DE3854666T2 - GAS TURBINE BURNER. - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Gasturbinenbrenner gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei dem der Brennstoff und die Luft vor der Verbrennung vermischt werden.The invention relates to a gas turbine burner according to the preamble of claim 1, in which the fuel and the air are mixed before combustion.
Thermisches NOX, das durch Oxidation des Stickstoffs in der Luft bei der Verbrennung in einer Hochtemperaturatmosphäre gebildet wird, nimmt einen großen Anteil der Stickoxide (NOX) ein, die bei der Verbrennung eines gasförmigen Brennstoffs mit kleinen Mengen an Stickstoff, wie z.B. verflüssigtes Erdgas (LNG), entstehen. Es ist bekannt, daß die Entstehung des thermischen NOX in Abhängigkeit von der Temperatur erheblich variiert, d.h., daß die entstehende Menge mit zunehmender Flammentemperatur ansteigt und sprunghaft wächst, wenn die Temperatur 1500 ºC übersteigt. Die Flammentemperatur verändert sich in Abhängigkeit vom Brennstoff-Luft-Mischungsverhältnis und wird am höchsten, wenn der Brennstoff mit einer Luftmenge verbrannt wird, die nicht zu groß ist oder zur vollständigen Verbrennung des Kraftstoffs ausreicht, d.h., wird am höchsten, wenn der Brennstoff in der Nähe eines theoretischen Luftbedarfs verbrannt wird. Zur Unterdrückung der NOX-Bildung muß die Flammentemperatur gesenkt werden. Die Flammentemperatur kann durch ein Verfahren gesenkt werden, bei dem zur erheblichen Temperatursenkung Wasser oder Dampf in die Brennkammer eingeblasen wird, oder durch ein Verfahren, bei dem der Brennstoff unter der Bedingung verbrannt wird, daß das Mischungsverhältnis von Brennstoff und Luft auf einen Wert größer als der theoretische Luftbedarf erheblich gesteigert oder umgekehrt erheblich gesenkt wird. Das Einblasen von Wasser oder Dampf hat jedoch ein neues Problem, d.h., die Senkung der Turbinenleistung, zur Folge.Thermal NOX, which is formed by oxidation of nitrogen in the air during combustion in a high temperature atmosphere, occupies a large proportion of the nitrogen oxides (NOX) formed during combustion of a gaseous fuel containing small amounts of nitrogen, such as liquefied natural gas (LNG). It is known that the formation of thermal NOX varies considerably depending on the temperature, that is, the amount formed increases with increasing flame temperature and increases rapidly when the temperature exceeds 1500 ºC. The flame temperature varies depending on the fuel-air mixture ratio and becomes highest when the fuel is burned with an amount of air that is not too large or sufficient to completely burn the fuel, that is, it becomes highest when the fuel is burned near a theoretical air requirement. To suppress the formation of NOX, the flame temperature must be lowered. The flame temperature can be reduced by a method in which water or steam is injected into the combustion chamber to reduce the temperature significantly, or by a method in which the fuel is burned under the condition that the The fuel/air mixture ratio is increased significantly to a value greater than the theoretical air requirement or, conversely, is reduced significantly. However, the injection of water or steam results in a new problem, ie the reduction of turbine power.
In einem herkömmlichen Brenner mit einer sog. Diffusionsflamme wird der Brennstoff und die Luft über getrennte Düsen zugeführt und in dem Brenner vermischt und verbrannt, um die Flamme zu stabilisieren und ein Rückschlagen zu vermeiden. Beim Vermischen des Brennstoffs und der Luft tritt jedoch ein Bereich auf, in dem das Luftverhältnis (Verhältnis von zugeführter Luftmenge zum theoretischen Luftbedarf) in die Nähe von 1 gelangt und die Flammentemperatur dort lokal hoch ist. Das bedeutet, daß ein Bereich entsteht, in dem NOX in großen Mengen gebildet, d.h., in großen Mengen ausgestoßen wird.In a conventional burner with a so-called diffusion flame, the fuel and air are fed in through separate nozzles and mixed and burned in the burner to stabilize the flame and prevent flashback. However, when the fuel and air are mixed, a region occurs in which the air ratio (ratio of the amount of air supplied to the theoretical air requirement) is close to 1 and the flame temperature is locally high. This means that a region is created in which NOX is formed in large quantities, i.e. emitted in large quantities.
Im Gegensatz zum Brenner mit Diffusionsflamme gibt es einen Brenner mit Vormischflamme, bei dem eine gegenüber dem theoretischen Luftbedarf größere Luftmenge und der Brennstoff im voraus vermischt und in die Brennkammer eingespeist werden. In der Vormischflamme mit einem hohen Luftverhältnis wird der Bereich mit den lokal hohen Temperaturen vermieden und eine geringere Menge an NOX wird ausgestoßen. Die Vormischflamme bleibt am stabilsten, wenn das Luftverhältnis in der Nähe von 1 ist, neigt jedoch dazu ausgeblasen zu werden, wenn die Zufuhrgeschwindigkeit ansteigt. Wenn die Zufuhrgeschwindigkeit gering ist, tritt die Plamme darüber hinaus in die Düsen ein und verusacht einen Rückschlag. In den Brenner einer Gasturbine muß das Vormischgas aus Brennstoff und Luft mit einer hohen Geschwindigkeit von üblicherweise 40 m/s bis 70 m/s eingespritzt werden, wobei sich die Flamme bei derart hohen Zufuhrgeschwindigkeiten jedoch nicht einfach bildet.In contrast to the diffusion flame burner, there is a premix flame burner in which a larger amount of air than the theoretical air requirement and the fuel are mixed in advance and fed into the combustion chamber. In the premix flame with a high air ratio, the region with local high temperatures is avoided and a smaller amount of NOX is emitted. The premix flame remains most stable when the air ratio is close to 1, but tends to be blown out when the feed rate increases. Moreover, when the feed rate is low, the flame enters the nozzles and causes a flashback. In the burner of a gas turbine, the premix gas of fuel and air must be injected at a high speed, usually 40 m/s to 70 m/s, but the flame does not form easily at such high feed rates.
