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Die
vorliegende Erfindung betrifft mit Gas und Flüssigbrennstoffen betriebene
Turbinen und insbesondere Verfahren zum Betreiben von Brennkammern
mit mehreren Düsen
zur Verwendung in einer Turbine, in welcher die Düsen zwischen
unterschiedlichen Betriebsarten in Stufen umgeschaltet werden, und
die kompakte Konfiguration, die damit realisiert werden kann.
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Die "Dry Low NOx" – Technologie wird routinemäßig zur
Emissionsbeeinflussung bei der Verbrennung gasförmiger Brennstoffe in industriellen Gasturbinen
mit "can-annular" bzw. sog. Ringbrennkammnersystemen
unter Anwendung einer Vormischung von Brennstoff und Luft angewendet.
Der Hauptvorteil der Vormischung besteht in der Schaffung einer
gleichmäßigen Verbrennungsgeschwindigkeit,
die zu relativ konstanten Reaktionszonentemperaturen führt. Durch
ein sorgfältiges
Luftmanagement können
diese Temperaturen optimiert werden, um so sehr niedrige Emissionen
von Stickstoffoxiden (NOx), Kohlenmonoxid
(CO) und unverbrannten Kohlenwasserstoffen (UHC) zu erzeugen. Die Modulation
einer mittigen Vormischbrennstoffdüse kann den Betriebsbereich
erweitern, indem sie es ermöglicht,
dass das Brennstoff/Luft-Verhältnis
und entsprechende Reaktionsraten der äußeren Düsen bei gleichzeitiger Veränderung
der Brennstoffeinspeisung in die Maschine relativ konstant bleiben,
während.
Detaillierte Verfahren zum Steuern oder Betreiben einer derartigen
Maschine mit Erdgas werden beispielsweise in Davis, Dry Low NOx
Combustion Systems For GE Heavy Duty Gas Turbines, GER-3568F, 1996
und in den U.S. Patenten Nr. 5,722,230 und 5,729,968 beschrieben.
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Flüssigbrennstoff
wird üblicherweise
in industriellen Gasturbinen mit Verdünnungseinspritzung zur Emissionsbeeinflussung
von angenähert
50 bis 100 % der Nennlast zugeführt.
Als Verdünnungsmittel
wird üblicherweise
Wasser oder Dampf verwendet. Brennkammern mit der Fähigkeit,
entweder mit gasförmigen
oder flüssigen
Brennstoffen zu arbeiten, sind allgemein bekannt und in den vorgenannten
Veröffentlichungen
Beispiele sind dazu beschrieben.
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U5-A-5,836,164
beinhaltet eine Gasturbinenbrennkammer mit mehreren ersten Vormischbrennkammern,
die an einem Außenumfang
der Brennkammer angeordnet sind, und mehrere zweite Vormischbrennkammern,
welche ebenfalls entlang dem Außenumfang
der Brennkammer angeordnet sind. Die ersten und zweiten Vormischbrennkammern
sind entlang des Außenumfangs
der Brennkammer abwechselnd angeordnet.
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US-A-5,729,968
beinhaltet einen Mittelbrenner in einer Mehrbrenner-Brennkammer,
bei dem bei dem Startvorgang eine Anzahl von Düsen in einer Düsenanordnung
mit einem Diffusionsbrennstoff aus dem Diffusionsverteiler versorgt
wird. Dann wird bei einer Teildrehzahl vorgemischter Brennstoff
einer Anzahl der Düsen
in der Anordnung zugeführt,
und dann werden bei voller Drehzahl die Diffusionsbrennstoff empfangenden
Düsen auf
einen Vormischbrennstoff umgestellt.
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Die
Probleme in Verbindung mit Zweistoff-Maschinen beinhalten die Anforderungen
an ein kompakte Anordnung in Verbindung mit einer Anzahl von Fluidkanälen innerhalb
eines eingeschränkten Volumens
und die Entwicklung eines effektiven Verfahrens für die Steuerung
des Betriebs der Maschine unter gleichzeitiger Erfüllung der
ständig
niedrigeren Emissionswerte, die von den Umweltbehörden in
der gesamten Welt gefor dert werden. Die Lösung dieser Probleme ist insbesondere
für kleine
industrielle Gasturbinen mit Ringbrennkammer-Verbrennungssystemen
mit weniger als 35 Megawatt Ausgangsleistung schwierig.
