EP1730448B1 - Mehrfachbrenneranordnung zum betrieb einer brennkammer sowie verfahren zum betreiben der mehrfachbrenneranordnung - Google Patents

Mehrfachbrenneranordnung zum betrieb einer brennkammer sowie verfahren zum betreiben der mehrfachbrenneranordnung Download PDF

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EP1730448B1
EP1730448B1 EP05729789.7A EP05729789A EP1730448B1 EP 1730448 B1 EP1730448 B1 EP 1730448B1 EP 05729789 A EP05729789 A EP 05729789A EP 1730448 B1 EP1730448 B1 EP 1730448B1
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EP
European Patent Office
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fuel
burner
premix
burners
swirl
Prior art date
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Active
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EP05729789.7A
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English (en)
French (fr)
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EP1730448A1 (de
Inventor
Peter Flohr
Christian Jörg Motz
Majed Toqan
Martin Zajadatz
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Ansaldo Energia IP UK Ltd
Original Assignee
General Electric Technology GmbH
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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
    • F23R3/286—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply having fuel-air premixing devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23K—FEEDING FUEL TO COMBUSTION APPARATUS
    • F23K5/00—Feeding or distributing other fuel to combustion apparatus
    • F23K5/02—Liquid fuel
    • F23K5/06—Liquid fuel from a central source to a plurality of burners
    • 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
    • F23R3/346—Feeding into different combustion zones for staged combustion

Definitions

  • the invention relates to a multiple burner arrangement with a plurality of trained as Vormischbrennem individual burners, which serve for firing a combustion chamber for a heat engine, preferably for a gas turbine plant, and each having a swirl space, are fed into the Verbrennungszu slaughter and fuel to form a swirl flow, wherein the swirl flow downstream of the premix burner within the combustion chamber forms a largely stably forming return flow zone, in which a burner flame is formed after ignition of the fuel-air mixture.
  • a method for operating such a multiple burner arrangement will be described.
  • annular combustion chambers which are used for the purpose of driving gas turbine plants and which provide a multiplicity of individual premix burners in a circular arrangement around the rotating components of a gas turbine, whose hot gases are fed directly via a ring-shaped flow channel of the downstream turbine stage.
  • annular combustion chamber arrangement is for example from the EP 597 138 B1 can be seen, which provides a plurality annularly arranged Vormischbrenner, as for example the EP 387 532 A1 can be removed and are each designed as a double-cone burners, which provide a radially enclosed from two hollow conical bodies torso swirl space whose respective center axes are offset from each other, so that adjacent walls of two cone bodies include tangential slots for the combustion air in their longitudinal extent.
  • Liquid fuel can be fed into the swirl chamber, which widens conically in the axial direction, via a fuel nozzle arranged largely centrally within the swirl space.
  • the premix burner can be supplied with gaseous fuel via gas inlet openings distributed along the tangential slots within the wall of both partial cone bodies.
  • gas inlet openings distributed along the tangential slots within the wall of both partial cone bodies.
  • the fuel supply for each premix burner is usually carried out at startup of the gas turbine and at low load ranges via a so-called pilot stage, depending on the design of the premix burner as a central burner lance, as for example in the DE 196 52 899 A1 is described, or as a directly at the burner outlet in the flow direction in front of the combustion chamber provided pilot gas supply is formed.
  • thermoacoustic oscillations moreover preferably also occur in premix mode, i. in the middle and upper load range, through which the forming within the combustion chamber flame stability is greatly impaired.
  • the DE 101 08 560 A1 proposed the previously applied symmetry in the fuel supply of all Purposefully break up premix burners provided in the multiple burner assembly to effectively reduce the incidence of combustor pulsations.
  • at least one premix burner is operated such that the at least one premix burner has a different spatial mixing profile within the fuel-air mixture from all other premix burners provided in the multiple burner arrangement.
  • the at least one premix burner provides a fuel feed for the gaseous fuel, which differs constructively from all other premix burners, along the partial cone shells which radially delimit the conical swirl space.
  • this measure contributes to the damping of the usual form in resonant form circularly circulating in an annular combustion chamber pulsations in the upper load range of the gas turbine plant, but are the further influence on the burner behavior with respect to the operation of the gas turbine plant at different load conditions and taking into account other, the combustion processes within the respective premix burner influencing parameters, such as greatly varying moisture content in the combustion air supply with performance increase of the gas turbine, ambient temperature, change in the fuel composition as well as aging phenomena of the entire gas turbine plant limits.
  • the above-described proposal does not allow subsequent retrofitability to existing gas turbine plants, so that the known measure can be realized only in new-to-be-acquired gas turbine plants.
  • a multiple burner arrangement with a multiplicity of individual burners designed as premix burners according to the preamble of claim 1 is known US2003 / 0041588 A1 ,
  • the invention has the object of providing a multiple burner arrangement with a plurality of trained as Vormischbrennern individual burners, in particular for operating a gas turbine plant according to the preamble of claim 1 such that the operation of a variety of individual premix burners as flexible or variable depending on the particular load condition and the parameter influencing the combustion process, as mentioned above, can be optimized.
  • it is necessary to create a regulatory option which optimizes the operation of a multiple burner arrangement in terms of pollutant emissions and significantly reduces the pulsations caused by the combustion in the entire load range.
