DE4446945B4

DE4446945B4 - Gasbetriebener Vormischbrenner

Info

Publication number: DE4446945B4
Application number: DE4446945A
Authority: DE
Inventors: Franz Dr. Joos
Original assignee: Alstom SA
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 1994-12-28
Filing date: 1994-12-28
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2014-12-29
Also published as: GB2296562A; DE4446945A1; GB9524534D0; US5699667A; GB2296562B

Abstract

Gasbetriebener, flammenstabilisierender Vormischbrenner für eine Brennkammer, beispielsweise einer Gasturbine, bei welchem die Verbrennungsluft zumindest annähernd tangential in einen Vormischraum (130) einführbar ist, und bei welchem der Brennstoff über eine Mehrzahl von in Längsrichtung des Vormischraumes (130) aufgereihte Brennstoffdüsen (117) eingespritzt wird und vorgängig der Zündung intensiv mit der Verbrennungsluft vermischt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüsen (117) in mindestens zwei in Längsrichtung des Vormischraums (130) aufeinanderfolgende Gruppen mit jeweils getrennter Brennstoffzufuhr (120, 121) unterteilt sind, und diese mindestens zwei Gruppen jeweils annähernd die gleiche Anzahl Brennstoffdüsen (117) umfassen.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen gasbetriebenen, flammenstabilisierenden Vormischbrenner für die Brennkammer beispielsweise einer Gasturbine, bei welchem die Verbrennungsluft zumindest annähernd tangential in einen Vormischraum einführbar ist, und bei welchem der Brennstoff über eine Mehrzahl von in Längsrichtung des Vormischraumes aufgereihte Brennstoffdüsen eingespritzt wird und vorgängig der Zündung intensiv mit der Verbrennungsluft vermischt wird.

Vormischbrenner, bei denen auf Flammenhalter verzichtet werden kann, sind in Form der Doppelkegelbrenner nach EP 0 321 809 bekannt. Darin läuft innerhalb einer Kegelzone zwischen dem eingespritzten Brennstoff und der Verbrennungsluft ein Vormisch- respektive Vorverdampfungsprozess bei grosser Luftüberschusszahl ab, bevor der eigentliche Verbrennungsprozess stromabwärts des Brenners stattfindet. Mit dieser Massnahme können die Emissionswerte an Schadstoffen aus der Verbrennung erheblich reduziert werden.

Die Verbrennung mit der grösstmöglichen Luftüberschusszahl, – einmal dadurch gegeben, dass die Flamme überhaupt noch brennt und im weiteren dadurch, dass nicht zuviel CO entsteht – vermindert indessen nicht nur die Schadstoffmenge an NOx, sondern bewirkt darüber hinaus auch die Tiefhaltung anderer Schadstoffe, nämlich wie bereits erwähnt von CO und von unverbrannten Kohlenwasserstoffen. Dies erlaubt die Wahl einer grösseren Luftüberschusszahl, wobei dann zwar zunächst grössere Mengen CO entstehen, diese aber zu CO₂ weiter reagieren können, so dass schliesslich die CO-Emissionen gering bleiben. Andererseits aber bildet sich wegen des grossen Luftüberschusses nur wenig zusätzliches NO.

Da mehrere Kegelbrenner bei einer Brennkammer das Vormischen übernehmen, werden bei der Lastregelung jeweils nur so viele Elemente mit Brennstoff betrieben, dass sich für die jeweilige Betriebsphase (Start, Teillast, Volllast) die optimale Luftüberschusszahl ergibt.

Alle Brennkammern mit Vormischbrennern weisen jedoch die Unzulänglichkeit auf, dass zumindest in den Betriebszuständen, in denen nur ein Teil der Brenner mit Brennstoff betrieben wird, oder bei denen die einzelnen Brenner mit einer verringerten Brennstoffmenge beaufschlagt werden, nahe an die Grenze der Flammenstabilität gestossen wird. In der Tat wird die Löschgrenze aufgrund des sehr mageren Gemisches und der sich daraus ergebenden niedrigen Flammentemperatur bei typischen Gasturbinenbedingungen schon bei einer Luftüberschusszahl von etwa 2,0 erreicht.

