Technisches AnwendungsgebietTechnical application
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Gasturbogruppe gemäss dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.The
The present invention relates to a gas turbine group according to the preamble
of claim 1.
Die
katalytische Umsetzung von Brennstoffen stellt eine Möglichkeit
zur schadstoffarmen Wärmeerzeugung
dar. Beim Einsatz in Gasturbogruppen ist aber die insbesondere aus
Lebensdauergründen erforderliche
Begrenzung der erreichbaren Temperaturen nachteilig. Das Erreichen
der heute im Interesse guter Wirkungsgrade und hoher Einheitenleistungen
angestrebten Turbineneintrittstemperaturen ist mit katalytischen
Brennkammern alleine nicht möglich:
Während
die Brennkammern moderner Gasturbinen beispielsweise Heissgastemperaturen
um 1450°C
erzeugen, kann eine katalytische Brennkammer nur bis zu Temperaturen
von rund 1000°C
betrieben werden. Weiterhin erfordert der Betrieb einer katalytischen
Brennkammer eine mindeste Eintrittstemperatur.The
catalytic conversion of fuels poses a possibility
for low-emission heat generation
dar. When used in gas turbine groups but is in particular from
Durability required
Limiting the achievable temperatures disadvantageous. The achievement
today in the interest of good efficiencies and high unit performance
aimed turbine inlet temperatures is catalytic
Combustion chambers not possible on your own:
While
the combustion chambers of modern gas turbines, for example hot gas temperatures
at 1450 ° C
can produce a catalytic combustion chamber only up to temperatures
of around 1000 ° C
operate. Furthermore, the operation requires a catalytic
Combustion chamber a minimum inlet temperature.
Bei
einer stationären
Gasturbine, die ohne Verdichter-Zwischenkühlung bei
Vollast-Druckverhältnissen über 20 bis
30 arbeitet, ist das Erreichen der mindesten Eintrittstemperatur
bei Volllast aufgrund der Temperaturerhöhung der Luft bei der Verdichtung
an sich unproblematisch; beim Anfahren und im Teillastbetrieb kann
die mindesterforderliche Temperatur jedoch im Wesentlichen nicht
erreicht werden. Zur Erreichung der mindesten Eintrittstemperatur
unter allen Umständen
sind Vorbrennersysteme bekannt. US
5,395,235 gibt solche Vorbrennersysteme an. Das dort zugrundeliegende
Problem ist, über
den gesamten Betriebsbereich einer Gasturbogruppe wenigstens eine
Temperaturerhöhung
von rund 350°C
Verdichterendtemperatur auf rund 450°C Katalysator-Eintrittstemperatur
zu realisieren. Gemäss
der Lehre aus der US 5,395,235 soll
die Verwendung einer nichtkatalytischen Vorbrennerstufe im Allgemeinen
und einer Diffusionsvorbrennerstufe im Besonderen vermieden werden,
da die hohen Stickoxidemissionen der nichtkatalytischen Vorbrenner bei
der gezeigten Konfiguration die Vorteile der katalytischen Stufe
zunichte machen. Die US 5,395,235 schlägt daher
vor, den Diffusions-Vorbrenner durch einen katalytischen Vorbrenner
zu ersetzen, der nur mit einem Teil des gesamten Brennluft-Massenstromes
beaufschlagt wird, und der aufgrund der niedrigeren Strömungsgeschwindigkeit
bereits bei niedrigeren Eintrittstemperaturen zu arbeiten vermag.In a stationary gas turbine, which works without compressor intercooling at full load pressure ratios over 20 to 30, the achievement of the minimum inlet temperature at full load due to the increase in temperature of the air in the compression itself is unproblematic; However, when starting up and during partial load operation, the minimum required temperature can not be achieved substantially. In order to achieve the minimum inlet temperature under all circumstances pre-burner systems are known. US 5,395,235 indicates such precombustor systems. The underlying problem there is to realize at least a temperature increase of about 350 ° C compressor end temperature to about 450 ° C catalyst inlet temperature over the entire operating range of a gas turbine group. According to the teaching of the US 5,395,235 In particular, the use of a non-catalytic preburner stage in general and a diffusion prebake stage in particular should be avoided since the high nitrogen oxide emissions of the non-catalytic preburners in the configuration shown negate the advantages of the catalytic stage. The US 5,395,235 therefore proposes to replace the diffusion preburner by a catalytic preburner, which is acted upon by only a part of the total combustion air mass flow, and which is able to work even at lower inlet temperatures due to the lower flow rate.
EP 694 740 gibt an, eine
selbstzündende Brennkammer
des auch aus EP 669 500 bekannten Typs
stromab einer katalytischen Stufe anzuordnen. Die maximale Austrittstemperatur
des Katalysators von rund 1000°C – es werden
in der EP 694 740 800°C bis 1100°C spezifiziert – passt
bestens zu der für
die stabile und sichere Funktion einer selbstzündenden Brennkammer notwendigen
Mindesttemperatur, die je nach Brennstoff beispielsweise bei 900–950°C liegt.
Derartige selbstzündende
Brennkammern weisen aufgrund der vergleichsweise geringen thermischen
Belastung – der
zu bewältigende Temperaturunterschied
liegt im Allgemeinen bei weniger als 600°C – des Betriebes bei einer guten
Vormischung von Brennstoff und Verbrennungsgas, sowie einer sehr
brennstoffarmen Verbrennung, was wiederum aufgrund der hohen Anströmtemperatur unproblematisch
ist, einen sehr geringen Stickoxidausstoss und einen guten Ausbrand
auf. EP 694 740 gibt
an, einen Drallerzeuger eines aus EP
321 809 bekannten Vormischbrenners zur Aufbereitung der Brennstoff-Luft-Mischung
für den
Katalyten einzusetzen, betont jedoch, dass dort keine Flammenstabilisierung
stattfinden dürfe.
Insofern gibt EP 694 740 keinen
Hinweis darauf, wie die mindesterforderliche Einströmtemperatur
des Katalysators über
einen breiten Betriebsbereich einer Gasturbogruppe zu gewährleisten
sei. EP 694 740 indicates a self-igniting combustion chamber of the well EP 669,500 known type downstream of a catalytic stage to arrange. The maximum outlet temperature of the catalyst of around 1000 ° C - it will be in the EP 694 740 800 ° C to 1100 ° C specified - perfectly fits the minimum temperature required for the stable and safe functioning of a self-igniting combustion chamber, which, depending on the fuel, is for example 900-950 ° C. Such self-igniting combustion chambers have due to the comparatively low thermal load - the temperature difference to be handled is generally less than 600 ° C - the operation with a good premix of fuel and combustion gas, and a very low-fuel combustion, which in turn is unproblematic due to the high flow temperature , a very low nitrogen oxide emissions and a good burnout. EP 694 740 indicates a swirl generator one out EP 321 809 however, emphasizes that flame stabilization should not take place there. In this respect there EP 694 740 No indication of how to ensure the minimum required inlet temperature of the catalyst over a wide operating range of a gas turbine group.
Darstellung
der Erfindungpresentation
the invention
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Gasturbogruppe der eingangs
genannten Art anzugeben, welche die Nachteile des Standes der Technik
vermeidet. Insbesondere soll eine Gasturbogruppe so angegeben werden,
dass über
einen weiten Betriebsbereich der Gasturbogruppe eine hinreichend
hohe Eintrittstemperatur für
den sicheren und stabilen Betrieb einer katalytischen Brennerstufe
bereitsteht, die Turbineneintrittstemperatur derart hoch gefahren
werden kann, dass die Gasturbogruppe insbesondere auch in einer
Kombianlage mit besten Wirkungsgraden betreibbar ist, und, dass
die Schadstoffbildung, insbesondere an Stickoxiden, signifikant niedriger
ist als bei konventionellen, nichtkatalytischen Brennkammern, so,
dass der vergleichsweise aufwändige
Einsatz einer katalytischen Brennkammer gerechtfertigt ist.task
The present invention is a gas turbine group of the above
specify the type mentioned, which the disadvantages of the prior art
avoids. In particular, a gas turbine group should be specified as
that over
a wide operating range of the gas turbine group a sufficient
high inlet temperature for
the safe and stable operation of a catalytic burner stage
is ready, the turbine inlet temperature driven so high
can be that the gas turbo group in particular also in a
Combined unit is operable with best efficiencies, and that
the formation of pollutants, especially of nitrogen oxides, significantly lower
is than with conventional, non-catalytic combustors, so,
that the comparatively elaborate
Use of a catalytic combustion chamber is justified.
Die
Aufgabe wird mit der Gasturbogruppe gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Gasturbogruppe sind Gegenstand der Unteransprüche oder
lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ausführungsbeispielen
entnehmen.The
Task is solved with the gas turbine group according to claim 1. advantageous
Embodiments of the gas turbine group are the subject of the dependent claims or
can be understood from the following description and the embodiments
remove.
Kern
der Erfindung ist also, in einer Brennkammer einer Gasturbogruppe
stromab einer katalytischen ersten Brennerstufe eine nichtkatalytische zweite
Brennerstufe anzuordnen, welche bevorzugt als selbstzündende Brennkammer
des aus EP 669 500 bekannten
Typs ausgeführt
ist. Die zweite Brennkammer ermöglicht
es, die für
moderne Gasturbogruppen üblichen
Heissgastemperaturen zu erreichen, und damit höchste Wirkungsgrade und Leistungsdichten
zu erreichen. Diese Kombination ist aus der EP 694 740 an sich bekannt. In Bezug
auf den diesbezüglichen
Offenbarungsgehalt wird ausdrücklich
auf die EP 669 500 und
die EP 694 740 verwiesen,
welche diesbezüglich
integrierende Bestandteile der vorliegenden Beschreibung darstellen.
Es zeigt sich nunmehr, dass in Verbindung mit dieser Kombination
die Verwendung einer nichtkatalytischen Vorbrennerstufe, welche
im Interesse des stabilen und sicheren Betriebes bevorzugt als Diffusionsbrennerstufe
ausgeführt
wird, überraschenderweise äusserst vorteilhaft
ist, und keineswegs die im Stand der Technik zitierten Nachteile
in einer dramatischen Weise entfaltet. Im Vergleich zu der in US 5,395,235 beschriebenen
Konfiguration ist die Austrittstemperatur aus der Brennkammer nämlich deutlich
höher,
weil ja stromab der hinsichtlich der Temperatur begrenzten katalytischen
Brennerstufe eine nichtkatalytische zweite Brennerstufe angeordnet
ist. Gerade dann, wenn die zweite Brennkammer als selbstzündende Brennkammer
des aus EP 669 500 bekannten Typs ausgeführt ist,
resultieren aufgrund des vergleichsweise geringen Temperaturhubes,
der guten Vormischung der Reaktionskomponenten, und der kurzen Verweilzeiten
der Gasspezies geringe Stickoxidemissionen. Weil der gesamte Temperaturhub
vom Brennkammereintritt bis zum Brennkammeraustritt aber im Vergleich
zur US 5,395,235 gross
ist, ist der Anteil des Leistungsumsatzes in der Vorbrennerstufe gering,
derart dass dessen Stickoxidproduktion nahezu nicht ins Gewicht
fällt.
