DE19825335A1

DE19825335A1 - Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine

Info

Publication number: DE19825335A1
Application number: DE1998125335
Authority: DE
Inventors: Michael Witt; Gunnar Breitsprecher; Josef Just; Ung-Lap Ngo-Beelmann; Klaus Langenbacher; Udo Kowal; Pierre Gerodez; Gerhard Mueller; Robin Millan Mc
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1998-06-05
Filing date: 1998-06-05
Publication date: 1999-12-09
Also published as: GB9911677D0; JP2000002421A; GB2341641A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine, deren Arbeitsmedium in wenigstens einer ringförmig angeordneten Brennkammer mit Einzelbrennern erzeugt wird, die über wenigstens eine Ringleitung (12, 14, 16) mit Brennstoff versorgt werden, dessen Zustrom mit einer bestimmten Anzahl von Ventilen (25, 27, 29) gesteuert wird, wobei eine Teilmenge des Brennstoffs über schaltbare Ventile (25, 27, 29) den zur Versorgung von Einzelbrennern dienenden Ringleitungen (12, 14, 16) zugeleitet wird und daß die schaltbaren Ventile (25, 27, 29) angesteuert und im Teillastgebiet abhängig vom jeweiligen Bedarf zu- oder abgeschaltet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine, deren Arbeitsmedium von ringförmig angeordneten Brennkammer zugeführt wird, die mit Brennstoff gespeist werden, der aus einer bestimmten Anzahl von Ventilen zuströmt. Außerdem betrifft die Erfindung eine Gasturbinenanlage, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.

Gasturbinenanlagen und deren Betrieb sind seit langem bekannt. Bei Gasturbinen mit Ringbrennkammern wird der Brennstoff bislang mittels weniger regelbarer Zuströmventile der Brennkammer zugeführt. Bei einer bekannten und erprobten Gasturbinenanlage werden beispielsweise die vorhandenen 72 Brenner in der Ringbrennkammer aus drei Regelventilen gespeist.

Diese Aufteilung erweist sich insofern als nachteilig, da zum einen eine gewisse Empfindlichkeit hinsichtlich der Stabilität der Verbrennung besteht, diese insbesondere bei dynamischen Vorgängen, und zum anderen im Teillastbetrieb ein hoher Anteil an Schadstoffen, wie z. B. Stickoxide (NO_x), mit dem Abgas emittiert wird.

Ferner ist bekannt, daß zum Schutz der Umwelt die nachteiligen Emissionen von Schadstoffen beziehungsweise deren schädliche Verbindungen, die im Abgas aus der Verbrennung von Brennstoff zur Erzeugung des Arbeitsmediums der Gasturbine entstehen, reduziert werden sollen.

Insbesondere wird eine Reduzierung der Emissionen an Stickoxiden (NO_x), an Kohlenmonoxid (CO) und an unverbrannten Kohlenwasserstoffen (UHC) angestrebt, die im Teillastbetrieb der Gasturbinenanlage besonders stark anfallen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, welches mit möglichst einfachen Mitteln ermöglicht, die Mengen an Schadstoffen im Abgas zu reduzieren. Ferner soll mit diesem Verfahren eine Erhöhung der Stabilität der Verbrennung bei dynamischen Vorgängen und somit eine Erhöhung der Verfügbarkeit erreicht werden. Außerdem soll eine Gasturbinenanlage geschaffen werden, die zur Durchführung dieses Verfahrens geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 7 und 5. Weitere vorteilhaften Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Entsprechend der Erfindung ist daher vorgesehen, daß eine Teilmenge des Brennstoffs über schaltbare Ventile der Brennkammer zugeleitet wird und daß im Teillastgebiet die schaltbaren Ventile angesteuert und abhängig vom jeweiligen Bedarf zu- oder abgeschaltet werden.

Mit Hilfe dieser Aufteilung der Brennstoffversorgung der Brenner gemäß der Erfindung wird vorteilhafterweise erreicht, daß die Brenneranzahl besser mit der lastabhängigen Gasmenge harmoniert und die Brenner auch schon im Teillastbereich in ihrem schadstoffarmen Arbeitsbereich betrieben werden können. Hiermit ist es möglich, eine Gewähr zu erhalten für die erforderlichen Betriebsgenehmigungen für große Gasturbinen mit Ringbrennkammern.

Entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Betätigung der schaltbaren Ventile lastabhängig, das heißt, je nach Lastzustand der Gasturbinenanlage beziehungsweise abhängig von der jeweiligen Lastanforderung werden die von schaltbaren Ventilen gespeisten Brenner zugeschaltet oder außer Betrieb genommen.

Die Reihenfolge der Zuschaltung der Brenner erfolgt symmetrisch bezogen auf die Ringbrennkammer, so daß ein Ungleichgewicht bei der Beaufschlagung der Gasturbine mit Arbeitsmedium vermieden wird. Hierbei kann gemäß der Erfindung bevorzugterweise an jedem Schaltpunkt bei Betätigung der schaltbaren Ventile die Versorgung für wenigstens 1 Brenner oder mehrere Brenner geschaltet werden.

Eine Gasturbinenanlage zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens ist mit einer Gasturbine mit einem Verdichter sowie mit wenigstens einer ringförmig um die Gasturbine angeordneten Ringbrennkammer ausgerüstet, deren Einzelbrenner über ansteuerbare Ventile mit einer Brennstoffversorgung verbunden sind. Die Brennstoffversorgung ist vorzugsweise mit Hilfe wenigstens einer Ringleitung realisiert, welche entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltung in Einzelabschnitte unterteilt ist, welche über die ansteuerbaren Ventile gruppenweise oder einzeln für die Versorgung der Einzelbrenner sorgen, wobei jedes Ventil den Brennstoffzustrom zu den zugeordneten Einzelbrennern beeinflußt.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung können die schaltbaren Ventile als Magnetventile oder als pneumatische Ventile ausgebildet sein. Gemäß einer besonderen Variante können die schaltbaren Ventile als Kombinationen aus pneumatischen und Magnetventilen ausgebildet sein.

Im Hinblick auf die erwähnte angestrebte Verringerung der Schadstoffemissionen erweist es sich als günstig, daß die Ventile wenigstens zum Teil als schaltbare Ventile ausgebildet sind, welche jeweils bestimmten Brennern zugeordnet sind, denen abhängig von der Schaltstellung der schaltbaren Ventile Brennstoff zuströmt oder nicht, wobei entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung jeweils ein schaltbares Ventil zwei Brennern zugeordnet ist. Es können aber auch zusätzlich Gruppen von vier oder acht Brennern zusammengefaßt sein.

Generell wird angestrebt, die an praktisch jedem Einzelbrenner vorgesehene Zünd- oder Pilotflamme zur Zündung der jeweiligen Betriebsflamme baldmöglichst nach dem Start zu löschen, da wegen deren hoher Flammtemperatur die Verbrennung übermäßig schadstoffreich erfolgt und somit die Schadstoffbilanz der Verbrennung nachteilig beeinflußt.

Um dieses Ziel zu erreichen, erweist es sich entsprechend der Erfindung als günstig, die Brenneranzahl abhängig vom jeweiligen Lastzustand einstellen zu können. Hierdurch wird erreicht, daß bereits bei deutlich weniger als 60% der Nennleistung der Gasturbine die Pilotflamme abgeschaltet werden kann, so daß nur noch die eigentliche schadstoffarme Flamme im Arbeitsbereich des Brenners verbrannt wird. Dies führt zu einer entscheidenden Verminderung der Schadstoffemissionen.

Insbesondere die Einstellbarkeit der Brennstoffzufuhr zu den über den Umfang der wenigstens einen Ringbrennkammer verteilt angeordneten Einzelbrennern beziehungsweise den Einzelbrennergruppen bietet die Möglichkeit, einen möglichst gleichförmigen Schadstofflevel über das gesamte Lastspektrum einzustellen, so daß eine anschließende Abgasreinigung quasi entfallen kann beziehungsweise die Abgasreinigungserfordernisse wesentlich reduziert und somit vereinfacht sind.

Diese und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Anhand eines in der schematischen Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels sollen die Erfindung, vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen sowie besondere Vorteile der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.

Es zeigt die einzige Figur ein schematisiertes Regelkonzept zur Ansteuerung der schaltbaren Ventile.

In der einzigen Figur ist schematisiertes Regelkonzept dargestellt, welches erläutert, wie der Brennstoff den einzelnen Einzelbrennern beziehungsweise den Brennergruppen zugeführt wird.

