GASTURBINE MIT BRENNSTOFFUBERWACHUNG

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Kraftwerkstechnik, betrifft ein Verfahren zum Detektieren von Brennstoffleckagen in einer

Gasturbinenanlage sowie eine Gasturbinenanlage zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.

STAND DER TECHNIK

Trotz aller Vorsichtsmassnahmen bei der Auslegung, dem Bau und Betrieb von Gasturbinen bürgen Brennstoffleckagen von flüssigem oder gasförmigem Brennstoff bei Gasturbinen ein grosses Risiko. Werden sie nicht rechtzeitig erkannt, so können grössere Mengen Brennstoff unkontrolliert austreten, sich entzünden und mit katastrophalen Folgen verbrennen oder explodieren. Um Brennstoffleckage zu erkennen sind Öl-detektierende Kabel, Oldetektormatrizen und Gassensoren oder Gasschnüfflern bekannt. Schwierig ist insbesondere eine flächendeckende Überwachung eines verzweigten

Brennstoffverteilsystems zwischen dem Brennstoffregelventil und der

Brennstoffeinleitung in die einzelnen Brenner einer Gasturbine. Mit herkömmlichen Methoden ist diese sehr aufwendig und je nach Austrittsrichtung des

Leckagestroms kann eine Leckage erst mit Verzögerung detektiert werden. Anstelle einer Gasdetektion in unmittelbarer Nähe der Gasleitungen wurde in der US 6761629 Vorgeschlagen, die Gaskonzentration am Austritt einer gelüfteten Abdeckhaube für eine Gasturbine zu messen. Dabei wird Abhängig von der Durchflussmenge der Lüftung ein Schwellwert für die Konzentration eines

Leckagegases bestimmt und bei Überschreitung des Schwellwertes ein Alarm generiert. Auch in diesem Verfahren kann eine Leckage erst mit Verzögerung detektiert werden.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Ein Ziel der vorliegenden Offenbarung ist es, ein Verfahren zur schnellen, zuverlässigen Detektion von Brennstoffleckagen im Brennstoffverteilsystem zwischen einem Brennstoffregelventil und mindestens einem Brenner einer Gasturbine anzugeben. Weiter ist ein Gasturbinenkraftwerk, das zur Ausführung des Verfahrens geeignet ist, Gegenstand der Offenbarung.

Das offenbarte Verfahren zum Detektieren einer Brennstoffleckage während des Betriebs der Gasturbine im Brennstoffverteilsystem zwischen dem

Brennstoffregelventil und dem mindestens einem Brenner der Gasturbine zeichnet sich dadurch aus, dass der Brennstoffverbrauch in Abhängigkeit von der Leistung der Gasturbine angenähert wird, die dem Brennstoffverteilsystem zugeführte Brennstoffmenge bestimmt wird, und der Leckagestrom aus der Differenz zwischen der dem Brennstoffverteilsystem zugeführten Brennstoffmenge und dem Brennstoffverbrauch ermittelt wird. Nach einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Brennstoffverbrauch als Funktion von Gasturbinenleistung, dem Wirkungsgrad der Gasturbine und dem Heizwert des Brennstoffs gebildet.

Nach einer weiter Ausführungsform des Verfahrens wird der Brennstoffverbrauch der Gasturbine durch die Summe aus einem Leerlaufbrennstoffmassenstrom und einem Leistungsbrennstoffmassenstrom berechnet, wobei der

Leistungsbrennstoffmassenstrom als Funktion von Gasturbinenleistung, einem Leistungswirkungsgrad der Gasturbine und dem Heizwert des Brennstoffs gebildet wird. Dabei ist der Leerlaufbrennstoffmassenstrom der Brennstoffmassenstrom, den die Gasturbine bei Leerlauf verbraucht.

Weiter kann die Leistung der Gasturbine bei Lastbetrieb durch die

Generatorleistung angenähert werden. Damit kann bei Lastbetrieb der

Leistungsbrennstoffmassenstrom als Funktion der Generatorleistung gebildet werden.