Auf diese Weise wirkt die aus der EP
694 740 bekannte Brennkammer geradezu synergetisch mit
der nichtkatalytischen Vorbrennerstufe zusammen.The core of the invention is therefore to arrange in a combustion chamber of a gas turbine group downstream of a catalytic first burner stage, a non-catalytic second burner stage, which preferably as a self-igniting combustion chamber of EP 669 500 known type is executed. The second combustion chamber makes it possible to achieve the hot gas temperatures customary for modern gas turbine groups, and thus to achieve maximum efficiencies and power densities. This combination is from the EP 694 740 known in itself. With regard to the relevant disclosure, express reference is made to EP 669,500 and the EP 694 740 which in this regard constitute an integral part of the present description. It now appears that in connection with this combination, the use of a non-catalytic preburner stage, which is preferably carried out in the interest of stable and safe operation as a diffusion burner stage, surprisingly extremely advantageous, and by no means unfolded the disadvantages cited in the prior art in a dramatic manner , Compared to the in US 5,395,235 Namely, the outlet temperature from the combustion chamber is significantly higher, because a non-catalytic second burner stage is arranged downstream of the temperature-limited catalytic burner stage. Especially when the second combustion chamber as a self-igniting combustion chamber of EP 669,500 of known type, resulting due to the relatively low temperature, the good premixing of the reaction components, and the short residence times of the gas species low nitrogen oxide emissions. Because the entire temperature increase from the combustion chamber inlet to the combustion chamber outlet but compared to US 5,395,235 is large, the proportion of power in the pre-burner stage is low, so that its nitrogen oxide production is almost negligible. In this way, the effect of the EP 694 740 known combustion chamber almost synergistically with the non-catalytic preburner stage together.
In
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung ist die Brennluftführung
zur Brennkammer mit Vorteil derart beschaffen, dass nur ein Teilstrom des
gesamten Verbrennungsluftmassenstroms durch die Brenner der Vorbrennerstufe
geführt
wird. Der verbleibende Teilstrom, welche im Allgemeinen deutlich
mehr als die Hälfte
des gesamten Brennluft-Massenstroms beträgt, wird über eine stromab der Vorbrennerstufe
und stromauf der katalytischen Brennerstufe angeordnete Mischvorrichtung
zugeführt, welche
mit Vorteil so beschaffen ist, dass sie eine möglichst gute und homogene Vermischung
der beiden Teilströme
vor dem Eintritt in die katalytische Brennerstufe gewährleistet.
Hierzu wird die Mischvorrichtung beispielsweise in der Form des
Drallerzeugers eines aus EP 321
809 bekannten Vormischbrenners ausgeführt. So besteht die Mischvorrichtung
in einer bevorzugten Ausführungsform
aus wenigstens zwei Umfangssegmenten eines zylinderartigen und/oder
kegelstumpfartigen Hohlkörpers,
die mit ihren Längsachsen
im wesentlichen parallel zur Durchströmungsrichtung der Brennkammer
angeordnet sind, wobei die Längsachsen
der einzelnen Umfangssegmente quer zur Durchströmungsrichtung gegeneinander
versetzt sind, wodurch tangential-radial orientierte Einströmöffnungen
gebildet werden, wobei ein Brenner der Vorbrennerstufe mit einer stromaufwärtigen Stirnseite
der Mischvorrichtung in Fluidverbindung steht, die katalytische
Brennerstufe mit einer stromabwärtigen
Stirnseite in Fluidverbindung steht, und die Einströmöffnungen
mit einem Zuströmbereich
der Brennkammer in Fluidverbindung stehen, derart, dass im Betrieb
der Gasturbogruppe die Mischvorrichtung im Wesentlichen axial mit
einem ersten, von der Vorbrennerstufe kommenden Gasmassenstrom durchströmt wird,
und ein Brennluftmassenstrom mit einer tangentialen Strömungskomponente
in die Mischvorrichtung einströmt.In an advantageous embodiment of the invention, the combustion air duct to the combustion chamber is advantageously such that only a partial flow of the total combustion air mass flow is passed through the burner of the preburner stage. The remaining partial flow, which is generally significantly more than half of the total mass flow of combustion air, is supplied via a downstream of the preburner and upstream of the catalytic burner stage arranged mixing device, which is advantageously designed so that they are as good and homogeneous mixing of ensures both partial flows before entering the catalytic burner stage. For this purpose, the mixing device, for example in the form of the swirl generator of a EP 321 809 known Vormischbrenners performed. Thus, in a preferred embodiment, the mixing device consists of at least two peripheral segments of a cylinder-like and / or frustoconical hollow body which are arranged with their longitudinal axes substantially parallel to the flow direction of the combustion chamber, wherein the longitudinal axes of the individual circumferential segments are offset from each other transversely to the flow direction, whereby tangential radially inwardly directed inflow openings are formed, wherein a burner of the pre-burner stage is in fluid communication with an upstream end side of the mixing device, the catalytic burner stage is in fluid communication with a downstream end side, and the inflow openings are in fluid communication with an inflow region of the combustion chamber, such that in operation Gas turbine group, the mixing device is substantially axially through a first, coming from the pre-burner stage gas mass flow, and a combustion air mass flow with a Tangential flow component flows into the mixing device.
Vorteilhaft
ist es weiterhin, wenn die Vorbrennerstufe eine möglichst
geringe Temperaturerhöhung bewirken
muss. Dabei ist es einerseits von Vorteil, wenn die Gasturbogruppe
derart gebaut ist, dass sie ein hohes Auslegungs-Druckverhältnis bei
Nennleistung aufweist, welches beispielsweise grösser als 12 ist. Damit einher
geht eine hohe Verdichter-Endtemperatur, welche vorteilhaft über 420°C liegt.
Dabei ist es weiterhin von Vorteil, wenn die Brennluftführung derart
ausgestaltet ist, dass die Verbrennungsluft bevor sie zur Brennkammer
gelangt thermisch hochbelastete Komponenten der Gasturbogruppe durch- oder
umströmt,
diese so kühlt,
und dabei Wärme
aufnimmt. Insbesondere wird die Verbrennungsluft vorteilhaft im
Gegenstrom zur Heissgaströmung
in der Brennkammer um die Aussenwände der Brennkammer herumgeführt. Auf
diese Weise wird einerseits die thermisch hochbelastete Brennkammerwand konvektiv
gekühlt,
und andererseits wird die Verbrennungsluft sehr effizient weiter
vorgeheizt, wodurch die von der Vorbrennerstufe aufzubringende thermische
Leistung und damit deren Stickoxidproduktion weiter vermindert wird.
Bei einer geeigneten Ausführung
der erfindungsgemässen
Gasturbogruppe, mit einem hohen Auslegungsdruckverhältnis und
einer entsprechenden Führung
der Verbrennungsluft zur Vorwärmung,
ist die Temperatur der Verbrennungsluft beim Eintritt in die Brennkammer
in einem weiten Betriebsbereich schon hoch genug für einen
stabilen Betrieb der katalytischen Brennerstufe, derart, dass die
Vorbrennerstufe überhaupt
nicht mehr notwendigerweise betrieben werden muss; in einer bevorzugten
Betriebsweise der erfindungsgemässen
Gasturbogruppe bleiben die Brenner der Vorbrennerstufe dennoch fortwährend auf
einer Minimalleistung zur Sicherstellung eines stabilen Eigenbetriebes
zugeschaltet, was in transienten Betriebszuständen sehr von Vorteil ist,
wie unten Ausführlich
beschrieben wird.Advantageous
it is still, if the Vorbrennerstufe a possible
cause low temperature increase
got to. It is on the one hand advantageous if the gas turbine group
is built to provide a high design pressure ratio
Rated power, which is greater than 12, for example. Associated with it
goes a high compressor end temperature, which is advantageously above 420 ° C.
It is also advantageous if the combustion air duct in such a way
is designed that the combustion air before going to the combustion chamber
passes thermally highly loaded components of the gas turbine group through or
flows around,
this cools,
and heat
receives. In particular, the combustion air is advantageous in
Counterflow to the hot gas flow
guided around the outer walls of the combustion chamber in the combustion chamber. On
This way, on the one hand, the highly thermally stressed combustion chamber wall is convective
cooled,
and on the other hand, the combustion air continues very efficiently
preheated, whereby the applied by the pre-burner stage thermal
Performance and thus their nitrogen oxide production is further reduced.
In a suitable design
the inventive
Gas turbine group, with a high design pressure ratio and
a corresponding leadership
the combustion air for preheating,
is the temperature of the combustion air entering the combustion chamber
in a wide operating range already high enough for one
stable operation of the catalytic burner stage, such that the
Preburner stage at all
no longer necessarily be operated; in a preferred
Operation of the inventive
Gasturbo group, the burners of Vorbrennerstufe still remain on
a minimum power to ensure a stable own operation
switched on, which is very advantageous in transient operating states,
as detailed below
is described.
Beim
Betrieb der erfindungsgemässen
Gasturbogruppe ist es sehr von Vorteil, wenn die katalytische Stufe
beim Anfahren bei einem thermischen Leistungsumsatz in Betrieb genommen
wird, der bereits bei einer unterhalb der Nenndrehzahl der Gasturbogruppe
liegenden Drehzahl vorliegt. Daraus folgt, dass im Betrieb der Gasturbogruppe
bei Nenndrehzahl, und bevorzugt auch bei Abweichungen von der Nenndrehzahl
innerhalb gewisser Grenzen, die katalytische Stufe vom Leerlaufbetrieb
der Gasturbogruppe bis zur Volllast in allen Lastzuständen in
Betrieb ist. Das bedeutet mit anderen Worten, dass die katalytische
Stufe bereits vor dem Erreichen der netzsynchronen Drehzahl in Betrieb
genommen wird, und erst beim Abstellen der Gasturbogruppe wieder ausser
Betrieb genommen wird, dazwischen aber fortwährend in Betrieb ist. Temperaturwechselbeanspruchungen
des Katalysators werden damit auf ein Minimum beschränkt. Wenn
die Maschinendrehzahl, bei welcher die katalytische Stufe in Betrieb
genommen wird, bevorzugt bei etwa 60% bis 85%, insbesondere 60%
bis 75% der Nenndrehzahl liegt, erweist sich dies als besonders
günstig.
