DE1004865B - Verfahren und Anlage fuer die Erzeugung eines heissen Brenngasstromes, insbesondere fuer Gasturbinen - Google Patents
Verfahren und Anlage fuer die Erzeugung eines heissen Brenngasstromes, insbesondere fuer GasturbinenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und
eine Anlage zum Verbrennen von Brennstoff mit niedrigem Heizwert und eignet sich insbesondere für
Gasturbinen und zugehörige Brennkammern, und Flammrohre. Sie hat den Zweck, Verbesserungen an
Brennanlagen zu schaffen, welche Brennstoff mit geringem Heizwert verbrennen, beispielsweise Methan-
und Luftgemische mit niedriger Methankonzentration, wie sie aus der abgesaugten oder nach oben geblasenen
Luft von bestimmten Kohlenbergwerksanlagen her zur Verfügung stehen, welche nicht bei normalen,
Temperaturen und Drücken verbrannt werden können,
und daher in üblicher Weise abgeblasen werden. Ein anderer geeigneter Brennstoff ist das Gas, welches
sich aus der Untertagevergasung· von, Kohle ergibt.
Es ist schon ein Verfahren zum Erzeugen eines heißen Brenngasstromes für Gasturbinen durch Verbrennen
eines Gemisches aus Brennstoff und Luft, welches ein Schwachgasgemisch mit geringem Heizwert
ist, bekanntgeworden, wobei durch die Verbrennung von Hilfsbrennstoff eine Zündflamme im Anfangsteilstück
eines Brennraumes hergestellt wird, durch welchen das Gasgemisch zum Hindurchströmen
gebracht wird.
Das bekannte Verfahren wird erfindungsgemäß dadurch fortentwickelt, daß eine Teilmenge des Gemisches
in das Anfangsteilstück des Verbrennungsraumes eingebracht und durch die Zündflamme gezündet
wird und daß weitere Teilmengen dem Verbrennungsraum durch aufeinanderfolgende Einlasse
hindurch in solchen Mengen und in. solchen Abstand voneinander aufweisenden Intervallen entlang dem
Verbrennungsraum zugeführt werden, daß die Temperatur nur graduell in Richtung auf einen Wert abnimmt,
welcher zu niedrig ist, um eine weitere Zumischung des Gemisches zu zünden, und daß sie
innerhalb des Verbrennungsraumes nicht unter einen vorherbestimmten, Wert absinkt, der nicht kleiner als
der Zündiwert ist. Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung werden die Einlasse in solchen Intervallen.
vorgesehen und die zugeführten Mengen in solcher Art gewählt, daß das durch den einen Einlaß zugeführte
Gemisch im wesentlichen vollständig im Raum zwischen diesem Einlaß und dem nachfolgenden, Einlaß
verbrannt wird.
Weiterhin wird eine Gasturbinenanlage zum Ausüben des vorstehend beschriebenen Verfahrens verwendet,
welche Anlage sich zusammensetzt aus einer Brennkammer, einem darin befindlichen Flammrohr,
welches den, Verbrennungsraum einschließt und eine Anzahl von Einlaßöffnungen und einen. Auslaß aufweist,
und aus einem Brenner zum Verbrennen des Hilfsbrennstoffes innerhalb des Flammrohres. Erfindungsgemäß
werden die Einlaßöffnungen in Abständen Verfahren und Anlage für die Erzeugung eines heißen Brenngasstromes,
insbesondere für Gasturbinen
Anmelder:
Power Jets (Research and Development) Limited, London
Vertreter: Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt,
Siegen (Westf.), Oranienstr. 14
Beanspruchte Priorität: Großbritannien vom 19. März 1951
George Dobson, London, ist als Erfinder genannt worden
entsprechend den vorerwähnten. Intervallen entlang dem Flammrohr vorgesehen und sind von solcher
Größe, daß dadurch die vorerwähnten Mengen des Gemisches zugeführt werden.
