DE8506108U1

DE8506108U1 - Brenner für Feuerungsanlagen, insbesondere für Brennkammern von Gasturbinenanlagen

Info

Publication number: DE8506108U1
Application number: DE19858506108
Authority: DE
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1985-03-04
Filing date: 1985-03-04
Publication date: 1987-02-26

Description

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KRAFTWERK UNION AKTIENGESISLLSOHAPT Unser Zeichen Mülheim a. d. Ruhr VPA 85 P 6026 BE

___ für Feuerungsanlagen, insbesondere für BrennfrmweTn ypr., Gasturbinenanlagen^

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner für Feuerungsanlagen, insbesondere für Brennkammern von Gasturbinenanlagen, wobei die Brennkammer ein etwa zylindrisches Gehäuse und ein darin init Singspält vrsnas— beweglich und zentrisch gehaltertes Flammrohr aufweist, &phgr; gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Brenner müssen eine Reihe von An-* forderungen erfüllen, damit ihr Betrieb auch unter Berücksichtigung verschärfter Umweltschutzbestimmungen gewährleistet ist: So darf der Gehalt an HO_x im Abgas obere Grenzwerte nicht überschreiten. Das bedeutet, daß die Temperaturen in der Verbrennungszone nicht zu hoch sein dürfen und ausreichende Mengen von Verbrennungsluft der Verbrennungszone zugeleitet werden, wobei im allgemeinen mit Luftüberschuß gefahren wird. Die Brenner sollen nicht nur mit Heizöl, sondern auch mit Erdgas "betrieben

•25 werden können, und zur NO -Reduzierung ist es vorteilhaft, sie zusätzlich mit Einrichtungen zur HgO-Dampf- oder Wasser-Einspritzung zu versehen.

Ein besonderes Problem ist die Umrüstung von Brennern, die zwar jetzigen, jedoch zukünftigen &Ngr;0_&khgr;-Grenzwerten nicht mehr genügen. Ausgehend von einem Brenner , der im Gattungsbegriff definierten Art, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, diese so auszugestalten, daß sie im Sinne der aufgezeigten Anforderungen einen Betrieb mit niedrigen NO_x-Gehalten im Abgas gewährleistet, wobei eine Nachrüstung auch bestehender Brenner . ■ im Sinne der Reduzierung der NO -Abgaswerte ermöglicht

Bu 2 Fl/01.03.1985

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- 2 = VPA 85 P 6026 DE sein soll, ohne daß der gesamte Brenner wechselt werden müßte.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe mit den im Kennzeichnen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 2 bis 7 angegeben.

Die siit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind vor allem darin zu sehen, daß das ohnehin vorhandene Hingkanal sys tem mit seinen Strömungleitwänden als Träger einer Vormischbrenner-Anordnung ausgebildet ist, wodurch eine Nachrüstung bestehender Brenneranordnungen ermöglicht ist.

Weitere Merkmale und Vorteile des Erfindungsgegenstandes gehen aus der nachstehenden Figurenbeschreibung hervor,

in welcher ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung erläutert ist. Darin zeigt:

Fig. 1 in einem Axialschnitt einen Brenner nach der Erfindung unter Fortlassung der für das Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Teile des Brenners und der Brennkammer',

Fig. 2 ein Diagramm, in welchem beispielsweise der NO-Gehalt in mg/m (Ordinatenachse) in Abhängigkeit von der Gasturbinen-Eintrittstemperatur ^m₁ der Verbrennungsgase (Abszissenachse) aufgetragen ist.

Der in Fig. &Lgr; dargestellte Brenner B gehört zu einer Gasturbinenanlage, das bevorzugte Anwendungsgebiet der Erfindung. Der Brenner B ist indessen auch für gasbefeuerte Feuerungsanlagen von Kesseln, insbesondere bei sogenannten Gas/Dampf-Kombianlagen geeignet. Die zugehörige Brennkammer weist ein - im Ausschnitt dargestelltes - etwa zylindrisches Gehäuse 1 auf und ein darin mit Hingspalt; Sq wärmebeweglich und zentrisch ge-

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haltertes Flammrohr 2. Das Gehäuse 1 ist nicht maßstabsgerecht und lediglich scheraatisch eingezeichnet, und das Beispiel ist auf Feuerungsanlagen mit einem einzigen Brenner DB nicht beschränkt; in aller Re* gel weist die Brennkammer sechs in hexagonaler Anordnung oder acht in oktogonaler Anordnung vorgesehene Brenner DB auf.

