DE19520292A1

DE19520292A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkammer einer Gasturbogruppe

Info

Publication number: DE19520292A1
Application number: DE1995120292
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr Althaus
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG
Priority date: 1995-06-02
Filing date: 1995-06-02
Publication date: 1996-12-05

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Ober begriff des Anspruchs 1. Sie betrifft auch Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.

Stand der Technik

Zur Erzielung möglichst niedriger Schadstoff-Emissionen und einer erhöhten Leistung der Kraftwerksanlage ist bekanntge worden, die Verbrennung mit einer Wasser- oder Dampfmenge durchzuführen. An sich ist es richtig, daß die Schadstoff- Emissionen, insbesondere die NOx-Emissionen, anhand einer re lativ kleinen Wassermenge reduziert werden können. Das Pro blem ist jeweils die richtige Einbringung dieses Mediums, daß, soweit ersichtlich, noch nicht befriedigend gelöst wer den konnte, da die Flammenstabilität bei den bekanntgewor denen Techniken unweigerlich darunter leidet. Größere Mengen eines Wassers oder Dampfes lassen sich ohnehin in eine her kömmliche Verbrennung nicht einbringen, da eine innige Vermi schung von Verbrennungsluft, Brennstoff und eines der letzt genannten Medien aus Konfigurationsgründen nicht möglich ist.

Zur Verbesserung der Schadstoff-Emissionen wird vermehrt vor gesehen, Wasser oder Dampf auszuschalten, und statt dessen Vormischvorkehrungen vorzusehen. Einerseits stellt eine Vor mischverbrennung sicher eine Verbesserung gegenüber der Dif fusionsverbrennung dar, andererseits bringt eine Zumischung von Wasser oder Dampf stets auch eine gewisse spezifische Leistungssteigerung mit sich, die an sich bis heute aus oben genannten Gründen nicht ausgeschöpft werden konnte. Zwar ist es sicher möglich, mit dem kalorischen Potential aus den Ab gasen der Turbine in einem nachgeschalteten Abhitzedampfer zeuger eine relativ große Menge eines hinsichtlich Exergie hochwertigen Dampf es bereitzustellen; seine nutzbringende Einbringung konnte bis heute jedoch nicht befriedigend reali siert werden, da die Infrastruktur hierzu nicht bereitge stellt werden konnte.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren und Vorrichtungen der eingangs genannten Art eine Disposition im Bereich der Verbrennung vorzuschlagen, welche ermöglicht, große Mengen eines Hilfs mediums einzubringen, ohne dadurch die Verbrennung negativ zu beeinflussen.

Die wesentlichen Vorteile der Erfindung ist darin zu sehen, daß mit der Einbringung des Hilfsmediums, sei es Wasser oder Dampf, der Kühllufthaushalt der Gasturbogruppe nicht gestört oder tangiert wird, potentiell auftretende Brennkammer- Schwingungen unterdrückt werden und keine allfällige Anpas sung an der Turbine notwendig ist. Des weiteren sind keine zusätzlichen Durchführungen im Gasturbinen-Gehäuse zur Ein bringung des Hilfsmediums notwendig.

Da die Einbringung dieses Hilfsmediums vorzugsweise über eine erweiterte Brennstofflanze geschieht, läßt sich bei Bedarf eine feine Zerstäubung des Hilfsmediums erzielen. Komplemen tär hierzu wird das eingebrachte Hilfsmedium nicht direkt in die Flammenzone überführt, sondern nimmt als Bestandteil der Verbrennungsluft in gleichwertiger Weise am Vormischprozeß teil. Die Gemischbildung zwischen Verbrennungsluft, Hilfsme dium und eingebrachtem Brennstoff ist eine einheitliche, be vor es stromab der Vormischstrecke zur eigentlichen Verbren nung kommt.

Damit wird deutlich, daß eine Leistungssteigerung der Kraft werksanlage bei maximiertem Wirkungsgrad möglich ist, selbst bei großzügiger Abzweigung von verdichteter Luft zu Kühl zwecken. Bei einer solchen Ausgangslage läßt sich ohne wei teres, weil an sich eine größere Menge hochwertiger Kühlluft zur Verfügung steht, mit einer höheren Betriebstemperatur fahren, was unweigerlich eine Steigerung des Wirkungsgrades der Anlage mit sich bringt.

