EP1662202B1 - Brenner für eine Gasturbinenanlage - Google Patents

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EP1662202B1
EP1662202B1 EP04028334.3A EP04028334A EP1662202B1 EP 1662202 B1 EP1662202 B1 EP 1662202B1 EP 04028334 A EP04028334 A EP 04028334A EP 1662202 B1 EP1662202 B1 EP 1662202B1
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EP
European Patent Office
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fuel
stage
burner
fuel stage
burner according
Prior art date
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EP04028334.3A
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English (en)
French (fr)
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EP1662202A1 (de
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Werner Dr. Krebs
Jürgen Dr. Meisl
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/34—Feeding into different combustion zones
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/36—Supply of different fuels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2900/00—Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
    • F23D2900/00008—Burner assemblies with diffusion and premix modes, i.e. dual mode burners
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2900/00—Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
    • F23D2900/14—Special features of gas burners
    • F23D2900/14004—Special features of gas burners with radially extending gas distribution spokes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00014—Reducing thermo-acoustic vibrations by passive means, e.g. by Helmholtz resonators

Definitions

  • the present invention relates to a burner with at least one air supply, a primary fuel stage and a secondary fuel stage and a gas turbine plant with such a burner.
  • a further reduction in nitrogen oxide formation is achieved by operating the burner in the so-called premix mode, in which the fuel is mixed with the air before it is ignited.
  • Low-pollutant gas turbine plants are usually operated close to the lean stability limit, ie with an air-fuel mixture with a very low fuel content, ie very high excess air.
  • the gas turbine plants are susceptible to combustion vibrations whose occurrence leads to serious damage to the gas turbine plant being able to lead.
  • combustion oscillations arise due to an oscillating interaction between thermal and acoustic disturbances in the combustion process.
  • resonators which damp the vibrations are used to reduce combustion oscillations.
  • Such a resonator is for example in DE 44 14 232 A1 described.
  • Other approaches to reducing combustion oscillations include optimizing the air-fuel mixture, adjusting the pressure losses of fuel nozzles and air passages, and actively modulating fuel flows. Such measures are for example in Geoff Meyers, et al. "Dry, Low Emissions for the 'H' Heavy-Duty Industrial Gas Turbines: Full-Scale Combustion System Ring Test Results, in proceedings of ASME Turbo Expo 2003: Power for Land, Sea and Air, June 16 - 19, 2003 Atlanta, Georgia , USA described.
  • This document also includes a concept for staged fueling.
  • a burner with a central fuel supply has four further fuel feeds arranged around the central fuel supply, which can be controlled independently of one another. Depending on the operating mode, the central fuel supply and the fuel feeds arranged around it are operated differently.
  • a fuel-stacked axial-flow concept is described in Michael A. Davi and Marv Weiss in GE Gas Turbine Fuel Flexibility, GE Power Systems Schenectady, NY. Between a primary fuel supply and the diffusion zone in which the combustion takes place, a secondary fuel supply stage is arranged, which also has a supplementary air supply.
  • Another object of the present invention is to provide an advantageous burner design.
  • Another object of the present invention is to provide an advantageous gas turbine plant.
  • the first object is achieved by a burner according to claim 1 and the second object by a gas turbine plant according to claim 11.
  • the dependent claims contain advantageous embodiments of the invention.
  • An inventive burner comprises at least one air supply and assigned to an air supply a primary fuel stage, which serves as a main stage for supplying fuel, and a secondary fuel stage, which serves as an auxiliary stage for the fuel supply.
  • the secondary fuel stage is arranged in the air flow direction of the air supply upstream of the primary fuel stage.
  • the primary fuel stage and the secondary fuel stage are arranged in the air supply such that no backflow regions form between them, i. that there is no flow from the primary fuel stage to the secondary fuel stage.
  • the primary fuel stage can be used to bring about a homogeneous spatial mixture of fuel and air in the air supply characteristic of a low-emission combustion.
  • the secondary fuel stage arranged upstream as seen in the air flow direction, the temporal air-fuel mixture can be mixed in the burner to reduce combustion oscillations.
  • the fuel mass flow supplied by the secondary fuel stage is to be regulated independently of the fuel mass flow supplied by the primary fuel stage.
  • the secondary fuel stage may also be designed to supply a fuel mass flow which corresponds to a maximum of 30% of the fuel mass flow supplied by the primary fuel stage.
  • the secondary fuel stage By increasing the fuel mass flow supplied via the secondary fuel stage, it is also possible to increase the capacity for introducing fuel into the air supply, which may be expedient, for example, when using fuels with a low calorific value and / or with fuel preheating.
  • the secondary fuel stage thus allows an expansion of the fuel spectrum or an increased fuel flexibility of the burner.
