DE4240222A1 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Gasturbinenbrenner, insbesondere
einen NOx-armen Gasturbinenbrenner mit einer Hauptbrennstoff
leitung eines Vorgemisch-Magerbrandsystem und einer Neben
brennstoffleitung eines Diffusions-Verbrennungssystem.
Ein Hauptfaktor bei der Erzeugung von NOx in einem Gasturbi
nenbrenner besteht im allgemeinen darin, daß in einem Ver
brennungsgas ein Verbrennungsbereich gebildet wird, in wel
chem ein äquivalentes Brennstoff-Luft-Gemisch annähernd "1"
beträgt, und in diesem Verbrennungsbereich die Temperatur des
Verbrennungsgases lokal stark ansteigt.
Das aus diesem Grund erzeugte NOx wurde im Stand der Technik
dadurch unterdrückt, daß man zugeführten Brennstoff mit mehr
Luft mischte, als für die Verbrennung nötig war, um das Ge
misch zu verdünnen, oder daß man dem Verbrennungsbereich das
Gemisch zuführte, in welchem der Brennstoff vorab mit der
Luft gleichmäßig vermischt war.
Bei dem Vorgemisch-Magerbrandsystem wurde ein Brennersystem
eingesetzt, bei dem eine Hauptbrennstoffleitung des Vorge
misch-Magerbrandsystem und eine Nebenbrennstoffleitung des
Diffusions-Verbrennungssystem vorgesehen sind, um einen
großen Betriebsbereich abzudecken. Dies beruht auf dem Um
stand, daß das Vorgemisch-Magerbrandsystem im Hinblick auf
NOx-arme Verbrennung überlegen ist, allerdings wird ein wei
teres Diffusions-Verbrennungssystem benötigt, um in einem
großem Betriebsbereich eine stabile Brennflamme aufrechtzuer
halten.
Fig. 6 zeigt ein Beispiel für einen herkömmlichen Gasturbi
nenbrenner, bei dem ein stromabwärtiges Ende einer Brenn
stoffzufuhr-Grundleitung 2 für die Zufuhr eines Brennstoffs
verzweigt ist in eine Hauptbrennstoffleitung 4 für ein Flamm
rohr 3 zur Vorgemisch-Magerverbrennung und in eine Neben
brennstoffleitung 5 für die Diffusions-Verbrennung. Die Er
zeugung von NOx hängt in starkem Maß ab von dem Kraftstoff zu
fuhrverhältnis in der Leitung 5 für die Diffusions-Verbren
nung, so daß es zur Reduzierung der NOx-Erzeugung wünschens
wert ist, die Verbrennung in der Leitung 5 für Diffusions-
Verbrennung möglichst zu minimieren.
Üblicherweise wird bei einem Gasturbinenbrenner das Luft-
Brennstoff-Verhältnis nach dem Zündzeitpunkt bis zu einer
Zwischenlast-Betriebszeit für die Gasturbine klein gemacht,
so daß die Flammentemperatur entsprechend niedrig ist und we
nig NOx erzeugt wird. Damit wird die Vorgemisch-Magerbrand
leitung in Form der Hauptbrennstoffleitung 4 nicht benötigt,
und die Betriebssteuerung der Gasturbine kann hauptsächlich
über die als Nebenbrennstoffleitung 5 ausgebildete Leitung
für die Diffusions-Verbrennung erfolgen.
Nach dem Umschalten auf den Zwischenlastbetrieb wird jedoch
beim Lastbetrieb der Gasturbine die Verteilung der Brenn
stoff zufuhr auf die Hauptbrennstoffleitung 4 und die Neben
brennstoffleitung 5 dadurch reguliert, daß man ein Brenn
stoffdurchflußsteuerventil 6 sowie Brennstoffverteilerventile
7 und 8 für die Haupt- bzw. Nebenbrennstoffleitungen 4 und 5
vorsieht, und das Ausmaß der Öffnung dieser Ventile durch
eine Brennstoffzufuhr-Steuereinheit 9 im Hinblick auf die An
forderungen beim Startbetrieb und beim Lastbetrieb der
Gasturbine steuert.
