DE102005011287B4 - Method and an apparatus for operating at least one burner for firing the combustion chamber of a heat engine or gas turbine - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Betreiben wenigstens eines Vormischbrenners (1) zur Befeuerung einer Brennkammer einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage, wobei eine Anzahl von Betriebsparametern sensoriell erfasst wird, die einen Verbrennungsvorgang jeweils innerhalb des wenigstens einen Vormischbrenners (1) qualitativ bestimmen, wobei die Anzahl der Betriebsparameter zu Zwecken einer Bewertung des Verbrennungsvorgangs innerhalb der Brennkammer ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die folgenden Betriebsparameter durch eine an einem Gehäuse des Vormischbrenners (1) angeordnete Sensoreneinheit (4) sensoriell erfasst werden:- Temperatur am und/oder im Brennergehäuse,- Massenfluss von der dem Vormischbrenner (1) zugeführten Verbrennungszuluft im Wege einer Partialdruckmessung,- Druckschwankungen (P,) innerhalb des Vormischbrenners (1) mittels eines Mikrofonsensors bedingt durch die Ausbildung thermoakustischer Schwingungen und- ein Flammensignal.Method for operating at least one premix burner (1) for firing a combustion chamber of a heat engine, in particular a gas turbine plant, whereby a number of operating parameters are sensed, which qualitatively determine a combustion process respectively within the at least one premix burner (1), wherein the number of operating parameters For evaluation of the combustion process within the combustion chamber is evaluated, characterized in that at least the following operating parameters are sensed by a on a housing of the premix burner (1) arranged sensor unit (4): - temperature at and / or in the burner housing, - mass flow of the combustion air fed to the premix burner (1) by means of a partial pressure measurement, - pressure fluctuations (P,) within the premix burner (1) by means of a microphone sensor due to the formation of thermoacoustic oscillations and a flame signal.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Betreiben wenigstens eines Brenners zur Befeuerung der Brennkammer einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage.The invention relates to a method and a device for operating at least one burner for firing the combustion chamber of a heat engine, in particular a gas turbine plant.
Brenner vorzugsweise Vormischbrenner sind aus einer Vielzahl vorveröffentlichter Druckschriften bekannt, so bspw. aus der
Ob in Einzel- oder Mehrfachbrenneranordnung, derartige Vormischbrenner werden zur Befeuerung von Brennkammern für den Betrieb von Wärmekraftmaschinen bevorzugt eingesetzt, insbesondere in Gas- oder Dampfturbinenanlagen, zumal derartige Vormischbrenner den Einsatz unterschiedlicher Brennstoffe zur Ausbildung eines weitgehend homogenen Brennstoff-Luftgemisches ermöglichen, das letztlich unter Ausbildung einer aerodynamisch stabilisierten Vormischflamme zur Zündung gebracht wird.Whether in single or multiple burner arrangement, such premix burners are preferably used for firing combustion chambers for the operation of heat engines, especially in gas or steam turbine plants, especially since such premix burners allow the use of different fuels to form a substantially homogeneous fuel-air mixture, which ultimately under training an aerodynamically stabilized premix flame is made to ignite.
An den Betrieb von Wärmekraftmaschinen, insbesondere von Gasturbinenanlagen, werden hohe Anforderungen hinsichtlich ihrer Umweltverträglichkeit gestellt, unterliegen doch die durch den Verbrennungsprozess in die Atmosphäre freigesetzten Abgase strengen Emissionsgrenzwerten. Zudem gilt es, Wärmekraftmaschinen unter dem Gesichtspunkt ihres Wirkungsgrades, mit dem sie in der Lage sind, thermische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, zu optimieren und dies möglichst im gesamten Spektrum ihres Leistungsbereiches.High demands are placed on the operation of heat engines, in particular of gas turbine plants, with regard to their environmental compatibility, since the exhaust gases released into the atmosphere by the combustion process are subject to strict emission limit values. In addition, it is important to optimize heat engines from the point of view of their efficiency, with which they are able to convert thermal energy into electrical energy, and preferably in the entire spectrum of their power range.
Gegenwärtige Gasturbinenanlagen werden in an sich bekannter Weise nach einem fest vorgegebenen Betriebsmuster betrieben, das von einer begrenzten Anzahl von individuell vorgegebenen Umgebungsbedingungen abhängt. So stellen derartige Umgebungsbedingungen beispielsweise die Umgebungstemperatur, die Luftfeuchtigkeit sowie auch Brennstoffqualitäten dar, um nur einige zu nennen. Durch diese äußeren Einflüsse wird das Betriebsverhalten einer Gasturbinenanlage wesentlich beeinflusst. So wird unter Berücksichtigung dieser und anderer Umgebungsbedingungen vor Inbetriebnahme der Gasturbinenanlage, beispielsweise einer vorgegebenen Bauserie, ein so genanntes Betriebshandbuch bzw. „Betriebsfahrplan“ erstellt, gemäß dem eine Festlegung wichtiger Regelgrößen erfolgt, durch die ein möglichst optimierter Betrieb der Gasturbinenanlage im gesamten Lastbereich gewährleistet werden soll. Die Regelgrößen betreffen insbesondere quantitative sowie auch qualitative Größen, die die Brennstoff- sowie auch Verbrennungsluftzufuhr der Brennereinheit regeln.Current gas turbine plants are operated in a conventional manner according to a fixed predetermined operating pattern, which depends on a limited number of individually predetermined environmental conditions. For example, such environmental conditions are ambient temperature, humidity, and fuel qualities, to name a few. These external influences significantly affect the performance of a gas turbine plant. Thus, taking into account these and other environmental conditions prior to commissioning of the gas turbine plant, for example, a predetermined series of construction, a so-called operating manual or "operating schedule" created according to which a determination of important control variables, which ensures the most optimized operation of the gas turbine plant in the entire load range should. The control variables relate in particular to quantitative as well as qualitative variables that regulate the fuel and combustion air supply of the burner unit.
