DE112014001437B4 - System und Verfahren zum Mischen und Steuern von Brennstoffen in Gasturbinen - Google Patents

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Abstract

System (10), umfassend:
eine Gasturbine (16), die eine Brennkammer (14) aufweist; und
ein Brennstoffmischsystem (50), das aufweist:
eine erste Brennstoffzufuhr (76), die dazu eingerichtet ist, einen ersten Brennstoff zuzuführen;
eine zweite Brennstoffzufuhr (78), die dazu eingerichtet ist, einen zweiten Brennstoff zuzuführen;
einen ersten Brennstoffkreis (90), der dazu eingerichtet ist, den ersten Brennstoff und den zweiten Brennstoff zu mischen, um ein erstes Brennstoffgemisch zu bilden;
einen zweiten Brennstoffkreis (92), der dazu eingerichtet ist, den ersten Brennstoff und den zweiten Brennstoff zu mischen, um ein zweites Brennstoffgemisch zu bilden; und
eine Steuer- bzw. Regeleinheit (80), die dazu eingerichtet ist, das Mischen des ersten Brennstoffgemisches und das Mischen des zweiten Brennstoffgemisches auf Basis einer gemessenen Zusammensetzung des ersten Brennstoffs und auf Basis eines Schwellengrenzwerts für Stickstoff, Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff oder Sauerstoff im ersten Brennstoff zu regulieren.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft Gasturbinensysteme und genauer ein System zum Mischen von Brennstoffen in einem Gasturbinensystem.
  • Gasturbinensysteme weisen typischerweise mindestens eine Gasturbine auf, die einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine aufweist. Die Brennkammer kann ein oder mehrere Verbrennungssysteme mit Brennstoffdüsen zum Empfangen von Brenngasen aufweisen. Bestimmte Brenngase können alleine nicht geeignet sein zur Verwendung als Brennstoffquelle in durch Verbrennung angetriebenen Anlagen, beispielsweise in einem Gasturbinensystem. Zum Beispiel können bestimmte Brenngase nicht in größeren Mengen verfügbar sein oder ihre Verwendung kann teuer sein. Als weiteres Beispiel können bestimmte Brenngase reichlich vorhanden sein, aber aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung alleine nicht für einen effizienten Betrieb im Gasturbinensystem geeignet sein. Ferner können bestimmte Brenngase unerwünschte Abgasemissionen zum Ergebnis haben, beispielsweise Stickoxide (NOx), Schwefeloxide (SOx), Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO2) und so weiter. Die Emissionspegel können Schwellenwerte, beispielsweise zulässige Emissionspegel für Gasturbinensysteme überschreiten.
  • US 2011/0162343 A1 beschreibt ein System aufweisend eine Gasturbine und eine Brennkammer. Zum Betrieb der Gasturbine sollen unterschiedliche Brennstoffe verwendet werden können. Es können mehrere Brennstoffkreisläufe mit unterschiedlichen Brennstoffgemischen betrieben werden. Die Brennstoffströmung kann entsprechend einem Strömungsparameter gesteuert werden, der beispielsweise eine Zusammensetzung des Brennstoffgemisches beschreibt.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein System mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 10.
  • Bestimmte Ausführungsformen, die im Bereich der ursprünglich beanspruchten Erfindung liegen, werden nachfolgend im Überblick erläutert. Diese Ausführungsformen sollen den Bereich der beanspruchten Erfindung nicht beschränken; diese Ausführungsformen sollen stattdessen nur einen kurzen Überblick über mögliche Ausgestaltungen der Erfindung geben. In der Tat kann die Erfindung verschiedene Ausgestaltungen umfassen, die den nachstehend angegebenen Ausführungsformen ähneln oder sich von ihnen unterscheiden können.
  • Figurenliste
  • Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden klarer, wenn die folgende ausführliche Beschreibung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen in allen Zeichnungen gleiche Teile darstellen, wobei:
    • 1 eine Skizze einer Ausführungsform eines Gasturbinensystems mit einem Verdichter, mehreren Brennkammern, einer Turbine und mehreren Brennstoffdüsen ist;
    • 2 eine Seitenquerschnittsdarstellung einer Ausführungsform von einer der in 1 dargestellten Turbinenbrennkammern ist, die dafür ausgelegt ist, Brenngase von einem Brennstoffmischsystem zu erhalten;
    • 3 eine Skizze einer Ausführungsform des Brennstoffmischsystems von 2 ist, wo das Brennstoffmischsystem eine Mischeinrichtung, eine Prozessgasquelle, eine Erdgasquelle und eine Steuer- bzw. Regeleinheit aufweist.
    • 4 ist ein Ablaufschema, das eine Ausführungsform eines Verfahrens darstellt, durch das ein Brennstoffmischsystem einen ersten Brennstoff und einen zweiten Brennstoff mischen kann; und
    • 5 ist ein Ablaufschema, das eine Ausführungsform eines Verfahrens darstellt, durch das ein Brennstoffmischsystem ein Mischen von Brennstoff auf Basis eines Betriebsparameters der Brennkammer modifizieren kann.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Eine oder mehrere konkrete Ausführungsfomen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend beschrieben. Um die Beschreibung dieser Ausführungsform möglichst kurz und präzise zu halten, werden möglicherweise nicht alle Merkmale der tatsächlichen Implementierung in der Patentschrift beschrieben. Es sei klargestellt, dass bei der Entwicklung jeder solchen Implementierung, wie bei jedem Konstruktions- oder Designprojekt, zahlreiche implementationsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um die konkreten Ziele des Entwicklers zu erreichen, beispielsweise systembezogene und unternehmensbezogene Vorgaben beachtet werden müssen, die von einer Implementierung zur anderen variieren können. Darüber hinaus sei klargestellt, dass eine solche Entwicklungsbemühung komplex und zeitaufwändig sein kann, aber für einen Fachmann, der sich auf diese Offenbarung stützen kann, trotzdem eine Routineunternehmung in Bezug auf das Design, die Fertigung und die Herstellung ist.
  • Wenn Elemente verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erstmals genannt werden, sollen die Artikel „ein, eine“ und „der, die das“ bedeuten, dass mindestens eines von den Elementen vorhanden ist. Die Begriffe „umfassen“ „beinhalten“ und „aufweisen“ sollen inklusiv sein und bedeuten, dass zusätzliche Elemente außer den aufgeführten Elementen vorhanden sein können.
  • Die offenbarten Ausführungsformen sind auf ein Brennstoffmischsystem gerichtet, das eine erste Brennstoffquelle und eine zweite Brennstoffquelle empfangen und miteinander mischen kann, um ein Brennstoffgemisch zu bilden. Das Brennstoffmischsystem kann dann das Brennstoffgemisch zu einer Brennstoffdüse einer durch Verbrennung angetriebenen Anlage, beispielsweise zu einer Brennkammer in einem Gasturbinensystem befördern. In bestimmten Ausführungsformen kann das Brennstoffmischsystem ein Erdgas empfangen und mit einem oder mehreren Prozessgasen mischen (z.B. mit einem Hochofengas, einem Koksofengas, einem Raffinierierauchgas oder irgendeinem synthetischen Gas, das als Folge eines Raffinier- oder chemischen Prozesses erzeugt wird), um das Brennstoffgemisch zu erzeugen. Genauer kann das Brennstoffmischsystem dafür ausgelegt sein, das Erdgas und das Prozessgas auf Basis einer gemessenen Zusammensetzung der ersten Brennstoffquelle (z.B. einer gemessenen Zusammensetzung des Prozessgases) zu mischen. Somit kann das Mischen so reguliert werden, dass die Verwendung bestimmter Brennstoffquellen optimiert oder maximiert wird. Zum Beispiel kann das Brennstoffmischsystem das Mischen des Brennstoffgemisches auf solche Weise steuern, dass die Menge an Prozessgas optimiert oder maximiert wird, wenn das Brennstoffgemisch aus Erdgas und Prozessgas erzeugt oder gebildet wird.
