DE19548739C2

DE19548739C2 - Verfahren zur Brennstoffverteilung in einer axial gelagerten Brennkammer

Info

Publication number: DE19548739C2
Application number: DE19548739A
Authority: DE
Inventors: Franz Joos
Original assignee: Alstom SA
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 1995-12-23
Filing date: 1995-12-23
Publication date: 2003-10-09
Anticipated expiration: 2015-12-24
Also published as: DE19548739A1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Brennstoffverteilung in einer axial gelagerten Brennkammer, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Die Brenner axial gelagerter Brennkammern sind in unter schiedlichen geodätischen Höhen angeordnet. Wegen dieser An ordnung werden die Brenner mit unterschiedlichen Brennstoff drücken beaufschlagt, d. h. die unteren Brenner mit höherem Brennstoffdruck als die oberen. Eine ungleichmässige Vertei lung des Flüssigbrennstoffes tritt aufgrund der geodätischen Höhe immer dann auf, wenn der Druckabfall des Brennstoffes über die Brenner in der Grössenordnung des geodätischen Druckes liegt. Der Druckunterschied macht sich vorwiegend bei Verwendung von flüssigen Brennstoffen bemerkbar. Er beträgt z. B. bei Diesel 0,083 bar pro Meter Höhenunterschied. Da beim Zündvorgang der Brenner relativ geringe Brennstoffmengen ein gesetzt werden, kann das dazu führen, dass die oberen Brenner nicht zünden. Die unterschiedliche Brennstoffbeladung einzel ner Brenner hat zudem eine ungleichmässige Temperaturvertei lung am Austritt in die Brennkammer zur Folge, was wiederum höhere NOx-Emissionen hervorruft. Ausserdem verschlechtert sich die magere Löschgrenze, so dass es nicht nur beim Anfah ren, sondern auch bei Teillastbedingungen zum Verlöschen ein zelner Brenner kommen kann.

Eine Möglichkeit zur Vermeidung dieser Nachteile ist es, je den einzelnen Brenner über ein separates Regelventil mit Brennstoff zu versorgen. Zur Vereinfachung dieser sehr auf wendigen Technik ist mit der DE-A 143 35 412 eine Lösung zur Brennstoffverteilung für Ringbrennkammern von Gasturbinen be kannt, bei der mehrere Brenner zu Brennergruppen zusammenge fasst sind. Dazu besitzt jede Brennergruppe einen Verteiler block, von dem aus die einzelnen Brenner über Brennerleitun gen entweder mit gasförmigem Brennstoff oder mit Flüssig brennstoff und Wasser gespeist werden. In jeder zur Zuführung von Brennstoffen zu den Verteilerblöcken dienenden Versor gungsleitung ist ein Ventil mit einer Bypassblende angeord net. Zur gleichmässigen Füllung der Versorgungsleitungen wer den die Ventile beim Startvorgang der Gasturbinenanlage ge schlossen. Dabei sorgt der Verteilerdruck des Brennstoffes für ein gleichmässiges Befüllen der Brennerleitungen über die Bypassblenden. Nach der Zündung der Brenner werden die Ven tile wieder geöffnet, so dass ein Dauerbetrieb der Brennkam mer mit akzeptablen Brennstoffdrücken gewährleistet ist.

Obwohl bei dieser Lösung nur ein Regelventil pro Brennergrup pe benötigt wird, können entsprechend der Grösse der Brenn kammer eine Vielzahl von Ventilen und Bypassblenden erforder lich sein. Damit ist sowohl der bauliche Aufwand als auch der Verfahrensaufwand noch immer relativ hoch. Ausserdem hängt die Sicherheit der Brennkammer von der Zuverlässigkeit der Regelventile ab.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Brennstoff verteilung in einer axial gelagerten Brennkammer zu schaffen, mit dem der Aufwand bei der Brennstoffverteilung verringert und die Funktionssicherheit der Brennkammer erhöht wird.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass bei einem Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, die zu zündenden Brenner und ihre, der Wasserzufuhr dienenden Brennerleitungen zunächst mit Wasser gefüllt werden. Danach wird über entsprechende Versorgungsleitungen Flüssigbrenn stoff in die Brenner eingedüst. Anschliessend erfolgt die Zündung der Wasser/Brennstoffemulsion der Brenner mittels heisser Gase einer weiteren Brennkammer oder mittels benach barter Stützflammen.