In der JP-A-22 127/1986 ist ein Brenner beschrieben, bei dem der Brennstoff getrennt zugeführt wird, wobei ein Teil zur Bildung der Diffusionsflamme und der Rest zur Bildung der Vormischflamme verwendet wird und wobei die relativ stabile Diffusionsflamme oder das durch die Diffusionsflamme gebildete Brenngas mit einer hohen Temperatur zur Zündung der Vormischflamme verwendet wird. Dieser Brenner ermöglicht die Senkung der NOX-Menge im Vergleich zum konventionellen Brenner mit Diffusionsflamme. Die NOX-Menge kann gesenkt werden, wenn die Strömungsrate des für die Diffusionsflamme verwendeten Brennstoffs gesenkt und die Brennstoffströmungsrate der Vormischflamme erhöht wird. Die Flamme verliert jedoch an Stabilität, wenn die Vormischrate ansteigt und die Senkung der NOX-Emission ist begrenzt.JP-A-22 127/1986 describes a burner in which the fuel is separately supplied, a part being used to form the diffusion flame and the rest being used to form the premix flame, and the relatively stable diffusion flame or the fuel gas having a high temperature formed by the diffusion flame is used to ignite the premix flame. This burner enables the amount of NOX to be reduced compared with the conventional diffusion flame burner. The amount of NOX can be reduced by reducing the flow rate of the fuel used for the diffusion flame and increasing the fuel flow rate of the premix flame. However, the flame loses stability as the premix rate increases and the reduction in NOX emission is limited.
Die vom Gasturbinenbrenner erzeugte NOX-Menge kann gesenkt werden, wenn die instabile Vormischflamme stabilisiert wird und wenn das Gasturbinen-Brennsystem eine vollständige Vormisch-Verbrennung aufweist.The amount of NOX produced by the gas turbine combustor can be reduced if the unstable premixed flame is stabilized and if the gas turbine combustion system has complete premixed combustion.
Wenn das Gasturbinen-Brennersystem eine vollständige Vormisch-Verbrennung aufweist, wird während geringer Last eine große Luftmenge im Vergleich zur Brennstoffmenge zugeführt, wodurch das Gemisch mager wird und schwierig zu zünden ist. Während des Betriebs unter hoher Last werden sowohl die Brennstoffzufuhr als auch die Luftzufuhr erhöht, wodurch die Strömungsrate des Vormischgases weiter ansteigt und zu einem Ausblasen der Vormischflamme führt.When the gas turbine combustor system has complete premix combustion, a large amount of air is supplied compared to the amount of fuel during low load, making the mixture lean and difficult to ignite. During high load operation, both the fuel supply and the air supply are increased, which further increases the flow rate of the premix gas and leads to premix flame blowout.
Die US-A-4 237 694 offenbart einen Gasturbinenbrenner mit einer im wesentlichen zylindrischen Brennkammer und einer einzelnen Hauptgasdüse, die in der Endwand der Brennkammer zentrisch angeordnet ist. Vor der Hauptgasdüse ist eine zylindrische Mischkammer angeordnet, die über mehrere radial gerichtete Gaszufuhröffnungen mit einem Ringkanal verbunden ist. Eine um die Hauptdüse konzentrisch angeordnete Zusatzgasdüse ist mit einer Ringkammer zum Vermischen der Luft mit einer Brenngasmenge zu einem vorgemischten Zusatzgas verbunden, das aus der einzelnen Zusatzdüse ausströmt. Die Endwand der Brennkammer und die Zusatzdüse sind so ausgebildet, daß der Zusatzgasstrom einen Wirbelring um die Hauptdüse bildet. Die Brenngaszufuhr zur Hauptdüse und zur Zusatzdüse kann in Abhängigkeit eines Parameters der Gasturbine gesteuert werden, so daß bei geringer Leistung ein Hauptteil des Brenngases der Zusatzdüse zugeführt wird, während bei einer geringen Leistung der Hauptteil des Brenngases durch die mittig angeordnete Hauptdüse eingespritzt wird.US-A-4 237 694 discloses a gas turbine burner with a substantially cylindrical combustion chamber and a single main gas nozzle which is arranged centrally in the end wall of the combustion chamber. A cylindrical mixing chamber is arranged in front of the main gas nozzle and is connected to an annular channel via a plurality of radially directed gas supply openings. An auxiliary gas nozzle arranged concentrically around the main nozzle is connected to an annular chamber for mixing the air with a quantity of fuel gas to form a premixed auxiliary gas which flows out of the individual auxiliary nozzle. The end wall of the combustion chamber and the auxiliary nozzle are designed so that the auxiliary gas flow forms a vortex ring around the main nozzle. The fuel gas supply to the main nozzle and the auxiliary nozzle can be controlled depending on a parameter of the gas turbine so that at low power a majority of the fuel gas is supplied to the auxiliary nozzle, while at low power the majority of the fuel gas is injected through the centrally arranged main nozzle.
Aus der US-A-3 919 840 ist eine Vorrichtung zum Vermischen von Strömungsfluiden mit ungleicher Verwirbelung in der Brennzone einer Ringbrennkammer bekannt. Zur Beschleunigung der Verbrennung wird das Mischungsverhältnis zwischen dem kalten Brennstoff-Luft-Gemisch und den heißen Verbrennungsprodukten in der Verdünnungszone der Ringbrennkammer erhöht. Das heiße Abgas strömt mit geringerer Energie in Umfangsrichtung in einen äußeren Ringkanal, während das kalte Erenngasgemisch mit höherer Energie in einen inneren Ringkanal strömt. Zwischen dem inneren und äußeren Ringkanal ist eine Trennwand angeordnet.US-A-3 919 840 discloses a device for mixing flow fluids with unequal turbulence in the combustion zone of an annular combustion chamber. To accelerate combustion, the mixing ratio between the cold fuel-air mixture and the hot combustion products in the dilution zone of the annular combustion chamber is increased. The hot exhaust gas flows with less energy in the circumferential direction into an outer annular channel, while the cold exhaust gas mixture flows with higher energy into an inner annular channel. A partition wall is arranged between the inner and outer annular channels.
