EP2417395A2 - Verfahren zur analyse der brummneigung einer brennkammer und verfahren zur steuerung einer gasturbine - Google Patents

Verfahren zur analyse der brummneigung einer brennkammer und verfahren zur steuerung einer gasturbine

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EP2417395A2
EP2417395A2 EP10713903A EP10713903A EP2417395A2 EP 2417395 A2 EP2417395 A2 EP 2417395A2 EP 10713903 A EP10713903 A EP 10713903A EP 10713903 A EP10713903 A EP 10713903A EP 2417395 A2 EP2417395 A2 EP 2417395A2
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EP
European Patent Office
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combustion chamber
gas turbine
tendency
stability parameter
value
Prior art date
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EP10713903A
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English (en)
French (fr)
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EP2417395B1 (de
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Malte Blomeyer
Eberhard Deuker
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • 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
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/24—Preventing development of abnormal or undesired conditions, i.e. safety arrangements
    • F23N5/242—Preventing development of abnormal or undesired conditions, i.e. safety arrangements using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2241/00—Applications
    • F23N2241/20—Gas turbines
    • 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 method for analyzing the tendency to hum of a combustion chamber and a method for controlling the operation of a gas turbine with a combustion chamber, provided that hum of the combustion chamber is prevented.
  • combustion oscillations may occur. The occurrence of
  • Combustion vibration is also known as "combustion chamber hum.”
  • the combustor of the gas turbine tends to hum when the gas turbine is operated at a high turbine inlet temperature to achieve high thermal efficiency of the gas turbine.
  • the high turbine inlet temperature can be achieved by a correspondingly high combustion temperature in the combustion chamber, whereby the combustion chamber tends to hum.
  • Combustion vibrations are based on an interaction of the combustion air / fuel mixture flowing in the combustion chamber with the instantaneous combustion conversion in the flame.
  • the combustion vibrations cause increased mechanical and thermal stress on the combustion chamber structure and its suspension.
  • the combustion vibrations can suddenly occur in such a Intensity occur that the combustion chamber structure itself or other components of the gas turbine can be damaged.
  • the gas turbine is conventionally relieved of a high load gradient, thereby adversely reducing gas turbine output.
  • Remedy is the operation of the gas turbine with sufficient distance from the limit of self-excited combustion oscillations.
  • the limit of the self-excited combustion vibrations can unfavorably shift, so that for the most unfavorable environmental conditions, a sufficient distance from the limit of self-excited combustion vibrations must be maintained. It is disadvantageous that thus the upper power range of the gas turbine must be excluded and can not be driven.
  • the object of the invention is to provide a method for analyzing the rumble tendency of a combustion chamber, a method for controlling an operation of a gas turbine with a combustion chamber and a control device for controlling an operation of a gas turbine, the method being able to effectively operate the combustion chamber with sufficiently low rumbling tendency ,
  • the method according to the invention for analyzing the rumble tendency of a combustion chamber in an operating state comprises the steps of: operating the combustion chamber in the operating state; Detecting a thermoacoustic size of the
  • Combustion chamber is operated in an operating state with just yet permissible high Brummneist, the stability parameter is in this operating state on one of the thresholds; Quantify the rumble slope using the lower distance value and / or the upper distance value.
  • the threshold values can be selected depending on the operating and ambient conditions.
  • the magnitude of the amplitude values of the parameter changes moderately with the burning load of the combustion chamber and is only of limited significance for the purpose of
  • the stability parameter is calculated with the ratio value from the division of the amplitude value of the first resonance and the amplitude value of the second resonance.
  • the stability parameter is formed as the logarithm of the ratio. Further, it is preferable that the stability parameter is attenuated over time with a damping function. In this way, excessive transient changes in the stability parameter can advantageously be contained.
  • an attenuation function may be formed such that at a time instant n the stability parameter is formed from the arithmetic mean of the ratio value at time n and the ratio value at time n-1.
  • the characteristic is measured at the same time and for each site the local spectrum is determined, the local spectra having an envelope used as the spectrum.
  • the spectrum formed by the envelope is the entire possibly determined by spatial inhomogeneities operating state of Combustion chamber represents.
  • the combustion chamber is preferably designed as an annular combustion chamber rotationally symmetrical about an axis and has a plurality of points at which the parameters are measured, wherein the number of measuring points is reduced by utilizing the symmetry of vibration modes.
  • the parameter is the sound pressure in the combustion chamber and / or the acceleration of the combustion chamber structure.
  • the method according to the invention for controlling an operation of a gas turbine with a combustion chamber comprises the steps of: performing the previous method for analyzing the tendency to hum of the combustion chamber of the gas turbine during its operation; once the quantification of the rumble tendency indicates that the stability parameter has reached at least one of the threshold values, reducing the output power of the gas turbine.
  • the stability parameter can be used directly as a controlled variable for operating the gas turbine.
  • the instantaneous load of the gas turbine is directly correlated to the stability parameter, so that with the stability parameter, a power control of the gas turbine with regard to the avoidance of the hum of the combustion chamber can be accomplished.
  • the method of controlling the operation of the gas turbine further includes the step of: once the quantification of the rumble tendency indicates that the stability parameter has reached a predetermined distance value to at least one of the threshold values, controlling the operation of the gas turbine to reduce the rumble tendency.
  • the turbine outlet temperature is reduced by changing the compressor air mass flow into the combustion chamber as a manipulated variable compared to their target value and / or the temperature of the fuel is changed in the combustion chamber as a control variable to its desired value and / or spatial distribution of the fuel supply to the combustion chamber as a manipulated variable is changed from its desired value and / or - if more than one burner stages are available - the division is changed to different burner stages as a manipulated variable to its desired value.
