DE19545311A1

DE19545311A1 - Verfahren zur Betrieb einer mit Vormischbrennern bestückten Brennkammer

Info

Publication number: DE19545311A1
Application number: DE19545311A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr Sattelmayer
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 1995-12-05
Filing date: 1995-12-05
Publication date: 1997-06-12
Anticipated expiration: 2015-12-06
Also published as: GB2307981A; GB9623256D0; US5857319A; DE19545311B4; GB2307981B

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verbrennungs technik. Sie betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer mit Vormischbrennern bestückten Ringbrennkammer, welche insbeson dere für Gasturbinen eingesetzt wird.

Stand der Technik

Im Hinblick auf die aus Umweltschutzgründen vorgeschriebenen niedrigen Schadstoffemissionswerte werden beim Betrieb von Gasturbinen vermehrt Vormischbrenner eingesetzt.

Einer der Nachteile von Vormischbrennern besteht darin, daß sie bereits bei sehr niedrigen Luftzahlen löschen. Je nach Temperatur nach dem Verdichters der Gasturbogruppe liegt die se Luftzahl λ bei ca. 2.

Um minimale NOx-Emissionen bei mageren Vormischbrennern zu erzielen, ist es üblich, alle Brenner bei Vollast unter glei chen stöchiometrischen Bedingungen nahe der mageren Lösch grenze zu betreiben. Problematisch ist es, wenn die Last un ter den Wert der Vollast fällt, weil dann ohne entsprechende Gegenmaßnahmen die Löschgrenze überschritten wird, was zum Ausblasen der Vormischbrenner führt. Solche bekannte Gegen maßnahmen zur Flammenstabilisierung sind beispielsweise die Umverteilung von Brennstoff und/oder das Umschalten auf einen anderen Flammenmodus und/oder der Einsatz der Luftbypasstech nik.

Zwecks Anwendung des Prinzips "Umverteilung von Brennstoff" ist das Brennstoffsystem in Zweige aufgeteilt, die einzeln abgesperrt oder gedrosselt werden können. Der Strömungspfad der Luft bleibt mit fallender Last unverändert. Wenn nun die Gesamtbrennstoffmenge fällt, wird ein Teil der Ventile total bzw. teilweise geschlossen, so daß die offenen Teile einen größeren prozentualen Anteil an Brennstoff erhalten. Dieser Teil führt dann zur eigentlichen Flammenstabilisierung.

Eine andere bekannte Möglichkeit, die Verbrennung im niedri gen Lastbereich aufrechtzuerhalten, besteht im Umschalten auf andere Flammenmoden, welche noch eine stabile Verbrennung bei einem höheren Luft/Brennstoff-Verhältnis garantieren, z . B. Diffusionsgasstufen. Auch ein gemischter Modus ist bekannt, bei dem die Vormischflammen partiell angefettet werden. Damit ist ein vollständiger Ausbrand bei Luftzahlen unter 3,5 mög lich, d. h. man kann den Betriebsbereich von 2 bis 3,5 abdecken. Nachteilig sind hier die höheren NOx-Emissionen.

Schließlich kann zur Verhinderung des Ausblasens der Vor mischbrenner bei niedrigen Lasten auch die Luftbypasstechnik angewendet werden. Dazu sind bekanntermaßen in der Brennkam mer stromab der Flamme variable Öffnungen angeordnet, durch die Luft geregelt einströmen kann. Die Öffnungen sind bei Vollast geschlossen, mit fallender Last werden sie geöffnet. Ziel ist es, die adiabate Flammentemperatur konstant zu hal ten und damit auch den Abstand zur Löschgrenze. In manchen Fällen ist Ahnliches möglich mit einem in der Luftzuführung zum Brenner angeordneten Drosselorgan.

Nachteilig an diesem eben beschriebenen Stand der Technik ist, daß diese Mechanismen ein kompliziertes Brennstoffver teilungs- und Regulationssystem erfordern.

