Dle Resumen de Control

 

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1. Reseña 1.1.. Quemador de Emisi ones B ajas Secas (DLE) 1.1 (DLE)

Las turbinas de gas LM2500 y LM6000 de Emisiones Bajas Secas (DLE) emplean un quemador de anillo triple. La figura 1.1 muestra la configuración básica del quemador.

Figura 1.1 Quemador DLE

El gas combustible se introduce al quemador a través de 75 premezcladores de aire/gas empacados en 30 módulos removibles y reemplazables externamente. Los una mezcla pobre muymitad uniforme combustible/aire. La mitad de estospremezcladores módulos tienenproducen dos premezcladores y la otra tienede tres. Los 75 premezcladores, o vasos, como se les llama comúnmente para las emisiones bajas secas (DLE), están ordenados en tres anillos o domos. Al anillo de en medio se le llama piloto o anillo B y tiene 30 vasos. El anillo piloto siempre está cargado de combustible. Al anillo interno se le llama anillo C y tiene 15 vasos, mientras que al anillo externo se le llama anillo A, también tiene 30 vasos como el piloto. A diferencia del anillo piloto, el combustible a los vasos en los anillos internos y externos debe ser encendido y apagado por medio de las válvulas de graduación (Staging Valves). Esto es debido al limitado rango de temperatura de la flama (o a la relación combustible-aire) sobre el cual puede operar el quemador. El rango de temperatura de la flama está restringido por límites de termoesfuerzos en el extremo alto y por apagones pobres en el extremo bajo. La temperatura de flama promedio para un LM6000 oscila desde aproximadamente 3300°F a velocidad mínima de operación sincronizada del núcleo sin carga hasta aproximadamente 2900°F a potencia máxima, mientras que la temperatura de flama promedio oscila desde aproximadamente 3450°F a velocidad mínima de operación sincronizada del núcleo sin carga hasta aproximadamente 3000°F a máxima potencia. Con un rango de operación de temperatura de flama tan limitado, es necesario "graduar" el quemador; por ejemplo, es necesario “encender” y “apagar” ciertas secciones del quemador. Actualmente, como parte de una iniciativa para la reducción de costos, el LM2500 de Emisiones Bajas Secas (DLE) se emplea un nuevo múltiple de combustible y configuración de la válvula de graduación que utiliza menos válvulas de graduación; 5 para el interno y 5 para el externo, el cual, al ser añadida la válvula de graduación ELBO (Se utiliza una válvula de graduación adicional, según será descrito más adelante, para controlar el nivel del flujo del combustible a lo que se refería originalmente como el circuito de apagado pobre mejorado (ELBO), el cual está conectado a 15 de los 30 vasos del piloto.), nos da un total de 11. Figuras 1.2 y 1.3. Oviedo/2010

 

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Figura 1.2 Múltiples de Combustible

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Figura 1.3 Localización de la válvula dosificadoras

Las válvulas de graduación permiten que se realicen diferentes configuraciones de suministro de combustible para el quemador, oscilando desde “sólo B” para la operación de arranque y a velocidad mínima de operación, hasta el suministro de combustible de los tres anillos (ABC) para operación a alta potencia. Como se mencionó anteriormente, se requieren diferentes configuraciones del quemador para mantener la temperatura de flama del quemador dentro de los límites. En la figura 1.4 se muestran las diferentes configuraciones del quemador.

Figura 1.4 Configuraciones del quemador

La Figura 1.5 muestra la línea de operación de un motor DLE LM6000 haciendo uso de graduación del quemador comparado con un motor convencional no DLE.

Figura 1.5 Motor DLE con graduación del quemador versus un motor no DLE

Se observa claramente en la figura 1.5 que hay un rango de potencia de operación limitada para cada configuración del quemador. El operar a una potencia mayor que la usual para una configuración exceder la temperatura de flama máxima permisible, y puede resultardel en quemador un enorme dada daño significa al quemador.

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El intentar operar a una potencia menor que la usual para una configuración del quemador dada significa intentar operar por debajo de la temperatura de flama mínima permisible y puede resultar en apagones. En la siguiente ilustración se puede observar que hay "brechas" entre las configuraciones; por ejemplo, hay regiones de potencia en las cuales el motor DLE no puede correr. Esto se puede vencer con una purga del compresor como se ilustra en la Figura 1.6.

Figura 1.6 Motor DLE con graduación del quemador y modulación de sangrado

Otro requerimiento importante para el quemador DLE de anillo triple es la habilidad para variar la temperatura de flama del quemador de cada anillo de manera independiente. Esto se logra controlando de manera individual el flujo de combustible total que va hacia cada uno de los anillos. 1.2 1.2 Componentes de Control de las Emision es Bajas Secas Secas

La aplicación de las DLE para el LM2500 y el LM6000 requiere de componentes de control adicionales que sobrepasan aquellos requeridos por sus contrapartes que no son DLE. A continuación se mencionan estos componentes de control adicionales en las Tablas 1.1 y 1.2. Descripción  

Ti p o

Ut i l i zad o p ar a 

Temperatura de entrada al motor (T2)

Un elemento dual RTD

Control de temperatura de flama

Temperatura de salida del compresor (T3) Detector de flama

Un elemento dual TC

Control de temperatura de flama

Dos detectores UV

Sensor Sen sor acú acústi stico co (PX (PX36) 36)

Dos sen sensor sores es de car carga ga pie piezoe zoeléc léctri trica. ca.

Detección del inicio de combustión  Aju Ajust stee de temper temperatu atura ra de fla flama ma

Válvulas de graduación

Graduación del quemador  

Válvula de sangrado de 8va etapa. (ST8)

Veintiséis válvulas de operación con solenoides con posición de interruptor f/b Una válvula de operación hidráulica con LVDT dual f/b 

Válvula de purga de la descarga del compresor (CDP)

Una válvula de operación hidráulica con LVDT dual f/b 

Control de temperatura de flama

Control de temperatura de flama

  Tabla 1.1 Componentes de Control adicionales del LM2500 para aplicaciones DLE.

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la

 

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Descripción  

Ti p o

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Ut i l i zad o p ar a 

Temperatura de salida del compresor (T3) Presión de salida del compresor (PS3) (nueva ubicación para el DEL) Detector de flama

Un elemento dual TC

Control de temperatura de flama

Dos transductores

Control de temperatura de flama

Dos detectores UV

Detección del inicio de combustión  Aju Ajust stee de temper temperatu atura ra de fla flama ma

Sensor Sen sor acú acústi stico co (PX (PX36) 36)

Dos sen sensor sores es de car carga ga pie piezoe zoeléc léctri trica. ca.

Válvulas de graduación

Graduación del quemador  

Válvula de sangrado de 8va etapa. (ST8)

Veintiséis válvulas de operación con solenoides con posición de interruptor f/b Una válvula de operación hidráulica con LVDT dual f/b 

Válvula de purga de la descarga del compresor (CDP)

Una válvula de operación hidráulica con LVDT dual f/b 

Control de temperatura de flama

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Control de temperatura de flama

  Tabla 1.2 Componentes de control adicionales del LM6000 para aplicaciones de DLE.

Los sensores de presión y temperatura son convencionales y están descritos con mayor detalle en las Especificaciones del Sistema de Control (M50TF3740 y M50TF3731 para los LM2500 y LM6000, respectivamente) y en los Manuales de Diseño de Instalación (MID -IDM-2500-10 y MIDIDM-6000-3 para los LM2500 y LM6000, respectivamente).

Note que las ubicaciones del sensor T3 del LM6000 y la salida de presión PS3 de un motor DLE son diferentes, estando ubicadas corriente abajo del difusor del quemador en la estación 32. Los sensores acústicos son únicos para la aplicación DLE y están montados en el marco posterior del compresor. Estos transductores son mecanismos de carga piezoeléctrica similares a los acelerómetros de monitoreo de vibración pero son utilizados para detectar presiones dinámicas en el quemador. Se utiliza un sistema de monitoreo suministrado por el proveedor en conjunto con los transductores de presión para proveer una señal al sistema de control. Las válvulas de graduación montadas en el múltiple de gas son activadas eléctricamente y se abren al desenergizarse. Hay dos proveedores de las válvulas de graduación, y aunque las válvulas de ambos proveedores parezcan diferentes, pueden ser combinadas.

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Las válvulas de octava etapa y de sangrado de descarga del compresor están ubicadas fuera del motor y cada una comprende una válvula servomotor de torque, un actuador, un LVDT y una válvula de aire. El LM2500 utiliza válvulas de aire de 4.0 pulgadas de diámetro, tanto para el sangrado de la octava etapa como para el sangrado de descarga del compresor. Por otro lado, el LM6000 utiliza una válvula de aire de 2.5 pulgadas de diámetro para el sangrado de descarga compresor válvulael ensamblado de 6.0 pulgadas de válvula diámetro el sangrado de la octava etapa. del En la figura 1.7yseuna muestra de una de para sangrado.

