DE10055408A1 - Verfahren zur Brenstoffeinspritzung in einen Brenner - Google Patents
Verfahren zur Brenstoffeinspritzung in einen BrennerInfo
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Abstract
Bei einem Verfahren zur Einspritzung von Brennstoff in einen Brenner (1), welcher Brenner (1) einen von wenigstens einer Schale (8, 9) umschlossenen Innenraum (22) umfasst, bei welchem Brennstoff durch Brennstoffdüsen (6) in einen im Innenraum (22) strömenden Verbrennungsluftstrom (23) eingedüst wird, das entstehende Brennstoff/Luft-Gemisch innerhalb einer Verzugszeit (Ð) zu einer Flammfront (3) in einem Brennraum (2) strömt, und dort entzündet, wird die Ausbildung von thermoakustischen, verbrennungsgetriebenen Schwingungen dadurch erreicht, dass der Brennstoff derart mittels über die Brennerlänge verteilter Brennstoffdüsen (6) eingedüst wird, dass die Verzugszeit (Ð) zwischen Eindüsung des Brennstoffs und dessen Verbrennung an der Flammfront (3) für die verschiedenen Brennstoffdüsen einer über die Brennerlänge systematisch variierenden, die Schwingungen verringernden Verteilung (12) entspricht.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einspritzung von Brennstoff in einen
Brenner, z. B. in einen Doppelkegelbrenner, sowie einen Brenner zur Durchführung dieses
Verfahrens.
Bei Brennern, welche flüssigen oder gasförmigen Brennstoff einem Brennraum zuführen, wo
der Brennstoff an einer Flammfront verbrennt, treten häufig sogenannte thermoakustische
Schwankungen auf. So auch z. B., aber nicht ausschliesslich, beim sehr erfolgreich einge
setzten sogenannten Doppelkegelbrenner, wie er in der EP 0 321 809 beschrieben ist. Neben
der strömungstechnischen Stabilität sind Mischungsbruchschwankungen ein Hauptgrund für
das Auftreten von derartigen thermoakustischen Instabilitäten. Strömungsmechanische Insta
bilitätswellen, die am Brenner entstehen, führen zur Ausbildung von Wirbeln (kohärente
Strukturen), die die Verbrennung beeinflussen und zu periodischer Wärmefreisetzung mit den
damit verbundenen Druckschwankungen führen können. Die fluktuierende Luftsäule im Bren
ner führt zu Schwankungen im Mischungsbruch mit den damit verbundenen Schwankungen
in der Wärmefreisetzung.
Diese thermoakustischen Schwingungen stellen eine Gefahr für jede Art von Verbrennungs
anwendung dar. Sie führen zu Druckschwingungen hoher Amplitude, zu einer Einschränkung
des Betriebsbereiches und können die Schadstoffemissionen erhöhen. Dies trifft insbesonde
re für Verbrennungssysteme mit geringer akustischer Dämpfung zu. Um in Bezug auf Pulsa
tionen und Emissionen eine hohe Leistungskonversion über einen weiten Betriebsbereich zu
ermöglichen, kann eine aktive Kontrolle der Verbrennungsschwingungen notwendig sein.
Kohärente Strukturen spielen eine entscheidende Rolle bei Mischungsvorgängen zwischen
Luft und Brennstoff. Die Dynamik dieser Strukturen beeinflusst demzufolge die Verbrennung
und damit die Wärmefreisetzung. Durch Beeinflussung der Scherschicht zwischen dem
Frischgasgemisch und dem rezirkulierten Abgas ist eine Kontrolle der Verbrennungsinstabili
täten möglich (z. B. Paschereit et al., 1998, "Structure and Control of Thermoacoustic Instabi
lities in a Gasturbine Burner", Combustion, Science & Technology, Vol. 138, 213-232). Eine
Möglichkeit dazu ist die akustische Anregung (EP 0 918 152 A1).
Durch Brennstoffstaging lässt sich die Flammenposition beeinflussen und damit der Einfluss
von Strömungsinstabilitäten als auch Zeitverzugseffekten vermindern (z. B. in der EP 0 999 367 A1
beschrieben).
