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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Diese
Beschreibung betrifft allgemein Gasturbinenbrennkammersysteme und
speziell Verfahren und Einrichtungen zur Brennstoffreformierung,
um den Betriebsfähigkeit der Brennkammersysteme zu verbessern.
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Gasturbinen
enthalten gewöhnlich einen Verdichterabschnitt, einen Brennkammerabschnitt
und wenigstens einen Turbinenabschnitt. Die Verdichterluft wird
in die Brennkammer geleitet, wo Brennstoff injiziert, mit der Luft
vermischt und verbrannt wird. Die Verbrennungsgase werden anschließend
der Turbine zugeführt, die den Verbrennungsgasen Energie
entzieht.
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Gasturbinenbrennkammersysteme
arbeiten mit Blick auf die Strömung, den Druck, die Temperatur und
die Brennstoff/Luft-Verhältnisses über einen großen
Bereich von Betriebsbedingungen. Eine Brennkammerleistungsüberwachung,
die Brennkammerstabilität, Emissionen und Dynamik beinhaltet,
ist erforderlich, um insgesamt einen zufriedenstellenden Betrieb
einer GAsturbine zu erreichen und aufrecht zu erhalten, und um angemessene
Emissionspegel, insbesondere von Stickstoffoxiden (NOx),
Kohlenmonoxid (CO) und unverbranntem Kohlenwasserstoff (UHC), zu
erzielen.
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In
einer Klasse von Gasturbinenbrennkammern werden niedrige NOx-Emissionspegel durch Einsatz eines Verbrennungsprozesses
erreicht, der mageren vorgemischten Brennstoff verwendet, wobei
der Brennstoff und ein Überschuss von Luft, der zur vollständigen
Verbrennung des Brennstoffs erforderlich ist, vor der Verbrennung
gemischt werden, um die thermische Erzeugung von NOx zu
steuern und zu begrenzen. An Brennkammern dieser Art, die häufig
als Dry-Low-NOx-(DLN)-Brennkammern bezeichnet
werden, wird ständig die Anforderung gestellt, mit immer
höherem Wirkungsgrad zu arbeiten, während die
Entstehung unerwünschter Schadstoffemissionen weiter zu
reduzieren ist. Höhere Wirkungsgrade von DLN-Brennkammern
werden gewöhnlich durch eine allgemeine Steigerung der
Gastemperatur in der Brennkammer erreicht. Gewöhnlich werden
Emissionen durch eine Senkung der maximalen Gastemperatur in der
Brennkammer reduziert. Der Wunsch nach Steigerung des Wirkungsgrads,
mit der sich daraus ergebenden Erhöhung der Brennkammertemperaturen,
ist in gewisser Weise unvereinbar mit den behördlichen
Vorschriften für DLN-Gasturbinenbrennkammersysteme mit
geringem Schadstoffausstoß.
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Die
Oxidation molekularen Stickstoffs in Gasturbinen nimmt mit der maximalen
Heißgastemperatur in der Verbrennungsreaktionszone jeder
Brennkammer beträchtlich zu. Die Geschwindigkeit von chemischen Reaktionen,
die NOx bilden, ist eine Exponentialfunktion
der Temperatur. Das Volumen von NOx-Emissionen kann
auch dann groß sein, falls diese hohe maximale Temperatur
lediglich kurzzeitig erreicht wird. Ein übliches Verfahren
zum Reduzieren von NOx-Emissionen basiert
dar auf, die maximale Heißgastemperatur in der Brennkammer
zu senken, indem ein mageres Brennstoff/Luft-Verhältnis
aufrecht erhalten wird.
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Eine
Wirkung des Betriebs in einem Magergemischverbrennungsmodus ist,
dass die Brennkammer unerwünschten Druckschwankungen unterworfen
werden könnte. Abhängig von der Größe
der Schwingungsamplitude, könnten diese Druckschwankungen
Komponenten des Brennkammersystems beschädigen. Falls das
Brennstoff-Luft-Gemisch in einer Brennkammer zu mager ist, können
allerdings darüber hinaus übermäßige
Emissionen von Kohlenmonoxid und unverbranntem Kohlenwasserstoff
entstehen. CO- und UHC-Emissionen sind auf eine unvollständige
Verbrennung des Brennstoffs zurückzuführen. Diese
Emissionen entstehen gewöhnlich an Orten, wo das Brennstoff-Luft-Gemisch
die Verbrennung in der Reaktionszone übermäßig abkühlt.
Die Temperatur in der Reaktionszone muss angemessen sein, um eine
vollständige Verbrennung zu unterstützen, da es
ansonsten zu einem Stillstand der chemischen Verbrennungsreaktionen
kommt, bevor ein Gleichgewicht erreicht ist.
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Ein
Verfahren zum Verbessern dieses Kompromisses basiert darauf, dem
Standardbrennstoff Wasserstoff oder sonstige Sorten von nicht auf
Methan basierenden kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffen hinzuzufügen,
um die Reaktivität in der Brennkammer zu steigern. Indem
dem Standardbrennstoff gründlich vorgemischte, in hohem
Maße reaktive Brennstoffe beigemengt werden, kann das Brennkammerkopfende
mit einem geringeren Brennstoff/Luft-Verhältnis betrieben
werden, während eine stabile Flamme und eine angemessene
CO- und UHC-Reaktivität für eine zunehmender Drosselung
der Gasturbine aufrecht erhalten wird. Ein Hinzufügen von
reaktiven Brennstoffen, beispielsweise Wasserstoff, kann gewisse
Brennstoffaufteilungen zulassen, die geringere Emission von NOx hervorbringen. Dieses Verfahren erfordert
jedoch einen zusätzlichen Wasserstoffspeicher vor Ort,
sowie ein Dosierungssystem zum Injizieren der gewünschten
Mengen von Wasserstoff in den Brennstoffstrom. Ein herkömmliches
Verfahren zur Vermeidung dieser Kosten basiert darauf, den Turbinenbrennstoff
zu reformieren, um innerhalb des Gasturbinenbrennstoffzufuhrsystems
Wasserstoff zu erzeugen.
