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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
Anmeldung betrifft allgemein ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Minimierung der Anlaufzeit einer Gasturbine und, mehr im Einzelnen,
ein Verfahren oder eine Vorrichtung zum Steuern eines Wobbe-Index
eines der Gastturbine zugeführten Brennstoffs,
um Verzögerungen
bei der Turbinenbelastung durch das Aufheizen des Brennstoffs vor
dessen Zufuhr zu der Gasturbine zu vermeiden.
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Beschreibung des einschlägigen Standes
der Technik
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Industrielle
Turbinen sind oft gasbeheizt und werden üblicherweise dazu eingesetzt,
Lasten anzutreiben, wie Generatoren die in elektrischen Kraftwerken
zur Erzeugung elektrischer Energie installiert sind. Solche Gasturbinen
sind dazu ausgelegt, einen speziellen Bereich von Brennstoffen zu
verbrennen und diese Brennstoffe unter speziellen Bedingungen, wie
etwa Brennstofftemperatur zu verbrennen. Die Brennstoffzusammensetzung
und -temperatur werden zur Berechnung eines als Wobbe-Index bekannten
Ausdrucks verwendet, der den Heizwert des Brennstoffs auf Volumenbasis
angibt. Der Bereich des Brennstoffzustroms zwischen lastfreiem Zustand und
Grundlast, ebenso wie der Wobbe-Index, werden dazu verwendet, die
Brennstoffbereitstellung oder -behandlungsweise in der Brennkammer oder
andere Details, wie etwa die Düsenbemessung,
zu bestimmen.
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Um
einen höheren
Anlagenwirkungsgrad bei Belastungen zu erzielen, bei denen ein kontinuierlicher
Betrieb erwartet wird, kann der Brennstoff auf eine spezielle Temperatur
vorgeheizt werden. Die Erwärmung
des Brennstoffs senkt den Wobbe-Index ab, weil die höhere Temperatur
das Volumen des Brennstoffs bei der gleichen Temperatur vergrößert. Der
Betrieb einer Turbine mit einem Wobbe-Index, der außerhalb
des Auslegungsbereichs liegt, kann unerwünschte akustische Resonanzerscheinungen hervorrufen,
die die Turbinenhardware schädigen oder
zu einem Flammenverlust in der Brennkammer führen können. In diesen Fällen wird
die erhöhte Brennstofftemperatur
zu einer Steuerbedingung, die in diese Verbrennungsarten eingeht
um sicher zu stellen, dass der Brennstoff den erforderlichen Wobbe-Index
aufweist. Wenn die Brennstofftemperatur nicht innerhalb des erforderlichen
Bereiches erhöht worden
ist, muss das System bei einer bestimmten Last so lange anhalten,
bis die Temperaturbedingung erfüllt
ist.
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Gasturbinen
werden auch häufig
dazu eingesetzt, große
Lasten wie Generatoren bald nach einer Betriebsanforderung der Gasturbine
anzutreiben. Es wird erwartet, dass die Gasturbine schnell auf eine Betriebsanforderung
anspricht und rasch von einem Leerlauf- oder Abschaltzustand, in
dem die Gasturbine keine abgegebene Energie erzeugt, in einen Volllastzustand übergeht,
in dem die Gasturbine entsprechend der Anforderung des Bedieners
die volle Last antreibt. Viele Gasturbinenanlagen verlassen sich zum
Aufheizen des der Brennkammer zuzuführenden Brennstoffs auf ihre
eigenen heißen
Abgase oder auf Dampf aus einem Grundlastarbeitsprozess. Da die
Abgase Zeit brauchen, um auf ihre Nennbetriebstemperatur zu kommen,
ist die Temperatur des der Brennkammer unmittelbarer nach der Auslösung des Anlaufs
der Gasturbine zugeführten
Brennstoffs niedriger als die Ziel- oder Solltemperatur des Brennstoffs
für die
die Gasturbine ausgelegt wurde. Die Zufuhr von Bennstoff unterhalb
der Zieltemperatur kann zu einem außerhalb des jeweils gewünschten
Bereiches liegenden Wobbe-Index führen, was möglicherweise dynamische Verbrennungserscheinungen
auslöst,
die die Gasturbine beschädigen
können.
Falls es aber erforderlich ist, dass die Gasturbine schnell anspricht,
damit sie rasch aus dem Anlauf heraus eine große Last antreibt, steht nicht
genügend
Zeit zur Verfügung
um den Brennstoff ordnungsgemäß auf eine
akzeptable Temperatur vorzuheizen, die den Anforderungen dieser
speziellen Last genügt.
Die Gasturbine ist damit gezwungen, den Brennstoff unterhalb dessen
Zieltemperatur zu verbrennen und eine Beschädigung in Kauf zu nehmen oder
eine Verzögerung
während
des Anlaufs hinzunehmen, die abhängig
von der anzutreibenden Last unzweckmäßig ist.
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Um
ein Szenario zu vermeiden, bei dem die Gasturbine beim Anlauf ungenügend vorgewärmten Brennstoff
verbrennt, beinhalten einige Gasturbinen enthaltende Anlagen außerdem einen
getrennten Einzelheizkessel, um den Brennstoff aufzuheizen bevor
er der Gasturbine beim Anlauf zugeführt wird. Um jedoch den Anforderungen
bei einem Schnellanlauf für
eine große
Last, wie oben erwähnt,
zu genügen, muss
der Hilfskessel die ganze Zeit über,
selbst wenn die Gasturbine nicht aktiv in Betrieb ist, in einem
aktiven, befeuerten Zustand und in Wartestellung gehalten werden.
Einen solchen Kessel dauernd im Wartezustand zu halten erfordert
einen beträchtlichen
Energieaufwand, ist teuer und verschwenderisch.
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Demgemäß besteht
auf diesem Gebiet ein Bedürfnis
nach einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Minimierung der Brennstoffeinflüsse während des Übergangs
einer Gasturbine aus einem ersten belasteten Zustand in einen zweiten
belasteten Zustand, in dem die angetriebene Last größer ist
als in dem ersten belasteten Zustand. Ein derartiges Verfahren und
eine solche Vorrichtung können
optional einen Wobbe-Index eines Brennstoffs, zumindest zeitweise,
anpassen und zwar solange, bis die Temperatur des Brennstoffs ausreichend
erhöht
werden kann, um einer Lastveränderung
auf der Gasturbine zu genügen.