Probleme können jedoch auftreten, sofern bereits geringste fertigungstechnische Abweichungen innerhalb einer Gasturbinenserie zu beobachten sind, die insbesondere die Brennerkomponente betreffen. Da die im Brenner eingesetzten Vormischbrenner der eingangs genannten Art eine optimierte Bauform im Hinblick auf Flammenstabilität und Emissionsverhalten aufweisen, können bereits geringste, den aerodynamischen Strömungsfluss beeinträchtigende Abweichungen in der konstruktiven Auslegung der Vormischbrenner beträchtliche nachteilhafte Auswirkungen auf das Verbrennungsergebnis haben. Wird in an sich bekannter Weise der Verbrennungsprozess mit fest vorgegebenen Regelgrößen durchgeführt, welche die möglicherweise fertigungsbedingt auftretenden konstruktiven Abweichungen nicht zu berücksichtigen vermögen, so führt dies unweigerlich zu einem unbefriedigenden Verbrennungsergebnis, was sich letztlich im Auftreten von Überhitzungen im Brenner oder im stromab vom Brenner gelegenen Heissgaspfad, in so genannten thermoakustischen Schwingungen und verschlechterten Emissionswerten niederschlägt. Auch tragen systembedingte Alterungserscheinungen an den einzelnen Komponenten der Gasturbinen dazu bei, dass sich das Betriebsverhalten der gesamten Gasturbinenanlage mit zunehmendem Anlagenalter verschlechtert.However, problems can occur if even the slightest production-related deviations can be observed within a gas turbine series, which relate in particular to the burner component. Since the premix burners used in the burner of the type mentioned have an optimized design with regard to flame stability and emission behavior, even the smallest, affecting the aerodynamic flow flow deviations in the structural design of the premix burners can have considerable adverse effects on the combustion result. If, in a manner known per se, the combustion process is carried out with fixed predetermined control variables which are not able to take account of design-related deviations, this inevitably leads to an unsatisfactory combustion result, which ultimately results in the occurrence of overheating in the burner or in the burner downstream Hot gas path, reflected in so-called thermoacoustic vibrations and deteriorated emission levels. Also, system-related aging phenomena on the individual components of the gas turbine contribute to the fact that the performance of the entire gas turbine plant deteriorates with increasing system age.
Ziel sollte es daher sein, den gesamten Verbrennungsvorgang aktiv zu überwachen und in vorteilhafter Weise die den Verbrennungsvorgang beeinflussenden Regelgrößen, wie Brennstoff- sowie Luftzufuhr, an die sich möglicherweise aktuell ergebenden Änderungen anzupassen.The aim should therefore be to actively monitor the entire combustion process and to adapt advantageously the controlled variables influencing the combustion process, such as fuel and air supply, to the possibly currently resulting changes.
Darstellung der Erfindung Presentation of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben wenigstens eines Brenners zur Befeuerung einer Brennkammer einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage, derart weiterzubilden, dass Vorkehrungen getroffen werden sollen, mit denen es möglich ist, den Verbrennungsvorgang innerhalb des Brenners an aktuelle Betriebsbedingungen optimiert anzupassen. Der hierfür erforderliche verfahrens- sowie auch gerätetechnische Aufwand sollte möglichst gering und darüber hinaus in vorteilhafter Weise an bereits bestehenden Brennersystemen nachträglich adaptierbar sein. Von besonderem Interesse ist der Betrieb von Mehrfachbrenneranordnungen, in denen es gilt, den Verbrennungsvorgang stabil und mit möglichst geringen Emissionswerten hinsichtlich des Ausstoßes von NOx und CO ablaufen zu lassen. Ebenso besteht der Wunsch den Betrieb eines Brenners in Wärmekraftmaschinen vor Fehlfunktionen zu schützen, indem auftretende Fehleranzeichen möglichst rechtzeitig detektiert werden sollen, um letztlich geeignete Gegenmaßnahmen treffen zu können, um mögliche durch die Fehlfunktionen verursachte Beschädigungen an der Brenneranordnung zu verhindern.The invention has for its object to provide a method for operating at least one burner for firing a combustion chamber of a heat engine, in particular a gas turbine plant, such that provisions are to be made, with which it is possible to optimize the combustion process optimized within the burner to current operating conditions , The necessary procedural as well as equipment technical effort should be as low as possible and beyond in an advantageous manner to already existing burner systems subsequently adaptable. Of particular interest is the operation of multiple burner arrangements, in which it is necessary to run the combustion process stable and with the lowest possible emission levels in terms of the emission of NOx and CO. There is also the desire to protect the operation of a burner in heat engines against malfunction by occurring errors should be detected as soon as possible in order to ultimately take appropriate countermeasures to prevent possible damage caused by the malfunction of the burner assembly.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Eine erfindungsgemäß ausgebildete Brenneranordnung ist Gegenstand des Patentanspruchs 15. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung, insbesondere unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel, zu entnehmen.The solution of the problem underlying the invention is specified in
