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Regelungskonzept für eine schadstoffarme Gasturbinenbrennkammer

Adamy, Jürgen ; Schwane, Ulf ; Kiendl, Harro ; Altemark, Detlef ; Saul, Achim ; Adomeit, Bernhard (2021):
Regelungskonzept für eine schadstoffarme Gasturbinenbrennkammer. (Publisher's Version)
In: at - Automatisierungstechnik, 44 (8), pp. 371-380. De Gruyter, ISSN 0178-2312, e-ISSN 2196-677X,
DOI: 10.26083/tuprints-00018669,
[Article]

Abstract

Den Gasturbinen wurde wegen ihres wachsenden Marktanteils in den letzten Jahren besondere Aufmerksamkeit geschenkt. Neben der Verbesserung des Wirkungsgrades wurden Entwicklungen zur Minimierung der Schadstoffemissionen vorangetrieben. Das Minderungspotential ist bei der Verwendung von Brenngasen der öffentlichen Gasversorgung besonders hoch. Während bei konventionellen Brennkammern eine Regelung der Verbrennung nicht notwendig ist, sind zur vollen Ausnutzung des Schadstoffreduktionspotentials und für einen sicheren und zuverlässigen Betrieb der Gasturbine neue Regelungskonzepte erforderlich. In dieser Arbeit wird ein Regelungskonzept für eine extrem schadstoffarme Gasturbinenbrennkammer für den Betrieb mit Erdgas vorgestellt. Die Regelung ist als Temperaturregelung konzipiert und den speziellen Anforderungen des Gasturbinenbetriebs angepaßt. Dabei wird die meßtechnisch schwer erfaßbare Flammentemperatur aus der gemessenen Luftzahl (λ-Wert) unter Annahme eines adiabaten Verbrennungsablaufs mittels der Wärmebilanz berechnet. Als Grundlage für den Entwurf des Regelungssystems wird für den Brenner und die angrenzenden Prozesse ein Modell erstellt. Das Regelungskonzept basiert auf drei wesentlichen Komponenten: Erstens wird die Zufuhr von Verbrennungsluft schnell, aber ungenau vorgesteuert und unterlagert nachgeregelt. Zweitens wird die Genauigkeit durch eine langsame überlagerte Temperaturregelung verbessert. Drittens wird die Genauigkeit durch eine Adaption weiter gesteigert. Die Effizienz des Regelungskonzeptes wird anhand von Simulationen sowie anhand von Versuchen an einem Brennerprototyp demonstriert.

Item Type: Article
Erschienen: 2021
Creators: Adamy, Jürgen ; Schwane, Ulf ; Kiendl, Harro ; Altemark, Detlef ; Saul, Achim ; Adomeit, Bernhard
Origin: Secondary publication service
Status: Publisher's Version
Title: Regelungskonzept für eine schadstoffarme Gasturbinenbrennkammer
Language: German
Abstract:

Den Gasturbinen wurde wegen ihres wachsenden Marktanteils in den letzten Jahren besondere Aufmerksamkeit geschenkt. Neben der Verbesserung des Wirkungsgrades wurden Entwicklungen zur Minimierung der Schadstoffemissionen vorangetrieben. Das Minderungspotential ist bei der Verwendung von Brenngasen der öffentlichen Gasversorgung besonders hoch. Während bei konventionellen Brennkammern eine Regelung der Verbrennung nicht notwendig ist, sind zur vollen Ausnutzung des Schadstoffreduktionspotentials und für einen sicheren und zuverlässigen Betrieb der Gasturbine neue Regelungskonzepte erforderlich. In dieser Arbeit wird ein Regelungskonzept für eine extrem schadstoffarme Gasturbinenbrennkammer für den Betrieb mit Erdgas vorgestellt. Die Regelung ist als Temperaturregelung konzipiert und den speziellen Anforderungen des Gasturbinenbetriebs angepaßt. Dabei wird die meßtechnisch schwer erfaßbare Flammentemperatur aus der gemessenen Luftzahl (λ-Wert) unter Annahme eines adiabaten Verbrennungsablaufs mittels der Wärmebilanz berechnet. Als Grundlage für den Entwurf des Regelungssystems wird für den Brenner und die angrenzenden Prozesse ein Modell erstellt. Das Regelungskonzept basiert auf drei wesentlichen Komponenten: Erstens wird die Zufuhr von Verbrennungsluft schnell, aber ungenau vorgesteuert und unterlagert nachgeregelt. Zweitens wird die Genauigkeit durch eine langsame überlagerte Temperaturregelung verbessert. Drittens wird die Genauigkeit durch eine Adaption weiter gesteigert. Die Effizienz des Regelungskonzeptes wird anhand von Simulationen sowie anhand von Versuchen an einem Brennerprototyp demonstriert.

Journal or Publication Title: at - Automatisierungstechnik
Volume of the journal: 44
Issue Number: 8
Publisher: De Gruyter
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institut für Automatisierungstechnik und Mechatronik
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institut für Automatisierungstechnik und Mechatronik > Control Methods and Robotics (from 01.08.2022 renamed Control Methods and Intelligent Systems)
Date Deposited: 06 Jul 2021 13:21
DOI: 10.26083/tuprints-00018669
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/18669
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-186694
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Particular attention has been paid to the gas turbine in recent years due to its growing share of the market. In addition to improvements in efficiency, there have also been further developments to reduce pollutant emissions. The potential here is particularly high with fuel from the public gas supply. Whereas combustion control is not necessary with conventional combustion chambers, new control concepts are in demand if gas turbines are to be safely and reliably operated and if the potential for reducing pollutants is to befully exploited. This paper presents a control concept for an extremely low-pollutant, gas turbine combusion chamber using natural gas. The temperature control system has been adapted to the special requirements imposed by gas turbine operation. For this, the difficult measurable flame temperature is calculated from the measured air-coefficient variable (λ-value) by means of a thermal balance assuming an adiabatic combustion. A model was prepared for the burner and adjacent processes as a basis for the design of the control system. The concept is based on three major components: Firstly, the supply of combustion air is precontrolled rapidly, but inaccurately and subsequently subjected to underlayed control. Secondly, the accuracy of this control system is improved by a slow higherlevel temperature control. Thirdly, accuracy is improved still further by means of adaptation. The efficiency of the control concept is demonstrated with the use of simulations and trials on a burner prototype, repectively.

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