Verfahren zur Regelung einer Gasturbine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Gasturbine, wobei Messsignalwerte zu verschiedenen Zeitpunkten, nämlich zu zumindest einem ersten Zeitpunkt und einem zweiten Zeitpunkt gemessen werden, wobei der erste Zeitpunkt vor dem zweiten Zeitpunkt liegt und wobei gedämpfte Signalwerte aus den Messsignalwerten generiert werden, indem die gemessenen Messsignalwerte einer Glättung mit einem Dämpfungsfaktor unterzogen werden.

Eine Gasturbine ist eine Strömungsmaschine, die in der Regel einen Verdichter, eine Turbine und einen Brennkammerabschnitt umfasst. Im Verdichter wird angesaugte Umgebungsluft verdich ^¬ tet und die verdichtete Luft schließlich dem Brennkammerab ^¬ schnitt zugeführt. Im Brennkammerabschnitt ist wenigstens ei ^¬ ne Brennkammer mit zumeist mehreren Brennern angeordnet, denen die verdichtete Luft zugeführt wird. Neben der verdichte ^¬ ten Luft wird den Brennern außerdem ein Brennstoff zugeführt, der mit der Luft vermischt und verbrannt wird. Die dabei in der Brennkammer entstehenden heißen Verbrennungsabgase werden der Turbine zugeführt, wo sie entspannen und abkühlen und da ^¬ bei die Turbine in Rotation versetzen. Auf diese Weise wird die thermische Energie der Verbrennungsabgase in mechanische Arbeit umgewandelt, die einerseits zum Antreiben des Verdich ^¬ ters und andererseits zum Antreiben eines Verbrauchers, bei ^¬ spielsweise eines Generators zum Erzeugen von Strom einge ^¬ setzt wird.

Bei der Verbrennung in der Brennkammer ist darauf zu achten, dass eine stabile Flamme vorliegt. Instabilitäten der Flamme treten insbesondere aufgrund von resonanten Verbrennungs ^¬ schwingungen im Verbrennungsabgas auf und können einerseits zu einem erhöhten Schadstoffausstoß führen und andererseits Schwingungen und Vibrationen der Brennkammer verursachen, welche die Lebensdauer der Brennkammer herabsetzen und Wartungsintervalle verkürzen.

Die Verbrennungsstabilität von Gasturbinen und anderen Feue ^¬ rungsanlagen wird in der Regel anhand von zeitlich stark fluktuierenden Messsignalen beurteilt. Dies können beispielsweise Messsignale durch Beschleunigungs- oder Druckamplitu ^¬ denmessung an der Brennkammer sein. Um nicht erwünschte hochfrequente Anteile zu unterdrücken, werden die Messsignale üblicherweise gedämpft. Jedoch treten in bestimmten Zeitab ^¬ ständen immer wieder Spitzen, nachfolgend als Peaks bezeichnet, im Höhenverlauf der Messung auf. Dies kann auch als „Lattenzaun"-Verlauf bezeichnet werden. Zwischen den Peaks sinkt die Höhe auf einen völlig unkritischen Wert. Ein ein ^¬ zelner Peak ist auch noch unkritisch. Wiederholen sich die Peaks aber, und nimmt entweder die Höhe der Peaks zu oder die Aufeinanderfolge der Peaks wird dichter, so deutet dies auf eine beginnende Instabilität hin.

