DE19639329A1

DE19639329A1 - Verfahren zur Optimierung eines Massenstromes bei dessen Aufteilung innerhalb eines Stoffverteilungssystems

Info

Publication number: DE19639329A1
Application number: DE1996139329
Authority: DE
Inventors: Burkhard Dr Schulte-Werning; Marcel Stalder
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG; ABB AB
Priority date: 1996-09-25
Filing date: 1996-09-25
Publication date: 1998-03-26

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Ober begriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Am Beispiel von Ringbrennkammern von Gasturbinen weisen diese im allgemeinen zur Erzielung eines gleichmäßigen Temperatur profils vor der Turbine mehrere Brenner am Umfang auf. Gleichzeitig wird die Vormischung von Brennstoff und Luft vor der Flamme zur Erzielung niedriger Emissionen aus Gründen der Vormischgüte im allgemeinen auf mehrere Brenner verteilt.

Moderne Vormischbrenner werden nahe an der mageren Lösch grenze betrieben; von daher sind sehr hohe Anforderungen an die Gleichmäßigkeit des Brennstoff-Luft-Verhältnisses (= Φ- Wert) zu stellen, da die Gasturbinen über die jeweiligen Φ- Mittelwerte geregelt werden.

Einzelne Brenner mit einer Abweichung nach oben (= brennstof freich) gegenüber dem genannten Φ-Mittelwert haben eine hö here Flammentemperatur als es der mittleren Energiefreiset zungsrate entspricht, und produzieren daher höhere NOx-Emis sionswerte, während sogenannte magere Brenner mit einem unter dem Mittelwert liegenden Φ-Wert zu nahe an der Löschgrenze operieren, dergestalt, daß sie zu instabiler Verbrennung neigen.

Allgemein kann gesagt werden, daß betragsmäßig große Streuungen um den Φ-Mittelwert dazu führen können, daß die brennstoffreichsten Brenner im Verbund zueinander das NOx-Ni veau der gesamten Gasturbine festlegen. Darüber hinaus emit tieren dann die magersten Brenner einen großen Anteil an CO und an unverbrannten Kohlenwasserstoffen (= UHC), da sie be reits teilweise löschen. Ferner gilt zu berücksichtigen, daß die dabei auftretenden Pulsationen die Stabilität der Struk turteile ernsthaft beeinträchtigen können.

Zwar ist es richtig, daß grundsätzlich die Möglichkeit gege ben ist, die Streuung der Durchflußwerte der einzelnen Kom ponente zu minimieren, indessen ist eine solche nur über einen aufwendigen Fertigungsprozeß erzielbar, weshalb deren Umsetzung aus Kostenüberlegungen begrenzt bleibt.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der eingangs genannten Art eine Optimierung bei der Aufteilung eines Massenstromes innerhalb eines Stoffverteilungssystems vorzuschlagen, welches auf ko stenintensive und aufwendige Herstellungsprozesse verzichten kann.

Zum Verständnis der physikalischen Abläufe beim erfindungsgemäßen Verfahren gilt folgendes hervorzuheben: Die Schal tung besteht grundsätzlich aus einem Stoffverteilungssystem, vorzugsweise mit Brennstoff betrieben, und aus einem nachge schalteten Verbrauchersystem, das vorzugsweise aus Brennern zum Betrieb einer Brennkammer besteht.

Unter Zugrundelegung einer Schaltung, welche sich im folgen den aus einem Brennstoffverteilungssystem und einem Brenner- System zusammensetzt, gilt zu berücksichtigen, daß die Bren ner aus konstruktiven Gründen nicht aus einem großen Volumen mit fast ruhender Strömung heraus mit Brennstoff angespeist werden können, sondern eben nur aus einem vorgeschalteten Verteilungssystem.

Das vorgeschaltete Brennstoffverteilungssystem und die ent sprechende Brennstoffeindüsung im Brenner weisen an sich mehr oder weniger starke Streuungen der aerodynamischen Durchflußbeiwerte auf. Die bei einer Kombination dieser Blenden eintretende Wechselwirkung zwischen den beiden Streuungscha rakteristiken kann sowohl zu einer Anfachung der einzelnen Ungleichförmigkeiten als auch zu ihrer entsprechenden Dämp fung führen.

Durch entsprechende Selektion und/oder Zuordnung an Hand der lokalen Durchflußbeiwerte für die gesamte Blenden-Kombina tion läßt sich die Streuung vollständig eliminieren, ohne daß an die Streuungscharakteristik der Einzelkomponenten selbst hohe Anforderungen gestellt werden müssen.

