DE102008044447A1

DE102008044447A1 - Gasturbinen-Brennkammeranordnung mit integrierten Regelventilen

Info

Publication number: DE102008044447A1
Application number: DE102008044447A
Authority: DE
Inventors: Geoffrey David Myers; Lewis Berkley Davis Jr.; Joseph Citeno
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-08-28
Filing date: 2008-08-18
Publication date: 2009-03-05
Also published as: JP5676073B2; CH697856B1; US7891192B2; CH697856A2; US20090056335A1; JP2009052558A; CN101377303B; CN101377303A

Abstract

Eine Brennkammeranordnung (8) für eine Gasturbine enthält eine Brennkammerendabdeckung (9) mit wenigstens einem Brennstoffkreis (42) und mehreren darauf montierten Vormischern (14-16) und wenigstens einem Regelventil (49). Das wenigstens eine Regelventil (49) ist fluidmäßig mit dem wenigstens einem Brennstoffkreis (42) und betrieblich mit einer Regelungseinrichtung (65) verbunden. Die Regelungseinrichtung (65) betreibt selektiv das wenigstens eine Regelventil (49), um Brennstoff über den wenigstens einen Brennstoffkreis (42) an die mehreren Vormischer (14-16) zu liefern, um einen verbesserten Grad von Betriebsflexibilität durch die Bereitstellung einer individuellen Brennkammer-Regelungseinrichtung zu erreichen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von Gasturbinen und insbesondere eine Gasturbinen-Endabdeckungsanordnung mit mehreren selektiv betreibbaren integrierbaren Regelventilen.
Im Wesentlichen verbrennen Gasturbinen ein Brennstoff/Luft-Gemisch in einer Anzahl von Brennkammern, um Wärmeenergie freizusetzen, die an eine Turbine geleitet wird. Eine zentrale Brennstoff- oder Gasversorgung ist mit jeder von den Brennkammern verbunden. Die zentrale Versorgung wird so betrieben, dass sie eine Brennstoffmenge über eine Versorgungsleitung liefert, die mit einem gemeinsamen Verteiler verbunden ist, welcher alle Brennkammern versorgt. Der Brennstoff wird mit Luft vermischt und gezündet, um einen Hochtemperaturgasstrom zu erzeugen. Die Turbine wandelt die thermische Energie aus dem Hochenergiegasstrom in mechanische Energie um, die eine Turbinenwelle dreht. Die Abgabeleistung der Turbine kann in einer Vielzahl von Anwendungen, wie z. B. zum Antreiben eines elektrischen Generators, genutzt werden.
Verschiedene Verbrennungsnebenprodukte, wie z. B. Stickoxid (NO_x), Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe (UHC), unterliegen behördlichen Einschränkungen seitens des Bundes und der Bundesstaaten. NO_x wird durch die Oxidation von Stickstoff erzeugt, der mit der atmosphärischen Luft einge bracht wird, und ist exponentiell von der Flammentemperatur über 1371°C (2500°F) abhängig. Um die NO_x-Emissionen innerhalb der Emissionseinhaltungswerte zu halten, müssen die Flammentemperaturen unter 1649°C (3000°F) gehalten werden. Ein angewendetes Verfahren zur Regelungseinrichtung der NO_x-Emission ist die Einspritzung von Inertstoffen, wie z. B. Dampf, Wasser, Stickstoff, in die Brennkammer. Die Einspritzung von Inertstoffen führt zu einem mageren Gemisch und wesentlich weniger NO_x. Es werden jedoch große Mengen von sehr reinem Dampf oder Wasser benötigt, und in einigen Bereichen können die Kosten von Wasser/Dampf die Kosten von Brennstoff übersteigen. Die Einspritzung von Wasser hat auch einen negativen Einfluss auf die Emissionen, welcher oft zu einer Erhöhung in der Erzeugung von CO und UHCs führt.
Ein Betrieb bei niedrigem Brennstoff/Luft-Massenverhältnis nahe an einem Magerbetrieb-Auslöschgrenzwert ist insbesondere bei Niedriglast schwierig. D. h., während Schwachlaststunden ist ein Betrieb des Generators mit voller Leistungsabgabe nicht ausführbar. Jede über den Bedarf hinaus erzeugte Energie, die nicht anderweitig verkauft wird, ist verschwendet. Demzufolge ist eine ausgleichende niedrige Energieabgabe im Magerbetrieb unter gleichzeitiger Emissionseinhaltung schwierig. Um dieses Problem anzugehen, wird die Turbine mit einem geregelten Vorgemisch betrieben, in welchem etwa 10 bis 20% des Brennstoffs direkt in die Reaktionszone eingespritzt werden und als eine Hochtemperaturdiffusionsflamme verbrennen. Dieses ergibt eine gute Stabilität und Verbrennungswirkungsgrad, aber die NO_x-Werte liegen außerhalb des Einhaltungsbereichs. Somit wird die Turbine abwechselnd außerhalb eines Einhaltungsbereichs und im Einhaltungsbereich betrieben, um die Durchschnittsemissionsabgabe im Einhaltungsbereich zu halten.