Das erfindungsgemäße Verfahrenskonzept zum Betreiben wenigstens eines Brenners zur Befeuerung einer Brennkammer einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage, sieht zum einen eine sensorielle Erfassung einer Anzahl von Betriebsparametern vor, die den Verbrennungsvorgang innerhalb des Brenners qualitativ bestimmen. Dies betrifft in vorteilhafter Weise die Erfassung der Temperatur am und/oder im Brennergehäuse mit Hilfe eines geeigneten Thermosensorelementes, das vorzugsweise in einer Ausnehmung innerhalb des Brennergehäuses untergebracht ist. Ferner wird der Massenfluss der dem Brenner zugeführten Verbrennungszuluft erfasst, ebenso der Massenfluss wenigstens einer Brennstoffart, die den Brenner zur Ausbildung eines zündfähigen Brennstoffgemisches, in Form eines Brennstoffluftgemisches, zugeführt wird. Sowohl die dem Brenner zeitlich zugeführte Menge an Verbrennungszuluft sowie auch der zugeführte Brennstoff werden in vorteilhafter Weise mit einer Differenzdruckmesssonde, die in den jeweiligen Massenströmen eingebracht ist, exakt erfasst. Handelt es sich bei der dem Brenner zugeführten Brennstoffart um Flüssigbrennstoff, so eignen sich an sich bekannte, in den flüssigen Massenstrom eingebrachte Strömungssensoren. Im Falle der Zufuhr von gasförmigen Brennstoffen eignet sich der Einsatz der vorstehend genannten Differenzdruckmesssensoren.The method according to the invention for operating at least one burner for firing a combustion chamber of a heat engine, in particular a gas turbine plant, on the one hand provides for sensor-based detection of a number of operating parameters which qualitatively determine the combustion process within the burner. This relates advantageously to the detection of the temperature at and / or in the burner housing by means of a suitable thermal sensor element, which is preferably housed in a recess within the burner housing. Furthermore, the mass flow of the combustion air supplied to the burner is detected, as is the mass flow of at least one type of fuel, which is supplied to the burner for forming an ignitable fuel mixture, in the form of a fuel air mixture. Both the time supplied to the burner amount of combustion air supply and also the supplied fuel are detected in an advantageous manner with a differential pressure measuring probe, which is introduced into the respective mass flows exactly. If the type of fuel supplied to the burner is liquid fuel, then known flow sensors introduced into the liquid mass flow are suitable. In the case of the supply of gaseous fuels, the use of the above-mentioned differential pressure measuring sensors is suitable.
Ferner werden Druckschwankungen, die innerhalb des Brennergehäuses bedingt durch die Ausbildung thermoakustischer Schwingungen auftreten, mittels schallakustischer Sensoren, beispielsweise mit Hilfe eines Mikrofons erfasst. Auch eignen sich optische Sensoren zur Erfassung der integralen sowie auch ortsaufgelösten Wärmefreisetzung der sich im Brennerinneren ausbildenden Flamme. Letztlich kann mit Hilfe geeigneter Gassensoren, die durch chemische Reaktion oder im Wege optischer Absorptions- oder Transmissionsmessungen arbeiten, die Gaszusammensetzung der sich durch den Verbrennungsvorgang ausbildenden Heißgase erfasst werden.Furthermore, pressure fluctuations which occur within the burner housing due to the formation of thermoacoustic oscillations are detected by means of sound-acoustic sensors, for example with the aid of a microphone. Optical sensors are also suitable for detecting the integral as well as spatially resolved heat release of the flame forming inside the burner. Finally, with the aid of suitable gas sensors which operate by chemical reaction or by means of optical absorption or transmission measurements, the gas composition of the hot gases forming through the combustion process can be detected.
Die vorstehend genannten Betriebsparameter, die eine Aussage über die Qualität des Verbrennungsvorganges innerhalb des Brenners zu liefern vermögen, werden erfindungsgemäß zu Zwecken einer Bewertung des Verbrennungsvorganges ausgewertet, um letztlich eine vollständige Information über den aktuellen Verbrennungszustand zu erhalten.The abovementioned operating parameters, which are able to provide information about the quality of the combustion process within the burner, are evaluated according to the invention for the purpose of evaluating the combustion process in order ultimately to obtain complete information about the current combustion state.
