DE102015118761A1 - Vormischdüse mit integriertem Flüssigkeitsverdampfer - Google Patents

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Geoffrey David Myers
Borys SHERSHNYOV
Andrey Subbota
Alexey Yurievich Gerasimov
Natalya Igorevna Vyazemskaya
Almaz Valeev
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Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt eine Brennstoffdüse (100) für eine Gasturbine (10) bereit, die einen Primärbrennstoff und einen Sekundärbrennstoff verwendet. Die Brennstoffdüse (100) kann eine Anzahl von Primärbrennstoffeinspritzanschlüssen (170) für den Primärbrennstoff, einen Wasserdurchgang (220), eine Anzahl von Sekundärbrennstoffeinspritzanschlüssen (280) und ein Sekundärbrennstoffverdampfungssystem (290) zum Zerstäuben des Sekundärbrennstoffs enthalten.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Anmeldung und das resultierende Patent beziehen sich allgemein auf Gasturbinen und genauer auf Brennstoff-Gas-Vormischdüsen mit einem integrierten Flüssigkeitsverdampfer zur Reduzierung des Gesamtwasserverbrauches und zur verbesserten thermischen Effizienz.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die Betriebseffizienz und die Gesamtleistungsabgabe einer Gasturbine erhöhen sich allgemein, wenn die Temperatur des heißen Verbrennungsgasstroms steigt. Hohe Verbrennungsgasstromtemperaturen können jedoch höhere Niveaus von Stickoxiden (NOx) erzeugen. Solche Emissionen können sowohl Bundes- als auch Landesgesetzen in den USA unterliegen und können auch ähnlichen Regeln im Ausland unterliegen. Es existiert daher ein Balanceakt zwischen den Vorteilen des Betriebs der Gasturbine in einem effizienten hohen Temperaturbereich, während auch sichergestellt werden muss, dass die Abgabe von Stickoxiden und anderen Arten von Regeln unterliegenden Emissionen völlig unterhalb der vorgeschriebenen Niveaus bleibt. Außerdem können variierende Lastniveaus, variierende Umgebungszustände und andere Arten von Betriebsparametern auch einen signifikanten Einfluss auf die Gesamtgasturbineneffizienz und Emissionen haben.
  • Mehrere Arten von bekannten Gasturbinenkonstruktionen, wie etwa solche, die Dry-Low-NOx-Brennkammern (DLN) verwenden, mischen die Brennstoffströmung und die Luftströmung stromaufwärts einer Reaktions- oder Verbrennungszone mittels einer Anzahl von Vormischbrennstoffdüsen vor, um die NOx-Emissionen zu reduzieren. Eine solche Vormischung neigt dazu die spitzen Flammtemperaturen und folglich die NOx-Emissionen zu reduzieren.
  • Zur Brennstoffflexibilität und Energiesystemverfügbarkeit, sind Gasturbinen mit geringen Emissionen häufig mit einem System zum Einspritzen eines Flüssigbrennstoffes als Sekundär- oder Rückfall-Brennstoff zusätzlich zu den Gasvormischern ausgestattet. Die Flüssigbrennstoffinjektoren können durch das Zentrum der Gasvormischer eingesetzt werden. Weil der Flüssigbrennstoff nicht verdampfen und sich vor der Verbrennung ausreichend mit der Luft vermischen könnte, können große Mengen von Wasser in die Verbrennungszone eingespritzt werden, um die Flammtemperaturen und die resultierenden NOx-Emissionen zu reduzieren. Ein signifikantes und teures Volumen von Wasser kann daher erforderlich sein, wenn mit einem solchen Flüssigbrennstoff gearbeitet wird. Außerdem kann die Wassereinspritzung die Gesamtgasturbineneffizienz senken.
