CH703593A2 - System und Verfahren für den Betrieb einer Gasturbine. - Google Patents

Abstract

Ein System zum Betrieb einer Gasturbine (12) umfasst einen Verdichter (14), eine Brennkammereinheit (16) und eine Turbine (18). Die Brennkammereinheit (16) und Turbine (18) definieren einen Heissgaspfad. Ein ausserhalb des Heissgaspfads angeordneter Sensor (54) misst die inneren thermischen Emissionen aus der Brennkammereinheit (16) oder Turbine (18) und erzeugt ein erstes Signal (60) über die inneren thermischen Emissionen. Die inneren thermischen Emissionen sind Infrarot- oder Ultraviolett-Emissionen. Ein Steuerelement (56), angeschlossen an den Sensor (54), empfängt das erste Signal (60) und steuert den Verdichter (14), die Brennkammereinheit (16) oder Turbine (18) als Reaktion auf das erste Signal (60) von dem Sensor (54). Ein Verfahren für den Betrieb einer Gasturbine (12) umfasst das Messen der inneren thermischen Emissionen von innerhalb einer Brennkammereinheit (16) oder Turbine (18) durch einen aussen am Heissgaspfad angeordneten Sensor (54). Das Verfahren umfasst ferner die Erzeugung eines ersten Signals (60) über die inneren thermischen Emissionen sowie die Steuerung des Betriebs von Verdichter (14), Brennkammereinheit (16) oder Turbine (18) als Reaktion auf das erste Signal (60) von dem Sensor (54).

Description

Bereich der Erfindung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft generell ein System und ein Verfahren für den Betrieb einer Gasturbine. Insbesondere werden durch Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung innere und/oder äussere Wärmeemissionen der Brennkammereinheit und/oder der Turbine überwacht, um den Betrieb der Gasturbine zu regulieren.

Hintergrund zu der Erfindung

[0002] Gasturbinen werden in der Industrie und zur Energieerzeugung verbreitet eingesetzt. Zu einer normalen Gasturbine gehören vorn ein Axialverdichter, in der Mitte eine oder mehrere Brennkammereinheiten sowie im hinteren Bereich eine Turbine. In den Verdichter tritt Umgebungsluft ein. Rotierende und stationäre Schaufeln im Verdichter übertragen zunehmend mehr kinetische Energie auf das Arbeitsmedium (Luft), um dieses in einen stark energiereichen Zustand zu bringen. Das Arbeitsmedium verlässt den Verdichter und tritt in die Brennkammern ein, wo es mit Brennstoff vermischt und gezündet wird, um Verbrennungsgase mit hoher Temperatur, Druck und Geschwindigkeit zu erzeugen. Die Verbrennungsgase fliessen aus den Brennkammern entlang eines Heissgaspfads durch die Turbine. In der Turbine dehnen sich die Verbrennungsgase aus und erzeugen Arbeit. Zum Beispiel kann die Ausdehnung der Verbrennungsgase in der Turbine eine Welle antreiben, die mit einem Generator zur Stromerzeugung verbunden ist.

[0003] Es ist allgemein bekannt, dass die thermodynamische Effizienz einer Gasturbine mit der Betriebstemperatur, mithin der Verbrennungsgastemperatur, zunimmt. Verbrennungsgase mit höherer Temperatur enthalten mehr Energie und produzieren beim Ausdehnen in der Turbine mehr Arbeit. Dennoch können Verbrennungsgase mit höheren Temperaturen zu überhöhten Temperaturen in der Brennkammereinheit oder Turbine führen, wodurch die für die Lebensdauer verschiedener Bauteile entlang des Heissgaspfads kritische Temperatur erreicht oder überschritten wird. Zudem können Veränderungen der Betriebsbedingungen wie die Veränderung von Umgebungstemperatur, Brennstoffzusammensetzung und/oder Betriebsstufe der Gasturbine zu überhöhten Temperaturen führen und verschiedene Bauteile schädigen. Aus diesem Grund verfügen Gasturbinen in der Industrie und Energieerzeugung häufig über Kontrollsysteme, die den Betrieb der Gasturbinen überwachen und steuern. Das Kontrollsystem kann zum Beispiel verschiedene Temperaturen im Verdichter, den Brennkammern oder der Turbine überwachen und den Betrieb eines oder mehrerer Bauteile abstimmen, um eine gewünschte Betriebskenngrösse für die Gasturbine zu erreichen und/oder zu gewährleisten, dass keine Grenzwerte des Betriebs überschritten werden.