Schließlich wird erfindungsgemäß noch vorgeschlagen,
weitere Einlaßöffnungen im Flammrohr strömungsabwärts der ersten vorerwähnten Einlaßöffnung
für die Zuführung einer zusätzlichen Menge des vorgenannten Gemisches als Kühlmittel, ohne daß
dieses gezündet wird und brennt, vorzusehen,
Die Erfindung soll nunmehr an Hand der sie beispielsweise
wiedergebenden. Zeichnung ausführlicher beschrieben werden, und zwar zeigt
Fig. 1 in schaubildlicher Darstellung die Allgemeinanordnung einer Gasturbinenanlage,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Brennkammer,
Fig. 3 einen Querschnitt nach der Schnittlinie X-X in Fig. 2, während die
Fig. 4 bis 6 Schaubilder wiedergeben, welche die Wirkungsweise der Anlage erläutern.
Die Gasturbinenanlage gemäß Fig. 1 besteht aus einer Zuleitung 1, welche von der Lieferquelle 2 her
Brennstoff mit geringem Heizwert dem Axialkompressor 3 übermittelt. Der letztere ist über eine Verbindungsleitung
4 mit dem Wärmeaustauscher 5 in Verbindung, welcher über die Verbindungsleitung 6 an
die Brennkammer? angeschlossen ist. Der Ausgang der Brennkammer 7 steht über die Leitung 8 mit der
.- * ' 609 840/222
Turbine 9 in Verbindung, welche zusätzlich zur Last
20 noch den Kompressor 3 antreibt. Die Turbine schickt die Auspuffgase durch den Wärmeaustauscher 5
hindurch nach dem Auspuff oder Auslaß 10. Der Brennstoff von der Lieferquelle 2 ist eine sehr
schwache Mischung von brennbarem Gas, ζ. B. Methan mit Luft.
Eine Hilfsbelieferung mit Brennstoff, welcher Gas oder gepulverte Kohle bzw. Kohlenstaub sein kann,
Afhbiil Öl i
gasen, von der vorhergehenden Brennstufe her gemischt und schließlich verbrannt werden; das Zuführen
von weiteren Mengen von Gas-Luft-Gemisch, das Mischen und das Verbrennen werden so lange
fortgesetzt, bis schließlich die Temperatur der Brenngase an irgendeiner Stufe im Brennraum so weit absinkt,
daß sie unterhalb der Zündtemperatur des Brennstoff-Luft-Gemisches liegt, aber noch oberhalb
derjenigen Temperatur liegen kann, die das Gas erh
gp p g
der aber im gezeigten Ausführungsbeispiel Öl sein io halten soll, welches der Gasturbine übermittelt wird,
soll, erfolgt nach der Brennkammer 7 über Rohrleitung Weitere Mengen von Methan- und Luftgemisch wer-
Vbhäl 13 h den dann zugeführt, beispielsweise durch die Durch-
lasse 21 oder durch 15" und 21, und zwar als Kühl-
mittel, um die Temperatur der Gasmischung auf den
11 mittels einer Pumpe 12 vom Vorratsbehälter 13 her.
Die Brennkammer besteht, wie sich aus den Fig. 2
und 3 ergibt, aus der zylindrischen Kammer 14 und
einem ringförmigen, Flammrohr innerhalb' derselben,, 15 Wert herunterzubringen, welcher für den Turbinenweiches sich aus dem Außenrohr 15 und dem Innen- einlaß benötigt wird. Daher wird je nach der Gerohr
16 zusammensetzt. An ihrem Eingangsende mischzündtemperatur, welche durch einfachen Verdivergiert
bzw. erweitert sich die Kammer 14 in der such bestimmt werden kann., ein gewisser Anteil an
üblichen Weise, um einen Diffusor für das ein- gasförmigem Brennstoff verbrannt, ein Teil jedoch
strömende Gas zu bilden; das Innenrohr 16 und das 20 als Kühlmittel benutzt, also gleichsam verschwendet,
Außenrohr 15 divergieren in gleicher Weise. Am Aus- während jedoch der Hilfsbrennstoff die erforderliche:
dh hohe Zündtemperatur hervorruft, um die Verbrennung
der schwachen Gemische einzuleiten. Je höher die Turbineneinlaß temperatur und je geringer die Tesrnperatur
des für die Endkühlung des Gemisches auf die Turbineneinlaßtemperatur zur Anwendung kommenden
Gemisches ist, um so geringer ist die Verschwendung an gasförmigem Brennstoff.
