EP2538139A2 - Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsvorrichtung sowie Verbrennungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsvorrichtung sowie Verbrennungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Download PDF

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EP2538139A2
EP2538139A2 EP12171422A EP12171422A EP2538139A2 EP 2538139 A2 EP2538139 A2 EP 2538139A2 EP 12171422 A EP12171422 A EP 12171422A EP 12171422 A EP12171422 A EP 12171422A EP 2538139 A2 EP2538139 A2 EP 2538139A2
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel
combustion
changed
fuel staging
staging
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12171422A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP2538139A3 (de
Inventor
Martin Zajadatz
Solaf Sulta
Berthold Stay
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GE Vernova GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Alstom Technology AG filed Critical Alstom Technology AG
Publication of EP2538139A2 publication Critical patent/EP2538139A2/de
Publication of EP2538139A3 publication Critical patent/EP2538139A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/34—Feeding into different combustion zones
    • F23R3/346—Feeding into different combustion zones for staged combustion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/96—Preventing, counteracting or reducing vibration or noise
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2210/00—Noise abatement
    • 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 present invention relates to the field of combustion technology, especially in the context of gas turbines. It relates to a method for operating a combustion device according to the preamble of claim 1. It further relates to a combustion device for carrying out the method.
  • Burner systems operated according to the concept of lean premix combustion also have low pollutant emissions but also a clearly limited stability range.
  • thermoacoustic oscillations lead to significant limitations in the operating behavior.
  • premix burners can be improved by a stepped fuel supply (see, for example, the publications EP 0 797 051 A2 or EP 1 205 653 B1 or EP 1 292 795 B1 or EP 1 344 002 B1 or WO 2007/082608 ).
  • Fig. 1 shows a premix burner 10 having a double cone 12, in which a central fuel supply 11 opens.
  • the centrally injected fuel represents a first fuel stage 13.
  • a second fuel stage 14 results from the injection of additional fuel into the air supply slots of the double cone 12.
  • the operating range of the burner 10 with respect to extinguishing or lifting of the premix flame and with respect to the flashback be extended.
  • the fuel staging also offers the possibility to optimize the operating range of the burner 10 in terms of thermo-acoustic vibrations and pollutant emissions.
  • Fig. 2 is another premix burner 20 according to the document EP 0 797 051 A2 represented with a further embodiment of the fuel staging.
  • the burner 20 has a double cone 16, to which a mixing tube 17 connects to the combustion chamber 15.
  • an external fuel supply 18 is arranged.
  • the fuel supplied there forms a fuel stage 19 (fuel stage No.1).
  • the fuel supplied via the burner air slots of the double cone 16 forms a fuel stage 21 (fuel stage No. 2).
  • This illustrated burner system can be characterized by the fuel staging with regard to the thermo-acoustic Vibrations and pollutant emissions are optimized.
  • the parameters for the fuel staging are - if the burners are part of a gas turbine - during commissioning of the gas turbine determined by Einstellfahrten.
  • the parameters for fuel staging can be predefined as a function of the power of the gas turbine, the ambient conditions such as ambient temperature and humidity and the fuel composition.
  • the parameters must also be given a sufficient reserve, so that even in transient operating conditions, such as, for example, Loading or unloading of the gas turbine or changes in the gas composition, reliable operation is ensured. Since these transient operating conditions rarely occur in gas turbines, the premix burner can not be operated as far as possible with minimal pollutant emissions.
  • the method according to the invention is based on a combustion device which has at least one premix burner equipped with a fuel staging and communicating with a combustion chamber, wherein during transient operating states the fuel staging of the at least one premix burner is changed in accordance with the combustion-induced pulsations occurring in the combustion chamber. It is characterized in that a pulsation level of the pulsations occurring in the combustion chamber is continuously determined, that the fuel staging of the at least one premix burner for lowering the Pulsationsmonys is changed when the pulsation level exceeds a predetermined maximum value, and that after a predetermined time period, the fuel staging on the is reduced for the respective operating point significant undisturbed value, if in this period, the predetermined maximum value is not exceeded.
  • An embodiment of the method according to the invention is characterized in that the fuel staging is changed by a fixed predetermined value when the maximum value of the pulsation level is exceeded. This change takes place in particular abruptly, whereby a particularly simple procedure is achieved.
  • Another embodiment is characterized in that the fuel staging is changed successively by a plurality of predefined values when the maximum value of the pulsation level is exceeded, until either the predetermined maximum value of the pulsation level is undershot or an extreme value for the fuel staging is reached.
