EP1730449A1 - Brennkammer für eine gasturbine und zugehöriges betriebsverfahren - Google Patents

Brennkammer für eine gasturbine und zugehöriges betriebsverfahren

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EP1730449A1
EP1730449A1 EP05743002A EP05743002A EP1730449A1 EP 1730449 A1 EP1730449 A1 EP 1730449A1 EP 05743002 A EP05743002 A EP 05743002A EP 05743002 A EP05743002 A EP 05743002A EP 1730449 A1 EP1730449 A1 EP 1730449A1
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burner
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combustion chamber
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burner group
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Bruno Schuermans
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    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/34—Feeding into different combustion zones
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00013—Reducing thermo-acoustic vibrations by active means

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkammer (1) für eine Gasturbine, umfassend ein Brennersystem (2) und ein Brennstoffversogungssystem (3). Das Brennersystem (2) weist wenigstens zwei Brennergruppen (A, B) mit jeweils wenigstens einem Brenner (5) auf. Das Brennstoffversorgungssystem (3) weist eine mit einer Brennstoffquelle (8) verbundene Hauptleitung (7) sowie für jede Brennergruppe (A, B) eine Nebenleitung (9) auf. Jede Nebenleitung (9) ist mit jedem Brenner (5) der zugehörigen Brennergruppe (A, B) und über ein steuerbares Verteilerventil (10) mit der Hauptleitung (7) verbunden. Eine Sensorik (11) erfasst für jede Brennergruppe (A, B) Druckpulsationswerte und/oder Emissionswerte. Eine Steuerung (12) steuert die Verteilerventile (10) in Abhängigkeit der Pulsationswerte und/oder der Emissionswerte so an, dass bei jeder Brennergruppe (A, B) die Pulsationswerte und/oder die Emissionswerte vorbestimmte Schwellwerte einnehmen und/oder unterschreiten.

Description

Brennkammer für eine Gasturbine und zugehöriges Betriebsverfahren
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkammer für eine Gasturbine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein zugehöriges Betriebsverfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffe des Anspruchs 10.
Stand der Technik
Aus der US 6,370,863 B2 ist eine Brennkammer für eine Gasturbine bekannt, die ein Brennersystem aufweist, das mehrere Brennergruppen mit jeweils mehreren Brennern besitzt. Desweiteren ist ein Brennstoffversorgungssystem vorgesehen, das eine mit einer Brennstoffquelle verbundene Hauptleitung sowie für jede Brennergruppe eine Nebenleitung aufweist, die mit jedem Brenner der zugehörigen Brennergruppe und über ein steuerbares Verteiler- ventil mit der Hauptleitung verbunden ist. Außerdem ist ein Brennraum vorgesehen, an dessen Eintritt die Brenner angeordnet sind. Bei der bekannten Brennkammer sind die einzelnen Brenner in einem Pilot-Modus und in einem Vormisch-Modus betreibbar, wobei innerhalb einer Brennergruppe stets sämtliche Brenner entweder im Vormisch-Modus oder im Pilot-Modus betrieben werden. Je nach Betriebsmodus benötigen die Brenner mehr oder weniger Brennstoff, was über die Verteilerventile einstellbar ist. Die Betätigung der Verteilerventile erfolgt bei der bekannten Brennkammer in Abhängigkeit des jeweiligen Lastzustands der Brennkammer.
Zur Erzielung möglichst niedriger Emissionswerte für Schadstoffe werden die Brenner im Nennbetriebspunkt der Brennkammer möglichst mager betrieben. Durch den Magerbetrieb führt die im Brennraum ablaufende homogene Verbrennungsreaktion zu vergleichsweise niedrigen Temperaturen. Da die Schadstoffbildung, insbesondere die Bildung von NOx überproportional von der Temperatur abhängt, führen die niedrigen Verbrennungstemperaturen zu einer Reduzierung der Schadstoffemissionen. Andererseits hat sich gezeigt, dass eine homogene Temperaturverteilung im Brennraum die Entstehung von Druckpulsationen begünstigt. Thermoakustische Druckpulsationen führen zum einen zu einer Lärmbelästigung und können zum anderen die Verbrennungsreaktion nachteilig beeinflussen. Im Extremfall können starke Druckpulsationen die Flamme im Brennraum auslöschen. Dabei hat sich gezeigt, dass die
Verbrennungsreaktion bei weniger mageren oder bei fetten Brennstoff-Oxidator- Gemischen weniger anfällig für thermoakustische Instabilitäten ist. Insbesondere können Zonen mit fetter Verbrennung benachbarte Zonen mit Magerverbrennung stabilisieren.