Die Arbeitsweise der Anlage soll nun an Hand der bekannter 30 nachstehenden Beispiele erläutert werden, bei welchen
in einem die Zündflamme durch Verbrennung von Methan her
g g
laßende geht das Flammrohr in ein zylindrisches Rohr bei 20 über und ist an der Wandung der Kammer
14 in der Nähe des Zugangs der Leitung 8 befestigt.
Durch das Ende des ringförmigen Rohres hindurch erstreckt sich ein Ölbrennerring 17, der mit dem Rohr
über den üblichen Ring oder über Wirbelleitbleche oder -schaufeln in Verbindung steht, welche rund um
jeden Brenner vorgesehen sind und in bk Weise dazu dienen, die Luftmischung
gg 0 %
Im Schaubild nach Fig. 4 gibt die linke Ordinate die Temperatur in 0C wieder, wahrend die rechte
Ordinate den Vomhundertsatz der gesamten Menge
schraubenförmigen, Wirbel zu versetzen, welcher eine vorgerufen wird, das zur Anwendung kommende
stabile Brennzone liefert, in welche hinein das Brennöl schwache Methan-Luft-Gemisch etwa beispielsweise
eingespritzt wird. Die Brenner sind an eine gemein- 1A % Methan, enthält und die Gasgeschwindigkeit
same Ölleitung 19 angeschlossen, welche nach außen 35 durch das Flammrohr hindurch etwa 162/s m/sec
durch die Wandung der Kammer 14 hindurchführt beträgt.
und an das Rohr 11 angeschlossen ist. An jeder der Rpicnipl 1
Stellen 15«, 15Ö. .. 15«, 15" über die Länge des bp
Flammrohres hinweg ist das Flammrohr mit einem In diesem Fall ist die Einlaß- oder Eingangstempe-
Ring von Durch- oder Einlassen versehen, welche von. 40 ratur des Methan-Luft-Gemisches gleich 670° C, und
Aussparungen in beiden Rohren15 und 16 gebildet die Grenzmindesttemperatur, bis auf welche die Brennwerden.
Auf diese Weise werden zusätzlich zum gas- gase absinken dürfen, wenn sie mit dem Gemisch verförmigen
Brennstoff-Luft-Gemisch, welches durch die dünnt werden, wird zu 900° C angenommen. Diese
Wirbler 18 zugeführt wird, weitere Zumischungen von Temperatur soll als »Verdünnungstemperatur« beBrennstoff-Luft-Gemisch
durch die Ein- oder Durch- 45 zeichnet werden und entspricht einem Gesamtbrennlasse
entlang dem Rohr hindurch in bestimmten Ab- wirkungsgrad von 100 %.