Figura 1.7 Válvula de sangrado DLE

1.3 Sistema Combustible

Para la aplicación DLE se requiere un sistema combustible de alta precisión de tres anillos, con sus respectivos sensores. Las primeras turbinas de gas de DLE utilizaron un sistema de cuatro válvulas. Las unidades más recientes tienen un sistema de tres válvulas. 1.3.1. 1.3 .1. Sistema de tr es válvulas válvu las

El sistema combustible de tres válvulas es más directo en el hecho de que emplea tres válvulas de medición que están posicionadas de manera independiente en respuesta directa a los flujos de combustible requeridos en cada anillo. El sistema combustible de tres válvulas requiere que se conecten dos orificios, uno entre el múltiple del piloto y el múltiple externo, el otro entre el múltiple del piloto y múltiple interno. Estos orificios limitan la acumulación de presión del múltiple en un anillo de no-flujo. Esto reduce el pulso de flujo de combustible inicial y por lo tanto, la temperatura de flama, al suministrarle combustible a un anillo por vez primera (por ejemplo, al abrirse la válvula de primera etapa). En la Figura 1.9 se muestra la configuración del sistema combustible de tres válvulas y se describe con mayor detalle en la sección 7.

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Figura 1.9 Sistema de combustible de tres válvulas

1.4 Sistema de Sangr ado

Como se mencionó anteriormente, con el fin de limitar la variación de la temperatura de flama del quemador, la configuración del quemador se cambia de “sólo B” para el arranque y operación a velocidad mínima de operación, a ABC para operaciones de mayor potencia. Sin embargo, esto por sí solo no es suficiente para mantener la temperatura de flama entre los límites de apagón y de termoesfuerzo. Al cambiar la configuración del quemador se cambia la proporción de combustible-aire local en cada vaso al cambiar el flujo de combustible a cada vaso. Otra manera de cambiar la proporción de combustible-aire de vaso es variando la purga del compresor para cambiar el flujo de aire del quemador. Al cambiar la configuración del quemador y modular el sangrado del compresor, se puede mantener la proporción de combustible/aire local y por ende, la temperatura de flama, dentro de los límites a lo largo de todo el rango de potencia, como se ilustra en la Figura 1.10. Para la turbina de gas DLE, se añadieron dos válvulas de sangrado (sangrado del compresor de octava etapa y sangrado de descarga del compresor). Para el LM6000 se utiliza una válvula existente de sangrado variable (VBV) para proporcionar una modulación de aire de sangrado adicional

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Figura 1.10 Efecto de la configuración del quemador y purga del compresor

. 1.5. 1.5. Control Control de Combustib le El control de combustible, en el contexto del sistema de control DLE se refiere a la parte del sistema de control digital que determina la demanda total de flujo de combustible de la cámara de combustión (WF36DMD). La demanda total de flujo de combustible es dividida subsecuentemente entre las demandas de flujo combustible de los tres anillos, basado en las demandas de temperatura de flama del quemador de los anillos individuales (A y C). El controly LM6000 de combustible es son muyDLE similar a los sistemas control de combustible LM2500 previos DLE que no (quemador de anillo de único). El único cambio realdeeslos la adición de límites máximos y mínimos de flujo de combustible que corresponden a los límites máximo y mínimo de temperatura de flama principal. Estos límites se encuentran principalmente durante el arranque, en desaceleraciones de configuraciones “sólo B”, en operación a máxima potencia en la configuración ABC y brevemente durante transitorios rápidos. El control de combustible comprende un conjunto de reguladores y limitadores de flujo de combustible que, a través de una serie de selectores de mìn/màx, conocidos como la lógica de selección prioritaria, envían una sola demanda de flujo de combustible (WF36DMD). Los reguladores ajustan el flujo de combustible para regular una variable del motor (velocidad de turbina de potencia, velocidad del generador de gas, etc.), mientras que los limitadores de flujo de combustible aplican límites de flujo de combustible mayores o menores directamente a la demanda de flujo de combustible (flujo de combustible mínimo, flujo de combustible máximo). Sólo un regulador o un limitador de flujo de combustible pueden estar en control en un momento dado. Los reguladores y los limitadores de flujo de combustible para los LM2500 y LM6000 se encuentran enlistados en la Tabla 1.3. El parámetro "REGULADOR", como se muestra en esta tabla, está disponible en el control y puede ser monitoreado para determinar cuál regulador (del 1 al 8 para el LM2500 ó del 1 al 10 para el LM6000) está activo en un momento dado.

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LM2500

REGULADOR

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LM6000

Velocidad de la turbina de potencia

1

Velocidad de la turbina de potencia

Velocidad del generador de gas

2

Velocidad del núcleo

Tasa de velocidad de desaceleración del generador de gas Tasa de velocidad de aceleración del generador de gas

3

Tasa de velocidad de desaceleración del núcleo

4

Tasa de velocidad de aceleración del núcleo

Flujo de combustible mínimo

5

Flujo de combustible mínimo

Temperatura máxima de turbina

6

Temperatura máxima de la turbina

Velocidad máxima del generador de gas

7

Presión máxima de descarga del compresor

Flujo máximo combustible

8

Temperatura máxima de descarga del compresor

Puede ser usado por proveedores de control para propósitos de aplicación específicos

9 10

Máxima velocidad del núcleo Flujo máximo de combustible

Tabla 1.3. Reguladores de Control de Combustible

1.6.. Control de Temperatura de Flama 1.6

La estrategia de control original DLE propuesta para el LM6000, proveía un control de temperatura de flama principal o promedio. Durante el desarrollo de las pruebas del motor se notó que podrían ocurrir presiones dinámicas altas potencialmente dañinas en el rango de frecuencia de 300 Hz a 700 Hz en el quemador DLE. Para evitar estas presiones dinámicas altas, conocidas frecuentemente como acústicos del quemador, y también para asegurar que cada anillo suministrado con combustible permanezca encendido, fue necesario controlar la temperatura de flama de manera independiente en cada uno de los anillos. El resultado neto fue una estrategia que controlaba las temperaturas de flama del anillo A y del C de manera independiente, así como la temperatura de flama principal. 1.6.1. 1.6 .1. Temperatura de Flama Prin cipal cip al Para la temperatura de flama principal de cada configuración del quemador, se definió una ventana de temperatura de flama como se muestra en la Figura 1.11.

Figura 1.11 Ventana de temperatura de flama principal

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El límite superior (TFLMAX) en general, determina de manera indirecta la temperatura de flama del piloto máxima y por ende, también el nivel máximo NOX (óxido de N2), mientras que el límite inferior (TFLMIN), en general ajusta la línea de operación pobre del piloto de manera indirecta. Las temperaturas mínima y máxima de flama principal (TFLMAX y TFLMIN) están programadas en el control en función de la configuración del quemador y de T3. La mano izquierda o el límite de baja potencia está definida por la capacidad máxima de purga del compresor, y la mano derecha o el límite de alta potencia corresponde a sangrado cero. Al variar la potencia, el control ajusta el sangrado de manera que la temperatura de flama principal se mantenga a un nivel demandado entre los límites máximo y mínimo, hasta alcanzar el límite de sangrado máximo o cero. Este concepto de control es utilizado, tanto para el LM2500 como para el LM6000. Para el LM2500 la temperatura de flama principal se mantiene a "nivel del 50%" (por ejemplo, a la mitad entre los límites mínimos y máximos ), mientras que para el LM6000 la temperatura de flama principal se mantiene a "nivel del 50%" para la operación en las configuraciones B, BC/2 y BC; pero es reducido hasta el "nivel del 25%" (por ejemplo, más cercano al límite mínimo), siempre que sea posible, en las configuraciones AB y ABC. Durante los incrementos de potencia, el sangrado decrece progresivamente, hasta que el sangrado alcanza cero, en donde, la temperatura de flama principal se incrementa hacia el límite máximo. Justo antes de alcanzar el límite máximo, a menos de estar ya en la configuración ABC, se inicia la graduación a la configuración del quemador siguiente (una arriba). Durante los decrementos de potencia, la temperatura de flama principal se mantiene al nivel demandado hasta alcanzar el sangrado máximo, en donde, la temperatura de flama principal decrece hacia el límite mínimo. Justo antes de alcanzar el límite mínimo, a menos de estar ya en la configuración B, se inicia la graduación a la configuración siguiente (una abajo). 1.6.2. 1.6 .2. Temperatura de Flama de los An ill os A y C

Como se mencionó anteriormente, para evitar presiones dinámicas altas del quemador, fue necesario controlar la temperatura de flama de manera independiente en los anillos A y C. A diferencia de la temperatura de flama principal, la cual está controlada entre los límites máximo y mínimo, las temperaturas de flama del anillo A y C siempre rastrean programas de referencia. Los programas de referencia del anillo –tal como sucede en los programas máximo y mínimo de temperatura de flama principal- son programados en el control en función de la configuración del quemador y de T3. La figura 1.12 muestra un conjunto típico de programas de anillo y de temperatura de flama principal para un LM6000.

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Figura 1.12a Programas de especificación del anillo y de temperatura de flama principal del LM6000 – Modos B y BC/2

Figura 1.12a Programas de especificación del anillo y de temperatura de flama principal del LM6000 – Modos BC, AB y ABC

2. Algoritmo de Temperatura de Flama Debido a que la temperatura de flama del quemador no puede ser medida directamente de manera confiable y precisa, es estimada basado en las demandas de flujo de combustible y en base a un cálculo "físico" del flujo de aire del quemador. El algoritmo comprende cuatro secciones principales, como se ilustra en la Figura 2.1.

El sensor del motor y la información de control se utilizan para calcular el flujo de aire del quemador (F_WA36) basado en una función de flujo supuesta de la turbina de A.P.

