DE19605736A1 - Verfahren zur Schnellumschaltung vom Vormischbetrieb in den Diffusionsbetrieb in einer Brennkammer einer mit Brenngas betriebenen Gasturbine - Google Patents
Verfahren zur Schnellumschaltung vom Vormischbetrieb in den Diffusionsbetrieb in einer Brennkammer einer mit Brenngas betriebenen GasturbineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Schnellumschaltung vom Vormisch
betrieb in den Diffusionsbetrieb in Gasturbinen mit
mindestens einer Brennkammer mit gleichzeitiger
Ansteuerung der Diffusions- und Vormischstellventile in
den Brenngasversorgungsleitungen, d. h. Öffnen des
Diffusionsgasweges und gleichzeitiges Schließen des
Vormischgasweges eines Brenners bei schneller Last
absenkung und Verlöschen der Vormischflamme.
Beim NOx-armen Betrieb von Gasturbinen mit einer oder
auch mehreren Brennkammern werden Brenngas und Luft in
einem Mischsystem, einem Vormischbrenner, möglichst
homogen gemischt. So werden in der Flamme Zonen
stöchiometrischer Verbrennung mit entsprechend hohen
Temperaturen vermieden und damit die Bildung von NOx
weitgehend unterbunden.
Ein solcher Brenner läßt sich sowohl im sogenannten
Diffusions- als auch im Vormischbetrieb fahren. Im
Diffusionsbetrieb existieren in der Flamme auch Zonen
mit stöchiometrischer Verbrennung und damit hoher
Temperatur, die zur NOx -Bildung führen. Beim Start der
Gasturbine arbeitet der Brenner als Diffusionsbrenner
und wird, sobald die Gasturbine eine bestimmte Leistung
erreicht hat, in den Betrieb als Vormischbrenner
umgeschaltet. Die Vormischflamme wird durch eine kleine
Pilotflamme stabilisiert.
Gasturbinen werden beispielsweise zum Antrieb von
Pipelineverdichtern und Generatoren eingesetzt.
Bei sprungförmigen Lastabsenkungen (Verdichterpumpen,
Generator-Lastabschaltung usw.) schließt das
Brenngasregelventil sehr schnell, um ein Ansteigen der
Turbinendrehzahl zu verhindern.
Das bedeutet, daß bei vorerst nahezu gleichbleibender
Gasgeneratorluftmenge die Brennstoffversorgung
drastisch reduziert wird, wodurch das Luft-Brennstoff
verhältnis steigt und das Gemisch noch magerer wird.
Geschieht dies im Diffusionsbetrieb, d. h. mit einer
Diffusionsflamme, so ist das unkritisch, da die Flamme
nicht verlöscht. Im Vormischbetrieb jedoch kann die an
sich schon magere Flamme bei einem noch magerer
werdenden Gemisch verlöschen und danach wieder
unkontrolliert zurückzünden.
Die Wiederzündung erfolgt entweder durch die noch
brennende Pilotgasflamme oder durch heiße Teile in der
Brennkammer bzw. im Heißgasbereich der Gasturbine.
Dieses Wiederzünden erfolgt unkontrolliert und
geschieht in Form einer Verpuffung oder auch
Detonation.
Aus der DE 32 41 162 ist ein Vormischbrenner mit inte
griertem Diffusionsbrenner bekannt, wobei der Vormisch
brenner eine am stromabwärtigen Ende durch einen
Flammenhalter begrenzte Vormischkammer besitzt, in die
eine Haupt-Brennstoffdüse einmündet und wobei der
Diffusionsbrenner eine Pilot-Brennstoffdüse besitzt.
Die gesamte Zufuhr der Verbrennungsluft erfolgt über
eine in die Vormischkammer einmündende Zufuhreinrich
tung.
Eine Brennstoffregeleinrichtung regelt die Brennstoff
zufuhr derart, daß sich beim Anfahren ein reiner
Diffusionsbrenner-Betrieb, danach ein Diffusions
brenner- und Vormischbrenner-Betrieb und im oberen
Lastbereich ein Vormischbrenner-Betrieb einstellt.
