NO173951B - Anordning for mating av forbrenningsgass, med koordinert proporsjonering - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en brenngassfordeler for et brennkammer i en gassturbinmotor, ifølge kravinnledningen. Forbrenning finner sted bare i den sekundære sone.

Juridiske og miljømessige krav setter strenge grenser for NOx-utslipp fra kraftgenereringsutstyr. Det er kjent at lave forbrenningstemperaturer er nødvendige for å oppnå lave NOx-utslipp fra gassturbiner. Tidligere ble det tatt forholdsvis ekstreme forholdsregler for å oppnå lavt NOx-utslipp. Det er for eksempel vanlige å tilsette damp eller vann til brennkamrene i en gassturbinmotor for å redusere reaksjonstemperaturen. Selv om den til en viss grad er effektiv til å redusere forbren-ningstemperaturen, vil bruk av damp eller vann øke kompleksiteten ved måling av korrekte mengder til brennkamre, og redusere brennkammerets effektivitet.

En annen mulighet omfatter selektiv katalytisk reduksjon ved bruk av en katalysator til å fremskynde forbrenning ved en lavere temperatur enn det ellers er mulig. I alminnelighet er katalysatorer kostbare og teknikken for å oppnå effektiv fullstendig reaksjon er komplisert.

En ytterligere mulighet, og den som foreliggende oppfinnelse er rettet mot, omfatter nøyaktig forholdsblanding av gassformige brennstoffer og luft før forbrenningen. Dette muliggjør forbrenning ved lavere temperatur og følgelig redusert utslipp av N0X- og CO-gasser.

Ekstremt høy presisjon i proporsjoneringen av forbrenningsgass og luft er nødvendig for å oppnå de ønskede lave utslipp. Problemet blir større i et brennkammer hvor en primær blandesone mottar luft og en del av forbrenningsgassen, og en sekundær blandesone mottar luft og resten av forbrenningsgassen. Forbrenning finner sted bare i den sekundære sone. Nøyaktig måling av forbrenningsgass er nødvendig både i den primære og sekundære sone. I tillegg er nøyaktig proporsjonering av forbrenningsgass mellom den primære og den sekundære sone kritisk for lave utslipp. Feil i proporsjoneringen i størrelsesordenen noen få prosent er tilstrekkelig til å avgi uakseptable utslippsnivåer. Slik nøyaktighet er vanskelig å oppnå med konvensjonell teknikk.

Det er et mål med foreliggende oppfinnelse å frembringe et målesystem for forbrenningsgass som overvinner ulempene ved den kjente teknikk.

Et videre formål med oppfinnelsen er å frembringe et målesystem for forbrenningsgass hvor to ventiler som leverer forbrenningsgass til primære og sekundære blandesoner har forskjellige ventiltrinn, slik at kombinasjonen av de to ventiler sammen med et ventilsystem med konstantstrøm oppstrøms og de primære og sekundære dysekarakteristika nedstrøms, kan frembringe den nødvendige nøyaktighet.

Et ytterligere formål med oppfinnelsen er å frembringe et dobbelt gassventilsystem som omfatter separate ventiler for tilførsel av forbrenningsgass til primære og sekundære forbren-ningsgassdyser, og hvor de to ventiler er sammenkoplet for å drives med en enkel aktivator.

Enda et formål med oppfinnelsen er å frembringe et dobbelt gassventilsystem som gir en i det vesentlige lineær gjensidig proporsj oner ing mellom forbrenningsgass som leveres til primære og sekundære blandesoner over operasjonsområdet.

Ytterligere et formål med oppfinnelsen er å kombinere en ventil med lineært forhold mellom ventilstangens stilling og gjennomstrømningsmengden, for å mate forbrenningsgass fra en felles kilde til en eller flere første dyser for forbrenningsgass, og en ventil hvor endringen av gjennomstrømningsmengden er den samme for den samme forskyvning av ventilstangen, uavhengig av ventilstangens stilling, og hvor første og andre ventiler er mekanisk eller elektrisk sammenkoplet for samtidig drift.