  • the fuel grading can be adapted more flexibly and finer to the circumstances.
  • a further embodiment of the method according to the invention is characterized in that the fuel staging is reduced at a constant rate of change to the undisturbed value relevant for the respective operating point.
  • this undisturbed value deviates from the starting value of the fuel staging since the device has moved to another operating point in the elapsed time.
  • Yet another embodiment is characterized in that the fuel staging of the at least one premix burner is changed at least once more to lower the Pulsationslomis when the pulsation level exceeds the predetermined maximum value again within the predetermined period. This may be necessary in particular when the operating point changes very quickly in transient operation.
  • the total fuel flow is kept constant during the change of the fuel staging.
  • the device is characterized in that the controller is in communication with a timer, by which a period of time for the control is fixed.
  • the timer may be an external timer or part of the controller.
  • An embodiment of the device according to the invention is characterized in that the at least one premix burner is supplied with fuel via at least two distribution lines as part of the fuel staging, that the at least two distribution lines communicate with adjustment means which are actuatable by the controller in such a way that a constant one Total fuel flow to the at least two distribution lines can be divided in different ways.
  • the measuring means comprise at least one arranged in the combustion chamber sensor for receiving pressure fluctuations.
  • the operating range of a fuel system combustor system is optimized by dynamic control.
  • the regulation essentially relates to transient operating states of a combustion device.
  • the method can be used to control all burners which have an internal burner fuel staging.
  • the combustor is preferably implemented in a gas turbine that typically includes one or a group of transducers in the combustor for detecting the flame-generated pulsations.
  • the combustor 22 includes a combustor 23 in which hot gas is generated by combustion of a fuel which drives, for example in a gas turbine, a corresponding turbine (not shown).
  • a plurality of similar premix burners B1, .., B4 are arranged, which are operated in parallel and are each equipped with a (in this case, two-stage) Brennstoffstufung.
  • each of the premix burners B1,..., B4 is supplied with fuel via two separate distribution lines 25 and 26 at two different points, which fuel is supplied via a common fuel feed line 24.
  • the total fuel flow arriving via the fuel feed line 24 is divided into the two distribution lines 25 and 26 in the desired manner by means of two control valves 27 and 28. It goes without saying that other valve arrangements are conceivable in order to allow the distribution of the fuel.
  • the control valves 27 and 28 are actuated by a controller 29 receiving input signals from a plurality of sensors S1, .., S4 arranged in (or on) the combustion chamber 23 and receiving combustion induced (pressure) pulsations occurring in the combustion chamber 23 ,
  • the controller 29 is further associated with a timer 30, the controller 29 a fixed (possibly also adjustable) time interval .DELTA.t according to which the controller 29 automatically via the control valves 27 and 28 makes a change in the Brennstoffstufung.
  • the fuel staging of all premix burners B1, .., B4 is changed simultaneously and together.
  • only selected premix burners B1, .., B4 are equipped with a fuel staging or are changed.
  • premix burners are used with a 3- or multi-stage fuel staging.
  • the aim of the control is to adapt the burner-internal fuel staging (s) for a limited period ⁇ t in such a way that reliable operation of the combustion apparatus or gas turbine in transient operation is made possible. After this period .DELTA.t the controller is deactivated and the combustion device or gas turbine can be operated again with optimal fuel staging.
  • FIG. 4 A schematic representation of the relevant parameters for the control is in Fig. 4 shown for a load change of the gas turbine.
  • the fuel staging in stationary operation is represented by the dotted curve b.
  • the activation of the controller or the change of the fuel staging s is initiated at time t1 by exceeding a limit value p max of the pulsation level p (shown in dashed lines) of the flame-generated pulsations (curve a) which occurs during the load change.
  • the ratio of the fuel flows to the individual fuel levels s is changed at constant total fuel flow so that the process by the sudden change in the Brennstoffstufung by the predetermined amount of change (staging difference) .DELTA.s can be performed with sufficient reliability (solid curve c).
  • the process can also be repeated several times depending on the level of Pulsations mandates.
  • a predetermined period of time ⁇ t with sufficiently low pulsation levels eg, at time t3
  • the fuel ratio is restored set the optimal value for the new operating point for the fuel gradations with a gradient ds / dt (rate of change).
  • the control is deactivated. If, within the period ⁇ t, the limit value p max of the pulsation level p of the flame-generated pulsations is again exceeded (time t 2 in FIG Fig. 4 ), the fuel staging s is again changed by ⁇ s. The time period ⁇ t then begins to run again.
