DE10142514A1

DE10142514A1 - Gasturbinensystem

Info

Publication number: DE10142514A1
Application number: DE10142514A
Authority: DE
Inventors: Masayuki Tobo; Haruo Oguchi; Hajime Yasui; Akira Hasegawa
Original assignee: Toshiba Engineering Corp; Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Plant Systems and Services Corp
Priority date: 2000-08-30
Filing date: 2001-08-30
Publication date: 2002-06-13
Anticipated expiration: 2021-08-31
Also published as: DE10142514B4; FR2813342B1; US20020029557A1; JP2002070584A; US6530207B2; FR2813342A1

Abstract

Ein Gasturbinensystem enthält eine Alarmsignalberechnungsschaltung (40), eine Abschaltberechnungsschaltung (41) und eine Flammenrückschlagfehlersignalverhinderungsberechnungsschaltung (42). Die Alarmsignalberechnungsschaltung, die Abschaltberechnungsschaltung und die Flammenrückschlagfehlersignalverhinderungsberechnungsschaltung sind in eine Verbrennungsüberwachungsvorrichtung (29) zum Überwachen des Verbrennungszustandes in einem Gasturbinenbrenner (16) integriert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinensystem, das Überwachen des Auftretens eines Flammenrückschlags von Verbrennungsgas auf der Basis von NO_x Konzentrationsdaten des Verbrennungsgases erlaubt.

Ein Kombinationszyklusenergieerzeugungssystem hat charakteristische Eigenschaften, wie einen verbesserten thermischen Kraftwerkswirkungsgrad, eine verminderte Start-Stoppzeitdauer, verminderte Mengen an heißen abge henden Strömungen und ähnliches, was hoch bewertet wird. Das Kombinati onszyklusenergieerzeugungssystem ist in jüngerer Zeit zu einer der führenden Hauptentwicklungsrichtungen der neuesten thermischen Kraftwerke gewor den.

Das Kombinationszyklusenergieerzeugungssystem ist aus einem Gas turbinensystem, einer Dampfturbinenanlage und einem Wärmerückgewin nungsdampfgenerator in Tandemanordnung oder Einwellenanordnung zu sammengesetzt, so dass die Verwendung von Abgas aus dem Gasturbinensy stem als Wärmequelle für den Wärmerückgewinnungsdampfgenerator be wirkt, dass der Kessel Dampf erzeugt und der so erzeugte Dampf dem Dampfturbinensystem zur Erzeugung von Leistung zugeführt wird. Das Ab gas (Abgaswärme) aus der Gasturbinensystem kann durchgehend verwendet werden, was zu einem bemerkenswert hohen thermischen Wirkungsgrad der Anlage im Vergleich mit dem Gasturbinensystem allein oder dem Dampftur binensystem allein führt.

In jüngerer Zeit wurde ein Gasturbinenbrenner für den Einbau in das Kombinationszyklusenergieerzeugungssystem mit einem hohen thermischen Anlagenwirkungsgrad im Hinblick auf die Verhinderung von Umweltver schmutzungen neu bewertet. Eine solche Neubewertung wurde mit einem Auge auf die Überwachung des Verbrennungszustandes des Verbrennungsga ses und eine Verminderung der NO_x Konzentration gemacht.

Die früheren technischen Maßnahmen, das heißt die Überwachung des Verbrennungszustandes des Verbrennungsgases wurden herkömmlich vorge schlagen. Eine dieser Maßnahme ist in der japanischen, offen gelegten Pa tentveröffentlichung Nr. SHO 53-82909 beschrieben.

Ein solcher Stand der Technik, der ein Gasturbinensystem alleine bei spielhaft darstellt, ist in Fig. 6 gezeigt. Im Stand der Technik wird die Tempe ratur des Abgases aus einer Abgasleitung 2 einer Gasturbine 1 mittels einer Mehrzahl von Thermoelementen 3 erfasst. Eine Zwischentemperatur (das heißt eine mittlere Temperatur) wird aus den erfassten Temperaturen berech net. Zwischen der Zwischentemperatur und den einzelnen tatsächlich erfass ten Temperaturen erfolgt ein Vergleich. Wenn zwischen der ersteren und der letzteren eine Abweichung vorhanden ist oder die Abweichung einen vorge schriebenen Wert übersteigt, beurteilt eine Verbrennungsüberwachungsvor richtung 4 den Verbrennungszustand des Verbrennungsgases. Wenn die Verbrennungsüberwachungsvorrichtung die Verbrennung als "ungeeignet" beurteilt, führt sie der Gasturbinensteuervorrichtung 5 ein Alarmsignal ALM oder ein Kommando TRP zum Abschalten des Betriebs zu, um ein Brenn stoffventil 6 derart zu steuern, dass es geöffnet oder geschlossen wird. Der vorbeschriebene Stand der Technik, der auf einer Theorie basiert, dass eine unnormale Verbrennung sich immer als eine Abnahme der Temperatur des Abgases zeigt, wurde in die Praxis umgesetzt.

Die japanische offen gelegte Patentveröffentlichung Nr. SHO 59-134332 beispielsweise beschreibt die letzteren technischen Maßnahmen, das heißt die NO_x Konzentration zu vermindern.

Ein solcher Stand der Technik ist beispielsweise in einem Kombina tionszyklusenergieerzeugungssystem, wie in Fig. 7 dargestellt, enthalten, bei dem als ein Verbrennungssystem für einen Gasturbinenbrenner 7 die Diffu sionsverbrennung angewendet wird. Im Stand der Technik ist ein NO_x Kon zentrationssensor 10 auf der strömungsabwärtigen Seite eines Katalysators 9 eines Wärmerückgewinnungsdampfgenerators 8 in Strömungsrichtung des Abgases vorgesehen. Ein von dem NO_x Konzentrationssensor 10 erfasstes NO_x Konzentrationswertsignal P wird mit einem vorbestimmten NO_x Kon zentrationswertsignal Q aus einem in eine Gasturbinensteuervorrichtung 5 integrierten NO_x Konzentrationsprädiktor in einem NH3-Einspritzsteuersy stem 12 verglichen, um eine Berechnung durchzuführen. Auf Basis des Be rechnungsergebnisses wird eine Menge zuzuführenden Ammoniaks berech net. Ammoniak wird in einer auf diese Weise berechneten Menge beispiels weise in eine Abgasleitung 2 eingeleitet, die eine Gasturbine 1 und den Wär merückgewinnungsdampfgenerator 8 miteinander verbindet. Zusätzlich wird eine Ventilöffnung des Brennstoffventils 6 gesteuert, um die Brennstoff menge einzustellen, wodurch eine geringe NO_x Konzentration aufrecht erhal ten wird.

Die in den Fig. 6 und 7 dargestellten technischen Maßnahmen, die die Überwachung der Verbrennungsbedingung des Verbrennungsgases und die Verminderung der NO_x Konzentration betreffen, wurden bereits in die Praxis umgesetzt, wodurch ein Beitrag zur Verhinderung der Umweltver schmutzung geleistet wird. Speziell ist entsprechend den technischen Maß nahmen gemäß Fig. 7 eine hohe Genauigkeit der Vorhersage der NO_x Kon zentration gegeben, sogar mit der Verwendung von Berechnungsmaßnahmen im Falle einer Diffusionsverbrennung, was auf diese Weise zu einer der ex zellenten Maßnahmen auf diesem Gebiet der Technik wurde.

In jüngster Zeit besteht auf Grund weiter verschärfter Umweltbestim mungen bezüglich der NO_x Konzentration eine Forderung nach Gasturbinen brennern mit extrem niedriger NO_x Konzentration. Bezüglich dieser Forde rung haben die in den Fig. 6 und 7 gezeigten Gasturbinenbrenner der Dif fusionsverbrennungsbauart ihre Grenzen erreicht. Im Hinblick darauf wurden als Serviceausrüstung alternativ Gasturbinenbrenner der Bauart mit trockener Vormischung und magerer Verbrennung in die Praxis umgesetzt.

Bei der mageren Verbrennung mit trockener Vormischung wird dem Brennstoff zunächst Luft beigemengt, um einen mageren Brennstoffzustand zu schaffen; die Verbrennung erfolgt unter diesem mageren Brennstoffzu stand, um die Flammentemperatur abzusenken, wodurch die NO_x Konzentra tion vermindert wird, um den gesetzlich geforderten Werten vollständig zu entsprechen.

Die Gasturbinenbrenner der Bauart mit trockener Vormischung und magerer Verbrennung, die bezüglich der Verminderung der NOX Konzentra tion hervorragend sind, haben jedoch einige Probleme. Eines dieser Probleme ist ein Phänomen des Flammenrückschlagens (Rückbrennens) des Verbren nungsgases.

Das Problem des Flammenrückschlagens des Verbrennungsgases ist dem Magerverbrennungssystem mit trockener Vormischung eigen. Bezüglich des Flammenrückschlagens tritt in einer Magerbrennstoff-Vormischungszone eine plötzliche Zündung auf, was dazu führt, dass die Flammentemperatur lokal zunimmt. Als Folge wird ein Verbrennungsgas mit hoher NO_x Konzen tration erzeugt.

