DE102005011287B4

DE102005011287B4 - Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Betreiben wenigstens eines Brenners zur Befeuerung der Brennkammer einer Wärmekraftmaschine oder Gasturbine

Info

Publication number: DE102005011287B4
Application number: DE102005011287.0A
Authority: DE
Inventors: Philipp Brunner; Dr. Hellat Jaan; Christian Oliver Paschereit
Original assignee: Ansaldo Energia IP UK Ltd
Current assignee: Ansaldo Energia IP UK Ltd
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2005-03-11
Publication date: 2018-07-19
Anticipated expiration: 2025-03-12
Also published as: DE102005011287A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben wenigstens eines Vormischbrenners (1) zur Befeuerung einer Brennkammer einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage, wobei eine Anzahl von Betriebsparametern sensoriell erfasst wird, die einen Verbrennungsvorgang jeweils innerhalb des wenigstens einen Vormischbrenners (1) qualitativ bestimmen, wobei die Anzahl der Betriebsparameter zu Zwecken einer Bewertung des Verbrennungsvorgangs innerhalb der Brennkammer ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die folgenden Betriebsparameter durch eine an einem Gehäuse des Vormischbrenners (1) angeordnete Sensoreneinheit (4) sensoriell erfasst werden:- Temperatur am und/oder im Brennergehäuse,- Massenfluss von der dem Vormischbrenner (1) zugeführten Verbrennungszuluft im Wege einer Partialdruckmessung,- Druckschwankungen (P,) innerhalb des Vormischbrenners (1) mittels eines Mikrofonsensors bedingt durch die Ausbildung thermoakustischer Schwingungen und- ein Flammensignal.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Betreiben wenigstens eines Brenners zur Befeuerung der Brennkammer einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage.
Brenner vorzugsweise Vormischbrenner sind aus einer Vielzahl vorveröffentlichter Druckschriften bekannt, so bspw. aus der EP 0 210 462 A1 sowie der EP 0 321 809 B1 , um nur einige zu nennen. Vormischbrennern dieser Art liegt das allgemeine Wirkprinzip zugrunde, innerhalb eines zumeist als kegelförmig ausgebildeten Drallerzeugers, der wenigstens zwei mit entsprechend gegenseitiger Überlappung zusammengesetzte Teilkegelschalen vorsieht, eine aus einem Brennstoff-Luftgemisch bestehende Drallströmung zu erzeugen, die innerhalb einer in Strömungsrichtung dem Vormischbrenner nachfolgenden Brennkammer unter Ausbildung einer räumlich möglichst stabilen Vormischflamme zur Zündung gebracht wird. Aus der EP 0 529 900 A1 ist eine Gasturbine mit mehreren Vormischbrennern bekannt, bei der eine Vielzahl von Sensoren vorhanden ist, deren Ausgangsignale dazu dienen, eine verbesserte Kontrolle der Brenner bzw. der Verbrennung zu ermöglichen. Die Ausgangssignale der Sensoren werden in einem Steuergeräte verarbeitet. Dabei werden die Abweichungen der Sensorsignale von intern abgespeicherten Referenzwerten in Korrekturfaktoren oder -terme umgewandelt und zur Steuerung des Verbrennungsluft-Brennstoff-Verhältnisses eingesetzt.
Ob in Einzel- oder Mehrfachbrenneranordnung, derartige Vormischbrenner werden zur Befeuerung von Brennkammern für den Betrieb von Wärmekraftmaschinen bevorzugt eingesetzt, insbesondere in Gas- oder Dampfturbinenanlagen, zumal derartige Vormischbrenner den Einsatz unterschiedlicher Brennstoffe zur Ausbildung eines weitgehend homogenen Brennstoff-Luftgemisches ermöglichen, das letztlich unter Ausbildung einer aerodynamisch stabilisierten Vormischflamme zur Zündung gebracht wird.
An den Betrieb von Wärmekraftmaschinen, insbesondere von Gasturbinenanlagen, werden hohe Anforderungen hinsichtlich ihrer Umweltverträglichkeit gestellt, unterliegen doch die durch den Verbrennungsprozess in die Atmosphäre freigesetzten Abgase strengen Emissionsgrenzwerten. Zudem gilt es, Wärmekraftmaschinen unter dem Gesichtspunkt ihres Wirkungsgrades, mit dem sie in der Lage sind, thermische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, zu optimieren und dies möglichst im gesamten Spektrum ihres Leistungsbereiches.
