Stand der Technik Die Auslegung eines herkömmlichen Gasturbinen- kraftwerks mit Verdichter ist allgemein bekannt.

In Figur 1 ist die Auslegung eines Beispiels für ein Druckluft-Energiespeichersystem (CAES-System) schematisch dargestellt. Es beinhaltet eine Kaverne 1 zur Speicherung von Druckluft, die besonders in Zeiten hohen Bedarfs zur Stromerzeugung genutzt wird. Die Druckluft wird durch die Regelung einer Ventilanordnung 9 einem Abhitzeverwerter 2 zugeführt, wo sie durch Wärmeübertragung vom Gasturbinenabgas erwärmt wird.

Eine weitere Ventilanordnung 8 regelt die Druckluftzufuhr zu einer Luftturbine 3. Hinter der Luftturbine 3 sind eine Brennkammer 4 und eine Gasturbine 5 angeordnet. Hinter der Gasturbine 5 und vor dem Abhitzeverwerter 2 ist ein Hilfsbrenner 6 angeordnet. Bei dieser CAES-Anordnung weist die Gasturbinenbrennkammer 4 mehrere Brenner auf. Wenn die Gasturbine 5 mit unterschiedlichen Brennkammerwärme- lasten betrieben wird, ändert sich die Zahl der aktiven Brenner. Eine automatische Aktivierung oder Deaktivierung einzelner Brenner oder Brennergruppen durch eine Gasturbinenregelung erfordert ein Kriterium oder mehrere Kriterien zur Bestimmung des Schaltpunktes für die Brenner. Dieses Kriterium kann zum Beispiel die Gasturbinenlast sein.

'Für die Verbrennung in einer Gasturbinenbrennkammer mit Vormischung kann der Brennvorgang durch das Äquivalenzverhältnis charakterisiert werden, das durch das Verhältnis des Brennstoff-Massenstroms zum Oxidationsmittel- Massenstrom gegeben ist, wobei das Oxidationsmittel in der Regel Luft ist. Dies wird durch Gleichung 1 ausgedrückt : P = Lant mBrennstoff m Oxid.

Der Faktor Lant (Abkürzung für Luftanteil, da das Oxidationsmittel in der Regel Luft ist) ist das Verhältnis von Oxidationsmittel-Massenstrom zu Brennstoff-Massenstrom für stöchiometrische Verbrennung, d. h. für eine vollständige chemische Reaktion, bei der im Abgas weder Oxidationsmittel-noch Brennstoffrückstände vorhanden sind.

Von der Definition her kann das Äquivalenzverhältnis jeden Wert zwischen null und unendlich annehmen. Für die technische Verbrennung ist der Bereich jedoch durch die Grenzen der Flammenstabilität gegeben. Diese Grenzen werden erreicht, wenn die Reaktion nicht genug Wärme freisetzen kann, um die chemische Reaktion aufrechtzuerhalten, und die Flamme daraufhin erlischt.

Dies kann geschehen, wenn entweder zuviel Oxidationsmittel oder zu viel Brennstoff vorhanden ist.

Im ersteren Fall ist die Stabilitätsgrenze als die "Magerlöschgrenze"definiert.

Die Verbrennungsemissionen, besonders NOx, hängen stark mit der Flammentemperatur zusammen. Eine Regelung der Flammentemperatur und somit der Emissionen ist durch Veränderung der Brennstoff-und Oxidationsmittelmengen und deren Verteilung in der Brennkammer möglich.

Für eine Gasturbine mit mehreren Brennern ist das Einzelbrenner-Äquivalenzverhältnis (>EB durch Gleichung 2 gegeben :

(DEB =LantmBrennstoff, EB m Luft, EB Es ist ein wichtiger Indikator für Flammen- temperatur, Brennstabilität und Emissionen. Des Weiteren ist das Brennkammer-Äquivalenzverhältnis durch Gleichung 3 definiert : #BK=Lant#Brennstoff,BK m Luft, BK Der Wert (DBy, bestimmt zusammen mit der Brennkammer-Lufteintrittstemperatur und der Brennstofftemperatur die Zündtemperatur der Brennkammer.

