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Das
Gebiet der Erfindung betrifft Gasturbinen, und insbesondere, jedoch
nicht darauf beschränkt,
Flüssigbrennstoff-Einspritzsysteme
für industrielle
Gasturbinen.
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Industrielle
Gasturbinen sind oft in der Lage, alternativ mit flüssigen oder
Gasbrennstoffen, wie z.B. Erdgas zu arbeiten. Diese Gasturbinen
haben Brennstoffzuführungssysteme
sowohl für
Flüssig-
als auch Gasbrennstoffe. Die Gasturbinen verbrennen im Allgemeinen
nicht gleichzeitig sowohl Gas als auch Flüssigbrennstoffe. Stattdessen
wird, wenn die Gasturbine Flüssigbrennstoff
verbrennt, die Gasbrennstoffzufuhr abgeschaltet. Ebenso wird, wenn die
Gasturbine Gasbrennstoff verbrennt, die Flüssigbrennstoffzufuhr abgeschaltet.
Brennstoffübergänge treten
während
des Betriebs der Gasturbine auf, wenn die Brennstoffzufuhr von Flüssigbrennstoff
auf Gasbrennstoff umgeschaltet wird und umgekehrt.
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Gasturbinen,
welche sowohl Flüssig-
als auch Gasbrennstoff verbrennen, benötigen ein Flüssigbrennstoffspülsystem,
um die Brennstoffdüsen
in den Brennkammern von Flüssigbrennstoff
zu leeren. Das Flüssigbrennstoff-Zufuhrsystem
wird im Allgemeinen abgeschaltet, wenn eine Gasturbine mit Gasbrennstoff
arbeitet. Wenn das Flüssigbrennstoffsystem
abgeschaltet wird, arbeitet das Spülsystem so, dass es jeden restlichen
Flüssigbrennstoff
aus den Düsen
der Brennkammer spült
und den Düsen
einen kontinuierlichen Kühlluftstrom
zuführt.
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Ein
bekanntes Spülsystem
für eine
Gasturbine ist in
EP 0 949 454 beschrieben.
Eine selbstreinigende Brennstoffeinspritzdüse ist in
US 5 243 816 offenbart.
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1 stellt
schematisch eine Gasturbine 100 mit einem Flüssigbrennstoffsystem 102 und
einem Flüssigbrennstoff-Spülsystem 104 dar.
Die Gasturbine kann auch mit Gas wie z.B. Erdgas betrieben werden,
und enthält
ein Gasbrennstoffsystem 106. Weitere Hauptkomponenten der
Gasturbine umfassen einen Hauptverdichter 108, eine Brennkammer 110,
eine Turbine 112 und eine Steuerung 114. Die Energieabgabe
der Gasturbine erfolgt über
eine rotierende Turbinenwelle 116, welche mit einem Generator
verbunden sein kann, der elektrische Energie erzeugt.
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In
der dargestellten exemplarischen industriellen Gasturbine kann die
Brennkammer eine ringförmige
Anordnung von Brennkammern, d.h., von Einzelbrennkammern 118 sein,
wovon jede eine Flüssigbrennstoffdüse 120 und
eine Gasbrennstoffdüse 122 enthält. Die
Brennkammer kann alternativ eine ringförmige Brennkammer sein. Die
Verbrennung wird in den Einzelbrennkammern an Punkten etwas stromabwärts von
den Düsen
initiiert. Luft aus dem Verdichter 108 strömt um die
und durch die Einzelbrennkammern, um Sauerstoff zur Verbrennung
bereitzustellen. Ferner sind Wassereinspritzdüsen 111 innerhalb
der Brennkammer 110 angeordnet, um den heißen Verbrennungsgasen
Energie hinzuzufügen,
und die Einzelbrennkammern 118 zu kühlen.
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2 stellt
ein herkömmliches
Flüssigbrennstoff-Spülsystem 104 für ein Flüssigbrennstoffsystem dar.
Wenn die Gasturbine 100 mit Erdgas (oder anderem Gasbrennstoff)
arbeitet, bläst
das Flüssigbrennstoff-Spülsystem 104 Druck luft
durch die Düsen 120 des
Flüssigbrennstoffsystems 102,
um Flüssigbrennstoff
auszuspülen,
und einen Strom kontinuierlicher Kühlluft den Flüssigbrennstoffdüsen 120 zuzuführen.
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Die
zum Spülen
des Flüssigbrennstoffsystems
verwendete Luft wird von einem speziellen Motor-(M)-gesteuerten
Spülverdichter 128 zugeführt. Der
Spülverdichter
erhöht
die Verdichtung der von dem Hauptverdichter 108 über den
Verdichterauslass 202 erhaltenen Druckluft. Eine Anordnung
eines Verdichterluftvorkühlers 164,
Abscheiders 166 und Filters 168 wird zum Behandeln
der Verdichterluft verwendet, bevor sie durch den Spülverdichter 128 weiter
verdichtet wird. Eine Einstellblende 132 dosiert den Spülstrom.
Die Spülluft
aus dem Spülverdichter
wird durch eine Rohrleitung 130, einen Sieb 162,
ein T-Stück 137,
das den Reinigungsluftstrom zwischen dem Flüssigspülsystem 104 und einem Wasserspülsystem 126 aufteilt,
geleitet. Ein Flüssigbrennstoff-Mehrwegeventil 138 leitet
die weiter verdichtete Druckspülluft
jeder von den Flüssigbrennstoffdüsen 120 zu.
