Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung betrifft eine Brennkammer, insbesondere eine solche einer Gasturbine,
mit zumindest zwei Brennern, welche über steuerbare Brennstoffventile mit einer Brennstoffversorgung
verbunden sind.
Stand der Technik
[0002] Gasturbinen werden beispielsweise zur Stromerzeugung in Kraftwerken eingesetzt, wo
sie Generatoren antreiben. Derartige Turbinen haben üblicherweise eine Leistung von
mehr als 50 MW und sind insbesondere für den stationären Dauerbetrieb ausgelegt. Um
die Gasturbine wirtschaftlich und mit geringen Schadstoffemissionen, insbesondere
NO
x, betreiben zu können, sollte diese einerseits mager, das heißt mit möglichst wenig
Brennstoff, betrieben werden und andererseits ein Erlöschen des Brenners vermieden
werden, da ein Wiederanfahren der Gasturbine aufwendig und teuer ist.
[0003] Hierdurch kann sich jedoch ein Zielkonflikt ergeben, da es insbesondere bei einem
mageren Betrieb der Gasturbine zu einem Pulsieren der Flamme in der Brennkammer kommen
kann, was im ungünstigsten Falle zum Erlöschen derselben führt. Das Pulsieren der
Flamme hängt dabei von verschiedenen Parametern, wie beispielsweise einem Luft- und
einem dazugehörigen Brennstoffvolumenstrom sowie einer Brennkammertemperatur ab. Grundsätzlich
wird für die Brenner bzw. die Brennkammer ein Flammensystem gewünscht, welches als
stabil bezeichnet werden kann und wobei sich in Brenneraustrittsnähe eine quasistationäre
pulsationsfreie Zündzone ausbildet, die auch bei geringen Schwankungen der Eintrittsströme,
abgesehen von turbulenzbedingten stochastischen Positionsschwankungen, ortsfest brennt.
[0004] Um ein Pulsieren der Flamme in der Brennkammer und damit eventuell ein Erlöschen
der Flamme verhindern zu können, ist es wichtig, pulsationsgefährdete Brenner möglichst
frühzeitig zu erkennen und entsprechende Gegenmaßnahmen zu ergreifen, da, wie oben
erwähnt, ein Wiederanfahren der Gasturbine aufgrund eines Erlöschens der Flamme sehr
aufwendig und teuer ist und dadurch die Wirtschaftlichkeit der Gasturbine negativ
beeinflusst. Darüber hinaus vermindern pulsierende Brenner auch den Wirkungsgrad der
Gasturbine, so dass auch im Hinblick auf eine Leistungsausbeute darauf geachtet werden
sollte, dass sich eine quasistationäre, pulsationsfreie Zündzone im Bereich der Brenneraustrittsnähe
ausbildet.
Darstellung der Erfindung
[0005] Hier setzt die Erfindung an. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet
ist, beschäftigt sich mit dem Problem, bei einer Brennkammer einer Gasturbine der
eingangs erwähnten Art pulsationsgefährdete Brenner möglichst frühzeitig zu erkennen
und gegebenenfalls geeignete Gegenmaßnahmen zu ergreifen, so dass ein pulsationsfreier
Betrieb der Brennkammer gewährleistet werden kann.
[0006] Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche
gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
[0007] Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer Brennkammer, insbesondere
bei einer Brennkammer einer Gasturbine, mit mehreren Brennern, geeignete Messvorrichtungen
vorzusehen, welche brennerspezifische Daten ermitteln, woraus eine Rechner- und Steuerungseinrichtung
Korrelationswerte berechnen kann, die eine Einteilung der Brenner in pulsationsgefährdete
und nicht pulsationsgefährdete Brenner erlaubt. Stuft die Rechner- und Steuerungseinrichtung
einen Brenner aufgrund der in der Brennkammer gemessenen Werte als pulsationsgefährdet
ein, so wird diesem Brenner mehr Brennstoff zugeführt und dadurch dessen Pulsationsgefahr
reduziert. Die Erfassung der Daten der Brennkammer zur Beurteilung, ob es sich um
einen kritischen, das heißt pulsationsgefährdeten, Brenner handelt, erfolgt einerseits
über eine jedem Brenner zugeordnete optische Messvorrichtung, welche zur Erfassung
von chemilumineszenter Strahlung ausgebildet ist und andererseits über eine weitere
Messvorrichtung in Form eines Drucksensors zur Erfassung eines Brennkammerdruckes.