Da die Gemischbildung zwischen Verbrennungsluft und Hilfsme dium bereits vor dem eigentlichen Vormischprozeß, also vor Durchströmung durch die Vormischstrecke, weitgehend zustande kommt, sind mithin minimierte Schadstoff-Emissionen, insbe sondere was die NOx-Emissionen betrifft, zu erwarten, wobei das Hilfsmedium, insbesondere wenn Dampf eingesetzt wird, dazu beiträgt, daß auch ein flüssiger Brennstoff vollständig verdampft wird, bevor die Verbrennung einsetzt.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungs gemäßen Aufgabenlösung sind in den weiteren Ansprüchen ge kennzeichnet.

Im folgenden werden anhand der Zeichnungen ein Ausführungs beispiel der Erfindung dargestellt und näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erfor derlichen Elemente sind weggelassen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 eine Darstellung des Plenums im Bereich der Düse und des Vormischbrenners, stromauf der Brennkammer und

Fig. 2 eine schematische Ansicht über den Aufbau des Vor mischbrenners.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwertbarkeit

Fig. 1 zeigt das Plenum 1, unmittelbar stromauf einer Brenn kammer 4. In diesem Plenum 1 sind ein Brenner 2 und eine Brennstoffdüse oder Hauptlanze 3 plaziert. Liegt eine Ring brennkammer vor, so ist das Plenum 1 selbstverständlich auch annular ausgestaltet, wobei dann über die stirnseitige Wand 5, im folgenden Frontwand genannt, der Brennkammer mehrere Brenner vorgesehen sind, welche in einem bestimmten Abstand zueinander, nebeneinander über die Frontwand angeordnet sind, oder die Frontwand 5 der Brennkammer 4 über mehrere Ebenen abdecken. Das Plenum 1 wird durch Verdichterluft 6 ange strömt, welche dann in den Brenner 2 einströmt. Bei diesem Brenner 2 handelt es sich um einen kegelförmigen Vormisch brenner mit tangentialen Einströmungskanäle, wie er in EP-A-0 321 809 beschrieben ist. Diese Druckschrift bildet einen in tegrierenden Bestandteil dieser Beschreibung, wobei unter Fig. 2 noch punktuell auf die Charakteristiken dieses Vor mischbrenners 2 näher eingegangen wird. Zunächst ist es wich tig festzuhalten, daß die ganze in das Plenum 1 einströmende Verdichterluft 6 über tangentiale Kanäle (Vgl. Fig. 2, Pos. 17, 18) in den Kegelhohlraum 7 des Vormischbrenners 2 ein strömt, und dort, durch eben diese tangentiale Einströmung be dingt, eine Drallbewegung mit einer axialen Komponente er fährt. Der Vormischbrenner 2 geht am Ende dann in die bereits erwähnte Frontwand 5 über, wobei in dieser Ebene der Aus trittsquerschnitt des Vormischbrenners 2 gegenüber demjenigen der Brennkammer 4 einen Querschnittssprung 8 erfährt. Bei der Ausgestaltung des kegelförmigen Vormischbrenners 2 und der Breite der tangentialen Kanäle (Vgl. Fig. 2) sind an sich be stimmte und enge Grenzen einzuhalten, damit sich das ge wünschte Strömungsfeld der Verbrennungsluft 6 am Ausgang des Vormischbrenners 2, im Zusammenwirken mit dem genannten Quer schnittssprung 8, einstellen kann. Die Parameter werden so ausgelegt, daß sich die kritische Drallzahl am Ausgang des Brenners 2 einstellt: Dort bildet sich auch eine Rückström zone (Vortex Breakdown) 9, welche eine flammenstabilisierende Wirkung entfaltet. Allgemein ist zu sagen, daß eine Minimie rung des Einströmungsquerschnittes der tangentialen Kanäle die Bildung einer Rückströmzone 9 begünstigt. Die Kopfstufe des Brenners 2 wird, wie bereits oben erwähnt, durch die Brennstoffdüse 3 gebildet, welche mehrfunktional aufgebaut ist. Durch eine zentrale Lanze 10 strömt vorzugsweise ein flüssiger Brennstoff 11 in den Kegelhohlraum 7 des Vormisch brenners 2 ein, wobei die Eindüsung dieses Brennstoffes 11 so gehalten ist, daß die inneren Wände des Vormischbrenners 2 nicht benetzt werden. Die Gemischbildung geschieht innerhalb der durch die Länge des Vormischbrenners 2 selbst gebildeten Vormischstrecke mit dem dort einströmenden Verbrennungsluft 15, auf welche weiter unten noch näher eingegangen wird. Kon zentrisch zu dieser zentralen Lanze 10 ist ein ringförmiges Rohr 12 vorgesehen, durch welches ein gasförmiger Brennstoff 13 ebenfalls in den Kegelhohlraum 7 des Vormischbrenners 2 strömt. Dieser gasförmige Brennstoff 13 dient vorzugsweise zur Pilotierung des Vormischbrenners 2, d. h., mit diesem Brennstoffzufuhr wird im Normalfall die Inbetriebsetzung des Vormischbrenners 2 eingeleitet, allenfalls auch gewisse tran siente Bereiche gefahren. Demnach ist mit dieser Konfigura tion möglich, den Vormischbrenner 2 allein über seine Kopf stufe zu betreiben, unabhängig welche Betriebsstufe ange strebt wird. Auf den Vollast-Betrieb des Vormischbrenners 2 einzig mit einem gasförmigen Brennstoff wird unter Fig. 2 noch näher eingegangen. Die Hauptlanze 3 