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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinen und
spezieller bezieht sie sich auf einen Brenner für eine Gasturbine, der katalytisch stabilisiert
ist.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Bei
Temperaturen oberhalb etwa 1538 Grad Celsius (etwa 2800 Grad Fahrenheit)
kombinieren sich der in der Luft vorhandene Sauerstoff und Stickstoff
unter Bildung von Stickoxiden (NO und NO2,
kollektiv als NOx bekannt). Als ein Resultat
benutzen moderne Gasturbinen mit geringer Emission allgemein eine
sehr magere vorvermischte Flamme zur Verbrennung mit geringem NOx. Betriebsgrenzen schließen „mageres Ausblasen" („LBO") ein, das zu einem
teilweisen oder vollständigen
Verlöschen
der Flamme in einem oder mehreren Brennern führen kann. Eine andere Grenze
sind akustische Druckoszillationen oder Verbrennungsdynamiken. Diese
Verbrennungsdynamiken können
die Betriebsfähigkeit oder
Haltbarkeit des Verbrennungssystems als ein Ganzes beeinflussen.
Als ein Resultat mag es erforderlich sein, individuell jede Gasturbine
abzustimmen, damit sie betriebsfähig
bleibt, während
die Emissionskontrollen noch erfüllt
werden. Das Abstimmen kann jedoch nicht nur die Zeit beeinflussen, die
zum Kommissionieren erforderlich ist, sondern es kann auch nötig werden,
Umgebungs- oder Last-Variationen anzusprechen.
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Sowohl
die LBO- als auch die Verbrennungsdynamik-Grenzen können beeinflusst werden, indem man
eine stabile Ankerflamme für
den Brenner bereitstellt. In älteren
Brennern mit geringem NOx kann diese Ankerflamme
durch eine Pilot-Diffusionsflamme
bereitgestellt werden. Diese Art von Pilot kann jedoch verursachen,
dass NOx-Emissionen höher sind als erwünscht oder
erlaubt. Spezifisch macht es die Benutzung eines Diffusionspiloten
schwierig, in modernen Gasturbinen mit hohen Brenntemperaturen die
erwünschten
NOx-Emissionen in einstelligen Bereich zu
erreichen.
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Es
gibt somit einen Wunsch für
eine stabilere Ankerflamme für
Brenner mit geringem NOx. Eine solche stabile
Ankerflamme sollte die Ausblas-Neigung verringern, die Lebensdauer
des heißen
Abschnittes verlängern,
die Abstimmungs-Anforderungen lockern und den Betriebsbereich mit
geringem NOx verbessern.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Anmeldung stellt somit einen Brenner für eine Gasturbine
bereit. Der Gasturbinen-Brenner kann eine zentrale Verbrennungsdüse mit einem
Katalysator darin und eine Anzahl äußerer Verbrennungsdüsen einschließen, die
die zentrale Verbrennungsdüse
umgeben.
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Die
vorliegende Anmeldung sorgt weiter für das Betreiben eines Gasturbinen-Brenners
mit einer zentralen Verbrennungsdüse und einer Anzahl äußerer Verbrennungsdüsen. Das
Verfahren schließt
die Stufen des Anordnens eines Katalysators innerhalb der zentralen
Verbrennungsdüse
und das Modulieren einer Brennstoff-Luftmischung, die aus der zentralen Verbrennungsdüse austritt,
auf einen Temperaturbereich von et wa 538 bis etwa 816 Grad Celsius
(etwa 1000 bis etwa 1500 Grad Fahrenheit) ein.
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Die
vorliegende Anmeldung schafft weiter einen Gasturbinen-Brenner.
Der Gasturbinen-Brenner kann eine katalytische Verbrennungsdüse mit einem Katalysator
darin und eine Anzahl nicht katalytischer Verbrennungsdüsen einschließen, die
um die katalytische Verbrennungsdüse herum angeordnet sind.
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Diese
und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann
bei Betrachtung der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung
mit den verschiedenen Zeichnungen und beigefügten Ansprüchen deutlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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1 ist
eine Seitenquerschnittsansicht eines Gasturbinen-Triebwerkes, die
Teile eines Brenners, eines Verdichters und einer Turbine zeigt.
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2 ist
eine Vorderdraufsicht eines Trockenbrenners mit geringem NOx, wie er hierin beschrieben ist.