Bei dem Gasturbinenbrenner mit dem geschilderten Aufbau wird
jedoch, wie im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 7 näher
erläutert wird, die Verteilung des Kraftstoffs auf die Haupt
brennstoffleitung und die Nebenbrennstoffleitung bezüglich
der jeweiligen Betriebsarten in der in Fig. 7 dargestellten
Weise gesteuert. Folglich wird es wichtig, die Haupt- und Ne
benbrennstoffdüsen 11 und 12 derart auszubilden, daß sie in
Einklang mit den Brennstoffdurchflußmengen stehen. Genauer
gesagt, muß man die Querschnittsflächen der Brennstoffdüsen
in geeigneter Weise einstellen. Die durch die Haupt- und die
Nebenbrennstoffdüsen 11 und 12 gelangenden Brennstoffmengen
bestimmen sich durch die Brennstoffdurchsätze an den Brenn
stoffeinlässen, eine Druckdifferenz zwischen den Drücken vor
und nach dem Durchgang durch die Haupt- und Nebenbrennstoff
düsen 11 und 12, und die Querschnittsflächen der Brennstoff
düsen. Der für den Durchsatz der Brennstoffzufuhr bezüglich
der Brennstoffdüsenfläche notwendige Brennstoffzuleitungs
druck ändert sich gemäß der Darstellung nach Fig. 8, jedoch
erzeugt die Nebenbrennstoffleitung einen Spitzendruck gegen
über der raschen Änderung des an einem Punkt vor und nach der
Lastumschaltung erforderlichen Brennstoffs. Wie aus Fig. 8
ersichtlich ist, hängt in dem Lastbereich zwischen 0 und 100
% der maximale Brennstoffzufuhrdruck nicht entscheidend von
der Hauptbrennstoffdüse bei einer Last von 100% ab, sondern
wird entschieden durch die Nebenbrennstoffdüse bei einem
Lastpunkt vor und nach der oben erwähnten Lastumschaltung.
Dies basiert auf dem Umstand, daß grundsätzlich bezüglich der
Einstellung der Brennstoffdüsenfläche das Düsendruckverhält
nis, d. h. (Brennstoffzufuhr-Einlaßdruck) / (Düsenauslaßdruck)
am Brennstoffdüsenteil ein Instabilitäts-Phänomen, beispiels
weise eine Verbrennungs-Oszillation, verursacht, wenn das
Verhältnis unter einem gewissen Grenzverhältnis liegt, und
aus diesem Grund werden die Düsenflächen der Brennstoffdüsen
der Haupt- und Nebenbrennstoffleitungen 5 und 6 derart ge
wählt, daß der Düsendruck im gesamten Betriebsbereich größer
wird als das Grenz-Düsendruckverhältnis.
Speziell in Bezug auf die Nebenbrennstoffleitung 5 wird die
Brennstoffdüsenfläche so eingestellt, daß das Düsendruckver
hältnis im Betriebsbereich einer Betriebslast von mehr als
der Umschaltlast, wo das Brennstoffdüsenverhältnis die Nei
gung hat, klein zu werden, größer wird als das Grenz-Düsen
druckverhältnis. Im Betriebsbereich unterhalb der Lastum
schaltgrenze hingegen ist es notwendig, den Brennstoff ähn
lich wie bei dem herkömmlichen Gasturbinenbrenner fließen zu
lassen. Bezüglich der kleinen Brennstoffdüsenfläche wird also
der Speisegasdruck im Vergleich zu dem herkömmlichen Gastur
binenbrenner mit Diffusions-Verbrennung gemäß Fig. 8 be
trächtlich groß gemacht, was zu Schwierigkeiten führt.
Da gemäß obiger Beschreibung die Menge des in dem Brenner er
zeugten NOx hauptsächlich von der Lage des Diffusionsbrenners
in der Nebenbrennstoffleitung 5 abhängt, ist es zum Reduzie
ren der NOx-Entstehung während des Betriebs oberhalb der
Lastumschaltgrenze notwendig, die Verteilung des Brennstoffs
auf die Nebenbrennstoffleitung 5 möglichst zu verringern. In
dieser Hinsicht wird die Spitze des Brennstoffzufuhrdrucks
noch deutlicher, wenn starke Betonung auf die NOx-Reduzierung
gelegt wird. Ferner wird in einer umfangreichen Energiever
sorgungsanlage das Brenngas zugeführt, indem der niedrige
Druck im Flüssigzustand des Brennstoffs mit Hilfe einer Pumpe
auf einen Arbeitsdruck erhöht wird und dann der Brennstoff im
gasförmigen Zustand zugeliefert wird, während bei einer An
lage mittlerer oder kleiner Größe oder bei einer Anlage im
Stadtbereich Gas mit einem Niedrigdruck von etwa 0,5 bis 1,5
kg/cm2 dem Gasturbinenbrenner dadurch zugeführt wird, daß der
Druck soweit erhöht wird, wie es der Gasturbinenbrenner benö
tigt. Wenn folglich der Brenngas-Druck bei dem oben erläuter
ten herkömmlichen Beispiel ansteigt, steigt nicht nur die Ar
beitsleistung des Brenngas-Verdichters an, sondern es ist
außerdem schwierig, den Brenngas-Verdichter selbst entspre
