DE3854666T2 - Gasturbinenbrenner. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen Gasturbinenbrenner gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei dem der Brennstoff und die Luft vor der Verbrennung vermischt werden.
• Thermisches NOX, das durch Oxidation des Stickstoffs in der Luft bei der Verbrennung in einer Hochtemperaturatmosphäre gebildet wird, nimmt einen großen Anteil der Stickoxide (NOX) ein, die bei der Verbrennung eines gasförmigen Brennstoffs mit kleinen Mengen an Stickstoff, wie z.B. verflüssigtes Erdgas (LNG), entstehen. Es ist bekannt, daß die Entstehung des thermischen NOX in Abhängigkeit von der Temperatur erheblich variiert, d.h., daß die entstehende Menge mit zunehmender Flammentemperatur ansteigt und sprunghaft wächst, wenn die Temperatur 1500 ºC übersteigt. Die Flammentemperatur verändert sich in Abhängigkeit vom Brennstoff-Luft-Mischungsverhältnis und wird am höchsten, wenn der Brennstoff mit einer Luftmenge verbrannt wird, die nicht zu groß ist oder zur vollständigen Verbrennung des Kraftstoffs ausreicht, d.h., wird am höchsten, wenn der Brennstoff in der Nähe eines theoretischen Luftbedarfs verbrannt wird. Zur Unterdrückung der NOX-Bildung muß die Flammentemperatur gesenkt werden. Die Flammentemperatur kann durch ein Verfahren gesenkt werden, bei dem zur erheblichen Temperatursenkung Wasser oder Dampf in die Brennkammer eingeblasen wird, oder durch ein Verfahren, bei dem der Brennstoff unter der Bedingung verbrannt wird, daß das Mischungsverhältnis von Brennstoff und Luft auf einen Wert größer als der theoretische Luftbedarf erheblich gesteigert oder umgekehrt erheblich gesenkt wird. Das Einblasen von Wasser oder Dampf hat jedoch ein neues Problem, d.h., die Senkung der Turbinenleistung, zur Folge.
• In einem herkömmlichen Brenner mit einer sog. Diffusionsflamme wird der Brennstoff und die Luft über getrennte Düsen zugeführt und in dem Brenner vermischt und verbrannt, um die Flamme zu stabilisieren und ein Rückschlagen zu vermeiden. Beim Vermischen des Brennstoffs und der Luft tritt jedoch ein Bereich auf, in dem das Luftverhältnis (Verhältnis von zugeführter Luftmenge zum theoretischen Luftbedarf) in die Nähe von 1 gelangt und die Flammentemperatur dort lokal hoch ist. Das bedeutet, daß ein Bereich entsteht, in dem NOX in großen Mengen gebildet, d.h., in großen Mengen ausgestoßen wird.
• Im Gegensatz zum Brenner mit Diffusionsflamme gibt es einen Brenner mit Vormischflamme, bei dem eine gegenüber dem theoretischen Luftbedarf größere Luftmenge und der Brennstoff im voraus vermischt und in die Brennkammer eingespeist werden. In der Vormischflamme mit einem hohen Luftverhältnis wird der Bereich mit den lokal hohen Temperaturen vermieden und eine geringere Menge an NOX wird ausgestoßen. Die Vormischflamme bleibt am stabilsten, wenn das Luftverhältnis in der Nähe von 1 ist, neigt jedoch dazu ausgeblasen zu werden, wenn die Zufuhrgeschwindigkeit ansteigt. Wenn die Zufuhrgeschwindigkeit gering ist, tritt die Plamme darüber hinaus in die Düsen ein und verusacht einen Rückschlag. In den Brenner einer Gasturbine muß das Vormischgas aus Brennstoff und Luft mit einer hohen Geschwindigkeit von üblicherweise 40 m/s bis 70 m/s eingespritzt werden, wobei sich die Flamme bei derart hohen Zufuhrgeschwindigkeiten jedoch nicht einfach bildet.
• In der JP-A-22 127/1986 ist ein Brenner beschrieben, bei dem der Brennstoff getrennt zugeführt wird, wobei ein Teil zur Bildung der Diffusionsflamme und der Rest zur Bildung der Vormischflamme verwendet wird und wobei die relativ stabile Diffusionsflamme oder das durch die Diffusionsflamme gebildete Brenngas mit einer hohen Temperatur zur Zündung der Vormischflamme verwendet wird. Dieser Brenner ermöglicht die Senkung der NOX-Menge im Vergleich zum konventionellen Brenner mit Diffusionsflamme. Die NOX-Menge kann gesenkt werden, wenn die Strömungsrate des für die Diffusionsflamme verwendeten Brennstoffs gesenkt und die Brennstoffströmungsrate der Vormischflamme erhöht wird. Die Flamme verliert jedoch an Stabilität, wenn die Vormischrate ansteigt und die Senkung der NOX-Emission ist begrenzt.