Ein weiterer Mechanismus, der zu thermoakustischen Schwingungen führen kann, sind
Schwankungen im Mischungsbruch zwischen Brennstoff und Luft.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie einen Brenner zur
Durchführung eines derartigen Verfahrens anzugeben, bei welchem das Auftreten derartiger
thermoakustischer Schwingungen vermindert oder sogar vermieden wird.
Es handelt sich dabei um ein Verfahren zur Einspritzung von Brennstoff in einen Brenner,
welcher Brenner einen von wenigstens einer Schale umschlossenen Innenraum umfasst, bei
welchem Brennstoff durch Brennstoffdüsen in einen im Innenraum strömenden Verbren
nungsluftstrom eingedüst wird, das entstehende Brennstoff/Luft-Gemisch innerhalb einer
Verzugszeit τ zu einer Flammfront in einen Brennraum strömt, und dort entzündet.
Bei einem derartigen Verfahren werden thermoakustische Schwingungen erfindungsgemäss
verringert oder sogar ganz vermieden, indem der Brennstoff derart mittels über die Brenner
länge verteilter Brennstoffdüsen eingedüst wird, dass die Verzugszeit τ zwischen Eindüsung
des Brennstoffs und dessen Verbrennung an der Flammfront für die verschiedenen Brenn
stoffdüsen einer über die Brennerlänge systematisch variierenden Verteilung entspricht, wel
che verbrennungsgetriebene Schwingungen vermeidet.
Bei einem konventionellen Brenner ist erfahrungsgemäss für alle der über die Brennerlänge
verteilten Brennstoffdüsen die Verzugszeit τ zwischen Eindüsungsort und effektiver Verbren
nung an der Flammfront im wesentlichen gleich. Man findet eine von der Eindüsungsposition
unsystematische leichte Variation um einen Mittelwert. Dies führt dazu, dass sich thermoaku
stische Schwingungen leicht aufbauen können. Der Kern der Erfindung besteht nun also
darin, den Brennstoff derart in den Verbrennungsluftstrom einzudüsen, dass sich keine im
wesentlichen für alle über die Brennerlänge verteilten Brennstoffdüsen gleiche Verzugszeit τ
zwischen Eindüsungsort und effektiver Verbrennung an der Flammfront einstellt, sondern
dass die Verzugszeit eine über die Brennerlänge systematisch variierende Verteilung an
nimmt.
Ein erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der
maximale Zeitverzug τmax zwischen Eindüsungsort und Flammfront im Bereich von τmax = 5-50 ms
liegt, und dass insbesondere bevorzugt bei einer Strömungsgeschwindigkeit des Brenn
stoff/Luft-Gemisches im Innenraum im Bereich von 20-50 m/s der maximale Zeitverzug τmax
im Bereich von τmax = 5-15 ms liegt, dies unter Berücksichtigung der Verschiebung der
Flammfrontposition in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit. Wird das Verfahren
unter derartigen Bedingungen angewendet, so können die thermoakustischen Schwingungen
besonders gut verringert werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Brennstoff derart eingedüst, dass
die Zeitverzugsverteilung über die Brennerlänge zum Brennerende hin vom Maximalwert τmax
um eine maximale Verzugsdifferenz Δτ im wesentlichen linear abnehmend zu einem Mini
malwert beim Brennerende von τmax - Δτ gestaltet ist. Diese einfache Verteilung kann mit re
lativ wenig Aufwand realisiert werden und zeigt eine effiziente Wirkung. Es zeigt sich, dass
bevorzugt die Verzugsdifferenz Δτ in den Bereich von 10-90% des Maximalwerts τmax, insbe
sondere in den Bereich von mehr als 50% des Maximalwerts τmax eingestellt wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens handelt es sich beim Brenner um einen
Doppelkegelbrenner, bei welchem der Brenner aus mindestens zwei aufeinander positionier
ten hohlen Teilkegelkörpern, welche in Strömungsrichtung eine zunehmende Kegelneigung
aufweisen, und welche Teilkegelkörper zueinander versetzt angeordnet sind, so dass die
Verbrennungsluft durch einen Spalt zwischen den Teilkegelkörpern in den Innenraum strömt,
gebildet wird. Gerade bei diesem, bereits oben genannten, vormischartigen Doppelkegel
brenner lässt sich das Verfahren besonders günstig anwenden.
