EP3710749B1 - Brenner mit selektiver anpassung des bohrungsmusters für die gaseindüsung - Google Patents

Brenner mit selektiver anpassung des bohrungsmusters für die gaseindüsung Download PDF

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EP3710749B1
EP3710749B1 EP19716833.9A EP19716833A EP3710749B1 EP 3710749 B1 EP3710749 B1 EP 3710749B1 EP 19716833 A EP19716833 A EP 19716833A EP 3710749 B1 EP3710749 B1 EP 3710749B1
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burner
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Matthias Hase
Berthold Köstlin
Bernd Prade
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    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F23R3/04—Air inlet arrangements
    • F23R3/10—Air inlet arrangements for primary air
    • F23R3/12—Air inlet arrangements for primary air inducing a vortex
    • F23R3/14—Air inlet arrangements for primary air inducing a vortex by using swirl vanes
    • 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
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/07001—Air swirling vanes incorporating fuel injectors
    • 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 invention relates to a burner arrangement with selective adaptation of the bore pattern for the gas injection to the spatial distribution of the mass flow of the inflowing air.
  • NOx emissions nitrogen oxide emissions
  • the EP 1 654 496 discloses, for example, a burner whose flames are stabilized by swirl-induced recirculation zones and pilot flames.
  • the swirl-generating components are hollow deflecting blades, the cavity serving to distribute the fuel in bores from the cavity to the blade surface and thus inject it into the cross-flowing air.
  • flow resistances perforated plates
  • baffles are used, if necessary, in order to achieve an equalization of the air flow to the burner. More examples of this can be found in EP 2 162 681 B1 , WO 2014/131597 A1 , EP 2 189 722 B1 or US 7,540,152 B2 .
  • Such internals in the air flow can, however, under certain circumstances be accompanied by an increase in the combustion chamber pressure loss and are therefore often associated with a reduction in the efficiency of the gas turbine.
  • the object of the invention is to provide a burner arrangement for a homogeneous premixing of fuel and air, whereby reduced NOx emissions are made possible.
  • the invention provides that in a burner arrangement comprising a combustion chamber and several burners arranged on a circle on the combustion chamber, the burners comprising swirl-generating internals, between which passages are formed, through which air flows during operation and in which fuel via fuel openings of the Air is admixed, the passages differing in terms of number and / or size of the fuel openings, the burner arrangement further comprising an annular gap extending radially outside or inside the circle through which air flows around the combustion chamber on one side laterally to the burners that are closest to the annular gap during operation Passages of the burner have more or larger fuel openings than the passages of the burner furthest away from the annular gap.
  • the invention is thus based on the idea of adapting the fuel mass flows per passage to the air mass flows through the respective passage.
  • the invention therefore provides for the number or size of the fuel openings in the swirl-generating internals (blades or other fuel nozzle elements) to be arranged in such a way that more (or larger) fuel openings are arranged in passages to which more air is applied than in others Passages, so that more fuel can be fed to the passages that flow "directly" from the annular gap than the passages that are more distant.
  • fuel openings located closer to the inner cone than to the outer cone are closed or left out. Closing or leaving out the fuel openings on the inner cone is therefore more sensible than further radially outwards, since the width of the passage and thus also the amount of air flowing from the inside to the outside increases.
  • the invention has great potential in particular to reduce NO x emissions for silo machines. This makes it easier to comply with guaranteed values for nitrogen oxide emissions or to achieve higher flame temperatures with the same NOx emissions, which is essential for achieving this performance and CO (carbon monoxide) goals is helpful. In addition, a more even load on the flame tube walls is to be expected, which enables cooling air savings and thus a further reduction in NOx.
  • Figure 1 shows a section of a burner 1 from the prior art, comprising a main burner 10 and a pilot burner 11.
  • the passages 3 in the main burner 10 for mixing fuel and air before combustion are defined by a radially inner cone 5, a radially outer cone 6 arranged around the radially inner cone 5, and swirl-generating fixtures 2, which extend from the radially inner cone 5 to the extending radially outer cone 6 is formed.
  • These swirl-generating internals 2 form an annular swirl grille.
  • fuel is fed to the hollow, swirl-generating internals 2 via the radially inner cone 5 (hub) and passed through the fuel openings 4 into the passages 3 or mixed with the air.
  • the fuel openings 4 are arranged at different radial positions on the swirl-generating internals 2.
  • FIG 2 shows the installation and the flow situation of a burner 1 of a burner arrangement 7 in a gas turbine using the example of a silo combustion chamber 8.
  • the burner arrangement 7 comprises several burners 1 arranged in a circle, as well as an annular gap 9 extending radially outside the circle through which air around the combustion chamber 8 flows laterally to the burners 1 during operation.
