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Die Erfindung betrifft eine Brenneranordnung mit selektiver Anpassung des Bohrungsmusters für die Gaseindüsung an die räumliche Verteilung des Massenstroms der zuströmenden Luft, sowie ein Verfahren zur Ertüchtigung eines Brenners für eine homogene Vormischung von Brennstoff und Luft.
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Im Zuge der Weiterentwicklung von Gasturbinen wird häufig eine deutliche Anhebung der Brennkammertemperatur vorgesehen, was bei ansonsten unveränderten Bedingungen zum Anstieg der Stickoxid-Emissionen (NOx-Emissionen) führt. Unabhängig davon wird im Zuge einer Verschärfung der Emissionsgrenzwerte bei Altanlagen bei unveränderten Leistungsdaten ggf. eine Verringerung der NOx-Emissionen erforderlich.
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Die Anwendung der mageren Vormischverbrennung zur Minimierung der NOx-Emissionen erfordert eine möglichst homogene Vormischung von Brennstoff mit der dem Brenner zugeführten Verbrennungsluft.
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Aus Kostengründen wird versucht, die verwendeten Gaseinmischelemente in den Brennern möglichst identisch auszuführen. In der Praxis wird die Aufgabe erschwert, da die räumliche Verteilung der anströmenden Luft zu den Brennern unter Umständen nicht gleichförmig ist, d.h. es können Bereiche am Brennereintritt vorhanden sein, in denen mehr Luft in den Brenner strömt als an anderen Stellen. Zusätzlich befindet sich in der Regel im Brenner ebenfalls ein Verteiler zu den einzelnen Gasaustrittsbohrungen, der lediglich bei sehr großem Druckverlust über die Bohrungen den Brennstoff praktisch ideal verteilen kann. Eine Verringerung des erforderlichen brennstoffseitigen Druckverlusts stellt einen u. U. erheblichen energetischen Vorteil für den Betreiber dar.
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Die
EP 1 654 496 offenbart beispielsweise einen Brenner, dessen Flammen durch drallinduzierte Rezirkulationszonen und Pilotflammen stabilisiert werden. Die drallerzeugenden Bauelemente sind dabei hohle Umlenkschaufeln, wobei der Hohlraum dazu dient, den Brennstoff auf Bohrungen vom Hohlraum zur Schaufeloberfläche zu verteilen und so in die querströmende Luft einzudüsen. Um einen Einfluss der Luftverteilung auf die Gemischbildung und damit die NOx-Emissionen zu minimieren, werden gegebenenfalls Strömungswiderstände (Lochbleche) oder Leitbleche verwendet, um eine Vergleichmäßigung der Luftzuströmung zum Brenner zu erreichen. Weitere Beispiele dafür sind zu finden in
EP 2 162 681 B1 ,
WO 2014/131597 A1 ,
EP 2 189 722 B1 oder
US 7,540,152 B2 . Derartige Einbauten in die Luftströmung können aber unter Umständen mit einer Erhöhung des Brennkammerdruckverlustes einhergehen und sind damit häufig mit einer Wirkungsgradverringerung der Gasturbine verbunden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Ertüchtigung eines Brenners für eine homogene Vormischung von Brennstoff und Luft bereitzustellen, wodurch verringerte NOx-Emissionen ermöglicht werden, sowie eine entsprechende Brenneranordnung.
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Die Erfindung löst die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe, indem sie vorsieht, dass bei einem derartigen Verfahren zur Ertüchtigung eines Brenners für eine homogene Vormischung von Brennstoff und Luft, wobei der Brenner drallerzeugende Einbauten umfasst, zwischen denen Passagen ausgebildet sind, durch die im Betrieb Luft hindurchströmt und in denen Brennstoff über Brennstofföffnungen der Luft beigemischt wird, in einigen Passagen Brennstoffmassenströme an Luftmassenströme dadurch angepasst werden, dass Anzahl und/oder Größe der Brennstofföffnungen in den Passagen unterschiedlich gewählt werden.
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Der Erfindung liegt somit die Idee zugrunde, die Brennstoffmassenströme pro Passage an die Luftmassenströme durch die jeweilige Passage anzupassen. Die Erfindung sieht daher vor, die Anzahl oder die Größe der Brennstofföffnungen in den drallerzeugenden Einbauten (Schaufeln oder andere Brennstoffeindüselemente) so anzuordnen, dass in Passagen, die mit mehr Luft beaufschlagt werden, auch mehr (oder größere) Brennstofföffnungen angeordnet sind, als in anderen Passagen.
