Lightweight methane-air gas turbine controller and simulator
Creators
- 1. Hamad bin Khalifa University
- 2. Amman Arab University
- 3. Ministry of Environment
Description
Due to the uncertainties of determining stable, efficient, and safe operating conditions of methane-air gas turbines and the complexity of involving multivariable parameters, the task of controlling and analyzing methane-gas turbines remains a challenge despite the existing methods of control and analyses in the literature. In fact, as far as the methane-air gas turbines are concerned, there is still much room for improvement within the criterion of (computation effort, settle time, its capacity to adjust with a variable range of set-points, as well as its stable, steady, and dynamic outputs can all be enhanced). Furthermore, an accurate system-identification phase has been adopted in this paper to initiate the process of advancing an efficient gas turbine controller by determining the system's sensitivities towards the involved multivariable parameters. Therefore, this paper presents a control and analysis tool for methane-air gas turbines. This tool is a 'light code (the time to reach the desired set-point (i.e., settle period reaches 1 s)) to serve as a methane-air gas turbine controller that can be used for experimentation or applied on an industrial scale. Moreover, the code is designed with a user interface that enables the simulations and system identification for the methane-fueled gas turbine, thus; ensuring that the governing parameters are calibrated precisely. The code was created using LabVIEW and GASEQ and is driven by conventional gas turbine cycle assessments. A simulation case study has been utilized as a system identification phase to determine the system's sensitivity of temperatures and works at the three primary stages of a simple cycle methane-air gas turbine (compressor, combustion chamber, and turbine) toward the multivariable input parameters of the compression stage (compressor pressure ratio, efficiency, inlet pressure, and temperature), the combustion phase (methane, airflow rates) and the expansion phase (turbine ratio of pressures and isentropic efficiency). Based on the sensitivity analysis performed through the developed code, the turbine output temperature is shown to be very sensitive to the turbine's parameters (P04/P03 and εt). This essentially emphasizes the possibility of including waste heat utilization mechanisms (i.e., heat exchangers, combined cycles) for turbines with high P04/P03 or/and low εt, resulting in a high turbine outlet temperature. Based on the performed system identification phase and sensitivity analyses, the intervals of the Proportional controller gain (Kc), Integral time (ti), and Derivative time (td) have been identified to guarantee a settling period (Ts) within [1 s-60 s] to achieve the desired temperature set-point which eliminates turbine overheating.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
نظرًا لعدم اليقين في تحديد ظروف التشغيل المستقرة والفعالة والآمنة لتوربينات غاز الميثان والهواء وتعقيد تضمين المعلمات متعددة المتغيرات، لا تزال مهمة التحكم في توربينات غاز الميثان وتحليلها تمثل تحديًا على الرغم من الأساليب الحالية للتحكم والتحليلات في الأدبيات. في الواقع، فيما يتعلق بتوربينات غاز الميثان والهواء، لا يزال هناك مجال كبير للتحسين ضمن معيار (جهد الحساب، وقت الاستقرار، قدرته على التكيف مع نطاق متغير من نقاط الضبط، بالإضافة إلى مخرجاته المستقرة والثابتة والديناميكية يمكن تعزيزها جميعًا). علاوة على ذلك، تم اعتماد مرحلة دقيقة لتحديد النظام في هذه الورقة لبدء عملية تطوير جهاز تحكم فعال في توربينات الغاز من خلال تحديد حساسيات النظام تجاه المعلمات متعددة المتغيرات المعنية. لذلك، تقدم هذه الورقة أداة تحكم وتحليل لتوربينات غاز الميثان والهواء. هذه الأداة هي "رمز ضوئي (الوقت للوصول إلى نقطة الضبط المطلوبة (أي أن فترة الاستقرار تصل إلى 1 ثانية)) لتكون بمثابة وحدة تحكم في توربينات غاز الميثان والهواء التي يمكن استخدامها للتجريب أو تطبيقها على نطاق صناعي. علاوة على ذلك، تم تصميم الكود بواجهة مستخدم تمكن من المحاكاة وتحديد النظام لتوربينات الغاز التي تعمل بالميثان، وبالتالي ؛ ضمان معايرة المعلمات الحاكمة بدقة. تم إنشاء الكود باستخدام LabVIEW و GASEQ ويتم تشغيله بواسطة تقييمات دورة توربينات الغاز التقليدية. تم استخدام دراسة حالة محاكاة كمرحلة تحديد نظام لتحديد حساسية النظام لدرجات الحرارة ويعمل في المراحل الأولية الثلاث لتوربينات