Das Mehrwegeventil wird von einem Solenoid 139 gesteuert,
der von der Steuerung 114 betrieben wird. Bei jeder Brennkammer
verhindern Endabdeckungs-Rückschlagventile 147 den Rückstrom
von Flüssigbrennstoff
in das Spülsystem. Zusätzlich liefert
der Spülverdichter
Luft durch eine weitere Einstellblende 133 zu einem Zerstäubungsluftverteiler 134 und
zu den Zerstäubungsluftauslässen der
Flüssigbrennstoffdüsen 120.
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Die
Flüssigbrennstoff-Rückschlagventile 165,
wenigstens eines für
jede Brennkammer, trennen die Flüssigbrennstoffzufuhr 172 während Spüloperationen
ab und verhindern, dass Spülluft
in das Flüssigbrennstoffsystem
zurückströmt. Indem verhindert
wird, dass Spülluft
in das Flüssigbrennstoffsystem
eintritt, vermeiden die Rückschlagventile Luft/Brennstoff-Grenzflächen mit
der Brennstoffzufuhr.
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Wenn
das Flüssigbrennstoff-Spülsystem 104 gestartet
wird, wird ein Solenoid-gesteuertes Vorspülventil 140 gleichzeitig
mit dem Mehrwegeventil 138 durch ein gemeinsames Solenoid-Ventil 139 geöffnet. Die Öffnungsgeschwindigkeit
des Vorspülventils 140 wird
mechanisch durch ein Dosierungsventil in einer (nicht dargestellten)
Betätigungsleitung
gesteuert. Das Vorspülventil öffnet sich über eine
relative lange Zeitdauer, um Lasttransienten zu minimieren, die
sich aus der Verbrennung von restlichem Flüssigbrennstoff ergibt, der
in die Brennkammer aus der Spülsystemverrohrung 142 und
den Flüssigbrennstoffdüsen ausgeblasen
wird. Ein Vorspülventil 140 ist
ein Ventil mit geringer Stromrate, um die aus den Spülverdichtern
strömende
verdichtete Druckluft zu reduzieren. Nachdem das Vorspülventil
für eine vorbestimmte
Zeitdauer geöffnet
war, wird ein Hochdurchfluß-Spülventil 144 geöffnet, um
der weiter verdichteten Spülluft
zu ermöglichen,
mit dem geeigneten Systemdruckverhältnis zu strömen. Das
Hochdurchfluß-Spülventil
kann ein Zweiwege-Kugelventil 144 sein.
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Die
vorstehend beschriebene Verrohrung, die Ventile, der Spülverdichter
und weitere Komponenten des Flüssigbrennstoff-Spülsystems
sind kompliziert und unhandlich. Das System erfordert die gesteuerte Öffnung von
mehreren Ventilen, Mehrwegeventile, dosierende Einstellblenden,
Rückschlagventile,
welche alle Wartung erfordern und mögliche Ausfallpunkte darstellen.
Wenn das Spülsystem
ausfällt, bleiben
Komponentenausfälle
wahrscheinlich unerkannt, bis schließlich der Turbinenbetrieb beeinflusst wird,
wobei dann zu diesem Zeitpunkt die Turbine vom Netz genommen und
gewartet werden muss. Um zu vermeiden, dass eine Gasturbine aufgrund
eines Spülsystemausfalls
vom Netz genommen werden muss, bestand die herkömmliche Weisheit darin, mehr
Spülsystemkomponenten
hinzuzufügen
und dem Hauptspülsystem
ein Reservesystem hinzuzufügen.
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Beispielsweise
wird, wenn der Spülverdichter 128 ausfällt, die
Luft für
die Spülsysteme
von dem Zerstäubungsluftverdichter 150 geliefert
und in einem Spülluftkühler 152 gekühlt. Wenn
der Zerstäubungsluftverdichter
arbeitet, um Luft für
die Spülsysteme
zu liefern, werden dann die Motor-(M)-betätigten Ventile 154, 156 geschlossen,
um die Strömung und
den Druck zu reduzieren, und die Luft wird durch den Spülkühler bei
geeignetem Druck und Temperatur geführt. Zusätzlich wird das motorbetätigte Ventil 158 geöffnet, um
eine Druckstoßschutz-Rückführungsschleife
bereitzustellen. Der Betrieb dieser Ventile 154, 156 und 158 steuert
den Luftstrom zu dem und von dem Zerstäubungsluftverdichter 150.
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Spülluft aus
dem Zerstäubungsluft-
oder Spülluftverdichter
passiert einen Sieb 162, um Verschmutzungen aus der Spülluft zu
entfernen und die verschmutzungsempfindlichen Komponenten vor dem
Aufbau und der Ansammlung von Schmutz zu schützen. Der Spülkühler 152 wird
zusätzlich
zu dem Vorkühler 164,
Abscheider 166 und Filter 168 verwendet, um die
Luft aus dem Hauptverdichter 108 zu kühlen.
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Das
vorstehend beschriebene herkömmliche Flüssigbrennstoff-Spülsystem
hat lange an mehreren Nachteilen gekrankt. und ist ausfallanfällig. Um
die Nachteile der herkömmlichen
Systeme zu überwinden,
bestand die herkömmliche
Weisheit darin, regelmäßig die
Komponenten des Spülsystems,
insbesondere diejenigen Komponenten, wie z.B. die Rückschlagventile 147 und
das Mehrwegeventil 138, die aufgrund von Verschmutzungen
in der Spülluft
zu Ausfällen
neigen, neu zu konstruieren.