  • annular gaps extending radially within the circle on which the burners are arranged. The asymmetry of the flow results from the arrangement of the burners 1 on a circle.
  • Passages 3, which are arranged more radially on the outside in relation to a combustion chamber axis 13 (in the vicinity of the passage 3 additionally designated 14 in FIG Figure 3 ) are acted upon, for example, by a significantly larger air flow 17 than passages 3, which are arranged more radially on the inside (in the vicinity of the passage 3 additionally designated by 15) with respect to the combustion chamber axis 13.
  • This asymmetry is superimposed by a further, namely an uneven distribution of the air mass flow in the radial direction within the burner 1 itself, since the distance between the swirl-generating internals 2 increases from the inside to the outside (see also Figure 3 with a look into the passages 3.
  • the invention therefore proposes the selective adaptation of the amount of fuel supplied to a passage 3 by closing or omitting corresponding fuel openings 4, namely in such a way that the closing or omission takes place in the areas of an affected passage 3, in which comparatively little air flows anyway, i.e. radially inward, near the inner cone 5.
  • the Figure 1 are the ones to be omitted or provided with the reference numeral 16 fuel openings to be closed.

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  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brenneranordnung mit selektiver Anpassung des Bohrungsmusters für die Gaseindüsung an die räumliche Verteilung des Massenstroms der zuströmenden Luft.
  • Im Zuge der Weiterentwicklung von Gasturbinen wird häufig eine deutliche Anhebung der Brennkammertemperatur vorgesehen, was bei ansonsten unveränderten Bedingungen zum Anstieg der Stickoxid-Emissionen (NOx-Emissionen) führt. Unabhängig davon wird im Zuge einer Verschärfung der Emissionsgrenzwerte bei Altanlagen bei unveränderten Leistungsdaten ggf. eine Verringerung der NOx-Emissionen erforderlich.
  • Die Anwendung der mageren Vormischverbrennung zur Minimierung der NOx-Emissionen erfordert eine möglichst homogene Vormischung von Brennstoff mit der dem Brenner zugeführten Verbrennungsluft.
  • Aus Kostengründen wird versucht, die verwendeten Gaseinmischelemente in den Brennern möglichst identisch auszuführen. In der Praxis wird die Aufgabe erschwert, da die räumliche Verteilung der anströmenden Luft zu den Brennern unter Umständen nicht gleichförmig ist, d.h. es können Bereiche am Brennereintritt vorhanden sein, in denen mehr Luft in den Brenner strömt als an anderen Stellen. Zusätzlich befindet sich in der Regel im Brenner ebenfalls ein Verteiler zu den einzelnen Gasaustrittsbohrungen, der lediglich bei sehr großem Druckverlust über die Bohrungen den Brennstoff praktisch ideal verteilen kann. Eine Verringerung des erforderlichen brennstoffseitigen Druckverlusts stellt einen u. U. erheblichen energetischen Vorteil für den Betreiber dar.
  • Die EP 1 654 496 offenbart beispielsweise einen Brenner, dessen Flammen durch drallinduzierte Rezirkulationszonen und Pilotflammen stabilisiert werden. Die drallerzeugenden Bauelemente sind dabei hohle Umlenkschaufeln, wobei der Hohlraum dazu dient, den Brennstoff auf Bohrungen vom Hohlraum zur Schaufeloberfläche zu verteilen und so in die querströmende Luft einzudüsen. Um einen Einfluss der Luftverteilung auf die Gemischbildung und damit die NOx-Emissionen zu minimieren, werden gegebenenfalls Strömungswiderstände (Lochbleche) oder Leitbleche verwendet, um eine Vergleichmäßigung der Luftzuströmung zum Brenner zu erreichen. Weitere Beispiele dafür sind zu finden in EP 2 162 681 B1 , WO 2014/131597 A1 , EP 2 189 722 B1 oder US 7,540,152 B2 . Derartige Einbauten in die Luftströmung können aber unter Umständen mit einer Erhöhung des Brennkammerdruckverlustes einhergehen und sind damit häufig mit einer Wirkungsgradverringerung der Gasturbine verbunden.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brenneranordnung für eine homogene Vormischung von Brennstoff und Luft bereitzustellen, wodurch verringerte NOx-Emissionen ermöglicht werden.