غاز الميثان والهواء ذات الدورة البسيطة (الضاغط وغرفة الاحتراق والتوربينات) نحو معلمات الإدخال متعددة المتغيرات لمرحلة الضغط (نسبة ضغط الضاغط والكفاءة وضغط المدخل ودرجة الحرارة)، ومرحلة الاحتراق (الميثان ومعدلات تدفق الهواء) ومرحلة التمدد (نسبة التوربينات للضغوط والكفاءة متساوي الانسيابية). بناءً على تحليل الحساسية الذي تم إجراؤه من خلال التعليمة البرمجية المطورة، تظهر درجة حرارة خرج التوربين حساسة جدًا لمعلمات التوربين (P04/P03 و εt). وهذا يؤكد بشكل أساسي على إمكانية تضمين آليات استخدام الحرارة المهدرة (أي المبادلات الحرارية والدورات المجمعة) للتوربينات ذات P04/P03 أو/و εt المنخفضة، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة مخرج التوربينات. بناءً على مرحلة تحديد النظام التي تم إجراؤها وتحليلات الحساسية، تم تحديد فترات كسب وحدة التحكم النسبية (Kc) والوقت المتكامل (ti) والوقت المشتق (td) لضمان فترة ترسيب (Ts) خلال [1 s -60 s] لتحقيق نقطة ضبط درجة الحرارة المطلوبة التي تقضي على ارتفاع درجة حرارة التوربينات.Translated Description (French)
En raison des incertitudes liées à la détermination de conditions de fonctionnement stables, efficaces et sûres des turbines à gaz méthane-air et de la complexité de l'implication de paramètres multivariables, la tâche de contrôle et d'analyse des turbines à gaz méthane demeure un défi malgré les méthodes de contrôle et d'analyse existantes dans la littérature. En fait, en ce qui concerne les turbines à gaz méthane-air, il y a encore beaucoup de place pour l'amélioration dans le critère de (l'effort de calcul, le temps de stabilisation, sa capacité d'ajustement avec une plage variable de points de consigne, ainsi que ses sorties stables, stables et dynamiques peuvent toutes être améliorées). En outre, une phase précise d'identification du système a été adoptée dans cet article pour lancer le processus d'avancement d'un contrôleur de turbine à gaz efficace en déterminant les sensibilités du système envers les paramètres multivariables impliqués. Par conséquent, cet article présente un outil de contrôle et d'analyse pour les turbines à gaz méthane-air. Cet outil est un code lumineux (le temps pour atteindre le point de consigne souhaité (c'est-à-dire que la période de stabilisation atteint 1 s)) pour servir de contrôleur de turbine à gaz méthane-air qui peut être utilisé pour l'expérimentation ou appliqué à l'échelle industrielle. De plus, le code est conçu avec une interface utilisateur qui permet les simulations et l'identification du système pour la turbine à gaz alimentée au méthane, garantissant ainsi que les paramètres de régulation sont calibrés avec précision. Le code a été créé à l'aide de LabVIEW et de GASEQ et est piloté par des évaluations conventionnelles du cycle des turbines à gaz. Une étude de cas de simulation a été utilisée comme phase d'identification du système pour déterminer la sensibilité des températures du système et fonctionne aux trois étages primaires d'une turbine à gaz méthane-air à cycle simple (compresseur, chambre de combustion et turbine) vers les paramètres d'entrée multivariables de l'étage de compression (rapport de pression du compresseur, rendement, pression d'entrée et température), la phase de combustion (méthane, débits d'air) et la phase de détente (rapport de pression de la turbine et rendement isentropique). Sur la base de l'analyse de sensibilité effectuée à travers le code développé, la température de sortie de la turbine s'avère très sensible aux paramètres de la turbine (P04/P03 et εt). Cela souligne essentiellement la possibilité d'inclure des mécanismes d'utilisation de la chaleur résiduelle (c'est-à-dire des échangeurs de chaleur, des cycles combinés) pour les turbines avec un P04/P03 élevé ou/et un εt faible, ce qui entraîne une température de sortie de turbine élevée. Sur la base de la phase d'identification du système et des analyses de sensibilité effectuées, les intervalles du gain proportionnel du contrôleur (Kc), du temps intégral (ti) et du temps dérivé (td) ont été identifiés pour garantir une période de stabilisation (Ts) dans [1 s-60 s] pour atteindre le point de consigne de température souhaité qui élimine la surchauffe de la turbine.Translated Description (Spanish)
