CH697864B1 - Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung des in eine Brennkammer eintretenden Kraftstoffs. - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung eines Kraftstoffs (16) beschrieben, der in eine Brennkammer gelangt. Das Verfahren umfasst die Bestimmung einer Temperatur des in die Brennkammer gelangenden Kraftstoffs (24), die Berechnung eines ersten geschätzten Gesamtkraftstoffstroms unter Verwendung von Kraftstoffeigenschaften und der effektiven Fläche der Kraftstoffdüse und Berechnung eines zweiten geschätzten Gesamtkraftstoffstroms unter Verwendung eines Zyklusmodells (14). Der erste geschätzte Gesamtkraftstoffstrom wird mit dem zweiten geschätzten Gesamtkraftstoffstrom verglichen und es wird ein unterer Heizwert des Kraftstoffs aus der Differenz zwischen dem ersten geschätzten Gesamtkraftstoffstrom und dem zweiten geschätzten Gesamtkraftstoffstrom bestimmt. Das Verfahren zur Steuerung einer Gasturbine (10) umfasst die Berechnung der Effekte der Kraftstoffzusammensetzung (16) auf die Leistung der Gasturbine (10) und Vergleichen der Leistungswerte mit einer oder mehreren Wertgrenzen (40). Eine oder mehrere Motorensteuerungen (42) der Gasturbine (10) werden auf Basis der Ergebnisse des Vergleichs verändert.

Description

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft die Bestimmung der Zusammensetzung eines in eine Brennkammer eintretenden Kraftstoffs, insbesondere mit dem Ziel, die gewonnene Information in den Regelkreis und die zur Steuerung der Gasturbine verwendeten Brennmodelle zu integrieren.

[0002] Die Leistung von Gasturbinen wird durch die Zusammensetzung des in das Brennsystem der Gasturbine eingespeisten Kraftstoffs beeinflusst. Eine unberücksichtigte Veränderung der Kraftstoffzusammensetzung kann zu Instabilitäten des Verbrennungsvorgangs, d.h. der Brenndynamik, zu erhöhten Emissionen einschliesslich von NOx sowie CO, dem Magerlöschen und zu einer verminderten Brenn-Erhaltungsgrenze oder zu Rückzündungen führen. Eine rechtzeitige Erkennung einer sich ändernden Kraftstoffzusammensetzung kann zur Optimierung des Brennsystems durch das Steuersystem der Gasturbine beitragen. Ein bekanntes Verfahren zur Kompensation für eine sich ändernde Kraftstoffzusammensetzung beruht auf der direkten Messung der Kraftstoffzusammensetzung, was durch verschiedene Methoden erreicht werden kann, von denen aber viele kostspielig, langsam ansprechend oder für Steuerzwecke in anderer Weise nachteilig sind.

[0003] Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden. Das erfindungsgemässe Verfahren hat die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens haben die Merkmale der Ansprüche 2 bis 5.

[0004] Die Erfindung betrifft ferner die Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens zur Steuerung einer Gasturbine gemäss Anspruch 6 und den Ansprüchen 7 bis 10.

[0005] Zur Anwendung des Verfahrens auf die Steuerung einer Gasturbine werden die Effekte der Kraftstoffzusammensetzung auf die Leistung der Gasturbine berechnet und ein oder mehrere Leistungsparameter mit einer oder mehreren Parametergrenzen verglichen. Auf Basis der Vergleichsergebnisse können eine oder mehrere Motorsteuerungen der Gasturbine verändert werden.

[0006] Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnungen erläutert. Es zeigen: <tb>Fig. 1<sep>das Schema eines Verfahrens zur Steuerung einer Gasturbine, und <tb>Fig. 2<sep>den Querschnitt der Brennkammer einer Gasturbine.

[0007] Fig. 1 zeigt die Gasturbine 10 mit mehreren Datensensoren 11, die in der Gasturbine 10 verteilt sind. Die Datensensoren 11 dienen hier der Erläuterung und können bezüglich Anzahl und/oder Lokalisierung zur Erfassung der gewünschten Daten abgeändert werden. Die Datensensoren 11 liefern einen Datenbereich 12 der Gasturbine 10, wie z.B. Temperaturen, Drücke, Geschwindigkeiten und Generatorleistung. Die Daten 12 aus den Datensensoren 11 werden gemeinsam mit einer Basislinie oder angenommenen Kraftstoffzusammensetzung 16 in ein Zyklus- oder Rechenmodell 14 eingegeben. Das Zyklus- oder Rechenmodell 14 liefert Modellausgaben 18 einschliesslich beispielswiese des Brennkammerdrucks (PCC) und Kraftstoffeigenschaften 20. Die Modellausgaben 18, 20 werden in ein Kraftstoffsystemmodell 22 eingegeben.

