-
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
-
Die
Erfindung betrifft die Erfassung von Flammenrückschlag/Flammenhaltung in
einer Brennkammer unter Verwendung eines Temperatursensors.
-
In
einer Gasturbine wird Brennstoff mit durch einen Verdichter verdichteter
Luft in einer oder mehreren Brennkammern mittels einer oder mehrerer Brennstoffdüsen verbrannt,
die dazu eingerichtet sind, eine Vorvermischung von Brennstoff und
Luft in einem Vormischbereich bereitzustellen, der stromaufwärts einer
Verbrennungszone (Hauptverbrennungszone) angeordnet ist. Eine Gasturbinenbrennkammer
ist im Wesentlichen eine Einrichtung, die dazu dient, große Mengen
von Brennstoff und Luft zu vermischen und das sich ergebende Gemisch
zu verbrennen. Gasturbinen mit Verbrennungssystemen, die dazu eingerichtet
sind, NOx-Emissionen ohne eine Wasser- oder Dampfeinspeisung
auf Pegel/Anteile unterhalb von 40 ppm zu reduzieren, verwenden einen
Verbrennungsprozess, bei dem Brennstoff vor dem Verbrennungsprozess
einheitlich mit Luft vermischt wird. In der Vormischzone kommt es
gelegentlich zu einer Zündung
des Brennstoffluftgemisches. Dieses Ereignis wird ungeachtet seiner
Ursache als ”Flammenrückschlag” bezeichnet.
Aufgrund der Konstruktion der meisten Vormischsys teme verursacht die
Verbrennung von Brennstoff und Luft in dem Vormischabschnitt gewöhnlich beträchtlichen
Schaden an Komponenten. Aus vielfältigen Gründen ist es häufig in
der Praxis nicht durchführbar,
eine Brennkammer mit niedrigem NOx-Ausstoß zu konstruieren, die
mit einer in dem Vormischabschnitt vorhandenen Flamme zufriedenstellend
arbeitet.
-
Früher wurde
Flammenrückschlag/Flammenhaltung
durch Bereitstellen einer Flammhaltungsgrenze und Beschränken der
zur Verbrennung tauglichen Brennstoffart verhindert. Ein verhängnisvoller
Schaden an den Brennstoffdüsen
(und möglicherweise
an sonstigen stromabwärts
gelegenen Gasturbinenteilen) lässt
sich durch Erfassen des Auftretens eines Flammenrückschlags
und durch ein rasches Treffen von Gegenmaßnahmen vermeiden. Darüber hinaus
lässt sich
durch den Einsatz eines Flammenrückschlagerfassungssensors
die Brennstoffflexibilität
verbessern, so dass es möglich
ist, Brennstoffe mit Kohlenwasserstoffen höherer Ordnung und/oder Brennstoffe,
die einen Anteil reinen Wasserstoffs enthalten, zu verbrennen.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
In
einem Ausführungsbeispiel
umfasst eine Brennkammer ein Brennkammergehäuse, das eine Verbrennungskammer
definiert, die mehrere Verbrennungszonen aufweist. Mehrere Temperaturdetektoren
sind in Verbindung mit der Verbrennungskammer angeordnet. Die mehreren
Temperaturdetektoren erfassen eine Temperatur in den mehreren Verbrennungszonen.
Eine Steuereinrichtung, die mit den mehreren Temperaturdetektoren
in Verbindung steht, ist dafür
programmiert, ein Auftreten einer Flammenhaltungsbedingung oder
einer Flammenrückschlagsbedingung
in den mehreren Verbrennungszonen basierend auf Signalen von den
mehreren Temperaturdetektoren zu bestimmen.
-
In
noch einem Ausführungsbeispiel
weist eine Gasturbine einen Verdichter, der dazu eingerichtet ist,
Luft zu verdichten, und die erwähnte
Brennkammer auf, die mit dem Verdichter in Strömungsverbindung steht. Die
Brennkammer nimmt die verdichtete Luft von dem Verdichter auf und
verbrennt einen Brennstoffstrom, um einen Brennkammerauslassgasstrom
zu erzeugen.
