DE102008053755A1 - Register Pilotbrennersystem für Gasturbinen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren und Anordnungen von Pilot-Brenner- bzw. Pilot-Düsensystemen und zugehörigen Ventilsystemen, die zur Brennstoffeindüsung bzw. zur Brennstoffeinspritzung in die Brennkammer von Gasturbinen zur Anwendung kommen. Kennzeichnend dabei ist die Mehrstufigkeit sowie die besondere Ausführung des zugehörigen Brennstoffleitungs- und Ventilsystems.

Description

  • Die Erfindung betrifft Verfahren und Anordnungen von Pilot-Brenner- bzw. Pilot-Düsensystemen und zugehörigen Ventilsystemen, die zur Brennstoffeindüsung bzw. zur Brennstoffeinspritzung in die Brennkammer von Gasturbinen zur Anwendung kommen.
  • Gasturbinen sind Strömungsmaschinen, die mindestens aus den Hauptbaugruppen Verdichter, Brennkammer und Turbine bestehen. Diese Gasturbinen kommen in vielfältigen Ausprägungen und Auslegungsvarianten als Antrieb von Luftfahrzeugen und Fahrzeugen aller Art sowie als Antriebsmaschine für Generatoren und Verdichtern zum Einsatz.
  • Es ist bekannt, daß Gasturbinen unerwünschte Schadstoffemissionen aufweisen, die durch die Art und Weise der Betriebsführung sowie durch die konstruktive Gestaltung der Brennkammer und deren Komponenten wesentlich beeinflußt werden können.
  • Zur Minimierung der Schadstoffemissionen an Stickoxiden, Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid sind vielfältige Erfindungen zur Gestaltung des Verbrennungsprozesses bekannt.
  • Ein wesentlicher Entwicklungsschritt hin zu schadstoffarmen Gasturbinen ist dabei der Übergang von diffusionsgemischten Flammen auf vorgemischte Flammen.
  • Vormischflammen zeichnen sich durch eine weitgehende Mischungshomogenität bezüglich des zeitlichen und lokalen Brennstoff-Luft-Verhältnisses aus. Allerdings weisen vorgemischte Flammen einen engen Betriebsbereich bezüglich des Brennstoff-Luft-Verhältnisses auf im Vergleich zu den früher angewandten Diffusionsflammen. Zusätzlich erfordert die Abdeckung des gesamten Betriebsbereiches einer Gastubine je nach Ausführungsform und Anwendungsfall einen großen Brennstoffmengenbereich. Die Erfüllung dieser Anforderungen ist mit nur einem Düsensystem für die Vormischflammen nur schwer zu erfüllen. Insbesonders die auftretenden Instabilitätsprobleme erfordern daher weitere konstruktive Maßnahmen in der Ausprägung der Verbrennungs- und Düsensysteme.
  • Hierbei ist eine Aufteilung der in die Brennkammer einmündenden Düsensysteme in mehrstufige Systeme bekannt. Unter Mehrstufigkeit wird dabei die Aufteilung in mindestens 2 oder weitere Düsensysteme verstanden, die bei unterschiedlichen Betriebszuständen aktiviert- oder deaktiviert werden. Üblicherweise wird eine Unterteilung in sogenannte Hauptsysteme und Pilotsysteme vorgenommen. Die Pilotsysteme dienen dabei der Zündung und Stabilisierung der Hauptsysteme. Die Stufung der Gesamtbrennstoffmenge in mehrere Teilmengen und somit mehrere Einzelsysteme erleichtert die Regelbarkeit des Betriebs der Gasturbine sowie verbessert die Stabilität der Verbrennung bei niedrigen Brennstoffmengen.
  • Unter Mehrstufigkeit wird hier nicht die Aufteilung in mehrere, gleichartige am Umfang der Brennkammer radial angeordnete Brenner verstanden, die alle gleichzeitig in Betrieb sind und parallel geschaltet sind und gleichartig geregelt werden. Diese Aufteilung in radiale Positionen dient ausschließlich der Erreichung einer gleichmäßigen Verteilung der Verbrennung am Umfang der Brennkammer bzw. am Umfang des Turbineneintritts (z. B. WO 002000009945 A1 ).