  • Daher besteht ein Bedarf für eine verbesserte Dual-Brennstoff-Vormischdüse. Eine solche Vormischdüse kann einen sekundären Brennstoff, wie etwa einen Flüssigbrennstoff, mit reduzierten Gesamtwasserverbrauch aufnehmen, während die thermische Gasturbineneffizienz und die Leistungserzeugung aufrechterhalten werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Anmeldung und das resultierende Patent stellen daher eine Brennstoffdüse für eine Gasturbine bereit, die einen Primärbrennstoff und einen Sekundärbrennstoff verwendet. Die Brennstoffdüse kann eine Anzahl von Primärbrennstoffeinspritzanschlüssen für den Primärbrennstoff, einen Wasserdurchgang, eine Anzahl von Sekundärbrennstoffeinspritzanschlüssen und ein Sekundärbrennstoffverdampfungssystem zur Zerstäubung des Sekundärbrennstoffs aufweisen.
  • Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel der Brennstoffdüse kann es vorteilhaft sein, dass die Brennstoffdüse außerdem eine Mehrzahl von Drallleitflächen aufweist, wobei die Mehrzahl von Primärbrennstoffeinspritzanschlüssen daran angeordnet sind.
  • Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel der Brennstoffdüse kann es vorteilhaft sein, wenn die Mehrzahl von Drallleitflächen um eine Vormischkammer herum angeordnet ist.
  • Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel der Brennstoffdüse kann es vorteilhaft sein, wenn der Primärbrennstoff eine Strömung von Erdgas aufweist.
  • Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel der Brennstoffdüse kann es vorteilhaft sein, wenn der Wasserdurchgang einen Pilotflüssigbrennstoffdurchgang aufweist.
  • Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel der Brennstoffdüse kann es vorteilhaft sein, wenn sich der Pilotflüssigbrennstoffdurchgang zu einer Pilotspitze erstreckt.
  • Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel der Brennstoffdüse kann es vorteilhaft sein, dass die Pilotspitze einen da rum angeordneten Pilotdrallerzeuger aufweist.
  • Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel der Brennstoffdüse kann es vorteilhaft sein, dass es einen Sekundär-Brennstoffdurchgang in Kommunikation mit der Mehrzahl der Sekundär-Brennstoffinjektoren aufweist.
  • Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel der Brennstoffdüse kann es vorteilhaft sein, dass der Sekundär-Brennstoff eine Strömung eines Flüssigbrennstoffes aufweist.
  • Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel der Brennstoffdüse kann es vorteilhaft sein, dass das Sekundärbrennstoffverdampfersystem einen Zerstäuber aufweist.
  • Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel der Brennstoffdüse kann es vorteilhaft sein, dass der Zerstäuber einen Zerstäuberdrallerzeuger aufweist.
  • Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel der Brennstoffdüse kann es vorteilhaft sein, dass der Zerstäuberdrallerzeuger einen Hals und einen Flansch aufweist.
  • Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel der Brennstoffdüse kann es vorteilhaft sein, dass der Zerstäuberdrallerzeuger eine Mehrzahl von Schlitzen darin aufweist.
  • Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel der Brennstoffdüse kann es vorteilhaft sein, dass der Zerstäuber einen Mantel mit einer darin vorhandenen Öffnung aufweist.
  • Die vorliegende Anmeldung und das resultierende Patent stellen außerdem ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffdüse für eine Gasturbine mit entweder einem Primärbrennstoff oder einem Sekundärbrennstoff bereit. Das Verfahren kann die Schritte umfassen: Bereitstellen einer Strömung des Primärbrennstoffes, Bereitstellen einer Strömung des Sekundärbrennstoffes, Strömen des Sekundärbrennstoffs durch einen Zerstäuber, Zerstäuben des Sekundärbrennstoffs und Verbrennen des zerstäubten Sekundärbrennstoffes mit reduziertem Wasserverbrauch.
  • Die vorliegende Anmeldung und das resultierende Patent stellen außerdem eine Brennstoffdüse für eine Gasturbine bereit, die Erdgas und/oder einen Flüssigbrennstoff verwendet. Die Brennstoffdüse kann eine Anzahl von Drallleitflächen mit einer Anzahl von Erdgaseinspritzeinschlüssen für das Erdgas, einen Wasserdurchgang, eine Anzahl von Flüssigbrennstoffeinspritzanschlüssen und einen Flüssigbrennstoffzerstäuber zum Zerstäuben des Flüssigbrennstoffs aufweisen.
  • Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel der Brennstoffdüse kann es vorteilhaft sein, dass der Zerstäuber einen Zerstäuberdrallerzeuger aufweist.
  • Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel der Brennstoffdüse kann es vorteilhaft sein, dass der Zerstäuberdrallerzeuger einen Flansch mit einer Mehrzahl von Schlitzen darin aufweist.
  • Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel der Brennstoffdüse kann es vorteilhaft sein, dass der Zerstäuber einen Mantel mit einer Öffnung darin aufweist.
  • Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel der Brennstoffdüse kann es vorteilhaft sein, dass der Wasserdurchgang einen Pilotflüssigbrennstoffdurchgang aufweist.
  • Diese und andere Merkmale und Verbesserungen der vorliegenden Anmeldung und des resultierenden Patents werden für einen Durchschnittsfachmann nach Durchsicht der nachfolgenden detaillierten Beschreibung besser verstanden werden, wenn dieser in Verbindung mit den mehreren Zeichnungen und dem beigefügten Ansprüchen genommen wird.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Darstellung einer Gasturbine, die einen Kompressor, eine Brennkammer, eine Turbine und eine Last zeigt.
  • 2 ist eine schematische Darstellung einer Brennkammer, die mit der Gasturbine aus 1 verwendet werden kann.
  • 3 ist eine Querschnittsdarstellung einer Vormischbrennstoffdüse wie sie hierin beschrieben sein kann.
  • 4 ist eine Teilschnittdarstellung einer Pilotbrennstoffspitze, die mit der Vormischdüse aus 3 verwendet werden kann.
  • 5 ist eine Schnittdarstellung eines Flüssigbrennstoffinjektors, der mit der Vormischdüse aus 3 verwendet werden kann.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Bezugnehmend auf die Zeichnungen, in der gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Elemente durchgängig durch die mehreren Ansichten beziehen, zeigt 1 eine schematische Ansicht einer Gasturbine 10, wie sie hierin verwendet werden kann. Die Gasturbine 10 kann einen Kompressor 15 aufweisen. Der Kompressor 15 komprimiert eine eingehende Strömung von Luft 20. Der Kompressor 15 liefert die komprimierte Strömung von Luft 20 an eine Brennkammer 25. Die Brennkammer 25 mischt die komprimierte Strömung von Luft 20 mit einer unter Druck stehenden Strömung von Brennstoff 30 und zündet das Gemisch, um eine Strömung von Verbrennungsgasen 35 zu erzeugen. Obwohl nur eine einzige Brennkammer 25 gezeigt ist, kann die Gasturbine 10 irgendeine Anzahl von Brennkammern 25 enthalten, die in einer Umfangsanordnung oder anders angeordnet sind. Die Strömung von Verbrennungsgasen 35 wird wiederum an eine Turbine 40 geliefert. Die Strömung von Verbrennungsgasen 35 treibt die Turbine 40 an, um mechanische Arbeit zu erzeugen. Die in der Turbine 40 erzeugte mechanische Arbeit treibt den Kompressor 15 über eine Welle 45 und eine externe Last 50, wie etwa einen elektrischen Generator oder dergleichen, an.
