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, 5/11/2019

Modellering for regulering Surge Innledning Modellering for regulering Surge Forskjeller på surge avoidance og aktiv regulering av surge Hvordan designe en surgeregulator NTNU, 5/11/2019

Turbokompressorer: Aksialkompressorer i gassturbiner Williams Rolls FJ44 Pratt&Whitney F100, Brukes f.eks i F15, F16 NTNU, 5/11/2019

Turbokompressorer: Sentrifugalkompressorer Tilfører energi i impelleren Trykkøkning i diffuseren Bernoulli: NTNU, 5/11/2019

Enkel dynamisk modell, egnet for regulatordesign NTNU, 5/11/2019

Stabile og ustabile arbeidspunkter eller Eller, og Chetaevs teorem NTNU, 5/11/2019

Stalling av kompressorblader NTNU, 5/11/2019

Stalling => positiv stigningstall NTNU, 5/11/2019

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, 5/11/2019

Dagens løsning: Surge Avoidance Problem: For lav masse(volum)strøm Løsning: Øke masse(volum)strøm Kompressorer/ rørledninger: Resirkulering Nytt Problem: Økt energiforbruk Gassturbiner: Blow off/bleed NTNU, 5/11/2019

Surge Avoidance Ofte nødvendig med konservative surge-marginer SM SL SCL Ofte nødvendig med konservative surge-marginer Resirkulering/blow off koster energi Maks kanskje ikke nåbar Maks trykk ikke nåbar Begrenset arbeidsområde for kompressoren NTNU, 5/11/2019

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, 5/11/2019

Eksempler Tett koblet ventil Blow off Drivenhet NTNU, 5/11/2019

Tett koblet ventil (CCV) Compressor Ventil i serie med kompressoren Manipulerer kompressorkarakteristikken Trykktap over ventilen NTNU, 5/11/2019

Simulering av CCV løsning NTNU, 5/11/2019

Aktiv stabilisering av surge: blow-off Pådrag: Gassturbin NTNU, 5/11/2019

Eksperimentelle resultater: Gassturbininstallasjonen ved Eindhoven University of Technology Forbrennings kammer Turbolader/ kompressor Turbin throttle ventil NTNU, 5/11/2019

Eksperimentelle resultater SL krysses 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 Surge Regulator aktivert NTNU, 5/11/2019

Bruk av drivmoment/hastighet som pådrag Electric drive Compressor Active surge control law Shaft Shaft speed Compressor performance control NTNU, 5/11/2019

Virtuell karakteristikk Regulatordesign Bruk hastighet som pådrag: Nom. Ustabilt likevektspunkt Økende hastighet Åpen sløyfe Avtagende hastighet Virtuell karakteristikk Lukket sløyfe Krav til forsterkningen: NTNU, 5/11/2019

Slik at komp.kar. også blir en sektorulinearitet: Bevisskisse: GES Sektorulinearitet: Velg Slik at komp.kar. også blir en sektorulinearitet: Kan vise at Dette gir: NTNU, 5/11/2019

Aktiv surgeregulering ved bruk av drivmoment NTNU, 5/11/2019

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) Regulator Modell Observer GES NTNU, 5/11/2019

Aktiv surgeregulering => lavere effektforbruk Reduksjon i effektforbruk for rørledningskompressor under resirkulering i størrelsesorden 20-40% (bekreftet eksperimentelt) NTNU, 5/11/2019