NO180695B - Fremgangsmåte for trimming av brenseltilförsel i en gassturbin, samt slik gassturbin - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for trimming av brenseltilførsel til hvert enkelt brennkammer i en gassturbin, samt en slik gassturbin, ifølge kravinnledningene.

Kravet til industrielle gassturbiner er en ytelse med høyere og høyere effektivitet, samtidig som de produserer mindre og mindre av uønskede luftforurensende utslipp. Høyere effektivitet i gassturbiner blir generelt oppnådd ved å øke den totale gasstemperatur i brennkamrene for gassturbinen. Utslipp blir redusert ved å senke den maksimale gasstemperatur i brennkammeret. Kravet til høyere effektivitet resulterer i hetere brennkamre, og er således i konflikt med lovens krav til gassturbiner med lave utslipp.

De viktigste luftforurensende utslipp som produseres av gassturbiner som bruker konvensjonelt hydrokarbonbrensel, er oksider av nitrogen (N0X), karbonmonoksid ( CO) og ubrente hydrokarboner (UHC). Oksideringen av molekylær nitrogen i gassturbiner øker dramatisk med den maksimale hetgasstemperatur i forbrenningsreaksjonssonen i hvert brennkammer. Takten til kjemiske reaksjoner som danner oksider av nitrogen er en eksponentiell funksjon av temperaturen. Volumet av N0Xutslipp kan være meget stort selv om den høye maksimumstemperatur blir nådd bare i en kort tid. En vanlig fremgangsmåte for å redusere N0Xutslipp er å senke den maksimale hetgasstemperatur i brennkammeret med å opprettholde et magert brensel/luft forhold.

Hvis brensel/luftblandingen i et brennkammer er for mager, vil det oppstå høye utslipp av karbonmonoksid og ubrente hydrokarboner. CO og UHC utslipp resulterer fra ufullstendig brensel forbrenning. Generering av disse utslipp oppstår vanligvis når brensel/luft blandingen kveler forbrenningen i reaksjonssonen. Temperaturen i reaksj onssonen må være tilstrekkelig til å understøtte full forbrenning, eller de kjemiske forbren-ningsreaks joner vil slukkes før man oppnår likevektsforhold. Dessverre oppstår for tidlig slukket forbrenning for ofte i nåværende brennere med lav N0X, som virker med brensel/luft blandinger som er nær grensen for brennbarhet.

Mengdene som genereres med CO- og UHC-utslipp pga forbrenningskvelning er ikke lineære funksjoner av reaksjons-sonetemperaturen, og topper seg skarpt ved mager brensel/luft forholdets brennbarhetsgrense. For å minimalisere utslipp av CO og UHC, bør reaksjonssonene i gassturbinens brennere ha tilstrekkelig brensel/luft blanding for å unngå brennbarhetsgrensen ved mager blanding. Brennerne må imidlertid fremdeles operere med magre brensel/luft blandinger for å redusere utslipp av NO,. For å balansere de motstridende behov for redusert CO, UHC og N0Xutslipp, er det nødvendig med ekstremt presis styring av brensel/luft blandingen i reaksjonssonene for brennerne i en industriell gassturbin.

Brensel/luft forholdet bør være det samme i hvert brennkammer i en gassturbin. En konstant brensel/luft blanding i hver brenner gjør det mulig å holde blandingen ved det magreste forhold som best reduserer CO, UHC og N0Xutslipp. I tillegg vil jevne brensel/luft forhold blant kamrene sikre en jevn fordeling av temperaturen blant brennerne i en gassturbin. En jevn fordeling av temperatur og trykk reduserer termiske og mekaniske påkjenninger på brennere, turbinen og andre hetstrømskomponenter i gassturbinen. En reduksjon av disse påkjenningene forlenger levetiden for delene i brennere og turbinen. Topptemperaturer i den hete gassen i noen brennkamre (men ikke andre) øker termiske påkjenninger og reduserer materialenes styrke i de hetere kamre med høyt brensel/luft forhold, og turbindeler umiddelbart nedstrøms fra disse kamrene.