ständen zugeführt. Die Abstande zwischen. 15", 15* I Sbd h F
usw. sind solcher Art, daß genügend Zeit für das Vermischen des zugeführten Brennstoffes und der Brenn-
gase vorhanden ist, die sich bereits gebildet haben, so 5° des Methan-Luft-Gemisches wiedergibt, daß durch
daß vollständige Verbrennung eintritt, bevor weiteres jeden Satz oder jede Gruppe von Durchlässen einge-Gas-
und Luft-Gemisch zugeführt wird. Die Größen- führt wird, wohingegen die Abszisse die Verdünnungsabmessung der Zugangsdurchlässe und. die ent- stufen wiedergibt, die durch die aufeinanderfolgenden
sprechenden Brennzonenlängen zwischen diesen sowie Gruppen von Durchlässen 15a, 15& ... 15" gebildet
die Anzahl von Ein- oder Durchlaßgruppen werden 55 werden, wobei der Anfang der Primargaseinlaß rund
durch die Art des brennbaren Gases, durch die Kon- um die Brenner ist. Die Punkte auf der Kurve A sind,
zentration des Gases in der Luft sowie durch die die Endtemperaturen der Brenngase unmittelbar vor
Temperatur und die Geschwindigkeit des Gases im der Verdünnung an jeder Gruppe von Durchlässen, die
Flammrohr bestimmt. waagerechte Linie B ist die Verdünnungstemperatur,
Der Hilfsbrennstoff in verhältnismäßig geringer 60 und die Punkte auf der Kurve C geben den, Vom-Menge
wird so als Leit- oder Zündflamme in einer hundertsatz des Gemisches wieder, das benutzt wird,
Anfangszone am einen. Ende des Flammrohres ver- um die Brenngase in jeder Stufe zu verdünnen. Unbrannt,
und eine Menge des schwachen Gas-Luft- gefahr 16% des Gemisches wird durch den Primäf-Gemisches,
unter Druck vom Kompressor 3 her und einlaß zugeführt, und das Öl von den Brennern brennt
durch den Wärmeaustauscher 5 erhitzt, wird nach- 65 in diesem Gas, um ihm eine Endtemperatur bei der
folgend in die erste Mischzone zwischen den Durch- ersten Gruppe von Durchlässen 15a von 1100° C zu
lassen 15a und 15& erwärmt und verbrannt, woraufhin geben, was durch den linken Grenzpunkt auf Kurve A
mehr Gas-Luft-Gemisch durch die entsprechenden zum Ausdruck gebracht wird. Weitere 13% des GeDurchlässe
in die nächste Mischzone stromungs- misches werden dann durch die Durchlässe 15« zugeabwärts
der Durchlässe 15& geschickt, mit den Brenn- 70 führt, wodurch das Gas auf die Verdüttnungstempera-
tür von 900° C abgekühlt wird. Weitere Verbrennung
findet statt im Raum zwischen den Durchlässen 15fl
und 15Ö, und die Endtemperatur vor der Verdünnung
an den Durchlässen, 15& ist etwa 1015° C, was durch
den zweiten; Punkt auf der Kurvet angedeutet ist.
Weitere 15% des Gemisches werden durch die Durchlässe 15& zugemischt, und eine gleichartige Wirkung
tritt ein. Weitere Mengen des Gemisches werden llurch
die nachfolgenden Gruppen von Durchlässen zugesetzt,
bis die Endgastemperatur auf 950° C abfällt, bei welcher Temperatur eine Verbrennung des Methan-Luft-Gemisches
nicht mehr erfolgen kann. Wenn weiteres Gemisch zugesetzt wird (das wäre durch die
Durchlässe 21), so dient es lediglich dazu, die Brenngase zu kühlen,
In diesem Beispiel sind die Betriebsbedingungen ähnlich denjenigen von Beispiel 1; jedoch wird eine
niedrigere Verdünnungstemperatur von 875° C für die letzteren Verbindungsstufen angenommen, Die
Kurven D, E, F in Fig. 5 haben, die gleiche Bedeutung
wie die entsprechenden Kurven A, B und C in Fig. 4. Es ist ersichtlich, daß nur drei Verdünnungsstufen
vorgesehen sind, wobei es zugelassen wird, daß die Temperatur auf 875° C in. der dritten Stufe abfällt.
Der Gesamtbrennwirkungsgrad fällt auf 97% ab, und größere Mengen des Gemisches werden bei jeder Stufe
zugeführt. Wiederum ist die Endtemperatur der Gase annähernd 950° C.
Dieser Fall unterscheidet sich von den, vorangehenden Beispielen insoweit, als eine höhere Verdünnungstemperatur in den ersten Stufen, der Verdünnung vor-
gesehen ist. Aus der Kurve H ist ersichtlich, daß die Verdünnungstemperatur für die beiden ersten Stufen
1000 bzw. 950° C sind, und die Verdünnungstemperatur darf nur auf den Mindestwert von 900° C in, der
dritten, Stufe abfallen. Daher werden kleinere Mengen des Gemisches in den ersteren Stufen benötigt. Dieses
Arbeitsverfahren ergibt einen Brennwirkungsgrad von 100%.
