DE4412315B4

DE4412315B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben der Brennkammer einer Gasturbine

Info

Publication number: DE4412315B4
Application number: DE19944412315
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr. Althaus; Franz Dr. Joos
Original assignee: Alstom SA
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1994-04-11
Filing date: 1994-04-11
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2014-04-12
Also published as: DE4412315A1; JP4106098B2; JPH07293886A; CN1133421A; CN1088172C

Abstract

Verfahren zum Betreiben der Brennkammer einer Gasturbine, mit als Haupt- und Pilotbrenner ausgebildeten Vormischbrennern, die mit gasförmigen bzw. flüssigen Brennstoffen betrieben werden, dadurch gekennzeichnet, dass
a) die Hauptbrenner (3) ausschliesslich als Mischer zur Aufbereitung eines Brennstoff-Luftgemisches (25', 28') fungieren,
b) die Hauptbrenner (3) auf an sich bekannte Weise von den Pilotbrennern (2) gezündet werden,
c) die Flammenfronten (27') der Hauptbrenner (3) während des Betriebs der Brennkammer (1, 29) ständig durch die Flammenfronten (27) der Pilotbrenner (2) stabilisiert werden, und
d) Verbrennungsluft (10') mit einer niedrigen Drallzahl in die Hauptbrenner (3) und Verbrennungsluft (10) mit einer hohen Drallzahl in die Pilotbrenner (2) eingeleitet wird, wobei die Drallzahl der Verbrennungsluft (10') der Hauptbrenner (3) kleiner und die Drallzahl der Verbrennungsluft (10) der Pilotbrenner (2) grösser als 0,7 ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben der Brennkammer einer Gasturbine.

Aus der EP-B1-0 321 809 ist ein Vormischbrenner der Doppelkegelbauart bekannt, der aus zwei Teilkegelkörpern mit versetzt zueinander angeordneten Mittelachsen besteht. Auf beiden Seiten des Brenners ist ein tangentialer Lufteintrittschlitz ausgebildet, in dem radial zugeführter gasförmiger bzw. axial zugeführter flüssiger Brennstoff mit der vom Verdichter heranströmenden Verbrennungsluft vermischt wird. Beim Aufplatzen dieses eine sehr hohe Umfangsgeschwindigkeit aufweisenden Brennstoff-Luftgemisches, dem sogenannten Vortex-Breakdown, wird im Bereich der Brennermündung eine optimale, homogene Brennstoffkonzentration erzeugt.

Durch radiale Verschiebung der Teilkegelkörper zueinander ist es möglich, die Grösse der zwischen ihnen ausgebildeten Lufteintrittschlitze und damit die Umfangsgeschwindigkeit des Brennstoff-Luftgemisches so zu verändern, dass entsprechend den Einsatzbedingungen stets die optimale Bedingungen zur Ausbildung des Vortex-Breakdown erzeugt werden können.

Wie aus der EP-A1-0 387 532 bekannt, werden mehrere solcher Doppelkegelbrenner anströmseitig in der Brennkammer einer Gasturbine angeordnet. Dabei fungieren sie entsprechend der Menge der sie durchströmenden Verbrennungsluft entweder als Pilot- oder als Hauptbrenner. Beide Brennerarten sind in einer Reihe und jeweils abwechselnd in der Brennkammer angeordnet. Somit ist es möglich, die kleineren Pilotbrenner im gesamten Lastbereich bei idealem Gemisch zu fahren, weshalb auch bei Teillast relativ geringe NOx-Emissionen erreicht werden.

Aus Umweltschutzgründen besteht aber ständig die Aufgabe, den Anteil an Stickoxyd-Emissionen weiter zu senken, was jedoch mit der bekannten Brennkammer nicht möglich ist.

Als Nachteil einer solchen Brennkammer erweist sich der relativ grosse Druckverlust über die Doppelkegelbrenner. Das hat bei erhöhtem Brennstoffbedarf eine Verringerung der Leistung und damit auch des Wirkungsgrades der Gasturbine zur Folge.