Das Verfahren und die Vorrichtung können optional den Wobbe-Index des Brennstoffs,
basierend auf einer Zusammensetzung des Brennstoffs, anpassen und
sie können
außerdem
optional den Wobbe-Index auf diese Weise parallel zu dem Aufheizen
des Brennstoffs einstellen.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
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Die
nachfolgende Zusammenfassung bietet eine vereinfachte Zusammenschau,
um ein grundsätzliches
Verständnis
der hier erörterten
Systeme und/oder Verfahren zu liefern. Diese Zusammenfassung ist
kein umfassender Überblick über die
hier besprochenen Systeme und/oder Verfahren. Sie ist nicht dazu
bestimmt, Schlüsselelemente
oder kritische Elemente zu identifizieren und/oder den Umfang derartiger
Systeme und/oder Verfahren zu begrenzen. Ihr einziger Zweck besteht
darin einige Konzepte in vereinfachter Form als Einleitung zu der
später
gegebenen detailierteren Beschreibung darzubieten.
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Gemäß einem
Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Steuerung
eines Übergangszustandes
einer Gasturbine. Das Verfahren beinhaltet das Empfangen einer Anforderung
an die Gasturbine, eine erhöhte
Last anzutreiben. Die erhöhte
Last ist größer als
eine Last, die von der Gasturbine beim Empfang der Anforderung angetrieben wird.
Das Verfahren beinhaltet außerdem
das Bestimmen, dass eine Temperatur eines in einer Brennkammer der
Gasturbine zu zündenden
Brennstoffs niedriger ist als eine Ziel- oder Solltemperatur des
in die Brennkammer zum Antreiben der erhöhten Last einzubringenden Brennstoffs.
Abhängig
von dieser Bestimmung beinhaltet das Verfahren weiterhin das Einbringen
eines Zusatzstoffes in die Brennkammer der Gasturbine, wenn die
Temperatur des Brennstoffs niedriger ist als die Zieltemperatur,
um so einen geeigneten Wobbe-Index einer Brennstoffkombination herzustellen,
um einen im Wesentlichen kontinuierlichen Übergangszustand der Gasturbine
zum Antrieb der erhöhten
Last zu unterstützen,
wobei die Brennstoffkombination den Brennstoff und den Zusatzstoff
beinhaltet.
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Gemäß einem
anderen Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine Gasturbine
zum Antreiben einer Last. Die Gasturbine verfügt über einen Verdichter zur Erhöhung eines
Druckes von in die Gasturbine eingeführter Luft, eine Brennkammer,
in der ein Brennstoff während
des Betriebs der Gasturbine verbrennbar ist und eine strömungsmäßig hinter der
Brennkammer angeordnete Turbine, die durch ein durch die Gasturbine
durchgedrücktes
heißes Gas
antreibbar ist. Die Gasturbine weist außerdem eine Steuereinrichtung
zur Steuerung des Betriebs der Gasturbine während eines Übergangszustandes der
Gasturbine vom Antrieb einer Anfangslast zu Antrieb einer erhöhten Last
auf. Die Steuereinrichtung weist eine Empfängerkomponente zum Empfang
einer Anforderung an die Gasturbine die erhöhte Last anzutreiben auf, wobei
die erhöhte
Last größer ist
als die Anfangslast, die von der Gasturbine bei Empfang der Anforderung
angetrieben ist. Die Steuereinrichtung beinhaltet außerdem eine
Vergleichskomponente zum Bestimmen, dass eine Temperatur eines in
einer Brennkammer der Gasturbine zu zündenden Brennstoffs niedriger
ist als eine Ziel- oder Solltemperatur des in die Brennkammer zum
Antreiben der erhöhten
Last einzuführenden
Brennstoffs. Eine Rechnerkomponente der Steuereinrichtung steuert die
Einführung
eines Zusatzstoffes in die Brennkammer der Gasturbine, wenn die
Temperatur des Brennstoffs niedriger ist als die Zieltemperatur
um so einen geeigneten Wobbe-Index für eine Brennstoffkombination
herzustellen um einen im Wesentlichen kontinuierlichen Übergang
der Gasturbine vom Antrieb der erhöhten Last zu unterstützen. Die
Brennstoffkombination beinhaltet den Brennstoff und den Zusatzstoff.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung kann in bestimmten Teilen und Anordnungen von Teilen physikalisch
verwirklicht sein, von denen Ausführungsformen in dieser Beschreibung
im Detail beschrieben und in der einen Teil derselben bildenden
Zeichnung veranschaulicht sind, wobei:
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1 zeigt
eine schematische Veranschaulichung einer Gasturbine und eines Steuersystems zur
Minimierung einer Anlaufzeit der Gasturbine zur Erfüllung einer
Lastanforderung;
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2 zeigt
ein illustratives Zeitablaufdiagramm einschließlich einer Verzögerung bei
der Belastung einer Gasturbine und veranschaulicht die Gasturbinenbelastung,
die Brennstofftemperatur und den Wobbe-Index; und
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3 zeigt
ein illustratives Zeitablaufdiagramm, das eine im Wesentlichen kontinuierliche
Belastung einer Gasturbine gemäß einem
Aspekt der Erfindung veranschaulicht und das die Gasturbinenbelastung,
die Brennstofftemperatur und den Wobbe-Index darstellt.
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BESCHREIBUNG VON BEISPIELHAFTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine
bestimmte Terminologie wird hier lediglich aus Zweckmäßigkeitsgründen verwendet
und ist nicht als Be schränkung
der vorliegenden Erfindung zu verstehen. Eine hier verwendete, Bezug
nehmende Ausdrucksweise ist am einfachsten unter Bezugnahme auf
die Zeichnung zu verstehen, in der gleiche Bezugszeichen zur Bezeichnung
gleicher oder ähnlicher
Teile verwendet sind. Außerdem
können
in der Zeichnung bestimmte Merkmale in schematischer Form dargestellt
sein.
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Zunächst auf 1 Bezug
nehmend betrifft die vorliegende Anmeldung ein Verfahren und ein System 17 zur
Steuerung einer Gasturbine 10 zum Antrieb einer Last, wie
eines Generators 34 zur Erzeugung von elektrischer Energie.