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Bisher
wurden katalytische Reformer verwendet, um Wasserstoff aus einem
einer Brennkammer einzuspeisenden Brennstoff zu erzeugen. Der katalytische
Reformer kann entfernt von dem Brennkammersystem angeordnet sein,
oder er kann in dem Brennkammersystem in strömungsmäßiger
Verbindung mit dem Turbinenbrennstoff angeordnet sein. Durch Erzeugung
von Wasserstoff anhand des vorhandenen Brennstoffs, kann auf einen
Wasserstoffspeicher vor Ort verzichtet werden, und im Falle eines
In-Line-Reformers, kann auf ein Wasserstoffdosierungssystem verzichtet
werden. Katalytische Reformer erfordern allerdings möglicherweise eine
regelmäßige Wartung. Beispielsweise kann die Aktivität
des Katalysators im Lauf der Zeit nachlassen, so dass der Reformer
mit Frischkatalysator aufzufüllen ist. Ein weiteres mögliches
Problem besteht darin, dass der Reformerkatalysator verunreinigt
wird, was eine einwandfreie Bildung von Wasserstoff aus dem Brennstoff verhindert.
In beiden Fällen wird es erforderlich sein, den Katalysator
zu wechseln. Abhängig von Konstruktion des Systems, könnte
ein Anstieg von Abgasemissionen auftreten, während der
katalytische Reformer abgeschaltet ist, oder die Gasturbine muss
möglicherweise für einen Katalysatoraustausch
sogar außer Betrieb genommen werden.
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Plasmatronanlagen
oder Plasmabrenner sind Einrichtungen, die eine elektrischen Entladung
nutzen, um anhand von Kohlenwasserstoffen ein wasserstoffreiches
Gas hervorzubringen. Es wurden daher Plasmabrenner in der Siemens
gehörenden PCT-Veröffentlichung Nr.
WO 03/055794 vorgeschlagen. Plasmabrenner sind
gewöhnlich kleiner als katalytische Reformer, z. B. Dampf-Methan-Reformer
oder oxidative Reformer. Darüber hinaus erfordern Plasmabrenner
weder die Einspeisung von Reaktionspartnern (z. B. Wasserstoffeinspeisung),
noch die damit verbundene Vorortspeicherung. Andererseits wird bei
der Erzeugung des Plasmas zusätzliche elektrische Energie
verbraucht. Ein Hauptvorteil von Plasmabrennern ist, das sie auf
einen Bedarf ansprechen können, um die erforderliche Konzentration
von Wasserstoff und sonstiger Produkte hervorzubringen, um die gewünschten
Betriebsziele eines Systems, beispielsweise mit Blick auf die Emissionen,
die Dynamik und die Flammenstabilität zu erreichen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Bereitstellen eines Brennstoffs
geschaffen, der einer oder mehreren Brennkammern in einem Gasturbinensystem
zugeführt wird, mit den Schritten: Reformieren eines Teils
des Brenn stoffs in einem oder mehreren Brennstoffkreisläufen
des Gasturbinenbrennkammersystems mittels eines Plasmabrennersystems,
um mindestens entweder Wasserstoff und/oder Kohlenwasserstoffe höherer
Ordnung zu bilden, die zusammen mit einem übrigen Teil
des Brennstoffs einer oder mehreren Brennkammern zuzuführen
sind; und Regeln wenigstens entweder der Leistung und/oder des Brennstoffzustroms
zu dem Plasmabrennersystem unter Verwendung eines aktiven Rückkopplungsregelungsystems.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Gasturbinensystem geschaffen,
zu dem gehören: ein Verdichter, mehrere Brennkammern und
eine Turbine; ein Treibstoffsystem, das einen oder mehrere Brennstoffkreisläufe
aufweist, die dazu eingerichtet sind, Brennstoff zu den mehreren
Brennkammern zu liefern; ein Plasmabrennersystem, das mit dem einen
oder den mehreren Brennstoffkreisläufen strömungsmäßig
verbunden ist, und das dazu eingerichtet ist, einen Teil des Brennstoffs
in dem einen oder den mehreren Brennstoffkreisläufen zu
reformieren; und ein Steuerungssystem, das dazu eingerichtet ist,
wenigsten die Leistung und/oder den Brennstoffstrom zu dem Plasmabrennersystem
zu regeln.
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Diese
und andere Vorteile und Merkmale werden anhand der nachfolgenden
Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen verständlicher.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Der
als die Erfindung erachtete behandelte Gegenstand, wird in den der
Beschreibung beigefügten Patentansprüchen speziell
aufgezeigt und gesondert beansprucht. Die vorausgehend erwähnten
und sonstige Ausstattungsmerkmale und Vorteile der Erfindung werden
nach dem Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung
mit den beigefügten Figuren verständlich:
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1 zeigt
in einem Blockschaltbild ein Gasturbinensystem.
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2 zeigt
in einem Blockschaltbild ein Ausführungsbeispiel eines
Plasmabrennersystems, das in einem Brennstoffkreislauf des Gasturbinensystems
von 1 angeordnet ist.
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3 zeigt
ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Nebenstromplasmareformersystems,
das mit einem Brennstoffkreislauf des Gasturbinensystems von 1 strömungsmäßig
verbunden ist.
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4 zeigt
in einem Blockschaltbild ein Ausführungsbeispiel eines
Brennstoffkreislaufs, der einen Wärmetauscher zum Vorwärmen
von Brennstoff und einen Expander zum Senken des Brennstoffeinlassdrucks
aufweist.
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Die
detaillierte Beschreibung erläutert beispielhaft anhand
der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung, zusammen
mit Vorteilen und Merkmalen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Im
Vorliegenden sind Gasturbinenbrennkammersysteme, und speziell Verfahren
und Einrichtungen für eine In-Line-Brennstoffreformierung
beschrieben, um die Betriebsfähigkeit der Brennkammersysteme
zu verbessern. Die Gasturbinenbrennkammersysteme nutzen ein Plasmabrennersystem,
das mit einem oder mehreren Brennstoffkreisläufen strömungsmäßig
verbunden ist, um einen geringen Teil des Brennstoffs teilweise zu
reformieren und die Brennstoffreaktivität zu steigern.