Gegenwärtige Gasturbinenanlagen werden in an sich bekannter Weise nach einem fest vorgegebenen Betriebsmuster betrieben, das von einer begrenzten Anzahl von individuell vorgegebenen Umgebungsbedingungen abhängt. So stellen derartige Umgebungsbedingungen beispielsweise die Umgebungstemperatur, die Luftfeuchtigkeit sowie auch Brennstoffqualitäten dar, um nur einige zu nennen. Durch diese äußeren Einflüsse wird das Betriebsverhalten einer Gasturbinenanlage wesentlich beeinflusst. So wird unter Berücksichtigung dieser und anderer Umgebungsbedingungen vor Inbetriebnahme der Gasturbinenanlage, beispielsweise einer vorgegebenen Bauserie, ein so genanntes Betriebshandbuch bzw. „Betriebsfahrplan“ erstellt, gemäß dem eine Festlegung wichtiger Regelgrößen erfolgt, durch die ein möglichst optimierter Betrieb der Gasturbinenanlage im gesamten Lastbereich gewährleistet werden soll. Die Regelgrößen betreffen insbesondere quantitative sowie auch qualitative Größen, die die Brennstoff- sowie auch Verbrennungsluftzufuhr der Brennereinheit regeln.
Probleme können jedoch auftreten, sofern bereits geringste fertigungstechnische Abweichungen innerhalb einer Gasturbinenserie zu beobachten sind, die insbesondere die Brennerkomponente betreffen. Da die im Brenner eingesetzten Vormischbrenner der eingangs genannten Art eine optimierte Bauform im Hinblick auf Flammenstabilität und Emissionsverhalten aufweisen, können bereits geringste, den aerodynamischen Strömungsfluss beeinträchtigende Abweichungen in der konstruktiven Auslegung der Vormischbrenner beträchtliche nachteilhafte Auswirkungen auf das Verbrennungsergebnis haben. Wird in an sich bekannter Weise der Verbrennungsprozess mit fest vorgegebenen Regelgrößen durchgeführt, welche die möglicherweise fertigungsbedingt auftretenden konstruktiven Abweichungen nicht zu berücksichtigen vermögen, so führt dies unweigerlich zu einem unbefriedigenden Verbrennungsergebnis, was sich letztlich im Auftreten von Überhitzungen im Brenner oder im stromab vom Brenner gelegenen Heissgaspfad, in so genannten thermoakustischen Schwingungen und verschlechterten Emissionswerten niederschlägt. Auch tragen systembedingte Alterungserscheinungen an den einzelnen Komponenten der Gasturbinen dazu bei, dass sich das Betriebsverhalten der gesamten Gasturbinenanlage mit zunehmendem Anlagenalter verschlechtert.
Ziel sollte es daher sein, den gesamten Verbrennungsvorgang aktiv zu überwachen und in vorteilhafter Weise die den Verbrennungsvorgang beeinflussenden Regelgrößen, wie Brennstoff- sowie Luftzufuhr, an die sich möglicherweise aktuell ergebenden Änderungen anzupassen.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben wenigstens eines Brenners zur Befeuerung einer Brennkammer einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage, derart weiterzubilden, dass Vorkehrungen getroffen werden sollen, mit denen es möglich ist, den Verbrennungsvorgang innerhalb des Brenners an aktuelle Betriebsbedingungen optimiert anzupassen. Der hierfür erforderliche verfahrens- sowie auch gerätetechnische Aufwand sollte möglichst gering und darüber hinaus in vorteilhafter Weise an bereits bestehenden Brennersystemen nachträglich adaptierbar sein. Von besonderem Interesse ist der Betrieb von Mehrfachbrenneranordnungen, in denen es gilt, den Verbrennungsvorgang stabil und mit möglichst geringen Emissionswerten hinsichtlich des Ausstoßes von NOx und CO ablaufen zu lassen. Ebenso besteht der Wunsch den Betrieb eines Brenners in Wärmekraftmaschinen vor Fehlfunktionen zu schützen, indem auftretende Fehleranzeichen möglichst rechtzeitig detektiert werden sollen, um letztlich geeignete Gegenmaßnahmen treffen zu können, um mögliche durch die Fehlfunktionen verursachte Beschädigungen an der Brenneranordnung zu verhindern.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Eine erfindungsgemäß ausgebildete Brenneranordnung ist Gegenstand des Patentanspruchs 15. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung, insbesondere unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel, zu entnehmen.
Das erfindungsgemäße Verfahrenskonzept zum Betreiben wenigstens eines Brenners zur Befeuerung einer Brennkammer einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage, sieht zum einen eine sensorielle Erfassung einer Anzahl von Betriebsparametern vor, die den Verbrennungsvorgang innerhalb des Brenners qualitativ bestimmen. Dies betrifft in vorteilhafter Weise die Erfassung der Temperatur am und/oder im Brennergehäuse mit Hilfe eines geeigneten Thermosensorelementes, das vorzugsweise in einer Ausnehmung innerhalb des Brennergehäuses untergebracht ist. Ferner wird der Massenfluss der dem Brenner zugeführten Verbrennungszuluft erfasst, ebenso der Massenfluss wenigstens einer Brennstoffart, die den Brenner zur Ausbildung eines zündfähigen Brennstoffgemisches, in Form eines Brennstoffluftgemisches, zugeführt wird. Sowohl die dem Brenner zeitlich zugeführte Menge an Verbrennungszuluft sowie auch der zugeführte Brennstoff werden in vorteilhafter Weise mit einer Differenzdruckmesssonde, die in den jeweiligen Massenströmen eingebracht ist, exakt erfasst. Handelt es sich bei der dem Brenner zugeführten Brennstoffart um Flüssigbrennstoff, so eignen sich an sich bekannte, in den flüssigen Massenstrom eingebrachte Strömungssensoren. Im Falle der Zufuhr von gasförmigen Brennstoffen eignet sich der Einsatz der vorstehend genannten Differenzdruckmesssensoren.
