DE69203729T2

DE69203729T2 - Gasbrenner mit niedrigem nox-gehalt.

Info

Publication number: DE69203729T2
Application number: DE69203729T
Authority: DE
Inventors: John Mcvey; Thomas Rosfjord
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1991-12-16
Filing date: 1992-10-19
Publication date: 1996-04-11
Anticipated expiration: 2012-10-20
Also published as: JPH07501876A; JP3312152B2; WO1993012388A1; EP0617780B1; EP0617780A1; DE69203729D1; US5263325A

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Brenner mit niedrigem Stickoxidausstoß für Gasturbinenmaschinen und im spezielleren auf die Verbesserung der Stabilisierung und der Verbrennungseffizienz magerer Brenner.

Hintergrund der Erfindung

Der Ausstoß von Stickoxid von Gasturbinenmaschinen trägt zur Erzeugung von photochemischem Smog bei. Eine wirksame Strategie zum Reduzieren des von einer Brennereinrichtung erzeugten Stickoxidausstoßes besteht in der Verminderung der Flammtemperatur durch Mischen von Luft und Brennstoff (vor der Verbrennung) in derartigen Proportionen, daß das Gesamtgemisch treibstoffmäßig mager ist. Wenn die Brennereinrichtung zum Arbeiten mit einem mageren Gemisch bei Bedingungen mit voller Leistung ausgelegt ist, dann wird bei Reduzierung des Brennstoffflusses auf Teilleistungs- Bedingungen das vorgemischte Luftsystem zu mager, um eine stabile Verbrennung zu unterhalten. Als Ergebnis hiervon muß irgendeine Strategie zum In-Gang-Halten der Verbrennung verwendet werden. Beispiele hiervon sind die Verwendung einer Abstufung, bei der ausgewählte Verbrennungszonen stillgelegt werden, so daß die übrigen Zonen angereichert werden, oder die Verwendung von Luftpassagen mit variabler Geometrie, wobei ein Teil der Luft, der normalerweise in die Verbrennungskammer eintreten würde, um die Verbrennungskammer herumgeleitet wird, so daß das Verbrennungskammergemisch angereichert wird.
Alle Strategien zum Erhöhen des Arbeitsbereichs einer mageren vorgemischten Verbrennung beinhalten irgendeinen Kompromiß. Die Verwendung einer Abstufung zum Beispiel kompliziert das Brennstoffsteuersystem und macht zusätzliche gekühlte Brennkammerwände erforderlich, die die Verbrennungszonen trennen. Die Verwendung von Brennerpassagen mit variabler Geometrie geht Kompromisse hinsichtlich der Kosten und der Zuverlässigkeit ein. Es wird daher nach einem Lösungsweg gesucht, der die innewohnenden Nachteile auf ein Minimum reduziert.

