DE3432971C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Das Verfahren dient insbesondere zum Liefern von Kraftstoff in eine mit Zweistufenverbrennung arbeitende Gasturbinen-Brenn­ kammer der Bauart für geringen Gehalt an Stickoxiden (NO _x ) sowie zur Erzielung eines guten Verbrennungsverhaltens. Ein solches Verfahren ist durch die DE-OS 27 39 677, insbes. Seite 16 und Fig. 15 bekannt.

Ein ähnliches Verfahren beschreibt auch die DE-OS 30 00 672. Dabei lag die Erkenntnis zugrunde, daß die Bildung von Stickoxiden mit zunehmender Verweilzeit zunimmt und daß man infolgedessen die Stickoxidemissionen verringern kann, wenn die Flammtemperatur und/oder die Zeit, während der die reagierenden Gase auf den Spritztemperaturen bleiben, verringert werden. Durch eine kurzzeitige Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr zur ersten Stufe nach Erreichen der vollen Brennkammerleistung und die darauffolgende erneute Zufuhr von Kraftstoff erhält die Verbrennungszone der ersten Stufe die Funktion einer Vormischzone.

Die DE-OS 29 40 431 betrifft eine Brennkammer mit abgestufter Brennstoffeinspritzung. Dabei sind eine Pilotbrennzone und eine Hauptbrennzone vorgesehen. Der Brennstoff wird beim Einschalten der jeweiligen Zone stufenweise in jede Zone eingeführt, entsprechend der Gasturbinenbelastung so daß jeweils eine äquivalente Kraftstoffmenge in jeder Brennkammer-Zone in den Bereich zwischen der Grenze der Mager-Kraftstoff-Verbrennung und der Grenze der reichen Kraftstoff-Verbrennung kommt, wodurch ein kalorienarmes Gas aus der Kohlevergasung verbrannt werden kann. Der Bereich der Verbrennung von kalorienarmen Gas wird dadurch ausgedehnt.

Diese bekannten Verfahren können zwar das NO _x bei hoher Bela­ stung verringern und das Zünd- und Niedriglastverhalten in gewissem Ausmaß verbessern. Das Hauptproblem dieser bisherigen Verfahren besteht jedoch darin, daß die Brennbarkeit ver­ schlechtert wird, wenn der Kraftstoff der zweiten Stufe zuge­ führt wird. Zu Beginn der Kraftstofflieferperiode für die zweite Stufe nimmt das Ausströmen unverbrannter Komponenten stark zu, die Verbrennungsflamme der zweiten Stufe wird da­ durch instabil, so daß eine Schwingungsverbrennung und auch ein gelegentliches Ausblasen der Flamme erzeugt werden. Die Flamme der zweiten Stufe stört diejenigen der ersten Stufe, wo­ durch die Brennkammer insgesamt zum Schwingen gebracht wird. Diese Probleme treten auf, weil das Kraftstoff-Luft-Gemisch­ verhältnis der Verbrennung der zweiten Stufe zu Beginn der Kraftstofflieferung für die zweite Stufe so niedrig ist, daß eine ausreichend stabile Verbrennung erschwert ist. Die Verbrennung der zweiten Stufe schreitet nicht kontinuierlich fort; es entsteht ein Ausströmen der unver­ brannten Bestandteile und auch eine Schwingungsverbrennung.

Der NO _x -Gehalt der Verbrennungsflamme der zweiten Stufe wird dabei merklich erhöht, so daß der Vorteil der Zweistufen­ verbrennung sich verringert. Es ist somit ein Hauptproblem derartiger zweistufiger Brennkammern zur Erzielung niedrigen NO _x -Gehaltes, nicht gleichzeitig eine Verschlechterung des Verbrennungsverhaltens einzuhandeln, wenn der Kraftstoff an der zweiten Stufe geliefert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein zweistufiges Brennkammer-Verfahren der eingangs geschilderten Art dahin­ gehend zu verbessern, daß der NO _x -Gehalt der Brenngase ver­ ringert wird, ohne andere Verbrennungsverhaltensweisen, ins­ besondere die Stabilität der Verbrennung, zu beeinträchtigen.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die im Anspruch 1 gekenn­ zeichneten Merkmale. Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige weitere Ausbildungen.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird das Auftreten von unverbrannten Kraftstoff-Bestandteilen auch beim Übergang auf Hochleistungs­ betriebsbereich stark eingeschränkt. Außerdem wird die Stabi­ lität der Verbrennung bei magerer Verbrennung in der zweiten Stufe wesentlich verbessert und der NO _x -Gehalt in vorteilhaf­ ter Weise vermindert.

