DE102011054175A1

DE102011054175A1 - Verfahren, Vorrichtung und System zur Zündung eines breiten Spektrums an Turbinenbrennstoffen

Info

Publication number: DE102011054175A1
Application number: DE102011054175A
Authority: DE
Inventors: Joseph Kirzhner; Nicolas POURRON; Matthieu Paul Frederic VIERLING; Denis Michel MARTIN
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-10-05
Filing date: 2011-10-04
Publication date: 2012-04-05
Also published as: JP2012077752A; US8355819B2; CN102536469A; US20120079831A1; FR2965586A1

Abstract

Während des Betriebs einer Gasturbine kann zwischen dem gewünschten Brennwert des Brennstoffs und den tatsächlichen Erfordernissen des Brennstoffs für den zugeführten Brennstoff, der zu zünden ist, eine Differenz vorhanden sein. In einem Aspekt werden Brennstoffparameter ermittelt, die das Molekulargewicht des Brennstoffs kennzeichnen, beispielsweise eine spezifische Dichte und ein Druckabfall. Die Zündfähigkeit des Brennstoffs wird auf der Grundlage der Brennstoffparameter berechnet und dem Bedarf entsprechend angepasst, um die Zündfähigkeit des Brennstoffs an die konstruktionsmäßigen Werte anzugleichen. Die Zündfähigkeit des Brennstoffs kann ohne ein tatsächliches Zünden des Brennstoffs und auch ohne eine unmittelbare Kenntnis des Brennwerts des Brennstoffs oder seiner Zusammensetzung berechnet werden.

Description

Ein oder mehrere Aspekte der vorliegenden Erfindung betreffen ein Verfahren, eine Einrichtung und ein System zum zünden eines breiten Qualitätsbereichs von Brennstoffen zur Verbrennung in einer Gasturbine.
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Das Starten, d. h. Zünden, einer Gasturbine kann ein komplexes Verfahren sein, lässt sich jedoch allgemein mit den folgenden Schritten beschreiben. Als Erstes wird die Turbine durchlüftet, um jeglichen Brennstoff zu entfernen, der sich möglicherweise noch in der Brennkammer, in der Turbinenanordnung oder in der Turbinenverrohrung befindet. Anschließend wird die Turbine in Drehung versetzt, bis eine gewünschte Verdichtung erreicht ist, wobei an diesem Punkt der Turbinenbrennstoff eingespeist und gezündet wird. Nach dem Zünden wird eine Last angekuppelt. Einer der Gründe für das Durchlüften der Turbine, bevor diese drehend angetrieben wird, ist die Verhinderung einer ungewollten Zündung oder Verbrennung, bevor die gewünschte Verdichtung erreicht ist.
Eine unvollkommene Zündung kann zu einer Verzögerung des Erreichens einwandfreier Betriebspegel führen und kann auch Schäden hervorrufen. Schlimmer noch, besteht Explosionsgefahr, falls zu viel Brennstoff zugeführt wird und anwesend ist. Ob die Menge des Brennstoffs zu groß ist oder ob sie nicht ausreicht, hängt wenigstens teilweise von dem Brennwert oder der Flammbarkeit des Brennstoffs und von Eigenschaften des Brennstoff/Luft-Gemisches ab. Ein Brennstoff/Luft-Verhältnis kann für den einen Brennstoff aufgrund der hohen Flammbarkeit des Brennstoffs zu hoch sein, während dasselbe Brennstoff/Luft-Verhältnis für einen Brennstoff mit niedriger Flammbarkeit möglicherweise für ein Zünden nicht ausreicht.
Aufgrund von Schwankungen des Marktes ist es für einen Anwender häufig von Vorteil, die Gasturbine mit unterschiedlichen Arten von Turbinenbrennstoffen zu betreiben. Somit sind die Brennstoffgaseigenschaften möglicherweise zum Zeitpunkt des Inbetriebsetzens der Gasturbine nicht bekannt. Wenn die Brennstoffgaseigenschaften zum Zeitpunkt der Zündung der Turbine nicht bekannt sind, wird für die Zündung der Turbine aus Sicherheitsgründen ein schonender Ansatz gewählt.
Bei dem schonenden Ansatz werden regelmäßig mehrere Zündversuche unternommen. Um die Gefahr einer Explosion auf ein Minimum zu reduzieren, wird zu Beginn ein sehr niedriges Brennstoff/Luft-Mischverhältnis bereitgestellt und anschließend die Zündung versucht. Falls der Versuch erfolglos ist, wird das Turbinensystem durchlüftet. Anschließend werden die Parameter geändert, beispielsweise wird das Verhältnis von Brennstoff zu Luft erhöht, die Turbinendrehzahl gesteigert, die Menge von Brennstoff und/oder Luft oder die Strömung verändert, und dergleichen, und es wird ein weiterer Zündversuch durchgeführt. Dieses Verfahren wird wiederholt, bis die Turbine erfolgreich gezündet ist.
Das für die Zündung der Turbine befolgte Verfahren im Falle unbekannter Brennstoffgaseigenschaften kann allgemein folgendermaßen beschrieben werden: es wird der ungünstigste Fall angenommen, und die Zündparameter werden inkrementell geändert, bis die erfolgreiche Zündung stattfindet. Von Nachteil ist, dass mehrfache Zündversuche zeitaufwändig sind, d. h. Verzögerungen verursachen. Außerdem steigern mehrfache Versuche den Verschleiß der Turbine.
Falls die Brennstoffgaszusammensetzung hingegen bekannt ist, kann die Anzahl von Zündversuchen, in manchen Fällen bis zu einem einzigen Versuch verringert werden. Beispielsweise kann der Brennstoffgasanbieter diese Daten angeben. Wenn die Brennstoffgaszusammensetzung bekannt ist, lassen sich die Zündungsparameter genauer bestimmen. Eine Verringerung der Zahl der Zündversuche ermöglicht, dass der Betrieb der Turbine rascher erreicht wird und verringert außerdem den Verschleiß. Allerdings ist es dem Anbieter nicht immer möglich, die Daten anzugeben.
Eine weitere Möglichkeit ist, Sensorvorrichtungen zu nutzen, um die Brennstoffgaseigenschaften zu messen. In der US-Patentanmeldung 2008/0115482 von LaGrow et al. ist eine Gasturbine offenbart, die ein integriertes System zur Brennstoffcharakterisierung aufweist. Das integrierte System zur Brennstoffgas-Charakterisierung ermittelt die durch den Brennstoff bereitgestellte Energiemenge, bevor der Brennstoffs in der Verbrennungsstufe verbrannt wird. Gemäß LaGrow et al. erhöht das integrierte System zur Brennstoffgas-Charakterisierung die Zuverlässigkeit des Gasturbinenanfahrvorgangs, indem es die Gasturbinenbetriebsparameter unter Verwendung von Messwerten des Brennstoffgas-Energieinhalts feinabstimmt, die vor einem tatsächlichen Hochfahrvorgang gewonnen sind.
In dem Patent von LaGrow et al. ist stromaufwärts der Brennkammer der Turbine entweder ein Wobbe-Messgerät oder ein Gas-Chromatograph vorgesehen. Auf diese Weise kann die Wobbe-Kennzahl oder die Brennstoffgaszusammensetzung gemessen werden, bevor das Brennstoffgas in der Gasturbine verbrannt wird. Die Betriebsparameter der Turbine werden auf der Grundlage der gemessenen Wobbe-Kennzahl oder der Brennstoffgaszusammensetzung feinabgestimmt, so dass bis zu dem Zeitpunkt, in dem das gemessene Gas in die Brennkammer eintritt, angemessene Anpassungen durchgeführt sind. Um genügend Zeit für die Durchführung einer ausreichenden Zahl von Messungen und für die Anpassung von Betriebsparametern zu haben, ist ein Pufferbehälter bereitgestellt.
Sensorvorrichtungen wie das Wobbe-Messgerät, der Gas-Chromatograph und das Kalorimeter ermöglichen zwar durch eine Verringerung der Anzahl von Versuchen eine raschere Zündung, jedoch sind diese Arten von Sensorvorrichtungen kostspielig. Eine Kostensteigerung basiert häufig darauf, dass die Sensoren mit Blick auf Redundanz mehrfach vorgesehen sind, um einen gewissen Sicherheitsspielraum zu schaffen. Für bestehende Turbinensysteme, die diese Sensoren nicht enthalten, kann ein Aufrüsten dieser Systeme mit den Sensoren eine beträchtliche Kostensteigerung bedeuten sowie Betriebsunterbrechungen aufgrund von Wartung verursachen. Ein weiterer Nachteil basiert darauf, dass die Sensorvorrichtungen möglicherweise nicht immer zuverlässig sind.
