DE69903623T2

DE69903623T2 - Brennstoffzuführung zu einem brennerelement

Info

Publication number: DE69903623T2
Application number: DE69903623T
Authority: DE
Inventors: Sten-Inge Lundgren
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-05-15
Filing date: 1999-05-12
Publication date: 2003-06-12
Anticipated expiration: 2019-05-13
Also published as: DE69903623D1; JP2002517701A; SE9801728D0; CA2331748C; RU2224952C2; US6532727B1; SE521324C2; EP1078204A1; SE9801728L; CA2331748A1; EP1078204B1; AU4539799A; WO1999063271A1

Description

Hintergrund der Erfindung und Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Zuführen eines Flüssigbrennstoffs zu einem Brennerelement entsprechend der Einleitung des Anspruchs 1.
Solche Brennstoffzuführungsvorrichtungen sind beispielsweise für die Verbrennung von Öl in einer Brennkammer einer Gasturbinenvorrichtung bekannt. Entsprechend der herkömmlichen Technik wird dabei eine Pumpe verwendet, welche bei einer konstanten Geschwindigkeit und bei relativ hohem Druck arbeitet, der für die maximale Leistung der Gasturbinenvorrichtung dimensioniert ist. Die Steuerung zur Einstellung der Brennstoffmenge, welche der Brennkammer zugeführt wird, wird mittels einer steuerbaren Drosselklappe und einer Überbrückungsleitung durchgeführt, welche überschüssigen Brennstoff in einen Entwässerungsbehälter oder desgleichen zurückführt. Um die Genauigkeit aufrechtzuerhalten, wird die zugeführte Strömungsmenge oder die Position der Drosselklappe gemessen, wobei der gemessene Wert zurückgeführt wird.
Jedoch führt eine solche Drosselung und Rückführung von Brennstoff zu einem Energieverlust, welcher zur Erhöhung des Brennstoffdrucks in der Brennstoffzuleitung genutzt wird. Da Gasturbinenvorrichtungen normalerweise mit einer Leistung arbeiten, welche niedriger als die maximal mögliche Ausgabeleistung ist, wird während einem nicht unbedeutendem Teil der Arbeitszeit der Gasturbinenvorrichtung unnötige Pumpenarbeit geleistet. Darüber hinaus ist der Aufbau einer solchen Zuführungsvorrichtung mit einer regulierbaren Drosselklappe, welche normalerweise mittels eines elektrohydraulischen Steuerungssystems eingestellt wird, ziemlich kompliziert und teuer.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, die vorerwähnten Nachteile zu beheben und eine Brennstoffzuführungsvorrichtung anzubieten, welche eine höhere Effizienz gegenüber herkömmlichen Brennstoffzuführungsvorrichtungen aufweist.
Dieses Ziel wird durch die anfangs definierte Vorrichtung erreicht, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die Steuereinrichtung eine von einem Motor angetriebene Pumpe und eine Steuereinheit zum Steuern der Drehzahl des Motors und mithin der Pumpe aufweist. Durch derartige Steuerung der Drehzahlen des Motors und der Pumpe, kann die Brennstoffzuführung auf einfache und schnelle Weise gesteuert werden. Die Drehzahlen des Motors und der Pumpe können somit auf die erforderliche Pumpenleistung zur Einspeisung des Brennstoffs zu der Brennkammer eingestellt werden, und infolge dessen wird der Motor immer mit einer Drehzahl arbeiten, welche mit der der Brennkammer aktuell bereitgestellten Brennstoffmenge korrespondiert. Darüber hinaus stellt die der Erfindung entsprechende Vorrichtung Möglichkeiten zur Verbindung der Steuereinheit zum Gesamtsteuersystem des Brennerelements, beispielsweise einer Gasturbinenvorrichtung, auf einfache Weise bereit, um somit die Drehzahlen des Motors an die benötigte Brennstoffmenge bei einer geforderten Last abzugleichen.