Ein ähnlicher Zusammenhang besteht zwischen dem Gasturbinen-Äquivalenzverhältnis #GT und der Gasturbinen-Eintrittsgemischtemperatur TT TET, die ein wichtiger Parameter des-gesamten Gasturbinenbetriebs ist. Dieses Äquivalenzverhältnis ist durch Gleichung 4 gegeben : - = Lant mBrennstoff, GT m Luft, GT Der Gasturbinen-Luftmassenstrom, der Brennkammer-Luftmassenstrom und die Luftzufuhr zu einem Einzelbrenner sind zum Teil durch die Auslegungsgeometrie der Gasturbine bestimmt. Der Gasturbinen-Brennstoffmassenstrom ist gleich dem Brennkammer-Brennstoffstrom. Das Verhältnis des Brennstoffstroms eines Einzelbrenners zum Brennkammer- Brennstoffmassenstrom ist jedoch von der Zahl n und der Konfiguration der aktiven Brenner abhängig. Somit besteht zwischen den verschiedenen Äquivalenzverhältnissen ein enger Zusammenhang durch Gleichung 5 #BK = f(#GT) und Gleichung 6 tEB = f(#BK, n).

Bei Gasturbinenbrennkammern mit mehreren Brennern ist die Brennertechnik vorzugsweise auf eine Magerverbrennungstechnologie zur Reduzierung der Emissionen abgestimmt, jedoch nicht auf diese beschränkt. Die Brenner der Brennkammer werden einzeln

zu-und abgeschaltet oder sind in getrennt schaltbaren Brennergruppen angeordnet. Zur Erzielung eines stabilen Brennprozesses und niedriger Emissionen wird die Zahl der in Betrieb befindlichen Einzelbrenner oder Brennergruppen über den Betriebsbereich variiert.

Durch die Zu-oder Abschaltung von Brennern bei konstantem Csr wird eine bestimmte Menge Brennstoff auf die Brenner verteilt, was zu einer Verschiebung des Brenner-Äquivalenzverhältnisses Caa führt. Wird die Zahl der aktiven Brenner verringert, so nimmt das Brenner- Äquivalenzverhältnis (DEB zu, und infolgedessen treten höhere Flammentemperaturen und höhere Emissionen auf.

Durch Zuschaltung weiterer Brenner nimmt das Äquivalenzverhältnis OEB hingegen ab. Falls der Brennprozess vor dem Zu-oder Abschalten zu nah an der Löschgrenze stattfindet, kommt es zum Erlöschen einiger oder sogar aller Brenner.

Bei herkömmlichen Gasturbinen werden Laständerungen bei Inbetriebnahme, Abschaltung oder Lastfolgebetrieb durch Änderung des Luft-und/oder Brennstoffmassenstroms bewirkt. Im Falle einer Lastzunahme können in der Brennkammer wesentliche Veränderungen eintreten, wie z. B. : - Die Gasturbinen-Eintrittsgemischtemperatur TGT TET und/oder der Luftmassenstrom nimmt zu.

- Die Brennkammer-Wärmelast nimmt zu (gegeben durch das Produkt aus dem Brennkammer-Luftmassenstrom und der Temperaturdifferenz zwischen Brennkammer- Lufteintrittstemperatur und Brennkammer- Abgasaustrittstemperatur).

- Der Gesamtbrennstoffmassenstrom in die Brennkammer nimmt mit der Wärmelast zu.

- Das Brennkammer-Äquivalenzverhältnis Can nimmt mit der Temperaturdifferenz zwischen Brennkammer- Lufteintrittstemperatur und Brennkammer-Abgasaustritts- temperatur zu.

Im Brennkammerbetrieb kann auf eine erhöhte Wärmelast im Grunde auf dreierlei Weise reagiert werden. Es wird mehr Brennstoff zugeführt, während die Zahl der aktiven Brenner entweder verringert wird, gleich bleibt oder erhöht wird.