Zusätzlich zu dem Vorstehenden ist ein Neustart eines im Gasturbinen-Kombinationszyklus betriebenen Generators, der abgeschaltet wurde, ein langer Prozess, der eine Stunde oder mehr dauern kann, bevor volle Ausgangsleistung erzielt wird. Diese verlorene Zeit kann für den Energieerzeuger ziemlich teuer sein. Ferner steht ein Generator, der abgeschaltet ist, in dem Falle nicht zur Verfügung, dass unerwartet zusätzliche Ausgangsleistung während einer Niedrigbedarfperiode benötigt wird. Zusätzlich beeinträchtigt Starten und Stoppen eines Generators die Haltbarkeit und Lebensdauer der Energiesystemkomponenten. Häufige Starts und Stopps haben einen nachteiligen Einfluss auf die Maschinenzuverlässigkeit und bewirken einen Bedarf häufigerer Wartungszyklen und erhöhen somit die Betriebs- und Wartungskosten.
Aufgrund der Nachteile in Verbindung mit dem Stoppen der Gas- oder Kombinationszyklusturbine ziehen es die Energieerzeuger vor, die Maschine während Schwachlaststunden herunterzufahren oder zu parken, um die Brennstoffverbrennung zu minimieren, während gleichzeitig die Fähigkeit erhalten bleibt, auf eine ungeplante Lastzunahme zu reagieren. Das Parken der Turbinenmaschine an einem Punkt, welcher eine schnelle Rückkehr zur vollen Leistung ermöglicht, während sie gleichzeitig im Emissionseinhaltungsbereich bleibt, ist aufgrund der vorstehend skizzierten Gründe ein schwieriger Balanceakt. Daher wird, wenn die Turbine geparkt wird, die Maschine in einem spezifischen Teillastzustand mit kurzen Perioden eines Nichteinhaltungsbetriebs betrieben. Obgleich eine Maschine effektiv innerhalb des Emissionseinhaltungsbereichs gehalten wird, sind die erzielbaren Teillastbedingungen in dem Bereich von 40% der normalen Ausgangsleistung immer noch hoch, und können somit erhebliche Betriebsineffizienzen darstellen.
Zusätzlich zu dem Vorstehenden ist eine wichtige übergreifende Einschränkung, die eine erhebliche anfänglich Barriere und einen ständigen täglichen Kampf im erfolgreichen Angehen aller Emissions-, Zuverlässigkeits- und Betriebsflexibilitätsanforderungen einer Turbinenmaschine darstellt, die im Zusammenhang mit jeder "realen" Energieerzeugung vorhandene inhärente Schwankung. Das Verhalten eines Magervormisch-Verbrennungssystems kann durch winzige Änderungen in externen Variablen beeinflusst werden. Eine Schwankung im einzelnen Brennstoffkreisstrom (Bruchteile von 1% des Gesamtstroms), Nacht/Tag- und Jahreszeiten-Schwankungen in der Umgebungstemperatur und relativen Feuchte, Anlagenort und Höhe und die Zunahme (wenige Volumenprozent) in der Brennstoffgaszusammensetzung sowie in der Energiesystembelastung beeinflussen alle das Verbrennungssystemverhalten.
Ferner können interne Variablen, wie z. B. Schwankungen von Kammer zu Kammer im Luft- und Brennstoffstrom als Folge von Abmessungsdifferenzen in Systemkomponenten und Verschiebungen in sekundären Strömungen als Folge von Veränderungen in der stromaufwärts als auch stromabwärts befindlichen Turbomaschinerie beeinflussen ebenfalls das Verbrennungssystemverhalten. Ferner verändern sich diese internen Systemvariablen mit dem Alter und dem Zustand der Teile, wie sie durch die Anzahl der Betriebsstunden und Zyklen und die spezifische Betriebs-"Mission" oder Verlauf von der ersten Zündung bis zum derzeitigen Tag vorgegeben ist. Somit benötigen derzeit moderne Gasturbinen mehrere Brennstoffkreisläufe zur gleichzeitigen Regelungseinrichtung von Abgasemissionen und für einen flexiblen zuverlässigen Betriebs über einen breiten Bereich von Lasten, Umgebungsbedingungen und Brennstoffgaszusammensetzungen.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Brennkammeranordnung für eine Gasturbine bereitgestellt. Die Brennkammeranordnung weist wenigstens einen Brennstoffkreis auf, der fluidmäßig mit mehreren Düsen oder Vormischern verbunden ist. Zusätzlich enthält die Brennkammeranordnung wenigstens ein Regelventil, das von der Brennkammerendabdeckung gehalten wird. Das wenigstens eine Regelventil ist betrieblich dem wenigstens einem Brennstoffkreis zugeordnet und betrieblich mit einer Regelungseinrichtung verbunden. Die Regelungseinrichtung betreibt selektiv das wenigstens eine Regelventil, um Brennstoff über den wenigstens einen Brennstoffkreis an die mehreren Vormischer zu liefern, um einen verbesserten Grad an Betriebsflexibilität zu erzielen, indem wenigstens eines von individueller Überwachung und Regelungseinrichtung des Brennkammerverhaltens auf Kammerebene und Vormischerebene bereitgestellt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum selektiven Betreiben wenigstens eines in eine Brennkammerendabdeckungsanordnung einer Gasturbine integrierten Regelventils bereitgestellt, wobei das wenigstens eine Regelventil fluidmäßig mit dem wenigstens einen Brennstoffkreis verbunden ist. Das Verfahren beinhaltet auch die Zuführung einer Brennstoffmenge zu dem wenigstens einen in die Brennkammerendabdeckung integrierten Regelventil und den selektiven Betrieb des wenigstens einen Regelventils, um den Brennstoff an den wenigstens einen Brennstoffkreis zu führen, um Brennstoff an mehrere von der Brennkammerendabdeckung gehaltenen Vormischer zu liefern.