weist des weiteren ein weiteres ringförmiges Rohr 14 auf, das konzentrisch zum innenliegenden angeordnet ist, durch welches ein Hilfsmedium 15 in das Plenum 1 eingeleitet wird. Als Hilfsmedium wird hier vorzugsweise Dampf eingesetzt, welcher beispielsweise aus einem der Gasturbogruppe nachgeschalteten Abhitzedampfer zeuger stammen kann. Selbstverständlich kann hier auch eine Menge Wasser zum Einsatz kommen, wobei insbesondere das letztgenannte Hilfsmedium eine große Interdependenz zum Zu stand der gemischbildenden Verdichterluft 6 entfaltet. Der finale Zweck einer solchen Zumischung, insbesondere bei Dampf 15, ist die kräftige Erhöhung der spezifischen Leistung der Gasturbogruppe, wobei hier der Vorteil besteht, daß inner halb des Plenums 1 eine innere Vermischung zwischen Verdich terluft 6 und Hilfsmedium allgemein, also Dampf 15, gewähr leistet ist, bevor dieses Gemisch als Verbrennungsluft 16 in den Brenner 2 eingeleitet wird. Handelt es sich bei der hier gezeigten Brennkammer 4 um eine Hochdruckbrennkammer, so wird als Dampf 15 vorzugsweise ein überhitzter Dampf direkt aus dem Abhitzedampferzeuger herangeführt. Selbstverständlich kann auch eine Niederdruckbrennkammer, beispielsweise bei ei ner sequentiellen Verbrennung, mit einem Dampfanteil betrie ben werden, wobei dann im vorliegenden Fall besonders gut auf die vorherrschenden Druckunterschiede und Temperaturgefällen des herangeführten Verbrennungsmediums geachtet werden muß, da hier an Stelle von Verdichterluft heiße Abgase aus der Teilentspannung bei der vorgeschalteten Turbine vorliegen. Grundsätzlich ist es so, daß mit einer Dampfeinbringung die spezifische Leistung der Gasturbogruppe bis zu einem Faktor 3 gesteigert werden kann. Die Machbarkeit hängt primär davon ab, ob die Gemischbildung zwischen Verdichterluft oder heißen Abgase 6 mit einem Hilfsmedium, sei es Dampf oder Wasser, eine optimale ist, damit der Wirkungsgrad und die Schadstoff- Emissionen aus der nachgeschalteten Verbrennung keine Einbußen erleiden. Das in Fig. 1 gezeigtes Plenum 1 eignet sich hier vorzüglich, jene Bedingungen bereitzustellen, welche eine optimale Gemischbildung der zum Einsatz gelangen Medien gewährleisten. Da die spezifischen Kosten der hier beschrie benen Gasturbogruppe mit einer Dampfeinblasung wesentlich ge ringer sind als jene einer Kombianlage, ergibt sich daraus eine Anlage von hoher wirtschaftlicher Akzeptanz. Diese Ak zeptanz kann gesteigert werden, wenn die Bedingungen einer optimalen Gemischbildung bei einer sequentiell befeuerten Gasturbogruppe für beide Brennkammern sichergestellt werden können, denn hier kann der Dampf zunächst über ein großes Dampfgefälle expandieren, des weiteren wird der eingeblasene Dampf bei einer solchen Schaltung zwangsläufig auch zwischen überhitzt, und zuletzt wird durch die hohe Temperatur der Ab gase aus der zweiten Turbine eine sehr hohe und hochwertige Dampfmenge erzeugt. Was die Wassermenge betrifft, so ist zu sagen, daß der Wasserverbrauch einer solchen Anlage nur etwa zwei Drittel desjenigen eines modernen Dampfkreiswerkes mit Naßkühlturm beträgt. In etwa liegt der Wasserverbrauch der unter Fig. 1 beschriebenen Anlage in gleicher Größenordnung desjenigen einer Kombianlage (Gas/Dampf-Anlage) gleicher Lei stung. Zwar ist es richtig, daß das Wasser hierfür einer Teilaufbereitung unterzogen werden muß, deren Kosten aber dermaßen unerheblich ausfallen, daß sie die Stromerzeugeung praktisch nicht Beinflüssen. Die zu erwartenden niedrigen spezifischen Anlagekosten, der hohe Wirkungsgrad und die schnelle Anfahr- und Belastungsmöglichkeit prädestinieren dieses Konzept auch für die Mittellast- und Spitzenlastbe trieb. Das Hauptanwendungsgebiet dürfte jedoch der Grundlast betrieb sein.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch den Brenner 2. Hier ist der Aufbau des Brenners 2 schematisch dargelegt, wobei ersicht lich ist, daß dieser aus zwei Schalen 2a, 2b besteht, welche in Strömungsrichtung versetzt zueinander ineinandergeschach telt sind. Durch diese Versetzung bilden die benachbarten Wandungen dieser Schalen 2a, 2b in deren Längserstreckung tangentiale Kanäle 17, 18, durch welche die Verbrennungsluft 16, hier vorzugsweise als Gemisch zwischen Verdichterluft und Dampf, in den Kegelhohlraum 7 des Vormischbrenners strömt. Im Bereich der tangentialen Kanäle 17, 18, in deren Längser streckung, sind beidseits eine Anzahl Brennstoffdüsen 19 an geordnet, durch welche vorzugsweise ein gasförmiger Brenn stoff der Verbrennungsluft 16 zugemischt wird. Diese Brenn stoffeinbringung eignet sich vorzuglich für die Grundlast-Be treibung der dem Brenner nachgeschalteten Brennkammer. Für weitere Details hierzu wird auf EP-0 321 809 verwiesen.

