DE102015114758A1

DE102015114758A1 - Brennstoffmischung für eine Gasturbine unter Verwendung abgeleiteter Brennstoffzusammensetzungen

Info

Publication number: DE102015114758A1
Application number: DE102015114758.0A
Authority: DE
Inventors: Arvind Venugopal Menon; Abhijit Prabhakar Kulkarni; Predrag Popovic; Alan Meier Truesdale
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2014-09-05
Filing date: 2015-09-03
Publication date: 2016-03-10
Also published as: CN105402029B; US20160068777A1; JP2016056803A; JP6621618B2; CN105402029A

Abstract

Es sind ein System, ein Verfahren und ein computerlesbares Medium zur Mischung eines Brennstoffs für die Verwendung in einer Gasturbine (102) offenbart. Es wird ein Messwert eines Brennwerts eines Prozessgases (204) und ein Messwert eines Molekulargewichts des Prozessgases (202) erhalten. Es wird eine Schätzung einer Zusammensetzung des Prozessgases (202) unter Verwendung des erhaltenen Messwerts des Brennwerts und des erhaltenen Messwerts des Molekulargewichts gewonnen. Es wird ein Mischungsverhältnis des Prozessgases (202) zu einem Erdgas (204) basierend auf der Schätzung der Zusammensetzung des Prozessgases (202) ausgewählt. Das Prozessgas (202) und das Erdgas (204) werden dann entsprechend dem ausgewählten Mischungsverhältnis miteinander vermischt, um ein Brennstoffgemisch zur Verwendung in der Gasturbine (102) zu erhalten.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffmischung zur Verwendung in einer Gasturbine und insbesondere die Bestimmung eines Brennstoffgemisches zur Verwendung in einer Gasturbine.
Brennstoffzufuhrsysteme für Gasturbinen vermischen Erdgas mit einem Prozessgas, die strömen, um ein Brennstoffgemisch zu erhalten, das der Gasturbine zugeführt werden kann. Prozessgas enthält im Allgemeinen verschiedene Gaskomponenten in variierenden und unbekannten Mengen. Das Vermischen des Prozessgases mit dem Erdgas in ausgewählten Verhältnissen steuert die Zusammensetzung des Brennstoffgemisches, so dass es für die Verwendung in einer Gasturbine geeignet ist. Um jedoch die Zusammensetzung des Brennstoffgemisches zu steuern, muss die Zusammensetzung des Prozessgases bestimmt werden. Ein Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung des Prozessgases umfasst die Gaschromatographie. Die Gaschromatographie erfordert jedoch einige Minuten für die Durchführung. Bevor man basierend auf Gaschromatographiemessungen fortfährt, werden außerdem oft einige Gaschromatographiemessungen durchgeführt, um die Konsistenz der Messungen zu validieren. Die Verwendung der Gaschromatographie zur Bestimmung der Prozessgaszusammensetzung verschwendet somit Prozessgas und verlängert die Zeit, in der ein ausgewähltes oder erwünschtes Brennstoffgemisch der Gasturbine zugeführt werden kann.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält ein Verfahren zur Brennstoffmischung für die Verwendung in einer Gasturbine: Erhalten einer Messung eines Brennwerts eines Prozessgases und einer Messung eines Molekulargewichts des Prozessgases; Gewinnen einer Schätzung einer Zusammensetzung des Prozessgases unter Verwendung der erhaltenen Messung des Brennwerts und der erhaltenen Messung des Molekulargewichts; Auswählen eines Mischungsverhältnisses von dem Prozessgas und einem Erdgas basierend auf der Schätzung der Zusammensetzung des Prozessgases; und Vermischen des Prozessgases und des Erdgases miteinander gemäß dem ausgewählten Mischungsverhältnis, um ein Brennstoffgemisch zur Verwendung in der Gasturbine zu erhalten.
Das vorstehend erwähnte Verfahren kann ferner ein Gewinnen der Schätzung der Zusammensetzungen des Prozessgases unter Verwendung eines Satzes linearer Gleichungen aufweisen, die die Zusammensetzung des Prozessgases zu der Messung des Brennwerts des Prozessgases und der Messung des Molekulargewichts des Prozessgases in Beziehung setzen.
Insbesondere kann der Satz linearer Gleichungen einen Satz von fünf linearen Gleichungen enthalten, die fünf unbekannte molare Anteile in Beziehung setzen, die die Komponentengase des Prozessgases darstellen.
Außerdem kann der Satz linearer Gleichungen ferner wenigstens einen zusätzlichen molaren Anteil enthalten, der ein zusätzliches Komponentengas des Prozessgases darstellt, wobei der wenigstens eine zusätzliche molare Anteil eine bekannte Menge ist.
Das Verfahren einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann ferner ein Erhalten der Messung des Brennwerts des Prozessgases und der Messung des Molekulargewichts des Prozessgases unter Verwendung von (i) einem Wobbe-Messgerät und/oder (ii) einem Prozessgasanalysegerät aufweisen.
