that the gas turbine has been operated above this level. Such a procedure represents a further simplification in the determination of the limit value, since thereby the maximum value remains constant over a longer time.
  • the difference between the limit value and the maximum value is preferably predefined.
  • the relationship between the maximum value and the limit value is specified in particular in the form of a table. This is perfectly adequate for the application, and very reliable and controllable. It is therefore only necessary to know the maximum value of the operating parameter in order to determine the limit value quickly and without great computational effort.
  • a difference between the limit value and the maximum value is preferably predefined for each stage. The respective differences are recorded in the table.
  • the difference between the limit value and the maximum value is determined by calculation. This is done in particular according to a formula stored in the control.
  • the method is advantageously carried out continuously during operation of the gas turbine, as soon as the gas turbine is put into operation.
  • FIG. 1 3 is a graphical representation of the three power ranges into which the power of a gas turbine not shown in detail is subdivided according to the new HCO logic and which is characterized by different operating regimes.
  • the relative power P REL is plotted, which is formed by a current power, which is normalized by the rated power of the gas turbine.
  • the maximum value of the relative power P MAX of the gas turbine is plotted on the Y axis.
  • the three regions U, M and O on the X-axis are separated by a lower threshold P U and an upper threshold P O. Between zero and the lower threshold P U , the power range is marked with U. Above the upper threshold P O the power range is marked with O.
  • the line F which extends over the middle region M, shows the dependence of the limit value P G on the maximum value P MAX .
  • This dependency is stored in the illustrated embodiment in a table, which can be accessed by the controller.
  • the decision as to whether the HCO is activated or deactivated, or remains active or inactive, is based on the development of an actual value P I of the relative power P REL .
  • P I the relative power of the relative power P REL
  • the time span is also stored in the controller and is machine-specific. The time span can also be shorter than 1 hour (eg the measurements of the relative power P REL from the last 45 min are used) or even longer (eg 90 min).
  • the control switches off the gap minimization or, if the gap minimization is already inactive, it remains switched off.
  • the controller activates the gap minimization or, if the gap minimization is already active, it remains switched on.
  • the gap minimization is switched on or off depending on whether the actual value in the range M 'is below the limit value P G or in the range M "above the limit value P G.
  • the limit value P G depends doing so after the maximum value P MAX of the maximum power P MAX in the last hour.
  • the maximum value P MAX To simplify the detection of the maximum value P MAX , several steps can be defined on the Y-axis for the maximum value P MAX , taking into account for activating or deactivating the gap minimization, which is the highest level that is the maximum value P MAX in the last hour was exceeded. For example, between 3 and 10 such stages can be defined, which can also be of different sizes. In particular, the line F looks somewhat different for each stage, ie the predefined or calculated difference between the threshold P G and the maximum value P MAX can vary from stage to stage.
  • a further barrier of HCO can be incorporated which inhibits HCO activation for e.g. Blocked for 15 minutes.
  • the lock engages in particular after a considerable load or. Power increase in the middle range M or in the upper range O, which follows a significant load or power drop in the lower region U.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Control Of Turbines (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Spaltminimierung eines einstellbaren Spalts zwischen einem Rotor und einem Gehäuse einer Gasturbine. Um im Betrieb der Gasturbine eine hochpräzise Spalteinstellung zu gewährleisten, wird laufend ein Istwert (P) eines Betriebsparameters, beispielsweise die relative Leistung (P) der Gasturbine, ermittelt und mit einem unteren und einem oberen Schwellwert (P, P) verglichen, über eine vorgegebene Zeitspanne ein Maximalwert (P) des Istwertes (P) bestimmt und daraus ein Grenzwert (P) bestimmt, der zwischen dem unteren und dem oberen Schwellwert (P, P) liegt, wobei der Grenzwert (P) um eine Differenz kleiner ist als der Maximalwert (P). Liegt der Istwert (P) unterhalb des unteren Schwellwerts (P), wird die Spaltminimierung deaktiviert, wohingegen oberhalb des oberen Schwellwerts (P) diese aktiviert wird. Zwischen den Schwellwerten (P, P) wird die Spaltminimierung aktiviert, wenn der Istwert (P) oberhalb des Grenzwertes (P) liegt, jedoch deaktiviert, wenn dieser unterhalb des Grenzwerts (P) liegt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Spaltminimierung eines einstellbaren Spalts zwischen einem Rotor und einem Gehäuse einer Gasturbine, wobei die Gasturbine Mittel, insbesondere hydraulische Mittel, für eine Spalteinstellung umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Steuervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie eine Gasturbine mit einer solchen Steuervorrichtung.
