DE202011101763U1

DE202011101763U1 - Gasturbine mit Brennstofflanz und Verteilsystem zum Eindüsen von flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffen

Info

Publication number: DE202011101763U1
Application number: DE202011101763U
Authority: DE
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: Ansaldo Energia Switzerland AG
Priority date: 2011-06-14
Filing date: 2011-06-14
Publication date: 2011-09-30
Anticipated expiration: 2021-06-15

Abstract

Gasturbine mit Brennstofflanze (10) und Verteilsystem zum Eindüsen von flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffen in eine sekundäre oder tertiäre Brennkammer der Gasturbine, wobei die Brennstofflanze (10) Teil eines von einem Verbrennungsluftstrahl in einer Hauptströmungsrichtung (25) umströmten sekundären oder tertiären Brenners ist, und innerhalb eines äusseren Lanzenmantels (12) einen Flüssigbrennstoffkanal (17) zur Zuführung von Flüssigbrennstoff, einen den Flüssigbrennstoffkanal (17) umgebenden Gaskanal (15) zur Zuführung von gasförmigen Brennstoff und einen den Gaskanal (15) umgebenden Luftkanal (13) zur Zuführung von Kühl- bzw. Zerstäuberluft umfasst, sowie erste Mittel (23) zum radialen Eindüsen des Flüssigbrennstoffes aus dem Flüssigbrennstoffkanal (17) in die Brennkammer sowie zweite Mittel (21) zum radialen Eindüsen des gasförmigen Brennstoffes aus dem Gaskanal (15) in die Brennkammer, wobei die austretenden Brennstoffstrahlen von der aus dem Luftkanal (13) durch die Mantelöffnung (22) ausströmende Luft mantelförmig umgeben werden, und wobei das Verteilsystem eine Luftverteilleitung (30) umfasst, die in den Luftkanal (13) der Brennstofflanze (10) mündet, eine...