Es dürfte erkennbar sein, dass die vorliegende Erfindung eine verbesserte Turbinenbetriebsflexibilität bereitstellt, indem sie eine individuelle Brennkammerregelung ermöglicht, und indem sie dynamisch Verbrennungseingangsgrößen gemäß Vorgabe durch Anforderungen einer spezifischen Brennkammer, die mit lokalem Brennstoff, auf einer speziellen Gasturbine an einem speziellen Standort zu einem spezifischen Zeitpunkt arbeitet, anpasst. Auf diese Weise wird jeder Einfluss in Verbindung mit Verschleiß, Änderungen in stromabwärts und stromaufwärts befindlichen Komponenten, Umgebungstemperatur und Brennstoff/Gas-Zusammensetzung in Echtzeit kompensiert. Somit wird die Notwendigkeit, Spielräume für alle möglichen Betriebsbereiche bezüglich aller Variablen vorherzusehen und bereitzustellen, erübrigt. Ferner beseitigt die vorliegende Erfindung ein großes stromabwärts von den Ventilen eingeschlossenes Gasvolumen, und ermöglicht dadurch eine wesentlich raschere Reaktion der Turbine auf irgendwelche Laständerungen, oder eine einfache Anpassung auf Kammerebene, um optimales Verhalten zu erreichen. In jedem Falle werden zusätzliche Aufgaben, Merkmale und Vorteile der verschiedenen Aspekte der vorliegenden Erfindung aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung dargestellter Aspekte der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen ersichtlicher, in welchen gleiche Bezugszeichen die entsprechenden Teile in den verschiedenen Ansichten bezeichnen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittsseitenansicht einer exemplarischen Gasturbine, die mit einer Brennkammerendabdeckung mit mehreren gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung aufgebauten selektiv betreibbaren integrierten Regelventilen ausgestattet ist; und
2 ist eine schematische Ansicht einer Brennkammerendabdeckungsanordnung von 1.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 ist eine schematische Darstellung eines als Gasturbine 2 dargestelltes exemplarischen Kombinationszyklus-Energieerzeugungssystems. Die Gasturbine 2 enthält einen Verdichter 4 und mehrere Brennkammeranordnungen, wovon eine bei 8 dargestellt ist. Da jede von den mehreren Brennkammeranordnungen identisch ist, erfolgt eine detaillierte Beschreibung bezüglich der Brennkammeranordnung 8 unter der Annahme, dass die restlichen Brennkammeranordnungen identisch aufgebaut sind. Gemäß Darstellung enthält die Brennkammeranordnung 8 eine Endabdeckungsanordnung 9, die eine Brennkammer 12 abdichtet und wenigstens teilweise definiert. Mehrere Düsen oder Vormischer 14–16 werden von der Endabdeckungsanordnung 9 getragen und erstrecken sich in die Brennkammer 12. Wie es nachstehend vollständiger diskutiert wird, nehmen die Vormischer 14–16 Brennstoff über einen gemeinsamen Brennstoffeinlass 18 und verdichtete Luft aus dem Verdichter 4 auf. Der Brennstoff und verdichtete Luft werden in die Brennkammer 12 eingeführt und entzündet, um ein(en) Hochtemperatur-Hochdruck-Verbrennungsprodukt oder -Luftstrom zu erzeugen, der zum Antrieb einer Turbine 30 genutzt wird. Die Turbine 30 ist betrieblich mit dem Verdichter 4 über eine Verdichter/Turbinen-Welle 34 (manchmal als Rotor bezeichnet) verbunden.
Im Betrieb strömt Luft in den Verdichter 4 und wird zu einem Hochdruckgas verdichtet. Das Hochdruckgas wird der Brennkammeranordnung 8 zugeführt und mit Brennstoff, wie z. B. Prozessgas und/oder synthetischem Gas (Syngas), in der Brennkammer 12 vermischt. Das Brennstoff/Luft- oder brennbare Gemisch wird entzündet, um einen Hochdruck-Hochtemperatur-Verbrennungsgasstrom von angenähert 871°C bis 1593°C (1600°F bis 2900°F) zu erzeugen. Alternativ kann die Brennkammeranordnung 8 Brennstoffe verbrennen, die Erdgas und/oder Brennstofföl umfassen, jedoch nicht darauf beschränkt sind. In jedem Falle führt die Brennkammeranordnung 8 den Verbrennungsgasstrom der Turbine 30 zu, welche die thermische Energie in mechanische Rotationsenergie umwandelt.
