EP4045851A1 - Verfahren zur steuerung einer verbrennungseinrichtung - Google Patents

Verfahren zur steuerung einer verbrennungseinrichtung

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EP4045851A1
EP4045851A1 EP20797405.6A EP20797405A EP4045851A1 EP 4045851 A1 EP4045851 A1 EP 4045851A1 EP 20797405 A EP20797405 A EP 20797405A EP 4045851 A1 EP4045851 A1 EP 4045851A1
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EP
European Patent Office
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proportion
fuel
nitrogen oxides
carbon monoxide
target value
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EP20797405.6A
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Eberhard Deuker
Benedict Kriegler
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a combustion device, the focus being on achieving minimum performance.
  • the gas turbine system comprises a gas turbine with a combustion chamber in which fuel is burned when the gas turbine is in operation.
  • the supply of fuel is regulated by a control device using a power reference value.
  • a capacity module that can be used to determine the carbon monoxide concentration.
  • the power reference value is adjusted as a function of the carbon monoxide concentration.
  • the combustion device is operated with the lowest possible power, in particular in order to avoid a standstill.
  • the object of the present invention is therefore to enable a lower performance than previously usual, in which the given limit values for the pollutants are complied with.
  • the generic method is used to control a combustion process of a combustion device.
  • the type of incineration device involved is initially irrelevant.
  • At least the method can advantageously be used to control the combustion process in a combustion chamber of a gas turbine.
  • the combustion device comprises at least one combustion chamber and at least one burner is arranged on this.
  • the burner By means of the burner, the fuel and the supply air required for the combustion of the fuel can be conveyed into the combustion chamber for combustion.
  • a calculation model of the combustion process is stored in the control device. In this case, for a given output, it can be determined on the basis of the stored calculation model whether theoretically the pollutants are within a permissible range.
  • a permissible limit value for the proportion of nitrogen oxides is stored in the calculation model of the control device. Furthermore, it is also necessary that a permissible limit value for the proportion of carbon monoxide is set. These two values can be defined as unchangeable variables or it can be provided that an adaptation to local conditions is possible. For example, the permissible limit values can be legal requirements.
  • the type and / or quality of the fuel used is known.
  • the parameters for this it is possible, on the one hand, for the parameters for this to be entered as a default in the control device.
  • the type or quality of the fuel is measured or determined before it is supplied to the combustion device and the result is transmitted to the control device.
  • the combustion device has an exhaust air measuring device with which at least the actual proportion of a relevant pollutant in the exhaust air can be recorded.
  • the performance of the combustion device can be further reduced until the target value is reached, provided that it is ensured that other limit values are reliably observed.
  • the actual proportion of nitrogen oxides in the exhaust air is measured continuously. Based on the known actual proportion of nitrogen oxides, the control device now uses the calculation model to calculate whether a reduction in fuel and thus in power is possible without the proportion of nitrogen oxides exceeding the target value. At the same time, the control device uses the calculation model to determine how far the amount of fuel can be reduced until the proportion of carbon monoxide theoretically reaches the target value. enough. Due to the lack of knowledge about the actual content in the exhaust air, a greater tolerance to the permissible limit value must be observed here.
  • the actual proportion of carbon monoxide in the exhaust air is measured continuously.
  • the possible reduction in the fuel or the power is now calculated in the control device using the calculation model until the target value for the proportion of carbon monoxide is reached.
  • the fuel supply is now reduced with further ongoing monitoring of the actual proportion of nitrogen oxides (in the first method) or carbon monoxide (in the second method) until the calculated minimum fuel amount is reached. If the measured actual proportion of nitrogen oxides or carbon monoxide reaches the target value beforehand, the reduction in the fuel supply is then stopped. This results in an assumed minimum fuel supply and thus minimum power in both methods, at which one of the two or both pollutants nitrogen oxides or carbon monoxide have reached the target value. It can be reliably assumed that both permissible limit values are complied with.
  • a third method combines the first method with the second method, the exhaust air measuring device being able to monitor both the actual content of nitrogen oxides and the actual content of carbon monoxide.
  • the control device uses the calculation model to calculate how far the fuel or the power can be reduced until one of the two or both target values is reached in the case of the signal that a minimum power is to be approached. There If both values are recorded continuously, the tolerance for the permissible limit value for both pollutants can be selected to be relatively small.
  • the fuel supply or the power is reduced until the previously calculated minimum fuel supply is reached. Should the situation arise in which one of the two measured values for the actual proportion of nitrogen oxides or carbon monoxide reaches the target value, the fuel reduction is stopped.
  • the calculation of the lowest possible fuel supply is carried out once after the signal to shut down the combustion device to a minimum output has been given.
  • the calculation is carried out repeatedly so that a renewed possibility of further lowering the fuel supply or the output - if given - can be used.
  • the minimum fuel supply is recalculated at which the target values are not exceeded.
  • the fuel supply is increased. If, on the other hand, it is determined on the basis of a new calculation that both target values are not reached, the fuel supply can be reduced again.
  • a new calculation can be provided at regular intervals.
  • the period of time can be selected in such a way that after a change in the fuel supply and thus the power, the proportion of pollutants which changes as a result has leveled off at an essentially constant value.
  • the ongoing measurement of nitrogen oxides and / or carbon monoxide can lead to a new calculation.
  • a constant comparison between the measured values and the permissible limit values and / or the target value can be made, with a given absolute or relative difference being reached another calculation to adjust the fuel quantity is initiated. It can be provided here that the difference is selected to be small when the target value is exceeded and, in contrast, the difference is selected to be greater when the target value is not reached.
  • the combustion device comprises at least one main burner and at least one secondary burner.
  • the type of burner involved is initially irrelevant, it being provided that these have different combustion characteristics. Similar to the use of a single burner or a single burner type, it is necessary that the main burner and the secondary burner can convey fuel and / or supply air into the combustion chamber.
  • the expected proportion of carbon monoxide and the expected proportion of nitrogen oxides can be calculated.
