CH708571A2 - Gasturbinensystem und Verfahren zur Steuerung der Brennstoffverteilung in den Brennkammern einer Gasturbine. - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Gasturbinensystem mit einer Vielzahl von Brennkammern (14), wobei eine erste Brennkammer (14) eine oder mehrere Brennstoffdüsen (18) und eine oder mehrere Brennstoffeinspritzvorrichtungen aufweist, die in Strömungsrichtung hinter den Brennstoffdüsen (18) platziert sind. Die Gasturbine weist auch ein erstes Ventil (64a) auf, das entlang einer Brennstoffzuleitung zwischen einem Brennstoffkreislauf (60) und der ersten Brennkammer (14) angeordnet ist, damit es einen ersten Brennstoffstrom zur ersten Brennkammer (14) einstellt. Die Gasturbine weist auch ein zweites Ventil (64b) auf, das entlang einer Brennstoffzuleitung (62) zwischen dem ersten Ventil (64a) und mindestens einer von der einen oder den mehreren Brennstoffeinspritzvorrichtungen angeordnet ist, damit es einen zweiten Brennstoffstrom zu mindestens einer von der einen oder den mehreren Brennstoffeinspritzvorrichtungen einstellt.

Description

Beschreibung

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG

[0001 ] Der hier offenbarte Erfindungsgegenstand betrifft im Allgemeinen Gasturbinen und insbesondere Systeme und Verfahren zum Betreiben von Gasturbinen.

[0002] Gasturbinen weisen eine oder mehrere Brennkammern auf, die Luft und Brennstoff aufnehmen und verbrennen, damit heisse Verbrennungsgase entstehen. Einige Gasturbinen erzeugen unerwünschte Emissionen wie Stickoxide (NOx), unverbrannte Kohlenwasserstoffe (KW) und Kohlenmonoxid (CO). In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, die Gasturbine mit einer niedrigeren Leistungsstufe oder geringeren Leistung zu betreiben. Beim Betrieb bei niedrigeren Leistungsstufen ist es jedoch schwierig, die Emissionen niedrig zu halten. Die Temperatur in der Brennkammer kann beispielsweise zu niedrig für eine vollständige Verbrennung des Brennstoffs sein, wenn die Gasturbine bei einer niedrigeren Leistungsstufe läuft und dadurch kann die Gasturbine unerwünschte Emissionen erzeugen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[0003] Bestimmte Ausführungsformen, deren Geltungsbereich der ursprünglich beanspruchten Erfindung entspricht, sind nachstehend zusammengefasst. Diese Ausführungsformen sollen den Geltungsbereich der beanspruchten Erfindung nicht einschränken, sondern sollen vielmehr lediglich eine kurze Zusammenfassung möglicher Formen der Erfindung bereitstellen. So kann die Erfindung verschiedene Formen umfassen, die den nachstehend dargelegten Ausführungsformen ähneln oder sich von ihnen unterscheiden können.

[0004] In einer ersten Ausführungsform weist ein Gasturbinensystem eine Vielzahl von Brennkammern auf, die in Umfangsrichtung um eine Drehachse der Gasturbine angeordnet sind. Eine erste Brennkammer weist eine oder mehrere Brennstoffdüsen und eine oder mehrere Brennstoffeinspritzvorrichtungen auf, die ganz allgemein in Strömungsrichtung hinter der einen oder den mehreren Brennstoffdüsen platziert sind. Die erste Brennkammer weist auch ein erstes Ventil auf, das entlang einer Brennstoffzuleitung zwischen einem Brennstoffkreislauf und der ersten Brennkammer angeordnet ist, wobei das erste Ventil so ausgelegt ist, dass es einen ersten Brennstoffström zur ersten Brennkammer einstellt. Die erste Brennkammer weist auch ein zweites Ventil auf, das entlang der Brennstoffzuleitung zwischen dem ersten Ventil und mindestens einer von der einen oder den mehreren Brennstoffeinspritzvorrichtungen angeordnet ist, wobei das zweite Ventil so ausgelegt ist, dass es einen zweiten Brennstoffström zu mindestens einer von der einen oder den mehreren Brennstoffeinspritzvorrichtungen einstellt.

[0005] Das Gasturbinensystem kann eine zweite Brennkammer aus der Vielzahl von Brennkammern umfassen, wobei das erste Ventil so ausgelegt ist, dass es einen dritten Brennstoffström zur zweiten Brennkammer einstellt.

[0006] Jedes beliebige zuvor erwähnte Gasturbinensystem kann eine Steuerung umfassen, die so ausgelegt ist, dass sie das erste und zweite Ventil steuert.

[0007] Die Vielzahl von Brennkammern eines beliebigen zuvor erwähnten Gasturbinensystems kann in einer Vielzahl von Sektoren angeordnet sein, wobei das erste Ventil so ausgelegt ist, dass es einen dritten Brennstoffström zu einem ersten Sektor der Vielzahl von Sektoren einstellt.

[0008] Das zweite Ventil eines beliebigen zuvor erwähnten Gasturbinensystems kann so ausgelegt sein, dass es den zweiten Brennstoffström zu der einen oder den mehreren Brennstoffeinspritzvorrichtungen reduziert, bevor das erste Ventil den ersten Brennstoffström zur Brennkammer reduziert.

[0009] Jedes beliebige zuvor erwähnte Gasturbinensystem kann einen Sensor umfassen, der so ausgelegt ist, dass er eine Kenngrösse eines Verbrennungsprozesses erfasst.

[0010] Die Steuerung eines beliebigen zuvor erwähnten Gasturbinensystems kann so ausgelegt sein, dass sie das erste Ventil schliesst, wenn der Sensor erfasst, dass ein Durchfluss des zweiten Brennstoffs zu der einen oder den mehreren Brennstoffeinspritzvorrichtungen einen Durchfluss-Schwellenwert erreicht.

[0011 ] Der Sensor eines beliebigen zuvor erwähnten Gasturbinensystems kann so ausgelegt sein, dass er Emissionen überwacht, die von dem Gasturbinensystem erzeugt werden, wobei das Gasturbinensystem so ausgelegt ist, dass es den ersten Brennstoffström oder den zweiten Brennstoffström einstellt, damit die erzeugten Emissionen unter einem Schwellenwert gehalten werden.

[0012] Das Gasturbinensystem einer beliebigen zuvor erwähnten Ausführung kann ein drittes Ventil umfassen, das so ausgelegt ist, dass es einen dritten Brennstoffström zu der einen oder den mehreren Brennstoffdüsen einstellt, ohne den zweiten Brennstoffström zu der einen oder den mehreren Brennstoffeinspritzvorrichtungen zu beeinflussen.

[0013] Das zweite Ventil eines beliebigen zuvor erwähnten Gasturbinensystems kann so ausgelegt sein, dass es den zweiten Brennstoffström zu der einen oder den mehreren Brennstoffeinspritzvorrichtungen reduziert, bevor das dritte Ventil den dritten Brennstoffström zu der einen oder den mehreren Brennstoffdüsen reduziert.

[0014] In einer zweiten Ausführungsform ist ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine bereitgestellt. Das Verfahren umfasst die Schritte des Leitens von Brennstoff zu einer Vielzahl von Brennkammern unter Verwendung einer Steuerung,

2 wobei jede aus der Vielzahl von Brennkammern so ausgelegt ist, dass sie Brennstoff über eine oder mehrere Brennstoffdüsen und eine oder mehrere Brennstoffeinspritzvorrichtungen erhält, wobei die eine oder mehreren Brennstoffdüsen nahe einem ersten Ende von jeder der Vielzahl von Brennkammern platziert sind und die eine oder mehreren Brennstoffeinspritzvorrichtungen nahe einem zweiten Ende von jeder der Vielzahl von Brennkammern platziert sind. Das Verfahren kann auch das Unterbrechen eines ersten Brennstoffstroms zu einer Untergruppe der Vielzahl von Brennkammern unter Verwendung der Steuerung und das Einstellen eines zweiten Brennstoffstroms zu der einen oder den mehreren Brennstoffeinspritzvorrichtungen von mindestens einer aus der Vielzahl von Brennkammern, die sich nicht in der Untergruppe befindet, unter Verwendung einer Steuerung umfassen.

[0015] Das Verfahren kann das Schliessen eines ersten Ventils zum Unterbrechen des ersten Brennstoffstroms zu der Untergruppe der Vielzahl von Brennkammern vor dem Steuern eines zweiten Ventils zur Reduzierung des zweiten Brennstoffstroms zu der einen oder den mehreren Brennstoffeinspritzvorrichtungen von mindestens einer aus der Vielzahl von Brennkammern, die sich nicht in der Untergruppe befindet, unter Verwendung der Steuerung umfassen.

