DE69512316T2

DE69512316T2 - Nachrüstungs-Gasturbinenbrenner mit niedrigem NOx-Ausstoss

Info

Publication number: DE69512316T2
Application number: DE69512316T
Authority: DE
Inventors: Stephen Eugene Mumford; David Marchant Parker
Original assignee: Siemens Westinghouse Power Corp
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 1994-06-13
Filing date: 1995-06-13
Publication date: 2000-03-30
Anticipated expiration: 2015-06-14
Also published as: KR100354306B1; TW360331U; KR960001440A; DE69512316D1; JPH085075A; JP3856158B2; US5415000A; EP0687865B1; EP0687865A1; CA2151559A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Brennerabschnitt von Gasturbinenkrafistationen. Die Erfindung bezieht sich insbesonders auf eine Vorrichtung zum Nachrüsten von konventionellen Gasturbinen, um Einbau von Brennersystemen mit niedrigem NOx-Ausstoß zu liefern, die die in dem Turbinenzylinder vorhandenen Öffnungen benutzen, und ohne wesentliche Änderung des Zylinders.
In einer Gasturbine stellt der Kompressorabschnitt Druckluft her, die danach durch Brennen von Brennstoff in einem Verbrennungsabschnitt erwärmt wird. Das heiße Gas von dem Verbrennungsabschnitt wird auf einen Turbinenabschnitt gerichtet, wo das heiße Gas benützt wird, um eine Läuferwelle anzutreiben, um Strom in einer bekannten Weise herzustellen. Der Verbrennungsabschnitt umfasst typischerweise eine Hülle, oder eine Zylindergehäuse, das eine Kammer bildet, um Druckluft von dem Kompressorabschnitt zu empfangen. In der Kammer ist eine Vielzahl von zylindrischen Brennern angeordnet, und diese empfangen die Druckluft mit dem zu brennenden Brennstoff. Eine Leitung ist an das hintere Ende von jedem Brenner angeschlossen und dient dazu, das heiße Gas von den Brennern auf den Turbinenabschnitt zu richten.
Konventionelle industrielle Gasturbinen, die ein Dual-Brennstoffvermögen haben, d. h., die Naturgasbrennstoff und flüssigen Brennstoff brennen, haben zerstäubungsartige Brenner in den Brennern, die nur ein Lieferungsrohr für Gas und ein Lieferungsrohr für flüssigen Brennstoff erfordern. Daher ist es bisher nur notwendig gewesen, eine relativ kleine Öffnung in dem Zylindergehäuse zu liefern, um den Brenner und die begleitenden Brennstofflieferungsleitungen und -düsen auf dem Turbinenzylindergehäuse anzubringen. Bei solchen konventionellen Gasturbinen sind die Brennerdüsen auf die Außenseite des Zylindergehäuses geschraubt und der Brennerflansch ist auf der inneren Wand das Gehäuses angebracht. Daher erstrecken sich die Brennerdüsen durch die Öffnung in dem Gehäuse und die notwendigen Brennstofflieferungsleitungen sind an die Düsen außerhalb des Gehäuses angeschlossen.
Um umweltbedingte Verunreinigung, die von Gasturbinen verursacht wird, zu steuern, ist es notwendig, die Höhen von NOx-Abgaben zu verringern, die von dem Brennen des Brennstoffs bei hohen Temperaturen erzeugt werden. In den oben beschriebenen konventionellen Gasturbinen sind NOx-Abgaben durch Einspritzen von Dampf und Wasser in die Brenner gesteuert worden, um die Temperatur zu verringern, bei der die Brennstoffe gebrannt werden. Diese Systeme sind aber komplex und erfordern die zusätzlichen Komponenten, die notwenig sind, um den Brennern Dampf zu liefern, was die Kosten und Komplexität des Systems erhöht. Weiterhin haben die bekannten Dampfeinspritzsysteme nicht die erwünschten Verunreinigungsgradverringerungen geliefert.
