-
HINTERGRUND
-
Diese
Erfindung betrifft allgemein Gasturbinen und insbesondere Verfahren
und Systeme zum Betreiben von Gasturbinen bei signifikant niedrigeren Belastungszuständen mit
gleichzeitig stabiler Verbrennung und niedrigeren Emissionen.
-
Gasturbinen
enthalten typischerweise einen Verdichter, eine oder mehrere Brennkammern
mit jeweils einem Brennstoffeinspritzsystem und einen Turbinenabschnitt.
In einer Gasturbine mit mehreren Brennkammern sind diese typischerweise
in einer ringförmigen
Anordnung um die Mittelachse der Gasturbine herum angeordnet und
meistens für
die Zwecke der Zündung
miteinander verbunden. Der Verdichter erhöht den Druck der Einlassluft
und führt dann
diese den Brennkammern zu, wo sie zum Kühlen der Brennraumwände sowie
für die
Bereitstellung von Luft für
den Verbrennungsprozess verwendet wird. In dem Brennraum wird die
verdichtete Luft mit einem Brennstoff vermischt und das Gemisch
durch eine Zündquelle
gezündet,
um heiße
Verbrennungsgase zu erzeugen.
-
Obwohl
ein Volllastzustand der üblichste
Betriebspunkt für
stationäre
Gasturbinen ist, die zur Erzeugung von Elektrizität eingesetzt
werden, erfordert der Elektrizitätsbedarf
oft nicht die Volllast des Generatos, und der Betreiber möchte die
Gasturbine bei niedrigeren Lasteinstellungen betreiben, so dass
nur der Lastbedarf erzeugt wird, um dadurch Brennstoffkosten einzusparen.
Verbrennungssysteme nach dem Stand der Technik werden bekanntermaßen bei niedrigeren
Lasteinstellungen insta bil, während
sie gleichzeitig nicht akzeptable Werte von Kohlenmonoxid (CO) und
Stickoxiden (NOx) bei diesen niedrigeren
Lasteinstellungen, insbesondere unter 50% Last erzeugen. Dieses
beruht hauptsächlich
auf dem Umstand, dass die meisten Verbrennungssysteme für den effizientesten
Betrieb bei hohen Lasteinstellungen abgestuft sind, und daher bei
niedrigeren Lasteinstellungen weniger effizient arbeiten. Ferner
können
geringere Emissionen durch die Vorvermischung von Luft und Brennstoff
vor der Brennkammer statt durch Durchdringungsdiffusion erreicht
werden, und daher ermöglicht
eine Vorvermischung eine Verbrennung mit niedrigsten NOx-Emissionen.
Jedoch sind, selbst mit verschiedenen Brennstoffabstufungsverfahren,
bekannte Gasturbinen immer noch in ihrer Herunterfahrfähigkeit
eingeschränkt.
-
Die
Kombination von möglicherweise
instabiler Verbrennung und höheren
Emissionen verhindert oft, dass die Maschinenbetreiber die Maschinen
bei niedrigeren Lasteinstellungen betreiben, indem sie einen Betrieb
der Maschinen bei höheren
Einstellungen und dadurch eine Verbrennung von zusätzlichem Brennstoff,
oder eine Abschaltung erzwingen und dadurch wertvollen Ertrag verlieren,
der aus dem Teillastbedarf generiert werden könnte. Ein weiteres Problem
mit der Abschaltung der Maschine sind die zusätzlichen Zyklen, die die Maschinehardware
erfährt.
Ein Zyklus ist üblicherweise
als ein Durchlauf der Maschine durch den normalen Betriebsbereich und
dadurch durch das Aussetzen der Maschinenhardware an einen kompletten
Zyklus von Drücken und
Temperaturen, die mit der Zeit einen Verschleiß der Maschinenhardware bewirken,
definiert. Maschinenhersteller geben die Hardwarelebensdauer in Form
von Betriebsstunden oder äquivalenten
Betriebszyklen an. Daher kann das Durchmachen zusätzlicher
Zyklen die Hardwarelebensdauer reduzieren, was eine vorzeitige Reparatur
oder Ersetzung auf Kosten des Maschinebetreibers erfordert.
-
ZUSAMMENFASSUNG
-
In
einer Ausführungsform
beinhaltet ein Verfahren zur Zuführung
von Brennstoff in einer Gasturbine die Zuführung von Brennstoff gemäß einem
ersten Brennstoffablaufplan zu einen ersten Satz von Brennkammern
und die Zuführung
von Brennstoff gemäß einem
zweiten Brennstoffplan zu einem zweiten Satz von Brennkammern während eines
ersten Betriebsmodus, wobei sich der zweite Brennstoffablaufplan
von dem ersten Ablaufplan unterscheidet, und die Zuführung von
Kraftstoff gemäß dem zweiten Brennstoffplan
zu den ersten und zweiten Sätzen
von Brennkammern während
eines zweiten Betriebsmodus.
