DE102014109713A1 - System und Verfahren zur Steuerung von Gasturbinenemissionen - Google Patents

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Abstract

Ausführungsformen der vorliegenden Beschreibung sind auf ein System gerichtet, das eine Gasturbinenmaschine, die zum Erzeugen von Abgas eingerichtet ist, ein selektives katalytisches Reduktionssystem, das zum Erzeugen von verarbeitetem Abgas eingerichtet ist, und ein Steuerungssystem enthält. Das Steuerungssystem enthält eine erste Steuerungseinrichtung, die zum Regeln des Betriebs des selektiven katalytischen Reduktionssystems eingerichtet ist, eine zweite Steuerungseinrichtung, die zum Regeln des Betriebs der Gasturbinenmaschine eingerichtet ist, und eine Optimierungseinrichtung, die zum Koordinieren des Betriebs der ersten Steuerungseinrichtung und der zweiten Steuerungseinrichtung eingerichtet ist, um gleichzeitig ein ersten Pegel einer Emissionsverbindung in dem Abgas zu maximieren und die Einspritzung eines Reduktionsmittels in das selektive katalytische Reduktionssystem zu regeln, um einen zweiten Pegel der Emissionsverbindung in dem verarbeiteten Abgas auf einen ersten Soll-Pegel der Emissionsverbindung in dem verarbeiteten Abgas zu verringern.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gegenstand der hier beschriebenen Erfindung sind Turbinensysteme und insbesondere Systeme und Verfahren zum Steuern von Emissionen, die von derartigen Turbinensystemen erzeugt werden.
  • Gasturbinensysteme enthalten typischerweise wenigstens eine Gasturbinenmaschine mit einem Verdichter, einer Brennkammer und einer Turbine. Die Brennkammer ist dafür eingerichtet, ein Gemisch aus Brennstoff und verdichteter Luft zum Erzeugen heißer Verbrennungsgase zu verbrennen, welche wiederum Laufschaufeln der Turbine antreiben. Von der Gasturbinenmaschine erzeugtes Abgas kann bestimmte Nebenprodukte, wie z.B. Stickstoffoxide (NOx), Schwefeloxide (SOx), Kohlenoxide (COx) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe, enthalten. Im Allgemeinen ist es erwünscht, den Anteil derartiger Nebenprodukte in dem Abgas vor der Freisetzung des Abgases an Atmosphäre zu eliminieren oder wesentlich zu verringern.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Bestimmte im Schutzumfang der ursprünglich beanspruchten Erfindung entsprechende Ausführungsformen sind nachstehend zusammengefasst. Diese Ausführungsformen sollen nicht den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung einschränken, sondern stattdessen sollen diese Ausführungsformen nur einen kurzen Überblick möglicher Formen der Erfindung bereitstellen.
  • Tatsächlich kann die Erfindung eine Vielfalt von Formen umfassen, die den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen ähneln oder sich davon unterscheiden können.
  • In einer ersten Ausführungsform enthält ein System eine Gasturbinenmaschine, die zum Erzeugen von Abgas eingerichtet ist, ein selektives katalytisches Reduktionssystem, das zum Erzeugen von verarbeitetem Abgas eingerichtet ist, und ein Steuerungssystem. Das Steuerungssystem enthält eine erste Steuerungseinrichtung, die zum Regeln des Betriebs des selektiven katalytischen Reduktionssystems eingerichtet ist, eine zweite Steuerungseinrichtung, die zum Regeln des Betriebs der Gasturbinenmaschine eingerichtet ist, und eine Optimierungseinrichtung, die zum Koordinieren des Betriebs der ersten Steuerungseinrichtung und der zweiten Steuerungseinrichtung eingerichtet ist, um gleichzeitig ein ersten Pegel einer Emissionsverbindung in dem Abgas zu erhöhen und die Einspritzung eines Reduktionsmittels in das selektive katalytische Reduktionssystem zu regeln, um einen zweiten Pegel der Emissionsverbindung in dem verarbeiteten Abgas auf einen ersten Soll-Pegel der Emissionsverbindung in dem verarbeiteten Abgas zu verringern.
  • Die Optimierungseinrichtung kann dafür eingerichtet sein, einen ersten Anteil von unreagiertem Reduktionsmittel in dem selektiven katalytischen Reduktionssystem zu regeln, um einen zweiten Soll-Pegel des unreagierten Reduktionsmittels zu erreichen.
  • Die Emissionsverbindung jedes vorstehend erwähnten Systems kann NOx sein.
  • Das Reduktionsmittel jedes vorstehend erwähnten Systems kann Ammoniak sein.
  • Das Steuerungssystem jedes vorstehend erwähnten Systems kann eine Gasturbinenmaschinen-Steuerungseinrichtung aufweisen, die dafür eingerichtet ist, ein oder mehrere Betriebssysteme der Gasturbinenmaschine zu regeln, um den ersten Pegel der Emissionsverbindung in dem von der Gasturbinenmaschine erzeugten Abgas zu erhöhen.
  • Das eine oder die mehreren Betriebssysteme können ein Brennstoffsystem, das zum Anpassen von Brennstoffaufteilungen eines Brenners der Gasturbinenmaschine eingerichtet ist, ein Wassersystem, das zum Einspritzen von Wasser oder Dampf in die Brennkammer eingerichtet ist, oder beide aufweisen.
  • In einer zweiten Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zum Betreiben eines Turbinensystems einen Betrieb der Gasturbinenmaschine des Turbinensystems bei weniger als Volllast, einen Betrieb des selektiven katalytischen Reduktionssystems zum Reduzieren eines Pegels einer Emissionsverbindung in dem von der Gasturbinenmaschine erzeugten Abgas auf einen Soll-Pegel, die Ermittlung einer verfügbaren, nicht genutzten Kapazität des selektiven katalytischen Reduktionssystems, um den Pegel der Emissionsverbindung in dem durch die Gasturbinenmaschine erzeugten Abgas weiter zu verringern und um den Pegel der durch die Gasturbinenmaschine erzeugten Emissionsverbindung in dem Abgas zu erhöhen, indem einer oder mehrere Betriebsparameter der Gasturbinenmaschine angepasst werden.
  • Das Verfahren kann beinhalten, dass die Erhöhung des Pegels der ersten Emissionsverbindung in dem durch die Gasturbinenmaschine erzeugten Abgas den Schritt der Verringerung der Wasser- oder Dampfeinspritzung in eine Brennkammer der Gasturbinenmaschine aufweist.
  • Das Verfahren jedes vorstehend erwähnten Typs kann beinhalten, dass die Erhöhung des Pegels der ersten Emissionsverbindung in dem durch Gasturbinenmaschine erzeugten Abgas den Schritt der Erhöhung einer Flammentemperatur einer Brennkammer der Gasturbinenmaschine aufweist.
  • Das Verfahren jedes vorstehend erwähnten Typs kann beinhalten, dass die Erhöhung des Pegels der ersten Emissionsverbindung in dem durch Gasturbinenmaschine erzeugten Abgas den Schritt der Anpassung einer Brennstoffaufteilung oder eines Brennstoff/Luft-Verhältnisses einer Brennkammer der Gasturbinenmaschine aufweist.
  • Das Verfahren jedes vorstehend erwähnten Typs kann beinhalten, dass die Ermittlung der verfügbaren, nicht genutzten Kapazität des selektiven katalytischen Reduktionssystems zum weiteren Verringern des Pegels der ersten Emissionsverbindung in dem von der Gasturbinenmaschine erzeugten Abgas den Schritt der gleichzeitigen Messung und Anpassung eines Anteils von unreagiertem Reduktionsmittels in dem selektiven katalytischen Reduktionssystem aufweist.
  • Das Verfahren jedes vorstehend erwähnten Typs kann den Schritt der Messung eines Austrittspegels der ersten Emissionsverbindung in dem das selektive katalytische Reduktionssystem verlassenden Abgas aufweisen.
  • Das Verfahren jedes vorstehend erwähnten Typs kann den Schritt der Steuerung des Pegels der ersten Emissionsverbindung in dem von der Gasturbinenmaschine erzeugten Abgas auf der Basis von Reduktionsmittelpreises, Brennstoffpreises, Elektrizitätspreises, Brennkammerausfallintervallen oder einer Kombination davon aufweisen.
  • Das Verfahren jedes vorstehend erwähnten Typs kann den Schritt der Messung des Pegels der ersten Emissionsverbindung in dem Abgas aufweisen, wenn das Abgas die Gasturbinenmaschine verlässt.
  • Das Verfahren jedes vorstehend erwähnten Typs kann beinhalten, dass die Erhöhung des Pegels der ersten Emissionsverbindung in dem Abgas zu einer Reduzierung eines Pegels einer zweiten Emissionsverbindung in dem Abgas führt.
