EP0790466B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Schnellumschaltung vom Vormischbetrieb in den Diffusionsbetrieb in einer Brennkammer einer mit Brenngas betriebenen Gasturbine - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Schnellumschaltung vom Vormischbetrieb in den Diffusionsbetrieb in einer Brennkammer einer mit Brenngas betriebenen Gasturbine Download PDF

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EP0790466B1
EP0790466B1 EP96118560A EP96118560A EP0790466B1 EP 0790466 B1 EP0790466 B1 EP 0790466B1 EP 96118560 A EP96118560 A EP 96118560A EP 96118560 A EP96118560 A EP 96118560A EP 0790466 B1 EP0790466 B1 EP 0790466B1
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rapid
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Michael Dr.-Ing. Brodmann
Peter Dipl.-Ing. Küper
Jürgen Dipl.-Ing. Moroni
Hans Dipl.-Ing. Weibel
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MAN Turbomaschinen AG
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    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23R3/346—Feeding into different combustion zones for staged combustion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2237/00—Controlling
    • F23N2237/02—Controlling two or more burners

Definitions

  • the invention relates to a method and a Device for quick switching from premix operation in the diffusion mode in gas turbines with at least one combustion chamber with simultaneous Control of the diffusion and premixing control valves in the fuel gas supply lines, d. H. Opening the Diffusion gas path and simultaneous closing of the Premix gas path of a burner with rapid load reduction and extinguishing the premix flame.
  • Such a burner can be operated both in the so-called diffusion and in the premix mode.
  • diffusion mode there are also zones with stoichiometric combustion and thus high temperature in the flame, which lead to NO x formation.
  • the gas turbine starts, the burner works as a diffusion burner and, as soon as the gas turbine has reached a certain output, is switched over to operation as a premix burner.
  • the premix flame is stabilized by a small pilot flame.
  • Gas turbines are used, for example, to drive pipeline compressors and generators.
  • the reignition occurs either through the yet burning pilot gas flame or hot parts in the Combustion chamber or in the hot gas area of the gas turbine. This reignition is uncontrolled and happens in the form of a deflagration or else Detonation.
  • a fuel control device regulates the fuel supply in such a way that a pure Diffusion burner operation, then a diffusion burner and premix burner operation and in the upper Load range sets a premix burner operation.
  • the fuel control device which with a The load signal is applied, regulates the Flow through the fuel control valve over corresponding control lines.
  • So-called fuel control valves are used here Two-way valves are used that control the fuel supply between a min. and max. Control the flow rate. Control devices that a quick switch Enable unstable operation, however, are not here arranged.
  • a method is also known in which Combustion chamber and burner for load jumps or load shedding, the gas turbine works as a generator drive, from Premixed to diffusion mode. to Detection of these transient operations is the Speed gradient of the gas turbine used. If this criterion detects a load step, the Diffusion control valves opened and the premixing control valves closed at the same time. The positioning time of the Valves is 5 seconds. With a load shedding via a 2/2 way valve with a positioning time of approx. 150 ms increases the amount of pilot gas and a so-called Quick switchover carried out.
  • the object of the invention is a control method for a quick switch from premix to Diffusion operation to create fuel deflagrations and detonations in the combustion chamber or in the Hot gas area during premix operation, connected with an uncontrolled re-ignition of the premix flame, to prevent.
  • Combustion chamber (s) By arranging an extremely fast switching 3/2-way valve in the fuel gas supply line to the (n) Combustion chamber (s) can be used for combustion Amount of fuel gas within approx. 100 ms from the Premix gas supply line to the diffusion gas line and thus be directed to the diffusion burner.
  • An embodiment of the invention is based on two schematic control schemes explained.
  • FIG. 1 shows the control method according to the invention including the associated devices for Operating a gas turbine with two burners (11, 12) on the combustion chambers (9, 10).
  • the combustion chambers (9, 10) are in the upper part as a flame tube (17) and in the lower Part as a mixing tube (18) with the intake manifold (19) for the supply of compressor or combustion air educated.
  • Fuel gas is transferred to the burners (11, 12) a fuel gas supply line (13) is supplied.
  • a pilot gas line (14) in which the Fuel supply through a pilot gas control valve (2) is regulated.
  • the fuel gas supply line (13) branches after the fuel gas control valve (1, 4) into fuel supply lines for both combustion chambers (9, 10).
  • a quick changeover valve (3) with servo valves V 1 , V 2 (7) in the branching fuel supply lines (13) the fuel supply to the diffusion gas line (15) and the premix gas line (16) is controlled.
  • the combustion chambers (9, 10) are monitored in the area of the flame tube (17) by pressure measuring devices P 1 , P 2 (5) and by an optical flame monitor B 1 , B 2 (6).
  • Quick changeover valves (3) are wired with control logic for quick changeover (8).
  • Fig. 2 shows the structure of the control logic Quick changeover (8), in total with two burners three switchover criteria from premix to diffusion mode contains. Further switchover criteria can be found at Needs to be added.
  • Switching criterion 20 is the path measurement (Z) (4) of the fuel gas valve (1)
  • switchover criterion 21 is the pressure measurement P 1 , P 2 (5) in the flame tube (17)
  • switchover criterion 22 is the optical flame monitoring B 1 , B 2 (6) in the flame tube (17) of the combustion chamber (9, 10).
  • the control logic of the quick changeover (8) immediately after evaluating the entered measurement results for the changeover criteria 20 and 21 or for all three changeover criteria 20, 21 and 22 causes a parallel activation of the servo valves V 1 , V 2 (7) for the quick changeover valves (3) which divert the amount of fuel gas from the premix gas line (16) into the diffusion gas line (15) within approx. 100 ms.