Entsprechend eines Ausführungsbeispiels der Erfindung umfaßt die Pumpe eine Verdrängerpumpe. Eine Verdrängerpumpe, beispielsweise eine Kolbenpumpe, eine Schraubenpumpe oder ähnliches, hat normalerweise eine festgelegte Relation zwischen der Drehzahl der Pumpe und dem Fluß durch die Pumpe, welche die Steuerung der bereitgestellten Brennstoffmenge in genauer Weise ermöglicht.
Entsprechend eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung beinhaltet der Motor einen Wechselstrommotor. Die Drehzahlen von Wechselstrommotoren können auf einfache Weise gesteuert werden, indem die Frequenz der Motorspannung gesteuert wird. Dabei beinhalten der Motor einen Asynchronmotor und die Steuereinheit einen Frequenzwandler, vorteilhafterweise einen sogenannten statischen Frequenzwandler, SFC (Static Frequency Converter). Solch eine Steuerung hat eine hohe Genauigkeit und erfordert keine Messung und/oder Rückmeldung des aktuellen Durchflusses oder der Drehzahlen des Motors.
Entsprechend eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung, beinhaltet die Steuereinheit Sensorelemente, welche zum Wahrnehmen von mindestens einem Motorparameter angeordnet sind, und eine Einstelleinheit, welche zum Einstellen der elektrischen Leistung angeordnet ist, die dem Motor in Erwiderung auf den wahrgenommenen Motorparameter zugeführt wird. Mittels einer solchen Einstelleinheit ist es möglich, eine optimale Bauart des angeschlossenen Asynchronmotors zur Verfügung zu stellen und eine hohe Steuergeschwindigkeit zu erhalten, das heißt die Drehzahl des Motors und der Pumpe auf schnelle und genaue Weise zu steuern. Solch eine Technik ermöglicht die Schließung und Beschleunigung des Brennstoffdurchflusses innerhalb von 200 -300 ms.
Entsprechend einer vorteilhaften Anwendung der Erfindung ist das Brennerelement Bestandteil einer Gasturbinenvorrichtung. Eine Recheneinheit kann dabei vorgesehen sein, um einen erwünschten Brennstoffdurchfluß für jeden Belastungszustand der Gasturbinenvorrichtung und die gewünschten Drehzahlen des Motors für jeden Durchfluß zu berechnen, wobei die Steuereinheit vorgesehen ist, um die Drehzahlen bezüglich der Berechnungen zu steuern. Die Steuerung kann folglich lediglich auf dem berechneten Wert der Drehzahlen basieren und es wird keine Messung irgendeines Parameters des aktuellen Brennstoffdurchflusses benötigt.
Entsprechend eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung, wird eine Quelle zur Lieferung flüssigen Brennstoffs vorgesehen, wobei mindestens zwei Brennstoffzuleitungen von der Quelle ausgehen, wobei jede diese Steuereinrichtung beinhaltet. Vorteilhafterweise kann dabei eine der Brennstoffzuleitungen angeordnet sein, um Brennstoff einem Pilotbrenner des Brennerelements zuzuführen, und die andere der Brennstoffzuleitungen kann angeordnet sein, um Brennstoff einem Hauptbrenner dieses Brennerelements zuzuführen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung wird nun näher anhand eines Ausführungsbeispiels und in Bezug auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben, wobei
Fig. 1 schematisch eine Ansicht einer Brennstoffzuführungsvorrichtung entsprechend der Erfindung offenbart, und
Fig. 2 schematisch eine Ansicht eines Teils einer Vorrichtung in Fig. 1 offenbart.

