DE4109304A1

DE4109304A1 - Gas-turbine-burner operating system - delivers steam and oil into air current via different nozzles

Info

Publication number: DE4109304A1
Application number: DE19914109304
Authority: DE
Inventors: Bernard Dr Ing Becker
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1991-03-21
Filing date: 1991-03-21
Publication date: 1992-09-24

Abstract

The burner-operating method is particularly for a gas turbine, this having a main-burner system (4, 7), preferably with an annular air feed passage (4). In the latter are turbulence-inducing vanes (7). A larger number of first outlet nozzles (11) deliver a first and gaseous medium (B), and second ones (14) a second and liquid medium (C) into the main air current (A). Steam forms the first medium and oil the second. Alternatively, gas and water can be used respecitvely instead. The first nozzles can be above the vanes and the second ones in the same plane as the vanes. USE/ADVANTAGE - Reduces nitrous oxide emission and is usable with different fuels.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Brenners für fluidische Brennstoffe, insbesondere Öl, Erdgas und/oder Kohlegas, wie er insbesondere für Gasturbinen Anwendung findet.The present invention relates to a method of operation a burner for fluid fuels, in particular oil, Natural gas and / or coal gas, such as that used in particular for gas turbines Application.

Im Hinblick auf die weltweiten Bemühungen zur Senkung des Schadstoffausstoßes von Feuerungsanlagen, insbesondere bei Gasturbinen, wurden in den letzten Jahren Brenneranordnungen entwickelt, welche besonders einen geringen Ausstoß an Stick oxiden haben. Dabei wird vielfach Wert darauf gelegt, daß solche Brenner nicht nur mit einem Brennstoff, sondern mög lichst mit verschiedenen Brennstoffen, beispielsweise Öl, Erdgas und/oder Kohlegas wahlweise oder sogar in Kombination betreibbar sind, um die Versorgungssicherheit und Flexibilität beim Betrieb zu erhöhen. Solche Brenner sind beispielsweise in der EP-B1-01 93 838 und der EP-B1-02 76 696 beschrieben. Von diesem Stand der Technik geht die vorliegende Erfindung aus. Dabei ist es auch bekannt, daß zur weiteren Reduzierung des Schadstoffausstoßes in bestimmten Betriebszuständen zu sätzlich Inertstoffe, insbesondere Wasser oder Wasserdampf eingedüst werden können, wodurch die Verbrennungstempera tur gesenkt wird, was den Schadstoffausstoß an NOX verringert. Aus der WO 89/08 803 A1 ist es weiterhin bekannt, daß z. B. bei Verwendung bestehender Schweröle als Brennstoff dem eingedüsten noch Zusatzstoffe beigemischt werden können, um Schäden an den Bauteilen einer nachfolgenden Gasturbine zu vermeiden.With a view to worldwide efforts to reduce the Emission of pollutants from combustion plants, especially at Gas turbines have been burner assemblies in recent years developed, which particularly low emissions on stick have oxides. It is often emphasized that such burners not only with one fuel, but possible with different fuels, for example oil, Natural gas and / or coal gas optionally or even in combination are operable to ensure security of supply and flexibility increase in operation. Such burners are for example in EP-B1-01 93 838 and EP-B1-02 76 696. The present invention is based on this prior art out. It is also known that for further reduction of pollutant emissions in certain operating conditions additional inert substances, in particular water or water vapor can be injected, causing the combustion temperature is reduced, which reduces pollutant emissions of NOX. From WO 89/08 803 A1 it is also known that, for. B. at Use of existing heavy fuel oils as fuel additives can still be added to prevent damage to the Avoid components of a subsequent gas turbine.