Wie dargestellt, ist die Gasturbine nur eine schematische Wiedergabe und
zeigt gewisse Komponenten lediglich zum Zwecke der Erläuterung
der erfinderischen Konzepte der vorliegenden Erfindung. Die schematische
Zeichnung darf nicht so verstanden werden, dass sie alle Abmessungen
und Konstruktionsmerkmale darstellt. Die Gasturbine 10 weist
einen Verdichter 12 zur Erhöhung des Luftdrucks auf, wenn
die Luft durch den Verdichter von einem Einlass 14 des
Verdichters zu einem Auslass des Verdichters strömt. Der Verdichter 12 weist
eine Nabe 16 auf, die eine Anordnung von Gebläseschaufeln 18 trägt, welche
in rasche Umdrehung versetzt sind um Luft in die Gasturbine 10 zu drücken. Eine
Brennkammer 20 verfügt über eine Brennstoffzufuhreinrichtung 12,
zu der Brennstoffinjektoren oder Düsen gehören, die Brennstoff in die Kammer
einleiten. Solcher Brennstoff wird der Gasturbine 10 aus
einem Brennstoffvorrat zugeleitet. Für den Fachmann versteht sich,
dass der Brennstoff auf einem Weg von dem Brennstoffvorrat zu der
Gasturbine 10 strömt
und in entsprechender Weise in der Turbine zu der Brennkammer geleitet
wird. Demgemäß müssen Einzelheiten
dieses Leitweges nicht dargestellt werden. Längs des Weges kann eine Brennstoffströmungsteuereinrichtung
wie ein Ventil 26 verstellt werden, um wenigstens einen
Wert (z. B. die Lieferrate) des Brennstoffzustroms zur Brennkammer 20 zu
steuern. Zu Bei spielen geeigneter Ventile 26 können Magnetventile
und irgendwelche andere Arten elektrisch betätigter Ventile zählen, die von
einer zentralen Steuereinheit 25 gesteuert werden können. Zusätzlich zu
dem Brennstoff können Sauerstoff
und ein im nachfolgenden beschriebener Zusatzstoff zur Ausbildung
einer Brennstoffkombination für
die Brennkammer 20 miteinander kombiniert werden.
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Zurückkommend
zu der Gasturbine 10 weist die Turbine außerdem einen
Turbinenbereich 28 auf, der wenigstens eine Turbine 30 umschließt, die
strömungsmäßig hinter
der Brennkammer 20 angeordnet ist, um von den durch die
Gasturbine 10 durchströmenden
heißen
Gasen in Umdrehung versetzt zu werden. Eine Ausgangswelle 32 kann
betriebsmäßig zwischen
der Turbine 30 und einer Last eingekuppelt werden, um ein
Drehmoment von der Turbine 30 auf die Last zu übertragen.
Die Last ist in 1 als ein Generator 34 elektrischer
Energie dargestellt. Ähnlich
dem Verdichter 12 weist die Turbine 30 eine Nabe 27 auf,
die eine Anordnung von Schaufeln 29 trägt, die mit der sich bewegenden
Luft beaufschlagt sind, um die Turbine 30 und demgemäß die Ausgangswelle 32 in
Umdrehung zu versetzen. Es versteht sich, dass die dargestellte
Turbine lediglich ein Beispiel ist und dass Aufbau, Konstruktion,
Konfiguration etc. abgewandelt sein können.
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Betrachtet
man nun die Steuereinheit 17, so ist die Einheit betriebsmäßig mit
der Gasturbine 10 verknüpft,
was schematisch durch einen Doppelpfeil angedeutet ist. Ganz allgemein
geben die schematischen Doppelpfeillinien betriebsmäßige Verknüpfungen
wieder. Außerdem
ist in 1 als Teil des Steuersystems 17 die zentrale
Steuereinheit 25 dargestellt, die aus einer Kombination
geeigneter elektronischer Hardware und optional Software zusammengestellt
sein kann, um den Betrieb der Gasturbine 10, einschließlich Übergangsperioden,
zu steuern, wenn die Gasturbine 10 zwischen Betriebsweisen
wechselt. Beispielsweise kann die Gasturbine 10 von einer vom
Netz abgeschalteten Betriebsweise, während der die Gasturbine 10 keine
oder eine Anfangslast antreibt, zu einer Teillastbetriebsweise,
während
der die Gasturbine 10 einen Bruchteil ihrer Nennlast antreibt,
oder in eine Volllastbetriebsweise übergehen, in der die Gasturbine
etwa 100% ihrer Nennlast antreibt. Die von der Gasturbine 10 im
Teillastbetrieb oder im Volllastbetrieb angetriebene Last ist größer als
die Last die von der Gasturbine 10 in dem lastfreien oder
dem Anfangslastbetrieb angetrieben ist, von dem aus der Übergangszustand
beginnt. Die Größe der Belastung
der Gasturbine 10 kann der Ausgangsleistung entsprechen,
die von der Gasturbine 10 erzeugt werden muss, um den Generator 34 oder
eine andere Art Last entsprechend den jeweiligen Anforderungen anzutreiben.
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Die
von der zentralen Steuereinheit 25 auszuführenden
Schritte können
optional von diskreten analogen und/oder digitalen Beschaltungskomponenten
ausgeführt
werden, die gemeinsam logische Schaltungen bilden; sie können optional
wenigstens teilweise von einer programmierbaren digitalen Steuereinrichtung,
etwa einem Mikroprozessor, der von einem Computer ausführbare Instruktionen
ausführt, die
auf einem mit der zentralen Steuereinheit 25 in Verbindung
stehenden computerlesbaren Medium gespeichert sind oder von irgendeiner
Kombination davon ausgeführt
werden. Zu Beispielen des computerlesbaren Mediums gehören, ohne
darauf beschränkt
zu sein, Flashspeicher, wie EEPROMs, EPROMs und dergleichen; Festkörper- oder magnetische
Speichervorrichtungen, wie Harddisklaufwerke oder irgendwelche anderen
optischen, magnetischen, elektronischen etc. Speichervorrichtungen
in Verbindung mit der zentralen Steuereinheit 25, die computerausführbare Instruktionen
in einem elektronischen Format speichern können.
