Gas turbine group

专利摘要:
Eine Gasturbogruppe weist eine Brennkammer auf, welche eine katalytische Brennerstufe (2), eine stromauf der katalytischen Brennerstufe angeordnete Vorbrennerstufe (1) sowie eine stromab der katalytischen Brennerstufe angeordnete nichtkatalytische zweite Stufe (11, 5, 6) umfasst. Die Vorbrennerstufe dient dazu, am Eintritt in die katalytische Stufe eine Temperatur bereitzustellen, welche wenigstens einer zum Betrieb der katalytischen Brennerstufe erforderlichen Mindesttemperatur (T¶MIN¶) entspricht. Die Vorbrennerstufe ist nichtkatalytisch und bevorzugt im Interesse der Flammenstabilität als Diffusionsbrennerstufe ausgelegt. Es zeigt sich überraschenderweise, dass die markant erhöhte Stickoxidbildung, welche solche Vorbrennerstufen im Verbund mit katalytischen Brennern unattraktiv erscheinen lassen, bei einer Konfiguration mit einer nachgeschalteten nichtkatalytischen zweiten Brennerstufe weitgehend vermieden werden kann. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Verbrennungsluft bereits eine hohe Temperatur aufweist, und die thermische Leistung der Vorbrenner dementsprechend gering ist. Gasturbogruppen mit hohem Druckverhältnis sind daher besonders geeignet. Mit Vorteil wird die Verbrennungsluft vorgängig dem Eintritt in die Brennkammer zur Kühlung von Maschinenkomponenten verwendet.A gas turbine group has a combustion chamber which comprises a catalytic burner stage (2), a preburner stage (1) arranged upstream of the catalytic burner stage, and a non-catalytic second stage (11, 5, 6) arranged downstream of the catalytic burner stage. The preburner stage serves to provide a temperature at the inlet to the catalytic stage which corresponds at least to a minimum temperature (T LMN) required to operate the catalytic burner stage. The preburner stage is non-catalytic and preferably designed in the interest of flame stability as a diffusion burner stage. It is surprisingly found that the markedly increased nitrogen oxide formation, which make such precombustor stages appear unattractive in combination with catalytic burners, can largely be avoided in a configuration with a downstream non-catalytic second burner stage. It is particularly advantageous if the combustion air already has a high temperature, and the thermal power of the preburner is correspondingly low. Gasturbo groups with high pressure ratio are therefore particularly suitable. Advantageously, the combustion air is used prior to entry into the combustion chamber for cooling machine components.
公开号:DE102004004911A1
申请号:DE102004004911
申请日:2004-01-30
公开日:2005-01-20
发明作者:Rolf Dr. Dittmann；Jaan Dr. Hellat；Stefan Tschirren
申请人:Alstom Technolgoy AG；
IPC主号:F02C3-14

专利说明:
[0001] Dievorliegende Erfindung betrifft eine Gasturbogruppe gemäss dem Oberbegriffdes Anspruchs 1.TheThe present invention relates to a gas turbine group according to the preambleof claim 1.
[0002] Diekatalytische Umsetzung von Brennstoffen stellt eine Möglichkeitzur schadstoffarmen Wärmeerzeugungdar. Beim Einsatz in Gasturbogruppen ist aber die insbesondere ausLebensdauergründen erforderlicheBegrenzung der erreichbaren Temperaturen nachteilig. Das Erreichender heute im Interesse guter Wirkungsgrade und hoher Einheitenleistungenangestrebten Turbineneintrittstemperaturen ist mit katalytischenBrennkammern alleine nicht möglich:Währenddie Brennkammern moderner Gasturbinen beispielsweise Heissgastemperaturenum 1450°Cerzeugen, kann eine katalytische Brennkammer nur bis zu Temperaturenvon rund 1000°Cbetrieben werden. Weiterhin erfordert der Betrieb einer katalytischenBrennkammer eine mindeste Eintrittstemperatur.Thecatalytic conversion of fuels poses a possibilityfor low-emission heat generationdar. When used in gas turbine groups but is in particular fromDurability requiredLimiting the achievable temperatures disadvantageous. The achievementtoday in the interest of good efficiencies and high unit performanceaimed turbine inlet temperatures is catalyticCombustion chambers not possible on your own:Whilethe combustion chambers of modern gas turbines, for example hot gas temperaturesat 1450 ° Ccan produce a catalytic combustion chamber only up to temperaturesof around 1000 ° Coperate. Furthermore, the operation requires a catalyticCombustion chamber a minimum inlet temperature.
[0003] Beieiner stationärenGasturbine, die ohne Verdichter-Zwischenkühlung beiVollast-Druckverhältnissen über 20 bis30 arbeitet, ist das Erreichen der mindesten Eintrittstemperaturbei Volllast aufgrund der Temperaturerhöhung der Luft bei der Verdichtungan sich unproblematisch; beim Anfahren und im Teillastbetrieb kanndie mindesterforderliche Temperatur jedoch im Wesentlichen nichterreicht werden. Zur Erreichung der mindesten Eintrittstemperaturunter allen Umständensind Vorbrennersysteme bekannt. US5,395,235 gibt solche Vorbrennersysteme an. Das dort zugrundeliegendeProblem ist, überden gesamten Betriebsbereich einer Gasturbogruppe wenigstens eineTemperaturerhöhungvon rund 350°CVerdichterendtemperatur auf rund 450°C Katalysator-Eintrittstemperaturzu realisieren. Gemässder Lehre aus der US 5,395,235 solldie Verwendung einer nichtkatalytischen Vorbrennerstufe im Allgemeinenund einer Diffusionsvorbrennerstufe im Besonderen vermieden werden,da die hohen Stickoxidemissionen der nichtkatalytischen Vorbrenner beider gezeigten Konfiguration die Vorteile der katalytischen Stufezunichte machen. Die US 5,395,235 schlägt dahervor, den Diffusions-Vorbrenner durch einen katalytischen Vorbrennerzu ersetzen, der nur mit einem Teil des gesamten Brennluft-Massenstromesbeaufschlagt wird, und der aufgrund der niedrigeren Strömungsgeschwindigkeitbereits bei niedrigeren Eintrittstemperaturen zu arbeiten vermag.In a stationary gas turbine, which works without compressor intercooling at full load pressure ratios over 20 to 30, the achievement of the minimum inlet temperature at full load due to the increase in temperature of the air in the compression itself is unproblematic; However, when starting up and during partial load operation, the minimum required temperature can not be achieved substantially. In order to achieve the minimum inlet temperature under all circumstances pre-burner systems are known. US 5,395,235 indicates such precombustor systems. The underlying problem there is to realize at least a temperature increase of about 350 ° C compressor end temperature to about 450 ° C catalyst inlet temperature over the entire operating range of a gas turbine group. According to the teaching of the US 5,395,235 In particular, the use of a non-catalytic preburner stage in general and a diffusion prebake stage in particular should be avoided since the high nitrogen oxide emissions of the non-catalytic preburners in the configuration shown negate the advantages of the catalytic stage. The US 5,395,235 therefore proposes to replace the diffusion preburner by a catalytic preburner, which is acted upon by only a part of the total combustion air mass flow, and which is able to work even at lower inlet temperatures due to the lower flow rate.
[0004] EP 694 740 gibt an, eineselbstzündende Brennkammerdes auch aus EP 669 500 bekannten Typsstromab einer katalytischen Stufe anzuordnen. Die maximale Austrittstemperaturdes Katalysators von rund 1000°C – es werdenin der EP 694 740 800°C bis 1100°C spezifiziert – passtbestens zu der fürdie stabile und sichere Funktion einer selbstzündenden Brennkammer notwendigenMindesttemperatur, die je nach Brennstoff beispielsweise bei 900–950°C liegt.Derartige selbstzündendeBrennkammern weisen aufgrund der vergleichsweise geringen thermischenBelastung – derzu bewältigende Temperaturunterschiedliegt im Allgemeinen bei weniger als 600°C – des Betriebes bei einer gutenVormischung von Brennstoff und Verbrennungsgas, sowie einer sehrbrennstoffarmen Verbrennung, was wiederum aufgrund der hohen Anströmtemperatur unproblematischist, einen sehr geringen Stickoxidausstoss und einen guten Ausbrandauf. EP 694 740 gibtan, einen Drallerzeuger eines aus EP321 809 bekannten Vormischbrenners zur Aufbereitung der Brennstoff-Luft-Mischungfür denKatalyten einzusetzen, betont jedoch, dass dort keine Flammenstabilisierungstattfinden dürfe.Insofern gibt EP 694 740 keinenHinweis darauf, wie die mindesterforderliche Einströmtemperaturdes Katalysators übereinen breiten Betriebsbereich einer Gasturbogruppe zu gewährleistensei. EP 694 740 indicates a self-igniting combustion chamber of the well EP 669,500 known type downstream of a catalytic stage to arrange. The maximum outlet temperature of the catalyst of around 1000 ° C - it will be in the EP 694 740 800 ° C to 1100 ° C specified - perfectly fits the minimum temperature required for the stable and safe functioning of a self-igniting combustion chamber, which, depending on the fuel, is for example 900-950 ° C. Such self-igniting combustion chambers have due to the comparatively low thermal load - the temperature difference to be handled is generally less than 600 ° C - the operation with a good premix of fuel and combustion gas, and a very low-fuel combustion, which in turn is unproblematic due to the high flow temperature , a very low nitrogen oxide emissions and a good burnout. EP 694 740 indicates a swirl generator one out EP 321 809 however, emphasizes that flame stabilization should not take place there. In this respect there EP 694 740 No indication of how to ensure the minimum required inlet temperature of the catalyst over a wide operating range of a gas turbine group.
[0005] Aufgabeder vorliegenden Erfindung ist es, eine Gasturbogruppe der eingangsgenannten Art anzugeben, welche die Nachteile des Standes der Technikvermeidet. Insbesondere soll eine Gasturbogruppe so angegeben werden,dass übereinen weiten Betriebsbereich der Gasturbogruppe eine hinreichendhohe Eintrittstemperatur fürden sicheren und stabilen Betrieb einer katalytischen Brennerstufebereitsteht, die Turbineneintrittstemperatur derart hoch gefahrenwerden kann, dass die Gasturbogruppe insbesondere auch in einerKombianlage mit besten Wirkungsgraden betreibbar ist, und, dassdie Schadstoffbildung, insbesondere an Stickoxiden, signifikant niedrigerist als bei konventionellen, nichtkatalytischen Brennkammern, so,dass der vergleichsweise aufwändigeEinsatz einer katalytischen Brennkammer gerechtfertigt ist.taskThe present invention is a gas turbine group of the abovespecify the type mentioned, which the disadvantages of the prior artavoids. In particular, a gas turbine group should be specified asthat overa wide operating range of the gas turbine group a sufficienthigh inlet temperature forthe safe and stable operation of a catalytic burner stageis ready, the turbine inlet temperature driven so highcan be that the gas turbo group in particular also in aCombined unit is operable with best efficiencies, and thatthe formation of pollutants, especially of nitrogen oxides, significantly loweris than with conventional, non-catalytic combustors, so,that the comparatively elaborateUse of a catalytic combustion chamber is justified.
[0006] DieAufgabe wird mit der Gasturbogruppe gemäß Patentanspruch 1 gelöst. VorteilhafteAusgestaltungen der Gasturbogruppe sind Gegenstand der Unteransprüche oderlassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ausführungsbeispielenentnehmen.TheTask is solved with the gas turbine group according to claim 1. advantageousEmbodiments of the gas turbine group are the subject of the dependent claims orcan be understood from the following description and the embodimentsremove.