  • Acoustic tuning of the secondary fuel stage to the primary fuel stage may be accomplished by having the secondary fuel stage impedance at a value that results in a reduction in airspeed variations or heat release variations over a burner without a secondary fuel stage.
  • the impedance hereby expresses the acoustic resistance exerted by the fuel stage with respect to a pressure wave.
  • An adaptation of the impedance can be achieved, for example, by suitably dimensioning at least one fuel passage in the region of the secondary fuel stage.
  • the fuel passage may be formed as an annular fuel distributor passage, wherein the impedance may be varied by varying the volume of the fuel distributor passage.
  • the impedance can be adapted by a fuel supply line to the secondary fuel stage is present, which is equipped with at least one acoustic filter, which may be embodied for example as a resonator.
  • the secondary fuel stage comprises fuel nozzles configured to reduce the pressure loss of the fuel supplied through these nozzles than the pressure loss of the fuel supplied via the nozzles of the primary fuel stage.
  • the burner according to the invention can be designed, in particular, as a so-called premix burner to be operated in a premixing mode or as a hybrid burner, that is to say as a burner which is to be operated in both the diffusion and premix mode.
  • it can also be designed as a so-called.
  • Mehrbrennstoffbrenner so as a burner, which is designed for the combustion of different fuels.
  • it can be designed as a multi-fuel burner both for burning gaseous as well as for burning liquid fuels.
  • a gas turbine plant according to the invention is equipped with a burner according to the invention.
  • a burner according to the invention In her can be realized the advantages described with reference to the burner according to the invention. In particular, combustion oscillations can be reduced during operation of the system.
  • the gas turbine plant 101 has a compressor 102 for combustion air, a combustion chamber or gas turbine combustor 104 and a turbine 106 for driving the compressor 102 and a generator, not shown, or a working machine.
  • the turbine 106 and the compressor 102 are arranged on a common turbine shaft 108, also referred to as turbine rotor, to which the generator or the working machine is also connected and which is rotatably mounted about its central axis 109.
  • the combustor 104 is equipped with a number of burners 110 for combustion of a liquid or gaseous fuel. It is also provided on its inner wall or Brennschwandung 123 with interior trim elements 125.
  • the turbine 106 includes a number of rotatable blades 112 connected to the turbine shaft 108.
  • the blades 112 are annularly disposed on the turbine shaft 108 and thus form a number of blade rows.
  • the turbine 106 includes a number of fixed vanes 114 which are also annularly attached to an inner shell 116 of the turbine 106 to form vanes.
  • the blades 112 serve to drive the turbine shaft 108 by momentum transfer from the turbine 106 flowing through the working medium M.
  • the vanes 114 serve to guide the flow of the working medium M between two seen in the flow direction of the working medium M consecutive blade rows or blade rings.
  • a successive pair of a ring of vanes 114 or a row of vanes and from a ring of blades 112 or a blade row is also referred to as a turbine stage.
  • Each guide blade 114 has a platform 118, also referred to as a blade root 119, which is arranged as a wall element for fixing the respective guide blade 114 to the inner housing 16 of the turbine 106.
  • the platform 118 is a thermally comparatively heavily loaded component which forms the outer boundary of a hot gas channel for the turbine 106 flowing through the working medium M.
  • Each blade 112 is attached in an analogous manner to the turbine shaft 108 via a blade root 119, also referred to as a platform 118, the blade root 119 each carrying a profiled blade 120 extending along a blade axis.
  • each guide ring 121 is arranged on the inner housing 116 of the turbine 106.
  • the outer surface of each guide ring 121 is also exposed to the hot, the turbine 106 flowing through the working fluid M and spaced radially from the outer end 122 of the blade 112 opposite it through a gap.
  • the guide rings 121 arranged between adjacent guide blade rows serve, in particular, as cover elements which protect the inner wall 116 or other housing installation parts from thermal overload by the hot working medium M flowing through the turbine 106.
  • the gas turbine plant 101 is designed for a comparatively high outlet temperature of the working medium M emerging from the combustion chamber 104 from about 1200 ° C. to 1300 ° C.
  • the combustion chamber wall 123 is internally cooled.
  • the combustion air is heated in a desired manner at the same time.
  • the burner according to the invention comprises an internal burner system 1, which is referred to below as a pilot burner system, and a main burner system 3 arranged concentrically around the pilot burner system 1.
  • the burner is designed as a multi-fuel burner which is suitable both for burning gaseous fuels and for burning liquid fuels.
  • it is designed as a hybrid burner, ie it can be operated both in the diffusion mode and in the premix mode.
  • the pilot burner system 1 includes an inner liquid fuel supply passage 5, an inner gas supply passage 7 for gaseous fuels, and an inner air supply passage 9 for supplying combustion air.