[0004] Das Kontrollsystem kann mehrere Sensoren verwenden, die an verschiedenen Stellen angebracht sind, um die verschiedenen Kenngrössen der Gasturbine vollständig zu überwachen. Beispielsweise können Kameras, Gasanalysegeräte, Thermoelemente und weitere gängige Sensoren installiert werden, um die Bedingungen in Brennkammereinheit, Turbine oder entlang des Heissgaspfads zu überwachen. Durch die hohen Temperatur- und Druckbedingungen in Brennkammern, Turbine und entlang des Heissgaspfads entsteht jedoch ein aggressives Umfeld für Sensoren, das deren Empfindlichkeit, Genauigkeit, Lebensdauer und die allgemeine Funktion beeinträchtigt. Daher wäre ein Kontrollsystem zur Überwachung der Kenngrössen innerhalb von Brennkammereinheit, Turbine und/oder Heissgaspfad wünschenswert, wofür kein Sensor innerhalb dieser Bauteile oder Stellen installiert werden muss.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0005] Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden in der nachstehenden Beschreibung erläutert. Auch können sie sich aus dieser Beschreibung beziehungsweise während des Einsatzes der Erfindung ergeben.

[0006] Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein System für den Betrieb einer Gasturbine. Zu dem System gehören ein Verdichter, nachgeschaltet eine Brennkammereinheit und dieser wiederum nachgeschaltet eine Turbine. Brennkammereinheit und Turbine definieren einen Heissgaspfad. Ein Sensor ausserhalb des Heissgaspfads misst die inneren thermischen Emissionen von aussen an der Brennkammereinheit und/oder der Turbine und erzeugt ein erstes Signal, das die inneren thermischen Emissionen wiedergibt. Die inneren thermischen Emissionen bestehen aus einer Infrarot- oder Ultraviolett-Emission. Ein an den Sensor angeschlossenes Steuerelement empfängt das Signal und steuert mindestens den Verdichter, die Brennkammereinheit oder Turbine in Reaktion auf das erste Signal von dem Sensor.

[0007] In einer weiteren Ausführungsform gehören zu einem System für den Betrieb einer Gasturbine ein Verdichter, eine nachgeschaltete Brennkammereinheit und eine wiederum nachgeschaltete Turbine. Die Brennkammereinheit und die Turbine definieren einen Heissgaspfad. Ein Sensor ausserhalb des Heissgaspfads misst die inneren thermischen Emissionen von aussen mindestens an einer der Brennkammereinheit oder an der Turbine und erzeugt ein erstes Signal, das die inneren thermischen Emissionen wiedergibt. Der Sensor misst auch von aussen die äusseren thermischen Emissionen mindestens an einer der Brennkammereinheit oder an der Turbine und erzeugt ein zweites Signal, das die äusseren thermalen Emissionen wiedergibt. Die inneren und äusseren thermischen Emissionen bestehen aus mindestens einer Infrarot- oder einer Ultraviolett-Emission. Ein an den Sensor angeschlossenes Steuerelement empfängt das erste und das zweite Signal und steuert mindestens den Verdichter, die Brennkammereinheit oder Turbine in Reaktion auf das erste un/oder das zweite Signal von dem Sensor.

[0008] Als eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung fungiert ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine mit einem Verdichter, einer Brennkammereinheit und einer Turbine, wobei Brennkammereinheit und Turbine einen Heissgaspfad definieren. Das Verfahren umfasst die Messung der inneren thermischen Emissionen aus einer der Brennkammereinheit und/oder der Turbine durch einen ausserhalb des Heissgaspfads angebrachten Sensor. Dabei bestehen die inneren thermischen Emissionen aus einer Infrarot- und/oder einer Ultraviolett-Emission. Zu diesem Verfahren gehören ferner die Generierung eines ersten Signals zur Wiedergabe der inneren thermischen Emissionen sowie die Regelung von mindestens dem Verdichter, der Brennkammereinheit oder der Turbine als Reaktion auf das erste Signal von dem Sensor.

