CH708626A2

CH708626A2 - Verfahren und System zum Betreiben eines Gasturbinen-Verbrennungs-Systems.

Info

Publication number: CH708626A2
Application number: CH01396/14A
Authority: CH
Inventors: Alston Ilford Scipio; Sanji Ekanayake; Dale J Davis; Jean-Marc Carré; William Mcentaggart
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2013-09-17
Filing date: 2014-09-16
Publication date: 2015-03-31
Also published as: US20150075170A1; DE102014112839A1; JP2015059571A

Abstract

Es werden ein Verfahren und ein System (200) zum Betreiben eines Gasturbinen-Verbrennungssystems durch Erzeugen eines Flammenvalidierungssignals (230) geschaffen. Es wird ein Satz von Modellparametern (215) berechnet, die erwartet werden, wenn eine Flamme in einer sekundären Verbrennungszone vorhanden ist. Es wird ein Satz von Gasturbinen-Messparametern gemessen. Es wird das Flammenvalidierungssignal (230) auf Basis des Satzes von Messparametern (225) und des Satzes von Modellparametern (215) erzeugt. Das System beinhaltet ein Untersystem (205), das einen Satz von Modellparametern (215) berechnet, die erwartet werden, wenn eine Flamme in der sekundären Verbrennungszone vorhanden ist; und ein Untersystem (221), das einen Satz von Messparametern (225) misst. Ein Untersystem (230) erzeugt ein Flammenvalidierungssignal (230) auf Basis des Satzes von Messparametern (225) und des Satzes von Modellparametern (215).

Description

Beschreibung

Allgemeiner Stand der Technik

[0001 ] Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind allgemein Verfahren und Systeme für die Flammendetektion in Gasturbinen, und genauer Verfahren und Systeme zur Erhöhung der Detektionssicherheit von sekundären Flammendetektoren in einer Gasturbine.

[0002] Gasturbinensysteme werden weitverbreitet in Feldern wie der Energieerzeugung eingesetzt. Ein herkömmliches Gasturbinensystem beinhaltet einen Verdichter, einen Brenner und eine. Turbine. In einem herkömmlichen Gasturbinensystem wird verdichtete Luft vom Verdichter zum Brenner geliefert. Die Luft, die in den Brenner eintritt, wird mit Brennstoff vermischt und verbrannt. Heisse Verbrennungsgase strömen aus dem Brenner zur Turbine, um das Gasturbinensystem anzutreiben und um Leistung zu erzeugen.

[0003] Seit einigen Jahren bestehen aufgrund von behördlichen Auflagen in Bezug auf niedrige Emissionen aus Gasturbinen strenge Beschränkungen für die Emission von Stickoxiden in Kraftwerksanlagen. Da die Auflagen für Emissionen aus Gasturbinensystemen immer strenger werden, besteht ein Ansatz zur Erfüllung dieser Auflagen darin, im Brenner magere Brennstoff-Luft-Mischungen in einem Vollvormischungsbetriebsmodus zu verwenden, um beispielsweise die NOx- und CO-Emissionen zu verringern. Diese Brenner werden in der Technik als trockene, NOx-arme (dry low NOx, DLN) Verbrennungssysteme bezeichnet. Diese Brenner beinhalten typischerweise mehrere primäre Düsen, die für einen Niederlast- und einen Mittellastbetrieb des Brenners gezündet werden. Während eines Vollvormischungsbetriebs liefern die primären Düsen Brennstoff, um eine sekundäre Flamme zu speisen. Die primären Düsen umgeben typischerweise eine sekundäre Düse, die für einen Mittellast- bis Vollvormischungsmodus eingesetzt wird.

[0004] DLN-Verbrennungssysteme nutzen typischerweise sowohl eine Vormischungs- oder primäre Zone als auch eine sekundäre Zone. Eine Verbrennung bei verringerten Temperaturen findet in der sekundären Zone als direktes Ergebnis der verbesserten Luft-Brennstoff-Mischung statt. Die Verbrennung findet bei Grundlast nur in der sekundären Zone statt, dann gemäss einem strikten Hoch- und Runterfahrplan in einer oder beiden Verbrennungszonen, um eine Beschädigung der Anlagen zu vermeiden.

[0005] Um das Vorhandensein einer Flamme in der richtigen Zone oder den richtigen Zonen steuern bzw. kontrollieren zu können, muss die Flamme in jeder Zone unabhängig erfasst werden. Typischerweise erfassen Flammensensoren das Vorhandensein von infraroten, sichtbaren oder ultravioletten Wellenlängen einer Flammenstrahlung oder irgendeiner Kombination daraus (im Folgenden manchmal mit dem Oberbegriff «Licht»-Strahlung bezeichnet), und melden dann das Vorhandensein an ein Steuersystem.

[0006] Bei manchen DLN-Systemen erfordert ein Übergang zwischen Verbrennungsmoden die Erkennung und und/oder Bestätigung der Flamme durch den sekundären Flammendetektor. In manchen Fällen kann es sein, dass diese Flammendetektoren Flammen aufgrund von Nebelbildung oder Schäden an der Optik übersehen. Wenn Flammen übersehen werden, kann dies während Last- und/ oder Modusänderungen und während nach dem Starten, beispielsweise nach einer Wasserwäsche, dazu führen, dass ein Übergang fehlschlägt. Fehlgeschlagene Übergänge führen zu Leistungsunterbrechungen, Abschaltungen und/oder fortgesetztem Teillastbetrieb.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0007] Die Offenbarung liefert eine Lösung für das Problem der Sicherheit von Flammendetektoren bei der Detektion einer Flamme-Aus-Bedingung in einer sekundären Verbrennungszone eines Gasturbinensystems und mildern «Fehlauslösungen».

[0008] Gemäss einem nicht-beschränkenden Ausführungsbeispiel betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Gasturbinensystems, das die folgenden Schritte beinhaltet: Berechnen eines Satzes von Modellparametern, die erwartet werden, wenn eine Flamme in der sekundären Verbrennungszone vorhanden ist, Messen eines Satzes von Messparametern und Erzeugen eines Flammenvalidierungssignals auf Basis des Satzes von Messparametern und des Satzes von Modellparametern.