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Die
zentrale Steuereinheit 25 kann eine Benutzerschnittstelle 36 aufweisen,
die mit einer optionalen Eingabevorrichtung, wie einer Tastatur 38,
einem Bildschirm 40 oder irgendeiner anderen Art Schnittstelle
versehen ist, die einen äußeren Eingriff in
die Lage versetzt, ein Signal, das den Übergang des Gasturbinenbetriebs
vom Antrieb einer Last auf den Antrieb einer erhöhten Last fordert, in das Steuersystem 17 oder
in irgendeine Kombination von diesem einzugeben. Als Reaktion darauf
kann die Ausgangsleistung der Gasturbine dementsprechend erhöht werden,
so dass die erhöhte
Last von der Gasturbine 10 angetrieben werden kann. Eine
derartige Anforderung eines Lastübergangs
kann eine Anforderung zum Anfahren der Gasturbine 10 aus
einem Bereitschafts- oder Leerlaufzustand, in dem die Gasturbine
inaktiv ist oder Null Ausgangsleistung erzeugt, beinhalten, ein Übergangszustand,
der üblicherweise
als Anlauf bezeichnet wird. Oder aber an die Gasturbine 10 kann
die Anforderung gerichtet werden, vom Antrieb einer ersten Last
(z. B. aus einem Teillastbetrieb) die nicht Null ist zum Antrieb
der erhöhten
Last (z. B. Volllastbetrieb) überzugehen,
die größer ist
als sie erste Last.
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Bei
einem anderen Beispiel kann der Bediener eine andere Betriebseinstellung
eingeben, etwa eine Ausgangsleistung, die der Generator 34 nach dem
Willen des Bedieners erzeugen soll; er kann direkt eine gewünschte Winkelgeschwindigkeit
der Gasturbine 10 eingeben, er kann direkt eine jeweils gewünschte Luftgeschwindigkeit,
die die Gasturbine 10 nach dem Willen des Bedieners erzeugen
soll eingeben etc.. Gemäß alternativen
Ausführungsformen kann
die Anforderung an die Gasturbine 10 eine erhöhte Last
anzutreiben optional von einem (nicht dargestellten) Sensor, der
betriebsmäßig so angeschlossen
ist, dass er mit dem Steuersystem 17 automatisch, in Abhängigkeit
von der Feststellung eines bestimmten Zustands. kommuniziert oder
von irgendeiner anderen Signalquelle kommen.
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Auf
den zu der Gasturbine 10 strömenden Brennstoff zurückkommend,
ist ein Temperatursensor 44 vorgesehen, um die Temperatur
des der Gasturbine 10 zugeführten Brennstoffs zu erfassen
und an das Steuersystem 17 ein Signal abzugeben, das für die erfasste
Temperatur kennzeichnend ist. Das von dem Temperatursensor 44 übermittelte
Signal kann eine Temperatur des Brennstoffs vor dessen Erwärmung oder
nachdem er durch einen Wärmetauscher 58,
wie in 1 dargestellt, erwärmt worden ist, anzeigen. Aber
unabhängig
davon wo die Temperatur des Brennstoffs erfasst wird, ist das übermittelte Signal
für die
Temperatur des in die Brennkammer 20 eingeführten Brennstoffs
kennzeichnend.
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Zu
dem Steuersystem 17 gehört
ein Komparator 50, um die Temperatur des Brennstoffs mit
einer für
die zentrale Steuereinheit 25 zugänglichen Ziel- oder Solltemperatur
zu vergleichen. Der Komparator 50 kann, wie dargestellt,
ein Informationsknoten oder irgend eine andere geeignete Vorrichtung
zum Vergleich der von dem Temperatursensor 44 bestimmten Brennstofftemperatur
mit einer Zieltemperatur sein und optional eine Differenz zwischen
diesen Temperaturen berechnen. Beispielsweise kann der Komparator 50 feststellen,
ob die Brennstofftemperatur niedriger ist als die Zieltemperatur
des Brennstoffs, der in die Brennkammer 20 eingeführt werden
soll, um einen geeigneten Wobbe-Index zu erzeugen, der es der Gasturbine
gestattet im Wesentlichen kontinuierlich auf den Antrieb der erhöhten Last überzugehen, wie
dies im Einzelnen im Nachfolgenden beschrieben ist.
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Die
Zieltemperatur kann optional aus dem computerlesbaren Medium entnommen
werden, mit dem die zentrale Steuereinheit 25 kommunizieren kann.
Beispielsweise kann die Zieltemperatur aus einer von dem computerlesbaren
Medium ge speichert Nachschlagtabelle von Zieltemperaturen entnommen werden,
die verschiedenen Werten der erhöhten
Last entsprechen. Gemäß anderer
Ausführungsformen können die
verschiedenen Werten der erhöhten
Last entsprechenden Zieltemperaturen aus einer Kennlinie, die Zieltemperaturen
mit verschiedenen Werten der erhöhten
Last in Beziehung setzt, aus experimentellen Daten, oder aus irgendwelchen
anderen Daten entnommen werden, die von dem computerlesbaren Medium
gespeichert sind. Noch andere Ausführungsformen gestatten eine
manuelle Eingabe einer Zieltemperatur.
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Das
Ergebnis des Vergleichs der Brennstofftemperatur mit der Zieltemperatur
kann in einen Wobbe-Index-Einstellung-Korrelator 52 eingegeben werden,
der die Temperaturdifferenz zwischen der Brennstoff- und der Zieltemperatur
mit einer Zugabe oder einer Menge eines zusätzlich zu dem Brennstoff in
die Brennkammer 20 einzuführenden Zusatzstoffs in Beziehung
setzt. Die Kombination des Brennstoffs und des Zusatzstoffs ist
hier als Brennstoffkombination bezeichnet. Der der von dem Komperator
bestimmten Temperaturdifferenz entsprechende Volumenstrom des Zusatzstoffs
ist ein Volumenstrom mit dem der Zusatzstoff in die Brennkammer
eingeführt werden
kann, um eine Brennstoffkombination mit einem Wobbe-Index zu erzeugen
der dazu geeignet ist einen im Wesentlichen kontinuierlichen Übergang der
Gasturbine zum Antrieb der erhöhten
Last zu fördern,
wie dies unter Bezugnahme auf 3 beschrieben
ist.