Gemäß einem in 2 dargestellten Aspekt der Erfindung enthält die Endabdeckungsanordnung 9 einen Hauptkörperabschnitt 37, der wenigstens teilweise einen Brennstoffsammelraum 40 definiert und mehrere Brennstoffzuführungskreise 42–45, durch welche Brennstoff zu einem gemeinsamen Verteiler 46 hindurch tritt, der die Düsen 14–16 speist. Die Endabdeckungsanordnung 9 enthält auch mehrere integrierte Regelventile 48–51, welche fluidmäßig mit entsprechenden von den Brennstoffzuführungskreisen 42–45 verbunden sind. In der dargestellten Ausführungsform sind die Regelventile 48–51 Drei-Wege-Ventile. Auf diese Weise regeln die Regelventile 48–51 nicht nur die Brennstoffzuführung, sondern ermöglichen auch einen selektiven Durchtritt von Spülluft durch einen Spülluftkanal 54 in die Brennstoffkreise 42–45. Zusätzlich ist dargestellt, dass die Endabdeckung 9 einen elektrischen Verbinderblock 58 und eine Regelungseinrichtung 65 mit einem Speicher 66 enthält. Gemäß Darstellung ist die Regelungseinrichtung 65 als ein Computer dargestellt, wie man im Beispiel in einem Mark VI Speedtronic GT Regelsystem findet. Jedoch ist dieser lediglich exemplarisch für eine geeignete leistungsfähige Regelung, welche innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegt. Beispielsweise, jedoch nicht einschränkend für die Erfindung, kann die Regelungseinrichtung 65 auch unter Verwendung eines geeignet programmierten Standard-Computers, wie z. B. eines Mikroprozessors oder Mikrocontrollers, oder einer anderen Prozessorvorrichtung, wie z. B. einer CPU oder MPU entweder alleine oder Verbindung mit einem oder mehreren periphe ren Daten- und Signalverarbeitungsvorrichtungen, implementiert sein. In jedem Falle ist die Regelungseinrichtung 65 mit jedem einzelnen der Regelventile 48–51 über den elektrischen Verbinderblock 58 verbunden, wie es hierin nachstehend vollständiger diskutiert wird. Insbesondere betreibt die Regelungseinrichtung 65 selektiv jedes von den mehreren Regelventilen 48–51, um eine Menge des aus dem Brennstoffsammelraum 40 gelieferten Brennstoffs für jeden Brennstoffzuführungskreis 42–45 zu dosieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung betreibt die Regelungseinrichtung 65 selektiv die Regelventile 48–51 auf der Basis erfasster Verbrennungsparameter in der Brennkammer 12. Insbesondere befindet sich eine Anzahl von Sensoren in den verschiedenen Abschnitten der Gasturbine 2, und sind dafür eingerichtet, verschiedene Triebwerksbetriebsparameter zu erfassen. Beispielsweise enthält die Gasturbine 2 mehrere erste Sensoren 71, welche in den dargestellten Ausführungsformen Abgastemperatursensoren sind, die in einer speziellen Anordnung um einen (nicht getrennt bezeichneten) Heißgaspfad-(HGP)-Abschnitt der Gasturbine 2 angeordnet sind. Insbesondere sind die Abgastemperatursensoren oder Thermoelemente 71 in einem Gasturbinenabgaskanal in einer Anordnung zwischen 18 und 36 abhängig von der speziellen Turbine angeordnet. Die Sensoren 71 messen Abgastemperaturen stromabwärts vor einer End- oder letzten Turbinenstufe. Der Speicher 66 der Regelungseinrichtung 65 ist mit Grundwert-Abgastemperaturdaten programmiert, welche in der Regelungseinrichtung 65 mit Ist-Abgastemperaturdaten verglichen werden, die durch die Sensoren 71 gesammelt werden. Alle Änderungen oder Abweichungen in den Ist-Abgastemperaturen von den Grundwert-Temperaturdaten zeigen an, dass eine oder mehrere von den Brennkammeranordnungen 8 außerhalb der idealen Betriebsparameter arbeiten, und dass eine Korrekturaktion erforderlich ist.
Zusätzlich zu den mehreren Abgastemperatursensoren 71 enthält die Gasturbine 2 mehrere zweite Sensoren 75, welche gemäß einem Aspekt der Erfindung dynamische Drucksensoren sind, die in jeder Brennkammer angeordnet sind. Die Drucksensoren 75 detektieren dynamisch den Druck in Form einer akustischen Signatur. In einer ähnlichen Weise wie der vorstehend beschriebenen ist der Speicher 66 mit Amplituden und Frequenzdaten oder erwarteten akustischen Signaturen in Verbindung mit idealen Verbrennungsparametern in jeder Brennkammer programmiert. Die Drucksensoren 75 tasten in Echtzeit die akustischen Ist-Signaturen in jeder Brennkammer ab. Die akustischen Ist-Signale werden mit den erwarteten akustischen Signalen verglichen, um festzustellen, ob irgendeine Abweichung vorliegt. Wenn eine Abweichung von dem erwarteten akustischen Signal gefunden wird, betreibt die Regelungseinrichtung 65 eines oder mehrere von den der Brennkammer zugeordneten Ventilen 48–51, in welcher die Abweichung detektiert wurde, um eine Korrekturaktion auszuführen. Eine ständige Echtzeitabtastung von Abgastemperaturen und/oder der Verbrennungsakustik bildet ein geschlossenes Rückkopplungssystem, das von der Regelungseinrichtung 65 genutzt wird, um die Gasturbine 2 zu betreiben, um einen verfeinerten Regelungsgrad zu erhalten und Betriebswirkungsgrade zu erzeugen, die bisher nicht erzielbar waren, wie es nachstehend vollständiger diskutiert wird.
