CH697856B1 - Brennkammerkonstruktion für Gasturbinenmotor. - Google Patents

Abstract

Die Brennkammern einer Gasturbine besitzen einen Brennkammerdeckel (9) mit mindestens einem Kraftstoffanschluss (42) und mehreren auf dem Deckel montierten Vormischern (14–16) und mindestens einem Steuerventil (49). Das mindestens eine Steuerventil (49) steht in Fliessverbindung mit mindestens einem Kraftstoffanschluss (42) und in Arbeitsverbindung mit einer Steuerung (65). Die Steuerung (65) betätigt selektiv das mindestens eine Steuerventil (49) zur Abgabe von Kraftstoff durch den mindestens einen Kraftstoffanschluss (42) an die mehreren Vormischer (14–16), um ein erhöhtes Mass an Betriebsflexibilität durch eine individuelle Brennkammersteuerung zu erzielen.

Description

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft die Gasturbinentechnik und insbesondere eine Brennkammerkonstruktion die eine Brennkammerabdeckung mit Steuerventilen besitzt.

[0002] Gasturbinenmotoren arbeiten allgemein unter Verbrennung einer Kraftstoff/Luft-Mischung in mehreren Brennkammern zur Abgabe von Wärmeenergie, die einer Turbine zugeführt wird. Jede Brennkammer ist mit einer zentralen Kraftstoff- oder Gasversorgung verbunden. Die zentrale Versorgung wird so betrieben, dass sie Kraftstoff durch eine Versorgungsleitung liefert, die mit einem gemeinsamen Verteiler verbunden ist, der alle Brennkammern versorgt. Der Kraftstoff wird mit Luft vermischt und zur Bildung eines Hochtemperaturgasstromes gezündet. Die Turbine wandelt die thermische Energie aus dem Hochtemperaturgasstrom in mechanische Energie um, die die Turbinenwelle in Drehung versetzt. Die Leistung der Turbine kann unterschiedlich verwendet werden, beispielsweise zum Antrieb eines Elektrizitätsgenerators.

[0003] Verschiedene Nebenprodukte der Verbrennung, wie Stickoxide (NOx), Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe (UKW) unterliegen gesetzlich festgesetzten Grenzwerten. NOx entsteht durch Oxidation von Stickstoff aus der Umgebungsluft und nimmt bei Brenntemperaturen über 1371 °C (2500 °F) exponentiell zu. Um die NOx-Emissionen innerhalb der gesetzlichen Vorgaben zu halten, muss die Brenntemperatur auf Werten unter 1649 °C (3000 °F) gehalten werden. Eine Methode zur Regulierung der NOx-Emissionen ist das Einführen von Inertgas, z.B. Dampf, Wasser oder Stickstoff, in die Brennkammer. Die Einführung von Inertgas führt zu einer magereren Mischung und zu erheblich tieferen NOx-Werten. Hierfür werden jedoch grosse Mengen an sehr reinem Dampf oder Wasser benötigt und in einigen Ländern können die Kosten für Wasser bzw. Dampf die Kraftstoffkosten überschreiten. Die Einführung von Wasser hat auch eine negative Wirkung auf die Emissionen, weil dies häufig zu einer erhöhten Erzeugung von CO und UKWs führt.

[0004] Der Betrieb bei niedrigen Verhältniswerten von Kraftstoff zu Luft nahe der Magerlöschgrenze ist bei verminderter Leistung besonders schwierig. Dies bedeutet, dass in Zeiten mit vermindertem Energiebedarf ein mit voller Leistung arbeitender Generator nicht sinnvoll ist. Jede den Bedarf übersteigende Energiemenge, die nicht anderweitig vertrieben werden kann, stellt einen Verlust dar. Bei niedriger Auslastung mit Magerbetrieb ist aber die Einhaltung der Emissionsgrenzwerte schwierig. Zur Lösung dieses Problems kann man die Turbine mit einer Pilotvormischung betreiben, bei der etwa 10% bis 20% des Kraftstoffs direkt in die Reaktionszone injiziert und in einer Hochtemperaturdiffusionsflamme verbrannt wird. Dies bietet eine gute Stabilität und Verbrennungseffizienz, doch liegen die NOx-Werte ausserhalb des Zulässigen. Die Turbine wird daher alternierend in zulässigem und nicht zulässigem Zustand betrieben, so dass die Mittelwerte der Emissionsabgabe im Rahmen des Zulässigen bleiben.