Somit ist es erwünscht, die Anzahl von Gasturbinenzündversuchen auch dann zu verringern, wenn die Brennstoffgaseigenschaften unbekannt sind, wobei auf derartige Sensorvorrichtungen verzichtet werden kann.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Ein nicht beschränkender Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zuführen eines Brennstoff/Luft-Gemisches zu einer Gasturbine zur Zündung. Der Brennstoff kann auf einer Zusammensetzung einer oder mehrerer Brennstoffkomponenten basieren. In dem Verfahren kann die Zündfähigkeit des Gemisches auf der Grundlage eines oder mehrerer, das Molekulargewicht des Brennstoffs kennzeichnender Brennstoffparameter, eines oder mehrerer Brennstoffzustromparameter, und eines oder mehrerer Oxidationsmittelstromparameter berechnet werden. Anschließend können der Brennstoff und das Oxidationsmittel in dem Gemisch so angepasst werden, dass die Zündfähigkeit des Gemisches nach der Anpassung innerhalb eines Referenzzündfähigkeitsbereichs liegt. Die Schritte des Berechnens der Zündfähigkeit des Gemisches und des Anpassens des Brennstoff/Oxidationsmittel-Gemisches werden vor dem Zünden des Gemisches durchgeführt.
Ein weiterer nicht beschränkender Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung zum Steuern/Regeln der Zufuhr des Brennstoff/Oxidationsmittel-Gemisches zu einer Gasturbine, um es zu zünden. Der Brennstoff kann auf einer Zusammensetzung einer oder mehrerer Brennstoffkomponenten basieren. Die Steuereinrichtung kann eine Parameteraufnahmeeinheit enthalten, die dazu eingerichtet ist, eine beliebige Kombination eines oder mehrerer, das Molekulargewicht des Brennstoffs kennzeichnender Brennstoffparameter, eines oder mehrerer Brennstoffzustromparameter, und eines oder mehrerer Oxidationsmittelstromparameter aufzunehmen. Die Steuereinrichtung kann auch eine Zündfähigkeitsberechnungseinheit enthalten, die dazu eingerichtet ist, eine Zündfähigkeit des Gemisches auf der Grundlage von Parametern zu berechnen, die durch die Parameteraufnahmeeinheit aufgenommen sind. Die Steuereinrichtung kann außerdem eine Zündfähigkeitsanpassungseinheit enthalten, die dazu eingerichtet ist, den Brennstoff und das Oxidationsmittel in dem Gemisch anzupassen, so dass die Zündfähigkeit des Gemisches nach der Anpassung innerhalb eines Referenzzündfähigkeitsbereichs liegt. Die Zündfähigkeitsberechnungseinheit und die Zündfähigkeitsanpassungseinheit können beide ihre Berechnungen bzw. Anpassungen durchführen, bevor das Gemisch gezündet wird.
Die Erfindung wird nun in Verbindung mit den im Folgenden ausgewiesenen Zeichnungen eingehender beschrieben.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand der detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verständlicher:
1 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines Systems zum Zuführen eines Brennstoff/Oxidationsmittel-Gemisches zu einer Gasturbine gemäß einem nicht beschränkenden Aspekt der vorliegenden Erfindung;
2 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, die Zufuhr des Brennstoff/Oxidationsmittel-Gemisches zu einer Gasturbine zu regeln/steuern, gemäß einem nicht beschränkenden Aspekt der vorliegenden Erfindung;
3 veranschaulicht in einem Flussdiagramm ein exemplarisches Verfahren zum Berechnen und Anpassen der Zündfähigkeit des Brennstoffs vor einer tatsächlichen Zündung gemäß einem nicht beschränkenden Aspekt der vorliegenden Erfindung; und
4 veranschaulicht in einem Flussdiagramm ein exemplarisches Verfahren zum Ermitteln von Zündfähigkeitsindikatoren gemäß einem nicht beschränkenden Aspekt der vorliegenden Erfindung;
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein neues Verfahren, System bzw. eine Einrichtung zum Zünden einer Gasturbine sind beschrieben. Das beschriebene Verfahren, System bzw. die Einrichtung berechnen die Zündfähigkeit eines Brennstoff/Oxidationsmittel-Gemisches und führen notwendige Anpassungen durch, so dass der Brennstoff gezündet werden kann. Die Brennstoffzusammensetzung braucht nicht vor dem Zündungs-/Verbrennungsprozess ermittelt zu werden. Besonders vorteilhaft ist, dass die Wärmebilanz des gezündeten Brennstoffs nicht genutzt zu werden braucht.
Wie oben erwähnt, ist es erwünscht, in der Lage zu sein, die Gasturbine zu unterschiedlichen Zeiten, beispielsweise während des Zündens und Warmlaufens der Turbine, mittels eines breiten Qualitätsbereichs von Turbinenbrennstoffen zu betreiben. Der der Gasturbine zugeführte Brennstoff kann über einen breiten Qualitätsbereich hinweg aus mehreren Brennstoffkomponenten zusammengesetzt sein. Allgemein können in einer Gasturbine gasförmige Brennstoffe und/oder Flüssigbrennstoffe verbrannt werden.
Bisher wurde der Brennwert als ein Indikator einer Brennstoffmenge verwendet, die der Brennkammer zugeführt werden sollte, um dem Leistungsbedarf zu entsprechen, die Zündung beim Hochfahren eingeschlossen. Häufig wurde der Brennwert als ein Indikator der Brennstoffqualität verwendet, wobei ein höherer Brennwert gewöhnlich eine höhere Brennstoffqualität anzeigt.
Wenn eine bestimmte Menge des Brennstoffs mit Sauerstoff reagiert, um Wasser und sonstige Produkte zu bilden, wird eine feststehende Energiemenge freigegeben, die beispielsweise durch den unteren Brennwert (spezifischen Brennwert LHV) des Brennstoffs quantifiziert werden kann. Während LHV hauptsächlich für die Erläuterung von Beispielen verwendet wird, um einige der vorteilhaften Merkmale der Erfindung vorzuführen, lassen sich Grundzüge der Erfindung auch anwenden, wenn die Energien als HHV oder Q oder in sonstiger ähnlicher Form berücksichtigt werden.
Zwischen dem für eine Turbine gewünschten Brennwert, der möglicherweise erforderlich ist, um die Energie zur Zündung und ein stabiles Hochfahren zu erreichen, und den tatsächlichen Anforderungen an den zugeführten Brennstoff, der zu zünden ist und der die Ausbreitung der Flamme während unterschiedlicher Stufen der Turbinenhochfahrperiode aufrecht erhalten soll, kann ein Unterschied vorhanden sein. Die tatsächliche Voraussetzungen für eine zuverlässige Zündung und für eine aufrechterhaltbare Flamme kann mittels einer Bewertung einer weiteren Brennstoffeigenschaft, nämlich der auch als Verbrennbarkeit bezeichneten Flammbarkeit des Brennstoffs, genauer berechnet werden. Falls die Flammbarkeit zu niedrig ist, wird im Allgemeinen keine Zündung und keine stabile Verbrennung erreicht. Falls die Flammbarkeit zu hoch ist, steigt die Gefahr einer Explosion, und hohe Emissionen nehmen zu.
Für das Auftreten eines Brandes oder einer Explosion sind ein Brennstoff, Sauerstoff und eine Zündquelle erforderlich. Außerdem müssen der Brennstoff und der Sauerstoff in einem geeigneten Verhältnis gemischt sein. Die Flammbarkeit eines Brennstoffs ist gewöhnlich durch seine untere und obere Flammbarkeitsgrenzen (LFL, UFL) definiert. Die LFL und die UFL sind in Relation zu Luft die niedrigste bzw. die höchste Brennstoffgaskonzentration, die im Falle einer Zündung eine sich selbstständig ausbreitende Flamme unterstützen wird. Unterhalb der LFL ist das Brennstoff/Luft-Gemisch für eine Verbrennung zu mager, d. h. der Brennstoff reicht nicht aus. Oberhalb der UFL ist das Gemisch zu fett, d. h. es ist nicht ausreichend Luft vorhanden.
Es ist wünschenswert, einen Magerverbrennungsbetrieb aufrecht zu erhalten, um NO_x-Emissionen zu reduzieren. Folglich ist es erwünscht, die Gasturbine auch während der Zündung mit einem möglichst mageren Gemisch zu betreiben. Allerdings sollte das Gemisch nicht so mager sein, dass ein Magergemisch-Flammenwegblasen (LBO) auftritt. In Zusammenhang mit Gasturbinen ist LBO eine Bedingung, bei der der Brennstoffzustrom nicht ausreicht, um die Verbrennung aufrecht zu erhalten. LBO ist proportional zu LFL und nähert sich LFL, während die Fluidgeschwindigkeit gegen Null geht.
