DE69724031T2

DE69724031T2 - Vormischbrennkammer mit magerer Direkteinspritzung und geringem NOx-Ausstoss

Info

Publication number: DE69724031T2
Application number: DE69724031T
Authority: DE
Inventors: Kenneth Winston Galway Beebe
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1996-05-02
Filing date: 1997-04-29
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2017-04-30
Also published as: JP4049209B2; KR100483774B1; EP0805308A1; EP0805308B1; US6192688B1; DE69724031D1; KR970075672A; JPH1047679A; US6047550A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Gas- und Flüssigbrennstofftturbinen und insbesondere auf Brenner in Industrie-Gasturbinen, die in Energieerzeugungsanlagen verwendet werden.
Gasturbinen-Hersteller, einschließlich General Electric, sind gegenwärtig mit Forschungs- und Entwicklungsprogrammen befasst, um neue Gasturbinen herzustellen, die bei einem hohen Wirkungsgrad arbeiten, ohne unerwünschte Luftverschmutzungsemissionen zu erzeugen. Die primären Luftverschmutzungsemissionen, die gewöhnlich durch Gasturbinen erzeugt werden, die Kohlenwasserstoff-Brennstoffe verbrennen, sind Oxide von Stickstoff, Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe. Es ist bekannt, dass die Oxidation von molekularem Stickstoff in luftatmenden Triebwerken stark abhängig ist von der maximalen Temperatur des heißen Gases in der Reaktionszone des Verbrennungssystems und der Verweilzeit für die Reaktionsmittel bei den höchsten Temperaturen, die in dem Brenner erreicht werden. Der Pegel an thermischer NOx Bildung wird dadurch minimiert, dass die Temperatur der Reaktionszone unter dem Wert gehalten wird, an dem thermisches NOx gebildet wird, oder indem eine extrem kurze Verweilzeit bei der hohen Temperatur beibehalten wird, so dass es nicht genug Zeit zum Fortschreiten der NOx Bildungsreaktionen gibt.
Ein bevorzugtes Verfahren zum Steuern der Temperatur der Reaktionszone von einem Brenner einer Wärmekraftmaschine unter dem Wert, an dem thermisches NOx gebildet wird, besteht darin, Brennstoff und Luft zu einem mageren Gemisch vor der Verbrennung vorzumischen. US-Patent 4,292,801 beschreibt einen NOx-armen Doppelstufen-Doppelmodus-Brenner für eine Gasturbinenanwendung, die eine der Pionier-Brennerkonstruktionen auf der Basis der mageren vorgemischten Verbrennungstechnologie ist. US-Patent 5,259,184 beschreibt eine trockene, NOx-arme Einstufen-Doppelmodus-Brennerkonstruktion für eine Gasturbine. Die thermi sche Masse der überschüssigen Luft, die in der Reaktionszone von einem mageren vorgemischten Brenner vorhanden ist, absorbiert Wärme und senkt den Temperaturanstieg der Verbrennungsprodukte auf einen Wert, wo thermisches NOx nicht gebildet wird. Selbst mit dieser Technologie ist für die meisten fortgeschrittenen Hochleistungs-Industrie-Gasturbinen mit einem rohen Wirkungsgrad die erforderliche Temperatur der Verbrennungsprodukte an dem Brennerauslass/erste Stufe des Turbineneinlasees bei maximaler Belastung so hoch, dass der Brenner mit einer Spitzengastemperatur in der Reaktionszone betrieben werden muss, die die Schwellentemperatur der thermischen NOx Bildung überschreitet, was eine signifikante NOx Bildung zur Folge hat, selbst wenn der Brennstoff und die Luft mager vorgemischt werden. Das zu lösende Problem besteht darin, genügend hohe Brennerausgangstemperaturen zu erhalten, um die am weitesten fortgeschrittenen Hochleistungs-Industriegasturbinen hoher Effizienz bei maximaler Last zu betreiben, ohne dass eine signifikante Menge von thermischem NOx gebildet wird.
