DE102006005130B4

DE102006005130B4 - Brennstoffeinspritzsystem und Verfahren zur Überwachung eines Brennstoffeinspritzsystems

Info

Publication number: DE102006005130B4
Application number: DE102006005130.0A
Authority: DE
Inventors: Ulf Erik Nilsson
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: Ansaldo Energia Switzerland AG
Priority date: 2005-02-05
Filing date: 2006-02-04
Publication date: 2015-03-19
Anticipated expiration: 2026-02-05
Also published as: DE102006005130A1; US20060283193A1; GB2425171B; GB0502438D0; GB0602170D0; US7818955B2; GB2425171A

Abstract

Brennstoffeinspritzsystem zur Versorgung einer Verbrennungskammer (2) einer Gasturbine, aufweisend mindestens eine Brennstofflanze (8), die an eine Zuführung für gasförmigen Brennstoff und an eine Zuführung für Spülgas anschließbar ist, wobei die Brennstofflanze (8) einen Gaseinleitungskanal (12) aufweist, durch den der gasförmige Brennstoff oder das Spülgas eingespeist wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der mindestens einen Brennstofflanze (8) ein Gassensor (14) zum Nachweis der Konzentration an gasförmigem Brennstoff in der Brennstofflanze (8) vorgesehen ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritzsystem und insbesondere ein Brennstoffeinspritzsystem zur Zuführung gasförmigen Brennstoffs, wie Methan, in einen Brenner oder mehrere Brenner, die eine Verbrennungskammer, wie eine Gasturbine oder eine Feuerungsanlage, befeuern. Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Überwachung des Brennstoffeinspritzsystems, um jegliche Brennstoffreste, die in dem Brennstoffeinspritzsystem eingeschlossen sein können, zu entfernen.
Stand der Technik
In einem Brennstoffeinspritzsystem mit Mehrfachbauteilen für die Brennstoffversorgung, wie den unten beschriebenen Brennstofflanzen, ist es manchmal notwendig, ein oder mehrere Bauteile für die Brennstoffversorgung abzuschalten, während zumindest eines der übrigen Bauteile für die Brennstoffversorgung weiter arbeitet. In diesem Falle besteht die Notwendigkeit, in Erwägung zu ziehen, das Bauteil oder die Bauteile für die Brennstoffversorgung, die abgeschaltet werden müssen, zu reinigen oder zu spülen, um Brennstoffreste zu entfernen, die in dem Bauteil oder den Bauteilen eingeschlossen sein können. Anderenfalls besteht die Gefahr, dass sich in einigen Fällen die Brennstoffreste mit Luft vermischen und in der Nähe des Bauteils oder der Bauteile für die Brennstoffversorgung oder in ihnen verbrennen könnten, was zu einem Überhitzen und ihrer Beschädigung führen kann. Außerdem kann sogar, wenn keine Luft vorhanden ist, falls die Brennstoffreste erhöhten Temperaturen ausgesetzt werden, dann dies zur Brennstoffzersetzung und einer unerwünschten Rußbildung führen mit der Möglichkeit, dass das Bauteil oder die Bauteile für die Brennstoffversorgung verstopft werden. Aus der EP 0 724 115 A2 ist eine Brennstofflanze einer Gasturbine bekannt, die mit einem Spülgas (Luft) von Brennstoffresten gereinigt werden kann.
In einem speziellen Beispiel wird ein Brenner in der Sammelkammer einer Gasturbine angeordnet und führt über einen inneren Einspritzraum in eine Verbrennungskammer. Komprimierte Luft wird dem Brenner aus der Sammelkammer des Kompressorausgangs der Gasturbine zugeführt. Ein Hauptbauteil für die Brennstoffversorgung des Brennstoffeinspritzsystems spritzt Brennstoff in die Luft ein, und eine Brennstofflanze (manchmal Brennstoffeinführlanze genannt) wird verwendet, um gasförmigen Brennstoff, wie Methan, periodisch in den Einspritzraum einzuspritzen.
Die Brennstofflanze weist eine zentrale Bohrung oder einen Durchlass auf, der normalerweise Gaseinleitungskanal genannt wird, um den Brennstoff zu transportieren. In einigen Fällen wird eine Anzahl separater Brennstofflanzen aus einem einzigen Brennstoffverteiler mit Brennstoff beschickt, und eine Rückflusssperre (oder ein Rückschlagventil) verhindert einen Rückfluss des Brennstoffstroms durch die Brennstofflanze und in den Brennstoffverteiler. Der Brennstoffverteiler wird mit Brennstoff und zumindest einem Spülgas durch Absperrorgane, die zwischen einer Brennstoffeinspeisung und einer Spülgaseinspeisung umschalten, beschickt.
