EP1794497B1 - Verfahren und vorrichtung zur beeinflussung von verbrennungsvorg[ngen, insbesondere beim betrieb einer gasturbine - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur beeinflussung von verbrennungsvorg[ngen, insbesondere beim betrieb einer gasturbine Download PDF

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EP1794497B1
EP1794497B1 EP05797010A EP05797010A EP1794497B1 EP 1794497 B1 EP1794497 B1 EP 1794497B1 EP 05797010 A EP05797010 A EP 05797010A EP 05797010 A EP05797010 A EP 05797010A EP 1794497 B1 EP1794497 B1 EP 1794497B1
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normally
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    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/99005—Combustion techniques using plasma gas
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a device for influencing combustion processes, in particular during operation of a gas turbine, being used to maintain the combustion over a large parameter range pilot flames whose flame control is done via electromagnetic fields.
  • the pilot flames required in gas turbines to maintain combustion over a large parameter range produce a not insignificant proportion of the pollutants, in particular the nitrogen oxides (NOx).
  • the pilot flames of a gas turbine have a narrow working range and are - u.a. because of the large inertia of a gas flow-related control - only partially suitable for controlling the combustion process in the combustion chamber.
  • a mixer assembly for use in a combustor of a gas turbine in which a plasma generator is provided to produce at least dissociated and ionized fuel.
  • electrical means are used 'in situ'.
  • a method for increasing the enthalpy in the combustion in which an electric field is used to control the flame.
  • a burner is also previously known, are associated with the means for electric field generation.
  • an inductive, pulsed energy coupling via an induction coil surrounding the flame with the flame takes place as a secondary winding of a pulse transformer, wherein at least one controllable switch is used.
  • a pulse transformer wherein at least one controllable switch is used.
  • Such arrangements are known for the generation of eg Pinchvor réellen. Because of the shielding effect of the conductive flame plasma, the effect preferably takes place in the outer region of the flame, so that these cold flame regions are preferably given additional heating by the pulsed energy supply which is made inductively. This allows the Temperature profile in the flame are briefly equalized over the cross section.
  • the advantages of the invention lie essentially in the very fast controllability of the electrical power in the sub-millisecond range when using correspondingly short power pulses, as well as the scalability to high gas pressures and the coupling of high electrical power. With suitable switches even very fast control operations, e.g. be implemented for the suppression of acoustic eigenmodes in the combustion chamber.
  • the equalization of the flame temperature leads to a reduction in the production of pollutants such as nitrogen oxides.
  • Pulse repetition frequency and pulse amplitude are controlled by a control system that characterizes the current operating state of the gas turbine via appropriate sensors (temperature, acoustic vibrations, exhaust gas composition, etc.) and controlled by a targeted additional energy supply to the pilot or main flame.
  • FIG. 1 1 denotes a device for flame control.
  • 10 mean a ceramic tube, on which an induction coil 11 with inductance L is arranged.
  • 12 is a burner and 13 denotes the associated pilot flame.
  • Suitable means are provided for controlling the induction coil: 14 and 15 each represent capacitors, the capacitor 14 realizing a stray capacitance CS and the capacitor 15 realizing a pulse capacitance C P.
  • the capacitors are connected to a high voltage source U H and connected to ground on the other side.
  • the switch 16 is driven by a control unit 30 rule. As inputs for the control unit rule serve sensors 31, 32nd
  • pulse energy can be coupled in to control the turbine pilot flame.
  • 20 means a ceramic combustion chamber wall and 23 the main flame in the turbine.
  • 21 and 21 'induction coils are designated, which in FIG. 2 are formed as flat coils.
  • Each of the flat coils has a control device, which in principle corresponds to the control device FIG. 1 equivalent.
  • the circuit is connected to a high voltage source U H and there are switches 16, 16 'present, which are connected by a control / regulating unit 30 with corresponding sensors 31, 32.
  • the individual control devices can be coupled together.
  • FIG. 2 is a spatially controllable coupling of high-frequency energy directly into the plasma of the main flame possible.
  • the single ones Induction coils 21, 22 are advantageously designed as flat coils. In FIG. 2 they are located outside the ceramic combustion chamber wall. In the case of an electrically conductive combustion chamber wall, they can also be arranged inside the combustion chamber.
  • FIG. 1 and FIG. 2 in particular results in the fast controllability, whereby a homogenization of the flame temperature can be achieved. This causes a reduction in the production of pollutants.
