DE4325802A1

DE4325802A1 - Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenanlage mit flüssigem oder gasförmigem Brennstoff

Info

Publication number: DE4325802A1
Application number: DE19934325802
Authority: DE
Inventors: Peter Senior
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1993-07-31
Filing date: 1993-07-31
Publication date: 1995-02-02
Anticipated expiration: 2013-08-01
Also published as: DE4325802B4

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Gas turbinenanlage mit flüssigem oder gasförmigem Brennstoff unter Verwendung eines Brennstoffvormischers, bei dem nur sehr geringe NO_x-Emissionen auftreten.

Stand der Technik

Bei den bekannten Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenan lage mit flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen unter Ver wendung von Vormischbrennern wird die Verbrennungsluft zuerst in einem Verdichter verdichtet und durch einen Diffusor ge führt. Dann sind unterschiedliche weitere Verfahrensschritte möglich. So wird z. B. ein Teil der Luft vom Diffusor zur Küh lung der Brennkammerwände benutzt, bevor dieser Teil der Luft in die Brennkammer geleitet wird. Der andere Teilstrom der Luft gelangt über den Brenner nach Mischung mit dem Brenn stoff ebenfalls in die Brennkammer, in der das Brennstoff/Luft-Ge misch verbrennt. Bei einer anderen Variante dient der gesamte vom Diffusor kommende Luftmassenstrom zunächst zur Kühlung der Brennkammerwände, bevor er durch den Brenner ge langt und mit dem Brennstoff gemischt wird. Das Gemisch wird in der Brennkammer verbrannt, die Turbine beaufschlagt und das Abgas wird abgeführt und kann z. B. zur Dampferzeugung einer Dampfturbine verwendet werden.

Es ist bekannt, daß die untere Grenze der NO_x-Emissionswerte der Gasturbinenanlagen bei den bekannten trockenen Vormisch brennsystemen, z. B. dem Doppelkegelbrenner nach EP A1 0 321 809 und EP A1 0 521 325, durch die Flammentemperatur auf der unteren Löschgrenze bestimmt wird. Praktische Einschränkungen erfordern einen Sicherheitsabstand oberhalb dieser Grenze, was zu Flammentemperaturen führt, die größer als 1650 K sind.

Der Wunsch bzw. der Zwang nach Erhöhung des Wirkungsgrades von Gasturbinen führt dazu, die Flammentemperaturen noch mehr zu erhöhen, wobei aber wiederum die NO_x-Werte ansteigen, was aus Gründen des Umweltschutzes nicht erwünscht ist.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenanlage mit flüssigem oder gasförmigem Brenn stoff nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 den Wirkungsgrad zu erhöhen und gleichzeitig die NO_x-Emissionswerte weiter zu verringern.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß ein Teil des Abgases von der Brennkammer in eine vor dem Brennstoff vormischer angeordnete Strahlpumpe zurückgeführt wird, dort unter Ausnutzung der Druckenergie der eintretenden Verbren nungsluft mit dieser gemischt wird und dieses Abgas/Luft-Ge misch im Brennstoffvormischer mit dem Brennstoff während der Zündverzugszeit gemischt wird oder daß alternativ dazu das zurückgeführte Abgas, die Verbrennungsluft und der Brennstoff gleichzeitig unter Ausnutzung des Zündverzuges in einer in tegrierten, aus Strahlpumpe und Brennstoffvormischer beste henden Einheit gemischt werden. Eine weitere Variante ist die Mischung von Verbrennungsluft und Brennstoff vor der Zugabe des Abgases.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, daß höhere Brennereintrittstemperaturen erreicht werden und dadurch die NO_x-Werte auf Grund der reduzierten Reaktions dichte gesenkt werden können. Weiterhin werden die Zündver zugszeiten des Brennstoff/Luft-Gemisches bei den üblichen Gasturbinendrücken erheblich reduziert, so daß man auf den Einsatz von Flammenhaltern und Pilotflammen verzichten kann. Das führt ebenfalls zu einer Reduzierung der NO_x-Emissions werte.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn die Strahlpumpe bzw. die integrierte Einheit direkt mit der vom Verdichter kommenden Verbrennungsluft beliefert wird, weil dann die bereits vor handene Geschwindigkeit ausgenutzt werden kann, ohne daß zusätzlich Diffusor- und Düsenverluste auftreten.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Strahlpumpe direkt mit dem Brennstoffvormischer integriert ist, weil in beiden Ein heiten eine intensive Mischung der verschiedenen Medien durchgeführt wird.