In dem hier verwendeten Sinne soll der Begriff ”In-Line” im
Allgemeinen bedeuten, dass das Plasmabrennersystem eine integrale
Komponente des Turbinenbrennstoffsystems ist. Das Plasmabrennersystem
kann in dem Brennstoffsteuerungssystem, und in einigen Ausführungsbeispielen,
in dem Brennstoffstrompfad eines oder mehrerer Brennstoffkreisläufe
des Brennstoffsteuerungssystems angeordnet sein. Das Plasmabrennersystem
kann daher die Brennkammerleistung, beispielsweise die Dynamik,
die Flammenstabilität und Emissionen verbessern, während
der Energieverbrauch begrenzt wird, indem für einen Teil
des Brennstoffs in dem Gasturbinenbrennkammersystem eine bedarfsgesteuerte
Brennstoffaufbereitung bereitgestellt wird. Der Plasmabrenner ist
betriebsmäßig mit einem Gasturbinensteuerungssystem
strömungsmäßig verbunden, um die Brennstoffaufbereitung
nach Bedarf bereitzustellen, um die erforderliche Emissionskontrolle
(z. B. von NOx, gelber Abgasfahne (sichtbarem
NO2) usw.) oder Betriebsbereitschaft (beispielsweise
Verbrennungsdruckschwankungen, auch als Verbrennungsdynamik oder einfach
Dynamik bekannt) zu erreichen, während parasitäre
Verluste begrenzt werden.
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1 zeigt
in einem Blockschaltbild ein Gasturbinensystem 10, das
einen Verdichter 12, eine Brennkammer 14 und eine
Turbine 16 aufweist, die über eine Antriebswelle 15 mit
dem Verdichter 12 verbunden ist. Wie aus der Figur zu entnehmen,
kann das System 10 eine einzige Brennkammer oder mehrere
Brennkammern aufweisen (wobei in der Figur zwei gezeigt sind). In
einem Ausführungsbeispiel sind die Brennkammern DLN-Brennkammern.
In noch einem Ausführungsbeispiel sind die Brennkammern
magere Vorvermischung verwendende Brennkammern. Die Gasturbine wird
mit einer Kombination von Bedienersteuerbefehlen und einem Steuerungssystem 18 betrieben.
Ein Einlasskanalsystem 20, das durch eine Modulation mittels
des Aktuators 25 die dem Verdichter 12 zugeführte
Luftmenge regelt, leitet den Verdichtereinlassleitschaufeln 21 Umgebungsluft
zu. Ein Abgasauslasssystem 22 leitet aus dem Auslass der
Turbine 16 stammende Verbrennungsgase durch Vorrichtungen
hindurch, die beispielsweise zur Schalldämpfung, Wärmerückgewinnung
und möglicherweise zur Emissionskontrolle dienen. Die Turbine 16 kann
einen Generator 24, der elektrischen Strom erzeugt, oder
ein beliebige sonstige mechanische Last antreiben.
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Der
Betrieb des Gasturbinensystems 10 kann durch vielfältige
Sensoren 26 überwacht sein, die vielfältige
Bedingungen des Verdichters 12, der Turbine 16,
des Generators 24 und der unmittelbaren Umgebung erfassen.
Beispielsweise können die Sensoren 26 die Umgebungstemperatur,
den Druck und die Luftfeuchtigkeit in der Umgebung des Gasturbinensystems 10,
den Ausgabedruck und die Temperatur des Verdichters, die Ab gastemperatur
und die Emissionen der Turbine sowie sonstige Druck- und Temperaturmesswerte
in der Gasturbine überwachen. Die Sensoren 26 können
ferner Strömungssensoren, Geschwindigkeitssensoren, Flammendetektorsensoren,
Ventilstellungssensoren, Leitschaufelwinkelsensoren und anderen
Sensoren beinhalten, die vielfältige Parameter in Zusammenhang
mit dem Betrieb des Gasturbinensystems 10 erfassen. In
dem hier verwendeten Sinne bezieht sich der Begriff ”Parameter” auf
physikalische Eigenschaften, deren Werte genutzt werden können,
um die Betriebsbedingungen des Gasturbinensystems 10, z.
B. Temperaturen, Druckwerte, Fluidströme an definierten
Orten, und dergleichen zu definieren.
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Zusätzlich
zu den oben erwähnten Sensoren 26 sind ein oder
mehrere (nicht gezeigte) Sensoren vorhanden, die dazu dienen, Brennstoffeigenschaften
ausreichend zu überwachen oder zu erfassen, um die Brennstoffzusammensetzung
vor und/oder nach dem Plasmabrenner 32 zu ermitteln, der
im Nachfolgenden beschrieben ist. Die Sensoren können einen
oder mehrere der nachfolgenden Parameter erfassen: die fraktionierte
Zusammensetzung (des Brennstoffs), den Wasserstoffgehalt, einen
die modifizierte Wobbe-Kennzahl des Brennstoffs (MWI) kennzeichnenden
Parameter, den spezifischen Brennwert (LHV), die Brennstofftemperatur,
und dergleichen.
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Eine
Brennstoffsteuereinrichtung 28 spricht auf von dem Steuerungssystem 18 ausgegebene
Befehle an, um den von einem Brennstoffvorrat zu der (den) Brennkammer(n) 14 strömenden
Brennstoffstrom und die Brennstoffaufteilungen (d. h. die unabhängig
gesteuerte Brennstoffzufuhr zu Brennstoffkreisläu fen) zu
mehreren Brennstoffdüseninjektoren (d. h. Brennstoffkreisläufen)
fortlaufend zu regeln, die in der (den) Brennkammer(n) 14 angeordnet
sind. Das Brennstoffsteuerungssystem 28 kann ferner durch
die Steuereinrichtung 18 veranlasst werden, die Art des
Brennstoffs oder eine Mischung von Brennstoffen für die
Brennkammer auszuwählen, falls mehr als ein Brennstoff
verfügbar ist. Durch ein Modulieren der Aufteilungen des
Brennstoffs auf die mehreren Brennstoffgasregelventile mittels der
Brennstoffsteuereinrichtung 28 und durch eine Regelung der
partiellen Brennstoffreformierung in einem oder mehreren Brennstoffinjektoren
mittels des Steuerungssystems 18 werden die Emissionen
und die Dynamik über den gesamten Gasturbinenlastbereich
hinweg verbessert.