Systemer av den innledningsvis nevnte art finnes beskrevet bl.a. i GB 2 084 655, GB 2 174 147, GB 2 239, US 4 292 801, US 5 024 055 og EP 0 371 250. Ingen av de i disse publika-sjoner beskrevne utførelser sikrer imidlertid et valgt ensartet forhold mellom brennstoff og luft i situasjoner hvor det foregår variasjoner av luftstrømmen for å oppnå en avgass i det vesentlige uten ikke forbrente gasser.

Det har vist seg å være ekstra vanskelig å oppnå virkelig jevn temperatur og trykkfordeling i flere brennkamre i industrielle gassturbiner. F.eks. blir luftstrømsfordelingen i brennkamrene forstyrret av variasjoner i komponentene i brennkamrene og deres montering. Disse variasjonene kommer av de nødvendige toleranser i fremstilling, installasjon og montering av delene i brennkamrene og gassturbinen. I tillegg er luftstrøm-banene uregelmessige i tilnærmingen til forbrenningssystemet fra kompressoren og i utgangen fra brennerutløpet til turbinen. Disse uregelmessige banene påvirker luftstrømmen gjennom brenneren, og forårsaker en ujevn luftstrømfordeling i brennerne. Lokal luftstrømmotstand blir f eks forårsaket ved foringene for turbinlagrenes smøreolje i kompressorutløpets luftstrømbane. Den uregelmessige luftstrømfordeling blant brennkamrene påvirker brensel/luft forholdet forskjellig i hvert brennkammer. Variasjonen i luftstrømmen i hvert brennkammer gjør det vanskelig å opprettholde konstant brensel/luft forhold i alle brennkamre. Tidligere brensel systemer for industrielle gassturbiner med flere brennkamre, frembringer jevn brenselstrømfordeling blant kamrene. Disse systemene har en felles styring som måler ut samme mengde brensel til hvert kammer. Disse systemene trimmer ikke brensel til hvert brennkammer for å opprettholde et jevnt brensel/luft forhold i hvert kammer. Følgelig kan ikke disse brenselsystemene opprettholde et virkelig jevnt brensel/luft forhold i alle brennkamre når luftstrømmene ikke er jevnt fordelt blant brennkamrene.

De foran nevnte ulemper unngås med fremgangsmåten og gassturbinen ifølge foreliggende oppfinnelse slik de er definert med de i kravene anførte trekk.

Den foreliggende oppfinnelse er et styringssystem for å trimme strømmen av brensel til hvert brennkammer i et gassturbinforbrenningssystem med flere kamre. Brenselstrømfordelingen trimmes for å tilpasse luftstrømfordelingen for å oppnå en jevn fordeling av brensel/luft forholdene blant kamrene. Optimal brenseltrimming utjevner brensel/luft forholdet i alle kamrene, uansett ukontrollerte variasjoner i luftstrømmen fra kammer til kammer.

Styringssignalene til brenseltrimmesystemet er (1) individuelle brenselstrømmengder til brennkamrene, (2) individuelle dynamiske trykknivåer for brennkamrene, og (3) fordeling av eksosgasstemperaturen fra turbinene rundt hele turbinutløpet. Disse signalene kan brukes individuelt eller i kombinasjon for å bestemme den optimale brenselstrømfordeling som innstilt av trimmesystemet. Konvensjonell instrumentering for hvert brennkammer brukes for å oppnå disse styringssignalene for brenseltrimmesystemet. Disse instrumentene er vel kjent i gassturbin-industrien, og har vist seg å være pålitelige.

En utførelse av oppfinnelsen er en gassturbin omfat tende en kompressor, en flerkammer brenner som mottar trykkluft fra kompressoren, en turbin som er drivende forbundet med kompressoren og som mottar eksosgass fra brenneren, et brenselsystem for å frembringe brensel til hvert kammer i flerkammer-brenneren, hvor brenselsystemet trimmer brenselet til individuelle kamre for å tilpasses luftstrømmen til hvert kammer.