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Die
Düsenkonfiguration
und das Steuerverfahren der Erfindung sind darauf ausgelegt, eine kompakte
Einrichtung zur Konfiguration und für den Betrieb einer industriellen
Gasturbine entweder mit gasförmigen
oder flüssigen
Brennstoff zu schaffen, wobei eine Brennstoffumschaltung zur Erzielung
sehr niedriger Emissionen verwendet wird. Insbesondere ist die Erfindung
in einer Konfiguration und einem Betriebsverfahren verkörpert, in
welchem äußere Brennstoffdüsen zur
Zuführung
eines Teils des vorgemischten gasförmigen Brennstoffes und des
gesamten flüssigen
Brennstoffes verwendet werden. Wasser bei der Einspritzung zur Emissionssteuerung in
einem Betrieb mit flüssigem
Brennstoff und Zerstäubungsluft
werden ebenfalls vollständig über die äußeren Brennstoffdüsen zugeführt. Die
zentrale Brennstoffdüse
wird somit für
die Zuführung
sowohl von vorgemischten gasförmigen
Brennstoff als auch Diffusionsgasbrennstoff reserviert.
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Somit
ist die Erfindung in einer Gasturbine verkörpert, in welcher mehrere Brennkammern
vorgesehen sind, wovon jede mehrere äußere Brennstoffdüsen (z.B.
drei bis sechs), die um eine Längsachse
der Brennkammer herum angeordnet sind, eine im Wesentlichen entlang
der Längsachse
angeordnete Mitteldüse
und nur eine Verbrennungszone aufweist. Jede äußere Brennstoffdüse weist
wenigstens einen Vormischgaskanal auf, der mit wenigstens einem
Vormischgaseinlass verbunden ist und mit mehreren sich radial erstreckenden
Vormischbrennstoff-Injektoren
in Verbindung steht, die innerhalb eines speziellen Vormischrohres
angeordnet sind, das dafür
eingerichtet ist, Vormischbrennstoff und Verbrennungsluft vor dem
Eintritt in die nur eine stromabseitig von dem Vormischrohr angeordnete
Verbrennungszone zu vermischen. Die Mitteldüse weist ebenfalls wenigstens
einen Vormischgaskanal auf, der mit wenigstens einem Vormischgaseinlass
verbunden ist und mit mehreren sich radial erstreckenden Vormischbrennstoff-Injektoren
in Verbindung steht, die in einem speziellen Vormischrohr angeordnet
sind, um Vormischbrennstoff und Verbrennungsluft vor dem Eintritt
in die nur eine stromabseitig von dem Vormischrohr angeordnete Verbrennungszone zu
vermischen. Die Mitteldüse
weist ferner einen Diffusionsgaskanal auf, der mit einem Diffusionsgaseinlass
verbunden ist. Der Diffusionsgaskanal endet an einem vordersten
Auslassende der mittigen Brennstoffdüse stromabseitig von den Vormischbrennstoff-Injektoren,
jedoch innerhalb des speziellen Vormischrohres.
