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Title:
METHOD FOR DETERMINING THE SUCTION MASS FLOW OF A GAS TURBINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2009/118311
Kind Code:
A1
Abstract:
A method for determining the suction mass flow (48) of a gas turbine (1) is intended for very reliable prediction of performance gain to be expected from a cleaning. To this end, the turbine inlet pressure (40a), the combustion chamber pressure loss (40b) and/or the pressure loss between the environment and the compressor inlet (40c) are determined as input parameters (40a, 40b, 40c).

Inventors:
GROSSE-LAXZEN ROLF (DE)
WERNER KLAUS (DE)
Application Number:
PCT/EP2009/053440
Publication Date:
October 01, 2009
Filing Date:
March 24, 2009
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
GROSSE-LAXZEN ROLF (DE)
WERNER KLAUS (DE)
International Classes:
G07C3/00; F01D21/00
Domestic Patent References:
WO2005090764A12005-09-29
WO1995016296A11995-06-15
Other References:
SCHEPERS W ET AL: "OPTIMIERUNG DER ON-LINE- UND OFF-LINE-WAESCHE AN EINER 26-MW- GASTURBINE UNTER BESONDERER BERUECKSICHTIGUNG DER LEISTUNGSSTEIGERUNG", VGB KRAFTWERKSTECHNIK, VGB KRAFTWERKSTECHNIK GMBH. ESSEN, DE, vol. 79, no. 3, 1 January 1999 (1999-01-01), pages 46 - 54, XP000802562, ISSN: 0372-5715
BASENDWAH A A, PILIDIS P, LI Y G: "Turbine off-line water wash optimization approach for power generation", 19000101 - ASME TURBO EXPO 2006, vol. 4, 11 May 2006 (2006-05-11), New York, pages 65 - 76, XP009105187
ORTH J ET AL: "INTEGRATION VON SYSTEMEN FUER MONITORING, DIAGNOSE UND ZUSTANDSORIENTIERTE INSTANDHALTUNG IN THERMISCHEN KRAFTWERKEN", ELEKTROTECHNIK UND INFORMATIONSTECHNIK, SPRINGER VERLAG, WIEN, AT, vol. 115, no. 10, 1 January 1998 (1998-01-01), pages 549 - 554, XP000865092, ISSN: 0932-383X
KIM S-M ET AL: "Implementation of on-line performance monitoring system at Seoincheon and Sinincheon combined cycle power plant", ENERGY, PERGAMON PRESS, OXFORD, GB, vol. 30, no. 13, 1 October 2005 (2005-10-01), pages 2383 - 2401, XP004780014, ISSN: 0360-5442
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (DE)
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Claims:

Patentansprüche

1. Verfahren zur Bestimmung des Ansaugmassenstroms (48) einer Gasturbine (1), bei dem der Turbineneintrittsdruck (40a), der Brennkammerdruckverlust (40b) und/oder der Druckverlust zwischen Umgebung und Verdichtereintritt (40c) als Eingangskenngrößen (40a, 40b, 40c) ermittelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zur Bestimmung des Ansaugmassenstroms (48) aus einer Anzahl von Eingangskenngrößen (40a, 40b, 40c) jeweils ein vorläufiger Wert für den Ansaugmassenstrom (42a, 42b, 42c) ermittelt wird, wobei für jeden vorläufigen Wert (42a, 42b, 42c) durch Querabgleich mit den jeweils anderen vorläufigen Werten jeweils ein validierter Wert (44) ermittelt wird, und wobei die für den Ansaugmassenstrom (48) der Gasturbine (1) charakteristische Kenngröße als Mittelwert aus den vali- dierten Werten (44) erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Bestimmung des Ansaugmassenstroms (48) ohne Informationen über den Brennstoffheizwert und/oder Brennstoffmassenstrom erfolgt.

4. Verfahren zur Diagnose einer mehrere Komponenten umfassenden Gasturbine (1), bei dem die Zusatzleistung, um welche sich die Betriebsleistung der Gasturbine (1) im Fall einer Reinigung einer der Komponenten erhöhen würde, automatisch prognostiziert wird, wobei bei der Prognose der Zusatzleistung der Ansaugmassen- ström (48) der Gasturbine (1) als Kenngröße verwendet wird, und wobei der Ansaugmassenstrom (48) nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 bestimmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Zusatzleistung im Fall einer Reinigung des Verdichters (2) prognostiziert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem bei der Prognose der Zusatzleistung der Verdichterwirkungsgrad (50) der Gasturbine (1) als Kenngröße verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem die jeweilige Kenngröße auf Referenzbedingungen normiert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem bei der Prognose der Zusatzleistung Kenngrößen baugleicher und/oder bauähnlicher Gasturbinen (64) als Vergleichsgrößen verwendet werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, bei dem eine Prognose der zeitlichen Entwicklung (58,60) der jeweiligen Kenngröße erstellt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, bei dem in Abhängigkeit vom Wert der ermittelten Zusatz- leistung in Abwägung mit dem wirtschaftlichen Gesamtaufwand bestimmt wird, ob die Gasturbine (1) zur Beseitigung der Verschmutzung temporär stillgesetzt wird und gegebenenfalls ein optimaler Zeitpunkt (34) für die temporäre Stillsetzung ermittelt wird.