  • Die Gasturbine 10 kann Erdgas, Flüssigbrennstoffe, verschiedene Arten von Synthesegas und/oder andere Arten von Brennstoffen und Gemischen davon verwenden. Die Gasturbine 10 kann irgendeine von einer Anzahl von verschiedenen Gasturbinen sein, die durch die General Electric Company aus Schenectady, New York, angeboten werden, aufweisend, aber nicht beschränkt auf solche wie etwa eine Serie-7- oder eine Serie-9-Schwerlastgasturbine und dergleichen. Die Gasturbine 10 kann unterschiedliche Konfigurationen aufweisen und kann andere Arten von Komponenten verwenden. Andere Arten von Gasturbinen können hierin auch verwendet werden. Mehrere Gasturbinen, andere Arten von Gasturbinen und andere Arten von Energieerzeugungseinrichtungen können hierin gemeinsam verwendet werden.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Brennkammer 25, die mit der oben beschriebenen oder dergleichen Gasturbine 10 verwendet werden kann. Die Brennkammer 25 kann sich von einer Endabdeckung 52 an einem Kopfende zu einem Übergangsstück 54 an einem hinteren Ende um die Turbine 40 erstrecken. Eine Anzahl von Brennstoffdüsen 56 kann um die Endabdeckung 52 herum angeordnet sein. Eine Ummantelung 58 kann sich von den Brennstoffdüsen 56 zu dem Übergangsstück 54 erstrecken und kann eine Verbrennungszone 60 darin bilden. Die Ummantelung 58 kann von einer Strömungshülse 62 umgeben sein. Die Ummantelung 58 und die Strömungshülse 62 können dazwischen einen Strömungspfad 64 für die Strömung von Luft 20 von dem Kompressor 15 oder dergleichen bilden. Ein äußeres Gehäuse 66 kann die Strömungshülse 62 teilweise umschließen. Irgendeine Anzahl von Brennkammern 25 kann hierin verwendet werden, in einer Umfangsanordnung oder dergleichen. Wie oben beschrieben, kann die Strömung von Luft 20 und die Strömung von Brennstoff 30 in der Brennkammer 25 gezündet werden, um die Strömung von Verbrennungsgasen 35 zu erzeugen. Die hierin beschriebene Brennkammer 25 dient nur zum Zwecke eines Beispiels. Brennkammern mit anderen Arten von Komponenten und anderen Konfigurationen können hierin auch verwendet werden.
  • 3–5 zeigen ein Beispiel einer Vormischbrennstoffdüse 100, wie sie hierin beschrieben sein kann. Die Vormischbrennstoffdüse 100 kann mit der Brennkammer 25 und dergleichen verwendet werden. Die Brennkammer 25 kann irgendeine Anzahl von Vormischbrennstoffdüsen 100 in irgendeiner Konfiguration verwenden.
  • Allgemein ausgeführt kann die Vormischbrennstoffdüse 100 eine äußere Ringabdeckung 110 aufweisen. Die äußere Ringabdeckung 110 kann sich ausgehend von einem Lufteinlass an einem stromaufwärtsseitigen Ende davon erstrecken und kann um die Verbrennungszone 60 herum an einem stromabwärtsseitigen Ende davon enden. Die äußere Ringabdeckung 110 kann eine innere Ringwand oder einen Kern 130 umgeben. Der Kern 130 kann sich von einem Gasbrennstoffdüsenflansch 140 an einem stromaufwärtsseitigen Ende davon erstrecken und kann stromaufwärts des Endes der äußeren Ringabdeckung 110 enden. Die äußere Ringabdeckung 110 und der Kern 130 können dazwischen eine Vormischkammer 150 bilden. Die Vormischkammer 150 kann in Kommunikation mit einer Strömung von Luft 20 von dem Kompressor 15 oder von woanders stehen. Eine Anzahl von Drallleitflächen 160 kann sich auch von dem Kern 130 zu oder um die äußere Ringabdeckung 110 erstrecken. Die Drallleitflächen 160 können irgendeine geeignete Größe, Form oder Konfiguration aufweisen. Eine Anzahl von Brennstoffeinspritzanschlüssen 170 kann um die Drallleitflächen 160 angeordnet sein. Die Brennstoffeinspritzanschlüsse 170 können in Kommunikation mit einer Strömung von Brennstoff 30 stehen. Die Drallleitflächen 160 mit den Einspritzanschlüssen 170 stellen daher eine Mischung von Brennstoff/Luft und eine vorgemischte Flammenstabilisierung bereit. Bei diesem Beispiel kann die Brennstoffströmung 30 eine Strömung von Erdgas sein. Andere Arten von Brennstoffen können hierin verwendet werden. Die Strömung von Luft 20 und die Strömung von Brennstoff 30 kann sich innerhalb der Vormischkammer 150 stromabwärts der Drallleitflächen 160 beginnen zu mischen und in die Verbrennungszone 60 zu strömen. Andere Komponenten und andere Konfigurationen können hierin verwendet werden.