[0005] Ausser dem eben beschriebenen Problem ist das erneute Hochfahren eines mit einer Gasturbine betriebenen Generators im Zyklusverbund nach dem Abschalten ein zeitraubender Vorgang, der eine Stunde oder mehr dauern kann, bevor wieder die volle Leistung erreicht wird. Dieser Zeitverlust kann für den Energieerzeuger sehr kostspielig werden. Auch ist ein abgeschalteter Generator dann nicht verfügbar, wenn unerwartet während einer Periode geringen Bedarfs zusätzliche Leistung erforderlich wird, und schliesslich hat das Hochfahren und Abschalten eines Generators nachteilige Folgen für die Gebrauchslebensdauer der Komponenten von Energieerzeugungssystemen. Ein häufiges Starten und Stoppen ist auch für die Zuverlässigkeit des Motors nachteilig und verursacht einen umfangreicheren Wartungsaufwand, was wiederum die Betriebs- und Unterhaltskosten erhöht.

[0006] Angesichts dieser Nachteile beim Abschalten einer in kombiniertem Zyklus arbeitenden Gasturbine behelfen sich die Energieerzeuger häufig damit, dass sie die Anlagen in Zeitspannen des geringsten Bedarfs nicht ganz herunterfahren und «parken», um den Kraftstoffverbrauch zu minimieren und gleichzeitig die Fähigkeit zu erhalten, einer nicht planmässigen Leistungsabgabe zu entsprechen. Das Parken des Turbinenmotors zu einem Zeitpunkt, der eine rasche Rückkehr zum Volllastbetrieb bei gleichzeitiger Einhaltung der Emissionsgrenzwerte ermöglicht, ist wegen der oben erläuterten Gründe wiederum eine Gratwanderung. Beim Parken einer Turbine wird der Motor nur kurzzeitig ausserhalb der Grenzwerte mit einer bestimmten Teillast betrieben. Obwohl dies gesamthaft einen Motorenbetrieb innerhalb der Emissionsgrenzwerte ermöglicht, sind die damit erzielbaren Teillastbedingungen immer noch hoch und liegen im Bereich von 40% der normalen Leistungsabgabe, was eine erhebliche Einbusse an Betriebseffizienz bedeutet.

[0007] Zusätzlich zu den obigen Problemen begründen auch die Schwankungen der realen Betriebsbedingungen einer Energieerzeugungsanlage ein anhaltendes tägliches Bemühen, um den Problemen und Anforderungen beim Anfahren, beim täglichen Betrieb, bei der Emissionskontrolle sowie hinsichtlich der Zuverlässigkeit und Betriebsflexibilität von Turbinenmotoren gerecht zu werden. Die Leistung eines bei Magerbedingungen arbeitenden Verbrennungssystems mit Vormischung kann durch geringe Änderungen von externen Variablen beeinflusst werden. Veränderungen im jeweiligen Kraftstoffsystemfluss (Bruchteile von 1% des Gesamtstroms), die Unterschiede von Tag und Nacht sowie der Jahreszeit bezüglich der Umgebungstemperatur und der relativen Luftfeuchtigkeit, die örtliche Lage des Betriebs, die Meereshöhe sowie inkrementelle (einige wenige Volumenprozent betragende) Veränderungen der Kraftstoffgaszusammensetzung sowie die Belastung des Energieerzeugungssystems haben alle eine Wirkung auf die Funktion des Verbrennungssystems.

[0008] Ausserdem haben auch interne Variablen, wie die Kammer-zu-Kammer-Unterschiede des Luft- und Kraftstoffstroms als Folge von Abmessungsunterschieden bei den Systemkomponenten sowie die Verschiebungen von Sekundärströmungen als Folge von aufstromseitigen und abstromseitigen Unterschieden der Turbinenanlage Auswirkungen auf die Leistung des Verbrennungssystems. Ferner verändern sich diese internen Systemvariablen mit dem Alter und dem Zustand der Teile in Abhängigkeit von der Gebrauchsdauer und den Zyklen mit speziellen Betriebsanforderungen zwischen Inbetriebnahme und Gegenwart. Demzufolge benötigen moderne Gasturbinenanlagen Kraftstoffsteuersysteme für die gleichzeitige Steuerung der Abgasemissionen und flexibler zuverlässiger Betriebsbedingungen über einen weiten Bereich der Belastungswerte, der Umgebungsbedingungen und der Kraftstoffgaszusammensetzungen.

[0009] Aufgabe der Erfindung ist eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Brennkammerkonstruktion. Die Brennkammerkonstruktion gemäss der Erfindung ist gekennzeichnet durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung haben die Merkmale der Ansprüche 2 bis 10.

[0010] Die Erfindung bietet eine Brennkammerkonstruktion für einen Gasturbinenmotor. Die Brennkammerkonstruktion besitzt mindestens einen Kraftstoffanschluss, der mit mehreren Düsen oder Vormischern in Strömungs- oder Fliess-Verbindung steht. Ausserdem besitzt die Brennkammerkonstruktion mindestens ein Steuerventil, das auf der Brennkammerabdeckung (nachfolgend auch kurz als Deckel oder Brennkammerdeckel bezeichnet) angeordnet ist. Mindestens ein Steuerventil steht mit mindestens einem Kraftstoffanschluss und einer Steuerung in Arbeitsverbindung. Die Steuerung betätigt selektiv das mindestens eine Steuerventil zur Abgabe von Kraftstoff über den mindestens einen Kraftstoffanschluss an die Vormischer, um ein verstärktes Mass an Betriebsflexibilität dadurch zu erreichen, dass die Verbrennungsleistung für mindestens einen Brennkammerbetriebswert und Vormischerwert überwacht und gesteuert werden kann.

