DE60016331T2 - Vorrichtung mit gestufter Brennstoffeinspritzung und Verfahren für Gasturbineneinspritzdüsen - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ändern des Brennstoff/Luft-Verhältnisses in einem Brennstoff-Versorgungssystem für einen Gasturbinen-Brenner.
• In Gasturbinen sind im Allgemeinen mehrere Brenner in einer ringförmigen Anordnung um die Turbinenachse herum angeordnet, um heiße Verbrennunggase zu erzeugen, die durch die Turbine strömen. Jeder Brenner hat typischerweise mehrere Düsen, z.B. fünf oder sechs Düsen, um den gasförmigen Brennstoff in den Brenner strömen zu lassen. Wie bekannt, müssen die Brenner einer Gasturbine über einen weiten Bereich von Brennstoff/Luft-Verhältnissen arbeiten. Das Brennstoff/Luft-Verhältnis ist, z.B., während des Startens der Turbine und dem Betrieb bei geringer Last klein und während des Betriebes bei hoher Last ist es hoch. Geringe Brennstoff/Luft-Verhältnisse beeinflussen jedoch die Brenner-Flammenstabilität. Ein Herangehen zum Verbessern der Flammenstabilität besteht darin, die Brennstoffströmung zu einigen der Brennstoffdüsen in einem Brenner zu regeln und die Brennstoffströmung zu einer oder mehreren der anderen Düsen vollständig abzustellen. Die Verbrennungsflamme nahe den Düsen mit erhöhter Brennstoff strömung befindet sich somit bei höheren Brennstoff/Luft-Verhältnissen und sie ist folglich stabiler.
• Die einzelnen Düsen jedes Brenners sind typischerweise mit einem üblichen Brennstoff stoffzufuhr-Verteiler verbunden. Das Hauptregelventil für Brennstoff der Turbinen regelt die Brennstoffströmung zum Verteiler. Die Abstufung von Brennstoff zu verschiedenen Gruppen von Düsen erfordert traditionell separate Brennstoffzufuhr-Verteiler und Regelventile für jede Gruppe. Weil diese Flexibilität bei der Brennstoffversorgung jeder Düsengruppe erfordern, haben sie Nachteile. Erstens gibt dies zusätzliche Kosten und Komplexizität für die Turbine. Zweitens beeinträchtigt die Ansprechzeit zum Füllen eines großen leeren Verteilers den glatten Turbinenbetrieb. Drittens erfordert das Spülen von Brennstoff aus zuvor mit Brennstoff versehenen Verteilern zusätzliche Ventile und Rohre. Schließlich kann das kontinuierliche Spülen nicht mit Brennstoff versehener Verteiler ein zusätzliches System zum Verhindern eines Kondensationsaufbaus erfordern.
• In einigen Fällen ist die Brennstoff An/Aus-Regelung zu einigen der Düsen in jedem Brenner angemessen, um die Brenner-Betriebsfähigkeit auszudehnen. So können, z.B., massive druckbetätigte Ventile, die auf oder nahe dem Brenner angeordnet sind, geöffnet oder geschlossen werden, wenn ein gewisser Brennstoffdruck erreicht ist. Passive Ventile liefern jedoch nicht genügend Flexibilität über den Bereich des Brennerbetriebes und sie bieten keine Ventilbetätigung mit genügender Präzision. Der passive Ventilbetrieb gestattet somit eine ungleichmäßige Bewegung von Ventilen, d.h., Tellerventilen, und gestattet das Variieren des Brennstoffdruckes von einer Düse zur nächsten. Zusätzlich sind passive Ventilfedern unterschiedlich und sie haben ungleichmäßige Federkräfte. Aus diesen und anderen Gründen lassen sich federbetätigte passive Ventile nicht gleichmäßig betätigen oder solche Ventile gestatten den Ventilbetrieb bei mehr als einem Maschinen-Betriebszustand. Indem man fordert, dass die passiven Ventile bei einem gewissen Maschinenzustand betätigt werden, haben die Ventile nicht die Fähigkeit, bei anderen Maschinenbedingungen betätigt zu werden.
• US-A-4,027,474 offenbart ein Brennstoff-Verteilungsventil, das die Regelung der Strömung durch Öffnungen in Verbindung mit einer primären Düse und einer sekundären Düse, als einer Funktion der Turbinenlast, gestattet.