[0009] In dem oben genannten Verfahren kann der Satz von Messparametern mindestens einen Messparameter umfassen, der ausgewählt ist aus der Gruppe, die Messungen von Verbrennungsdynamiküberwachungssonden, Turbinenabgastemperaturmessungen, Verdichterabgabedruckmessungen, Swirl-Chart-Logik und Gasdruckumformermessungen umfasst.

[0010] In dem Verfahren jeder der oben genannten Arten kann das Berechnen eines Modellparameters das Berechnen eines erwarteten Turbinendrehmoments beinhalten, wobei der Satz von Messparametern ein tatsächliches Turbinendrehmoment ist.

[0011 ] Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Berechnen des Satzes aus Modellparametern das Berechnen einer erwarteten Abgastemperatur umfassen, wobei der Messparameter eine tatsächliche Abgastemperatur ist.

2 [0012] Das Verfahren jeder der oben genannten Arten kann ferner umfassen: Versuchen, einen Modenübergang vorzunehmen; und Justieren eines sekundären Brennstoffventils, wenn das Flammenvalidierungssignal anzeigt, dass keine Flamme in der sekundären Verbrennungszone vorhanden ist.

[0013] Das Verfahren der oben genannten Art kann ferner umfassen: Bestimmen, ob das sekundäre Brennstoffventil mit einer vorgegebenen Häufigkeit justiert worden ist; und Stoppen weiterer Modenübergangsversuche, wenn das sekundäre Brennstoffventil mit der vorgegebenen Häufigkeit justiert worden ist.

[0014] Zusätzlich oder alternativ dazu kann ein Modenübergangsversuch den Versuch eines Übergangs von einem Mager-Mager-Betriebsmodus auf einen Vormischungsbetriebsmodus umfassen.

[0015] In dem Verfahren jeder der oben genannten Arten kann das Berechnen eines Satzes von Modellparametern das Berechnen eines Satzes von Modellparametern unter Verwendung eines adaptiven Echtzeit-Motorsimulationsmodells umfassen.

[0016] In einer anderen Ausführungsform wird ein Verfahren zum Betreiben eines Gasturbinenverbrennungssystems geschaffen. Das System beinhaltet ein Untersystem, das einen Satz von Modellparametern berechnet, die erwartet werden, wenn eine Flamme in der sekundären Verbrennungszone vorhanden ist. Das System beinhaltet ausserdem ein Untersystem, das einen Satz von Messparametern misst, und ein Untersystem, das ein Flammenvalidierungssignal auf Basis des Satzes von Messparametern und des Satzes von Modellparametern erzeugt.

[0017] In dem oben genannten System kann der Satz von Messparametern mindestens einen umfassen, der ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Messungen von Verbrennungsdynamik-Überwachungssonden, Turbinenabgastemperaturmessungen, Verdichterabgabedruckmessungen, Swirl-Chart-Logik und Gasdruckumformermessungen umfasst.

[0018] In dem System jeder der oben genannten Arten kann das Untersystem, das einen Modellparameter berechnet, ein Untersystem umfassen, das ein erwartetes Turbinendrehmoment berechnet, wobei das Untersystem, das einen Satz von Messparametern misst, ein Untersystem umfassen kann, das ein tatsächliches Turbinendrehmoment misst.

[0019] Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Untersystem, das einen Modellparameter berechnet, ein Untersystem umfassen, das eine erwartete Abgastemperatur berechnet, und wobei das Untersystem, das einen Satz von Messparametern misst, ein Untersystem umfasst, das eine tatsächliche Abgastemperatur misst.

[0020] Das System jeder der oben genannten Arten kann ferner umfassen: ein Untersystem, das einen Modenübergang versucht; und ein Untersystem, das ein sekundäres Brennstoffventil justiert, wenn das Flammenvalidierungssignal anzeigt, dass keine Flamme in der sekundären Verbrennungszone vorhanden ist.

[0021 ] Das System der oben genannten Art kann ferner umfassen: ein Untersystem, das bestimmt, ob das sekundäre Brennstoffventil mit einer vorgegebenen Häufigkeit justiert worden ist; und ein Untersystem, das weitere Modenübergangsversuche stoppt, wenn das sekundäre Brennstoffventil mit der vorgegebenen Häufigkeit justiert worden ist.

[0022] Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Untersystem, das einen Modenübergang versucht, ein Untersystem umfassen, das einen Übergang von einem Mager-Mager-Betriebsmodus auf einen Vormischungsbetriebsmodus versucht.

[0023] In dem System jeder der oben genannten Arten kann das Untersystem, das einen Satz von Modellparametern berechnet, ein Untersystem umfassen, das einen Satz von Modellparametern unter Verwendung eines adaptiven Echtzeit-Motorsimulationsmodells berechnet.

[0024] In einer anderen Ausführungsform wird ein System geschaffen, das einen Verdichter, einen Brenner mit einer sekundären Verbrennungszone und eine Turbine aufweist. Das System beinhaltet ein Untersystem, das einen Satz von Modellparametern berechnet, die erwartet werden, wenn eine Flamme in der sekundären Verbrennungszone vorhanden ist; und ein Untersystem, das einen Satz von Messparametern misst. Ein Untersystem, das ein Flammenvalidierungssignal auf Basis des Satzes von Messparametern und des Satzes von Modellparametern erzeugt, ist ebenfalls enthalten.

[0025] Das oben genannte System kann ferner eine mechanische Last umfassen, die mit der Turbine verbunden ist.

[0026] Zusätzlich oder alternativ dazu kann das System ferner einen Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator umfassen, der mit der Turbine verbunden ist.

[0027] Zusätzlich oder alternativ dazu kann das System ferner ein verteiltes Anlagensteuerungssystem umfassen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0028] Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlicheren Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform in Zusammenschau mit den begleitenden Zeichnungen ersichtlich, in denen anhand von Beispielen die Prinzipien bestimmter Aspekte der Erfindung dargestellt werden.

