SE522267C2 - Bränsleinsprutning för en gasturbin - Google Patents

Description

25 30 5 2 2 2 6 7 5.: F32; :ng i ..._ _.._ '.. zoo1Vos-14 E=\1>unr..1c\1>oc\s=\411o»oo9.dec An E" å". 2.' I I 2 'I . 3"! ' 2 ' ' I: ICO puls-bredd-modulering, dvs. reglerar bränslegasens massflö- de genom att längden på dess öppningstidpulser varieras i förhållande till dess stängningstid.

Syftena uppnås också med metoder för att driva och starta en gasturbin med hjälp av ett sådant bränslein- sprutningssystem, vilket också innefattar åtminstone en bränslegaständare, åtminstone ett bränslegasinsprutnings- munstycke i förbränningskammaren och en pilotventil och en strypventil i gastillförselledningen. Metoderna omfattar stegen att evakuera bränslegasen i förbränningskammaren.

Sedan startas tändaren innan trycksatt bränslegas tillförs i gastillförselledningen. Detta följs av en tändning av bränslegasen som tillförts från gastillförselledningen ge- nom strypventilen, varigenom en pilotflamma åstadkommes och väntetid inleds till dess att pilotflamman är stabil. Sedan öppnas pilotventilen så att pilotflamman kan regleras för att uppnå en förbestämd temperatur i förbränningskammaren, och huvudventilerna öppnas och pilotventilen stängs när förbränningskammaren har en lämplig temperatur.

Genom att tillhandahålla ett bränsleinsprutningssy- stem med åtminstone en ventil enligt uppfinningen och/eller driva och starta en gasturbin enligt de definierade meto- derna, uppnås följande fördelar: Konstruktionen av ett bränslesystem förenklas med hjälp av lätt tillgängliga standardventiler, dess kostnad reduceras beroende på låga priser för ventilerna och deras tillhörande utrustning och driften av gasturbinen är tillförlitlig och enkel att re- glera.

Andra syften, egenskaper och fördelar med den före- liggande uppfinningen beskrivs i den efterföljande detalje- rade beskrivningen och på ritningarna liksom i de bifogade kraven. v a I c nu u non.. 10 15 20 25 30 nunnan - n 2001-08-14 E:\PUBLIC\DOC\P\4ll0-009.d0C 5 2 2 2 6 7 ä' 3 a,. -.. - o ~ u -.- Kort beskrivning av ritningarna Den föreliggande uppfinningen kommer nu att beskrivas i ytterligare detalj med hänvisning till de bifogade rit- ningarna, pä vilka: FIG 1 är ett flödesschema av en föredragen utförande- form till ett bränsleinsprutningssystem enligt uppfin- ningen, FIG 2 är diagram över en temperaturprofil i en för- bränningskammare hos en gasturbin, och bränslemassflöde in i förbränningskammaren under insprutning av bränslegas i enlighet med uppfinningen, FIG 3 är ett diagram som visar regleringen av huvud- ventilerna i bränsleinsprutningssystemet enligt uppfinning- en när varje ventil är öppen 50 % av periodtiden under in- sprutningen av bränslegas, och FIG 4 är ett diagram som visar regleringen av de två huvudventilerna i bränsleinsprutningssystemet enligt upp- finningen när varje ventil är öppen 20 % av periodtiden un- der insprutningen av bränslegas.

