DE10142514B4

DE10142514B4 - Verfahren zum Feststellen eines Flammenrückschlags in einem Gasturbinensystem, sowie Gasturbinensystem

Info

Publication number: DE10142514B4
Application number: DE10142514A
Authority: DE
Inventors: Masayuki Tobo; Haruo Oguchi; Hajime Yasui; Akira Hasegawa
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Plant Systems and Services Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Plant Systems and Services Corp
Priority date: 2000-08-30
Filing date: 2001-08-30
Publication date: 2009-11-05
Anticipated expiration: 2021-08-31
Also published as: FR2813342A1; DE10142514A1; FR2813342B1; US20020029557A1; US6530207B2; JP2002070584A

Abstract

Verfahren zum Feststellen eines Flammenrückschlags in einem Gasturbinensystem mit einem Kompressor (15), einem Gasturbinenbrenner (16), einer Gasturbine (17) und einem Generator (18), die betriebsmäßig in Reihe verbunden sind,
welches Verfahren folgende Schritte enthält:
– Berechnen einer vorhergesagten NO_x Konzentration (b) aufgrund von die Zuführung von Brennstoff zum Brenner bestimmenden Betriebsparametern,
– Erfassen der augenblicklichen NO_x Konzentration (a) im Abgas der Gasturbine,
– Berechnen der Abweichung zwischen der vorhergesagten und der erfassten NO_x Konzentration,
– Erzeugen eines ersten Betriebssignals (d), wenn die Abweichung einen vorbestimmten Wert übersteigt,
– Berechnen der zeitlichen Änderung (g) der dem Brenner zugeführten Treibstoffmenge,
– Erzeugen eines zweiten Betriebssignals (h), wenn die zeitliche Änderung unterhalb eines vorbestimmten Wertes liegt und
– Erzeugen eines einen Flammenrückschlag anzeigenden Signals (34), wenn das erste Betriebssignal und das zweite Betriebssignal gleichzeitig vorhanden sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Feststellen eines Flammenrückschlags in einem Gasturbinensystem, sowie Gasturbinensystem, wobei das Überwachen des Auftretens eines Flammenrückschlags von Verbrennungsgas auf der Basis von NOx Konzentrationsdaten des Verbrennungsgases erfolgt.
Ein Kombinationszyklusenergieerzeugungssystem hat charakteristische Eigenschaften, wie einen verbesserten thermischen Kraftwerkswirkungsgrad, eine verminderte Start-Stoppzeitdauer, verminderte Mengen an heißen abgehenden Strömungen und ähnliches, was hoch bewertet wird. Das Kombinationszyklusenergieerzeugungssystem ist in jüngerer Zeit zu einer der führenden Hauptentwicklungsrichtungen der neuesten thermischen Kraftwerke geworden.
Das Kombinationszyklusenergieerzeugungssystem ist aus einem Gasturbinensystem, einer Dampfturbinenanlage und einem Wärmerückgewinnungsdampfgenerator in Tandemanordnung oder Einwellenanordnung zusammengesetzt, so dass die Verwendung von Abgas aus dem Gasturbinensystem als Wärmequelle für den Wärmerückgewinnungsdampfgenerator bewirkt, dass der Kessel Dampf erzeugt und der so erzeugte Dampf dem Dampfturbinensystem zur Erzeugung von Leistung zugeführt wird. Das Abgas (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 Dampfturbinensystem 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 Umweltverschmutzungen neu bewertet. Eine solche Neubewertung wurde mit einem Auge auf die Überwachung des Verbrennungszustandes des Verbrennungsgases und eine Verminderung der NOx Konzentration gemacht.
Die früheren technischen Maßnahmen, das heißt die Überwachung des Verbrennungszustandes des Verbrennungsgases wurden herkömmlich vorgeschlagen. Eine dieser Maßnahme ist in der japanischen, offen gelegten Patentveröffentlichung Nr. SHO 53-82909 beschrieben.
Ein solcher Stand der Technik, der ein Gasturbinensystem alleine beispielhaft darstellt, ist in 6 gezeigt. Im Stand der Technik wird die Temperatur 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 berechnet. Zwischen der Zwischentemperatur und den einzelnen tatsächlich erfassten Temperaturen erfolgt ein Vergleich. Wenn zwischen der ersteren und der letzteren eine Abweichung vorhanden ist oder die Abweichung einen vorgeschriebenen Wert übersteigt, beurteilt eine Verbrennungsüberwachungsvorrichtung 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 Brennstoffventil 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 NOx Konzentration zu vermindern.