[0011] Die Erfindung kann auch für ein Verfahren zum selektiven Betrieb mindestens eines Steuerventils verwendet werden, das in den Brennkammerdeckel eines Gasturbinenmotores integriert ist, wobei das mindestens eine Steuerventil mit mindestens einem Kraftstoffanschluss in Fliessverbindung steht. Bei dem Verfahren wird Kraftstoff an das mindestens eine, im Brennkammerdeckel integrierte Steuerventil abgegeben und das mindestens eine Steuerventil selektiv zur Abgabe von Kraftstoff an den mindestens einen Kraftstoffanschluss betätigt, um Kraftstoff an mehrere der am Brennkammerdeckel angeordneten Vormischer abzugeben.

[0012] Es ist zu bemerken, dass die vorliegende Erfindung eine verbesserte Flexibilität des Turbinenbetriebs dadurch ermöglicht, dass eine individuelle Steuerung der Brennkammern und eine dynamische Bemessung der Brennkammerspeisung gemäss den Anforderungen eines bestimmten Brennkammerbetriebs mit dem lokal vorhandenen Kraftstoff, der speziellen Gasturbine, einem speziellen Betriebsort und einem speziellen Betriebszeitpunkt ermöglicht wird. Auf diese Weise wird jeglicher durch Abnutzung, durch Veränderungen der aufstromseitigen und abstromseitigen Komponenten, durch Änderungen der Umgebungstemperatur und der Kraftstoff/Gas-Zusammensetzung in Echtzeit kompensiert. Auf diese Weise wird die Notwendigkeit zum Einbezug und zur Korrektur aller Variablen für alle möglichen Betriebsbereiche ausgeschaltet. Ausserdem ermöglicht es die Erfindung, ein abstromseitig von den Betriebswerten gehaltenes grosses Gasvolumen zu vermeiden, wodurch es möglich wird, die Turbine rasch einem Belastungswechsel anzupassen beziehungsweise die einzelnen Kammern für einen optimalen Betrieb einzustellen. Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung und den Zeichnungen, wobei für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet werden.

[0013] In den Zeichnungen zeigen: <tb>Fig. 1<sep>die schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Gasturbine in seitlicher Schnittansicht mit mehreren selektiv betätigbaren integrierten Steuerventilen gemäss einer Ausführungsform der Erfindung; und <tb>Fig. 2<sep>die schematische Darstellung des Aufbaus des Brennkammerdeckels von Fig. 1.

[0014] Fig. 1 zeigt die schematische Darstellung eines als Beispiel dienenden Krafterzeugungssystems für kombinierten Zyklusbetrieb, dargestellt als Gasturbinenmotor 2. Der Motor 2 hat einen Verdichter 4 und mehrere Brennkammerkonstruktionen, von denen eine als 8 bezeichnet ist. Da die einzelnen Brennkammern der Brennkammerkonstruktionen identisch sind, versteht sich für die ausführliche Beschreibung der Brennkammerkonstruktion 8, dass die übrigen Brennkammerkonstruktionen identisch aufgebaut sind.

[0015] Die dargestellte Brennkammer 12 der Brennkammerkonstruktion 8 hat einen Deckel 9, der die Brennkammer 12 abschliesst und teilweise begrenzt. Auf dem Deckel 9 sind mehrere Düsen oder Vormischer 14–16 angebracht, die sich in die Brennkammer 12 erstrecken. Wie weiter unten ausführlich erläutert, werden die Vormischer 14–16 über einen gemeinsamen Kraftstoffeinlass 18 mit Kraftstoff und aus dem Verdichter 4 mit komprimierter Luft versorgt. Der Kraftstoff und die komprimierte Luft werden in die Brennkammer 12 eingeführt und zur Bildung eines die Turbine 30 antreibenden Hochtemperatur-Hochdruckverbrennungsproduktes oder Luftstroms gezündet. Die Turbine 30 steht über die Verdichter/Turbinenwelle 34 (auch als Rotor bezeichnet) mit dem Verdichter 4 in Arbeitsverbindung.