Aus der EP 0401529 A1 ist eine Gasturbinenbrennkammer bekannt, welche eine Frontwand mit abwechselnd angeordneten grossen und kleinen Vormischbrennern aufweist, wobei erstere als Hauptbrenner und letztere als Pilotbrenner ausgebildet sind und wobei die Zündung der Brennkammer nur mittels der Pilotbrenner möglich ist.
Ähnliche Lösungen sind aus der EP 0387532 A1 (einander abwechselnde Haupt- und Pilotbrenner) sowie aus der DE 4411623 A1 und der US 5289685 A (jeweils mit mehreren um einen Pilotbrenner angeordneten Hauptbrennern) bekannt.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkammer zu schaffen, womit sowohl der Wirkungsgrad der Gasturbine verbessert als auch deren NOx-Emission gesenkt wird.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass bei einem Verfahren entsprechend Oberbegriff des Anspruchs 1, die Hauptbrenner ausschliesslich als Mischer zur Aufbereitung eines Brennstoff-Luftgemisches fungieren und auf an sich bekannte Weise von den Pilotbrennern gezündet werden. Die Flammenfronten der Hauptbrenner werden während des Betriebs der Brennkammer ständig durch die Flammenfronten der Pilotbrenner stabilisiert. Dazu wird die Verbrennungsluft mit einer nied rigen Drallzahl in die Hauptbrenner sowie mit einer hohen Drallzahl in die Pilotbrenner eingeleitet, wobei die Drallzahl der Verbrennungsluft der Hauptbrenner kleiner und die Drallzahl der Verbrennungsluft der Pilotbrenner grösser als 0,7 ist.

Die Vorteile der Erfindung bestehen unter anderem im fast vollständigen Wegfall der bisher durch die Hauptbrenner hervorgerufenen NOx-Emissionen. Eine solche, nahezu NOx-neutrale Verbrennung kann jedoch erst dann realisiert werden, wenn die Verweildauer des Brennstoff-Luftgemisches in den Hauptbrennern relativ gering ist. Deshalb wird die Drallzahl der in die Hauptbrenner einströmenden Verbrennungsluft so weit herabgesetzt, dass sich kein Vortex-Breakdown mehr ausbilden kann. Damit werden die Hauptbrenner instabil und wirken nur noch als Mischer.

Da die Grenze für die Ausbildung eines Vortex-Breakdown bekanntermassen bei einer Drallzahl von 0,7 liegt, wird die Verbrennungsluft mit einer unter diesem Grenzwert liegenden Drallzahl in die Hauptbrenner und mit einer Drallzahl oberhalb des Grenzwertes in die Pilotbrenner eingeleitet. Somit ist eine Zündung der Hauptbrenner weder im Voll- noch im Teillastbetrieb ohne Pilotbrenner möglich. Demgegenüber werden die Hauptbrenner bei den bisher bekannten Verfahren nur so mager betrieben, dass sie im Vollast-Betrieb nicht verlöschen und im Teillast-Betrieb durch die Pilotbrenner gestützt werden können.

Die erforderliche Verringerung der Drallzahl der Hauptbrenner wird vorteilhaft dadurch erreicht, dass das Verhältnis der Lufteintrittschlitze zu den Austrittsflächen der Hauptbrenner grösser als das entsprechende Verhältnis bei den Pilotbrennern ausgebildet ist. Dazu werden entweder die Luftaustrittschlitze der Hauptbrenner vergrössert oder deren Austrittsflächen verkleinert ausgebildet. Das gleiche Ziel wird durch eine Verkleinerung ihrer Öffnungswinkel erreicht.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Lösung besteht darin, dass durch Erweiterung der Lufteintrittschlitze der Hauptbrenner eine Verringerung des Druckverlustes erreicht wird. Dadurch kann sowohl die Leistung als auch der Wirkungsgrad der Gasturbine erhöht werden.