Fig. 1 ist ein Schema eines Gasturbinensystems.

Fig. 2 ist ein Blockschema, das ein System zum Erzeugen eines Flammendetektionssignals darstellt.

3 Fig. 3 ist ein Ablaufschema eines Beispielsverfahrens für die Detektierung einer Flamme in einer sekundären Verbrennungszone.

Fig. 4 ist ein Ablaufschema eines Beispielsverfahrens für die Detektierung einer Flamme in einer sekundären Verbrennungszone.

Fig. 5 ist ein Ablaufschema zum Überführen einer Gasturbine aus einem Mager-Mager-Betriebsmodus auf einen Vormischungsbetriebsmodus.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0029] Wie oben kurz beschrieben, umfassen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Systeme und Verfahren zum Betreiben eines Gasturbinensystems durch Erzeugen eines Flammenvalidierungssignals auf Basis des Vergleichens eines Satzes von Modellparametern mit einem Satz von Messparametern.

[0030] In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 eine vereinfachte schematische Abbildung einer Ausführungsform eines Gasturbinensystems 100. Generell kann das Gasturbinensystem 100 einen Verdichter 105, einen oder mehrere Brenner 1 10 und eine Turbine 1 15 beinhalten, welche antriebsmässig mit dem Verdichter 105 verbunden ist. Während des Betriebs des Gasturbinensystems 100 liefert der Verdichter 105 verdichtete Luft zum Brenner bzw. zu den Brennern 1 10. Die verdichtete Luft wird im Brenner bzw. in den Brennern 110 mit Brennstoff gemischt und verbrannt. Heisse Verbrennungsgase strömen aus dem Brenner bzw. den Brennern 1 10 zur Turbine 115, um die Turbine 1 15 zum Drehen zu bringen und Arbeit zu erzeugen, beispielsweise durch Antreiben eines Generators 120. Der bzw. die Brenner 1 10 können einen Einsatzbrenner mit einer Reihe einzelner Brennkammereinsätze (nicht dargestellt) umfassen, in dem Verbrennungsgase getrennt erzeugt und gemeinsam ausgetragen werden.

[0031 ] Ausserdem kann das Gasturbinensystem 100 einen Einlasskanal 125 beinhalten, der so gestaltet ist, dass er Aussenluft und gegebenenfalls eingespritztes Wasser in den Verdichter 105 speist. Der Einlasskanal 125 kann Kanäle, Filter, Siebe und/ oder geräuschabsorbierende Vorrichtungen aufweisen, die zu einem Druckverlust der Aussenluft führen, welche durch den Einlasskanal 125 und in eine oder mehrere Dralldrosseln 130 des Verdichters 105 strömt. Das Gasturbinensystem 100 kann ein Wärmerückgewinnungs-Dampferzeugersystem (HRSG 131 ) beinhalten. Das HRSG 131 ist ein Wärmerückgewinnungs-Wärmetauscher, der Wärme aus einem Heissgasstrom zurückgewinnt. Er produziert Dampf, der in einem Prozess (Kraft-Wärme-Kopplung) verwendet werden kann oder verwendet werden kann, um eine Dampfturbine (nicht dargestellt) anzutreiben.

[0032] Darüber hinaus kann das Gasturbinensystem 100 einen Auslasskanal 135 beinhalten, der so gestaltet ist, dass er Verbrennungsgase aus dem Auslass der Turbine 1 15 lenkt. Der Auslasskanal 135 kann geräuschabsorbierende Materialien und emissionsbegrenzende Vorrichtungen beinhalten. Darüber hinaus kann das Gasturbinensystem 100 auch eine Steuereinrichtung 140 beinhalten. Generell kann die Steuereinrichtung 140jede geeignete Verarbeitungseinheit umfassen (z.B. einen Computer oder eine andere Rechenvorrichtung), die in der Lage ist, zu funktionieren wie hierin beschrieben. Zum Beispiel kann die Steuereinrichtung 140 in mehreren Ausführungsformen ein SPEEDTRO-NIC™-Gasturbinensteuersystem der Firma General Electric umfassen. Die Steuereinrichtung 140 kann generell einen oder mehrere Prozessoren beinhalten, die Programme ausführen, beispielsweise computerlesbare Befehle, die im Speicher der Steuereinrichtung gespeichert sind, um den Betrieb des Gasturbinensystems 100 unter Verwendung der Sensoreingaben und von Befehlen von Bedienpersonal zu steuern. Zum Beispiel können die Programme, die von der Steuereinrichtung 140 ausgeführt werden, Planungsalgorithmen zum Regeln eines Brennstoffstroms zum Brenner bzw. zu den Brennern 1 10 beinhalten. Als weiteres Beispiel können die von der Steuereinrichtung 140 erzeugten Befehle bewirken, dass Stellglieder der Gasturbine beispielsweise Ventile zwischen der Brennstoffquelle und dem Brenner bzw. den Brennern 1 10 justieren, die den Strom, eine Brennstoffaufteilung und die Art des Brennstoffs, der zum Brenner bzw. den Brennern 1 10 strömt, regeln, den Winkel der Dralldrosseln 130 des Verdichters 105 anpassen und/oder andere Steuereinstellungen für das Gasturbinensystem 100 aktivieren.

[0033] Die Planungsalgorithmen können die Steuereinrichtung 140 in die Lage versetzen, beispielsweise die NOx- und CO-Emissionen im Turbinenabgas innerhalb bestimmter vordefinierter Emissionsgrenzen zu halten und die Brenntemperatur des Brenners innerhalb vordefinierter Temperaturgrenzen zu halten. Somit sollte klar sein, dass die Planungsalgorithmen verschiedene Betriebsparameter als Eingaben nutzen können. Die Steuereinrichtung 140 kann dann die Algorithmen anwenden, um einen Plan für das Gasturbinensystem 100 zu erstellen (z.B. eine gewünschte Drehzahl, um Lastanforderungen zu genügen, Turbinenabgastemperaturen und die Aufteilung des Brennstoffs auf die Brenner einzustellen), um Leistungsziele zu erreichen, und dabei die betrieblichen Grenzen des Gasturbinensystems 100 zu beachten.