[0008] Die Kraftstofftemperatur 24 ist eine zusätzliche Eingabe. Die Kraftstofftemperatur 24 wird vorzugsweise (aber nicht notwendigerweise) wie in Fig. 2dargestellt, an einer oder mehreren Injektordüsen 26 einer Brennkammer 28 gemessen, um die Temperatur des in die Brennkammer 30 eintretenden Kraftstoffs genau zu bestimmen. Gemäss Darstellung in Fig. 1wird nach Bestimmung der Kraftstofftemperatur 24 diese in das Kraftstoffsystemmodell 22 eingegeben. Das Kraftstoffsystemmodell 22 berechnet ein Brennkammerdruckverhältnis (PR), das zusammen mit den Kraftstoffeigenschaften 20 und der effektiven Fläche (Ae) der Kraftstoffdüse zur Berechnung eines Gesamtkraftstoffstroms (Wtot_FSYS) in der Brennkammer 28 verwendet wird. Wtot_FSYSwird mit dem Gesamtkraftstoffstrom verglichen, der mit dem aerothermischen Zyklusmodell 14 (Wtot_ARES) berechnet wurde, wodurch der auf einer effektiven Kraftstoffzusammensetzung (Wtot_FSYS) berechnete Strom mit dem auf Basis der angenommenen Kraftstoffzusammensetzung 16 basierenden Strom verglichen wird. Die Differenz (Wtot_ERROR) zwischen Wtot_FSYS und Wtot_ARESzeigt eine Veränderung des unteren Heizwerts (LHV) des Kraftstoffs in der Brennkammer 28 an, was eine Schlüsselgrösse für die Identifizierung der Kraftstoffzusammensetzung ist.

[0009] Der Wert LHV wird als neue angenommene Kraftstoffzusammensetzung 16 in das Zyklusmodell 14 eingegeben, die neuen Zyklusmodellausgaben 18 werden in das Kraftstoffsystemmodell 22 eingegeben, wodurch das Kraftstoffsystemmodell 22 einen neuen Wert für Wtot_FSYS ausgibt. Wtot_FSYS wird erneut mit Wtot_ARES verglichen, was ein neues Wtot_ ERROR und ein neues LHV ergibt. Dieses Verfahren zur Fehlerverminderung wird fortgesetzt, bis Wtot_ ERROR gleich null wird.

[0010] Sobald die Fehlerverminderung auf null erreicht ist, wird der Gesamtstrom W und das Druckverhältnis PR in eine erste Transferfunktion 32 eingegeben, welche als Ausgabe die Daten liefert, die sich auf die Leistung der Gasturbine 10 beziehen, z.B. die Emissionsdaten 34 und die Dynamikdaten 36. Die Daten 34, 36 werden in eine Steuerfunktion 38 eingegeben, welche die Daten 34, 36 mit den Wertgrenzen 40 vergleicht. Wenn die Daten 34, 36 einen oder mehrere der Grenzwerte 40 überschreiten, kann die Steuerfunktion 38 die Änderung einer oder mehrerer Motorsteuerungen 42 bewirken und so die Betriebsparameter der Gasturbine 10 verändern, wie etwa den Anstellwinkel der Leitflügel und/oder die Düsenfläche. Dieses Verfahren ermöglicht eine auf Änderungen der Kraftstoffzusammensetzung ansprechende Steuerung der Gasturbine 10 und ist in der Lage, die Motorsteuerungen 42 als Folge von Änderungen der Kraftstoffzusammensetzung rasch zu adjustieren.

[0011] Bei einigen Ausführungsformen werden die relativen Anteile bzw. Mengen von Komponenten des Kraftstoffs bestimmt. Diese Bestimmung ist besonders für die Bewertung einer Flammenerhaltungsgrenze (FHM) eines gegebenen Kraftstoffs und die Adjustierung der Motorkontrollen 40 als Folge hiervon vorteilhaft. Beispielsweise ist es bei einer Gasturbine 10, die mit Erdgas als Kraftstoff betrieben wird, vorteilhaft, die relativen Anteile der Komponenten Methan, Ethan, Butan und Propan im Kraftstoff zu kennen. Bei dieser Ausführungsform wird nach Bestimmung des Wertes von LHV wie oben beschrieben ein Relativkomponentenmodell zur Abschätzung der relativen Anteile der in dem Kraftstoff vorhandenen Komponenten verwendet.

[0012] Auch kann die direkte Messung von einer oder mehreren Komponenten zur Bestimmung des relativen Komponentengehalts verwendet werden. Eine oder mehrere Komponentensensoren, beispielsweise die optischen Vorrichtungen 46, die zur Erkennung einer speziellen Komponente bestimmt sind, können im (nicht dargestellten) Kraftstoffstrom der Gasturbine angeordnet werden. Die Ausgabe dieser mindestens einen optischen Vorrichtung 46 wird dann dem Relativkomponentenmodell zugeführt, wo die relativen Anteile der restlichen Komponente bestimmt werden. Die Ausgabe dieser mindestens einen optischen Vorrichtung wird auch zur Feineinstellung des Relativkomponentenmodells 44 verwendet, was die Zuverlässigkeit bei späteren Wiederholungen erhöht.