Um die von bekannten Turbinen verursachten Verunreinigungsprobleme zu mildern, und die erhöhten Kosten und Komplexität zu vermeiden, die Dampfeinspritzsystemen zugeordnet werden, sind Turbinensysteme entwickelt worden, die neu gestaltete Brenner mit niedrigem NOx-Ausstoß einschließen. Diese Brenner mit niedrigem Ausstoß liefern verringerte Verunreinigungsgrade durch Betrieb der Brenner in einem Vormischungsbetrieb, der beim Stand der Technik bekannt ist, statt des Zerstäubungsbrennbetriebs von konventionellen Turbinen. So sind alle für die Steuerung von NOx-Abgaben notwendigen Komponenten in diesen neuen Brennen mit niedrigem NOx-Ausstoß enthalten.
Bekannte Brenner mit niedrigem NOx-Ausstoß sind aber bedeutend größer als konventionelle Brenner. Diese Brenner mit niedrigem NOx-Ausstoß erfordern auch typischerweise eine Zündungsdüse und eine Zweistufen-Hauptdüse, sie erfordern so sechs Brennstofflieferungsleitungen für jeden Brenner, drei Leitungen für Gas und drei Leitungen für flüssigen Brennstoff. Daher sind diese Brenner mit niedrigem NOx- Ausstoß verglichen mit konventionellen Brennersystemen bedeutend größer und umfassen mehr Struktur, die in den Turbinenzylinder eingebaut werden muss. Obwohl neue Gasturbinenkraftstationen mit Brennern mit niedrigem NOx-Ausstoß gebaut werden können, indem das neue Zylindergehäuse so gestaltet wird, um die erhöhte Größe und Komplexität der Brennervorrichtung mit niedrigem NOx-Ausstoß in Betracht zu ziehen, ist nicht möglich, diese größeren Brennersysteme direkt in die relativ kleine vorhandene Öffnung des Zylindergehäuses von konventionellen Turbinen einzubauen. Es ist weiterhin nicht durchführbar, die Größe der vorhandenen Zylinderöffnung zu ändern, um die größere Größe der Brenner mit niedrigem NOx-Ausstoß in Betracht zu ziehen.
Daher besteht ein Bedarf an einer Vorrichtung, um vorhandene Gasturbinen leicht und mit geringen Kosten nachzurüsten, so dass Brenner mit niedrigem NOx-Ausstoß mit dem notwendigen Brennstoffvorrat und Düsenstrukturen mit Benutzung der vorhandenen Öffnungen in dem Zylindergehäuse eingebaut werden können, und ohne bedeutende Änderung des Gehäuses. Die vorliegende Erfindung liefert ein Nachrüstungssystem für Brenner mit niedrigem NOx-Ausstoß, das diesen Bedarf befriedigt.
Die Erfindung besteht aus einer Gasturbine, die folgendes umfasst:
einen Kompressor zum Herstellen von Druckluft;
ein Zylindergehäuse zum Empfangen der Druckluft von dem Kompressor, wobei das Zylindergehäuse eine Öffnung mit einem ersten Durchmesser hat;
einen Brenner, in dem ein Brennstoff in der Druckluft gebrannt wird, wobei der Brenner in dem Zylindergehäuse angeordnet ist und einen Brennerflansch hat, wobei der Brennerflansch einen Brennerflanschdurchmesser hat, der im wesentlichen größer als der erste Durchmesser ist;