Aus der EP 1 050 713 A1 ist ein Verfahren zur Unterdrückung bzw. Kontrolle von thermoakustischen Schwingungen in einer Brennkammer bekannt, bei dem in einer geschlossenen Regelschleife besagte Schwingungen dedektiert und in Abhängigkeit von den dedektierten Schwingungen akustische Schwingungen einer bestimmten Amplitude und Phase erzeugt und in den Brennraum eingekoppelt werden. Durch diese Maßnahme werden die thermoakustischen Schwingungen unterdrückt bzw. reduziert, wenn innerhalb der Regelschleife die Amplitude der erzeugten akustischen Schwingungen proportional zur Amplitude der dedektierten Schwingungen gewählt wird. Bei diesem Verfahren werden somit die in bestimmten Betriebssituationen entstehenden thermoakustischen Schwingungen bedämpft.
Darstellung der Erfindung
Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Brennkammer der eingangs genannten Art einen Weg zur Verbesserung des Betriebsverhaltens aufzuzeigen, wobei insbe- sondere die Entstehung von Druckpulsationen und/oder die Emission von Schadstoffen reduziert werden sollen.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, für jede Brennergruppe zugehörige Werte für Druckpulsationen und/oder Schadstoffemissionen zu ermitteln und in deren Abhängigkeit die Brennstoffzufuhr zu den Brenner- gruppen zu regeln. Realisiert wird dies erfindungsgemäß mit einer Sensorik, die für jede Brennergruppe separat die Werte für die Druckpulsationen und/oder Emissionen erfasst und einer Steuerung zur Verfügung stellt, die in Abhängigkeit dieser Pulsationswerte bzw. Emissionswerte Verteilerventile, die den Brennstoffstrom zu den einzelnen Brennergruppen steuern, ansteuert bzw. betätigt. Dabei erfolgt die Ansteuerung bzw. Betätigung der Verteilerventile so, dass bei jeder Brennergruppe die Pulsationswerte und/oder die Emissionswerte vorbestimmte Schwellwerte einnehmen bzw. unterschreiten. Mit Hilfe der Erfindung kann das Brennersystem im Betrieb der Brennkammer im Hinblick auf möglichst niedrige Schadstoffemissionen und zusätzlich oder alternativ im Hinblick auf möglichst geringe Druckpulsationen betrieben werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt die Betätigung der Verteilerventile nicht direkt in Abhängigkeit der Pulsationswerte bzw. der Emissionswerte, sondern indirekt mittels Anteilsfaktoren, die für die jeweilige Brennergruppe den dieser Brennergruppe zugeführten Anteil an einem vorbestimmten, dem Brennraum zuzuführenden Gesamtbrennstoffstrom repräsentieren. Die Steuerung ermittelt in Abhängigkeit der Pulsationswerte und/oder Emissionswerte für jede Brennergruppe einen Anteilsfaktor und steuert dann die Verteilerventile in Abhängigkeit dieser Anteilsfaktoren an. Diese Vorgehensweise vereinfacht die Handhabung der Verteilerventile bzw. deren Betätigung. Insbesondere vereinfacht sich dadurch die Realisierung einer wichtigen Variante, bei der die Steuerung die Anteilsfaktoren so ermittelt, dass der Gesamtbrennstoffstrom konstant bleibt. Bei dieser Ausführungsform wirkt sich die Regelung der Brennstoffströme für die Brennergruppen nicht oder nur geringfügig auf die Leistung der Brennkammer aus.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen. Es zeigen, jeweils schematisch, Fig. 1 bis 4 jeweils eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Brennkammer bei unterschiedlichen Ausführungsformen.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Entsprechend Fig. 1 umfasst eine erfindungsgemäße Brennkammer 1 einer im Übrigen nicht dargestellten Gasturbine ein Brennersystem 2, ein Brennstoffversorgungssystem 3 sowie einen Brennraum 4, der ringförmig ausgestaltet ist. Das Brennersystem 2 umfasst mehrere Brenner 5, die an einem Eintritt 6 des Brennraums 4 in Umfangsrichtung verteilt angeordnet sind. Das Brennersystem 2 umfasst außerdem mehrere Brennergruppen A und B, denen jeweils wenigs- tens einer der Brenner 5 zugeordnet ist. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind zwei Brennergruppen A und B vorgesehen, denen jeweils mehrere Brenner 5 zugeordnet sind. In Fig. 1 sind die Brenner 5 der einen Brennergruppe A mit 5A bezeichnet, während die Brenner 5 der anderen Brennergruppe B mit 5B bezeichnet sind.