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Rückschlagventile
bieten keine optimale Trennung der Spül- und Brennstoffsysteme. Wenn sie
in einer offenen Position ausfallen, ermöglichen die Spülrückschlagventile
den Austritt von Brennstoff in das Spülsystem. Wenn die Spülrückschlagventile im
geschlossenen Zustand ausfallen, erreicht die Spülluft nicht die Brennstoffdüsen, und
es kann eine Düsenverstopfung
und Schmelzung auftreten. Wenn ein Bennstoffrückschlagventil in einer geschlossenen Position
ausfällt,
verhindert es einen Brennstoffstrom zu einer Düse und kann Druckhöhendifferenzen
in dem Brennstoffsystem zwischen den Brennkammern erzeugen. Ein
Ausfall der Brennstoffrückschlagventile
(entweder offen oder geschlossen) kann auch zu Zündungs- und Querfeuerausfällen und
einer Beschädigung
an dem Brennstoffsystem stromaufwärts vor den Brennstoffrückschlagventilen
führen.
Wenn sie in einer offenen Position ausfallen, können Brennstoffrückschlagventile
Luftblasen in das Brennstoffsystem eindringen lassen. Rückschlagventilausfälle führen zu
ernsthaften Verbrennungsproblemen und können ein Abschalten der Turbine
zur Reparatur erzwingen.
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Flüssigbrennstoffventile
stellen keine blasendichte Trennung gegenüber Spülluftdruck dar, was zu einer
Flüssigbrennstoff/Luft-Grenzfläche führt. Diese
Brennstoff/Luft-Grenzfläche führt zu einer "Verkokung" des Flüssigbrennstoffs
und somit zu einer Verschmutzung der Flüssigbrennstoffrückschlagventile
und Brennstoffdüsen.
Verschmutzung und in einigen Fällen
Verstopfung der Brennstoffdüsen
unterbricht den Brennstoffstrom und führt schließlich zu Hochtemperaturverteilungen,
bei denen die Turbine nicht mehr mit Flüssigbrennstoff arbeiten kann.
Die leckenden Rückschlagventile
ermöglichen
auch einen Lufteinschluss und einen Rückstrom von Spülluft in
das Flüssigbrennstoffsystem.
Diese Probleme können
zu Fehlstarts führen und
können Übergänge von
Gas auf Flüssigbrennstoff
während
des Gasturbinenbetriebs verhindern. Zusätzlich kann die Verwendung
von zwei getrennten Komponenten zu einer unzweckmäßigen Trennung führen und
eine teilweise Rückfüllung des
Spülsystems
mit Flüssigbrennstoff
verursachen. Wenn der Flüssigbrennstoff
in das Spülsystem
einsickert, kann der Brennstoff eine Verkokung erleiden, die zu
einer Blockierung der Brennstoffdüsen, einer Reduzierung in der
erforderlichen Spülströmung und
somit zu einem vorzeitigen Ausfall der Flüssigbrennstoffdüsen aufgrund
Fehlens einer Spülkühlung führen. Brennstoff
in dem Spülsystem
kann auch eine Entzündung und
Querfeuerausfälle
bewirken, was zu Verbrennungsausbreitungen zwischen den Einzelbrennkammern
und schließlich
der Abschaltung der Gasturbineneinheit führt.
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Ferner
können
funktionierende Brennstoffrückschlagventile
einen erheblichen Brennstoffdruck zum Öffnen und um den Durchtritt
von Brennstoff zu ermöglichen,
erfordern. Der zum Betätigen
des Flüssigbrennstoffrückschlagventils
erforderliche Druck erhöht
die Belastung der Brennstoffpumpe. Die zusätzliche Belastung der Pumpe
kann größere Brennstoffpumpen
und/oder Spülverdichter.
erfordern, als sie ansonsten erforderlich wären.
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Das
herkömmliche
Spülsteuersystem
hatte eine Reihe von Einstellblenden zu verwenden, um die Spülluft auszuglei chen,
und um geeignete Druckverhältnisse
für eine
akzeptable Verbrennungsdynamik einzustellen. Diese Einstellblenden
waren individuell zu bemessen, um die Druckverhältnisse der Spülluft anzupassen.
Ferner erfordern die herkömmlichen
Spülsysteme
Subsysteme, wie z.B. ein Vorspülventil 140,
mit abgestimmten Nadelventilen für die
anfängliche
Aufbringung von Spülluft
auf die Düsen
des Flüssigbrennstoffsystems.
Das Vorspülventil wurde
hinzugefügt,
um Übergangslastspitzen
während
Brennstoffübergängen zu
verhindern, wenn die Spülsysteme
gestartet werden.
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Mit
der Hinzufügung
von Spülverdichtern, Reservesystemen
für die
Spülverdichter,
Einstellblenden, Siebe, Subsysteme und anderen neuen Komponenten
musste Messtechnik zum Schützen der
neuen Komponenten gegen Verschmutzung hinzugefügt werden. Diese Änderungen
an den Spülsystemen
waren marginal akzeptabel. Die herkömmlichen Spülluftsysteme mit all ihren Änderungen
und neuen Komponenten waren komplex, empfindlich und nicht ausreichend
zuverlässig.
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Aspekte
der vorliegenden Erfindung sind in den beigefügten Ansprüchen definiert.