Diese Tatsache führt zu einer relativ komplizierten Fahrweise der Brennkammer mit entsprechend aufwendiger Regelung.

Eine andere Möglichkeit, den Betriebsbereich von Vormischbrennern zu erweitern, wird in der Stützung des Brenners mittels einer kleinen Diffusionsflamme gesehen. Gemäss WO 93/17279 ist zu diesem Zweck eine zentrale Brennstoffdüse vorgesehen, über welche diese Pilotflamme ihren Brennstoff rein oder zumindest schlecht vorgemischt erhält, was einerseits zwar zu einer stabilen Flamme führt, andererseits jedoch die für Diffusionsverbrennung typischen hohen NOx-Emissionen zur Folge hat.

Zwar ist es bereits aus der EP 0 592 717 bekannt, bei einem gasbetriebenen Doppelkegelbrenner der in EP 0 321 809 beschriebenen Art zusätzliche Brennstoffdüsen im Bereich der Brennerachse vorzusehen und diese über eine getrennte Brennstoffleitung anzuspeisen. Jedoch dient diese Massnahme der gezielten Beeinflussung des Brennstoffprofils am Austritt des Brenners. Und zwar soll die Brennstoffkonzentration im Bereich der Brennerachse grösser sein als die mittlere Brennstoffkonzentration in der Austrittsebene des Brenners. Damit wird die Brennkammer in kritischen Phasen gestützt, beispielsweise beim vorübergehenden Auftreten von Schwingungen, bei denen das Löschlimit für Vormischverbrennung mit gleichmässigem Brennstoffprofil zeitweilig überschritten werden kann. Durch die Anreicherung des Brennstoffprofils im Bereich der Brennerachse und die dadurch geschaffenenen Zonen mit unterschiedlicher Luftüberschusszahl kann bei diesem bekannten Brenner die erzeugte Flamme wesentlich stabiler gehalten werden. Jedoch bedingt die Kernströmung mit erhöhter Brennstoffkonzentration zwangsläufig eine, wenn auch geringe, Erhöhung des Schadstoffausstosses.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Massnahme zu schaffen, mittels der die Brennkammer auch im Teillastbereich möglichst nahe an der mageren Löschgrenze betrieben werden kann, d.h. in jenem Bereich, in dem praktisch kein NOx entsteht.

Erfindungsgemäss wird dies bei einem Vormischbrenner der eingangs genannten Art dadurch ereicht, dass die Brennstoffdüsen in mindestens zwei in Längsrichtung des Vormischraums aufeinanderfolgende Gruppen mit jeweils getrennter Brennstoffzufuhr unterteilt sind, und diese mindestens zwei Gruppen jeweils annähernd die gleiche Anzahl Brennstoffdüsen umfassen.