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3 ist
eine Seitenquerschnittsansicht eines katalytischen Brenners, wie
er hierin beschrieben ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Bezugnehmend
auf die Zeichnung, in der gleiche Bezugsziffern in den verschiedenen
Ansichten auf gleiche Elemente Bezug nehmen, zeigt 1 einen
Teil einer Gasturbine 100. Allgemein schließt die Gasturbine 100 einen
Verdichter 110 ein. Der Verdichter 110 komprimiert
eine eintretende Luftströmung.
Die Luftströmung
wird dann einem Brenner 120 zuge führt. Der Brenner 120 schließt eine
Anzahl von Brennkammerzylindern 130 ein. Die komprimierte
Luft und Brennstoff werden in den Brennkammerzylindern 130 gezündet und
benutzt, einen Turbinenabschnitt 140 anzutreiben. In dem
Turbinenabschnitt 140 wird die Energie heißer Verbrennungsgase
in mechanische Arbeit umgewandelt. Ein Teil der Arbeit wird zum
Antreiben des Verdichters über
eine Welle 150 benutzt, der Rest ist zum Antreiben einer
Last, wie eines Generators, verfügbar.
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Die
Gasturbine 100 kann, z. B., eine 7FA+e-Nutzlast-Gasturbine sein,
das von der General Electric Company, Schenectady, New York erhältlich ist.
Andere Arten von Gasturbinen 100 mit einem Brenner 120 können hierin
benutzt werden.
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Der
Brenner 120 kann ein Trockenbrenner mit geringem NOx („DLN") sein, der ebenfalls
von der General Electric Company, Schenectady, New York erhältlich ist.
Spezifisch kann der Brenner 120 als ein DLN 2,6-Brenner
bekannt sein. Wie in 2 gezeigt, schließt ein DLN
2,6-Brenner 160 eine erste Düse 170 und fünf umgebende äußere Düsen, eine
zweite Düse 180,
eine dritte Düse 190,
eine vierte Düse 200, eine
fünfte
Düse 210 und
eine sechste Düse 220,
ein. Es kann hierin irgendeine Anzahl von Düsen benutzt werden. Die erste
Düse 170 kann
separat von den äußeren Düsen 180–220 mit
Brennstoff versehen werden. Die erste Düse 170 kann daher
eine separate Leitung 175 aufweisen, verglichen mit den äußeren Düsen 180–220.
Das Brennstoff-Luft-Verhältnis der
ersten Düse 170 kann
somit relativ zu den äußeren Düsen 180–220 moduliert
werden. Die äußeren Düsen 180–200 können identisch
der ersten Düse 170 sein,
die ähnlich
ist, aber mit einer vereinfachten Geometrie, um in den verfügbaren Raum
zu passen. Emissionsziele von etwa 9 ppm NOx und
CO über
einen etwa 50%-Lastbereich können
möglich
sein. Andere Typen und Konfigurationen von Brennern 160 können hierin
benutzt werden.
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3 zeigt
einen katalytischen Brenner 230, wie er hierin beschrieben
ist. Der katalytische Brenner 230 kann im Großen und
Ganzen identisch dem DLN 2,6-Brenner 160 sein, der oben
beschrieben ist, wobei jedoch die erste Düse 170 durch eine
katalytische Düse 240 ersetzt
ist. Die katalytische Düse 240 kann
ein oder mehrere Katalysatorschichten 250 einschließen, die
darin angeordnet sind. Andere Konfigurationen des katalytischen
Brenners 230 und der katalytischen Düse 240 können hierin
benutzt werden.
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Die
Katalysatorschicht 250 kann als einen aktiven Bestandteil
Edelmetalle, Gruppe VIII-Edelmetalle, Unedelmetalle, Metalloxide
oder irgendeine Kombination davon einschließen. Elemente, wie Zirkonium,
Vanadium, Chrom, Mangan, Kupfer, Platin, Palladium, Osmium, Iridium,
Rhodium, Zer, Lanthan, andere Elemente der Lanthanidenreihe, Kobalt,
Nickel, Eisen und Ähnliche
können
benutzt werden. Die Katalysatorschicht 250 kann direkt
auf ein Substrat oder auf eine Zwischenbindeschicht oder einen Waschüberzug (poröse Oxidschicht)
aufgebracht werden, zusammengesetzt aus Aluminiumoxid, Siliziumdioxid,
Zirkoniumdioxid, Titandioxid, Magnesiumoxid, andere hochschmelzende
Metalloxide oder irgendeine Kombination davon. Das mit Katalysator überzogene
Substrat kann aus irgendeinem verschiedener Hochtemperatur-Materialien
hergestellt sein. Hochtemperatur-Metalllegierungen sind bevorzugt,
insbesondere Legierungen, zusammengesetzt aus Eisen, Nickel und/oder
Kobalt, in Kombination mit Aluminium, Chrom und/oder anderen Legierungsmaterialien. Hochtemperatur-Nickellegierungen
sind besonders bevorzugt. Andere Materialien, die benutzt werden können, schließen Keramiken,
Metalloxide, intermetallische Materialien, Carbide und Nitride ein.
