CH687780A5 - A method for operating a plant fired with houses on gaseous fuel combustor. - Google Patents

A method for operating a plant fired with houses on gaseous fuel combustor. Download PDF

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CH687780A5
CH687780A5 CH01080/93A CH108093A CH687780A5 CH 687780 A5 CH687780 A5 CH 687780A5 CH 01080/93 A CH01080/93 A CH 01080/93A CH 108093 A CH108093 A CH 108093A CH 687780 A5 CH687780 A5 CH 687780A5
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Hans Ulrich Frutschi
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Asea Brown Boveri
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    • F02C7/264—Ignition

Abstract

The fuel gas (13) or the mixture of combustion air (11) and fuel gas is enriched with a fuel (12) with a lower ignition temperature. The combustion chamber (4) is integrated as a low-pressure unit in a gas turbo-group. The gas turbo-group is operated after a sequential firing with hot gases (10,14). These hot gases are prepared in the preceding combustion chambers (2,4) and expanded in the turbines (3,5).

Description

1 1

CH 687 780 A5 CH 687 780 A5

2 2nd

Beschreibung description

Technisches Gebiet Technical field

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1. The present invention relates to a method according to the preamble of claim 1.

Stand der Technik State of the art

Bei Brennkammern für Gasturbogruppen stellt die Zündung des Luft/Brennstoff-Gemisches stets eine heikle Operation dar, welche eine entscheidende Weichenstellung für den Ausstoss von Schadstoff-Emissionen sowie für den Wirkungsgrad der Anlage ergibt. Grundsätzlich wird eine solche Brennkammer mit einem Diffusionsbrenner oder mit einem Vor-mischbrenner betrieben. Je nach Art des zum Einsatz gelangenden Brennstoffes spielt die Temperatur der Verdichterluft stromauf der Brennkammer eine wichtige Rolle, denn je wärmer die Verdichterluft ausfällt, desto schneller und umfassender kann ein brennfähiges Gemisch zur Reaktion gebracht werden. Nun könnte man sich überlegen, anstelle der bekannten Brenner eine Selbstzündung anzustreben, d.h. die in die Brennkammer einströmende Verbrennungsluft mit einer genügend hohen Temperatur vorzudisponieren, soweit, dass es bei Eindüsung eines Brennstoffes zwangsläufig zu einer Selbstzündung kommen könnte, wie dies beispielsweise bei Dieselmotoren der Fall ist. Nun ist es aber so, dass bei heutigen fortgeschrittenen Gasturbinen mit Druckverhältnissen von bis zu 28 lediglich eine Verdichterluft-Temperatur von höchstens 500°C anfällt. Bei einer solchen Temperatur liesse sich eine Selbstzündung eines flüssigen Brennstoffes, beispielsweise Öl, an sich bewerkstelligen, wobei hier noch spezielle Vorkehrungen betreffend die Eindüsungstechnik des Brennstoffes getroffen werden müssten. Soweit liesse sich also eine Brennkammer realisieren, welche durch Zündung des Brennstoffes bereits durch die heisse Verbrennungsluft betrieben werden könnte. Wird demgegenüber ein gasförmiger Brennstoff, beispielsweise Erdgas, eingesetzt, so ist eine Selbstzündung bei obengenanntem Temperaturniveau nicht mehr möglich. Bei Erdgas ist es bekannt, dass eine Selbstzündung erst bei einer Temperatur um die 1000°C sicher erfolgt, d.h. der Kompressor, stromauf der Brennkammer, müsste, wollte man eine solche Temperatur bereitstellen, mit einem Druckverhältnis von über 100 verdichten. Aber selbst wenn bei Vollast der Anlage die durch Kompression bereitgestellte Lufttemperatur am Eintritt in die Brennkammer eine Selbstzündung auslösen kann, so erweist sich bei einem Teillastbetrieb der Anlage dieselbe Lufttemperatur sofort als unzureichend; im besten Fall könnte hier die Lufttemperatur höchstens 950°C erreichen, also sich in jenem kritischen Bereich bewegen, in welchem die Zündung schleppend vonstatten geht, also unweigerlich zu Zündverzügen oder gar Aussetzungen kommt, was nicht tolerierbar ist. Es müsste somit auf eine herkömmliche Diffusionsbrennerkonfiguration mit Flammenhaltern zurückgegriffen werden. Ein für Selbstzündung von Gas ausreichendes Druckverhältnis läuft indessen dem Bestreben nach einer optimalen thermodynamischen Auslegung des Gasturbinenprozesses sehr zuwider. In combustion chambers for gas turbo groups, the ignition of the air / fuel mixture is always a delicate operation, which sets the course for the emission of pollutant emissions and the efficiency of the system. In principle, such a combustion chamber is operated with a diffusion burner or with a premix burner. Depending on the type of fuel used, the temperature of the compressor air upstream of the combustion chamber plays an important role, because the warmer the compressor air is, the faster and more extensively a combustible mixture can be reacted. Now you could consider trying to ignite instead of the known burners, i.e. to predispose the combustion air flowing into the combustion chamber at a sufficiently high temperature, to the extent that self-ignition could inevitably occur when a fuel is injected, as is the case, for example, with diesel engines. Now, however, it is the case that today's advanced gas turbines with pressure ratios of up to 28 only have a compressor air temperature of at most 500 ° C. At such a temperature, a self-ignition of a liquid fuel, for example oil, could be accomplished per se, special precautions regarding the injection technology of the fuel still having to be taken here. So far, a combustion chamber could be realized which could already be operated by the hot combustion air by igniting the fuel. In contrast, if a gaseous fuel, for example natural gas, is used, self-ignition at the above-mentioned temperature level is no longer possible. With natural gas, it is known that auto-ignition only takes place safely at a temperature around 1000 ° C, i.e. the compressor, upstream of the combustion chamber, would have to compress with a pressure ratio of over 100 if one wanted to provide such a temperature. But even if the air temperature provided by compression at the entry into the combustion chamber can trigger auto-ignition at full load of the system, the same air temperature immediately proves to be insufficient when the system is operated at partial load; In the best case, the air temperature could reach a maximum of 950 ° C, i.e. move in the critical area in which the ignition is sluggish, which inevitably leads to ignition delays or even suspensions, which cannot be tolerated. A conventional diffusion burner configuration with flame holders would therefore have to be used. A pressure ratio sufficient for self-ignition of gas, however, runs very counter to the effort for an optimal thermodynamic design of the gas turbine process.