Das Verfahren einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann ferner ein Steuern des Mischungsverhältnisses des Prozessgases zu dem Erdgas basierend auf zusätzlichen Messungen des Brennwerts und des Molekulargewichts des Prozessgases aufweisen.
Das Verfahren einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann ferner ein Bestimmen einer Zusammensetzung des Erdgases unter Verwendung eines Satzes linearer Gleichungen aufweisen, die die Zusammensetzung des Erdgases zu einer Messung eines Brennwerts des Erdgases und einer Messung des Molekulargewichts des Erdgases in Beziehung setzen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält ein System zur Brennstoffmischung zur Verwendung in einer Gasturbine: eine Vorrichtung, die dazu eingerichtet ist, eine Messung eines Brennwerts eines Prozessgases und eine Messung eines Molekulargewichts des Prozessgases zu erhalten; und einen Prozessor, der dazu eingerichtet ist: eine Schätzung einer Zusammensetzung des Prozessgases unter Verwendung der erhaltenen Messung des Brennwerts und der erhaltenen Messung des Molekulargewichts zu gewinnen; ein Mischungsverhältnisses des Prozessgases zu einem Erdgas basierend auf der Schätzung der Zusammensetzung des Prozessgases auszuwählen; und das Prozessgas mit dem Erdgas gemäß dem Mischungsverhältnis zu vermischen, um ein Brennstoffgemisch zur Verwendung in der Gasturbine zu erhalten.
In dem zuvor erwähnten System kann der Prozessor ferner eingerichtet sein, um die Schätzung der Zusammensetzung des Prozessgases unter Verwendung eines Satzes linearer Gleichungen zu gewinnen, die die Zusammensetzung des Prozessgases zu der Messung des Brennwerts und der Messung des Molekulargewichts in Beziehung setzen.
Insbesondere kann der Satz linearer Gleichungen einen Satz von fünf linearen Gleichungen enthalten, die fünf unbekannte molare Anteile in Beziehung setzen, die die Komponentengase des Prozessgases darstellen.
Außerdem kann der Satz linearer Gleichungen ferner wenigstens einen zusätzlichen molaren Anteil enthalten, der ein zusätzliches Komponentengas des Prozessgases darstellt, wobei der wenigstens eine zusätzliche molare Anteil eine bekannte Menge ist.
Bei dem System einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann die Vorrichtung ferner wenigstens eines von (i) einem Wobbe-Messgerät und (ii) einem Prozessgasanalysegerät aufweisen.
Zusätzlich oder als eine Alternative dazu kann der Prozessor ferner dazu eingerichtet sein, das Mischungsverhältnis des Prozessgases zu dem Erdgas basierend auf zusätzlichen Messungen des Brennwerts und des Molekulargewichts des Prozessgases zu steuern.
Weiter zusätzlich oder als eine weitere Alternative dazu kann der Prozessor ferner dazu eingerichtet sein, eine Zusammensetzung des Erdgases unter Verwendung eines Satzes linearer Gleichungen, die die Zusammensetzung des Erdgases zu einer Messung eines Brennwerts des Erdgases und einer Messung eines Molekulargewichts des Erdgases in Beziehung setzen, zu bestimmen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält ein nichtflüchtiges computerlesbares Medium einen Satz auf ihm gespeicherter Anweisungen, die, wenn sie von einem Prozessor ausgeführt werden, den Prozessor befähigen, ein Verfahren zur Brennstoffmischung für die Verwendung in einer Gasturbine auszuführen, wobei das Verfahren aufweist: Erhalten einer Messung eines Brennwerts eines Prozessgases und einer Messung eines Molekulargewichts des Prozessgases von einer Messvorrichtung; Gewinnen einer Schätzung einer Zusammensetzung des Prozessgases unter Verwendung der erhaltenen Messung des Brennwerts und der erhaltenen Messung des Molekulargewichts; Auswählen eines Mischungsverhältnisses des Prozessgases zu einem Erdgas basierend auf der Schätzung der Zusammensetzung des Prozessgases; und Vermischen des Prozessgases mit dem Erdgas gemäß dem Mischungsverhältnis, um ein Brennstoffgemisch zur Verwendung in der Gasturbine zu erhalten.
In dem vorstehend erwähnten nichtflüchtigen computerlesbaren Medium kann das Verfahren ferner ein Gewinnen der Schätzung der Zusammensetzung des Prozessgases unter Verwendung eines Satzes linearer Gleichungen aufweisen, die die Zusammensetzung des Prozessgases zu der Messung des Brennwerts des Prozessgases und der Messung des Molekulargewichts des Prozessgases in Beziehung setzen.
Insbesondere kann der Satz linearer Gleichungen einen Satz von fünf linearen Gleichungen hinsichtlich fünf unbekannter molarer Anteile enthalten, die die Komponentengase des Prozessgases darstellen.
