DE102009010611A1

DE102009010611A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung einer mit mehreren Brennern ausgestatteten Turbine für flüssige oder gasförmige Brennstoffe

Info

Publication number: DE102009010611A1
Application number: DE200910010611
Authority: DE
Inventors: Georg Bachmaier; Gerit Ebelsberger; Oliver Dr. Hennig; Randolf Dr. Mock; Thomas Dr. Vontz; Wolfgang Zöls
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-02-25
Filing date: 2009-02-25
Publication date: 2010-08-26
Also published as: WO2010097427A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Steuerung einer mit mehreren Brennern (9, 10) ausgestatteten Gasturbine (7) beschrieben, an welcher zum einheitlichen Betrieb sämtlicher Brenner die Steuerung von Brenngas und Luftmengen für sämtliche Brenner gemeinsam vor einem Verteiler für eine Zuleitung zu jedem einzelnen Brenner erfolgt, wobei in der Brenngaszuführung zu den Brennern der Gasturbine (7) jeder Brenner separat mit mindestens einer Brenngaszuleitung verbunden ist und zur Brenngassteuerung mindestens ein Festkörperaktorventil (5, 6) vorhanden ist. Weiterhin ist ein Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 5 genannt, mit dem ein Brenngasstrom in einer Brennerzuleitung in einem Bereich von max. 20% des Betriebsbereichs eines integrierten Ventils (5, 6) modulierbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft die Steuerung von Turbinen, deren Brennstoffzufuhr über eine Mehrzahl von Brennern aufgeteilt ist. Die Brennstoffmengen werden dabei für sämtliche Brenner gemeinsam in einer Hauptleitung eingestellt.
Beim Betrieb einer Turbine wird häufig die Verbrennungsluft über ein Gebläse zugeführt, wobei die Menge verschiedenartig in gewissen Grenzen steuerbar ist. Da bei einer Turbine in der Regel mehrere Brenner bzw. Brennerkörbe eingesetzt werden, gilt zunächst, dass jeder Brenner mit einer Brennstoffzufuhr versehen ist. Die Steuerung der Menge an Brennstoff geschieht in einer vom Brenner relativ weit entfernten Hauptleitung, wobei erst anschließend eine Aufteilung der Brennstoffmenge zu den einzelnen Brennern geschieht.
Eine derartige Steuerung der Brennstoffmenge führt dazu, dass im Betrieb die einzelnen Brenner nicht identisch funktionieren. In der Regel werden die Brenner beispielsweise einer Turbine durch eine Kalibrierung ungefähr gleich gestellt, das heißt, in ihrer Funktion auf ein gleiches Niveau voreingestellt. Die Anpassung oder Kalibrierung der einzelnen Brenner geschieht jedoch statisch und insbesondere in einem einzigen Arbeitspunkt. Durch Durchflussänderungen in Folge der Brennstoffzusammensetzung, der Alterung bei Materialien oder unterschiedlicher Drücke im System können so zu ungleichmäßigen Funktionen führen. In der Regel wird die oben erwähnte Kalibrierung bei jedem größeren Service an der Turbine wiederholt. Um einen stabilen Betrieb eines gesamten Brennerringes um eine Turbine zu ermöglichen, ist eine Steuerung jedes einzelnen Brenners während des Betriebes wünschenswert.
Fehlerquellen für unterschiedliche Funktionen verschiedener Brenner an einer einzigen Turbine sind vielfältig. So kann aus unterschiedlichen Gründen der Brennwert des verwendeten Brennstoffs schwanken. Um in einem optimalen Betriebszustand zu bleiben, müssen die einzelnen Brenner möglichst schnell einer neuen Brennstoffzusammensetzung angepasst werden. Dabei kann in der Regel nicht darauf vertraut werden, dass sämtliche Brenner bei einem Brennstoffwechsel in allen Betriebsbereichen gleiches Verhalten zeigen.
Unterschiedliche Brenner weisen individuelle Grenzen der stabilen Verbrennung im Magerbetrieb auf, der beispielsweise zur NOx-Vermeidung eingestellt werden soll. Um die gesamte Turbine in einen Magerbetrieb einzustellen, ist es daher erforderlich, jeden einzelnen Brenner zu beobachten. Gleiches gilt für den Fall, indem ein möglichst stabiler und schneller Lastabfall durchgeführt werden soll.
