DE4446609A1

DE4446609A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Brennstoffzuführung zu einem sowohl für flüssige als auch für gasförmige Brennstoffe geeigneten Brenner

Info

Publication number: DE4446609A1
Application number: DE19944446609
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr Althaus; Franz Dr Joos; Tino Martin Marling
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1994-12-24
Filing date: 1994-12-24
Publication date: 1996-06-27
Anticipated expiration: 2014-12-25
Also published as: JPH08226621A; JP3655682B2; DE4446609B4

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Brennstoffzuführung zu einem für flüssige und gasförmige Brennstoffe geeigneten Brenner, vorzugsweise einem Doppelke gelbrenner, welcher zum Zweck der Heißgaserzeugung einge setzt wird.

Stand der Technik

Zur Erzielung möglichst niedriger NOx-Emissionen werden Bren ner allgemein nahe ihrer mageren Löschgrenze betrieben. Da durch wird allerdings der Regelbereich der Brenner stark ein geschränkt. Um diesen Nachteil zu beheben, werden z. B. bei Teillast einer Gasturbine einzelne Brenner abgeschaltet, so daß die restlichen Brenner innerhalb ihres Stabilitätsberei ches betrieben werden können. Damit geht jedoch eine Ver schlechterung der Temperaturverteilung über den Umfang ein her.

Eine andere Möglichkeit zur Verbesserung des Regelbereichs von Brennern ist das in Achsnähe erfolgende Anfetten der Brenngase mit zusätzlichem Brennstoff, auch interne Pilotie rung genannt. Dabei wird der Stabilitätsbereich der Brenner durch das Eindüsen eines Pilotgases entsprechend erweitert, so daß unter allen Lastbedingungen ein sicherer Betrieb ge währleistet ist. Insbesondere bei modernen Ringbrennkammern ist die interne Pilotierung inzwischen weit verbreitet.

Aus der DE-A1 43 06 956 ist eine Brennstoffzuführung für ei nen sowohl mit flüssigen als auch mit gasförmigen Brennstof fen betriebenen Doppelkegelbrenner bekannt. Bei diesem Bren ner erfolgt die Zerstäubung des Brennöls mittels einer im Brennerkopf angeordneten, sogenannten Airblast-Düse, d. h. durch koaxiale Zufuhr komprimierter Gebläseluft. Daher be sitzt der Brenner zusätzlich zum Haupt- und Pilotgaskanal ei nen Flüssigbrennstoff- sowie einen Gebläseluftkanal. Sowohl der Flüssigbrennstoffkanal als auch der Gebläseluft- und der Pilotgaskanal sind in einer in den Hauptgaskanal einschiebba ren, mit der Airblast-Düse verbundenen und im Brennerkopf be festigten Brennstofflanze untergebracht.

Der Nachteil einer solchen Airblast-Düse besteht darin, daß die Gebläseluft auch beim Pilotgasbetrieb mit gasförmigem Brennstoff eingedüst wird, in diesem Fall jedoch keine Zer stäubung erforderlich ist. Die zusätzliche Luft destabili siert die Pilotgasflamme und setzt somit die magere Lösch grenze der Flamme herab. Deshalb wurden sowohl ein Verfahren als auch eine Vorrichtung entwickelt, bei denen der Zustrom der Gebläseluft in den Brennerinnenraum steuerbar ist. So wird beim Betrieb mit gasförmigem Brennstoff der Zustrom der Gebläseluft in den Brennerinnenraum abgedrosselt, beispiels weise durch das Einführen von Pilotgas in die Gebläseluft. Es hat sich jedoch gezeigt, daß dadurch eine Vorverdünnung des Pilotgases und eine inhomogene Vermischung mit der Geblä seluft erfolgt. Dies beeinträchtigt die Verbrennung des Pi lotgases und verschlechtert die Stabilität des Brenners bei Teillast.