Unter idealen Betriebsbedingungen ist der Ausstoß aus jeder Brennkammeranordnung 8 gleichmäßig. Auf diese Weise ist die Turbine 30 einem gleichmäßigen Strom von Verbrennungsprodukten oder Gasen ausgesetzt. Abweichungen in verschiedenen Parametern des Gasstroms können Betriebsineffizienzen in der Gasturbine 2 bewirken. Wie gesagt, sind ideale Betriebsbedingungen selten erzielbar. Änderungen im Brennstofftyp, Umgebungsluftbedingungen, Alter der Gasturbine 2 und winzige Änderungen in jeder Brennkammer tragen zu einem der Turbine 30 zugeführtem, nicht gleichmäßigem Gasstrom bei. Durch Detektieren und Verstehen der Unterschiede in den Verbrennungsparametern in jeder Brennkammer durch die Verwendung einer geschlossenen Rückkopplung aus den Sensoren 71 und 75 kann die Regelungseinrichtung 65 selektiv jedes von den Regelventilen 48–51 in einer speziellen Brennkammeranordnung oder Anordnungen betreiben, um Echtzeitanpassungen an Verbrennungsparametern auszuführen. Durch Bereitstellung einer individuellen Regelungseinrichtung jedes Regelventils 48–51 in Echtzeit passt die Regelungseinrichtung 65 die Verbrennungsparameter in jeder Verbrennungskammer so nahe wie möglich an das Ideal an.
Die vorliegende Erfindung stellt nicht nur eine Echtzeitregelung der Ventile 48–51 zur Berücksichtigung von Differenzen in Eingangsparametern, Brennstoff, Luft, Höhe usw. für die Gasturbine 2 bereit, sondern stellt auch einen Regelungsgrad bereit, der einen sehr tiefen Herunterfahrbetrieb ermöglicht. D. h., während des Herunterfahrens betreibt die Regelungseinrichtung 65 selektiv die Regelventile 48–51 in jeder Brennkammeranordnung, um sicherzustellen, dass die Brenntemperaturen innerhalb des Emissionseinhaltungsbereichs bleiben, während gleichzeitig der Brennstoffverbrauch reduziert wird. Die Regelungseinrichtung 65 fährt eines oder mehrere von den Ventilen 48–51 in einer oder mehreren von den mehreren Brennkammeranordnungen herunter oder schaltet es vollständig aus. Durch die Bereitstellung einer Echtzeitregelung der Ventile 46–49 kann die Gasturbine 2 auf 15–25% der vollen ISO-Betriebsausgangsleistung heruntergefahren oder geparkt werden. Auf diese Weise kann die Gasturbine 2 in relativ kurzer Zeitdauer, beispielsweise innerhalb Minuten im Gegensatz zu einer Stunde oder Stunden, die für einen vollständigen Systemneustart erforderlich sind, auf volle Ausgangsleistung gebracht werden. Somit können Energieerzeuger nun länger am Netz blei ben und bereit oder Erster im Netz sein, um volle Ausgangsleistung zu liefern, wenn der Bedarf ansteigt. Zusätzlich ermöglicht in dem Falle eines unerwarteten Bedarfsanstiegs die durch die vorliegende Erfindung bereitgestellte schnelle Rückkehr zur vollen Ausgangsleistung den Energieerzeugern in einem ständigen Bereitschaftszustand zu bleiben, um Energie zu liefern, wenn diese benötigt wird. Zusätzlich ermöglicht die vorliegende Erfindung der Gasturbine 2, besser auf Lasttransienten zu reagieren.
Beispielsweise kann ein Generator 600000 PS Leistungsabnahme mit Lichtgeschwindigkeit verlieren, wenn ein zugeordneter SteuerUnterbrecherschalter öffnet. Um eine Überdrehzahl des Rotors zu vermeiden, muss der Verdichterluftmassenstrom und der Brennkammerbrennstoffstrom in Sekunden mehrfach reduziert werden. Es bleibt keine Zeit für stufenweise Änderungen. In früheren Anordnungen muss der gesamte Brennstoff, der in der Rohrleitung eingeschlossen ist, die sich zwischen den externen Regelventilen und den zugeordneten Brennkammern erstreckt, verbrannt werden, bevor irgendeine Energieänderung realisiert wird. Durch die Integration der Regelventile 48–51 in jede Endabdeckungsanordnung 9 wird das eingeschlossene Volumen erheblich reduziert, und somit die Systemreaktionsfähigkeit erheblich verbessert. Teillastunterdrückung, Lastabwurf und Verarbeitung von Netztransienten (Lastschwankungen aufgrund lokaler oder externer Ereignisse) sind weitere Beispiele derartiger Leistungstransienten in großem Maßstab.