  • In einer dritten Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zum Betreiben eines Turbinensystems die Vorgabe eines ersten Sollwertes eines ersten Anteils einer Emissionsverbindung in die Gasturbinenmaschine verlassenden und in das selektive katalytische Reduktionssystem eintretenden Abgas, das dafür eingerichtet ist, das Abgas in ein verarbeitetes Abgas zu verarbeiten, die Vorgabe eines zweiten Sollwertes für einen zweiten Anteil eines Reduktionsmittelschlupfes in dem selektiven katalytischen Reduktionssystem, die Vorgabe eines dritten Sollwertes für die Emissionsverbindung in dem das selektive katalytische Reduktionssystem verlassenden Abgas, die Einspritzung eines Reduktionsmittels in das selektive katalytische Reduktionssystem, um den zweiten Sollwert für den zweiten Anteil des Reduktionsmittelschlupfes zu erreichen, die Ermittlung einer Anpassung für den ersten Sollwert des ersten Anteils der Emissionsverbindung in dem die Gasturbinenmaschine verlassenden und in das selektive katalytische Reduktionssystem eintretenden Abgas, um einen neuen ersten Sollwert des ersten Anteils der Emissionsverbindung vorzugeben, und die Anpassung wenigstens eines Betriebsparameters der Gasturbinenmaschine, um einen neuen ersten Sollwert der ersten Anteils der Emissionsverbindung zu erreichen.
  • Das Verfahren jedes vorstehend erwähnten Typs kann beinhalten, dass ein Schritt der Anpassung wenigstens eines Betriebsparameters der Gasturbinenmaschine zum Erreichen eines neuen ersten Sollwertes des ersten Anteils der Emissionsverbindung den Schritt der Anpassung einer Brennstoffaufteilung in eine Brennkammer der Gasturbinenmaschine, der Anpassung einer Flammentemperatur der Brennkammer, der Anpassung eines Brennstoff/Luft-Verhältnisses der Brennkammer, der Anpassung einer Wasser- oder Dampfeinspritzung in die Brennkammer oder einer Kombination davon aufweist.
  • Das Verfahren jedes vorstehend erwähnten Typs kann die Durchführung der Schritte der Einspritzung des Reduktionsmittels in das selektive katalytische Reduktionssystem, um den zweiten Sollwert für den zweiten Anteil des Reduktionsmittelsschlupfes zu erreichen, der Ermittlung der Anpassung des ersten Sollwertes des ersten Anteils der Emissionsverbindung in dem die Gasturbinenmaschine verlassenden und in das selektive katalytische Reduktionssystem eintretenden Abgas, um den neuen ersten Sollwert des ersten Anteils der Emissionsverbindung anzupassen, und der Anpassung des wenigstens einen Betriebsparameters der Gasturbinenmaschine, um den neuen ersten Sollwert des ersten Anteils der Emissionsverbindung in einer kontinuierlichen Schleife zu erreichen, aufweisen.
  • Das Verfahren jedes vorstehend erwähnten Typs kann den Schritt der Erhöhung des ersten Anteils der Emissionsverbindung in dem die Gasturbinenmaschine verlassenden Abgas aufweisen, während gleichzeitig der dritte Sollwert für die Emissionsverbindung in dem das selektive katalytische Reduktionssystem verlassenden verarbeiteten Abgas erreicht wird.
  • Das Verfahren jedes vorstehend erwähnten Typs kann beinhalten, dass die Emissionsverbindung NOx ist.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich, wenn die nachstehende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Ansprüche gelesen wird, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile durchgängig durch die Zeichnungen bezeichnen, in welchen:
  • 1 eine Blockdarstellung eines Turbinensystems ist, das ein System zur Steuerung von Emissionen des Turbinensystems gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Beschreibung enthält;
  • 2 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Steuerung von Emissionen des Turbinensystems von 1 ist; und
  • 3 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Steuerung von Emissionen des Turbinensystems von 1 ist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Eine oder mehrere spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend beschrieben. In dem Bemühen, eine knappe Beschreibung dieser Ausführungsformen zu geben, können nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Implementation in der Patenschrift beschrieben werden. Es dürfte erkennbar sein, dass bei der Entwicklung von jeder derartigen tatsächlichen Implementation wie bei jedem Entwicklungs- oder Auslegungs-Projekt zahlreiche implementationsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um die spezifischen Ziele des Entwicklers, wie z.B. Übereinstimmung mit systembezogenen und geschäftsbezogenen Einschränkungen zu erreichen, welche von einer Implementation zur anderen variieren können. Ferner dürfte erkennbar sein, dass ein derartiger Entwicklungsaufwand komplex und zeitaufwendig sein kann, aber trotzdem hinsichtlich Auslegung, Herstellung und Fertigung für den normalen Fachmann mit dem Vorteil dieser Beschreibung eine Routineaufgabe wäre.
  • Wenn Elemente verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingeführt werden, sollen die Artikel "einer, eines, eine", "der, die, das" und "besagter, besagte, besagtes" die Bedeutung haben, dass eines oder mehrere von den Elementen vorhanden sein können. Die Begriffe "aufweisend", "enthaltend" und "habend" sollen einschließend sein und die Bedeutung haben, dass zusätzliche weitere Elemente außer den aufgelisteten Elementen vorhanden sein können.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen im Wesentlichen Techniken zum Steuern von Emissionen eines Gasturbinensystems. Beispielsweise können in Gasturbinensystemen eine oder mehrere Gasturbinenmaschinen einen Brennstoff zum Erzeugen von Verbrennungsgasen zum Antreiben einer oder mehrerer Turbinenstufen, welche jeweils mehrere Laufschaufeln haben, verbrennen. Abhängig von dem Typ des Brennstoffs, der verbrannt wird, können sich aus dem Verbrennungsprozess ergebende Abgasemissionen Stickstoffoxide (NOx), Schwefeloxide (SOx), Kohlenoxide (COx) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe enthalten. Oft unterliegt die Zusammensetzung von durch Gasturbinensysteme freigesetzten Abgasen wie z.B. einer Gasturbinenstromerzeugungsanlage strengen behördlichen Auflagen. Beispielsweise können Auflagen erfordern, dass die NOx-Zusammensetzung des Abgases, das an Atmosphäre freigesetzt wird, nicht mehr als ein Schwellenwertpegel ist, wie z.B. 3 Teile pro Million (ppm).
  • Eine Technik zur Entfernung oder Verringerung des NOx-Anteils in einem Abgasstrom ist die selektive katalytische Reduktion (SCR). In einem SCR-Prozess wird ein Reduktionsmittel, wie z.B. Ammoniak (NH3) in den Abgasstrom eingespritzt und reagiert mit dem NOx, um Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) zu erzeugen. Die Effektivität des SCR-Prozesses kann wenigstens teilweise von dem Anteil des in den Abgasstrom eingespritzten Reduktionsmittels abhängen. Jedoch kann, wenn zuviel Reduktionsmittel in den Abgasstrom eingespritzt wird, das überschüssige Reduktionsmittel nicht mit NOx reagieren. Demzufolge kann ein Anteil des Reduktionsmittels unreagiert durch den SCR-Prozess "durchschlupfen" oder diesen passieren.
  • Eine weitere Technik zum Beseitigen oder Verringern des NOx-Anteils (oder einer anderen Emissionsverbindung) in einem Abgasstrom besteht in der Regelung des Betriebs des Gasturbinensystems. Beispielsweise kann der Brennstoffsystembetrieb (z.B. die Anpassung des Brennstoff/Luft-Verhältnisses, der Brennstoffaufteilungen, usw.) geregelt werden, um niedrige Flammentemperaturen in der Brennkammer des Gasturbinensystems einzuhalten und dadurch NOx-Emissionspegel zu verringern. Als weiteres Beispiel kann die Einspritzung von Wasser oder Dampf in die Brennkammer des Gasturbinensystems NOx-Emissionspegel verringern. Jedoch kann eine Wasser- oder Dampfeinspritzung die Verbrennungsdynamik (z.B. akustische und/oder Druckoszillationen) in dem Turbinensystem vergrößern. Demzufolge kann es erwünscht sein, den Anteil des in die Brennkammer des Turbinensystems eingespritzten Wassers oder Dampfes zu überwachen und/oder zu regeln.
