DE3000672A1 - GAS TURBINE BURNER AND OPERATING METHOD - Google Patents
GAS TURBINE BURNER AND OPERATING METHODInfo
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Description
Gasturbinenbrenner und BetriebsverfahrenGas turbine burners and operating procedures
Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner und eine Brenneranordnung für eine stationäre Gasturbine sowie auf ein Verfahren zum Betreiben derselben.The invention relates to a burner and a burner assembly for a stationary gas turbine and a method for operating the same.
In den letzten Jahren haben sich Gasturbinenhersteller zunehmend mit Schadstoffemissionen beschäftigen müssen. Von besonderer Wichtigkeit waren die Emissionen an Stickoxiden (NO ), weil diese Oxide ein Vorläufer der Luftverschmutzung sind.In recent years, gas turbine manufacturers have increasingly had to deal with pollutant emissions. The emissions of nitrogen oxides (NO) were of particular importance because these oxides are a precursor to air pollution are.
Es ist bekannt, daß die Bildung von Stickoxiden mit zunehmender Flammtemperatur und mit zunehmender Verweilzeit zunimmt. Es ist deshalb theoretisch möglich, die Stickoxidemissionen zu verringern, indem die Flammtemperatur und/oder die Zeit, während der die reagierenden Gase auf den Spitzentemperaturen bleiben, verringert werden. In der Praxis ist das jedoch wegen der WirbeldiffusionsflammeigenschaftenIt is known that the formation of nitrogen oxides increases with increasing flame temperature and with increasing residence time. It is therefore theoretically possible to reduce nitrogen oxide emissions by adjusting the flame temperature and / or the time that the reacting gases remain at the peak temperatures can be reduced. In practice it is however, because of the vortex diffusion flame properties
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von modernen Gasturbinenbrennerη schwierig zu erreichen. In solchen Brennern erfolgt die Verbrennung in einer dünnen, die verdampfenden Tröpfchen flüssigen Brennstoffes umgebenden Schicht bei einem Brennstoff/Luft-Äquivalenzverhältnis nahe eins ungeachtet des Äquivalenzverhältnisses der gesamten Reaktionszone. Da es sich dabei um den Zustand handelt, der zu der höchsten Flammtemperatur führt, werden relativ große Mengen an Stickoxid erzeugt. Infolgedessen können mit den herkömmlichen einstufigen Einzelbrennstoffdüsenzerstäubungsbrennern die neuerlich erlassenen Emissionsbestimmungen nicht eingehalten werden, und zwar ungeachtet dessen, wie mager das Nennäquivalenzverhältnis der Reaktionszone ist. difficult to achieve by modern gas turbine burners. In such burners the combustion takes place in a thin, evaporating droplet of liquid fuel surrounding layer at a fuel / air equivalence ratio close to unity regardless of the equivalence ratio of the entire reaction zone. Since this is the state which leads to the highest flame temperature, relatively large amounts of nitric oxide are produced. Consequently can with the traditional single-stage atomizing fuel nozzle burners the recently issued emission regulations are not complied with, regardless how lean the nominal equivalence ratio of the reaction zone is.
Es ist bekannt, daß das Einspritzen von beträchtlichen Mengen an Wasser oder Dampf die Stickoxiderzeugung so verringern kann, daß mit den herkömmlichen Brennern die Forderungen einer niedrigen Stickoxidemission eingehalten werden können. Dieses Einspritzen hat jedoch auch viele Nachteile, zu denen eine Erhöhung der Systemkomplexität, eine Erhöhung der Betriebskosten aufgrund der Notwendigkeit der Wasserbehandlung und die Verschlechterung von anderen Leistungsparametern gehören. It is known that the injection of substantial amounts of water or steam thus reduces nitric oxide production can that the requirements of a low nitrogen oxide emission can be met with the conventional burners can. However, this injection also has many disadvantages, including an increase in system complexity, an increase the operating costs due to the need for water treatment and the deterioration of other performance parameters.
Versuche zum Erzielen einer homogenen mageren Reaktionszone durch externes Vorverdampfen und Vormischen von Brennstoff und Luft mit mageren Äquivalenzverhältnissen haben zu nur begrenzt anwendbaren Ergebnissen geführt. Diese Entwürfe sind typischerweise für saubere, sehr flüchtige Brennstoffe, wie Benzin, Düsenbrennstoff, usw., für einen Regenerativzyklus (erhöhte Brennereinlaßtemperatur) und bei verringerten Drücken (weniger als 10,1 bar (10 atmospheres)) benutzt worden. Neben der Erhöhung der Komplexität ist ein großer Nachteil dieser Lösung die Gefahr einer SelbstzündungAttempts to achieve a homogeneous lean reaction zone by external pre-evaporation and pre-mixing of fuel and air with lean equivalence ratios have led to limited useful results. These designs are typically for clean, very volatile fuels such as gasoline, jet fuel, etc., for a regenerative cycle (increased burner inlet temperature) and at reduced pressures (less than 10.1 bar (10 atmospheres)) been used. In addition to the increase in complexity, a major disadvantage of this solution is the risk of self-ignition
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und eines Flairanenrückschlags. Bei einem Druck von 10,1 bar (10 atmospheres) ist die Verweilzeit, die zur vollständigen Verdampfung von Destillatbrennstoff erforderlich ist, und die Zeit zur Selbstzündung beinahe dieselbe, vgl. z.B. den ASME Vorabdruck 77-GT-69.and a flair setback. At a pressure of 10.1 bar (10 atmospheres) is the residence time required for distillate fuel to completely evaporate, and the time to self-ignition is almost the same, see e.g. the ASME preprint 77-GT-69.
