CH698404A2 - Lean-Blowout-Auslöschschutz durch Regelung der Düsen-Äquivalenzverhältnisse. - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren und ein System offenbart, um eine Brennkammer einer Gasturbine anhand des Äquivalenzverhältnisses der Brennstoffdüsen zu steuern. Das Äquivalenzverhältnis mindestens einer Brennstoffdüse (12) der Brennkammer wird gemessen, wobei die Brennkammer mindestens eine Brennstoffdüse (12) aufweist, die in mindestens einem Brennkammerrohr (10) angeordnet ist. Das gemessene Äquivalenzverhältnis wird einem Schwellenwert für den Lean-Blowout verglichen. Der Brennstoffstrom aus der mindestens einen Düse (12) wird modifiziert, wodurch das Äquivalenzverhältnis angepasst wird, um den Lean-Blowout zu verhindern.

Description

  Stand der Technik

  

[0001]    Die vorliegende Erfindung betrifft Gasturbinen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Steuerung der Brennkammern von Gasturbinen.

  

[0002]    Eine typische Gasturbine weist eine Vielzahl von Brennkammern auf, und jede Brennkammer kann mehrere Rohre umfassen, die ihrerseits eine Anzahl von Einzeldüsen ein-schliessen. Das Brennstoff-Luft-Gemisch kann abhängig von den Betriebsbedingungen der Brennkammer in ungleichen Mengen zu den Einzeldüsen geleitet werden. Die Verhältnisse dieser Mengen werden fachsprachlich als Brennstoffsplits bezeichnet. Der Brennstoffström zu den einzelnen Brennerrohren wird reguliert, um die Verbrennungsdynamik so zu regeln, dass eine gewünschte Ladungs- und/oder Verbrennungstemperatur erreicht wird, und um die Emissionen zum Beispiel von NOx und CO2zu kontrollieren.

   Um NOx-Emissionen zu minimieren, ist es oft erwünscht, die Turbine mit einem mageren Brennstoffgemisch (einem mit niedrigem Brennstoff/Luft-Verhältnis) zu betreiben, wenn aber das Brennstoffgemisch in der Brennkammer immer magerer wird, um NOx-Emissionen zu minimieren, nimmt die Gefahr des "Lean Blow Out" (LBO) zu, vor allem bei bestimmten Betriebsbedingungen der Gasturbine. Der LBO ist ein Phänomen, bei dem im Verhältnis zur Luftmenge in der Brennkammer nicht genügend Brennstoff vorhanden ist und das Gemisch in der Brennkammer nicht entzündet werden kann.

   Um die Auslöschung durch LBO zu verhindern, wird ein Brennstoff/Luft-Verhältnis auf Brennkammerebene, das an die Brennstoffsplits zwischen Brennerrohren angepasst ist, dem Brennkammer-Kritikalitätsparameter gegenüber festgelegt, der eine Funktion der Ladung, des Drucks, der Temperatur und der relativen Feuchtigkeit in der Brennkammer ist. Für einen bestimmten Kritikalitätsparameter-wert wird ein Brennstoff/Luft-Verhältnis auf Brennkammerebene vorgeschrieben, um den LBO zu verhindern. Dieses Verfahren zur Vermeidung des LBO erzeugt konservative Ergebnisse, wenn die Brennkammer an den äussersten Betriebsgrenzen ist, vor allen an kalten Tagen und/oder bei niedriger Last.

   Zusätzlich geht das gegenwärtige Verfahren davon aus, dass alle Düsen in Betrieb sind, was unter einigen Umständen, zum Beispiel beim Anfahren der Brennkammer, nicht der Fall ist.

Kurze Beschreibung der Erfindung

  

[0003]    Die vorliegende Erfindung löst die obigen Probleme, indem sie ein Verfahren und System zur Steuerung einer Brennkammer einer Gasturbine anhand des Brennstoffdüsen-Äquivalenzverhältnisses bereitstellt. Das Äquivalenzverhältnis mindestens einer Brennstoffdüse der Brennkammer wird gemessen, wobei die Brennkammer mindestens eine Brennstoffdüse aufweist, die in mindestens einem Brennkammerrohr angeordnet ist. Das gemessene Äquivalenzverhältnis wird mit einem Schwellenwert für den Lean-Blowout verglichen. Der Brennstoffström aus der mindestens einen Düse wird modifiziert, wodurch das Äquivalenzverhältnis angepasst wird, um den Lean-Blowout zu verhindern.