  • the inner gas supply channel 7 is arranged concentrically around the inner supply channel for liquid fuels around.
  • Around the inner gas supply channel 7 around the inner air supply channel 9 is arranged concentrically.
  • the inner supply channel for liquid fuels opens via a nozzle 11 into the combustion chamber 13.
  • the inner gas supply channel 7, however, opens via outlet openings 15 in the air supply channel 9, where a mixing of the gaseous fuel with the air.
  • a suitable ignition system is also arranged, which in FIG. 2 not shown.
  • the pilot burner system 1 serves to maintain a pilot flame supporting the stability of the burner flame and, in principle, allows the burner to operate as a diffusion burner or as a burner with a premixed air-fuel mixture.
  • the main burner system 3 arranged concentrically around the pilot burner system 1 comprises a primary fuel stage 20, a secondary fuel stage 50 and an air supply channel 17 arranged concentrically around the pilot burner system 1.
  • the two fuel stages 20, 50 are arranged axially one behind the other in the air supply direction (arrow A) and serve for supply a gaseous fuel. They each include a number of nozzle tubes 22, 52 with fuel nozzles 24, 54 disposed therein, with the nozzle tubes 54 of the secondary fuel stage 50 being disposed upstream of the nozzle tubes 22 of the primary fuel stage 20 as viewed in the air supply direction.
  • the two fuel stages each comprise 20 distributed over the circumference of the main burner system 3 nozzle tubes 22, 52, on which the fuel nozzles 24, 54 are arranged radially.
  • the nozzle tubes 22, 52 are each connected to ring manifolds 26 and 56, via which the gaseous fuel is supplied to them.
  • the ring manifold 26 of the primary fuel stage 20 and the ring manifold 56 of the secondary fuel stage 50 are each supplied with gas via a number of evenly distributed around the pilot combustion system 1 around gas supply lines 28, 58.
  • the main burner system 3 also includes a supply system 19 for supplying liquid fuels, which will not be discussed further.
  • the impedance of the secondary fuel stage 50 is matched to the impedance of the primary fuel stage 20 by suitably dimensioning the ring manifold 56 and resonators 60 disposed in the gas supply lines 58.
  • Both fuel stages 20,50 are separately controllable, wherein the secondary fuel stage is controlled such that it receives a maximum of 30% of the fuel mass flow of the main burner 3.
  • An optimization of the air-fuel mixture in the burner is achieved by suitable arrangement of the nozzles 54 de secondary fuel stage.
  • the nozzles 54 are configured such that the pressure loss of the fuel via these nozzles 54 is lower than the pressure loss of the fuel via the nozzles 24 of the primary fuel stage 20.
  • the secondary fuel stage 50 fulfills various tasks. It serves, for example, to reduce fluctuations in the number of air-burners in the burner, that is to say temporal variations in the air-fuel mixture ratio. This can be accomplished by properly dividing the fuel mass flow to the primary fuel stage 20 and the secondary fuel stage 50. Proper partitioning also makes it possible to vary the spatial air-fuel mixture field in the burner.
  • the use of the secondary fuel stage 50 also increases the capacity for introducing fuel into the air supply passage, which may be useful, for example, when using fuels with a low calorific value and / or with fuel pre-heating.
  • the secondary fuel stage 50 thus allows in particular an extension of the fuel spectrum or an increased fuel flexibility of the burner. By separately controlling the primary fuel stage 20 and the secondary fuel stage 50, the aforementioned effects can be achieved or maintained even with changes in the ambient conditions, the combustion gas properties or the performance of the turbine system.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner mit wenigstens einer Luftzufuhr, einer Primärbrennstoffstufe und einer Sekundärbrennstoffstufe sowie eine Gasturbinenanlage mit einem derartigen Brenner.
  • Beim Verbrennen eines Brennstoffs in einer Gasturbinenanlage entstehen aufgrund der Reaktion von Sauerstoff mit Stickstoff Stickoxide (NOx). Die Reduktion von Stickoxiden im Abgas ist heutzutage von großer Bedeutung beim Entwurf von Gasturbinenanlagen und insbesondere von Brennern für Gasturbinenanlagen. Zum Reduzieren der Stickoxidemissionen werden Gasturbinen in weiten Teilen ihres Lastbereiches mit sogenannten mageren Brennstoffgemischen betrieben, d.h. die Verbrennung findet unter Luftüberschuss statt. Dadurch können die Verbrennungstemperaturen abgesenkt werden, was die Bildungsrate für Stickoxide im Vergleich zu einem stöchiometrischen Luft-Brennstoffgemisch verringert.