einen Düsenblock mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, wobei der Düsenblock eine Vielzahl von brennstoffdüsen zum Sprühen des Brennstoffs in den Brenner hat, wobei der Düsenblock einen Düsenblockflansch hat, der Düsenblockflansch einen Düsenblockflanschdurchmesser im wesentlichen mit derselben Größe wie der Brennerflanschdurchmesser, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenblockflansch mechanisch an den Brennerflansch angeschlossen ist, so dass die Düsen sich in den Brenner erstrecken, wobei das erste Ende mechanisch an das Zylindergehäuse über der Öffnung angeschlossen ist:
Man nimmt auf das Dokument des Standes der Technik US-A-2778192 Bezug, das auf eine 'Brennerkorbstruktur' gerichtet ist und das eine Struktur beschreibt, die derjenigen ähnlich ist, die in dem einleitenden Teil von dem vorliegenden Anspruch 1 definiert ist.
Fig. 1 ist ein Längsquerschnitt durch ein Teil einer Gasturbine, die den Nachrüstungs- Brenner mit niedrigem NOx-Ausstoß der vorliegenden Erfindung einschließt.
Fig. 2 zeigt einen Hauptbrennstoffdüsenblock nach der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3a und 3b zeigen ein Brennstofflieferungsverbindungsstück nach der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 zeigt eine Zündungsdüse nach der vorliegenden Erfindung.
Wenn man auf die Zeichnungen Bezug nimmt, dann wird in Fig. 1 ein Teil eines Längsquerschnitts einer Gasturbine gezeigt. Die Gasturbine umfasst einen Kompressorabschnitt 1, einen Brennerabschnitt 2, und einen Turbinenabschnitt 3. Eine sich drehende Welle 4 erstreckt sich durch die Kompressor-, Verbrennungs- und Turbinenabschnitte. Der Kompressor 1 umfasst nach Konvention sich abwechselnde Reihen von sich drehenden Schaufeln und stationären Flügeln, die Umgebungsluft verdichten, um Druckluft 6 herzustellen. Der Verbrennungsabschnitt 2 umfasst eine Vielzahl von Brennern 8 mit niedrigem NOx-Ausstoß, jeder welcher von einer zylindrischen Auskleidung gebildet ist, die in der Technik bekannt ist. Die Brenner 8 sind wie bekannt peripher um den Läufer 4 in einer Kammer 10 angeordnet, die von einem Zylindergehäuse 12 gebildet ist. Das hintere Ende von jedem Brenner ist mit einer Leitung verbunden, die gewöhnlicherweise "Übergangsleitung" genannt wird. (Der hier benutzte Ausdruck "vorder" bezieht sich auf axial stromauf und der Ausdruck "hinter" bezieht sich auf axial stromab).
Ein Teil der Druckluft 6 tritt in jeden Brenner 8 an seinem vorderen Ende mit einem Vorrat von Brennstoff ein, vorzugsweise Öl und/oder Naturgas, wobei der Brennstoff in einer unten genau beschriebenen Weise geliefert wird. Der Brennstoff wird über Brennstoffdüsen in eine Verbrennungszone eingeführt, die von jedem Brenner 8 eingeschlossen ist, wie auch unten genau beschrieben wird. Der Brennstoff wird in der Verbrennungszone in der Druckluft gebrannt, um eine Strömung von heißem Gas 16 herzustellen. Das heiße Gas 16 wird auf den Turbinenabschnitt 3 gerichtet, während das heiße Gas von der Leitung 14 ausgedehnt wird.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist das vordere Ende eines Brenners 8 mit niedrigem NOx- Ausstoß übermäßig groß, so dass es nicht direkt an dem Zylindergehäuse 12 an der vorhandenen Öffnung 18 angebracht werden kann, die vorher für die direkte Anbringung von kleineren konventionellen Brennern benutzt worden ist. Da der Anbringungsflansch 20 an dem vorderen Ende des Brenners mit niedrigem NOx-Ausstoß nicht eben gegen die Wand des Zylindergehäuses über der Öffnung 18 angebracht werden kann, liefert die vorliegende Erfindung ein Nachrüstungssystem, das den Einbau der Brenner mit niedrigem NOx-Ausstoß in die vorhandene Öffnung 18 des Zylindergehäuses liefert. Ein Nachrüstungssystem nach der vorliegenden Erfindung liefert, dass Brenner mit niedrigem NOx-Ausstoß direkt an den vorhandenen Übergangsleitungen 14 angebracht werden können und keine bedeutende Änderung der Turbinenvorrichtung und des Zylindergehäuses notwendig ist.
