DE2333087A1

DE2333087A1 - Brennkammer mit wirbelbett

Info

Publication number: DE2333087A1
Application number: DE19732333087
Authority: DE
Inventors: Henrik Harboe
Original assignee: Stal Laval Turbin AB
Current assignee: ABB Stal AB
Priority date: 1972-07-07
Filing date: 1973-06-29
Publication date: 1974-01-24
Also published as: US3924402A; GB1427184A; SE364756B; DE2333087C2

Description

Patentanwälte

Dipl.-Ing. Helmut Missling 63 Giessen £8 6 1973

Dipl.-Ing. Richard Schlee Biemarcketrasse 43

Dr.-Ing. Joachim Boecker 2333087 Telefon: (0641) 71019

Boe/Sn 11.661

STAL-LAVAL TURBIN AB, Finspang/Schweden

Brennkammer mit Wirbelbett

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkammer mit Wirbelbett, vorzugsweise für Gasturbinen, mit Anordnungen zur Zufuhr von Brennstoff und Verbrennungsluft sowie einem Kühlsystem zur Kühlung des Wirbelbettes durch Gas- oder Luftkühlung.

Beim Betrieb von beispielsweise Gasturbinen ist es oft wünschenswert, einen beliebigen Brennstoff verwenden zu können, und zwar auch zerkleinerten festen Brennstoff. Die Verwendung des letztgenannten Brennstoffes ist bisher kaum über das Versuchsstadium hinausgelangt, bedingt durch Schwierigkeiten bei der Reinigung der Verbrennungsgase. Die mitgerissene Asche in den Verbrennungsgasen verursacht nämlich sowohl Erosion als auch Ablagerungen im Schaufelsystem, was möglicherweise darauf beruht, daß die Verbrennungstemperatur in den bekannten Brennern so hoch ist, daß die Asche schmilzt und dadurch einen glasartigen Charakter mit hohem

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Schleifvermögen annimmt. Daher wurde in letzter Zeit die Verwendung einer Brennkammer mit Wirbelbett und Kühlung vorgeschlagen.

Brennkammern mit Wirbelbett, in denen die Verbrennung in einem Bett aus aufgewirbeltem pulverförmigem oder körnigem Material geschieht, haben den Vorteil einer effektiven Verbrennung bei mäßiger Temperatur und mit mäßigem Luftüberschuß, wobe4/Ö.ie Asche nicht schmilzt und daher eine bedeutend weichere Konsistenz behält.

Ferner kann diese Brennkammer gasförmigen, flüssigen und auch zerkleinerten festen Brennstoff verbrennen. Nachteilig sind die Reguiierungsschwierigkeiten bei variierender Belastung. Eine Regulierungsmöglichkeit besteht darin, die Kammer in Sektionen aufzuteilen, die zu- und abgeschaltet werden können. Hierdurch ist eine kontinuierliche Regelung jedoch nicht möglich. Eine andere Regulierungsmöglichkeit besteht darin, die Tiefe im Wirbelbett zu ändern, so daß das Bettmaterial abgelassen oder aufgefüllt wird, was jedoch sehr kompliziert ist.

Ein anderes Problem ist die Kühlung, die in der Regel teils mit Wasser und teils mit Dampf geschieht, wobei die Brennkammer als Dampfkessel arbeitet. Dies bedeutet normalerweise, daß das Kühlsystem beim Anhalten der Turbine abgeschaltet