  • Ein weiteres grundsätzliches Merkmal dieser Verfahren und Anordnungen ist die Aufteilung der Brennkammer in Untersektionen (z. B. WO 95/11409 ), die sowohl parallel (z. B. DE 19620874 , US 6058710 , US 000007055331 ) oder sequentiell ( DE 102006059532 A1 ) angeordnet sein können. Diese Einzelbrennkammern können wiederum gestufte Düsensysteme enthalten (z. B. US 000006931853 B2 ).
  • Als übliche vorteilhafte Stufungskonfiguration hat sich dabei die Aufteilung in ein Pilotflammen-(Pilotdüsen-)System und in ein oder mehrere Hauptflammen (Hauptdüsen-)Systeme (z. B. EP 000001292795 B1 , DE 000019620874 A1 , US 000005558515 ) erwiesen. Das Pilotflammensystem hat dabei die Aufgabe, das Zünden der Maschine sicherzustellen und im weiteren Betrieb die Stabilisierung der Hauptflamme zu gewährleisten.
  • In einigen bekannten Ausführungen ist dabei das Pilotdüsensystem als Diffusionssystem und das/die Hauptsystem(-e) als Vormischflammensystem ausgeführt. Da ein als Diffusionsflammensystem ausgeführtes Pilotsystemhauptverantwortlich für die Stickoxidemission ist, besteht das Bestreben, die Menge des über das Pilotsystem geführten Brennstoffes zu minimieren. Begrenzend wirkt dabei die Flammenstabilität des Gesamtsystems. Bezüglich der Umschaltung zwischen Pilot- und Hauptbrennersystemen sind ebenfalls verschiedene Anordnungen und Verfahren bekannt (z. B. WO 001995011409 ).
  • Um eine weitere Minimierung speziell der Stickoxidemission zu erreichen, sind auch Systeme mit Vormisch-Pilotflammen bekannt.
  • Systeme mit mehreren gestuften Pilotsystemen sind bisher nicht bekannt.
  • Das Pilotdüsensystem muss einen weiten Massenstrombereich abdecken können, um die GT bei allen erforderlichen Lastzuständen und mit unterschiedlichen Pilotgasanteilen betreiben zu können, weshalb die Düsensysteme nicht für niedrige Massenströme optimiert werden können. Dieser breite Massenstrombereich kann zwar mit einem Düsensystem abgedeckt werden, dabei müssen aber dann besonders im unteren Massenstrombereich Nachteile bezüglich der Flammenstabilität in Kauf genommen werden.
  • Das Stabilitätsproblem für sehr geringe Pilotbrennstoffmengen wurde bisher nicht gelöst. Existierende Ansätze in dieser Richtung waren das sog. AIC-System (active instability control). Dieses System brachte zwar partielle Verbesserungen, erwies sich aber in der Anschaffung als sehr kostenintensiv und verfügte nicht über die erforderliche Langzeitstabilität und Dauerhaftigkeit.
  • Aufgrund der oben erläuterten radialen Aufteilung und der Stufung zur Verbrennungsoptimierung bestehen Gasturbinen üblicherweise aus einer Vielzahl von Einzelbrennern. Diese Brenner müssen deshalb über separate Brennstoffleitungen für die jeweiligen Düsensysteme verfügen. Der dadurch entstehende Bauaufwand ist beträchtlich und erhöht sich mit jeder weiteren Stufung.
  • Das durch jede Stufung entstandene Brennstoffdüsensystem benötigt neben einem separaten Brennstoffleitungssystem auch ein separates Regelventil, um eine mengengeregelte Aktivierung bzw. Deaktivierung des Düsensystems in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Gasturbine zu ermöglichen. Aus bestimmten Gründen (Bauraum, Sicherheitsanforderungen) ist dabei das Regelventil und dessen Baugruppen örtlich entfernt vom Brennersystem installiert. Das dazugehörige separate Brennstoffleitungssystem besteht üblicherweise aus einer Zuführungsleitung, einem Ringleitungssystem und einzelnen, zu den Einzelbrennern führenden Stichleitungen. Je nach Ausführungsgestaltung besitzen diese Leitungssysteme beträchtliche Gesamtlängen und weisen somit große Volumina auf. Bei instationären Betriebszuständen der Gasturbine, d. h. beim Last- oder Drehzahlwechsel oder beim Umschalten zwischen den separaten Brennstoffsystemen, verursachen diese Volumina erhebliche Regelprobleme, die wiederum zu Instabilitäten in der Verbrennung führen können. Aufgrund der großen Totzeiten können unter besonderen Betriebsbedingungen auftretende Verbrennungsinstabilitäten nicht hinreichend ausgeregelt werden, was im nachteiligsten Fall zum Abschalten (Trip) der Gasturbine führen kann.