  • the manipulated variable is preferably reset to its desired value.
  • the method of controlling the operation of the gas turbine comprises the step of, once the quantification of the rumble tendency indicates that the stability parameter has reached a predetermined and low rumble-defining distance value to at least one of the thresholds, controlling the operation of the gas turbine such that the operation the gas turbine is optimized in particular with regard to output power, emission and / or fuel consumption.
  • a control device for controlling an operation of a gas turbine is set up to carry out the aforementioned method.
  • Figure 2 is a diagram of the time course of a
  • FIG. 4 shows a diagram of a control curve for the gas turbine with power increase.
  • the parameter is the sound pressure in a combustion chamber, which occurs during operation of the combustion chamber.
  • the sound pressure in the combustion chamber can be measured, for example, with one or more microphones in the combustion chamber.
  • the spectrum 1 results when the Brummneist the combustion chamber is low. If the operating state of the combustion chamber is changed in such a way that the tendency to humming increases, the spectrum 1 changes into the spectrum 1 '. If the operating state of the combustion chamber is further changed, that the rumbling tendency increases and reaches a just yet permissible limit range, the spectrum 1 'changes into the spectrum 1 ".As a first resonance, the spectra 1, 1', 1" first amplitude maximum 2, 2 ', 2 "and as a second resonance a second amplitude maximum 3, 3', 3" on.
  • FIG. 2 shows a coordinate system over whose abscissa 8 the time from 0 to 2 minutes is plotted.
  • the left ordinate 6 is the stability parameter and the right ordinate 7 is a turbine outlet temperature.
  • the curve 10 of the turbine outlet temperature is 579 0 C. This results in the operating state in the combustion chamber, in which the
  • Stability parameter 6 with 0.3, as shown in the course curve 9 at time 0.75 minutes in FIG. Finally, the course of the turbine outlet temperature 10 is raised to a first level 11. As shown in FIG. 2, the course 9 of the stability parameter 6 is decreasing over time, which is an indication of the combustion chamber's tendency to increase over time.
  • FIG. 2 also shows the course of the acceleration 14 of the combustion chamber structure, which is essentially constant until the turbine outlet temperature 10 is raised to the first level 11. If the turbine outlet temperature 10 is increased to a second level 12, then the course 9 of the stability parameter 6 continues to drop and, in the combustion chamber, finally, hum occurs.
  • the hum has the consequence that with it self-excited combustion vibrations the
  • Combustion structure is strongly vibrated, causing the acceleration increases 14 to an acceleration peak 15 abruptly.
  • the acceleration tip 15 is so high that damage to the combustion chamber structure is to be expected. Therefore, in order to prevent damage to the combustor structure, the gas turbine is shut down, as shown by a rapid drop in the curve 10 of the turbine exit temperature in FIG.
  • a threshold value 16 of the stability parameter 6 is plotted at 0.1.
  • the course 9 of the stability parameter 6 falls below (drawn in FIG. 2 by 17) the threshold value 16 at a first time 18, which is 1.55 minutes.
  • the first time 18 is advanced 15 seconds from the second point in time 19, when the acceleration peak 15 occurs. If, during operation of the gas turbine, the threshold value 16 is fallen below the stability parameter 6, a response time of 15 seconds remains, according to FIG. 2, during which the operation of the gas turbine is to be changed with a view to weakening the rumble tendency, such that the hum of the combustion chamber and thus the resulting rapid shutdown of the gas turbine can be avoided.
  • FIGS. 3 and 4 are similar to the diagram in FIG. 2 and show an operation of the gas turbine with the proviso of preventing hum of the combustion chamber.
  • the Brummneist the combustion chamber may increase, for example, that decreases in a compressor of the gas turbine due to wear or contamination, the pressure ratio. Further, the Brummneist the combustion chamber may increase by the fact that the ambient temperature and thus the compressor inlet temperature increases during operation of the gas turbine. For example, be the gas turbine at a level of
  • Turbine exit temperature operated, as it shows the trajectory 10 at the origin of the abscissa in FIG. Caused by, for example, one of the aforementioned Influences increase the Brummne Trent the combustion chamber, so that the course 9 of the stability parameter 6 drops. Without intervention in the operation of the gas turbine, this process would continue until eventually the combustion chamber starts to hum.
  • a second threshold value 16 ' is plotted at 0.2, which lies above the first threshold value 16 (threshold value 16 at 0.1).
  • the fuel supply into the combustion chamber is reduced at a third time 20 by means of a control device for the gas turbine such that the curve 10 of the turbine outlet temperature within 3 seconds at the fourth time 21 7 lowers by 1 Kelvin.
  • Stability parameter 6 braked and vice versa, so that finally the trajectory 9 of the stability parameter 6 exceeds the threshold 16 'again at the fifth time 22.
  • the lowering of the turbine outlet temperature 7 by 1 Kelvin was not sufficient to achieve a sufficiently large distance to the hum of the combustion chamber, so falls after the fifth time 22, the curve 9 of the stability parameter 6 again and falls below the threshold 16 '.
  • Turbine exit temperature 7 is lowered again by 1 Kelvin, which in turn slows down the course 9 of the stability parameter 6 and vice versa, until finally the curve 9 of the stability parameter 6 has exceeded the threshold value 16 '.
  • Turbine outlet temperature 7 can be raised in its course 10 back to the original level.
  • Stability parameter 6 such that it comes to reaching the threshold value 16 at 0.1, which would be carried out at this shortfall 17 an emergency shutdown of the gas turbine.