-
In
noch einem weiteren Ausführungsbeispiel enthält eine
Brennkammer eine Vormischvorrichtung, die Brennstoff und Luft in
ein gasförmiges
Vorgemisch vermischt und das gasförmige Vorgemisch in eine Verbrennungskammer
einbringt; mehrere in Verbindung mit der Verbrennungskammer stehende Temperaturdetektoren,
die einen Temperaturanstieg in der Verbrennungskammer überwachen;
und eine Steuereinrichtung, die mit den mehreren Temperaturdetektoren
kommuniziert und dafür
programmiert ist, ein Auftreten einer Flammenhaltungsbedingung oder einer
Flammenrückschlagsbedingung
in der Verbrennungszone basierend auf Signalen von den mehreren
Temperaturdetektoren zu bestimmen. Die mehreren Temperaturdetektoren
sind in einer Ausrichtung angeordnet, die eine Überwachung von Temperaturen
stromaufwärts
der Vormischvorrichtung erlaubt.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 veranschaulicht
schematisch eine Gasturbine;
-
2 veranschaulicht
schematisch eine Brennkammer mit einer Vormischvorrichtung, die
in dem Gasturbinensystem von 1 verwendet
wird;
-
3 veranschaulicht
in einer geschnittenen Seitenansicht wesentliche Teile einer Brennkammer;
-
4 zeigt
in einem Flussdiagramm ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkammer;
und
-
5 zeigt
eine Sequenz-/Zeitablaufgraphik für eine gewünschte Erfassung und Bewältigung
von Flammenrückschlag.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
-
Im
Vorliegenden beschriebene exemplarische Ausführungsbeispiele beinhalten
eine Konstruktion zum Detektieren und Beheben von Flammenrückschlag/Flammenhaltung
in einer Gasturbinenbrennstoffdüse
mittels einer Temperaturerfassung, die durch Temperatursensoren
bereitgestellt ist, die in den Auslass der Brennstoffdüsen hinein
geführt
und beispielsweise in Nähe
des Auslasses angeordnet sind. Eine Überwachung von Temperaturen der
Flamme/Wand gestattet die Detektion von Anomalien, einschließlich eines
Erlöschens
der Flamme oder eines Flammenrückschlags.
Wenn Flammenhaltung/Flammenrückschlag
erfasst wird, ist es erwünscht,
eine geeignete Maßnahme
zu ergreifen und eine Beschädigung
der Gasturbine zu verhindern.
-
Mit
Bezug auf 1 ist eine Gasturbine 10 mit
einer Brennkammeranordnung 12 veranschaulicht. Die Gasturbine 10 enthält einen
Verdichter 14, der dazu eingerichtet ist, Umgebungsluft 16 zu
verdichten. Die Brennkammer 12 befindet sich in Strömungsverbindung
mit dem Verdichter 14 und ist dazu eingerichtet, verdichtete
Luft 18 von dem Verdichter 14 aufzunehmen und
einen Brennstoffstrom 20 zu verbrennen, um einen Brennkammerauslassgasstrom 22 zu
erzeugen. Die Gasturbine 10 enthält eine stromabwärts der
Brennkammer 12 angeordnete Turbine 24, die dazu
eingerichtet ist, den Brennkammerauslassgasstrom 22 zu
expandieren, um eine externe Last, beispielsweise einen Generator 26,
anzutreiben. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel wird der Verdichter 14 durch
die Leistung, die durch die Turbine 24 erzeugt wird, über eine
Welle 28 angetrieben. Die Brennkammer 12 verwendet
eine Temperaturerfassungsvorrichtung und eine Steuereinrichtung,
die dazu eingerichtet sind, Flammenhaltung/Flammenrückschlag
in einer Gasturbinenbrennkammer zu erfassen und eine geeignete Maßnahme zu
treffen, um eine Beschädigung
der Gasturbine 10 zu verhindern.
-
2 veranschaulicht
schematisch eine exemplarische Konfiguration 40 der Brennkammer 12 mit
einer Temperaturerfassungsvorrichtung 60, die in dem Gasturbinensystem 10 von 1 verwendet wird.
Wie zu sehen, enthält
die Brennkammer 40 eine Vormischvorrichtung 42,
die dazu eingerichtet ist, Brennstoff 20 und Luft 18 zu
mischen, um ein gasförmiges
Vorgemisch 44 hervorzubringen. Die Brennkammer 40 enthält eine
Verbrennungskammer 46, die dazu eingerichtet ist, den vorgemischten
Brennstoff 44 zu verbrennen, um den Brennkammerauslassgasstrom 22 zu
bilden. Der Brennkammerauslassgasstrom 22 wird zu einem
stromabwärts
nachgeschalteten Prozess 48, beispielsweise zu der Turbine 24 (siehe 1),
geführt,
um die externe Last 26 (siehe 1) anzutreiben.