  • In einer noch anderen Ausführungsform kann das Brennstoffmischsystem nach dem Befördern des Brennstoffgemisches zur Brennkammer im Gasturbinensystem die Verbrennungsdynamik der Brennkammer überwachen. Zum Beispiel können bestimmte Betriebsparameter, wie Intensität der Flamme, Druck, Temperatur, Vibration oder die chemische Zusammensetzung des verbrannten Brennstoffgemisches, gemessen werden. Als weiteres Beispiel können die überwachten Betriebsparameter Änderungen, wie Pulsationen oder Oszillationen, des Druckes, der Temperatur, der Intensität der Flamme und/oder der chemischen Zusammensetzungen beinhalten. Das Brennstoffmischsystem kann ferner dafür ausgelegt sein, das Brennstoffgemisch auf Basis von einem oder mehreren gemessenen Betriebsparametern zu mischen, und kann somit Brennstoffquellen effizienter und effektiver nutzen. Zum Beispiel kann das Mischen so reguliert werden, dass nur eine bestimmte Menge an zusätzlichem Brennstoff für einen fortgesetzten Betrieb der Brennkammer zur Brennkammer befördert wird. Außerdem kann das Mischen in einer Regelungsschleife so angepasst werden, dass ein oder mehrere Betriebsparameter der Brennkammer innerhalb von Verbrennungsbeschränkungen des Systems bleiben. Das Brennstoffmischsystem kann auch das Mischen des Brennstoffgemisches auf solche Weise beinhalten, dass eine bestimmte Menge an teilchenförmigem Brennstoff verwendet wird, um das Brennstoffgemisch zu bilden. Das heißt, wie oben angegeben kann eine Menge an teilchenförmigem Brennstoff (z.B. ein Prozessgas), das bei der Erzeugung des Brennstoffgemisches verwendet wird, zumindest zum Teil auf Basis einer Rückmeldung von der Brennkammer (z.B. von gemessenen Betriebsparametern) maximiert oder optimiert werden. Außerdem kann das Brennstoffmischsystem ein bestimmtes Brennstoffgemisch zuführen, mit dem die Brennkammer gewünschte niedrige Emissionspegel, beispielsweise NOx-Emissionen, SOx-Emissionen, CO-Emissionen und/oder CO2-Emissionen erreichen kann.
  • Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, wobei 1 ein Blockschema einer Ausführungsform eines Gasturbinensystems 10 darstellt. Das Gasturbinensystem 10 weist einen Verdichter 12, Turbinenbrennkammern 14 und eine Turbine 16 auf. Die Turbinenbrennkammern 14 weisen Brennstoffdüsen 18 auf, die einen flüssigen Brennstoff, einen gasförmigen Brennstoff (z.B. Erdgas) und/oder einen gemischten Brennstoff (z.B. eine Mischung aus Erdgas und Prozessgas) in die Turbinenbrennkammern 14 leiten. Zum Beispiel kann das Prozessgas ein Hochofengas, ein Koksofengas, ein Raffinerierauchgas, ein synthetisches Gas, das als Ergebnis eines Raffinier- oder chemischen Prozesses erzeugt wird, oder eine Kombination davon beinhalten. Wie dargestellt, kann jede Turbinenbrennkammer 14 mehrere Brennstoffdüsen 18 aufweisen. Genauer können die Turbinenbrennkammern 14 jeweils primäre Brennstoffdüsen 20 und sekundäre Brennstoffdüsen 22 aufweisen. Wie nachstehend ausführlich erörtert wird, empfangen die primären Brennstoffdüsen 20 und die sekundären Brennstoffdüsen 22 Brennstoff zur Verwendung innerhalb der Turbinenbrennkammern 14. Die Turbinenbrennkammern 14 entzünden und verbrennen ein Oxidationsmittel-Brennstoff-Gemisch (z.B. ein Luft-Brennstoff-Gemisch) und leiten dann resultierende heiße, unter Druck stehende Verbrennungsgase 24 (z.B. Abgas) in die Turbine 16. Turbinenschaufeln innerhalb der Turbine 16 sind mit einer Welle 26 des Gasturbinensystems 10 verbunden, die auch mit mehreren anderen Komponenten verbunden sein kann, die irgendwo im Turbinensystem 10 angeordnet sind. Wenn die Verbrennungsgase 24 gegen und zwischen die Turbinenschaufeln der Turbine 16 strömen, wird die Turbine 16 drehend angetrieben, wodurch eine Drehung der Welle 26 bewirkt wird. Schließlich treten die Verbrennungsgase 24 über einen Abgasauslass 28 aus dem Turbinensystem 10 aus. Ferner ist in der dargestellten Ausführungsform die Welle 26 mit einem Verbraucher 30 verbunden, der über die Drehung der Welle 26 angetrieben wird. Der Verbraucher 30 kann jede geeignete Vorrichtung sein, die Leistung über die vom Turbinensystem 10 ausgegebene Drehung erzeugt, beispielsweise ein Stromgenerator, ein Propeller eines Flugzeugs oder ein anderer Verbraucher.
  • Der Verdichter 12 des Gasturbinensystems 10 weist Verdichterschaufeln auf. Die Verdichterschaufeln im Verdichter 12 sind mit der Welle 26 verbunden und drehen sich, wenn die Welle 26 von der Turbine 16 drehend angetrieben wird, wie oben erörtert. Wenn sich die Verdichterschaufeln im Verdichter 12 drehen, verdichtet der Verdichter 12 Luft (oder irgendein geeignetes Oxidationsmittel) das von einem Lufteinlass 32 her empfangen wird, um Druckluft 34 zu produzieren. Die Druckluft 34 wird dann in die Brennstoffdüsen 18 der Brennkammern 14 eingespeist. Wie oben angegeben, vermischen die Brennstoffdüsen 18 die Druckluft 34 und den Brennstoff, um ein Mischungsverhältnis zu produzieren, das sich für die Verbrennung eignet, z.B. eine Verbrennung, die bewirkt, dass der Brennstoff vollständiger verbrennt, so dass kein Brennstoff verschwendet wird oder keine übermäßigen Emissionen bewirkt werden. In der folgenden Erörterung kann auf eine axiale Richtung oder Achse 42 (z.B. eine Längsachse) der Brennkammer 14, eine radiale Richtung oder Achse 44 oder Brennkammer 14 und eine Umfangsrichtung oder Achse 46 der Brennkammer 14 Bezug genommen werden.
