DE60224208T2 - Ausführungs- und steuerstrategie für katalytisches verbrennungssystem mit grossem betriebsbereich - Google Patents

Ausführungs- und steuerstrategie für katalytisches verbrennungssystem mit grossem betriebsbereich Download PDF

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Kawasaki Motors Ltd
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Kawasaki Heavy Industries Ltd
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Description

  • Diese Anmeldung betrifft Systeme zum Steuern von Verbrennung und insbesondere dynamische Echtzeit-Verbrennungssteuersysteme und -verfahren zur Verwendung mit katalytischen Verbrennungsprozessen, insbesondere wenn sie Gasturbinenmotoren betreffen und von diesen genutzt werden.
  • Hintergrund
  • Bei einem herkömmlichen Gasturbinenmotor wird der Motor durch Überwachen der Drehzahl des Motors und Zugeben einer entsprechenden Menge an Kraftstoff zum Steuern der Motordrehzahl gesteuert. Sollte im Einzelnen die Motordrehzahl fallen, wird der Kraftstoffstrom erhöht, wodurch ein Ansteigen der Motordrehzahl hervorgerufen wird. Sollte die Motordrehzahl analog steigen, wird der Kraftstoffstrom gesenkt, was ein Fallen der Motordrehzahl hervorruft. In diesem Fall ist die Motordrehzahl die Steuervariable oder Prozessvariable, die zur Steuerung überwacht wird.
  • Eine ähnliche Motorsteuerstrategie wird verwendet, wenn die Gasturbine mit einem Wechselstromnetz verbunden ist, wobei die Motordrehzahl infolge der Verbindung des Motors mit der Netzfrequenz konstant gehalten wird. In einem solchen Fall kann das Strömen von Kraftstoff insgesamt zu dem Motor so gesteuert werden, dass ein vorgegebener Leistungsabgabewert vorgesehen wird oder auf maximale Leistung läuft, wobei diese Steuerung auf dem Steuern von Abgastemperatur oder Turbineneintritttemperatur beruht. Wenn die Steuervariable über einen Sollwert ansteigt, wird der Kraftstoff wiederum reduziert. Wenn alternativ die Steuervariable unter den Sollwert fällt, wird der Kraftstoffstrom angehoben. Dieser Steuerstrategie ist im Wesentlichen eine Rückkopplungssteuerstrategie, wobei das Kraftstoffsteuerventil basierend auf dem Wert einer Steuer- oder Prozessvariablen verglichen mit einem Sollwert verändert wird.
  • Bei einem typischen Verbrennungssystem unter Verwendung eines Diffusionsflammenbrenners oder eines einfachem mageren vorgemischten Brenners hat die Brennkammer nur ein Einspritzventil. Bei solchen Systemen wird typischerweise ein einziges Ventil zum Steuern des Kraftstoffstroms zum Motor verwendet. In moderneren mageren Vormischsystemen kann es zwei oder mehr Kraftstoffströme zu verschiedenen Teilen der Brennkammer geben, wobei ein solches System somit zwei oder mehr Steuerventile hat. Bei solchen Systemen basiert die Regelung mit Rückführung auf dem Steuern des gesamten Kraftstoffstroms basierend auf der erforderlichen Leistungsabgabe der Gasturbine, während feste (vorab berechnete) Prozentsätze des Stroms zu den verschiedenen Teilen der Brennkammer umgeleitet werden. Der gesamte Kraftstoffstrom ändert sich im Laufe der Zeit. Zudem können die erwünschten Kraftstoffaufteilungsprozentsätze zwischen den verschiedenen Kraftstoffwegen (die zu den verschiedenen Teilen der Brennkammer führen) entweder eine Funktion bestimmter Eingabevariablen sein oder können auf dem Rechenalgorithmus unter Verwendung von Prozesseingaben wie Temperaturen, Luftstrom, Drücke etc. beruhen. Solche Steuersysteme bieten vorrangig aufgrund der sehr breiten Betriebsbereiche dieser herkömmlichen Brennkammern und der Fähigkeit der Turbine, kurzen Spitzen hoher Temperatur ohne Schädigung verschiedener Turbinenbauteile mühelose Steuerung. Zudem kann sich das diesen Brennkammern zugeführte Kraftstoff-/Luftverhältnis über einem breiten Bereich vorteilhaft verändern, wobei die Brennkammer betriebsbereit bleibt. Es können eine große Vielzahl dieser Steuerstrategien eingesetzt werden und eine Reihe derselben wurden in der Literatur beschrieben.
  • Ein ordnungsgemäß betriebenes katalytisches Verbrennungssystem kann erheblich verminderte Emissionswerte, insbesondere von NOx, bieten. Leider können solche Systeme aber ein viel stärker eingeschränktes Betriebsfenster verglichen mit herkömmlichen Diffusionsflammen- oder Mager-Vormisch-Brennkammern haben. Zum Beispiel können Kraftstoff-/Luftverhältnisse über einem bestimmten Grenzwert ein Überhitzen und einen Aktivitätsverlust des Katalysators binnen sehr kurzer Zeit hervorrufen. Zudem muss eventuell die Einlasstemperatur angepasst werden, wenn die Motorlast geändert wird oder wenn sich die Umgebungstemperatur oder andere Betriebsbedingungen ändern.
  • PATENT ABSTRACTS OF JAPAN, Band 012, Nr. 432 (M-763), 15. November 1988 (1988-11-15) & JP 63 163716 A (HITACHI LTD), z. Juli 1988 (1988-07-07) offenbart ein Verfahren zum Steuern eines katalytischen Verbrennungssystems mit einer Luftzufuhr, einem Flammenbrenner, einem stromabwärts des Flammenbrenners angeordneten Einspritzventil und einem stromabwärts des Einspritzventils angeordneten Katalysator sowie einen ein Ventil enthaltenden Stromweg, wobei ein Teil des Kraftstoffs in dem Katalysator verbrennt.
  • Kurzdarlegung
  • Nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern eines katalytischen Verbrennungssystems an die Hand gegeben, welches umfasst: eine Luftzufuhr, einen Flammenbrenner, ein stromabwärts des Flammenbrenners angeordnetes Einspritzventil und einen stromabwärts des Einspritzventils angeordneten Katalysator, einen Strömweg, der ein Ventil enthält, welches einen Teil des Luftstroms so leitet, dass er am Katalysator vorbei strömt, wobei ein Teil des Kraftstoffs im Katalysator verbrennt und ein Rest des Kraftstoffs in dem Bereich stromabwärts des Katalysators verbrennt, wobei es umfasst:
    Bestimmen der adiabatischen Verbrennungstemperatur am Katalysatoreinlass; und
    Anpassen des Luftstroms, der am Katalysator vorbei strömt, um die adiabatische Verbrennungstemperatur am Katalysatoreinlass innerhalb eines vorbestimmten Bereichs zu halten.
  • Nach einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern eines katalytischen Verbrennungssystems an die Hand gegeben, welches umfasst: eine Luftzufuhr, einen Flammenbrenner, ein stromabwärts des Flammenbrenners angeordnetes Einspritzventil und einen stromabwärts des Einspritzventils angeordneten Katalysator, einen Stromweg, der ein Ventil enthält, welches einen Teil des Luftstroms so leitet, dass er am Katalysator vorbei strömt, wobei ein Teil des Kraftstoffs im Katalysator verbrennt und ein Rest des Kraftstoffs in dem Bereich stromabwärts des Katalysators verbrennt, wobei es umfasst:
    Bestimmen der adiabatischen Verbrennungstemperatur am Katalysatoreinlass;
    Messen der Abgastemperatur;
    Berechnen der Abgastemperatur bei voller Last; und
    Anpassen des Luftstroms, der am Katalysator vorbei strömt, um die adiabatische Verbrennungstemperatur am Katalysatoreinlass basierend auf einem vorbestimmten Ablaufplan, der i) die adiabatische Verbrennungstemperatur am Katalysatoreinlass mit ii) der Differenz zwischen der gemessenen Abgastemperatur und der berechneten Abgastemperatur bei voller Last in Beziehung setzt, aufrechtzuerhalten.
  • Weitere Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Die vorstehenden sowie weitere Vorteile der Erfindung werden bei Lesen der folgenden eingehenden Beschreibung und unter Heranziehen der Zeichnungen offensichtlich. Hierbei zeigen:
  • 1 ein Diagramm eines Gasturbinensystems;
  • 2 ein Diagramm eines katalytischen Verbrennungssystems;
  • 3 ein Diagram eines katalytischen Verbrennungssystems mit zugehörigen Temperatur- und Kraftstoffkonzentrationsprofilen;
  • 4 ein Diagramm eines katalytischen Verbrennungssystems mit einem sich ändernden Ort der homogenen Welle nach dem Katalysator;
  • 5A eine Kurvendarstellung von Katalysatoreiniasstemperatur zu Kraftstoff-/Luftverhältnis, das ein Betriebsfensterschaubild für ein katalytisches Verbrennungssystem zeigt;
  • 5B eine Kurvendarstellung von Katalysatoreinlasstemperatur zu Kraftstoff-/Luftverhältnis, das eine Verschiebung des Betriebsfensters für ein katalytisches Verbrennungssystem zeigt;
  • 6 ein Diagramm eines katalytischen Verbrennungssystems mit einem Bypass und einer Entlüftung;
  • 7 ein Diagramm eines katalytischen Verbrennungssystems mit einem Bypass und zugehörigen Temperatur- und Kraftstoffkonzentrationsprofilen;
  • 8 ein Diagramm eines katalytischen Verbrennungssystems mit zugehörigen Temperatur- und Kraftstoffkonzentrationsprofilen und Änderungen des Profils aufgrund von Luftablassen;
  • 9 ein schematisches Diagramm von funktionellen Elementen zur Steuerung des Bypass;
  • 10 ein schematisches Diagramm von funktionellen Elementen zur Steuerung der Entlüftung und des Bypass;
  • 11 ein schematisches Diagramm von funktionellen Elementen für eine vorbekannte Steuerstrategie für ein katalytisches Verbrennungssystem;
  • 12 ein schematisches Diagramm von funktionellen Elementen für eine erfindungsgemäße Steuerstrategie für ein katalytisches Verbrennungssystem
  • 13 ein schematisches Diagramm von funktionellen Elementen für eine erfindungsgemäße Steuerstrategie für ein katalytisches Verbrennungssystem, das Bypass- und Entlüftungssteuerungen enthält;
  • 14 ein schematisches Diagramm von funktionellen Elementen für eine erfindungsgemäße Bypass-Steuerstrategie für ein katalytisches Verbrennungssystem;
  • 15 ein schematisches Diagramm von funktionellen Elementen für eine Entlüftungssteuerstrategie für ein katalytisches Verbrennungssystem; und
  • 16 eine Kurve der Wellenleistung und der gesamten Kraftstoffforderung gegen Zeit, die sich aus den wiederholten Zyklen des Wiederherstellens und Verlierens der homogenen Verbrennungsprozesswelle ergibt.
  • Während die Erfindung für verschiedene Abwandlungen und alternative Formen geeignet ist, wurden in den Zeichnungen spezifische Varianten beispielhaft gezeigt und werden hierin beschrieben. Es versteht sich aber, dass die Erfindung nicht auf die bestimmten, offenbarten Formen beschränkt ist. Vielmehr soll die Erfindung alle Abwandlungen, Entsprechungen und Alternativen abdecken, die in den durch die beigefügten Ansprüche festgelegten Schutzumfang der Erfindung fallen.
  • Eingehende Beschreibung der Erfindung
  • 1 zeigt schematisch ein Beispiel einer typischen bestehenden Gasturbine, die ein katalytisches Verbrennungssystem einsetzt. In diesem System nimmt der Kompressor 1-1 durch eine Kompressortrompete Umgebungsluft 1-2 auf und verdichtet diese Luft auf einen hohen Druck und treibt dann die verdichtete Luft zumindest teilweise durch die Brennkammer 1-3 und dann durch die Antriebsturbine 1-4. Die Brennkammer 1-3 kombiniert Kraftstoff und die Luft und verbrennt dann dieses Gemisch zum Bilden eines heißen Gasstroms hoher Geschwindigkeit, der durch die Turbine 1-4 strömt, die die Leistung zum Antreiben des Kompressors 1-1 und der Last 1-5, beispielsweise eines Generators, vorsieht.
  • 2 ist eine Nahansicht der Brennkammer 1-3 von 1. Wie im Einzelnen in 2 gezeigt wird, ist eine katalytische Brennkammer 2-6 vorgesehen. Die katalytische Brennkammer 2-6 umfasst vier Hauptelemente, die in dem Stromweg der Reihe nach angeordnet sind. Im Einzelnen umfassen diese vier Elemente einen Flammenbrenner 2-20 (der stromaufwärts des Katalysators positioniert ist und ein heißes Gasgemisch 2-7 erzeugt), ein Kraftstoffeinspritz- und Kraftstoffmischsystem 2-8, einen Katalysator 2-10 und eine Brennschlusszone 2-11. Der Flammenbrenner kann in mehrere Zonen unterteilt sein, beispielsweise einen Primärzonen-Vorbrenner und einen Sekundärzonen-Vorbrenner (nicht dargestellt). Die austretenden heißen Gase des Verbrennungssystems strömen in die Antriebsturbine 2-15, die Leistung zum Antreiben einer Last erzeugt. In bevorzugten Ausgestaltungen gibt es zwei unabhängig gesteuerte Kraftstoffströme, wobei wie gezeigt ein Strom 2-24 zu einem Flammenbrenner 2-20 gelenkt wird und der andere Strom 2-25 zu dem Katalysatorkraftstoffeinspritz- und Mischsystem 2-8 gelenkt wird. Wenn mehrere Vorbrennerzonen verwendet werden, dann werden die Kraftstoffströme zu jeder entsprechend gesteuert.
  • Die katalytische Brennkammer 2-6 arbeitet in folgender Weise. Der Großteil der Luft aus dem Gasturbinenkompressorausstoß 2-14 strömt durch den Flammenbrenner 2-20 und den Katalysator 2-10. Der Flammenbrenner 2-20 dient dazu, das Starten der Gasturbine zu unterstützen und die Temperatur der Luft und des Kraftstoffgemisches zu dem Katalysator an dem Ort 2-9 auf einen Wert anzupassen, der die katalytische Verbrennung des Hauptkraftstoffstroms 2-25 unterstützt, der mit den Flammenbrenner-Ausstoßgasen (durch das Katalysatorkraftstoffeinspritz- und Mischsystem 2-25) vor dem Eindringen in den Katalysator 2-10 eingespritzt und gemischt wird. In verschiedenen Ausgestaltungen kann der Katalysator 2-10 entweder aus einem einstufigen oder aus einem mehrstufigen Katalysator bestehen.
  • In dem Katalysator 2-10 kommt es zu einer teilweisen Verbrennung des Kraftstoff-/Luftgemisches, wobei das Gleichgewicht der Verbrennung dann in der Brennschlusszone 2-11 erfolgt (d. h. stromabwärts der Auslassseite des Katalysators 2-10). Typischerweise werden in dem Katalysator 2-10 10%–90% des Kraftstoffs verbrannt. Um den allgemeinen Anforderungen des Gasturbinen-Betriebszyklus, einschließlich Erreichen niedriger Emissionen, gerecht zu werden, während eine gute Katalysatorhaltbarkeit erzielt werden, werden bevorzugt im Katalysator 2-10 20%–70% verbrannt und am bevorzugtesten werden im Katalysator 2-10 etwa 30% bis etwa 60% verbrannt.
