DE4240222C2 - Gasturbinenbrenner - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen NOx-armen Gasturbinenbrenner mit einer Hauptbrennstoff­ leitung eines Vorgemisch-Magerbrandsystems und einer Neben­ brennstoffleitung eines Diffusions-Verbrennungssystems.

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.

Bei dem Vorgemisch-Magerbrandsystem wurde ein Brennersystem eingesetzt, bei dein eine Hauptbrennstoffleitung des Vorge­ misch-Magerbrandsystems und eine Nebenbrennstoffleitung des Diffusions-Verbrennungssystems 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 dein 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 Kraftstoffzu­ fuhrverhältnis in der Leitung 5 für die Diffusions-Verbren­ nung.

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 dein Umschalten auf den Zwischenlastbetrieb wird jedoch beim Lastbetrieb der Gasturbine die Verteilung der Brenn­ stoffzufuhr 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 dein 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 ist 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, die 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. 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 ist 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 dein 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, was zu Schwierigkeiten führt.

Da gemäß obiger Beschreibung die Menge des in dein 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 5 bis 15 N/cm² dein 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 Stabilitätsproblemen beim Betrieb.

Aus der US 5 054 280 ist ein Gasturbinenbrenner bekannt, der mit einer zweistufigen Brennkammer ausgestattet ist. Der Brennstoff wird über drei Brennstoffleitungen eingelei­ tet, von denen zwei in die erste Brennkammerstufe und die dritte Brennstoffleitung in die zweite Brennkammerstufe zur Vorgemischverbrennung münden. Alle Brennstoffleitungen sind mit steuerbaren Verteilerventilanordnungen versehen. Zwei der Brennstoffleitungen sind direkt an eine Basisbrennstoffleitung angeschlossen, während die dritte Brennstoff­ leitung von einer der beiden anderen Brennstoffleitungen erst stromab der dieser zugeord­ neten Verteilerventilanordnung abgezweigt ist, so daß ein gekoppelter Steuerbetrieb dieser Leitungen vorliegt. Lediglich im Schwachlastbereich wird eine Diffusionsverbrennung in der ersten Brennkammerstufe aufrecht erhalten. Im Hochlastbereich ist die Verbrennung vollständig in die zweite Brennkammerstufe verlagert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gasturbinenbrenner zu schaffen, der sich durch zuverlässigen stabilen Betrieb bei geringem Spitzendruck in den Brennstoffleitungen und einfachen Aufbau auszeichnet sowie einen Betrieb mit geringer NOx-Erzeugung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Gasturbinenbrenners gemäß der Erfindung,

Fig. 2A eine Teil-Schnittansicht des Gasturbinenbrenners 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 dein 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 Brennstoffzu­ fuhr zu stoppen, indem das Ventil 13 geschlossen wird. Stromab 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 in eine Hauptbrennstoffleitung 15 und mehrere, im vorliegenden Fall zwei Nebenbrennstoffleitungen 16a und 16b verzweigt. Das vordere, d. h. das stromabwärtige Ende einer Nebenbrennstoffdüse 19 befindet sich etwa im Mittelbereich eines Kopfteils eines Brennkaminereinsatzes 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 der 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 angordnet sind. Bei 21d und 21e sind Brennstoff-Durchströmlöcher bzw. Düsenlöcher gezeigt.

An den vorderen Endabschnitten der jeweiligen Außen- und In­ nenrohre 19a und 19b der Nebenbrennstoffdüse 19 sind mehrere Düsenports oder -löscher 21d und 21e ausgebildet, die in einen Verbrennungslluft-Zir­ kulationskanal in den Verwirblungsflügeln 21a des Verwirblers 21 an solchen Stellen und mit derartiger Orientierung münden, daß die Verbrennungsluft 20 ausreichend mit dem aus den Düsenlöchern 22a und 22b abgestrahlten Brennstoff vorgemischt werden kann. Eine ringförmige Vorgemischleitung 23 ist im Umfangsbereich des Flammrohrs 17 auf der Seite von dessen Kopfteil ausgebildet.

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 bwz. ein Hauptdüsenloch 18a, welches mit der Vorgemischleitung 23 in Verbindung steht, um den durch 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 Vorgeinischleitung 23 ausgebildet sind, in das Flammrohr 17 zu strömen. Die nach innen orientierten Winkel und die Verwirblungswinkel der Ver­ wirblungsflügel 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 mit dem Kompressor Co und der Gasturbine GT in Verbindung, wie in Fig. 9 ge­ zeigt ist.