Das Brennstoffversorgungssystem 3 umfasst eine Hauptleitung 7, die mit einer nicht näher gezeigten Brennstoffquelle 8 verbunden ist. Desweiteren umfasst das Brennstoffversorgungssystem 3 für jede Brennergruppe A, B eine Nebenleitung 9, die entsprechend ihrer Zuordnung zur jeweiligen Brenner- gruppe A, B ebenfalls mit 9A bzw. 9B bezeichnet sind. Dementsprechend sind hier zwei Nebenleitungen 9A, 9B vorgesehen, die jeweils mit jedem Brenner 5 der zugehörigen Brennergruppe A bzw. B verbunden sind. Beispielsweise sind die Nebenleitungen 9 unmittelbar vor den Brennern 5 als Ringleitungen ausgebildet. Desweiteren sind die Nebenleitungen 9 jeweils über ein Verteiler- ventil 10 mit der Hauptleitung 7 verbunden. Auch die Verteilerventile 10 sind entsprechend ihrer Zugehörigkeit zu einer der Brennergruppen A, B mit 10A bzw. 10B bezeichnet.
Die erfindungsgemäße Brennkammer 1 umfasst außerdem eine Sensorik 11, die mit einer Steuerung 12 verbunden ist. Die Sensorik 11 ist so ausgestaltet, dass sie für jede Brennergruppe A, B separat Druckpulsationswerte, die mit im Brennraum 4 auftretenden Druckpulsationen der jeweiligen Brennergruppe A, B korrelieren, und/oder Emissionswerte erfassen kann, die mit Schadstoff- Emissionen, insbesondere mit NOx-Emissionen, der jeweiligen Brennergruppe A, B korrelieren. Beispielsweise ist die Sensorik 11 hierzu für jede Brennergruppe A, B mit wenigstens einem Drucksensor 19 und wenigstens einem Emissionssensor 13 ausgestattet. Die einzelnen Sensoren 13, 19 stehen mit der Steuerung 12 über entsprechende Signalleitungen 14 in Verbindung. Es ist klar, dass die Sensorik 11 jeder Brennergruppe A, B auch mehrere Druck- sensoren 19 bzw. mehrere Emissionssensoren 13 zuordnen kann.
Insbesondere kann die Sensorik 11 für jeden einzelnen Brenner 5 separat einen Drucksensor 19 und einen Emissionssensor 13 aufweisen.
Die Steuerung 12 dient zur Betätigung der Verteilerventile 10 und ist zu diesem Zweck mit diesen über entsprechende Steuerleitungen 15 verbunden. Die Steuerung 12 ist so ausgestaltet, dass sie die Verteilerventile 10 in Abhängigkeit der ermittelten Pulsationswerte und/oder in Abhängigkeit der ermittelten Emissionswerte betätigen kann. Diese Betätigung erfolgt erfindungsgemäß dabei so, dass bei jeder Brennergruppe A, B die Pulsationswerte bzw. die Emissionswerte vorbestimmte Schwellwerte einnehmen bzw. unterschreiten. Hierzu enthält die Steuerung 12 einen geeigneten Algorithmus, der aus den eingehenden Pulsationswerten und Emissionswerten ausgehende Steuersignale zur Betätigung der Verteilerventile 10 ermittelt. Wichtig ist hierbei, dass die den einzelnen Brennergruppen A, B zugeordneten Verteilerventile 10A, 10B individuell angesteuert werden, d.h. das der ersten Brennergruppe A zugeordnete erste Verteilerventil 10A wird von der Steuerung 12 in Abhängigkeit der an der ersten Brennergruppe A auftretenden Druck- pulsationen bzw. Emissionen betätigt, während das der zweiten Brennergruppe B zugeordnete zweite Verteilerventil 10B von der Steuerung 12 in Abhängigkeit der an der zweiten Brennergruppe B auftretenden Pulsationen bzw. Emissionen angesteuert wird. Da die Ansteuerung der Verteilerventile 10 außerdem so erfolgt, dass dadurch diejenige Größe variiert wird, die für den Steuervorgang verantwortlich ist, bildet die Steuerung 12 in Verbindung mit der Sensorik 11 für jede Brennergruppe A, B einen separaten und geschlossenen Regelkreis. In jedem dieser Regelkreise werden der Pulsationswert und/oder der Emissionswert in Abhängigkeit eines Soll-Ist-Vergleichs auf vorbestimmte Schwellwerte