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Die
Anmelder schufen eine Ausführungsform eines
neuen Brennstoffspülsystems
für eine
Gasturbine, die ein Dreiwege-Flüssigbrennstoff-Spülventil enthält. Das
Dreiwegeventil vereinfacht das Spülsystem, indem es die früheren Zweiwege-Spülventile, Rückschlagventile,
Tellermehrwegeventile, T-Stücke und
weitere Komponenten früherer
Flüssigbrennstoff-Spülsysteme
ersetzt. Wenigstens ein Dreiwegeventil verbindet sowohl die Flüssigbrennstoffzuführung als
auch das Spülluftsystem
mit einer Endabdeckung jeder Einzelbrennkammer. Das Ventil schaltet den
Spülluftstrom
zu den Brenn stoffdüsen
auf Flüssigbrennstoffstrom
und umgekehrt um. Das Dreiwegeventil enthält weniger Flüssigbrennstoffvolumen, z.B.
22% weniger, als die äquivalente
Kombination eines Zweiwege-Flüssigbrennstoff-Endabdeckungstrennungsventil
(oder ein Spülrückschlagventil),
Flüssigbrennstoffrückschlagventils
und T-Stücks.
Das geringere Brennstoffvolumen in dem Ventil reduziert das Volumen
des zu spülenden
Flüssigbrennstoffs und
reduziert dadurch die Größe des Übergangs, wenn
von Flüssig-
auf Gasbrennstoff umgeschaltet wird.
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Zusätzlich verhindert
das Dreiwegeventil den Rückstrom
von Spülluft
in das Flüssigbrennstoffsystem
und umgekehrt. Der Rückstrom
wurde zuvor durch Flüssigbrennstoffrückschlagventile
verhindert, die zur Verkokung (ein Zustand, in welchem interne Luftkanäle, die
Brennstoff ausgesetzt sind, mit einem Brennstoffrückstand überzogen
werden) und zur Verschmutzung neigen. In ähnlicher Weise wurden das frühere Tellermehrwegeventil,
die Spültrennungsventile
und Brennstoffrückschlagventile
nachteilig durch Verschmutzungen in der Spülluft beeinträchtigt.
Die Dreiwegeventile beseitigen (oder reduzieren zumindest merklich)
die Möglichkeit
einer Flüssigbrennstoff-Rückströmung in
den Spülluftverteiler
während eines
Flüssigbrennstoffbetriebs
und insbesondere während
Brennstoffumschaltungen.
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Das
Dreiwegeventilsystem weist passive und aktive Modi auf. Während des
aktiven Modus wird das Ventil durch externe Signale, wie z.B. einen von
der Gasturbinensteuerung angelegten Instrumentenluftdruck gesteuert.
Im passiven Modus wird das Ventil durch den Druck des Flüssigbrennstoffs gesteuert.
Der passive Modus wird dazu verwendet, um das Ventil zwischen dem
Spülluftstrom
und dem Spülflüssigbrennstoffstrom
umzuschalten. Der aktive Modus wird dazu ge nutzt, um das Ventil
in einer Flüssigbrennstoff-EIN-Stromeinstellung
während
Zuständen
mit hohem Brennstoffstrom zu halten. Der aktive Modus wird nicht
dazu genutzt, um das Ventil von Brennstoffstrom auf Spülluft umzuschalten,
oder umgekehrt. Das Ventil ist auf Spülluftstrom voreingestellt,
wenn ein nicht ausreichender Brennstoffdruck zum Betreiben des Ventils
vorhanden ist.
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Die
durch die passiven/aktiven Modi bereitgestellten Vorteile umfassen
die Bereitstellung eines gleichmäßigen Rückdruckes
in dem Flüssigbrennstoffsystem,
um Druckwertunterschiede zwischen den Einzelbrennkammern auszugleichen,
um das Risiko zu minimieren, das heiße Brennstoffdüsen sowohl
Kühlluft
als auch Flüssigbrennstoffstrom
gleichzeitig verlieren, die Reduzierung eines Druckbedarfs für Flüssigkraftstoffpumpen,
die Bereitstellung eines eigensicheren Ventilbetriebs, die Minimierung
von Spülsystemkomponenten
und verbesserte Zuverlässigkeit.
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In
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung schalten die (in dem passiven Modus arbeitenden)
Dreiwegeventile automatisch auf das Durchleiten von Brennstoff zu
den Düsen
um, wenn der Brennstoffdruck zunimmt. Die Brennstoffdruckzunahme
ist die Betätigungskraft,
die das Ventil von der Zuführung
von Spülluft
auf die Zuführung
eines Flüssigbrennstoffstroms
an die Brennstoffdüsen
umschaltet. Druckwertdifferenzen (und die entsprechenden druckinduzierten
Spannungen) in dem Flüssigbrennstoffsystem
werden minimiert, indem die Möglichkeit beseitigt
wird, dass ein Brennstoffrückschlagventil
im offenen oder geschlossenen Zustand ausfällt. Demzufolge besteht ein
minimales Risiko, dass übermäßige Druckwertdifferenzen
zwischen den Brennkammern in dem Flüssigbrennstoffsystem aufgrund
eines Kolben dreiwegeventils entstehen, das die ausfallanfälligen Tellerrückschlagventile
ersetzt.