1 zeigt ein exemplarisches System, das die Zufuhr von Brennstoff und Oxidationsmittel zu einer Brennkammer einer Gasturbine anpasst, um die Verbrennung aufrecht zu erhalten, beispielsweise, um während des Hochfahrens der Gasturbine eine sichere und stabile Zündung zu erreichen. Ein Oxidationsmittel wird gewöhnlich in Form von Luft zugeführt, und es wird daher angenommen, dass Luft in den nachstehenden Erläuterungen das bevorzugte Oxidationsmittel ist. Allerdings ist die Erfindung nicht darauf beschränkt.
Wie aus der Figur zu entnehmen, enthält das System eine Brennkammeranordnung 1, die dazu eingerichtet ist, hochenergetische Gase zu erzeugen, um eine Gasturbine 2 anzutreiben. Ein Verdichter 3 ist dazu eingerichtet, der Brennkammer 1 ein Oxidationsmittel, beispielsweise Luft, zuzuführen, und ein Brennstoffventil 4 ist dazu eingerichtet, die der Brennkammeranordnung 1 zugeführte Brennstoffmenge zu steuern/regeln. Das Brennstoff/Luft-Gemisch lässt sich zumindest teilweise durch Steuerung der Luftmenge steuern, die durch den Verdichter 3 und durch Anpassungseinrichtungen hervorgebracht wird, wie z. B. Einlassleitschaufeln (IGVs) des Verdichters, Einlassabzapfventile, Brennkammerumgehungsventile, und dergleichen. In 1 ist eine Einlassleitschaufel 10 veranschaulicht.
Während die verdichtete Luft der Brennkammeranordnung 1 unmittelbar zugeführt werden kann, ist es bevorzugt, dass das System ein Dreiwegeventil 5 enthält, das dazu eingerichtet ist, eine beliebige Kombination von Menge, Druck und Temperatur der an der Brennkammer 1 ankommenden Luft, die Menge, den Druck und die Temperatur von zu einem Einlass des Verdichters 3 zurückkehrender Luft und die Menge von Luft zu steuern, die die Brennkammeranordnung 1 umgeht. Ein Verdichterausstoßlufttemperatursensor (TOD) 15a und ein Luftdrucksensor 15b können verwendet werden, um die Temperatur und den Druck der Luft sowie die Temperatur und den Druck des Luft/Brennstoff-Gemisches zu messen.
Das System enthält eine Turbinensteuereinrichtung 6. In einem nicht als beschränkend zu bewertenden Aspekt regelt/steuert die Turbinensteuereinrichtung 6 sowohl die Luft- als auch die Brennstoffzufuhr auf der Grundlage der Zündfähigkeit des Brennstoffs und des Brennstoff/Luft-Gemisches, wie im Folgenden eingehender beschrieben. Außerdem kann die Steuereinrichtung 6, wie nachfolgend detaillierter beschrieben, von vielfältigen Sensoren Messwerte als Eingangssignale aufnehmen, um Steuerdaten als Ausgabesignale zu erzeugen, um den Betrieb der Gasturbine 2 zu steuern/regeln. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind Signale zu und von dem Controller 6 in 1 als gestrichelt gezeichnete Pfeile dargestellt.
In einem nicht als beschränkend zu bewertenden Aspekt ist die Steuereinrichtung 6 dazu eingerichtet, die Zufuhr des Brennstoff und der Luft, die der Brennkammer 1 zugeleitet werden, auf der Grundlage der Zündfähigkeit des Brennstoffs zu steuern/regeln. Einer von vielen Vorteilen basiert darauf, dass die Zündfähigkeit des Brennstoffs ohne Zündung des Brennstoffs und ohne Kenntnis der Zusammensetzung des Brennstoffs ermittelt werden kann. D. h. es ist nicht erforderlich, die einzelnen Brennstoffkomponenten zu ermitteln, aus denen sich der Brennstoff insgesamt vor der Zündung zusammensetzt. Es ist auch nicht erforderlich, den Brennwert des Brennstoffs unmittelbar vor der Zündung zu messen. Es kann somit auf kostspielige Sensorvorrichtungen wie Wobbe-Messgeräte, Gas-Chromatographen und Kalorimeter verzichtet werden. Während diese Arten von Sensorvorrichtungen nicht erforderlich sind, können sie dennoch verwendet werden, beispielsweise, um eine Verbesserung der Zuverlässigkeit und Kontrolle zu ermöglichen.
Anstatt sich auf Sensorvorrichtungen zu verlassen, die Brennwerte erfassen und/oder Brennstoffkomponenten messen, können die Brennstoffeigenschaften verwendet werden, die Strömungsparameter wie den Druck und den Druckabfall an dem spezifizierten Abhub des Brennstoffzufuhrventils beeinflussen. Das Molekulargewicht ist ein Beispiel für eine solche Eigenschaft. Die spezifische Dichte (SG) ist ein weiteres derartiges Beispiel. Ein Vorteil basiert darauf, dass Sensoren zum Messen dieser Eigenschaften, z. B. Sensoren zum Messen der relativen Dichte, verhältnismäßig kostengünstig sind.
Das Folgende ist als Erläuterung unterbreitet. Das Molekulargewicht eines Brennstoffs beeinflusst sowohl die Flammbarkeit als auch die Wärmekapazität in einer berechenbaren Weise. Beispielsweise entspricht ein höheres Molekulargewicht im Falle von Kohlenwasserstoffbrennstoffen allgemein der unteren Verbrennbarkeitsmagergrenze der Flammbarkeit. Außerdem entspricht ein höheres Molekulargewicht allgemein einer höheren Wärmeleistung des Brennstoffs. Darüber hinaus besteht eine Korrelation zwischen der Magergrenzenflammentemperatur und den minimalen Energien für eine Funkenzündung.
Die Flammbarkeit von Brennstoffen kann näherungsweise berechnet oder in sonstiger Weise ermittelt werden, wenn Brennstoffeigenschaften wie das Molekulargewicht oder damit in Beziehung stehende sonstige Eigenschaften, beispielsweise die Strömungsrate, die Dichte, die spezifische Dichte, die Geschwindigkeit, an der Geometrie einer Referenzverrohrung und an Ventilöffnungen gemessen und/oder berechnet werden. Wenn das Molekulargewicht des Brennstoffs oder sonstige Eigenschaften in Zusammenhang mit dem Molekulargewicht definiert sind, lässt sich die Flammbarkeit des Brennstoffs, die eine Hauptkomponente der Zündfähigkeit ist, ermitteln. Auf der Grundlage dieser Daten kann die Zündfähigkeit des Brennstoffs mit Blick auf einen Referenzwert eingestellt/angepasst werden.
Der Brennstoff kann verschiedene Brennstoffkomponenten enthalten. D. h. die Zündfähigkeit einer Brennstoffzusammensetzung, die mehrere unterschiedliche Brennstoffarten beinhaltet, lässt sich ermitteln und anpassen. Es nicht erforderlich, die einzelnen Komponenten zu ermitteln, aus denen die Brennstoffzusammensetzung insgesamt besteht. Nachdem die Verbrennbarkeitsmagergrenze (LLI) des Gemisches ermittelt ist, kann die auch als minimale Zündenergie bezeichnete Zündfähigkeitsmagergrenze berechnet werden. Die LL kann als eine Flammbarkeitsgrenze des Gemisches erachtet werden, unterhalb der ein Magergemisch-Flammenverlöschen (LBO) nicht verhindert sein wird.
Die Brennstoffflammbarkeit steht ihn enger Beziehung zu der Brennstoffreaktivität. Somit kann die Brennstoffflammbarkeit in vielen Fällen anhand von Brennstoffreaktivitätsdefinitionsparametern, z. B. Reaktionsratenkoeffizienten, Flammentemperatur und Verbrennungstemperatur, Zündungsverzögerung und/oder Flammenwegblaszeit, ausreichend genau berechnet werden. Die LLI kann daher, ähnlich wie sie auf der Grundlage der Flammbarkeit des Brennstoffgemisches berechnet werden kann, auch berechnet werden, nachdem die Reaktivität des Brennstoffs ermittelt ist.
Zusätzlich zu dem Brennwert und/oder der Reaktivität, kann anhand der Brennstoff-Luft-Zündfähigkeit die Zündenergie ermittelt werden. Zwischen der Zündfähigkeit, die erforderlich ist, um die Energie zum Zünden der Turbinenbrennkammer zu erhalten, und der Zündfähigkeit des der Brennkammer zugeführten Gemisches kann ein Unterschied bestehen. Es ist von besonderer Bedeutung, diesen Unterschied zu erkennen, wenn Art und/oder Zusammensetzung des Brennstoffs unbekannt sind.
