EP2282122A1 - Stabilisierung der Flamme eines Vormischbrenners - Google Patents

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EP2282122A1
EP2282122A1 EP09167048A EP09167048A EP2282122A1 EP 2282122 A1 EP2282122 A1 EP 2282122A1 EP 09167048 A EP09167048 A EP 09167048A EP 09167048 A EP09167048 A EP 09167048A EP 2282122 A1 EP2282122 A1 EP 2282122A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
burner
premix
pilot
fuel
pilot burner
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09167048A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Mariano Cano Wolff
Patrick Ronald Flohr
Martin Lenze
Jürgen MEISL
Kai-Uwe Schildmacher
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP09167048A priority Critical patent/EP2282122A1/de
Publication of EP2282122A1 publication Critical patent/EP2282122A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • F23R3/343—Pilot flames, i.e. fuel nozzles or injectors using only a very small proportion of the total fuel to insure continuous combustion
    • 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
    • F23D—BURNERS
    • F23D2900/00—Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
    • F23D2900/00015—Pilot burners specially adapted for low load or transient conditions, e.g. for increasing stability
    • 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
    • F23D2900/11002—Liquid fuel burners with more than one nozzle
    • 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
    • F23D2900/14003—Special features of gas burners with more than one nozzle
    • 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
    • F23R2900/03282—High speed injection of air and/or fuel inducing internal recirculation

Definitions

  • the present invention relates to a method for stabilizing the flame of a premix burner of a gas turbine and a premix burner of a gas turbine.
  • the jet flames are stabilized by mixing in hot recirculating gases.
  • the required temperatures of the recirculation zone can not be guaranteed in gas turbines, especially in the lower part load range, by the known ring arrangement of the beams with a central recirculation zone.
  • the stabilization of a jet flame therefore remains an incompletely solved task.
  • Another object of the present invention is to provide an advantageous method for stabilizing the flame of a premix burner of a gas turbine. Another object of the present invention is to provide an advantageous premix burner of a gas turbine.
  • the method according to the invention has a premix burner which comprises a reaction space and a plurality of premix jet nozzles which open into the reaction space.
  • a premix burner which comprises a reaction space and a plurality of premix jet nozzles which open into the reaction space.
  • an air-fuel mixture is injected into the reaction space with the premix jet nozzles.
  • the premix burner comprises at least one central pilot burner which injects fuel or an air-fuel mixture as pilot fuel into the reaction space.
  • the invention has recognized that the beam spacing must not fall below a minimum value, otherwise the single rays would merge into a jet due to the Coanda effect, and therefore ignition and stabilization problems of individual beams, especially in partial load range at low combustion chamber temperature, is to be expected ,
  • At least one further decentralized pilot burner is present, wherein the at least one decentralized as well as the central pilot burner can be flexibly controlled depending on the load range of the gas turbine.
  • the pilot burner depending on the performance, which also includes the flexible disconnection and connection.
  • the pilot burners can be shut down individually to reduce emissions of pollutants caused by the rich pilot flames. This results in improved burnout and, consequently, lower carbon monoxide (CO) and UHC emissions.
  • the invention thus becomes a achieved homogeneous combustion over the entire cross-section of the injection, especially in partial load operation.
  • the pilot burners are switched on again individually.
  • the multiple pilot burners cause better burnout and thus lower carbon monoxide (CO) and UHC emissions.
  • the premix burner is therefore operated in part-load operation with the at least one decentralized pilot burner, wherein the central pilot burner is optionally connected.
  • the premix burner is operated in full-load operation with the one central pilot burner, and the at least one decentralized pilot burner is switched off. This causes the burner to be operated stably by a single central pilot burner at high power with high combustion chamber temperature. This results in low emissions at full load.
  • the premix burner comprises at least three decentralized pilot burners, which are arranged on a ring around the central pilot burner.
  • the three decentralized pilot burners are preferably at the same distance from one another, that is to say, they are arranged here in the same radians relative to one another on the ring.
  • the air-fuel mixture is formed by injecting the fuel into an oxidant at a rate higher than that of the oxidant in a premix jet nozzle.
  • the fuel can be injected parallel to the flow direction of the oxidizing agent in this.
  • air can be used as the oxidizing agent.
  • the premix burner according to the invention comprises, inter alia, a reaction space and several opening into the reaction space Vormischstrahldüsen.
  • An air-fuel mixture is injected into the reaction space through the premix jet nozzles.
  • the premix burner comprises at least one central pilot burner which injects fuel or an air-fuel mixture as pilot fuel into the reaction space.
  • the air-fuel mixture is injected in the form of an untwisted jet into a reaction space.
  • the jet entry speed may preferably be above the flame speed.