  • Somit kann gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Turbinensystem, wie z.B. ein Einfachzyklus-Hochleistungsgasturbinensystem oder ein von einem Flugzeugtriebwerk abgeleitetes Verbrennungssystem ein Steuerungssystem enthalten, das zum Regeln und Koordinieren verschiedener Emissionssteuerungstechniken eines Gasturbinensystems (z.B. Brennstoff/Luft-Verhältnis, Flammentemperatur, Dampfeinspritzung, Wassereinspritzung, Brennstoffzusammensetzung, usw.) eingerichtet ist, und ein selektives katalytisches Reduktionssystem (z.B. in einem Abgasabschnitt), um eine gewünschte Emissionsqualität (z.B. Kaminemissionen) zu erreichen, die von dem Turbinensystem erzeugt werden. Beispielsweise kann, wie es ferner nachstehend beschrieben wird, das Steuerungssystem dafür eingerichtet sein, die verfügbare NOx-Reduktionskapazität des SCR-Systems zu nutzen, um NOx-Emissionspegel zu reduzieren, während gleichzeitig eine verringerte Nutzung von Emissionssteuerungsmaßnahmen in dem Gasturbinensystem ermöglicht wird. Auf diese Weise kann der Brennstoffsystembetrieb angepasst werden (z.B. das Brennstoff/Luft-Verhältnis kann erhöht oder verringert werden), eine Dampf- oder Wassereinspritzung kann verringert werden oder andere Betriebsparameter des Gasturbinensystems können angepasst oder verbessert werden, um die Verbrennungsdynamik (z.B. akustische und/oder Druckoszillationen) zu verringern, um dadurch eine mechanische und thermische Ermüdung an der Brennkammer und/ oder dem Turbinenmaterial zu verringern. Zusätzlich können Betriebsverhalten, Leistungsabgabe und Wirkungsgrad des Turbinensystems verbessert werden.
  • In einer Ausführungsform können Abweichungen in dem Anteil des von der Gasturbine des Gasturbinensystems erzeugten NOx (z.B. Abweichungen in dem NOx-Anteil in den an das SCR-System geleiteten Abgasen) vorgegeben oder geplant werden. Beispielsweise können NOx-Emissionen der Gasturbine als eine Funktion einer Gasturbinenbelastung geplant werden. Somit kann eine Steuerung des SCR-Systems dafür eingerichtet sein, einen geeigneten Anteil an Reduktionsmittel (z.B. auf der Basis des NOx in dem von Gasturbine erzeugten Abgas) in das SCR-System einzuspritzen, um die Emissionspegel (z.B. NOx-Pegel) unter einem Schwellenwertpegel in den Emissionen des Gasturbinensystems (z.B. Kaminemissionen) zu halten. In einer weiteren Ausführungsform können der Anteil des Reduktionsmittel-"Schlupfes" in dem SCR-System (z.B. ein Anteil des unreagierten Reduktionsmittels) und der NOx-Anteil in den Gasturbinensystememissionen (z.B. Kaminemissionen) gleichzeitig gesteuert werden, um Emissionssteuerungsmaßnahmen in der Gasturbinenmaschine zu verringern, die eine NOx-Zunahme in den in das SCR-System eintretenden Abgasen bewirken, während gleichzeitig Emissionspegels (z.B. NOx-Pegel des Kamins) unter einem Soll- oder Schwellenwertpegel in dem SCR-System gehalten werden. Zu diesem Zweck können einer oder mehrere Gasturbinen-(z.B. Verbrennungs-)-Betriebsparameter zum Verringern von Emissionssteuerungsmaßnahmen in den Brennkammern angepasst werden, welche den Anteil an einer durch den Gasturbinenbetrieb erzeugten Brennkammerdynamik verringern und/oder die Leistungsabgabe, das Betriebsverhalten, Wirkungsgrad usw. des Turbinensystems wie nachstehend diskutiert verbessern. Obwohl die nachtstehend diskutierten Ausführungsformen in Zusammenhang mit einem NOx-Verringerung beschrieben werden, dürfte es erkennbar sein, dass die offengelegten Techniken auch bei der Verringerung anderer Emissionsverbindung (z.B. CO) verwendet werden könnten. Zusätzlich kann in bestimmten Ausführungsformen ein Pegel einer ersten Emissionsverbindung (z.B. NOx) erhöht werden, um dadurch eine Abnahme in einem Pegel einer zweiten Emissionsverbindung (z.B. CO) zu bewirken. Beispielsweise können in der nachstehend beschriebenen Art, sobald NOx-Emissionspegel in der Gasturbinenmaschine erhöht werden, CO-Pegels in der Gasturbinenmaschine verringert werden.
  • Gemäß Vorstehendem ist 1 eine Blockdarstellung eines exemplarischen Turbinensystems 10, das eine Gasturbinenmaschine 12 und ein Abgasverarbeitungssystem 14 enthält. In bestimmten Ausführungsformen kann das Turbinensystem 10 ein Stromerzeugungssystem sein. Das Turbinensystem 10 kann flüssigen oder gasförmigen Brennstoff, wie z.B. Erdgas und/oder ein wasserstoffreiches synthetisches Gas, verbrennen, um heiße Verbrennungsgase zum Antreiben des Turbinensystems 10 zu erzeugen.
  • Gemäß Darstellung enthält die Gasturbinenmaschine 12 einen Lufteinlassabschnitt 16, einen Verdichter 18, einen Brennkammerabschnitt 20 und eine Turbine 22. Die Turbine 22 kann zum Antrieb mit dem Verdichter 18 über eine Welle verbunden sein. In Betrieb tritt Luft in die Turbinenmaschine 12 durch den Einlassabschnitt 16 (dargestellt durch die Pfeile 17) ein und wird in dem Verdichter 18 verdichtet. Der Verdichter 18 kann mehrere Verdichterschaufeln enthalten, die mit der Welle verbunden sind. Die Drehung der Welle bewirkt eine Drehung der Verdichterschaufeln, um dadurch Luft in den Verdichter 18 zu saugen und die Luft vor dem Eintritt in den Brennkammerabschnitt 20 zu verdichten.
  • Der Brennkammerabschnitt 20 kann eine oder mehrere Brennkammern enthalten. In einer Ausführungsform können mehrere Brennkammern an mehreren Positionen in Umfangsrichtung in einer im Wesentlichen runden oder ringförmigen Anordnung um die Welle herum angeordnet sein. Sobald verdichtete Luft den Verdichter 18 verlässt und in den Brennkammerabschnitt 20 eintritt, wird die verdichtete Luft mit Brennstoff 19 zur Verbrennung in der/den Brennkammer(n) vermischt. Beispielsweise können die Brennkammer(n) eine oder mehrere Brennstoffdüsen enthalten, die ein Brennstoff/Luft-Gemisch in die Brennkammer(n) in einem geeigneten Verhältnis für Verbrennung, Emissionssteuerung, Brennstoffverbrauch, Leistungsabgabe usw. einspritzen. Die Verbrennung der Luft und des Brennstoffs erzeugt heiße unter Druck stehende Abgase, welche dann genutzt werden können, um eine oder mehrere Turbinenstufen (jede hat mehrere Turbinenschaufeln) in der Turbine 22 anzutreiben. Im Betrieb strömen die in die und durch die Turbine 22 strömenden Verbrennungsgase gegen die und zwischen den Turbinenschaufeln, um dadurch die Turbinenschaufeln anzutreiben und somit die Welle in Drehung zu versetzen, um eine Last anzutreiben, wie z.B. einen elektrischen Generator in einem Kraftwerk. Wie vorstehend diskutiert, bewirkt die Drehung der Welle auch, dass Schaufeln in dem Verdichter 18 die durch den Einlass 16 aufgenommene Luft ansaugen und unter Druck setzen.