Instabilitäten einzelner Brenner können beispielsweise auch zu Schwingungen in der Turbine führen. Dies kann Schädigungen an der Turbine verursachen. Ein aktives System zur Unterdrückung dieser Vibrationen und Schwingungen steht aktuell nicht zur Verfügung.
Eine für jeden Brenner mögliche Steuerung ist im Stand der Technik ebenfalls nicht bekannt. Die Steuerung der Brennstoff- und Luftmengen geschieht für alle Brenner gemeinsam. Die einzelnen Brenner werden jedoch vor der Inbetriebnahme durch Kalibrierung auf möglichst gleiches Verhalten voreingestellt.
Oben aufgeführte Nachteile oder Probleme werden bisher über statische oder brennerkollektive Maßnahmen gelöst. Damit werden sicher gleichzeitig einige instabile Betriebspunkte vermieden. So können beispielsweise auch Brenner im Magerbetrieb für eine NOx-arme Verbrennung betrieben werden. Da jedoch Schwingungen und Vibrationen innerhalb einer Gasturbine vor allem im Brennerbetrieb vermieden werden sollen, um Schäden am System zu verhindern, ist eine derartige brennerkollektive Maßnahme nicht ausreichend.
Einer Neigung zu Schwingungen in einer Brennstoffturbine, insbesondere in einer Gasturbine, kann beispielsweise konstruktiv entgegnet werden. Da solche Maßnahmen, wie konstruktive Anpassungen, jedoch von Turbine zu Turbine unterschiedlich sein können, sind derartige Anpassungen sehr aufwändig. Eine nachträgliche Anpassung an einer bereits installierten Turbine ist kaum möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Ansteuerungen oder Regelungen von Brennern an einer Brennstoffturbine derart zu verbessern, dass oben genannte Nachteile wie im Stand der Technik nicht auftreten.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die entsprechende Merkmalskombination der Hauptansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Integration mindestens eines hochdynamischen und präzise einstellbaren Festkörperaktorventils oder Solenoid gesteuerten Ventils an jeder mindestens einen Brennstoffzuleitung für jeden Brenner zu einer individuell auf jeden einzelnen Brenner bezogenen Steuerung oder Regelung führt, womit zu jeder Zeit und zu jedem Betriebszustand jeder einzelne Brenner auf der Brennstoffseite individuell und optimal angesteuert oder Geregelt werden kann.
Durch eine erfindungsgemäße Vorgehensweise kann jeder Brenner jederzeit auf ein bestimmtes, durch vorgegebene Parameter definiertes Niveau eingegeben werden.
Insbesondere können Schwingungen durch die genaue Einstellungen einzelner Brenner vermieden werden. Dies gilt insbesondere bei der Einstellung des Magerbetriebs, wobei jeder Brenner unterschiedliche Charakteristika bei der Ansteuerung dieses Betriebszustands aufweist.
Es ist besonders vorteilhaft, dass als Festkörperaktorventil ein piezoelektrisches Ventil eingesetzt wird. Dies weist neben einem ausreichenden Brennstoffdurchsatz, gasförmig oder flüssig, eine hoch dynamische Funktion auf und ist gleichzeitig präzise einstellbar.
Falls ein Brenner über mehrere Zuleitungen mit Brennstoff versorgt wird, so befindet sich vorteilhafterweise in jeder Brennstoffzuleitung ein hoch dynamisches Stellventil. Je nach geforderter Dynamik des Ventils kann dies unterschiedlich ausgelegt sein, wobei vorzugsweise piezoelektrisch betriebene Ventile eingesetzt werden, jedoch je nach Anforderung, auch Solenoid gesteuerte Ventile in Frage kommen. Solenoid gesteuerte Ventile sind kostengünstig und robust, weisen jedoch ein größeres Volumen auf. Ein piezoelektrisches Ventil kann wesentlich genauer ansteuern.