Detaljerad beskrivning av uppfinningen Det enklaste sättet att reglera en gasturbin är att ändra massflödet av bränsle till gasturbinen. Detta kan ut- föras genom att reglera insprutningen av ett trycksatt bränsle, vilket, om ett bränsle i vätskeform används, trycksätts av en separat pump eller, om ett bränsle i gas- form används, av en separat kompressor av centrifugal-, ax- ial-, skruv- eller positiv deplacementtyp, varvid kompres- sorn i sin tur tillförs t.ex. naturgas från en extern leve- rantör. Denna ökning av bränslegastrycket erfordras innan bränslegasen kommer in i förbränningskammaren hos gastur- binen beroende på ett oftast för làgt bränslegastryck från en extern leverantör. n oonnoq 10 U 20 25 30 35 522 267 š'=i"='-..»' f; -s .- 2oo1-oa-14 n=\z>uß1.1c\noc\p\411o-oo9.dueAn å" 5": 1,' ; 5 3 .: _::".. 4 * »» :nu ,, Insprutningen av bränsle styrs av reglerorgan, re- gulator och avstängningsventiler och tillhörande utrustning för tillförande av det lämpliga bränslemassflödet in i för- bränningskammaren. Trycket hos det gasformiga bränslet som kommer in i förbränningskammaren kan styras av olika dator- mjukvara och hårdvara, mekaniska eller elektriska ventiler och/eller andra reglerorgan med hjälp av uppmätta tryckfall över vissa delar av bränslesystemet för gasturbinenheten, t.ex. turbinen, ledningar eller andra lämpliga delar hos enheten.

I en föredragen utförandeform av ett bränsleinsprut- ningssystem, såsom visas i FIG 1, används trycksatt natur- gas som bränslegas, vilken tillförs en förbränningskammare 2 i en gasturbin, vilken inte visas i mer detalj. Bränsle- gasen tillförs fràn en yttre källa till en inloppssida 10' hos en bränslegaskompressor 10, vilken trycksätter bränsle- gasen på ett sätt som är bekant för en fackman inom omrä- det, och levererar bränslegasen med ett lämpligt högre tryck till utloppssidan 10" som är ansluten till en gas- tillförselledning 15. En första avstängningsventil 11 är ansluten med sin uppströmsände till gastillförselledningen och med sin nedströmsände till ett gasfilter 14. Denna för- sta avstängningsventil används för att stänga och öppna bränslegasmassflödet. En bränslegasevakueringsledning med en bränslegasevakueringsventil 13 är ansluten till gastill- förselledningen mellan den första avstängningsventilen och gasfiltret för att evakuera läckande eller kvarbliven bränslegas i gastillförselledningen under stopp och stille- ständ för gasturbinenheten. En andra avstängningsventil 12 är ansluten med sin uppströmsände till nedströmsänden hos gasfiltret. Bränslegasevakueringen utförs som en säkerhets- åtgärd när man stoppar gasturbinen genom att stänga bräns- legasmassflödet med hjälp av avstängningsventilen 11 och 12, varvid en tidsfördröjning eller ett fel i stängnings- proceduren kan innestänga bränslegas i gastill- o | « v .l W H 20 25 30 35 592 2'7 s'=:"-=.= .= -- f ' ' ' zooi-os-14 E \puaL1c\noc\p\411o-ooe.noe ._ Q) ;" §". I! : 7 § - I ' 5 . ' i ICO förselledningen, vilken gas sedan måste evakueras. Det kan också uppkomma ett funktionsfel i vilken som helst av av- stängningsventilerna, vilket åstadkommer ett läckage av bränslegas in i gastillförselledningen, vilket läckage ock- så måste evakueras.

Bränsleinsprutningssystemet omfattar tva reglerbara huvudventiler 3, 4, där varje ventil är ansluten med sin uppströmsände till gastillförselledningen 15 efter den andra avstängningsventilen 12. Den första huvudventilen 3 är ansluten till gastillförselledningen efter den andra av- stângningsventilen och den andra huvudventilen 4 är an- sluten till gastillförselledningen efter den första huvud- ventilen. De två huvudventilerna 3, 4 är anordnade paral- lella till varandra, varigenom deras nedströmsändar är an- slutna till en ledning 16 som leder in i förbränningskam- maren 2. De två huvudventilerna är elektriskt reglerbara magnetventiler som arbetar med puls-bredd-modulering, dvs. reglerar bränslegasmassflödet genom att längden på deras öppningstidspulser varieras i förhållande till deras stäng- ningstid. Beroende pà praktiska och tekniska orsaker an- vänds två huvudventiler, ett alternativ vore dock att an- vända bara en ventil om möjligt. En tryckomvandlare 6 är också ansluten till gastillförselledningen 15 mellan upp- strömsändarna pà de två huvudventilerna 3, 4 för att mäta bränslegastrycket innanöäâgykommer in i huvudventilerna.

