Aportació a la identificació paramètrica de sistemes dinàmics

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Gas turbine transient performance simulation, control and optimisation

A gas turbine engine is a complex and non-linear system. Its dynamic response changes at different operating points. The exogenous inputs: atmospheric conditions and Mach number, also add disturbances and uncertainty to the dynamic. To satisfy the transient time response as well as safety requirements for its entire operating range is a challenge for control system design in the gas turbine industry. Although the recent design of engine control units includes some advanced control techniques to increase its control robustness and adaptability to the changing environment, the classic scheduling technique still plays the decisive role in determining the control values due to its better reliability under normal circumstances. Producing the schedules requires iterative experiments or simulations in all possible circumstances for obtaining the optimal engine performance. The techniques, such as scheduling method or linear control methods, are still lack of development for control of transient performance on most commercial simulation tools. Repetitive simulations are required to adjust the control values in order to obtain the optimal transient performance. In this project, a generalised model predictive controller was developed to achieve an online transient performance optimisation for the entire operating range. The optimal transient performance is produced by the controller according to the predictions of engine dynamics with consideration of constraints. The validation was conducted by the application of the control system on the simulated engines. The engines are modelled to component-level by the inter-component volume method. The results show that the model predictive controller introduced in this project is capable of providing the optimal transient time response as well as operating the engine within the safety margins under constant or varying environmental conditions. In addition, the dynamic performance can be improved by introducing additional constraints to engine parameters for the specification of smooth power transition as well as fuel economy

Development of an electronic control unit for the T63 gas turbine

Includes bibliographical references.Fundamental research has been undertaken at the SASOL Advanced Fuels Laboratory to investigate the effects of the chemistry and physical properties of both conventional and synthetic jet fuels on threshold combustion. This research was undertaken using a purpose built low pressure continuous combustion test facility. Researchers at the laboratory now wish to examine these effects on an aviation gas turbine in service for which “off-map” scheduling of fuel to the engine would be required. A two phase project was thus proposed to develop this capability; the work of this thesis embodies Phase I of that project

Aplicação de controle preditivo não linear multivariável com otimizador à operação transiente de turbina a gás

Apply and to investigate a multivariable nonlinear modelbased predictive control strategy to avoid unsafe or inappropriate operation of a gas turbine. In this research, the controller maintains the rotational speed of the compressor constant in accordance with the grid frequency, during load changes. Additionally, in case the gas turbine is installed in a combined heat and power cycle, the discharge temperature must track a reference, to ensure the quality of the generated steam. The control is achieved by manipulation of the fuel flow in the combustion chamber and by adjusting the position of the variable inlet guide vanes of the compressor. The nonlinear dynamic behavior of a gas turbine with an industrial configuration is modeled with the aid of a first principle process simulator, which solves the mass and energy balances and the equations of state and shaft transient. In addition to speed and temperature control, the control strategy is applied to minimize fuel consumption and pollutant emissions. The inherent optimization process of the controller is solved and verified by means of three evolutionary algorithms and one direct search method. The proposed controller is successfully applied to the simulated gas turbine for load fall and load rejection scenarios and the strategy fulfills its goals in reducing fuel consumption and pollutants emissions.Aplica e investiga uma estratégia de controle preditivo não linear multivariável como um meio de evitar a operação insegura ou inadequada de uma turbina a gás. Nesta pesquisa, o controlador é utilizado para manter a velocidade de rotação constante correspondente à frequência do sistema elétrico, quando das variações de carga. Adicionalmente, caso a turbina opere em ciclo combinado, a temperatura na descarga da turbina deve ser mantida no valor ajustado, a fim de preservar a qualidade do vapor gerado. O controle é obtido pela manipulação da vazão de combustível na câmara de combustão e do posicionamento das pás diretoras móveis do compressor. O comportamento dinâmico não linear de uma turbina a gás com configuração industrial é modelado com auxílio de um simulador de processos especialista, o qual resolve as equações de conservação de massa e energia, de estado e da dinâmica de eixo, sendo dispensável a obtenção dos modelos físico e termodinâmico de forma explícita. Além do controle de rotação e de temperatura, o controlador é aplicado como otimizador da vazão mássica de combustível fornecida à câmara de combustão e do nível de emissões de poluentes. O processo de otimização intrínseco à estratégia de controle preditivo é solucionado e verificado através da implementação de três algoritmos evolucionários e um de busca direta. A estratégia de controle proposta é aplicada com sucesso à operação da turbina a gás simulada para cenários de rejeição de carga e cumpre o seu objetivo na redução do consumo de combustível e de emissões de poluentes

Desenvolvimento de modelos matemáticos representativos do comportamento dinâmico de micro-turbinas para a conexão na rede elétrica.

O crescente avanço no consumo de energia elétrica tem produzido no meio acadêmico e industrial uma preocupação por incrementar e otimizar os sistemas de geração, transmissão e distribuição. Sistemas de geração distribuída permitem flexibilizar o acesso à energia elétrica em pontos remotos, usinas agro-industriais, plataformas de gás natural e gasodutos, e em sistemas de co-geração de calor/frio e eletricidade. Dentro deste contexto, a micro-turbina a gás e um dos tipos de geração distribuída que mais vantagens tem apresentado. O estudo de turbinas a gás tem se focado principalmente no sistema térmico e mecânico, e pouca informação útil para pesquisa existe na literatura com relação ao sistema elétrico e de controle. A presença de micro-turbinas a gás no mercado brasileiro, especialmente em usinas de gás natural, faz com que sejam necessários estudos do impacto deste tipo de geração no sistema elétrico, e da forma como o controle destas unidades administra a qualidade da energia gerada. Existem atualmente esforços importantes para desenvolver turbinas a gás no Brasil, o que é um desafio e uma motivação adicional. O presente trabalho oferece uma metodologia para gerar modelos matemáticos representativos do comportamento dinâmico de micro-turbinas a gás de forma rápida e simples, modelos que podem ser utilizados para estudar o impacto deste tipo de geração na rede elétrica de potência. Futuros desenvolvimentos podem adaptar a metodologia para outros tipos de unidades geradoras. O trabalho aborda inicialmente um estudo teórico do sistema da micro-turbina, tanto na parte térmica como elétrica e de controle. São identificadas as variáveis que regem a dinâmica a ser estudada e modelada, e são definidos os instrumentos e o sistema de aquisição de dados para medir tais variáveis. São determinadas as características dos ensaios a serem executados: sinal de excitação, tempo dos ensaios, necessidade de atingir o regime permanente, tempo de amostragem, tipo de combustível, etc. Devido a característica não linear do sistema estudado, são desenvolvidas rotinas em MatLab para processar a informação colhida durante os ensaios. E implementado um pré-processamento dos dados para ajusta-los a condições padrão (ISO, 1975), procurando generalizar a aplicabilidade dos resultados. As rotinas geram com facilidade modelos lineares e não lineares dos subsistemas da micro-turbina. E implementada uma escolha do grau de complexidade dos modelos de acordo a análise dos dados. No final são apresentados resultados dos modelos gerados, e avaliação dos métodos matemáticos utilizados. E recomendado continuar o estudo com a implementação de outros métodos para geração de modelos não lineares

A. Borrell Testing and Modeling Gas Turbines Using Multisine Signals and Frequency-Domain Techniques

The frequency-domain identification of gas turbine dynamics is discussed. Model