[0009] Die Beschäftigten mit entsprechender Ausbildung werden die Leistungsmerkmale und Aspekte solcher Ausführungsformen mit normaler Funktionsweise ausgestatteten Geräte besser schätzen. Andere Personen können sich die Kenntnis durch Prüfung der Spezifikation aneignen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0010] Eine vollständige und grundlegende Offenlegung der vorliegenden Erfindung einschliesslich deren bester Ausführungsform für das entsprechend ausgebildete Personal wird eingehender im restlichen Teil der Spezifikation erläutert. Dort wird sich auch auf die zugehörigen Figuren wie folgt bezogen:

[0011] FIG. 1 ist ein vereinfachter Querschnitt eines Systems anhand einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

[0012] FIG. 2 ist ein vereinfachter Querschnitt einer Brennkammereinheit anhand einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

[0013] FIG. 3 ist ein vereinfachter Querschnitt einer Brennkammereinheit anhand einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

[0014] FIG. 4 ist ein vereinfachter Querschnitt einer Brennkammereinheit anhand einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

[0015] FIG. 5 ist ein Blockdiagramm eines Algorithmus’ für die mit der Regelung beauftragte Person anhand einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0016] An dieser Stelle wird detailliert auf die aktuellen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingegangen. Ein oder mehrere Beispiele dazu sind in den dazugehörigen Zeichnungen dargestellt. In der detaillierten Beschreibung werden Leistungsmerkmale in den Zeichnungen durch Zahlen und Buchstaben bezeichnet. Ähnliche oder gleiche Bezeichnungen in den Zeichnungen werden zur Beschreibung von ähnlichen oder gleichen Teilen der Erfindung verwendet.

[0017] Jedes Beispiel erfolgt anhand der Erläuterung der Erfindung nicht durch Beschränkung der Erfindung. Geschultes Personal wird schnell feststellen, dass an der vorliegenden Erfindung Modifikationen und Variationen vorgenommen werden können, ohne von ihrer eigentlichen Ausrichtung abzuweichen. Beispielsweise können als Teil einer Ausführungsform dargestellte oder beschriebene Leistungsmerkmale auch auf eine andere Ausführungsform anwendbar sein und sich sogar noch für eine weitere Ausführungsform eignen. Daher soll die vorliegende Erfindung auch solche Modifikationen und Variationen behandeln, die zum Anwendungsbereich der beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente gehören.

[0018] FIG. 1 zeigt einen vereinfachten Querschnitt eines Systems 10 anhand einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt wird, umfasst das System 10 generell eine Gasturbine 12 mit einem Verdichter 14 vorn, einer oder mehreren Brennkammern 16 rings um die Mitte und mit der Turbine 18 im hinteren Bereich. Normalerweise teilen sich Verdichter 14 und Turbine 18 einen gemeinsamen Rotor 20, der an einen Generator 22 zur Stromerzeugung angeschlossen ist.

[0019] Der Verdichter 14 kann aus einem Axialverdichter bestehen, in dem ein Arbeitsmedium wie Umgebungsluft durch eine Einlass-Leitschaufel 24 eintritt und mehrere Stufen von Schaufeln (nicht dargestellt) durchläuft. Die Einlass-Leitschaufel 24 kann verstellbar sein, um die Menge des in den Verdichter 14 einzulassenden Arbeitsmediums je nach der Betriebsstufe der Gasturbine 12 zu regeln. Die mehrfachen Schaufelstufen beschleunigen und leiten das Arbeitsmedium, um einen kontinuierlichen Fluss des komprimierten Arbeitsmediums zu erzeugen. Ein Teil des komprimierten Arbeitsmediums kann durch eine Nebenleitung 26 an den Brennkammern 16 vorbeigeleitet werden, um die Turbine 18 zu kühlen. Das übrige komprimierte Arbeitsmedium verlässt den Verdichter 14 und fliesst durch einen Zwischenraum 28 am Verdichterausgang in die Brennkammereinheit 16.

[0020] Die Brennkammereinheit 16 kann eine jede gängige Art von Brennkammereinheit sein. Wie zum Beispiel in den Fig. 2, 3und 4 dargestellt, kann ein Gehäuse 30 die Brennkammereinheit 16 umgeben, um das aus dem Verdichter 14 austretende Arbeitsmedium zu umfassen. Eine Abschlusskappe 32 und ein Mantel 34 können eine Brennkammer 36 definieren, eine Strömungshülse 38 kann den Mantel 34 umgeben, um einen ringförmigen Durchlass 40 zwischen der Strömungshülse 38 und dem Mantel 34 zu definieren. Das komprimierte Arbeitsmedium kann aus dem Zwischenraum 28 am Verdichterausgang durch den ringförmigen Durchlass 40 zur Abschlusskappe 32 fliessen, wo es nach einer Richtungsumkehr durch die Düsen 42 in die Brennkammer 36 fliesst. Eine variable Brennstoffzufuhr 44 kann ein Brennstoffgemisch zu den Düsen 42 führen, sodass die Düsen 42 das Brennstoffgemisch mit dem komprimierten Arbeitsmedium vor der Verbrennung mischen können. Zu den möglichen Brennstoffen gehören eines oder mehreres von folgendem: Hochofengase, Kokereigas, Erdgas, verdampftes Flüssig-Erdgas (LNG), Wasserstoff und Propan. Das Gemisch aus Brennstoff und Arbeitsmedium fliesst in die Brennkammer 36, wo es zündet, um Verbrennungsgase mit hoher Temperatur und hohem Druck zu erzeugen. Die Verbrennungsgase fliessen durch einen Übergang 46 in die Turbine 18, wo die sich ausdehnen und Arbeit erzeugen.

