Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Beeinflussung von Verbrennungs¬ vorgängen, insbesondere beim Betrieb einer Gasturbine
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Beeinflus¬ sung von Verbrennungsvorgängen, insbesondere beim Betrieb ei¬ ner Gasturbine, wobei zur Aufrechterhaltung der Verbrennung über einen großen Parameterbereich Pilotflammen verwendet werden, deren Flammensteuerung über elektromagnetische Felder erfolgt. Daneben bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrich¬ tung zur Durchführung des Verfahrens.
Die bei Gasturbinen zur Aufrechterhaltung der Verbrennung über einen großen Parameterbereich notwendigen Pilotflammen erzeugen einen nicht unwesentlichen Anteil der Schadstoffe, insbesondere der Stickoxide (NOx) . Die Pilotflammen einer Gasturbine haben einen engen Arbeitsbereich und sind - u.a. wegen der großen Trägheit einer gasflussbezogenen Regelung - nur bedingt zur Steuerung des Verbrennungsablaufs in der Brennkammer geeignet .
Eine Erweiterung des Arbeitsbereichs der Pilotflammen bei gleichzeitiger Verringerung der Schadstofferzeugung sowie ei- ne sehr schnelle Beeinflussbarkeit des Verbrennungsvorgangs können sich sehr vorteilhaft auf Wirkungsgrad und Schadstoff¬ ausstoß auswirken.
Neben der nur eingeschränkt möglichen und vergleichsweise trägen Regelung von Gasfluss und Brenngaszusammensetzung wer¬ den seit einiger Zeit Methoden untersucht, eine Flammensteue¬ rung über elektrische Felder zu erzielen. Diese Methode führt zu einer Erweiterung des Arbeitsbereichs der Pilotflamme in Bezug auf die Luftzahl sowie eine Verringerung des NOx-Gehal- tes im Abgas der Flamme. Weiterhin ist eine schnelle Beein¬ flussung der Flamme möglich. Aus der DE 199 47 258 Al ist das Grundprinzip einer induktiven Einkopplung von elektrischer
Energie in einen Gasstrom bekannt. Weiterhin offenbart die EP 1 215 392 eine Vorrichtung zur Energieeinkopplung in einen mit einem Luft-Kraftstoff-gefüllten Brennraum eines Verbren¬ nungsmotors, um das Luft-Kraftstoff-Gemisch zu entzünden.
Von letzterem Stand der Technik ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Steuerung des Verbrennungsvorganges anzugeben und eine zugehörige Vorrich¬ tung zu schaffen.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des Pa¬ tentanspruches 1 gelöst. Eine zugehörige Vorrichtung ist Ge¬ genstand des Patentanspruches 6. Weiterbildungen des Verfah¬ rens und der zugehörigen Vorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung erfolgt eine induktive, gepulste Energie¬ einkopplung über eine die Flamme umgebende Induktionsspule mit der Flamme als Sekundärwindung eines Impulstransforma- tors . Solche Anordnungen sind zur Erzeugung von z.B. Pinch- vorgängen bekannt. Die Wirkung setzt dabei wegen der abschir¬ menden Wirkung des leitfähigen Flammenplasmas bevorzugt im Außenbereich der Flamme ein, so dass diese kalten Flammenbe¬ reiche bevorzugt eine zusätzliche Heizung durch die induktiv erfolgte gepulste Energiezufuhr erhalten. Dadurch kann der Temperaturverlauf in der Flamme kurzzeitig über den Quer¬ schnitt vergleichmäßigt werden.
Da über die Zufuhr von impulsförmig zugeführter elektrischer Energie eine sehr schnelle Regelung der Verbrennungsprozesse erfolgt, können auch akustische Eigenschwingungen im Brenn¬ kammerbereich durch entsprechende rückgekoppelte Regelalgo¬ rithmen kompensiert werden.
Für die Zuführung von elektrischer Energie in Form induktiv übertragener Leistung stehen prinzipiell zwei Möglichkeiten zur Verfügung:
Energiezufuhr in einer Serie von Einzelimpulsen mit kurzer Dauer von Mikrosekunden (μs) bis Millisekunden (ms) . kontinuierliche (oder quasi-kontinuierliche) Zuführung in¬ duktiv eingekoppelter Hochfrequenzleistung über wenigstens einen HF-Leistungsgenerator.
Mit der Erfindung wird eine schnell regelbare Energieeinkopp¬ lung in Flammen erreicht, mit deren Hilfe eine nahezu träg¬ heitslose Steuerung des Verbrennungsablaufs in der Pilotflam- me ermöglicht wird bis hin zu hohen thermischen Leistungen im MW-Bereich und darüber.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen in bei¬ den Fällen in der sehr schnellen Regelbarkeit der elektri- sehen Leistung im sub-Millisekunden-Bereich bei Verwendung entsprechend kurzer Leistungsimpulse, sowie der Skalierbar¬ keit zu hohen Gasdrücken und der Einkopplung hoher elektri¬ scher Leistungen. Dadurch können auch sehr schnelle Regelvor¬ gänge z.B. zur Unterdrückung akustischer Eigenmoden in der Brennkammer realisiert werden.