11. Gasturbinenanlage mit einer mehrere Komponenten umfassenden Gasturbine (1) und mit einem Steuerungssystem (18), das dateneingangsseitig mit einer Anzahl von zur Ermittlung von Eingangskenngrößen (40a, 40b, 40c) in der Gasturbine (1) angeordneten Sensoren (22) verbunden ist, wobei das Steuerungssystem (18) ein Prognosemodul (24) um- fasst, das für die Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgelegt ist.

12. Gasturbinenanlage nach Anspruch 11, bei dem in das Prognosemodul Daten einer Datenbank (26) mit Vergleichsgrößen baugleicher und/oder bauähnlicher Gasturbinen (64) einlesbar sind.

13. Prognosemodul (24) zur Verwendung in einer Gasturbinenanlage, wobei das Prognosemodul (24) für die Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgelegt ist.

Description:

Beschreibung

Verfahren zur Bestimmung des Ansaugmassenstroms einer Gasturbine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Ansaugmassenstroms einer Gasturbine. Sie betrifft weiter ein Verfahren zur Diagnose einer mehrere Komponenten umfassenden Gasturbine, bei dem die Zusatzleistung, um welche sich die Betriebsleistung der Gasturbine im Falle einer Reinigung einer der Komponenten erhöhen würde, automatisch prognostiziert wird.

Bei einer Gasturbine vermindern sich während der Laufzeit ihre Leistung und ihr Wirkungsgrad durch Verschmutzung, Ablagerung, Abtragung und Korrosion, wodurch der gesamte Kraft- werksprozess negativ beeinflusst wird. Besonders die aerodynamischen Teile des Verdichters am Eintritt der Gasturbine sind dabei betroffen.

Die Verschmutzung der Gasturbine wird durch das Anhaften von Teilchen an den Oberflächen hervorgerufen. öl- und Wassernebel tragen dazu bei, dass sich Staub und Aerosole an den Schaufeln festsetzen können. Die am häufigsten auftretenden Verschmutzungen und Ablagerungen sind Mischungen aus Wasser- benetzungen, wasserlöslichen und wasserunlöslichen Materialien. In der Gasturbine können Verschmutzungen durch Ascheablagerungen und unverbrannte, feste Reinigungspräparate auf- treten. Derartige Luftschadstoffe haften wie Schuppen an den Komponenten des Strömungsweges der Gasturbine und reagieren mit ihnen. Weiter kommt es zu Abschürfungen durch Partikelschlag und Abrieb, die im Allgemeinen als Erosion bezeichnet werden .

Weiterhin können sich Eisstückchen, die sich am Eintritt der Gasturbine bilden, lösen und auf die Komponenten im Strömungsweg der Gasturbine schlagen. Um dies zu verhindern,

kommt ein so genanntes Antivereisungssystem zum Einsatz. Hier wird durch Luftvorwärmung verhindert, dass die Temperatur der Luft beim Eintritt in die Gasturbine nicht unter den Gefrierpunkt sinkt und somit das Wasser nicht gefriert.

Durch die beschriebenen Alterungsprozesse wird eine erhöhte Oberflächenrauhigkeit der Schaufeln verursacht. Dies führt zu vergleichsweise großen Reibungsverlusten in der Gasturbine, da laminare Grenzschichtströmungen in eine turbulente Strö- mung umschlagen können und es so zu einem wachsenden Strömungswiderstandes kommt. Weiterhin vergrößern sich Spalte der Gasturbine durch Abrieb und Korrosion. Die Verluste durch die erhöhte Spaltströmung nehmen zu und die Performance der Anlage verringert sich.

Der Einfluss von Alterungserscheinungen ist am Eintritt der Gasturbine, d. h. am Verdichter besonders groß. Geometrische Veränderungen der Schaufeln durch Erosion, Ablagerungen und Schädigungen, bewirken eine verringerte Leistungsfähigkeit der Gasturbine. Auftretende Ablagerungen, Erosion und Korrosion am Eintritt führen zu veränderten Eintrittswinkeln, die sich sehr stark auf die thermodynamische Performance auswirken. Ein gealterter Verdichter kann unter Umständen zum Strö- mungsabriss führen.