  • Um einen maximalen Gasturbinenwirkungsgrad zu ermöglichen, ist es von entscheidender Bedeutung, die Spalte zwischen den rotierenden und den statischen Bauteilen während des Betriebs möglichst klein zu halten. Bei einem konischen Turbinen-Strömungskanal ist eine Möglichkeit hierzu, nachdem transiente Phasen, in welchen die Spalte an den Schaufelspitzen sich maximal verengen, durchfahren sind, den Rotor im stationären Hochlast-Betrieb z.B. mit einer Hydraulik axial zu verfahren. Wird der Rotor gegen die Strömungsrichtung verfahren, dann reduzieren sich die Spalte.
  • Aus der WO 2014/016153 A1 ist ein Verfahren zur Minimierung eines einstellbaren Spalts zwischen einer Laufschaufel und einem Gehäuse einer Turbine bekannt. Durch Verschiebung von Läufer und Gehäuse gegeneinander, soll der Spalt zwischen Läufer und Gehäuse auf einfache Art und Weise minimiert werden. Dazu wird ein Ausgangssignal eines dem Läufer und/oder dem Gehäuse zugeordneten Körperschallüberwachungssystems als Maß für die Größe des Spalts und damit zur Einstellung eines minimalen Spalts herangezogen.
  • Ein weiteres Verfahren zum Teillast-Betrieb einer Gasturbine bei aktiver hydraulischer Spalteinstellung ist beispielsweise aus der WO 2015/128193 A1 bekannt.
  • Um ein marktfähiges Produkt zu erzeugen, muss die Entscheidung über die angefahrene Position des Rotors automatisch gesteuert oder geregelt werden. Da eine dauerhafte Messung der Betriebsspalte technisch schwer umsetzbar bzw. sehr teuer ist, ist eine andere Vorgehensweise nötig. Hier kommt in der Steuerung der Gasturbine eine HCO (Hydraulic Clearance Optimisation) Logik zum Einsatz, die basierend auf messbaren Größen vorgibt, wie die Spaltoptimierung zu verfahren ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte HCO Logik vorzuschlagen, die insbesondere bei einem Lastwechsel während des Betriebs der Gasturbine eine optimale Nutzung der Spalteinstellung ermöglicht.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Steuerung einer Spaltminimierung eines einstellbaren Spalts zwischen einem Rotor und einem Gehäuse einer Gasturbine, wobei die Gasturbine Mittel, insbesondere hydraulische Mittel, für eine Spalteinstellung umfasst, enthaltend folgende Schritte:
    • laufend wird ein Istwert eines Betriebsparameters ermittelt und mit einem unteren Schwellwert und einem oberen Schwellwert verglichen,
    • über eine vorgegebene Zeitspanne wird ein Maximalwert des Istwertes bestimmt,
    • ein Grenzwert, der zwischen dem unteren Schwellwert und dem oberen Schwellwert liegt, wird bestimmt, wobei der Grenzwert um eine Differenz kleiner ist als der Maximalwert,
    wobei beim Vergleich des Istwerts mit dem unteren Schwellwert und dem oberen Schwellwert, wenn der Istwert:
    • unterhalb des unteren Schwellwerts liegt, die Spaltminimierung deaktiviert wird,
    • oberhalb des oberen Schwellwerts liegt, die Spaltminimierung aktiviert wird,
    • zwischen dem unteren Schwellwert und dem oberen Schwellwert liegt, die Spaltminimierung aktiviert wird, wenn der Istwert oberhalb des Grenzwertes liegt und deaktiviert wird, wenn der Istwert unterhalb des Grenzwerts liegt.
  • Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch eine Steuervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Die Aufgabe wird schließlich erfindungsgemäß gelöst durch eine Gasturbine mit einer solchen Steuervorrichtung.
  • Die im Bezug auf das Verfahren nachstehend angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen lassen sich sinngemäß auf die Steuervorrichtung und die Gasturbine übertragen.