  • Die Verbrennungsgase, die durch die Turbine 22 strömen, können das stromabwärts befindliche Ende 24 der Turbine 22 als ein Abgasstrom 26 verlassen. Der Abgasstrom 26 kann weiter in der Stromabwärtsrichtung 27 zu dem Abgasverarbeitungssystem 14 strömen. Das Abgasverarbeitungssystem 14 kann einen Hochdruck-(HP)-Luft/Dampf-Wärmetauscher 31, einen Zwischendruck-(IP)-Luft/Dampf-Wärmetauscher 33 und einen Niederdruck-(LP)-Luft/Dampf-Wärmetauscher 35 zur Übertragen thermischer Energie aus dem Abgas 26 an andere Systeme (z.B. Dampfturbinen) enthalten. Andere Ausführungsformen können einige oder keinen von den Wärmetauschen 31, 33, 35 enthalten. Das stromabwärts befindliche Ende 24 der Turbine 22 kann fluidmäßig mit einem SCR-System 30 des Abgasverarbeitungssystems 14 verbunden sein. Wie vorstehend diskutiert, kann das Abgas 26 als Folge des Verbrennungsprozesses bestimmte Nebenprodukte wie z.B. Stickstoffoxide (NOx), Schwefeloxide (SOx), Kohlenoxide (COx) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe enthalten. Aufgrund verschiedener behördlicher Auflagen kann das Abgasverarbeitungssystem 14 eingesetzt werden, um die Konzentration derartiger Nebenprodukte vor der Abgabe des Abgasstroms an Atmosphäre zu verringern oder erheblich zu minimieren. Wie man erkennt, kann das SCR-System 30 auf der Basis eines maximalen Bedarfs an NOx-Verringerung in einer Anwendung ausgelegt oder dimensioniert sein. Demzufolge kann, wenn die Gasturbinenmaschine 12 nicht bei Voll- oder Grundlast arbeitet und die Gasturbinenmaschine 12 keine maximale NOx-Pegel oder keinen maximalen Abgasstrom 26 erzeugt, das SCR-System 30 zusätzliche (d.h., ungenutzte) Kapazität für NOx-Verringerung haben. In der nachstehend beschriebenen Weise kann bei geringerer als voller Last der Gasturbinenmaschine 12 die zusätzliche oder ungenutzte NOx-Reduktionskapazität des SCR-Systems 30 genutzt werden, um den Betrieb und die Lebensdauer der Brennkammer 24 zu verbessern, indem die Nutzung anderer Emissionssteuerungsmaßnahmen in den Brennkammern verringert wird. Zusätzlich kann in bestimmten Ausführungsformen das SCR-System 30 überdimensioniert sein, um zusätzliche NOx-Reduktionskapazität bereitzustellen. Somit kann die Gasturbinenmaschine 12 bei voller Last betrieben werden, und die ungenutzte Kapazität des SCR-Systems 30 kann zur weiteren Reduzierung von NOx-Pegeln in dem Abgasstrom 22 genutzt werden.
  • Wie vorstehend erwähnt, besteht eine Technik zur Entfernung oder Verringerung des NOx-Anteils in einem Abgasstrom in der Verwendung eines selektiven katalytischen Reduktionsprozesses (SCR). Beispielsweise wird in einem SCR-Prozess für die Beseitigung von NOx aus dem Abgasstrom 26 Ammoniak (NH3) in den Abgasstrom (z.B. das Abgas 26) eingespritzt und reagiert mit dem NOx unter Erzeugung von Stickstoff (N2) und Wasser (H2O). Wie man erkennt, kann die Effektivität dieses SCR-Prozesses wenigstens teilweise von dem Anteil des in das Abgas 26 eingespritzten Ammoniaks (NH3) abhängen. Wie nachstehend im Detail diskutiert, kann die in das Abgas 26 eingespritzte Ammoniakmenge (NH3) zusammen mit anderen Betriebsparametern der Gasturbinenmaschine 12 geregelt werden, um Emissionspegel (z.B. NOx-Emissionspegel) unter einem oder mehreren Schwellenwertpegeln in der Gasturbinenmaschine 12 (z.B. im Abgas 26) und dem Gesamtturbinensystem (z.B. in Kaminemissionen) zu halten.
  • Gemäß Darstellung in 1 enthält das SCR-System 30 ein Injektionsgitter 32 für ein Reduktionsmittel (z.B. Ammoniak (NH3)), das dafür eingerichtet ist, das Reduktionsmittel in den Abgasstrom 26 gemäß Darstellung durch die Pfeile 34 einzuspritzen. In einer Ausführungsform kann das Reduktionsmitteleinspritzgitter 32 ein Netzwerk von Rohren mit Öffnungen zum Einspritzen des Reduktionsmittels in den Abgasstrom 26 enthalten. Die Reduktionsmitteleinspritzung (z.B. die Pfeile 34) erfolgt stromaufwärts vor einem SCR-Katalysator 37. Wie man erkennt, reagieren das Reduktionsmittel und NOx in dem Abgas 26, während sie den SCR-Katalysator 37 unter Erzeugung von Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) passieren, um somit das NOx aus dem Abgas 26 zu entfernen. Die resultierenden Emissionen (z.B. verarbeiteter Abgasstrom 36 oder Kaminemissionen) werden durch einen Kamin 38 des Turbinensystems gemäß Darstellung durch Pfeile 40 an die Atmosphäre abgegeben. Ferner kann der Kamin 38 in einigen Ausführungsformen einen Schalldämpfer enthalten.
  • Gemäß Darstellung kann das Reduktionsmittel (z.B. Ammoniak (NH3)) dem Reduktionsmitteleinspritzgitter 32 durch eine Reduktionsmittelquelle 42 (z.B. einen Reduktionsmittellagerungstank) zugeführt werden. Zusätzlich kann ein Ventil 44 einen Durchfluss des dem Reduktionsmitteleinspritzgitter 32 zugeführten Reduktionsmittels steuern. Wie nachstehend im Detail diskutiert, kann der Durchfluss des Reduktionsmittels gesteuert werden, um eine gewünschte NOx-Konzentration (z.B. unter einem Schwellenwertpegel) in dem verarbeiteten Abgasstrom 36 (z.B. Kaminemissionen) zu erreichen. Beispielsweise kann in bestimmten Ausführungsformen der Durchfluss des Reduktionsmittels wenigstens teilweise auf dem Anteil des NOx in dem in das SCR-System 30 eintretenden NOx basieren. Zusätzlich kann der Durchflus des Reduktionsmittels wenigstens teilweise auf einer verfügbaren NOx-Reduktionskapazität des SCR-Systems 30 basieren.
  • Obwohl die vorliegende Ausführungsform im Wesentlichen auf die Bearbeitung und Beseitigung von NOx aus dem Abgasstrom 26 ausgerichtet ist, können andere Ausführungsformen für die Beseitigung anderer Verbrennungsnebenprodukte, wie z.B. Kohlenmonoxid oder unverbrannter Kohlenwasserstoffe, sorgen. Somit kann der bereitgestellte Katalysator abhängig von der Zusammensetzung variieren, die aus dem Abgasstrom 26 entfernt wird. Zusätzlich dürfte es sich verstehen, dass die hierin offengelegten Ausführungsformen nicht auf die Verwendung nur eines SCR-Systems 30 beschränkt sind, sondern dass auch mehrere SCR-Systeme 30 enthalten sein können.
  • Weiterhin enthält das Turbinensystem 10 gemäß 1 ein Turbinensystem-Steuerungssystem 46, das dafür eingerichtet ist, den Betrieb der Gasturbinenmaschine 12 und des Abgasverarbeitungssystems 14 zu regeln. Insbesondere enthält das Turbinensystem-Steuerungssystem 46 ein Abgasverarbeitungssteuerungssystem 48 und ein Gasturbinenmaschinen-Steuerungssystem 50, welche zum Koordinieren der Verarbeitung und Beseitigung von Emissionen (z.B. NOx, CO usw.) aus dem Abgasstrom 26 zusammenarbeiten können. Beispielsweise können das Turbinensystem-Steuerungssystem 46 (z.B. das Abgasverarbeitungs-Steuerungssystem 48 und/oder das Gasturbinenmaschinen-Steuerungssystem 50) in der nachstehend beschriebenen Weise einen oder mehrere Betriebsparameter der Gasturbinenmaschine 12 und/oder des SCR-Systems 30 regeln, um die relativen Anteile einer NOx-Reduzierung sowohl in dem Abgas 26 als auch in dem verarbeiteten Abgas 36 zu steuern. Mit anderen Worten, die NOx-Verringerung in dem SCR-System kann erhöht werden, um eine Reduktion in der NOx-Emissionssteuerung in der Gasturbinenmaschine 12 zu ermöglichen.
  • Gemäß Darstellung enthält das Abgasverarbeitungs-Steuerungssystem 48 eine Steuerungseinrichtung 52 mit einem Mikroprozessor 54 und einem Speicher 56. Beispielsweise kann der Speicher 56 jedes beliebige geeignete berührbare, computerlesbare Medium mit ausführbaren Instruktionen umfassen. Das Abgasverarbeitungs-Steuerungssystem 48 enthält ferner eine Optimierungseinrichtung 58, welche dafür eingerichtet sein kann, einen oder mehrere Betriebsparameter des Turbinensystems 10 zu regeln, um eine NOx-Verringerung in der Gasturbinenmaschine 12 und dem SCR-System 30 zu koordinieren (z.B. die relativen NOx-Anteile zu optimieren). Beispielsweise kann die Optimierungseinrichtung 58 ebenfalls einen Speicher 56 mit ausführbaren Instruktionen für die Steuerung der NOx-Verringerung in dem Abgas 26 und dem verarbeiteten Abgas 36 enthalten.