  • claim 8 is a method for operating a multiple burner arrangement, as it is suitable for example for the operation of an annular combustion chamber.
  • the multi-burner arrangement according to the invention is based on the targeted use of stepped premix burner systems which have means for internally staged fuel injection into the swirl chamber for premix operation.
  • each individual premix burner provided in the multiple burner arrangement is supplied with fuel, preferably gaseous fuel, via at least two separate fuel lines, a so-called first and a second fuel line, through which the fuel is fed into the swirl space for further formation of the swirl flow.
  • the respective first fuel line of each premix burner is connected to a first ring line via which the respective first fuel lines of all premix burners within the multiple burner arrangement are supplied with fuel.
  • a second ring line is provided, which is connected to each of the second fuel line of each individual, provided in the multi-burner arrangement Vormischbrenners.
  • a fuel supply influencing control unit such as a throttle valve
  • a fuel supply influencing control unit such as a throttle valve
  • the burner concept according to the invention with controllable fuel throttling, at least for selectively selected premix burners within a multiple burner arrangement, can be realized both with premix burners with burner lances or with external pilot feeds.
  • Vorischbrennem with a swirl space at least partially centrally passing burner lance a large part of the preferably gaseous fuel is fed via the burner lance into the swirl chamber during startup or lower load range of the gas turbine.
  • each of the burner lances are connected to the respective first fuel line, which are fed by a respective common ring line with fuel.
  • the multiple burner arrangement is operated such that significantly more than half of the gaseous fuel is supplied via the respective second fuel line to the premix burner via the fuel outlet openings, which extend along the air inlet slots.
  • the inventive burner concept by providing additional control units along the branched off from a ring line fuel lines only for a selected group of provided in the multi-burner arrangement Premixing a targeted disruption of the symmetry in the temperature distribution along the flame forming within the combustion chamber, whereby a decisive influence on the reduction of forming within the combustion chamber thermoacoustic vibrations can be taken.
  • control units provided in the fuel lines which are preferably designed as throttle valves, allow active regulation or control as a function of parameters influencing the combustion process, such as the varying proportion of moisture in the combustion air supply depending on the load range of the gas turbine arrangement, the ambient temperature, change in temperature Fuel composition as well as aging of gas turbine components.
  • Fig. 1 shows a longitudinal section and an oriented against the flow direction S front view of a premix burner 1 with stepped fuel supply.
  • the cone-shaped Vormischbrenner 1 closes with his in Fig. 1 shown highly schematic part cone shells 2 a cone-shaped swirl space 3 a. Due to their mutually overlapping arrangement, the subcone shells 2 each include air inlet slots 4, along which the fuel feed openings 5 are distributed, through which gaseous fuel is fed into the swirl chamber 3 to form a swirl flow.
  • a burner lance 6 is provided, which also has fuel outlet openings through which fuel in the swirl chamber 3 can be fed.
  • the fuel feed via the lance stage 6 is preferably carried out when starting the gas turbine plant and in the lower load range. On the other hand, if the gas turbine is located in the middle or upper load range, the fuel feed takes place primarily via the fuel supply openings 5 extending along the partial cone shells.
  • FIG. 2a schematically shows the fuel supply to a single premix burner in the manner of a FIG. 1 illustrated embodiment.
  • a first fuel line 7 is connected to the lance stage 6, whereas a second fuel line 8 is connected to the fuel inlet openings 5, which extend along the air inlet slots 4 within the Teifkegelschalen 2.
  • FIG. 2c Another variant of the fuel feed is in Figure 2c illustrated, in which a first fuel stage via an external pilot stage 11, which is provided after the burner outlet and upstream to the combustion chamber BK.
  • the second burner stage corresponds to that in the image representation according to FIG. 2b
  • the air inlet slots 4 distributed fuel feed openings 5 along the part cone shells.
  • FIG. 3 schematically a piping plan to remove fuel for the individual fuel lines 7, 8, by the premix burner, not shown in the in FIG. 2 supplied with fuel in the manner indicated.
  • the fuel lines 7 of all premix burners with a first ring line 12 and the fuel lines 8 are connected correspondingly with a second ring line 13.
  • additional control units 15, preferably controllable throttle valves, provided by a targeted throttling of the fuel supply via the example in the first fuel line 7, which is preferably connected to the burner lance is possible.
  • FIG. 4 a schematic representation of a multiple burner arrangement for firing an annular combustion chamber is shown. Equally distributed on an annular surface 18 premix burners are arranged, of which those premix burners are operated unthrottled with a black point, the rest, each marked with a circle throttled, for example, operated with a throttled lance stage. Since, as indicated above, the degree of fuel throttling can be variably adjusted and this ultimately for each individual throttled premix burner, different irregular temperature profiles running along the combustion chamber circumference can be set, which are able to decisively influence the combustion process. By controlled influence on targeted premix burners operable in the multiple burner arrangement, the combustion process can be optimized directly during operation of the gas turbine.
  • the burner concept according to the invention can be used successfully not only for annular combustion chambers, but also for burner arrangements which provide uniformly distributed or unevenly distributed individual burners, for example for firing a pot combustion chamber.