  • the devices described allow scalability to high gas pressures and for coupling high electrical power. In particular, acoustic eigenmodes in the combustion chamber can thus also be suppressed.
  • FIGS. 3 and 4 show embodiments that are not part of the invention.

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Abstract

Es ist bereits vorgeschlagen, zur Beeinflussung von Verbrennungsvorgängen elektromagnetische Felder zu verwenden. Gemäß der Erfindung erfolgt die Flammensteuerung über eine wiederholte induktive, gepulste Energieeinkopplung. Bei der zugehörigen Vorrichtung wird wenigstens eine die Flamme zumindest teilweise umgebende Induktionsspule (11, 21) verwendet und ist wenigstens ein steuerbarer Schalter (16, 16') oder ein HF-Generator (26, 26') vorhanden.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Beeinflussung von Verbrennungsvorgängen, insbesondere beim Betrieb einer Gasturbine, wobei zur Aufrechterhaltung der Verbrennung über einen großen Parameterbereich Pilotflammen verwendet werden, deren Flammensteuerung über elektromagnetische Felder erfolgt.
  • Die bei Gasturbinen zur Aufrechterhaltung der Verbrennung über einen großen Parameterbereich notwendigen Pilotflammen erzeugen einen nicht unwesentlichen Anteil der Schadstoffe, insbesondere der Stickoxide (NOx). Die Pilotflammen einer Gasturbine haben einen engen Arbeitsbereich und sind - u.a. wegen der großen Trägheit einer gasflussbezogenen Regelung - nur bedingt zur Steuerung des Verbrennungsablaufs in der Brennkammer geeignet.
  • Eine Erweiterung des Arbeitsbereichs der Pilotflammen bei gleichzeitiger Verringerung der Schadstofferzeugung sowie eine sehr schnelle Beeinflussbarkeit des Verbrennungsvorgangs können sich sehr vorteilhaft auf Wirkungsgrad und Schadstoffausstoß auswirken.
  • Neben der nur eingeschränkt möglichen und vergleichsweise trägen Regelung von Gasfluss und Brenngaszusammensetzung werden seit einiger Zeit Methoden untersucht, eine Flammensteuerung über elektrische Felder zu erzielen. Diese Methode führt zu einer Erweiterung des Arbeitsbereichs der Pilotflamme in Bezug auf die Luftzahl sowie eine Verringerung des NOx-Gehaltes im Abgas der Flamme. Weiterhin ist eine schnelle Beeinflussung der Flamme möglich. Aus der DE 199 47 258 A1 ist das Grundprinzip einer induktiven Einkopplung von elektrischer Energie in einen Gasstrom bekannt. Weiterhin offenbart die EP 1 215 392 eine Vorrichtung zur Energieeinkopplung in einen mit einem Luft-Kraftstoff-gefüllten Brennraum eines Verbrennungsmotors, um das Luft-Kraftstoff-Gemisch zu entzünden.
  • Aus der EP 12 25 392 A2 ist eine Mischeranordnung zur Verwendung in einem Brenner einer Gasturbine bekannt, bei der ein Plasmagenerator zur Erzeugung von wenigstens dissoziiertem und ionisiertem Brennstoff vorhanden ist. Dafür werden 'in situ' elektrische Mittel eingesetzt. Weiterhin ist aus der FR 1 340 937 A ein Verfahren zum Vergrößern der Enthalpie bei der Verbrennung bekannt, bei dem ein elektrisches Feld zur Steuerung der Flamme eingesetzt wird. Aus der GB 1 140 862 A ist ebenfalls ein Brenner vorbekannt, dem Mittel zur elektrischen Felderzeugung zugeordnet sind. Schließlich ist aus der CH 619 866 A die Überlagerung von elektrostatischen Feldern für einen Verbrennungsvorgang bekannt.
  • Von letzterem Stand der Technik ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Steuerung des Verbrennungsvorganges anzugeben und eine Vorrichtung zu schaffen, mit der mit einfachen Mitteln der Verbrennungsvorgang gesteuert werden kann.
  • Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen der Vorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Gemäß der Erfindung erfolgt eine induktive, gepulste Energieeinkopplung über eine die Flamme umgebende Induktionsspule mit der Flamme als Sekundärwindung eines Impulstransformators, wobei wenigstens ein steuerbarer Schalter eingesetzt wird. Solche Anordnungen sind zur Erzeugung von z.B. Pinchvorgängen bekannt. Die Wirkung setzt dabei wegen der abschirmenden Wirkung des leitfähigen Flammenplasmas bevorzugt im Außenbereich der Flamme ein, so dass diese kalten Flammenbereiche bevorzugt eine zusätzliche Heizung durch die induktiv erfolgte gepulste Energiezufuhr erhalten. Dadurch kann der Temperaturverlauf in der Flamme kurzzeitig über den Querschnitt vergleichmäßigt werden.
  • Da über die Zufuhr von impulsförmig zugeführter elektrischer Energie eine sehr schnelle Regelung der Verbrennungsprozesse erfolgt, können auch akustische Eigenschwingungen im Brennkammerbereich durch entsprechende rückgekoppelte Regelalgorithmen kompensiert werden.
  • Für die Zuführung von elektrischer Energie in Form induktiv übertragener Leistung stehen prinzipiell zwei Möglichkeiten zur Verfügung :
    • Energiezufuhr in einer Serie von Einzelimpulsen mit kurzer Dauer von Mikrosekunden (µs) bis Millisekunden (ms).
    • kontinuierliche (oder quasi-kontinuierliche) Zuführung induktiv eingekoppelter Hochfrequenzleistung über wenigstens einen HF-Leistungsgenerator.
  • Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine schnell regelbare Energieeinkopplung in Flammen erreicht, mit deren Hilfe eine nahezu trägheitslose Steuerung des Verbrennungsablaufs in der Pilotflamme ermöglicht wird bis hin zu hohen thermischen Leistungen im MW-Bereich und darüber.
  • Die Vorteile der Erfindung liegen im Wesentlichen in der sehr schnellen Regelbarkeit der elektrischen Leistung im sub-Millisekunden-Bereich bei Verwendung entsprechend kurzer Leistungsimpulse, sowie der Skalierbarkeit zu hohen Gasdrücken und der Einkopplung hoher elektrischer Leistungen. Mit geeigneten Schaltern können auch sehr schnelle Regelvorgänge z.B. zur Unterdrückung akustischer Eigenmoden in der Brennkammer realisiert werden.
  • Die Vergleichmäßigung der Flammentemperatur führt zu einer Verringerung der Schadstofferzeugung wie z.B. von Stickoxiden.
  • Weiterhin ist es mit der Erfindung möglich, den Verbrennungsvorgang auch in der Brennkammer selbst berührungslos zu steuern; dies kann über ein einzelnes großes, oder über mehrere getrennte, räumlich verteilte kleinere Induktionssysteme erfolgen, so dass sogar eine gezielte räumlich aufgelöste Beeinflussung des Verbrennungsvorgangs ermöglicht wird. Damit lassen sich gezielt Temperaturspitzen abbauen und somit der NOx-Ausstoß verringern, der Verbrennungsvorgang (Wirkungsgrad) optimieren sowie akustische Resonanzen verhindern. Flachspulen sind hier eine besonders günstige Lösung.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den weiteren Patentansprüchen. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung
    • Figur 1
    die Steuerung einer Turbinenpilotflamme mit Hilfe ei- ner die Flamme umgebenden Impuls-Induktionsspule zur Einkopplung von Impulsenergie,
    Figur 2
    die Steuerung der Hauptflamme in der Brennkammer ei- ner Gasturbine mit Hilfe verteilter Induktionsspulen zur räumlich steuerbaren Einkopplung von Hochfre- quenzenergie,
    Figur 3
    einen Aufbau entsprechend Figur 1 mit einem HF-Gene- rator, ein derartiger Aufbau ist nicht Teil der Erfindung und
    Figur 4
    einen Aufbau entsprechend Figur 2 mit zwei HF-Gene- ratoren, ein derartiger Aufbau ist nicht Teil der Erfindung.
  • Während im KW-Bereich die Einkopplung einer zur Flammensteuerung ausreichenden Leistung über viele Schwingungsperioden gemittelt erfolgt, muss bei Impulsbetrieb die im Einzelimpuls eingekoppelte Energie dafür ausreichend sein. Dies ist i.a. nur sehr bedingt gegeben, da die Leitfähigkeit und damit die elektrische Impedanz des Plasmas einer Flamme vergleichsweise gering ist im Vergleich zur Impedanz der notwendigen Leistungsimpulselektronik.