-
In
noch einer weiteren Ausführungsform
enthält
ein Brennstoffzuführungssystem
für eine
Gasturbine mehrere Brennkammern, die in mehreren Sätzen von
Brennkammern gruppiert sind, einen jedem Satz von den mehreren Sätzen von
Brennkammern zugeordneten Brennstoffverteiler, wobei jeder Brennstoffverteiler
mit einem entsprechenden Satz von den Brennkammern gekoppelt ist,
jeder Brennstoffverteiler dafür
eingerichtet ist, Brennstoff gemäß einem vorbestimmten
Brennstoffplan dem entsprechenden Satz der Brennkammer zuzuführen, und
ein Steuersystem, das funktionell mit jedem von den Brennstoffverteilern
gekoppelt ist, wobei das Steuersystem dafür eingerichtet ist, den durch
jeden von den Brennstoffverteilern strömenden Brennstoff so zu steuern, dass
dem ersten Verteiler zugeordnete Brennkammern mit wenigstens einer
von einer Diffusionsflamme und einer gesteuerten vorvermischten
Teildiffusionsflamme in Betrieb gehalten werden und einem zweiten
Brennstoffverteiler zugeordnete Brennkammern mit einer Vorgemischflamme
während
eines ersten Betriebsmodus in Betrieb gehalten werden.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
enthält eine
Anordnung einer Gasturbine einen ersten Satz von Brennkammern, einen
zweiten Satz von Brennkammern und ein Brennstoffzuführungssystem
mit einem Brennstoffverteiler, der mit einem zugeordneten Satz von
Brennkammern gekoppelt ist, wobei ein erster Brennstoffverteiler
mit dem ersten Satz von Brennkammern gekoppelt ist und ein zweiter
Brennstoffverteiler mit dem zweiten Satz von Brennkammern gekoppelt
ist. Das Brennstoffzuführungssystem ist
so eingerichtet, dass es den durch jeden von den Brennstoffverteilern
strömenden
Brennstoff so steuert, dass dem ersten Verteiler zugeordnete Brennkammern
mit wenigstens einer von einer Diffusionsflamme und einer gesteuerten
vorvermischten Teildiffusionsflamme in Betrieb gehalten werden und
einem zweiten Brennstoffverteiler zugeordnete Brennkammern mit einer
Vorgemischflamme während
eines ersten Betriebsmodus in Betrieb gehalten werden.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist
eine schematische Darstellung einer exemplarischen Gasturbine gemäß einer
exemplarischen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
2 ist
eine Querschnittsansicht einer Brennkammer, die mit der in 1 dargestellten Gasturbine
verwendet werden kann;
-
3 ist
eine vereinfachte Blockdarstellung eines exemplarischen Brennstoffzuführungssystems, das
mit der in 1 dargestellten Gasturbine verwendet
werden kann;
-
4 ist
eine vereinfachte Blockdarstellung einer weiteren exemplarischen
Brennstoffzuführungssystems,
das mit der in 1 dargestellten Gasturbine verwendet
werden kann;
-
5 ist
ein exemplarisches Steuersystem, das dazu verwendet werden kann,
das in 3 dargestellte Brennstoffzuführungssystem zu betreiben und/oder
zu steuern.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
-
Die
nachfolgende detaillierte Beschreibung veranschaulicht die Offenbarung
im Rahmen eines Beispiels und nicht einer Einschränkung. Die
Beschreibung ermöglicht
dem Fachmann auf diesem Gebiet, die Offenbarung auszuführen und
zu nutzen, beschreibt verschiedene Ausführungsformen, Anpassungen,
Varianten, Alternativen und Anwendungen der Offenbarung einschließlich der,
welche für die
beste Ausführungsart
der Offenbarung gehalten wird. Die Offenbarung wird in einer Anwendung
auf eine bevorzugte Ausführungsform,
nämlich
einem Zuführungsprozess
von Brennstoff in einer Gasturbine beschrieben. Es wird jedoch in
Betracht gezogen, dass diese Offenbarung eine allgemeine Anwendung für die Zuführung von
Brennstoff zu Vorrichtungen mit anderen Brennern als Brennkammern,
wie z. B., jedoch nicht darauf beschränkt, auf Öfen, Kessel, Trockenöfen und
Verbrennungsofen hat.
-
1 ist
eine schematische Darstellung einer exemplarischen Gasturbine 100.
Die Turbine enthält
einen Verdichter 102 und mehrere Ringbrennkammern 104.
Die Maschine 100 enthält
auch eine Turbine 108 und eine (manchmal als Rotor 110 bezeichnete)
gemeinsame Verdichter/Turbinen-Welle 110.