chend auszugestalten. Außerdem muß die Druckwiderstandsfähig
keit der betroffenen Anlagenteile und Maschinen entsprechend
heraufgesetzt werden. Dies führt zu einer abträglichen Beein
flussung der Effizienz der Anlage, zu erhöhten Kosten und
insgesamt zu dem Problem des stabilen Betriebs.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, unter Vermeidung
der dem Stand der Technik anhaftenden Nachteile einen Gastur
binenbrenner mit einfachem Aufbau anzugeben, bei dem ein aus
reichendes Grenz-Düsendruckverhältnis im vollen Betriebsbe
reich bei einem Druck des zugeführten Brenngases erreicht
wird, wie er in einem Gasturbinenbrenner herkömmlichen Auf
baus verwendet wird, so daß bei herabgesetzter NOx-Entstehung
ein stabiler Betrieb möglich ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die vorliegende Erfindung
durch die Schaffung eines Gasturbinenbrenners für ein Gastur
binen-Kraftwerk, welches umfaßt: einen Brennkammereinsatz
bzw. ein Brenner-Flammrohr, welches betriebsmäßig mit einer
Turbine verbunden ist und ausgestattet ist mit einer Haupt
brennstoffdüsengarnitur und einer Nebenbrennstoffdüsengarni
tur zum Einstrahlen von Brennstoff in das Innere des Brenner-
Flammrohrs durch Düsenlöcher der Brennstoffdüsengarnituren,
eine Basisbrennstoffversorgungsleitung, die mit einem Ende an
eine Brennstoffquelle angeschlossen ist, eine Hauptbrenn
stoffleitung zum Zuführen von Brennstoff durch die Haupt
brennstoffleitung zu der Hauptdüsengarnitur, um Luft mit dem
durch das Düsenloch abgestrahlten Brennstoff vorzumischen und
eine Mager-Verbrennung in dem Brenner-Flammrohr auszuführen,
und eine Nebenbrennstoffleitung zum Zuführen des Brennstoffs
über die Basisbrennstoffversorgungsleitung zu der Nebenbrenn
stoffdüsengarnitur, um den Brennstoff mit Verbrennungsluft zu
mischen und eine Diffusionsverbrennung in dem Brenner-Flamm
rohr auszuführen, wobei die Haupt- und Nebenbrennstoffleitun
gen gebildet werden durch Verzweigen des anderen Endes der
Basisbrennstoffversorgungsleitung, wobei mehrere Nebenbrenn
stoffleitungen eine einzige Nebenbrennstoffleitung ersetzen,
die Nebenbrennstoffleitungen am anderen Ende der Basisbrenn
stoffversorgungsleitung verzweigt sind, Verteilerventilgarni
turen in die Hauptbrennstoffleitung und mindestens eine der
Nebenbrennstoffleitungen in deren Verlauf eingefügt sind, um
den Brennstoff in die Haupt- und Nebenbrennstoffleitungen zu
verteilen, und das Ausmaß der Öffnung der Verteilerventilgar
nituren derart von einer Steuereinheit gesteuert wird, daß
das Verteilungsverhältnis auf die Haupt- und die Nebenbrenn
stoffleitungen gesteuert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Nebenbrenn
stoffgarnitur für die Nebenbrennstoffleitung einen Wirbler
mit Wirbelflügeln an einem Endabschnitt, der in das Brenner-
Flammrohr eingesetzt ist, um dort den Brennstoff zu verwir
beln.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand
der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Gasturbinen-Brenners gemäß der
Erfindung,
Fig. 2A eine Teil-Schnittansicht des Gasturbinen-Brenners
nach Fig. 1 in vergrößertem Maßstab;
Fig. 2B eine Vorderansicht eines Verwirblers mit Flügeln in
vergrößertem Maßstab, betrachtet gemäß Pfeil IIB-IIB
in Fig. 2A;
Fig. 3 eine graphische Darstellung von Brennstoffdurchsatzän
derungen in den jeweiligen Brennstoffleitungen des
Gasturbinenbrenners nach Fig. 1;
Fig. 4 eine graphische Darstellung der Brennstoffzufuhr-
Druckänderungen in den jeweiligen Brennstoffleitungen
des Gasturbinenbrenners nach Fig. 1;
Fig. 5 eine graphische Darstellung eines Vergleichs der Ver
brennungs-Wirkungsgrade zwischen der vorliegenden Er
findung und dem Stand der Technik;
Fig. 6 ein Blockdiagramm eines Gasturbinenbrenners herkömmli
chen Aufbaus;
Fig. 7 eine graphische Darstellung, welche die Kraftstoffver
teilungsänderungen in der Haupt- und Nebenbrennstoff
leitung veranschaulicht;
Fig. 8 eine graphische Darstellung der Druckänderung in den
jeweiligen Brennstoffleitungen gemäß dem Stand der
Technik; und
Fig. 9 ein Blockschaltbild eines Gasturbinen-Kraftwerks, bei
dem die Erfindung anwendbar ist.
