Aktiv regulering av gassturbiner og kompressorer Tommy Gravdahl

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 NTNU, 10/24/2020 1

• Innledning • Modellering for regulering • Surge • Forskjeller på surge avoidance og aktiv regulering av surge • Hvordan designe en surgeregulator NTNU, 10/24/2020 2

Turbokompressorer: Aksialkompressorer i gassturbiner Williams Rolls FJ 44 Pratt&Whitney F 100, Brukes f. eks i F 15, F 16 NTNU, 10/24/2020 3

Turbokompressorer: Sentrifugalkompressorer • Tilfører energi i impelleren • Trykkøkning i diffuseren • Bernoulli: NTNU, 10/24/2020 4

Enkel dynamisk modell, egnet for regulatordesign NTNU, 10/24/2020 5

Stabile og ustabile arbeidspunkter eller NTNU, 10/24/2020 Eller, og Chetaevs teorem 6

Stalling av kompressorblader NTNU, 10/24/2020 7

Stalling => positiv stigningstall NTNU, 10/24/2020 8

Stall=>Surge • Induserer vibrasjoner i systemet • Reduserer virkningsgrad => økte temperaturer • Flymotorer : flameout, tap av skyvkraft, restart nødvendig • Potensielt ødeleggende for maskineriet • Surge må forhindres NTNU, 10/24/2020 9

Dagens løsning: Surge Avoidance • Problem: For lav masse(volum)strøm • Løsning: Øke masse(volum)strøm Kompressorer/ rørledninger: Resirkulering Gassturbiner: Blow off/bleed Nytt Problem: Økt energiforbruk NTNU, 10/24/2020 10

Surge Avoidance SL SCL SM NTNU, 10/24/2020 • Ofte nødvendig med konservative surge-marginer • Resirkulering/blow off koster energi • Maks kanskje ikke nåbar • Maks trykk ikke nåbar • Begrenset arbeidsområde for kompressoren 11

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 NTNU, 10/24/2020 12

Eksempler • Tett koblet ventil • Blow off • Drivenhet NTNU, 10/24/2020 13

Tett koblet ventil (CCV) Compressor • Ventil i serie med kompressoren • Manipulerer kompressorkarakteristikken • Trykktap over ventilen NTNU, 10/24/2020 14

Simulering av CCV løsning NTNU, 10/24/2020 15

Aktiv stabilisering av surge: blow-off Pådrag: Gassturbin NTNU, 10/24/2020 16

Eksperimentelle resultater: Gassturbininstallasjonen ved Eindhoven University of Technology Forbrennings kammer Turbolader/ kompressor Turbin throttle ventil NTNU, 10/24/2020 17

Eksperimentelle resultater SL krysses Surge Regulator aktivert NTNU, 10/24/2020 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 18

Bruk av drivmoment/hastighet som pådrag Active surge control law Electric drive Shaft Compressor Shaft speed Compressor performance control NTNU, 10/24/2020 19

Regulatordesign Bruk hastighet som pådrag: Nom. Ustabilt likevektspunkt Økende hastighet Åpen sløyfe Vi Avtagende hastighet ll ue rt ti is er kt ra ka kk Lukket sløyfe Krav til forsterkningen: NTNU, 10/24/2020 20

Bevisskisse: GES Sektorulinearitet: Velg Slik at komp. kar. også blir en sektorulinearitet: Kan vise at Dette gir: NTNU, 10/24/2020 21

Aktiv surgeregulering ved bruk av drivmoment NTNU, 10/24/2020 22

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) GES Modell Regulator Observer GES NTNU, 10/24/2020 23

Aktiv surgeregulering => lavere effektforbruk • Reduksjon i effektforbruk for rørledningskompressor under resirkulering i størrelsesorden 20 -40% (bekreftet eksperimentelt) NTNU, 10/24/2020 24