Infolge der Anordnung von Haupt- und Pilotbrennern in zumindest zwei Reihen und auf Lücke, lässt sich die Brennkammer besser zünden, ist sicherer im Betrieb und die Temperaturverteilung bei Teillast ist günstiger als bei einer einzigen Brennerreihe.

Indem in jeder Reihe nur baugleiche Doppelkegelbrenner angeordnet werden, ist eine gute Querzündung der Pilotbrenner gewährleistet. Weist dagegen jede Reihe von Doppelkegelbrennern abwechselnd Haupt- und Pilotbrenner auf, ist eine bessere Pilotierung der Hauptbrenner und eine homogenere radiale Temperaturverteilung innerhalb der Brennkammer möglich.

Es ist besonders zweckmässig, wenn die Last mit den nahezu NOx-neutralen Hauptbrennern gefahren und die Flammentemperatur der Pilotbrenner nur so weit angehoben wird, dass die Stabilität der Brennkammer in allen Betriebszuständen gewährleistet ist.

In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist die Brennkammer als Ringbrennkammer ausgebildet und die Doppelkegelbrenner sind in drei Reihen und auf an sich bekannte Weise in einer gemeinsamen vertikalen Ebene kreisförmig angeordnet. Dabei ist eine Reihe Pilotbrenner zwischen zwei Reihen Hauptbrenner angeordnet.

Mit dieser Anordnung wird ein besonders günstiges Verhältnis von Pilot- zu Hauptbrennern erreicht, bei dem sich aufgrund der relativ geringen Anzahl von Pilotbrennern die NOx-Emissionen noch weiter verringern lassen. Sind beide Reihen der Hauptbrenner gemeinsam oder separat zu- bzw. abschaltbar angeordnet, ist es ausserdem möglich, das radiale Temperatur profil gezielt zu beeinflussen, so dass die Turbine an den Schaufelenden entsprechend stärker belastet werden kann.