Um eine qualitative Aussage über den aktuellen Verbrennungszustand anstellen zu können, werden wenigstens einige der sensoriell erfassten Betriebsparameter vorzugsweise mit Sollgrößen verglichen, wobei eine möglichst gute Übereinstimmung oder zumindest eine weitgehende Annäherung der erfassten Betriebsparameter mit den vorgegebenen Sollgrößen anzustreben ist, um letztlich eine möglichst optimierte und stabil erfolgende Verbrennung zu erreichen, deren Qualität sich vorzugsweise in den folgenden Betriebsgrößen widerspiegelt: Flammentemperaturverteilung, Heissgastemperatur am Turbineneintritt, Konzentration von Stickoxiden und Kohlenmonoxid in den Abgasen, Druckschwankungen innerhalb des Brenners, durch die eine Aussage über die Flammenstabilität angestellt werden kann und letztlich eine Information über die Flammenstabilität aus dem Auftreten eines Flammenrückschlages von Seiten der Brennkammer zurück in den Brenner.In order to be able to make a qualitative statement about the current combustion state, at least some of the sensorially detected operating parameters are preferably compared with desired values, wherein the best possible agreement or at least a substantial approximation of the acquired operating parameters with the predetermined target values should be sought in order ultimately to optimize and optimize to achieve stable combustion, the quality of which is preferably reflected in the following operating variables: flame temperature distribution, hot gas temperature at the turbine inlet, concentration of nitrogen oxides and carbon monoxide in the exhaust gases, pressure fluctuations within the burner, through which a statement about the flame stability can be made and ultimately an information on the flame stability from the occurrence of a flashback from the side of the combustion chamber back into the burner.
Je nach der Größe der Abweichung zwischen den sensoriell erfassten Betriebsparametern, den so genannten Ist-Werten und geeignet vorgegebenen Sollgrößen lassen sich Brennerstörungen rechtzeitig detektieren noch bevor irreversible Schäden am Brenner selbst in Erscheinung treten können. Überschreiten die festgestellten Abweichungen vorgegebene Toleranzgrenzen, so kann in vorteilhafter Weise der Brenner in einen Sicherheitsmode überführt werden, in dem Brennerschäden ausgeschlossen werden können und in dem der Brenner so lange betrieben wird bis eine turnusmäßige Brennerinspektion durchgeführt wird. Alternativ zum Betrieb des Brenners in einem Sicherheitsmode kann der entsprechende Brenner vollständig abgeschaltet werden, um den aufgetretenen Schaden sofort untersuchen und entsprechend beheben zu können.Depending on the size of the deviation between the sensor-recorded operating parameters, the so-called actual values and suitably predetermined target values, burner malfunctions can be detected in good time before irreversible damage to the burner itself can occur. If the deviations exceed predetermined tolerance limits, the burner can advantageously be transferred into a safety mode in which burner damage can be excluded and in which the burner is operated until a regular burner inspection is carried out. As an alternative to operating the burner in a safety mode, the corresponding burner can be switched off completely in order to be able to immediately investigate the damage that has occurred and to be able to remedy it accordingly.
Das Überführen eines Brenners in einen erforderlichen Sicherheitsmode, in dem der Brenner mit reduzierter bzw. stark reduzierter Brennerleistung betrieben wird, erfolgt durch Aktivieren wenigstens eines Stellmittels, das den Brennstoffzufluss zu beeinflussen vermag. In einer einfachen Ausführungsvariante ist das Stellmittel als in einer Brennstoffleitung eingebrachtes Drosselventil ausgebildet, durch das die Brennstoffzufuhr stufenlos gedrosselt und auch vollständig unterbunden werden kann.The transfer of a burner into a required safety mode, in which the burner is operated with reduced or greatly reduced burner power, takes place by activating at least one actuating means, which is able to influence the fuel supply. In a simple embodiment, the adjusting means is designed as a throttle valve introduced in a fuel line, through which the fuel supply can be throttled continuously and also completely prevented.
Die Ansteuerung des Stellmittels erfolgt mit Hilfe eines Steuersignals, das in Abhängigkeit der vorstehend beschriebenen Auswertung der sensoriell erfassten Betriebsparameter des Brenners generiert wird. In besonders vorteilhafter Weise ist es jedoch denkbar, die Auswertung der sensoriell erfassten Betriebsparameter des Brenners im Rahmen eines geschlossenen Regelkreises vorzunehmen, wobei das generierte Steuersignal in Form eines Regelsignals am Stellmittel eine Veränderung des Massenflusses des dem Brenner zugeführten Brennstoffes bewirkt, wodurch unmittelbar wiederum die Betriebsparameter des Brenners beeinflusst werden. Im Rahmen eines derartigen geschlossenen Regelkreises ist es möglich, den Brenner kontinuierlich in einem optimierten Verbrennungszustand in Abhängigkeit der von der Wärmekraftmaschine angeforderten Leistung, zu halten.The actuation of the actuating means takes place with the aid of a control signal, which is generated as a function of the above-described evaluation of the sensorially detected operating parameters of the burner. In a particularly advantageous manner, however, it is conceivable to carry out the evaluation of the sensor-recorded operating parameters of the burner in the context of a closed control loop, wherein the generated control signal in the form of a control signal on the actuating means causes a change in the mass flow of the fuel supplied to the burner, which in turn directly determines the operating parameters be influenced by the burner. Within the scope of such a closed control loop, it is possible to keep the burner continuously in an optimized combustion state as a function of the power demanded by the heat engine.