[0007] Kernder Erfindung ist also, in einer Brennkammer einer Gasturbogruppestromab einer katalytischen ersten Brennerstufe eine nichtkatalytische zweiteBrennerstufe anzuordnen, welche bevorzugt als selbstzündende Brennkammerdes aus EP 669 500 bekanntenTyps ausgeführtist. Die zweite Brennkammer ermöglichtes, die fürmoderne Gasturbogruppen üblichenHeissgastemperaturen zu erreichen, und damit höchste Wirkungsgrade und Leistungsdichtenzu erreichen. Diese Kombination ist aus der EP 694 740 an sich bekannt. In Bezugauf den diesbezüglichenOffenbarungsgehalt wird ausdrücklichauf die EP 669 500 unddie EP 694 740 verwiesen,welche diesbezüglichintegrierende Bestandteile der vorliegenden Beschreibung darstellen.Es zeigt sich nunmehr, dass in Verbindung mit dieser Kombinationdie Verwendung einer nichtkatalytischen Vorbrennerstufe, welcheim Interesse des stabilen und sicheren Betriebes bevorzugt als Diffusionsbrennerstufeausgeführtwird, überraschenderweise äusserst vorteilhaftist, und keineswegs die im Stand der Technik zitierten Nachteilein einer dramatischen Weise entfaltet. Im Vergleich zu der in US 5,395,235 beschriebenenKonfiguration ist die Austrittstemperatur aus der Brennkammer nämlich deutlichhöher,weil ja stromab der hinsichtlich der Temperatur begrenzten katalytischenBrennerstufe eine nichtkatalytische zweite Brennerstufe angeordnetist. Gerade dann, wenn die zweite Brennkammer als selbstzündende Brennkammerdes aus EP 669 500 bekannten Typs ausgeführt ist,resultieren aufgrund des vergleichsweise geringen Temperaturhubes,der guten Vormischung der Reaktionskomponenten, und der kurzen Verweilzeitender Gasspezies geringe Stickoxidemissionen. Weil der gesamte Temperaturhubvom Brennkammereintritt bis zum Brennkammeraustritt aber im Vergleichzur US 5,395,235 grossist, ist der Anteil des Leistungsumsatzes in der Vorbrennerstufe gering,derart dass dessen Stickoxidproduktion nahezu nicht ins Gewichtfällt.Auf diese Weise wirkt die aus der EP694 740 bekannte Brennkammer geradezu synergetisch mitder nichtkatalytischen Vorbrennerstufe zusammen.The core of the invention is therefore to arrange in a combustion chamber of a gas turbine group downstream of a catalytic first burner stage, a non-catalytic second burner stage, which preferably as a self-igniting combustion chamber of EP 669 500 known type is executed. The second combustion chamber makes it possible to achieve the hot gas temperatures customary for modern gas turbine groups, and thus to achieve maximum efficiencies and power densities. This combination is from the EP 694 740 known in itself. With regard to the relevant disclosure, express reference is made to EP 669,500 and the EP 694 740 which in this regard constitute an integral part of the present description. It now appears that in connection with this combination, the use of a non-catalytic preburner stage, which is preferably carried out in the interest of stable and safe operation as a diffusion burner stage, surprisingly extremely advantageous, and by no means unfolded the disadvantages cited in the prior art in a dramatic manner , Compared to the in US 5,395,235 Namely, the outlet temperature from the combustion chamber is significantly higher, because a non-catalytic second burner stage is arranged downstream of the temperature-limited catalytic burner stage. Especially when the second combustion chamber as a self-igniting combustion chamber of EP 669,500 of known type, resulting due to the relatively low temperature, the good premixing of the reaction components, and the short residence times of the gas species low nitrogen oxide emissions. Because the entire temperature increase from the combustion chamber inlet to the combustion chamber outlet but compared to US 5,395,235 is large, the proportion of power in the pre-burner stage is low, so that its nitrogen oxide production is almost negligible. In this way, the effect of the EP 694 740 known combustion chamber almost synergistically with the non-catalytic preburner stage together.
[0008] Ineiner vorteilhaften Ausführungsformder Erfindung ist die Brennluftführungzur Brennkammer mit Vorteil derart beschaffen, dass nur ein Teilstrom desgesamten Verbrennungsluftmassenstroms durch die Brenner der Vorbrennerstufegeführtwird. Der verbleibende Teilstrom, welche im Allgemeinen deutlichmehr als die Hälftedes gesamten Brennluft-Massenstroms beträgt, wird über eine stromab der Vorbrennerstufeund stromauf der katalytischen Brennerstufe angeordnete Mischvorrichtungzugeführt, welchemit Vorteil so beschaffen ist, dass sie eine möglichst gute und homogene Vermischungder beiden Teilströmevor dem Eintritt in die katalytische Brennerstufe gewährleistet.Hierzu wird die Mischvorrichtung beispielsweise in der Form desDrallerzeugers eines aus EP 321809 bekannten Vormischbrenners ausgeführt. So besteht die Mischvorrichtungin einer bevorzugten Ausführungsformaus wenigstens zwei Umfangssegmenten eines zylinderartigen und/oderkegelstumpfartigen Hohlkörpers,die mit ihren Längsachsenim wesentlichen parallel zur Durchströmungsrichtung der Brennkammerangeordnet sind, wobei die Längsachsender einzelnen Umfangssegmente quer zur Durchströmungsrichtung gegeneinanderversetzt sind, wodurch tangential-radial orientierte Einströmöffnungengebildet werden, wobei ein Brenner der Vorbrennerstufe mit einer stromaufwärtigen Stirnseiteder Mischvorrichtung in Fluidverbindung steht, die katalytischeBrennerstufe mit einer stromabwärtigenStirnseite in Fluidverbindung steht, und die Einströmöffnungenmit einem Zuströmbereichder Brennkammer in Fluidverbindung stehen, derart, dass im Betriebder Gasturbogruppe die Mischvorrichtung im Wesentlichen axial miteinem ersten, von der Vorbrennerstufe kommenden Gasmassenstrom durchströmt wird,und ein Brennluftmassenstrom mit einer tangentialen Strömungskomponentein die Mischvorrichtung einströmt.In an advantageous embodiment of the invention, the combustion air duct to the combustion chamber is advantageously such that only a partial flow of the total combustion air mass flow is passed through the burner of the preburner stage. The remaining partial flow, which is generally significantly more than half of the total mass flow of combustion air, is supplied via a downstream of the preburner and upstream of the catalytic burner stage arranged mixing device, which is advantageously designed so that they are as good and homogeneous mixing of ensures both partial flows before entering the catalytic burner stage. For this purpose, the mixing device, for example in the form of the swirl generator of a EP 321 809 known Vormischbrenners performed. Thus, in a preferred embodiment, the mixing device consists of at least two peripheral segments of a cylinder-like and / or frustoconical hollow body which are arranged with their longitudinal axes substantially parallel to the flow direction of the combustion chamber, wherein the longitudinal axes of the individual circumferential segments are offset from each other transversely to the flow direction, whereby tangential radially inwardly directed inflow openings are formed, wherein a burner of the pre-burner stage is in fluid communication with an upstream end side of the mixing device, the catalytic burner stage is in fluid communication with a downstream end side, and the inflow openings are in fluid communication with an inflow region of the combustion chamber, such that in operation Gas turbine group, the mixing device is substantially axially through a first, coming from the pre-burner stage gas mass flow, and a combustion air mass flow with a Tangential flow component flows into the mixing device.
[0009] Vorteilhaftist es weiterhin, wenn die Vorbrennerstufe eine möglichstgeringe Temperaturerhöhung bewirkenmuss. Dabei ist es einerseits von Vorteil, wenn die Gasturbogruppederart gebaut ist, dass sie ein hohes Auslegungs-Druckverhältnis beiNennleistung aufweist, welches beispielsweise grösser als 12 ist. Damit einhergeht eine hohe Verdichter-Endtemperatur, welche vorteilhaft über 420°C liegt.Dabei ist es weiterhin von Vorteil, wenn die Brennluftführung derartausgestaltet ist, dass die Verbrennungsluft bevor sie zur Brennkammergelangt thermisch hochbelastete Komponenten der Gasturbogruppe durch- oderumströmt,diese so kühlt,und dabei Wärmeaufnimmt. Insbesondere wird die Verbrennungsluft vorteilhaft imGegenstrom zur Heissgaströmungin der Brennkammer um die Aussenwände der Brennkammer herumgeführt. Aufdiese Weise wird einerseits die thermisch hochbelastete Brennkammerwand konvektivgekühlt,und andererseits wird die Verbrennungsluft sehr effizient weitervorgeheizt, wodurch die von der Vorbrennerstufe aufzubringende thermischeLeistung und damit deren Stickoxidproduktion weiter vermindert wird.Bei einer geeigneten Ausführungder erfindungsgemässenGasturbogruppe, mit einem hohen Auslegungsdruckverhältnis undeiner entsprechenden Führungder Verbrennungsluft zur Vorwärmung,ist die Temperatur der Verbrennungsluft beim Eintritt in die Brennkammerin einem weiten Betriebsbereich schon hoch genug für einenstabilen Betrieb der katalytischen Brennerstufe, derart, dass dieVorbrennerstufe überhauptnicht mehr notwendigerweise betrieben werden muss; in einer bevorzugtenBetriebsweise der erfindungsgemässenGasturbogruppe bleiben die Brenner der Vorbrennerstufe dennoch fortwährend aufeiner Minimalleistung zur Sicherstellung eines stabilen Eigenbetriebeszugeschaltet, was in transienten Betriebszuständen sehr von Vorteil ist,wie unten Ausführlichbeschrieben wird.Advantageousit is still, if the Vorbrennerstufe a possiblecause low temperature increasegot to. It is on the one hand advantageous if the gas turbine groupis built to provide a high design pressure ratioRated power, which is greater than 12, for example. Associated with itgoes a high compressor end temperature, which is advantageously above 420 ° C.It is also advantageous if the combustion air duct in such a wayis designed that the combustion air before going to the combustion chamberpasses thermally highly loaded components of the gas turbine group through orflows around,this cools,and heatreceives. In particular, the combustion air is advantageous inCounterflow to the hot gas flowguided around the outer walls of the combustion chamber in the combustion chamber. OnThis way, on the one hand, the highly thermally stressed combustion chamber wall is convectivecooled,and on the other hand, the combustion air continues very efficientlypreheated, whereby the applied by the pre-burner stage thermalPerformance and thus their nitrogen oxide production is further reduced.In a suitable designthe inventiveGas turbine group, with a high design pressure ratio anda corresponding leadershipthe combustion air for preheating,is the temperature of the combustion air entering the combustion chamberin a wide operating range already high enough for onestable operation of the catalytic burner stage, such that thePreburner stage at allno longer necessarily be operated; in a preferredOperation of the inventiveGasturbo group, the burners of Vorbrennerstufe still remain ona minimum power to ensure a stable own operationswitched on, which is very advantageous in transient operating states,as detailed belowis described.