• Die vom Gasturbinenbrenner erzeugte NOX-Menge kann gesenkt werden, wenn die instabile Vormischflamme stabilisiert wird und wenn das Gasturbinen-Brennsystem eine vollständige Vormisch-Verbrennung aufweist.
• Wenn das Gasturbinen-Brennersystem eine vollständige Vormisch-Verbrennung aufweist, wird während geringer Last eine große Luftmenge im Vergleich zur Brennstoffmenge zugeführt, wodurch das Gemisch mager wird und schwierig zu zünden ist. Während des Betriebs unter hoher Last werden sowohl die Brennstoffzufuhr als auch die Luftzufuhr erhöht, wodurch die Strömungsrate des Vormischgases weiter ansteigt und zu einem Ausblasen der Vormischflamme führt.
• Die US-A-4 237 694 offenbart einen Gasturbinenbrenner mit einer im wesentlichen zylindrischen Brennkammer und einer einzelnen Hauptgasdüse, die in der Endwand der Brennkammer zentrisch angeordnet ist. Vor der Hauptgasdüse ist eine zylindrische Mischkammer angeordnet, die über mehrere radial gerichtete Gaszufuhröffnungen mit einem Ringkanal verbunden ist. Eine um die Hauptdüse konzentrisch angeordnete Zusatzgasdüse ist mit einer Ringkammer zum Vermischen der Luft mit einer Brenngasmenge zu einem vorgemischten Zusatzgas verbunden, das aus der einzelnen Zusatzdüse ausströmt. Die Endwand der Brennkammer und die Zusatzdüse sind so ausgebildet, daß der Zusatzgasstrom einen Wirbelring um die Hauptdüse bildet. Die Brenngaszufuhr zur Hauptdüse und zur Zusatzdüse kann in Abhängigkeit eines Parameters der Gasturbine gesteuert werden, so daß bei geringer Leistung ein Hauptteil des Brenngases der Zusatzdüse zugeführt wird, während bei einer geringen Leistung der Hauptteil des Brenngases durch die mittig angeordnete Hauptdüse eingespritzt wird.
• Aus der US-A-3 919 840 ist eine Vorrichtung zum Vermischen von Strömungsfluiden mit ungleicher Verwirbelung in der Brennzone einer Ringbrennkammer bekannt. Zur Beschleunigung der Verbrennung wird das Mischungsverhältnis zwischen dem kalten Brennstoff-Luft-Gemisch und den heißen Verbrennungsprodukten in der Verdünnungszone der Ringbrennkammer erhöht. Das heiße Abgas strömt mit geringerer Energie in Umfangsrichtung in einen äußeren Ringkanal, während das kalte Erenngasgemisch mit höherer Energie in einen inneren Ringkanal strömt. Zwischen dem inneren und äußeren Ringkanal ist eine Trennwand angeordnet.
• In der EP-A-0 095 788 ist eine Brenkammer einer Gasturbine offenbart, in der eine getrennte Luftverteilungskammer durch mehrere beabstandete Rohrelemente mit dem Brennraum für die Vormischung des getrennt zugeführten Brennstoffs mit Druckluft verbunden ist. An dem inneren Ende jedes Rohrelements ist eine Verwirbelungskammer vorgesehen, in welcher der durch das Rohr zugeführte Brennstoff und eine Luftmenge vermischt und durch eine speziell ausgebildete Diffusions-Hauptdüse sofot in die Brennkammer eingespritzt wird, Zwischen dem Brennstoffrohr und dem äußeren Rohrelement ist eine ringförmige Mischkammer vorgesehen, in der eine Luftmenge mit einem Teil des Brennstoffs aus dem Brennstoffrohr vermischt wird. Dieses Gemisch wird einer ringförmigen Zusatzdüse zugeführt, die an dem inneren Ende des Rohrelements um jede der Hauptdüsen ausgebildet ist. Während des Lastbetriebs der Turbine sollte 90 bis 95 % der Brennstoffmenge als Zusatz-Gasgemisch durch die ringförmigen Zusatzdüsen und lediglich 5 bis 10 % als Haupt-Gasgemisch durch die mittigen Hauptdüsen eingespritzt werden. Die Mehrzahl der Haupt- und Zusatzdüsen sind in mehrere Gruppen unterteilt, die getrennt in einer vorbestimmten Weise entsprechend der Turbinenlast gesteuert werden.
• Aufgabe der Erfindung ist es, einen Gasturbinenbrenner und ein Verfahren zur Verbrennung zu schaffen, mit denen eine stabile Verbrennung eines mageren Vormischgases mit einem Luftverhältnis größer als 1 von einer niedrigen Last bis zu einer hohen Last der Gasturbine ermöglicht wird.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 (Brenner) bzw. Anspruch 12 (Brennverfahren) gelöst.