Durch ein Anheben der Flammentemperatur in den Pilotbrennern kann das Löschverhalten der Brennkammer vorteilhaft verbessert werden, ohne die NOx-Emissionen wesentlich zu erhöhen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Silo- bzw. Ringbrennkammer und einzelner Brenner dargestellt.
Es zeigen:
1 schematische Darstellung der mit verschiedenen Doppelkegelbrennern bestückten Silobrennkammer einer Gasturbine, in Draufsicht;
2 Seitenansicht eines als Doppelkegelbrenner ausgebildeten Pilotbrenners, aufgeschnitten und in perspektivischer Darstellung;
3 Seitenansicht eines als Doppelkegelbrenner ausgebildeten Hauptbrenners, aufgeschnitten und in perspektivischer Darstellung;
4 Schnitt IV-IV von 2, in vereinfachter schematischer Darstellung;
5 Schnitt V-V von 3, in vereinfachter schematischer Darstellung;
6 schematische Darstellung eines Ausschnittes der mit verschiedenen Doppelkegelbrennern bestückten Ringbrennkammer einer Gasturbine, in Draufsicht;
7 schematische Darstellung entsprechend 6, in einer anderen Ausgestaltungsform;
8 schematische Darstellung entsprechend 6, in einer weiteren Ausgestaltungsform, vergrössert dargestellt.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind Bauteile der Gasturbine mit Ausnahme der Brennkammer und der Brenner. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.
Weg zur Ausführung der Erfindung
In der Silo-Brennkammer 1 einer Gasturbine werden mehrere Doppelkegelbrenner als Pilotbrenner 2 bzw. als Hauptbrenner 3 in einer gemeinsamen Ebene kreisförmig angeordnet. Dabei schliesst von aussen nach innen abwechselnd eine Reihe Pilotbrenner 2 an eine Reihe Hauptbrenner 3 an (1).
Ein als herkömmlicher Doppelkegelbrenner ausgebildeter Pilotbrenner 2 besteht aus zwei halben, hohlen Teilkegelkörpern 4, 5, die seitlich versetzt zueinander, aufeinander liegen (2). Die Mittelachsen 6, 7 der Teilkegelkörper 4, 5 sind demzufolge ebenfalls seitlich versetzt zueinander angeordnet (4). Auf diese Weise wird auf beiden Seiten des Pilotbrenners 2, in spiegelbildlicher Anordnung jeweils ein tangentialer Lufteintrittschlitz 8, 9 geschaffen. Durch diese Lufteintrittschlitze 8, 9 strömt Verbrennungsluft 10 in den Innenraum des Pilotbrenners 2, d.h. in den Kegelhohlraum 11 ein (2).
Die beiden Teilkegelkörper 4, 5 besitzen jeweils einen zylindrischen Anfangsteil 12, 13, welche ebenfalls analog der Teilkegelkörper 4, 5 versetzt zueinander angeordnet sind. Somit sind die tangentialen Lufteintrittschlitze 8, 9 anströmseitig über die gesamte Länge des Pilotbrenners 2 ausgebildet. Im zylindrischen Anfangsteil 12, 13 ist eine Düse 14 angeordnet, deren Brennstoffeindüsung 15 am engsten Querschnitt des durch die zwei Teilkegelkörper 4, 5 gebildeten Kegelhohlraumes 11 erfolgt. Selbstverständlich kann der Pilotbrenner 2 rein ke gelig, also ohne zylindrische Anfangsteile 12, 13 ausgebildet sein.
An beiden Teilkegelkörpern 4, 5 und dort am äusseren Ende der tangentialen Lufteintrittschlitze 8, 9 ist jeweils eine Brennstoffleitung 16, 17 angeordnet. Die Brennstoffleitungen 16, 17 sind mit Öffnungen 18 versehen, durch die der gasförmige Brennstoff 19 in den Kegelhohlraum 11 des Pilotbrenners 2 gelangt. Dabei wird dieser gasförmige Brennstoff 19 der durch die tangentialen Lufteintrittschlitze 8, 9 strömenden Verbrennungsluft 10 zugemischt. Die Zumischung erfolgt im Bereich der tangentialen Lufteintrittschlitze 8, 9.
Beide Teilkegelkörper 4, 5 besitzen einen flachen Öffnungswinkel 20. Brennraumseitig 21 weist der Pilotbrenner 2 eine kragenförmige, als Verankerung für die Teilkegelkörper 4, 5 dienende Abschlussplatte 22 auf.
Der durch die Düse 14 strömende flüssige Brennstoff 23 wird in einem spitzen Winkel in den Kegelhohlraum 11 eingedüst, so dass sich in der Ebene der Austrittsfläche 24 des Pilotbrenners 2 ein möglichst homogener kegeliger Brennstoffspray einstellt. Dieses kegelige Flüssigbrennstoffprofil 25 wird von der tangential einströmenden, rotierenden Verbrennungsluft 10 umschlossen. In axialer Richtung wird die Konzentration des flüssigen Brennstoffes 23 fortlaufend durch die eingemischte Verbrennungsluft 10 abgebaut. Die optimale, homogene Brennstoffkonzentration über den Querschnitt wird im Bereich des Wirbelaufplatzens (Vortex-Breakdown), also im Bereich der Rückströmzone 26 erreicht. Die Zündung erfolgt an der Spitze der Rückströmzone 26. Erst an dieser Stelle kann eine stabile Flammenfront 27 entstehen.
Wird gasförmiger Brennstoff 19 verbrannt, erfolgt dessen Zumischung zur Verbrennungsluft 10 am äusseren Ende der tangentialen Lufteintrittschlitze 8, 9, so dass dort ebenfalls ein Brennstoff-Luftgemisch 28 entsteht.
Als Hauptbrenner 3 werden ebenfalls herkömmliche Doppelkegelbrenner angeordnet, deren Teilkegelkörper 4', 5' jedoch seitlich weiter versetzt zueinander angeordnet sind als die der Pilotbrenner 2. Somit weisen deren Mittelachsen 6', 7' einen grösseren seitlichen Abstand voneinander auf als die Mittelachsen 6, 7 der Pilotbrenner 2 (4, 5). Das führt zu einer Vergrösserung der tangentialen Lufteintrittschlitze 8', 9' der Hauptbrenner 3 und daher zu einer Verringerung der Drallzahl der Verbrennungsluft 10'. Auf diese Weise kann sich kein Vortex-Breakdown ausbilden, d.h. der Hauptbrenner 3 wirkt nur noch als Mischer und kann weder allein zünden noch eine stabile Flammenfront 27 aufbauen.
In der Silo-Brennkammer 1 einer Gasturbine wird Verbrennungsluft 10' mit einer niedrigen Drallzahl in die Hauptbrenner 3 bzw. Verbrennungsluft 10 mit einer hohen Drallzahl in die Pilotbrenner 2 eingeleitet. Dadurch kann sich in den Pilotbrennern 2 die bereits beschriebene stabile Flammenfront 27 ausbilden. Das Brennstoff-Luftgemisch 25', 28' der Hauptbrenner 3 wird durch die benachbarten Pilotbrenner 2 gezündet. Die Flammenfronten 27' der Hauptbrenner 3 werden während des Betriebs der Silo-Brennkammer 1 ständig durch die Flammenfronten 27 der Pilotbrenner 2 stabilisiert (1 bis 3).
In einem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Brennkammer einer Gasturbine als Ringbrennkammer 29 ausgebildet und mit zwei Reihen von Doppelkegelbrennern ausgestattet, die in einer gemeinsamen vertikalen Ebene kreisförmig angeordnet sind. Jede Reihe weist ausschliesslich baugleiche Doppelkegelbrenner auf, wobei die Reihe der Pilotbrenner 2 aussen und die Reihe der Hauptbrenner 3 innen angeordnet ist (6). Die beiden Brennerreihen können auch in umgekehrter Reihenfolge angeordnet sein. Ebenso ist es möglich, in jeder Reihe von Doppelkegelbrennern sowohl Pilot- 2 als auch Hauptbrenner 3 anzuordnen, wobei diese dann innerhalb der Reihe einander ab wechselnd und bezüglich der jeweils benachbarten Reihe auf Lücke angeordnet sind (7).
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Ringbrennkammer 29 einer Gasturbine mit drei Reihen in einer gemeinsamen vertikalen Ebene kreisförmig angeordneter Doppelkegelbrenner ausgestattet, wobei eine Reihe Pilotbrenner 2 zwischen zwei Reihen Hauptbrenner 3 angeordnet ist (8).

