WO2010097427A1 - Vorrichtung und verfahren zur steuerung einer mit mehreren brennern ausgestatteten turbine für flüssige oder gasförmige brennstoffe - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to the control of turbines whose fuel supply is divided by a plurality of burners.
- the fuel quantities are set for all burners together in a main line.
- the combustion air is often supplied via a fan, the amount can be controlled differently within certain limits.
- more burners or burner baskets in a turbine usually who to, applies first ⁇ that each burner is provided with a fuel feed ⁇ .
- the control of the amount of fuel is done in a relatively far away from the burner main ⁇ line, only then a division of the fuel quantity is done to the individual burners.
- the burners are provided, for example, a turbine by a calibration approximately equal, that is, ⁇ represents voreinge in their function to the same level during operation.
- the adjustment or calibration of the individual burners happens statically and in particular in a single operating point. Flow changes due to fuel composition, aging of materials or different pressures in the system can result in uneven functions.
- the above-mentioned Cal ⁇ turing is repeated at every major service at the turbine.
- the calorific value of the fuel used can fluctuate.
- the individual burners must be adapted as quickly as possible to a new fuel composition. It can not be relied upon as a rule that sämtli ⁇ che burner show the same behavior in a fuel switch in all operating areas.
- Instabilities of individual burners can for example also lead to vibrations in the turbine. This can cause damage to the turbine. An active system to suppress these vibrations and vibrations is currently not available.
- the invention has for its object to improve the controls or controls of burners on a fuel turbine such that the above-mentioned disadvantages do not occur as in the prior art.
- the invention is based on the finding that a Integ ⁇ ration of at least one highly dynamic and precisely adjustable FestMechaktorventils or solenoid controlled Ven ⁇ TILs at each performs at least one fuel supply line for each burner to a personalization related to each individual burner control or regulation, which at any time can be and driven to each operating status of each individual burner on the fuel side individually and optimally or Ge ⁇ controls.
- each burner can always be entered on a specific, de ⁇ finêts by predetermined parameter level.
- vibrations can be avoided by the exact settings of individual burners. This is especially true when setting the lean mode, with each burner has different characteristics in the control of this operating state.
- a piezoelectric valve is used as a solid-state actuator valve. This has ben ne ⁇ a sufficient fuel flow rate, gas or liquid, a highly dynamic function and is gleichzei ⁇ tig precisely adjustable.
- a highly dynamic control valve is located in each fuel feed line.
- this can be designed differently, preferably piezoelectrically operated valves are used, but depending on the requirements, too
- Solenoid controlled valves are eligible. Solenoid gesteu ⁇ erte valves are inexpensive and robust, but have a larger volume. A piezoelectric valve can control we ⁇ sentlich detail.
- a burner control can be significantly supported by databases with operating parameters of individual burners or the respective turbine are available and are accessible to the burner control.
- a further possibility for a total of trouble-free operation of a turbine consists ⁇ A set of physical or mathematical models. For this purpose, the combination with a regulation of individual burners or the entire turbine is generally advantageous.
- Vibrations or vibrations on a gas turbine can be actively eliminated by so-called noise suppression or vibration monitoring systems. Furthermore, it is advantageous to control individual burners individually due to under ⁇ different handy design features or to fix and at the same time to consider the higher-level parameters for the operation of the turbine, in particular the gas turbine, at the individual burners.
- the figure shows a gas turbine 7, shown schematically in section, with combustion air supply from the right side and individual burners 9, 10, and fuel gas supply lines with corresponding Festangeaktorventilen 5, 6.
- a fuel control valve for example 20% can be useful.
- the entire amount of from 0% to 100% is not varied, but only for example the SET ⁇ lung or gas volume or amount of liquid fuel from 100% to 80%.
- a main flow or a pilot flow of fuel through the highly dynamic valve can be set in the shortest possible time, but no overshoots are generated during such load changes of the turbine.
- a fluctuating fuel composition can affect the desired equality of all burners on a fuel turbine during operation. State-of-the-art calibration, which takes place in the static state, takes significant uptime.
- each burner can be individually adapted by its valves 5, 6 present in its fuel supply line.
- each burner can be individually adjusted or adjusted to new fuel compositions, liquid or gaseous fuel. This is done by appropriate control or by using at least one control loop.
- a turbine is supplied, for example, with a line for a main gas stream 1 and additionally with a line for a pilot gas stream 2 with fuel gas or liquid fuel, then according to the invention a division by a distributor or manifold is made.
