DE3811293A1 - Brennkammer einer gasturbine - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkammer einer Gasturbine und eine Schaltung zum Betrieb einer solchen Brenn­ kammer.

STAND DER TECHNIK

Aus EP-00 59 490 ist eine Brennkammer bekannt geworden, bei welcher der eigentliche Brennraum durch radiale und durch in Umfangsrichtung verlaufende Plattenkanäle oder durch radiale Plattenkanäle und Längsrohre, Radialrohre sowie Ringrohre nabenförmig in eine große Zahl achsparalleler Kanäle für die Verbrennungsluft unterteilt ist, in welche aus Düsen in den Begrenzungswänden Brenngas eingeführt wird. Am Brenneraus­ tritt sind über den Stirnflächenbereich der Plattenkanäle bzw. Rohre Flammenhalterdüsen vorgesehen. Die dieser Brenn­ kammer zugrundeliegende Konzeption besteht darin, daß bereits vor der Zündzone eine an sich gute, innige Vermischung der vom Verdichter herausströmenden Luft mit dem gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoff stattfindet, so daß niedrige Temperatur­ spitzen entstehen, was eine gleichmäßige Temperaturverteilung vor der Gasturbine, woraus eine verminderte Stickoxidbildung aus der Verbrennung die Folge ist.

Ausgehend von der Tatsache, daß ein Brenner ideal in Betrieb geht, wenn für ein bestimmtes Intervall mehrere Parameter innerhalb einer engen Bandbreite gehalten werden können, ergibt es sich, daß außerhalb dieser Intervalle die Verbrennung unvollständig ist, die Flamme instabil brennt, die Abgasemissi­ onen zu hoch sind und die Zündung problematisch sein kann. Dabei haben sich folgende Parameter als relevant ergeben:

• a) Der Luftmassenstrom bzw. die Luftgeschwindigkeit,
• b) Die Lufttemperatur am Brennereintritt,
• c) Der Brennkammerdruck,
• d) Das Brennstoff/Luft-Verhältnis,
• e) Die Brennerblockierung, wobei hier das Flächenverhältnis vom versperrten zum lichten Querschnitt verstanden wird.

Während die Vergleichmäßigung der Luftgeschwindigkeit durch eine Lochplatte gemäß EP-00 59 490 zu erreichen ist, des weiteren, der Brennkammerdruck und das Brennstoff/Luft-Verhält­ nis durch an sich bekannte Maßnahmen zu erzielen ist, wie dies beispielsweise in der Zeitschrift "Turbomachinery Inter­ national", Vol. 28, No. 2, March/April 1987, page 16, vorge­ schlagen wird, verbleibt als gewichtige Störgröße die unter­ schiedliche Lufttemperatur am Brennereintritt. Veränderungen dieser Kerngröße haben zur Folge, daß die für eine bestimmte Temperatur am Brennereintritt ausgelegte Verbrennung nicht mehr optimal ablaufen kann, wodurch die NO _x und CO-Emissions­ werte rasant ansteigen.

Zwar ließe sich durch eine komplizierte Regelung der Brenner eine temperaturabhängige Verbrennung zustande bringen, wobei hierhin als flankierende Maßnahme eine langgestreckte Brenn­ kammer noch vorzusehen wäre. Diese Maßnahmen würden allerdings nicht greifen, wenn Temperatursprünge vorkommen oder die Brenn­ kammer für eine große Bandbreite an Betriebseigenschaften auszulegen wäre.

AUFGABE DER ERFINDUNG

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, die Minimierung der aus der Verbrennung entstehen­ den Emissionen zu erzielen, unabhängig welche Temperaturen jeweils vor dem Brenner vorherrschen.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß durch eine fallspezifische Aufbereitung der Verbrennungs­ luft im Bereich der Flächenbrenner den letzten in Strömungs­ richtung im Einsatz stehenden Flächenbrenner ein Luft/Brenn­ stoffgemisch zugeführt wird, dessen Temperatur sich in engen Grenzen hält, d.h., der eigentlich temperaturbildende Flächen­ brenner kann die Verbrennung des Gemisches von einer optimalen Stufe aus aufnehmen, infolgedessen auch, bezüglich Emissions­ werte, eine optimale Verbrennung gewährleisten. Damit bewirken andere Parameter-Anschläge keine negativen Auswirkungen mehr auf die Qualität der Verbrennung, insbesondere vermögen Verände­ rungen des Luftmassenstromes die Betriebslöschgrenze nicht zu tangieren.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsge­ mäßen Aufgabenlösung sind in den abhängigen Ansprüchen gekenn­ zeichnet.