Fig. 9 zeigt ein Blockschaltbild eines Gasturbinen-Kraftwerks
mit einer Gasturbine GT, einem Brenner Co und einem Verdich
ter Cp, die miteinander betrieblich verbunden sind und außer
dem an eine Steuereinheit 28 angeschlossen sind. An die
Steuereinheit 28 ist eine Gasturbinen-Drehzahl- und Lei
stungsanforderung gekoppelt. Außerdem sind die oben erwähnten
jeweiligen Einheiten über Signalleitungen miteinander verbun
den, die ihrerseits mit Detektoren in Verbindung stehen,
welche bestimmte Betriebsgrößen erfassen. Die Bezugszeichen
D1, D2, D3, D4 und D5 bezeichnen einen Wellendrehzahl-Detek
tor, einen Lufttemperatur-Detektor, einen Detektor für Ver
dichter-Ausgangsdruck, einen Detektor für elektrische Lei
stung und einen Detektor für die Abgastemperatur. Außerdem
ist ein Generator G vorhanden. Weitere Elemente, beispiels
weise Ventile und dergleichen, die üblicherweise in einem
Gasturbinen-Kraftwerk vorhanden sind, sind in Fig. 9 zur Ver
einfachung nicht dargestellt. Einige dieser Teile sind jedoch
in den anderen Figuren gezeigt.
Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm des Brenners eines Gasturbi
nen-Kraftwerks mit dem in Fig. 9 gezeigten Aufbau.
Gemäß Fig. 1 ist bei einem Gasturbinenbrenner 11 eine Basis
brennstoffleitung 12 an eine Brennstoffquelle Fu angeschlos
sen und besitzt in ihrem Verlauf ein Brennstoffsperrventil 13
an einer stromaufwärts gelegenen Stelle, um die Brennstoff zu
fuhr zu stoppen, indem das Ventil 13 geschlossen wird.
Stromabwärts bezüglich des Ventils 13 befindet sich ein
Durchflußsteuerventil 14 zum Steuern des Brennstoffdurch
satzes, indem das Ausmaß der Öffnung des Ventils 14 einge
stellt wird.
Die Basisbrennstoffleitung 12 ist an ihrem stromabwärtigen
Endabschnitt verzweigt in eine Hauptbrennstoffleitung 15 und
mehrere, im vorliegenden Fall zwei Nebenbrennstoffleitungen
16a und 16b. Das vordere, d. h. das stromabwärtige Ende einer
Nebenbrennstoffdüse 19 befindet sich etwa im Mittelbereich
eines Kopfteils eines Brennkammereinsatzes bzw. Brenner-
Flammrohrs (Liner) 17 gemäß Fig. 2A, um den von den Neben
brennstoffleitungen kommenden Brennstoff zu verteilen und
stets eine umlaufende Flamme aufrechtzuerhalten. Die Neben
brennstoffleitung 16a ist an ein Außenrohr 19a angeschlossen,
die andere Nebenbrennstoffleitung 16b ist an ein Innenrohr
19b angeschlossen, welches koaxial in dem Außenrohr 19a aus
gebildet ist, wodurch eine Doppelrohrstruktur der Nebenbrenn
stoffdüse 19 gebildet wird. Eine von der Nebenbrennstofflei
tung 16a abgezweigte Brennstoffleitung 16c dient zum Zünden
des Brenners.
Die Nebenbrennstoffdüse 19 besitzt gemäß Darstellung auf der
linken Seite ein Innenende, welches sich etwas in das Innere
des Kopfteils des Flammrohrs 17 hinein erstreckt, wobei ein
Verwirbler 21 koaxial am Außenumfang des inneren Endes der
Nebenbrennstoffdüse 19 gelagert ist. Der Verwirbler hat die
Aufgabe, Verbrennungsluft 20 zu verwirbeln, die in Fig. 2A
durch gestrichelte Linien angedeutet ist und von einem Kom
pressor Co geliefert wird. Das Verwirbeln geschieht mit Hilfe
von Verwirblungsflügeln 21a des Verwirblers 21, so daß die
Verbrennungsluft in das Flammrohr 17 geleitet wird.
Nach Fig. 2B enthält der Verwirbler 21 einen Außenring 21b,
einen Innenring 21c und Verwirblungsflügel 21a, die äquidi
stant in Umfangsrichtung des Außenrings angeordnet sind. Bei
21d und 21e sind Brennstoff-Durchströmlöcher gezeigt.