  • the drop of the curve 9 of the stability parameter 6 is decelerated and vice versa, so that finally the curve 9 of the stability parameter 6 exceeds the threshold value 16 'at 0.2 and thereafter the threshold value 16 " 0.4, so that the turbine outlet temperature 7 can be traced over the course 10 shown in FIG. 4 to the correspondingly required level 10 ', whereby the tendency to hum of the combustion chamber always remains so low in that an emergency shutdown of the gas turbine need not be made.

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Abstract

Ein Verfahren zur Analyse der Brummneigung einer Brennkammer in einem Betriebszustand weist die Schritte auf : Betreiben der Brennkammer in dem Betriebszustand; Erfassen einer thermoakustischen Größe des Brennkammergasvolumens und/oder einer Schwingungsgröße der Brennkammerstruktur in dem Betriebszustand und Ermitteln einer Kenngröße aus der thermoakustischen Größe und/oder der Schwingungsgröße; Ermitteln des Spektrums (1, 1', 1' ') der Kenngröße in dem Betriebszustand als den Amplitudenverlauf der Kenngröße über die Zeit; Identifizieren einer ersten Resonanz und einer zweiten Resonanz der Kenngröße mit Hilfe des Spektrums (1, 1', 1' '); Ermitteln des Amplitudenwerts (2, 2', 2' ') der ersten Resonanz und des Amplitudenwerts (3, 3', 3' ') der zweiten Resonanz; Berechnen eines Stabilitätsparameters (9, 9') als Funktion des Amplitudenwerts (2, 2', 2' ') der ersten Resonanz und des Amplitudenwerts (3, 3', 3' ') der zweiten Resonanz; Ermitteln des unteren Abstandswerts und/oder des oberen Abstandswerts, um die der Stabilitätsparameter (9, 9') oberhalb eines unteren vorherbestimmten Schwellenwerts (16) und/oder unterhalb eines oberen vorherbestimmten Schwellenwerts liegt, wobei die Schwellenwerte (16) derart gewählt sind, dass, wenn die Brennkammer in einem Betriebszustand mit gerade noch zulässig hoher Brummneigung betrieben wird, der Stabilitätsparameter (9, 9') in diesem Betriebszustand auf einem der Schwellenwerte (16) liegt; Quantifizieren der Brummneigung mittels des unteren Abstandswerts und/oder des oberen Abstandswerts.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Analyse der Brummneigung einer Brennkammer und Verfahren zur Steuerung einer Gasturbine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse der Brummneigung einer Brennkammer und ein Verfahren zur Steuerung des Betriebs einer Gasturbine mit einer Brennkammer unter der Maßgabe, dass Brummen der Brennkammer verhindert wird.
Bei der Verbrennung eines Verbrennungsluft/Brennstoff-Ge- mischs in einer Brennkammer, insbesondere in einer Brennkammer einer Gasturbine, kann es zur Ausbildung von Verbrennungsschwingungen kommen. Das Auftreten von
Verbrennungsschwingungen ist auch als "Brennkammerbrummen" bekannt. Insbesondere neigt die Brennkammer der Gasturbine zum Brummen, wenn die Gasturbine mit einer hohen Turbineneintrittstemperatur betrieben wird, um einen hohen thermischen Wirkungsgrad der Gasturbine zu erreichen. Die hohe Turbineneintrittstemperatur kann durch eine entsprechend hohe Verbrennungstemperatur in der Brennkammer erzielt werden, wodurch die Brennkammer zum Brummen neigt. Beim Brummen der Brennkammer treten zeitperiodisch korrelierte Fluktuationen des Verbrennungsumsatzes und des statischen Drucks in der Brennkammer auf, wobei die
Verbrennungsschwingungen auf einer Wechselwirkung des in der Brennkammer strömenden Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemischs mit dem momentanen Verbrennungsumsatz in der Flamme beruhen. Durch eine Änderung des Verbrennungsumsatzes beispielsweise hervorgerufen durch eine Erhöhung der Brennstoffzufuhr in die Brennkammer, kann es zu Druckschwankungen kommen, die ihrerseits zu einer Änderung des Verbrennungsumsatzes und damit zur Ausbildung einer stabilen Druckschwingung führen können. Die Verbrennungsschwingungen verursachen eine verstärkte mechanische und thermische Beanspruchung der Brennkammerstruktur sowie deren Aufhängung. Die Verbrennungsschwingungen können plötzlich in einer derartigen Intensität auftreten, dass die Brennkammerstruktur selbst oder andere Komponenten der Gasturbine beschädigt werden können. Treten derartige Betriebszustände auf wird herkömmlich die Gasturbine mit einem hohen Lastgradienten entlastet, wodurch nachteilig die Gasturbinenabtriebsleistung reduziert wird.