  • a minimum fuel supply can subsequently be determined as before, in which at least an actual proportion of nitrogen oxides or carbon monoxide reaches the target value for a given fuel distribution. Accordingly, as before, the fuel supply can be reduced to the calculated minimum fuel supply.
  • an optimal distribution of the fuel is calculated when using a main burner and an auxiliary burner.
  • an iterative comparison can be made between the calculated values for the proportion of nitrogen oxides and carbon monoxide and the target values when the fuel distribution is changed and the amount of fuel is reduced until the smallest possible difference is achieved between the calculated proportion for the pollutants and the target values be made.
  • This method is particularly advantageous when the secondary burner is a so-called pilot burner.
  • the difference between the proportion of carbon dioxide and the associated target value is greater than the difference between the proportion of nitrogen oxides and the associated target value, it is advantageous if the distribution of the fuel is changed so that the proportion for the main burner is increased and the proportion for the secondary burner is reduced.
  • the difference between the proportion of nitrogen oxides and the associated target value is greater than the difference between the proportion of carbon dioxide and the associated target value, so it is advantageous if the distribution of the fuel changes accordingly is that the proportion for the secondary burner is increased and the proportion for the main burner is reduced. If, after calculating an optimal distribution of the fuel quantity between the main burner and the secondary burner, it is calculated that both target values are not reached or, after setting the appropriate fuel quantity, it is determined based on the measurement of the pollutants, the fuel supply can then be further reduced.
  • a further improvement of the method, in particular for reducing the necessary tolerances, is achieved if there is a supply air measuring device by means of which at least one property of the supply air can be determined. It is particularly advantageous if the temperature and humidity of the supply air are known in the calculation model. Accordingly, these values can be taken into account when calculating the minimum amount of fuel and the optimal distribution of the fuel.
  • calculation model is created using the known calculation bases (e.g. combustion characteristics, properties of the combustion device, type of fuel), with the measured actual proportion of pollutants representing the variable to be calculated.
  • known calculation bases e.g. combustion characteristics, properties of the combustion device, type of fuel
  • the calculation model can be adapted.
  • the calculation parameters are continuously saved together with as many existing status data as possible.
  • the status data include the actual status of the combustion device or gas turbine (temperature data, vibration data, etc.), the type and / or quality of the fuel, the temperature and / or humidity of the supply air, the actual proportion of nitrogen oxides and / or carbon monoxide in the exhaust air.
  • the calculation model can be adjusted regularly or continuously. be taken. The so-called self-learning methods can be used in a particularly advantageous manner.
  • this method is not restricted to one type of fuel. It can also be provided that different fuels are used when the main burner and secondary burner are present. In principle, the method can be used advantageously when the fuel is gaseous.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a combustion device according to the invention Shen;
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a possible course of parameters over time when using the method according to the invention.
  • a combustion device 01 according to the invention is schematically sketched in FIG. This initially comprises the combustion chamber 02 with the main burner 03 arranged thereon and the secondary burner 04. Fuel 23 and supply air 21 can be fed to the burners 03, 04. Exhaust air 25, d. H. Flue gas emerges from the combustion chamber 02.
  • control device 11 in which a calculation model 12 is stored and which in this exemplary embodiment includes a data memory 13.
  • Various parameters are transmitted to the control device 11.
  • the maximum proportion of nitrogen oxides 16 and the maximum proportion of carbon monoxide 17 are fixedly predefined. This can be the respective permissible limit value or the target value.
  • the target value can be calculated by the control device. It is also possible to transmit both the permissible limit value and the respective target value as a specification to the control device 11.
  • the type or quality 24 of the fuel 23 is known in the calculation model. For this purpose, it is provided, for example, that this 24 is continuously recorded and transmitted to the control device 11.
  • the temperature and the air humidity 22 of the supply air 21 are measured and transmitted to the control device 11.
  • the method according to the invention is triggered by a signal for starting a minimum power, for which the control device 11 is transmitted the respectively required target power 15.
  • the control device 11 controls a correspondingly associated main valve 05 for controlling the fuel flow to the main burner 03 and a correspondingly associated secondary valve 06 for controlling the fuel flow to the secondary burner 04.
  • FIG. 2 shows an example of a possible process sequence with various parameters over time.
  • the signal to approach a minimum output P soii took place at time TI.
  • a minimum power or minimum fuel supply is now calculated in the control device 11 on the basis of the calculation model 12, for which the predetermined limit values for the proportion of nitrogen oxides and the proportion of carbon monoxide is complied with (ie at least one target value is achieved).
  • the target value NOx max is specified in the control device.
  • the fuel supply and thus the power Pi st is now reduced.
  • the reduction in power is generally accompanied by an increase in the proportion of pollutants, ie here the proportion of nitrogen oxides NOxi st and the proportion of carbon monoxide (not shown here) - see time T2.

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Abstract

Verfahren zur Steuerung einer Verbrennungseinrichtung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses einer Gasturbine. Erforderlich ist eine Brennkammer, eine Steuerungseinrichtung, in der ein Berechnungsmodell des Verbrennungsprozesses hinterlegt ist, und eine Abluft-Messeinrichtung. Zunächst erfolgt eine Festsetzung eines zulässigen Grenzwertes für Stickoxide und für Kohlenmonoxid als Schadstoffe. Der tatsächliche Wert zumindest eines der beiden Schadstoffe wird laufend in der Abluft gemessen. Wenn ein Signal zur Reduzierung der Leistung der Gasturbine auf einen geringstmöglichen Wert gegeben wird, so erfolgt eine Berechnung einer minimale Brennstoffzufuhr, bei der die Grenzwerte eingehalten werden. Sodann wird die Brennstoffzufuhr reduziert bis entweder die berechnete minimale Brennstoffzufuhr erreicht ist oder bis der laufend gemessene Anteil des Schadstoffes den zulässigen Grenzwert erreicht.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Steuerung einer Verbrennungseinrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Ver brennungseinrichtung, wobei die Erzielung einer minimalen Leistung im Vordergrund steht.