  • Die vorliegende Erfindung hat folgende Zielsetzungen:
    • 1. Erweiterung des Stabilitätsbereiches von Flammensystemen (Brennersystemen) durch spezielle Stufung des Pilot-Flammensystems (Pilot-Brennersystems)
    • 2. Verminderung des Bauaufwandes für die Brennstoffrohrleitungssysteme durch spezielle Verfahren und spezielle Anordnungen der Brennstoffventile
    • 3. Verbesserung des Instationärverhaltens bei Umschaltvorgängen zwischen gestuften Brennstoffsystemen
    • 4. Verminderung von Emissionen
  • Die Realisierung der Zielsetzung 1 wird erfindungsgemäß erreicht durch die Aufteilung der zur Pilotierung der Hauptflamme notwendigen Brennstoffmenge auf 2 oder mehrere Pilotdüsen- bzw. brennersysteme. Wie bereits oben erläutert, wird unter der Aufteilung in mehrere Düsen- bzw. Brennersystem nicht die radiale Aufteilung verstanden, sondern eine Aufteilung innerhalb der existierenden und am Umfang verteilten Brenner.
  • Diese sogenannte Mengenstufung der Pilotbrenner- bzw. düsensysteme kann auf mannigfaltige Weise durchgeführt werden. Eine bevorzugte Variante nach Patentanspruch 1 kann zum Beispiel in einer Aufteilung in zwei Pilotdüsen- bzw. brennersysteme pro Einzelbrenner bestehen. Der erfindungsgemäße Vorteil gegenüber einer einstufigen Düse besteht darin, daß besonders bei geringen Pilotgasmengen, wie sie üblicherweise im Grundlastbetrieb vorkommen, nur ein System aktiv ist, dieses Teilsystem aber im stabilen rückwirkungsfreien Arbeitsbereich betrieben werden kann. Im Falle nur eines Pilotgasdüsensystems arbeitet dieses System bei geringen Pilotgasmengen im instabilen Arbeitsbereich.
  • Ebenso sind Aufteilungen in n-Systeme möglich, was die Stabilität weiter verbessert, aber den Bauaufwand entsprechend erhöht.
  • Die Aufteilung der Mengen zwischen den beiden oder mehreren Stufen kann ebenso mannigfaltig ausgeführt sein und wird durch die Dimensionierung der Düsensysteme konstruktiv festgelegt.
  • Eine vorteilhafte Dimensionierung ist zum Beispiel beim Vorhandensein von 2 Düsensystemen (System A, B) eine Aufteilung der Teilmengen der Systeme im Verhältnis mv = mA/mB ~ 0.5. Das bedeutet, daß das System B die doppelte Durchflußmenge des Systems A aufweist. Eine entsprechende Dimensionierung inklusive der dazugehörigen Durchflußkennlinien ist in 3 dargestellt.
  • Diese Aufteilung hat den Vorteil, daß der Gesamtbereich durch entsprechende Aktivierung der Systeme A oder B und A + B in drei Einzelbereiche aufteilbar ist, in welchen jeweils stabiler Betrieb gewährleistet ist. Die zu dieser Variante möglichen optimalen Ventilanordnungen und Betriebsverfahren werden später beschrieben.
  • Weitere mögliche Dimensionierungen sind die Aufteilungen im Verhältnis mv ~ 1, 0.3 < mv < 0.6 und mv < 0.3. Die entsprechenden Durchflußkennlinien sind in den 2, 3 und 4 beispielhaft dargestellt.
  • Beim Vorhandensein von n-Pilotgasbrenner- bzw. düsenstufen kann die Aufteilung adäquat erfolgen.
  • Die Aufteilung in zwei oder mehrere Pilotgasbrenner- bzw. düsenstufen erfordert entsprechende Anordnungen der Brennstoffmengenzuteilung und -regelung. Wie von Hauptgassystemen bekannt, könnte jede Einzelstufe durch ein separates Brennstoffleitungssystem inklusive Proportional-Regelventil versorgt und geregelt werden. Die vorliegende Erfindung beschreitet hier jedoch einen anderen Weg, durch den die Erfüllung der Zielsetzung 2 erreicht werden soll: Eine Verminderung des Bauaufwandes für die Brennstoffrohrleitungssysteme durch spezielle Verfahren und spezielle Anordnungen der Brennstoffventile.
