DE19942387A1

DE19942387A1 - Verfahren zum Verbrennen eines flüssigen Brennstoffes in einem Verbrennungssystem sowie Verbrennungssystem zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE19942387A1
Application number: DE19942387A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Polifke; Christian Oliver Paschereit; Christian Steinbach
Original assignee: ABB Alstom Power Switzerland Ltd
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1999-07-14
Filing date: 1999-07-14
Publication date: 2001-01-18
Also published as: US6336806B1; GB0017056D0; GB2352504A; GB2352504B

Abstract

Bei einem Verfahren zum Verbrennen eines flüssigen Brennstoffes in einem Verbrennungssystem (10), welches eine Brennkammer (11) sowie wenigstens eine Einspritzdüse (13) umfasst, durch die flüssiger Brennstoff in die Brennkammer (11) in Form eines Brennstoffstrahles (16) eingedüst und dort unter Zugabe von Verbrennungsluft verbrannt wird, wird auf einfache Weise ein störungsfreier Betrieb dadurch gekennzeichnet, dass zur aktiven Unterdrückung von strömungsmechanischen Instabilitäten in der Brennkammer (11) der eingedüste Brennstoffstrahl (16) dadurch moduliert wird, dass er beim Eindüsen mit einer elektrischen Spannung nach Maßgabe einer ausgewählten Zeitfunktion beaufschlagt wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verbrennungstechnik. Sie betrifft ein Verfahren zum Verbrennen eines flüssigen Brennstoffes in einem Verbrennungssystem gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Ver brennungssystem zur Durchführung des Verfahrens.

STAND DER TECHNIK

Thermoakustische Schwingungen stellen eine Gefahr für jede Art von Verbren nungsanwendungen dar. Sie führen zu Druckschwankungen hoher Amplitude, zu einer Einschränkung des Betriebsbereiches und können unerwünschte Emissio nen erhöhen. Dieses trifft insbesondere für Verbrennungssysteme mit geringer akustischer Dämpfung zu, wie sie beispielsweise bei Gasturbinen eingesetzt wer den. Um eine hohe Leistung in Bezug auf Pulsationen und Emissionen über einen weiten Betriebsbereich zu garantieren, kann eine aktive Kontrolle der Verbren nungsschwingungen notwendig sein.

Es sind bereits verschiedene Techniken zur Kontrolle bzw. Unterdrückung von Verbrennungsinstabilitäten mittels eines aktiven Kontrollsystems vorgeschlagen worden, bei denen entweder in einer offenen oder geschlossenen Regelschleife die Zufuhr des Brennstoffs und/oder der Verbrennungsluft zum Brenner oder den Brennern in definierter Weise gesteuert bzw. moduliert wird. So bezieht sich eine ältere, nicht vorveröffentlichte Anmeldung der Anmelderin beispielsweise auf die aktive Kontrolle der Instabilitäten bei einem Vormischbrenner, wie er z. B. in der EP-B1-0 321 809 in der dortigen Fig. 1 wiedergegeben ist. In einer offenen Schleife werden bei einem solchen Vormischbrenner die Brennstoffströme in den beiden äusseren Brennstoffleitungen (8, 9 in Fig. 1 der EP-B1-0 321 809) asym metrisch mit Frequenzen zwischen 0,3 Hz und 5 kHz, vorzugsweise zwischen 5 Hz und 200 Hz, moduliert. Die Modulation erfolgt mit Hilfe von zwei Brennstoffven tilen, die in die Brennstoffleitungen eingefügt sind.

Nachteilig ist bei der Verwendung von mechanisch bewegten, elektrisch angetrie benen Brennstoffventilen, das mechanisch bewegte Teile vorhanden sind, die nicht nur den Bereich der Modulationsfrequenz begrenzen, sondern auch bei den angewandten Modulationsfrequenzen einem erhöhten Verschleiss unterworfen sind und hinsichtlich der Funktionssicherheit Einschränkungen unterliegen. Nach teilig ist aber auch der vergleichsweise hohe Energiebedarf der Ventile, der einen erheblichen zusätzlichen Schaltungsaufwand erforderlich macht.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist Aufgabe der Endung, ein Verbrennungsverfahren bzw. Verbrennungssy stem zu schaffen, das auf einfache und wirkungsvolle Weise und ohne mecha nisch bewegte Teile durch Modulation über einen weiten Frequenzbereich ther moakustische Verbrennungsinstabilitäten wirkungsvoll unterdrückt.

Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale aus den Ansprüche 1 bzw. 7 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, eine elektrostatisch unterstützte Eindüsung des flüssigen Brennstoffes vorzunehmen. Durch die Beaufschlagung des Brennstoffes mit einer elektrischen Spannung lassen sich der Strahlwinkel und die Reichweite des eingedüsten Brennstoffstrahles, die Zerstäubung und die resultierende Tröpfchengrössenverteilung, sowie die Verdampfung und Verteilung des Brennstoffes beeinflussen. Erfolgt diese Beeinflussung nach Massgabe einer vorgegebenen, ausgewählten Zeitfunktion, kann entsprechend die Verbrennungs flamme und damit die momentane Wärmeerzeugungsrate moduliert werden. Da die momentane Wärmeerzeugungsrate den wichtigsten einzelnen Faktor bei der Erzeugung und Unterdrückung der thermoakustischen Verbrennungsinstabilitäten darstellt, können durch eine geeignete Wahl der Zeitfunktion und anderer Modula tionsgrössen die Instabilitäten wirksam unterdrückt werden.

Gemäss eine bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird zur Modulation eine Hochspannung von mehreren kV verwendet, die insbe sondere eine pulsierende Gleichspannung ist, wobei als Zeitfunktion eine periodi sche Funktion verwendet wird.

Die Modulation der Hochspannung kann dabei einerseits in einer offenen Regel schleife erfolgen. Dies ist insbesondere dann gerechtfertigt, wenn die Instabilitäten in der Brennkammer ein zeitlich konstantes Verhalten zeigen und durch Auswahl einer geeigneten festen Zeitfunktion unterdrückt bzw. geschwächt werden können.

Sind die Instabilitäten dagegen zeitlich veränderlich oder abhängig vom verschie denen sich ändernden Betriebsparametern, ist es zweckmässig und vorteilhaft, die strömungsmechanischen Instabilitäten durch Messung geeigneter Grössen, ins besondere der momentanen Wärmefreisetzungsrate oder der Druckpulsationen, fortlaufend zu überwacht, und unter Einbeziehung der gemessenen Grössen die Modulation in einer geschlossenen Regelschleife durchzuführen.

Das erfindungsgemässe Verbrennungssystem, das eine Brennkammer sowie we nigstens eine Einspritzdüse umfasst, durch welche flüssiger Brennstoff in die Brennkammer eingedüst wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass erste Mittel vor handen sind, um den flüssigen Brennstoff beim Eindüsen mit einer elektrischen Spannung zu beaufschlagen.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Verbrennungssystem nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzdüse eine Düsenbohrung sowie einen zur Düsenbohrung führenden Brennstoffkanal umfasst, dass der Brennstoff im Brennstoffkanal mit der modulierenden elektrischen Spannung beaufschlagt wird, dass die Einspritzdüse einen Düsenkörper umfasst, in welchem die Düsen bohrung angeordnet ist, dass der Brennstoffkanal zwischen dem Düsenkörper und einen in eine Ausnehmung im Düsenkörper mit Abstand eingesetzten, vom Dü senkörper elektrisch isolierten Einsatz, gebildet wird, und dass die modulierende elektrische Spannung zwischen dem Düsenkörper und dem Einsatz anliegt.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusam menhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 eine schematisierte Anordnung eines Verbrennungssystems ge mäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit geschlossener Regelschleife; und