Bisher werden zur Regelung meistens sogenannte Spitzenhalte- werte-Signale, auch Peakhold-Signale genannt, verwendet. Da ^¬ bei wird für einen definierten Zeitraum nur die maximal aufgetretene Höhe als Signalwert weitergegeben. Dieses Signal liefert aber keine Information über die Wiederholfrequenz der Peaks. Ist das Zeitfenster groß, so wird der Regelung ein kritischer, hoher Amplitudenwert übermittelt, obwohl unter Umständen nur ein einzelner, ungefährlicher Peak vorhanden war. Ist das Zeitfenster sehr klein, so dass pro Zeitfenster maximal ein Peak zu erwarten ist, so wechseln hohe und nied ^¬ rige Signale in rascher Folge, was zu einer unruhigen und oft sehr uneffizienten Regelung führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Regelung einer Gasturbine anzugeben, welches die oben beschriebenen Nachteile vermeidet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Angabe eines Verfahrens zur Regelung einer Gasturbine, wobei Mess- signalwerte zu verschiedenen Zeitpunkten, nämlich zu zumindest einem ersten Zeitpunkt und einem zweiten Zeitpunkt ge ^¬ messen werden. Dabei liegt der erste Zeitpunkt vor dem zwei ^¬ ten Zeitpunkt. Es werden gedämpfte Signalwerte aus den Mess- signalwerten generiert, indem die gemessenen Messsignalwerte einer Glättung mit einem Dämpfungsfaktor unterzogen werden. Abhängig von der Differenz des Messsignalwertes zum zweiten Zeitpunkt und des gedämpften Signalwertes zum ersten Zeit ^¬ punkt wird ein unterschiedlicher Dämpfungsfaktor herangezo- gen. Damit werden Signalwerte gebildet, welche sowohl auf die Amplitudenhöhe als auch auf die Wiederholfrequenz der Peaks reagieren. Damit ist eine effiziente Regelung möglich. Die Glättung ist eine exponentielle Glättung. Damit können besonders gut Zeitreihenwerte geglättet werden, welche keine Sys- tematik erkennen lassen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. Vorteilhafterweise wird der gedämpfte Signalwert aus der Sum ^¬ me zweier Produkte gebildet, wobei das erste Produkt die Mul ^¬ tiplikation des Dämpfungsfaktors mit dem zu dem zweiten Zeit ^¬ punkt gemessenen Messsignalwert ist und das zweite Produkt die Multiplikation des Differenzwertes eins minus dem Dämp- fungsfaktor mit dem gedämpften Signalwert zu dem ersten Zeitpunkt ist. Diese ist besonders einfach zu realisieren.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung wird ein höherer Dämpfungsfaktor (=schwache Dämpfung) verwendet, wenn der zu dem zweiten Zeitpunkt gemessene Messsignalwert größer oder gleich dem gedämpften Signalwert zum ersten Zeitpunkt ist, als wenn der zu dem zweiten Zeitpunkt gemessene Messsignalwert kleiner dem gedämpften Signalwert zum ersten Zeitpunkt ist.

Em plötzlich auftretender Peak sorgt im seinem Anstieg daher für eine schwache Dämpfung, das heißt der Dämpfungsfaktor ist hoch, so dass die gedämpften Signalwerte während des Pea- kanstiegs rasch ansteigen. Beim Abfall des Peaks wird ein Um- schalten auf eine starke Dämpfung ausgelöst, das heißt der Dämpfungsfaktor ist niedrig. Die gedämpften Signalwerte fallen daher nur langsam ab. Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Figur . Die Figur zeigt ein Diagramm in welchem das Messsignal, der nach dem Stand der Technik gedämpfte Signalwert sowie der nach der Erfindung gedämpfte Signalwert über der Zeit t auf ^¬ getragen wurden. Die Figur zeigt eine Kurve 1 mit Messsignalwerten, welche über die Zeit t auftragen wurde. Der Verlauf des Messsignals 1 weist Spitzen, nachfolgend als Peaks 4 bezeichnet, auf, die zunächst etwa alle zwei bis drei Sekunden auftreten. Messsig ^¬ nalwerte oberhalb von etwa 2.0 seien hier einmal als kritisch angesehen. Ist die Wiederholfrequenz dieser Peaks 4 entsprechend hoch, sollte ein Reglereingriff erfolgen. Zwischen der Zeit t=14 und der Zeit t=19 nimmt die Anzahl der Peaks 4 zu. Zur Zeit t=19 wurde eine Änderung des Betriebszustandes be ^¬ wirkt. Die Kurve 1 mit den Messsignalwerten zeigt anschlie- ßend einen ausreichend ruhigen Verlauf.