Aus dem Stand der Technik sind vielfältige Verfahren zur Steuerung einer Verbrennungseinrichtung bekannt. Diese sind in der Regel an die jeweilige Verbrennungseinrichtung ange passt und unterscheiden sich je nach Art der Verbrennungsein richtung sowie dessen Aufgabe. Vorliegend betrachtet wird je doch der Zustand, bei dem die Verbrennungseinrichtung mit ei ner möglichst geringen Leistung im zulässigen Bereich betrie ben werden kann. Diesbezüglich ist es aus dem Stand der Tech nik bekannt, dass im Teillastbereich mit größer werdendem Ab stand von der Nennleistung der relative Gehalt an Schadstof fen, insbesondere die Belastung mit Kohlenmonoxid, zunimmt. Insofern ist der Betrieb der Verbrennungseinrichtung unter Beachtung der Vorgaben für den Gehalt an Schadstoffen auf ei nen Mindestwert begrenzt, bei dem die Grenzwerte zuverlässig eingehalten werden.
Aus dem Stand der Technik ist es üblich, dass mittels Berech nungen sowie anhand von Laborversuchen ermittelt wird, wel chen Anteil jeweilige Schadstoffe bei abnehmender Leistung aufweisen. Somit wird bei Erstellung der Regeln für die Steu erung des Verbrennungsprozesses die zuvor ermittelte minima len Leistung als Mindestwert festgesetzt.
Aus der W0201361301A1 ist eine Gasturbinenanlage mit einem Verfahren bekannt, bei der eine Erfassung des Anteils an Koh lenmonoxid erfolgt. Hierbei umfasst die Gasturbinenanlage ei ne Gasturbine mit einer Brennkammer, in der im Betrieb der Gasturbine Brennstoff verbrannt wird. Die Zufuhr von Brenn stoff wird hierbei anhand eines Leistungsreferenzwertes von einer Steuerungsreinrichtung geregelt. Weiterhin ist ein Er- fassungsmodul vorhanden, mittels dem die Kohlenmonoxid- Konzentration ermittelt werden kann. In der Steuerungsrein richtung wird dabei der Leistungsreferenzwertes in Abhängig keit von der Kohlenmonoxid-Konzentration angepasst.
Mitunter ist es jedoch gewünscht, dass die Verbrennungsein richtung mit der geringst-möglichen Leistung betrieben wird, insbesondere um einen Stillstand zu vermeiden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine geringere Leistung als bisher üblich zu ermöglichen, bei der die gege benen Grenzwerte für die Schadstoffe eingehalten werden.
Die gestellte Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Ver fahren nach der Lehre des Anspruchs 1 sowie alternativ nach der Lehre des Anspruchs 2 gelöst. Ein weiter verbessertes er findungsgemäßes Verfahren als Kombination des Anspruchs 1 und 2 ist im Anspruch 3 angegeben. Vorteilhafte Verfahrensschrit te sind in Unteransprüchen angegeben.
Das gattungsgemäße Verfahren dient zur Steuerung eines Ver brennungsprozesses einer Verbrennungseinrichtung. Um welche Art von Verbrennungseinrichtung es sich hierbei handelt, ist zunächst unerheblich. Zumindest kann das Verfahren vorteil haft zu Steuerung des Verbrennungsprozesses in einer Brenn kammer einer Gasturbine eingesetzt werden. Erforderlich ist in jedem Fall, dass die Verbrennungseinrichtung zumindest ei ne Brennkammer umfasst und an dieser zumindest ein Brenner angeordnet ist. Mittels des Brenners kann der Brennstoff und die zur Verbrennung des Brennstoffes erforderliche Zuluft in die Brennkammer zur Verbrennung gefördert werden. Weiterhin ist eine Steuerungseinrichtung zur Durchführung des Verfah rens vorhanden. Hierzu ist in der Steuerungseinrichtung ein Berechnungsmodell des Verbrennungsprozesses hinterlegt. Hier bei kann bei einer vorgegebenen Leistung auf Basis des ge speicherten Berechnungsmodell ermittelt werden, ob theore tisch die Schadstoffe innerhalb eines zulässigen Bereichs liegen. Dazu ist es erforderlich, dass ein zulässiger Grenzwert für den Anteil an Stickoxiden im Berechnungsmodell der Steue rungseinrichtung hinterlegt ist. Weiterhin ist es analog er forderlich, dass ein zulässiger Grenzwert für den Anteil an Kohlenmonoxid festgesetzt wird. Diese beiden Werte können als unveränderliche Größe definiert sein oder es kann vorgesehen sein, dass eine Anpassung an lokale Gegebenheiten möglich ist. Zum Beispiel kann es sich bei den zulässigen Grenzwerten um gesetzliche Vorgaben handeln.
Da eine exakte, vollkommen fehlerfreie Berechnung aufgrund der Vielzahl an möglichen Einflussfaktoren, z.B. Umgebungsbe dingungen, sowie eine vollkommen konstante Verbrennung in der Verbrennungsreinrichtung, z.B. aufgrund von Betriebsschwan kungen, nicht realistisch möglich ist, ist es erforderlich eine Toleranz zu berücksichtigen, so dass man ausgehend von dem zulässigen Grenzwert für den jeweiligen Anteil an Stick oxiden respektive an Kohlenmonoxid zu einem jeweiligen Ziel wert kommt. Wird ein Zustand ermittelt, bei dem der Zielwert für einen Schadstoff vorhanden ist, so kann man zuverlässig davon ausgehen, dass der zulässige Grenzwert nicht über schritten ist.
Um den Verbrennungsprozess optimal steuern zu können, ist es weiterhin besonders vorteilhaft, wenn die Art und/oder Quali tät des eingesetzten Brennstoffes bekannt ist. Hierzu ist es einerseits möglich das die Parameter hierzu als Vorgabe in der Steuerungseinrichtung eingegeben werden. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Art oder die Qualität des Brenn stoffes vor dessen Zuführung zur Verbrennungseinrichtung ge messen bzw. ermittelt wird und das Ergebnis der Steuerungs einrichtung übermittelt wird.
