Aktiv regulering av gassturbiner og kompressorer

1
Aktiv regulering av gassturbiner og kompressorer
Tommy Gravdahl Institutt for teknisk kybernetikk The NTNU Natural Gas Research Center Optimal utnyttelse av naturgass 24/4-2002 Tommy Gravdahl Institutt for teknisk kybernetikk The NTNU Natural Gas Research Center Optimal utnyttelse av naturgass 24/4-2002 Tommy Gravdahl Institutt for teknisk kybernetikk The NTNU Natural Gas Research Center Optimal utnyttelse av naturgass 24/4-2002

2

• Innledning
• Modellering for regulering
• Surge
• Forskjeller på surge avoidance og aktiv
  regulering av surge
• Hvordan designe en surgeregulator

3
Turbokompressorer Aksialkompressorer i
gassturbiner
Williams Rolls FJ44
PrattWhitney F100, Brukes f.eks i F15, F16
4
TurbokompressorerSentrifugalkompressorer

• Tilfører energi i impelleren
• Trykkøkning i diffuseren
• Bernoulli

5
Enkel dynamisk modell, egnet for regulatordesign
6
Stabile og ustabile arbeidspunkter
7
Stalling av kompressorblader
8
Stalling gt positiv stigningstall
9
StallgtSurge

• Induserer vibrasjoner i systemet
• Reduserer virkningsgrad gt økte temperaturer
• Flymotorer flameout, tap av skyvkraft, restart
  nødvendig
• Potensielt ødeleggende for maskineriet
• Surge må forhindres

10
Dagens løsning Surge Avoidance

• Problem For lav masse(volum)strøm
• Løsning Øke masse(volum)strøm

Kompressorer/rørledningerResirkulering
GassturbinerBlow off/bleed
11
Surge Avoidance

• Ofte nødvendig med konservative surge-marginer
• Resirkulering/blow off koster energi
• Maks kanskje ikke nåbar
• Maks trykk ikke nåbar
• Begrenset arbeidsområde for kompressoren

12
Alternativ løsning Aktiv regulering

• Designe regulatorer for å stabilisere ustabile
  likevektspunkter
• Fordeler
• unngå/redusere resirkulering, blow off
• utvide operasjonsområdet,
• muligheter for høyere virkningsgrad og
• høyere trykkøkning

13
Eksempler

• Tett koblet ventil
• Blow off
• Drivenhet

14
Tett koblet ventil (CCV)
Compressor

• Ventil i serie med kompressoren
• Manipulerer kompressorkarakteristikken
• Trykktap over ventilen

15
Simulering av CCV løsning
16
Aktiv stabilisering av surge blow-off
Pådrag
Gassturbin
17
Eksperimentelle resultater Gassturbininstallasjon
en ved Eindhoven University of Technology
Turbolader/ kompressor
Forbrennings kammer
Turbin throttle ventil
18
Eksperimentelle resultater
For å unngå surge ved bruk av surge avoidance må
man i dette tilfellet bruke et pådrag (blow off
flow) som er seks ganger høyere enn ved aktiv
surge regulering
19
Bruk av drivmoment/hastighet som pådrag
Electric drive
Compressor
Active surge control law
Shaft
Shaft speed
Compressor performance control
20
Regulatordesign
Bruk hastighet som pådrag
Nom. Ustabilt likevektspunkt
Økende hastighet
Åpen sløyfe
Avtagende hastighet
Virtuell karakteristikk
Lukket sløyfe
Krav til forsterkningen
21
Bevisskisse
GES
Sektorulinearitet
Slik at komp.kar. også blir en sektorulinearitet
Velg
Kan vise at
Dette gir
22
Aktiv surgeregulering ved bruk av drivmoment
23
Estimering av massestrøm

• Flere av strategiene for aktiv surgeregulering
  baserer seg på måling av massestrøm
• Ønskelig å unngå
• Under arbeid, foreløbige resultater i Bøhagen og
  Gravdahl (2002) og i Stene (2003)

24
Aktiv surgeregulering gt lavere effektforbruk

• Reduksjon i effektforbruk for rørledningskompresso
  r under resirkulering i størrelsesorden 20-40
  (bekreftet eksperimentelt)