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Es ist vorteilhaft, wenn auf Grundlage von Rechnungen für eine Brenneranströmung weniger oder kleinere Brennstofföffnungen in Passagen vorgesehen werden, in denen im Mittel weniger Luft strömt als in anderen Passagen des Brenners. Die hierbei verwendete numerische Strömungsmechanik (computational fluid dynamics, CFD) ist eine etablierte Methode für derartige Rechnungen der Brenneranströmung. Grundsätzlich kann eine optimale Verteilung der zu verschließenden Bohrungen mit einer solchen Rechnung beginnen und iterativ durch Praxistests entwickelt werden, da sich abhängig von den jeweiligen Fahrweisen unterschiedliche Verteilungen als optimal herausstellen können.
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Es ist zweckmäßig, wenn bestehende Brennstofföffnungen (bei bereits bestehenden Maschinen) in Passagen selektiv geschlossen werden, in denen im Mittel weniger Luft strömt. Das Verschließen kann beispielsweise per Nicrostrip erfolgen. Das Verschließen von Brennstofföffnungen in allen Passagen eines Brenners ist ein bewährtes Verfahren, welches aber bisher nur für komplette Brenner und nicht selektiv für einzelne Passagen eingesetzt wurde.
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Bei Neuanlagen ist es entsprechend zweckmäßig, wenn in Passagen, in denen nach den Berechnungen im Mittel weniger Luft strömt, gleich von Anfang an weniger oder kleinere Brennstofföffnungen gefertigt werden.
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Vorteilhafter Weise werden in einem Brenner, dessen Passagen neben den drallerzeugenden Einbauten durch einen inneren und einen äußeren Kegel begrenzt werden, näher am inneren Kegel als am äußeren Kegel liegende Brennstofföffnungen verschlossen oder weggelassen. Das Verschließen oder Weglassen der Brennstofföffnungen am inneren Kegel ist deshalb sinnvoller als weiter radial außen, da die Breite der Passage und somit auch die strömende Luftmenge von innen nach außen zunimmt. Soll jedoch mehr als eine Brennstofföffnung pro Passage verschlossen werden oder entfallen, kann es allerdings im Hinblick auf eine bessere radiale Mischung in der jeweiligen Passage sinnvoll sein, wenn eine erste Brennstofföffnung in der Nähe des inneren Kegels und eine weitere Brennstofföffnung in der Nähe des äußeren Kegel verschlossen oder weggelassen wird.
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Es ist ebenfalls vorteilhaft, wenn auf einer Saugseite der Einbauten angeordnete Brennstofföffnungen verschlossen werden. Dies ist insbesondere dann zu beachten, wenn nur eine Bohrung pro Passage verschlossen wird, da der entsprechende Verschluss leichter und damit kostengünstiger angebracht oder entfernt werden kann.
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Die auf eine Brenneranordnung gerichtete Aufgabe wird gelöst durch eine Brenneranordnung mit einem Brenner, umfassend drallerzeugende Einbauten, zwischen denen Passagen ausgebildet sind, durch die im Betrieb Luft hindurchströmt und in denen Brennstoff über Brennstofföffnungen der Luft beigemischt wird, wobei sich die Passagen hinsichtlich Anzahl und/oder Größe der Brennstofföffnungen unterscheiden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die Passagen neben den drallerzeugenden Einbauten durch einen inneren und einen äußeren Kegel begrenzt, wobei in einigen Passagen näher am inneren Kegel als am äußeren Kegel liegende Brennstofföffnungen verschlossen sind.
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Alternativ ist es vorteilhaft, wenn die Passagen neben den drallerzeugenden Einbauten durch einen inneren und einen äußeren Kegel begrenzt werden und einige Passagen Brennstofföffnungen lediglich in einem Bereich aufweisen, der näher am äußeren Kegel als am inneren Kegel liegt.
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Schließlich ist es vorteilhaft, wenn bei einer Brenneranordnung mit einer Brennkammer, mit an der Brennkammer auf einem Kreis angeordneten Brennern und mit einem radial außerhalb oder innerhalb des Kreises umlaufenden Ringspalt, durch den im Betrieb Luft um die Brennkammer einseitig seitlich zu den Brennern strömt, die dem Ringspalt nächstgelegenen Passagen der Brenner mehr oder größere Brennstofföffnungen aufweisen, als die vom Ringspalt am weitesten entfernten Passagen der Brenner, wodurch den „direkt“ aus dem Ringspalt angeströmten Passagen mehr Brennstoff zugespeist werden kann, als den eher abgewandten Passagen.
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Zusätzlich zu der positiven Kompensation einer ungünstigen Luftverteilung ist es mit der Erfindung auch möglich, Ungleichförmigkeiten in den Brennstoffverteilungssystemen selbst zu kompensieren.
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Die Erfindung hat ein großes Potential insbesondere die Nox-Emissionen für Silomaschinen zu reduzieren. Hieraus ergibt sich die Möglichkeit Garantiewerte für Stickoxidemissionen leichter einzuhalten, bzw. höhere Flammentemperaturen bei gleichen NOx-Emissionen zu erreichen, was für das Erreichen von Leistungs- und CO-Zielen (Kohlenmonoxid) hilfreich ist. Außerdem ist eine gleichmäßigere Belastung der Flammrohrwände zu erwarten, was Kühllufteinsparungen und damit eine weitere NOx-Absenkung möglich macht.