  • Die Vormischbrennstoffdüse 100 kann auch eine Anzahl von konzentrischen Rohren enthalten, die getrennte ringförmige Durchgänge für die Strömung von unterschiedlichen Arten von Fluiden bilden. Die konzentrischen Rohre können irgendeine geeignete Größe, Form oder Konfiguration haben. Ein Gasdurchgang 180 für eine Strömung eines Primärbrennstoffs, wie etwa Erdgas, kann sich von dem Gasbrennstoffdüsenflansch 140 zu den Brennstoffeinspritzanschlüssen 170 um die Drallleitflächen 160 erstrecken. Ein Pilotluftdurchgang 190 kann sich von einem Pilotlufteinlass 200 durch den Kern 130 zu einer stromabwärtsseitigen Pilotspitze 210 erstrecken. Gleichermaßen kann sich ein Pilotflüssigbrennstoffdurchgang 220 von einem Pilotflüssigbrennstoffeinlass 230 zu einer Pilotspitze 210 erstrecken. Wie es in 4 gezeigt ist, kann die Pilotspitze 210 einen Pilotdrallerzeuger 240 darin aufweisen. Der Pilotdrallerzeuger 240 kann eine gute Durchmischung der Strömung der Pilotluft durch den Pilotluftdurchgang 190 und der Strömung von Pilotflüssigbrennstoff durch den Pilotflüssigbrennstoffdurchgang 220 bereitstellen. Der Pilotdrallerzeuger 240 kann auch einen thermischen Schutz für die Pilotspitze 210 bei der Verbrennung von Gas, eine verbesserte Zerstäubung des Pilotbrennstoffs und eine Flammenstabilisierung bereitstellen. Der Pilotflüssigbrennstoffdurchgang 220 kann auch für Strömungen von anderen Arten von Fluiden verwendet werden. Zum Beispiel könnte eine Strömung von Wasser und/oder anderen Arten von Fluiden hierin verwendet werden. Andere Durchgänge können hierin auch verwendet werden. Andere Komponenten und andere Konfigurationen können hierin auch verwendet werden.
  • Die Vormischbrennstoffdüse 100 kann auch ein Flüssigbrennstoffsystem 250 enthalten. Das Flüssigbrennstoffsystem 250 kann eine Strömung eines Sekundärbrennstoffs, wie etwa eines Destillats, Biodiesel, Ethanol und dergleichen bereitstellen. Das Flüssigbrennstoffsystem 250 kann einen Flüssigbrennstoffdurchgang 260 enthalten. Der Flüssigbrennstoffdurchgang 260 kann sich von einem Vormischflüssigbrennstoffeinlass 270 zu einer Anzahl von Vormischbrennstoffinjektoren 280 erstrecken. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind sechs (6) der Vormischbrennstoffinjektoren 280 gezeigt, obwohl irgendeine Anzahl hierin verwendet werden kann. Die Vormischbrennstoffinjektoren 280 können in einer einzigen Ebene ausgerichtet sein, wie es dargestellt ist, und/oder die Injektoren 280 können in einer gestaffelten Anordnung sein.
  • Jeder der Vormischbrennstoffinjektoren 280 kann einen Flüssigbrennstoffzerstäuber 290 aufweisen. Wie es in 5 gezeigt ist, kann jeder Flüssigbrennstoffzerstäuber 290 einen inneren Drallerzeuger 300 aufweisen, der innerhalb eines äußeren Mantels 310 angeordnet ist. Der innere Drallerzeuger 300 kann einen unteren Hals 320 aufweisen, der zu einem oberen Flansch 330 führt. Eine Anzahl von Schlitzen 340 kann in dem oberen Flansch 330 angeordnet sein. Die Schlitze 340 können gewinkelt sein. Irgendeine Anzahl von Schlitzen 340 kann verwendet werden. Die Strömung eines vorgemischten Flüssigbrennstoffs kann somit durch die Vormischflüssigbrennstoffdurchgänge 260 strömen. Der obere Mantel 310 kann darin eine enge Öffnung 350 aufweisen. Der vorgemischte Flüssigbrennstoff kann beschleunigt und zerstäubt werden, wenn er durch die Schlitze 340 des oberen Flansches 340 des inneren Drallerzeugers 300 strömt. Die Strömung kann dann erneut beschleunigt werden, wenn sie durch die enge Öffnung 350 hindurch und in die Vormischer 150 gelangt, um mit der Strömung von Luft 20 darin gemischt zu werden. Die Vormischflüssigbrennstoffinjektoren 280 können um den Kern 130 stromabwärts der Drallleitflächen 160 angebracht sein, um zu verhindern, dass die Aerodynamik der gesamten Vormischbrennstoffdüse 100 beeinträchtigt wird oder die Betriebsfähigkeit und/oder die Emissionseinhaltung durch Stören des Gasbrennstoff/Luft-Gemisch-Profils beim Betrieb mit einem Gasbrennstoff beeinträchtigt wird.