Kurzbeschreibung der Erfindung

Gemäß der Erfindung wird ein Brenner mit niedrigem Stickoxidausstoß für die Brennkammer einer Gasturbine geschaffen, der folgendes aufweist:
eine Flammenhalteplatte mit einer der Brennkammer zugewandten Frontfläche;
eine Anzahl von sich durch die Platte hindurcherstreckenden Perforationen;
ein Vormischrohr für gasförmigen Brennstoff, pro jede Perforation, das sich durch die Perforation hindurcherstreckt und als offenes Ende an der Frontfläche der Platte endet;
wenigstens ein sich durch die Platte hindurcherstreckendes Gas-Pilotrohr, das sich durch die Frontfläche der Platte hindurcherstreckt, wobei das oder jedes Gaspilotrohr innerhalb der Anzahl der es umgebenden Treibstoff-Vormischrohre angeordnet ist;
eine Anzahl von Pilotstrahlöffnungen an dem brennkammerseitigen Ende des oder jedes Pilotrohrs, deren jede einen Brennstoffstrahl im wesentlichen parallel zu der Frontfläche der Platte zu Zonen richtet, die sich zwischen imaginären Verlängerungen der am nächsten zu dem Gas-Pilotrohr befindlichen Brennstoff-Vormischrohre befinden; und
Luftpassagen zum Abgeben eines Teils des Gasturbinen- Luftstroms durch die Vormischrohre.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine kleine Menge Pilotbrennstoff in diejenigen Bereiche der Verbrennungszone eingespritzt werden, wo ein geringes Ausmaß an Anreicherung zu einer großen Erhöhung der Verbrennungseffizienz bei niedriger Leistung sowie zu einer Steigerung der Flammenstabilität über einen vergrößerten Betriebsbereich führt. In der Schrift "Lean Stability Augmentation for Premixing, Prevaporizing Combustors" von John B. McVey und John B. Kennedy im Journal of Energy, Band 4, 1980, ist ein mit flüssigem Treibstoff arbeitendes, mageres, vorgemischtes Verbrennungssystem beschrieben, bei dem ein Flammenhalter in Form einer perforierten Platte verwendet wird. Es hat sich gezeigt, daß die Verwendung eines zentral angeordneten Öl-Sprühkegels von 85º zu größeren Verbesserungen bei der Brennkammerleistung geführt hat.
Das bevorzugte Ausführungsbeispiel beinhaltet die Verwendung einer Pilotverbrennung bei einem gasbefeuerten Brenner mit niedrigem Stickoxidausstoß.
Luft und gasförmiger Brennstoff werden in einer Anordnung von Vormischrohren vollständig gemischt. Das Verfahren des Einschließens dieses Hauptbrennstoffs in den Luftstrom ist nicht von kritischer Bedeutung, mit der Ausnahme, daß die Distanz von der Einschießstelle zu der Verbrennungsstelle ausreichen muß, um eine nahezu vollständige Mischung zu erzielen. Verfahren zum Steigern des Mischens unter Verwendung von Turbulenzgeneratoren oder anderer Vorrichtungen sind akzeptabel.
Die für die Erzielung einer vollständigen Mischung erforderliche Zeit muß kürzer sein als die Selbstzündungszeit. Es sind daher einige Schwierigkeiten beim Vermeiden einer vorzeitigen Selbstzündung bei Maschinen mit hohem Druckverhältnis zu erwarten, die hohe Kompressoraustrittstemperaturen erzeugen.
Das Brennstoff-Luft-Gemisch wird von den Rohren in den Basisbereich der Brenner-Trennwand abgegeben, die ähnlich einer perforierten Fläche ausgebildet ist. Es wird eine Vielzahl von Rohren verwendet, so daß die charakteristische Größe jeder zwischen den Rohren gebildeten Rezirkulationszone klein ist. Kleine Rezirkulationszonen führen zu einer kurzen Verbrennungsprodukt-Verweilzeit in dem Rezirkulationsbereich. Dies ist auch günstig für die Erzielung niedriger Stickoxid-Emissionen. Das Verhältnis der offenen Fläche zu der Gesamtfläche der Brennkammertrennwand sollte in etwa 0,2 betragen, um eine gute Stabilität bei einem akzeptablen Brennkammer-Druckverlust zu erzielen.
Die Rezirkulationszone um jede Einschießstelle herum beinhaltet heiße Verbrennungsprodukte sowie außerdem überschüssigen Sauerstoff aufgrund des insgesamt mageren Brenners. Das Einschießen von Pilotbrennstoff in diese Zone ermöglicht, daß der Pilotbrennstoff in der Gegenwart dieses heißen Sauerstoffs zu brennen beginnt. Der Pilotbrennstoff wird parallel zu der Frontfläche der Trennwand in einer derartigen Weise eingeleitet, daß er mit dem rezirkulierten Gas gemischt wird, das sich in jedem der einzelnen Rezirkulationsbereiche befindet oder diesen zugeordnet ist. Diese parallele Einleitung des Pilotbrennstoffs ermöglicht den quergerichteten Gasstrahlen ein Eindringen in die eine niedrige Bewegungsenergie aufweisenden Rezirkulationsbereiche. Die Anzahl und die Ausrichtung der Düsen ist derart gewählt, daß der größte Teil oder die gesamte Rezirkulationsströmung von dem Pilotgasstrom erreicht wird.
Bestimmte Ausführungsformen der Erfindung werden nun lediglich anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen beschrieben.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 zeigt eine im Schnitt dargestellte Aufrißansicht durch einen Brenner bei einer becherförmigen Brennereinrichtung;
Fig. 2 zeigt eine Frontansicht des Brenners der Fig. 1;
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der Gasströmung in der Verbrennungszone;
Fig. 4 zeigt eine im Schnitt dargestellte Aufrißansicht durch einen Brenner bei einer ringförmigen Brennereinrichtung; und
Fig. 5 zeigt eine Frontansicht des Brenners der Fig. 4.
Wie unter Bezugnahme auf Fig. 1 zu sehen ist, tritt ein Luftstrom 10 von dem Kompressor eines Gasturbinenmaschine in eine Plenumkammer 12 ein. Von dort gelangen 35 % der Luftströmung 14 als Kühl- und Verdünnungs-Luftströmung 18 um die Wand der Brennkammerauskleidung 16 herum und durch diese hindurch. Die übrigen 65 % der Strömung 20 gelangen durch eine Vielzahl von Vormischrohren 22 hindurch und in eine Brennkammer 24 hinein.