In einem weiteren Aspekt können zusammen mit dem Schritt des Ermittelns der Zündfähigkeit eines Brennstoff/Luft-Gemisches, das eine unbekannte Brennstoffzusammensetzung aufweist, Berechnungen an dem im Augenblick der Zündung vorhandenen Druck bzw. der Geschwindigkeit/Turbulenz mit Blick auf eine Anpassung durchgeführt werden. Um die Zündfähigkeit an einen Referenzwert anzupassen, kann der Brennstoffventilhub moduliert werden. Außerdem können die Luftmenge und/oder die Temperatur der Luft angepasst/eingestellt werden. Die Zündfähigkeit des Brennstoffs kann sogar in einem System, das mehrere Quellen vielfältiger Brennstoffe aufweist, an den gewünschten Wert herangeführt werden. Da die Zündfähigkeit des Brennstoffs und/oder des Brennstoff/Luft-Gemisches definiert ist, können auch Anpassungen an der Ladung und/oder Frequenz des Zündfunkens durchgeführt werden.
Indem wieder Bezug auf 1 genommen wird, kann die Steuereinrichtung 6 dazu eingerichtet sein, die Parameter des Brennstoffs und der Luft, die der Brennkammer 1 auf der Grundlage der Zündfähigkeit des Brennstoffs zugeführt werden, anzupassen. Die Zündfähigkeit des Brennstoffs kann anhand der spezifischen Dichte (SG) ermittelt werden. Während in der nachstehenden Beschreibung in erster Linie SG verwendet wird, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Es können einige oder sämtliche der Brennstoffeigenschaften genutzt werden, die die Strömungsparameter beeinflussen. Da das Molekulargewicht eine der Haupteigenschaften ist, die die Strömungsparameter beeinflussen, können das Molekulargewicht und/oder Eigenschaften in Zusammenhang mit dem Molekulargewicht genutzt werden, um die Zündfähigkeit des Brennstoffs zu ermitteln.
Weiter kann das System ein Brennstoffspeicher- und -zufuhrsystem 12 enthalten, das dazu eingerichtet ist, mehrere Komponentenbrennstoffe über einen breiten Qualitätsbereich zu speichern und/oder zuzuführen. Die Steuereinrichtung 6 kann die Zufuhr jedes Komponentenbrennstoffs durch Anpassen der Öffnungen von Ventilen 7 steuern, die den unterschiedlichen Komponentenbrennstoffen entsprechen. D. h. die Steuereinrichtung 6 kann im Falle der Verfügbarkeit mehrere Komponentenbrennstoffe das Mischen der Komponentenbrennstoffe steuern/regeln.
Optional kann ein Ventil 13 verwendet werden, das die Gesamtmenge des gelieferten Brennstoffs beeinflusst. Falls das Ventil 13 verwendet wird, kann es durch die Steuereinrichtung 6 gesteuert/geregelt werden, um den Brennstoffzustrom zu steuern/regeln. Zu beachten ist, dass auch der Brennstoffzustrom durch Steuern der Ventile 7, die einzelnen Brennstoffkomponenten entsprechen, geregelt/gesteuert werden kann.
Das System enthält vorzugsweise Sensoren, die das Molekulargewicht des Brennstoffs oder Eigenschaften in Zusammenhang mit dem Molekulargewicht messen, beispielsweise die spezifische Dichte, die Strömung, die Dichte und die Geschwindigkeit. Beispielsweise kann das System einen Brennstoffdichtesensor 14a und einen Brennstoffzustromsensor 14b enthalten. Der Brennstoffdichtesensor 14a ist dazu eingerichtet, die spezifische Dichte des Brennstoffs zu messen. Der Brennstoffzustromsensor 14b ist dazu eingerichtet, Brennstoffzustromparameter, beispielsweise die Brennstoffzustromrate (in Einheiten von Masse und/oder Volumen) und die Brennstoffzustromgeschwindigkeit, zu messen. Der Brennstoffzustromsensor 14b kann auf einem einzelnen Sensor oder auf einer Kombination von Sensoren basieren, die die Brennstoffzustromparameter messen.
Das System kann außerdem einen Brennstoffwärmetauscher 8a enthalten, zu dem, gesteuert durch der Steuereinrichtung 6, wenigstens ein Teil des Brennstoffs abgezweigt wird, so dass eine gewünschte Brennstofftemperatur aufrecht erhalten wird oder auf einen gewünschten Bereich von Temperaturen beschränkt wird. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 6 ein Ventil 9 steuern/regeln, um die Brennstoffmenge zu steuern/regeln, die zu dem Brennstoffwärmetauscher 8a abgezweigt wird. Die Brennstofftemperatur kann durch einen Brennstofftemperatursensor 14c gemessen werden. Das System kann außerdem einen Brennstoffdrucksensor 14d zum Messen des Drucks des der Brennkammer 1 zugeführten Brennstoff enthalten.
Die Zündfähigkeit des Brennstoffs und/oder des Brennstoff/Luft-Gemisches kann angepasst/eingestellt werden, indem eine beliebige Kombination der Brennstoffzustromparameter und Luftstromparameter auf der Grundlage eines oder mehrerer Zündfähigkeitsindikatoren eingestellt/angepasst wird. Beispiele der Brennstoffzustromparameter sind unter Anderem Druck, Druckabfall, Temperatur, Strömungsrate (Größe der Masse und/oder des Volumens) und Geschwindigkeit. Beispiele von Luftstromparametern sind unter Anderem Druck, Druckabfall, Temperatur und Strömungsrate (Größe der Masse und/oder des Volumens).
Vorzugsweise werden die Anpassungen, wie nachstehend beschrieben, durch die Steuerungseinrichtung 6 automatisch ausgeführt. Allerdings können dieselben Anpassungen auch manuell ausgeführt werden, nachdem die Zündfähigkeitsindikatoren ermittelt sind.
Die Steuereinrichtung 6 kann den Betrieb des Dreiwegeventils 5 steuern, um den Luftstrom, den Druck und die Temperatur anzupassen, indem sie die Menge von Luft, die die Brennkammeranordnung 1 erreicht, die Menge von Luft, die zu einem Einlass des Verdichters 3 zurückkehrt, die Menge von Luft, die die Brennkammeranordnung 1 umgeht, und dergleichen steuert/regelt. Die Steuereinrichtung 6 kann den Luftdruck anpassen, indem sie die Zufuhr verdichteter Luft von dem Verdichter 3 zu der Brennkammer 1 steuert.
Um die Lufttemperatur anzupassen, kann die Steuereinrichtung 6 wenigstens einen Teil der in die Brennkammer 1 eintretenden Luft zu einem Luft-Wärmetauscher 8b abzweigen, indem sie ein Ventil 11 steuert, so dass die abgezweigte Luft vor dem Eintritt in die Brennkammer 1 vorgeheizt wird. Die Lufttemperatur kann durch einen Lufttemperatursensor 15a, z. B. einen Verdichterausgabelufttemperatursensor, gemessen und an die Steuereinrichtung 6 ausgegeben werden. Zu beachten ist, dass darüber hinaus mittels eines Effekts, der auch als Einlassabzapferwärmung bekannt ist, eine zusätzliche Lufttemperaturregulierung durchgeführt werden kann, indem wenigstens ein Teil der verdichteten Luft über das Dreiwegeventil 5 zu dem Verdichtereinlass geleitet wird. Weiter ist zu beachten, dass die Brennstoff- und Luft-Wärmetauscher 8a und 8b in einem Modul vereinigt oder als gesonderte Module bereitgestellt sein können.
Zündfähigkeitsanpassungen können auch auf der Grundlage von Messwerten durchgeführt werden, die nicht in Zusammenhang mit dem Brennstoff stehen. Beispielsweise kann das System einen Sensor 16 enthalten, um eine (durch Da (Damköhler) berechnete) Mischungsqualität des Brennstoff-Luft-Gemisches und/oder eine Fluidturbulenz zu messen oder in sonstiger Weise zu bestimmen. Die Turbulenz kann in Ka-(Karlovitz)- und/oder Re-(Reynolds)-Zahlen ausgedrückt sein. Die Steuereinrichtung 6 kann diese Messwerte nutzen, um die Brennstoff- und/oder Luftstromparameter weiter anzupassen, so dass das Brennstoff/Luft-Gemisch gezündet werden kann.
Wie weiter oben mehrmals vermerkt, kann der der Brennkammer 1 in 1 zugeführte Brennstoff auf einer Zusammensetzung einer oder mehrerer einzelner Brennstoffkomponenten basieren, und die Zufuhr jeder Brennstoffkomponente kann durch Öffnen und Schließen der Ventile 7, die jeweils einer Brennstoffkomponente entsprechen, gesteuert werden. Jeder Komponentenbrennstoff kann unterschiedliche Eigenschaften oder Parameter, wie Brennwerte, spezifische Dichte, Flammpunkt, und dergleichen, aufweisen. Die Eigenschaften jeder einzelnen Brennstoffkomponente brauchen in einem vorteilhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung weder unmittelbar gemessen noch genau bekannt zu sein. In der Tat ist es möglich, dass ein Komponentenbrennstoff, beispielsweise ein in dem Brennstoffspeicher- und zufuhrsystem 12 vorhandener Brennstoff 1 oder Brennstoff 2, selbst auf einer Zusammensetzung unterschiedlicher Brennstoffarten basiert. Da die Kenntnis der genauen Zusammensetzung nicht erforderlich ist, ist auch hier der Vorteil ganz offensichtlich.