Es besteht die Gefahr, dass sich der Brennstoff unter bestimmten Bedingungen in der Nähe oder innerhalb der Brennstofflanze entzündet. Ein solcher Zustand tritt auf, wenn die Brennstofflanze nicht ausreichend mit Spülgas gespült wird, nachdem die Brennstoffzuführung abgeschlossen ist oder bevor die Brennstoffzuführung fortgesetzt wird. Ein anderer Zustand tritt auf, wenn Brennstoff, der in dem Brennstoffverteiler stromauf der Rückflusssperre eingeschlossen ist, durch die Druckdifferenz zwischen dem Brennstoffverteiler und der Verbrennungskammer bei Abnahme der Last an der Rückflusssperre vorbei ausgegeben wird. Es ist einfach zu verstehen, dass diese beiden Bedingungen entscheidend davon abhängen, ob die Rückflusssperre sauber und innerhalb spezifizierter Grenzen arbeitet oder nicht.
Wegen der Gefahr, dass sich der Brennstoff in der Nähe oder innerhalb der Brennstofflanze entzünden könnte, kann die Betriebstemperatur der Brennstofflanze überwacht werden, indem ein Thermoelement an der Spitze der Brennstofflanze und in dem Gaseinleitungskanal in der Nähe des Auslasses der Rückflusssperre angeordnet wird. In der Praxis ist die Verwendung von Thermoelementen jedoch nicht gänzlich zufriedenstellend. Zunächst ermitteln Thermoelemente lediglich ein Überhitzen am Ort des Thermoelementes, und es können signifikante Beschädigungen der Brennstofflanze erfolgen, bevor das Überhitzen festgestellt wird. Die Ausgabesignale der Thermoelemente sind nicht zuverlässig und können der Grund für eine Einschränkung des Betriebs der Gasturbine sein. Die Anordnung der Thermoelemente macht es ebenfalls schwierig, sie zur Wartung und Reparatur zu erreichen.
Folglich besteht ein Bedarf an einem verbesserten Brennstoffeinspritzsystem mit Mitteln, die es erlauben, die Wirksamkeit jeder Spülsequenz und/oder die Betriebsbedingung des Brennstoffeinspritzsystems und die Rückflusssperre auf zuverlässige Weise zu überwachen, so dass ein Überhitzen vermieden werden kann.
Wesen der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt daher ein Brennstoffeinspritzsystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereit, das mindestens einen Gassensor enthält, um die Konzentration des gasförmigen Brennstoffs innerhalb der mindestens einen Brennstofflanze (8) zu ermitteln.
Die Brennstofflanze kann durch eine Rückflusssperre mit einer Zuführung für gasförmigen Brennstoff verbunden sein, um einen Rückstrom des gasförmigen Brennstoffs zu verhindern. Die Brennstofflanze kann einen Gaskanal aufweisen, durch den der gasförmige Brennstoff eingespeist wird. In diesem Fall kann der Sensor in dem Gaskanal neben der oder in großer Nähe zur Rückflusssperre angeordnet sein.
Ein Beispiel für eine Situation, in der das Brennstoffeinspritzsystem verwendet werden kann, ist in einer Gasturbine, in der das Bauteil für die Brennstoffversorgung gasförmigen Brennstoff in einen Brenner einspeist. Es ist jedoch einfach zu verstehen, dass das Brennstoffeinspritzsystem nach der vorliegenden Erfindung für eine beliebige Zuführung für eine Gasverbrennung, die eine Brennstoffspülung erfordert, verwendet werden kann.
Indem die Brennstoffkonzentration innerhalb des Bauteils für die Brennstoffversorgung ermittelt wird, ist es möglich, einen frühen Hinweis zu erhalten, dass ein kritisches Brennstoff-Luft-Gemisch erreicht worden ist oder es wahrscheinlich erreicht wird. Es können Schritte unternommen werden, um die Entzündungsgefahr zu reduzieren, indem die Brennstoffkonzentration innerhalb des Bauteils für die Brennstoffversorgung reduziert wird oder der Betrieb des Brennstoffeinspritzsystems gesteuert wird.
Sogar wenn das Brennstoffeinspritzsystem normal arbeitet, kann die Brennstoffkonzentration innerhalb des Bauteils für die Brennstoffversorgung verwendet werden, um die zeitliche Einteilung und Dauer der Spülsequenz und des Brennstoffstroms durch das Bauteil für die Brennstoffversorgung zu steuern, um sicherzustellen, dass das Bauteil für die Brennstoffversorgung sorgfältig gespült worden ist. Zum Beispiel kann die Spülsequenz nur bis zu einem Zeitpunkt ausgedehnt werden, zu dem die Brennstoffkonzentration innerhalb des Bauteils für die Brennstoffversorgung unter einen vorgegebenen Wert gefallen ist, bei dem eine geringe Entzündungsgefahr vermutet wird.