Schließlich wird mit Vorteil beim Start der Anlage bzw. bei sehr niedrigen Lasten ein vor der Hauptbrennstoffeindüsung angeordnetes Hilfsbrennersystem, das nicht auf Selbstzündung angewiesen ist, zugeschalten, weil damit die Temperaturen auf das notwendige Maß erhöht werden können.

Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn bei Teillastbedingungen in das rezirkulierte Abgas durch eine Zusatzbrennstoffeindüsung weiterer Brennstoff eingedüst wird, wobei das Zündverzugs prinzip ausgenutzt wird. Dadurch kann die erforderliche Oxi dationsmitteltemperatur für den Hauptbrenner erzeugt werden.

Außerdem ist es vorteilhaft, wenn beim Start der Anlage bzw. bei sehr niedrigen Lasten ein vor der Zusatzbrennstoffeindü sung angeordnetes Hilfsbrennersystem, das nicht auf Selbst zündung angewiesen ist, zugeschalten wird. Dadurch kann eben falls die erforderliche Oxidationsmitteltemperatur für den Hauptbrenner erreicht werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der Erfin dung dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Verfahrensschema, bei dem die Luft aus dem Dif fusor in einen Strom zur Kühlung der Brennkammer wände und in einen Strom für die Strahlpumpe aufge teilt wird und Strahlpumpe und Brennstoffvormischer getrennte Einheiten bilden;

Fig. 2 ein Verfahrensschema wie in Fig. 1 mit dem Unter schied, daß Strahlpumpe und Brennstoffvormischer eine integrierte Einheit bilden;

Fig. 3 ein Verfahrensschema, bei dem die Luft aus dem Ver dichter in einen Strom zum Diffusor und zur an schließenden Kühlung der Brennkammerwände und in einen direkten Strom für die Strahlpumpe aufgeteilt wird und Strahlpumpe und Brennstoffvormischer ge trennte Einheiten bilden;

Fig. 4 ein Verfahrensschema wie in Fig. 3 mit dem Unter schied, daß Strahlpumpe und Brennstoffvormischer eine integrierte Einheit bilden.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmit tel ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungs beispiele und der Fig. 1 bis 4 näher erläutert.

Das Verfahrensschema nach Fig. 1 zeigt, daß die Ansaugluft 1 zunächst in einem Verdichter 12 verdichtet wird und an schließend in einen Diffusor 13 gelangt. Die Luft aus dem Diffusor 13 wird in zwei Massenströme 2, 6 aufgeteilt. Der größere Massenstrom 2 wird direkt vom Diffusor 13 in die Strahlpumpe 14 geleitet, während der kleinere Luftmassenstrom zunächst als Kühlluft 6 für die Kühlung der Brennkammer 17 benutzt wird, bevor er dann ebenfalls in die Strahlpumpe 14 transportiert wird. Die Strahlpumpe 14 dient einerseits zum Rücksaugen eines Teils des Abgases 7, 8 von der Brennkammer 17, da in der Brennkammer 17 ein geringerer Druck herrscht, andererseits findet dort unter Ausnutzung der Druckenergie eine intensive Mischung des von der Brennkammer 17 zurückge führten Abgases 7, 8 mit der Verbrennungsluft 2, sowie der zu rückgeführten Kühlluft 6, statt. Das Abgas/Luft-Gemisch 3 gelangt dann von der Strahlpumpe 14 in den Brennstoffvormi scher 15. Durch die Hauptbrennstoffeindüsung 10 wird gasför mige Brennstoff, beispielsweise Erdgas, zugemischt. Selbst verständlich kann in einem anderen Ausführungsbeispiel an stelle des gasförmigen Brennstoffes auch flüssiger Brennstoff eingesetzt werden. Dieser muß dann aber verdampft werden. Der Zündverzug stellt dabei die Zeit zur Verfügung, die für die Vormischung notwendig ist. Anschließend wird dieses Abgas/Luft/Brennstoff-Gemisch 4 in der Brennkammer 17 ver brannt und die Turbine 18 wird-mit dem heißen Abgas 5 beauf schlagt. Dort wird es zum Turbinen-Abgas 9 entspannt. Ein Teil des Abgases 5 von der Brennkammer 17 wird, wie bereits oben beschrieben, als rezirkuliertes Abgas 7 in die Strahl pumpe 14 zurückgeführt und mit der Verbrennungsluft 2 und der ehemaligen Kühlluft 6 gemischt.