En pilotventil 5 är ansluten med sin uppströmsände till gastillförselledningen 15 efter den andra huvudventi- och är ansluten med sin nedströmsände till en annan Pilot- ventilen 5 är också en elektriskt reglerbar magnetventil len 4, ledning 17 som leder in i förbränningskammaren 2. som arbetar med puls-bredd-modulering, dvs. reglerar gas- flödet genom att längden på dess öppningstidspulser varie- ras i förhållande till dess stängningstid. En strypventil 9 är ansluten med sin uppströmsände till gastillförselled- ningen 15 efter pilotventilen och med sin nedströmsände | n 1 . ., 10 15 20 25 30 35 5 6 ;'¿ '. : _; ._ _, _ = I u a ' ~ c y g 2001-08-14 E:\PU'BLIC\DOC\P\4ll0-009.d0C AR 2 2 2 7 E" E": 1.: I, 5 E n a. E:": , 6 v» n. , n till samma ledning 17 som pilotventilen, vilken ledning le- der in i förbränningskammaren, varigenom strypventilen är ansluten parallellt med pilotventilen och släpper igenom ett konstant bränslegasmassflöde för att garantera en kon- tinuerlig förbränning i förbränningskammaren.

Ledningen 16 är ansluten till nedströmsändarna på de två huvudventilerna 3 och 4 och leder bränslegasen in i bränslegasinsprutningsmunstyckena 8 som är placerade i för- bränningskammaren 2 hos gasturbinen. Dessa munstycken är anordnade i form av en ring runt en pilotkammare 19 inuti förbränningskammaren för att åstadkomma en jämn fördelning av insprutad bränslegas, vilket ger en effektiv förbrän- ning. Ledningen 17 är ansluten till nedströmsändarna för pilotventilen 5 och strypventilen 9 och leder bränslegasen in i ett pilotmunstycke 18 i mitten av förbränningskammaren 2 och pilotflamkammaren 19. Pilotflamkammaren omger pilot- munstycket för att garantera att en pilotflamma blir stabil och bibehålls så utan störningar.

En beskrivning kommer nu att ges av en metod för drift av förbränningskammaren 2 hos en gasturbin med an- vändning av bränsleinsprutningssystemet enligt uppfinning- en, insprutningsmunstyckena 8, och en tändare 7, vilken är placerad inuti förbränningskammaren med sin ände inuti pi- lotflamkammaren 19 nära utloppet för pilotmunstycket 18 för att tända pilotflamman. Metoden förklaras med hänvisning till FIG 2, på vilken det övre diagrammet schematiskt visar temperaturen T i förbränningskammaren 2 på y-axeln i för- hållande till tiden t som visas pà x-axeln, varvid diagram- met i mitten schematiskt visar bränslegasmassflödet Q genom pilotventilen 5 och strypventilen 9 på y-axeln i förhållan- de till tiden t som finns på x-axeln, och det nedre dia- grammet visar bränslegasmassflödet Q genom huvudventilerna 3 och 4 på y-axeln i förhållande till tiden t på x-axeln.

Metoden innefattar de efter varandra följande stegen att först evakuera eventuellt kvarstående bränsle i för- o o » o v n nu 10 15 20 25 30 - .- 1 - n nu 5 9 2 ° ' 7 2001-05-14 E:\PUBLIC\DOC\P\4ll0-009.dOC AR n- ¿ b 7 bränningskammaren 2 med hjälp av ett drag som ästadkommes genom att rotera gasturbinen, t.ex. med hjälp av en elek- trisk generator pà turbinaxeln som används som en motor.