[0010] BeimBetrieb der erfindungsgemässenGasturbogruppe ist es sehr von Vorteil, wenn die katalytische Stufebeim Anfahren bei einem thermischen Leistungsumsatz in Betrieb genommenwird, der bereits bei einer unterhalb der Nenndrehzahl der Gasturbogruppeliegenden Drehzahl vorliegt. Daraus folgt, dass im Betrieb der Gasturbogruppebei Nenndrehzahl, und bevorzugt auch bei Abweichungen von der Nenndrehzahlinnerhalb gewisser Grenzen, die katalytische Stufe vom Leerlaufbetriebder Gasturbogruppe bis zur Volllast in allen Lastzuständen inBetrieb ist. Das bedeutet mit anderen Worten, dass die katalytischeStufe bereits vor dem Erreichen der netzsynchronen Drehzahl in Betriebgenommen wird, und erst beim Abstellen der Gasturbogruppe wieder ausserBetrieb genommen wird, dazwischen aber fortwährend in Betrieb ist. Temperaturwechselbeanspruchungendes Katalysators werden damit auf ein Minimum beschränkt. Wenndie Maschinendrehzahl, bei welcher die katalytische Stufe in Betriebgenommen wird, bevorzugt bei etwa 60% bis 85%, insbesondere 60%bis 75% der Nenndrehzahl liegt, erweist sich dies als besondersgünstig.Der Abstand der Einschaltdrehzahl von der Nenndrehzahl von 15% oder25% bis 40% gewährleistet,dass die katalytische Stufe auch bei Frequenzschwankungen einesElektrizitätsnetzesund insbesondere bei instationärenVorgängenwie beispielsweise beim Abfangen einer Überdrehzahl zuverlässig inBetrieb bleibt. Auch beim Leerlaufbetrieb und beim Betrieb im unterenLastbereich befindet sich die katalytische Brennerstufe im Gegensatzzu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren fortwährend imBetrieb. Die Maschinenregelung muss daher gerade bei geringer Lastkeine Schalttransienten auffangen, und starke Temperaturwechselbeanspruchungendes Katalysators werden vermieden.When operating the novel gas turbine group, it is very advantageous if the katalyti tion stage is taken when starting at a thermal power conversion in operation, which is already at a below the rated speed of the gas turbine engine speed. It follows that during operation of the gas turbine group at nominal speed, and preferably also in the case of deviations from the rated speed, within certain limits, the catalytic stage is in operation from idle operation of the gas turbine group to full load in all load states. In other words, this means that the catalytic stage is put into operation before reaching the grid-synchronous speed, and is taken out of service only when the gas turbine group is switched off, but is constantly in operation. Temperature cycling of the catalyst are thus limited to a minimum. If the engine speed at which the catalytic stage is put into operation, preferably at about 60% to 85%, in particular 60% to 75% of the rated speed, this proves to be particularly favorable. The distance of the starting speed from the rated speed of 15% or 25% to 40% ensures that the catalytic stage remains reliably in operation even with frequency fluctuations of an electricity network and in particular in unsteady operations such as overspeeding. Even in idle mode and operation in the lower load range, the catalytic burner stage is in continuous operation, in contrast to the known from the prior art method. The machine control therefore does not have to absorb switching transients, especially at low load, and strong thermal cycling of the catalyst is avoided.
[0011] DieAufteilung der Brennstoffmenge auf die katalytische Brennerstufeund die dieser nachgeschaltete nichtkatalytische Brennerstufe kannauf verschiedene Weisen erfolgen. In einer ersten Betriebsweisewird eine weitere Leistungssteigerung alleine durch eine Erhöhung derder katalytischen Stufe zugeführtenBrennstoffmenge erreicht, solange, bis die Temperatur am Austrittaus der katalytischen Stufe wenigstens näherungsweise der maximal zulässigen Temperaturder katalytischen Stufe entspricht. Das heisst, der schadstoffarmeBetrieb der katalytischen Stufe wird über einen maximalen Betriebsbereichgenutzt. Die zweite, nichtkatalytische Brennerstufe wird beim Erreicheneiner Schwellentemperatur am Austritt aus der katalytischen Brennerstufegezündet,welche wenigstens näherungsweiseder maximal dauerhaft zulässigenTemperatur der katalytischen Brennerstufe entspricht. In einer zweitenvorteilhaften Betriebsweise wird die zweite, nichtkatalytische Brennerstufebereits vor Erreichen dieser maximal zulässigen Temperatur in Betriebgenommen, und mit einer wenigstens für einen stabilen und sicherenBetrieb ausreichenden Brennstoffmenge versorgt. Damit kann über dienichtkatalytische Brennerstufe besser auf schnelle Leistungsänderungenreagiert werden. Insbesondere wird die zweite nichtkatalytischeBrennerstufe beim Erreichen oder Überschreiten einer Schwellentemperaturam Austritt aus der katalytischen Stufe in Betrieb genommen, welchewenigstens der minimal erforderlichen Eintrittstemperatur für den Betriebeiner selbstzündendenBrennkammer entspricht. In einer praktisch zu bevorzugenden Betriebsweisewird die Schwellentemperatur zwischen den beiden genannten Temperaturenfestgelegt; damit ist eine hinreichend grosse Sicherheitsmarge sowohlgegen ein Verlöscheneiner selbstzündendenzweiten nichtkatalytischen Brennerstufe als auch ein Überhitzender katalytischen Brennerstufe gewährleistet.TheDistribution of the fuel quantity to the catalytic burner stageand this downstream non-catalytic burner stage candone in different ways. In a first mode of operationwill be another increase in performance alone by increasing thefed to the catalytic stageFuel quantity reached, until the temperature at the outletfrom the catalytic stage at least approximately the maximum allowable temperaturecorresponds to the catalytic stage. That is, the low-emissionOperation of the catalytic stage is over a maximum operating rangeused. The second, non-catalytic burner stage is reached upon reachinga threshold temperature at the exit from the catalytic burner stageignitedwhich at least approximatelythe maximum permissibleTemperature of the catalytic burner stage corresponds. In a secondadvantageous operation is the second, non-catalytic burner stagealready in operation before reaching this maximum permissible temperaturetaken, and with one at least for a stable and safeOperation supplied sufficient amount of fuel. This can be about thenon-catalytic burner stage better at rapid power changesbe reacted. In particular, the second non-catalyticBurner stage when reaching or exceeding a threshold temperaturecommissioned at the exit from the catalytic stage, whichat least the minimum required inlet temperature for operationa self-ignitingCombustion chamber corresponds. In a practically preferable mode of operationis the threshold temperature between the two temperatures mentionedset; thus, a sufficiently large margin of safety is bothagainst a go outa self-ignitingsecond non-catalytic burner stage as well as overheatingensures the catalytic burner stage.
[0012] Auchhinsichtlich der Regelung einer verstellbaren Vorleitreihe sindverschiedene Betriebsweisen denkbar. Im Teillastbereich wird einesteigende Leistung der Gasturbogruppe bevorzugt durch eine Steigerungder der katalytischen Stufe zugeführten Brennstoffmenge erreicht.Das heisst, wenn eine Regelabweichung der Leistung vorliegt, wobeidie Soll-Leistung überder Ist-Leistung liegt, wird die Brennstoffmenge zur katalytischenStufe erhöht,und umgekehrt. Dabei erhöhtsich die Austrittstemperatur aus der katalytischen Brennerstufe.Falls das Gesamt-Fahrkonzept der Gasturbogruppe, insbesondere auchdie weiteren massgeblichen Temperaturen und Drücke, dies zulassen, wird dabeieine verstellbare Vorleitreihe soweit möglich geschlossen gehalten.Grundsätzlichsind bei der weiteren Leistungserhöhung zwei Betriebsarten sinnvollund möglich:Einerseits wird die Vorleitreihe geschlossen gehalten, und die derkatalytischen Brennerstufe zugeführte Brennstoffmengewird erhöht,bis die Temperatur am Austritt aus dem Katalysator einem Zielwert,insbesondere näherungsweiseder maximal zulässigen Temperatur,entspricht. Eine weitere Leistungssteigerung wird durch Erhöhung derBrennstoffzufuhr zur katalytischen Brennerstufe erreicht, wobeideren Austrittstemperatur durch eine Verstellung der Vorleitreihekonstantgehalten wird. Erst, wenn die Vorleitreihe vollständig geöffnet ist,wird die Brennstoffzufuhr zur zweiten Brennerstufe erhöht. DieserBetriebsmodus gewährleistetim Allgemeinen den schadstoffärmstenTeillastbetrieb. Abhängigvon den speziellen Randbedingungen, insbesondere beim Betrieb ineiner Kombianlage, kann es aber auch hinsichtlich des Wirkungsgradessehr vorteilhaft sein, nachdem bei geschlossener Vorleitreihe einZielwert fürdie Austrittstemperatur der katalytischen Stufe erreicht ist zunächst dieBrennstoffzufuhr zur nichtkatalytischen zweiten Brennerstufe zuerhöhen,und dabei die Vorleitreihe geschlossen zu halten, bis entweder dieTurbineneintrittstemperatur oder die Turbinenaustrittstemperatureinen Maximalwert erreicht. Die Brennstoffzufuhr der katalytischenStufe wird dabei auf eine Konstanthaltung der Austrittstemperatur aufeinem Sollwert geregelt. Weiterhin wird dann durch ein Öffnen der Vorleitreiheauf an sich bekannte Weise die Leistung weiterhin gesteigert, wobeidiese auf bekannte und an anderen Orten ausführlich beschriebene Weise sogeregelt wird, dass entweder die Turbineneintrittstemperatur oderdie Turbinenaustrittstemperatur auf ihrem Maximalwert bleiben. Diegesamte Brennstoffmenge wird dabei in Abhängigkeit von der Regelabweichungder Leistung eingestellt. Dabei wird immer soviel Brennstoff zurVorbrennerstufe geleitet, wie nötigist, um die mindesterforderliche Eintrittstemperatur der katalytischenStufe aufrechtzuerhalten, oder gegebenenfalls, um die Vorbrennerstufeeben im stabilen Betrieb zu halten; die Brennstoffmenge der katalytischenStufe wird so geregelt, dass die Austrittstemperatur konstant aufdem Sollwert bleibt, und der darüberhinausgehende Anteil der gesamten Brennstoffmenge wird der nichtkatalytischenzweiten Brennerstufe zugeführt.Des Weiteren könnenzur Anpassung der Leistung auch andere an sich bekannte Massnahmen,wie die Kühlung derVerdichter-Ansaugluft, eine Zwischenkühlung im Verdichter, oder aucheine Einbringung von Dampf oder Wasser in die Turbine oder stromaufder Turbine herangezogen werden.Also with regard to the regulation of an adjustable Vorleitreihe different modes are conceivable. In the partial load range, an increasing power of the gas turbine group is preferably achieved by increasing the amount of fuel supplied to the catalytic stage. That is, if there is a performance error with the target power above the actual power, the amount of fuel is increased to the catalytic level, and vice versa. In this case, the outlet temperature increases from the catalytic burner stage. If the overall driving concept of the gas turbine group, in particular the other relevant temperatures and pressures, allow this, an adjustable Vorleitreihe is kept closed as much as possible. Basically, two modes are useful and possible in the further power increase: On the one hand, the Vorleitreihe is kept closed, and the catalytic burner stage supplied amount of fuel is increased until the temperature at the outlet from the catalyst corresponds to a target value, in particular approximately the maximum allowable temperature. A further increase in performance is achieved by increasing the fuel supply to the catalytic burner stage, wherein the outlet temperature is kept constant by adjusting the Vorleitreihe. Only when the Vorleitreihe is fully open, the fuel supply to the second burner stage is increased. This operating mode generally ensures the lowest-pollution partial load operation. Depending on the particular boundary conditions, in particular when operating in a combined plant, but it may also be very advantageous in terms of efficiency, after a target value for the outlet temperature of the catalytic stage is reached in closed Vorleitreihe is first to increase the fuel supply to the non-catalytic second burner stage, and thereby keep the pilot row closed until either the turbine inlet temperature or the turbine outlet temperature reaches a maximum value. The fuel supply of the catalytic stage is regulated to a constant maintenance of the outlet temperature to a desired value. Furthermore, then by opening the Vorleitreihe in a known per se, the performance is further increased, this being controlled in known and other locations detailed manner so that either the turbine inlet temperature or the turbine outlet temperature remain at their maximum value. The total amount of fuel is adjusted depending on the control deviation of the power. In doing so, as much fuel is always directed to the preburner stage as is necessary to maintain the minimum required inlet temperature of the catalytic stage or, if necessary, to keep the preburner stage in steady state operation; the amount of fuel of the catalytic stage is controlled so that the exit temperature remains constant at the target value, and the further portion of the total amount of fuel is supplied to the non-catalytic second burner stage. Furthermore, other measures known per se, such as the cooling of the compressor intake air, an intermediate cooling in the compressor, or also an introduction of steam or water into the turbine or upstream of the turbine can be used to adjust the power.