Der Satz linearer Gleichungen kann ferner wenigstens einen zusätzlichen molaren Anteil, der ein zusätzliches Komponentengas des Prozessgases darstellt, enthalten, wobei der wenigstens eine zusätzliche molare Anteil eine bekannte Menge ist.
In dem nichtflüchtigen computerlesbaren Medium einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann das Verfahren ferner ein Erhalten der Messung des Brennwerts des Prozessgases und der Messung des Molekulargewichts des Prozessgases unter Verwendung von (i) einem Wobbe-Messgerät und/oder einem Prozessgasanalysegerät aufweisen.
In dem nichtflüchtigen computerlesbaren Medium einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann das Verfahren ferner ein Bestimmen einer Zusammensetzung des Erdgases unter Verwendung eines Satzes linearer Gleichungen aufweisen, die die Zusammensetzung des Erdgases zu einer Messung eines Brennwerts des Erdgases und einer Messung des Molekulargewichts des Erdgases in Beziehung setzen.
Durch die Methoden gemäß der vorliegenden Erfindung werden noch weitere Merkmale und Vorteile realisiert. Hierin werden auch andere Ausführungsformen und Gesichtspunkte der Erfindung ausführlich beschrieben, die als Teil der beanspruchten Erfindung angesehen werden. Zum besseren Verständnis der Erfindung und ihrer Vorteile und der Merkmale wird die Beschreibung und die Zeichnungen Bezug genommen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Der Gegenstand, der als die Erfindung angesehen wird, wird in den Ansprüchen am Schluss der Beschreibung besonders angegeben und deutlich beansprucht. Die oben erwähnten und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Abbildungen deutlich, in denen zeigen:
1 ein schematisches Diagramm eines Systems zur Leistungs- und/oder Elektrizitätserzeugung unter Verwendung einer Gasturbine;
2 eine detaillierte Ansicht eines Brennstoffzufuhrsystems, das der Gasturbine aus 1 einen Brennstoff zuführt;
3 ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Durchführung eines Verbrennungsbetriebs gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
4 ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Erhalten eines ersten Brennstoffgemisches gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt ein schematisches Diagramm 100 eines Systems zur Leistungs- und/oder Elektrizitätserzeugung unter Verwendung einer Gasturbine 102. Das Diagramm 100 zeigt eine Gasturbine 102, die einen Verdichter 104, eine Brennkammer 106 und eine Turbinenstufe 108 enthält. Umgebungsluft 112 wird von dem Verdichter 104 aufgenommen und auf einen ausgewählten Luftdruck verdichtet. Die Brennkammer 106 nimmt die verdichtete Luft aus dem Verdichter 104 auf und vermischt die verdichtete Luft mit einem Brennstoffgemisch, das der Brennkammer 106 durch ein Brennstoffzufuhrsystem 110 zugeführt wird. Die Brennkammer 106 zündet das Luft-Brennstoff-Gemisch, um ein Arbeitsgas zu erzeugen. Das Arbeitsgas wird durch die Turbinenstufe 108 ausgestoßen, um eine Drehung eines Rotors 114 der Turbinenstufe 108 hervorzurufen. Der Rotor 114 ist mit einem Generator 116 verbunden, so dass die Drehung des Rotors 114 an dem Generator 116 Elektrizität erzeugt.
2 zeigt eine detaillierte Ansicht eines Brennstoffzufuhrsystems 110, das der Gasturbine 102 aus 1 einen Brennstoff zuführt. Das Brennstoffzufuhrsystem 110 nimmt einen Prozessgas 202 aus einer Prozessgasleitung 203 und ein Erdgas 204 aus einer Erdgasleitung 205 auf. Das Brennstoffzufuhrsystem 110 gibt ferner vermengte Gemische aus dem Erdgas und dem Prozessgas an einen oder mehrere Brennstoffkreisläufe (206, 208) der Gasturbine 102 aus. Das Brennstoffzufuhrsystem 110 ist für Anschauungszwecke mit einem ersten Brennstoffkreislauf 206 und einem zweiten Brennstoffkreislauf 208 gezeigt. Das Brennstoffzufuhrsystem 110 kann jedoch jegliche Anzahl von Brennstoffkreisläufen in verschiedenen Ausführungsformen enthalten. Das Erdgas 204 ist über ein Gassteuerventil 210 an den ersten Brennstoffkreislauf 206 angeschlossen. Das Erdgas 204 ist über ein Gassteuerventil 212 an den zweiten Brennstoffkreislauf 208 angeschlossen. Das Prozessgas 202 ist über ein Gassteuerventil 214 an den ersten Brennstoffkreislauf 206 angeschlossen. Das Prozessgas 202 ist über ein Gassteuerventil 216 an den zweiten Brennstoffkreislauf 208 angeschlossen. Die Gassteuerventile 210, 212, 214 und 216 sind mit einer Steuereinheit 220 verbunden, die die Zustände der Gassteuerventile 210, 212, 214 und 216 steuert. In verschiedenen Ausführungsformen steuert die Steuereinheit 220 die Zustände der Gassteuerventile 210, 212, 214 und 216 unabhängig voneinander. Die Gassteuerventile 210, 212, 214 und 216 können somit betrieben werden, um eine Mischung aus dem Prozessgas 202 und dem Erdgas 204 in den Brennstoffgemischen in dem ersten Brennstoffkreislauf 206 und/oder in dem zweiten Brennstoffkreislauf 208 zu steuern.
