Technisches Gebiet
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Feuerungsanlage
mit Mehr-Brenner-System zur Heißgaserzeugung, insbesondere Gasturbine, vorzugsweise
einer Kraftwerksanlage.
Stand der Technik
[0002] Eine Feuerungsanlage, z.B. eine Gasturbine, weist üblicherweise eine Brennkammer
mit mehreren Brennern auf. Des weiteren ist regelmäßig eine Brennstoffversorgungsanlage
vorgesehen, mit deren Hilfe die Brenner mit Brennstoff versorgt werden.
[0003] Im Hinblick auf immer strenger werdende Vorschriften über einzuhaltende Grenzwerte
für Schadstoffemissionen wird versucht, die Brenner möglichst mager zu betreiben,
das heißt, mit einem deutlichen Überschuss an Oxidator, in der Regel Luft. Durch den
Magerbetrieb kann vor allem die Entstehung besonders schädlicher NOx-Emissionen erheblich
reduziert werden. Durch eine magere Verbrennung wird die Verbrennungsreaktion gleichzeitig
an ihre magere Löschgrenze angenähert. Für minimale Schadstoffemissionen wird daher
versucht, die Gasturbine bzw. ihre Brennkammer möglichst nahe an der mageren Löschgrenze
zu betreiben. Bei einem herkömmlichen Betriebsverfahren muss dazu die Brennstoffversorgung
in Abhängigkeit verschiedener Randbedingungen eingestellt werden. Üblicherweise berücksichtigte
Randbedingungen sind zum Beispiel die Umgebungstemperatur, die relative Luftfeuchtigkeit,
der aktuelle Luftmassenstrom, der insbesondere vom Verschmutzungsgrad eines der Brennkammer
vorgeschalteten Verdichters abhängt, die Schaltstellung ("ein" oder "aus") einer Brennstoff-
und/oder Luftvorwärmeinrichtung, die Zusammensetzung des aktuell verwendeten Brennstoffs
und so weiter. Besonders aufwendig wird die Steuerung der Brennstoffversorgunganlage,
wenn die berücksichtigten Randbedingungen variieren. Beispielsweise wird sich die
Umgebungstemperatur und/oder die Brennstoffzusammensetzung im Verlauf eines Betriebstags
der Gasturbine in der Regel verändern. Da sich die einzelnen Randbedingungen unterschiedlich
auf die Stabilität des Verbrennungsvorgangs auswirken, gelingt es nicht immer, für
die Brennstoffzuführung eine Einstellung zu finden, die einen stabilen Betrieb der
einzelnen Brenner nahe an der mageren Löschgrenze ermöglicht. Um dennoch einen ordnungsgemäßen
Betrieb der Gasturbine gewährleisten zu können, was insbesondere bei einer Kraftwerksanlage
zur Erzeugung von Strom oberste Priorität hat, wird regelmäßig in Kauf genommen, dass
die Brennkammer bezüglich der mageren Löschgrenze mit einem Sicherheitsabstand betrieben
wird, wobei dann die daraus zwangsläufig resultierenden größeren Schadstoffemissionen
ebenfalls in Kauf genommen werden müssen.
Darstellung der Erfindung
[0004] Hier setzt die vorliegende Erfindung an. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen
gekennzeichnet ist, beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Betriebsverfahren der
eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die insbesondere
einen sicheren Betrieb der Brennkammer nahe der mageren Löschgrenze vereinfacht bzw.
erst ermöglicht. Vorzugsweise soll ein bislang erforderlicher Sicherheitsabstand zur
mageren Löschgrenze verringert werden.
[0005] Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs
gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
[0006] Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Brennstoffzufuhr zu den Brennern
der Brennkammer in Abhängigkeit von in der Brennkammer auftretenden Druckpulsationen
zu regeln. Das bedeutet, dass die in der Brennkammer auftretenden Druckpulsationen
als Führungsgröße für die Regelung der Brennstoffzufuhr zu den Brennern dienen. Die
Erfindung nutzt dabei die Erkenntnis, dass die Druckpulsationen bei einer Annäherung
des Verbrennungsprozesses an die magere Löschgrenze zunehmen. Von besonderer Bedeutung
ist hierbei jedoch die überraschende Erkenntnis, dass die Intensität oder Amplitude
der Druckpulsationen bei gewissen charakteristischen Frequenzen mit dem Abstand zwischen
dem Verbrennungsprozess und der zugehörigen mageren Löschgrenze korreliert, und zwar
im wesentlichen unabhängig von den den Verbrennungsprozess und/oder die magere Löschgrenze
beeinflussenden Randbedingungen, wie zum Beispiel Umgebungstemperatur, Brennstoffzusammensetzung
und Luftfeuchtigkeit. Das bedeutet, dass eine Änderung der Randbedingungen, die zum
Beispiel zu einer Vergrößerung des Abstands des momentan ablaufenden Verbrennungsprozesses
zur mageren Löschgrenze führt, mit einer Abnahme der auftretenden Druckpulsationen
einhergeht.