Für das vorliegende Verfahren als Teil der Steuerung der Ver brennungseinrichtung ist weiterhin ein Signal zur Einstellung einer minimalen Leistung notwendig, so dass im Folgenden die Brennstoffzufuhr zur Verbrennungseinrichtung reduziert wird. Zur Erzielung einer möglichst geringen Leistung ist erfin dungsgemäß nunmehr vorgesehen, dass die Verbrennungseinrich tung eine Abluft-Messeinrichtung aufweist, mit der zumindest der Ist-Anteil eines relevanten Schadstoffes in der Abluft erfasst werden kann.
Mit dem nunmehr bekannten Ist-Anteil des einen Schadstoffes kann die Leistung der Verbrennungseinrichtung bis zum Errei chen des Zielwertes weiter reduziert werden, sofern sicherge stellt ist, dass sonstige Grenzwerte zuverlässig eingehalten werden.
Während im Stand der Technik aufgrund der unbekannten Höhe der tatsächlich auftretenden Schadstoffbelastung bei der Be rechnung der geringst-möglichen Brennstoffzufuhr respektive der resultierenden Leistung ein hinreichender Sicherheitsab stand zur tatsächlichen Einhaltung der Grenzwerte zu berück sichtigen und somit eine große Toleranz zwischen dem zulässi gen Grenzwert und dem Zielwert notwendig ist, wird demgegen über durch die erfindungsgemäße Verfahrensführung eine weite re Leistungsreduktion mit Verkleinerung der Toleranz möglich.
Betrachtet man nunmehr die relevanten Schadstoffe Kohlendi oxid sowie Stickoxide ergeben sich drei verschiedene erfin dungsgemäße Verfahren zur Erzielung einer möglichst geringen Leistung.
In einem ersten erfindungsgemäßen Verfahren wird laufend der Ist-Anteil an Stickoxiden in der Abluft gemessen. Ausgehend von dem bekannten Ist-Anteil an Stickoxiden wird in der Steu erungseinrichtung anhand des Berechnungsmodells nunmehr be rechnet, ob eine Reduktion des Brennstoffes und somit der Leistung möglich ist, ohne dass der Anteil an Stickoxiden den Zielwert überschreitet. Parallel hierzu wird in der Steue rungseinrichtung anhand des Berechnungsmodells ermittelt, wie weit die Menge an Brennstoff reduziert werden kann, bis dass der Anteil an Kohlenmonoxid theoretisch den Zielwert er- reicht. Aufgrund der Unkenntnis über den tatsächlichen Gehalt in der Abluft ist hier eine größere Toleranz zum zulässigen Grenzwert einzuhalten.
Analog wird in einem zweiten erfindungsgemäßen Verfahren lau fend der Ist-Anteil an Kohlenmonoxid in der Abluft gemessen. Nunmehr wird ausgehend vom bekannten Ist-Anteil an Kohlenmo noxid die mögliche Reduktion des Brennstoffes respektive der Leistung in der Steuerungseinrichtung anhand des Berechnungs modells berechnet, bis dass der Zielwert für den Anteil an Kohlenmonoxid erreicht ist. Umgekehrt zum ersten Verfahren wird parallel ermittelt, ob eine Reduktion des Brennstoffes möglich ist, ohne dass der berechnete Anteil an Stickoxiden den Zielwert überschreitet.
Im Folgenden wird nunmehr die Brennstoffzufuhr bei weiterer laufender Überwachung des Ist-Anteils an Stickoxiden (im ers ten Verfahren) respektive an Kohlenmonoxid (im zweiten Ver fahren) bis zur Erreichung der berechneten minimalen Brenn stoffmenge reduziert. Sollte der gemessene Ist-Anteil an Stickoxiden respektive Kohlenmonoxid bereits vorher den Ziel wert erreichen, wird bereits dann die Reduktion der Brenn stoffzufuhr gestoppt. Somit ergibt sich in beiden Verfahren eine angenommene minimale Brennstoffzufuhr und somit minimale Leistung, bei der einer der beiden oder beide Schadstoffe Stickoxide bzw. Kohlenmonoxid den Zielwert erreicht haben. Dabei kann zuverlässig davon ausgegangen werden, dass beide zulässigen Grenzwerte eingehalten werden.
Ein drittes erfindungsgemäßes Verfahren kombiniert das erste Verfahren mit dem zweiten Verfahren, wobei die Abluft- Messeinrichtung sowohl den Ist-Anteil an Stickoxiden als auch den Ist-Anteil an Kohlenmonoxid überwachen kann. Gleichfalls wie bei den anderen Verfahren wird bei dem Signal, dass eine minimale Leistung angefahren werden soll, von der Steuerungs einrichtung anhand des Berechnungsmodells berechnet, wie weit der Brennstoff respektive die Leistung reduziert werden kann, bis einer der beiden oder beide Zielwerte erreicht wird. Da beide Werte laufend erfasst werden, kann die Toleranz für zum zulässigen Grenzwert für beide Schadstoffe relativ klein ge wählt werden.
Wie zuvor wird die Brennstoffzufuhr respektive die Leistung solange reduziert, bis die zuvor berechnete minimale Brenn stoffzufuhr erreicht ist. Sollte hierbei der Zustand auftre- ten, bei der einer der beiden gemessenen Werte für den Ist- Anteil an Stickoxiden oder an Kohlenmonoxid den Zielwert er reicht, wird die Brennstoffreduktion gestoppt.
