Verfahren zur Bestimmung von Emissionswerten einer Gasturbine und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Emissionswerten einer Gasturbine sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Die Bestimmung von Emissionswerten bei Gasturbinen im Betrieb gewinnt im Hinblick auf eine immer wichtiger werdende Kontrolle der Emissionen durch die Betreiber, Abnahmebehörden und dergleichen zunehmend an Bedeutung. Zum einen sollen Gasturbinen möglichst emissionsarm betrieben werden, was eine kontinuierliche oder diskrete, beispielsweise periodische oder stichprobenartige, Bestimmung der Emissionswerte der Gasturbine erfordert. Zum anderen können anhand dieser Emissionswerte frühzeitig ungünstige Betriebsbedingungen der Gasturbine erkannt werden.

Nach betriebsinterner Praxis ist es hierzu bisher bekannt, die Emissionswerte durch zusätzliche eigene Messgeräte zu bestimmen. Dies erhöht jedoch den Herstellungs- und Wartungsaufwand für die Gasturbinen. Zudem beeinträchtigt der Zwang, Messgeräte an geeigneten Stellen anzuordnen, die Gestaltungsfreiheit bei der Auslegung der Gasturbine bzw. der damit verbundenen Maschinen. Da die Messgeräte vorzugsweise im heißen Abgasstrom der Gasturbine angeordnet werden, sind sie darüber hinaus einer hohen Belastung durch die Umgebungsbedingungen ausgesetzt, was gleichermaßen teure Ausführungen und einen häufigeren Ersatz der Messgeräte bedingt.

Alternativ ist es daher bereits bekannt, die Emissionswerte anhand eines mathematischen Ersatzmodelles der Gasturbine anhand von Betriebsparametern, wie beispielsweise der Drehzahl oder dergleichen, zu berechnen. Diese Berechnung anhand eines Ersatzmodelles ist jedoch aufgrund der notwendigen Vereinfachungen bei der Modellierung, der Unsicherheiten in den Modellparametern und dergleichen, zwangsläufig ungenau und erfordert zudem einen relativ hohen Aufwand bei der Modellierung neuer Gasturbinentypen und der Kalibrierung der Modellparameter.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Möglichkeit zu schaffen, Emissionswerte einer Gasturbine auf einfache und präzise Weise zu bestimmen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Anspruch 9 stellt eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens unter Schutz.

Vor einer (Wieder)lnbetriebnahme einer Gasturbine wird zur überprüfung der Funktionalitäten, der Bauteile und dergleichen regelmäßig beim Hersteller oder vor Ort ein Probelauf der Gasturbine durchgeführt. Erfindungsgemäß werden nun während eines solchen Probelaufs, der vor einer Inbetriebnahme der Gasturbine ohnehin durchgeführt wird, Betriebsparameter der Gasturbine sowie erste

Emissionswerte bestimmt. Die Bestimmung kann dabei direkt, beispielsweise durch Messung einzelner Betriebsparameter oder erster Emissionswerte, oder gleichermaßen indirekt, beispielsweise durch Messung von Betriebsparametern und Umrechnung dieser Parameter in andere Betriebsparameter, erfolgen.

Zwischen den während des Probelaufs bestimmten Betriebsparametern und ersten Emissionswerten bestehen thermodynamische Zusammenhänge. So nimmt beispielsweise die Menge an Stickoxiden NOx bei bestimmten Temperaturen oder Verbrennungsgraden in der Gasturbine zu bzw. ab. Erfindungsgemäß wird daher eine Zuordnung zwischen den während des Probelaufs bestimmten Betriebsparametern und ersten Emissionswerten abgespeichert. Dies kann beispielsweise in Form eines Kennfeldes erfolgen, in dem einem oder mehreren Betriebsparametern jeweils ein erster Emissionswert zugeordnet ist. Für Betriebsparameterwerte zwischen den in den Kennfeldern abgelegten Größen können die ersten Emissionswerte beispielsweise linear interpoliert werden. Gleichermaßen ist es auch möglich, die Zuordnung zwischen Betriebsparametern und ersten Emissionswerten durch eine Näherungsfunktion, beispielsweise eine Polynomfunktion, eine Exponentialfunktion, eine trigonometrische Reihe, abschnittsweise definierte kubische Splines oder dergleichen anzunähern und nur diese Funktion, d.h. beispielsweise die Koeffizienten eines Polynoms, abzuspeichern.