  • Variants are also conceivable in which burner arrangements are arranged axially one behind the other, such as, for example, in axially stepped combustion chambers.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Mehrfachbrenneranordnung mit einer Vielzahl von als Vormischbrennem ausgebildeten Einzelbrennern, die zur Befeuerung einer Brennkammer für eine Wärmekraftmaschine, vorzugsweise für eine Gasturbinenanlage, dienen und jeweils einen Drallraum aufweisen, in den Verbrennungszuluft sowie Brennstoff unter Ausbildung einer Drallströmung eingespeist werden, wobei die Drallströmung stromab zum Vormischbrenner innerhalb der Brennkammer eine sich räumlich weitgehend stabil ausbildende Rückströmzone bildet, in der sich nach Zünden des Brennstoff-Luft-Gemisches eine Brennerflamme ausbildet. Ebenso wird ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Mehrfachbrenneranordnung beschrieben.
    • Stand der Technik
  • Mehrfachbrenneranordnungen haben sich nicht zuletzt aus Gründen ökologischer Gesichtspunkte durchgesetzt, da die Stickoxydbildung in den Abgasen aufgrund niedriger Flammentemperatur bei großem Luftüberschuss klein gehalten werden kann. In diesem Zusammenhang haben sich insbesondere so genannte Ringbrennkammern etablieren können, die zum Zwecke des Antriebes von Gasturbinenanlagen eingesetzt werden und eine Vielzahl einzelner Vormischbrenner in zirkulärer Anordnung um die rotierenden Komponenten einer Gasturbine vorsieht, deren Heißgase über einen ringförmig ausgebildeten Strömungskanal unmittelbar der nachgeordneten Turbinenstufe zugeführt werden.
  • Eine derartige Ringbrennkammeranordnung ist beispielsweise aus der EP 597 138 B1 zu entnehmen, die eine Vielzahl ringförmig angeordneter Vormischbrenner vorsieht, wie sie beispielsweise der EP 387 532 A1 entnehmbar sind und jeweils als Doppelkegelbrenner ausgebildet sind, die einen aus zwei hohlen kegelförmigen Teilkörpern radialseitig umschlossenen Drallraum vorsehen, deren jeweilige Mittelachsen gegeneinander versetzt angeordnet sind, so dass benachbarte Wandungen zweier Teilkegelkörper in deren Längserstreckung tangentiale Schlitze für die Verbrennungsluft einschließen. Über eine weitgehend mittig innerhalb des Drallraumes angeordnete Brennstoffdüse kann Flüssigbrennstoff in den axialwärts sich konisch erweiternden Drallraum eingespeist werden. Ebenso kann der Vormischbrenner über längs der tangentialen Schlitze innerhalb der Wandung beider Teilkegelkörper verteilte Gaseinströmöffnungen mit gasförmigem Brennstoff versorgt werden. So bildet sich bereits eine Gemischbildung mit der Verbrennungszuluft in Zonen der Eintrittsschlitze aus, wobei sich längs der sich axialwärts innerhalb des Drallraums ausbreitenden Drallströmung eine möglichst homogene Brennstoffkonzentration über den gesamten Querschnitt des Drallraumes ausbildet. Es entsteht am Brenneraustritt eine definierte kalottenförmige Rückströmzone, an deren Spitze die Zündung erfolgt unter Ausbildung einer sich innerhalb der Zone räumlich stabilen Brennerflamme.
  • Beim Betrieb einer derartigen Gasturbinenanlage wird in der Regel beim Anfahren der Gasturbine sowie bei niedrigen Lastbereichen die Brennstoffzufuhr für jeden einzelnen Vormischbrenner über eine so genannte Pilotstufe durchgeführt, die je nach Ausbildung des Vormischbrenners als eine zentrale Brennerlanze, wie sie beispielsweise in der DE 196 52 899 A1 beschrieben ist, oder als eine unmittelbar am Brenneraustritt in Strömungsrichtung vor der Brennkammer vorgesehene Pilotgaszuführung ausgebildet ist.
  • In beiden Fällen wird Brennstoff direkt in die zur Flammenstabilisierung erforderliche Strömungszone zugegeben, der jedoch für den Schadstoffausstoß in einem äußerst ungünstigen Mischungsverhältnis unter nahezu stoichiometrischen Bedingungen verbrennt Aufgrund der im so genannten Pilotbetrieb hohen Emissionswerten hinsichtlich NO2, CO und NOX ist es daher insbesondere im mittleren und oberen Lastbereich der Gasturbinenanlage erforderlich, die Brennstoffzufuhr über die jeweilige Pilotstufe zu drosseln und die Brennstoffversorgung im Rahmen der so genannten Vormischstufe, d.h. der Einspeisung gasförmigen Brennstoffs längs der Lufteintrittsschlitze durch die Wandung der Teilkegelschalen vorzunehmen. Nach einem vollständigen Abschalten der Pilotbrennstoffzufuhr ist es erforderlich, brennbare Rückstände aus den Pilotzuleitungen zu entfernen, um Flammenrückschläge in die Pilotstufe zu vermeiden. Hierfür sind technisch aufwendige Spülverfahren erforderlich. Zudem sind die Umschaltvorgänge vom Pilotzum Vormischbetrieb oder umgekehrt nicht wünschenswert, da hierdurch brennerinterne Pulsationen angeregt werden, die je nach Ausprägung die am Verbrennungsvorgang beteiligten Anlagenkomponenten mechanisch stark belasten.