  • Die erfindungsgemäße Umsetzung wird durch Anordnungen von Rohrleitungen und Ventilen erreicht, wie sie in 1 dargestellt sind. Das Hauptmerkmal dieser beispielhaft dargestellten 3 Ausführungsformen ist die Benutzung eines gemeinsamen Regelventils für die Gesamtmenge und eines gemeinsamen Rohrverteilsystems für alle Pilotgasbrenner- bzw. düsenstufen. Die Aufteilung in getrennte Versorgungswege erfolgt dabei erst im Stichleitungssystem. Wo exakt diese Aufteilung erfolgt, ist dabei unerheblich. Das beabsichtigte Alleinstellungsmerkmal bildet das Vorhandensein düsensystemindividueller Ventile. Diese Ventile können in verschiedenen Bauarten als Magnetventile (2-Wege/3-Wegeventil) oder als Proportional-Stellventile ausgeführt sein und unterschiedlich angeordnet sein. Diese Ventile können dabei nahe am Brenner angeordnet sein oder sogar in den Brenner integriert werden.
  • Eine bevorzugte Anordnung ist dabei die als Modifikation 2 in 1 gezeigte Ausführungsform mit Einzelventilen pro Strang. Im Falle der Ausführung als einfache 0/1-Magnetventile ergibt sich eine besonders vorteilhafte Ausprägung der Erfindung. In Verbindung mit der im vorangegangenen Abschnitt erläuterten Aufteilung mit mv ~ 0.5 ergibt sich eine sehr preisgünstige und wirkungsvolle Variante, die zudem als Nachrüstlösung für bestehende Anlagen einsetzbar ist.
  • Die bisher erläuterten Anordnungen von mehrstufigen Pilotbrennern bzw. -düsensystemen erfordern zusätzlich spezielle Verfahren der Betriebsführung, um die Zielsetzungen 1 und 3 erfüllen zu können.
  • Wie bereits erläutert, besteht der Sinn der Mengenstufung in der Gewährleistung eines stabilen, rückwirkungsfreien Betriebs. Die jeweils gewählte Anordnung und Ausführung des Leitungs- und Ventilsystems bestimmt nunmehr die anzuwendenden Verfahren zur Mengendosierung über die vorhandenen Brennstoffzweige.
  • Im Falle der Aufteilung in zwei Stufen und der Ausführung mit Magnetventilen (Modifikationen 1 bis 3 Abbildung 1) bestehen zwei grundsätzliche Möglichkeiten der Mengendosierung: Mit oder ohne Nachregelung des Mengenstromes über das gemeinsame Hauptregelventil (MPV, 1) des Stranges. In 6 ist beispielhaft das Verfahren gezeigt, um den Pilotmassenstrom von 0 auf Maximalmenge zu fahren.
  • Ausgehend von Betriebspunkt 1 bleibt das Magnetventil des Stranges 1 (vorausgesetzt m1 = 2·m2) geschlossen und es wird nur das Magnetventil des Strangs 2 geöffnet. Danach kann mit Vergrößerung der Öffnung des Hauptventils (MPV) die Brennstoffmenge erhöht werden, bis zum Beispiel Punkt 2 erreicht ist. Bei Erreichen dieser Menge wird schlagartig das Magnetventil von Strang 1 geöffnet und das von Strang 2 geschlossen, wodurch sich die Brennstoffmenge ebenfalls schlagartig erhöht und der Wert des Betriebspunktes 3 sich einstellt. Um ein Verlöschen der Pilotflamme zu verhindern, sollte eine geringe Zeitverzögerung zwischen Schließen und Öffnen der Ventile in die Steuerlogik eingebaut werden, d. h. beide Ventile sind für sehr kurze Zeit gemeinsam geöffnet. Dieser Überlappungszeitraum muß experimentell ermittelt werden. Das Hauptventil MPV bleibt dabei unverändert. Die schlagartige Erhöhung der Brennstoffmenge hat eine schlagartige Erhöhung der Feuerungsleistung der Gasturbine zur Folge. Da die Pilotgasmengen aber in der Regel nur wenige Prozente der gesamten Feuerungsleistung betragen, kann diese Auswirkung in den meisten Fällen toleriert werden. Ausgehend von Betriebspunkt 3 kann nunmehr durch weitere Vergrößerung der Ventilöffnung des Hauptgasventils MPV die Brennstoffmenge weiter erhöht werden. Bei Erreichen des Punktes 4 erfolgt dann die Öffnung des Magnetventils 2, wodurch nunmehr beide Stränge aktiv sind und es zu einem erneuten schlagartigem Anstieg der Brennstoffmenge kommt. Durch weiteres Öffnen des Hauptgasventils kann danach die Maximalmenge erreicht werden.