Gegenwärtig ist es zum Beispiel bei Gasturbinen üblich, eine feste Spülsequenz zu verwenden, die auf einem vorgegebenen Spülgasvolumen beruht, welches durch das Brennstoffverteilersystem geführt wird. Um ein ausreichendes Spülen sicherzustellen, kann der Zeitraum, über den die Spülsequenz erfolgt, normalerweise länger als unbedingt notwendig sein. Zusätzlich zur Identifikation fehlerhafter Bedingungen kann das Brennstoffeinspritzsystem der vorliegenden Erfindung daher dazu verwendet werden, die Menge des Spülgases, das während der Spülsequenz verwendet wird, auf ein Minimum zu reduzieren, während weiterhin angemessen gespült wird.
Der Gassensor kann auch die Konzentration eines anderen Gases innerhalb des Bauteils für die Brennstoffversorgung ermitteln, wie Luft und den Brennstoff, der während der Spülsequenz, zum Beispiel, eingeführt wird.
Der Gassensor ist bevorzugt an eine elektronische Einrichtung angeschlossen, die die Konzentration des gasförmigen Brennstoffs in dem Bauteil für die Brennstoffversorgung überwachen kann. Besonders bevorzugt kann die elektronische Einrichtung die vom Gassensor ausgegebenen Ausgabesignale umwandeln, verarbeiten und speichern. Die elektronische Einrichtung kann ebenfalls einen Warnhinweis (zum Beispiel in Form eines Steuersignals oder eines akustischen oder visuellen Alarms) ausgeben, wenn die Brennstoffkonzentration in dem Bauteil für die Brennstoffversorgung einen vorgegebenen Wert übersteigt, bei dem eine große Entzündungsgefahr vermutet wird. In bestimmten Fällen kann die Vorrichtung den Betrieb des Brennstoffeinspritzsystems steuern, insbesondere die zeitliche Einteilung und Dauer der Spülsequenz. Die Brennstoffkonzentration innerhalb des Bauteils für die Brennstoffversorgung kann während Betrieb des Brennstoffeinspritzsystems kontinuierlich überwacht werden. Alternativ kann die Überwachung in regelmäßigen Intervallen oder zu bestimmten Zeiten erfolgen, wenn eine Spülsequenz erfolgt oder wenn gasförmiger Brennstoff unbeabsichtigt dem Bauteil für die Brennstoffversorgung zugeführt wird. Nach geeigneter Datenanalyse der gespeicherten Ergebnisse einer solchen Überwachung wäre es nützlich, zum Zwecke präventiver Wartung Entwicklungsrichtungen der Gaskonzentrationen zu ermitteln.
Die elektronische Einrichtung kann so ausgelegt werden, dass sie isolierte Fälle ignoriert, in denen die Brennstoffkonzentration innerhalb des Bauteils für die Brennstoffversorgung den vorgegebenen Wert übersteigt, so dass lediglich auf der Basis von Ausgabesignalen, die aus zwei oder mehr aufeinander folgenden oder nicht aufeinander folgenden Brennstoffeinspeisungen zusammengesetzt sind, ein Warnhinweis gegeben wird oder eine Steuerung des Brennstoffeinspritzsystems erfolgt.
Die Vorrichtung kann auch mit dem Thermoelement an der Spitze des Bauteils für die Brennstoffversorgung verbunden werden, falls eines enthalten ist.
Der Gassensor kann eine hohe Empfindlichkeit und Selektivität gegenüber einem einzigen Gas, wie zum Beispiel Methan, gegenüber einer Anzahl unterschiedlicher Gase, wie zum Beispiel Methan und Spülgas oder gegenüber einer bestimmten Gasmischung, wie zum Beispiel Luft oder einer Mischung aus Luft und Methan haben. Bei dem Gassensor kann es sich um einen Mischmetalloxid-Halbleiter-(MMOS)-Sensor handeln. Es ist jedoch einfach zu verstehen, dass ein beliebiger geeigneter Gassensor verwendet werden kann. MMOS-Sensoren nutzen die Tatsache aus, dass Adsorption eines Gases an der Oberfläche einer Metalloxid-Halbleiterschicht seine Leitfähigkeit verändert, um so ein Ausgabesignal zu liefern, das proportional zur Konzentration des adsorbierten Gases ist. Gebräuchliche Oxide umfassen Cr₂TiO₃, WO₃ und SnO₂. Nicht nur als Körper kompakt sind MMOS-Sensoren zuverlässig, genau und haben gute Reaktionszeiten. Die Reaktionszeit ist wichtig, da der Gassensor geeignet sein sollte, eine ”Echtzeit”-Überwachung zu liefern, damit schnell etwas unternommen werden kann, um eine Entzündung beliebiger Brennstoffreste zu verhindern.