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Brennertechnik, wie sie insbesondere bei Gasturbinen Anwendung findet. Sie betrifft eine Gasturbine mit Brennstofflanze und Verteilsystem zum Eindüsen von flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffen in eine Brennkammer, welche Brennstofflanze Teil eines von einem Verbrennungsluftstrahl in einer Hauptströmungsrichtung umströmten sekundären oder tertiären Brenners ist.
STAND DER TECHNIK
Aus der Druckschrift DE 43 26 802 ist eine Brennstofflanze bekannt, die für den Betrieb in Gasturbinen (siehe dazu beispielsweise die Druckschrift EP 0620362 ) geeignet ist. Die Düsen für gasförmigen Brennstoff und Flüssigbrennstoff (Öl etc.) sind dabei kombiniert. Eine derartige Brennstofflanze umfasst innerhalb eines äusseren Lanzenmantels einen Flüssigbrennstoffkanal zur Zuführung von Flüssigbrennstoff, einen den Flüssigbrennstoffkanal umgebenden Gaskanal zur Zuführung von gasförmigem Brennstoff und einen den Gaskanal umgebenden Luftkanal zur Zuführung von Kühl- bzw. Zerstäuberluft, sowie erste Mittel zum radialen Eindüsen des Flüssigbrennstoffes aus dem Flüssigbrennstoffkanal in die Brennkammer sowie zweite Mittel zum radialen Eindüsen des gasförmigen Brennstoffes aus dem Gaskanal in die Brennkammer.
Herkömmlich werden dabei im Gasbetrieb nur Brenngas und Kühlluft durch die Lanze eingeleitet. Eine Zuleitung von Wasser ist nicht vorgesehen und ein Gasbetrieb mit Wassereinspritzung nicht möglich.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Gasturbine mit einem Verteilsystem zum Anschluss an eine an sich bekannte Lanze, die einen Flüssigbrennstoffkanal zur Zuführung von Flüssigbrennstoff, einen den Flüssigbrennstoffkanal umgebenden Gaskanal zur Zuführung von gasförmigem Brennstoff und einen den Gaskanal umgebenden Luftkanal zur Zuführung von Kühl- bzw. Zerstäuberluft umfasst, anzugeben, wobei das Verteilsystem es erlaubt diese Lanze zur Leistungssteigerung und/oder zur Reduktion der NOx Emissionen im Gasbetrieb mit Brenngas und Wasser zu betreiben.
Herkömmlich umfasst das Verteilsystem der Lanze einen Anschluss an Kühlluftverteilleitungen, Brenngasverteilleitungen und Flüssigbrennstoffverteilleitungen. Um einen Betrieb mit Brenngas und Wassereinspritzung zu erlauben, wird der Flüssigbrennstoffkanal zusätzlich zu dem Anschluss an eine Flüssigbrennstoffverteilleitung an eine Wasserverteilleitung angeschlossen. Um einen Betrieb mit gasförmigem Brennstoff und Wasser sowie einen Betrieb mit flüssigem Brennstoff zu erlauben sind weiterhin Absperrventile vorgesehen, die es erlauben die beiden Verteilverteilleitungen von der Lanze zu trennen. Weiter ist ein Regelventil vorgesehen, dass eine Regelung des Wassermassenstroms erlaubt. Das Regelventil und das Absperrventil können auch in einem Ventil kombiniert sein.
Aus Sicherheitsgründen sind vorzugsweise Schnellschlussventile in den Brennstoffverteilleitungen und in der Wasserverteilleitung vorgesehen. Diese erlauben bei einer Betriebsstörung ein schnelles Abschalten von Brennstoff- und Wasserversorgung. Ausserdem wird durch sie eine dichtes Schliessen gewährleistet.
Mit einem derartigen Verteilsystem kann ein mit der Lanze versehener Brenner einer Gasturbine sowohl mit flüssigem Brennstoff, als auch mit gasförmigem Brennstoff (trocken) sowie auch mit gasförmigem Brennstoff mit Wassereinspritzung betrieben werden. Die geregelte Wassereinspritzung in einen die Lanze umgebenden Brenner erlaubt auch bei Betrieb mit Brenngas eine geregelte Leistungssteigerung sowie eine Reduktion der NOx Emissionen. Die reduzierten NOx Emissionen erlauben weiter eine Steigerung der Heissgastemperaturen und damit der Leistung der Gasturbine für Spitzenlastbetrieb oder Frequenzunterstützung, bei der z. B. bei kurzfristiger Unterfrequenz eine erhöhte Leistungsabgabe erforderlich ist.
Als gasförmiger Brennstoff wird beispielsweise Erdgas verwendet und als flüssiger Brennstoff beispielsweise Öl oder eine Wasser-Öl-Emulsion.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit einer schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Die einzige Figur zeigt im Längsschnitt den Kopfbereich einer Brennstofflanze gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit radialer Eindüsung des gasförmigen Brennstoffes und des Flüssigbrennstoffs oder des Wassers durch zwei konzentrisch ineinander angeordnete Leitrohre sowie schematisch den Anschluss an ein Verteilsystem.