Sedan tänds tändaren 7 en viss tid före punkt "a" i FIG 2 under ungefär 10 sekunder, och trycksatt bränslegas till- förs gastillförselledningen 15 ungefär tvà sekunder efter att tändaren har tänts. Detta följs av en tändning av bränslegasen som levereras fràn gastillförselledningen ge- nom strypventilen 9 som är ansluten till ledningen 17, vil- ken leder in i förbränningskammaren, varigenom pilotflamman uppkommer vid punkt "a" i FIG 2, och en väntetid inleds till dess att pilotflamman är stabil och härigenom börjar värma upp förbränningskammaren, såsom visas i det övre dia- grammet i FIG 2.

Pilotventilen 5 som är parallell med strypventilen öppnas sedan vid punkt "b" i diagrammet i mitten så att pi- lotflamman kan regleras för att åstadkomma en förutbestämd högre temperatur i förbränningskammaren 2, och de tvâ hu- vudventilerna 3 och 4, som visas i det nedre diagrammet, öppnas vid punkt "c", och pilotventilen 5 stängs vid punkt "d", vilket garanterar en överlappning av bränslegasmass- flöde, när förbränningskammaren har en lämplig temperatur.

Metoden garanterar att driften av gasturbinen kan regleras genom att tillföra lämpligt bränslegasmassflöde.

En sammanfattande beskrivning av en metod för att starta gasturbinen kommer nu att ges genom att använda bränsleinsprutningssystemet enligt uppfinningen, insprut- ningsmunstyckena 8, och tändaren 7, varvid denna metod in- nefattar ett ytterligare steg utöver alla de steg som be- skrivits i den ovan nämnda metoden. Detta ytterligare steg utförs innan evakueringen av bränslegas från förbrännings- kammaren och avser tillslag av spänningsförsörjningen till avstängningsventilerna 11, 12, bränslegasevakueringsventi- len 13 och gasfiltret 14 vid samma tidpunkt. Detta följs av -Q-0-p n annou- 10 15 20 25 30 ' * u n A522 267 *”*'~-' ' 2001-09-14 E=\PuaL1c\Doc\P\411o-oo9.doc E” ä", g: 2 2 . .' 8 . ' i II III o nun Q a 1 f ~ oß a Q u o de kronologiska stegen som beskrivits i den ovannämnda me- toden för drift av förbränningskammaren 2.

FIG 3 och 4 visar regleringen av huvudventilerna 3 och 4 under puls-bredd-moduleringen. Öppnings- och stäng- ningsfrekvensen visas på x-axeln och det öppna tillståndet för ventilerna visas med 1 och det stängda tillståndet med O på y-axeln. Övergången mellan de två tillstånden visas schematiskt utan tidsfördröjningen eller den hysteresis när varje ventil förflyttas från det stängda tillståndet till det öppna tillståndet och vice versa för tydlighets skull.

FIG 3 visar regleringen av huvudventilerna 3 och 4 när var 0 och en av dem är öppen under 50 s av hela arbetscykeln. Hu- vudventilerna öppnas och stängs under drift med samma kon- stanta frekvens, företrädesvis 25 Hz, och har en konstant fasförskjutning i förhållande till varandra vid drift, var- vid den föredragna fasförskjutningen mellan dem är l80°, vilken annan fasförskjutning som helst i intervallet 0° till 360° som uppfyller kraven kan också användas. FIG 4 visar regleringen av huvudventilerna i förhållande till varandra när var och en av dem är öppen bara under 20 % av hela arbetscykeln. Här framgår att den första huvudventilen 3 öppnar och stänger innan den andra huvudventilen 4 öppnas i jämförelse med FIG 3 på vilken den första huvudventilen 3 stänger och den andra huvudventilen 4 öppnar vid ungefärli- gen samma tidpunkt.

De två huvudventilerna 3, 4 och pilotventilen 5 re- gleras i förhållande till lasten och kraven på effekt från gasturbinen. Denna reglering kan utföras med avseende på olika parametrar, t.ex. temperaturen i förbränningskammaren 2 och gasturbinen, och gasturbinens varvtal, vilka mäts och åstadkommer signaler som indikerar bränslegasens massflö- desförhållande, last och/eller effektkrav eller andra krav.