Die Brennstoffregeleinrichtung, welche mit einem
Lastsignal beaufschlagt wird, regelt dabei den
Durchfluß durch das Brennstoffregelventil über
entsprechende Ansteuerleitungen.
Als Brennstoffregelventile werden hier sogenannte
Zwei-Wege-Ventile verwendet, die die Brennstoffzufuhr
zwischen einer min. und max. Durchflußmenge regeln.
Regelvorrichtungen, die eine Schnellumschaltung bei
instabilem Betrieb ermöglichen, sind hier jedoch nicht
angeordnet.
Bekannt ist darüber hinaus ein Verfahren, bei dem
Brennkammer und Brenner bei Lastsprüngen oder Lastab
wurf, die Gasturbine arbeitet als Generatorantrieb, von
Vormisch- in Diffusionsbetrieb umschaltet. Zur
Erkennung dieser transienten Betriebsvorgänge wird der
Drehzahlgradient der Gasturbine herangezogen.
Erkennt dieses Kriterium einen Lastsprung, werden die
Diffusionsstellventile geöffnet und die Vormischstell
ventile gleichzeitig geschlossen. Die Stellzeit der
Ventile beträgt 5 Sekunden. Bei einem Lastabwurf wird
über ein 2/2 Wegeventil mit einer Stellzeit von ca.
150 ms die Pilotgasmenge erhöht und eine sogenannte
Schnellumschaltung durchgeführt.
Nachteilig bei diesem Regelverfahren ist, daß
- - eine erloschene Vormischflamme im Vormischbetrieb rückzündet und damit die Gefahr einer Verpuffung oder Detonation besteht und
- - daß während der gleichzeitigen Umschaltung der Stellventile auf die Flammen kein Einfluß genommen werden kann. Die Vormischflamme kann innerhalb dieser Zeit trotz Erhöhung der Stützwirkung durch die Pilot flamme verlöschen, rückzünden oder eine Verpuffung hervorrufen.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Regelverfahren
für eine Schnellumschaltung vom Vormisch- auf
Diffusionsbetrieb zu schaffen, um Brennstoffver
puffungen und Detonationen in der Brennkammer bzw. im
Heißgasbereich beim Vormischbetrieb, verbunden mit
einem unkontrollierten Rückzünden der Vormischflamme,
zu unterbinden.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt in der Weise wie es im
Patentanspruch 1 und 3 angegeben ist. Die jeweiligen
Unteransprüche stellen eine vorteilhafte Ausgestaltung
der Erfindung dar.
Um Druckstöße aufgrund von Verpuffungen und
Instabilitäten der Vormischflamme zu vermeiden, werden
erfindungsgemäß Schnellumschaltventile in die Vormisch
gasleitung mit Verbindung zum Diffusionsgasbrenner ein
gebaut, die bei Erkennen eines solchen Vorganges -
Verlöschens der Vormischflamme bzw. auf Auftreten einer
Störung, die zum Verlöschen der Vormischflamme führen
kann -, innerhalb von ca. 100 ms vom Vormischbetrieb in
den Diffusionsbetrieb umschaltet, so daß ein
unkontrolliertes Rückzünden der Vormischflamme
ausgeschlossen wird.
Für die Erkennung bzw. Detektion dieser Flammeninsta
bilität und Auslösung der Schnellumschaltung wurden
drei Umschaltkriterien ermittelt und auf ihre
Wirksamkeit hin getestet. Diese Umschaltkriterien lösen
eine Schnellumschaltung aus, falls
- - das Brenngasregelventil schnell um einen gewissen Betrag schließt,
- - oder ein schneller Druckabfall um einen gewissen Betrag im Inneren des Flammrohres zu verzeichnen ist,
- - oder die optische, schnelle Flammenüberwachung ein Verlöschen der Vormischflamme meldet.
Durch Anordnung eines extrem schnell schaltendes
3/2-Wege-Ventiles in der Brenngaszufuhrleitung zu der(n)
Brennkammer(n) kann die zur Verbrennung anstehende
Brenngasmenge innerhalb von ca. 100 ms von der
Vormischgaszuleitung zur Diffusionsgasleitung und somit
zum Diffusionsbrenner geleitet werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand von
zwei schematischen Regelschemen erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Regelverfahren für zwei Brennkammern mit je
einem Brenner,
Fig. 2 ein Regelschema der Ansteuerlogik einer
Schnellumschaltung.