Die Vormischvorrichtung 42 kann ferner mehrere Verwirbler-
bzw. Drallschaufeln 50 enthalten, die dazu eingerichtet
sind, dem Brennstoff 20 und/oder der Luft 18 eine
Drallbewegung zu verleihen, um eine Vermischung des Brennstoffs 20 und
der Luft 18 zu fördern.
In Ausführungsbeispielen
enthält
die Brennkammer 40 die Temperaturerfassungsvorrichtung 60,
die mit entweder der Vormischvorrichtung 42 und/oder der
Brennkammer 46 gekoppelt sein und in Kommunikationsverbindung
stehen kann. Die Temperaturerfassungsvorrichtung 60 kann
eine beliebige Einrichtung sein, die für den beschrieben Zweck geeignet
ist, wie beispielsweise, ohne darauf beschränkt zu sein, ein Ther moelement,
ein optisches Pyrometer, oder kann mittels einer Verbindung durchgeführt werden,
die Glasfaseroptik verwendet, usw.
-
Die
Brennkammer 40 enthält
ferner eine Steuereinheit 65, die mit dem Temperaturdetektor 60 verbunden
ist. Die Steuereinheit 65 nimmt Signale von den Temperaturdetektoren
entgegen, die das Flammenhaltungs-/Flammenrückschlagsereignis in der Verbrennungskammer 46 kennzeichnen.
Die Steuereinheit 65 befindet sich ferner in Verbindung mit
der Quelle der Luft 18 und des Brennstoffs 20. Falls
die Steuereinheit 65 Signale entgegennimmt, die anzeigen,
dass in der Brennkammer 46 ein Flammenhalten/Flammenrückschlag
vorliegt, kann die Steuereinheit 65, wie hierin noch weiter
beschrieben, eine geeignete Maßnahme
treffen, um einen Schaden an der Gasturbine zu mildern. Die geeignete Maßnahme,
die die Steuereinheit 65 ergreifen kann, beinhaltet beispielsweise
eine Beendigung des Luft- und Brennstoffzuflusses zu der Brennkammer
oder eine Modifikation des Luft- und Brennstoffflusses, um die Flammenhaltung/den
Flammenrückschlag
zu begrenzen oder zu eliminieren.
-
3 veranschaulicht
eine exemplarische Gasturbine 100, die eine Anzahl von
Temperaturdetektoren 180 aufweist. Das Beispiel der Gasturbine zeigt
die Temperaturdetektoren, wie sie an einer Verbrennungskammer 140 der
Gasturbine angebracht sind und mit dieser in Verbindung stehen und
dazu eingerichtet sind, Temperaturen in der Verbrennungskammer 140 zu
erfassen.
-
Ähnlich wie
im Falle von 1 enthält die Gasturbine 100 einen
Verdichter 110, der dazu eingerichtet ist, Umgebungsluft
zu verdichten. Eine oder mehrere Rohr- oder Ringbrennkammern 120 stehen über einen
Diffusor 150 in Strömungsverbindung
mit dem Verdichter 110. Die Rohr- oder Ringbrennkammern 120 sind
dazu eingerichtet, verdichtete Luft 115 aus dem Verdichter 110 aufzunehmen
und einen Brennstoffstrom von Brennstoffdüsen 160 zu verbrennen,
um einen Brennkammerauslassgasstrom 165 zu erzeugen, der
durch eine Verbrennungskammer 140 zu einer Turbine 130 strömt. Die
Turbine 130 ist dazu eingerichtet, den Brennkammerauslassgasstrom 165 zu
expandieren, um eine externe Last anzutreiben. Die Rohr- oder Ringbrennkammern 120 weisen
ein Außengehäuse 170 auf,
das eine Reihe von Temperaturdetektoren 180 enthält, die
an dem Gehäuse 170 befestigt
sind. Die Temperaturdetektoren 180 sind mit der Brennkammer 140 und
dem Brennkammerauslassgasstrom 165 gekoppelt und stehen
mit diesen in Verbindung.
-
Die
Steuereinheit 65 kann die Signalantworten, die von mehreren
Temperaturdetektoren (z. B. den Temperaturdetektoren 180)
ausgehen, erfassen und einen Entscheidungsalgorithmus durchführen, um
die Art der Maßnahme
zu bestimmen, die durch die Steuereinheit 65 in Reaktion
auf eine Flammenhaltungs-/Flammenrückschlagsbedingung zu treffen ist.