Eine Schwierigkeit bei der Auslegung von Brennern für alle möglichen verschiedenen Betriebsbedingungen und Betriebsstoffe besteht darin, daß die beim Betrieb jeweils benötigten Volumina völlig verschieden sind, so daß im allgemeinen nicht das gleiche Zuführungssystem und die gleichen Eindüsungsöffnungen wahlweise für flüssige oder gasförmige Stoffe verwendet werden können. Daher wurden bisher unterschiedliche Ein düsungssysteme für gasförmigen Brennstoff, flüssigen Brenn stoff, Wasser und Wasserdampf neben den ohnehin immer not wendigen Zuführungssystemen für die Verbrennungsluft vorge sehen.A difficulty in designing burners for everyone possible different operating conditions and operating materials is that the volumes required during operation are completely different, so that generally not that same feed system and the same injection openings optionally used for liquid or gaseous substances can be. Therefore, different A have been nozzle systems for gaseous fuel, liquid fuel Substance, water and water vapor in addition to the need anyway agile supply systems for the combustion air see.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Zahl der not wendigen Eindüsungssysteme zu verringern und dabei gleichzeitig eine für die Wirkung günstigere Verteilung der eingedüsten Inertstoffe zu ermöglichen.The object of the present invention is to reduce the number of to reduce agile injection systems and at the same time a more favorable distribution of the injected To enable inert substances.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Brenners, insbesondere für Gasturbinen, welcher ein äußeres Hauptbrennersystem, vorzugsweise mit einem Luft-Zufuhr-Ringkanal system und einer darin angeordneten Drallbeschaufelung, aufweist, wobei eine Vielzahl von ersten Auslaßdüsen zur Beimischung eines ersten gasförmigen Mediums und eine Vielzahl von zweiten Auslaßdüsen zur Beimischung eines zweiten flüssigen Mediums zum Hauptluftstrom vorhanden sind, wobei weiter als erstes Medium Wasserdampf und als zweites Medium Öl in den Hauptluftstrom eingedüst wird. Diese Lösung betrifft den Betrieb des Brenners als Heizöl-Vormischbrenner.This object is achieved by a method for operating a Brenners, especially for gas turbines, which has an outer Main burner system, preferably with an air supply ring channel system and a swirl blading arranged in it, has, wherein a plurality of first outlet nozzles for Admixture of a first gaseous medium and a variety of second outlet nozzles for admixing a second liquid Medium to the main airflow are present, being further than water as the first medium and oil as the second medium Main air stream is injected. This solution affects operations of the burner as a heating oil premix burner.

Eine andere Lösung beim Betrieb des Brenners als Gas-Vormisch brenner besteht in einem entsprechenden Verfahren, bei dem als erstes Medium Gas und als zweites Medium Wasser in den Haupt luftstrom eingedüst wird.Another solution when operating the burner as a gas premix burner consists in a corresponding procedure, in which as first medium gas and second medium water in the main airflow is injected.

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Brenner, wie er in der EP-B1-02 76 696 beschrieben ist. Statt über gesonderte zen trale Zufuhrsysteme Inertstoffe einzuspeisen, betrifft die Er findung eine andere Betriebsweise der bekannten Brenner, welche die Einsparung der gesonderten Einspeisungssysteme für Inert stoffe ermöglicht und gleichzeitig eine bessere Verteilung die ser Stoffe und damit eine größere Wirkung zur Verringerung des Schadstoffausstoßes erreicht. Ausgenutzt wird dabei die Tat sache, daß als Inertstoff sowohl Wasser wie auch Wasserdampf in Betracht kommen. Nun stehen bei dem Brenner nach dem Stand der Technik gerade zwei Einspeisungssysteme zur Beimischung von Medien zum Hauptluftstrom zur Verfügung, nämlich ein für gasförmige Stoffe und die entsprechenden Volumina dimen sioniertes System und ein für flüssige Stoffe dimensioniertes System. Dies ermöglicht es, bei Verwendung von gasförmigem Brennstoff diesen durch das entsprechende System einzuspeisen und gleichzeitig das andere Einspeisungssystem für die Bei mischung von Wasser als flüssigem Inertstoff zu verwenden. Umgekehrt kann im Falle der Einspeisung von flüssigem Brenn stoff durch das eine System das andere System gerade zur Ein speisung von Wasserdampf als gasförmigem Inertstoff verwendet werden. Die Veränderungen an der gesamten Brenneranordnung sind minimal, da lediglich die bisher vorhandenen Zuführungs leitungen für gasförmigen und flüssigen Brennstoff mit Arma turen versehen werden müssen, die wahlweise die Einspeisung von Wasserdampf bzw. Wasser zulassen. Die Dosierung kann über den Druck in den Zuführungssystemen geregelt werden.The present invention is based on a burner as shown in EP-B1-02 76 696 is described. Instead of using separate zen Feeding inert feed systems affects the Er another operation of the known burner, which the saving of separate feed systems for inert enables materials and at the same time a better distribution of the of these substances and thus a greater effect for reducing the Pollutant emissions reached. The deed is exploited thing that both water and water vapor as an inert substance be considered. Now stand at the burner according to the status technology, just two feed systems for admixing of media available to the main airflow, namely a dimen for gaseous substances and the corresponding volumes based system and a dimensioned for liquid substances System. This makes it possible when using gaseous Fuel this through the appropriate system and at the same time the other feed system for the Be to use a mixture of water as a liquid inert substance. Conversely, in the case of the feeding of liquid fuel through the one system, the other system at the moment steam is used as the gaseous inert substance will. The changes to the overall burner arrangement are minimal because only the feeders previously available Arma gas and liquid fuel lines Doors must be provided, optionally the feed allow water vapor or water. The dosage can be over the pressure in the supply systems can be regulated.