  • 2 ist eine seitliche Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform einer der Brennkammern 14 im Gasturbinensystem 10 von 1, wo die Brennkammer 14 dafür ausgelegt ist, Brennstoff von einem Brennstoffmischsystem 50 (z.B. einem System mit mehreren verschiedenen Brennstoffquellen) zu empfangen. Wie oben angegeben, ist die Brennkammer 14 funktionsmäßig mit dem Verdichter 12 und der Turbine 16 verbunden. Genauer verbrennt die Brennkammer 14 die Druckluft 34 aus dem Verdichter 12 mit Brennstoff aus dem Brennstoffmischsystem 50 und führt die resultierenden Verbrennungsgase 24 in die Turbine 16. In der dargestellten Ausführungsform weist die Brennkammer 14 eine primäre Verbrennungszone 52 und stromabwärts von der primären Verbrennungszone 52 eine sekundäre Verbrennungszone 54 auf. In anderen Ausführungsformen kann die Brennkammer 14 nur die primäre Verbrennungszone 52 oder mehrere Verbrennungszonen (z.B. zwei, drei, vier, fünf oder mehr Verbrennungszonen) aufweisen. Die Brennstoffdüsen 18 leiten einen flüssigen Brennstoff, einen gasförmigen Brennstoff und/oder einen gemischten Brennstoff vom Brennstoffmischsystem 50 in die primäre und die sekundäre Verbrennungszone 52 und 54. Zum Beispiel kann der Brennstoff Erdgas, ein Prozessgas und/oder ein Gemisch aus Erdgas und Prozessgas sein. Zum Beispiel kann das Prozessgas ein Hochofengas, ein Koksofengas, Raffinerierauchgas, irgendein synthetisches Gas, das als Ergebnis eines Raffinier- oder chemischen Prozesses erzeugt wird, oder eine Kombination davon beinhalten. In bestimmten Ausführungsformen kann das Brennstoffmischsystem 50 dafür ausgelegt sein, eine andere Art von Brennstoff oder ein anderes Brennstoffgemisch zu anderen Brennstoffdüsen 18 der Brennkammer 14 zu schicken. Zum Beispiel kann das Brennstoffmischsystem 50 in einer Ausführungsform ein erstes Brennstoffgemisch (das z.B. eine erste Brennstoffzusammensetzung aufweist) zu den primären Brennstoffdüsen 20 liefern, die dafür ausgelegt sind, das erste Brennstoffgemisch zur primären Verbrennungszone 52 zu leiten. Gleichzeitig kann das Brennstoffmischsystem 50 auch ein zweites Brennstoffgemisch (das z.B. eine zweite Brennstoffzusammensetzung aufweist, die von der ersten Brennstoffzusammensetzung des ersten Brennstoffgemisches verschieden ist) zu den sekundären Brennstoffdüsen 22 liefern, die dafür ausgelegt sind, das zweite Brennstoffgemisch zur sekundären Verbrennungszone 54 zu leiten. Zum Beispiel können das erste und das zweite Brennstoffgemisch jeweils eine Mischung aus Erdgas und Prozessgas sein, aber das erste und das zweite Brennstoffgemisch können unterschiedliche Mischungsverhältnisse von Erdgas und Prozessgas aufweisen. Auf diese Weise empfängt kann jede Verbrennungszone der Brennkammer 14 (z.B. die primäre und die sekundäre Verbrennungszone, 52 und 54) ein anderes oder von anderen verschiedenes Brennstoffgemisch vom Brennstoffmischsystem 50 empfangen.
  • In der dargestellten Ausführungsform weist die Brennkammer 14 einen Ringraum 56 auf, der dafür ausgelegt ist, Druckluft vom Verdichter 12 zu empfangen. Die Druckluft, die der Ringraum 56 vom Verdichter 12 empfängt, wird zu einem Kopfende 58 der Turbinenbrennkammer gelenkt, wie von Pfeilen 60 dargestellt ist. In bestimmten Ausführungsformen kann der Ringraum 56 der Brennkammer 14 von einem Einsatz 62 (z.B. einer Innenwand) und einem Strömungsrohr 64 (z.B. einer Außenwand) begrenzt sein, wobei das Strömungsrohr 64 den Einsatz 62 umgibt (z.B. koaxial oder konzentrisch). Das Kopfende 58 der Turbinenbrennkammer 14 kann eine Abdeckplatte 65 und eine Endplatte 66 aufweisen, welche die primären Brennstoffdüsen 20 zumindest zum Teil tragen. In bestimmten Ausführungsformen können die primären Brennstoffdüsen 20 den Brennstoff, der vom Brennstoffmischsystem 50 empfangen wird, mit der Druckluft vom Verdichter 12 kombinieren, um ein Luft-Brennstoff-Gemisch zu bilden. Das Luft-Brennstoff-Gemisch wird dann in der primären Verbrennungszone 52 verbrannt, um Verbrennungsgase 68 zu produzieren. Obwohl in der dargestellten Ausführungsform gezeigt ist, dass Brennstoff den primären Brennstoffdüsen 20 nur vom Brennstoffmischsystem 50 zugeführt, können andere Ausführungsformen der Brennkammer 14 mehrere Brennstoffquellen und/oder mehrere Brennstoffmischsysteme 50 aufweisen. Ferner können die Brennstoffquellen in Ausführungsformen, die mehrere Brennstoffquellen und/oder mehrere Brennstoffmischsystemen 50 aufweisen, Brennstoffe der gleichen Art oder Brennstoffe verschiedener Arten zu den primären Brennstoffdüsen 20 liefern.
  • Die Verbrennungsgase 68, die in der primären Verbrennungszone 52 gebildet werden, strömen vom Kopfende 58 der Brennkammer 14 abwärts zum unteren Ende 70 der Brennkammer 14 (z.B. zu einem in Strömungsrichtung unteren Ende eines Übergangsstücks 69). Wie oben angegeben, kann die Brennkammer 14 in bestimmten Ausführungsformen die sekundäre Verbrennungszone 54 mit sekundären Brennstoffdüsen 22 aufweisen. Die sekundären Brennstoffdüsen 22 können zusätzlichen Brennstoff in den Strom der Verbrennungsgase 68 einspeisen, der dann in der sekundären Verbrennungszone 54 verbrannt wird, wie von Pfeilen 71 angegeben ist. Die sekundäre Brennstoffeinspeisung 71 kann in einem Winkel stromaufwärts in Richtung auf das Kopfende 58, stromabwärts in Richtung auf das untere Ende 70 oder allgemein quer (z.B. senkrecht) zum Strom der Gase 68 erfolgen. In bestimmten Ausführungsformen können die sekundären Brennstoffdüsen 22 den Brennstoff, der vom Brennstoffmischsystem 50 empfangen wird, mit der Druckluft aus dem Ringraum 56 mischen (d.h. mit der Druckluft, die vom Verdichter 12 zugeführt wird, wie von Pfeilen 60 angegeben), um eine Luft-Brennstoff-Mischung zu bilden, die in die sekundäre Verbrennungszone 54 eingespeist 71 und dort verbrannt werden kann, um zusätzliche Verbrennungsgase 68 zu produzieren. In anderen Ausführungsformen speisen die sekundären Brennstoffdüsen 22 Brennstoff und Luft getrennt in den Strom aus Verbrennungsprodukten 68 ein, der dann in der sekundären Verbrennungszone 54 verbrannt wird. Obwohl in der dargestellten Ausführungsform gezeigt ist, dass den sekundären Brennstoffdüsen 22 Brennstoff nur vom Brennstoffmischsystem 50 zugeführt wird, können andere Ausführungsformen der Brennkammer 14 mehrere Brennstoffquellen und/oder mehrere Brennstoffmischsysteme 50 aufweisen. In Ausführungsformen mit mehreren Brennstoffquellen und/oder mehreren Brennstoffmischsystemen 50 können die Brennstoffquellen Brennstoffe der gleichen Art oder Brennstoffe verschiedener Arten zu den sekundären Brennstoffdüsen 22 liefern. Nach der Verbrennung in der sekundären Verbrennungszone 54 strömen die Verbrennungsgase 68 weiter stromabwärts, wie von eienm Pfeil 72 angegeben, in Richtung auf die Turbine 16.