-
In
Betrieb strömt
Luft durch den Verdichter 102 und verdichtete Luft wird
den Brennkammern 104 zugeführt. Brennstoff wird zu einem
Verbrennungsbereich in den Brennkammern 104 geleitet, wo der
Brennstoff mit der Luft vermischt und entzündet wird. Verbrennungsgase
werden erzeugt und zur Turbine 108 ge leitet, in welcher
die thermische Energie des Gasstroms in mechanische Rotationsenergie umgewandelt
wird. Die Turbine 108 ist drehbar mit der Welle 110 gekoppelt
und treibt diese an.
-
2 ist
eine schematische Querschnittsansicht einer Brennkammer 104.
Die Brennkammerbaugruppe 104 ist in einer Strömungsverbindung
mit der Turbinenbaugruppe 108 und der Verdichterbaugruppe 102 gekoppelt.
Die Verdichterbaugruppe 102 enthält einen Diffusor 112 und
einen Verdichterauslasssammelraum 114, die in Strömungsverbindung miteinander
gekoppelt sind.
-
In
der exemplarischen Ausführungsform
enthält
die Brennkammerbaugruppe 104 eine Endabdeckung 120,
welche eine strukturelle Unterstützung
für mehrere
Brennstoffdüsen 122 bereitstellt.
Die Endabdeckung 120 ist mit dem Brennkammergehäuse 124 mit
in 2 nicht dargestellter Halterungshardware gekoppelt.
Ein Brennkammereinsatz 126 ist in dem Gehäuse positioniert
und damit so gekoppelt, dass der Einsatz 126 einen Brennraum 128 definiert.
Ein ringförmiger
Brennraumkühlkanal 129 erstreckt
sich zwischen dem Brennkammergehäuse 124 und Brennkammereinsatz 126.
-
Ein Übergangsabschnitt
oder -stück 130 ist mit
dem Brennkammergehäuse 124 gekoppelt,
um die Führung
der im Raum 128 erzeugten Verbrennungsgase zur Turbinendüse 132 zu
ermöglichen.
In der exemplarischen Ausführungsform
enthält
das Übergangsstück 130 mehrere Öffnungen 134,
die in einer Außenwand 136 ausgebildet
sind. Das Stück 130 enthält auch
einen ringförmigen
Kanal 138, der zwischen einer Innenwand 140 und
einer Außenwand 136 definiert
ist. Die Innenwand 140 definiert einen Führungshohlraum 142.
-
In
Betrieb treibt die Turbinenbaugruppe 108 die Verdichterbaugruppe 102 über die
(in 1 dargestellte) Welle 110 an. Sobald
sich die Verdichterbaugruppe 102 dreht, wird verdichtete
Luft in den Diffusor 112 ausgegeben, wie es die zugeordneten
Pfeile veranschaulichen. In der exemplarischen Ausführungsform
wird der Großteil
der von der Verdichterbaugruppe 102 ausgegebenen Luft durch
den Verdichterauslasssammelraum 114 hindurch der Brennkammerbaugruppe 104 zugeführt, und
ein kleinerer Anteil der verdichteten Luft kann zur Verwendung bei der
Kühlung
von Komponenten der Maschine 100 abgezweigt werden. Insbesondere
wird die unter Druck gesetzte Verdichterluft in dem Sammelraum 114 in das Übergangsstück 130 über Außenwandöffnungen 134 und
in den Kanal 138 geführt.
Die Luft wird dann aus dem Übergangsstück-Ringkanal 138 in
den Brennkammerkühlkanal 129 geführt. Aus
dem Kanal 129 ausgegebene Luft wird in die Brennstoffdüsen 122 geführt.
-
Brennstoff
und Luft werden in dem Brennraum 128 vermischt und entzündet. Das
Gehäuse 124 ermöglicht eine
Isolierung des Brennraums 128 und seiner zugeordneten Verbrennungsprozesse
von der Außenumgebung,
wie z. B. den umgebenden Turbinenkomponenten. Die erzeugten Verbrennungsgase
werden aus dem Raum 128 durch den Übergangsstück-Führungshohlraum 142 der
Turbinendüse 132 zugeführt. In
der exemplarischen Ausführungsform
ist die Brennstoffdüsenanordnung 122 mit
der Endabdeckung 120 über
einen Brennstoffdüsenflansch 144 gekoppelt.
-
3 ist
eine vereinfachte Blockdarstellung eines exemplarischen Brennstoffzuführungssystems 200,
das in der in den 1 und 2 dargestellten Gasturbine
verwendet werden kann. 4 ist eine vereinfachte Blockdarstellung
eines weiteren exemplarischen Brennstoffzuführungssystems 200,
das mit der in den 1 und 2 dargestellten
Gasturbine verwendet werden kann. In der in 3 dargestellten Ausführungsform
enthält die
Gasturbine 10 achtzehn Brennkammerabschnitte 20,
die in der Ausführungsform
einen umlaufenden Ring bilden. In weiteren Ausführungsformen können andere
Anzahlen von Brennkammerabschnitten, wie z. B. vierzehn, verwendet
werden. In der exemplarischen Ausführungsform enthält jeder
Brennkammerabschnitt 20 wenigstens eine Brennstoffdüsenanordnung 22.