Ein Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß grundsätz lich damit die Möglichkeit gegeben ist, mit zwei gleich stark streuenden Komponenten eine völlige Gleichverteilung zu er zielen. Allerdings dürfte dies nur dann praktikabel sein, wenn das Niveau der Einzelstreuung nicht allzu groß ist, da beim Austausch eines einzelnen, nicht selektierten Brenners möglicherweise die beabsichtigte Dämpfung der Ungleichförmig keit vollständig aufgehoben wird.

Erfindungsgemäß sieht ein vorteilhaftes Vorgehen zur Erzie lung der angestrebten Schaltung wie folgt aus:

1. Definition des Zielwertes der Totalabweichung im "worst case";
2. Festlegung der Komponente, die die geringste Streuung auf weist;
3. Festlegung der Streubandbreite der Einzelkomponente;
4. Festlegung des optimalen Druckverlustverhältnisses über die Durchflußgeometrie;
5. Selektion und Zuordnung der einzelnen Komponenten nach der Herstellung, so daß die Stoffverteilung (Brennstoff- Verteilung) die beabsichtigte Gleichförmigkeit aufweist.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß dieses Vorgehen nicht nur auf Brennstoffverteilungssysteme anwendbar ist, sondern es kann auf sämtliche Stoffvertei lungssysteme verallgemeinert werden, die bestimmte Gleichför migkeitsanforderungen erfüllen müssen. Das Gleiche läßt sich hinsichtlich des Verbrauchersystems sagen, das nicht nur ein Brennersystems zum Betrieb einer Brennkammer umfaßt, sondern als Teil der Schaltung beispielsweise auch ein System einer mit einem Hilfsmedium betriebenen intermediären Turbine er fassen kann.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung sind in den weiteren Ansprüchen ge kennzeichnet.

Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbei spiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittel bare Verständnis der Erfindung unwesentlichen Merkmale sind fortgelassen worden. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Kurze Bezeichnung der Zeichnungen

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoff verteilungssystems für mehrere individuell betreib bare Brenner,

Fig. 2 ein Dämpfungsverhalten der Brenner-/Verteilungs system als Schaltung und

Fig. 3 eine Darstellung mit zwei gleich stark streuenden Komponenten zu einer völligen Gleichverteilung.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

Fig. 1 zeigt ein Verteilungssystem 2 eines Brennstoffes 3, der über eine Hauptleitung 4 in eine Ringleitung 5 mündet. Von dieser Ringleitung 5 aus zweigen eine Anzahl Kanäle 6a-d ab, welche zu den einzelnen Brennern 8a-d führen, und diese mit dem Brennstoff 3 versorgt werden. Diese Brenner gehören des weiteren zum Brennersystem 1. Vorliegend wird nur ein Teil der Verzweigungskanäle 6a-d gezeigt, deren Anzahl von der Größe und der Leistung der jeweiligen Brennkammer abhän gig ist. Grundsätzlich geht das hier gezeigte Brennstoffver teilungssystem 2 davon aus, daß die Brenner 8a-d parallel betreibbar sind, wie dies beispielsweise bei einer Ringbrenn kammer der Fall ist. Was die Art der Brenner betrifft, so wird hier vorzugsweise ein Vormischbrenner zugrundegelegt, wie er aus EP-B1-0 321 809 hervorgeht, wobei diese Druck schrift integrierender Bestandteil vorliegender Beschreibung ist. Jeder Verzweigungskanal 6a-d ist mit einem Blendensystem 7a-d bestückt, das in der Fig. 1 nur schematisch dargestellt ist.

Die bei Kombination der genannten Blendensysteme 7a-d eintre tende Wechselwirkung zwischen den beiden Streuungscharakteri stiken von Brennersystem 1 und Brennstoffverteilungssystem 2, nämlich dp1 und dp2, kann sowohl zu einer Anfachung A der einzelnen Ungleichförmigkeiten als auch zu ihrer entsprechen den Dämpfung D führen. Die Anfachung A gilt auf jeden Fall zu vermeiden, da sie zu einer Verstärkung der Verbrennungspro bleme führt. Daher darf die Verteilung der Brenner 8a-d in nerhalb des vorgegebenen Verbundes nicht willkürlich erfol gen, sondern sich am beabsichtigten und vorgängig zugrundege legten Dämpfungsverhalten orientieren, bei welchen die Be triebssicherheit gegenüber einer Anfachung resp. zu Gunsten einer Dämpfung gegeben ist. Dies kann freilich von Fall zu Fall verschieden angesetzt sein, d. h. die tolerierbaren Durchflußbeiwerte sind nicht absolut gegeben, sondern vom Grad der zugrundegelegten Betriebssicherheit abhängig.