Die Alterung des Verdichters wirkt sich negativ auf den Gasturbinenwirkungsgrad, die Gasturbinenleistung und den Gastur- binenaustrittsmassenstrom aus. Um dem Leistungsabbau der Turbinenanlage entgegenzuwirken, werden regelmäßige Verdichter- waschen durchgeführt. Verdichterschaufeln können dabei im Online- und Offline-Modus gewaschen werden. Beim Online-Modus wird die Turbinenanlage während der Reinigung weiter betrieben, die Gasturbinenlast wird nur geringfügig abgesenkt. Online-Wäschen werden hauptsächlich zur Vermeidung des Aufbaus der Schmutzschicht angewendet. üblicherweise wird eine Online-Wäsche einmal täglich mit voll entsalztem Wasser und jeden dritten Tag mit Reinigungsmitteln durchgeführt.

Für eine Offline-Wäsche wird die Anlage hingegen stillgesetzt. Um thermische Spannungen zu vermeiden, wird sie sechs Stunden mit Hilfe einer Wellendreheinrichtung abgekühlt. Eine Offline-Wäsche wird üblicherweise etwa einmal im Monat durch- geführt. Wurde die Turbinenanlage für einen vergleichsweise langen Zeitraum nicht gereinigt, muss für typische Anlagen in der Regel eine Offline-Wäsche durchgeführt werden, da die Methode der Online-Reinigung die Verschmutzungen nicht mehr entfernen kann.

Eine Offline-Wäsche bewirkt dabei eine größere Leistungsrückgewinnung als eine Online-Wäsche. Mit Hilfe einer Offline- Wäsche können Leistungsrückgewinne von mehreren Prozent erzielt werden. Eine Online-Wäsche bewirkt eine geringere Leis- tungsrückgewinnung. Die effektivste Schaufelreinigung kann mit einer Kombination aus Online- und Offline-Wäschen erreicht werden. Eine regelmäßige Online-Wäsche erweitert die Zeitintervalle zwischen den erforderlichen Offline-Wäschen.

Der optimale Zeitpunkt für eine Offline-Wäsche wird häufig durch den Betreiber nach rein wirtschaftlichen Betriebsgesichtspunkten bestimmt, z. B. in Schwachlastzeiten. Dies bedeutet, dass die Entscheidung über den Zeitpunkt einer Beseitigung einer Verschmutzung einer der Komponenten der Turbi- nenanlage, z. B. durch eine Wäsche des Verdichters lediglich auf Erfahrungswerten unter wirtschaftlichen Aspekten oder unter Vorabstudien mit festen Randbedingungen beruht.

Alternativ kann die Bestimmung des Zeitpunkts der Offline- Wäsche anhand einer aktuellen Prognose des durch die Offline- Wäsche erwarteten Leistungsgewinns der Gasturbine erfolgen. Dabei wird eine derartige Prognose üblicherweise anhand der Entwicklung des Verdichterwirkungsgrads der Gasturbine erstellt, der als Kenngröße für die Stärke der Verschmutzung des Verdichters dient. Derartige Prognoseverfahren sind beispielsweise aus der WO 2005/090764 A oder aus Schepers et al . : „Optimierung der Online- und Offline-Wäsche an einer 26- MW-Gasturbine unter besonderer Berücksichtigung der Leis-

tungssteigerung", VGB Kraftwerkstechnik, Bd. 79 Nr. 3, bekannt .

Die Messdaten, die zur Bestimmung des Verdichterwirkungsgra- des benutzt werden, können jedoch mit vergleichsweise hohen Datenunsicherheiten versehen sein, was eine genaue Prognose des zu erwartenden Leistungsgewinns durch eine Offline-Wäsche und damit eine Bestimmung des für den Betrieb der Gasturbine kostenoptimalen Zeitpunkts für eine solche Offline-Wäsche er- schwert.

Zur Erhöhung der Genauigkeit einer derartigen Prognose sollten dabei die statistischen Unsicherheiten minimiert werden. Dies kann beispielsweise durch eine Verbesserung der Mess- apparaturen oder eine Erhöhung der Anzahl von Messungen geschehen. Dabei führt eine derartige Erhöhung jedoch nur zu einer Verringerung des statistischen Fehlers, jedoch sollten auch systematische Fehler bei der Prognose der Zusatzleistung weit gehend minimiert werden. Dies kann erreicht werden, in- dem zusätzlich weitere Kenngrößen zur Prognose der Zusatzleistung herangezogen werden. Eine derartige Größe, die für die Leistung der Gasturbine charakteristisch ist, ist der Ansaugmassenstrom der Gasturbine.