1: Silo-Brennkammer
2: Pilotbrenner
3: Hauptbrenner
4: Teilkegelkörper
5: Teilkegelkörper
6: Mittelachse
7: Mittelachse
8: Lufteintrittschlitz, tangential
9: Lufteintrittschlitz, tangential
10: Verbrennungsluft
11: Kegelhohlraum
12: Anfangsteil, zylindrisches
13: Anfangsteil, zylindrisches
14: Düse
15: Brennstoffeindüsung
16: Brennstoffleitung
17: Brennstoffleitung
18: Öffnung
19: gasförmiger Brennstoff
20: Öffnungswinkel
21: Brennraum
22: Abschlussplatte
23: Brennstoff, flüssig
24: Austrittsfläche
25: Flüssigbrennstoffprofil, Brennstoff-Luftgemisch
26: Rückströmzone
27: Flammenfront
28: Brennstoff-Luftgemisch
29: Ringbrennkammer
4': Teilkegelkörper
5': Teilkegelkörper
6': Mittelachse
7': Mittelachse
8': Lufteintrittschlitz, tangential
9': Lufteintrittschlitz, tangential
10': Verbrennungsluft
19': gasförmiger Brennstoff
20': Öffnungswinkel
24': Austrittsfläche
25': Brennstoff-Luftgemisch
27': Flammenfront
28': Brennstoff-Luftgemisch