Die Trennwand oder Flammenhalteplatte 26 besitzt eine der Brennkammer zugewandte Frontfläche 28.
Durch den Flammenhalter erstreckt sich eine Anzahl axialer Perforationen hindurch, wobei sich ein Vormischrohr 22 für den gasförmigen Brennstoff durch jede Perforation hindurcherstreckt. Diese Rohre enden in einem offenen Ende 30 an der Frontseite der Platte 26.
Die Hauptströmung 32 des gasförmigen Brennstoffs kann durch ein Ventil 34 reguliert werden und gelangt in einen Verteiler 36. Von diesem Verteiler gelangt sie als Strömung 37 durch Öffnungen 38 in die Brennstoff- Vormischrohre, wo sie sich auf ihrem Weg durch die Länge jedes Rohrs hindurch mit der Luft mischt. Dadurch tritt ein mageres Luft-Brennstoff-Gemisch 39 aus diesen Rohren aus und in die Brennkammer ein. Dieses Gemisch wird in herkömmlicher Weise gezündet, wodurch eine Vielzahl einzelner Flammen an der Vorderseite der Flammschutzplatte 26 sowie in der Brennkammer 24 erzeugt wird.
Pilotbrennstoff 40, der bei Bedarf durch das Ventil 42 reguliert wird, gelangt durch eine Leitung 44 in ein Pilotrohr 46. Dieses Steuerrohr erstreckt sich geringfügig hinter der Frontfläche und besitzt eine Anzahl von Pilotstrahlöffnungen 48, die Pilotbrennstoff 50 im wesentlichen parallel zu der Frontfläche 28 der Flammenhalteplatte 26 abgeben.
Das Muster der Pilotbrennstoffeinleitung ist in Fig. 2 besser zu sehen. Der Strahl des Pilotbrennstoffs 50 ist derart gerichtet, daß er zwischen imaginären Verlängerungen der am nächsten zu den Gas- Piloteinrichtungen befindlichen Mischrohre 52 hindurchtritt. Dadurch kann ein Teil der Pilot- Brennstoffströmung weiter zu einer Zone in der Nähe der von der Piloteinrichtung weiter abgelegenen Mischrohre 54 gelangen.
Bei Vollastbetrieb der Gasturbinenmaschine werden in etwa 5 % des gesamten gasförmigen Brennstoffs in Form von Pilotstrahlen eingeleitet. Zu diesem Zeitpunkt ist die Lufttemperatur erhöht, wobei diese ca. 455ºC bei einer Maschine mit einem Druckverhältnis von 20:1 beträgt. Bei Betrieb mit reduzierter Last hat der Brennstoff die Tendenz, stärker als die Luftströmung abzunehmen, wodurch ein noch magereres Brennstoff- Luft-Gemisch die Mischrohre verläßt. Außerdem sinkt die Lufttemperatur im Leerlaufbetrieb auf ein reduziertes Niveau ab, wobei 205ºC für eine Maschine mit mittlerem Druckverhältnis typisch sind.
Vorzugsweise wird die von den Pilotstrahlen eintretende Menge an Brennstoff im wesentlichen konstant gehalten, indem keine Regulierung des Ventils 42 bei sinkender Last erfolgt. Die gesamte Lastverminderung erfolgt durch Regulieren des Ventils 34. Aufgrund der niedrigeren Lufttemperatur ist das höhere Brennstoff-Luft-Verhältnis im Pilotbereich ohne Steigerung des NOx-Gehalts tolerierbar. Außerdem wird die Stabilität der mageren Flammen wie auch die Verbrennungseffizienz gesteigert.
Wie unter Bezugnahme auf Fig. 3 zu sehen ist, verbrennt das eintretende Luft-Brennstoff-Gemisch 39 im wesentlichen innerhalb einer Flammhülle 58, wobei heiße Verbrennungsprodukte und Sauerstoff als Rezirkulationsströmung 60 umlaufen. Dabei handelt es sich um ein heißes, relativ sauerstoffreiches Gas. Der durch Strahlung und Berührung mit dem rezirkulierenden Gas erwärmte Pilotbrennstoff 50 neigt zur Bildung eines Zündpunkts 62 in der Nähe der Basis der Flamme. Normalerweise beginnt die Zündung an einem Punkt 64, wobei Brennstoff durch Transport von dem mageren eintretenden Luft-Brennstoff-Gemisch 39 zugeführt wird. Bei der Einleitung des Pilotbrennstoffs 50 führt die resultierende Erwärmung des lokalen fetten Gemisches zu einer Zündung und Verbrennung innerhalb einer brennstoffreichen, sehr konzentrierten lokalen Zone. Der Effekt hiervon besteht in der Stabilisierung der Flamme sowie der Verbesserung der Verbrennungseffizienz. Da es sich hierbei um eine solche kleine Menge von Gas mit einer hohen Temperatur handelt, ist die im Betrieb auftretende Erhöhung des NOx-Gehalts der Piloteinrichtung vernachlässigbar.
Fig. 4 zeigt einen Brenner bei einer ringförmigen Brennereinrichtung mit einer Anzahl von Flammenhalteplatten, die in einer ringförmigen Anordnung angeordnet sind. Die Frontfläche 28 jeder Flammenhalteplatte 26 ist abgeknickt ausgebildet, um einen zentralen Frontflächenbereich 70, der im wesentlichen rechtwinklig zu den Mischrohren 22 verläuft, sowie diesen einschließende und daran anschließende Frontflächenbereiche 72 zu schaffen, die in einem Winkel von 45º und vorzugsweise in einem Winkel von weniger als 50º zu dem zentralen Frontflächenbereich 70 verlaufen. Einige der Mischrohre 74 erstrecken sich durch die einschließenden Frontflächenbereiche hindurch.
Das hier dargestellte Pilotrohr besitzt einen kreisförmigen Ring 76, dem Gas von einem Zuführrohr 78 zugeführt wird.
Die Gasstrahlen 80 sind für ein Auftreffen auf die einschließenden Frontflächenbereiche ausgerichtet; dies dient als Versuch zur Beibehaltung des Konzepts der Einleitung eines Pilotbrennstoffs parallel zu der Frontflächenplatte in Anbetracht der dargestellten, winkligen Platte.
Bei diesem speziellen Ausführungsbeispiel ist eine zentrale Ölpistole 87 dargestellt, um eine Möglichkeit zur Zufuhr von zwei Treibstoffen (Öl und Gas) zu schaffen.
Fig. 5 veranschaulicht die Ausrichtung der Pilotstrahlen 80, die zwischen imaginären Verlängerungen der am nächsten zu der Piloteinrichtung befindlichen Mischrohre verlaufen. In diesem Fall ragt der Pilotvorsprung für das Auftreffen auf den entfernteren imaginären Verlängerungen hervor.