Das Problem des Verringerns der Stickoxidemissionen bringt weitere Komplexität mit sich, wenn es erforderlich ist, andere Verbrennungsentwurfskriterien einzuhalten. Zu diesen Kriterien zählen gute Zündeigenschaften, ein gutes Querzünd(crossfiring)-Vermögen, Stabilität über den gesamten Belastungsbereich, eine große prozentuale Mindestdurchsatzmenge, eine niedrige Querzahl (traverse number), eine lange Lebensdauer und die Fähigkeit, sicher zu arbeiten.The problem of reducing nitrogen oxide emissions adds further complexity when it is necessary to comply with other combustion design criteria. These criteria include good ignition properties, good cross-firing ability, Stability over the entire load range, a large percentage minimum throughput, a low traverse number, long life and the ability to work safely.
Einige der Faktoren, die zur Bildung von Stickoxiden aus Brennstoffstickstoff und Luftstickstoff führen, sind bekannt und es sind Anstrengungen gemacht worden, verschiedene Brennerarbeitsweisen an diese Faktoren anzupassen, vgl. z.B. die üS-PSen 3 958 416, 3 958 413 und 3 946 553. Die bislang angewandten Verfahren sind jedoch entweder nicht an die Verwendung in einem Brenner für eine stationäre Gasturbine anpaßbar oder sind aus den unten angegebenen Gründen ungeeignet.Some of the factors that lead to the formation of nitrogen oxides from fuel nitrogen and atmospheric nitrogen are known and efforts have been made to adapt various burner operations to these factors, cf. E.g. the US-PSs 3 958 416, 3 958 413 and 3 946 553. However, the methods used so far are either not adaptable for use in a burner for a stationary gas turbine or for the reasons given below not suitable.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein neues zweistufiges Verbrennungssystem mit zwei Betriebsarten für eine Gasturbine zu schaffen, das in dem gesamten Gasturbinenzyklus bei Flammtemperaturen arbeitet, bei denen bei Verwendung von verschiedenen gasförmigen und Destillatbrennstoffen die Schadstoffemissionen auf akzeptable Werte wesentlich verringert werden.The object of the invention is to provide a new two-stage combustion system with two modes of operation for a gas turbine that contribute to the entire gas turbine cycle Flame temperatures works at which when using various gaseous and distillate fuels the Pollutant emissions are significantly reduced to acceptable levels.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgendenTwo embodiments of the invention are described below
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unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigtdescribed in more detail with reference to the accompanying drawings. It shows
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt einer ersten Ausführungsform der Erfindung,1 shows a schematic cross section of a first embodiment of the invention,
Fig. 2 einen schematischen Querschnitt einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,2 shows a schematic cross section of a second embodiment of the invention,
Fig. 3 eine schematische Darstellung von drei Brennern nach der Erfindung, die ein Hochbelastungszündsystem haben, undFig. 3 is a schematic representation of three burners according to the invention, which is a high-load ignition system have and
Fig. 4 ein Diagramm, das die Brennstoffzufuhr im Betrieb der Brenner in Abhängigkeit von der Zeit zeigt.Fig. 4 is a diagram showing the fuel supply during operation the burner shows as a function of time.
Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner für eine stationäre Gasturbine und beispielsweise auf eine Anordnung von Brennern sowie auf.ein Verfahren zum Betreiben derselben, um Stickoxidemissionen zu verringern. Insbesondere hat der Brenner zwei Brennkammern, die über einen Halsteil miteinander verbunden sind, getrennte Brennstoffeinleiteinrichtungen für jede Sektion und Einrichtungen zum Regulieren der Brennstoffzufuhr zu jeder Brennstoffeinspritzeinrichtung relativ zu den anderen. Für den Fall, daß es zu einem Flammabriß kommt, sind die Brenner mit einem Hochbelastungszündsystem versehen, indem jede erste Sektion von benachbarten Brennern und jede zweite Sektion von benachbarten Brennern durch Querzündrohre miteinander verbunden sind. Der Brenner wird betrieben, indem zuerst Brennstoff nur in die erste Sektion eingeleitet und darin zum Verbrennen gebracht wird. Anschließend wird die Brennstoffzufuhr auf die zweite Sektion umgeschaltet, bis das Verbren-The invention relates to a burner for a stationary gas turbine and, for example, to an arrangement of burners as well as a method for operating them, to reduce nitrogen oxide emissions. In particular, the burner has two combustion chambers that have a neck part are connected to each other, separate fuel inlet devices for each section and means for regulating the fuel supply to each fuel injector relative to the others. In the event that a flameout occurs, the burners are equipped with a high-load ignition system provided by every first section from adjacent burners and every other section from adjacent Burners are connected to one another by cross-ignition tubes. The burner is operated by first using fuel is only introduced into the first section and burned therein. Subsequently, the fuel supply switched to the second section until the combustion
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nen in der ersten Sektion aufhört, woraufhin die Brennstoffverteilung wieder für Mischzwecke auf die erste Sektion umgeschaltet wird, bis die gewünschte Stickoxidverringerung erzielt worden ist.nen stops in the first section, whereupon the fuel distribution it is switched back to the first section for mixing purposes until the desired nitrogen oxide reduction is achieved has been achieved.