Im folgenden werden anhand der Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Es zeigt:

Fig. 1 zwei gleiche Kanalquerschnitte einer Brennkammer mit Brennern verschiedener Blockierung,

Fig. 2 eine graphische Darstellung der mageren Löschgrenze in Funktion des Luftmassenstromes,

Fig. 3 eine weitere graphische Darstellung der NO _x -Emissionen in Funktion des Luftmassenstromes und

Fig. 4 zwei in Serie geschaltete Brenner mit unterschiedlicher Blockierung.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Fig. 1 zeigt zwei Brenner A, B mit verschiedener Blockierung, die in einem Zuströmungskanal 1 mit einem bestimmten Luftmassen­ strom m plaziert sind. Unter dem Ausdruck "Blockierung" versteht man, wie bereits vorne erwähnt wurde, das Verhältnis aus ver­ sperrter Stirnfläche F _A , F _B eines Brenners A, B zum entsprechen­ den Kanalquerschnitt Fo, d.h. zur lichten Weite dieses Kanals.

Die hier in Betracht gezogenen Brenner haben eine unterschied­ liche Blockierung: Brenner A hat eine Blockierung α _A , also < 0,5, während der Brenner B eine größere Blockierung α _B, also < 0,7 aufweist. Selbstverständlich sind die hier zugrundegelegten Blockierungen als Beispiele zu betrachten, aufgrund deren sich die nachfolgenden Betrachtungen bezüglich Löschgrenze (Fig. 2), NO _x -Emissionen (Fig. 3) und Betrieb (Fig. 4) beziehen, dies in Abhängigkeit einer bestimmten Tempe­ ratur To und Druck (po) vor dem jeweiligen Brenner. Aufgrund dieser Betriebsgrößen wird die Brennstoffzufuhr 2 abgestimmt, wobei mengenmäßig zu unterscheiden ist, ob mit flüssigem und/oder gasförmigem Brennstoff gefahren wird. Die hier in Fig. 1 gezeigten Brenner A, B weisen eine Vielzahl von schmalen Kanälen - entsprechend der gewählten Blockierung - auf, die nebeneinander in einer Ebene in die nicht ganz dargestellte Brennkammer münden, sonach haben diese Brenner geometrisch die Form von Flächenbrennern. Sie führen der Brennkammer Luft m und Brennstoff 2 zu. Die Flammenstabilisierung erfolgt an den vorzugsweise scharfkantig ausgebildeten Austrittsöffnungen der Kanäle. Was die Querschnitts-Geometrie der Kanäle anbelangt, so besteht hierfür keine für alle Brennkammervarianten ein­ heitliche Form. Wird eine schmale Luftströmung angestrebt, so wird man die einzelnen Kanäle rechteckig ausbilden, was sie gegenüber den runden noch den weiteren Vorteil haben, daß die Zwischenstege in Umfangsrichtung allseitig minimiert werden können, so daß an der Austrittsfläche der Brenner A, B keine tote Zone entstehen, welche immer die Gefahr in sich bergen, Verwirbelung entstehen zu lassen. Solcherart aufgebaute Brenner lassen einzelne, angemessen voneinander getrennte und recht kurze Flammen entstehen. Die jeweiligen Flammenwurzeln mit den Stabilisierungspunkten befinden sich über den Stegen, die zwei Kanäle voneinander trennen. An sich können Luft und Brennstoff im Zuströmungskanal 1 vor Eintritt in die Brenner A, B vermischt werden. Man spricht dann von einer Vorkammermischung, wobei der jeweilige Brenner dann wie ein Flammenhalter wirkt. Vorliegend wird aber als Beispiel die sogenannte Kanalmischung näher erläutert, bei welcher der Brennstoff im Inneren der Kanäle dem Luftstrom m beige­ mischt wird. Bei einem solchen Aufbau ist es möglich, die Zuführung des Brennstoffes zu den einzelnen Kanälen selektiv zu gestalten. Dadurch ist es möglich, die Last mit einfachster Schaltung zu variieren; danebst ist es auch möglich, einzelne Kanäle für die Zuführung von Sekundärluft zu reservieren. Die Temperaturspitzen der heißen Abgase jeder Flamme können durch letztgenannte Maßnahme unmittelbar und sehr effizient herabgesetzt werden, was bekanntlich bewirkt, daß die NO _x -Werte minimiert werden, da die Abgase nur kurze Zeit in Meßzonenbe­ reichen verbleiben. Bei Wahl einer geeigneten Dimensionierung zwischen den mit Brennstoff oder mit Sekundärluft beaufschlagten Kanäle läßt sich, bei gleichbleibender Gesamtluftzahl, die Luftzahl in der Primärzone verändern und optimieren. Insbe­ sondere bei Ringbrennkammern lassen sich die Brenner aus mehre­ ren in Umfangsrichtung ineinandergefügten Teilsektoren herstell­ en, welche sich bei Revisionen der Auswechselung leicht demon­ tieren lassen, dies beispielsweise wenn eine andere Blockie­ rungsgeometrie verlangt ist. So gesehen, lassen sich die Brenner vorzüglich aus einem keramischen Werkstoff herstellen, wodurch dann die Temperatur- und Korrosionsprobleme, insbesondere bei Verfeuerung schwefelhaltiger Brennstoffe, weitgehend ver­ mieden würden. Die Länge der Brenner A, B in Strömungsrichtung können eine beliebige Größe aufweisen, diese ist weitgehend von der Leistung der Brennkammer und vom Querschnitt des Flammen­ rohres oder der Brennzone 1 a abhängig.