Jeder der einzelnen Brenner B besteht aus we-

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Brennstoffdüsen 3.1, 3.2 sowie außerdem der Drallbeschaufelung 4 seines Brennerkopfes 3 im Stirnbereich des Flammrohres 2 angeordnet ist und der mit Brdgas E und/ oder Heizöl H als Brennstoff betreibbar ist. Der Kopf 3 des Diffusionsbrenners DB ist koaxial - bezogen auf die Brennerashse b - umgeben von einem Ringkanalsystem R mit inneren und äußeren Strömungsleitwänden r1 und r2, wodurch ein ringförmiger Kanalquerschnitt 5 gebildet wird, welcher der Zufuhr des Hauptanteils der Verbrennungsluft L aus dem Ringspalt s_Q zu der stromab des Brennerkopfes 3 sich ausbildenden Verbrennungszone (nicht dargestellt) dient. Dem Ringspalt wird die unter Druck stehende Verbrennungsluft L von dem mit der Gasturbine umlaufenden Kompressor zugeführt; die heißen Brenngase strömen in die Gasturbinen-Beschaufelung.

Die Verbrennungsluft L, die aus dem ringförmigen Kanalquerschnitt 5 in den stromab des Brennerkopfes 3 angeordneten Kreisquerschnitt 6 übertritt, weist Vektorkomponenten ihrer Strömung auf, die zur Brennerachse b spitzwinklig gerichtet sind, im dargestellten Beispiel unter einem Winkel von etwa 4-0°. Ihnen sind tangential gerichtete Drallkoniponenten mit der Brennerachse b als Drallzentrum überlagert. Die schrägen bzw. spitzwinklig gerichteten Komponenten könnten noch in axial und radial

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gerichtete Komponenten zerlegt werden. Wichtig ist, daß lie örtlicheGeschwindigkeit in der sich ausbildenden Drehströmung groß genug ist, die Verbrennungsluft mit dem Flammenkegel des eingespritzten, fein zerstäubten Heizöls H bzw. des eingeblasenen Erdgases E innig zu vermischen und die Flammgase somit zu kühlen auf die Brenngastemperatur, welche den kleinstmöglichen NO_x-Gehalt gewährleistet. Dieser kann durch Einsprit-' &zgr;en von Wasser W aus Wasserdüsen 7 oder Dampf D aus Dampfdüsen 8, wie gestrichelt angedeutet, noch weiter verringert werden.

Erfindungsgemäß ist nun das Ringkanalsystem R mit seinen Strömun^sleitwänden r1, r2 als Vormischbrenner-An-Ordnung VM zur Verbrennung von Erdgas E ausgebildet. Hierzu ist der Zuströmquerschnitt 5 (auch als Kanalquerschnitt bezeichnet) des zum Ringspalt s offenen f Ringkanalsystems R von einer Mehrzahl von etwa quer zur j Luftströmung L gerichteten Düsenrohren durchdrungen, Die Düsenrohre 9 sind mit ihren der inneren Strömungsleitwand r1 zugewandten Enden an ein Ergas-Zuleitungssystem EZ angeschlossen, welches den Diffusionsbrenner DB etwa konzentrisch umgibt. Die Düsenöffnungen der Düsenrohre 9 sind, wie es die kleinen Erdgas-Strömungs-

2^ pfeile e verdeutlichen, auf der der Luftzuströmseite des Ringkanalsystems R abgewandten Seite der Düsenrohre 9 angeordnet. Jedes der über den ringförmigen Kanalquerschnitt 5 verteilten Düsenrohre, die im Vergleich zu den Rohrabmessungen des Diffusionsbrenners DB auch als Röhrchen zu bezeichnen wären, hat 5 Düsenöffnungen, der Kranz der Düsenrohre 9 umfaßt im Beispiel 24 "Röhrchen", die jedoch noch genügend Zuströmquerschnitt für aie Verbrennungsluft L freilassen. Der Röhrchenkranz wirkt wie eine Erdgasdusche, die zu einer optimalen Vermischung mit der Verbrennungsluft L beiträgt.

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- 5 - VPA 85 P 6026 DE

Das Erdgas-Zuleitungssystem für den Vormischbrenner VM weist eine ringförmige Einlaufkammer 10 auf mit einer zur Achse b des Diffusionsbrenners DB kegelig abgeschrägten Anschlußwand 10.1 für die Düsenrohre 9. Die Einlaufkammer 10 läuft schneckenartig von einem größeren, an die Erdgasspeiseleitung 11 angeschlossenen Anfangsquerschnitt (linke Hälfte der ?ig.1) bis hin zu einem kleineren Endquerschnitt (rechte Hälfte der Fig. 1) stetig verjüngt zu, wobei an den Endquerschnitt die letzten der zu beaufschlagenden Düsenrohre 9 des Düsenrohrkranzes angeschlossen sind, so daß die Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft an allen Düsenöffnungen in etwa gleich ist.