Der Abstand der Einschaltdrehzahl von der Nenndrehzahl von 15% oder
25% bis 40% gewährleistet,
dass die katalytische Stufe auch bei Frequenzschwankungen eines
Elektrizitätsnetzes
und insbesondere bei instationären
Vorgängen
wie beispielsweise beim Abfangen einer Überdrehzahl zuverlässig in
Betrieb bleibt. Auch beim Leerlaufbetrieb und beim Betrieb im unteren
Lastbereich befindet sich die katalytische Brennerstufe im Gegensatz
zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren fortwährend im
Betrieb. Die Maschinenregelung muss daher gerade bei geringer Last
keine Schalttransienten auffangen, und starke Temperaturwechselbeanspruchungen
des Katalysators werden vermieden.When operating the novel gas turbine group, it is very advantageous if the katalyti tion stage is taken when starting at a thermal power conversion in operation, which is already at a below the rated speed of the gas turbine engine speed. It follows that during operation of the gas turbine group at nominal speed, and preferably also in the case of deviations from the rated speed, within certain limits, the catalytic stage is in operation from idle operation of the gas turbine group to full load in all load states. In other words, this means that the catalytic stage is put into operation before reaching the grid-synchronous speed, and is taken out of service only when the gas turbine group is switched off, but is constantly in operation. Temperature cycling of the catalyst are thus limited to a minimum. If the engine speed at which the catalytic stage is put into operation, preferably at about 60% to 85%, in particular 60% to 75% of the rated speed, this proves to be particularly favorable. The distance of the starting speed from the rated speed of 15% or 25% to 40% ensures that the catalytic stage remains reliably in operation even with frequency fluctuations of an electricity network and in particular in unsteady operations such as overspeeding. Even in idle mode and operation in the lower load range, the catalytic burner stage is in continuous operation, in contrast to the known from the prior art method. The machine control therefore does not have to absorb switching transients, especially at low load, and strong thermal cycling of the catalyst is avoided.
Die
Aufteilung der Brennstoffmenge auf die katalytische Brennerstufe
und die dieser nachgeschaltete nichtkatalytische Brennerstufe kann
auf verschiedene Weisen erfolgen. In einer ersten Betriebsweise
wird eine weitere Leistungssteigerung alleine durch eine Erhöhung der
der katalytischen Stufe zugeführten
Brennstoffmenge erreicht, solange, bis die Temperatur am Austritt
aus der katalytischen Stufe wenigstens näherungsweise der maximal zulässigen Temperatur
der katalytischen Stufe entspricht. Das heisst, der schadstoffarme
Betrieb der katalytischen Stufe wird über einen maximalen Betriebsbereich
genutzt. Die zweite, nichtkatalytische Brennerstufe wird beim Erreichen
einer Schwellentemperatur am Austritt aus der katalytischen Brennerstufe
gezündet,
welche wenigstens näherungsweise
der maximal dauerhaft zulässigen
Temperatur der katalytischen Brennerstufe entspricht. In einer zweiten
vorteilhaften Betriebsweise wird die zweite, nichtkatalytische Brennerstufe
bereits vor Erreichen dieser maximal zulässigen Temperatur in Betrieb
genommen, und mit einer wenigstens für einen stabilen und sicheren
Betrieb ausreichenden Brennstoffmenge versorgt. Damit kann über die
nichtkatalytische Brennerstufe besser auf schnelle Leistungsänderungen
reagiert werden. Insbesondere wird die zweite nichtkatalytische
Brennerstufe beim Erreichen oder Überschreiten einer Schwellentemperatur
am Austritt aus der katalytischen Stufe in Betrieb genommen, welche
wenigstens der minimal erforderlichen Eintrittstemperatur für den Betrieb
einer selbstzündenden
Brennkammer entspricht. In einer praktisch zu bevorzugenden Betriebsweise
wird die Schwellentemperatur zwischen den beiden genannten Temperaturen
festgelegt; damit ist eine hinreichend grosse Sicherheitsmarge sowohl
gegen ein Verlöschen
einer selbstzündenden
zweiten nichtkatalytischen Brennerstufe als auch ein Überhitzen
der katalytischen Brennerstufe gewährleistet.The
Distribution of the fuel quantity to the catalytic burner stage
and this downstream non-catalytic burner stage can
done in different ways. In a first mode of operation
will be another increase in performance alone by increasing the
fed to the catalytic stage
Fuel quantity reached, until the temperature at the outlet
from the catalytic stage at least approximately the maximum allowable temperature
corresponds to the catalytic stage. That is, the low-emission
Operation of the catalytic stage is over a maximum operating range
used. The second, non-catalytic burner stage is reached upon reaching
a threshold temperature at the exit from the catalytic burner stage
ignited
which at least approximately
the maximum permissible
Temperature of the catalytic burner stage corresponds. In a second
advantageous operation is the second, non-catalytic burner stage
already in operation before reaching this maximum permissible temperature
taken, and with one at least for a stable and safe
Operation supplied sufficient amount of fuel. This can be about the
non-catalytic burner stage better at rapid power changes
be reacted. In particular, the second non-catalytic
Burner stage when reaching or exceeding a threshold temperature
commissioned at the exit from the catalytic stage, which
at least the minimum required inlet temperature for operation
a self-igniting
Combustion chamber corresponds. In a practically preferable mode of operation
is the threshold temperature between the two temperatures mentioned
set; thus, a sufficiently large margin of safety is both
against a go out
a self-igniting
second non-catalytic burner stage as well as overheating
ensures the catalytic burner stage.
Auch
hinsichtlich der Regelung einer verstellbaren Vorleitreihe sind
verschiedene Betriebsweisen denkbar. Im Teillastbereich wird eine
steigende Leistung der Gasturbogruppe bevorzugt durch eine Steigerung
der der katalytischen Stufe zugeführten Brennstoffmenge erreicht.
Das heisst, wenn eine Regelabweichung der Leistung vorliegt, wobei
die Soll-Leistung über
der Ist-Leistung liegt, wird die Brennstoffmenge zur katalytischen
Stufe erhöht,
und umgekehrt. Dabei erhöht
sich die Austrittstemperatur aus der katalytischen Brennerstufe.
Falls das Gesamt-Fahrkonzept der Gasturbogruppe, insbesondere auch
die weiteren massgeblichen Temperaturen und Drücke, dies zulassen, wird dabei
eine verstellbare Vorleitreihe soweit möglich geschlossen gehalten.
Grundsätzlich
sind bei der weiteren Leistungserhöhung zwei Betriebsarten sinnvoll
und möglich:
Einerseits wird die Vorleitreihe geschlossen gehalten, und die der
katalytischen Brennerstufe zugeführte Brennstoffmenge
wird erhöht,
bis die Temperatur am Austritt aus dem Katalysator einem Zielwert,
insbesondere näherungsweise
der maximal zulässigen Temperatur,
entspricht. Eine weitere Leistungssteigerung wird durch Erhöhung der
Brennstoffzufuhr zur katalytischen Brennerstufe erreicht, wobei
deren Austrittstemperatur durch eine Verstellung der Vorleitreihe
konstantgehalten wird. Erst, wenn die Vorleitreihe vollständig geöffnet ist,
wird die Brennstoffzufuhr zur zweiten Brennerstufe erhöht. Dieser
Betriebsmodus gewährleistet
im Allgemeinen den schadstoffärmsten
Teillastbetrieb. Abhängig
von den speziellen Randbedingungen, insbesondere beim Betrieb in
einer Kombianlage, kann es aber auch hinsichtlich des Wirkungsgrades
sehr vorteilhaft sein, nachdem bei geschlossener Vorleitreihe ein
Zielwert für
die Austrittstemperatur der katalytischen Stufe erreicht ist zunächst die
Brennstoffzufuhr zur nichtkatalytischen zweiten Brennerstufe zu
erhöhen,
und dabei die Vorleitreihe geschlossen zu halten, bis entweder die
Turbineneintrittstemperatur oder die Turbinenaustrittstemperatur
einen Maximalwert erreicht. Die Brennstoffzufuhr der katalytischen
Stufe wird dabei auf eine Konstanthaltung der Austrittstemperatur auf
einem Sollwert geregelt. Weiterhin wird dann durch ein Öffnen der Vorleitreihe
auf an sich bekannte Weise die Leistung weiterhin gesteigert, wobei
diese auf bekannte und an anderen Orten ausführlich beschriebene Weise so
geregelt wird, dass entweder die Turbineneintrittstemperatur oder
die Turbinenaustrittstemperatur auf ihrem Maximalwert bleiben. Die
gesamte Brennstoffmenge wird dabei in Abhängigkeit von der Regelabweichung
der Leistung eingestellt. Dabei wird immer soviel Brennstoff zur
Vorbrennerstufe geleitet, wie nötig
ist, um die mindesterforderliche Eintrittstemperatur der katalytischen
Stufe aufrechtzuerhalten, oder gegebenenfalls, um die Vorbrennerstufe
eben im stabilen Betrieb zu halten; die Brennstoffmenge der katalytischen
Stufe wird so geregelt, dass die Austrittstemperatur konstant auf
dem Sollwert bleibt, und der darüber
hinausgehende Anteil der gesamten Brennstoffmenge wird der nichtkatalytischen
zweiten Brennerstufe zugeführt.