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Der
Wobbe-Index ist ein Wert, der einen Vergleich des volumetrischen
Energieinhalts verschiedener Brennstoffgase bei verschiedenen Temperaturen
erlaubt. Von Brennstoffen mit gleichem Wobbe-Index kann erwartet
werden, dass sie sich bei der Verbrennung durch die Gasturbine
10 ähnlich verhalten.
Eine beispielhafte Definition eines Wobbe-Index wird üblicherweise
als modifizierter Wobbe-Index bezeichnet und ist üblicherweise
als der relative Brennstoffheizwert geteilt durch die relative Dichte
definiert, wobei Abweichungen von ±5% von dem definierten Wert
für jeden
Brennstoffs typischerweise ohne merkliche Verschlechterung des Gasturbinenbetriebs akzeptabel
sind. Darauf hinzuweisen ist, dass auch andere Kriterien zur Bestimmung
eines jeweils zugeordneten Wobbe-Index benutzt werden können. Bezug
nehmend auf ein Beispiel ist der beispielhafte Wobbe-Index:
wobei LHV = unterer Heizwert
(Btu/scf)
T
g = absolute Temperatur
(ausgedrückt
in Einheiten, die mit anderen Gleichungsvariablen kompatibel sind,
etwa Kelvin oder Rankine).
SG = Spezifische Dichte bezogen
auf Luft bei Nenntemperatur und -druck.
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Es
können
aber signifikante Veränderungen des
Wobbe-Index, die wesentlich größer sind
als ±5%
des Nennwerts, zu einer unakzeptablen Größe der Verbrennungsdynamik
führen.
D. h. es wurde festgestellt, dass die Verbrennungsdynamik eine Funktion
des Wobbe-Index ist. Demgemäß kann ein Betrieb
auf hohem Niveau von Veränderungen
des Wobbe-Index gegenüber
einem Nennwert zu Hardwareschädigungen,
verringerter Komponentenlebensdauer des Verbrennungssystems und
einer Gefahr des Ausfalls der Energieerzeugung führen.
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Wenn
die Temperatur des Brennstoffs ohne den Zusatzstoff ausreicht einen
geeigneten Wobbe-Index zu erstellen, ist der Zusatzstoff unnötig, um die
Gastturbine 10 in Stand zu versetzen einen im Wesentlichen
kontinuierlichen Übergang
auf die erhöhte
Last durchzuführen.
Falls aber auf der anderen Seite die Temperatur des Brennstoffs
niedriger ist als die Zieltemperatur, derart, dass der Wobbe-Index
des allein in die Brennkammer 20 eingeführten Brennstoffs nicht innerhalb
des konstruktiven Toleranzbereichs der Wobbe-Indizes der Gasturbine
liegt, kann das Steuersystem 17 ein Ventil 56 oder
eine andere Fluiddurchsatzsteuereinrichtung betätigen um die Einführung des
Zusatzstoffes in die Brennkammer 20 zu steuern. Das Steuersystem 17 kann
das Verhältnis
von Brennstoff zu Zusatzstoff der Brennstoffkombination so einstellen,
dass der geeignete Wobbe-Index für
den Übergang
auf die erhöhte
Last hergestellt wird. Dieses Verhältnis kann durch Veränderung
eines Zufuhrwertes (z. B. des Volumenstroms des Zusatzstoffes) eingestellt
werden, indem beispielsweise auf das Steuerventil 56 zwischen
dem Vorrat 54 und der Gasturbine 10 Eingriff genommen
wird. Die Einstellung kann für
eine spezielle Brennstoffszenerie gelten.
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Der
Zusatzstoff kann ein inertes Gas sein, zu dessen Beispielen Stickstoff
gehört.
Es versteht sich, dass auch ein anderes Inertgas verwendet werden könnte. Außerdem kann
der Zusatzstoff auch aus anderen Gasarten bestehen, die den Wobbe-Index
beeinflussen. Beispielsweise ein anderes brennbares Gas, das einen
beträchtlich
verschiedenen Wobbe-Index
hat könnte
auch dazu verwendet werden, eine in ihrer Gesamtheit gewünschte Wobbe-Steuerung
zu ergeben.
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1 zeigt,
dass der Zusatzstoff mit dem Brennstoff unter Ausbildung der Brennstoffkombination
außerhalb
der Brennkammer 20 durch einen Mischer 60 kombiniert
wird. Diese Brennstoffkombination kann dann als Mischung in die
Turbine und demgemäß in die
Brennkammer 20 eingeleitet werden. Bei alternativen Ausführungsformen
kann jedoch der Zusatzstoff optional in die Brennkammer 20 getrennt
von dem Brennstoff oder irgendwo zwischen der Brennkammer und einem äußeren Mischer 60 eingebracht
werden.
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Das
Steuersystem 17 kann auch optional mit einem Wärmetauscher 58,
einem Bypassventil, einem Brennstoffsteuerventil 26 oder
einer anderen Vorrichtung zur Steuerung oder zumindest zur Auslösung der
Aufheizung des Brennstoffs kommunizieren, wenn es erforderlich ist,
die zur Befriedigung der Anforderung nach einer erhöhten abgegebenen
Energie erforderliche Ausgangsleistung zu erzeugen.
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Wenn
das Steuersystem 17 eine Anforderung an die Gasturbine 10 zum
Antrieb einer erhöhten
Last hält,
leitet das Steuersystem trantiente Operationen ein, um die Ausgangsleistung
der Gasturbine 10 so einzustellen, dass die erhöhte Last
aufgenommen wird. Zur besseren Verständlichkeit wird ein Beispiel
für den Übergang
zu der erhöhten
Last als Anlauf der Gasturbine von einem Ruhezustand in einen Volllastzustand
beschrieben, in dem die Gasturbine 10 ihre volle Nennlast
antreiben muss. 2 zeigt ein Gasturbinenbelastungs-(GT-Last-)Kurvendiagramm,
ein Brennstoff-Temperatur-Kurvendiagramm
und ein Wobbe-Index-Kurvendiagramm als Funktion einer gemeinsamen
Zeitskala. Die Brennstoffaufheizung wird dadurch ausgelöst, dass
die Gasturbinenlast auf L1 ansteigt. Bevor L1 bei der Temperatur
t1 erreicht wird kann gegebenenfalls keine
Brennstoffaufheizung stattfinden, weil dies einen inkorrekten Wobbe-Index
für das
Brennstoffszenario bei diesen Lasten ergeben könnte. Wenn die GT-Last L1 bei
der Temperatur t1 erreicht ist, wird die
Last konstant, während
die Brennstofftemperatur zunimmt und der Wobbe-Index weiterhin abnimmt.