eingeregelt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind diese Regelkreise jedoch nicht unabhängig voneinander, sondern vielmehr durch wenigstens eine Randbedingung miteinander gekoppelt. Bevorzugt erfolgt die Kopplung der Regelkreise durch die Vorgabe eines Gesamtbrennstoffstroms, der insgesamt dem Brennraum 4 über sämtliche Brenner 5 zugeführt werden soll. Dieser Gesamtbrennstoffstrom ist letztlich für die Leistung der Brennkammer 1 verantwortlich. Durch die Vorgabe eines konstanten Gesamtbrennstoffstroms kann die Leistung der Brennkammer 1 im wesentlichen konstant gehalten werden, auch dann, wenn ihre einzelnen Brennergruppen A, B hinsichtlich des der jeweiligen Brennergruppe A, B zugeführten Teilbrennstoffstroms variiert werden. Diese Variationen werden dabei durch den Regeleingriff der Steuerung 12 an den Verteilerventilen 10 in Abhängigkeit der Druckpulsationen bzw. der Emissionen realisiert. Die erfindungsgemäße Brennkammer 1 ist dadurch besonders für einen stationären Betrieb geeignet. Durch die individuelle Regelung der einzelnen Brennergruppen A, B kann besonders effektiv ein Betriebszustand für die Brennkammer 1 eingestellt werden, in dem besonders niedrige Emissionswerte und/oder besonders niedrige Druckpulsationen auftreten, so dass die Brennkammer 1 schadstoffarm und stabil arbeitet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ermittelt die Steuerung 12 in Abhängigkeit der gemessenen Pulsationswerte bzw. Emissionswerte für jede Brennergruppe A, B einen Anteilsfaktor. Jeder Anteilsfaktor repräsentiert dabei den der zugehörigen Brennergruppe A, B zugeführten Anteil am Gesamt- brennstoffstrom. Die Ansteuerung der Verteilerventile 10 erfolgt dann in Abhängigkeit dieser Anteilsfaktoren und somit nur noch indirekt in Abhängigkeit der gemessenen Werte für die Pulsationen und Emissionen. Durch die Verwendung solcher Anteilsfaktoren vereinfacht sich die Ansteuerung der Verteilerventile 10. Insbesondere lässt sich hierdurch auch eine Regelung besonders einfach realisieren, bei welcher der Gesamtbrennstoffstrom auch bei variierenden Anteilsfaktoren konstant bleibt. Beim Beispiel mit zwei Brennergruppen A, B wird für die erste Brennergruppe A z.B. ein Anteilsfaktor von 20% ermittelt. Wenn der gesamte Brennstoffstrom konstant gehalten werden soll, muss die Summe aller Anteilsfaktoren dann 100% ergeben, so dass bei diesem Beispiel der Anteilsfaktor der zweiten Brennergruppe B bei 80% liegt.
Entsprechend Fig. 2 kann das Brennersystem 2 bei einer anderen Ausführungsform wieder 2 Brennergruppen A und B aufweisen. Während bei der Aus- führungsform gemäß Fig. 1 die einzelnen Brenner 5 jedoch einstufig ausgebildet sind, sind die Brenner 5 bei der Variante gemäß Fig. 2 mehrstufig, hier zweistufig ausgestaltet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind bei beiden Brennergruppen A, B jeweils alle Brenner als Mehr- bzw. Zweistufenbrenner 5 ausgestaltet. Die einzelnen Brennerstufen I, II sind in Fig. 2 dadurch erkennbar, dass die Brennstoffzuführung zum jeweiligen Brenner 5 an unterschiedlichen Stellen erfolgt. Beispielsweise besitzt jeder Zweistufenbrenner 5 eine erste Brennerstufe I mit einer im wesentlichen axialen und zentralen Brennstoffzuführung und eine zweite Brennerstufe II mit einer im wesentlichen exzentrischen und radialen Brennstoffzuführung. Beispielsweise ermöglicht die erste Brennerstoffe I einen Pilot-Modus und die zweite Brennerstufe II einen Vormisch-Modus. Desweiteren sind beliebige Misch-Betriebszustände zwischen den beiden genannten extremen Betriebs-Modi einstellbar.