[0007] Die Druckpulsationen können auf herkömmliche Weise erfasst werden, was einen Vergleich
zwischen einem gemessenen Istwert und einem vorbestimmten oder einstellbaren Sollwert
ermöglicht und in Abhängigkeit dieses Soll-Ist-Vergleichs der Druckpulsationen eine
entsprechende Adaption der Brennstoffversorgung ermöglicht. Durch diese Rückkopplung
über die Druckpulsationen wird für die Brennstoffversorgung der Brenner ein geschlossener
Regelkreis bereitgestellt. Der Betrieb der Gasturbine bzw. die Brennstoffversorgung
der Brenner wird durch das erfindungsgemäße Betriebsverfahren extrem vereinfacht,
da durch die Berücksichtigung der Intensität oder Amplitude der Druckpulsationen die
weiter oben bereits mehrfach genannten Randbedingungen, welche den Abstand zwischen
dem Verbrennungsprozess und der mageren Löschgrenze bestimmen, in der Regelung automatisch
mit berücksichtigt werden, ohne dass sie dazu explizit überwacht und/oder in die Regelung
integriert werden müssen. Es liegt auf der Hand, dass sich durch das erfindungsgemäße
Betriebsverfahren der Aufwand zum Betreiben der Gasturbine deutlich reduziert. Des
weiteren kann die Brennkammer durch eine entsprechende Auswahl von Sollwerten für
die Druckpulsationen sicher und dennoch sehr nahe an der mageren Löschgrenze betrieben
werden.
[0008] Von besonderem Vorteil ist beim erfindungsgemäßen Betriebsverfahren auch die Tatsache,
dass eine moderne Brennkammer ohnehin regelmäßig mit einer Sensorik zur Überwachung
der Druckpulsationen ausgestattet ist, so dass zum erfindungsgemäßen Betreiben der
Gasturbine auf diese Sensorik zugegriffen werden kann und dementsprechend keine zusätzlichen
Kosten für die Instrumentalisierung bzw. Realisierung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens
entstehen.
[0009] Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann bei Erreichen eines vorbestimmten
oder einstellbaren Maximalwerts für die Druckpulsationen die Brennstoffzufuhr zu wenigstens
einem Brenner der Brennkammer um einen vorbestimmten Wert angefettet werden. Der Maximalwert
der Druckpulsationen kann beispielsweise empirisch ermittelt werden und definiert
den kleinsten Abstand zur mageren Löschgrenze, bei dem noch ein stabiler Betrieb der
Brennkammer gewährleistet werden kann. Die Vorgabe eines bestimmten Werts, um welchen
die Brennstoffzufuhr zum jeweiligen Brenner ggf. angefettet werden soll, ermöglicht
dabei ein rasches Ansprechen der Regelung und somit die Einhaltung eines möglichst
kleinen Abstands zwischen Pulsations-Istwert und Pulsations-Sollwert.
[0010] Bei einer anderen Ausführungsform kann bei Erreichen eines vorbestimmten oder einstellbaren
Minimalwerts für die Druckpulsationen die Brennstoffzufuhr zu wenigstens einem Brenner
um einen vorbestimmten Wert abgemagert werden. Bei dieser Ausführungsform wird für
den Betrieb der Brennkammer ein maximaler Abstand zwischen der Verbrennungsreaktion
und der mageren Löschgrenze definiert, der nicht überschritten werden soll. Durch
diese Maßnahme wird gewährleistet, dass stets ein möglichst niedriger Abstand zur
mageren Löschgrenze aufrechterhalten wird, was zu niedrigen Schadstoffemissionen führt.