  • Wie in der 6 durch die Pfeilrichtungen angedeutet ist, kann dieser Prozeß in beiden Richtungen durchlaufen werden. Ebenso kann die Lage der Umschaltpunkte 2 → 3 und 3 → 4 beliebig gewählt werden.
  • Es besteht grundsätzlich die Möglichkeit, durch entsprechende regelungstechnische Eingriffe die erwähnten schlagartigen Brennstoffmengeänderungen zu unterdrücken. Das daraus resultierende Arbeitsverfahren ist in 5 beispielhaft dargestellt. Ausgehend von Betriebspunkt 1, bei dem das Magnetventil von Strang 1 geschlossen und das Magnetventil von Strang 2 geöffnet ist, wird durch das Auffahren des Hauptventils MPV der Brennstoffmassenstrom bis zur Maximalmenge von Stufe 2 erhöht. Dabei ist das Hauptstellventil (bis auf eine einzuplanende Stellreserve) maximal geöffnet. Dann erfolgen zeitnah 3 Steuerungsaktionen: Schließen von Magnetventil 2, Öffnen von Magnetventil 1. Damit wird der Pilotbrenner mit der kleineren Menge deaktiviert und der Pilotbrenner mit der größeren Menge aktiviert. Auch bei diesem Umschaltvorgang sollte das oben beschriebene zeitliche Überlappen angewandt werden. Als dritter Vorgang findet entsprechend angepaßt ein schnelles Schließen des Hauptgasventils MPV statt, wodurch die sonst einsetzende schlagartige Erhöhung des Brennstoffmassenstromes ausgeglichen wird. Es wird der Betriebspunkt 3 erreicht, der in Summe die gleiche Brennstoffmenge wie Punkt 2 aufweist. Bei Kenntnis der Ventilkennlinien des Hauptgasstellventils kann dies leicht unter Berücksichtigung des Übertragungsverhaltens der Regelstrecke (Ventil, Rohrleitungssystem) erreicht werden. Danach kann durch erneutes langsames Öffnen des Hauptgasventils die Menge weiter bis zum Erreichen des Betriebspunktes 4 erhöht werden.
  • Ein analoger Umschaltvorgang (Zuschalten von Strang 2) findet dann von Punkt 4 nach 5 statt, wonach dann letzendlich die Maximalmenge in Punkt 6 angefahren werden kann. In allen Betriebsbereichen arbeiten die Pilotbrenner- bzw. düsensysteme in einem rückwirkungsfreien und stabilen Bereich. Wie bereits im vorangegangen erläutertem Verfahren des Umschaltens ohne Mengennachregelung kann auch das Verfahren mit Nachregelung in beiden Stellrichtungen (Erhöhung, Verkleinerung) angewandt werden.
  • Insbesonders die Möglichkeit des schlagartigen Umschaltens, d. h. die Realisierung sehr kurzer Ansprechzeiten im Millisekundenbereich, kann sehr vorteilhaft zur Erreichung der Zielsetzung 3 ausgenutzt werden, um die Gasturbine bei plötzlich einsetzenden Verbrennungs-Instabilitäten durch eine vergrößerte Pilotgasmenge „abfangen” zu können. Dabei können sowohl alle Stufen identisch für alle Brenner angesteuert werden, wie auch eine brennerindividuelle Ansteuerung realisiert werden kann. Diese brennerindividuelle Ansteuerung setzt eine entsprechende Detektionsvorrichtung voraus, die den anzusteuernden Brenner bestimmt. Als Vorteil ergibt sich bei der Ansteuerung weniger Brenner ein verminderter Lastsprung der Gesamtmaschine, als Nachteil eine radiale Ungleichförmigkeit in der Temperaturverteilung.