Ob der Betrieb der Brenner A, B durch die Kanalmischung oder Kammermischung aufrechtzuerhalten ist, hängt von der ange­ strebten Stabilität der Flamme stromabwärts des Brennerkörpers ab. Tendentiell läßt sich sagen, daß die Vorkammermischung mit ihren weit höheren Geschwindigkeitsgradienten eine höhere Stabilität erlaubt, denn die bei der Kanalmischung immanente Gefahr, daß die Sekundärluft die Konsistenz der Flamme ab­ magern könnte, ist hier nicht zu befürchten.

Bild 2 zeigt die magere Löschgrenze Y in Funktion des Luftmas­ senstromes m für die zwei in Fig. 1 zugrundegelegten Brenner A, B, dies bei denselben Bedingungen bezüglich Temperatur To und Druck (po) vor dem Brenner. Bei einem Betriebspunkt P läuft der Brenner A bezüglich Zündverhaltens, Stabilität, Verbrennungswirkungsgrades ideal, der andere Brenner B - mit größerer Blockierung α - hingegen problematisch, weil der Betriebspunkt P hier nahe der Löschgrenze dieses Brenners liegt.

Anders liegt der Fall bezüglich der NO _x -Emissionen (Fig. 3 Ordinate Z) in Funktion des Luftmassenstromes m, wie dies aus Fig. 3 ersichtlich ist. Bei dem Betriebspunkt P gibt der Brenner B viel niedrigere NO _x -Emissionen als der Brenner A, dies immer bei denselben Bedingungen bezüglich Lufttemperatur To und Druck (po) vor dem Brenner bei gegebener Luftzahl.

Erhöht man die Lufttemperatur To vor dem Brenner B, so bewegt sich die Löschgrenze (Fig. 2 Ordinate Y) und die NO _x -Bildung (Fig. 3, Ordinate Z) des Brenners B Richtung Kurve des Brenners A. Diese Verschiebung ist in beiden Fig. 2 und 3 durch die gestrichelte Kurve B′ versinnbildlicht.