Es ist denkbar, die technischen Maßnahmen zur Berechnung gemäß Fig. 7 anzuwenden, um die NO_x Konzentration aus der Temperaturverteilung des Abgases vorherzusagen, als eine Vorrichtung zum Überwachen eines sol chen Phänomens.

Die Rückschlagflamme, die in der Magerbrennstoff-Vormischzone auftritt, erreicht dann jedoch die Verbrennungszone und strömt in die Flamme der Verbrennungszone. Es ist schwierig, eine Erhöhung der NO_x Konzentra tion aufgrund des Rückschlagens aus der Temperaturverteilung des Abgases zu beurteilen, selbst wenn die vorgenannten technischen Maßnahmen zum Berechnen angewendet werden. Wenn das Flammenrückschlagen nicht er fasst wird, dauert der Betrieb beim Vorhandensein des Flammenrückschla gens an, was zu einem möglichen Durchbrennunfall des Gasturbinenbrenners führt.

Aus diesen Gründen wurde die Realisierung einer Verbrennungsüber wachungsvorrichtung gefordert, die für die Trockenvormisch-Magerverbren nung geeignet ist.

Eine Aufgabe der Erfindung; die im Hinblick auf die vorstehend ge schilderten Probleme gemacht wurde, besteht daher darin, ein Gasturbinensy stem zu schaffen, das es möglich macht, ein Flammenrückschlagen des Brennstoffgases in einem Gasturbinenbrenner durch Messung der NO_x Kon zentration im Abgas sicher festzustellen.

Diese und andere Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst, indem be züglich eines Aspekts ein Gasturbinensystem geschaffen wird, das enthält einen Kompressor, einen Gasturbinenbrenner, eine Gasturbine und einen Ge nerator, die operativ in Reihe miteinander verbunden sind, eine Verbren nungsüberwachungsvorrichtung zum Erfassen der NO_x Konzentration in von der Gasturbine abgegebenen Abgas, so dass der Verbrennungszustand des Verbrennungsgases in dem Gasturbinenbrenner überwacht wird, und eine Gasturbinenvorrichtung, die operativ mit der Verbrennungsüberwachungsvor richtung verbunden ist und mit einem NO_x-Wert Prädiktor versehen ist,
welche Verbrennungsüberwachungsvorrichtung enthält:
eine Alarmsignalberechnungsschaltung zum Erzeugen eines Alarmsi gnals, basierend auf der erfassten NO_x Konzentration des Abgases, zu einem Zeitpunkt, zu dem ein Flammenrückschlag des Verbrennungsgases in dem Gasturbinenbrenner derart auftritt, dass er eine vorgemischte Verbrennungs zone erreicht;
eine Abschaltberechungsschaltung zum Erzeugen eines Abschaltkom mandos, wenn der Flammenrückschlag in einem vorbestimmten Ausmaß zu nimmt; und
eine Flammenrückschlagfehlersignalverhinderungsberechnungsschal tung zum Kompensieren einer Signalverzögerung der erfassten NO_x Konzen tration des Abgases entsprechend einem von dem NO_x-Wert Prädiktor vor hergesagten NO_x Konzentrationwertsignal aus dem NO_x-Wert Prädiktor.

In einer bevorzugten Ausführungsform dieses Aspektes enthält die Alarmsignalberechnungsschaltung ein Berechnungselement zum Vergleichen eines aus dem Abgas erfassten realen NO_x Konzentrationwertsignals mit dem von dem NO_x-Wert Prädiktor vorhergesagten NO_x Konzentrationswert, um eine Berechnung durchzuführen, einen Komparator zum Erzeugen eines Si gnals zu einem Zeitpunkt, zu dem ein Betriebssignal aus dem Berechnungs element einen vorbestimmten Einstellwert übersteigt, und eine UND-Schal tung zum Erzeugen des Alarmsignals, wenn das Betriebssignal aus dem Komparator aus der Flammenrückschlagsfehlersignalverhinderungsberech nungsschaltung zusammenfällt.

Die Abschaltberechungsschaltung enthält ein Berechnungselement zum Vergleichen eines von dem Abgas erfassten realen NO_x Konzentrationwertsi gnals mit dem von dem NO_x-Wert Prädiktor vorhergesagten NO_x Konzentra tionswert, um eine Berechnung durchzuführen, einen Komparator, der von einer Ausgangsseite des Berechnungselements abzweigt, zum Erzeugen eines Signals zu einem Zeitpunkt, zu dem ein Betriebssignal von dem Berech nungselement einen vorbestimmten Wert übersteigt, und eine UND-Schaltung zum Erzeugen des Abschaltkommandos zu einem Zeitpunkt, zu dem das Betriebssignal aus dem Komparator mit einem Betriebssignal aus der Flam menrückschlagsfehlersignalverhinderungsberechnungsschaltung überein stimmt.

Die Flammenrückschlagfehlersignalverhinderungsberechnungsschal tung enthält einen Differentiator zum Durchführen einer Berechnung auf ein Brennstoffgasventilsteuerkommando aus der Gasturbinensteuervorrichtung hin, einen Komparator zum Erzeugen eines Signals zu einem Zeitpunkt, zu dem ein Betriebssignal aus dem Differentiator einen vorbestimmten Wert übersteigt, und einen Zeitgeber zum Halten eines Betriebssignals aus dem Komparator über einer vorbestimmten Zeitdauer.

Das Alarmsignal aus der Alarmsignalberechnungsschaltung und das Abschaltsteuersignal aus der Abschaltberechnungsschaltung werden beide während eines vorbestimmten Lastbetriebs erzeugt.

Die Gasturbinensteuervorrichtung ist mit einem NH3-Einspritzsteuer system versehen.

In einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ebenfalls ein Gasturbinensy stem vorgesehen, das enthält einen Kompressor, einen Gasturbinenbrenner, eine Gasturbine und einen Generator, die betriebsmäßig in Reihe miteinander verbunden sind, eine Verbrennungsüberwachungsvorrichtung zum Erfassen der NO_x Konzentration eines von der Abgasturbine abgegebenen Abgases, so dass der Verbrennungszustand des Verbrennungsgases in dem Gasturbinen brenner überwacht wird, und eine Gasturbinensteuervorrichtung, die be triebsmäßig mit der Verbrennungsüberwachungsvorrichtung verbunden ist,
wobei die Verbrennungsüberwachungsvorrichtung enthält:
eine Alarmsignalberechungsschaltung zum Erzeugen eines Alarmsi gnals, basierend auf der aus dem Abgas zu einem Zeitpunkt erfassten NO_x Konzentration, zu dem ein Flammenrückschlag des Verbrennungsgases in dem Gasturbinenbrenner derart auftritt, dass eine vorbestimmte Verbren nungszone erreicht wird;
eine Abschaltberechnungsschaltung zum Erzeugen eines Abschaltkom mandos zu einem Zeitpunkt, zu dem der Flammenrückschlag in einem vorbe stimmten Ausmaß zunimmt; und
eine Verzögerungsverhinderungsberechnungsschaltung zum Berechnen von NO_x Konzentrationen einer Mehrzahl von vorhergehenden Perioden aller vorhergehenden Perioden einer laufenden, aus dem Abgas erfassten NO_x Kon zentration, so dass eine Signalverzögerung der laufenden NO_x Konzentration kompensiert wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform dieses Aspektes enthält die Alarmsignalberechnungsschaltung ein Berechnungselement zum Vergleichen des laufenden NO_x Konzentrationswertsignals mit den NO_x Konzentrationen der vorhergehenden Perioden, die von der Verzögerungsverhinderungsbe rechnungsschaltung berechnet wurden, um einen Änderungsbereich einer realen NO_x Konzentration zu berechnen, und einen Komparator zum Erzeugen eines Signals, um das Alarmsignal zu einem Zeitpunkt zu senden, zu dem ein berechneter Änderungsbereich der realen NO_x Konzentration einen vorbe stimmten Wert übersteigt.

Die Verzögerungsverhinderungsberechnungsschaltung zweigt von einer Ausgangsseite eines Einlassendes der Alarmsignalberechnungsschal tung ab und ist mit dem Berechnungselement der Alarmsignalberechnungs schaltung verbunden.

Die Verzögerungsverhinderungsberechnungsschaltung enthält eine Mehrzahl von Verzögerungseinheiten zum Berechnen von NO_x Konzentra tionen einer Mehrzahl vorhergehender Perioden aus allen vorhergehenden Perioden einer von dem Abgas erfassten laufenden NO_x Konzentration.

Sowohl das Alarmsignal aus der Alarmberechnungsschaltung als auch das Abschaltsteuersignal aus der Abschaltberechnungsschaltung werden wäh rend eines vorgeschriebenen Lastbetriebs erzeugt.