An den vorderen Endabschnitten der jeweiligen Außen- und In
nenrohre 19a und 19b der Nebenbrennstoffdüse 19 sind mehrere
Düsenports oder -löcher 22a und 22b ausgebildet, und diese
Düsenlöcher 22a und 22b münden in einen Verbrennungsluft-Zir
kulationskanal in den Verwirblungsflügeln 21a des Verwirblers
21 an solchen Stellen und mit derartiger Orientierung, daß
die Verbrennungsluft 20 ausreichend vorgemischt werden kann
mit dem aus den Düsenlöchern 22a und 22b abgestrahltem Brenn
stoff. Der Verwirbler 21 besitzt einen Brenngaskanal, der
auch mit einer ringförmigen Vorgemischleitung 23 in Verbin
dung steht, die im Umfangsbereich des Flammrohrs 17 auf der
Seite von dessen Kopfteil ausgebildet ist.
An einer Kopfplatte des Flammrohrs 17 ist eine Hauptbrenn
stoffdüse 18 montiert. Sie dient zur Bewirkung der Magerver
brennung unter Hilfestellung durch die auf die Diffusionsver
brennung zurückzuführende Flamme, die von der Nebenbrenn
stoffdüse 19 und dem Verwirbler 21 erzeugt wird. Die Haupt
brennstoffdüse 18 besitzt einen Hauptdüsenport bzw. ein
Hauptdüsenloch 18a, welches mit der Vorgemischleitung 23 in
Verbindung steht, um den durch den das Hauptdüsenloch 18a ab
gestrahlten Brennstoff in einen gleichförmig mit der Verbren
nungsluft 20 verdünnten Zustand vorzumischen. Dieses ver
dünnte Brennstoffgemisch wird dazu gebracht, gleichmäßig über
mehrere Auslaßöffnungen 24a, die in der Vorgemischleitung 23
ausgebildet sind, in das Flammrohr 17 zu strömen. Die nach
innen orientierten Winkel und die Verwirblungswinkel der Verwirblungsflügel
21a des Verwirblers 21 sind derart einge
stellt, daß der Vorgemisch-Brennstoff optimal verbrennen
kann.
Wie weiterhin in Fig. 1 gezeigt ist, ist in die Hauptbrenn
stoffleitung 15 ein Hauptverteilerventil 25 eingefügt, in der
Nebenbrennstoffleitung 16a befindet sich ein Nebenverteiler
ventil 26, und in der anderen Nebenbrennstoffleitung 16b be
findet sich eine feste Drosselöffnung 27.
Die Haupt- und Nebenverteilerventile 25 und 26, das Sperrven
til 13 und das Brennstoffdurchsatzsteuerventil 14 sind elek
trisch über Signalleitungen, die in Fig. 1 strichpunktiert
dargestellt sind, mit einer Brennstoffzufuhr-Steuereinheit 28
verbunden, und unter Steuerung seitens der Steuereinheit 28
werden diese Ventile gesteuert. Die Brennzufuhr-Steuereinheit
28 steht über elektrische Signalleitungen in Verbindung mit
dem Kompressor Co und der Gasturbine GT, wie in Fig. 9 ge
zeigt ist.
Die Gasturbinen-Steuereinheit 28 arbeitet nach Maßgabe des in
Fig. 7 dargestellten Kraftstoffverteilungsplans, und sie
steuert das Ausmaß der Öffnung der jeweiligen Ventile 13, 14,
25 und 26.
Im folgenden wird die Arbeitsweise des Gasturbinenbrenners
gemäß dieser Ausführungsform erläutert.
Zunächst wird die Gasturbine GT angetrieben, bis sie etwa 15
bis 30% der Nenn-Drehzahl erreicht, wo die Gasturbine mit
Hilfe einer Startvorrichtung gezündet werden kann. Unter die
ser Bedingung arbeitet die Brennstoffzufuhr-Steuereinheit 28
so, daß sie das Brennstoffsperrventil 13 öffnet und das Aus
maß der Öffnung des Brennstoff-Durchflußsteuerventils 14 so
einstellt, daß eine für die Zündung erforderliche Brennstoff
menge zugeführt wird. In diesem Moment ist das Hauptvertei
lerventil 25 geschlossen, und das Nebenverteilerventil 26 ist
vollständig geöffnet. Die betriebliche Beziehung zwischen dem
Haupt- und dem Nebenverteilerventil 25 bzw. 26 bestimmt sich
ausschließlich durch die Gasturbinen-Last, wie sie in Fig. 7
dargestellt ist, wobei das Hauptverteilerventil 25 beim Um
schalten in den zündfähigen Zustand in seinem geschlossenen
Zustand bleibt.