In der EP-A-0 095 788 ist eine Brenkammer einer Gasturbine offenbart, in der eine getrennte Luftverteilungskammer durch mehrere beabstandete Rohrelemente mit dem Brennraum für die Vormischung des getrennt zugeführten Brennstoffs mit Druckluft verbunden ist. An dem inneren Ende jedes Rohrelements ist eine Verwirbelungskammer vorgesehen, in welcher der durch das Rohr zugeführte Brennstoff und eine Luftmenge vermischt und durch eine speziell ausgebildete Diffusions-Hauptdüse sofot in die Brennkammer eingespritzt wird, Zwischen dem Brennstoffrohr und dem äußeren Rohrelement ist eine ringförmige Mischkammer vorgesehen, in der eine Luftmenge mit einem Teil des Brennstoffs aus dem Brennstoffrohr vermischt wird. Dieses Gemisch wird einer ringförmigen Zusatzdüse zugeführt, die an dem inneren Ende des Rohrelements um jede der Hauptdüsen ausgebildet ist. Während des Lastbetriebs der Turbine sollte 90 bis 95 % der Brennstoffmenge als Zusatz-Gasgemisch durch die ringförmigen Zusatzdüsen und lediglich 5 bis 10 % als Haupt-Gasgemisch durch die mittigen Hauptdüsen eingespritzt werden. Die Mehrzahl der Haupt- und Zusatzdüsen sind in mehrere Gruppen unterteilt, die getrennt in einer vorbestimmten Weise entsprechend der Turbinenlast gesteuert werden.EP-A-0 095 788 discloses a combustion chamber of a gas turbine in which a separate air distribution chamber is connected to the combustion chamber by several spaced-apart pipe elements for premixing the separately supplied fuel with compressed air. At the inner end of each pipe element, a swirl chamber is provided in which the fuel supplied through the pipe and a quantity of air are mixed and immediately injected into the combustion chamber by a specially designed diffusion main nozzle. Between the fuel pipe and the outer pipe member, an annular mixing chamber is provided in which a quantity of air is mixed with a portion of the fuel from the fuel pipe. This mixture is supplied to an annular auxiliary nozzle formed at the inner end of the pipe member around each of the main nozzles. During load operation of the turbine, 90 to 95% of the quantity of fuel should be injected as an auxiliary gas mixture through the annular auxiliary nozzles and only 5 to 10% as a main gas mixture through the central main nozzles. The majority of the main and auxiliary nozzles are divided into several groups which are separately controlled in a predetermined manner according to the turbine load.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Gasturbinenbrenner und ein Verfahren zur Verbrennung zu schaffen, mit denen eine stabile Verbrennung eines mageren Vormischgases mit einem Luftverhältnis größer als 1 von einer niedrigen Last bis zu einer hohen Last der Gasturbine ermöglicht wird.The object of the invention is to provide a gas turbine burner and a combustion method which enable stable combustion of a lean premix gas with an air ratio greater than 1 from a low load to a high load of the gas turbine.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 (Brenner) bzw. Anspruch 12 (Brennverfahren) gelöst.This object is achieved according to the invention by the features of claim 1 (burner) or claim 12 (burning method).
Gemäß der Erfindung wird an den Fuß der Brennflamme mit hohem Luftverhältnis ständig eine stabile Zusatzflamme gebildet, um die Hauptflamme aufrecht zu erhalten, die mit hohen Geschwindigkeiten brennt. Daher ist das Gasturbinen-Brenn- System ein vollständiges Vormisch-Brennsystem. Wenn daher eine magere Verbrennung bei einer Einstellung des Luftverhältnisses des Brennstoff-Luft-Gemischs für die Hauptflamme größer als 1 durchgeführt wird, können die Mengen an NOX und CO gesenkt werden, welche die vom Gasturbinenbrenner erzeugten Schadstoffe sind.According to the invention, a stable auxiliary flame is constantly formed at the base of the high air ratio combustion flame to maintain the main flame burning at high speeds. Therefore, the gas turbine combustion system is a complete premix combustion system. Therefore, when lean combustion is carried out with the air ratio of the fuel-air mixture for the main flame set to be greater than 1, the amounts of NOX and CO, which are the pollutants generated by the gas turbine combustor, can be reduced.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen:Short description of the drawings:
Fig. 1 ist ein Querschnitt eines Teils eines erfindungsgemäßen Gasturbinenbrenners;Fig. 1 is a cross-sectional view of a portion of a gas turbine combustor according to the invention;
Fig. 2 ist ein Querschnitt entlang der Linie II-II von Fig. 1;Fig. 2 is a cross-section along the line II-II of Fig. 1;
Fig. 3 ist ein Querschnitt eines Düsenteils von Fig. 1 im Detail;Fig. 3 is a cross-sectional view of a nozzle portion of Fig. 1 in detail;
Fig. 4 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Turbinenlast und dem Öffnungsgrad der in Fig. 1 dargestellten Ventile zeigt;Fig. 4 is a graph showing the relationship between the turbine load and the opening degree of the valves shown in Fig. 1;
Fig. 5(a) und 5(b) sind Diagramme, die die Beziehungen zwischen der erzeugten NOX-Menge und der erzeugten CO-Menge zeigen, wenn das Vormischgas während der Veränderung des Luftverhältnisses verbrannt wird;Figs. 5(a) and 5(b) are graphs showing the relationships between the amount of NOX generated and the amount of CO generated when the premixed gas is burned while changing the air ratio;
Fig. 6(a) und 6(b) sind Diagramme, die die Abgaszusammensetzung des erfindungsgemäßen Brenners bis zu einem Bereich eines Luftverhältnisses von 3,6 zeigen;Figs. 6(a) and 6(b) are diagrams showing the exhaust gas composition of the burner according to the invention up to a range of an air ratio of 3.6;
Fig. 7 ist ein Diagramm, das die Abgaszusammensetzung der Flamme in der Radialrichtung der Düse zeigt;Fig. 7 is a diagram showing the exhaust gas composition of the flame in the radial direction of the nozzle;
Fig. 8 ist ein Querschnitt, der einen Teil des Gasturbinenbrenners gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung zeigt;Fig. 8 is a cross-sectional view showing a part of the gas turbine combustor according to another embodiment of the invention;
Fig. 9 ist ein Querschnitt entlang der Linie IX-IX von Fig. 8; undFig. 9 is a cross-section along the line IX-IX of Fig. 8; and
Fig. 10 ist ein Kenngrößendiagramm, das die Beziehungen zwischen der Lastveränderung und dem Kraftstoffzufuhrsystem in dem Gasturbinenbrenner von Fig. 8 zeigt.Fig. 10 is a characteristic diagram showing the relationships between the load variation and the fuel supply system in the gas turbine combustor of Fig. 8.