Bezugszeichenliste

1 Plenum
2 Brenner
2a, 2b Schalen, Teilkörper des Brenners 2
3 Brennstoffdüse, Hauptlanze
4 Brennkammer
5 Frontwand
6 Verdichterluft
7 Kegelhohlraum
8 Querschnittssprung
9 Rückströmzone
10 Zentrale Lanze
11 Brennstoff
12 Ringförmiges Rohr
13 Brennstoff
14 Ringförmiges Rohr
15 Dampf und/oder Wasser
16 Verbrennungsluft
17, 18 Tangentiale Kanäle
19 Brennstoffdüsen

Claims

1. Verfahren zum Betrieb einer Brennkammer einer Gasturbogruppe, wobei die Gasturbogruppe im wesentlichen aus einer Verdich tereinheit, einem Generator, mindestens einer Brennkammer und mindestens einer Turbine besteht, und wobei die Brennkammer über einen Brenner mit einem gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoff betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein stromauf der Brennkammer (4) anfallendes Betriebsmedium (6) vor Einströmung in die Verbrennungszone dieser Brennkammer (4) innerhalb eines Plenums (1) zur Steigerung der spezifi schen Leistung der Gasturbogruppe mit einem Hilfsmedium (15) zu einem Verbrennungsmedium (16) gemischt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Betriebsmedium (6) eine Verdichterluft ist, in welche als Hilfsmedium (15) eine Dampfmenge (15) beigemischt wird, und daß das so gebildete Verbrennungsmedium (16) in einen zur Brennkammer (4) gehörenden Brenner (2) eingeleitet wird, in welchem eine weitere Zumischung eines Brennstoffes (11, 13, 19) stattfindet.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeich net, daß die Dampfmenge (15) aus einem Abhitzedampferzeuger stammt, welcher mit den Abgasen aus der Turbine der Gasturbo gruppe betrieben wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbringung des zur Betrei bung der Brennkammer (4) notwendigen Brennstoffes (11) über eine Hauptlanze (3) geschieht, welche mindestens auch die Führung des Hilfsmediums (15) in das Plenum (1) übernimmt.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (2) aus mindestens zwei hohlen, kegelförmigen, in Strömungsrichtung ineinander geschachtelten Teilkörpern (2a, 2b) besteht, deren jeweilige Längssymmetrieachsen zueinander versetzt verlaufen, daß die benachbarten Wandungen der Teilkörper in deren Längserstrec kung tangentiale Kanäle (17, 18) für einen Verbrennungsluft strom (16) bilden, und daß der Brenner als Kopfstufe mit mindestens eine Brennstoffdüse (3) ausgerüstet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der tangentialen Kanäle (17, 18) in deren Längser streckung weitere Brennstoffdüsen (19) angeordnet sind.