Durch eine Serienschaltung der Brenner A und B, gemäß Fig. 4, läßt sich der Bereich einer idealen Verbrennung vergrößern, indem bei jedem Betriebspunkt P durch Variation der Tempe­ ratur T ₂ vor dem Brenner B die optimale Löschgrenze (siehe Fig. 2, Ordinate Y) und NO _x -Bildung (siehe Fig. 3, Ordinate Z) angestrebt wird. Nun ist es so, daß die angelieferte Luft, welche über weite Strecken unterschiedliche Temperaturen auf­ weist, einer idealen Verbrennung entgegenwirkt. Technisch läßt sich eine Vergleichmäßigung der Lufttemperatur bei Bedarf durch Inbetriebnahme des Brenners A erreichen.

Dieser Brenner A erfüllt somit die Funktion, die Luft best­ möglich ideal dem nachfolgenden Brenner B zur Verfügung zu stellen. Sind die Bedingungen vor Brenner B ideal, so kann die Verbrennung auch ideal gestaltet werden, indem fallweise eine entsprechende Schaltung eingreift. Ob die beiden Brenner A, B wechselweise oder gemeinsam in Betrieb gehen, hängt von der Lufttemperatur T ₁ vor dem Brenner A und von der zu erzie­ lenden Betriebslufttemperatur T ₃ nach dem Brenner B ab. Aus Konstruktionsgründen bezüglich Größe der Blockierung α, Querschnittsfläche Fo, Zuströmungskanal 1 ist anzustreben, daß die Temperatur T ₂ der Luft oder des Luft/Brennstoff-Ge­ misches vor der Verfeuerung im Brenner B kleiner 700°C sein sollte. Wird nun ein Luftstrom mit einer Temperatur T ₁ zwischen -50°C und 400°C heran, und wird eine Arbeitsluft mit einer Temperatur T ₃ zwischen 300°C und 700°C verlangt, so ist es allgemein nachvollziehbar, daß der Brenner B nicht in Betrieb zu gehen braucht, denn der Brenner A vermag in idealer Verbrennung allein die erwünschte Arbeitslufttemperatur bereit­ zustellen. Anders aber, wenn bei gleichbleibender Temperatur T ₁ nach obigem Beispiel (T ₁ zwischen -50°C und 400°C) eine Arbeitsluft mit einer Temperatur T ₃ zwischen 700°C und 2000°C verlangt wird. Bei einer solchen Vorgabe sind beide Brenner A und B in Betrieb: Brenner A, um eine Lufttemperatur T ₂ bis zu 700°C bereitzustellen, Brenner B dann für die gewollte Steigerung der Lufttemperatur über diese Grenze. Wenn beispiels­ weise Luft mit einer Temperatur T ₁ von über 400°C angeliefert wird, und die Arbeitsluft nach deren Aufbereitung eine Tempe­ ratur T ₃ von nicht über 900°C aufweisen soll, so ist es nahe­ liegend, daß diese verhältnismäßig kleine Temperaturdifferenz allein durch Brenner B überbrückt werden kann, ohne daß des­ wegen die Verbrennung hinsichtlich Löschgrenze und NO _x -Emis­ sionen sich problematisch gestalten ließe. Anders aber, wenn Temperatur T ₁ plötzlich markant unter 400°C fällt: Um einer Kippung der Verbrennungsqualität entgegenzusteuern, müssen wiederum beide Brenner A und B in Betrieb gehen. An sich sind die Temperatureckpunkte nicht starr zu betrachten; in einem gewissen Rahmen lassen sich die Temperaturen T ₁, T ₃ auch leicht unter- oder überschreiten, ohne deswegen die nächst höhere Schaltung in Betrieb gehen zu lassen.