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Die
Erfindung wird ferner durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkammer
verkörpert,
wobei die Brennkammer mehrere äußere Brennstoffdüsen in einer
ringförmigen
Anordnung um eine Mittelachse herum und eine auf der Mittelachse
angeordnete Mitteldüse
aufweist, und wobei die ringförmige
Anordnung wahlweise mit einem vorgemischten gasförmigen Brennstoff, Flüssigbrennstoff,
Wasser und Zerstäubungsluft
versorgt wird, und wobei ferner die Mitteldüse selektiv mit Diffusionsgasbrennstoff
und Vorgemischten gasförmigen
Brennstoffstoff versorgt wird, wobei das Verfahren die Schritte
aufweist
- a) während des Starts, Beliefern
der Mittelbrennstoffdüse
mit Diffusionsgasbrennstoff,
- b) wenn die Last der Einheit gesteigert wird, Liefern von vorgemischten
gasförmigen
Brennstoff an wenigstens eine von den äußeren Düsen in der ringförmigen Anordnung;
- c) bei Teillast, Beenden der Belieferung der Mitteldüse mit Diffusionsgasbrennstoffs;
- d) nach einer weiteren Steigerung der Last, Beginnen mit der
Lieferung von vorgemischten gasförmigen
Brennstoffstoff an die Mitteldüse
ohne zusätzliche
Lieferung von vorgemischtem gasförmigen
Brennstoffstoff an die äußeren Brennstoffdüsen in der
ringförmigen
Anordnung; und dann
- e) wahlweises Liefern von zusätzlichem vorgemischten gasförmigen Brennstoffstoff
an alle Brennstoffdüsen
in der ringförmigen
Anordnung und an die Mitteldüse,
wenn die Turbinenlast zunimmt.
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Diese
sowie weitere Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung werden vollständiger durch
ein sorgfältiges
Studium der nachstehenden detaillierteren Beschreibung der derzeit
bevorzugten exemplarischen Ausführungsformen
der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verständlich und
erkennbar, in welchen:
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1 eine
schematische Querschnittsansicht durch eine der Brennkammern einer
Turbine gemäß einer
exemplarischen Ausführungsform
der Erfindung ist;
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2 eine
schematische Ansicht des vorderen Endes einer die Erfindung verkörpernden
Endabdeckung und einer Brennstoffdüsenanordnung ist;
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3 eine
schematische Querschnittsansicht einer Endabdeckung und Brennstoffdüsenanordnung
entlang einer Linie 3-3 von 2 ist;
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4 eine
schematische Querschnittsansicht einer die Erfindung verkörpernden äußeren Brennstoffdüse ist;
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5 eine
schematische Querschnittsansicht einer die Erfindung verkörpernden
mittigen Brennstoffdüse
ist;
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6 eine
schematische Darstellung eines die Erfindung verkörpernden
Gasbrennstoff-Steuerungssystems ist; und
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7 eine
Darstellung der Betriebsablauffolge der Einheit einer derzeit bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung ist.
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Die
Anforderungen für
eine Zweistoff-Fähigkeit
können
aufgrund der Anzahl der erforderlichen Strömungskanäle zu einer erheblichen Komplexität führen. Ferner
erzwingen strenge Emissionsanforderungen für Gasturbinenkraftwerke die
Nutzung von Dry Low NOx – oder
DLN-Systemen für
die Verbrennung von Erdgas. Diese DLN-Systeme führen Brennstoffgas typischerweise
an drei oder mehreren Stellen innerhalb der Brennkammer zu, um die
Spezifikationen für
Emissionen, Laständerung
(Herunterfahren), Metallhardware-Temperaturen und akzeptable verbrennungsakustische
Dynamik zu erfüllen.
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Diese
Erfindung schafft eine kompakte Einrichtung zum Konfigurieren und
zum Betrieb einer industriellen Gasturbine mit gasförmigen und/oder
flüssigen
Brennstoffen unter Anwendung einer Brennstoff-Stufenumschaltung
bzw. Brennstoffstu fung zur Erzielung sehr niedriger Emissionen bei
gasförmigem
Brennstoff. Das diese Erfindung aufweisende System ist ein Teil
von einer (jeder) Brennkammeranordnung, die in einer Ringbrennkammer-Konfiguration
auf einer industriellen Gasturbine angeordnet sind. In Gasturbinen
mit Ringbrennkammer-Konfiguration
sind eine Reihe von Brennkammern oder Flammrohren um den Umfang
der Maschine herum angeordnet, und Gas- und Flüssigbrennstoffdüsen sind
in den Brennkammern angeordnet, um Brennstoff an die verschiedenen
Stellen darin zu leiten. 1 ist eine schematische Querschnittsansicht durch
eine der Brennkammern einer derartigen Turbine, in welcher das System
der Erfindung vorteilhaft verkörpert
ist.