Eine Brennersteuerung kann wesentlich unterstützt werden, indem Datenbanken mit Betriebsparametern einzelner Brenner oder der jeweiligen Turbine vorhanden sind und für die Brennersteuerung zugänglich sind. Eine weitere Möglichkeit zum insgesamt störungsfreien Betrieb einer Turbine besteht im Einsatz von physikalischen oder mathematischen Modellen. Hierfür ist in der Regel die Kombination mit einer Regelung einzelner Brenner oder der gesamten Turbine vorteilhaft.
Falls an der Turbine störende Schwingungen auftreten, so lassen sich diese mittels einer aktiven Geräuschunterdrückung vorteilhaft eliminieren.
Schwingungen oder Vibrationen an einer Gasturbine können aktiv durch so genannte Geräuschunterdrückungs- oder Vibrationsüberwachungssysteme eliminiert werden. Weiterhin ist es vorteilhaft, einzelne Brenner individuell aufgrund von unterschiedlichen Konstruktionsmerkmalen zu steuern oder zu regeln und gleichzeitig übergeordnete für den Betrieb der Turbine, insbesondere Gasturbine notwendige Parameter an den einzelnen Brennern zu berücksichtigen.
Im Folgenden wird anhand der schematischen, begleitenden, die Erfindung nicht einschränkenden Figur ein Ausführungsbeispiel beschrieben.
Die Figur zeigt eine Gasturbine 7, schematisch im Schnitt dargestellt, mit Verbrennungsluftzufuhr von der rechten Seite sowie einzelnen Brennern 9, 10, sowie Brenngaszuleitungen mit entsprechenden Festkörperaktorventilen 5, 6.
Durch die Anwendung von hoch dynamischen, insbesondere piezoelektrisch oder Solenoid betriebenen Ventilen in der Gas- oder Flüssigkeitszuführung von Brennstoff jedes einzelnen Brenners können insgesamt Nachteile aus dem Stand der Technik vermieden werden.
Es ist insbesondere vorteilhaft, dass nicht der gesamte Brenngasstrom zwischen 0 und 100% durch ein oder mehrere Ventile modelliert wird, sondern lediglich eine geeignete Teilmenge davon, beispielsweise max. 20%.
Um an Turbinen regelmäßig durchzuführende Lastwechsel störungsfrei umzusetzen, kann die Begrenzung eines Betriebsbereichs eines Brennstoff-Stellventils auf beispielsweise 20% sinnvoll sein. Dabei wird nicht die gesamte Menge von 0% bis 100% variiert, sondern lediglich beispielsweise die Einstellung bzw. Gasmenge oder Menge an Flüssigbrennstoff von 100% bis 80%. Dies führt dazu, dass beispielsweise ein Haupt- oder ein Pilotstrom an Brennstoff durch das hoch dynamische Ventil innerhalb kürzester Zeit einstellbar ist, jedoch keine Überschwingungen bei derartigen Lastwechseln der Turbine erzeugt werden.
Eine schwankende Brennstoffzusammensetzung kann die gewünschte Gleichstellung sämtlicher Brenner an einer Brennstoffturbine im laufenden Betrieb beeinträchtigen. Eine nach dem Stand der Technik anwendbare Kalibrierung, die im statischen Zustand erfolgt, nimmt wesentliche Betriebszeit in Anspruch. Aus diesem Grund wird eine verfügbare Zusammensetzung eines Brennstoffes bzw. der aktuell anliegende Brennwert ermittelt, so dass jeder Brenner durch seine in seiner Brennstoffzuleitung vorhandenen Ventile 5, 6 individuell angepasst werden kann. Somit kann jeder Brenner individuell auf neue Brennstoffzusammensetzungen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs, eingestellt oder eingeregelt werden. Dies geschieht durch entsprechende Steuerung oder durch Einsatz mindestens eines Regelkreises.
Eine nachträgliche Ausrüstung bereits im Betrieb befindlicher Turbinen während einer Wartung ist in einfacher Weise möglich.