Der Vorteil der vorliegenden Erfindung ist unter anderem darin zu sehen, dass die Brenner auch bei Teillast bei sehr magerem Gemisch betriebsfähig bleiben. Dadurch kann die Regelung insofern vereinfacht werden, dass nunmehr beim Belasten und Entlasten der Brennkammer Luftzahlbereiche durchquert werden können – die mit der bisherigen Vormischverbrennung wegen deren magerer Löschgrenze in der Regel nicht durchfahren werden könnten – ohne dass dabei einzelne Brenner teilweise ausgeschaltet werden müssen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Ringbrennkammer für eine Gasturbine schematisch dargestellt.
Es zeigen:
1A einen Teillängsschnitt einer im Volllastbetrieb arbeitenden Brennkammer;
1B einen Teillängsschnitt der gleichen im Teillastbetrieb arbeitenden Brennkammer;
2 einen Querschnitt durch einen Vormischbrenner der Doppelkegel-Bauart im Bereich seines Austritts;
3 einen Querschnitt durch denselben Vormischbrenner im Bereich der Kegelspitze;
4 einen Teillängsschnitt einer Brennkammervariante.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind beispielsweise die vollständige Brennkammer und deren Zuordnung zu einer Anlage, die Brennstoffbereitstellung, die Regeleinrichtungen und dergleichen, Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.
Weg zur Ausführung der Erfindung
In 1 ist mit 50 ein ummanteltes Plenum bezeichnet, welches in der Regel die von einem nicht dargestellten Verdichter geförderte Verbrennungsluft aufnimmt und einer ringförmigen Brennkammer 60 zuführt.
Am Kopfende der Brennkammer, deren Brennraum mit einer Brennkammerwand 63 ummmantelt ist und durch eine Frontplatte 54 begrenzt ist, ist ein ringförmiger Dom 55 aufgesetzt. In diesem Dom ist ein Brenner 110 so ange ordnet, dass der Brenneraustritt 118 zumindest annähernd bündig ist mit der Frontplatte 54. Über die an ihrem äusseren Ende gelochte Domwandung strömt die Verbrennungsluft aus dem Plenum 50 in das Dominnere und beaufschlagt die Brenner. Der Brennstoff wird dem Brenner über zwei Brennstofflanzen 120, 121 zugeführt, welche die Dom- und die Plenumwand durchdringen.
Beim schematisch dargestellten Vormischbrenner 110 handelt es sich um einen sogenannten Doppelkegelbrenner, wie er beispielsweise aus der eingangs genannten EP 0 321 809 bekannt ist. Wie auch aus 2 und 3 ersichtlich, besteht er im wesentlichen aus zwei hohlen, kegelförmigen Teilkörpern 111, 112, die in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelt sind. Dabei sind die jeweiligen Mittelachsen 113, 114 der beiden Teilkörper gegeneinander versetzt. Die benachbarten Wandungen der beiden Teilkörper 111, 112 bilden in deren Längserstreckung tangentiale Schlitze 119 für die Verbrennungsluft, die auf diese Weise in den Vormischraum 130 des Brennerinneren gelangt.
Der Brenner wird mit gasförmigem Brennstoff betrieben. Hierzu sind im Bereich der tangentialen Schlitze 119 in den Wandungen der beiden Teilkörper 111, 112 verteilte Gaseinströmöffnungen 117 in Form von Düsen vorgesehen. Die Brennstoffdüsen 117 sind jeweils in einer Linie aufgereiht und erstrecken sich in Längsrichtung des Vormischraumes 130 über nahezu dessen ganze Länge.
Gemäss der Erfindung sind die Brennstoffdüsen 117 über eine Trennfläche 133 in zwei aufeinanderfolgende Gruppen unterteilt, wobei die zwei Gruppen jeweils die gleiche Anzahl Brennstoffdüsen aufweisen. Die Brennstoffdüsen werden pro Teilkegel aus je einer Sammel-leitung 115, 116 versorgt, die längs an der Aussenwandung der Kegel verlaufen. Diese werden ihrerseits über die koaxial angeordneten Brennstofflanzen 120, 121 angespeist. Die Brennstoffregelung erfolgt über absperrbare Regel-ventile 130, 131, welche in den der getrennten Brennstoff-zufuhr dienenden Lanzen 120, 121 angeordnet sind.
Gemäss 1A sind die beiden Düsengruppen mit Brennstoff versorgt. In diesem Fall beginnt die Gemischbildung mit der Verbrennungsluft somit bereits in der Zone der tangentialen Spalte und zwar über der ganzen Länge des Vormischraumes 130.
Am Brenneraustritt 118 des Brennes 110 stellt sich eine möglichst homogene Brennstoffkonzentration über dem beaufschlagten kreisringförmigen Querschnitt ein. Es entsteht am Brenneraustritt eine definierte kalottenförmige Rezirkulationszone 122, an deren Spitze die Zündung erfolgt. Die Flamme selbst wird durch die Rezirkulationszone vor dem Brenner stabilisiert, ohne einen mechanischen Flammenhalter zu benötigen.
Mit einer solchen Vormischverbrennung sind die verlangten NOx-Grenzwerte ohne weiteres zu unterschreiten. Jedoch ist die Stabilitätsgrenze wegen der tiefen Flammentemperatur niedrig. Der Bereich zwischen Zündvermögen und Löschen ist relativ schmal zum sicheren Betrieb der Brennkammer über den vollen Lastbereich.
Bei Teillast ist nur die im Kegelinnern angeordnete Brennstoffdüsengruppe brennstoffmässig in Betrieb, wie die Pfeile in 1B andeuten. Dabei bildet sich im Brenner zentrum eine im eingestellten Luft-Brennstoffverhältnis vorgemischte Flamme 122' aus, die über den Vortex-Breakdown stabilisiert wird. Die Restluft wird über die tangentialen Spalte im Bereich des Brenneraustritts zugeführt.
Der dargestellte Doppelkegelbrenner könnte überdies hinsichtlich einer gemischten Öl/Gas-Fahrweise in der Kegelspitze noch mit einer in der Brennerachse liegenden Brennstoffdüse für flüssigen Brennstoff ausgerüstet sein. Der Brennstoff kann hieraus in einem gewissen Winkel in den Hohlkegel eingedüst werden. Das entstehende kegelige Flüssigbrennstoffprofil wird von der tangential einströmenden Verbrennungsluft umschlossen. In axialer Richtung wird die Konzentration des Brennstoffes fortlaufend infolge der Vermischung mit der Verbrennungsluft abgebaut.
Grundsätzlich ist die Erfindung auch nicht beschränkt auf Vormischbrenner der gezeigten Doppelkegelbauart, sondern sie ist in allen Brennkammerzonen anwendbar, in denen eine Flammenstabilisierung durch ein vorherrschendes Luftgeschwindigkeitsfeld erzeugt wird. Als weiteres Beispiel hierfür wird auf den in 4 gezeigten Brenner verwiesen. In dieser 4 sind alle funktionsgleichen Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie beim Brenner gemäss 1-3. Dies trotz unterschiedlicher Struktur, was insbesondere für die hier zylindrisch verlaufenden tangentialen Einströmspalte 119 gilt.