  • Eine weitere Verringerung der Stickoxidbildung wird dadurch erreicht, dass der Brenner im sogenannten Vormischmodus betrieben wird, in welchem der Brennstoff bereits vor dem Zünden mit der Luft gemischt wird.
  • Schadstoffarme Gasturbinenanlagen werden in der Regel nahe der mageren Stabilitätsgrenze, d.h. mit einem Luft-Brennstoffgemisch mit einem sehr geringen Brennstoffanteil, also sehr hohem Luftüberschuss betrieben. Aufgrund dieses sehr mageren Luft-Brennstoffgemisches sind die Gasturbinenanlagen jedoch anfällig für Verbrennungsschwingungen, deren Auftreten zu schwerwiegenden Schäden an der Gasturbinenanlage führen können. Derartige Verbrennungsschwingungen entstehen durch eine sich aufschaukelnde Wechselwirkung zwischen thermischen und akustischen Störungen beim Verbrennungsprozess.
  • Hinzu kommen Forderungen von Betreibern von Gasturbinenanlagen, diese mit Brennstoffen einer niedrigen Qualität (geringer Heizwert) betreiben zu können. Die Brennstoffe niedriger Qualität sollen zudem oft noch im Wechsel mit hochwertigen Brennstoffen (hoher Heizwert) einsetzbar sein. Die Erfahrung zeigt, dass dies das ohnehin schwierige Vermeiden von Verbrennungsschwingungen weiter erschwert.
  • Zum Vermindern von Verbrennungsschwingungen kommen beispielsweise Resonatoren, welche die Schwingungen dämpfen, zur Anwendung. Ein derartiger Resonator ist beispielsweise in DE 44 14 232 A1 beschrieben. Weitere Vorgehensweisen zum Verringern der Verbrennungsschwingungen umfassen das Optimieren der Luft-Brennstoffmischung, das Anpassen der Druckverluste von Brennstoffdüsen und Luftpassagen sowie die aktive Modulation von Brennstoffströmen. Derartige Maßnahmen sind beispielsweise in Geoff Meyers, et al. "Dry, Low Emissions for the "H" Heavy-Duty Industrial Gasturbines: Full-Scale Combustion System Ring Test Results, in proceedings of ASME Turbo Expo 2003: Power for Land, Sea and Air, June 16 - 19, 2003 Atlanta, Georgia, USA beschrieben. Diese Druckschrift enthält auch ein Konzept zur gestuften Brennstoffzufuhr. Ein Brenner mit einer zentralen Brennstoffzufuhr weist vier um die zentrale Brennstoffzufuhr herum angeordnete weitere Brennstoffzufuhren auf, die unabhängig voneinander angesteuert werden können. Je nach Betriebsmodus werden die zentrale Brennstoffzufuhr und die darum herum angeordneten Brennstoffzufuhren unterschiedlich betrieben.
  • Ein Konzept mit in Axialrichtung des Brenners gestufter Brennstoffzufuhr ist in Michael A. Davi und Marv Weiss in GE Gas Turbine Fuel Flexibility, GE Power Systems Schenectady, NY, USA beschrieben. Zwischen einer primären Brennstoffzufuhr und der Diffusionszone, in der die Verbrennung stattfindet, ist eine Sekundärbrennstoffzufuhrstufe angeordnet, die außerdem eine ergänzende Luftzufuhr aufweist.
  • US2001/05229 beschreibt einen Brenner mit zwei Brennstoffstufen zur Verminderung von Verbrennungsschwingungen.
  • Gegenüber dem genannten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vorteilhaftes Brennerdesign zur Verfügung zu stellen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine vorteilhafte Gasturbinenanlage zur Verfügung zu stellen. Die erste Aufgabe wird durch einen Brenner nach Anspruch 1 und die zweite Aufgabe durch eine Gasturbinenanlage nach Anspruch 11 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
  • Ein erfindungsgemäßer Brenner umfasst wenigstens eine Luftzufuhr und zugeordnet zu einer Luftzufuhr eine Primärbrennstoffstufe, welche als Hauptstufe zur Brennstoffzufuhr dient, sowie eine Sekundärbrennstoffstufe, welche als Hilfsstufe zur Brennstoffzufuhr dient. Im erfindungsgemäßen Brenner ist die Sekundärbrennstoffstufe in Luftströmungsrichtung der Luftzufuhr stromaufwärts zur Primärbrennstoffstufe angeordnet. Erfindungsgemäß sind die Primärbrennstoffstufe und die Sekundärbrennstoffstufe derart in der Luftzufuhr angeordnet, dass sich zwischen ihnen keine Rückströmgebiete ausbilden, d.h. dass es zu keiner Strömung von der Primärbrennstoffstufe zur Sekundärbrennstoffstufe kommt.