  

[0004]    Diese und andere Vorteile und Merkmale gehen aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen hervor.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

  

[0005]    Der Gegenstand der Erfindung wird in den Ansprüchen am Ende der Patentschrift besonders hervorgehoben und gesondert beansprucht. Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen hervor, wobei:
<tb>Fig. 1<sep>eine schematische Querschnittsansicht eines Brennkammerrohrs ist;


  <tb>Fig. 2<sep>ein schematischer Graph "Äquivalenzverhältnis versus Kritikalitätsparameter" ist; und


  <tb>Fig. 3<sep>ein schematischer Graph "Düsen-Äquivalenzverhältnis versus Kritikalitätsparameter" ist.

  

[0006]    Die ausführliche Beschreibung erläutert Ausführungsformen der Erfindung zusammen mit ihren Vorteilen und Merkmalen auf beispielhafte Weise unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

  

[0007]    In Fig. 1 wird ein Querschnitt eines Gasturbinen-Brennkammerrohrs 10 gezeigt. Eine Gasturbinen-Brennkammer (nicht gezeigt) kann ein oder mehrere Rohre 10 umfassen, die in der ganzen Brennkammer verteilt sind. Das Rohr 10 ist allgemein ringförmig. In Fig. 1 umfasst das Rohr 10 sechs Einzeldüsen 12, durch welche ein Brennstoff-Luft-Gemisch in das Rohr 10 eingespritzt wird, um verbrannt zu werden. Die Düsen 12 dieser Ausführungsform schliessen eine PM1-Düse 14 ein, die im Wesentlichen in einem Zentrum des Rohrs 10 angeordnet sind. Zwei PM2-Düsen 16 und drei PM3-Düsen 18 sind im Rohr 10 enthalten und angeordnet, um die PM1-Düse 14 zusammen zu umgeben. Es ist anzumerken, dass andere Mengen der Düsen 12, z.B. 1, 14 oder 18, in Brennkammerrohren 10 der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.

   Die Ausführungsform von Fig. 1 mit sechs Düsen 12 ist lediglich ein Beispiel zur Veranschaulichung.

  

[0008]    Ein Verteiler, schematisch bei 20 dargestellt, mischt Brennstoff und Luft und reguliert den Strom des Brennstoff-Luft-Gemischs durch die Düsen 12. Der Verteiler 20 teilt den Strom des Brennstoff-Luft-Gemischs in getrennte Leitungskreise auf, sodass jeder Düsengruppe, der PM1-Düse 14, den PM2-Düsen 16 und den PM3-Düsen 18, verschiedene Brennstoff-Luft-Gemischvolumen und verschiedene Brennstoff-Luft-Gemischverhältnisse zugeführt werden können.

  

[0009]    Das Äquivalenzverhältnis oder phi ([phi]) für die Brennkammer wird als ein Verhältnis eines Ist-Brennstoff/Luft-Verhältnisses (Wfuel/Wair) zu einem stöchiometrischen Brennstoff/Luft-Verhältnis (Wsfuel/Wsair) definiert. Allgemein ist für gegebene Verbrennungsbedingungen, z. B. Ladung, Druck, Temperatur und relative Feuchtigkeit, die Wahrscheinlichkeit des Lean-Blowout (LBO) umso grösser, je magerer das Brennstoff/Luft-Verhältnis ist. Da der Kritikalitätsparameter eine Funktion der Last, des Drucks, der Temperatur und der relativen Feuchtigkeit ist, kann [phi] gegen den Kritikalitätsparameter geplottet werden, wie in Fig. 2 gezeigt.

   Eine resultierende LBO-Linie 22 erlaubt die Festlegung des [phi] gegenüber dem Kritikalitätsparameter derart, dass für einen gegebenen Kritikalitätsparameter, bei dem die Brennkammer 10 betrieben wird, ein minimales [phi] vorgeschrieben wird, um den LBO zu verhindern.

  

[0010]    Zum Schutz gegen LBO bei den Betriebsbedingungen wie dem Anfahren, wenn nicht alle Düsengruppen wie die PM1-Düse 14. die PM2-Düsen 16 und die PM3-Düsen 18 betrieben werden, werden LBO-Linien 22 für spezifische Düsengruppen bestimmt. In einer Ausführungsform wird der LBO-Schutz gewährleistet, indem das [phi] der PM1-Düse 14 ([phi]PM1) und das [phi] von PM3 ([phi]PM3) dem Kritikalitätsparameter gegenüber bestimmt wird. Für die PM1-Düse 14 ist [phi]PM1 das Verhältnis eines Ist-PM1-Brennstoff/Luft-Verhältnisses (Wfuel/Wair) PM1 zu einem stöchiometrischen PM1-Brennstoff/Luft-Verhältnis (Wsfuel/Wsair) PM1. Eine schematische PM1-LBO-Linie 24 eines minimalen [phi]PM1 gegenüber dem Kritikalitätsparameter wird in Fig. 3 gezeigt.