I korthet, den foreliggende oppfinnelse frembringer en samstyrt ventildelerenhet med en primærventil med lineær karakteristikk koplet parallelt med en sekundærventil med fastprosentkarakteristikk for å dele forbrenningsgassen mellom primære og sekundære dyser for et gassturbinbrennkammer. I en utførelse er koordinering av aktiveringen av de to ventiler oppnådd gjennom fast sammenkopling av vent ils tengene. En utformet kam og elektronisk aktivering av de to ventiler skal også vises.

Dette oppnås med fordeleren ifølge foreliggende oppfinnelse, slik den er beskrevet med de i kravene anførte trekk.

Det ovenstående samt andre formål, trekk og fordeler ved den foreliggende oppfinnelse vil fremgå av den følgende skrivelse i sammenheng med tegningene, hvor like henvisningstall betegner samme elementer, og hvor figur 1 er et skjematisk diagram av et brennkammer for en gassturbinmotor med en konvensjonell treveis deleventil for å proporsjonere en forbrenningsgass mellom primære og sekundære dyser, figur 2 er et skjematisk diagram av et brennkammer for en gassturbinmotor med parallelle ventiler og styringssystemer for å styre proporsj oner ingen av forbrenningsgassmating til primære og sekundære dyser, figur 3 er et skjematisk diagram av et forbrenningskammer for en gassturbinmotor med et par ventiler i parallell som mater forbrenningsgass til primære og sekundære dyser på forbrenningskamre, ifølge en utførelse av oppfinnelsen, figur 4 er en kurve som viser forholdet mellom ventilstillingen og gasstrømmen for proporsjonal trimventiler i begge stillinger, figur 5 er en kurve som viser forholdet mellom ventilstilling og gasstrøm for en lineær ventil som brukes for en primær deleventil og en fastprosentventil som brukes for en sekundær deleventil, og figur 6 er et riss av ventiler og aktivator ifølge en utførelse av oppfinnelsen.

Det henvises først til figur 1, hvor det er vist et brennkammer 10 for et konvensjonelt gassturbinsystem (ellers ikke vist), ifølge tidligere kjent teknikk. Et gasstilførselsrør 12 mater forbrenningsgass til et konvensjonelt sett med ventiler 14 for stopp, hastighet og kontroll. En treveis deleventil 16 proporsjonerer forbrenningsgassen mellom et antall primære brennstoffdyser og en sekundær brennstoffdyse 20 som mater forbrenningsgass til en primær blandesone 22 og en sekundær blandesone 24. I tillegg til de elementer som er vist, omfatter brennkammeret 10 også en konvensjonell anordning (ikke vist) for å mate en kontrollert strøm av forbrenningsluft til primærblandesonen 22 og sekundærblandesonen 24, og for å blande brennstoffet og luften før forbrenning, spesielt i primærblandesonen 22.

Systemer for forhåndsblandet forbrenningsgass er meget følsomme for endringer i fordelingsforholdet mellom de to dysesettene, og vil bare gi optimal ytelse gjennom et opera-sjonsbånd med meget smal toleranse.

Systemet på figur 1 har den fordel at det bruker eksisterende enkle ventiler 14 for stopp, hastighetskontroll og kontroll, 14, hvis karakteristika har vært grundig prøvet og er veikj ent.

Det viser seg imidlertid at den primære brenseldyse 18 og den sekundære brenseldyse 20, sammen med alle forbren-ningsgassdyser, som sådan ikke er lineære. Dermed blir dysenes karakteristikker for strømningsmengden den dominerende faktor i utforming av trykk/strøm-karakteristikkene for systemet. Det er således en oppgave for treveisdeleventilen 16 å reagere på og korrigere for de ulikt formede trykk/strøm-karakteristikker som blir generert av de to dysesettene. Det viser seg at denne teknikk for å kontrollere fordelingen mellom primærbrennstoffdysene 18 og sekundærbrennstof f dysene 20 ikke oppnår maksimal reduksjon i utslipp.

Det henvises nå til figur 2, som viser en videre kjent teknikk for å styre strømmen av forbrenningsgass til primære brennstoffdyser 18 og sekundære brennstoffdyser 20. Gasstilførselsledningen 12 mater forbrenningsgass til primære ventiler 26 for stopp, hastighetsforhold og kontroll, som styrer forbrenningsgasstrømmen til primærbrennstof f dyser 18, og til sekundære styreventiler 28 for stopp, hastighet og kontroll, som styrer forbrenningsgasstrømmen til den sekundære brennstoffdysen 20.