Fig. 1 ist ein Querschnitt eines erfindungsgemäßen Gasturbinenbrenners. Ein Innenzylinder 20 ist konzentrisch in einem Außenzylinder 10 angeordnet und ein Ringraum zwischen dem Außenzylinder 10 und dem Innenzylinder 20 bildet einen Luftkanal 12 zur Einleitung der vom Kompressor eingeblasenen Luft zum Kopfteil des Innenzylinders. An dem Kopf des Innenzylinders 20 befinden sich doppelte Endwände 11 und 12 und in der inneren Endwand 11 sind Hauptdüsen 14 und diese umgebende Hilfsdüsen 15 über deren gesamten Oberfläche gemäß Fig. 2 ausgebildet. Die Hauptdüsen 14 sind am rechten Ende der Vormischzylinder 16 gebildet, die sich an der Seite der äußeren Endwand 12 erstrecken und diese durchsetzen. Die Vormischzylinder 16 leiten die Luft von einer Luftkammer 17 an der linken Seite der Endwand 12 ein. Brennstoffzufuhrrohre 18 sind in den Vormischzylindern 16 eingesetzt und der von den Enden der Brennstoffzufuhrrohre 18 eingespritzte Brennstoff wird mit der Luft vermischt, wenn diese durch die Zylinder 16 strömt, wodurch ein Vormischgas gebildet wird. Zusatzdüsen 15 sind mit zusätzlichen Vormischkammern 30 zwischen den Endwänden 11 und 12 verbunden. Die Kammern 30 werden mit einem gleichmäßig vorgemischten Gas von einem Venturi-Mischer 31 versorgt. Die Hochdruckluft wird in den Mischer 31 durch eine Einführungsplatte 26 über ein Luft-Einstellventil 40 eingeleitet und der unter Atmosphärendruck eingestellte Brennstoff wird zur Bildung eines gleichmäßigen Vorgemisches angesaugt. Die Brennstoffzufuhrrohre 18 sind mit einem Haupt-Brennstoffeinstellventil 60 über Abschaltventile 50 verbunden, die für jedes der Rohre 18 vorgesehen sind. Die Ventile 50 und 60 werden nach Anweisungen von einer Steuereinrichtung 70 gesteuert, welche die Last der Gasturbine und Drehzahlsignale erhält.Fig. 1 is a cross-sectional view of a gas turbine combustor according to the invention. An inner cylinder 20 is arranged concentrically in an outer cylinder 10, and an annular space between the outer cylinder 10 and the inner cylinder 20 forms an air passage 12 for introducing the air blown in from the compressor to the head of the inner cylinder. At the head of the inner cylinder 20 there are double end walls 11 and 12, and in the inner end wall 11 main nozzles 14 and auxiliary nozzles 15 surrounding them are formed over the entire surface thereof as shown in Fig. 2. The main nozzles 14 are formed at the right end of premix cylinders 16 which extend along and penetrate the side of the outer end wall 12. The premix cylinders 16 introduce the air from an air chamber 17 on the left side of the end wall 12. Fuel supply pipes 18 are inserted into the premix cylinders 16 and the fuel injected from the ends of the fuel supply pipes 18 is mixed with the air as it passes through the cylinders 16, thereby forming a premix gas. Auxiliary nozzles 15 are connected to additional premix chambers 30 between the end walls 11 and 12. The chambers 30 are supplied with a uniformly premixed gas from a venturi mixer 31. The high pressure air is introduced into the mixer 31 through an inlet plate 26 via an air adjustment valve 40 and the fuel adjusted to atmospheric pressure is sucked in to form a uniform premix. The fuel supply pipes 18 are connected to a main fuel adjustment valve 60 via shut-off valves 50 provided for each of the pipes. 18. The valves 50 and 60 are controlled according to instructions from a control device 70 which receives the gas turbine load and speed signals.