[0016] Jedes beliebige zuvor erwähnte Verfahren kann das Einstellen des zweiten Brennstoffstroms zu der einen oder den mehreren Brennstoffeinspritzvorrichtungen von mindestens einer aus der Vielzahl von Brennkammern, die sich in der Untergruppe befindet, vor dem Unterbrechen des ersten Brennstoffstroms zu der Untergruppe unter Verwendung der Steuerung umfassen.

[0017] Jedes beliebige zuvor erwähnte Verfahren kann das Überwachen von Emissionen, die von der Gasturbine erzeugt werden, und das Einstellen des ersten Brennstoffstroms oder des zweiten Brennstoffstroms umfassen, damit die erzeugten Emissionen unter einem Schwellenwert gehalten werden.

[0018] In einer dritten Ausführungsform weist ein System Befehle auf, die auf einem nichtflüchtigen maschinenlesbaren Medium angeordnet sind, und die Befehle sind so ausgelegt, dass Brennstoff zu einer Vielzahl von Brennkammern geleitet wird, wobei jede Brennkammer mit einer Vielzahl von Brennstoffdüsen gekoppelt ist, die nahe einem ersten Ende der Brennkammer platziert sind, und mit mindestens einer Brennstoffeinspritzvorrichtung, die nahe einem zweiten Ende der Brennkammer platziert ist. Das System weist auch Befehle zum Steuern eines ersten Ventils auf, damit es einen ersten Brennstoffström zu einer Untergruppe der Vielzahl von Brennkammern unterbricht, und zum Steuern eines zweiten Ventils, damit es den zweiten Brennstoffström zu der mindestens einen Brennstoffeinspritzvorrichtung von mindestens einer aus der Vielzahl von Brennkammern einstellt, die kein Bestandteil der Untergruppe ist.

[0019] Das System kann eine Steuerung mit den Befehlen umfassen.

[0020] Jedes beliebige zuvor erwähnte System kann einen oder mehrere Sensoren umfassen, die so ausgelegt sind, dass sie eine Kenngrösse eines Verbrennungsprozesses erfassen»

[0021 ] Die Befehle können so ausgelegt sein, dass das erste Ventil gesteuert wird, damit es den ersten Brennstoffström zu der Untergruppe unterbricht, und dass das zweite Ventil eingestellt wird, nachdem der eine oder die mehreren Sensoren erfassen, dass ein Durchfluss des ersten Brennstoffstroms zu der Untergruppe auf null reduziert ist.

[0022] Zusätzlich oder alternativ können die Befehle so ausgelegt sein, dass der zweite Brennstoffström zu mindestens einer Brennstoffeinspritzvorrichtung von mindestens einer aus der Vielzahl von Brennkammern unterbrochen wird, die kein Bestandteil der Untergruppe ist.

[0023] Zusätzlich oder alternativ können die Befehle so ausgelegt sein, dass das zweite Ventil so gesteuert wird, dass es den zweiten Brennstoffström zu der mindestens einen Brennstoffeinspritzvorrichtung von mindestens einer aus der Vielzahl von Brennkammern, die sich nicht in der Untergruppe befindet, reduziert, nachdem das erste Ventil so gesteuert wurde, dass es den ersten Brennstoffström zu der Untergruppe aus der Vielzahl von Brennkammern unterbricht.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0024] Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung unter Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen in sämtlichen Zeichnungen gleiche Teile darstellen, besser zu verstehen, wobei:

Fig. 1 ein Blockschaubild einer Ausführungsform eines Gasturbinensystems ist;

Fig. 2 eine Teil- und Seitenansicht einer Ausführungsform eines Gasturbinensystems im Querschnitt ist;

Fig. 3 eine vereinfachte Darstellung einer Ausführungsform eines Gasturbinensystems mit einer Vielzahl von Steuereinheiten zum Einstellen des Brennstoffstroms innerhalb des Gasturbinensystems ist;

Fig. 4 eine vereinfachte Darstellung einer Ausführungsform eines Gasturbinensystems mit einer Vielzahl von Steuereinheiten zum Einstellen des Brennstoffstroms innerhalb einer Vielzahl von Brennkammern ist;

Fig. 5 eine vereinfachte Darstellung einer Ausführungsform eines Gasturbinensystems mit einer Vielzahl von Steuereinheiten zum Einstellen des Brennstoffstroms innerhalb einer Vielzahl von Brennkammern ist;

3 Fig. 6 eine vereinfachte Darstellung einer Ausführungsform eines Gasturbinensystems mit einer Vielzahl von

Brennkammern, die in einer Vielzahl von Sektoren angeordnet sind, und einer Vielzahl von Steuereinheiten zum Einstellen des Brennstoffstroms innerhalb der Vielzahl von Brennkammern ist; und

Fig. 7 eine perspektivische Vorderansicht einer Anordnung von Brennkammern in einem Gasturbinensystem gemäss einer Ausführungsform ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[0025] Eine oder mehrere konkrete Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend beschrieben. Um diese Ausführungsformen kurz und knapp zu beschreiben, sind möglicherweise nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Ausführung in der Beschreibung beschrieben. Es sollte erkannt werden, dass bei der Entwicklung einer derartigen tatsächlichen Ausführung, wie bei jedem technischen Projekt oder Konstruktionsprojekt, zahlreiche ausführungsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um die konkreten Ziele der Entwickler zu erreichen, beispielsweise die Einhaltung systembezogener und unternehmensbezogener Vorgaben, die sich von einer Ausführung zur nächsten unterscheiden können. Es sollte ferner erkannt werden, dass dieser Entwicklungsaufwand komplex und zeitaufwendig sein könnte, für einen Durchschnittsfachmann, der aus dieser Offenbarung Nutzen zieht, aber dennoch Routine in der Konstruktion, Herstellung und Produktion wäre.

[0026] Wenn Elemente verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorgestellt werden, sollen die Artikel «ein», «eine», «der», «die» und «das» bedeuten, dass ein oder mehrere der Elemente vorhanden sind. Die Begriffe «umfassen», «enthalten» und «aufweisen» sollen einschliessend sein und bedeuten, dass zusätzliche Elemente ausser den aufgeführten Elementen vorhanden sein können.

[0027] Gasturbinensysteme gemäss der vorliegenden Offenbarung können so ausgelegt sein, dass sie bei einer niedrigeren Leistungsstufe oder geringeren Leistung (z.B. Teillast) betrieben werden, während gleichzeitig angemessen niedrige Emissionen beibehalten werden. Zu den von Gasturbinen in Gasturbinensystemen üblicherweise erzeugten hauptsächlichen Emissionen gehören Stickoxide (NOx), unverbrannte Kohlenwasserstoffe (KW) und Kohlenmonoxid (CO), die verschiedenen rechtlichen Beschränkungen auf Bundes- und Länderebene unterliegen. Mit bestimmten Betriebsbedingungen in dem Gasturbinensystem können Emissionen so reduziert und/oder beibehalten werden, dass rechtliche Bestimmungen eingehalten werden. Bei NOx- und CO-Emissionen können beispielsweise die Bestimmungen eingehalten werden, wenn Flammtemperaturen in einer Brennkammer des Gasturbinensystems auf einem bestimmten Niveau gehalten werden. Die Flammtemperatur in der Brennkammer hängt stark vom Brennstoff-Luft-Verhältnis ab und folglich können die Temperatur und Emissionen durch Einstellen des Brennstoffstroms in der Brennkammer beeinflusst werden. In einigen Fällen kann es jedoch wünschenswert sein, das Gasturbinensystem bei einer niedrigeren Leistungsstufe oder geringeren Leistung zu betreiben. Es ist beispielsweise unpraktisch und teuer, das Gasturbinensystem während Schwachlastzeiten mit voller Leistung zu betreiben. Das Gasturbinensystem komplett abzuschalten und wieder anfahren zu lassen ist zudem ein langwieriger Vorgang, der die Standzeit von Systembestandteilen beeinflussen kann. Daher wird ganz allgemein bevorzugt, das Gasturbinensystem in Zeiten geringer Auslastung in Teillast zu betreiben, statt die Gasturbine abzuschalten. Die geringere Leistung kann durch Verringern des Brennstoffstroms zu der Brennkammer erreicht werden. Beim Betrieb bei derart niedriger Leistung kann es jedoch besonders schwierig sein, Emissionsgrenzwerte einzuhalten. Die Temperatur in der Brennkammer kann beispielsweise zu niedrig für eine vollständige Verbrennung des Brennstoffs sein, was zu einem Anstieg der Emissionen führen kann.