Die vorstehend beschriebene Brennerüberwachung durch eine brennereigene Messwerterfassung, in deren Rahmen zunächst die den Verbrennungsvorgang charakterisierenden Betriebsparameter des Brenners erfasst werden, umfasst somit in einem zweiten Schritt eine qualitativen Bewertung des Brennerzustandes, wodurch es einerseits möglich ist die Betriebssicherheit des Brenners erheblich zu steigern und andererseits die Qualität des Verbrennungsvorganges entscheidend zu verbessern.The above-described burner monitoring by a burner's own data acquisition, in the context of which the combustion process characterizing operating parameters of the burner are detected, thus includes in a second step, a qualitative assessment of the burner state, which on the one hand it is possible to significantly increase the reliability of the burner and on the other hand Quality of the combustion process to improve significantly.
Von besonderem Wert ist die erfindungsgemäße Brennerkontrolle bei Mehrfachbrenneranordnungen, in denen eine Vielzahl von Einzelbrennern zur Befeuerung einer großdimensionierten Brennkammer dient, wie es beispielsweise im Falle von Ring- oder Topfbrennkammern der Fall ist.Of particular value is the inventive burner control in multi-burner arrangements, in which a plurality of individual burners used for firing a large-sized combustion chamber, as is the case for example in the case of ring or Topfbrennkammern.
Insbesondere bei Mehrfachbrenneranordnungen werden die einzelnen Brenner u.a. aus Gründen einer sich in der Brennkammer stabil ausbildenden Flamme sowie reduzierter Emissionswerte gestuft mit Brennstoff betrieben. Die Brennstoffstufung erfolgt in an sich bekannter Weise entweder durch eine Einteilung der Brenner in Brennergruppen, wobei jede einzelne Brennergruppe separat über eine Brennstoffzuleitung mit Brennstoff versorgt wird - man bezeichnet diese Stufungsart zumeist als äußere Stufung -, oder die einzelne Brenner der Mehrfachbrenneranordnung werden jeweils über wenigstens zwei getrennte Brennstoffleitungen mit Brennstoff versorgt. Die letztgenannte Stufungsart wird auch als innere Stufung bezeichnet. Auch ist eine Kombination beider Stufungsarten denkbar.In particular, in multiple burner arrangements, the individual burners u.a. for the sake of a flame forming stable in the combustion chamber and reduced emission levels fueled. The fuel grading is done in a conventional manner either by a classification of the burner in burner groups, each burner group is supplied separately via a fuel supply with fuel - this type of grading is usually called external gradation - or the individual burner of the multiple burner arrangement are each about at least fueled two separate fuel lines. The latter type of grading is also referred to as internal grading. Also, a combination of both grading types is conceivable.
So ist es grundsätzlich möglich, bei Mehrfachbrenner-Anordnungen eine Überwachung jedes einzelnen Brenners getrennt voneinander vorzunehmen, wie vorstehend beschrieben, wobei eine mögliche Brennerkontrolle im Rahmen einer Ansteuerung oder Regelung für jeden einzelnen Brenner getrennt und unabhängig von den übrigen Brennern in der Mehrfachbrenneranordnung erfolgt. Auch können die Überwachung und eine damit einhergehende Regelung ganze Brennergruppen umfassen, die im Rahmen einer Brennstoffstufung entsprechend mit Brennstoff versorgt werden. Grundsätzlich sind den Möglichkeiten für die Brennerüberwachung keinerlei technische Grenzen gesetzt.Thus, it is in principle possible to carry out a monitoring of each burner separate from each other in multiple burner arrangements, as described above, with a possible burner control in the context of a control or regulation for each burner separately and independently of the other burners in the multiple burner arrangement. Also, the monitoring and associated control may include entire burner groups that are fueled accordingly as part of a fuel staging. In principle, there are no technical limits to the possibilities for torch monitoring.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden jedoch die für jeden einzelnen Brenner sensoriell erfassten Betriebsparameter brennerspezifisch direkt oder als vor ausgewertete Informationseinheit einer übergeordneten Überwachungseinheit zugeführt. Durch die erfindungsgemäße Zusammenführung der sensoriell erfassten Betriebsparameter aller in eine Mehrfachbrenneranordnung vorgesehener Brenner ist es grundsätzlich möglich, den gesamten Verbrennungsvorgang der Mehrfachbrenneranordnung einheitlich zu überwachen. Somit könnte die übergeordnete Kontrolleinheit in einer ersten Ausbaustufe ausschließlich als übergeordnete Meßwerterfassung dienen, anhand der der aktuelle Verbrennungszustand der Mehrfachbrenneranordnung lediglich „ablesbar“ ist.In a preferred embodiment, however, the operating parameters detected by sensors for each individual burner are fed to a higher-level monitoring unit directly or as a previously evaluated information unit. By merging the sensorially detected operating parameters of all burners provided in a multiple burner arrangement according to the invention, it is basically possible to uniformly monitor the entire combustion process of the multiple burner arrangement. Thus, in a first expansion stage, the superordinate control unit could serve exclusively as higher-level measured value detection, based on which the current combustion state of the multiple burner arrangement is merely "readable".