• Gemäß der Erfindung wird an den Fuß der Brennflamme mit hohem Luftverhältnis ständig eine stabile Zusatzflamme gebildet, um die Hauptflamme aufrecht zu erhalten, die mit hohen Geschwindigkeiten brennt. Daher ist das Gasturbinen-Brenn- System ein vollständiges Vormisch-Brennsystem. Wenn daher eine magere Verbrennung bei einer Einstellung des Luftverhältnisses des Brennstoff-Luft-Gemischs für die Hauptflamme größer als 1 durchgeführt wird, können die Mengen an NOX und CO gesenkt werden, welche die vom Gasturbinenbrenner erzeugten Schadstoffe sind.
• Kurzbeschreibung der Zeichnungen:
• Fig. 1 ist ein Querschnitt eines Teils eines erfindungsgemäßen Gasturbinenbrenners;
• Fig. 2 ist ein Querschnitt entlang der Linie II-II von Fig. 1;
• Fig. 3 ist ein Querschnitt eines Düsenteils von Fig. 1 im Detail;
• Fig. 4 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Turbinenlast und dem Öffnungsgrad der in Fig. 1 dargestellten Ventile zeigt;
• Fig. 5(a) und 5(b) sind Diagramme, die die Beziehungen zwischen der erzeugten NOX-Menge und der erzeugten CO-Menge zeigen, wenn das Vormischgas während der Veränderung des Luftverhältnisses verbrannt wird;
• Fig. 6(a) und 6(b) sind Diagramme, die die Abgaszusammensetzung des erfindungsgemäßen Brenners bis zu einem Bereich eines Luftverhältnisses von 3,6 zeigen;
• Fig. 7 ist ein Diagramm, das die Abgaszusammensetzung der Flamme in der Radialrichtung der Düse zeigt;
• Fig. 8 ist ein Querschnitt, der einen Teil des Gasturbinenbrenners gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung zeigt;
• Fig. 9 ist ein Querschnitt entlang der Linie IX-IX von Fig. 8; und
• Fig. 10 ist ein Kenngrößendiagramm, das die Beziehungen zwischen der Lastveränderung und dem Kraftstoffzufuhrsystem in dem Gasturbinenbrenner von Fig. 8 zeigt.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
• Fig. 1 ist ein Querschnitt eines erfindungsgemäßen Gasturbinenbrenners. Ein Innenzylinder 20 ist konzentrisch in einem Außenzylinder 10 angeordnet und ein Ringraum zwischen dem Außenzylinder 10 und dem Innenzylinder 20 bildet einen Luftkanal 12 zur Einleitung der vom Kompressor eingeblasenen Luft zum Kopfteil des Innenzylinders. An dem Kopf des Innenzylinders 20 befinden sich doppelte Endwände 11 und 12 und in der inneren Endwand 11 sind Hauptdüsen 14 und diese umgebende Hilfsdüsen 15 über deren gesamten Oberfläche gemäß Fig. 2 ausgebildet. Die Hauptdüsen 14 sind am rechten Ende der Vormischzylinder 16 gebildet, die sich an der Seite der äußeren Endwand 12 erstrecken und diese durchsetzen. Die Vormischzylinder 16 leiten die Luft von einer Luftkammer 17 an der linken Seite der Endwand 12 ein. Brennstoffzufuhrrohre 18 sind in den Vormischzylindern 16 eingesetzt und der von den Enden der Brennstoffzufuhrrohre 18 eingespritzte Brennstoff wird mit der Luft vermischt, wenn diese durch die Zylinder 16 strömt, wodurch ein Vormischgas gebildet wird. Zusatzdüsen 15 sind mit zusätzlichen Vormischkammern 30 zwischen den Endwänden 11 und 12 verbunden. Die Kammern 30 werden mit einem gleichmäßig vorgemischten Gas von einem Venturi-Mischer 31 versorgt. Die Hochdruckluft wird in den Mischer 31 durch eine Einführungsplatte 26 über ein Luft-Einstellventil 40 eingeleitet und der unter Atmosphärendruck eingestellte Brennstoff wird zur Bildung eines gleichmäßigen Vorgemisches angesaugt. Die Brennstoffzufuhrrohre 18 sind mit einem Haupt-Brennstoffeinstellventil 60 über Abschaltventile 50 verbunden, die für jedes der Rohre 18 vorgesehen sind. Die Ventile 50 und 60 werden nach Anweisungen von einer Steuereinrichtung 70 gesteuert, welche die Last der Gasturbine und Drehzahlsignale erhält.