Im übrigen bleibt die Brenneranordnung unverändert, wobei auch die hier nicht näher betrachteten inneren Systeme zur Aufrechterhaltung einer die Verbrennung stabilisierenden Pilotflamme oder zum wahlweisen Betrieb als Diffusionsbrenner unverändert übernommen werden können.Otherwise, the burner arrangement remains unchanged also the inner systems not considered here Maintaining a stabilizing combustion Pilot flame or for optional operation as a diffusion burner can be adopted unchanged.

Die erfindungsgemäße Betriebsweise von Brennern läßt sich im Prinzip auf alle Brenneranordnungen übertragen, welche sowohl Eindüsungsvorrichtungen für gasförmige wie auch flüssige Brennstoffe enthalten.The operation of burners according to the invention can be in Transfer principle to all burner arrangements, which both Injection devices for gaseous as well as liquid Contain fuels.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, wobei bezüglich hier nicht näher beschriebener Einzelheiten ausdrücklich auf die EP-B1-02 76 696 und die EP-B1-01 93 838 Bezug genommen wird. Die Anordnung weist eine zentrale Ölzuführung 1, einen inneren Gaszufuhr kanal 2, einen inneren Luftzufuhrkanal 3 mit einer Drallbe schaufelung 6 und eine innere Öldüse 5 auf. Diese Bauteile, auf deren Einzelheiten es bei der vorliegenden Erfindung nicht ankommt, dienen der Aufrechterhaltung einer die Stabilität der Brennerflamme unterstützenden Pilotflamme und erlauben prinzipiell den Betrieb der ganzen Brenneranordnung als Diffusionsbrenner, was jedoch aus Gründen des Schadstoffaus stoßes im allgemeinen nicht ausgenutzt wird.An exemplary embodiment of the invention is explained below with reference to the drawing, reference being made expressly to EP-B1-02 76 696 and EP-B1-01 93 838 with regard to details not described in more detail here. The arrangement has a central oil supply 1 , an inner gas supply duct 2 , an inner air supply duct 3 with a swirl blade 6 and an inner oil nozzle 5 . These components, the details of which are not important in the present invention, are used to maintain a pilot flame that supports the stability of the burner flame and, in principle, permit the operation of the entire burner arrangement as a diffusion burner, which, however, is generally not exploited for reasons of harmful emissions.