Abhilfe schafft das Betreiben der Gasturbine mit genügendem Abstand von der Grenze der selbsterregten Verbrennungsschwingungen. Beispielsweise aufgrund sich ändernden Umgebungsbedingungen kann sich jedoch die Grenze der selbsterregten Verbrennungsschwingungen ungünstig verschieben, so dass für möglichst ungünstige Umgebungsbedingungen ein ausreichender Abstand von der Grenze der selbsterregten Verbrennungsschwingungen vorgehalten werden muss. Dabei ist es nachteilig, dass somit der obere Leistungsbereich der Gasturbine ausgegrenzt werden muss und nicht gefahren werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zur Analyse der Brummneigung einer Brennkammer, ein Verfahren zur Steuerung eines Betriebs einer Gasturbine mit einer Brennkammer und eine Steuerungseinrichtung zum Steuern eines Betriebs einer Gasturbine zu schaffen, wobei mit dem Verfahren die Brennkammer mit ausreichend geringer Brummneigung effektiv betreibbar sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Analyse der Brummneigung einer Brennkammer in einem Betriebszustand weist die Schritte auf: Betreiben der Brennkammer in dem Betriebszustand; Erfassen einer thermoakustischen Größe des
Brennkammergasvolumens und/oder einer Schwingungsgröße der Brennkammerstruktur in dem Betriebszustand und Ermitteln einer Kenngröße aus der thermoakustischen Größe und/oder der Schwingungsgröße; Ermitteln des Spektrums der Kenngröße in dem Betriebszustand als den Amplitudenverlauf der Kenngröße über die Zeit; Identifizieren einer ersten Resonanz und einer zweiten Resonanz der Kenngröße mit Hilfe des Spektrums; Ermitteln des Amplitudenwerts der ersten Resonanz und des Amplitudenwerts der zweiten Resonanz; Berechnen des Verhältniswerts aus der Division des Amplitudenwerts der ersten Resonanz und des Amplitudenwerts der zweiten Resonanz als ein Stabilitätsparameter; Ermitteln des unteren
Abstandswerts und/oder des oberen Abstandswerts, um die der Stabilitätsparameter oberhalb eines unteren vorherbestimmten Schwellenwerts und/oder unterhalb eines oberen vorherbestimmten Schwellenwerts liegt, wobei die Schwellenwerte derart gewählt sind, dass, wenn die
Brennkammer in einem Betriebszustand mit gerade noch zulässig hoher Brummneigung betrieben wird, der Stabilitätsparameter in diesem Betriebszustand auf einem der Schwellenwerte liegt; Quantifizieren der Brummneigung mittels des unteren Abstandswerts und/oder des oberen Abstandswerts.
Die Schwellenwerte können vom Betriebs- und Umgebungszustand abhängig gewählt werden. Die Größe der Amplitudenwerte der Kenngröße ändert sich moderat mit der Brennlast der Brennkammer und ist allein nur bedingt aussagefähig zur
Analyse der Brummneigung der Brennkammer. Das Erreichen der Brummgrenze ist oft dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitudenwerte plötzlich sehr stark ansteigen. Man erkennt also an dem zunächst moderaten Verlauf der Amplitudenwerte nicht, dass man sich der Brummgrenze gefährlich annähert. Steigen die Amplituden dann beim Erreichen der Brummgrenze sprunghaft an (in der Regel in Bruchteilen einer Sekunde), so kann die Gasturbine nur noch durch drastische, aus der Sicht des Betreibers nachteilige Maßnahmen, wie z.B. sofortige, deutliche Lastabsenkung, vor mechanischen Schäden geschützt werden. Hier setzt die Erfindung an: Ein Annähern an die Brummgrenze lässt sich in bestimmten Fällen daran erkennen, dass sich die Form des Spektrums der Kenngröße verändert. So könnte z.B. das Verhältnis der Amplituden zweier Frequenzbänder zur Quantifizierung der Brummneigung herangezogen werden. Solange beim Steigern der Brennlast das Amplitudenverhältnis konstant bleibt (trotz Ansteigen der absoluten Amplitudenwerte), besteht keine Gefahr. Ändert sich aber das Verhältnis, so nähert man sich der Brummgrenze oder entfernt sich von ihr. Durch die Quantifizierung der Brummneigung kann eine Tendenz zum Annähern an die Brummgrenze erkannt werden und somit können rechtzeitig Gegenmaßnahmen eingeleitet werden, so dass das Erreichen der Brummgrenze mit seinen nachteiligen Folgen für den Betrieb vermieden wird.
Es ist bevorzugt, dass der Stabilitätsparameter mit dem Verhältniswert aus der Division des Amplitudenwerts der ersten Resonanz und des Amplitudenwerts der zweiten Resonanz berechnet wird. Mit zunehmender Brennlast der Brennkammer verschieben sich die Frequenzlagen der Resonanzen, wobei für eine vorliegende Brennkammer Frequenzbänder, in denen die Resonanzen beim Betrieb der Brennkammer auftreten, beispielsweise experimentell vorherbestimmt werden können. Zum einfachen Identifizieren der Resonanzen können somit insbesondere diese Frequenzbänder untersucht werden, so dass ein Abtasten des gesamten Frequenzbereichs des Spektrums nicht zu erfolgen braucht.
Bevorzugtermaßen wird der Stabilitätsparameter als der Logarithmus des Verhältniswerts gebildet. Ferner ist es bevorzugt, dass der Stabilitätsparameter über die Zeit mit einer Dämpfungsfunktion gedämpft wird. Damit können vorteilhaft übermäßige instationäre Veränderungen des Stabilitätsparameters eingedämmt werden. Beispielsweise kann eine Dämpfungsfunktion derart gebildet sein, dass zu einem Zeitpunkt n der Stabilitätsparameter gebildet wird aus dem arithmetischen Mittel des Verhältniswerts zum Zeitpunkt n und dem Verhältniswert zum Zeitpunkt n-1.