Fig. 1 zeigt das erfindungsgemäße Regelverfahren
einschließlich der zugehörigen Vorrichtungen zum
Betreiben einer Gasturbine mit zwei Brennern (11, 12)
an den Brennkammern (9, 10). Die Brennkammern (9, 10)
sind im oberen Teil als Flammrohr (17) und im unteren
Teil als Mischrohr (18) mit dem Eintrittskrümmer (19)
für die Zuführung von Verdichter- bzw. Verbrennungsluft
ausgebildet. Brenngas wird den Brennern (11, 12) über
eine Brenngaszufuhrleitung (13) zugeführt. Vor dem
Brenngasregelventil (1) mit dem Wegaufnehmer (Z) (4)
zweigt eine Pilotgasleitung (14) ab, in der die
Brennstoffzufuhr durch ein Pilotgasregelventil (2)
geregelt wird.
Die Brenngaszufuhrleitung (13) verzweigt sich nach dem
Brenngasregelventil (1, 4) in Brennstoffzufuhrleitungen
für beide Brennkammern (9, 10). Durch den Einbau von je
einem Schnellumschaltventil (3) mit Servoventilen V₁,
V₂ (7) in die sich verzweigende Brennstoffzufuhr
leitungen (13) wird die Brennstoffzufuhr zur
Diffusionsgasleitung (15) und zur Vormischgasleitung
(16) gesteuert.
Die Überwachung der Brennkammern (9, 10) erfolgt im
Bereich des Flammrohres (17) durch Druckmeßgeräte
P₁, P₂ (5) und durch eine optische Flammüberwachung
B₁, B₂ (6).
Der Weggeber bzw. Wegaufnehmer (Z) (4), die
Überwachungsgeräte (5) für eine Druckmessung P₁, P₂,
die Überwachungsgeräte für eine optische
Flammenüberwachung B₁, B₂ (6) und die Servoventile (Z)
(7) der Schnellumschaltventile (3) sind mit einer
Ansteuerlogik für Schnellumschaltung (8) verdrahtet.
Fig. 2 zeigt den Aufbau der Ansteuerlogik einer
Schnellumschaltung (8), die bei zwei Brennern insgesamt
drei Umschaltkriterien von Vormisch- auf Diffusions
betrieb enthält. Weitere Umschaltkriterien können bei
Bedarf hinzugefügt werden.
Umschaltkriterium 20 ist die Wegmessung (Z) (4) des
Brenngasventiles (1), Umschaltkriterium 21 ist die
Druckmessung P₁, P₂ (5) im Flammrohr (17) und Umschalt
kriterium 22 ist die optische Flammenüberwachung B₁, B₂
(6) im Flammrohr (17) der Brennkammer (9, 10).
Die Ansteuerlogik der Schnellumschaltung (8) bewirkt
sofort nach Auswerten der eingegebenen Meßergebnisse
für die Umschaltkriterien 20 und 21 bzw. für alle drei
Umschaltkriterien 20, 21 und 22 eine parallele
Ansteuerung der Servoventile V₁, V₂ (7) für die
Schnellumschaltventile (3), die innerhalb von ca.
100 ms die Brenngasmenge von der Vormischgasleitung
(16) in die Diffusionsgasleitung (15) umleiten.