In den Zeichnungen sind Diagramme und ein Ausführungsbeispiel einer Brennkammer dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt einer Brennkammer mit zweistufiger Verbrennung;

Fig. 2 ein Diagramm, das ein Verfahren zur Lieferung von Kraftstoff zeigt;

Fig. 3 ein Diagramm, das die NO _x -Konzentrationscharakteristik zeigt;

Fig. 4 ein Diagramm, das die CO-Konzentrationscharakteristik zeigt, und

Fig. 5 ein Diagramm, das das Verfahren zur Lieferung von Kraftstoff im Hochleistungsbetriebsbereich der Gasturbine zeigt.

Fig. 1 zeigt den Aufbau einer zweistufigen Brennkammer für niedrigen NO _x -Gehalt der Abgase. Bei dieser Brennkammer ist eine Unter­ kammer 2, deren Querschnittsfläche kleiner als diejenige einer Hauptbrennkammer 1 ist, stromauf der Kammer 1 angeordnet. Ein zylindrischer Kegel 3, dessen Querschnittsfläche in Richtung stromab allmählich abnimmt, befindet sich innerhalb der Unterkammer 2 konzen­ trisch zu dieser. Eine Kraftstofflieferleitung 4 für die erste Stufe und Kraftstoffdüsen 5 befinden sich innerhalb des Kegels 3 und bilden hierdurch die Verbrennungskammer für die erste Stufe. Eine Wirbeleinrichtung 6 zur Lieferung der Verbrennungsluft für die zweite Stufe als Wirbelströmung ist um den Außenumfang am hinteren Ende der Unterkammer 2 angeordnet. Kraftstoffdüsen 7 für die zweite Stufe sind zwischen den Wirbelschaufeln der Wirbeleinrichtung 6 und Kraftstoffverteilern 8 angeordnet, wodurch die Brennstoff­ zufuhr für die zweite Stufe gebildet wird. Für jede Kraftstoffdüse 7 ist eine Kraftstofflieferleitung 9 vorge­ sehen.

Eine Hauptkraftstofflieferleitung 53 verzweigt sich in Kraft­ stofflieferleitungen 56 und 58 für die erste bzw. die zweite Stufe. Der Kraftstoff für die erste und für die zweite Stufe wird zu den Kraftstoffdüsen 5 bzw. 7 von diesen Kraftstoff­ lieferleitungen 56 bzw. 58 über erste und zweite Kraftstoff­ liefer-Unterleitungen 200 bzw. 201 geliefert. Ein Druckregel­ ventil 54 und ein Strömungsdurchsatzregelventil 55 sind in der Hauptkraftstofflieferleitung 53 angeordnet. Alle Kraft­ stoffdurchsätze werden durch Steuersignale von der Gasturbine gesteuert. Ein Druckregelventil 59 und ein Strömungsdurchsatz­ regelventil 60 sind der Kraftstofflieferleitung 58 für die zweite Stufe angeordnet und werden in gekoppelter Anordnung mit dem Druckregelventil 54 und dem Strömungsdurchsatzregel­ ventil 55 der Hauptkraftstofflieferleitung 53 so gesteuert, daß die Kraftstoffe für die erste und die zweite Stufe ge­ liefert werden, während das Verhältnis ihrer Strömungsdurch­ sätze gesteuert und der Gesamtströmungsdurchsatz auf einem konstanten Niveau gehalten werden.