Brenner 8 mit niedrigem NOx-Ausstoß sind an dem Hauptbrennstoffdüsenblock 22 angebracht. Eine bevorzugte Ausführungsform des Düsenblocks 22 ist in Fig. 2 genau gezeigt. Wenn man auf Fig. 1 und 2 Bezug nimmt, dann ist der Anbringungsflansch 20 der Brenner 8 an den Flansch 24 des Düsenblocks 22 geschraubt. Daher erstrecken sich die Hauptbrennstoffdüsen 28, die von dem hinteren Ende 26 des Düsenblocks hervorragen, in die Brenner mit niedrigem NOx-Ausstoß, um Brennstoff in einer bekannten Weise in die Brenner einzuspritzen.
Das vordere Ende 30 des Hauptbrennstoftblocks 22 hat eine Größe, um über die Öffnung 18 zu passen, so dass der Düsenblock durch Schrauben 32, die sich durch das Zylindergehäuse und in das vordere Ende 30 des Düsenblocks erstrecken, an das Zylindergehäuse 12 geschraubt ist. So ist ein großes Teil des hinteren Endes 30 des Düsenblocks 22 in Verbindung mit der Öffnung 18. Das geflanschte vordere Ende von konventionellen Brennern ist vorher direkt mit Benutzung von nur vier solcher Schrauben 32 an das Zylindergehäuse angebracht worden, wobei die Schrauben um die Peripherie der runden Öffnung 18 regelmäßig beabstandet sind. Um aber den Hauptbrennstoffblock und so die größeren Brenner mit niedrigem NOx-Ausstoß an dem Zylindergehäuse zu befestigen, werden vier zusätzliche Löcher in das Zylindergehäuse gebohrt, so dass der Hauptbrennstoftblock mit acht Schrauben 32 angebracht ist, die regelmäßig um die Peripherie der Öffnung 18 beabstandet sind. Diese vier zusätzlichen Löcher stellen so nur eine unbedeutende Änderung der Turbinenstruktur dar, um konventionelle Gasturbinen mit Brennern mit niedrigem NOx-Ausstoß nachzurüsten.
Der Düsenblock 22 hat vier ringförmige Brennstoffkanäle 34, 36, 38, 40, um einen Brennstoffvorrat zu empfangen. In der gezeigten Ausführungsform empfangen Brennstoffkanäle 34 und 36 einen Vorrat von flüssigem Brennstoff, während Brennstoffkanäle 38 und 40 mit in der unten beschriebenen Weise mit Gas beliefert werden. In der gezeigten bevorzugten Ausführungsform sind die Düsen 28 abwechselnd in Strömungsverbindung mit den Brennstoffkanälen verbunden, so dass eine Düse jeweils über Kanäle 42 und 44 an den Kanal 34 für flüssigen Brennstoff und an den Gasbrennstoffkanal 40 angeschlossen ist, während eine benachbarte Düse jeweils über Kanäle ähnlich zu den gezeigten, und die als 46 und 48 bezeichnet sind, an den Kanal 36 für flüssigen Brennstoff und den Gasbrennstoffkanal 40 angeschlossen ist. Gas strömt in den Düsen den äußeren ringförmigen Kanal 50 entlang, und flüssiger Brennstoff strömt die innere Bohrung 52 entlang, so dass diese Brennstoffe von der Düsenspitze 54 in einer bekannten Weise in den Brenner gespritzt werden können. Flexible Bälge 56 in der Verbindung der Düsen auf dem hinteren Ende 26 des Düsenblocks liefern dichte Verbindungen und minimieren differentielle thermische Ausdehnungsbeanspruchungen in den Düsen.