[0011] Mit dem Maximalwert und dem Minimalwert für die Druckpulsationen wird für den Betrieb
der Brennkammer ein Pulsationsfenster definiert, in dem die Brenner der Brennkammer
betrieben werden und das einen hinreichenden, jedoch sehr kleinen Abstand von der
mageren Löschgrenze und gleichzeitig die Einhaltung niedriger Grenzwerte für die Schadstoffemissionen
gewährleistet.
[0012] Weitere wichtige Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens ergeben
sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung
anhand der Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0013] Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt
und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen
auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen. Es zeigen,
jeweils schematisch,
- Fig. 1
- ein Diagramm, in dem die Verläufe von Druckpulsationen und Schadstoffemissionen über
einem Brennstoff/Oxidator-Verhältnis aufgetragen sind,
- Fig. 2
- eine schaltplanartige Prinzipdarstellung einer Brennkammer,
- Fig. 3
- eine Darstellung wie in Fig. 2, jedoch bei einer anderen Ausführungsform.
Wege zur Ausführung der Erfindung
[0014] Entsprechend Fig. 2 ist eine Brennkammer 1 einer im übrigen nicht dargestellten Feuerungsanlage
mit mehreren Brennern 2 ausgestattet, wodurch ein Mehr-Brenner-System ausgebildet
wird. Die Brenner 2 sind dabei an einer Eintrittsseite eines beispielsweise ringförmigen
Brennraums 3 der Brennkammer 1 angeordnet. Bei einer als Gasturbine, insbesondere
einer Kraftwerksanlage, ausgestalteten Feuerungsanlage befindet sich stromauf der
Brennkammer 1 üblicherweise ein hier nicht gezeigter Verdichter, während stromab der
Brennkammer 1 die eigentliche, hier nicht gezeigte Turbine angeordnet ist.
[0015] Die Brenner 2 sind in zwei Gruppen unterteilt, nämlich in eine Hauptgruppe und eine
Nebengruppe. Die Brenner 2 der Hauptgruppe sind hier durch Vollkreise symbolisiert
und werden im folgenden auch als Hauptbrenner 4 bezeichnet. Im Unterschied dazu sind
die Brenner 2 der Nebengruppe durch Leerkreise symbolisiert und werden im folgenden
auch als Nebenbrenner 5 bezeichnet. Üblicherweise werden die Hauptbrenner 4 fetter
als die Nebenbrenner 5 betrieben. Dementsprechend weisen die Hauptbrenner 4 regelmäßig
einen größeren Abstand zur Magerlöschgrenze der Verbrennungsreaktion auf als die Nebenbrenner
5. Aufgrund des gegebenen exponentiellen Zusammenhangs zwischen NO
x und Feuerungstemperatur produzieren die Hauptbrenner 4 deutliche mehr NO
x als die Nebenbrenner 5. Im Unterschied zur hier gewählten Darstellung ist die Anzahl
der Hauptbrenner 4 üblicherweise größer als die Anzahl der Nebenbrenner 5. Jedenfalls
haben die Hauptbrenner 4 einen erheblich größeren Einfluss auf die Verbrennungsreaktion
im Brennraum 3 als die Nebenbrenner 5. Eine gleiche Brenneranzahl in beiden Gruppen
könnte daher grundsätzlich z.B. durch eine unterschiedliche Dimensionierung der Hauptbrenner
4 und der Nebenbrenner 5 hinsichtlich unterschiedlicher Massendurchsätze erzielt werden.
[0016] Für die Versorgung der Brenner 2 mit Brennstoff ist eine Brennstoffversorgungsanlage
6 vorgesehen, die über eine entsprechende Gesamtleitung den Brennern 2 einen Brennstoffgesamtstrom
7 zuführt. Dieser Brennstoffgesamtstrom wird dabei von der Brennstoffversorgungsanlage
6 in einen den Hauptbrennern der Hauptgruppe zugeordneten Brennstoffhauptstrom 8 und
einen den Nebenbrennern 5 der Nebengruppe zugeordneten Brennstoffnebenstrom 9 aufgeteilt.
Entsprechende Verteilereinrichtungen sind hier nicht dargestellt. Die einzelnen Brenner
2 werden von der Brennstoffversorgungsanlage 6 über entsprechende Einzelleitungen
mit Brennstoffeinzelströmen 10 mit Brennstoff versorgt. Dabei kann auch hier zwischen
den Hauptbrennern 4 zugeordneten Hauptbrennstoffeinzelströmen 11 und den Nebenbrennern
zugeordneten Nebenbrennstoffeinzelströmen 12 unterschieden werden.