In der oben beschriebenen Gasturbinen-Brennkammer strömt durch einen Verdichter 50 die verdichtete Luft 100 durch den Kanal 12 zwischen dem äußeren Gehäuse 10 der Brennkammer und dem Mantel der Hauptbrennkammer 1, durch Verdünnungsluftlöcher 11 und Kühlungslöcher, die in die Wand der Kammer 1 gebohrt sind, durch die Wirbel­ einrichtung 6, die als Lufteinlaßöffnung für die zweite Stufe dient, durch Luftlöcher 13 für die erste Stufe, die in die äußere Wand der Unterkammer 2 gebohrt sind, und in die Haupt­ brennkammer 1. Der Kraftstoff für die erste Stufe wird geliefert von Kraftstoffeinspritzöffnungen 14 an der Innenwand des Kegels 3 über die Kraftstoffdüsen 5 der ersten Stufe im Zündzeitpunkt der Gasturbine, wobei der Kraftstoff durch einen elektrischen Funken einer Zündkerze 16 gezündet und verbrannt wird. Die Brennkammer wird nur durch Verbrennung in der ersten Stufe bis zur Teillast einer mit einem Verbraucher 52 verbundenen Gasturbine 51 betrieben. Der Hochleistungsbetrieb der Gasturbine 51 erfolgt durch zusätzliches Liefern des Kraftstoffs für die zweite Stufe aus den Kraftstoffdüsen 7 in die Wirbeleinrichtung 6 und durch auto­ matisches Zünden und Verbrennen des in der Wirbeleinrichtung 6 gebildeten brennfähigen Kraftstoff-Luft-Gemischs durch Berüh­ rung mit der Verbrennungsflamme der ersten Stufe.

Als nächstes wird das Prinzip der Verbrennung mit niedrigem NO _x -Ausstoß beschrieben. Zuerst wird bei der Verbrennung in der ersten Stufe der Kraftstoff von der Umfangs­ wand des zylindrischen Kegels 3 geliefert, um seine Mischung mit der von der Umfangswand der Unterkammer 2 gelieferten Verbrennungsluft schnell auszuführen. Da die Verbrennung im Bereich der hohen Kraftstoffkonzentration erfolgt, die durch einen Teil des Kraftstoffs in unmittelbarer Nähe der Umfangswand des Kegels 3 gebildet ist, erfolgt die Niedertemperaturverbrennung bei Luftmangel insgesamt und wird der NO _x -Ausstoß bei der ersten Stufe klein gehalten.

Die Verbrennung an der zweiten Stufe erfolgt so, daß der Kraftstoff der zweiten Stufe in die Wirbeleinrichtung 6 geliefert wird, um den Kraftstoff und die Luft innerhalb der Wirbeleinrichtung 6 zu vermischen, wobei das resultierende Vorgemisch so geliefert wird, daß es eine von heißen Stellen freie gleichmäßige Niedertemperaturverbrennung mit niedrigem NO _x -Ausstoß ermöglicht.

Das Verhältnis der Strömungsdurchsätze des ersten und des zweiten Kraftstoffs und die Kraftstoff-Luft-Verhältnisse für die Verbrennung der ersten und der zweiten Stufe während des Nennturbinenbetriebs als grundlegende Verbrennungsauslegung der mit Stufenverbrennung bei niedrigem NO _x -Gehalt arbei­ tenden Brennkammer variieren selbstverständlich nicht nur mit dem Aufbau der Brennkammer, sondern auch mit den Betriebsbe­ dingungen der Gasturbine, mit dem NO _x -Sollwert und mit der Art der Kraftstoffe. Jedoch wäre ein sehr grundlegendes Auslegungskonzept ein solches, bei dem die Verbrennung nur in der ersten Stufe bis zu etwa 50% der Belastung der Gasturbine durchgeführt wird, während die Verbrennung der zweiten Stufe den Bereich von 50% Belastung bis zur Nenn­ last deckt.

Um das Verbrennungsverhalten bei niedrigem NO _x -Ausstoß zu erzielen, muß das Kraftstoff-Luft-Gemisch­ verhältnis jedes der ersten und zweiten Kraftstoffe im Be­ reich von 0,02 bis 0,05 liegen. Insbesondere, weil der Kraft­ stoff der zweiten Stufe mit der Luft vorgemischt und verbrannt wird, ist der stabile Verbrennungsbereich kleiner als derjenige des Verbrennungsbereichs der ersten Stufe. Ein besseres Verbrennungsverhalten könnte erzielt werden, wenn das Kraftstoff-Luft-Verhältnis wenigstens etwa 0,03 bei Be­ ginn der Verbrennung der zweiten Stufe beträgt.