  • Derartige thermoakustische Schwingungen treten darüber hinaus bevorzugt auch im Vormischbetrieb, d.h. im mittleren und oberen Lastbereich auf, durch die die innerhalb der Brennkammer ausbildende Flammenstabilität stark beeinträchtigt wird.
  • Normalerweise werden bei mit Ringbrennkammern befeuerten Gasturbinen sämtliche Vormischbrenner während des Vormischbetriebes in gleicher Weise mit gasförmigem Brennstoff versorgt. Es zeigt sich allerdings, dass sich bei unterschiedlichen Lastbedingungen der Gasturbinenanlage Betriebsbereiche ausbilden, in denen starke Brennkammerpulsationen, ein schlechter Ausbrand und damit verbundene hohe Kohlenoxidwerte sowie hohe Werte ungesättigter Kohlenwasserstoffe auftreten und in denen ein schlechtes Querzündverhalten der einzelnen Vormischbrenner zu beobachten ist.
  • Um diesen Problemen entgegenzutreten, wird in der DE 101 08 560 A1 vorgeschlagen, die bisher angewandte Symmetrie in der Brennstoffversorgung aller in der Mehrfachbrenneranordnung vorgesehenen Vormischbrenner gezielt aufzubrechen, um wirksam das Auftreten von Brennkammerpulsationen zu reduzieren. Hierbei wird wenigstens ein Vormischbrenner derart betrieben, dass der wenigstens eine Vormischbrenner ein von allen anderen in der Mehrfachbrenneranordnung vorgesehenen Vormischbrennem abweichendes räumliches Mischungsprofil innerhalb des Brennstoff-Luft-Gemisches aufweist. Hierbei sieht der wenigstens eine Vormischbrenner eine konstruktiv von allen anderen Vormischbrennern abweichende Brennstoffeinspeisung für den gasförmigen Brennstoff längs der den kegelförmigen Drallraum radial eingrenzenden Teilkegelschalen vor. Zwar trägt diese Maßnahme zur Dämpfung von sich üblicher weise in resonanter Form ausbildenden zirkular in einer Ringbrennkammer umlaufenden Pulsationen im oberen Lastbereich der Gasturbinenanlage bei, doch sind der weiteren Einflussnahme auf das Brennerverhalten hinsichtlich des Betriebes der Gasturbinenanlage bei unterschiedlichen Lastzuständen sowie unter Berücksichtigung anderer, die Verbrennungsprozesse innerhalb der jeweiligen Vormischbrenner beeinflussenden Parameter, wie beispielsweise stark variierende Feuchteanteile in der Verbrennungszuluft bei Leistungssteigerung der Gasturbine, Umgebungstemperatur, Änderung der Brennstoffzusammensetzung sowie auch Alterungserscheinungen der gesamten Gasturbinenanlage Grenzen gesetzt. Überdies ermöglicht der vorstehend beschriebene Vorschlag keine nachträgliche Retrofitierbarkeit an bereits bestehenden Gasturbinenanlagen, so dass die bekannte Maßnahme ausschließlich bei neu anzuschaffenden Gasturbinenanlagen realisierbar ist.
  • Eine Mehrfachbrenneranordnung mit einer Vielzahl von als Vormischbrenner ausgebildeten Einzelbrennem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist bekannt aus US2003/0041588 A1 .
    • Darstellung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mehrfachbrenneranordnung mit einer Vielzahl von als Vormischbrennern ausgebildeten Einzelbrennern, insbesondere zum Betrieb einer Gasturbinenanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 derart weiterzubilden, dass der Betrieb von einer Vielzahl einzelner Vormischbrenner möglichst flexibel bzw. variabel in Abhängigkeit des jeweiligen Lastzustandes sowie der den Verbrennungsprozess beeinflussenden Parameter, wie vorstehend erwähnt, optimiert werden kann. Insbesondere gilt es, eine Regelungsmöglichkeit zu schaffen, die den Betrieb einer Mehrfachbrenneranordnung hinsichtlich des Schadstoffausstoßes optimiert sowie die durch die Verbrennung verursachten Pulsationen im gesamten Lastbereich deutlich reduziert.
  • Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruches 8 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Mehrfachbrenneranordnung, wie sie beispielsweise für den Betrieb einer Ringbrennkammer geeignet ist.