Die Gasturbinen-Steuereinheit 28 arbeitet nach Maßgabe des in Fig. 7 dargestellten Brennstoffverteilungsplans, 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 dein 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 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 130 N/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 vom Anlauf der Gasturbine wird von der Brennstoffdurch­ satz-Steuereinheit eingestellt, die sich auf der stromaufwär­ tigen Seite der Düsen befindet.

Nachdein die Nenndrehzahl der Gasturbine erreicht ist, erhöhen sich die Brennstoffdurchsätze beider Brennstoffleitungen in einfacher Weise, bis die Last die Umschaltlast erreicht, wo der Brennstoff in der Hauptbrennstoffleitung zu strömen be­ ginnt. Die Nebenbrennstoffleitung 16a, die hierbei den maximalen Brenngas-Druck liefert, wird dann zunehmend gedrosselt und der Brennstoffdurchsatz in der 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.: Knapp 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 von 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 dein Brenngasdruck, wie es bei dem Brenngasdruck in dein 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 dein zikulierenden Hochtemperaturgas für die Zündung gelangt. Folglich läßt sich eine 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 dein 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 eine 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 21d und 22e 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 eine gleichför­ mige Verteilung realisiert wird.

Wie in Fig. 5 durch eine ausgezogene Linie gezeigt ist, ver­ bessert sich der Verbrennungswirkungsgrad durch die vorlie­ gende 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 weitere wie die Nebenbrennstoffleitung 16a aufgebaut und enthält ein Vertei­ lerventil wie das in Fig. 1 gezeigte Ventil 26.

Claims (3)

1. Gasturbinenbrenner für ein Gasturbinenkraftwerk, mit
einem Flammrohr (17), das betriebsmäßig mit einer Turbine (GT) verbunden ist und eine Haupt-Brennstoffdüsenanordnung (18) und eine Neben-Brennstoffdüsenanord­ nung (19) zum Einstrahlen von Brennstoff in das Innere des Flammrohrs über Düsenlöcher der Brennstoffdüsenanordnungen aufweist,
einer Basisbrennstoffleitung (12), die mit einem Ende an eine Brennstoffquelle (Fu) angeschlossen ist,
einer an das andere Ende der Basisbrennstoffleitung (12) angeschlossenen Hauptbrennstoffleitung (15) für die Zufuhr von Brennstoff von der Basisbrennstoffleitung zu der Haupt-Brennstoffdüsenanordnung (18), um Luft mit dem über die Düsenlöcher eingestrahlten Brennstoff vorzumischen und eine Mager-Verbrennung in dem Flammrohr zu erzielen,
mehreren an das andere Ende der Basisbrennstoffleitung (12) angeschlossenen Neben-Brennstoffleitungen (16a, 16b) für die Zufuhr des Brennstoffs von der Basisbrenn­ stoffleitung zu der Neben-Brennstoffdüsenanordnung (19) derart, daß der Brennstoff mit Verbrennungsluft gemischt und eine Diffusionsverbrennung in dem Flammrohr erzielt wird,
Verteilerventilanordnungen (25, 26), die in der Hauptbrennstoffleitung (15) und in mindestens einer der Neben-Brennstoffleitungen (16a, 16b) in deren Verlauf zur Aufteilung des Brennstoffs auf die Haupt- und Nebenbrennstoffleitungen angeordnet sind,
einer Steuereinheit (28) zur Steuerung des Ausmaßes der Öffnung der Verteil­ erventilanordnungen (25, 26) für die Festlegung des Brennstoffaufteilungsverhältnisses zwischen den Haupt- und Nebenbrennstoffleitungen, und
einer Blende mit einer fest eingestellten Drosselöffnung (27) in einer der Neben-Brennstoffleitungen anstelle einer Verteilerventilanordnung.

2. Gasturbinenbrenner nach Anspruch 1, bei dem die Neben-Brennstoffdüsen­ anordnung (19) für die Nebenbrennstoffleitung (16a oder 16b) einen Verwirbler (21) enthält, der an einem in das Flammrohr (17) eingesetzten Endabschnitt mit Verwirblungs­ flügeln (21a) versehen ist, um dort den Brennstoff zu verwirbeln.

3. Gasturbinenbrenner nach Anspruch 2, bei dem die Verwirblungsflügel (21a) mit einem Verbrennungsluftdurchgang ausgestattet sind, in den die Düsenlöcher (21d, 21e) der Neben-Brennstoffdüsenanordnung (19) münden.