  • In bestimmten Ausführungsformen kann das Brennstoffmischsystem 50 eine Mischeinrichtung bzw. ein Blending Skid 74, mindestens eine Prozessgasquelle 76 für die Zufuhr eines Prozessgases, eine Erdgasquelle 78 für die Zufuhr eines Erdgases und eine Steuer- bzw. Regeleinheit 80 mit einem Prozessor 81 und einem Speicher 82 aufweisen. Bei der Prozessgasquelle 76 kann es sich um jede Art von Prozessgas handeln, beispielsweise um ein Hochofengas, ein Koksofengas, Raffinerierauchgas, ein synthetisches Gas, das als Ergebnis eines Raffinier- oder chemischen Prozesses erzeugt wird, oder eine Kombination davon.. So kann die Prozessgasquelle 76 eine erste Prozessgasquelle (z.B. eine Koksofengasquelle), eine zweite Prozessgasquelle (z.B. eine Hochofengasquelle), eine dritte Prozessgasquelle oder irgendeine andere Anzahl von Prozessgasquellen beinhalten. Die Mischeinrichtung 74 reguliert das Mischen der Prozessgasquelle 76 (z.B. des Koksofengases, des Hochofengases oder einer Kombination der beiden) mit der Erdgasquelle 78. In bestimmten Ausführungsformen kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 80 des Brennstoffmischsystems 50 den Betrieb der Mischeinrichtung 74 durch Regulieren des Mischens der Prozessgasquelle 76 mit der Erdgasquelle 78 steuern.
  • In einer Ausführungsform kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 80 das Mischen auf Basis einer gemessenen Zusammensetzung der Prozessgasquelle 76 regulieren. Zum Beispiel kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 80 die chemische Zusammensetzung der Prozessgasquelle 76 bestimmen und die Konzentration der Komponenten der Prozessgasquelle 76 messen, beispielsweise die von Stickstoff, Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff, Sauerstoff und so weiter. Auf Basis der gemessenen Konzentrationen der enthaltenen Komponenten kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 80 das Mischen der Erdgasquelle 78 (z.B. von Erdgas) mit der Prozessgasquelle 76 (z.B. Prozessgas) anpassen, um die Konzentrationen verschiedener Komponenten innerhalb gewünschter Betriebsbeschränkungen der Brennkammer 14 aufrechtzuerhalten oder zu regulieren. In einer anderen Ausführungsform kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 80 das Mischen auf Basis einer gemessenen Zusammensetzung der Erdgasquelle 78 regulieren. Zum Beispiel kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 80 die chemische Zusammensetzung der Erdgasquelle 78 bestimmen und die Konzentration der Komponenten der Erdgasquelle 78 messen, beispielsweise die von Stickstoff, Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff, Sauerstoff und so weiter. Auf Basis der gemessenen Konzentrationen der enthaltenen Komponenten kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 80 das Mischen der Erdgasquelle 78 (z.B. von Erdgas) mit der Prozessgasquelle 76 (z.B. Prozessgas) anpassen, um die Konzentrationen verschiedener Komponenten innerhalb gewünschter Betriebsbeschränkungen der Brennkammer 14 aufrechtzuerhalten oder zu regulieren.
  • Ferner kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 80 das Mischen auf Basis von Parametern regulieren, die durch die Eingabe eines Anwenders eingestellt werden und die im Speicher 82 der Steuer- bzw. Regeleinheit 80 gespeichert werden können. Der Speicher 82 kann ferner verwendet werden, um andere Messwerte zu speichern, beispielsweise Betriebsparameter der Brennkammer 14 oder gemessene Konzentrationen der Brenngaskomponenten (z.B. der Komponenten des Erdgases oder des Prozessgases). In noch anderen Ausführungsformen kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 80 dafür ausgelegt sein, das Mischen auf Basis einer gemessenen Zusammensetzung der Erdgasquelle 78, der Prozessgasquelle 76 oder auf Basis von gemessenen Zusammensetzungen sowohl der Erdgasquelle 78 als auch der Prozessgasquelle 76 (d.h. der hergestellten Mischung aus der Erdgasquelle 78 und der Prozessgasquelle 76) zu regulieren. Zum Beispiel kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 80 die Konzentration der Komponenten der Erdgasquelle 78, beispielsweise von Stickstoff, Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff oder Sauerstoff, messen.
  • In anderen Ausführungsformen kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 80 des Brennstoffmischsystems 50 den Betrieb der Mischeinrichtung 74 auf Basis einer auf den Betrieb bezogenen Rückmeldung von der Brennkammer 14 steuern. Zum Beispiel kann es sich bei betriebsbezogenen Rückmeldung um Parameter handeln, die im Inneren der primären und/oder der sekundären Verbrennungszone, 52 und 54, oder in anderen Bereichen der Brennkammer 14 gemessen werden, beispielsweise in den Brennstoffdüsen 18 (z.B. den primären und sekundären Brennstoffdüsen 20 und 22), in einem Auslassabschnitt 28, in der Turbine 16 oder irgendeiner Kombination davon. Das heißt, die Betriebsdynamik der Brennkammer 14 kann mit verschiedenen verbrennungsdynamischen Parametern quantifiziert werden und kann mit mehreren Sensoren 84 ermittelt werden.
  • Bei den Sensoren 84 kann es sich um jede geeignete Art von Sensoren handeln, beispielsweise um einen Flammendetektor oder eine akustische Sonde, und die Sensoren 84 können in der primären und/oder der sekundären Verbrennungszone, 52 und 54, angeordnet sein. Der Flammendetektor kann dafür ausgelegt sein, einen verbrennungsdynamischen Parameter zu messen, beispielsweise eine Flammenintensität einer Flamme innerhalb der Brennkammer 14, während die akustische Sonde dafür ausgelegt sein kann, eine Frequenz oder Amplitude eines Tons in der Brennkammer 14 zu messen. Bei den Sensoren 84 kann es sich auch um andere Arten von Sensoren handeln, beispielsweise um optische Sensoren, mechanische Sensoren, Temperatursensoren, Vibrationssensoren oder Elektrosensoren, die dafür ausgelegt sein können, andere nützliche verbrennungsdynamische Betriebsparameter wie Temperatur, Druck und so weiter zu messen. Zum Beispiel kann die Rückmeldung von den Sensoren verwendet werden, um Pulsationen oder Oszillationen des Druckes, der Temperatur, der Flammenintensität, der Lichtintensität, von Geräuschen, von Emissionspegeln oder irgendeiner Kombination davon zu erkennen. Die Sensoren 84 können Messdaten der Betriebsparameter der Brennkammer 14 an die Steuer- bzw. Regeleinheit 80 schicken, welche die Messdaten dann verwenden kann, um den Betrieb der Mischeinrichtung 74 und des Brennstoffmischsystems 50 weiter zu regulieren.
  • Der Speicher 82 der Steuer- bzw. Regeleinheit 80 kann ferner die gemessenen Betriebsparameter der Brennkammer 14 speichern. Auf diese Weise kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 80 eine Regelschleife regulieren, die das Verhältnis der Erdgasquelle 78 (z.B. Erdgas) zur Prozessgasquelle 76 (z.B. Prozessgas) in dem Brennstoffgemisch auf Basis der auf den Betrieb der Brennkammer 14 bezogenen Rückmeldungen aus der primären und/oder der sekundären Verbrennungszone, 52 und 54, oder anderen Bereichen der Brennkammer 14 anpassen kann.
