DE10108560A1

DE10108560A1 - Verfahren zum Betrieb einer Ringbrennkammer sowie eine diesbezügliche Ringbrennkammer

Info

Publication number: DE10108560A1
Application number: DE10108560A
Authority: DE
Inventors: Hans Peter Knoepfel; Klaus Doebbeling; Christian Oliver Paschereit
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2001-02-22
Filing date: 2001-02-22
Publication date: 2002-09-05
Also published as: DE50213404D1; EP1235033A3; EP1235033B1; JP2002257346A; US6691518B2; EP1235033A2; US20020134086A1

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zum Betrieb einer Ringbrennkammer sowie eine Ringbrennkammer mit einer Vielzahl zirkular angeordneter Vormischbrenner, in denen jeweils ein Brennstoff-Luft-Gemisch erzeugt wird, bevor es zur Zündung gebracht und als Heißgasstrom zum Antrieb wenigstens einer Turbinenstufe einer Gasturbinenanlage genutzt wird. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens ein Vormischbrenner derart betrieben wird, dass der wenigstens eine Vormischbrenner ein von allen anderen Vormischbrennern abweichendes räumliches Mischungsprofil innerhalb des Brennstoff-Luft-Gemisches aufweist.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb einer Ringbrennkammer sowie auf eine Ringbrennkammer mit einer Vielzahl zirkular angeordneter Vormischbrenner, in denen jeweils ein Brennstoff-Luft-Gemisch erzeugt wird bevor es zur Zündung gebracht und als Heissgasstrom zum Antrieb wenigstens einer Turbinenstufe einer Gasturbinenanlage genutzt wird.

Stand der Technik

Bei der Verbrennung flüssigen oder gasförmigen Brennstoffes in einer Brennkammer einer Gasturbine hat sich die sogenannte Vormischverbrennung etabliert. Hierbei werden der Brennstoff und die Verbrennungsluft möglichst gleichmässig vorgemischt und anschliessend in die Brennkammer geleitet. Um ökologischen Gesichtspunkten gerecht zu werden, achtet man auf eine niedrige Flammentemperatur mittels einem grossen Luftüberschuss. Auf diese Weise kann die Stickoxidbildung klein gehalten werden.

In diesem Zusammenhang haben sich sogenannte Ringbrennkammern durchgesetzt, die eine Vielzahl einzelner Vormischhbrenner in zirkulärer Anordnung um die rotierenden Komponenten einer Gasturbine vorsieht und deren Heissgase über einen ringförmig ausgebildeten Strömungskanal unmittelbar der nachgeordneten Turbinenstufe zugeführt werden.

Eine diesbezügliche Ringbrennkamer mit Vormischbrennern für einer Gasturbine ist beispielsweise aus der EP 597 138 B1 bekannt. Die am Kopfende der Ringbrennkammer vorgesehenen Vormischbrenner sind beispielsweise aus der EP- 387 532 A1 bekannt. Bei derartigen Vormischbrennern handelt es sich um sogenannte Doppelkegelbrenner. Im wesentlichen besteht diese Art von Vormischbrenner aus zwei hohlen, kegelförmigen Teilkörpern, die in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelt sind. Dabei sind die jeweiligen Mittelachsen der beiden Teilkörper gegeneinander versetzt. Die benachbarten Wandungen der beiden Teilkörper bilden in deren Längserstreckung tangentiale Schlitze für die Verbrennungsluft, die auf diese Weise in das Brennerinnere gelangt. Dort ist eine Brennstoffdüse für flüssigen Brennstoff angeordnet. Der Brennstoff wird in einem spitzen Winkel in die Hohlkegel eingedüst. Das entstehende kegelige Flüssigbrennstoffprofil wird von der tangential einströmenden Verbrennungsluft umschlossen. In axialer Richtung wird die Konzentration des Brennstoffes fortlaufend infolge der Vermischung mit der Verbrennungsluft abgebaut.

