Aktiv regulering av gassturbiner og kompressorer

Presentasjon om: "Aktiv regulering av gassturbiner og kompressorer"— Utskrift av presentasjonen:

1 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, 12/28/2018

2 Modellering for regulering Surge
Innledning Modellering for regulering Surge Forskjeller på surge avoidance og aktiv regulering av surge Hvordan designe en surgeregulator NTNU, 12/28/2018

3 Turbokompressorer: Aksialkompressorer i gassturbiner
Williams Rolls FJ44 Pratt&Whitney F100, Brukes f.eks i F15, F16 NTNU, 12/28/2018

4 Turbokompressorer: Sentrifugalkompressorer
Tilfører energi i impelleren Trykkøkning i diffuseren Bernoulli: NTNU, 12/28/2018

5 Enkel dynamisk modell, egnet for regulatordesign
NTNU, 12/28/2018

6 Stabile og ustabile arbeidspunkter
eller Eller, og Chetaevs teorem NTNU, 12/28/2018

7 Stalling av kompressorblader
NTNU, 12/28/2018

8 Stalling => positiv stigningstall
NTNU, 12/28/2018

9 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, 12/28/2018

10 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, 12/28/2018

11 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, 12/28/2018

12 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, 12/28/2018

13 Eksempler Tett koblet ventil Blow off Drivenhet NTNU, 12/28/2018

14 Tett koblet ventil (CCV)
Compressor Ventil i serie med kompressoren Manipulerer kompressorkarakteristikken Trykktap over ventilen NTNU, 12/28/2018

15 Simulering av CCV løsning
NTNU, 12/28/2018

16 Aktiv stabilisering av surge: blow-off
Pådrag: Gassturbin NTNU, 12/28/2018

17 Eksperimentelle resultater: Gassturbininstallasjonen ved Eindhoven University of Technology
Forbrennings kammer Turbolader/ kompressor Turbin throttle ventil NTNU, 12/28/2018

18 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, 12/28/2018

19 Bruk av drivmoment/hastighet som pådrag
Electric drive Compressor Active surge control law Shaft Shaft speed Compressor performance control NTNU, 12/28/2018

20 Virtuell karakteristikk
Regulatordesign Bruk hastighet som pådrag: Nom. Ustabilt likevektspunkt Økende hastighet Åpen sløyfe Avtagende hastighet Virtuell karakteristikk Lukket sløyfe Krav til forsterkningen: NTNU, 12/28/2018

21 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, 12/28/2018

22 Aktiv surgeregulering ved bruk av drivmoment
NTNU, 12/28/2018

23 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, 12/28/2018

24 Aktiv surgeregulering => lavere effektforbruk
Reduksjon i effektforbruk for rørledningskompressor under resirkulering i størrelsesorden 20-40% (bekreftet eksperimentelt) NTNU, 12/28/2018