- the highly dynamic piezoelectrically controlled valves are in
- burners 9, 10 are generally arranged in a circle around the circumference of the turbine, wherein in the figure, only 2 burners are shown in section.
- the control or regulating devices in the form of the valves 5, 6 are present on each burner.
- a high dynamic piezoelectric valve or a solenoid controlled valve can be used. Vibrations can be eliminated as much as possible over a ge ⁇ suitable sensor technology in combination with active noise cancellation.
- a burner By controlling or regulating a pilot flame of each burner basket / burner, a burner is correspondingly driven by a piezo valve in a fuel supply line. By modulating, for example, the pilot gas stream 2, the position of the flame front in the combustion chamber of the corresponding gas turbine can be varied.
- An admixture of air in the fuel gas supply lines corresponds to a change in the calorific value of the fuel gas used.
- a setting of a burner at a load change of the turbine when using the invention can be realized within milliseconds.
- a control of burners on a gas turbine is made in accordance with the invention in fuel gas supply lines behind a distributor, ie in individual, burner individually supplying lines through a corresponding valve.
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Abstract
Es wird eine Vorrichtung zur Steuerung einer mit mehreren Brennern (9, 10) ausgestatteten Gasturbine (7) beschrieben, an welcher zum einheitlichen Betrieb sämtlicher Brenner die Steuerung von Brenngas und Luftmengen für sämtliche Brenner gemeinsam vor einem Verteiler für eine Zuleitung zu jedem einzelnen Brenner erfolgt, wobei in der Brenngaszuführung zu den Brennern der Gasturbine (7) jeder Brenner separat mit mindestens einer Brenngaszuleitung verbunden ist und zur Brenngassteuerung mindestens ein Festkörperaktorventil (5, 6) vorhanden ist. Weiterhin ist ein Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 5 genannt, mit dem ein Brenngasstrom in einer Brennerzuleitung in einem Bereich von max. 20% des Betriebsbereichs eines integrierten Ventils (5, 6) modulierbar ist.
Description
Beschreibung
Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung einer mit mehreren Brennern ausgestatteten Turbine für flüssige oder gasförmige Brennstoffe
Die Erfindung betrifft die Steuerung von Turbinen, deren Brennstoffzufuhr über eine Mehrzahl von Brennern aufgeteilt ist. Die Brennstoffmengen werden dabei für sämtliche Brenner gemeinsam in einer Hauptleitung eingestellt.
Beim Betrieb einer Turbine wird häufig die Verbrennungsluft über ein Gebläse zugeführt, wobei die Menge verschiedenartig in gewissen Grenzen steuerbar ist. Da bei einer Turbine in der Regel mehrere Brenner bzw. Brennerkörbe eingesetzt wer¬ den, gilt zunächst, dass jeder Brenner mit einer Brennstoff¬ zufuhr versehen ist. Die Steuerung der Menge an Brennstoff geschieht in einer vom Brenner relativ weit entfernten Haupt¬ leitung, wobei erst anschließend eine Aufteilung der Brenn- stoffmenge zu den einzelnen Brennern geschieht.
Eine derartige Steuerung der Brennstoffmenge führt dazu, dass im Betrieb die einzelnen Brenner nicht identisch funktionie¬ ren. In der Regel werden die Brenner beispielsweise einer Turbine durch eine Kalibrierung ungefähr gleich gestellt, das heißt, in ihrer Funktion auf ein gleiches Niveau voreinge¬ stellt. Die Anpassung oder Kalibrierung der einzelnen Brenner geschieht jedoch statisch und insbesondere in einem einzigen Arbeitspunkt. Durch Durchflussänderungen in Folge der Brenn- stoffZusammensetzung, der Alterung bei Materialien oder unterschiedlicher Drücke im System können so zu ungleichmäßigen Funktionen führen. In der Regel wird die oben erwähnte Kalib¬ rierung bei jedem größeren Service an der Turbine wiederholt. Um einen stabilen Betrieb eines gesamten Brennerringes um ei- ne Turbine zu ermöglichen, ist eine Steuerung jedes einzelnen Brenners während des Betriebes wünschenswert.