Der Vormischbrenner kann ebenfalls mit gasförmigem Brennstoff betrieben werden. Hierzu sind im Bereich der tangentialen Schlitze in den Wandungen der beiden Teilkörper in Längsrichtung verteilte Gaseinströmöffnungen, die sogenannten Premixbelochung, vorgesehen. Im Gasbetrieb beginnt die Gemischbildung mit der Verbrennungslufl somit bereits in der Zone der Eintrittsschlitze. Es versteht sich, dass auf diese Weise auch ein Mischbetrieb mit beiden Brennstoffarten möglich ist. Am Brenneraustritt stellt sich eine möglichst homogene Brennstoffkonzentration über dem beaufschlagten kreisringförmigen Querschnitt ein. Es entsteht am Brenneraustritt eine definierte kalottenförmige Rückströmzone, an deren Spitze die Zündung erfolgt.

Nun ist aus verschiedenen Druckschriften, beispielsweise Combust. Sci. and Tech. 1992, Vol. 87, Seiten 329 bis 362 bekannt, dass bei einer perfekt vorgemischten Flamme die Größe der Rückströmzone, die gleichbedeutend ist mit dem sogenannten Flammenstabilisationsgebiet, keinen Einfluss auf die Stickoxydemissionen hat. Andererseits jedoch werden die Kohlenoxydemissionen sowie die Emissionen hinsichtlich ungesättigter Kohlenwasserstoffe (UHC) und im speziellen die Löschgrenzen der jeweiligen Vormischbrenner durch die Größe der Rückströmzone stark beeinflusst. Dies bedeutet, dass je größer die Rückströmzone ausgebildet ist, umso mehr fallen die Kohlenoxydemissionen, die Emissionen hinsichtlich ungesättigter Kohlenwasserstoffe sowie die Löschgrenze. Dies hat auch zur Folge, dass mit einer größeren Rückströmzone ein größerer Lastbereich des Vormischbrenners abgedeckt werden kann, ohne dass dabei die Flamme gelöscht wird. Neben der Größe der Rückströmzone, die wie vorstehend erläutert, entscheidenden Einfluss auf die Betriebsweise der einzelnen Vormischbrenner hat, spielt auch die Brennstoffverteilung, d. h. das Mischungsprofil des Brennstoff-/Luft- Gemisches im Bereich der Flammenstabilisation eine große Rolle. In an sich bekannter Weise wird das Mischungsprofil zwischen Brennstoff und Luft innerhalb des Vormischbrenners durch das Premixbelochungspattern bestimmt, d. h. die räumliche Anordnung der typischerweise entlang der Lufteintrittsschlitze verteilten Öffnungen, durch die Premixbrennstoff, vorzugsweise Premixgas, in das Innere des Vormischbrenners eingedüst wird.

Normalerweise werden bei Ringbrennkammern zum Betrieb einer Gasturbine sämtliche Vormischbrenner mit identischen Premixbelochungspattern bestückt. Es zeigt sich allerdings, dass durch die unterschiedlichen Lastbedingungen der Gasturbinenanlage Betriebsbereiche der Gasturbine entstehen, die durch starke Brennkammerpulsationen, schlechten Ausbrand hinsichtlich Kohlenoxydwerte und Werte ungesättigter Kohlenwasserstoffe sowie schlechtes Querzündverhalten der einzelnen Vormischbrenner gekennzeichnet sind. Dies gilt es entscheidend zu verbessern.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer Ringbrennkammer sowie eine diesbezügliche Ringbrennkammer mit einer Vielzahl zirkular angeordneter Vormischbrenner, in denen jeweils ein Brennstoff-Luft-Gemisch erzeugt wird bevor es zur Zündung gebracht und als Heissgasstrom zum Antrieb wenigstens einer Turbinenstufe einer Gasturbinenanlage genutzt wird, derart weiterzubilden, dass die vorstehend genannten Nachteile vermieden werden sollen. Insbesondere sollen Maßnahmen getroffen werden, die entscheidend den auftretenden Brennkammerpulsationen entgegenwirken. Ferner sollen bereits aus umwelttechnischen Gründen und den immer strenger werdenden Vorgaben hinsichtlich Emissionswerten, der Ausbrand vervollständigt und die auftretenden CO-, UHC-, NO_x-Emissionen reduziert werden.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruches 5 ist eine erfindungsgemäß ausgebildete Ringbrennkammer. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung, insbesondere auf die Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel zu entnehmen.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkammer mit einer Vielzahl zirkular angeordneter Vormischbrenner gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart ausgebildet, dass wenigstens ein Vormischbrenner derart betrieben wird, dass der wenigstens eine Vormischbrenner ein von allen anderen Vormischbrennern abweichendes räumliches Mischungsprofil innerhalb des Brennstoff-Luft-Gemisches aufweist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Idee geht von der gezielten Brechung der Symmetrie aus, die durch die zirkulare Anordnung einer Vielzahl von identisch ausgebildeten Vormischbrennern um die rotierenden Komponenten einer Gasturbinenanlage konstruktiv vorgegeben ist. Da üblicherweise im Aufbau identische Vormischbrenner ringförmig um die rotierenden Komponenten der Gasturbinenanlage angeordnet sind, die aufgrund ihrer identischen Ausbildung jeweils identische Mischungsprofile innerhalb der einzelnen Brennstoff-Luft- Gemische ausbilden - dies ist die Folge von identischen Premixbelochungspattern -, bilden sich in bestimmten Lastbereichen der Ringbrennkammer zirkular umlaufende, pulsierende Wellen aus, die es gilt, gezielt zu unterdrücken.