Wenn die Temperatur/Wobbe-Anforderung bei t2 erfüllt ist, schreitet
die Belastung von L1 nach L2 fort.
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3 zeigt
eine Gasturbinenbelastungskurve und eine Brennstofftemperaturkurve,
beide als Funktion einer gemeinsamen Zeitskala. Wie in 2 dargestellt,
wurde zu dem Zeitpunkt t0 die Anforderung,
die Gasturbine 10 zum Antrieb der erhöhten Last zu veranlassen von
dem Steuersystem 17 empfangen. Der Brennstoff ist vor dem
Zeitpunkt t1 nicht beheizt und demgemäß ist die
Temperatur des Brennstoffs aus dem Brennstoffvorrat 24 (1)
die von dem Temperatursensor 44 (1) erfasst
ist, etwa gleich der Umgebungstemperatur des Brennstoffs, wie dies
durch die Brennstoffheizkurve in 2 angegeben
ist. Die Aufheizung kann von dem Steuersystem 17 zu dem
Zeitpunkt t1 ausgelöst werden mit der Folge, dass
die Brennstofftemperatur nach t1 weiter
ansteigt, wie dies durch den geneigten Linienabschnitt 75 in
der Brennstofftemperaturkurve der 2 veranschaulicht
ist.
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Der
Betrieb und die anfängliche
Belastung der Gasturbine 10 können im Wesentlichen unmittelbar
an den Empfang der Anforderung durch das Steuersystem 17 anschließend beginnen.
Die anfängliche
Belastung der Gasturbine 10 ist durch den geneigten Linienabschnitt 70 der
in 2 dargestellten Gasturbinenbelastungskurve wiedergegeben. Bei
diesem anfänglichen
Verbrennungsmodus, der zwischen den Zeitpunkten t0 und
t1 aktiv ist, reicht die Temperatur des
Brennstoffs, auch wenn er unbeheizt ist, aus, um einen Wobbe-Index
einzustellen, der einen stabilen Betrieb (d. h. einen Betrieb mit
minimaler Verbrennungsdynamik durch Verbrennung eines Brennstoffs
mit einem Wobbe-Index innerhalb einer Bereiches akzeptabler Wobbe-Indizes für die die Gasturbine 10 ausgelegt
ist) der Gasturbine 10 von dem Zeitpunkt t0 bis
zu dem Zeitpunkt t1 gestattet. Ein stabiler
Betrieb der Gasturbine 10 minimiert die Verbrennungsdynamik,
der die Gasturbine 10 ausgesetzt ist und mini miert dadurch
die Gefahr einer von einer solchen Dynamik ausgehenden Beschädigung der
Gasturbine 10.
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Die
in der Belastungskurve der 3 wiedergegebene
Belastung der Gasturbine 10 nimmt von einer ersten Übergangslast
L1 vom Zeitpunkt t1, der bei dem vorliegenden
Beispiel einem Punkt entspricht, an dem eine Änderung des Verbrennungsmodus
erforderlich ist um die Gasturbine 10 weiter zu belasten,
an zu. Beispielsweise kann die Gasturbine 10 optional in
mehreren verschiedenen Verbrennungsmoden betreibbar sein, die optional
eine Anzahl Brennkammern beinhalten, die, abhängig von dem Modus in dem die
Gasturbine 10 jeweils betrieben wird, Brennstoff unterschiedlich
verbrennen. Um die Belastung auf der Gasturbine 10 über die
erste Übergangslast
L1 hinaus weiter zu erhöhen,
muss die Gasturbine 10 in einen zweiten Verbrennungsmodus übergehen,
der von dem von dem Zeitpunkt t0 bis zu
dem Zeitpunkt t1 verwendeten anfänglichen
Verbrennungsmodus verschieden ist. Der zweite Verbrennungsmodus
kann ausreichend Ausgangsleistung erzeugen, um die oberhalb der
ersten Übergangslast
L1 zunehmende Last anzutreiben, erfordert aber einen anderen Wobbe-Index
des Brennstoffs, wie der Wobbe-Index des Brennstoffs, der in dem
anfänglichen
Verbrennungsmodus verbrannt worden ist. Um diesen Wobbe-Index für den zweiten Verbrennungsmodus
zu erstellen, muss die Temperatur des Brennstoffs durch Aufheizen
des Brennstoffs unter Verwendung von heißen Abgasen aus der Gasturbine 10 und
des Wärmetauschers 58 (1),
unter Verwendung von Dampf oder einem anderen Medium aus einem unterstützenden
Arbeitsprozess oder irgendeiner anderen Art Heizeinrichtung angehoben
werden. Wie aus dem geneigten Abschnitt 76 der Brennstofftemperaturkurve
der 2 abzulesen, steigt die Temperaturkurve des Brennstoffs
wegen des Aufheizens zwischen den Zeitpunkten t1 und
t2 weiter an. Die Temperatur des Brennstoffs
muss eine Ziel- oder Solltemperatur erreichen, die dem Wobbe-Index
ent spricht, der für
den zweiten Verbrennungsmodus erstellt werden muss. Diese Zieltemperatur
ist auf der Brennstofftemperaturkurve der 2 durch
die gestrichelte Linie 78 angegeben.
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Während die
Temperatur des Brennstoffs erhöht
wird, wird jedoch eine weitere Belastung der Gasturbine 10 über die
erste Überganslast
L1 hinaus solange verzögert
bis die Temperatur des Brennstoffs ausreichend hochgeheizt ist um
den Wobbe-Index herzustellen der erforderlich ist um einen stabilen
Betrieb der Gasturbine 10 in dem zweiten Verbrennungsmodus
zu ermöglichen.
