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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.
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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.
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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.
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Zur
Minimierung der Schadstoffemissionen an Stickoxiden, Kohlenwasserstoffen
und Kohlenmonoxid sind vielfältige Erfindungen zur Gestaltung
des Verbrennungsprozesses bekannt.
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Ein
wesentlicher Entwicklungsschritt hin zu schadstoffarmen Gasturbinen
ist dabei der Übergang von diffusionsgemischten Flammen
auf vorgemischte Flammen.
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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.
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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.
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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 ).
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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 ).
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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.
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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 ).
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Um
eine weitere Minimierung speziell der Stickoxidemission zu erreichen,
sind auch Systeme mit Vormisch-Pilotflammen bekannt.
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Systeme
mit mehreren gestuften Pilotsystemen sind bisher nicht bekannt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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Ebenso
sind Aufteilungen in n-Systeme möglich, was die Stabilität
weiter verbessert, aber den Bauaufwand entsprechend erhöht.
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Die
Aufteilung der Mengen zwischen den beiden oder mehreren Stufen kann
ebenso mannigfaltig ausgeführt sein und wird durch die
Dimensionierung der Düsensysteme konstruktiv festgelegt.
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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.
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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.
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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.
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Beim
Vorhandensein von n-Pilotgasbrenner- bzw. düsenstufen kann
die Aufteilung adäquat erfolgen.
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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.
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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.
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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.
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Die
bisher erläuterten Anordnungen von mehrstufigen Pilotbrennern
bzw. -düsensystemen erfordern zusätzlich spezielle
Verfahren der Betriebsführung, um die Zielsetzungen 1 und
3 erfüllen zu können.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Das
Vorhandensein brennerindividueller Mengenstellventile kann zusätzlich
vorteilhaft ausgenutzt werden, um die unerwünschte Emission
von Stickoxiden zu vermindern.
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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.
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Aus
den erläuterteten Anordnungen und Verfahren zur Erreichung
der Zielsetzungen der Erfindung definieren sich folgende Patentansprüche:
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - 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]