Bei einer mittels Brennstofflanze erfolgenden Brennstoffzu führung zu einem Doppelkegelbrenner, wie z. B. aus der DE-A1 43 06 956 bekannt, wird der maximale Durchmesser der Brenn stofflanze durch die Größe des Brennerkopfes bestimmt. Dem zufolge sind bei kleineren Doppelkegelbrennern kleinere Brennstofflanzen, d. h. Brennstofflanzen mit geringerem Durch messer erforderlich. Eine proportionale Verkleinerung der be kannten Brennstofflanzen hat aber einen geringeren Durchsatz an Gebläse- bzw. Verbrennungsluft zur Folge. Bei geringerer Luftmenge steigen jedoch die NOx-Emissionen während der Ver brennung mit Leichtöl.

Aufgrund ihrer zahlreichen Funktionen ist die bekannte Brenn stofflanze relativ aufwendig in Herstellung und Montage. Zu dem muß der Pilotgaskanal gegenüber dem Hauptgaskanal abge dichtet werden. Das ist einerseits aufwendig und birgt ande rerseits die Gefahr, daß Hauptgas in den Pilotgaskanal ein dringt und der Brenner deshalb instabil wird.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrich tung zur Brennstoffzuführung zu einem für flüssige und gas förmige Brennstoffe geeigneten Brenner zu schaffen, der damit einen breiteren Einsatzbereich und geringere NOx-Emissionen erreicht. Außerdem soll die Vorrichtung einfach zu fertigen, leicht zu montieren sowie sicher zu betreiben sein.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, lediglich der Gebläseluftkanal und der Flüssigbrennstoffkanal, einschließlich der Flüssigbrennstoffdüse, in der Brennstofflan ze angeordnet sind. Die Pilotgasleitung ist ausschließlich im Bereich des Brennerkopfes angeordnet. Sie ist als zumin dest eine achsparallele Bohrung in der Innenwand des Haupt gasrohres ausgebildet.

Weil bei dieser Lösung der Pilotgasleitung nicht mehr Be standteil der Brennstofflanze ist, kann der Gebläseluftkanal bei gleich großem Durchmesser des Brenners, d. h. auch des Brennerkopfes und letztlich der Brennstofflanze radial größer ausgebildet werden. Damit steht mehr Gebläse- bzw. Ver brennungsluft für die Ölverbrennung zur Verfügung, während die NOx-Emission abnimmt.

Aus dem gleichen Grund kann der Durchmesser des Gebläseluft kanals auch bei Verwendung eines kleineren Brenners, mit ent sprechend geringer dimensionierter Brennstofflanze, größer als bisher möglich ausgebildet werden. Das erlaubt wiederum die Zufuhr einer größeren Menge an Gebläse- bzw. Verbren nungsluft.

Die nach Herauslösen der Pilotgasleitung nur noch aus dem Flüssigbrennstoff- sowie dem Gebläseluftkanal bestehende Brennstofflanze kann nunmehr ihrer Funktion entsprechend op timaler ausgebildet und auch wesentlich einfacher gefertigt werden. Zudem muß sie nicht mehr gegen eindringendes Haupt gas abgedichtet werden.

Sowohl die Hauptgaszuleitung und das Hauptgasrohr als auch die Pilotgaszuleitung und die achsparallele/n Bohrung/en sind innerhalb einer an sich bekannten Brennerhaube stoffschlüssig miteinander verbunden. Die Pilotgaszuleitung mündet stromauf der Verbindung von Hauptgaszuleitung und Hauptgasrohr in der/den achsparallelen Bohrung/en.

Eine solche Vorrichtung ist gießtechnisch relativ einfach zu realisieren. Hinsichtlich der Montage wird zuerst die Pilot gaszuleitung und anschließend die Hauptgaszuleitung verschweißt.

Bei Doppelkegelbrennern erweist es sich als besonders vor teilhaft, wenn in der Innenwand des Hauptgasrohres zwei achs parallele Bohrungen ausgebildet sind, welche im Bereich des Brennerkopfes die Funktion der Pilotgasleitung übernehmen. Da in der Innenwand radial ausreichend Platz zur Aufnahme der Bohrungen vorhanden ist, bleibt der Durchmesser des Brenner kopfes gegenüber einer Lösung mit innerhalb der Brennstoff lanze verlaufender Pilotgasleitung konstant.