[0017] Des weiteren ist eine Steuereinrichtung 13 vorgesehen, die zur Betätigung der Brennstoffversorgungsanlage
6 mit dieser gekoppelt ist und die außerdem mit wenigstens einem Pulsationssensor
14 zur Messung von Druckpulsationen in der Brennkammer 1 bzw. im Brennraum 3 verbunden
ist. Des weiteren ist die Steuereinrichtung 13 mit wenigstens einem Emissionssensor
15 verbunden, mit dessen Hilfe Schadstoffemissionen in den Abgasen der Brennkammer
1 oder stromab der Turbine erfasst werden können.
[0018] Erfindungsgemäß wird die Gasturbine so betrieben, dass die Brennstoffzufuhr zu den
Brennern 2 zumindest für die Aufrechterhaltung eines stationären oder quasi stationären
Betriebs der Gasturbine in Abhängigkeit von Druckpulsationen geregelt wird, die in
der Brennkammer 1 auftreten.
[0019] Zum besseren Verständnis des erfindungsgemäßen Regelungskonzepts wird noch auf Fig.
1 verwiesen, deren Abszisse das Massenverhältnis von Brennstoff zu Oxidator wiedergibt,
das allgemein mit λ bezeichnet wird. Auf der Ordinate sind zum einen Intensität bzw.
die Amplituden der Druckpulsationen P und zum anderen die Massenanteile der Schadstoffemissionen
E im Abgas der Brennkammer 1 aufgetragen. Das Diagramm gemäß Fig. 1 enthält mit durchgezogener
Linie einen Pulsationsverlauf P
(λ) sowie mit unterbrochener Linie einen Emissionsverlauf E
(λ), jeweils in Abhängigkeit des Brennstoff/Oxidator-Massenverhältnisses λ. Hierbei ist
zu erkennen, dass der Pulsationsverlauf P
(λ) von links nach rechts, also mit zunehmender Abmagerung des Brennstoff/Oxidator-Verhältnisses
λ ansteigt, während im Unterschied dazu der Emissionsverlauf E
(λ) mit zunehmender Abmagerung, also von links nach rechts abnimmt.
[0020] Das Diagramm gemäß Fig. 1 enthält außerdem einen Maximalwert für Druckpulsationen
P
max, welcher einen Grenzwert für maximal noch zulässige Druckpulsationen P definiert,
sowie einen Minimalwert für Druckpulsationen P
min, der einen Grenzwert für minimal zulässige Druckpulsationen P definiert. Des weiteren
ist hier noch ein Maximalwert für Schadstoffemissionen E
max eingetragen, der einen für die Schadstoffemissionen maximal zulässigen Grenzwert
definiert. Schließlich ist in das Diagramm noch eine magere Löschgrenze λ
L des Brennstoff/Oxidator-Verhältnisses λ eingetragen, die ein so mageres Brennstoff/Oxidator-Verhältnis
λ repräsentiert, dass dabei mit dem Erlöschen der Verbrennungsreaktion gerechnet werden
muss. Schließlich ist noch ein Minimalwert für Schadstoffemissionen E
min eingetragen.
[0021] Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens kann nun die Gasturbine bzw. deren
Brennkammer 1 sehr nahe an der mageren Löschgrenze λ
L, also bei sehr niedrigen Schadstoffemissionen E und dennoch vergleichsweise sicher,
also stabil betrieben werden. Durch den Einsatz einer schnell reagierenden Regelung
wird der Betrieb der Gasturbine nahe der mageren Löschgrenze deutlich sicherer als
im Vergleich zu einer herkömmlichen Steuerung. Hierzu wird über den wenigstens einen
Pulsationssensor 14 die Intensität bzw. die Amplitude der in der Brennkammer 1 auftretenden
Druckpulsationen ermittelt und mit zumindest einem, insbesondere empirisch bestimmten,
Pulsationssollwert P
soll verglichen. Die Druckpulsationen P bilden somit die Führungsgröße des hier aufgebauten
geschlossenen Regelkreises. In Abhängigkeit der Regelabweichung wird dann die Brennstoffzufuhr
der Brenner 2 adaptiert. Da die Oxidatorzufuhr, also die vom Verdichter (nicht gezeigt)
kommende Luftströmung im allgemeinen konstant bleibt, wirkt sich die Änderung der
Brennstoffzufuhr auf das Brennstoff/Oxidator-Verhältnis λ aus. Aufgrund der mit Bezug
auf Fig. 1 erläuterten Abhängigkeit der Druckpulsationen P vom Brennstoff/Oxidator-Verhältnis
λ führt die Änderung der Brennstoffzufuhr auch zu einer entsprechenden Änderung der
Druckpulsationen P. Hier schließt sich der Regelkreis.