  • Die Reaktion eines verbleibenden, nicht im Katalysator verbrannten Kraftstoffs und die Reaktion eines verbleibenden Kohlenmonoxids mit Kohlendioxid erfolgt in der Brennschlusszone 2-11, wodurch vorteilhafterweise höhere Temperaturen erzielt werden, ohne den Katalysator diesen Temperaturen auszusetzen, und sehr niedrige Werte unverbrannter Kohlenwasserstoffe und von Kohlenmonoxid erhalten werden. Nach Erfolgen vollständiger Verbrennung in der Brennschlusszone 2-11 wird dann Kühlluft oder verbleibende Kompressordruckluft in den heißen Gasstrom eingeleitet (d. h. bei 2-15, typischerweise direkt stromaufwärts des Turbineneintrittes). Ferner kann bei Bedarf Luft optional durch die Auskleidungswand 2-27 an einem Ort nahe des Turbineneintrittes 2-15 als Mittel zum Anpassen des Temperaturprofils zu dem von dem Turbinenabschnitt an Ort 2-15 geforderten angepasst werden. Ein solches Lufteinleiten zum Anpassen des Temperaturprofils ist einer der Designparameter für die Arbeitsturbine 2-15. Ein anderer Grund für das Einleiten von Luft durch die Auskleidung 2-27 in dem Bereich nahe der Turbine 2-15 wären Turbinen mit sehr niedrigen Einlasstemperaturen bei 2-15. Zum Beispiel haben einige Turbinen Turbineneintritttemperaturen in dem Bereich von 900 bis 1.100°C, Temperaturen, die zu niedrig sind, um verbleibende unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid innerhalb der Verweilzeit der Brennschlusszone 2-11 vollständig zu verbrennen. In diesen Fällen kann ein signifikanter Teil der Luft durch die Auskleidung 2-27 in dem Bereich nahe der Turbine 2-15 umgelenkt werden. Dies würde die Temperatur im Bereich 2-11 anheben, was somit eine schnelle und vollständige Verbrennung des verbleibenden Kraftstoffs und Kohlenmonoxids ermöglicht. 3 zeigt ein Beispiel eines typischen existierenden Teilverbrennungskatalysatorsystems, das dem in 1 und 2 gezeigten System entspricht. Bei solchen Systemen wird nur ein Teil des Kraftstoffs in dem Katalysator verbrannt und ein erheblicher Teil des Kraftstoffs wird stromabwärts des Katalysators in einer homogenen Postkatalysator-Verbrennungszone verbrannt. Beispiele für Teilverbrennungskatalysatorsysteme und Ansätze für deren Verwendung wurden in früheren Patenten beschrieben, beispielsweise: US-Patent 5 183 401 für Dalla Betta et al.; US-Patent 5 232 357 für Dalla Betta et al.; US-Patent 5 250 489 für Dalla Betta et al.; US-Patent 5 281 128 für Dalla Betta et al. und US-Patent 5 425 632 für Tsurumi et al.
  • Bei der hierin dargelegten Beschreibung solcher Teilverbrennungskatalysatorsysteme werden die folgenden Begriffe wie folgt verstanden:
    • (1) „adiabatische Verbrennungstemperatur" ist die Temperatur eines Kraftstoff- und Luftgemisches, nachdem der gesamte Kraftstoff in dem Gemisch verbrannt wurde, ohne dass thermische Energie an die Umgebung verloren ging, wobei die thermische Energie stattdessen zum Anheben der Temperatur der Komponenten des Gasgemisches verwendet wird.
    • (2) „Kraftstoff-/Luftverhältnis" ist das Verhältnis des gesamten Kraftstoffs zu der gesamten Luft, ausgedrückt entweder als volumetrisches Verhältnis oder als Masseverhältnis. Dieses Verhältnis kann entweder aus der Zusammensetzung eines statischen oder festen Gasgemisches als tatsächliche Mischungszusammensetzung oder aus einem strömenden Gasgemisch als Verhältnis der Ströme von Kraftstoff und Luft berechnet werden.
    • (3) „Postkatalysatorreaktionszone" ist der Teil des Strömwegs direkt stromabwärts des Katalysators, aber vor dem Einleiten von zusätzlicher Luft und vor der Turbine, wo das austretende Gasgemisch eine weitere Reaktion durchlaufen kann.
    • (4) „Zündverzögerungszeit" (TZündung) ist der Zeitraum, da die heißen Gase aus dem Katalysator austreten, bis sie den verbleibenden Kraftstoffanteil vollständig verbrennen.
    • (5) „Homogene Verbrennungszone" oder „homogene Verbrennungsprozesswelle" ist der Bereich stromabwärts des Katalysators, in dem der verbleibende unverbrannte Kraftstoff, der aus dem Katalysator austritt, verbrannt wird.
    • (6) „Abgastemperatur" ist die Temperatur des Gasgemisches, das den Prozess verlässt, nachdem die Arbeit entnommen wurde. Im Fall einer Gasturbine ist dies die Temperatur des Gases direkt stromabwärts der Arbeitsturbinen, die typischerweise mit der Last verbunden sind.
    • (7) „Abgastemperatur-Delta" (AGTdelta) ist die numerische Differenz zwischen der Abgastemperatur zu einem Zeitpunkt und der berechneten Abgastemperatur bei Volllast.
  • In 3 (die eine lineare schematische Darstellung eines typischen Teilverbrennungskatalysatorsystems mit der Gastemperatur und Kraftstoffkonzentrationen an verschiedenen Stellen entlang dem dort darunter gezeigten Strömweg ist) tritt Luft 3-7 in ein Kraftstoffeinspritz- und Kraftstoffmischsystem 3-8 ein, das den Kraftstoff in den strömenden Luftstrom einspritzt.
  • Ein Teil des Kraftstoffs wird in dem Katalysator 3-10 verbrannt, was zu einem Temperaturanstieg des Gasgemisches führt, während es durch den Katalysator 3-10 strömt. Wie ersichtlich ist, hat das aus dem Katalysator 3-10 austretende Gemisch eine erhöhte Temperatur. Dieses Kraftstoff-/Luftgemisch enthält restlichen unverbrannten Kraftstoff, der in der Postkatalysatorreaktionszone 3-11 eine Selbstzündung durchläuft. Im Einzelnen wird der Kraftstoff verbrannt, um die Endreaktionsprodukte CO2 und H2O zu bilden, wobei die Temperatur bei der homogenen Verbrennungsprozesswelle 3-30 auf die Endverbrennungstemperatur 3-31 ansteigt. Die sich ergebenden heißen Gase hoher Energie (in der Postkatalysatorreaktionszone 3-11) treiben dann die Arbeitsturbine (1-4 in 1) und die Last (1-5 in 1) an.
  • Der untere Teil von 3 zeigt eine Kurve, wobei die Gastemperatur an der Ordinate angezeigt ist, die Position entlang der Brennkammer an der Abszisse angezeigt ist und die Position dem linearen Brennraumdiagramm direkt darüber entspricht. Wie ersichtlich ist, zeigt die Gastemperatur einen Anstieg, wenn das Gemisch durch den Katalysator 3-10 strömt. Stromabwärts des Katalysators 3-10 ist die Gemischtemperatur aber über einen gewissen Zeitraum konstant, der als Zündverzögerungszeit 3-32, TZündung, bezeichnet wird, und dann verbrennt der verbleibende Kraftstoff (an der homogenen Verbrennungsprozesswelle 3-30), um die Temperatur weiter anzuheben.
  • 4A, 4B und 4C sind ähnlich zu 3, zeigen aber eine homogene Verbrennungsprozesswelle (4-30) wie folgt an drei verschiedenen Stellen. Wie in 4A gezeigt, liegt die bevorzugte Position der homogenen Verbrennungswelle 4-30 innerhalb des Bereichs direkt stromabwärts des Katalysators 4-10.
  • Die Anmelder haben festgestellt, dass die Position der homogenen Verbrennungsprozesswelle nicht mit einem physikalischen Prozess oder einem festen Flammenhalter verbunden ist, sondern vielmehr eine Funktion von Katalysatorauslassgasbedingungen ist.
  • Erfindungsgemäß werden daher solche Katalysatorauslassbedingungen so gesteuert, dass die Position der homogenen Verbrennungsprozesswelle bei einer bevorzugten Stelle in der Postkatalysatorreaktionszone bewegt und gehalten werden kann. Bevorzugt ist die homogene Verbrennungswelle direkt stromabwärts des Katalysators angeordnet, ist aber nicht so weit stromabwärts, dass eine lange Reaktionszone oder Volumen erforderlich ist. Die Stelle der homogenen Verbrennungsprozesswelle wird durch Anheben der Katalysatorauslasstemperatur, um sie näher zum Katalysator zu bewegen, oder durch Senken der Katalysatorauslasstemperatur, um sie weiter stromabwärts des Katalysators zu bewegen, gesteuert. Auf diese Weise hält das vorliegende Steuersystem den Katalysatorbetrieb vorteilhaft innerhalb eines bevorzugten Betriebsbereichs für gute Katalysatorhaltbarkeit, während niedrige Emissionen beibehalten werden. Wenn im Einzelnen in einem solchen bevorzugten Betriebssystem gearbeitet wird, können die Emissionen von NOx, CO und unverbrannten Kohlenwasserstoffen alle reduziert werden, während die Haltbarkeit des Katalysators gewahrt werden kann.
  • Erfindungsgemäß werden die Bedingungen in dem katalytischen Verbrennungssystem der Gasturbine so gesteuert, dass die Position der homogenen Verbrennungsprozesswelle 4-30 (ähnlich zu 3-3ß von 3) in einer bevorzugten Stelle in der Postkatalysatorreaktionszone gehalten werden kann. 4A zeigt die homogene Verbrennungswelle 4-30, die an einer erwünschten Stelle stromabwärts des Katalysators 4-10 positioniert ist, wobei die tatsächliche Stelle der Verbrennungswelle 4-30 durch die Größenordnung der Zündverzögerungszeit TZündung (siehe 3) gesteuert wird. Wird die Zündverzögerungszeit TZündung länger ausgelegt, bewegt sich die homogene Verbrennungswelle 4-30 stromabwärts hin zur Turbine 4-4, wie in 4B gezeigt wird. Wenn sich die homogene Verbrennungswelle 4-30 zu nahe na die Turbine 4-4 bewegt, dann können der verbleibende Kraftstoff und das Kohlenmonoxid keine Zeit haben, um vollständig zu verbrennen, und die Emissionen sind hoch. Dies stellt für das katalytische Verbrennungssystem eine einschränkende Betriebsbedingung dar. Daher zeigt 4B eine nicht bevorzugte Stelle für die Verbrennungswelle 4-30. Wenn umgekehrt die Zündverzögerungszeit TZündung gesenkt wird, bewegt sich die homogene Verbrennungswelle 4-30 hin zum Katalysator 4-10 und die unverbrannten Anteile des Kraftstoffs haben ausreichend Zeit zur Verbrennung, wodurch niedrige Emissionen von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid erzeugt werden. Dies wird in 4A gezeigt. Die Zündverzögerungszeit TZündung kann aber nicht so stark gesenkt werden, dass sich die homogene Verbrennungswelle 4-30 zu nahe an den Katalysator 4-10 bewegt, wie in 4C gezeigt wird, (oder in den Katalysator 4-10), da dies den Katalysator 4-10 Temperaturen aussetzen würde, die zu hoch für einen effizienten Katalysatorbetrieb sind und zu einer gewissen Minderung seiner Haltbarkeit führen. Daher zeigt 4C eine möglicherweise nicht bevorzugte oder einschränkende Stelle für die Verbrennungswelle 4-30.
  • Erfindungsgemäß wird das katalytische Brennkammersystem so gesteuert, dass die Position der homogenen Verbrennungswelle 4-30 durch Betreiben des Systems an einem Punkt an einem bevorzugten vorbestimmten Ablaufplan von Datenpunkten (d. h. Betriebslinie) innerhalb eines bevorzugten Bereichs gehalten wird, wobei die bevorzugte Betriebslinie durch die Betriebsbedingungen der katalytischen Brennkammer und durch die Katalysatorleistung vorbestimmt wird.
  • In bevorzugten Ausgestaltungen wird die Steuerung der Position der homogenen Verbrennungswelle 4-30 durch Steuern der Prozentsätze (und optional der Gesamtmenge) des zu dem Flammenbrenner (z. B. Kraftstoffleitung 2-24 und Flammenbrenner 2-20 von 2) und dem Kraftstoffeinspritz- und Kraftstoffmischsystem des Katalysators (z. B. Kraftstoffleitung 2-25 und Kraftstoffeinspritzsystem 2-8 von 2) gelieferten Kraftstoffs erreicht. Das Zugeben von Kraftstoff zu 2-24 verbrannte zum Beispiel mehr Kraftstoff in dem Flammenbrenner 2-20 und hebt die Temperatur des Gasgemisches an Ort 2-9 dem Katalysatoreinlass, an. Dies hebt die Temperatur am Katalysatorauslass an und bewegt die Welle stromaufwärts. Das Zugeben von Kraftstoff bei 2-8 ändert das Kraftstoff-/Luftverhältnis bei 2-9, was auch die Welle stromaufwärts verschiebt.
  • Für ein Gasturbinen-/Katalysator-Verbrennungssystem der in 2 gezeigten Art und für einen vorgegebenen Bereich an Systembetriebsbedingungen wie Druck, Luftstrom und Kraftstoffzusammensetzung und für eine spezifische Katalysatorauslegung gibt es ein charakteristisches „Betriebsdiagramm", wobei eine Linie von Punkten an diesem Diagramm eine „Betriebslinie" darstellt, die Bedingungen niedrigster Emissionen entspricht. Ein solches Betriebsliniendiagramm kann zunächst auf unterschiedliche Weise bestimmt werden.
  • Bei einem ersten Vorgehen kann die Katalysatoreinrichtung an der tatsächlichen Gasturbine betrieben werden oder die Gasturbine kann mit Hilfe einer maßstäblichen Brennkammertestanordnung oder mit Hilfe einer verkleinerten Brennkammertestanordnung simuliert werden. Unter Bezug auf 5A wird ein Kraftstoff-/Luftverhältniswert gewählt, so dass er in dem erwünschten Betriebsbereich der Gasturbine an einem Punkt entlang der Abszisse von 5a liegt. Die Katalysatoreinlass-Gastemperatur wird dann durch Zugeben von Kraftstoff zu dem stromaufwärts befindlichen Flammenbrenner angehoben, bis Emissionen und Systemleistung annehmbar sind. Wenn dieses Kraftstoff-/Luftverhältnis innerhalb des Bereichs 5-41 liegt, dann wird die untere Grenze des Bereichs 5-41 durch niedrige Emissionen für CO und UHC festgelegt. Wird die Katalysatoreinlass-Gastemperatur weiter angehoben, dann wird die obere Grenze des Bereichs 5-41 erreicht, wenn die Katalysatormaterial-Betriebstemperatur zu hoch für eine angemessene Haltbarkeit ist. Dieser Prozess kann für mehrere andere Werte des Kraftstoff-/Luftverhältnisses wiederholt werden, und die Grenzen des Bereichs 5-41 können so festgelegt werden. Der tatsächliche bevorzugte Ablaufplan von Betriebslinienpunkten (d. h. der Ablaufplan der bevorzugtesten Betriebsbedingungen) kann dann innerhalb des Bereichs 5-41 durch Berücksichtigen von anderen Variablen wie den Betriebseigenschaften der stromaufwärts befindlichen Flammenbrennkammer oder der Haltbarkeit von stromaufwärts befindlichen Komponenten wie dem Kraftstoff-Luft-Mischer 2-8 in 2 ermittelt werden. Sobald das durch die Linie 5-43, 5-42 und 5-44 (unter Verwendung der Variablen des Kraftstoff-/Luftverhältnisses und der Katalysatoreinlass-Gastemperatur) dargestellte grundlegende Betriebsliniendiagramm von 5A ermittelt ist, kann das Kraftstoff-/Luftverhältnis unter Verwendung bekannter Beziehungen in Brennkammerauslasstemperatur oder Turbineneintritttemperatur oder adiabatische Verbrennungstemperatur umgewandelt werden. Daher wird der Betriebsablaufplan als Katalysatoreinlass-Gastemperatur (T36) gegen Kraftstoff-/Luftverhältnis oder als Katalysatoreinlass-Gastemperatur (T36) gegen errechneter adiabatischer Verbrennungstemperatur (Tad), die berechnet oder gemessen wird, ausgedrückt. Statt durch die Katalysatoreinlass-Gastemperatur (T36) kann der Betriebsablaufplan auch mit Hilfe von Temperatur an Ort 2-7 (T34), die gemessen oder aus der Katalysatoreinlass-Gastemperatur (T36) berechnet werden kann, der Massengasströmrate an Ort 2-7 und dem Kraftstoffstrom 2-25 ausgedrückt werden.