-
Die
Brennstoffdüsenanordnungen 22 sind
in Umfangsrichtung um den Umfang der Maschine 10 in der
Nähe zu
dem Brennkammerabschnitt 20 angeordnet. Insbesondere bilden
die Brennkammerabschnitte 20 einen Kreisring um einen Innenumfang der
Gasturbine, und als solche bilden die Brennstoffdüsenanordnungen
und die Brennstoffverteiler auch einen Kreisring um die Gasturbine 10.
-
Obwohl
die exemplarische Ausführungsform eine
Gasturbine 10 mit achtzehn Brennkammerabschnitten 20 und
achtzehn Brennstoffdüsenanordnungen 22 veranschaulicht,
sollte erkennbar sein, dass das Brennstoffsystem 200 mit
einer Gasturbine mit n Brennkammerabschnitten und n·x Brennstoffdüsen 22 verwendet
werden kann, wobei n ≥ 2
und x ≥ 1
ist. Beispielweise kann die Gasturbine 10 n = 18 Brennkammern
enthalten. Ferner enthält,
wenn x = 1 ist, die Maschine 10 18 Brennstoffdüsen, d.
h., eine Brennstoffdüse
pro Brennkammer. Optional enthält, wenn
x = 2 ist, die Maschine 10 36 Brennstoffdüsen, d.
h., zwei Brennstoffdüsen
pro Brennkammer, usw. Zusätzlich
können
Düsen innerhalb
der Brennkammer durch einen internen oder externen Verteiler auf Brennraumebene,
und mit einem Außenverteiler
auf Anordnungsebene weiter so untergruppiert werden, dass eine gegebene
Düsenuntergruppe
eine gemeinsame Versorgung auf Anordnungs- oder Anordnungsuntergruppenebene
besitzt.
-
Das
Brennstoffzuführungssystem 200 enthält eine
Brennstoffpumpe 210, die dafür eingerichtet ist, Brennstoff
aus einem (nicht dargestellten) Brennstoffvorrat zu aufzunehmen.
Die Brennstoffpumpe 210 wird zur Zuführung von Brennstoff zu wenigstens einem
ersten Brennstoffverteiler 220 und einem zweiten Brennstoffverteiler 222 verwendet.
Die ersten und zweiten Brennstoffverteiler 220 und 222 sind
beide so kalibriert und bemessen, dass sie ein Druckverhältnis innerhalb
des Brennstoffzuführungssystems 200 erreichen,
das für
die Menge des der Gasturbine zugeführten Brennstoffs geeignet
ist. Die ersten und zweiten Verteiler 220 und 222 können eine
Zusammensetzung von mehreren Untersatzverteilern sein, wobei sowohl
die ersten als auch zweiten Anordnungen Verteiler enthalten, um
unabhängig
Düsenuntergruppen
auf Brennkammerebene zu versorgen und zu steuern. Gemäß Darstellung
in 4 enthält
eine alternative Ausführungsform
eines Brennstoffzuführungssystems 200 einen
dritten Brennstoffverteiler 426, der dafür eingerichtet
ist, einen dritten Satz von Brennkammerabschnitten 20 zu
versorgen.
-
Insbesondere
enthält
das Brennstoffzuführungssystem 200 eine
Brennstoffsaugleitung 230, welche sich von der Brennstoffquelle 231 zu
einem Einlass der Brennstoffpumpe 210 erstreckt, und eine Ausgabeleitung 232,
die sich von der Auslassseite der Brennstoffpumpe 210 sowohl
zu den ersten als auch zweiten Brennstoffverteilern 220 und 222 erstreckt.
In der exemplarischen Ausführungsform
ist ein erstes Stufenventil 240 in der Auslassleitung 232 zwischen
der Pumpe 210 und dem ersten Verteiler 220 angeordnet,
und ein zweites Stufenventil 242 ist in der Auslassleitung 232 zwischen
der Pumpe 210 und dem zweiten Verteiler 222 angeordnet.
In der in 4 dargestellten Ausführungsform
ist ein drittes Stufenventil 446 in der Auslassleitung 232 zwischen der
Pumpe 210 und dem dritten Verteiler 426 angeordnet.
-
Obwohl
die in 3 dargestellte exemplarische Ausführungsform
ein Brennstoffzuführungssystem 200 mit
zwei Verteilern 220 und 222 darstellt, dürfte erkennbar
sein, dass das Brennstoffzuführungssystem 200 drei
oder mehr Brennstoffverteiler haben kann. Beispielsweise stellt 3 dar,
dass der erste Verteiler 220 Brennstoff an 9 Brennkammerabschnitte
liefert und der zweite Verteiler 222 Brennstoff an 9 Brennkammerabschnitte 20 liefert.
