Verfahren und Vorrichtung zum Spülen und/oder Sperren wenigstens eines Brenners einer Gasturbinenanlage

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spül- und/oder Sperr ^¬ vorrichtung zum Zuführen von Spül- und/oder Sperrluft zu wenigstens einem Brenner einer Gasturbinenanlage. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Gasturbinenanlage sowie ein Verfahren zum Spülen und/oder Sperren wenigstens eines Brenners einer Gasturbinenanlage.

Gasturbinenanlagen weisen häufig mehrere Brennerstufen auf, wobei jede Brennerstufe individuell mit Brennstoff versorgt werden kann. Unterschiedliche Brennerstufen können dabei durch unterschiedliche Brennstoffdüsen in einem Brenner realisiert sein, oder dadurch, dass jeder Brennerstufe wenigs ^¬ tens ein eigener Brenner zugeordnet ist. Je nach Last der Gasturbinenanlage sind unterschiedliche Brennerstufen in Be- trieb. Beispielsweise bei Teillast oder beim An- oder Abfah ^¬ ren einer Gasturbinenanlage sind typischerweise nicht alle Brennerstufen in Betrieb. Nicht im Betrieb befindliche Bren ^¬ nerstufen werden in der Regel gesperrt, um den Eintritt hei ^¬ ßer Verbrennungsgase aus der Brennkammer in die Brennerstufe zu verhindern. Wenn die Brennerstrufen zuvor in Betrieb waren, werden sie zudem gespült, um vom vorherigen Betrieb noch vorhandene Brennstoffreste im Brennstoffzufuhrsystem und den Brennern zu entfernen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine vorteilhafte Spül- und/oder Sperrvorrichtung zum Zuführen eines Spül- und/oder Sperrfluids zu wenigstens einem Brenner einer Gas ^¬ turbinenanlage zur Verfügung zu stellen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine vorteilhafte Gasturbinenanlage zur Verfügung zu stellen. Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein vorteilhaftes Verfahren zum Spülen und/oder Sperren wenigstens eines Brenners einer Gasturbinenanlage zur Verfügung zu stellen.

Die erste Aufgabe wird durch eine Spül- und/oder Sperrvor ^¬ richtung nach Anspruch 1 gelöst, die zweite Aufgabe durch ei ^¬ ne Gasturbinenanlage nach Anspruch 9. Die dritte Aufgabe wird gemäß Anspruch 10 durch ein Verfahren zur Zufuhr von Spül- und/oder Sperrluft zu wenigstens einem Brenner einer wenigs ^¬ tens einen Brenner und einen Verdichter umfassenden Gasturbinenanlage gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteil ^¬ hafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Spül- und/oder Sperrvorrichtung zur Entnahme von Verdichterluft aus einem Verdichter eine Gasturbinenanlage und zur Zufuhr der entnommenen Verdichterluft als Spül- und/oder Sperrluft zu wenigstens einem Brenner der Gasturbinenanlage zur Verfügung gestellt. Die Spül- und/oder Sperrvorrichtung umfasst eine sich zwischen dem Verdichter und dem wenigstens einen Brenner erstreckende Fluidleitung zur Zufuhr von Verdichterluft als Spül- und/oder Sperrluft zu dem wenigstens einen Brenner, ei ^¬ nen in der Fluidleitung angeordneten und von der Spül- und/oder Sperrluft durchströmten Kühler sowie wenigstens ei ^¬ nen in der Fluidleitung angeordneten und von der Spül- und/oder Sperrluft durchströmten Druckerhöher, auch Booster genannt . Die vorliegende Erfindung erlaubt es, bei allen Betriebszu- ständen einer Gasturbinenanlage Verdichterluft als Spül- und/oder Sperrluft zum Sperren von Brennern der Gasturbinenanlage zu verwenden. Eine etwaige mit der Druckerhöhung einhergehende Erwärmung der Verdichterluft kann mit Hilfe des Kühlers ausgeglichen werden. Die Kombination von Kühler und

Druckerhöher ermöglicht es daher, bei allen Betriebszuständen die dem Brenner als Spül- und/oder Sperrluft zugeführte

Verdichterluft auf eine geeignete Temperatur und einen geeig- neten Druck zu bringen. Das Ausgleichen einer Temperaturerhöhung mit Hilfe des Kühlers bietet dabei die Möglichkeit, die Verdichterluft auf dem Temperaturniveau zu halten, das sie beim Abzapfen aus dem Verdichter aufweist. Bei diesem Tempe- raturniveau lassen sich thermische Schocks beim Übergang vom normalen Brennerbetrieb zum Spül- und/oder Sperrbetrieb eines Brenners vermeiden.