In einer erweiterten Ausführungsform nimmt die übergeordnete Überwachungseinheit eine Überwachung des aktuellen Verbrennungsvorganges dergestalt vor, in dem die aktuellen Verbrennungszustände der einzelnen Brenner mit einer in der Überwachungseinheit implementierten übergeordneten Mehrfachbrennerbetriebsweise abgeglichen und bei auftretenden Abweichungen entsprechende Steuer- bzw. Regelsignale generiert werden, die zur Aktivierung der Stellmittel innerhalb der jeweiligen Brenner dienen. Die übergeordnete Überwachungseinheit kann somit als eine Art Leitstelle verstanden werden, in der eine Mehrfachbrenneranordnung unter Vorgabe einer bestimmt vorgegebenen Mehrfachbrennerbetriebsweise überwacht und geregelt wird.In an extended embodiment, the higher-level monitoring unit monitors the current combustion process in such a way that the current combustion states of the individual burners are compared with a higher-level multiple burner mode implemented in the monitoring unit and corresponding control or control signals are generated in the event of deviations that trigger the activation of the Serving means within the respective burner serve. The higher-level monitoring unit can thus be understood as a type of control center, in which a multiple burner arrangement is monitored and regulated with specification of a predetermined predetermined multiple burner operation.
Zur aktiven Regelung der Mehrfachbrenneranordnung werden bestimmte Betriebsgrößen der Mehrfachbrenneranordnung erfasst und zu Zwecken ihrer Optimierung der übergeordneten Überwachungseinheit zusätzlich den brennerspezifischen Betriebsparameter zugeführt. Einzelheiten hierzu können dem im Weiteren beschriebenen Ausführungsbeispiel entnommen werden. For the active control of the multiple burner arrangement, certain operating variables of the multiple burner arrangement are detected and, for the purpose of optimizing the higher-level monitoring unit, additionally supplied to the burner-specific operating parameters. Details of this can be found in the embodiment described below.
Unter Maßgabe einer vorbestimmten Mehrfachbrennerbetriebsweise und der zu Zwecken ihrer Optimierung erfassten und der Überwachungseinheit zugeführten Betriebsparameter der Mehrfachbrenneranordnung werden Steuer- bzw. Regelbefehle generiert, die an die die Brennstoffzufuhr der einzelnen Brennern beeinflussenden Stellmitteln übertragen werden. Ebenso kann im Fall einer die Betriebssicherheit der Mehrfachbrenneranordnung in Gefahr setzenden Verbrennungssituation ein Schutzsignal von Seiten der übergeordneten Überwachungseinheit abgesetzt werden, durch das beispielsweise die Brennstoffzuführung für die gesamte Mehrfachbrenneranordnung oder nur für bestimmte Brennergruppen oder Einzelbrenner abrupt unterbrochen wird.Under the provision of a predetermined multi-burner operation mode and the operating parameters of the multiple burner arrangement detected for purposes of their optimization and supplied to the monitoring unit, control commands are generated which are transmitted to the adjusting means influencing the fuel supply of the individual burners. Likewise, in the case of the operational safety of the multiple burner arrangement in danger burning combustion situation, a protective signal from the parent monitoring unit are discontinued, is interrupted by the example, the fuel supply for the entire multi-burner arrangement or only for certain burner groups or individual burner abruptly.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Brenneranordnung, die in vorteilhafter Weise zur Befeuerung einer Gasturbinenanlage eingesetzt wird, bietet somit die Möglichkeit sowohl der bloßen Überwachung sowie auch der aktiven Kontrolle des Verbrennungsvorganges.The inventive method for operating a burner assembly, which is used advantageously for firing a gas turbine plant, thus offering the possibility of both the mere monitoring and the active control of the combustion process.
Im einfachsten Fall dient die Erfassung der sensoriell erfassten Betriebsparameter der bloßen Bewertung des Verbrennungsvorganges eines Einzelbrenners. In einer ersten Stufe der Erweiterung werden die sensoriell erfassten Betriebsparameter zu Zwecken der Optimierung des Verbrennungsergebnisses ausgewertet, um letztlich Steuer- oder Regelsignale zu generieren, die durch gezielte Steuerung oder Regelung des Brennstoffzuflusses den Verbrennungsvorgang des Einzelbrenners aktiv beeinflussen.In the simplest case, the detection of the sensor-recorded operating parameters is the mere evaluation of the combustion process of a single burner. In a first stage of the expansion, the sensorially recorded operating parameters are evaluated for purposes of optimizing the combustion result in order ultimately to generate control or regulating signals which actively influence the combustion process of the individual burner by means of targeted control or regulation of the fuel inflow.
Eine erweiterte Überwachungsstufe betrifft Mehrfachbrenneranordnungen und die Zusammenführung aller sensoriell erfassten Betriebsparameter einer Vielzahl von Einzelbrennern, durch die eine verbesserte Überwachung des Verbrennungsvorganges bezüglich der gesamten Mehrfachbrenneranordnung möglich ist.An extended monitoring stage relates to multiple burner arrangements and the merging of all sensory operating parameters of a plurality of individual burners, by which an improved monitoring of the combustion process with respect to the entire multi-burner arrangement is possible.