Ein Brennstofflieferungsverbindungsstück 60 zum Liefern von Brennstoff an den Hauptdüsenblock 22, und so an die Brenner 8, ist nach einer bevorzugten Form der Erfindung in Fig. 3a und 43b gezeigt. Gasbrennstofflieferungsrohre 62, 64 sind in dem Verteiler 66 angebracht, so dass die Gaslieferungsrohre 62, 64 in Strömungsverbindung mit jeweils den ringförmigen Kanälen 38, 40 sind, wenn der Verteiler 66 mechanisch an das vordere Ende 30 des Düsenblocks 22 angeschlossen ist. Flansche 68, 70 sind angehängt, um Gasbrennstofflieferungsverteiler in einer bekannten Weise zu trennen, so dass Gas an die Rohre 62, 64 geliefert wird, und über den Düsenblock 22 in der oben beschriebenen Weise an die Düsen 28 gebracht wird. Ähnlich sind Lieferungsrohre 72, 74 für flüssigen Brennstoff in dem Verteiler 66 angebracht und über Rohrverbindungen 75 in einer bekannten Weise an Öllieferungsverteiler angeschlossen, um in der beschriebenen Weise flüssigen Brennstoff jeweils an die ringförmigen Kanäle 34, 36 zu liefern, und so an Düsen 28.
Die vorliegende Erfindung soll nicht auf die Anordnung der in Fig. 3a und 3b gezeigten Anordnung der Brennstofflieferungsrohre begrenzt sein. Die vorliegende Erfindung soll weiterhin nicht auf ein System zum Liefern von Gas und flüssigem Brennstoff begrenzt sein und das System kann nach der vorliegenden Erfindung entweder nur mit flüssigem Brennstoff oder nur mit Gasbennstoff arbeiten.
Wenn man wiederum auf Fig. 1 Bezug nimmt, dann ist der Verteiler 66 in der Öffnung 18 des Gehäuses 12 angeordnet und ist von Schrauben 76 an das vordere Ende 30 des Düsenblocks geschraubt. Daher erstrecken sich die Brennstofflieferungsrohre 62, 64 und 72, 74 durch die Öffnung 18 nach außen zur Außenseite des Zylindergehäuses.
Wenn man änf Fig. 4 Bezug nimmt, dann wird eine Zündungsdüse 80 nach der vorliegenden Erfindung gezeigt. Wie in Fig. 1, 2 und 3a-b gezeigt ist, erstreckt sich die Zündungsdüse durch die zentrale Öffnung in dem Verteiler 66 des Brennstofflieferungsverbindungsstücks 60, und weiter durch die zentrale Bohrung 84 in dem Hauptbrennstoffdüsenblock 22, so dass die Zündungsdüse sich in den Brenner ersteckt, um Brennstoff in ihn zu spritzen. Der in der Nähe der Mitte der Zündungsdüse 80 angeordnete Flansch ist durch Schrauben 88 mechanisch an das vordere Ende des Verteilers 66 angeschlossen, um die Zündungsdüsenvorrichtung zu befestigen.
Gas wird durch die Kammer 90 zu der Zündungsdüse geliefert, während flüssiger Brennstoff durch das Rohr 92 geliefert wird, wobei die Brennstoffvorräte für die Zündungsdüse außerhalb des Zylindergehäuses angeordnet sind. Die Zündungsdüse spritzt Brennstoff in die Brenner mit niedrigem NOx-Ausstoß, um in einer bekannten Weise eine Zündflamme darin zu schaffen.
So können Brenner mit niedrigem NOx-Ausstoß nach der vorliegenden Erfindung an dem Zylindergehäuse 12 und an der Übergangsleitung 14 angebracht werden, und die notwendige Brennstofflieferungsvorrichtung kann in der vorhandenen Öffnung 18 ohne irgendeine bedeutende Änderung der konventionellen Gasturbinenvorrichtung in dem Gehäuse untergebracht werden.