  • Im erfindungsgemäßen Brenner kann die Primärbrennstoffstufe dazu Verwendung finden, eine für eine schadstoffarme Verbrennung charakteristische homogene räumliche Mischung von Brennstoff und Luft in der Luftzufuhr herbeizuführen. Mit der in Luftströmungsrichtung gesehen stromauf angeordneten Sekundärbrennstoffstufe lässt sich die zeitliche Luft-Brennstoff-Mischung im Brenner zur Verminderung von Verbrennungsschwingungen optimieren. Erfindungsgemäß ist der von der Sekundärbrennstoffstufe zugeführte Brennstoffmassenstrom unabhängig von dem von der Primärbrennstoffstufe zugeführten Brennstoffmassenstrom zu regeln. Insbesondere kann die Sekundärbrennstoffstufe außerdem zum Zuführen eines Brennstoffmassenstroms ausgelegt sein, der maximal 30% des von der Primärbrennstoffstufe zugeführten Brennstoffmassenstroms entspricht.
  • Durch Erhöhen des über die Sekundärbrennstoffstufe zugeführten Brennstoffmassenstroms lässt sich zudem die Kapazität zum Einbringen von Brennstoff in die Luftzufuhr erhöhen, was beispielsweise bei Verwendung von Brennstoffen mit niedrigem Heizwert und/oder bei Brennstoffvorheizung sinnvoll sein kann. Die Sekundärbrennstoffstufe erlaubt somit eine Erweiterung des Brennstoffspektrums bzw. eine erhöhte Brennstoffflexibilität des Brenners.
  • Eine akustische Abstimmung der Sekundärbrennstoffstufe an die Primärbrennstoffstufe kann erfolgen, indem die Sekundärbrennstoffstufe eine Impedanz mit einem Wert aufweist, der gegenüber einem Brenner ohne Sekundärbrennstoffstufe zu einer Verringerung der Luftzahlschwankungen oder der Wärmefreisetzungsschwankungen führt. Die Impedanz drückt hierbei den akustischen Widerstand aus, den die Brennstoffstufe gegenüber einer Druckwelle ausübt. Eine Anpassung der Impedanz lässt sich dabei beispielsweise durch geeignete Dimensionierung wenigstens einer Brennstoffpassage im Bereich der Sekundärbrennstoffstufe erreichen. Bspw. kann die Brennstoffpassage als ringförmiger Brennstoffverteilerkanal ausgebildet sein, wobei sich die Impedanz durch Verändern des Volumens des Brennstoffverteilerkanals variieren lässt.
  • Alternativ oder zusätzlich zu einer geeigneten Dimensionierung der Brennstoffpassage lässt sich die Impedanz dadurch anpassen, dass eine Brennstoffzufuhrleitung zur Sekundärbrennstoffstufe vorhanden ist, die mit wenigstens einem akustischen Filter, der beispielsweise als Resonator ausgeführt sein kann, ausgestattet ist.
  • Eine akustische Anpassung der Sekundärbrennstoffstufe an die Primärbrennstoffstufe ist möglich, wenn die Sekundärbrennstoffstufe Brennstoffdüsen umfasst, die so ausgestaltet sind, dass der Druckverlust des zugeführten Brennstoffes über diese Düsen geringer zu halten ist als der Druckverlust des über die Düsen der Primärbrennstoffstufe zugeführten Brennstoffes.
  • Darüber hinaus kann durch geeignete Anordnung der Brennstoffdüsen der Sekundärbrennstoffstufe eine Optimierung der Luft-Brennstoff-Mischung im Brenner realisiert werden.
  • Der erfindungsgemäße Brenner kann insbesondere als ein in einem Vormischmodus zu betreibender sog. Vormischbrenner oder als Hybridbrenner, also als ein Brenner, welcher sowohl im Diffusions- als auch im Vormischmodus zu betreiben ist, ausgebildet sein. Außerdem kann er auch als sog. Mehrbrennstoffbrenner, also als ein Brenner, der für das Verbrennen unterschiedlicher Brennstoffe ausgelegt ist, ausgebildet sein. Insbesondere kann er als Mehrbrennstoffbrenner sowohl für das Verbrennen gasförmiger als auch für das Verbrennen flüssiger Brennstoffe ausgelegt sein.
  • Eine erfindungsgemäße Gasturbinenanlage ist mit einem erfindungsgemäßen Brenner ausgestattet. In ihr lassen sich die mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Brenner beschriebenen Vorteile realisieren. Insbesondere lassen sich Verbrennungsschwingungen beim Betrieb der Anlage reduzieren.
  • Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Figur.
    • Fig. 1
    zeigt einen Halbschnitt durch eine Gasturbinenanlage.
    Fig. 2
    zeigt einen Hybridbrenner als ein Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Brenner in einer schematischen Darstellung.