  • Beim Gebrauch mischt die Vormischbrennstoffdüse 100 eine Strömung des Brennstoffs 30, wie etwa Erdgas, durch den Gasdurchgang 180 und die Brennstoffeinspritzanschlüsse 170 der Drallleitflächen 160 mit einer Strömung von Luft 20 von dem Kompressor 50 oder von woanders durch den Lufteinlass 120. Die Strömungen können stromabwärts der Drallleitflächen 160 mit einem Drall beaufschlagt und innerhalb der Vormischkammer 150 vor der Zündung innerhalb der Verbrennungszone 60 gemischt werden. Gleichermaßen kann eine Strömung eines Pilotflüssigbrennstoffes bei Zündgeschwindigkeit verwendet werden, um die Turbine mit Flüssigbrennstoff zu starten, um auf volle Wellendrehzahl zu beschleunigen und für Betriebszustände mit geringer Teillast. Der Pilotflüssigbrennstoff kann eine Direktbrennstoffeinspritzung, Diffusionsflamme sein. Alternativ kann eine Strömung von Wasser oder andere Arten von Fluiden durch den Pilotflüssigbrennstoffdurchgang 220 oder woanders hindurch gelangen. Die Wasserströmung kann eine zusätzliche Emissionssteuerung nach Bedarf bereitstellen, wenn der Betrieb mit einem Flüssigbrennstoff erfolgt.
  • Die Vormischbrennstoffdüse 100 stellt auch das Flüssigbrennstoffsystem 250 mit dem Flüssigbrennstoffzerstäuber 290 bereit, um die Fähigkeit zu verbessern, einen Flüssigbrennstoff zu verdampfen und den Flüssigbrennstoffdampf mit der Strömung von Luft 20 zu mischen. Die Vormischbrennstoffdüse 100 stellt somit ein zweistufiges Flüssigkeitssystem bereit, das die Einspritzung an der Pilotspitze 210 oder über die Vormischflüssigbrennstoffinjektoren 280 für eine robuste Zündung, Beschleunigung auf lastfreie Zustände mit voller Drehzahl sowie Teillastbetriebszustände beinhaltet. Außerdem können die Vormischflüssigbrennstoffinjektoren 280 unter Last verwendet werden, wenn eine Emissionseinhaltung erforderlich sein kann.
  • Die Vormischbrennstoffdüse 100 kann auch den Gesamtwasserverbrauch reduzieren, während die gasthermische Effizienz verbessert wird. Der Flüssigbrennstoffzerstäuber 290 kann die Strömung zerstäuben, um Spitzen-Brennstoff/Luft-Verhältnisse und Temperaturen in der stromabwärtsseitigen Verbrennungszone 60 zu reduzieren. Diese Reduktion kann den Bedarf für die Wassereinspritzung reduzieren. Insbesondere kann das Verdampfen des Flüssigbrennstoffs über den Flüssigbrennstoffzerstäuber 290 die Gesamtanforderung für Wasser reduzieren, während beim Betrieb mit einem Gasbrennstoff innerhalb von Emissionsparametern verblieben wird. Außerdem können Gesamtaufrechterhaltungskosten reduziert werden, in dem der Bedarf für eine Überschusswassereinspritzung vermieden wird sowie die Kosten des Wassers eliminiert werden. Das Gesamtwassersystem kann daher in seiner Größe und Komplexität reduziert werden. Weitere Kosten können durch Verwendung des Pilotflüssigbrennstoffdurchgangs 220 sowohl für die Strömung des Pilotbrennstoffs als auch die Strömung des Wassers nach Bedarf reduziert werden. Die Pilotwassereinspritzung würde verwendet werden, wenn es erforderlich ist, weitere NOx-Emissionen zu reduzieren. Außerdem kann die Pilotwassereinspritzung z.B. verwendet werden, um eine 25-ppm-Grenze anstelle von einer typischerweise höheren Regelungsgrenze zu erreichen.