  • Die erfindungsgemäße Mehrfachbrenneranordnung hebt auf den gezielten Einsatz von gestuft betreibbaren Vormischbrennersystemen ab, die über Mittel für eine intern gestufte Brennstoffeindüsung in den Drallraum für den Vormischbetrieb verfügen. Hierzu wird jeder einzelne in der Mehrfachbrenneranordnung vorgesehene Vormischbrenner über wenigstens zwei getrennte Brennstoffleitungen, eine so genannte erste und eine zweite Brennstoffleitung mit Brennstoff, vorzugsweise gasförmigen Brennstoff, versorgt, durch die der Brennstoff zur weiteren Ausbildung der Drallströmung in den Drallraum eingespeist wird. Die jeweils erste Brennstoffleitung eines jeden Vormischbrenners ist mit einer ersten Ringleitung verbunden, über die die jeweils ersten Brennstoffleitungen sämtlicher Vormischbrenner innerhalb der Mehrfachbrenneranordnung mit Brennstoff versorgt werden. Ferner ist eine zweite Ringleitung vorgesehen, die mit jeweils der zweiten Brennstoffleitung jedes einzelnen, in der Mehrfachbrenneranordnung vorgesehenen Vormischbrenners verbunden ist. Wesentlich ist nun, dass bei einer ersten Gruppe von Vormischbrennem, deren Anzahl kleiner als die Hälfte der in der Mehrfachbrenneranordnung vorgesehenen Gesamtzahl gewählt ist, in wenigstens einer der Brennstoffleitungen eine die Brennstoffzuführung beeinflussende Regeleinheit, beispielsweise ein Drosselventil, vorgesehen ist. Durch eine geregelte Drosselung der Brennstoffversorgung bezüglich einer ausgewählten Gruppe von Vormischbrennern ist es einerseits möglich ein gezielt asymmetrisches Temperaturprofil längs einer annularen Vormischbrenneranordnung bspw. im Rahmen einer Ringbrennkammeranordnung zu schaffen und somit auf wirksame Weise den brennerbedingten thermoakustischen Schwingungen entgegen zu wirken, zum anderen gestattet die regelbare Brennstoffdrosselung eine individuelle Abstimmung des Brennerverhaltens auf grundsätzlich alle den Verbrennungsprozess beeinflussenden Parameter.
  • Das erfindungsgemäße Brennerkonzept mit einer regelbaren Brennstoffdrosselung zumindest bei gezielt ausgewählten Vormischbrennem innerhalb einer Mehrfachbrenneranordnung kann sowohl bei Vormischbrennem mit Brennerlanze oder auch mit externer Pilotzuführung realisiert werden.
  • Beim Einsatz von Vormischbrennem mit einer den Drallraum wenigstens teilweise mittig durchsetzenden Brennerlanze wird im Anfahrbetrieb bzw. unterem Lastbereich der Gasturbine ein Großteil des vorzugsweise gasförmigen Brennstoffes über die Brennerlanze in den Drallraum eingespeist. Hierzu sind jeweils die Brennerlanzen mit der jeweils ersten Brennstoffleitung verbunden, die von jeweils einer gemeinsamen Ringleitung mit Brennstoff gespeist werden. Im mittleren und oberen Lastbereich wird hingegen die Mehrfachbrenneranordnung derart betrieben, dass deutlich mehr als die Hälfte des gasförmigen Brennstoffes über die jeweils zweite Brennstoffleitung den Vormischbrennem über die Brennstoffaustrittöffnungen zugeführt wird, die sich längs der Lufteintrittsschlitze erstrecken. Dies wird durch Zuschalten der Brennstoffversorgung über die zweite Ringleitung ermöglicht, von der die jeweils zweiten Brennstoffleitungen der einzelnen Vormischbrenner gespeist werden, wobei je nach Bedarf die Brennstoffeinspeisung über die erste Ringleitung gedrosselt wird. Dies hat den Vorteil, dass unabhängig vom Betriebspunkt der Gasturbinenanlage stets ein ideales Luft-Brennstoff-Gemisch erzeugt werden kann, in dem die einzelnen Brennstoffstufen in Abhängigkeit des Lastbereiches der Gasturbinenanlage unterschiedlich mit Brennstoff versorgt werden und auf diese Weise ein Optimum des Verbrennungsverhaltens hinsichtlich Schadstoffemissionen und Pulsationsverhalten zu erzielen, wodurch der Betriebsbereich der Gasturbine wesentlich erweitert werden kann.
  • In gleicher Weise, mit der eine Brennstoffstufung über eine den Drallraum mittig wenigstens teilweise durchragende Brennerlanze realisiert wird, ist es auch möglich, eine Brennstoffstufung längs der Brennerlufteintrittsschlitze vorzunehmen. Auch ist es denkbar, eine Brennstoffstufung über eine extern geführte Pilotstufe zu realisieren, die am Brenneraustritt stromauf zur Brennkammer vorgesehen ist.
  • Unabhängig von der jeweiligen Ausbildungsform der eingesetzten Vormischbrenner sowie des vom Lastzustand einstellbaren Brennstoffversorgungsverhältnisses zwischen den Ringleitungen und den daran angeschlossenen ersten und zweiten Brennstoffleitungen ermöglicht das erfindungsgemäße Brennerkonzept durch Vorsehen zusätzlicher Regeleinheiten längs der von einer Ringleitung abzweigenden Brennstoffleitungen nur bei einer ausgewählten Gruppe von in der Mehrfachbrenneranordnung vorgesehenen Vormischbrennem eine gezielte Aufbrechung der Symmetrie in der Temperaturverteilung längs der sich innerhalb der Brennkammer ausbildenden Flamme, wodurch ein entscheidender Einfluss auf die Reduzierung der sich innerhalb der Brennkammer ausbildenden thermoakustischen Schwingungen genommen werden kann. Ebenso erlauben die in den Brennstoffleitungen vorgesehenen Regeleinheiten, die vorzugsweise als Drosselventile ausgebildet sind, eine aktive Regelung bzw. Steuerung in Abhängigkeit von den Verbrennungsvorgang beeinflussenden Parametern, wie beispielsweise der in Abhängigkeit vom Lastbereich der Gasturbinenanordnung variierende Feuchteanteil in der Verbrennungszuluft, die Umgebungstemperatur, Änderung der Brennstoffzusammensetzung sowie auch Alterung von Gasturbinenkomponenten.