[0013] Diekatalytische Brennerstufe sowie die dieser Brennerstufe zugeführte Brennstoffmengewerden auf eine Austrittstemperatur von beispielsweise 900°C bis 950°C ausgelegt.Die gesamte Verbrennung kann somit innerhalb des Katalysators dieser Brennerstufestattfinden. Die Brennstoffmenge wird dabei so eingestellt, dassdie Austrittstemperatur stets kleiner als die maximal zulässige Temperatur desKatalysators ist. Auf diese Weise wird ein Flammenrückschlagvermieden und der Katalysator kann auch etwas länger dimensioniert sein alsim Auslegungspunkt minimal erforderlich. Die Verbrennung ist besserkontrolliert, so dass der Betrieb bei Off-Design Betriebspunktendadurch erleichtert wird. Weiterhin sind Variationen der Brennstoffeigenschaftenunproblematisch und die Wahl des Katalysatormaterials ist freier.Thecatalytic burner stage and the amount of fuel supplied to this burner stageare designed for an outlet temperature of, for example, 900 ° C to 950 ° C.The entire combustion can thus be within the catalyst of this burner stageoccur. The amount of fuel is adjusted so thatthe outlet temperature is always lower than the maximum permissible temperature of theCatalyst is. In this way, a flashbackavoided and the catalyst can also be dimensioned slightly longer thanMinimum required at the design point. The burning is bettercontrolled, allowing operation at off-design operating pointsis facilitated. Further, variations of fuel propertiesunproblematic and the choice of catalyst material is more free.
[0014] DieErfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestelltenAusführungsbeispielennäher erläutert. ImEinzelnen zeigen:TheInvention will now be described with reference to the drawingembodimentsexplained in more detail. in theShow individual:
[0015] 1 ein Beispiel für eine erfindungsgemässe Gasturbogruppe; 1 an example of a gas turbine group according to the invention;
[0016] 2 einen beispielhaften Verlaufder den unterschiedlichen Brennerstufen zugeführten Brennstoffmengen in Abhängigkeitvon der relativen Drehzahl und der relativen Leistung der Gasturbogruppe; 2 an exemplary course of the fuel levels supplied to the different burner stages as a function of the relative speed and the relative power of the gas turbine group;
[0017] 3 einen beispielhaften Verlaufverschiedener Maschinenparameter bei einem Lastabwurf; und 3 an exemplary course of various machine parameters in a load shedding; and
[0018] 4 ein weiteres Beispielfür eineerfindungsgemässeGasturbogruppe. 4 a further example of a gas turbine group according to the invention.
[0019] In 1 ist eine Gasturbogruppedargestellt. Eine Turbine 4 und ein Verdichter 12 sindauf einer gemeinsamen Welle 15 angeordnet. Auf dem gleichenWellenstrang ist weiterhin ein Generator 13 angeordnet.Der Verdichter 12 saugt Luft 21 aus der Umgebungan und verdichtet diese. Der Verdichter 12 weist weiterhineine verstellbare Vorleitreihe 121 auf. Deren Positionbestimmt im Wesentlichen den Ansaugvolumenstrom und damit bei vorgegebener Umgebungstemperaturund vorgegebenem Umgebungsdruck den Luftmassenstrom der Gasturbogruppe.In 1 is a gas turbine group shown. A turbine 4 and a compressor 12 are on a common wave 15 arranged. On the same shaft train is still a generator 13 arranged. The compressor 12 sucks air 21 from the environment and compacts them. The compressor 12 also has an adjustable Vorleitreihe 121 on. Their position essentially determines the intake volume flow and thus at a given ambient temperature and given ambient pressure the air mass flow of the gas turbine group.
[0020] VerdichteteLuft 22 wird zu einer unten noch im Detail erläutertenBrennkammer geführt.Wie ersichtlich ist, wird die verdichtete Luft vorgängig der Einleitungin die Brennkammer im Gegenstrom zu dem Heissgas innerhalb der Brennkammeran deren Aussenwändenvorbeigeführt.Dabei wird die Brennkammerstruktur konvektiv gekühlt und die im Nachgang derVerbrennung zugeführteLuft wird vorgewärmt.In der Brennkammer wird, wie unten ausgeführt, wenigstens eine Brennstoffmengein der verdichteten luft verbrannt. Heisses gespanntes Rauchgas 24 strömt aus derBrennkammer ab und tritt mit der Turbineneintrittstemperatur T₃ in die Turbine 4 ein, wo der Rauchgasmassenstromunter Abgabe einer Leistung entspannt wird. Das aus der TurbineabströmendeAbgas 25 weist noch eine hohe TurbinenaustrittstemperaturT₄ von beispielsweise 500°C und darüber auf.Dieses Abwärmepotenzialwird bevorzugt auf an sich bekannte Weise genutzt, beispielsweisezur Dampferzeugung in einem Abhitzedampferzeuger. Die bei der Entspannungdes Rauchgases erzeugte Leistung wird zum Antrieb des Verdichters 12 unddes Generators 13 verwendet. Der Generator erzeugt einemechanische Nutzleistung P_ACT. Ein EntsprechendesMesssignal wird zu einem Regler 31 geführt, und dort mit der Soll-LeistungP_SET verglichen. Ausgehend von der Regelabweichungder Leistung, P_SET–P_ACT,wird eine Gesamtbrennstoffmengen-Stellgrösse Y_FUEL gebildet.Ein Weiterer Regler 35 erfasst verschiedene Temperaturmesswerte.Die dort erfassten Temperaturen werden auf Sollwerte eingeregeltoder auf Maximalwerte begrenzt, indem über eine Stellgrösse Y_VIGV die Position der verstellbaren Vorleitreihe 121 gesteuertwird. Die Brennkammer umfasst einen Vorbrenner 1, welcher bevorzugt,aus Gründender Stabilitätdes Betriebs, als Diffusionsbrenner ausgeführt ist. Ein Teil des Verbrennungsluftstromswird überden Vorbrenner geführt.Es schliesst sich eine Mischsektion 14 an, welche vorliegendals Drallerzeuger in der Art des Drallerzeugers des aus EP 321 809 bekannten Brennersausgeführtist. Dort wird der erste, überden Vorbrenner 1 geführteLuftstrom 26 mit der verdrallten weiteren Verbrennungsluftvermischt. Stromab der Mischstrecke schliesst sich eine katalytischeBrennerstufe 2 an. An die katalytische Stufe schliesstsich eine als selbstzündendeBrennkammer der aus EP 669 500 bekanntenArt ausgeführtenichtkatalytische zweite Brennerstufe an. Aus der katalytischenStufe abströmendesFluid strömtmit hoher Geschwindigkeit in einen Strömungskanal ein, in dem Wirbelerzeuger 11,insbesondere der aus CH 688868 bekanntenArt, und eine Brennstofflanze 5 angeordnet sind. Der Kanalmündetmit einer sprunghaften Querschnittserweiterung in einem Brennraum 6,aus dem das Fluid 24 schliesslich zur Turbine 4 abströmt. Zur Funktionder katalytischen Brennkammer muss die Temperatur T₁ anderen Eintritt einen bestimmten Mindestwert von beispielsweise 450°C erreichen.Im Betrieb einer modernen Gasturbine liegt eine solche Temperaturim Lastbetrieb häufigohnehin am Verdichteraustritt vor, wenn der Verdichter ohne Kühlung arbeitet.Die Umströmungder Brennkammer tut ein Übrigeszur Erwärmungder Verbrennungsluft vor dem Einströmen in die Brennkammer. Für einenzuverlässigenBetrieb muss aber die Einhaltung der Mindesttemperatur stromaufdes Katalysators unter allen Umständen gewährleistet werden. Ein Teilstrom ṁ_P der gesamten Brennstoffmenge ṁ_FUEL wird daher über ein Stellorgan 16 demVorbrenner 1 zugemessen. Das Stellorgan 16 wirdin Abhängigkeitvon einer SteuergrösseY_P eingestellt. Die Temperatur T₁ am Eintritt in die katalytische Stufe wirdbestimmt und zu einem Regler 32 geführt. Der Regler 32 vergleicht denTemperatur-Istwert T₁ mit dem MindestwertT_MIN und bildet daraus die Stellgrösse Y_P. Es wird daher sichergestellt, dass stetseine mindest notwendige Eintrittstemperatur am Eintritt der katalytischenBrennkammer vorliegt. Die Regelung der Brennstoffmenge des Vorbrennerserfolgt bevorzugt so, dass auch bei einer Eintrittstemperatur derVerbrennungsluft, welche an sich schon den notwendigen Mindestwert überschreitet,immer eine Mindestbrennstoffmenge zugeführt wird, derart, dass derVorbrenner 1 währenddes gesamten Betriebes der Gasturbogruppe im Betrieb ist, auch,wenn dies an sich nicht zwingend notwendig ist. Eine solche Betriebsweiseerhöhtzwar die Stickoxidemissionen der Gasturbogruppe. Dieser Nachteilwird aber durch betriebstechnische Vorteile wieder ausgeglichen.Wenn die Gasturbogruppe beispielsweise bei Volllast betrieben wird,ist der Betrieb des Vorbrenners 1 typischerweise nichtnotwendig. Bei einem schnellen Entlasten oder gar einem Lastabwurffällt dieTemperatur der zuströmenden Verbrennungsluft 23 sehrschnell unter den Mindestwert, und der Betrieb des Vorbrenners 1 wirdwieder absolut notwendig. Hierbei ist es von Vorteil, wenn nur dessenthermische Leistung erhöhtwerden muss, anstatt die Flamme des Vorbrenners in einem ohnehintransienten Betriebszustand erst wieder zünden zu müssen. Das von dem Vorbrenner 1 erzeugteHeissgas 26 wird in der Mischsektion 14 mit derweiteren Verbrennungsluft vermischt. Ein weiterer Teil ṁ_C des Brennstoffmassenstroms wird der derarterhitzten Verbrennungsluft stromauf der katalytischen Brennkammer 2 zugemischt.Diese Zumischung muss einerseits so erfolgen, dass beim Eintrittin den Katalysator ein möglichsthomogenes Brennstoff-Luft-Gemisch vorliegt, und andererseits derart,dass es zu keiner Zündungund Flammenstabilisierung des Brennstoffs in dem heissen Gas kommt.Selbstverständlichkann in dem Katalysator nicht beliebig viel Brennstoff umgesetztwerden, da dessen maximal zulässigeTemperatur begrenzt ist. Zur Zumessung der Brennstoffmenge ṁ_C zum Katalysator dient ein Stellorgan 17,welches mit der StellgrösseY_C vom Regler 33 aus angesteuertwird. Der Regler 33 erhältals Eingangsgrösseeine auf geeignete Weise ermittelte Temperatur T₂ amAustritt des Katalysators. Dabei kann die Brennstoffmenge ṁ_C des Katalysators so eingeregelt werden,dass die Temperatur T₂ einen zulässigen MaximalwertT_MAX von zum Beispiel 1000°C nicht überschreitet,die vom Katalysator im Dauerbetrieb ertragen werden kann. DieseTemperatur muss zwangsläufiggrössersein als die zum Betrieb der selbstzündenden Brennkammer 6 notwendigeMindesttemperatur. Dieser Betrieb ist schadstoffarm, da eine maximalmöglicheBrennstoffmenge katalytisch umgesetzt wird. Eine von der Stellgrösse Y_FUEL angeforderte Soll-Gesamtbrennstoffmenge, welche den insgesamtvom Vorbrenner und vom Katalysator umsetzbaren Massenstrom überschreitet,wird vom Regler 34 erfasst, welcher daraus die Stellgrösse Y_SEV bildet. Diese wirkt wiederum auf dasStellorgan 18, und steuert damit den Brennstoffmassenstrom ṁ_SEV, welcher der selbstzündenden Brennkammer 6 über dieBrennstofflanze 5 zugeführtwird. Eine andere Betriebsweise wäre, bereits beim Erreicheneiner minimal notwendigen Eintrittstemperatur der selbstzündendenBrennkammer von zum Beispiel 900°Cdie Brennstoffmenge ṁ_C zu begrenzen,und den weiteren Teil der Gesamt-Brennstoffmenge ṁ_FUEL der selbstzündenden Brennkammer 6 zuzuleiten.Dieser Betriebszustand ist zwar tendenziell mit mehr Emissionenbehaftet, bietet aber mehr Möglichkeitenfür schnellereRegeleingriffe, da die thermische Leistung der nichtkatalytischenBrennerstufe im Allgemeinen schneller regelbar ist als die des Katalysators.Ganz entscheidend ist es aber im vorliegenden Beispiel, das Stellorgan 18 vollständig geschlossenzu halten, solange die fürden Betrieb einer selbstzündendenBrennkammer erforderliche Mindesttemperatur noch nicht erreichtist. In der Praxis liegen die beiden Temperaturen mit den heutzutageverwendeten Katalysatoren jedoch relativ nahe beieinander, so, dassnur in einem vergleichsweise kleinen Temperaturbereich für T₂ ein sicherer Betrieb sowohl der katalytischenBrennerstufe 2 als auch der selbstzündenden Brennkammer 6 möglich ist.Es ist daher von Vorteil, einen Sollwert für T₂ festzulegen, dereinerseits um eine Sicherheitsmarge oberhalb der