[0022] Bevorzugt wird die Regelung der Brennstoffzufuhr so durchgeführt, dass sich bezüglich
des Pulsationssollwertes P
soll eine proportionale Regelung einstellt. Vorzugsweise soll die Regelung nach Art eines
PI-Reglers durchgeführt werden. Zweckmäßig wird der Pulsationssollwert P
soll so gewählt, dass er sich möglichst nahe am Pulsationsmaximalwert P
max befindet.
[0023] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform arbeitet das erfindungsgemäße Betriebsverfahren
so, dass bei Erreichen des Maximalwerts der Druckpulsationen P
max oder beim Übersteigen des Sollwerts P
soll der Druckpulsation P die Brennstoffzufuhr zu einem oder mehreren Brennern 2 angefettet
wird, insbesondere um einen vorbestimmten Wert. Das bedeutet, dass der aktuelle Betriebspunkt
dann vom Pulsationssollwert P
soll bzw. vom Schnittpunkt zwischen dem Druckpulsationsverlauf P
(λ) und dem Pulsationsmaxialwert P
max entlang des Pulsationsverlaufs P
(λ) nach links, also in Richtung Anfettung wandert. Da die Druckpulsationen P im Pulsationsmaximalwert
P
max einen vorbestimmten minimalen Abstand zur mageren Löschgrenze λ
L aufweisen, wird durch die Anfettung der Brennstoffzufuhr der Abstand zur mageren
Löschgrenze λ
L (nach links) vergrößert.
[0024] Des weiteren kann das Betriebsverfahren so ausgestaltet sein, dass es bei Erreichen
des Pulsationsminimalwerts P
min oder beim Absinken unter den Pulsationssollwert P
soll die Brennstoffzufuhr zu wenigstens einem der Brenner 2 abmagert, insbesondere um
einen vorbestimmten Wert. Dies hat zur Folge, dass der aktuelle Betriebszustand dann
vom Pulsationssollwert P
soll bzw. vom Schnittpunkt zwischen Pulsationsminimalwert P
min und Pulsationsverlauf P
(λ) nach rechts, also in Richtung Abmagerung entlang des Pulsationsverlaufs P
(λ) wandert. Mit Hilfe des Pulsationsminimalwerts P
min wird dabei ein maximaler Abstand zur mageren Löschgrenze λ
L definiert, der zur Gewährleistung niedriger Schadstoffemissionen E nicht überschritten
werden soll. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist der Pulsationsminimalwert P
min zweckmäßig so gewählt, dass in diesem Bereich etwa auch der Emissionsmaximalwert
E
max liegt.
[0025] Mit Hilfe des Pulsationsmaximalwerts P
max und des Pulsationsminimalwerts P
min wird somit ein Betriebsfenster F für den Betrieb der Brennkammer 1 in Abhängigkeit
der Druckpulsationen P definiert. In diesem Betriebsfenster F kann die Brennkammer
1 sicher, also stabil betrieben werden, wobei stets ein möglichst kleiner, jedoch
hinreichender Abstand von der mageren Löschgrenze λ
L gewährleistet werden kann. Des weiteren wird auch erreicht, dass sich die Schadstoffemissionen
E stets zwischen dem Maximalwert der Schadstoffemissionen E
max und dem Minimalwert der Schadstoffemissionen E
min bewegen.
[0026] Optional kann zur Überwachung der Druckpulsationen P zusätzlich eine Überwachung
der Schadstoffemissionen E durchgeführt werden. Die Brennstoffzuführung zu wenigstens
einem der Brenner 2 kann dann außerdem in Abhängigkeit der Schadstoffemissionen E
geregelt werden. Gedacht ist dabei vor allem an eine Regelung, bei welcher die Brennstoffzuführung
bei wenigstens einem Brenner 2 dann abgemagert wird, wenn die Schadstoffemissionen
E den Emissionsmaximalwert E
max erreichen. Durch die Abmagerung wandert der Betriebszustand vom Schnittpunkt zwischen
Emissionsmaximalwert E
max und Emissionsverlauf E
(λ) nach rechts, also in Richtung Abmagerung entlang des Emissionsverlaufs E
(λ).
