DISPOSITIVO Y METODO DE CONTROL DE UNA PLANTA DE PRODUCCION DE ENERGIA ELECTRICA DE TURBINA DE GAS.

Un dispositivo de control de una planta de pro- ducción de energía eléctrica de turbina de gas (1),

que suministra una potencia (P) a una frecuencia (fl); incluyendo el dispositivo de control (8) medios de control de potencia (15), para controlar la potencia (P) distribuida por la planta (1) por medio de una primera señal de control (UΔP) que determina el suministro de carburante a una porción (11) de la planta (1) según un valor de potencia de referencia (PSETNEW), y medios de control de frecuencia (16), para determinar los valores de corrección (PFSETSTEP;PFSETPR) del valor de potencia de referencia (PSET- NEW) según un error de frecuencia (eF), dado por la diferencia entre la frecuencia de la planta (fl) y una frecuencia nominal (fN); caracterizándose el dispositivo (8) porque los medios de control de frecuencia (16) incluyen medios de control de paso (22) configurados para regular el suministro de carburante a la porción (11) de la planta (1) por medio de una segunda señal de control (USTEP) concurrente con la primera señal de control (UΔP), cuando la derivada de la frecuencia (fl) de la planta (1) asume valores más altos que un valor umbral (S)

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E07425295.

Solicitante: ANSALDO ENERGIA S.P.A..

Nacionalidad solicitante: Italia.

Dirección: VIA NICOLA LORENZI 8 16152 GENOVA ITALIA.

Inventor/es: BARISIONE,MARIO, FERRERA,FLAVIO.

Fecha de Publicación: .

Fecha Solicitud PCT: 21 de Mayo de 2007.

Fecha Concesión Europea: 21 de Julio de 2010.

Clasificación Internacional de Patentes:

  • F02C9/28 MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION; ARMAMENTO; VOLADURA.F02 MOTORES DE COMBUSTION; PLANTAS MOTRICES DE GASES CALIENTES O DE PRODUCTOS DE COMBUSTION.F02C PLANTAS MOTRICES DE TURBINAS DE GAS; TOMAS DE AIRE PARA PLANTAS DE PROPULSION A REACCION; CONTROL DE LA ALIMENTACION DE COMBUSTIBLE EN PLANTAS DE PROPULSION A REACCION QUE CONSUMEN AIRE (estructura de turbinas F01D; plantas de propulsión a reacción F02K; estructura de compresores o ventiladores F04; aparatos de combustión en los que la combustión tiene lugar en un lecho fluidizado de combustible u otras partículas F23C 10/00; elaboración de productos de combustión a alta presión o gran velocidad F23R; utilización de turbinas de gas en plantas de refrigeración por compresión F25B 11/00; utilización de turbinas de gas en vehículos, véanse las clases apropiadas relativas a vehículos). › F02C 9/00 Control de las plantas motrices de turbinas de gas; Control de la alimentación de combustible en las plantas de propulsión a reacción que consumen aire (control de las tomas de aire F02C 7/057; control de turbinas F01D; control de compresores F04D 27/00). › Sistemas de regulación que responden a parámetros establecidos o de ambiente, p. ej. temperatura, presión, velocidad del rotor (F02C 9/30 - F02C 9/38, F02C 9/44 tienen prioridad).
  • H02J3/38 ELECTRICIDAD.H02 PRODUCCION, CONVERSION O DISTRIBUCION DE LA ENERGIA ELECTRICA.H02J CIRCUITOS O SISTEMAS PARA LA ALIMENTACION O LA DISTRIBUCION DE ENERGIA ELECTRICA; SISTEMAS PARA EL ALMACENAMIENTO DE ENERGIA ELECTRICA.H02J 3/00 Circuitos para redes principales o de distribución, de corriente alterna. › Disposiciones para la alimentación en paralelo de una sola red por dos o más generadores, convertidores o transformadores.
  • H02P9/04 H02 […] › H02P CONTROL O REGULACION DE MOTORES ELÉCTRICOS, GENERADORES ELECTRICOS O CONVERTIDORES DINAMOELECTRICOS; CONTROL DE TRANSFORMADORES, REACTANCIAS O BOBINAS DE CHOQUE.H02P 9/00 Disposiciones para el control de generadores eléctricos con el propósito de obtener las características deseadas en la salida. › Control efectuado sobre un motor primario no eléctrico y que depende del valor de una característica eléctrica de la salida del generador (para la realización del control de la máquina de arrastre en general, ver la clase apropiada concerniente a esta máquina).

Clasificación PCT:

  • H02P9/04 H02P 9/00 […] › Control efectuado sobre un motor primario no eléctrico y que depende del valor de una característica eléctrica de la salida del generador (para la realización del control de la máquina de arrastre en general, ver la clase apropiada concerniente a esta máquina).