  • 3 ist eine Skizze einer Ausführungsform des Brennstoffmischsystems 50 von 2, wo das Brennstoffmischsystem 50 die Mischeinrichtung 74, die Prozessgasquelle 76, die Erdgasquelle 78 und die Steuer- bzw. Regeleinheit 80 aufweist. Wie in 2 dargestellt ist, kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 80 den Betrieb der Mischeinrichtung 74 so steuern, dass die Mischeinrichtung 74 das Mischen der Prozessgasquelle 76 (z.B. eines Hochofengases, eines Koksofengases, eines Raffinerierauchgases, eines synthetischen Gases, das als Ergebnis eines Raffinier- oder chemischen Prozesses erzeugt wird, oder einer Kombination davon) mit der Erdgasquelle 78 (z.B. Erdgas) reguliert. Die Steuer- bzw. Regeleinheit 80 kann den Betrieb der Mischeinrichtung 74 auf Basis einer gemessenen Komponentenzusammensetzung der Prozessgasquelle 76 regulieren. In anderen Ausführungsformen kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 80 den Betrieb der Mischeinrichtung 74 auf Basis einer gemessenen Komponentenzusammensetzung der Erdgasquelle 78, der Prozessgasquelle 78 oder auf Basis von gemessenen Zusammensetzungen sowohl der Prozessgasquelle 76 als auch der Erdgasquelle 78 (d.h. der hergestellten Mischung aus der Prozessgasquelle 76 und der Erdgasquelle 78) regulieren. Komponenten der Gasquellen 76 und 78, wie Stickstoff, Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff oder Sauerstoff, können mit Sensoren 86 gemessen werden, und die gemessenen Daten können an den Prozessor 81 und/oder den Speicher 82 der Steuer- bzw. Regeleinheit 84 oder an eine andere Komponente der Steuer- bzw. Regeleinheit 84 geschickt werden.
  • Die Steuer- bzw. Regeleinheit 80 kann den Betrieb der Mischeinrichtung 74 auf auf Basis von betriebsbezogenen Rückmeldungen 88 aus der Brennkammer 14 (z.B. Rückmeldungen aus der primären und/oder der sekundären Verbrennungszone, 52 und 54) regulieren. Zum Beispiel können betriebsbezogene Rückmeldungen 88 aus der Brennkammer 14 Messdaten verschiedener verbrennungsdynamischer Parameter, beispielsweise der Flammenintensität, der Frequenz oder Amplitude eines Tons, der Temperatur, des Druckes und so weiter beinhalten. Andere verbrennungsdynamische Parameter, die erkannt werden können, beinhalten Pulsationen oder Oszillationen des Druckes, der Temperatur, der Flammenintensität, der Lichtintensität, von Geräuschen, von Emissionspegeln oder irgendeiner Kombination davon. Die verbrennungsdynamischen Parameter messen die Verbrennungsdynamik in der primären und/oder der sekundären Verbrennungszone, 52 und 54, oder in anderen Bereichen der Brennkammer 14 und können auf den Eigenschaften des Brennstoffs basieren, der in den Verbrennungszonen 52 und 54 verwendet wird. In bestimmten Ausführungsformen kann es gewünscht sein, verbrennungsdynamische Parameter innerhalb bestimmter Betriebsbeschränkungen zu halten, um die Betriebsfähigkeit oder Effizienz der Brennkammer 14 zu regulieren und/oder um eine Schädigung von Anlageteilen innerhalb des Gasturbinensystems 10 zu verringern. Zum Beispiel kann die Konzentration bestimmter Bestandteile, beispielsweise von Stickstoff, Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff, Sauerstoff und so weiter, unterhalb von Schwellenwerten der Brennkammer 14 gehalten werden. Zu diesem Zweck kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 80 verwendet werden, um eine Regelschleife zu regulieren oder zu betreiben und den Mischbetrieb der Mischeinrichtung 74 zu regulieren, so dass die verbrennungsdynamischen Parameter innerhalb der Betriebsbeschränkungen der Brennkammer 14 bleiben.
  • Wie dargestellt, kann die Mischeinrichtung 74 des Brennstoffmischsystems 50 das Mischen der Prozessgasquelle 76 (z.B. eines Hochofengases, eines Koksofengases, eines Raffinerierauchgases, eines synthetischen Gases, das als Ergebnis eines Raffinier- oder chemischen Prozesses erzeugt wird, oder einer Kombination davon) mit der Erdgasquelle 78 (z.B. Erdgas) innerhalb eines oder mehrerer Brennstoffkreise regulieren. In der dargestellten Ausführungsform weist die Mischeinrichtung 74 einen ersten Brennstoffkreis 90, einen zweiten Brennstoffkreis 92 und einen dritten Brennstoffkreis 94 auf. In anderen Ausführungsformen kann die Mischeinrichtung 74 vier, fünf, sechs oder jede geeignete Anzahl von Brennstoffkreisen aufweisen. Jeder Brennstoffkreis kann ein Brennstoffgemisch aus der Erdgasquelle 78 und der Prozessgasquelle 76 zu den Brennstoffdüsen 18 der Brennkammer 14, zu einer Beförderungseinheit bzw. einem Transfer Skid oder einer anderen Brennkammer 14 befördern. Zum Beispiel kann der erste Brennstoffkreis 90 ein erstes Brennstoffgemisch zu einer oder mehreren primären Brennstoffdüsen 20 befördern, während der zweite Brennstoffkreis 92 ein zweites Brennstoffgemisch zu einer oder mehreren sekundären Brennstoffdüsen 22 befördern kann. Außerdem kann das Brennstoffmischsystem 50 einen gemischten oder ungemischten Brennstoff an ein Beförderungssystem 96 (z.B. einem Transfer Skid oder einem Brennstoffbeförderungssystem) abgeben. Zum Beispiel kann es sein, dass der dritte Brennstoffkreis 94 in einer Ausführungsform nur die Erdgasquelle 78 zum Beförderungssystem 96 befördert und dass nur eine Beförderung von Brennstoff aus der Erdgasquelle 78 zum Beförderungssystem 96 unter Verwendung eines Gastransferventils 98 reguliert wird.
  • Darüber hinaus können mehrere Ventile möglich machen, dass die Mischeinrichtung 74 für verschiedene Brennstoffkreise der Mischeinrichtung 74 Erdgas aus der Erdgasquelle 78 mit Prozessgas aus der Prozessgasquelle 76 in verschiedenen Verhältnissen mischt. In bestimmten Ausführungsformen kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 80 den Betrieb der Ventile auf Basis von Messdaten, die aus betriebsbezogenen Rückmeldungen 88 aus der Brennkammer 14 erhalten werden, auf Basis von gemessenen Komponentenzusammensetzungen der Erdgas- und/oder Prozessgasquelleen 76 und 78 und/oder auf Basis einer Eingabe durch einen Anwender steuern. Der erste Brennstoffkreis 90 kann ein erstes Brennstoffgemisch mit einem ersten Verhältnis von Erdgasquelle 78 (z.B. Erdgas) zu Prozessgasquelle 76 (z.B. Prozessgas) aufweisen. Das erste Brennstoffgemisch kann gebildet werden, wenn Gasauslassventile 100 und 102 einen Gasstrom aus der Erdgasquelle 78 bzw. der Prozessgasquelle 76 in die Mischeinrichtung 74 zulassen. Wie dargestellt, weist die Mischeinrichtung 74 ferner Gasregelventile 104 und 106 auf. Das Gasregelventil 104 reguliert den Erdgasstrom aus der Erdgasquelle 78 innerhalb des ersten Brennstoffkreises 90, während das Gasregelventil 106 den Prozessgasstrom aus der Prozessgasquelle 76 innerhalb des ersten Brennstoffkreises 90 reguliert. Gemeinsam können die Gasregelventile 104 und 106 ein erstes Mischungsverhältnis der Erdgasquelle 78 (z.B. des Erdgases) zur Prozessgasquelle 76 (z.B. dem Prozessgas) bilden. Ebenso kann der zweite Brennstoffkreis 90 ein zweites Brennstoffgemisch mit einem zweiten Verhältnis von Erdgasquelle 78 (z.B. Erdgas) zu Prozessgasquelle 76 (z.B. Prozessgas) aufweisen. Das zweite Brennstoffgemisch kann gebildet werden, wenn Gasauslassventile 100 und 102 Erdgas aus der Erdgasquelle 78 und Prozessgas aus der Prozessgasquelle 76 in die Mischeinrichtung 74 freisetzen. Danach regulieren Gasregelventile 108 und 110 das Mischen des Erdgases und des Prozessgases innerhalb des zweiten Brennstoffkreises 90. Genauer reguliert das Gasregelventil 108 den Erdgasstrom aus der Erdgasquelle 78 innerhalb des zweiten Brennstoffkreises 92, während das Gasregelventil 110 den Prozessgasstrom aus der Prozessgasquelle 76 innerhalb des zweiten Brennstoffkreises 92 reguliert. Gemeinsam bilden die Gasregelventile 108 und 110 ein zweites Mischungsverhältnis der Erdgasquelle 78 (z.B. des Erdgases) zur Prozessgasquelle 76 (z.B. dem Prozessgas). Wie oben angegeben kann der erste Brennstoffkreis 90 ein erstes Mischungsverhältnis produzieren, das sich vom zweiten Mischungsverhältnis im zweiten Brennstoffkreis 92 unterscheidet. Genauer kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 80 in der Lage sein, für jeden Brennstoffkreis des Brennstoffmischsystems 50 Brennstoffgemische mit unterschiedlichen Mischungsverhältnissen zu bilden. Ferner kann jeder Brennstoffkreis des Brennstoffmischsystems 50 Brennstoffgemische mit unterschiedlichen Mischungsverhältnissen zu den verschiedenen Brennstoffdüsen 18 der Brennkammer 14 befördern.