Systemet ifølge figur 2 frembringer en i det vesentlige lineær karakteristikk for hvert kontrollsett. Styringen av fordelingen mellom de to dysesettene er imidlertid permanent avhengig av overvåkning av gasstrømmen til de to dysesettene. Nøyaktigheten av brennstof fordelingen avhenger således av nøyaktigheten og responshastigheten for kontrollsystemene for de to kontrollsettene. Som kjent har ikke kontrollsystemer øyeblikkelig respons, og responsen kan endres med tiden. Hastighets- og responstidsmangler er alvorlige nok til å hindre drift med de ønskede lave utslippsnivåer.

Ved siden av de nevnte nøyaktighetsproblemer, lider en parallell systemtilnærming av store økninger i kontrollsystemets kompleksitet og kostnad. I tillegg vil de lange rette løp som kreves for målerør for å utføre målingene, begrense disse og vanligvis øke kostnaden av systemets fysiske opplegg.

Det henvises nå til figur 3. Styreventilene 14 for stopp, hastighet og kontroll gir en kontrollert strøm av forbrenningsgass til en samstyrt ventildeleenhet 30 som automatisk gir den nødvendige deling av forbrenningsgass mellom primærbrennstoffdysene 18 og sekundærbrennstoffdysen 20. En primær deleventil 32 mottar forbrenningsgass fra en grenarm fra et Y-rør 34 for å mate forbrenningsgass til primærbrennstof f-dysene 18. En primær strømningsmåler 36 måler gasstrømmen som blir matet til primærbrennstof f dysene 18. En sekundær deleventil 38 mottar forbrenningsgass fra en annen grenarm av Y-røret 34 for mating til sekundærbrennstof f dysen 20. Strømmen av gass gjennom sekundærdeleventilen 38 må ikke måles, selv om slike målinger kan være nyttige, spesielt under utvikling av oppfinnelsen. En kontrollaksel 40 på sekundærdeleventilen 38 er fast koordinert med en kontrollaksel 42, for eksempel ved bruk av en fast mekanisk kopling 44.

Forholdet mellom gjennomstrømningsmengde og ventilstilling for primærdeleventilen 32 og sekundærdeleventilen 34 er kritisk for tilfredsstillende drift av ventildelerenheten 30. Beregninger viser at hvis man velger lineære karakteristikker for primærdeleventilen 32 og sekundærdeleventilen 38, vil man få primær og sekundær gasstrøm som vist på figur 4. I høystrømsområdet over omkring 70% til primærbrennstoffdysen 18, som er den viktigste del av området, viser den skarpe helningen av de to strømkurvene at meget små ventilbevegelser gir drastiske endringer i strømningsmengden til de to dyser. Dette resulterer i dårlig kontrollerbarhet. Kontrollerbarheten er faktisk så dårlig at man ikke oppnår den ønskede nøyaktighet i gassfordelingen. Som brukt her, refererer ventiltrim til forholdet mellom ventilakslenes stilling og den resulterende strømningsmengde.

Man har oppdaget at ulike ventilkarakteristikker i en samstyrt ventildelerenhet 30 kan gi en nær optimal kontrollerbar brennstoffordeling gjennom ventildelerenheten 30. Det henvises nå til figur 5. Forholdene mellom primær og sekundær strøm er vist for en samstyrt ventildelerenhet 30, hvor primærdeleventilen 32 er en lineærventil, og sekundærdeleventilen 38 er en fastprosentventil. Som brukt her, er en fastprosentventil en ventil som for en bestemt ventilbevegelse gir en fast prosentvise endringer i strømningsmengden, forutsatt at differensielle trykk er like for alle forhold. Det vil si, at ved lav strømningshastighet vil en endring av ventilstillingen gi en liten endring i strømmen, mens ved stor strømningshastighet vil den samme endring i ventilstilling gi en stor endring i strømningshastigheten.

Man vil se på figur 5, at endringer i strømmen i det interessante område over omkring 70% er jevne, i det vesentlige lineære, og forholdsvis flate i sammenlikning med endringer når man benytter lineære ventiler i begge stillinger i ventildelerenheten 30.