Die Brenner selbst sind über steuerbare Brennstoffventile mit einer Brennstoffversorgung
verbunden. Um die von den optischen Messeinrichtungen und von dem Drucksensor eingehenden
Daten zu verarbeiten, ist die Rechner- und Steuerungseinrichtung mit diesen eingangsseitig
verbunden. Ausgangsseitig ist die Rechner- und Steuerungseinrichtung mit den steuerbaren
Brennstoffventilen verbunden, wodurch eine Steuerung zumindest der pulsationsgefährdeten
Brenner über eine geänderte Brennstoffzufuhr ermöglicht wird. Die Rechner- und Steuerungseinrichtung
ist weiter derart ausgebildet, dass sie aus den chemilumineszenten Strahlungswerten
und den Drücken eine Korrelation berechnet und den Brenner bzw. eine Brenngruppe mit
der höchsten Korrelation ermittelt. Das bzw. die zugehörigen Brennstoffventile der
derart ermittelten Brenner werden daraufhin von der Rechner- und Steuerungseinrichtung
geöffnet und dadurch die Pulsationsneigung der Brenner reduziert. Durch die erfindungsgemäße
Brennkammer ist es somit möglich, pulsationsgefährdete, also kritische Brenner, frühzeitig
zu erkennen und geeignete Gegenmaßnahmen zu ergreifen.
[0008] Dies erlaubt einen insgesamt mageren Betrieb der Brennkammer und damit niedrige Emissionswerte,
wobei gleichzeitig ein Erlöschen der Flamme in der Brennkammer wirkungsvoll ausgeschlossen
werden kann. Dies erhöht zum einen den Wirkungsgrad und zum anderen die Wirtschaftlichkeit
der mit der erfindungsgemäßen Brennkammer ausgestatteten Gasturbine.
[0009] Zweckmäßig sind die optischen Messvorrichtungen und/oder der Drucksensor und/oder
die Brennstoffventile über einen BUS, wie einen CAN-BUS, mit der Rechner- und Steuerungseinrichtung
kommunizierend verbunden. Derartige CAN-BUS-Systeme erlauben einen umfangreichen Datenaustausch
und eine entsprechende Kommunikation zwischen den unterschiedlichen, angeschlossenen
und miteinander vernetzten Komponenten. Insbesondere werden mit derartigen CAN-BUS-Systemen
weitreichende Vernetzungsmöglichkeiten geschaffen, so dass auch denkbar ist, das weitere
Geräte zur Messung, Erfassung oder Verarbeitung von Daten sowie zur Steuerung bestimmter
Parameter ausgebildete Vorrichtungen angeschlossen werden können.
[0010] Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weisen die optischen
Messvorrichtungen jeweils eine optische Faser auf. Dies bietet den Vorteil, dass die
optische Messvorrichtung nicht direkt in der Brennkammer angeordnet werden muss, sondern
lediglich über eine derartige optische Faser mit der Brennkammer verbunden sein muss.
Darüber hinaus ist der Platzbedarf einer derartigen optischen Faser in der Brennkammer
minimal, wodurch dies auch an Stellen mit geringem Platzangebot eingebaut werden kann.
Darüber hinaus ist eine Sensorik der optischen Messvorrichtung nicht direkt den hohen
in der Brennkammer herrschenden Temperaturen ausgesetzt, was sich positiv auf die
Lebensdauer der optischen Messvorrichtungen auswirkt.
[0011] Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen,
aus der Zeichnung und aus der dazugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0012] Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
[0013] Die einzige Fig. 1 zeigt eine stark schematisierte Darstellung einer erfindungsgemäßen
Brennkammer mit zugehöriger Rechner- und Steuerungseinrichtung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
[0014] Entsprechend Fig. 1 weist eine stark schematisierte Brennkammer 1, beispielsweise
eine solche einer Gasturbine, mehrere Brenner A bis H auf, welche über steuerbare
Brennstoffventile 2 mit einer Brennstoffversorgung 3, beispielsweise einer Brennstoffleitung,
verbunden sind. Dabei ist die Anzahl der Brenner A bis H, hier acht, rein exemplarisch
zu verstehen, so dass auch eine Brennkammer 1 mit mehr als acht bzw. weniger als acht,
mindestens jedoch zwei Brennern von der Erfindung mit umschlossen sein soll.