Ein solcher Stand der Technik ist beispielsweise in einem Kombinationszyklusenergieerzeugungssystem, wie in 7 dargestellt, enthalten, bei dem als ein Verbrennungssystem für einen Gasturbinenbrenner 7 die Diffusionsverbrennung angewendet wird. Im Stand der Technik ist ein NOx Konzentrationssensor 10 auf der strömungsabwärtigen Seite eines Katalysators 9 eines Wärmerückgewinnungsdampfgenerators 8 in Strömungsrichtung des Abgases vorgesehen. Ein von dem NOx Konzentrationssensor 10 erfasstes NOx Konzentrationswertsignal P wird mit einem vorbestimmten NOx Konzentrationswertsignal Q aus einem in eine Gasturbinensteuervorrichtung 5 integrierten NOx Konzentrationsprädiktor in einem NH3-Einspritzsteuersystem 12 verglichen, um eine Berechnung durchzuführen. Auf Basis des Berechnungsergebnisses wird eine Menge zuzuführenden Ammoniaks berechnet. Ammoniak wird in einer auf diese Weise berechneten Menge beispielsweise in eine Abgasleitung 2 eingeleitet, die eine Gasturbine 1 und den Wärmerückgewinnungsdampfgenerator 8 miteinander verbindet. Zusätzlich wird eine Ventilöffnung des Brennstoffventils 6 gesteuert, um die Brennstoffmenge einzustellen, wodurch eine geringe NOx Konzentration aufrecht erhalten wird.
Die in den 6 und 7 dargestellten technischen Maßnahmen, die die Überwachung der Verbrennungsbedingung des Verbrennungsgases und die Verminderung der NOx Konzentration betreffen, wurden bereits in die Praxis umgesetzt, wodurch ein Beitrag zur Verhinderung der Umweltverschmutzung geleistet wird. Speziell ist entsprechend den technischen Maßnahmen gemäß 7 eine hohe Genauigkeit der Vorhersage der NOx Konzentration gegeben, sogar mit der Verwendung von Berechnungsmaßnahmen im Falle einer Diffusionsverbrennung, was auf diese Weise zu einer der exzellenten Maßnahmen auf diesem Gebiet der Technik wurde.
In jüngster Zeit besteht auf Grund weiter verschärfter Umweltbestimmungen bezüglich der NOx Konzentration eine Forderung nach Gasturbinenbrennern mit extrem niedriger NOx Konzentration. Bezüglich dieser Forderung haben die in den 6 und 7 gezeigten Gasturbinenbrenner der Diffusionsverbrennungsbauart 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 Brennstoffzustand, um die Flammentemperatur abzusenken, wodurch die NOx Konzentration 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 Konzentration hervorragend sind, haben jedoch einige Probleme. Eines dieser Probleme ist ein Phänomen des Flammenrückschlagens (Rückbrennens) des Verbrennungsgases.
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 NOx Konzentration erzeugt.
Es ist denkbar, die technischen Maßnahmen zur Berechnung gemäß 7 anzuwenden, um die NOx Konzentration aus der Temperaturverteilung des Abgases vorherzusagen, als eine Vorrichtung zum Überwachen eines solchen 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 NOx Konzentration aufgrund des Rückschlagens aus der Temperaturverteilung des Abgases zu beurteilen, selbst wenn die vorgenannten technischen Maßnahmen zum Berechnen angewendet werden. Wenn das Flammenrückschlagen nicht erfasst wird, dauert der Betrieb beim Vorhandensein des Flammenrückschlagens an, was zu einem möglichen Durchbrennunfall des Gasturbinenbrenners führt.
Aus diesen Gründen wurde die Realisierung einer Verbrennungsüberwachungsvorrichtung gefordert, die für die Trockenvormisch-Magerverbrennung geeignet ist.
Der Erfindung; die im Hinblick auf die vorstehend geschilderten Probleme gemacht wurde, liegt die Aufgabe zugrunde, ein Flammenrückschlagen in einem Gasturbinensystem sicher festzustellen.
Eine erste Lösung der Erfindungsaufgabe wird mit einem Verfahren gemäß dem Anspruch 1 erzielt.
Die Unteransprüche 2 und 3 sind auf vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gerichtet.
Eine weitere Lösung der Erfindungsaufgabe wird mit einem Gasturbinensystem gemäß dem Anspruch 4 erzielt, das mit den Merkmalen der Unteransprüche 5 bis 7 in vorteilhafter Weise weitergebildet wird.
Die Erfindungsaufgabe wird auch mit einem Gasturbinensystem gemäß dem Anspruch 8 gelöst, das mit den Merkmalen der Ansprüche 9 bis 11 vorteilhaft weitergebildet wird.
Die Unteransprüche 12 bis 14 sind auf Merkmale gerichtet, mit denen das erfindungsgemäße Gasturbinensystem sowohl gemäß dem Anspruch 4 als auch gemäß dem Anspruch 8 in vorteilhafter Weise weitergebildet werden kann.
Entsprechend dem erfindungsgemäßen Gasturbinensystem mit dem oben genannten Aufbau und den oben genannten Merkmalen sind die Alarmsignalberechnungsschaltung, die Abschaltberechnungsschaltung und die Flammenrückschlagfehlersignalverhinderungsberechnungsschaltung in eine Diagnoseschaltung zum Überwachen des Auftretens eines Flammenrückschlags in der Magerbrennstoff-Vormischzone des Gasturbinenbrenners integriert, so dass verhindert wird, dass das Flammenrückschlagfehlersignal erzeugt wird. Es ist daher möglich, einen sicheren Betrieb des Gasturbinenbrenners durchzuführen.