Außerdem ist aus 1 zu ersehen, dass die Steuereinrichtung 6 eine wichtige Rolle bei der Regelung/Steuerung der Zufuhr eines Brennstoff/Luft-Gemisches zu der Gasturbine 2 spielt. 2 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel der Steuereinrichtung 6 gemäß einem nicht beschränkenden Aspekt der vorliegenden Erfindung. Die Steuereinrichtung 6 kann eine Parameteraufnahmeeinheit 210, eine Zündfähigkeitsberechnungseinheit 220, eine Zündfähigkeitsanpassungseinheit 230 und eine Zündungsparameteranpassungseinheit 240 enthalten.
Zu beachten ist, dass 2 eine logische Ansicht der Steuereinrichtung 6 und der darin enthaltene Einheiten zeigt. D. h. es ist nicht unbedingt erforderlich, jede Einheit als einen physikalisch gesonderten Modul zu verwirklichen. Einige oder sämtliche Einheiten können in einem physikalischen Modul zusammengeführt sein. Beispielsweise können die Zündfähigkeitsberechnungseinheit 220 und die Zündfähigkeitsanpassungseinheit 230 in einem einzelnen Modul zusammengeführt sein. Darüber hinaus brauchen die Einheiten nicht unbedingt in Hardware ausgeführt zu sein. Es wird in Betracht gezogen, dass die Einheiten durch eine Kombination von Hardware und Software verwirklicht sind. Beispielsweise kann die tatsächliche Steuereinrichtung 6 eine oder mehrere Zentraleinheiten enthalten, die nicht flüchtige Programmanweisungen ausführen, die in einem Speichermedium oder in Form von Firmware gespeichert sind, um die Funktionen der in 2 veranschaulichten Einheiten zu erfüllen.
Die Aufgaben, die jede Einheit der Steuereinrichtung 6 übernimmt, werden in Verbindung mit 3 beschrieben, in der ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens 300 veranschaulicht ist, das dazu dient, der Brennkammer 1 ein Brennstoff/Luft-Gemisch zur Zündung zuzuführen, gemäß einem nicht beschränkenden Aspekt der vorliegenden Erfindung. Allgemein werden die Brennstoff- und Luftstromparameter in dem Verfahren verwendet, um die Zündfähigkeit des Gemisches zu ermitteln. Auf der Grundlage der Zündfähigkeit wird ein geeignetes Brennstoff/Luft-Gemisch näherungsweise berechnet oder in sonstiger Weise ermittelt, das zünden wird, um die Gasturbine 2 zu starten.
In einem Aspekt wird die Zündfähigkeit des Brennstoffs auf der Grundlage eines oder mehrerer Zündfähigkeitsindikatoren berechnet. Bevorzugte Zündfähigkeitsindikatoren des Brennstoffgemisches beinhalten die Flammbarkeit (beispielsweise LL), den Brennwert (beispielsweise LHV, HHV, Q) und/oder die Reaktivität (beispielsweise Reaktionsgeschwindigkeit, Zündungsverzögerung und Flammenwegblasen). Einige dieser Indikatoren, beispielsweise die LL, können ermittelt werden, falls der Brennwert des Brennstoffs oder die einzelnen Komponenten des Brennstoffs bekannt sind. Allerdings ist ein Bereitstellen von Sensoren (beispielsweise eines Wobbe-Messgeräts oder Kalorimeters) zum unmittelbaren Messen des Brennwerts oder (beispielsweise eines Gas-Chromatographen) zum Messen der einzelnen Komponenten kostspielig.
In diesem Aspekt der Erfindung werden Parameter in Zusammenhang mit dem Molekulargewicht des Brennstoffs gemessen oder in sonstiger Weise ermittelt. Beispiele solcher Parameter beinhalten unter Anderem spezifische Dichte, Dichte, Strömungsrate und Geschwindigkeit. Anschließend wird eine Übertragungsfunktion angewendet, um die Flammbarkeit, den Brennwert und/oder die Reaktivität des Brennstoffs zu ermitteln oder abzuschätzen. D. h. die Übertragungsfunktion kann angewendet werden, um die Zündfähigkeitsindikatoren zu ermitteln.
Beispielsweise lassen sich eine oder mehrere Übertragungsfunktionen, die jeweils eine Beziehung zwischen der spezifischen Dichte, der Temperatur und der Verbrennbarkeitsmagergrenze eines Brennstoffgemisches spezifizieren, durch Experimente, durch empirische Beobachtung und/oder auf vielfältige andere Weise ermitteln. Die Verbrennbarkeitsmagergrenze kann in diesem Sinne als eine Flammbarkeitsgrenze des Brennstoff-Luft-Gemisches oder allgemein des Brennstoff/Oxidationsmittel-Gemisches erachtet werden, unterhalb der ein Magergemisch-Flammenverlöschen nicht verhindert sein wird. In einem Aspekt können Beziehungen als eine durch LL = k(aSG² – bSG + c) ausgedrückte Übertragungsfunktion zweiter Ordnung modelliert sein, wobei LL die Verbrennbarkeitsmagergrenze bezeichnet, SG für die spezifische Dichte des Brennstoffs steht, k einen Temperaturkorrekturkoeffizienten bezeichnet, und a, b und c Korrekturkoeffizienten repräsentieren.
Als ein weiteres Beispiel können eine oder mehrere Übertragungsfunktionen, die jeweils eine Beziehung zwischen der spezifischen Dichte und dem unteren Brennwert des Brennstoffs spezifizieren, durch eine Untersuchungsreihe, empirische Beobachtung und auf sonstigen Wegen erstellt werden. In einem Aspekt kann diese Beziehung als eine durch LHV = –aSG + bSG ausgedruckte lineare Übertragungsfunktion modelliert sein, in der LHV den unteren Brennwert des Brennstoffs bezeichnet, SG die spezifische Dichte des Brennstoffs bezeichnet, und a und b Korrekturkoeffizienten repräsentieren.
In ähnlicher Weise können eine oder mehrere Übertragungsfunktionen gewonnen werden, die jeweils eine Beziehung zwischen der spezifischen Dichte und der Reaktivität des Brennstoffs spezifizieren.
Ein Messen spezifischer Dichten kann, wie aus dem Vorausgehenden zu ersehen, sehr nützlich sein. Während die spezifische Dichte ausdrücklich genannt ist, können, wie erwähnt, auch Übertragungsfunktionen ermittelt und verwendet werden, die Beziehungen zwischen einer beliebigen Kombination der Parameter in Zusammenhang mit dem Molekulargewicht und den Zündfähigkeitsindikatoren spezifizieren. Einer dieser Parameter ist der Druckabfall. Beispielsweise kann veranlasst werden, dass der Brennstoff durch einen Referenzrohrabschnitt mit einer bekannten Geometrie strömt. Der über die Referenzverrohrung auftretende Brennstoffdruckabfall kann ermittelt werden. Beispielsweise können Brennstoffdrucksensoren 14d den Druck sowohl an dem Einlass als auch an dem Auslass des Referenzrohrabschnitts erfassen. Um die Zündfähigkeitsindikatoren zu ermitteln, können Übertragungsfunktionen genutzt werden, die Beziehungen zwischen dem Druckabfall und den Zündfähigkeitsindikatoren spezifizieren.
Nachdem die Zündfähigkeitsindikatoren – LL, LHV und/oder die Reaktionsgeschwindigkeit – durch Anwenden der Übertragungsfunktionen näherungsweise berechnet sind, kann die Zündfähigkeit des Gemisches berechnet werden. Ein Beispiel einer berechneten Zündfähigkeit des Gemisches ist die Zündfähigkeitsmagergrenze, die auch als die minimale Zündenergie bezeichnet werden kann, die die minimale Zündenergie ist, die erforderlich ist, um das Gemisch zu zünden. In einem Aspekt wird die Magergrenzenflammentemperatur des Brennstoffs auf der Grundlage der Zündfähigkeitsindikatoren des Brennstoffs, beispielsweise der Verbrennbarkeitsmagergrenze des Brennstoffs, bestimmt, und die Zündfähigkeitsmagergrenze des Brennstoffs kann wiederum auf der Grundlage der entsprechenden Magergrenzenflammentemperatur ermittelt werden.