Die Steuereinheit 220 enthält einen Prozessor 222 und eine Speichereinrichtung 224. Die Speichereinrichtung 224 kann ein geeignetes nichtflüchtiges computerlesbares Medium, wie z. B. einen Festkörperspeicher, einen Festwertspeicher, usw., enthalten. Die Speichereinrichtung 224 kann Programme 226 enthalten, auf die der Prozessor 222 zugreifen kann, um die verschiedenen hierin offenbarten Verfahren durchzuführen. Außerdem kann der Prozessor 222 verschiedene Parameter und/oder berechnete Werte an der Speichereinrichtung 224 speichern.
Die Erdgasleitung 205 enthält ein Erdgas-Wobbe-Messgerät 230, das die Qualität des Erdgases 204 misst. Das Erdgas-Wobbe-Messgerät 230 misst einen Brennwert und ein Molekulargewicht des Erdgases 204 in der Erdgasleitung 205. Das Erdgas-Wobbe-Messgerät 230 kann Messwerte in relativ kurzer Zeitdauer, wie z. B. innerhalb von ungefähr 30 Sekunden, gewinnen.
Die Prozessgasleitung 203 enthält ein Prozessgas-Wobbe-Messgerät 232, ein Prozessgasanalysegerät 234 und einen Gaschromatographen 236. Das Prozessgas-Wobbe-Messgerät 232 gewinnt Messwerte eines Brennwerts und eines Molekulargewichts des Prozessgases 202. Das Prozessgasanalysegerät 234 gewinnt auch Messwerte eines Brennwerts und eines Molekulargewichts des Prozessgases 202. Der Gaschromatograph 236 bestimmt eine Zusammensetzung des Prozessgases 202. Das Prozessgas-Wobbe-Messgerät 232 erhält seine Messwerte in relativ kurzer Zeitdauer (von ungefähr 30 Sekunden). Das Prozessgasanalysegerät 234 erhält seine Messungen innerhalb einer mittleren Zeitdauer (von ungefähr 2 Minuten), und der Gaschromatograph 236 erhält die Zusammensetzung in einer relativ langen Zeitdauer (von ungefähr 5 Minuten). Während das Prozessgas-Wobbe-Messgerät 232 seine Messungen entweder vor dem Prozessgasanalysegerät 234 oder vor dem Gaschromatographen 236 erhalten kann, können solche Messungen eventuell nicht geeignet sein, um eine Zusammensetzung des Prozessgases 202 vollständig zu bestimmen. Das Prozessgas-Wobbe-Messgerät 232 kann nichtsdestoweniger verwendet werden, um eine erste Schätzung der Zusammensetzung des Prozessgases 202 zu erhalten, indem die hierin beschriebenen Verfahren verwendet werden.
Das Erdgas-Wobbe-Messgerät 230, das Prozessgas-Wobbe-Messgerät 232, das Prozessgasanalysegerät 234 und der Gaschromatograph 236 sind mit der Steuereinheit 220 verbunden und führen der Steuereinheit 220 Messungen zur Verarbeitung zu. Die Steuereinheit 220 führt die hierin offenbarten Verfahren zur Bestimmung geeigneter Mischungsverhältnisse des Erdgases 204 zu dem Prozessgas 202 durch, um ein Brennstoffgemisch zu erhalten, das eine geschätzte Zusammensetzung aufweist, die auf Messungen der Brennwerte und der Molekulargewichte von wenigstens dem Prozessgas 202 basiert. Die Steuereinheit 220 steuert ferner die Gassteuerventile 210, 212, 214 und 216, um die geeigneten Mischungsverhältnisse des Prozessgases 202 und des Erdgases 204 zu erreichen, um die geschätzte Brennstoffgemischzusammensetzung an einem von dem ersten Brennstoffkreislauf 206 und dem zweiten Brennstoffkreislauf 208 zu erhalten. Verfahren zur Bestimmung des geeigneten Mischungsverhältnisses für das Brennstoffgemisch sind nachstehend beschrieben.