  • Die Gasturbinenanlage 101 gemäß Figur 1 weist einen Verdichter 102 für Verbrennungsluft, eine Brennkammer oder Gasturbinenbrennkammer 104 sowie eine Turbine 106 zum Antrieb des Verdichters 102 und eines nicht dargestellten Generators oder einer Arbeitsmaschine auf. Dazu sind die Turbine 106 und der Verdichter 102 auf einer gemeinsamen, auch als Turbinenläufer bezeichneten Turbinenwelle 108 angeordnet, mit der auch der Generator bzw. die Arbeitsmaschine verbunden ist, und die um ihre Mittelachse 109 drehbar gelagert ist.
  • Die Brennkammer 104 ist mit einer Anzahl von Brennern 110 zur Verbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs bestückt. Sie ist weiterhin an ihrer Innenwand oder Brennkammerwandung 123 mit Innenverkleidungselementen 125 versehen.
  • Die Turbine 106 weist eine Anzahl von mit der Turbinenwelle 108 verbundenen, rotierbaren Laufschaufeln 112 auf. Die Laufschaufeln 112 sind kranzförmig an der Turbinenwelle 108 angeordnet und bilden somit eine Anzahl von Laufschaufelreihen. Weiterhin umfasst die Turbine 106 eine Anzahl von feststehenden Leitschaufeln 114, die ebenfalls kranzförmig unter der Bildung von Leitschaufelreihen an einem Innengehäuse 116 der Turbine 106 befestigt sind. Die Laufschaufeln 112 dienen dabei zum Antrieb der Turbinenwelle 108 durch Impulsübertrag vom die Turbine 106 durchströmenden Arbeitsmedium M. Die Leitschaufeln 114 dienen hingegen zur Strömungsführung des Arbeitsmediums M zwischen jeweils zwei in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M gesehen aufeinander folgenden Laufschaufelreihen oder Laufschaufelkränzen. Ein aufeinander folgendes Paar aus einem Kranz von Leitschaufeln 114 oder einer Leitschaufelreihe und aus einem Kranz von Laufschaufeln 112 oder einer Laufschaufelreihe wird dabei auch als Turbinenstufe bezeichnet.
  • Jede Leitschaufel 114 weist eine auch als Schaufelfuß 119 bezeichnete Plattform 118 auf, die zur Fixierung der jeweiligen Leitschaufel 114 am Innengehäuse 16 der Turbine 106 als Wandelement angeordnet ist. Die Plattform 118 ist dabei ein thermisch vergleichsweise stark belastetes Bauteil, das die äußere Begrenzung eines Heißgaskanals für das die Turbine 106 durchströmende Arbeitsmedium M bildet. Jede Laufschaufel 112 ist in analoger Weise über einen auch als Plattform 118 bezeichneten Schaufelfuß 119 an der Turbinenwelle 108 befestigt, wobei der Schaufelfuß 119 jeweils ein entlang einer Schaufelachse erstrecktes profiliertes Schaufelblatt 120 trägt.
  • Zwischen den beabstandet voneinander angeordneten Plattformen 118 der Leitschaufeln 114 zweier benachbarter Leitschaufelreihen ist jeweils ein Führungsring 121 am Innengehäuse 116 der Turbine 106 angeordnet. Die äußere Oberfläche jedes Führungsrings 121 ist dabei ebenfalls dem heißen, die Turbine 106 durchströmenden Arbeitsmedium M ausgesetzt und in radialer Richtung vom äußeren Ende 122 der ihm gegenüber liegenden Laufschaufel 112 durch einen Spalt beabstandet. Die zwischen benachbarten Leitschaufelreihen angeordneten Führungsringe 121 dienen dabei insbesondere als Abdeckelemente, die die Innenwand 116 oder andere Gehäuse-Einbauteile vor einer thermischen Überbeanspruchung durch das die Turbine 106 durchströmende heiße Arbeitsmedium M schützt.
  • Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Gasturbinenanlage 101 für eine vergleichsweise hohe Austrittstemperatur des aus der Brennkammer 104 austretenden Arbeitsmediums M von etwa 1200 °C bis 1300 °C ausgelegt. Um dies zu ermöglichen, ist die Brennkammerwandung 123 innengekühlt. Hierbei strömt Verbrennungsluft im Gegenstrom zum Arbeitsmedium M, d.h. den Verbrennungsgasen, zwischen der Brennkammerwandung 123 und den an dieser befestigten, den Brennkammerinnenraum 124 umgebenden Innenverkleidungselementen 125 durch einen Wandungskühlraum 126 zu den Brennern 110. Durch diese Brennraumkühlung wird gleichzeitig in gewollter Weise die Verbrennungsluft erhitzt.