  • Unter Spaltminimierung wird hierbei ein axialer Versatz des Rotors der Gasturbine gegen die Strömungsrichtung verstanden, welcher Versatz mit Hilfe insbesondere der hydraulischen Mittel zum Einstellen des Spaltes zwischen dem Rotor und dem Gehäuse durchgeführt wird. Der Begriff HCO wird im weiteren Text mit dem Begriff Spaltminimierung gleichgesetzt. Die Spaltminimierung bzw. die HCO-Funktion kann dabei aktiviert (der Rotor ist zum Gehäuse hin verschoben) oder deaktiviert werden.
  • Unter "aktiviert wird" bzw. "deaktiviert wird" wird nicht alleine das Ein- bzw. Ausschalten der HCO verstanden, sondern im Falle, dass die Spaltminimierung bereits aktiv ist, ist "aktiviert werden" gleichzusetzen mit "aktiviert bleiben". Das Gleiche bezieht sich auf eine bereits ausgeschaltete Spaltminimierung, in diesem Fall bedeutet "deaktiviert werden" auch "deaktiviert bleiben".
  • Die Erfindung basiert auf der Überlegung, eine neue HCO Logik bereitzustellen, die vor allem einfach und robust ist, jedoch die Gefahren in den Betriebsphasen mit eingeschalteter Spaltoptimierung minimieren kann. Hierzu wurden zahlreiche Untersuchungen von transienten Manövern mittels Computersimulation durchgeführt, welche die Grundlage für die verbesserte HCO Logik bilden.
  • Für die optimierte Spalteinstellung wird ein Betriebsparameter herangezogen, mit dessen Hilfe der Betriebszustand der Gasturbine erfasst wird. Als Betriebsparameter kann z.B. die Leistung der Gasturbine, eine normierte relative Leistung, Temperaturen oder Drücke entlang des Hauptgaskanals oder auch Temperatur- und Druckverhältnisse verwendet werden. Der Betriebsparameter ist dabei so gewählt, dass er auf eine Laständerung reagiert.
  • Der Istwert des Betriebsparameters wird laufend erfasst, wobei "laufend" sowohl der Fall einer kontinuierlichen, ununterbrochenen, direkten Messung oder Berechnung aus Messdaten, als auch der Fall einer direkten Messung oder Berechnung aus Messdaten in kurzen Zeitabständen umfasst. Der aktuell erfasste Istwert wird mit dem unteren und dem oberen Schwellwert verglichen, wobei der Verlauf des Istwerts in mindestens drei Betriebsregime oder Bereiche unterteilt wird: in einen unteren, einen mittleren und einen oberen Bereich.
  • Ergänzend dazu wird ein Maximalwert des Istwerts über eine Zeitspanne in der unmittelbaren Vergangenheit erfasst. Auf Basis des Maximalwerts wird ein Grenzwert bestimmt, der dann herangezogen wird, wenn sich der Istwert im mittleren Bereich zwischen dem unteren und dem oberen Schwellwert befindet.
  • Im niedrigen Lastbereich wird die Gasturbine aufgrund der Schadstoffemissionen und des niedrigen Wirkungsgrades, wenn überhaupt, meistens nur sehr kurze Zeit betrieben. Somit trägt der Wirkungsgrad in diesem Lastbereich nur sehr vernachlässigbar zu dem Gesamtwirkungsgrad über den Betriebszyklus der Maschine bei. Insofern besteht kein Erfordernis zur Aktivierung der HCO in diesem schwierigen Umfeld. Aus diesem Grund wird der untere Schwellwert für den Betriebsparameter definiert. Im unteren Bereich, unterhalb des unteren Schwellwerts, wird daher die Spaltminimierung deaktiviert oder bleibt deaktiviert, falls sie noch nicht eingeschaltet war oder bereits ausgeschaltet wurde.
  • Die durchgeführten Analysen zeigen, dass es im Bereich hoher Lasten der Gasturbine, in welchem Bereich die HCO in der Regel eingeschaltet ist, selbst bei Lastschwankungen eine Nachführung bzw. Anpassung der HCO nicht erforderlich ist. Auch ein Anfahren aus einem Niedriglastbereich ist unkritisch für den Einsatz der Spaltminimierung. Hierzu wird der obere Schwellwert für den Betriebsparameter definiert. Im oberen Bereich, oberhalb des oberen Schwellwerts, wird die Spaltminimierung daher aktiviert oder bleibt aktiviert, wenn sie bereits eingeschaltet war.