   Dementsprechend wird eine schematische PM3-LBO-Linie 26 ermittelt, indem ein minimales [phi]PM3 gegen den Kritikalitätsparameter geplottet wird. In dieser Ausführungsform steuert die Regelung von [phi]PM1 und [phi]PM3 eine Mindestmenge der Düsen 12, die ausreicht, um eine Hauptflamme zur Vermeidung des LBO zu stabilisieren. Die Regelung von [phi]PM1 und [phi]PM3 in dieser Ausführungsform ist lediglich ein veranschaulichendes Beispiel und es versteht sich, dass eine Mindestmenge der Düsen 12, für welche [phi] geregelt werden muss, um den LBO zu verhindern, der Brennkammerkonfiguration, zum Beispiel der Zahl der Düsen 12 oder der Zahl der Brennstoffleitungen pro Röhr 10 oder den Betriebsbedingungen entsprechend variieren kann.

   Die Verwendung eines [phi] auf Düsenebene, wie beschrieben, um den LBO zu verhindern, gewährleistet einen präzisen LBO-Schutz über einen grösseren Bereich von Betriebsbedingungen hinweg, vor allem solchen mit niedrigen Kritikalitätsparameterwerten, und die Berechnung des Düsen- [phi] wird in Echtzeit durchgeführt, was die Korrektur des Brennstoffstroms erlaubt, um den LBO zu verhindern, wenn [phi] einen Schwellenpegel erreicht.

  

[0011]    In Betrieb wird bei einem bestimmten Kritikalitätsparameter, der den Maschinenbetriebsbedingungen entspricht, ein Äquivalenzverhältnis einer gewünschten Menge der Düsen 12 gemessen und mit einem Schwellenwert verglichen. Der Schwellenwert entspricht dem Wert von [phi] zum Beispiel auf der Linie 24 für PM1, für den gegebenen Kritikalitätsparameter. Anpassungen von [phi] wenn es unter oder in die Nähe des Schwellenwerts abfällt, können durch Anpassen des BrennstoffStroms und/oder des Brennstoff-Luft-Gemisch s aus dem Verteiler 20 zu einer oder mehreren der Düsen 12 erreicht werden.

  

[0012]    In einigen Ausführungsformen kann es wünschenswert sein, die PM1-LBO-Linie 24 zu modifizieren, um ein minimales [phi]PM1aufzunehmen, bei dem andere nachteilige Einflüsse auf die Brennkammerleistung auftreten, zum Beispiel eine unerwünschte dynamische Signatur. Dies wird in Fig. 3 als [phi]PM1SIGdargestellt. Die PM1-LBO-Linie 24 und [phi]PM1SIG werden kombiniert, was ein minimales [phi]PM1 ergibt, das als Linie 28 gezeigt wird und ein [phi]PM1 festlegt, das verwendet wird, um sowohl den LBO als auch die unerwünschte dynamische Signatur zu verhindern. In einigen Ausführungsformen kann [phi]PM1SIG auf einer brennkammerweisen Basis anhand einer, im Folgenden beschriebenen Abstimmprozedur ermittelt werden, wodurch eine genaue Minimalschwelle für [phi]PM1 bestimmt wird. Zum Beispiel wird die Brennkammer auf 100%-Ladung geladen.

   Ein Brennstoffström zu den PM3-Düsen 18 wird dann angepasst, um eine dynamische Rohrsignatur zu erhalten, die in einigen Fällen etwa 2 psi betragen kann. Der Strom der PM1-Düse 14 wird dann reduziert, bis ein Wechsel in der dynamischen Signatur auf etwa 3-4 psi beobachtet wird. Das phi für die PM1-Düse 14 an dem Punkt, wo der Wechsel auftritt, ist [phi]PM1SIG. Die Verwendung des Düsen- [phi], um die unerwünschte dynamische Signatur zu verhindern, wird beispielhaft gezeigt und es versteht sich, dass andere nachteilige Einflüsse, die bei einem bekannten Düsen-[phi] oder Bereich von Düsen-[phi] auftreten können, verhindert werden können, indem der Düsen-[phi] überwacht wird, um den nachteiligen Einfluss zu verhindern.

  

[0013]    Auch wenn die Erfindung nur in Verbindung mit einer begrenzten Zahl von Ausführungsformen ausführlich beschrieben wurde, versteht es sich, dass die Erfindung sich nicht auf diese offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr kann die Erfindung modifiziert werden, um jede Zahl von Varianten, Änderungen, Ersetzungen oder äquivalenten Anordnungen einzuschliessen, die nicht zuvor beschrieben wurden, aber mit dem Geist und Umfang der Erfindung im Einklang stehen. Auch wenn verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, versteht es sich zudem, dass Aspekte der Erfindung nur einige der beschriebenen Ausführungsformen einschliessen können. Folglich wird die Erfindung nicht durch die obige Beschreibung beschränkt, sondern wird nur durch den Umfang der beiliegenden Ansprüche begrenzt.