Fehlerquellen für unterschiedliche Funktionen verschiedener Brenner an einer einzigen Turbine sind vielfältig. So kann aus unterschiedlichen Gründen der Brennwert des verwendeten Brennstoffs schwanken. Um in einem optimalen Betriebszustand zu bleiben, müssen die einzelnen Brenner möglichst schnell einer neuen BrennstoffZusammensetzung angepasst werden. Dabei kann in der Regel nicht darauf vertraut werden, dass sämtli¬ che Brenner bei einem Brennstoffwechsel in allen Betriebsbereichen gleiches Verhalten zeigen.
Unterschiedliche Brenner weisen individuelle Grenzen der sta¬ bilen Verbrennung im Magerbetrieb auf, der beispielsweise zur NOx-Vermeidung eingestellt werden soll. Um die gesamte Turbine in einen Magerbetrieb einzustellen, ist es daher erforder- lieh, jeden einzelnen Brenner zu beobachten. Gleiches gilt für den Fall, indem ein möglichst stabiler und schneller Lastabfall durchgeführt werden soll.
Instabilitäten einzelner Brenner können beispielsweise auch zu Schwingungen in der Turbine führen. Dies kann Schädigungen an der Turbine verursachen. Ein aktives System zur Unterdrückung dieser Vibrationen und Schwingungen steht aktuell nicht zur Verfügung.
Eine für jeden Brenner mögliche Steuerung ist im Stand der Technik ebenfalls nicht bekannt. Die Steuerung der Brennstoff- und Luftmengen geschieht für alle Brenner gemeinsam. Die einzelnen Brenner werden jedoch vor der Inbetriebnahme durch Kalibrierung auf möglichst gleiches Verhalten voreinge- stellt.
Oben aufgeführte Nachteile oder Probleme werden bisher über statische oder brennerkollektive Maßnahmen gelöst. Damit wer¬ den sicher gleichzeitig einige instabile Betriebspunkte ver- mieden. So können beispielsweise auch Brenner im Magerbetrieb für eine NOx-arme Verbrennung betrieben werden. Da jedoch Schwingungen und Vibrationen innerhalb einer Gasturbine vor allem im Brennerbetrieb vermieden werden sollen, um Schäden
am System zu verhindern, ist eine derartige brennerkollektive Maßnahme nicht ausreichend.
Einer Neigung zu Schwingungen in einer Brennstoffturbine, insbesondere in einer Gasturbine, kann beispielsweise konstruktiv entgegnet werden. Da solche Maßnahmen, wie konstruktive Anpassungen, jedoch von Turbine zu Turbine unterschied¬ lich sein können, sind derartige Anpassungen sehr aufwändig. Eine nachträgliche Anpassung an einer bereits installierten Turbine ist kaum möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Ansteuerungen oder Regelungen von Brennern an einer Brennstoffturbine derart zu verbessern, dass oben genannte Nachteile wie im Stand der Technik nicht auftreten.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die entsprechende Merkmalskombination der Hauptansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Integ¬ ration mindestens eines hochdynamischen und präzise einstellbaren Festkörperaktorventils oder Solenoid gesteuerten Ven¬ tils an jeder mindestens einen BrennstoffZuleitung für jeden Brenner zu einer individuell auf jeden einzelnen Brenner bezogenen Steuerung oder Regelung führt, womit zu jeder Zeit und zu jedem Betriebszustand jeder einzelne Brenner auf der Brennstoffseite individuell und optimal angesteuert oder Ge¬ regelt werden kann.
Durch eine erfindungsgemäße Vorgehensweise kann jeder Brenner jederzeit auf ein bestimmtes, durch vorgegebene Parameter de¬ finiertes Niveau eingegeben werden.
Insbesondere können Schwingungen durch die genaue Einstellungen einzelner Brenner vermieden werden. Dies gilt insbesondere bei der Einstellung des Magerbetriebs, wobei jeder Brenner
unterschiedliche Charakteristika bei der Ansteuerung dieses Betriebszustands aufweist.
Es ist besonders vorteilhaft, dass als Festkörperaktorventil ein piezoelektrisches Ventil eingesetzt wird. Dies weist ne¬ ben einem ausreichenden Brennstoffdurchsatz, gasförmig oder flüssig, eine hoch dynamische Funktion auf und ist gleichzei¬ tig präzise einstellbar.