• Die Abschaltventile 50 sind bei Erhalt eines Öffnungssignals von der Steuereinrichtung 70 vollständig geöffnet und ansonsten vollständig geschlossen. In Fig. 1 sind lediglich vier Abschaltventile dargestellt. Es sind jedoch für alle Kraftstoffzufuhrrohre 18 Abschaltventile vorgesehen. Diese Ausführung weist 19 Abschaltventile auf. Die Anzahl der sich öffnenden Abschaltventile steigt mit dem Anwachsen der Turbinenlast an, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist. Auf der anderen Seite verändert sich der Öffnungsgrad des Einstellventils 60 nahezu proportional zur Turbinenlast. Das Einstellventil 40 behält nahezu einen konstanten äf fnungsgrad (etwa 10 %) unabhängig von der Turbinenlast bei. Die in die zusätzlichen Vormischkammern 30 eingeleitete Vorgemisch wird in dem Mischer 31 auf ein Luftverhältnis oberhalb eines Bereichs von 0,8 bis 1,2 vorgemischt. Das Luft- Einstellventil 40 ist darüber hinaus so eingestellt, daß die Einspritzgeschwindigkeit von den Zusatzdüsen 50 im wesentlichen gleich der Verbrennungsgeschwindigkeit ist.
• Zum Betrieb der Gasturbine wird zuerst das Einstellventil 40 für die Zusatzflamme zur Bildung des zusätzlichen Vorgemisches durch den Mischer 31 geöffnet. Anschließend wird das von den Zusatzdüsen 15 eingespeiste Vorgemisch durch nicht dargestellte Zündkerzen gezündet. Das zusätzliche Vorgemisch hat ein Luftverhältnis in der Nähe von 1, d.h., liegt zwischen 0,8 und 1,2, und die Zufuhrgeschwindigkeit ist nahezu gleich der Verbrennungsgeschwindigkeit, d.h. 0,4 m/s. Daher wird das zusätzliche Vorgemisch zuverlässig gezündet und hält die Verbrennung nach der Zündung stabil.
• In diesem Fall sind die Abschaltventile 50 meistens geschlossen und die Luft wird nur von den Hauptdüsen 14 eingeblasen. Der Öffnungsgrad des Einstellventils 60 steigt in Abhängigkeit von Lastsignalen der Turbine schrittweise an und die Abschaltventile 50 werden bei einem vorbestimmten Befehl geöffnet. In den Vorschmischzylindern 16 wird daraufhin ein Vorgemisch gebildet und mit hoher Geschwindigkeit von den Hauptdüsen 14 eingespeist. Das von den Hauptdüsen 14 eingespeiste Vorgemisch wird durch eine darum gebildete Zusatzflamme 80 (Fig. 3) gezündet, um eine Hauptflamme 90 zu erhalten.
• Wenn die Abschaltventile 50 aufeinanderfolgend geöffnet werden, nimmt die Anzahl der durch die Hauptdüsen 14 gebildeten Flammen schrittweise ab und die Flammen werden durch sämtliche Hauptdüsen 14 unter Nennlast gebildet. In einer Gasturbine zur Erzeugung von Elektrizität dreht sich die Turbine im allgemeinen mit einer konstanten Geschwindigkeit bei einer Last von 0 % bis 100 % und dem Brenner wird eine nahezu konstante Luftmenge zugeführt. Daher strömt eine nahezu konstante Luftmenge von der Luftkammer 17 in die Vormischzylinder 16.
• Auf der anderen Seite verändert sich die durch das Stellventil 60 strömende Brennstoffmenge nahezu proportional zur Turbinenlast. Da sich jedoch die Anzahl der öffnenden Abschaltventile 50 in Abhängigkeit von der Brennstoffmenge ändert, bleibt die den Vormischzylindern zugeführte Brennstoffmenge pro geöffnetem Abschaltventil nahezu gleich und das Luftverhältnis des in den Vorschmischzylindern 16 gebildeten Gasgemischs verändert sich nicht wesentlich. Bei dieser Ausführung ist das Luftverhältnis daher auf 1,2 bis 2,5 eingestellt.
• Bei dieser Ausführung, bei der das Luftverhältnis des Vormischgases in den Zusatzdüsen 15 zur Aufrechterhaltung der Flamme in der Nähe von 1 eingestellt ist, ist es nicht sehr wahrscheinlich, daß die Flamme ausgeblasen wird, sogar wenn das Vorgemisch von den Hauptdüsen 14 mit einer Geschwindigkeit größer als 20 m/s und vorzugsweise bei einer Geschwindigkeit von 40 m/s bis 70 m/s eingespeist wird. Da die Luft darüber hinaus von den Hauptdüsen 14 bei einer Geschwindigkeit von 20 m/s bis 70 m/s konstant zugeführt wird, tritt auch kein Rückschlag auf.
• Selbst wenn das Vorgemisch von den Hauptdüsen 14 derart mager ist, daß es ein Luftverhältnis von 1,5 oder mehr aufweist, wird die Verbrennung aufgrund der Zusatzflamme stabil aufrecht erhalten.