• Folglich gibt es einen Bedarf an einem Brennstoff Regelsystem zum aktiven und selektiven Zuführen von Brennstoff zu einer oder mehreren Düsen in jedem Brenner und zum Abschalten der Brennstoffzufuhr zu einem oder mehreren anderen Ventilen des gleichen Brenners und dies bei ausgewählten Betriebs-Paramatern.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Verändern des Brennstoff/Luft-Verhältnisses in einem Brennstoff-Versorgungssystem für einen Gasturbinen-Brenner gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
• Die Erfindung wird nun detaillierter beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, in der zeigen:
• 1 eine Seitenansicht eines Brenners für eine Turbine, bei der Teile weggelassen und im Querschnitt dargestellt sind,
• 2 eine schematische Darstellung eines Brennstoff-Regelsystems für die Düsen des Brenners von 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
• 3 eine Querschnittsansicht eines geregelten Brennstoff-Verteilerventils in einer Position, in der Brennstoff einer Gruppe von ein oder mehreren Düsen zugeführt und Brennstoff von einer anderen Gruppe von ein oder mehreren Düsen im Brenner abgschnitten wird und
• 4 eine Ansicht ähnlich 3, die das Ventil in einer vollständig offenen Position darstellt, bei der Brennstoff allen Düsen des Brenners zugeführt wird.
• In der Zeichnung, insbesondere in 1, ist ein Brenner 10 mit einem doppelwandigen Übergangskanal 12 dargestellt, der das Auslassende des Brenners mit dem Einlassende der Turbine verbindet, um heiße Verbrennungsprodukte zur Turbine zu liefern. Es sollte klar sein, dass eine Gasturbine mehrere Brenner 10, die im Allgemeinen in einer ringförmigen Anordnung um die Turbinenachse vorhanden sind, einschließt. Es sollte auch klar sein, dass der Brenner mehrere Düsen 14 zum Leiten von Brennstoff in die Brennzone 16 des Brenners aufweist. Die Anordnung aus Brenner und Düsen, die in 1 gezeigt ist, ist konventionell mit der Ausnahme des Brennstoff-Regelsystems zum Zuführen von Brennstoff zu den Düsen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• In 2 ist ein Brennstoff Regelsystem mit einer Brennstoffversorgung 20 für gasförmigen oder flüssigen Brennstoff zum Zuführen des Brennstoffes mittels einer Hauptversorgungsleitung 22 und einem Regelventil 24 zu Brenner-Versorgungsleitungen 26, die parallel mit einem Verteiler 28 verbunden sind, gezeigt. Es sollte klar sein, dass jede der Versorgungsleitungen 26 mit einem Brenner 10 verbunden ist. Die Anzahl der Brenner und Versorgungsleitungen 26 kann variie-ren und die dargestellten Versorgungsleitungen des Brenners 10 sind nur beispielhaft. In dem in 2 schematisch dargestellten Brenner 10 gibt es sechs Düsen 14, die durch eine Bren ner-Versorgungsleitung 26 mit Brennstoff versorgt werden. Die Versorgungsleitung 26 liefert Brennstoff zu einem geregelten Brennstoff-Verteilerventil 30, das seinerseits Brennstoff über sekundäre oder Düsen-Brennstoffversorgungsleitungen 32 zu den einzelnen Düsen 14 liefert.
• Es wird ein pneumatisches System zur Zufuhr von Regelluft und Druck zu dem Ventil 30 benutzt. Insbesondere liefert eine Regelluft-Versorgung 40 Luft unter Druck über eine Luftversorgungs-Leitung 42 und ein Stufen-Regelventil 44. Die Luft-Versorgungsleitung 42 liefert Luft unter Druck zu Brenner-Luftversorgungsleitungen 46, die parallel mit einem Luftversorgungs-Verteiler 48 gekoppelt sind. Es sollte klar sein, dass bei der vorgenannten Anordnung jedes der geregelten Brennstoff Verteilerventile für jeden Brenner über eine Brenner-Brennstoffversorgungsleitung 26 und mit Luft unter Druck über Brenner-Luftversorgungsleitung 46 versorgt ist.