Eine magere vorgemischte Verbrennung von Kohlenwasserstoff-Brennstoffen in Luft wird in weitem Umfang in der Gasturbinenindustrie verwendet als ein Verfahren zum Senken der Luftverschmutzungswerte, insbesondere thermischen NOx Emissionswerten, für Gasturbinenbrenner. Eine magere Direkteinspritzung (LDI von Lean Direct Injection) von Kohlenwasserstoff-Brennstoff und Luft ist auch als ein effektives Verfahren gezeigt worden zum Senken von NOx Emissionswerten für Gasturbinen-Verbrennungssysteme, auch wenn sie nicht so effektiv wie eine magere vorgemischte Verbrennung ist. Ein Beispiel einer LDI Brennstoffeinspritzeinrichtung ist in einem Artikel aus dem 1987 Tokyo International Gas Turbine Congress beschrieben worden mit dem Titel „Lean Primary Zones: Pressure Loss and Residence Time Influences on Combustion Performance and NOx Emissions", und in dem US-Patent 4,671,069.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Brenner für eine Gasturbine bereit, die ein primäres Verbrennungssystem, das in mehreren Gasturbinen-Betriebsarten betrieben werden kann, wobei die Gasturbinen-Betriebsarten auf der Basis von einem Lastbereich auf die Gasturbine bestimmt sind, und ein sekundäres Verbrennungssystem aufweist, das selektiv in einem hohen Lastbereichmodus von den mehreren Gasturbinen-Betriebsarten betrieben werden kann, wobei das sekundäre Verbrennungssystem eine magere Direkteinspritzung (LDI) Brennstoffeinspritzeinrichtung aufweist, wobei die LDI Brennstoffeinspritzeinrichtung einen Luftverteiler, einen Gasbrennstoffverteiler und mehrere Gasbrennstoff/Luft-Einspritzspeichen enthält, die mit dem Luftverteiler und dem Gasbrennstoffverteiler in Verbindung stehen.
Der Brenner kann ferner mit einem Brennergehäuse mit einem offenen Ende und einer Endabdeckungsvorrichtung, die an seinem anderen Ende befestigt ist, einer Strömungsbuchse, die an dem Gehäuse angebracht ist, und einer Verbrennungsauskleidung versehen sein, die in der Strömungsbuchse angeordnet ist und wenigstens eine primäre Reaktionszone bildet. Das primäre Verbrennungssystem enthält vorzugsweise eine Buchsenkappenvorrichtung, die an dem Gehäuse befestigt ist und axial stromabwärts von der Endabdeckungsvorrichtung angeordnet ist, und wenigstens eine Start-Brennstoffdüse und Vormisch-Brennstoffdüsen, die mit der primären Reaktionszone in Verbindung stehen. Diesbezüglich enthält jede Vormisch-Brennstoffdüse einen Verwirbler, der mehrere Verwirbelungsschaufeln, die die eintretende Luft in Drehung versetzen, und mehrere Brennstoffspeichen, die Brennstoff in der rotierenden Luftströmung verteilen. Die Verbrennungsauskleidung kann auch eine sekundäre Reaktionszone stromabwärts von der primären Reaktionszone bilden. In diesem Zusammenhang enthält das sekundäre Verbrennungssystem eine Mager-Direkteinspritz(LDI)-Brennstoffeinspritzeinrichtung, die mit der sekundären Reaktionszone in Verbindung steht. Die mehreren Brennstoff/Luft-Einspritzspeichen durchdringen vorzugsweise die Ver brennungsauskleidung und führen Brennstoff und Luft in die sekundäre Reaktionszone ein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Gasturbine bereitgestellt, die einen Verdichterabschnitt, die Einlassluft verdichtet, einen Verbrennungsabschnitt, der stromabwärts von dem Verdichterabschnitt angeordnet ist und die verdichtete Einlassluft empfängt, und einen Turbinenabschnitt aufweist, der stromabwärts von dem Verbrennungsabschnitt angeordnet ist und heiße Verbrennungsprodukte aus dem Verbrennungsabschnitt empfängt. Der Verbrennungsabschnitt enthält eine kreisförmige Anordnung von in Umfangsrichtung im Abstand angeordneten Brennern gemäß der Erfindung.
Die vorliegende Erfindung kombiniert zwei Technologien, d. h. magere vorgemischte Verbrennung und magere Brennstoff-Direkteinspritzung, in einer neuartigen und einzigartigen Art und Weise, um extrem niedrige Luftverschmutzungs-Emissionswerte, insbesondere Oxide von Stickstoff, zu erreichen, wenn mit einer fortgeschrittenen Hochleistungs-Industriegasturbine hoher Effizienz bei hoher Last gearbeitet wird.