Das Hauptbrennersystem besteht aus einem konzentrisch um die innere Systeme angeordneten und schräg auf dieses zulaufenden äußeren Luft-Zufuhr-Ringkanalsystem 4, welches eine Drall beschaufelung 7 enthält. Oberhalb der Drallbeschaufelung 7 befinden sich Düsenrohre 10 mit Auslaßöffnungen 11, welche über einen Ringkanal 9 mit einer Zuführungsleitung 8 in Ver bindung stehen, so daß mit diesem System ein Medium B dem Luftstrom (Medium A) zugeführt werden kann. Über eine Zufüh rungsleitung 12, einen Ringkanal 13 und Auslaßdüsen 14 kann dem Luftstrom A ein weiteres Medium C beigemischt werden, wie durch den Sprühstrahl 15 angedeutet ist. Beide Zufuhr systeme ermöglichen eine fein verteilte Beimischung zum Haupt luftstrom A. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, daß die inneren Systeme des Brenners noch drei weitere Zufuhrsysteme enthalten für die Medien E, F und G, wobei im allgemeinen E Luft, F Gas und G Öl ist. Das Zufuhrsystem für das Medium B ist dabei für gasförmige Medien und entsprechend große Volumina ausgelegt, während das Zufuhrsystem für das Medium C für flüssige Stoffe und damit kleinere Volumina ausgelegt ist. Wird die beschriebene Anordnung mit Gas als Medium B betrieben, so kann der Ausstoß an NOX durch Eindüsung von Wasser als Medium C weiter verringert werden auf sehr nie drige Werte. Andererseits kann beim Betrieb des Brenners mit Öl als Medium C der NOX-Ausstoß durch Eindüsung von Wasser dampf als Medium B ebenfalls stark reduziert werden, bei spielsweise auf Werte kleiner gleich 25 ppm. Die vorliegende Erfindung eignet sich daher besonders für den Betrieb von Gasturbinenanlagen mit extrem hohen Ansprüchen an niedrige Schadstoff-Emissionswerte sowohl für den Betrieb mit Öl wie auch mit Gas.The main burner system consists of an outer air supply ring duct system 4 , which is arranged concentrically around the inner systems and slants towards it and contains a swirl blading 7 . Above the swirl blading 7 there are nozzle tubes 10 with outlet openings 11 , which are connected via a ring channel 9 to a feed line 8 in Ver, so that with this system a medium B can be supplied to the air flow (medium A). Via a feed line 12 , an annular channel 13 and outlet nozzles 14 , a further medium C can be added to the air stream A, as indicated by the spray jet 15 . Both feed systems allow a finely divided admixture to the main air stream A. For the sake of completeness, it should be mentioned that the internal systems of the burner also contain three further feed systems for the media E, F and G, generally E air, F gas and G oil is. The supply system for the medium B is designed for gaseous media and correspondingly large volumes, while the supply system for the medium C is designed for liquid substances and thus smaller volumes. If the arrangement described is operated with gas as medium B, the emission of NOX can be further reduced to very low values by injecting water as medium C. On the other hand, when operating the burner with oil as medium C, NOx emissions can also be greatly reduced by injecting water vapor as medium B, for example to values less than or equal to 25 ppm. The present invention is therefore particularly suitable for the operation of gas turbine plants with extremely high demands for low pollutant emission values, both for operation with oil and with gas.

Claims

1. A method for operating a burner, in particular for gas turbines, which has a main burner system ( 4 , 7 ), preferably with an air supply ring duct system ( 4 ) and a swirl blading ( 7 ) arranged therein, a plurality of first outlet nozzles ( 11 ) for admixing a first gaseous medium (B) and further a plurality of second outlet nozzles ( 14 ) for admixing a second liquid medium (C) to the main air flow (A) are present, characterized in that water vapor as the first medium (B) and oil is injected into the main air stream as the second medium (C).

2. A method of operating a burner, in particular for gas turbines, which has a main burner system ( 4 , 7 ), preferably with an air supply ring duct system ( 4 ) and a swirl blading ( 7 ) arranged therein, wherein a plurality of first outlet nozzles ( 11 ) for admixing a first gaseous medium (B) and a plurality of second outlet nozzles ( 14 ) for admixing a second liquid medium (C) to the main air stream (A) are present, characterized in that the first medium (B ) Gas and as a second medium (C) water is injected into the main air stream.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the first outlet nozzles ( 11 ) above the swirl blading ( 7 ) and the second outlet nozzles ( 14 ) are arranged in the region of the swirl blading ( 7 ).