    • Kurze Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
    • Fig. 1
    Schematisierte Darstellung eines gestuften Vormischbrenners,
    Fig. 2 a-c
    Darstellung alternativer Brennstoffleitungen zur Brennstoffversorgung eines Vormischbrenners,
    Fig. 3a, b
    Anordnung zweier Ringleitungen zur Befeuerung einer zweifach gestuften Vormischbrenneranordnung und
    Fig. 4
    annulares Anordnungsschema für Vormischbrenner zur Befeuerung einer Ringbrennkammer.
    Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
  • Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt sowie eine gegen die Strömungsrichtung S orientierte Vorderansicht eines Vormischbrenners 1 mit gestufter Brennstoffzuführung. Der kegelförmig ausgebildete Vormischbrenner 1 schließt mit seinen in Fig. 1 dargestellten stark schematisierten Teilkegelschalen 2 einen kegelförmig ausgebildeten Drallraum 3 ein. Die Teilkegelschalen 2 schließen aufgrund ihrer gegenseitig überlappenden Zusammenstellung jeweils Lufteintrittsschlitze 4 ein, längs der Brennstoffzuführungsöffnungen 5 verteilt angeordnet sind, durch die gasförmiger Brennstoff in den Drallraum 3 zur Ausbildung einer Drallströmung eingespeist wird.
  • Mittig den Drallraum 3 wenigstens teilweise durchragend ist eine Brennerlanze 6 vorgesehen, die ebenso Brennstoffaustrittsöffnungen aufweist, durch die Brennstoff in den Drallraum 3 einspeisbar ist. Die Brennstoffeinspeisung über die Lanzenstufe 6 erfolgt vorzugsweise beim Anfahren der Gasturbinenanlage sowie im unteren Lastbereich. Befindet sich die Gasturbine hingegen im mittleren oder oberen Lastbereich, so erfolgt die Brennstoffeinspeisung vornehmlich über die sich längs der Teilkegelschalen erstreckenden Brennstoffzuführungsöffnungen 5.
  • Figur 2a zeigt schematisiert die Brennstoffversorgung an einem einzelnen Vormischbrenner nach Art einer in Figur 1 dargestellten Ausführungsform. Eine erste Brennstoffleitung 7 ist mit der Lanzenstufe 6 verbunden, wohingegen eine zweite Brennstoffleitung 8 mit den Brennstoffeintrittsöffnungen 5 verbunden ist, die sich längs der Lufteintrittsschlitze 4 innerhalb der Teifkegelschalen 2 erstrecken.
  • Alternativ zu der vorstehend dargestellten Vormischbrennervariante ist es ebenso möglich einen gemäß Bilddarstellung in Figur 2b gestuft ausgebildeten Vormischbrenner längs zweier axial versetzter Brennstoffeinspeisungsbereiche 9, 10 gesondert über die Brennstoffleitungen 7, 8 mit Brennstoff zu versorgen.
  • Eine weitere Variante der Brennstoffeinspeisung ist in Figur 2c dargestellt, bei der eine erste Brennstoffstufe über eine externe Pilotstufe 11 erfolgt, die im Anschluss an den Brenneraustritt und stromauf zur Brennkammer BK vorgesehen ist. Die zweite Brennerstufe entspricht der in Bilddarstellung gemäß Figur 2b längs der Lufteintrittsschlitze 4 verteilten Brennstoffeinspeisungsöffnungen 5 längs der Teilkegelschalen 2.
  • Aus Figur 3 ist schematisiert ein Leitungsplan zur Brennstoffversorgung für die einzelnen Brennstoffleitungen 7, 8 zu entnehmen, durch die nicht dargestellten Vormischbrenner in der in Figur 2 angegebenen Weise mit Brennstoff versorgt werden. Hierbei sind die Brennstoffleitungen 7 aller Vormischbrenner mit einer ersten Ringleitung 12 und die Brennstoffleitungen 8 entsprechend mit einer zweiten Ringleitung 13 verbunden. Zur Einstellung eines gewünschten Brennstoff-Versorgungsverhältnisses zwischen den Ringleitungen 12, 13 und somit auch zwischen den mit den Ringleitungen 12, 13 verbundenen Brennstoffleitungen 7, 8 dient wenigstens eine Regeleinrichtung 14, mit der eine gezielt einstellbare Brennstoffaufteilung über die jeweiligen Ringleitungen 12, 13 vorgenommen werden kann. Ferner sind in einer bestimmten Anzahl von Brennstoffleitungen 7, hier vier, zusätzliche Regeleinheiten 15, vorzugsweise regelbare Drosselventile, vorgesehen, durch die eine gezielte Drosslung der Brennstoffzufuhr über die im Beispiel jeweils erste Brennstoffleitung 7, die vorzugsweise mit der Brennerlanze verbunden ist, möglich ist.