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Das
Steuerungssystem 18 kann ein mit einem (oder mehreren)
Prozessor(en) bestücktes Computersystem sein, das Programme
ausführt, um den Betrieb der Gasturbine anhand der oben
beschriebenen Sensoreingaben und der Anweisungen von zusätzlichen
Bedienern zu steuern oder zu regeln. Die durch das Steuerungssystem 18 ausgeführten
Programme können Zeitplanungsalgorithmen zum Regeln des
Brennstoffzustroms, der Brennstoffreformierung und der Brennstoffaufteilungen
auf die Brennkammer(n) 14 beinhalten. Insbesondere veranlassen
die durch das Steuerungssystem erzeugten Befehle Aktuatoren in der
Brennstoffsteuereinrichtung 28 dazu, sowohl den Strom zu
dem Plasmabrenner 32 als auch den Strom zu den Brennstoffdüseninjektoren
zu regeln oder zu steuern; stellen Einlassführungsschaufeln 21 an
dem Verdichter ein und aktivieren den Plasmabrenner oder steuern
sonstige Systemvorgabewerte an der Gasturbine.
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Die
Algorithmen ermöglichen auf diese Weise dem Steuerungssystem 18,
die Brennkammerverbrennungstemperatur und Abgastemperatur innerhalb
vordefinierter Temperaturgrenzen aufrecht zu erhalten, und die NOx- und CO-Emissionen in dem Turbinenabgas
im Bereich von Teillast- bis zu Volllastbetriebsbedingungen der
Gasturbine unterhalb vordefinierter Grenzen zuhalten. Die Brennkammern 14 können
auf einem DLN-Brennkammersystem basieren, und das Steuerungssystem 18 kann
programmiert und modifiziert sein, um die Brennstoffaufteilungen
für das DLN-Brennkammersystem nach Maßgabe der
vorbestimmten Brennstoffaufteilungszeitpläne zu steuern
oder zu regeln, die durch einen Abstimmvorgang modifiziert werden,
der nach jeder größeren Wartungsausfallzeit der
Brennkammern und Gasturbinen durchgeführt wird, um den
Anteil von Emissionen und die Verbrennungsdynamik zu verbessern.
Die Brennkammerbrennstoffaufteilungen werden ebenfalls durch den
periodischen Abstimmvorgang eingestellt, um Leistungszielen zu genügen,
während gleichzeitig Betriebsbeschränkungen der
Gasturbine beachtet werden. Sämtliche derartigen Steuerungssfunktionen
zielen darauf ab, die Betriebsbereitschaft, Zuverlässigkeit
und Verfügbarkeit der Gasturbine zu verbessern.
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Das
Plasmabrennersystem 32 ist strömungsmäßig
mit dem Brennstoffzustrom eines oder mehrerer (nicht gezeigter)
Brennstoffkreisläufe in dem Brennstoffsteuerungssystem 28 verbunden.
Auch hier ist das Plasmabrennersystem 32 dazu eingerichtet,
einen geringen Prozentsatz des Brennstoffs teilweise zu reformieren,
um die Brennstoffreaktivität zu steigern. Das partielle
Reformieren des Brennstoffs steigert die Brennstoffreaktivität,
indem Kohlenwasserstoffe höherer Ordnung und Wasserstoff
gebildet werden, die mit dem übrigen Teil nicht-reformierten
Brennstoffs zusammengeführt werden. Das Maß der
Reformierung kann eingestellt werden, um die Stabilität
bei geringer Turbinenlast zu steigern, oder um dank der Wirkungen,
die die gesteigerte Brennstoffreaktivität auf die Magergemischverbrennung
hat, geringere Emissionen zu ermöglichen. Die gesteigerte
chemische Reaktivität des Brennstoffs kann dazu beitragen,
die Entstehung von NOx in der Brennkammer
bedeutend zu reduzieren. Beispielsweise wird eine bestehende Gasturbinenbrennkammer
zumindest eine von mehreren Brennstoffdüsen bei einer Flammentemperatur
betreiben, die diejenige der anderen überschreitet, um
dazu beizutragen, dass der Brennstoff und das CO innerhalb einer
vorbestimmten Entfernung verbrennt. Mit einem reaktiveren Brennstoff
ist es allerdings nicht erforderlich, die Brennstoffdüse
bei einer derartig hohen Flammentemperatur zu betreiben. Folglich
wird ein Reduzieren der maximalen Flammentemperatur der Brennstoffdüse(n),
wie zuvor erwähnt, die Bildung von NOx in
der Brennkammer deutlich reduzieren. Darüber hinaus kann
das Plasmabrennersystem 32 das Gasturbinenssystem 10 während
leistungsarmer Niederlastbedingungen unterstützen, da eine
Steigerung der Brennstoffreaktivität es ermöglicht,
die Brennkammer weiter zu drosseln, ohne CO-Emissionsgrenzwerte
zu übertreten.