  • the jet entrance velocity may preferably be higher than the velocity of the fluid surrounding the steel.
  • the free jet of each nozzle penetrates into the reaction space and absorbs surrounding fluid by entrainment, primarily already combusted air-fuel mixture.
  • Coanda effect refers to various non-coherent phenomena that suggest a tendency of gas jet or liquid flow to flow along a surface instead of peeling off and moving in the original flow direction.
  • the premix burner according to the invention therefore comprises, in addition to a central pilot burner, at least one further decentralized pilot burner.
  • both pilot burners can be controlled flexibly. This means that in part-load operation, the at least one decentralized pilot burner, preferably but all present, decentralized pilot burners are in operation and thus a better burnout with lower CO and UHC emissions is possible. With increasing power, the at least one decentralized pilot burner is switched off.
  • the premix burner is particularly suitable for use of the method described above.
  • a plurality of premix jet nozzles are arranged to form a ring or a plurality of concentric rings around a pilot burner. If several concentric rings are present, the premix jet nozzles of the various rings can be arranged offset from one another.
  • At least three decentralized pilot burners are present. These are flexibly controllable according to the invention. With increasing power and thus increased temperature there is the possibility of switching off the individual decentralized pilot burners in order to reduce the pollutant emissions caused by the rich pilot flames.
  • the pilot burners can be switched off one after the other or together. It is also conceivable that, depending on the load range, the individual pilot burners are supplied with different quantities of fuel which then generate a pilot oil of different strengths. Of course, any other number of decentralized pilot burners is conceivable.
  • the at least three decentralized pilot burners are arranged on a concentric ring around the central pilot burner.
  • a particularly good homogeneous combustion over the entire Eindüsequerites is guaranteed. Also other arrangements are possible.
  • the premix jet nozzle of the premix burner according to the invention may preferably comprise a fuel nozzle.
  • the premix jet nozzle can be designed so that the fuel through the fuel nozzle parallel to the flow direction an oxidant present in the premix jet nozzle, for example compressor air, is injected into it.
  • the central pilot burner is preferably a spin-stabilized burner or a jet burner.
  • the center line 2 indicates the axis of symmetry of the premix burner 1.
  • the premix burner 1 comprises a housing 3, a central pilot burner 4, a reaction space 5 and a premix jet nozzle 6.
  • the premix jet nozzle 6 has an inlet opening 13, which opens into the reaction space 5.
  • the pilot burner 4, which in the present embodiment is a spin-stabilized burner, is located in the middle of the rear wall of the premix burner 1. It is surrounded concentrically by a plurality of premix jet nozzles 6, which are likewise located on the rear wall of the premix burner 1.
  • the premix jet nozzle 6 includes a fuel nozzle 8 surrounded by an air intake passage 37.
  • the air inlet channel 37 and the pilot burner 4 open into the reaction space 5.
  • Inside the air inlet channel 37 is a perforated plate 14.
  • the perforated plate 14 serves to regulate the speed of the incoming oxidant, which is compressor air in the present embodiment.
  • the flow direction of the air flowing through the air inlet passage 37 is indicated by arrows 7.
  • the incoming air mixes with the fuel flowing in through the fuel nozzle 8. Through the inlet opening 13 of this mixture is injected into the reaction chamber 5.
  • the air is injected through the air inlet passage 37 at a lower velocity into the front part of the premix jet nozzle 6 than the velocity of the fuel injected through the fuel nozzle 8 into the front part of the premix jet nozzle 6.
  • the air is entrained by the fuel, which promotes the mixing of air and fuel due to the so-called Entrainments.
  • FIG. 2 schematically shows the upper half-plane of a section along the IV-IV sectional plane through the rear wall of the in FIG. 1 premix burner 1.
  • the in FIG. 2 indicated by the reference numeral 26 center line is perpendicular to the in FIG. 1 denoted by reference numeral 2 symmetry axis.
  • the first inlet openings 13 are arranged on a concentric circle around the pilot burner 4.
  • the second inlet openings 15 are also arranged on a circle lying concentrically around the pilot burner 4, wherein the second inlet openings 15 are located at a greater distance from the pilot burner 4 than the first inlet openings 13.
  • the second inlet openings 15 are also arranged offset from the first inlet openings 13 , Alternatively, any number of inlet openings may also be arranged on only one circle around the pilot burner 4.
  • pilot burners may be arranged on a circle whose radius is different from the radius of the circles on which the first and second inlet openings 13 and 15 are arranged.
  • the first inlet openings 13, the second inlet openings 15 and / or the pilot burners can be arranged axially offset from one another.
  • the advantages are high fuel flexibility, low emissions, and reduced sensitivity to flashback and flame instabilities.