  • Die durch die möglichst brennernahe Anordnung der Umschaltventile sich ergebende sehr kurze Ansprechzeit des Systems kann für die Ansteuerung weiterer wichtiger Betriebspunkte der Gasturbine vorteilhaft ausgenutzt werden. Dabei sei besonders der sogenannte Lastabwurf erwähnt. Die schnelle Erhöhung der Pilotgasmenge durch die Aktivierung aller Pilotbrennersysteme sichert dabei die Erhaltung der Flamme und die Maschine kann ohne Neustart Weiterbetrieben werden.
  • Das Vorhandensein brennerindividueller Mengenstellventile kann zusätzlich vorteilhaft ausgenutzt werden, um die unerwünschte Emission von Stickoxiden zu vermindern.
  • Aufgrund von Unsymmetrien bzw. Fertigungstoleranzen können zwischen den einzelnen individuellen Brennnern Unterschiede bestehen, die sich u. a. auch in höheren Emissionen auswirken können. Da bei parallel geschalteten Brennern (bei ringförmigen Brennstoffverteilsystemen der Fall) der magerste Brenner die Gesamtregelung diktiert, müssen einzelne andere Brenner zwangsläufig in ungünstigen Betriebsbereichen betrieben werden. Zielsetzung 4 kann durch die brennerindividuelle Ansteuerung der Pilotbrenner bzw. -düsensysteme erreicht werden.
  • Aus den erläuterteten Anordnungen und Verfahren zur Erreichung der Zielsetzungen der Erfindung definieren sich folgende Patentansprüche:
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - WO 002000009945 A1 [0008]
    • - WO 95/11409 [0009]
    • - DE 19620874 [0009]
    • - US 6058710 [0009]
    • - US 000007055331 [0009]
    • - DE 102006059532 A1 [0009]
    • - US 000006931853 B2 [0009]
    • - EP 000001292795 B1 [0010]
    • - DE 000019620874 A1 [0010]
    • - US 000005558515 [0010]
    • - WO 001995011409 [0011]

Claims (19)

  1. Anordnung zur Erweiterung des Stabilitätsbereiches von Pilot-Flammensystemen bzw. Pilot Brennersystemen gekennzeichnet durch Stufung bezüglich der Brennstoffmenge. Die gesamte Pilotbrennstoffmenge wird in mindestens zwei oder mehrere unabhängige Brennersysteme aufgeteilt. Diese unabhängigen Brennersysteme können jeweils aus mehreren radial am Umfang der Brennkammer oder über die Querschnittsfläche der Brennkammer verteilten Einzelbrennern bestehen.
  2. Verfahren zur Steuerung von gestuften Brennersystemen dergestalt, daß diese Brennersysteme über brennerindividuelle Ventile verfügen.
  3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, wobei nur ein Zweig mit brennerindividuellen Ventilen ausgestattet ist.
  4. Anordnung nach Anspruch 3, wobei diese Ventile als 2-Wege Schaltventil (0/1) nach 1, Modifikation 1, ausgeführt sind.
  5. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, wobei beide bzw. alle Zweige mit brennerindividuellen Ventilen ausgestattet sind.
  6. Anordnung nach Anspruch 5, wobei diese Ventile als 2-Wege Schaltventil (0/1) nach 1, Modifikation 2, ausgeführt sind.
  7. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, wobei diese Ventile als 3-Wege Schaltventile nach 1, Modifikation 3, ausgeführt sind.
  8. Verfahren zur Erweiterung des Stabilitätsbereiches von Pilot-Flammensystemen bzw. Pilot Brennersystemen für die durch Stufung entstandenen Anordnung nach Anspruch 1. Die durch Stufung entstandenen Pilotbrennersysteme verfügen über einzelne Ventile nach Anspruch 3, 4 oder 5. Sie werden schlagartig umgeschaltet unter Nutzung der Patentansprüche 9 bis 12. Es erfolgt keine Nachregelung der Gesamtmenge durch das gemeinsame Regelventil.