Beim Betrieb des Brenners wird das Pilotgas separat von dem mittels der Brennstofflanze eingedüsten Flüssigbrennstoff so wie der Gebläseluft in den Brennerinnenraum eingeleitet. Durch die räumliche Trennung der Einleitung bzw. Eindüsung von Pilotgas und Gebläseluft wird eine inhomogene Vermischung der beiden Gase und damit auch die Vorverdünnung des Pilot gases verhindert. Es kommt daher zu einer stabileren Verbren nung im Brennerinnenraum, was nicht zuletzt auch die Stabili tät des Brenners bei Teillast erhöht und seinen Einsatzbe reich vergrößert.

Die Zufuhr des Pilotgases in den Pilotgaskanal und die Zufuhr des Hauptgases in das Hauptgasrohr erfolgt innerhalb der Brennerhaube, wobei das Pilotgas stromauf des Hauptgases zu geführt wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Brennstoffzuführung zu einem Doppelkegelbrenner dargestellt, wie er in einer Gasturbine zum Einsatz kommt. Die einzige Figur zeigt einen Teillängsschnitt des Doppelke gelbrenners mit der Brennstofflanze.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt ist beispielsweise die Brennstoffzuführung zur Brennstofflanze und deren Befe stigung im Gasturbinengehäuse. Die Strömungsrichtung der Ar beitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Die Vorrichtung besteht aus einem als Doppelkegelbrenner aus gebildeten Brenner 1, mit dem ein ringförmiges Hauptgasrohr 2 stoffschlüssig verbunden ist. Das Hauptgasrohr 2 wird von ei ner Außenwand 3 und eine Innenwand 4 gebildet, zwischen de nen ein Hauptgaskanal 5 angeordnet ist. Innerhalb des Haupt gasrohres 2, d. h. in dessen zentralem Hohlraum ist eine Brennstofflanze 6 lösbar befestigt, welche einen Flüssig brennstoffkanal 7 und koaxial dazu einen Gebläseluftkanal 3 aufnimmt. Die Brennstofflanze 6 mündet mittels einer als Air blast-Düse ausgebildeten Flüssigbrennstoffdüse 9 im Brenner innenraum 10. An ihrem äußeren, hier nicht dargestellten En de wird die Brennstofflanze 6 mit Flüssigbrennstoff 11 und Gebläseluft 12 beaufschlagt.

Der Doppelkegelbrenner 1 ist mit seinem Brennerkopf 13 in ei ner Brennerhaube 14 befestigt. In der Innenwand 4 des Haupt gasrohres 2 sind als Pilotgasleitung 15 zwei achsparallele Bohrungen ausgebildet. Die Bohrungen 15 dienen der Zufuhr ei nes Pilotgases 16 in den Brennerinnenraum 10. Bei anderen Brennern 1 kann diese Funktion selbstverständlich von nur ei ner oder auch von mehreren achsparallelen Bohrungen 15 über nommen werden.

Der Hauptgaskanal 5 ist stoffschlüssig mit einer Hauptgaszu leitung 17 verbunden, während die Bohrungen 15 über einen Ringraum 18 ebenfalls stoffschlüssig mit einer separaten Pi lotgaszuleitung 19 verbunden sind. Diese Verbindungen können beispielsweise durch Verschweißen der entsprechenden Bau teile hergestellt werden. Sie liegen innerhalb der Brenner haube 14, wobei die Pilotgaszuleitung 19 stromauf der Hauptgaszuleitung 17 angreift.

Beim Betrieb des Doppelkegelbrenners 1 wird über die Haupt gaszuleitung 17 ein Hauptgas 20 direkt in den Brennerkopf 13, d. h. in den Hauptgaskanal 5 eingeführt. Von dort aus gelangt es durch die hier nicht dargestellten seitlichen Öffnungen des Brenners 1 in den Brennerinnenraum 10, wo es gemeinsam mit dem Pilotgas 16 verbrannt wird. Dazu wird das Pilotgas 16 über die Pilotgaszuleitung 19 zum Brennerkopf 13 geführt und innerhalb der Brennerhaube 14 in die beiden Bohrungen 15 ein geleitet. Das Eindüsen des Pilotgases 16 in den Brennerinnen raum 10 erfolgt dann achsparallel zum in der Brennstofflanze 6 geführten Flüssigbrennstoff 11 und vor allem separat von der Gebläseluft 12. Dadurch gelangt das Pilotgas 16 unver dünnt in den Brennerinnenraum 10 und kann dort stabil ver brannt werden.