[0034] Wie ebenfalls in Fig. 1 dargestellt ist, kann das Steuersystem 145 so gestaltet sein, dass es den Brennstoffström von einer Brennstoffquelle zum Brenner bzw. den Brennern 1 10, die Aufteilung zwischen dem Brennstoff, der in die primären und sekundären Brennstoffdüsen strömt, und/oder die Brennstoffmenge, die mit sekundärer Luft gemischt wird, welche in die Brennkammer des Brenners bzw. der Brenner 110 strömt, regelt. Das Brennstoffsteuersystem 145 kann auch dafür ausgelegt sein, die Art des Brennstoffs für den bzw. die Brenner 1 10 auszuwählen. Man beachte, dass das

4 Brennstoffsteuersystem 145 als separate Einheit gestaltet sein kann oder eine Komponente der Steuereinrichtung 140 umfassen kann.

[0035] Ausserdem kann der Betrieb des Gasturbinensystems 100 in manchen Ausführungsformen von mehreren Sensoren 150 überwacht werden, die verschiedene Betriebsparameter des Gasturbinensystems 100, des Generators 120 und/oder der Aussenumgebung überwachen. In vielen Fällen können mehrere Sensoren 150 genutzt werden, um die gleichen Betriebsparameter zu messen. Zum Beispiel können mehrere Sensoren 150 (redundante Temperatursensoren) die Aussenlufttemperatur, die Verdichtereinlasstemperatur, die Verdichterabgabetemperatur, die Turbinenabgastemperatur, die Brennstofftemperatur und/oder andere Temperaturen der Fluide überwachen, welche durch das Gasturbinensystem 100 strömen. Ebenso können mehrere Sensoren (redundante Drucksensoren) einen Aussenluftdruck und statische und dynamische Druckpegel am Verdichtereinlass und -auslass, am Turbinenauslass und an anderen Stellen überwachen, an denen Fluide durch das Gasturbinensystem 100 strömen. Darüber hinaus können die mehreren Sensoren 150 redundante Feuchtigkeitssensoren (z.B. Feucht- und Trockenthermometer) zum Messen der spezifischen Luftfeuchtigkeit der Umgebung innerhalb des Einlasskanals 125 des Verdichters 105 beinhalten. Ferner können die mehreren Sensoren 150 auch Durchflusssensoren (z.B. Brennstoffgeber, Luftmengenmesser, Einlaufwärmeabzapfungsstromsensoren, andere Massenstromsensoren und/oder dergleichen), Drehzahlsensoren (z.B. Turbinenwellendrehzahlsensoren), Flammendetektorsensoren, Ventilpositionssensoren, Leitschaufelwinkelsensoren und/oder dergleichen umfassen, die verschiedene andere Parameter abfühlen, die relevant sind für den Betrieb des Gasturbinensystems 100.

[0036] Wie oben angegeben, können in mehreren Ausführungsformen des vorliegenden Gegenstands einer oder mehrere Betriebsparameter des Verdichters 105 (z.B. der Verdichtermassenstrom, das Verdichterdruckverhältnis und/oder dergleichen) von der Steuereinrichtung 140 überwacht werden. Somit können mehrere Sensoren 150 an verschiedenen Stellen innerhalb des Verdichters 105 oder in dessen Nähe angeordnet sein, um die Überwachung dieser Betriebsparameter zu ermöglichen. Zum Beispiel können die mehreren Sensoren 150 einen oder mehrere Drucksensoren beinhalten, die innerhalb des Verdichtereinlasses und des Verdichterauslasses und/oder in deren Nähe angeordnet sind, um die Überwachung des Verdichterdruckverhältnisses zu ermöglichen. Zum Beispiel können die mehreren Sensoren 150 einen oder mehrere Durchflusssensoren beinhalten, die innerhalb des Verdichters 105 und/oder in dessen Nähe angeordnet sind, um die Überwachung des Massenstroms durch den Verdichter 105 zu ermöglichen.

[0037] Man beachte, dass der Begriff «Parameter», wie er hierin verwendet wird, Gegebenheiten bezeichnen kann, die verwendet werden können, um die Betriebsbedingungen des Gasturbinensystems 100, beispielsweise Temperaturen, Drücke, Luftströme, Gasströme, Gaskonzentrationen, Turbinendrehzahlen, Feuchtigkeit und dergleichen, an definierten Stellen im Gasturbinensystem 100 zu definieren. Einige Parameter können gemessen werden (z.B. unter Verwendung von Sensoren 150) und können somit direkt in Erfahrung gebracht werden. Andere Parameter können unter Verwendung des Gasturbinenmodells bestimmt oder modelliert werden und können somit indirekt in Erfahrung gebracht werden. Die gemessenen und/oder modellierten Parameter können allgemein verwendet werden, um einen bestimmten Turbinenbetriebszustand darzustellen.

[0038] Heutige Gasturbinenverbrennungssysteme, die stickstoffarme Emissionen produzieren, verwenden typischerweise sowohl eine Vormischungs- oder primäre Zone als auch eine sekundäre Zone, wo eine Verbrennung bei einer erniedrigten Temperatur als direktes Ergebnis der verbesserten Luft-Brennstoff-Mischung stattfindet. Die Verbrennung findet bei Grundlast nur in der sekundären Zone statt, dann gemäss einem strikten Hoch- und Runterfahrplan in einer oder beiden Verbrennungszonen, um eine Beschädigung der Anlagen zu vermeiden. Um das Vorhandensein einer Flamme in der richtigen Zone oder den richtigen Zonen kontrollieren bzw. steuern zu können, muss die Flamme in jeder Zone unabhängig erfasst werden. Um die Flamme in der primären und sekundären Verbrennungszone abzufühlen, kann der bzw. können die Brenner 1 10 mit einem primären Flammendetektionssensor 155 und einem sekundären Flammendetektionssensor 160 versehen sein. Typischerweise erfassen der primäre Flammendetektionssensor 155 und der sekundäre Flammendetektionssensor 160 Vorhandensein einer Lichtstrahlung kontinuierlich und melden dann das Vorhandensein an ein Steuersystem, das dann sofort reagiert, wenn die Flamme unzulässigerweise in irgendeiner der Verbrennungszonen erscheint. Der primäre Flammendetektionssensor 155 und der sekundäre Flammendetektionssensor 160 müssen physisch in einem gewissen Abstand von der starken Wärme angeordnet sein, die von den Brennkammern erzeugt wird, und trotzdem eine hohe Empfindlichkeit für die erzeugte Strahlung behalten.