  • the adjustment of the fuel staging may be repeated at several intervals ⁇ t 'until the flame-generated pulsations fall below the threshold or a maximum value for the fuel staging s max is reached. If the pulsations continue to increase even with the maximum value of the fuel staging, the gas turbine, for example, can be switched off by a protective relieve.
  • a control of a gas turbine with at least one premix burner with two or more fuel gradations which is optimized in stationary operation for the reduction of pollutant emissions, made possible by at least one of the fuel gradations is adjusted depending on combustion-induced pulsations during transient operating conditions.
  • the control may relate to gaseous and / or liquid fuels.
  • the scheme is particularly applicable to transient events such as frequency support, gas composition change or gas feed pressure, and low pollutant load changes.
  • the adjustment of the fuel staging can take place in several, identical or different steps.

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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  • Feeding And Controlling Fuel (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsvorrichtung, welche wenigstens einen mit einer Brennstoffstufung (s) ausgestatteten, mit einer Brennkammer in Verbindung stehenden Vormischbrenner aufweist, bei welchem Verfahren während transienter Betriebszustände die Brennstoffstufung (s) des wenigstens einen Vormischbrenners nach Massgabe der in der Brennkammer auftretenden vebrennungsinduzierten Pulsationen verändert wird. Eine vereinfachte und effektive Regelung wird dadurch erreicht, dass fortlaufend ein Pulsationsniveau (p) der in der Brennkammer auftretenden Pulsationen bestimmt wird, dass die Brennstoffstufung (s) des wenigstens einen Vormischbrenners zur Absenkung des Pulsationsniveaus (p) geändert wird, wenn das Pulsationsniveau (p) einen vorgegebenen Maximalwert (p max ) überschreitet, und dass nach einer vorgegebenen Zeitspanne (”t) die Brennstoffstufung (s) auf den für den jeweiligen Betriebspunkt massgebenden ungestörten Wert zurückgefahren wird, wenn in dieser Zeitspanne (”t) der vorgegebenen Maximalwert (p max ) nicht überschritten wird.

Description

    TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verbrennungstechnik, insbesondere im Zusammenhang mit Gasturbinen. Sie betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsvorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft weiterhin eine Verbrennungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
    • STAND DER TECHNIK
  • Brennersysteme, die nach dem Konzept der mageren Vormischverbrennung betrieben werden, weisen niedrige Schadstoffemissionen aber auch einen deutlich eingeschränkten Stabilitätsbereich auf. Neben dem Flammenrückschlag ("flash back") in die Mischzone und dem Abheben bzw. Verlöschen der Vormischflamme führen thermoakustische Schwingungen zu deutlichen Einschränkungen im Betriebsverhalten.
  • Das Betriebsverhalten von Vormischbrennern kann durch eine gestufte Brennstoffzuführung verbessert werden (siehe z.B. die Druckschriften EP 0 797 051 A2 oder EP 1 205 653 B1 oder EP 1 292 795 B1 oder EP 1 344 002 B1 oder WO 2007/082608 ).
  • Die Brennstoffstufung über eine zentrale, im Brenner angebrachte Vorrichtung ist in Fig. 1 beispielhaft für einen Doppelkegel- oder EV-Brenner gemäss der Druckschrift EP 1 292 795 B1 dargestellt. Fig. 1 zeigt einen Vormischbrenner 10, der einen Doppelkegel 12 aufweist, in den eine zentrale Brennstoffzuführung 11 einmündet. Der zentral eingedüste Brennstoff stellt eine erste Brennstoffstufe 13 dar. Eine zweite Brennstoffstufe 14 ergibt sich dadurch, dass weiterer Brennstoff in die Luftzuführungsschlitze des Doppelkegels 12 eingedüst wird.
  • Durch die Einstellung des Brennstoffanteils über die zentrale Brennstoffeindüsung 11, 13 (Brennstoffstufe Nr.1) im Verhältnis zur Brennstoffeindüsung im Brennerluftschlitz 12, 14 (Brennstoffstufe Nr.2) kann der Betriebsbereich des Brenners 10 hinsichtlich Verlöschen bzw. Abheben der Vormischflamme sowie bezüglich des Flammenrückschlages erweitert werden. Die Brennstoffstufung bietet ausserdem die Möglichkeit, den Betriebsbereich des Brenners 10 hinsichtlich thermo-akustischer Schwingungen und Schadstoffemissionen zu optimieren.