Prinzipiell ist es wünschenswert, alle Brenner im Vormischmo dus selbst bei kleinen Lasten zu betreiben. Dies kann er reicht werden durch eine Verringerung des Luftmassenstromes durch die Maschine (verstellbare Leitschaufelstufen im Ver dichter). Ein bekanntes, immer wieder auftretendes Problem ist dabei der Anstieg der Gasturbinenaustrittstemperatur mit sinkender Last über das vorgegebene Niveau, welches den unte ren Betriebspunkt außerhalb des Gebietes setzt, innerhalb dessen das Vormischverbrennungsprinzip betrieben werden kann.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer mit Vormischbrennern bestückten Brennkammer, insbesondere für Gasturbinen, zu entwickeln, mit dem ein großer Betriebsbe reich (40-100% Last) ohne Stufung der Brenner zuverlässig ab gedeckt wird. Es soll eine Vereinfachung des Brennstoffsy stems bei nur geringen Zugeständnissen an die Höhe der NOx- Emissionswerte erreicht werden.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Vor mischbrenner in mindestens zwei Gruppen unterteilt sind, wo bei die jeweiligen Brennergruppen bei geringerer Last als Vollast mit unterschiedlicher Luftzahl betrieben werden. Die Brenner der verschiedenen Brennergruppen sind somit gegen einander verstimmt.

Die Vorteile der Erfindung bestehen unter anderem in einer Erweiterung des Operationsgebietes der mit Vormischbrennern betriebenen Ringbrennkammer. Es ist ein stabiler Betrieb der Brennkammer auch im niedrigen Lastbereich ohne Stufung mög lich. Das Verfahren zeichnet sich durch die Inanspruchnahme eines einfachen Brennstoffsystems aus, wobei lediglich ein geringer Anstieg der NOx-Emissionen in Kauf genommen werden muß.

Das Verfahren läßt sich sowohl dann anwenden, wenn die Flam mentemperatur bei Vollast beträchtlich höher ist als die ma gere Löschgrenze, als auch dann, wenn die Flammentemperatur bei Vollast nahe oberhalb der mageren Löschgrenze liegt. Im letzten Falle ist die Erweiterung des Betriebsbereiches der Brennkammer besonders groß.

Es ist vorteilhaft, wenn die Verstimmung der Brennergruppen im Bereich von 100 bis 200 K liegt, weil schon diese geringen Werte oft zu einer ausreichenden Erweiterung des Betriebsbe reiches der Brennkammer führt und die damit verbunden Erhö hung der NOx-Werte noch akzeptiert werden kann.

Es ist zweckmäßig, das Verhältnis der Luftzahlen der unter schiedlichen Brennergruppen durch einfach Mittel, wie z. B. unterschiedlich große Brennstoffdüsen oder geeichte Blenden für die Brennstoffleitung zu regulieren, da dann alle Brenner mit derselben Brennstoffleitung verbunden sein und betrieben werden können, so daß sich ein einfaches Brennstoffsystem ergibt.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Sektorabschnitt der Frontwand einer Ringbrennkammer mit zwei unterschiedlichen, d. h. mit unterschiedlicher Luftzahl betriebenen Brennergruppen;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Brennerschaltung;

Fig. 3 die Abhängigkeit der Höhe der NOx-Emissionen von der Differenz der Flammentemperaturen beider Bren nergruppen bei gleicher Brenneranzahl in beiden Gruppen und konstanter durchschnittlicher Flammen temperatur;

Fig. 4 die Abhängigkeit der Höhe der NOx-Emissionen von der Differenz der Flammentemperaturen beider Bren nergruppen bei gleicher Brenneranzahl in beiden Gruppen und konstanter Flammentemperatur der ersten Brennergruppe;

Fig. 5, 6 die Abhängigkeit der Höhe der NOx-Emissionen von der durchschnittlichen Flammentemperatur für ver schiedene Äquivalenzverhältnisse der beiden Bren nergruppen, wobei die Vollast-Flammentemperatur we sentlich höher ist als die magere Löschgrenze;