På liknende måte er oppfinnelsen, i en annen utførelse, en forbrenningsseksjon av en gassturbin som har flere kamre, hvor i det minste ett av kamrene omfatter: Minst en forbren-ningsreaksjonssone som tar i mot luft fra en kompressor og brensel fra en brenselfordeler: Brenselfordeleren har en brenseltrimmingsåpning og en brenseltrimmingsventil, hvor brenseltrimmingsventilen for i det minste ett kammer er individuelt innstilt for å trimme strømmen av brensel til kammeret.

De fordeler som frembringes ved den foreliggende oppfinnelse omfatter jevn fordeling av brensel/luft forhold blant flere brennkamre for å minimalisere utslippene av uønskede luftforurensingsstoffer i gassturbinens eksos, deriblant nitrogenoksid, karbonmonoksid og uforbrente hydrokarboner, over hele belastningsområdet for en gassturbin. I tillegg vil jevn fordeling av brensel/luft forholdet forlenge operasjonslevetiden for varmstrømskomponentene i gassturbinen.

Et formål for den foreliggende oppfinnelse er å frembringe en fremgangsmåte for å oppnå jevn fordeling av brensel/luft forhold blant alle brennkamrene i et forbrenningssystem med flere kamre for en industriell gassturbin. Et spesielt formål er å opprettholde et jevnt brensel/luft forhold i hvert kammer av et brennkammersystem med flere kamre for en gassturbin, når luftstrømmen ikke er jevnt fordelt blant brennkamrene. Et videre formål for oppfinnelsen er å trimme brenselstrømfordelingen blant fordelingskamrene for å tilpasses variasjoner i luftstrømmen til hvert kammer.

Tegningen viser tall som henviser den følgende detal-jerte beskrivelse av en utførelse av den foreliggende oppfinnelse. På tegningen viser figur 1 et grunnriss av en gassturbin-motor, delvis i snitt, figur 2 viser et blokkdiagram av et brenseltrimmesystem ifølge foreliggende oppfinnelse, figur 3 viser skjematisk instrumenteringen og styringssystemet for brenseltrimmesystemet på figur 2, og figur 4 viser skjematisk et

datamaskinstyrt instrument.

Figur 1 viser en gassturbin 12 som omfatter en kompressor 14, ett kompressoreksosrør 15, flere brennkamre (et vist)16 og en turbin 18, representert ved et enkelt blad. Skjønt det ikke er spesielt vist, er det vel kjent at turbinen er drivende forbundet med kompressoren langs en felles aksel. Trykkluft fra kompressoren blir før til brenneren hvor den kjøler brenneren og frembringer luft for forbrenning.

Brennkamrene 16 er plassert langs gassturbinens periferi. I en spesiell gassturbin er det fjorten kamre plassert rundt periferien. En overgangskanal 20 forbinder utløpet fra et gitt brennkammer til turbinens innløp for å levere hete forbren-ningsprodukter til turbinen.

Oppfinnelsen er spesielt nyttig i en to trinns, to modus lav Nox brenner av den type som er beskrevet i US 4 292 801. Som beskrevet i patentet og vist på figur 2, omfatter hvert brennkammer 16 en primær eller oppstrøms forbrenningsreaksjonsone 24, og en sekundær eller nedstrøms forbrenningsreaksjonsone 26, atskilt med et venturi halsområde 28. Hvert brennkammer er omgitt av en forbrenningsstrømhylse 30 som kanaliserer utløpsslutt fra kompressoren til kammeret. Kammeret er videre omgitt av ett ytre hus 31 som er boltet til turbinhuset 32.