Das Brennstoffversorgungssystem 3 besitzt nun für jede Brennergruppe A, B, die Mehrstufen brenner 5 aufweist, genau so viele Nebenleitungen 9 wie die Brenner 5 dieser Brennergruppe A, B Brennerstufen I, II aufweisen. Im vorliegenden Beispiel sind somit innerhalb jeder Brennergruppe A, B zwei Nebenleitungen 9 vorgesehen, wobei jede dieser Nebenleitungen 9 innerhalb dieser Brennergruppe A, B bei allen Brennern 5 mit derselben Brennerstufe I oder II verbunden ist. Das heisst, dass im vorliegenden Fall vier Nebenleitungen 9 vorgesehen sind, nämlich eine erste Nebenleitung 9A|, welche die ersten Brennerstufen I der Brenner 5A in der ersten Brennergruppe A über ein erstes Verteilerventil 10A| mit der Hauptleitung 7 verbindet. In entsprechender weise verbindet eine zweite Nebenleitung 9An innerhalb der ersten Brennergruppe A bei allen Brennern 5A die zweite Brennerstufe II mit einem zweiten Verteilerventil 10An. Desweiteren verbindet eine dritte Nebenleitung 9B| die ersten Brennerstufen I der Brenner 5B innerhalb der zweiten Brennergruppe B mit einem dritten Verteilerventil 10B|, während eine vierte Nebenleitung 9BM bei sämtlichen Brennern 5B der zweiten Brennergruppe B deren zweite Brenner- stufe II mit einem vierten Verteilerventil 10Bn verbindet.
Die Steuerung 12 ist bei dieser Ausführungsform dann so ausgestaltet, dass sie in Abhängigkeit der über die Sensorik 11 ermittelten Emissionswerte bzw. Pulsationswerte die Verteilerventile 10 ansteuern kann. Durch eine entspre- chende Aufteilung des einer jeden Brennergruppe A, B zugeführten Brennstoff- Stroms auf die Brennerstufen I, II der jeweiligen Brennergruppe A, B kann nun auf effektive Weise das thermoakustische Pulsationsverhalten der jeweiligen Brenner 5 beeinflusst werden. In entsprechender Weise kann auch die Abgasemission durch eine Aufteilung der Brennströme auf die Brennerstufen I, II beeinflusst werden.
Zweckmäßig werden auch hier für die einzelnen Brennerstufen I, II innerhalb der einzelnen Brennergruppen A, B separate geschlossene Regelkreise geschaffen, die eine besonders effektive Regelung der einzelnen Brenner 5 im Hinblick auf die gewünschten Sollwerte bzw. Schwellwerte für die Pulsationen und Emissionen ermöglichen.
Auch bei einer solchen Ausführungsform kann es erforderlich, den Gesamtbrennstoffstrom während der Regelungsvorgänge konstant zu halten. Desweiteren kann es wichtig sein, die Verteilung des Brennstoffstroms auf die einzelnen Brennstoffstufen I, II so durchzuführen, dass dem jeweiligen Brenner 5 stets ein konstanter Brennstoffstrom zugeführt wird, so dass der einzelne Brenner 5 eine konstante Brennerleistung aufweist. Insoweit können die einzelnen Regelkreise durch die genannten Randbedingung miteinander gekoppelt sein.
Eine vereinfachte Ansteuerung kann dabei bei einer Ausführungsform gemäß Fig. 3 erzielt werden, bei der ebenfalls wie in Fig. 2 zwei Brennergruppen A, B vorgesehen sind, deren Brenner 5 als Zweistufenbrenner mit zwei Brenner- stufen I, II ausgestaltet sind. Das Brennstoffversorgungssystem 3 besitzt dabei wieder für jede Brennergruppe A, B eine eigene Nebenleitung 9A und 9B. Darüber hinaus ist außerdem innerhalb jeder Brennergruppe A, B jeder Brennerstufe I, II des zugehörigen Brenners 5 eine eigene Abzweigleitung 16 zugeordnet. Die Bezeichnung der einzelnen Abzweigleitungen 16 erfolgt dabei analog zur Bezeichnung der einzelnen Nebenleitungen 9 in Fig. 2. Dementsprechend ist die erste Abzweigleitung 16A| über ein erstes Abzweigventil 17Aι an die erste Nebenleitung 9A angeschlossen, während die zweite Abzweigleitung 16An über ein zweites Abzweigventil 17AM ebenfalls an die erste Nebenleitung 9A angeschlossen ist. Im Unterschied dazu ist die dritte Abzweig- leitung 16B| über ein drittes Abzweigventil 17B| an die zweite Nebenleitung 9B angeschlossen, während die vierte Abzweigleitung 16B über ein viertes Abzweigventil 17Bn an die zweite Nebenleitung 9B angeschlossen ist. Die Steuerung 12 kann nun durch eine entsprechende Betätigung der beiden Verteilerventile 10A und 10B die Aufteilung des Gesamtbrennstoffstroms auf die beiden Brennergruppen A, B steuern. Desweiteren kann die Steuerung 12 über eine entsprechend Betätigung der Abzweigventile 17 innerhalb der jeweiligen Brenngruppe A, B die Verteilung der zugeordneten Brennstoffströme auf die beiden Brennerstufen I, II steuern.