Ferner werden Druckschwankungen, die innerhalb des Brennergehäuses bedingt durch die Ausbildung thermoakustischer Schwingungen auftreten, mittels schallakustischer Sensoren, beispielsweise mit Hilfe eines Mikrofons erfasst. Auch eignen sich optische Sensoren zur Erfassung der integralen sowie auch ortsaufgelösten Wärmefreisetzung der sich im Brennerinneren ausbildenden Flamme. Letztlich kann mit Hilfe geeigneter Gassensoren, die durch chemische Reaktion oder im Wege optischer Absorptions- oder Transmissionsmessungen arbeiten, die Gaszusammensetzung der sich durch den Verbrennungsvorgang ausbildenden Heißgase erfasst werden.
Die vorstehend genannten Betriebsparameter, die eine Aussage über die Qualität des Verbrennungsvorganges innerhalb des Brenners zu liefern vermögen, werden erfindungsgemäß zu Zwecken einer Bewertung des Verbrennungsvorganges ausgewertet, um letztlich eine vollständige Information über den aktuellen Verbrennungszustand zu erhalten.
Um eine qualitative Aussage über den aktuellen Verbrennungszustand anstellen zu können, werden wenigstens einige der sensoriell erfassten Betriebsparameter vorzugsweise mit Sollgrößen verglichen, wobei eine möglichst gute Übereinstimmung oder zumindest eine weitgehende Annäherung der erfassten Betriebsparameter mit den vorgegebenen Sollgrößen anzustreben ist, um letztlich eine möglichst optimierte und stabil erfolgende Verbrennung zu erreichen, deren Qualität sich vorzugsweise in den folgenden Betriebsgrößen widerspiegelt: Flammentemperaturverteilung, Heissgastemperatur am Turbineneintritt, Konzentration von Stickoxiden und Kohlenmonoxid in den Abgasen, Druckschwankungen innerhalb des Brenners, durch die eine Aussage über die Flammenstabilität angestellt werden kann und letztlich eine Information über die Flammenstabilität aus dem Auftreten eines Flammenrückschlages von Seiten der Brennkammer zurück in den Brenner.
Je nach der Größe der Abweichung zwischen den sensoriell erfassten Betriebsparametern, den so genannten Ist-Werten und geeignet vorgegebenen Sollgrößen lassen sich Brennerstörungen rechtzeitig detektieren noch bevor irreversible Schäden am Brenner selbst in Erscheinung treten können. Überschreiten die festgestellten Abweichungen vorgegebene Toleranzgrenzen, so kann in vorteilhafter Weise der Brenner in einen Sicherheitsmode überführt werden, in dem Brennerschäden ausgeschlossen werden können und in dem der Brenner so lange betrieben wird bis eine turnusmäßige Brennerinspektion durchgeführt wird. Alternativ zum Betrieb des Brenners in einem Sicherheitsmode kann der entsprechende Brenner vollständig abgeschaltet werden, um den aufgetretenen Schaden sofort untersuchen und entsprechend beheben zu können.
Das Überführen eines Brenners in einen erforderlichen Sicherheitsmode, in dem der Brenner mit reduzierter bzw. stark reduzierter Brennerleistung betrieben wird, erfolgt durch Aktivieren wenigstens eines Stellmittels, das den Brennstoffzufluss zu beeinflussen vermag. In einer einfachen Ausführungsvariante ist das Stellmittel als in einer Brennstoffleitung eingebrachtes Drosselventil ausgebildet, durch das die Brennstoffzufuhr stufenlos gedrosselt und auch vollständig unterbunden werden kann.
Die Ansteuerung des Stellmittels erfolgt mit Hilfe eines Steuersignals, das in Abhängigkeit der vorstehend beschriebenen Auswertung der sensoriell erfassten Betriebsparameter des Brenners generiert wird. In besonders vorteilhafter Weise ist es jedoch denkbar, die Auswertung der sensoriell erfassten Betriebsparameter des Brenners im Rahmen eines geschlossenen Regelkreises vorzunehmen, wobei das generierte Steuersignal in Form eines Regelsignals am Stellmittel eine Veränderung des Massenflusses des dem Brenner zugeführten Brennstoffes bewirkt, wodurch unmittelbar wiederum die Betriebsparameter des Brenners beeinflusst werden. Im Rahmen eines derartigen geschlossenen Regelkreises ist es möglich, den Brenner kontinuierlich in einem optimierten Verbrennungszustand in Abhängigkeit der von der Wärmekraftmaschine angeforderten Leistung, zu halten.