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Die
Notwendigkeit für
große
Hochdruck-Flüssigbrennstoffpumpen
wird verringert, da die Rückschlagventile
nicht mehr benötigt
werden, welche einen erheblichen Rückdruck an die Brennstoffpumpen
lieferten. In der Vergangenheit wurden Hochdruckrückschlagventile
durch einen hohen Brennstoffdruck betätigt und erhöhten somit
die Belastung der Brennstoffpumpe. Die Größe einer Brennstoffpumpe ist
von dem erforderlichen Brennstoffdruck insbesondere während Zuständen mit
hohem Brennstoffstrom abhängig.
Um 'für einen
Brennstoffstrom offen zu bleiben, übten die Rückschlagventile einen erheblichen
Rückdruck
auf die Brennstoffpumpen einschließlich während Zuständen mit hohem Brennstoffstrom
aus. Der zum Betätigen
der Dreiwegeventile der vorliegenden Erfindung benötigte Brennstoffdruck
ist niedriger als der zum Öffnen der
früheren
Hochdruckrückschlagventile
benötigte Druck.
Ferner befindet sich während
Zuständen
mit hohem Brennstoffstrom das Dreiwegeventil der vorliegenden Erfindung
in einem aktiven Schaltmodus so, dass Instrumentenluft an die Ventilbetätigung angelegt
wird. Es ist kein hoher Flüssigbrennstoffdruck erforderlich,
um das Ventil zu betätigen,
wenn es sich im aktiven Modus befindet. Da der Brennstoffdruck nicht
erforderlich ist, um das Ventil während des Modus mit hoher Brennstoffströmung zu
betätigen,
können
kleinere (und somit wirtschaftlichere) Brennstoffpumpen verwendet
werden. Diese kleineren Brennstoffpumpen reichen aus, um den Brennstoffdruck bereitzustellen,
der zum Betrieb des Dreiwegeventils während des passiven Modus erforderlich
ist.
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Das
Spülsystem
von Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ist einfach, robust, zuverlässig und
kosteneffektiv. Dieses System stellt einen kontinuierlichen und
zuverlässigen
Strom von Spülluft
zum Ausspülen
der Düsen
von Flüssigbrennstoff und
zur Wassereinspritzung ohne Flüssigbrennstoff, und
zum Kühlen
der Düsen
bereit. Zusätzlich
verhindert das Dreiwegeventil des Spülsystems einen Rückstrom
heißer
Verbrennungsprodukte in das Flüssigbrennstoffsystem.
Ferner ist, wenn das Brennstoffsystem eingeschaltet ist, dieses
von dem Spülsystem
durch das Dreiwegeventil getrennt, um eine Ansammlung von Brennstoff
in dem Spülsystem zu
verhindern.
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Weitere
durch das Spülsystem
der Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung bereitgestellte Vorteile umfassen erhöhte Zuverlässigkeit
im Einsatz der Flüssigbrennstoffsysteme
für Gasturbinen
und verbesserte Übergangsattribute
der Spülsysteme
während Übergängen von
Flüssigbrennstoff auf
Gasbrennstoff. Das erfindungsgemäße Spülsystem
stellt einen kontinuierlichen Strom von Spülluft bereit, um Flüssigbrennstoff
aus den Brennstoffdüsen
zu spülen,
um die Düsen
zu kühlen,
und einen Rückstrom
von heißen
Verbrennungsprodukten durch die Düsen und den Flüssigbrennstoffverteiler zu
verhindern, wenn kein Flüssigbrennstoff
strömt.
In Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung arbeiten die Spül- und Flüssigbrennstoffsysteme zusammen,
um einen Rückstrom
von Spülluft
in das Flüssigbrennstoffsystem
zu verhindern, um "Verkoken" von Flüssigbrennstoff
und Lufteinschluss in dem Flüssigbrennstoffsystem
zu verhindern, wenn kein Flüssigbrennstoff
in dem Brennstoffsystem strömt. Das
Spülsystem
stellt auch eine Trennung bereit, wenn Flüssigbrennstoff strömt, indem
die Ansammlung von Flüssigbrennstoff
in dem Spülsystem
verhindert wird.
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Ausführungsformen
des Spülsystems
mit einem Dreiwegeventil können
mit Luft mit niedrigerem Druck aus dem Hauptverdichterauslass, d.h.,
einem verdichterlosen Spülsystem
arbeiten und erfordern keinen getrennten Spülverdichter, um den Druck der Spülluft zu
erhöhen,
während
die Gasturbine mit Gasbrennstoff arbeitet. Der Hauptverdichter ist
inhärent
wenigstens in dem Sinne zuverlässig,
dass die Gasturbine nicht arbeiten kann, wenn der Hauptverdichter
nicht betrieben werden kann. Zusätzlich
wird der Zerstäubungsluftverdichter
nicht als ein Reservezusatzdrucksystem benötigt, während die Gasturbine auf Gasbrennstoff
eingestellt ist. Zur Anpassung an die Spülluft mit geringerem Druck
kann die Spülluftverrohrung
größere Durchmesser
aufweisen, um ein größeres Spülluftstromvolumen
zu ermöglichen. Zusätzlich enthält das vorliegende
Spülsystem
einen Spülverteiler,
um Spülluft
an die Flüssigbrennstoffdüsen zu verteilen.
Dieser Verteiler ersetzt das komplexe Tellermehrwegeventil, das
bei herkömmlichen Spülsystemen
verwendet wird.