Während bei Ölbetrieb, also bei einer Temperatur T ₁ von größer 400°C und einer Temperatur T ₃ zwischen 800°C und 2000°C, auf die Inbetriebnahme des Brenners A verzichtet werden kann, geht bei Verbrennung mit einem gasförmigen Brennstoff bei gleicher Vorgabe auch der Brenner A in Betrieb, aber nur inso­ weit, als hier eine Luft/Gas-Vormischung mit einem Teil des Brennstoffes stattfindet, die eigentliche Verbrennung geschieht ausschließlich im Brenner B, wobei hier nur noch die restliche Brennstoffmenge zugemischt werden muß. Insbesondere bei dieser Konstellation ist es wichtig, daß der intermediäre Raum zwi­ schen den beiden Brennern A, B größtmöglichst erstreckt werden kann, wobei die Grenze hier einerseits von den geometrischen Möglichkeiten der Brennkammer selbst, andererseits auch von den thermodynamischen Gegebenheiten der Verbrennung (Strömungs­ inhomogenität, Grad der Vermischung etc.) bestimmt wird. Wird Brenner A nicht in Betrieb genommen, so konnte der Abstand der beiden Brenner A, B zueinander an sich gegen Null streben; andererseits muß berücksichtigt werden, daß jederzeit bezüg­ lich Lufttemperatur Konstellationen entstehen können, die die Inbetriebnahme beider Brenner A, B bedingen. Ein Intervall des Abstandes L zwischen 0,5-2 mal den Brennkammerquerschnitt kommt beiden Grundschaltungen optimal entgegen.

Eine feinere Unterteilung der Temperaturintervalle der Luft zwischen den einzelnen Brennern durch Zuschaltung weiterer Brenner brächte an sich gewisse Vorteile bezüglich Löschgrenze und NO _x -Emissionen, dies allerdings zu Lasten eines größeren Aufwandes hinsichtlich Schaltung der Brenner zueinander.

Konventionelle Brennkammern lassen sich, aus dem Gesagten, leicht durch die hier beschriebenen Brenner A, B nachrüsten.

Claims (7)

1. Brennkammer einer Gasturbine, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennkammerquerschnitt des Zuströmungskanals (1) in Strömungsrichtung durch mindestens zwei in Serie geschal­ tete mit flüssigem und/oder gasförmigem Brennstoff gespeisten Flächenbrenner (A, B) unterbrochen ist.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenbrenner (A, B) eine unterschiedliche Blockie­ rung aufweisen.

3. Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei zwei Flächenbrennern (A, B) der erste (A) in Strömungs­ richtung eine Blockierung von <0,5 und der zweite Flächen­ brenner (B) eine solche von <0,7 aufweist.

4. Brennkammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den beiden Flächenbrennern (A, B) 0,5-2 mal dem Brennkammerquerschnitt entspricht.

5. Schaltung zum Betrieb der Brennkammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit der Temperatur (T ₁) vor dem ersten Flächenbrenner (A) in Strömungsrichtung und der zu erzielenden Betriebstemperatur (T ₃) nach dem zweiten Flächenbrenner (B) folgende Schaltungen eingreifen:

• a) bei -50°C T ₁ 400°C und 300°C T ₃ 700°C Flächenbrenner (A) in Betrieb, Flächenbrenner (B) nicht in Betrieb.
• b) bei -50°C T ₁ 400°C und 700°C T ₃ 2000°C beide Flächenbrenner (A, B) in Betrieb.
• c) bei T ₁ 400°C und T ₃ 900°C Flächenbrenner (A) nicht in Betrieb, Flächenbrenner (B) in Betrieb.

6. Schaltung zum Betrieb der Brennkammer nach den Ansprüchen 3 und 5, bei welcher ein gasförmiger Brennstoff zum Einsatz kommt, dadurch gekennzeichnet, daß bei T ₁ 400°C und 800°C T ₃ 2000°C der erste Flächenbrenner (A) nicht in Betrieb und der zweite Flächenbrenner (B) in Betrieb ist, wobei dem ersten Flächen­ brenner (A) einen Brennstoffanteil für die Vormischung zugeführt wird.

7. Schaltung zum Betrieb der Brennkammer nach den Ansprüchen 3 und 5, bei welcher ein flüssiger Brennstoff zum Einsatz kommt, dadurch gekennzeichnet, daß bei T ₁ 400°C und 800°C T ₃ 2000°C der erste Flächenbrenner (A) nicht in Betrieb und der zweite Flächenbrenner (B) in Betrieb ist.