In einem weiteren Beispiel werden, wenn die Windgeschwindigkeit Windkraftanlagengrenzwerte überschreitet, die Rotorblätter verstellt, um eine Beschädigung zu verhindern. Wenn die Windgeschwindigkeit über eine große Küstenstrecke zunimmt und mehrere Hundert Windkraftanlagen abschalten und von Netz gehen, werden Gasturbinen ans Netz genommen, um jeden Lastver lust zu kompensieren. In Teilen der Welt, in welchen Windenergie einen großen Prozentsatz der Gesamtenergieerzeugung darstellt, wurden Netzgradienten, die 4000 MW/h erreichen, beobachtet. Ferner ermöglicht bei einer selbst verursachten Transiente, wie z. B. einem Flammenausfall in einer einzelnen Kammer, die vorliegende Erfindung einen raschen Neustart der einzelnen Kammer in einem Pilotmodus, und dann die Rückführung in die Vormischung unabhängig von den benachbarten Kammern, wie es nachstehend detaillierter diskutiert wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Brennkammeranordnung 8 mit einer Zündvorrichtung 80 versehen, die betrieblich mit der Regelungseinrichtung 65 verbunden ist. Die Zündvorrichtung 80 kann ein Brenner, eine Zündkerze, Plasmagenerator oder andere geeignete Vorrichtung sein und ist so positioniert, dass sie ein Brennstoff/Luft-Gemisch in der Brennkammer 12 entzündet. Durch die Ausstattung jeder von den mehreren Brennkammeranordnungen mit einer integrierten Zündvorrichtung ist ein unabhängiger Betrieb jeder Brennkammer in der Gasturbine 2 möglich. D. h., im Falle eines in einer speziellen Brennkammer auftretenden Flammenverlustes (LOF), wie z. B. in der Brennkammer 12, aktiviert die Regelungseinrichtung 65 die Zündvorrichtung 80, um die Flamme wieder zu entzünden und den Ausstoß wieder herzustellen, ohne eine vollständige Triebwerksabschaltung zu erfordern. Die Verwendung von individuellen, integrierten Zündvorrichtungen erübrigt jeden Bedarf an Querflammerohren, welche andernfalls erforderlich wären, um heiße Verbrennungsprodukte aus mit Zündsystemen versehenen Kammern in benachbarte Kammern zu transportieren, wie es üblicherweise in Industriegasturbinen mit Rohr/Ringverbrennungssystemarchitektur praktiziert wird. Die Verwendung integrierter Zündsysteme und die durch vorliegende Erfindung ermöglichte Verbrennungsregelung auf Kammerebene im geschlossenen Regelkreis ermöglicht den Neustart einzelner Kammern und den Betrieb mit unabhängigen Brennstoffvorgaben anstelle einer Abschaltung und eines Neustarts des gesamten Systems.
An diesem Punkt dürfte erkennbar sein, dass die vorliegende Erfindung eine individuelle Verbrennungsüberwachung auf Kammerebene und Regelungseinrichtung im geschlossenen Regelkreis bereitstellt, die eine sofortige Anpassung von Brennstoffanteilen in jeder individuellen Brennkammer ermöglicht, um den externen und internen Gasturbinensystemvariablen zu genügen, welche für diese spezielle Gasturbine, Standort und Lastzustand spezifisch sind. Durch die Hinzufügung eines integrierten Zündsystems und die Weglassung von Querflammrohren kann jede Kammer unabhängig betrieben werden. Ein unabhängiger Kammerbetrieb bietet bestimmte Vorteile, indem er ein Herunterfahren auf sehr tiefe Last ermöglicht, bei dem die Gasturbine in dem Emissionseinhaltungsbereich bleibt. Die Brennkammeraustrittstemperatur und der Betriebsmodus können in jeder Kammer unabhängig variiert werden, was es ermöglicht, die durchschnittliche Turbineneinlasstemperatur auf "Spinning-Reserve"-Pegel zu reduzieren, während einige Kammern auf relativ hohen Austrittstemperaturen bleiben, die zur Einhaltung von Emissionsgrenzwerten erforderlich sind. Abwechselnde Kammern könnten unabhängig in einem stabileren Pilotvormischmodus betrieben werden oder insgesamt abgeschaltet werden. Das Wiederbeleben und Hochfahren schlafender Kammern durch eine Brennstoffvorgabe zur Anpassung an den Betriebsmodus in den befeuerten Kammern ermöglicht eine schnelle Lastaufnahme des Systems.
Die Regelungseinrichtung könnte auch abwechseln, welche Brennkammern im reduzierten Temperaturmodus betrieben werden, um die thermischen Zyklen gleichmäßig über den gesamten Heißgaspfad zu verteilen. Ferner beseitigt, wie vorstehend disku tiert, die vorliegende Erfindung durch die Montage der Regelventile auf jeder Brennkammer ein großes Gasvolumen, das ansonsten stromabwärts vorliegen würde. Durch die Beseitigung des großen Gasvolumens kann die Turbine rasch auf alle Lasttransienten durch einfache Anpassung auf Kammerebene reagieren. Derartige größere Energiesystemtransienten würden Volllastabwurf, Teillastabwurf bis zum Eigenbedarf, "Inselversorgung" zur Unterstützung von lokalem Energiebedarf gegenüber einem Export an das Netz und Netzfrequenztransienten und Reaktion auf andere externe Bedarfsverschiebungen beinhalten. Ferner speichert der in der Regelungseinrichtung 65 vorgesehene Speicher 66 eine detaillierte Betriebshistorie für jede Kammer, um die Änderung von Wartungsplänen von einer periodischen Basis auf eine Bedarfsbasis zu ermöglichen.