  9. Verfahren zur Erweiterung des Stabilitätsbereiches von Pilot-Flammensystemen bzw. Pilot Brennersystemen für die durch Stufung entstandenen Anordnung nach Anspruch 1. Die durch Stufung entstandenen Pilotbrennersysteme verfügen über einzelne Ventile nach Ansprüchen 3 bis 7. Sie werden schlagartig umgeschaltet unter Nutzung der Patentansprüche 11 bis 14. Es erfolgt eine Nachregelung der gewünschten Gesamtmenge durch das gemeinsame Pilot-Regelventil oder durch Regelventile anderer vorhandener Brennerstufen.
  10. Verfahren zur Erweiterung des Stabilitätsbereiches von Pilot-Flammensystemen bzw. Pilot Brennersystemen für die durch Stufung entstandenen Anordnung nach Anspruch 1. Die durch Stufung entstandenen Pilotbrennersysteme verfügen über einzelne Proportionalventile nach Anspruch 3 oder 5. Sie werden stufenlos und individuell betätigt, um die gewünschten Einzelmengen zu dosieren. Es erfolgt wahlweise eine Nachregelung der gewünschten Gesamtmenge durch das gemeinsame Pilot-Regelventil oder durch Regelventile anderer vorhandener Brennerstufen.
  11. Verfahren zur Aufteilung der Nennbrennstoffmengen zwischen den einzelnen Stufen des Pilotsystems: Im Fall der Stufung in zwei Pilot-Brennersysteme (System A und System B) wird eine Aufteilung im Verhältnis mv = mA:mB mit mv = 1.0 + –0.2 vorgenommen.
  12. Verfahren zur Aufteilung der Nennbrennstoffmengen zwischen den einzelnen Stufen des Pilotsystems: Im Fall der Stufung in zwei Pilot-Brennersysteme (System A und System B) wird eine Aufteilung im Verhältnis mv = mA:mB mit mv < 0.8 vorgenommen.
  13. Verfahren zur Aufteilung der Nennbrennstoffmengen zwischen den einzelnen Stufen des Pilotsystems: Im Fall der Stufung in N Pilot-Brennersysteme (System A1 bis System AN) wird eine Aufteilung in N massenstromgleiche bzw. -ähnliche Systeme vorgenommen. (mi ~ mi+1 ~ mi+2 .. ~ .. mN ~ mnenn, i = 1 .. N)
  14. Verfahren zur Aufteilung der Nennbrennstoffmengen zwischen den einzelnen Stufen des Pilotsystems: Im Fall der Stufung in N Pilot-Brennersysteme (System A1 bis System AN) wird eine Aufteilung in 2N-massenstromgleiche bzw. -ähnliche Stufen vorgenommen (1, 2, 4, 8, 16, 32 ...). (mi = mnenn·2i i = 1 .. N)
  15. Nutzung der Patentansprüche 1 bis 10 zur Realisierung eines Verfahrens zum hochtransienten und sicheren Lastabwurfs für Gasturbinen. Der Lastabwurf wird realisiert durch die Ansteuerung der jeweiligen Ventile auf Maximalmenge. Dabei werden alle vorhandenen Einzelbrenner identisch angesteuert.
  16. Nutzung der Patentansprüche 1 bis 10 zur Realisierung eines Verfahrens zum hochtransienten und sicheren Lastabwurfs für Gasturbinen. Der Lastabwurf wird realisiert durch die Ansteuerung der jeweiligen Ventile auf Maximalmenge. Dabei werden nur bestimmte Einzelbrenner selektiv angesteuert.
  17. Nutzung der Patentansprüche 1 bis 10 zur Realisierung eines Verfahrens zur hochtransienten Notstabilisierung bei plötzlich auftretenden Verbrennungsinstabilitäten. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch die Ansteuerung der jeweiligen Ventile auf Maximalmenge. Dabei werden alle vorhandenen Einzelbrenner identisch angesteuert.
  18. Nutzung der Patentansprüche 1 bis 10 zur Realisierung eines Verfahrens zur hochtransienten Notstabilisierung bei plötzlich auftretenden Verbrennungsinstabilitäten. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch die Ansteuerung der jeweiligen Ventile auf Maximalmenge. Dabei werden nur die die Flammeninstabilität verursachenden Einzelbrenner selektiv angesteuert.
  19. Nutzung der Patentansprüche 1 bis 10 zur Realisierung eines Verfahrens zur Verminderung von Emissionen. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch die Ansteuerung der jeweiligen Ventile auf Minimalmenge. Dabei werden nur die die höchsten Emissionen verursachenden Einzelbrenner selektiv angesteuert.