Das Ringkanalsystem R ist von den schon erwähnten inneren und äußeren Strömungsleitwänden r1, r2 begrenzt, welche zumindest angenähert auf je einem Kegelmantel liegen, deren Kegelachsen mit der Achse b des Diffusionsbrenners DB zusammenfallen. Sie sind zur Bildung.

aes ringförmigen Kanalquerschnittes 5 in Richtung der Diffusionsbrennerachse axial gegeneinander versetzt. Die kegelig abgeschrägte Anschlußwand 10.1 der Einlaufkammer 10 ist mit der inneren kegeligen Strömungsleitwand r1 gleichgerichtet und fällt, wie man erkennt, mit dieser teilweise zusammen. Besonders raumsparend und strömungsgünstig ist es, wenn die Einlaufkammer wie dargestellt in der Ringnische angeordnet J«?t, welche von einer den Diffusionsbrenner DB umgebenden Zylinderwand 12 und der inneren StrSmungsleitwand r1 aufgespannt ist.

Der dem Vormischbrenner VM zuströmenden Verbrennungsluft L wird ihre Drallkomponente durch die Drallbeschaufelung 13 aufgedrückt, welche den Düsenrohren 9 nachgeschaltet ist und deren Leitschaufellängsachsen

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- 6 - VPA 85 F 6026 etwa parallel zu den Msenrohrachsen verlaufen.

Der Diffusionsbrenner DB wird in seiner Funktion durch den Vormischbrenner VM ergänzt, d.h. bei Erdgasbetrieb kann nach dem Anfahren und Anwärmen vom Diffusionsbrennerauf Vormischbrennerbetrieb umgeschaltet werden mit seinen niedrigeren NO_x-Werten. Die Zündung des Diffusionsbrenners DB erfolgt mit seinem Zündbrenner Z, der hierzu ein Gasröhrchen z1 und eine stab-oder rohrförmige Elektrodenanordnung z2 aufweist. Dieser Zündbrenner Z erlischt, wenn am Brennerkopf stromab desselben eine dauerhafte Flamme brennt; die Zündung des Vormischbrenners VM erfolgt durch die Flamme des Diffusionsbrenners DB. Ein Zurückschlagen der Flamme kann, auch ohne Flammenhalter, in den Vormischbrennerbereich, nicht eintreten, wenn auf ausreichende Luftgeschwindigkeit geachtet wird.- Das zentrale Rohr 30 des Diffusionsbrenn-rs DB dient der Zufuhr von Heizöl H, mit einem erster , das zentrale Brennerrohr umgebenden Mantel 31 wird ein Ringraum 14 zur Einspeisung von Erdgas &Eacgr; gebildet. Dieser Ringraum 14 mündet im Bereich des Brennerkopfes 3 über eine kegelige Düsenwanä 32 in den Strömungsraum 33 des brennerkopfseitigen Drallsterne 4 « der mit seinen Leitschaufeln zwischen der inneren Düsenwand 32 und einer äußeren Kegelschürze 15 gehalten ist. Letztere ist am Rand der Kegelstumpföffnung der inneren Strömungsleitwand r1 befestigt. Der konzentrisch den ersten Brennermantel 31 umgebende zweite Brennermantel ist die äußere Zylinderwand 12, welche einen zweiten brenner-koaxialen Ringraum 16 bildet. Dieser enüet gleichfalls im Strömungsraum des brennerkopfseitigen Drallsterns 4· und dient zur Einspeisung von Wasser W über Düsen 7 oder von Wasserdampf D über Düsen 8, wie bereits erläutert. Die gesamte Brennereinheit DB/VM ist an ihrem unteren Ende an einem Flansch

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- ? - VPA 85 P 6026

2.1a der Stirnwand 2.1 des Flammrohres 2 mittels eines Rohrstutzens 17 mit Flansch 17.1 befestigt. Der Rohrstutzen 17 ist an der äußeren Strömungsleitwand r2 festgeschweißt. Die Flanschschrauben sind mit 18 bezeichnet.

Im Diagramm der Fig 2 zeigt die obere Kurve k 1 den NO -Ausstoß im trockenen Abgas bei 15 Vol.# O₂ bei Betrieb des Hybridbrenners ohne HpO-Einspritzung und ohne eingeschalteten Vormischbrenner VM abhängig von der Temperatur ¹^ f.^, der Gasturbinen-Eintrretstemperatür des Arbeitsmediums. Kurve k 1.1 zeigt den steilen Abfall des NO_x-Ausstoßes bei Übergang auf Vormischbrennerbetrieb, Kurve k 2 die weitere Reduzierung des &Ngr;0_&khgr;-Gehaltes im Abgas bei Betrieb des Hybridbrenners mit H₂0-Einspritzung.