[0039] In Fig. 2 ist ein Blockschema dargestellt, bei dem es sich um ein High-Level-Diagramm eines Systems zum Erzeugen eines Flammendetektionssignals (SGFDS) 200 handelt. Das SGFDS 200 beinhaltet ein Modellierungsuntersystem 205, das einen Satz von Modellparametern berechnet, die erwartet werden, wenn eine Flamme in der sekundären Verbrennungszone vorhanden ist. Das Modellierungsuntersystem 205 kann ein adaptives Echtzeit-Motorsimulation (ARES)Modell umfassen, das so gestaltet ist, dass es elektronisch, in Echtzeit, mehrere Betriebsparameter des Gasturbinensystems 100 modelliert. Wie in Fig. 1 dargestellt ist, weist das Gasturbinensystem 100 einen Satz von beobachtbaren Parametern auf, die hierin als ARES-Eingaben 210 bezeichnet werden. Die ARES-Eingaben 210 können von Sensoren 150 direkt gemessen werden und können (ohne darauf beschränkt zu sein) folgendes beinhalten: Umgebungsbedingungen, beispielsweise den Aussenluftdruck (PAMB) und die Aussenlufttemperatur (TAMB), ein Einlassdruckdifferential (DPinlet) (d.h. den Druckunterschied zwischen dem Aussenluftdruck und dem Druck der Luft, die den Einlasskanal 125 verlässt und in den Verdichter 105 eintritt), ein Auslassdruckdifferential (DP-exhaust) (d.h. den Druckunterschied zwischen dem Aussenluftdruck und dem Druck der Abgase, die durch den Auslasskanal 135 strömen), die spezifische Feuchtigkeit der

5 Aussenluft (SPHUM), die Verdichtereinlasstemperatur (CTIM), den Winkel der Dralldrosseln 130 (IGV), den Einlaufwärmeabzapfungsstrom (IBH) (d.h. den Prozentanteil des Verdichterdurchsatzes, der zum Verdichtereinlass umgelenkt wird), die Strömungsrate des Brennstoffs, der zum Brenner bzw. zu den Brennern 110 geliefert wird (W-FUEL), die Temperatur des Brennstoffs (T-FUEL), die Drehzahl der Turbinenwelle (SPEED), die wirksame Fläche der Düse der ersten Stufe der Turbine 1 15 (S1 NA), den Leistungsfaktor des Generators 120 (PFACT) und andere.

[0040] Die aufgelisteten ARES-Eingaben 210 sind nur beispielhaft und sollen lediglich ein Beispiel für abgefühlte Eingaben erläutern, die aufgenommen werden können. Somit sei klargestellt, dass die spezifischen ARES-Eingaben 210 des Modellierungsuntersystems 205 abhängig von beispielsweise der Art der verwendeten Steuereinrichtung 140, dem spezifischen verwendeten Modellierungsuntersystem 205 und/oder den Sensoren 150, die an einer bestimmten Gasturbineninstallation verfügbar sind, variieren können. Anders ausgedrückt sei ausserdem klargestellt, dass der Begriff «ARES» nicht impliziert oder verlangt, dass jeder einzelne der oben beschriebenen Messparameter in das hierin offenbarte Gasturbinenmodell eingegeben werden muss oder jedes dieser Modellierungsuntersysteme 205 diese Eingaben haben muss. So können die ARES-Eingaben 210 auch nur einige von den oben beschriebenen Messparametern beinhalten und/oder sie können andere gemessene Betriebsparameter des Gasturbinensystems 100 beinhalten. Der Begriff ARES-Eingaben 210 zeigt lediglich an, dass diese Eingaben für die jeweilige Ausführungsform des hierin offenbarten Modellierungsuntersystems 205 aus Messungen der tatsächlichen Turbinenbedingungen genommen werden können und als Eingaben auf das Modellierungsuntersystem 205 angewendet werden können.

[0041 ] Wie in Fig. 2 dargestellt ist, können die ARES-Eingaben 210 vom Modellierungsuntersystem 205 angewendet werden, um modellierte Ausgabewerte 215 zu erzeugen, die den vorausgesagten Betriebsparametern des Gasturbinensystems 100 entsprechen. Zum Beispiel können modellierte Ausgabewerte eine modellierte Turbinenabgastemperatur (TTXMmod), einen modellierten Verdichterabgabedruck (CPDmod), ein modelliertes erwartetes Turbinendrehmoment (xmod) und anderes beinhalten. Die modellierten Ausgabewerte 215 können auf Basis der Annahme berechnet werden, dass eine Flamme in der sekundären Verbrennungszone vorhanden ist. Die modellierten Ausgabewerte 215 werden als Eingaben auf ein Flammendetektions-Logikmodul 220 angewendet. Das SGFDS 200 beinhalten auch ein Messungsuntersystem 221 , das Messungseingaben 225 misst und ausgibt. Messungseingaben 225 können Messungen von Verbrennungsdynamiküberwachungssonden (CDM), Turbinenabgastemperaturen (TTXM), Brennstoffhubbezugsbefehle (FSR), Verdichterabgabedruck (CPD), Swirl-Chart-Logik und Messungen von Gasdruckumformern (FPG2) und anderes beinhalten. Das Flammendetektions-Logikmodul 220 erzeugt ein Flammenvalidierungssignal 230 auf Basis der Messparameter und der Modellparameter. Das Flammenvalidierungssignal 230 zeigt an, ob die Flamme an oder aus ist.