[0027] Da der Emissionsmaximalwert E
max und der Pulsationsminimalwert P
min zweckmäßig demselben Brennstoff/Oxidator-Verhältnis λ zugeordnet sind, kann die Überwachung
der unteren Grenze des Betriebsfensters F wahlweise anhand des Emissionsmaximalwerts
E
max oder des Pulsationsminimalwerts P
min erfolgen. Da jedoch der Absolutwert des Pulsationsminimalwerts P
min vergleichsweise klein ist, kann es zu Messfehlern kommen, so dass hier die Überwachung
der Schadstoffemissionen E bei bestimmten Randbedingungen zu genaueren Ergebnissen
führen kann. Bevorzugt wird jedoch eine kumulative Anwendung der beiden Führungsgrößen,
wobei die Brennstoffzuführung immer dann abgemagert wird, wenn zumindest eine der
beiden Führungsgrößen ihren jeweiligen Grenzwert, also entweder den Emissionsmaximalwert
E
max oder den Pulsationsminimalwert P
min erreicht.
[0028] Durch die Kombination der beiden Regelverfahren kann auch der Fall abgedeckt werden,
dass sich der Zusammenhang zwischen den Schadstoffemissionen E und den Druckpulsationen
P im Verlauf des Betriebs der Gasturbine verändert.
[0029] Zum Anfetten und zum Abmagern der Brennstoffzuführung der Brenner 2 kann grundsätzlich
der Brennstoffgesamtstrom 7 entsprechend erhöht oder erniedrigt werden. Insbesondere
wird dabei die Brennstoffversorgung aller Brenner 2 im wesentlichen gleichmäßig abgemagert
bzw. angefettet. Durch die Änderung des Brennstoffgesamtstroms 7 ändert sich jedoch
die Leistung der Gasturbine, was nicht in jedem Fall erwünscht ist. Vielmehr soll
eine Gasturbine regelmäßig mit konstanter Last betrieben werden. Bevorzugt wird daher
eine Ausführungsform, bei welcher zum Reduzieren der Druckpulsationen die Brennstoffzufuhr
zu den Hauptbrennern 4 angefettet wird, während die Brennstoffzufuhr zu den Nebenbrennern
5 abgemagert wird. Die Anfettung der Hauptbrenner 4 und die Abmagerung der Nebenbrenner
5 wird dabei so durchgeführt, dass der Brennstoffgesamtstrom 7 konstant bleibt. Erreicht
wird dies durch eine entsprechende andere Aufteilung des Brennstoffgesamtstroms 7
auf den Brennstoffhauptstrom 8 und den Brennstoffnebenstrom 9. Da der Verbrennungsprozess
im Brennraum 3 durch die Hauptbrenner 4 dominiert und somit im wesentlichen durch
diese definiert ist und sich daher die Nebenbrenner 5 z.B. aufgrund ihrer kleineren
Anzahl und/oder aufgrund ihrer kleineren Dimensionierung weniger stark auf den Verbrennungsprozess
auswirken als die Hauptbrenner 4, überwiegen die Auswirkungen der Anfettung der Hauptbrenner
4, so dass die Druckpulsationen abnehmen.
[0030] Zusätzlich oder alternativ können - je nach Grad der Anfettung - auch wenigstens
einer der Nebenbrenner 5 ausgeschaltet und die Hauptbrenner 4 gleichzeitig so weit
angefettet werden, dass der Brennstoffgesamtstrom 7 konstant bleibt. Auch diese Maßnahme
führt zu einer Absenkung der Druckpulsationen. Die vorbeschriebenen alternativ oder
kumulativ anwendbaren Maßnahmen zur Absenkung der Druckpulsationen P können im Rahmen
des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens dazu genutzt werden, bei Erreichen des Pulsationsmaximalwerts
P
max den Abstand zur mageren Löschgrenze λ
L wieder zu vergrößern.