  • Bei einem anderen Vorgehen können das Betriebsfenster und der bevorzugte Betriebslinienablaufplan basierend auf Leistungsmodellen des Katalysators, bei denen die Emissionen und die Katalysatormaterial-Betriebstemperatur berechnet werden, berechnet werden. Daher kann der Betriebsablaufplan so ausgedrückt werden, dass die Temperatur am Katalysatorauslass (T37) oder der Temperaturanstieg über dem Katalysator (T37–T36) an Stelle der Katalysatoreinlass-Gastemperatur (T36), aufgetragen gegen einen der vorstehend gezeigten Parameter, verwendet wird.
  • Bei einem noch anderen Vorgehen können ein Betriebsdiagramm und eine Betriebslinie mit Hilfe von AGT(Abgastemperatur)-delta-Werten und Katalysatoreinlass-Gastemperatur, die aus Messungen an der Gasturbine genommen werden, erzeugt werden. Der AGTt-Wert kann an dem Prozessauslass (d. h. stromabwärts der Turbine 1-4) gemessen werden. Der Wert AGT-Volllast-t kann dann berechnet werden, und der Wert AGT deltat kann durch Subtrahieren von AGTt von AGTVolllast-t berechnet werden. Somit wird der Betriebsablaufplan als Katalysatoreinlass-Gastemperatur (T36) gegen AGT delta ausgedrückt; die Temperatur an dem Ort 2-7 (T34) gegen AGT delta; die Temperatur am Katalysatorauslass (T37) oder der Temperaturanstieg über dem Katalysator (T37-T36) gegen AGT delta; oder das Kraftstoff-/Luftverhältnis gegen AGT delta.
  • Bei diesem Vorgehen wird der Katalysator bei verschiedenen Lasten betrieben, und Messungen erfolgen am Katalysator, um sicherzustellen, dass er sich in einem optimalen Betriebsregime befindet und dass niedrige Emissionen erreicht werden. Dann werden AGTt, AGT deltat und AGTVolllast-t gemessen oder berechnet. Dies wird über dem Betriebslastbereich wiederholt, um die Betriebslinie zu ermitteln. Ein alternatives Vorgehen ist das Verwenden der thermodynamischen Zyklussimulation der Gasturbine und der Luftaufteilungen des Brennkammersystems, um das Kraftstoff-/Luftverhältnis des Katalysators und das AGT delta tatsächlich zu berechnen. Dies kann über dem Betriebslastbereich erfolgen, um die Betriebslinie festzulegen.
  • Bei einem anderen Vorgehen wird der Betriebsablaufplan entweder als Katalysatoreinlass-Gastemperatur (T36), Temperatur an dem Ort 2-7 (T34), Temperatur am Katalysatorauslass (T37) oder Temperaturanstieg über dem Katalysator (T37–T36) gegen der Turbineneintritttemperatur oder deren Entsprechungen, die gemessen oder berechnet werden, ausgedrückt. Die Turbineneintritttemperatur kann mit Hilfe eines Thermoelements durch direkte Messung oder mit optischer Pyrometrie ermittelt werden. Beispielsweise kann ein Ultraviolettsensor wie eine auf UV-Strahlung ansprechende Siliziumcarbid-Halbleiter-Photodiode verwendet werden. Auch kann die Turbineneintritttemperatur durch Erhalten der Temperatur eines bestimmten Turbinenorts entweder durch direkte Messung oder Berechnung und dann Rückberechnen des Werts für die Turbineneintritttemperatur ermittelt werden. Die Berechnung umfasst andere Eingaben wie Kraftstoffstrom, EinlassLuftstrom und Umgebungstemperatur. Bestimmte Turbinenorte für Temperaturmessung umfassen Turbinenauslasstemperatur oder Abgastemperatur, einen mittleren Ort der Turbine, aber stromaufwärts des Auslasses, beispielsweise zwischen einem Turbinenrotor und -stator, und ein Ort zwischen der Gasgeneratorturbine und der Arbeitsturbine in einer Doppelwellenturbine, sind aber nicht hierauf beschränkt.
  • Es versteht sich, dass erfindungsgemäß ein „Betriebsdiagramm" zum Veranschaulichen der Beziehung zwischen zwei Systemvariablen verwendet werden kann, das effektiv das korrekte Betriebsregime für den Katalysator und den Postkatalysator-Verbrennungsbereich festlegt, wobei die Betriebslinie an diesem Diagramm Bedingungen niedrigster Emissionen und guter Systemhaltbarkeit entsprechen.
  • Wie vorstehend erläutert veranschaulicht in einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung das „Betriebsdiagramm" die Beziehung zwischen der Katalysatoreinlass-Gasmischungstemperatur (entlang der Y-Achse gezeigt) und dem Kraftstoff-/Luftverhältnis (entlang der X-Achse gezeigt) des Gemisches an dem Katalysatoreinlass. Erfindungsgemäß können Katalysatoreinlass-Gastemperatur und Kraftstoff-/Luftverhältnis in einer bevorzugten Beziehung gehalten werden, so dass das System in dem Niedrigemissionsbereich 5-41 arbeitet, wie in 5A gezeigt wird. Am bevorzugtesten wird die Systemsteuerung bevorzugt durch Betreiben des Systems an Stellen entlang der bevorzugten Betriebslinie 5-42 gehalten. In bevorzugten Ausgestaltungen wird bei jedem vorgegebenem Kraftstoff-/Luftverhältnis das System so betrieben, dass die Katalysatoreinlass-Gastemperatur bei (oder nahe) einem Wert entlang der Betriebslinie 5-42 gehalten wird.
  • Das andere bevorzugte Vorgehen, bei dem die Betriebslinie 5-42 selektiv durch Festlegen einer bevorzugten Beziehung zwischen adiabatischer Verbrennungstemperatur (Tad) und Katalysatoreinlass-Gastemperatur bestimmt wird, wird nun erläutert. Die Brennkammerauslasstemperatur kann aus der Katalysatoreinlass-Gastemperatur und der Zusammensetzung des Kraftstoff-/Luftgemisches am Katalysatoreinlass unter der Annahme, dass der gesamte Kraftstoff verbrannt wird, berechnet werden. Unter Bezug auf 2 kann die Katalysatoreinlass-Gastemperatur an Ort 2-9 und das Kraftstoff-/Luftverhältnis an Ort 2-9 zum Berechnen der Temperatur an Ort 2-11 unter der Annahme, dass der gesamte Kraftstoff verbrannt wird, verwendet werden. Diese Temperatur wird als die adiabatische Verbrennungstemperatur oder manchmal als die adiabatische Flammentemperatur bezeichnet, wie durch Felder und Rousseau, Seite 4–4 (R. M. Felder und R. W. Rousseau, „Elementary Principles of Chemical Processes", John Wiley and Sons, New York, 1978) beschrieben wird. Diese Berechnung, die in dieser Schrift vollständig beschrieben wird, nutzt die bekannte Verbrennungswärme des Kraftstoffs oder der Kraftstoffbestandteile, die Wärmekapazitäten der Bestandteile des Gasgemisches, die Zusammensetzung des Gasgemisches und die Temperatur des Gasgemisches, um die Gastemperatur nach der vollständigen Verbrennung des Kraftstoffs und Freisetzung der Verbrennungswärme in das Gasgemisch zu bestimmen. Diese Gastemperatur wird als adiabatische Verbrennungstemperatur bezeichnet, da sie der Temperaturanstieg von der adiabatischen Freisetzung der Verbrennungswärme ist (adiabatisch bedeutet, dass keine Wärme an externe Komponenten verloren geht, sondern vollständig von dem Gasgemisch aufgenommen wird, um dessen Temperatur anzuheben). Bei einer vorgegebenen Katalysatoreinlass-Gastemperatur und einem vorgegebenen Kraftstoff-/Luftverhältnis des Gemisches, führt diese Berechnung zu einer einzigartigen adiabatischen Verbrennungstemperatur, die als Tad bezeichnet. Somit kann ein Diagramm wie 5A neu gezeichnet werden, wobei die horizontale Achse jetzt die adiabatische Verbrennungstemperatur Tad ist und die Betriebslinie 5-42, 5-43 und 5-44 die Katalysatoreinlass-Gastemperatur zur adiabatischen Verbrennungstemperatur des Gasgemisches in Beziehung setzt.
  • Statt Verwendung einer berechneten Temperatur an Ort 2-11 in 2 kann die tatsächliche Temperatur in Berech 2-11 gemessen werden, nachdem der aus dem Katalysator austretende verbleibende Kraftstoff mit Hilfe verschiedener Mittel wie Thermoelemente, optische Sensoren und andere Vorrichtungen verbrannt wurde. Zudem kann eine Temperatur weiter stromabwärts im Prozess gemessen werden und dann kann die Brennkammerauslasstemperatur unter der Annahme von Temperaturverlusten in den dazwischen liegenden Stufen berechnet werden. Zum Beispiel kann die Temperatur an dem Turbineneintritt 2-15 gemessen und dann im Hinblick auf jedes zusätzlichen Musters oder auf Kühlluft korrigiert werden, um die Temperatur an Ort 2-11 zu schätzen.
  • Die adiabatische Verbrennungstemperatur an Ort 2-11 in 2 kann ebenfalls aus der Temperatur des Gasstroms an Ort 2-14, dem Luftstrom durch die Brennkammer an Ort 2-9 und der Summe der Kraftstoffeingaben bei 2-24 zu dem Flammenbrenner 2-20 und der Kraftstoffeingabe 2-25 zu dem Kraftstoff-Luft-Mischer 2-8 berechnet werden. Somit kann die erwünschte Betriebslinie für den Prozess als funktionelle Beziehung zwischen: (a) der adiabatischen Verbrennungstemperatur an Ort 2-11, die aus der Gastemperatur bei 2-14 berechnet wird, dem Luftstrom durch Ort 2-9 und der gesamten Kraftstoffversorgung des Prozesses und (b) der Temperatur am Katalysatoreinlass, Ort 2-9, festgelegt werden.
  • Jede der vorstehend beschriebenen funktionellen Beziehungen nutzt die Gastemperatur am Katalysatoreinlass, Ort 2-9 in 2. Diese funktionelle Beziehung kann aber bezüglich der Temperatur an Ort 2-7 festgelegt werden, wobei die Temperatur an Ort 2-9 berechnet werden kann aus: (a) der an Ort 2-7 gemessenen Temperatur, (b) der Massegasstromrate an Ort 2-7, (c) dem Kraftstoffstrom 2-25 und (d) der an Ort 2-25 gemessenen Temperatur. Wenn alternativ das Betriebsfenster und die Betriebslinie durch auf dem Gasturbinensystem ausgeführte Tests festgelegt wird, können die tatsächlichen Werte am Auslass des Flammenbrenners, Ort 2-7, gemessen werden.
  • Für den Fachmann gibt es zahlreiche andere Möglichkeiten, die Grundbeziehung von Katalysatoreinlass-Gastemperatur und Kraftstoff-/Luftverhältnis des Katalysatoreinlasses, die durch die Betriebslinie 5-43, 5-42 und 5-44 in 5A gezeigt wird, auszudrücken. Es versteht sich, dass alle diese im Wesentlichen ähnlichen Beziehungen hierin aufgenommen werden und die vorliegende Steuerstrategie nicht auf die hierin beschriebenen alternativen Vorgehen zum Ausdrücken der funktionellen Beziehung der bevorzugten Betriebslinie beschränkt ist.
  • Die Gasturbinenleistungsabgabe oder die Abgastemperatur stromabwärts der Arbeitsextraktionsturbine ist ein guter Indikator für das Kraftstoff-/Luftverhältnis am Katalysator. Dies ermöglicht vorteilhaft die Festlegung einer Betriebslinie, die Turbinenlast mit Katalysatoreinlass-Gastemperatur oder Abgastemperatur mit Katalysatoreinlass-Gastemperatur in Beziehung setzt. Dies ist um so überraschender, wenn man bedenkt, dass die Abgastemperatur in keiner festen Beziehung zum Kraftstoff-/Luftverhältnis oder der adiabatischen Verbrennungstemperatur des Gemisches am Katalysatoreinlass steht, da der Temperaturabfall bei Strömen der heißen Gase durch die Antriebsturbine (1-4 von 1) eine Funktion der Last, des der Luftmasse, der Leistungsfähigkeit der Turbine und anderer Variablen ist.
  • Weiterhin haben die Anmelder festgestellt, dass die Abgastemperatur delta (AGT delta) zum Vorgeben des Betriebs an einem bevorzugten Punkt an einer Betriebslinie verwendet werden kann. AGT delta zur Zeit t ist als die berechnete Abgastemperatur bei Volllast zur Zeit t – (AGTVolllast-t) minus dem Abgastemperaturwert zur Zeit t (AGTt) festgelegt und ausgedrückt als: AGT deltat = AGTVolllast-t – AGTt
  • Die Abgastemperatur bei Volllast (AGTVolllast-t) kann aus aktuellen Betriebsparametern wie Umgebungstemperatur und Umgebungsdruck bei einer Zeit t berechnet werden und stellt die erwartete Abgastemperatur dar, wenn die Turbine bei Volllast (100% Last) läuft. Die aktuelle Abgastemperatur (AGTt) ist der Messwert der Abgastemperatur zu einer beliebigen Zeit t. Die Subtraktion dieser Werte ergibt das AGT deltat zur Zeit t.
  • Entsprechend diesem Steuersystem werden Betriebsbereichdiagramme wie 5A für verschiedene Turbinenbetriebsphasen konstruiert. Zum Beispiel wäre während des Anlaufens einer Gasturbine der Druck im Brennraum nahe dem Umgebungsdruck oder dem Druck am Turbinenlufteinlass. Ein Diagramm wie das in 5A ist für diese allgemeine Betriebsbedingung entwickelt. Analog können Betriebsdiagramme zur andere Betriebsphasen erzeugt werden, bei denen die Bedingungen der Turbine und des katalytischen Verbrennungsprozesses recht unterschiedlich sind. Diese Reihe von Diagrammen werden dann zum Erzeugen eines als Betriebslinie bezeichneten sicheren Betriebsregimes für die Prozesssteuerung verwendet, um den gesamten Betrieb vom Start bis zu voller Leistung oder Volllast abzudecken. Diese Betriebslinie kombiniert die Anforderungen des Prozesses für korrekten Betrieb Eine Gasturbine zum Beispiel hat bestimmte Leistungsanforderungen, um an einem vorgegebenen Punkt in ihrem Zyklus zu arbeiten. Das Starten des Motors erfordert gewisse Verbrennungsenergie, und dieser Verbrennungsenergiebedarf ändert die Drehzahl. Der Betrieb bei Leerlauf, d. h. Laufen bei der erforderlichen Turbinenrotordrehzahl und Erzeugen keiner Leistungsabgabe, erfordert ein gewisses Maß an Kraftstoffverbrennung. Erfindungsgemäß wird eine Betriebslinie bevorzugt basierend auf dem Motorkraftstoffbedarf in jedem Bereich des Turbinenbetriebs erzeugt.
  • Erfindungsgemäß können Betriebsbereichdiagramme theoretisch basierend auf Modellen der Katalysatorleistung oder auf tatsächlichen Tests des Katalysators in Testsystemen mit verkleinertem Maßstab oder in vollem Maßstab erzeugt werden. Alternativ kann die Betriebslinie durch Ausprobieren aus Motortests entwickelt werden, wobei die Betriebsgrenzen des Katalysators allgemein bekannt sind und der Motorkraftstoffplan durch Motortests aufgestellt wird. Dieses letztere Vorgehen erfordert ein gewisses Maß an Daten aus den Katalysatorleistungsmessungen, um zu bestimmen, ob sich der Katalysator innerhalb seiner „sicheren Betriebszone" befindet.
  • Das Ergebnis ist eine Steuersystem-Betriebslinie oder ein Steuersystem-Plan, wobei das Steuersystem mittels Vorwärtsregelungs- und Rückführungsregelungsprinzipien arbeitet, um eine zulässige Katalysatoreinlass-Gastemperatur und einen zulässigen Bereich des Kraftstoff-/Luftverhältnisses für verschiedene Punkte in dem Gasturbinenbetrieb festzulegen, wobei der Steuergerätplan aus zulässigen Gastemperaturen für ein vorgegebenes Kraftstoff-/Luftverhältnis am Katalysatoreinlass besteht.