Des Weiteren können
zur Anpassung der Leistung auch andere an sich bekannte Massnahmen,
wie die Kühlung der
Verdichter-Ansaugluft, eine Zwischenkühlung im Verdichter, oder auch
eine Einbringung von Dampf oder Wasser in die Turbine oder stromauf
der Turbine herangezogen werden.Also with regard to the regulation of an adjustable Vorleitreihe different modes are conceivable. In the partial load range, an increasing power of the gas turbine group is preferably achieved by increasing the amount of fuel supplied to the catalytic stage. That is, if there is a performance error with the target power above the actual power, the amount of fuel is increased to the catalytic level, and vice versa. In this case, the outlet temperature increases from the catalytic burner stage. If the overall driving concept of the gas turbine group, in particular the other relevant temperatures and pressures, allow this, an adjustable Vorleitreihe is kept closed as much as possible. Basically, two modes are useful and possible in the further power increase: On the one hand, the Vorleitreihe is kept closed, and the catalytic burner stage supplied amount of fuel is increased until the temperature at the outlet from the catalyst corresponds to a target value, in particular approximately the maximum allowable temperature. A further increase in performance is achieved by increasing the fuel supply to the catalytic burner stage, wherein the outlet temperature is kept constant by adjusting the Vorleitreihe. Only when the Vorleitreihe is fully open, the fuel supply to the second burner stage is increased. This operating mode generally ensures the lowest-pollution partial load operation. Depending on the particular boundary conditions, in particular when operating in a combined plant, but it may also be very advantageous in terms of efficiency, after a target value for the outlet temperature of the catalytic stage is reached in closed Vorleitreihe is first to increase the fuel supply to the non-catalytic second burner stage, and thereby keep the pilot row closed until either the turbine inlet temperature or the turbine outlet temperature reaches a maximum value. The fuel supply of the catalytic stage is regulated to a constant maintenance of the outlet temperature to a desired value. Furthermore, then by opening the Vorleitreihe in a known per se, the performance is further increased, this being controlled in known and other locations detailed manner so that either the turbine inlet temperature or the turbine outlet temperature remain at their maximum value. The total amount of fuel is adjusted depending on the control deviation of the power. In doing so, as much fuel is always directed to the preburner stage as is necessary to maintain the minimum required inlet temperature of the catalytic stage or, if necessary, to keep the preburner stage in steady state operation; the amount of fuel of the catalytic stage is controlled so that the exit temperature remains constant at the target value, and the further portion of the total amount of fuel is supplied to the non-catalytic second burner stage. Furthermore, other measures known per se, such as the cooling of the compressor intake air, an intermediate cooling in the compressor, or also an introduction of steam or water into the turbine or upstream of the turbine can be used to adjust the power.
Die
katalytische Brennerstufe sowie die dieser Brennerstufe zugeführte Brennstoffmenge
werden auf eine Austrittstemperatur von beispielsweise 900°C bis 950°C ausgelegt.
Die gesamte Verbrennung kann somit innerhalb des Katalysators dieser Brennerstufe
stattfinden. Die Brennstoffmenge wird dabei so eingestellt, dass
die Austrittstemperatur stets kleiner als die maximal zulässige Temperatur des
Katalysators ist. Auf diese Weise wird ein Flammenrückschlag
vermieden und der Katalysator kann auch etwas länger dimensioniert sein als
im Auslegungspunkt minimal erforderlich. Die Verbrennung ist besser
kontrolliert, so dass der Betrieb bei Off-Design Betriebspunkten
dadurch erleichtert wird. Weiterhin sind Variationen der Brennstoffeigenschaften
unproblematisch und die Wahl des Katalysatormaterials ist freier.The
catalytic burner stage and the amount of fuel supplied to this burner stage
are designed for an outlet temperature of, for example, 900 ° C to 950 ° C.
The entire combustion can thus be within the catalyst of this burner stage
occur. The amount of fuel is adjusted so that
the outlet temperature is always lower than the maximum permissible temperature of the
Catalyst is. In this way, a flashback
avoided and the catalyst can also be dimensioned slightly longer than
Minimum required at the design point. The burning is better
controlled, allowing operation at off-design operating points
is facilitated. Further, variations of fuel properties
unproblematic and the choice of catalyst material is more free.
Kurze Beschreibung der
ZeichnungenShort description of
drawings
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Im
Einzelnen zeigen:The
Invention will now be described with reference to the drawing
embodiments
explained in more detail. in the
Show individual:
1 ein Beispiel für eine erfindungsgemässe Gasturbogruppe; 1 an example of a gas turbine group according to the invention;
2 einen beispielhaften Verlauf
der den unterschiedlichen Brennerstufen zugeführten Brennstoffmengen in Abhängigkeit
von der relativen Drehzahl und der relativen Leistung der Gasturbogruppe; 2 an exemplary course of the fuel levels supplied to the different burner stages as a function of the relative speed and the relative power of the gas turbine group;
3 einen beispielhaften Verlauf
verschiedener Maschinenparameter bei einem Lastabwurf; und 3 an exemplary course of various machine parameters in a load shedding; and
4 ein weiteres Beispiel
für eine
erfindungsgemässe
Gasturbogruppe. 4 a further example of a gas turbine group according to the invention.
Wege zur Ausführung der
ErfindungWays to execute the
invention
In 1 ist eine Gasturbogruppe
dargestellt. Eine Turbine 4 und ein Verdichter 12 sind
auf einer gemeinsamen Welle 15 angeordnet. Auf dem gleichen
Wellenstrang ist weiterhin ein Generator 13 angeordnet.
Der Verdichter 12 saugt Luft 21 aus der Umgebung
an und verdichtet diese. Der Verdichter 12 weist weiterhin
eine verstellbare Vorleitreihe 121 auf. Deren Position
bestimmt im Wesentlichen den Ansaugvolumenstrom und damit bei vorgegebener Umgebungstemperatur
und vorgegebenem Umgebungsdruck den Luftmassenstrom der Gasturbogruppe.In 1 is a gas turbine group shown. A turbine 4 and a compressor 12 are on a common wave 15 arranged. On the same shaft train is still a generator 13 arranged. The compressor 12 sucks air 21 from the environment and compacts them. The compressor 12 also has an adjustable Vorleitreihe 121 on. Their position essentially determines the intake volume flow and thus at a given ambient temperature and given ambient pressure the air mass flow of the gas turbine group.
Verdichtete
Luft 22 wird zu einer unten noch im Detail erläuterten
Brennkammer geführt.
Wie ersichtlich ist, wird die verdichtete Luft vorgängig der Einleitung
in die Brennkammer im Gegenstrom zu dem Heissgas innerhalb der Brennkammer
an deren Aussenwänden
vorbeigeführt.
Dabei wird die Brennkammerstruktur konvektiv gekühlt und die im Nachgang der
Verbrennung zugeführte
Luft wird vorgewärmt.
In der Brennkammer wird, wie unten ausgeführt, wenigstens eine Brennstoffmenge
in der verdichteten luft verbrannt. Heisses gespanntes Rauchgas 24 strömt aus der
Brennkammer ab und tritt mit der Turbineneintrittstemperatur T3 in die Turbine 4 ein, wo der Rauchgasmassenstrom
unter Abgabe einer Leistung entspannt wird. Das aus der Turbine
abströmende
Abgas 25 weist noch eine hohe Turbinenaustrittstemperatur
T4 von beispielsweise 500°C und darüber auf.
Dieses Abwärmepotenzial
wird bevorzugt auf an sich bekannte Weise genutzt, beispielsweise
zur Dampferzeugung in einem Abhitzedampferzeuger. Die bei der Entspannung
des Rauchgases erzeugte Leistung wird zum Antrieb des Verdichters 12 und
des Generators 13 verwendet. Der Generator erzeugt eine
mechanische Nutzleistung PACT. Ein Entsprechendes
Messsignal wird zu einem Regler 31 geführt, und dort mit der Soll-Leistung
PSET verglichen. Ausgehend von der Regelabweichung
der Leistung, PSET–PACT,
wird eine Gesamtbrennstoffmengen-Stellgrösse YFUEL gebildet.
Ein Weiterer Regler 35 erfasst verschiedene Temperaturmesswerte.
Die dort erfassten Temperaturen werden auf Sollwerte eingeregelt
oder auf Maximalwerte begrenzt, indem über eine Stellgrösse YVIGV die Position der verstellbaren Vorleitreihe 121 gesteuert
wird. Die Brennkammer umfasst einen Vorbrenner 1, welcher bevorzugt,
aus Gründen
der Stabilität
des Betriebs, als Diffusionsbrenner ausgeführt ist. Ein Teil des Verbrennungsluftstroms
wird über
den Vorbrenner geführt.
Es schliesst sich eine Mischsektion 14 an, welche vorliegend
als Drallerzeuger in der Art des Drallerzeugers des aus EP 321 809 bekannten Brenners
ausgeführt
ist. Dort wird der erste, über
den Vorbrenner 1 geführte
Luftstrom 26 mit der verdrallten weiteren Verbrennungsluft
vermischt. Stromab der Mischstrecke schliesst sich eine katalytische
Brennerstufe 2 an. An die katalytische Stufe schliesst
sich eine als selbstzündende
Brennkammer der aus EP 669 500 bekannten
Art ausgeführte
nichtkatalytische zweite Brennerstufe an. Aus der katalytischen
Stufe abströmendes
Fluid strömt
mit hoher Geschwindigkeit in einen Strömungskanal ein, in dem Wirbelerzeuger 11,
insbesondere der aus CH 688868 bekannten
Art, und eine Brennstofflanze 5 angeordnet sind. Der Kanal
mündet
mit einer sprunghaften Querschnittserweiterung in einem Brennraum 6,
aus dem das Fluid 24 schliesslich zur Turbine 4 abströmt. Zur Funktion
der katalytischen Brennkammer muss die Temperatur T1 an
deren Eintritt einen bestimmten Mindestwert von beispielsweise 450°C erreichen.
Im Betrieb einer modernen Gasturbine liegt eine solche Temperatur
im Lastbetrieb häufig
ohnehin am Verdichteraustritt vor, wenn der Verdichter ohne Kühlung arbeitet.
Die Umströmung
der Brennkammer tut ein Übriges
zur Erwärmung
der Verbrennungsluft vor dem Einströmen in die Brennkammer. Für einen
zuverlässigen
Betrieb muss aber die Einhaltung der Mindesttemperatur stromauf
des Katalysators unter allen Umständen gewährleistet werden. Ein Teilstrom ṁP der gesamten Brennstoffmenge ṁFUEL wird daher über ein Stellorgan 16 dem
Vorbrenner 1 zugemessen. Das Stellorgan 16 wird
in Abhängigkeit
von einer Steuergrösse
YP eingestellt. Die Temperatur T1 am Eintritt in die katalytische Stufe wird
bestimmt und zu einem Regler 32 geführt. Der Regler 32 vergleicht den
Temperatur-Istwert T1 mit dem Mindestwert
TMIN und bildet daraus die Stellgrösse YP. Es wird daher sichergestellt, dass stets
eine mindest notwendige Eintrittstemperatur am Eintritt der katalytischen
Brennkammer vorliegt. Die Regelung der Brennstoffmenge des Vorbrenners
erfolgt bevorzugt so, dass auch bei einer Eintrittstemperatur der
Verbrennungsluft, welche an sich schon den notwendigen Mindestwert überschreitet,
immer eine Mindestbrennstoffmenge zugeführt wird, derart, dass der
Vorbrenner 1 während
des gesamten Betriebes der Gasturbogruppe im Betrieb ist, auch,
wenn dies an sich nicht zwingend notwendig ist. Eine solche Betriebsweise
erhöht
zwar die Stickoxidemissionen der Gasturbogruppe. Dieser Nachteil
wird aber durch betriebstechnische Vorteile wieder ausgeglichen.