[0021] Mit Bezug auf FIG. 1kann die Turbine 18 wechselnde Reihen von Statoren 50 und rotierende Turbinenschaufeln 52 enthalten. Der Stator 50 der ersten Stufe lenkt die Verbrennungsgase um und leitet sie auf die erste Turbinenschaufel 52. Während die Verbrennungsgase über die erste Turbinenschaufel 52 fliessen, dehnen sich die Verbrennungsgase aus, wodurch sich die Turbinenschaufel 52 und der Rotor 20 zu drehen beginnen. Danach fliessen die Verbrennungsgase zum nächsten Stator 50, der die Verbrennungsgase zur nächsten Reihe von rotierenden Turbinenschaufeln 52 umleitet und der Vorgang wiederholt sich auf den nachfolgenden Stufen.

[0022] Deshalb definieren die Brennkammern 16 und die Turbine 18 gemeinsam einen Heissgaspfad für den Fluss der Verbrennungsgase aus den Brennkammern durch die Turbine 18. Wie in dieser Beschreibung zugrundegelegt, ist der Heissgaspfad der Weg, den die Verbrennungsgase nehmen, während sie aus der Brennkammer 36 durch die Turbine 18 fliessen. Während die Verbrennungsgase durch den Heissgaspfad fliessen, erhitzen die Verbrennungsgase verschiedene Bauteile durch Wärmeausbreitung und Wärmeleitung. In Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren wie Umgebungstemperaturen, Betriebsstufe der Gasturbine 12, verwendetem Brennstoff und so weiter erzeugen die Bauteile innerhalb und ausserhalb des Heissgaspfads thermische Emissionen im Infrarot- und/oder Ultraviolett-Spektrum.

[0023] Wie in FIG. 1 gezeigt, kann das System 10 ferner einen Sensor 54, ein Steuerelement 56 und ein Kommunikationsgerät 58 umfassen. Der Sensor 54 kann einen ausserhalb des Heissgaspfads angebrachten Infrarot- und/oder Ultraviolett-Detektor umfassen. Auf diese Art erzeugt der Sensor 54 ein oder mehrere Signale 60 über thermische Emissionen von innerhalb und/oder ausserhalb des Heissgaspfads, ohne dass dabei in den Heissgaspfad eingedrungen werden muss. Zum Beispiel kann der Sensor 54 ein erstes Signal über die thermischen Emissionen von innerhalb des Heissgaspfads und ein zweites Signal über die thermischen Emissionen von ausserhalb des Heissgaspfads erzeugen.

[0024] Das Steuerelement 54 kann aus verschiedenen Bauteilen bestehen wie Mikroprozessoren, Coprozessoren und/oder Speicher-/Medienelementen zur Speicherung von Daten, Softwarebefehlen und/oder zur Ausführung von Softwarebefehlen. Die verschiedenen Speicher-/Medienelemente können eine oder mehrere Varianten von computertauglichen Medien wie insbesondere jegliche Kombination von flüchtigem Speicher (z. B. RAM, DRAM, SRAM usw.), nicht-flüchtigem Speicher (z. B. USB-Sticks, Festplatten, Magnetbänder, CD-ROM, DVD-ROM usw.) und/oder andere Speichermedien (z. B. Disketten, Speichermedien auf Magnetbasis, optische Speichermedien usw.) sein. Mit der Materie vertraute Personen werden die Vielfältigkeit des Steuerelements 54 in Bezug auf mögliche Datenspeicherungen und Prozessorkonfigurationen schätzen.