[0028] Bestimmte Lastabsenkungsverfahren, die ermöglichen, dass das Gasturbinensystem weiterhin Emissionsgrenzwerte einhält, können ganz allgemein zu einer Leistungsverringerung auf lediglich etwa 40% der normalen Ausgangsleistung führen. Die vorliegende Offenbarung stellt Systeme und Verfahren bereit, die ermöglichen, dass das Gasturbinensystem bei sehr geringer Leistung betrieben wird, während gleichzeitig angemessen niedrige Emissionen beibehalten werden. Systeme und Verfahren gemäss der vorliegenden Offenbarung können beispielsweise ermöglichen, dass das Gasturbinensystem weiterhin Emissionsgrenzwerte einhält und bei bis zu etwa 15%, 20%, 25% oder 30% der normalen Ausgangsleistung betrieben wird. Durch das Bereitstellen von einer oder mehreren Steuereinheiten (z.B. Ventilen) kann der Brennstoffström so geleitet und eingestellt werden, dass das Gasturbinensystem eine sehr niedrige Leistung und niedrige Emissionen erreichen kann. Ventile können beispielsweise so gesteuert werden, dass sie den Brennstoffstrom zu bestimmten Brennstoffeinspritzvorrichtungen und/oder zu bestimmten Brennkammern in dem Gasturbinensystem so einstellen, dass niedrigere Leistungsstufen und Brennstoff-Luft-Verhältnisse die Folge sind, mit denen niedrige Emissionen erhalten bleiben. Bei einigen hier erörterten Lastabsenkungsvorgängen kann insbesondere der Brennstoffström zu bestimmten nachgeordneten Brennstoffeinspritzvorrichtungen (z.B. Vorrichtungen für die späte magere Einspritzung) reduziert und der Brennstoffström zu mindestens einer der Brennkammern in dem Gasturbinensystem reduziert oder unterbrochen werden. Derartige Lastabsenkungsverfahren können auch ermöglichen, dass das Gasturbinensystem schnell zur vollen Leistung zurückkehrt, wenn der Bedarf steigt. In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann der Brennstoffstrom zudem so eingestellt werden, dass die Brennkammer derart abgeschaltet wird, dass die Wärmebeanspruchung der Bauteile entlang dem Heissgaspfad reduziert wird, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird.

4 [0029] Mit Bezug auf die Zeichnungen ist in Fig. 1 ein Blockschaubild einer Ausführungsform eines Gasturbinensystems 10 dargestellt, das so ausgelegt sein kann, dass es bei niedriger Leistung betrieben wird, während gleichzeitig angemessen niedrige Emissionen beibehalten werden. Die hier beschriebenen Systeme und Verfahren können in jedem beliebigen Turbinensystem wie Gasturbinensystemen verwendet werden und sollen nicht auf eine bestimmte Maschine oder ein bestimmtes System beschränkt sein. Wie dargestellt ist, weist das System 10 einen Verdichter 12, eine Turbinenbrennkammer 14 und eine Turbine 16 auf. Das System 10 kann eine oder mehrere Brennkammern 14 aufweisen, die eine oder mehrere Brennstoffdüsen 18 aufweisen, die so ausgelegt sind, dass sie einen flüssigen Brennstoff und/oder gasförmigen Brennstoff 20 wie Erdgas oder Syngas aufnehmen. Das System 10 kann auch eine oder mehrere Brennstoffeinspritzvorrichtungen 22 (z.B. Vorrichtungen für die späte magere Einspritzung - late lean injector oder LLI) aufweisen, die ganz allgemein in Strömungsrichtung hinter der einen oder den mehreren Brennstoffdüsen 18 platziert sind und so ausgelegt sind, dass sie den Brennstoff 20 oder eine Mischung aus dem Brennstoff 20 und Luft in die Brennkammer 14 einspritzen. Das System 10 kann eine Steuerung 23 aufweisen, die ganz allgemein so ausgelegt ist, dass sie den Brennstoffstrom zu der einen oder den mehreren Brennstoffdüsen 18 und/oder zu der einen oder den mehreren LLI 22 steuert. Bei der Steuerung 23 kann es sich um jede geeignete Turbinensteuerung handeln, die so ausgelegt ist, dass sie Signale an das Gasturbinensystem 10 sendet und/oder von ihm empfängt und den Brennstoffström in dem Gasturbinensystem 10 steuert.

[0030] In den Turbinenbrennkammern 14 wird ein Brennstoff-Luft-Gemisch gezündet und verbrannt und anschliessend werden heisse, unter Druck stehende Verbrennungsgase 24 (z.B. Abgase) in die Turbine 16 geleitet. Mit einer Welle 26, die auch mit mehreren anderen Bauteilen im gesamten Turbinensystem 10 gekoppelt ist, sind Turbinenschaufeln gekoppelt. Wenn die Verbrennungsgase 24 durch die Turbinenschaufeln in der Turbine 16 strömen, wird die Turbine 16 in Drehung versetzt, was die Welle 26 dazu bringt, sich zu drehen. Die Verbrennungsgase 24 strömen schliesslich über einen Abgasauslass 28 aus dem Turbinensystem 10. Die Welle 26 kann ferner mit einer Last 30 gekoppelt sein, die über die Drehung der Welle 26 angetrieben wird. Bei der Last 30 kann es sich beispielsweise um jede geeignete Vorrichtung handeln, die über die Drehleistung des Turbinensystems 10 Energie erzeugen kann, beispielsweise ein elektrischer Generator, ein Propeller eines Flugzeugs und so weiter.

[0031 ] Als Bauteile des Verdichters 12 können Verdichterschaufeln enthalten sein. Die Schaufeln in dem Verdichter 12 sind mit der Welle 26 gekoppelt und drehen sich, wenn die Welle 26 wie zuvor beschrieben von der Turbine 16 in Drehung versetzt wird. Ein Einlass 32 führt Luft 34 in den Verdichter 12 und durch die Drehung der Schaufeln im Verdichter 12 wird die Luft 34 verdichtet, um Druckluft 36 zu erzeugen. Die Druckluft 36 wird dann in die eine oder mehreren Brennstoffdüsen 18 und/oder die LLI 22 der Turbinenbrennkammern 14 geleitet. Die eine oder mehreren Brennstoffdüsen 18 vermischen die Druckluft 36 und den Brennstoff 20, damit sich ein geeignetes Mischungsverhältnis für die Verbrennung (z.B. eine Verbrennung, die bewirkt, dass der Brennstoff vollständiger verbrennt) ergibt, um keinen Brennstoff zu verschwenden oder keine zu hohen Emissionen zu verursachen. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben ist, kann das System 10 so ausgelegt sein, dass es bei sehr geringer Leistung betrieben wird, während gleichzeitig angemessen niedrige Emissionen beibehalten werden.

[0032] Fig. 2 ist eine Teil- und Seitenansicht einer Ausführungsform der Brennkammer 14 des Gasturbinensystems 10 im Querschnitt. Wie dargestellt ist, kann das Gasturbinensystem 10 bezogen auf eine Längsachse oder -richtung 38, eine radiale Achse oder Richtung 40 und eine Umfangsachse oder -richtung 42 beschrieben werden. Das Gasturbinensystem 10 weist ein oder mehrere Brennstoffdüsen 18 auf, die in einem Eingangsteil 43 der Brennkammer 14 angeordnet sind. Die eine oder die mehreren Brennstoffdüsen 18 können auch ganz allgemein nahe (z.B. in der Nähe von, benachbart zu usw.) einem ersten Ende 44 der Brennkammer 14 platziert sein. Die Brennkammer 14 kann ferner eine oder mehrere Vorrichtungen für die späte magere Einspritzung 22 (LLI) aufweisen, die nahe einem zweiten Ende 46 der Brennkammer platziert sind, wobei sich das zweite Ende 46 ganz allgemein in Strömungsrichtung hinter dem ersten Ende 44 in einer Strömungsrichtung heisser Verbrennungsgase auf die Turbine 16 zu befindet.

[0033] Wie in Fig. 2 dargestellt ist, können eine oder mehrere Steuereinheiten oder Ventile 64 für die Regelung des Brennstoffstroms 20 bereitgestellt sein. Die Ventile 64 können in jeder geeigneten Weise angeordnet sein. In der abgebildeten Ausführungsform ist beispielsweise mindestens ein Ventil 64a entlang einer Brennstoffzuleitung 62 (z.B. Verteiler) zwischen einem Brennstoffkreislauf 60 und der Brennkammer 14 angeordnet und das Ventil 64a ist so platziert, dass das Ventil 64a die Zufuhr von Brennstoff 20 zu der Brennkammer 14 (z.B. zu der einen oder den mehreren Brennstoffdüsen 18 und zu den LLI 22) einstellen kann.