  • Ein Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Brenner ist in Figur 2 in einer Schnittansicht dargestellt. Der erfindungsgemäße Brenner umfasst ein inneres Brennersystem 1, welches im folgenden Pilotbrennersystem genannt wird sowie ein konzentrisch um das Pilotbrennersystem 1 angeordnetes Hauptbrennersystem 3. Der Brenner ist als Mehrbrennstoffbrenner ausgebildet, der sowohl zum Verbrennen gasförmiger Brennstoffe als auch zum Verbrennen flüssiger Brennstoffe geeignet ist. Außerdem ist er als Hybridbrenner ausgebildet, d.h. er kann sowohl im Diffusionsmodus als auch im Vormischmodus betrieben werden.
  • Das Pilotbrennersystem 1 umfasst einen inneren Zufuhrkanal 5 für flüssige Brennstoffe, einen inneren Gaszufuhrkanal 7 für gasförmige Brennstoffe sowie einen inneren Luftzufuhrkanal 9 zum Zuführen von Verbrennungsluft. Der innere Gaszufuhrkanal 7 ist dabei konzentrisch um den inneren Zufuhrkanal für flüssige Brennstoffe herum angeordnet. Um den inneren Gaszufuhrkanal 7 herum ist der innere Luftzufuhrkanal 9 konzentrisch angeordnet. Der innere Zufuhrkanal für flüssige Brennstoffe mündet über eine Düse 11 in die Brennkammer 13. Der innere Gaszufuhrkanal 7 mündet dagegen über Austrittsöffnungen 15 in den Luftzufuhrkanal 9, wo eine Vermischung des gasförmigen Brennstoffes mit der Luft erfolgt. Im oder am inneren Luftzufuhrkanal 9 ist außerdem ein geeignetes Zündsystem angeordnet, welches in Figur 2 nicht dargestellt ist.
  • Das Pilotbrennersystem 1 dient der Aufrechterhaltung einer die Stabilität der Brennerflamme unterstützenden Pilotflamme und erlaubt prinzipiell den Betrieb des Brenners als Diffusionsbrenner oder als Brenner mit einem vorgemischten Luft-Brennstoff-Gemisch.
  • Das konzentrisch um das Pilotbrennersystem 1 herum angeordnete Hauptbrennersystem 3 umfasst eine Primärbrennstoffstufe 20, eine Sekundärbrennstoffstufe 50 sowie einen konzentrisch um das Pilotbrennersystem 1 herum angeordneten Luftzufuhrkanal 17. Die beiden Brennstoffstufen 20, 50 sind in Luftzufuhrrichtung (Pfeil A) axial hintereinander angeordnet und dienen der Zufuhr eines gasförmigen Brennstoffes. Sie umfassen jeweils eine Anzahl Düsenrohre 22, 52 mit darin angeordneten Brennstoffdüsen 24, 54, wobei die Düsenrohre 54 der Sekundärbrennstoffstufe 50 in Luftzufuhrrichtung gesehen stromaufwärts zu den Düsenrohren 22 der Primärbrennstoffstufe 20 angeordnet sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfassen die beiden Brennstoffstufen jeweils 20 über den Umfang des Hauptbrennersystems 3 verteilte Düsenrohre 22, 52, auf denen die Brennstoffdüsen 24, 54 radial angeordnet sind.
  • Die Düsenrohre 22, 52 sind jeweils mit Ringverteilern 26 bzw. 56 verbunden, über die ihnen der gasförmiger Brennstoff zugeführt wird. Der Ringverteiler 26 der Primärbrennstoffstufe 20 und der Ringverteiler 56 der Sekundärbrennstoffstufe 50 werden jeweils über eine Anzahl gleichmäßig um das Pilotbrennsystem 1 herum verteilter Gaszufuhrleitungen 28, 58 mit Gas versorgt.
  • Das Hauptbrennersystem 3 umfasst darüber hinaus auch ein Zufuhrsystem 19 zum Zuführen flüssiger Brennstoffe, auf das jedoch nicht weiter eingegangen wird.
  • Die Impedanz der Sekundärbrennstoffstufe 50 ist an die Impedanz der Primärbrennstoffstufe 20 durch geeignete Dimensionierung des Ringverteilers 56 sowie durch in den Gaszufuhrleitungen 58 angeordnete Resonatoren 60 angepasst.
  • Beide Brennstoffstufen 20,50 sind getrennt regelbar, wobei die Sekundärbrennstoffstufe derart geregelt ist, dass sie maximal 30% des Brennstoffmassenstroms des Hauptbrenners 3 erhält. Eine Optimierung der Luft-Brennstoff-Mischung im Brenner wird durch geeignete Anordnung der Düsen 54 de Sekundärbrennstoffstufe erreicht. Außerdem sind die Düsen 54 derart ausgestaltet, dass der Druckverlust des Brennstoffes über diese Düsen 54 geringer ausfällt als der Druckverlust des Brennstoffes über die Düsen 24 der Primärbrennstoffstufe 20.