Die vorstehend beschriebene Brennerüberwachung durch eine brennereigene Messwerterfassung, in deren Rahmen zunächst die den Verbrennungsvorgang charakterisierenden Betriebsparameter des Brenners erfasst werden, umfasst somit in einem zweiten Schritt eine qualitativen Bewertung des Brennerzustandes, wodurch es einerseits möglich ist die Betriebssicherheit des Brenners erheblich zu steigern und andererseits die Qualität des Verbrennungsvorganges entscheidend zu verbessern.
Von besonderem Wert ist die erfindungsgemäße Brennerkontrolle bei Mehrfachbrenneranordnungen, in denen eine Vielzahl von Einzelbrennern zur Befeuerung einer großdimensionierten Brennkammer dient, wie es beispielsweise im Falle von Ring- oder Topfbrennkammern der Fall ist.
Insbesondere bei Mehrfachbrenneranordnungen werden die einzelnen Brenner u.a. aus Gründen einer sich in der Brennkammer stabil ausbildenden Flamme sowie reduzierter Emissionswerte gestuft mit Brennstoff betrieben. Die Brennstoffstufung erfolgt in an sich bekannter Weise entweder durch eine Einteilung der Brenner in Brennergruppen, wobei jede einzelne Brennergruppe separat über eine Brennstoffzuleitung mit Brennstoff versorgt wird - man bezeichnet diese Stufungsart zumeist als äußere Stufung -, oder die einzelne Brenner der Mehrfachbrenneranordnung werden jeweils über wenigstens zwei getrennte Brennstoffleitungen mit Brennstoff versorgt. Die letztgenannte Stufungsart wird auch als innere Stufung bezeichnet. Auch ist eine Kombination beider Stufungsarten denkbar.
So ist es grundsätzlich möglich, bei Mehrfachbrenner-Anordnungen eine Überwachung jedes einzelnen Brenners getrennt voneinander vorzunehmen, wie vorstehend beschrieben, wobei eine mögliche Brennerkontrolle im Rahmen einer Ansteuerung oder Regelung für jeden einzelnen Brenner getrennt und unabhängig von den übrigen Brennern in der Mehrfachbrenneranordnung erfolgt. Auch können die Überwachung und eine damit einhergehende Regelung ganze Brennergruppen umfassen, die im Rahmen einer Brennstoffstufung entsprechend mit Brennstoff versorgt werden. Grundsätzlich sind den Möglichkeiten für die Brennerüberwachung keinerlei technische Grenzen gesetzt.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden jedoch die für jeden einzelnen Brenner sensoriell erfassten Betriebsparameter brennerspezifisch direkt oder als vor ausgewertete Informationseinheit einer übergeordneten Überwachungseinheit zugeführt. Durch die erfindungsgemäße Zusammenführung der sensoriell erfassten Betriebsparameter aller in eine Mehrfachbrenneranordnung vorgesehener Brenner ist es grundsätzlich möglich, den gesamten Verbrennungsvorgang der Mehrfachbrenneranordnung einheitlich zu überwachen. Somit könnte die übergeordnete Kontrolleinheit in einer ersten Ausbaustufe ausschließlich als übergeordnete Meßwerterfassung dienen, anhand der der aktuelle Verbrennungszustand der Mehrfachbrenneranordnung lediglich „ablesbar“ ist.
In einer erweiterten Ausführungsform nimmt die übergeordnete Überwachungseinheit eine Überwachung des aktuellen Verbrennungsvorganges dergestalt vor, in dem die aktuellen Verbrennungszustände der einzelnen Brenner mit einer in der Überwachungseinheit implementierten übergeordneten Mehrfachbrennerbetriebsweise abgeglichen und bei auftretenden Abweichungen entsprechende Steuer- bzw. Regelsignale generiert werden, die zur Aktivierung der Stellmittel innerhalb der jeweiligen Brenner dienen. Die übergeordnete Überwachungseinheit kann somit als eine Art Leitstelle verstanden werden, in der eine Mehrfachbrenneranordnung unter Vorgabe einer bestimmt vorgegebenen Mehrfachbrennerbetriebsweise überwacht und geregelt wird.
Zur aktiven Regelung der Mehrfachbrenneranordnung werden bestimmte Betriebsgrößen der Mehrfachbrenneranordnung erfasst und zu Zwecken ihrer Optimierung der übergeordneten Überwachungseinheit zusätzlich den brennerspezifischen Betriebsparameter zugeführt. Einzelheiten hierzu können dem im Weiteren beschriebenen Ausführungsbeispiel entnommen werden.
Unter Maßgabe einer vorbestimmten Mehrfachbrennerbetriebsweise und der zu Zwecken ihrer Optimierung erfassten und der Überwachungseinheit zugeführten Betriebsparameter der Mehrfachbrenneranordnung werden Steuer- bzw. Regelbefehle generiert, die an die die Brennstoffzufuhr der einzelnen Brennern beeinflussenden Stellmitteln übertragen werden. Ebenso kann im Fall einer die Betriebssicherheit der Mehrfachbrenneranordnung in Gefahr setzenden Verbrennungssituation ein Schutzsignal von Seiten der übergeordneten Überwachungseinheit abgesetzt werden, durch das beispielsweise die Brennstoffzuführung für die gesamte Mehrfachbrenneranordnung oder nur für bestimmte Brennergruppen oder Einzelbrenner abrupt unterbrochen wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Brenneranordnung, die in vorteilhafter Weise zur Befeuerung einer Gasturbinenanlage eingesetzt wird, bietet somit die Möglichkeit sowohl der bloßen Überwachung sowie auch der aktiven Kontrolle des Verbrennungsvorganges.