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Weitere
neue Merkmale von Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beinhalten eine echte Blockierungs- und
Abzweigungs-Fähigkeit,
welche eine doppelte Ventiltrennung mit einer Zwischenhohlraumentlüftung für verbesserte
Zuverlässigkeit
bereitstellt, und ein Einpunkt-Abstimmsteuerventil, das leichte
Anpassungen an das Druckverhältnis
ermöglicht,
das für
minimale Verbrennungsdynamik erforderlich ist.
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Die
Erfindung wird nun detaillierter im Rahmen eines Beispiels unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 eine
schematische Darstellung einer exemplarischen Gasturbine mit Flüssigbrennstoff und
Wassereinspritz-Spülsystemen
ist;
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2 eine
Darstellung ist, welche schematisch ein herkömmliches Flüssigbrennstoff- und Wassereinspritz-Spülsystem
darstellt;
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3 eine
Darstellung ist, welche ein Spülsystem
für Flüssigbrennstoff
darstellt, das einen Spülverdichter
verwendet;
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4 eine
Darstellung ist, die ein alternatives Spülsystem darstellt, welches
keinen Spülverdichter
verwendet, und
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5 eine
schematische Darstellung eines Dreiwegeventils in einem Flüssigbrennstoff-Spülsystem
ist.
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3 stellt
ein exemplarisches Spülsystem 204 dar,
das die vorliegende Erfindung verkörpert und in dem in 1 dargestellten
Gasturbinensystem implementiert werden kann. Das Spülsystem 204 ähnelt dem
in Verbindung mit 2 beschriebenen Spülsystem 104.
Jedoch kann das Spülsystem 204 einen
Flüssigbrennstoff-Spülverteiler
(siehe 234 in 4) und ein Dreiwegeventil 400 enthalten,
das das Mehrwegetellerventil 138, zwei Rückschlagventile 147, 165 und
das T-Stück 174 des
in 2 dargestellten Spülsystems 104 ersetzt.
Das Dreiwegeventil 400 liefert Flüssigbrennstoff oder alternativ
Spülluft an
die Brennstoffdüsen 120 jeder
Brennkammer 118. Es ist bevorzugt wenigstens ein Dreiwegeventil 400 für jede Kammer 118 vorhanden.
Das Ventil ent hält Eingangsverbindungen,
um Flüssigbrennstoff
aus der Brennstoffversorgung 272 und Spülluft aus dem Mehrfachanschlussspülluftventil 138 aufzunehmen. Das
Ventil und dessen Betrieb werden weiter in Verbindung mit 5 beschrieben.
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4 stellt
eine alternative Implementation eines Dreiwegeventils bereit, das
Spülluft
verwendet, welche nicht durch einen Spülverdichter weiter verdichtet
wurde. Das Spülsystem
empfängt
gekühlte und
gefilterte Luft aus dem Verdichterauslassanschluss 202 des
Hauptverdichters 108. Luft aus dem Verdichter passiert
den Zerstäubungsluft
Vorkühler 164,
Abscheider 168, Feuchtigkeitsabscheider 166 und
einen Spülverdichter 128.
Die Umgehungsleitung kann ein manuelles Abstimmventil 212 und
eine Drosselblende 211 enthalten, welche eine manuelle Steuerung
des Drucks und der Stromrate der Verdichterauslassluft ermöglicht,
die als Spülluft
dem Spülsystem
zugeführt
wird. Der Druck der Spülluft
ist nicht größer als
der Druck der Verdichterluft aus dem Auslass 202, da das
Spülsystem
keinen Booster-Spülverdichter
benötigt.
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Der
von dem Spülsystem
genutzte Verdichterauslass 202 wird gemeinsam von dem Zerstäubungsluftverdichter 204 genutzt,
der stärker
verdichtete Zerstäubungsluft
an die Flüssigbrennstoffdüsen über ein
Zerstäubungsluftsystem 134 und
an die Zerstäubungsluftanschlüsse der
Flüssigbrennstoffdüsen liefert.
Der Zerstäubungsluftverdichter,
und insbesondere das Druckverhältnis
für die
Zerstäubungsluft, werden
von motorgesteuerten Ventilen 214 und 220 geregelt,
die von einer Steuerung 114 betrieben werden. Während die
Gasturbine Gasbrennstoff verbrennt, umgeht. die Verdichterauslassluft 202 den
inaktiven Zerstäubungsluftverdichter, da
das motorbetriebene Ventil 220 geschlossen ist, und das
durch den Motor 126 betätigte
Umgehungsventil 214 geöffnet
worden ist.
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Der
Hauptverdichterauslass 202 ist eine inhärent zuverlässige Luftquelle. Spülluft strömt durch die
Umgehungsleitung 210 zu dem Hauptspül-Zuführungsventil 222 zum
Ausspülen
des Flüssigbrennstoffs.
Diese Hauptzuführungsventile
sind normalerweise offen, wobei die Menge der durch diese Ventile strömenden Spülluft von
den Einstellungen des Hauptumgehungsventils 214 und dem
Zerstäubungsluftventil 220 abhängt. Die
Strömung
der Spülluft
beginnt, wenn das Ventil 214 geöffnet wird, wie z.B. während eines Übergangs
der Verbrennung von Flüssigbrennstoff
zu gasförmigem
Brennstoff in der Brennkammer.