Durch die zusätzliche Befüllung der Brenner und ihrer Bren nerleitungen mit Wasser, d. h. durch Anhebung des Zündmassen stroms, wird der Einfluss der geodätischen Höhe minimiert. Bei Anwendung dieses Verfahrens wird eine Brennstoffvertei lung in der Brennkammer erreicht, welche im Stand der Technik nur durch einen entsprechenden baulichen Aufwand möglich ist. Demgegenüber werden die Regelventile einschliesslich der By passventile vollständig eingespart, wodurch sich gleichzeitig die Funktionssicherheit der Brennkammer erhöht.

Besonders vorteilhaft wird dem Zündbrennstoff eine solche Wassermenge zugegeben, welche den zur Zündung erforderlichen Druck gegenüber dem geodätischen Druck erheblich vergrössert. Damit liegt auch der Druckabfall des Brennstoffes über die Brenner wesentlich höher als der geodätische Druck, so dass eine gleichmässigere Brennstoffverteilung erreicht wird und die Brennkammer näher an der Löschgrenze betrieben werden kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Brennstoffzuführung zur Ringbrennkammer einer Gas turbine dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Brennstoffzufüh rung zu einer Ringbrennkammer (Stand der Technik);

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Gasturbinenan lage mit zwei Ringbrennkammern;

Fig. 3 eine schematische Darstellung entsprechend Fig. 1, jedoch zur Anwendung des erfindungsgemässen Verfah rens ausgebildet;

Fig. 4 eine schematische Darstellung entsprechend Fig. 1, in einer zweiten Ausführungsform.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind von der Anlage beispielsweise die Steuer- und Regelorgane zur Brennstoffzu führung. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Die Fig. 1 zeigt eine Lösung des Standes der Technik, bei der mehrere Brenner 1 einer Ringbrennkammer 2 zu Brennergruppen 3 zusammengefasst sind. Jede Brennergruppe 3 ist über Brenner leitungen 4, 5 mit einem Verteilerblock 6 verbunden. Die Ver teilerblöcke 6 sind mittels Versorgungsleitungen 7, 8 an Ringleitungen 9, 10 angeschlossen, welche ihrerseits über Zu leitungen 11, 12 mit Flüssigbrennstoff und Wasser versorgt werden. In jeder der zur Zufuhr von Flüssigbrennstoff dienen den Versorgungleitungen 7 ist ein Regelventil 13 mit einer integrierten Bypassblende 14 angeordnet.

Beim Startvorgang der Ringbrennkammer 2 werden zunächst die Regelventile 13 geschlossen. Dabei sorgt der Verteilerdruck des Brennstoffes für ein gleichmässiges Befüllen der Brenner leitungen 4 über die Bypassblenden 14. Nach der Zündung der Brenner 1, d. h. bei höheren Brennstoffdurchsätzen, werden die Regelventile 13 wieder geöffnet, so dass ein Dauerbetrieb der Brennkammer 2 unter akzeptablen Brennstoffdrücken gewährlei stet ist.

Die Fig. 2 zeigt eine Gasturbinenanlage, mit einer Gasturbine 15, einem Verdichter 16 und einem Generator 17, welche auf einer gemeinsamen Welle 18 angeordnet sind. Zwischen dem Ver dichter 16 und der Gasturbine 15 sind eine erste und eine zweite, jeweils als Ringbrennkammer ausgebildete Brennkammer 19, 20 mit einer zwischengeschalteten Turbinenstufe 21 in Reihe angeordnet. In Fig. 3 ist die zweite Ringbrennkammer 20 dargestellt, in der das erfindungsgemässe Verfahren zur Brennstoffverteilung realisiert wird. Diese Ringbrennkammer 20 benötigt keine Regelventile 13 und entsprechende Bypass blenden 14.

Beim Betrieb der Gasturbinenanlage wird Brennstoff 22 in die erste Ringbrennkammer 19 eingedüst und dort gemeinsam mit im Verdichter 16 komprimierter Luft 23 verbrannt. Die heissen Abgase 24 der ersten Ringbrennkammer 19 werden, nach ihrer Entspannung in der zwischengeschalteten Turbinenstufe 21, in die zweite Ringbrennkammer 20 eingeleitet und zünden deren Brenner 1. Anschliessend wird die Gasturbine 15 mit den Abga sen 25 der zweiten Ringbrennkammer 20 beaufschlagt, so dass diese mechanische Arbeit zum Antrieb des Verdichters 16 und des Generators 17 leistet. Die entspannten Abgase 25 werden über einen Kamin 26 abgeleitet (Fig. 2).