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Das
Plasmabrennersystem 32 kann verwendet werden, um jeden
gewöhnlich in Gasturbinenbrennkammersystemen verwendeten
Brennstoff teilweise zu reformieren. Exemplarische Brennstoffe für
eine partielle Reformation können, ohne darauf be schränken
zu wollen, Benzin, Dieseltreibstoff, Erdgas, Jet-Propellant (JP4),
aus Biomasse abgeleitete Brennstoffe und sonstige ähnliche
auf Kohlenwasserstoffen basierende Brennstoffe beinhalten. Das Plasmabrennersystem 32 ist
dazu eingerichtet, einen geringen Prozentsatz des Brennstoffs zu
reformieren, um Kohlenwasserstoffe höherer Ordnung und
Wasserstoff zu bilden. Der Plasmabrenner ist in der Lage, etwa 0,1
Volumenprozent (Vol.-%) bis ungefähr 100 Vol.-% des Brennstoffs,
speziell etwa 1 Vol.-% bis ungefähr 50 Vol.-%, spezieller
etwa 2 Vol.-% bis ungefähr 35 Vol.-%, und noch spezieller
5 Vol.-% bis 20 Vol.-% zu reformieren. Der gewünschte Prozentsatz
von reformiertem Brennstoff kann von einer Anzahl von Faktoren abhängen,
beispielsweise sind dies, ohne darauf beschränken zu wollen,
Turbinenlast, Brennstoffart, Wasser- und/oder Oxidationsmittelzusätze,
Brennstofftemperatur Emissionen, und dergleichen. Das Steuerungssystem 18 kann
dazu eingerichtet sein, auf der Grundlage von Rückführungssignalen
von jedem der Sensoren 26 die Leistungseingabe zu dem Plasmabrennersystem 32 zu
regeln, und den Prozentsatz von reformiertem Brennstoff zu regeln
oder zu steuern.
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Wie
erwähnt, kann das Plasmabrennersystem in dem Treibstoffsystem
des Gasturbinenbrennkammersystems an einer beliebigen Stelle angeordnet
sein, an der die Plasmaentladung mit wenigstens einem Teils des
Brennstoffs in Berührung kommt. Das Plasmabrennersystem
kann somit in einem oder mehreren Brennstoffkreisläufen
der Brennkammer angeordnet sein. Ein Ausführungsbeispiel
eines Brennstoffkreislaufs 100 ist in 2 veranschaulicht.
In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Plasmabrennersystem 102 in
einer Brennstoffleitung 104 des Brennstoffkreislaufs 100 angeordnet,
der dazu eingerichtet ist, Brennstoff durch einen Brennstoffdüseninjektor
in eine der Brennkammerräume einzuspeisen. Das Plasmabrennersystem 102 ist so
positioniert, dass ein Teil des Brennstoffstroms in der Leitung 104 die
Plasmaentladung 106 des Reformers durchquert. Das Plasmabrennersystem 102 ist
mit einem Gasturbinensteuerungssystem 108 elektrisch verbunden.
Das Gasturbinensteuerungssystem 108 ist dazu eingerichtet,
den Prozentsatz von reformiertem Brennstoff zu regulieren, indem
die an den Plasmabrenner 102 abgegebene Leistung und/oder
der durch die Plasmaentladung 106 hindurch strömende
Brennstoff geregelt wird.
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Während
das Plasmabrennersystem 102 an einem beliebigen Punkt in
dem Brennstoffkreislauf 100 angeordnet sein kann, zeigt 2 den
Reformer stromaufwärts des Brennstoffverteilers 110 angeordnet. Durch
eine solche Positionierung des Plasmabrenners lässt sich
ein Ausfall einer vorhandenen Betriebsbereitschaft des Brennkammersystems
vermeiden, sollte der Reformer versagen. Da der Reformer stromaufwärts des
Brennstoffverteilers angeordnet ist, kann der von dem Brennstoffkreislauf 100 zu
der Brennkammer strömende Strom ohne weiteres abgeschaltet
werden, während das Gasturbinenbrennkammersystem mittels
der übrigen Kreisläufen weiter arbeitet. Diese
spezielle Anordnung stellt außerdem eine einen einfachen
Zugangspunkt in dem Brennkammersystem sowohl für den Einbau
als auch für die Wartung bereit. Noch ein weiterer Vorteil
der Positionierung des Plasmabrennersystems 102 in dem
Brennstoffkreislauf 100 basiert darauf, dass auf eine aktive
Kühlung des Plasmabrenners verzichtet werden kann. Plas mabrenner
können beträchtliche Wärme erzeugen,
die über die Zeit abgeführt werden muss. In einigen
Plasmabrennersystemen ist es erforderlich, Kühlwasserleitungen
zu dem Reformer zu verlegen und das System zu kühlen. Wenn
der Plasmabrenner in der Brennstoffleitung 104 angeordnet
ist, kann der Brennstoff jedoch eine passive Kühlung für
den Reformer bereitstellen. Die Strömungsrate des den Plasmabrenner
umströmenden Brennstoffs reicht aus, um den Reformer zu
kühlen und eliminiert den Bedarf einer zusätzlichen
Kühlung, beispielsweise eines Einbaus von Wasserleitungen
und dergleichen.
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3 veranschaulicht
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Plasmabrennersystems 210,
das mit einem Brennstoffkreislauf 200 strömungsmäßig
verbunden ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Plasmabrenner 212 außerhalb
der Brennstoffleitung 204 angeordnet. Ein Teil des aus
der Brennstoffleitung 204 stammenden Brennstoffs kann durch
den Betrieb von Umleitungsventilen 208 in das Plasmabrennersystem 210 umgeleitet
werden. Ein Nebenstrom des Brennstoffs durchquert die Plasmaentladung 216,
wobei der Brennstoff in Kohlenwasserstoffe höherer Ordnung
und Wasserstoff umgewandelt wird. Die Umleitungsventile 208 können
an den Einlass- und Auslassstellen des Plasmabrennersystems 210 angeordnet
sein, um den dorthin strömenden Brennstoffstroms aktiv
zu steuern. Sowohl die Umleitungsventile 208 als auch der
Plasmabrenner 212 können betriebsmäßig
mit einem Gasturbinensteuerungssystem verbunden sein, um eine bedarfsgesteuerte
Reformation eine Teils des Turbinenbrennstoffs bereitzustellen.
Darüber hinaus kann das Nebenstromplasmareformersystem 210 mittels
der Umleitungsventile 208 von dem Brennstoffkreislauf 200 getrennt und gewartet
werden, ohne den Brennstoffzustrom zu der Gasturbinenbrennkammer
zu unterbrechen.