Während des Betriebes werden wiederum Betriebsparameter der Gasturbine bestimmt. Diese können teilweise oder vollständig mit den während des Probelaufs bestimmten Betriebsparametern übereinstimmen. Gleichermaßen ist es, wie nachfolgend noch ausgeführt wird, auch möglich, zusätzliche oder andere

Betriebsparameter zu nutzen. Bevorzugt werden während des Betriebs und/oder des Probelaufs zur Bestimmung von Emissionswerten solche Betriebsparameter bestimmt, die zur überwachung, Steuerung oder Regelung der Gasturbine ohnehin bestimmt, d.h. direkt gemessen oder indirekt aus anderen Betriebsparametern berechnet werden. Damit verringert sich der Aufwand zur erfindungsgemäßen Bestimmung von Emissionswerten vorteilhafterweise noch weiter.

Anhand der während des Betriebes bestimmten Betriebsparameter und der abgespeicherten Zuordnung zwischen Betriebsparametern und ersten Emissionswerten werden dann erfindungsgemäß zweite Emissionswerte der Gasturbine bestimmt, die das Emissionsverhalten der Gasturbine im aktuellen Betriebspunkt charakterisieren. Hierzu können beispielsweise die während des Betriebs bestimmten Betriebsparameter in eine Funktion eingesetzt werden, als die eine Zuordnung zwischen Betriebsparametern und ersten Emissionswerten abgespeichert ist. Ist die Zuordnung beispielsweise in Form eines Kennfeldes abgespeichert, können die den während des Betriebs bestimmten

Betriebsparametern zugeordneten ersten Emissionswerte aus dem Kennfeld ausgelesen bzw. interpoliert werden.

Die ersten Emissionswerte, die sich entsprechend der Zuordnung für die während des Betriebs bestimmten Betriebsparameter ergeben, können mit den zweiten, das Emissionsverhalten der Gasturbine während des Betriebs charakterisierenden

Emissionswerten identisch sein. Gleichermaßen können die ersten Emissionswerte, insbesondere entsprechend während des Betriebs bestimmter Betriebsparameter, in zweite Emissionswerte umgerechnet werden, wie nachfolgend näher erläutert wird.

Bei Gasturbinen wird häufig eine Gasturbinentemperatur, beispielsweise die Temperatur eines die Gasturbine durchströmenden Mediums, am Eintritt einer Niederdruck- oder Hochdruckstufe als überwachungs- und Regelgröße für eine Begrenzungsregelung oder, um vorgegebene Laststufen der Gasturbine darzustellen, verwendet. Hierzu wird eine solche Gasturbinentemperatur erfasst und mit einem vorgegebenen bzw. änderbaren Sollwert verglichen. Aus der Regeldifferenz zwischen diesen beiden Werten werden dann Steuergrößen für einen Leitapparat, eine Brennstoffzufuhr, die öffnung eines Bypassventils oder dergleichen nach einen vorgegebenen Regelgesetz bestimmt.

Nach betriθbsinterner Praxis kann eine solche Gasturbinentemperatur entsprechend der Umgebungstemperatur korrigiert werden, indem sie mit der Umgebungstemperatur in funktionalen Zusammenhang T4 ^* (T4, TO) gesetzt wird.

Da diese gemessene bzw. entsprechend der Umgebungstemperatur korrigierte Gasturbinentemperatur während des Betriebs ohnehin bestimmt wird und in der Regel proportional zu einer gerade gefahrenen Laststufe der Gasturbine ist, eignet sich dieser Betriebsparameter besonders für eine erfindungsgemäße Bestimmung von Emissionswerten.

In einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung umfassen die ersten Emissionswerte spezifische Emissionswerte, d.h. Werte, die auf einem bestimmten Abgasvolumen- oder -massenstrom skaliert sind. Dies ermöglicht die Zusammenfassung verschiedener Betriebszustände der Gasturbine in ein kleinerrangiges Kennfeld sowie den Einsatz einfacherer Messgeräte, die nur spezifische Größen messen. Es hat sich gezeigt, dass diese spezifischen Emissionswerte im Wesentlichen von einer korrigierten Gasturbinentemperatur abhängen, so dass hier eine besonders einfache Zuordnung zwischen diesem einen Betriebsparameter und den spezfischen ersten Emissionswerten vorliegt, die beim Probelauf einfach und präzise erfasst und mit geringem Aufwand abgespeichert werden kann.

Häufig interessieren jedoch nicht spezifische Emissionswerte, sondern absolute Werte, d.h. die absolute Masse bzw. das absolute Volumen an Abgasen. Daher wird in einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ein anhand der Zuordnung zwischen Betriebsparametern und spezifischen ersten Emissionswerten ermittelter Emissionswert mit dem Abgasmassen- bzw. -volumenstrom multipliziert.