In einer konkreten Ausgestaltung der Spül- und/oder Sperrvor- richtung befindet sich der Kühler in der Fluidleitung zwischen dem Verdichter und dem wenigstens einen Brenner. Der Druckerhöher befindet sich dann zwischen dem Kühler und dem wenigstens einen Brenner. In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Spül- und/oder Sperrvorrichtung ist wenigstens ein zweiter Druckerhöher in der Fluidleitung angeordnet. Dabei kann der erste Druckerhö ^¬ her insbesondere in einem ersten Strömungspfad der Fluidlei ^¬ tung angeordnet sein und der zweite Druckerhöher in einem zum ersten Strömungspfad parallelen zweiten Strömungspfad der

Fluidleitung. Durch die parallele Anordnung der Druckerhöher lässt sich der Massenstrom an Verdichterluft, deren Druck erhöht wird, um sie als Spül- und oder Sperrluft zu verwenden, vergrößern .

In der erfindungsgemäßen Spül- und/oder Sperrvorrichtung kann ein erstes Absperrventil vorhanden sein, das sich in der Fluidleitung zwischen dem Kühler und dem wenigstens einen Druckerhöher befindet. Mit Hilfe dieses Absperrventils kann die Verdichterluft vom Druckerhöher getrennt werden und so etwaige Leckagen unterbunden werden.

Um Druck aus dem zwischen dem wenigstens einen Druckerhöher und dem wenigstens einen Brenner befindlichen Abschnitt der Fluidleitung ablassen zu können, beispielsweise weil ein neuer Betriebszustand einen niedrigeren Druck erfordert, ist es vorteilhaft, wenn eine Zweigfluidleitung vorhanden ist, die nicht zu dem wenigstens einen Brenner führt, wobei die Zweig- fluidleitung von einem Abzweigpunkt der Fluidleitung abzweigt, der sich in der Fluidleitung zwischen dem wenigstens einen Druckerhöher und dem wenigstens einen Brenner befindet. In dieser Zweigfluidleitung kann auch ein zweites Absperrven- til vorhanden sein.

Als Druckerhöher können in der erfindungsgemäßen Spül- und/oder Sperrvorrichtung insbesondere frequenzgesteuerte Druckerhöher Verwendung finden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Gasturbi ^¬ nenanlage mit einer erfindungsgemäßen Spül- und/oder Sperrvorrichtung zur Verfügung gestellt. Dadurch lässt sich in der Gasturbinenanlage in allen Betriebszuständen Verdichterluft als Spül- und/oder Sperrluft verwenden, wie bereits mit Bezug auf die erfindungsgemäße Spül- und/oder Sperrvorrichtung be ^¬ schrieben worden ist.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Zufuhr von Spül- und/oder Sperrluft zu wenigstens einem Brenner einer wenigs ^¬ tens einen Brenner und einen Verdichter umfassenden Gasturbinenanlage wird dem Verdichter Verdichterluft entnommen und als Spül- und/oder Sperrluft dem wenigstens einen Brenner der Gasturbinenanlage zugeführt. Die Verdichterluft wird dabei nach der Entnahme aus dem Verdichter und vor der Zufuhr zu dem wenigstens einen Brenner gekühlt und einer Druckerhöhung unterzogen. Wie oben bereits beschrieben worden ist, kann durch Kühlen und Erhöhen des Drucks der entnommenen

Verdichterluft diese in jedem Betriebszustand der Gasturbi- nenanlage als Spül- und/oder Sperrluft Verwendung finden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Verdichterluft zuerst gekühlt und dann einer Druckerhöhung unterzogen. Auf diese Weise wird es ver- mieden, dass der Kühler von der unter erhöhtem Druck stehenden Verdichterluft durchströmt wird, so dass der Kühler nicht für die erhöhten Drücke ausgelegt zu sein braucht. Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren .

Figur 1 zeigt eine Gasturbinenanlage in einer stark schemati ^¬ sierten Darstellung.