[0025] Das Steuerelement 56 ist an den Sensor 54 angeschlossen, um ein oder mehrere Signale 60 von dem Sensor 54 über thermische Emissionen von innerhalb und/oder ausserhalb des Heissgaspfads zu empfangen. Danach kann das Steuerelement 56 eines oder mehrere Bauteile im Verdichter 14, der Brennkammereinheit 16 und/oder der Turbine 18 als Reaktion auf das Signal 60 von dem Sensor 54 regeln, um in der Gasturbine 12 eine gewünschte Temperatur oder ein gewünschtes Temperaturprofil zu erzielen. Wie zum Beispiel durch die gestrichelten Linien in FIG. 1 angezeigt, kann das Steuerelement die Position der Einlass-Leitschaufel 24 oder der variablen Brennstoffzufuhr 44 regeln, um das Brennstoff-Luft-Verhältnis und damit die Zusammensetzung der Verbrennungsgase zu verändern. Ähnlich kann das Steuerelement 56 die Menge des komprimierten Arbeitsmediums regeln, die durch die Nebenleitung 26 fliesst, um die Kühlung der Turbine 18 zu regeln, oder das Steuerelement 56 kann die Belastung des Generators 22 als Reaktion auf das Signal 60 von dem Sensor 54 regeln.

[0026] Zudem oder alternativ kann das Steuerelement 56 das Kommunikationsgerät 58 als Reaktion auf das Signal 60 von dem Sensor 54 ansteuern. Das Kommunikationsgerät 58 kann ein jegliches gängiges Gerät zur Aufzeichnung und/oder Übermittlung von Informationen sein. Zum Kommunikationsgerät 58 können zum Beispiel eine Alarmschaltung, ein Drucker, ein Aufzeichnungssystem oder eine Meldevorrichtung gehören. Die Bediener können je nach durch den Sensor 54 ermitteltem Umstand auf das Kommunikationsgerät 58 reagieren. Zum Beispiel können die Bediener die Gasturbine 12 auf manuellen Betrieb umstellen, um einen Alarmzustand zu mildern, der durch das Steuerelement 56 nicht angemessen geregelt werden kann. Als weiteres Beispiel können die Bediener als Reaktion auf Informationen aus dem Kommunikationsgerät 58 vorbeugende oder korrektive Wartungspläne ändern.

[0027] FIG. 2 zeigt eine mögliche Installation des Sensors 54 anhand einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie dargestellt, kann der Sensor 54 im Gehäuse 30 installiert und in die allgemeine Richtung der Brennkammer 36 gerichtet sein. Sofern der Mantel 34 und die Strömungshülse 38 generell transparent für infrarote und ultraviolette Emissionen sind, kann der Sensor 56 daher thermische Emissionen von innerhalb und ausserhalb des Heissgaspfads erkennen und messen. Zum Beispiel kann der Sensor 54 die Temperatur der Verbrennungsgase und/oder der Innenfläche des Mantels 34 innerhalb des Heissgaspfads messen. Dadurch kann das System 10 die allgemeine Intaktheit der Brennkammereinheit 16 überwachen und frühzeitig eine beschädigte Wärmeisolierung am Mantel 34 oder ein falsches Luft-Brennstoffgemisch in den Düsen 42 melden, was sonst zu Hitzestreifen oder Ablagerungen von geschmolzenem Metall im Mantel 34 führen kann. Ausserdem oder alternativ kann der Sensor 54 die Temperatur des komprimierten Arbeitsmediums erkennen und messen, das durch den ringförmigen Durchlass 40 und/oder die Aussenfläche der Strömungshülse 38 ausserhalb des Heissgaspfads fliesst. Das Steuerelement 60 kann dann die Position der Einlass-Leitschaufel 24 oder der variablen Brennstoff zufuhr 44 als Reaktion auf das Signal 60 von dem Sensor 54 regeln, um eine gewünschte Austrittstemperatur aus der Brennkammereinheit, Manteltemperatur usw. zu erreichen. Ausserdem oder alternativ kann das Steuerelement 56 das Kommunikationsgerät 58 ansteuern, um die Bediener vor einer überhöhten Temperatur oder einer ungewöhnlichen Temperaturentwicklung zu warnen, was durch Sensor 54 erkannt wurde.

[0028] FIG. 3 stellt eine weitere Installationsmöglichkeit des Sensors 54 anhand einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. In dieser Ausführungsform kann der Sensor 54 im Zwischenraum 28 am Verdichterausgang installiert und in die allgemeine Richtung der Abschlusskappe 32 und der Düsen 42 gerichtet werden. Auf diese Art kann der Sensor 54 die Temperatur der Abschlusskappe 32 sowie jeder Düse 42 und/oder der Innenfläche des Mantels innerhalb des Heissgaspfads erkennen und messen, um wie vorstehend beschrieben zum Beispiel ein Flammenhaltungsereignis oder ein falsches Brennstoff-Luft-Gemisch in den Düsen 42 festzustellen. Wie zuvor kann das Steuerelement 56 anschliessend die Position der Einlass-Leitschaufel 24 und/oder die variable Brennstoffzufuhr 44 regeln, um das Brennstoff-Luft-Gemisch in Düse 42 zu regeln und das für die Betriebsstufe gewünschte Temperaturprofil in den Düsen 42 zu erzielen.