Bei Teillastbedingungen ist die Temperatur des Abgases 7 nicht ausreichend, um die nötige Brennkammereintrittstempe ratur zu erreichen. Deshalb kann, wie in Fig. 1 dargestellt ist, im Rückführkanal 16 eine Zusatzbrennstoffeindüsung 11 angeordnet werden. Das Abgas 7 wird mit dem zusätzlichen Brennstoff gemischt und verbrannt, so daß das nunmehr aufge heizte Abgas 8 an der Strahlpumpe 14 eine höhere Temperatur aufweist. Falls das rezirkulierte Abgas 7 heiß genug ist, erfolgt dieser Vorgang ähnlich wie im Brennstoffvormischer 15 und in der Brennkammer 17 im Selbstzündmodus.

Infolge des Zumischens der heißen Abgase 7, 8 zur Verbren nungsluft 2 wird die Temperatur des Gases erhöht. Berechnun gen zeigen, daß für eine gegebene Flammentemperatur Vor mischbrennsysteme mit einer höheren Brennkammereintrittstem peratur niedrigere NO_x-Emissionswerte aufweisen als Vormisch brennsysteme mit einer tieferen Brennkammereintrittstempera tur, was auf die geringere Reaktionsdichte zurückzuführen ist. Wenn die Brennkammereintrittstemperatur über 1150 K er höht wird, dann sinkt die Zündverzugszeit eines Erdgas/Luft- Gemisches bei typischen Gasturbinendrücken auf Werte in der Größenordnung von 1 ms ab. Der geringe Zündverzug infolge der chemischen Kinetik führt dann dazu, daß aerodynamische oder physikalische Flammenhalter oder Pilotflammen, welche nach dem Stand der Technik sonst eingebaut werden müßten, nicht mehr notwendig sind. Dies führt ebenfalls dazu, daß die NO_x-Emissionswerte weiter gesenkt werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt. Das Verfahren unterschiedet sich vom Ausfüh rungsbeispiel 1 nur darin, daß die Stahlpumpe 14 und der Brennstoffvormischer 15 keine getrennten separaten Einheiten bilden, sondern eine einzige integrierte Einheit 19 (Strahl pumpmischer) darstellen. Dies ist möglich, da sowohl in der Strahlpumpe 14 als auch im Brennstoffvormischer 15 Mischpro zesse stattfinden. In der integrierten Einheit 19 werden also die Verbrennungsluft 2, die aufgeheizte Kühlluft 6, das re zirkulierte Abgas 7 bzw. das aufgeheizte Abgas 8 und der gas förmige Brennstoff intensiv miteinander vermischt, so daß ein sehr kompaktes Brennersystem zur Verfügung steht.

Beim Start des Brenners und bei sehr niedrigen Lasten ist eine zusätzliche Wärmezufuhr nötig. Das kann, wie aus Fig. 2 zu entnehmen ist, dadurch realisiert werden, daß ein neben der Zusatzbrennstoffeindüsung 11 angeordnetes Hilfsbrenner system 20, welches nicht auf Selbstzündung angewiesen ist, zugeschalten wird.

Alternativ dazu kann in einem anderen Ausführungsbeispiel (siehe Fig. 3) das Hilfsbrennersystem 20 neben der Haupt brennstoffeindüsung 10 angebracht werden und bei Bedarf zugeschalten werden.

Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom Verfahren nach Fig. 1 nur noch neben dem eben Gesag ten dadurch, daß der Luftmassenstrom vom Verdichter 12 in zwei Massenströme 2, 6b geteilt wird. Der größere Teil der Verbrennungsluft 2 wird benutzt, um die Strahlpumpe 14 direkt zu betreiben. Dadurch werden zusätzliche Diffusorverluste verhindert. Der zweite Luftmassenstrom 6 wird nach dem Durch gang durch den Diffusor 13 zur Kühlung der Wände der Brenn kammer 17 verwendet. Danach wird er ebenfalls in die Strahl pumpe 14 abgelassen. Auf diese Weise ist zusätzlich zum Druckrückgewinn des Diffusors 13 der Saugdruck der Strahlpum pe 14 zur Kühlung des Systems benutzbar. Dies reduziert den notwendigen Massenfluß.