Zusammengefasst ermöglicht die vorliegende Erfindung mit der Überwachung und Regelungseinrichtung des Verbrennungsprozesses auf der Kammerebene eine Optimierung jeder Kammer in Reaktion auf alle Änderungsquellen, welche Brennstoffgaszusammensetzung, Umgebungstemperatur, barometischen Druck und Feuchtigkeit, Dimensionsveränderung aufgrund von Fertigungstoleranzen in stromaufwärts- und stromabwärts befindlichen Turbomaschinenkomponenten und Strukturen, sowie Brennkammersystemkomponenten, lokale interne Turbinengeometrieänderungen (beispielsweise interne Schmiermittel oder Luftentnahme/Kühlmittel-Einspritzverrohrung, die die benachbarte Brennkammerzuführung, aber keine anderen beeinflusst), Änderungen in effektiven Flächen des Brennstoffkreises, der Brennstoffeinspritzung und Ventils aufgrund von Verschmutzung oder Verschleiß, und Änderungen in den internen sekundären Luftströmen als Folge von Alterung, thermisch mechanischer Verformung, Kriechen oder Verschleiß umfassen.
Zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Vorteilen reduziert die vorliegende Erfindung die Anzahl von mit Brennstoffbenetzten geschraubten Flanschverbindungen aufgrund nur einer einzigen Gaszuführung zu jeder Endabdeckung; beseitigt eine stromaufwärts befindliche Verdichterluftentnahme zum Spülen und beseitigt die Notwendigkeit für Spülungsregelventilen und Doppelblock/Abzweigventilen. Ferner stellt die vorliegende Erfindung die Fähigkeit bereit, einzelne Kammern zu identifizieren und wieder in Betrieb zu setzen, wenn ein Flammenverlustereignis detektiert wird, vermeidet Abschaltungen aufgrund von Flammenverlustereignissen und reduziert praktisch die Wahrscheinlichkeit von LOF-Ereignissen als Folge der individuellen Kammerüberwachung und Regelungseinrichtung und der möglichen Zündung der integrierten Zündvorrichtung während Modusumschaltungen. Ferner stellt die vorliegende Erfindung die Möglichkeit bereit, rasch Gegenmaßnahmen zu implementieren, wenn ein "Rückzündungs"- oder Flammenhalteereignis im Gasvormischer detektiert wird, indem der Brennstoff des betroffenen Kreises abgeschaltet wird, und ermöglicht eine Kommunikation zwischen den Kreisen auf Kammerebene, für eine flexible Emissions- und Betriebsoptimierung ("Abstimmung").
Die vorliegende Erfindung stellt auch eine minimale Wärmerückstrahlung aus den Brennstoffverteilern und der Verrohrung, eine mögliche Kombination von Brennstoff-Vordüsen- und Brennstoffdosierungsfunktionen, was die Verarbeitung eines größeren Bereichs von Brennstoffgaszusammensetzungen mit nur einem einzigen Satz einer Brennstoffdüsenanordnungs-Hardware ermöglicht, eine Fehleridentifikation durch Manipulation einer individuellen Kammerzündung und Überwachung des Einflusses auf die Abgasschwankungen sicher. Schließlich würde die vorliegende Erfindung eine thermische "Wobbelung", d. h., eine ständige Veränderung der Brennstoffzuführung zu benachbarten Kammern auf sinusförmiger Basis ermöglichen, so dass die Hauptbrenn temperatur als eine Funktion der Zeit reduziert wird, während keine Kammer auf niedriger oder hoher Temperatur verbleibt, und einen reduzierten Druckverlust in dem Rohrnetzwerk zwischen einem Geschwindigkeitsverhältnisventil und den Abdeckungen erzeugen. Durch die Verlegung der Gasregelventile auf die Brennkammern und die Beseitigung eines Großteils des Kopfes, des Ringverteilers und des flexiblen Schlauchversorgungsnetzes, kann die Brennstoffzuführungsdruck-"Reserve" über dem Verdichterauslassdruck reduziert werden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht auch die Verwendung einfacher Ringverteiler statt der komplexeren kegeligen Verteiler, die in dem derzeitigen System zum Ausgleich der statischen Druckzuführung bei jedem einzelnen Brennstoffzweig erforderlich ist.
Obwohl sie unter Bezugnahme auf dargestellte Aspekte der vorliegenden Erfindung beschrieben wurde, dürfte es sich selbstverständlich verstehen, dass verschiedene Änderungen und/oder Modifikationen an der Erfindung ohne Abweichung von deren Erfindungsgedanken ausgeführt werden können. Beispielsweise kann, obwohl sie auf der Endabdeckung montiert dargestellt sind, die Lage der Regelventile variieren, und beinhaltet die Befestigung der Regelventile in den Vormischern oder an anderen geeigneten Stellen. Ferner können zusätzliche Sensoren, wie z. B. Umgebungsluftsensoren, kW-Messer, UV-Sensoren, optische Flammensensoren, die einen durch ein elektrisches Feld in der Nähe der Flamme erzeugten Ionenstrom messen, elektromagnetische Strahlungssensoren, thermisch sichtbare und Ultraviolettsensoren, statische Drucksensoren, Akustikemissionsmesssensoren, Außenoberflächetemperatursensoren und dergleichen in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. Im Wesentlichen soll die Erfindung nur durch den Schutzumfang der nachstehenden Ansprüche eingeschränkt sein.