• Die Fig. 5(a), 5(b) und 6(a), 6(b) zeigen Beziehungen zwischen der erzeugten NOX-Menge und den Mengen an H&sub2; und CO, die erzeugt werden, wenn das Vorgemisch bei verändertem Luftverhältnis verbrannt wird. Fig. 5(a), (b) zeigt die Untersuchungsergebnisse des Abgases vom Verbrennungszylinder, wenn die Vormischflamme in dem Verbrennungszylinder mit einem Innendurchmesser von 90 mm und einer Höhe von 346 mm gebildet wird, und Fig. 6(a), (b) zeigt die Untersuchungsergebnisse des Abgases vom Verbrennungszylinder, wenn die Vormischflamme in dem Verbrennungszylinder mit einem Innendurchmesser von 208 mm und einer Höhe von 624 mm gebildet wird, in beiden Fällen unter denselben Verbrennungsbedingungen.
• Fig. 6(a), (b) zeigt die Analyse des Abgases bis zu dem Bereich eines Luftverhältnisses von 3,6. In den Fig. 6(a) und 5 (b), in denen die Hauptflamme mit dem Luftverhältnis von 1,3 bis 1,8 gebildet wurde, betrug die NOX-Menge weniger als 100 ppm, wie durch die Kurve 221 dargestellt, und CO und H&sub2; wurden nicht immer gebildet, wie durch die Kurven 231 und 241 gezeigt ist. Selbstverständlich weist der Sauerstoff ein durch eine Kurve 251 gezeigtes Verhalten auf.
• Im Hinblick auf dieses Verhalten sind scheinbar große Mengen an Stickoxiden erzeugt worden, da das Luftverhältnis des Vorgemisches in den Zusatzdüsen in der Nähe von 1 liegt. Insgesamt sind jedoch nur geringe Mengen an NOX erzeugt worden, da das Brennstoffverhältnis der Zusatzflamme etwa 10 % beträgt.
• In Fig. 7 wurde das Brenngas an einem Punkt gesammelt und analysiert, der 5 mm von der Hauptdüse (mit einem Innendurchmesser von etwa 26 mm) stromabwärts entfernt war, wobei die Sonde, in der Radialrichtung vom Mittelpunkt der Düse bewegt wurde, um die Verbrennungsbedingungen in der Hauptflamme und in der Nähe der Zusatzflamme zu untersuchen. Wie aus Fig. 7 hervorgeht, wird in der Hauptflamme CH&sub4; nahezu nicht verbrannt, während es in Richtung zur Zusatzflamme verbrennt und über der Zusatzflammendüse zu 100 % verbrennt. Diese Tatsache zeigt, daß die Flamme zuverlässig übertragen wird von der Zusatzflamme der Zusatzdüse zum Vorgemisch der Hauptdüse. Die Größe des bei dieser Ausführung verwendeten Brenners ist wie folgt Die Hauptdüse hat einen Innendurchmesser von 26 mm, der die Hauptdüse umgebende Abstandshalter hat eine Dicke von 2 mm und die Zusatzdüse hat eine Weite von 2 mm.
• Fig. 8 zeigt einen Gasturbinenbrenner, bei dem mehrere Hauptdüsen in der Endwand an der Kopfseite des Brennerinnenzylinders in drei Gruppen aufgeteilt sind und die den Düsengruppen zugeführte Brennstoffmenge unabhängig gesteigert oder gesenkt wird, so daß das Luftverhältnis des von den Hauptdüsen eingespeisten Brennstoff-Luftgemisches im Bereich von 1,2 bis 2,5 liegt, wenn die Turbinenlast sich über einen Bereich von 20 % bis 100 % ändert, um so die von dem Brenner erzeugten NOX- und CO-Mengen zu reduzieren. Die Nummern der Hauptdüsen in der Vorderansicht des Brenners gemäß Fig. 9 stellen Klassifikationsnummern der in drei Gruppen aufgeteilten Hauptdüsen dar. Jede Düsengruppe hat vier Hauptdüsen. Die Bezugszeichen 61, 62 und 63 bezeichnen Strömungsraten-Einstellventile, d.h., 61 bezeichnet das Einstellventil für die Erhöhung oder Verringerung der zur zweiten Düsengruppe geführten Brennstoffmenge, 62 bezeichnet das Einstellventil für die erste Düsengruppe und 63 bezeichnet das Einstellventil für die dritte Düsengruppe. Das Bezugszeichen 19 bezeichnet einen Brenner für eine Diffusionsflamme für die Zündung der durch die Zusatzdüsen gebildeten Zündflamme. Nachdem die Zündflamme für die Zusatzdüsen gebildet wurde, wird dem Brenner 19 kein weiterer Brennstoff zugeführt und dessen Flamme erlischt.