  • Das Abgasverarbeitungs-Steuerungssystem 48 kann eine oder mehrere Komponenten des SCR-Systems 30 regeln. Beispielsweise kann, wie in der veranschaulichten Ausführungsform dargestellt, das Abgasverarbeitungs-Steuerungssystem 48 den Betrieb des Ventils 44 regeln. Auf diese Weise kann das Abgasverarbeitungs-Steuerungssystem 48 einen Durchflus des Reduktionsmittels (z.B. Ammoniak (NH3)) in das SCR-System 30 regeln, um dadurch den Anteil der NOx-Beseitigung aus dem Abgas 26 stromabwärts von der Gasturbinenmaschine 12 anzupassen. Das Abgasverarbeitungs-Steuerungssystem 48 kann auch den Betrieb anderer Komponenten des SCR-Systems 30 regeln.
  • Zusätzlich kann das Abgasverarbeitungs-Steuerungssystem 48 den Betrieb verschiedener Komponenten des SCR-Systems 30 auf der Basis einer gemessenen Rückmeldung regeln. Beispielsweise kann das SCR-System 30 einen Sensor 60 enthalten, der dafür eingerichtet ist, einen Reduktionsmittel-"Schlupf" in dem SCR-System 30 zu messen. Wie vorstehend erwähnt, kann, wenn zu viel Reduktionsmittel in das Abgas 26 eingespritzt wird, ein Anteil des Reduktionsmittels durch das SCR-System 30 in unreagiertem Zustand "schlupfen" oder hindurchtreten. Somit kann der Sensor 60 dafür eingerichtet sein, einen Anteil des unreagierten Reduktionsmittels in dem SCR-System 30 und stromabwärts von dem Reduktionsmitteleinspritzgitter 32 zu messen. Ferner kann das SCR-System 30 einen Sensor 62 enthalten, der ständig die Zusammensetzung des den Kamin 38 verlassenden verarbeiteten Abgasstroms 36 misst, einen Sensor 64, der dafür eingerichtet ist, einen Durchfluss des an das Reduktionsmitteleinspritzgitter 32 von der Reduktionsmittelquelle 42 gelieferten Reduktionsmittels zu messen, und einen Sensor 66, der dafür eingerichtet ist, NOx in dem Abgas 26 zu messen. Beispielsweise können in bestimmten Ausführungsformen die Steuerungseinrichtung 52 und die Sensoren 62 und 66 Emissionsparameter unter Anwendung des in dem U.S. Patent Nr. 8,151,572 , welches hierin durch Bezugnahme vollständig beinhaltet ist, beschriebenen Laser-Emissionsmessungs- und Steuerungssystems messen. Zusätzlich können in bestimmten Ausführungsformen der Sensor 60 und die Steuerungseinrichtung 52 einen Reduktionsmittelschlupf unter Anwendung des in der U.S. Patenanmeldungsveröffentlichung Nr. US 2011/0192147, welche hierin durch Bezugnahme vollständig beinhaltet ist, beschriebenen Reduktionsmittelschlupf-Steuerungsalgorithmus messen. In der vorstehend beschriebenen Weise kann das Abgasverarbeitungs-Steuerungssystem 48 die gemessene Rückmeldung aus einem oder mehreren von den Sensoren 60, 62, 64 und 66 oder anderen Sensoren des SCR-Systems 30 messen, um die NOx-Verringerung in dem Abgas 26 und dem verarbeiteten Abgas 36 zu regeln und zu koordinieren (z.B. die relativen Anteile optimieren).
  • Ebenso kann die Optimierungseinrichtung 58 ferner den Betrieb der Gasturbinenmaschine 12 regeln. In bestimmten Ausführungsformen kann die Optimierungseinrichtung 58 den Betrieb einer oder mehrerer Komponenten der Gasturbinenmaschine 12 auf der Basis einer gemessenen Rückmeldung aus den Sensoren 60, 62, 64 und 66 regeln. Beispielsweise kann eine Gasturbinen-Steuerungseinrichtung 68 des Gasturbinenmaschinen-Steuerungssystems 40 Betriebsinstruktionen oder Rückmeldung aus der Optimierungseinrichtung 58 und/oder dem Abgasverarbeitungs-Steuerungssystem 48 empfangen. In Reaktion darauf kann die Gasturbinen-Steuerungseinrichtung 68 eines oder mehrere Systeme 70 der Gasturbinenmaschine 12 regeln. Beispielsweise kann die Gasturbinen-Steuerungseinrichtung 68 den Betrieb eines Brennstoffsystems 72 regeln, welches der Brennkammer 20 Brennstoff zuführt. Insbesondere kann die Gasturbinen-Steuerungseinrichtung 68 das Brennstoffsystem 72 steuern, dass es die Brennstoffdurchflüsse (Brennstoffaufteilungen (z.B. Aufteilung des Brennstoffs zwischen zwei oder mehr Brennstoffdüsen und/oder Brennkammern), Brennstoffzusammensetzung, Luft/ Brennstoff-Verhältnisse (z.B. Brennstoff angereichert, Brennstoff abgereichert, oder im Wesentlichen stöchiometrisch) oder andere Betriebsparameter in Verbindung mit dem an die Brennkammer 20 gelieferten Brennstoff regelt. Zusätzlich kann die Gasturbinen-Steuerungseinrichtung 68 den Betrieb eines Wassersystems 74 der Gasturbinenmaschine 12 regeln. Wie vorstehend erwähnt, können Wasser oder Dampf (z.B. aus dem Wassersystem 74) in die Brennkammer 20 zum Reduzieren von NOx in dem die Turbine 22 verlassenden Abgasstrom 26 eingespritzt werden. Jedoch kann in die Brennkammer 20 eingespritztes Wasser (z.B. flüssiges Wasser oder Dampf) Druckoszillationen und Schwingungen (z.B. Verbrennungsdynamik) in der Brennkammer 20 erhöhen. Demzufolge können in der nachstehend beschriebenen Weise das Turbinensystem-Steuerungssystem 46 (z.B. das Abgasverarbeitungs-Steuerungssystem 48 und/oder das Gasturbinenmaschinen-Steuerungssystem 50) so eingerichtet sein, dass sie den Anteil des in die Brennkammer 20 von dem Wassersystem 74 eingespritzten Wassers in Verbindung mit der Steuerung anderer Betriebsparameter des Turbinensystems 10 steuern. Des Weiteren kann die Gasturbinensteuerung 68 weitere Betriebssysteme 76 der Gasturbinenmaschine 12 (z.B. auf der Basis von Instruktionen und/oder von dem Abgasverarbeitungs-Steuerungssystem 48 und/oder der Optimierungseinrichtung 58 empfangener Rückmeldung) regeln oder steuern. Beispielsweise können die anderen Betriebssysteme 76 ein System beinhalten, das dafür eingerichtet ist, einen Betriebsmodus der Gasturbinenmaschine 12, eine Flammentemperatur der Brennkammer 20 usw. zu regeln.
  • Ferner können das Turbinensystem-Steuerungssystem 46 (z.B. das Abgasverarbeitungs-Steuerungssystem 48 und/oder das Gasturbinenmaschinen-Steuerungssystem 50) dafür eingerichtet sein, eine Benutzereingabe 78 zu empfangen und den Betrieb des Turbinensystems 10 und die NOx-Pegel auf der Basis der Benutzereingabe 78 zu steuern. Beispielsweise kann die Benutzereingabe 78 einen Reduktionsmittelpreis, einen NOx-Sollwert des Abgases, einen Strompreis, einen Strombedarf, Brennstoffpreis, Brennkammerausfallintervalle, NOx-Emissionsrechte oder andere finanzielle Information und/oder andere Information bezüglich des Betriebs des Turbinensystems 10 beinhalten. Eine derartige Information einer Benutzereingabe 78 kann ferner in die Steuerung der NOx-Verringerung in dem Abgas 26 (z.B. NOx-Steuerungseinrichtung in der Gasturbinenmaschine 12) und dem verarbeiteten Abgas 36 (z.B. NOx-Steuerungseinrichtung in dem Abgasverarbeitungssystem 14) enthalten sein. In bestimmten Ausführungsformen können weitere Beschränkungen oder Steuerungsparameter durch die Optimierungseinrichtung 58 verwendet werden. Beispielsweise können zusätzliche Beschränkungen einen zulässigen Reduktionsmittelschlupf auf der Basis von Umweltauflagen, CO-Emissionsvorschriften des Kamins 38 oder andere Betriebsbeschränkungen beinhalten.