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Description

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

Claims (7)

  1. Verfahren zur Schnellumschaltung vom Vormischbetrieb in den Diffusionsbetrieb in Gasturbinen mit mindestens einer Brennkammer und mit gleichzeitiger Ansteuerung des Diffusions- und Vormischstellventiles in den Brenngasversorgungsleitungen, d. h. Öffnen des Diffusionsgasweges und gleichzeitiges Schließen des Vormischgasweges des Brenners bei schneller Lastabsenkung und Verlöschen der Vormischflamme,
    dadurch gekennzeichnet, daß bei einem frühzeitigen Erkennen eines transienten Vorganges, der zum Verlöschen einer Vormischflamme führen könnte, ein erstes Umschaltkriterium 20 und bei einem frühzeitigen Erkennen des Verlöschens einer Vormischflamme ein zweites Umschaltkriterium 21 das Umschalten vom Vormischbetrieb in den Diffusionsbetrieb einleitet, wozu beim ersten Umschaltkriterium 20 die Wegmessung (Z) des Brenngasregelventiles in der Brenngaszufuhrleitung und beim zweiten Umschaltkriterium 21 die Druckmessung (P) in der(n) Brennkammer(n) auf eine Ansteuerlogik für Schnellumschaltung ständig übertragen werden,
    daß die Ansteuerlogik für eine Schnellumschaltung die eingegebenen Meßwerte ständig mittels der eingegegebenen Kriterien überprüft und bei Erfüllung des ersten Umschaltkriteriums 20 oder des zweiten Umschaltkriteriums 21 ein Ansteuersignal an das Servoventil (V) eines Schnellumschaltventiles in der Brenngaszufuhrleitung überträgt, wodurch die Brennstoffzufuhr in der Vormischgasleitung zu dem(n) Brenner(n) abrupt unterbrochen und die Diffusionsgasleitung zu dem(n) Brenner(n) sofort mit Brenngas versorgt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eindrittes Umschaltkriterium 22 für das Umschalten vom Vormischbetrieb in den Diffusionsbetrieb durch eine optische Flammenüberwachung (B) am Ausgang des(r) Brenners(r) im Flammrohr auf eine Ansteuerlogik für Schnellumschaltung ständig übertragen wird und
    daß die Ansteuerlogik auch diese eingegebenen Meßwerte ständig zusammen mit den Meßwerten des ersten und zweiten Umschaltkriteriums 20 und 21 überprüft und bei Erfüllung des dritten Umschaltkriteriums 22 ebenfalls ein Ansteuersignal an das Servoventil (V) des Schnellumschaltventiles der Brenngaszufuhrleitung überträgt.
  3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Schnellumschaltung vom Vormischbetrieb in den Diffusionsbetrieb einer Brennkammer einer Gasturbine nach den Ansprüchen 1 - 2, bestehend aus mindestens einem Brenner (11, 12, n), einer Brenngaszuführleitung (13) und einem Brenngasregelventil (1) mit einem Wegaufnehmer (Z)
    dadurch gekennzeichnet, daß in die Brenngaszufuhrleitung (13) nach dem Brenngasregelventil (1) mit dem Wegaufnehmer (Z) (4) pro Brenner (11, 12, n) ein Schnellumschaltventil (3) mit Servoventil (V) (7) eingesetzt ist, das mit dem Brenner (11, 12, n) durch eine Diffusionsgasleitung (15) und durch eine Vormischgasleitung (16) verbunden ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß an der Brennkammer (9, 10, n) Geräte für die Druckmessung (P) (5) und für die optische Flammenüberwachung (B) (6) angeordnet sind.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß eine Ansteuerlogik für Schnellumschaltung (8) mit dem Wegaufnehmer (Z) (4) für das Brenngasregelventil (1), mit den Druckmessungsgeräten (P) (5) und den Geräten für eine optische Flammenüberwachung (B) (6) an der Brennkammer (9, 10, n) sowie mit den Servoventilen (V) (7) der Schnellumschaltventile (3) verdrahtet ist.
  6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerlogik für Schnellumschaltung (8) ein erstes Umschaltkriterium 20 für den Wegaufnehmer (Z) (4) des Brenngasregelventiles (1) und ein zweites Umschaltkriterium 21 für die Druckmessung (P) (5) sowie eine parallele Ansteuerung der Servoventile (V) (7) der Schnellumschaltventile (3) aufweist.
  7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerlogik für Schnellumschaltung (8) ein drittes Umschaltkriterium 22 für die optische Flammenüberwachung (B) (6) sowie eine Ansteuerung der Servoventile (V) (7) der Schnellumschaltventile (3) aufweist.
EP96118560A 1996-02-16 1996-11-20 Verfahren und Vorrichtung zur Schnellumschaltung vom Vormischbetrieb in den Diffusionsbetrieb in einer Brennkammer einer mit Brenngas betriebenen Gasturbine Expired - Lifetime EP0790466B1 (de)

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