Des weiteren betrifft die Erfindung einen Brenner zur Durchführung des obigen Verfahrens
wobei die Brennstoffdüsen in Gruppen aufgeteilt sind, und wobei jeweils eine Gruppe von
Brennstoffdüsen auf einer Linie derart angeordnet ist, dass alle Brennstoffdüsen einer Grup
pe für die Speisung des gleichen Bereichs in der Flammfront zuständig sind. Insbesondere
bevorzugt werden bei einem derartigen Brenner die Brennstoffdüsen derart verteilt, dass die
Anzahl von Linien grösser ist als die mittlere Anzahl von Brennstoffdüsen einer Gruppe. Bei
einem Doppelkegelbrenner z. B. können die Brennstoffdüsen auf den Konusoberflächen der
Teilkegelkörper auf Linien für einen Bereich der Flammfront angeordnet werden. Es zeigt sich
dabei, dass eine Aufteilung der insgesamt 32 Düsen eines Doppelkegelbrenners in 8 Grup
pen auf 8 Linien mit je 4 Düsen vorteilhaft ist.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit
den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1a) einen konventionellen Doppelkegelbrenner mit typischer Brennstoffeindüsung;
Fig. 1b) die bei einem Brenner nach Fig. 1a) auftretende schematisierte Verzugszeitver
teilung über die Brennerlänge;
Fig. 2 eine lineare Verzugszeitverteilung;
Fig. 3 eine zweidimensionale Stabilitätsanalyse von Verzugszeitverteilungen;
Fig. 4a) einen Doppelkegelbrenner mit verteilter Brennstoffdüsenanordnung; und
Fig. 4b) mögliche Verzugszeitenverteilungen bei einem Brenner nach Fig. 4a).
Beeinflusst man den Zeitverzug zwischen der Brennstoffeindüsung und der periodischen
Wärmefreisetzung, d. h. der Flammfront, kann man die Verbrennungsinstabilitäten kontrollie
ren. Der Grundgedanke der Erfindung ist, den Zeitverzug τ zwischen der periodischen Wär
mefreisetzung an der Flammfront und der Druckschwankung bei der Eindüsung zu stören, so
dass das Rayleigh-Kriterium
nicht mehr erfüllt ist, d. h. Wärmefreisetzung und Druckmaximum nicht mehr in Phase sind.
Damit ist der treibende Mechanismus für das Auftreten von thermoakustischen Schwingun
gen unterbunden. Die Darstellung des Rayleigh-Kriteriums nach Fouriertransformation im
Frequenzbereich zeigt diesen Zusammenhang noch deutlicher:
G(x) = 2∫|Spq(x, f)|cos(ϕpq)df
wobei Spq das Kreuzspektrum zwischen Druckfluktuationen p' und Fluktuationen der Wärme
freisetzung q' darstellt und ϕpq die Phasendifferenz. Durch Wahl der korrekten Phasendiffe
renz zwischen Wärmefreisetzung (beeinflussbar durch den Zeitverzug) und dem Drucksignal
kann der Rayleigh-Index auf G(x) < 0 eingestellt werden und damit ist das System gedämpft.
Es zeigt sich nun, dass der Zeitverzug vom Eindüsungsort bei den Brennstoffdüsen bis zur
Flammfront bei bestehenden Vormischbrennern über die gesamte Eindüsungslänge des
Vormischgases in bestimmten Betriebspunkten konstant ist. So z. B. bei einem Doppelkegel
brenner nach dem Stand der Technik wie in Fig. 1a) dargestellt.