Jedoch kann das Brennstoffzuführungssystem
drei Verteiler enthalten, in welchen jeder Verteiler Brennstoff
an 6 Brennkammerabschnitte gemäß Darstellung
in 4 liefert. In der exemplarischen Ausführungsform
kann die Brennkammerbaugruppe mehrere Brennkammerflammrohruntersätze enthalten,
wobei jeder Untersatz mehrere Düsenuntergruppierungen
enthalten kann. Zusätzlich
kann der Abstand und die Anzahl der von jedem Verteiler versorgten
Flammrohre abhängig
von aeromechanischen oder anderen Systemüberlegungen verändert werden.
-
5 ist
ein exemplarisches Steuersystem 500, das dazu verwendet
werden kann, das in 3 dargestellte exemplarische
Brennstoffzuführungssystem 200 zu
betreiben und/oder zu steuern. Das Steuersystem 500 kann
eine elektronische Steuereinheit (ECU) oder eine Maschinenüberwachungseinheit
(EMU) wie z. B. eine "Full
Authority Digital Engine Control (FADEC)" oder modernisierte "Digital Engine Control (MDEC)" aufweisen. In einer
alternativen Ausführungsform
enthält
das Maschinensteuersystem 300 irgendeine Maschinensteuerung,
die dafür
eingerichtet ist, Signale an die Gasturbine 10 zu senden
und/oder davon zu empfangen, um eine Steuerung und/oder Überwachung
des Brennstoffzuführungssystems 200 zu
ermöglichen.
Insbesondere kann, so wie hierin verwendet wird, eine ECU eine beliebige
elektronische Vorrichtung sein, die sich an der oder in der Nähe einer
Maschine befindet und einen Prozessor und wenigstens eines von Software, Firmware
und/oder Hardware enthält, die
so programmiert sind, dass sie das Brennstoffzuführungssystem 200 steuern
und/oder überwachen.
-
Mehrere
Maschinendatensensoren 502 sind vorgesehen, um ausgewählte Datenparameter
bezüglich
des Betriebs der Gasturbine 10 zu messen. Derartige Datenparameter
können
umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Umgebungslufttemperatur
und Maschinenparameter, wie z. B. Abgastemperatur, Öltemperatur,
Maschinenbrennstoffverbrauch, Gasturbinendrehzahl, Verdichterauslassdruck,
Turbinenauslassdruck und/oder mehrere weitere aus der Gasturbine 10 empfangene
Signale.
-
Das
Steuersystem 500 enthält
einen Steuerschnittstellenabschnitt 510, der von den vorstehend beschriebenen
Maschinensensoren empfangene Daten abtastet und ein Steuersignal
an jedes von den ersten und zweiten Stufenventilen 240, 242 während ausgewählter Maschinenbetriebsbedingungen
ausgibt. In Ausführungsformen,
in welchen mehr als zwei Stufenventile verwendet werden, wie z.
B. in 4, steuert der Schnittstellenabschnitt 510 auch
die entsprechenden Ventile, beispielsweise das Ventil 446.
-
Insbesondere
wandelt der Steuerschnittstellenabschnitt 510 die von den
Maschinensensoren empfangenen Daten in digitale Signale für eine anschließende Verarbeitung
um. Ein Computer 512 empfängt die abgetasteten und digitalisierte
Sensordaten aus dem Steuerschnittstellenabschnitt 510 und führt eine
Hochgeschwindigkeitsdatenanalyse durch. Der Computer 512 kann
auch Befehle von einem Bediener über
eine Tastatur 514 empfangen. Ein zugeordneter Monitor 516 wie
z. B., jedoch nicht darauf beschränkt, eine Flüssigkristallanzeigevorrichtung (LCD)
und/oder eine Kathodenstrahlröhre
ermöglichen
dem Bediener, die von dem Computer 512 empfangenen Daten
zu beobachten. Die vom Bediener gelieferten Befehle und Parameter
werden von dem Com puter 512 dazu genutzt, Steuersignale
und Information zum Steuern des Schnittstellenabschnittes 512 zu
erzeugen.
-
In
einer Ausführungsform
enthält
der Computer 512 eine Vorrichtung 518, wie z.
