DE4211681C2 - Verfahren zum Steuern des Abbrennens eines Brenngases - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum sicheren Steuern des Abbrennens eines Brenngases in einem Brenner, beispielsweise eine Gasturbine; anhängig von einer Druckänderung von Brenngas, das in einer Brenn­ stoffleitung zwischen Brenngasquelle und Brenner eingeschlossen wird. Wenn der Betrieb eines Brenners einer Gasturbinenanlage gestartet werden soll, um ein Brenngas abzubrennen, wird im allgemeinen zunächst eine Vorspülung vorgenommen, um restliches Brenngas auszuleiten, bevor der eigentliche Brennvorgang des Brenners begonnen wird. Es empfiehlt sich weiterhin, zu einer Steuereinheit des Brenners ver­ schiedene Sicherheitselemente vorzusehen.

In einem typischen Beispiel einer Gasturbinenanlage, die mit einer solchen Gas-Brennsteuereinheit ausgestattet ist, besitzt ein Brenner einen Einlaßabschnitt, mit wel­ chem eine mit einer Brenngasquelle in Verbindung stehende Hauptbrennstoffleitung in Verbindung steht, durch die das Brenngas strömt. Im folgenden vereinfacht als Sicher­ heitsventile bezeichnete Sicherheits-Abstellventile, ein Haupt-Abstellventil und ein Durchflußregulierventil sind in dieser genannten Reihenfolge in Richtung auf den Bren­ ner in die Hauptbrennstoffleitung eingefügt. Außerdem sind in die Hauptbrennstoffleitung ein Druckdetektor­ schalter und eine damit gekoppelte Steuereinheit einge­ fügt, um einen Druck des Brenngases zu erfassen. An einer Stelle kurz vor dem Haupt-Abstellventil ist an ein Ende der Hauptbrennstoffleitung eine Zweig-Brenn­ stoffleitung angeschlossen, deren anderes Ende mit dem Einlaßabschnitt des Brenners verbunden ist. In die Zweig-Brennstoffleitung sind ein Primär-Abstellventil und eine Drossel eingefügt. Der Betrieb dieser Ventile wird von einer Motorsteuerbox gesteuert, die an einen Starter oder Anlasser angeschlossen ist.

In einer solchen Gasturbinenanlage wird nach Betriebs­ aufnahme der Druck des dem nun in Betrieb befindlichen Brenner zugeleiteten Brenngases mit Hilfe des Druckdetek­ torschalters gemessen. Falls der erfaßte Druck außerhalb eines steuerbaren Bereichs liegt, liefert die Steuerein­ heit an die Motorsteuerbox ein Alarmsignal, woraufhin die Motorsteuerbox ein Signal für die Sicherheits-Ab­ stellventile und das Haupt-Abstellventil erzeugt, um diese Ventile zu schließen und somit die Zufuhr von Brenngas zu dem Brenner zu unterbinden. Die oben be­ schriebene Gasturbinenanlage ist lediglich mit der erwähnten Steuereinheit ausgestattet. Wenn also zur Zeit des Betriebsbeginns, d. h. zur Zeit des Zündens des Brenners, ein Teil des Brenngases durch das Haupt­ abstellventil leckt, weil beispielsweise Fremdpartikel an den Ventilsitzen haften, und Brenngas zu dem Brenner gelangt, steht zu befürchten, daß ein abnormaler Abbrand erfolgt, im Extremfall also eine Explosion, was zu einer Beschädigung des Brenners selbst und auch der damit ver­ bundenen Leitungen führt.

Aus dem Stand der Technik ist es als Sicherheitsmaßnahme bekannt zwei Sicherheitsventile vorzusehen, von denen eines in der Brennstoffleitung angeordnet ist. Gemäß der DE 28 37 756 A1 sind in der Zuleitung zu dem Brenner zwei Ventile vorgesehen, um eine "doppelte Sicherheit" zu erhalten. Die Dichtigkeit der Ventile wird im eingebauten Zustand geprüft, indem bei geschlossenen Ventilen der Leitungsabschnitt zwischen den Ventilen im Druck gezielt verändert wird. Eine unzulässige Druckänderung ist ein Anzeichen für das Vorhandensein einer Undichtigkeit. Der hierbei geprüfte Raum befindet sich zwischen den Ventilen und umfaßt zu einem Teil den Ventilinnenraum und zum anderen Teil die Rohrverbindungen. Die übrigen Teile der Anlage spielen bei dieser Ventilanordnung eine allenfalls untergeordnete Rolle.