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Die
Gasturbine 10 enthält
einen (teilweise dargestellten) Kompressor 12, mehrere
Brennkammern 14 (nur eine ist dargestellt) und eine hier
durch eine einzelne Laufschaufel 16 dargestellte Turbine. Obwohl
es hierin nicht speziell dargestellt ist, ist die Turbine mit dem
Kompressor 12 über
eine gemeinsame Achse für
dessen Antrieb verbunden. Der Kompressor 12 setzt Einlassluft
unter Druck, welche man dann rückwärts zu der
Brennkammer 14 strömen lässt, wo
sie dazu verwendet wird, die Brennkammer zu kühlen, und Luft dem Verbrennungsprozess
zuzuführen.
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Wie
es vorstehend erwähnt
wurde, enthält die
Gasturbine mehrere Brennkammern 14, die um den Umfang der
Gasturbine herum angeordnet sind. Ein doppelwandiger Übergangskanal 18 verbindet den
Auslass jeder Brennkammer mit dem Einlassende der Turbine, um die
heißen
Verbrennungsprodukte an die Turbine zu liefern. Eine Zündung wird
in den verschiedenen Brennkammern 14 mittels einer Zündkerze 20 in
Verbindung mit Querfeuerungsrohren 22 (einen ist dargestellt)
in der üblichen
Weise erreicht.
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Jede
Brennkammer 14 enthält
ein im Wesentlichen zylindrisches Verbrennungsgehäuse 24, welches
an einem offenen vorderen Ende des Turbinengehäuses 26 mittels Schrauben 28 befestigt
ist. Das rückwärtige oder
proximale Ende der Brennkammer ist durch eine Endabdeckungsanordnung 30 verschlossen,
welche Zuführungsrohre,
Verteiler und zugeordnete Ventile für die Zuführung von gasförmigem Brennstoff,
flüssigem
Brennstoff, Luft und Wasser zu der Brennkammer gemäß nachstehender
detaillierter Beschreibung enthält.
Die Endabdeckungsanordnung 30 nimmt mehrere (beispielsweise
drei bis sechs) "äußere" Brennstoffdüsenanordnungen 32 (nur
eine ist in 1 zum Zwecke der Vereinfachung und
Verdeutlichung dargestellt), die in einer ringförmigen Anordnung um eine Längsachse
der Brennkammer angeordnet sind, und eine Mitteldüse 33 (siehe 2),
welche an ihrem vorderen Ende an der Außenwand 36 des doppelwandigen Übergangskanals 18 verbunden
ist, auf.
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Innerhalb
des Brennkammergehäuses 24 ist in
im Wesentlichen konzentrischer Beziehung dazu eine im Wesentlichen
zylindrische Strömungshülse 34 angeordnet,
welche an ihrem vorderen Ende mit der äußeren Wand 36 des
doppelwandigen Strömungskanals 18 verbunden
ist. Die Strömungshülse 34 ist
an ihrem hinteren Ende mittels eines radialen Flansches 35 mit
dem Verbrennungsgehäuse 24 an einem
Stumpfstoß 37 verbunden,
wo vordere und hintere Abschnitte der Brennkammer 24 verbunden sind.
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Innerhalb
der Strömungshülse 34 befindet sich
ein konzentrisch angeordneter Brennkammereinsatz 38, welcher
mit seinem vorderen Ende mit der Innenwand 40 des Übergangskanals 18 verbunden
ist. Das hintere Ende des Brennkammereinsatzes 38 wird
durch eine Brennkammereinsatz-Kappenanordnung 42 unter stützt, welche
wiederum innerhalb des Brennkammergehäuses durch mehrere Streben 39 und
eine (nicht im Detail dargestellte) zugeordnete Befestigungsanordnung
unterstützt
wird. Die äußere Wand 36 des Übergangskanals 18 und der
Abschnitt der Strömungshülse 34,
der sich vor die Stelle erstreckt, wo das Verbrennungsgehäuse 24 mit
dem Turbinengehäuse
(über Schrauben 28)
verschraubt ist, sind mit einer Anordnung von Öffnungen 44 über ihren
entsprechenden Umfangsoberflächen ausgebildet,
um das Strömen
von Luft rückwärts aus dem
Kompressor 12 durch die Öffnungen 44 in den ringförmigen Raum
zwischen der Strömungshülse 34 und
der Einsatz 38 zu dem stromaufseitigen oder hinteren Ende
der Brennkammer (gemäß Darstellung durch
die in 1 dargestellten Strömungspfeile) zu ermöglichen.