Bezüglich eines weiteren Aspektes der Erfindung ist ebenfalls ein Gasturbinensystem vorgesehen, das enthält einen Kompressor, einen Gastur binenbrenner, eine Gasturbine und einen Generator, die betriebsmäßig in Reihe miteinander verbunden sind, einen Wärmerückgewinnungsdampfgene rator, der betriebsmäßig mit der Gasturbine verbunden ist, eine Verbren nungsüberwachungsvorrichtung zum Erfassen der NO_x Konzentration eines von der Gasturbine abgegebenen Abgases, so dass der Verbrennungszustand des Abgases in dem Gasturbinenbrenner überwacht wird, und eine Gasturbi nensteuervorrichtung, die betriebsmäßig mit der Verbrennungsüberwa chungsvorrichtung verbunden ist und mit einem NO_x-Wert Prädiktor versehen ist,
welche Verbrennungsüberwachungsvorrichtung enthält:
eine Alarmsignalberechnungsschaltung mit einem NO_x Sensor, der an einer strömungsaufwärtigen Seite eines an dem Wärmerückgewinnungs dampfgenerator angeordneten Katalysators angeordnet ist, um die NO_x Kon zentration des Abgases zu erfassen, wobei die Alarmsignalberechnungs schaltung ein Alarmsignal basierend auf der von dem NO_x Sensor erfassten NO_x Konzentration zu einem Zeitpunkt erzeugt, zu dem ein Flammenrück schlag des Verbrennungsgases in dem Gasturbinenbrenner derart auftritt, dass er eine vorgemischte Verbrennungszone erreicht, eine Abschaltberechnungs schaltung zum Erzeugen eines Abschaltkommandos zu einem Zeitpunkt, zu dem der Flammenrückschlag in einem vorbestimmten Ausmaß zunimmt; und
eine Flammenrückschlagfehlersignalverhinderungsberechnungsschal tung zum Kompensieren einer Signalverzögerung der von dem NO_x Sensor erfassten NO_x Konzentration entsprechend einem von dem NO_x-Wert Prädik tor vorhergesagten NO_x Konzentrationswertsignals.

Entsprechend dem erfindungsgemäßen Gasturbinensystem mit dem oben genannten Aufbau und den oben genannten Merkmalen sind die Alarm signalberechnungsschaltung, die Abschaltberechnungsschaltung und die Flammenrückschlagfehlersignalverhinderungsberechnungsschaltung in eine Diagnoseschaltung zum Überwachen des Auftretens eines Flammenrück schlags in der Magerbrennstoff-Vormischzone des Gasturbinenbrenners inte griert, so dass verhindert wird, dass das Flammenrückschlagfehlersignal er zeugt wird. Es ist daher möglich, einen sicheren Betrieb des Gasturbinen brenners durchzuführen.

Weiter sind bei dem erfindungsgemäßen Gasturbinensystem die Ab schaltberechnungsschaltung und die Verzögerungsverhinderungsberech nungsschaltung in der Diagnoseschaltung zum Überwachen des Auftretens des Flammenrückschlags in die Magerbrennstoff-Vormischzone des Gastur binenbrenners integriert, so dass eine Signalverzögerung des realen NO_x Kon zentrationswertsignals kompensiert wird. Es ist daher möglich, den Flammen rückschlag in dem Gasturbinenbrenner sicher festzustellen, selbst während einer Lastveränderung.

Die Natur und weitere charakteristische Merkmale der Erfindung wer den aus den nachfolgenden Beschreibungen in Verbindung mit den beige fügten Zeichnungen verständlicher.

In den beigefügten Zeichnungen stellen dar

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild zur Erläuterung des erfin dungsgemäßen Gasturbinensystems, das in ein Kombinationszyklusenergieer zeugungssystem eingebaut ist;

Fig. 2 ein Steuerblockschaltbild, das eine erste Ausführungsform einer Diagnoseschaltung darstellt, die in eine Verbrennungsüberwachungsvorrich tung der erfindungsgemäßen Gasturbinensystem integriert ist;

Fig. 3 eine Darstellung, in der ein Vergleich zwischen dem Verhalten eines Brennstoffgasventilsteuerkommandos aus der Diagnoseschaltung der erfindungsgemäßen Gasturbinensystem und einem realen NO_x Konzentrati onswert gemacht wird, und genauer, zeigt die Darstellung 1 das Verhalten des Brennstoffgasventilsteuerkommandos in drei Phasen, in die der Betrieb der Gasturbinensystem klassifiziert wird, das heißt einer ersten Phase, in der die Gasturbinensystem unter abnehmenden Lastbedingungen betrieben wird, eine zweite Phase in der die Anlage unter einem konstanten Lastzustand betrieben wird, und eine dritte Phase, in der ein Flammenrückschlag auftritt und die Darstellung 2 zeigt Abweichungen zwischen den realen NO_x Konzentrations werten und den vorhergesagten NO_x Konzentrationswerten entsprechend den vorgenannten drei Phasen;

Fig. 4 ein Blockschaltbild, das eine zweite Ausführungsform einer Dia gnoseschaltung darstellt, die in der Verbrennungsüberwachungsvorrichtung der erfindungsgemäßen Gasturbinensystem integriert ist.

Fig. 5 ist eine Darstellung, in der ein Vergleich zwischen dem Verhal ten des Brennstoffgasventilsteuerkommandos aus der Diagnoseschaltung des erfindungsgemäßen Gasturbinensystems und einem realen NO_x Konzentra tionswert gemacht wird und genauer, stellt die Darstellung 3 das Verhalten des Brennstoffgasventilsteuerkommandos in drei Phasen dar, in die der Be trieb des Gasturbinensystems klassifiziert ist, das heißt eine vierte Phase, in der das Gasturbinensystem unter einem konstanten Lastzustand betrieben wird, eine fünfte Phase, in der die Anlage unter zunehmenden Lastbedingun gen betrieben wird, und eine sechste Phase, in der ein Flammenrückschlag auftritt; die Darstellung 4 zeigt Abweichungen zwischen den realen NO_x Kon zentrationswerten und realen NO_x Konzentrationswerten von vorhergehenden "n(ten)" Perioden entsprechend den vorgenannten drei Phasen und die Dar stellung 5 zeigt das Verhalten eines Änderungsbereiches eines realen NO_x Konzentrationswerts, der eine Abweichung zwischen dem realen NO_x Kon zentrationswert und dem realen NO_x Konzentrationswert der vorhergehenden "n(ten)" Perioden ist;

Fig. 6 ein schematisches Blockschaltbild zur Erläuterung eines Brenn stoffüberwachungssystems des herkömmlichen Gasturbinensystems und

Fig. 7 ein Steuerblockschaltbild zur Erläuterung einer NO_x Steuervor richtung des konventionellen Kombinationszyklusenergieerzeugungssystems.

Im folgendem werden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gasturbinensystems unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen be schrieben.

Fig. 1 ist ein schematisches Blockschaltbild zur Erläuterung einer Aus führungsform einer erfindungsgemäßen Gasturbine, die beispielsweise in einem Kombinationszykluswerk bzw. -energieerzeugungssystem enthalten ist.

Das erfindungsgemäße, allgemein mit dem Bezugszeichen "14" be zeichneten Gasturbinensystem ist mit einem Kompressor 15, einem Gasturbi nenbrenner 16, einer Gasturbine 17 und einem Generator 18 ausgerüstet. Luft wird dem Luftkompressor 15 durch einen Lufteinlass 19 zugeführt. Die Luft wird darin komprimiert und wird dann durch eine Einlassleitung 20 dem Gasturbinenbrenner 16 zugeführt.

Der Gasturbinenbrenner 16 ist in eine Magerbrennstoff-Vormischzone 21 und in eine Brennzone 22 unterteilt. Zunächst tritt Brennstoff aus einer Mehrzahl von Brennstoffdüsen 23, 23 in die Magerbrennstoff-Vormischzone 21 ein, um mit Luft gemischt zu werden und dann brennt die mit dem ver dünnten Brennstoff auf diese Weise vorgemischte Luft in der Brennzone 22, um ein Verbrennungsgas zu erzeugen.

Das Verbrennungsgas, das in der Verbrennungszone 22 erzeugt wird, schafft Expansionsleistung, so dass der Leistungsgenerator 18 drehangetrie ben wird, und wird dann durch eine Abgasleitung 24 einem Wärmerückge winnungsdampfgenerator 27 zugeführt.

Die Abgasleitung 24, die Gasturbine 17 und den Wärmerückgewin nungsdampfgenerator 25 miteinander verbindet, enthält in sich eine Mehrzahl von Thermoelementen 24a, mit dem Ergebnis, dass die von den Thermoele menten 24a erfasste Temperatur einer Gasturbinensteuervorrichtung 30 zuge führt wird. Die Gasturbinensteuervorrichtung berechnet ein Brennstoffgas ventilsteuerkommando 33, um ein Betriebssignal zu erzeugen, wobei zusätz lich zu Betriebsparametern, wie Druck, Strömungsgeschwindigkeit, Feuch tigkeit, Drehzahl usw. die auf diese Weise erfasste Abgastemperatur berück sichtigt wird. Das erzeugte Betriebssignal wird einer Verbrennungsüberwa chungsvorrichtung 29 und einem Brennstoffventil 36 zugeführt.

Auf einer strömungsaufwärtigen Seite eines Katalysators 26, der in dem Wärmerückgewinnungsdampfgenerator 25 angeordnet ist, ist ein NO_x Sensor 27 angeordnet. Der NO_x Sensor gibt ein reales NO_x Konzentrations wertsignal 28 aus, das einer NO_x Konzentration entspricht, die in dem von der Gasturbine 17 der Abgasleitung 24 zugeführten Abgas enthalten ist.