Fig. 7, 8 die Abhängigkeit der Höhe der NOx-Emissionen von der durchschnittlichen Flammentemperatur für ver schiedene Äquivalenzverhältnisse der beiden Bren nergruppen, wobei die Vollast-Flammentemperatur in der Nähe der mageren Löschgrenze liegt.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei spieles und der Fig. 1 bis 8 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Sektorabschnitt der Front wand 3 einer von einer Brennkammerinnenwand 5 und einer Brennkammeraußenwand 6 begrenzten Ringbrennkammer 4, die vorzugsweise für die Erzeugung von Heißgas zur Beaufschla gung einer hier nicht dargestellten Gasturbine eingesetzt wird. Die Ringbrennkammer 4 ist mit einer Reihe von Vormisch brennern bestückt, deren Anzahl von der Maschinen- und Brennergröße abhängt. Als Vormischbrenner werden Brenner der Doppelkegelbauart eingesetzt, welche beispielsweise in der Patentschrift EP 0 321 809 B1 näher beschrieben sind.

Um die Brenner im Vormischmodus selbst bei kleinen Lasten be treiben zu können, ist der hier nicht dargestellte Verdichter der Gasturbogruppe mit verstellbaren Leitschaufelreihen aus gerüstet. Dadurch kann die Luftmenge gegenüber der Vollast menge reduziert werden.

Die Vormischbrenner sind in zwei mit unterschiedlichen Luft zahlen λ1, λ2 betriebene Brennergruppen 1, 2 aufgeteilt, wo bei im vorliegenden Ausführungsbeispiel die erste Brenner gruppe 1 und die zweite Brennergruppe 2 eine identische Bren neranzahl aufweisen. Selbstverständlich können in anderen Ausführungsbeispielen andere Verhältnisse in der Brenneran zahl der beiden Gruppen 1 und 2 gewählt werden. Bei der in Fig. 1 dargestellten Variante sind in der Ringbrennkammer 4 immer abwechselnd ein Brenner der Gruppe 1 und ein Brenner der Gruppe 2 angeordnet. Für das erfindungsgemäße Verfahren spielt aber die räumliche Anordnung der Brenner keine aus schlaggebende Rolle, d. h. die Brenner könnten auch anders als in der in Fig. 1 gezeigten Variante angeordnet sein.

Fig. 2 zeigt in einer schematischen Darstellung die erfindungsgemäße Brennerschaltung. Die beiden Brennergruppen 1 und 2 sind gegeneinander "verstimmt", d. h. sie werden mit un terschiedlichen Luftzahlen λ1 und λ2 betrieben und haben da her auch unterschiedliche Flammentemperaturen Tgr1 und Tgr2, deren Mittelwert (bei gleicher Brenneranzahl in beiden Grup pen) dann eine durchschnittliche Flammentemperatur T für die Brennkammer 4 ergibt.

Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit der Höhe der NOx-Emissionen von der Differenz der Flammentemperaturen beider Brennergruppen 1 und 2 bei gleicher Brenneranzahl in den Gruppen 1 und 2 und konstanter durchschnittlicher Flammentemperatur T. Es kommt zu einem Anstieg der NOx-Werte bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zu einer Brennkammer, bei der die Brenner nicht verstimmt sind, sondern mit einer kon stanten Luftzahl λ betrieben werden und dadurch die gleiche Flammentemperatur aufweisen, bei welcher also gilt: Tgr1=Tgr2. Dieser Anstieg wird durch die nichtlineare, expo nentielle Abhängigkeit der NOx-Produktion von der Flammentem peratur T verursacht.

In Fig. 3 werden zwei Extremfälle gezeigt. Die untere Kurve setzt kinetisch kontrolliertes Ausbrennen voraus (eindimen sionale laminare Flamme), die obere Kurve basiert auf der An nahme einer hohen Verweilzeit (hier 30 ms) und einer fehlen den Quermischung zwischen den beiden Brennergruppen 1 und 2 und stellt daher den schlechtesten Fall dar. Der reale Fall bei Gasturbinen liegt im Bereich zwischen den beiden Kurven.