B. ein Floppy Disk Laufwerk, ein CD-ROM Laufwerk, ein DVD Laufwerk,
eine magnetooptisches Plattenlaufwerk (MOD) und/oder irgendeine
digitale Vorrichtung einschließlich
einer Netzwerkverbindungsvorrichtung, wie z. B. einer Ethernet-Vorrichtung
zum Lesen von Instruktionen und/oder Daten aus einem computerlesbaren Medium 520 wie
z. B. einer Floppy Disk, einer CD-ROM, einer DVD oder einer anderen
digitalen Quelle, wie z. B. einem Netzwerk, oder dem Internet sowie
noch zu entwickelten digitalen Einrichtungen. In einer weiteren
Ausführungsform
führt der
Computer 512 in (nicht dargestellter) Firmware gespeicherte Instruktionen
aus. Der Computer 512 ist dafür programmiert, die darin beschriebenen
Funktionen auszuführen,
und so wie hierin verwendet, ist der Begriff Computer nicht bloß auf diejenigen
Integrierten Schaltungen begrenzt, welche üblicherweise als Computer bezeichnet
werden, sondern bezieht sich in breitem Umfang auf Computer, Prozessoren,
Mikrocontroller, Mikrocomputer, programmierbare Logik Controller,
Anwendungsspezifische Integrierte Schaltungen und weitere programmierbare
Schaltungen, und diese Begriffe werden hierin austauschbar verwendet.
-
Im
Betrieb ist das Brennstoffzuführungssystem 200 in
der Lage, Brennstoff an die Gasturbine 10 während aller
Betriebsbedingungen zu liefern. Insbesondere ist das Steuersystem 500 dafür eingerichtet, die
Ventile 240 und 242 während einem ersten Betriebsmodus
zu öffnen
und zu modulieren. In einer alternativen Ausführungsform ist das Steuersystem 500 dafür eingerichtet,
die Ventile 240 und 242 während eines ersten Betriebsmodus
und Modulation stufenweise zu betätigen und die Steuerung der
den Stufenventilen 240 und 242 zugeordneten Brennkammern
wird stromabwärts,
beispielsweise bei einem (nicht dargestellten) Steuerverteiler bei
jeder Brennkammer oder einem Satz von Brennkammern, der den Stufenventilen 240, 242 zugeordnet
ist, ausgeführt.
Beispielsweise kann bei einem anfänglichen Maschinenstartmodus
oder einem Niedriglastbetriebmodus der Computer 512 dafür programmiert
sein, das erste Stufenventil 240 zu öffnen und das zweite Stufenventil 242 so
zu modulieren, dass ein dem ersten Stufenventil 240 zugeordneter
Satz von Brennkammern in einem ersten Flammenmodus, beispielsweise
in einem Vormischmodus arbeitet und ein Satz von dem zweiten Stufenventil 242 zugeordneten Brennkammern
in einem zweiten Flammenmodus, beispielsweise mit einer Diffusionsflamme
und/oder einer geführten
vorgemischten Teildiffusionsflamme arbeitet. In dem ersten Betriebsmodus
wird Brennstoff über
die Pumpe 210 durch das erste Stufenventil 240,
durch den ersten Verteiler 220 und in die mehreren Brennkammerabschnitte 20 geliefert.
Gemäß Darstellung
in den 3 und 4 wird in diesem Betriebsmodus
Brennstoff für
einen Vormischbetrieb nur einem Teil der Brennkammerabschnitte 20 zugeführt, um
Brennstoff für
einen Diffusions- oder geführten
vorgemischten Teildiffusionsbetrieb den restlichen Brennkammerabschnitten
zugeführt.
D. h., die im Vormischmodus arbeitenden Brennkammerabschnitte sind
zwischen den in einem Diffusionsflammen- oder geführten vorgemischten
Teildiffusionsflammenmodus arbeitenden Abschnitt angeordnet. Insbesondere
ist jeder Brennkammerabschnitt, der Brennstoff für einen Vormischbetrieb erhält, benachbart
zu einem Brennkammerabschnitt angeordnet, der Brennstoff für einen
Diffusionsflammen- oder geführten
vorgemischten Teildiffusionsflammenbetrieb in dem ersten Betriebsmodus
empfängt,
angeordnet. Der vorgegebene Abstand und die Verteilung der Anordnungsuntersätze werden
durch einen gewünschten
Leistungswert und aeromechanische Überlegungen bezüglich des
Turbinenabschnittes bestimmt. Ein Betrieb in einem Mischflammenmodus,
beispielsweise einem Vormischmodus und einem Diffu sionsflammen-
oder geführten
vorgemischten Teildiffusionsflammenmodus ermöglicht der Maschine 10 bei einem
relativ niedrigeren Leistungsabgabewert zu arbeiten, als er möglich wäre, wenn
alle Brennkammern in einem Vormischbetriebsmodus genutzt würden, und
bei niedrigeren Emissionswerten, als sie möglich wären, wenn alle Brennkammern
in einem Diffusionsmodus arbeiten würden. Zusätzlich wird, selbst wenn durch
eine einzelne Brennkammer, die in dem Diffusionsflammen- oder geführten vorgemischten
Teildiffusionsflammenmodus arbeitet, relativ höheres NOx emittieren
kann als eine Brennkammer, die in dem Vormischmodus arbeitet, das
gemischte Abgas aus allen Brennkammern in dem Abgaskamin unter zulässigen Grenzwerten
gehalten, während gleichzeitig
ein Betrieb bei geringerer Belastung und Brennstoffverbrauchswerten
ermöglicht
wird.