[0029] FIG. 4 beschreibt eine weitere mögliche Installation des Sensors 54 anhand einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie dargestellt, kann Sensor 54 in einer Stützvorrichtung 62 für die Brennkammereinheit 16 installiert und in die allgemeine Richtung des Übergangsteils 46 sowie des ersten Stators 50 in der Turbine 18 gerichtet werden. Wie in FIG. 4 dargestellt, kann ein Sichtfenster 64 zwischen dem Sensor 54 und dem Heissgaspfad installiert werden, um die Empfindlichkeit und/oder Genauigkeit des Sensors 54 zu erhöhen. Das Sichtfenster kann aus geeigneten Materialien konstruiert sein, um Temperatur und Druck des Verdichters standzuhalten und dennoch mehr Infrarot- und Ultraviolett-Emissionen zum Sensor 54 gelangen zu lassen. Zum Beispiel kann das Sichtfenster aus Glas, Fiberglas oder ähnlichen temperaturbeständigen Stoffen bestehen. Auf diese Art kann der Sensor 54 die Temperatur der Innenfläche des Übergangsteils 46 und oder des ersten Stators 50 innerhalb des Heissgaspfads erkennen und messen. Dadurch kann das Steuerelement anhand der Temperatur des ersten Stators 50 anstatt oder zuzüglich der Abgastemperatur verschiedene Betriebskenngrössen der Gasturbine 12 regeln. Dann kann das Steuerelement 56 die Kühlung für den Stator 50 durch die Nebenleitung 26 vom Verdichter 14 auf ein gewünschtes Temperaturprofil regeln.

[0030] Die zuvor mit Bezug auf die Fig. 1-4 erläuterten Ausführungsformen können für ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine verwendet werden. Dieses Verfahren umfasst zum Beispiel Erkennen, Messen und/oder Überwachen von thermischen Emissionen von innerhalb und/oder ausserhalb des Heissgaspfads, was durch den Kasten 70 in FIG. 5 dargestellt wird. Der Sensor 54, der die thermischen Emissionen erkennt, misst und/oder überwacht, kann eines oder mehrere Signale 60 erzeugen, um die thermischen Emissionen wiederzugeben. Durch das Verfahren können dann die Daten über die thermischen Emissionen dargestellt werden, die durch den Kasten 72 in FIG. 5dargestellt sind. Zum Beispiel kann eine unter dem Handelsnamen LabVIEW von National Instruments verkaufte handelsübliche Software verwendet werden, um die gesammelten Daten zu integrieren und Echt Zeitbilder über Ort und Stärke von thermischen Emissionen innerhalb und/oder ausserhalb des Heissgaspfads zu generieren. In Kasten 74 in FIG. 5 kann das Verfahren die gemessenen thermischen Emissionen mit den prognostizierten thermischen Emissionen für das Bauteil zu einem bestimmten Zeitpunkt im Bestehens- und Betriebsverlauf vergleichen. Anhand dieses Vergleichs kann das Steuerelement 56 den Betrieb von Verdichter 14, Brennkammereinheit 16 und/oder Turbine 18 regeln, um, wie vorstehend erläutert, eine gewünschte thermische Emission oder Temperaturprofil zu erzielen. Ausserdem oder alternativ kann das Steuerelement 56 das Intervall zwischen der geplanten korrektiven und/oder vorbeugenden Massnahme regeln. Wie in Kasten 78 in FIG. 5 dargestellt, kann das Steuerelement 56 auch das Kommunikationsgerät 58 ansteuern, das dem Bediener die gemessenen thermalen Emissionen meldet.

[0031] Das System 10 und die Verfahren zum Betrieb der Gasturbine 12 anhand vorstehender Beschreibung sollen gegenüber herkömmlicher Technik mehrere technische und wirtschaftliche Vorteile bringen. Sie machen das Eindringen in die Brennkammereinheit 16, die Turbine und/oder den Heissgaspfad überflüssig. Zum Beispiel soll die Früherkennung einer Störung und/oder das verbesserte Überwachen, Verfolgen und Darstellen von thermischen Emissionen innerhalb und ausserhalb des Heissgaspfads die Zuverlässigkeit und Effizienz der Gasturbine 12 steigern, die Lebensdauer von bisherigen Verschleissteilen verlängern und unerwünschte Emissionen im Zusammenhang mit höheren Verbrennungstemperaturen reduzieren. Ausserdem können die Temperaturprofile der Düsen 42 und der Brennkammern 16 während der Betriebsabläufe wie Inbetriebnahmen genauer überwacht werden, wodurch sich auch Zuverlässigkeit und Leistung der Gasturbine 12 weiter verbessern. Zudem lassen sich diese Verbesserungen mit Hilfe von relativ preiswerten Infrarot- und Ultraviolett-Sensoren erreichen, die nicht den widrigen Bedingungen innerhalb von Brennkammern, Turbine und Heissgaspfad ausgesetzt zu werden brauchen.

