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Title:
METHOD FOR OPERATING A BURNER ASSEMBLY
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2015/169565
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for operating a burner assembly, in particular a burner assembly of a gas turbine, wherein an evaluation variable representing the combustion stability is determined and at least one control variable is altered, at least based on the determined evaluation variable, when the determined evaluation variable does not fall within a previously defined desired range, said desired range of the evaluation variable being constant over the entire output range of the machine, and wherein the evaluation variable is determined based on measured maximum actual amplitudes in previously defined frequency bands and measured actual outputs of the burner assembly.

Inventors:
DEUKER, Eberhard (Elly-Heuss-Knapp-Str. 29, Mülheim an der Ruhr, 45481, DE)
KOCK, Boris Ferdinand (Gerhardstraße 11, Ratingen, 40878, DE)
SIMON, Dieter (Papenbuschstr. 154, Mülheim an der Ruhr, 45473, DE)
Application Number:
EP2015/058393
Publication Date:
November 12, 2015
Filing Date:
April 17, 2015
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Wittelsbacherplatz 2, München, 80333, DE)
International Classes:
F23N5/16; F02C9/28; F02C9/48; F23N5/02
Foreign References:
DE102007059701A12009-06-18
EP1724528A12006-11-22
EP1348908A22003-10-01
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Claims:
Patentansprüche

Patentansprüche 1. Verfahren zum Betreiben einer Brenneranordnung, insbesondere einer Brenneranordnung einer Gasturbine, bei dem eine die Verbrennungsstabilität repräsentierenden Bewertungsgröße ermittelt und zumindest basierend auf der ermittelten Bewer¬ tungsgröße wenigstens eine Stellgröße verändert wird, wenn die ermittelte Bewertungsgröße nicht innerhalb eines vorab definierten Sollbereiches liegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollbereich der Bewertungsgröße über den gesamten Leistungsbereich der Maschine konstant ist und dass die Bewer¬ tungsgröße basierend auf gemessenen maximalen Ist-Amplituden in vorab definierten Frequenzbändern und gemessenen Ist- Leistungen der Brenneranordnung ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ist-Amplituden Wech- seldruck-Ist-Amplituden bzw. Bauteilbeschleunigungs-Ist- Amplituden sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewertungsgröße unter Verwendung leistungsabhängiger Gewichtungsfaktoren und/oder frequenzabhängiger Gewichtungs- faktoren ermittelt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewertungsgröße definiert ist als die Summe gfl · ki · Ai2 + gf2 · k2 · A22 + ... + gfn · kn · An2 wobei Ai bis An die maximalen Amplituden in den Frequenzbändern f i bis fn, gfi bis gfn leistungsabhängige Gewichtungsfak- toren der Frequenzbänder f i bis fn, und ki bis kn frequenzbandabhängige Gewichtungsfaktoren repräsentieren.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die leistungsabhängigen Gewichtungsfaktoren gfi bis gfn und/oder die frequenzabhängigen Gewichtsfaktoren ki bis kn einen Wert zwischen 0 und 1 aufweisen.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der wenigstens einen Stell¬ größe um den der Brenneranordnung zugeführten Gesamtbrennstoffvolumenstrom und/oder um den der Brenneranordnung zugeführten Gesamtverbrennungsluftvolumenstrom und/oder um eine Aufteilung des der Brenneranordnung zugeführten Gesamtbrennstoffvolumenstroms auf einzelne Brennerstufen der Brenneran¬ ordnung und/oder um die Positionierung verstellbarer Vorleit- schaufeln der Brenneranordnung handelt.

Description:
Beschreibung

Verfahren zum Betreiben einer Brenneranordnung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrei ¬ ben einer Brenneranordnung, insbesondere einer Brenneranordnung einer Gasturbine, bei dem eine die Verbrennungsstabili ¬ tät repräsentierenden Bewertungsgröße ermittelt und zumindest basierend auf der ermittelten Bewertungsgröße wenigstens eine Stellgröße verändert wird.