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Figura 2.1 Algoritmo de temperatura de flama DLE LM2500

Una vez conocido el flujo de aire del quemador, entonces se pueden calcular los flujos de combustible de la cámara de combustión (WFMX y WFMN para los límites principales, y WFOREFABC y WFIREFABC para las demandas del anillo) para las temperaturas de flama programadas dados (TFLMAX y TFLMIN principal, y TFLOREF y TFLIREF de anillo, respectivamente); también se puede calcular la temperatura de flama principal (F_TFLCYC) basado en el volumen actual o en la demanda de flujo de combustible total (WF36DMD). Nótese que el LM2500 utiliza la temperatura de flama principal F_TFLCYC como una retroalimentación para el control de flujo de aire, mientras que en el LM6000 la temperatura de flama es únicamente para propósitos de monitoreo, la retroalimentación control de flujo deprincipal aire se deriva de manera efectiva del WFMX y WFMN. yLas diferencias entre eldel algoritmo temperatura de flama y de la interfaz de control de flujo de aire de los LM2500 y LM6000 se muestran en la Figura 2.2.

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Figura 2.2 Algoritmo de temperatura de flama/Interfaz de control de flujo de aire

Las influencias principales de la temperatura de flama incluyen el flujo de combustible de la cámara de combustión, el valor de calentamiento menor de combustible (LHV), temperatura de descarga del compresor (T3) y la presión de descarga del compresor (PS3). Nótese que los errores en la temperatura de flama debido al flujo de combustible son como resultado de errores en el sistema de medición de combustible (por ejemplo, las diferencias entre los flujos de combustible demandados y los reales). La precisión, o mucho más importante, la consistencia de la temperatura de flama calculada está influenciada por todas las entradas del algoritmo. Los estudios de sensibilidad realizados durante el diseño y desarrollo de los sistemas de control del LM2500 y LM6000 ilustran la importancia relativa de todas las entradas de los algoritmos. Los errores en estas entradas pueden provocar un comportamiento impredecible o errático en el sistema completo. La Figura 2.3 proporciona una gráfica que resume la influencia de todas las variables de control sobre la temperatura de flama para el LM2500. Esta gráfica muestra la variación promedio de las temperaturas de flama principal y de anillo para perturbaciones específicas en cada una de las variables de control. Las magnitudes de las perturbaciones escogidas están basadas en precisiones de especificación de control. Esta gráfica muestra claramente que la presión de descarga del compresor (PS3), el flujo de combustible (WFAGMV) y el valor de calentamiento menor (LHV) tienen el mayor efecto sobre las temperaturas de flama. Las figuras 2.4, 2.5 y 2.6 muestran la sensibilidad a estos parámetros para cada configuración del quemador. En el campo, con frecuencia se encuentran errores en el SG, así como en el LHV. La Figura 2.7 muestra la sensibilidad al error SG. Debe notarse que aunque las aletas del estator variable (VSV) parezcan tener un gran efecto sobre la temperatura de flama principal, esto sólo ocurre cuando el flujo de aire está mandando que las purgas se cierren completamente, y bajo estas circunstancias la temperatura de flama principal no será regulada por el control.

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Figura 2.3 Sensibilidad de la temperatura de flama del LM2500

Figura 2.4 Sensibilidad de la temperatura de flama del LM2500 debido a variación del PS3

Figura 2.5 Sensibilidad de la temperatura de la flama del LM2500 debido a variación del WFAGMV

Figura 2.6 Sensibilidad de temperatura de flama del LM2500 debido al LHV

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Figura 2.7 Sensibilidad de la temperatura de flama del LM2500 debido al SG

3. Propiedades Propiedades del Combu stible 3.1 3.1 Efecto Efecto de las pr opiedades del combus tible

Como ya se mencionó antes, el valor de calentamiento menor del combustible (LHV) afecta directamente la relación entre el flujo de masa del combustible y la temperatura de flama. Una variación del 1% en el LHV tiene el mismo efecto en la temperatura de flama que una variación del 1% en el flujo de masa del combustible; por ejemplo, en lo que se refiere a la temperatura de flama, lo importante es el Btu/hr. Hay otras propiedades del combustible que afectan la medición del flujo de masa de combustible. La aplicación DLE requiere de un control preciso de medición de flujo de combustible, lo que a su vez significa tener una caracterización precisa de las válvulas de medición individuales. Una válvula de medición de gas está caracterizada generalmente por las siguientes ecuaciones:

P1 = Presión absoluta de entrada [lbf/in 2] P2 = Presión de descarga absoluta [lbf/in 2] T1 = Temperatura del combustible de entrada [grados R] k = Proporción de calores específicos Cp/Cv[-] Sg = Gravedad específica [-] Ae = Área efectiva de válvula de medición [in 2] Wf = Flujo másico del combustible [ibm/hr] Bajo condiciones de velocidad mínima de operación y de baja potencia para condiciones de flujo estrangulado; por ejemplo, cuando:

La ecuación de anterior se simplifica a: Oviedo/2010

 

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Flujo estrangulado. Con el fin de alcanzar la precisión de medición del combustible requerido, el proveedor del sistema combustible debe caracterizar cada válvula de medición principal dentro de un sistema combustible de cuatro válvulas, y el de tres válvulas de medición en un sistema combustible de tres válvulas. El control debe ser programado con tablas de caracterización específica para cada instalación. Las unidades son frecuentemente una fuente de confusión, particularmente aquellas para el LHV. En la especificación de control de GE, el LHV tiene unidades de BTU/lbm. Con frecuencia, al estar trabajando en instalaciones de campo, el LHV se calcula en diferentes unidades y requiere conversiones para ser usado con algoritmos de control de GE. Las siguientes conversiones pueden ser usadas bajo estas circunstancias: 1 joule = 0.7376 lb-ft = 1 N-m 1 Kj = 737.60 lb-ft 1 Btu = 778.169 lbf-ft scf = pies cúbicos estándares a 60º F y 14.696 psia scm = metro cúbico cuadrado a 60º F y 14.696 psia 1 scm = 35.3198 scf ncm psia = metro cúbico normal (estándar para la industria de compresores Europea) a 0º C y 14.696 Sg = gravedad específica del gas Wa = peso de la densidad del aire a 60º F y 14.696 psia = 0.0764 (lbm/scf) Wa = peso de la densidad del aire a 0º F y 14.696 psia = 0.0807 (lbm/ncf) Wg = peso de la densidad del gas = Sg * Wa 3.2 3.2 Multipl Multipl icadores del inyector de combusti ble de anill anill o Los grandes errores en las propiedades del combustible que afecten la precisión de la medición del combustible, de no ser tan grandes como para resultar en una operación de control inestable, pueden ser hallados al monitorear el multiplicador de flujo de combustible del anillo completo WFNOZTOTFF para un sistema combustible de 4 válvulas o de los multiplicadores de flujo de combustible de anillo individuales WFNOZOTRFF, WFNOZPILFF Y WFNOZINRFF para un sistema combustible de 3 válvulas. Estas variables se calculan en el control como la razón de flujo de combustible demandado al flujo estimado del inyector de combustible. Los flujos estimados del inyector de combustible son calculados en base a funciones supuestas de flujo del inyector de combustible. Con un sistema de medición perfecto y unas funciones de flujo del inyector exactas estos multiplicadores serían = 1.0. Los valores en el rango de 0.9 a 1.1 son considerados como típicos. Una vez eliminados los errores de precisión en la medición del combustible mediante el monitoreo de los multiplicadores de flujo del inyector de combustible -como se describió anteriormente-, los grandes errores en el LHV -de no ser tan grandes como para resultar en una operación de control inestable-, pueden ser hallados al comparar la temperatura de flama principal F_TFLCYC con la temperatura medida de la turbina de gas T54SEL ó T48SEL. 3.3 3.3 Operación Operación del calorímetro y del c romatógrafo

El motor DLE tiene un requerimiento de un valor de calentamiento menor y de entradas de datos de gravedad específicos para programar el flujo de combustible de manera precisa. El proveedor del sistema combustible puede también tener requerimientos para tener otras entradas de