Darstellung der Erfindung Presentation of the invention

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der eingangs genannten Art Vorkehrungen zu treffen, welche eine sichere spontane Selbstzündung eines Verbrennungsluftstromes mit einem gasförmigen Brennstoff, bei einem Betrieb, in welchem die Temperatur des Verbrennungsluftstromes eine Selbstzündung von Gas nicht zulässt, sicherzustellen. The invention seeks to remedy this. The invention, as characterized in the claims, has for its object to take precautions in a method of the type mentioned, which a safe spontaneous auto-ignition of a combustion air flow with a gaseous fuel, in an operation in which the temperature of the combustion air flow is a Do not allow auto-ignition of gas to be ensured.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung liegt in der Einfachheit und Zuverlässigkeit der Massnahme, nämlich, dass zur Sicherung der Selbstzündung des eingedüsten gasförmigen Brennstoffes bei tieferen Lufttemperaturen, unterhalb der kritischen Selbstzündtemperatur, diesem eine kleine Menge eines anderen Brennstoffes mit einer niedrigen Zündtemperatur beigegeben wird. The main advantage of the invention lies in the simplicity and reliability of the measure, namely that in order to ensure the auto-ignition of the injected gaseous fuel at lower air temperatures, below the critical auto-ignition temperature, a small amount of another fuel with a low ignition temperature is added to it.

Diese Massnahme ermöglicht eine kurze Bauart der Brennkammer, vor allem auch deswegen, weil auch bei Teillast eine sofortige Selbstzündung stattfindet. This measure enables a short design of the combustion chamber, above all because an immediate self-ignition takes place even at partial load.

Vorteilhaft bei dieser Konfiguration ist des weiteren, dass dadurch der Ort der Verbrennung klar definiert und die Kühlung der Strukturen der Brennkammer optimiert werden können. Another advantage of this configuration is that the location of the combustion can be clearly defined and the cooling of the structures of the combustion chamber can be optimized.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass, unabhängig eines Zustandekommens der Selbstzündung im Teillastbereich, anlässlich erster Versuche einer neuen Gasturbogruppe bei reduziertem Temperaturniveau eine Hilfe zur Selbstzündung bei niedriger Temperatur unerlässlich ist. Dadurch wird eine sichere Inbetriebsetzung ermöglicht. A further advantage of the invention can be seen in the fact that, regardless of whether auto-ignition occurs in the part-load range, help for auto-ignition at low temperature is essential on the occasion of initial attempts by a new gas turbine group at a reduced temperature level. This enables safe commissioning.

Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung sind in den weiteren abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet. Advantageous and expedient developments of the task solution according to the invention are characterized in the further dependent claims.

Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. In den verschiedenen Figuren sind gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben. Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawings. All elements not necessary for the immediate understanding of the invention have been omitted. The same elements are provided with the same reference symbols in the various figures. The direction of flow of the media is indicated by arrows.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings

Es zeigt: It shows:

Fig. 1 eine Gasturbogruppe in schematischer Darstellung und Fig. 1 shows a gas turbine group in a schematic representation

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer ND-Brennkammer. Fig. 2 is a schematic representation of an LP combustion chamber.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Anwendbarkeit WAYS OF CARRYING OUT THE INVENTION, INDUSTRIAL APPLICABILITY

Fig. 1 zeigt eine Gasturbogruppe, deren verdich- 1 shows a gas turbine group, the compression of which

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

2 2nd

Claims (2)

3 CH 687 780 A5 4 tete Luft aus einem Druckluftspeicher 1, der ohne weiteres durch einen Verdichter ersetzt werden kann, stammt, einer dem Druckluftspeicher 1 nachgeschalteten ersten Brennkammer 2, im folgenden HD-Brennkammer genannt, einer stromab dieser Brennkammer wirkenden HD-Turbine 3, einer der HD-Turbine nachgeschalteten zweiten Brennkammer 4, im folgenden ND-Brennkammer genannt, und einer stromab dieser Brennkammer wirkenden ND-Turbine 5. Ein Generator 6 sorgt für die Stromerzeugung. Die in den Druckluftspeicher 1 oder in den nicht dargestellten Verdichter eingebrachte Luft 7 wird danach als Druckluft 8, resp. verdichtete Luft, in die HD-Brennkammer 2 geleitet. Diese Brennkammer 2 wird mit einem Brennstoff 9 befeuert, der an sich gasförmig und/oder flüssig sein kann, je nach Art des hierzu eingesetzten Brenners. Diese Brennkammer 2 wird normalerweise mit einem Diffusionsbrenner oder Vormischbrenner, wie er in EP-A1 0 321 809 beschrieben ist, wobei dieser Erfindungsgegenstand integrierender Bestandteil dieser Beschreibung ist, betrieben. Die Heissgase 10 aus der HD-Brennkammer 2 beaufschlagen zunächst die HD-Turbine 3. Dabei ist diese Turbine 3 so ausgelegt, dass deren Abgase 11 immer eine verhältnismässig hohe Temperatur aufweisen. Stromab dieser Turbine 3 befindet sich die ND-Brennkammer 4, welche im wesentlichen die Form eines ringförmigen Zylinders hat. Diese Brennkammer 4 weist keinen separaten Brenner auf: Die Verbrennung geschieht durch Selbstzündung des in die Heissgase 11 eingedüsten Brennstoffes 13. Ausgehend davon, dass es sich hier um einen gasförmigen Brennstoff, also beispielsweise Erdgas, handelt, müssen für eine Selbstzündung gewisse unabdingbare Voraussetzungen erfüllt werden: Zunächst ist davon auszugehen, dass eine Selbstzündung nach vorliegender Konstellation erst bei einer Temperatur um die 1000°C vonstatten geht. Demnach, um Selbstzündung eines Erdgases in der ND-Brennkammer 4 sicherzustellen, muss demzufolge die Austrittstemperatur aus der HD-Turbine 3 sehr hoch ausfallen, und zwar, wie oben bereits dargelegt, um die 1000°C, und dies auch bei Teillastbetrieb. Diese Forderung kann aber gewichtig eine optimale ther-modynamische Auslegung des Gasturbinenprozesses negativ tangieren. Selbstverständlich darf andererseits aus ebenfalls thermodynamischen Gründen das Druckverhältnis der HD-Turbine 3 nicht so weit angehoben werden, dass sich eine derart niedrige Austrittstemperatur von beispielsweise ca. 500°C ergibt, wie sie für einen sicheren Betrieb einer nachgeschalteten konventionellen Brennkammer vorteilhaft wäre. Um aus diesem Dilemma herauszukommen, d.h. um eine gesicherte Selbstzündung des in die ND-Brennkammer 4 eingedüsten gasförmigen Brennstoffes 13 zu gewährleisten, wird diesem Gas eine kleine Menge eines anderen Brennstoffes 12 mit einer niedrigeren Zündtemperatur beigegeben. Als Hilfsbrennstoff eignet sich hier beispielsweise Öl sehr gut. Dieser flüssige Hilfsbrennstoff 12, entsprechend eingedüst, fungiert sozusagen als Zündschnur, und ermöglicht auch dann eine Selbstzündung