  • Die Erfindung sieht vor, dass bei einer Brenneranordnung, umfassend eine Brennkammer und mehrere an der Brennkammer auf einem Kreis angeordnete Brenner, wobei die Brenner drallerzeugende Einbauten umfassen, zwischen denen Passagen ausgebildet sind, durch die im Betrieb Luft hindurchströmt und in denen Brennstoff über Brennstofföffnungen der Luft beigemischt wird, wobei sich die Passagen hinsichtlich Anzahl und/oder Größe der Brennstofföffnungen unterscheiden, die Brenneranordnung ferner umfassend einen radial außerhalb oder innerhalb des Kreises umlaufenden Ringspalt durch den im Betrieb Luft um die Brennkammer einseitig seitlich zu den Brennern strömt, die dem Ringspalt nächstgelegenen Passagen der Brenner mehr oder größere Brennstofföffnungen aufweisen, als die vom Ringspalt am weitesten entfernten Passagen der Brenner.
  • Der Erfindung liegt somit die Idee zugrunde, die Brennstoffmassenströme pro Passage an die Luftmassenströme durch die jeweilige Passage anzupassen. Die Erfindung sieht daher vor, die Anzahl oder die Größe der Brennstofföffnungen in den drallerzeugenden Einbauten (Schaufeln oder andere Brennstoffeindüselemente) so anzuordnen, dass in Passagen, die mit mehr Luft beaufschlagt werden, auch mehr (oder größere) Brennstofföffnungen angeordnet sind, als in anderen Passagen, so dass den "direkt" aus dem Ringspalt angeströmten Passagen mehr Brennstoff zugespeist werden kann, als den eher abgewandten Passagen.
  • Vorteilhafter Weise werden in einem Brenner, dessen Passagen neben den drallerzeugenden Einbauten durch einen inneren und einen äußeren Kegel begrenzt werden, näher am inneren Kegel als am äußeren Kegel liegende Brennstofföffnungen verschlossen oder weggelassen. Das Verschließen oder Weglassen der Brennstofföffnungen am inneren Kegel ist deshalb sinnvoller als weiter radial außen, da die Breite der Passage und somit auch die strömende Luftmenge von innen nach außen zunimmt. Soll jedoch mehr als eine Brennstofföffnung pro Passage verschlossen werden oder entfallen, kann es allerdings im Hinblick auf eine bessere radiale Mischung in der jeweiligen Passage sinnvoll sein, wenn eine erste Brennstofföffnung in der Nähe des inneren Kegels und eine weitere Brennstofföffnung in der Nähe des äußeren Kegel verschlossen oder weggelassen wird.
  • Zusätzlich zu der positiven Kompensation einer ungünstigen Luftverteilung ist es mit der Erfindung auch möglich, Ungleichförmigkeiten in den Brennstoffverteilungssystemen selbst zu kompensieren.
  • Die Erfindung hat ein großes Potential insbesondere die NOx-Emissionen für Silomaschinen zu reduzieren. Hieraus ergibt sich die Möglichkeit Garantiewerte für Stickoxidemissionen leichter einzuhalten, bzw. höhere Flammentemperaturen bei gleichen NOx-Emissionen zu erreichen, was für das Erreichen von Leistungs- und CO-Zielen (Kohlenmonoxid) hilfreich ist. Außerdem ist eine gleichmäßigere Belastung der Flammrohrwände zu erwarten, was Kühllufteinsparungen und damit eine weitere NOx-Absenkung möglich macht.
  • Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:
    • Figur 1
    einen Längsschnitt durch einen halben Brenner aus dem Stand der Technik,
    Figur 2
    den Einbau und die Anströmsituation in einer Gasturbine und
    Figur 3
    die Anströmsituation mit Blick in Richtung der Luftströmung in die Vormischpassagen des Brenners.
  • Figur 1 zeigt einen Ausschnitt eines Brenners 1 aus dem Stand der Technik, umfassend einen Hauptbrenner 10 und einen Pilotbrenner 11.
  • Die Passagen 3 im Hauptbrenner 10 zur Mischung von Brennstoff und Luft vor der Verbrennung sind durch einen radial inneren Kegel 5, einen um den radial inneren Kegel 5 herum angeordneten radial äußeren Kegel 6, sowie drallerzeugende Einbauten 2, die sich vom radial inneren Kegel 5 zum radial äußeren Kegel 6 erstrecken, gebildet. Diese drallerzeugenden Einbauten 2 bilden ein ringförmiges Drallgitter.
  • Im Stand der Technik haben alle auf dem Umfang des Brenners 1 angeordneten drallerzeugenden Einbauten 2 die gleiche Anzahl oder Größe und Anordnung von Brennstofföffnungen 4. Gegebenenfalls wird durch ein Lochblech (nicht gezeigt) stromauf der drallerzeugenden Einbauten 2 versucht, die Verteilung der anströmenden Luft 17 auf die Passagen 3 möglichst zu vergleichmäßigen.