Insgesamt kann somit durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der
Brennkammer 1 auch bei Brennergruppen A, B, die mehrstufige (I, II) Brenner 5 aufweisen, eine effektive Regelung der Druckpulsationen und/oder Emissionen realisiert werden.
Obwohl bei den in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Ausführungsformen das Brennersystem 2 jeweils nur zwei Brennergruppe A, B aufweist, ist grundsätzlich auch eine Ausführungsform mit mehr als zwei Brennergruppen A, B, C, D.... möglich. Desweiteren kann im Extremfall die jeweilige Brennergruppe A, B nur einen einzigen Brenner 5 aufweisen. Fig. 4 zeigt exemplarisch eine Ausführungsform mit zwölf Brennergruppen A bis L, wobei jede Brennergruppe A bis L mit nur einem einzigen Brenner 5A bis 5L ausgestattet ist. In entsprechender Weise umfasst das Brennstoffversorgungssystem 3 dann ebenfalls zwölf Nebenleitungen 9, von denen jedoch exemplarisch nur sechs dargestellt sind, 9A bis 9F. Jede Nebenleitung 9 verbindet den zugehörigen Brenner 5A bis 5L über ein entsprechendes Verteilerventil 10 bzw. 10A bis 10F mit der Hauptleitung 7. Die Sensorik 11 umfasst für jeden Brenner 5 zumindest einen Drucksensor 19 und wenigstens einen Emissionssensor 13. Bei der hier gezeigten Ausführungsform ist jedem Brenner 5 außerdem zumindest ein Temperatursensor 18 zugeordnet, mit dessen Hilfe eine Flammentemperatur innerhalb des Brennraums 4 im Bereich des jeweils zugeordneten Brenners 5 ermittelt werden kann. Des weiteren kann auch eine hier nicht gezeigte Drucksensoranordnung vorgesehen sein, die an jedem Brenner 5 eine Differentialdruckmessung erlaubt, mit deren Hilfe am jeweiligen Brenner 5 der zugehörige Luftmassenstrom ermittelt werden kann.
Zur Wahrung der Übersichtlichkeit sind von den Sensoren 13, 18, 19 jeweils nur einer angedeutet, wobei grundsätzlich für jeden Brenner 5 eine solche Sensoranordnung vorgesehen sein kann, was durch zusätzliche Signalleitungen 14 an der Steuerung 12 angedeutet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann nun die Sensorik 11 für jeden Brenner 5 separat Werte erfassen, die mit der Flammentemperatur und alternativ oder zusätzlich mit einem Luftmassenstrom am jeweiligen Brenner 5 korrelieren. Die Steuerung 12 kann nun in Abhängigkeit der ermittelten Temperaturwerte bzw. Luftmassenstromwerte Steuersignale ermitteln, die zur Betätigung der zugehörigen Verteilerventile 10A bis 10F dienen. Die Steuerung 12 steuert die Verteilerventile 10A bis 10F zweckmäßig so an, dass sich im Brennraum 4 eine möglichst homogene Flammentemperaturverteilung ausbildet. Durch die individuelle Ansteuerung der einzelnen Brenner 5A bis 5L können z.B. geometrische Abweichungen der einzelnen Brenner 5A bis 5L ausgeglichen werden, die beispielsweise auf Herstellungstoleranzen zurückgehen. Dementsprechend können lokal überhöhte Temperaturen und somit eine lokal überhöhte NOx-Erzeugung vermieden werden. Bezugszeichenliste
1 Brennkammer 2 Brennersystem 3 Brennstoffversorgungssystem 4 Brennraum 5 Brenner 6 Brennraumeintritt 7 Hauptleitung 8 Brennstoffquelle 9 Nebenleitung
10 Verteilerventil
11 Sensorik
12 Steuerung
13 Emissionssensor
14 Signalleitung
15 Steuerleitung
16 Abzweigleitung
17 Abzweigventil
18 Temperatursensor
19 Drucksensor

Claims

Patentansprüche
1. Brennkammer für eine Gasturbine, - mit einem Brennersystem (2), das wenigstens zwei Brennergruppen (A, B) mit jeweils wenigstens einem Brenner (5) aufweist,
- mit einem Brennstoffversorgungssystem (3), das eine mit einer Brennstoffquelle (8) verbundene Hauptleitung (7) sowie für jede Brennergruppe (A, B) eine Nebenleitung (9) aufweist, die mit jedem Brenner (5) der zugehörigen Brennergruppe (A, B) und über ein steuerbares Verteilerventil (10) mit der Hauptleitung (7) verbunden ist,
- mit einem Brennraum (4), an dessen Eintritt (6) die Brenner (5) angeordnet sind, dad u rch ge ke n nze ich net, - dass eine Sensorik (11 ) vorgesehen ist, die für jede Brennergruppe (A, B) separat Werte erfasst, die mit im Brennraum (4) auftretenden Druckpulsationen und/oder Emissionen korrelieren,
- dass eine Steuerung (12) vorgesehen ist, die mit der Sensorik (11 ) und mit den Verteilerventilen (10) verbunden ist und die in Abhängigkeit der Pulsationswerte und/oder der Emissionswerte die Verteilerventile (10) so ansteuert, dass bei jeder Brennergruppe (A, B) die Pulsationswerte und/oder die Emissionswerte vorbestimmte Schwellwerte einnehmen und/oder unterschreiten.