[0031] Zum Anheben der Druckpulsationen P bzw. zum Absenken der Schadstoffemissionen E kann
dann auf entsprechende Weise vorgegangen werden. Beispielsweise wird hierzu die Brennstoffzufuhr
zu den Hauptbrennern 4 abgemagert, während die Brennstoffzufuhr zu den Nebenbrennern
5 angefettet wird, wobei Abmagerung und Anfettung so aufeinander abgestimmt sind,
dass der Brennstoffgesamtstrom 7 konstant bleibt. Sofern bei Erreichen des Pulsationsminimalwerts
P
min bzw. bei Erreichen des Emissionsmaximalwerts E
max zumindest einer der Nebenbrenner 5 ausgeschaltet ist, kann zusätzlich oder alternativ
zur vorstehend beschriebenen Maßnahme zumindest einer der Nebenbrenner 5 zugeschaltet
werden, während gleichzeitig die Brennstoffzufuhr zu den Hauptbrennern 4 so weit abgemagert
wird, dass wiederum der Brennstoffgesamtstrom 7 konstant bleibt.
[0032] Die Brennstoffeinzelströme 10 können dabei über einzelne Leitungen den einzelnen
Brennern 2 zugeführt werden. Ebenso ist es möglich, für die Hauptbrennstoffeinzelströme
11 und für die Nebenbrennstoffeinzelströme 12 separate gemeinsame Zuführungsleitungen,
insbesondere Ringleitungen, vorzusehen, von denen einzelne Versorgungsleitungen zu
den Hauptbrennern 4 bzw. zu den Nebenbrennern 5 abzweigen.
[0033] Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform sind die einzelnen Brenner 2, also die
Hauptbrenner 4 und die Nebenbrenner 5 derselben Brennerstufe zugeordnet. Ebenso ist
es möglich, die Hauptbrenner 4 und die Nebenbrenner 5 unterschiedlichen Brennerstufen
zuzuordnen. Die Hauptgruppe der Brenner 2 bildet dann eine Hauptstufe, während die
Nebengruppe der Brenner 2 eine Nebenstufe bildet. Beispielsweise kann die Hauptstufe
eine Vormischstufe eines Vormischbrenners sein, während die Nebenstufe eine Pilotstufe
ist, die z.B. in Form einer Lanze im Vormischbrenner ausgebildet sein kann. Dementsprechend
zeigt Fig. 3 beispielhaft einen Vormischbrenner, dessen Vormischstufe den Hauptbrenner
4 bildet und dessen Pilotstufe den Nebenbrenner 5 bildet. Die Brennkammer 1 weist
üblicherweise mehrere derartige Vormischbrenner auf, wodurch auch ein Mehr-Brenner-System
vorliegt. Der Nebenbrenner 5 der Pilotstufe erzeugt eine Pilotflamme 16, die im wesentlichen
zur Stabilisierung der Flammenfront dient. Im Unterschied dazu erzeugt der Hauptbrenner
4 der Vormischstufe einer Vormischflamme 17. Während die Vormischflamme 17 in der
Regel zu relativ niedrigen Schadstoffemissionen E führt und dafür vergleichsweise
hohe Druckpulsationen P erzeugt, verursacht die Pilotflamme 16 höhere Schadstoffemissionen
E bei gleichzeitig niedrigeren Druckpulsationen P.
[0034] Das zuvor beschriebene Regelungskonzept kann nun ohne weiteres auf das hier gezeigte
mehrstufige Brennerprinzip angewendet werden, um auch hier die Brennkammer 1 möglichst
nahe an der mageren Löschgrenze λ
L sicher betreiben zu können.