  • 4 ist ein Ablaufschema, das eine Ausführungsform eines Prozesses 112 (z.B. eines computerimplementierten Prozesses) zeigt, durch den das Brennstoffmischsystem 50 einen ersten Brennstoff (z.B. Erdgas) und einen zweiten Brennstoff (z.B. ein Prozessgas) mischen kann. Der Prozess 112 beginnt damit, dass ein Gasturbinenmodus des Gasturbinensystems 10 von 1 eingestellt wird (Block 114). In bestimmten Ausführungsformen kann das Gasturbinensystem 10 auf einen Vormischungsmodus eingestellt werden, wo Brennstoff sowohl den primären Brennstoffdüsen 20 als auch den sekundären Brennstoffdüsen 22 zugeführt wird. In anderen Ausführungsform können andere Betriebsmodi für das Gasturbinensystem 10 verwendet werden, beispielsweise ein primärer Modus, ein sekundärer Modus, ein Volllastmodus, ein Teillastmodus, ein Startmodus, ein Dauerbetriebsmodus und so weiter. Jeder Modus des Gasturbinensystems 10 kann ein anderes Mischungsverhältnis des ersten Brennstoffs zum zweiten Brennstoff verwenden und kann außerdem ein anderes Mischungsverhältnis für jede Brennstoffdüse der Brennkammer vorsehen. Zum Beispiel kann das Gasturbinensystem 10 im Vormischungsmodus ein anderes Mischungsverhältnis des ersten Brennstoffs zum zweiten Brennstoff einstellen als dies in einem Dauerbetriebsmodus, einem Startmodus usw. der Fall wäre.
  • In bestimmten Ausführungsformen kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 80, nachdem das Gasturbinensystem 10 auf einen Gasturbinenmodus eingestellt worden ist, eine Komponentenzusammensetzung eines ersten Brennstoffs, beispielsweise eines Prozessgases aus der Prozessgasquelle 76, messen (Block 116). Wie oben ausführlich beschrieben worden ist, kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 80 den Betrieb der Mischeinrichtung 74 des Brennstoffmischsystems 50 auf Basis einer gemessenen Komponentenzusammensetzung des Prozessgases aus der Prozessgasquelle 76 (z.B. eines Hochofengases, eines Koksofengases, eines Raffinerierauchgases, eines synthetischen Gases, das als Ergebnis eines Raffinier- oder chemischen Prozesses erzeugt wird, oder einer Kombination davon) regulieren. Zum Beispiel können die Sensoren 86 (wie in 3 dargestellt) die chemische Zusammensetzung des Prozessgases aus der Prozessgasquelle 76 durch Messen der Konzentration von Komponenten wie Stickstoff, Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff, Sauerstoff und so weiter feststellen. In anderen Ausführungsformen kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 80 den Betrieb der Mischeinrichtung 74 auf Basis einer gemessenen Komponentenzusammensetzung des Erdgases aus der Erdgasquelle 78 oder von Gasen aus sowohl der Prozessgasquelle 76 als auch der Erdgasquelle 78 regulieren.
  • Der Prozess 112 kann ferner das Mischen des ersten Brennstoffs mit einem zweiten Brennstoff beinhalten, um ein erstes Brennstoffgemisch (Block 118) und ein zweites Brennstoffgemisch (Block 120) zu bilden. Zum Beispiel kann in bestimmten Ausführungsformen Prozessgas aus der Prozessgasquelle 76 mit Erdgas aus der Erdgasquelle 78 in einem ersten Verhältnis gemischt werden, um ein erstes Brennstoffgemisch innerhalb eines ersten Brennstoffkreises 90 zu bilden (Block 118). Ebenso kann Prozessgas aus der Prozessgasquelle 76 mit Erdgas aus der Erdgasquelle 78 in einem zweiten Verhältnis gemischt werden, um ein zweites Brennstoffgemisch innerhalb eines zweiten Brennstoffkreises 92 zu bilden (Block 120). Jeder Brennstoffkreis der Mischeinrichtung 74 kann ein anderes Mischungsverhältnis der Erdgasquelle 78 (z.B. des Erdgases) zur Prozessgasquelle 76 (z.B. dem Prozessgas) aufweisen. Somit kann das erste Brennstoffgemisch des ersten Brennstoffkreises 90 ein anderes Mischungsverhältnis aufweisen als das zweite Brennstoffgemisch des zweiten Brennstoffkreises 92. In anderen Ausführungsform kann das erste Brennstoffgemisch des ersten Brennstoffkreises 90 das gleiche Mischungsverhältnis aufweisen wie das zweite Brennstoffgemisch des zweiten Brennstoffkreises 92. In der dargestellten Ausführungsform sind zwei Brennstoffkreise dargestellt. Jeder Brennstoffkreis weist ein anderes Mischungsverhältnis auf. In anderen Ausführungsformen können drei, vier, fünf oder jede andere Anzahl von Brennstoffkreisen mit oder ohne unterschiedliche Mischungsverhältnisse vorhanden sein. Ferner kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 80 auf Basis der Daten, die von den Sensoren 86 empfangen werden, das Verhältnis der Mischung innerhalb eines bestimmten Brennstoffkreises anpassen. Wenn zum Beispiel die Stickstoffkonzentration in der Prozessgasquelle 76 bekannt ist oder gemessen wird, dann kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 80 ein Brennstoffgemisch innerhalb des ersten Brennstoffkreises 90 mischen oder anpassen, das optimiert ist, um bestimmte Betriebsparameter innerhalb der Brennkammer 14 zu erreichen (z.B. eine gewünschte Stickstoffmenge innerhalb der Verbrennungsprodukte 68).
  • Zuletzt kann der Prozess 112 das Befördern des ersten Brennstoffgemisches zu einer ersten Brennstoffdüse (Block 122) und des zweiten Brennstoffgemisches zu einer zweiten Brennstoffdüse (Block 124) beinhalten. Zum Beispiel kann der erste Brennstoffkreis 90 zu den primären Brennstoffdüsen 20 hin ausgerichtet sein, während der zweite Brennstoffkreis 92 zu den sekundären Brennstoffdüsen 22 hin ausgerichtet sein kann. Somit können die Brennstoffdüsen 18 der Brennkammer 14 jeweils ein anderes Mischungsverhältnis der Erdgasquelle 78 zur Prozessgasquelle 76 empfangen. Das heißt, die primären Brennstoffdüsen 20 können das erste Brennstoffgemisch mit einem ersten Mischungsverhältnis vom ersten Brennstoffkreis 90 empfangen, und die sekundären Brennstoffdüsen 22 können das zweite Brennstoffgemisch mit einem zweiten Brennstoffverhältnis (das z.B. vom ersten Brennstoffverhältnis verschieden ist) vom zweiten Brennstoffkreis 92 empfangen.