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Es
ist eine Online-Einstellung des Spüldruckverhältnisses durch ein manuelles
Abstimmventil 212 vorgesehen, das manuell geschlossen werden
kann, um den Spülstrom
mit den Spülsystemen
online zu begrenzen und einzustellen. Da der Spülstrom online gesteuert werden
kann, können
die mechanischen Komponenten des Spülsystems mit einer großzügigen Durchflusstoleranz über der
spezifischen Durchflusstoleranz ausgelegt werden, auf welche das
System ausgelegt ist. Während
des Betriebs des Spülsystems
kann das manuelle Durchflussventil 212 auf eine genaue
Spülstromrate
heruntergeregelt werden, um alle nachteiligen Verbrennungseffekte,
wie z.B. Verbrennungsdynamik oder Flammenstabilität zu minieren.
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Das
Spülzuführungsventil 222 wird
mit einem Solenoid 226 gesteuert. Der Solenoid wird von der
Steuerung 114 be trieben und ein Grenzwertschalter 230 verhindert,
dass das Ventil 222 bestimmte Betriebsgrenzwerte überschreitet.
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Ein
Spülverteiler 234 stromabwärts von
dem Spülzuführungsventil 222 verteilt
Spülluft
an jede Brennkammer 118. Spülleitungen 238 erstrecken sich
aus dem Spülverteiler 234 zu
einem Dreiwegeventil 400 für jede Brennkammer.
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Vorspülfunktionen
werden durch ein (normalerweise geschlossenes) kleines Zuführungsventil 252 mit
geringem Durchfuss in Verbindung mit dem Spülluftverteiler 234 bereitgestellt.
Dieses Vorspülventil
liegt parallel zu dem Hauptspül-Zuführungsventil 222.
Das Vorspül-Zuführungsventil 252 wird durch
einen Solenoid 254 für
eine durch die Steuerung 114 gesteuerte Vorspülstromeinführung betrieben.
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Das
kleine Vorspül-Zuführungsventil 252 begrenzt
den Strom von Spülluft
zu dem Flüssigbrennstoffverteiler 234 und
den Brennstoffdüsen
während der
Anfangsphase der Spülung
des Flüssigbrennstoffsystems.
Das Vorspül-Zuführungsventil
dosiert langsam die Einführung
von Spülluft
in die Brennstoffdüsen,
um eine zu starke Ausspülung
von Flüssigbrennstoff
aus den Düsen
und in die einzelnen Brennkammern zu verhindern, um Übergangsleistungsspitzen
in der Turbine zu minimieren, und um das Risiko einer Verbrennungsflammenerlöschung zu
reduzieren. Die unabhängig
gesteuerten Komponenten des doppelten Blockierungs- und- Abzweig-Systems
stellen in allen Aspekten eines Spülsystembetriebs eine größere Flexibilität bereit
als sie bei früheren
Systemen möglich
war.
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Wenn
Flüssigbrennstoff
zu dem Verbrennungssystem der Gasturbine strömt, ist das Flüssigbrennstoff-Spülsystem 258 nicht
in Betrieb, und die Dreiwegeventile 400 für jede Brennkammer
verhindern eine Rückströmung von
Brennstoff in das Spülsystem.
Diese Ventile 400 führen
Brennstoff aus der Brennstoffversorgung 272 zu den einzelnen
Brennkammern 118. Während
des Flüssigbrennstoffbetriebs
ist das Hauptspül-Zuführungsventil 222 für das Flüssigbrennstoff-Spülsystem 258 ebenfalls
geschlossen. Das Ablaufventil 244 zu dem Verteiler ist offen,
um zu ermöglichen,
dass jeder Austritt von Spülluft
oder Brennstoff, welche den Flüssigbrennstoffverteiler
erreicht, aus der Gasturbine abläuft
Der Spülluftdruck
wird in dem Spülsystem
bei dem Verteiler 234 überwacht.
Der Druck in dem Verteiler wird überwacht,
indem der Verdichterauslassdruck (CDP) bei dem Anschluss 202 mit
dem Druck in dem Verteiler verglichen wird (dp). Ein Differenzdruckumformer 266 ist
mit dem Verteiler verbunden. Der Umformer wird von der Steuerung 114 verwendet,
um ein Druckverhältnis
in Bezug auf die Verdichterauslassluft zu berechnen. Ein Alarm wird
in dem Falle ausgegeben, dass das Verhältnis unter einen voreingestellten
Grenzwert fällt,
und es wird eine Maßnahme
unternommen, wenn das Verhältnis
weiter unter einen voreingestellten Grenzwert fällt. Eine mögliche Maßnahme ist die Abschaltung
der Gasturbine, um die Düsen
zu schützen.
Der an dem Verteiler 234 angebrachte Differenzdrucksensor
verfolgt auch die Verteilerdrücke,
um den Betrieb des Vorspülventils 252 und
die Vorspüloperation
während
des Spülstartvorgangs
zu steuern. Die Steuerung 114 öffnet das Ventil 252,
wenn sich das Druckverhältnis
bei einem voreingestelltem niedrigem Wert befindet.
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5 stellt
schematisch ein Dreiwegeventil 400 dar. Die Anzahl der
Ventile 400 pro Gasturbine variiert mit der Rahmengröße und dem
Verbrennungssystem. Typischerweise sind 1 bis 20 Einzelverbrennungskammern
pro Turbine und ein Ventil 400 pro Flüssigbrennstoffstrom vorhanden
(es kann einer, zwei oder mehr Brennstoffströme zu den Brennstoffdüsen jeder
Brennkammer vorhanden sein). Das Dreiwege-Flüssigbrennstoff-Spülventil 400 kombiniert
die Funktionalität
eines Flüssigbrennstoff-Rückschlagventils
und eines Flüssigbrennstoff-Spülendabdeckungsabsperrventils
(oder Spülrückschlagventils)
zu einer Ventilkomponente.