  • Wie vorstehend erwähnt, ist die Optimierungseinrichtung 58 dafür eingerichtet, den Betrieb des Turbinensystems 10 zur Steuerung der NOx-Verringerung in dem Turbinensystem 10 zu regeln, während gleichzeitig Material und Teilelebensdauer des Turbinensystems 10 (z.B. durch Verringerung der Verbrennungsdynamik, Verringerung von CO, Vergrößern von Magerverlöschungsspannen usw.) erhöht wird. Beispielsweise können in einer Ausführungsform Abweichungen in den NOx-Pegeln in dem Abgas 26 geplant (z.B. vorgegeben) werden, und das SCR-System 30 kann so gesteuert werden, dass zugelassene NOx-Pegel in dem durch den Kamin 38 ausgegebenen verarbeiteten Abgas 36 erzielt werden. In einer weiteren Ausführungsform können ein Reduktionsmittelschlupf (z.B. unreagiertes Reduktionsmittel) und NOx-Pegel in dem verarbeiteten Abgas 36 gleichzeitig gesteuert werden, um einen zulässigen NOx-Pegel in dem verarbeiteten Abgas 36 zu erreichen. In einer derartigen Ausführungsform können einer oder mehrere Betriebsbedingungen in der Gasturbinenmaschine 12 zur Reduzierung von NOx-Steuerungsmesswerten in der Gasturbinenmaschine 12 gesteuert werden, was eine Erhöhung des NOx-Anteils in dem in das SCR-System 30 eintretenden Abgas 26 bewirkt, um dadurch die Kapazität des SCR-Systems 30 zum Reduzieren der NOx-Pegel in dem Abgas 26 auf zulässige Pegel zu nutzen. Auf diese Weise können Wasser/Dampf-Injektions- und/oder andere NOx-Verringerungsmaßnahmen der Gasturbinenmaschine 12 verringert werden, um dadurch die Verbrennungsdynamik zu verringern und die Lebensdauer der Brennkammer 20 zu verlängern, die Magerverlöschungsspanne zu vergrößern und Brennkammerstörungen und Flammenverlöschung zu verringern, Lastabsenkung zu verringern usw.
  • 2 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren 100 zur Steuerung von Emissionen des Turbinensystems 10 unter Verwendung des Turbinensystem-Steuerungssystems 46 veranschaulicht. Gemäß Darstellung den Schritt 102 können Veränderungen in den NOx-Pegeln (z.B. den NOx-Pegeln in dem die Gasturbinenmaschine 12 verlassenden Abgas 26) in einer Gasturbinenmaschine 12 vorbestimmt werden. Beispielsweise können die die Gasturbinenmaschine 12 verlassenden NOx-Pegel in dem Abgas 26 auf der Basis geplanter Lasten, Betriebsmodi (z.B. Hochfahren, stabiler Zustand, Herunterfahren, Teillastabsenkung usw.) oder Betriebszeiten der Gasturbinenmaschine 12 vorbestimmt werden. In einer Ausführungsform kann ein erster NOx-Emissionspegel zugelassen oder von der Gasturbinenmaschine 12 für eine erste Zeitdauer ausgegeben werden und anschließend kann ein zweiter NOx-Emissionspegel zugelassen oder von der Gasturbinenmaschine 12 für eine zweite Zeitdauer ausgegeben werden. Während der ersten und zweiten Zeitdauer kann das SCR-System 30 gesteuert werden, dass es NOx-Emissionen in dem Abgas auf einen zulässigen Pegel des verarbeiteten Abgases 36 weiter verringert. In bestimmten Ausführungsformen können die die Gasturbinenmaschine 12 verlassenden und in das SCR-System 30 eintretenden NOx-Pegel als Benutzereingabe 78 vorbestimmt oder in dem Turbinensystem-Steuerungssystem 46 als Benutzereingabe 78 vorgegeben werden. Wie zu erkennen ist, kann das Gasturbinenmaschinen-Steuerungssystem 50 dafür eingerichtet sein, eines oder mehrere Betriebssysteme 70 (z.B. Brennstoffsystem 72, Wassersystem 74 oder ein anderes System 76) zu steuern, um die geplanten oder vorgegebenen NOx-Pegel in dem Abgas 26 zu erreichen. In bestimmten Ausführungsformen kann der Sensor 66 NOx-Pegel in dem die Gasturbinenmaschine 12 verlassenden Abgas 26 messen und das Turbinensystem-Steuerungssystem 48 kann die Rückmeldung oder Instruktionen an die Gasturbinensteuerung 68 übermitteln, um eines oder mehrere von den Betriebssystemen 70 zum Erreichen der geplanten NOx-Pegel zu regeln.
  • Wenn die NOx-Pegel des die Gasturbinenmaschine 12 verlassenden Abgases 26 vorbestimmt oder vorgegeben sind, kann das SCR-System 30 (z.B. durch das Abgasverarbeitungs-Steuerungssystem 48) zum Erreichen zulässiger NOx-Pegel in dem den Kamin 38 verlassenden verarbeiteten Abgas 36 gemäß Darstellung durch den Schritt 104 betrieben oder gesteuert werden. Beispielsweise kann das Abgasverarbeitungs-Steuerungssystem 48 auf der Basis der in das SCR-System 30 eintretenden NOx-Pegel in dem Abgas 26 den Betrieb des Ventils 44 regeln, um einen Anteil des Reduktionsmittels (z.B. in das SCR-System 30 durch das Reduktionsmitteleinspritzgitter 32 eintretendes Ammoniak), zu steuern. Insbesondere kann der Anteil des in das SCR-System 30 eingespritzten Reduktionsmittels zur Erzielung eines zulässigen NOx-Pegels des verarbeiteten Abgases 36 gesteuert werden. Beispielsweise kann das Abgasverarbeitungs-Steuerungssystem 48 einen gemessenen NOx-Anteil in dem verarbeiteten Abgas 36 von dem Sensor 62 empfangen, und die Steuerungseinrichtung 52 kann den Betrieb des Ventils 44 zum Einspritzen einer ausreichenden Menge von Reduktionsmittel in das SCR-System 30 zum Reduzieren der NOx-Pegel in dem verarbeiteten Abgas 36 auf einen zulässigen Pegel regeln.
  • 3 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren 120 zum Steuern der Emissionen des Turbinensystems 10 unter Verwendung des Turbinensystem-Steuerungssystems 46 veranschaulicht. Beispielsweise kann das dargestellte Verfahren 120 zur Erhöhung (z.B. Maximierung) des NOx-Anteils des die Gasturbinenmaschine 12 verlassenden und in das SCR-System 30 eintretenden Abgases 26 genutzt werden, während gleichzeitig zulässige NOx-Pegel in den das Turbinensystem 10 durch den Kamin 38 verlassenden verarbeiteten Abgasen 36 erzielt werden. Zuerst kann, wie durch den Schritt 122 dargestellt, ein Soll- oder Zielwert für NOx in dem die Gasturbinenmaschine 12 verlassenden und in das SCR-System 30 eintretenden Abgas 26 vorgegeben werden. Beispielsweise kann der Soll- oder Zielwert für NOx-Pegel in dem die Gasturbinenmaschine 12 verlassenden und in das SCR-System 30 eintretenden Abgas 26 in der Optimierungseinrichtung 58 durch Benutzereingabe 78 vorgegeben werden. Danach kann ein Soll- oder Zielwert für einen Reduktionsmittelschlupf in dem SCR-System 30 vorgegeben werden, wie es durch den Schritt 124 dargestellt wird. Beispielsweise kann der Soll- oder Zielwert für den Reduktionsmittelschlupf in dem SCR-System 30 in der Optimierungseinrichtung 58 durch Benutzereingabe 78 vorgegeben werden. In bestimmten Ausführungsformen kann der Soll- oder Zielwert für den Reduktionsmittelschlupf in dem SCR-System 30 auf der Basis einer zulässigen oder zulässigen Anteils auf der Basis bestimmter Auflagen (z.B. Umweltauflagen) basieren. Anschließend kann ein Soll- oder Zielwert für NOx-Pegel in dem den Kamin 38 des Abgasverarbeitungssystems 14 verlassenden Abgas 36 wie im Schritt 126 dargestellt vorgegeben werden. Ähnlich wie vorstehend beschrieben, kann der Soll- oder Zielwert für das NOx in dem verarbeiteten Abgas 36 in der Optimierungseinrichtung 58 durch eine Benutzereingabe 78 vorgegeben werden. Zusätzlich kann der Soll- oder Zielwert für NOx in dem verarbeiteten Abgas 36 auf einem zulässigen oder erlaubten Anteil auf der Basis bestimmter Vorschriften (z.B. Umweltauflagen) basieren.