Aus der DE 29 29 619 A1 ist es bekannt, vor der Inbetriebnahme eines Brenners die damit verbundene Gaszuleitung auf Dichtigkeit zu überprüfen, wozu zwei automatisch schaltende Ventile verwendet werden. Bei geschlossenem zweiten Ventil wird das erste Ventil kurzfristig geöffnet, und das Druckverhalten wird geprüft. Konstanter Druck bedeutet, daß das zweite Ventil dicht ist. Dann wird der Gasdruck zwischen den Ventilen entspannt. Erfolgt kein Druckanstieg, so bedeutet dies, daß auch das erste Ventil dicht ist.

Aus der DE 34 45 281 A1 ist ein Verfahren zur Dichtigkeitsprüfung zweier Absperrventile in einer Gasleitung bekannt, bei dem praktisch genau wie bei dem Verfahren nach der DE 29 29 619 AI zunächst das zweite und dann das erste Ventil auf Dichtigkeit geprüft wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Steuern des Abbrennens eines Brenngases in beispielsweise einer Gasturbinen­ anlage anzugeben, mit dessen Hilfe ein abnormaler Abbrand in dem Brenner dadurch verhindert wird, daß der Betriebsstart des Brenners vor dem beabsichtigten Start gesperrt wird, indem die Brenngas-Leckage aus einem dicht abgeschlossenen Abschnitt in einer Brenn­ stoffleitung erfaßt wird.

Diese Aufgabe wird unter Erzielung mehrerer Vorteile erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Verfahrensmerkmale gelöst.

Erfindungsgemäß wird eine Brenngas-Leckage von dem Haupt-Abstellventil und dem Primär-Abstellventil durch den Druckdetektorschalter während des Vorspülstadiums des Brenners erfaßt. Wird eine Leckage festgestellt, so wird die Brenngaszufuhr zu dem Brenner vollständig gesperrt, und ferner wird der Start des Betriebs des Brenners von der Steuereinheit gesperrt, welche mit dem Druckdetektorschalter verbunden ist. Dadurch wird jegliches abnormales Abbrennen, beispielsweise auch eine Explosion, die durch die Brenngas-Leckage aus beispielsweise dem Haupt-Abstellventil verursacht wer­ den könnte, wirksam verhindert.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Gas-Abbrandsteuer­ systems für eine Gasturbine unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und

Fig. 2 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Steuersystems zu dem in Fig. 1 dargestellten System.

Fig. 1. zeigt den allgemeinen Aufbau einer Gasturbinen­ anlage, die mit einer Gas-Brennsteuereinheit ausgestattet ist. Ein Brenner 6 besitzt einen Einlaßabschnitt, fit dem eine Haupt-Brennstoffleitung 1 verbunden ist, über die von einer Brenngasquelle S aus Brenngas zugeführt wird. In die Haupt-Brennstoffleitung 1 sind in Richtung auf den Brenner 6 von automatischen Ventilen 2a betätigte Abstell­ ventile 2 und 3, im folgenden als Sicherheitsventile be­ zeichnet, ein Haupt-Abstellventil 4, das von einem auto­ matischen Ventil 4a betätigt wird, und das Brenngas zu­ führt, und ein Durchflußregulierventil 10 in dieser genannten Reihenfolge eingefügt. Außerdem ist in die Haupt-Brennstoffleitung ein Druckdetektorschalter 7 ein­ gefügt, und mit diesem Druckdetektorschalter 7 ist über ein Root-Ventil 7a eine Steuereinheit 8 verbunden. An einem Ende der Haupt-Brennstoffleitung 1 ist an einer Stelle direkt vor dem Haupt-Abstellventil 4 eine Zweig- Brennstoffleitung 1a mit ihrem einen Ende angeschlossen, deren anderes Ende an den Einlaßabschnitt des Brenners 6 angeschlossen ist. In die Zweig-Brennstoffleitung 1a sind ein Primär-Abstellventil 5 und eine Drosseleinrichtung 11 eingefügt, um dein Brenner 6 zu Beginn das Brenngas zuzu­ führen. Der Betrieb dieser Ventile sowie weiterer Einrich­ tungen wird von einer Motorsteuerbox 9 aus gesteuert, die auch mit weiteren Steuermitteln verbunden ist, so daß ein Steuersystem für den Brenner 6 gebildet wird.