in der ND-Brennkammer 4, wenn die Abgase 11 aus der ND-Turbine 3 eine Temperatur aufweisen, die unterhalb jener optimalen Selbstzündtemperatur für Gas um die 1000°C liegt. Diese Vorkehrung, Öl als Hilfsbrennstoff für eine Selbstzündung beizugeben, erweist sich als besonders vorteilhaft, wenn die Gasturbogruppe bei Teillast betrieben wird. Diese Massnahme, mit einem flüssigen Hilfsbrennstoff 12 zu operieren, ermöglicht immer eine kurze Bauart der ND-Brennkammer 4, vor allem auch deswegen, weil selbst bei Teillast eine sofortige Selbstzündung stattfindet. Diese Ausgangslage ermöglicht des weiteren den Ort der Verbrennung klar zu definieren, was sich auf eine optimierte Kühlung der Strukturen dieser Brennkammer 4 niederschlägt. Die Selbstzündung eines in die Abgase 11 der ND-Turbine 3 eingedüsten gasförmigen Brennstoffes 13 mittels Zuführung eines flüssigen Hilfsbrennstoffes 12 erweist sich auch anlässlich erster Versuche einer neuen Maschine als vorteilhaft, denn diese Fahrversuche finden naturgemäss bei einem reduzierten Temperaturniveau statt. Für diesen letztgenannten Fall ist eine Selbstzündung bei niedrigem Temperaturniveau sowieso unerlässlich. Analoge Verhältnisse, welche die Beigabe eines Hilfsbrennstoffs für eine Selbstzündung notwendig machen, können auch in der HD-Brennkammer 2 existieren. Fig. 2 zeigt schematisch den Durchflussquerschnitt der ND-Brennkammer 4, wobei als Variante eine weitere Eindüsungsmöglichkeit des flüssigen Hilfsbrennstoffes 12a vorgeschlagen wird. Dieser Eindüsungsort befindet sich stromab der Eindüsung des gasförmigen Brennstoffes 13, und zwar im Bereich der disponierten Flammzone 16 in der ND-Brennkammer. Diese Möglichkeit lässt sich mit Vorteil gegen eine Rückzündung der Flamme dort anwenden, wo die Flammenfront durch strömungstechnische oder körperliche Massnahmen mit einer Rückströmzone erweitert ist. Bezeichnungsliste3 CH 687 780 A5 4 air from a compressed air reservoir 1, which can be easily replaced by a compressor, comes from a first combustion chamber 2, hereinafter referred to as the HD combustion chamber, downstream of the compressed air reservoir 1, an HD turbine 3 acting downstream of this combustion chamber , a second combustion chamber 4 downstream of the HP turbine, hereinafter referred to as LP combustion chamber, and an LP turbine 5 acting downstream of this combustion chamber. A generator 6 provides for the generation of electricity. The air 7 introduced into the compressed air reservoir 1 or into the compressor (not shown) is then referred to as compressed air 8, respectively. compressed air, passed into the HD combustion chamber 2. This combustion chamber 2 is fired with a fuel 9, which in itself can be gaseous and / or liquid, depending on the type of burner used for this purpose. This combustion chamber 2 is normally operated with a diffusion burner or premix burner, as described in EP-A1 0 321 809, this subject matter of the invention being an integral part of this description. The hot gases 10 from the high-pressure combustion chamber 2 initially act on the high-pressure turbine 3. This turbine 3 is designed in such a way that its exhaust gases 11 are always at a relatively high temperature. Downstream of this turbine 3 is the LP combustion chamber 4, which essentially has the shape of an annular cylinder. This combustion chamber 4 does not have a separate burner: the combustion takes place by self-ignition of the fuel 13 injected into the hot gases 11. Assuming that this is a gaseous fuel, for example natural gas, certain prerequisites must be met for self-ignition : First of all, it can be assumed that auto-ignition only takes place at a temperature around 1000 ° C. Accordingly, in order to ensure self-ignition of a natural gas in the LP combustor 4, the outlet temperature from the high-pressure turbine 3 must be very high, and, as already explained above, around 1000 ° C., and this also during part-load operation. However, this requirement can adversely affect an optimal thermodynamic design of the gas turbine process. On the other hand, of course, for thermodynamic reasons as well, the pressure ratio of the high-pressure turbine 3 must not be raised to such an extent that the outlet temperature is so low, for example, about 500 ° C. as would be advantageous for the safe operation of a downstream conventional combustion chamber. To get out of this dilemma, i.e. In order to ensure reliable