  • Sobald die vorstehend erwähnten Werte (z.B. durch Benutzereingabe 78, Vorprogrammierung oder anderweitig), vorgegeben sind, kann Reduktionsmittel in das SCR-System 30 eingespritzt werden, um den gewünschten Reduktionsmittelschlupfwert gemäß Darstellung durch den Schritt 128 zu erreichen. Beispielsweise kann die Steuerungseinrichtung 52 des Abgasverarbeitungs-Steuerungssystems 48 den Betrieb des Ventils 44 zum Steuern des Durchflusses des Reduktionsmittels aus der Reduktionsmittelquelle 42 zu einem Reduktionsmitteleinspritzgitter 32 des SCR-Systems 30 regeln. Zusätzlich kann das Abgasverarbeitungs-Steuerungssystem 48 eine Rückmeldung eines gemessenen Reduktionsmittelschlupfes (z.B. unreagiertes Reduktionsmittel) von dem Sensor 60 empfangen. Unter Verwendung der gemessenen Rückmeldung aus dem Sensor 60 kann die Steuerungseinrichtung 52 ferner den Reduktionsmittelfluss in das SCR-System 30 (z.B. durch Steuerung des Betriebs des Ventils 44) zum Erreichen des gewünschten Wertes des Reduktionsmittelschlupfes regeln. Ferner kann in bestimmten Ausführungsformen der Reduktionsmittelschlupf unter Verwendung eines oder mehrerer Algorithmen gesteuert werden, welche in dem Speicher 56 des Abgasverarbeitungs-Steuerungssystems 48 gespeichert sein können. Beispielsweise kann in einer Ausführungsform der Algorithmus der in der U.S. Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. US 2011/0192147, welche hierin durch Verweis vollständig beinhaltet ist, beschriebene Steuerungsalgorithmus sein.
  • Danach kann eine Anpassung des gewünschten Wertes von NOx in dem in das SCR-System 30 eintretenden Abgas 26 gemäß Darstellung durch den Schritt 130 ermittelt werden. Beispielsweise kann wenigstens teilweise auf der Basis der durch die Sensoren 60 und/oder 62 empfangenen gemessenen Rückmeldung der NOx-Sollwert in dem die Gasturbinenmaschine 12 verlassenden und in das SCR-System 30 eintretenden Abgases 26 zunehmen oder abnehmen. Demzufolge kann die Optimierungseinrichtung 58 eine geeignete Anpassung berechnen. Beispielsweise kann dann, wenn die Optimierungseinrichtung 58 berechnet, dass das SCR-System zusätzliche ungenutzte Kapazität hat (z.B. auf der Basis eines gemessenen Reduktionsmittelschlupfes, der durch den Sensor 60 ermittelt wird), die Optimierungseinrichtung 58 dann bestimmen, dass der NOx-Sollwert in dem in das SCR-System 30 eintretenden Abgas 26 zunehmen sollte.
  • Nachdem die Anpassung für den NOx-Sollwert des in das SCR-System 30 eintretenden Abgases 26 bestimmt ist, kann das Turbinensystem-Steuerungssystem 46 (z.B. die Optimierungseinrichtung 58) dann eine Anpassung wenigstens eines Betriebsparameters der Gasturbinenmaschine 12 zum Erreichen des neuen gewünschten Wertes für NOx in dem in das SCR-System 30 eintretenden Abgas 26 gemäß Darstellung durch den Schritt 132 bestimmen. Beispielsweise kann, wenn die Optimierungseinrichtung 58 bestimmt, dass der NOx-Sollwert in dem in das SCR-System 30 eintretenden Abgas 26 zunehmen sollte, die Gasturbinensteuerung 68 das Wassersystem 74 der Gasturbinenmaschine 12 betreiben, um die Wasser/Dampf-Einspritzung in die Brennkammer 20 zu verringern. Demzufolge kann die Verbrennungsdynamik in der Brennkammer 20 aufgrund der verringerten Wasser/Dampf-Einspritzung verringert werden, um dadurch den Verschleiß an den Komponenten der Brennkammer 20 zu verringern und die Nutzungslebensdauer der Brennkammer 20 zu verlängern. Andere Betriebsparameter der Gasturbinenmaschine 12, die durch die Gasturbinensteuerung 68 auf der Basis der von der Optimierungseinrichtung 58 bestimmten Anpassung verändert werden können, können Anpassungen an den Brennstoffaufteilungen (z.B. Anpassen einer oder mehrerer Brennstoffströme an eine oder mehrere Brennstoffdüsen und/oder Brennkammern), Flammentemperatur, Brennstoff/Luft-Verhältnis (oder Äquivalenzverhältnis), Brennstoffverbrauch usw.) beinhalten.
  • Nachdem die Anpassung für einen oder mehrere Betriebsparameter der Gasturbinenmaschine 12 zum Erreichen des neuen NOx-Sollwertes in dem in das SCR-System 30 eintretenden Abgas 26 ausgeführt worden ist, kann das Turbinensystem-Steuerungssystem 46 (z.B. die Optimierungseinrichtung 58) wiederum der Reihe nach die Schritte 128, 130 und 132 in einer Schleife (z.B. einer Endlosschleife) durchführen. D.h., Reduktionsmittel kann in das SCR-System 30 zum Erreichen eines durch den Sensor 30 gemessenen gewünschten Reduktionsmittelschlupfes eingespritzt werden, eine Anpassung für den NOx-Sollwert in dem in das SCR-System 30 eintretenden Abgas 26 kann bestimmt werden, und einer oder mehrere Betriebsparameteranpassungen können für die Gasturbinenmaschine bestimmt und implementiert werden. Auf diese Weise kann der Betrieb der Gasturbinenmaschine 12 und des SCR-Systems 30 koordiniert (z.B. gleichzeitig koordiniert und gesteuert) werden, um eine verfügbare Kapazität des SCR-Systems 30 bei weniger als Volllast oder Grundlast für die Gasturbinenmaschine 12 zu nutzen, eine Verbrennungsdynamik in der Brennkammer 20 zu reduzieren, CO-Emissionen (durch Erhöhen von NOx-Emissionen in der Gasturbinenmaschine 12 stromaufwärts von dem SCR-System 30) zu verringern, eine Magerverlöschungsspanne zu vergrößern, eine Lastabsenkung zu verringern usw.
  • Wie vorstehend im Detail diskutiert, enthält das Turbinensystem 10, welches ein Einfachzyklus-Hochleistungsgasturbinensystem oder ein von einem Flugzeugtriebwerk abgeleitetes Verbrennungssystem sein kann, ein Turbinensystem-Steuerungssystem 46, das dafür eingerichtet ist, den Betrieb der Gasturbinenmaschine 12 und des SCR-Systems 30 zu regeln und zu koordinieren, um eine gewünschte Qualität von Emissions (z.B. Kaminemissionen) zu erreichen, die von dem Turbinensystem 10 erzeugt werden. Beispielsweise kann das Steuerungssystem 46 dafür eingerichtet sein, eine verfügbare NOx-Reduktionskapazität des SCR-Systems 30 zum Verringern von NOx-Emissionspegeln dergestalt zu nutzen, dass andere Emissionssteuerungsmaßnahmen reduziert werden können, um Betriebsverhalten, Wirkungsgrad, Lebensdauer und/oder Leistungsabgabe der Gasturbinenmaschine 12 zu verbessern. Insbesondere können, wenn die Gasturbinenmaschine 12 nicht bei Voll- oder Grundlast arbeitet und das SCR-System ungenutzte NOx-Reduktionskapazität hat, Betriebsparameter der Gasturbinenmaschine 12 angepasst werden, um möglicherweise NOx-Pegel in dem von der Gasturbinenmaschine 12 erzeugten Abgas 26 zu erhöhen, während gleichzeitig eine mechanische und thermische Ermüdung von Brennkammermaterial verringert, Magerverlöschungsspannen vergrößert, Lastabsenkung verringert oder Emissionsverbindung (z.B. CO) verringert werden. Beispielsweise können die Veränderungen in den NOx-Pegeln in dem von der Gasturbinenmaschine 12 erzeugten und in das SCR-System 30 eintretenden Abgas 26 vorgegeben oder festgelegt werden. D.h., NOx-Pegel in dem Abgas 26 können mit einem ersten Pegel für eine erste Zeitdauer und einen zweiten Pegel für eine zweite Zeitdauer erzeugt werden, und das SCR-System 30 kann NOx-Pegel in dem verarbeiteten Abgas 36 dementsprechend weiter verringern. Demzufolge kann der Betrieb des SCR-Systems 30 und der Gasturbinenmaschine 12 gleichzeitig gesteuert und koordiniert werden, um eine verfügbare NOx-Reduktionskapazität des SCR-Systems 30 zu nutzen.