[0034] Zusätzlich können ein oder mehrere Ventile 64b vorgesehen sein, damit eine zusätzliche Steuerungsebene für oder eine unabhängige Steuerung des Brennstoffstroms 20 zu den LLI 22 ermöglicht wird. In der dargestellten Ausführungsform sind die Ventile 64b entlang der Brennstoffzuleitung 62 zwischen dem Ventil 64a und den LLI 22 angeordnet. Die LLI 22 können der Darstellung entsprechend konstruktiv von einem Flammrohr und/oder Leitblech 47 gehalten werden, die bzw. das einen Übergangsbereich 48 der Brennkammer 14 umgeben bzw. umgibt. Die LLI 22 sind so ausgelegt, dass sie die Brennkammer 14 an einer oder mehreren Axialstufen oder -bereichen entlang der Längsachse 38 der Brennkammer 14 mit Brennstoff 20 versorgen. Die LLI 22 können so ausgelegt sein, dass sie Brennstoff 20 in die Brennkammer 14 einspritzen, wie mit den Pfeilen 50 dargestellt ist, wobei der Brennstoff 20 in eine Richtung eingespritzt wird, die ganz allgemein quer zu einer Strömungsrichtung 52 in der Brennkammer 14 verläuft. Bei einer derartigen Anordnung entstehen lokale Bereiche mit stabiler Verbrennung in der Brennkammer 14 während des Betriebs des Gasturbinensystems 10. Der Brennstoffström 20 zu den LLI 22 kann zusätzlich mit den Ventilen 64a, 64b auch so eingestellt werden, dass die Lastab-

5 Senkung erleichtert wird, während gleichzeitig angemessen niedrige Emissionen beibehalten werden, wie nachstehend ausführlicher beschrieben ist.

[0035] Wie zuvor erörtert ist, können die eine oder mehreren LLI 22 an einer oder mehreren Axialstufen oder -bereichen der Brennkammer 14 angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen sind mehrere LLI 22 in Umfangsrichtung 42 um die Brennkammer 14 herum an einer einzelnen Axialstufe entlang der Längsachse 38 der Brennkammer 14 angeordnet. In bestimmten Ausführungsformen sind mehrere LLI 22 in Umfangsrichtung 42 um die Brennkammer 14 herum an mehreren Axialstufen entlang der Längsachse 38 der Brennkammer 14 angeordnet. Eine erste Axialstufe kann folglich eine oder mehrere LLI 22 aufweisen und eine zweite Axialstufe kann eine oder mehrere LLI 22 aufweisen. Die LLI 22 können in jeder geeigneten Weise angeordnet sein. Die LLI 22 der ersten Axialstufe und die LLI 22 der zweiten Axialstufe können zum Beispiel in Umfangsrichtung 42 zueinander versetzt sein. Die Axialstufen können auch dieselbe Anzahl oder eine andere Anzahl von LLI 22 aufweisen.

[0036] Von dem Brennstoffkreislauf 60 aus kann der Brennstoff 20 den Brennstoffdüsen 18 und/oder den LLI 22 zugeführt werden. Der Brennstoff 20 kann den Brennstoffdüsen 18 und/oder den LLI 22 über die Brennstoffzuleitung 62 zugeleitet werden. Es sollte erkannt werden, dass mehrere Brennstoffkreisläufe und/oder mehrere Brennstoffzuleitungen 62 in die Systeme der vorliegenden Offenbarung integriert sein können. Wie zuvor angegeben ist, können für die unabhängige Einstellung des Brennstoffstroms 20 zu den LLI 22 ein oder mehrere Ventile 64b vorgesehen sein. In der Ausführungsform von Fig. 2 ist ein Ventil 64b für jede LLI 22 vorgesehen, obwohl jede geeignete Anordnung in Erwägung gezogen wird. In einigen Ausführungsformen kann ein Ventil 64b den Brennstoffström 20 zu mehr als einer LLI 22 einstellen. In einigen Ausführungsformen kann ein Ventil 64b den Brennstoffström 20 zu allen LLI 22 einstellen, die in Umfangsrichtung 40 in einer einzelnen Axialstufe angeordnet sind. Die LLI 22 einer Axialstufe können somit gemeinsam betätigt werden. In einigen Ausführungsformen kann ein Ventil 64b den Brennstoffström 20 zu jeder der LLI 22 von zwei oder mehr Axialstufen einstellen. Die LLI 22 von mehreren Axialstufen können somit gemeinsam betätigt werden. In einigen Ausführungsformen kann ein Ventil 64b den Brennstoffström 20 zu allen LLI 22 der Brennkammer 14 oder zu den LLI 22 mehrerer Brennkammern 14 des Gasturbinensystems 10 einstellen.

[0037] Die Steuerung 23 kann zu dem einen oder den mehreren Ventilen 64 eine Datenübertragungsverbindung aufweisen. Die Steuerung 23 ist so ausgelegt, dass sie ein Signal 70 an die Ventile 64 liefert, damit die Ventile 64 geöffnet, geschlossen oder reguliert werden. In der veranschaulichten Ausführungsform steuert die Steuerung 23 also die Ventile 64 zum Einstellen des Brennstoffstroms und der Zuleitung des Brennstoffs 20 zur gesamten Brennkammer 14 und/oder zur separaten Steuerung des Brennstoffstroms 20 zu den LLI 22. Die verschiedenen Ventile 64 der Brennkammer 14 können in jeder geeigneten Anordnung platziert sein und können auf jede geeignete Weise eingestellt werden, damit ein niedriger Teillastbetrieb ermöglicht wird, wie nachstehend ausführlicher beschrieben ist.

[0038] Fig. 3 ist eine vereinfachte Darstellung einer Ausführungsform des Gasturbinensystems 10. Wie dargestellt ist, ist die Steuerung 23 so ausgelegt, dass sie eine oder mehrere Steuereinheiten oder Ventile 64 steuert. Das eine oder die mehreren Ventile 64 beeinflussen wiederum den Brennstoffström 20 zu verschiedenen Bauteilen (z.B. Brennstoffdüsen 18 und LLI 22) der Brennkammern 14 des Gasturbinensystems 10 oder stellen ihn ein. Bei bestimmten Lastabsenkungsvorgängen können das eine oder die mehreren Ventile 64 zuerst den Brennstoffstrom 20 zu den LLI 22 von einer oder mehreren Brennkammern 14 reduzieren. Wenn ein bestimmter Brennstoffdurchfluss- oder Temperatur-Schwellenwert in einer oder mehreren der Brennkammern 14 erreicht ist (überwacht z.B. von einem Sensor oder einer anderen Überwachungsvorrichtung, die in das System 10 integriert ist), können das eine oder die mehreren Ventile 64 anschliessend den Brennstoffström 20 zu mindestens einer der Brennkammern 14 des Gasturbinensystems 10 unterbrechen. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben ist, können diese Bauteile des Gasturbinensystems 10 in verschiedenen Anordnungen angeordnet sein und können über verschiedene Verfahren betrieben werden, damit ein sehr niedriger Teillastbetrieb ermöglicht wird, während gleichzeitig angemessen niedrige Emissionen beibehalten werden.

[0039] Die Steuerung 23 kann über eine elektrische Datenübertragungsverbindung mit dem einen oder den mehreren Ventilen 64 und/oder anderen Stromeinstellelementen des Gasturbinensystems 10 unabhängig den Betrieb des Gasturbinensystems 10 steuern. Die Steuerung 23 kann auch eine elektrische Datenübertragungsverbindung zu einem oder mehreren Sensoren aufweisen, wie nachstehend ausführlicher beschrieben ist. Die Steuerung 23 kann ein System mit verteilter Steuerung oder jede beliebige computerbasierte Workstation aufweisen, die vollständig oder teilweise automatisiert ist. Bei der Steuerung 23 kann es sich beispielsweise um jede beliebige Einheit handeln, die mit einem Universalprozessor oder einem anwendungsspezifischen Prozessor arbeitet, die beide ganz allgemein Speicherschaltungen zum Speichern von auf Verbrennungsparameter wie Flammtemperaturen und den Brennstoffdurchfluss bezogenen Befehlen aufweisen können. Der Prozessor kann ein oder mehrere Verarbeitungseinheiten aufweisen und die Speicherschaltungen können ein oder mehrere materielle, nichtflüchtige, maschinenlesbare Medien aufweisen, die gemeinsam Befehle speichern, die von dem Prozessor zur Durchführung der hier beschriebenen Verfahren und Steuermassnahmen ausführbar sind. Bei derartigen maschinenlesbaren Medien kann es sich um alle verfügbaren Medien handeln, auf die der Prozessor oder jeder beliebige Mehrzweckcomputer oder Computer für besondere Zwecke oder jede andere Maschine mit einem Prozessor zugreifen kann. Derartige maschinenlesbaren Medien können beispielsweise RAM, ROM, EPROM, EEPROM, CD-ROM oder andere optische Plattenspeicher-, magnetische Plattenspeicher- oder andere magnetische Speichereinheiten oder jedes beliebige andere Medium umfassen, das zum Tragen oder Speichern von gewünschtem Programmcode in Form von maschinenausführbaren Befehlen oder Datenstrukturen verwendet werden kann und auf das der Prozessor oder jeder