  • 5 ist ein Ablaufschema, das eine Ausführungsform eines Prozesses 126 darstellt, durch den das Brennstoffmischsystem 50 das Mischen von Brennstoff auf Basis eines Betriebsparameters der Brennkammer 14 modifizieren kann. Der Prozess 126 beginnt damit, dass ein Gasturbinenmodus des Gasturbinensystems 10 von 1 eingestellt wird (Block 128). In bestimmten Ausführungsformen kann das Gasturbinensystem 10 auf einen Vormischungsmodus eingestellt werden, wo Brennstoff sowohl den primären Brennstoffdüsen 20 als auch den sekundären Brennstoffdüsen 22 zugeführt wird. In anderen Ausführungsform können andere Betriebsmodi für das Gasturbinensystem 10 verwendet werden, beispielsweise ein primärer Modus, ein sekundärer Modus, ein Volllastmodus, ein Teillastmodus, ein Startmodus, ein Dauerbetriebsmodus und so weiter. Jeder Modus des Gasturbinensystems 10 kann ein anderes Mischungsverhältnis des ersten Brennstoffs zum zweiten Brennstoff verwenden und kann außerdem ein anderes Mischungsverhältnis für jede Brennstoffdüse der Brennkammer vorsehen. Zum Beispiel kann das Gasturbinensystem 10 im Vormischungsmodus ein anderes Mischungsverhältnis des ersten Brennstoffs zum zweiten Brennstoff einstellen als dies in einem Dauerbetriebsmodus, einem Startmodus usw. der Fall wäre.
  • Der Prozess 126 beinhaltet ferner das Messen einer Komponentenzusammensetzung eines ersten Brennstoffs, beispielsweise eines Prozessgases oder eines Erdgases (Block 130), das Mischen des ersten Brennstoffs und eines zweiten Brennstoffs in einem ersten Verhältnis, um ein erstes Brennstoffgemisch zu bilden (Block 132) und das Mischen des ersten Brennstoffs und des zweiten Brennstoffs in einem zweiten Verhältnis, um ein zweites Brennstoffgemisch zu bilden (Block 134). Das erste Brennstoffgemisch kann dann zu einer ersten Brennstoffdüse (z.B. einer primären Brennstoffdüse 20) der Brennkammer 14 befördert werden (Block 136), während das zweite Brennstoffgemisch zu einer zweiten Brennstoffdüse (z.B. einer sekundären Brennstoffdüse 22) der Brennkammer 14 befördert werden kann (Block 138). Die Blöcke 128, 130, 132, 134, 136 und 138 des Prozesses 126, wie in 5 dargestellt, können Blöcken 114, 116, 118, 120, 122 und 124 des Prozesses 112 ähneln, der unter Bezugnahme auf 4 dargestellt und beschrieben worden ist.
  • Sobald die Brennstoffgemische der Brennstoffkreise zu den Brennstoffdüsen 18 der Brennkammer 14 befördert worden sind, kann der Brennstoff von den Brennstoffdüsen 18 in die primäre und/oder die sekundäre Brennstoffzone, 52 und 54, gelenkt werden. Wie nachstehend ausführlich erörtert wird, kann bzw. können die primäre und/oder die sekundäre Brennstoffzone, 52 und 54, der Brennkammer 14 mit mehreren Sensoren 84 ausgestattet sein, die einen oder mehrere Betriebsparameter der Brennkammer 14 messen können (Block 140). Die Sensoren 84 können Informationen über den Betrieb und/oder die Verbrennungsdynamik der Brennkammer 14 liefern, indem sie Messungen verschiedener verbrennungsdynamischer Parameter durchführen. Zum Beispiel können verbrennungsdynamische Parameter, wie oben unter Bezugnahme auf 2 beschrieben, die Frequenz oder Amplitude eines Tons in der Brennkammer 14, eine Flammenintensität, eine Temperatur, einen Druck, eine Konzentration verschiedener Komponenten der Brennstoffquellen oder Verbrennungsprodukte und so weiter beinhalten. Bei den Sensoren 84 kann es sich um jede geeignete Art von Sensor handeln, beispielsweise um einen Flammendetektor oder eine akustische Sonde. Die Sensoren 84 können auch andere Arten von Sensoren sein, beispielsweise optische Sensoren, mechanische Sensoren oder elektrische Sensoren und so weiter. Die Sensoren 84 können gemessene Betriebsparameter der Brennkammer 14 als betriebsbezogene Rückmeldungen 88 aus der Brennkammer senden. Wie oben erörtert, können die betriebsbezogenen Rückmeldungen 88 aus der Brennkammer zur Steuer- bzw. Regeleinheit 80 übertragen werden. Der Speicher 82 der Steuer- bzw. Regeleinheit 80 kann ferner die gemessenen Betriebsparameter und -daten der Brennkammer 14 speichern.
  • Die Steuer- bzw. Regeleinheit 80 kann dafür ausgelegt sein, das Mischen von Brennstoffen durch die Mischeinrichtung 74 auf Basis der Betriebsparameterdaten der Brennkammer 14 zu modifizieren (Block 142). Auf diese Weise kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 80 eine Regelschleife regulieren, die eine Anpassung des Mischungsverhältnisses der Erdgasquelle 78 (z.B. Erdgas) zur Prozessgasquelle 76 (z.B. Prozessgas) in einem Brennstoffkreis der Mischeinrichtung 74 auf Basis der betriebsbezogenen Rückmeldungen aus der Brennkammer 14 von der primären und/oder der sekundären Verbrennungszone, 52 und 54, oder anderen Bereichen der Brennkammer 14 ermöglichen kann. Wenn zum Beispiel die Stickstoffkonzentration im ersten Brennstoffkreis 90 außerhalb eines gewünschten oder angestrebten Betriebsparameters der Brennkammer 14 liegt und die Stickstoffkonzentration in der Prozessgasquelle 76 bekannt ist oder gemessen wird, kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 80 dann das Mischungsverhältnis bei einem folgenden Mischen so anpassen, dass es innerhalb von erstrebenswerten Betriebsparametern liegt. In bestimmten Ausführungsformen kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 80 die Verbrennungsdynamik der Brennkammer 14 kontinuierlich auf eine Abfolge von Echtzeitdaten überwachen. Ferner kann bzw. können eine Abfolge von Echtzeitdaten oder Rückmeldungen von der Steuer- bzw. Regeleinheit 80 verwendet werden, um das Mischungsverhältnis des Brennstoffgemisches im ersten und/oder zweiten Brennstoffkreis, 90 und 92, in regelmäßigen Abständen anzupassen.