  • In Fig. 2 ist ein weiterer Vormischbrenner 20 gemäss der Druckschrift EP 0 797 051 A2 mit einer weiteren Ausführung der Brennstoffstufung dargestellt. Bei der dargestellten Ausführung weist der Brenner 20 einen Doppelkegel 16 auf, an den sich zur Brennkammer 15 hin ein Mischrohr 17 anschliesst. Am Ende des Mischrohres 17 ist eine externe Brennstoffzuführung 18 angeordnet. Der dort zugeführte Brennstoff bildet eine Brennstoffstufe 19 (Brennstoffstufe Nr.1). Der über die Brennerluftschlitze des Doppelkegels 16 zugeführte Brennstoff bildet eine Brennstoffstufe 21 (Brennstoffstufe Nr.2). Auch dieses dargestellte Brennersystem kann durch die Brennstoffstufung hinsichtlich der thermo-akustischen Schwingungen und Schadstoffemissionen optimiert werden. Im Gegensatz zu dem in Fig. 1 dargestellten Brennersystem mit einer zentralen Eindüsung weisen Vormischbrenner mit einer externen Brennstoffeindüsung einen deutlich erweiterten Betriebsbereich bezüglich Verlöschen bzw. Abheben der Vormischflamme auf.
  • Die Parameter für die Brennstoffstufung werden - wenn die Brenner Teil einer Gasturbine sind - während der Inbetriebnahme der Gasturbine durch Einstellfahrten bestimmt. Die Parameter zur Brennstoffstufung können dabei in Abhängigkeit von der Leistung der Gasturbine, den Umgebungsbedingungen, wie Umgebungstemperatur und Luftfeuchte und der Brennstoffzusammensetzung vorgegeben werden. Die Parameter müssen ausserdem mit einer ausreichenden Reserve vorgegeben werden, damit auch bei transienten Betriebszuständen, wie z.B. Be- oder Entlasten der Gasturbine oder Änderungen der Gaszusammensetzung, ein zuverlässiger Betrieb sichergestellt ist. Da diese transienten Betriebszustände bei Gasturbinen nur selten auftreten, kann der Vormischbrenner weitestgehend nicht bei minimalen Schadstoffemissionen betrieben werden.
  • Aus der Druckschrift EP 1 205 653 B1 ist nun ein Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners mit gestufter Brennstoff-Eindüsung bekannt, der zumindest eine erste und eine stromab der ersten angeordnete zweite Stufe zum Einbringen von Brennstoff in einen Verbrennungsluftstrom aufweist, wobei Pulsationen einer durch den Brenner initiierten Verbrennung und/oder Emissionswerte der Verbrennung erfasst werden, und die Brennstoffzufuhr zur ersten und zweiten Stufe in Abhängigkeit von den erfassten Pulsationen und/oder Emissionswerten gesteuert wird. Bei stationärem Betrieb wird dabei die Brennstoffzufuhr derart gesteuert, dass der Betriebspunkt (dauerhaft) unterhalb des Maximums der Pulsationen liegt. Bei transientem Betrieb wird dagegen die Brennstoffzufuhr derart gesteuert, dass der Betriebspunkt (dauerhaft) oberhalb des Maximums der Pulsationen liegen kann. Dadurch kann die Zuverlässigkeit der Gasturbine während transienten Betriebs eingeschränkt sein.
  • Aus der Druckschrift WO 2007/082608 ist ein Verfahren zur Steuerung des Verhältnisses der Brennstoffströme in einer ersten und einer zweiten Brennstoff-Versorgungsleitung zu einer Verbrennungsvorrichtung bekannt, bei dem zunächst bestimmt wird, ob der Wert eines ersten Parameters, der den Betriebspunkt der Vorrichtung hin zu einem ersten unerwünschten Betriebsbereich verschiebt, einen vorbestimmten Grenzwert überschritten hat. Wenn dieser Grenzwert überschritten worden ist, wird das Verhältnis der Brennstoffströme so verändert, dass der Wert des ersten Parameters den Grenzwert unterschreitet. Wenn dieser Grenzwert nicht überschritten worden ist, wird bestimmt, ob der Wert eines zweiten Parameters, der den Betriebspunkt der Vorrichtung hin zu einem zweiten unerwünschten Betriebsbereich verschiebt, einen vorbestimmten Grenzwert überschritten hat. Wenn dieser Grenzwert überschritten worden ist, wird das Verhältnis der Brennstoffströme so verändert, dass der Wert des zweiten Parameters den Grenzwert unterschreitet. Wenn dieser Grenzwert nicht überschritten worden ist, werden die vorgenannten Schritte wiederholt, um die Werte des ersten und zweiten Parameters unter dem jeweiligen Grenzwert zu halten. Diese Art der Steuerung ist vergleichsweise aufwändig und kompliziert.
    • DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Steuerung eines mit Brennstoffstufungen ausgestatteten Vormischbrenners anzugeben, welches bei unveränderter Wirksamkeit hinsichtlich der Vermeidung von Pulsationen deutlich vereinfacht ist.
  • Es ist weiterhin eine Aufgabe der Erfindung, eine Verbrennungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
  • Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 und 7 gelöst.
  • Das erfindungsgemässe Verfahren geht aus von einer Verbrennungsvorrichtung, welche wenigstens einen mit einer Brennstoffstufung ausgestatteten, mit einer Brennkammer in Verbindung stehenden Vormischbrenner aufweist, wobei während transienter Betriebszustände die Brennstoffstufung des wenigstens einen Vormischbrenners nach Massgabe der in der Brennkammer auftretenden vebrennungsinduzierten Pulsationen verändert wird. Es ist dadurch gekennzeichnet, dass fortlaufend ein Pulsationsniveau der in der Brennkammer auftretenden Pulsationen bestimmt wird, dass die Brennstoffstufung des wenigstens einen Vormischbrenners zur Absenkung des Pulsationsniveaus geändert wird, wenn das Pulsationsniveau einen vorgegebenen Maximalwert überschreitet, und dass nach einer vorgegebenen Zeitspanne die Brennstoffstufung auf den für den jeweiligen Betriebspunkt massgebenden ungestörten Wert zurückgefahren wird, wenn in dieser Zeitspanne der vorgegebenen Maximalwert nicht überschritten wird.
  • Eine Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Brennstoffstufung bei Überschreitung des Maximalwerts des Pulsationsniveaus um einen fest vorgegebenen Wert geändert wird. Diese Änderung erfolgt insbesondere sprunghaft, wodurch ein besonders einfacher Verfahrensablauf erreicht wird.
  • Eine andere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffstufung bei Überschreitung des Maximalwerts des Pulsationsniveaus sukzessive um mehrere fest vorgegebene Werte geändert wird, bis entweder der vorgegebene Maximalwert des Pulsationsniveaus unterschritten oder ein Extremwert für die Brennstoffstufung erreicht wird. Hierdurch kann die Brennstoffstufung flexibler und feiner an die Gegebenheiten angepasst werden.
  • Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffstufung mit einer konstanten Änderungsgeschwindigkeit auf den für den jeweiligen Betriebspunkt massgebenden ungestörten Wert zurückgefahren wird. Bei transienten Zuständen weicht dieser ungestörte Wert in der Regel von dem Ausgangswert der Brennstoffstufung ab, da sich die Vorrichtung in der abgelaufene Zeitspanne zu einem anderen Betriebspunkt hin bewegt hat.
  • Eine wieder andere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Brennstoffstufung des wenigstens einen Vormischbrenners wenigstens ein weiteres Mal zur Absenkung des Pulsationsniveaus geändert wird, wenn das Pulsationsniveau innerhalb der vorgegebenen Zeitspanne den vorgegebenen Maximalwert erneut überschreitet. Dies kann insbesondere dann erforderlich sein, wenn sich im transienten Betrieb der Betriebspunkt besonders schnell ändert.
  • Insbesondere wird beim erfindungsgemässen Verfahren der Gesamtbrennstoffstrom bei der Änderung der Brennstoffstufung konstant gehalten.
  • Die erfindungsgemässe Verbrennungsvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens weist eine Brennkammer sowie wenigstens einen mit der Brennkammer in Verbindung stehenden, mit einer Brennstoffstufung ausgestatteten Vormischbrenner auf, wobei die Brennstoffstufung von einer Steuerung nach Massgabe der von in der Brennkammer angeordneten Messmitteln aufgenommenen, verbrennungsinduzierten Pulsationen verändert werden kann. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung mit einem Zeitglied in Verbindung steht, durch welches eine Zeitspanne für die Steuerung fest vorgegeben wird. Das Zeitglied kann ein externes Zeitglied oder Teil der Steuerung sein.
  • Eine Ausgestaltung der erfindungsgemässen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Vormischbrenner im Rahmen der Brennstoffstufung über wenigstens zwei Verteilleitungen mit Brennstoff versorgt wird, dass die wenigstens zwei Verteilleitungen mit Einstellmitteln in Verbindung stehen, die von der Steuerung derartig betätigbar sind, dass ein gleich bleibender Gesamtbrennstoffstrom auf die wenigstens zwei Verteilleitungen auf unterschiedliche Weise aufteilbar ist.