Wenn die Gasturbogruppe beispielsweise bei Volllast betrieben wird,
ist der Betrieb des Vorbrenners 1 typischerweise nicht
notwendig. Bei einem schnellen Entlasten oder gar einem Lastabwurf
fällt die
Temperatur der zuströmenden Verbrennungsluft 23 sehr
schnell unter den Mindestwert, und der Betrieb des Vorbrenners 1 wird
wieder absolut notwendig. Hierbei ist es von Vorteil, wenn nur dessen
thermische Leistung erhöht
werden muss, anstatt die Flamme des Vorbrenners in einem ohnehin
transienten Betriebszustand erst wieder zünden zu müssen. Das von dem Vorbrenner 1 erzeugte
Heissgas 26 wird in der Mischsektion 14 mit der
weiteren Verbrennungsluft vermischt. Ein weiterer Teil ṁC des Brennstoffmassenstroms wird der derart
erhitzten Verbrennungsluft stromauf der katalytischen Brennkammer 2 zugemischt.
Diese Zumischung muss einerseits so erfolgen, dass beim Eintritt
in den Katalysator ein möglichst
homogenes Brennstoff-Luft-Gemisch vorliegt, und andererseits derart,
dass es zu keiner Zündung
und Flammenstabilisierung des Brennstoffs in dem heissen Gas kommt.
Selbstverständlich
kann in dem Katalysator nicht beliebig viel Brennstoff umgesetzt
werden, da dessen maximal zulässige
Temperatur begrenzt ist. Zur Zumessung der Brennstoffmenge ṁC zum Katalysator dient ein Stellorgan 17,
welches mit der Stellgrösse
YC vom Regler 33 aus angesteuert
wird. Der Regler 33 erhält
als Eingangsgrösse
eine auf geeignete Weise ermittelte Temperatur T2 am
Austritt des Katalysators. Dabei kann die Brennstoffmenge ṁC des Katalysators so eingeregelt werden,
dass die Temperatur T2 einen zulässigen Maximalwert
TMAX von zum Beispiel 1000°C nicht überschreitet,
die vom Katalysator im Dauerbetrieb ertragen werden kann. Diese
Temperatur muss zwangsläufig
grösser
sein als die zum Betrieb der selbstzündenden Brennkammer 6 notwendige
Mindesttemperatur. Dieser Betrieb ist schadstoffarm, da eine maximal
mögliche
Brennstoffmenge katalytisch umgesetzt wird. Eine von der Stellgrösse YFUEL angeforderte Soll-Gesamtbrennstoffmenge, welche den insgesamt
vom Vorbrenner und vom Katalysator umsetzbaren Massenstrom überschreitet,
wird vom Regler 34 erfasst, welcher daraus die Stellgrösse YSEV bildet. Diese wirkt wiederum auf das
Stellorgan 18, und steuert damit den Brennstoffmassenstrom ṁSEV, welcher der selbstzündenden Brennkammer 6 über die
Brennstofflanze 5 zugeführt
wird. Eine andere Betriebsweise wäre, bereits beim Erreichen
einer minimal notwendigen Eintrittstemperatur der selbstzündenden
Brennkammer von zum Beispiel 900°C
die Brennstoffmenge ṁC zu begrenzen,
und den weiteren Teil der Gesamt-Brennstoffmenge ṁFUEL der selbstzündenden Brennkammer 6 zuzuleiten.
Dieser Betriebszustand ist zwar tendenziell mit mehr Emissionen
behaftet, bietet aber mehr Möglichkeiten
für schnellere
Regeleingriffe, da die thermische Leistung der nichtkatalytischen
Brennerstufe im Allgemeinen schneller regelbar ist als die des Katalysators.
Ganz entscheidend ist es aber im vorliegenden Beispiel, das Stellorgan 18 vollständig geschlossen
zu halten, solange die für
den Betrieb einer selbstzündenden
Brennkammer erforderliche Mindesttemperatur noch nicht erreicht
ist. In der Praxis liegen die beiden Temperaturen mit den heutzutage
verwendeten Katalysatoren jedoch relativ nahe beieinander, so, dass
nur in einem vergleichsweise kleinen Temperaturbereich für T2 ein sicherer Betrieb sowohl der katalytischen
Brennerstufe 2 als auch der selbstzündenden Brennkammer 6 möglich ist.
Es ist daher von Vorteil, einen Sollwert für T2 festzulegen, der
einerseits um eine Sicherheitsmarge oberhalb der Mindest-Eintrittstemperatur
der selbstzündenden Brennkammer 6 liegt,
und andererseits um eine Sicherheitsmarge unterhalb der dauerhaft
zulässigen Temperatur
der katalytischen Stufe 2. Unter Zugrundelegung der oben
angegebenen Temperaturen wäre
hier ein Temperaturbereich von beispielsweise 950°C bis 980°C günstig; abhängig vom
verwendeten Katalysatormaterial und dem Brennstoff können sich
auch abweichende Temperaturbereiche als günstig erweisen. Der Betrieb
erfolgt also im Zusammenspiel der Regler 31, 33 und 34 derart,
dass bei einer Temperatur T2 unterhalb eines
Schwellenwertes zunächst
nur der katalytischen Brennerstufe Brennstoff zugeführt wird.
Bei Erreichen des Temperaturschwellenwertes regelt Regler 33 über die
Stellgrösse
YC die der katalytischen Stufe zugeführte Brennstoffmenge ṁC so, dass die Temperatur T2 auf
einem Sollwert verharrt, und ein überschreitender Teil der Gesamtbrennstoffmenge
wird vom Regler 34 registriert, welcher über die
Stellgrösse
YSEV auf das Stellorgan 18 eingreift
und den weder im Vorbrenner noch in der katalytischen Stufe umsetzbaren
Brennstoff der nichtkatalytischen Brennerstufe zuleitet. Die Austrittstemperatur
aus der katalytischen Brennerstufe kann weiterhin auch im Vorleitreihenregler 35 ausgewertet
und für
Regeleingriffe auf die Position der verstellbaren Vorleitreihe 121 verwendet
werden. Dabei kann zwischen zwei grundsätzlich unterschiedlichen Betriebsmoden
der Vorleitreihenregelung unterschieden werden, nämlich einem
wirkungsgradoptimierten und einem schadstoffoptimierten Betriebsmodus. Der
wirkungsgradoptimierte Betriebsmodus ist aus dem Stand der Technik
an sich wohlbekannt und läuft folgendermassen
ab: Der Vorleitreihenregler 35 erfasst auf geeignete Weise
die Temperaturen T3 vor und T4 nach
der Turbine. Im unteren Teillastbereich wird die verstellbare Vorleitreihe
geschlossen gehalten. Auf diese Weise steigt die Temperatur T4 nach der Turbine mit steigender Leistung
der Gasturbogruppe sehr schnell an, wodurch bereits bei vergleichsweise
geringer Leistung eine Temperatur erreicht wird, der es erlaubt,
in einem nachgeschalteten Abhitzedampferzeuger qualitativ hochwertigen Frischdampf
eines bestimmten Druckes und einer bestimmten Überhitzung zu erzeugen, der
beispielsweise den Betrieb einer Dampfturbine erlaubt. Beim Erreichen
eines Sollwertes der Turbinenaustrittstemperatur T4 wird
die Vorleitreihe geöffnet,
und die Temperatur wird konstantgehalten. Gleichzeitig wird die Turbineneintrittstemperatur
T3 überwacht.
Wenn diese einen zulässigen
Maximalwert erreicht, löst
die Turbineneintrittstemperatur T3 die Turbinenaustrittstemperatur
T4 als Leitgrösse der Regelung ab, umd wird
bis zum Erreichen der Volllast, bei maximaler Turbineneintrittstemperatur
und vollständig
geöffneter
Vorleitreihe, konstantgehalten. Dieser Betrieb gewährleistet
einen besten Wirkungsgrad, insbesondere beim Kombibetrieb, da über einen
weiten Betriebsbereich der Gasturbogruppe günstige Frischdampfdaten einer
von einem nachgeschalteten Abhitzedampferzeuger angespiesenen Dampfturbine
gewährleistet
werden. In einem emissionsoptimierten Betrieb wird im Teillastbereich
die Katalysator-Austrittstemperatur T2 als
Leitgrösse
für die
Vorleitreihenverstellung verwendet: Sobald diese den Sollwert erreicht,
wird die Vorleitreihe geöffnet.
Die dadurch bewirkte Steigerung des Verbrennungsluftmassenstroms
erlaubt eine Steigerung des Brennstoffmassenstroms ṁC der katalytischen Stufe, ohne dass eine
zulässige
Maximal-Austrittstemperatur TMAX überschritten
wird. Es ist damit möglich,
eine maximale Menge an Brennstoff emissionsarm in der katalytischen
Stufe umzusetzen. Die Temperatur T3 vor der
Turbine 4 bleibt dabei fortwährend vergleichsweise gering,
auf dem Wert T2, da stromab der katalytischen
Stufe nicht mehr gefeuert wird. Erst wenn die Vorleitreihe 121 vollständig geöffnet ist,
kann die Brennstoffmenge der katalytischen Stufe nicht mehr weiter
gesteigert werden, und die nichtkatalytische Brennerstufe wird zur
weiteren Leistungssteigerung in Betrieb genommen, bis die Turbineneintrittstemperatur
T3 ihren zulässigen Maximalwert erreicht,
und damit die Maximalleistung der Gasturbogruppe erreicht wird.
Dieser Betrieb zeichnet sich dadurch aus, dass über einen weiten Betriebsbereich
die gesamte Brennstoffmenge nahezu emissionsfrei in der katalytischen
Brennerstufe umgesetzt wird, und auch bis zum Vollastbetriebspunkt
ein schadstoffärmerer
Betrieb gewährleistet
ist als im wirkungsgradoptimierten Betriebsmodus. Im Gegenzug bleibt die
Temperatur T4 nach der Turbine über einen
weiten Betriebsbereich niedrig, und zwar zu niedrig, um in einem
der Turbine nachgeordneten Abhitzedampferzeuger Frischdampf für einen
effizienten Betrieb einer Dampfturbine im Kombibetrieb zu erzeugen.