Hierzu kann der Abgasmassen- bzw. -volumenstrom direkt gemessen werden. Es ist jedoch auch vorteilhaft möglich den Abgasmassenstrom indirekt aus Betriebsparametern, beispielsweise der korrigierten Gasgeneratordrehzahl, dem Umgebungsdruck und der Umgebungstemperatur zu bestimmen. Hierzu kann beispielsweise für einen bestimmten Gasturbinentyp ein Kennfeld errechnet werden, in dem zu diskreten Paaren vor korrigierter Gasgeneratordrehzahl und

Umgebungstemperatur jeweils der zugehörige Abgasmassenstrom abgespeichert ist.

In einer bevorzugten Ausführung wird als zweiter Emissionswert die Gesamtmenge an Stickoxiden NOx pro Zeiteinheit bestimmt.

üblicherweise wird im Betrieb von Gasturbinen auch der Druck der zugeführten Luft bzw. des anfallenden Abgases gemessen. Unter Berücksichtigung des spezifischen Volumens bzw. der Dichte des Abgases bei einem bestimmten Druck kann daher auf einfache Weise aus dem Abgasmassenstrom durch Division durch die zu dem gemessenen Druck gehörenden Dichte auch der Abgasvolumenstrom bestimmt werden.

Häufig sehen Abnahmeprotokolle, Prüfvorschriften von Abnahmebehörden oder dergleichen die Angabe bestimmter normierter Emissionswerte für den Betrieb vor. Beispielsweise ist in Deutschland die Angabe der Emissionswerte für 15 % Sauerstoff im trockenen Abgas erforderlich.

Vorteilhafterweise werden während des Probelaufes erste Emissionswerte bezogen auf Normwerte, beispielsweise einen Sauerstoffgehalt von 15 % im trockenen Abgas bestimmt. Diese Bestimmung der ersten Emissionswerte gestattet eine einfache Bestimmung der Emissionscharakteristik der Gasturbine im Betrieb unter Berücksichtigung der von Prüfprotokollen oder dergleichen vorgeschriebenen Randbedingungen.

Die Emissionswerte einer Gasturbine ändern sich insbesondere entsprechend der aktuell anliegenden Laststufe. Vorteilhafterweise werden daher während des Probelaufes zur Bestimmung der ersten Emissionswerte verschiedene Laststufen der Gasturbine angefahren. Dies ist in der Regel bei einem Probelauf der Gasturbine zur überprüfung der einwandfreien Funktionalität in allen Betriebsbereichen ohnehin erforderlich und stellt daher keinen zusätzlichen Aufwand dar. Je feiner die Diskretisierung der Laststufen dabei vorgenommen wird, desto präziser wird die abgespeicherte Zuordnung zwischen Betriebsparametern und ersten Emissionswerten, wobei als ein Betriebsparameter bevorzugt die Laststufe oder die dieser entsprechende korrigierte Gasturbinentemperatur verwendet wird.

Da bei der erfindungsgemäßen Bestimmung von Emissionswerten die tatsächlichen, während eines Probelaufs der Gasturbine bestimmten ersten Emissionswerte zugrundegelegt werden, können die Emissionswerte im Betrieb einfach, zuverlässig und präzise bestimmt werden, ohne dass dabei Vereinfachungen bei der

Modellierung oder Parameterungenauigkeiten die Ergebnisse beeinträchtigen. Gleichwohl kann sich das Betriebsverhalten einer Gasturbine zwischen dem Probelauf, der üblicherweise noch beim Gasturbinenhersteller erfolgt, und dem Betrieb der in eine Anlage eingebauten Gasturbine verändern. Es hat sich gezeigt,

dass dabei die Zuordnung zwischen Betriebsparametern und Emissionswerten qualitativ im Wesentlichen gleich bleibt und nur um einen konstanten Offset verschoben ist. In einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird daher die abgespeicherte Zuordnung zwischen den Betriebsparametern und den ersten Emissionswerten ein- oder mehrmals an einem oder mehreren Betriebspunkten der Gasturbine kalibriert. Hierzu wird in dem bzw. den Betriebspunkten ein tatsächlich vorliegender Emissionswert bestimmt und mit dem Emissionswert verglichen, der sich aus der abgespeicherten Zuordnung ergibt. Die Zuordnung, d.h. beispielsweise eine abgespeicherte Funktion oder die Werte eines abgespeicherten Kennfeldes, werden dann mit dem Quotienten aus dem gemessenen und dem sich aus der Zuordnung ergebenden Emissionswert multipliziert.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens kann als gesonderte Vorrichtung für eine Gasturbine vorgesehen sein, der die ersten Emissionswerte und die Betriebsparameter zugeführt werden. Bevorzugt ist eine solche Vorrichtung jedoch in eine Regelung der Gasturbine integriert, in der die Betriebsparameter und die ersten Emissionswerte bevorzugt wenigstens teilweise ohnehin vorliegen. Die Zuordnung zwischen Betriebsparametern und erstem Emissionswerten kann während des Probelaufs separat aufgenommen, ausgewertet und anschließend in der Vorrichtung abgespeichert werden.