Die Abschaltventile 50 sind bei Erhalt eines Öffnungssignals von der Steuereinrichtung 70 vollständig geöffnet und ansonsten vollständig geschlossen. In Fig. 1 sind lediglich vier Abschaltventile dargestellt. Es sind jedoch für alle Kraftstoffzufuhrrohre 18 Abschaltventile vorgesehen. Diese Ausführung weist 19 Abschaltventile auf. Die Anzahl der sich öffnenden Abschaltventile steigt mit dem Anwachsen der Turbinenlast an, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist. Auf der anderen Seite verändert sich der Öffnungsgrad des Einstellventils 60 nahezu proportional zur Turbinenlast. Das Einstellventil 40 behält nahezu einen konstanten äf fnungsgrad (etwa 10 %) unabhängig von der Turbinenlast bei. Die in die zusätzlichen Vormischkammern 30 eingeleitete Vorgemisch wird in dem Mischer 31 auf ein Luftverhältnis oberhalb eines Bereichs von 0,8 bis 1,2 vorgemischt. Das Luft- Einstellventil 40 ist darüber hinaus so eingestellt, daß die Einspritzgeschwindigkeit von den Zusatzdüsen 50 im wesentlichen gleich der Verbrennungsgeschwindigkeit ist.The shut-off valves 50 are fully opened when receiving an opening signal from the control device 70 and otherwise fully closed. Only four shut-off valves are shown in Fig. 1. However, 18 shut-off valves are provided for all fuel supply pipes. This design has 19 shut-off valves. The number of shut-off valves opening increases with the increase in the turbine load, as shown in Fig. 4. On the other hand, the opening degree of the adjustment valve 60 changes almost proportionally to the turbine load. The adjustment valve 40 maintains an almost constant opening degree (about 10%) regardless of the turbine load. The premix introduced into the additional premix chambers 30 is premixed in the mixer 31 to an air ratio above a range of 0.8 to 1.2. The air adjustment valve 40 is also adjusted so that the injection speed of the additional nozzles 50 is substantially equal to the combustion speed.
Zum Betrieb der Gasturbine wird zuerst das Einstellventil 40 für die Zusatzflamme zur Bildung des zusätzlichen Vorgemisches durch den Mischer 31 geöffnet. Anschließend wird das von den Zusatzdüsen 15 eingespeiste Vorgemisch durch nicht dargestellte Zündkerzen gezündet. Das zusätzliche Vorgemisch hat ein Luftverhältnis in der Nähe von 1, d.h., liegt zwischen 0,8 und 1,2, und die Zufuhrgeschwindigkeit ist nahezu gleich der Verbrennungsgeschwindigkeit, d.h. 0,4 m/s. Daher wird das zusätzliche Vorgemisch zuverlässig gezündet und hält die Verbrennung nach der Zündung stabil.To operate the gas turbine, first the auxiliary flame adjustment valve 40 is opened to form the auxiliary premixture by the mixer 31. Then the premixture fed from the auxiliary nozzles 15 is ignited by spark plugs not shown. The auxiliary premixture has an air ratio close to 1, i.e., between 0.8 and 1.2, and the feed speed is almost equal to the combustion speed, i.e., 0.4 m/s. Therefore, the auxiliary premixture is reliably ignited and keeps the combustion stable after ignition.
In diesem Fall sind die Abschaltventile 50 meistens geschlossen und die Luft wird nur von den Hauptdüsen 14 eingeblasen. Der Öffnungsgrad des Einstellventils 60 steigt in Abhängigkeit von Lastsignalen der Turbine schrittweise an und die Abschaltventile 50 werden bei einem vorbestimmten Befehl geöffnet. In den Vorschmischzylindern 16 wird daraufhin ein Vorgemisch gebildet und mit hoher Geschwindigkeit von den Hauptdüsen 14 eingespeist. Das von den Hauptdüsen 14 eingespeiste Vorgemisch wird durch eine darum gebildete Zusatzflamme 80 (Fig. 3) gezündet, um eine Hauptflamme 90 zu erhalten.In this case, the shut-off valves 50 are mostly closed and the air is only blown in by the main nozzles 14. The opening degree of the adjustment valve 60 increases gradually depending on load signals from the turbine and the shut-off valves 50 are opened at a predetermined command. A premixture is then formed in the pre-mixing cylinders 16 and fed at high speed by the main nozzles 14. The premixture fed in by the main nozzles 14 is ignited by an additional flame 80 (Fig. 3) formed around it in order to obtain a main flame 90.
Wenn die Abschaltventile 50 aufeinanderfolgend geöffnet werden, nimmt die Anzahl der durch die Hauptdüsen 14 gebildeten Flammen schrittweise ab und die Flammen werden durch sämtliche Hauptdüsen 14 unter Nennlast gebildet. In einer Gasturbine zur Erzeugung von Elektrizität dreht sich die Turbine im allgemeinen mit einer konstanten Geschwindigkeit bei einer Last von 0 % bis 100 % und dem Brenner wird eine nahezu konstante Luftmenge zugeführt. Daher strömt eine nahezu konstante Luftmenge von der Luftkammer 17 in die Vormischzylinder 16.When the shut-off valves 50 are opened sequentially, the number of flames formed by the main nozzles 14 gradually decreases and the flames are formed by all the main nozzles 14 under rated load. In a gas turbine for generating electricity, the turbine generally rotates at a constant speed at a load of 0% to 100% and an almost constant amount of air is supplied to the burner. Therefore, an almost constant amount of air flows from the air chamber 17 into the premix cylinders 16.
Auf der anderen Seite verändert sich die durch das Stellventil 60 strömende Brennstoffmenge nahezu proportional zur Turbinenlast. Da sich jedoch die Anzahl der öffnenden Abschaltventile 50 in Abhängigkeit von der Brennstoffmenge ändert, bleibt die den Vormischzylindern zugeführte Brennstoffmenge pro geöffnetem Abschaltventil nahezu gleich und das Luftverhältnis des in den Vorschmischzylindern 16 gebildeten Gasgemischs verändert sich nicht wesentlich. Bei dieser Ausführung ist das Luftverhältnis daher auf 1,2 bis 2,5 eingestellt.On the other hand, the amount of fuel flowing through the control valve 60 changes almost proportionally to the turbine load. However, since the number of opening shut-off valves 50 changes depending on the amount of fuel, the amount of fuel supplied to the premixing cylinders per opened shut-off valve remains almost the same and the air ratio of the gas mixture formed in the premixing cylinders 16 does not change significantly. In this design, the air ratio is therefore set to 1.2 to 2.5.