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werden muß, damit das Wirbelbett seine Temperatur bis zum nächsten Start beibehalten kann, da das Kühlsystem wieder gefüllt werden muß. Dieser Brennkammertyp ist daher für einen intermittierenden Betrieb wenig geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammer der eingangs erwähnten Art zu entwickeln, die mit konstanter temperatur und konstanter Bettiefe betrieben werden kann, aber dennoch innerhalb gewisser Grenzen leicht regulierbar ist und einen intermittierenden Betrieb gestattet.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird nach der Erfindung eine Brennkammer der eingangs erwähnten Art vorgeschlagen, die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß die Brennkammer Regulierorgane für Verbrennungsluft, für Kühlluft und für die Zufuhr von Brennstoff enthält, welche so zusammengekuppelt sind, daß sie auch bei variierender Belastung ein solches Verhältnis zwischen Kühlluftmenge, Verbrennungsluftmenge und Brennstoffmenge aufrechterhalten, daß im wirbelbett bei einer maximalen Temperatur von ungefähr 95ü°C eine vollständige Verbrennung erfolgt. Bei der Brennkammer nach der Erfindung wird also das Kühlsystem mit Luft oder Gas irgendeiner Art betrieben,und es wird ständig ein bestimmtes Verhältnis zwischen der Verbrennungsluft- und Kühlluftmenge aufrechterhalten. Die Brennstoffmenge soll dabei der Menge an Verbrennungsluft bei variierender Belastung folgen.

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Im Prinzip denkt man sich dabei ein festes Verhältnis zwischen Verbrennungsluft und Kühlluft bei variierender Belastung, was im Prinzip eine konstante Brennkammertemperatur bedeutet. In der Praxis können Jedoch gewisse kleinere Variationen zweckmäßig sein.

Zweckmäßigerweise sollte das Verhältnis zwischen der Verbrennungs- und Kühlluftmenge von der Größenordnung 1*2 sein, wobei die Brennkammertemperatur mit richtiger Brennstoffmenge bei ca. 700-950⁰C liegen sollte. Bei dieser Temperatur schmilzt die Asche nicht. Sie behält daher ihre Konsistenz eines weichen, amorphen Pulvers mit geringem Erosionsvermögen und geringer Tendenz zum Kleben oder zur Belagbildung bei.

Die Kühlluft und die Verbrennungsgase können hinter der Brennkammer gemischt und als ein gesammelter Strom beispielsweise einer Gasturbine zugeführt werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die beiden Luftströme getrennt zu halten und sie zu verschiedenen Gasturbinen zu leiten, wobei der Kühlluftstrom mit der zugehörigen Turbine als ein reines System gehalten werden kann. Die Verbrennungsgase müssen von Asche und vom Wirbelbett mitgerissenen Partikeln in einem Staubabscheider, beispielsweise einem Zyklon, gereinigt werden; wie jedoch bereits erwähnt, bilden die Verbrennungsgase nur einen kleineren Teil des gesamten Luftstromes.

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Anhand der Figur soil die Erfindung näher erläutert werden.

Von einem nicht gezeigten Kompressor oder einem Druckluftbehälter wird die Luft über die Leitung 1, in der sich eine Regelklappe oder ein Ventil 2 befindet, zugeführt. Falls die Luft direkt von einem Kompressor kommt, kann es von Vorteil sein, das Ventil 2 durch eine Klappe vor dem Kompressor zu ergänzen. Die Luft gelangt in einen Zwischenraum 3 zwischen dem äußeren und inneren Turbinengehäuse und von dort in die Außenumhüllung 4. Hier wird die Luft in Verbrennungsluft und Kühlluft geteilt.

Die Verbrennungsluft geht in den unteren Teil der Umhüllung zu den regulierbaren Klappen oder Ventilen 5 im Boden der eigentlichen Brennkammer 6. Hier tritt die Luft durch einen perforierten Boden 8 nach oben ins Wirbelbett 9» das aus einem körnigen festen Material besteht, welches durch die hindurchströmende Verbrennungsluft wie ein flüssiges Wirbelbett hochgerissen wird. Hierher wird auch eine Brennstoffleitung 7 geführt mit einem Verteilerkopf am oberen Ende, durch den Brennstoff und evtl. auch neues Bettmaterial zugeführt wird.