Die Vergleichmäßigung der Flammentemperatur führt zu einer Verringerung der Schadstofferzeugung wie z.B. von Stickoxi¬ den.
Weiterhin ist es mit der Erfindung möglich, den Verbrennungs¬ vorgang auch in der Brennkammer selbst berührungslos zu steu¬ ern; dies kann über ein einzelnes großes, oder über mehrere getrennte, räumlich verteilte kleinere Induktionssysteme er- folgen, so dass sogar eine gezielte räumlich aufgelöste Be¬ einflussung des Verbrennungsvorgangs ermöglicht wird. Damit lassen sich gezielt Temperaturspitzen abbauen und somit der NOx-Ausstoß verringern, der Verbrennungsvorgang (Wirkungs¬ grad) optimieren sowie akustische Resonanzen verhindern. Flachspulen sind hier eine besonders günstige Lösung.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbei-
spielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den weiteren Patentansprüchen. Es zeigen jeweils in schematischer Darstel¬ lung
Figur 1 die Steuerung einer Turbinenpilotflamme mit Hilfe ei¬ ner die Flamme umgebenden Impuls-Induktionsspule zur Einkopplung von Impulsenergie,
Figur 2 die Steuerung der Hauptflamme in der Brennkammer ei¬ ner Gasturbine mit Hilfe verteilter Induktionsspulen zur räumlich steuerbaren Einkopplung von Hochfre- quenzenergie,
Figur 3 einen Aufbau entsprechend Figur 1 mit einem HF-Gene¬ rator und
Figur 4 einen Aufbau entsprechend Figur 2 mit zwei HF-Gene- ratoren.
Während im CW-Bereich die Einkopplung einer zur Flammensteue¬ rung ausreichenden Leistung über viele Schwingungsperioden gemittelt erfolgt, muss bei Impulsbetrieb die im Einzelimpuls eingekoppelte Energie dafür ausreichend sein. Dies ist i.a. nur sehr bedingt gegeben, da die Leitfähigkeit und damit die elektrische Impedanz des Plasmas einer Flamme vergleichsweise gering ist im Vergleich zur Impedanz der notwendigen Leis¬ tungsimpulselektronik.
Daher ist es notwendig, eine Impedanzanpassung der Leistungs¬ elektronik an die Impedanz des Flammenplasmas vorzunehmen. Dies erfolgt erfindungsgemäß dadurch, dass ein elektrischer Strom i durch eine die Flamme umgebende, vorwiegend zylindri- sehe Spule durch einen schließenden Schalter über ein länge¬ res Zeitintervall aufgebaut wird (Bild 1) . Im Bereich des Strommaximums wird der Schalter (oder ein mit ihm in Serie geschaltetes zweites Schaltelement) mit einer im Vergleich zur Stromaufbauzeit kurzen Zeitkonstante geöffnet. Dadurch wird die induktiv in der Spuleninduktivität L gespeicherte magnetische Energie
Eind = 0,5*L*I2 (Gl.l)
in Form eines sehr hochfrequenten Hochspannungsimpulses in die Streukapazität CS des Systems umgeladen; das elektrische System besteht aus Spuleninduktivität L als Primärseite eines Lufttransformators und der zugehörigen geringen Streukapazi- tat CS, sowie dem Plasma als (einwindige) Sekundärseite des Transformators stellt nun eine hochimpedante Anordnung dar. Durch diese Maßnahme wird eine erheblich verbesserte Impe¬ danzanpassung der Last an die Energiequelle und damit eine bessere Leistungseinkopplung in das Flammenplasma erreicht als über eine direkte induktive Ankopplung des Einzelimpul¬ ses .
Die Wechselwirkung des induzierten elektrischen Feldes mit den Ladungsträgern im Flammenplasma wird durch diese Maßnahme enorm vergrößert. Eine gezielte Ladungsträgervermehrung über Stoßionisation wird durch extern einstellbare Zeitkonstanten des Schalters möglich, wobei es nach dem Stand der Technik (vgl. gepulster elektrostatischer Staubfilter) durchaus mög¬ lich ist, einen direkten Gasdurchschlag zu vermeiden.
Impulsfolgefrequenz und Impulsamplitude werden über ein Rege¬ lungssystem gesteuert, das über entsprechende Sensorik (Tem¬ peratur; akustische Schwingungen; Abgaszusammensetzung; etc.) den momentanen Betriebszustand der Gasturbine charakterisiert und über eine gezielte zusätzliche Energiezufuhr zur Pilot¬ oder auch Hauptflamme kontrolliert.