Figur 2 zeigt eine Gasturbinenanlage mit einem ersten Ausfüh- rungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Spül- und/oder Sperr ^¬ vorrichtung .

Figur 3 zeigt eine Gasturbinenanlage mit einem zweiten Aus ^¬ führungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Spül- und/oder Sperrvorrichtung.

Nachfolgend wird mit Bezug auf Figur 1 der grundsätzliche Aufbau einer Gasturbinenanlage erläutert. Die Figur zeigt die Gasturbinenanlage stark schematisiert und lässt viele Einzel- heiten, die für das Verständnis der vorliegenden Erfindung ohne Bedeutung sind, der Übersichtlichkeit halber weg. Die in Figur 1 gezeigte Gasturbinenanlage umfasst einen Verdichter 1 mit einem Verdichtereingang 2, durch den Umgebungsluft in den Verdichter 1 eintreten kann, einen Brennkammerabschnitt 3 und eine Turbine 5 mit einem Turbinenausgang 6. Die Anlage bildet einen Strömungspfad vom Verdichtereingang 2 zum Turbinenausgang 6, wobei ein Brennerplenum 4 strömungstechnisch mit einem Verdichterausgang 7 und über Brenner 9 und Brennkammern 8 mit einem Turbineneingang verbunden ist.

Im Betrieb der Gasturbinenanlage wird vom Verdichter 1 ver ^¬ dichtete Luft durch das Brennerplenum 4 den Brennern 9 zugeführt. In den Brennern 9 wird die zugeführte Luft mittels ebenfalls zugeführtem Brennstoff, der ein flüssiger oder ein gasförmiger Brennstoff sein kann, vermischt und das Gemisch entzündet und verbrannt, wodurch heiße und unter Druck ste ^¬ hende Abgase entstehen, die dann als Arbeitsmedium für die strömungstechnisch nachgeschaltete Turbine 5 dienen. Beim Durchströmen der Turbine 5 zum Turbinenausgang 6 hin entspannt das Arbeitsmedium und kühlt ab, wobei Impuls auf Tur ^¬ binenschaufeln 10, die auf einer Welle 12 angeordnet sind, übertragen wird. Dieser Impuls versetzt die Welle in Rotati- on, so dass mit Hilfe der rotierenden Welle 12 beispielsweise ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) angetrieben werden kann. Um die Strömung in der Turbine 5, und damit die Impulsübertragung auf die Turbinenschaufeln 10, zu optimieren sind in der Turbine 5 stationäre Leitschaufeln 11 vorhanden, die zur Lenkung des Massenstroms an Arbeitsme ^¬ dium dienen.

Außerdem wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit Hilfe der rotierenden Welle 12 der Verdichter 1 angetrieben. In diesem befinden sich auf der Welle 12 angeordnete rotierende Verdichterschaufeln 13, mit deren Hilfe durch den

Verdichtereingang 2 eingesaugte Luft durch einen sich verjüngenden Strömungspfad gezwungen und dadurch verdichtet wird. Auch im Verdichter 1 sind Leitschaufeln 15 vorhanden, die zur Lenkung der Strömung der in den Verdichter eingetretenen Luft dienen, um den Verdichterprozess zu optimieren.

Während des Betriebs einer Gasturbine wird also vom Verdich ^¬ ter 1 verdichtete Luft den Brennern 9 zugeführt, um dort als Oxidationsmittel für die Verbrennung des Brennstoffes zu die ^¬ nen und zusammen mit dem Brennstoff in Form von Verbrennungs ^¬ abgasen das Arbeitsmedium für die Turbine 5 zu bilden. Um Gasturbinenanlagen mit unterschiedlichen Lasten betreiben zu können, findet häufig ein Konzept mit mehreren Brennerstufen Verwendung, wobei die einzelnen Brennerstufen individuell mit Kraftstoff versorgt werden können. Die Brennerstufen können hierbei durch unterschiedliche, individuell mit Brennstoff zu versorgende Brennstoffdüsen innerhalb eines Brenners reali ^¬ siert sein oder durch eine Anzahl von individuell mit Brenn- Stoff zu versorgenden Brennern. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind sie durch individuell mit Brennstoff zu versor ^¬ genden Brenner realisiert. Im Betrieb der Gasturbinenanlage mit unterschiedlichen Lasten können Brennerstufen abgeschaltet werden, insbesondere dann, wenn die Gasturbine unter Teillast betrieben wird oder die Gasturbine an- oder abgefahren wird. Die in derartigen Last- zuständen nicht mit Brennstoff versorgten Brennerstufen werden dann gespült, um in den entsprechenden Brennern und den zugehörigen Brennstoffleitungen verbliebenen Brennstoff aus den Brennern und den Leitungen zu spülen. Außerdem werden die Brenner mittels eines aus den Brennerstufen austretenden Sperrfluids gegen den Eintritt von heißen Verbrennungsabgasen aus den Brennkammern in die Brenner gesperrt. Ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Gasturbinenanlage mit einer erfin ^¬ dungsgemäßen Spül- und/oder Sperrvorrichtung wird nachfolgend mit Bezug auf Figur 2 beschrieben.