Gemäß den Fig. 1 und 2 hat der Brenner 1 nach der Erfindung insgesamt eine erste Verbrennungszone oder -Sektion 2, die mit einer Hals- oder Verengungssektion oder -zone 3 verbunden ist, welche ihrerseits mit einer zweiten Verbrennungszone oder -Sektion 4 verbunden ist. According to FIGS. 1 and 2, the burner 1 according to the invention has a total of a first combustion zone or section 2, which is connected to a throat or throat section or zone 3, which in turn is connected to a second combustion zone or section 4.
Die erste Verbrennungszone 2 kann eine herkömmliche Magerbrennerkonstruktion sein, bei der eine einzelne, vorzugsweise axialsymmetrische Brennstoffdüse 5 benutzt wird. Der zweiten Verbrennungszone 4 wird Brennstoff aus mehreren Brennstoffdüsen 6 zugeführt. In den Fig. 1 und 2 sind vier radiale Düsen symmetrisch auf dem Brennerumfang angeordnet dargestellt, bei Bedarf kann aber jede Anzahl von Düsen benutzt werden. Luft aus dem Gasturbinenverdichter (nicht gezeigt) wird in den Brenner bei erhöhtem Druck, typischerweise von etwa 10,1 bis 30,4 bar (10-30 atmospheres), eingeleitet. Beispielsweise kann die Luft über eine oder mehrere Lufteintrittsöffnungen 7, 7' eingeleitet werden. Die öffnungen 7, die sich in der ersten Verbrennungszone 2 befinden, sind vorzugsweise so angeordnet, daß sie einen Strömungsumlauf verursachen, der zu einer stabilen Verbrennung in einem weiten Betriebsbereich führt. Es sind Vorkehrungen getroffen, um die Verbrennungsprodukte in der Zone 4 mit einem geeigneten Wärmeaustauschfluid schnell abzukühlen. Beispielsweise kann Abschreckluft in die Zone 4 über mehrere Löcher 8 eingelassen werden. Die Menge an verwendetem Wärmeaustauschfluid reicht aus, um die Verbrennungsprodukte so zu kühlen, daß die Fluidtemperatur auf die gewünschte Gasturbinenbrenntemperatur verringert wird.The first combustion zone 2 can be of conventional lean burn design be, in which a single, preferably axially symmetrical fuel nozzle 5 is used. The second combustion zone 4 is supplied with fuel from a plurality of fuel nozzles 6. In Figs. 1 and 2 there are four radial nozzles are shown arranged symmetrically on the burner circumference, but any number of nozzles can be used if necessary to be used. Air from the gas turbine compressor (not shown) is fed into the burner at elevated pressure, typically from about 10.1 to 30.4 bar (10-30 atmospheres). For example, the air can have one or more Air inlet openings 7, 7 'are introduced. The openings 7, which are located in the first combustion zone 2, are preferably arranged so that they cause a flow circulation that leads to stable combustion in a wide range of operations. Precautions are taken to avoid the products of combustion in Zone 4 to cool quickly with a suitable heat exchange fluid. For example, quenching air can enter zone 4 over several Holes 8 are embedded. The amount of heat exchange fluid used is sufficient to cool the combustion products so that the fluid temperature is at the desired one Gas turbine combustion temperature is reduced.
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Die Zonen 2, 3 und 4 haben zwar vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt, es kann jedoch jede gewünschte Konfiguration benutzt werden. Das Baumaterial kann Metall oder Keramik sein und die Zonen können durch verschiedene Verfahren oberflächengekühlt werden, beispielsweise durch Wasserkühlung, durch Kühlung in einem geschlossenen System, durch Dampffilmkühlung und durch herkömmliche Luftfilmkühlung. Eine benutzbare Anordnung von Ringreihen von in schematischem Abstand angeordneten Leitblechen längs der Zonenwände zum Erzeugen einer Luftfilmkühlung ist beispielsweise in der US-PS 3 777 484 beschrieben, während eine benutzbare Anordnung einer Schlitzkühlung beispielsweise in der US-PS 3 728 039 beschrieben ist.The zones 2, 3 and 4 are preferably circular Cross-section, however, any desired configuration can be used. The building material can be metal or ceramic and the zones can be surface-cooled by various methods, for example by Water cooling, through cooling in a closed system, through steam film cooling and through conventional air film cooling. A usable arrangement of rows of rings of schematically spaced baffles longitudinally the zone walls for generating an air film cooling is for example in US Pat. No. 3,777,484, while a useful arrangement of slot cooling, for example in U.S. Patent 3,728,039.