Detaillierte Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung

Fig. 1 offenbart eine Brennstoffzuführungsvorrichtung für die Zuführung von Flüssigbrennstoff, im folgenden Beispiel Öl, zu einer schematisch dargestellten Brennkammer 1 einer Gasturbinenvorrichtung (nicht dargestellt). Die offenbarte Brennstoffzuführungsvorrichtung ist mit einer Brennstoffquelle 2 mittels einer Hauptleitung 3 verbunden. Die Hauptleitung 3 ist in zwei Zuführungszuleitungen 5' und 5" aufgeteilt. Die Zuführungszuleitungen 5' und 5" sind zum Zuführen von Brennstoff zu einem entsprechenden Satz von Brennerdüsen 6' bzw. 6" vorgesehen, welche ein entsprechendes Brennerelement in der Brennkammer 1 bilden. Jede Zuführungszuleitung beinhaltet einen Notstopventil 4, welches einen üblichen Aufbau haben kann. Jede solche Brennerdüse 6', 6" kann entsprechend herkömmlicher Technik ein Absperrventil (nicht dargestellt) in der Bauart on/off enthalten, um entweder die Brennerdüse 6', 6" zu öffnen oder die Düse zu schließen. In dem offenbarten Ausführungsbeispiel, ist die Zuführungszuleitung 5' vorgesehen, um Hauptbrennstoff zur Brennkammer 1 für die Hauptverbrennung bei hohen Lasten zuzuführen. Die Zuführungszuleitung 5" ist vorgesehen, um sogenannten Pilot-Brennstoff zur Brennkammer 1 zu führen, um die Verbrennung bei Beständigkeitsproblemen der Flamme zu unterstützen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet jede Brennstoffzuleitung 5', 5" eine Einheit zur Steuerung des Brennstoffdurchflusses durch die entsprechende Zuleitung 5', 5". Jede solche Steuerungseinheit beinhaltet eine Pumpe 7, welche vorgesehen ist, den Druck des Brennstoffs auf ein Niveau von bis zu 100- 200 bar zu erhöhen und den Brennstoff durch die zugehörige Zuleitung zu pumpen, welche zur Brennkammer 1 führt. Vorzugsweise beinhaltet jede Pumpe T eine so genannte Verdrängerpumpe, beispielsweise eine Schraubenpumpe, eine Kolbenpumpe oder irgendeine ähnliche Pumpenvorrichtung, welche im Wesentlichen eine konstante Relation zwischen den Drehzahlen und dem Durchfluß hat. Jede Pumpe 7 wird von einem elektrischen Motor 8 angetrieben, dessen Umdrehungszahlen mittels einer Steuereinheit 9 steuerbar sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel, beinhaltet der elektrische Motor 8 einen Wechselstrommotor und vornehmlich einen Asynchronmotor. Die Steuereinheit 9 beinhaltet dabei einen Frequenzwandler und vornehmlich einen statischen Frequenzwandler. Aufgrund der offenbarten Steuereinheiten kann der Brennstoffdurchfluß, das heißt die Menge von Brennstoff, welche in die Brennkammer 1 durch die Düsen 6', 6" zugeführt wird, fortlaufend in einfacher und effizienter Weise ohne irgendeiner unnötigen Pumpenarbeit gesteuert werden. Darüber hinaus ist jede Steuereinheit 9 zum Gesamtsteuersystem 10 der Gasturbinenvorrichtung verbunden. Auf diese Weise kann der Brennstoffdurchfluß kontinuierlich an die Brennstoffmenge angepaßt werden, die für die gerade erforderliche Last benötigt wird.
Fig. 2 offenbart näher, wie die Steuereinheit 9 konstruiert werden kann. Hierbei beinhaltet jede Steuereinheit 9 eine Eingabe 11 zur Verbindung zum elektrischen Wechselstromnetz. Die Eingabe 11 ist mit dem AC/DC-Wandler 12 verbunden, um die eingegebene Wechselspannung in eine Gleichspannung zu wandeln. Der AC/DC-Wandler 12 ist wiederum mit einer Gleichstromeinheit 13 verbunden, welche wiederum mit einem DC/AC-Wandler 14 verbunden ist, welcher angeordnet ist, um die eingegebene Gleichspannung in eine Wechselspannung einer gewünschten Frequenz zu wandeln. Diese Wechselspannung wird dann in den Motor 8 eingespeist, welcher mit einer Drehzahl abhängig von der aktuellen Frequenz der eingegebenen Wechselspannung betrieben wird. Der DC/AC-Wandler 14 ist mit der Gesamtsteuereinheit 10 verbunden, welche einen Einstellwert von Umdrehungszahlen liefert, der abhängig ist von der abverlangten Last und der die Frequenz der auszugebenden Wechselspannung vom DC/AC-Wandler festlegt. Das Steuerungssystem 10 beinhaltet eine Recheneinheit die vorgesehen ist, einen gewünschten Brennstoffdurchfluß für jeden Belastungszustand der Gasturbinenvorrichtung zu berechnen und um die gewünschte Anzahl der Umdrehungen des Motors für jeden Brennstoffdurchfluß zu berechnen. Die berechnete Anzahl der Umdrehungen wird, wie oben erwähnt, an den DC/AC-Wandler 14 der Steuereinheit 9 geliefert.
Darüber hinaus beinhaltet der DC/AC-Wandler eine Einstelleinheit 15, einen sogenannten direkten Drehmomentregelungsprozessor (DTC, Direct Torque Control) zum Regeln der Spannung und des Stroms der an den elektrischen Motor 8 gelieferten elektrischen Leistung. Die Einstelleinheit 15 ist dabei zum Steuern der Spannung und des Stroms in Erwiderung auf eine oder verschiedene Motorparameter vorgesehen, in Übereinstimmung mit der offenbarten Motorbauart, welche über eine Signalleitung 17 und die Zuleitung 16, die Wechselspannung an den Motor 8 liefert, gemessen werden können und weiche beispielsweise den Blindwiderstand und die Induktanz des Motors 8 beinhalten kann.
Bei der offenbarten Vorrichtung erhält man einen sehr genauen Wert der Anzahl der Umdrehungen und des der Drehzahl folgenden Durchflusses lediglich durch Messen der elektrischen Parameter des Wechselstrommotors 8. Es ist kein Rückführzweig weiterer Parameter des Durchflusses notwendig.
Die der Erfindung entsprechende Zuführungseinheit kann außerdem auf einfache Weise durch eine Batterie 20 angetrieben werden, welche direkt an die Gleichstromeinheit 13 angeschlossen sein kann und Leistung ohne jegliche Unterbrechung einspeisen kann, beispielsweise wenn das Stromnetz ausfällt. Eine Sperrdiode 21 verhindert Stromspeisung zur Batterie 20 von der Gleichstromeinheit 13.
Obwohl das offenbarte Ausführungsbeispiel zwei Kontrolleinheiten beinhaltet, eine für jede Brennstoffzuleitung 5', 5", ist klar, dass die Erfindung auch in dem Falle anwendbar ist dass die Brennstoffzuführungseinheit lediglich eine Brennstoffzuleitung und eine Steuereinheit besitzt.
Die offenbarte Vorrichtung ist auf die Zuführung von Brennstoff und auch anderer flüssiger Medien in einer Vielzahl unterschiedlicher Situationen und auf eine Vielzahl von verschiedenen Arten von Brennkammern anwendbar.