Die vorbeschriebene Brennanlage kann, mit anderen
Brennanlagen für Gasturbinen, kombiniert werden, beispielsweise in einer Anlage, bei welcher in bekannter
Weise ein reversibler intermittierender Regenerativwärmeaustauscher an der Brennkammer angeordnet
ist, in. welchem das zu strömende Schwachgas-Luft-Gemisch durch Wärmeaufnahme aus der Wärme-Speichermasse
bis etwa, zur Zündtemperatur des Ge^- misches erhitzt wird, zu dem Zweck, eine Verbrennung
in dem einen Abschnitt des Wärmeaustauschers stattfinden,
zu lassen,, während die die Brennzone verlassenden Gase vor ihrem Eintritt in die Turbine in
einem anderen Abschnitt des Wärmeaustauschers durch. Wärmeabgabe an, die Speichermasse heruntergekühlt
werden, Dabei kann dann ein. Flammrohr oder eine Brennkammer gemäß der vorliegenden Erfindung
parallel zum Regenerator angeordnet werden,, so daß die beiden Geräte zusammen, in einer Gasturbinenanlage
zur Anwendung kommen. Ein Vorteil einer solchen. Anordnung besteht darin, daß die Abmessung
des Regenerators kleiner sein könnte, als es dann der Fall wäre, wenn, alles Methan-Luft-Gemisch durch
den Regenerator hindurchgeschickt wird.
Claims (4)
1. Verfahren zum Erzeugen eines heißen, Brenngasstromes,
insbesondere für Gasturbinen, durch Verbrennen eines Gemisches aus Brennstoff und
Luft, welches ein Schwachgasgemisch mit geringem Heizwert ist, wobei durch die Verbrennung
von, Hilfsbrennstoff eine Zündflamme im Anfangsteilstück eines Brennraumes hergestellt wird, durch
welchen das Gasgemisch zum Hindurchströmen gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Teilmenge des Gemisches in. das Anfangsteilstück des Verbrennungsraumes eingebracht und durch
die Zündflamme gezündet wird und daß weitere Teilmengen dem Verbrennungsraum durch aufeinanderfolgende
Einlasse hindurch in, solchen Mengen und in solchem Abstand voneinander aufweisenden
Intervallen entlang dem Verbrennungsraum zugeführt werden, daß die Temperatur nur
graduell in Richtung auf einen: Wert abnimmt, welcher zu niedrig ist, um eine weitere Zumischung
des Gemisches zu zünden, und, daß sie innerhalb des Verbrennungsraumes nicht unter einen vorbestimmten
Wert absinkt, welcher nicht kleiner als der Zündwert ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einlasse in solchen Intervallen vorgesehen und. die zugeführten Mengen solcher
Art sind, daß das durch den einen Einlaß zugeführte Gemisch im wesentlichen vollständig im
Raum zwischen diesem Einlaß und dem nachfolgenden Einlaß verbrannt wird.
3. Gasturbinenanlage zum Ausüben des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit einer Brennkammer,
einem darin befindlichen Flammrohr, welches den, Verbrennungsraum einschließt und.
eine Anzahl von Einlaßöffnungen und einen Auslaß aufweist, und mit einem Brenner zum Verbrennen
des Hilfsbrennstoffes innerhalb des Flammrohres, dadurch gekennzeichnet, daß die
Einlaßöffnungen in Abständen, entsprechend den vorerwähnten Intervallen entlang dem Flammrohr
vorgesehen und von solcher Größe sind, daß dadurch die vorerwähnten Mengen des Gemisches
zugeführt werden.
4. Gasturbinenanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Einlaßöffnungen im
Flammrohr strömungsabwärts der ersten vorerwähnten Einlaßöffnungen für die Zuführung
einer zusätzlichen Menge des vorgenannten. Gemisches als Kühlmittel, ohne daß dieses gezündet
wird und brennt, vorgesehen, sind.
In, Betracht gezogene Druckschriften: Schweizerische Patentschrift Nr. 250 740;
französische Patentschrift Nr. 972 471; britische Patentschrift Nr. 624 291;
The Engineer, Bd. 189 (1950), Nr. 4921, bis 597.
S. 595
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
© 609 8W222 3.
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ID=9817099
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