Es wird vorgeschlagen, diese Art der gepulsten Energieein¬ kopplung zur Steuerung der Pilotflammen und der Vormischflam- me von Gasturbinen einzusetzen. Varianten des Aufbaus, die ein höherpoliges Feld erzeugen, sind einfach zu realisieren und gestatten über entsprechende Wahl der Phasenlage z.B. die Induktion einer Rotationsbewegung des Plasmas. Je nach Art der Anwendung können dabei Flachspulen zur lokalen Flammenbe- einflussung vorteilhaft sein.
In der Figur 1 ist mit 1 eine Vorrichtung zur Flammensteue¬ rung bezeichnet. Im Einzelnen bedeuten 10 ein Keramikrohr,
auf der eine Induktionsspule 11 mit Induktivität L angeordnet ist. Mit 12 ist ein Brenner und mit 13 die zugehörige Pilot¬ flamme bezeichnet.
Zur Steuerung der Induktionsspule sind geeignete Mittel vor¬ handen: Dabei stellen 14 und 15 jeweils Kondensatoren dar, wobei der Kondensator 14 eine Streukapazität CS realisiert und der Kondensator 15 eine Impulskapazität CP realisiert. Die Kondensatoren sind an eine Hochspannungsquelle UH ange- schlössen und auf der anderen Seite gegen Masse geschaltet. Es ist ein Schalter 16 vorhanden, der als öffnender oder als schließender Schalter realisiert sein kann. Der Schalter 16 wird von einer Steuer-Regel-Einheit 30 angesteuert. Als Ein¬ gänge für die Steuer-Regel-Einheit dienen Sensoren 31, 32.
Mit der Anordnung gemäß Figur 1 kann Impulsenergie zur Steue¬ rung der Turbinenpilotflamme eingekoppelt werden.
Letzteres Prinzip ist auf die Anordnung gemäß Figur 2 über- tragen. Es bedeuten in diesem Fall 20 eine keramische Brenn¬ kammerwand und 23 die Hauptflamme in der Turbine. Mit 21 und 21 Λ sind Induktionsspulen bezeichnet, die in Figur 2 als Flachspulen ausgebildet sind.
Es kann eine Vielzahl von Flachspulen vorhanden sein. Jede der Flachspulen hat eine Steuereinrichtung, die im Prinzip der Steuereinrichtung entsprechend Figur 1 entspricht. Dies heißt im Einzelnen, dass wiederum Kondensatoren 14, 15 vor¬ handen sind, die eine Streukapazität CS und eine Impulskapa- zität Cp realisieren. Die Schaltung ist an eine Hochspan¬ nungsquelle UH angeschlossen und es sind Schalter 16, 16' vorhanden, die von einer Steuer/Regeleinheit 30 mit entspre¬ chenden Sensoren 31, 32 angeschlossen sind. Die einzelnen Steuereinrichtungen können miteinander gekoppelt sein.
Mit den verteilten Induktionsspulen entsprechend Figur 2 ist eine räumlich steuerbare Einkopplung von Hochfrequenzenergie direkt in das Plasma der Hauptflamme möglich. Die einzelnen
Induktionsspulen 21, 22 sind vorteilhafterweise als Flachspu¬ len ausgeführt. In Figur 2 sind sie außerhalb der keramischen Brennkammerwand angeordnet. Bei elektrisch leitfähiger Brenn¬ kammerwand können sie auch innerhalb der Brennkammer angeord- net sein.
In beiden Fällen der Figur 1 und Figur 2 ergibt sich insbe¬ sondere die schnelle Steuerbarkeit, womit eine Vergleichmäßi¬ gung der Flammentemperatur erreicht werden kann. Dies bewirkt eine Verringerung der Schadstofferzeugung. Die beschriebenen Vorrichtungen ermöglichen die Skalierbarkeit zu hohen Gasdrü¬ cken und zur Einkopplung hoher elektrischer Leistungen. Ins¬ besondere können somit auch akustische Eigenmoden in der Brennkammer unterdrückt werden.
In Abwandlung zu Fig. 1/2 ist in den Figuren 3 und 4 der steuerbare Schalter 16 bzw. 16' durch ein bzw. zwei Leis- tungs-HF-Generatoren 26 bzw. 26' ersetzt. Mit den HF-Genera¬ toren können insbesondere die Frequenz der eingekoppelten Leistung vorgegeben werden. Ansonsten ist die Anordnung der Induktionsspulen und die Steuer/Regeleinheit mit den zugehö¬ rigen Sensoren entsprechend den Figuren 1 und 2 aufgebaut.