Es ist zu erkennen, daß der Hals oder die Verengung 3 als ein aerodynamischer Trenner oder Isolator zwischen der ersten Verbrennungszone 2 und der zweiten Verbrennungszone 4 dient.Damit der Hals 3 diese Funktion in geeigneter Weise erfüllen kann, muß er einen ausreichend verringerten Durchmesser in bezug auf die erste Zone 2 und die zweite Zone 4 haben. Im allgemeinen wird ein Verhältnis des Durchmessers der ersten Verbrennungszone 2 oder der zweiten Verbrennungszone 4, je nachdem, welcher kleiner ist, zu dem Durchmesser der Halszone 3 von wenigstens 1,2:1 und vorzugsweise von wenigstens etwa 1,5:1 verwendet. Zum Erleichtern eines glatten Überganges zwischen der ersten Verbrennungszone 2 und dem Hals 3 hat der am weitesten stromabwärts gelegene Teil 2a der Zone 2 einen gleichmäßig abnehmenden Durchmesser, d.h. einen konischen Querschnitt. Die Länge des Halses 3 in Richtung seiner Längsachse ist unkritisch und jede Länge, die die Trennfunktion sowie die Drosselungsfunktion des Halses 3 ergibt, kann benutzt werden. Im allgemeinen ist die Länge der ersten Verbrennungszone 2 in Richtung der Längsachse wenigstens etwa dreimal so groß wie die Länge desIt can be seen that the neck or the constriction 3 as an aerodynamic separator or isolator between the first combustion zone 2 and the second combustion zone 4 In order for the neck 3 to perform this function properly, it must have a sufficiently reduced diameter with respect to the first zone 2 and the second zone 4. Generally a ratio of the diameter the first combustion zone 2 or the second combustion zone 4, whichever is smaller, to the diameter of neck zone 3 of at least 1.2: 1, and preferably at least about 1.5: 1. To facilitate a smooth The transition between the first combustion zone 2 and the neck 3 is made by the part located furthest downstream 2a of zone 2 has a uniformly decreasing diameter, i.e. a conical cross-section. The length of the neck 3 in the direction of its longitudinal axis is not critical and any length that the separating function as well as the throttling function of the neck 3 can be used. In general, the length of the first combustion zone 2 is in the direction of the longitudinal axis at least about three times the length of the
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Halses 3 und vorzugsweise wenigstens etwa fünfmal so groß wie die Länge des Halses 3. Die zweite Verbrennungszone 4 hat dieselbe Gesamtkonfiguration wie die erste Zone 2, selbstverständlich mit der Ausnahme, daß der konische übergangsteil der am weitesten stromaufwärts gelegene Teil 4a der Zone 4 ist, der sie mit dem Hals 3 verbindet.Neck 3 and preferably at least about five times the length of neck 3 has the same overall configuration as the first zone 2, of course, with the exception that the conical transition part is the most upstream part 4a of zone 4 which connects it to neck 3.
Eine zweite und bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 2 gezeigt, in welcher gleiche Teile gleiche Bezugszahlen wie in Fig. 1 tragen. Die in Fig. 2 gezeigte Anordnung unterscheidet sich von der in Fig. 1 gezeigten in folgender Hinsicht. Erstens ist der Durchmesser der Verengung 3 verringert worden, um die mittlere Luftgeschwindigkeit durch die Zone zu vergrößern, was eine Konstruktion ergibt, die hinsichtlich des Verhinderns eines Flammenrückschlages wirksamer ist. Zweitens ist die Höhe (d.h. die Länge in Richtung der Längsachse) des konvergenten konischen Teils 2a vergrößert worden. In dieser Ausführungsform sind die Brennstoffdüsen 6 von der Verengung 3 zu dem divergenten konischen Teil 4a der zweiten Zone 4 verlegt und in Minibrennkammern oder Wirblerbechern 9 zurückgesetzt worden, in denen der Betrieb der sekundären Brennstoffdüsen 6 stabiler ist und die Wahrscheinlichkeit, daß es während der unten beschriebenen Brennstoffumschaltprozeduren zu einem Flammabriß kommt, geringer ist.A second and preferred embodiment of the invention is shown in FIG. 2, in which like parts bear like reference numerals as in FIG. The one shown in FIG The arrangement differs from that shown in Fig. 1 in the following respects. First is the diameter of the constriction 3 has been reduced to the mean air speed by enlarging the zone, which results in a structure which is advantageous in terms of preventing flashback is more effective. Second is the height (i.e. the length in the direction of the longitudinal axis) of the convergent conical Part 2a has been enlarged. In this embodiment are the fuel nozzles 6 relocated from the constriction 3 to the divergent conical part 4a of the second zone 4 and in Mini combustion chambers or vortex cups 9 have been reset, in which the operation of the secondary fuel nozzles 6 is more stable and the likelihood of it becoming a Flame failure comes, is less.
Fig. 3 zeigt als Beispiel drei miteinander verbundene Brenner nach der Erfindung. Die erste Verbrennungszone 2 jedes Brenners 1 ist mit der ersten Verbrennungszone 2 der benachbarten Brenner 1 über ein Querzündrohr 1O in herkömmlicher Weise verbunden. Darüber hinaus ist bei der Erfindung die zweite Verbrennungszone 4 jedes Brenners 1 mit der zweiten Verbrennungszone 4 jedes benachbarten Brenners 1 über ein Querzündrohr 11 verbunden. Bei den Entwurfshoch-Fig. 3 shows as an example three interconnected burners according to the invention. The first combustion zone 2 each Burner 1 is adjacent to the first combustion zone 2 Burner 1 connected in a conventional manner via a cross-ignition tube 1O. In addition, is in the invention the second combustion zone 4 of each burner 1 with the Second combustion zone 4 of each adjacent burner 1 is connected via a cross-ignition tube 11. At the design high
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belastungsbetriebszuständen der Brenner nach der Erfindung erfolgt, was im folgenden noch näher beschrieben ist, das Verbrennen nur in der zweiten Zone 4 und kein Verbrennen erfolgt in der ersteh Zone 2. Wenn aus irgendeinem Grund in einer Kammer die Flamme unter solchen Hochbelastungszuständen abreißt, kann in herkömmlichen Anordnungen keine Querzündung erfolgen, da die Standardquerzündrohre 10 stromaufwärts der Reaktionszone 4 angeordnet sind und da der Hals 3 zum Verhindern eines Flammenrückschlages dient. In der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform dient die zweite Gruppe von Querzündrohren 11 als Hochbelastungszündsystem. Es ist zwar vorzuziehen, beide Gruppen von Querzündrohren (d.h. die Rohre 10 und 11) zu benutzen, bei Bedarf kann jedoch jedes Hochbelastungswiederzündsystem in das Brennersystem eingebaut werden.load operating states of the burner according to the invention takes place, which is described in more detail below, the Burn only in the second zone 4 and no burning occurs in the first zone 2. If for any reason In conventional arrangements, the flame breaks out in a chamber under such high load conditions Cross-ignition take place because the standard cross-ignition tubes 10 are arranged upstream of the reaction zone 4 and because the throat 3 is used to prevent flashback. In the embodiment shown in Fig. 3, the second group is used of cross-ignition tubes 11 as a high-load ignition system. It is Although it is preferable to use both sets of cross-ignition tubes (i.e. tubes 10 and 11), if necessary Any high-load re-ignition system must be built into the burner system.