Zusätzlich zu dem realen NO_x Konzentrationswertsignal 28 werden so wohl ein vorhergesagtes NO_x Konzentrationswertsignal 32 aus einem NO_x Prädiktor 31 bzw. einer NO_x-Wert Vorhersageeinrichtung, der bzw. die in die Gasturbinensteuervorrichtung 30 integriert ist, als auch das von der Gasturbi nensteuervorrichtung 30 gesendete Brennstoffgasventilsteuerkommando 30 in eine Verbrennungsüberwachungsvorrichtung 29 eingegeben. Die Verbren nungsüberwachungsvorrichtung 29 veranlasst eine später zu beschreibende Diagnoseschaltung, durch Berechnung das Vorhandensein einer unnormalen Verbrennung, wie einen Flammenrückschlag (Rückfeuern) auf Basis der oben genannten Signale 28, 32 und 33, die auf diese Weise eingegeben sind, zu beurteilen. Wenn beurteilt beziehungsweise festgestellt wird, dass eine un normale Verbrennung vorhanden ist, sendet die Verbrennungsüberwachungs vorrichtung 29 ein Alarmsignal 34 oder ein Abschaltkommando 35 an die Gasturbinensteuervorrichtung 30 und veranlasst die Gasturbinensteuervor richtung 30, ein Brennstoffgasventilsteuerkommando 33 an das Brennstoff ventil 36 zu senden, um dadurch die Brennstoffströmungsmenge einzustellen.

Die Gasturbinensteuervorrichtung 30 ist mit einem NH3-Einspritz steuer-system 37 versehen. Das NH3-Einspritzsteuersystem 37 dient dazu, NH3 in den Wärmerückgewinnungsdampfgenerator 25 einzuleiten, um eine niedrigere Konzentration an in dem Abgas enthaltenen NO_x unter Reaktion mit dem Katalysator 26 aufrecht zu erhalten. Es besteht eine unvermeidbare Zeitverzögerung bei dem Erfassen des realen NO_x Konzentrationswertsignals 39 aus dem NO_x Sensor 38, der auf der strömungsabwärtigen Seite des Kata lysators 26 vorgesehen ist. Im Hinblick auf diese Zeitverzögerung gibt der NO_x Prädiktor 31 das vorbestimmte NO_x Konzentrationswertsignal 32 aus, das vorher auf Basis von Betriebsparametern, wie Druck, Temperatur, Strö mungsgeschwindigkeit, Feuchtigkeit, Drehzahl usw. berechnet wurde, so dass eine abzugebende NH3 Menge unter Verwendung einer Kombination des vorhergesagten NO_x Konzentrationswertsignals 32, das ein rasches Ansprech vermögen hat (das heißt, das augenblicklich verfügbar ist) mit dem realen NO_x Konzentrationswertsignal 39, das eine hohe Erfassungsgenauigkeit hat, be rechnet wird.

Fig. 2 ist ein Steuerblockschaltbild, das die erste Ausführungsform der Diagnoseschaltung darstellt, die in die Verbrennungsüberwachungsvorrich tung 29 integriert ist.

Die Diagnoseschaltung ist durch Kombination einer Alarmsignalbe rechnungsschaltung 40 mit einer Abschaltberechnungsschaltung 41 und einer Flammenrückschlagfehlersignalverhinderungsberechnungsschaltung 42 er halten.

Die Alarmsignalberechnungsschaltung 40 ist mit einem ersten und einem zweiten Eingangsteil 43, 44 mit eingebauten Analog/Digitalwandlern, einer arithmetischen Schaltung 45, einem ersten Komparator 47 mit einem ersten Einstellelement 46 für einen vorbestimmten Wert, einem ersten Zeitge ber 48, einer ersten UND-Schaltung 49 und einem ersten Ausgangsteil 50 mit einer Funktion eines Ausgangskontakts versehen.

Die Abschaltberechnungsschaltung 41 zweigt von der Ausgangsseite der arithmetischen Schaltung 45 der Alarmsignalberechnungsschaltung 40 ab. Die Abschaltberechnungsschaltung 41 ist mit einem zweiten Komparator 52, dem zweiten Zeitgeber 53, einer zweiten UND-Schaltung 54 und einem zweiten Ausgangsteil 55 mit der Funktion eines Ausgangskontakts versehen, in dieser Reihenfolge in Flussrichtung des Betriebssignals. Der zweite Kom parator 52 hat ein zweites Einstellelement 51 für einen vorbestimmten Wert, in dem ein Einstellwert "2ε" bestimmt wird, der zweimal so groß ist wie ein Einstellwert "ε" des vorgenannten ersten Einstellelements 46 für einen vorbe stimmten Wert.

Die Flammenrückschlagfehlersignalverhinderungsberechnungsschal tung 42 ist mit einem dritten Eingangsteil 56 mit einem eingebauten Analog/ Digitalwandler, einer Differenzierschaltung 57, einem Absolutwertwandler (ABS Gate) 58, einem dritten Komparator 60 mit einem dritten Einstellele ment 59 für einen vorbestimmten Wert und einem dritten Zeitgeber 61 verse hen. Die Flammenrückschlagfehlersignalverhinderungsberechnungsschaltung 42 ist mit einer ersten UND-Schaltung 49 der Alarmsignalberechnungsschal tung 40 und einer zweiten UND-Schaltung 54 der Abschaltberechnungs schaltung 41 verbunden.

In der Diagnoseschaltung mit dem vorbeschriebenen Aufbau wird das reale NO_x Konzentrationswertsignal 28, das mittels des auf der strö mungsaufwärtigen Seite des Katalysators 26 des Wärmerückgewinnungs dampfgenerators 25 gemäß Fig. 1 angeordneten NO_x Sensors 27 erfasst wird, in dem ersten Eingangsteil 43 in ein digitales Signal umgewandelt und dann als realer NO_x Konzentrationswert "a" in die arithmetische Schaltung 44 eingegeben.

Das vorhergesagte NO_x Konzentrationswertsignal 32 aus dem NO_x Prä diktor 31, der in der Gasturbinensteuervorrichtung 30 enthalten ist, wird in dem zweiten Eingangsteil 44 in ein digitales Signal umgewandelt und dann der arithmetischen Schaltung 45 als vorhergesagter NO_x Konzentrationswert "b" eingegeben.

Die arithmetische Schaltung 45 zieht den NO_x Konzentrationswert "b" von dem realen NO_x Konzentrationswert "a" ab, um eine Abweichung "c" zu erhalten.

Der vorhergesagte NO_x Konzentrationswert "b" enthält einen Fehler. Im Hinblick auf diese Tatsache wird der vorbestimmte Einstellwert "ε", der grö ßer ist als der vorgenannte Fehler, in dem ersten Einstellelement 46 für einen vorbestimmten Einstellwert eingestellt. Wenn die Abweichung "c" zwischen dem realen NO_x Konzentrationswert "a" und dem vorhergesagten NO_x Kon zentrationswert "b" größer ist als der Einstellwert "ε" in dem ersten Kompa rator 47, wird ein Ausgangssignal "d" des ersten Komparators 47 "1" (d. h., der Komparator 47 erzeugt ein Signal zum Anschalten von Elektrizität). Wenn dagegen die Abweichung "c" kleiner als der vorbestimmte Einstell wert "ε" ist, wird das Ausgangssignal "d" des ersten Komparators 47 "O" (d. h., der Komparator erzeugt kein Signal zum Anschalten von Elektrizität (keine Stromleitung)(AUS).

Wenn der Gasturbinenbrenner in dem normalen Verbrennungszustand gehalten wird und der Brennstoffverbrauch konstant ist, wird der vorherge sagte NO_x Konzentrationswert "b" im wesentlichen gleich dem realen NO_x Konzentrationswert "a". Folglich wird die Abweichung "c" kleiner als der vorbestimmte Einstellwert "s", so dass das Ausgangssignal "d" des ersten Komparators 47 "0" bleibt.

Wenn in dem Gasturbinenbrenner 16 der Flammenrückschlag auftritt und sich die NO_x Konzentration auf Grund des Flammenrückschlags in der Magerbrennstoff-Vormischzone 21 erhöht, wird der reale NO_x Konzentra tionswert "a" größer.

Selbst wenn der Flammenrückschlag auftritt, besteht in den Betriebspa rametern der Gasturbine, wie Temperatur, Druck, Strömungsgeschwindigkeit und Ähnlichem keine Änderung. Entsprechend gibt der NO_x Prädiktor 31 weiterhin den vorhergesagten NO_x Konzentrationswert "b" in einem Beurtei lungszustand als normale Verbrennung aus. Folglich wird die Abweichung "c" größer als der vorbestimmte Einstellwert "ε", so dass das Ausgangssignal "d" des ersten Komparators 47 "1" wird.