DE102008053755A 2008-10-28 2008-10-28 Register Pilotbrennersystem für Gasturbinen Ceased DE102008053755A1 (de)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014074371A1 (en) * 2012-11-06 2014-05-15 Siemens Energy, Inc. System for providing fuel to a combustor assembly in a gas turbine engine
CN104454173A (zh) * 2013-09-25 2015-03-25 阿尔斯通技术有限公司 燃气涡轮和运行燃气涡轮的方法
EP3367000A1 (de) * 2017-02-28 2018-08-29 General Electric Technology GmbH Kraftstoffausgabesystem und -verfahren für eine brennkammer

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1995011409A1 (en) 1993-10-22 1995-04-27 United Technologies Corporation Fuel supply system for a staged combustor
US5558515A (en) 1994-04-02 1996-09-24 Abb Management Ag Premixing burner
DE19620874A1 (de) 1996-05-23 1997-11-27 Bmw Rolls Royce Gmbh Kraftstoffeinspritzung für eine gestufte Gasturbinen-Brennkammer
WO2000009945A1 (en) 1998-08-11 2000-02-24 Asea Brown Boveri Ab Arrangement for reduction of acoustinc vibrations in a combustion chamber
US6058710A (en) 1995-03-08 2000-05-09 Bmw Rolls-Royce Gmbh Axially staged annular combustion chamber of a gas turbine
EP1292795B1 (de) 2000-06-15 2005-05-04 ALSTOM Technology Ltd Verfahren zum betrieb eines brenners mit gestufter vormischgas-eindüsung
US6931853B2 (en) 2002-11-19 2005-08-23 Siemens Westinghouse Power Corporation Gas turbine combustor having staged burners with dissimilar mixing passage geometries
US7055331B2 (en) 2002-01-14 2006-06-06 Alstom Technology Ltd Burner arrangement for the annular combustion chamber of a gas turbine
DE102006059532A1 (de) 2006-02-20 2007-08-30 Alstom Technology Ltd. Verfahren zum Betreiben einer Gasturbinenanordnung mit sequentieller Verbrennung

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1995011409A1 (en) 1993-10-22 1995-04-27 United Technologies Corporation Fuel supply system for a staged combustor
US5558515A (en) 1994-04-02 1996-09-24 Abb Management Ag Premixing burner
US6058710A (en) 1995-03-08 2000-05-09 Bmw Rolls-Royce Gmbh Axially staged annular combustion chamber of a gas turbine
DE19620874A1 (de) 1996-05-23 1997-11-27 Bmw Rolls Royce Gmbh Kraftstoffeinspritzung für eine gestufte Gasturbinen-Brennkammer
WO2000009945A1 (en) 1998-08-11 2000-02-24 Asea Brown Boveri Ab Arrangement for reduction of acoustinc vibrations in a combustion chamber
EP1292795B1 (de) 2000-06-15 2005-05-04 ALSTOM Technology Ltd Verfahren zum betrieb eines brenners mit gestufter vormischgas-eindüsung
US7055331B2 (en) 2002-01-14 2006-06-06 Alstom Technology Ltd Burner arrangement for the annular combustion chamber of a gas turbine
US6931853B2 (en) 2002-11-19 2005-08-23 Siemens Westinghouse Power Corporation Gas turbine combustor having staged burners with dissimilar mixing passage geometries
DE102006059532A1 (de) 2006-02-20 2007-08-30 Alstom Technology Ltd. Verfahren zum Betreiben einer Gasturbinenanordnung mit sequentieller Verbrennung

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014074371A1 (en) * 2012-11-06 2014-05-15 Siemens Energy, Inc. System for providing fuel to a combustor assembly in a gas turbine engine
CN104454173A (zh) * 2013-09-25 2015-03-25 阿尔斯通技术有限公司 燃气涡轮和运行燃气涡轮的方法
EP2853719A1 (de) * 2013-09-25 2015-04-01 Alstom Technology Ltd Gasturbine mit gestufter Kraftstoffeinspritzung
EP3367000A1 (de) * 2017-02-28 2018-08-29 General Electric Technology GmbH Kraftstoffausgabesystem und -verfahren für eine brennkammer

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