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Die
im Vorliegenden beschriebenen Plasmabrennersysteme sind betriebsmäßig
mit einem Gasturbinensteuerungssystem verbunden, das dazu eingerichtet
ist, eine bedarfsgesteuerte Funktionalität für
den Plasmabrenner bereitzustellen. Das Steuerungssystem überwacht über
das gesamte Gasturbinenbrennkammersystem hinweg Prozessbedingungen,
z. B. Temperaturen und Druckwerte. Ein derartiges Steuerungssystem
kann zur Einstellung von Brennstoffeinspeisungsraten und/oder Plasmagaseinspeisungsraten,
zur Steuerung einer dem Plasmabrenner gelieferten Leistung, zur Überwachung
der Plasmaentladungsbedingungen, zur Einstellung der Einspeisungsraten
zusätzlicher Prozessgase (z. B. Oxidationsmittel) oder
zur Steuerung sonstiger ähnlicher Bedingungen in dem Gasturbinensystem
genutzt werden. Ein Brennstoffgasanalysesubsystem kann ferner vorhanden
sein, um zusätzliche Rückführung an ein
solches Steuerungssystem auszugeben. Das Steuerungssystem kann den
Plasmabrenner in Abhängigkeit von einer beliebigen Anzahl
von Prozessparametern betreiben und steuern. Eine von den Sensoren,
Thermoelementen und dergleichen ausgegebene Rückführung
warnt das Steuerungssystem vor vielfältigen Bedingungen
in dem Gasturbinensystem. Beispiele von Prozessparametern können,
ohne darauf beschränken zu wollen, die Temperatur (z. B.
Brennstofftemperatur, Düsentemperatur, Brennkammertemperatur,
und dergleichen), die Luftfeuchtigkeit, der Einlassdruckabfall,
der dynamische Druck, der Abgasgegendruck, die Abgasemissionen (z.
B. NOx, CO, UHC und dergleichen), die Last
und Leistung der Turbine, und dergleichen beinhalten. Diese Rück kopplungsschleife zwischen
der Überwachung von Parametern und dem Steuerungssystem
kann anzeigen, wenn die Reaktivität des Brennstoffs zu
verändern ist, und in Folge den Plasmabrenner aktivieren.
Wenn gewisse Parameter einen vorbestimmten Zielvorgabewert erreichen,
kann es sinnvoll sein, die Reformierung nicht mehr fortzusetzen
und den Plasmabrenner zu deaktivieren. Während der Plasmabrenner
den Brennstoff reformiert, entzieht er dem Gasturbinensystem auch
Leistung. Es ist daher wünschenswert, den Plasmabrenner
abzuschalten, wenn er für die Emissionsüberwachung
und/oder Turbinenbetriebsbereitschaft nicht benötigt wird.
Beispielsweise kann der Plasmabrenner genutzt werden, einen Teil
des Brennstoffs zu reformieren, wenn die Turbine unter Schwachlastbedingungen
arbeitet, bei denen eine geringe Energieabfuhr von dem Reformer
für die Leistungsabgabe der Turbine unschädlich
ist. Allerdings kann der Plasmabrenner unter Volllastbedingungen,
beispielsweise in Zeiten einer Spitzennachfrage nach Energie, abgeschaltet
werden, um den Energieentzug von dort zu eliminieren.
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Wie
oben erwähnt, kann das Plasmabrennersystem in einem oder
mehreren Brennstoffkreisläufen des Gasturbinenbrennkammersystems
angeordnet sein. Das Plasmabrennersystem kann abgestimmt werden,
um die Kohlenwasserstoffspezies zu ändern, die durch die
bruchteilige Brennstoffreformierung entstehen. Auch hier ist der
Plasmabrenner dazu eingerichtet, einen Teil des Brennstoffs in dem
Brennstoffkreislauf zu reformieren, um Wasserstoff und/oder Kohlenwasserstoffe
hervorzubringen, die eine höhere Ordnung aufweisen (d.
h. größere sind) als die nichtreformierten Brennstoffkohlenwasserstoffe.
Beispielswei se kann der Plasmabrenner Erdgas (Methan) in Wasserstoff
und/oder reaktivere Kohlenwasserstoffe umwandeln. In einem Ausführungsbeispiel
hat der Brennstoff nach der Plasmareformation bezogen auf 100% Methanbrennstoff
einen Wasserstoffgehalt von kleiner gleich etwa 66 Vol.-%, speziell
kleiner gleich etwa 15 Vol.-%, spezieller kleiner gleich etwa 5
Vol.-%. Ein Beschränken des Wasserstoffgehalts des reformierten
Brennstoffs kann dazu beitragen, Dichtungsprobleme in den Brennstoffdüseninjektoren
zu vermeiden. Wenn der Wasserstoffgehalt zu groß ist, können
Standarddichtungen in den Düsen von DLN-Brennkammersystemen
im Lauf der Zeit undicht werden oder ausfallen. Die Fähigkeit
das Plasmabrennersystem abzustimmen, um die Spezies zu steuern,
die erzeugt wird, ist vorteilhaft, da das System eine Anzahl von
reaktiveren Kohlenwasserstoffsystemen hervorbringen kann, die eine
Reaktivität des Brennstoffs erzeugen, die jener von Wasserstoff ähnelt,
jedoch nicht die in Zusammenhang mit hohen Wasserstoffkonzentrationen
auftretende schädliche Wirkung auf die Dichtigkeit aufweisen.
Zu Kohlenwasserstoffen höherer Ordnung, die durch die Brennstoffaufbereitung
gebildet werden, gehören beispielsweise, ohne darauf beschränken
zu wollen, Ethylen, Ethan, Propylen, 1,2 Butadien, Azetylen, und
dergleichen. Die Plasmatemperatur, der Plasmatyp, die Plasmabetriebscharakteristik,
der spezifische Energieeintrag (Energie/Molekül) und die
Brennstofftemperatur können sämtliche die Produktselektivität
der fraktionierten Brennstoffreformierung und den Wirkungsgrad der
Energieumwandlung beeinflussen. Weiter kann in anderen Ausführungsbeispielen
dem Plasmabrennersystem ein Oxidationsmitteleinspeisestrom hinzugefügt
sein. Das Oxidationsmittel wird, wenn es der Plasmaentladung unterworfen
wird, auch die Art der Reformation beeinflussen, der der Brennstoff
unterworfen wird, so dass das Reaktionsprodukt verändert
wird, und ein weiterer Einfluss auf die Reaktivität des
Brennstoffs genommen wird. Exemplarische Oxidantien können, ohne
darauf beschränken zu wollen, Luft, Sauerstoff, mit Sauerstoff
angereicherte Luft, Wasser, Wasserstoffperoxid, Methanol, und dergleichen
beinhalten. Darüber hinaus kann ein Hinzufügen
des Oxidationsmittels die angeforderte Leistungsaufnahme des Plasmabrenners
reduzieren, was den Umwandlungswirkungsgrad für manche
Produkte steigert.