50: Plenum
54: Frontplatte
55: Dom
60: Brennkammer
63: Brennkammerwand
110: Doppelkegelbrenner
111: Teilkörper
112: Teilkörper
113: Mittelachse von 111
114: Mittelachse von 112
115: Sammelleitung
116: Sammelleitung
117: Brennstoffdüsen
118: Brenneraustritt
119: tangentialer Spalt
120: Brennstofflanze
121: Brennstofflanze
122, 122': Rückstromkalotte
130: Vormischraum
131: Regelventil
132: Regelventil
133: Trennfläche

Claims

Gasbetriebener, flammenstabilisierender Vormischbrenner für eine Brennkammer, beispielsweise einer Gasturbine, bei welchem die Verbrennungsluft zumindest annähernd tangential in einen Vormischraum (130) einführbar ist, und bei welchem der Brennstoff über eine Mehrzahl von in Längsrichtung des Vormischraumes (130) aufgereihte Brennstoffdüsen (117) eingespritzt wird und vorgängig der Zündung intensiv mit der Verbrennungsluft vermischt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüsen (117) in mindestens zwei in Längsrichtung des Vormischraums (130) aufeinanderfolgende Gruppen mit jeweils getrennter Brennstoffzufuhr (120, 121) unterteilt sind, und diese mindestens zwei Gruppen jeweils annähernd die gleiche Anzahl Brennstoffdüsen (117) umfassen.
Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die getrennten Brennstoffzufuhren (120, 121) für die Düsengruppen jeweils mit einem absperrbaren Regelventil (131, 132) versehen sind.