  • Zurück zu 5A schließen die Grenzen 5-40 einen Bereich 5-41 ein. Es hat sich an jedem Punkt in dem Bereich 5-41 gezeigt, dass das katalytische Brennkammersystem niedrige Emissionen aufweist. Demgemäß ist der Systembetrieb innerhalb des Bereichs 5-41 bevorzugt. Es versteht sich aber, dass der Katalysator und die Gasturbine auch in dem Bereich 5-45 (d. h. außerhalb des Bereichs 5-41 niedriger Emissionen) betrieben werden können. Dies kann insbesondere über kurze Zeiträume während des Startens der Gasturbine oder bei sehr niedriger Last notwendig sein.
  • Erfindungsgemäß wird das System so gesteuert, dass der Betrieb bevorzugt innerhalb des Betriebsfensters des Bereichs 5-41 ausgeführt wird. Noch bevorzugter ist aber, dass der Systembetrieb an einer Stelle entlang der Betriebslinie 5-42 ausgeführt wird. Erfindungsgemäß wird der Systembetrieb bevorzugt an Punkten entlang der Linie 5-42 (d. h. innerhalb des Bereichs 5-41) oder an Punkten entlang der Linien 5-43 oder 5-44 (d. h. außerhalb des Bereichs 5-41) ausgeführt. Der Betrieb entlang der Linie 5-42 ist im Wesentlichen ein Betrieb gemäß einem Plan, da die Linie 5-42 einen Plan vorbestimmter Punkte beschreibt, der die Katalysatoreinlass-Gastemperatur und das Kraftstoff-/Luftverhältnis des Katalysatoreinlasses in Beziehung setzt.
  • Auch wenn der Betrieb in dem Bereich 5-41 erwünscht ist, da er niedrige Emissionen bietet, ist es eventuell nicht immer möglich, in diesem Bereich zu arbeiten. Während des Startens der Gasturbine oder während Betrieb bei niedriger Last kann die Turbine zum Beispiel einen Betrieb des Katalysators innerhalb des Bereichs 5-45 erfordern. Der Betrieb an den Linien 5-43 in Bereich 5-45 wird durch die niedrigsten erreichbaren Emissionen und durch andere Faktoren wie sicherer Betrieb des Katalysators für gute Katalysatorhaltbarkeit festgelegt. Dementsprechend ist das Arbeiten an Punkten entlang der Betriebslinien 5-43 (die Verlängerungen der Betriebslinie 5-42 sind) somit ein Betrieb bei den bevorzugten Betriebsbedingungen innerhalb des Bereichs 5-45. Zusammen bilden die Linien 5-43, 5-42 und 5-44 somit eine bevorzugte Betriebslinie (d. h. bevorzugte Systembedingungen) für den Katalysator für die bestimmte Gasturbine.
  • In bevorzugten Ausgestaltungen können die verschiedenen Grenzen des bevorzugten Betriebsfensters (d. h. die Grenzen zwischen dem Bereich 5-41 und dem Bereich 5-45 und dem Bereich über der Linie 5-40) durch experimentelle Tests ermittelt werden oder sie können durch halbempirische Modelle des Katalysators oder des verwendeten katalytischen Verbrennungssystems geschätzt werden. Solche Testergebnisse können zum Festlegen der Grenzen zwischen dem Betriebsbereich 5-45 hoher Emissionen und dem Betriebsbereich 5-41 niedriger Emissionen verwendet werden und können auf Leistungsspezifikationen wie Sollemissionswerte, maximale Betriebstemperaturen und anderen Faktoren beruhen.
  • Erfindungsgemäß wird das katalytische Verbrennungssystem so gesteuert, dass es innerhalb des Bereichs 5-41 arbeitet, wobei das Verbrennungssystem vorteilhaft niedrige Emissionen erreicht, wobei der Katalysator die erforderliche Haltbarkeit für industrielle Anwendung aufweist.
  • Es versteht sich, dass in den Fällen, da das vorliegenden System so gesteuert wird, dass es bei einer Kombination von Katalysatorgaseinlasstemperatur und Kraftstoff-/Luftverhältnis außerhalb der Grenzwerte der Grenzen 5-40 (d. h. innerhalb Bereich 5-45) arbeitet, dann eine gewisse Leistungsspezifikation eventuell nicht erfüllt wird (beispielsweise Temperaturgrenzwert, Systemhaltbarkeit, Emissionen etc.). Dies kann während manchen Teilen des Betriebszyklus erforderlich sein, zum Beispiel bei Starten, Abschalten oder während Teillastbetrieb oder Notbetrieb, es kann erforderlich sein, das System im Bereich 5-45 zu betreiben. Es versteht sich, dass auch wenn der Betrieb in Bereich 5-45 eventuell nicht die Emissionsanforderungen erfüllt oder eventuell gewisse andere Brennkammersystemspezifikation nicht erfüllt, dieser Betrieb die Katalysatorhaltbarkeit nicht nennenswert verschlechtert.
  • Es versteht sich, dass das Kurvenblatt von 5A allgemeine charakteristische funktionelle Beziehungen zeigt und dass die bestimmten Orte der Linien an der Kurve (d. h. Grenzen 5-40 und Linien 5-42, 5-43 und 5-44) typischerweise aus empirischen Tests oder theoretischer Analyse unter festgelegten Turbinenbetriebsphasen des Startens, Leerlauf, Hochfahren und betrieb bei verschiedenen Lastwerten gewonnen werden. Somit haben unterschiedliche Gasturbinensysteme mit unterschiedlichen Katalysatorauslegungen unterschiedliche Betriebsdiagramme, doch im Allgemeinen erscheinen die Betriebsdiagramme ähnlich zu dem in 5A gezeigten. Gemäß dem vorliegenden Steuersystem wird das Brennkammer-/Katalysatorsystem bevorzugt bei oder nahe einem bevorzugten Satz an Betriebsbedingungen betrieben, die einem Punkt an der Betriebslinie 5-42, 5-42 oder 5-44 entsprechen.
  • 5A zeigt die Betriebslinie als Beziehung zwischen der Katalysatoreinlass-Gastemperatur und dem Kraftstoff-/Luftverhältnis an dem Katalysatoreinlass. Die Katalysatoreinlass-Gastemperatur kann gemessen werden. Das Kraftstoff-/Luftverhältnis kann entweder gemessen werden oder es kann aus anderen Messparametern berechnet werden oder es kann aus anderen Parametern der Gasturbine wie Turbinendrehzahl, Druck auf Auslass des Kompressors, Umgebungstemperatur und Umgebungsdruck und anderen Parametern geschätzt werden. Alternativ können das Betriebsdiagramm und die Betriebslinie so konstruiert werden, dass sie die Katalysatoreinlass-Gastemperatur und AGT delta wie vorstehend erläutert in Beziehung setzen.
  • Wie vorstehend dargelegt versteht sich, dass 5A lediglich beispielhaft für ein bevorzugtes Betriebsdiagramm ist (das die Beziehung zwischen der Katalysatoreinlass-Gastemperatur und dem Kraftstoff-/Luftverhältnis festlegt). Alternativ können das Betriebsdiagramm und die Betriebslinie auch als Beziehung zwischen Katalysatoreinlass-Gastemperatur und adiabatischer Verbrennungstemperatur (Tad) am Brennkammerauslass festgelegt werden. Eine dritte Alternative ist das Festlegen des Betriebsdiagramms und der Betriebslinie als Brennkammereinlasstemperatur und das Aufteilen von Kraftstoff zu jedem dieser Abschnitte der Gasturbine, da diese Werte zum Ableiten der Katalysatoreinlasstemperatur und des Kraftstoff-/Luftverhältnisses am Katalysatoreinlass verwendet werden können. Bei einer anderen Alternative können das Betriebsdiagramm und die Betriebslinie als Beziehung zwischen Katalysatoreinlass-Gastemperatur und AGT oder AGT delta festgelegt werden. Bei einem noch anderen Vorgehen können das Betriebsdiagramm und die Betriebslinie als Beziehung zwischen der Katalysatoreinlass-Gastemperatur und der Turbineneintritttemperatur oder deren Entsprechungen festgelegt werden. Natürlich kann der Betriebsplan statt durch die Katalysatoreinlass-Gastemperatur (T36) auch mit Hilfe der Temperatur an dem Ort 2-7 (T34), der Temperatur am Katalysatorauslass (T37) oder dem Temperaturanstieg über dem Katalysator (T37–T36) ausgedrückt werden. Der Fachmann wird in der Lage sein, eine beliebige Anzahl anderer alternativer Verfahren zum Festlegen der Betriebslinie und beim Entwickeln von Verfahren zum Berechnen oder Schätzen dieser Werte zu ermitteln.
  • In jedem Fall dient das Steuersystem zum Anpassen der Kraftstoffaufteilung in der Brennkammer, so dass die Katalysatoreinlass-Gastemperatur und das Kraftstoff-/Luftverhältnis des Katalysatoreinlasses jederzeit an oder so nahe wie möglich an der Betriebslinie 5-43, 5-42 und 5-44 liegt. Dies sieht den erwünschten bevorzugten Betrieb vor.
  • In den Ausgestaltungen der Erfindung, bei denen eine Betriebslinie von Kraftstoff-/Luftverhältnis gegen Katalysatoreinlass-Gastemperatur verwendet wird, kann das Kraftstoff-/Luftverhältnis durch Überwachen des Kraftstoffstroms zu dem Einspritzventil und des Luftstromes zur Brennkammer ermittelt werden. Der Luftstrom zur Brennkammer kann wiederum durch Messen des Druckabfalls über der Einlasstrompete des Kompressors, 1-1 in 1, ermittelt werden.
  • In den Ausgestaltungen der Erfindung, bei denen die Betriebslinie von adiabatischer Verbrennungstemperatur gegen Katalysatoreinlass-Gastemperatur verwendet wird, kann die adiabatische Verbrennungstemperatur durch Überwachen des gesamten Kraftstoffstroms zu der Brennkammer, des gesamten Luftstromes zur Brennkammer und der Temperatur des in die Brennkammer eindringenden Gases ermittelt werden. Alternativ kann Tad durch Überwachen des Kraftstoffstroms zum Einspritzventil stromaufwärts des Katalysators, des gesamten Luftstromes zur Brennkammer und der Temperatur des in das Einspritzventil eindringenden Gases ermittelt werden. Wiederum kann der Luftstrom zu der Brennkammer erneut durch Messen des Druckabfalls über der Einlasstrompete des Kompressors ermittelt werden.
  • Die Leistung eines Katalysators oder von anderen Bestandteilen des Verbrennungssystems oder der Turbine in einem katalytischen Verbrennungssystem ändert sich im zeitlichen Verlauf. Folglich entspricht ein Betriebsdiagramm (wie in 5A gezeigt) nur bevorzugten Betriebsbedingungen bei einem bestimmten Katalysatorzustand. Anders ausgedrückt: wenn ein Katalysator mit der Zeit schlechter wird, pflegt sich der Plan an Datenpunkten, die die bevorzugte Betriebslinie bilden (d. h. die bevorzugten Bedingungen, bei denen das System zum Minimieren von Emissionen betrieben wird) entsprechend zu ändern (d. h. Verschiebung der Position an dem Betriebsdiagramm). Zudem können die Leistungseigenschaften des Katalysatorsystems ebenfalls durch die Betriebsbedingungen der Turbine und durch die Umgebungsbedingungen wie Lufttemperatur und -druck beeinflusst werden.
  • Es kann ein System zum Steuern des Betriebs eines katalytischen Verbrennungssystems durch Überwachen der Änderung der Leistung eines Katalysators im zeitlichen Verlauf und dann Ändern des Systembetriebs zu einer neuen Betriebslinie an die Hand gegeben werden. Im Einzelnen gibt die vorliegende Auslegung in bevorzugten Ausgestaltungen ein Steuersystem an die Hand, das zum Korrigieren einer Änderung der Leistung eines Katalysators durch Überwachen seiner Leistungsänderung und dann Verschieben des Systembetriebs zu einem Punkt an einer neuen Betriebslinie ausgelegt ist, um dadurch die erwünschte optimale emissionsarme Leistung des Katalysators und des katalytischen Verbrennungssystems beizubehalten. Es gibt eine Reihe von Verfahren zum Überwachen der Leistungsänderung. Ein Verfahren umfasst das Überwachen des Orts der homogenen Verbrennungsprozesswelle. Bei diesem Verfahren werden die Betriebsbedingungen regelmäßig angepasst, um die homogene Verbrennungswelle von Ort 4-30A zu 4-30C zu bewegen, wie in 4 ersichtlich ist. Die Anpassungen können eine Anhebung der Vorbrenner-Betriebstemperatur, eine Anhebung des Bypass-Luftstromes oder eine Anhebung der Entlüftungsluftmenge sein. Die bestimmten Betriebsbedingungen, die die homogene Verbrennungswelle zu 4-30C bewegen, werden aufgezeichnet und mit zuvor aufgezeichneten Betriebsbedingungen verglichen, um eine Leistungsänderung zu ermitteln. Andere Verfahren zum Überwachen der Leistungsänderung können das Überwachen der Katalysatorauslass-Gastemperatur, des Temperaturanstiegs über dem Katalysator 3-10 oder des Anteils an Kohlenwasserstoffen, die durch den Katalysator 3-10 reagiert werden, umfassen.
  • Es gibt eine Reihe von Bedingungen, die eine Änderung der Betriebslinie hervorrufen würden. Zum Beispiel kann sich die Katalysatoraktivität oder -leistung aufgrund der Alterung des Katalysators, Deaktivierung des Katalysators durch eine Verunreinigung oder andere Phänomene ändern.
  • Eine andere Bedingung, die eine Änderung der Betriebslinie hervorrufen würde, ist eine Änderung der Kraftstoffzusammensetzung. Dies würde die Zündverzögerungszeit ändern. Zum Beispiel kann ein typisches Erdgas eine Zündverzögerungszeit, wie in 3 als 3-32 gezeigt, in einem Sollbereich aufweisen, so dass die Solleistung, zum Beispiel die Sollbrennkammerauslasstemperatur und die Emissionen des Katalysators und des Brennkammersystems erreicht werden. Wenn aber die Konzentration höherer Kohlenwasserstoffe, beispielsweise Propan oder Butan, in dem Kraftstoff ansteigt, dann wird die Zündverzögerungszeit 3-32 kürzer. Dies kann den Systembetrieb außerhalb des bevorzugten Betriebsbereichs 5-41 von 5A bewegen. Im Einzelnen kann die homogene Reaktionsprozesswelle zu nahe am Katalysator sein und die Katalysatorhaltbarkeit kann negativ beeinflusst werden.
  • Eine noch andere Bedingung, die eine Änderung der Betriebslinie verursachen würde, ist die Alterung oder der Verschleiß von Turbinenbestandteilen, so dass sich die Turbinensystemspezifikationen im zeitlichen Verlauf ändern. Zum Beispiel kann der Turbinenkompressor durch Verunreinigungen in der Einlassluft verschmutzt werden, was eine Abnahme des Luftstromes und eine Anhebung der Kompressoraustritttemperatur hervorruft. Wird das Kraftstoff-/Luftverhältnis mit Hilfe eines geschätzten Luftstromes aus Kompressordrehzahl und Umgebungsbedingungen ermittelt, dann ist der geschätzte Luftstrom inkorrekt und die scheinbare Betriebslinie hat sich bewegt.