Die von der Vorrichtung bestimmten Emissionswerte während des Betriebs der Gasturbine werden vorteilhafterweise entsprechend der jeweiligen Abnahme-, Prüfoder überwachungsprotokolle angezeigt und/oder gespeichert. Dies kann beispielsweise kontinuierlich oder zu diskreten Zeitpunkten, beispielsweise periodisch oder stichprobenartig, erfolgen.

Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiel.

Gemäß eines Verfahrens nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung wird für eine bestimmte Gasturbine zunächst ein Abgasmassenstrom-Kennfeld errechnet. Der Abgasmassenstrom dm/dt in kg pro Stunde ergibt sich aus einem Modell der Gasturbine in Abhängigkeit von der jeweiligen Laststufe (beispielsweise 10 %, 20 %, ..., 100 %) und der Umgebungstemperatur TO.

Zur Abnahme der Gasturbine wird bei einer bestimmten Umgebungstemperatur TO für verschiedene Laststufen jeweils ein spezifischer erster Emissionswert NOx bestimmt. Hierzu werden die verschiedenen Laststufen durch Vorgabe bestimmter Sollwerte für eine korrigierte Gasturbinentemperatur T4 angefahren, die mit den Laststufen im Wesentlichen linear zusammenhängt. Diese korrigierte

Gasturbinentemperatur T4 ^* ergibt sich aus der Temperatur am Niederdruckeintritt der Gasturbine T4, von der die halbe Umgebungstemperatur 0,5 ^• TO subtrahiert wird (T4 ^* = T4 - 0,5 ^■ TO), wobei auch andere Zusammenhänge (T4 ^* (T4, TO) zugrundegelegt werden können.

Dieser spezifische erste Emissionswert NOx wird für den jeweiligen Betriebsparameter in Form der korrigierten Gasturbinentemperatur T4 ^* abgespeichert, so dass sich insgesamt eine Zuordnung NOx(T4 ^* ) in Form eines Kennfeldes für die Gasturbine ergibt. Da der Gasturbinenwert T4 ^* entsprechend der Umgebungstemperatur TO korrigiert ist, braucht dieser Betriebsparameter nicht weiter berücksichtigt werden, es ergibt sich eine sehr einfache Zuordnung.

Im Betrieb, d.h. wenn die Gasturbine vor Ort in der entsprechenden Anlage eingebaut ist, wird die o.g. Zuordnung NOx(T4 ^* ) einmal kalibriert. Hierzu wird der spezifische erste Emissionswert NOx in einem einzigen Betriebspunkt der Gasturbine, gekennzeichnet durch eine bestimmte korrigierte Gasturbinentemperatur T4 ^* , gemessen. Anschließend werden alle Werte im Kennfeld, in dem die Zuordnung NOx(T4 ^* ) abgespeichert ist, mit dem Quotienten des im Betrieb gemessenen spezifischen ersten Emissionswertes NOx und dem spezifischen ersten Emissionswert NOx, der sich entsprechend der abgespeicherten Zuordnung ergeben würde, multipliziert. Hierbei und auch während des Betriebes kann ein spezifischer erster Emissionswert für eine korrigierte Gasturbinentemperatur T4 ^* , die zwischen zwei bei dem Probelauf angefahrenen Laststufen liegt, linear interpoliert werden.

Nach dieser Kalibrierung kann im Betrieb der Gasturbine zu beliebigen Zeiten ein zweiter Emissionswert bestimmt werden, der die Menge an Stickoxiden NOx pro Stunde wiedergibt. Hierzu wird aus der abgespeicherten und kalibrierten Zuordnung NOx(T4 ^* ) für die im Betrieb aktuell anliegende korrigierte Gasturbinentemperatur T4 ^* , die zu Regelungszwecken ohnehin bestimmt und dem Regler zugeführt wird, ein spezifischer erster Emissionswert NOx [mg/πλiorm] ermittelt. Daneben wird aus dieser Laststufe und der Umgebungstemperatur TO auch, wie vorstehend erläutert, ein Abgasmassenstrom in [kg/h], bezogen auf 15 % Sauerstoff im trockenen Abgas, bestimmt. Der Abgasvolumenstrom wird mit dem ersten spezifischen Emissionswert

NOx [mg/m ³ Norm] multipliziert und liefert schließlich die Menge an Stickoxiden pro Stunde NOx_15%O2 tr. Abgas als zweiten Emissionswert. Dieser Wert kann beispielsweise periodisch bestimmt und in einem überwachungsprotokoll abgespeichert werden.