Ein Beispiel für einen kompakten Gassensor, der spezifisch für den Nachweis von Methan ausgelegt ist, ist der TGS 2611-Sensor, der von Figaro USA. Inc of Glenview, Illinois, Vereinigte Staaten von Amerika geliefert wird. Der TGS 2611-Sensor weist eine Metalloxid-Halbleiterschicht auf, die auf einem Aluminiumoxid-Substrat ausgebildet ist, und enthält ein integriertes Heizgerät, um ihn bei der optimalen Abtasttemperatur zu halten. Der TGS 2611-Sensor hat einen Nachweisbereich zwischen 500 ppm und 10,000 ppm.
Wenn auch die obigen Abschnitte lediglich ein einziges Bauteil für die Brennstoffversorgung erwähnen, das mit einem Sensor ausgestattet ist, beinhaltet die Erfindung auch mehrere Bauteile für die Brennstoffversorgung, die einer Spülsequenz unterzogen werden, und eine entsprechende Anzahl Gassensoren zur Bestimmung der Konzentration des gasförmigen Brennstoffs innerhalb der Bauteile für die Brennstoffversorgung. In einem solchen System ist jedes Bauteil für die Brennstoffversorgung bevorzugt mit seiner eigenen Rückflusssperre ausgestattet, über die es mit einem gewöhnlichen Brennstoffverteiler verbunden ist, um so einen Rückstrom des gasförmigen Brennstoffs bis in die einzelnen Brennstofflanzen und in den Verteiler zu verhindern. Der Brennstoffverteiler ist wiederum über ein Absperrorgan für die Brennstoffeinspeisung an eine Zuführung von gasförmigem Brennstoff und über ein Absperrorgan für die Spülgaseinspeisung an eine Spülgaszuführung anschließbar.
Zusätzlich umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Überwachung der Konzentration von gasförmigem Brennstoff innerhalb der Bauteile für die Brennstoffversorgung des obigen Brennstoffeinspritzsystems.
Sich darauf beziehende Aspekte der Erfindung werden bei der Durchsicht der folgenden Beschreibung und Ansprüche deutlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 ist eine graphische Darstellung einer typischen Spülsequenz, bei der eine Brennstofflanze mit Spülgas gespült wird, nachdem eine Brennstoffzuführung abgeschlossen ist,
2 ist eine Radialansicht eines Teils einer Gasturbine im Querschnitt, die die Verbrennungskammer, eine Brenner und die ihm zugeordnete Brennstofflanze, Brennstoffverteiler und Brennstoff- und Spülgaszuführungen zeigt,
3 ist eine Seitenansicht einer Brennstofflanze nach der vorliegende Erfindung und
4 ist eine Detailansicht der Brennstofflanze aus 3, die den Ort eines Gassensors zeigt.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
1 zeigt eine typische Variation der Brennstoffkonzentration an einem Punkt in einer Brennstofflanze während einer Brennstoffspülsequenz. Diese Spülsequenz wird in dem Brennstoffeinspritzsystem in Gang gesetzt, indem gleichzeitig das Absperrorgan für die Brennstoffeinspeisung zum Brennstoffverteiler geschlossen und das Absperrorgan für die Spülgaseinspeisung geöffnet wird. Die Spülsequenz wird durch Schließen des Absperrorgans für die Spülgaseinspeisung beendet. Die vier Linien, die in 1 gezeigt sind, geben die relative Brennstoffkonzentration gegen die Reaktionszeit für ein Brennstoffeinspritzsystem wie folgt wieder.
Linie A Alle Absperrorgane arbeiten richtig.
Linie B Ungenügender Spülgasfluss aufgrund von Problemen, wie eines der folgenden: (i) Rückflusssperre, die schlecht arbeitet (teilweise blockiert oder nicht vollständig geöffnet), (ii) blockierte oder beschädigte Brennstoffleitung oder (iii) inkorrekter Betrieb des gesamten Spülgasflusses.
Linie C Eine Rückflusssperre, die die Neigung hat, während des Betriebs zu verstopfen.
Linie D Eine Rückflusssperre, die in der offenen Position verstopft ist.
Ein vergleichbarer Verlauf der relativen Brennstoffkonzentration in Abhängigkeit von der Reaktionszeit, der jedoch entgegengesetzte Trends zeigt, ist zu erwarten, wenn das Absperrorgan für den Brennstoff geöffnet ist, so dass der Brennstoff in den Brennstoffverteiler und dann in die Brennstofflanzen fließen kann.