[0042] In Fig. 3 ist ein Ablaufschema eines Beispielsverfahrens 300 für die Erzeugung eines Flammendetektionssignals in einer sekundären Verbrennungszone dargestellt.

[0043] In diesem Beispiel modelliert das Verfahren 300 in Schritt 305 das Turbinendrehmoment und gibt einen modellierten Turbinendrehmomentwert TTm aus. Der modellierte Turbinendrehmomentwert wird vom Modellierungsuntersystem 205 unter Verwendung von ARES-Eingaben 210 modelliert.

[0044] In Schritt 310 misst das Verfahren 300 das tatsächliche Turbinendrehmoment (TTa). Das tatsächliche Turbinendrehmoment TTa kann aus Messungen von Stromwandlern (CT) und Spannungswandlern (PT), die mit dem Generator 120 assoziiert sind, abgeleitet werden. Verdichterwellenbeschleunigungsmessungen (TNHA) können verwendet werden, um die Wattleistung während Netztransienten unter Verwendung eines auf TNHA basierenden Transiententrägheitsmodells zu korrigieren.

[0045] In Schritt 315 bestimmt das Verfahren 300, ob der Unterschied zwischen dem modellierten Turbinendrehmoment TTm und dem tatsächlichen Turbinendrehmoment TTa grösser ist als oder gleich gross ist wie ein vorgegebener Grenzwert.

[0046] Wenn der Unterschied zwischen dem modellierten Turbinendrehmoment und dem tatsächlichen Turbinendrehmoment grösser ist als oder gleich gross ist wie der vorgegebene Grenzwert, geht das Verfahren zum nächsten Schritt 320 weiter, der ein Flammenabrisssignal erzeugt. Wenn der Unterschied zwischen dem modellierten Turbinendrehmoment und dem tatsächlichen Turbinendrehmoment dagegen kleiner ist als der vorgegebene Grenzwert, geht das Verfahren zum nächsten Schritt 325 weiter, der ein Flamme-Ein-Signal erzeugt.

[0047] In Fig. 4 ist ein Ablaufschema eines Beispielsverfahrens 400 für die Erzeugung eines Flammendetektionssignals in einer sekundären Verbrennungszone dargestellt.

[0048] In Schritt 405 modelliert das Verfahren 400 die erwartete Abgastemperatur TTXMm auf Basis eines nicht stattfindenden Brennstoffverbrauchs. Das Modellieren der erwarteten Abgastemperatur TTXMm wird unter Verwendung der ARES-Eingaben 210 und des Modellierungsuntersystems 205 durchgeführt.

[0049] In Schritt 410 misst das Verfahren 400 die tatsächliche Turbinenabgastemperatur TTXMa.

[0050] In Schritt 415 bestimmt das Verfahren 400, ob der Unterschied zwischen der modellierten Abgastemperatur TTXMm und der tatsächlichen Abgastemperatur TTXMa grösser ist als oder gleich gross ist wie ein vorgegebener Grenzwert. Dieser Schritt kann im Flammendetektions-Logikmodul 220 stattfinden.

[0051 ] Wenn der Unterschied zwischen der modellierten Abgastemperatur TTXMm und der tatsächlichen Abgastemperatur TTXMa grösser ist als oder gleich gross ist wie der vorgegebene Grenzwert, geht das Verfahren zum nächsten Schritt

6 420 weiter, der ein Flammenabrisssignal erzeugt. Wenn der Unterschied zwischen der modellierten Abgastemperatur TTXMm und der tatsächlichen Abgastemperatur TTXMa dagegen kleiner ist als der vorgegebene Grenzwert, geht das Verfahren zum nächsten Schritt 425 weiter, der ein Flamme-Ein-Signal erzeugt.

[0052] Ändere modellierte und tatsächliche Parameter können verwendet werden, um ein Flammenvalidierungssignal 230 zu erzeugen oder um einen Flammenabriss anzuzeigen.

[0053] Zum Beispiel können mehrere Differentialdruckmesswandler einem Verbrennungsdynamiküberwachungssystem hinzugefügt werden. Man kann den Brennkammerdruck im Brenner bzw. in den Brennern 1 10 in Bezug auf einen Verdichterabgabedruck messen. Wenn der gemessene Differentialdruck nicht höher ist als der kleinste auf Basis der Last erwartete minimale Druck, kann man davon ausgehen, dass die Brennkammer keine Flamme aufweist.

[0054] Eine andere Möglichkeit zum Anzeigen eines Flammenabrisssignals besteht darin, einen modellbasierten Wert einer Wirkleistung, der vom Modellierungsuntersystem 205 abgeleitet wird, mit einer sensorbasierten Wirkleistung zu vergleichen. Die sensorbasierte Wirkleistung kann von einem Hochgeschwindigkeits-PGEN-Board (einer Dampfturbinenlastfreiheitsausgleichs-Steuereinrichtung, die für eine Lastungleichgewichtsfunktion in grossen Dampfturbinen verwendet wird) abgeleitet werden. Wenn die sensorbasierte Wirkleistung kleiner ist als der modellbasierte Wert der Wirkleistung, kann das System ein Flammenabrisssignal erzeugen.

[0055] Die hierin beschriebene Flammendetektionsmethodik kann verwendet werden, um eine Flamme während eines Hochfahrens als Vorbedingung für eine Fortsetzung des Hochfahrprozesses zu detektieren. Man kann den Temperaturunterschied zwischen der Verdichterabgabetemperatur (CTD) und der Verbrennungsbezugstemperatur (C_CRT), bei der es sich um einen etablierten Bezugswert handelt, verwenden. Standard-Durchsatzalgorithmen können verwendet werden, um die Restwärme zu berücksichtigen, die im Heissgasweg gespeichert wird. Spreizungsalgorithmen (auf einer höheren Stufe) können verwendet werden, um Szenarios gerecht zu werden, wo mehrere Brennkammern keine Flamme aufweisen.