Zwingt man hingegen dem an sich bekannten symmetrischen Aufbau eine gezielte Asymmetrie auf, durch die die durch die konstruktive Identität aller Vormischbrenner erzeugte Symmetrie aufgebrochen wird, so können sich keine zirkular umlaufende Pulsationsschwingungen, die letztlich auf resonante Ursachen zurückführen lassen, einstellen.

Eine derartige Asymmetrie wird erfindungsgemäß dadurch erzwungen, indem wenigstens ein, vorzugsweise drei und mehr Vormischbrenner eine unterschiedliche Premixbelochung aufweisen, deren Premixbelochungspattern sich von allen übrigen Vormischbrennern unterscheiden. Durch die gezielte Verwendung von von den üblicherweise gleich verteilten Premixbelochungspattern abweichende Premixbelochungspattern werden unterschiedliche Mischungsprofile erzeugt, die wiederum zu unterschiedlichen Ausbrandergebnissen führen. Dies führt letztlich zu einer entscheidenden Dämpfung bzw. Bekämpfung von sich üblicherweise in resonanter Form ausbildenden zirkular in der Ringbrennkammer umlaufenden Pulsationen. Insbesondere führt die erfindungsgemäße Maßnahme zu folgenden Vorteilen:

1. stabilere Flammenposition
2. tiefere Emissionen hinsichtlich CO, UHC, NOx
3. vollständiger Ausbrand
4. größerer Betriebsbereich ohne Flammenlöschung
5. verbessertes Querzündverhalten zwischen zwei benachbarten Vormischbrennern, sowie
6. geringere Pulsationen.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 Längsschnitt durch zwei benachbarte zirkular innerhalb einer Ringbrennkammer angeordnete Vormischbrenner.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

In Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch zwei benachbarte Vormischbrenner 1, 2 dargestellt, die nebeneinander auf einer ringförmig umlaufenden Frontplatte 3 einer Ringbrennkammer angeordnet sind. Die kegelförmig ausgebildeten Vormischbrenner 1, 2 weisen eine Austrittsöffnung 4, 5 auf, die stromab in die Brennkammer 6 münden. Die Vormischbrenner 1, 2 weisen längs zu ihren Lufteintrittsschlitzen 7, 8 Premixbrennstofföffnungen 9 auf, durch die vorzugsweise gasförmiger Brennstoff 10 in das Innere der kegelförmig ausgebildeten Vormischbrenner 1, 2 einmündet.

Die räumliche Verteilung der Premixgasbelochung 9 des Vormischbrenners 1 ist in konventioneller Weise homogen verteilt, d. h. die Premixgaslöcher sind äquidistant voneinander beabstandet angeordnet. Mit einem derartigen Premixbelochungspattern wird üblicherweise ein räumlich gleichverteiltes, homogenes Mischungsprofil 11 über den gesamten Querschnitt der Austrittsöffnung 4 erzielt.