Bezugszeichenliste
[0035]
- 1
- Brennkammer
- 2
- Brenner
- 3
- Brennraum
- 4
- Hauptbrenner
- 5
- Nebenbrenner
- 6
- Brennstoffversorgungsanlage
- 7
- Brennstoffgesamtstrom
- 8
- Brennstoffhauptstrom
- 9
- Brennstoffnebenstrom
- 10
- Brennstoffeinzelstrom
- 11
- Hauptbrennstoffeinzelstrom
- 12
- Nebenbrennstoffeinzelstrom
- 13
- Steuereinrichtung
- 14
- Pulsationssensor
- 15
- Emissionssensor
- 16
- Pilotflamme
- 17
- Vormischflamme
- P
- Druckpulsation
- P(λ)
- Pulsationsverlauf
- Pmax
- Maximalwert für die Druckpulsationen
- Pmin
- Minimalwert für die Druckpulsationen
- E
- Schadstoffemission
- E(λ)
- Emissionsverlauf
- Emax
- Maximalwert für die Schadstoffemissionen
- Emin
- Minimalwert für die Schadstoffemissionen
- λ
- Brennstoff/Oxidator-Verhältnis
- λL
- magere Löschgrenze
- F
- Betriebsfenster
1. Verfahren zum Betreiben einer Feuerungsanlage mit Mehr-Brenner-System zur Heißgaserzeugung,
insbesondere Gasturbine, vorzugsweise einer Kraftwerksanlage,
- wobei die Feuerungsanlage eine Brennkammer (1) mit mehreren Brennern (2) aufweist,
- bei dem die Brennstoffzufuhr zu wenigstens einem Brenner (2) für einen stationären
Betrieb der Feuerungsanlage in Abhängigkeit von in der Brennkammer (1) auftretenden
Druckpulsationen (P) geregelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Brennstoffzufuhr bezüglich eines einstellbaren oder vorbestimmten
Sollwerts (Psoll) der Druckpulsationen (P) proportional erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen eines vorbestimmten oder einstellbaren Maximalwerts (Pmax) für die Druckpulsationen (P) oder beim Überschreiten des Sollwerts (Psoll) der Druckpulsationen (P) die Brennstoffzufuhr zu wenigstens einem Brenner (2) angefettet
wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen eines vorbestimmten oder einstellbaren Minimalwerts (Pmin) für die Druckpulsationen (P) oder beim Unterschreiten des Sollwerts (Psoll) der Druckpulsationen (P) die Brennstoffzufuhr zu wenigstens einem Brenner (2) abgemagert
wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzufuhr zu wenigsten einem Brenner (2) außerdem in Abhängigkeit von
in den Abgasen der Brennkammer (2) auftretenden Schadstoffemissionen (E) geregelt
wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen eines vorbestimmten oder einstellbaren Maximalwerts (Emax) für die Schadstoffemissionen (E) die Brennstoffzufuhr zu wenigstens einem Brenner
(2) um einen vorbestimmten Wert abgemagert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
- dass die Brennkammer (1) mehrere Brenner (2) aufweist, denen eine Brennstoffversorgungsanlage
(6) jeweils einen Brennstoffeinzelstrom (10) zuführt, wobei alle Brennstoffeinzelströme
(10) zusammen einen Brennstoffgesamtstrom (7) bilden,
- dass die Brenner (2) in eine Hauptgruppe mit mehreren Hauptbrennern (4) und eine Nebengruppe
mit mehreren Nebenbrennern (5) unterteilt sind.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen des Maximalwerts (Pmax) für die Druckpulsationen (P) die Brennstoffzufuhr zu den Hauptbrennern (4) angefettet
und die Brennstoffzufuhr zu den Nebenbrennern (5) so abgemagert wird, dass der Brennstoffgesamtstrom
(7) konstant bleibt.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen des Maximalwerts (Pmax) für die Druckpulsationen (P) zumindest einer der Nebenbrenner (5) ausgeschaltet
und die Brennstoffzufuhr zu den Hauptbrennern (4) so weit angefettet wird, dass der
Brennstoffgesamtstrom (7) konstant bleibt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen des Minimalwerts (Pmin) für die Druckpulsationen (P) und/oder bei Erreichen des Maximalwerts (Emax) für die Schadstoffemissionen (E) die Brennstoffzufuhr zu den Hauptbrennern (4) abgemagert
und die Brennstoffzufuhr zu den Nebenbrennern (5) so angefettet wird, dass der Brennstoffgesamtstrom
(7) konstant bleibt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen des Minimalwerts (Pmin) für die Druckpulsationen (P) und/oder bei Erreichen des Maximalwerts (Emax) für die Schadstoffemissionen (E) zumindest einer der Nebenbrenner (5) zugeschaltet
und die Brennstoffzufuhr zu den Hauptbrennern (4) so weit abgemagert wird, dass der
Brennstoffgesamtstrom (7) konstant bleibt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
- dass die Hauptbrenner (4) und die Nebenbrenner (5) derselben Brennerstufe zugeordnet sind,
oder
- dass die Hauptbrenner (4) und die Nebenbrenner (5) verschiedener Brennstoffstufen, z.B.
einer Vormischstufe und einer Pilotstufe, zugeordnet sind.