Países PCT: Austria, Bélgica, Suiza, Alemania, Dinamarca, España, Francia, Reino Unido, Grecia, Italia, Liechtensein, Luxemburgo, Países Bajos, Suecia, Mónaco, Portugal, Irlanda, Eslovenia, Finlandia, Rumania, Chipre, Lituania, Letonia, Ex República Yugoslava de Macedonia, Albania.

DISPOSITIVO Y METODO DE CONTROL DE UNA PLANTA DE PRODUCCION DE ENERGIA ELECTRICA DE TURBINA DE GAS.

Fragmento de la descripción:

La presente invención se refiere a un dispositivo y método de control de una planta de producción de energía 5 eléctrica de turbina de gas.

Específicamente, la presente invención se refiere a un dispositivo y método de control de una planta de producción de energía eléctrica de turbina de gas conectada a una red que trabaja en condiciones de perturbación.

10 Como es conocido, las plantas de producción de energía eléctrica de turbina de gas incluyen normalmente un conjunto motor (conjunto turbo), al que pertenecen un compresor de etapa de geometría variable, una cámara de combustión, una turbina de gas y un generador, conectados mecánicamente al mismo eje de turbina y compresor y conectados a una red de distribución eléctrica a través de un interruptor principal.

Las plantas de turbogas también están equipadas con dispositivos de control, que implementan las varias ope20 raciones necesarias para la correcta operación de la planta y para cumplir los requisitos estándar relacionados con las prestaciones de las plantas en términos de seguridad, estabilidad y capacidad de responder a variaciones de la demanda de potencia de la red de distribu

25 ción. Normalmente, cuando está conectada a la red eléctrica, la planta produce potencia eléctrica a una frecuencia que se mantiene estable por dispositivos de control alrededor de un valor de frecuencia dado, denominado frecuen

30 cia nominal (50-60 Hz). De hecho, los dispositivos de control conocidos realizan la denominada regulación primaria, que estabiliza la frecuencia de la planta generando una variación en el suministro de carburante a la cámara de combustión según la diferencia entre la frecuencia nominal y la frecuencia

de la planta. La regulación primaria implementa generalmente un control lógico proporcional. Un ejemplo de este tipo de dispositivos de control se describe en EP-A0858153. Sin embargo, la regulación primaria no siempre es suficiente para garantizar la estabilidad de frecuencia de la potencia eléctrica distribuida.

La planta está conectada generalmente a una red incluyendo una pluralidad de plantas de producción de energía eléctrica y cargas, organizadas en una estructura de red. En condiciones ordinarias, todas las plantas conectadas a la red participan en la regulación de frecuencia, que es estable y está sometida solamente a modestas fluctuaciones. Según las diversas necesidades operativas, las porciones de la red, incluyendo una o más plantas, pueden estar selectivamente aisladas, por ejemplo, para evitar la propagación de posibles fallos.

Sin embargo, las principales variaciones de frecuencia que la regulación primaria no puede compensar, pueden tener lugar en una planta aislada, especialmente porque el aislamiento de la planta implica intrínsecamente evidentes desequilibrios entre la potencia distribuida por la planta y la potencia consumida por las cargas. Específicamente, los dispositivos de control conocidos no siempre son capaces de restablecer una condición de equilibrio (potencia distribuida = potencia consumida) y así llegar de nuevo al valor de frecuencia nominal, especialmente cuando se producen desequilibrios altos, rápidos, de potencia y frecuencia. De hecho, la dinámica de respuesta de los dispositivos de control conocidos no es suficientemente rápida para evitar que llegue a los límites de funcionamiento de la planta, lo que da lugar a la desconexión automática de la red.

Un objeto de la presente invención es hacer un dispositivo de control que carezca de los inconvenientes de la técnica conocida aquí descritos; específicamente, un objeto de la invención es hacer un dispositivo de control capaz de responder a rápidas variaciones de frecuencia de la red y a los repentinos desequilibrios de potencia con el fin de evitar la desconexión de la planta de la red y con el fin de restablecer una situación de equilibrio en la planta aislada.

Según tales objetos, la presente invención se refiere a un dispositivo y método de control de una planta de producción de energía eléctrica de turbina de gas como los reivindicados en las reivindicaciones 1 y 11, respectivamente.

Otras características y ventajas de la presente invención serán evidentes en la descripción siguiente de un ejemplo no limitativo de realización de la misma, con referencia a las figuras de los dibujos acompañantes, en los que:

La figura 1 es un diagrama de bloques simplificado de una planta de producción de energía eléctrica incluyendo un dispositivo de control según la presente invención.