Nach einer weiteren Ausführung des Verfahrens für instationären Betrieb, bei dem sich die Drehzahl der Gasturbine ändert, wird die Beschleunigung des

Wellenstranges der Gasturbine gemessen wird und die Leistung der Gasturbine aus der Summe von Generatorleistung und der Leistung zur Beschleunigung des Wellenstranges gebildet. Eine Drehzahländerung des Wellenstranges der

Gasturbine findet beispielsweise beim Anfahren der Gasturbine sowie bei

Änderungen der Netzfrequenz statt. Während des Anfahrens ist die

Generatorleistung typischerweise Null oder negativ, d.h. der Generator ist noch nicht synchronisiert und es wird keine elektrische Leistung abgegeben oder der Generator wird als Motor zum Andrehen der Gasturbine betrieben. Sowohl die Berechnung des Brennstoffverbrauchs der Gasturbine als auch die Messung oder Berechnung der zugeführten Brennstoffmenge sind typischerweise Annäherung der tatsächlichen Brennstoffströme. Die Messung der zugeführten Brennstoffmenge ist mit Messfehlern behaftet und die Berechnung des

Brennstoffverbrauchs beispielsweise über einen Wirkungsgrad ist ungenau und kann nicht alle Betriebsparameter und z.B. Alterungseinflüsse genau

berücksichtigen. Um eine falsche Leckagemeldung zu vermeiden wird nach einer Ausführung aus dem berechneten Leckagestrom das zeitliche Inkrement gebildet und eine Leckagemeldung in Abhängigkeit von dem Inkrement ausgegeben. In dieser Ausführung wird das zeitliche Inkrement der Leckage berechnet und eine Leckage erst als erkannt gewertet, wenn das berechnete Inkrement einen

Schwellenwert überschreitet. Plötzlich auftretende Leckagen können mit dieser Ausführung zuverlässig erkannt werden. Schleichende kleine Leckageströme müssen auf herkömmliche Weise, z.B. über Sensoren oder

Gaskonzentrationsmessungen detektiert werden.

Nach einer Ausführung des Verfahren wird das zeitliche Inkrement der Leckage nach der Gleichung:

t t

m , , . = m , (\ - - \ e ^T dt) = m _i e ^T

leak _ inc leak ^ ^J leak (1 ) berechnet wird, wobei das Inkrement über die Zeit t mit einer Integrationsdauer τ berechnet wird.

Um Mess- und Nährungsfehler zu kompensieren, wird nach einer alternativen Ausführung des Verfahrens eine Leckage erst als erkannt gewertet, wenn der berechnete Leckagestrom einen Schwellenwert überschreitet.

Die zugeführte Brennstoffmenge kann mit einem Messgerät gemessen werden. Nach einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens wird die zugeführte

Brennstoffmenge als Funktion der Stellung des Brennstoffregelventils, der

Brennstoffregelventilcharakteristik sowie des Brennstoffdruckes am Regelventil berechnet. Für Brenngase wird weiter die Brennstofftemperatur gemessen und bei der Berechnung berücksichtigt.

Anstelle der gemessen zugeführten Brennstoffmenge kann nach einer weiteren Ausführung des Verfahrens eine Sollbrennstoffmenge (auch als Commanded Mass Flow) des Reglers, mit der das Brennstoffregelventil geregelt wird, als zugeführte Brennstoffmenge verwendet werden.

Um einen zuverlässigen Betrieb der Gasturbine während einer schnellen

Änderung der Betriebsbedingungen zu gewährleisten, wird nach einer Ausführung des Verfahrens die Detektion der Brennstoffleckage während einer schnellen Änderung der Betriebsbedingungen der Gasturbine deaktiviert. Damit wird verhindert, dass erhöhte Messfehler aufgrund der transienten Vorgänge zu einem falschen Alarm führen. Alternativ kann auch die Schwelle des Inkrements oder des Leckagestroms zur Detektierung einer Brennstoffleckage während einer schnellen Änderung der Betriebsbedingungen erhöht werden.