Wenn bei Vollast eine Flammentemperatur T der Brenner gewählt wird, die in der Nähe der mageren Löschgrenze liegt, dann führt eine Vergrößerung der Verstimmung dazu, daß die ma gere Brennergruppe die magere Löschgrenze überschreitet. Die magere Brennergruppe wird dann durch die reichere Brenner gruppe pilotiert. Um Pulsationen zu verhindern, müssen sowohl die Brenner als auch die Brennkammer 4 eine ausreichende thermoakustische Stabilitätsgrenze aufweisen.

Das Verhältnis der Luftzahlen λ1/λ2 beider Brennergruppen 1 und 2 kann durch einfache Mittel geregelt werden. Diese Mit tel sind beispielsweise unterschiedlich große Brennstoff düsen für die beiden Brennergruppen 1 und 2 oder geeichte Blenden in der Brennstoffleitung. Dadurch braucht die Vor mischstufe aller Brenner mit nur einer, und zwar der weniger mageren Brennstoffleitung verbunden werden, so daß Kosten gespart werden können, weil nur ein einfaches Brennstoffzu fuhrsystem notwendig ist.

Wird die Last reduziert, nähern sich die weniger mageren Brenner, also die Brenner, welche weiter von der mageren Löschgrenze entfernt sind, der mageren Löschgrenze der we niger mageren Brennergruppe an, welche die durchschnittliche Löschgrenze der Brennkammer begrenzt. Bei gegebener Vollast- Flammentemperatur und gegebener magerer Löschgrenze der Bren ner bestimmen der erforderliche Betriebsbereich und die Tur binenaustrittstemperatur den erforderlichen Wert für die Verstimmung zwischen den Brennergruppen 1 und 2.

Fig. 4 zeigt die Abhängigkeit der Höhe der NOx-Emissionen von der Differenz der Flammentemperaturen Tgr1-Tgr2 beider Bren nergruppen 1 und 2 bei gleicher Brenneranzahl in beiden Grup pen und konstanter Flammentemperatur der ersten Brennergruppe (Tgr1=const). Die durchschnittliche Flammentemperatur in der Brennkammer ist somit bei Veränderung von Tgr2 nicht kon stant. Die obere Kurve bezieht sich analog zu Fig. 3 auf den idealen Fall einer eindimensionalen laminaren Flamme, die un tere Kurve stellt den oben näher beschriebenen schlechtesten Fall dar. Die gesamten NOx-Emissionen werden reduziert, wenn die Flammentemperatur Tgr2 der zweiten Brennergruppe 2 abge senkt wird.

Fig. 5 und 6 zeigen die Abhängigkeit der Höhe der NOx-Emis sionen von der durchschnittlichen Flammentemperatur T für verschiedene Äquivalenzverhältnisse ρ der beiden Brennergrup pen 1 und 2, wobei die Flammentemperatur T wesentlich höher ist als die magere Löschgrenze. Fig. 5 bezieht sich dabei auf den Fall einer eindimensionalen laminaren Flamme, Fig. 6 auf den oben beschriebenen schlechtesten Fall. Die Verhältnisse in realen Gasturbinen liegen wiederum zwischen den Werten beider Kurven. Das Äquivalenzverhältnis ρ ist bekanntermaßen der Kehrwert der Luftzahl λ. Die in den Fig. 5 und 6 enthal tenen Kurven zeigen eine Zunahme der NOx-Emissionen mit stei gender Flammentemperatur und mit steigendem Quotienten der Äquivalenzverhältnisse der heißeren zur kälteren Brenner gruppe. Die unteren schrägen Linien verdeutlichen die Ver schiebung der mageren Löschgrenze zu niedrigeren Flammentem peraturen, d. h. der Betriebsbereich der Brennkammer wird in Richtung niedriger Lasten erweitert. Erst bei Temperaturen im Bereich unterhalb der schrägen Linien erfolgt dann ein Aus blasen der Brenner.