Die im Wesentlichen konstante Belastung auf der Gasturbine 10 zwischen den
Zeitpunkten t1 und t2 ist,
wie abzulesen, durch ein horizontales Liniensegment 72 in
der Belastungskurve der 2 wiedergegeben. Die Verzögerung während des
Wartens auf das Aufheizen des Brennstoffs kann lang sein und sie
kann unzweckmäßig sein, wenn
die fragliche Anlage ein rasches Ansprechen auf die Anforderung
zum Antrieb der erhöhten
Last erfordert.
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Sobald
die Brennstofftemperatur in der Brennstofftemperaturkurve der 2 die
durch die gestrichelte Linie 78 wiedergegebene Zieltemperatur erreicht
hat, die erforderlich ist um den Wobbe-Index für den zweiten Verbrennungsmodus
zu dem Zeitpunkt t2 herzustellen, kann der
zweite Verbrennungsmodus eingeleitet werden und die Belastung der Gasturbine 10 oberhalb
der ersten Übergangslast
L1 fortschreiten. Diese weitere Belastung der Gasturbine 10 ist
durch den geneigten Linienabschnitt 74 veranschaulicht.
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Um
Verzögerungen
bei der Belastung der Gasturbine 10, wie sie unter Bezugnahme
auf 2 beschrieben wurden, zu minimieren, erstellt
die vorliegende Erfindung den für
den zweiten Verbrennungsmodus erforderlichen Wobbe-Index, ohne dass abgewartet
werden muss, dass der Brennstoff ordnungsgemäß aufgeheizt ist. Demgemäß kann die Belastung
der Turbine gemäß der anhand
der in 3 beschriebenen Ausführungsform im Wesentlichen
kontinuierlich und ununterbrochen erfolgen.
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3 zeigt
ein Gasturbinenbelastungs-(GT-Last)Kurvendiagramm, ein Brennstofftemperaturkurvendiagramm
und ein Wobbe-Index Kurvendiagramm, jeweils als Funktion einer gemeinsamen
Zeitskala gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung. Der Ausgangspunkt bei t0 ist
der gleiche wie in 2, nämlich zu dem Zeitpunkt t0 wird die Anforderung, die Gasturbine 10 zum
Antrieb der erhöhten Last
zu veranlassen, von dem Steuersystem 17 empfangen. Vor
dem Zeitpunkt t0 ist der Brennstoff wiederum
nicht beheizt, so dass die von dem Temperatursensor 44 (4) erfasste Temperatur des Brennstoffs
von dem Brennstoffvorrat 24 (1) im Wesentlichen
gleich der Umgebungstemperatur des Brennstoffs ist, wie dies von
der Brennstoffverbrennungskurve in 3 angegeben
ist. Das Aufheizen kann von dem Steuersystem 17 zu dem
Zeitpunkt t0 eingeleitet werden mit der
Folge, dass die Brennstofftemperatur zwischen den Zeitpunkten t0 und t1 zu der (durch
eine gestrichelte Linie 80 der Brennstofftemperaturkurve
der 3 angegebene) Zieltemperatur hin anzusteigen beginnt,
wie dies durch den ausgezogenen geneigten Linienabschnitt 82 der
gleichen Kurve wiedergegeben ist.
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Der
Betrieb und die anfängliche
Belastung der Gasturbine 10 (1) können im
Wesentlichen unmittelbar anschließend an den Empfang der Anforderung
durch das Steuersystem 17 (1) erfolgen. Die
anfängliche
Belastung der Gasturbine 10 (1) ist durch
den geneigten Linienabschnitt 90 zwischen den Zeitpunkten
t0 und t1 auf der
in 3 dargestellten Gasturbinenbelastungskurve veranschaulicht.
In dem zwischen den Zeitpunkten t0 und t1 aktiven anfänglichem Verbrennungsmodus
reicht die Temperatur des Brennstoffs, selbst wenn er unbeheizt
ist, aus, einen Wobbe-Index herzu stellen, der einer stabilem Betrieb
(d. h. einen Betrieb mit minimaler Verbrennungsdynamik durch Verbrennen
eines Brennstoffs mit einem Wobbe-Index innerhalb eines Bereiches erlaubter
Wobbe-Indizes für
den die Gasturbine 10 ausgelegt ist) der Gasturbine 10 von
dem Zeitpunkt t0 bis zum dem Zeitpunkt t1 ermöglicht.
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Die
Belastung auf der Gasturbine 10, die durch die Belastungskurve
der 3 wiedergegeben ist, nimmt von einer ersten Übergangslast
L1 von dem Zeitpunkt t1, der bei dem vorliegenden
Beispiel einem Punkt während
der Belastung entspricht, an dem ein Verbrennungsmodus-Veränderung
notwendig ist, um die Gasturbine 10 weiter zu belasten,
an graduell zu. Um die Belastung auf der Gasturbine 10 über die
erste Übergangslast
L1 hinaus zu erhöhen, muss
die Gasturbine 10 in einen zweiten Verbrennungsmodus überführt werden,
der von dem von dem Zeitpunkt t0 bis zu
dem Zeitpunkt t1 verwendeten anfänglichen
Verbrennungsmodus verschieden ist. Der zweite Verbrennungsmodus
ist in der Lage, ausreichende Ausgangsleistung zum Antrieb der über die
erste Anfangslast L1 hinaus zunehmenden Last zu erzeugen, erfordert
aber einen anderen Wobbe-Index des Brennstoffs, wie den Wobbe-Index
des Brennstoffs, der in dem anfänglichen
Verbrennungsmodus verbrannt worden ist.