Insbesondere wird nach einer Ausführung des Verfahrens die Schwelle des Inkrements oder des Leckagestroms zur Detektierung einer Brennstoffleckage während eines Lastabwurfs erhöht oder die Detektierung deaktiviert.

Nach einer weiteren Ausführung des Verfahrens wird die Schwelle des Inkrements oder des Leckagestroms zur Detektierung einer Brennstoffleckage während eines Betriebsmodus zur Frequenzunterstützung deaktiviert.

Um die Gasturbine vor den möglichen Folgen einer Brennstoffleckage zu schützen, wird nach einer Ausführung des Verfahrens ein Tripventil der

Brennstoffzurührung geschlossen, sobald eine Brennstoffleckage detektiert wird. Das Verfahren ist sowohl für den Betrieb mit einem gasförmigen als auch für den Betrieb mit einem flüssigen Brennstoff durchführbar. Nach einer Ausführung wird das Verfahren im Ölbetrieb angewandt. Neben dem Verfahren ist eine Kraftwerksanlage zur Durchführung des Verfahrens Gegenstand der Offenbarung. Eine derartige Kraftwerksanlage umfasst eine Gasturbine, einen Regler, ein Brennstoffverteilsystem, dass zwischen einem Brennstoffregelventil und mindestens einem Brenner angeordnet ist und einen von der Gasturbine angetriebenen Generator. Um das Verfahren zum Detektieren einer Brennstoffleckage durchführen zu können ist der Regler so konfiguriert, dass er den Brennstoffverbrauch in Abhängigkeit von der Leistung der Gasturbine annähern kann, die zugeführte Brennstoffmenge bestimmten kann, und den Leckagestrom aus Differenz zwischen der zugeführten Brennstoffmenge und dem Brennstoffverbrauch oder Brennstoffsollmenge und dem Brennstoffverbrauch ermitteln kann.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend für Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 ein stark vereinfachtes Schaltbild einer Kraftwerksanlage mit

Gasturbine, einem Regler und einem Brennstoffverteilsystem;

Fig. 2 einen stark vereinfachten Ausschnitt aus dem

Brennstoffverteilsystem zwischen dem Brennstoffregelventil und den Brennern einer Gasturbine;

Fig. 3 eine Ablaufskizze der Inkrementberechnung. WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung die wesentlichen Elemente eines erfindungsgemässen Gasturbinenkraftwerks. Die Gasturbine 1 umfasst einen Verdichter 2 (Kompressor), in dem Ansaugluft 6 zu Verbrennungsluft verdichtet wird. Diese wird einer Brennkammer 3 zugeführt und dort mit dem zugeführten Brennstoff m _CO mb verbrannt. Anschliessend werden die heissen Verbrennungsgase in einer Turbine 4 entspannt. Die in der Turbine 4 erzeugte Nutzenergie wird dann zum Beispiel mit einem auf der gleichen Welle angeordneten ersten Generator 5 in elektrische Energie umgewandelt.

Die aus der Turbine 4 austretenden heissen Abgase 7 werden typischerweise zur optimalen Nutzung der darin noch enthaltenen Energie in einem

Abhitzedampferzeuger (Heat Recovery Steam Generator, HRSG) dazu verwendet Dampf für einen Wasser- Dampfkreislauf zu erzeugen (nicht dargestellt).