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In der einzigen Figur ist im Längsschnitt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Brennstofflanze mit Verteilsystem nach der Erfindung wiedergegeben. Die Brennstofflanze 10, die sich entlang einer Lanzenachse 24 erstreckt, die ihrerseits im wesentlichen parallel zur Hauptströmungsrichtung 25 einer die Lanze umströmenden Verbrennungsluftströmung liegt, ist in der Figur nur mit ihrem Kopfbereich dargestellt. In der Brennstofflanze 10 sind konzentrisch zur Lanzenachse 24 ineinanderliegend ein Flüssigbrennstoffrohr 16, ein Gasrohr 14 und ein Lanzenmantel 12 angeordnet. Das Innere des Flüssigbrennstoffrohres 16 bildet einen Flüssigbrennstoffkanal 17, durch welchen Flüssigbrennstoff, insbesondere Öl oder dgl., zur Eindüsung in Richtung des eingezeichneten Pfeils in den Lanzenkopf 11 geführt wird. Zwischen dem Flüssigbrennstoffrohr 16 und dem Gasrohr 14 ist ein Gaskanal 15 gebildet, durch welchen gasförmiger Brennstoff in Richtung des eingezeichneten Pfeils zum Eindüsen in den Lanzenkopf 11 geführt wird. Zwischen dem Gasrohr 14 und dem Lanzenmantel 12 schliesslich ist ein Luftkanal 13 gebildet, durch welchen in Richtung des eingezeichneten Pfeils Luft in den Lanzenkopf 11 geführt wird. Anstelle der in der Figur gezeigten konzentrischen Anordnung der Rohre 12, 14 und 16 ist es in bestimmten Fällen denkbar und auch vorteilhaft, die Rohre so anzuordnen, dass der Gaskanal 15 bzw. der Flüssigbrennstoffkanal 17 exzentrisch angeordnet ist.
In dem gezeigten Beispiel wird der Flüssigbrennstoff aus dem Flüssigbrennstoffkanal 17 radial in Form eines Plain-Jets in die Brennkammer eingedüst, in welche die Brennstofflanze 10 hineinragt. Zur Eindüsung ist ein erstes Leitrohr 23 vorgesehen, welches in radialer Richtung vom Flüssigbrennstoffkanal 17 abgeht und im Bereich einer (kreisförmigen) Mantelöffnung 22 im Lanzenmantel 12 endet. Der gasförmige Brennstoff wird ebenfalls aus dem Gaskanal 15 radial zur Lanzenachse 24 und damit zur Hauptströmungsrichtung 25 in die Brennkammer eingedüst. Dazu ist ein zweites Leitrohr 21 vorgesehen, welches in radialer Richtung vom Gaskanal 15 ausgeht und ebenfalls im Bereich der Mantelöffnung 22 endet. Beide Leitrohre 21, 23 sind mit Abstand konzentrisch ineinander angeordnet, so dass der gasförmige Brennstoff im derart gebildeten Ringspalt zwischen den beiden Leitrohren 21, 23 geführt wird. Der Durchmesser der Mantelöffnung 22 ist relativ zum Aussendurchmesser des zweiten Leitrohres 21 so gewählt, dass ein ringförmiger Spalt zur Erzeugung eines den Gasstrahl umgebenden, schützenden Luftmantels frei bleibt. Besonders günstig sind die Strömungsverhältnisse für den Luftmantelstrom, wenn die beiden Leitrohre 21, 23 – wie in der Figur gezeigt – bündig mit der Innenkontur des Lanzenmantels 12 enden.
Die Umlenkung der Strömungen aus dem Gaskanal 15 und dem Luftkanal 13 aus der axialen Richtung in die radiale Richtung und die Bildung der gewünschten Mantelströmungen kann weiter erleichtert werden, wenn sich das zweite Leitrohr 21 im Bereich des Luftkanals 14 im Aussendurchmesser zur Mündung hin konisch verjüngt, und sich das erste Leitrohr 23 im Bereich des Gaskanals 15 im Aussendurchmesser zur Mündung hin konisch verjüngt.
Weiterhin kann, falls notwendig, in an sich bekannter Weise Luft aus dem Luftkanal 13 zur Kühlung des Kopfteils 18 und zur Erzeugung eines axialen Luftschleiers in den Lanzenkopf geführt werden. Dazu werden auf einem konzentrischen Ring um die Lanzenachse 24 herum axiale Bohrungen 20 angeordnet, durch die Luft in axialer Richtung austreten kann. Die dazu erforderliche Luft wird aus dem Luftkanal 13 über einen Kopfkanal 19 herangeführt, der im Randbereich durch den Lanzenkopf 11 verläuft. Damit wird erreicht, dass auch der Lanzenkopf 11 durch die hindurchströmende Luft gekühlt wird.
Die Brennstofflanze 10 wird durch eine Luftverteilleitung 30, die in den Luftkanal 13 mündet, mit Kühlluft versorgt. Die Kühlluft wird typischerweise von dem Verdichter der Gasturbine abgezweigt. Je nach Ausführung kann ein Kühlluftregelventil in der Luftverteilleitung 30 vorgesehen sein (nicht gezeigt).
Die Brennstofflanze 10 kann durch eine Brenngasverteilleitung 31, die in den Gaskanal 15 mündet, mit gasförmigem Brennstoff versorgt werden. Der Brenngasstrom kann mit einem Brenngasregelventil 32 geregelt werden.
Weiter wird die Brennstofflanze durch eine Flüssigbrennstoffverteilleitung 34, die in den Flüssigbrennstoffkanal 17 mündet, mit flüssigem Brennstoff versorgt. Der Flüssigbrennstoffstrom kann mit einem Flüssigbrennstoffregelventil 33 geregelt werden.
Alternativ zur Einleitung von Flüssigbrennstoff durch die Flüssigbrennstoffverteilleitung 34 kann in den Flüssigbrennstoffkanal 17 über eine Wasserverteilleitung 36 auch Wasser eingeleitet werden. Der Wasserstrom kann mit einem Wasserregelventil 35 geregelt werden.
Ein derartiges Verteilsystem erlaubt den Betrieb mit Brenngas, mit Brenngas und Wassereinspritzung sowie mit Flüssigbrennstoff.
Bezugszeichenliste