2. Brennkammer nach Anspruch 1 , dad u rch ge ke n nze ich net, dass die Steuerung (12) mit der Sensorik (11 ) für jede Brennergruppe (A, B) einen Regelkreis aufbaut, bei dem in Abhängigkeit eines Soll-Ist-Vergleichs der Pulsationswerte und/oder der Emissionswerte das zugehörige Verteilerventil (10) angesteuert wird.
3. Brennkammer nach Anspruch 1 oder 2, dad u rch ge ke n nzeich net,
- dass die Steuerung (12) in Abhängigkeit der Pulsationswerte und/oder der Emissionswerte für jede Brennergruppe (A, B) einen Anteilsfaktor ermittelt, der den der jeweiligen Brennergruppe (A, B) zugeführten Anteil an einem vorbestimmten, dem Brennraum (4) zuzuführenden Gesamtbrennstoffstrom repräsentiert,
- dass die Steuerung (12) in Abhängigkeit der Anteilsfaktoren die Verteilerventile (10) ansteuert.
4. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dad u rch ge ke n nzeich net, dass die Steuerung (12) die Verteilerventile (10) so ansteuert und/oder die Anteilsfaktoren so ermittelt, dass ein dem Brennraum (4) zuzuführender Gesamtbrennstoffstrom konstant bleibt.
5. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dad u rch ge ke n nzeich net, dass die Sensorik (11) für jede Brennergruppe (A, B) wenigstens einen Drucksensor (19) und/oder wenigstens einen Emissionssensor (13) aufweist.
6. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dad u rch ge ke n nzeich net, dass jede Brennergruppe (A, B) nur einen Brenner (5) aufweist.
7. Brennkammer nach Anspruch 6, dad u rch ge ken nzeich net,
- dass die Sensorik (11) zusätzlich für jeden Brenner (5) separat Werte erfasst, die mit einer Flammentemperatur und/oder mit einem Luftmassenstrom am jeweiligen Brenner (5) korrelieren,
- dass die Steuerung (12) zusätzlich die Verteilerventile (10) in Abhängigkeit der Flammentemperaturwerte und/oder Luftmassenstromwerte so ansteuert, dass sich im Brennraum (4) eine möglichst homogene Flammentemperaturverteilung ausbildet.
8. Brennkammer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorik (11) für jeden Brenner (5) einen Temperatursensor (18) und/oder eine Drucksensoranordnung zur Differentialdruckmessung aufweist.
9. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dad u rch ge ke n nzeich net,
- dass zumindest bei einer Brennergruppe (A, B) alle Brenner (5) als Mehrstufenbrenner mit jeweils wenigstens zwei Brennerstufen (I, II) ausgebildet sind,
- dass das Brennstoffversorgungssystem (3) für jede Brennergruppe (A, B) mit Mehrstufenbrennern (5) eine der Anzahl an Brennerstufen (I, II) entsprechende Anzahl an Nebenleitungen (9) aufweist, die jeweils bei allen Mehrstufenbrennern (5) der zugehörigen Brennergruppe (A, B) mit der zugeordneten Brennerstufe (I, II) und über ein steuerbares Verteilerventil (10) mit der Hauptleitung (7) verbunden sind,
- dass die Steuerung (12) in Abhängigkeit der Pulsationswerte und/oder der Emissionswerte die Verteilerventile (10) so ansteuert, dass sich in jeder Brennergruppe (A, B) eine Verteilung des Brennstoffstroms auf die einzelnen Brennerstufen (I, II) ergibt, die so gewählt ist, dass in der jeweiligen Brennergruppe (A, B) die Pulsationswerte und/oder die Emissionswerte die vorbestimmten Schwellwerte einnehmen und/oder unterschreiten.
10. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dad u rch g e ken nzeich net,
- dass zumindest bei einer Brennergruppe (A, B) alle Brenner (5) als Mehrstufenbrenner mit jeweils wenigstens zwei Brennerstufen (I, II) ausgebildet sind,
- dass das Brennstoffversorgungssystem (3) für jede Brennergruppe (A, B) mit Mehrstufenbrennern (5) eine der Anzahl an Brennerstufen (I, II) entsprechende Anzahl an Abzweigungsleitungen (16) aufweist, die jeweils bei allen Mehrstufenbrennern (5) der zugehörigen Brennergruppe (A, B) mit der zugeordneten Brennerstufe (I, II) und über ein steuerbares Abzweigventil (17) mit der der Brennergruppe (A, B) zugeordneten Nebenleitung (9) verbunden sind,
- dass die Steuerung (12) zusätzlich die Abzweigventile (17) in Abhängigkeit der Pulsationswerte und/oder Emissionswerte so ansteuert, dass sich in jeder Brennergruppe (A, B) eine Verteilung des Brennstoffstroms auf die einzelnen Brennerstufen (I, II) ergibt, die so gewählt ist, dass in der jeweiligen Brennergruppe (A, B) die Pulsationswerte und/oder die Emissionswerte die vorbestimmten Schwellwerte einnehmen und/oder unterschreiten.
11. Verfahren zum Betreiben einer Brennkammer (1 ) für eine Gasturbine, wobei die Brennkammer (1 ) ein Brennersystem (2) aufweist, das wenigstens zwei Brennergruppe (A, B) mit jeweils wenigstens einem Brenner (5) aufweist, dad u rch ge ke n nzeich net, dass die den einzelnen Brennergruppen (A, B) zugeführten Brennstoffströme hinsichtlich ihrer Größe in Abhängigkeit von den Brennergruppe (A, B) zugeordneten Druckpulsationen und/oder Emissionen bestimmt werden, derart, dass bei jeder Brennergruppe (A, B) die Pulsationswerte und/oder die Emissionswerte vorbestimmte Schwellwerte einnehmen und/oder unterschreiten.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dad u rch ge ke n nzeichnet, dass für jede Brennergruppe (A, B) ein Regelkreis vorgesehen ist, der in Abhängigkeit eines Soll-Ist-Vergleichs der Pulsationswerte und/oder der Emissionswerte die Größe der Brennstoffströme zu den einzelnen Brennergruppen (A, B) regelt.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, da d u rch ge ke n nzeich net,
- dass in Abhängigkeit der Pulsationswerte und/oder der Emissionswerte für jede Brennergruppe (A, B) ein Anteilsfaktor ermittelt wird, der den der jeweiligen Brennergruppe (A, B) zugeführten Anteil an einem vorbestimmten, einem Brennraum (4) der Brennkammer (1) zuzuführenden Gesamtbrennstoffstrom repräsentiert,
- dass die Größe der den einzelnen Brennergruppen (A, B) zugeführten Brennstoffströme in Abhängigkeit der Anteilsfaktoren bestimmt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dad u rch ge ke n nzeich net, dass die Anteilsfaktoren und/oder die den einzelnen Brennergruppen (A, B) zugeführten Brennstoffströme so ermittelt werden, dass der dem Brennraum (4) zuzuführende Gesamtbrennstoffstrom konstant bleibt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dad u rch ge ke n nzeich net, - dass jede Brennergruppe (A, B) nur einen Brenner (5) aufweist, - dass zusätzlich für jeden Brenner (5) separat Werte erfasst werden, die mit einer Flammentemperatur und/oder mit einem Luftmassenstrom am jeweiligen Brenner (5) korrelieren,
- dass die Größe der den einzelnen Brennergruppen (A, B) zugeführten Brennstoffströme zusätzlich in Abhängigkeit der Flammentemperaturwerte und/oder der Luftmassenstromwerte so ermittelt werden, dass sich in einem Brennraum (4) der Brennkammer (1) eine möglichst homogene Flammentemperaturverteilung ausbildet.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dad u rch ge ke n nzeich net,
- dass zumindest bei einer Brennergruppe (A, B) alle Brenner (5) als Mehrstufenbrenner mit jeweils wenigstens zwei Brennerstufen (I, II) ausgebildet sind, - dass innerhalb jeder Brennergruppe (A, B) die zugeführten Brennstoffströme so auf die einzelnen Brennerstufen (I, II) verteilt werden, dass in der jeweiligen Brennergruppe (A, B) die Pulsationswerte und/oder die Emissionswerte die vorbestimmten Schwellwerte einnehmen und/oder unterschreiten.
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