Bei einer Zunahme des Brennkammer-Äquivalenz- verhältnisses (DBX führt eine gleich bleibende oder sogar verringerte Brennerzahl zu einem höheren Brenner- Äquivalenzverhältnis OEB. Daher kommt es, wenn keine Erhöhung der Brennerzahl zum Ausgleich des erhöhten erfolgt, zu einem Anstieg der Emissionen und der Einzelbrennerwärmelast. Doch auch bei unverändertem CaK kann die höhere Wärmelast dazu führen, dass der Brennerbetrieb näher an der Magerlöschgrenze abläuft.

Somit kann bei einer Zunahme der Gasturbinenlast die Zuschaltung weiterer Einzelbrenner vorteilhaft sein, um die Emissionen und die Wärmelast der Einzelbrenner zu reduzieren. Eine verringerte Einzelbrennerwärmelast bewirkt wiederum eine Reduzierung der thermischen Beanspruchung der Einzelbrenner.

Figur 2 zeigt verschiedene Gasturbinentemperaturen, die für den Betrieb einer Gasturbine und ihrer Brennkammer von Interesse sind.

Darin befindet sich die Temperatur der vorgemischten Flamme bei Position 1. Die Verbrennungsgase werden durch Luft abgekühlt, die an der Hauptreaktionszone vorbeiströmt und bei Position 2 wieder in die Brennkammer eintritt. Die so genannte"Zündtemperatur" ist definiert als die Temperatur unmittelbar vor der ersten Leitschaufelreihe der Turbine bei Position 3.

Diese Temperatur und die Temperatur vor der ersten Laufschaufelreihe bei Position 4 sind im Hinblick auf den Leit-und Laufschaufelwerkstoff begrenzt. Zum Schutz gegen mechanische Beschädigung werden bei modernen Gasturbinen sowohl die. Leitschaufeln als auch die Laufschaufeln in der Regel mit Luft oder Dampf gekühlt. Die Temperatur, die sich bei einer Vermischung

aller Kühlmedien mit den Brennkammerabgasen ergeben würde, ist als die Gasturbinen- Eintrittsgemischtemperatur TGT TET definiert. Diese Temperatur lässt sich nicht messen, kann aber rechnerisch bestimmt werden.

Zur Festlegung der Schaltpunkte für die Brenner oder Brennergruppen in einem Gasturbinenregelungs- programm werden Kriterien benötigt. Das Schalten der Brenner muss so erfolgen, dass die Forderung nach niedrigen Emissionen erfüllt wird, ohne die Brennstabilität zu gefährden oder einen plötzlichen Flammenverlust durch Erlöschen zu riskieren.

Theoretisch ist das Äquivalenzverhältnis ein geeignetes Kriterium zur Bestimmung der Brennerschaltvorgänge.

Das Äquivalenzverhältnis nach Gleichung 1 ist ein normiertes Verhältnis von Brennstoff-und Oxidationsmittel-Massenstrom. Um dieses Verhältnis als Schaltkriterium nutzen zu können, müssen jedoch die Brennstoff-und Oxidationsmittel-Massenströme der Brenner bekannt sein.

In einem offenen Gasturbinenkreislauf lässt sich der vom Verdichter gelieferte Oxidationsmittel- Massenstrom nicht messen. Eine theoretische Voraussage ist zwar möglich, aber aus folgenden Gründen für den Oxidationsmittel-Massenstrom durch die Brenner nicht zuverlässig : - Der Massenstrom und die Temperatur am Verdichterausgang sind je nach den Umgebungsbedingungen veränderlich, wobei die Umgebungstemperatur und der Umgebungsdruck die wichtigsten Faktoren sind ; - der Massenstrom und die Temperatur am Verdichterausgang können sich im Laufe der Zeit durch Alterung und Verschmutzung des Verdichters und ändern.

Daher ist in der Praxis eine zuverlässige Voraussage des Oxidationsmittelstroms durch den Brenner begrenzt, und somit ist das Äquivalenzverhältnis kein geeignetes Kriterium zur Bestimmung der Brennerschalt-

punkte. Andere Kriterien zur Beschreibung des Brennvorgangs am Brenner oder in der Brennkammer, wie z. B. der Temperaturanstieg von Einzelbrennern oder die Gasturbinen-Eintrittstemperatur, basieren ebenfalls auf dem Verdichtermassenstrom und sind daher auch nicht geeignet.