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propiedades de gas. Dos tipos de instrumentos comercialmente disponibles que proveen algunas de estas entradas son los calorímetros y los cromatógrafos. Un calorímetro recibe gas de la línea de gas y aire y los quema bajo condiciones estrechamente controladas. La temperatura del gas de escape resultante es medida con un sistema de detección preciso. Un controlador regula los cambios en la cantidad de combustión y aire de enfriamiento al quemador. Esto ayuda a mantener el gas de escape a una temperatura constante. Así que, sipor el el valor de calentamiento del gas está cambiando, el flujo de de aireescape. requerido será modificado controlador para mantener constante la temperatura del gas Al medir el cambio en el flujo de aire, se pueden determinar las propiedades del gas combustible. Las salidas típicas de un calorímetro son la gravedad específica, el valor calorífico y el índice Wobbe. Se puede calcular el valor de calentamiento menor a partir del valor calorífico y de la gravedad específica. Los calorímetros no proveen una descomposición de los componentes del gas –por ejemplo, el porcentaje de moles de metano, el porcentaje de moles de O2, etc. Debido a que los calorímetros constantemente están quemado gas proveniente de la línea de gas, reaccionan rápidamente a los cambios en las propiedades del gas. El tiempo de respuesta de los calorímetros a los cambios en las propiedades del gas es normalmente menor a veinte segundos. Los calorímetros habrán de ser utilizados cuando los cambios en las propiedades del gas ocurran con frecuencia. Un cromatógrafo provee una descomposición de los componentes del gas. A partir de la descomposición se pueden calcular el valor de calentamiento menor y la gravedad específica. 1. Un sistema de gas portador para conducir el componente a través de la la columna a una tasa de flujo constante. 2. Una columna cromatográfica para separar la muestra en componentes individuales. 3. Un detector para revelar los componentes del gas. Se inyecta gas de la línea de gas al cromatógrafo. Dentro del cromatógrafo, el gas de la línea se mezcla con un gas portador como el helio. El gas portador lleva el gas de la línea y fluye a través de la columna cromatográfica y el detector. Es necesario que el gas portador sea inerte para que no interactúe con el gas de la línea. La columna cromatográfica consiste de alrededor de 30 pies de tubería de un cuarto de pulgada de diámetro. La columna actúa como una barrera al flujo de gas. Al fluir la mezcla de gas portador y gas de la línea a través de la columna, los componentes del gas empiezan a ser descompuestos. Los componentes de gas más ligeros se mueven más fácilmente a través de la columna que los más pesados. Por lo tanto, son los primeros en salir de la columna. De esta manera, al salir de la columna, la muestra de gas es agrupado por componentes de gas conforme a su peso molecular, siendo los componentes más ligeros los que salen primero. La muestra entonces va al detector. Aquí se determina el tipo y el porcentaje de cada componente. Hay diferentes tipos de detectores que son usados por los fabricantes de cromatógrafos. Un método (usado en las celdas de prueba de GE) se llama de conductividad térmica. Aquí, la muestra de gas de la columna pasa a través de un tipo de puente Wheatstone donde los cuatro brazos del puente son calentados a una temperatura alta controlada de manera precisa.

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Cuando los componentes pasan por uno de los pares de los elementos del puente, los cables pierden calor, lo cual se traduce en un cambio de resistencia del puente. La cantidad del cambio de resistencia determina el tipo y porcentaje de cada componente. A partir del tipo y porcentaje de los componentes se puede calcular el valor de calentamiento menor, la gravedad específica, el índice Wobbe, la proporción de calores específicos, y la compresibilidad usando unas cuantas fórmulas y el peso molecular de los componentes. El tiempo de deberían procesamiento típico sólo de un cromatógrafo es dedelalrededor de 5 minutos. Los cromatógrafos ser utilizados donde las propiedades gas no cambien rápidamente o donde se requiere conocer la información de las otras propiedades del gas (proporción de calores específicos, compresibilidad). 4. Arranque 4.1 Secuencia de Ar ranque

Una descripción de la secuencia de arranque general del LM2500 y LM6000 se encuentra en la Sección 20.0 del Manual de Diseño de Instalación. En la Tabla 4.1 se muestran las salidas del secuenciador de arranque-operación. ENGMODE STGVLVOPEN

Condición de modo motor Habilita control normal de las válvulas de graduación

Z_OP_STRTR Z_OPEN_STRTR Z_IGNDMD Z_IGNITORDMD Z_VENTDMD Z_VENT1DMD Z_VENT2DMD FUELON Z_FSOV1DMD Z_FSOV2DMD

Opera el arrancador Activa el (los) ignitor(es) Abre la(s) válvula(s) de venteo de gas Ordena arrancar el combustible Abre válvula de interrupción 1 Abre válvula de interrupción 2

LM2500 LM2500 LM6000 LM2500 LM6000 LM2500 LM6000 LM6000 LM2500

Tabla 4.1 Salidas del Secuenciar de Arranque-Corrida.

Los modos de motor de arranque-corrida, y las acciones de control durante arranque hasta la velocidad mínima de operación, son similares para el LM2500 y el LM6000 y son descritos con mayor detalle en la sección 20.0 de su respectivo Manual de Diseño de Instalación y se resumen para el LM2500 en la Tabla 4.2. ENGMODE

ACCIÓN DE CONTROL

 ACCIONES DE LA LÓGICA

PREARRANQUE

0

Verificación de pre-arranque de motor y control ARRANQUE DE MOTOR

2

Verificar presión de ssuministro uministro de gas por encima de la pr presión esión mínima de arranque

PGAS>200

ARRANQUE

3

Habilitar control normal de válvulas de graduación Encender el arrancador Apagar el arrancador y PARAR si NGGSEL no alcanza los 2000 rpm en 20 seg Abrir válvula de venteo

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Z_OPSTRTR = Falso STGVLVOPEN = Falso Z_OP_STRTR = Verdadero Z_VENTDMD =

 

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Página 18 18   Verdadero

Purgar durante 2 minutos (el tiempo de purgado y la velocidad son fijadas según los requerimientos del sitio) Cerrar la válvula de venteo

Z_VENTDMD = Falso IGNICIÓN

4 Activar el ignitor

Z_IGNDMD =

Después de 2 seg. abrir las válvulas de interrupción

Verdadero Z_FSOV1DMD = Verdadero Z_FSOV2DMD = Verdadero FUELON = Verdadero

Cerrar las válvulas de interrupción, apagar el ignitor y realizar un purgado si no se detecta el inicio de la combustión en 10 seg. Apagar el ignitor 10 seg. después del inicio de la combustión 5

LITEOFF = Verdadero? Z_IGNDMD = Falso

CORRIDA 1 ESHUTDOWN (paro de emergencia) si la velocidad de corte del arrancador no es alcanzada dentro de 90 seg. Apagar el arrancador cuando la velocidad de corte del arrancador es alcanzada

NGGSEL >=4500? Z_OP_STRTR = Falso

CORRIDA 2 6 ESHUTDOWN si no se alcanza la velocidad mínima de operación dentro de 2 minutos

NGGSEL >=NGGIDL?

CORRIDA 3 8 Corrida de calentamiento a velocidad mínima de operación de 5 minutos opcional. 9

OPERACIÓN ESHUTDOWN si requiere “verificar rotación de la turbina de potencia a velocidad mínima de operación” y el NPTSEL no ha alcanzado los 350 rpm Si no requiere “verificar rotación de la turbina de potencia a velocidad mínima. de operación” entonces subir la velocidad NGG según requiera la aplicación DECEL TO IDLE (desacelerar hasta la velocidad mínima. de operación) si NPTSEL no ha alcanzado los 350 rpm dentro de 60 seg. Y ESHUTDOWN si NPTSEL no ha alcanzado los 350 rpm dentro de los 5 minutos siguientes.

10 11 12 13

PARO PURGA PARO DE EMERGENCIA DETENCIÓN

Tabla 4.2 Modos de Arranque-corrida del motor LM2500 y acciones de control durante el arranque hasta la velocidad mínima de operación

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4.2 4.2 Operación Operación del contro l

La operación del control para el arranque a velocidad mínima de operación del núcleo es similar para el LM2500 y el LM6000. Existen dos fases. La primera fase, la cual aplica a la mayor parte del arranque, hasta que el núcleo se aproxime a la velocidad mínima de operación, es realizada con control de flujo de aire deshabilitado y sin sangrado de octava etapa o de descarga del compresor. Los programas de la Tflame principal no afectan durante esta fase inicial. En su lugar, un control de combustible al arranque calcula los límites de flujo de combustible principal superior e inferior (o total) (WFMAXSI y WFLBO = WFLBOSI, respectivamente) basado en programas independientes de tasa de equivalencia máxima y mínima Se pretendía originalmente que estos programas le correspondieran a los límites de apagado pobre y de termoesfuerzo del quemador, pero fueron ajustados al final durante las pruebas al motor de desarrollo del LM6000 para proporcionar arranques confiables (sin apagones) con niveles aceptables de acústicos del quemador. Nótese que para el LM6000, las VBVs durante todo un arranque son programadas como si fueran para sus contrapartes no DLE; por ejemplo, completamente abiertas (100%) una vez que la velocidad del rotor de BP alcance 1250 rpm. En cuanto al control de combustible en general, durante esta primera fase de arranque inicial, además de los límites de flujo de combustible inferior y superior, pueden entrar en operación otros dos limitadores/reguladores de flujo de combustible; por ejemplo, un regulador de tasa de aceleración de velocidad del núcleo y un límite de programa de aceleración WF/PS3 máxima. El límite de programa de aceleración WF/PS3 existe en ambos controles de los LM2500 y LM6000, y está basado en sus contrapartes no DLE, pero en general se encuentra únicamente en los LM2500. Cuando fueron desarrollados originalmente los programas para los motores no DLE, la intención era proveer de protección contra desplome para el compresor. El límite del programa de aceleración WF/PS3 está "fusionado" con el límite superior de control de combustible de arranque WFMAXSI por medio de un selector de mínimo para conformar el límite superior WFMAX final. En virtud de la lógica de selección prioritaria del control de combustible, el límite superior WFMAX siempre sobrepasará el límite inferior WFLBO, lo cual significa que es posible que el límite del programa de aceleración WF/PS3 sobrepase ambos límites inferior y superior del flujo de combustible del control de combustible de arranque. Un transductor de presión PS3 mal calibrado o con fugas, que dé como resultado una detección de presión baja, podría resultar en que el programa de aceleración WF/PS3 inadvertidamente reduzca el flujo de combustible final y produzca un arranque colgado o abortado (apagón). Nótese que aunque los límites superior e inferior de flujo de combustible del control de flujo de arranque son -como los límites del algoritmo de Tflame "velocidad mínima de operación y mayor"-, una función de T3 y PS3; debido a asuntos de precisión en la región de arranque, el T3 y el PS3 son estimados a partir del modelo interno en lugar de los sensores. Por lo tanto, aunque los errores detectados en el PS3 afectarán el límite de flujo de combustible máxima WF/PS3, los errores en los valores medidos en el PS3 o en T3 no afectarán los límites superiores e inferiores de flujo de combustible del control de combustible de arranque. ¡El LHV es una entrada al control de combustible de arranque y, por tanto, los errores en el LHV afectarán los límites superior e inferior del control de combustible de arranque! Al entrar la segunda fase de arranque a velocidad mínima de operación del núcleo, se habilita la estrategia de control completo de flujo de aire/control de temperatura de flama principal, y los límites de combustible superior e inferior del algoritmo de Tflame como opuestos al control de flujode deflujo arranque.