Der Ansaugmassenstrom als Kenngröße für die Betriebsleistung der Gasturbine wird üblicherweise wegen des hohen Aufwandes, der großen Messunsicherheit und der Schadensgefahr nicht direkt gemessen, sondern anhand von Bilanzierungen indirekt bestimmt. Für eine direkte Messung müssten sehr aufwändige Instrumente eingesetzt werden, denn erstens liegen sehr hohe Temperaturen vor, und zweitens ist ein Abbrechen der Sensoren wegen der wahrscheinlich hohen Folgeschäden an der Turbinenbeschaufelung unbedingt zu vermeiden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung des Ansaugmassenstroms der oben genannten Art anzugeben, welches eine besonders zuverlässige Prognose des

zu erwartenden Leistungsgewinns bei einer Reinigung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem zur Bestim- mung des Ansaugmassenstroms der Turbineneintrittsdruck, der Brennkammerdruckverlust und/oder der Druckverlust zwischen Umgebung und Verdichtereintritt als Eingangskenngrößen ermittelt werden.

Die Erfindung geht dabei von der überlegung aus, dass für eine Energiebilanz der gesamten Gasturbine einerseits und der Brennkammer andererseits als Eingangsgrößen u. a. die Betriebsleistung, der Brennstoffmassenstrom und der Brennstoffheizwert benötigt werden. Diese Werte sind jedoch vergleichs- weise schwer bestimmbar und mit einem sehr hohen Fehler behaftet. In einem Kombikraftwerk, in dem eine Gasturbine zusammen mit einer Dampfturbine auf einer Welle betrieben wird, lässt sich die Leistung der Gasturbine als Einzelwert zudem nur vergleichsweise aufwändig und ungenau bestimmen, da stets nur die Gesamtleistung des gesamten Kombikraftwerks verfügbar ist. Daher werden zur Bestimmung des Ansaugmassenstroms der Turbineneintrittsdruck, der Brennkammerdruckverlust und/oder der Druckverlust zwischen Umgebung und Verdichtereintritt als Eintrittskenngrößen ermittelt.

Dabei lässt sich der Turbineneintrittsdruck mit Hilfe der Mengendruckgleichung nach Stodola in einen Wert für den Ansaugmassenstrom überführen, während sich aus dem Brennkammerdruckverlust bzw. dem Druckverlust zwischen Umgebung und Ver- dichtereintritt jeweils Widerstandsbeiwerte ermitteln lassen, die zur Bestimmung des Ansaugmassenstroms herangezogen werden können. Eine derartige Ermittlung des Ansaugmassenstroms ohne Lösung einer Energiebilanz ist mit wesentlich geringerem statistischen Fehlern behaftet und ermöglicht daher eine noch genauere Prognose der Zusatzleistung, um welche sich die Betriebsleistung der Gasturbine im Fall einer Reinigung einer der Komponenten erhöhen würde.

Um die statistischen Fehler bei der Bestimmung des Ansaugmassenstroms weiter zu minimieren, wird zur Bestimmung des Ansaugmassenstroms vorteilhafterweise aus einer Anzahl von Eingangskenngrößen jeweils ein vorläufiger Wert für den Ansaug- massenstrom ermittelt, wobei für jeden vorläufigen Wert durch Querabgleich mit den jeweils anderen vorläufigen Werten jeweils ein validierter Wert ermittelt wird. Ein derartiger Querabgleich kann beispielsweise in Anlehnung an die VDI2048 erfolgen. Diese beruht im Wesentlichen auf dem Ausgleichs- prinzip nach Gauß, dessen Grundgedanke es ist, nicht nur die für eine Lösung benötigte Mindestmenge an Messgrößen zu verwenden, sondern darüber hinaus alle erreichbaren Messgrößen samt den zugehörigen Varianzen und Kovarianzen zu erfassen. Für das vorliegende Verfahren bedeutet dies, dass alle er- reichbaren Eingangskenngrößen benutzt werden, um jeweils einen vorläufigen Wert für den Ansaugmassenstrom zu ermitteln .

Da es sich stets um denselben physischen Ansaugmassenstrom handelt, sollten die wahren Werte der Eingangskenngrößen derart sein, dass alle entstehenden vorläufigen Werte gleich sind. Auf Basis dieser Annahme erhält man mit Hilfe des Gauß- Verfahrens widerspruchsfreie Schätzwerte für die tatsächlichen Werte der Messgrößen und validierte Werte für den An- saugmassenstrom. Die auf diese Weise erzeugten validierten Werte für den Ansaugmassenstrom werden dann gemittelt und bilden somit eine mit einem besonders geringen statistischen Fehler versehene Kenngröße zur Bestimmung der Betriebsleistung der Gasturbine.