Anhand der Fig. 2 wird das Dämpfungsverhalten bei einer in terdependenten Schaltung zwischen einem Brennersystem und ei nem Brennstoffverteilungssystem verdeutlicht. Dabei wird als Grundlage die Streuung der Brenner innerhalb des Brennersy stems 1 zu +/- 3% um den Mittelwert aller Brenner, also total 6%, und die Streuung des vorgeschalteten Brennstoffvertei lungssystems 2 zu +/- 15%, also total 30%, um den eigenen Mittelwert angenommen. Um den Brennstoffstrom (siehe Fig. 1) durch die Kombination Brennersystem und Brennstoffvertei lungssystem fließen zu lassen, ist eine Druckdifferenz not wendig, die sich additiv aus den beiden einzelnen Anteilen dp1 und dp2 der genannten Systeme 1 und 2 zusammensetzt. Bei kleinen Werten des Druckverhältnisses dp1/dp2 dominiert das vorgeschaltete Brennstoffverteilungssystem 2 die Streuung der Kombination der beiden Verteilungssysteme, bei großen Werten desselben Druckverhältnisses hingegen bestimmt das Brennersy stem 1 das Geschehen allein. Anfachung A und Dämpfung D sind in diesen beiden Fällen dann nicht mehr von Bedeutung.

Hingegen ist es um das optimale Druckverhältnis dp1/dp2 zu erhalten, möglich, bei einem aus obigen Streuwerten ermittel ten Druckverhältnis von 5, durch entsprechende Selektion, d. h. Auswahl einzelner Brenner aus einer größeren Anzahl und/oder Zuordnung einzelner Brenner an Hand der lokalen Durchflußbeiwerte für die gesamte Blenden-Kombination die Streuung vollständig zu eliminieren, ohne daß an die Streuungscharak teristik dieser Blenden selbst hohe Anforderungen gestellt werden müssen. Bei einer möglicherweise notwendigen Ersatz, also Auswechslung eines einzelnen Brenners, ist im schlechtesten Fall die Totalstreuung immer noch kleiner 10%, wobei diese Streuung noch als erträglich angesehen werden kann.

Grundsätzlich ist auch die Möglichkeit gegeben, mit zwei gleich stark streuenden Komponenten (Brennersystem 1/Brenn stoffverteilungssystem 2) eine völlige Gleichverteilung zu erzielen, wie dies aus Fig. 3 hervorgeht. Dies ist praktisch nur dann durchführbar, wenn das Niveau der Einzelstreuung in nerhalb der beiden Systeme nicht allzu groß ist, da beim Tausch eines einzelnen, nicht selektierten Brenners die beab sichtigte Dämpfung der Ungleichförmigkeit unter Umständen vollständig aufgehoben werden kann.

Bezugszeichenliste

1 Verbrauchersystem, Brennersystem
2 Stoffverteilungssystem, Brennstoffverteilungssystem
3 Brennstoff
4 Hauptleitung
5 Ringleitung
6a- d Kanäle zu den einzelnen Brennern
7a- d Blenden
8a- d Brenner
dp1 Druckdifferenz des Brennersystems
dp2 Druckdifferenz des Brennstoffverteilungssystems
dp1/dp2 Druckverhältnis
A Anfachung
D Dämpfung
X1 Druckverhältnis
X2 Druckverhältnis
Y1 Totale Abweichung in %
Y2 Totale Abweichung in %

Claims

1. Verfahren zur Optimierung eines Massenstromes bei dessen Aufteilung innerhalb eines Stoffverteilungssystems zum Betrieb eines nachgeschalteten Verbrauchersystems, da durch gekennzeichnet, daß in einem ersten Schritt ein Zielwert der druckmäßigen Totalabweichung des Massen stromes innerhalb des Verbrauchersystems (1) und des Stoffverteilungssystems (2) definiert wird, daß auf grund dieses Zielwertes eine Festlegung der die gering ste Streuung aufweisenden Komponenten (7a-d, 8a-d) bei der Systeme (1, 2) erfolgt, daß daraus die Festlegung der Streuungsbandbreite der einzelnen Komponenten bei der Systeme erfolgt, und daß anschließend nach der Herstellung der einzelnen Komponenten (7a-d, 8a-d) eine Selektion und/oder Zuordnung vorgenommen wird, bei wel chen das Stoffverteilungssystem (2) die aus dem Zielwert zugrundegelegte Gleichförmigkeit gewährleistet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stoffverteilungssystem (2) mit einem Brennstoff (3) betrieben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbrauchersystem (1) mit einer Anzahl Brenner (8a-d) betrieben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenner (8a-d) parallel und individuell betrieben werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Brenner (8a-d) mindestens über eine zum Stoffver teilungssystem (2) gehörende Blende (7a-d) betrieben wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbrauchersystem (1) und das Stoffverteilungssystem (2) bezogen auf deren addierte Druckdifferenz (dp1+dp2) interdependent zueinander ausgelegt und betrieben wer den.