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Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:
- 1 einen Längsschnitt durch einen halben Brenner aus dem Stand der Technik,
- 2 den Einbau und die Anströmsituation in einer Gasturbine und
- 3 die Anströmsituation mit Blick in Richtung der Luftströmung in die Vormischpassagen des Brenners.
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1 zeigt einen Ausschnitt eines Brenners 1 aus dem Stand der Technik, umfassend einen Hauptbrenner 10 und einen Pilotbrenner 11.
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Die Passagen 3 im Hauptbrenner 10 zur Mischung von Brennstoff und Luft vor der Verbrennung sind durch einen radial inneren Kegel 5, einen um den radial inneren Kegel 5 herum angeordneten radial äußeren Kegel 6, sowie drallerzeugende Einbauten 2, die sich vom radial inneren Kegel 5 zum radial äußeren Kegel 6 erstrecken, gebildet. Diese drallerzeugenden Einbauten 2 bilden ein ringförmiges Drallgitter.
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Im Stand der Technik haben alle auf dem Umfang des Brenners 1 angeordneten drallerzeugenden Einbauten 2 die gleiche Anzahl oder Größe und Anordnung von Brennstofföffnungen 4. Gegebenenfalls wird durch ein Lochblech (nicht gezeigt) stromauf der drallerzeugenden Einbauten 2 versucht, die Verteilung der anströmenden Luft 17 auf die Passagen 3 möglichst zu vergleichmäßigen.
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Im Betrieb wird Brennstoff über den radial inneren Kegel 5 (Nabe) den hohlen, drallerzeugenden Einbauten 2 zugeführt und über die Brennstofföffnungen 4 in die Passagen 3 geleitet bzw. der Luft zugemischt. Die Brennstofföffnungen 4 sind an verschiedenen radialen Positionen auf den drallerzeugenden Einbauten 2 angeordnet.
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2 zeigt den Einbau und die Anströmsituation eines Brenners 1 einer Brenneranordnung 7 in einer Gasturbine am Beispiel einer Silo-Brennkammer 8. Auch wenn die 2 einen Ausschnitt der Brenneranordnung 7 mit nur einem Brenner zeigt, umfasst die Brenneranordnung 7 mehrere auf einem Kreis angeordnete Brenner 1, sowie einen radial außerhalb des Kreises umlaufenden Ringspalt 9 durch den im Betrieb Luft um die Brennkammer 8 einseitig seitlich zu den Brennern 1 strömt. Alternativ gibt es auch Brenneranordnungen mit radial innerhalb des Kreises, auf dem die Brenner angeordnet sind, umlaufenden Ringspalten. Die Asymmetrie der Anströmung ergibt sich aufgrund der Anordnung der Brenner 1 auf einem Kreis. Passagen 3, die eher radial außen bezogen auf eine Brennkammerachse 13 angeordnet sind (in der Nähe der zusätzlich mit 14 bezeichneten Passage 3 in der 3) werden z.B. mit einem deutlich größeren Luftstrom 17 beaufschlagt als Passagen 3, die eher radial innen (in der Nähe der zusätzlich mit 15 bezeichneten Passage 3) bezogen auf die Brennkammerachse 13 angeordnet sind. Dieser Asymmetrie überlagert sich eine weitere, nämlich eine ungleiche Verteilung des Luftmassenstroms in radialer Richtung innerhalb der Brenner 1 selbst, da der Abstand zwischen den drallerzeugenden Einbauten 2 von innen nach außen zunimmt (siehe auch 3 mit einem Blick in die Passagen 3.
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Um die Durchmischung von Luft und Brennstoff zu verbessern, schlägt die Erfindung daher die selektive Anpassung der einer Passage 3 zugeführten Brennstoffmenge durch Verschließen oder Weglassen entsprechender Brennstofföffnungen 4 vor, und zwar derart, dass das Verschließen oder Weglassen in den Bereichen einer betroffenen Passage 3 erfolgt, in denen ohnehin vergleichsweise wenig Luft strömt, also radial innen, in der Nähe des inneren Kegels 5. In der 1 sind die wegzulassenden oder zu verschließenden Brennstofföffnungen mit dem Bezugszeichen 16 versehen.
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Am Beispiel der 2 bedeutet dies, dass die meisten Brennstofföffnungen 4 des gezeigten Brenners 1 in Passagen 3 angeordnet sind, die in der Nähe des Ringspalts 9 liegen, durch den die Luft um die Brennkammer 8 zu den Brennern 1 strömt, also in der unmittelbaren Umgebung der äußeren Passage 14 der 3.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1654496 [0005]
- EP 2162681 B1 [0005]
- WO 2014/131597 A1 [0005]
- EP 2189722 B1 [0005]
- US 7540152 B2 [0005]