Mindest-Eintrittstemperaturder selbstzündenden Brennkammer 6 liegt,und andererseits um eine Sicherheitsmarge unterhalb der dauerhaftzulässigen Temperaturder katalytischen Stufe 2. Unter Zugrundelegung der obenangegebenen Temperaturen wärehier ein Temperaturbereich von beispielsweise 950°C bis 980°C günstig; abhängig vomverwendeten Katalysatormaterial und dem Brennstoff können sichauch abweichende Temperaturbereiche als günstig erweisen. Der Betrieberfolgt also im Zusammenspiel der Regler 31, 33 und 34 derart,dass bei einer Temperatur T₂ unterhalb einesSchwellenwertes zunächstnur der katalytischen Brennerstufe Brennstoff zugeführt wird.Bei Erreichen des Temperaturschwellenwertes regelt Regler 33 über dieStellgrösseY_C die der katalytischen Stufe zugeführte Brennstoffmenge ṁ_C so, dass die Temperatur T₂ aufeinem Sollwert verharrt, und ein überschreitender Teil der Gesamtbrennstoffmengewird vom Regler 34 registriert, welcher über dieStellgrösseY_SEV auf das Stellorgan 18 eingreiftund den weder im Vorbrenner noch in der katalytischen Stufe umsetzbarenBrennstoff der nichtkatalytischen Brennerstufe zuleitet. Die Austrittstemperaturaus der katalytischen Brennerstufe kann weiterhin auch im Vorleitreihenregler 35 ausgewertetund fürRegeleingriffe auf die Position der verstellbaren Vorleitreihe 121 verwendetwerden. Dabei kann zwischen zwei grundsätzlich unterschiedlichen Betriebsmodender Vorleitreihenregelung unterschieden werden, nämlich einemwirkungsgradoptimierten und einem schadstoffoptimierten Betriebsmodus. Derwirkungsgradoptimierte Betriebsmodus ist aus dem Stand der Technikan sich wohlbekannt und läuft folgendermassenab: Der Vorleitreihenregler 35 erfasst auf geeignete Weisedie Temperaturen T₃ vor und T₄ nachder Turbine. Im unteren Teillastbereich wird die verstellbare Vorleitreihegeschlossen gehalten. Auf diese Weise steigt die Temperatur T₄ nach der Turbine mit steigender Leistungder Gasturbogruppe sehr schnell an, wodurch bereits bei vergleichsweisegeringer Leistung eine Temperatur erreicht wird, der es erlaubt,in einem nachgeschalteten Abhitzedampferzeuger qualitativ hochwertigen Frischdampfeines bestimmten Druckes und einer bestimmten Überhitzung zu erzeugen, derbeispielsweise den Betrieb einer Dampfturbine erlaubt. Beim Erreicheneines Sollwertes der Turbinenaustrittstemperatur T₄ wirddie Vorleitreihe geöffnet,und die Temperatur wird konstantgehalten. Gleichzeitig wird die TurbineneintrittstemperaturT₃ überwacht.Wenn diese einen zulässigenMaximalwert erreicht, löstdie Turbineneintrittstemperatur T₃ die TurbinenaustrittstemperaturT₄ als Leitgrösse der Regelung ab, umd wirdbis zum Erreichen der Volllast, bei maximaler Turbineneintrittstemperaturund vollständiggeöffneterVorleitreihe, konstantgehalten. Dieser Betrieb gewährleisteteinen besten Wirkungsgrad, insbesondere beim Kombibetrieb, da über einenweiten Betriebsbereich der Gasturbogruppe günstige Frischdampfdaten einervon einem nachgeschalteten Abhitzedampferzeuger angespiesenen Dampfturbinegewährleistetwerden. In einem emissionsoptimierten Betrieb wird im Teillastbereichdie Katalysator-Austrittstemperatur T₂ alsLeitgrössefür dieVorleitreihenverstellung verwendet: Sobald diese den Sollwert erreicht,wird die Vorleitreihe geöffnet.Die dadurch bewirkte Steigerung des Verbrennungsluftmassenstromserlaubt eine Steigerung des Brennstoffmassenstroms ṁ_C der katalytischen Stufe, ohne dass einezulässigeMaximal-Austrittstemperatur T_MAX überschrittenwird. Es ist damit möglich,eine maximale Menge an Brennstoff emissionsarm in der katalytischenStufe umzusetzen. Die Temperatur T₃ vor derTurbine 4 bleibt dabei fortwährend vergleichsweise gering,auf dem Wert T₂, da stromab der katalytischenStufe nicht mehr gefeuert wird. Erst wenn die Vorleitreihe 121 vollständig geöffnet ist,kann die Brennstoffmenge der katalytischen Stufe nicht mehr weitergesteigert werden, und die nichtkatalytische Brennerstufe wird zurweiteren Leistungssteigerung in Betrieb genommen, bis die TurbineneintrittstemperaturT₃ ihren zulässigen Maximalwert erreicht,und damit die Maximalleistung der Gasturbogruppe erreicht wird.Dieser Betrieb zeichnet sich dadurch aus, dass über einen weiten Betriebsbereichdie gesamte Brennstoffmenge nahezu emissionsfrei in der katalytischenBrennerstufe umgesetzt wird, und auch bis zum Vollastbetriebspunktein schadstoffärmererBetrieb gewährleistetist als im wirkungsgradoptimierten Betriebsmodus. Im Gegenzug bleibt dieTemperatur T₄ nach der Turbine über einenweiten Betriebsbereich niedrig, und zwar zu niedrig, um in einemder Turbine nachgeordneten Abhitzedampferzeuger Frischdampf für eineneffizienten Betrieb einer Dampfturbine im Kombibetrieb zu erzeugen.Dadurch, dass die Katalysatoraustrittstemperatur in keinem Betriebsmoduszur Leistungsregelung im oberen Lastbereich herangezogen werdenmuss, und unabhängigvom Maschinenbetriebspunkt die vorteilhafte Möglichkeit besteht, den Katalysatorstets etwas unterhalb der zulässigenMaximaltemperatur zu betreiben, besteht keine Gefahr eines Flammenrückschlags,und der Katalysator kann etwas längerausgeführtwerden, als dies an sich notwendig wäre. Dies resultiert in einerbesser kontrollierten Verbrennung, und in einem besseren Betriebsverhaltenabseits vom Auslegungspunkt. Weiterhin besteht eine grössere Freiheitbei der Wahl des Katalysatormaterials, was unter Anderem zu einemwesentlichen Kostenvorteil führenkann, und die Bandbreite der umsetzbaren Brennstoffe wird grösser, ohneein erhöhtesFlammenrückschlagsrisikoin Kauf nehmen zu müssen.Compressed air 22 is guided to a combustion chamber explained in detail below. As can be seen, the compressed air is passed past the introduction into the combustion chamber in countercurrent to the hot gas within the combustion chamber on the outer walls. In this case, the combustion chamber structure is convectively cooled and the air supplied after the combustion air is preheated. In the combustion chamber, as explained below, at least one amount of fuel in the compressed air is burned. Hot stretched flue gas 24 flows out of the combustion chamber and enters the turbine with the turbine inlet temperature T ₃ 4 a, where the flue gas mass flow is released while delivering a power. The effluent from the turbine exhaust 25 still has a high turbine outlet temperature T _4, for example, 500 ° C and above. This waste heat potential is preferably used in a manner known per se, for example for steam generation in a heat recovery steam generator. The power generated during the expansion of the flue gas is used to drive the compressor 12 and the generator 13 used. The generator generates a mechanical power P _ACT . A corresponding measurement signal becomes a regulator 31 guided, and there compared with the target power P _SET . Based on the performance _error , P _SET -P _ACT , a total _{fuel quantity} manipulated variable Y _{FUEL is} formed. Another controller 35 captures different temperature readings. The temperatures recorded there are adjusted to set values or limited to maximum values by using a manipulated variable Y _{VIGV to set} the position of the adjustable preliminary row 121 is controlled. The combustion chamber includes a preburner 1 which is preferred, for reasons of stability of operation, designed as a diffusion burner. Part of the combustion air flow is passed through the pilot burner. It concludes a mixing section 14 on, wel che present as a swirl generator in the manner of the swirl generator of EP 321 809 known burner is executed. There will be the first, above the preburner 1 guided airflow 26 mixed with the twisted further combustion air. Downstream of the mixing section closes a catalytic burner stage 2 at. At the catalytic stage closes as a self-igniting combustion chamber of EP 669,500 known type executed non-catalytic second burner stage. Fluid flowing out of the catalytic stage flows at high velocity into a flow channel in the vortex generator 11 , especially the CH 688868 known type, and a fuel lance 5 are arranged. The channel opens with a sudden cross-sectional widening in a combustion chamber 6 from which the fluid 24 finally to the turbine 4 flows. For the function of the catalytic combustion chamber, the temperature T ₁ must reach a certain minimum value, for example, 450 ° C at the entrance. In the operation of a modern gas turbine, such a temperature is often already present in the load operation at the compressor outlet when the compressor operates without cooling. The flow around the combustion chamber does the rest to heat the combustion air before flowing into the combustion chamber. For reliable operation, however, compliance with the minimum upstream catalyst temperature must be ensured under all circumstances. A partial flow ṁ _{P of} the total _{amount of} fuel ṁ _FUEL is therefore via an actuator 16 the pre-burner 1 meted out. The actuator 16 is set in dependence on a control quantity Y _P. The temperature T ₁ at the inlet to the catalytic stage is determined and to a controller 32 guided. The regulator 32 compares the actual temperature value T ₁ with the minimum value T _MIN and forms the manipulated variable Y _{P from this} . It is therefore ensured that there is always a minimum necessary inlet temperature at the inlet of the catalytic combustion chamber. The regulation of the fuel quantity of the preburner is preferably carried out so that even at an inlet temperature of the combustion air, which already exceeds the necessary minimum value, always a minimum amount of fuel is supplied, such that the preburner 1 during the entire operation of the gas turbine group is in operation, even if this is not absolutely necessary. Although such an operation increases the nitrogen oxide emissions of the gas turbine group. This disadvantage is offset by operational advantages. For example, when the gas turbo group is operated at full load, the operation of the pre-burner is 1 typically not necessary. With a quick unloading or even a load shedding the temperature of the incoming combustion air drops 23 very fast below the minimum value, and the operation of the pre-burner 1 will be absolutely necessary again. It is advantageous if only its thermal performance must be increased, instead of having to ignite the flame of the preburner in an already transient operating state again. That of the pre-burner 1 generated hot gas 26 will be in the mixing section 14 mixed with the other combustion air. Another part ṁ _{C of} the fuel mass flow is the thus heated combustion air upstream of the catalytic combustion chamber 2 admixed. On the one hand, this admixture must be such that, when entering the catalyst, the most homogeneous possible mixture of fuel and air is present and, on the other hand, such that there is no ignition and flame stabilization of the fuel in the hot gas. Of course, can not be implemented in the catalyst as much fuel because its maximum allowable temperature is limited. To meter the amount of fuel ṁ _C to the catalyst is an actuator 17 , which with the manipulated variable Y _C from the controller 33 is controlled from. The regulator 33 receives as an input variable a suitably determined temperature T ₂ at the outlet of the catalyst. In this case, the amount of fuel ṁ _{C of} the catalyst can be adjusted so that the temperature T ₂ does not exceed a permissible maximum value T _MAX of, for example, 1000 ° C, which can be sustained by the catalyst in continuous operation. This temperature must necessarily be greater