Es ist bevorzugt, dass an mehreren Stellen die Kenngröße zeitgleich gemessen und für jede Stelle das lokale Spektrum ermittelt wird, wobei die lokalen Spektren eine Einhüllende haben, die als das Spektrum verwendet wird. Von dem mit der Einhüllenden gebildeten Spektrum ist der gesamte eventuell von räumlichen Inhomogenitäten bestimmte Betriebszustand der Brennkammer repräsentiert. Dadurch kann vorteilhaft die Brummneigung der Brennkammer in einem Betriebszustand abgeschätzt werden, bei dem die Brennkammer räumlich inhomogen beaufschlagt ist. Die Brennkammer ist bevorzugt als eine Ringbrennkammer rotationssymmetrisch um eine Achse ausgebildet und weist mehrere Stellen auf, an denen die Kenngrößen gemessen werden, wobei die Anzahl der Messstellen unter Ausnutzung der Symmetrie von Schwingungsformen reduziert ist. Ferner ist es bevorzugt, dass die Kenngröße der Schalldruck in der Brennkammer und/oder die Beschleunigung der Brennkammerstruktur ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung eines Betriebs einer Gasturbine mit einer Brennkammer weist die Schritte auf: Durchführen des vorherigen Verfahrens zur Analyse der Brummneigung der Brennkammer der Gasturbine während deren Betrieb; sobald das Quantifizieren der Brummneigung ergibt, dass der Stabilitätsparameter mindestens einen der Schwellenwerte erreicht hat, Reduzieren der Abtriebsleistung der Gasturbine.
Somit kann der Stabilitätsparameter direkt als Regelgröße zum Betrieb der Gasturbine verwendet werden. Die momentane Last der Gasturbine steht in direkter Korrelation zum Stabilitätsparameter, so dass mit dem Stabilitätsparameter eine Leistungsregelung der Gasturbine im Hinblick auf das Abwenden von dem Brummen der Brennkammer bewerkstelligbar ist .
Das Verfahren zur Steuerung des Betriebs der Gasturbine weist ferner den Schritt auf: sobald das Quantifizieren der Brummneigung ergibt, dass der Stabilitätsparameter einen vorherbestimmten Abstandswert zu mindestens einem der Schwellenwerte erreicht hat, Steuern des Betriebs der Gasturbine derart, dass die Brummneigung herabgesetzt wird. Dadurch kann vorteilhaft im Vorfeld des Eintretens einer unzulässig hohen Brummneigung ein Herunterfahren der Gasturbine verhindert werden, so dass ein möglichst kontinuierlicher Betrieb der Gasturbine ermöglicht ist. Es ist bevorzugt, dass zum Herabsetzen der Brummneigung als Maßnahme die Turbinenaustrittstemperatur durch Veränderung des Verdichter-Luftmassenstroms in die Brennkammer als Stellgröße gegenüber ihrem Sollwert herabgesetzt wird und/oder die Temperatur des Brennstoffs in die Brennkammer als Stellgröße gegenüber ihrem Sollwert verändert wird und/oder die räumliche Verteilung der Brennstoffzufuhr in die Brennkammer als Stellgröße gegenüber ihrem Sollwert verändert wird und/oder - sofern mehrere Brennerstufen vorhanden sind - die Aufteilung auf verschiedene Brennerstufen als Stellgröße gegenüber ihrem Sollwert verändert wird. Nach der Manipulation der Stellgröße und sobald das Quantifizieren der Brummneigung ergibt, dass die Brummneigung sich weiter verringert hat, wird bevorzugt die Stellgröße auf ihren Sollwert zurückgesetzt.
Ferner weist das Verfahren zur Steuerung des Betriebs der Gasturbine den Schritt auf: sobald das Quantifizieren der Brummneigung ergibt, dass der Stabilitätsparameter einen vorherbestimmten und eine geringe Brummneigung definierenden Abstandswert zu mindestens einem der Schwellenwerte erreicht hat, Steuern des Betriebs der Gasturbine derart, dass der Betrieb der Gasturbine insbesondere hinsichtlich Abtriebsleistung, Emission und/oder Brennstoffverbrauch optimiert wird.
Eine erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung zum Steuern eines Betriebs einer Gasturbine ist eingerichtet das vorher genannte Verfahren durchzuführen.
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Analyse der Brummneigung einer Brennkammer und eines Verfahrens zur Steuerung des Betriebs einer Gasturbine anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen: FIG 1 ein Diagramm eines Spektrums einer Kenngröße der
Brennkammer bei unterschiedlichen Betriebszuständen, FIG 2 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs eines
Stabilitätsparameters bei steigender Turbinenaustrittstemperatur,
FIG 3 ein Diagramm eines Steuerungsverlaufs für die
Gasturbine bei sich ungünstig verändernden
Umgebungsbedingungen und
FIG 4 ein Diagramm eines Steuerungsverlaufs für die Gasturbine bei Leistungsanhebung.
In FIG 1 ist ein Koordinatensystem gezeigt, in dem Spektren 1, 1' und 1" aufgetragen sind. Die Abszissenachse 4 des Koordinatensystems zeigt eine Frequenz in [Hz], wobei die Ordinatenachse 5 des Koordinatensystems eine Amplitude als eine dimensionslose Größe zeigt. Die Spektren 1, 1', 1" sind die Amplitudenverläufe einer Kenngröße über die Frequenz. Die Kenngröße ist der Schalldruck in einer Brennkammer, der beim Betrieb der Brennkammer auftritt. Der Schalldruck in der Brennkammer kann beispielsweise mit einem oder mehreren Mikrofonen in der Brennkammer gemessen werden.