• In den 3 und 4 schließt Ventil 30 einen Ventilkörper 50 ein, der einen Brennstoff Einlass 52, gekoppelt mit Brenner-Brennstoffversorgungsleitung 26, und mehrere Brennstoff Auslassöffnungen 54 aufweist, die jeweils mit jeder der Düsen 14 des entsprechenden Brenners gekoppelt sind, wie, z.B., in der in 4 gezeigten Position mit offenem Ventil. Der Brennstoff Einlass 26 liefert Brennstoff zu einer Kammer 56, die einen zentralen Durchgang 57 aufweist. Mehrere Durchgänge 58 stellen eine Verbindung zwischen der Kammer 56 und den diskreten Auslassöffnungen 64 zum Liefern von Brennstoff zu diskreten Düsen 14 her. Die Kammer 66 ist teilweise durch das Ende eines bewegbaren Teils oder Tellers 60 begrenzt, der durch eine Feder 62 in eine Position mit geschlossenem Ventil gedrückt ist, die in 3 gezeigt ist, wodurch der zentrale Durchgang 57 verschlossen wird. Das Ventilteil 60 ist innerhalb eines Hohlraumes 64 zur und weg von der Brennstoffkammer 56 bewegbar.
• Ventil 30 schließt auch eine Lufteinlass-Öffnung 66 in Verbindung mit der Brenner-Luftversorgungsleitung 46 ein. Die Lufteinlass-Öffnung 66 liefert Luft zu dem Hohlraum 64 auf einer Seite des Teiles 60 gegenüber der Brennstoffkammer 56. Die zum Hohlraum 64 gelieferte Druckluft bewegt daher zusammen mit Feder 62 das bewegbare Ventilteil 60 in die geschlossene Position. Um das Ventilteil 60 aus der geschlossenen Ventilposition zur offenen Ventilposition, die in der 3 bzw. 4 gezeigt ist, zu bewegen, überwindet der Brennstoffdruck in Kammer 56 die Vorspannung der Feder 62 und die Kraft, die aus der Druckluft in Hohlraum 64 über den Lufteinlass 66 resultiert. Übersteigt der Brennstoffdruck die kombinierte Vorspannung der Feder und des Luftdruckes, dann bewegt sich das Ventilteil 60 aus der geschlossenen Position der 3 in die offene Positon der 4, was das Strömen von Brennstoff durch den zentralen Durchgang 57 zu den Öffnungen 54 gestattet. Durch Variieren des Druckes der Luft, die dem Hohlraum 64 zugeführt wird, kann das Ventilteil 60 aus der geschlossenen Position zur offenen Position verschoben werden, was vom Druck der dem Hohlraum 64 zugeführten Luft abhängt. Ventil 30 kann bei verschiedenen Turbinen-Betriebsbedingungen geöffnet bzw. geschlossen sein.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es erwünscht, die Brennstoffströmung zu einem oder mehreren einer Gruppe von Brennstoffdüsen 14 des dazugehörigen Brenners zu beenden, während die Brennstoffströmung zu einer Gruppe eines oder mehrerer Düsen des gleichen Brenners aufrechterhalten wird. Einer oder mehrere der Durchgänge 58, die Brennstoff zwischen Kammer 66 und Brennstoff Auslassdurchgang 54 für jedes Ventil strömen lassen, kann geschlossen werden. In der Darstellung von 3 ist ein Durchgang 58 bei 70 verstopft. In der geschlossenen Ventilposition wird Brennstoff daher von der Brennstoffkammer 56 über die Durchgänge 58 und 54 zu einer oder mehreren einer ersten Gruppe von Düsen geliefert, die mit dem Brenner verbunden sind, und dies über Durchgänge 58, die offen sind. In der geschlossenen Ventilposition wird Brennstoff von einer zweiten Gruppe von ein oder mehreren Düsen des gleichen Brenners über Durchgang 58 abgeschnitten, der bzw. die verstopft sind. Es sollte auch klar sein, dass die gleiche vorbestimmte Menge Brennstoff dem Ventil 30 zugeführt wird zur Verteilung zu den ausgewählten Brennstoffdüsen in ähnlicher Weise, wie die gleiche Brennstoffmenge allen Brennstoffdüsen in der offenen Position des Ventils, die in 4 gezeigt ist, zugeführt wird. Durch Schließen eines oder mehrerer Durchgänge 58, z.B. durch Verstopfen des bzw. der Durchgänge bei 70 und Schließen des Ventils 30, wird ein höheres Brennstoff/Luft-Verhältnis für die Düsen bereitgestellt, denen Brennstoff zugeführt wird, während der Brennstoff von einem oder mehreren der übrigen Düsen abgeschnitten wird. Das höhere Brennstoff/Luft-Verhältnis verbessert natürlich die Stabilität der Flamme.