Das Diagramm nach Fig. 2 zeigt das vollständige Liefer­ verfahren, wenn die Gasturbinenbelastung ansteigt. Dabei wird die Kraftstoffmenge, die im Augenblick des Liefer­ beginns der Kraftstoffmenge II für die zweite Stufe stufenweise zugeführt werden soll, auf einen Wert einge­ stellt, der dem Endwert der Verbrennung der zweiten Stufe nahekommt. Die Liefermenge für den Betrieb der ersten Stufe ist daher gering. In diesem Fall fällt das Verbrennungsverhalten ab, wenn das Kraftstoff-Luft­ verhältnis der ersten Stufe ausgeprägt unter 0,02 liegt. Danach wird die Kraftstoffmenge II für die zweite Stufe allmählich erhöht, während die Kraftstoffmenge I für die erste Stufe ziemlich stark vergrößert wird. Die Kurve III zeigt die Gesamtkraftstoffmenge, die sich aus den Kraftstoffmengen I und II zusammensetzt und zum Betrieb der Turbine unter Last erforderlich ist.

Erfindungsgemäß wird die Zündung der Verbrennung der zweiten Stufe dadurch verbessert, daß beim Zuschalten der zweiten Stufe die Kraftstoffmenge II für die zweite Stufe kurzzeitig über den Anfangswert hinaus erhöht und die Kraftstoffmenge I der ersten Stufe entsprechend in der gleichen Zeit unter den Zwischenwert abgesenkt wird.

Fig. 3 und 4 zeigen die Beziehung zwischen dem Kraftstoff- Luft-Verhältnis der NO _x -Konzentration sowie zwischen dem Kraftstoff-Luft-Verhältnis der CO-Konzentration beim Kraftstofflieferverfahren nach der Erfindung. In dem Diagramm nach Fig. 3 stellt das Symbol B die Charakteristik dar, wenn der Kraftstoff in der Brennkammer durch das Verfahren nach Fig. 2 geliefert wird.

Die Verbrennung in der zweiten Stufe wird durch Zuführen des Kraftstoffs für die zweite Stufe eingeleitet, wobei das Kraftstoff-Luft-Verhältnis der Verbrennung in der ersten Stufe abfällt. Folglich fällt das NO _x stufenweise ab. Andererseits nimmt das CO stufenweise zu, weil CO durch die Verbrennung in der zweiten Stufe erzeugt wird. Jedoch steigt der Maximalwert dieses CO nicht auf eine Konzentration in der Höhe von einigen tausend ppm wie beim Stand der Technik an. Es wird darüber hinaus möglich, die Zone der hohen CO-Kon­ zentration auf einen extrem schmalen Bereich zu begrenzen. Der erforderliche Mindestströmungsdurchsatz des Kraftstoffs der zweiten Stufe, der beim Zuschalten der zweiten Stufe zugeführt werden soll, variiert mit der Auslegung der Brennkammer, dem zulässigen Wert des NO _x , den unver­ brannten Bestandteilen und dgl. Das Ergebnis des Studiums der Verbrennungsdaten, wie den Kraftstoff-Luft-Ver­ hältnisbereichen von Kohlenwasserstoffkraftstoffen, die als Kraftstoff für die Gasturbine verwendbar sind, der Flammenfortschreitgeschwindigkeit und der CO-Verbrennungs­ geschwindigkeit in Verbindung mit verschiedenen Strukturen der Brennkammern, zeigt, daß hervorragende Zündung und Brennfähigkeit der Verbrennung der zweiten Stufe vorliegen, wenn das Verhältnis des stufenweise zuzuführenden Kraft­ stoffdurchsatzes der zweiten Stufe zur Luftmenge für die Verbrennung der zweiten Stufe wenigstens 0,01 beträgt.