Bei dieser Ausführung, bei der das Luftverhältnis des Vormischgases in den Zusatzdüsen 15 zur Aufrechterhaltung der Flamme in der Nähe von 1 eingestellt ist, ist es nicht sehr wahrscheinlich, daß die Flamme ausgeblasen wird, sogar wenn das Vorgemisch von den Hauptdüsen 14 mit einer Geschwindigkeit größer als 20 m/s und vorzugsweise bei einer Geschwindigkeit von 40 m/s bis 70 m/s eingespeist wird. Da die Luft darüber hinaus von den Hauptdüsen 14 bei einer Geschwindigkeit von 20 m/s bis 70 m/s konstant zugeführt wird, tritt auch kein Rückschlag auf.In this construction, in which the air ratio of the premix gas in the auxiliary nozzles 15 is set to be close to 1 to maintain the flame, the flame is not very likely to be blown out even if the premix is supplied from the main nozzles 14 at a speed greater than 20 m/s, and preferably at a speed of 40 m/s to 70 m/s. Moreover, since the air is constantly supplied from the main nozzles 14 at a speed of 20 m/s to 70 m/s, no flashback occurs either.
Selbst wenn das Vorgemisch von den Hauptdüsen 14 derart mager ist, daß es ein Luftverhältnis von 1,5 oder mehr aufweist, wird die Verbrennung aufgrund der Zusatzflamme stabil aufrecht erhalten.Even if the premixture from the main nozzles 14 is so lean that it has an air ratio of 1.5 or more, the combustion is maintained stably due to the additional flame.
Die Fig. 5(a), 5(b) und 6(a), 6(b) zeigen Beziehungen zwischen der erzeugten NOX-Menge und den Mengen an H&sub2; und CO, die erzeugt werden, wenn das Vorgemisch bei verändertem Luftverhältnis verbrannt wird. Fig. 5(a), (b) zeigt die Untersuchungsergebnisse des Abgases vom Verbrennungszylinder, wenn die Vormischflamme in dem Verbrennungszylinder mit einem Innendurchmesser von 90 mm und einer Höhe von 346 mm gebildet wird, und Fig. 6(a), (b) zeigt die Untersuchungsergebnisse des Abgases vom Verbrennungszylinder, wenn die Vormischflamme in dem Verbrennungszylinder mit einem Innendurchmesser von 208 mm und einer Höhe von 624 mm gebildet wird, in beiden Fällen unter denselben Verbrennungsbedingungen.Figs. 5(a), 5(b) and 6(a), 6(b) show relationships between the amount of NOX generated and the amounts of H₂ and CO generated when the premixture is burned with the air ratio changed. Fig. 5(a), (b) shows the investigation results of the exhaust gas from the combustion cylinder when the premix flame is formed in the combustion cylinder having an inner diameter of 90 mm and a height of 346 mm, and Fig. 6(a), (b) shows the investigation results of the exhaust gas from the combustion cylinder when the premix flame is formed in the combustion cylinder having an inner diameter of 208 mm and a height of 624 mm, in both cases under the same combustion conditions.
Fig. 6(a), (b) zeigt die Analyse des Abgases bis zu dem Bereich eines Luftverhältnisses von 3,6. In den Fig. 6(a) und 5 (b), in denen die Hauptflamme mit dem Luftverhältnis von 1,3 bis 1,8 gebildet wurde, betrug die NOX-Menge weniger als 100 ppm, wie durch die Kurve 221 dargestellt, und CO und H&sub2; wurden nicht immer gebildet, wie durch die Kurven 231 und 241 gezeigt ist. Selbstverständlich weist der Sauerstoff ein durch eine Kurve 251 gezeigtes Verhalten auf.Fig. 6(a), (b) shows the analysis of the exhaust gas up to the range of air ratio of 3.6. In Fig. 6(a) and 5(b) in which the main flame was formed with the air ratio of 1.3 to 1.8, the amount of NOX was less than 100 ppm as shown by the curve 221, and CO and H₂ were not always formed, as shown by curves 231 and 241. Of course, oxygen exhibits a behavior shown by a curve 251.
Im Hinblick auf dieses Verhalten sind scheinbar große Mengen an Stickoxiden erzeugt worden, da das Luftverhältnis des Vorgemisches in den Zusatzdüsen in der Nähe von 1 liegt. Insgesamt sind jedoch nur geringe Mengen an NOX erzeugt worden, da das Brennstoffverhältnis der Zusatzflamme etwa 10 % beträgt.In view of this behavior, large amounts of nitrogen oxides appear to have been generated since the air ratio of the premix in the auxiliary nozzles is close to 1. However, overall only small amounts of NOX were generated since the fuel ratio of the auxiliary flame is about 10%.
In Fig. 7 wurde das Brenngas an einem Punkt gesammelt und analysiert, der 5 mm von der Hauptdüse (mit einem Innendurchmesser von etwa 26 mm) stromabwärts entfernt war, wobei die Sonde, in der Radialrichtung vom Mittelpunkt der Düse bewegt wurde, um die Verbrennungsbedingungen in der Hauptflamme und in der Nähe der Zusatzflamme zu untersuchen. Wie aus Fig. 7 hervorgeht, wird in der Hauptflamme CH&sub4; nahezu nicht verbrannt, während es in Richtung zur Zusatzflamme verbrennt und über der Zusatzflammendüse zu 100 % verbrennt. Diese Tatsache zeigt, daß die Flamme zuverlässig übertragen wird von der Zusatzflamme der Zusatzdüse zum Vorgemisch der Hauptdüse. Die Größe des bei dieser Ausführung verwendeten Brenners ist wie folgt Die Hauptdüse hat einen Innendurchmesser von 26 mm, der die Hauptdüse umgebende Abstandshalter hat eine Dicke von 2 mm und die Zusatzdüse hat eine Weite von 2 mm.In Fig. 7, the fuel gas was collected and analyzed at a point 5 mm downstream from the main nozzle (with an inner diameter of about 26 mm) with the probe moved in the radial direction from the center of the nozzle to examine the combustion conditions in the main flame and near the auxiliary flame. As can be seen from Fig. 7, CH4 is almost not burned in the main flame, while it burns toward the auxiliary flame and burns 100% above the auxiliary flame nozzle. This fact shows that the flame is reliably transferred from the auxiliary flame of the auxiliary nozzle to the premix of the main nozzle. The size of the burner used in this design is as follows: The main nozzle has an inner diameter of 26 mm, the spacer surrounding the main nozzle has a thickness of 2 mm, and the auxiliary nozzle has a width of 2 mm.