  • Weiterhin zeigen die Analysen, dass es insbesondere die großen Lastreduzierungen im mittleren Bereich sind, die zu einer transienten Spaltverkleinerung führen und mit denen somit eine HCO Deaktivierung einhergehen sollte. Um solche große Lastsprünge zu erfassen, wird das Verhältnis von Istwert des Betriebsparameters zum Maximalwert des Betriebsparameters aus der unmittelbaren Vergangenheit berücksichtigt. Unterschreitet die Differenz zwischen dem Maximalwert und dem Istwert ein lastabhängiges Niveau, welches durch den Grenzwert definiert ist, ist die Spaltminimierung zu deaktivieren. Ansonsten kann die HCO aktiviert werden bzw. bleiben. Mit anderen Worten wird im mittleren Bereich zwischen dem unteren und dem oberen Schwellwert für den Betriebsparameter die HCO-Funktion in Abhängigkeit des Verhaltens der Gasturbine in der vordefinierten Zeitspanne aktiviert oder deaktiviert. Hierzu wird der Grenzwert des Betriebsparameters herangezogen, der vom Maximalwert abhängig ist. Wenn der Istwert oberhalb des Grenzwertes liegt, d.h. zwischen dem Grenzwert und dem oberen Schwellwert, wird oder bleibt die Spaltminimierung aktiviert. Wenn der Istwert jedoch unterhalb des Grenzwertes, d.h. zwischen dem unteren Schwellwert und dem Grenzwert liegt, wird oder bleibt die Spaltoptimierung deaktiviert.
  • Durch das vorgeschlagene Verfahren erfolgt eine sehr präzise Aktivierung der HCO-Funktion, wodurch im Betrieb der Gasturbine mehrere HCO-Aktivierungsstunden dazu gewonnen werden, was sich positiv auf den Wirkungsgrad der Gasturbine auswirkt. Durch das Verfahren ist die Komplexität der Unterteilung der Betriebsregime der Gasturbine auf nur drei Fälle beschränkt, in denen die HCO-Logik entscheiden muss, ob die HCO eingeschaltet oder ausgeschaltet wird. Die oben beschriebene HCO-Logik bietet zudem eine bessere Übereinstimmung mit dem Maschinenverhalten und ist unabhängig von einer aktiven Spaltmessung.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird als Betriebsparameter die relative Leistung verwendet, welche auf die Nennleistung der Gasturbine normiert ist. Die relative Leistung ist direkt an die absolute Leistung gekoppelt, welche in der Steuerung der Gasturbine gut verfügbar ist und keinen zusätzlichen Hardware-Aufwand erfordert, um erfasst zu werden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt die Zeitspanne zwischen einigen zig Minuten und einigen wenigen Stunden, insbesondere zwischen 30 min und 90 min. Die Zeitspanne ist durch die Reaktionszeit der Turbine bedingt und ist somit maschinenabhängig. Die Zeitspanne ist insbesondere in der Steuerung der Gasturbine vorgegeben.
  • Bevorzugt liegt der untere Schwellwert bei einer relativen Leistung zwischen 30 % und 45 %. Dies bedeutet, dass die Spaltminimierung eingeschaltet wird, erst wenn mindestens 30 % der Nennleistung der Gasturbine erreicht sind. Unterhalb dieser relativen Leistung ist es vorgesehen, dass die HCO Funktion dauerhaft inaktiv ist.
  • Weiterhin bevorzugt liegt der obere Schwellwert bei einer relativen Leistung zwischen 50 % und 65 %. Spätestens wenn 65 % der Nennleistung der Gasturbine erreicht werden, fallabhängig kann dies auch bereits bei 50 % der Nennleistung der Gasturbine erfolgen, wird die HCO aktiviert und bleibt über dem oberen Schwellwert dauerhaft aktiv.