Der Betrieb der Gasturbine 1 wird von einem Regler 10 geregelt. Insbesondere wird die zugeführte Brennstoffmenge m _fue i mit Hilfe eines Regelventils 9, dem über eine Signalleitung 1 1 eine Sollbrennstoffmenge ITICMD (command) übertragen wird, geregelt. Der Brennstoff wird über ein Brennstoffverteilsystem, dass in dem gezeigten Beispiel eine Brennstoffleitung 20, eine Brennstoffringleitung 21 und Einzelleitungen 23 zu den Brennern der Brennkammer 3 umfasst. Die Summe der durch die Einzelleitungen 23 in die Brennkammer 3 eingeleitete Brennstoffmenge ist gleich dem Brennstoffverbrauch m _CO mb der Gasturbine. Im stationären, leckagefreien Betrieb ist der Brennstoffverbrauch m _CO mb gleich der durch das Regelventil 9 zugeführte Brennstoffmenge m _fue i. Weitere Messleitung sowie weitere Signalleitung zum Regler 10, wie z.B. zur Übertragung der Ist- Position des Brennstoffregelventils 9, sind nicht dargestellt. Die Fig. 2 zeigt einen stark vereinfachten Ausschnitt aus dem

Brennstoffverteilsystem zwischen dem Brennstoffregelventil 9 und den Brennern 12 einer Gasturbine 1 . Die Brenner 12 münden die Brennkammer 3, die in dem Beispiel als Ringbrennkammer dargestellt ist. Die Brenner 12 werden von dem Brennstoffregelventil 9 über ein Brennstoffverteilsystem, umfassend eine

Brennstoffleitung 20, eine Brennstoffringleitung 21 und Einzelleitungen 23, mit Brennstoff versorgt. Dabei geht ein Teil der zugeführte Brennstoffmenge m _fue i als Brennstoffleckage rri| _eak verloren, so dass der tatsächliche Brennstoffverbrauch rricomb der Brennkammer 3 kleiner als die zugeführte Brennstoffmenge m _fue i ist.

Fig. 3 zeigt eine beispielhafte Ablaufskizze der Inkrementberechnung, wobei das Inkrement der Brennstoffleckage mi _eakjnc aus der Differenz von ermittelter Brennstoffleckage mi _eak und dem Wert eines Tiefpasses 22 erster Ordnung der Brennstoffleckage gebildet wird.

Der Brennstoffverbrauch m _CO mb der Gasturbine 1 ist der Quotient aus

Wärmezufuhr Q durch Verbrennung und dem unteren Heizwert (LHV) des Brennstoffes:

m _comb = QILHV , (2) wobei die Wärmezufuhr Q gleich dem Quotienten aus gesamter abgegebener Leistung und Wirkungsgrad η der Gasturbine ist. Mit der abgegeben Leistung als Summe aus Generatorleistung P _geno (der Generatorwirkungsgrad ist zur

Vereinfachung gleich eins gesetzt) und Beschleunigungsleistung der Gasturbine ergibt sich:

wobei die Beschleunigungsleistung der Gasturbine das Produkt aus

Trägheitsmoment J, der Winkelgeschwindigkeit ω und der Winkelbeschleunigung ώ ist. Für stationären Betrieb ist die Winkelbeschleunigung gleich null und damit gilt:

Q = P _geno /r? , (4), wobei der Wirkungsgrad η für verschiedene Betriebszustände bekannt ist und als Funktion der wichtigsten Betriebsparameter, wie Last,

Verdichtereintrittstemperatur, Stellung von Verdichterleitschaufeln, Eintrittsdruck usw. bestimmt werden kann oder in Tabellen abgelegt werden kann.

Praktisch hat sich gezeigt, dass die Wärmezufuhr Q in eine Wärmezufuhr für den Leerlaufbetrieb Q _ide i plus eine Wärmezufuhr zur Leistungserzeugung Q| _0a d aufgeteilt werden kann: (5), wobei die Wärmezufuhr für Last Q| _0a d aus der Generatorleistung und einem Lastwirkungsgrad r\\ _oa d bestimmt wird:

Da die bei der vollständigen Verbrennung frei gesetzte Wärme das Produkt aus unterem Heizwert und Brennstoffmassenstrom ist, ergibt sich aus 5 und 6: m _comb = P _gmo Ι(η _1οαά * LHV ) + m _idle , (7) , wobei m _id ie, der zur Freisetzung der Wärmezufuhr bei Leerlaufbetrieb Q _id i _e erforderliche Brennstoffmassenstrom ist. Die Aufteilung in Leerlauf und