Alle Kriterien im Zusammenhang mit der chemischen Reaktion erfordern die Kenntnis des Oxidationsmittel-Massenstroms durch den Brenner. Das Kriterium zur Bestimmung der Brennerschaltvorgänge muss jedoch messbar oder mit hoher Genauigkeit berechenbar sein.

Ein solches Kriterium ist die Gasturbinenlast, die sich leicht an der Generatorklemme messen, lässt.

Allerdings müssen bei der Anwendung dieses Kriteriums auch Schwankungen der Temperaturen und/oder des Massenstroms am Verdichterausgang bei der Regelung des Verbrennungsprozesses berücksichtigt werden.

Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine zu schaffen, bei dem die Brennerschaltpunkte durch ein Kriterium bestimmt werden, das die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschriebenen Nachteile umgeht.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine, die in einem Stromerzeugungssystem angeordnet ist und eine Druckluftquelle, einen Vergasungsbrenner mit Brennkammer und mehreren Brennern aufweist. Bei diesem Verfahren steuert eine Gasturbinenregelung die Aktivierung und Deaktivierung der Brenner nach einem Schaltpunktkriterium, das proportional zur Differenz zwischen der Drucklufttemperatur vor der Brennkammer und der Abgastemperatur hinter der Brennkammer ist. Die Drucklufttemperatur vor der Brennkammer wird vorzugsweise unmittelbar vor dem Eintritt in die

Brennkammer erfasst. Wenn es sich beim Strom- erzeugungssystem um ein Druckluft-Energiespeichersystem handelt, kann diese Temperatur auch die Temperatur an einer Stelle vor der Luftturbine oder sogar vor dem Abhitzeverwerter sein. Die Abgastemperatur hinter der Brennkammer ist die Abgastemperatur an irgendeiner Stelle hinter dem Punkt, an dem die chemische Reaktion zu Ende ist.

Bei einem speziellen erfindungsgemäßen Verfahren ist die Temperatur hinter der Brennkammer die Gasturbinen-Eintrittsgemischtemperatur, die eine aus einem Gemisch aus Abgasen und Kühlmedien berechnete virtuelle Temperatur ist. Diese Kühlmedien werden einem oder mehreren der Folgenden zugeführt : Brenner, Brennkammer und Gasturbine. Die Temperaturdifferenz für das Schaltkriterium kann dann mit Ks bezeichnet werden und bedeutet die Differenz zwischen der Gasturbinen- Eintrittsgemischtemperatur und der Brennkammereintrittstemperatur der Druckluft, ausgedrückt durch die folgende Gleichung 7 : KS=(TGT TET-TBK Eintritt) Diese Temperaturdifferenz Ks steht in einem physikalischen Zusammenhang mit verschiedenen Äquivalenzverhältnissen des Verbrennungsprozesses. Sie ist zum Beispiel proportional zum Äquivalenzverhältnis in der Brennkammer, das heißt, zu dem Verhältnis des Brennstoffmassenstroms zum Luftmassenstrom durch die Brennkammer nach Gleichung 8 : <BR> <BR> <BR> M Bretinstoff (-r<BR> BK X. ° GTTET BK Eintritt<BR> <BR> <BR> <BR> m" sowie zum Äquivalenzverhältnis der Gasturbine nach Gleichung 9 : <BR> <BR> <BR> m Brez stof {\<BR> <BR> #GT##BK #Brennstoff#(TGTTET-TBK Eintritt)<BR> <BR> <BR> ii, Litli Weiterhin besteht auch ein Zusammenhang zwischen dem Kriterium und dem Einzelbrenner-

Äquivalenzverhältnis Öse über die Zahl n der aktiven Brenner, ausgedrückt durch Gleichung 6.

Um das vorgeschlagene'Prinzip anwenden zu können, muss die Gasturbinen-Eintrittsgemischtemperatur TGT TETt zum Beispiel nach ISO 2314, bekannt sein. Diese Temperatur ist nicht messbar, sondern muss berechnet werden, zum Beispiel aus einer Brennkammer- Energiebilanz. Für eine genaue Berechnung muss der Luftmassenstrom durch die Brennkammer bekannt sein.