Um die Tatsache festzustellen, dass der Flammenrückschlag während einer vorbestimmten Zeitdauer kontinuierlich auftritt, um eine augenblickli che Störung vom Eingangswert zu verhindern, wird das Ausgangssignal "d" des ersten Komparators 47 in das erste Zeitglied 48 eingegeben. Dort wird der Zustand von "d = 1" für eine vorbestimmte Zeitdauer aufrecht erhalten und dann wird das Ausgangssignal "e" der ersten UND-Schaltung 49 als "1" zu geleitet.

Die Abweichung "c", die von der Ausgangsseite der arithmetischen Schaltung 45 abgezweigt wird, wird mit dem vorbestimmten Einstellwert "25" aus dem zweiten Einstellelement 51 für einen vorbestimmten Einstell wert in dem zweiten Komparator 52 verglichen. Wenn die Abweichung "c" den vorbestimmten Einstellwert "25" übersteigt, wird das Ausgangssignal "k" des zweiten Komparators 52 "1". Ein Zustand "k = 1" wird für eine vorbe stimmte Zeitdauer aufrecht erhalten und dann wird das Ausgangssignal "k" der zweiten UND-Schaltung 54 als "1" zugeleitet.

Wenn die Last sich stark ändert, so dass die Strömungsgeschwindigkeit des dem Gasturbinenbrenner 16 zugeleiteten Brennstoffes sich stark ändert, kann die Abweichung "c" in der arithmetischen Schaltung 45 auf Grund einer Messverzögerung im NO_x Sensor 27 größer werden, mit dem Ergebnis, dass das Ausgangssignal "e" und das Ausgangssignal "1" von dem ersten Zeitgeber 48 und dem zweiten Zeitgeber 53 in den Zuständen "e = 1" und "1 = 1" gehalten werden. Genauer kann die arithmetische Schaltung 45 urteilen als ob der Flammenrückschlag auftritt, um die Abweichung "c" als ein Fehlersignal zu verarbeiten, obwohl der Flammenrückschlag in der Magerbrennstoff-Vor mischzone des Gasturbinenbrenners 16 nicht auftritt.

Entsprechend der erfindungsgemäßen Ausführungsform, bei der der vorgenannte Aspekt berücksichtigt wird, wird das Betriebssignal aus der Flammenrückschlagfehlersignalverhinderungsberechnungsschaltung 42 zu der ersten UND-Schaltung 49 und der zweiten UND-Schaltung 54 gesendet.

Die Flammenrückschlagfehlersignalverhinderungsberechnungsschal tung 42 konvertiert bzw. wandelt das Brennstoffgasventil Steuerkommando 33 von der Gasturbinensteuervorrichtung 30 in dem dritten Eingangsteil 56 in ein digitales Signal und schickt das gewandelte digitale Signal an die Diffen zierschaltung 57 als Brennstoffgasventilsteuerkommando "f". Die Differen zierschaltung 57 hat eine Verzögerungseinheit 62 und eine arithmetische Schaltung 63. Die Verzögerungsschaltung 62 gibt das Brennstoffgasventilsteuerkommando "f" als das Brennstoffgasventilsteuer kommando "f(^z-1)" der ersten vorhergehenden Periode. Das Berechnungsele ment 63 berechnet das Brennstoffgasventilsteuerkommando "f(z^-1)" der ersten vorhergehenden Periode aus dem Brennstoffgasventilsteuerkommando "f". Die Abweichung "t" zwischen dem Brennstoffgasventilsteuerkommando "f(z^-1)" des Ausgangssignals der ersten vorhergehenden Periode aus der Verzöge rungseinheit 62 und dem Brennstoffgasventilsteuerkommando "f(z^-1)" der er sten vorhergehenden Periode, das in der arithmetischen Schaltung berechnet wurde, wird eingegeben. Die Abweichung "t" wird in einem Absolutwert in dem Absolutwertwandler (ABS Gate) 58 konvertiert und der Absolutwert wird als ein Differentialwert "g(g=|t|)" aus dem Absolutwertwandler 58 in den dritten Komparator 60 eingegeben.

Der dritte Komparator 60 vergleicht den Differentialwert "g" mit dem vorbestimmten Einstellwert "α" aus dem dritten Einstellelement 59 für einen vorbestimmten Einstellwert. Der dritte Komparator 60 hält das Ausgangssi gnal "h" auf "1", wenn der Differentialwert "g" kleiner als der vorbestimmte Einstellwert "α" ist, und alternativ hält das Ausgangssignal "h" auf "0", wenn der Differentialwert "g" größer ist als der vorbestimmte Einstellwert "α".

Wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffs sich bei einer Laständerung sehr stark ändert, wird bei der Ausführungsform der vorliegen den Erfindung der Unterschied zwischen dem Brennstoffgasventilsteuer kommando "f" und dem Brennstoffgasventilsteuerkommando "f(z^-1)" der er sten vorhergehenden Periode größer, was zu einer Zunahme des Differential wertes "g" führt, so dass das Ausgangssignal "h" auf "O" gehalten wird. Wenn ein Konstantlastbetrieb durchgeführt wird, wird der Unterschied zwi schen dem Brennstoffgasventilsteuerkommando "f" und dem Brennstoffgas ventilsteuerkommando "f(z^-1)" der ersten vorhergehenden Periode kleiner, was zu einer Abnahme in dem Differentialwert "g" führt, so dass das Aus gangssignal "h" auf "1" gehalten wird. Im Fall des Konstantlastbetriebs wird das Ausgangssignal "h" des Komparators 60 in einem Zustand von "h = 1" für eine durch den dritten Zeitgeber 61 vorbestimmte Zeitdauer gehalten und das Ausgangssignal "i" wird als "1" zu der ersten UND-Schaltung 49 der Alarm signalberechnungsschaltung 40 und der zweiten UND-Schaltung 54 der Ab schaltberechnungsschaltung 41 gesandt, um die Störung vom Eingangswert zu verhindern.

Die Alarmsignalberechnungsschaltung 40 betrachtet das Ausgangssi gnal "e" aus dem ersten Zeitgeber 48 als das normale Signal von "1" (wobei der reale NO_x Konzentrationswert "a" größer ist als der vorbestimmte NO_x Konzentrationswert "b"), vorausgesetzt dass das Ausgangssignal "i" aus der Flammenrückschlagfehlersignalverhinderungsberechnungsschaltung 42 voll ständig an die erste UND-Schaltung 49 gesendet wurde und dann bewirkt die Schaltung 40, dass der erste Ausgangsteil 50 das Alarmsignal, dass der Flammenrückschlag in der Magerbrennstoff-Vormischzone 21 des Gasturbi nenbrenners 16 auftritt, an die Gasturbinensteuervorrichtung 30 schickt, wo durch eine Bedienperson über eine Bedienerschnittstelle (das heißt eine An zeigevorrichtung), die nicht dargestellt ist, eine entsprechende Information erhält.

Die Abschaltberechnungsschaltung 41 betrachtet das Ausgangssignal "1" aus dem zweiten Zeitgeber 53 als das normale Signal von "1", vorausge setzt, dass das Ausgangssignal "i" aus der Flammenrückschlagfehlsignalver hinderungsberechnungsschaltung 42 vollständig an die zweite UND-Schal tung 54 geschickt wurde, und dann bewirkt die Schaltung 41, dass der zweite Ausgangsteil 55 das Abschaltkommando 35, dass der Flammenrückschlag stark auftritt und in einem großen Ausmaß in der Magerbrennstoff-Vormisch zone 21 des Gasturbinenbrenners 16 wächst, an die Gasturbinensteuervor richtung sendet, wodurch das Gasturbinensystem 14 abgeschaltet wird. Be züglich der Unterscheidung zwischen dem Abschalten und dem Alarm ist der vorbestimmte Einstellwert "2ε" des zweiten Einstellelements 51 der Ab schaltberechnungsschaltung 41 zweimal so groß wie der vorbestimmte Ein stellwert "ε" des ersten Einstellelements 46 der Alarmsignalberechnungs schaltung 40.

Fig. 3 ist eine Darstellung in der ein Vergleich zwischen dem Verhalten des Brennstoffgasventilsteuerkommandos "f" der Flammenrückschlagfehler signalverhinderungsberechnungsschaltung 42, das in ein digitales Signal kon vertiert wird, der reale NO_x Konzentrationswert, und genauer stellt die Dar stellung 1 ein Verhalten des Brennstoffgasventilsteuerkommandos "f" in drei Phasen dar, in die der Betrieb des Gasturbinensystems 14 klassifiziert wird, nämlich die erste Phase, in der das Gasturbinensystem 14 in einem abnehmenden Lastzustand betrieben wird, die zweite Phase, in der das System unter konstanter Last betrieben wird und die dritte Phase, in der der Flammenrückschlag auftritt, und die Darstellung 2 stellt Abweichungen zwi schen dem realen NO_x Konzentrationswert "a" (das heißt den von den NO_x Sensoren 27 gemessenen NO_x Konzentrationswerten) und vorhergesagten NO_x Konzentrationswerten "b" entsprechend den vorgenannten drei Phasen dar.