In diesem beispielhaft zu verstehenden Längsschnitt durch einen Doppelkegelbrenner 1, wie
er z. B. aus dar EP 0 321 809 bekannt ist, ist der obere Spalt 7 zwischen den beiden koni
schen Brennerschalen 8 und 9 erkennbar. Die Verbrennungsluft 23 tritt durch diesen Spalt 7
an den über die Brennerlänge verteilten Brennstoffdüsen 6 vorbei in den Innenraum 22, wo
bei der Brennstoff von der vorbeiströmenden Luft 23 erfasst und umschlossen wird. Im Innen
raum 22 des Brenners 1 strömt der Verbrennungsluftstrom unter Ausbildung einer sich in
Strömungsrichtung ausbreitenden kegelförmigen Brennstoffsäule entlang der Stomlinien 5.
Das Brennstoff/Luft-Gemisch gelangt dann in den Brennraum 2, wo es an einer Flammfront 3
entzündet.
Bei einem derartigen Doppelkegelbrenner ist die Verzugszeit τ, die zwischen der Eindüsung
an den Brennstoffdüsen 6 bis zur Entzündung an der Flammfront 3 verstreicht, nahezu kon
stant für alle Positionen der Brennstoffdüsen, wie dies in Fig. 1b) schematisch dargestellt ist
(die Koordinate x erstreckt sich dabei vom Ausgang 10 des Brenners 1 zu dessen hinterem
Ende, d. h. in der Fig. 1a) von rechts nach links). Es kann mit anderen Worten keine syste
matische Variation der Verzugszeiten τ in Funktion der Brennstoffdüsenposition entlang des
Brenners 1 beobachtet werden (z. B. kürzere Verzugszeiten für Düsen 6 nahe beim Brenner
austritt 10), sondern vielmehr eine mehr oder weniger zufällig erscheinende, um einen Mittel
wert nur wenig schwankende Verteilung als Funktion des Eindüsungsortes x.
Wie in Fig. 2 dargestellt, wird nun erfindungsgemäss vorgeschlagen, anstelle des bisher im
wesentlichen konstanten Zeitverzugs von der Brennstoffeindüsung 6 bis zur Flammfront 3
eine Verteilung der Verzugszeit über die Brennerlänge einzustellen. Die Verteilung wird in
einer ersten Wahl so eingestellt, dass die Verzugszeiten τ um eine Verzugszeitendifferenz Δτ
linear variiert, und zwar von einem Minimum τmax - Δτ zum Maximum im hinteren Brennerbe
reich von τmax linear zunehmend.
In einer zweidimensionalen Darstellung ist in Fig. 3 die Brennerstabilität als Funktion der Pa
rameter Δτ(x-Achse) und τmax(y-Achse) für eine Verzugszeitverteilung wie in Fig. 2 angege
ben. Als einzelne Messwerte sind dabei exemplarisch drei Werte für das Verhalten bei ver
schiedenen Strömungsgeschwindigkeiten im Brenner angegeben: für niedrige Strömungsge
schwindigkeit 17, für mittlere Strömungsgeschwindigkeit 18 und für hohe Strömungsge
schwindigkeit 19. Allgemein zeigt es sich, dass sich zwei grundsätzlich instabile, hier schraf
fierte Bereiche ausbilden. Auf der einen Seite ein unstabiler Bereich 16 kurzer Verzugszeiten.
Fast unabhängig von der Wahl von Δτ ist der Brenner hier nicht akustisch stabil für derart
hohe Strömungsgeschwindigkeiten. Ein zweiter, inselartiger Bereich 13 unstabilen Verhaltens
findet sich für niedrige Geschwindigkeiten, d. h. hohe Werte von τmax, und für kleine Werte von
Δτ.