Wenn sich der in die Gasturbine eingeleitete Luftmassenstrom mit hoher Genauigkeit messen lässt, ist das erfindungsgemäße Schaltkriterium vorteilhaft. Daher ist das Kriterium voll und ganz auf CAES-Kraftwerke anwendbar, wie in Figur 1 dargestellt, denen Luft aus der Kaverne 1 zugeführt wird und wo eine genaue Messung des Luftmassenstroms zur Brennkammer möglich ist. Bei einem CAES-Kraftwerk, wie in Figur 1 skizziert, sind Temperaturänderungen am Verdichterausgang äquivalent zu Veränderungen der Luftturbinenaustrittstemperatur.

Diese können eventuell auftreten, wenn sich aufgrund von Schwankungen der Schachtbrennerleistung die Luftturbineneintrittstemperatur geändert hat.

Eine Anwendung des Schaltkriteriums in herkömmlichen Gasturbinen ist durch die Tatsache begrenzt, dass der Luftmassenstrom vom Verdichter zur Gasturbine nicht zuverlässig voraussagbar ist.

Das erfindungsgemäße Schaltkriterium ist auf die Aktivierung und Deaktivierung von Einzelbrennern sowie Gruppen von Einzelbrennern anwendbar.

Bei einer speziellen Variante des Verfahrens werden die Brenner aktiviert und deaktiviert, um die Wärmelast der Brenner abzuwandeln und zu regeln. Dies ermöglicht beispielsweise eine Begrenzung der Wärmelast in Bezug auf die Magerlöschgrenze oder die zulässigen Emissionswerte.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine werden Temperaturänderungen am

Verdichterausgang oder in der Druckluft aus einer Speicherkaverne, die durch einen Abhitzeverwerter und eine Luftturbine geleitet wurde, direkt bei der Regelung der Einzelbrenner oder Brennergruppen berücksichtigt. Durch dieses Verfahren werden die typischen Nachteile vermieden, die man in Kraftwerken antrifft, wo die Brenner durch ein auf der Last basierendes Schaltkriterium geregelt werden. Konkret verhält es sich so, dass für einen gegebenen Temperaturänderungsbereich der in die Brennkammer eingeleiteten Druckluft infolge der Aktivierung und Deaktivierung der Brenner entsprechend dem hier offen gelegten Schaltkriterium die Äquivalenzverhältnisse des Verbrennungsprozesses innerhalb eines kleineren Bereichs variieren. Der kleinere Wertebereich der Äquivalenzverhältnisse gestattet eine größere Flexibilität bei der Auslegung der Brennkammer und einen größeren Bereich für die Betriebsparameter. Des Weiteren besteht eine geringere Wahrscheinlichkeit, dass kritische Betriebsbereiche hinsichtlich der Emissionen und der Magerlöschgrenze erreicht werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen In den Zeichnungen zeigen : Figur 1 eine typische CAES-Kraftwerksauslegung ; Figur 2 betriebsrelevante Verbrennungstemperaturen in einer Gasturbine ; Figur 3 ein Kurvenbild eines Einzelbrenner- Äquivalenzverhältnisses für eine CAES-Gasturbine, bei der die Zahl der aktivierten Brenner nach dem Relativlastkriterium bestimmt wird ; Figur 4 ein ähnliches Kurvenbild wie in Figur 3, bei dem jedoch die Zahl der aktivierten Brenner nach dem erfindungsgemäßen Schaltkriterium bestimmt wird ; Figur 5 ein Kurvenbild eines Einzelbrenner- Äquivalenzverhältnisses für eine CAES-Gasturbine, bei der die Zahl der aktivierten Brenner nach dem Relativlastkriterium bestimmt wird, und für den

besonderen Fall, dass die Brennkammer- Lufteintrittstemperatur über einen Bereich von 50 °C schwankt ; Figur 6 ein ähnliches Kurvenbild wie in Figur 5, bei dem jedoch die Brenner mit Hilfe des erfindungsgemäßen Schaltkriteriums aktiviert werden.