• Fig. 10 zeigt Veränderungen in der den Düsengruppen Zugeführten Brennstoffmenge, wenn die Last des Gasturbinenbrenners von Fig. 8 verändert wird. Der ersten Düsengruppe wird alleine Brennstoff zugeführt, wenn sich die Turbinenlast im Bereich von 0 bis 39 % befindet. Wenn das Luftverhältnis des von den Hauptdüsen eingespeisten Brennstoff-Luftgemischs den Wert 1,25 erreicht hat, wird die Brennstoffzufuhr derart verringert, daß das Luftverhältnis 2,5 wird. Gleichzeitig wird der zweiten Düsengruppe Brennstoff Zugeführt, so daß das Luftverhältnis 2,5 wird und die der ersten Düsengruppe zugeführte Brennstoffmenge wird unter der Bedingung erhöht, daß die der zweiten Düsengruppe Zugeführte Brennstoffmenge konstant gehalten wird, um so die Turbinenlast von 39 % auf 60 zu steigern. Wenn das Luftverhältnis des Brennstoff-Luft-Gemischs der ersten Düsengruppe den Wert 1,25 erreicht hat, wird die Brennstoffzufuhr derart verringert, daß das Luftverhältnis der ersten Düsengruppe 2,5 wird. Gleichzeitig wird der dritten Düsengruppe Brennstoff derart zugeführt, daß das Luftverhältnis 2,5 wird und die den ersten, zweiten und dritten Düsengruppen zugeführten Kraftstoffmengen werden bei einer Turbinenlast von 60 % bis 100 % proportional gesteigert. Bei einer Turbinenlast von 100 % wird der Gasturbinenbrenner derart betrieben, daß das Luftverhältnis des von den ersten, zweiten und dritten Düsen eingespeisten Brennstoff-Luftgemisches 1,5 ist.
• Unter den in Fig. 10 gezeigten Gasturbinen-Betriebsbedingungen liegt das Luftverhältnis des von den ersten, zweiten und dritten Düsengruppen eingespeisten Brennstoff-Luftgemischs zwischen 1,25 und 2,5 über einem Bereich der Turbinenlast von 20 % bis 100 %. Wie aus den Fig. 6(a) und 6(b) hervorgeht, ist die Menge des erzeugten NOX geringer als 100 ppm über dem Luftverhältnisbereich von 1,25 bis 2,5 und unverbrannte Bestandteile, die CO, H&sub2; und CH&sub4; enthalten, werden nur in geringen Mengen erzeugt. Man kann daher sagen, daß das Verfahren zum Betrieb des Gasturbinenbrenners auf effektive Weise für Gasturbinen-Verbrennungssysteme eingesetzt werden kann, die nur eine geringe NOX-Erzeugung erlauben.
• Wie vorstehend erläutert wurde, wird die mit geringer Geschwindigkeit zugeführte Zusatzflamme gemäß der Erfindung zur Zündung der mit hoher Geschwindigkeit zugeführten Vormischflamme (Hauptflamme) und zur Aufrechterhaltung der Flamme verwendet. Daher wird das Vorgemisch zur Bildung der Zündflamme für die Aufrechterhaltung der Flamme bei einer Geschwindigkeit eingespeist, die der Verbrennungsgeschwindigkeit entspricht, d.h., wird mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,4 m/s zugeführt. Darüber hinaus wird Luftverhältnis zwischen 0,8 und 1,2 eingestellt, um die Erzeugung von NOX zu unterdrücken und ein Ausblasen zu vermeiden. Die gesamte Umgebung des mit hoher Geschwindigkeit eingespeisten Vorgemisches ist von der Zusatzflamme zur Aufrechterhaltung der Flamme umgeben, so daß die zur Aufrechterhaltung der Flamme erzeugte Wärme auf effektive Weise auf die Hauptflamme übertragen wird. Darüber hinaus ist zwischen dem Brenner für die Hauptflamme und dem Brenner für die Zusatzflamme ein Abstandshalter vorgesehen, so daß ein stabiler Verwirbelungsstrom zwischen dem Brenner zum Einspritzen des Vormischgases für die Hauptflamme und dem Brenner zur Einspritzen des Vormischgases für die Zusatzflamme aufgrund eines Unterschiedes in der Einspritzgeschwindigkeit zwischen diesen gebildet wird. Dadurch wird die Vermischung des Vormischgases mit hohem Luftverhältnis für die Hauptflamme und des Verbrennungsgases von der Zusatzflamme mit hoher Temperatur unterstützt so daß die Hauptflamme einfacher gezündet werden kann. Experimente durch die Erfinder haben gezeigt, daß bei einer Abtrennung der Hauptflamme von der Zusatzflamme durch eine dünne Trennwand, wie z.B. eine Schneidkante anstelle eines Abstandshalters, die Zusatzflamme auch dann ausgeblasen wurde, wenn die Strömung der Zusatzflamme durch die Hauptflamme beeinflußt und die Hauptflamme ausgeblasen wird. Wenn jedoch ein Abstandshalter vorgesehen ist, vermischen sich die Hauptflamme und die Zusatzflamme nicht direkt miteinander in der Nähe des Brennerauslasses, sondern vermischen sich nur teilweise miteinander in der Wirbelströmung, die sich am Abstandsteil bildet. Es bildet sich daher immer eine stabile Zusatzflamme, die nicht durch die Hauptflamme beeinträchtigt wird, was zu einer Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit oder des Luftverhältnisses beiträgt, indem die Hauptflamme stabil gebildet werden kann.