Mit nochmaligem Bezug auf 3 beginnt das Verfahren 300 in Schritt 305. Anfänglich kann die Parameteraufnahmeeinheit 210 in Schritt 310 und 315 Brennstoffzustromparameter und Luftstromparameter aufnehmen, die durch Sensoren gemessen sind. Brennstoffzustromparameter können einen Brennstoffdruck, ein Brennstoffdruckgefälle, eine Brennstoffzustromrate, eine Brennstoffzustromgeschwindigkeit und eine Brennstofftemperatur beinhalten. Die Brennstoffzustromrate kann ein Mengendurchsatz und/oder ein Volumendurchsatz sein. Luftstromparameter können ein Luftdruck, ein Luftdruckgefälle, eine Luftstromrate, eine Luftstromgeschwindigkeit und eine Lufttemperatur beinhalten. Darüber hinaus können das Molekulargewicht des Brennstoffs oder Parameter in Zusammenhang mit dem Molekulargewicht ermittelt werden. Beispiele solcher in Beziehung stehender Parameter beinhalten unter Anderem spezifische Dichte, Dichte, Geschwindigkeit und Massendurchsatz.
In Schritt 320 wird der Referenz-/konstruktionsmäßige Zündfähigkeitsbereich bestimmt. Dieser kann in der Steuereinrichtung 6 vorkonfiguriert sein, von einer externen Quelle an die Steuereinrichtung 6 ausgegeben sein und/oder manuell in die Steuereinrichtung 6 eingegeben sein.
In Schritt 325 kann die Zündfähigkeitsberechnungseinheit 220 die Zündfähigkeit des Brennstoff-Luft-Gemisches auf der Grundlage der oben beschriebenen Parameter berechnen. Zu beachten ist, dass die Zündfähigkeit des Gemisches auch dann, wenn die Zusammensetzung des Brennstoffs unbekannt ist, berechnet werden kann, ohne das Gemisch zu Beginn zu Zünden. Folglich ist es nicht erforderlich, den Brennwert des Brennstoffs oder die Wobbe-Kennzahl unmittelbar zu messen. Es ist ebenfalls nicht erforderlich, die Zusammensetzung des Brennstoffs unmittelbar zu ermitteln.
Stattdessen kann die Zündfähigkeitsberechnungseinheit 220 eine oder mehrere Zündfähigkeitsindikatoren ermitteln, die zumindest teilweise auf dem Molekulargewicht oder auf damit in Beziehung stehenden Parametern, beispielsweise auf der spezifischen Dichte, basieren. Zündfähigkeitsindikatoren sind diejenigen Parameter des Brennstoffs, die mit der Flammbarkeit des Brennstoffs, mit der Wärmekapazität des Brennstoffs und/oder mit der Reaktivität des Brennstoffs in Beziehung stehen. Zu Beispielen zählen die Verbrennbarkeitsmagergrenze, der untere Brennwert und die Reaktionsgeschwindigkeit.
4 veranschaulicht ein nicht als beschränkend zu bewertendes exemplarisches Verfahren zum Durchführen von Schritt 325. Wie zu sehen, kann die Zündfähigkeitsberechnungseinheit 220 die Zündfähigkeitsindikatoren durch Anwenden von Übertragungsfunktionen in Schritt 410 ermitteln. Wie oben erwähnt, kann eine Übertragungsfunktion die Beziehung zwischen der spezifischen Dichte des Brennstoffs, der Temperatur des Gemisches und der Verbrennbarkeitsmagergrenze des Gemisches nachahmen. Eine weitere Übertragungsfunktion kann eine Beziehung zwischen der spezifischen Dichte des Brennstoffs und dem unteren Brennwert des Brennstoffs nachahmen. Noch eine weitere Übertragungsfunktion kann eine Beziehung zwischen der spezifischen Dichte des Brennstoffs und der Reaktionsgeschwindigkeit nachahmen. In ähnlicher Weise können Übertragungsfunktionen die Beziehungen zwischen dem über einem Referenzrohrabschnitt auftretenden Druckabfall des Brennstoffs mittels derselben oder anderer Zündfähigkeitsindikatoren nachahmen. Dies sind nur einige von vielen Übertragungsfunktionen, die angewendet werden können, um die Zündfähigkeitsindikatoren auf der Grundlage der spezifischen Dichte, des Druckabfalls, oder beliebiger sonstiger in Zusammenhang mit dem Molekulargewicht stehender Parameter zu ermitteln.
Darüber hinaus kann die Zündfähigkeitsberechnungseinheit 220 in Schritt 420 die Zündfähigkeit des Gemisches auf der Grundlage des einen oder der mehreren Zündfähigkeitsindikatoren ermitteln. Beispielsweise kann in Schritt 420 die Zündfähigkeitsmagergrenze auf der Grundlage der Zündfähigkeitsindikatoren, die in Schritt 410 bestimmt wurden, ermittelt werden und als die berechnete Zündfähigkeit bereitgestellt werden.
Indem wieder auf 3 Bezug genommen wird, kann die Anpassungseinheit 230 in Schritt 330 durch einen Vergleich der berechneten Zündfähigkeit mit dem konstruktionsmäßigen/Referenz-Zdndfähigkeitsbereich ermitteln, ob die berechnete Zündfähigkeit des Gemisches geeignet ist. Beispielsweise kann der Referenzzündfähigkeitsbereich einen geeigneten Zündfähigkeitsmagergrenzenbereich spezifizieren. Als ein weiteres Beispiel kann der Referenzbereich brauchbare Bereiche für eine beliebige Kombination eines oder mehrerer Flammbarkeitsindikatoren (beispielsweise Verbrennbarkeitsmagergrenze), einer oder mehrerer Brennwertindikatoren (beispielsweise unterer Brennwert, oberer Brennwert), und/oder eines oder mehrerer Reaktivitätsindikatoren (beispielsweise Reaktionsgeschwindigkeit, Zündungsverzögerung, Flammenwegblaszeit) spezifizieren. Falls der Vergleich der berechneten Zündfähigkeit in Schritt 330 günstig ausfällt, kann das Verfahren in Schritt 360 enden, wobei an diesem Punkt eine Zündung der Turbine versucht werden kann.
Falls der Vergleich der berechneten Zündfähigkeit in Schritt 330 hingegen ungünstig ausfällt, kann die Anpassungseinheit 220 die Zündfähigkeit des Brennstoff-Luft-Gemisches anpassen, indem sie in Schritt 335, 340 und 345 die Brennstoff- und Luftstromparameter anpasst. In Schritt 350 kann die Anpassungseinheit 230 überprüfen, ob die angepasste Zündfähigkeit innerhalb eines oder mehrerer Referenzzündfähigkeitsbereiche liegt. Falls dies zutrifft, kann das Verfahren in Schritt 360 enden, wobei die Zündung der Turbine an diesem Punkt versucht werden kann. Andernfalls kann das Verfahren wiederholt werden, um die Brennstoff- und Luftparameter weiter anzupassen, so dass die Zündfähigkeit in den einen oder in die mehreren Referenzzündfähigkeitsbereiche fällt. Zu beachten ist, dass sämtliche Berechnungs- und Anpassungsschritte in dem Verfahren ausgeführt werden, bevor die Zündung versucht wird.
Während keine Brennstoffzündung für das Berechnen und/oder Anpassen der Zündfähigkeit des Gemisches erforderlich ist, sollte der Brennstoff und die Luft jedoch strömen, so dass die entsprechenden Strömungsparameter gemessen werden können. Ein Weg basiert darauf, die Gasturbine bis zu einer vorbestimmten Drehzahl zu beschleunigen, so dass Brennstoff und Luft durch die Brennstoff- bzw. Luftzufuhrverrohrung strömen kann.
Ein zweiter Weg basiert darauf, Pumpen zu verwenden, die mit der Brennstoff- und Luftzufuhrverrohrung strömungsmäßig verbunden sind, um den erforderlichen Brennstoff- und Luftstrom zu erzeugen, um die Durchführung von Messungen zu ermöglichen. Dieser zweite Weg ist von Vorteil, insofern als die Gasturbine, die eine beträchtliche Masse aufweisen kann, nicht angetrieben werden muss. Indem wieder auf 1 Bezug genommen wird, können einige oder sämtliche Ventile auch als aktive Pumpen dienen, die durch die Steuerungseinrichtung 6 gesteuert werden können.
Auch wenn dies nicht unbedingt erforderlich ist, kann die Zündfähigkeitsanpassungseinheit 230, falls die Brennwerte des Brennstoffs und/oder die Brennstoffkomponenten durch Sensoren, wie dem Wobbe-Messgerät, Kalorimeter und Gas-Chromatographen, ermittelt werden können, den Anpassungsschritt des Steuerns der Brennstoff- und Luftstromparameter darüber hinaus zumindest teilweise auf der Grundlage der von diesen Sensoren stammenden Messwerte durchführen.