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Ein
Reformieren des Brennstoffes bei geringeren Drücken und
höheren Einlasstemperaturen kann die Konzentration reformierter
Produkte und den Wirkungsgrad bei der Erzeugung derselben erhöhen.
Eine Brennstoffzerlegung durch die Plasmaentladung wird bei höheren
Einlassbrennstofftemperaturen thermodynamisch begünstigt.
Der Kohlenwasserstoff höherer Ordnung und die Wasserstofferzeugung
sowie der Umwandlungswirkungsgrad können gesteigert werden,
indem die Brennstofftemperatur in dem gewählten Brennstoffkreislauf
erhöht wird. 4 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel
eines Brennstoffkreislaufs 300 in einem Gasturbinenbrennkammersystem,
das einen optionalen Wärmetauscher 320 enthält,
der dazu eingerichtet ist, die Temperatur des darin befindlichen
Brennstoffs zu erhöhen. Der Wärmetauscher 320 ist
stromaufwärts des Plasmabrennersystems 310 in
strömungsmäßiger Verbindung mit dem Brennstoffkreislauf
angeordnet, so dass die Temperatur des Brennstoffs, bevor dieser
der Plasmaentladung unterworfen wird, verbessert werden kann. Der
Wärmetauscher 320 verwendet eine Wärmequelle 322 zur
Steigerung der Temperatur des gesam ten oder eines Teils des Brennstoffs
in dem Brennstoffkreislauf 300. In einem Ausführungsbeispiel
kann die Wärmequelle 322 auf dem Abgas aus der
Gasturbine 324 basieren. Nachdem ein Teil des erwärmten
Brennstoffs durch den Plasmabrenner reformiert wurde, kann der Brennstoffstrom
optional vor seiner Injektion in den Brennkammerraum gekühlt
werden. In einem weiteren optionalen Ausführungsbeispiel
kann der Brennstoffkreislauf 300 einen Expander 326 (z.
B. einen Turboexpander) enthalten, der dazu eingerichtet ist, den
Einlassdruck des an den Plasmabrenner ausgegebenen Brennstoffs zu
senken. Der Einsatz des Expanders 326 kann den thermischen
Gesamtwirkungsgrad des Systems verbessern. Ein optionaler Wärmetauscher 328 kann
in strömungsmäßiger Verbindung zwischen
dem Expander 326 und dem Plasmabrennersystem 310 angeordnet
sein, um die Temperatur des expandierten Brennstoffs zu erhöhen.
Optional kann an einem stromabwärts gelegenen Ende des
Brennstoffkreislaufs ein Verdichter 330 angeordnet sein,
um den Druck des wieder zusammengeführten Brennstoffs (d.
h. des reformierten und nichtreformierten Teils des Brennstoffs)
auf einen Pegel anzuheben (d. h. erneut zu komprimieren), der für
das verwendete spezielle Gasturbinenbrennstoffzufuhrsystem geeignet
ist. In noch einem weiteren optionalen Ausführungsbeispiel
kann der wieder zusammengeführte Brennstoffstrom vor einer
Verdichtung in dem Verdichter 330 mittels des Wärmetauschers 320 gekühlt
werden.
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Das
In-Line-Plasmabrennersystem und das Verfahren der Nutzung in einem
Gasturbinenbrennkammersystem, wie es im Vorliegenden beschrieben
ist, kann vorteilhafterweise einen Teil des Brennstoffs in einem
oder mehreren Brennstoffkreisläufen reformieren, um die
Brennstoffreaktivität zu erhöhen. Das Plasmabrennersystem
ist betriebsmäßig mit einem aktive Rückkopplung
verwendenden Steuerungssystem verbunden, um nach Bedarf eine Brennstoffaufbereitung
durchzuführen, so dass gewünschte Emissionen (z.
B. NOx, CO, gelbe Abgasfahne, Drosselung
und dergleichen) oder eine gewünschte Betriebsbereitschaft
(z. B. Dynamik und dergleichen) erzielt werden, während
parasitäre Energieverluste verringert werden. Darüber
hinaus ist das Plasmabrennersystem stromaufwärts des Brennstoffverteilers
angeordnet, um einen problemlosen Einbau bzw. Zugänglichkeit
für die Wartung zu ermöglichen, ohne dass es im
Falle eines Versagens des Plasmabrenners zu einem Ausfall eine vorhandenen
Brennkammerfunktionalität kommt. Auch hier kann eine bedarfsgesteuerte
Steigerung der Reaktivität des Brennstoffs mittels des
Plasmabrennersystems die Abgasemissionen, die Drosselungseigenschaften
und die Dynamik des Gasturbinenbrennkammersystems verändern.
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Die
im Vorliegenden verwendete Terminologie dient lediglich zur Vereinfachung
der Beschreibung spezieller Ausführungsformen und soll
die Erfindung nicht beschränken. Im Vorliegenden offenbarte
Bereichsangaben sind einschließlich und kombinierbar (z.