La figura 2 es un diagrama de bloques de un detalle del dispositivo de control incorporado en la planta en la figura 1.

La figura 1 representa una planta de turbina de gas 1 para la producción de energía eléctrica. La planta 1 se puede conectar selectivamente a una red de distribución 2 a través de un interruptor principal 3 e incluye un conjunto turbo 5, un generador 6, un módulo de detección 7, un dispositivo de control 8 y un módulo de selección de valor de referencia 9.

El conjunto turbo 5 es del tipo convencional e incluye un compresor 10, una cámara de combustión 11 y una turbina de gas 12. La cámara de combustión 11 recibe el carburante a través de una válvula de alimentación 13.

El generador 6 está conectado mecánicamente al mismo eje que la turbina 12 y el compresor 10 y es movido rotacionalmente a la misma velocidad de rotación angular ω de la turbina 12 y el compresor 10. El generador 6 transforma la potencia mecánica suministrada por la turbina 12 en potencia eléctrica activa, a continuación denominada simplemente potencia distribuida P y la pone a disposición de la red de distribución 2 a una frecuencia fl.

El módulo de detección 7 está en comunicación con una pluralidad de sensores (no representados) de la planta 1 y suministra una serie de parámetros relacionados con la planta 1, tales como la frecuencia de la planta fl, la potencia distribuida P, la temperatura de los gases de escape de la turbina 12, etc, al dispositivo de control 8.

El módulo de selección de valor de referencia 9 genera señales de referencia a suministrar al dispositivo de control 8. Específicamente, el módulo de selección de valor de referencia 9 suministra un valor de frecuencia nominal fN (50-60 Hz) y un valor de potencia establecida PSET al dispositivo de control 8.

El dispositivo de control 8 usa los parámetros del módulo de detección 7 y del módulo de selección de valor de referencia 9 para generar señales de control adaptadas para regular el suministro de carburante a la cámara de combustión 11 y la tasa de flujo del aire alimentado al compresor 10. Específicamente, el dispositivo de control 8 genera una señal de control UFV que es enviada a la válvula 13 para regular el suministro de carburante a la cámara de combustión 11.

El dispositivo de control 8 incluye una pluralidad de módulos de control (no representados en la figura) por medio de los que se controlan las variables de la planta, tales como, por ejemplo, la frecuencia de la planta fl, la potencia distribuida P, temperatura de los gases de escape de la turbina 12, etc. Específicamente, el dispositivo de control 8 incluye un módulo de control de potencia 15 y un módulo de control de frecuencia 16 y un módulo limitador 17.

El módulo de control de potencia 15 controla la potencia P distribuida por la planta 1 según un valor de potencia de referencia PSETNEW. Específicamente, el módulo de control de potencia 15 recibe como entrada un valor de potencia distribuida corriente PACT del módulo de detección 7, y un valor de potencia de referencia PSETNEW, dado por la suma de valor de potencia establecida PSET del módulo de selección de valor de referencia 9 y un valor de corrección de potencia PFSET del módulo de control de frecuencia 16, y genera una señal de control UΔP para controlar el valor de alimentación de carburante 13 a la cámara de combustión 11. Preferiblemente, el módulo de control de potencia 15 implementa una lógica de control PID (Proporcional Integral Derivada) en base a un error de potencia, es decir, a la diferencia entre la potencia corriente PACT y el valor de potencia de referencia PSETNEW (PACT-PSETNEW).

El módulo de control de frecuencia 16 recibe como entradas el valor de frecuencia nominal fN y el valor frecuencia de la planta fl, del módulo de detección 7, y genera, en base a un error de frecuencia eF (fl-fN), un valor de corrección de...

 


Reivindicaciones:

1. Un dispositivo de control de una planta de producción de energía eléctrica de turbina de gas (1), que suministra una potencia (P) a una frecuencia (fl); incluyendo el dispositivo de control (8) medios de control de potencia (15), para controlar la potencia (P) distribuida por la planta (1) por medio de una primera señal de control (UΔP) que determina el suministro de carburante a una porción (11) de la planta (1) según un valor de potencia de referencia (PSETNEW), y medios de control de frecuencia (16), para determinar los valores de corrección (PFSETSTEP;PFSETPR) del valor de potencia de referencia (PSETNEW) según un error de frecuencia (eF), dado por la diferencia entre la frecuencia de la planta (fl) y una frecuencia nominal (fN); caracterizándose el dispositivo (8) porque los medios de control de frecuencia (16) incluyen medios de control de paso (22) configurados para regular el suministro de carburante a la porción (11) de la planta (1) por medio de una segunda señal de control (USTEP) concurrente con la primera señal de control (UΔP), cuando la derivada de la frecuencia (fl) de la planta (1) asume valores más altos que un valor umbral (S).