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La transición de la primera fase a la segunda es estrictamente una función de la velocidad del núcleo. A una velocidad del núcleo específica (N25SEL = N25SIATV = N25SI + N25SIJA = 6300 rpm para el LM6000 y NGGSEL = NGGSI = 4900 rpm para el LM2500) el control de flujo de aire está habilitado y al aproximarse el núcleo a esa misma velocidad específica, hay una transición de los límites superior e inferior del flujo de combustible desde los límites de control de combustible de arranque hasta los límites del algoritmo de Tflame. Esto ocurre sobre el rango de velocidad del núcleo de 6200 a 6300 rpm para el LM6000 y de 4800 a 4900 para el LM2500. Otras accionesel de control ocurren durante primera fase delde arranque. Cuando se introduce modo de específicas IGNICIÓN DLE del arranque, ademásla de la apertura las válvulas de interrupción y del energizado de la bujía, con el fin de encender el combustible, se abren la(s) válvula(s) de graduación externa(s) que suministran combustible a los tres vasos del quemador a lo largo de la(s) ignición(es) energizada(s). En este punto se cierran todas las válvulas de graduación internas. Se abren la(s) válvula(s) de graduación externa(s) durante los diez segundos del modo de IGNICIÓN. Nótese que ambos modelos LM2500 y LM6000 están provistos de dos lugares para colocar bujías. La lógica de control de graduación abrirá la válvula de graduación #22 y/o la #9 dependiendo si están fijadas las demandas de la ignición IGN1DMD y/o IGN2DMD durante el modo de IGNICIÓN. Cuando una o ambas de las válvulas de graduación estén abiertas durante el modo de IGNICIÓN, se determina el flujo de combustible del anillo externo tal como si estuviera en operación por encima de la velocidad mínima de operación en modo AB o ABC; por ejemplo, como se describió anteriormente, se calcula el flujo de combustible externo WFOREFABC en el algoritmo de Tflame basado en una temperatura de flama del anillo programado TFLOREF. Este flujo de combustible representa el flujo de combustible externo por válvula de graduación y, dependiendo del número de válvulas de graduación externas "de ignición" abiertas (una o dos), se traduce en una demanda de flujo de combustible de anillo externo total (WFOREF). Siendo que el flujo de combustible externo es derivado del algoritmo de Tflame, éste será influenciado por errores que haya en cualquier entrada de la Tflame, en particular el PS3 y T3. Así que durante el modo de IGNICIÓN, se demanda un flujo de combustible total WF36DMD, y desde ahí es sustraída la demanda de combustible del anillo externo (WFOREF) para dar una demanda de flujo de combustible del anillo piloto resultante (WFPREF). El anillo interno no tiene suministro de combustible durante el modo de IGNICIÓN, únicamente el anillo piloto y tres o seis de los vasos de los anillos externos del quemador (una o dos de las válvulas de graduación externas). Al avanzar el arranque, también puede ser suministrado de combustible parte del anillo interno del quemador. La lógica que determina esto es bastante directa y funciona de la siguiente manera: Si el flujo de combustible demandado (WF36DMD), bajo la influencia del regulador de la tasa de aceleración de velocidad del núcleo, en el intento de rastrear el programa de la tasa de aceleración de velocidad del núcleo, es forzado hacia el límite superior de control de combustible de arranque (WFMAXSI) por más de tres segundos entonces la configuración del quemador cambia de B (sólo piloto) a BC/2 (piloto más 8 de las 15 válvulas de graduación internas o vasos del quemador). El control de combustible de arranque opera para controlar la proporción de aire-combustible promedio en cada vaso del quemador. Si se incrementa el número de vasos piloto de treinta a treinta vasos piloto más ocho vasos internos, los límites, superior e inferior de flujo de combustible también se incrementarán. Esto permite que el WF36DMD se incremente y por tanto "acelere" el arranque. El flujo de combustible del anillo interno es determinado de igual manera que el anillo externo; por ejemplo, de la misma manera que en mayor a la velocidad mínima de operación en modo BC/2 (LM6000 únicamente), BClao operación ABC.

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En resumen: Los tres anillos pueden ser suministrados con combustible durante el arranque, pudiéndose determinar el flujo de combustible total por el regulador de velocidad del núcleo y restringid o por los límites de flujo de combustible máximos y mínimos de la Tflame. Los errores en las propiedades del combustible (SG, temperatura del combustible y Cp/Cv) afectan la precisión de la medición del flujo de masa, y los errores en el LHV afectan los límites de flujo de combustible máxima y mínimalos problemas con cualquiera de estos dos pueden colgar el arranque o evitar que se complete la combustión. - ¡es de importante tomar en cuenta quelaun error del 5% en flujo de combustible puede significar un error aproximadamente 150° F en Tflame! Recordar que el flujo de combustible máximo tiene un límite de sobrepaso WF/PS3 y que la calibración del sensor PS3 o las fugas que den un PS3 bajo, pueden ocasionar que el límite de aceleración WF/PS3 colgar el arranque. Recordar asimismo, que los sensores PS3 y T3 no afectan los límites de la Tflame principal en la fase inicial del arranque antes de ser habilitado el control de Tflame/flujo de aire, pero sí afectan el flujo de combustible interno/Tflame si ocurre una graduación hacia el BC/2. El flujo de combustible de la ignición externa es esencial para que ocurra el encendido - la válvula de graduación apropiada deberá ser abierta; por ejemplo, la que suministra de combustible a los vasos a lo largo del la ignición energizada. En una velocidad de núcleo de 4900 rpm para el LM2500 y de 6300 rpm para el LM6000 se habilita el control de flujo de aire/Tflame, y los límites de flujo de combustible de control de combustible / Tflame provienen del algoritmo de la Tflame. En este punto los programas de mínima y máxima de la Tflame principal son muy efectivos. ¡Los errores en la medición del combustible o en sus propiedades pueden resultar en un apagón en este punto de la transición. Las características de arranque típicas para el LM2500 y el LM6000 se muestran en la Fig. 4.1 y 4.2, respectivamente.

Figura 4.1a Características de arranque típicas del DLE LM2500

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Figura 4.1b Características de arranque típicas del DLE LM2500

Figura 4.1c Características de arranque típicas del DLE LM2500

Figura 4.2a Características de arranque típicas del DLE LM6000

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Figura 4.2b Características de arranque típicas del DLE LM6000

Figura 4.2c Características de arranque típicas del DLE LM6000

5. Operación Operación a velocidad mínima de operación 5.1 5.1 Velocid Velocid ad mínima de operación del núcleo

La operación de control a velocidad mínima de operación del núcleo es muy similar para ambos LM2500 y LM6000. El quemador opera en el modo de sólo-piloto (B) (BRNDMD = 0) y el flujo de combustible total (= flujo de combustible al piloto) es ajustado por el regulador de velocidad del núcleo del control de combustible (REGULADOR = 2) para fijar la velocidad del núcleo a la referencia de velocidad mínima de operación del núcleo.

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Para el LM2500, la velocidad mínima de operación del núcleo es fijada a una velocidad física nominal de NGGFLOOR = 6800 rpm. Para el LM6000, la velocidad mínima de operación del núcleo varía como una función de T2, decrece al incrementarse T2 (7819.3 rpm a 0° F, 7678.0 rpm a 48° F, 7409 rpm a 80° F). El control de flujo de aire está activado y ajusta el sangrado con el fin de regular la temperatura de flama principal. Pueden ser utilizados tanto la octava etapa como el sangrado del compresor dependiendo delcomo nivel de sangrado requerido. Paratomar el LM6000 la VBV, dependiendo de T2, puede ser programada completamente abierta sin en cuenta el nivel de sangrado requerido. La secuencia de sangrado se describe con mayor detalle en la sección 6.0. Características típicas a esperarse a velocidad mínima de operación del núcleo; los parámetros claves se encuentran en las Tablas 5.1 y 5.2 para el LM2500 y LM6000, respectivamente. MOTOR PRUEBA EN LA FÁBRICA 2/28/96  T2 (grados F) 34 LHVSEL (BTU/lbm) 20696 BRNDMD (-) 0 NGGSEL (rpm) 6800 WF36DMD (lbm/hr) 1462 TFLMIN (grados F) 2723 TFLMAX (grados F) 3586 TFLCYC (grados F) 3158 DW36PCT (%) 59 T3SEL T54SEL PX36SEL

(grados F) (grados F) (psi pico a pico)

350 794 0.5

Tabla 5.1 Parámetros típicos a velocidad mínima de operación del núcleo del LM2500

T2 (grados F) LHVSEL BRNDMD N25SEL (rpm) WF36DMD T3SEL (grados F) TFLMIN (grados F) TFLMAX (grados F) TFLCYCS (grados F) DWB36PCT (%) T48SEL (grados F) PX36SEL (psi p-p)

SIMULACION GE

MOTOR PRUEBA EN LA FABRICA

MOTOR 109-208 SITIO SILKEBORG 4/23/96

59

76.7

57

20400

-

-

0

0

0

7617

7442

7717

2479

1972

1977

508

443

511

2900

3000

2700

3400

3500

3200

3205

3273

2966

0

68

53

918

848

848

-

0.34

0.58

Tabla 5.1 Parámetros típicos a velocidad mínima de operación del núcleo del LM6000.