6 beliebige Mehrzweckcomputer oder Computer für besondere Zwecke oder jede andere Maschine mit einem Prozessor zugreifen kann. Wenn über ein Netzwerk oder eine andere Datenübertragungsverbindung (entweder festverdrahtet, drahtlos oder eine Kombination aus festverdrahtet oder drahtlos) Informationen an eine Maschine übertragen oder ihr bereitgestellt werden, erkennt die Maschine die Verbindung ordnungsgemäss als maschinenlesbares Medium. Jede derartige Verbindung wird somit korrekt als maschinenlesbares Medium bezeichnet. Kombinationen aus dem Vorangehenden sind ebenfalls im Geltungsbereich maschinenlesbarer Medien enthalten. Maschinenausführbare Befehle umfassen beispielsweise Befehle und Daten, die den Prozessor oder jeden beliebigen Mehrzweckcomputer, Computer für besondere Zwecke oder beliebige Verarbeitungsmaschinen für besondere Zwecke dazu veranlassen, eine bestimmte Funktion oder Gruppe von Funktionen auszuführen. Wie nachstehend erörtert ist, kann die Steuerung 23 Informationen nutzen, die über Eingangssignale geliefert werden, die von einem oder mehreren Sensoren empfangen werden, damit Befehle oder Code ausgeführt werden bzw. wird, die bzw. der in dem maschinenlesbaren oder computerlesbaren Speichermedium enthalten sind bzw. ist, und ein oder mehrere Ausgangssignale 70 für die verschiedenen Ventile 64 erzeugen. Auf der Grundlage der Ausführung der Befehle oder des Codes, die bzw. der in dem maschinenlesbaren oder computerlesbaren Speichermedium der Steuerung 23 enthalten sind bzw. ist, können die Ausgangssignale 70 beispielsweise zur Steuerung des Brennstoffstroms 20 innerhalb des Gasturbinensystems 10 verwendet werden.

[0040] Fig. 4 ist eine vereinfachte Darstellung einer Ausführungsform des Gasturbinensystems 10 mit einer Vielzahl von Ventilen 64, die so ausgelegt sind, dass sie den Brennstoffstrom 20 innerhalb der Vielzahl von Brennkammern 14 einstellen. In der abgebildeten Ausführungsform weist eine erste Brennkammer 14a (z.B. eine erste Rohrbrennkammer) eine oder mehrere Brennstoffdüsen 18a auf, die innerhalb des Eingangsteils 43 angeordnet und nahe dem ersten Ende 44 der Brennkammer 14a platziert sein können. Die erste Brennkammer 14a weist zusätzlich eine oder mehrere LLI 22a auf, die nahe dem zweiten Ende 46 der Brennkammer 14a platziert sind. Das Gasturbinensystem 10 kann die Steuerung 23 aufweisen, die so ausgelegt ist, dass sie die Vielzahl von Ventilen 64 steuert. Wie dargestellt ist, kann ein erstes Ventil 64a entlang der Brennstoffzuleitung 62 zwischen dem Brennstoffkreislauf 60 und der ersten Brennkammer 14a angeordnet sein. Das erste Ventil 64a kann so ausgelegt sein, dass es den Brennstoffstrom 20 zur ersten Brennkammer 14a einstellt. Ein zweites Ventil 64b kann zusätzlich entlang der Brennstoffzuleitung 62 zwischen dem ersten Ventil 64a und den LLI 22 angeordnet sein. Das zweite Ventil 64b kann so ausgelegt sein, dass eine zusätzliche Steuerungsebene bereitgestellt und der Brennstoffstrom 20 zu den LLI 22a der ersten Brennkammer 14a unabhängig eingestellt wird. Wie zuvor bezogen auf Fig. 2 erörtert ist, kann beispielsweise ein Ventil 64b für jede LLI 22 oder für die LLI 22 auf jeder Axialstufe oder für alle LLI der ersten Brennkammer 14a vorgesehen sein. Wie dargestellt ist, kann eine zweite Brennkammer 14b (z.B. eine zweite Rohrbrennkammer) eine ähnliche Anordnung von Brennstoffdüsen 18b, LLI 22b und Ventilen 64 wie die erste Brennkammer 14a aufweisen, obwohl erkannt werden sollte, dass die verschiedenen Brennkammern 14 des Systems 10 verschiedene Anordnungen und Gestaltungen aufweisen können.

[0041 ] Wie zuvor erörtert wurde, kann die Steuerung 23 die Ventile 64 steuern, damit sie die Menge Brennstoff 20 einstellen, die verschiedenen Bauteilen (z.B. den Brennstoffdüsen 18 und/oder den LLI 22) der Brennkammern 14 von dem Brennstoffkreislauf 60 aus zugeführt wird. In einigen Ausführungsformen kann die Steuerung 23 auf der Grundlage erfasster Verbrennungsparameter in den Brennkammern 14 gezielt die Ventile 64 betätigen. In bestimmten Ausführungsformen können ein oder mehrere Sensoren 82 zum Beispiel so ausgelegt sein, dass sie den Durchfluss des Brennstoffs 20 in den Brennstoffzuleitungen 62 erfassen. Die Informationen, die von dem einen oder den mehreren Sensoren 82 erhalten werden, können der Steuerung 23 bereitgestellt werden, und die Steuerung 23 kann verschiedene Massnahmen einleiten, beispielsweise das Öffnen oder Schliessen bestimmter Ventile 64. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben ist, kann die Steuerung 23 ein oder mehrere der Ventile 64 in einer oder mehreren der Brennkammern 14 des Gasturbinensystems 10 derart teilweise schliessen oder verschliessen (z.B. vollständig schliessen), dass der Brennstoffverbrauch gesenkt und Emissionsgrenzwerte eingehalten werden.

[0042] Bezogen auf Fig. 4 kann die Steuerung 23 während eines Lastabsenkungsvorgangs die Ventile 64 so steuern, dass sie den Brennstoffström 20 zu bestimmten Abschnitten des Gasturbinensystems 10 reduzieren. In einigen Ausführungsformen kann die Steuerung 23 ein oder mehrere Ventile 64b so steuern, dass sie den Brennstoffström 20 zu einer oder mehreren LLI 22 von einer oder mehreren der Brennkammern 14 reduzieren. Der Brennstoffström 20 zu den LLI 22 kann beispielsweise auf einen bestimmten Durchfluss (z.B. einen Durchfluss-Schwellenwert) reduziert werden oder der Brennstoffström zu den LLI 22 kann reduziert werden, bis eine bestimmte Flammtemperatur (z.B. ein FlammtemperaturSchwellenwert) in der Brennkammer 14 erreicht ist. Wie zuvor erörtert ist, können in einigen Ausführungsformen ein oder mehrere Sensoren 82 bereitgestellt sein, die den Brennstoffdurchfluss und/oder Temperaturen in der Brennkammer 14 erfassen. Die von dem einen oder den mehreren Sensoren 82 gesammelten Informationen können zum Bestimmen oder Auslösen nachfolgender Schritte in dem Lastabsenkungsprozess verwendet werden. Wenn beispielsweise der Brennstoffström 20 zu den LLI 22 von einer oder mehreren der Brennkammern 14 über die Ventile 64b einen bestimmten Durchfluss-Schwellenwert (z.B. einen niedrigeren Durchfluss-Schwellenwert) erreicht, kann die Steuerung 23 anschliessend die Ventile 64a so steuern, dass sie den Brennstoffström 20 zu mindestens einer der Brennkammern 14 des Gasturbinensystems 10 reduzieren oder unterbrechen. In einigen Ausführungsformen können zusätzlich die Emissionen des Systems 10 von dem Sensor 82 oder einer anderen geeigneten Überwachungsvorrichtung überwacht werden. Die Steuerung 23 kann folglich so ausgelegt sein, dass sie den Brennstoffström zu den LLI 22 und/oder zu den Brennstoffdüsen 18 dynamisch einstellt und/oder den Brennstoffström zu mindestens einer der Brennkammern 14 unterbricht, damit während des Lastabsenkungsprozesses Emissionsgrenzwerte eingehalten werden (z.B. unter einem Emissionsschwellenwert).

7 [0043] In der Ausführungsform von Fig. 4 kann der Brennstoffstrom 20 zu den LLI 22 von einer oder mehreren der Brennkammern 14 auf null (oder beinahe null) reduziert werden und anschliessend kann das Ventil 64a der ersten Brennkammer 14a gesteuert werden. In bestimmten Ausführungsformen kann die Steuerung 23 das Ventil 64a der ersten Brennkammer 14a so steuern, dass es den Brennstoffström 20 zu mindestens der ersten Brennkammer 14 des Gasturbinensystems 10 reduziert oder unterbricht. Der Brennstoff 20 kann folglich zu benachbarten Brennkammern 14 wie der zweiten Brennkammer 14b geleitet werden, wodurch das Brennstoff-Luft-Verhältnis in der zweiten Brennkammer 14b erhöht werden kann. Mit derartigen Verfahren kann die Betriebsleistung vermindert werden, indem die erste Brennkammer 14a wirksam abgeschaltet und Brennstoff 20 zu der zweiten Brennkammer 14b geleitet wird, sodass die zweite Brennkammer 14b eine höhere Flammtemperatur aufweist und niedrige Emissionen erreicht. Obwohl in Fig. 2 lediglich zwei Brennkammern 14 dargestellt sind, sollte erkannt werden, dass die Steuerung 23 in bestimmten Ausführungsformen ein oder mehrere Ventile 64a so steuern kann, dass sie den Brennstoffstrom 20 zu einem Viertel oder einer Hälfte oder einem beliebigen geeigneten Bruchteil der Brennkammern 14 des Gasturbinensystems 10 unterbrechen.