[0015] Die Brenner A bis H sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ringförmig angeordnet
und weisen jeweils wenigstens eine optische Messvorrichtung 4 zur Erfassung von chemilumineszenter
Strahlung, insbesondere zur Erfassung einer OH-Chemilumineszenz, auf. Die optischen
Messvorrichtungen 4 sind über entsprechende Signalleitungen 5, insbesondere über einen
CAN-BUS 8, mit einer Rechner- und Steuerungseinrichtung 6 verbunden. Darüber hinaus
können auch die Brennstoffventile 2 über entsprechende Steuerleitungen 5 über den
CAN-BUS 8 mit der Rechner- und Steuerungseinrichtung 6 verbunden sein. Die optischen
Messvorrichtungen 4 erfassen in der Brennkammer 1 aufgrund von chemischen Reaktionen
erzeugtes Licht und weisen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eine optische Faser
auf. Der optischen Faser fällt dabei die Aufgabe der Lichtleitung zwischen dem Brenner
und der eigentlichen optischen Messvorrichtung zu. Eine derartige optische Faser kann
beispielsweise eine Glasfaser sein, welche Lichtsignale vom Brenner zur optischen
Messvorrichtung 4 leitet. Dies bietet die Vorteile, dass die optische Messvorrichtung
4 selbst nicht direkt am Brenner angeordnet werden muss und dadurch lediglich einer
deutlich reduzierten Temperaturbelastung ausgesetzt ist, und ein benötigter Platzbedarf
der optischen Faser deutlich geringer ist als der optischen Messvorrichtung 4, so
dass diese auch bei geringem Platzangebot an nahezu jeder beliebigen Stelle in der
Umgebung des Brenners angeordnet werden kann.
Des weiteren ist ein Drucksensor 7 zur Erfassung eines Druckes in der Brennkammer
1 angeordnet und ebenfalls über eine entsprechende Signalleitung 5' mit einer Eingangsseite
der Rechner- und Steuerungseinrichtung 6 verbunden.
Optional können die Drucksensoren auch über den CAN-BUS 8 mit der Rechner- und Steuerungseinrichtung
6 verbunden sein. Erfindungsgemäß ist die Rechner- und Steuerungseinrichtung 6 nun
derart ausgebildet, dass sie aus dem von den optischen Messvorrichtungen 4 und dem
Drucksensor 7 eingehenden Messwerten eine Korrelation zwischen der chemilumineszenten
Strahlung eines jeden Brenners A bis H und des Drucks in der Brennkammer 1 berechnet.
Ausgangsseitig ist die Rechner- und Steuerungseinrichtung 6 mit den jedem Brenner
A bis H zugehörigen Brennstoffventilen 2 verbunden.
[0016] Weiter ist die Rechner- und Steuerungseinrichtung 6 derart ausgebildet, dass diese
den Brenner oder einer Brennergruppe mit der höchsten Korrelation zwischen chemilumineszenter
Strahlung und Brennkammerdruck ermittelt und das bzw. die zugehörigen Brennstoffventile
derart steuert, dass dem jeweiligen Brenner oder der jeweiligen Brennergruppe mehr
Brennstoff zugeführt wird. Erreicht somit die Korrelation zwischen den eingehenden
optischen Messwerten und dem eingehenden Brennkammerdruck einen bestimmten Grenzwert,
so öffnet die Rechner- und Steuerungseinrichtung 6 das jeweils zugehörige Brennstoffventil.
Eine hohe Korrelation zwischen den optischen Messwerten und dem Brennkammerdruck zeigt
dabei eine Pulsationsneigung des jeweiligen Brenners an, welche erfindungsgemäß reduziert
werden soll. Durch das Pulsieren der Flamme besteht zum einen die Gefahr, dass diese
erlöscht und zum anderen reduziert sich der Wirkungsgrad der Gasturbine. Durch eine
hohe Korrelation zwischen chemilumineszenten Strahlungswerten und Druckwerten in der
Brennkammer 1 können somit pulsationsgefährdete Brenner identifiziert werden. Dabei
ist denkbar, dass die Rechner- und Steuerungseinrichtung 6 lediglich einen einzelnen
Brenner mit dem jeweils höchsten Korrelationswert durch Öffnen des zugehörigen Brennstoffventils
steuert oder aber eine ganze Gruppe von Brennern, welche mit ihren jeweiligen Korrelationswerten
über einem Grenzwert liegen.