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5.2 Transición de Velocidad mínima de operación del núcleo a la Velocidad mínima de operación si ncroni zada zada del núcl eo del LM6000 LM6000

El diseño de la lógica de graduación original asume que no pueda haber un “traslape” entre la velocidad mínima de operación del núcleo y la velocidad mínima de operación sincronizada del núcleo; por ejemplo, puede que al acelerar desde la velocidad mínima de operación del núcleo a velocidad mínima de operación sincronizada del núcleo, no sea posible transicional directamente del modo B con cero sangrado hasta BC/2 con alto sangrado si fuera requerido, y permanecer dentro de los límites de Tflame principal. Por lo tanto, la lógica de graduación fue desarrollada para proveer una graduación parcial al transicional de velocidad mínima de operación del núcleo a velocidad mínima de operación sincronizada del núcleo. La lógica funciona de la siguiente manera: al acelerar la turbina de gas desde la velocidad mìn de operación del núcleo y al alcanzar cero sangrado/Tflame principal máxima, se abre una válvula de graduación interna (se incrementa BRNDMD), lo cual resulta en una reducción de Tflame principal. Este proceso se repite cada vez que se alcanza cero sangrado/Tflame principal máxima hasta que se alcanza la configuración BC/2 (8 válvulas de graduación internas abiertas – BRNDMD = 8). En este punto la estrategia de la lógica de graduación se convierte en el esquema utilizado de la velocidad de operación sincronizada del núcleo a la máxima potencia como se describe en la sección 8. 6. Operación Operación dentro de un a ventana ventana de configu ración del qu emador 6.1 Control de temperatura de flama

Como se describió anteriormente en la sección 1.6, se define una ventana de configuración del quemador en términos de los límites superiores e inferiores de temperatura de flama y de los límites superiores e inferiores de sangrado. El control de flujo de aire ajusta el sangrado con el fin de regular la temperatura de flama principal, hasta alcanzar el sangrado máxima o mínima. Los incrementos de potencia posteriores en este punto causarán que la temperatura de flama principal se incremente hacia el límite máximo superior. Contrariamente, el sangrado incrementa al máximo al disminuir la potencia, y una vez alcanzado el máximo sangrado, los decrementos de potencia posteriores causarán que la temperatura de flama principal decrezca hacia el límite mínimo inferior. Esto fue ilustrado en la Figura 1.8. Nótese que en cualquier otro modo que no sea sólo-piloto (B), también son controladas las temperaturas de flama de anillo respectivo (externo (A) y/o interno (C). A diferencia de la temperatura de flama principal, la cual es regulada mediante la variación del sangrado, las temperaturas de flama del anillo son controladas mediante la variación del flujo de combustible dividido entre los anillos suministrados de combustible. A diferencia de la temperatura de flama principal, las temperaturas de flama de los anillos continúan siendo controladas cuando se alcanzan los límites de sangrado mínima o máxima Esto significa que al incrementar la potencia cuando el sangrado está en el límite mínimo, la(s) temperatura(s) de flama del anillo continúa(n) siguiendo la demanda programada, pero la temperatura de flama principal se incrementa hacia el límite máximo. Esto resulta en un incremento de temperatura de flama del anillo piloto. El programa de temperatura de flama principal máxima y los programa(s) de temperatura de flama del anillo en esta condición de sangrado mínima determinan por lo tanto, qué tan caliente se pondrá el anillo piloto. El incrementar el programa de temperatura de flama principal máxima o bajar el/los programas de temperatura de flama de los anillos a sangrado mínimo incrementará la

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temperatura de flama del anillo piloto. Efectos similares pero opuestos ocurren con el sangrado máximo. En resumen, el incrementar o disminuir la temperatura de flama principal a una potencia constante resulta en un incremento o decremento de sangrado y en el incremento o disminución de la temperatura de flama del piloto con un cambio muy pequeño en las temperaturas de flama internas y/o externas; mientras que, el incremento o disminución de la temperatura de flama interna o externa a una potencia constante da como resultado un cambio muy pequeño en el sangrado y la temperatura de flama principal, pero resulta en la disminución o incremento de temperatura de flama del piloto. 6.2 Secuencia de sangrado

El variar el sangrado entre niveles mínimos y máximos involucra el uso del sangrado del compresor de octava etapa (ST8) y el sangrado de descarga del compresor (CDP). Además, para el LM6000, las VBVs están moduladas entre los límites de programa mínimos y máximos. Los sangrados son operados de manera secuencial. El regulador de flujo de aire/temperatura de flama principal arroja como salida una demanda de flujo de sangrado total (DWB36), la cual puede variar entre cero y el límite máximo permisible (DWB36MAX). La demanda total de sangrado es generalmente monitoreada como un porcentaje máximo (DWB36PCT) y varía entre 0 y 100%. La demanda total de sangrado se traduce en las demandas de posición de las válvulas de sangrado. La secuencia de sangrado del LM2500 es más sencilla que la del de utiliza 0 a 12% (porcentaje de flujo de aire del núcleo seguido porLM6000. 0 a 8% El deLM2500 ST8. Elutiliza LM6000 de CDP 0 a 2% de ST8 (porcentaje de flujo de aire W2) del núcleo W25), seguido de un VBV mínimo a un máximo seguido por 2 a 10% de ST8 y finalmente de 0 a 3.5% CDP. La secuencia es ilustrada en las Figuras 6.1 y 6.2 para el LM2500 y LM6000, respectivamente. En la práctica, el sangrado del ST8 en el LM2500 ha probado ser ineficaz. El operar en la región de modulación ST8 del LM2500 tiende a ser muy inestable con una válvula de sangrado de ST8 programada para purgar ya sea al mínimo (“apagado”) o máximo (“encendido”).

Las VBVs son utilizadas en el LM6000 para proporcionar una modulación de sangrado adicional como se ilustra en la Fig. 6.3.

Figura 6.1 Secuencia de sangrado del LM2500

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Figura 6.2 Secuencia de sangrado del LM6000

Figura 6.3 Modulación de sangrado del VBV del LM6000

7. Medición Medición de Combustible 7.1 Demandas del Sistema Combustible

Como se describe en la Sección 1.3, hay actualmente en servicio dos configuraciones diferentes del sistema combustible en el LM2500 y LM6000. Las primeras turbinas de gas DLE utilizaban un sistema de cuatro válvulas, mientras que las unidades más recientes tienen un sistema de tres válvulas. Se proveen los diagramas esquemáticos de los dos sistemas en la Sección 1.3. Ambos sistemas miden de manera independiente el combustible a los tres anillos del quemador en respuesta a las demandas de flujo de combustible de la cámara de combustión en los anillos externo, piloto e interno WFOREF, WFPREF y WFIREF. Como se ilustró en la Figura 7.1, los WFOREF y WFIREF se calculan directamente de las salidas del algoritmo de temperatura de flama WFOREFABC y WFIREFABC. Los WFOREFABC y WFIREFABC son los flujos de combustible externos e internos demandados por cada válvula de graduación, y se multiplican por el número respectivo de variables de válvulas–  de graduación- abiertas OTREST e INREST para determinar el total de las demandas de flujo de combustible de los anillos externos e internos WFOEF y WFIREF. Se sustraen estas demandas finales de flujo de combustible de los anillos interno y externo del total de demanda de flujo de combustible WF36DMD para proporcionar la demanda de flujo de combustible del anillo piloto WFPREP. Estas tres demandas representan el flujo de combustible requerido en el quemador.