-
In
einem zweiten Betriebsmodus ist das Steuersystem 500 dafür eingerichtet,
das zweite Stufenventil 242 zu öffnen oder so zu modulieren,
dass Brennstoff über
die Pumpe 210, durch das zweite Stufenventil 242,
durch den zweiten Verteiler 222 und in die restlichen Verbrennungsabschnitte
geführt wird.
In einer alternativen Ausführungsform
ist das Steuersystem 500 dafür eingerichtet, das zweite
Stufenventil 242 während
des zweiten Betriebsmodus zu öffnen,
und die Modulation und Steuerung der dem zweiten Stufenventil 242 zugeordneten
Brennkammern wird stromabwärts,
beispielsweise bei einem (nicht dargestellten) Steuerverteiler bei
jeder Brennkammer oder jedem Satz von Brennkammern in Verbindung
mit dem zweiten Stufenventil 242 gesteuert. Beispielsweise
ermöglicht
während
eines zweiten Betriebsmodus das Brennstoffzuführungssystem 200 zusätzlichen
Brennstoff zu den restlichen Brennkammerabschnitten 20 zu
strömen,
um zu dem Vorgemischflammenbetrieb überzugehen, um die Leistungsabgabe
der Gasturbine 10 zu steigern. Demzufolge liefern in dem
zweiten Betriebsmodus sowohl die ersten als auch zweiten Verteiler
Brennstoff an alle Brennkammerab schnitte und alle Brennkammern arbeiten
in einem Vorgemischflammenmodus. In diesem Betriebsmodus bildet
das Brennstoffzuführungssystem 200 zwei
unabhängig
gesteuerte, parallele Brennstoffzuführungen für das Brennstoffsystem. Insbesondere
werden bei Grundlast oder hohen Anteilen an Teillast beide Systeme
identisch auf der Basis vorliegender Steuerkurven oder Brennstoffpläne gesteuert.
-
In
einem hierin als Leistungs-"Herunterfahr"-Modus bezeichneten
dritten Betriebsmodus werden, wenn eine reduzierte Leistungsabgabe
aus der Gasturbine erwünscht
ist, die geeigneten Brennstoffkreisläufe auf einen Brennstoffdurchfluss
für Diffusionsflammen
oder geführte
vorgemischte Teildiffusionsflammen zu einem ausgewählten Satz
von Brennkammernflammrohren überführt. In
dieser Ausführungsform
werden entweder die ersten oder zweiten Stufenventile 240 oder 242 so
moduliert, dass der Vorgemischflammenbetrieb nur in einer Hälfte der Brennkammerabschnitte 20 verwendet
wird.
-
Hierin
ist ein exemplarisches Brennstoffzuführungssystem beschrieben, das
dafür eingerichtet ist,
einen Betriebs-Modus mit Diffusionsflammen oder geführten vorgemischten
Teildiffusionsflammen für
einen auswählbaren
Satz von Brennkammern auszuwählen
und den Brennstoffdurchfluss zu modulieren, um Emissionen während ausgewählter Betriebszuständen zu
reduzieren. Das exemplarische Brennstoffzuführungssystem ist auch dafür eingerichtet,
Operationen zum Herunterfahren der Leistung der Gasturbine zu optimieren,
und dem Endbenutzer einen profitableren Betrieb zu ermöglichen, während gleichzeitig
auch Emissionen reduziert werden. Zusätzlich verbessert das Brennstoffzuführungssystem
die Robustheit der Gasturbine in Spitzen- oder Lastfolgeanwendungen,
wie z. B. unter minimalen Lastbedingungen zu arbeiten, statt einen schädigenden
Abschalt/Start-Zyklus
zu verursachen.
-
Das
System stellt Vorteile von Flammenstabilität und geringer Emissionen über die
vollen Betriebsbedingungen der Gasturbine für ein Verbrennungssystem in
einer Flammrohranordnung einschließlich niedriger Teillastbedingungen
bereit. Das System kann effizient bei niedrigeren Lastzuständen betrieben
werden, und dadurch eine Kraftstoffverschwendung, wenn kein Hochlastbetrieb
erforderlich ist, oder das Bewirken der zusätzlichen Zyklen bei der Maschinenhardware,
wenn diese abgeschaltet wird, eliminieren. Das exemplarische Brennstoffzuführungssystem
ermöglicht
auch ein Herunterfahren auf einen deutlich niedrigeren Leistungswert,
als er derzeit möglich
ist.