than that for the operation of the self-igniting combustion chamber 6 necessary minimum temperature. This operation is low in emissions as a maximum possible amount of fuel is catalytically converted. A desired total _{fuel quantity} required by the manipulated variable Y _FUEL , which exceeds the total mass flow that can be converted by the _{pilot burner} and the catalyst, is _output by the controller 34 detects which of _these forms the manipulated variable Y _SEV . This in turn acts on the actuator 18 , and thus controls the fuel mass flow ṁ _SEV , which is the self-igniting combustion chamber 6 over the fuel lance 5 is supplied. Another mode of operation would be to limit the fuel quantity ṁ _C already when a minimum necessary inlet temperature of the self-igniting combustion chamber of, for example, 900 ° C. is reached, and the further part of the total fuel _quantity ṁ _{FUEL of} the self-igniting combustion chamber 6 be forwarded. While this mode of operation tends to involve more emissions, it offers more opportunities for faster control intervention because the thermal performance of the non-catalytic burner stage is generally faster than that of the catalyst. But it is very crucial in the present example, the actuator 18 keep completely closed, as long as the required for the operation of a self-igniting combustion chamber minimum temperature has not yet been reached. In practice, however, the two temperatures with the catalysts used today are relatively close to each other, so that only in a relatively small temperature range for T ₂ safe operation of both the catalytic burner stage 2 as well as the self-igniting combustion chamber 6 is possible. It is therefore advantageous to set a target value for T ₂ , on the one hand by a margin of safety above the minimum inlet temperature of the self-igniting combustion chamber 6 and, on the other hand, a safety margin below the permissible temperature of the catalytic stage 2 , On the basis of the above-indicated temperatures, a temperature range of, for example, 950 ° C. to 980 ° C. would be favorable here; Depending on the catalyst material and the fuel used, deviating temperature ranges may prove favorable. The operation thus takes place in the interaction of the controller 31 . 33 and 34 such that at a temperature T ₂ below a threshold initially only the catalytic burner stage fuel is supplied. When the temperature threshold value is reached, the controller regulates 33 via the manipulated variable Y _C, the amount of fuel ṁ _C supplied to the catalytic stage such that the temperature T ₂ remains at a desired value, and an exceeding portion of the total fuel quantity is supplied by the controller 34 registered, which via the manipulated variable Y _SEV on the actuator 18 engages and fed to the non-catalytic burner stage convertible neither in the pre-burner nor in the catalytic stage. The outlet temperature from the catalytic burner stage can continue in Vorleitreihenregler 35 evaluated and for control interventions on the position of the adjustable Vorleitreihe 121 be used. It can be distinguished between two fundamentally different modes of operation of Vorleitreihenregelung, namely an efficiency-optimized and a pollutant-optimized mode of operation. The efficiency-optimized operating mode is well known from the prior art per se and runs as follows: The Vorleitreihenregler 35 appropriately detects the temperatures T ₃ before and T ₄ after the turbine. In the lower part load range, the adjustable Vorleitreihe is kept closed. In this way, the temperature rises T ₄ after the turbine with increasing power of the gas turbine group very quickly, whereby even at comparatively low power, a temperature is reached, which allows in a downstream heat recovery steam generator high-quality live steam of a certain pressure and a certain overheating generate, for example, allows the operation of a steam turbine. Upon reaching a target value of the turbine outlet temperature T ₄ , the Vorleitreihe is opened, and the temperature is kept constant. At the same time, the turbine inlet temperature T _{3 is} monitored. When this reaches a permissible maximum value, the turbine inlet temperature T ₃ triggers the turbine outlet temperature T ₄ as the control variable, and is held constant until full load is achieved at the maximum turbine inlet temperature and completely open pilot row. This operation ensures the best efficiency, especially in combined operation, since over a wide operating range of the gas turbine group favorable live steam data of a steam turbine attached by a downstream heat recovery steam generator are ensured. In emission-optimized operation, the catalyst outlet temperature T ₂ is used in the partial load range as the reference variable for the pilot row adjustment: as soon as it reaches the setpoint, the pilot row is opened. The resulting increase in the combustion air mass flow allows an increase in the fuel mass flow ṁ _{C of} the catalytic stage, without an allowable maximum outlet temperature T _{MAX is} exceeded. It is thus possible to convert a maximum amount of fuel low emissions in the catalytic stage. The temperature T _{3 in} front of the turbine 4 remains constantly comparatively low, at the value T ₂ , as is no longer fired downstream of the catalytic stage. Only when the Vorleitreihe 121 is fully opened, the fuel amount of the catalytic stage can no longer be increased, and the non-catalytic burner stage is taken for further performance increase until the turbine inlet temperature T _{3 reaches} its maximum permissible value, and thus the maximum output of the gas turbine group is achieved. This operation is characterized by the fact that over a wide operating range, the entire amount of fuel is almost emission-free implemented in the catalytic burner stage, and also up to the full load operating point a low-emission operation is guaranteed as in the efficiency-optimized mode of operation. In turn, the temperature T ₄ remains low after the turbine over a wide operating range, and too low to produce live steam in an exhaust heat steam generator downstream of the turbine for efficient operation of a steam turbine in combined operation. The fact that the catalyst outlet temperature must not be used in any operating mode for power control in the upper load range, and regardless of the machine operating point has the advantageous possibility always to operate the catalyst slightly below the maximum permissible temperature, there is no risk of flashback, and the catalyst can run a little longer become as necessary in itself. This results in better controlled combustion and better performance away from the design point. Furthermore, there is a greater freedom in the choice of catalyst material, which, among other things, can lead to a significant cost advantage, and the range of convertible fuels is greater, without having to accept an increased risk of flashback risk.
[0021] In 2 ist in einer qualitativenDarstellung ein beispielhafter Verlauf der Brennstoffmassenströme in denverschiedenen Brennerstufen der in 1 dargestelltenBrennkammer in Abhängigkeitvon der relativen Drehzahl n/n ^, mit n ^ als Nenndrehzahl, und der relativenLeistung P/P ^, mit der Volllastleistung P ^, gezeigt. Dabei handelt essich um eine schematische Darstellung, bei der nicht alle möglichenDetails der Brennstoffmassenstromverläufe dargestellt sind, sonderndie auf die Details fokussiert, die für das Verständnis der Erfindung wesentlichsind. Die nach oben aufgetragenen Werte sind jeweils auf einen Referenzwert Y ^ bezogendargestellt. Auch handelt es sich nicht um Werte einer bestimmtenMaschine, sondern um den Betrieb einer fiktiven, aber durchaus repräsentativenGasturbogruppe. Die Zünddrehzahl derGasturbogruppe liegt bei rund 25% der Nenndrehzahl. Die gesamteBrennstoffmenge wird zunächstdem Vorbrenner zugeleitet, und überdessen Befeuerung wird die Maschinendrehzahl weiter erhöht. Es istvon grossenm Vorteil, wenn hier zunächst nur der Vorbrenner, bevorzugtals Diffusionsbrenner, in Betrieb ist. Eine stabile Diffusionsflammereagiert am unempfindlichsten auf schnelle Regeleingriffe während derBeschleunigungsphase, wie sie beispielsweise beim Schliessen derVerdichter-Ausblaseventile auftreten. Bevorzugt erst dann, wenndie Ausblaseventile geschlossen sind, aber noch unterhalb der Nenndrehzahl,kommt die katalytische Brennerstufe in Betrieb. Dabei muss die Befeuerungdes Vorbrenners natürlichbereits so stark sein, dass die erforderliche Eintrittstemperaturder katalytischen Stufe oder von in den Betrieb zu nehmenden Segmentender katalytischen Stufe auf oder über dem Mindestwert liegt.Im Beispiel wird die katalytische Stufe bei 75% der Nenndrehzahlin Betrieb genommen. Diese Drehzahl liegt weit genug von der Nenndrehzahlentfernt, damit die katalytische Stufe im Leerlaufbetrieb, oderauch bei Unterdrehzahlen nach dem Abfangen eins Lastabwurfs, sicherim Betrieb bleibt und keinen Schalttransienten ausgesetzt ist. Beimweiteren Erhöhender Maschinendrehzahl kann auch die katalytische Stufe verstärkt zurFeuerungsleistung beitragen, weshalb deren Brennstoffmassenstrom ṁ_C steigt. Da mit steigender Maschinendrehzahlauch die Luftmenge steigt, andererseits aber die Temperatur vorder katalytischen Stufe gehalten werden muss, steigt auch der Brennstoffmassenstromder Vorbrennerstufe ṁ_P weiter an.Ab der Nenndrehzahl beginnt die Gasturbogruppe Leistung aufzunehmen.Im Ausführungsbeispielerfolgt die gesamte Leistungsaufnahme im Lastbereich bis etwa 20%Relativleistung durch die katalytische Brennerstufe. Erst später wirddie nichtkatalytische zweite Brennerstufe durch Zufuhr einer Brennstoffmenge ṁ_SEV in Betrieb genommen. Wie oben dargelegt, hängt dieInbetriebnahme einer selbstzündenden zweitenBrennkammer in erster Linie von der Temperatur nach der katalytischenStufe ab. Es ist daher an sich eine Frage der Dimensionierung derBrennerstufen, wann die zweite Brennkammer tatsächlich in Betrieb zu nehmensei. Es ist jedoch von Vorteil, wenn dieses erst bei einer Leistungerfolgt, die oberhalb der im Lastbetrieb möglichen Minimalleistung der Gasturbogruppeliegt, um währenddes Synchronisiervorgangs nicht mit Schaltvorgängen der Brenner konfrontiertzu werden. In einer weiteren, nicht dargestellten vorteilhaftenBetriebsvariante wird bis in einen Bereich zwischen 5 und 10% relativerLeistung die Brennstoffmenge ṁ_C derkatalytischen Stufe konstant gehalten, und die gesamte Leistungsfeuerung während desSynchronisierens erfolgt durch den Vorbrenner, da dieser auf dentransienten Synchronistionsvorgang wesentlich besser zu reagierenvermag. Gemässder dargestellten Figur bleibt der Brennstoffmassenstrom der Vorbrennerstufebis 25% Relativlast konstant. Die Eintrittstemperatur in die katalytischeStufe wird damit komfortabel oberhalb des erforderlichen Minimalwerteseingestellt, da ja mit steigendem Druckverhältnis und steigender Feuerungsleistungdie Temperatur der Verbrennungsluft ohnehin ansteigt. Im Bereichvon 20% Relativleistung bis 25% Relativleistung wird die Austrittstemperaturder katalytischen Stufe von der Mindesttemperatur für den Betriebder zweiten Brennkammer auf die zulässige Maximaltemperatur gesteigert.In 2 is a qualitative representation of an exemplary course of fuel mass flows in the various burner stages of in 1 illustrated combustion chamber in dependence on the relative speed n / n ^, with n ^ as the rated speed, and the relative power P / P ^, with the