2. Un dispositivo de control según la reivindicación 1, caracterizado porque los medios de control de paso

(22) están configurados para determinar primeros valores de corrección (PFSETSTEP) del valor de potencia de referencia (PSETNEW) cuando la derivada de la frecuencia (fl) de la planta (1) asume valores más altos que el valor umbral (S).

3. Un dispositivo según la reivindicación 2, caracterizado porque los medios de control de paso (22) están configurados para generar primeros valores de corrección (PFSETSTEP) con el fin de determinar una variación de paso del valor de potencia de referencia (PSETNEW).

4. Un dispositivo según la reivindicación 3, caracterizado porque los medios de control de paso (22) están configurados para generar primeros valores de corrección (PFSETSTEP) según una función lineal del error de frecuencia (eF).

5. Un dispositivo según la reivindicación 4, caracterizado porque la función lineal del error de frecuencia (eF) presenta límites de saturación máximo y mínimo del primer valor de corrección (PFSETSTEP).

6. Un dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la segunda señal de control (USTEP) es una señal de paso.

7. Un dispositivo de control según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, caracterizado porque los medios de control de frecuencia (16) incluyen medios de control primarios (20) configurados para calcular segundos valores de corrección (PFSETPR) del valor de potencia de referencia (PSETNEW) cuando la derivada de la frecuencia (fl) de la planta (1) asume valores más bajos que el valor umbral (S).

8. Un dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 7, caracterizado porque incluye medios limitadores de potencia (17a) configurados para limitar el valor de potencia de referencia (PSETNEW).

9. Un dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 8, caracterizado porque incluye medios limitadores de gradiente de potencia (17b) configurados para limitar el valor de la derivada de la potencia de referencia (PSETNEW).

10. Un dispositivo según la reivindicación 9, caracterizado porque los medios limitadores de gradiente son desactivados durante un período de tiempo cuando la derivada de la frecuencia (fl) de la planta (1) asume valores más altos que el valor umbral (S).

11. Un método de control de una planta de producción de energía eléctrica de turbina de gas (1), que suminis

tra una potencia (P) a una frecuencia (fl); incluyendo el

método los pasos de: controlar la potencia (P) suministrada por la planta (1) según un valor de potencia de referencia (PSETNEW) por medio de una primera señal de control (UΔP) que determina el suministro de carburante a una porción (11) de la planta (1); controlar la frecuencia (16), para determinar valores de corrección (PFSETSTEP; FSETPR) del valor de potencia de referencia (PSETNEW) según un error de frecuencia (eF), dado por la diferencia entre la frecuencia de la planta (fl) y una frecuencia nominal (fN); caracterizándose el método porque el paso de controlar la frecuencia incluye ajustar el suministro de carburante a la porción (11) de la planta

(1) por medio de una segunda señal de control (USTEP), concurrente con la primera señal de control (UΔP), cuando la derivada de la frecuencia (fl) de la planta (1) asume valores más altos que un valor umbral (S).

12. Un método según la reivindicación 11, caracterizado porque el paso de controlar la frecuencia incluye determinar primeros valores de corrección (PFSETSTEP) del valor de potencia de referencia (PSETNEW) cuando la derivada de la frecuencia (fl) de la planta (1) asume valores más altos que el valor umbral (S).

13. Un método según la reivindicación 12, caracterizado porque los primeros valores de corrección (PFSETSTEP) son tales que determinan una variación de paso del valor de potencia de referencia (PSETNEW).

14. Un método según la reivindicación 12 o 13, caracterizado porque el paso de controlar la frecuencia incluye determinar primeros valores de corrección (PFSETSTEP) según una función lineal del error de frecuencia (eF).

15. Un método según la reivindicación 14, caracteri

zado porque la función lineal del error de frecuencia (eF) presenta límites de saturación máximo y mínimo del primer valor de corrección (PFSETSTEP).

16. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 15, caracterizado porque la segunda señal de control (USTEP) es una señal de paso.

17. Un método de control según cualquiera de las reivindicaciones 12 a 16, caracterizado porque el paso de controlar la frecuencia incluye calcular segundos valores de corrección (PFSETPR) del valor de potencia de referencia (PSETNEW) cuando la derivada de la frecuencia (fl) de la planta (1) asume valores más bajos que el valor umbral (S).

18. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 17, caracterizado porque limita el valor de potencia de referencia (PSETNEW).

19. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 18, caracterizado porque limita el valor de la derivada de la potencia de referencia (PSETNEW).

20. Un método según la reivindicación 19, caracterizado porque no limita el valor de la derivada de la potencia de referencia (PSETNEW) durante un período de tiempo dado cuando la derivada de la frecuencia (fl) de la planta (1) asume valores más altos que el valor umbral (S).


 

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