Weiter sind bei dem erfindungsgemäßen Gasturbinensystem die Abschaltberechnungsschaltung und die Verzögerungsverhinderungsberechnungsschaltung in der Diagnoseschaltung zum Überwachen des Auftretens des Flammenrückschlags in die Magerbrennstoff-Vormischzone des Gasturbinenbrenners integriert, so dass eine Signalverzögerung des realen NO_x Konzentrationswertsignals kompensiert wird. Es ist daher möglich, den Flammenrückschlag in dem Gasturbinenbrenner sicher festzustellen, selbst während einer Lastveränderung.
Die Natur und weitere charakteristische Merkmale der Erfindung werden aus den nachfolgenden Beschreibungen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verständlicher.
In den beigefügten Zeichnungen stellen dar:
1 ein schematisches Blockschaltbild zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Gasturbinensystems, das in ein Kombinationszyklusenergieerzeugungssystem eingebaut ist;
2 ein Steuerblockschaltbild, das eine erste Ausführungsform einer Diagnoseschaltung darstellt, die in eine Verbrennungsüberwachungsvorrichtung der erfindungsgemäßen Gasturbinensystem integriert ist;
3 eine Darstellung, in der ein Vergleich zwischen dem Verhalten eines Brennstoffgasventilsteuerkommandos aus der Diagnoseschaltung der erfindungsgemäßen Gasturbinensystem und einem realen NO_x Konzentrationswert 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 Konzentrationswerten und den vorhergesagten NO_x Konzentrationswerten entsprechend den vorgenannten drei Phasen;
4 ein Blockschaltbild, das eine zweite Ausführungsform einer Diagnoseschaltung darstellt, die in der Verbrennungsüberwachungsvorrichtung der erfindungsgemäßen Gasturbinensystem integriert ist.
5 ist eine Darstellung, in der ein Vergleich zwischen dem Verhalten des Brennstoffgasventilsteuerkommandos aus der Diagnoseschaltung des erfindungsgemäßen Gasturbinensystems und einem realen NO_x Konzentrationswert gemacht wird und genauer, stellt die Darstellung 3 das Verhalten des Brennstoffgasventilsteuerkommandos in drei Phasen dar, in die der Betrieb 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 Lastbedingungen betrieben wird, und eine sechste Phase, in der ein Flammenrückschlag auftritt; die Darstellung 4 zeigt Abweichungen zwischen den realen NO_x Konzentrationswerten und realen NO_x Konzentrationswerten von vorhergehenden ”n(ten)” Perioden entsprechend den vorgenannten drei Phasen und die Darstellung 5 zeigt das Verhalten eines Änderungsbereiches eines realen NO_x Konzentrationswerts, der eine Abweichung zwischen dem realen NO_x Konzentrationswert und dem realen NO_x Konzentrationswert der vorhergehenden ”n(ten)” Perioden ist;
6 ein schematisches Blockschaltbild zur Erläuterung eines Brennstoffüberwachungssystems des herkömmlichen Gasturbinensystems und
7 ein Steuerblockschaltbild zur Erläuterung einer NO_x Steuervorrichtung des konventionellen Kombinationszyklusenergieerzeugungssystems.
Im folgendem werden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gasturbinensystems unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1 ist ein schematisches Blockschaltbild zur Erläuterung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gasturbine, die beispielsweise in einem Kombinationszykluswerk bzw. -energieerzeugungssystem enthalten ist.
Das erfindungsgemäße, allgemein mit dem Bezugszeichen ”14” bezeichneten Gasturbinensystem ist mit einem Kompressor 15, einem Gasturbinenbrenner 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 verdünnten 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 drehangetrieben wird, und wird dann durch eine Abgasleitung 24 einem Wärmerückgewinnungsdampfgenerator 27 zugeführt.
Die Abgasleitung 24, die die Gasturbine 17 und den Wärmerückgewinnungsdampfgenerator 25 miteinander verbindet, enthält in sich eine Mehrzahl von Thermoelementen 24a, mit dem Ergebnis, dass die von den Thermoelementen 24a erfasste Temperatur einer Gasturbinensteuervorrichtung 30 zugeführt wird. Die Gasturbinensteuervorrichtung berechnet ein Brennstoffgasventilsteuerkommando 33, um ein Betriebssignal zu erzeugen, wobei zusätzlich zu Betriebsparametern, wie Druck, Strömungsgeschwindigkeit, Feuchtigkeit, Drehzahl usw. die auf diese Weise erfasste Abgastemperatur berück sichtigt wird. Das erzeugte Betriebssignal wird einer Verbrennungsüberwachungsvorrichtung 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 Konzentrationswertsignal 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 sowohl 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 Gasturbinensteuervorrichtung 30 gesendete Brennstoffgasventilsteuerkommando 30 in eine Verbrennungsüberwachungsvorrichtung 29 eingegeben. Die Verbrennungsüberwachungsvorrichtung 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 unnormale Verbrennung vorhanden ist, sendet die Verbrennungsüberwachungsvorrichtung 29 ein Alarmsignal 34 oder ein Abschaltkommando 35 an die Gasturbinensteuervorrichtung 30 und veranlasst die Gasturbinensteuervorrichtung 30, ein Brennstoffgasventilsteuerkommando 33 an das Brennstoffventil 36 zu senden, um dadurch die Brennstoffströmungsmenge einzustellen.