Claims

1. Vorrichtung zum Zuführen eines Flüssigbrennstoffs zu einem Brennerelement (6', 6"), umfassend mindestens eine Brennstoffzuleitung (5', 5") und eine Einrichtung (7, 8, 9) zum Steuern eines Brennstoffstroms durch die Leitung (5', 5"), wobei die Steuereinrichtung eine von einem Motor (8) angetriebene Pumpe (7) und eine Steuereinheit (9) zum Steuern der Drehzahl des Motors (8) und mithin der Pumpe (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (8) einen Asynchronmotor aufweist, die Steuereinheit (9) einen statischen Frequenzwandler enthält und die Steuereinheit (9) Sensorelemente (16, 17) zum Erfassen mindestens eines Motorparameters und eine Einstelleinheit (15) zum Einstellen der dem Motor (8) zugeführten elektrischen Größe in Abhängigkeit des erfaßten Motorparameters enthält.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (7) eine Verdrängerpumpe aufweist.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennerelement (6', 6") durch eine Gasturbineneinrichtung gebildet wird.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Recheneinheit (10), ausgebildet zum Berechnen eines Soll- Brennstoffstroms für jeden Lastzustand der Gasturbineneinrichtung und zum Berechnen der Soll-Drehzahl des Motors (8) für jeden Strom, wobei die Steuereinheit (9) dazu ausgebildet ist, die Drehzahl in Bezug auf die Berechnungen zu steuern.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Quelle (2) zur Bereitstellung von Flüssigbrennstoff vorgesehen ist, und daß mindestens zwei Brennstoffzuleitungen (5', 5") von der Quelle (2) ausgehen, wobei jede solche Brennstoffzuleitung (5', 5") die Steuereinrichtung (7, 8, 9) enthält.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Brennstoffzuleitungen (5") so ausgebildet ist, daß sie eine Pilotbrenner (6") des Brennerelements speist, und die andere der Brennstoffzuleitungen (5') dazu ausgelegt ist, einem Hauptbrenner (6') der Brennerelemente Brennstoff zuzuführen.