full load power P ^ shown. It is a schematic representation in which not all possible details of the fuel mass flow curves are shown, but focused on the details that are essential for understanding the invention. The values plotted on top are in each case based on a reference value Y 1. Also, it is not about values of a particular machine, but the operation of a fictional, but quite representative gas turbine group. The firing speed of the gas turbine group is around 25% of the rated speed. The total amount of fuel is first fed to the preburner, and its firing the engine speed is further increased. It is of great advantage if initially only the pre-burner, preferably as a diffusion burner, is in operation. A stable diffusion flame reacts most insensitive to rapid control interventions during the acceleration phase, such as occur when closing the compressor blow-off valves. Preferably, only when the blow-off valves are closed, but still below the rated speed, the catalytic burner stage comes into operation. Of course, the firing of the preburner must already be so strong that the required inlet temperature of the catalytic stage or to be taken into operation segments of the catalytic stage is at or above the minimum value. In the example, the catalytic stage is put into operation at 75% of the rated speed. This speed is far enough away from the rated speed for the catalytic stage to remain safe in idle mode, or even at underspeed after intercepting a load shedding, and not being subject to a switching transient. As the engine speed further increases, the catalytic stage can also contribute to the firing efficiency, causing its fuel mass flow ṁ _{C to} increase. Since with increasing engine speed, the amount of air increases, but on the other hand, the temperature must be maintained before the catalytic stage, and the fuel mass flow of the pre-burner stage ṁ _P continues to increase. From the rated speed, the gas turbine group begins to absorb power. In the exemplary embodiment, the total power consumption in the load range is up to about 20% relative power through the catalytic burner stage. Only later, the non-catalytic second burner stage is put into operation by supplying a quantity of fuel ṁ _SEV . As stated above, the startup of a self-igniting second combustor depends primarily on the temperature after the catalytic stage. It is therefore a question of dimensioning the burner stages, when the second combustion chamber is actually to be put into operation. However, it is advantageous if this takes place only at a power which is above the minimum power of the gas turbine group possible in load operation in order not to be confronted with switching operations of the burners during the synchronization process. In a further, not shown advantageous operating variant, the fuel quantity ṁ _{C of} the catalytic stage is kept constant up to a range between 5 and 10% relative power, and the entire power firing during synchronization is carried out by the preburner, since this much better on the transient Synchronistionsvorgang to be able to react. According to the illustrated figure, the fuel mass flow of the pre-burner stage remains constant up to 25% relative load. The inlet temperature into the catalytic stage is thus conveniently set above the required minimum value, since the temperature of the combustion air increases anyway with increasing pressure ratio and increasing firing capacity. In the range of 20% relative power to 25% relative power, the outlet temperature of the catalytic stage is increased from the minimum temperature for operation of the second combustion chamber to the maximum permissible temperature.
[0022] Oberhalbvon 25% Relativleistung wird der Brennstoffmassenstrom ṁ_P der Vorbrennerstufe langsam zurückgenommen,da mit steigendem Brennstoff-Luft-Verhältnisder katalytischen Stufe deren Betriebssicherheit steigt, und andererseitsmit dem Druckverhältnisdie Verbrennungslufttemperatur steigt. Bei 75% Relativleistung wäre im Ausführungsbeispieleine Feuerung der Vorbrennerstufe nicht mehr notwendig. Der Brennstoffmassenstrom ṁ_P der Vorbrennerstufe wird dennoch nichtauf 0 zurückgefahren,um einen sicheren Eigenbetrieb des Vorbrenners aufrechtzuerhalten,und so bei einem plötzlichenLeistungsabfall der Gasturbogruppe spontan und ohne vorheriges Zünden miteiner Erhöhungder Brennstoffmenge der Vorbrennerstufe zu reagieren und ein Verlöschen derkatalytischen Stufe zu vermeiden.Above 25% relative power, the fuel mass flow ṁ _{P of} the pre-burner stage is slowly withdrawn, since with increasing fuel-air ratio of the catalytic stage their reliability increases, and on the other hand with the pressure ratio increases the combustion air temperature. At 75% relative power would be in the embodiment, a firing of Vorbrennerstufe no longer necessary. The fuel mass flow ṁ _{P of} the preburner stage is nevertheless not reduced to 0 in order to maintain a safe intrinsic operation of the preburner and thus to react spontaneously and without prior ignition with an increase in the fuel quantity of the preburner stage and a quenching of the catalytic stage at a sudden power drop of the gas turbine group avoid.
[0023] Einsolcher schneller Leistungsabfall liegt bei einem Lastabwurf vor.Diese Vorgängesind in 3 qualitativdargestellt. Die Grössenordnungder nach oben aufgetragenen Werte ist nicht quantitativ mit denin 2 dargestellten Wertenvergleichbar. Der Lastabwurf erfolgt bei t = 5 Sekunden. In kürzester Zeitgeht die Drehzahl n auf eine Überdrehzahl,die durch eine Verminderung der thermischen Leistung abgefangenwerden muss, um eine kritische Überdrehzahlzu vermeiden. Währenddes Vorgangs soll die Gasturbogruppe im Betrieb bleiben. Die nichtkatalytischezweite Brennerstufe wird sofort abgeschaltet. Gleichzeitig wirdder Vorbrenner 1 mit einer erhöhten vorgesteuerten Brennstoffmengeversorgt, so dass die katalytische Brennerstufe 2 nichterlischt. Der Brennstoffmassenstrom ṁ_C zurkatalytischen Brennerstufe 2 wird dann so geregelt, dassdie Nenndrehzahl erreicht und nicht signifikant unterschritten wird.Die Vorleitreihe VIGV bleibt währenddes gesamten Vorgangs des Abfangens und Einregelns der Maschinendrehzahlvoll geöffnet,um nicht noch weitere variable Parameter in die Maschinenregelung einzubringen;erst nachdem die Maschinendrehzahl stabil auf Nenndrehzahl eingeregeltist, wird die Vorleitreihe langsam geschlossen.Such a fast power loss occurs during load shedding. These operations are in 3 presented qualitatively. The order of magnitude of the values plotted above is not quantitative with those in 2 comparable values. The load shedding occurs at t = 5 seconds. In no time, the speed n goes to an overspeed, which must be intercepted by a reduction of the thermal power to avoid a critical overspeed. During the process, the gas turbine group should remain in operation. The non-catalytic second burner stage is switched off immediately. At the same time, the preburner 1 supplied with an increased pilot fuel quantity, so that the catalytic burner stage 2 does not go out. The fuel mass flow ṁ _C to the catalytic burner stage 2 is then controlled so that the rated speed is reached and not significantly undershot. The pilot series VIGV remains during the ge fully intervening to intercept and control the engine speed so as not to introduce further variable parameters into the engine control; only after the engine speed has been stabilized stable to rated speed, the Vorleitreihe is slowly closed.
[0024] 4 zeigt abschliessend, wiesich eine erfindungsgemässeGasturbogruppe durch eine Umkonstruktion einer an sich aus EP 620 362 bekannten Gasturbogruppemit sequentieller Feuerung aufbauen lässt. Ein schematische Darstellungdes Heissgaspfades einer aus EP620 362 bekannten Gasturbogruppe zeigt 4a. Stromab eines nicht dargestelltenVerdichters 12 ist eine Hochdruckbrennkammer 7,umfassend einen Vormischbrenner 8 und einen Brennraum 9,angeordnet. Dort erzeugtes gespanntes Heissgas wird in einer erstenHochdruckturbine 10 teilentspannt und in einer sich anschliessendenselbstzündendenzweiten Brennkammer nacherhitzt, bevor es in einer zweiten Turbine 4 weiterentspannt wird. Die Laufschaufeln der Turbinen 4 und 10 sindauf einer gemeinsamen Welle 15 angeordnet, und treibenden Verdichter 12 sowie einen Leistungsverbraucher, beispielswieseeinen nicht dargestellten Generator, an. In der Darstellung gemäss 4b ist die erste Turbineweggelassen worden. Der Vormischbrenner 8 ist durch einenDiffusions-Vorbrenner 1 ersetzt. An Stelle des ersten Brennraums 9 isteine katalytische Brennerstufe 2 installiert. Die selbstzündende Brennkammer 3 unddie Turbine 4 sind an sich unverändert übernommen. Die Welle 15 istim Bereich der jetzt nicht mehr vorhandenen ersten Hochdruckturbinemodifiziert und vereinfacht worden. Weiterhin wird zweckmässig dernicht dargestellte Verdichter 12 beispielsweise durch weglassen vonzwei Axialverdichterstufen an das niedrigere Druckverhältnis angepasst,mit dem die Gasturbogruppe nach Weglassen der Hochdruckturbine betriebenwird. Ausgehend von einer aus EP620 362 bekannten Gasturbogruppe mit sequentieller Verbrennungsind also nur Veränderungenim Bereich der Hochdruckturbine, der Hochdruckbrennkammer, sowieder letzten Verdichterstufen notwendig, um eine bei guten Leistungswertenschadstoffarm betreibbare Gasturbogruppe mit katalytischer Brennerstufezu erhalten; wesentliche Bestandteile wie die Niederdruckturbine 4,die Niederdruckbrennkammer 3, und die Gehäusestrukturenkönnenprinzipiell unverändert übernommenwerden. 4 shows concluding, as a gas turbine group according to the invention by a redesign of a per se EP 620 362 build up known gas turbine group with sequential firing. A schematic representation of the hot gas path of a EP 620 362 known gas turbine group shows 4a , Downstream of a compressor, not shown 12 is a high pressure combustion chamber 7 comprising a premix burner 8th and a combustion chamber 9 arranged. Tensioned hot gas generated there is in a first high-pressure turbine 10 partially relaxed and reheated in a subsequent self-igniting second combustion chamber, before it in a second turbine 4 continues to relax. The blades of turbines 4 and 10 are on a common wave 15 arranged, and drive the compressor 12 and a power consumer, for example, a generator, not shown, to. In the illustration according to 4b the first turbine has been omitted. The premix burner 8th is through a diffusion pre-burner 1 replaced. In place of the first combustion chamber 9 is a catalytic burner stage 2 Installed. The self-igniting combustion chamber 3 and the turbine 4 are taken over unchanged. The wave 15 has been modified and simplified in the area of the now no longer existing high pressure turbine. Furthermore, the compressor, not shown, is expedient 12 for example, by eliminating two Axialverdichterstufen adapted to the lower pressure ratio with which the gas turbine group is operated after omitting the high-pressure turbine. Starting from one out EP 620 362 known gas turbine group with sequential combustion so only changes in the field of high-pressure turbine, the high-pressure combustion chamber, and the last compressor stages necessary to obtain a low-emission operable with good performance gas turbine group with catalytic burner stage; essential components such as the low-pressure turbine 4 , the low-pressure combustion chamber 3 , And the housing structures can be taken over in principle unchanged.