Die Gasturbinensteuervorrichtung 30 ist mit einem NH3-Einspritzsteuer-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 Katalysators 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, Strömungsgeschwindigkeit, Feuchtigkeit, Drehzahl usw. berechnet wurde, so dass eine abzugebende NH3 Menge unter Verwendung einer Kombination des vorhergesagten NO_x Konzentrationswertsignals 32, das ein rasches Ansprechvermögen hat (das heißt, das augenblicklich verfügbar ist) mit dem realen NO_x Konzentrationswertsignal 39, das eine hohe Erfassungsgenauigkeit hat, berechnet wird.
2 ist ein Steuerblockschaltbild, das die erste Ausführungsform der Diagnoseschaltung darstellt, die in die Verbrennungsüberwachungsvorrichtung 29 integriert ist.
Die Diagnoseschaltung ist durch Kombination einer Alarmsignalberechnungsschaltung 40 mit einer Abschaltberechnungsschaltung 41 und einer Flammenrückschlagfehlersignalverhinderungsberechnungsschaltung 42 erhalten.
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 Zeitgeber 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 Komparator 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 vorbestimmten Wert.
Die Flammenrückschlagfehlersignalverhinderungsberechnungsschaltung 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 Einstellelement 59 für einen vorbestimmten Wert und einem dritten Zeitgeber 61 versehen. Die Flammenrückschlagfehlersignalverhinderungsberechnungsschaltung 42 ist mit einer ersten UND-Schaltung 49 der Alarmsignalberechnungsschaltung 40 und einer zweiten UND-Schaltung 54 der Abschaltberechnungsschaltung 41 verbunden.
In der Diagnoseschaltung mit dem vorbeschriebenen Aufbau wird das reale NO_x Konzentrationswertsignal 28, das mittels des auf der strömungsaufwärtigen Seite des Katalysators 26 des Wärmerückgewinnungsdampfgenerators 25 gemäß 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 Prädiktor 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 größer 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 Konzentrationswert ”b” größer ist als der Einstellwert ”ε” in dem ersten Komparator 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 Einstellwert ”ε” ist, wird das Ausgangssignal ”d” des ersten Komparators 47 ”0” (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 vorhergesagte NO_x Konzentrationswert ”b” im wesentlichen gleich dem realen NO_x Konzentrationswert ”a”. Folglich wird die Abweichung ”c” kleiner als der vorbestimmte Einstellwert ”ε”, 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 Konzentrationswert ”a” größer.
Selbst wenn der Flammenrückschlag auftritt, besteht in den Betriebsparametern 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 Beurteilungszustand 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 augenblickliche 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” zugeleitet.
Die Abweichung ”c”, die von der Ausgangsseite der arithmetischen Schaltung 45 abgezweigt wird, wird mit dem vorbestimmten Einstellwert ”2ε” aus dem zweiten Einstellelement 51 für einen vorbestimmten Einstellwert in dem zweiten Komparator 52 verglichen. Wenn die Abweichung ”c” den vorbestimmten Einstellwert ”2ε” 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 ”l” von dem ersten Zeitgeber 48 und dem zweiten Zeitgeber 53 in den Zuständen ”e = 1” und ”l = 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-Vormischzone 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 Flammenrückschlagfehlersignalverhinderungsberechnungsschaltung 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 Diffenzierschaltung 57 als Brennstoffgasventilsteuerkommando ”f”. Die Differenzierschaltung 57 hat eine Verzögerungseinheit 62 und eine arithmetische Schaltung 63. Die Verzögerungsschaltung 62 gibt das Brennstoffgasventilsteuerkommando ”f” als das Brennstoffgasventilsteuerkommando ”f(z^–1)” der ersten vorhergehenden Periode. Das Berechnungselement 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 Verzögerungseinheit 62 und dem Brennstoffgasventilsteuerkommando ”f(z^–1)” der ersten 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 Ausgangssignal ”h” auf ”1”, wenn der Differentialwert ”g” kleiner als der vorbestimmte Einstellwert ”a” 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 vorliegenden Erfindung der Unterschied zwischen dem Brennstoffgasventilsteuerkommando ”f” und dem Brennstoffgasventilsteuerkommando ”f(z^–1)” der ersten vorhergehenden Periode größer, was zu einer Zunahme des Differentialwertes ”g” führt, so dass das Ausgangssignal ”h” auf ”0” gehalten wird. Wenn ein Konstantlastbetrieb durchgeführt wird, wird der Unterschied zwischen dem Brennstoffgasventilsteuerkommando ”f” und dem Brennstoffgasventilsteuerkommando ”f(z^–1)” der ersten vorhergehenden Periode kleiner, was zu einer Abnahme in dem Differentialwert ”g” führt, so dass das Ausgangssignal ”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 Alarmsignalberechnungsschaltung 40 und der zweiten UND-Schaltung 54 der Abschaltberechnungsschaltung 41 gesandt, um die Störung vom Eingangswert zu verhindern.