3 zeigt ein Flussdiagramm 300, das ein Verfahren zur Durchführung eines Verbrennungsbetriebs gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Im Block 302 wird der Gasturbine ein erstes Brennstoffgemisch zugeführt. Das erste Brennstoffgemisch wird durch Vermischen des Prozessgases 202 mit dem Erdgas 204 erhalten. Die Zusammensetzung des ersten Brennstoffgemisches wird basierend auf einer ersten Schätzung einer Zusammensetzung des Prozessgases 202 bestimmt. Die erste Schätzung der Zusammensetzung des Prozessgases 202 wird unter Verwendung der Messungen eines Brennwerts und eines Molekulargewichts aus dem Prozessgas-Wobbe-Messgerät 232 erhalten. Einzelheiten des Verfahrens zur Bestimmung des ersten Brennstoffgemisches sind nachstehend unter Bezugnahme auf die Gl. (1)–(5) beschrieben. Im Block 304 wird der Gasturbine ein zweites Brennstoffgemisch zugeführt. Das zweite Brennstoffgemisch wird unter Verwendung der Vermischung des Prozessgases 202 und des Erdgases 204 basierend auf einer zweiten Schätzung der Zusammensetzung des Prozessgases erhalten. Die zweite Schätzung der Zusammensetzung des Prozessgases 202 basiert auf den Messungen des Brennwerts und des Molekulargewichts des Prozessgases 202, die unter Verwendung des Prozessgasanalysegeräts 234 erhalten werden. Einzelheiten des Verfahrens zum Erhalten des zweiten Brennstoffgemisches sind nachstehend unter Bezugnahme auf die Gl. (6)–(10) beschrieben. Im Block 306 wird der Gasturbine 102 ein drittes (Betriebs-)Brennstoffgemisch zugeführt. Das dritte Brennstoffgemisch basiert auf der Zusammensetzung des Prozessgases 202, die unter Verwendung des Gaschromatographen 236 erhalten wird.
4 zeigt ein Flussdiagramm 400, das ein Verfahren zum Erhalten des ersten Brennstoffgemisches gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht. In einer beispielhaften Ausführungsform kann das Verfahren beim Anlaufen der Gasturbine 102 verwendet werden. Im Block 402 werden Messungen des Brennwerts und des Molekulargewichts für ein Prozessgas 202 unter Verwendung des Prozessgas-Wobbe-Messgeräts 232 erhalten. Die Messungen werden einige Male erhalten, um konsistente Werte der Messungen sicherzustellen. Im Block 404 wird eine erste Schätzung einer Zusammensetzung des Prozessgases 202 unter Verwendung der erhaltenen Messung des Brennwerts und des Molekulargewichts des Prozessgases 202 bestimmt. Die Verfahren zur Bestimmung der ersten Schätzung der Zusammensetzung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die Gl. (1)–(5) beschrieben. Im Block 406 wird ein Mischungsverhältnis für das Prozessgas 202 und ein Erdgas 204 unter Verwendung der bestimmten ersten Schätzung der Zusammensetzung des Prozessgases bestimmt. Im Block 408 werden das Prozessgas und das Erdgas (durch Steuerung der Ventile 210, 212, 214, 216) entsprechend dem ausgewählten Mischungsverhältnis vermischt, um das erste Brennstoffgemisch zu erhalten. Im Block 410 wird der Gasturbine das erste Brennstoffgemisch zugeführt.
Das Prozessgas 202 enthält eine Zusammensetzung aus mehreren Gasen (z. B. Wasserstoff, Ethan, Ethylen, Propan, Stickstoff, usw.). Der molare Anteil dieser Komponentengase in dem Prozessgas 202 sind unbekannt und werden als X₀, X₁ X₂, X₃ und X₄ dargestellt, und sie sind durch die nachstehenden Gl. (1)–(5) bestimmt: X₀ + X₁ + X₂ + X₃ + X₄ = 1 Gl. (1) X₀·MW₀ + X₁·MW₁ + X₂·MW₂ + X₃·MW₃ + X₄·MW₄ = MW_mix Gl. (2) X₀·MW₀·LHV₀ + X₁·MW₁·LHV₁ + X₂·MW₂·LHV₂ + X₃·MW₃·LHV₃ + X₄·MW₄·LHV₄ = MW_mix·LHV_mix Gl. (3)
wobei MW₀, MW₁, MW₂, MW₃ und MW₄ Molekulargewichte sind, LHV₀, LHV₁, LHV₂, LHV₃ und LHV₄ Brennwerte der Gaskomponenten des Prozessgases 202 sind. Die Molekulargewichte (MW₀, MW₁, MW₂, MW₃, MW₄) und die Brennwerte (LHV₀, LHV₁, LHV₂, LHV₃ _, LHV₄) sind bekannte Werte. Die Parameters α und β sind Mischungsparameter des Prozessgases 202 und können durch den Bediener angepasst werden. Das Prozessgas-Wobbe-Messgerät 232 erhält die Messungen von MW_mix und LHV_mix (d. h. das Molekulargewicht bzw. den Brennwert des Prozessgases 202). Die Gleichungen (1)–(5) sind ein Satz von fünf linearen Gleichungen mit fünf Unbekannten (d. h. molaren Anteilen). Die Anteilswerte X₀, X₁ X₂, X₃ und X₄ und somit die Zusammensetzung des Prozessgases 202 können durch Lösung der Gl. (1)–(5) bestimmt werden. Es ist verständlich, das das Prozessgas 202 über die fünf in den Gl. (1)–(5) enthaltene Gase hinaus zusätzliche Gase enthalten kann. Die Zusammensetzung des Prozessgases 202, die unter Verwendung der Gl. (1)–(5) bestimmt wird, liefert somit eine erste Schätzung der Zusammensetzung des Prozessgases 202. Wenn einmal eine erste Schätzung der Zusammensetzung des Prozessgases 202 bestimmt ist, können das Prozessgas 202 und das Erdgas 204 gemäß einem ausgewählten Mischungsverhältnis vermischt werden, um ein erstes Brennstoffgemisch zu erhalten, das eine ausgewählte Brennstoffzusammensetzung an einem oder mehreren von dem ersten Brennstoffkreislauf 206 und dem zweiten Brennstoffkreislauf 208 aufzuweisen. Die Gl. (1)–(5) können auch bezüglich der Messungen des Molekulargewichts und des Brennwerts des Erdgases verwendet werden, um eine Schätzung der Zusammensetzung des Erdgases 204 zu bestimmen. Das Mischungsverhältnis der ersten Brennstoffmischung kann unter Verwendung der geschätzten Zusammensetzung des Prozessgases 202 und der geschätzten Zusammensetzung des Erdgases 204 bestimmt werden. Auch können zusätzliche Messungen, die unter Verwendung des Prozessgas-Wobbe-Messgeräts 232 und/oder des Erdgas-Wobbe-Messgeräts 230 erhalten werden, zur Anpassung des Mischungsverhältnisses des ersten Brennstoffgemisches verwendet werden.
Nach einer ausgewählten Zeitdauer sind die Messungen aus dem Prozessgasanalysegerät 234 für die Steuereinheit 220 verfügbar. Die Messungen aus dem Prozessgasanalysegerät 234 können somit anstelle der Messungen aus dem Prozessgas-Wobbe-Messgerät 232 verwendet werden. Das Prozessgasanalysegerät 234 liefert Messungen des Brennwerts und des Molekulargewichts des Prozessgases 202. Solche Messungen können einige Male vorgenommen werden, um sicherzustellen, dass konsistente Werte der Messungen erhalten werden. Die gemessenen Werte können gemeinsam mit einem weiteren Satz linearer Gleichungen (Gl. (6)–(10)) verwendet werden, die verwendet werden können, um eine zweite Schätzung der Zusammensetzung des Prozessgases 202 zu ermitteln. Die Gleichungen (6)–(10) enthalten molare Anteile X_A und X_B zusätzlicher Bestandteile des Prozessgases. Die molaren Anteile X_A und X_B und ihre Molekulargewichte (MW_A, MW_B) und Brennwerte (LHV_A, LHV_B) sind bekannte Werte. Folglich sind die Gl. (6)–(10) fünf Gleichungen mit fünf unbekannten Variablen, und sie können gelöst werden, um die zweite Schätzung der Zusammensetzung des Prozessgases 202 zu erhalten. X₀ + X₁ + X₂ + X₃ + X₄ + X_A + X_B = 1 Gl. (6) X₀·MW₀ + X₁·MW₁ + X₂·MW₂ + X₃·MW₃ + X₄·MW₄ + X_A·MW_A + X_B·MW_B = MW_mix Gl. (7) X₀·MW₀·LHV₀ + X₁·MW₁·LHV₁ + X₂·MW₂·LHV₂ + X₃·MW₃·LHV₃ + X₄·MW₄·LHV₄ + X_A·MW_A·LHV_A + X_B·MW_B·LHV_B = MW_mix·LHV_mix Gl. (8)
Die zweite Schätzung der Prozessgaszusammensetzung, die unter Verwendung der Gl. (6)–(10) erhalten wird, liefert eine größere Annäherung der Prozessgaszusammensetzung als die erste Schätzung, die unter Verwendung der Gl. (1)–(5) erhalten wird. Die zweite Schätzung der Zusammensetzung des Prozessgases 202 kann an der Steuereinheit 220 verwendet werden, um das Mischungsverhältnis des Prozessgases 202 zu dem Erdgas 204 zu steuern, um ein zweites Brennstoffgemisch an einem von dem ersten Brennstoffkreislauf 206 und dem zweiten Brennstoffkreislauf 208 oder an beiden zu erhalten. Während die Gl. (6)–(10) zwei zusätzliche molare Anteile X_A und X_B zeigen, kann jede beliebigen Anzahl zusätzlicher bekannter molarer Anteile in den Gl. (6)–(10) verwendet werden.
Sobald schließlich die Zusammensetzung des Prozessgases 202 unter Verwendung des Gaschromatographen 236 bestimmt worden ist, kann diese Zusammensetzung verwendet werden, um das Prozessgas 202 und das Erdgas 204 zu vermischen, um ein drittes (Betriebs-)Brennstoffgemisch an einem von dem ersten Brennstoffkreislauf 206 und dem zweiten Brennstoffkreislauf 208 oder an beiden zu erhalten. Die Messungen von dem Gaschromatographen 236 können einige Male vorgenommen werden, um konsistente Werte der Messungen sicherzustellen.