Fig. 5 zeigt das Kraftstofflieferverfahren im Hoch­ lastbetriebsbereich. Während der Kraftstoffmenge II der zweiten Stufe im wesentlichen konstant gehalten wird, wird die Gasturbinenleistung durch Vergrößern oder Verkleinern der Menge der Kraftstoffmenge I der ersten Stufe verändert. Dieses Verfahren benutzt die Tatsache, daß die CO-Charakteristik der Verbrennung der ersten Stufe einen Verbrennungsverlauf zeigen, der demjenigen der Diffusions­ verbrennung nahekommt, wobei die Verweildauer des Gases zum Verbrennen der unverbrannten Bestandteile groß ist.

Die während des Lastbetriebs der Gasturbine auftretenden un­ verbrannten Bestandteile können durch Einstellen der Last der Gasturbine dadurch vermindert werden, daß der Kraftstoff in der oben beschriebenen Weise gesteuert wird. Die CO-Konzentra­ tionscharakteristik in diesem Fall sind in Fig. 4 durch das Symbol C dargestellt.

Claims (6)

1. Verfahren zum Liefern von Kraftstoff für eine Gastur­ binen-Brennkammer

• - nach dem Hochdruckluft und Kraftstoff eingeführt und zur Erzeugung eines Hochtemperatur-Turbinenar­ beitsgases verbrannt werden, wobei die Brennkammer einen Brennraum für eine erste Stufe mit einer Kraft­ stoffliefereinrichtung für die erste Stufe und mit einer Luftliefereinrichtung für die erste Stufe, die jeweils stromauf der Brennkammer angeordnet sind, und einen Brennraum für eine zweite Stufe mit einer Kraftstoffliefereinrichtung für die zweite Stufe und mit einer Luftliefereinrichtung für die zweite Stufe, die jeweils stromab der Kraftstofflieferein­ richtung für die erste Stufe angeordnet sind, auf­ weist,
• - nach dem Kraftstoff allein vor der Kraftstoffliefer­ einrichtung für die erste Stufe für den Betrieb des Brennraums für die erste Stufe ausgehend vom Betriebs­ beginn der Gasturbine bis zu deren Niedrigleistungs­ bereich geliefert wird,
• - nach dem Kraftstoff von den Kraftstoffliefereinrich­ tungen für die erste und für die zweite Stufe der Brennkammer im Hochleistungsbereich der Gasturbine einschließlich deren Höchstleistung geliefert wird, und
• - nach dem beim Zuschalten der zweiten Stufe die Kraft­ stoffzufuhr zur zweiten Stufe stufenweise auf einen Anfangswert oberhalb der Zündgrenze eingestellt wird, von dem aus bei Vergrößerung der Leistung die Kraft­ stoffzufuhr zur zweiten Stufe allmählich erhöht wird, und die Kraftstoffzufuhr zur ersten Stufe stufenweise auf einen Zwischenwert, der oberhalb der Grenze für eine stabile Verbrennung für die erste Stufe liegt, verringert wird, von dem aus bei Vergrößern der Leistung die Kraftstoffzufuhr zur ersten Stufe allmählich erhöht wird,

dadurch gekennzeichnet, daß beim Zuschalten der zweiten Stufe die Kraftstoff­ menge für die zweite Stufe kurzzeitig über den Anfangs­ wert hinaus erhöht und die Kraftstoffmenge für die erste Stufe entsprechend in der gleichen Zeit unter den Zwi­ schenwert abgesenkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Zuschalten der zweiten Stufe das Gewichtsverhältnis des Kraftstoffdurchsatzes für die zweite Stufe zur Menge der Verbrennungsluft für die zweite Stufe wenigstens 0,01 beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Zuschalten der zweite Stufe das Gewichtsver­ hältnis des Kraftstoffdurchsatzes für die zweite Stufe zur Menge der Verbrennungsluft für die zweite Stufe bis zu 0,04 beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Zuschalten der zweiten Stufe der Kraftstoff­ durchsatz für die zweite Stufe wenigstens 50% des Kraftstoffdurchsatzes beträgt, der für die erste Stufe geliefert wird, unmittelbar bevor die zweite Stufe zuge­ schaltet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung der Gasturbine in ihrem Hochleistungs­ betrieb hauptsächlich erzeugt wird durch Einstellen des von der Kraftstoffliefereinrichtung für die erste Stufe gelieferten Kraftstoffdurchsatzes.