In einer solchen Gasturbinenanlage wird zunächst der Startschalter betätigt, bevor durch Starten des Anlassers ein Vorspülvorgang durchgeführt wird. Es werden vor dem Betriebsbeginn die Sicherheitsventile 2 und 3 zunächst geöffnet, um so Brenngas in die Hauptbrennstoffleitung 1 einzuleiten. Da bei diesem Vorgang das Haupt- Abstellventil 4 und das Primär-Abstellventil 5 zunächst geschlossen sind, füllt das Brenngas die Leitungsabschnitte der Haupt-Brennstoffleitung 1 und der Zweig-Brennstoffleitung 1a stromab bezüglich des Sicherheitsventils 3 bis zu dem Haupt-Abstellventil 4 und dem Primär- Abstellventil 5. In diesem Zu­ stand werden dann die Sicherheitsventile 2 und 3 geschlossen, um das in den genannten Leitungsabschnitten befindliche Brenngas dicht einzuschließen. Dann wird der Anlasser automatisch gestoppt.

Mit Hilfe des Druckdetektorschalters 7 wird in bestimmten zeitlichen Abständen der Druck des so eingeschlossenen Brenngases gemessen, um eine Druckänderung des Brenngases in den Leitungsabschnitten der Haupt-Brennstoffleitung 1 zu erfassen und so festzustellen, ob der Druck des Brenngases sinkt, d. h. ob Brenngas durch das Haupt-Abstellventils 4 und das Primär-Abstellventil 5 leckt. Die zeitliche Steuerung dieser Vorgänge erfolgt in Abhängigkeit von Zeitsteuersignalen des grundsätzlich durchgeführten Vorspülvorgangs. Wie oben erwähnt, ist mit dem Druckdetektorschalter 7 die Steuereinheit 8 verbunden, die ein Signal betreffend die Brenngas-Druckänderung, wie sie von dem Druckdetektorschalter 7 erfaßt wird, an die Motorsteuerbox 9 sendet. Bei der Beurteilung dieses Signals sind, wenn der Brenngasdruck über einem bestimmten Wert liegt, die Ventile dicht, und es erfolgt der Start des Betriebs, wozu die Motorsteuerbox 9 einen Befehl zum Öffnen der Ventile 2, 3, 4 und 5 gegeben wird.

Andernfalls wird, wenn der erfaßte Brenngasdruck unter einem voreingestellten unteren Grenzwert liegt, von der Steuereinheit 8 ein an die Motorsteuerbox 9 geliefertes Alarmsignal erzeugt, welches signalisiert, daß der Brenngasdruck abgesunken ist, d. h. daß Brenngas aus dem Haupt-Abstellventils 4 und dem Primär-Abstellventil 5 leckt. Bei Empfang dieses Signals erzeugt die Motorsteuerbox 9 ein Befehlssignal zum Schließen der jeweiligen Abstellventile 2, 3, 4 und 5 und zur Aufrechterhaltung der geschlossenen Ventilzustände, während gleichzeitig ein Signal zum Aussetzen der Betriebsinstruktionen erzeugt wird, wodurch das Steuersystem der Gasturbine gesperrt wird und der Brenner 6 nicht in Betrieb geht.