Claims

Verfahren zum Betreiben der Brennkammer einer Gasturbine, mit als Haupt- und Pilotbrenner ausgebildeten Vormischbrennern, die mit gasförmigen bzw. flüssigen Brennstoffen betrieben werden, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Hauptbrenner (3) ausschliesslich als Mischer zur Aufbereitung eines Brennstoff-Luftgemisches (25', 28') fungieren, b) die Hauptbrenner (3) auf an sich bekannte Weise von den Pilotbrennern (2) gezündet werden, c) die Flammenfronten (27') der Hauptbrenner (3) während des Betriebs der Brennkammer (1, 29) ständig durch die Flammenfronten (27) der Pilotbrenner (2) stabilisiert werden, und d) Verbrennungsluft (10') mit einer niedrigen Drallzahl in die Hauptbrenner (3) und Verbrennungsluft (10) mit einer hohen Drallzahl in die Pilotbrenner (2) eingeleitet wird, wobei die Drallzahl der Verbrennungsluft (10') der Hauptbrenner (3) kleiner und die Drallzahl der Verbrennungsluft (10) der Pilotbrenner (2) grösser als 0,7 ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der grösste Teil des gasförmigen bzw. flüssigen Brennstoffes (19, 23) über die Hauptbrenner (3) verbrannt und die Flammentemperatur der Pilotbrenner (2) nur so weit angehoben wird, dass die Stabilität der Brennkammer (1, 29) gewährleistet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei benachbarte Reihen von Doppelkegelbrennern zusammenwirken.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reihe von Pilotbrennern (2) mit zwei benachbarten Reihen von Hauptbrennern (3) zusammenwirkt und beide Reihen Hauptbrenner (3) gemeinsam oder separat zu- bzw. abgeschaltet werden können.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptbrenner (3) mit bis zur Hälfte geringerem Durchsatz als die Pilotbrenner (2) betrieben werden.
Brennkammer einer Gasturbine zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, in der mehrere entsprechend EP-B1-0 321 809 ausgebildete Doppelkegelbrenner angeordnet sind und entweder als Pilot- oder Hauptbrenner fungieren, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Lufteintrittschlitze (8', 9') zur Austrittsfläche (24') der Hauptbrenner (3) grösser als das entsprechende Verhältnis bei den Pilotbrennern (2) ausgebildet ist.
Brennkammer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lufteintrittschlitze (8', 9') der Hauptbrenner (3) gegenüber denen der Pilotbrenner (2) vergrössert ausgebildet sind.
Brennkammer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsflächen (24') der Hauptbrenner (3) gegenüber denen der Pilotbrenner (2) verkleinert ausgebildet sind.
Brennkammer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungswinkel (20') der Hauptbrenner (3) kleiner als die Öffnungswinkel (20) der Pilotbrenner (2) ausgebildet sind.
Brennkammer nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Haupt- (3) und Pilotbrenner (2) in zumindest zwei Reihen und jeweils auf Lücke angeordnet sind.
Brennkammer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Reihe nur baugleiche Doppelkegelbrenner angeordnet sind.
Brennkammer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass jede Reihe von Doppelkegelbrennern sowohl Haupt- (3) als auch Pilotbrenner (2) aufweist, welche innerhalb der Reihe abwechselnd angeordnet sind.
Brennkammer nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Ringbrennkammer (29) ausgebildet ist, und die Doppelkegelbrenner in drei Reihen und auf an sich bekannte Weise in einer gemeinsamen vertikalen Ebene kreisförmig angeordnet sind, wobei eine Reihe Pilotbrenner (2) zwischen zwei Reihen von Hauptbrennern (3) angeordnet ist.