In der Darstellung 1 der Fig. 3 nimmt, wenn die Last der Gasturbinen anlage bzw. -systems 14 abnimmt, das Brennstoffgasventilsteuerkommando "f" ebenfalls ab. Der vorhergesagte NO_x Konzentrationswert "b", der in der Darstellung 2 gezeigt ist, nimmt entsprechend der oben genannten Tatsache ebenfalls ab.

Der reale NO_x Konzentrationswert "a", der ein langsames Ansprechver halten mit einer langen Zeitverzögerung auf Grund der Messverzögerung des NO_x Sensors 27 gemäß der Darstellung 2 hat, bleibt dagegen für eine Zeit dauer auf einem hohen Wert und beginnt dann abzunehmen. Folglich nimmt die Abweichung zwischen dem realen NO_x Konzentrationswert "a" und dem vorhergesagten NO_x Konzentrationswert "b" allmählich zu. Wenn die Abwei chung identisch oder größer als der Wert "ε" wird, wird das Ausgangssignal "d" des ersten Komparators 47, wie in Fig. 2 dargestellt, "1". Das Ausgangs signal "e" des ersten Zeitgebers 48 wird "1" nach Ablauf der vorbestimmten Zeitdauer.

Das Brennstoffgasventilsteuerkommando "f" der Flammenrückschlag fehlersignalverhinderungsberechnungsschaltung 42 ändert sich während der Abnahme der Last sehr stark, so dass die Abweichung (das heißt der Diffe rentialwert "g") zwischen dem Brennstoffgasventilsteuerkommando "f", das in dem dritten Eingangsteil 56 gemäß Fig. 2 in das digitale Signal umgewan delt wird, und dem Brennstoffgasventilsteuerkommando "f(z^-1)" der ersten vorhergehenden Periode länger wird. Folglich wird das Ausgangssignal "h" des dritten Komparators 60 auf "O" gehalten und das Ausgangssignal "i" des dritten Zeitgebers 61 wird ebenfalls auf "O" gehalten.

In diesem Fall wird das Ausgangssignal "i" des dritten Zeitgebers 61 der Flammenrückschlagfehlersignalverhinderungsberechnungsschaltung 42 auf "O" gehalten. Selbst wenn das Ausgangssignal "e" des ersten Zeitgebers 48 der Alarmsignalberechnungsschaltung 40 auf "1" gehalten wird, sind die Erfordernisse in der ersten UND-Schaltung 41 nicht erfüllt, so dass das Aus gangssignal "j" auf "O" gehalten wird. Entsprechend erzeugt die Alarmsi gnalberechnungsschaltung 40 kein Alarmsignal 34 und sendet es nicht zu der Gasturbinensteuervorrichtung 30. Genauer wird zwischen dem NO_x Konzen trationswert "a" und dem vorhergesagten NO_x Konzentrationswert "b" auf Grund der Messverzögerung in dem NO_x Sensor 27 während der Lastverände rung eine große Abweichung "ε" erzeugt mit der Folge, dass das Fehlersignal des Flammenrückschlags, das in der Alarmsignalberechnungsschaltung 40 berechnet wird, durch das Berechnungssignal aus der Flammenrückschlag fehlersignalverhinderungsberechnungsschaltung 42 daran gehindert wird, ge sendet zu werden.

Wenn die Last des Gasturbinensystems 14 konstant wird, wird das Brennstoffgasventilsteuerkommando "f" wie in der Darstellung 1 auf einem konstanten Wert gehalten. Folglich wird der vorgenannte Differentialwert "g" "Null", so dass das Ausgangssignal "h" des dritten Komparators 60 "1" wird.

Die Abweichung "ε" zwischen dem realen NO_x Konzentrationswert "a" und dem vorhergesagten NO_x Konzentrationswert "b" hat unmittelbar, nach dem die Last konstant wurde, einen großen Wert. Das Ausgangssignal "i" des dritten Zeitgebers 61 wird "1", nachdem das Ausgangssignal "h = 1" für eine vorbestimmte Zeitdauer gehalten wird, um zu verhindern, dass das Fehlersi gnal des Flammenrückschlags gesendet wird. Das Ausgangssignal "i = 1" wird gehalten bis sich die Last ändert.

Wenn die Last des Gasturbinensystems 14 konstant wird, wird der vor hergesagte NO_x Konzentrationswert konstant. In diesem Fall hat der reale NO_x Konzentrationswert "a" ein langsames Ansprechverhalten, was eine Zeitver zögerung hervorruft, so dass die Abweichung "ε" zwischen dem realen NO Konzentrationswert "a" und dem vorhergesagten NO_x Konzentrationswert "b" groß ist. Das Ausgangssignal des dritten Zeitgebers 61 der Flammenrück schlagfehlersignalverhinderungsberechnungsschaltung 42 gemäß Fig. 3 wird jedoch während der vorgenannten Zeitdauer noch auf "O" gehalten, mit der Folge, dass das Ausgangssignal "j" der ersten UND-Schaltung 49 der Alarm signalberechnungsschaltung 40 auf "O" gehalten wird, was zu keiner Fest stellung eines Flammenrückschlags führt.

Wenn der reale NO_x Konzentrationswert "a" sich dem vorhergesagten NO_x Konzentrationswert "b" nach einem Zeitablauf annähert und die Abwei chung "ε" kleiner wird, wird das Ausgangssignal "d" des ersten Komparators 47 und das Ausgangssignal "e" des ersten Zeitgebers 48 "O", was zu keiner Feststellung eines Flammenrückschlags führt.

Wenn aus bestimmten Gründen ein Flammenrückschlag auftritt und die Abweichung "ε" zwischen dem realen NO_x Konzentrationswert und dem vor hergesagten NO_x Konzentrationswert größer wird, wird in diesem Fall das Ausgangssignal "d" des ersten Komparators 47 "1" und das Ausgangssignal "e" des ersten Zeitgebers 48 wird nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer ebenfalls "1". Wenn beide Ausgangssignale "i" des dritten Zeitgebers 61 und "e" des ersten Zeitgebers 48 "1" werden, wird das Ausgangssignal "j" der er sten UND-Schaltung 49 "1", so dass das Alarmsignal 34 durch den ersten Ausgangsteil 50 zu der Gasturbinensteuervorrichtung 30 geschickt wird, wo durch eine Bedienperson über das Auftreten eines Flammenrückschlags in formiert wird.

Wenn der Flammenrückschlag in großem Ausmaß wächst (obwohl die ser Fall in Fig. 3 nicht dargestellt ist), so dass der reale NO_x Konzentrations wert "a" den vorbestimmten Einstellwert "25" des zweiten Einstellelements 51 übersteigt, während er durch den zweiten Komparator 52 gemäß Fig. 2 hindurch gelangt, erzeugt die Abschaltberechnungsschaltung 41, wie die oben beschriebene Alarmsignalberechnungsschaltung 40, das Abschaltkommando 35, vorausgesetzt, dass die Berechnungssignale aus der Flammenrückschlag fehlersignalverhinderungsberechnungsschaltung 42 an die zweite UND- Schaltung 54 gesendet werden. Ein solches Abschaltkommando 35 wird zu der Gasturbinensteuervorrichtung 30 geschickt, wodurch das Gasturbinensy stem 14 abgeschaltet wird und ein Durchbrennunfall der Anlage verhindert wird.

Entsprechend der vorbeschriebenen Ausführungsform der Erfindung hat das Gasturbinensystem eine Vorrichtung zum Berechnen von Signalen für einen Alarm und ein Abschalten des Betriebs des Systems auf Basis des rea len, im Abgas gemessenen NO_x Konzentrationswertes und des vorhergesagten NO_x Konzentrationswertes, der eine Messverzögerung des realen NO_x Kon zentrationswerts kompensiert, und eine Vorrichtung zum Verhindern eines Fehlersignals des Flammenrückschlags des Verbrennungsgases in die Mager brennstoff-Vormischzone 21 während der Laständerung. Es ist daher mög lich, das Flammenrückschlagen des Verbrennungsgases in die Magerbrenn stoff-Vormischzone 21 zu überwachen, um einen sicheren Betrieb des Gas turbinenbrenners 16 durchzuführen.

Entsprechend der vorbeschriebenen Ausführungsform der Erfindung hat die Gasturbinensystem zusätzlich eine Vorrichtung zum Überwachen des Flammenrückschlags des Verbrennungsgases in die Magerbrennstoff-Vor mischzone 21, wenn der Betrieb unter konstanter Last durchgeführt wird. Es ist daher möglich, sicher eine unkorrekte Feststellung zu verhindern, wenn während der Lastveränderung eine große Abweichung zwischen dem realen NO_x Konzentrationswert und dem vorhergesagten NO_x Konzentrationswert besteht.

Fig. 4 ist ein Blockschaltbild, das die zweite Ausführungsform der Dia gnoseschaltung darstellt, die in die Verbrennungsüberwachungsvorrichtung des erfindungsgemäßen Gasturbinensystems integriert ist. Gleiche Kompo nenten wie die der ersten Ausführungsform haben die gleichen Bezugszei chen.

Die Diagnoseschaltung dieser Ausführungsform wird erhalten, indem eine Alarmsignalberechnungsschaltung 64 mit einer Abschaltberechnungs schaltung 65 und einer Verzögerungsverhinderungsberechnungsschaltung 66 kombiniert wird.