Demgegenüber weist der Vormischbrenner 2 zwei Bereiche entlang des Premixbelochungspatterns auf, in denen die einzelnen Premixgaslöcher 9 unterschiedliche Abstände zueinander aufweisen. Mit dem im Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 1 dargestellten Premixbelochungspattern des Vormischbrenners 2, bei dem die stromab angeordneten Premixlöcher einen größeren gegenseitigen Abstand aufweisen als stromauf, erhält man ein Mischungsprofil 12, das in Art einer Gaussverteilung ausgebildet ist. Durch das Vorsehen eines derartigen Vormischbrenners 2 in der zirkularen Gesamtanordnung aller Vormischbrenner innerhalb der Ringbrennkammer kann eine gezielte Asymmetrie im Verbrennungsverhalten entlang der sich zirkular ausbildenden Heissgase eingebracht werden, wodurch, wie vorstehend ausgeführt, wirksam der Ausbildung von Brennkammerpulsationen entgegengetreten werden kann.

Ebenso ist es denkbar, das Premixbelochungspatterns des Vormischbrenners 2 zu invertieren, d. h. die gegenseitigen Abstände stromauf innerhalb des Vormischbrenners größer als die Premixöffnungen stromab des Vormischbrenners 2 auszubilden, wodurch ein entsprechend invertiertes Mischungsprofil bezüglich des in Fig. 1 unter Bezugnahme auf den Vormischbrenner 2 gezeigten Mischungsprofils erzeugt werden kann.

Selbstverständlich ist es möglich, auch weitere, von der homogenen Premixbelochungsanordnung abweichende Premixbelochungspattern zu realisieren.

Bezugszeichenliste

1

,

2

Vormischbrenner

3

Frontplatte der Ringbrennkammer

4

,

5

Austrittsöffnungen

6

Brennkammerbereich

7

,

8

Lufteintrittsschlitz

9

Premixgaszuführöffnungen

10

Brennstoff

11

,

12

Mischungsprofil

Claims

1. Verfahren zum Betrieb einer Ringbrennkammer mit einer Vielzahl zirkular angeordneter Vormischbrenner (1, 2), in denen jeweils ein Brennstoff-Luft-Gemisch erzeugt wird bevor es zur Zündung gebracht und als Heissgasstrom zum Antrieb wenigstens einer Turbinenstufe einer Gasturbinenanlage genutzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Vormischbrenner (2) derart betrieben wird, dass der wenigstens eine Vormischbrenner (2) ein von allen anderen Vormischbrennern (1) abweichendes räumliches Mischungsprofil (12) innerhalb des Brennstoff-Luft-Gemisches aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei Vormischbrenner in der vorstehenden Weise betrieben werden, und dass diese wenigstens drei Vormischbrenner gleichverteilt mit äquidistanem Abstand zueineander zirkular in der Ringbrennkammer angeordnet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das räumlich abweichende Mischungsprofil (12) durch eine abweichende Premixgasbelochung (9) innerhalb des Vormischbrenners (2) erzeugt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Vormischbrenner (2) derart betrieben wird, dass wenigstens eine innerhalb der zirkular aus der Gesamtheit aller Vormischbrenner austretenden Heissgase auftretende Asymmetrie hervorgerufen wird, die wirksam das Auftreten von Brennkammpulsationen wenigstens reduziert.

5. Ringbrennkammer mit einer Vielzahl zirkular angeordneter Vormischbrenner (1, 2) mit Premixgaszufuhr, zum Antrieb einer Gasturbine, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Vormischbrenner (2) eine von allen anderen Vormischbrennern (1) abweichende Premixgaszufuhr aufweist.

6. Ringbrennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vormischbrenner (1, 2) eine Premixgasbelochung (9) aufweisen, durch die die Premixgaszufuhr erfolgt, und dass der wenigstens eine Vormischbrenner (2) eine räumlich von allen anderen Vormischbrennern abweichende Premixgasbelochung (9) aufweist.

7. Ringbrennkammer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass alle anderen Vormischbrenner (1) eine gleichverteilte Premixgasbelochung aufweisen, und dass der wenigstens eine Vormischbrenner (2) wenigstens einen Bereich in der Premixgasbelochung aufweist, in dem benachbarte Premixgaslöcher einen unterschiedlichen Abstand zueinander aufweisen als im übrigem Bereich der Premixgasbelochung.

8. Ringbrennkammer nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei Vormischbrenner in vorstehender Weise ausgebildet sind und dass die wenisgtens drei Vormischbrenner zirkular gleichverteilt um die Ringbrennkammer angeordnet sind.