self-ignition of the gaseous fuel 13 injected into the LP combustion chamber 4, a small amount of another fuel 12 with a lower ignition temperature is added to this gas. Oil, for example, is very suitable as an auxiliary fuel. This liquid auxiliary fuel 12, appropriately injected, acts as a fuse, so to speak, and also enables auto-ignition in the LP combustion chamber 4 if the exhaust gases 11 from the LP turbine 3 have a temperature below the optimum auto-ignition temperature for gas around 1000 ° C. This arrangement of adding oil as an auxiliary fuel for self-ignition proves to be particularly advantageous when the gas turbine group is operated at part load. This measure, to operate with a liquid auxiliary fuel 12, always enables a short design of the LP combustion chamber 4, above all because immediate self-ignition takes place even at partial load. This starting position further enables the location of the combustion to be clearly defined, which is reflected in an optimized cooling of the structures of this combustion chamber 4. The self-ignition of a gaseous fuel 13 injected into the exhaust gases 11 of the LP turbine 3 by supplying a liquid auxiliary fuel 12 also proves to be advantageous on the occasion of the first attempts at a new machine, since these driving tests naturally take place at a reduced temperature level. In this latter case, auto-ignition at a low temperature level is essential anyway. Analogous conditions which make it necessary to add an auxiliary fuel for self-ignition can also exist in the high-pressure combustion chamber 2. 2 schematically shows the flow cross section of the LP combustion chamber 4, a further possibility of injecting the liquid auxiliary fuel 12a being proposed as a variant. This injection point is located downstream of the injection of the gaseous fuel 13, specifically in the area of the flame zone 16 in the LP combustion chamber. This possibility can advantageously be used to prevent the flame from reigniting where the flame front is expanded by fluidic or physical measures with a backflow zone. Label list 1 Druckluftspeicher1 compressed air reservoir 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (4) als Niederdruck-Brennkammer in eine ein- oder mehrwellige Gasturbogruppe integriert wird, dass diese Gasturbogruppe nach einer sequentiellen Befeuerung mit jeweils in Turbinen (3, 5) erfolgter Entspannung der in den vorangehenden Brennkammern (2, 4) aufbereiteten Heissgase (10, 14) betrieben wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the combustion chamber (4) is integrated as a low-pressure combustion chamber in a single- or multi-shaft gas turbine group, that this gas turbine group after sequential firing with in each case in turbines (3, 5) relaxation of the in the preceding combustion chambers (2, 4) processed hot gases (10, 14) is operated. 55 1010th 1515 2020th 2525th 3030th 3535 4040 4545 5050 5555 6060 6565 44th 2 HD-Brennkammer2 HD combustion chamber 3 HD-Turbine3 HP turbine 4 ND-Brennkammer4 LP combustion chamber 5 ND-Turbine5 LP turbine 6 Generator6 generator 7 Luft7 air 8 Druckluft8 compressed air 9 Brennstoff (Gas und/oder Öl)9 fuel (gas and / or oil) 10 Heissgase10 hot gases 11 Abgase11 exhaust gases 12 Hilfsbrennstoff (Öl)12 auxiliary fuel (oil) 12a Hilfsbrennstoff (Öl)12a auxiliary fuel (oil) 13 Brennstoff (Gas)13 fuel (gas) 14 Heissgase14 hot gases 15 Abgase15 exhaust gases 16 Flamme, Flammenfront Patentansprüche16 flame, flame front claims 1. Verfahren zum Betrieb einer mit einem gasförmigen Brennstoff befeuerten Brennkammer, in welche eine Verbrennungsluft einströmt, deren Tempe-1. Method for operating a combustion chamber fired with a gaseous fuel, into which combustion air flows, the temperature of which 55 1010th 1515 2020th 2525th 3030th 3535 4040 4545 5050 5555 6060 6565 33rd 55 CH 687 780 A5CH 687 780 A5 ratur sich unterhalb derjenigen für eine Selbstzündung des Gemisches bewegt, dadurch gekennzeichnet, dass der gasförmige Brennstoff (13) und/ oder das Gemisch aus Verbrennungsluft (11) und gasförmigem Brennstoff (13) durch einen Brennstoff (12, 12a) tieferer Zündtemperatur angereichert wird.ratures below that for self-ignition of the mixture, characterized in that the gaseous fuel (13) and / or the mixture of combustion air (11) and gaseous fuel (13) is enriched by a fuel (12, 12a) lower ignition temperature.
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