  • Diese Beschreibung nutzt Beispiele, um die Erfindung einschließlich ihrer besten Ausführungsart offenzulegen und um auch jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung einschließlich der Herstellung und Nutzung aller Elemente und Systeme und der Durchführung aller einbezogenen Verfahren in die Praxis umzusetzen. Der patentfähige Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die für den Fachmann ersichtlich sind. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Erfindung enthalten sein, sofern sie strukturelle Elemente besitzen, die sich nicht von dem Wortlaut der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Änderungen gegenüber dem Wortlaut der Ansprüche enthalten.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Beschreibung sind auf ein System gerichtet, das eine Gasturbinenmaschine, die zum Erzeugen von Abgas eingerichtet ist, ein selektives katalytisches Reduktionssystem, das zum Erzeugen von verarbeitetem Abgas eingerichtet ist, und ein Steuerungssystem enthält. Das Steuerungssystem enthält eine erste Steuerungseinrichtung, die zum Regeln des Betriebs des selektiven katalytischen Reduktionssystems eingerichtet ist, eine zweite Steuerungseinrichtung, die zum Regeln des Betriebs der Gasturbinenmaschine eingerichtet ist, und eine Optimierungseinrichtung, die zum Koordinieren des Betriebs der ersten Steuerungseinrichtung und der zweiten Steuerungseinrichtung eingerichtet ist, um gleichzeitig ein ersten Pegel einer Emissionsverbindung in dem Abgas zu maximieren und die Einspritzung eines Reduktionsmittels in das selektive katalytische Reduktionssystem zu regeln, um einen zweiten Pegel der Emissionsverbindung in dem verarbeiteten Abgas auf einen ersten Soll-Pegel der Emissionsverbindung in dem verarbeiteten Abgas zu verringern.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 8151572 [0047]

Claims (10)

  1. System, aufweisend: eine Gasturbinenmaschine, die zum Erzeugen von Abgas eingerichtet ist; ein selektives katalytisches Reduktionssystem, das zum Erzeugen von verarbeitetem Abgas eingerichtet ist; und ein Steuerungssystem, aufweisend: eine erste Steuerungseinrichtung, die zum Regeln des Betriebs des selektiven katalytischen Reduktionssystems eingerichtet ist; eine zweite Steuerungseinrichtung, die zum Regeln des Betriebs der Gasturbinenmaschine eingerichtet ist; und eine Optimierungseinrichtung, die zum Koordinieren des Betriebs der ersten Steuerungseinrichtung und der zweiten Steuerungseinrichtung eingerichtet ist, um gleichzeitig einen ersten Pegel einer Emissionsverbindung in dem Abgas zu erhöhen und die Einspritzung eines Reduktionsmittels in das selektive katalytische Reduktionssystem zu regeln, um einen zweiten Pegel der Emissionsverbindung in dem verarbeiteten Abgas auf einen ersten Soll-Pegel der Emissionsverbindung in dem verarbeiteten Abgas zu verringern.
  2. System nach Anspruch 1, wobei die Optimierungseinrichtung dafür eingerichtet ist, einen ersten Anteil von unreagiertem Reduktionsmittel in dem selektiven katalytischen Reduktionssystem zu regeln, um einen zweiten Soll-Pegel des unreagierten Reduktionsmittels zu erreichen.
  3. System nach Anspruch 1, wobei die Emissionsverbindung NOx ist.
  4. System nach Anspruch 1, wobei das Reduktionsmittel Ammoniak ist.
  5. System nach Anspruch 1, wobei das Steuerungssystem eine Gasturbinenmaschinen-Steuerungseinrichtung aufweist, die dafür eingerichtet ist, ein oder mehrere Betriebssysteme der Gasturbinenmaschine zu regeln, um den ersten Pegel der Emissionsverbindung in dem von der Gasturbinenmaschine erzeugten Abgas zu erhöhen; und/oder wobei das eine oder die mehreren Betriebssysteme ein Brennstoffsystem, das zum Anpassen von Brennstoffaufteilungen eines Brenners der Gasturbinenmaschine eingerichtet ist, ein Wassersystem, das zum Einspritzen von Wasser oder Dampf in die Brennkammer eingerichtet ist, oder beide aufweisen.
  6. Verfahren zum Betreiben eines Turbinensystems mit den Schritten: Betreiben einer Gasturbinenmaschine des Turbinensystems bei weniger als Volllast; Betreiben des selektiven katalytischen Reduktionssystems zum Reduzieren eines Pegels einer Emissionsverbindung in einem von der Gasturbinenmaschine erzeugten Abgas auf einen Soll-Pegel; Ermitteln einer verfügbaren, nicht genutzten Kapazität des selektiven katalytischen Reduktionssystems, um den Pegel der Emissionsverbindung in dem durch die Gasturbinenmaschine erzeugten Abgas weiter zu verringern; und Erhöhen des Pegels der ersten Emissionsverbindung in dem durch die Gasturbinenmaschine erzeugten Abgas, indem einer oder mehrere Betriebsparameter der Gasturbinenmaschine auf der Basis der verfügbaren, ungenutzten Kapazität angepasst werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Erhöhung des Pegels der ersten Emissionsverbindung in dem durch die Gasturbinenmaschine erzeugten Abgas den Schritt der Verringerung einer Wasser- oder Dampfeinspritzung in eine Brennkammer der Gasturbinenmaschine aufweist; und/oder wobei der Schritt der Erhöhung des Pegels der ersten Emissionsverbindung in dem durch Gasturbinenmaschine erzeugten Abgas den Schritt der Erhöhung einer Flammentemperatur einer Brennkammer der Gasturbinenmaschine aufweist; und/oder wobei der Schritt der Erhöhung des Pegels der ersten Emissionsverbindung in dem durch Gasturbinenmaschine erzeugten Abgas den Schritt der Anpassung einer Brennstoffaufteilung oder eines Brennstoff/Luft-Verhältnisses einer Brennkammer der Gasturbinenmaschine aufweist; und/oder wobei der Schritt der Erhöhung des Pegels der ersten Emissionsverbindung in dem Abgas zu einer Verringerung eines Pegels einer zweiten Emissionsverbindung in dem Abgas führt.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt der Ermittlung der verfügbaren, nicht genutzten Kapazität des selektiven katalytischen Reduktionssystems zum weiteren Verringern des Pegels der ersten Emissionsverbindung in dem von der Gasturbinenmaschine erzeugten Abgas, den Schritt der gleichzeitigen Messung und Anpassung eines Anteils von unreagiertem Reduktionsmittels in dem selektiven katalytischen Reduktionssystem aufweist.
  9. Verfahren nach Anspruch 6 mit dem Schritt der Messung eines Austrittspegels der ersten Emissionsverbindung in dem das selektive katalytische Reduktionssystem verlassenden Abgas; und/oder mit dem Schritt der Steuerung des Pegels der ersten Emissionsverbindung in dem von der Gasturbinenmaschine erzeugten Abgas auf der Basis von Reduktionsmittelpreis, Brennstoffpreis, Elektrizitätspreis, Brennkammerausfallintervallen oder einer Kombination; und/oder mit dem Schritt der Messung des Pegels der ersten Emissionsverbindung in dem Abgas, wenn das Abgas die Gasturbinenmaschine verlässt.
  10. Verfahren zu Betreiben eines Turbinensystems, mit den Schritten: Vorgeben eines ersten Sollwertes eines ersten Anteils einer Emissionsverbindung in einem die Gasturbinenmaschine verlassenden und in ein selektives katalytisches Reduktionssystem eintretenden Abgas, das dafür eingerichtet ist, das Abgas in ein verarbeitetes Abgas zu verarbeiten; Vorgeben eines zweiten Sollwertes für einen zweiten Anteil eines Reduktionsmittelschlupfes in dem selektiven katalytischen Reduktionssystem; Vorgeben eines dritten Sollwertes für die Emissionsverbindung in dem das selektive katalytische Reduktionssystem verlassenden verarbeiteten Abgas; Einspritzen eines Reduktionsmittels in das selektive katalytische Reduktionssystem, um den zweiten Sollwert für den zweiten Anteil des Reduktionsmittelschlupfes zu erreichen; Ermitteln einer Anpassung für den ersten Sollwert des ersten Anteils der Emissionsverbindung in dem die Gasturbinenmaschine verlassenden und in das selektive katalytische Reduktionssystem eintretenden Abgas, um einen neuen ersten Sollwert des ersten Anteils der Emissionsverbindung vorzugeben; und Anpassen wenigstens eines Betriebsparameters der Gasturbinenmaschine, um einen neuen ersten Sollwert des ersten Anteils der Emissionsverbindung zu erreichen.
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