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Die
Brennkammereinsatz-Kappenanordnung 42 unterstützt mehrere
Vormischrohre 46, nämlich
eine für
jede Brennstoffdüsenanordnung 32, 33. Insbesondere
wird jedes Vormischrohr 46 innerhalb der Brennkammereinsatz-Kappenanordnung 42 an seinen
vorderen und hinteren Enden durch vordere bzw. hintere Endplatten 47, 49 gehalten,
wovon jede mit Öffnungen
versehen ist, die zu den mit offenen Enden versehenen Vormischrohren 46 ausgerichtet sind.
Die vordere Platte 47 (eine Aufprallplatte, die mit einer
Anordnung von Kühllöchern versehen
ist) kann gegenüber
der Wärmestrahlung
aus der Verbrennungsflamme über
(nicht dargestellte) Abschirmplatte abgeschirmt sein.
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Die
hintere Patte 49 trägt
mehrere sich nach hinten erstreckende Muffen 48 (eine für jedes
Vormischrohr 46, die im Wesentlichen zu den Öffnungen der
Rückplatte
ausgerichtet sind) wovon jede einen Luftverwirbler 50 in
einer umgebenden Beziehung in Bezug auf eine radial äußerste Wand
der entsprechenden Düsenanordnung
trägt.
Die Anordnung ist so, dass die in dem ringförmigen Raum zwischen dem Einsatz 38 und
der Strömungshülse 34 strömende Luft
dazu gezwungen wird, die Richtung in dem hinteren Ende der Brennkammer
(zwischen der Endkappenanordnung 30 und der Hülsenkappenanordnung 44)
wieder umzukehren und durch die Verwirbler 50 und die Vormischrohre 46 vor
dem Eintritt in die Brenn- oder Verbrennungszone 70 innerhalb
des Einsatzes 38 stromabseitig von den Vormischrohren 46 zu
strömen.
Die Aufbaudetails der Brennkammereinsatz-Kappenanordnung 42,
die Art, in welcher die Einsatzkappenanordnung innerhalb des Verbrennungsgehäuses gelagert
wird, und die Art, in welcher die Vormischrohre 46 in der
Einsatzkappenanordnung gelagert sind, ist Gegenstand des U.S. Patentes
Nr. 5,259,184.
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Wie
es vorstehend erwähnt
wurde, ist das diese Erfindung bildende System ein Teil von einer (jeder)
Brennkammeranordnung, die in einer Ringbrennkammer-Konfiguration
auf einer Industriegasturbine angeordnet ist. Zu dem System gehören äußere Brennstoffdüsen 32 und
eine Mittelbrennstoffdüse 33,
die alle an der Endabdeckung 30 angebracht sind. Die Endabdeckung 30 enthält Innenkanäle, welche
den gasförmigen
oder flüssigen
Brennstoff, Wasser und Zerstäubungsluft
den Düsen
gemäß nachstehender
detaillierter Beschreibung zuführen.
Die Rohr- und Schlauchleitungen für die Zuführung der verschiedenen Fluide
sind wiederum mit der Außenoberfläche der
Endabdeckungsanordnung verbunden. 2 und 3 stellen
schematisch die vorgeschlagene Endabdeckungsanordnung dar, in welcher
die äußeren Düsen sowohl
den vorgemischten gasförmigen
Brennstoff als auch flüssigen
Brennstoff sowie Einspritzwasser und Zerstäubungsluft zuführen, und
die mittlere Düse 33 dafür angepasst
ist, Diffusionsgasbrennstoff mittig und vorgemischten gasförmigen Brennstoff
radial zuzuführen.