In der Kurve 2 sind aus den Messsignalwerten der Kurve 1 nach dem Stand der Technik gedämpfte Signalwerte generiert worden, welche über die Zeit t auftragen wurden. Durch die Dämpfung nach dem Stand der Technik werden die hochfrequenten Anteile vermieden. Die Kurve 2 fällt jedoch zwischen den Peaks 4 immer wieder stark ab. Für die nach dem Stand der Technik gedämpften Signalwerte in Kurve 2 lässt sich jedoch kein Wert angeben, der eindeutig zwischen kritisch und nicht kritisch entscheidet: Werte zwischen 0.95 und 1.15 treten sowohl in der kritischen Phase bis zur Zeit t=19 als auch in der ruhigen Phase danach auf. Eine effiziente Regelung ist daher nicht möglich. Die Kurve 3 wurde mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt. Dabei werden Messsignalwerte M _n i , M _n 2 zu verschiedenen Zeitpunkten nl,n2 nämlich zu zumindest einem ersten Zeitpunkt nl und einem zweiten Zeitpunkt n2 gemessen, wobei der erste Zeitpunkt nl vor dem zweiten Zeitpunkt n2 liegt. Die gemesse ^¬ nen Messsignalwerte M _n i und M _n 2 werden einer exponentiellen Glättung mit einem Dämpfungsfaktor λ unterzogen. Dadurch werden Signalwert S _n i und S _n 2 generiert. Es wird dabei ein höhe ^¬ rer Dämpfungsfaktor λ verwendet, wenn der zu dem zweiten Zeitpunkt n2 gemessene Messsignalwert M _n 2 größer oder gleich dem gedämpften Signalwert S _n i zum ersten Zeitpunkt nl ist, als wenn der zu dem zweiten Zeitpunkt n2 gemessene Messsignalwert M _n 2 kleiner dem gedämpften Signalwert S _n i zum ersten Zeitpunkt nl ist.

Diese exponentielle Glättung wird durch nachfolgende Formel angegeben :

S _n2 = Ä _x *M _n2 + (l - Ä _x ) * S _nl mit x = l,2 wobei gilt:

x=2 wenn M _n 2 > S _n i

x=l wenn M _n 2 < S _n i

Wobei λ _χ , x=l,2 der Dämpfungsfaktor, M _n 2 der gemessene Mess ^¬ signalwert zum Zeitpunkt n2, M _n i der gemessene Messsignalwert zum Zeitpunkt nl, S _n i der gedämpfte Signalwert zum Zeitpunkt nl und S _n 2 der gedämpfte Signalwert zum Zeitpunkt nl ist.

Bei den erfindungsgemäß gedämpften Signalwerten im Ausführungsbeispiel wurde beispielhaft λ2 =0,3 und λι=0.05 gewählt. Nach einem Peak 4 fällt ein erfindungsgemäß gedämpfter Signalwert in Kurve 3 wesentlich langsamer ab als dies bei einem Signalwert in Kurve 2, der nach einem Verfahren des Stands der Technik gedämpft wurde, der Fall ist. Dies führt dazu, dass bei dem zeitlich darauffolgenden Peak 4 der erfindungsgemäß gedämpfte Signalwert höhere Werte erreicht als der nach dem Stand der Technik gedämpfte Signalwert. Dies ist ein für Regelungszwecke oft ein gewünschter Effekt. Zwischen der Zeit t=14 und der Zeit t=19 nimmt die Frequenz der Peaks 4 zu. Hier ist zu beobachten, dass die erfindungsgemäß gedämpften Signalwerte in diesem sehr kritischen Zeitfenster oberhalb von 1.5 bleiben, während die nach dem Stand der Technik gedämpften Signalwerte in Kurve 2 noch einmal auf fast 1.0 ab- fallen. Die erfindungsgemäß gedämpften Signalwerte hingegen fallen in der kritischen Zeit zwischen t=0 und t= 19 nie unter 1.3 und steigt anschließend in der unkritischen Zeit nie über 1.16. Ein plötzlich auftretender Peak 4 sorgt im seinem Anstieg daher für eine schwache Dämpfung, das heißt der Dämp- fungsfaktor λ ist hoch und die gedämpften Signalwerte werden während des Peakanstiegs daher rasch ansteigen. Bei dem Ab ^¬ fall des Peaks 4 wird ein Umschalten auf eine starke Dämpfung ausgelöst, das heißt der Dämpfungsfaktor λ ist niedrig. Die gedämpften Signalwerte fallen daher nur langsam ab.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann also eine effiziente Regelung einer Gasturbine bewerkstelligt werden, die sowohl schnell auf einen Peak reagiert (durch Umschalten auf schwa ^¬ che Dämpfung) , aber auch eine rasche Aufeinanderfolge von Peaks kritischer bewertet als vereinzelte Peaks.