In einem Lastzustand, der oberhalb der Lastumschaltgrenze
liegt, wird Brennstoff in die Hauptbrennstoffleitung 15 ein
geleitet, und dann wird das Hauptverteilerventil 25 nach und
nach geöffnet, während das Nebenverteilerventil 26 folglich
geschlossen wird. Bei dem in Fig. 3 gezeigten Betriebslast
punkt J ist das Hauptverteilerventil 25 vollständig geöffnet
und das Nebenverteilerventil 26 vollständig geschlossen. Wäh
rend des Betriebs zwischen dem Lastumschaltpunkt und dem
Lastpunkt J wird das Brennstoff-Durchflußsteuerventil 14 nach
und nach geöffnet, um den Brennstoffdurchsatz nach Maßgabe
der Anforderungen seitens der Gasturbinen-Last zu erhöhen.
Fig. 4 zeigt die Druckänderung in den jeweiligen Brennstoff
leitungen oder Systemen gemäß Fig. 3. Beispielsweise veran
schaulicht Fig. 4 den Fall, daß das Druckverhältnis am Nenn
lastpunkt den Wert 16 aufweist, daß der Druck am Düseneinlaß
der Nebenbrennstoffleitung 15 einen im Vergleich zu Fig. 8
stark abgesenkten Spitzendruck aufweist, (Fig. 8 zeigt die
Druckänderung der herkömmlichen Technik), und daß in diesem
Fall der Fall Spitzendruck auch nicht mehr als der maximale
Leitungsdruck beträgt. Im Vergleich zu Fig. 8 läßt sich also
der maximale Leitungsdruck auf etwa 13 kg/cm2 reduzieren.
Gemäß den oben erläuterten Merkmalen und Besonderheiten der
vorliegenden Erfindung sind bei dieser Ausführungsform meh
rere, speziell zwei Nebenbrennstoffleitungen 16a (A) und 16b
(B) in dem Gasturbinenbrenner angeordnet, nach dem Umschalten
auf den Lastbetrieb wird die Brennstoffdüse einer der Neben
brennstoffleitungen nach und nach unter der Annahme geschlos
sen, daß die Kraftstoffverteilung in den jeweiligen Brenn
stoffleitungen gemäß Fig. 7 erfolgt, und die Brennstoffdüsen
der anderen Nebenbrennstoffleitung und der Hauptbrennstoff
leitung können das einfache Brennstoffdurchsatz-Verhalten ge
mäß der zunehmenden Last der Gasturbine gemäß Fig. 3 auf
rechterhalten, wobei in Fig. 3 mit der Kurve G der gesamte
Brennstoffdurchsatz dargestellt ist, während die Kurve A den
Brennstoffdurchsatz in der Nebenbrennstoffleitung 16a, die
Kurve B den Brennstoffdurchsatz in der anderen Nebenbrenn
stoffleitung 16b und M den Durchsatz in der Hauptbrennstoff
leitung 15 darstellt.
Beim Zünden der Gasturbine werden beide Brennstoffdüsen der
Nebenbrennstoffleitungen 16a und 16b gebraucht, und das Ver
teilerventil in der Nebenbrennstoffleitung behält seinen Öff
nungsgrad von 100% bei. Der Brennstoffdurchsatz in Abhängig
keit des Anlaufs der Gasturbine wird von der Brennstoffdurch
satz-Steuereinheit eingestellt, die sich auf der stromaufwär
tigen Seite der Düsen befindet.
Nachdem die Nenndrehzahl der Gasturbine erreicht ist, erhöhen
sich die Brennstoffdurchsätze beider Brennstoffleitungen in
einfacher Weise, bis die fast die Umschaltlast erreicht, wo
der Brennstoff in der Hauptbrennstoffleitung zu strömen be
ginnt. Zu dieser Zeit bleibt die Nebenbrennstoffleitung 16b,
die den maximalen Brenngas-Druck liefert bei der Nenndrehzahl
abgetrennt, und der Brennstoffdurchsatz in dieser Nebenbrenn
stoffleitung 16b steigt einfach an, so daß eine extreme Zu
nahme des Brennstoffdüsen-Druckverhältnisses verhindert wer
den kann.