Das Spektrum 1 ergibt sich, wenn die Brummneigung der Brennkammer gering ist. Wird der Betriebszustand der Brennkammer derart geändert, dass sich die Brummneigung erhöht, so verändert sich das Spektrum 1 in das Spektrum 1'. Wird der Betriebszustand der Brennkammer weiter verändert, dass die Brummneigung sich erhöht und in einen gerade noch zulässigen Grenzbereich gelangt, so verändert sich das Spektrum 1' in das Spektrum 1". Als eine erste Resonanz weisen die Spektren 1, 1', 1" ein erstes Amplitudenmaximum 2, 2', 2" und als eine zweite Resonanz ein zweites Amplitudenmaximum 3, 3', 3" auf.
Als ein Stabilitätsparameter zum Quantifizieren der
Brummneigung der Brennkammer wird der natürliche Logarithmus des Verhältnisses gebildet aus dem ersten Amplitudenmaximum 2, 2', 2" und dem zweiten Amplitudenmaximum 3, 3', 3" genommen .
In FIG 2 ist ein Koordinatensystem gezeigt, über dessen Abszisse 8 die Zeit von 0 bis 2 Minuten aufgetragen ist. Als linke Ordinate 6 ist der Stabilitätsparameter und als rechte Ordinate 7 eine Turbinenaustrittstemperatur aufgetragen. Im Zeitpunkt 0 Minuten liegt der Verlauf 10 der Turbinenaustrittstemperatur bei 579 0C. Daraus ergibt sich der Betriebszustand in der Brennkammer, in der der
Schalldruck herrscht, dessen Spektrum 1 in FIG 1 dargestellt ist. Mit dem ersten Amplitudenmaximum 2 und dem zweiten Amplitudenmaximum 3 ergibt sich für das Spektrum 1 der Stabilitätsparameter 6 mit 0,6, wie er in dem in FIG 2 gezeigten Diagramm mit der Verlaufskurve 9 zum Zeitpunkt 0
Minuten gezeigt ist. Wird nun zum Betrieb der Gasturbine die Turbinenaustrittstemperatur erhöht, wie es in der Verlaufskurve 10 in FIG 2 gezeigt ist, so herrscht nach 0,75 Minuten ein Betriebszustand in der Brennkammer, in der der Schalldruck gemäß dem Spektrum 1' in FIG 1 vorherrscht. Aus dem Spektrum 1 ' ergibt sich mit dem ersten Amplitudenmaximum 1' und dem zweiten Amplitudenmaximum 3' der
Stabilitätsparameter 6 mit 0,3, wie er in der Verlaufskurve 9 zum Zeitpunkt 0,75 Minuten in FIG 2 gezeigt ist. Schließlich wird der Verlauf der Turbinenaustrittstemperatur 10 bis auf ein erstes Niveau 11 angehoben. Wie es in FIG 2 gezeigt ist, ist der Verlauf 9 des Stabilitätsparameters 6 über die Zeit abfallend, was ein Indiz für die über die Zeit gesteigerte Brummneigung der Brennkammer ist.
In FIG 2 ist ferner der Verlauf der Beschleunigung 14 der Brennkammerstruktur gezeigt, die bis zum Anheben der Turbinenaustrittstemperatur 10 auf das erste Niveau 11 im Wesentlichen konstant ist. Wird die Turbinenaustrittstemperatur 10 auf ein zweites Niveau 12 erhöht, so fällt der Verlauf 9 des Stabilitätsparameters 6 weiter ab und in der Brennkammer tritt schließlich Brummen auf. Das Brummen hat zur Folge, dass mit den damit selbsterregten Verbrennungsschwingungen die
Brennkammerstruktur stark schwingungsangeregt wird, wodurch die Beschleunigung 14 zu einer Beschleunigungsspitze 15 schlagartig ansteigt. Die Beschleunigungsspitze 15 ist derart hoch, dass mit einer Beschädigung der Brennkammerstruktur zu rechnen ist. Deshalb wird zum Abwenden eines Schadens der Brennkammerstruktur die Gasturbine abgeschaltet, was sich in einem rapiden Abfall des Verlaufs 10 der Turbinenaustrittstemperatur in FIG 2 zeigt.
In dem in FIG 2 gezeigten Diagramm ist ein Schwellenwert 16 des Stabilitätsparameters 6 bei 0,1 eingezeichnet. Der Verlauf 9 des Stabilitätsparameters 6 unterschreitet (in FIG 2 mit 17 gezeichnet) den Schwellenwert 16 zu einem ersten Zeitpunkt 18, der bei 1,55 Minuten liegt. Der erste Zeitpunkt 18 ist von dem zweiten Zeitpunkt 19, an dem die Beschleunigungsspitze 15 auftritt, 15 Sekunden vorverlegt. Wird beim Betrieb der Gasturbine der Schwellenwert 16 von dem Stabilitätsparameter 6 unterschritten, so bleibt gemäß FIG 2 eine Reaktionszeit von 15 Sekunden, während der der Betrieb der Gasturbine derart im Hinblick auf eine Abschwächung der Brummneigung geändert werden soll, dass das Brummen der Brennkammer und somit die daraus sich ergebende Schnellabschaltung der Gasturbine vermieden werden kann.