Claims (20)

1. Gasturbinenbrenner mit

- einer zylindrischen Brennkammer (20),

- mehreren beabstandeten Hauptdüsen (14), die in einer Endwand an der stromauf gelegenen Seite der Brennkammer (20) zum Einspritzen eines Haupt-Gasgemisches in die Brennkammer (20) angeordnet sind,

- einer ringförmigen Zusatzdüse (15), die um jede der Hauptdüsen (14) zum Einspritzen eines Zusatz- Gasgemisches in die Brennkammer gebildet ist, und

-einer Einrichtung (70) zur Steuerung der Betriebsdauer der mehreren Düsen (14) in einer vorbestimmten Ordnung gemäß der Turbinenlast,

dadurch gekennzeichnet, daß

- jede der Hauptdüsen (14) eine erste Einrichtung (16, 17, 18) zum Vormischen des getrennt zugeführten Brennstoffs mit Luft zu einem Haupt-Gasgemisch mit einem ersten Luftverhältnis (λ&sub1;) größer als das stoichometrische Luftverhältnis (λ) und zur Zufuhr des Haupt-Gasgemisches zu der Hauptdüse (14) aufweist und

- die Zusatzdüsen (15) eine zweite Einrichtung (30, 31, 40) zum Vormischen von Brennstoff mit Luft zu einem gleichmäßigen Zusatz-Gasgemisch mit einem kleineren Luftverhältnis als das erste Luftverhältnis (λ&sub1;) und zur Zufuhr des gleichmäßigen Gasgemischs zu allen Zusatzdüsen (15) aufweisen.

2. Gasturbinenbrenner nach Anspruch 1, bei dem das zweite Luftverhältnis (λ&sub2;) 0,8 bis 1,2, vorzugsweise in der Nähe von 1,0, und die Zufuhrgeschwindigkeit des Zusatz-Gasgemischs nahezu gleich seiner Flammenausbreitungsgeschwindigkeit ist.

3. Gasturbinenbrenner nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das erste Luftverhältnis 1,25 bis 2,5, vorzugsweise 1,5 oder mehr, und die Zufuhrgeschwindigkeit des Maupt- Gasgemischs wesentlich größer als seine Flammenausbreitungsgeschwindigkeit ist.

4. Gasturbinenbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der gesamte Luftdurchsatz in den Zusatzdüsen (15) in etwa 10 % des gesamten Luftdurchsatzes in dem Brenner bei Nennlast ist.

5. Gasturbinenbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem jede Mauptdüse (14) an dem inneren Ende eines Vormischzylinders (16) ausgebildet ist, in den das offene Endteil einer Kraftstoffzufuhrleitung (18) eingesetzt ist.

6. Gasturbinenbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Einrichtung (30, 31, 40) zur Vormischung des Zusatz-Gasgemischs einen mit einem Luftstrom und Brennstoff versorgten Mischer (30), ein in dem Luftstromkanal angeordnetes Stellventil (40) und zusätzliche Vormischkammern (30) enthält, die mit den Zusatzdüsen (15) verbunden und mit dem gleichmäßig vorgemischten Gas von dem Mischer (30) versorgt werden.

7. Gasturbinenbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Brennstoffzufuhreinrichtung (18) der Hauptdüsen (14) durch getrennte Abschaltventile (50) und durch ein gemeinsames Stellventil (60) gesteuert wird.

8. Gasturbinenbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Mauptdüsen (14) in wenigstens drei Gruppen unterteilt sind, wobei jede Gruppe durch ein getrenntes Strömungsraten-Einstellventil (61, 62, 63) unabhängig gesteuert wird.

9. Gasturbinenbrenner nach Anspruch 8, bei dem der Betrieb der zweiten Gruppen von Hauptdüsen (14) gestartet wird, wenn das erste Luftverhältnis (λ&sub1;) des der ersten Gruppe von Hauptdüsen (14) zugeführten Haupt- Gasgemischs etwa den Wert 1,25 erreicht.