Beim Lastpunkt J in Fig. 3 wird die Brennstoffversorgung über
die Nebenbrennstoffleitung 16a praktisch auf null gedrosselt,
so daß auch bei einem Absinken des Drucks unter das Grenz-Dü
sendruckverhältnis in der Nähe dieses Lastpunkts das Vertei
lerventil in der Nebendruckleitung vollständig geschlossen
ist und damit das im Stand der Technik vorhandene Problem
vermieden wird. D.h.: unterhalb der Umschaltlastgrenze wird
der Brennstoff hauptsächlich zu der Hauptbrennstoffleitung 15
geliefert, und der zu der Nebenbrennstoffleitung 16a, wo sich
das Verteilerventil 26 befindet, gelieferte Brennstoff wird
in Abhängigkeit der der Hauptbrennstoffleitung zugeführten
Brennstoffmenge gedrosselt. Das Nebenverteilerventil 26 wird
nach und nach geschlossen und anschließend vollständig ge
schlossen, bevor das Düsendruckverhältnis der Brennstoffdüse
der Nebenbrennstoffleitung 16a unter das Grenz-Druckverhält
nis absinkt.
Während dieses Steuerungsbetriebs wird das in der Hauptbrenn
stoffleitung 15 befindliche Verteilerventil 25 nach und nach
geöffnet als Kompensation für den Öffnungsgrad des Nebenver
teilerventils 26, und wird anschließend vollständig in dem
Augenblick geöffnet, zu dem das Verteilerventil der Neben
brennstoffleitung 16a vollständig geschlossen wird. An
schließend wird der Brennstoffdurchsatz in der Hauptbrenn
stoffleitung 15 sowie in der Nebenbrennstoffleitung 16b unter
Steuerung durch die Brennstoffzufuhr-Steuereinheit 28 erhöht.
Folglich steigen die Brennstoffdurchsätze in den Brennstoff
düsen bei dieser Ausführungsform grundsätzlich nach Maßgabe
der Zunahme der Last der Gasturbine an, und folglich kann un
ter der Annahme, daß ein geeignetes Düsendruckverhältnis bei
maximalem Brennstoffdurchsatz gewährleistet ist, das Erfor
dernis entfallen, daß ein hohes Düsendruckverhältnis in der
lokalen Lastzone gegeben ist, während man auch das Absenken
des Düsendruckverhältnisses unter das Grenz-Düsendruckver
hältnis im momentanen Betriebsbereich vermeiden kann. Es gibt
also kein Problem mit dem Brenngasdruck, wie es bei dem
Brenngasdruck in dem herkömmlichen Gasturbinenbrenner der
Fall ist.
Da bei der bevorzugten Ausführungsform die jeweiligen Düsen
löcher der Nebendüsen zu dem Brennluftkanal in den Verwirb
lungsflügeln des Verwirblers 21 hin münden, kann der Brenn
stoff bis zu einem gewissen Maß mit frischer Verbrennungsluft
gemischt werden, bevor er in Berührung mit dem zirkulierenden
Hochtemperaturgas für die Zündung gelangt. Folglich läßt sich
die starke Zunahme der Verbrennungstemperatur vermeiden. Wei
terhin münden sämtliche Düsenlöcher in die Verwirblungsflü
gel, so daß der Brennstoff entlang der durch die Verwirb
lungsflügel gelangenden Primär-Verbrennungsluft in das Flamm
rohr eingestrahlt und zerstreut werden kann. Dadurch läßt
sich die Hochtemperatur-Gaszirkulation, die in dem Primär-
Verbrennungsbereich gebildet wird, erwartungsgemäß steuern
durch die optimale Einstellung der nach innen orientierten
Winkel und der Verwirblungswinkel der Verwirblungsflügel, um
eine gleichmäßige Verbrennung zu erreichen. Außerdem läßt
sich der Verbrennungsbereich in radialer Richtung des Flamm
rohrs aufweiten, und auf diese Weise wird der Vorgemisch
brennstoff gemischt mit dem Primär-Verbrennungsbereich. Hier
durch erzielt man die gleichförmige Verbrennung und mithin
eine Verbesserung des Verbrennungswirkungsgrads bei Verringe
rung der NOx-Erzeugung.
Bei dieser Ausführungsform läßt sich die Arbeitsleistung für
den Brenngasverdichter ebenso reduzieren, wie sich der Aufbau
des Brennstoffverdichters vereinfachen und der auf die Syste
meinheiten oder -Leitungen einwirkende Dauerdruck herabsetzen
läßt. Als Ergebnis erzielt man eine Verbesserung der Effizi
enz des Kraftwerks und eine Erhöhung der Sicherheit der Ma
schinenanlagen. Die Wirtschaftlichkeit der Anlage erhöht
sich.
Bei dieser Ausführungsform öffnen sich die Nebendüsenports
22a und 22b zu den Luftverwirblungsflügeln 21a des Verwirb
lers 21 hin, und folglich wird der Nebenbrennstoff, der ent
lang der Primärverbrennungsluft über die Verwirblungsflügel
21a läuft, in das Flammrohr 17 hinein gestrahlt und zer
streut. Da die nach innen gerichteten Winkel und die Verwirb
lungswinkel der Luftverwirblungsflügel 21a auf optimale Werte
im Hinblick auf eine gleichförmige Verbrennung des Vorge
misch-Brennstoffs ausgelegt sind, wird der Vorgemisch-Brenn
stoff in dem Primär-Verbrennungsbereich verwirbelt, so daß
eine Zirkulationsströmung 29 entsteht, durch die gleichför
mige Verteilung realisiert wird.