Die Erfindung kombiniert somit vorgemischte Verbrennung von einem mageren Gemisch von Kohlenwasserstoff-Brennstoff und Luft mit magerer Direkteinspritzung von Kohlenwasserstoff-Brennstoff und Luft in die Produkte von magerer vorgemischter Verbrennung spät in den Verbrennungsprozess und erzeugt dadurch ein Verbrennungssystem, das sehr geringe Emissionen an Luftverschmutzungen erzielt, insbesondere von Oxiden von Stickstoff, wenn eine fortgeschrittene Hochleistungs-Industriegasturbine hoher Effizienz bei hoher Last betrieben wird. Weiterhin soll diese Erfindung diese Aufgabe erzielen, wenn die vorgemischte Verbrennungs-Reaktionszone mit einem Brennstoff/Luft-Gemisch betrieben wird, das mager genug ist um sicherzustellen, dass die thermische NOx Bildung in der Reaktionszone vernachlässigbar ist und wenn das gesamte Verbrennungssystem bei einer gesamten Brennstoff/Luft-Gemischstärke betrieben wird, die diejenige der vorgemischten Reaktionszone um die erforderliche Größe überschreitet, um die Einlasstemperaturerfordernisse der Gasturbine zu erfüllen. Die Erfindung ist besonders vorteilhaft in Anwendungsfällen, wo die Anforderungen der Turbinen an die Einlasstemperatur so hoch sind, dass die Möglichkeit der Erzielung sehr niedriger thermischer NOx Emissionen durch magere vorgemischte Verbrennung alleine verhindert ist.
Diese und andere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlich, in denen:
1 eine schematische Querschnittsdarstellung von einem mageren vorgemischten Brenner ist, der einen Teil von einer Gasturbine bildet und gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
2 eine Querschnittsansicht davon ist, wobei der Schnitt im Allgemeinen entlang der Linie 2-2 in 1 gelegt ist, und 3 eine Querschnittsdarstellung von einer Brennstoff/ Luft-Einspritzspeiche in 2 ist.
Es wird nun detailliert auf die vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung Bezug genommen, von denen ein Beispiel in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist.
Bekanntlich enthält eine Gasturbine einen Verdichterabschnitt, einen Verbrennungsabschnitt und einen Turbinenabschnitt. Der Verdichterabschnitt wird durch den Turbinenabschnitt über eine gemeinsame Wellenverbindung angetrieben. Der Verbrennungsabschnitt enthält üblicherweise eine kreisförmige Anordnung von mehreren auf dem Umfang im Abstand angeordneten Brennern bzw. Brennkammern. In jedem Brenner wird ein Brennstoff/Luft-Gemisch verbrannt, um die heiße energetische Gasströmung zu erzeugen, die durch ein Übergangsstück strömt, um das Gas auf die Turbinenschaufeln von dem Turbinenabschnitt zu richten. Ein üblicher Brenner ist in der eingangs genannten US-PS 5,259,184 beschrieben. Zur Darstellung der vorliegenden Erfindung ist nur ein Brenner dargestellt, es sei aber darauf hingewiesen, dass alle anderen Brenner, die um die Turbine herum angeordnet sind, einen im Wesentlichen gleichen Aufbau wie der dargestellte Brenner haben.
Es wird nun auf 1 Bezug genommen; dort ist allgemein bei 10 ein Brenner für ein Gasturbinentriebwerk gezeigt, das eine magere vorgemischte Verbrennungseinrichtung 12, eine sekundäre oder magere Direkteinspritzungs(LDI)-Brennstoffeinspritzeinrichtung 50 und ein Übergangsstück 18 aufweist, um heiße Verbrennungsgase zu den Turbinendüsen 11 und den Turbinenschaufeln (nicht gezeigt) zu leiten. Die magere vorgemischte Brennereinrichtung 12 enthält ein Gehäuse 20, eine Endabdeckung 22, mehrere Start-Brennstoffdüsen 24, mehrere Vormisch-Brennstoffdüsen 14, eine Kappeneinrichtung 30, eine Strömungsbuchse 17 und eine Verbrennungsauskleidung 28 in der Buchse 17. Eine geeignete Kappeneinrichtung ist in dem US-Patent 5,274,991 beschrieben. Es ist Zündvorrichtung (nicht gezeigt) vorgesehen und weist vorzugsweise eine elektrisch gespeiste Zündkerze auf. Die Verbrennung in der mageren vorgemischten Brennereinrichtung 12 erfolgt in der Verbrennungsauskleidung 28. Die Verbrennungsluft wird in der Auskleidung 28 über die Strömungsbuchse 17 gerichtet und tritt in die Verbrennungsauskleidung durch mehrere Öffnungen ein, die in der Kappeneinrichtung 30 ausgebildet sind. Die Luft tritt in die Auskleidung unter einer Druckdifferenz über der Kappeneinrichtung 30 ein und mischt sich mit Brennstoff aus den Start-Brennstoffdüsen 24 und/oder den Vormisch-Brennstoffdüsen 14 in der Auskleidung 28. Infolgedessen tritt eine Verbrennungsreaktion in der Auskleidung 28 auf, die Wärme zum Antrieben der Gasturbine freisetzt. Hochdruckluft für die magere vorgemischte Brennereinrichtung 12 tritt in die Strömungsbuchse 17 und eine Übergangsstück-Prallhülse 15 aus einer Ringkammer 2 ein. Diese Hochdruckluft wird durch einen Verdichter geliefert, der durch eine Reihe von Leit- und Laufschaufeln bei 13 und einen Diffuser 42 dargestellt ist.