Falls ein Brenner über mehrere Zuleitungen mit Brennstoff versorgt wird, so befindet sich vorteilhafterweise in jeder BrennstoffZuleitung ein hoch dynamisches Stellventil. Je nach geforderter Dynamik des Ventils kann dies unterschiedlich ausgelegt sein, wobei vorzugsweise piezoelektrisch betriebene Ventile eingesetzt werden, jedoch je nach Anforderung, auch
Solenoid gesteuerte Ventile in Frage kommen. Solenoid gesteu¬ erte Ventile sind kostengünstig und robust, weisen jedoch ein größeres Volumen auf. Ein piezoelektrisches Ventil kann we¬ sentlich genauer ansteuern.
Eine Brennersteuerung kann wesentlich unterstützt werden, indem Datenbanken mit Betriebsparametern einzelner Brenner oder der jeweiligen Turbine vorhanden sind und für die Brennersteuerung zugänglich sind. Eine weitere Möglichkeit zum ins- gesamt störungsfreien Betrieb einer Turbine besteht im Ein¬ satz von physikalischen oder mathematischen Modellen. Hierfür ist in der Regel die Kombination mit einer Regelung einzelner Brenner oder der gesamten Turbine vorteilhaft.
Falls an der Turbine störende Schwingungen auftreten, so lassen sich diese mittels einer aktiven Geräuschunterdrückung vorteilhaft eliminieren.
Schwingungen oder Vibrationen an einer Gasturbine können ak- tiv durch so genannte Geräuschunterdrückungs- oder Vibrati- onsüberwachungssysteme eliminiert werden. Weiterhin ist es vorteilhaft, einzelne Brenner individuell aufgrund von unter¬ schiedlichen Konstruktionsmerkmalen zu steuern oder zu regeln
und gleichzeitig übergeordnete für den Betrieb der Turbine, insbesondere Gasturbine notwendige Parameter an den einzelnen Brennern zu berücksichtigen.
Im Folgenden wird anhand der schematischen, begleitenden, die Erfindung nicht einschränkenden Figur ein Ausführungsbeispiel beschrieben .
Die Figur zeigt eine Gasturbine 7, schematisch im Schnitt dargestellt, mit Verbrennungsluftzufuhr von der rechten Seite sowie einzelnen Brennern 9, 10, sowie Brenngaszuleitungen mit entsprechenden Festkörperaktorventilen 5, 6.
Durch die Anwendung von hoch dynamischen, insbesondere piezoelektrisch oder Solenoid betriebenen Ventilen in der Gasoder Flüssigkeitszuführung von Brennstoff jedes einzelnen Brenners können insgesamt Nachteile aus dem Stand der Technik vermieden werden.
Es ist insbesondere vorteilhaft, dass nicht der gesamte Brenngasstrom zwischen 0 und 100% durch ein oder mehrere Ventile modelliert wird, sondern lediglich eine geeignete Teil¬ menge davon, beispielsweise max . 20%.
Um an Turbinen regelmäßig durchzuführende Lastwechsel stö¬ rungsfrei umzusetzen, kann die Begrenzung eines Betriebsbereichs eines Brennstoff-Stellventils auf beispielsweise 20% sinnvoll sein. Dabei wird nicht die gesamte Menge von 0% bis 100% variiert, sondern lediglich beispielsweise die Einstel¬ lung bzw. Gasmenge oder Menge an Flüssigbrennstoff von 100% bis 80%. Dies führt dazu, dass beispielsweise ein Haupt- oder ein Pilotstrom an Brennstoff durch das hoch dynamische Ventil innerhalb kürzester Zeit einstellbar ist, jedoch keine Über- Schwingungen bei derartigen Lastwechseln der Turbine erzeugt werden .
Eine schwankende BrennstoffZusammensetzung kann die gewünschte Gleichstellung sämtlicher Brenner an einer Brennstofftur- bine im laufenden Betrieb beeinträchtigen. Eine nach dem Stand der Technik anwendbare Kalibrierung, die im statischen Zustand erfolgt, nimmt wesentliche Betriebszeit in Anspruch. Aus diesem Grund wird eine verfügbare Zusammensetzung eines Brennstoffes bzw. der aktuell anliegende Brennwert ermittelt, so dass jeder Brenner durch seine in seiner BrennstoffZuleitung vorhandenen Ventile 5, 6 individuell angepasst werden kann. Somit kann jeder Brenner individuell auf neue BrennstoffZusammensetzungen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs, eingestellt oder eingeregelt werden. Dies geschieht durch entsprechende Steuerung oder durch Einsatz mindestens eines Regelkreises.
Eine nachträgliche Ausrüstung bereits im Betrieb befindlicher Turbinen während einer Wartung ist in einfacher Weise möglich.