[0013] Nach Bestimmung der Komponentenanteile gemäss obigen Angaben wird eine FHM-Transferfunktion 48 zur Bestimmung des FHM für eine gegebene Kraftstoffzusammensetzung verwendet. Dieser FHM-Wert wird dann in die Steuerfunktion 38 eingegeben und mit einem Grenzwert 40 verglichen. Die Steuerfunktion 38 bewertet den FHM-Wert in Bezug auf den Grenzwert 40 und bestimmt, ob die Anpassung von einer oder mehreren Maschinensteuerungen 42 erforderlich ist und leitet notwendigenfalls diese Änderungen.

[0014] Für den Fachmann versteht sich, dass die obige Beschreibung im Rahmen der Ansprüche abgeändert werden kann.

Claims (9)

1. Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung eines in eine Brennkammer (28) einer Gasturbine durch eine Kraftstoffdüse (26) mit einer effektiven Fläche (Ae) eintretenden Kraftstoffs umfassend: – eine Bestimmung der Temperatur des in die Brennkammer (28) eintretenden Kraftstoffs, – eine Berechnung des Gesamtkraftstoffstroms Wtot_ARESauf Basis von Eigenschaften des Kraftstoffs und der effektiven Fläche (Ae) der Kraftstoffdüse (26), – eine Berechnung des Gesamtkraftstoffstroms Wtot_ARES mit einem Zyklusmodell (14) der Turbine, – einen Vergleich der beiden Berechnungen, – eine Bestimmung eines unteren Heizwerts (LHV) des Kraftstoffs als Schlüsselgrösse der Kraftstoffzusammensetzung aus der Differenz Wtot_ERRORzwischen den beiden Berechnungen des Gesamtkraftstoffstroms, und – Identifizierung einer anhand des Zyklusmodells (14) der Turbine abgeleiteten Kraftstoffzusammensetzung mittels der Schlüsselgrösse des unteren Heizwerts (LHV) des Kraftstoffs in der Brennkammer (28).

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ausserdem der quantitative Anteil mindestens einer Komponente des Kraftstoffs bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der quantitative Anteil der mindestens einen Komponente durch Eingabe des unteren Heizwerts (LHV) des Gesamtkraftstoffs in ein Relativkomponentenmodell (44) bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der quantitative Anteil mindestens einer Komponente durch Verwendung mindestens eines Sensors für die mindestens eine Komponente bestimmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der quantitative Anteil der mindestens einen Komponente des Kraftstoffs bestimmt wird durch: – Verwendung mindestens eines Komponentensensors zur Bestimmung des Anteils der mindestens einer Komponente, – Eingabe des Anteils der mindestens einen Komponente in ein Relativkomponentenmodell (44) und – Bestimmung der relativen Anteile an restlichen Komponenten des Kraftstoffs durch Eingabe des unteren Heizwertes des Gesamtkraftstoffs in das Relativkomponentenmodell (44).

6. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Steuerung einer Gasturbine (10) durch: – Einführen des Kraftstoffs in die Brennkammer (28) der Gasturbine (10), – Bestimmung der Zusammensetzung des in die Brennkammer (28) eintretenden Kraftstoffs nach dem Verfahren vom Anspruch 1, – Berechnung der Wirkung der Kraftstoffzusammensetzung (16) auf Daten, die sich auf die Leistung der Gasturbine (10) beziehen, – Vergleichen (38) mindestens eines Leistungswerts mit mindestens einer Wertgrenze (40), und – Veränderung mindestens einer Steuerung (42) der Gasturbine (10) auf Basis des Ergebnisses des Vergleichs.

7. Anwendung nach Anspruch 6 unter Einschluss einer Bestimmung des Anteils mindestens einer Komponente des Kraftstoffs.

8. Anwendung nach Anspruch 7, wobei der Anteil der mindestens einen Komponente durch Eingabe des unteren Heizwertes des Gesamtkraftstoffs in das Relativkomponentenmodell (44) bestimmt wird.

9. Anwendung nach Anspruch 7, wobei der Anteil der mindestens einen Komponente des Kraftstoffs bestimmt wird durch: – Verwendung mindestens eines Komponentensensors zur Bestimmung des Anteils der mindestens einen Komponente, – Eingabe des Anteils der mindestens einen Komponente in das Relativkomponentenmodell (44) und – Bestimmung der relativen Anteile der übrigen Komponenten des Kraftstoffs durch Eingabe des unteren Heizwerts (LHV) des Kraftstoffs in das Relativkomponentenmodell (44).