Jede Vormisch-Brennstoffdüse 14 enthält einen Verwirbler 4, der aus mehreren Verwirbelungsschaufeln, die der eintretenden Luft eine Rotation erteilen, und mehreren Brennstoffspeichen 6 besteht, die Brennstoff in der rotierenden Luftströmung verteilen. Der Brennstoff und die Luft mischen sich dann in einem ringförmigen Kanal in der Vormisch-Brennstoffdüse 14, bevor sie die primäre Reaktionszone 8 erreichen.
Die LDI-Brennstoff-Einspritzeinrichtung 50 ist dafür vorgesehen, bei hohen Lastbedingungen der Gasturbine zu arbeiten. Gemäß den 2 und 3 enthält die Einrichtung 50 einen Luft-Verteiler 51, einen Brennstoff-Verteiler 52 und mehrere Brennstoff/Luft-Einspritzspeichen 53, die die Verbrennungsauskleidung 28 durchdringen und zusätzlichen Brennstoff und Luft in die sekundäre Reaktionszone 19 in der Brennereinrichtung einführen. Dieses sekundäre Brennstoff/Luft-Gemisch wird durch die heißen Verbrennungsprodukte gezündet, die die primäre Reaktionszone 8 verlassen, und die entstehenden sekundären Kohlenwasserstoff-Brennstoff-Oxidationsreaktionen gehen ihrer Vollendung in dem Übergangsstück 18 entgegen. Der sekundäre Brennstoff wird in die sekundäre Luft über mehrere Brennstofföffnungen 57 eingespritzt, und die Kombination von sekundärem Brennstoff und sekundärer Luft wird in die sekundäre Reaktionszone 19 über mehrere Luftöffnungen 56 in jeder Brennstoff/Luft-Einspritzspeiche 53 eingespritzt.
Im Betrieb der Gasturbine gibt es drei bestimmte Betriebsmodi, die von dem Lastbereich der Gasturbine abhängen. Der erste Betriebsmodus ist eine kleine Turbinenlast (etwa 0–30% der Basislast) und während des ersten Startens. In dieser Betriebsars beziehungsweise diesem Modus wird Kohlenwasserstoff-Brennstoff den Start-Brennstoffdüsen 24 zugeführt, und Verbrennungsluft wird der Auskleidung 28 durch die mehreren Öffnungen in der Kappeneinrichtung 30 zugeführt für ein Mischen mit dem Brennstoff aus den Start-Brennstoffdüsen 24. Eine Diffusionsflamnen reaktion tritt in der Verbrennungsauskleidung 28 an der primären Reaktionszone 8 auf. Diese Reaktion wird durch eine elektrisch gespeiste Zündkerze eingeleitet.
Bei mittleren Betriebsbedingungen (etwa 30–80% der Basislast) wird Kohlenwasserstoff-Brennstoff den Vormisch-Brennstoffdüsen 14 über die Brennstoffspeichen 6 zugeführt. Der Vormischer 14 mischt den Kohlenwasserstoff-Brennstoff mit Luft aus dem Verwirbler 4, und das Gemisch tritt in die primäre Reaktionszone 8 ein. Das Gemisch aus Brennstoff und Luft zündet in Gegenwart der Diffusionsflamme aus den Start-Brennstoffdüsen 14. Wenn die vorgemischte Verbrennungsreaktion eingeleitet worden ist, wird Kohlenwasserstoff-Brennstoff aus den Start-Brennstoffdüsen 24 zu den Vormisch-Brennstoffdüsen 14 umgeleitet. Die Diffusionsflamme in der primären Reaktionszone 8 verlöscht dann, und die Verbrennungsreaktion in der primären Reaktionszone 8 wird vollständig vorgemischt. Da das in die primäre Reaktionszone 8 eintretende Brennstoff/Luft-Gemisch mager ist, ist die Temperatur der Verbrennungsreaktion zu niedrig, um eine signifikante Menge an thermischen NOx zu erzeugen. Die Oxidationsreaktionen des Kohlenwasserstoff-Brennstoffes werden in der primären Reaktionszone 8 in der Verbrennungsauskleidung 28 vollendet. Somit ist während der Lastbedingungen im Mittelbereich die Temperatur der Verbrennungsreaktion zu niedrig, um eine signifikante Menge an thermischen NOx zu erzeugen.