[0016] Bei Betrieb strömt Luft in den Verdichter 4 und wird zu einem Hochdruckgas komprimiert. Das Hochdruckgas wird der Brennkammerkonstruktion 8 zugeführt und mit Kraftstoff, beispielsweise mit Prozessgas und/oder Synthesegas (auch als Syngas bezeichnet), in der Brennkammer gemischt. Die zündfähige Mischung aus Kraftstoff/Luft wird zur Bildung eines Hochdruck/Hochtemperatur-Verbrennungsgasstroms von annähernd 871 °C bis 1593 °C (1600 °F bis 2900 °F) gezündet. Alternativ können in der Brennkammeranordnung auch andere Kraftstoffe verbrannt werden, wie Erdgas und/oder Schweröl. Jedenfalls leitet die Brennkammerkonstruktion 8 den Verbrennungsgasstrom in die Turbine 30, welche die thermische Energie in mechanische (Rotations-)Energie umwandelt.

[0017] Gemäss der in Fig. 2 erläuterten Ausführungsform der Erfindung hat der Deckel 9 einen Hauptkörperteil 37, der mindestens teilweise einen Kraftstoffverteiler 40 und mehrere Kraftstoffversorgungsanschlüsse 42–45 definiert, durch die Kraftstoff zu einem gemeinsamen Verteiler 46 führt, der die Brenner 14–16 speist. Der Deckel 9 hat ferner mehrere integrierte Steuerventile 48–51, die mit den entsprechenden Kraftstoffversorgungsanschlüssen 42–45 in Fliessverbindung stehen. Beim Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den Steuerventilen 48–51 um Dreiwegventile. Auf diese Weise steuern die Steuerventile 48–51 nicht nur die Kraftstoffabgabe, sondern ermöglichen es auch, dass Luft zur Reinigung selektiv durch eine Spülluftleitung 54 in die Kraftstoffanschlüsse 42–45 eingeführt werden kann. Ferner besitzt der Deckel 9 einen Elektrizitätsanschlussblock 58 und eine Steuerung 65 mit einem Datenspeicher 66. Die Steuerung 65 wird hierbei als Computer dargestellt, wie er z.B. im Steuersystem Mark VI Speedtronic GT verwendet wird. Dies ist jedoch lediglich ein Beispiel für eine geeignete Hochleistungssteuerung, die im Rahmen der Erfindung liegt. Beispielsweise und ohne Beschränkung kann die Steuerung 65 auch unter Verwendung eines programmierten Allzweckrechners, wie einem Mikroprozessor oder einer Mikrosteuerung oder einem mit Prozessor arbeitenden Gerät, wie einer CPU oder MPU, entweder allein oder zusammen mit einem oder mehreren peripheren Geräten für die Daten- und Signalverarbeitung ausgeführt werden. In jedem Fall ist die Steuerung 65 über den Elektrizitätsanschlussblock 58 mit jedem der Steuerventile 48–51 verbunden, wie nachfolgend ausführlich erläutert. Die Steuerung 65 wirkt selektiv auf jedes der mehreren Steuerventile 48–51, um die aus dem Kraftstoffverteiler 40 an jeden der Kraftstoffversorgungsanschlüsse 42–45 abgegebene Menge an Kraftstoff zu steuern.

[0018] Gemäss einer anderen Ausführungsform der Erfindung wirkt die Steuerung 65 auf Basis von in der Brennkammer 12 erfassten Betriebs- bzw. Verbrennungsparametern selektiv auf die Steuerventile 48–51. Dazu sind in verschiedenen Bereichen des Motors 2 mehrere Sensoren so angeordnet, dass verschiedene Betriebsparameter des Motors erfasst werden können. Der Motor 2 hat zum Beispiel eine erste Gruppe von Sensoren 71, die beim gezeigten Ausführungsbeispiel Abgastemperatursensoren sind, die in einem bestimmten Muster um den Heissgaspfad (HGP)-Bereich (nicht getrennt bezeichnet) des Motors 2 angeordnet sind. Dabei sind die Abgastemperatursensoren oder Thermoelemente 71 in der Abgasleitung der Gasturbine in einem Muster mit zwischen 18 und 36 Stück angebracht, was von der jeweils gegebenen Turbine abhängt. Die Sensoren 71 messen die Abgastemperaturen abstromseitig von der letzten oder Turbinenendstufe. Der Datenspeicher 66 der Steuerung 65 ist mit Abgassollwerten programmiert, die in der Steuerung 65 mit den von den Sensoren 71 abgegriffenen effektiven Abgastemperaturen verglichen werden. Jede Änderung oder Abweichung der tatsächlichen Abgastemperaturen von den Grundtemperaturdaten zeigt an, dass eine oder mehrere Brennkammerkonstruktionen 8 ausserhalb der idealen Betriebsparameter arbeiten und dass eine Korrektur erforderlich ist.