Während die Erfindung in Bezug auf die Bestimmung einer Zusammensetzung des Prozessgases 202 beschrieben ist, ist es auch möglich, eine Zusammensetzung des Erdgases 204 unter Verwendung der hierin offenbarten Verfahren zu bestimmen. Die Messungen aus dem Erdgas-Wobbe-Messgerät 230 können beispielsweise gemeinsam mit den Gl. (1)–(5) verwendet werden, um die Zusammensetzung des Erdgases 204 zu erhalten. Die Kenntnis der Zusammensetzung des Erdgases 204 und der Zusammensetzung des Prozessgases 202 kann verwendet werden, um Mischungsverhältnisse für das erste Brennstoffgemisch und das zweite Brennstoffgemisch zu bestimmen.
Während die Erfindung in Einzelheiten in Verbindung mit lediglich einer begrenzten Anzahl von Ausführungsformen beschrieben worden ist, sollte es ohne weiteres verständlich sein, dass die Erfindung nicht auf derartige offenbarte Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr kann die Erfindung modifiziert werden, um eine beliebige Anzahl von Veränderungen, Modifikationen, Ersetzungen oder äquivalenten Anordnungen aufzunehmen, die hier vorstehend nicht beschrieben sind, die jedoch dem Rahmen und Schutzumfang der Erfindung entsprechen. Außerdem ist es zu verstehen, dass, obwohl verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden sind, Aspekte der Erfindung lediglich einige von den beschriebenen Ausführungsformen enthalten können. Demgemäß ist die Erfindung nicht als durch die vorstehende Beschreibung beschränkt anzusehen, sondern ist nur durch den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche beschränkt.
Es sind ein System, ein Verfahren und ein computerlesbares Medium zur Mischung eines Brennstoffs für die Verwendung in einer Gasturbine 102 offenbart. Es wird ein Messwert eines Brennwerts eines Prozessgases 204 und ein Messwert eines Molekulargewichts des Prozessgases 202 erhalten. Es wird eine Schätzung einer Zusammensetzung des Prozessgases 202 unter Verwendung des erhaltenen Messwerts des Brennwerts und des erhaltenen Messwerts des Molekulargewichts gewonnen. Es wird ein Mischungsverhältnis des Prozessgases 202 zu einem Erdgas 204 basierend auf der Schätzung der Zusammensetzung des Prozessgases 202 ausgewählt. Das Prozessgas 202 und das Erdgas 204 werden dann entsprechend dem ausgewählten Mischungsverhältnis miteinander vermischt, um ein Brennstoffgemisch zur Verwendung in der Gasturbine 102 zu erhalten.
Bezugszeichenliste

100: Schematisches Diagramm
102: Gasturbine
104: Verdichter
106: Brennkammer
108: Turbinenstufe
110: Brennstoffzufuhrsystem
112: Umgebungsluft
114: Rotor
116: Generator
202: Prozessgas
203: Prozessgasleitung
204: Erdgas
205: Erdgasleitung
206: Erster Brennstoffkreislauf
208: Zweiter Brennstoffkreislauf
210: Gassteuerungsventil
212: Gassteuerungsventil
214: Gassteuerungsventil
216: Gassteuerungsventil
220: Steuereinheit
222: Prozessor
224: Speichereinrichtung
226: Programme

Claims

Verfahren zur Mischung eines Brennstoffs zur Verwendung in einer Gasturbine (102), das aufweist: Erhalten einer Messung eines Brennwerts eines Prozessgases (202) und einer Messung eines Molekulargewichts des Prozessgases (202); Gewinnen einer Schätzung einer Zusammensetzung des Prozessgases (202) unter Verwendung der erhaltenen Messung des Brennwerts und der erhaltenen Messung des Molekulargewichts; Auswählen eines Mischungsverhältnisses des Prozessgases (202) zu einem Erdgas (204) basierend auf der Schätzung der Zusammensetzung des Prozessgases (202); und Vermischen des Prozessgases (202) und des Erdgases (204) entsprechend dem ausgewählten Mischungsverhältnis, um ein Brennstoffgemisch zur Verwendung in der Gasturbine (102) zu erhalten.
Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner ein Gewinnen der Schätzung der Zusammensetzung des Prozessgases (202) unter Verwendung eines Satzes linearer Gleichungen aufweist, die die Zusammensetzung des Prozessgases (202) zu der Messung des Brennwerts des Prozessgases (202) und der Messung des Molekulargewichts des Prozessgases (202) in Beziehung setzen.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei der Satz linearer Gleichungen einen Satz von fünf linearen Gleichungen hinsichtlich der fünf unbekannter molarer Anteile enthält, die Komponentengase des Prozessgases (202) repräsentieren; wobei der Satz linearer Gleichungen ferner wenigstens einen zusätzlichen molaren Anteil enthalten kann, der ein zusätzliches Komponentengas des Prozessgases (202) repräsentiert, wobei der wenigstens eine zusätzliche molare Anteil eine bekannte Menge ist.