Der Unterschied des in Fig. 4 abgebildeten Verfahrens im Ver gleich zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist der gleiche wie der zwischen Ausführungsbeispiel 3 und 1, d. h. im Ausfüh rungsbeispiel 4 wird der Luftmassenstrom aus dem Verdichter 12 in einen Strom 6 zum Diffusor 13 und zur anschließenden Kühlung der Brennkammer 17 und in einen direkten Strom 2 für die aus Strahlpumpe 14 uns Brennstoffvormischer 15 bestehende integrierte Einheit 19 aufgeteilt, während in Fig. 2 der ge samte Luftmassenstrom durch den Diffusor 13 geht und erst danach in die beiden Teilströme 2, 6 aufgeteilt wird.

Die in den Ausführungsbeispielen 3 und 4 beschriebenen Ver fahrensvarianten sind in Bezug auf Druckverlust und Kühlung effektiver als die Verfahrensvarianten 1 und 2.

Bei diesen Ausführungsbeispielen kann als Alternative auch zuerst eine Mischung von Verbrennungsluft und Brennstoff und dann anschließend die Zugabe von Brennstoff erfolgen.

Da das rezirkulierte Abgas 7, 8 auch ein zweites Mal durch die Flammenzone fließt, ist es möglich, diese Strömung in der Nähe des Brennkammereiintritts herauszuziehen, obwohl die Reaktion und der CO-Ausbrand noch nicht in dieser Zone völlig beendet sind.

Bezugszeichenliste

1 Ansaugluftluft
2 Teil der Verbrennungsluft (größerer Luftmassenstrom vom Verdichter bzw. Diffusor)
3 Abgas/Luft-Gemisch
4 Abgas/Luft/Brennstoff-Gemisch
5 Abgas
6 Kühlluft
7 rezirkuliertes Abgas
8 aufgeheiztes Abgas
9 Turbinen-Abgas
10 Hauptbrennstoffeindüsung
11 Zusatzbrennstoffeindüsung
12 Verdichter
13 Diffusor
14 Strahlpumpe
15 Brennstoffvormischer
16 Abgasrückführkanal
17 Brennkammer
18 Turbine
19 integrierte Einheit aus Strahlpumpe und Brennstoff vormischer
20 Hilfsbrennersystem

Claims

1. Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenanlage mit flüs sigem oder gasförmigen Brennstoff, bei dem die Verbren nungsluft (2) in bekannter Weise in einem Verdichter (12) verdichtet wird, anschließend durch einen Diffusor (13) geführt wird, wobei entweder ein Teil der Luft vom Diffusor (13) als Kühlluft (6) zur Kühlung der Brennkam mer (17) abgezweigt wird oder die gesamte Luft vom Dif fusor (13) zur Kühlung der Brennkammer (17) eingesetzt wird, danach das Brennstoff/Luft-Gemisch in der Brenn kammer (17) verbrannt wird und schließlich die Turbine (18) beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Abgases (7, 8) von der Brennkammer (17) in eine vor einem Brennstoffvormischer (15) angeordnete Strahlpumpe (14) zurückgeführt wird, dort unter Ausnutzung der Druckenergie mit der eintretenden Verbrennungsluft (2) gemischt wird und dieses Abgas/Luft-Gemisch (3) im Brennstoffvormischer (15) mit dem Brennstoff während der Zündverzugszeit gemischt wird oder daß alternativ dazu das zurückgeführte Abgas (7, 8), die Verbrennungsluft (2) und der Brennstoff gleichzeitig unter Ausnutzung der Druckenergie der eintretenden Verbrennungsluft (2) und des Zündverzuges in einer integrierten Einheit (19) gemischt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlpumpe (14) oder die intergierte Einheit (19) direkt mit der vom Verdichter (12) kommenden Verbren nungsluft (2) beliefert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß bei Teillastbedingungen in das rezirkulierte Abgas (7) durch eine Zusatzbrennstoffeindüsung (11) wei terer Brennstoff eingedüst wird, wobei das Zündverzugs prinzip ausgenutzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim Start der Anlage bzw. bei sehr niedrigen Lasten ein vor der Zusatzbrennstoffeindüsung (11) angeordnetes Hilfsbrennersystem (20), das nicht auf Selbstzündung an gewiesen ist, zugeschalten wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß beim Start der Anlage bzw. bei sehr niedrigen Lasten ein vor der Hauptbrennstoffeindüsung (10) ange ordnetes Hilfbrennersystem (20), das nicht auf Selbst zündung angewiesen ist, zugeschalten wird.