Ein weiterer Zustand kann auftreten, wenn Brennstoff, entweder da die Spülsequenz selbst ungeeignet war oder wegen einer Leckage des Absperrorgans für die Brennstoffeinspeisung, nach dem Spülen in dem Brennstoffverteiler eingeschlossen ist. Unter normalen Umständen würden jegliche Brennstoffreste, die in dem Brennstoffverteiler eingeschlossen sind, nicht zu den Brennstofflanzen geführt, da die Rückflusssperren geschlossen sein würden. Während einer Reduzierung der Last können Druckdifferenzen zwischen dem Brennstoffverteiler und der Verbrennungskammer im Strömungsverlauf vor den Brennstofflanzen jedoch bewirken, dass sich die Rückflusssperren öffnen und Brennstoff aus dem Brennstoffverteiler an den Rückflusssperren vorbei strömen lassen. Dies kann an einem Anstieg der in Brennstoffkonzentration in die Brennstofflanzen gesehen werden und könnte zu einer Entzündung führen.
Wenn das Brennstoffeinspritzsystem sauber arbeitet, wird der Brennstoffstrom in den Brennstoffverteiler beendet und der Spülgasfluss in Gang gesetzt. Das Spülgas kann dann frei durch die offenen Rückflusssperren in die Brennstofflanzen strömen und die Brennstoffkonzentration innerhalb jeder Brennstofflanze daher schnell auf einen sehr niedrigen Wert fallen, da das Spülgas die Brennstoffreste ersetzt. Es gibt keine Entzündungsgefahr. Sogar wenn die Rückflusssperre einer bestimmten Brennstofflanze dazu neigt, während des Betriebs zu verstopfen, wird die Brennstoffkonzentration innerhalb der Brennstofflanze auf einen sehr niedrigen Wert fallen, sobald sich die Rückflusssperre zufällig öffnet. Wenn die Verzögerung relativ kurz im Vergleich zur Dauer der Spülsequenz ist, besteht daher gewöhnlich kein Problem. Wenn die Verzögerung jedoch so ist, dass sich die Rückflusssperre einer bestimmten Brennstofflanze bis nahezu zum Ende der Spülsequenz nicht öffnet oder wenn sich die Rückflusssperre während der Spülsequenz überhaupt nicht öffnet, dann wird das Spülgas nicht aus dem Brennstoffverteiler in die Brennstofflanze strömen und es gibt keine Absenkung der Brennstoffkonzentration innerhalb der Brennstofflanze während der Spülsequenz. Es besteht die signifikante Gefahr, dass ein kritisches Brennstoff-Luft-Gemisch erreicht wird und dass eine Entzündung erfolgt.
Wenn die Rückflusssperre einer bestimmten Brennstofflanze teilweise blockiert ist oder sich nicht vollständig öffnet, dann wird ein reduzierter Spülgasstrom aus dem Brennstoffverteiler in die Brennstofflanze strömen, was zu einer geringeren Abnahmegeschwindigkeit der Brennstoffkonzentration innerhalb der Brennstofflanze führt. Wenn der Strom ausreichend reduziert wird, dann kann genügend Brennstoff innerhalb der Brennstofflanze verbleiben, um eine signifikante Entzündungsgefahr zu bewirken. Vergleichbare Absenkungen im Spülgasstrom können auftreten, wenn die Brennstofflanze blockiert oder beschädigt würde. Alle Brennstofflanzen, die mit dem Brennstoffverteiler verbunden sind, würden eine vergleichbare Verringerung im Spülgasstrom feststellen, falls ein Problem mit der Spülgaseinspeisung existierte.
Die Entzündungsgefahr ist am größten, wenn sich eine spezielle Rückflusssperre überhaupt nicht öffnet (zum Beispiel, wenn sie blockiert ist oder repariert werden muss). In diesem Fall wird kein Spülgas aus dem Brennstoffverteiler in die Brennstofflanze fließen und es gibt überhaupt keine Verringerung der Brennstoffkonzentration innerhalb der Brennstofflanze während der Spülsequenz.
Die Messung der Brennstoffkonzentration innerhalb einer bestimmten Brennstofflanze kann angeben, wenn ein kritisches Brennstoff-Luft-Gemisch erreicht wird oder aufgrund einer ungenügenden Brennstoffspülung verbleibt. Die Veränderungsgeschwindigkeit der Brennstoffkonzentration innerhalb der Brennstofflanze kann ebenfalls dazu genutzt werden, um die Betriebsbedingung der Rückflusssperre oder Veränderungen des Wirkungsquerschnitts des Strömungswegs der Brennstofflanze, verursacht durch eine Verstopfung oder Beschädigung, anzugeben. Wenn zum Beispiel die Brennstoffkonzentration innerhalb der Brennstofflanzen nach Beginn der Spülsequenz über einen Zeitraum bei hohen Werten verbleibt, dann jedoch schnell auf einen niedrigen Wert abfällt, ist es wahrscheinlich, dass die Rückflusssperre verstopft ist, und sie kann planmäßig für eine Wartung oder Reparatur vorgesehen werden.