Claims (10)

1. Verfahren zur Steuerung einer Brennkammer einer Gasturbine, umfassend:

das Messen eines Äquivalenzverhältnisses mindestens einer Brennstoffdüse (12) der Brennkammer, wobei die Brennkammer mindestens eine Brennstoffdüse (12) aufweist, die in mindestens einem Brennkammerrohr (10) angeordnet ist;

das Vergleichen des Äquivalenzverhältnisses mit einem Schwellenwert für den Lean-Blowout; und

das Modifizieren eines BrennstoffStroms aus der mindestens einen Düse (12), wodurch das Äquivalenzverhältnis angepasst wird, um einen Lean-Blowout zu verhindern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Brennstoffdüse (12) mindestens eine zentrale Brennstoffdüse (14) einschliesst, die im Wesentlichen in einem Zentrum mindestens eines Brennkammerrohrs (10) angeordnet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die mindestens eine Brennstoffdüse (12) ausserdem eine Vielzahl von äusseren Brennstoffdüsen (16) umfasst, die die mindestens eine zentrale Brennstoffdüse (14) umgibt, die im Wesentlichen in einem Zentrum mindestens eines Brennkammerrohrs (10) angeordnet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei ein erster Schwellenwert für die zentrale Brennstoffdüse (14) im Wesentlichen von einem zweiten Schwellenwert für die Vielzahl von äusseren Brennstoffdüsen (16) abweicht.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Brennstoffström modifiziert wird, indem ein Brennstoff/Luft-Verhältnis des Brennstoffs verändert wird, der der mindestens einen Düse zugeführt wird (12).

6. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend:

das Bestimmen eines minimalen Äquivalenzverhältnisses für die mindestens eine Brennstoffdüse (12), das erforderlich ist, um eine unerwünschte dynamische Signatur zu vermeiden;

das Vergleichen des Äquivalenzverhältnisses mit dem minimalen Äquivalenzverhältnis; und

das Modifizieren eines BrennstoffStroms aus der mindestens einen Düse (12), wodurch das Äquivalenzverhältnis angepasst wird, um den Lean-Blowout zu verhindern.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Bestimmen des minimalen Äquivalenzverhältnisses umfasst:

das Laden der Brennkammer auf einen gewünschten Ladestand;

das Anpassen eines BrennstoffStroms aus der mindestens einen Düse (12), um einen ersten Pegel der dynamischen Signatur zu erzeugen;

das weitere Anpassen des BrennstoffStroms aus der mindestens einen Düse (12), bis die dynamische Signatur auf einen unerwünschten Pegel umspringt; und

das Messen des Äquivalenzverhältnisses an dem Punkt, an dem die dynamische Signatur umspringt.

8. System zur Steuerung einer Brennkammer einer Gasturbine, umfassend:

Mittel zum Messen eines Äquivalenzverhältnisses mindestens einer Brennstoffdüse (12) der Brennkammer, wobei die Brennkammer mindestens eine Brennstoffdüse (14) einschliesst, die in mindestens einem Brennkammerrohr (10) angeordnet ist;

Mittel zum Vergleichen des Äquivalenzverhältnisses mit einem Schwellenwert für den Lean-Blowout; und einen Verteiler (20) zum Modifizieren eines Brennstoffstroms aus der mindestens einen Düse (12), der das Äquivalenzverhältnis anpasst, um den Lean-Blowout zu vermeiden.

9. System nach Anspruch 8, umfassend:

Mittel zum Bestimmen eines minimalen Äquivalenzverhältnisses für die mindestens eine Brennstoffdüse (12), das erforderlich ist, um eine unerwünschte dynamische Signatur zu verhindern;

wobei das Vergleichsmittel das Äquivalenzverhältnis mit dem minimalen Äquivalenzverhältnis vergleicht; und wobei der Verteiler (20) das Äquivalenzverhältnis anpasst, um die unerwünschte dynamische Signatur zu vermeiden.

10. System nach Anspruch 9, wobei das Mittel zum Bestimmen des minimalen Äquivalenzverhältnisses:

die Brennkammer auf einen gewünschten Ladestand lädt;

einen Brennstoffström aus der mindestens einen Düse (12) anpasst, um einen ersten Pegel der dynamischen Signatur zu erzeugen;

den Brennstoffstrom aus der mindestens einen Düse (12) weiter anpasst, bis die dynamische Signatur auf einen unerwünschten Pegel umspringt; und

das Äquivalenzverhältnis an dem Punkt misst, an dem die dynamische Signatur umspringt.