Model-based analysis of aging-induced emission progression of gas turbines

  • Modellbasierte Analyse alterungsinduzierter Emissionsprogression von Gasturbinen

Lipperheide, Moritz; Wirsum, Manfred Christian (Thesis advisor); Paschereit, Christian Oliver (Thesis advisor)

Aachen (2019)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Kurzfassung

Die moderne Gasturbinentechnologie ist technisch in der Lage, die komplexen Aufgabeneines hochflexiblen Betriebs zur Kompensation der Residuallasten, die durch die fluktuierende Einspeisung erneuerbarer Energien entstehen, zu meistern. Dennoch sieht sie sich in der gegenwärtigen Strommarktsituation einem starken ökonomischen und ökologischen Druck ausgesetzt, der Einsparungen im Betrieb bei gleichzeitiger Sicherung der Leistungsfähigkeit fordert. Ein hohes Potenzial für kostengünstige Verbesserungenbietet die Digitalisierung des Gasturbinenbetriebs auf Basis der ohnehin umfangreichverfügbaren Betriebsdaten in einem Asset Performance Management Ansatz. Auf dem Weg zur Vision einer digital unterstützten ’Gasturbine 4.0’ präsentiert diese Arbeit einen modellbasierten Ansatz zur Verwendung der gesetzlich vorgeschriebenen Stickoxid (NOx) und Kohlenmonoxid (CO) Messungen als wertvolle Informationsquelleüber die Verbrennungscharakteristik. Semi-empirische Emissionsmodelle wurden aus der Kinetik der Schadstoffbildung hergeleitet und anschließend auf den Anwendungsfall der GT24/GT26 Gasturbine adaptiert. Mittels eines entwickelten Gasturbinenmodells, das Komponentenalterung der Brennkammer und der Turbinenaustrittstemperaturmessung umfasst, konnten die beobachtete Emissionsprogression im Langzeitbetrieb mit den entsprechenden Alterungsphänomenen in Zusammenhang gebracht werden. Künstliche neuronale Netze als ein prominenter Vertreter der künstlichen Intelligenz wurden als Vergleichsmaßstab herangezogen. Neben dem modelleigenen Zweck der Betriebsüberwachung, bietet die Methode mehrere Anwendungsmöglichkeiten im Asset Performance Management, wie zum Beispielvirtuelle Inbetriebnahme oder eine Anpassung der Instandhaltungsstrategie. Die Erweiterung der gefundenen Erkenntnisse auf die gesamt verfügbare GT24/GT26 Flotte erlaubte weiterhin, den Alterungsfortschritt mit der Fahrweise in Relation zu setzen.

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