[0019] Zusätzlich zu Sensoren 71 für die Abgastemperaturen besitzt der Motor 2 eine zweite Sensorengruppe 75, die gemäss einer Ausführungsform der Erfindung dynamische Drucksensoren sind und sich in jeder Brennkammer befinden. Die dynamischen Drucksensoren 75 erfassen den Druck durch eine akustische Signatur. In ähnlicher Weise wie oben beschrieben wird der Datenspeicher 66 mit Daten für Amplitude und Frequenz eines erwarteten akustischen Signals verglichen, das den idealen Verbrennungsparametern in jeder Brennkammer entspricht. Die Drucksensoren 75 sampeln in Echtzeit die tatsächlichen akustischen Signaturen in jeder Brennkammer. Die gemessenen Signale werden mit den erwarteten Signalen verglichen, um das Vorhandensein von Abweichungen festzustellen. Bei einer Abweichung vom erwarteten akustischen Signal wirkt die Steuerung 65 selektiv auf eines oder mehrere der Ventile 48–51, die der Brennkammer zugeordnet sind, in der eine Abweichung erkannt wurde, um eine Korrektur zu bewirken. Das kontinuierlichen Sampeln der Abgastemperaturen und/oder der akustischen Verbrennungswerte in Echtzeit erzeugt einen geschlossenen Steuerkreis, der von der Steuerung 65 für den Betrieb des Motors 2 zum Erzielen einer verbesserten Steuerung verwendet wird und zu Betriebseffizienzen führt, wie sie bisher nicht zu erreichen waren. Dies wird näher weiter unten erläutert.

[0020] Unter idealen Betriebsbedingungen ist der Output jeder Brennkammergruppe 8 gleichmässig. Hierbei wirkt ein gleichmässiger Gasstrom der Verbrennungsprodukte auf die Turbine 30. Abweichungen bei verschiedenen Parametern des Gasstroms können zu einem unzureichenden Betriebswirkungsgrad des Motors 2 führen. Es versteht sich, dass ideale Betriebsparameter nur selten zu erreichen sind. Veränderungen des Kraftstofftyps, des Umgebungsluftzustandes, des Alters des Motors und geringfügige Unterschiede in jeder Brennkammer tragen zu einem ungleichmässigen Gasstrom bei, der in die Turbine 30 gelangt. Durch Erkennung und richtige Interpretation der Unterschiede bei den Verbrennungsparametern in jeder Brennkammer durch Anwendung des von den Sensoren 71 und 75 mit der Steuerung 65 gebildeten geschlossenen Steuerkreises kann jedes der Steuerventile 48–51 die Verbrennungsparameter für eine gegebene Brennkammergruppe oder -gruppen in Echtzeit korrigieren. Durch den Echtzeitbetrieb kann die Einzelsteuerung für jedes der Steuerventile 48–51 durch die Steuerung 65 so nahe wie möglich an den Idealbedingungen gehalten werden.

[0021] Die vorliegende Erfindung bietet daher nicht nur eine Echtzeitsteuerung der Ventile 48–51 zur Berücksichtigung von Unterschieden der Eingabeparameter Kraftstoff, Luft, Meereshöhe usw. für den Motor 2, sondern bietet auch einen Steuerungsgrad, der ein weitgehendes Herunterfahren ermöglicht. Während des Herunterfahrens wirkt die Steuerung 65 nämlich selektiv auf die Steuerventile 48–51 aller Brennkammern um sicherzustellen, dass die Brenntemperaturen den Emissionsgrenzwerte entsprechen und dass gleichzeitig der Kraftstoffverbrauch vermindert wird. Die Steuerung 65 kann eine oder mehrere Brennkammern durch entsprechende Betätigung der Ventile 48–51 herunterfahren oder sogar abschalten. Dadurch, dass die Ventile 46–49 eine Echtzeitsteuerung ermöglichen, kann der Motor 2 auf 15–25% der vollen ISO-Betriebsleistung heruntergefahren oder «geparkt» werden. Somit kann der Motor 2 innerhalb einer relativ kurzen Zeitspanne z.B. in Minuten statt in einer Stunde oder in Stunden, wie dies für einen vollständigen Systemstart erforderlich wäre, wieder auf volle Leistung hochgefahren werden. Auf diese Weise können die Energieerzeuger länger im Netz bleiben und sind bereit, bei Bedarf wieder als erste die volle Leistung zu liefern. Im Fall eines unerwarteten Bedarfanstiegs ermöglicht das schnelle Wiedererreichen des Volllastbetriebes, wie er durch die Erfindung ermöglicht wird, dass die Energieerzeuger zu jeder Zeit in der Lage sind, die geforderte Leistung zu liefern. Ausserdem ermöglicht die Erfindung ein besseres Ansprechen des Motors 2 auf Lastveränderungen.