  • the invention has recognized that the beam spacing must not fall below a minimum value, otherwise due to the Coanda effect, the individual beams would merge into a beam and consequently would be expected ignition and stabilization problems of individual beams, especially in the partial load range at low combustion chamber temperature.
  • the air-fuel mixture is injected in the present embodiment by first inlet openings 13 and 15 in parallel or at an angle to the center line 2 in the reaction chamber 5.
  • FIG. 3 schematically shows the arrangement of the inlet openings 13,15 to the central pilot burner 4 and the decentralized pilot burner 4x and on the rear wall of a premix burner 1 according to the invention.
  • the central pilot burner 4 is arranged centrally.
  • the premix burner 1 has three more decentralized pilot burner 4x. These can be controlled flexibly.
  • the decentralized pilot burner 4x are arranged on the same concentric ring around the pilot burner 4. They also have the same radians to each other, that is, the distance in arc length of each pilot burner 4x is the same.
  • the pilot burner 4x are therefore arranged in a kind of triangle to each other.
  • the decentralized pilot burners can vary 4x in their location as well as in number.
  • the number and location of the inlet nozzles 13,15 is not limited to the presentation, but can be chosen arbitrarily.
  • Each of the individual pilot burners 4,4x can be flexibly (on) controlled. This also includes flexible switching on and off of the individual burners 4,4x as well as the supply of different amounts of fuel.
  • the individual decentralized pilot burners 4x, 4 can be switched off 4 times in succession or simultaneously, so that the premix burner 1 can then be operated stably by a single central pilot burner 4 with a high combustion chamber temperature.
  • the individual decentralized pilot burners can be switched on 4x. Due to the multiple pilot burners 4x, 4 will be a better burnout with lower CO and UHC emissions, especially in partial load operation allows.
  • the on and off individual pilot burner 4,4x also initially preceded by a reduction / increase in the fuel quantity supply.
  • the additional decentralized pilot burners and the flexible control of the decentralized as well as the central pilot burner ensure combustion over the entire cross section, in full load as well as in partial load operation.
  • the individual flames can be specifically stabilized with the help of the various pilot burners.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung der Flamme eines Vormischbrenners (1) einer Gasturbine, welcher einen Reaktionsraum (5) und mehrere in den Reaktionsraum (5) mündende Vormischstrahldüsen (6) umfasst, wobei mit den Vormischstrahldüsen (6) ein Luft-Brennstoffgemisch in den Reaktionsraum (5) eingedüst wird, wobei der Vormischbrenner (1) mindestens einem zentralen Pilotbrenner (4) umfasst, der Brennstoff oder ein Luft-Brennstoffgemisch als Pilotbrennstoff in den Reaktionsraum (5) eindüst, wobei mindestens ein weiterer dezentraler Pilotbrenner (4x) vorhanden ist, und wobei die Pilotbrenner (4, 4x) je in Abhängigkeit vom Lastbereich der Gasturbine flexibel angesteuert werden. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Vormischbrenner einer Gasturbine.

Description

    Beschreibung Stabilisierung der Flamme eines Vormischbrenners
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung der Flamme eines Vormischbrenners einer Gasturbine sowie einen Vormischbrenner einer Gasturbine.
  • Auf vorgemischten Strahlflammen basierende Verbrennungssysteme bieten gegenüber drallstabilisierten Systemen aufgrund der verteilten Wärmefreisetzungszonen und der fehlenden drallinduzierten Wirbel insbesondere aus thermoakustischer Sicht Vorteile. Durch geeignete Wahl des Strahlimpulses lassen sich kleinskalige Strömungsstrukturen erzeugen, die akustisch induzierte Wärmefreisetzungsfluktuationen dissipieren und somit Druckpulsationen, die für drallstabilisierte Flammen typisch sind, unterdrücken.
  • Die Strahlflammen werden durch Einmischen heißer rezirkulierender Gase stabilisiert. Die hierfür nötigen Temperaturen der Rezirkulationszone können in Gasturbinen, insbesondere im unteren Teillastbereich, durch die bekannte Ringanordnung der Strahlen mit einer zentralen Rezirkulationszone nicht gewährleistet werden. Die Stabilisierung einer Strahlflamme bleibt daher eine nicht vollständig gelöste Aufgabe.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vorteilhaftes Verfahren zur Stabilisierung der Flamme eines Vormischbrenners einer Gasturbine zur Verfügung zu stellen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen vorteilhaften Vormischbrenner einer Gasturbine zur Verfügung zu stellen.
  • Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren zur Stabilisierung der Flamme eines Vormischbrenners einer Gasturbine nach Anspruch 1 und einen Vormischbrenner nach Anspruch 7 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren weist demnach einen Vormischbrenner auf, welcher einen Reaktionsraum und mehrere in den Reaktionsraum mündende Vormischstrahldüsen umfasst. Dabei wird mit den Vormischstrahldüsen ein Luft-Brennstoffgemisch in den Reaktionsraum eingedüst. Der Vormischbrenner umfasst mindestens einen zentralen Pilotbrenner, der Brennstoff oder ein Luft-Brennstoffgemisch als Pilotbrennstoff in den Reaktionsraum eindüst.
  • In einen solchen Brenner können also viele einzelne beispielsweise mit Brennstoff vorgemischte drallfreie Strahlen mit hoher Geschwindigkeit in den Reaktionsraum, insbesondere in die Brennkammer, eingebracht werden. Dies ist Vorteilhaft, da eine hohe Brennstoffflexibilität, niedrige Emissionen und eine reduzierte Empfindlichkeit gegenüber Flammenrückschlag und Flammeninstabilität erzielt werden.
  • Die Erfindung hat jedoch erkannt, dass der Strahlabstand einen Mindestwert nicht unterschreiten darf, da sonst wegen des Coanda-Effekts die Einzelstrahlen zu einem Strahl verschmelzen würden, und daher mit Zünd- und Stabilisierungsproblemen einzelner Strahlen, insbesondere in Teillastbereich bei niedriger Brennkammertemperatur, zu rechnen ist.
  • Erfindungsgemäß ist daher nun mindestens ein weiterer dezentraler Pilotbrenner vorhanden, wobei der mindestens eine dezentrale als auch der zentrale Pilotbrenner je in Abhängigkeit vom Lastbereich der Gasturbine flexibel angesteuert werden können.
  • Somit besteht die Möglichkeit die Pilotbrenner je nach Leistung zu fahren, das beinhaltet auch das flexible Ab- und Zuschalten. Mit beispielsweise steigender Leistung und erhöhter Temperatur können die Pilotbrenner einzeln abgeschaltet werden, um den durch die fetten Pilotflammen verursachten Schadstoffausstoß zu reduzieren. Somit wird ein verbesserter Ausbrand bewirkt und demzufolge niedrigere Kohlenstoffmonoxid (CO) und UHC Emissionen. Durch die Erfindung wird somit eine homogene Verbrennung über den gesamten Querschnitt der Eindüsung erzielt, insbesondere im Teillastbetrieb.
  • Im Teillastbetrieb hingegen werden die Pilotbrenner einzeln wieder zugeschaltet. Somit wird im Teillastbetrieb durch die mehreren Pilotbrenner ein besserer Ausbrand und somit niedrigere Kohlenstoffmonoxid (CO) und UHC Emissionen bewirkt. In vorteilhafter Ausgestaltung wird der Vormischbrenner im Teillastbetrieb daher mit dem mindestens einen dezentralen Pilotbrenner betrieben, wobei der zentrale Pilotbrenner optional hinzugeschaltet wird.
  • Bevorzugt wird der Vormischbrenner im Volllastbetrieb mit dem einen zentralen Pilotbrenner betrieben, und der mindestens eine dezentrale Pilotbrenner abgeschaltet. Dies bewirkt, dass bei großer Leistung mit hoher Brennkammertemperatur der Brenner daher stabil durch einen einzigen zentralen Pilotbrenner betrieben wird. Somit ergeben sich im Volllastbetrieb niedrige Emissionen.
  • Bevorzugt umfasst der Vormischbrenner mindestens drei dezentrale Pilotbrenner, welche auf einem Ring um den zentralen Pilotbrenner angeordnet werden. Die drei dezentralen Pilotbrenner sind bevorzugt im gleichen Abstand voneinander, dass heißt, hier im gleichen Bogenmaß zueinander auf dem Ring angeordnet. Somit ergibt sich im Teillastbetrieb eine symmetrische Eindüsung des Brennstoffs. Niedrige CO/UHC Emissionen sind die erwünschte Folge.
  • Bevorzugt wird das Luft-Brennstoffgemisch dadurch gebildet, dass in einer Vormischstrahldüse der Brennstoff in ein Oxidationsmittel mit einer Geschwindigkeit eingedüst wird, die höher ist als die des Oxidationsmittels. Insbesondere kann der Brennstoff parallel zur Strömungsrichtung des Oxidationsmittels in dieses eingedüst werden. Als Oxidationsmittel kann insbesondere Luft verwendet werden.