Zu beachten ist, dass die Verbrennbarkeitsmagergrenze den minimalen Brennstoffvorgabewert für den ersten Zündversuch beeinflusst. Falls noch weniger Brennstoff bereitgestellt wird, kommt es wahrscheinlich zu einem Magergemisch-Flammenverlöschen. Allerdings sollte für den ersten Zündversuch auch ein maximaler Brennstoffvorgabewert ermittelt werden, so dass die Gefahr einer Explosion auf ein Minimum reduziert ist. Der maximale Brennstoffvorgabewert lässt sich auf der Grundlage einer begleitenden Korrektur der Verbrennbarkeitsfettgrenze ermitteln. In einem Aspekt kann die Anpassungseinheit der Steuereinrichtung den minimalen bzw. maximalen Brennstoffvorgabewert mittels einer Korrektur der Verbrennbarkeitsmagergrenzen und der Verbrennbarkeitsfettgrenzen ermitteln.
Die vorliegende Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich des besten Modus zu beschreiben, und um außerdem jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in der Praxis einzusetzen, beispielsweise beliebige Einrichtungen und Systeme herzustellen und zu nutzen, und beliebige damit verbundene Verfahren durchzuführen. Der patentfähige Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann andere dem Fachmann in den Sinn kommende Beispiele umfassen. Solche anderen Beispiele sollen in den Schutzumfang der Ansprüche fallen, falls sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem wörtlichen Inhalt der Ansprüche nicht unterscheiden, oder falls sie äquivalente strukturelle Elemente enthalten, die nur unwesentlich von dem wörtlichen Inhalt der Ansprüche abweichen.
Während des Betriebs einer Gasturbine kann zwischen dem gewünschten Brennwert des Brennstoffs und den tatsächlichen Erfordernissen des Brennstoffs für den zugeführten Brennstoff, der zu zünden ist, eine Differenz vorhanden sein. In einem Aspekt werden Brennstoffparameter ermittelt, die das Molekulargewicht des Brennstoffs kennzeichnen, beispielsweise eine spezifische Dichte und ein Druckabfall. Die Zündfähigkeit des Brennstoffs wird auf der Grundlage der Brennstoffparameter berechnet und dem Bedarf entsprechend angepasst, um die Zündfähigkeit des Brennstoffs an die konstruktionsmäßigen Werte anzugleichen. Die Zündfähigkeit des Brennstoffs kann ohne ein tatsächliches Zünden des Brennstoffs und auch ohne eine unmittelbare Kenntnis des Brennwerts des Brennstoffs oder seiner Zusammensetzung berechnet werden.

Claims

Verfahren, das durch eine Steuereinrichtung ausgeführt wird, um einer Gasturbine ein Brennstoff/Oxidationsmittel-Gemisch zur Zündung zuzuführen, wobei der Brennstoff auf einer Zusammensetzung einer oder mehrerer Brennstoffkomponenten basiert, wobei das Verfahren die Schritte beinhaltet: Berechnen einer Zündfähigkeit des Gemisches auf der Grundlage eines oder mehrerer Brennstoffparameter, die das Molekulargewicht des Brennstoffs kennzeichnen, eines oder mehrerer Brennstoffzustromparameter, und eines oder mehrerer Oxidationsmittelstromparameter; und Anpassen des Brennstoffs- und des Oxidationsmittels in dem Gemisch, so dass die Zündfähigkeit des Gemisches nach der Anpassung innerhalb eines Referenzzündfähigkeitsbereichs liegt, wobei der Schritt des Berechnens der Zündfähigkeit des Gemisches und der Schritt des Anpassens des Brennstoff/Oxidationsmittel-Gemisches vor dem Zünden des Gemisches durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zum Berechnen der Zündfähigkeit des Gemisches durchgeführt wird, ohne eine Wobbe-Kennzahl und einen Brennwert des Brennstoffs unmittelbar zu messen, und ohne eine Zusammensetzung des Brennstoffs unmittelbar zu messen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt zum Berechnen der Zündfähigkeit des Gemisches beinhaltet: Ermitteln einer spezifischen Dichte des Brennstoffs und/oder Ermitteln eines Druckabfalls über einen vorbestimmten Referenzrohrabschnitt; Ermitteln eines oder mehrerer Zündfähigkeitsindikatoren des Brennstoffs auf der Grundlage der spezifischen Dichte des Brennstoffs und/oder des Druckabfalls; und Ermitteln einer Zündfähigkeitsmagergrenze auf der Grundlage des einen oder der mehreren Zündfähigkeitsindikatoren, wobei die Zündfähigkeitsindikatoren des Brennstoffs Parameter beinhalten, die eine Flammbarkeit, Wärmekapazität und/oder Reaktivität des Brennstoffs kennzeichnen, und wobei die Zündfähigkeitsmagergrenze eine minimale Zündenergie ist, die erforderlich ist, um das Gemisch zu zünden.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt zum Ermitteln der spezifischen Dichte des Brennstoffs beinhaltet: Ermitteln der spezifischen Dichte auf der Grundlage von Messwerten von einem Brennstoffschwerkraftsensor; oder Ermitteln der spezifischen Dichte auf der Grundlage von Messwerten von einem Brennstofftemperatursensor, einem Brennstoffdrucksensor, einem Oxidationsmitteltemperatursensor und/oder einem Oxidationsmitteldrucksensor.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt zum Ermitteln eines oder mehrerer Zündfähigkeitsindikatoren den Schritt des Ermittelns einer Verbrennbarkeitsmagergrenze des Gemisches durch Anwenden einer Übertragungsfunktion beinhaltet, die eine Beziehung zwischen der spezifischen Dichte des Brennstoffs und/oder dem Druckabfall, der Temperatur des Gemisches und der Verbrennbarkeitsmagergrenze des Gemisches modelliert, wobei die Verbrennbarkeitsmagergrenze eine Flammbarkeitsgrenze des Gemisches ist, unterhalb der ein Magergemisch-Flammenverlöschen nicht verhindert sein wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt zum Ermitteln eines oder mehrerer Zündfähigkeitsindikatoren ein Ermitteln eines unteren Brennwerts des Gemisches durch Anwenden einer Übertragungsfunktion beinhaltet, die eine Beziehung zwischen der spezifischen Dichte des Brennstoffs und/oder dem Druckabfall und dem unteren Brennwert des Brennstoffs modelliert.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt zum Ermitteln eines oder mehrerer Zündfähigkeitsindikatoren ein Ermitteln einer Reaktionsgeschwindigkeit des Gemisches durch Anwenden einer Übertragungsfunktion beinhaltet, die eine Beziehung zwischen der spezifischen Dichte des Brennstoffs und/oder dem Druckabfall und der Reaktionsgeschwindigkeit des Brennstoffs modelliert.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt zum Ermitteln der Zündfähigkeitsmagergrenze beinhaltet: Ermitteln einer Magergrenzenflammentemperatur des Brennstoffs auf der Grundlage des einen oder der mehreren Zündfähigkeitsindikatoren; und Ermitteln der Zündfähigkeitsmagergrenze auf der Grundlage der Magergrenzenflammentemperatur, die der Zündfähigkeitsmagergrenze entspricht.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Brennstoffzustromparameter einen Brennstoffdruck, ein Brennstoffdruckgefälle, eine Brennstoffzustromrate, eine Brennstoffzustromgeschwindigkeit und eine Brennstofftemperatur beinhalten, wobei die Oxidationsmittelstromparameter einen Oxidationsmitteldruck, einen Oxidationsmitteldruckabfall, eine Oxidationsmittelströmungsrate, eine Oxidationsmittelströmungsgeschwindigkeit und eine Oxidationsmitteltemperatur beinhalten, und wobei der Schritt zum Anpassen des Brennstoffs und Oxidationsmittels in dem Gemisch ein Steuern einer beliebigen Kombination der Brennstoffzustromparameter, der Oxidationsmittelstromparameter und der Turbulenz beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt zum Anpassen des Brennstoffs und des Oxidationsmittels in dem Gemisch ein Steuern der Brennstoffzustromparameter und/oder der Oxidationsmittelstromparameter auf der Grundlage von Messwerten von einem Brennstoffzusammensetzungssensor und/oder von einem Brennstoffbrennwertsensor beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 3, ferner mit dem Schritt des Einstellens eines oder mehrerer Gasturbinenzündungsparameter auf der Grundlage der Zündfähigkeit des Gemisches und/oder der Zündfähigkeitsmagergrenze, wobei die Gasturbinenzündungsparameter eine Funkenzündungsdauer, eine Funkenzündungsfrequenz und eine Laufraddrehzahl beinhalten.