Debido a las incertidumbres de determinar las condiciones de operación estables, eficientes y seguras de las turbinas de gas metano-aire y la complejidad de involucrar parámetros multivariables, la tarea de controlar y analizar las turbinas de gas metano sigue siendo un desafío a pesar de los métodos existentes de control y análisis en la literatura. De hecho, en lo que respecta a las turbinas de gas metano-aire, todavía hay mucho margen de mejora dentro del criterio de (se puede mejorar el esfuerzo de cálculo, el tiempo de asentamiento, su capacidad de ajuste con un rango variable de puntos de ajuste, así como sus salidas estables, constantes y dinámicas). Además, en este documento se ha adoptado una fase precisa de identificación del sistema para iniciar el proceso de avance de un controlador de turbina de gas eficiente mediante la determinación de las sensibilidades del sistema hacia los parámetros multivariables involucrados. Por lo tanto, este documento presenta una herramienta de control y análisis para turbinas de gas metano-aire. Esta herramienta es un "código de luz" (el tiempo para alcanzar el punto de ajuste deseado (es decir, el período de asentamiento alcanza 1 s)) para servir como un controlador de turbina de gas metano-aire que se puede utilizar para la experimentación o aplicarse a escala industrial. Además, el código está diseñado con una interfaz de usuario que permite las simulaciones y la identificación del sistema para la turbina de gas alimentada con metano, asegurando así que los parámetros de control se calibren con precisión. El código se creó utilizando LabVIEW y GASEQ y está impulsado por evaluaciones convencionales del ciclo de la turbina de gas. Se ha utilizado un estudio de caso de simulación como fase de identificación del sistema para determinar la sensibilidad de las temperaturas del sistema y funciona en las tres etapas primarias de una turbina de gas metano-aire de ciclo simple (compresor, cámara de combustión y turbina) hacia los parámetros de entrada multivariables de la etapa de compresión (relación de presión del compresor, eficiencia, presión de entrada y temperatura), la fase de combustión (metano, tasas de flujo de aire) y la fase de expansión (relación de presiones de la turbina y eficiencia isentrópica). Según el análisis de sensibilidad realizado a través del código desarrollado, la temperatura de salida de la turbina se muestra muy sensible a los parámetros de la turbina (P04/P03 y εt). Esto enfatiza esencialmente la posibilidad de incluir mecanismos de utilización de calor residual (es decir, intercambiadores de calor, ciclos combinados) para turbinas con alto P04/P03 o/y bajo εt, lo que resulta en una alta temperatura de salida de la turbina. Con base en la fase de identificación del sistema realizada y los análisis de sensibilidad, se han identificado los intervalos de la ganancia proporcional del controlador (Kc), el tiempo integral (ti) y el tiempo derivado (td) para garantizar un período de asentamiento (Ts) dentro de [1 s-60 s] para alcanzar el punto de ajuste de temperatura deseado que elimina el sobrecalentamiento de la turbina.Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- جهاز تحكم ومحاكاة توربينات غاز الميثان والهواء خفيف الوزن
- Translated title (French)
- Contrôleur et simulateur de turbine à gaz méthane-air léger
- Translated title (Spanish)
- Controlador y simulador de turbina de gas metano-aire ligero
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4281760798
- DOI
- 10.1016/j.ecmx.2022.100242
References
- https://openalex.org/W1968300991
- https://openalex.org/W1996837611
- https://openalex.org/W1996983659
- https://openalex.org/W2090032246
- https://openalex.org/W2103160355
- https://openalex.org/W2180352115
- https://openalex.org/W2212514331
- https://openalex.org/W2336137247
- https://openalex.org/W2487896772
- https://openalex.org/W2549724584
- https://openalex.org/W2556569471
- https://openalex.org/W2560226733
- https://openalex.org/W2591955034
- https://openalex.org/W2592325411
- https://openalex.org/W2898140954
- https://openalex.org/W2899067768
- https://openalex.org/W2902755777
- https://openalex.org/W2905317981
- https://openalex.org/W2912563727
- https://openalex.org/W2938505903
- https://openalex.org/W2973245585
- https://openalex.org/W3016159836
- https://openalex.org/W3083097432
- https://openalex.org/W4205443861
- https://openalex.org/W4206327622
- https://openalex.org/W4206449563
- https://openalex.org/W4213247359
- https://openalex.org/W4241388405