Primære brenseldyser 36 leverer brensel til oppstrøms reaksjonssone 24, og er anordnet i et ringformet system rundt en sentral sekundær brenseldyse 38. I en modell av gassturbinen, kan hvert brennkammer omfatte seks primære dyser og en sekundær dyse. Brensel blir levert til dysene fra en sentralisert ringformet brenselmanifold 42. Fra denne manifold, blir brensel ført gjennom et rør 43, gjennom et filter til brensel fordelere for den primære 24 og den sekundære 26 forbrenningsreaksjonsone. Den sekundære fordeler 44 leder brensel til den sekundære brenseldyse 38 og den primære fordeler 45 er en ringformet rørenhet som leder brensel til de primære dyser 36.

Hver fordeler har en tilhørende brenseltrimmingsenhet. Den sekundære brenseltrimmingsenhet 46 på den sekundære fordeler har en justerbar ventil 60, som opereres av en tekniker. Teknikeren leser sensor signalene fra sensorer for trykk, temperatur og brenselstrøm. En liknende primær brenseltrimenhet 48 trimmer brenselstrømmen til de primære dyser. Tenning i det primære brennkammer forårsakes av en tennplugg 49, og ved tilstøtende brennkamre gjennom krysstenningsrørene 50.

Figur 2 viser ett brenseltrimmesystem som anvendt på et to-trinns, to modus, lav N0Xforbrenningssystem, som beskrevet i US 4 292 801. Brennkamrene 16 for et gassturbinforbrenningssystem er merket kammer 1, 2, 3 til N, hvor N er det totale antall brennkamre i forbrenningssystemet. Forbrenningsreaksjoner foregår både i primære og sekundære reaksjonssoner i hvert kammer, enten uavhengig eller i kombinasjon. Brensel og luft blir ført inn i reaksjonssonene i brennkamrene, forbrenning skjer, og brensel blir oksidert og utløser varme som resulterer i en temperatur-og trykk-stigning i forbrenningsgassene. I en typisk anvendelse er brenselet en hydrokarbon, så som metan CH4, og oksida-sjonsproduktene av forbrenningen er primært karbondioksid C02og vann H20. Forbrenningsproduktene blir vanligvis uttynnet med overskuddsluft som frembringes som uttynningsluft gjennom brenneren fra kompressoren.

Fordelingen av hetgasstemperatur inne i reaksj onssonene 24 og 26 for alle brennkamre 16, avhenger av brensel/luft forholdene i reaksjonssonen for hvert kammer. Fordelingen av hetgasstemperatur og trykk i strømmen av forbrenningsgasser som kommer ut av brennkamrene og entrer det første trinn av turbinen 18, avhenger av det totale forhold brensel/luft i hvert av brennkamrene.

I alminnelighet vil luftstrømsmengden til hvert brennkammer variere. Brenselstrømmen til hver reaksjonssone i hvert kammer bli trimmet for å tilpasses variasjonen i luftstrøm-men. Brenselstrømmen til den primære og sekundære reaksjonssone i hvert individuelt brennkammer bli trimmet, dvs hevet eller senket i forhold til den gjennomsnittlige brenselstrøm til alle kamre. Denne trimming blir oppnådd ved hjelp av brenseltrimmesystemet 46 og 48, som tilpasser brenselstrømmen til luftstrømmen for hvert brennkammer.

Teknikeren justerer brenselstrømmengden til både sekundære og primære brenseldyser som respons på de tilstander som blir overvåket. Denne justeringen kan utføres når som helst under operasjonen av gassturbinen, men vil vanligvis bli utført ved installasjon eller ved overhaling av gassturbinen. Ved å ■trimme brenselmengden individuelt til hvert brennkammer, kan brenselstrømmen tilpasses den individuelle luftstrøm i hvert brennkammer for å opprettholde et konstant brensel/luft forhold i hvert kammer.

Figur 3 viser en konfigurasjon for brenseltrimenheten 46 eller 48 for ett enkelt brennkammer. En brensel-trimstyringsventil 60 justerer brenselstrømmengden til hver av reaksjonssonene 24 og 26, ved å variere strømningsmotstanden i brenseltilførselslinjen til hver sone i hvert brennkammer.