Wie in Fig. 5 durch eine ausgezogene Linie gezeigt ist, ver
bessert sich der Verbrennungswirkungsgrad durch die vorlie
genden Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik, der
durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist, beträchtlich.
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel befindet sich
eine fest eingestellte Öffnung 27 in der Nebenbrennstofflei
tung 16b. Diese Öffnung 27 kann jedoch auch ersetzt werden
durch ein Einstellventil, mit dessen Hilfe eine Feineinstel
lung des Drucks vorgenommen werden kann. Außerdem kann die
Doppelrohrstruktur der Nebenbrennstoffdüse 19 ersetzt werden
durch mehrere kleine Brennstoffdüsenelemente, um die Durch
satzänderung in der Nebenbrennstoffleitung nach Maßgabe der
Anzahl kleiner Brennstoffdüsenelemente zu ändern.
Befinden sich in der Anlage mehr als die zwei oben beschrie
benen Nebenbrennstoffleitungen, so ist jede von ihnen wie die
Nebenbrennstoffleitung 16a aufgebaut und enthält ein Vertei
lerventil wie das in Fig. 1 gezeigte Ventil 26.
Claims (4)
1. Gasturbinenbrenner für ein Gasturbinenkraftwerk, um
fassend: ein Flammrohr (17), welches betriebsmäßig mit einer
Turbine (GT) verbunden ist und eine Haupt-Brennstoffdüsenan
ordnung (18) und eine Neben-Brennstoffdüsenanordnung (19) zum
Einstrahlen von Brennstoff in das Innere des Flammrohrs über
Düsenlöcher der Brennstoffdüsenanordnungen aufweist, eine Ba
sis-Brennstoffversorgungsleitung (12), die mit einem Ende an
eine Brennstoffquelle (Fu) angeschlossen ist, eine Haupt
brennstoffleitung (15) für die Zufuhr von Brennstoff über die
Basisbrennstoffleitung zu der Hauptdüsenanordnung, um Luft
mit dem über das Düsenloch eingestrahlten Brennstoff vorzumi
schen und eine Mager-Verbrennung in dem Flammrohr auszufüh
ren, und eine Nebenbrennstoffleitung für die Zufuhr des
Brennstoffs über die Basis-Brennstoffzufuhrleitung zu der Ne
ben-Düsenanordnung, um den Brennstoff mit Verbrennungsluft zu
mischen und eine Diffusionsverbrennung in dem Flammrohr aus
zuführen, wobei die Haupt- und Nebenbrennstoffleitungen da
durch gebildet sind, daß das andere Ende der Basis-Brenn
stoffversorgungsleitung verzweigt ist, dadurch gekenn
zeichnet, daß mehrere Nebenbrennstoffleitungen (16a,
16b) an Stelle einer Nebenbrennstoffleitung vorgesehen sind,
daß die Nebenbrennstoffleitungen an dem anderen Ende der Ba
sis-Brennstoffzufuhrleitung (12) abzweigen, daß Verteilerven
tilanordnungen (25, 26) in der Hauptbrennstoffleitung (15)
und in mindestens einer der Nebenbrennstoffleitungen (16a,
16b) in deren Verlauf angeordnet sind, um den Brennstoff in
die Haupt- und Nebenbrennstoffleitungen aufzuteilen, wobei
der Grad der Öffnung der Verteilerventilanordnungen von einer
Steuereinheit (28) gesteuert wird, um das Brennstoffvertei
lungsverhältnis zwischen den Haupt- und Nebenbrennstofflei
tungen zu steuern.
2. Brenner nach Anspruch 1, bei dem die Neben-Brenn
stoffdüsenanordnung (19) für die Nebenbrennstoffleitung (16a
oder 16b) einen Verwirbler (21) enthält, der an einem in das
Flammrohr (17) eingesetzten Endabschnitt mit Verwirblungsflü
geln (21) versehen ist, um dort den Brennstoff zu verwirbeln.
3. Brenner nach Anspruch 2, bei dem die Verwirblungs
flügel (21a) mit einem Verbrennungsluftdurchgang ausgestattet
sind, in den die Düsenlöcher (22a, 22b) der Neben-Brennstoff
düsenanordnung (19) münden.
4. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem in
der anderen Neben-Brennstoffleitung eine Blende (27) einge
fügt ist.
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