  • Insbesondere können die Piloten verwendet werden, um einen zündfähigen Sprühnebel bei Zündgeschwindigkeit beim Starten mit Öl und beim Ausgangsbrennstoffumschaltvorgang von Gas auf Flüssigkeit zu machen. Die Piloten sind so dimensioniert, dass die Gasturbine bei „rotierende Reserve“ (minimal mögliche Last) ausschließlich der Verwendung der Piloten betrieben werden kann. Emissionsvorschriften verlangen allgemein keine Einhaltung unterhalb von etwa 50 % der Volllast. Sobald höhere Lasten erreicht werden und wenn die Brennkammereinlassbedingungen (Druck und Temperatur) groß genug sind, dass die Vormischflamme stabil ist, können die Pilotölkreise ausgeschaltet und mit Wasser gespült werden, um sicher zu gehen, dass das gesamte Öl entfernt wird. Dieses Spülen verhindert den thermischen Zusammenbruch des verbleibenden Öls und das Verstopfen der Düsen, was ansonsten die Zuverlässigkeit beeinflussen würde. Wenn die lokalen Vorschriften so sind, dass eine zusätzliche NOx-Unterdrückung mittels einer Wassereinspritzung gefordert ist, kann diese sehr viel kleinere Menge an Wasser direkt über die Pilotkreise eingespritzt werden. Wenn es ein Problem mit der Turbine oder dem Netz unter diesen Umständen gibt, dass eine Volllastunterdrückung (Verlust von hunderten von Megawatt von Leistung, wenn der Generatortrennschalter geöffnet wird) verbleibt keine Zeit, um das Wasser abzuschalten und die Piloten wieder anzuschalten, weil die Gasturbine in einem Bereich von Sekunden bei lastfreien Zuständen mit voller Drehzahl ankommt. Die Brennstoffströmungsrate muss schnell reduziert werden, um Überdrehzahl der Welle zu vermeiden und noch sollte das Verbrennungssystem gezündet bleiben, um eine schnelle Erholung und Wiederbelastung zu ermöglichen. Das Verfahren würde sein, auf den zentralen Hauptflüssigkeitskreis zu entlasten. Das Pilotwasser würde für eine Entlastung auch abgeschaltet werden.
  • Es sollte verstanden werden, dass sich das vorstehende nur auf bestimmte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung und des resultierenden Patents bezieht. Zahlreiche Änderungen und Modifikationen können hierin durch einen Durchschnittsfachmann gemacht werden ohne von dem allgemeinen Gedanken und dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, wie ja durch die nachfolgenden Ansprüche und deren Äquivalente definiert ist.