Im einfachsten Fall dient die Erfassung der sensoriell erfassten Betriebsparameter der bloßen Bewertung des Verbrennungsvorganges eines Einzelbrenners. In einer ersten Stufe der Erweiterung werden die sensoriell erfassten Betriebsparameter zu Zwecken der Optimierung des Verbrennungsergebnisses ausgewertet, um letztlich Steuer- oder Regelsignale zu generieren, die durch gezielte Steuerung oder Regelung des Brennstoffzuflusses den Verbrennungsvorgang des Einzelbrenners aktiv beeinflussen.
Eine erweiterte Überwachungsstufe betrifft Mehrfachbrenneranordnungen und die Zusammenführung aller sensoriell erfassten Betriebsparameter einer Vielzahl von Einzelbrennern, durch die eine verbesserte Überwachung des Verbrennungsvorganges bezüglich der gesamten Mehrfachbrenneranordnung möglich ist.
Eine bislang letzte Ausbildungsstufe zur kontrollierten Überwachung einer Mehrfachbrenneranordnung sieht die gezielte Generierung von Steuer- bzw. Regelsignalen vor, die zu Zwecken der Optimierung des Gesamtverbrennungsergebnisses die Brennstoffzufuhr zu einer Vielzahl von Einzelbrennern durch gezielte Aktivierung geeigneter Stellmittel beeinflussen.
In vorteilhafter Weise lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren individuell an die Kontrollanforderungen aber insbesondere an die Komplexität der jeweiligen Brenneranordnung anpassen. Grundsätzlich gilt es die Überwachung und gegebenenfalls die Kontrolle einer Brenneranordnung umso umfassender und komplexer durchzuführen je umfangreicher und komplexer die Brenneranordnung ist. Zudem sind umfassendere Überwachungen und Kontrollen an Brennersystemen vorteilhaft, je näher sich der Brennerbetrieb an stark reduzierten Emissionswerten orientiert, insbesondere im Hinblick auf stark reduzierte NOx-Emissionen. Auch in Fällen, in denen der Brenner mit unterschiedlichen Brennstoffarten oder -qualitäten betrieben wird hilft das erfindungsgemäße Verfahren eine allumfassende Aussage über das aktuelle Betriebsverhalten anzugeben und letztlich einen sicheren und verbrennungs-optimierten Betrieb gewährleisten.
Zur technischen Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens bedarf es einer Brenneranordnung mit wenigstens einem Brenner zur Befeuerung einer Wärmekraftmaschine, insbesondere eine Gasturbinenanlage, in dessen Brenner zur Ausbildung eines zündfähigen Brennstoff-/Luftgemisches wenigstens eine Brennstoffart durch wenigstens eine Brennstoffleitung zugeführt wird, wobei Sensoren am Brenner vorgesehen sind, durch die jeweils den Verbrennungsvorgang charakterisierende Betriebsparameter erfasst werden können. Zur Beurteilung der durch die Sensoren erfassten Messsignale, die letztlich die Betriebsparameter repräsentieren, dient eine Auswerteeinheit, die dem Brenner zugeordnet ist und die die sensoriell erfassten Betriebsparameter zu Zwecken einer Bewertung des Verbrennungsvorganges zumindest zur Darstellung bringt. In Erweiterung ist vorzugsweise eine Brennerkontrolleinheit vorgesehen, die vorzugsweise mit der Auswerteeinheit kombinierbar ist und in der auf der Grundlage der in der Auswerteeinheit ausgewerteten Betriebsparameter wenigstens ein Steuer- oder Regelsignal generiert wird, das wenigstens ein Stellmittel aktiviert, das den Massenfluss der wenigstens einen Brennstoffart durch wenigstens eine, vorzugsweise alle am Brenner vorgesehenen Brennstoffleitungen beeinflusst. Durch das Stellmittel, das in einer einfachsten Ausführungsform als Ventil innerhalb einer Brennstoffleitung ausgebildet ist, kann der Verbrennungsvorgang unmittelbar beeinflusst werden.
Bei einer im Rahmen einer Mehrfachbrenneranordnung vorliegenden Vielzahl einzelner Brenner sieht jeder Brenner seine brennereigene Auswerte- und Kontrolleinheit vor, die jeweils über entsprechende Signalleitungen mit einer übergeordneten Überwachungseinheit verbunden sind. Wie bereits vorstehend erwähnt, ermöglicht die übergeordnete Überwachungseinheit sowohl eine Gesamterfassung der sensoriell erfassten Betriebsparameter aller Brenner sowie, je nach Ausbildungsstufe, eine entsprechende aktive Kontrolle der am Verbrennungsprozess beteiligten Einzelbrenner, wie dies in dem im weiteren gezeigten Ausführungsbeispiel im Einzelnen zu entnehmen ist.