  • Der erfindungsgemäße Vormischbrenner, umfasst unter anderem einen Reaktionsraum und mehrere in den Reaktionsraum mündende Vormischstrahldüsen. Durch die Vormischstrahldüsen wird ein Luft-Brennstoffgemisch in den Reaktionsraum eingedüst. Der Vormischbrenner umfasst mindestens einen zentralen Pilotbrenner der Brennstoff oder ein Luft-Brennstoffgemisch als Pilotbrennstoff in den Reaktionsraum eindüst.
  • Es kann sich erfindungsgemäß um einen unverdrallten Vormischbrenner handeln. Das Luft-Brennstoffgemisch wird in Form eines unverdrallten Strahls in einen Reaktionsraum eingedüst. Die Strahleintrittsgeschwindigkeit kann dabei vorzugsweise oberhalb der Flammengeschwindigkeit liegen. Weiterhin kann die Strahleintrittsgeschwindigkeit vorzugsweise höher als die Geschwindigkeit des den Stahl umgebenden Fluids sein. Der Freistrahl jeder Düse dringt in den Reaktionsraum ein und nimmt dabei durch Mitreißen (sog. Entrainment) umgebendes Fluid auf, vornehmlich bereits verbranntes Luft-Brennstoffgemisch.
  • Wie die Erfindung erkannt hat, treten gerade im Teillastbetrieb mit einem solchem Vormischbrenner aufgrund des Coanda-Effekts Zünd- und Stabilisierungsprobleme auf. Dabei werden unter Coanda-Effekt verschiedene, nicht zusammenhängende Phänomene bezeichnet, die eine Tendenz eines Gasstrahls oder einer Flüssigkeitsströmung nahelegen, an einer Oberfläche entlangzuströmen, anstatt sich abzulösen und sich in der ursprünglichen Fließrichtung weiterzubewegen.
  • Dies bedeutet, dass der Abstand der Vormischstrahldüsen und der damit verbundene Strahlabstand einen Mindestabstand aufweisen müssen, da sonst die Einzelstrahlen der Vormischdüse zu einem Strahl verschmelzen würden. Dies wiederum löst die oben erwähnten Probleme gerade im Teillastbereich aus.
  • Der erfindungsgemäße Vormischbrenner umfasst daher neben einen zentralen Pilotbrenner noch mindestens einen weiteren dezentralen Pilotbrenner. Erfindungsgemäß sind beide Pilotbrenner flexibel ansteuerbar. Dies bedeutet, dass im Teillastbetrieb der mindestens eine dezentrale Pilotbrenner, vorzugsweise aber alle vorhanden, dezentralen Pilotbrenner im Betrieb sind und somit ein besserer Ausbrand mit niedrigeren CO und UHC Emissionen ermöglicht wird. Mit steigender Leistung wird der mindestens eine dezentrale Pilotbrenner abgeschaltet.
  • Der Vormischbrenner ist insbesondere zur Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens geeignet.
  • Bevorzugt sind mehrere Vormischstrahldüsen zu einem Ring oder mehreren konzentrischen Ringen um einen Pilotbrenner angeordnet. Sind mehrere konzentrische Ringe vorhanden, so können die Vormischstrahldüsen der verschiedenen Ringe versetzt zueinander angeordnet werden.
  • Bevorzugt sind mindestens drei dezentrale Pilotbrenner vorhanden. Diese sind erfindungsgemäß flexibel ansteuerbar. Mit steigender Leistung und somit erhöhter Temperatur besteht die Möglichkeit des Abschaltens der einzelnen dezentralen Pilotbrenner, um den durch die fetten Pilotflammen verursachten Schadstoffausstoß zu reduzieren. Die Pilotbrenner können nacheinander oder jeweils zusammen abgeschaltet werden. Denkbar ist auch, dass je nach Lastbereich den einzelnen Pilotbrenner unterschiedliche Brennstoffmengen zugeführt werden, welche dann eine unterschiedlich fette Pilotflamme erzeugen. Selbstverständlich ist auch jede andere Anzahl von dezentralen Pilotbrennern vorstellbar.
  • Bevorzugt sind die mindestens drei dezentralen Pilotbrenner auf einem konzentrischen Ring um den zentralen Pilotbrenner angeordnet. Somit wird eine besonders gute homogene Verbrennung über den gesamten Eindüsequerschnitt gewährleistet. Auch sind andere Anordnungen möglich.
  • Die Vormischstrahldüse des erfindungsgemäßen Vormischbrenners kann vorzugsweise eine Brennstoffdüse umfassen. Dabei kann die Vormischstrahldüse so ausgestaltet sein, dass der Brennstoff durch die Brennstoffdüse parallel zur Strömungsrichtung eines in der Vormischstrahldüse befindlichen Oxidationsmittels, beispielsweise Verdichterluft, in dieses eingedüst wird.