  • Daher ist es notwendig, eine Impedanzanpassung der Leistungselektronik an die Impedanz des Flammenplasmas vorzunehmen. Dies erfolgt erfindungsgemäß dadurch, dass ein elektrischer Strom i durch eine die Flamme umgebende, vorwiegend zylindrische Spule durch einen schließenden Schalter über ein längeres Zeitintervall aufgebaut wird (Bild 1). Im Bereich des Strommaximums wird der Schalter (oder ein mit ihm in Serie geschaltetes zweites Schaltelement) mit einer im Vergleich zur Stromaufbauzeit kurzen Zeitkonstante geöffnet. Dadurch wird die induktiv in der Spuleninduktivität L gespeicherte magnetische Energie E ind = 0 , 5 * L * I 2
    Figure imgb0001
    in Form eines sehr hochfrequenten Hochspannungsimpulses in die Streukapazität CS des Systems umgeladen; das elektrische System besteht aus Spuleninduktivität L als Primärseite eines Lufttransformators und der zugehörigen geringen Streukapazität CS, sowie dem Plasma als (einwindige) Sekundärseite des Transformators stellt nun eine hochimpedante Anordnung dar. Durch diese Maßnahme wird eine erheblich verbesserte Impedanzanpassung der Last an die Energiequelle und damit eine bessere Leistungseinkopplung in das Flammenplasma erreicht als über eine direkte induktive Ankopplung des Einzelimpulses.
  • Die Wechselwirkung des induzierten elektrischen Feldes mit den Ladungsträgern im Flammenplasma wird durch diese Maßnahme enorm vergrößert. Eine gezielte Ladungsträgervermehrung über Stoßionisation wird durch extern einstellbare Zeitkonstanten des Schalters möglich, wobei es nach dem Stand der Technik (vgl. gepulster elektrostatischer Staubfilter) durchaus möglich ist, einen direkten Gasdurchschlag zu vermeiden.
  • Impulsfolgefrequenz und Impulsamplitude werden über ein Regelungssystem gesteuert, das über entsprechende Sensorik (Temperatur; akustische Schwingungen; Abgaszusammensetzung; etc.) den momentanen Betriebszustand der Gasturbine charakterisiert und über eine gezielte zusätzliche Energiezufuhr zur Pilot- oder auch Hauptflamme kontrolliert.
  • Es wird vorgeschlagen, diese Art der gepulsten Energieeinkopplung zur Steuerung der Pilotflammen und der Vormischflamme von Gasturbinen einzusetzen. Varianten des Aufbaus, die ein höherpoliges Feld erzeugen, sind einfach zu realisieren und gestatten über entsprechende Wahl der Phasenlage z.B. die Induktion einer Rotationsbewegung des Plasmas. Je nach Art der Anwendung können dabei Flachspulen zur lokalen Flammenbeeinflussung vorteilhaft sein.
  • In der Figur 1 ist mit 1 eine Vorrichtung zur Flammensteuerung bezeichnet. Im Einzelnen bedeuten 10 ein Keramikrohr, auf der eine Induktionsspule 11 mit Induktivität L angeordnet ist. Mit 12 ist ein Brenner und mit 13 die zugehörige Pilotflamme bezeichnet.
  • Zur Steuerung der Induktionsspule sind geeignete Mittel vorhanden: Dabei stellen 14 und 15 jeweils Kondensatoren dar, wobei der Kondensator 14 eine Streukapazität CS realisiert und der Kondensator 15 eine Impulskapazität CP realisiert. Die Kondensatoren sind an eine Hochspannungsquelle UH angeschlossen und auf der anderen Seite gegen Masse geschaltet. Es ist ein Schalter 16 vorhanden, der als öffnender oder als schließender Schalter realisiert sein kann. Der Schalter 16 wird von einer Steuer-Regel-Einheit 30 angesteuert. Als Eingänge für die Steuer-Regel-Einheit dienen Sensoren 31, 32.
  • Mit der Anordnung gemäß Figur 1 kann Impulsenergie zur Steuerung der Turbinenpilotflamme eingekoppelt werden.
  • Letzteres Prinzip ist auf die Anordnung gemäß Figur 2 übertragen. Es bedeuten in diesem Fall 20 eine keramische Brennkammerwand und 23 die Hauptflamme in der Turbine. Mit 21 und 21' sind Induktionsspulen bezeichnet, die in Figur 2 als Flachspulen ausgebildet sind.