Über eine Hauptzufuhrleitung 20, welche mit einem Schnellschlußventil 22 absperrbar ist, strömt das Brenngas über Ringleitungen 12, 14, 16 einer nicht näher dargestellten Ringbrennkammer mit Einzelbrennern zu, die in unterschiedlicher Anordnung und Anzahl einzelnen Brennergruppen zugeordnet sind. Im vorliegenden Beispiel teilt sich die Hauptleitung 20 hierbei zunächst in drei Versorgungsleitungen 24, 26, 28 auf, die jeweils mit Regelventilen 25, 27, 29 versehen sind, bevor sie auf die jeweiligen Ringleitungen geschaltet sind.

Die erste Leitung 24 speist die Pilotflammen einer ersten Ringleitung 12, während die anderen beiden Versorgungsleitungen 26, 28 im vorliegenden Fall je eine weitere Ringleitung mit Brenngas versorgen. Die Anzahl der jeweils einer Brennergruppe zugeordneten Einzelbrenner kann verschieden sein und beträgt vorzugsweise zwischen 10 und 60. Ferner kann vorgesehen sein, daß die eine Versorgungsleitung 28 mit einer zusätzlichen Gruppe von weiteren Einzelbrennern zu deren Einzelversorgung verbunden ist.

Zusätzlich kann sowohl die Hauptleitung 20 als auch die eine Versorgungsleitung 26 jeweils über eine Entlastungsleitung mit einem Entlastungsventil 23 verbunden sein.

Die Ansteuerung der schaltbaren Ventile 25, 27, 29 erfolgt über einen speziellen Regelkreis 30, der hier mit gestrichelter Linienführung dargestellt ist und insbesondere die aktuellen Werte für Ansaugdruck, Ansaugtemperatur sowie die jeweilige Leistung berücksichtigt. Über entsprechende Steuerleitungen 32 erfolgt die Ansteuerung der schaltbaren Ventile 25, 27, 29.

Claims

1. Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine, deren Arbeitsmedium in wenigstens einer ringförmig angeordneten Brennkammer mit Einzelbrennern erzeugt wird, die über wenigstens eine Ringleitung (12, 14, 16) mit Brennstoff versorgt werden, dessen Zustrom mit einer bestimmten Anzahl von Ventilen (25, 27, 29) gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Teilmenge des Brennstoffs über schaltbare Ventile (25, 27, 29) den zur Versorgung von Einzelbrennern dienenden Ringleitungen (12, 14, 16) zugeleitet wird und daß die schaltbaren Ventile (25, 27, 29) angesteuert und im Teillastgebiet abhängig vom jeweiligen Bedarf zu- oder abgeschaltet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigung der schaltbaren Ventile (25, 27, 29) lastabhängig erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigung der schaltbaren Ventile (25, 27, 29) einzeln oder in Gruppen erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Schaltpunkt zur Betätigung der schaltbaren Ventile (25, 27, 29) die Versorgung für wenigstens einen Einzelbrenner oder mehrere, vorzugsweise für zwei Einzelbrenner, geschaltet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Schaltpunkt zur Betätigung der schaltbaren Ventile (25, 27, 29) die Versorgung für wenigstens vier Einzelbrenner, vorzugsweise für acht Einzelbrenner, geschaltet wird.

6. Gasturbinenanlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche mit einer Gasturbine mit einem Verdichter sowie mit wenigstens einer ringförmig um die Gasturbine angeordneten Ringbrennkammer (10) mit Einzelbrennern, die über eine mit Ventilen versehene Ringleitung mit einer Brennstoffversorgung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile wenigstens zum Teil als schaltbare Ventile (25, 27, 29) ausgebildet sind, welche jeweils bestimmten Einzelbrennern zugeordnet sind, und daß abhängig von der Schaltstellung der schaltbaren Ventile (25, 27, 29) Brennstoff zuströmt oder nicht.

7. Gasturbinenanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß je einem oder mehreren Einzelbrennern jeweils ein schaltbares Ventil (25, 27, 29) zugeordnet ist, welches den Brennstoffzustrom zu den Einzelbrennern beeinflußt.

8. Gasturbinenanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß je vier Einzelbrennern jeweils ein schaltbares Ventil (25, 27, 29) zugeordnet ist, welches den Brennstoffzustrom zu den Einzelbrennern beeinflußt.

9. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die schaltbaren Ventile (25, 27, 29) als Magnetventile oder als pneumatisch oder hydraulisch betätigte Ventile ausgebildet sind.

10. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die schaltbaren Ventile (25, 27, 29) als Kombinationen aus pneumatisch oder hydraulisch betätigten Ventilen und Magnetventilen ausgebildet sind.