Modellbasierte Regelung von Gasturbinenbrennkammern zur Optimierung von Stickoxidemissionen und Verbrennungsinstabilitäten

Abstract

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.

Lean premixed combustion allows gas turbine operations at very low emission levels. The combustion with equivalence ratios close to the lean extinction limit is associated with an increased susceptibility of the combustor for combustion instabilities. Combustion instabilities are an unwanted pulsation phenomenon, that results from a feedback loop of the combustion chamber acoustics with heat release fluctuations. Combustion instabilities are negative for the lifetime of the combustion chamber, they tend to decrease the combustion efficiency, and in extreme cases they can cause the failure of the combustor. For the prevention and control of combustion instabilities passive and active means are employed. Passive means are Helmholtz dampers or quarter wave tubes. Active means are the active modulation of the fuel mass flow rate and the fuel staging technique.

The fuel staging technique allows the variation of the geometric position of the fuel injection. The fuel staging ratio depends on the command signal of the control system. The variation of the fuel staging ratio disturbs the feedback loop between the combustion chamber acoustics and the heat release. Variations of the fuel staging ratio effect besides the pulsations also the nitrogen oxide emissions, that are highly temperature sensitive. For the development, optimization and testing of control concepts for low-emission and low-pulsation combustion, accurate, real-time plant models are needed, that represent the pulsation and nitrogen oxides emission behavior of the combustion chamber. With a plant model the behavior of the system can be simulated and a variety of scenarios can be tested for the optimal implementation of the control system parameters. Using a model is cost effective and without any risks for the hardware. A plant model can also be integrated in the control system. Such a model based control concept has advantages in comparison to classic control concepts. Especially system time delay effects are attenuated.

This work presents a stochastic modelling method ( Gaussian Process ) for the pulsation and nitrogen oxides emissions of a gas turbine combustion chamber. The model inputs are values that are measured with the standard instrumentation of the gas turbine. The used modelling method is system specific, but Gaussian Processes can be used in an analogue way for the modelling of the pulsation and nitrogen oxides emission behaviour of other gas turbines. A Gaussian Process is a mathematical modelling technique, which is related to neural networks, but has the advantage that it has a given structure, and only a small number of parameters with a clear theoretical framework for the model implementation. The modelling results are verified using measured data of several gas turbines. The model captures well the pulsation and nitrogen oxides emission behavior of the combustion chamber and shows a portability between gas turbines of the same type at similar operating conditions.

Based on the model, a new control concept for the fuel staging ratio was developed. The pulsations and nitrogen oxides emission model was embedded in an observer structure and integrated in the control system. The model based control concept allows the fast and reliable adaptation of control values to new setpoints. The controller showed a robust, good performance during static and transient operations. It showed good results even for high disturbance levels and high system time delays.