Bezugszeichenliste
1 Brenngasregelventil
2 Pilotgasregelventil
3 Schnellumschaltventil
4 Wegaufnehmer, Wegmessung
5 Druckmessung Brennkammer P₁, P₂
6 Optische Flammenüberwachung der Brennkammer B₁, B₂
7 Servoventile V₁, V₂
8 Ansteuerlogik Schnellumschaltventile
9 Brennkammer 1
10 Brennkammer 2
11 Brenner 1
12 Brenner 2
13 Brenngaszufuhrleitung
14 Pilotgasleitung
15 Diffusionsgasleitung
16 Vormischgasleitung
17 Flammrohr
18 Mischrohr
19 Verdichterluft-Eintrittskrümmer
20 Umschaltkriterium "Wegmessung Brenngasregelventil"
21 Umschaltkriterium "Druckmessung"
22 Umschaltkriterium "Flammenüberwachung"
2 Pilotgasregelventil
3 Schnellumschaltventil
4 Wegaufnehmer, Wegmessung
5 Druckmessung Brennkammer P₁, P₂
6 Optische Flammenüberwachung der Brennkammer B₁, B₂
7 Servoventile V₁, V₂
8 Ansteuerlogik Schnellumschaltventile
9 Brennkammer 1
10 Brennkammer 2
11 Brenner 1
12 Brenner 2
13 Brenngaszufuhrleitung
14 Pilotgasleitung
15 Diffusionsgasleitung
16 Vormischgasleitung
17 Flammrohr
18 Mischrohr
19 Verdichterluft-Eintrittskrümmer
20 Umschaltkriterium "Wegmessung Brenngasregelventil"
21 Umschaltkriterium "Druckmessung"
22 Umschaltkriterium "Flammenüberwachung"
Claims (7)
1. Verfahren zur Schnellumschaltung vom Vormisch
betrieb in den Diffusionsbetrieb in Gasturbinen mit
mindestens einer Brennkammer und mit gleichzeitiger
Ansteuerung des Diffusions- und Vormischstell
ventiles in den Brenngasversorgungsleitungen, d. h.
Öffnen des Diffusionsgasweges und gleichzeitiges
Schließen des Vormischgasweges des Brenners bei
schneller Lastabsenkung und Verlöschen der
Vormischflamme,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei einem frühzeitigen Erkennen eines transienten Vorganges, der zum Verlöschen einer Vormischflamme führen könnte, das Umschaltkriterium (20) und bei einem frühzeitigen Erkennen des Verlöschens einer Vormischflamme das Umschalt kriterium (21) das Umschalten vom Vormischbetrieb in den Diffusionsbetrieb einleitet, wozu beim Umschaltkriterium (20) die Wegmessung (Z) des Brenngasregelventiles in der Brenngaszufuhr leitung und beim Umschaltkriterium (21) die Druckmessung (P) in der(n) Brennkammer(n) auf eine Ansteuerlogik für Schnellumschaltung ständig übertragen werden,
daß die Ansteuerlogik für eine Schnellumschaltung die eingegebenen Meßwerte ständig mittels der eingegegebenen Kriterien überprüft und bei Erfüllung des Umschaltkriteriums (20) oder des Umschaltkriteriums (21) ein Ansteuersignal an das Servoventil (V) eines Schnellumschaltventiles in der Brenngaszufuhrleitung überträgt, wodurch die Brennstoffzufuhr in der Vormischgasleitung zu dem(n) Brenner(n) abrupt unterbrochen und die Diffusionsgasleitung zu dem(n) Brenner(n) sofort mit Brenngas versorgt wird.
dadurch gekennzeichnet,
daß bei einem frühzeitigen Erkennen eines transienten Vorganges, der zum Verlöschen einer Vormischflamme führen könnte, das Umschaltkriterium (20) und bei einem frühzeitigen Erkennen des Verlöschens einer Vormischflamme das Umschalt kriterium (21) das Umschalten vom Vormischbetrieb in den Diffusionsbetrieb einleitet, wozu beim Umschaltkriterium (20) die Wegmessung (Z) des Brenngasregelventiles in der Brenngaszufuhr leitung und beim Umschaltkriterium (21) die Druckmessung (P) in der(n) Brennkammer(n) auf eine Ansteuerlogik für Schnellumschaltung ständig übertragen werden,
daß die Ansteuerlogik für eine Schnellumschaltung die eingegebenen Meßwerte ständig mittels der eingegegebenen Kriterien überprüft und bei Erfüllung des Umschaltkriteriums (20) oder des Umschaltkriteriums (21) ein Ansteuersignal an das Servoventil (V) eines Schnellumschaltventiles in der Brenngaszufuhrleitung überträgt, wodurch die Brennstoffzufuhr in der Vormischgasleitung zu dem(n) Brenner(n) abrupt unterbrochen und die Diffusionsgasleitung zu dem(n) Brenner(n) sofort mit Brenngas versorgt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zusätzlich das Umschaltkriterium (22) für das Umschalten vom Vormischbetrieb in den Diffusions betrieb durch eine optische Flammenüberwachung (B) am Ausgang des(r) Brenners(r) im Flammrohr auf eine Ansteuerlogik für Schnellumschaltung ständig über tragen wird und
daß die Ansteuerlogik auch diese eingegebenen Meßwerte ständig zusammen mit den Meßwerten des Umschaltkriteriums (20) und (21) überprüft und bei Erfüllung des Umschaltkriteriums (22) ebenfalls ein Ansteuersignal an das Servoventil (V) des Schnellumschaltventiles der Brenngaszufuhrleitung überträgt.