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Brennstoffdüse 100 für eine Gasturbine 10 bereit, die einen Primärbrennstoff und einen Sekundärbrennstoff verwendet. Die Brennstoffdüse 100 kann eine Anzahl von Primärbrennstoffeinspritzanschlüssen 170 für den Primärbrennstoff, einen Wasserdurchgang 220, eine Anzahl von Sekundärbrennstoffeinspritzanschlüssen 280 und ein Sekundärbrennstoffverdampfungssystem 290 zum Zerstäuben des Sekundärbrennstoffs enthalten.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Gasturbine
    15
    Kompressor
    20
    Luft
    25
    Brennkammer
    30
    Brennstoff
    35
    Verbrennungsgase
    40
    Turbine
    45
    Welle
    50
    Last
    52
    Endabdeckung
    54
    Übergangsstück
    56
    Brennstoffdüsen
    58
    Ummantelung
    60
    Verbrennungszone
    62
    Strömungshülse
    64
    Strömungspfad
    66
    Gehäuse
    100
    Vormischbrennstoffdüse
    110
    Ringabdeckung
    120
    Lufteinlass
    130
    Kern
    140
    Düsenflansch
    150
    Vormischkammer
    160
    Drallleitflächen
    170
    Einspritzanschlüsse
    180
    Gasdurchgang
    190
    Luftdurchgang
    200
    Lufteinlass
    210
    Pilotspitze
    220
    Flüssigbrennstoffdurchgang
    230
    Flüssigbrennstoffeinlass
    240
    Pilotdrallerzeuger
    250
    Flüssigbrennstoffverdampfungssystem
    260
    Flüssigbrennstoffdurchgang
    270
    Vormischflüssigbrennstoffeinlass
    280
    Vormischbrennstoffinjektoren
    290
    Flüssigbrennstoffzerstäuber
    300
    innerer Drallerzeuger
    310
    äußerer Mantel
    320
    Hals
    330
    Flansch
    340
    Schlitze
    350
    Öffnung

Claims (10)

  1. Brennstoffdüse (100) für eine Gasturbine (10), die einen Primärbrennstoff und einen Sekundärbrennstoff verwendet, aufweisend: eine Mehrzahl von Primärbrennstoffeinspritzanschlüssen (170) für den Primärbrennstoff; einen Wasserdurchgang (220); eine Mehrzahl von Sekundärbrennstoffeinspritzanschlüssen (280); und ein Sekundärbrennstoffverdampfungssystem (290) zur Zerstäubung des Sekundärbrennstoffs.
  2. Brennstoffdüse (100) nach Anspruch 1, außerdem aufweisend eine Mehrzahl von Drallleitflächen (160) mit der daran angeordneten Mehrzahl von Primärbrennstoffeinspritzanschlüssen (170).
  3. Brennstoffdüse (100) nach Anspruch 2, wobei die Mehrzahl von Drallleitflächen (160) um eine Vormischkammer (150) angeordnet ist.
  4. Brennstoffdüse (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Primärbrennstoff eine Strömung von Erdgas aufweist und/oder wobei der Sekundärbrennstoff eine Strömung eines flüssigen Brennstoffs aufweist und/oder wobei der Wasserdurchgang (220) einen Pilotflüssigbrennstoffdurchgang (220) aufweist.
  5. Brennstoffdüse (100) nach Anspruch 4, wobei sich der Pilotflüssigbrennstoffdurchgang (220) zu einer Pilotspitze (210) hin erstreckt.
  6. Brennstoffdüse (100) nach Anspruch 5, wobei die Pilotspitze (210) einen darum angeordneten Pilotdrallerzeuger (240) aufweist.
  7. Brennstoffdüse (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, außerdem aufweisend einen Sekundärbrennstoffdurchgang (260) in Kommunikation mit der Mehrzahl von Sekundärbrennstoffinjektoren (280).
  8. Brennstoffdüse (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sekundärbrennstoffverdampfersystem (290) einen Zerstäuber (290) aufweist und wobei der Zerstäuber (290) einen Zerstäuberdrallerzeuger (300) aufweist und/oder wobei der Zerstäuber (290) einen Mantel (310) mit einer darin angeordneten Öffnung (350) aufweist.
  9. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffdüse (100) für eine Gasturbine (10) mit entweder einem Primärbrennstoff oder einem Sekundärbrennstoff, aufweisend: Bereitstellen einer Strömung des Primärbrennstoffs; Bereitstellung einer Strömung des Sekundärbrennstoffs; Strömen des Sekundärbrennstoffs durch einen Zerstäuber (290); Zerstäuben des Sekundärbrennstoffs; und Verbrennen des zerstäubten Sekundärbrennstoffs.
  10. Brennstoffdüse für eine Gasturbine, die Erdgas und/oder einen Flüssigbrennstoff verwendet, aufweisend: eine Mehrzahl von Drallleitflächen (160) mit einer Mehrzahl von Erdgaseinspritzanschlüssen (170) für das Erdgas; einen Wasserdurchgang (220); eine Mehrzahl von Flüssigbrennstoffeinspritzanschlüssen (280); und einen Flüssigbrennstoffzerstäuber (290) zum Zerstäuben des Flüssigbrennstoffs.
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