  • Bevorzugt handelt es sich bei dem zentralen Pilotbrenner um einen drallstabilisierten Brenner oder einen Strahlbrenner.
  • Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben.
  • Darin zeigen:
    • FIG 1
    schematisch den Querschnitt durch einen Teil der Rück- wand eines erfindungsgemäßen Vormischbrenners,
    FIG 2
    schematisch die Anordnung der Einlassöffnungen um den zentralen Pilotbrenner an der Rückwand eines erfin- dungsgemäßen Vormischbrenners,
    FIG 3
    schematisch die Anordnung der Einlassöffnungen um den zentralen Pilotbrenner und die dezentralen Pilotbrenner und an der Rückwand eines erfindungsgemäßen Vormisch- brenners.
  • Die FIG 1 zeigt schematisch den Querschnitt durch einen Teil der Rückwand eines weitgehend rotationssymmetrischen Vormischbrenners 1. Die Mittellinie 2 kennzeichnet die Symmetrieachse des Vormischbrenners 1. Der Vormischbrenner 1 umfasst ein Gehäuse 3, einen zenralen Pilotbrenner 4, einen Reaktionsraum 5 und eine Vormischstrahldüse 6. Die Vormischstrahldüse 6 weist eine Einlassöffnung 13 auf, die in den Reaktionsraum 5 mündet. Der Pilotbrenner 4, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein drallstabilisierter Brenner ist, befindet sich in der Mitte der Rückwand des Vormischbrenners 1. Er ist von mehreren Vormischstrahldüsen 6, die sich ebenfalls an der Rückwand des Vormischbrenners 1 befinden, konzentrisch umgeben.
  • Die Vormischstrahldüse 6 beinhaltet eine Brennstoffdüse 8, welche von einer Lufteinlasskanal 37 umgeben ist. Der Lufteinlasskanal 37 und der Pilotbrenner 4 münden in den Reaktionsraum 5. Im Inneren des Lufteinlasskanals 37 befindet sich ein Lochblech 14. Das Lochblech 14 dient zur Regulierung der Geschwindigkeit des einströmenden Oxidationsmittels, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel Verdichterluft ist. Die Strömungsrichtung der durch den Lufteinlasskanal 37 strömenden Luft ist durch Pfeile 7 gekennzeichnet.
  • Durch die Brennstoffdüse 8 wird Brennstoff in den vorderen, also den dem Reaktionsraum 5 zugewandten, Teil der Vormischstrahldüse 6 geleitet. Die Strömungsrichtung des Brennstoffes ist durch einen Pfeil 9 gekennzeichnet.
  • Im vorderen Teil der Vormischstrahldüse 6 vermischt sich die einströmende Luft mit dem durch die Brennstoffdüse 8 einströmenden Brennstoff. Durch die Einlassöffnung 13 wird dieses Gemisch in den Reaktionsraum 5 eingedüst.
  • Vorzugsweise wird die Luft durch den Lufteinlasskanal 37 mit einer geringeren Geschwindigkeit in den vorderen Teil der Vormischstrahldüse 6 eingedüst als der Geschwindigkeit des durch die Brennstoffdüse 8 in den vorderen Teil der Vormischstrahldüse 6 eingedüsten Brennstoffes. Dadurch wird die Luft von dem Brennstoff mitgerissen, was die Vermischung von Luft und Brennstoff aufgrund des sog. Entrainments fördert.
  • Die Anordnung der Einlassöffnungen 13 um den Pilotbrenner 4 ist in FIG 2 skizziert. Die FIG 2 zeigt schematisch die obere Halbebene eines Schnittes entlang der IV-IV Schnittebene durch die Rückwand des in FIG 1 gezeigten Vormischbrenners 1. Die in FIG 2 mit der Bezugsziffer 26 gekennzeichnete Mittellinie steht senkrecht auf der in FIG 1 mit Bezugsziffer 2 gekennzeichneten Symmetrieachse. Man sieht in FIG 2 den Pilotbrenner 4 und zahlreiche mit den Bezugsziffern 13 bzw. 15 gekennzeichnete erste Einlassöffnungen und zweite Einlassöffnungen von Vormischstrahldüsen.