Claims

1. Brenner mit niedrigem Stickoxidausstoß für die Brennkammer (24) einer Gasturbine, mit:

einer Flammenhalteplatte (26) mit einer der Brennkammer (24) zugewandten Frontfläche (28);

einer Anzahl von sich durch die Platte hindurcherstreckenden Perforationen;

einem Vormischrohr (22) für gasförmigen Brennstoff pro jede Perforation, das sich durch die Perforation hindurcherstreckt und als offenes Ende (30) an der Frontfläche der Platte endet;

wenigstens einem sich durch die Platte hindurcherstreckenden Gas-Pilotrohr (46), das sich durch die Frontfläche der Platte hindurcherstreckt, wobei das oder jedes Gas- Pilotrohr innerhalb der Anzahl der es umgebenden Brennstoff-Vormischrohre angeordnet ist;

mit einer Anzahl von Pilotstrahlöffnungen (48) an dem brennkammerseitigen Ende des oder jedes Pilotrohrs, deren jede einen Brennstoffstrahl im wesentlichen parallel zu der Frontfläche der Platte zu Zonen richtet, die sich zwischen imaginären Verlängerungen der am nächsten zu dem Gas-Pilotrohr befindlichen Brennstoff- Vormischrohre (52) befinden; und

mit Luftpassagen (12) zum Abgeben eines Teils (20) des Gasturbinen-Luftstroms (10) durch die Vormischrohre.

2. Brenner mit niedrigem Stickoxidausstoß nach Anspruch 1,

weiterhin mit:

einer ersten Reguliereinrichtung (34) zum Variieren einer Brennstoff-Hauptströmung (32) in die Vormischrohre hinein; und mit

einer Pilotbrennstoff-Zuführeinrichtung (44) zum Zuführen von Brennstoff zu dem (den) Pilotrohr(en).

3. Brenner mit niedrigem Stickoxidausstoß nach Anspruch 2,

weiterhin mit:

einer zweiten Reguliereinrichtung (42) zum Regulieren des Pilotbrennstoffs (40) unabhängig von der ersten Reguliereinrichtung.

4. Brenner init niedrigem Stickoxidausstoß nach Anspruch 1, 2 oder 3,

weiterhin mit:

einer Anzahl von Flammenhalteplatten, die in einer ringförmigen Anordnung vorgesehen sind, wobei jede Platte mit abgeknickter Frontfläche ausgebildet ist, um einen im wesentlichen rechtwinklig zu den Mischrohren verlaufenden zentralen Frontflächenbereich (70) sowie zwei diesen einschließende und an diesen anschließende Frontflächenbereiche (77) zu schaffen, die einen Winkel von weniger als 50º zu dem zentralen Frontflächenbereich haben;

wobei sich einige (74) der Mischrohre durch die einschließenden Frontflächenbereiche hindurcherstrecken;

und wobei die die Strömung im wesentlichen parallel zu der Frontfläche richtenden Pilotstrahlöffnungen ein Pilotrohr aufweisen, das einen Teil der Strömung in Richtung zum Auftreffen auf die einschließenden Frontflächenbereichen richtet.