[0032] Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele zur Erläuterung der Erfindung einschliesslich der besten Betriebsart. Zudem soll jedweder Fachmann in die Lage versetzt werden, die Erfindung anzuwenden. Dazu gehören die Herstellung und Nutzung jeglicher Geräte oder Systeme sowie die Anwendung aller möglichen dazugehörigen Verfahren. Der patentfähige Umfang der Erfindung wird durch die Patentansprüche definiert und kann weitere Beispiele, die bei den Fachleuten vorkommen, beinhalten. Solche anderen Beispiele liegen im Rahmen der Patentansprüche, wenn sie strukturelle Elemente enthalten, die sich nicht von der wortgetreuen Sprache der Ansprüche unterscheiden oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden hinsichtlich der wortgetreuen Sprache der Ansprüche enthalten.

[0033] Ein System zum Betrieb einer Gasturbine 12 umfasst einen Verdichter 14, eine Brennkammereinheit 16 und eine Turbine 18. Die Brennkammereinheit 16 und Turbine 18 definieren einen Heissgaspfad. Ein ausserhalb des Heissgaspfads angeordneter Sensor 54 misst die inneren thermischen Emissionen aus der Brennkammereinheit 16 oder Turbine 18 und erzeugt ein erstes Signal 60 über die inneren thermischen Emissionen. Die inneren thermischen Emissionen sind Infrarot- oder Ultraviolett-Emissionen. Ein Steuerelement 56, angeschlossen an den Sensor 54, empfängt das erste Signal 60 und steuert den Verdichter 14, die Brennkammereinheit 16 oder Turbine 18 als Reaktion auf das erste Signal 60 von dem Sensor 54. Ein Verfahren für den Betrieb einer Gasturbine 12 umfasst das Messen der inneren thermischen Emissionen von innerhalb einer Brennkammereinheit 16 oder Turbine 18 durch einen aussen am Heissgaspfad angeordneten Sensor 54. Das Verfahren umfasst ferner die Erzeugung eines ersten Signals 60 über die inneren thermischen Emissionen sowie die Steuerung des Betriebs von Verdichter 14, Brennkammereinheit 16 oder Turbine 18 als Reaktion auf das erste Signal 60 von dem Sensor 54.

Bezugszeichenliste

[0034] <tb>10<sep>System <tb>12<sep>Gasturbine <tb>14<sep>Verdichter <tb>16<sep>Brennkammereinheiten <tb>18<sep>Turbine <tb>20<sep>Rotor <tb>22<sep>Generator <tb>24<sep>Einlass-Leitschaufel <tb>26<sep>Nebenleitung <tb>28<sep>Zwischenraum am Verdichterausgang <tb>30<sep>Gehäuse <tb>32<sep>Endabdeckung <tb>34<sep>Mantel <tb>36<sep>Brennkammer <tb>38<sep>Strömungshülse <tb>40<sep>ringförmiger Durchlass <tb>42<sep>Düsen <tb>44<sep>variable Brennstoffzufuhr <tb>46<sep>Übergangsteil <tb>48<sep>Heissgaspfad <tb>50<sep>Stator <tb>52<sep>Schaufel <tb>54<sep>Sensor <tb>56<sep>Steuerelement <tb>58<sep>Kommunikationsgerät <tb>60<sep>Signale <tb>62<sep>Stützvorrichtung <tb>64<sep>Sichtfenster <tb>70<sep>erkennen, messen, überwachen <tb>72<sep>abbilden <tb>74<sep>vergleichen <tb>76<sep>regeln <tb>78<sep>benachrichtigen

Claims (15)