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Figura 7.1 Demanda del flujo del combustible del anillo

La lógica subsecuente utilizada para transformar las tres demandas de flujo de combustible de la cámara de combustión en demandas finales del sistema de combustible varía significativamente entre los sistemas de tres y cuatro válvulas, pero en ambos casos emplean un esquema de compensación dinámica del volumen de gas basado en un modelo. El sistema de tres válvulas es más directo, pero coloca las demandas más pesadas en el procesador de control porque se provee de compensación dinámica del volumen de gas independiente para cada uno de los tres anillos (el sistema de cuatro válvulas tiene un algoritmo de compensación dinámica de volumen de gas general). Con el esquema de tres válvulas, cada una de las tres demandas de flujo de combustible de la cámara de combustión son introducidas a un compensador dinámico de volumen de gas y las salidas representan las demandas de flujo de combustible de la válvula de medición WFTRDMD, WFPLTDMD y WFINRDMD que pasan al sistema de medición de combustible del proveedor del sistema de combustible. Para el sistema de cuatro válvulas la lógica no es tan directa. Regresando al esquemático del sistema de cuatro válvulas mostrado en la Sección 1.3, se puede observar una válvula de medición principal corriente abajo de las tres válvulas de ajuste o reguladoras ΔP. La válvula de medición principal controla el total de flujo de combustible de la cámara de combustión, y las tres válvulas de ajuste varían el flujo de combustible dividido entre cada anillo del quemador. La demanda total dinámico de flujo de la único, cámaralade combustión a un compensador decombustible volumen dede gas salida del cualWF36DMD representaes la introducido demanda de flujo de combustible de la válvula de medición principal WFMVDMD, que pasa al sistema de medición de combustible del proveedor del sistema combustible. Los flujos de combustible de los anillos individuales son controlados mediante la variación de la caída de presión en cada una de las válvulas de ajuste. La ΔP de la válvula de ajuste del piloto sigue un programa predefinido, el cual es una función de la demanda total de flujo de combustible. Haciendo uso de funciones de flujo supuestas para las tres válvulas de graduación y del circuito de combustible de premezclado de cada uno de los anillos del quemador, se calculan las ΔP demandadas de la válvula de ajuste interna y externa relacionada con el piloto, basados en las tres demandas de flujo de combustible de la cámara de combustión WFIRE, WFPREF y WFIREF como se ilustra en la Figura 7.2. Las salidas resultantes de esta lógica son las demandas ΔP de las tres válvulas de ajuste DP2P3ODMD, DP2P3PDMD y DP2P3IDMD que pasan al sistema de medición del proveedor del sistema combustible.

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Se toma la medida de las caídas de presión a lo largo de las válvulas de ajuste, utilizando tomas de presión, ubicadas en el múltiple de gas (GP3OSEL, GP3PSEL y GP31SEL) y ubicadas “corriente arriba” de las válvulas de ajuste (GP2SEL).

Figura 7.2 Demandas delta P de las válvulas de ajuste

7.2 7.2 Flujos de comb ustibl e de monitoreo y temperatura temperatura de flama

Existen cálculos estimados del flujo de combustible del anillo incluidos en el control, sólo para propósitos de monitoreo. El flujo de combustible en la cámara de combustión se calcula para cada anillo empleando la proporción de presión medida a lo largo de la válvula de graduación y del circuito de combustible de premezclado (el GP2X/PS3 para el sistema de combustible de tres válvulas y el GP3X/PS3 para el sistema de cuatro válvulas- donde X=O, P o I), junto con otros parámetros relevantes que incluyen la temperatura del gas combustible y la temperatura de descarga del compresor (T3). Las salidas de este cálculo son flujos de combustible “en bruto” para cada anillo – WFOTR, WFPIL y WFINR. Estos flujos de combustible “en bruto” son estimaciones basadas en funciones de flujo supuestas para cada válvula de graduación + el circuito de combustible de premezclado. Estos flujos de combustible “en bruto” se corrigen utilizando las multiplicadores de flujo de combustible del anillo WFNOZTOTFF (para un sistema de cuatro válvulas) y WFNOZOTRFF, WFNOZPILFF y WFNOZINRFF (para un sistema de 3 válvulas), los cuales fueron descritos en la Sección 3, para proveer una mejor estimación de flujo de combustible de cada anillo – WFOTRM, WFPILM y WFINRM. A partir de estos flujos de combustible del anillo se calculan las temperaturas de flama del anillo estimadas – F_TFLODF, F_TFLPDF y F_TFLIDF. Éstas aparecen en el desplegado del control con el prefijo “F_” omitido y con el sufijo “S” añadido para indicar que estas son variables afinadas (con respecto al tiempo). Las diversas temperaturas de flama que generalmente aparecen en la pantalla de control se resumen en la Tabla 7.1 TFLMAX TFLMIN

Demanda máxima de la Tflame principal Demanda mínima de la Tflame principal

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(°F) (°F)

 

LM2500 Y LM6000 EMISIONES EMISIONES BAJA BA JAS S SECAS RESUMEN DEL CONTROL  TFLDMD TFLCYCS TFLAMEPCT TFLOREF TFLIREF TFLODFS TFLPDFS TFLIDFS

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Demanda de la Tflame principal Tflame principal actual estimada (afinada) TFLCYCS relativa a TFLMIN y TFLMAX 0% cuando TFLCYCS = TFLMIN, 100% cuando TFLCYCS = TFLMAX Demanda de Tflame externa Demanda de Tflame interna Tflame externa actual estimada (afinada) Tflame del piloto actual estimada (afinada) Tflame interna actual estimada (afinada)

(°F) (°F) (%) (°F) (°F) (°F) (°F) (°F)

Tabla 7.1 Temperaturas de flama desplegadas

8. Graduación Graduación del quemador 8.1 General

La lógica de graduación del quemador controla la apertura y cierre de las 10 válvulas de graduación externas (A) y 15 internas (C), así como también la única válvula de graduación de apagado pobre mejorado (ELBO). Las válvulas de graduación internas y externas se abren y cierran conforme a la configuración requerida del quemador. Como se describió previamente, hay cinco configuraciones del quemador, llamados B, BC/2 (arranque sólo para el LM2500), BC, AB y ABC. La transición de una configuración del quemador a otra involucra un incremento o decremento del sangrado en conjunto con la apertura y cierre de las válvulas de graduación. Debido a la respuesta finita del control de flujo de aire (sangrado) y debido a las ventanas pequeñas de temperatura de flama del quemador, no es posible cambiar inmediatamente de una configuración del quemador a otra. Por lo tanto, se requieren una serie de configuraciones de graduación intermedias o parciales al ir de un estado estable o configuración permanente del quemador a otra. En el control hay dos variables clave BRNREQ y BRNDMD que especifican la configuración objetivo de estado-estable del quemador (BRNREQ) y la demanda de configuración del quemador actual (BRNDMD). El BRNDMD puede asumir cualquier valor entero entre 0 y 40, mientras que el BRNREQ sólo puede asumir los valores 0, 8, 15, 25, 40 que correspondan a las configuraciones permanentes del quemador de la B a la ABC, respectivamente. El BRNDMD se traduce en el control a comandos de la válvula de graduación interna y externa (INRCMDID y OTRCMDID) por medio de tablas de consulta. Esta información está resumida en la Tabla 8.1. Los INRCMDID y OTRCMDID los patrones de las válvulas graduación internos y externos. Para cada valor de especifican los INRCMDID y OTRCMDID, se abrendeválvulas de graduación internas y externas específicas. Los patrones de graduación son diferentes para los LM2500 y LM600 y están definidos en la sección de Procesamiento de Señales de Salida de las Especificaciones del Sistema de Control M50TF3740 y M50TF3731, respectivamente.

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Tabla 8.1 Parámetros de control de graduación

El control de graduación es similar para los LM2500 y LM6000, y se describe en los siguientes párrafos acerca de las varias fases de operación del motor. 8.2.. Arranque 8.2 Arranq ue

En el modo B de combustible-encendido. Las válvulas de graduación externas #9 y/o #22 a lo largo del(as) bujía(s) se abren durante el modo IGNICIÓN. Si se alcanza el límite máximo de flujo de combustible de Tflame a velocidad menor que la mínima de operación durante el arranque > de 3 segundos, entonces el quemador es graduado de B a BC/2 (BRNDMD incrementa de 0 a 8) y permanece en el modo BC/2 hasta (como se describe en la Sección 4.2) que se habilita el control de flujo de aire al alcanzar la velocidad del núcleo una configuración de cambio por debajo de la velocidad mínima de operación (4900 rpm para el LM2500 y 6300 rpm para el LM6000). Cuando se habilita el control de flujo de aire, el control de graduación del LM2500 se cambia al modo de velocidad mínima de operación y mayor, y el LM6000 se cambia al modo de transición de velocidad mínima de operación del núcleo – velocidad mínima de operación del núcleo sincronizada. 8.3 8.3 Velocid Velocid ad mínima de operación del nú cleo – Velocidad mínima de operación del núc leo sincronizada del LM6000

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Se permite una graduación parcial en el LM6000, como se describió en la sección 5.2, al realizar la transición entre la velocidad mínima de operación del núcleo y la velocidad mínima de operación sincronizada del núcleo, no necesariamente existe un traslape entre los modos B y BC/2. A velocidad mínima de operación del núcleo el LM6000 opera en modo B. Al acelerar lentamente el núcleo hasta alcanzar la velocidad mínima de operación sincronizada del núcleo sin carga, el quemador progresivamente se gradúa de B a BC/2 (BRNDMD lentamente se incrementa de 0 a 8 y generalmente se sobremodula hasta que finalmente se asienta en 8). Es posible que dependiendo del T2 y de los programas de temperatura de flama principal que sea alcanzada la velocidad mínima de operación sincronizada del núcleo en el modo B. Las transiciones de velocidad mínima de operación sincronizada del núcleo a velocidad mínima de operación del núcleo resultan en graduaciones progresivas del quemador (si es que no están ya en el modo B) del modo BC/2 al B. 8.4. 8.4. Operación Operación a veloci dad mínima de op eración y mayor

La graduación entre las configuraciones ocurre en las esquinas extremas de la ventana de operación del quemador. Al acelerar, como se ilustra en la Figura 8.1, la graduación se inicia a máxima Tflame principal, sangrado mínimo. Cuando esto ocurre BRNREQ se cambia inmediatamente a un nuevo valor de configuración (8 (únicamente para el LM6000), 15, 25 ó 40) y BRNDMD incrementa al valor BRNREQ. INRCMDID y OTRCMDID siguen a BRNDMD y se abren o cierran las válvulas de graduación internas y/o externas de manera progresiva.