Wird eine Turbine beispielsweise mit einer Leitung für einen Hauptgasstrom 1 und zusätzlich mit einer Leitung für einen Pilotgasstrom 2 mit Brenngas oder Flüssigem Brennstoff versorgt, so wird entsprechend der Erfindung eine Aufteilung durch einen Verteiler oder Krümmer vorgenommen. Die hoch dy- namischen piezoelektrisch angesteuerten Ventile werden in
Durchflussrichtung hinter diese Verteilereinheiten positioniert, so dass sie direkt vor jedem einzelnen Brenner vorhanden sind.
Mehrere Brenner 9, 10 sind in der Regel kreisförmig am Umfang der Turbine angeordnet, wobei in der Figur lediglich 2 Brenner im Schnitt dargestellt sind. Die Steuer- oder Regeleinrichtungen in Form der Ventile 5, 6 sind an jedem Brenner vorhanden. Der Hauptbrennstoffström 1 kann beispielsweise an einem Brenner individuell zwischen 100% und 80% des Betriebsbereichs des Steuerventils 5 ausmachen. Gleiches gilt für den Pilotgasstrom 2, der benachbart zur erstgenannten Brenngaszuführung zum Brenner führt. In jeder der Brennstoffleitungen
kann ein hoch dynamisches piezoelektrisches Ventil oder ein Solenoid gesteuertes Ventil eingesetzt werden. Über eine ge¬ eignete Sensorik in Kombination mit aktiver Geräuschunterdrückung können Schwingungen weitestgehend ausgelöscht werden.
Durch die Steuerung oder Regelung einer Pilotflamme eines jeden Brennerkorbs/Brenners wird durch ein Piezoventil in einer BrennstoffZuleitung ein Brenner entsprechend angesteuert. Durch Modulation beispielsweise des Pilotgasstroms 2 kann die Position der Flammfront in der Brennkammer der entsprechenden Gasturbine variiert werden.
Eine Zumischung von Luft in die Brenngaszuleitungen entspricht einer Veränderung des Brennwertes des verwendeten Brenngases. Insgesamt kann eine Einstellung eines Brenners bei einem Lastwechsel der Turbine beim Einsatz der Erfindung innerhalb von Millisekunden realisiert werden.
Eine Steuerung von Brennern an einer Gasturbine wird entspre- chend der Erfindung in Brenngaszuleitungen hinter einem Verteiler, also in einzelnen, Brenner individuell versorgenden Leitungen durch ein entsprechendes Ventil vorgenommen.
Claims
1. Vorrichtung zur Steuerung einer mit mehreren Brennern (9, 10) ausgestatteten Turbine (7), an welcher zum einheitlichen Betrieb sämtlicher Brenner die Steuerung von gasförmigem oder flüssigem Brennstoff und Luftmengen für sämtliche Brenner gemeinsam vor einem Verteiler für eine Aufteilung zu jedem einzelnen Brenner erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass in der BrennstoffZuführung zu den Brennern der Turbine jeder Brenner separat mit mindestens einer BrennstoffZuleitung verbunden ist und zur BrennstoffSteuerung mindestens ein Solenoid- oder Festkörperaktorventil (5, 6) vorhanden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Festkörperaktorventil ein piezoelektrisches oder magnetostriktives Ventil ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren BrennstoffZuleitungen für jeden Brenner in jeder Zuleitung ein Festkörperaktorventil und/oder ein Solenoid gesteuertes Ventil vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Brenner-Steuerung oder - Regelung vorhanden ist, die gespeicherte Daten mit Betriebsparametern und/oder physikalische und/oder mathematische Modelle enthält.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur aktiven Geräuschunterdrückung vorhanden ist.
6. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brennstoffström in einer Brennerzuleitung in einem Bereich von max . 20% des Betriebsbereichs eines Ventils (5, 6) modulierbar ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass anhand von mindestens einem vorgegebenen sensorisch aufgenommenen Parameter jeder Brenner auf bestimmte Werte geregelt werden kann.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung mit Daten von Bibliotheken /Datenbanken und/oder mit physikalischen und/oder mathematischen Modellen verknüpft wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an Brennern in der Turbine auftretende Schwingungen mittels aktiver Geräuschunterdrückung eliminiert werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Modulation der Last der Turbine jeder Brenner individuell auf einen optimierten Betriebszustand einstellbar ist.
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