Beim Betrieb einer Gasturbinenanlage gilt es neben der Ein ¬ haltung von Leistung, Wirkungsgrad und Emissionsgrenzwerten vor allem darum, die Verbrennungsstabilität in einem sicheren Betriebsbereich zu halten. Unter Verbrennungsstabilität wird vorliegend das thermo-akustische Verhalten der Kombination aus Brennern und Brennkammern verstanden. So kann es durch Anregung thermo-akustischer Moden zu starken Wechselwirkungen in der Brennkammer kommen, die mechanischen Schaden an der Maschine bewirken können. Entsprechend gilt es Frequenzbänder zu meiden, in denen schädliche maximale Amplituden auftreten. In diesem Zusammenhang kommen in jüngster Vergangenheit immer häufiger geschlossene Regelkreise zum Einsatz, die darauf ab ¬ zielen, kritische Frequenzbänder zu verhindern und auf diese Weise das thermo-akustische Verhalten zu kontrollieren. Die kritischen Frequenzbänder werden hierzu in separaten Regelkreisen überwacht, die in einem Regler zusammengefasst sind. Als Stellgrößen dienen vor allem der der Brenneranordnung zugeführte Gesamtbrennstoffvolumenstrom, die Aufteilung des Ge- samtbrennstoffvolumenstroms auf einzelne Brennerstufen der Brenneranordnung und die Positionierung verstellbarer Vor- leitschaufein der Brenneranordnung, um nur einige Beispiele zu nennen. Ein Nachteil derartiger Regelungen besteht allerdings darin, dass ein Vorsehen mehrerer Regelkreise mit hohen Kosten einhergeht. Darüber hinaus variieren die kritischen

Frequenzbänder in Abhängigkeit von den Leistungsbereichen der Brenneranordnung. Frequenzbänder, die in einem ersten Leistungsbereich keinen nennenswerten Einfluss auf die Verbren- nungsstabilität nehmen, können sich in einem anderen Leistungsbereich negativ auf diese auswirken und umgekehrt. Entsprechend können unterschiedliche Regelziele miteinander kon ¬ kurrieren, wenn verschiedene Frequenzen in demselben Leis- tungsbereich auftreten und die Abhilfe-Maßnahmen bzw. Stellgrößen unterschiedlich sind.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem eine zuverlässige und preiswerte Regelung der Verbrennungsstabilität erzielt wird .

Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Sollbereich der Bewertungsgröße über den gesamten Leistungsbereich der Maschine konstant ist und die Bewertungsgröße basierend auf gemessenen maximalen Ist- Amplituden in vorab definierten Frequenzbändern und gemesse- nen Ist-Leistungen der Brenneranordnung ermittelt wird. Auf diese Weise kann die Verbrennungsstabilität mit einfachen Mitteln basierend auf einer einzelnen Bewertungsgröße und da ¬ mit über einen einzelnen Regelkreis über den gesamten Leistungsbereich der Maschine ohne konkurrierende Regelziele in einem sicheren Betriebsbereich gehalten werden.

Im Hinblick auf die Kontrolle thermo-akustischer Moden sind die Ist-Amplituden bevorzugt Wechseldruck-Ist-Amplituden bzw. Bauteilbeschleunigungs- Ist-Amplituden .

Vorteilhaft wird die Bewertungsgröße unter Verwendung leis ¬ tungsabhängiger Gewichtungsfaktoren und/oder frequenzabhängiger Gewichtungsfaktoren ermittelt. Die leistungsabhängigen Gewichtungsfaktoren dienen dazu, den negativen Einfluss eines Frequenzbandes in Abhängigkeit von dem Leistungsbereich der Brenneranordnung zu definieren. So werden die leistungsabhängigen Gewichtungsfaktoren mit zuneh- mendem negativen Einfluss entweder höher oder niedriger gewählt. Frequenzbereiche, die in bestimmten Leistungsbereichen der Fahrkurve keinen negativen Einfluss auf die Verbrennungs ¬ stabilität haben, da in diesen keine für die Verbrennungssta- bilität schädlichen maximalen Amplituden auftreten, können dank solcher leistungsabhängiger Gewichtungsfaktoren "ausgeschaltet" werden, so dass sie bei der Ermittlung der Bewertungsgröße nicht berücksichtigt werden. Auf diese Weise kann ein verfälschender Einfluss irrelevanter Frequenzbereiche auf die ermittelte Begleitungsgröße verhindert werden. Andere Frequenzbereiche, die in bestimmten Leistungsbereichen der Fahrkurve einen negativen Einfluss auf die Verbrennungsstabi ¬ lität aufgrund schädlicher maximaler Amplituden entfalten, können in Abhängigkeit ihrer Relevanz für die einzelnen Leis- tungsbereiche separat gewichtet werden, so dass sie mehr oder weniger stark in die ermittelte Bewertungsgröße eingehen. Die leistungsabhängigen Gewichtungsfaktoren ermöglichen somit eine Bewertung über den gesamten Leistungsbereich der Maschine bzw. der Brenneranordnung.