Der Betrieb der Brenner nach der Erfindung ist in Fig. 4 graphisch dargestellt. Die Verbrennung beginnt durch Zünden eines Gemisches aus Kohlenwasserstoffbrennstoff und Luft in der ersten Verbrennungszone 2. Das wird in herkömmlicher Weise mittels einer Zündkerze 12 erreicht, die in der Nähe der Brennstoffdüse 5 in der ersten Verbrennungszone 2 angeordnet ist. In typischen herkömmlichen Anlagen sind zehn Brenner zu einem Ring angeordnet und gewöhnlich sind von den Brennern nur zwei mit Zündkerzen 12 versehen, während die übrigen acht Brenner durch Querzündung über die Querzündrohre 10 gezündet werden. Während des Zündens und Querzündens und außerdem während des Niederbelastungsbetriebes der Brenner führt nur die Primärbrennstoffdüse 5 dem Brenner 1 Brennstoff zu. Bis zu diesem Punkt hat die Verbrennung die einstufige, heterogene Wirbeldiffusionsflammbrenncharakteristik von herkömmlichen Brennern.The operation of the burners according to the invention is shown graphically in FIG. Combustion begins with ignition a mixture of hydrocarbon fuel and air in the first combustion zone 2. This is done in conventional Way achieved by means of a spark plug 12, which is arranged in the vicinity of the fuel nozzle 5 in the first combustion zone 2 is. In typical conventional systems ten burners are arranged in a ring and usually are from the burners only two provided with spark plugs 12 while the remaining eight burners are ignited by cross-ignition via the cross-ignition tubes 10. During ignition and cross-ignition and also during the low load operation of the burners, only the primary fuel nozzle 5 guides the burner 1 fuel too. Up to this point the combustion has the single-stage, heterogeneous vortex diffusion flame combustion characteristic from conventional burners.
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Bei einem Belastungszustand im mittleren Bereich, dessen exakte Zeitsteuerung auf die Stabilitätsgrenzen und die Schadstoffemissionseigenschaften jeder Betriebsart und die Brennstoffaufteilung auf die Stufen bezogen ist, werden die Sekundärbrennstoffdüsen 6 aktiviert. Der Übergang des gezündeten Brennstoffes aus der ersten Zone 2 in die zweite Zone 4 führt zur Zündung in der zweiten Zone 4. Der Brenner arbeitet nun in einer zweistufigen heterogenen Betriebsart, die sich fortsetzt, bis die gewünschte Grundbelastung erzielt ist. Nachdem eine kurze Zeitspanne zum Stabilisieren und Aufwärmen gewährt worden ist, wird die Arbeitsweise aus einer zweistufigen heterogenen Verbrennung in eine einstufige homogene Verbrennung umgewandelt. Diese Prozedur beginnt durch gleichzeitiges Vergrößern der Menge an Brennstoff, der den Sekundärdüsen 6 zugeführt wird, und Verringern der Menge an Brennstoff, der der Primärdüse 5 zugeführt wird, während die Gesamtbrennstoffzufuhr konstant bleibt. Die Relativmengen der Brennstoffzufuhr zu den Düsen 5 und 6 können durch einen Brennstoffzufuhrregier 13 kontrolliert werden, der zwischen die Düse 5 und die Düsen 6 geschaltet ist. Die Änderung der Brennstoffverteilung setzt sich fort, bis die Flamme in der ersten Verbrennungszone 2 ausgeht, was in den meisten Fällen dann erfolgt, wenn die gesamte Brennstoffzufuhr auf die Sekundärdüsen 6 umgeschaltet worden ist.With a load condition in the middle range, its exact timing on the stability limits and the Pollutant emission properties of each operating mode and the Fuel allocation is based on the stages, the Secondary fuel nozzles 6 activated. The transition of the ignited Fuel from the first zone 2 into the second zone 4 leads to ignition in the second zone 4. The burner now works in a two-stage heterogeneous operating mode that continues until the desired basic load is achieved is. After allowing a short period of time to stabilize and warm up, the mode of operation turns off a two-stage heterogeneous combustion is converted into a single-stage homogeneous combustion. This procedure begins by simultaneously increasing and decreasing the amount of fuel supplied to the secondary nozzles 6 the amount of fuel supplied to the primary nozzle 5 while the total fuel supply remains constant. The relative quantities the fuel supply to the nozzles 5 and 6 can be controlled by a fuel supply controller 13, which is connected between the nozzle 5 and the nozzles 6. The change in fuel distribution continues until the Flame in the first combustion zone 2 goes out, which in most cases occurs when the entire fuel supply has been switched to the secondary nozzles 6.