  • Technische Wirkungen der Erfindung beinhalten das flexible Brennstoffmischsystem 50, das die Prozessgasquelle 76 (z.B. ein Hochofengas, ein Koksofengas, ein Raffinerierauchgas, ein synthetisches Gas, das als Ergebnis eines Raffinier- oder chemischen Prozesses erzeugt wird, oder eine Kombination davon) mit der Erdgasquelle 78 (z.B. Erdgas) für einen auf Verbrennung basierenden Betrieb innerhalb des Gasturbinensystems 10 mischt. Das Brennstoffmischsystem 50 kann mehrere Brennstoffkreise, beispielsweise den ersten Brennstoffkreis 90 und den zweiten Brennstoffkreis 92, aufweisen, und jeder Brennstoffkreis kann unabhängig ein anderes Mischungsverhältnis der Erdgasquelle 78 zur Prozessgasquelle 76 aufweisen. Außerdem können der erste und der zweite Brennstoffkreis, 90 und 92, jeweils unterschiedlichen Brennstoffdüsen (z.B. primären Brennstoffdüsen 20 und sekundären Brennstoffdüsen 22) Brennstoffgemische zuführen. Ferner kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 80 den Betrieb des Brennstoffmischsystems 50 überwachen und kann das Mischen des Brennstoffs auf Basis einer gemessenen Zusammensetzung der Prozessgasquelle 78, einer gemessenen Zusammensetzung der Erdgasquelle 76 und/oder auf Basis einer Echtzeitüberwachung verschiedener Betriebsparameter der Brennkammer 14 regulieren. Die Steuer- bzw. Regeleinheit 80 kann ferner das Mischen auf solche Weise regulieren, dass gewünschte Betriebsparameter für die Brennkammer 14 erhalten werden, z.B. um eine gewünschte oder optimale Verbrennungsdynamik, gewünschte oder optimale Emissionswerte und Prozessgasverbrauchswerte und ein vermindertes Risiko, einen verminderten Verschleiß oder eine verminderte Schädigung für das Gasturbinensystem 10 aufrechtzuerhalten.
  • Die Beschreibung verwendet Beispiele, die die Erfindung einschließlich der besten Ausführungsweise offenbaren und einen Fachmann in die Lage versetzen sollen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, was die Herstellung und Verwendung von Vorrichtungen oder Systemen und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren einschließt. Der patentfähige Umfang der Erfindung wird von den Ansprüchen definiert und kann andere Beispiele beinhalten, die einem Fachmann einfallen können. Diese Beispiele sollen im Bereich der Ansprüche eingeschlossen sein, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich vom Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie gleichwertige strukturelle Elemente aufweisen, die sich vom Wortsinn der Ansprüche nur unwesentlich unterscheiden.

Claims (14)

  1. System (10), umfassend: eine Gasturbine (16), die eine Brennkammer (14) aufweist; und ein Brennstoffmischsystem (50), das aufweist: eine erste Brennstoffzufuhr (76), die dazu eingerichtet ist, einen ersten Brennstoff zuzuführen; eine zweite Brennstoffzufuhr (78), die dazu eingerichtet ist, einen zweiten Brennstoff zuzuführen; einen ersten Brennstoffkreis (90), der dazu eingerichtet ist, den ersten Brennstoff und den zweiten Brennstoff zu mischen, um ein erstes Brennstoffgemisch zu bilden; einen zweiten Brennstoffkreis (92), der dazu eingerichtet ist, den ersten Brennstoff und den zweiten Brennstoff zu mischen, um ein zweites Brennstoffgemisch zu bilden; und eine Steuer- bzw. Regeleinheit (80), die dazu eingerichtet ist, das Mischen des ersten Brennstoffgemisches und das Mischen des zweiten Brennstoffgemisches auf Basis einer gemessenen Zusammensetzung des ersten Brennstoffs und auf Basis eines Schwellengrenzwerts für Stickstoff, Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff oder Sauerstoff im ersten Brennstoff zu regulieren.
  2. System nach Anspruch 1, wobei der erste Brennstoff ein Prozessgas umfasst und der zweite Brennstoff ein Erdgas umfasst.
  3. System nach Anspruch 2, wobei das Prozessgas ein Koksofengas, ein Hochofengas, ein Raffinerierauchgas, ein synthetisches Gas, das als Ergebnis eines Raffinier- oder chemischen Prozesses erzeugt wird, oder eine Kombination davon umfasst.
  4. System nach Anspruch 1, wobei die Steuer- bzw. Regeleinheit (80) dazu eingerichtet ist, das Mischen des ersten Brennstoffgemisches und des zweiten Brennstoffgemisches auf Basis einer gemessenen Zusammensetzung des zweiten Brennstoffs zu regulieren.
  5. System nach Anspruch 1, wobei das erste Brennstoffgemisch ein erstes Mischungsverhältnis des ersten und des zweiten Brennstoffs aufweist, das zweite Brennstoffgemisch ein zweites Mischungsverhältnis des ersten und des zweiten Brennstoffs aufweist und das erste und das zweite Mischungsverhältnis verschieden sind.
  6. System nach Anspruch 1, wobei das Brennstoffmischsystem (50) einen Sensor (84) umfasst, der dazu eingerichtet ist, die gemessene Zusammensetzung des ersten Brennstoffs zu ermitteln.
  7. System nach Anspruch 1, wobei das Brennstoffmischsystem (50) einen Speicher (82) umfasst, der dazu eingerichtet ist, gewünschte Mischungsverhältnisse des ersten Brennstoffgemisches und des zweiten Brennstoffgemisches zu speichern.
  8. System nach Anspruch 1, wobei der erste Brennstoffkreis (90) dazu eingerichtet ist, das erste Brennstoffgemisch einer primären Brennstoffdüse (20) der Brennkammer (14) zuzuführen, und der zweite Brennstoffkreis (92) dazu eingerichtet ist, das zweite Brennstoffgemisch zu einer sekundären Brennstoffdüse (22) der Brennkammer (14) zuzuführen.
  9. System nach Anspruch 1, wobei die Gasturbine (16) auf einen Vormischungsbetriebsmodus, einen primären Betriebsmodus, einen sekundären Betriebsmodus, einen Volllastbetriebsmodus, einen Teillastbetriebsmodus oder eine Kombination davon eingestellt wird.
  10. Verfahren, umfassend: Messen einer Zusammensetzung eines ersten Brennstoffs; Mischen des ersten Brennstoffs mit einem zweiten Brennstoff auf Basis der Zusammensetzung des ersten Brennstoffs und auf Basis eines Schwellengrenzwerts für Stickstoff, Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff oder Sauerstoff im ersten Brennstoff, um ein erstes Brennstoffgemisch mit einem ersten Mischungsverhältnis zu bilden; Mischen des ersten Brennstoffs mit dem zweiten Brennstoff auf Basis der Zusammensetzung des ersten Brennstoffs und auf Basis eines Schwellengrenzwerts für Stickstoff, Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff oder Sauerstoff im ersten Brennstoff, um ein zweites Brennstoffgemisch mit einem zweiten Mischungsverhältnis zu bilden, wobei das erste und das zweite Mischungsverhältnis verschieden sind.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, das Zuführen des ersten Brennstoffgemisches zu einer primären Brennstoffdüse (20) einer Turbinenbrennkammer (14) und das Zuführen des zweiten Brennstoffgemisches zu einer sekundären Brennstoffdüse (22) der Turbinenbrennkammer (14) umfassend.
  12. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der erste Brennstoff ein Koksofengas, ein Hochofengas, ein Raffinerierauchgas, ein synthetisches Gas, das als Ergebnis eines Raffinier- oder chemischen Prozesses erzeugt wird, oder eine Kombination davon umfasst, und wobei der zweite Brennstoff ein Erdgas umfasst.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, das Erhöhen der Menge des ersten Brennstoffs im ersten Brennstoffgemisch oder im zweiten Brennstoffgemisch auf Basis der Zusammensetzung des ersten Brennstoffs umfassend, während ein Emissionspegel unter einem Schwellenpegel gehalten wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Turbinenbrennkammer (14) auf einen Vormischungsbetriebsmodus, einen primären Betriebsmodus, einen sekundären Betriebsmodus, einen Volllastbetriebsmodus, einen Teillastbetriebsmodus oder eine Kombination davon eingestellt wird.
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