  • In dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel werden vier von zehn in ringförmiger Anordnung vorgesehene Vormischbrenner (nicht dargestellt) durch entsprechende Drosselung der Regeleinheiten 14 über die jeweiligen Brennstoffleitungen 7 gedrosselt mit Brennstoff versorgt, wodurch die betreffenden Vormischbrenner eine Verbrennungstemperatur aufweisen, die sich von der Verbrennungstemperatur aller übrigen, in der ringförmigen Anordnung vorgesehenen ungedrosselten Vormischbrennern unterscheidet. Wie eingangs erläutert, führt dies zu einer Asymmetrie in der Temperaturverteilung längs der annularen Vormischbrenneranordnung, wodurch wirksam der Ausbildung thermoakustischer Schwingungen innerhalb der Brennkammer entgegen gewirkt werden kann. Aufgrund der Regelbarkeit der als Drosselventile ausgebildeten Regeleinheiten 15 ist es möglich den Verbrennungsprozess unter Berücksichtigung unterschiedlichster, den Verbrennungsprozess beeinflussenden Parametern zu optimieren.
  • In Figur 4 ist eine schematisierte Darstellung einer Mehrfachbrenneranordnung zur Befeuerung einer Ringbrennkammer dargestellt. Gleich verteilt auf einer Ringfläche sind 18 Vormischbrenner angeordnet, von denen jene Vormischbrenner mit einem schwarzen Punkt ungedrosselt betrieben werden, die übrigen, jeweils mit einem Kreis markiert werden gedrosselt, bspw. mit einer gedrosselten Lanzenstufe betrieben. Da wie vorstehend aufgezeigt, der Grad der Brennstoffdrosselung variabel eingestellt werden kann und dies letztlich für jeden einzelnen, gedrosselt betriebenen Vormischbrenner, können unterschiedliche unregelmäßige längs des Brennkammerumfanges verlaufende Temperaturprofile eingestellt werden, die den Verbrennungsvorgang entscheidend zu beeinflussen vermögen. Durch eine geregelte Einflussnahme auf gezielte in der Mehrfachbrenneranordnung gedrosselt betreibbare Vormischbrenner kann der Verbrennungsvorgang direkt im Betrieb der Gasturbine optimiert werden.
  • So sei angenommen, dass die in Figur 4 zur Befeuerung einer Ringbrennkammer angeordneten 18 Vormischbrenner mit einer brennerintemen Brennstoffstufung mit einer Lanzen- und einer Brennerstufe ausgelegt seien. Während bei 12 der Brenner beide Brennerstufen komplett geöffnet sind, sind bei den übrigen 6 verbleibenden Brennern die Lanzenstufen jeweils vollständig geschlossen. Grundsätzlich erlaubt diese Brenneranordnung einen in Bezug auf die Schadstoffemissionen akzeptablen Betriebsbereich falls 10 - 50 % des den Brennern gesamtheitlich zugeführten Brennstoffes jeweils durch die Lanzenstufe eingebracht wird. Auf diese Weise ist es möglich die azimuthale Brennergruppierung der mageren Brennergruppe, umfassend die Brenner 1, 4, 7, 10, 13, 16 in einem Bereich von 16 - 30 % bezogen auf den insgesamt eingebrachten Brennstoff einzustellen.
  • Das erfindungsgemäße Brennerkonzept lässt sich nicht nur für Ringbrennkammern erfolgreich anwenden, sondern auch für Brenneranordnungen, die flächig gleich- oder ungleichmäßig verteilte Einzelbrenner vorsehen, bspw. zur Befeuerung einer Topfbrennkammer. So ist es möglich durch entsprechende Positionierung gedrosselter Vormischbrenner neben der bereits beschriebenen Variante zur azimuthalen Brennergruppierung auch beliebig radial verlaufende Temperaturprofile einzustellen. Auch sind Varianten denkbar, in denen Brenneranordnungen axial hintereinander angeordnet werden, wie bspw. bei axial gestuften Brennkammern.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Vormischbrenner
    2
    Teilkegelschale
    3
    Drallraum
    4
    Lufteintrittsschlitz
    5
    Brennstofföffnungen
    6
    Lanze, Lanzenstufe
    7,8
    Brennstoffleitung
    9, 10
    Brennstoffeinspeisungsbereich
    11
    Externe Pilotstufe
    12,13
    Erste, zweite Ringleitung
    14
    Regeleinrichtung
    15
    Regeleinheit

Claims (13)

  1. Mehrfachbrenneranordnung mit einer Vielzahl von als Vormischbrenner (1) ausgebildeten Einzelbrennern, die zur Befeuerung einer Brennkammer einer Wärmekraftmaschine dienen und jeweils einen Drallraum (3) aufweisen, in den Verbrennungszuluft sowie Brennstoff unter Ausbildung einer Drallströmung einbringbar sind, wobei die Drallströmung stromab zum Vormischbrenner (1) innerhalb der Brennkammer eine Rückströmzone bildet in der sich eine Brennerflamme ausbildet, wobei
    die Vormischbrenner (1) über wenigstens eine erste und eine zweite Brennstoffleitung (7, 8) mit Brennstoff versorgbar sind, durch die Brennstoff zur Ausbildung der Drallströmung.in den Drallraum (3) einspeisbar ist, wobei die jeweils erste Brennstoffleitung (7) eines jeden Vormischbrenners mit einer ersten Ringleitung (12) und die zweite Brennstoffleitung (8) eines jeden Vormischbrenners mit einer zweiten Ringleitung (13) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet,
    dass wenigstens bei einer ersten Gruppe von Vormischbrennern in wenigstens einer der Brennstoffleitungen (7, 8) eine die Brennstoffzuführung beeinflussende Regeleinheit (15) vorgesehen ist, und
    dass die Anzahl der Vormischbrenner der ersten Gruppe kleiner ist als die Hälfte der Gesamtanzahl der Vielzahl an Vormischbrenner.