Wenn Anstiege der Konzentration in Zeiträumen, in denen die Brennstofflanze nicht in Betrieb ist, erkannt werden, dann kann dies ein Zeichen für Probleme sein, dass Brennstoff, der in dem Brennstoffverteiler eingeschlossen ist, durch die Rückflusssperre abgelassen wird.
Indem unter anderem ein geeigneter Gassensor zur Ermittlung der Konzentration des gasförmigen Brennstoffs innerhalb der Brennstoffzuführlanze vorgesehen wird, hat die vorliegende Erfindung zum Ziel, die obigen Erwägungen in Betracht zu ziehen.
Nach den 2 bis 4 enthält eine Gasturbine eine Verbrennungskammer 2. Ein Brenner 4 ist in der Sammelkammer der Gasturbine angeordnet und hat einen inneren Einspritzraum 6, der zur Verbrennungskammer 2 offen ist. Eine Brennstofflanze 8 hat eine Spitze, die sich in den Einspritzraum 6 erstreckt. Methan-Brennstoff wird periodisch durch die Brennstoffeinführlanze 8 und in den Einspritzraum 6 eingespeist, wo er mit komprimierter Luft aus einer nicht dargestellten Kompressorstufe der Gasturbine vermischt und entzündet wird. Eine nicht dargestellte zweite Brennstoffzuführung spritzt Brennstoff in den Einspritzraum 6 ein, um die Verbrennung zu unterstützen, wenn die Brennstoffeinführlanze 8 nicht arbeitet.
Eine Anzahl einzelner Brennstofflanzen wird aus einem Brennstoffverteiler 20 mit Brennstoff beschickt. Jede Brennstofflanze ist an den Brennstoffverteiler 20 angeschlossen, und zwar über eine Rückflusssperre 10, die einen Rückstrom aus der Brennstofflanze zurück in den Brennstoffverteiler 20 verhindert. Ein Brennstoff-Absperrorgan 21 und ein Spülgas-Absperrorgan 22 können geöffnet und geschlossen werden, um den Fluß an Methan-Brennstoff und Spülgas durch den Gaseinleitungskanal 12 in den Brenner 4 zu steuern. Ein Mischmetalloxid-Halbleiter-(MMOS)-Sensor 14 ist in dem Gaseinleitungskanal 12 in der Nähe des Auslasses der Rückflusssperre 10 angeordnet. Der MMOS-Sensor 14 ist an eine elektronische Einrichtung 16 angeschlossen und gibt ein Ausgabesignal aus, das von der elektronische Einrichtung verwendet wird, um die Methan-Brennstoffkonzentration in dem Gaseinleitungskanal 12 zu jedem Zeitpunkt während des Betriebs der Gasturbine aufzuzeichnen. Die Geschwindigkeit der Veränderung der Methan-Brennstoff-Konzentration wird ebenfalls überwacht.
Nachdem die Zuführung von Methan-Brennstoff abgeschlossen ist, wird die Brennstofflanze 8 mit Spülgas gespült, um jeglichen restlichen Methan-Brennstoff auszuspülen. Die Konzentration des Methan-Brennstoffs im Gaseinleitungskanal 12 wird durch den MMOS-Sensor 14 ermittelt und durch die elektronische Einrichtung 16 überwacht. Wenn der Spülgasstrom angemessen ist, wird die Konzentration des Methan-Brennstoffs innerhalb des Gaseinleitungskanals 12 schnell auf einen sehr niedrigen Wert fallen. Es besteht überhaupt keine Gefahr einer Entzündung und die elektronische Einrichtung 16 muss nicht in Aktion treten, um ein Überhitzen zu verhindern. Wenn der Spülgasstrom jedoch, zum Beispiel wegen einer fehlerhaften Rückflusssperre 10 oder aus einem anderen Grund, nicht angemessen ist, dann kann die Konzentration an Methan-Brennstoff nicht so schnell fallen oder während der Spülsequenz akzeptable Werte erreichen. Der Gaseinleitungskanal 12 kann daher immer noch eine signifikante Konzentration an Methan-Brennstoff enthalten, wenn die Spülsequenz abgeschlossen ist. In dieser Situation kann die elektronische Einrichtung 16 in Aktion treten, um die Gefahr eines Überhitzens, das durch Entzündung des Methan-Brennstoffs in der Brennstofflanze 8 verursacht wird, zu reduzieren. Die elektronische Einrichtung 16 kann ein akustisches oder visuelles Warnsignal erzeugen, um eine Aufsicht oder eine Bedienperson zu warnen, dass die Spülsequenz nicht wirksam war. Alternativ kann die elektronische Einrichtung 16 das Spül-Absperrorgan 22 so steuern, dass die Spülsequenz verlängert wird, um die Konzentration des Methan-Brennstoffs zurück auf sichere Werte zu bringen. In sehr ernsten Fällen kann die elektronische Einrichtung 16 die Gasturbine vollständig abschalten.