Die in Figur 2 gezeigte Spül- und/oder Sperrvorrichtung um- fasst eine Fluidleitung 17, die sich vom Verdichter 1 zu den Brennern 9-1 bis 9-x der Gasturbinenanlage erstreckt. In der Fluidleitung 17 sind ein Kühler 19 und ein Druckerhöher 21, auch Booster genannt, angeordnet, wobei sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Druckerhöher 21 zwischen dem Kühler 19 und den Brennern 9-1 bis 9-x befindet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel findet als Druckerhöher 21 ein frequenz ^¬ gesteuerter Druckerhöher Verwendung.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel zweigt die Fluidleitung 17 zwischen dem Druckerhöher 21 und den Brennern 9-1 bis 9-x in zu den einzelnen Brennern führende Zweigleitungen 17-1 bis 17-x auf, wobei für jeden Brenner eine eigene Zweigleitung 17-1 bis 17-x mit einem darin angeordneten Absperrventil 23-1 bis 23-x vorhanden ist. Mit den Absperrventilen 23-1 bis 23-x können einzelne Brenner 9-1 bis 9-x an die Spül- und/oder Sperrluft individuell angeschlossen oder von der Spül- und/oder Sperrluft individuell getrennt werden.

Ein weiteres Absperrventil 25 befindet sich zwischen dem Küh ^¬ ler 19 und dem Druckerhöher 21. Ein drittes Absperrventil 27 befindet sich in einer Zweigfluidleitung, die von einem Ab- zweigpunkt 31 in der Fluidleitung 17 abzweigt, der sich zwischen dem Druckerhöher 21 und den zu den Brennern 9-1 bis 9-x führenden Zweigleitungen 17-1 bis 17-x befindet. Durch eine Doppelsperrung mit Hilfe der Absperrventile 25 und 27 kann das System gegen Leckage geschützt werden. Das Absperrventil 27 und die Zweigleitung 29 können zudem dazu verwendet werden, überschüssigen Druck in den zwischen dem Absperrventil 25 und den Absperrventilen 23-1 bis 23-x befindlichen Fluid- leitungsabschnitten abzulassen.

Wenn einer oder mehrere der Brenner 9-1 bis 9-x mittels

Verdichterluft gespült und/oder gesperrt werden sollen, wird das entsprechende Ventil bzw. werden die entsprechenden Ventile 23-1 bis 23-x geöffnet, so dass dem zu spülenden Brenner bzw. den zu spülenden Brennern 9-1 bis 9-x Verdichterluft zum Spülen und/oder Sperren zugeführt wird. Die zugeführte

Verdichterluft kann dabei bei bestimmten Betriebszuständen mittels des Kühlers 19 gekühlt und mittels des Druckerhöhers 21 auf ein erhöhtes Druckniveau gebracht werden. Mit Hilfe der Kühlung kann dabei eine Erwärmung durch das Erhöhen des

Druckes kompensiert werden, so dass der erhöhte Druck erzeugt werden kann, ohne die Verdichterluft wesentlich zu erwärmen. Auf diese Weise können Temperaturschocks beim Übergang von einem Verbrennungsbetrieb eines Brenners 9-1 bis 9-x zu einem Spül- und/oder Sperrbetrieb des Brenners 9-1 bis 9-x vermie ^¬ den werden, da mit dem Übergang von der als Verbrennungsluft verwendeten Verdichterluft zu der als Spül- und/oder Sperrluft verwendeten Verdichterluft keine oder keine wesentliche Temperaturänderung der zugeführten Luft einhergeht.

Ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Gasturbinenanlage mit einer erfindungsgemäßen Spül- und/oder Sperrvorrichtung ist in Figur 3 gezeigt. Elemente aus Figur 3, die Elementen aus Figur 1 entsprechen, sind mit denselben Bezugsziffern wie in Figur 1 bezeichnet und werden nicht noch einmal erläutert, um Wiederholungen zu vermeiden. Die Beschreibung des zweiten Ausführungsbeispiels beschränkt sich daher auf die Unter ^¬ schiede zum ersten Ausführungsbeispiel. Die Spül- und/oder Sperrvorrichtung des zweiten Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von der Spül- und/oder Sperrvor ^¬ richtung des ersten Ausführungsbeispiels im Wesentlichen da- durch, dass ein erster Druckerhöher 21i und ein zweiter Druckerhöher 21 ₂ vorhanden sind, wobei sich der zweite Drucker ^¬ höher 2I ₂ in einem zur Fluidleitung 17 parallelen Fluidlei- tungsabschnitt 33 befindet. Diese parallele Fluidleitungsab- schnitt 33 zweigt zwischen dem Absperrventil 25 und dem ers- ten Druckerhöher 21i von der Fluidleitung 17 ab und vereint sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Abzweigpunkt 31 wieder mit der Fluidleitung 17. Durch das Parallelschalten zweier Druckerhöher 21i, 21 ₂ lässt sich der unter erhöhtem Druck stehende Fluidstrom zu den Brennern 9-1 bis 9-x erhö- hen. Im Übrigen unterscheidet sich das zweite Ausführungsbei ^¬ spiel nicht vom ersten Ausführungsbeispiel.

Die anhand der Ausführungsbeispiele beschriebene Erfindung ermöglicht es durch Druckluftentnahme aus dem Verdichter mit anschließender Kühlung und Druckerhöhung Verdichterluft in jedem Betriebszustand der Gasturbinenanlage als Spül- und/oder Sperrluft zum Spülen und/oder Sperren einzelner oder aller Brenner zu verwenden. Im Verhältnis zum Brennkammerdruck wird die benötigte Druckdifferenz hierbei über den bzw. die Druckerhöher (Booster) eingestellt.

Die vorliegende Erfindung wurde zu Erläuterungszwecken anhand von Ausführungsbeispielen ausführlich beschrieben. Von den dargestellten Ausführungsbeispielen kann jedoch im Rahmen der Erfindung auch abgewichen werden. Beispielsweise ist es nicht zwingend notwendig, dass sich der Kühler 19 zwischen dem Verdichter 1 und dem Druckerhöher 21 bzw. den Druckerhöhern 21i, 21 ₂ befindet. Es besteht auch die Möglichkeit, den Kühler 19 dem Druckerhöher 21 bzw. den Druckerhöhern 21i, 21 ₂ nachzu- schalten, so dass er sich zwischen dem Druckerhöher 21 bzw. den Druckerhöhern 21i, 21 ₂ und dem Abzweigpunkt 31 befindet. Das Anordnen des Kühlers 19 stromauf des Druckerhöhers 21 bzw. der Druckerhöher 21i, 21 ₂ bietet jedoch den Vorteil, dass der Kühler 21 nicht auf den erhöhten Druck ausgelegt zu sein braucht. Auch besteht die Möglichkeit, im zweiten Aus ^¬ führungsbeispiel mehr als zwei Druckerhöher 21i bis 21 ₂ pa ^¬ rallel zu schalten, um den Luftstrom weiter erhöhen zu kön- nen. In den Ausführungsbeispielen sind frequenzgesteuerte

Druckerhöher beschrieben. Die Steuerung der Druckerhöher kann jedoch auch auf jede andere geeignete Steuerungsart erfolgen. Außerdem wurde in den Ausführungsbeispielen die als Spül- und/oder Sperrluft verwendete Verdichterluft am Verdichter- ausgang abgegriffen. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, Verdichterluft an einem anderen Anzapfpunkt aus dem Verdich ^¬ ter zu entnehmen. Die vorliegende Erfindung soll daher nicht auf Merkmalskombinationen der Ausführungsbeispiele beschränkt sein, sondern lediglich durch die in den beigefügten Ansprü- chen angegebenen Merkmalskombinationen.