• Um das Brennstoff Regelsystem der vorliegenden Erfindung zu benutzen, z.B. während des Startens oder des Betriebes bei geringer Last, bei denen die Flammen-Instabilität ein Problem sein kann, wird Luft unter Druck dem Hohlraum 64 zugeführt, die, zusammen mit der Feder, das Ventilteil 60 in eine geschlossene Ventilposition verschiebt. In der geschlossenen Ventilposition wird Brennstoff aus Brennstoffkammer 66 über offene Durchgänge 68 und Auslassöffnungen 54 zu der ausgewählten Gruppe von Düsen geliefert. Brennstoff ist volständig abgeschnitten von der anderen Gruppe von Düsen durch verstopfte Durchgänge 58. Das Brennstoff/Luft-Verhältnis der ausgewählten Düsen während Niedriglastbetrieb oder Starten ist somit erhöht, was eine erhöhte Stabilität der Flamme ermöglicht. Während des Betriebes bei höherer Last oder Volllast wird die Luft unter Druck zur Zufuhr von Luft unter verringertem Druck geregelt oder die Luftströmung zum Hohlraum 64 wird vollständig beendet. Der Brennstoff unter Druck in Brennstoffkammer 66 verursacht somit eine Verschiebung des Ventilteiles 60 weg von der Brennstoffkammer 56, was das Strömen von Brennstoff zu allen Düsen des Brenners über die Durchgänge 64 durch den zentralen Durchgang 67 gestattet. Durch Variieren des Luftströmungsdruckes zur Kammer 64 kann das Öffnen und Schließen des Ventils 30 bei verschiedenen Betriebspunkten des Turbinenbetriebes, wie erwünscht, bewerkstelligt werden.

Claims (1)

1. Verfahren zum Verändern des Brennstoff/Luft-Verhältnisses in einem Brennstoff-Versorgungssystem für einen Land-basierten Energieerzeugungs-Gasturbinenbrenner (10), enthaltend die Schritte: (a) Bereitstellen von mehreren Brennern (10) um eine Achse der Gasturbine, wobei jeder Brenner mehrere Brennstoffdüsen (14) aufweist, (b) Liefern von Brennstoff unter Druck an mehrere Brennstoffdüsen (14) von jedem Brenner (10), © Verändern des Brennstoff/Luft-Verhältnisses von einer ersten Gruppe von einer oder mehr Düsen (14) durch positives und entferntes Regeln der Verteilung des Brennstoffes, um selektiv Brennstoff der (i) ersten Gruppe von einer oder mehr Düsen (14) von jedem Brenner zuzuführen, wobei die Brennstoffströmung zu einer zweiten Gruppe von einer oder mehr Düsen (14) von jedem Brenner, die die Düsen (14) der ersten Gruppe nicht einschließt, und (ii) alle Düsen (14) gesperrt wird, und d) Bereitstellen von Brennstoff unter Druck in einer Brennstoff Versorgungsleitung (26) und einem Ventilteil (60), das zwischen Stellungen bewegbar ist, die das Ventil (60) für eine Verteilung des in der Brennstoff-Versorgungsleitung (26) zugeführten Brennstoffes für alle Düsen (14) öffnen und das Ventil (30) für eine Verteilung von Brennstoff auf die erste Gruppe von Düsen (14) schließen, gekennzeichnet durch (e) Ermöglichen einer Verschiebung des Ventilteils (60) als Antwort auf ein Drucksignal und Verschieben des Ventilteils (60) als Antwort auf eine Differenz zwischen Brennstoff- und Luftdrucken, und (f) Betreiben der Turbine über einem Bereich von Brennstoff/Luft-Verhältnissen und Regeln der Verteilung des Brennstoffes, um Brennstoff auf die erste Gruppe von Düsen (14) bzw. die erste und zweite Gruppe von Düsen (14) zu verteilen, um für einen Turbinenbetrieb mit unterschiedlichen Brennstoff/ Luft-Verhältnissen innerhalb ihres Bereiches der ersten Gruppe von Düsen (14) bzw. der ersten und zweiten Gruppen von Düsen (14) zu sorgen.