  • Vorzugsweise umfassen die Messmittel wenigstens einen in der Brennkammer angeordneten Sensor zur Aufnahme von Druckschwankungen.
    • KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
  • Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
    • Fig. 1
    in stark vereinfachter Darstellung einen Doppelkegel- oder EV-Brenner, der als Vormischbrenner mit zwei internen Brennstoffstufen für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeignet ist;
    Fig. 2
    in stark vereinfachter Darstellung einen weiteren Vormischbrenner mit zwei Brennstoffstufen, von denen die eine am Ausgang eines Mischrohrs angeordnet ist;
    Fig. 3
    das Schema einer Verbrennungsvorrichtung gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
    Fig. 4
    ein Diagramm eines beispielhaften zeitlichen Ablaufs der verbrennungsinduzierten Pulsationen p (Kurve a) in einer Verbrennungsvorrichtung gemäss Fig. 3 und der darauf steuerungstechnisch geänderten Brennstoffstufung s (Kurven b bzw. c) gemäss einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens.
    WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • Mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren wird durch eine dynamische Regelung der Betriebsbereich eines Brennersystems mit Brennstoffstufung optimiert. Die Regelung bezieht sich im Wesentlichen auf transiente Betriebszustände einer Verbrennungsvorrichtung. Das Verfahren kann zur Regelung aller Brenner eingesetzt werden, die eine brennerinterne Brennstoffstufung aufweisen. Die Verbrennungsvorrichtung ist vorzugsweise in eine Gasturbine implementiert, die üblicherweise in der Brennkammer einen bzw. eine Gruppe von Messwertaufnehmern zur Erfassung der flammenerzeugten Pulsationen enthält.
  • In Fig. 3 ist das Schema einer entsprechenden Verbrennungsvorrichtung 22 wiedergegeben. Die Verbrennungsvorrichtung 22 umfasst eine Brennkammer 23, in der durch Verbrennung eines Brennstoffs Heissgas erzeugt wird, welches zum Beispiel in einer Gasturbine eine (nicht dargestellte) entsprechende Turbine antreibt. An der Brennkammer 23 sind mehrere gleichartige Vormischbrenner B1,..,B4 angeordnet, die parallel betrieben werden und jeweils mit einer (in diesem Fall zweistufigen) Brennstoffstufung ausgestattet sind. Hierzu wird jeder der Vormischbrenner B1,..,B4 über zwei separate Verteilleitungen 25 und 26 an zwei unterschiedlichen Stellen mit Brennstoff versorgt, der über eine gemeinsame Brennstoffzuleitung 24 herangeführt wird. Der über die Brennstoffzuleitung 24 ankommende Gesamtbrennstoffstrom wird im dargestellten Beispiel mittels zweier Steuerventile 27 und 28 auf die beiden Verteilleitungen 25 und 26 in der gewünschten Weise aufgeteilt. Es versteht sich von selbst, dass auch andere Ventilanordnungen denkbar sind, um die Aufteilung des Brennstoffs zu ermöglichen.
  • Die Steuerventile 27 und 28 werden von einer Steuerung 29 betätigt, die Eingangssignale von mehreren Sensoren S1,..,S4 erhält, die in (oder an) der Brennkammer 23 angeordnet sind und in der Brennkammer 23 auftretende, verbrennungsinduzierte (Druck-)Pulsationen aufnehmen. Der Steuerung 29 ist weiterhin ein Zeitglied 30 zugeordnet, das der Steuerung 29 eine feste (eventuell auch einstellbare) Zeitspanne Δt vorgibt, nach der die Steuerung 29 selbsttätig über die Steuerventile 27 und 28 eine Veränderung der Brennstoffstufung vornimmt. Im Beispiel der Fig. 3 wird die Brennstoffstufung aller Vormischbrenner B1,..,B4 gleichzeitig und gemeinsam verändert. Es ist aber auch denkbar, dass nur ausgewählte der Vormischbrenner B1,..,B4 mit einer Brennstoffstufung ausgestattet sind oder verändert werden. Ebenso ist es denkbar, dass Vormischbrenner mit einer 3- oder mehrstufigen Brennstoffstufung zum Einsatz kommen.