  • Die Sekundärbrennstoffstufe 50 erfüllt diverse Aufgaben. Sie dient beispielsweise dazu, Luftzahlschwankungen im Brenner, also zeitliche Variationen im Luft-Brennstoff-Mischungsverhältnis, zu verringern. Dies kann durch geeignetes Aufteilen des Brennstoffmassenstroms auf die Primärbrennstoffstufe 20 und die Sekundärbrennstoffstufe 50 erreicht werden. Eine geeignete Aufteilung ermöglicht es außerdem, das räumliche Luft-Brennstoff-Mischungsfeld im Brenner zu variieren. Durch den Einsatz der Sekundärbrennstoffstufe 50 erhöht sich zudem die Kapazität zum Einbringen von Brennstoff in die Luftzufuhrpassage, was beispielsweise bei Verwendung von Brennstoffen mit niedrigem Heizwert und/oder bei Brennstoffvorheizung sinnvoll sein kann. Die Sekundärbrennstoffstufe 50 erlaubt somit insbesondere eine Erweiterung des Brennstoffspektrums bzw. eine erhöhte Brennstoffflexibilität des Brenners. Durch getrenntes Regeln der Primärbrennstoffstufe 20 und der Sekundärbrennstoffstufe 50 lassen sich die genannten Wirkungen auch bei Änderungen der Umgebungsbedingungen, der Brenngaseigenschaften oder der Leistung der Turbinenanlage erzielen oder beibehalten.

Claims (11)

  1. Brenner für eine Gasturbinenanlage mit wenigstens einer Luftzufuhr (17), einer Primärbrennstoffstufe (20) sowie einer Sekundärbrennstoffstufe (50), welche einer Luftzufuhr (17) zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärbrennstoffstufe (50) in Luftströmungsrichtung (A) der Luftzufuhr (17) stromaufwärts zur Primärbrennstoffstufe (20) angeordnet ist, so dass die beiden Brennstoffstufen (20,50) in Luftzufuhrrichtung axial hintereinander angeordnet sind, so dass keine Strömung von der Primärbrennstoffstufe (20) zu der Sekundärbrennstoffstufe (50) kommt, und sich somit keine Rückströmgebiete zwischen Primärbrennstoffstufe (20) und der Sekundärbrennstoffstufe (50) ausbilden, und wobei der von der Sekundärbrennstoffstufe (50) zugeführte Brennstoffmassenstrom unabhängig von dem von der Primärbrennstoffstufe (20) zugeführten Brennstoffmassenstrom zu regeln ist.
  2. Brenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärbrennstoffstufe (50) zum Zuführen eines Brennstoffmassenstromes ausgelegt ist, der maximal 30% des von der Primärbrennstoffstufe (20) zuzuführenden Brennstoffmassenstromes entspricht.
  3. Brenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärbrennstoffstufe (50) Brennstoffdüsen (54) umfasst, die derart angeordnet sind, dass eine optimierte Mischung des Brennstoffes mit der Luft erfolgt.
  4. Brenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärbrennstoffstufe (50) Brennstoffdüsen (54) umfasst, die derart ausgestaltet sind, dass der Druckverlust des zugeführten Brennstoffes über diese Düsen geringer zu halten ist als der Druckverlust des über die Düsen (24) der Primärbrennstoffstufe (20) zugeführten Brennstoffes.
  5. Brenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz der Sekundärbrennstoffstufe (50) einen Wert aufweist, der gegenüber einem Brenner ohne Sekundärbrennstoffstufe (50) zu einer Verringerung von Luftzahlschwankungen oder Wärmefreisetzungsschwankungen führt.
  6. Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz durch geeignete Dimensionierung wenigstens einer Brennstoffpassage (56) zur Sekundärbrennstoffstufe (50) gegeben ist.
  7. Brenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass er als eine Brennstoffpassage zur Sekundärbrennstoffstufe (50) einen Brennstoffverteilerkanal (56) umfasst dessen Dimensionierung im Hinblick auf eine Impedanzanpassung gewählt ist.
  8. Brenner nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Brennstoffzufuhrleitung (58) zur Sekundärbrennstoffstufe (50) umfasst, die mit mindestens einem akustischen Filter (60) ausgestattet ist.
  9. Brenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seine Ausgestaltung als Hybridbrenner.
  10. Brenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seine Ausgestaltung als Mehrbrennstoffbrenner.
  11. Gasturbinenanlage mit einem Brenner nach einem der vorangehenden Ansprüche.
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