  • Es kann eine Vielzahl von Flachspulen vorhanden sein. Jede der Flachspulen hat eine Steuereinrichtung, die im Prinzip der Steuereinrichtung entsprechend Figur 1 entspricht. Dies heißt im Einzelnen, dass wiederum Kondensatoren 14, 15 vorhanden sind, die eine Streukapazität CS und eine Impulskapazität CP realisieren. Die Schaltung ist an eine Hochspannungsquelle UH angeschlossen und es sind Schalter 16, 16' vorhanden, die von einer Steuer/Regeleinheit 30 mit entsprechenden Sensoren 31, 32 angeschlossen sind. Die einzelnen Steuereinrichtungen können miteinander gekoppelt sein.
  • Mit den verteilten Induktionsspulen entsprechend Figur 2 ist eine räumlich steuerbare Einkopplung von Hochfrequenzenergie direkt in das Plasma der Hauptflamme möglich. Die einzelnen Induktionsspulen 21, 22 sind vorteilhafterweise als Flachspulen ausgeführt. In Figur 2 sind sie außerhalb der keramischen Brennkammerwand angeordnet. Bei elektrisch leitfähiger Brennkammerwand können sie auch innerhalb der Brennkammer angeordnet sein.
  • In beiden Fällen der Figur 1 und Figur 2 ergibt sich insbesondere die schnelle Steuerbarkeit, womit eine Vergleichmäßigung der Flammentemperatur erreicht werden kann. Dies bewirkt eine Verringerung der Schadstofferzeugung. Die beschriebenen Vorrichtungen ermöglichen die Skalierbarkeit zu hohen Gasdrücken und zur Einkopplung hoher elektrischer Leistungen. Insbesondere können somit auch akustische Eigenmoden in der Brennkammer unterdrückt werden.
  • Figuren 3 und 4 zeigen Ausführungen, die nicht Teil der Erfindung sind.
  • In Abwandlung zu Fig. 1/2 ist in den Figuren 3 und 4 der steuerbare Schalter 16 bzw. 16' durch ein bzw. zwei Leistungs-HF-Generatoren 26 bzw. 26' ersetzt. Mit den HF-Generatoren können insbesondere die Frequenz der eingekoppelten Leistung vorgegeben werden. Ansonsten ist die Anordnung der Induktionsspulen und die Steuer/Regeleinheit mit den zugehörigen Sensoren entsprechend den Figuren 1 und 2 aufgebaut.

Claims (12)

  1. Vorrichtung zur Beeinflussung von Verbrennungsvorgängen, insbesondere zum Betrieb einer Gasturbine, wobei die Vorrichtung zur Aufrechterhaltung der Verbrennung über einen großen Parameterbereich Pilotflammen verwendet werden, deren Flammensteuerung über elektromagnetische Felder und die Verwendung von wenigstens einer, die Flamme (13) zumindest teilweise umgebenden Induktionsspule (11, 21) erfolgt, dadurch gekennzeichnet dass der wenigstens einen Induktionsspule (11, 21) wenigstens ein steuerbarer Schalter (16, 16') zugeordnet ist, so dass die Flammensteuerung über eine wiederholte induktive, gepulste Energieeinkopplung erfolgt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Induktionsspule eine zylindrische Spule (11) ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Induktionsspule Flachspulen (21, 21') sind.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (16, 16') ein schließender Schalter ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (16, 16') ein öffnender Schalter in Verbindung mit einem Energiespeicher in Form eines Kondensators ist.
  6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei in Serie geschaltete Schaltelemente, von denen jeweils mindestens eines ein schließender und eines ein öffnender Schalter ist, als Schalteinrichtung vorhanden sind.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Schalteinrichtung Pulsdauern von Mikrosekunden bis Millisekunden realisiert werden.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktionsspule wenigstens ein HF-Generator (26, 26') zugeschaltet ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Steuer-/Regeleinheit (30, 30') vorhanden ist, die von Sensoren (31, 32) angesteuert wird.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer-/Regeleinheit (30, 30') eine Rückkopplungsschleife beinhaltet, mit der akustischen Schwingungen gegengesteuert wird.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer-/Regeleinheit (30, 30') eine Rückkopplungsschleife beinhaltet, mit der die Schadstoffkonzentrationen im Abgas minimiert werden.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer-/Regeleinheit (30, 30') eine Rückkopplungsschleife beinhaltet, mit der der thermodynamische Wirkungsgrad des Verbrennungsvorgangs in der Flamme optimiert wird.
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