1. System zum Betrieb einer Gasturbine (12), bestehend aus: a) einem Verdichter (14); b) einer dem Verdichter (14) nachgeschalteten Brennkammereinheit (16); c) einer der Brennkammereinheit (16) nachgeschalteten Turbine (18), wobei die Brennkammereinheit (16) und die Turbine (18) einen Heissgaspfad definieren; d) einem Sensor (54), der ausserhalb des Heissgaspfads installiert ist, wobei der Sensor (54) die inneren thermischen Emissionen aus der Brennkammereinheit (16) und/oder der Turbine (18) misst und ein erstes Signal (60) über die inneren thermischen Emissionen erzeugt, wobei die inneren thermischen Emissionen eine Infrarot- und/oder eine Ultraviolett-Emission umfasst; und e) einem Steuerelement (56), das an den Sensor (54) zum Empfang des ersten Signals (60) angeschlossen ist, wobei das Steuerelement (56) mindestens den Verdichter (14), die Brennkammereinheit (16) oder die Turbine (18) in Reaktion auf das erste Signal von dem Sensor (54) regelt.

2. System nach Anspruch 1, wobei der Verdichter (14) eine Einlass-Leitschaufel (24) mit einstellbarer Position umfasst, und das Steuerelement (56) die einstellbare Position der Einlass-Leitschaufel (24) in Reaktion auf das erste Signal (60) des Sensors (54) regelt.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Brennkammereinheit (16) eine variable Brennstoffzufuhr (44) umfasst und das Steuerelement (56) die variable Brennstoffzufuhr (44) in Reaktion auf das erste Signal (60) von dem Sensor (54) regelt.

4. System nach einem der Ansprüche 1-3, ferner umfassend ein Sichtfenster (64) zwischen dem Sensor (54) und den inneren thermischen Emissionen.

5. System nach einem der Ansprüche 1-4, wobei der Sensor (54) von aussen die äusseren thermischen Emissionen von der Brennkammereinheit (16) und/oder der Turbine (18) misst und ein zweites Signal über die äusseren thermischen Emissionen erzeugt, wobei die äusseren thermischen Emissionen mindestens eine Infrarot- und/oder eine Ultraviolett-Emissionen umfasst.

6. System nach einem der Ansprüche 1-5, wobei das Steuerelement (56) angeschlossen ist, um das zweite Signal zu empfangen und mindestens den Verdichter (14), die Brennkammereinheit (16) oder Turbine (18) in Reaktion auf das zweite Signal von dem Sensor (54) zu steuern.

7. System nach einem der Ansprüche 1-6, ferner umfassend ein Kommunikationsgerät (58), angeschlossen an das Steuerelement (56), wobei das Steuerelement (56) das Kommunikationsgerät (58) in Reaktion auf das erste Signal (60) von dem Sensor (54) ansteuert.

8. Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine (12) mit einem Verdichter (14), einer Brennkammereinheit (16) und einer Turbine (18), wobei die Brennkammereinheit (16) und die Turbine (18) einen Heissgaspfad definieren, umfassend: a) das Messen der inneren thermischen Emissionen von innerhalb der Brennkammereinheit (16) und/oder der Turbine (18) mit einem ausserhalb des Heissgaspfads angeordneten Sensor (54), wobei die inneren thermischen Emissionen die Infrarot- und/oder die Ultraviolett-Emissionen umfasst; b) das Erzeugung eines ersten Signals (60) über die inneren thermischen Emissionen; c) das Steuern des Betriebs mindestens des Verdichters (14), der Brennkammereinheit (16) oder Turbine (18) in Reaktion auf das erste Signal (60) von dem Sensor (54).

9. Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend die Messung der äusseren thermischen Emissionen von ausserhalb der Brennkammereinheit (16) und/oder der Turbine (18) mit dem ausserhalb des Heissgaspfads angeordneten Sensor (54), wobei die äusseren thermischen Emissionen die Infrarot- und/oder die Ultraviolett-Emission umfasst.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, ferner umfassend die Erzeugung eines zweiten Signals über die äusseren thermischen Emissionen.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8-10, ferner umfassend die Steuerung des Betriebs mindestens des Verdichters (14), der Brennkammereinheit (16) oder Turbine (18) in Reaktion auf das zweite Signal von dem Sensor (54).

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8-11, ferner umfassend die Steuerung einer Einlass-Leitschaufel im Verdichter in Reaktion auf das erste Signal von Sensor (54).

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8-12, ferner umfassend die Steuerung einer variablen Brennstoffzufuhr (44) zur Brennkammer in Reaktion auf das erste Signal (60) von dem Sensor (54).

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8-13, ferner umfassend die Messung der inneren thermischen Emissionen durch ein Sichtfenster (64) zwischen dem Sensor (54) und den inneren Emissionen.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8-14, ferner umfassend die Ansteuerung eines Kommunikationsgeräts (58) in Reaktion auf das erste Signal (60) von dem Sensor (54).