B. Bereiche von ”bis zu etwa 25 Vol.-%, oder spezieller
etwa 5 Vol.-% bis ungefähr 20 Vol.-%” schließen
die Endpunkte und sämtliche intermediäre Werte
der Bereiche von ”etwa 5 Vol.-% bis ungefähr 25
Vol.-%” usw. mit ein). Der Begriff ”Kombination” schließt
Verschnitte, Mischungen, Legierungen, Reaktionsprodukte, und dergleichen
ein. Außerdem bezeichnen die Begriffe ”erster” ”zweiter” und
dergleichen im Vorliegenden keine Reihenfolge, Menge oder Rangfolge,
sondern dienen vielmehr dazu, ein Element von einem anderen zu unterscheiden,
und der unbestimmte Artikel sowie dessen grammatikalische Formen
bedeuten im Vorliegenden keine Beschränkung der Menge,
sondern vielmehr, dass wenigstens ein solches betreffendes Element
vorhanden ist. Der in Zusammenhang mit einer Quantität
verwendete modifizierende Begriff ”etwa” schließt
den genannten Wert ein und beinhaltet die durch den Zusammenhang vorgegebene
Bedeutung (schließt z. B. die Fehlerabweichung ein, die
in Zusammenhang mit einer Messung der speziellen Quantität
vorhanden sein kann). Die Suffixe ”(n)” bzw. ”(e)” sollen
in dem hier verwendeten Sinne sowohl den Singular als auch den Plural
des Begriffs einschließen, den sie modifizieren, um dadurch
das Vorhandensein eines oder mehrere Elemente des betreffenden Begriffs
einzuschließen (z. B. bedeutet ”Farbstoff(e)” das
Vorhandensein eines oder mehrerer Farbstoffe). Über die
gesamte Beschreibung hinweg bedeutet eine Bezugnahme auf ”ein
Ausführungsbeispiel”, ”noch ein Ausführungsbeispiel” und
so fort, dass ein in Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel
beschriebenes spezielles Element (z. B. ein Merkmal, eine Konstruktion
und/oder eine Eigenschaft) in wenigstens einem der hier beschriebenen
Ausführungsbeispiele enthalten ist, und in anderen Ausführungsbeispielen
vorhanden sein kann oder auch nicht. Außerdem können
die beschriebenen Elemente selbstverständlich auf eine
beliebige geeignete Weise in den vielfältigen Ausführungsbeispielen
kombiniert werden.
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Falls
nicht anders lautend definiert, haben sämtliche im Vorliegenden
verwendeten Begriffe (technische und wissenschaftliche Begriffe
eingeschlossen) die Bedeutung, wie sie von einem Fachmann auf dem Gebiet,
aus dem die Ausführungsbeispiele der Erfindung stammen, üblicherweise
verstanden wird. Weiter versteht sich, dass Begriffe, wie sie in
allgemein verwendeten Wörterbüchern definiert
sind, in dem Sinne zu verstehen sind, dass sie eine Bedeutung haben,
die konsistent ist mit ihrer Bedeutung in Zusammenhang mit dem betreffenden
Fachgebiet und der vorliegenden Offenbarung, und nicht in einem
idealisierten oder übertriebenen formalen Sinn zu interpretieren
sind, es sei denn, sie sind im Vorliegenden ausdrücklich
diesbezüglich definiert.
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Während
die Erfindung lediglich anhand einer baschränkten Anzahl
von Ausführungsbeispielen im Einzelnen beschrieben wurde,
sollte es ohne weiteres klar sein, dass die Erfindung nicht auf
derartige offenbarte Ausführungsbeispiele beschränkt
ist. Vielmehr kann die Erfindung modifiziert werden, um eine beliebige Anzahl
von bisher nicht beschriebenen Veränderungen, Abänderungen,
Substitutionen oder äquivalenten Anordnungen zu verkörpern,
die jedoch dem Schutzbereich der Erfindung entsprechen. Während
vielfältige Ausführungsbeispiele der Erfindung
beschrieben wurden, ist es ferner selbstverständlich, dass
Aspekte der Erfindung möglicherweise lediglich einige der
beschriebenen Ausführungsbeispiele beinhalten. Dementsprechend ist
die Erfindung nicht als durch die vorausgehende Beschreibung beschränkt
anzusehen, sondern ist lediglich durch den Schutzumfang der beigefügten
Patentansprüche beschränkt.
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Verfahren
zum Bereitstellen eines Brennstoffs, der einer oder mehreren Brennkammern
14 in
einem Gasturbinensystem
10 zugeführt wird, mit
den Schritten: Reformieren eines Teils des Brennstoffs in einem
oder mehreren Brennstoffkreisläufen
100,
200,
300 des
Gasturbinenbrennkammersystems mittels eines Plasmabrennersystems
32,
102,
210,
310,
um wenigstens entweder Wasserstoff und/oder Kohlenwasserstoffe höherer
Ordnung zu bilden, die einer oder mehreren Brennkammern zusammen
mit einem übrigen Teil des Brennstoffs zuzuführen
sind; und Regeln wenigstens der Leistung und/oder des Brennstoffzustroms
zu dem Plasmabrennersystem mittels eines aktiven Rückkopplungsregelungsystems
18,
108. Bezugszeichenliste:
| 10 | Gasturbinensystem |
| 12 | Verdichter |
| 14 | Brennkammer |
| 15 | Antriebswelle |
| 16 | Turbine |
| 18 | Steuerungssystem |
| 20 | Einlasskanalsystem |
| 21 | Einlassführungsschaufeln |
| 22 | Abgasauslasssystem |
| 24 | Generator |
| 25 | Aktuator |
| 26 | Sensoren |
| 28 | Brennstoffsteuereinrichtung |
| 32 | Plasmabrennersystem |
| 100 | Brennstoffkreislauf |
| 102 | Plasmabrennersystem |
| 104 | Rohr |
| 106 | Plasmaentladung |
| 108 | Gasturbinensteuerungssystem |
| 110 | Brennstoffverteiler |
| 200 | Brennstoffkreislauf |
| 204 | Brennstoffleitung |
| 208 | Umleitungsventile |
| 210 | Plasmabrennersystem |
| 212 | Plasmabrenner |
| 216 | Plasmaentladung |
| 300 | Brennstoffkreislauf |
| 310 | Plasmabrennersystem |
| 320 | Wärmetauscher |
| 322 | Wärmequelle |
| 324 | Gasturbine |
| 326 | Expander |
| 328 | Wärmetauscher |
| 330 | Verdichter |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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