Der Brennstoff kann, wie bereits erwähnt, gasförmig oder flüssig sein, jedoch auch zerkleinerter fester Brennstoff ist denkbar. Das Wirbelbett hat dabei den Vorteil, etwas grobkörnige-

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ren Brennstoff verbrennen zu können als die z.B. in Dampfkesseln verwendeten Brenner für Kohlenpulver. Durch geeignete Wahl des Bettmaterials kann man außerdem eine bedeutende Absorption von unerwünschten Teilen im Brennstoff erhalten. Beispielsweise kann Kalkstein als Bettmaterial Schwefelverbindungen im Brennstoff absorbieren, wobei das schwefelgesättigte Bettmaterial dann vom oberen Teil des Bettes abgelassen werden muß, worauf man dem unteren Teil neues zuführt.

Vom Bett 9 aus passiert das aufsteigende Verbrennungsgas den Staubabscheider, zweckmäßigerweise Zyklonseparatoren 10 mit Ausblasrohren 18 im Boden, durch die Asche und mitgerissenes Bettmaterial abgeschieden werden. Vom Abscheider gelangt das gereinigte Gas in den Zwischenraum 11 zwischen der inneren Brennkammer 6 und der Zwischenumhüllung 19, von wo aus das Verbrennungsgas durch die Leitung 12 zur Gasturbine 20 geht.

Die Kühlluft steigt vom Boden der Außenumhüllung 4 durch den Zwischenraum 1 zwischen Außenumhüllung 4 und Zwischenumhüllung 15, die oben mit einer Regulierklappe 14 versehen ist, nach oben. Von hier strömt die Kühlluft durch den Zwischenraum 16 zwischen den Zwischenumhüilungen 15 und 19 und nach unten zu den Kühlrohren 17, die durch das Wirbelbett 9 hindurchgehen und im Zwischenraum 11 zwischen der Brennkammer 6 und der Außenumhüllung 19 münden. Hier wird die Kühlluft mit dem Verbrennungsgas gemischt, das von den Separatoren 10 kommt, und das gesamte

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Gasgemisch strömt durch die Leitung 12 zur Turbine 20.

Wie.bereits erwähnt, ist es sehr wichtig, daß die Mengen von Kühliuft und Verbrennungsiuft stets in einem gewissen Verhältnis zueinander stehen, was durch eine genaue Einsteilung der Regelklappen 5 und 14 zueinander erreicht werden kann. Wenn man danach die Brennkammer- und damit die Turbinenleistung durch Einstellung des Reglerventils 2 variiert, wird das genannte Verhältnis zwischen den Luftmengen im wesentlichen konstant sein, wobei auch die Brennkammertemperatur nahezu konstant bleibt.

Die Regulierung der Brennstoffzufuhr am Wirbelbett durch die Leitung 7 »uß dabei genau der Luftreguiierung folgen, was rein symbolisch in der Figur dadurch angedeutet ist, daß das Brennstoffventil 21 in der Leitung 7 mit dem Luftventil 2 in der Leitung 1 gekoppelt ist.

Will man eine gewisse kleinere Änderung des obengenannten Verhältnisses der Luftmengen zueinander bei variierender Belastung vornehmen, so kann dies durch Feineinstellung einer der Klappen 5 oder 14, abhängig von der Einstellung des Luftventile s 2, geschehen.

Eine günstige Einsteilungskombination für Turbinenbetrieb liegt bei einer Brennkammertemperatur von etwa 850 und einem

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Verhältnis zwischen der Verbrennungsluftmenge zur Kühlluftmenge von 1:2.

In der Zeichnung ist ferner ein Umlaufrohr 25 mit einem Ventil 26 gezeigt, das die Außenumhüliung 4 mit der Abgangsleitung verbindete Hierdurch kann man bei einem Notstopp oder Schnellstopp durch öffnen des Ventils 26 teils das Wirbelbett selbst kurzschließen und teils der Turbine 20 kalte Luft zuführen, deren Leistung dann schnell absinkt, vor allem wenn sie ihren eigenen Kompressor treibt. Gleichzeitig werden die Ventile 2 und 21 geschlossen.