[0044] Das Gasturbinensystem 10 kann zudem wieder auf volle Leistung gebracht werden, indem die Ventile 64a so gesteuert werden, dass sie den Brennstoffström 20 zu mindestens den heruntergeregelten Brennkammern 14 des Systems 10 erhöhen. Die Ventile 64b können zusätzlich so gesteuert werden, dass sie den Brennstoffström 20 zu den LLI 22 einstellen, wodurch die Leistung des Gasturbinensystems 10 gesteigert wird. Da das Gasturbinensystem 10 mit den aktuellen Verfahren mit sehr niedrigen Teillaststufen betrieben werden kann, muss die Gasturbine in Zeiten geringer Auslastung oder während Schwachlastzeiten möglicherweise nicht vollständig abgeschaltet werden. Das Gasturbinensystem 10 durchläuft also zur Steigerung der Leistung keinen langwierigen Hochfahrprozess.

[0045] Fig. 5 ist eine vereinfachte Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Gasturbinensystems 10 mit einer Vielzahl von Brennkammern 14 und einer Vielzahl von Ventilen 64, die so ausgelegt sind, dass sie den Brennstoffström 20 innerhalb der Vielzahl von Brennkammern 14 einstellen. In der abgebildeten Ausführungsform ist das erste Ventil 64a so platziert, dass der Brennstoffström 20 zu den Brennstoffdüsen 18 ohne Beeinflussung des Brennstoffstroms 20 zu den LLI 22 eingestellt werden kann. Das erste Ventil 64a kann folglich so vorgesehen sein, dass es unabhängig den Brennstoffström 20 zu den Brennstoffdüsen 18 steuert, während das zweite Ventil 64b so vorgesehen sein kann, dass es unabhängig den Brennstoff ström 20 zu den LLI 22 steuert. In bestimmten Ausführungsformen kann eine derartige Steuerung erfolgen, indem das erste Ventil 64a entlang der Brennstoffzuleitung 62 zwischen dem Brennstoffkreislauf 60 und den Brennstoffdüsen 18 platziert wird und das zweite Ventil 64b entlang der Brennstoffzuleitung 62 zwischen dem Brennstoffkreislauf 60 und den LLI 22 platziert wird. Bezogen auf Fig. 5 kann der Brennstoffstrom 20 zu den LLI 22 der ersten Brennkammer 14a während eines Lastabsenkungsvorgangs über das zweite Ventil 64b eingestellt werden. Wenn ein bestimmter Schwellenwert (z.B. Durchfluss, Flammtemperatur usw.) erreicht ist, kann der Brennstoffstrom zu den Brennstoffdüsen 18 separat von dem ersten Ventil 64a eingestellt werden. In der dargestellten Ausführungsform beeinflusst das erste Ventil 64a jedoch nicht den Brennstoffström 20 zu den LLI 22. Das abgebildete System 10 sorgt somit für zusätzliche Betriebsflexibilität. Das erste Ventil 64a und das zweite Ventil 64b können beispielsweise gleichzeitig betätigt werden oder der Brennstoffström 20 zu den Brennstoffdüsen 18 und den LLI 22 kann auf der Grundlage von Systembedingungen exakt eingestellt werden. Eine derartige Gestaltung kann zusätzlich für eine effiziente Lastabsenkung und vollständige Abschaltung des Gasturbinensystems 10 verwendet werden. In bestimmten Ausführungsformen kann das erste Ventil 64a so gesteuert werden, dass es den Brennstoffstrom 20 zu der einen oder den mehreren Brennstoffdüsen 18 ohne Beeinflussung des Brennstoffstroms 20 zu den LLI 22 einstellt. Sobald der Brennstoffström 20 zu der einen oder den mehreren Brennstoffdüsen 18 einen bestimmten Schwellenwert (z.B. Durchfluss, Flammtemperatur usw.) erreicht, kann das zweite Ventil 64b anschliessend so gesteuert werden, dass es den Brennstoffström 20 zu den LLI 22 reduziert. Ein derartiges Verfahren kann verwendet werden, um den Brennstoffström 20 zu einer oder mehreren Brennkammern 14 in dem Gasturbinensystem 10 zu unterbrechen. Ein derartiges Verfahren kann ferner optimierte Abschaltverfahren für das Gasturbinensystem 10 ermöglichen, da die Wärmebeanspruchung von Bauteilen entlang dem Heissgaspfad vermindert werden kann.

[0046] Obwohl dies nicht in Fig. 5 dargestellt ist, kann zudem in bestimmten Ausführungsformen ein zusätzliches Ventil 64 in Strömungsrichtung vor dem ersten Ventil 64a angeordnet sein, um wie in Fig. 4 den Brennstoffström 20 zu mindestens einer Brennkammer 14 (z.B. zu sowohl den Brennstoffdüsen 18 als auch zu den LLI 22 der Brennkammer 14) einzustellen. Mit einer derartigen Gestaltung würde für zusätzliche Betriebsflexibilität gesorgt werden und die Einstellung des Brennstoffstroms 20 innerhalb des Gasturbinensystems 10 zusätzlich gesteuert werden. Das Gasturbinensystem 10, das in Fig. 5 veranschaulicht ist, würde auch eine verhältnismässig schnelle Leistungssteigerung bei steigendem Bedarf ermöglichen. Die Ventile 64 können zur Leistungssteigerung den Brennstoffström 20 zu den Brennstoffdüsen 18 und/oder zu den LLI 22 einstellen, ohne dass ein langwieriger Hochfahrprozess durchlaufen werden muss.

[0047] Obwohl in Fig. 5 ein einzelner Brennstoffkreislauf 60 dargestellt ist, sollte erkannt werden, dass mehrere Brennstoffkreisläufe 60 vorgesehen sein können. In einigen Ausführungsformen kann der Brennstoff 20 von dem Brennstoffkreislauf 60 aus der einen oder den mehreren Brennstoffdüsen 18 zugeleitet werden, die sich am ersten Ende 44 der Brennkammer befinden, und zusätzlicher Brennstoff 20 oder ein zweiter anderer Brennstoff (z.B. LLI-Brennstoff) kann von einem zweiten anderen Brennstoffkreislauf einer oder mehreren der LLI 22 zugeleitet werden. Der LLI-Brennstoff kann beispielsweise jede beliebige geeignete Brennstoffzusammensetzung oder ein alternatives Gas, beispielsweise Raffineriegase oder Gase mit einer höheren Reaktionsfreudigkeit als Methan enthalten. Eine derartige Anordnung kann für eine

8 höhere Flexibilität bei den Brennstoffarten sorgen, die verwendet werden können, und kann für zusätzliche Flexibilität dahingehend sorgen, wie der Brennstoffström 20 gesteuert werden kann, damit das System 10 bei niedrigeren Leistungsstufen betrieben werden und niedrige Emissionen beibehalten kann. Die in Fig. 5 dargestellte Anordnung der Ventile 64, Brennstoffdüsen 18 und der LLI 22 würde eine unabhängige Steuerung der verschiedenen Brennstoffarten zu den Brennstoffdüsen 18 und/oder zu den LLI 22 in der Brennkammer 14 ermöglichen.