Bezugszeichenliste

1 Brenner, Doppelkegelbrenner
2 Hauptgasrohr
3 Außenwand
4 Innenwand
5 Hauptgaskanal
6 Brennstofflanze
7 Flüssigbrennstoffkanal
8 Gebläseluftkanal
9 Flüssigbrennstoffdüse, Airblast-Düse
10 Brennerinnenraum
11 Flüssigbrennstoff
12 Gebläseluft
13 Brennerkopf
14 Brennerhaube
15 Pilotgasleitung, Bohrung, achsparallel
16 Pilotgas
17 Hauptgaszuleitung
18 Ringraum
19 Pilotgaszuleitung
20 Hauptgas

Claims

1. Vorrichtung zur Brennstoffzuführung zu einem sowohl für flüssige als auch für gasförmige Brennstoffe geeigneten Brenner (1), vorzugsweise einem Doppelkegelbrenner, be stehend aus

a) einer Hauptgaszuleitung (17) und einer Pilotgaszu leitung (19), in denen gasförmiger Brennstoff von außen zugeführt und über einen Brennerkopf (13) in den Brennerinnenraum (10) eingeleitet wird,
b) einem mit dem Brenner (1) stoffschlüssig verbunde nen, ringförmigen Hauptgasrohr (2), welches aus ei ner Außen- (3) sowie einer Innenwand (4) mit da zwischenliegendem Hauptgaskanal (5) besteht und im Bereich des Brennerkopfes (13) von außen nach in nen eine Pilotgasleitung (15), einen Gebläseluftka nal (8) und einen Flüssigbrennstoffkanal (7) auf nimmt,
c) einer im Inneren des Hauptgasrohres (2) lösbar be festigten Brennstofflanze (6), die an ihrem strom abwärtigen Ende mittels einer Flüssigbrennstoffdüse (9) im Brennerinnenraum (10) mündet, dadurch gekennzeichnet, daß
d) die Brennstofflanze (6) lediglich aus dem Gebläse luftkanal (8) und dem Flüssigbrennstoffkanal (7) mit der Flüssigbrennstoffdüse (9) besteht,
e) die Pilotgasleitung (15) ausschließlich im Bereich des Brennerkopfes (13) angeordnet und als zumindest eine achsparallele Bohrung in der Innenwand (4) des Hauptgasrohres (2) ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Hauptgaszuleitung (17) und das Hauptgas rohr (2) als auch die Pilotgaszuleitung (19) und die achsparallele/n Bohrung/en (15) innerhalb einer an sich bekannten Brennerhaube (14) stoffschlüssig miteinander verbunden sind, wobei die Pilotgaszuleitung (19) strom auf der Hauptgaszuleitung (17) angreift.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Innenwand (4) des Hauptgasrohres (2) zwei achsparallele Bohrungen (15) ausgebildet sind.

4. Verfahren zur Brennstoffzuführung zu einem sowohl für flüssige als auch für gasförmige Brennstoffe geeigneten Brenner (1), vorzugsweise für einen Doppelkegelbrenner, bei dem

a) der von außen zugeführte Brennstoff über einen Brennerkopf (13) in den Brennerinnenraum (10) ein geleitet wird,
b) zusätzlich zum Hauptgas (20) ein Pilotgas (16) in den Brenner (1) eingeführt wird,
c) der Flüssigbrennstoff (11) mit Hilfe von Gebläse luft (12) zerstäubt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
d) die Zufuhr von Flüssigbrennstoff (11) sowie Geblä seluft (12) in den Brennerinnenraum (10) auf an sich bekannte Weise durch eine Brennstofflanze (6) erfolgt, während das Pilotgas (16) separat dazu eingeleitet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr des Pilotgases (16) in die Pilotgasleitung (17) und die Zufuhr des Hauptgases (20) in das Hauptgas rohr (2) innerhalb einer an sich bekannten Brennerhaube (14) erfolgt, wobei das Pilotgas (16) stromauf des Hauptgases (20) zugeführt wird.