Metallische Substrate sind am bevorzugtesten aufgrund ihrer ausgezeichneten
thermischen Leitfähigkeit,
die ein wirksames Kühlen
der Rückseite
der Ka talysatorschicht 250 gestatten. Andere Materialien
und Konfigurationen können
hierin benutzt werden.
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Die
katalytische Düse 240 kann
eine Düse sein,
die unter der Bezeichnung „RCL" von Precision Combustion,
Inc., New Haven, Connecticut vertrieben wird. Andere Arten von katalytischen
Düsen 240 können hierin
benutzt werden. Nur ein Teil des Brennstoffes kann derart umgesetzt
werden, dass die interne Temperatur der Düse 240 innerhalb eines
akzeptablen Bereiches gehalten werden kann. Eine Mischung von Luft,
nicht umgesetztem Brennstoff, Verbrennungsprodukten und hoch reaktionsfähigen Teilverbrennungsprodukten
kann durch die Düse 240 in einen
Verbrennungsstrom injiziert werden. Die Mischung hätte im Idealfall
eine Temperatur im Bereich von etwa 538 bis etwa 816 Grad Celsius
(etwa 1000 bis etwa 1500 Grad Fahrenheit). Wird der Strom von der
katalytischen Düse 240 in
die verwirbelte Mischung von Brennstoff und Luft injiziert, die
durch die äußeren Düsen 180 bis 220 bereitgestellt
wird, dann sollte dieser relativ heiße, reaktionsfähige Gasstrom einen
stabilen Anker für
die Vormischflamme bereitstellen. Die äußeren Düsen 180–220 können so
zu einer geringeren Betriebstemperatur moduliert werden.
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Die
relativ geringe Temperatur der teilweise umgesetzten Gase sollte
sehr wenig NOx durch die Pilotflamme produzieren.
Die Gase von der Düse 240 sollen
nicht die Mischung innerhalb des Brenners 240 zünden, sondern
nur einen stabilen Anker für
die Flamme bereitstellen, nachdem diese gezündet ist. Durch Bereitstellen
dieses Ankers relativ geringer Temperatur kann die Betriebsfähigkeit
verbessert und die Verbrennungsdynamik vermindert werden, ohne NOx-Emissionen zu beeinträchtigen.
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Mehrere
oder alle der äußeren Düsen 180–220 können durch
die katalytischen Düse 240 ersetzt
werden. Diese Ersetzung bietet die Möglichkeit des Erhalts signifikant
geringerer NOx-Emissionsniveaus über das
hinaus, das durch konventionelle magere Vormischbrenner erzielbar
ist. Es kann irgendeine Anzahl oder Konfiguration katalytischer Düsen 240 hierin
benutzt werden.
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Es
sollte klar sein, dass sich das Vorstehende nur auf die bevorzugten
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung bezieht, und dass zahlreiche Änderungen
und Modifikationen vom Fachmann vorgenommen werden können, ohne
vom allgemeinen Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen, wie
er durch die folgenden Ansprüche
und deren Äquivalente
definiert ist.
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Ein
Gasturbinen-Brenner 230. Der Gasturbinen-Brenner 230 kann
eine zentrale Verbrennungsdüse 240 mit
einem Katalysator 250 darin und eine Anzahl äußerer Verbrennungsdüsen 180–220 einschließen, die
die zentrale Verbrennungsdüse 240 umgeben.
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- 100
- Gasturbinen-Triebwerk
- 110
- Verdichter
- 120
- Brenner
- 130
- Brennkammerzylinder
- 140
- Turbinenabschnitt
- 150
- Welle
- 160
- DLN
2,6-Brenner
- 170
- erste
Düse
- 175
- Leitung
- 180
- zweite
Düse
- 190
- dritte
Düse
- 200
- vierte
Düse
- 210
- fünfte Düse
- 220
- sechste
Düse
- 230
- katalytischer
Brenner
- 240
- katalytische
Düse
- 250
- Katalysatorschichten