Figurenliste
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigt:

1 schematisierte Darstellung eines Längsschnittes durch eine Einzel-Brenneranordnung mit schematisiert dargestellter Überwachungs- und Kontrolleinheiten

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Die einzige Figur zeigt einen schematisierten Längsschnitt durch eine Einzelvormischbrenneranordnung, mit einem kegelförmig ausgebildeten Vormischbrenner 1 mit Zuführleitungen 2, 3, die einer zweifach-gestuften Brennstoffzuführung dienen. Auf die übrigen Detailkomponenten der in der einzigen Figur dargestellten Brenneranordnung soll an dieser Stelle nicht weitereingegangen werden. Lediglich sei darauf hingewiesen, dass am Gehäuse des Vormischbrenners 1 eine brennereigene Sensoreneinheit 4 vorgesehen ist, über die eine Vielzahl einzelner Betriebsparameter sensoriell erfassbar ist. Die Sensoreneinheit 4 ermöglicht im Einzelnen die Erfassung der folgenden Betriebsparameter:

- Der Massenfluss der Verbrennungszuluft, die dem Vormischbrenner 1 zugeführt wird, wird im Wege einer Partialdruckmessung δp_air erfasst.
- Im Wege einer Temperaturmessung wird die Gehäusetemperatur T_Burner,Shell des Brenners erfasst.
- Im Wege einer Druckmessung, vorzugsweise mittels eines Mikrofonsensors, können Druckschwankungen (P_rms,mikro) erfasst werden, die als Maß für sich im Brenner ausbildende thermoakustische Schwingungen dienen.
- Mit Hilfe eines optischen Sensors ist es möglich, ein Flammensignal (Signal_Flame-Sensor) zu erfassen, um eine Aussage darüber treffen zu können, ob eine Flamme innerhalb des Brenners vorhanden ist oder bereits erloschen ist.
- Ferner wird der Brennstoffzufluß längs der Brennstoffleitungen 2, 3 ebenfalls im Wege einer Partialdruckmessung erfasst (P_1st _STAGE _GAS, P_2nd _STAGE _GAS)

Die vorstehend sensoriell erfassten Betriebsparameter des Vormischbrenners 1 werden einzeln oder gesamtheitlich einer brennereigenen Auswerteeinheit 5 zugeführt. Die Auswerteeinheit 5 dient in erster Linie der Zusammenführung und Auswertung aller sensoriell am Brenner erfassten Betriebsparameter. In Erweiterung der Auswerteeinheit 5 werden die sensoriell erfassten Betriebsparameter bewertet. Im einfachsten Fall werden hierzu die sensoriell erfassten Betriebsparameter in der durch eine Kontrollfunktion ergänzten Auswerteeinheit 5 mit fest vorgegebenen Bezugsgrößen verglichen, die beispielsweise aus Handbücher oder Betriebswertetabellen entnehmbar sind. Bei nicht tolerierbaren Abweichungen werden Steuer- oder Regelsignale S1, S2 generiert, durch die Stellmittel (nicht dargestellt) aktivierbar sind, die innerhalb der Brennstoffzuleitungen 2, 3 vorgesehen sind und den Massenfluss des Brennstoffes bestimmen und somit das Verbrennungsverhalten direkt beeinflussen.
Handelt es sich um eine Mehrfachbrenneranordnung, wie sie in 1 durch die Mehrfachdarstellung der hintereinander angeordneten Auswerteeinheiten 5 angedeutet ist, so werden die Betriebsparameter jedes einzelnen Brenners sensoriell in der vorstehend beschriebenen Weise getrennt erfasst und jeweils der brennereigenen Auswerteeinheit 5 zugeführt. Die brennerspezifischen Betriebsparameter werden unmittelbar oder in aufbereiteter Form an eine übergeordnete Überwachungseinheit 6 weitergeleitet, die in einer einfachsten Ausführungsform lediglich als Messwerterfassungseinheit dient und die Möglichkeit einer zusammengefassten Darstellung der Verbrennungszustände aller in der Mehrfachbrenneranordnung enthaltenen Brennern bietet.
In Erweiterung der Funktion der Überwachungseinheit 6 im Sinne einer Kontrolleinheit werden weitere Eingangssignale, die das Verbrennungsergebnis der Mehrfachbrenneranordnung repräsentieren, der Überwachungseinheit 6 zur Verfügung gestellt. Dies betrifft im Einzelnen die Temperatur Tk2 sowie den Druck pk2 der den Brennern zugeführten Verbrennungszuluft, die Brennerlast load, die Stickoxidkonzentration sowie Kohlenmonoxidkonzentration in den Abgasen sowie die Temperaturverteilung TAT am Turbinenaustritt.