Wird eine Turbine beispielsweise mit einer Leitung für einen Hauptgasstrom 1 und zusätzlich mit einer Leitung für einen Pilotgasstrom 2 mit Brenngas oder Flüssigem Brennstoff versorgt, so wird entsprechend der Erfindung eine Aufteilung durch einen Verteiler oder Krümmer vorgenommen. Die hoch dynamischen piezoelektrisch angesteuerten Ventile werden in Durchflussrichtung hinter diese Verteilereinheiten positioniert, so dass sie direkt vor jedem einzelnen Brenner vorhanden sind.
Mehrere Brenner 9, 10 sind in der Regel kreisförmig am Umfang der Turbine angeordnet, wobei in der Figur lediglich 2 Brenner im Schnitt dargestellt sind. Die Steuer- oder Regeleinrichtungen in Form der Ventile 5, 6 sind an jedem Brenner vorhanden. Der Hauptbrennstoffstrom 1 kann beispielsweise an einem Brenner individuell zwischen 100% und 80% des Betriebsbereichs des Steuerventils 5 ausmachen. Gleiches gilt für den Pilotgasstrom 2, der benachbart zur erstgenannten Brenngaszuführung zum Brenner führt. In jeder der Brennstoffleitungen kann ein hoch dynamisches piezoelektrisches Ventil oder ein Solenoid gesteuertes Ventil eingesetzt werden. Über eine geeignete Sensorik in Kombination mit aktiver Geräuschunterdrückung können Schwingungen weitestgehend ausgelöscht werden.
Durch die Steuerung oder Regelung einer Pilotflamme eines jeden Brennerkorbs/Brenners wird durch ein Piezoventil in einer Brennstoffzuleitung ein Brenner entsprechend angesteuert. Durch Modulation beispielsweise des Pilotgasstroms 2 kann die Position der Flammfront in der Brennkammer der entsprechenden Gasturbine variiert werden.
Eine Zumischung von Luft in die Brenngaszuleitungen entspricht einer Veränderung des Brennwertes des verwendeten Brenngases. Insgesamt kann eine Einstellung eines Brenners bei einem Lastwechsel der Turbine beim Einsatz der Erfindung innerhalb von Millisekunden realisiert werden.
Eine Steuerung von Brennern an einer Gasturbine wird entsprechend der Erfindung in Brenngaszuleitungen hinter einem Verteiler, also in einzelnen, Brenner individuell versorgenden Leitungen durch ein entsprechendes Ventil vorgenommen.

Claims

Vorrichtung zur Steuerung einer mit mehreren Brennern (9, 10) ausgestatteten Turbine (7), an welcher zum einheitlichen Betrieb sämtlicher Brenner die Steuerung von gasförmigem oder flüssigem Brennstoff und Luftmengen für sämtliche Brenner gemeinsam vor einem Verteiler für eine Aufteilung zu jedem einzelnen Brenner erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass in der Brennstoffzuführung zu den Brennern der Turbine jeder Brenner separat mit mindestens einer Brennstoffzuleitung verbunden ist und zur Brennstoffsteuerung mindestens ein Solenoid- oder Festkörperaktorventil (5, 6) vorhanden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Festkörperaktorventil ein piezoelektrisches oder magnetostriktives Ventil ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren Brennstoffzuleitungen für jeden Brenner in jeder Zuleitung ein Festkörperaktorventil und/oder ein Solenoid gesteuertes Ventil vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Brenner-Steuerung oder -Regelung vorhanden ist, die gespeicherte Daten mit Betriebsparametern und/oder physikalische und/oder mathematische Modelle enthält.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur aktiven Geräuschunterdrückung vorhanden ist.
Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brennstoffstrom in einer Brennerzuleitung in einem Bereich von max. 20% des Betriebsbereichs eines Ventils (5, 6) modulierbar ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass anhand von mindestens einem vorgegebenen sensorisch aufgenommenen Parameter jeder Brenner auf bestimmte Werte geregelt werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung mit Daten von Bibliotheken/Datenbanken und/oder mit physikalischen und/oder mathematischen Modellen verknüpft wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an Brennern in der Turbine auftretende Schwingungen mittels aktiver Geräuschunterdrückung eliminiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Modulation der Last der Turbine jeder Brenner individuell auf einen optimierten Betriebszustand einstellbar ist.