Eine bislang letzte Ausbildungsstufe zur kontrollierten Überwachung einer Mehrfachbrenneranordnung sieht die gezielte Generierung von Steuer- bzw. Regelsignalen vor, die zu Zwecken der Optimierung des Gesamtverbrennungsergebnisses die Brennstoffzufuhr zu einer Vielzahl von Einzelbrennern durch gezielte Aktivierung geeigneter Stellmittel beeinflussen.A hitherto final training stage for the controlled monitoring of a multiple burner arrangement provides for the targeted generation of control or regulating signals which, for purposes of optimizing the overall combustion result, influence the fuel supply to a large number of individual burners by targeted activation of suitable setting means.
In vorteilhafter Weise lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren individuell an die Kontrollanforderungen aber insbesondere an die Komplexität der jeweiligen Brenneranordnung anpassen. Grundsätzlich gilt es die Überwachung und gegebenenfalls die Kontrolle einer Brenneranordnung umso umfassender und komplexer durchzuführen je umfangreicher und komplexer die Brenneranordnung ist. Zudem sind umfassendere Überwachungen und Kontrollen an Brennersystemen vorteilhaft, je näher sich der Brennerbetrieb an stark reduzierten Emissionswerten orientiert, insbesondere im Hinblick auf stark reduzierte NOx-Emissionen. Auch in Fällen, in denen der Brenner mit unterschiedlichen Brennstoffarten oder -qualitäten betrieben wird hilft das erfindungsgemäße Verfahren eine allumfassende Aussage über das aktuelle Betriebsverhalten anzugeben und letztlich einen sicheren und verbrennungs-optimierten Betrieb gewährleisten.Advantageously, the method according to the invention can be adapted individually to the control requirements but in particular to the complexity of the respective burner arrangement. In principle, the more comprehensive and complex the burner arrangement is, the more comprehensive and complex it is to monitor and possibly control a burner arrangement. In addition, more extensive monitoring and control of burner systems are advantageous the closer the burner operation is to highly reduced emissions, particularly with regard to greatly reduced NOx emissions. Even in cases where the burner is operated with different fuel types or qualities, the method according to the invention helps to give an all-encompassing statement about the current operating behavior and ultimately to ensure safe and combustion-optimized operation.
Zur technischen Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens bedarf es einer Brenneranordnung mit wenigstens einem Brenner zur Befeuerung einer Wärmekraftmaschine, insbesondere eine Gasturbinenanlage, in dessen Brenner zur Ausbildung eines zündfähigen Brennstoff-/Luftgemisches wenigstens eine Brennstoffart durch wenigstens eine Brennstoffleitung zugeführt wird, wobei Sensoren am Brenner vorgesehen sind, durch die jeweils den Verbrennungsvorgang charakterisierende Betriebsparameter erfasst werden können. Zur Beurteilung der durch die Sensoren erfassten Messsignale, die letztlich die Betriebsparameter repräsentieren, dient eine Auswerteeinheit, die dem Brenner zugeordnet ist und die die sensoriell erfassten Betriebsparameter zu Zwecken einer Bewertung des Verbrennungsvorganges zumindest zur Darstellung bringt. In Erweiterung ist vorzugsweise eine Brennerkontrolleinheit vorgesehen, die vorzugsweise mit der Auswerteeinheit kombinierbar ist und in der auf der Grundlage der in der Auswerteeinheit ausgewerteten Betriebsparameter wenigstens ein Steuer- oder Regelsignal generiert wird, das wenigstens ein Stellmittel aktiviert, das den Massenfluss der wenigstens einen Brennstoffart durch wenigstens eine, vorzugsweise alle am Brenner vorgesehenen Brennstoffleitungen beeinflusst. Durch das Stellmittel, das in einer einfachsten Ausführungsform als Ventil innerhalb einer Brennstoffleitung ausgebildet ist, kann der Verbrennungsvorgang unmittelbar beeinflusst werden.For technical implementation of the method according to the invention, a burner arrangement with at least one burner for firing a heat engine, in particular a gas turbine plant, in whose burner for forming an ignitable fuel / air mixture at least one type of fuel is supplied by at least one fuel line, wherein sensors are provided on the burner , can be detected by each of the combustion process characterizing operating parameters. In order to evaluate the measurement signals detected by the sensors, which ultimately represent the operating parameters, an evaluation unit which is assigned to the burner and which brings at least the sensory operating parameters for purposes of evaluation of the combustion process is used. In extension, a burner control unit is preferably provided, which is preferably combinable with the evaluation unit and in which based on the evaluated in the evaluation unit operating parameters at least one control or regulating signal is generated, which activates at least one actuating means, the mass flow of the at least one type of fuel affects at least one, preferably all of the burner provided fuel lines. By the adjusting means, which is formed in a simplest embodiment as a valve within a fuel line, the combustion process can be influenced directly.