Dadurch, dass die Katalysatoraustrittstemperatur in keinem Betriebsmodus
zur Leistungsregelung im oberen Lastbereich herangezogen werden
muss, und unabhängig
vom Maschinenbetriebspunkt die vorteilhafte Möglichkeit besteht, den Katalysator
stets etwas unterhalb der zulässigen
Maximaltemperatur zu betreiben, besteht keine Gefahr eines Flammenrückschlags,
und der Katalysator kann etwas länger
ausgeführt
werden, als dies an sich notwendig wäre. Dies resultiert in einer
besser kontrollierten Verbrennung, und in einem besseren Betriebsverhalten
abseits vom Auslegungspunkt. Weiterhin besteht eine grössere Freiheit
bei der Wahl des Katalysatormaterials, was unter Anderem zu einem
wesentlichen Kostenvorteil führen
kann, und die Bandbreite der umsetzbaren Brennstoffe wird grösser, ohne
ein erhöhtes
Flammenrückschlagsrisiko
in Kauf nehmen zu müssen.Compressed air 22 is guided to a combustion chamber explained in detail below. As can be seen, the compressed air is passed past the introduction into the combustion chamber in countercurrent to the hot gas within the combustion chamber on the outer walls. In this case, the combustion chamber structure is convectively cooled and the air supplied after the combustion air is preheated. In the combustion chamber, as explained below, at least one amount of fuel in the compressed air is burned. Hot stretched flue gas 24 flows out of the combustion chamber and enters the turbine with the turbine inlet temperature T 3 4 a, where the flue gas mass flow is released while delivering a power. The effluent from the turbine exhaust 25 still has a high turbine outlet temperature T 4, for example, 500 ° C and above. This waste heat potential is preferably used in a manner known per se, for example for steam generation in a heat recovery steam generator. The power generated during the expansion of the flue gas is used to drive the compressor 12 and the generator 13 used. The generator generates a mechanical power P ACT . A corresponding measurement signal becomes a regulator 31 guided, and there compared with the target power P SET . Based on the performance error , P SET -P ACT , a total fuel quantity manipulated variable Y FUEL is formed. Another controller 35 captures different temperature readings. The temperatures recorded there are adjusted to set values or limited to maximum values by using a manipulated variable Y VIGV to set the position of the adjustable preliminary row 121 is controlled. The combustion chamber includes a preburner 1 which is preferred, for reasons of stability of operation, designed as a diffusion burner. Part of the combustion air flow is passed through the pilot burner. It concludes a mixing section 14 on, wel che present as a swirl generator in the manner of the swirl generator of EP 321 809 known burner is executed. There will be the first, above the preburner 1 guided airflow 26 mixed with the twisted further combustion air. Downstream of the mixing section closes a catalytic burner stage 2 at. At the catalytic stage closes as a self-igniting combustion chamber of EP 669,500 known type executed non-catalytic second burner stage. Fluid flowing out of the catalytic stage flows at high velocity into a flow channel in the vortex generator 11 , especially the CH 688868 known type, and a fuel lance 5 are arranged. The channel opens with a sudden cross-sectional widening in a combustion chamber 6 from which the fluid 24 finally to the turbine 4 flows. For the function of the catalytic combustion chamber, the temperature T 1 must reach a certain minimum value, for example, 450 ° C at the entrance. In the operation of a modern gas turbine, such a temperature is often already present in the load operation at the compressor outlet when the compressor operates without cooling. The flow around the combustion chamber does the rest to heat the combustion air before flowing into the combustion chamber. For reliable operation, however, compliance with the minimum upstream catalyst temperature must be ensured under all circumstances. A partial flow ṁ P of the total amount of fuel ṁ FUEL is therefore via an actuator 16 the pre-burner 1 meted out. The actuator 16 is set in dependence on a control quantity Y P. The temperature T 1 at the inlet to the catalytic stage is determined and to a controller 32 guided. The regulator 32 compares the actual temperature value T 1 with the minimum value T MIN and forms the manipulated variable Y P from this . It is therefore ensured that there is always a minimum necessary inlet temperature at the inlet of the catalytic combustion chamber. The regulation of the fuel quantity of the preburner is preferably carried out so that even at an inlet temperature of the combustion air, which already exceeds the necessary minimum value, always a minimum amount of fuel is supplied, such that the preburner 1 during the entire operation of the gas turbine group is in operation, even if this is not absolutely necessary. Although such an operation increases the nitrogen oxide emissions of the gas turbine group. This disadvantage is offset by operational advantages. For example, when the gas turbo group is operated at full load, the operation of the pre-burner is 1 typically not necessary. With a quick unloading or even a load shedding the temperature of the incoming combustion air drops 23 very fast below the minimum value, and the operation of the pre-burner 1 will be absolutely necessary again. It is advantageous if only its thermal performance must be increased, instead of having to ignite the flame of the preburner in an already transient operating state again. That of the pre-burner 1 generated hot gas 26 will be in the mixing section 14 mixed with the other combustion air. Another part ṁ C of the fuel mass flow is the thus heated combustion air upstream of the catalytic combustion chamber 2 admixed. On the one hand, this admixture must be such that, when entering the catalyst, the most homogeneous possible mixture of fuel and air is present and, on the other hand, such that there is no ignition and flame stabilization of the fuel in the hot gas. Of course, can not be implemented in the catalyst as much fuel because its maximum allowable temperature is limited. To meter the amount of fuel ṁ C to the catalyst is an actuator 17 , which with the manipulated variable Y C from the controller 33 is controlled from. The regulator 33 receives as an input variable a suitably determined temperature T 2 at the outlet of the catalyst. In this case, the amount of fuel ṁ C of the catalyst can be adjusted so that the temperature T 2 does not exceed a permissible maximum value T MAX of, for example, 1000 ° C, which can be sustained by the catalyst in continuous operation. This temperature must necessarily be greater than that for the operation of the self-igniting combustion chamber 6 necessary minimum temperature. This operation is low in emissions as a maximum possible amount of fuel is catalytically converted. A desired total fuel quantity required by the manipulated variable Y FUEL , which exceeds the total mass flow that can be converted by the pilot burner and the catalyst, is output by the controller 34 detects which of these forms the manipulated variable Y SEV . This in turn acts on the actuator 18 , and thus controls the fuel mass flow ṁ SEV , which is the self-igniting combustion chamber 6 over the fuel lance 5 is supplied. Another mode of operation would be to limit the fuel quantity ṁ C already when a minimum necessary inlet temperature of the self-igniting combustion chamber of, for example, 900 ° C. is reached, and the further part of the total fuel quantity ṁ FUEL of the self-igniting combustion chamber 6 be forwarded. While this mode of operation tends to involve more emissions, it offers more opportunities for faster control intervention because the thermal performance of the non-catalytic burner stage is generally faster than that of the catalyst. But it is very crucial in the present example, the actuator 18 keep completely closed, as long as the required for the operation of a self-igniting combustion chamber minimum temperature has not yet been reached. In practice, however, the two temperatures with the catalysts used today are relatively close to each other, so that only in a relatively small temperature range for T 2 safe operation of both the catalytic burner stage 2 as well as the self-igniting combustion chamber 6 is possible. It is therefore advantageous to set a target value for T 2 , on the one hand by a margin of safety above the minimum inlet temperature of the self-igniting combustion chamber 6 and, on the other hand, a safety margin below the permissible temperature of the catalytic stage 2 , On the basis of the above-indicated temperatures, a temperature range of, for example, 950 ° C. to 980 ° C. would be favorable here; Depending on the catalyst material and the fuel used, deviating temperature ranges may prove favorable. The operation thus takes place in the interaction of the controller 31 . 33 and 34 such that at a temperature T 2 below a threshold initially only the catalytic burner stage fuel is supplied. When the temperature threshold value is reached, the controller regulates 33 via the manipulated variable Y C, the amount of fuel ṁ C supplied to the catalytic stage such that the temperature T 2 remains at a desired value, and an exceeding portion of the total fuel quantity is supplied by the controller 34 registered, which via the manipulated variable Y SEV on the actuator 18 engages and fed to the non-catalytic burner stage convertible neither in the pre-burner nor in the catalytic stage. The outlet temperature from the catalytic burner stage can continue in Vorleitreihenregler 35 evaluated and for control interventions on the position of the adjustable Vorleitreihe 121 be used. It can be distinguished between two fundamentally different modes of operation of Vorleitreihenregelung, namely an efficiency-optimized and a pollutant-optimized mode of operation. The efficiency-optimized operating mode is well known from the prior art per se and runs as follows: The Vorleitreihenregler 35 appropriately detects the temperatures T 3 before and T 4 after the turbine. In the lower part load range, the adjustable Vorleitreihe is kept closed. In this way, the temperature rises T 4 after the turbine with increasing power of the gas turbine group very quickly, whereby even at comparatively low power, a temperature is reached, which allows in a downstream heat recovery steam generator high-quality live steam of a certain pressure and a certain overheating generate, for example, allows the operation of a steam turbine. Upon reaching a target value of the turbine outlet temperature T 4 , the Vorleitreihe is opened, and the temperature is kept constant. At the same time, the turbine inlet temperature T 3 is monitored. When this reaches a permissible maximum value, the turbine inlet temperature T 3 triggers the turbine outlet temperature T 4 as the control variable, and is held constant until full load is achieved at the maximum turbine inlet temperature and completely open pilot row. This operation ensures the best efficiency, especially in combined operation, since over a wide operating range of the gas turbine group favorable live steam data of a steam turbine attached by a downstream heat recovery steam generator are ensured. In emission-optimized operation, the catalyst outlet temperature T 2 is used in the partial load range as the reference variable for the pilot row adjustment: as soon as it reaches the setpoint, the pilot row is opened. The resulting increase in the combustion air mass flow allows an increase in the fuel mass flow ṁ C of the catalytic stage, without an allowable maximum outlet temperature T MAX is exceeded. It is thus possible to convert a maximum amount of fuel low emissions in the catalytic stage. The temperature T 3 in front of the turbine 4 remains constantly comparatively low, at the value T 2 , as is no longer fired downstream of the catalytic stage. Only when the Vorleitreihe 121 is fully opened, the fuel amount of the catalytic stage can no longer be increased, and the non-catalytic burner stage is taken for further performance increase until the turbine inlet temperature T 3 reaches its maximum permissible value, and thus the maximum output of the gas turbine group is achieved. This operation is characterized by the fact that over a wide operating range, the entire amount of fuel is almost emission-free implemented in the catalytic burner stage, and also up to the full load operating point a low-emission operation is guaranteed as in the efficiency-optimized mode of operation. In turn, the temperature T 4 remains low after the turbine over a wide operating range, and too low to produce live steam in an exhaust heat steam generator downstream of the turbine for efficient operation of a steam turbine in combined operation. The fact that the catalyst outlet temperature must not be used in any operating mode for power control in the upper load range, and regardless of the machine operating point has the advantageous possibility always to operate the catalyst slightly below the maximum permissible temperature, there is no risk of flashback, and the catalyst can run a little longer become as necessary in itself. This results in better controlled combustion and better performance away from the design point. Furthermore, there is a greater freedom in the choice of catalyst material, which, among other things, can lead to a significant cost advantage, and the range of convertible fuels is greater, without having to accept an increased risk of flashback risk.