Icon..

Claims (10)

10 20 25 30 35 u a . n u u . - 592 267 =sL-- 2001-08-14 E:\PUBLIC\DOC\P\4110-009nyasvensk pkÉv. oc A z PATENTKRAV

1. Bränsleinsprutningssystem för tillförande av trycksatt bränslegas till en förbränningskammare (2) hos en gasturbin; bränsleinsprutningssystemet har åtminstone en elektriskt reglerbar magnetventil (3, 4, 5) som arbetar med puls-bredd-modulering, dvs. reglerar gasflödet genom att längden pà dess öppningstidspulser varieras i förhållande (15), kännetecknat av att åtminstone en elektriskt regler- till dess stängningstid, i en gastillförselledning bar huvudmagnetventil (15), att åtminstone en pilotventil (5) (3, 4) är anordnad i gastillförsel- ledningen och är ansluten till gastillförselledningen (15) med sin uppströmsände efter hu- vudventilen och är ansluten med sin nedströmsände till en ledning (17) (19) som leder in i en pilotflamkammare inuti förbränningskammaren (2).

2. Bränsleinsprutningssystem enligt krav 1, varvid två huvudventiler, en första och en andra huvudventil (3, 4), är anordnade parallellt i gastillförselledningen (15) och pilotventilen (5) är ansluten till gastillför- selledningen efter den andra huvudventilen (4).

3. Bränsleinsprutningssystem enligt krav 2, varvid en tryckomvandlare (6) är ansluten till gastillförselled- ningen (15) mellan uppströmsändarna för de två huvudventi- lerna (3, 4).

4. Bränsleinsprutningssystem enligt krav 2, varvid en strypventil (9) är ansluten till gastillförselledningen (15) med sin uppströmsände efter pilotventilen (5), och är (17) der in i pilotkammaren (19), varigenom strypventilen är an- ansluten med sin nedströmsände till ledningen som le- sluten parallellt med pilotventilen och släpper igenom ett n casino 10 Ü 20 25 30 35 3 '. å". '. 3 .". .I .". ."- .". ."- 7- - I I I I I I I I I I I ll I Qi I Ö å .nu u. v» t: :n: :I tlzz: 2oo1-oa-14 n;\Punx,1c\Doc\P\411o-oosnyasvens pga oc A 2 I I '.' .. u. .. -. n" n - 10 konstant bränslegasflöde för att garantera en kontinuerlig* förbränning i förbränningskammaren (2).

5. Bränsleinsprutningssystem enligt krav 2, varvid de två huvudventilerna (3, 4) och pilotventilen (5) reg- leras i förhållande till den aktuella lasten för gas- turbinen, dvs. temperaturen i förbränningskammaren (2) och gasturbinen och dess varvtal.

6. Bränsleinsprutningssystem enligt krav 2, varvid huvudventilerna (3, 4) öppnas och stängs med samma konstan- ta frekvens men har en fasförskjutning i förhållande till varandra vid drift.

7. Bränsleinsprutningssystem enligt krav 6, varvid fasförskjutningen för huvudventilerna (3, 4) är 180°i för- hållande till varandra.