De målte parametere som brukes til å innstille brensel-trimstyringsventilene er, (1) målt brenselstrøm til hvert brenseltrimsystem, (2) målt dynamisk trykk i brennkammeret, og (3) målt gasstemperaturfordeling i gassturbineksosen. En tekniker overvåker dynamisk trykk i individuelle brennkamre, fordeling av gassturbineksostemperatur og brenselstrøm til individuelle brennkamre.

En konvensjonell brenselstrømsmåler 64 er inkludert i brenseltrimsystemet for å måle brenselstrømmen til hver reaksj onssone i hvert brennkammer. Denne målte strømningsmengde blir brukt til å opprettholde en ønsket deling av brenselstrømmen mellom primære og sekundære reaksjonssoner i hvert brennkammer. Den totale brenselstrøm til hvert kammer og brenselstrømmen til hver reaksjonssone blir justert via ventilene 60 for å tilpasses luftstrømfordelingen til kammeret.

En konvensjonell, dynamisk trykkmåler 66 (figur 1) i hvert brennkammer frembringer trykkmålinger som vises teknikeren som justerer brenseltrimventilene 60. Et konvensjonelt eksos-termoelementsystem 68 (figur 1 viser bare en termoelementsonde) forsyner teknikeren med data i forbindelse med temperaturfordelingen i eksosgassene som kommer ut av turbinen. Med dataene fra trykk- og temperatur-følerne og brenselstrømningsmålerne, kan en tekniker justere brenseltrimventilene til hver reaksjonssone for hvert brennkammer. På denne måten kan brenselstrømmen til hver reaksjonssone trimmes for å opprettholde en jevn brensel/luft blanding i alle kamre.

Figur 4 viser et detaljert diagram av en brenseltrimmingsenhet i en alternativ utførelse, der brenseltrimventilene blir styrt av en datamaskin i stedet for manuell styring. En datamaskin 70 overvåker sensordataene for kontinuer lig trim av brenselstrøm og opprettholdelse av jevnt brensel/luft forhold i hvert brennkammer. I den manuelle fremgangsmåten blir trimventilene 60 innstilt til en fast posisjon ved installasjonen, og kan justeres under vedlikeholdsarbeid. Denne manuelle metoden er tilstrekkelig da luftstrømfordelingen ikke forventes å endre seg vesentlig i løpet av en turbins levetid. Når således brenselstrømmen er trimmet for å tilpasses hvert kammer ved installasjonen av gassturbinen, er det rimelig å forvente at brensel/luft tilpasningen vil bli gyldig i gassturbinens levetid. Kontinuerlig datamaskinstyrt brenseltrimming ville imidlertid være ønskelig når man ønsker virkelig eksakt brensel/luft trimming.

Datamaskinkontrolleren 70 er en konvensjonell kontroller, så som MARK V kontroller datamaskinen for industrielle gassturbiner, solgt av produsenten General Electric Company. Datamaskinen mottar sensordata fra termoelementsystemet 68 i eksosgassen og de dynamiske trykksensorer 66 i kammeret. På liknende måte mottar datamaskinkontrolleren brenselstrømsdata fra strømningsmåleren 64 for hver reaksj onssone. Ved bruk av sensor inngangene, vil datamaskin kontrolleren aktivere en solenoid 72, som justerer brenseltrimmingsventilen 65.

Brenseltrimmingsventilen 65, både i manuell og datastyrt utførelse, omfatter en trimmingsventil 65 og en trimmings-åpning 74 i serie, og en parallell hovedbrenselåpning 76. De parallelle hoved- og trimmingsåpninger beskytter gassturbinen fra utilsiktede ekstreme variasjoner i brenselstrømsfordelingen blant fordelingskamrene. Hvis alt brensel strømmet gjennom brenseltrim-mingsåpningene, kunne det oppstå ekstreme brenselvariasjoner, mens brenselstrømmen blir trimmet for å tilpasses luftstrømmen. De parallelle hovedåpninger og trimmeåpninger begrenser de maksimale variasjoner i brenselstrømmen pga. brenseltrimmings-enheten.