Die Brennstoffzufuhr zu der Düse 5 wird dann wieder aufgenommen oder vergrößert und die Zufuhr zu den Düsen 6 wird verringert, während die Gesamtbrennstoffzufuhr im wesentlichen konstantgehalten wird. Der Brenner 1 wird so ausgelegt, daß es bei normalem Betrieb zu keinem Flammenrückschlag kommt, indem die erste Zone 2 lang genug gemacht wird, so daß der Strömungsquerschnitt gleich dem einer voll ausgebildeten turbulenten Rohrströmung ist, und indem die Verengung 3 schmal genug gemacht wird, so daß die Geschwindigkeit auf einen Wert erhöht, wird, oberhalb welchem dieThe fuel supply to the nozzle 5 is then resumed or increased and the supply to the nozzles 6 is reduced, while the total fuel supply is substantially is kept constant. The burner 1 is designed so that there is no flashback during normal operation comes by making the first zone 2 long enough so that the flow area equals that of a full formed turbulent pipe flow, and by making the constriction 3 narrow enough so that the speed is increased to a value, above which the
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Flammengeschwindigkeit nicht überwunden werden kann. Infolgedessen kommt es zu einem Vormischen der Mehrheit des Brennstoffes und der Luft in der ersten Stufe (d.h. in der ersten. Zone 2) und zum homogenen Verbrennen in der zweiten Stufe, d.h. in der zweiten Zone 4. Die Umschaltung der Brennstoffverteilung von den Sekundärdüsen 6 auf die Primärdüse 5 bleibt bestehen, bis die gewünschten niedrigen Schadstoffemissionswerte erreicht sind. Die gewünschten Werte sind erreicht, wenn die Mehrheit der Brennstoffzufuhr über die Düse 5 geht, und in den meisten Fällen, wenn wenigstens 60% der Brennstoffzufuhr über die Düse 5 gehen.Flame speed cannot be overcome. Consequently there is a premixing of the majority of the fuel and the air in the first stage (i.e. in the first. Zone 2) and for homogeneous combustion in the second stage, i.e. in the second zone 4. Switching the fuel distribution from the secondary nozzles 6 to the primary nozzle 5 remains until the desired low pollutant emission values are reached. The desired values are achieved when the majority of the fuel supply is on the Nozzle 5 goes, and in most cases if at least 60% of the fuel supply goes through nozzle 5.
Es sei beachtet, daß ein wichtiges Merkmal des Brenners nach der Erfindung darin besteht, daß, wenn es zu einem Flammenrückschlag kommen sollte, es keine Hardwarekatastrophe wie bei typischen Konstruktionen mit Vormischung darstellt. Es würde jedoch zu einer beträchtlichen Mehrerzeugung an Stickoxiden kommen und es müßten Steuerschritte unternommen werden, um wieder die Umschaltprozedur durchzuführen und den Betrieb in der homogenen Betriebsart wieder aufzunehmen.It should be noted that an important feature of the burner according to the invention is that when it becomes a Should there be a flashback, it is not a hardware catastrophe as is the case with typical designs with premixing. However, there would be a considerable increase in the production of nitrogen oxides and control steps would have to be taken in order to carry out the switchover procedure again and to operate in the homogeneous operating mode again to record.
Während des Abschältens der Gasturbine werden Schritte ausgeführt, um die erste Zone 2 wieder zu zünden, weil es in der homogenen Betriebsart nur eine kleine Mindestdurchsatzmenge gibt. Das Wiederzünden der ersten Stufe bedeutet, daß eine Rückkehr zu der heterogenen zweistufigen Verbrennung erfolgt, bei der das System eine große Mindestdurchsatzmenge hat, die gestattet, die Turbine langsam herunterzufahren, um unerwünschte Wärmespannungen zu mindern.During the shutdown of the gas turbine, steps are carried out to re-ignite the first zone 2 because there is only a small minimum throughput in the homogeneous operating mode gives. The re-ignition of the first stage means a return to the heterogeneous two-stage combustion takes place at which the system has a large minimum flow rate that allows the turbine to be shut down slowly, to reduce unwanted thermal stress.