Eine Brennkammeranordnung 8 für eine Gasturbine enthält eine Brennkammerendabdeckung 9 mit wenigstens einem Brennstoffkreis 42 und mehreren darauf montierten Vormischern 14–16 und wenigstens einem Regelventil 49. Das wenigstens eine Regelventil 49 ist fluidmäßig mit dem wenigstens einem Brennstoffkreis 42 und betrieblich mit einer Regelungseinrichtung 65 verbunden. Die Regelungseinrichtung 65 betreibt selektiv das wenigstens eine Regelventil 49, um Brennstoff über den wenigstens einen Brennstoffkreis 42 an die mehreren Vormischer 14–16 zu liefern, um einen verbesserten Grad von Betriebsflexibilität durch die Bereitstellung einer individuellen Brennkammer-Regelungseinrichtung zu erreichen.

2: Gasturbine
4: Verdichter
8: Brennkammeranordnung
9: Endabdeckungsanordnung
12: Brennkammer
14: Düsen/Vormischer
15: Düsen/Vormischer
16: Düsen/Vormischer
18: Gemeinsamer Brennstoffeinlass
30: Turbine
34: Verdichter/Turbinen-Welle
37: Hauptkörperabschnitt (9)
40: Brennstoffsammelraum
42: Brennstoffzuführungskreise
43: Brennstoffzuführungskreise
44: Brennstoffzuführungskreise
45: Brennstoffzuführungskreise
46: Gemeinsamer Verteiler
48: Regelventil
49: Regelventil
50: Regelventil
51: Regelventil
54: Spülluftkanal
58: Elektrische Verbinderblöcke
65: Regelungseinrichtung
66: Speicher
71: Mehrere erste Sensoren, z. B. Abgastemperatur
75: Mehrere zweite Sensoren, z. B. Druck
80: Zündvorrichtung

Claims

Brennkammeranordnung (8) für eine Gasturbine (2): mit einer Brennkammerendabdeckung (9); mit wenigstens einem Brennstoffkreis (42), der in der Brennkammerendabdeckung (9) angeordnet ist; mit mehreren Vormischern (14–16), die auf der Brennkammerendabdeckung (9) montiert sind; mit wenigstens einem Regelventil (48), das von der Endabdeckung (9) getragen wird, wobei das wenigstens eine Regelventil (48) betrieblich dem wenigstens einen Brennstoffkreis (42) zugeordnet ist; und mit einer Regelungseinrichtung (65), die selektiv das wenigstens eine Regelventil (48) betreibt, um Brennstoff in den wenigstens einen Brennstoffkreis (42) zu leiten, um den Brennstoff an die mehreren Vormischer (14–16) zu liefern.
Brennkammeranordnung nach Anspruch 1, ferner aufweisend: wenigstens einen Sensor (71), der mit der Regelungseinrichtung verbunden und so eingerichtet ist, dass er einen Betriebsparameter der Gasturbine (2) erfasst, wobei die Regelungseinrichtung (65) selektiv das wenigstens eine Regelventil (48) auf der Basis des durch den wenigstens einen Sensor (71) erfassten Betriebsparameter betreibt.
Brennkammeranordnung nach Anspruch 2, wobei der wenigstens eine Sensor (71) aus mehreren Sensoren besteht, wobei die Regelungseinrichtung (65) selektiv das wenigstens eine Re gelventil (48) auf der Basis der von einem speziellen von den mehreren Sensoren (71) erfassten Betriebsparameter betreibt.
Brennkammeranordnung nach Anspruch 2, wobei der wenigstens eine Sensor (71) wenigstens einer von einem Abgastemperatursensor, einem dynamischen Drucksensor, einem Umgebungstemperatursensor, einem kW-Messer und einem UV-Sensor oder eine Kombination von Sensoren ist, welche wenigstens einen von den Vorstehenden enthält.
Brennkammeranordnung nach Anspruch 1, wobei die Regelungseinrichtung (65) selektiv das wenigstens eine Regelventil (48) auf der Basis eines Betriebsparameters der Gasturbine (2) betreibt.
Brennkammeranordnung nach Anspruch 1, wobei das wenigstens eine Regelventil (48) ein Drei-Wege-Ventil ist.
Brennkammeranordnung nach Anspruch 1, wobei die Brennkammerendabdeckung (9) nur eine einzige Gaseinlassöffnung (18) enthält, die selektiv fluidmäßig mit dem wenigstens einen Brennstoffkreis (42) verbunden ist.
Brennkammeranordnung nach Anspruch 1, ferner aufweisend: eine Zündvorrichtung (80), die benachbart zu den mehreren Vormischern (14, 16) positioniert und betrieblich mit der Regelungseinrichtung (65) verbunden ist.
Brennkammeranordnung nach Anspruch 1, wobei der wenigstens eine Brennstoffkreis (42) aus mehreren Brennstoffkreisen (42–45) besteht.
Brennkammeranordnung nach Anspruch 9, wobei das wenigstens eine Regelventil (48) aus mehreren Regelventilen (48–51) besteht, die betrieblich mit einem entsprechenden von den mehreren Brennstoffkreisen (42–45) verbunden sind.