Die Auswahl des Zeitpunkts einer zum Erhalt einer hohen Betriebsleistung der Gasturbine notwendigen Offline-Wäsche unter besonders geringen Kosten ist durch eine möglichst exakte Prognose des Leistungsgewinns durch eine solche Offline- Wäsche der Gasturbine erreichbar. Mit anderen Worten: Um festzustellen, ob sich eine Offline-Wäsche zum aktuellen Zeitpunkt hinsichtlich des Produktionsausfalls durch den Stillstand der Gasturbine wirtschaftlich lohnt, sollte jeder-

zeit so genau wie möglich bekannt sein, wie hoch der erwartete Leistungsrückgewinn durch die Offline-Wäsche ist. Daher sollte bei einem Verfahren zur Diagnose einer mehrere Komponenten umfassenden Gasturbine, das mit Hilfe des Werkes des Ansaugmassenstroms eine derartige Prognose erstellt, vorteilhafterweise das obige Verfahren zur Bestimmung des Ansaugmassenstroms zur Anwendung kommen.

In einer Gasturbine ist der Verdichter strömungsmediumsseitig allen anderen Bauteilen wie z. B. der Brennkammer vorgelagert. Entsprechend ist der Verdichter das den Umwelteinflüssen wie einströmendem Staub und Schmutzpartikeln am meisten ausgesetzte Bauteil. Vorteilhafterweise wird daher insbesondere eine Reinigung des Verdichters durchgeführt, da dieser den höchsten Verschmutzungsgrad aufweist und somit eine entsprechende Reinigung einen besonders positiven Einfluss auf den Rückgewinn an Betriebsleistung der Gasturbine hat.

Zur weiteren Verminderung des statistischen und systemati- sehen Fehlers der Gasturbine sollte der Ansaugmassenstrom nicht als alleinige Kenngröße zur Bestimmung der Betriebsleistung der Gasturbine vorgesehen sein. In vorteilhafter Ausgestaltung wird daher zusätzlich der Verdichterwirkungsgrad der Gasturbine als Kenngröße verwendet.

Bei der Messung der Eingangskenngrößen sollte berücksichtigt werden, dass insbesondere thermodynamische Parameter der Gasturbine abhängig von den jeweiligen Umgebungsbedingungen wie Luftdruck und Außentemperatur sind. Um dennoch Messwerte zu verschiedenen Zeitpunkten miteinander vergleichen zu können, sollten die jeweiligen Kenngrößen auf Referenzbedingungen normiert werden. Als Norm bieten sich dabei die ISO-Bedingungen (Temperatur 15 0 C, Druck 1,013 bar, Luftfeuchtigkeit 60 %) an.

Um aus der berechneten momentanen Betriebsleistung der Gasturbine die Zusatzleistung im Falle einer Reinigung einer der Komponenten der Gasturbine zu prognostizieren, wird ein Refe-

renzwert für die Betriebsleistung einer gerade gereinigten Gasturbine benötigt. Dabei ist die Betriebsleistung der Gasturbine abgesehen von ihrem Verschmutzungszustand auch von der verschmutzungsunabhängigen Erosion, und daher im Wesent- liehen vom Betriebsalter der Gasturbine abhängig. Um einen derartigen Referenzwert zu erhalten, werden bei der Prognose der Zusatzleistung vorteilhafterweise Kenngrößen baugleicher und/oder bauähnlicher Gasturbinen als Vergleichsgrößen verwendet. Dadurch kann insbesondere die Betriebsleistung nach der Reinigung der Gasturbine besonders gut prognostiziert werden und es ist insgesamt eine genauere Prognose der Zusatzleistung durch eine Reinigung der Gasturbine erreichbar.

Die Zusatzleistung durch eine Reinigung einer der Komponenten der Gasturbine soll häufig nicht nur bei einer sofort erfolgenden Reinigung ermittelt werden, sondern auch für in der Zukunft liegende Zeiträume, um eine langfristige Planung der Reinigung zu ermöglichen. Dazu wird in vorteilhafter Ausgestaltung eine Prognose der zeitlichen Entwicklung der jewei- ligen Kenngröße erstellt. Eine solche Prognose ist durch mehrere Auswertungen der Eingangskenngrößen oder Messwerte zu verschiedenen Zeitpunkten möglich.

Ein besonders kostenoptimaler Betrieb der Gasturbine ist mög- lieh, wenn eine Bestimmung des Zeitpunkts einer Offline- Wäsche der Gasturbine nicht nur unter rein wirtschaftlichen Gesichtspunkten getroffen wird, wie beispielsweise in Schwachlastzeiten, sondern anhand einer genauen Prognose der Betriebsleistung der Gasturbine in der Zukunft erfolgt. Dazu wird vorteilhafterweise in Abhängigkeit vom Wert der ermittelten Zusatzleistung in Abwägung mit dem wirtschaftlichen Gesamtaufwand bestimmt, ob die Gasturbine zur Beseitigung der Verschmutzung temporär stillgesetzt wird und gegebenenfalls ein optimaler Zeitpunkt für die temporäre Stillsetzung ermit- telt. Durch eine exakte Prognose der durch eine Offline- Wäsche erreichten Zusatzleistung kann die Bestimmung eines Zeitpunkts für eine derartige Offline-Wäsche anhand einer wesentlich präzisieren Analyse erfolgen, bei der Kosten und

Nutzen der Offline-Wäsche exakt gegeneinander abgewogen werden können.