[0022] Beispielsweise kann ein Generator 441 300 kW (600 000 PS) mit nahezu Lichtgeschwindigkeit verlieren, wenn eine zugeordnete Sperrsteuerung geöffnet wird. Um ein Überdrehen des Rotors zu vermeiden, muss der Massefluss im Verdichter und der Kraftstofffluss in den Brennkammern innerhalb von Sekunden auf einen Bruchteil vermindert werden. Für eine graduelle Veränderung bleibt keine Zeit. Bei bekannten Anordnungen muss der gesamte Kraftstoff in den Leitungen zwischen den externen Steuerventilen und den zugeordneten Brennkammern vor jeder Leistungsänderung verbrannt werden. Durch Integration der Steuerventile 48–51 in jeden Deckel 9 wird das Kraftstoff-Totvolumen erheblich vermindert, wodurch sich die Ansprechempfindlichkeit des Systems wesentlich erhöht. Eine partielle Leistungsabweisung, Leistungsvernichtung und Änderungen im Betriebsnetz (Leistungsvariationen wegen lokaler oder externer Vorkommnisse) sind weitere Beispiele solcher massiven Energiebedarfsänderungen.

[0023] Wenn, gemäss einem anderen Beispiel, die Windgeschwindigkeiten die Grenzwerte der Windturbinen im Netz überschreiten, werden die Turbinenblätter zur Vermeidung von Beschädigungen abgebremst. Wenn die Windgeschwindigkeiten in einem breiten Küstenbereich zunehmen und mehrere Hundert Windturbinen bremsen und vom Netz gehen, werden Gasturbinen zum Ausgleich für einen allfälligen Leistungsverlust zugeschaltet. In den Teilen der Welt, wo Windenergie einen grossen prozentualen Anteil der gesamten Energieerzeugung ausmacht, können Netzänderungen im Bereich von 4000 MW/h auftreten. Die Erfindung ermöglicht aber auch beim Auftreten einer selbst ausgelösten Veränderung, etwa dem Brennschluss in einer einzigen Brennkammer, dass eine einzelne Kammer im Pilotbetrieb rasch wieder angelassen werden kann und dann unabhängig von benachbarten Kammern wieder auf Vormischbetrieb umgestellt werden kann, wie nachfolgend genauer erläutert.

[0024] Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung steht die Zündung 80 der Brennkammerkonstruktion 8 mit der Steuerung 65 in Arbeitsverbindung. Die Zündung 80 kann eine Zündflamme, eine Zündkerze, ein Plasmagenerator oder eine andere geeignete Vorrichtung sein und ist so angeordnet, dass sie in der Brennkammer 12 eine Kraftstoff-/Luft-Mischung zündet. Dadurch, dass jede Brennkammer der Konstruktionen eine integrierte Zündung besitzt, kann jede Brennkammer des Motors 2 unabhängig betrieben werden. Im Fall eines Flammlöschens (Loss of Flame, LOF) in einer gegebenen Brennkammer, wie der Brennkammer 12, aktiviert die Steuerung 65 die Zündung 80 zur Wiederzündung der Flamme und Wiederherstellung der Leistungsabgabe, ohne dass der Motor vollständig heruntergefahren werden muss. Die Verwendung einer individuellen, integrierten Zündung erübrigt die sonst erforderlichen Querzündungsrohre, wie sie üblicherweise verwendet werden, um heisse Verbrennungsprodukte aus Kammern, die mit Zündsystemen ausgerüstet sind, an benachbarte Kammern abzugeben, wie dies bei kommerziell betriebenen Gasturbinen mit einer ringförmigen Brennkammerarchitektur üblich ist. Die durch die Erfindung ermöglichte Verwendung von integralen Zündsystemen und die Verbrennungskontrolle auf Brennkammerebene in geschlossener Schleife ermöglicht es, einzelne Kammern erneut zu starten und mit einer unabhängiger Kraftstoffversorgung zu betreiben anstatt das ganze System herunterzufahren und erneut hochzufahren.

[0025] Hier ist zu betonen, dass die vorliegende Erfindung eine Verbrennungsüberwachung für jede einzelne Kammer und eine Steuerung im geschlossenen Kreis bietet, was wiederum ein Zuteilung von Kraftstoffverteilungen an jede einzelne Brennkammer zu jedem Zeitpunkt ermöglicht, um den spezifischen Bedingungen der jeweiligen Gasturbine, deren Ort und Leistungszustand sowie den externen und internen Variablen eines Gasturbinensystems zu entsprechen. Durch Einführung eines integralen Zündsystems und Vermeidung der Notwendigkeit von Kreuzzündungsrohren kann jede Kammer unabhängig betrieben werden. Ein unabhängiger Kammerbetrieb bietet klare Vorteile dadurch, dass ein sehr weitgehendes Herunterfahren unter Einhaltung der Emissionsgrenzwerte ermöglicht wird. Die Brennkammerabgastemperatur und die Betriebsart kann unabhängig in jeder Kammer geändert werden, wodurch es möglich wird, dass die mittlere Einlasstemperatur der Turbine bis auf die Drehzahlreserve vermindert wird, während einige Kammern bei den für die Einhaltung der vorgeschriebenen Emissionswerte erforderlichen, relativen hohen Abgastemperaturen gehalten werden. Die Kammern können alternierend im relativ stabilen Pilot-Vormischungsmodus betrieben oder gänzlich abgeschaltet werden. Das erneute Anlassen und Betreiben von ruhenden Kammern durch eine dem Betriebsmodus angepasste Kraftstoffversorgung der aktiven Kammern ermöglicht ein rasches Hochfahren des Systems.

