Universität Stuttgart
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Item Open Access Modellbasierte Regelung von Gasturbinenbrennkammern zur Optimierung von Stickoxidemissionen und Verbrennungsinstabilitäten(2009) Schneider, Ernst; Staudacher, Stephan (Prof. Dr.-Ing.)Die magere Vormischverbrennung erlaubt den Betrieb von Gasturbinen mit sehr geringen Schadstoffwerten. Der Brennkammerbetrieb mit Äquivalenzverhältnissen nahe der mageren Löschgrenze ist allerdings mit einer erhöhten Anfälligkeit der Brennkammer für Verbrennungsinstabilitäten verbunden. Verbrennungsinstabilitäten sind ein unerwünschtes Druckpulsationsphänomen, das aus einer Rückkopplung der Brennkammerakustik mit Schwankungen in der Wärmefreisetzung resultiert. Verbrennungsinstabilitäten wirken sich negativ auf die Lebensdauer der Brennkammer aus, sie können den Brennkammerausbrenngrad verschlechtern und im Extremfall zum Versagen der Brennkammer führen. Zur Vermeidung bzw. Kontrolle der Verbrennungsinstabilitäten können passive und aktive Maßnahmen ergriffen werden. Zu den passiven Maßnahmen zählen der Einbau von Hohlraumresonatoren oder Helmholtzdämpfern, aktive Maßnahmnen sind beispielsweise die aktive Brennstoffmodulation und die Brennstoffstufung. Bei der Brennstoffstufung wird der Ort der Brennstoffeinspritzung abhängig von den Vorgaben des Regelungssystems variiert, so dass die Rückkopplung zwischen Brennkammerakustik und Wärmefreisetzung gestört wird. Variationen der Brennstoffstufung wirken sich neben den Pulsationen aber auch auf die stark temperaturabhängigen Stickoxidemissionen aus. Für die Entwicklung, die Optimierung und das Testen von Regelungskonzepten, die eine emissionsarme Verbrennung mit einem niedrigen Pulsationsniveau erlauben, werden akkurate, echtzeitfähige Modelle der Regelstrecke benötigt, welche das Pulsations- und Stickoxidemissionsverhalten der Brennkammer abbilden. Mit einem Modell kann die Regelstrecke simuliert werden und es können kostengünstig und ohne Gefährdung der Brennnkammer unterschiedlichste Szenarien zur Einstellung der Regelparameter untersucht werden. Zudem lassen sich derartige Modelle für modellbasierte Regler heranziehen, die gegenüber klassischen Regelungskonzepten Leistungsvorteile aufweisen. Insbesondere Totzeiteffekte lassen sich beim Einsatz modellbasierter Regelungskonzepte abmildern. Die vorliegende Arbeit stellt ein stochastisches Verfahren ( Gauss'scher Prozess ) vor, welches die Berechnung der Pulsationen und der Stickoxidemissionen basierend auf Größen erlaubt, die von der Standardinstrumentierung der Gasturbine erfasst werden. Die gewählte Modellierungsmethodik ist systemspezifisch, aber Gauss'sche Prozesse lassen sich analog auch für die Modellierung des Pulsations- und Stickoxidemissionsverhaltens anderer Gasturbinen anwenden. Ein Gauss'scher Prozess ist ein mathematisches Modellierungsverfahren, das verwandt ist mit den Neuronalen Netzen, gegenüber diesen allerdings den Vorteil hat, dass es eine vorgegeben Struktur besitzt und nur eine kleine Parameterschar, für deren Einstellung eindeutige Vorgaben existieren. Die Modellierungsergebnisse werden mit Hilfe von Versuchsdaten verifiziert. Das Modell erfasst hinreichend genau das Pulsations- und Stickoxidemissionsverhalten der Brennkammer und weist eine Portabilität zwischen Gasturbinen der gleichen Bauart bei ähnlichen Betriebsbedingungen auf. Basierend auf dem Modell wird ein neues Regelungskonzept der Brennstoffstufung entwickelt. Dabei wird das Pulsations- und Stickoxidemissionsmodell in einer Beobachterstruktur eingebettet in den Regler integriert. Das modellbasierte Regelungskonzept erlaubt die schnelle und zuverlässige Einstellung der Regelgrößen sowohl unter der Einwirkung von Störeinflüssen als auch von Totzeiteffekten. Das entwickelte Regelungskonzept hat im Rahmen von Simulationen sowohl für statische als auch für transienten Betriebspunkte ein gutes Leistungsverhalten aufgewiesen.