[0056] In einem anderen Beispiel kann man einen Spreizungsalgorithmus verwenden, um ein begrenztes Fehlen von Flammen zu detektieren. Man kann auch eine Verdichterabgabetemperatur für einen Abgastemperaturalgorithmus mit Durchflusskompensation verwenden, um ein Fehlen von Flammen im grossen Umfang zu detektieren.,

[0057] In Fig. 5 ist ein Ablaufschema eines Verfahrens 500 zum Überführen einer Gasturbine aus einem Mager-MagerBetriebsmodus auf einen Vormischungsbetriebsmodus dargestellt.

[0058] In Schritt 505 setzt das Verfahren 500 einen Zähler oder Timer auf null.

[0059] In Schritt 510 versucht das Verfahren 500 einen Übergang auf einen Vormischungsmodus.

[0060] In Schritt 515 justiert das Verfahren 500 das sekundäre Brennstoffdurchsatzventil.

[0061 ] In Schritt 520 bestimmt das Verfahren, ob eine Flamme detektiert worden ist. Die Indikation einer Flammendetektion basiert auf dem Betrieb eines Flammendetektions-Logikmoduls 220, das die modellierten Ausgabewerte 215 mit den gemessenen Eingaben 225 vergleicht und das Flammenvalidierungssignal 230 ausgibt.

[0062] Wenn eine Flamme detektiert wird, überführt das Verfahren 500 die Gasturbine in Schritt 525 in einen Vormischungsbetriebsmodus.

[0063] In Schritt 530 setzt das Verfahren 500 den Gasturbinenbetrieb im Vormischungsbetriebsmodus fort.

[0064] Wenn keine Flamme erfasst worden ist, addiert das Verfahren 500 in Schritt 535 ein Inkrement zum Zähler oder Timer N, so dass N=N+1.

[0065] In Schritt 540 bestimmt das Verfahren 500, ob der Zähler unter einem etablierten Schwellenwert liegt (z.B. N 3).

[0066] Wenn der Zähler unter dem etablierten Schwellenwert liegt, justiert das Verfahren 500 das sekundäre Ventil (Schritt 515) und prüft erneut, um zu bestimmen, ob eine Flamme vorhanden ist. Wenn der Zähler den vorgegebenen Schwellenwert überschreitet (z.B. N=4), dann alarmiert das Verfahren 500 in Schritt 545 die Bedienperson, damit diese eine Entscheidung trifft, während das Gasturbinensystem 100 immer noch im Mager-Mager-Modus gehalten wird.

[0067] Eine Flammendetektion kann verwendet werden, um einen totalen Flammenabriss während des Betriebs zu detektieren, um der Möglichkeit gerecht zu werden, dass die Flammen in sämtlichen Brennern gleichzeitig ausgehen und keine hohe Abgasspreizung zu erkennen ist. Ausserdem kann die Flammendetektionsmethodik verwendet werden, um einen Flamme-Ein-Zustand während eines Hochfahrens als Vorbedingung für eine Fortsetzung des Hochfahrprozesses zu detektieren. Die Flammendetektion kann auch verwendet werden, um eine Flamme-Aus-Bedingung während eines Herunterfahrens zu detektieren, um den Punkt zu bestimmen, an dem ein Schliessen der Ventile erforderlich ist.

[0068] Wo die Definition von Begriffen von der herkömmlichen Verwendung des Begriffes abweicht, beabsichtigen die Anmelder, die nachstehend angegebenen Definitionen zu verwenden, solange nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist.

[0069] Die hierin verwendete Terminologie dient lediglich der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und soll die Erfindung nicht beschränken. Wo die Definition von Begriffen von der herkömmlichen Verwendung des Begriffes abweicht, beabsichtigen die Anmelder, die hierin angegebenen Definitionen zu verwenden, solange nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist. Die Singularformen «einer, eine, eines» und «der, die, das» sollen die Pluralformen einschliessen, wenn

7 der Kontext nicht ausdrücklich etwas anderes angibt. Es sei klargestellt, dass die Begriffe erster, zweiter, usw. verwendet werden können, um verschiedene Elemente zu beschreiben, dass diese Elemente aber durch diese Begriffe nicht beschränkt werden sollen. Diese Begriffe werden nur verwendet, um ein Element vom anderen zu unterscheiden. Der Begriff «und/oder» beinhaltet ausnahmslos jede Kombination aus einer oder mehreren der zugehörigen gelisteten Gegenstände. Die Ausdrücke «verkoppelt mit» und «verbunden mit» umfassen eine direkte oder eine indirekte Verbindung.

[0070] Diese Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschliesslich der besten Weise zu ihrer Ausführung, zu beschreiben und um den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, wozu auch die Herstellung und Verwendung von Vorrichtungen und Systemen und die Ausführung enthaltener Verfahren gehören. Der schutzwürdige Bereich der Erfindung wird von den Ansprüchen definiert und kann andere Beispiele einschliessen, die für den Fachmann naheliegend sein mögen. Diese anderen Beispiele sollen im Bereich der Ansprüche liegen, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich vom Wortlaut der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie gleichwertige strukturelle Elemente aufweisen.

[0071 ] Es werden Systeme und Verfahren zum Betreiben eines Gasturbinen-Verbrennungssystems durch Erzeugen eines Flammendetektionssignals geschaffen. Es wird ein Satz von Modellparametern berechnet, die erwartet werden, wenn eine Flamme in einer sekundären Verbrennungszone vorhanden ist. Es wird ein Satz von Gasturbinen-Messparametern gemessen. Es wird ein Flammenvalidierungssignal auf Basis des Satzes von Messparametern und des Satzes von Modellparametern erzeugt. Die Systeme beinhalten ein Untersystem, das einen Satz von Modellparametern berechnet, die erwartet werden, wenn eine Flamme in der sekundären Verbrennungszone vorhanden ist; und ein Untersystem, das einen Satz von Messparametern misst. Ein Untersystem erzeugt ein Flammenvalidierungssignal auf Basis des Satzes von Messparametern und des Satzes von Modellparametern.