Durch routinemäßige Überwachung der Veränderungsgeschwindigkeit der Konzentration des Methan-Brennstoffs innerhalb der Brennstofflanze 8, kann die elektronische Einrichtung 16 die Betriebsbedingung der Brennstofflanze 8 und/oder der Rückflusssperre 10 angeben. In vielen Fällen kann es sein, dass das Problem nicht ausreicht, dass die Konzentration des Methan-Brennstoffs gefährliche Werte erreicht. Jede Brennstofflanze 8 und/oder Rückflusssperre 10, die nicht innerhalb spezifizierter Grenzen arbeitet, kann jedoch planmäßig für Wartung und Reparatur vorgesehen sein.
Außerdem können die Ausgabewerte der Sensoren, welche in jeder der Brennstofflanzen angeordnet sind, verglichen werden, um zu bestimmen, ob eine Abweichung von spezifizierten Grenzen auf einem Problem mit der Spülgaseinspeisung oder auf einem Problem mit einer spezifischen Brennstofflanze und/oder Rückflusssperre beruht. Ersteres würde zu demselben charakteristischen Ausgabesignal aus allen Sensoren führen und letzteres würde dazu führen, dass einzelne Sensoren eine unangemessene Verringerung der Brennstoffkonzentration für die zugeordnete Brennstofflanze und/oder Rückflusssperre, die fehlerhaft ist, zeigen. Dies kann zu unterschiedlichen Warnungen, Alarmen oder Aktionen der elektronischen Einrichtung 16 in Abhängigkeit von den speziellen Umständen führen.
Wenn der Zusammenhang es nicht deutlich anders erfordert, sind in der gesamten Beschreibung und den Ansprüchen, die Wörter ”aufweisen”, ”aufweisend”, und ähnliche, in einschließendem im Gegensatz zu einem ausschließenden oder abschließenden Sinn zu verstehen, was bedeutet, im Sinne von ”enthaltend”, jedoch nicht ”beschränkt auf”.

Claims

Brennstoffeinspritzsystem zur Versorgung einer Verbrennungskammer (2) einer Gasturbine, aufweisend mindestens eine Brennstofflanze (8), die an eine Zuführung für gasförmigen Brennstoff und an eine Zuführung für Spülgas anschließbar ist, wobei die Brennstofflanze (8) einen Gaseinleitungskanal (12) aufweist, durch den der gasförmige Brennstoff oder das Spülgas eingespeist wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der mindestens einen Brennstofflanze (8) ein Gassensor (14) zum Nachweis der Konzentration an gasförmigem Brennstoff in der Brennstofflanze (8) vorgesehen ist.
Brennstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, wobei zwischen der Brennstofflanze (8) und der Zuführung (21) für Brennstoff eine Rückflusssperre (10) angeordnet ist.
Brennstoffeinspritzsystem nach Anspruch 2, wobei der Gassensor (14) in dem Gaseinleitungskanal (12) in der Nähe der Rückflusssperre (10) angeordnet ist.
Brennstoffeinspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gassensor (14) geeignet ist, die Konzentration mehrerer unterschiedlicher Gase innerhalb der Brennstofflanze (8) zu ermitteln.
Brennstoffeinspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gassensor (14) mit einer elektronischen Einrichtung (16) zur Überwachung der Konzentration des gasförmigen Brennstoffs innerhalb der Brennstofflanze (8) verbunden ist.
Brennstoffeinspritzsystem nach Anspruch 5, wobei die elektronische Einrichtung ein Warnsignal ausgibt, wenn die Konzentration des gasförmigen Brennstoffs innerhalb der Brennstofflanze (8) einen vorgegebenen Wert überschreitet.
Brennstoffeinspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem Gassensor (14) um einen Mischmetalloxid-Halbleiter-(MMOS)-Sensor handelt.
Brennstoffeinspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend mehrere Brennstofflanzen (8) und eine entsprechende Anzahl Gassensoren (14) zur Bestimmung der Konzentration des gasförmigen Brennstoffs innerhalb der Brennstofflanzen (8).
Brennstoffeinspritzsystem nach Anspruch 8, wobei jede Brennstofflanze (8) durch eine Rückflusssperre (10) zur Verhinderung eines Rückstroms des gasförmigen Brennstoffs an einen Brennstoffverteiler (20) angeschlossen ist.