In der zweiten Ringbrennkammer 20 werden zunächst die zu zün denden Brenner 1 über die Zuleitung 12, die Ringleitung 10, die Versorgungsleitung 8 und die Brennerleitung 5 mit Wasser gefüllt (Fig. 3). Die erforderliche Wassermenge ergibt sich aus dem Druckunterschied, den die Brenner 1 aufgrund ihrer unterschiedlichen geodätischen Höhe aufweisen. Sie wird für jede Anlage rechnerisch ermittelt und/oder experimentell be stimmt. Danach wird über die Zuleitung 11, die Ringleitung 9, die Versorgungsleitung 7 und die Brennerleitung 4 Flüssig brennstoff, z. B. in Form von Brennöl, in die Brenner 1 einge düst. Aufgrund der bereits zuvor mit Wasser gefüllten Brenner 1 und Brennerleitungen 5 ist der zur Zündung erforderliche Brennstoffdruck so gross, dass der Einfluss der geodätischen Höhe vernachlässigbar wird. An der Mündung der Brenner 1 in die Ringbrennkammer 20 erfolgt anschliessend die Zündung der Wasser/Brennöl-Emulsion mittels der heissen Abgase der ersten Ringbrennkammer 19, welche beispielsweise analog des in Fig. 1 dargestellten Standes der Technik mit Brennstoff versorgt werden kann.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel werden die Brenner 1 ei ner Ringbrennkammer 27 von internen Stützflammen gezündet. Dazu sind in der Ringbrennkammer 27 Pilotbrenner 28 axial zu den Brennern 1 gestuft angeordnet. Natürlich ist auch eine radial gestufte Anordnung der Pilotbrenner 28 möglich. Die Pilotbrenner werden über eine weitere Zuleitung 29 und eine zusätzliche Ringleitung 30 separat mit Brennstoff versorgt (Fig. 4). Der weitere Aufbau der Ringbrennkammer 27 und der Verfahrensablauf sind analog dem des ersten Ausführungsbei spiels.

Bezugszeichenliste

1

Brenner

2

Ringbrennkammer

3

Brennergruppe

4

Brennerleitung für Flüssigbrennstoff (Brennöl)

5

Brennerleitung für Wasser

6

Verteilerblock

7

Versorgungsleitung (Brennöl)

8

Versorgungsleitung (Wasser)

9

Ringleitung (Brennöl)

10

Ringleitung (Wasser)

11

Zuleitung (Brennöl)

12

Zuleitung (Wasser)

13

Regelventil

14

Bypassblende

15

Gasturbine

16

Verdichter

17

Generator

18

Welle

19

Brennkammer, Ringbrennkammer (erste)

20

Brennkammer, Ringbrennkammer (zweite)

21

Turbinenstufe

22

Brennstoff

23

Luft

24

Abgas

25

Abgas

26

Kamin

27

Ringbrennkammer

28

Pilotbrenner

29

Zuleitung, weitere

30

Ringleitung, zusätzliche

Claims

1. Verfahren zur Brennstoffverteilung in einer axial gela gerten Brennkammer (20), bei welcher Brenner (1) über Brennerleitungen (4, 5) und Versorgungsleitungen (7, 8) für Flüssigbrennstoff sowie Wasser angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass

a) die zu zündenden Brenner (1) und die, der Wasserzu fuhr dienenden Brennerleitungen (5) zunächst mit Wasser gefüllt werden,
b) danach über die entsprechenden Versorgungsleitungen (7) Flüssigbrennstoff in die Brenner (1) eingedüst wird,
c) anschliessend die Zündung der Wasser/Brennstoff emulsion der Brenner (1) mittels heisser Gase einer weiteren Brennkammer (19) oder mittels interner Stützflammen erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Zündbrennstoff eine solche Wassermenge zugegeben wird, dass der zur Zündung erforderliche Druck erheblich grösser als der geodätische Druck ist.