Bezugszeichenliste

[0072]

100 Gasturbinensystem (23)

105 Verdichter (12)

1 15 Turbine (6)

120 Generator (4)

125 Einlasskanal (7)

130 Dralldrosseln (3)

131 hrsg (2)

135 Auslasskanal (5)

140 Steuereinheit (1 1)

145 Brennstoffsteuersystem (3)

150 Sensoren

155 primärer Flammendetektionssensor (2)

160 sekundärer Flammendetektionssensor (2)

200 sgfds (2)

205 Modellierungsuntersystem (10)

210 Eingaben (9)

215 modellierte Ausgabewerte (4)

220 Flammendetektions-Logikmodul (4)

221 Messungsuntersystem 225 gemessene Eingaben (3)

230 Flammenvalidierungssignal (2)

300 Verfahren zum Erzeugen eines Flammendetektionssignals in einer sekundären Verbrennungszone

8

Claims

305 Schritt - modelliert das Turbinendrehmoment und gibt einen modellierten Turbinendrehmomentwert TT m aus 310 Schritt - misst das tatsächliche Turbinendrehmoment 315 Schritt - bestimmt, ob der Unterschied zwischen dem modellierten Turbinendrehmoment TTm und dem tatsächlichen Turbinendrehmoment TTa grösser ist als oder gleich gross ist wie ein vorgegebener Schwellenwert 320 Schritt - erzeugt ein Flammenabrisssignal 325 Schritt - erzeugt ein Flamme-Ein-Signal 400 Verfahren - zum Erzeugen eines Flammendetektionssignals in einer sekundären Verbrennungszone 405 Schritt - modelliert die erwartete Abgastemperatur auf Basis eines nicht stattfindenden Brennstoffverbrauchs 410 Schritt - misst die tatsächliche Turbinenabgastemperatur 415 Schritt - bestimmt, ob der Unterschied zwischen der modellierten Turbinenabgastemperatur und der tatsächlichen Turbinenabgastemperatur grösser ist als oder gleich gross ist wie ein vorgegebener Schwellenwert 420 Schritt - erzeugt ein Flammenabrisssignal 425 Schritt - erzeugt ein Flamme-Ein-Signal 500 Verfahren zum Überführen einer Gasturbine aus einem Mager-Mager-Betriebsmodus auf einen Vormischungsbetriebsmodus. 505 Schritt - stellt einen Zähler oder Timer auf null 510 Schritt - versucht einen Übergang auf einen Vormischungsmodus 515 Schritt - justiert das sekundäre Brennstoffdurchsatzventil 520 Schritt - bestimmt, ob eine Flamme detektiert worden ist. 525 Schritt - überführt die Gasturbine in einen Vormischungsbetriebsmodus 530 Schritt - setzt den Gasturbinenbetrieb im Vormischungsbetriebsmodus fort 535 Schritt - addiert ein Inkrement zum Zähler oder Timer 540 Schritt - bestimmt, ob der Zähler unter einem etablierten Schwellenwert liegt 545 Schritt - alarmiert die Bedienperson, damit diese eine Entscheidung trifft Patentansprüche 1. Verfahren zum Betreiben eines Gasturbinen-Verbrennungssystems, umfassend: Berechnen eines Satzes von Modellparametern, die erwartet werden, wenn eine Flamme in einer sekundären Verbrennungszone vorhanden ist; Messen eines Satzes von Messparametern; und Erzeugen eines Flammenvalidierungssignals auf Basis des Satzes von Messparametern und des Satzes von Modellparametern. 2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der Satz von Messparametern mindestens einen umfasst der ausgewählt ist aus der Gruppe, die Messungen von Verbrennungsdynamiküberwachungssonden, Turbinenabgastemperaturmessungen, Verdichterabgabedruckmessungen, Swirl-Chart-Logik und Gasdruckmessumformermessungen umfasst. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Berechnen eines Modellparameters das Berechnen eines erwarteten Turbinendrehmoments beinhalten, und wobei der Satz von Messparametern ein tatsächliches Turbinendrehmoment ist; und/oder wobei das Berechnen des Satzes aus Modellparametern das Berechnen einer erwarteten Abgastemperatur umfasst, und wobei der Messparameter eine tatsächliche Abgastemperatur ist. 4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend: einen Modenübergangsversuch; und Justieren eines sekundären Brennstoffventils, wenn das Flammenvalidierungssignal anzeigt, dass in der sekundären Verbrennungszone keine Flamme vorhanden ist. 5. Verfahren nach Anspruch 4, ferner umfassend: 9 Bestimmen, ob das sekundäre Brennstoffventil mit einer vorgegebenen Häufigkeit justiert worden ist; und Stoppen weiterer Modenübergangsversuche, wenn das sekundäre Brennstoffventil mit der vorgegebenen Häufigkeit justiert worden ist. 6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Versuch eines Modenübergangs den Versuch eines Übergangs von einem Mager-Mager-Betriebsmodus auf einen Vormischungsbetriebsmodus umfasst. 7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Berechnen eines Satzes von Modellparametern das Berechnen eines Satzes von Modellparametern unter Verwendung eines adaptiven Echtzeit-Motorsimulationsmodells umfasst. 8. System zum Betreiben eines Gasturbinen-Verbrennungssystems, umfassend: ein Untersystem, das einen Satz von Modellparametern berechnet, die erwartet werden, wenn eine Flamme in einer sekundären Verbrennungszone vorhanden ist; ein Untersystem, das einen Satz von Messparametern misst; und ein Untersystem, das ein Flammenvalidierungssignal auf Basis des Satzes von Messparametern und des Satzes von Modellparametern erzeugt. 9. System nach Anspruch 8, ferner Untersysteme umfassend, die so angeordnet sind, dass sie die Schritte nach einem der Ansprüche 2 bis 7 durchführen. 10. System, umfassend: einen Verdichter; einen Brenner mit einer sekundären Verbrennungszone; eine Turbine; ein Untersystem, das ein Flammenvalidierungssignal auf Basis eines Satzes von Messparametern und eines Satzes von Modellparametern erzeugt. 10