Die Alarmsignalberechnungsschaltung 64 ist mit einem vierten Ein gangsteil 67, einem Berechnungselement bzw. einer arithmetischen Einheit 68, einem vierten Komparator 70 mit einem vierten Einstellelement 69 für einen vorbestimmten Wert und einem vierten Ausgangsteil 71 mit der Funk tion eines Ausgangskontaktes versehen.

Die Abschaltberechnungsschaltung 65 zweigt von der Ausgangsseite der arithmetischen Schaltung 68 der Alarmsignalberechnungsschaltung 64 ab. Die Abschaltberechnungsschaltung 65 ist mit einem fünften Komparator 73 und einem fünften Ausgangsteil 74 mit der Funktion eines Ausgangskontak tes in der Reihenfolge der Flussrichtung des Betriebssignals versehen. Der fünfte Komparator 73 hat ein fünftes Einstellelement 72 für einen vorbe stimmten Wert, in dem ein vorbestimmter Einstellwert "2β" bestimmt wird, der zweimal so groß ist wie ein Einstellwert "β" des vorgenannten vierten Einstellelements 61.

Die Verzögerungsverhinderungsberechnungsschaltung 66 zweigt von der Ausgangsseite des vierten Eingangsteils 67 der Alarmsignalberechnungs schaltung 64 ab. Die Verzögerungsverhinderungsberechnungsschaltung 66 ist mit einer ersten Verzögerungseinheit 75, einer zweiten Verzögerungseinheit 76 und einer n-ten Verzögerungseinheit 77 versehen, die in dieser Reihen folge in Flussrichtung des Betriebssignals in dem Verbindungspfad zu der arithmetischen Schaltung 68 angeordnet sind. Die erste Verzögerungseinheit 75 berechnet einen NO_x Konzentrationswert "a(z^-1)" der ersten vorhergehen den Periode des realen NO_x Konzentrationswerts "a", der in dem vierten Ein gangsteil 67 in ein digitales Signal umgewandelt wurde. Die zweite Ver zögerungseinheit 76 berechnet einen NO_x Konzentrationswert "a(z^-2)" der zweiten vorhergehenden Periode des vorgenannten realen NO_x Konzentrati onswerts "a". Die n-te Verzögerungseinheit 77 berechnet einen NO_x Konzen trationswert "a(z^-n)" der entenvorhergehenden Periode des vorgenannten rea len NO_x Konzentrationswerts "a".

In der Diagnoseschaltung mit dem vorbeschriebenen Aufbau wird das reale NO_x Konzentrationswertsignal 28, das mittels des NO_x Sensors 27 erfasst wird, in dem vierten Eingangsteil 67 der Alarmsignalberechnungsschaltung 64 in ein digitales Signal umgewandelt und wird dann in der arithmetischen Schaltung 68 als der augenblickliche reale NO_x Konzentrationswert "a" einge geben.

Der augenblickliche reale NO_x Konzentrationswert "a", der in dem vierten Eingangsteil 67 in das digitale Signal umgewandelt wurde, wird in den NO_x Konzentrationswert "a(z^-1)" der ersten vorhergehenden Periode in der ersten Verzögerungseinheit 75 der Verzögerungsverhinderungsberechnungs schaltung 66 umgerechnet, dann in den NO_x Konzentrationswert "a(z^-2)" der zweiten vorhergehenden Periode in einer zweiten Verzögerungseinheit 76 umgerechnet, dann in den Verzögerungskonzentrationswert "a(z^-(n-1))" der nächsten vorhergehenden Periode einer nach dem anderen umgerechnet und schließlich in den NO_x Konzentrationswert "a(z^-n)" der n-ten vorhergehenden Periode in der n-ten Verzögerungseinheit 77 umgerechnet.

Die arithmetische Schaltung 68 subtrahiert den NO_x Konzentrationswert "a(z^-n)" der n-ten vorhergehenden Periode von dem augenblicklichen realen NO_x Konzentrationswert "a", um einen Änderungsbereich (Abweichung) "q" der realen NO_x Konzentration zu erzeugen.

Wenn das Gasturbinensystem 14 in einem konstanten Lastzustand be trieben wird, ist das Brennstoffgasventilsteuerkommando "f" aus der Gastur binensteuervorrichtung 30 konstant, wie in der Darstellung der Fig. 5 gezeigt. Entsprechend wird der Änderungsteil "q" des realen NO_x Konzentrationsaus gangssignals aus der arithmetischen Schaltung 68, wie in Fig. 4 dargestellt, Null, so dass ein Ausgangssignal "r" aus dem vierten Komparator 70 "O" ist. Genauer wird in einem solchen Fall kein Alarmsignal 34 von der Alarmsi gnalberechnungsschaltung 64 an die Gasturbinensteuervorrichtung 30 gesen det.

Wenn das Gasturbinensystem 14 unter einer zunehmenden Lastbedin gung betrieben wird, nehmen alle; das oben genannte Brennstoffgasven tilsteuerkommando "f" gemäß Darstellung 3 der Fig. 5, der reale NO_x Kon zentrationswert "a" und der NO_x Konzentrationswert "a(z^-n)" der n-ten vorher gehenden Periode, die in der Darstellung 4 der Fig. 5 gezeigt werden, und der Änderungsteil "q" der realen NO_x Konzentration, wie in der Darstellung 5 der Fig. 5 gezeigt, zu. Das Ausgangssignal "r" aus dem vierten Komparator 70 ist jedoch "O" wenn nicht diese Werte den Einstellwert "β" aus dem vierten Ein stellelement 69 gemäß Fig. 5 überschreiten. Entsprechend wird in einem sol chen Fall auch kein Alarmsignal 34 von der Alarmsignalberechnungsschal tung 64 an die Gasturbinensteuervorrichtung 30 gesendet.

Wenn aus bestimmten Gründen in der Magerbrennstoff-Vormischzone 21 während des Betriebs des Gasturbinensystems unter zunehmender Lastbe dingung ein Flammenrückschlag auftritt, nimmt der Änderungsbereich "q" der realen NO_x Konzentration mit dem Auftreten des Flammenrückschlags zu. Wenn der Änderungsteil "q" der realen NO_x Konzentration den Einstellwert "β" aus dem vierten Einstellelement 69 gemäß Fig. 4 übersteigt, wird das Ausgangssignal des vierten Komparators 70 "1". Als Folge wird der Flam menrückschlag festgestellt und das Alarmsignal 34 wird durch den vierten Ausgangsteil 71 an die Gasturbinensteuervorrichtung 30 geschickt.

Wenn der Flammenrückschlag in großem Ausmaß zunimmt, so dass der Änderungsbereich "q" der realen NO_x Konzentration den Einstellwert "2β" des fünften Einstellelements 72 übersteigt, wird das Ausgangssignal des fünften Komparators 73 "1" mit dem Ergebnis, dass das Abschaltkommando 35 durch den fünften Ausgangsteil 74 zu der Gasturbinensteuervorrichtung 30 gesendet wird.

Entsprechend der Ausführung der vorliegenden Erfindung sind die Ab schaltberechnungsschaltung 65 und die Verzögerungsverhinderungsberech nungsschaltung 64 mit der Alarmsignalberechnungsschaltung 64 kombiniert und ist die Vorrichtung zum Berechnen des Änderungsteiles "q" der realen NO_x Konzentration vorgesehen, wobei die Signalverzögerung des realen NO_x Konzentrationswertes, die in der Alarmsignalberechnungsschaltung 64 be rechnet wird, kompensiert wird, und zum Ausgeben des Alarmsignals oder des Abschaltkommandos, wenn der Änderungsteil "q" der realen NO_x Kon zentration den vorgeschriebenen Wert übersteigt. Es ist daher möglich, einen Flammenrückschlag in dem Gasturbinenbrenner sicher zu erkennen, selbst während der Lastveränderung.

Es sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die beschrie bene Ausführungsform beschränkt ist und viele andere Veränderungen und Modifizierungen erfolgen können, ohne vom Umfang der beigefügten An sprüche abzuweichen.

Claims

1. Gasturbinensystem, das enthält einen Kompressor (15), einen Gastur binenbrenner (16), eine Gasturbine (17) und einen Generator (18), die betriebsmäßig in Reihe miteinander verbunden sind, eine Verbren nungsüberwachungsvorrichtung (29) zum Erfassen der NO_x Konzentra tion eines von der Gasturbine abgegebenen Abgases, so dass der Verbrennungszustand des Verbrennungsgases in dem Gasturbinen brenner überwacht wird, und eine Gasturbinensteuervorrichtung (30), die betriebsmäßig mit der Verbrennungsüberwachungsvorrichtung ver bunden ist und mit einem NO_x-Wert Prädiktor (31) versehen ist,
welche Verbrennungsüberwachungsvorrichtung enthält:
eine Alarmsignalberechnungsschaltung (40) zum Erzeugen eines Alarmsignals, basierend auf der erfassten NO_x Konzentration des Abga ses, zu einem Zeitpunkt, zu dem ein Flammenrückschlag des Verbren nungsgases in dem Gasturbinenbrenner derart auftritt, dass er eine vor gemischte Verbrennungszone erreicht;
eine Abschaltberechnungsschaltung (41) zum Erzeugen eines Abschaltkommandos, wenn der Flammenrückschlag in einem vorbe stimmten Maß zunimmt; und
eine Flammenrückschlagfehlersignalverhinderungsberechnungs schaltung (42) zum Kompensieren einer Signalverzögerung der erfass ten NO_x Konzentration des Abgases entsprechend einem vorhergesagten NO_x Konzentrationswertsignals aus dem NO_x-Wert Prädiktor (31).