Verfahren gemäß einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, das ferner das Erhalten der Messung des Brennwerts des Prozessgases (202) und der Messung des Molekulargewichts des Prozessgases (202) unter Verwendung von (i) einem Wobbe-Messgerät (232) und/oder (ii) einem Prozessgasanalysegerät (234) aufweist.; und/oder das ferner ein Steuern des Mischungsverhältnisses des Prozessgases (202) und des Erdgases (204) basierend auf zusätzlichen Messungen des Brennwerts und des Molekulargewichts des Prozessgases (202) aufweist.
Verfahren gemäß einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, das ferner ein Bestimmen einer Zusammensetzung des Erdgases (204) unter Verwendung eines Satzes linearer Gleichungen aufweist, die die Zusammensetzung des Erdgases (204) zu einer Messung eines Brennwerts des Erdgases (204) und einer Messung eines Molekulargewichts des Erdgases (204) in Beziehung setzen.
System zur Brennstoffmischung für die Verwendung in einer Gasturbine (102), das aufweist: eine Vorrichtung, die dazu eingerichtet ist, eine Messung eines Brennwerts eines Prozessgases (202) und eine Messung eines Molekulargewichts des Prozessgases (202) zu erhalten; und einen Prozessor (222), der dazu eingerichtet ist: eine Schätzung einer Zusammensetzung des Prozessgases (202) unter Verwendung der erhaltenen Messung des Brennwerts und der erhaltenen Messung des Molekulargewichts zu gewinnen; ein Mischungsverhältnis des Prozessgases (202) zu einem Erdgas (204) basierend auf der Schätzung der Zusammensetzung des Prozessgases (202) auszuwählen; und das Prozessgas (202) und das Erdgas (204) entsprechend dem ausgewählten Mischungsverhältnis zu vermischen, um ein Brennstoffgemisch zur Verwendung in der Gasturbine (102) zu erhalten.
System gemäß Anspruch 6, wobei der Prozessor (222) ferner dazu eingerichtet ist, die Schätzung der Zusammensetzung des Prozessgases (202) unter Verwendung eines Satzes linearer Gleichungen zu gewinnen, die die Zusammensetzung des Prozessgases (202) zu der Messung des Brennwerts und der Messung des Molekulargewichts in Beziehung setzen; wobei der Satz linearer Gleichungen einen Satz von fünf linearen Gleichungen hinsichtlich fünf unbekannter molarer Anteile enthalten kann, die die Komponentengase des Prozessgases (202) repräsentieren; wobei der Satz linearer Gleichungen ferner wenigstens einen zusätzlichen molaren Anteil enthalten kann, der ein zusätzliches Komponentengas des Prozessgases (202) repräsentiert, wobei der wenigstens eine zusätzliche molare Anteil eine bekannte Menge ist.
System gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei die Vorrichtung ferner (i) ein Wobbe-Messgerät (232) und/oder (ii) ein Prozessgasanalysegerät (234) aufweist.
System gemäß einem beliebigen der Ansprüche 6–8, wobei der Prozessor (222) ferner dazu eingerichtet ist, das Mischungsverhältnis des Prozessgases (202) zu dem Erdgas (204) basierend auf zusätzlichen Messungen des Brennwerts und des Molekulargewichts des Prozessgases (202) zu steuern; und/oder wobei der Prozessor (222) ferner dazu eingerichtet ist, eine Zusammensetzung des Erdgases (204) unter Verwendung eines Satzes linearer Gleichungen zu bestimmen, die die Zusammensetzung des Erdgases (204) zu einer Messung eines Brennwerts des Erdgases (204) und einer Messung eines Molekulargewichts des Erdgases (204) in Beziehung setzen.
Nichtflüchtiges computerlesbares Medium, das einen Satz darauf gespeicherter Anweisungen enthält, die, wenn sie von einem Prozessor (222) ausgeführt werden, den Prozessor (222) befähigen, ein Verfahren zur Brennstoffmischung für die Verwendung in einer Gasturbine (102) auszuführen, wobei das Verfahren aufweist: Erhalten einer Messung eines Brennwerts eines Prozessgases (202) und einer Messung eines Molekulargewichts des Prozessgases (202) von einer Messvorrichtung; Gewinnen einer Schätzung einer Zusammensetzung des Prozessgases (202) unter Verwendung der erhaltenen Messung des Brennwerts und der erhaltenen Messung des Molekulargewichts; Auswählen eines Mischungsverhältnisses des Prozessgases (202) zu einem Erdgas (204) basierend auf der Schätzung der Zusammensetzung des Prozessgases (202); und Vermischen des Prozessgases (202) mit dem Erdgas (204) entsprechend dem ausgewählten Mischungsverhältnis, um ein Brennstoffgemisch zur Verwendung in der Gasturbine (102) zu erhalten.