Vorteilhafterweise findet das Verfahren Anwendung in einer Gasturbinenanlage mit einer mehrere Komponenten umfassenden Gasturbine und mit einem Steuerungssystem, das dateneingangs- seitig mit einer Anzahl von zur Ermittlung von Eingangskenngrößen in der Gasturbine angeordneten Sensoren verbunden ist, wobei das Steuerungssystem ein Prognosemodul umfasst.

In vorteilhafter Ausgestaltung sind in das Prognosemodul Daten einer Datenbank mit Vergleichsgrößen baugleicher und/oder bauähnlicher Gasturbinen einlesbar. Dazu sollte das Prognosemodul eine entsprechend offene Architektur aufweisen, die ein derartiges Einlesen ermöglicht. Dies kann beispielsweise mit Hilfe eines mobilen Datenträgers geschehen oder über eine permanente Datenverbindung zur Datenbank, d. h. die Datenbank kann auf einem beschreibbaren Speicher innerhalb des Steuerungssystems hinterlegt sein oder auf einem externen Server gespeichert sein, der über eine Datenfernleitung mit dem Steuerungssystem der Gasturbine verbunden ist.

Dies ermöglicht einen Abgleich zwischen den Daten baugleicher und/oder bauähnlicher Gasturbinen, wodurch ein Rückgriff auf eine besonders große Erfahrungsbasis erfolgen kann und damit ein geringerer statistischer Fehler erzielt wird. Umgekehrt können die in der Gasturbine gewonnenen Daten auch zur Erweiterung der Datenbank genutzt werden, indem diese der Datenbank zur Verfügung gestellt und dort gespeichert werden.

Vorteilhafterweise ist ein Prognosemodul zur Verwendung in einer Gasturbinenanlage für die Durchführung des Verfahrens geeignet .

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Bestimmung des Ansaugmassenstroms der Gasturbine mittels des Turbineneintrittsdrucks, des Brennkammerdruckverlusts und/oder des Druckverlusts zwischen

Umgebung und Verdichtereintritt eine vergleichsweise präzisere Analyse des Verschmutzungsgrades der Gasturbine, insbesondere ihres Verdichters möglich ist. Dadurch ist eine vorausschauende, an die betrieblichen und wirtschaftlichen Umstände angepasste Planung der Offline-Wäsche der Gasturbine möglich, wodurch ein besonders hoher Wirkungsgrad der Gasturbine während ihrer Laufzeit erreicht werden kann. Das hier beschriebene Verfahren erlaubt zudem die Bestimmung des Ansaugmassenstromes ohne jede Kenntnis der Brennstoffdaten und ohne Lösung einer mit hohen Unsicherheiten verbundenen Energiebilanz. Im übrigen wird damit die Berücksichtigung des Ansaugmassenstroms in Bezug auf die Betriebsleistung der Gasturbine für Einwellenanlagen, bei denen eine Gasturbine und eine Dampfturbine auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind, überhaupt erst möglich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

FIG 1 einen Längsschnitt durch eine Gasturbine,

FIG 2 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs der Betriebsleistung einer Gasturbine, und

FIG 3 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Prognose der erzielten Zusatzleistung im Falle einer Verdichterreinigung.

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszei- chen versehen.

Die Gasturbine 1 gemäß FIG 1 weist einen Verdichter 2 für Verbrennungsluft, eine Brennkammer 4 sowie eine Turbine 6 zum Antrieb des Verdichters 2 und eines nicht näher darstellten Generators oder eine Arbeitsmaschine auf. Dazu sind die Turbine 6 und der Verdichter 2 auf einer gemeinsamen, auch als Turbinenläufer bezeichneten Turbinenwelle 8 angeordnet, mit

der auch der Generator bzw. die Arbeitsmaschine verbunden ist und die um ihre Mittelachse 9 drehbar gelagert ist.

Die Brennkammeranordnung 4 umfasst eine Anzahl von kranzför- mig um die Turbinenwelle 8 herum angeordneten individuellen Brennern 10 zur Verbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs .

Die Turbine 6 weist eine Anzahl von mit der Turbinenwelle 8 verbundenen, rotierbaren Laufschaufeln 12 auf. Die Laufschaufeln 12 sind kranzförmig an der Turbinenwelle 8 angeordnet und bilden somit eine Anzahl von Laufschaufelreihen . Weiterhin umfasst die Turbine 6 eine Anzahl von feststehenden Leitschaufeln 14, die ebenfalls kranzförmig unter der Bildung von Leitschaufelreihen im Inneren der Turbine 6 befestigt sind. Die Laufschaufeln 12 dienen dabei zum Antrieb der Turbinenwelle 8 durch Impulsübertrag vom die Turbine 6 durchströmenden Arbeitsmedium M. Die Leitschaufeln 14 dienen hingegen zur Strömungsführung des Arbeitsmediums M zwischen jeweils zwei in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M gesehen aufeinander folgenden Laufschaufelreihen oder Laufschaufelkränzen .

Der Verdichter 2 ist das dem Lufteinlass 16 am nächsten liegende Bauteil der Gasturbine 1. Dementsprechend ist er Schmutzeinträgen und der daraus resultierenden Verschmutzung der Gasturbine 1 am stärksten ausgesetzt. Um einer Reduzierung der Betriebsleistung der Gasturbine 1 vorzubeugen, muss daher der Verdichter 2 regelmäßig gereinigt werden. Dabei können relativ häufig, beispielsweise einmal täglich, so ge- nannte Online-Wäschen durchgeführt werden, für die kein

Stillstand der Gasturbine 1 erforderlich ist. In größeren Abständen sollte zur Entfernung von hartnäckigem Schmutz die Turbine stillgelegt werden, um eine Offline-Wäsche durchzuführen .

Die Gasturbine 1 umfasst ein Steuerungssystem 18, welches über eine Datenleitung 20 mit verschiedenen, im Inneren der Gasturbine 1 angeordneten Sensoren 22 verbunden ist. Zur Be-

Stimmung des optimalen Offline-Waschzeitpunkts umfasst das Steuerungssystem 18 dabei ein Prognosemodul 24, welches die von den Sensoren 22 erfassten Eingangskenngrößen verarbeitet und auf der Basis dieser Daten den Verschmutzungsgrad der Gasturbine und den zu erwartenden Gewinn an Betriebsleistung bei einer durchgeführten Offline-Wäsche ermittelt. Zur Verbesserung der Prognosequalität sind in das Prognosemodul Vergleichsdaten baugleicher oder bauähnlicher Gasturbinen einlesbar. Dazu ist das Steuerungssystem über eine weitere Datenleitung 20 mit einer Datenbank 26 verbunden, die derartige Vergleichsdaten enthält. Die Datenbank 26 kann sich dabei auf einem nicht näher gezeigten externen Datenbankserver befinden. Alternativ können die Vergleichsdaten auch ohne permanente Datenverbindung zur Datenbank 26 über einen mobi- len Datenträger eingelesen werden.

FIG 2 zeigt eine grafische Darstellung des zeitlichen Verlaufes der Betriebsleistung einer typischen Gasturbine 1. Die Linie Ll zeigt die Betriebsleistung der Gasturbine 1 zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme 30. Die Linie L2 zeigt die theoretische maximale Leistung der Gasturbine über ihre Laufzeit, deren Abfall lediglich durch Alterung und irreversible Verschmutzung erzeugt wird.

Die Linie L3 zeigt den zusätzlichen Einfluss der reversiblen Verschmutzung auf die Betriebsleistung der Gasturbine. Im Ausschnitt I ist dabei der Einfluss der regelmäßigen Online- Wäsche auf die Betriebsleistung der Gasturbine gezeigt. In regelmäßigen Abständen wird diese zu einer festgelegten Zeit 32, beispielsweise einmal täglich, durchgeführt. Dies hat einen vergleichsweise geringen Leistungsanstieg zur Folge, der jedoch kumuliert über die häufigen Online-Wäschen in nicht unerheblicher Weise zur Leistungserhaltung der Gasturbine 1 beiträgt.

In größeren Zeitabständen werden zu zu bestimmenden Zeitpunkten 34 Offline-Wäschen durchgeführt. Diese Offline-Wäschen haben einen wesentlich größeren Rückgewinn an Leistung zur

Folge, erfordern jedoch einen wesentlich größeren Aufwand, da die Gasturbine 1 stillgelegt werden muss, wobei auch ein nicht unerheblicher Kostenaufwand entsteht. Daher sollten die Zeitpunkte 34 vorausschauend gewählt werden, wobei dies einerseits anhand von wirtschaftlichen Kriterien wie beispielsweise Strompreis oder Brennstoffpreis geschehen kann, andererseits auch anhand der betrieblichen Variablen der Gasturbine. Insbesondere sollte der voraussichtliche Leistungsgewinn durch eine Offline-Wäsche für eine optimale Bestimmung des Zeitpunkts 34 der Offline-Wäsche bekannt sein.