Es ist nun leicht erkennbar, dass sich die Stabilität eines Brenners, der mit seinen typischen
Betriebswerten meist nahe der Insel 13 arbeitet, sowohl durch eine Erhöhung der Strö
mungsgeschwindigkeit gemäss Pfeil 15 stabilisiert werden kann, als auch durch eine Erhö
hung der Verzugszeitendifferenz Δτ, d. h. durch eine Verschiebung des Betriebspunktes in der
Graphik gemäss Pfeil 14 nach rechts. Da aus praktischen Gründen der Wert von τmax nicht
einfach immer in den stabilen niedrigen Bereich gem. 15 verschoben werden kann, ist eine
Verschiebung mittels Einstellung erhöhter Verzugseitendifferenzen Δτ, d. h. über stärker ge
spreizte Verzugszeiten, oftmals eine effiziente und realisierbare Alternative.
Typischerweise liegen die Verzugszeiten bei Brennern im Bereich von τ = 5-50 ms, bei Dop
pelkegelbrennern normalerweise im Bereich von 5-15 ms bei Strömungsgeschwindigkeiten
von 10-50 m/s. Δτ kann nun in einem weiten Bereich variiert werden, typischerweise finden
aber Variationen von Δτ ≧ 0.5 τmax Anwendung, bei Doppelkegelbrennern erweist sich eine
Variation von Δτ = ?? - ?? τmax als besonders vorteilhaft.
Technisch realisieren lässt sich eine derartige Verteilung an einem als Ausführungsbeispiel
dienenden Doppelkegelbrenner wie bereits in Fig. 1 dargestellt über eine einfache Modifikati
on der Brennstoffeinspritzung in den Verbrennungsluftstrom 23. Die Brennstoffdüsen 6 werden
hier nicht mehr unmittelbar an der Spalte 7 zwischen den beiden Schalen 8 und 9 ange
ordnet, sondern werden auf resp. in die Konusoberflächen der Elemente 8 und 9 eingelassen,
und dadurch systematisch die Verzugszeiten eingestellt. Die Brennstoffdüsen 6 können dafür
in Gruppen aufgeteilt werden, und jeweils die Brennstoffdüsen einer Gruppe werden dabei
auf Linien 20 angeordnet, die den Stromlinien entlang der Brennerkontur folgen. Düsen einer
Gruppe speisen einen bestimmten Bereich der Flammfront, allerdings mit unterscheidlicher
Verzugszeit τ zwischen Moment der Eindüsung und Ankunft an der Flammfront 3. Dabei ist
es von Vorteil, möglichst viele Gruppen zu bilden um zusätzliche zur Streuung des Zeitver
zugs eine gleichmässig vertieilte Flamme auszubilden. Bei der für Doppelkegelbrenner we
gen des Druckabfalls typischen Zahl von 32 Düsen, ist z. B. eine Aufteilung auf 8 Gruppen,
deren jeweils 4 Düsen (je zwei pro Konus 8 resp. 9) auf 8 Linien gleichen Zeitverzugs ange
ordnet werden, geeignet, um die thermoakustischen Schwingungen zu verhindern.
Eine Anordnung der Brennstoffdüsen 6 auf derartigen Linien 20 erlaubt nun die Einstellung
von Verzugszeitenverteilungen in einem ganzen Bereich 21, wie sie in Fig. 4b) dargestellt ist.
Selbstverständlich sind auch andere Anordnungen der Brennstoffdüsen an resp. in einem
Brenner möglich, welche zu einer gezielten, thermoakustische Schwingungen verhindernden
systematischen Verteilung der Verzugszeiten führen, und das vorgestellte Ausführungsbei
spiel sowie die angegebenen, im wesentlichen linearen Verteilungen sind nur beispielhaft zu
verstehen.