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Insbesondere
sind die Gasdüsen
in einer Weise konfiguriert, dass sie vier bis sechs radial äußere Düsen 32 und
eine mittige Düse 33 bereitstellen.
In der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liefern
die äußeren Düsen und
die mittige Gasdüse
alle vorgemischten gasförmigen Brennstoff.
Die mittige Düse 33 liefert
nur vorgemischten gasförmigen
Brennstoff. Somit enthält
gemäß den 2, 3, 5 die
mittige Düsenanordnung 33 ein
proximales Ende oder rückwärtigen Zuführungsabschnitt 52 mit
einem Diffusionsgaseinlass 54 zum Aufnehmen von Diffusionsgasbrennstoff in
einem entsprechenden Kanal 56, der sich durch die mittige
Düsenanordnung
hindurch erstreckt. Der mittige Kanal liefert über Öffnungen 58, die an
dem vordersten Ende 60 der mittigen Brennstoffdüsenanordnung 33 ausgebildet
sind, Diffusionsgas an die Brennzone 70 der Brennkammer.
Im Einsatz ist das distale Ende oder vordere Auslassende 60 der
mittigen Düse
innerhalb des Vormischrohres 46 jedoch relativ nahe an
dessen distalen oder vorderen Ende angeordnet.
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Ein
Einlass bzw. Einlässe 62 sind
in dem proximalen Ende 52 der Düse für den Vormischgasbrennstoff
ausgebildet. Der Vormischgaskanal bzw. Kanäle 64 stehen mit mehreren
radialen Brennstoffinjektoren 66 in Verbindung, wovon jeder
mit mehreren Brennstoffeinspritzöffnungen
oder Löchern 68 zur
Ausgabe von Vormischgasbrennstoff in eine Vormischzone, die innerhalb
des Vormischrohres 46 angeordnet ist, versehen ist.
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Gemäß den 2, 3 und 4 enthält jede äußere Brennstoffdüsenanordnung 32 ein
proximales Ende oder rückwärtigen Zuführungsabschnitt 72 mit
Einlässen
für die
Aufnahme von flüssigem Brennstoff,
Einspritzwasser, Zerstäubungsluft
und Vormischgasbrennstoff, und mit geeigneten Verbindungskanälen, um
jedes von den vorstehend erwähnten
Fluiden an einen entspre chenden Kanal in einem vorderen oder distalen
Zuführungsabschnitt 74 der
Brennstoffdüsenanordnung
zu liefern.
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In
der dargestellten Ausführungsform
weist der vordere Zuführungsabschnitt
der äußeren Brennstoffdüsenanordnung
eine Reihe von konzentrischen Rohren auf. Die Rohre 76 und 78 definieren
einen Vormischgaskanal bzw. Kanäle 80,
welche Vormischgasbrennstoff aus einem Einlass bzw. Einlässen 82 für Vormischgasbrennstoff
in einem rückwärtigen Zuführungsabschnitt 72 über einen
Kanal 84 aufnehmen. Die Vormischgaskanäle 80 stehen mit mehreren
radialen Brennstoffinjektoren 86 in Verbindung, wovon jeder
mit mehreren Brennstoffeinspritzöffnungen
oder Löchern 88 zur
Ausgabe von Gasbrennstoff in die Vormischzone, welche innerhalb
des Vormischrohres 46 angeordnet ist, versehen ist. Wie
es vorstehend unter Bezugnahme auf die Mitteldüse 33 beschrieben
wurde, mischt sich der eingespritzte Vormischbrennstoff mit der
Rückströmungsluft
aus Kompressor.