Fig. 8 zeigt einen Gasturbinenbrenner, bei dem mehrere Hauptdüsen in der Endwand an der Kopfseite des Brennerinnenzylinders in drei Gruppen aufgeteilt sind und die den Düsengruppen zugeführte Brennstoffmenge unabhängig gesteigert oder gesenkt wird, so daß das Luftverhältnis des von den Hauptdüsen eingespeisten Brennstoff-Luftgemisches im Bereich von 1,2 bis 2,5 liegt, wenn die Turbinenlast sich über einen Bereich von 20 % bis 100 % ändert, um so die von dem Brenner erzeugten NOX- und CO-Mengen zu reduzieren. Die Nummern der Hauptdüsen in der Vorderansicht des Brenners gemäß Fig. 9 stellen Klassifikationsnummern der in drei Gruppen aufgeteilten Hauptdüsen dar. Jede Düsengruppe hat vier Hauptdüsen. Die Bezugszeichen 61, 62 und 63 bezeichnen Strömungsraten-Einstellventile, d.h., 61 bezeichnet das Einstellventil für die Erhöhung oder Verringerung der zur zweiten Düsengruppe geführten Brennstoffmenge, 62 bezeichnet das Einstellventil für die erste Düsengruppe und 63 bezeichnet das Einstellventil für die dritte Düsengruppe. Das Bezugszeichen 19 bezeichnet einen Brenner für eine Diffusionsflamme für die Zündung der durch die Zusatzdüsen gebildeten Zündflamme. Nachdem die Zündflamme für die Zusatzdüsen gebildet wurde, wird dem Brenner 19 kein weiterer Brennstoff zugeführt und dessen Flamme erlischt.Fig. 8 shows a gas turbine burner in which several main nozzles in the end wall at the head side of the burner inner cylinder are divided into three groups and the amount of fuel supplied to the nozzle groups is increased or decreased independently so that the air ratio of the fuel-air mixture fed by the main nozzles is in the range of 1.2 to 2.5 when the turbine load is over a range of 20% to 100% so as to reduce the amounts of NOX and CO generated by the burner. The numbers of the main nozzles in the front view of the burner shown in Fig. 9 represent classification numbers of the main nozzles divided into three groups. Each nozzle group has four main nozzles. Reference numerals 61, 62 and 63 denote flow rate adjustment valves, that is, 61 denotes the adjustment valve for increasing or decreasing the amount of fuel supplied to the second nozzle group, 62 denotes the adjustment valve for the first nozzle group and 63 denotes the adjustment valve for the third nozzle group. Reference numeral 19 denotes a diffusion flame burner for igniting the pilot flame formed by the auxiliary nozzles. After the pilot flame for the auxiliary nozzles is formed, no further fuel is supplied to the burner 19 and its flame is extinguished.
Fig. 10 zeigt Veränderungen in der den Düsengruppen Zugeführten Brennstoffmenge, wenn die Last des Gasturbinenbrenners von Fig. 8 verändert wird. Der ersten Düsengruppe wird alleine Brennstoff zugeführt, wenn sich die Turbinenlast im Bereich von 0 bis 39 % befindet. Wenn das Luftverhältnis des von den Hauptdüsen eingespeisten Brennstoff-Luftgemischs den Wert 1,25 erreicht hat, wird die Brennstoffzufuhr derart verringert, daß das Luftverhältnis 2,5 wird. Gleichzeitig wird der zweiten Düsengruppe Brennstoff Zugeführt, so daß das Luftverhältnis 2,5 wird und die der ersten Düsengruppe zugeführte Brennstoffmenge wird unter der Bedingung erhöht, daß die der zweiten Düsengruppe Zugeführte Brennstoffmenge konstant gehalten wird, um so die Turbinenlast von 39 % auf 60 zu steigern. Wenn das Luftverhältnis des Brennstoff-Luft-Gemischs der ersten Düsengruppe den Wert 1,25 erreicht hat, wird die Brennstoffzufuhr derart verringert, daß das Luftverhältnis der ersten Düsengruppe 2,5 wird. Gleichzeitig wird der dritten Düsengruppe Brennstoff derart zugeführt, daß das Luftverhältnis 2,5 wird und die den ersten, zweiten und dritten Düsengruppen zugeführten Kraftstoffmengen werden bei einer Turbinenlast von 60 % bis 100 % proportional gesteigert. Bei einer Turbinenlast von 100 % wird der Gasturbinenbrenner derart betrieben, daß das Luftverhältnis des von den ersten, zweiten und dritten Düsen eingespeisten Brennstoff-Luftgemisches 1,5 ist.Fig. 10 shows changes in the amount of fuel supplied to the nozzle groups when the load of the gas turbine combustor of Fig. 8 is changed. Fuel is supplied to the first nozzle group alone when the turbine load is in the range of 0 to 39%. When the air ratio of the fuel-air mixture fed from the main nozzles has reached 1.25, the fuel supply is reduced so that the air ratio becomes 2.5. At the same time, fuel is supplied to the second nozzle group so that the air ratio becomes 2.5 and the amount of fuel supplied to the first nozzle group is increased under the condition that the amount of fuel supplied to the second nozzle group is kept constant, so as to increase the turbine load from 39% to 60. When the air ratio of the fuel-air mixture of the first nozzle group has reached 1.25, the fuel supply is reduced so that the air ratio of the first nozzle group becomes 2.5. At the same time, the third nozzle group Fuel is supplied such that the air ratio becomes 2.5 and the amounts of fuel supplied to the first, second and third nozzle groups are increased proportionally at a turbine load of 60% to 100%. At a turbine load of 100%, the gas turbine burner is operated such that the air ratio of the fuel-air mixture fed from the first, second and third nozzles is 1.5.