  • Nach einem Abfall der relativen Leistung, der von einem Anstieg der relativen Leistung gefolgt wird, wird die Spaltminimierung vorzugsweise verzögert aktiviert, wenn der Istwert den Grenzwert überschreitet. Durch eine zeitlich verzögerte Aktivierung der HCO wird verhindert, dass eine beträchtliche Lastdifferenz durch zügige Manöver umgangen wird. Aus diesem Grund wird eine weitere Sperre der HCO definiert, die eine HCO Aktivierung für den Zeitraum von einigen wenigen Minuten bis maximal 30 Minuten blockiert.
  • Im Hinblick auf eine besonders einfache Maschinensteuerung werden zwischen dem unteren Schwellwert und dem oberen Schwellwert mehrere Stufen für den Maximalwert definiert, wobei für die Aktivierung oder Deaktivierung der Spaltminimierung lediglich berücksichtigt wird, welche die höchste Stufe ist, die vom Maximalwert in der Zeitspanne überschritten wurde. Auf diese Weise ist keine laufende Speicherung des Maximalwerts bei jeder Änderung des Maximalwerts erforderlich. Lediglich wenn, beispielsweise die Gasturbine in eine höhere Leistungsstufe steigt, wird festgehalten, dass die Gasturbine über diesem Level betrieben wurde. Eine solche Vorgehensweise stellt eine weitere Vereinfachung bei der Bestimmung des Grenzwertes dar, da dadurch der Maximalwert über eine längere Zeit konstant bleibt.
  • Bevorzugt ist die Differenz zwischen dem Grenzwert und dem Maximalwert vordefiniert. Aus praktischen Gründen ist der Zusammenhang Maximalwert und dem Grenzwert insbesondere in Form einer Tabelle vorgegeben. Für die Anwendung ist dies vollkommen ausreichend, und sehr zuverlässig und kontrollierbar. Es ist somit lediglich erforderlich, den Maximalwert des Betriebsparameters zu kennen, um schnell und ohne großen rechnerischen Aufwand den Grenzwert zu bestimmen. Im Falle, dass der mittlere Bereich in mehrere Stufen unterteilt ist, ist vorzugsweise für jede Stufe eine Differenz zwischen dem Grenzwert und dem Maximalwert vordefiniert. Die jeweiligen Differenzen sind in der Tabelle erfasst.
  • Gemäß einer alternativen Ausführung wird die Differenz zwischen dem Grenzwert und dem Maximalwert rechnerisch bestimmt. Dies erfolgt insbesondere nach einer in der Steuerung hinterlegten Formel.
  • Um einen maximalen Wirkungsgrad im Betrieb der Gasturbine mit aktiver Spaltminimierung durch eine maximale zeitliche Ausnutzung der Spaltminimierung zu erreichen, wird das Verfahren im Betrieb der Gasturbine vorteilhafterweise kontinuierlich durchgeführt, sobald die Gasturbine in Betrieb genommen wird.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
    • FIG 1
    die Aufteilung der relativen Leistung einer Gasturbine in drei Bereiche bezüglich der HCO-Aktivierung, und
    FIG 2
    einen Ausschnitt vom Verlauf der relativen Leistung der Gasturbine über die Zeit.
  • Gleiche Bezugszeichen haben in den Figuren die gleiche Bedeutung.
  • In FIG 1 ist eine graphische Darstellung der drei Leistungsbereiche gezeigt, in welche die Leistung einer nicht näher gezeigten Gasturbine gemäß der neuen HCO Logik unterteilt ist und welche durch unterschiedliche Betriebsregime gekennzeichnet ist. Auf die X-Achse ist die relative Leistung PREL aufgetragen, welche durch eine aktuelle Leistung gebildet ist, die durch die Nennleistung der Gasturbine normiert ist. Auf der Y-Achse ist der Maximalwert der relativen Leistung PMAX der Gasturbine aufgetragen. Die drei Bereiche U, M und O auf der X-Achse sind durch einen unteren Schwellwert PU und einen oberen Schwellwert PO voneinander getrennt. Zwischen Null und dem unteren Schwellwert PU ist der Leistungsbereich mit U gekennzeichnet. Oberhalb des oberen Schwellwerts PO ist der Leistungsbereich mit O gekennzeichnet. Zwischen dem unteren Schwellwert PU und dem oberen Schwellwert PO befindet sich der mittlere Bereich M, in dem ein Grenzwert PG liegt. Die Schwellwerte PU und PO sind maschinenspezifisch und sind in der Steuerung der Gasturbine, die in einer nicht gezeigten Steuerungsvorrichtung enthalten ist, hinterlegt. Beispielsweise beträgt PU=40 % und PO=60 %. Diese Zahlenwerte können ggf. auch geändert werden.