[0048] Fig. 6 ist eine vereinfachte Darstellung einer Ausführungsform eines Gasturbinensystems 10 mit einer Vielzahl von Ventilen 64 zum Einstellen des Brennstoffstroms 20 innerhalb der Vielzahl von Brennkammern 14. In der abgebildeten Ausführungsform ist die Vielzahl von Brennkammern 14 in Sektoren 90 (z.B. Untergruppen von Brennkammern 14) angeordnet. Eine erste Brennkammer 14a und eine zweite Brennkammer 14b sind beispielsweise in einem ersten Sektor 90a angeordnet, und eine dritte Brennkammer 14c und eine vierte Brennkammer 14d sind in einem zweiten Sektor 90b angeordnet. Es sollte erkannt werden, dass jede geeignete Anzahl von Sektoren 90 vorgesehen sein kann (z.B. 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder mehr), und dass jeder Sektor 90 eine geeignete Anzahl von Brennkammern 14 (z.B. 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder mehr) aufweisen kann. Die Sektoren 90 können benachbarte Brennkammern 14 oder nicht benachbarte (z.B. abwechselnde) Brennkammern 14 umfassen. In einigen Ausführungsformen kann der Brennstoffström 20 zu jedem Sektor 90 von dem ersten Ventil 64a geregelt werden. Bezogen auf Fig. 6 kann der Brennstoffstrom 20 zu den LLI 22 von einer oder mehreren der Brennkammern 14 während eines Lastabsenkungsvorgangs über ein oder mehrere zweite Ventile 64b auf einen bestimmten Schwellenwert reduziert werden. Wie dargestellt ist, kann ein zweites Ventil 64b für jede Brennkammer 14 vorgesehen sein, obwohl, wie zuvor erörtert ist, ein zweites Ventil 64b beispielsweise für jede LLI 22, für die LLI 22 jedes Sektors 90 oder für die LLI 22 für das komplette Gasturbinensystem 10 vorgesehen sein kann. Sobald über die Ventile 64b der Schwellenwert erreicht ist, können ein oder mehrere der ersten Ventile 64a so gesteuert werden, dass sie den Brennstoffström 20 zu einem oder mehreren der Sektoren 90 einstellen. In einigen Ausführungsformen können ein oder mehrere der ersten Ventile 64a so gesteuert werden, dass der Brennstoff 20 lediglich einigen der Sektoren 90 zugeführt wird. Ein oder mehrere der ersten Ventile 64a können beispielsweise so gesteuert werden, dass der Brennstoff 20 lediglich einer Hälfte der Sektoren 90 und/oder einer Hälfte der Brennkammern 14 zugeführt wird. Ein Fachmann versteht, dass die verschiedenen Brennkammern 14 und die verschiedenen Sektoren 90 in dem System 10 unterschiedlich angeordnet und gestaltet sein können. Für jeden der Sektoren 90 kann beispielsweise jede der vorherigen Gestaltungen, die in Fig. 4 und 5 dargestellt sind, verwendet werden, und die Sektoren 90 des Gasturbinensystems 10 können voneinander verschiedene Gestaltungen aufweisen.

[0049] Fig. 7 ist eine perspektivische Vorderansicht des Gasturbinensystems 10 mit einer Vielzahl von Brennkammern 14 (z.B. 14 Brennkammern), die in Umfangsrichtung 42 um die Längsachse 38 des Gasturbinensystems 10 angeordnet sind. Die Brennkammern 14 können in jeder geeigneten Anzahl von Sektoren 90 angeordnet sein und jeder Sektor 90 kann jede beliebige Anzahl von Brennkammern 14 aufweisen. Die Brennkammern 14 sind beispielsweise, wie dargestellt ist, in vier Sektoren 90a, 90b, 90c, 90d angeordnet, wobei jeder Sektor 90 vier Brennkammern 14 aufweist. Wie zuvor erörtert ist, kann jeder Sektor 90 eine Reihe von benachbarten Brennkammern 14 umfassen oder die Sektoren 90 können nicht benachbarte Brennkammern 14 (z.B. abwechselnde Brennkammern 14 oder jede dritte, vierte oder fünfte Brennkammer 14 usw.) umfassen. Der Brennstoffstrom 20 kann hin zu bestimmten Brennkammern 14 und/oder bestimmten Sektoren 90 gesteuert werden. Der Brennstoffström 20 zu einem Sektor 90 oder zu jeder beliebigen Untergruppe von Brennkammern 14 kann beispielsweise durch Einstellen von einem oder mehreren Ventilen 64 reduziert oder unterbrochen werden. In einigen Ausführungsformen kann der Brennstoffström 20 zu den Brennkammern 14 jedes Sektors 90 von einem Ventil 64a geregelt werden. Ein Ventil 64 kann beispielsweise den Brennstoffström 20 zu allen Brennkammern 14 in einem Sektor 90 einstellen. Mit einer derartigen Gestaltung kann beispielsweise eine effiziente Lastabsenkung mit weniger Ausrüstung (z.B. weniger Ventilen) ermöglicht und können die Verfahrensschritte reduziert werden.

[0050] Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen stellen Beispiele für Verfahren zum Betreiben des Gasturbinensystems 10 mit einer niedrigeren Leistungsstufe oder geringeren Leistung unter Einhaltung von Emissionsgrenzwerten bereit. Es sollte erkannt werden, dass die Steuerung 23 so ausgelegt sein kann, dass sie den Brennstoffström zu den verschiedenen Teilen des Gasturbinensystems 10 in jeder geeigneten Reihenfolge oder Abfolge allmählich herunterregelt oder verändert. Die Steuerung 23 kann folglich den Lastabsenkungsprozess durch die nacheinander erfolgende oder schrittweise Reduzierung des Brennstoffstroms zu einer oder mehreren der LLI 22, Reduzierung des Brennstoffstroms zu einer oder mehreren der Brennstoffdüsen 18 und/oder Abstellung (z.B. Unterbrechung) des Brennstoffstroms zu einer oder mehreren Brennkammern 14 oder Sektoren 90 von Brennkammern 14 in einer beliebigen Abfolge oder Reihenfolge steuern. Die Steuerung 23 kann beispielsweise zuerst den Brennstoffström zu einer oder mehreren LLI 22 reduzieren und dann den Brennstoffström zu einer Untergruppe der Brennkammern 14 (z.B. eine oder mehrere, jedoch nicht alle) unterbrechen. In einigen Ausführungsformen kann die Steuerung 23 zuerst den Brennstoffström zu der Untergruppe der Brennkammern 14 (z.B. eine oder mehrere, jedoch nicht alle) unterbrechen und dann den Brennstoffström zu einer oder mehreren LLI 22 reduzieren, die mit anderen Brennkammern 14 (z.B. aktive Brennkammern; Brennkammern, die kein Bestandteil der Untergruppe sind) des Gasturbinensystems 19 gekoppelt sind. Zusätzlich können in einigen Ausführungsformen bestimmte Schritte des Lastabsenkungsprozesses gleichzeitig durchgeführt werden. Der Brennstoffström zu einigen oder allen der LLI 22 kann beispielsweise reduziert werden, wenn der Brennstoffström zu der Untergruppe der Brennkammern 14 reduziert wird. Des Weiteren kann, wie zuvor angegeben ist, das Gasturbinensystem Sensoren 82 oder andere Überwachungs- und Verarbeitungseinheiten aufweisen, die so ausgelegt sind, dass sie verschiedene Merkmale des Gasturbinensystems 10 überwachen, einschliesslich Durchfluss, Temperatur in einer oder mehreren der Brennkammern 14

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Claims (10)