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Das
Ventil 400 enthält
eine Feder 402, die das Ventil in die Spülöffnungs-(EIN)-Position
vorspannt. Das Ventil 400 besitzt einen Brennstoffzuführungskanal 404,
welcher eine Leitung für
die Flüssigbrennstoffzufuhr 272 bildet,
um Brennstoff zu der Brennkammerendabdeckung und den Düsen jeder Brennkammer 118 zu
führen.
Das Ventil besitzt einen Spülluftkanal 406,
welcher eine Leitung für
einen Kanal von Spülluft
zu den Verbrennungsendabdeckungen und Brennstoffdüsen ist.
Das Ventil ist verkokungsbeständig,
und dessen Brennstoffkanäle 404 vermeiden
statische Brennstofftaschen innerhalb des Ventils, welche ansonsten
während
und zwischen Brennstoffbetrieboperationen auftreten könnten. Ebenso
beseitigt das Ventil (oder minimiert wenigstens) Luft/Brennstoff-Kontaktflächen innerhalb
des Ventils.
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Das
Ventil 400 wird abwechselnd zwischen dem Brennstoffzuführungskanal 404 und
dem Spülkanal 406 unter
der Steuerung einer Ventilbetätigungseinrichtung
umgeschaltet, welche eine aktive Betätigungseinrichtung 408 und
eine passive Betätigungseinrichtung 410 enthält. Die
aktive Betätigungseinrichtung
reagiert auf Instrumentenluft 412, die von der Steuerung 114 (1)
gesteuert wird. Zusätzlich
wird die passive Betätigungseinrichtung durch
den Flüssigbrennstoffdruck
betätigt,
der durch die Flüssigbrennstoffzuführungsleitung 414 aus
dem Flüssigbrennstoffvorrat
angelegt wird. Das Ventil 400 schließt die Spülluftdurchgänge und öffnet den Flüssigbrennstoffkanal
(Brennstoff EIN) nachdem das Brennstoffsystem unter Druck gesetzt
ist, was passiv das Ventil betätigt.
Im Gegensatz dazu schaltet die Unterdrucksetzung des Spülluftsystems
und die zugeordnete Druckentlastung des Brennstoffsystems das Ventil
um, um den Strom von Spülluft
zu ermöglichen
(Spülen
EIN), und um den Brennstoffkanal mittels der Vorspannfeder 402 zu
schließen.
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Ein
Merkmal des Dreiwegeventils 400 besteht darin, dass ein
Kanal (Brennstoffkanal 404 oder Spülluftkanal 406) des
Ventils vollständig
verschlossen wird, bevor ein anderer Kanal (406 oder 404) durch
das Ventil geöffnet
wird. Das Ventil 400 stellt auch eine blasendichte (Klasse
VI) Dichtung gegen eine Luftleckage zurück in das Flüssigbrennstoffsystem
und gegen eine Flüssigbrennstoffleckage
zurück in
das Spülsystem
bereit.
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Wenn
der Flüssigbrennstoffdruck
niedrig ist (z.B. wenn die Flüssigbrennstoffzuführung ausgeschaltet
ist), wird das Dreiwegeventil 400 in eine Spülluftstellung
vorgespannt 402 und das Ventil führt Spülluft zu den Brennstoffdüsen. Wenn
das Flüssigbrennstoffsystem
Brennstoff an die Brennkammer anlegt, schaltet der Druck des Flüssigbrennstoffes das
Ventil von der Zuführung
von Spülluft
auf die Zuführung
von Flüssigbrennstoff
an die Düsen
um. Da das Ventil durch das Anlegen von Flüssigbrennstoffdruck umgeschaltet
wird, strömt
der Flüssigbrennstoff
unmittelbar nach der Ventilumschaltung zu den Brennstoffdüsen und
es besteht ein minima les Risiko, dass heiße Brennstoffdüsen einen
Verlust sowohl von kühlender
Spülluft
als auch einem kühlendem Flüssigbrennstoffstrom
sehen. Im Gegensatz dazu krankten Systeme, welche ein Zweiwegeventil
verwendeten, das extern bedient wurde, unter einer Verzögerung von
beispielsweise 1 bis 4 Sekunden bei der Umschaltung auf den Spülstrom.
Diese Verzögerung
wurde durch die Verwendung des Dreiwegeventils beseitigt.
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Während Zuständen eines
hohen Flüssigbrennstoffstroms
befindet sich das Ventil 400 in einem aktiven Modus, so
dass Instrumentenluft 412 an die Ventilbetätigungseinrichtung 408 angelegt
wird. In dem aktiven Modus ist kein höherer Flüssigbrennstoffdruck erforderlich,
um das Ventil zu betätigen oder
um es in einer Flüssigbrennstoff-EIN-Stellung zu halten.
Da kein hoher Flüssigbrennstoffdruck
für den
Betrieb des Ventils erforderlich ist, ist die Flüssigbrennstoffpumpe nicht erforderlich,
um einen erheblichen Brennstoffdruck für das Ventil bereitzustellen (wie
es für
bestimmte Rückschlagventile
erforderlich war).