Leistungsanteil erlaubt es den Brennstoffmassenstrom m _CO mb mit Hilfe eines konstanten Leerlaufmassenstroms m _id i _e und eines konstanten

Leistungswirkungsgrads r\ _\oad anzunähern. Die Brennstoffleckage mi _eak im Brennstoffverteilsystem ist gleich der Differenz aus zugeführtem und abgeführten Brennstoffmassenstrom, d.h. aus zugeführter Brennstoffmenge m _fue i und dem Brennstoffverbrauch m _CO mb in der Brennkammer 3:

(8)

Mit Gleichung 7, 8 und einer Annährung der zugeführten Brennstoffmenge m _fue i durch den Sollbrennstoffmassenstrom ITICMD, ergibt sich für den Leckagestrom (T die einfache Gleichung: m _d - P /( _d L V) + m _idie (9)

Da alle zur Berechnung des Leckagestroms mi _eak nach Gleichung 9 erforderlichen Grössen im stationären Betrieb einer Gasturbine bekannt sind, kann damit in einem Regler 10 der Leckagestrom rri| _eak berechnet werden.

Die möglichen Ausführungen der Erfindung sind nicht auf die hier dargestellten Beispiele beschränkt. Anhand der Beispiele eröffnen sich dem Fachmann eine Vielzahl von Möglichkeiten äquivalente Schaltungen und Verfahren zu realisieren.

Weiter ist beim Betrieb mit Gas als Brennstoff das Volumen des

Brennstoffverteilsystems zu berücksichtigen. Das Brennstoffverteilsystem kann als Brenngasspeicher wirken und zu einer deutlichen Verzögerung führen. Ein

Druckaufbau oder Druckabbau in dem System ist für eine exakte

Leckageberechnung zu berücksichtigen. Mit der Druckänderung des Brenngases im Brennstoffverteilsystem, dem Volumen des Brennstoffverteilsystems und der Temperatur des Brenngases im Brennstoffverteilsystem kann die Differenz aus dem Brennstoffverbrauch m _CO mb in der Brennkammer 3 und der dem

Brennstoffverteilsystem zugeführten Brennstoffmenge m _fue i, die auf den

Speichereffekt des Brennstoffverteilsystems zurückzuführen ist, berechnet werden. Ein effektiver Leckagestrom ist die um den Speichereffekt reduzierte Differenz aus dem Brennstoffverbrauch m _CO mb in der Brennkammer 3 und der zugeführten Brennstoffmenge m _fue i.

Weiter ist die Anwendung nicht auf Gasturbinen mit einfacher Brennkammer, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, beschränkt, sondern kann ohne Einschränkung auch für Gasturbinen mit sequentieller Verbrennung, wie sie beispielsweise aus der EP0718470 bekannt sind, anwendbar.

BEZUGSZEICHENLISTE

I Gasturbine

2 Verdichter

3 Brennkammer

4 Turbine

5 Generator

6 Ansaugluft

7 Abgas

8 Brennstoffverteilsystem

9 Brennstoffregelventil

10 Regler

I I Signalleitung

12 Brenner

20 Brennstoffleitung

21 Brennstoffringleitung

22 Tiefpassfilter

23 Brennereinzelleitung

LHV unterer Heizwert (Lower Heating Value) rrifuei zugeführte Brennstoffmenge

mcMD Sollbrennstoffmenge des Reglers rricomb Brennstoffverbrauch

rriieak Brennstoffleckage

mi _eak jnc Inkrement der Brennstoffleckage

Poeno Generatorleistung

Q Wärmezufuhr plus eine Qi _oa d

Qidle Wärmezufuhr für den Leerlaufbetrieb Q _ide i

Qload Wärmezufuhr zur Leistungserzeugung t Zeit

η Wirkungsgrad

r|ioad Lastwirkungsgrad