Unter Zugrundelegung dieser zusätzlichen Eingangsgrößen erfolgt im Rahmen der übergeordneten Überwachungseinheit 6 eine Bewertung aller sensoriell erfassten Betriebsparameter aller Einzelbrenner, wodurch letztlich Steuerbefehle B1, B2 etc. generiert und abgesetzt werden, die unmittelbaren Einfluss auf das Betriebsverhalten und somit auf die Brennstoffzufuhr der jeweiligen Brenner haben.
Die erfindungsgemäße Brennerüberwachung kann aufgrund ihrer viel stufigen Ausbaufähigkeit modular an bereits bestehenden Brennersysteme, insbesondere Mehrfachbrenneranordnungen adaptiert werden.
Durch die zusammengefasste Überwachung einer Vielzahl von Einzelbrennern in einer Mehrfachbrenneranordnung bietet das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit, bestimmte Einzelbrenner zu Brennergruppen zusammenzufassen, die zu Zwecken der Optimierung des Gesamtverbrennungsergebnisses gemeinsam geregelt bzw. gesteuert werden.
Je nach Brenneranordnung, Einsatzzweck und Betriebsverhalten bietet das erfindungsgemäße Verfahren individuelle Optimierungsstrategien, die das Verbrennungsergebnis verbessern und letztlich die Betriebssicherheit von Einzel- sowie auch Mehrfachbrenneranordnungen erheblich erhöhen.
Bezugszeichenliste

1: Vormischbrenner
2, 3: Brennstoffzuleitung
4: Sensoreneinheit
5: Auswerte- und Kontrolleinheit
6: übergeordnete Überwachungseinheit

Claims

Verfahren zum Betreiben wenigstens eines Vormischbrenners (1) zur Befeuerung einer Brennkammer einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage, wobei eine Anzahl von Betriebsparametern sensoriell erfasst wird, die einen Verbrennungsvorgang jeweils innerhalb des wenigstens einen Vormischbrenners (1) qualitativ bestimmen, wobei die Anzahl der Betriebsparameter zu Zwecken einer Bewertung des Verbrennungsvorgangs innerhalb der Brennkammer ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die folgenden Betriebsparameter durch eine an einem Gehäuse des Vormischbrenners (1) angeordnete Sensoreneinheit (4) sensoriell erfasst werden: - Temperatur am und/oder im Brennergehäuse, - Massenfluss von der dem Vormischbrenner (1) zugeführten Verbrennungszuluft im Wege einer Partialdruckmessung, - Druckschwankungen (P_mms, _mikro) innerhalb des Vormischbrenners (1) mittels eines Mikrofonsensors bedingt durch die Ausbildung thermoakustischer Schwingungen und - ein Flammensignal.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der folgenden Betriebsparameter sensoriell erfasst wird: - Massenfluss wenigstens einer Brennstoffart, die dem Vormischbrenner (1) zur Ausbildung eines zündfähigen Brennstoffgemisches zugeführt wird, - Wärmefreisetzung der sich im Vormischbrenner (1) ausbildenden Flamme, - Flammentemperatur der sich im Vormischbrenner (1) ausbildenden Flamme, - Gaszusammensetzung der sich durch den Verbrennungsvorgang ausbildenden Heißgase.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenfluss sowohl der Verbrennungszuluft als auch der wenigstens einen Brennstoffart im Wege jeweils einer Differenzdruckmessung ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Vormischbrenner (1) im Wege einer so genannten inneren gestuften Brennstoffversorgung betrieben wird, wobei dem wenigstens einen Vormischbrenner (1) über wenigstens zwei getrennte Brennstoffzuführleitungen (2, 3) die wenigstens eine Brennstoffart zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Vormischbrennern (1) zur Befeuerung einer Brennkammer vorgesehen ist, die derart im Wege einer äußeren Stufung mit wenigstens einer Brennstoffart versorgt wird, dass eine erste Gruppe von Vormischbrennern (1) über wenigstens eine erste (2) Brennstoffzuführungsleitung und wenigstens eine zweite Gruppe von Vormischbrennern (1) über wenigstens eine zweite Brennstoffleitung (3) mit der wenigstens einen Brennstoffart versorgt werden.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenfluss der wenigstens einen Brennstoffart durch jede einzelne Brennstoffzuführleitung getrennt ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis aus den Massenflüssen der durch die wenigstens zwei Brennstoffzuführleitungen (2, 3) dem wenigstens einen Vormischbrenner (1) zugeführten wenigstens einen Brennstoffart, ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die sich im Vormischbrenner (1) ausbildende Flamme bedingte Wärmefreisetzung kalorisch erfasst wird, und dass die Wärmefreisetzung als integraler Wert über die gesamte Flamme oder durch ein wenigstens einen Teilbereich der Flamme repräsentierendes ortsaufgelöstes Temperaturfeld angegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Grundlage der Auswertung der sensoriell erfassten Betriebsparameter wenigstens ein Steuer- oder Regelsignal (S1, S2) generiert wird, mit dem wenigstens ein Stellmittel aktiviert wird, durch das der Verbrennungsvorgang