7 Ansprüche
2 Fig.

Claims

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1. Brenner für Feuerungsanlagen, insbesondere für Brennkammern von Gasturbinenanlagen, wobei die Brennkammer ein etwa zylindrisches Gehäuse und ein darin mit Ringspalt wärmebeweglich und zentrisch gshaltertes Flammrohr aufweist; dabei besteht der Brenner aus wenigstens einem Diffusionsbrenner, welcher mit den Brennstoffdüsen seines Brennerkopfes im Stirnbereich des Flammrohres angeordnet und der mit Erdgas und/oder Heizöl als Brennstoff betreibbar ist, und aus einem den Kopf des Diffusionsbrenners umgebenden Ringkanalsystem mit Strömungsleitwändea—zur,-Zufuhr des Hauptanteils der Verbrennungsluft aus dem Ringspalt zu der stromab des Brennerkopfes im Flammrohr sich ausbildenden Verbrennungszone, urohei die Strömungsvektoren der Verbrennungsluft Komponenten aufweisen, die zur Brennerachse parallel bis spitzwinklig gerichtet in die Verbrennungszone einmünden und denen tangential gerichtete Drallkomponenten mit der Brennerachse als Drallzentrum überlagert sind, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Ringkanalsystem mit seinen Strömung3leitwänden als Vormischbrenner-Anordnung zur Verbrennung von Erdgas ausgebildet ist,

- daß hierzu der Zuströmquerschnitt des zum Ringspalt offenen Ringkanalsystems von einer Mehrzahl von etwa quer zur Luftströmung gerichteten Düsenrohren durchdrungen ist,

- daß die Düsenrohre mit ihren einen Enden an ein Erdgas-Zuleitungssystem angeschlossen sind, welches den Diffusionsbrenner etwa konzentrisch umgibt,

- und daß die Düsenöffnungen der Düsenrohre auf der

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- 9 - VPA 85 P 6026 DE

der Luftzuströmseite des Ringskanalsystems abgewandten Seite der Düsenrohre angeordnet sind.

2.· Brenner *· nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Erdgas-Zuleitungs-System eine ringförmige Einlaufkammer aufweist mit einer zur Achse des Diffusionsbrenners kegelig abgeschrägten Anschlußwand für die Düsenrohre.

3· Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das RingkapAlsystem von inneren und äußeren Strömungsleitwänden begrenzt ist, welche zumindest angenähert auf je einem Kegelmantel liegen, deren Kegelachsen nr.t der Achse des Diffusionsbrenners zusammenfallen und die in Richtung der Diffusionsbrennerachse gegeneinander axial versetzt sind, und daß die kegelig abgeschrägte Anschlußwand der Einlaufkammer mit der inneren kegeligen Strömungsleitwand gleichgerichtet ist bzw. mit dieser mindestens teil-

weise zusammenfällt.

4. Brenner , nach Anspruch 3i dadurch

gekennzeichnet, daß die Einlauf kammer in der Ringnische angeordnet ist, welche von einer den Diffusionsbrenner koaxial umgebenden Zylinderwand und der inneren Strömungsleitwand aufgespannt ist.

5« Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet, daß stromabwärts der Dösenrohre eine Xfrallbesohaufelung -angeordnet ist, deren Leitschaufellängsachsen etwa parallel zu den Düsenrohrachsen verlaufen.

6. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5»

dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusionsbrenner mit seinem der Zufuhr von Heizöl dienender, zentralen Brennerrohr einen ersten, das Brennerrohr

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umgebenden Brennermantel aufweist mit einem Ringraum \

zur Einspeisung von Erdgas, der im Bereich des Brenner- :' kopfes über eine Düsenwand in den Strömungsraum eines ■

brennerkopfseitigen Drallsterns mündet, und einen zweiten Brennermantel· in Form der äußeren Zylinderwand aufweist, welcher einen zweiten brenner-koaxialen Ringraum bildet, | der gleichfalls im Strömungsraum des brennerkopfseitigen ^ Drallsternes endet und der Einspeisung von Wasser oder Wasserdampf in die Verbrennungszone dient.

7. Brenner nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaufkammer schneckenartig von einem größeren, an die Erdgasspeiseleitung angeschlossenen Anfangsquerschnitt bis hin zu einem kleineren Endquörschnitt stetig verjüngt zuläuft, wobei an den Endquerschnitt der Einlaufkammer die letzten der zu beaufschlagenden Düsenrohre des Düsenrohrkranzes angeschlossen sind.