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Ein
zweiter Kanal 90 ist zwischen konzentrischen Rohren 78 und 92 definiert
und wird dazu verwendet, Zerstäubungsluft
auf einem Zerstäubungslufteinlass 94 der
Brennzone 70 der Brennkammer über eine Öffnung 96 zuzuführen. Ein
dritter Kanal 98 ist zwischen konzentrischen Rohren und 92 und 100 ausgebildet
und wird zur Zuführung
von Wasser aus einem Wassereinlass 102 zu der Brennzone 70 verwendet,
um NOx-Reduzierungen
in der für
den Fachmann auf diesem Gebiet verständlichen Weise zu bewirken.
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Ein
Rohr 100, das innerste von der Reihe konzentrischer Rohre,
das die äußere Düse 32 bildet, bildet
selbst einen mittigen Kanal 104 für flüssigen Brennstoff, welcher
in den Kanal über
einen Flüssigbrennstoffeinlass 106 eintritt.
Der Flüssigbrennstoff verlässt die
Düse über eine
Auslassöffnung 108 in der
Mitte der Düsenanordnung 32.
Somit liefern alle äußeren und
die mittigen Gasdüsen
vorgemischten gasförmigen
Brennstoff. Die mittige Düse,
jedoch nicht die äußeren Düsen liefert
gasförmigen
Diffusionsgasbrennstoff und jede von den äußeren Düsen, aber nicht die mittige
Düse ist
für die
Lieferung von flüssigem
Brennstoff, Wasser zur Emissionsabsenkung und von Zerstäubungsluft
konfiguriert.
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In
der derzeit bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung arbeitet die Maschine in einer Anzahl verschiedener Betriebsarten
mit gasförmigem
Brennstoff. Die erste Betriebsart liefert Diffusionsgasbrennstoff
an die Mitteldüse 33 nur
zur Beschleunigung der Maschine und bei einem Betrieb bei sehr niedriger Last.
Sobald die Last der Einheit weiter gesteigert wird, wird vorgemischter
gasförmiger
Brennstoff den äußeren Gasdüsen 32 zugeführt. Bei
etwa 40 % Last wird der Diffusionsbrennstoff der Mitteldüse 32 abgeschaltet
und dieser Prozentsatz des Brennstoffes wird zu den äußeren Gasdüsen umgeleitet.
Von 40 bis 50 % Last wird der Brennstoff ausschließlich an die äußeren Vormisch-
und Vierfachdüsen
geliefert. Bei angenährt
50 % Last wird die Mittelsdüse 31 wieder
eingeschaltet, um vorgemischten gasförmigen Brennstoff durch den
Vormischgasbrennstoffkanal bzw. -Kanäle 64 zu liefern.
Diese Betriebsart wird mit gesteuerten Brennstoffprozentsätzen zu
den Vormischgasdüsen
bis zu 100 % der Nennlast angewendet. Die tatsächlichen Prozentsätze der
Brennstoffströme
zu den Vormischdüsen
werden moduliert, um die Emissionen, Dynamik und Flammenstabilität zu optimieren.
Flüssiger
Brennstoff wird durch die äußeren Brennstoffdüsen über den
gesamten Betriebsbereich geliefert. Zerstäubungsluft ist immer erforderlich,
wenn mit flüssigem
Brennstoff gearbeitet wird. Wassereinspritzung zur Emissionsbekämpfung ist
erforderlich, wenn mit Flüssigbrennstoff
von etwa 50 % bis zur Volllast gearbeitet wird.
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6 stellt
das Steuersystem zur Verwendung mit gasförmigem Brennstoff dar. Die
Diffusionsgasströmung
zu der Mitteldüse
wird als "1DIFF" bezeichnet. Die
Vormischgasströmung
zu der Mitteldüse 33 wird
als "1PM" bezeichnet und die
Vormischgasströmung
zu den äußeren Düsen 32 wird
als "5PM" bezeichnet. Ein
vierter Gasbrennstoffkreis, welcher die Endabdeckung 30 oder
Brennstoffdüsen 32, 33 nicht
einbezieht, wird üblicherweise
zur Steuerung der Verbrennungsdynamik verwendet. Dieser Kreis ist
mit "Q", für quaternären Brennstoff
bezeichnet. Insgesamt werden fünf
Gasbrennstoffventile verwendet. Das erste von diesen ist das Stop-Drehzahl-Verhältnis-Ventil (SRV). Dieses
Ventil hat die Funktion, einen vorbestimmten Bezugsdruck für die stromabseitigen
Gassteuerventile zu liefern, welche die Funktion haben, den Gasbrennstoff
an die richtige Stelle zu verteilen.