Figura 8.1 Graduación del quemador durante la aceleración de la carga

Ocurren acciones similares al desacelerar excepto que, como se ilustra en la Figura 8.2, la graduación se inicia a Tflame principal mínima, máximo sangrado.

Figura 8.2 Graduación del quemador durante la desaceleración de la carga

8.5 Zona de evitación evitaci ón de BC haci a AB del LM6000

El LM6000 incluye una lógica de zona de evitación la cual tiene dos funciones, ambas asociadas con la región BC a la AB. La primera función intenta vencer la falta de traslape entre los modos BC y AB, mientras que la segunda función está diseñada para evitar altas temperaturas en la flama del piloto (y por lo tanto NOx -Óxido de N) que comúnmente se encuentran en el modo BC. Aunque no es parte estricta del control de graduación, la lógica de evitación de zona obliga indirectamente la Oviedo/2010

 

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graduación de BC a AB. La lógica, la cual produce una polarización de demanda de megavatio, está activa únicamente en el modo de rejilla y no tiene efecto en modo isócrono (isla). La primera función, la cual se activa cuando se inicia una transición de BC a AB (BRNREQ>15), añade una polarización de 1 megavatio nominal (ZAMWBIAS) que crece a una tasa nominal de 0.07 megavatio/seg (ZAMWRATEJ). La segunda función se activa en el modo BC (BRNREQ=15) si T3 alcanza un umbral nominal de 760 grados F(T3MAXBCJ) y comienza a crecer a una polarización de megavatios a una tasa nominal de 0.1 megavatio/seg (ZAT3RTUPJ) hasta que se inicia la transición de BC decrece a AB (BRNREQ>15). Una de vez-0.1 iniciada la transición de BC a AB, la polarización de megavatio a una tasa nominal megavatio/seg (ZAT3RTDNJ). Nótese que esta segunda función tiene que ser habilitada mediante la configuración de ajuste al control ZAT3ENAJ = TRUE (verdadera). La configuración nominal para ZAT3ENAJ es especificada = FALSE (falso). 8.6 Límit e superior superi or B RNUL RNUL del LM6000 LM6000

La lógica de graduación del LM6000 incluye un límite superior BRNUL que es aplicado al BRNREQ y BRNDMD. El BRNUL se cambia de 8 a 15 a 25 a 40 como una función del T3SEL. Esta lógica fue añadida para limitar los efectos severos de apagones parciales que se experimentaron durante las primeras pruebas al motor LM6000. Cuando ocurre un apagón parcial la velocidad de la turbina de potencia de control de combustible incrementará flujo WF36DMD, de combustible demandado WF36DMD el combustible quemado. Al el crecer el regulador de flujo de airepara y la compensar Tflame principal decrecen no el sangrado para mantener la Tflame principal. Sin la lógica de límite BRNUL, esto podría dar como resultado que el control alcanzara la máxima Tflame principal y sangrado mínimo y luego graduar hacia la configuración siguiente. ¡Esta situación se puede repetir hasta llegar al modo ABC aún cuando, para la potencia actual entregada, el quemador debió haber estado en el modo B ó BC/2! Sin embargo, hay algunos peligros con la lógica de límite BRNUL. ¡Las configuraciones de puntos de cambio T3 pueden no ser consistentes con los programas de la Tflame principal, lo cual podría resultar en que el BRNUL no permita que los BRNREQ y BRNDMD se cambien hacia arriba en una aceleración, o podría resultar en que BRNREQ y BRNDMD se cambien hacia abajo prematuramente! Por lo tanto, si ocurren graduaciones erráticas, sobre las líneas ya descritas, puede ser necesario ajustar los puntos de cambios T3. En la Tabla 8.2 se define la configuración nominal de los puntos de cambios T3. Cambio de BRNUL 

Parámetro de cambio T3 

Configuración nominal de cambio T3 (grados F)

8 a 15

T3BCJA

665.0

15 a 25

T3ABJA

783.0

25 a 40 

T3ABCJA

874.0

  Tabla 8.2 Puntos de cambio T3 del BRNUL del LM6000

8.7.. Graduación hacia abajo de ABC a AB – LM2500 8.7 LM2500

La potencia máxima DLE del LM2500 está configurado, ya sea por el T54 ó por la velocidad del generador de gas. Para los T2 mayores a 10 grados F, el límite de T54 de 1535 grados F limitará la potencia máxima. Desafortunadamente, para un motor DLE la potencia máxima generalmente no es el punto donde se alcanza la T54 más alta. Para cualquier motor de turbina de gas, la

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temperatura de gas de escape se incrementará al incrementarse el sangrado del compresor. Esto también aplica para los motores DLE. En la Sección 1.6.1 se describe como se modula la temperatura de flama principal entre los límites mínimos y máximos al variar el sangrado. En el modo ABC, es posible que en el lado izquierdo de la ventana, por ejemplo, el lado de alto sangrado tenga un T54 más alto que el lado derecho de la ventana, por ejemplo, el lado izquierdo de la ventana. Si se alcanza el límitedebido T54 con el nivel de sangrado total (DWB36PCT) mayor 0%, el motor comenzará a desacelerar a que el regulador de control de combustible T54a esté reduciendo la demanda de flujo de combustible. Tomando en cuenta la ventana de la temperatura de flama principal de la sección 1.6.1, desacelerar significa desplazarse de derecha a izquierda sobre la ventana. Al desplazarse el motor de derecha a izquierda, se incrementa el nivel de sangrado total. Al incrementarse el nivel total de sangrado, se incrementa el T54. Esto causa que el motor desacelere aún más. Esto se convierte en un ciclo irrecuperable. Una manera de evitar esta situación es manteniendo la temperatura de flama principal tan bajo como sea posible en el modo ABC. El procedimiento de mapeo de campo contiene las instrucciones de cómo hacer esto. Además, la lógica de control ha sido modificada con dos características especiales para ayudar en este tipo de situaciones. Primero, la lógica de control automáticamente se graduará hacia abajo al modo AB si T54 está dentro de 5 grados del límite y si el nivel de sangrado total es mayor al 70%. A esto se le ha llamado la lógica de graduación hacia abajo de ABC a AB. Una vez que esté en el modo AB, la lógica de control bloquea la graduación regresiva a ABC hasta que el porcentaje calculado de temperatura de flama (TFLAMEPCT) sea menor al 80%. Este engranaje evita que el motor fluctúe entre los modos AB y ABC una y otra vez. Segundo , el programa de límite T54 consiste de tres partes. Una parte es la potencia máxima, límite de sangrado cero de 1553. Otra parte levanta el límite con un sangrado creciente a 1550° F. La parte final del programa de límite T54 levanta el límite T54 unos 50 ° F sólo al hacer la transición de los modos AB al ABC. Después de 20 segundos de operación en modo ABC, cae esta polarización 50 grados.

En resumen, hasta la fecha la operación del motor de campo ha mostrado un potencial para alcanzarreduciendo el límite T54losenprogramas el modo ABC previo aenalcanzar sangrado problema se puede eliminar principales el modoelABC. Para cero. darle Este un margen agregado, la lógica de control contiene las siguientes características para evitar esta situación no deseada: 1. Lógica de graduación hacia abajo de ABC a AB 2. Programa de límite T54 modificado – levantar el límite T54 unos 15 grados a niveles de sangrado más altos y pulsar el límite T54 unos 50 grados al graduar al modo ABC. 8.8 Graduaci Graduación ón h acia abajo de d e ABC a AB – LM6000

El LM6000 tiene características similares al LM2500 en el modo ABC, aunque en el caso del LM6000, el T48 y la velocidad del núcleo corregida (a la estación 25) (N25R) aumenta con un incremento en el sangrado (la potencia decrece). Esto es un punto de preocupación. Para el LM6000, la graduación hacia abajo de ABC a AB se inicia si las siguientes condiciones persisten por > de 2 segundos: que esté en la región ABC o de transición AB-ABC (BRNDMD>25) y se tenga el regulador de velocidad del núcleo máximo (REGULADOR = 9) o el regulador T48

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máximo (REGULADOR = 6) o el regulador de velocidad de núcleo “estrangulada” (REGULADOR = 2) y el sangrado (DWB36PCT) sea > 30%. Una vez que haya ocurrido la graduación hacia debajo de ABC a AB entonces, como en el LM2500, para prevenir la fluctuación entre los modos AB y ABC, se inhibe la graduación regresiva a ABC, en el caso del LM6000, hasta que el nivel de sangrado (DWB36PCT) se incremente arriba del 30% en modo AB o hasta que haya graduado hacia abajo al modo BC (BRNDMD 10 psi p-p en modo B, de otra manera > 4 psi p –p La detección de picos se habilita cuando: Se está en modo permanente del quemador (BRNDMD = BRNREQ) por más > 60 segundos > 10 segundos a partir de los últimos picos pic os detectados La acción correctiva ABAL para picos acústicos es la misma para los acústicos altos persistentes Tabla 9.3 Detección de picos de acústicos ABAL

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