  • Ziel der Regelung ist es, für einen begrenzten Zeitraum Δt die brennerinterne Brennstoffstufung (s) so anzupassen, dass ein zuverlässiger Betrieb der Verbrennungsvorrichtung bzw. Gasturbine bei transientem Betrieb ermöglicht wird. Nach diesem Zeitraum Δt wird der Regler deaktiviert und die Verbrennungsvorrichtung bzw. Gasturbine kann wieder bei optimaler Brennstoffstufung betrieben werden.
  • Eine schematische Darstellung der für die Regelung relevanten Parameter ist in Fig. 4 für eine Laständerung der Gasturbine dargestellt. Die Brennstoffstufung im stationären Betrieb ist dabei durch die punktierte Kurve b wiedergegeben. Die Aktivierung des Reglers bzw. die Änderung der Brennstoffstufung s wird im Zeitpunkt t1 durch Überschreiten eines (gestrichelt eingezeichneten) Grenzwertes pmax des Pulsationsniveaus p der flammenerzeugten Pulsationen (Kurve a) initiiert, der bei der Laständerung auftritt. Mit der Aktivierung des Reglers wird das Verhältnis der Brennstoffströme zu den einzelnen Brennstoffstufen s bei konstantem Gesamtbrennstoffstrom so verändert, dass der Vorgang durch die sprunghafte Änderung der Brennstoffstufung um den vorgegebenen Änderungsbetrag (Stufungsdifferenz) Δs mit ausreichender Betriebssicherheit durchgeführt werden kann (durchgezogene Kurve c).
  • Der Vorgang kann je nach Höhe des Pulsationsniveaus auch mehrfach wiederholt werden. Nach einem vorgegebenen Zeitraum Δt mit ausreichend niedrigem Pulsationsniveaus (z.B. zum Zeitpunkt t3) wird das Brennstoffverhältnis wieder auf den für den neuen Betriebspunkt optimalen Wert für die Brennstoffstufungen mit einem Gradienten ds/dt (Änderungsgeschwindigkeit) eingestellt. Danach (ab dem Zeitpunkt t4) wird die Regelung deaktiviert. Wird innerhalb des Zeitraums Δt der Grenzwert pmax des Pulsationsniveaus p der flammenerzeugten Pulsationen erneut überschritten (Zeitpunkt t2 in Fig. 4), wird die Brennstoffstufung s erneut um Δs verändert. Der Zeitraum bzw. die Zeitspanne Δt beginnt dann erneut zu laufen.
  • Je nach Randbedingung oder Art des transienten Vorgangs können sich unterschiedliche Brennstoffstufungen für die Betriebssicherheit der Gasturbine ergeben. In einem solchen Fall kann die Anpassung der Brennstoffstufung in mehreren Intervallen Δt' wiederholt werden, bis die flammenerzeugten Pulsationen den Grenzwert unterschreiten oder ein maximaler Wert für die Brennstoffstufung smax erreicht wird. Steigen die Pulsationen selbst bei maximalem Wert der Brennstoffstufung weiter, kann z.B. die Gasturbine durch ein Schutzentlasten abgeschaltet werden.
  • Insgesamt wird mit der Erfindung insbesondere eine Regelung einer Gasturbine mit wenigstens einem Vormischbrenner mit zwei oder mehr Brennstoffstufungen, die im stationären Betrieb zur Reduktion von Schadstoffemissionen optimiert ist, ermöglicht, indem während transienter Betriebszustände wenigstens eine der Brennstoffstufungen in Abhängigkeit von verbrennungsinduzierten Pulsationen angepasst wird.
  • Die Regelung kann sich dabei auf gasförmige und/oder flüssige Brennstoffe beziehen.
  • Die Regelung ist insbesondere für transiente Vorgänge, wie Frequenzstützung, Änderung der Gaszusammensetzung oder des Gasvordrucks sowie Laständerungen mit niedrigen Schadstoffemissionen anwendbar.
  • Die Anpassung der Brennstoffstufung kann dabei in mehreren, gleichen oder unterschiedlichen Schritten erfolgen.
  • Es ist aber auch denkbar, die Regelung zur Anpassung der stationären Betriebskurve der Brennstoffstufung heranzuziehen, falls der Dauerbetrieb auf der optimalen Brennstoffstufung aufgrund erhöhter verbrennungsinduzierter Pulsationen nicht möglich ist.
    • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 10,20
    Vormischbrenner
    11
    zentrale Brennstoffzuführung
    12,16
    Doppelkegel
    13,14
    Brennstoffstufe
    15,23
    Brennkammer
    17
    Mischrohr
    18
    externe Brennstoffzuführung
    19,21
    Brennstoffstufe
    22
    Verbrennungsvorrichtung
    24
    Brennstoffzuleitung
    25,26
    Verteilleitung
    27,28
    Steuerventil
    29
    Steuerung
    30
    Zeitglied
    B1,..,B4
    Vormischbrenner
    p
    Pulsationsniveau
    S1,..,S4
    Sensor
    s
    Brennstoffstufung
    Δs
    Stufungsdifferenz (Änderungsbetrag)
    Δt
    Zeitspanne
    ds/dt
    Änderungsgeschwindigkeit der Brennstoffstufung
    t1,..,t4
    Zeitpunkt

Claims (9)

  1. Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsvorrichtung (22), welche wenigstens einen mit einer Brennstoffstufung (s) ausgestatteten, mit einer Brennkammer (23) in Verbindung stehenden Vormischbrenner (B1,..,B4) aufweist, bei welchem Verfahren während transienter Betriebszustände die Brennstoffstufung (s) des wenigstens einen Vormischbrenners (B1,..,B4) nach Massgabe der in der Brennkammer (23) auftretenden verbrennungsinduzierten Pulsationen verändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass fortlaufend ein Pulsationsniveau (p) der in der Brennkammer (23) auftretenden Pulsationen bestimmt wird, dass die Brennstoffstufung (s) des wenigstens einen Vormischbrenners (B1,..,B4) zur Absenkung des Pulsationsniveaus (p) geändert wird, wenn das Pulsationsniveau (p) einen vorgegebenen Maximalwert (pmax) überschreitet, und dass nach einer vorgegebenen Zeitspanne (Δt) die Brennstoffstufung (s) auf den für den jeweiligen Betriebspunkt massgebenden ungestörten Wert zurückgefahren wird, wenn in dieser Zeitspanne (Δt) der vorgegebene Maximalwert (pmax) nicht überschritten wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffstufung (s) bei Überschreitung des Maximalwerts (pmax) des Pulsationsniveaus (p) um einen fest vorgegebenen Wert (Δp) geändert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffstufung (s) bei Überschreitung des Maximalwerts (pmax) des Pulsationsniveaus (p) sukzessive um mehrere fest vorgegebene Werte geändert wird, bis entweder der vorgegebene Maximalwert (pmax) des Pulsationsniveaus (p) unterschritten oder ein Extremwert für die Brennstoffstufung (s) erreicht wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffstufung (s) mit einer konstanten Änderungsgeschwindigkeit (ds/dt) auf den für den jeweiligen Betriebspunkt massgebenden ungestörten Wert zurückgefahren wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffstufung (s) des wenigstens einen Vormischbrenners (B1,..,B4) wenigstens ein weiteres Mal zur Absenkung des Pulsationsniveaus (p) geändert wird, wenn das Pulsationsniveau (p) innerhalb der vorgegebenen Zeitspanne (Δt) den vorgegebenen Maximalwert (pmax) erneut überschreitet.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtbrennstoffstrom bei der Änderung der Brennstoffstufung (s) konstant gehalten wird.
  7. Verbrennungsvorrichtung (22) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-6, welche Verbrennungsvorrichtung (22) eine Brennkammer (23) sowie wenigstens einen mit der Brennkammer (23) in Verbindung stehenden, mit einer Brennstoffstufung (s) ausgestatteten Vormischbrenner (B1,..,B4) aufweist, wobei die Brennstoffstufung (s) von einer Steuerung (29) nach Massgabe der von in der Brennkammer (23) angeordneten Messmitteln (S1,..,S4) aufgenommenen, verbrennungsinduzierten Pulsationen verändert werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (29) mit einem Zeitglied (30) in Verbindung steht, durch welches eine Zeitspanne (Δt) für die Steuerung fest vorgegeben wird.
  8. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Vormischbrenner (B1,..,B4) im Rahmen der Brennstoffstufung über wenigstens zwei Verteilleitungen (25, 26) mit Brennstoff versorgt wird, dass die wenigstens zwei Verteilleitungen (25, 26) mit Einstellmitteln (27, 28) in Verbindung stehen, die von der Steuerung (29) derartig betätigbar sind, dass ein gleich bleibender Gesamtbrennstoffstrom auf die wenigstens zwei Verteilleitungen (25, 26) auf unterschiedliche Weise aufteilbar ist.
  9. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmittel wenigstens einen in der Brennkammer (23) angeordneten Sensor (S1,..,S4) zur Aufnahme von Druckschwankungen umfassen.
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