  • Die Linie F, welche sich über dem mittleren Bereich M erstreckt, zeigt die Abhängigkeit des Grenzwerts PG vom Maximalwert PMAX. Diese Abhängigkeit ist im gezeigten Ausführungsbeispiel in einer Tabelle hinterlegt, auf welche die Steuerung zugreifen kann.
  • Die Entscheidung, ob die HCO aktiviert oder deaktiviert wird bzw. aktiv oder inaktiv bleibt, basiert auf der Entwicklung eines Istwerts PI der relativen Leistung PREL. Hierzu wird für eine Zeitspanne, welche z.B. stets der letzten Stunde entspricht, der Maximalwert PMAX des Istwerts PI (siehe FIG 2) erfasst. Die Zeitspanne ist ebenfalls in der Steuerung hinterlegt und ist maschinenspezifisch. Die Zeitspanne kann auch kürzer als 1 Stunde sein (z.B. werden die Messungen der relativen Leistung PREL aus den letzten 45 min herangezogen) oder auch länger sein (z.B. 90 min).
  • Wenn der Istwert PI im unteren Bereich U unterhalb des unteren Schwellwerts PU liegt, schaltet die Steuerung die Spaltminimierung aus oder, falls die Spaltminimierung bereits inaktiv ist, bleibt sie ausgeschaltet.
  • Wenn der Istwert PI im oberen Bereich O oberhalb des oberen Schwellwerts PO liegt, schaltet die Steuerung die Spaltminimierung ein, oder, falls die Spaltminimierung bereits aktiv ist, bleibt sie eingeschaltet.
  • Im mittleren Bereich M wird die Spaltminimierung ein- oder ausgeschaltet in Abhängigkeit davon, ob der Istwert im Bereich M' unterhalb des Grenzwerts PG oder im Bereich M" oberhalb des Grenzwerts PG liegt. Der Grenzwert PG, wie bereits erläutert, richtet sich dabei nach dem der Maximalwert PMAX der Maximalleistung PMAX in der letzten Stunde.
  • Zur Vereinfachung der Erfassung des Maximalwerts PMAX können zudem auf der Y-Achse mehrere Stufen für den Maximalwert PMAX definiert werden, wobei für die Aktivierung oder Deaktivierung der Spaltminimierung lediglich berücksichtigt wird, welche die höchste Stufe ist, die vom Maximalwert PMAX in der letzten Stunde überschritten wurde. Beispielsweise können zwischen 3 und 10 solcher Stufen definiert sein, die auch unterschiedlich groß sein können. Insbesondere sieht dabei die Linie F für jede Stufe etwas anders aus, d.h. die vordefinierte oder berechnete Differenz zwischen dem Grenzwert PG und dem Maximalwert PMAX kann von Stufe zu Stufe variieren.
  • Darüber hinaus kann eine weitere Sperre der HCO eingebaut werden, welche die HCO-Aktivierung für z.B. 15 min blockiert. Die Sperre greift insbesondere nach einem erheblichen Last-bzw. Leistungsanstieg im mittleren Bereich M oder im oberen Bereich O, der auf einen erheblichen Last- bzw. Leistungsabfall in den unteren Bereich U folgt.
  • Dieser Fall ist in FIG 2 gezeigt, in welcher die relative Leistung PREL über der Zeit t aufgetragen ist. Bis zum Zeitpunkt t1 ist der Istwert PI im Wesentlichen konstant und liegt im oberen Leistungsbereich O, in welchem die HCO aktiv ist. Zwischen t1 und t3 fällt PI rasant ab, bis ein Wert unterhalb des unteren Schwellwerts PU erreicht ist. Beim Unterschreiten des Grenzwerts PG im mittleren Bereich M zum Zeitpunkt t2 wird dabei die Spaltminimierung abgeschaltet. Zwischen t3 und t4 bleibt der Istwert PI im unteren Bereich U und somit bleibt die HCO inaktiv. Zwischen t4 und t7 steigt der PI stetig an, wobei zum Zeitpunkt t5 der Grenzwert PG erneut überschritten wird. Jedoch löst dies noch keine Aktivierung der HCO in t5 aus, sondern die Spaltminimierung erfolgt erst nach z.B. weiteren 15 min, zum Zeitpunkt t6, obwohl der Istwert PI die ganze Zeit im Bereich M" liegt. Zum Zeitpunkt t7 befindet sich der Istwert PI erneut auf dem Niveau des Ausgangszustands der Gasturbine gemäß FIG 2.