Zum Veranschaulichen der Verringerung an Stickoxidemiss ionon, die durch die Erfindung erzielt wird, wurde ein gemäß der Erfindung hergestellter Brenner mit einem herkömmlichen,To illustrate the reduction in nitrogen oxide emissions ionon, which is achieved by the invention, a burner manufactured according to the invention with a conventional,
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im Handel erhältlichen Brenner mit einer MS 7001E-Ausrüstung verglichen. Der Brenner nach der Erfindung hatte den in Fig. 1 gezeigten Aufbau und es wurden eine einzelne Luftzerstäubungsdüse MS 7001E als Primärdüse 5 und vier kleinere Druckzerstäubungssekundärdüsen 6 verwendet. Daten wurden bei etwa 1138 0C (2O8O°F), dem labormäßigen Äquivalent der Grundbelastung (korrigiert für Strahlungsverluste an den Thermoelementen), aufgenommen. Unter diesen Bedingungen hatte der herkömmliche Standardbrenner im Labor eine Stickoxidemission von 120 Vol.ppm (ppmv), während ein Brenner nach der Erfindung nur 56 Vol.ppm emittierte. Dieser Test wurde unter Verwendung einer Zufuhr an gebrauchter Luft durchgeführt, was bedeutet, daß die Verbrennungsprodukte aus einem Direktheizkörper (wie einem Propanheizkörper), der zum Erhöhen der Lufttemperatur auf die richtigen Einlaßwerte diente, als Oxydationsmittel für die Verbrennung während des Tests benutzt wurden. Die Stickoxidemissionen sind deshalb niedriger als sie mit ungebrauchter Luft erzielt würden. Basierend auf diesen Laborergebnissen ist zu erwarten, daß der Betrieb des Brenners nach der Erfindung unter Feldbedingungen (d.h. bei der tatsächlichen Benutzung der Turbine mit ungebrauchter Luft) in der homogenen Betriebsart eine vergleichbare Verringerung der Stickoxidemxssionen zeigen würde. Es ist deshalb anzunehmen, daß Brenner nach der Erfindung die Bestimmungen einer niedrigen Stickoxidemission erfüllen.Compared to commercially available burners with MS 7001E equipment. The burner according to the invention had the structure shown in FIG. 1 and a single air atomizing nozzle MS 7001E was used as the primary nozzle 5 and four smaller pressure atomizing secondary nozzles 6 were used. Data (corrected for radiation losses at the thermocouples) was added at about 1138 0 C (2O8O ° F), the laboratory-scale equivalent of the nominal load. Under these conditions, the conventional standard burner in the laboratory had a nitrogen oxide emission of 120 vol.ppm (ppmv), while a burner according to the invention only emitted 56 vol.ppm. This test was conducted using a used air supply, meaning that the products of combustion from a direct heater (such as a propane heater), which served to raise the air temperature to the proper inlet levels, were used as the oxidizer for combustion during the test. The nitrogen oxide emissions are therefore lower than they would be achieved with unused air. Based on these laboratory results, it is to be expected that the operation of the burner according to the invention under field conditions (ie when the turbine is actually used with unused air) in the homogeneous operating mode would show a comparable reduction in nitrogen oxide emissions. It can therefore be assumed that burners according to the invention meet the requirements of a low nitrogen oxide emission.
Ein zweiter Test des erfindungsgemäßen zweistufigen Verbrennungssystems mit doppelter Betriebsart wurde durchgeführt, während welchem eine Zufuhr von gebrauchter Luft benutzt wurde und während welchem die Brenntemperatur konstant auf ungefähr 1132 °C (2O7O°F) blieb. An einem Punkt während des Anstiegs der Brennstoffzufuhr zu den Sekundärbrennstoffdüsen 6, als der Umfang der Brennstoffzufuhr über die Primärdüse 5 20% betrug und eine Verbrennung sowohl inA second test of the two-stage combustion system of the invention double mode was carried out during which a supply of used air was used and during which the firing temperature remained constant at approximately 1132 ° C (2070 ° F). At one point during the increase in fuel supply to the secondary fuel nozzles 6, when the amount of fuel supply via the primary nozzle 5 was 20% and combustion in both
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der Verbrennungszone 2 als auch in der Verbrennungszone stattfand, betrug die Stickoxidemission etwa 95 Vol.ppm. Nach dem Umschalten von der zweistufigen heterogenen Verbrennungsbetriebsart auf die homogene Verbrennungsbetriebsart an einem Punkt, an dem ungefähr 14% des Brennstoffes über die Primärdüse (der ersten Stufe) flössen, betrugen die Stickoxidemissionen 93,5 Vol.ppm. Die Menge des zu der Primärdüse 5 fließenden Brennstoffes wurde dann von 14% auf einen Punkt vergrößert, an welchem ungefähr 70% der Gesamtbrennstoffzufuhr über die Primärdüse gingen, und die Stickoxidemission fiel weiter von 9 3,5 Vol.ppm auf etwa 49 VoI,ppm ab.the combustion zone 2 as well as in the combustion zone took place, the nitrogen oxide emission was about 95 ppm by volume. After switching from the two-stage heterogeneous combustion mode to the homogeneous combustion mode at a point where about 14% of the fuel Flowing through the primary nozzle (the first stage), the nitrogen oxide emissions were 93.5 vol.ppm. The amount of too fuel flowing through the primary nozzle 5 was then increased from 14% to a point at which approximately 70% the total fuel supply went through the primary nozzle, and the nitrogen oxide emission fell further from 9 3.5 vol.ppm to about 49 vol.ppm.
Es wurde ein dritter Test in ähnlicher Weise wie bei dem oben beschriebenen ersten Test durchgeführt, wobei aber eine Zufuhr an ungebrauchter Luft benutzt wurde, d.h. indirekt vorgeheizte Luft ohne Verbrennungsprodukte· Bei einer Brenntemperatur von etwa 1.127 0C (2O6O°F) emittierte der herkömmliche Brenner etwa 260 Vol.ppm Stickoxid, während der Brenner nach der Erfindung, der in einer homogenen Betriebsart arbeitete, etwa 6 5 Vol.ppm emittierte. Der Brennstoff, der in jedem der oben genannten Tests benutzt wurde, war Nr.-2-Destillat.There was a third test performed in a similar manner as in the above-described first test, but a supply was used to unused air that is indirectly preheated air without combustion products · emitted at a firing temperature of about 1,127 0 C (2O6O ° F), the conventional Burner about 260 ppm by volume nitrogen oxide, while the burner according to the invention, operating in a homogeneous mode, emitted about 65 ppm by volume. The fuel used in each of the above tests was No. 2 distillate.