Die Alarmsignalberechnungsschaltung 40 betrachtet das Ausgangssignal ”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 vollständig 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 Gasturbinenbrenners 16 auftritt, an die Gasturbinensteuervorrichtung 30 schickt, wodurch eine Bedienperson über eine Bedienerschnittstelle (das heißt eine Anzeigevorrichtung), die nicht dargestellt ist, eine entsprechende Information erhält.
Die Abschaltberechnungsschaltung 41 betrachtet das Ausgangssignal ”l” aus dem zweiten Zeitgeber 53 als das normale Signal von ”1”, vorausgesetzt, dass das Ausgangssignal ”i” aus der Flammenrückschlagfehlsignalverhinderungsberechnungsschaltung 42 vollständig an die zweite UND-Schaltung 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-Vormischzone 21 des Gasturbinenbrenners 16 wachst, an die Gasturbinensteuervorrichtung sendet, wodurch das Gasturbinensystem 14 abgeschaltet wird. Bezüglich der Unterscheidung zwischen dem Abschalten und dem Alarm ist der vorbestimmte Einstellwert ”2ε” des zweiten Einstellelements 51 der Abschaltberechnungsschaltung 41 zweimal so groß wie der vorbestimmte Einstellwert ”ε” des ersten Einstellelements 46 der Alarmsignalberechnungsschaltung 40.
3 ist eine Darstellung in der ein Vergleich zwischen dem Verhalten des Brennstoffgasventilsteuerkommandos ”f” der Flammenrückschlagfehlersignalverhinderungsberechnungsschaltung 42, das in ein digitales Signal konvertiert wird, der reale NO_x Konzentrationswert, und genauer stellt die Darstellung 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 zwischen 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 3 nimmt, wenn die Last der Gasturbinenanlage 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 Ansprechverhalten mit einer langen Zeitverzögerung auf Grund der Messverzögerung des NO_x Sensors 27 gemäß der Darstellung 2 hat, bleibt dagegen für eine Zeitdauer 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 Abweichung identisch oder größer als der Wert ”ε” wird, wird das Ausgangssignal ”d” des ersten Komparators 47, wie in 2 dargestellt, ”1”. Das Ausgangssignal ”e” des ersten Zeitgebers 48 wird ”1” nach Ablauf der vorbestimmten Zeitdauer.
Das Brennstoffgasventilsteuerkommando ”f” der Flammenrückschlagfehlersignalverhinderungsberechnungsschaltung 42 ändert sich während der Abnahme der Last sehr stark, so dass die Abweichung (das heißt der Differentialwert ”g”) zwischen dem Brennstoffgasventilsteuerkommando ”f”, das in dem dritten Eingangsteil 56 gemäß 2 in das digitale Signal umgewandelt wird, und dem Brennstoffgasventilsteuerkommando ”f(z^–1)” der ersten vorhergehenden Periode länger wird. Folglich wird das Ausgangssignal ”h” des dritten Komparators 60 auf ”0” gehalten und das Ausgangssignal ”i” des dritten Zeitgebers 61 wird ebenfalls auf ”0” gehalten.
In diesem Fall wird das Ausgangssignal ”i” des dritten Zeitgebers 61 der Flammenrückschlagfehlersignalverhinderungsberechnungsschaltung 42 auf ”0” 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 Ausgangssignal ”j” auf ”0” 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 Konzentrationswert ”a” und dem vorhergesagten NO_x Konzentrationswert ”b” auf Grund der Messverzögerung in dem NO_x Sensor 27 während der Lastveränderung 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 Flammenrückschlagfehlersignalverhinderungsberechnungsschaltung 42 daran gehindert wird, gesendet 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, nachdem 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 Fehlersignal 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 vorhergesagte NO_x Konzentrationswert konstant. In diesem Fall hat der reale NO_x Konzentrationswert ”a” ein langsames Ansprechverhalten, was eine Zeitverzögerung 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 Flammenrückschlagfehlersignalverhinderungsberechnungsschaltung 42 gemäß 3 wird jedoch während der vorgenannten Zeitdauer noch auf ”0” gehalten, mit der Folge, dass das Ausgangssignal ”j” der ersten UND-Schaltung 49 der Alarmsignalberechnungsschaltung 40 auf ”0” gehalten wird, was zu keiner Feststellung eines Flammenrückschlags führt.
Wenn der reale NO_x Konzentrationswert ”a” sich dem vorhergesagten NO_x Konzentrationswert ”b” nach einem Zeitablauf annähert und die Abweichung ”ε” kleiner wird, wird das Ausgangssignal ”d” des ersten Komparators 47 und das Ausgangssignal ”e” des ersten Zeitgebers 48 ”0”, 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 vorhergesagten 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 ersten UND-Schaltung 49 ”1”, so dass das Alarmsignal 34 durch den ersten Ausgangsteil 50 zu der Gasturbinensteuervorrichtung 30 geschickt wird, wodurch eine Bedienperson über das Auftreten eines Flammenrückschlags informiert wird.