In 2 ist in einer qualitativen
Darstellung ein beispielhafter Verlauf der Brennstoffmassenströme in den
verschiedenen Brennerstufen der in 1 dargestellten
Brennkammer in Abhängigkeit
von der relativen Drehzahl n/n ^, mit n ^ als Nenndrehzahl, und der relativen
Leistung P/P ^, mit der Volllastleistung P ^, gezeigt. Dabei handelt es
sich um eine schematische Darstellung, bei der nicht alle möglichen
Details der Brennstoffmassenstromverläufe dargestellt sind, sondern
die auf die Details fokussiert, die für das Verständnis der Erfindung wesentlich
sind. Die nach oben aufgetragenen Werte sind jeweils auf einen Referenzwert Y ^ bezogen
dargestellt. Auch handelt es sich nicht um Werte einer bestimmten
Maschine, sondern um den Betrieb einer fiktiven, aber durchaus repräsentativen
Gasturbogruppe. Die Zünddrehzahl der
Gasturbogruppe liegt bei rund 25% der Nenndrehzahl. Die gesamte
Brennstoffmenge wird zunächst
dem Vorbrenner zugeleitet, und über
dessen Befeuerung wird die Maschinendrehzahl weiter erhöht. Es ist
von grossenm Vorteil, wenn hier zunächst nur der Vorbrenner, bevorzugt
als Diffusionsbrenner, in Betrieb ist. Eine stabile Diffusionsflamme
reagiert am unempfindlichsten auf schnelle Regeleingriffe während der
Beschleunigungsphase, wie sie beispielsweise beim Schliessen der
Verdichter-Ausblaseventile auftreten. Bevorzugt erst dann, wenn
die Ausblaseventile geschlossen sind, aber noch unterhalb der Nenndrehzahl,
kommt die katalytische Brennerstufe in Betrieb. Dabei muss die Befeuerung
des Vorbrenners natürlich
bereits so stark sein, dass die erforderliche Eintrittstemperatur
der katalytischen Stufe oder von in den Betrieb zu nehmenden Segmenten
der katalytischen Stufe auf oder über dem Mindestwert liegt.
Im Beispiel wird die katalytische Stufe bei 75% der Nenndrehzahl
in Betrieb genommen. Diese Drehzahl liegt weit genug von der Nenndrehzahl
entfernt, damit die katalytische Stufe im Leerlaufbetrieb, oder
auch bei Unterdrehzahlen nach dem Abfangen eins Lastabwurfs, sicher
im Betrieb bleibt und keinen Schalttransienten ausgesetzt ist. Beim
weiteren Erhöhen
der Maschinendrehzahl kann auch die katalytische Stufe verstärkt zur
Feuerungsleistung beitragen, weshalb deren Brennstoffmassenstrom ṁC steigt. Da mit steigender Maschinendrehzahl
auch die Luftmenge steigt, andererseits aber die Temperatur vor
der katalytischen Stufe gehalten werden muss, steigt auch der Brennstoffmassenstrom
der Vorbrennerstufe ṁP weiter an.
Ab der Nenndrehzahl beginnt die Gasturbogruppe Leistung aufzunehmen.
Im Ausführungsbeispiel
erfolgt die gesamte Leistungsaufnahme im Lastbereich bis etwa 20%
Relativleistung durch die katalytische Brennerstufe. Erst später wird
die nichtkatalytische zweite Brennerstufe durch Zufuhr einer Brennstoffmenge ṁSEV in Betrieb genommen. Wie oben dargelegt, hängt die
Inbetriebnahme einer selbstzündenden zweiten
Brennkammer in erster Linie von der Temperatur nach der katalytischen
Stufe ab. Es ist daher an sich eine Frage der Dimensionierung der
Brennerstufen, wann die zweite Brennkammer tatsächlich in Betrieb zu nehmen
sei. Es ist jedoch von Vorteil, wenn dieses erst bei einer Leistung
erfolgt, die oberhalb der im Lastbetrieb möglichen Minimalleistung der Gasturbogruppe
liegt, um während
des Synchronisiervorgangs nicht mit Schaltvorgängen der Brenner konfrontiert
zu werden. In einer weiteren, nicht dargestellten vorteilhaften
Betriebsvariante wird bis in einen Bereich zwischen 5 und 10% relativer
Leistung die Brennstoffmenge ṁC der
katalytischen Stufe konstant gehalten, und die gesamte Leistungsfeuerung während des
Synchronisierens erfolgt durch den Vorbrenner, da dieser auf den
transienten Synchronistionsvorgang wesentlich besser zu reagieren
vermag. Gemäss
der dargestellten Figur bleibt der Brennstoffmassenstrom der Vorbrennerstufe
bis 25% Relativlast konstant. Die Eintrittstemperatur in die katalytische
Stufe wird damit komfortabel oberhalb des erforderlichen Minimalwertes
eingestellt, da ja mit steigendem Druckverhältnis und steigender Feuerungsleistung
die Temperatur der Verbrennungsluft ohnehin ansteigt. Im Bereich
von 20% Relativleistung bis 25% Relativleistung wird die Austrittstemperatur
der katalytischen Stufe von der Mindesttemperatur für den Betrieb
der zweiten Brennkammer auf die zulässige Maximaltemperatur gesteigert.In 2 is a qualitative representation of an exemplary course of fuel mass flows in the various burner stages of in 1 illustrated combustion chamber in dependence on the relative speed n / n ^, with n ^ as the rated speed, and the relative power P / P ^, with the full load power P ^ shown. It is a schematic representation in which not all possible details of the fuel mass flow curves are shown, but focused on the details that are essential for understanding the invention. The values plotted on top are in each case based on a reference value Y 1. Also, it is not about values of a particular machine, but the operation of a fictional, but quite representative gas turbine group. The firing speed of the gas turbine group is around 25% of the rated speed. The total amount of fuel is first fed to the preburner, and its firing the engine speed is further increased. It is of great advantage if initially only the pre-burner, preferably as a diffusion burner, is in operation. A stable diffusion flame reacts most insensitive to rapid control interventions during the acceleration phase, such as occur when closing the compressor blow-off valves. Preferably, only when the blow-off valves are closed, but still below the rated speed, the catalytic burner stage comes into operation. Of course, the firing of the preburner must already be so strong that the required inlet temperature of the catalytic stage or to be taken into operation segments of the catalytic stage is at or above the minimum value. In the example, the catalytic stage is put into operation at 75% of the rated speed. This speed is far enough away from the rated speed for the catalytic stage to remain safe in idle mode, or even at underspeed after intercepting a load shedding, and not being subject to a switching transient. As the engine speed further increases, the catalytic stage can also contribute to the firing efficiency, causing its fuel mass flow ṁ C to increase. Since with increasing engine speed, the amount of air increases, but on the other hand, the temperature must be maintained before the catalytic stage, and the fuel mass flow of the pre-burner stage ṁ P continues to increase. From the rated speed, the gas turbine group begins to absorb power. In the exemplary embodiment, the total power consumption in the load range is up to about 20% relative power through the catalytic burner stage. Only later, the non-catalytic second burner stage is put into operation by supplying a quantity of fuel ṁ SEV . As stated above, the startup of a self-igniting second combustor depends primarily on the temperature after the catalytic stage. It is therefore a question of dimensioning the burner stages, when the second combustion chamber is actually to be put into operation. However, it is advantageous if this takes place only at a power which is above the minimum power of the gas turbine group possible in load operation in order not to be confronted with switching operations of the burners during the synchronization process. In a further, not shown advantageous operating variant, the fuel quantity ṁ C of the catalytic stage is kept constant up to a range between 5 and 10% relative power, and the entire power firing during synchronization is carried out by the preburner, since this much better on the transient Synchronistionsvorgang to be able to react. According to the illustrated figure, the fuel mass flow of the pre-burner stage remains constant up to 25% relative load. The inlet temperature into the catalytic stage is thus conveniently set above the required minimum value, since the temperature of the combustion air increases anyway with increasing pressure ratio and increasing firing capacity. In the range of 20% relative power to 25% relative power, the outlet temperature of the catalytic stage is increased from the minimum temperature for operation of the second combustion chamber to the maximum permissible temperature.
Oberhalb
von 25% Relativleistung wird der Brennstoffmassenstrom ṁP der Vorbrennerstufe langsam zurückgenommen,
da mit steigendem Brennstoff-Luft-Verhältnis
der katalytischen Stufe deren Betriebssicherheit steigt, und andererseits
mit dem Druckverhältnis
die Verbrennungslufttemperatur steigt. Bei 75% Relativleistung wäre im Ausführungsbeispiel
eine Feuerung der Vorbrennerstufe nicht mehr notwendig. Der Brennstoffmassenstrom ṁP der Vorbrennerstufe wird dennoch nicht
auf 0 zurückgefahren,
um einen sicheren Eigenbetrieb des Vorbrenners aufrechtzuerhalten,
und so bei einem plötzlichen
Leistungsabfall der Gasturbogruppe spontan und ohne vorheriges Zünden mit
einer Erhöhung
der Brennstoffmenge der Vorbrennerstufe zu reagieren und ein Verlöschen der
katalytischen Stufe zu vermeiden.Above 25% relative power, the fuel mass flow ṁ P of the pre-burner stage is slowly withdrawn, since with increasing fuel-air ratio of the catalytic stage their reliability increases, and on the other hand with the pressure ratio increases the combustion air temperature. At 75% relative power would be in the embodiment, a firing of Vorbrennerstufe no longer necessary. The fuel mass flow ṁ P of the preburner stage is nevertheless not reduced to 0 in order to maintain a safe intrinsic operation of the preburner and thus to react spontaneously and without prior ignition with an increase in the fuel quantity of the preburner stage and a quenching of the catalytic stage at a sudden power drop of the gas turbine group avoid.
Ein
solcher schneller Leistungsabfall liegt bei einem Lastabwurf vor.
Diese Vorgänge
sind in 3 qualitativ
dargestellt. Die Grössenordnung
der nach oben aufgetragenen Werte ist nicht quantitativ mit den
in 2 dargestellten Werten
vergleichbar. Der Lastabwurf erfolgt bei t = 5 Sekunden. In kürzester Zeit
geht die Drehzahl n auf eine Überdrehzahl,
die durch eine Verminderung der thermischen Leistung abgefangen
werden muss, um eine kritische Überdrehzahl
zu vermeiden. Während
des Vorgangs soll die Gasturbogruppe im Betrieb bleiben. Die nichtkatalytische
zweite Brennerstufe wird sofort abgeschaltet. Gleichzeitig wird
der Vorbrenner 1 mit einer erhöhten vorgesteuerten Brennstoffmenge
versorgt, so dass die katalytische Brennerstufe 2 nicht
erlischt. Der Brennstoffmassenstrom ṁC zur
katalytischen Brennerstufe 2 wird dann so geregelt, dass
die Nenndrehzahl erreicht und nicht signifikant unterschritten wird.