Bei einer im Rahmen einer Mehrfachbrenneranordnung vorliegenden Vielzahl einzelner Brenner sieht jeder Brenner seine brennereigene Auswerte- und Kontrolleinheit vor, die jeweils über entsprechende Signalleitungen mit einer übergeordneten Überwachungseinheit verbunden sind. Wie bereits vorstehend erwähnt, ermöglicht die übergeordnete Überwachungseinheit sowohl eine Gesamterfassung der sensoriell erfassten Betriebsparameter aller Brenner sowie, je nach Ausbildungsstufe, eine entsprechende aktive Kontrolle der am Verbrennungsprozess beteiligten Einzelbrenner, wie dies in dem im weiteren gezeigten Ausführungsbeispiel im Einzelnen zu entnehmen ist.In the case of a multitude of individual burners which are present in the context of a multiple burner arrangement, each burner provides its burner-own evaluation and control unit, which are respectively connected via corresponding signal lines to a higher-level monitoring unit. As already mentioned above, the higher-level monitoring unit allows both an overall detection of the sensor-recorded operating parameters of all burners and, depending on the training level, a corresponding active control of the individual burners involved in the combustion process, as can be seen in detail in the embodiment shown in the further.
Figurenlistelist of figures
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigt:
-
1 schematisierte Darstellung eines Längsschnittes durch eine Einzel-Brenneranordnung mit schematisiert dargestellter Überwachungs- und Kontrolleinheiten
-
1 Schematic representation of a longitudinal section through a single burner assembly with schematized monitoring and control units
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche VerwendbarkeitWays to carry out the invention, industrial usability
Die einzige Figur zeigt einen schematisierten Längsschnitt durch eine Einzelvormischbrenneranordnung, mit einem kegelförmig ausgebildeten Vormischbrenner
- - Der Massenfluss der Verbrennungszuluft, die
dem Vormischbrenner 1 zugeführt wird, wird im Wege einer Partialdruckmessung δpair erfasst. - - Im Wege einer Temperaturmessung wird die Gehäusetemperatur TBurner,Shell des Brenners erfasst.
- - Im Wege einer Druckmessung, vorzugsweise mittels eines Mikrofonsensors, können Druckschwankungen (Prms,mikro) erfasst werden, die als Maß für sich im Brenner ausbildende thermoakustische Schwingungen dienen.
- - Mit Hilfe eines optischen Sensors ist es möglich, ein Flammensignal (SignalFlame-Sensor) zu erfassen, um eine Aussage darüber treffen zu können, ob eine Flamme innerhalb des Brenners vorhanden ist oder bereits erloschen ist.
- - Ferner wird der Brennstoffzufluß längs der
Brennstoffleitungen 2 ,3 ebenfalls im Wege einer Partialdruckmessung erfasst (P1st STAGE GAS, P2nd STAGE GAS)
- - The mass flow of the combustion air supplied to the
premix burner 1 is supplied, is detected by means of a partial pressure measurement δp air . - - By measuring the temperature, the housing temperature T Burner, Shell of the burner is detected.
- - By pressure measurement, preferably by means of a microphone sensor, pressure fluctuations (P rms, micro ) can be detected, which serve as a measure of forming in the burner thermoacoustic oscillations.
- - With the help of an optical sensor, it is possible to detect a flame signal (signal flame sensor ) to make a statement as to whether a flame is present within the burner or has already gone out.
- - Furthermore, the fuel flow along the fuel lines
2 .3 also detected by means of a partial pressure measurement (P 1st STAGE GAS , P 2nd STAGE GAS )
Die vorstehend sensoriell erfassten Betriebsparameter des Vormischbrenners
Handelt es sich um eine Mehrfachbrenneranordnung, wie sie in
In Erweiterung der Funktion der Überwachungseinheit
Unter Zugrundelegung dieser zusätzlichen Eingangsgrößen erfolgt im Rahmen der übergeordneten Überwachungseinheit
Die erfindungsgemäße Brennerüberwachung kann aufgrund ihrer viel stufigen Ausbaufähigkeit modular an bereits bestehenden Brennersysteme, insbesondere Mehrfachbrenneranordnungen adaptiert werden.The burner monitoring according to the invention can be adapted to existing modular burner systems, in particular multiple burner arrangements due to their modularity.
Durch die zusammengefasste Überwachung einer Vielzahl von Einzelbrennern in einer Mehrfachbrenneranordnung bietet das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit, bestimmte Einzelbrenner zu Brennergruppen zusammenzufassen, die zu Zwecken der Optimierung des Gesamtverbrennungsergebnisses gemeinsam geregelt bzw. gesteuert werden.By the combined monitoring of a plurality of individual burners in a multiple burner arrangement, the method according to the invention offers the possibility of combining individual burners into burner groups which are jointly controlled or controlled for purposes of optimizing the overall combustion result.
Je nach Brenneranordnung, Einsatzzweck und Betriebsverhalten bietet das erfindungsgemäße Verfahren individuelle Optimierungsstrategien, die das Verbrennungsergebnis verbessern und letztlich die Betriebssicherheit von Einzel- sowie auch Mehrfachbrenneranordnungen erheblich erhöhen.Depending on the burner arrangement, intended use and operating behavior, the method according to the invention offers individual optimization strategies which improve the combustion result and ultimately considerably increase the operational safety of individual and multiple burner arrangements.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Vormischbrennerpremix
- 2, 32, 3
- Brennstoffzuleitungfuel supply line
- 44
- Sensoreneinheitsensor unit
- 55
- Auswerte- und KontrolleinheitEvaluation and control unit
- 66
- übergeordnete Überwachungseinheithigher-level monitoring unit
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