In Fig. 7 und 8 ist die Abhängigkeit der Höhe der NOx-Emis sionen von der durchschnittlichen Flammentemperatur für ver schiedene Äquivalenzverhältnisse der beiden Brennergruppen dargestellt, wobei die Vollast-Flammentemperatur in der Nähe der mageren Löschgrenze liegt. Fig. 7 bezieht sich dabei auf den Fall einer eindimensionalen laminaren Flamme, Fig. 8 auf den oben beschriebenen schlechtesten Fall. Die Verhältnisse in realen Gasturbinen liegen wiederum zwischen den Werten beider Kurven.

Vergleicht man die Zahlenwerte aus den Fig. 5 und 7 bzw. 6 und 8, dann sieht man den Vorteil (beträchtliche Erweiterung des Betriebsbereiches) für den Fall, daß die Vollast-Flam mentemperatur in der Nähe der mageren Löschgrenze liegt, be sonders deutlich.

Da in der Praxis eine Verstimmung, also Differenz der Flam mentemperaturen Tgr1-Tgr2 der beiden Brennergruppen 1 und 2 von ca. 100 bis 200 K oftmals schon zu einer ausreichenden Erweiterung des Betriebsbereiches führt, ist die dadurch auf tretenden geringe Erhöhung der NOx-Emissionen als akzeptabel anzusehen. Eine strenge Quermischung in der Ringbrennkammer ist vorteilhaft für ein gleichmäßiges Temperaturprofil.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das eben be schriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So können z. B. auch drei Brennergruppen in einer Brennkammer verstimmt sein und bei unterschiedlichen Luftzahlen und damit unterschiedli chen Flammentemperaturen betrieben werden. Außerdem ist das Verfahren nicht nur zum Betrieb einer Ringbrennkammer, son dern beispielsweise auch zum Betrieb einer Silobrennkammer geeignet.

Bezugszeichenliste

1 erste Brennergruppe
2 zweite Brennergruppe
3 Frontwand
4 Brennkammer
5 Brennkammerinnenwand
6 Brennkammeraußenwand
λ Luftzahl
λ1 Luftzahl der Brennergruppe 1
λ2 Luftzahl der Brennergruppe 2
ρ Äquivalenzverhältnis
Tgr1 Flammentemperatur der Brennergruppe 1
Tgr2 Flammentemperatur der Brennergruppe 2
T durchschnittliche Flammentemperatur

Claims

1. Verfahren zum Betrieb einer mit Vormischbrennern be stückten Brennkammer (4), wobei alle Brenner bei Vollast unter gleichen stöchiometrischen Bedingungen betrieben werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenner in mindestens zwei Brennergruppen (1, 2) unterteilt sind und die jeweiligen Brennergruppen (1, 2) bei Betriebsbe dingungen unterhalb der Vollast mit unterschiedlichen Luftzahlen (λ1, λ2), d. h. bei unterschiedlichen Flammen temperaturen (Tgr1, Tgr2), betrieben werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flammentemperatur (T) bei Vollast beträchtlich höher ist als die magere Löschgrenze.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flammentemperatur (T) bei Vollast nahe oberhalb der mageren Löschgrenze liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz der Flammentemperaturen (Tgr1-Tgr2) der Brennergruppen (1, 2) im Bereich von 100 bis 200 K liegt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Luftzahlen (λ1/λ2) der verschiedenen Brennergruppen (1, 2) geregelt wird durch den Einsatz geeichter Blenden in der Brennstoffleitung.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Luftzahlen (λ1/λ2) der verschiedenen Brennergruppen (1, 2) geregelt wird durch Verwendung un terschiedlich großer Brennstoffdüsen für die unter schiedlichen Brennergruppen (1, 2).

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich net, alle Brenner mit nur einer, und zwar der weniger mageren Brennstoffleitung verbunden sind.