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Die
Einheit wird über
dem Lastbereich gemäß der in 7 dargestellten
Ablauffolge betrieben. Die Einheit zündet, erzeugt ein Querfeuer
und beschleunigt bis zur vollen Drehzahl ohne Last (FSNL – Full Speed-No
Load) unter Zuführung
von Diffusionsbrennstoff zur Mitteldiffusionsdüse 33. Von diesem Punkt
aus arbeitet die Einheit im Diffusionsmodus bis zu einem als TTRF
1 switch#1 bezeichneten Punkt. Die Größe TTRF1 bezieht sich auf eine
von dem Steuersystem verwendete Verbrennungsbezugstemperatur. Diese
Variable wird oft als Brenntemperatur bezeichnet. An dem Umschaltpunkt
wird die Zuführung
von vorgemischtem gasförmigen
Brennstoff an die äußeren fünf Vormischdüsen 32 für den Zweck der
Emissionsreduzierung von NOx und CO geliefert. Die
Einheit wird in dieser Betriebsart bis zu einem mit TTRF1 switch#2
bezeichneten Ein stellpunkt belastet. Hier wird der Gasbrennstoff
durch die Mitteldiffusionsdüse
unterbrochen. Es wird eine Luftspülung für die Mitteldiffusionsdüse gestartet,
um eine Kühlung für die Düsenspitze
zu erzeugen und ein Einsaugen von Verbrennungsgasen in die Diffusionsbrennstoffdüse zu verhindern.
An einem mit TTRF1 switch#3 bezeichneten Punkt wird mit der Lieferung
des gasförmigen
Brennstoffs an den Vormischkanal der Mitteldüse begonnen. Die Einheit wird
bis zur maximalen Leistungsabgabe in dieser Betriebsart belastet. Die
Einheit fährt
in umgekehrter Reihenfolge herunter.
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Ein Ölbetrieb
ist weniger komplex. Die Einheit kann mit Brennstofföl bis zu
FSNL zünden,
ein Querfeuer erzeugen und beschleunigen. Von FSNL aus wird die
Einheit typischerweise bis zu 50 % Last ohne Verdünnungseinspritzung
zur Emissionssteuerung betrieben. Ein Zerstäubungsluftstrom ist immer erforderlich,
wenn mit flüssigem
Brennstoff gearbeitet wird. Da sowohl die Kanäle des Flüssigbrennstoffs, des Einspritzessers
und der Zerstäubungsluft
der Flamme gegenüberliegen,
erfordern alle diese Kanäle
eine Spülluft,
wenn sie nicht verwendet werden.
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Die
vorstehend beschriebene Stufungsstrategie beseitigt die übliche Notwendigkeit
eines Diffusionsgaskanals in den äußeren (5PM) Düsen. Ferner besteht
keine Notwendigkeit eines Flüssigbrennstoffstroms
in der Mitteldüse.
Dieses beseitigt weiter die Notwendigkeit der Zuführung von
Einspritzwasser oder Zerstäubungsluft
zur Mitteldüse.
Demzufolge erfordern das System und Verfahren der Erfindung kein
Rohrsystem oder eine Ventilanordnung zur Zuführung von Diffusionsgas zu
den äußeren Gasdüsen noch
ein Rohrsystem oder eine Ventilanordnung für mittigen Flüssigbrennstoff,
mittige Wassereinspritzung oder mittige Zerstäubungsluft.
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Wie
man aus der vorstehenden Beschreibung erkennen wird, stellt die
Erfindung eine kompakte Einrichtung zum Konfigurieren und Betreiben einer
industriellen Gasturbine mit gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoffen
unter Nutzung von Brennstoffstufung bereit, um sehr niedrige Emissionen
mit gasförmigem
Brennstoff zu erreichen.