des wenigstens einen Vormischbrenners (1) beeinflusst wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens durch eine oder alle am Vormischbrenner (1) vorgesehenen Brennstoffleitungen (2, 3) fließende Massenfluss durch das Steuer- oder Regelsignal (S1, S2) gesteuert oder geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beeinflussung des Verbrennungsvorganges durch gezielte Aktivierung des wenigstens einen Stellmittels wenigstens eine der folgenden Verbrennungseigenschaften optimiert wird: - Heissgastemperatur am Turbineneintritt (TIT), - Homogenisierung der Temperaturverteilung innerhalb der Brennkammer, - Reduzierung der Emissionswerte von NOx und CO in den Abgasen der Brennkraftmaschine, - Erhöhung der Flammenstabilität und Reduzierung von thermoakustischen Schwingungen im Vormischbrenner (1) sowie - Reduzierung der Gefahr von Flammenrückschlag und Überhitzungen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Vielzahl einzelner Vormischbrenner (1), die im Rahmen einer Mehrfachbrenneranordnung angeordnet sind, die Betriebsparameter jedes einzelnen Vormischbrenners (1) getrennt erfasst und ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die pro Vormischbrenner (1) erfassten Betriebsparameter oder die pro Vormischbrenner (1) auf Grundlage der Betriebsparameter ermittelten Informationen einer übergeordneten Überwachungseinheit (6) zu einer Überwachung und Kontrolle der Mehrfachbrenneranordnung zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass unter Zugrundelegung einer Mehrfachbrennerbetriebsweise die Überwachungseinheit (6) Steuer- oder Regelsignale (B1, B2) zur Ansteuerung oder Regelung einzelner Vormischbrenner (1) oder Brennergruppen generiert.
Brenneranordnung mit wenigstens einem Vormischbrenner (1) zur Befeuerung einer Wärmekraftmaschine oder einer Gasturbinenanlage, dem zur Ausbildung eines zündfähigen Brennstoff-/Luftgemisches wenigstens eine Brennstoffart durch wenigstens eine Brennstoffleitung (2, 3) zuführbar ist, wobei eine Anzahl von Sensoren am Vormischbrenner (1) vorgesehen ist, die jeweils den Verbrennungsvorgang charakterisierende Betriebsparameter erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sensoren in einer Sensoreneinheit (4) zusammengefasst sind, dass die Sensoreneinheit (4) an einem Gehäuse des Vormischbrenners (1) vorgesehen ist, dass eine dem Vormischbrenner (1) zuordenbare Auswerteeinheit (5) vorgesehen ist, welche die Anzahl der sensoriell erfassten Betriebsparameter zu Zwecken einer Bewertung des Verbrennungsvorgangs auswertet, und dass die Sensoreneinheit (4) mindestens die nachstehenden Sensoren umfasst: - Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur am Brennergehäuse, - Massenflusssensor zur Erfassung der dem Vormischbrenner (1) zugeführten Verbrennungszuluft basierend auf einer Partialdruckmessung, - Mikrofonsensor zur Erfassung von Druckschwankungen innerhalb des Brenners bedingt durch die Ausbildung thermoakustischer Schwingungen und ein - optischer Sensor zur Erfassung eines Flammensignals.
Brenneranordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreneinheit (4) wenigstens einen der nachstehenden Sensoren umfasst: - Massenflusssensor zur Erfassung der wenigstens einen Brennstoffart, - Wärmesensor zur Erfassung der Wärmefreisetzung der sich im Brenner ausbildenden Flamme, - Thermosensor zur Erfassung der Flammentemperatur der sich im Brenner ausbildenden Flamme, - Gassensor zur Erfassung der Gaszusammensetzung der sich durch den Verbrennungsvorgang ausbildenden Heissgase.
Brenneranordnung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Brennerkontrolleinheit vorgesehen ist, in der auf der Grundlage der in der Auswerteeinheit (5) ausgewerteten Betriebsparameter wenigstens ein Steuer- oder Regelsignal (S1, S2) generierbar ist, das wenigstens ein Stellmittel aktiviert, das den Massenfluss der wenigstens einen Brennstoffart durch wenigstens eine oder alle am Vormischbrenner (1) vorgesehenen Brennstoffleitungen (2, 3) beeinflusst.
Brenneranordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellmittel als ein an der Brennstoffleitung (2, 3) vorgesehenes Ventil ausgebildet ist.
Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl einzelner Vormischbrenner (1) im Rahmen einer Mehrfachbrenneranordnung angeordnet ist, dass die pro Vormischbrenner (1) erfassten Betriebsparameter oder auf der Grundlage der Betriebsparameter pro Vormischbrenner (1) ermittelten Informationen einer übergeordneten Überwachungseinheit (6) zuführbar sind, und dass die übergeordnete Überwachungseinheit (6) unter Zugrundelegung eines Soll-Verbrennungsverhaltens bezüglich der Mehrfachbrenneranordnung Steuer- oder Regelgrößen generiert, die jeweils den Ist-Verbrennungszustand der einzelnen Vormischbrenner (1) beeinflussen.