Unter den in Fig. 10 gezeigten Gasturbinen-Betriebsbedingungen liegt das Luftverhältnis des von den ersten, zweiten und dritten Düsengruppen eingespeisten Brennstoff-Luftgemischs zwischen 1,25 und 2,5 über einem Bereich der Turbinenlast von 20 % bis 100 %. Wie aus den Fig. 6(a) und 6(b) hervorgeht, ist die Menge des erzeugten NOX geringer als 100 ppm über dem Luftverhältnisbereich von 1,25 bis 2,5 und unverbrannte Bestandteile, die CO, H&sub2; und CH&sub4; enthalten, werden nur in geringen Mengen erzeugt. Man kann daher sagen, daß das Verfahren zum Betrieb des Gasturbinenbrenners auf effektive Weise für Gasturbinen-Verbrennungssysteme eingesetzt werden kann, die nur eine geringe NOX-Erzeugung erlauben.Under the gas turbine operating conditions shown in Fig. 10, the air ratio of the fuel-air mixture fed from the first, second and third nozzle groups is between 1.25 and 2.5 over a range of turbine load from 20% to 100%. As is clear from Figs. 6(a) and 6(b), the amount of NOX produced is less than 100 ppm over the air ratio range from 1.25 to 2.5 and unburned components containing CO, H₂ and CH₄ are produced only in small amounts. It can therefore be said that the method of operating the gas turbine combustor can be effectively applied to gas turbine combustion systems which allow only small NOX production.
Wie vorstehend erläutert wurde, wird die mit geringer Geschwindigkeit zugeführte Zusatzflamme gemäß der Erfindung zur Zündung der mit hoher Geschwindigkeit zugeführten Vormischflamme (Hauptflamme) und zur Aufrechterhaltung der Flamme verwendet. Daher wird das Vorgemisch zur Bildung der Zündflamme für die Aufrechterhaltung der Flamme bei einer Geschwindigkeit eingespeist, die der Verbrennungsgeschwindigkeit entspricht, d.h., wird mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,4 m/s zugeführt. Darüber hinaus wird Luftverhältnis zwischen 0,8 und 1,2 eingestellt, um die Erzeugung von NOX zu unterdrücken und ein Ausblasen zu vermeiden. Die gesamte Umgebung des mit hoher Geschwindigkeit eingespeisten Vorgemisches ist von der Zusatzflamme zur Aufrechterhaltung der Flamme umgeben, so daß die zur Aufrechterhaltung der Flamme erzeugte Wärme auf effektive Weise auf die Hauptflamme übertragen wird. Darüber hinaus ist zwischen dem Brenner für die Hauptflamme und dem Brenner für die Zusatzflamme ein Abstandshalter vorgesehen, so daß ein stabiler Verwirbelungsstrom zwischen dem Brenner zum Einspritzen des Vormischgases für die Hauptflamme und dem Brenner zur Einspritzen des Vormischgases für die Zusatzflamme aufgrund eines Unterschiedes in der Einspritzgeschwindigkeit zwischen diesen gebildet wird. Dadurch wird die Vermischung des Vormischgases mit hohem Luftverhältnis für die Hauptflamme und des Verbrennungsgases von der Zusatzflamme mit hoher Temperatur unterstützt so daß die Hauptflamme einfacher gezündet werden kann. Experimente durch die Erfinder haben gezeigt, daß bei einer Abtrennung der Hauptflamme von der Zusatzflamme durch eine dünne Trennwand, wie z.B. eine Schneidkante anstelle eines Abstandshalters, die Zusatzflamme auch dann ausgeblasen wurde, wenn die Strömung der Zusatzflamme durch die Hauptflamme beeinflußt und die Hauptflamme ausgeblasen wird. Wenn jedoch ein Abstandshalter vorgesehen ist, vermischen sich die Hauptflamme und die Zusatzflamme nicht direkt miteinander in der Nähe des Brennerauslasses, sondern vermischen sich nur teilweise miteinander in der Wirbelströmung, die sich am Abstandsteil bildet. Es bildet sich daher immer eine stabile Zusatzflamme, die nicht durch die Hauptflamme beeinträchtigt wird, was zu einer Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit oder des Luftverhältnisses beiträgt, indem die Hauptflamme stabil gebildet werden kann.As explained above, according to the invention, the low-speed auxiliary flame is used to ignite the high-speed premix flame (main flame) and to maintain the flame. Therefore, the premix for forming the pilot flame for maintaining the flame is fed at a speed corresponding to the combustion speed, that is, it is fed at a speed of about 0.4 m/s. In addition, the air ratio is set between 0.8 and 1.2 to suppress the generation of NOX and prevent blowout. The entire environment of the high-speed The premixture gas injected is surrounded by the auxiliary flame for maintaining the flame so that the heat generated for maintaining the flame is effectively transferred to the main flame. In addition, a spacer is provided between the burner for the main flame and the burner for the auxiliary flame so that a stable swirl flow is formed between the burner for injecting the premix gas for the main flame and the burner for injecting the premix gas for the auxiliary flame due to a difference in injection speed between them. This promotes the mixing of the high air ratio premix gas for the main flame and the combustion gas from the auxiliary flame at a high temperature so that the main flame can be ignited more easily. Experiments by the inventors have shown that when the main flame is separated from the auxiliary flame by a thin partition such as a cutting edge instead of a spacer, the auxiliary flame was blown out even if the flow of the auxiliary flame was affected by the main flame and the main flame was blown out. However, when a spacer is provided, the main flame and the auxiliary flame do not directly mix with each other near the burner outlet but only partially mix with each other in the swirling flow formed at the spacer part. Therefore, a stable auxiliary flame is always formed which is not affected by the main flame, which contributes to an increase in the flow velocity or air ratio by allowing the main flame to be formed stably.
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