Wenn der Flammenrückschlag in großem Ausmaß wachst (obwohl dieser Fall in 3 nicht dargestellt ist), so dass der reale NO_x Konzentrationswert ”a” den vorbestimmten Einstellwert ”2ε” des zweiten Einstellelements 51 übersteigt, während er durch den zweiten Komparator 52 gemäß 2 hindurch gelangt, erzeugt die Abschaltberechnungsschaltung 41, wie die oben beschriebene Alarmsignalberechnungsschaltung 40, das Abschaltkommando 35, vorausgesetzt, dass die Berechnungssignale aus der Flammenrückschlagfehlersignalverhinderungsberechnungsschaltung 42 an die zweite UND-Schaltung 54 gesendet werden. Ein solches Abschaltkommando 35 wird zu der Gasturbinensteuervorrichtung 30 geschickt, wodurch das Gasturbinensystem 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 realen, im Abgas gemessenen NO_x Konzentrationswertes und des vorhergesagten NO_x Konzentrationswertes, der eine Messverzögerung des realen NO_x Konzentrationswerts kompensiert, und eine Vorrichtung zum Verhindern eines Fehlersignals des Flammenrückschlags des Verbrennungsgases in die Magerbrennstoff-Vormischzone 21 während der Laständerung. Es ist daher möglich, das Flammenrückschlagen des Verbrennungsgases in die Magerbrennstoff-Vormischzone 21 zu überwachen, um einen sicheren Betrieb des Gasturbinenbrenners 16 durchzuführen.
Entsprechend der vorbeschriebenen Ausführungsform der Erfindung hat die Gasturbinensystem zusätzlich eine Vorrichtung zum Überwachen des Flammenrückschlags des Verbrennungsgases in die Magerbrennstoff-Vormischzone 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.
4 ist ein Blockschaltbild, das die zweite Ausführungsform der Diagnoseschaltung darstellt, die in die Verbrennungsüberwachungsvorrichtung des erfindungsgemäßen Gasturbinensystems integriert ist. Gleiche Komponenten wie die der ersten Ausführungsform haben die gleichen Bezugszeichen.
Die Diagnoseschaltung dieser Ausführungsform wird erhalten, indem eine Alarmsignalberechnungsschaltung 64 mit einer Abschaltberechnungsschaltung 65 und einer Verzögerungsverhinderungsberechnungsschaltung 66 kombiniert wird.
Die Alarmsignalberechnungsschaltung 64 ist mit einem vierten Eingangsteil 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 Funktion 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 Ausgangskontaktes in der Reihenfolge der Flussrichtung des Betriebssignals versehen. Der fünfte Komparator 73 hat ein fünftes Einstellelement 72 für einen vorbestimmten 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 Alarmsignalberechnungsschaltung 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 Reihenfolge 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 vorhergehenden Periode des realen NO_x Konzentrationswerts ”a”, der in dem vierten Eingangsteil 67 in ein digitales Signal umgewandelt wurde. Die zweite Verzögerungseinheit 76 berechnet einen NO_x Konzentrationswert ”a(z^–2)” der zweiten vorhergehenden Periode des vorgenannten realen NO_x Konzentrationswerts ”a”. Die n-te Verzögerungseinheit 77 berechnet einen NO_x Konzentrationswert ”a(z^–n)” der entenvorhergehenden Periode des vorgenannten realen 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” eingegeben.
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 Verzögerungsverhinderungsberechnungsschaltung 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 betrieben wird, ist das Brennstoffgasventilsteuerkommando ”f” aus der Gasturbinensteuervorrichtung 30 konstant, wie in der Darstellung der 5 gezeigt. Entsprechend wird der Änderungsteil ”q” des realen NO_x Konzentrationsausgangssignals aus der arithmetischen Schaltung 68, wie in 4 dargestellt, Null, so dass ein Ausgangssignal ”r” aus dem vierten Komparator 70 ”0” ist. Genauer wird in einem solchen Fall kein Alarmsignal 34 von der Alarmsignalberechnungsschaltung 64 an die Gasturbinensteuervorrichtung 30 gesendet.
Wenn das Gasturbinensystem 14 unter einer zunehmenden Lastbedingung betrieben wird, nehmen alle, das oben genannte Brennstoffgasventilsteuerkommando ”f” gemäß Darstellung 3 der 5, der reale NO_x Konzentrationswert ”a” und der NO_x Konzentrationswert ”a(z^–n)” der n-ten vorhergehenden Periode, die in der Darstellung 4 der 5 gezeigt werden, und der Änderungsteil ”q” der realen NO_x Konzentration, wie in der Darstellung 5 der 5 gezeigt, zu. Das Ausgangssignal ”r” aus dem vierten Komparator 70 ist jedoch ”0” wenn nicht diese Werte den Einstellwert ”β” aus dem vierten Einstellelement 69 gemäß 5 überschreiten. Entsprechend wird in einem solchen Fall auch kein Alarmsignal 34 von der Alarmsignalberechnungsschaltung 64 an die Gasturbinensteuervorrichtung 30 gesendet.