Aus den vorstehenden Labortestdaten und insbesondere aus denen des dritten Tests, bei dem eine Zufuhr an ungebrauchter Luft benutzt wurde, kann der Fachmann die beträchtliche Verringerung (um einen Faktor vier) an Stickoxidemissionen erkennen, die durch den Brenner nach der Erfindung erzielt wurde. Durch die Verwendung von solchen Brennern werden die Stickoxidemissionswerte beträchtlich verringert und erfüllen die meisten Stickoxidemissionsbestimmungen.From the laboratory test data above and in particular from that of the third test, in which a supply of unused If air was used, the skilled person can use the considerable Detect reduction (by a factor of four) in nitrogen oxide emissions achieved by the burner according to the invention became. By using such burners, nitrogen oxide emission levels are considerably reduced and met most nitrogen oxide emission regulations.
Nachdem zwei Ausführungsformen der Erfindung und ihre Betriebsarten beschrieben worden sind, ist für den FachmannHaving two embodiments of the invention and their modes of operation is for those skilled in the art
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besser verständlich, worin sich die Erfindung von dem aus den oben erwähnten Patentschriften bekannten Stand der Technik unterscheidet. Insbesondere scheint die US-PS 3 946 einen Brenner mit zwei Stufen und mit mehreren Brennstoffdüsen zur Emissionskontrolle zu beschreiben. Der Brennstoff und die Luft werden jedoch außerhalb der Flammrohrwand vermischt, was sich von der hier beschriebenen Erfindung unterscheidet. Außerdem gibt es bei dem Brenner nach der Erfindung einige Bedingungen, bei denen die Reaktion in einer heterogenen Betriebsart ohne Vormischung (d.h. während des Hochlaufes, während Teilbelastung und während Ausgleichsperioden der Grundbelastung) erfolgt, d.h. in einer Betriebsart, die bei dem in der vorgenannten US-PS beschriebenen Brenner nicht möglich ist. Die erfindungsgemäßen Betriebsarten erleichtern eine große prozentuale Mindestdurchsatzmenge, einfaches Zünden und Querzünden sowie Flammstabilität, was wesentliche Eigenschaften eines praktischen Entwurfes sind. Außerdem wird das Umschalten von der heterogenen auf die homogene Betriebsart gemäß der Erfindung erreicht, indem die Brennstoffaufteilung auf die Brennstoffdüsen der ersten und der zweiten Stufe verändert wird, ein Merkmal, was aus der vorgenannten US-Patentschrift nicht bekannt ist.better understood in which the invention differs from the prior art known from the above-mentioned patents differs. In particular, U.S. Patent 3,946 appears to have a two stage, multiple fuel nozzle burner to describe emissions control. However, the fuel and air are outside the liner wall mixed, which differs from the invention described here. In addition, the burner gives way According to the invention, some conditions in which the reaction can be carried out in a heterogeneous mode of operation without premixing (i.e., during run-up, during partial load and during equalization periods of the basic load), i.e. in one Operating mode which is not possible with the burner described in the aforementioned US-PS. The modes of operation according to the invention facilitate a large percentage minimum throughput, easy ignition and cross-ignition as well as flame stability, what are essential properties of a practical design. In addition, switching from the heterogeneous to the homogeneous mode of operation according to the invention achieved by the fuel distribution on the fuel nozzles the first and the second stage is changed, a feature that is not from the aforementioned US patent is known.
Die US-PSen 3 958 413 und 3 958 416 beziehen sich auf zweistufige Brenner, bei denen die Stufen durch einen konvergierenden-divergierenden Verengungsabschnitt getrennt sind. Außerdem wird die erste Stufe bei den aus beiden Patentschriften bekannten Brennern zu irgendwelchen Zeiten während des Zyklus als ein Abschnitt benutzt, in der die Verbrennung erfolgt, und zu anderen Zeiten in dem Zyklus als ein Abschnitt, in welchem das Vormischen erfolgt. Ein Flammenrückschlag verursacht deshalb keine Hardwarekatastrophe, wie es bei dem aus der US-PS 3 946 533 bekannten Brenner der Fall sein würde. Die beiden US-PSen scheinen außerdemU.S. Patents 3,958,413 and 3,958,416 relate to two-stage burners in which the stages are separated by a converging-diverging Narrowing section are separated. In addition, the first stage in the case of the two patents known burners are used at any time during the cycle as a section in which the combustion occurs, and at times in the cycle other than a section in which the premixing occurs. A flashback therefore does not cause a hardware catastrophe, as is the case with the burner known from US Pat. No. 3,946,533 would be the case. The two US PSs also appear
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eine variable Lufteinlaßgeometrie zum Verändern der Luftzufuhr zu den Stufen zu beschreiben, um den Übergang von heterogener Verbrennung in der ersten Stufe oder in der ersten und in der zweiten Stufe auf homogene Verbrennung nur in der zweiten Stufe zu erreichen. Im Gegensatz dazu wird bei der Erfindung mit variabler Brennstoffzufuhr zu den Stufen unter Verwendung von mehreren Brennstoffdüsen (statt der variablen Geometrie) und mit Veränderung der Brennstoffaufteilung statt der Luftaufteilung gearbeitet.a variable air inlet geometry for changing the air supply to describe the stages to the transition from heterogeneous combustion in the first stage or in the first and in the second stage to achieve homogeneous combustion only in the second stage. In contrast, with of the invention with variable fuel supply to the stages using several fuel nozzles (instead of the variable geometry) and changing the fuel distribution worked instead of the air distribution.
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