Die Diagramme in FIG 3 und 4 sind ähnlich dem Diagramm in FIG 2 und zeigen einen Betrieb der Gasturbine unter der Maßgabe des Verhinderns von Brummen der Brennkammer. Die Brummneigung der Brennkammer kann sich zum Beispiel dadurch erhöhen, dass in einem Verdichter der Gasturbine aufgrund von Verschleiß oder Verschmutzung das Druckverhältnis abnimmt. Ferner kann sich die Brummneigung der Brennkammer dadurch erhöhen, dass beim Betrieb der Gasturbine die Umgebungstemperatur und somit die Verdichtereintrittstemperatur sich erhöht. Beispielsweise sei die Gasturbine bei einem Niveau der
Turbinenaustrittstemperatur betrieben, wie es die Verlaufskurve 10 am Ursprung der Abszisse in FIG 3 zeigt. Hervorgerufen durch beispielsweise einen der vorher genannten Einflüsse erhöht sich die Brummneigung der Brennkammer, so dass der Verlauf 9 des Stabilitätsparameters 6 abfällt. Ohne ein Eingreifen in den Betrieb der Gasturbine würde sich dieser Prozess fortsetzen, bis schließlich die Brennkammer in das Brummen gelangt. In FIG 3 ist ein zweiter Schwellenwert 16' bei 0,2 eingezeichnet, der oberhalb des ersten Schwellenwerts 16 (Schwellenwert 16 bei 0,1) liegt. Sobald die Verlaufskurve 9 des Stabilitätsparameters 6 den Schwellenwert 16' erreicht hat, wird mit Hilfe einer Regelungseinrichtung für die Gasturbine beispielsweise die Brennstoffzufuhr in die Brennkammer zu einem dritten Zeitpunkt 20 derart reduziert, dass innerhalb von 3 Sekunden zum vierten Zeitpunkt 21 der Verlauf 10 der Turbinenaustrittstemperatur 7 sich um 1 Kelvin absenkt. Dadurch wird das Absenken des Verlaufs 9 des
Stabilitätsparameters 6 abgebremst und umgekehrt, so dass schließlich die Verlaufskurve 9 des Stabilitätsparameters 6 den Schwellenwert 16' wieder zum fünften Zeitpunkt 22 überschreitet. Beispielsweise war zum Abfangen des Brummens der Brennkammer die Absenkung der Turbinenaustrittstemperatur 7 um 1 Kelvin nicht ausreichend, um einen hinreichend großen Abstand zum Brummen der Brennkammer zu erzielen, so fällt nach dem fünften Zeitpunkt 22 der Verlauf 9 des Stabilitätsparameters 6 wieder ab und unterschreitet den Schwellenwert 16' . In einer analogen Maßnahme wie zum dritten Zeitpunkt 20 wird nun der Verlauf 10 der
Turbinenaustrittstemperatur 7 nochmals um 1 Kelvin abgesenkt, wodurch wiederum der Verlauf 9 des Stabilitätsparameters 6 abgebremst und umgekehrt wird, bis schließlich der Verlauf 9 des Stabilitätsparameters 6 den Schwellenwert 16' überschritten hat.
Der Verlauf 9 des Stabilitätsparameters 6 steigt nun so weit an, bis ein Schwellenwert 16" bei 0,4 erreicht ist. In diesem Betriebszustand gilt die Brummneigung der Brennkammer als gering, so dass stufenweise das Niveau der
Turbinenaustrittstemperatur 7 in ihrem Verlauf 10 wieder auf das ursprüngliche Niveau angehoben werden kann. Durch diese Eingriffe in die Steuerung des Betriebs der Gasturbine ist einerseits das Brummen der Brennkammer unterbunden, wobei dennoch eine hohe Leistungsabgabe der Gasturbine erzielt ist.
In dem in FIG 4 gezeigten Diagramm ist der Betrieb der Gasturbine gezeigt, bei dem eine Seigerung der Abtriebsleistung der Gasturbine durch Erhöhen der Turbinenaustrittstemperatur 10 erzielt werden soll. Durch das Erhöhen des Verlaufs 10 der Turbinenaustrittstemperatur fällt der Verlauf 9 des Stabilitätsparameters 6 ab, bis dieser den Schwellenwert 16' erreicht hat. Durch ein Zurücksetzen des rampenförmigen Verlaufs 10 der Turbinenaustrittstemperatur 7 um 1 Kelvin wird es unterbunden, dass der Stabilitätsparameter 6 den Schwellenwerts 16 ereicht. Wäre diese Absenkung der Turbinenaustrittstemperatur 7 um 1 Kelvin nicht erfolgt, so wäre der Verlauf 9' des
Stabilitätsparameters 6 derart, dass es zu einem Erreichen des Schwellenwerts 16 bei 0,1 kommt, wodurch bei dieser Unterschreitung 17 eine Schnellabschaltung der Gasturbine durchzuführen wäre. Durch das Absenken des Verlaufs 10 der Turbinenaustrittstemperatur 7 um 1 Kelvin wird das Abfallen des Verlaufs 9 des Stabilitätsparameters 6 abgebremst und umgekehrt, so dass schließlich der Verlauf 9 des Stabilitätsparameters 6 den Schwellenwert 16' bei 0,2 überschreitet und danach den Schwellenwert 16" bei 0,4 ebenfalls überschreitet. In diesem Betriebszustand gilt die Brummneigung der Brennkammer als gering, so dass die Turbinenaustrittstemperatur 7 über den in FIG 4 gezeigten Verlauf 10 auf das entsprechend geforderte Niveau 10' nachgefahren werden kann, wobei die Brummneigung der Brennkammer stets derart gering bleibt, dass eine Schnellabschaltung der Gasturbine nicht getätigt zu werden braucht .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Analyse der Brummneigung einer Brennkammer in einem Betriebszustand, mit den Schritten: Betreiben der Brennkammer in dem Betriebszustand; Erfassen einer thermoakustischen Größe des
Brennkammergasvolumens und/oder einer Schwingungsgröße der Brennkammerstruktur in dem Betriebszustand und Ermitteln einer Kenngröße aus der thermoakustischen Größe und/oder der Schwingungsgröße;