Brennstoffeinspritzsystem nach Anspruch 9, wobei der Brennstoffverteiler (20) über ein Absperrorgan zur Brennstoffeinspeisung (21) an eine Zuführung für gasförmigen Brennstoff und über ein Absperrorgan zur Spülgaseinspeisung (22) an eine Zuführung für Spülgas anschließbar ist.
Verfahren zur Überwachung eines Brennstoffeinspritzsystems nach einem der Ansprüche 1–10, gekennzeichnet durch den Schritt der Überwachung der Konzentration des gasförmigen Brennstoffs innerhalb der mindestens einen Brennstofflanze (8).
Verfahren nach Anspruch 11, ferner beinhaltend den Schritt, ein Warnsignal auszugeben, wenn die Konzentration des gasförmigen Brennstoffs innerhalb der mindestens einen Brennstofflanze (8) einen vorgegebenen Wert übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 12, ferner beinhaltend den Schritt, den Betrieb des Brennstoffeinspritzsystems zu steuern, wenn die Konzentration des gasförmigen Brennstoffs innerhalb der mindestens einen Brennstofflanze (8) einen vorgegebenen Wert übersteigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Konzentration des gasförmigen Brennstoffs kontinuierlich überwacht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Konzentration des gasförmigen Brennstoffs in regelmäßigen Abständen überwacht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Konzentration des gasförmigen Brennstoffs während einer Spülsequenz der mindestens einen Brennstofflanze (8) überwacht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Konzentration des gasförmigen Brennstoffs während eines Zeitraums, wenn gasförmiger Brennstoff unbeabsichtigt in die mindestens eine Brennstofflanze (8) eingespeist wird, überwacht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, ferner beinhaltend den Schritt der Überwachung der Veränderungsgeschwindigkeit der Konzentration des gasförmigen Brennstoffs innerhalb der mindestens einen Brennstofflanze (8).
Verfahren nach Anspruch 18, ferner beinhaltend den Schritt, ein Warnsignal auszugeben, wenn die Veränderungsgeschwindigkeit der Konzentration des gasförmigen Brennstoffs innerhalb der mindestens einen Brennstofflanze (8) einen vorgegebenen Wert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 18 oder Anspruch 19, ferner beinhaltend den Schritt der Steuerung des Betriebs des Brennstoffeinspritzsystems, wenn die Veränderungsgeschwindigkeit der Konzentration des gasförmigen Brennstoffs innerhalb der mindestens einen Brennstofflanze (8) einen vorgegebenen Wert überschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei die Konzentration des gasförmigen Brennstoffs und/oder der Veränderungsgeschwindigkeit der Konzentration des gasförmigen Brennstoffs innerhalb der mindestens einen Brennstofflanze (8) verwendet wird, um eine Betriebsbedingung des Brennstoffeinspritzsystems zu bestimmen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, wobei die mindestens eine Brennstofflanze (8) eine Rückflusssperre (10) enthält, um den Rückstrom des gasförmigen Brennstoffs zu verhindern, und die Konzentration des gasförmigen Brennstoffs und/oder die Veränderungsgeschwindigkeit der Konzentration des gasförmigen Brennstoffs innerhalb der mindestens einen Brennstofflanze (8) verwendet wird, um eine Betriebsbedingung der Rückflusssperre zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch den Schritt, die Konzentration des gasförmigen Brennstoffs innerhalb jeder der mindestens einen Brennstofflanze (8) zu überwachen.
Verfahren nach Anspruch 23, ferner aufweisend den Schritt, ein Warnsignal auszugeben, wenn die Konzentration des gasförmigen Brennstoffs innerhalb zumindest einer der Brennstofflanzen (8) einen vorgegebenen Wert übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 23, ferner beinhaltend den Schritt, ein Warnsignal auszugeben, bezogen auf den Vergleich der Konzentrationen des gasförmigen Brennstoffs innerhalb mehrerer Brennstofflanzen (8).
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, ferner beinhaltend den Schritt der Überwachung der Veränderungsgeschwindigkeit der Konzentrationen des gasförmigen Brennstoffs innerhalb mehrerer Brennstofflanzen (8).
Verfahren nach Anspruch 26, wobei die Konzentration des gasförmigen Brennstoffs und/oder die Veränderungsgeschwindigkeit der Konzentration des gasförmigen Brennstoffs innerhalb einer oder mehrerer Brennstofflanzen (8) genutzt wird, um eine Betriebsbedingung des Brennstoffeinspritzsystems zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 26 oder Anspruch 27, wobei die Konzentration des gasförmigen Brennstoffs und/oder die Veränderungsgeschwindigkeit der Konzentration des gasförmigen Brennstoffs innerhalb einer oder mehrerer Brennstofflanzen (8) dazu verwendet wird, um eine Betriebsbedingung ihrer Rückflusssperren (10) zu ermitteln.