1. und/oder von dem Gasturbinensystem 10 erzeugte Emissionen. Das Gasturbinensystem kann folglich so ausgelegt sein, dass es den Brennstoffström zu den LLI 22 und den Brennstoffdüsen 18 fortlaufend und dynamisch verändert und/oder den Brennstoffström zu der Untergruppe von Brennkammern 14 als Reaktion auf ein überwachtes Temperatur- und/oder Emissionsniveau unterbricht, wodurch die Lastabsenkung bei gleichzeitiger Einhaltung von Emissionsgrenzwerten (z.B. ein Temperatur- oder Emissionsschwellenwert) erleichtert wird. Die Steuerung 23 kann beispielsweise den Brennstoffström zu einer oder mehreren LLI 22 erhöhen, wenn das überwachte Temperatur- und/oder Emissionsniveau einen vorprogrammierten Schwellenwert übersteigt. [0051 ] Wie zuvor angegeben ist, kann es in einigen Fällen wünschenswert sein, das Gasturbinensystem 10 mit einer niedrigeren Leistungsstufe oder geringeren Leistung zu betreiben. Es kann beispielsweise unpraktisch und teuer sein, das Gasturbinensystem 10 während Schwachlastzeiten mit voller Leistung zu betreiben. Das Gasturbinensystem 10 komplett abzuschalten und wieder anfahren zu lassen ist zudem ein langwieriger Vorgang, der die Standzeit von Systembestandteilen beeinflussen kann. Beim Betrieb bei derart niedriger Leistung kann es jedoch besonders schwierig sein, Emissionsgrenzwerte einzuhalten. Die vorliegende Offenbarung stellt somit Systeme und Verfahren bereit, die ermöglichen, dass das Gasturbinensystem 10 bei sehr geringer Leistung betrieben wird, während gleichzeitig angemessen niedrige Emissionen beibehalten werden. Systeme und Verfahren gemäss der vorliegenden Offenbarung können beispielsweise ermöglichen, dass das Gasturbinensystem weiterhin Emissionsgrenzwerte einhält und bei bis zu etwa 15% der normalen Ausgangsleistung (z.B. 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85 oder 90% oder jeder Bereich dazwischen) betrieben wird. Durch das Bereitstellen von einer oder mehreren Steuereinheiten (z.B. Ventilen) kann der Brennstoffström so geleitet und eingestellt werden, dass das Gasturbinensystem 10 eine sehr geringe Leistung und niedrige Emissionen erreichen kann. Ventile können beispielsweise so gesteuert werden, dass sie den Brennstoffström zu bestimmten Brennstoffeinspritzvorrichtungen und/oder zu bestimmten Brennkammern in dem Gasturbinensystem 10 so einstellen, dass niedrigere Leistungsstufen und Brennstoff-Luft-Verhältnisse die Folge sind, mit denen niedrige Emissionen erhalten bleiben. Die vorstehenden Ausführungsformen sind als Beispiele aufgeführt und sollen nicht einschränkend sein. Es können folglich gemäss der vorliegenden Offenbarung jede geeignete Anzahl und Anordnung von Ventilen zum Einstellen des Brennstoffstroms zu den verschiedenen Bauteilen (z.B. den Brennstoffdüsen und/oder den LLI) verwendet werden. Derartige Lastabsenkungsverfahren können auch ermöglichen, dass das Gasturbinensystem 10 schnell zur vollen Leistung zurückkehrt, wenn der Bedarf steigt. In einigen Ausführungsformen kann der Brennstoffström zudem so eingestellt werden, dass die Brennkammer derart abgeschaltet wird, dass die Wärmebeanspruchung der Bauteile entlang dem Heissgaspfad reduziert wird. Technische Wirkungen der vorliegend offenbarten Ausführungsformen umfassen, dass das Gasturbinensystem 10 in der Lage ist, unter Einhaltung von Emissionsgrenzwerten mit geringer Leistung betrieben zu werden. [0052] In dieser schriftlichen Beschreibung werden Beispiele verwendet, um die Erfindung, einschliesslich der besten Ausführungsform, zu offenbaren und auch um es einem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung anzuwenden, einschliesslich der Herstellung und Verwendung von Vorrichtungen oder Systemen und der Durchführung von darin enthaltenen Verfahren. Der patentierbare Geltungsbereich der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, an die der Fachmann denkt. Diese weiteren Beispiele sollen in den Geltungsbereich der Ansprüche fallen, wenn sie Strukturelemente aufweisen, die nicht vom genauen Wortlaut der Ansprüche abweichen oder wenn sie gleichwertige Strukturelemente mit unwesentlichen Unterschieden zum genauen Wortlaut der Ansprüche umfassen. [0053] Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Gasturbinensystem mit einer Vielzahl von Brennkammern, wobei eine erste Brennkammer eine oder mehrere Brennstoffdüsen und eine oder mehrere Brennstoffeinspritzvorrichtungen aufweist, die in Strömungsrichtung hinter den Brennstoffdüsen platziert sind. Die Gasturbine kann auch ein erstes Ventil aufweisen, das entlang einer Brennstoffzuleitung zwischen einem Brennstoffkreislauf und der ersten Brennkammer angeordnet ist, damit es einen ersten Brennstoffström zur ersten Brennkammer einstellt. Die Gasturbine kann auch ein zweites Ventil aufweisen, das entlang einer Brennstoffzuleitung zwischen dem ersten Ventil und mindestens einer von der einen oder den mehreren Brennstoffeinspritzvorrichtungen angeordnet ist, damit es einen zweiten Brennstoffström zu mindestens einer von der einen oder den mehreren Brennstoffeinspritzvorrichtungen einstellt. Patentansprüche 1. Gasturbinensystem, umfassend: eine Vielzahl von Brennkammern, die in Umfangsrichtung um eine Drehachse der Gasturbine angeordnet sind, wobei eine erste Brennkammer aus der Vielzahl von Brennkammern Folgendes umfasst: eine oder mehrere Brennstoffdüsen; eine oder mehrere Brennstoffeinspritzvorrichtungen, die ganz allgemein in Strömungsrichtung hinter der einen oder den mehreren Brennstoffdüsen platziert sind; ein erstes Ventil, das entlang einer Brennstoffzuleitung zwischen einem Brennstoffkreislauf und der ersten Brennkammer angeordnet ist, wobei das erste Ventil so ausgelegt ist, dass es einen ersten Brennstoffstrom zur ersten Brennkammer einstellt; und ein zweites Ventil, das entlang der Brennstoffzuleitung zwischen dem ersten Ventil und mindestens einer von der einen oder den mehreren Brennstoffeinspritzvorrichtungen angeordnet ist, wobei das zweite Ventil so ausgelegt ist, dass es einen zweiten Brennstoffström zu mindestens einer von der einen oder den mehreren Brennstoffeinspritzvorrichtungen einstellt. 10
2. 2. Gasturbinensystem nach Anspruch 1 , das eine zweite Brennkammer aus der Vielzahl von Brennkammern umfasst, wobei das erste Ventil so ausgelegt ist, dass es einen dritten Brennstoffström zur zweiten Brennkammer einstellt.
3. 3. Gasturbinensystem nach Anspruch 1 , das eine Steuerung umfasst, die so ausgelegt ist, dass sie das erste und zweite Ventil steuert.
4. 4. Gasturbinensystem nach Anspruch 1 , wobei die Vielzahl von Brennkammern in einer Vielzahl von Sektoren angeordnet ist, und wobei das erste Ventil so ausgelegt ist, dass es einen dritten Brennstoffström zu einem ersten Sektor der Vielzahl von Sektoren einstellt.
5. 5. Gasturbinensystem nach Anspruch 1 , wobei das zweite Ventil so ausgelegt ist, dass es den zweiten Brennstoffstrom zu der einen oder den mehreren Brennstoffeinspritzvorrichtungen reduziert, bevor das erste Ventil den ersten Brennstoffström zur Brennkammer reduziert.
6. 6. Gasturbinensystem nach Anspruch 1 , das einen Sensor umfasst, der so ausgelegt ist, dass er eine Eigenschaft eines Verbrennungsprozesses erfasst; und/oder wobei eine Steuerung so ausgelegt ist, dass sie das erste Ventil schliesst, wenn der Sensor erfasst, dass ein Durchfluss des zweiten Brennstoffs zu der einen oder den mehreren Brennstoffeinspritzvorrichtungen einen Durchfluss-Schwellenwert erreicht; und/oder wobei der Sensor so ausgelegt ist, dass er Emissionen überwacht, die von dem Gasturbinensystem erzeugt werden, und wobei das Gasturbinensystem so ausgelegt ist, dass es den ersten Brennstoffström oder den zweiten Brennstoffström einstellt, damit die erzeugten Emissionen unter einem Schwellenwert gehalten werden.
7. 7. Gasturbinensystem nach Anspruch 1 , das ein drittes Ventil umfasst, das so ausgelegt ist, dass es einen dritten Brennstoffström zu der einen oder den mehreren Brennstoffdüsen einstellt, ohne den zweiten Brennstoffstrom zu der einen oder den mehreren Brennstoffeinspritzvorrichtungen zu beeinflussen.
8. 8. Gasturbinensystem nach Anspruch 7, wobei das zweite Ventil so ausgelegt ist, dass es den zweiten Brennstoffstrom zu der einen oder den mehreren Brennstoffeinspritzvorrichtungen reduziert, bevor das dritte Ventil den dritten Brennstoffstrom zu der einen oder den mehreren Brennstoffdüsen reduziert.
9. 9. Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine, umfassend: Leiten von Brennstoff zu einer Vielzahl von Brennkammern unter Verwendung einer Steuerung, wobei jede Brennkammer aus der Vielzahl von Brennkammern Brennstoff über eine oder mehrere Brennstoffdüsen und eine oder mehrere Brennstoffeinspritzvorrichtungen erhält, wobei die eine oder mehreren Brennstoffdüsen nahe einem ersten Ende von jeder der Vielzahl von Brennkammern platziert sind und die eine oder mehreren Brennstoffeinspritzvorrichtungen nahe einem zweiten Ende von jeder der Vielzahl von Brennkammern platziert sind; Unterbrechen eines ersten Brennstoffstroms zu einer Untergruppe der Vielzahl von Brennkammern unter Verwendung der Steuerung und Einstellen eines zweiten Brennstoffstroms zu der einen oder den mehreren Brennstoffeinspritzvorrichtungen von mindestens einer aus der Vielzahl von Brennkammern, die sich nicht in der Untergruppe befindet, unter Verwendung der Steuerung.
10. 10. System, umfassend: Befehle, die auf einem nichtflüchtigen maschinenlesbaren Medium angeordnet sind, wobei die Befehle so ausgelegt sind, dass: Brennstoff zu einer Vielzahl von Brennkammern geleitet wird, wobei jede Brennkammer mit einer Vielzahl von Brennstoffdüsen gekoppelt ist, die nahe einem ersten Ende der Brennkammer platziert sind, und mit mindestens einer Brennstoffeinspritzvorrichtung, die nahe einem zweiten Ende der Brennkammer platziert ist, wobei sich das zweite Ende in Strömungsrichtung hinter dem ersten Ende befindet; ein erstes Ventil gesteuert wird, damit es einen ersten Brennstoffström zu einer Untergruppe der Vielzahl von Brennkammern unterbricht; und ein zweites Ventil gesteuert wird, damit es den zweiten Brennstoffström zu der mindestens einen Brennstoffeinspritzvorrichtung von mindestens einer aus der Vielzahl von Brennkammern einstellt, die kein Bestandteil der Untergruppe ist. 11