Ermitteln des Spektrums (1, 1', 1' ' ) der Kenngröße in dem Betriebszustand als den Amplitudenverlauf der Kenngröße über die Zeit; Identifizieren einer ersten Resonanz und einer zweiten Resonanz der Kenngröße mit Hilfe des Spektrums (1, 1', 1' ' ) ; Ermitteln des Amplitudenwerts (2, 2' , 2'') der ersten Resonanz und des Amplitudenwerts (3, 3' , 3' ' ) der zweiten Resonanz ; Berechnen eines Stabilitätsparameters (9, 9') als Funktion des Amplitudenwerts (2, 2' , 2'') der ersten Resonanz und des Amplitudenwerts (3, 3', 3'') der zweiten Resonanz; Ermitteln des unteren Abstandswerts und/oder des oberen Abstandswerts, um die der Stabilitätsparameter (9, 9') oberhalb eines unteren vorherbestimmten Schwellenwerts (16) und/oder unterhalb eines oberen vorherbestimmten
Schwellenwerts liegt, wobei die Schwellenwerte (16) derart gewählt sind, dass, wenn die Brennkammer in einem Betriebszustand mit gerade noch zulässig hoher Brummneigung betrieben wird, der Stabilitätsparameter (9, 9') in diesem Betriebszustand auf einem der Schwellenwerte (16) liegt; Quantifizieren der Brummneigung mittels des unteren Abstandswerts und/oder des oberen Abstandswerts.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Stabilitätsparameter (9, 9') mit dem Verhältniswert aus der Division des Amplitudenwerts (2, 2', 2'') der ersten Resonanz und des Amplitudenwerts (3, 3' , 3' ' ) der zweiten Resonanz berechnet wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Stabilitätsparameter (9, 9') als der Logarithmus des Verhältniswerts gebildet wird.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Stabilitätsparameter (9, 9') über die Zeit mit einer Dämpfungsfunktion gedämpft wird.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei an mehren Stellen die Kenngröße zeitgleich gemessen wird und für jede Stelle das lokale Spektrum ermittelt wird, wobei die lokalen Spektren eine Einhüllende haben, die als das Spektrum (1, 1', 1' ' ) verwendet wird.
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei die Brennkammer als eine Ringbrennkammer rotationssymmetrisch um eine Achse ausgebildet ist und mehrere Stellen aufweist, an denen die Kenngrößen gemessen werden, wobei die Anzahl der Messstellen unter Ausnutzung der Symmetrie von Schwingungsformen reduziert ist.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Kenngröße der Schalldruck in der Brennkammer und/oder die Beschleunigung der Brennkammerstruktur ist.
8. Verfahren zur Steuerung eines Betriebs einer Gasturbine mit einer Brennkammer, mit den Schritten:
Durchführen des Verfahrens zur Analyse der Brummneigung der Brennkammer der Gasturbine während deren Betrieb gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 ; sobald das Quantifizieren der Brummneigung ergibt, dass der Stabilitätsparameter (9, 9') mindestens einen der Schwellenwerte (16) erreicht hat, Reduzieren der Abtriebsleistung der Gasturbine.
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei der Stabilitätsparameter direkt als Regelgröße zum Betrieb der Gasturbine verwendet wird.
10. Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei die momentane Last der Gasturbine in direkter
Korrelation zum Stabilitätsparameter steht, so dass mit dem Stabilitätsparameter eine Leistungsregelung der Gasturbine im Hinblick auf das Abwenden von dem Brummen der Brennkammer bewerkstelligt wird.
11. Verfahren gemäß Anspruch 8-10, mit dem Schritt: sobald das Quantifizieren der Brummneigung ergibt, dass der Stabilitätsparameter (9, 9') einen vorherbestimmten Abstandswert (16') zu mindestens einem der Schwellenwerte (16) erreicht hat, Steuern des Betriebs der Gasturbine derart, dass die Brummneigung herabgesetzt wird.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei zum Herabsetzen der Brummneigung als Maßnahme die Turbinenaustrittstemperatur (10) durch Veränderung des
Verdichter-Luftmassenstroms in die Brennkammer als Stellgröße gegenüber ihrem Sollwert (10') herabgesetzt wird und/oder die Temperatur des Brennstoffs in die Brennkammer als Stellgröße gegenüber ihrem Sollwert verändert wird und/oder die räumliche Verteilung der Brennstoffzufuhr in die Brennkammer als Stellgröße gegenüber ihrem Sollwert verändert wird.
13. Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei mehrere Brennerstufen vorhanden sind, die Aufteilung auf verschiedene Brennerstufen als Stellgröße gegenüber ihrem Sollwert verändert wird.
14. Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei nach der Manipulation der Stellgröße (10) und sobald das Quantifizieren der Brummneigung ergibt, dass die
Brummneigung sich weiter verringert hat, die Stellgröße (10) auf ihren Sollwert (10') zurückgesetzt wird.
15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 14, mit dem Schritt: sobald das Quantifizieren der Brummneigung ergibt, dass der Stabilitätsparameter (9, 9') einen vorherbestimmten und eine geringe Brummneigung definierenden Abstandswert (16'') zu mindestens einem der Schwellenwerte (16) erreicht hat, Steuern des Betriebs der Gasturbine derart, dass der Betrieb der Gasturbine insbesondere hinsichtlich Abtriebsleistung, Emission und/oder Brennstoffverbrauch optimiert wird.
16. Steuerungseinrichtung zum Steuern eines Betriebs einer Gasturbine, wobei die Steuerungseinrichtung eingerichtet ist ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12 durchzuführen .
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