  • Die ersten Einlassöffnungen 13 sind dabei auf einem konzentrischen Kreis um den Pilotbrenner 4 angeordnet. Die zweiten Einlassöffnungen 15 sind ebenfalls auf einem konzentrisch um den Pilotbrenner 4 liegenden Kreis angeordnet, wobei sich die zweiten Einlassöffnungen 15 in einem größeren Abstand zum Pilotbrenner 4 befinden als die ersten Einlassöffnungen 13. Die zweiten Einlassöffnungen 15 sind zudem versetzt zu den ersten Einlassöffnungen 13 angeordnet. Alternativ kann eine beliebige Anzahl von Einlassöffnungen auch auf lediglich einem Kreis um den Pilotbrenner 4 angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ können Pilotbrenner auf einem Kreis angeordnet sein, dessen Radius sich von dem Radius der Kreise, auf denen die ersten und zweiten Einlassöffnungen 13 und 15 angeordnet sind, unterscheidet. Ebenso können die ersten Einlassöffnungen 13, die zweiten Einlassöffnungen 15 und/oder die Pilotbrenner axial zueinander versetzt angeordnet sein.
  • Viele einzelne mit Brennstoff vorgemischte, drallfreie Strahlen werden mit hoher Geschwindigkeit in den Reaktionsraum, dass heißt, in die Brennkammer eingebracht. Die Vorteile liegen in der hohen Brennstoffflexibilität, niedrigen Emissionen und einer reduzierten Empfindlichkeit gegenüber Flammenrückschlag und Flammeninstabilitäten. Die Erfindung hat erkannt, dass der Strahlabstand einen Mindestwert nicht unterschreiten darf, da sonst wegen des Coanda-Effekts die Einzelstrahlen zu einem Strahl verschmelzen würden und infolgedessen mit Zünd-und Stabilisierungsproblemen einzelner Strahlen, insbesondere im Teillastbereich bei niedriger Brennkammertemperatur, zu rechnen wäre.
  • Das Luft-Brennstoffgemisch wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch erste Einlassöffnungen 13 und 15 parallel oder unter einem Winkel zur Mittellinie 2 in den Reaktionsraum 5 eingedüst.
  • FIG 3 zeigt schematisch die Anordnung der Einlassöffnungen 13,15 um den zentralen Pilotbrenner 4 und die dezentralen Pilotbrenner 4x und an der Rückwand eines erfindungsgemäßen Vormischbrenners 1.
  • Hier sind verschiedene konzentrische Ringe von Einlaßdüsen vorhanden, von denen jedoch nur die Einlaßdüsen 13 und 15 auf zwei verschiedenen konzentrischen Ringen näher bezeichnet sind. Der zentrale Pilotbrenner 4 ist mittig angeordnet. Zudem weist der Vormischbrenner 1 noch drei weitere dezentrale Pilotbrenner 4x auf. Diese sind flexibel ansteuerbar. Die dezentralen Pilotbrenner 4x sind dabei auf demselben konzentrischen Ring um den Pilotbrenner 4 angeordnet. Sie haben zudem das gleiche Bogenmaß zueinander, das heißt der Abstand in Bogenlänge der einzelnen Pilotbrenner 4x ist gleich. Die Pilotbrenner 4x sind daher in einer Art Dreieck zueinander angeordnet. Selbstverständlich können die dezentralen Pilotbrenner 4x in ihrer Lage als auch in ihrer Anzahl variieren. Auch die Anzahl und Lage der Einlaßdüsen 13,15 ist nicht auf die Darstellung beschränkt, sondern kann beliebig gewählt werden. Jeder der einzelnen Pilotbrenner 4,4x kann flexibel (an)gesteuert werden. Dies beinhaltet auch ein flexibles an- und abschalten der einzelnen Brenner 4,4x als auch die Zuführung von unterschiedlicher Mengen an Brennstoff.
  • Mit steigender Leistung und somit erhöhter Temperatur besteht die Möglichkeit des Abschaltens einzelner Pilotbrenner 4x,4, um den durch die fetten Pilotflammen verursachten Schadstoffausstoß zu reduzieren. Bei Volllastbetrieb und bei großer Leistung können die einzelnen dezentralen Pilotbrenner 4x nacheinander oder gleichzeitig abgeschaltet werden, so dass mit hoher Brennkammertemperatur der Vormischbrenner 1 dann stabil durch einen einzigen zentralen Pilotbrenner 4 betrieben werden kann. Im Teillastbereich hingegen können zusätzlich oder anstatt dessen zum zentralen Pilotbrenner 4 die einzelnen dezentralen Pilotbrenner 4x hinzugeschaltet werden. Durch die mehreren Pilotbrenner 4x, 4 wird ein besserer Ausbrand mit niedrigeren CO und UHC Emissionen, insbesondere im Teillastbetrieb ermöglicht. Selbstverständlich kann dem an- und abschalteten einzelner Pilotbrenner 4,4x auch zunächst eine Verminderung/Erhöhung der Brennstoffmengen-Zufuhr vorangehen.