Die frequenzabhängigen Gewichtungsfaktoren dienen dazu, den absoluten Beitrag der jeweiligen Frequenzbänder bzw. der maximalen Amplituden der jeweiligen Frequenzbänder zur Bewertungsgröße zu definieren. Hintergrund kann hier beispielswei- se eine unterschiedliche Bedeutung der maximalen Amplituden der einzelnen Frequenzbänder auf die Verbrennungsstabilität sein. So können die frequenzabhängigen Gewichtungsfaktoren analog zu den leistungsabhängigen Gewichtungsfaktoren mit zunehmendem negativen Einfluss entweder höher oder niedriger gewählt werden. Mit anderen Worten können die frequenzabhängigen Gewichtungsfaktoren derart gewählt werden, dass die maximalen Amplituden der einzelnen Frequenzbänder hinsichtlich ihres negativen Einflusses auf die Verbrennungsstabilität auf ein vergleichbares Niveau gebracht werden, so dass sie ent- sprechend gewichtet in die ermittelte Bewertungsgröße einge ¬ hen. Auf diese Weise ist es möglich, den Sollbereich der Bewertungsgröße über den gesamten Leistungsbereich konstant zu halten . Insbesondere ist die Bewertungsgröße definiert als die Summe g fl · ki · Ai 2 + g f2 · k 2 · A 2 2 + ... + g fn · k n · A n 2 , wobei A x bis A n die maximalen Amplituden in den Frequenzbändern fi bis f n , gn bis g fn die leistungsabhängigen Gewichtungsfaktoren der

Frequenzbänder fi bis f n , und ki bis k n die frequenzbandabhängigen Gewichtungsfaktoren repräsentieren.

Vorteilhaft weisen die leistungsabhängigen Gewichtungsfakto- ren g f i bis g fn einen Wert zwischen 0 und 1 auf. So können die Gewichtungsfaktoren q f ± (mit i = 1 bis n) zum Beispiel abschnittsweise über der relativen Leistung der Brenneranordnung definiert werden. Beispielsweise kann der leistungsab ¬ hängige Gewichtungsfaktor q f ± den Wert 0 erhalten, wenn a < P* < b ist, wobei P* die Ist-Leistung der Brenneranordnung repräsentiert, den Wert 0,5 wenn c < P* -S d ist, und den Wert 1, wenn e < P* -S f ist, wobei die Größen a, b, c, d, e und f die Leistungsbereiche kennzeichnen, in denen die jeweiligen Frequenzbänder einen Beitrag zur Bewertungsgröße liefern. Diese Werte variieren maschinenspezifisch und können von Fall zu Fall angepasst werden. Der jeweilige Wert der leistungsab ¬ hängigen Gewichtungsfaktoren g f i, beispielsweise 0, 0,5 oder 1, kann ebenfalls maschinenspezifisch gewählt werden. Analog können den frequenzabhängigen Gewichtungsfaktoren ki bis k n Werte von 0 bis 1 zugeordnet werden.

Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens handelt sich bei der wenigstens einen Stellgröße um den der Brenneranordnung zugeführten Gesamtbrennstoffvolumenstrom und/oder um den der Brenneranordnung zugeführten Gesamtver- brennungsluftvolumenstrom und/oder um eine Aufteilung des der Brenneranordnung zugeführten Gesamtbrennstoffvolumenstroms auf einzelne Brennerstufen der Brenneranordnung und/oder um die Positionierung verstellbarer Vorleitschaufein der Bren- neranordnung .

Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ge ¬ genüber bekannten Verfahren, die kritische Frequenzbänder einzeln überwachen und beim Auftreten kritischer Frequenzen Stellgrößen verändern, um einen negativen Einfluss auf die Verbrennungsstabilität zu verhindern, besteht darin, dass miteinander konkurrierende Regelziele nicht auftreten können. Entsprechend ist stets eine ordnungsgemäße Funktionsweise si ¬ chergestellt. Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Ver ¬ fahren mit einer einzigen Regelung einfach und preiswert realisiert werden.