  • Während die vorstehend beschriebenen drei Wirkungen lediglich Beispiele sind, zeigen sie jeweils, dass das vorliegende System des optionalen regelmäßigen Überwachens des Betriebs des katalytischen Verbrennungssystems und dann des Änderns der Systembetriebsbedingungen zu einer „neuen" oder „berichtigten" Betriebslinie erwünscht ist. Bei Heranziehen der nachstehenden Tabelle A gibt es zum Beispiel drei Betriebslinien von AGT delta gegen geforderte Temperatur an Ort 2-7, auch als T34 bekannt, für drei unterschiedliche Aktivitätswerte (1, 2 oder 3). Die Aktivität ist in diesem Beispiel die Katalysatoraktivität, die den „überwachten Kriterien" entspricht, in diesem Fall dem erforderlichen T34 zum Erreichen eines bestimmten homogenen Verbrennungswellenorts bei einem vorgegebenen Tad. Tabelle A
    Abläufe dAGT gegen T34
    % Last dAGT (°C) T34 Forderung 1 (°C) T34 Forderung 2 (°C) T34 Forderung 3 (°C)
    100 0 500 505 510
    90 35 505 510 515
    80 70 510 515 520
    70 105 520 525 530
    60 140 530 535 540
    50 175 555 560 565
    40 210 580 585 590
    30 245 605 610 615
    20 280 650 650 650
    10 315 650 650 650
    FSNL 350 650 650 650
  • Steuerung eines katalytischen Verbrennungssystems mit einem Bypass- und/oder Entlüftungssystem
  • Das vorstehend beschriebene Steuersystem ist ein grundlegendes Steuersystem mit einer festen Betriebslinie oder einem festen Satz von Betriebslinien, die die Betriebsarten der Gasturbine abdecken. Eine Beschränkung des Grundsystems ist die feste Beziehung zwischen der Leistungsabgabe des Motors und dem Tad der Brennkammer. Wenn Last gesenkt wird, mindert der Motor den gesamten Kraftstoffstrom zu der Brennkammer. Wenn der gesamte Kraftstoffstrom gesenkt wird, sinkt die Temperatur in der Postkatalysatorreaktionszone und es wird sehr schwierig, den verbleibenden Kraftstoff und insbesondere das CO zu verbrennen und die erwünschten Emissionswerte zu erreichen. Diese Beschränkung ist eine von vielen Faktoren, die den emissionsarmen Betriebsbereich der katalytischen Brennkammer bestimmen. Ein Bypass- und/oder Entlüftungssystem und das zugehörige Steuersystem würden diese Beschränkung aufheben und können den emissionsarmen Betriebsbereich erheblich verbessern. In 6 wird ein Bypass-System gezeigt. Das Bypass-System 6-39 entzieht einem Bereich nahe dem Flammenbrennkammereinlass 6-21 Luft und spritzt die Luft in einem Bereich 6-13 stromabwärts der Postkatalysatorreaktionszone 6-11, aber stromaufwärts des ArbeitsTurbineneintrittes 6-15 ein. Bypassluft kann auch am Auslass des Kompressors, an jedem Ort zwischen dem Kompressoraustritt und dem Flammenbrenner oder stromabwärts des Flammenbrenners entnommen werden. Die Bypassluftmenge kann durch einen Durchflussmengenmesser 6-41 gemessen und durch Ventil 6-40 gesteuert werden. Der Bypassstrom von Bereich 6-21 zu Bereich 6-13 wird durch die Druckdifferenz angetrieben, wobei Bereich 6-13 einen niedrigeren Druck als Bereich 6-21 hat. Diese Druckdifferenz ist auf den Druckabfall zurückzuführen, der durch die Brennkammer einschließlich Flammenbrenner 6-20, das Katalysatoreinspritzventil 6-8 und den Katalysator 6-10 erfolgt. Die Wirkung der Bypassluft wird in 7 gezeigt. Unter Bedingungen, bei denen null Bypassluft vorliegt, wird das Temperaturprofil in der Brennkammer durch eine durchgehende Linie gezeigt, wobei die Endverbrennungstemperatur 7-21 gleich der Brennkammerauslasstemperatur 7-33 ist. Unter Bedingungen, bei denen die Bypass-Luftmenge nicht null ist, wird das Temperaturprofil durch die Strichlinie dargestellt, wobei die Endverbrennungstemperatur 7-35 höher als in dem Fall ist, da null Bypass-Luftmenge vorliegt. Die Bypass-Luft wird bei 7-13 eingespritzt, was die Brennkammerauslasstemperatur auf 7-33 senkt, die gleiche Brennkammerauslasstemperatur, die in dem Fall mit null Bypass-Luftmenge erreicht wird.
  • Die Wirkung von Bypass-Luft auf die Emissionen kann durch 5A und 7 veranschaulicht werden. Bei einer vorgegebenen Motorlastbedingung mit null Bypass-Luftmenge werden die Katalysatoreinlasstemperatur und das Kraftstoff-/Luftverhältnis durch die Standardbetriebslinie 5-42 festgelegt. Unter bestimmten Bedingungen niedriger Last und null Bypass-Luftmenge befindet sich der Betriebspunkt in dem emissionsreichen Bereich 5-45 des Betriebsfensters. Die hohen Emissionen könnten das Ergebnis entweder einer langen Zündverzögerung 7-32 oder einer niedrigen Endverbrennungstemperatur 7-31 sein, was zu hohen CO-Emissionen führt. Bei der gleichen niedrigen Lastbedingung, doch mit Bypassluftmenge, senkt aber das höhere Kraftstoff-/Luftverhältnis in der Brennkammer die Zündverzögerungszeit 7-32 und hebt die Endverbrennungstemperatur auf 7-35 an. Die höhere Verbrennungstemperatur bewirkt auch ein schnelleres Oxidieren des CO. Dieser Prozess kann einen Betriebspunkt in dem Bereich 5-45 in 5A nehmen und ihn effektiv nach rechts und in den emissionsarmen Bereich 5-41 bewegen. Die Leistungsabgabe durch den Motor und der Motorwirkungsgrad bleiben unverändert, da die Bypass-Luft bei 7-13 erneut eingespritzt wird, was den gesamten Gasmassenstrom durch die Antriebsturbine aufrechterhält und auch die Brennkammerauslasstemperatur auf die gleiche Brennkammerauslasstemperatur 7-33 senkt, die in dem Fall einer null Bypass-Luftmenge erreicht wird.
  • Das Entlüftungssystem wird ebenfalls in 6 gezeigt. Das Entlüftungssystem entzieht einem Bereich nahe dem Kompressorausgang 6-14 Luft und lässt sie an die Atmosphäre ab. Die abgelassene Luft kann durch einen Durchflussmengenmesser 6-43 gemessen und durch ein Ventil 6-42 gesteuert werden. Die abgelassene Menge von 6-14 zur Atmosphäre wird durch eine Druckdifferenz angetrieben, wobei 6-14 einen höheren Druck als Atmosphäre aufweist.
  • Die Wirkung der abgelassenen Luft wird in 8 gezeigt. Unter Bedingungen, bei denen null abgelassene Luft vorliegt, wird das Temperaturprofil in der Brennkammer durch die durchgehende Linie gezeigt, wobei die endgültige Verbrennungstemperatur 8-31 ist. Unter Bedingungen, bei denen die abgelassene Luftmenge nicht null ist, wird das Temperaturprofil durch die Strichlinie dargestellt, wobei die endgültige Verbrennungstemperatur 8-35 höher als in dem Fall ist, da null abgelassene Luftmenge vorliegt. Die endgültige Brennkammerauslasstemperatur ist höher, da der Kraftstoff in weniger Luft verbrannt wird und da mehr Kraftstoff zugegeben werden muss, um die Turbinenleistungsabgabe mit verringertem Massestrom durch die Arbeitsturbine aufrechtzuerhalten. Die höhere Verbrennungstemperatur gleicht den Leistungsverlust aus, der sich aus der abgelassenen Luftmenge ergibt, so dass die netto Leistungsabgabe durch den Motor effektiv unverändert bleibt. Die Wirkung der abgelassenen Luft auf Emissionen ist gleich der Wirkung von Bypass-Luft auf Emissionen.
  • Viele Gasturbinensysteme nutzen bei Normalbetrieb der Turbine Einlassleitschaufeln (nicht dargestellt). Einlassleitschaufeln sind ein Satz von Schaufeln, die am Einlass des Kompressors eingebaut sind und die gedreht werden können, um den Luftstrom in den Kompressor und daher den gesamten Luftstrom durch die Turbine zu vermindern. Einlassleitschaufeln werden verwendet, um das Starten der Turbine zu unterstützen. Zudem können Einlassleitschaufeln während des Betriebs bei verringerter Last verwendet werden, um eine minimale Abgastemperatur aufrechtzuerhalten, die von einem stromabwärts befindlichen Dampfkessel oder einem anderen Prozess benötigt wird. Bei neueren mageren Vormischverbrennungssystemen können die Einlassleitschaufeln verwendet werden, um Luftstrom zu senken und das Kraftstoff-/Luftverhältnis in der Brennkammer so zu senken, dass es innerhalb des Sollbetriebsbereichs bleibt.
  • Die Wirkung von Turbineneintrittleitschaufeln auf den Betrieb des katalytischen Verbrennungssystems ist im Wesentlichen die gleiche wie in dem in 8 gezeigten Entlüftungssystem. Der verminderte Luftstrom durch die Brennkammer hebt das Kraftstoff-/Luftverhältnis an und führt zu einer Zunahme der Katalysatorauslasstemperatur und der endgültigen Brennkammerauslasstemperatur.
  • Wenn die Last gesenkt wird, wird der Kraftstoffstrom zu der Brennkammer gesenkt und die endgültige Verbrennungstemperatur stromabwärts des Katalysators sinkt und reicht nicht aus, um den verbleibenden Kraftstoff und das CO vollständig zu verbrennen. Ein bestimmter Bereich des niedrigeren Kraftstoff-/Luftverhältnisses liegt innerhalb des emissionsarmen Fensters 5-41, wie in 5A gezeigt wird, wenn die Last gesenkt wird, so dass sich der Betriebspunkt außerhalb des emissionsarmen Fensters bewegt, dann bewegt das Umleiten eines Teils der Luft um den Katalysator den Betriebspunkt nach rechts und zurück in den Bereich 5-41. Es hat sich gezeigt, dass eine bevorzugte Steuerstrategie darin besteht, das Umleiten so anzupassen, dass eine endgültige Verbrennungstemperatur stromabwärts des Katalysators in einem bevorzugten Betriebsbereich erhalten wird. Unter Bezug auf die nachstehende Tabelle B setzt ein vorbestimmter Plan AGT delta mit der adiabatischen Verbrennungstemperatur in der Postkatalysatorreaktionszone Tad in Beziehung. Tabelle B
    Ablauf dAGT gegen Tad
    % Last dAGT (°C) Tad Forderung (°C) Resultierende Bypassventilstellung (%)
    100 0 1300 0
    90 35 1275 15
    80 70 1250 30
    70 105 1225 45
    60 140 1200 60
    50 175 1175 75
    40 210 1150 90
    30 245 1125 100
    20 280 1100 100
    10 315 1075 100
    FSNL 350 1050 100
  • Die Bypassventil-Stellung wird zum Steuern dieses Tad verwendet. Wenn Last gesenkt wird und AGTdelta ansteigt, wird der Bypass angepasst, um das Tad durch Offnen des Bypassventils bei dem Wert im Plan zu halten. Zu beachten ist, dass die adiabatische Verbrennungstemperatur für das Gasgemisch am Auslass der Katalysator-Kraftstoff-Luft-Mischvorrichtung, 6-8 in 6, am Einlass des Katalysators 6-10 und in dem Bereich stromabwärts des Katalysators bis zu dem Punkt, an dem die Bypassluft eingeleitet wird, 6-13, im Wesentlichen gleich ist. Auch wenn der Plan AGTdelta und Tad in Beziehung setzt, können andere Parameter wie die Turbineneintrittstemperatur, AGT, Prozent Volllast, Kompressorablassdruck, Kompressorablasstemperatur und Kraftstoffstrom verwendet werden.
  • Die adiabatische Verbrennungstemperatur wird aus dem Luftstrom durch die Brennkammer und den Kraftstoffstrom zu der Brennkammer und aus der Lufttemperatur berechnet. Sie kann zum Beispiel aus der Temperatur der in die Brennkammer eindringenden Luft, dem Luftstrom durch die Brennkammer und dem gesamten Kraftstoffstrom zu der Brennkammer, einschließlich dem der Flammenbrennkammer und dem Katalysator zugeführten Kraftstoff, berechnet werden. Alternativ kann sie aus der Temperatur am Katalysatoreinlass, dem Luftstrom durch den Katalysator und dem Kraftstoffstrom zu dem Katalysatoreinspritzventil berechnet werden. Diese letztere Berechnung nimmt an, dass der dem Flammenbrenner zugeführte Kraftstoff vollständig verbrannt wird.
  • Der Luftstrom zum Katalysator kann aus dem gesamten Luftstrom vom Kompressor multipliziert mit dem Teilluftstrom, der zur Brennkammer geht (etwas Luft wird zum Kühlen der Turbinenschaufeln und der Turbinendüsen sowie zum Anpassen des Temperaturprofils am Turbineneintritt verwendet), und durch Subtrahieren des Luftstroms durch den Bypass und die Entlüftung berechnet werden. Der Luftstrom von dem Kompressor kann aus einer Messung des Druckabfalls an der Kompressoreintritttrompete berechnet werden. Alternativ kann der Luftstrom durch den Kompressor aus der Turbinenrotordrehzahl, dem Umgebungsdruck und der Umgebungstemperatur geschätzt werden. Der Luftstrom durch den Bypass und die Entlüftung kann durch verschiedene handelsübliche Durchflussmengenmesssysteme gemessen werden. Zum Beispiel kann in dem Strömweg eine Drosselung angeordnet werden und es können der Einlassdruck, die Temperatur und der Druckabfall über der Drosselung gemessen und der Durchfluss berechnet werden. Es gibt eine Vielzahl anderer Durchflussmengenmesser wie Wirbelfrequenzzähler und Coriolis-Mess-Systeme.
  • Unter Bezug auf Tabelle C hat sich gezeigt, dass eine Strategie zum Steuern der Entlüftung darin besteht, für AGTdelta einen Höchstwert festzulegen. Wie in Tabelle C gezeigt ist dieser Sollwert AGTdelta für Darstellungszwecke 105°C. Das Steuersystem dient zum Öffnen des Entlüftungsventils, wenn AGTdelta X über diesen Wert steigt.
  • Wenn Last von Volllast gesenkt wird, steigt AGTdelta an, und wenn es den AGTdelta Grenzwert erreicht, öffnet das Steuersystem die Entlüftung, um AGTdelta bei dem Höchstwert zu halten. Zu beachten ist, dass AGTdelta nur ein Parameter einer Reihe von effektiv gleichwertigen Parametern ist, die verwendet werden können. Ein Parameter, der an Stelle von AGTdelta treten kann, ist % Volllast, wobei % Volllast als tatsächliche Last verglichen mit der Last definiert ist, die erhalten würde, wenn die Turbine bei Volllast betrieben werden würde. Im Allgemeinen hat die Gasturbine einen Volllastpunkt, der vom Hersteller festgelegt ist und für gewöhnlich durch einen oder mehrere Turbinenparameter wie AGT, Turbineneinlasstemperatur, Kompressorausgangsdruck, Umgebungstemperatur, Umgebungsdruck, spezifiziert ist. Zu beachten ist auch, dass diese Parameter wie AGTdelta und % Volllast als Funktionen eines Satzes von Turbinenparametern wie AGT, Turbineneinlasstemperatur, Kompressorausgangsdruck, Umgebungstemperatur, Umgebungsdruck erzeugt werden können. Diese alternativen Verfahren des Festlegens der Steuerstrategie sind im Wesentlichen gleichwertig. Natürlich kann die Tabelle hinsichtlich adiabatischer Verbrennungstemperatur oder Turbineneinlasstemperatur ausgedrückt werden und es kann ein Sollwert für jede ermittelt werden. Tabelle C
    Entlüftung allein
    Konstanter dAGT-Sollwert
    % Last dAGT Sollwert (°C) Resultierende Entlüftungsventilstellung (%) Resultierende dAGT (°C)
    100 105 0 0
    90 205 0 35
    80 105 0 70
    70 105 0 105
    60 105 25 105
    50 105 50 105
    40 105 75 105
    30 105 100 105
    20 105 100 140
    10 105 100 175
    FSNL 105 100 210
  • Das Bypass-Steuersystem hat mehrere wichtige Funktionsgruppen, wie in 9 gezeigt wird Zunächst ermittelt es den erforderlichen Luftstrom 9-1, der aus dem Vorbrennereinlass 6-21 abzuziehen ist, als Funktion von Motorausgangsleistung (Last) 9-2. Der erforderliche Bypass-Strom wird aus einem Plan 9-3 ermittelt, der von einem Steuergerät am Eingang 9-5 vorgesehen und basierend auf einer Reihe von Betriebsbedingungen und Parametern gewählt wird. Der Plan 9-3 gibt die adiabatische Verbrennungstemperatur wider, die der endgültigen Verbrennungstemperatur 7-35 in der Postkatalysatorreaktionszone 6-11 gegen Motorlast entspricht. Die Motorlast kann einfach die Leistungsausgabe in Kilowatt sein, kann aber auch aus der Kombination von grundlegenden Motorleistungsmessungen ermittelt werden, beispielsweise Abgastemperatur, Turbineneinlasstemperatur, Umgebungstemperatur, Umgebungsdruck, Kompressorausgangsdruck und/oder Kompressorausgangstemperatur. Der Plan 9-3 kann diese Parameter verwenden. Der Wert für Tad, der aus dem Plan 9-3 gewählt wird, wobei die Eingabe der Motorlast gegeben ist, wird zum Berechnen der Bypass-Luftstromforderung bei Block 9-6 verwendet. Diese Berechnung umfasst auch den gesamten Kraftstoffstrom zum Motor, die Temperatur am Vorbrennereinlass und den in den Motor eindringenden Motorstrom minus abgelassenem Luftstrom. Die Berechnung des Motorluftstroms wird an Block 9-7 durch Verwenden grundlegender Motorparameter und Messungen ausgeführt, die so gewählt werden, dass sie im Wesentlichen über dem gesamten Betriebsbereich des Motors genau bleiben. Diese Messungen können zum Beispiel die Umgebungstemperatur und den Druck an der Kompressortrompete umfassen.