8. Bränsleinsprutningssystem enligt krav 4, varvid bränsleinsprutningssystemet också har en bränslegaskompres- sor (10) (lO') (14') med en bränslegasinloppssida och en bränsle- gasutloppssida (10"), ett gasfilter och anslut- ningsanordningar, kännetecknad av att en första avstängningsventil (11) är ansluten till utloppssidan (10") hos bränslegaskompres- sorn (10) så att bränslegasmassflödet kan stoppas, (13) mellan den första avstängningsventilen (11) och gasfiltret att en bränslegasevakueringsventil är ansluten (14) som är anslutet till gastillförselledningen (15) efter den första avstängningsventilen (11), (12) (14), och är ansluten att en andra avstängningsventil är ansluten med sin uppströmsände efter gasfiltret med sin nedströmsände till uppströmsänden hos den första huvudventilen (3) med hjälp av gastillförselledningen (15). 10 15 20 25 u n uno I o en o nu nu nu oo f n v 0 u 9 I u c cc u 0 0 0 0 u 0 v vu n a I u n o v nu n nu nun of. a n 1 1 I . I - n . v u u 5- * o a 1 no o Q n ; n 2001-08-14 E:\PUBLIC\DOC\P\4110-0Ü9DyâSVeDSKEpkrâV.dOC ÅR a I to ll

9. en gasturbin med hjälp av bränsleinsprutningssystemet en- Metod för drift av en förbränningskammare (2) hos ligt krav 4, varvid bränsleinsprutningssystemet också inne- fattar åtminstone en bränslegaständare (7) och åtminstone ett bränslegasinsprutningsmunstycke (8) i förbrännings- kammaren, kännetecknad av de kronologiska stegen att evakuera eventuell kvarstående bränslegas i förbrän- ningskammaren (2) med hjälp av ett drag som åstadkommes ge- nom att rotera gasturbinen, tända tändaren (7) under ungefär tio sekunder, tillföra trycksatt bränslegas i gastillförselledning- en (15) ungefär två sekunder efter att tändaren har tänts, tända bränslegasen som levereras från gastillförsel- ledningen genom strypventilen (9), vilken är ansluten till den separata ledningen (17) som leder in i pilotflamkamma- ren (19) inuti förbränningskammaren, varigenom en pilot- flamma åstadkommes och väntetid inleds till dess att pilot- flamman är stabil, öppna pilotventilen (5), vilken är parallell med strypventilen, så att pilotflamman kan regleras för att uppnå en förbestämd temperatur i förbränningskammaren, och öppna de två huvudventilerna (3, 4) och stänga, al- ternativt reglera pilotventilen (5) när förbränningskamma- ren har en lämplig temperatur, varigenom driften av gastur- binen kan regleras genom att tillföra lämpligt bränslegas- flöde. . -nova 10 20 25 30 . u »- . . . 2001-08-14 8:\PUBLIC\DOC\P\41l0-009nyasve .doc E z ägg 2 6 7 :. 2

10. Metod för att starta en gasturbin med hjälp av bränsleinsprutningssystemet enligt krav 8, kännetecknad av de kronologiska stegen att slå på spänningsmatningen till avstängningsventilerna (ll, 12), bränslegasevakueringsventilen (13) och gasfiltret (14) samtidigt, evakuera eventuellt kvarstående bränsle i förbrän- ningskammaren (2) hos gasturbinen med hjälp av ett drag som åstadkommes genom att rotera gasturbinen, tända tändaren (7) i förbränningskammaren under unge- fär 10 sekunder, stänga bränslegasevakueringsventilen (13), vilken är öppen under stopp och stillestånd för gasturbinen, öppna avstängningsventilerna (ll, 12), företrädesvis, ungefär två sekunder efter att tändaren har tänts, varige- nom ett mindre flöde av bränslegas leds genom gastillför- selledningen (15) in i strypventilen (9), vilken är anslu- ten till den separata ledningen (17) som leder in i för- bränningskammaren; huvudventilerna (3, 4) (5) hålls stängda, och pilotventilen tända bränslegasen som levereras till förbrännings- kammaren genom strypventilen, varigenom en pilotflamma åstadkommes och väntetid inleds till dess att pilotflamman är stabil, öppna pilotventilen (5), vilken är parallell med strypventilen, så att pilotflamman kan regleras för att uppnå en förbestämd temperatur i förbränningskammaren, och öppna de två huvudventilerna (3, 4) och stänga, al- ternativt reglera pilotventilen (5) när förbränningen har en lämplig temperatur, varigenom driften av gasturbinen kan regleras genom att tillföra lämpligt bränsleflöde.