  • Im Betrieb wird Brennstoff über den radial inneren Kegel 5 (Nabe) den hohlen, drallerzeugenden Einbauten 2 zugeführt und über die Brennstofföffnungen 4 in die Passagen 3 geleitet bzw. der Luft zugemischt. Die Brennstofföffnungen 4 sind an verschiedenen radialen Positionen auf den drallerzeugenden Einbauten 2 angeordnet.
  • Figur 2 zeigt den Einbau und die Anströmsituation eines Brenners 1 einer Brenneranordnung 7 in einer Gasturbine am Beispiel einer Silo-Brennkammer 8. Auch wenn die Figur 2 einen Ausschnitt der Brenneranordnung 7 mit nur einem Brenner zeigt, umfasst die Brenneranordnung 7 mehrere auf einem Kreis angeordnete Brenner 1, sowie einen radial außerhalb des Kreises umlaufenden Ringspalt 9 durch den im Betrieb Luft um die Brennkammer 8 einseitig seitlich zu den Brennern 1 strömt. Alternativ gibt es auch Brenneranordnungen mit radial innerhalb des Kreises, auf dem die Brenner angeordnet sind, umlaufenden Ringspalten. Die Asymmetrie der Anströmung ergibt sich aufgrund der Anordnung der Brenner 1 auf einem Kreis. Passagen 3, die eher radial außen bezogen auf eine Brennkammerachse 13 angeordnet sind (in der Nähe der zusätzlich mit 14 bezeichneten Passage 3 in der Figur 3) werden z.B. mit einem deutlich größeren Luftstrom 17 beaufschlagt als Passagen 3, die eher radial innen (in der Nähe der zusätzlich mit 15 bezeichneten Passage 3) bezogen auf die Brennkammerachse 13 angeordnet sind. Dieser Asymmetrie überlagert sich eine weitere, nämlich eine ungleiche Verteilung des Luftmassenstroms in radialer Richtung innerhalb der Brenner 1 selbst, da der Abstand zwischen den drallerzeugenden Einbauten 2 von innen nach außen zunimmt (siehe auch Figur 3 mit einem Blick in die Passagen 3.
  • Um die Durchmischung von Luft und Brennstoff zu verbessern, schlägt die Erfindung daher die selektive Anpassung der einer Passage 3 zugeführten Brennstoffmenge durch Verschließen oder Weglassen entsprechender Brennstofföffnungen 4 vor, und zwar derart, dass das Verschließen oder Weglassen in den Bereichen einer betroffenen Passage 3 erfolgt, in denen ohnehin vergleichsweise wenig Luft strömt, also radial innen, in der Nähe des inneren Kegels 5. In der Figur 1 sind die wegzulassenden oder zu verschließenden Brennstofföffnungen mit dem Bezugszeichen 16 versehen.
  • Am Beispiel der Figur 2 bedeutet dies, dass die meisten Brennstofföffnungen 4 des gezeigten Brenners 1 in Passagen 3 angeordnet sind, die in der Nähe des Ringspalts 9 liegen, durch den die Luft um die Brennkammer 8 zu den Brennern 1 strömt, also in der unmittelbaren Umgebung der äußeren Passage 14 der Figur 3.

Claims (2)

  1. Brenneranordnung (7) umfassend eine Brennkammer (8) und mehrere an der Brennkammer (8) auf einem Kreis angeordnete Brenner (1), wobei die Brenner (1) drallerzeugende Einbauten (2) umfassen, zwischen denen Passagen (3) ausgebildet sind, durch die im Betrieb Luft hindurchströmt und in denen Brennstoff über Brennstofföffnungen (4) der Luft beigemischt wird, wobei sich die Passagen (3) hinsichtlich Anzahl und/oder Größe der Brennstofföffnungen (4) unterscheiden, die Brenneranordnung (7) ferner umfassend einen radial außerhalb oder innerhalb des Kreises umlaufenden Ringspalt (9) durch den im Betrieb Luft um die Brennkammer (8) einseitig seitlich zu den Brennern (1) strömt, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Ringspalt (9) nächstgelegenen Passagen (3) der Brenner (1) mehr oder größere Brennstofföffnungen (4) aufweisen, als die vom Ringspalt (9) am weitesten entfernten Passagen (3) der Brenner (1).
  2. Brenneranordnung (7) nach Anspruch 1, wobei die Passagen (3) neben den drallerzeugenden Einbauten (2) durch einen inneren (5) und einen äußeren Kegel (6) begrenzt werden und einige Passagen (3) Brennstofföffnungen (8) lediglich in einem Bereich aufweisen, der näher am äußeren Kegel (6) als am inneren Kegel (5) liegt.
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