  • Würde nach t4 vor dem Aktivieren der HCO der Istwert PI z.B. erneut abfallen, würde dies unter Umständen PMAX aus der letzten Stunde beeinflussen, was wiederum zu einem neuen Grenzwert PG führen könnte.

Claims (13)

  1. Verfahren zur Steuerung einer Spaltminimierung eines einstellbaren Spalts zwischen einem Rotor und einem Gehäuse einer Gasturbine, wobei die Gasturbine Mittel, insbesondere hydraulische Mittel, für eine Spalteinstellung umfasst, gekennzeichnet durch
    folgende Schritte:
    - laufend wird ein Istwert (PI) eines Betriebsparameters ermittelt und mit einem unteren Schwellwert (PU) und einem oberen Schwellwert (PO) verglichen,
    - über eine vorgegebene Zeitspanne wird ein Maximalwert (PMAX) des Istwertes (PI) bestimmt,
    - ein Grenzwert (PG), der zwischen dem unteren Schwellwert (PU) und dem oberen Schwellwert (PO) liegt, wird bestimmt, wobei der Grenzwert (PG) um eine Differenz kleiner ist als der Maximalwert (PMAX),
    wobei beim Vergleich des Istwerts (PI) mit dem unteren Schwellwert (PU) und dem oberen Schwellwert (PO), wenn der Istwert (PI) :
    - unterhalb des unteren Schwellwerts (PU) liegt, die Spaltminimierung deaktiviert wird,
    - oberhalb des oberen Schwellwerts (PO) liegt, die Spaltminimierung aktiviert wird,
    - zwischen dem unteren Schwellwert (PU) und dem oberen Schwellwert (PO) liegt, die Spaltminimierung aktiviert wird, wenn der Istwert (PI) oberhalb des Grenzwertes (PG) liegt und deaktiviert wird, wenn der Istwert (PI) unterhalb des Grenzwerts (PG) liegt.
  2. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Betriebsparameter die relative Leistung (PREL) verwendet wird, welche auf die Nennleistung der Gasturbine normiert ist.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei die Zeitspanne, in welcher der Maximalwert (PMAX) bestimmt wird, zwischen einigen zig-Minuten und einigen wenigen Stunden beträgt, insbesondere zwischen 30 min und 90 min.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3,
    wobei der untere Schwellwert (PU) bei einer relativen Leistung (PREL) zwischen 30 % und 45 % liegt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
    wobei der obere Schwellwert (PO) bei einer relativen Leistung (PREL) zwischen 50 % und 65 % liegt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
    wobei nach einem Abfall der relativen Leistung (PREL), der von einem Anstieg der relativen Leistung (PREL) gefolgt wird, die Spaltminimierung verzögert aktiviert wird, wenn der Istwert (PI) den Grenzwert (PG) überschreitet.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei zwischen dem unteren Schwellwert (PU) und dem oberen Schwellwert (PO) mehrere Stufen für den Maximalwert (PMAX) definiert werden, wobei für die Aktivierung oder Deaktivierung der Spaltminimierung lediglich berücksichtigt wird, welche die höchste Stufe ist, die vom Maximalwert (PMAX) in der Zeitspanne überschritten wurde.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    wobei die Differenz zwischen dem Grenzwert (PG) und dem Maximalwert (PMAX) vordefiniert ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 und Anspruch 8,
    wobei für jede Stufe eine Differenz zwischen dem Grenzwert (PG) und dem Maximalwert (PMAX) vordefiniert ist.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei die Differenz zwischen dem Grenzwert (PG) und dem Maximalwert (PMAX) rechnerisch bestimmt wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei im Betrieb der Gasturbine das Verfahren kontinuierlich durchgeführt wird.
  12. Steuervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  13. Gasturbine mit einer Steuervorrichtung nach Anspruch 12.
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