Unter hohen Lastbedingungen (etwa 80% der Basislast bis Spitzenlast) wird die vorgemischte Verbrennung ausgeführt, wie sie oben beschrieben wurde. Zusätzlich werden Kohlenwasserstoff-Brennstoff und Luft an die LDI Brennstoff-Einspritzeinrichtung 50 geliefert. Die Einrichtung 50 führt sekundären Brennstoff und Luft in die sekundäre Reaktionszone 19 ein, wo eine Selbstzündung auftritt aufgrund der hohen Temperaturen, die in der Verbrennungsauskleidung 28 bei mittleren Last- und hohen Lastbedingungen bestehen. Die sekundären Oxidationsreaktionen des Kohlenwasserstoff-Brennstoffes werden in dem Übergangsstück 18 vollendet. Weil das sekundäre Brennstoff/Luft-Gemisch, das vollendet. Weil das sekundäre Brennstoff/Luft-Gemisch, das in das Übergangsstück 18 eintritt, mager ist, ist die Temperatur der Verbrennungsreaktion kleiner als die stöchiometrische Flammentemperatur, und die Bildungsrate von thermischen NOx ist klein. Da die Verweilzeit in dem Übergangsstück 18 kurz ist und die Bildungsrate an thermischen NOx niedrig ist, werden während der sekundären Brennstoffverbrennung sehr wenig thermische NOx gebildet.
Infolgedessen wird deutlich, dass NOx Emissionen durch die Mittellast- und Hochlast-Betriebsbereiche von eine hohe Zündtemperatur aufweisende, hoch effiziente Hochleistungs-Industriecasturbinen im Wesentlichen minimiert oder eliminiert werden. Dies ist auf einfache und effiziente Weise und durch eine besondere Kooperation von im Wesentlichen bekannten Gasturbinenelementen erreicht worden. Sowohl eine magere vorgemischte Verbrennung, die als das primäre Verbrennungssystem für diese Erfindung verwendet wird, als auch eine magere Direkteinspritzung von Brennstoff, die als das sekundäre Verbrennungssystem für diese Erfindung verwendet wird, sind bekannte Verminderungsverfahren in der Gasturbinenindustrie. Diese Erfindung ist eine neuartige und einzigartige Kombination dieser Verfahren, um extrem niedrige NOx Emissionswerte für bekannte, eine hohe Effizienz aufweisende Hochleistungs-Industriegasturbinen zu erzielen.

Claims

Brenner (10) für eine Gasturbine, enthaltend: ein primäres Verbrennungssystem (12) zum Verbrennen eines Gemisches von gasförmigem Brennstoff und Luft, das in mehreren Gasturbinenmoden betreibbar ist, die auf einem Lastbereich der Gasturbine basieren, und ein sekundäres Verbrennungssystem (50), das selektiv in einem hohen Lastbereichmodus von den mehreren Gasturbinenmodi betrieben werden kann, wobei das sekundäre Verbrennungssystem gekennzeichnet ist durch eine Mager-Direkteinspritz(LDI)-Brennstoffeinspritzeinrichtung, wobei die LDI- Brennstoffeinspritzeinrichtung einen Luftverteiler (52), einen Gasbrennstoffverteiler (51) und mehrere Gasbrennstoff/Luft-Einspritzspeichen (53) aufweist, die mit dem Luftverteiler und dem Gasbrennstoffverteiler in Verbindung stehen.
Brenner nach Anspruch 1, ferner enthaltend: ein Brennergehäuse (20) mit einem offenen Ende (15) und einer Endabdeckungsvorrichtung (22), die an seinem anderen Ende befestigt ist, eine Strömungsbuchse (17), die in dem Gehäuse angebracht ist, und eine Verbrennungsauskleidung (28), die in der Strömungsbuchse angeordnet ist und wenigstens eine primäre Reaktionszone bildet, wobei das primäre Verbrennungssystem eine Buchsenkappenvorrichtung (30), die an dem Gehäuse befestigt ist und axial stromabwärts von der Endabdeckungsvorrichtung angeordnet ist, und wenigstens eine Start-Brennstoffdüse (24) und mehrere Vormisch-Brennstoffdüsen (14) aufweist, die mit der primären Reaktionszone in Verbindung stehen.