dadurch gekennzeichnet,
daß zusätzlich das Umschaltkriterium (22) für das Umschalten vom Vormischbetrieb in den Diffusions betrieb durch eine optische Flammenüberwachung (B) am Ausgang des(r) Brenners(r) im Flammrohr auf eine Ansteuerlogik für Schnellumschaltung ständig über tragen wird und
daß die Ansteuerlogik auch diese eingegebenen Meßwerte ständig zusammen mit den Meßwerten des Umschaltkriteriums (20) und (21) überprüft und bei Erfüllung des Umschaltkriteriums (22) ebenfalls ein Ansteuersignal an das Servoventil (V) des Schnellumschaltventiles der Brenngaszufuhrleitung überträgt.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur
Schnellumschaltung vom Vormischbetrieb in den
Diffusionsbetrieb einer Brennkammer einer Gas
turbine nach den Ansprüchen 1-2,
dadurch gekennzeichnet,
daß in die Brenngaszufuhrleitung (13) nach dem
Brenngasregelventil (1) mit dem Wegaufnehmer (Z)
(4) pro Brenner (11, 12, n) ein Schnellumschalt
ventil (3) mit Servoventil (V) (7) eingesetzt ist,
das mit dem Brenner (11, 12, n) durch eine
Diffusionsgasleitung (15) und durch eine
Vormischgasleitung (16) verbunden ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß an der Brennkammer (9, 10, n) Geräte für die
Druckmessung (P) (5) und für die optische Flammen
überwachung (B) (6) angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Ansteuerlogik für Schnellumschaltung (8)
mit dem Wegaufnehmer (Z) (4) für das Brenngasregel
ventil (1), mit den Druckmessungsgeräten (P) (5)
und den Geräten für eine optische Flammenüber
wachung (B) (6) an der Brennkammer (9, 10, n) sowie
mit den Servoventilen (V) (7) der Schnellumschalt
ventile (3) verdrahtet ist.
6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ansteuerlogik für Schnellumschaltung (8)
ein Umschaltkriterium (20) für den Wegaufnehmer (Z)
(4) des Brenngasregelventiles (1) und ein Umschalt
kriterium (21) für die Druckmessung (P) (5) sowie
eine parallele Ansteuerung der Servoventile (V) (7)
der Schnellumschaltventile (3) aufweist.
7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ansteuerlogik für Schnellumschaltung (8)
ein Umschaltkriterium (22) für die optische
Flammenüberwachung (B) (6) sowie eine Ansteuerung
der Servoventile (V) (7) der Schnellumschalt
ventile (3) aufweist.
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19605736A DE19605736A1 (de) | 1996-02-16 | 1996-02-16 | Verfahren zur Schnellumschaltung vom Vormischbetrieb in den Diffusionsbetrieb in einer Brennkammer einer mit Brenngas betriebenen Gasturbine |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19605736A DE19605736A1 (de) | 1996-02-16 | 1996-02-16 | Verfahren zur Schnellumschaltung vom Vormischbetrieb in den Diffusionsbetrieb in einer Brennkammer einer mit Brenngas betriebenen Gasturbine |
Publications (1)
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Family Applications After (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Country Status (3)
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EP (1) | EP0790466B1 (de) |
DE (2) | DE19605736A1 (de) |
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