Oppfinnelsen er beskrevet som den benyttes i et to-trinns lav N0Xforbrenningssystem. Den kunne imidlertid anvendes på et ett-trinns lav N0Xforbrenningssystem, et ett-trinns konvensjonelt forbrenningssystem eller hvilket som helst annet gassturbinforbrenningssystem, forutsatt at systemet bruker flere brennkamre.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte for trimming av brenseltilførsel til hvert enkelt brennkammer (16) i en gassturbin (12) med flere kamre (16), hvor gassturbinen har et brenselsystem (46, 48) som omfatter minst en trimmeventil (65) for brenseltilførsel til hvert kammer (16), og sensorer (64, 66, 68) som indikerer bren-selstrømmen til hvert kammer, det dynamiske gasstrykk i hvert kammer (16) og temperaturfordelingen i forbrenningsgasser som passerer gjennom turbinen, KARAKTERISERT VED a) å måle bren-selstrømmen og det dynamiske gasstrykk i hvert kammer (16), samt temperaturfordelingen i eksosgasser og å innhente data fra disse, b) å bruke disse data til å justere trimmeventilen (65) for hvert kammer slik at det oppnås et valgt forhold mellom brensel og luft i hvert kammer.

2. Fremgangsmåte ifølge foregående krav, KARAKTERISERT VED å velge forholdet mellom brensel og luft i hvert kammer slik at det foreligger et i det vesentlige ensartet forhold mellom brensel og luft i alle kamre (16).

3. Fremgangsmåte ifølge foregående krav, KARAKTERISERT VED manuelt å justere trimmeventilen (65) for hvert kammer slik at det oppnås et valgt forhold mellom brensel og luft i hvert kammer minst en gang i løpet av gassturbinens drift.

4. Fremgangsmåte ifølge foregående krav, KARAKTERISERT VED å benytte en datastyrt styremaskin til å justere trimmeventilen.

5. Gassturbin (12), omfattende en kompressor (14), en brenner med flere kamre (16) som mottar trykkluft fra kompressoren (14), en turbin (18) som er innrettet til å drive kompressoren (14) og mottar eksos fra brenneren, og et brenselsystem (46, 48) som er innrettet til å tilføre brensel til hvert kammer (16) i f lerkammerbrenneren, KARAKTERISERT VED at brensel systemet omfatter en separat ventil (65) for hvert kammer, innrettet til å trimme tilførselen av brennstoff til hvert kammer i avhengighet av luftstrømmen til hvert kammer.

6. Gassturbin ifølge krav 5, KARAKTERISERT VED at brenselsystemet kontinuerlig justerer hver ventil (65) for å trimme tilførselen av brensel til hvert enkelt kammer (16).

7. Gassturbin ifølge krav 5, KARAKTERISERT VED at hver ventil (65) er justerbar og montert i serie med en åpning (74) for den trimmede brenseltilførsel og i parallell med en hovedbrenselåpning (76).

8. Gassturbin ifølge krav 5, KARAKTERISERT VED at hver brenner omfatter primære og sekundære reaksjonssoner (24, 26), og at hver sone har en tilhørende trimmeventil.

9. Gassturbin ifølge krav 5, KARAKTERISERT VED at brenselsystemet trimmer brensel til hvert kammer for å opprettholde et i det vesentlige ensartet forhold brensel/luft i alle kamre (16) i brenneren.

10. Gassturbin ifølge krav 7, KARAKTERISERT VED at trimmeventilen (65) er slik innstilt at brenselstrømmen til kammeret av slik avstemt til luftmengden som strømmer inn i kammeret at det oppnås et valgt forhold mellom brensel og luft i kammeret.