Falls beispielsweise zwei der drei Detektoren 180 bestimmen,
dass eine Flammenrückschlagsbedingung
vorliegt, kann die Steuereinheit 65 daraufhin den Brennstoffzustrom
zu den Rohr- oder Ringbrennkammern 120 unterbrechen oder
reduzieren. In ähnlicher
Weise kann die Steuereinheit 65, falls lediglich ein einziger
Detektor 180 einen Flammenrückschlag erfasst, ent scheiden,
dass die Brennstoffzufuhr fortgesetzt wird, bis die Detektoren 180 eine
weitere Ablesung vornehmen. Es können
mehrere Detektorelemente in einem Gehäuse untergebracht sein, das den
Detektoren 180 entspricht. Die mehreren Detektorelemente
können
gemultiplext oder gebündelt sein,
um die Signale zu summieren, die in den Brennkammerrohren 120 erfasst
werden. Auf diese Weise kann das Summensignal eingesetzt werden,
um die Ergebnisse des Entscheidungsalgorithmus zu ermitteln.
-
4 zeigt
in einem Flussdiagramm ein Verfahren 700 zum Betreiben
einer Brennkammer in Übereinstimmung
mit Ausführungsbeispielen.
In Block 705 bringen Brennstoffdüsen (z. B. 160 in 3)
Brennstoff in eine Vormischvorrichtung (z. B. 42 in 2)
ein, und ein Verdichter (z. B. 110 in 3)
bringt Luft in die Vormischvorrichtung ein. In Block 710 bildet
die Vormischvorrichtung ein gasförmiges
Vorgemisch. In Block 715 verbrennt die Brennkammer (z.
B. Rohr- oder Ringbrennkammern 120 in 3)
das Vorgemisch (z. B. 165 in 3) in einer Verbrennungskammer.
In Block 720 wird die Temperatur in der Verbrennungskammer überwacht.
Falls die Temperaturdetektoren eine Bedingung erfassen, die auf
ein Flammenhaltungs-/Flammenrückschlagsereignis
hinweist (Ja in Block 725), kann die Steuereinrichtung
danach in Block 730 den in die Vormischvorrichtung eingebrachten
Brennstoffzustrom modifizieren oder eine sonstige hier beschriebene
geeignete Maßnahme
ergreifen. Falls die Temperaturdetektoren eine derartige Bedingung
nicht erfassen (Nein in Block 725), kehrt das Verfahren
zu Block 705 zurück.
-
5 zeigt
eine Sequenz-/Zeitablaufgraphik für eine gewünschte Erfassung und Bewältigung
eines Flammenrückschlags.
Wenn ein Flammenrückschlagsereignis
auftritt, ist es erwünscht,
dass die Sensoren und die Steuereinrichtung das Ereignis innerhalb
von drei Sekunden erfassen und dass die Steuereinrichtung innerhalb
von weiteren drei Sekunden eine Maßnahme trifft. Eine Ingangsetzung
der Schadensminderung sollte weniger als eine Viertelsekunde dauern,
und das Flammenrückschlagsereignis
sollte innerhalb einer weiteren Viertelsekunde eliminiert sein.
Die Werte sind exemplarisch und werden in der Regel angepasst um
sicherzustellen, dass Schäden
an Komponenten sowie Fehlalarme vermieden werden.
-
Es
sind Ausführungsbeispiele
zum Erfassen einer Flammenhaltung/eines Flammenrückschlags in der Brennkammer 140 der
Brennkammerrohre 120 beschrieben. Auch an anderen Stellen
in dem System lassen sich thermische Emissionen erfassen, beispielsweise
solche, die von den Brennstoffdüsen 160 ausgehen
(siehe 3). Durch Überwachen
der von den Brennstoffdüsen 160 ausgehenden
thermischen Emissionen kann das System bestimmen, ob sich in der
Brennstoffdüse 160 eine
Flamme befindet, da die thermischen Emissionen eine höhere Temperatur
anzeigen würden,
als normalerweise in den Brennstoffdüsen 160 zu erwarten
ist. Thermische Emissionen, die eine/einen Flammenhaltung/Flammenrückschlag
anzeigen, könnten
an den Verwirbler- bzw. Drallschaufeln, an dem Brennerrohr oder
an der Diffusionsdüse
der Brennstoffdüsen 160 oder
an sonstigen stromabwärts
gelegenen Komponenten, beispielsweise in der Brennkammer, gemessen
werden. Die Temperaturdetektoren 180 sind vorzugsweise
benachbart zu den Brennstoffdüsen 160 oder
zu dem Brennstoffdüsenkreislauf
ausgerichtet. Aus dem vorgemischten Kreislauf stammender Brennstoff könnte ganz
oder teilweise zu einem anderen Brennstoffkreislauf umgeleitet,
ausgelassen oder zu einem unbenutzten Brennstoffkreislauf, beispielsweise
zu dem Diffusionsflammenkreislauf, geleitet werden. Außerdem könnten optische
Pyrometerdetektoren 180 geeignet beabstandet angeordnet
sein, so dass jeder Detektor 180 eine Sichtlinie gemeinsam
mit einer der Brennstoffdüsen 160 aufweist.