Wenn also die an den Druckdetektorschalter 7 angeschlossene Steuereinheit 8 vor dem Vorspülvorgang die Tatsache erkennt, daß der Gasdruck des in den geschlossenen Leitungsabschnitten eingeschlossenen Brenngases sinkt, was eine Brenngas-Leckage aus diesen Abschnitten heraus bedeutet, so wird der Brenner 6 nicht der Vorspülung unterzogen, wodurch ein abnormales Abbrennen von Gas in dem Brenner 6 verhindert wird. Weiterhin ist die Motorsteuerbox 9 auch mit einer Steuereinheit ausge­ stattet, die ein Signal zum Anhalten des Betriebs des Brenners 6 erzeugt, wenn nach dem Start des Betriebs der Gasturbinenanlage festgestellt wird, daß in der Haupt-Brennstoffleitung 1 eine Druckänderung des Brenn­ gases erfolgt.

Fig. 2 zeigt die Beziehungen zwischen Signaleingang/ Signalausgang des Steuersystems gemäß der Erfindung. An die Motorsteuerbox 9 sind angeschlossen: Ein Signal­ eingabesystem, welches an eine Signalübertragungsein­ richtung für schwerwiegende Störungen, 13, angeschlos­ sen ist, um ein Signal von einem Befehlsgeber für den Start/Stop des Gasturbinenbetriebs, 14, einzugeben; ein Signalausgabesystem zum Steuern der Betriebs- Start/Stop-Instruktionen eines Anlassermotors 12, der mit der Motorsteuerbox 9 verbunden ist, sowie zum Steuern des Öffnens/Schließens des Haupt-Abstell­ ventils 47 des Primär-Abstellventils 5 und der Sicher­ heitsventile 2 und 3 in Abhängigkeit von Signalen, die von dem oben erwähnten Signaleingabesystem kommen; und ein weiteres Signalausgabesystem zur Rückkoppelung des Drehzahlsignals, welches von einem Turbinendrehzahl- Detektor 15 erfaßt wird und repräsentativ für die Dreh­ zahl der Gasturbine ist, wobei das Signal an den Befehls­ geber für den Start/Stop des Gasturbinenbetriebs, 14, geliefert wird. Wenn weniger als 15% der Turbinendreh­ zahl festgestellt werden, wird ein Signal erzeugt, um den Start des Befehlsgebers 14 zu stoppen, während für den Fall, daß mehr als 95% der Turbinendrehzahl erfaßt werden, ein weiteres Signal erzeugt wird, um einen Generator zu starten, damit ein Erregerstrom erzeugt wird.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Steuersystem wird in dem Vorspülstadium als einem Prozeß vor dem eigentlichen Start des Turbinenbetriebs das Sicherheitsventil 2 sowie das Sicherheitsventil 3, die in der herkömmlichen Anlage in diesem Stadium geschlossen werden, geöffnet und an­ schließend geschlossen, um das Brenngas in der Haupt- Brennstoffleitung 1 einzuschließen, in der der Druck­ detektorschalter 7 eingebaut ist. Der Druck des einge­ schlossenen Brenngases wird von dem Druckdetektorschal­ ter 7 erfaßt, und Information über den Druck wird an die Steuereinheit 8 übertragen, von der ein Signal, welches repräsentativ ist für eine Änderung des Brenngas-Drucks, nacheinander an die Signalübertragungseinrichtung für schwerwiegende Störungen 13 und die Motorsteuerbox 9 gesendet wird. Bei Empfang dieses Signals generiert die Motorsteuerbox 9 ein Befehlssignal zum Schließen der jeweiligen Abstellventile 2, 3, 4 und 5 und zur Aufrecht­ erhaltung des geschlossenen Zustands. Zu dieser Zeit wer­ den die Betriebsinstruktionen seitens des Befehlsgebers für den Start/Stop des Gasturbinenbetriebs, 14, ausge­ setzt, um auf diese Weise den Betrieb des Brenners 6 zu stoppen und mithin eine Sperrung des Steuersystems zu erreichen.

Weiterhin wird gemäß der Ausführungsform der Erfindung zu einem Zeitpunkt, zu dem eine Druckänderung des in der Haupt-Kraftstoffleitung 1 eingeschlossenen Brenngases nach dem Betriebsbeginn der Gasturbine festgestellt wird, das Sicherheitsventil 2 sowie das Sicherheitsventil 3 und das Haupt-Abstellventil 4 von einem Befehlssignal geschlossen, welches von der Motorsteuerbox 9 in Abhän­ gigkeit des Störfallsignals von der Steuereinheit 8 ge­ sendet wird.

Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, wird bei dieser Ausführungsform im Vorspülzustand vor dem Betriebs­ beginn des Brenners der Gasturbinenanlage eine Brenngas- Leckage aus dem Primär-Abstellventil und dem Haupt-Ab­ stellventil festgestellt, und das Vorhandensein der Leckage wird der Motorsteuerbox durch Signale signali­ siert, die eine Druckänderung des Brenngases repräsen­ tieren. Bei Empfang der Signale veranlaßt die Motor­ steuerbox das Steuersystem, den Betrieb des Brenners zu sperren oder zu stoppen. Demzufolge läßt sich wirk­ sam ein durch die Brenngas-Leckage verursachter abnor­ maler Abbrand, im Extremfall eine Explosion, verhindern. Somit wird der Brenner ebenso wie da zugehörige Leitungen vor einer unfallbedingten Beschädigung geschützt.

Claims (4)

1. Verfahren zum sicheren Steuern des Abbrennens eines Brenngases in einem Brenner in Abhängigkeit einer Druckänderung von Brenn­ gas (5) das in einer Brennstoffleitung (1) zwischen einer Brenngasquel­ le (S) und dem damit verbundenen Brenner (6) eingeschlossen wird, umfassend folgende Schritte:

• (a) Schließen eines Haupt-Abstellventils (4) in der Brennstofflei­ tung (1) und eines Primär-Abstellventils (5), das in eine Zweig- Brennstoffleitung (1a) eingefügt ist, die mit einem Ende mit der Haupt-Brennstoffleitung (1) an einer Stelle kurz vor dem Haupt-Abstellventil (4) und mit dem anderen Ende mit einem Einlaßabschnitt des Brenners (6) verbunden ist;
• (b) Öffnen von Sicherheitsventilen (2, 3), die hintereinander in Richtung auf den Brenner (6) in der Haupt-Brennstoffleitung (1) liegen;
• (c) Einleiten von Brenngas in die Haupt-Brennstoffleitung (1) und Schließen der Sicherheitsventile (2, 3), um dadurch das Brenn­ gas zwischen den Leitungsabschnitten einzuschließen, vor der Zufuhr zu dem Brenner (6), bevor der Brennerbetrieb begonnen wird;
• (d) Erfassen einer Druckänderung des in der Brennstoffleitung (1) eingeschlossenen Brenngases;
• (e) steuern der Brenngaszufuhr zu dem Brenner (6) in Abhän­ gigkeit eines die erfaßte Druckänderung repräsentierenden Signals; und
• (f) Sperren des Betriebsstarts des Brenners (6), wenn vor dem vorgesehenen Betriebsstart des Brenners (6) eine Druckän­ derung des eingeschlossenen Brenngases erfaßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Druckänderung des in der Brennstoffleitung (1) eingeschlossenen Brenngases durch einen Druckschalter (7) erfaßt wird, der in einen abgedichteten Abschnitt der Haupt-Brennstoffleitung (1) eingebaut ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Steuerung weitere folgende Schritte aufweist:

• - Übertragen der Druckänderung zu einer Steuereinheit (8), die mit dem Druckschalter (7) gekoppelt ist, und ein Signal bezüg­ lich der Druckänderung erzeugt; und
• - Senden des Signals an eine Motorsteuerbox (9), die an die Steuereinheit (8) angeschlossen ist und in Abhängigkeit des Signals betätigt wird, um auf diese Weise die Zufuhr von Brenngas zu dem Brenner (6) zu steuern.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Sperr­ vorgang durch die weiteren Schritte erfolgt;

• - mittels der Motorsteuerbox (9) wird ein Befehlssignal zum Schließen der Sicherheits-Abstellventile (2, 3), des Haupt-Ab­ stellventils (4) und des Primär-Abstellventils (5) erzeugt; und
• - Betriebsinstruktionen eines Befehlsgebers für den Start/Stopp des Gasturbinenbetriebs (14), der mit der Motorsteuerbox (9) verbunden ist, werden ausgesetzt, um den Betrieb des Brenners (6) zu stoppen und dadurch den Start des Brennerbetriebs zu sperren.