Wenn aus bestimmten Gründen in der Magerbrennstoff-Vormischzone 21 während des Betriebs des Gasturbinensystems unter zunehmender Lastbedingung 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 4 übersteigt, wird das Ausgangssignal des vierten Komparators 70 ”1”. Als Folge wird der Flammenrückschlag 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 Abschaltberechnungsschaltung 65 und die Verzögerungsverhinderungsberechnungsschaltung 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 berechnet wird, kompensiert wird, und zum Ausgeben des Alarmsignals oder des Abschaltkommandos, wenn der Änderungsteil ”q” der realen NO_x Konzentration 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 beschriebene Ausführungsform beschränkt ist und viele andere Veränderungen und Modifizierungen erfolgen können, ohne vom Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.

Claims

Verfahren zum Feststellen eines Flammenrückschlags in einem Gasturbinensystem mit einem Kompressor (15), einem Gasturbinenbrenner (16), einer Gasturbine (17) und einem Generator (18), die betriebsmäßig in Reihe verbunden sind, welches Verfahren folgende Schritte enthält: – Berechnen einer vorhergesagten NO_x Konzentration (b) aufgrund von die Zuführung von Brennstoff zum Brenner bestimmenden Betriebsparametern, – Erfassen der augenblicklichen NO_x Konzentration (a) im Abgas der Gasturbine, – Berechnen der Abweichung zwischen der vorhergesagten und der erfassten NO_x Konzentration, – Erzeugen eines ersten Betriebssignals (d), wenn die Abweichung einen vorbestimmten Wert übersteigt, – Berechnen der zeitlichen Änderung (g) der dem Brenner zugeführten Treibstoffmenge, – Erzeugen eines zweiten Betriebssignals (h), wenn die zeitliche Änderung unterhalb eines vorbestimmten Wertes liegt und – Erzeugen eines einen Flammenrückschlag anzeigenden Signals (34), wenn das erste Betriebssignal und das zweite Betriebssignal gleichzeitig vorhanden sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Erzeugung des ersten Betriebssignals um eine vorbestimmte Zeitdauer (48) und die Erzeugung des zweiten Betriebssignals um eine vorbestimmte Zeitdauer (61) verzögert wird.
Verfahren zum Feststellen eines Flammenrückschlags in einem Gasturbinensystem mit einem Kompressor (15), einem Gasturbinenbrenner (16), einer Gasturbine (17) und einem Generator (18), die betriebsmäßig in Reihe verbunden sind, welches Verfahren folgende Schritte enthält: – Erfassen der augenblicklichen NO_x Konzentration (a) im Abgas der Gasturbine, – Berechnen der NO_x Konzentration (a(z^–n)) der n-ten, dem Zeitpunkt der augenblicklichen Erfassung vorhergehenden Zeitperiode, – Ermitteln der Abweichung (q) zwischen der augenblicklichen NO_x Konzentration und der NO_x Konzentration der n-ten vorhergehenden Zeitperiode und – Erzeugen eines einen Flammenrückschlag anzeigenden Signals, wenn die Abweichung (q) einen vorbestimmten Wert (β) übersteigt.
Gasturbinensystem, enthaltend einen Kompressor (15), einen Gasturbinenbrenner (16), eine Gasturbine (17) und einen Generator (18), die betriebsmäßig in Reihe miteinander verbunden sind, eine Verbrennungsüberwachungsvorrichtung (29) zum Erfassen wenigstens eines Parameters des von der Gasturbine abgegebenen Abgases, um den Verbrennungszustand des Verbrennungsgases in dem Gasturbinenbrenner zu überwachen, und eine Gasturbinensteuervorrichtung (30), die mit der Verbrennungsüberwachungsvorrichtung betriebsmäßig verbunden ist, um die Brennstoffzufuhr zu dem Brenner zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass ein NO_x Sensor (27) zum Erfassen der realen NO_x Konzentration im Abgas vorgesehen ist, ein NO_x-Wert Prädiktor (31) vorgesehen ist, um die NO_x Konzentration in dem Abgas, basierend auf Betriebsparametern der Turbine, vorherzusagen, und die Verbrennungsüberwachungsvorrichtung (29) enthält: eine Alarmsignalberechnungsschaltung (40) zum Erzeugen eines Alarmsignals, basierend auf der NO_x Konzentration, die im Abgas zu einem Zeitpunkt festgestellt wird, zu dem ein Flammenrückschlag des Verbrennungsgases in dem Gasturbinenbrenner derart auftritt, dass er eine vorgemischte Verbrennungszone erreicht; eine Abschaltberechnungsschaltung (41) zum Erzeugen eines Abschaltkommandos, wenn der Flammenrückschlag in einem vorbestimmten Maß zunimmt, und eine Flammenrückschlagverhinderungsberechnungsschaltung (42) zum Kompensieren einer Signalverzögerung zwischen der in dem Abgas festgestellten realen NO_x Konzentration und der vorhergesagten NO_x Konzentration, um sicherzustellen, dass kein fehlerhaftes Aufnahmesignal oder Abschaltkommando aufgrund der Signalverzögerung erzeugt wird.
Gasturbinensystem nach Anspruch 4, wobei die Alarmsignalberechnungsschaltung (40) enthält 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 Konzentrationswert, 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 Flammenrückschlagfehlersignalverhinderungsberechnungsschaltung zusammen fällt.