Falls zwei der Detektoren anzeigen, dass ein Flammenhaltungs-/Flammenrückschlagsereignis
vorliegt, weiß an
sich die Steuereinheit 65 folglich, welche der Brennstoffdüsen 160 betroffen
ist. Auf diese Weise kann die Steuereinrichtung den Brennstoffzustrom
zu der einen betroffenen Brennstoffdüse 160 selektiv reduzieren
oder unterbrechen. Es wird als ein Vorteil erachtet, dass das Brennkammerrohr 120 eine
minimale Störung
erfahren kann, wenn die Steuereinheit 65 lediglich auf
eine einzige Brennstoffdüse 60 einwirkt.
An sich ist es möglich,
die fehlerhafte Brennstoffdüse 160 bei
dem nächsten
planmäßigen Stillstand
zu warten.
-
Indem
strategisch angeordnete Temperatursensoren in einer Gasturbine aufgenommen
werden, lassen sich unerwünschte
Flammenhaltungs-/Flammenrückschlagsereignisse
erfassen und folgenschwere Schäden
an den Brennstoffdüsen
durch ein rasches Ergreifen von Gegenmaßnahmen vermeiden. Darüber hinaus
kann mit den in Stellung befindlichen Detektoren die Brennstoffflexibilität gesteigert werden,
was den Einsatz von Brennstoffen, die Kohlenwasserstoffe höherer Ordnung
aufweisen, und/oder von Brennstoffen, die einen Anteil reinen Wasserstoffs
enthalten, ermöglicht,
ohne einen auf Flammenhal tung/Flammenrückschlag zurückzuführenden
Schaden zu riskieren.
-
Die
Erfindung wurde zwar anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
beschrieben, von dem gegenwärtig
angenommen wird, dass es sich am besten verwirklichen lässt, jedoch
ist es selbstverständlich,
dass die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt
sein soll, sondern vielmehr vielfältige Modifikationen und äquivalente
Anordnungen abdecken soll, die in den Rahmen und Schutzbereich der
beigefügten
Patentansprüche
fallen.
-
Eine
Brennkammer weist ein Brennkammergehäuse 12, 40, 120 auf,
das eine Verbrennungskammer 46, 140 mit mehreren
Verbrennungszonen definiert. Mehrere Temperaturdetektoren 60, 180 sind
in Verbindung mit der Verbrennungskammer angeordnet. Die mehreren
Temperaturdetektoren erfassen eine Temperatur in den mehreren Verbrennungszonen.
Eine Steuereinrichtung 65, die mit der Anzahl von Temperaturdetektoren
in Verbindung steht, ist dafür
programmiert, ein Auftreten einer Flammenhaltungsbedingung oder
einer Flammenrückschlagsbedingung
in den mehreren Verbrennungszonen basierend auf Signalen von den
mehreren Temperaturdetektoren zu bestimmen.
-
- 10
- Gasturbine
- 12
- Brennkammer
- 14
- Verdichter
- 16
- Umgebungsluft
- 18
- verdichtete
Luft
- 20
- Brennstoffstrom
- 22
- Auslassgasstrom
- 24
- Turbine
- 26
- Generator
- 28
- Welle
- 40
- Brennkammer
- 42
- Vormischvorrichtung
- 44
- gasförmiges Vorgemisch
- 46
- Verbrennungskammer
- 48
- nachgeschalteter
Prozess
- 50
- Verwirblerschaufeln,
Drallschaufeln
- 60
- Temperaturerfassungsvorrichtung
- 65
- Steuereinheit
- 100
- Gasturbine
- 110
- Verdichter
- 115
- verdichtete
Luft
- 120
- Rohr-
oder Ringbrennkammer
- 130
- Turbine
- 140
- Verbrennungskammer
- 150
- Diffusor
- 160
- Brennstoffdüsen
- 165
- Auslassgasstrom
- 170
- Außengehäuse
- 180
- Temperaturdetektoren