  • Mithilfe der zusätzlichen dezentralen Pilotbrenner und der flexiblen Ansteuerung der dezentralen als auch des zentralen Pilotbrenners wird eine Verbrennung über den gesamten Querschnitt gewährleistet, und zwar im Volllast- als auch im Teillastbetrieb. Zudem lassen sich die einzelnen Flammen gezielt mit Hilfe der verschiedenen Pilotbrenner stabilisieren.

Claims (15)

  1. Verfahren zur Stabilisierung der Flamme eines Vormischbrenners (1) einer Gasturbine, welcher einen Reaktionsraum (5) und mehrere in den Reaktionsraum (5) mündende Vormischstrahldüsen (6) umfasst, wobei mit den Vormischstrahldüsen (6) ein Luft-Brennstoffgemisch in den Reaktionsraum (5) eingedüst wird, wobei der Vormischbrenner (1) mindestens einen zentralen Pilotbrenner (4) umfasst, der Brennstoff oder ein Luft-Brennstoffgemisch als Pilotbrennstoff in den Reaktionsraum (5) eindüst,
    dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer dezentraler Pilotbrenner (4x) vorhanden ist, wobei die Pilotbrenner (4, 4x) je in Abhängigkeit vom Lastbereich der Gasturbine flexibel angesteuert werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Vormischbrenner (1) im Teillastbetrieb mit dem mindestens einen dezentralen Pilotbrenner (4x) betrieben, und der zentrale Pilotbrenner (4) optional hinzugeschaltet wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vormischbrenner (1) im Volllastbetrieb mit dem einen zentralen Pilotbrenner (4) betrieben, und der mindestens eine dezentrale Pilotbrenner (4) abgeschaltet wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Vormischbrenner (1) mindestens drei dezentrale Pilotbrenner (4x) umfasst, welche auf einem Ring um den zentralen Pilotbrenner (4) angeordnet werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Luft-Brennstoffgemisch dadurch gebildet wird, dass in einer Vormischstrahldüse (6) der Brennstoff in ein Oxidationsmittel mit einer Geschwindigkeit eingedüst wird, die höher ist als die des Oxidationsmittels.
  6. Verfahren nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Oxidationsmittel um Luft handelt.
  7. Vormischbrenner (1) einer Gasturbine, welcher einen Reaktionsraum (5) und mehrere in den Reaktionsraum (5) mündende Vormischstrahldüsen (6) umfasst, wobei mit den Vormischstrahldüsen (6) ein Luft-Brennstoffgemisch in den Reaktionsraum (5) eingedüst wird, wobei der Vormischbrenner (1) mindestens einen zentralen Pilotbrenner (4) umfasst, der Brennstoff oder ein Luft-Brennstoffgemisch als Pilotbrennstoff in den Reaktionsraum (5) eindüst dadurch gekennzeichnet, dass, der zentrale Pilotbrenner (4) flexibel ansteuerbar ist, und neben dem zentralen Pilotbrenner (4) mindestens ein weiterer flexibel ansteuerbarer, dezentraler Pilotbrenner (4x) vorgesehen ist.
  8. Vormischbrenner (1) nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass, mehrere Vormischstrahldüsen (6) zu einem Ring oder mehreren konzentrischen Ringen um einen Pilotbrenner (4) angeordnet sind.
  9. Vormischbrenner (1) nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Vormischstrahldüsen (6) zu mehreren konzentrischen Ringen um einen Pilotbrenner (4) angeordnet sind, wobei die Vormischstrahldüsen (6) der verschiedenen Ringe versetzt zueinander angeordnet sind.
  10. Vormischbrenner (1) nach einem der Ansprüche 7-9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Vormischstrahldüsen (6) in einer oder mehreren Reihen angeordnet sind.
  11. Vormischbrenner (1) nach einem der Ansprüche 7-10, dadurch gekennzeichnet, dass, mindestens drei dezentrale Pilotbrenner (4x) vorhanden sind.
  12. Vormischbrenner (1) nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass, die mindestens drei dezentrale Pilotbrenner (4x) auf einem konzentrischen Ring um den zentralen Pilotbrenner angeordnet sind.
  13. Vormischbrenner (1) nach einem der Ansprüche 7-12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vormischstrahldüse (6) eine Brennstoffdüse (8) umfasst.
  14. Vormischbrenner (1) nach Anspruch 13,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Vormischstrahldüse (6) so ausgestaltet ist, dass der Brennstoff durch die Brennstoffdüse (8) parallel zur Strömungsrichtung (7) eines in der Vormischstrahldüse (6) befindlichen Oxidationsmittels in dieses eingedüst wird.
  15. Vormischbrenner (1) nach einem der Ansprüche 7-14, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Pilotbrenner (4,4x) um einen drallstabilisierten Brenner oder einen Strahlbrenner handelt.
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