  • Als Nächstes ermittelt das Bypass-Steuersystem den Bypass-Luftstrom vor dem Neueinspritzen der entnommenen Luft in den Bereich 6-13 stromabwärts der Postkatalysatorreaktionszone 6-11. Diese Messung (9-4) kann von jeder Art von Niederdruck-Strömmessvorrichtung 6-41 vorgenommen werden. Der Bypass-Strom 9-4 kann aber aus wichtigen Messungen der Bypass-Luftstromtemperatur, dem Druckabfall über dem Bypassventil 6-40 und der nutzbaren Fläche (Acd) des Bypassventils 6-40 berechnet werden.
  • Schließlich betreibt das Bypass-Steuersystem das Bypassventil 6-40, um die erwünschte Entnahmeströmrate zu erreichen. Das Bypassventil wird basierend auf dem erforderlichen gegen dem tatsächlichen Bypass-Luftstrom, der gemessen oder berechnet wird, geregelt. Alternativ wird der Ventilluftstrom auf Ventilstellung und einige Messparameter wie Druck, Temperatur und Druckabfall kalibriert. In diesem Fall setzt das Steuersystem die Ventilstellung. In ersterem Fall ist eine präzise und schnelle Ermittlung der Bypass-Luftstrommessung erforderlich, um eine optimale Brennkammerleistung sicherzustellen. In letzterem Fall sind die Stromeigenschaften oder die Strömkalibrierung des Ventils erforderlich.
  • Das Entlüftungssteuersystem betreibt das Entlüftungsventil, um eine erwünschte Abgastemperatur (AGTEntlüften Sollwert) zu erhalten. Alternativ betreibt das Entlüftungssteuersystem das Entlüftungsventil, um eine Solldifferenz (dAGTEntlüften Sollwert) aus dem Abgastemperaturgrenzwert zu erhalten, die Volllast bestimmt (ausgedrückt als AGTVolllast oder AGTGrenzwert). dAGTEntlüften Sollwert wird wie folgt ausgedrückt: dAGTEntlüften Sollwert = AGTVolllast – AGTOffset
  • AGTOffset wird aus einem vorbestimmten Plan gewählt. Das Entlüftungsventil wird basierend auf der erforderlichen gegen dem tatsächlichen Abgastemperatur oder dem erforderlichen gegen AGT delta geregelt. Natürlich kann das Entlüftungssteuersystem auch im Hinblick auf erwünschte adiabatische Verbrennungstemperatur, Turbineneinlasstemperatur, Kraftstoff-/Luftverhältnis, Katalysatortemperatur, Katalysatoreinlasstemperatur neben anderen Parametern ausgedrückt werden. Der resultierende Entlüftungsluftstrom wird für die richtige Steuerung des Bypass-Systems und des primären Kraftstoffstroms des Vorbrenners gemessen.
  • Die Steuerung der Flammenbrennkammer stromaufwärts des Katalysators kann durch den Bypass- oder Entlüftungsbetrieb beeinflusst werden. Wenn zum Beispiel die Steuerung der Flammenbrennkammer eine Funktion des Luftstroms durch die Flammenbrennkammer oder des gesamten Luftstroms durch einen Teil der Brennkammer ist, dann muss dieser Luftstrom im Hinblick auf den Strom umgeleiteter Luft oder den Strom abgelassener Luft korrigiert werden.
  • Eine eingehendere Beschreibung der Strategien und Algorithmen für das Messen des Entlüftungsstroms, das Betreiben des Entlüftungsventils, das Ermitteln des erforderlichen Bypass-Stroms, das Messen des Bypass-Stroms, das Betreiben des Bypassventils wird nachstehend beschrieben und in 10 veranschaulicht.
  • Messen des abgelassenen Luftstroms
  • Die Steuerstrategie und der Algorithmus zum Messen des abgelassenen Luftstroms werden jetzt unter Bezug auf 10 näher erläutert. Unter speziellem Bezug auf 10-1 wird Funktionsblock F18 dargestellt, der den abgelassenen Luftstrom (Wa,Entlüftung) zeigt. Der abgelassene Luftstrom kann direkt mit Hilfe einer Strömmessvorrichtung 6-43, beispielsweise einer Messblende gemessen werden. Alternativ kann der abgelassene Luftstrom aus grundlegenden Messungen wie absoluter Druck, Druckabfall, Temperatur und nutzbare Fläche berechnet werden. In jedem Fall wird der abgelassene Luftstrom durch Funktionscharakterisierung F18 in 10 bei 10-1 ermittelt. Ein Beispiel dafür, wie abgelassener Luftstrom mit einer Drosselscheibe berechnet werden kann, wird nun erläutert. Die Eingaben sind wie folgt:
    • PL
    = Druck stromaufwärts der Drosselscheibe in psia
    TL
    = Temperatur stromaufwärts der Drosselscheibe in °F
    dPorf
    = Differenzialdruck in Zoll Wasser (muss von einem 0 auf 10 psia Wandler umgerechnet werden)
  • Die Berechnungen sind wie folgt:
    Figure 00350001
    wobei zum Beispiel:
    • d
    = Öffnungsbohrung in Zoll 1,55
    K
    = Strömungskoeffizient = C/√(1 – β⁴)
    C
    = 0,5959 + 0,0312 β2,1 – 0,184 β8 + 91,71 β2,5 Rn –0,75
    Y
    = Expansionsfaktor = 1 – [(0,41 + 35 × β4) × (dPorf × 0,361)(PL × 1,4)]
    Tb
    = Grundtemperatur in °F = 60
    β
    = Beta-Verhältnis (Bohrung zum Rohr ID) = 1,55/2,067 = 0,7499
    SG
    = spezifisches Gewicht = 1,00 für Luft
    SH
    = spezifisches Wärmeverhältnis Cp/Cv = 1,4 für Luft
    Rn
    = Reynolds-Zahl bei max. Strom = 532.634,0841
  • Das Ersetzen der Werte und Konstanten in den Gleichungen führt zu Folgendem:
    Figure 00360001
  • Betreiben des Entlüftungsventils
  • Unter Bezug nun auf 10-2 von 10 wird ein Teil 10-2 des Steuersystems gezeigt, der den Entlüftungsventilbetrieb veranschaulicht. Das Entlüftungsventil wird bevorzugt anhand eines spezifischen oder einer Kombination von Motorgrundparametern wie Abgastemperatur, Turbineneinlasstemperatur, Kompressorausgangsdruck, Kompressorausgangstemperatur oder Kraftstoffströmen geregelt. Der durch 10-2 gezeigte Entlüftungsventilbetrieb wird durch funktionelle Charakterisierungen F20 und F21 veranschaulicht. In dem durch 10-2 veranschaulichten Beispiel ist die resultierende Ausgabe ein dem Entlüftungsventil zugeführtes Befehlssignal. Ein Ventilregelprozesssignal ist nicht erforderlich, könne aber implementiert werden. Wie vorstehend gezeigt betreibt das Entlüftungssteuersystem das Entlüftungsventil, um eine Sollabgastemperatur (AGTEntlüftung Sollwert) oder eine dAGTEntlüftung Sollwert zu erhalten, die als Differenz zwischen AGT Grenzwert (AGTGrenzwert) und einem vorbestimmten AGTOffset definiert ist, das auf vorbestimmten betriebsspezifischen Forderungsplan als Funktion von Katalysatoraktivitätsnummer, die in Funktionsblock F5 in 10 ermittelt wird, beruht.
  • Die Eingaben bei Funktionsblock F20 sind Werte für AGTOffset und AGTGrenzwert. Die AGTOffset wird aus einem Plan beruhend auf einer Aktivitätsplannummer gewählt, wie das nachstehend gezeigte Beispiel:
    Aktivitätsplan Nr. AGTOffset (°F)
    1 175
    2 170
    3 165
    4 160
    5 155
    6 150
    7 145
    8 140
    9 135
    10 130
    11 125
  • Die Werte für AGTGrenzwert und AGTOffset dienen wie folgt zum Berechnen von AGTEntlüftung Sollwert: AGTEntlüftung Sollwert = (AGTGrenzwert) – (AGTOffset)
  • Der Wert für AGTEntlüftung Sollwert wird am Funktionsblock F21 eingegeben und mit dem Wert für AGT verglichen, der mittels des festverdrahteten Kabelbaums AGThw. Ein Entlüftungsventilbefehlssignal ist die erzeugte Ausgabe von F21 mittels der Regelung mit Rückführung, bevorzugt der proportionalen, integrierenden und differenzierenden (PID) Regelung des Entlüftungsventils beruhend auf einem AGTEntlüftung Sollwert von F20 und Rockmeldung von dem AGTtestverdrahtetem Kabelbaum (AGThw). Das Entlüftungsventil solle öffnen, um AGThw anzuheben, bis AGTEntlüftung Sollwert erreicht ist. Wenn AGTEntlüftung Sollwert überschritten wird, sollte das Entlüftungsventil schließen.
  • Ermitteln des erforderlichen Bypassluftstroms
  • Immer noch unter Bezug auf 10 werden die zum Ermitteln des erforderlichen Bypassluftstroms verwendeten Algorithmen von 10-3 gezeigt und durch funktionelle Charakterisierungen F1, F2, F6, F7, F8, F9, F13, F18 und F19 näher beschrieben.
  • Funktionsblock F9 definiert den erforderlichen Bypassluftstrom als die Differenz zwischen den Grundlinien- und den Forderungssiloluftströmen. F6, F7 und F9 bestimmten den Forderungsiloluftstrom, der aus der adiabatischen Verbrennungstemperaturanforderung in der Postkatalysatorreaktionszone 6-11 gegen Motorlast berechnet wird. F1, F2, F13, F18 und F19 berechnen den Grundliniensiloluftstrom durch eine Reihe von Luftmassenausgleichsberechnungen.
  • Zunächst werden bezüglich des Forderungsiloluftstroms (Wa,silo DMD), AGTGrenzwert und AGT, die durch den festverdrahteten Kabelbaum AGThw ermittelt werden, bei F6 vorgesehen, und AGTdelta wird dort wie folgt berechnet: AGTdelta = (AGTGrenzwert) – (AGThw)
  • AGTdelta wird dann in Block F7 zusammen mit der Forderungsplannummer (DMD SCH#) basierend auf Aktivitätsmessungen des Systems eingegeben. Die Aktivitätsmessungen können täglich oder bei einer anderen Häufigkeit genommen werden. DMD SCH# entspricht einem vorbestimmten AGTdelta Plan, woraus eine vorbestimmte adiabatische Katalysatorverbrennungstemperaturforderung (Tad,Katalysator DMD) gewählt wird. Der Plan für die adiabatische Katalysatorverbrennungstemperaturforderung ändert sich jedes Mal, wenn sich die Forderungsplannummer (DMD SCH#) wie durch die adaptiven Steuerungen gefordert ändert. Ein Beispiel für einen typischen Plan, der einem bestimmten DMD SCH# entspricht, wird nachstehend gezeigt. Wenn zum Beispiel AGTdelta 229°F ist, dann gibt F7 einen Wert Tad,Katalysator DMD von 1154°C aus.
    AGTdelta °F Tad,Katalysator DMD °C
    0 1292
    1 1292
    63 1291
    122 1245
    178 1201
    229 1154
    277 1115
    320 1110
    380 1083
    425 1083
    440 1083
    460 980
    500 980
    550 730
  • Zum Berechnen der Siloluftstromforderung (Wa,silo DMD) wird Tad,Katalysator DMD von F7 zusammen mit der mittleren Vorbrennereinlasstemperatur (T32mittel), dem durch den Durchflussmesser gemessenen tatsächlichen gesamten Kraftstoffstrom (Wf,gesamt ACT), der Erdgastemperatur von dem Widerstandstemperaturdetektor (RTD) an dem Kraftstoffregelmodul (Kraftstoff T) an F8 geliefert. Die Siloluftstromforderung (Wa,silo DMD) wird wie folgt berechnet: (Wa,Silo DMD) = (Wf,Gesamt ACT)/(Masse F/A)
  • Masse F/A wird durch einen analytischen Ausdruck festgelegt, der die adiabatische Verbrennungstemperatur und das Kraftstoff-/Luftverhältnis in Beziehung setzt. F9 bestimmt den erforderlichen Bypass-Luftstrom (Wa,Bypass RQD) durch Verwenden der Differenz zwischen den Grundlinien(Wa,silo BL-CF)- und den Forderungssilo(Wa,silo DMD)-Luftströmen.
  • Der Grundlinien(Wa,silo BL-CF)Siloluftstrom wird durch veranschaulichende funktionelle Charakterisierungen F1, F2, F13, F18 und F19 vorgesehen. Unter Bezug zunächst auf Block F1 sind die Umgebungstemperatur, der Trompetendruck 1, der Trompetendruck 2 und der Trompetendruck 3 Eingaben, aus denen der Motorluftstrom (Wa,Motor) basierend auf grundlegenden Messungen des Motors berechnet wird, die über den gesamten Betriebsbereich des Motors richtig sind. In diesem Beispiel wird der Motorluftstrom wie folgt beruhend auf Umgebungstemperatur und Druck in der Trompete des Kompressors berechnet: Wa,Motor = A·(DP) + B·Tambwobei A und B Konstanten sind, DP das Mittel der 3 Trompetendrücke ist und Tamb die Umgebungstemperatur ist. Als Nächstes wird der abgelassene Luftstrom (Wa,Entlüftung) bei Block F18 vorgesehen, wo der Druck stromaufwärts der Drosselscheibe in psia (PL), die Temperatur stromaufwärts der Drosselscheibe in °F (TL), der Differenzialdruck in Zoll Wasser umgerechnet von einem 0 auf 10 psia Wandler (dPorf) Eingaben sind und die Berechnungen wie folgt sind:
    Figure 00400001
    wobei
    • d
    = Öffnungsbohrung in Zoll 1,55
    K
    = Strömungskoeffizient = C/√(1 – β⁴)
    C
    = 0,5959 + 0,0312 β2,1 – 0,184 β8 + 91,71 β2,5 R
    Y
    = Expansionsfaktor = 1 – [(0,41 + 35 × β4) × (dPorf × 0,361)(PL × 1,4)]
    Tb
    = Grundtemperatur in °F = 60
    β
    = Beta-Verhältnis (Bohrung zum Rohr ID) = 1,55/2,067 = 0,7499
    SG
    = spezifisches Gewicht = 1,00 für Luft
    SH
    = spezifisches Wärmeverhältnis Cp/Cv = 1,4 für Luft
    Rn
    = Reynolds-Zahl bei max. Strom = 532.634,0841
  • Das Ersetzen der Werte und Konstanten in der Gleichung führt zu Folgendem:
    Figure 00400002
  • Der Motorluftstrom minus dem abgelassenen Luftstrom (Wa,Motor-abgelassen) wird bei F19 durch Subtrahieren des erhaltenen abgelassenen Luftstroms von dem Motorluftstrom (Wa,Motor) wie folgt berechnet: Wa,Motor-abgelassen = (Wa,Motor) – (Wa,abgelassen)
  • Bei Funktionsblock F2 wird die Siloluftstromgrundlinie (Wa,silo BL) ermittelt. Die Siloluftstromgrundlinie ist typischerweise ein fester Teil des verfügbaren Motorluftstroms. Der Motorluftstrom minus Entlüftung (Wa,Motor-abgelassen) von F19 und die Siloluftteilkonstante (APP SETUP.SILO_FRAC.IN) werden eingegeben und die Siloluftstromgrundlinie wird wie folgt berechnet: Wa,Silo BL = (APP_SETUP.SILO_FRAC.IN)·(Wa,Motor-abgelassen)
  • Immer noch unter Bezug auf 10-3 von 10 wird bei F13 die Siloluftstromgrundlinie mit dem Korrekturfaktor (Wa,silo BL-CF) vorgesehen. Der Korrekturfaktor kann zum Angehen der Motor- und Brennkammerkonstruktionen verwendet werden, bei denen der Siloluftstrom kein fester Teil des verfügbaren Luftstroms als Funktion von Last ist. Der Korrekturfaktor sollte eine Funktion von grundlegenden Motorleistungsmessungen wie Abgastemperatur, Brennkammerdruckabfall, Umgebungstemperatur, Umgebungsdruck, Kompressorausgangsdruck und/oder Kompressorausgangstemperatur sein. In diesem Beispiel ist der Korrekturfaktor eine Funktion der Abgastemperatur (AGT). Wie in 10 bei 10-3 ersichtlich ist, sind die Eingaben bei F13 die Siloluftstromgrundlinie (Wa,silo BL), die Differenz zwischen tatsächlicher AGT und AGT-Grenzwert (AGTdelta) von Funktion F6 und einem Korrekturfaktor (CF), wobei: CF = 1/(1 – y) und wobei y = A·AGTdelta + B
  • Der Wa,silo BL-CF wird wie folgt berechnet: Wa,Silo BL-CF = Wa,Silo BL·CF
  • Alternativ kann die Siloluftstromgrundlinie auf unterschiedliche andere Weise berechnet werden. Zum Beispiel kann die Siloluftstromgrundlinie basierend auf der Kompressorausgangstemperatur, dem Kompressorausgangsdruck und dem Differenzialdruck zwischen dem Kompressorausgangsdruck und dem Vorbrennereinlass berechnet werden.