Claims

1. Gasturbine, die folgendes umfasst:

einen Kompressor (1) zum Herstellen von Druckluft (6);

ein Zylindergehäuse (12) zum Empfangen der Druckluft von dem Kompressor, wobei das Zylindergehäuse eine Öffnung (18) mit einem ersten Durchmesser hat;

einen Brenner (80), in dem ein Brennstoff in der Druckluft gebrannt wird, wobei der Brenner in dem Zylindergehäuse angeordnet ist und einen Brennerflansch (20) hat, wobei der Brennerflansch einen Brennerflanschdurchmesser hat, der im wesentlichen größer als der erste Durchmesser ist;

einen Düsenblock (22) mit einem ersten Ende (30) und einem zweiten Ende (26) wobei der Düsenblock (22) eine Vielzahl von Brennstoffdüsen (28) zum Sprühen des Brennstoffs in den Brenner hat, wobei der Düsenblock einen Düsenblockflansch (24) hat, der Düsenblockflansch (24) einen Düsenblockflanschdurchmesser im wesentlichen mit derselben Größe wie der Brennerflanschdurchmesser, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenblockflansch (24) mechanisch an den Brennerflansch (20) angeschlossen ist, so dass die Düsen (28) sich in den Brenner (80) erstrecken, wobei das erste Ende (30) über der Öffnung (18) mechanisch an das Zylindergehäuse (12) angeschlossen ist.

2. Gasturbine nach Anspruch 1, wobei der Düsenblock weiterhin eine Vielzahl von Brennstoffkanälen (34, 36, 38, 40) in Strömungsverbindung mit einem Vorrat des Brennstoffs hat, worin der Brennstoff durch die Brennstoffkanäle an die Düsen geliefert wird.

3. Gasturbine nach Anspruch 2, die weiterhin ein Brennstofflieferungsmittel umfasst, um den Brennstoff an die Brennstoffkanäle zu liefern.

4. Gasturbine nach Anspruch 3, in der das Brennstofflieferungsmittel mechanisch an das erste Ende angeschlossen ist.

5. Gasturbine nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch:

ein Brennstofflieferungsverbindungsstück (60) mit einer Vielzahl von Verteilerkanälen, wobei die Verteilerkanäle in Strömungsverbindung mit einem Vorrat des Brennstoffs sind, das Brennstofflieferungsverbindungsstück mechanisch an dem Düsenblock befestigt ist, so dass jeder der Verteilerkanäle in Strömungsverbindung mit einem entsprechenden der Brennstoffkanäle ist;

eine Zündungsdüse (80) in Strömungsverbindung mit einem Vorrat des Brennstoffs, wobei die Zündungsdüse sich durch die Zündungsdüsenöffnung und in den Brenner erstreckt, um den Brennstoff in den Brenner zu sprühen; und

einen Turbinenabschnitt (3) zum Ausdehnen des heissen Gases.

6. Gasturbine nach Anspruch 5, wobei das Brennstofflieferungsverbindungsstück weiterhin eine Vielzahl von Brennstofflieferungsrohren (62, 64, 72, 74) hat, die in ihrer Anzahl der Anzahl der Vielzahl von Verteilerkanälen entsprechen, wobei jedes der Vielzahl von Brennstofflieferungsrohren in Strömungsverbindung mit einer entsprechenden der Vielzahl von Verteilerkanälen ist.

7. Gasturbine nach Anspruch 6, in der das Brennstoffiieferungsverbindungsstück vier Verteilerkanäle hat.

8. Gasturbine nach Anspruch 7, in der zwei Verteilerkanäle mit Gasbrennstoff beliefert werden und die anderen beiden Verteilerkanäle mit flüssigem Ölbrennstoff beliefert werden.

9. Gasturbine nach Anspruch 5. in der das Brennstofflieferungsverbindungsstück erste, zweite, dritte und vierte Verteilerkanäle hat, wobei die ersten und dritten Verteilerkanäle in Strömungsverbindung mit einem Vorrat von Gasbrennstoff sind und die zweiten und vierten Verteilerkanäle in Strömungsverbindung mit einem Vorrat von flüssigem Ölbrennstoff, wobei eine der Brennstoffdüsen in Strömungsverbindung mit den ersten und zweiten Verteilerkanälen ist, und eine benachbarte der Brennstoffdüsen in Strömungsverbindung mit den dritten und vierten Verteilerkanälen ist.