Verfahren nach Anspruch 3, ferner mit den Schritten, einen minimalen Brennstoffvorgabewert für einen ersten Zündversuch mit einer Korrektur der Verbrennbarkeitsmagergrenzen zu ermitteln, und einen maximalen Brennstoffvorgabewert für den ersten Zündversuch mit einer Korrektur der Verbrennbarkeitsfettgrenzen zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zum Berechnen der Zündfähigkeit des Gemisches ein Antreiben der Gasturbine mit Blick auf eine vorbestimmte Drehzahl beinhaltet, um Messungen der Brennstoffparameter zu ermöglichen, die das Molekulargewicht des Brennstoffs, die Brennstoffzustromparameter und die Oxidationsmittelstromparameter kennzeichnen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zum Berechnen der Zündfähigkeit des Gemisches beinhaltet: Pumpen des Brennstoffs mittels einer oder mehrerer Brennstoffpumpen, die mit einer Brennstoffzufuhrverrohrung strömungsmäßig verbunden sind, um Messungen der Brennstoffparameter zu ermöglichen, die das Molekulargewicht des Brennstoffs und die Brennstoffzustromparameter kennzeichnen; und Pumpen des Oxidationsmittels mittels einer oder mehrerer Oxidationsmittelpumpen, die mit einer Oxidationsmittelzufuhrverrohrung strömungsmäßig verbunden sind, um Messungen der Oxidationsmittelstromparameter zu ermöglichen, wobei die Turbine, während der Brennstoff und das Oxidationsmittel mittels der Brennstoff- und Oxidationsmittelpumpen gepumpt wird, nicht gedreht wird.
Steuereinrichtung zum Steuern/Regeln der Zufuhr des Brennstoff/Oxidationsmittel-Gemisches zu einer Gasturbine zur Zündung, wobei der Brennstoff auf einer Zusammensetzung einer oder mehrerer Brennstoffkomponenten basiert, wobei zu der Steuereinrichtung gehören: eine Parameteraufnahmeeinheit, die dazu eingerichtet ist, beliebige Kombinationen eines oder mehrerer Brennstoffparameter aufzunehmen, die das Molekulargewicht des Brennstoffs, einen oder mehrere Brennstoffzustromparameter und einen oder mehrere Oxidationsmittelstromparameter kennzeichnen; eine Zündfähigkeitsberechnungseinheit, die dazu eingerichtet ist, eine Zündfähigkeit des Gemisches auf der Grundlage von Parametern zu berechnen, die durch die Parameteraufnahmeeinheit aufgenommen sind; und eine Zündfähigkeitsanpassungseinheit, die dazu eingerichtet ist, den Brennstoff und das Oxidationsmittel in dem Gemisch anzupassen, so dass die Zündfähigkeit des Gemisches nach der Anpassung innerhalb eines Referenzzündfähigkeitsbereichs liegt, wobei die Zündfähigkeitsberechnungseinheit die Berechnung durchführt, und die Zündfähigkeitsanpassungseinheit die Anpassung durchführt, bevor das Gemisch gezündet wird, um die Anzahl von Zündversuchen zu verringern.
Steuereinrichtung nach Anspruch 15, wobei die Zündfähigkeitsberechnungseinheit die Zündfähigkeit des Gemisches ohne Daten über eine Wobbe-Kennzahl, einen Brennwert und einer Zusammensetzung des Brennstoffs berechnet.
Steuereinrichtung nach Anspruch 15, wobei die Zündfähigkeitsberechnungseinheit die Zündfähigkeit des Gemisches mittels folgender Schritte berechnet: Ermitteln eines oder mehrerer Zündfähigkeitsindikatoren auf der Grundlage einer spezifischen Dichte des Brennstoffs und/oder eines Druckabfall des Brennstoffs über einen vorbestimmten Referenzrohrabschnitt; und Ermitteln einer Zündfähigkeitsmagergrenze auf der Grundlage des einen oder der mehreren Zündfähigkeitsindikatoren, wobei die Zündfähigkeitsindikatoren des Brennstoffs Parameter beinhalten, die eine Flammbarkeit, Wärmekapazität und/oder Reaktivität des Brennstoffs kennzeichnen, und wobei die Zündfähigkeitsmagergrenze eine minimale Zündenergie ist, die erforderlich ist, um das Gemisch zu zünden.
Steuereinrichtung nach Anspruch 17, wobei die Zündfähigkeitsberechnungseinheit dazu eingerichtet ist, die spezifische Dichte auf der Grundlage von Messwerten von Brennstoff- und Oxidationsmitteltemperatursensoren und von Brennstoff- und Oxidationsmitteldrucksensoren zu ermitteln.
Steuereinrichtung nach Anspruch 17, wobei die Zündfähigkeitsberechnungseinheit dazu eingerichtet ist, eine Verbrennbarkeitsmagergrenze des Gemisches durch Anwenden einer Übertragungsfunktion zu ermitteln, die eine Beziehung zwischen der spezifischen Dichte des Brennstoffs und/oder dem Druckabfall, der Temperatur des Gemisches und der Verbrennbarkeitsmagergrenze des Gemisches modelliert, wobei die Verbrennbarkeitsmagergrenze eine Flammbarkeitsgrenze des Gemisches ist, unterhalb der ein Magergemisch-Flammenverlöschen nicht verhindert sein wird.
Steuereinrichtung nach Anspruch 17, wobei die Zündfähigkeitsberechnungseinheit dazu eingerichtet ist, einen unteren Brennwert des Gemisches durch Anwenden einer Übertragungsfunktion zu ermitteln, die eine Beziehung zwischen der spezifischen Dichte des Brennstoffs und/oder dem Druckabfall und dem unteren Brennwert des Brennstoffs modelliert.
Steuereinrichtung nach Anspruch 17, wobei die Zündfähigkeitsberechnungseinheit dazu eingerichtet ist, eine Reaktionsgeschwindigkeit des Gemisches durch Anwenden einer Übertragungsfunktion zu ermitteln, die eine Beziehung zwischen der spezifischen Dichte des Brennstoffs und/oder dem Druckabfall und der Reaktionsgeschwindigkeit des Brennstoffs modelliert.
Steuereinrichtung nach Anspruch 17, wobei die Zündfähigkeitsberechnungseinheit dazu eingerichtet ist, die Zündfähigkeitsmagergrenze durch folgende Schritte zu bestimmen: Ermitteln einer Magergrenzenflammentemperatur des Brennstoffs auf der Grundlage des einen oder der mehreren Zündfähigkeitsindikatoren; und Ermitteln der Zündfähigkeitsmagergrenze auf der Grundlage der Magergrenzenflammentemperatur, die der Zündfähigkeitsmagergrenze entspricht.
Steuereinrichtung nach Anspruch 17, wobei die Brennstoffzustromparameter einen Brennstoffdruck, ein Brennstoffdruckgefälle, eine Brennstoffzustromrate, eine Brennstoffzustromgeschwindigkeit und eine Brennstofftemperatur beinhalten, wobei die Oxidationsmittelstromparameter einen Oxidationsmitteldruck, einen Oxidationsmitteldruckabfall, eine Oxidationsmittelströmungsrate, eine Oxidationsmittelströmungsgeschwindigkeit und eine Oxidationsmitteltemperatur beinhalten, und wobei die Zündfähigkeitsanpassungseinheit dazu eingerichtet ist, den Brennstoff und das Oxidationsmittel in dem Gemisch durch Steuern einer beliebigen Kombination der Brennstoffzustromparameter, der Oxidationsmittelstromparameter und der Turbulenz anzupassen.
Steuereinrichtung nach Anspruch 23, wobei die Zündfähigkeitsanpassungseinheit dazu eingerichtet ist, den Brennstoff und das Oxidationsmittel in dem Gemisch durch Steuern der Brennstoffzustromparameter und/oder der Oxidationsmittelstromparameter auf der Grundlage von Messwerten von einem Brennstoffzusammensetzungssensor und/oder von einem Brennstoffbrennwertsensor anzupassen.
Steuereinrichtung nach Anspruch 17, zu der außerdem eine Zündungsparameteranpassungseinheit gehört, die dazu eingerichtet ist, einen oder mehrere Gasturbinenzündungsparameter auf der Grundlage der Zündfähigkeit des Gemisches und/oder der Zündfähigkeitsmagergrenze einzustellen, wobei die Gasturbinenzündungsparameter eine Funkenzündungsdauer, eine Funkenzündungsfrequenz und eine Laufraddrehzahl beinhalten.
Steuereinrichtung nach Anspruch 17, wobei die Zündungsparameteranpassungseinheit dazu eingerichtet ist, einen minimalen Brennstoffvorgabewert für einen ersten Zündversuch mit einer Korrektur der Verbrennbarkeitsmagergrenzen, und einen maximalen Brennstoffvorgabewert für den ersten Zündversuch mit einer Korrektur der Verbrennbarkeitsfettgrenzen zu steuern/regeln.