  • In einer anderen Alternative kann die Siloluftstromgrundlinie basierend auf der Kompressordrehzahl und der Umgebungstemperatur und dem Umgebungsdruck des Silo berechnet werden, wobei die Siloluftstromgrundlinie eine Funktion dieser Parameter zusätzlich zu verschiedenen Konstanten und der normalisierten Anlagenlastausgabe einschließlich ggf. einer Korrektur oder eines abgelassenen Luftstroms ist. Bei dieser Alternative ist die ausgegebene Siloluftstromgrundlinie nur eine Schätzung beruhend auf vorgegebenen Kompressorwirkungsgraden und Betriebsparametern. Wenn der Gasturbinenmotor altert, kann sich sein Wirkungsgrad von seinem tatsächlichen Betriebswirkungsgrad unterscheiden, so dass die Siloluftstromgrundlinie dieser Alternative sich etwas von dem tatsächlichen Siloluftstrom unterscheidet. Andere Alternativen sind ebenfalls möglich. Zum Beispiel kann die Siloluftstromgrundlinie aus einer Massen- und Wärmebilanz basierend auf den Gesamtkraftstoffstrom- und Abgastemperaturmessungen berechnet werden. Die Genauigkeit der Berechnung kann durch Einschließen von Verlusten für Strahlung, Druckverluste im Einlass- und Auslasskanal, Verschlechterung der Motorleistung (Kompressor- und Turbinenwirkungsgrade), abgelassener Luft und Kompressoreinlassleitschaufeln neben anderen Verlusten verbessert werden. Die Siloluftstromgrundlinie kann auch aus einer Massenbilanz beruhend auf Abgasemissionen (insbesondere CO2, O2 und H2O), gesamtem Kraftstoffstrom und Motorbetriebswirkungsgraden berechnet werden. In einer noch anderen Alternative kann die Siloluftstromgrundlinie aus einer Wärme- und Massenbilanz über dem Vorbrenner oder der Kraftstoff-Luft-Mischvorrichtung berechnet werden.
  • Messen des Bypass-Luftstroms
  • Unter Bezug nun auf 10-4 von 10 kann der gesamte Bypass-Luftstrom mit Hilfe einer Durchflussmessvorrichtung gemessen werden oder aus wichtigen Messungen der Bypass-Luftstromtemperatur, dem Druckabfall über dem Bypassventil 6-40 und der nutzbaren Fläche (Acd) des Bypassventils 6-40 berechnet werden. Der gesamte Bypass-Luftstrom kommt sowohl von der Silo- als auch der Motorkühlluft. Da dieser Teil des Steueralgorithmus sich mit der Luftsteuerung im Silo befasst, muss der Bypass-Luftstrom von dem Silo von dem gemessenen gesamten Bypass-Luftstrom getrennt werden. Der Anteil der gesamten Bypass-Luft von dem Silo ist eine Funktion von Druckabfall über dem Bypassrohr und von Kompressorausgangsdruck. Falls diese Druckabfallmessung nicht zur Verfügung steht, können alternative Messungen verwendet werden. In diesem Beispiel wurde eine funktionelle Charakterisierung F17, eine Aufstellung gegen die Bypassventilstellung, verwendet. F17 gibt einen Bypass-Luftstrom aus, wobei der Korrekturfaktor (Wa,Bypass-CF) von Bypassventil-Regelstellung und Bypass-Luftstrom von der Durchflussmesser-Messung (Wa,Bypass ACT) gegeben wird. Die Berechnung bei F17 ist wie folgt: Wa,Bypass-CF = Wa,Bypass ACT·CF
  • CF ist ein vorbestimmter Korrekturfaktor, der auf der Bypassventilstellung beruht und aus einer Tabelle gewählt wird, zum Beispiel:
    Ventilstellung CF
    0 1
    25 0,95
    50 0,90
    75 0,89
    100 0,88
  • Der Bypass-Luftstrom mit dem Korrekturfaktor (Wa,Bypass-CF) wird zusammen mit der Siloluftstromgrundlinie mit Korrekturfaktor (Wa,silo BL-CF) an F3 geliefert, um den tatsächlichen Siloluftstrom (Wa,silo ACT) durch die folgende Berechnung zu ermitteln: (Wa,Silo ACT) = (Wa,silo BL-CF) – (Wa,Bypass-CF)
  • Der tatsächliche Siloluftstrom wird zu F11 geliefert, um den Luftstrom zu dem primären Vorbrenner (Wa,prim) zu bestimmen. Der Luftstrom zu dem primären Vorbrenner (Wa,prim) wird bei F15 korrigiert und dem Steuerblock F30 zugeführt, um den Kraftstoffstromsollwert des primären Vorbrenners (Wf,prim Sollwert) zu berechnen.
  • Der primäre Kraftstoffstromsollwert wird als Funktion des primären Vorbrennerluftstroms, der Vorbrennereinlasstemperatur (T32) und der Forderungsvorbrenneraustrittstemperatur (T34dmd) berechnet. Die Forderungsvorbrenneraustrittstemperatur wird bei F10 erhalten, wobei die Forderungsplannummer (DMD SCH#) und AGTdelta Eingaben sind. Bei F10 liefert die Forderungsplannummer einen vorbestimmten Plan, der AGTdelta mit der Forderungsvorbrenneraustrittstemperatur (T34dmd) in Beziehung setzt, die beruhend auf dem AGTdelta Wert gewählt wird. Der primäre Kraftstoffstromsollwert wird mit dem tatsächlichen primären Kraftstoffstrom verglichen, und das PID-Regelmodul liefert dementsprechend eine Ausgabe an das primäre Vorbrennerkraftstoffventil.
  • In einer Ausführung, die einen sekundären Vorbrenner umfasst, wird der bei F10 erhaltene Wert für T34dmd verwendet, um den sekundären Vorbrenner-Kraftstoffstrom zu berechnen, wobei der sekundäre Vorbrenner-Kraftstoffstrom auch eine Funktion der Vorbrenner-Einlasstemperatur (T32) und des sekundären Vorbrenner-Luftstroms (Wa sek) ist. Der sekundäre Vorbrennerluftstrom wird durch Berechnen der Differenz zwischen dem primären Vorbrennerluftstrom und dem gesamten Siloluftstrom erhalten. Alternativ kann der gesamte Vorbrenner-Kraftstoffstrom als Funktion des gesamten Siloluftstroms, der Vorbrennereinlasstemperatur (T32) und der Vorbrenneraustrittstemperaturforderung (T34dmd) berechnet werden. Die tatsächliche Vorbrenneraustrittstemperatur (T34act)-Rückmeldung wird in der Regelung mit Rückführung zum Abgleichen des Kraftstoffstroms zum sekundären Vorbrenner verwendet.
  • Betreiben des Bypassventils
  • Unter Bezug auf 10-5 von 10 wird nun der Bypassventil-Betrieb erläutert. Das Bypassventil sollte bezüglich Bypass-Strom durch Vergleichen des erforderlichen Bypass-Luftstroms (103-) mit dem gemessenen Bypass-Luftstrom (10-4) geregelt werden. Die Regelung mit Rückführung des Bypass-Stroms führt zu einem Befehlssignal zu dem Ventil. In dem in 10-5 gezeigten Beispiel hat das Bypassventil ein Stellungsrückmeldungsmerkmal um sicherzustellen, dass die erforderliche Ventilstellung erreicht und gesteuert wird.
  • Steuerung eines katalytischen Verbrennungssystems – Stand der Technik
  • Die grundlegende Steuerstrategie für ein katalytisches Verbrennungssystem wird in 11 gezeigt. Die Ausgabe 11-1 des Niedrigsignalwählbusses (LSS) entspricht einer gesamten Kraftstoffstromforderung des Gasturbinenmotors. Die gesamte Kraftstoffstromforderung wird einer adiabatischen Katalysatorverbrennungstemperaturberechnung 11-2 zugeführt, die eine Funktion des gesamten Kraftstoffstroms, der Vorbrennereinlasstemperatur 11-3 und des Siloluftmassenstroms 11-4 ist. In dieser Darstellung ist der Siloluftmassenstrom eine Funktion von grundlegenden Motormessungen des Trompetendrucks 11-5 und der Umgebungstemperatur 11-6. Die Erfindung ist aber nicht hierauf beschränkt und es können wie vorstehend erläutert andere grundlegende Motormessungen eingesetzt werden. Die adiabatische Katalysatorverbrennungstemperatur 11-7 wird dem Betriebslinienplan des Katalysators zugeführt, der die Vorbrennerbetriebstemperaturforderung T34dmd 11-9 für eine vorgegebene adiabatische Katalysatorverbrennungstemperatur festlegt. Die Vorbrennerbetriebstemperaturforderung 11-9 wird der Primärzonentemperatursteuerung 11-10 des Vorbrenners und der Sekundärzonentemperatursteuerung 11-11 des Vorbrenners zugeführt.
  • Die Primärzonentemperatursteuerung 11-10 des Vorbrenners ist eine Funktion von Primärzonenluftstrom, Vorbrennereinlasstemperatur T32 11-3 und Vorbrennerbetriebstemperaturforderung T34dmd 11-9. Für jeden vorgegebenen Temperaturanstieg über dem Vorbrenner, der als Differenz zwischen 11-9 und 11-3 festgelegt ist, gibt es eine Primärzonentemperaturforderung. Die Primärzonentemperaturforderung wird mit Hilfe einer adiabatischen Verbrennungstemperaturberechnung in eine primäre Kraftstoffventilstromforderung 11-12 umgerechnet.
  • Die Sekundärzonentemperatursteuerung 11-11 des Vorbrenners ist eine Funktion von Sekundärzonenluftstrom, Vorbrennereinlasstemperatur 11-3 und Vorbrennerbetriebstemperaturforderung 11-9. Eine adiabatische Verbrennungstemperaturberechnung wird zum Umrechnen der Vorbrennertemperaturforderung 11-9 in eine gesamte Vorbrenner-Kraftstoffstromforderung verwendet. Die primäre Kraftstoffventilstromforderung 11-12 wird von der gesamten Vorbrenner-Kraftstoffstromforderung subtrahiert, was die sekundäre Kraftstoffventilstromforderung 11-13 ergibt. Die Vorbrenneraustrittstemperatur 11-14 wird der Sekundärzonentemperatursteuerung 11-11 des Vorbrenners zurückgemeldet, so dass das Steuersystem die sekundäre Kraftstoffventilstromforderung nach Bedarf anheben oder senken kann, um eine Temperaturregelung mit Rückführung auszuführen.
  • Die gesamte Kraftstoffstromanforderung des Gasturbinenmotors (Ausgabe 11-1 des LSS) wird auch der Katalysatorkraftstoffstromsteuerung 11-15 zugeführt. Der tatsächliche Kraftstoffstrom von dem primären Kraftstoffventil 11-16 und dem sekundären Kraftstoffventil 11-17 wird von der gesamten Kraftstoffstromanforderung 11-1 subtrahiert. Der verbleibende Kraftstoffstrom ist die Forderung 11-18 an das Katalysatorkraftstoffventil.
  • Steuerung eines katalytischen Verbrennungssystems
  • Dieses erfindungsgemäße Steuerverfahren wird in 12 gezeigt. Das Verfahren zum Ermitteln der Vorbrennerbetriebstemperaturforderung 12-9 ist nicht eine Funktion der adiabatischen Katalysatorverbrennungstemperatur 11-7. Stattdessen nutzt das Steuersystem die inhärente Beziehung zwischen der adiabatischen Katalysatorverbrennungstemperatur und der Differenz (AGTdelta) zwischen dem Abgastemperaturgrenzwert (AGTGrenzwert), der Volllast definiert, und der Abgastemperatur (AGT). Die Vorbrennerbetriebstemperaturforderung 12-9 kann jetzt eine Funktion der Differenz zwischen AGT-Grenzwert 12-7A und AGT 12-7B sein. Alternativ kann das Steuersystem die inhärente Beziehung zwischen der adiabatischen Katalysatorverbrennungstemperatur und der Abgastemperatur nutzen.
  • Das Steuersystem kann die inhärente Beziehung zwischen der adiabatischen Katalysatorverbrennungstemperatur und der Turbineneinlasstemperatur, zwischen der adiabatischen Verbrennungstemperatur und dem Kraftstoff-/Luftverhältnis; zwischen der adiabatischen Verbrennungstemperatur und der mittleren oder Zwischenstufen-Temperaturmessung zwischen der Turbine und dem Rotor in einer zweistufigen Anordnung; zwischen der adiabatischen Verbrennungstemperatur und der Last oder Leistungsabgabe der Turbine verwenden.
  • Steuerung eines katalytischen Verbrennungssystems mit Bypass- und Entlüftungsventilen
  • 13 zeigt, wo d der Bypass 13-1 und die Entlüftung 13-2 die Logikschnittstellen mit der Steuerlogik von 12 steuern. Eine Rückmeldung von der Rate abgelassenen Luftstroms von dem Durchflussmeter 13-3 wirkt sich jetzt auf die Berechnung 13-4 der Siloluftmassenströmrate aus. Einzelheiten zur Bypass- und Entlüftungssteuerlogik werden in 14 bzw. 15 gezeigt.
  • Die Bypass-Logik steuert die adiabatische Verbrennungstemperatur des Katalysators durch Vergleichen der Ausgabe 14-8 der adiabatischen Verbrennungstemperatur des Katalysators mit der Planforderung 14-9 der adiabatischen Verbrennungstemperatur des Katalysators in dem Bypass-Luftstrom-Steuerblock 14-10. Die Berechnung 14-1 der adiabatischen Verbrennungstemperatur des Katalysators ist eine Funktion der Siloluft-Massenstromrate 14-2, der Vorbrennereinlasstemperatur 14-3, des tatsächlichen Kraftstoffstroms von dem primären Kraftstoffventil 14-4, dem sekundären Kraftstoffventil 14-5 und dem Katalysatorkraftstoffventil 14-6 und des Bypass-Luftstroms von dem Durchflussmesser 14-7. Die Planforderung 14-9 der adiabatischen Verbrennungstemperatur des Katalysators ist eine Funktion der Katalysatoraktivität 14-11 und der Differenz zwischen dem Abgastemperaturgrenzwert (AGTGrenzwert), der die Volllast 14-12 definiert, und der Abgastemperatur (AGT) 14-13. Alternativ ist der Katalysatorforderungsplan 14-9 eine Funktion von Katalysatoraktivität und der Turbineneinlasstemperatur, des Kraftstoff-/Luftverhältnisses, der mittleren oder Zwischenstufen-Temperaturmessung oder der Last oder Leistungsabgabe der Turbine.