-
Beispielsweise
werden, während
Grundlast oder hohen Teillastwerten sowohl der erste als auch der
zweite Verteiler identisch auf der Basis existierender Steuerkurven
und/oder Brennstoffpläne
gesteuert. Wenn ein Herunterfahren auf Minimalleistung befohlen
wird, werden die geeigneten Brennstoffkreise in einen Betriebsmodus
mit Diffusionsflamme oder Teildiffusionsflamme, beispielsweise einen
geführten Vormischmodus
bei einem ausgewählten
Satz von Brennkammerflammrohren überführt. Somit
erfordert die Leistungsreduzierung keine Reduzierung der Verbrennungstemperaturen
in einem Satz von Brennkammern, wobei jedoch die erwarteten höheren Emissionen
aus jeder in dem Diffusionsflammen- oder geführten Modus arbeitenden Brennkammer
in Kombination mit den Emissionen aus den noch in dem Vormischmodus
arbeitenden Brennkammern, ein Verbleiben der Gesamtemissionen innerhalb
des zulässigen
Bereichs ermöglicht.
Daher liegt kein negativer Einfluss auf die Emissionsabgabe des
Systems vor. Ferner ist ein Herunterfahren auf deutlich niedrigere
Leistungswerte durchführbar.
-
Obwohl
Ausführungsformen
der Offenbarung in Form verschiedener spezifischer Ausführungsformen
beschrieben wurden, wird erkennbar sein, dass die Ausführungsformen
der Offenbarung mit Modifikationen innerhalb des Erfindungsgedankens
und Schutzumfangs der Ansprüche
ausgeführt werden
können.
-
Es
wird ein Brennstoffzuführungssystem 200 für eine Gasturbine 10 bereitgestellt.
Das Brennstoffzuführungssystem
enthält
mehrere Brennkammern 104, die in mehrere Brennkammersätze 20 gruppiert sind,
und einen Brennstoffverteiler 220, 222, 426,
der jeden Satz von den mehreren Brennkammersätzen zugeordnet ist. Jeder
Brennstoffverteiler mit einem entsprechenden von den Brennkammersätzen gekoppelt,
und jeder Brennstoffverteiler ist dafür eingerichtet, Brennstoff
gemäß einem
vorbestimmten Brennstoffplan an den entsprechenden von den Brennkammersätzen zu
liefern. Das Brennstoffzuführungssystem
enthält
auch ein Steuersystem 500, das funktionell mit jedem von
den Brennstoffverteilern gekoppelt ist. Das Steuersystem ist dafür eingerichtet, den
durch jeden von den Brennstoffverteilern strömenden Brennstoff so zu steuern,
dass einem ersten Brennstoffverteiler 220 zugeordnete Brennkammern mit
wenigstens einer von einer Diffusionsflamme und einer geführten vorgemischten
Teildiffusionsflamme in Betrieb gehalten werden, und einem zweiten Brennstoffverteiler 222 zugeordnete
Brennkammern mit einer Vorgemischflamme während eines ersten Betriebsmodus
in Betrieb gehalten werden.
-
- 10
- Gasturbine
- 20
- Brennkammerabschnitte
- 22
- Brennstoffdüsenanordnung
- 100
- Gasturbine
- 102
- Verdichterbaugruppe
- 104
- Brennkammerbaugruppe
- 108
- Turbinenbaugruppe
- 110
- Verdichter/Turbinen-Welle
oder Rotor
- 112
- Diffusor
- 114
- Verdichterauslasssammelraum
- 120
- Endabdeckung
- 122
- Brennstoffdüsenanordnung
- 124
- Brennkammergehäuse
- 126
- Brennkammereinsatz
- 128
- Verbrennungsraum
- 129
- Brennkammerkühlkanal
- 130
- Übergangsabschnitt
oder -stück
- 132
- Turbinendüse
- 134
- Außenwandöffnungen
- 136
- Außenwand
- 138
- Übergangsstückringkanal
- 140
- Innenwand
- 142
- Übergangsstückführungshohlraum
- 144
- Brennstoffdüsenflansch
- 200
- Brennstoffzuführungssystem
- 210
- Brennstoffpumpe
- 220
- Erster
Brennstoffverteiler
- 222
- Zweiter
Brennstoffverteiler
- 230
- Brennstoffsaugleitung
- 231
- Brennstoffquelle
- 232
- Ausgabeleitung
- 240
- Erstes
Stufenventil
- 242
- Zweites
Stufenventil
- 330
- Maschinensteuersystem
- 426
- Dritter
Brennstoffverteiler
- 446
- Drittes
Stufenventil
- 500
- Steuersystem
- 502
- Maschinendatensensoren
- 510
- Steuerschnittstellenabschnitt
- 512
- Computer
- 514
- Tastatur
- 516
- Zugeordneter
Monitor
- 518
- Vorrichtung
- 520
- Computerlesbares
Medium