10: Brennstofflanze
11: Lanzenkopf
12: Lanzenmantel
13: Luftkanal
14: Gasrohr
15: Gaskanal
16: Flüssigbrennstoffrohr
17: Flüssigbrennstoffkanal
18: Kopfteil
19: Kopfkanal (Luft)
20: Bohrung (Luftschleier)
21: Leitrohr (gasförmiger Brennstoff)
22: Mantelöffnung
23: Leitrohr (flüssiger Brennstoff)
24: Lanzenachse
25: Hauptströmungsrichtung
30: Luftverteilleitung
31: Brenngasverteilleitung
32: Brenngasregelventil
33: Flüssigbrennstoffregelventil
34: Flüssigbrennstoffverteilleitung
35: Wasserregelventil
36: Wasserverteilleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4326802 [0002]
EP 0620362 [0002]

Claims

Gasturbine mit Brennstofflanze (10) und Verteilsystem zum Eindüsen von flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffen in eine sekundäre oder tertiäre Brennkammer der Gasturbine, wobei die Brennstofflanze (10) Teil eines von einem Verbrennungsluftstrahl in einer Hauptströmungsrichtung (25) umströmten sekundären oder tertiären Brenners ist, und innerhalb eines äusseren Lanzenmantels (12) einen Flüssigbrennstoffkanal (17) zur Zuführung von Flüssigbrennstoff, einen den Flüssigbrennstoffkanal (17) umgebenden Gaskanal (15) zur Zuführung von gasförmigen Brennstoff und einen den Gaskanal (15) umgebenden Luftkanal (13) zur Zuführung von Kühl- bzw. Zerstäuberluft umfasst, sowie erste Mittel (23) zum radialen Eindüsen des Flüssigbrennstoffes aus dem Flüssigbrennstoffkanal (17) in die Brennkammer sowie zweite Mittel (21) zum radialen Eindüsen des gasförmigen Brennstoffes aus dem Gaskanal (15) in die Brennkammer, wobei die austretenden Brennstoffstrahlen von der aus dem Luftkanal (13) durch die Mantelöffnung (22) ausströmende Luft mantelförmig umgeben werden, und wobei das Verteilsystem eine Luftverteilleitung (30) umfasst, die in den Luftkanal (13) der Brennstofflanze (10) mündet, eine Brenngasverteilleitung (31) umfasst, die in den Gaskanal (15) der Brennstofflanze (10) mündet, sowie eine Flüssigbrennstoffverteilleitung (34) umfasst, die in den Flüssigbrennstoffkanal (17) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass das Verteilsystem eine Wasserverteilleitung (36) umfast, die in den Flüssigbrennstoffkanal (17) mündet und über den Flüssigbrennstoffkanal (17) eine Wassereinspritzung in die Brennkammer erlaubt.
Gasturbine mit Brennstofflanze (10) mit Verteilsystem zum Eindüsen von flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffen in eine Brennkammer der Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wasserverteilleitung (36) ein Wasserregelventil (35) angeordnet ist.