Fig. 2 den Längsschnitt durch eine zur elektrostatischen Modulation ge eigneten Einspritzdüse gemäss Fig. 1.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In Fig. 1 ist in einer schematisierten Darstellung die Anordnung eines Verbren nungssystems gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit geschlossener Regelschleife wiedergegeben. Das Verbrennungssystem 10 um fasst eine Brennkammer 11, in deren Innenraum 12 eine Einspritzdüse 13 zur Eindüsung eines Brennstoffstrahls 16 aus flüssigem Brennstoff angeordnet ist. Der flüssige Brennstoff (z. B. Oel) wird der Einspritzdüse 13 von aussen über eine Brennstoffleitung 14 zugeführt. Die notwendige Verbrennungsluft tritt in die Brenn kammer durch einen Lufteinlass 15 ein. Die Brennstoffdüse 13 ist über Zuleitun gen mit einer gesteuerten Spannungsversorgung 17 verbunden, die eine gepulste bzw. getaktete Gleichspannung im Hochspannungsbereich von mehreren kV, z. B. 10 bis 20 kV, abgibt. Die Taktfrequenz richtet sich massgeblich nach den thermo akustischen Verbrennungsinstabilitäten, die in der Brennkammer 11 entstehen können, und ist so gewählt, dass diese Instabilitäten unterdrückt oder zumindest stark geschwächt werden. Die Frequenzen können dabei im Bereich von einigen Hz bis einigen kHz liegen. Die gesteuerte Spannungsversorgung 17 kann einer seits fest auf eine optimale Taktfrequenz bzw. Zeitfunktion eingestellt werden. Es handelt sich dann bei dem Regelkreis für die Unterdrückung der Instabilitäten um einen offen Regelkreis ("open loop"). Die Spannungsversorgung 17 kann aber auch - wie dies in Fig. 1 gezeigt ist - von einem Sensorelement, z. B. einem Druck sensor 19, gesteuert werden, das (der) die Instabilitäten (Druckschwankungen) in der Brennkammer 11 aufnimmt und entsprechende Signale über eine Signallei tung 18 zur Steuerung an die Spannungsversorgung 17 weitergibt. In diesem Falle erfolgt die Regelung in einem geschlossenen Regelkreis ("closed loop"). Anstelle der Druckpulsationen mit dem Drucksensor 19 kann aber auch die momentane Wärmefreisetzungsrate, z. B. durch Messung der OH-Strahlungsintensität, gemes sen und zur Regelung herangezogen werden.

Die getaktete Hochspannung aus der Spannungsversorgung 17 moduliert in der Einspritzdüse 13 den Brennstoffstrahl 16 (in Fig. 1 angedeutet durch die periodi schen senkrechten Linien im Brennstoffstrahl). Durch die elektrostatische Beauf schlagung der Flüssigkeitströpfchen werden verschiedene Parameter des Brenn stoffstrahles 16 beeinflusst, wie

- der Öffnungswinkel und die Reichweite des Strahles;
- die Zerstäubung und die daraus resultierende Tröpfchengrössenverteilung; und
- die Verdampfung der Brennstofftröpfchen und die Brennstoffverteilung.

Diese Parameter ihrerseits beeinflussen - durch eine Änderung der Zündverzö gerungszeiten, der lokalen Äquivalenzverhältnisse, etc. - den Ort des Brennstoff verbrauchs und damit die Flammenposition. Wenn die Hochspannung an der Ein spritzdüse (durch die Taktung) variiert wird, kann dadurch die momentane Wär meerzeugungsrate in der Brennkammer 11 moduliert werden, die der wichtigste einzelne Faktor für die Erzeugung und damit auch für die aktive Unterdrückung der thermoakustischen Verbrennungsinstabilitäten ist.

Die Beaufschlagung des eingedüsten Brennstoffs mit der Hochspannung kann in einer Einspritzdüse 13 erfolgen, wie sie im Längsschnitt in Fig. 2 wiedergegeben ist. Die Einspritzdüse 13 umfasst eine Düsenbohrung 23 sowie einen zur Düsen bohrung 23 führenden Brennstoffkanal 22. Der Brennstoff wird im Brennstoffkanal 22 mit der modulierenden elektrischen Spannung beaufschlagt. Dazu besteht die Einspritzdüse 13 aus einem Düsenkörper 20, in dem die Düsenbohrung 23 ange ordnet ist. Der Brennstoffkanal 22 wird zwischen dem Düsenkörper 20 und einem in eine Ausnehmung im Düsenkörper (20) mit Abstand eingesetzten, vom Düsen körper 20 elektrisch isolierten Einsatz 21 gebildet. Die modulierende elektrische Spannung U, die über zwei Anschlüsse 24 herangeführt wird, liegt zwischen dem Düsenkörper 20 und dem Einsatz 21 an. Der durch den Brennstoffkanal 22 strö mende Brennstoff passiert so ein senkrecht zur Strömungsrichtung orientiertes Gleichspannungsfeld und wird entsprechend der Zeitfunktion der anliegenden Spannung in der oben angegebenen Weise moduliert.