En av de vesentlige fordeler med ventildelerenheten 30 ligger i den enkelhet som konseptet tillater. Det henvises nå til figur 6 som viser utstyrets enkelhet. I denne utførelse er den faste mekaniske forbindelse 44 de motstående forbindelser av kontrollakslene 40 og 42 til aksler for en hydraulisk sylinder. Den hydrauliske sylinder kan drives av en konvensjonell kilde for trykksatt væske, for å forskyve de koplede kontrollaksler 40 og 42. En konvensjonell returanordning 46, for eksempel en lineær variabel differensialtransformator, er tilkoplet for å føre stillingene til de koplede kontrollaksler 40 og 42. Utgangen fra posisjonstilbakekoplingsanordningen 46 blir matet til et konvensjonelt kontrollsystem for å sammenlikne den virkelige stilling av kontrollakslene 40 og 42 med deres beordrede stillinger. Feil i sammenlikningen blir forsterket for å frembringe trykksatt væske til den dobbeltendede hydrauliske sylinder i den faste mekaniske kopling 44 i en slik retning at feilen blir redusert.

Det er selvfølgelig for en fagmann at andre elementer kan benyttes til å oppnå resultater som tilsvarer de som oppnås med apparatene i den foran viste utførelse. For eksempel kan en fastprosentventil for bruk i sekundærdeleventilen 38 bli simulert i steden for å skapes ved selve ventilinnstillingen. En måte å utføre en slik simulering omfatter formede kammer som aktiverer primærdeleventilen 32 og sekundærdeleventilen 38. Formen på kammene, kombinert med selve ventilinnstillingen gir sammen det ønskede sett av systemets ventilinnstilling. Både primærdeleventilen 32 og sekundærdeleventilen 38 kan være lineære. Kamformene kan opprettholde det lineære forhold for primærdeleventilen 32 og simulere en fastprosent-innstilling i sekundærdeleventilen 38.

En ytterligere mulighet kan omfatte anordning av individuelle hydrauliske aktivatorer (ikke vist) for kontrollakslene 40 og 42, og et elektronisk kontrollsystem som er effektivt for å forme kontrollkarakteristikkene til de hydrauliske aktivatorene for å oppnå det ekvivalente av de to ventil-innstillinger. Fra et konseptuelt standpunkt er den direkte sammenkopling av kontrollakslene 40 og 42 gjennom en fast mekanisk kopling 44, ekvivalent med koordinering gjennom formede kammer og til koordinering gjennom en ytre elektronisk kontroll-krets.

En fagmann vil forstå at hydrauliske aktivatorer er bare en av flere ekvivalente kilder for kraft til aktivering av kontrollakslene 40 og 42. Ekvivalente kilder er også for eksempel elektriske motorer eller pneumatiske aktivatorer.

Claims (3)

1. Brenngassfordeler for et brennkammer i en gassturbinmotor, omfattende minst en primær dyse (18) og minst en sekundær dyse (20), samt et sett stopp-, hastighets- og styreventiler (14) som mater en kontrollert strøm av brenngassen, og en ventildelerenhet (30) som mottar brenngasstrømmen, hvor ventildelerenheten (30) omfatter en primær deleventil (32) som mater en del av brenngasstrømmen til minst en primær dyse, samt en sekundær deleventil (38) som er anordnet i parallell med den primære deleventil (32) og som mater resten av brenngasstrøm til i det minste den ene sekundærdyse (20), KARAKTERISERT VED at den primære deleventil (32) og den sekundære deleventil (38) omfatter første og andre ulike ventiltrimmere, hvorav den ene ventiltrim-mer er lineær og den andre er av typen prosentuelt likt, og at en anordning (44) er innrettet til å koordinere aktiveringen av ventiltrimmerne.

2. Brenngassfordeler ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at koordineringsanordningen (44) omfatter en mekanisk kopling mellom primærdeleventilens (32) og sekundærdeleventilens (38) styreaksler.

3. Brenngassfordeler ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at koordineringsanordningen (44) er slik innrettet at sekundærdeleventilen (38) lukkes når primærdeleventilen (32) åpnes.