[0017] Die Zusammenfassung zu einer Brennergruppe kann entweder beispielsweise den Brenner
A und B umfassen, sofern diese beiden die beiden höchsten Korrelationswerte aufweisen
oder die Brenner können bereits vorab zu bestimmten Gruppen, beispielsweise zu A,
C, E und G zusammengefasst werden, so dass diese insgesamt gesteuert werden, wenn
lediglich einer der genannten Brenner den Korrelationsgrenzwert überschreitet.
[0018] Damit die Gasturbine nicht überhitzt, werden beim Öffnen eines bzw. mehrerer Brennstoffventile
2 die anderen anteilsmäßig gedrosselt, so dass eine im wesentlichen konstante Brennkammertemperatur
oder ein im wesentlichen konstanter Brennstoffstrom eingehalten werden kann. Bei einem
Steuerungsvorgang durch die Rechner- und/oder Steuerungseinrichtung 6 wird somit den
pulsationsgefährdeten Brennern mehr Brennstoff zugeführt und gleichzeitig den nicht
pulsationsgefährdeten Brenner weniger Brennstoff. Dabei kann die Rechner- und Steuerungseinrichtung
6 die Brennstoffventile 2, wie oben erwähnt, erst ab einem bestimmten vordefinierten
Korrelationswert öffnen, so dass bei einer Korrelation bei der noch keine Pulsationsneigung
auftritt, keine Steuerung erfolgt. Selbstredend steuert die Rechner- und Steuerungseinrichtung
6 die Brennstoffventile der nicht pulsationsgefährdeten Brenner nur soweit entgegen,
dass bei diesen keine Pulsation eintritt.
Im Folgenden soll kurz ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsvorganges
in oben beschriebener Gasturbine erläutert werden:
[0019] Die jeweils einem Brenner zugeordnete Messvorrichtung 4 erfasst eine chemilumineszente
Strahlung, beispielsweise eine OH-Radikalstrahlung, während ein Drucksensor 7 gleichzeitig
den Druck in der Brennkammer 1 ermittelt. Die derart ermittelten Messdaten werden
über Leitungen 5, 5' beispielsweise über einen CAN-BUS 8, an die Rechner- und Steuerungseinrichtung
6 übertragen, welche daraus eine Korrelation berechnet. Überschreitet der berechnete
Korrelationswert einen vordefinierten Korrelationsgrenzwert, öffnet die Rechner- und
Steuerungseinrichtung 6 das/die zugehörige(n) Brennstoffventil(e) und reduziert dadurch
die Pulsionsgefahr des zugehörigen Brenners bzw. der zugehörigen Brennergruppe. Gleichzeitig
reduziert die Rechner- und Steuerungseinrichtung 6 die Brennstoffzufuhr der anderen,
nicht pulsationsgefährdeten Brenner, also jener Brenner, deren Korrelationswert unterhalb
des Korrelationsgrenzwertes liegt, so dass vorzugsweise eine im wesentlichen konstante
Brennkammertemperatur oder ein im wesentlicher konstanter Brennstoffstrom eingehalten
wird. Generell steuert die Rechner- und Steuerungseinrichtung 6 die Brennstoffventile
der nicht pulsationsgefährdeten Brenner lediglich soweit entgegen, dass bei diesen
keine Pulsationsgefahr bzw. keine Pulsation auftritt.