[0026] Die Steuerung könnte auch zwischen den Brennkammern alternieren, die jeweils bei verminderter Temperatur betrieben werden, um die thermischen Zyklen im gesamten Heissgaspfad gleichmässig zu verteilen. Dadurch, dass jede Brennkammer mit Steuerventilen verbunden ist, kann durch die vorliegende Erfindung, wie oben erläutert, ein grosses Gasvolumen vermieden werden, das ansonsten abstromseitig entstehen würde. Durch Vermeidung des grossen Gasvolumens kann die Turbine rasch auf jede Veränderung der Leistung oder durch einfaches Einzelkammeransteuern ansprechen. Beispiele für solche grossen Änderungen bei Energieerzeugungssystemen sind die Volllastabweisung, die Teillastabweisung auf Hauslast, der «Inselbetrieb» (engl, «islanding») zur Anpassung an lokale Einspeisungsbedingungen sowie Änderungen der Netzfrequenz und externe Anspruchsveränderungen. Ferner können im Speicher 66 der Steuerung 65 ausführliche Betriebsablaufdaten für jede Kammer gespeichert werden, wodurch das Wartungsprogrammen von einer periodischen Basis auf eine bedarfsorientierte Basis umgestellt werden kann.

[0027] Insgesamt bietet die erfindungsgemäss mögliche Überwachung und Steuerung des Verbrennungsprozesses jeder einzelnen Kammer eine Optimierung jeder Kammer in Abhängigkeit von allen Variationsursachen, einschliesslich der folgenden: Änderungen der Kraftstoffzusammensetzung, der Umgebungstemperatur, des barometrischen Drucks und der Luftfeuchtigkeit; Dimensionsänderungen, die durch Fertigungstoleranzen in den aufstromseitigen und abstromseitigen Komponenten und Strukturen der Turbinenanlage, sowie der Verbrennungssystemkomponenten bedingt sind; Änderungen der lokalen Innengeometrie der Turbine (beispielsweise Innenschmierung oder Luftextraktion/Kühlmittel-Injektionsröhren, die Wirkungen auf die Luftspeisung der benachbarten Kammern aber nicht der anderen Kammern haben); Änderungen im Kraftstoffsystem; Änderungen, die durch Verunreinigungen oder Abnutzung bedingte Flächenveränderungen am Kraftstoffinjektor und den Ventilen bedingt sind sowie Veränderungen des sekundären Innenluftstroms als Folge von Alterung, thermisch-mechanischer Verformung, Kriechen oder Abnutzung.

[0028] Zusätzlich zu den oben beschriebenen Vorteilen vermindert die Erfindung die Anzahl von mit Kraftstoff in Kontakt kommenden verschraubten Flanschverbindungen als Folge einer einzigen Kraftstoffzuleitung zu jedem Kammerdeckel. Ferner erübrigt sich eine aufstromseitige Spülluftableitung am Verdichter sowie die Notwendigkeit von Spülsteuerventilen und Doppelblock/Entlüftungsventilen. Ferner bietet die vorliegende Erfindung die Möglichkeit, bei Flammlöscherkennung, die betroffene Kammer zu identifizieren und wieder zu zünden. Ferner werden Flammlöschprobleme vermieden und die Wahrscheinlichkeit von LOF-Ereignissen als Folge der Einzelkammerüberwachung und -Steuerung vermindert sowie gegebenenfalls eine Wiederzündung durch die integrierte Kammerzündung bei Betriebsmodusänderungen ermöglicht. Ferner bietet die vorliegende Erfindung die Möglichkeit zur raschen Implementierung von Gegenmassnahmen bei Rückzündungen in der Gasvormischung oder beim Auftreten von Flammstörungen durch Abschalten der Kraftstoffzuleitung zum betroffenen System. Schliesslich wird ein Datenaustausch auf Kammerniveau ermöglicht, was eine flexible Optimierung bzw. Feinabstimmung (engl.: «tuning») bezüglich Emissionen und Betrieb gestattet.