Die Vorteile einer derartigen elektrostatisch modulierbaren Einspritzdüse über me chanische Lösungen wir schnell schaltende Ventile oder rotierende Einrichtungen liegen auf der Hand:

- es gibt keine beweglichen Teile; daher lassen ich ohne Probleme hohe Modulationsfrequenzen bis zu einigen kHz erreichen;
- der einfache Aufbau ohne bewegliche Teile ergibt eine hohe Zuverlässigkeit und geringe Bau- und Wartungskosten;
- die Rate des Brennstoffmassenstroms bleibt konstant, d. h., es wird keine mechanische Arbeit geleistet, und der Leistungsbedarf ist daher gering;
- die akustische Impedanz der Brennstoffleitung 14 kann das Ansprechver halten der Modulationseinrichtung nicht beeinflussen, da die Düsenbohrung 23 die Brennstoffleitung 14 abschliesst; und
- die Regelung kann ohne Probleme sowohl in einer offenen als auch einer geschlossenen Regelschleife erfolgen.

Bezugszeichenliste

10

Verbrennungssystem

11

Brennkammer

12

Innenraum (Brennkammer)

13

Einspritzdüse

14

Brennstoffleitung

15

Lufteinlass

16

Brennstoffstrahl

17

Spannungsversorgung (gesteuert)

18

Signalleitung

19

Drucksensor

20

Düsenkörper

21

Einsatz

22

Brennstoffkanal

23

Düsenbohrung

24

Anschluss (Steuerspannung)

Claims

1. Verfahren zum Verbrennen eines flüssigen Brennstoffes in einem Ver brennungssystem (10), welches eine Brennkammer (11) sowie wenigstens eine Einspritzdüse (13) umfasst, durch die flüssiger Brennstoff in die Brennkammer (11) in Form eines Brennstoffstrahles (16) eingedüst und dort unter Zugabe von Verbrennungsluft verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur aktiven Un terdrückung von strömungsmechanischen Instabilitäten in der Brennkammer (11) der eingedüste Brennstoffstrahl (16) dadurch moduliert wird, dass er beim Eindü sen mit einer elektrischen Spannung nach Massgabe einer ausgewählten Zeit funktion beaufschlagt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Modula tion eine Hochspannung von mehreren kV verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hoch spannung eine pulsierende Gleichspannung ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Zeitfunktion eine periodische Funktion verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation in einer offenen Regelschleife erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die strömungsmechanischen Instabilitäten in der Brennkammer (11) durch Messung geeigneter Grössen, insbesondere der momentanen Wärmefreiset zungsrate oder der Druckpulsationen, fortlaufend überwacht werden, und dass unter Einbeziehung der gemessenen Grössen die Modulation in einer geschlosse nen Regelschleife erfolgt.

7. Verbrennungssystem (10) zur Durchführung des Verfahrens, umfassend eine Brennkammer (11) sowie wenigstens eine Einspritzdüse (13), durch welche flüssiger Brennstoff in die Brennkammer eingedüst wird, dadurch gekennzeichnet, dass erste Mittel (13, 17; 20, . . ., 24) vorhanden sind, um den flüssigen Brennstoff beim Eindüsen mit einer elektrischen Spannung zu beaufschlagen.

8. Verbrennungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzdüse (13) eine Düsenbohrung (23) sowie einen zur Düsenbohrung (23) führenden Brennstoffkanal (22) umfasst, und dass der Brennstoff im Brenn stoffkanal (22) mit der modulierenden elektrischen Spannung beaufschlagt wird.

9. Verbrennungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzdüse (13) einen Düsenkörper (20) umfasst, in welchem die Düsenboh rung (23) angeordnet ist, dass der Brennstoffkanal (22) zwischen dem Düsenkör per (20) und einen in eine Ausnehmung im Düsenkörper (20) mit Abstand einge setzten, vom Düsenkörper (20) elektrisch isolierten Einsatz (21), gebildet wird, und dass die modulierende elektrische Spannung zwischen dem Düsenkörper (20) und dem Einsatz (21) anliegt.

10. Verbrennungssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, dass die Mittel zur Beaufschlagung des flüssigen Brennstoffes mit einer elektrischen Spannung eine gesteuerte Spannungsversorgung (17) umfas sen.

11. Verbrennungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Brennkammer (11) zweite Mittel (19) zur Überwachung bzw. Messung von strömungsmechanischen Instabilitäten angeordnet sind, und dass die zweiten Mittel (19) mit der gesteuerten Spannungsversorgung in Wirkverbindung stehen.