FIG 3 zeigt schematisch den Ablauf des Verfahrens zur Bestimmung der Zusatzleistung, um welche sich die Betriebsleistung der Gasturbine 1 im Fall einer Reinigung des Verdichters er- höhen würde. Dazu werden zunächst als Eingangskenngrößen der Turbineneintrittsdruck 40a, der Brennkammerdruckverlust 40b und Druckverlust zwischen Umgebung und Verdichtereintritt 40c gemessen. Aus dem Turbineneintrittsdruck 40a wird auf Basis der Mengendruckgleichung nach Stodola ein vorläufiger Wert für den Ansaugmassenstrom 42a bestimmt. Weiterhin werden der Druckverlust in der Brennkammer 40b und der Druckverlust zwischen Umgebung und Verdichtereintritt 40c über einen Ansatz mit einem konstanten Widerstandsbeiwert in vorläufige Werte für den Ansaugmassenstrom 42b bzw. 42c überführt.

Die unterschiedlichen Ansätze liefern zunächst unterschiedliche vorläufige Werte für den Ansaugmassenstrom 42a, 42b und 42c. Mit der Nebenbedingung, dass alle Ansaugmassenströme gleich sein sollten, wird dann in Anlehnung an die VDI2048 eine Datenvalidierung durchgeführt. Diese korrigiert die

Messwerte anhand der spezifizierten Unsicherheiten so, dass die vorläufigen Werte für den Ansaugmassenstrom praktisch gleich sind. Aus den derart korrigierten Eingangskenngrößen entstehen so einerseits validierte Werte für den Ansaugmas- senstrom 44, andererseits lassen sich die validierten Eingangskenngrößen als Basis für die Berechnung des Verdichterwirkungsgrades 46 verwenden.

Durch Mittelung entstehen dann vergleichsweise genaue Werte für den Ansaugmassenstrom 48 und den Verdichterwirkungsgrad 50 zu einem bestimmten Zeitpunkt 52. Diese Messungen werden zu mehreren Zeitpunkten 52 aufgenommen und gespeichert. Dabei werden die aufgenommenen Messwerte jeweils mit Hilfe einer mathematischen Funktion, beispielsweise eines Polynoms, auf ISO-Referenzbedingungen (Temperatur 15 0 C, Druck 1,013 bar, Luftfeuchtigkeit 60 %) umgerechnet, um die unter unterschiedlichen Umweltbedingungen aufgenommenen Werte zueinander in Beziehung setzen zu können. Aus den so gewonnenen, normierten Werten für Ansaugmassenstrom 54 und Verdichterwirkungsgrad 56 kann nun mittels Regressionsanalyse ein zeitlicher Verlauf von Ansaugmassenstrom 58 und Verdichterwirkungsgrad 60 extrapoliert werden. Um eine ausreichende Qualität der Regression zu gewährleisten, sollten dabei nicht weniger als zehn Zeitpunkte 52 der Messung vorliegen.

Für beide Werte, Ansaugmassenstrom und Verdichterwirkungsgrade, wird jeweils die Differenz 62 zwischen den Werten nach der letzten Offline-Wäsche und dem aktuellen Zeitpunkt gebildet. Anschließend wird jedes der beiden Ergebnisse mit einem Faktor multipliziert. Diese Faktoren sind Ergebnis einer Flottenanalyse, d. h. eines Vergleichs mit baugleichen und/oder bauähnlichen Gasturbinen 1. Die entsprechenden Daten können dabei von einer externen Datenbank 26 zugeführt werden. Auf Basis der jeweiligen statistischen Unsicherheiten werden den Ergebniswerten Wahrscheinlichkeitsniveaus zugeordnet .

Die beiden Ergebnisse 62 werden anschließend mit Hilfe von gasturbinentypspezifischen Kennzahlen 64 auf eine Gasturbinenleistung umgerechnet. Die so erhaltene Prognose der Zusatzleistung im Falle einer Reinigung des Verdichters wird schließlich der Ausgabe 68 zugeführt.

Zu einer genaueren Prognose der Zusatzleistung im Falle einer Reinigung des Verdichters wird somit der Ansaugmassenstrom der Gasturbine mitberücksichtigt, wobei zur Bestimmung des

Ansaugmassenstroms keine Energiebilanz gelöst wird und keine Angaben über die Gasturbinenleistung und den Brennstoff erforderlich ist, insbesondere keine Angabe über dessen Heizwert und dessen Massenstrom. Durch die somit mit einer vergleichsweise geringen Unsicherheit behaftete Prognose kann der Turbinenbetreiber den Zeitpunkt 34 für eine Offline- Wäsche anhand betriebsspezifischer Daten genau bestimmen. Somit ist insgesamt ein kostengünstigerer Betrieb der Gasturbine möglich.