  2. Mehrfachbrenneranordnung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit (15) ein Drosselventil oder eine Blendenscheibe ist.
  3. Mehrfachbrenneranordnung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Vormischbrenner (1) jeweils einen teilkegelartig ausgebildeten Drallraum (3) aufweisen, der Von wenigstens zwei sich gegenseitig teilweise überlappenden, jeweils tangentiale Lufteintrittschlitze (4) miteinander einschließende Teilkegelschalen (2) radial begrenzt ist,
    dass die in den Drallraum (3) gerichtete Brennstoffeinspeisung über wenigstens zwei getrennte.
    Brennstoffeinspeisungsbereiche erfolgt, die axialwärts zum teilkegelartig ausgebildeten Drallraum (3) getrennt oder axialwärts teilweise überlappend angeordnet sind und jeweils mit einer Brennstoffleitung (7, 8) verbunden sind.
  4. Mehrfachbrenneranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass axialwärts in den Drallraum (3) mittig wenigstens teilweise hineinragend eine Brennlanze (6) vorgesehen ist,
    dass ein erster Brennstoffeinspeisungsbereich längs der Brennerlanze (6) und ein zweiter Brennstoffeinspeisungsbereich längs der Teilkegelschalen (2), vorzugsweise im Bereich der Lufteintrittschlitze (4) vorgesehen sind.
  5. Mehrfachbrenneranordnung nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Brennstoffeinspeisungsbereich (9) längs der Teilkegelschalen (2), vorzugsweise im Bereich der Lufteintrittschlitze (4), und ein zweiter Brennstoffeinspeisungsbereich (10) axialwärts an den ersten Brennstoffeinspeisungsbereich (9) längs der Teilkegelschalen (2) angrenzend vorgesehen sind.
  6. Mehrfachbrenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl an Vormischbrenner (1) in Form einer Ringanordnung zur Befeuerung einer Ringbrennkammer oder in Form einer Kreisflächenanordnung zur Befeuerung einer Topfbrennkammer angeordnet ist.
  7. Mehrfachbrenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der ersten und/oder zweiten Ringleitung (12,13) jeweils eine Regeleinrichtung (14) vorgesehen ist.
  8. Verfahren zum Betreiben einer Mehrfachbrenneranordnung mit einer Vielzahl von Einzelbrennern, die zur Befeuerung einer Brennkammer einer Wärmekraftmaschine dienen und als Vormischbrenner (1) ausgebildet sind, die jeweils einen Drallraum (3) aufweisen, in den Verbrennungszuluft sowie Brennstoff unter Ausbildung einer Drallströmung eingebracht wird, wobei die Drallströmung stromab zum Vormischbrenner (1) innerhalb der Brennkammer eine Rückströmzone bildet in der sich eine Brennerflamme ausbildet, wobei die Vormischbrenner (1) in wenigstens zwei Gruppen unterteilt werden, die jeweils mit unterschiedlichen
    Brennstoffmengen versorgt werden, wobei die Vormischbrenner über wenigstens eine erste und eine zweite Brennstoffleitung (7, 8) mit Brennstoff versorgt werden, urch die Brennstoff jeweils zur Ausbildung der Drallströmung in den Drallraum (3) eingespeist wird, wobei
    die jeweils erste Brennstoffleitung (7) eines jeden Vormischbrenners über eine erste Ringleitung (12) und die zweite Brennstoffleitung (8) eines jeden Vormischbrenners über eine zweite Ringleitung (13) mit Brennstoff versorgt werden, dadurch gekennzeichnet,
    dass wenigstens bei einer ersten Gruppe von Vormischbrennern, deren Anzahl kleiner als die Hälfte der in der Mehrfachbrenneranordnung vorgesehenen Vielzahl an Einzelbrenner längs wenigstens einer der Brennstoffleitungen die
    Brennstoffzuführung gedrosselt erfolgt.
  9. Verfahren nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselung der Brennstoffzuführung geregelt oder gesteuert durchgeführt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung oder Steuerung der Brennstoffdrosselung in Abhängigkeit des Lastzustandes der Wärmekraftmaschine, unter Zugrundelegung der Reduzierung von sich innerhalb der Brennkammer ausbildenden Pulsationen, einer Reduzierung bei der Verbrennung entstehenden Schadstoffemissionswerten, und/oder in Abhängigkeit der Brennstoffzusammensetzung, der Umgebungstemperatur und/oder der Umgebungsfeuchte durchgeführt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffeinspeisung über wenigstens zwei axial getrennte Brennstoffeinspeisungsbereiche längs des Drallraums (3) eines jeden Vormischbrenners erfolgt.
  12. Verfahren nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Brennstoffeinspeisung über eine mittig innerhalb des Drallraums (3) vorgesehene Brennerlanze (6) und eine zweite Brehnstoffeinspeisung längs den Drallraum (3) radial begrenzende Teilkegelschalen (2) durchgeführt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass eine erste und zweite Brennstoffeinspeisung längs den Drallraum (3) radial begrenzenden Teilkegelschalen (2) durchgeführt wird.
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