Im einfachsten Fall wird die Berechnung der geringstmöglichen Brennstoffzufuhr einmalig durchgeführt nachdem das Signal zum Herunterfahren der Verbrennungseinrichtung auf eine minimale Leistung gegeben wurde. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn im weiteren Verlauf - solange die minimale Leistung ge wünscht ist - wiederholt die Berechnung durchgeführt wird, so dass eine erneute Möglichkeit zur weiteren Absenkung der Brennstoffzufuhr bzw. der Leistung - sofern gegeben - ausge nutzt werden kann. Entsprechend wird bei erneuter Berechnung auf Basis der gegebenen Zielwerte für die Schadstoffe und des gemessenen Anteils an Stickoxiden bzw. an Kohlenmonoxid die minimale Brennstoffzufuhr erneut berechnet, bei der die Ziel werte nicht überschritten werden.
Wird aufgrund der laufenden Messung oder aufgrund einer er neuten Berechnung eine Überschreitung der zulässigen Grenz werte festgestellt, wird die Brennstoffzufuhr erhöht. Wird demgegenüber aufgrund einer erneuten Berechnung festgestellt, dass beide Zielwerte unterschritten werden, kann eine erneute Reduktion der Brennstoffzufuhr erfolgen.
Eine erneute Berechnung kann einerseits in regelmäßigen Ab ständen vorgesehen sein. Beispielsweise kann die Zeitspanne derart gewählt werden, dass sich nach einer Änderung der Brennstoffzufuhr und somit der Leistung der sich hiermit än dernde Anteil an Schadstoffen auf einen im Wesentlichen kon stanten Wert eingependelt hat. Andererseits kann die laufende Messung der Stickoxide und/oder des Kohlenmonoxids zu einer erneuten Berechnung füh ren. Beispielsweise kann laufend ein Abgleich zwischen den gemessenen Werten und den zulässigen Grenzwerten und/oder dem Zielwert vorgenommen werden, wobei bei Erreichen einer vorge gebenen absoluten oder relativen Differenz eine erneute Be rechnung zur Anpassung der Brennstoffmenge veranlasst wird. Hierbei kann vorgesehen sein, dass die Differenz bei einer Überschreitung des Zielwertes klein und demgegenüber die Dif ferenz bei einer Unterschreitung des Zielwertes größer ge wählt wird.
Ein größeres Potenzial zur Reduzierung der Brennstoffmenge wird ermöglicht, wenn die Verbrennungseinrichtung zumindest einen Hauptbrenner sowie zumindest einen Nebenbrenner um fasst. Um welche Art von Brenner es sich hierbei handeln ist zunächst unerheblich, wobei vorgesehen ist, dass diese eine unterschiedliche Verbrennungscharakteristik aufweisen. Analog wie beim Einsatz eines einzelnen Brenners bzw. eines einzel nen Brennertyps ist notwendig, dass der Hauptbrenner sowie der Nebenbrenner Brennstoff und/oder Zuluft in die Brennkam mer fördern kann.
Bei Vorhandensein eines Hauptbrenners sowie eines Nebenbren ners ist es möglich, dass Berechnungsmodell dahingehend zu erweitern, dass eine Aufteilung des Brennstoffes auf den Hauptbrenner sowie den Nebenbrenner berechnet wird. Somit kann bei einer gegebenen Brennstoffmenge und der Aufteilung des Brennstoffes der zu erwartende Anteil an Kohlenmonoxid sowie der zu erwartende Anteil an Stickoxiden berechnet wer den. Bei Abgleich mit den Zielwerten für Stickoxide bzw. Koh lenmonoxid kann im Folgenden wie zuvor eine minimale Brenn stoffzufuhr ermittelt werden, bei der zumindest ein Ist- Anteil an Stickoxiden respektive an Kohlenmonoxid den Ziel wert bei gegebener Aufteilung des Brennstoffs erreicht. Ent sprechend kann, wie zuvor auch, die Brennstoffzufuhr bis zur berechneten minimalen Brennstoffzufuhr reduziert werden. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn beim Einsatz eines Hauptbrenners sowie eines Nebenbrenners eine optimale Auftei lung des Brennstoffs berechnet wird. Hierzu kann iterativ ein Abgleich zwischen den berechneten Werten für den Anteil an Stickoxiden und Kohlenmonoxid und den Zielwerten bei Verände rung der Aufteilung des Brennstoffs sowie einer Verkleinerung der Brennstoffmenge bis zur Erzielung einer möglichst gerin gen Differenz zwischen dem berechneten Anteil für die Schad stoffe und den Zielwerten vorgenommen werden.
Dieses Verfahren eignet sich in besonders vorteilhafter Wei se, wenn es sich bei dem Nebenbrenner um einen sogenannten Pilotbrenner handelt.
Bei diesem Verfahren zur Bestimmung einer vorteilhaften Auf teilung des Brennstoffes ist es dabei vorteilhaft, wenn be rücksichtigt wird, bei welchem Schadstoff die Differenz zwi schen dem tatsächlich gemessenen Wert bzw. dem theoretisch berechneten Anteil und dem Zielwert größer ist.
Wenn im ersten Fall die Differenz zwischen dem Anteil an Koh lendioxid und dem zugehörigen Zielwert größer ist als die Differenz zwischen dem Anteil an Stickoxiden und dem zugehö rigen Zielwert, so ist es vorteilhaft, wenn die Aufteilung des Brennstoffs dahingehend geändert wird, dass der Anteil für den Hauptbrenner erhöht und der Anteil für den Nebenbren ner reduziert wird.
Umgekehrt ist es im zweiten Fall vorteilhaft, wenn die Diffe renz zwischen dem Anteil an Stickoxiden und dem zugehörigen Zielwert größer ist als die Differenz zwischen dem Anteil an Kohlendioxid und dem zugehörigen Zielwert, so ist es vorteil haft, wenn die Aufteilung des Brennstoffs dahingehend geän dert wird, dass der Anteil für den Nebenbrenner erhöht und der Anteil für den Hauptbrenner reduziert wird. Wird nach Berechnung einer optimalen Aufteilung der Brenn stoffmenge auf den Hauptbrenner und den Nebenbrenner eine Un- terschreitung beider Zielwerte berechnet bzw. nach Einstel lung entsprechender Brennstoffmenge aufgrund der Messung der Schadstoffe festgestellt, so kann im Folgenden die Brenn stoffzufuhr weiter reduziert werden.