2. Gasturbinensystem nach Anlage 1, wobei die Alarmsignalberechnungs schaltung (40) eine arithmetische Schaltung (45) zum Vergleichen eines aus dem Abgas erfassten realen NO_x Konzentrationswertsignals mit dem von dem NO_x-Wert Prädiktor vorhergesagten NO_x Konzentra tionswert, um eine Berechnung durchzuführen, einen Komparator (47) zum Ausführen einer Stromleitung zu einem Zeitpunkt, zu dem ein Betriebssignal aus der arithmetischen Schaltung einen vorbestimmten Einstellwert übersteigt, und eine UND-Schaltung (49) zum Erzeugen des Alarmsignals, wenn das Betriebssignal aus dem Komparator mit einem Betriebssignal aus der Flammenrückschlagfehlersignalverhinde rungsberechnungsschaltung zusammen fällt.

3. Gasturbinensystem nach Anspruch 1, wobei die Abschaltberechnungs schaltung (40) eine arithmetische Schaltung (45) zum Vergleichen eines aus dem Abgas erfassten realen NO_x Konzentrationswertsignals mit dem von dem NO_x-Wert Prädiktor vorhergesagten NO_x Konzentra tionswert, um eine Berechnung auszuführen, einen von einer Aus gangsseite der arithmetischen Schaltung abzweigenden Komparator zum Erzeugen eines Signals zu einem Zeitpunkt, wenn ein Betriebssi gnal aus der arithmetischen Schaltung einen vorbestimmten Einstell wert übersteigt, und eine UND-Schaltung (54) zum Erzeugen des Ab schaltkommandos zu einem Zeitpunkt, zu dem das Betriebssignal aus dem Komparator mit einem Betriebssignal aus der Flammenrück schlagfehlersignalverhinderungsberechnungsschaltung übereinstimmt.

4. Gasturbinensystem nach Anspruch 1, wobei die Flammenrückschlag fehlersignalverhinderungsberechnungsschaltung (42) einen Differenziator (57) zum Durchführen einer Berechnung auf ein Brennstoffgasventilsteuerkommando aus der Gasturbinensteuervor richtung (30) hin, einen Komparator (60) zum Erzeugen eines Signals zu einem Zeitpunkt, zu dem ein Betriebssignal aus dem Differenziator einen vorbestimmten Einstellwert übersteigt, und einen Zeitgeber (61) zum Halten eines Betriebssignals aus dem Komparator über eine vor bestimmte Zeitdauer aufweist.

5. Gasturbinensystem nach Anspruch 1, wobei sowohl das Alarmsignal aus der Alarmsignalberechnungsschaltung (40) als auch das Abschalt steuersignal aus der Abschaltberechnungsschaltung (41) während eines vorbestimmten Lastbetriebs erzeugt werden.

6. Gasturbinensystem nach Anspruch 1, wobei die Gasturbinensteuervor richtung (30) mit einem NH3-Einspritzsteuersystem (37) versehen ist.

7. Gasturbinensystem, das enthält einen Kompressor (15), einen Gasturbi nenbrenner (16), eine Gasturbine (17) und einen Generator (18), die betriebsmäßig in Reihe miteinander verbunden sind, eine Verbren nungsüberwachungsvorrichtung zum Erfassen der NO_x Konzentration eines von der Gasturbine abgegebenen Abgases, so dass der Verbren nungszustand des Abgases in dem Gasturbinenbrenner überwacht wird, und eine Gasturbinensteuervorrichtung (30), die betriebsmäßig mit der Verbrennungsüberwachungsvorrichtung verbunden ist,
welche Verbrennungsüberwachungsvorrichtung enthält:
eine Alarmsignalberechnungsschaltung (64) zum Erzeugen eines Alarmsignals, basierend auf der aus dem Abgas erfassten NO_x Konzen tration zu einem Zeitpunkt, zu dem ein Flammenrückschlag des Verbrennungsgases in dem Gasturbinenbrenner derart auftritt, dass eine vorgemischte Verbrennungszone erreicht wird;
eine Abschaltberechnungsschaltung (65) zum Erzeugen eines Abschaltkommandos zu einem Zeitpunkt, zu dem der Flammenrück schlag in einem vorbestimmten Ausmaß zunimmt; und
eine Verzögerungsverhinderungsberechnungsschaltung (66) zum Berechnen von NO_x Konzentrationen einer Mehrzahl von vorhergehen den Perioden von allen vorhergehenden Perioden einer laufenden, aus dem Abgas erfassten NO_x Konzentration, so dass die Signalverzögerung der laufenden NO_x Konzentration kompensiert wird.

8. Gasturbinensystem nach Anspruch 7, wobei die Alarmsignalberech nungsschaltung (64) enthält eine arithmetische Schaltung (68) zum Vergleichen des laufenden NO_x Konzentrationswertsignals mit den NO_x Konzentrationen der vorhergehenden Perioden, die von der Verzögerungsverhinderungsberechnungsschaltung (66) berechnet wurden, um einen Änderungsbereich einer realen NO_x Konzentration zu berechnen, und einen Komparator (70) zum Erzeugen eines Signals, um das Alarmsignal zu einem Zeitpunkt zu senden, zu dem ein berechneter Änderungsteil der realen NO_x Konzentration einen vorbestimmten Einstellwert übersteigt.

9. Gasturbinensystem nach Anspruch 7, wobei die Verzögerungsver hinderungsberechnungsschaltung (66) von einer Ausgangsseite eines Eingangsteils der Alarmsignalberechnungsschaltung (64) abzweigt und mit dem Berechnungselement (68) der Alarmsignalberechnungs schaltung verbunden ist.

10. Gasturbinensystem nach Anspruch 9, wobei die Verzögerungsver hinderungsberechnungsschaltung (66) eine Mehrzahl von Verzöge rungseinheiten (75, 76, 77) zum Berechnen von NO_x Konzentrationen einer Mehrzahl von vorhergehenden Perioden von allen vorher gehenden Perioden einer aus dem Abgas erfassten laufenden NO_x Konzentration enthält.

11. Gasturbinensystem nach Anspruch 7, wobei sowohl das Alarmsignal aus der Alarmsignalberechnungsschaltung (64) als auch das Abschalt kommandosignal aus der Abschaltkommandosignal aus der Abschalt berechnungsschaltung (65) während eines vorbestimmten Lastbetriebs erzeugt werden.

12. Gasturbinensystem, das enthält einen Kompressor (15), einen Gasturbi nenbrenner (16), eine Gasturbine (17) und einen Generator (18), die betriebsmäßig in Reihe mit einander verbunden sind, einen Wärme rückgewinnungsdampfgenerator (25), der betriebsmäßig mit der Gas turbine verbunden ist, eine Verbrennungsüberwachungsvorrichtung (29) zum Erfassen der Abgaskonzentration eines von der Gasturbine abgegebenen Abgases, so dass der Verbrennungszustand des Verbren nungsgases in dem Gasturbinenbrenner überwacht wird, und eine Gas turbinensteuervorrichtung (30), die betriebsmäßig mit der Gasturbinen überwachungsvorrichtung verbunden ist und mit einen NO_x-Wert Prä diktor (31) versehen ist,
welche Verbrennungsüberwachungsvorrichtung enthält:
eine Alarmsignalberechnungsschaltung (40) mit einem auf einer strömungsaufwärtigen Seite eines an dem Wärmerückgewinnungs dampfgenerator (25) angeordneten Katalysators angeordneten NO_x Sen sor zum Erfassen der NO_x Konzentration des Abgases, welche Alarmsi gnalberechnungsschaltung ein Alarmsignal, basierend auf der von dem NO_x Sensor erfassten NO_x Konzentration zu einem Zeitpunkt erzeugt, zu dem ein Flammenrückschlag des Verbrennungsgases in dem Gasturbi nenbrenner derart auftritt, dass er eine vorbestimmte Verbrennungszone erreicht;
eine Abschaltberechnungsschaltung (41) zum Erzeugen eines Abschaltkommandos zu einem Zeitpunkt, zu dem der Flammenrück schlag in einem vorbestimmten Ausmaß zunimmt; und
eine Flammenrückschlagfehlersignalverhinderungsberechungs schaltung (42) zum Kompensieren einer Signalverzögerung der von dem NO_x Sensor erfassten NO_x Konzentration entsprechend einem vor hergesagten NO_x Konzentrationswertsignal aus dem NO_x-Wert Prädik tor (31).

13. Gasturbinensystem nach Anspruch 7, wobei die Gasturbinensteuer vorrichtung (30) mit einem NH3-Einspritzsteuersystem (37) versehen ist.