  • Durch Vergleichen der Ausgabe 14-8 der adiabatischen Verbrennungstemperatur des Katalysators mit der Forderung 14-9 bestimmt der Bypass-Luftstrom-Steuerblock 14-10 die Bypass-Luftstromratenforderung 14-14 zum Betreiben des Bypassventils. Die tatsächliche Bypass-Luftstromrate von dem Durchflussmesser 14-7 wird zurück in den Bypass-Luftstrom-Steuerblock 14-10 eingegeben, um die Rückführungsregelung des Bypass-Luftstroms auszuführen.
  • Unter Bezug nun auf 15 ist die Entlüftungsventilsteuerung 15-1 eine Funktion eines Abgastemperaturdifferenzsollwerts (dAGTSollwert) 15-2 und der Differenz zwischen Abgastemperaturgrenzwert (AGTGrenzwert), der Volllast 15-3 definiert, und der Abgastemperatur (AGT) 15-4. Der dAGTSollwert 15-2 wird aus einem Plan 15-5 basierend auf Katalysatoraktivität 15-6 ermittelt. Die Entlüftungsventilsteuerforderung 15-7 steigert oder senkt nach Bedarf, um eine Rückführungsregelung von dAGT auszuführen. Alternativ ist die Entlüftungsventilsteuerung 15-1 eine Funktion der Turbineneinlasstemperatur, des Kraftstoff-/Luftverhältnisses oder der Zwischenstufen-Temperatur.
  • Somit wurde eine Steuerstrategie entwickelt, um die Gasturbine bei niedrigerer Last oder bei anderen Bedingungen arbeiten zu lassen, bei denen der von der Gasturbine benötigte gesamte Kraftstoff für die vollständige Verbrennung des Kraftstoffs nicht optimal ist. Die zusätzliche Steuerstrategie steuert Luft, die an der katalytischen Brennkammer vorbeiströmt, und Luft, die aus dem Kompressorausgang abgelassen wird. Das Bypass-System ändert das Kraftstoff-/Luftverhältnis der katalytischen Brennkammer, ohne sich auf die Leistungsabgabe der Gasturbine insgesamt auszuwirken. Das Entlüftungssystem ändert auch das Kraftstoff-/Luftverhältnis der katalytischen Brennkammer, aber auf Kosten einer Minderung des Gesamtwirkungsgrads der Gasturbine. Der wesentliche Vorteil einer katalytischen Brennkammer mit einem Bypass- und Entlüftungssystem und der erfindungsgemäßen Steuerstrategie ist, dass sie den Katalysator über einem breiteren Lastbereich bei optimalen emissionsarmen Betriebsbedingungen halten kann als eine katalytische Brennkammer ohne ein solches System.
  • Wie hierin beschrieben wurde die vorliegende zusätzliche Steuerstrategie entwickelt, um die Gasturbine gleichmäßig von vollständiger Verbrennung des Kraftstoffs in der Postkatalysatorreaktionszone zu minimaler Verbrennung in der Reaktionszone wechseln zu lassen. Die zusätzliche Steuerstrategie minimiert die Luft, die an der katalytischen Brennkammer vorbeiströmt, hebt die Temperatur des Gemisches stromaufwärts des Katalysators an und handhabt den von der Gasturbine benötigten gesamten Kraftstoff auf der Basis einer rückführungslosen Steuerung.
  • Während die Gasturbine bei einer festen Anstiegsrate entlastet wird, senkt der Verlust der homogenen Verbrennungsprozesswelle in der Postkatalysatorreaktionszone die Wellenabtriebsleistung schnell und signifikant. Das Steuersystem reagiert so, dass die homogene Verbrennungsprozesswelle erneut hergestellt wird, was die Wellenabtriebsleistung über den Sollwert anhebt. Mit einer Rückkopplungsleistung, die größer als der Sollwert ist, reagiert das Steuersystem so, dass die homogene Verbrennungsprozesswelle verloren geht, was zu einer Wellenabtriebsleistung unter dem Sollwert führt. Dieser Zyklus des Wiederherstellens und Verlierens der homogenen Verbrennungsprozesswelle wiederholt sich mehrere Male, bis das Kraftstoff-/Luftverhältnis in der Postkatalysatorreaktionszone klein genug ist, dass sich die homogene Verbrennungsprozesswelle nicht wiederherstellen kann. Das Problem wird in 16 veranschaulicht.
  • Diese Erfindung gibt ein verbessertes Verfahren zum Steuern der Motorentlastungssequenz an die Hand, um die wiederholten Zyklen des Wiederherstellens und Verlierens der homogenen Verbrennungsprozesswelle und der folgenden Zyklen der Wellenabtriebsleistung zu beseitigen. Das verbesserte Verfahren umfasst das Senken des Bypass-Luftstroms und das Anheben der Katalysatoreinlasstemperatur (Vorbrennerauslasstemperatur), während der gesamte Kraftstoffstrombedarf des Motors auf der Basis rückführungsloser Steuerung konstant gehalten oder gesteigert wird.
  • Das verbesserte Steuerverfahren wird durch Detektieren des Verlusts der homogenen Verbrennungsprozesswelle aktiviert. Das primäre Verfahren zum Detektieren des Verlusts der homogenen Verbrennungsprozesswelle erfolgt durch die Änderungsrate der Wellenabtriebsleistung. Es könnten aber auch andere Detektionsverfahren, wie eine Temperaturmessvorrichtung oder eine Flammensensorvorrichtung in der Postkatalysatorreaktionszone oder die Temperatur des Motorabgases, genutzt werden. Nach Aktivierung senkt das verbesserte Steuerverfahren den Bypass-Luftstrom, um das Kraftstoff-/Luftverhältnis zu senken und die mittlere Geschwindigkeit in der Postkatalysatorreaktionszone anzuheben, was die Wahrscheinlichkeit eines Wiederherstellens der homogenen Verbrennungsprozesswelle innerhalb der zulässigen Verweilzeit minimiert. Ein Verfahren zum Senken der Bypass-Luftstrom rate ist das Setzen der Luftstromratenforderung an das Bypassventil (14-14) auf null. Alternativ kann die Bypassventilstellung auf null gesetzt werden.
  • Zusätzlich hebt das Steuerverfahren die Katalysatoreinlasstemperatur (Vorbrennerauslasstemperatur) an, um die Katalysatoraustrittstemperatur zu erhöhen, was die Größenordnung des Verlusts der Ausgangsleistung minimiert, der sich aus dem Verlust der homogenen Verbrennungsprozesswelle in der Postkatalysatorreaktionszone ergibt. Dies könnte durch Setzen des Vorbrennertemperatursollwerts 13-14 auf einen Wert von zum Beispiel 650°C erfolgen.
  • Weiterhin hält das Steuersystem den gesamten Kraftstoffstrombedarf des Motors mittels rückführungsloser Steuerung konstant oder steigert ihn, was die wiederholten Rückkopplungszyklen des Wiederherstellens und Verlierens der homogenen Verbrennungsprozesswelle und anschließende Zyklen der Abtriebsleistung beseitigt. Dies kann durch Konstanthalten oder Anheben des Werts der LSS-Ausgabe 13-5 geschehen. Der Wert, bei dem 13-5 konstant gehalten wird, ist ein ausreichend hoher Wert, um sicherzustellen, dass die Wellenleistung ausreicht, damit der Motor mit dem Netz synchronisiert bleibt und weiter Leistung ausgibt, ist aber niedrig genug, um sicherzustellen, dass sich eine homogene Verbrennung nicht wieder einstellt. Wenn der gesamte Kraftstoffstrombedarf hochgefahren wird, sollten die Grenzwerte für das Hochfahren von Werten eingegrenzt sein, so dass die Wellenleistung ausreicht, dass der Motor mit dem Netz synchronisiert bleibt und sich die homogene Verbrennung nicht wieder einstellt.
  • Das Steuersystem senkt auch den Entlüftungsluftstrom, um das Kraftstoff-/Luftverhältnis zu senken und die mittlere Geschwindigkeit in der Postkatalysatorreaktionszone anzuheben, was die Wahrscheinlichkeit des Wiederherstellens der homogenen Verbrennungsprozesswelle in der zulässigen Verweilzeit minimiert. Ein Verfahren zum Senken der Entlüftungsluftstromrate ist das Setzen des delta AGT Sollwerts 15-2 für die Entlüftungsventilsteuerung 15-1 auf eine sehr große Zahl, beispielsweise 500°C. Alternativ kann die Entlüftungsventilstellung auf null gesetzt werden. Diese temporären Prozesse laufen über einen festen Zeitraum nach Detektieren des Verlusts der homogenen Verbrennungsprozesswelle oder bei einer Wellenleistung gleich dem Sollwert weiter, woraufhin das Steuersystem nach dem normalen Betriebsplan und auf der Basis einer Regelung mit Rückführung arbeitet. Die feste Zeitdauer sollte lang genug sein, um sicherzustellen, dass sich die homogene Verbrennung nicht selbst wiederherstellen kann, und hängt von vielen Parametern wie Entlastungsanstiegsrate, thermische Masse des Motors, BOZ-Verweilzeit ab.
  • Verschiedene neuartige Steuersysteme, die bisher für katalytische Verbrennungssysteme von Gasturbinen entwickelt wurden, können optional eine feste Beziehung zwischen a) dem Kraftstoff-/Luftverhältnis und b) der Temperatur des dem Katalysator zugeführten Gemisches nutzen. Das Kraftstoff-/Luftverhältnis wird durch den Kraftstoffbedarf der Gasturbine und die Leistung des Kompressors bestimmt. Eine Flammenbrennkammer stromaufwärts des Katalysators passt die Temperatur des Gemisches an. Diese Beziehung befähigt das Turbinensteuersystem, während des Startens und bei verschiedenen Lastbedingungen zu arbeiten und dabei den Katalysator dennoch bei optimalen Betriebsbedingungen mit sehr niedrigen Emissionen arbeiten zu lassen.
  • Die vorliegende zusätzliche Steuerstrategie wurde entwickelt, um die Gasturbine bei niedrigerer Last oder bei anderen Bedingungen arbeiten zu lassen, bei denen der von der Gasturbine benötigte gesamte Kraftstoff für die vollständige Verbrennung des Kraftstoffs nicht optimal ist. Die vorliegende Erfindung steuert Luft, die an der katalytischen Brennkammer vorbeiströmt, sowie Luft, die aus dem Kompressorausgang abgelassen wird. Wie zum Beispiel in Tabelle D gezeigt wird, Tabelle D
    Entlüftung und Bypasskombiniert
    % Last dAGT Sollwert (°C) Resultierende Entlüftungsventilstellung (%) Resultierende dAGT (°C) Resultierende Bypassventilstellung (%)
    100 105 0 0 0
    90 105 0 35 15
    80 105 0 70 30
    70 105 0 105 45
    60 105 25 105 45
    50 105 50 105 45
    40 105 75 105 45
    30 105 100 105 45
    20 105 100 140 60
    10 105 100 175 75
    FSNL 105 100 210 90
  • öffnet das Bypassventil, wenn die Prozentlast sinkt, um das geplante Tad zu erreichen. Wenn die Last weiter fällt, öffnet das Entlüftungsventil, um den erwünschten dAGT Sollwert zu halten, wie in Tabelle C gezeigt wird. Wenn aber das Entlüftungsventil auf einen spezifischen dAGT Sollwert, zum Beispiel zwischen 70% bis 30% Last, steuern kann, wie in Tabelle D gezeigt, bleibt das Bypassventil konstant, da Tad gemäß dem Plan dAGT gegen Tad von Tabelle B konstant bleiben muss. Tad und Bypassventil können konstant bleiben, während die Last gesenkt wird, da der Kraftstoffstrom konstant bleibt, während Luft abgelassen wird, was die den Gesamtwirkungsgrad der Turbine mindert. Das Bypass-System ändert das Kraftstoff-/Luftverhältnis der katalytischen Brennkammer, ohne sich auf die Gesamtleistungsabgabe der Gasturbine auszuwirken. Das Entlüftungssystem ändert auch das Kraftstoff-/Luftverhältnis der katalytischen Brennkammer, doch auf Kosten einer Minderung des Gesamtwirkungsgrads der Gasturbine. Der wesentliche Vorteil einer katalytischen Brennkammer mit einem Bypass- und Entlüftungssystem und der erfindungsgemäßen Steuerstrategie ist, dass sie den Katalysator über einen breiteren Lastbereich bei optimalen emissionsarmen Betriebsbedingungen als eine katalytische Brennkammer ohne ein solches System halten kann.

Claims (8)

  1. Verfahren zum Steuern eines katalytischen Verbrennungssystems, welches umfasst: eine Luftzufuhr (6-14), einen Flammenbrenner (6-20), ein stromabwärts des Flammenbrenners angeordnetes Einspritzventil (6-8) und einen stromabwärts des Einspritzventils angeordneten Katalysator (6-10), einen Strömweg (6-39), der ein Ventil (6-40) enthält, welches einen Teil des Luftstroms so leitet, dass er am Katalysator vorbei strömt, wobei ein Teil des Kraftstoffs im Katalysator verbrennt und ein Rest des Kraftstoffs in dem Bereich (6-11) stromabwärts des Katalysators verbrennt, wobei es umfasst: – Bestimmen der adiabatischen Verbrennungstemperatur am Katalysatoreinlass; und – Anpassen des Luftstroms, der am Katalysator vorbei strömt, um die adiabatische Verbrennungstemperatur am Katalysatoreinlass innerhalb eines vorbestimmten Bereichs zu halten.
  2. Verfahren zum Steuern eines katalytischen Verbrennungssystems, welches umfasst: eine Luftzufuhr (6-14), einen Flammenbrenner (6-20), ein stromabwärts des Flammenbrenners angeordnetes Einspritzventil (6-8) und einen stromabwärts des Einspritzventils angeordneten Katalysator (6-10), einen Strömweg (6-39), der ein Ventil (6-40) enthält, welches einen Teil des Luftstroms so leitet, dass er am Katalysator vorbei strömt, wobei ein Teil des Kraftstoffs im Katalysator verbrennt und ein Rest des Kraftstoffs in dem Bereich (6-11) stromabwärts des Katalysators verbrennt, wobei es umfasst: – Bestimmen der adiabatischen Verbrennungstemperatur am Katalysatoreinlass; – Messen der Abgastemperatur; – Berechnen der Abgastemperatur bei voller Last; und – Anpassen des Luftstroms, der am Katalysator vorbei strömt, um die adiabatische Verbrennungstemperatur am Katalysatoreinlass basierend auf einem vorbestimmten Ablaufplan, der i) die adiabatische Verbrennungstemperatur am Katalysatoreinlass mit ii) der Differenz zwischen der gemessenen Abgastemperatur und der berechneten Abgastemperatur bei voller Last in Beziehung setzt, aufrechtzuerhalten.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgastemperatur durch ein im Abgasstrom eingebautes Thermoelement gemessen wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die adiabatische Temperatur durch Überwachen a) des Luftstroms durch die Brennkammer, b) des Kraftstoffstroms zur Brennkammer und c) der Temperatur des Gasgemisches, das in die Brennkammer eindringt, bestimmt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrom durch die Brennkammer durch Messen des Luftstroms durch den Kompressor, Multiplizieren mit dem Anteil der zur Brennkammer strömenden Luft und Subtrahieren des Luftstroms durch die Umgehungsleitung bestimmt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrom durch den Kompressor durch Messen des Druckabfalls an der Einlasstrompete des Kompressors bestimmt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrom durch die Umgehungsleitung durch eine in dem Umgehungsstromweg befindliche Strömungsmessvorrichtung bestimmt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsmessvorrichtung aus einer Drosselung des Stroms und einem Sensor zum Messen von Druckabfall über den Widerstand besteht.
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