Das neue Kriterium umgeht völlig die Nachteile, die mit einem Schaltkriterium nach dem Stand der Technik einhergehen. Das verbesserte Verfahren zum Betrieb einer CAES-Gasturbine ist in den Figuren 3 und 4 veranschaulicht, in denen die Schwankungen des Einzelbrenner-Äquivalenzverhältnisses Csa oder Phi dargestellt sind, wobei die Zahl der aktivierten Brenner durch ein Schaltkriterium entsprechend der relativen Last bzw. durch ein erfindungsgemäßes Schaltkriterium bestimmt wird. Ein Vergleich der Figuren 3 und 4 zeigt, dass durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Schaltkriteriums die Streuung des Brenner-Äquivalenzverhältnisses Caa oder Phi über den gesamten Lastbereich bedeutend geringer ist. Eine Verringerung der Verhältnisstreuung hat folgende Vorteile : - Niedrigere Emissionen bei verringerter Brennkammereintrittstemperatur.

- Höhere Brennstabilität durch Vermeidung niedriger Einzelbrenner-Äquivalenzverhältnisse.

- Das Brennkammerbetriebskonzept lässt sich leichter optimieren. Insbesondere ist es nicht mehr notwendig, den Betrieb weit entfernt von der Magerlöschgrenze zu wählen.

- Bei diesem Konzept wird ein Nachlassen des Luftturbinen-oder Gasturbinenwirkungsgrades voll und ganz berücksichtigt. Verringerte Wirkungsgrade haben keine Auswirkungen auf das Lastschaltpunktkriterium und beeinflussen daher nicht die Zahl der aktiven Brenner, es sei denn, die Betriebsbedingungen in der Brennkammer haben sich verändert.

Besonders bedeutsam ist der Vorteil des erfindungsgemäßen Schaltkriteriums für Gasturbinen- anwendungen mit großen Schwankungen der Brennkammer- Lufteintrittstemperatur. Bei herkömmlichen Gasturbinen ergeben sich Schwankungen durch die über das Jahr veränderlichen Witterungsverhältnisse. Bei einem CAES- Kreislauf mit einem Abhitzeverwerter, wie in Figur 1 dargestellt, sind die Schwankungen der Brennkammer- Lufteintrittstemperatur viel größer.

Figur 5 zeigt die Auswirkungen von Schwankungen der Brennkammer-Lufteintrittstemperatur um 50 °C auf die Veränderung des Einzelbrenner- Äquivalenzverhältnisses für eine CAES-Gasturbine, die mit einem Schaltkriterium entsprechend der relativen Last betrieben wird. In diesem Fall schwankt das Einzelbrenner-Äquivalenzverhältnis in unannehmbar hohem Maße. Folglich müssen die Betriebsgrenzen für das Kraftwerk enger sein, wodurch die Betriebsflexibilität eingeschränkt wird.

Im Vergleich dazu zeigt Figur 6 die Schwankungen des Einzelbrenner-Äquivalenzverhältnisses bei den gleichen großen Schwankungen der Brennkammer- Lufteintrittstemperatur um 50 °C, jedoch für eine CAES-Gasturbine, die mit dem erfindungsgemäßen Schaltkriterium betrieben wird. Da das erfindungsgemäße Schaltkriterium Temperaturschwankungen voll berücksichtigt, auch große Schwankungen, bewirken diese Temperaturabweichungen nur relativ kleine Veränderungen des Einzelbrenner-Äquivalenzverhältnisses Phi. Folglich erlegt die Brennkammer dem Kraftwerksbetrieb weniger Einschränkungen auf, so dass sich insgesamt eine größere Betriebsflexibilität für das Kraftwerk ergibt.

Zeichnungslegende 1 Druckluftspeicherkaverne 2 Abhitzeverwerter 3 Luftturbine 4 Brennkammer 5 Gasturbine 6 Hilfsbrenner 7 Schornstein 8 Lufteintrittsventilanordnung 9 Ventilanordnung