11 Vorbrenner,Vorbrennerstufepre-burner,Vorbrennerstufe 22 katalytischeBrennerstufecatalyticburner stage 33 Niederdruckbrennkammer,selbstzündendeLow-pressure combustion chamber,self-ignitingBrennkammer,nichtkatalytisceh Brennerstufecombustion chamber,nichtkatalytisceh burner stage 44 Turbineturbine 55 Brennstofflanzefuel lance 66 Brennraumder selbstzündendenBrennkammercombustion chamberthe self-ignitingcombustion chamber 77 ErsteBrennkammer, Hochdruck-BrennkammerFirstCombustion chamber, high-pressure combustion chamber 88th Vormischbrennerpremix 99 Brennraumder Hochdruckbrennkammercombustion chamberthe high pressure combustion chamber 1010 HochdruckturbineHigh-pressure turbine 1111 Wirbelerzeugervortex generators 1212 Verdichtercompressor 1313 Generatorgenerator 1414 Mischsektionmixing section 1515 Wellewave 1616 Stellorganactuator 1717 Stellorganactuator 1818 Stellorganactuator 2121 Umgebungsluftambient air 2222 verdichteteLuftcompactedair 2323 Verbrennungsluftcombustion air 2424 gespanntesRauchgasstrainedflue gas 2525 entspanntesRauchgas, AbgasrelaxedFlue gas, exhaust gas 2626 Luftstromdes Vorbrennersairflowof the pre-burner 3131 Reglerregulator 3232 Reglerregulator 3333 Reglerregulator 3535 Reglerregulator 121121 verstellbareVorleitreiheadjustableguide row ṁ_FUEL ṁ _FUELGesamt-BrennstoffmassenstromTotal fuel mass flow ṁ_C ṁ _CBrennstoffmassenstromzur katalytischenFuel mass flowto the catalyticBrennerstufeburner stage ṁ_P ṁ _PBrennstoffmassenstromzum VorbrennerFuel mass flowto the pre-burner ṁ_{SEV SEV} Brennstoffmassenstromzur nichtkatalytischenFuel mass flowto non-catalyticBrennkammercombustion chamber nn RotordrehzahlRotor speed n ^n ^ Rotor-NenndrehzahlRotor nominal speed P_ACT P _ACTIst-NutzleistungActual power output P_SET P _SETSoll-NutzleistungTarget power output P/P ^P / P ^ Relativleistungrelative power T₁ T ₁Temperaturam Eintritt in die katalytischetemperatureat the entrance to the catalyticBrennkammercombustion chamber T₂ T ₂Temperaturam Austritt der katalytischentemperatureat the outlet of the catalyticBrennkammercombustion chamber T₃ T ₃Temperaturvor der Turbinetemperaturein front of the turbine T₄ T ₄Temperaturnach der Turbine, Abgastemperaturtemperatureafter the turbine, exhaust gas temperature T_MIN T _MINminimalerforderliche Temperatur am Eintritt inminimalrequired temperature at entry intodiekatalytische Brennkammerthecatalytic combustion chamber T_MAX T _MAXmaximalzulässigeTemperatur am Austritt dermaximumallowedTemperature at the exit of thekatalytischenBrennkammercatalyticcombustion chamber VIGVVIGV Stellungder verstellbaren Vorleitreihepositionthe adjustable leader row Y/Y ^Y / Y ^ Relativwertrelative value Y_FUEL Y _FUELStellgrösse für den BrennstoffmassenstromManipulated variable for the fuel mass flow Y_C Y _CStellgrösse für den Brennstoffmassenstrom zurManipulated variable for the fuel mass flow tokatalytischenBrennerstufecatalyticburner stage Y_P Y _PStellgrösse für den Brennstoffmassenstrom zurManipulated variable for the fuel mass flow toVorbrennerstufeVorbrennerstufe Y_SEV Y _SEVStellgrösse für den Brennstoffmassenstrom zurManipulated variable for the fuel mass flow tonichtkatalytischenBrennkammernoncatalyticcombustion chamber Y_VIGV Y _VIGVVorleitreihen-StellgrösseVorleitreihen manipulated variable

权利要求:
Claims (10)
[1]
Gasturbogruppe, umfassend wenigstens einen Verdichter(12), eine Turbine (4), sowie wenigstens eineBrennkammer, welche Brennkammer umfasst eine katalytische ersteBrennerstufe (2); eine stromab der katalytischen Brennerstufeangeordnete nichtkatalytische zweite Brennerstufe (6); und einestromauf der katalytischen Brennerstufe angeordnete Vorbrennerstufe(1); dadurch gekennzeichnet, dass die Vorbrennerstufe einenichtkatalytische Brennerstufe ist.Gas turbine group comprising at least one compressor ( 12 ), a turbine ( 4 ), and at least one combustion chamber, which combustion chamber comprises a catalytic first burner stage ( 2 ); a non-catalytic second burner stage arranged downstream of the catalytic burner stage ( 6 ); and a pre-burner stage arranged upstream of the catalytic burner stage ( 1 ); characterized in that the preburner stage is a non-catalytic burner stage.
[2]
Gasturbogruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass ein Brenner der Vorbrennerstufe als Diffusionsbrenner ausgestaltetist.Gas turbine group according to claim 1, characterizedthat a burner of the pre-burner stage designed as a diffusion burneris.
[3]
Gasturbogruppe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass stromab der Vorbrennerstufe und stromauf derkatalytischen Stufe eine Mischvorrichtung (14) zur Zuführung vonVerbrennungsluft (23) in die Brennkammer und zur Vermischungder Verbrennungsluft mit den Rauchgasen der Vorbrennerstufe (26)angeordnet ist.Gas turbine group according to one of the preceding claims, characterized in that downstream of the preburner stage and upstream of the catalytic stage, a mixing device ( 14 ) for supplying combustion air ( 23 ) in the combustion chamber and for mixing the combustion air with the flue gases of Vorbrennerstufe ( 26 ) is arranged.
[4]
Gasturbogruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,dass die Mischvorrichtung (14) aus wenigstens zwei Umfangssegmenteneines zylinderartigen und/oder kegelstumpfartigen Hohlkörpers besteht,die mit ihren Längsachsenim wesentlichen parallel zur Durchströmungsrichtung der Brennkammer angeordnetsind, wobei die Längsachsender einzelnen Umfangssegmente quer zur Durchströmungsrichtung gegeneinanderversetzt sind, wodurch tangential-radial orientierte Einströmöffnungengebildet werden, wobei ein Brenner der Vorbrennerstufe (1) miteiner stromaufwärtigenStirnseite der Mischvorrichtung in Fluidverbindung steht, die katalytische Brennerstufe(2) mit einer stromabwärtigenStirnseite in Fluidverbindung steht, und die Einströmöffnungen miteinem Zuströmbereichder Brennkammer in Fluidverbindung stehen, derart, dass im Betriebder Gasturbogruppe die Mischvorrichtung im Wesentlichen axial miteinem ersten, von der Vorbrennerstufe kommenden Gasmassenstrom (26)durchströmt wird,und ein Brennluftmassenstrom (23) mit einer tangentialenStrömungskomponentein die Mischvorrichtung einströmt.Gas turbine group according to claim 3, characterized in that the mixing device ( 14 ) consists of at least two circumferential segments of a cylinder-like and / or frustoconical hollow body which are arranged with their longitudinal axes substantially parallel to the flow direction of the combustion chamber, wherein the longitudinal axes of the individual circumferential segments are offset from one another transversely to the flow direction, whereby tangentially-radially oriented inflow openings are formed, wherein a burner of the pre-burner stage ( 1 ) is in fluid communication with an upstream end face of the mixing device, the catalytic burner stage ( 2 ) is in fluid communication with a downstream end face, and the inflow openings are in fluid communication with an inflow area of the combustion chamber, such that, during operation of the gas turbo group, the mixing apparatus is substantially axial with a first gas mass flow coming from the pre-burner stage (US Pat. 26 ) is flowed through, and a combustion air mass flow ( 23 ) flows into the mixing device with a tangential flow component.
[5]
Gasturbogruppe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass die Brennluftführung der Gasturbogruppe zurFührung einesBrennluftstroms durch Kühlkanäle von Komponentender Gasturbogruppe zur Brennkammer ausgestaltet ist.Gas turbine group according to one of the preceding claims, characterizedin that the combustion air duct of the gas turbine group forLeadership of aCombustion air flow through cooling channels of componentsthe gas turbine group is configured to the combustion chamber.
[6]
Gasturbogruppe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,dass die Brennluftführungder Gasturbogruppe zur Führungder Brennluft entlang einer Aussenwand der Brennkammer im Gegenstromzur Strömungin der Brennkammer ausgestaltet ist, dergestalt, dass verdichteteLuft die Brennkammerwand im Gegenstrom kühlt und anschliessend als Brennluft derBrennkammer zugeführtwird.Gas turbine group according to claim 5, characterized in thatthat the combustion air ductthe gas turbo group to the leadershipthe combustion air along an outer wall of the combustion chamber in countercurrentto the flowis configured in the combustion chamber, such that compressedAir cools the combustion chamber wall in countercurrent and then as the combustion air ofCombustion chamber suppliedbecomes.
[7]
Gasturbogruppe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass die Brennluftführung der Brennkammer zur Führung einesTeiles der Verbrennungsluft zur Vorbrennerstufe und eines Teilesder Verbrennungsluft zu einer in der Brennkammer stromab der Vorbrennerstufeangeordneten Mischvorrichtung vorgesehen ist.Gas turbine group according to one of the preceding claims, characterizedcharacterized in that the combustion air duct of the combustion chamber for guiding aPart of the combustion air to Vorbrennerstufe and a partthe combustion air to one in the combustion chamber downstream of the pre-burner stagearranged mixing device is provided.
[8]
Gasturbogruppe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass ein Brenner der nichtkatalytischen zweitenBrennerstufe ein selbstzündenderBrenner ist.Gas turbine group according to one of the preceding claims, characterizedcharacterized in that a burner of the non-catalytic secondBurner stage a self-ignitingBurner is.
[9]
Gasturbogruppe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass die Gasturbogruppe für ein Nenn-Druckverhältnis grösser als12 ausgelegt ist.Gas turbine group according to one of the preceding claims, characterizedcharacterized in that the gas turbine group for a nominal pressure ratio greater than12 is designed.
[10]
Gasturbogruppe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,dass die Verdichter-Endtemperatur bei Nenn-Betriebsbedingungen grösser als420°C ist.Gas turbine group according to claim 9, characterizedthat the compressor end temperature at rated operating conditions is greater than420 ° C is.

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公开号 | 公开日

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引用文献:

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申请号 | 申请日 | 专利标题

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