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Bei
dem in 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde die weitere
Belastung unterbrochen, bis die Temperatur des Brennstoffs so weit hochgeheizt
werden konnte, dass der erforderliche Wobbe-Index des Brennstoffs
hergestellt wurde. Im Gegensatz dazu löst das Steuersystem 17 (1) bei
der anhand der 3 beschriebenen Ausführungsform
die Einführung
und Steuerung des Zusatzstoffes in die Brennkammer 20 (1)
zu einem geeigneten Zeitpunkt aus, um die Brennstoffkombination
mit einem geeigneten Wobbe-Index in der Brennkammer zu erzeugen,
was es der Gasturbine gestattet im Wesentlichen kontinuierlich optional
ohne Unterbrechung der Belastung der Gasturbine 10 in den zweiten
Verbrennungsmodus über
zu gehen. Die Einführung
des Inertgases oder eines anderen geeigneten Zusatzstoffes in die
Brennkammer 10 muss zeitlich so abgestimmt erfolgen, dass
Verzögerungen beim Übergang
von einem Verbrennungsmodus zu einem anderen minimiert oder Unterbrechungen
und Verzögerungen
bei der Erhöhung
der Last auf der Gasturbine 10 von einer Last zu einer
anderen minimiert werden. Die Minimierung von Verzögerungen zwischen Übergangszuständen und/oder
bei Belastung der Gasturbine 10 kann auch erfolgen, ohne dass
der Wobbe-Index des Brennstoffs zu früh vorsorglich angepasst wird,
etwa wenn die anfängliche Verbrennungsroutine
noch aktiv ist, wodurch ein instabiler Betrieb der Gasturbine 10 während der
anfänglichen
Verbrennungsroutine hervorgerufen würde. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform
kann der Wobbe-Index durch Steuerung des Zustroms des in die Brennkammer 20 eingeleiteten
Zusatzstoffs im Wesentlichen konstant gehalten werden.
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Noch
weiter bezugnehmend auf 3 löst das Steuersystem 17 (1)
zu dem Zeitpunkt t1, wenn die Belastung
auf der Gasturbine 10 sich der ersten Übergangslast L1 nähert, die
den zweiten Verbrennungsmodus für
weitere Belastung erforderlich macht, die Einleitung des Zusatzstoffes
in die Brennkammer 20 aus. Das Einströmen des Zusatzstoffes in die
Brennkammer 20 über
die Zeit ist durch die gestrichelte Linie 92 wiedergegeben,
die der Brennstofftemperaturkurve in 3 überlagert
ist. Wie dargestellt, weist der Zustrom des Zusatzstoffes einen
Spitzenwert etwa zu dem Zeitpunkt t1 auf,
wenn die Gasturbine 10 (1) in den
zweiten Verbrennungsmodus übergehen
soll, um die Belastung der Gasturbine 10 fortschreiten
zu lassen. Dieser Spitzenwert gibt die größte Temperaturdifferenz zwischen
der Zieltemperatur des Brennstoffs und der von dem Sensor 44 zu
einem Zeitpunkt gemessener Brennstofftemperatur wieder, in dem der Übergang
der Gasturbine 10 in den zweiten Verbrennungsmodus erforderlich
ist. Die Einführung
des Zusatzstoffes zur Erzeugung der Brennstoffkombination stellt
einen geeigneten Wobbe-Index für
den Übergang
der Gasturbine 10 in den zweiten Verbrennungsmodus bei
stabilem Betrieb der Gasturbine 10 her. Sie erlaubt außerdem eine
im Wesentlichen kontinuierliche Belastung der Gasturbine 10 mit
minimalen Unterbrechungen zum Abwarten bis der aufzuheizende Brennstoff
den Wobbe-Index für
einen stabilen Betrieb der Gasturbine 10 in dem zweiten
Verbrennungsmodus erreicht. Die im Wesentlichen kontinuierliche
Belastung der Gasturbine 10 kann aus dem im Wesentlichen
linearen Linienabschnitt entnommen werden, der sich von dem Zeitpunkt
t0 bis zu dem Zeitpunkt t2 erstreckend
gemeinsam von den Linienabschnitten 90 und 91 in 3 gebildet
ist. Der signifikante horizontale Linienabschnitt 72 (2),
der eine im Wesentlichen konstante Last von dem Zeitpunkt t1 bis zu dem Zeitpunkt t2 in 2 angibt,
fehlt bei der gleichen Zeitspanne in der in 3 dargstellten
Ausführungsform.
Demgemäß ist die
Zeit, die erforderlich ist um schnell auf die Anforderung zum Antrieb
der erhöhten
Last und zur vollen Belastung der Gasturbine 10 (1)
mit der Last (erhöhte
Last ist in 2 und 3 wiedergegeben
als Last L2) zu reagieren, gegenüber
der Zeit t3 in 2 auf die
Zeit t2 in 3 verkürzt.
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Außerdem kann
bei der in 3 dargestellten Ausführungsform
das Steuersystem 17 (1) parallel
zu dem Einführen
des Zusatzstoffes in die Brennkammer 20 mit der Steuerung
des Aufheizens des Brennstoffs fortfahren. Demgemäß ist der
schräge
Linienabschnitt 84 in der Brennstofftemperaturkurve der 3 bei
der Annäherung
der Brennstofftemperatur an die durch die Linie 80 wiedergegebene Zieltemperatur
entsprechend geneigt.
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Der
Zustrom und/oder die Menge des Zusatzstoffes der Brennkammer 20 (1)
kann von dem Steuersystem 17 wenigstens teilweise auf der Differenz
zwischen der Zieltemperatur und der von dem Temperatursensor 44 erfassten
Temperatur basierend gesteuert werden. So kann beispielsweise der
Volumenstrom des Zusatzstoffes von dem Steuersystem 17 so
gesteuert werden, dass er proportional der Differenz zwischen der
Zieltemperatur und der von dem Temperatursensor 44 erfassten
Temperatur ist. Demgemäß ist der
Volumenstrom des Zusatzstoffs in die Brennkammer 20 umso
größer, je größer die
Temperaturdifferenz ist. Schließlich
kann, wenn die Temperatur des Brennstoffs die Zieltemperatur erreicht,
die erforderlich ist, um den zweckentsprechenden Wobbe-Index in
Abwesenheit des Zusatzstoffs aufrecht zu erhalten, wie dies zu dem
Zeitpunkt t2 in 3 dargerstellt
ist, das Steuersystem den Zustrom des Zusatzstoffs in die Brennkammer 20 (1)
unterbrechen. Damit werden ein instabiler Betrieb der Gasturbine
und die Zeit die erforderlich ist, um die Gasturbine 10 über mehrere
Verbrennungsmoden hinweg voll zu belasten minimiert.
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Im
Vorstehenden wurden illustrative Ausführungsformen beschrieben. Für den Fachmann
versteht sich aber, dass die im Vorstehenden erörterten Vorrichtungen und Verfahren Änderungen
und Abwandlungen beinhalten können,
ohne den allgemeinen Rahmen der Erfindung zu verlassen. Alle solche Abwandlungen
und Veränderungen
sollen im Schutzbereich der vorliegenden Erfindung liegen.