10. Gasturbinenbrenner nach Anspruch 8 oder 9, bei dem der Betrieb der dritten Gruppe von Hauptdüsen (14) gestartet wird, wenn das erste Luftverhältnis (λ&sub1;) des der zweiten Gruppe von Mauptdüsen (14) zugeführten Haupt- Gasgemischs etwa den Wert 1,25 erreicht.

11. Gasturbinenbrenner nach Anspruch 9, 10, bei dem das erste Luftverhältnis (λ&sub1;) des der ersten und zweiten Gruppe von Mauptdüsen (14) nacheinander zugeführten Haupt-Gasgemischs am Anfang etwa 2,5 ist.

12. Brennverfahren für einen Gasturbinenbrenner mit mehreren Hauptdüsen (14) in einer Endwand einer Brennkammer und einer ringförmigen Zusatzdüse (15) die um jede der Hauptdüsen (14) gebildet ist, mit folgenden Schritten:

- Zuführen eines vorgemischten Zusatz-Kraftstoff- Luft-Gasgemischs mit einem Luftverhältnis (λ) von im wesentlichen 1 durch die Zusatzdüsen (15) in die Brennkammer;

- Zünden des zugeführten Zusatz-Gasgemischs;

- Zuführen eines vorgemischten Kraftstoff-Luft- Gasgemischs mit einem Luftverhältnis größer als 1 durch eine vorbestimmte Anzahl von Hauptdüsen (14) in die Brennkammer, während den verbleibenden Hauptdüsen (14) nur Luft zugeführt wird;

- Zünden des zugeführten Gasgemischs der vorbestimmten Anzahl von Hauptdüsen (14);

- Zuführen des vorgemischten Kraftstoff-Luft- Gemischs mit einem Luftverhältnis größer als 1 durch eine weitere vorbestimmte Anzahl von Hauptdüsen (14), während den verbleibenden Hauptdüsen (14) nach der Zündung der ersten Anzahl von Hauptdüsen (14) nur Luft zugeführt wird;

- Zünden des zugeführten Vorgemischs der zweiten vorbestimmten Anzahl von Mauptdüsen (14);

- Zuführen eines vorgemischten Kraftstoff-Luft- Gemischs mit einem Luftverhältnis größer als 1 in eine dritte vorbestimmte Anzahl von Hauptdüsen (14) nach der Zündung der zweiten vorbestimmten Anzahl von Hauptdüsen (14); und

- Zünden des zugeführten Vorgemischs der dritten vorbestimmten Anzahl von Hauptdüsen (14).

13. Brennverfahren nach Anspruch 12, bei dem das Luftverhältnis (λ&sub1;) des den Hauptdüsen zugeführten Haupt-Gasgemischs 1,25 bis 2,5, vorzugsweise 1,5 oder mehr, und die Zufuhrgeschwindigkeit des Haupt-Gasgemischs wesentlich größer als dessen Flammenausbreitungsgeschwindigkeit ist.

14. Brennverfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem das zweite Luftverhältnis (λ&sub2;) 0,8 bis 1,2, vorzugsweise in der Nähe von 1,0, und die Zufuhrgeschwindigkeit des Zusatz-Gasgemischs nahezu gleich seiner Flammenausbreitungsgeschwindigkeit ist.

15. Brennverfahren nach den Ansprüchen 12 bis 14, bei dem der Brennstoff und eine gesteuerte Luftmenge zu dem gleichmäßigen Zusatz-Gasgemisch vorgemischt und sämtlichen Zusatzdüsen (15) zugeführt wird.

16. Brennverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem der gesamte Luftdurchsatz in den Zusatzdüsen (15) etwa 10 % des gesamten Luftdurchsatzes in dem Brenner bei Nennlast ist.

17. Brennverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, bei dem die Hauptdüsen (14) in wenigstens drei unabhängig gesteuerte Gruppen unterteilt sind und der Betrieb der zweiten Gruppe von Hauptdüsen (14) gestartet wird, wenn das Luftverhältnis (λ&sub1;) des der ersten Gruppe von Hauptdüsen (14) zugeführten Haupt-Gasgemischs etwa den Wert 1,25 erreicht.

18. Brennverfahren nach Anspruch 17, bei dem der Betrieb der dritten Gruppe von Hauptdüsen (14) gestartet wird, wenn das Luftverhältnis (λ&sub1;) des der zweiten Gruppe von Hauptdüsen (14) zugeführten Haupt-Gasgemischs etwa den Wert 1,25 erreicht.

19. Brennverfahren nach Anspruch 17, bei dem das Luftverhältnis des der ersten Gruppe von Hauptdüsen (14) zugeführten Haupt-Gasgemischs am Anfang etwa 2,5 ist.

20. Brennverfahren nach Anspruch 18, bei dem das Luftverhältnis (λ&sub1;) des der zweiten Gruppe der Hauptdüsen (14) zugeführten Haupt-Gasgemischs am Anfang etwa 2,5 ist.