Gasturbinensystem nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Abschaltberechnungsschaltung (41) enthält eine arithmetische Schaltung (45) zum Vergleichen eines aus dem Abgas erfassten realen NO_x Konzentrationssignals mit dem von dem NO_x-Wert Prädiktor vorhergesagten NO_x Konzentrationswert, um eine Berechnung auszuführen, einen von einer Ausgangsseite der arithmetischen Schaltung abzweigenden Komparator (52) zum Erzeugen eines Signals zu einem Zeitpunkt, wenn ein Betriebssignal (c) aus der arithmetischen Schaltung einen vorbestimmten Einstellwert übersteigt, und eine UND-Schaltung (54) zum Erzeugen eines Abschaltkommandos zu einem Zeitpunkt, zu dem das Betriebssignal aus dem Komparator mit einem Betriebssignal aus der Flammenrückschlagfehlersignalverhinderungsberechnungsschaltung (42) übereinstimmt.
Gasturbinensystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Flammenrückschlagfehlersignalverhinderungsberechnungsschaltung (42) enthält einen Differenziator (57) zum Durchführen einer Berechnung auf ein Brennstoffgasventilkommando aus der Gasturbinensteuervorrichtung (30) hin, einen Komparator (60) zum Erzeugen eines Signals zu einem Zeitpunkt, zu dem ein Betriebssignal aus dem Differziator einen vorbestimmten Einstellwert übersteigt, und ein Zeitgeber (61) zum Halten eines Betriebssignals aus dem Komparator über eine vorbestimmte Zeitdauer.
Gasturbinensystem, enthaltend, einen Kompressor (15), einen Gasturbinenbrenner (16), eine Gasturbine (17) und einen Generator (80), die betriebsmäßig in Reihe miteinander verbunden sind, eine Verbrennungsüberwachungsvorrichtung (29) zum Erfassen wenigstens eines Parameters des von der Gasturbine abgegebenen Abgases, um den Verbrennungszustand des Verbrennungsgases in dem Gasturbinenbrenner zu überwachen, und eine Gasturbinensteuervorrichtung (30), die betriebsmäßig mit der Gasturbinenüberwachungsvorrichtung verbunden ist, um die zu dem Brenner zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass, ein NO_x-Sensor (27) zum Erfassen der realen NO_x Konzentration in dem Abgas vorgesehen ist, und die Verbrennungsüberwachungsvorrichtung (29) enthält: eine Alarmsignalberechnungsschaltung (64) zum Erzeugen eines Alarmsignals, basierend auf der NO_x Konzentration, die in dem Abgas zu einem Zeitpunkt festgestellt wird, zudem ein Flammenrückschlag des Verbrennungsgases in dem Gasturbinenbrenner eine vorgemischte Verbrennungszone erreicht, eine Abschaltberechnungsschaltung (65) zum Erzeugen eines Abschaltkommandos zu einem Zeitpunkt, zu dem der Flammenrückschlag in einem vorbestimmten Maß zunimmt; und eine Verzögerungsverhinderungsberechnungsschaltung (66) zum Berechnen von NO_x Konzentrationen einer Mehrzahl vorhergehender Perioden aller vorhergehenden Perioden einer augenblicklichen in dem Abgas erfaßten NO_x Konzentration, um eine Signalverzögerung der augenblicklichen NO_x Konzentration zu kompensieren.
Gasturbinensystem nach Anspruch 8, wobei die Alarmsignalberechnungsschaltung (64) enthält eine arithmetische Schaltung (68) zum Vergleichen der realen NO_x Konzentration 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 Änderungsbereich der realen NO_x Konzentration einen vorbestimmten Einstellwert übersteigt.
Gasturbinensystem nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Verzögerungsverhinderungsberechnungsschaltung (66) von einer Ausgangsseite eines Eingangsteils der Alarmsignalberechnungsschaltung (64) abzweigt und mit dem Berechnungselement (68) der Alarmsignalberechnungsschaltung verbunden ist.
Gasturbinensystem nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Verzögerungsverhinderungsberechnungsschaltung (66) eine Mehrzahl von Verzögerungseinheiten (75, 76, 77) zum Berechnen von NO_x Konzentrationen einer Mehrzahl von vorhergehenden Perioden von allen vorhergehenden Perioden einer aus dem Abgas erfassten realen NO_x Konzentration enthält.
Gasturbinensystem nach einem der Ansprüche 4 bis 11, wobei der NO_x-Sensor (27) auf einer strömungsaufwärtigen Seite eines an einem Wärmerückgewinnungsdampfgenerator (25) angeordneten Katalysators angeordnet ist.
Gasturbinensystem nach einem der Ansprüche 4 bis 12, wobei sowohl das Alarmsignal aus der Alarmsignalberechnungsspaltung (64) als auch das Abschaltkommandosignal aus der Abschaltberechnungsschaltung (65) während eines vorbestimmten Lastbetriebes erzeugt werden.
Gasturbinensystem nach einem der Ansprüche 4 bis 13, wobei die Gasturbinensteuervorrichtung (30) mit einem NH₃-Einspritzsteuersystem (37) versehen ist.