1
Doppelkegelbrenner
2
Brennraum
3
Flammfront
4
Wand des Brennraums
5
Stromlinien des Brennstoff/Luft Gemisches
6
Brennstoffdüsen
7
Spalt zwischen den konischen Brennerschalen
8
Innere konische Brennerschale bei
7
9
Äussere konische Brennerschale bei
7
10
Vorderes Ende des Doppelkegelbrenners
11
Konstanter Zeitverzug
12
Zeitverzugsverteilung
13
Unstabiler Bereich hoher Verzugszeiten
14
Stabilisierende Verschiebung nach grossen Verteilungsbreiten
15
Stabilisierende Verschiebung nach kurzen Verzugszeiten
16
Unstabiler Bereich kurzer Verzugszeiten
17
Verhalten bei niedriger Strömungsgeschwindigkeit
18
Verhalten bei mittlerer Strömungsgeschwindigkeit
19
Verhalten bei hoher Strömungsgeschwindigkeit
20
Linien für gleichen Bereich der Flammfront
21
Einstellbarer Zeitverzugsbereich
22
Innenraum
23
Verbrennungsluftstrom
Claims (10)
1. Verfahren zur Einspritzung von Brennstoff in einen Brenner (1), welcher Brenner (1)
einen von wenigstens einer Schale (8, 9) umschlossenen Innenraum (22) umfasst, bei wel
chem Brennstoff durch Brennstoffdüsen (6) in einen im Innenraum (22) strömenden Verbren
nungsluftstrom (23) eingedüst wird, das entstehende Brennstoff/Luft-Gemisch innerhalb einer
Verzugszeit (τ) zu einer Flammfront (3) in einen Brennraum (2) strömt, und dort entzündet,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Brennstoff derart mittels über die Brennerlänge verteilter Brennstoffdüsen (6) eingedüst
wird, dass die Verzugszeit (τ) zwischen Eindüsung des Brennstoffs und dessen Verbrennung
an der Flammfront (3) für die verschiedenen Brennstoffdüsen einer über die Brennerlänge
systematisch variierenden Verteilung (12) entspricht, welche verbrennungsgetriebene
Schwingungen vermeidet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Zeitverzug
(τmax) zwischen Eindüsungsort (6) und Flammfront (3) im Bereich von τmax = 5-50 ms liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Strömungsge
schwindigkeit des Brennstoff/Luft-Gemisches im Innenraum im Bereich von 20-50 m/s der
maximale Zeitverzug (τmax) im Bereich von τmax = 5-15 ms liegt.
4. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der
Brennstoff derart eingedüst wird, dass die Zeitverzugsverteilung (12) über die Brennerlänge
zum Brennerende (10) hin vom Maximalwert τmax um eine maximale Verzugsdifferenz (Δτ) im
wesentlichen linear abnehmend zu einem Minimalwert beim Brennerende (10) von τmax - Δτ
gestaltet ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzugsdifferenz (Δτ)
im Bereich von 10-90% des Maximalwerts (τmax), insbesondere im Bereich von mehr als 50%
des Maximalwerts (τmax) liegt.
6. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich
beim Brenner (1) um einen Doppelkegelbrenner handelt, bei welchem der Brenner (1) aus
mindestens zwei aufeinander positionierten hohlen Teilkegelkörpern (8, 9), welche in Strömungsrichtung
eine zunehmende Kegelneigung aufweisen, und welche Teilkegelkörper (8, 9)
zueinander versetzt angeordnet sind, so dass die Verbrennungsluft (23) durch einen Spalt (7)
zwischen den Teilkegelkörpern (8, 9) in den Innenraum (22) strömt, gebildet wird.
7. Brenner (1) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüsen (6) in Gruppen aufgeteilt sind, wobei je
weils eine Gruppe von Brennstoffdüsen (6) auf einer Linie (20) derart angeordnet ist, dass
alle Düsen (6) der Gruppe einen bestimmten Bereich der Flammfront (3) mit unterschiedli
chem Zeitverzug (τ) speisen.
8. Brenner (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl von Linien
(20) grösser ist als die mittlere Anzahl von Brennstoffdüsen (6) einer Gruppe.
9. Brenner nach einem der Ansprüche 7 oder 8 zur Durchführung eines Verfahrens nach
Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüsen auf den Konusoberflächen
der Teilkegelkörper (8, 9) auf einen bestimmten Bereich der Flammfront speisenden Linien
(20) angeordnet sind.
10. Brenner (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner insgesamt
32 Düsen aufweist, welche in 8 Gruppen auf 8 Linien (20) mit je 4 Düsen aufgeteilt sind.
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