Die Vorleitreihe VIGV bleibt während
des gesamten Vorgangs des Abfangens und Einregelns der Maschinendrehzahl
voll geöffnet,
um nicht noch weitere variable Parameter in die Maschinenregelung einzubringen;
erst nachdem die Maschinendrehzahl stabil auf Nenndrehzahl eingeregelt
ist, wird die Vorleitreihe langsam geschlossen.Such a fast power loss occurs during load shedding. These operations are in 3 presented qualitatively. The order of magnitude of the values plotted above is not quantitative with those in 2 comparable values. The load shedding occurs at t = 5 seconds. In no time, the speed n goes to an overspeed, which must be intercepted by a reduction of the thermal power to avoid a critical overspeed. During the process, the gas turbine group should remain in operation. The non-catalytic second burner stage is switched off immediately. At the same time, the preburner 1 supplied with an increased pilot fuel quantity, so that the catalytic burner stage 2 does not go out. The fuel mass flow ṁ C to the catalytic burner stage 2 is then controlled so that the rated speed is reached and not significantly undershot. The pilot series VIGV remains during the ge fully intervening to intercept and control the engine speed so as not to introduce further variable parameters into the engine control; only after the engine speed has been stabilized stable to rated speed, the Vorleitreihe is slowly closed.
4 zeigt abschliessend, wie
sich eine erfindungsgemässe
Gasturbogruppe durch eine Umkonstruktion einer an sich aus EP 620 362 bekannten Gasturbogruppe
mit sequentieller Feuerung aufbauen lässt. Ein schematische Darstellung
des Heissgaspfades einer aus EP
620 362 bekannten Gasturbogruppe zeigt 4a. Stromab eines nicht dargestellten
Verdichters 12 ist eine Hochdruckbrennkammer 7,
umfassend einen Vormischbrenner 8 und einen Brennraum 9,
angeordnet. Dort erzeugtes gespanntes Heissgas wird in einer ersten
Hochdruckturbine 10 teilentspannt und in einer sich anschliessenden
selbstzündenden
zweiten Brennkammer nacherhitzt, bevor es in einer zweiten Turbine 4 weiter
entspannt wird. Die Laufschaufeln der Turbinen 4 und 10 sind
auf einer gemeinsamen Welle 15 angeordnet, und treiben
den Verdichter 12 sowie einen Leistungsverbraucher, beispielswiese
einen nicht dargestellten Generator, an. In der Darstellung gemäss 4b ist die erste Turbine
weggelassen worden. Der Vormischbrenner 8 ist durch einen
Diffusions-Vorbrenner 1 ersetzt. An Stelle des ersten Brennraums 9 ist
eine katalytische Brennerstufe 2 installiert. Die selbstzündende Brennkammer 3 und
die Turbine 4 sind an sich unverändert übernommen. Die Welle 15 ist
im Bereich der jetzt nicht mehr vorhandenen ersten Hochdruckturbine
modifiziert und vereinfacht worden. Weiterhin wird zweckmässig der
nicht dargestellte Verdichter 12 beispielsweise durch weglassen von
zwei Axialverdichterstufen an das niedrigere Druckverhältnis angepasst,
mit dem die Gasturbogruppe nach Weglassen der Hochdruckturbine betrieben
wird. Ausgehend von einer aus EP
620 362 bekannten Gasturbogruppe mit sequentieller Verbrennung
sind also nur Veränderungen
im Bereich der Hochdruckturbine, der Hochdruckbrennkammer, sowie
der letzten Verdichterstufen notwendig, um eine bei guten Leistungswerten
schadstoffarm betreibbare Gasturbogruppe mit katalytischer Brennerstufe
zu erhalten; wesentliche Bestandteile wie die Niederdruckturbine 4,
die Niederdruckbrennkammer 3, und die Gehäusestrukturen
können
prinzipiell unverändert übernommen
werden. 4 shows concluding, as a gas turbine group according to the invention by a redesign of a per se EP 620 362 build up known gas turbine group with sequential firing. A schematic representation of the hot gas path of a EP 620 362 known gas turbine group shows 4a , Downstream of a compressor, not shown 12 is a high pressure combustion chamber 7 comprising a premix burner 8th and a combustion chamber 9 arranged. Tensioned hot gas generated there is in a first high-pressure turbine 10 partially relaxed and reheated in a subsequent self-igniting second combustion chamber, before it in a second turbine 4 continues to relax. The blades of turbines 4 and 10 are on a common wave 15 arranged, and drive the compressor 12 and a power consumer, for example, a generator, not shown, to. In the illustration according to 4b the first turbine has been omitted. The premix burner 8th is through a diffusion pre-burner 1 replaced. In place of the first combustion chamber 9 is a catalytic burner stage 2 Installed. The self-igniting combustion chamber 3 and the turbine 4 are taken over unchanged. The wave 15 has been modified and simplified in the area of the now no longer existing high pressure turbine. Furthermore, the compressor, not shown, is expedient 12 for example, by eliminating two Axialverdichterstufen adapted to the lower pressure ratio with which the gas turbine group is operated after omitting the high-pressure turbine. Starting from one out EP 620 362 known gas turbine group with sequential combustion so only changes in the field of high-pressure turbine, the high-pressure combustion chamber, and the last compressor stages necessary to obtain a low-emission operable with good performance gas turbine group with catalytic burner stage; essential components such as the low-pressure turbine 4 , the low-pressure combustion chamber 3 , And the housing structures can be taken over in principle unchanged.
-
11
-
Vorbrenner,
Vorbrennerstufepre-burner,
Vorbrennerstufe
-
22
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katalytische
Brennerstufecatalytic
burner stage
-
33
-
Niederdruckbrennkammer,
selbstzündendeLow-pressure combustion chamber,
self-igniting
-
-
Brennkammer,
nichtkatalytisceh Brennerstufecombustion chamber,
nichtkatalytisceh burner stage
-
44
-
Turbineturbine
-
55
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Brennstofflanzefuel lance
-
66
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Brennraum
der selbstzündenden
Brennkammercombustion chamber
the self-igniting
combustion chamber
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77
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Erste
Brennkammer, Hochdruck-BrennkammerFirst
Combustion chamber, high-pressure combustion chamber
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88th
-
Vormischbrennerpremix
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99
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Brennraum
der Hochdruckbrennkammercombustion chamber
the high pressure combustion chamber
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1010
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HochdruckturbineHigh-pressure turbine
-
1111
-
Wirbelerzeugervortex generators
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1212
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Verdichtercompressor
-
1313
-
Generatorgenerator
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1414
-
Mischsektionmixing section
-
1515
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Wellewave
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1616
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Stellorganactuator
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1717
-
Stellorganactuator
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1818
-
Stellorganactuator
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2121
-
Umgebungsluftambient air
-
2222
-
verdichtete
Luftcompacted
air
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2323
-
Verbrennungsluftcombustion air
-
2424
-
gespanntes
Rauchgasstrained
flue gas
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2525
-
entspanntes
Rauchgas, Abgasrelaxed
Flue gas, exhaust gas
-
2626
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Luftstrom
des Vorbrennersairflow
of the pre-burner
-
3131
-
Reglerregulator
-
3232
-
Reglerregulator
-
3333
-
Reglerregulator
-
3535
-
Reglerregulator
-
121121
-
verstellbare
Vorleitreiheadjustable
guide row
-
ṁFUEL ṁ FUEL
-
Gesamt-BrennstoffmassenstromTotal fuel mass flow
-
ṁC ṁ C
-
Brennstoffmassenstrom
zur katalytischenFuel mass flow
to the catalytic
-
-
Brennerstufeburner stage
-
ṁP ṁ P
-
Brennstoffmassenstrom
zum VorbrennerFuel mass flow
to the pre-burner
-
ṁSEV
SEV
-
Brennstoffmassenstrom
zur nichtkatalytischenFuel mass flow
to non-catalytic
-
-
Brennkammercombustion chamber
-
nn
-
RotordrehzahlRotor speed
-
n ^n ^
-
Rotor-NenndrehzahlRotor nominal speed
-
PACT P ACT
-
Ist-NutzleistungActual power output
-
PSET P SET
-
Soll-NutzleistungTarget power output
-
P/P ^P / P ^
-
Relativleistungrelative power
-
T1 T 1
-
Temperatur
am Eintritt in die katalytischetemperature
at the entrance to the catalytic
-
-
Brennkammercombustion chamber
-
T2 T 2
-
Temperatur
am Austritt der katalytischentemperature
at the outlet of the catalytic
-
-
Brennkammercombustion chamber
-
T3 T 3
-
Temperatur
vor der Turbinetemperature
in front of the turbine
-
T4 T 4
-
Temperatur
nach der Turbine, Abgastemperaturtemperature
after the turbine, exhaust gas temperature
-
TMIN T MIN
-
minimal
erforderliche Temperatur am Eintritt inminimal
required temperature at entry into
-
-
die
katalytische Brennkammerthe
catalytic combustion chamber
-
TMAX T MAX
-
maximal
zulässige
Temperatur am Austritt dermaximum
allowed
Temperature at the exit of the
-
-
katalytischen
Brennkammercatalytic
combustion chamber
-
VIGVVIGV
-
Stellung
der verstellbaren Vorleitreiheposition
the adjustable leader row
-
Y/Y ^Y / Y ^
-
Relativwertrelative value
-
YFUEL Y FUEL
-
Stellgrösse für den BrennstoffmassenstromManipulated variable for the fuel mass flow
-
YC Y C
-
Stellgrösse für den Brennstoffmassenstrom zurManipulated variable for the fuel mass flow to
-
-
katalytischen
Brennerstufecatalytic
burner stage
-
YP Y P
-
Stellgrösse für den Brennstoffmassenstrom zurManipulated variable for the fuel mass flow to
-
-
VorbrennerstufeVorbrennerstufe
-
YSEV Y SEV
-
Stellgrösse für den Brennstoffmassenstrom zurManipulated variable for the fuel mass flow to
-
-
nichtkatalytischen
Brennkammernoncatalytic
combustion chamber
-
YVIGV Y VIGV
-
Vorleitreihen-StellgrösseVorleitreihen manipulated variable