Eine weitere Verbesserung des Verfahrens, insbesondere zur Verkleinerung von notwendigen Toleranzen, wird erreicht, wenn eine Zuluft-Messeinrichtung vorhanden ist, mittels der zumin dest eine Eigenschaft der Zuluft bestimmt werden kann. Beson ders vorteilhaft ist es hierbei, wenn im Berechnungsmodell die Temperatur sowie die Luftfeuchte der Zuluft bekannt ist. Entsprechend können diese Werte bei der Berechnung der mini malen Brennstoffmenge sowie der optimalen Aufteilung des Brennstoffs berücksichtigt werden.
Grundsätzlich ist es zunächst mal hinreichend, wenn mit den bekannten Berechnungsgrundlagen (z.B. Verbrennungscharakte ristik, Eigenschaften der Verbrennungseinrichtung, Art des Brennstoffs) das Berechnungsmodell erstellt wird, wobei der gemessene Ist-Anteil an Schadstoffen die Variable zu Berech nung darstellt.
Aufgrund der Komplexität eines Verbrennungsprozesses und der möglichen Änderung der Verbrennungscharakteristik, beispiels weise aufgrund unterschiedlicher lokaler Umgebungsbedingun gen, ist es weiterhin vorteilhaft, wenn eine Anpassung des Berechnungsmodells möglich ist. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn laufend die Berechnungsparameter zusammen möglichst vie len vorhandenen Zustandsdaten gespeichert werden. Zu den Zu standsdaten gehören die Ist-Zustände der Verbrennungseinrich tung bzw. Gasturbine (Temperaturdaten, Vibrationsdaten, usw.), die Art und/oder Qualität des Brennstoffs, die Tempe ratur und/oder Luftfeuchte der Zuluft, der Ist-Anteil an Stickoxiden und/oder Kohlenmonoxid in der Abluft. Unter Be rücksichtigung der gespeicherten Daten kann regelmäßig oder kontinuierlich eine Anpassung des Berechnungsmodells vorge- nommen werden. Dabei können in besonders vorteilhafte Weise die Methoden des sogenannten Self-Learning eingesetzt werden.
Generell ist dieses Verfahren nicht auf einer Brennstoffart beschränkt. Auch kann vorgesehen sein, dass bei Vorhandensein von Hauptbrenner und Nebenbrenner verschiedene Brennstoffe eingesetzt werden. Grundsätzlich kann das Verfahren vorteil haft eingesetzt werden, wenn der Brennstoff gasförmig ist.
In den nachfolgenden Figuren wird schematisch eine Verbren nungseinrichtung und ein Zeitablauf skizziert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemä ßen Verbrennungseinrichtung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines möglichen Ver laufs von Parameter über die Zeit bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In der Figur eins wird schematisch eine erfindungsgemäße Ver brennungseinrichtung 01 skizziert. Diese umfasst zunächst einmal die Brennkammer 02 mit den daran angeordneten Haupt brenner 03 sowie dem Nebenbrenner 04. Den Brennern 03,04 kann Brennstoff 23 sowie Zuluft 21 zugeführt werden. Abluft 25, d. h. Rauchgas, tritt aus der Brennkammer 02 aus.
Zur Steuerung des Verfahrens ist eine Steuerungseinrichtung 11 vorhanden, in der ein Berechnungsmodell 12 hinterlegt ist und das in diesem Ausführungsbeispiel einen Datenspeicher 13 umfasst. Der Steuerungseinrichtung 11 werden verschiedene Kenngrößen übermittelt. Zum einen wird der maximale Anteil an Stickoxiden 16 und der maximale Anteil an Kohlenmonoxid 17 fest vorgegeben. Hierbei kann es sich um den jeweils zulässi gen Grenzwert oder um den Zielwert handeln. Im ersten Fall kann der Zielwert von der Steuerungseinrichtung berechnet werden. Gleichfalls ist es möglich sowohl den zulässigen Grenzwert als auch den jeweiligen Zielwert als Vorgabe der Steuerungseinrichtung 11 zu übermitteln. Weiterhin ist es erforderlich, dass im Berechnungsmodell die Art bzw. die Qualität 24 des Brennstoffes 23 bekannt ist. Hierzu ist beispielhaft vorgesehen, dass dieser 24 laufend erfasst und an die Steuerungseinrichtung 11 übermittelt wird. Weiterhin ist in diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit 22 der Zuluft 21 ge messen und an die Steuerungseinrichtung 11 übermittelt wird.
Weiterhin wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist es, dass der Ist-Anteil an Stickoxide 26 und/oder der Ist- Anteil an Kohlenmonoxid 27 in der Abluft 25 laufend gemessen und an die Steuerungseinrichtung 11 übermittelt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird ausgelöst durch ein Sig nal zum Anfahren einer minimalen Leistung, wozu der Steue rungseinrichtung 11 die jeweils erforderliche Soll-Leistung 15 übermittelt wird.
Bei Durchführung des Verfahrens in der Steuerungseinrichtung 11 auf Grundlage des dort hinterlegten Berechnungsmodells 12 wird die minimale Brennstoffzufuhr und hierbei die optimale Aufteilung auf den Hauptbrenner 03 sowie den Nebenbrenner 04 berechnet. Auf Grundlage des Berechnungsergebnisses wird von der Steuerungseinrichtung 11 ein entsprechend zugehöriges Hauptventil 05 zur Steuerung des Brennstoffflusses zum Haupt brenner 03 sowie ein entsprechend zugehöriges Nebenventil 06 zur Steuerung des Brennstoffflusses zum Nebenbrenner 04 ange steuert.