Bezugszeichenliste
[0020]
- 1
- Brennkammer
- 2
- Brennstoffventil
- 3
- Brennstoffversorgung/Brennstoffleitung
- 4
- optische Messvorrichtung
- 5
- Leitung/Steuerleitung/Signalleitung
- 6
- Rechnung- und Steuerungseinrichtung
- 7
- Drucksensor
- 8
- CAN-BUS
- A bis H
- Brenner
1. Brennkammer (1), insbesondere einer Gasturbine,
- mit zumindest zwei Brennern (A-H), welche über steuerbare Brennstoffventile (2)
mit einer Brennstoffversorgung (3) verbunden sind,
- wobei jedem Brenner (A-H) wenigstens eine optische Messvorrichtung (4) zur Erfassung
von chemilumineszenter Strahlung und der Brennkammer (1) ein Drucksensor (7) zur Erfassung
eines Drucks zugeordnet sind,
- mit einer Rechner- und Steuerungseinrichtung (6), welche einerseits mit den optischen
Messvorrichtungen (4) und dem Drucksensor (7) und andererseits mit den steuerbaren
Brennstoffventilen (2) verbunden ist,
- wobei die Rechner- und Steuerungseinrichtung (6) derart ausgebildet ist, dass sie
aus den von den optischen Messvorrichtungen (4) und dem Drucksensor (7) eingehenden
Messwerten eine Korrelation zwischen der chemilumineszenten Strahlung eines jeden
Brenners (A-H) und des Drucks in der Brennkammer (1) berechnet,
- wobei die Rechner- und Steuerungseinrichtung (6) weiter derart ausgebildet ist,
dass diese den Brenner (A-H) oder eine Brennergruppe mit der höchsten Korrelation
ermittelt und das/die zugehörige(n) Brennstoffventil(e) (2) derart steuert, dass dem
jeweiligen Brenner (A-H) oder der jeweiligen Brennergruppe mehr Brennstoff zugeführt
wird.
2. Brennkammer nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die optischen Messvorrichtungen (4) und/oder der Drucksensor (7) und/oder die Brennstoffventile
(2) über einen BUS, beispielsweise einen CAN-BUS (8), mit der Rechner- und Steuerungseinrichtung
(6) kommunizierend verbunden sind.
3. Brennkammer nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die optischen Messvorrichtungen (4) zur Erfassung einer OH-Chemilumineszenz ausgebildet
sind.
4. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die optischen Messvorrichtungen (4) eine optische Faser aufweisen.
5. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rechner- und Steuerungseinrichtung (6) so ausgebildet ist, dass sie zur Einhaltung
einer im wesentlichen konstanten Brennkammertemperatur oder eines im wesentlichen
konstanten Brennstoffstroms die Brennstoffventile (2) der nicht pulsationsgefährdeten
Brenner anteilsmäßig entsprechend denen der pulsationsgefährdeten Brenner entgegensteuert.
6. Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsvorgangs mit zumindest zwei Brennern (A-H),
insbesondere bei einer Gasturbine, mit zumindest folgenden Verfahrensschritten:
6.1 eine jeweils einem Brenner (A-H) zugeordnete optische Messvorrichtung (4) erfasst
eine chemilumineszente Strahlung, während ein Drucksensor (7) gleichzeitig einen Druck
in der Brennkammer (1) ermittelt,
6.2 eine eingangsseitig mit den optischen Messvorrichtungen (4) und dem Drucksensor
(7) und ausgangsseitig mit den steuerbaren Brennstoffventilen (2) verbundene Rechner-
und Steuerungseinrichtung (6) berechnet aus den von den optischen Messvorrichtungen
(4) und dem Drucksensor (7) eingehenden Messwerten eine Korrelation zwischen der chemilumineszenten
Strahlung eines jeden Brenners (A-H) und dem Druck in der Brennkammer (1),
6.3 die Rechner- und Steuerungseinrichtung (6) ermittelt den Brenner (A-H) oder eine
Brennergruppe mit der höchsten Korrelation und öffnet das/die zugehörige(n) Brennstoffventil(e)
(2).
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Einhaltung einer im wesentlichen konstanten Brennkammertemperatur oder eines
im wesentlichen konstanten Brennstoffstroms die Rechner- und Steuerungseinrichtung
(6) die Brennstoffventile (2) der nicht pulsationsgefährdeten Brenner anteilsmäßig
entsprechend denen der pulsationsgefährdeten Brenner entgegensteuert.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rechner- und Steuerungseinrichtung (6) die Brennstoffventile (2) erst ab einem
vordefinierten Korrelationswert öffnet.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rechner- und Steuerungseinrichtung (6) die Brennstoffventile (2) der nicht pulsationsgefährdeten
Brenner nur soweit entgegensteuert, dass bei diesen keine Pulsation eintritt.