In der vorangegangenen Beschreibung wurde davon ausgegangen, daß Kühlluft und Verbrennungsluft von der gleichen Quelle kommen und dem gleichen Verbraucher zugeführt werden. Es ist jedoch auch denkbar, die Luftströme getrennt zu halten, und zwar entweder nur auf der Austrittsseite oder sowohl auf der Eintritts- und Austrittsseite. Zu diesem Zweck kann eine besondere gestrichelt angedeutete Zwischenumhüllung 22 vorgesehen sein, die den Auslauf des Rohres 17 umgibt, und von der die reine wärme Kühlluft durch eine Leitung 23 zu einer nicht gezeigten Turbine zugeführt wird, die mit reiner warmer Luft arbeitet. Die Kühlluft kann auch von einer getrennten Luftquelle über den gestrichelt angedeuteten Anschluß 24 zugeführt werden, wobei die Außenumhüllung 4 entfällt.

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Dadurch kann das Kühlsystem mit einem anderen, vorzugsweise höheren Druck als die Brennkammer arbeiten, jedoch gilt weiterhin, daß das Verhältnis zwischen den beiden Luftmengen beizubehalten ist. Die Regulierung wird dabei etwas komplizierter.

Magftcann dabei die Regelventile für Brennstoff und die beiden Luftströme zusammenschalten. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Kühlluftstrom in Abhängigkeit von der Brennkammertemperatur derart zu regulieren, daß die letztere konstant bleibt, was im Prinzip auch ein konstantes Luftmengenverhältnis bedeutet.

Bei dem separaten Kühlluftsystem ist auch die Verwendung anderer Gase als atmosphärischer Luft für die Kühlung denkbar; z.B. kann Wasserdampf verwendet werden, wobei die Brennkammer den Charakter eines Überhitzers für ein Dampfsystem, z.B. einer Dampfturbine, annimmt.

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Claims

Patentansprüche;

Μ·/ Brennkammer mit Wirbelbett, vorzugsweise für Gasturbinen mit Anordnungen zur Zufuhr von Brennstoff und Verbrennungsluft sowie einem Kühlsystem zur Kühlung des Wirbelbettes durch Gas- oder Luftkühlung, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (6) Regulierorgane (2, 5, 14, 21) für Verbrennungsluft, für Kühlluft und für die Zufuhr von Brennstoff enthält, welche so zusammengekuppelt sind, daß sie auch bei variierender Belastung ein solches Verhältnis zwischen Kühlluftmenge, Verbrennungsluftmenge und Brennstoffmenge aufrechterhalten, daß im Wirbelbett bei einer maximalen Temperatur von ungefähr 950 C eine vollständige Verbrennung erfolgt.
2. Brennkammer gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regulierung hauptsächlich bei konstanter Brennkammertemperatur geschieht, vorzugsweise in der Größenordnung 800°C.
3. Brennkammer gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regulierung der Kühlluftmenge indirekt in Abhängigkeit von der Verbrennungsluftmenge durch Regulierung in Abhängigkeit von der Brennkammertemperatur geschieht.
4. Brennkammer gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der Verbrennungsluftund Kühlluftmenge etwa 1:2 ist.

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5. Brennkammer nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Lieferung der Verbrennungs- und Kühlluft von ein und demselben Kompressor die Regulierung der Brennkammerbelastung über ein dem Kompressor nachgeschaltetes Ventil (2) sowie einer entsprechenden Regulierung des Brennstoffzufuhrventiis (21) erfolgt.
b. Brennkammer gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer ungeteilt ist und die Tiefe des Wirbelbettes (9) bei variierender Belastung konstant gehalten wird.
7. Brennkammer gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Verbrennungsgase und Kühlluft an der Austrittsseite (12) der Brennkammer gemischt werden.
8. Brennkammer gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsgase einerseits und die Kühlluft andererseits je einer anderen Turbine zugeführt werden.

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