In der Figur 2 wird beispielhaft ein möglicher Verfahrensab lauf mit verschiedenen Kenngrößen über die Zeit dargestellt. Ausgehend von einer normalen Leistung der Verbrennungsein richtung erfolgte zum Zeitpunkt TI das Signal eine minimale Leistung Psoii anzufahren. Nunmehr wird in der Steuerungsein richtung 11 anhand des Berechnungsmodells 12 eine minimale Leistung bzw. minimale Brennstoffzufuhr berechnet, bei der die vorgegebenen Grenzwerte für den Anteil an Stickoxiden und den Anteil an Kohlenmonoxid eingehalten wird (d. h. zumindest ein Zielwert erreicht wird). Dabei ist in der Steuerungsein richtung der Zielwert NOxmax vorgegeben. Entsprechend der Be rechnung wird nunmehr die Brennstoffzufuhr und somit die Leistung Pist reduziert. Mit der Reduktion der Leistung geht in aller Regel ein Anstieg des Anteils an Schadstoffen, d. h. hier dem Anteil an Stickoxiden NOxist sowie dem Anteil an Koh lenmonoxid (hier nicht dargestellt) einher - siehe Zeitpunkt T2.
Nun kann es beispielsweise sein, dass der Zielwert für Koh lenmonoxid in der Berechnung bereits erreicht ist, hingegen noch eine größere Differenz zwischen dem Zielwert für Stick oxide und dem gemessenen Wert NOxist vorhanden ist. Dies führt zum vorteilhaften Verfahren, die Brennstoffaufteilung zu än dern, sodass sich auch zwischen dem Zielwert für Kohlenmono xid und dem berechneten Wert eine Differenz ergibt, wobei hiermit eine Reduktion der Differenz zwischen dem Zielwert für Stickoxide und dem gemessenen Wert NOxist einhergeht - siehe Zeitpunkt T3. Dabei kann eine erneute Reduktion der Brennstoffmenge vorgenommen werden bis die Zielwerte NOxmax entsprechend der Berechnung bzw. der jeweiligen Messung im Wesentlichen erreicht werden - siehe Zeitpunkt T4.
Nun kann es sein, dass eine Stabilisierung des Prozesses ein- tritt bei der sich der Anteil an Schadstoffen über den Lauf der Zeit reduziert - siehe Zeitpunkt T5. Aufgrund der laufen den Überwachung zumindest eines Schadstoffes ist es möglich bei sich ergebende Differenz eine neue Berechnung auszulösen, sodass eine erneute Absenkung der Brennstoffzufuhr und somit der Leistung Pist möglich wird - siehe Zeitpunkt T6.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses in einer Verbrennungseinrichtung (01), insbesondere einer Gasturbine, umfassend eine Brennkammer (02), in der Brennstoff (23) mit Zuluft (21) verbrannt werden kann, und zumindest einen Brenner, welcher den Brennstoff (23) und/oder die Zuluft (21) in die Brennkammer (02) fördern kann, und eine Steuerungseinrichtung (11), in der ein Be rechnungsmodell (12) des Verbrennungsprozesses hinterlegt ist, und eine Abluft-Messeinrichtung, welche den Ist- Anteil (26) an Stickoxiden erfassen kann; mit den Schrit ten:
- Festsetzung eines zulässigen Grenzwertes für den Anteil an Stickoxiden (16) und Ermittlung eines Zielwertes als Grenzwert abzüglich einer Toleranz;
- Festsetzung eines zulässigen Grenzwertes (17) für den Anteil an Kohlenmonoxid und Ermittlung eines Zielwertes als Grenzwert abzüglich einer Toleranz;
- laufende Erfassung des Ist-Anteils (26) an Stickoxiden in der Abluft (25);
- Erfassung eines Signals zur Einstellung einer minimalen Leistung;
- Berechnung einer minimalen Brennstoffzufuhr (23) unter Verwendung des Berechnungsmodells (12), bei welcher (23) der zu erwartende Anteil an Kohlenmonoxid den Zielwert erreicht;
- bei laufender Überwachung des Ist-Anteils (26) an Stickoxiden in der Abluft (25), Reduzierung der Brenn stoffzufuhr (23) bis zur berechneten minimalen Brenn stoffzufuhr (23) respektive bis zur Erreichung des Ziel wertes für Stickoxide.
2. Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses in einer Verbrennungseinrichtung (01), insbesondere einer Gasturbine, umfassend eine Brennkammer (02), in der Brennstoff (23) mit Zuluft (21) verbrannt werden kann, und zumindest einen Brenner, welcher den Brennstoff (23) und/oder die Zuluft (21) in die Brennkammer (02) fördern kann, und eine Steuerungseinrichtung (11), in der ein Be rechnungsmodell (12) des Verbrennungsprozesses hinterlegt ist, und eine Abluft-Messeinrichtung, welche den Ist- Anteil (27) an Kohlenmonoxid erfassen kann; mit den Schritten:
- Festsetzung eines zulässigen Grenzwertes (16) für den Anteil an Stickoxiden und Ermittlung eines Zielwertes als Grenzwert abzüglich einer Toleranz;
- Festsetzung eines zulässigen Grenzwertes (17) für den Anteil an Kohlenmonoxid und Ermittlung eines Zielwertes als Grenzwert abzüglich einer Toleranz;
- laufende Erfassung des Ist-Anteils (27) an Kohlenmono xid in der Abluft (25);
- Erfassung eines Signals zur Einstellung einer minimalen Leistung;
- Berechnung einer minimalen Brennstoffzufuhr (23) unter Verwendung des Berechnungsmodells (12), bei welcher (23) der zu erwartende Anteil an Stickoxiden den Zielwert er reicht;
- bei laufender Überwachung des Ist-Anteils (27) an Koh lenmonoxid in der Abluft (25), Reduzierung der Brenn stoffzufuhr (23) bis zur berechneten minimalen Brenn stoffzufuhr (23) respektive bis zur Erreichung des Ziel wertes für Kohlenmonoxid.
3. Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses in einer Verbrennungseinrichtung (01), insbesondere einer Gasturbine, umfassend eine Brennkammer (02), in der Brennstoff (23) mit Zuluft (21) verbrannt werden kann, und zumindest einen Brenner, welcher den Brennstoff (23) und/oder die Zuluft (21) in die Brennkammer (02) fördern kann, und eine Steuerungseinrichtung (11), in der ein Be rechnungsmodell (12) des Verbrennungsprozesses hinterlegt ist, und eine Abluft-Messeinrichtung, welche den Ist- Anteil (26) an Stickoxiden und den Ist-Anteil (27) an Kohlenmonoxid erfassen kann; mit den Schritten:
- Festsetzung eines zulässigen Grenzwertes (16) für den Anteil an Stickoxiden und Ermittlung eines Zielwertes als Grenzwert abzüglich einer Toleranz;
- Festsetzung eines zulässigen Grenzwertes (17) für den Anteil an Kohlenmonoxid und Ermittlung eines Zielwertes als Grenzwert abzüglich einer Toleranz;
- laufende Erfassung des Ist-Anteils (26) an Stickoxiden und des Ist-Anteils (27) an Kohlenmonoxid in der Abluft (25);
- Erfassung eines Signals zur Einstellung einer minimalen Leistung;
- Berechnung einer minimalen gesamten Brennstoffzufuhr (23) unter Verwendung des Berechnungsmodells (12), bei welcher (23) der zu erwartende Anteil an Kohlenmonoxid und der zu erwartende Anteil an Stickoxiden jeweils den Zielwert erreichen;
- bei laufender Überwachung des Ist-Anteils (26) an Stickoxiden und des Ist-Anteils (27) an Kohlenmonoxid in der Abluft (25), Reduzierung der Brennstoffzufuhr (23) bis zur berechneten minimalen Brennstoffzufuhr (23) res pektive bis zur Erreichung des jeweiligen Zielwertes für Stickoxide respektive Kohlenmonoxid.
4. Verfahren nach einer der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Berechnung wiederkehrend durchgeführt wird, wo bei bei Feststellung einer Überschreitung einer der Grenzwerte die Brennstoffzufuhr (23) angehoben wird und bei Feststellung einer Unterschreitung beider Zielwerte abzüglich einer jeweiligen Prozesstoleranz die Brenn stoffzufuhr (23) weiter reduziert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Berechnung in regelmäßigen Intervallen durchge führt wird; oder wobei die Berechnung durchgeführt wird, sobald eine vor gegebene Differenz zwischen dem gemessenen Ist-Anteil (26, 27) des Schadstoffs in der Abluft (25) und dem hier zu gegebenen Zielwert überschritten wird. 6. Verfahren nach einer der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Verbrennungseinrichtung (01) zumindest einen Hauptbrenner (03) und zumindest einen Nebenbrenner (04) umfasst, welche jeweils Brennstoff (23) und/oder Zuluft (21) in die Brennkammer (02) fördern können; mit den Schritten:
- bei Berechnung der minimalen Brennstoffzufuhr (23) Be stimmung einer Aufteilung des Brennstoffs (23) auf den Hauptbrenner (03) und den Nebenbrenner (04), bei welcher (23) der zu erwartende Anteil an Kohlenmonoxid respektive der zu erwartende Anteil an Stickoxiden den Zielwert er reicht;
- Reduzierung der Brennstoffzufuhr (23) unter Berücksich tigung der zuvor berechneten Aufteilung des Brennstoffs (23) auf den Hauptbrenner (03) und den Nebenbrenner (04).
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Nebenbrenner (04) ein Pilotbrenner ist.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei bei einer größeren Differenz zwischen dem Zielwert und dem berechneten bzw. gemessenen Ist-Anteil (27) für Kohlendioxid und einer kleineren Differenz zwischen dem Zielwert und dem berechneten bzw. gemessenen Ist-Anteil
(26) für Stickoxide die Aufteilung des Brennstoffs (23) mit einem höheren Anteil für den Hauptbrenner (03) und einem geringeren Anteil für den Nebenbrenner (04) geän dert wird; wobei im Folgenden bei Feststellung einer Unterschreitung beider Zielwerte die Brennstoffzufuhr (23) weiter redu ziert wird.
9. Verfahren nach einer der Ansprüche 6 bis 8, wobei bei einer größeren Differenz zwischen dem Zielwert und dem berechneten bzw. gemessenen Ist-Anteil (26) für Stickoxide und einer kleineren Differenz zwischen dem Zielwert und dem berechneten bzw. gemessenen Ist-Anteil
(27) für Kohlendioxid die Aufteilung des Brennstoffs (23) mit einem höheren Anteil für den Nebenbrenner (04) und einem geringeren Anteil für den Hauptbrenner (03) geän dert wird; wobei im Folgenden bei Feststellung einer Unterschreitung beider Zielwerte die Brennstoffzufuhr (23) weiter redu ziert wird.
10. Verfahren nach einer der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine Zuluft-Messeinrichtung zumindest eine Eigen schaft der Zuluft (21), insbesondere die Temperatur und/oder die Luftfeuchte (22), bestimmen kann, wobei die Eigenschaft in der Steuerungseinrichtung (11) bei der Be rechnung der Brennstoffzufuhr (23) und/oder der Auftei lung des Brennstoffs (23) berücksichtigt wird.
11. Verfahren nach einer der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Berechnungsparameter und vorhandene Zustandsda ten, insbesondere Ist-Zustände der Verbrennungseinrich tung (01) und/oder die Art und/oder Qualität (24) des Brennstoffs (23) und/oder die Temperatur und/oder Luft feuchte (22) der Zuluft (21) und/oder der Ist-Anteil (26, 27) an Stickoxiden und/oder Kohlenmonoxid in der Abluft (25), laufend gespeichert werden und anhand der gespei cherten Daten eine regelmäßige oder kontinuierliche An passung des Berechnungsmodells, insbesondere mittels Me thoden des sogenannten Self-Learning, vorgenommen wird.
12. Verfahren nach einer der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Brennstoff (23) gasförmig ist.
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