[0029] Die vorliegende Erfindung ermöglicht ferner eine Minimierung des Wärmeverlustes an den Kraftstoffverteilern und Rohren sowie eine mögliche Kombination der Kraftstoffdosierung im Bereich vor den Düsen und dem Kraftstoffbedarf, was wiederum einen breiteren Bereich der mit einer einzigen Brennerkonstruktion verwendbaren Kraftstoffzusammensetzungen und die Fehlerermittlung durch Manipulation der einzelnen Kammerzündungen und der Überwachung der Wirkung auf Abgasverteilung zulässt. Ferner ermöglicht die vorliegende Erfindung ein thermisches «Schwabbeln», d.h. eine kontinuierlich-wellenförmige Änderung der Kraftstoffversorgung benachbarter Kammern derart, dass die mittlere Zündtemperatur als Funktion der Zeit vermindert wird, während keine Kammer bei zu niedriger oder zu hoher Temperatur arbeitet. Ferner kann auch der Druckverlust im Rohrsystem zwischen einem geschwindigkeitsgesteuerten Ventil (engl. «speed ratio valve») und den Kammerdeckeln vermieden werden. Durch die an die Brennkammern verlagerten Kraftstoffsteuerventile und Ausschaltung eines überwiegenden Teils des Versorgungsnetzes aus biegsamen Schläuchen zu den Kammerdeckeln und dem Ringverteiler kann der Überdruck des Kraftstoffversorgungsdruck über dem Ausgangsdruck des Verdichters vermindert werden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht auch eine Vereinfachung der zu verwendenden Ringverteiler anstelle der komplexeren verjüngten Verteiler, wie sie bei den üblichen Systemen zum Ausgleich des statischen Drucks in der Speisung für jeden einzelnen Kraftstoffarm erforderlich sind.

Claims (10)

1. Brennkammerkonstruktion (8) für einen Gasturbinenmotor (2) umfassend: eine Brennkammerabdeckung (9); mindestens einen Kraftstoffanschluss (42), der in der Brennkammerabdeckung (9) angebracht ist; mehrere Vormischer (14 bis 16), die auf der Brennkammerabdeckung montiert sind; mindestens ein an der Brennkammerabdeckung (9) angeordnetes Steuerventil (48), wobei das mindestens eine Steuerventil (48) mit dem mindestens einen Kraftstoffanschluss (42) in Arbeitsverbindung steht; und eine Steuerung (65) zum selektiven Betrieb des mindestens einen Steuerventils (48) zur Durchleitung von Kraftstoff zu dem mindestens einen Kraftstoffanschluss (42) zur Abgabe von Kraftstoff an die mehreren Vormischer (14 bis 16).

2. Brennkammerkonstruktion nach Anspruch 1, zusätzlich aufweisend: mindestens einen Sensor (71), der mit der Steuerung verbunden und so angeordnet ist, dass er einen Betriebsparameter des Gasturbinenmotors (2) fühlt, wobei die Steuerung (65) das mindestens eine Steuerventil (48) selektiv betreibt, auf Basis des von dem mindestens einen Sensor (71) gefühlten Betriebsparameters.

3. Brennkammerkonstruktion nach Anspruch 2, bei welcher der mindestens eine Sensor (71) mehrere Sensoren umfasst, wobei die Steuerung (65) selektiv das mindestens eine Steuerventil (48) steuert, auf Basis des von einem der mehreren Sensoren (71) gefühlten Betriebsparameters.

4. Brennkammerkonstruktion nach Anspruch 2, bei welcher der mindestens eine Sensor (71) mindestens ein Abgastemperatursensor, ein dynamischer Drucksensor, ein Umgebungslufttemperatursensor, ein Kilowattmesser oder ein UV-Sensor oder eine Kombination von Sensoren ist, die mindestens einen dieser Sensoren umfasst.

5. Brennkammerkonstruktion nach Anspruch 1, bei welcher die Steuerung (65) das mindestens eine Steuerventil (48) selektiv betreibt, und zwar auf Basis eines Betriebsparameters des Gasturbinenmotors (2).

6. Brennkammerkonstruktion nach Anspruch 1, bei welcher das mindestens eine Steuerventil (48) ein Dreiwegventil ist.

7. Brennkammerkonstruktion nach Anspruch 1, bei welcher die Brennkammerabdeckung (9) einen einzelnen Gaseinlass (18) besitzt, der mit dem mindestens einen Kraftstoffanschluss (42) in selektiver Fliessverbindung steht.

8. Brennkammerkonstruktion nach Anspruch 1, die ausserdem aufweist: Eine Zündung (80), die benachbart zu den mehreren Vormischern (14 bis 16) angeordnet ist und mit der Steuerung (65) in Betriebsverbindung ist.

9. Brennkammerkonstruktion nach Anspruch 1, bei welcher der mindestens eine Kraftstoffanschluss (42) mehrere Kraftstoffanschlüsse (42 bis 45) umfasst.

10. Brennkammerkonstruktion nach Anspruch 9, bei der das mindestens eine Steuerventil (48) mehrere Steuerventile (48 bis 51) umfasst, die mit den entsprechenden Kraftstoffanschlüssen (42 bis 45) in Arbeitsverbindung stehen.