EP0276696A2 - Hybridbrenner für Vormischbetrieb mit Gas und/oder Öl, insbesondere für Gasturbinenanlagen - Google Patents

Hybridbrenner für Vormischbetrieb mit Gas und/oder Öl, insbesondere für Gasturbinenanlagen Download PDF

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EP0276696A2 EP88100461A EP88100461A EP0276696A2 EP 0276696 A2 EP0276696 A2 EP 0276696A2 EP 88100461 A EP88100461 A EP 88100461A EP 88100461 A EP88100461 A EP 88100461A EP 0276696 A2 EP0276696 A2 EP 0276696A2
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    • F23D—BURNERS
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    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/36—Supply of different fuels

Definitions

  • the present invention relates to a burner according to the preamble of claim 1.
  • Such burners, their application and installation options are known from EP-A-0193 838.
  • the structure of such a burner arrangement is described in detail, to which reference is expressly made here, so that the description below can be limited to the new details essential to the invention.
  • the burner known from the prior art is also suitable for operation with gas and / or oil, but both alternatives cannot be carried out in the premix mode.
  • the known arrangement works as a diffusion burner, which has disadvantages in terms of pollutant emissions.
  • the known burner arrangement has a plurality of nozzle pipes in the area of the main air flow, through which gas is admixed to the air flow.
  • gas is admixed to the air flow.
  • such an admixing system could also be supplied with oil instead of gas, but because of the completely different volume flows, the nozzles would have to be dimensioned quite differently. Therefore, once installed, the system is only suitable for either premix operation with gas or with oil.
  • the favorable gas feed location before the swirl blading is not particularly suitable for the feed of oil and its fine atomization, since in In this area the air flow velocity is relatively low.
  • the object of the present invention is therefore a development of the known burner arrangement for operation with gas and / or oil without changing the internals. Possibly. the simultaneous use of gas and oil as fuel should also be possible.
  • the goal is in every case the reduction of pollutant emissions, in particular NOx emissions.
  • inlet nozzles for oil should also be present in the main burner system, which allow premixing of the main air flow with oil.
  • Favorable arrangements of the inlet nozzles and design options of the associated oil supply system are contained in claims 2 to 9 and are explained in more detail with reference to the drawing.
  • the feed of inert substances for example steam, water or nitrogen
  • These measures can also be used and are suitable for the arrangement according to the invention.
  • the burner according to the invention which can optionally be used in conjunction with several similar burners, for example in the combustion chamber of a gas turbine system, consists of an inner part, the pilot burner system, and an outer part, the main burner system, which is concentric with it. Both systems are suitable for operation with gas and / or oil in any combination. Natural gas and heating oil are generally used as fuels.
  • the pilot burner system consists of an inner oil feed channel 1 and an inner gas feed channel 2 arranged concentrically around it. This in turn is surrounded by a concentrically arranged inner air (or inert) feed channel 3.
  • a or in this channel can suitable ignition system can be arranged, for which many possible designs are known and the illustration of which has been omitted here.
  • the inner oil supply duct 1 has an oil nozzle 5 at its end, the inner air supply duct 3 has a swirl blading 6 in its end region.
  • the pilot burner system 1, 2, 3, 5, 6 can be operated with oil or gas in a manner known per se.
  • the design of the pilot burner system as a separate premix burner known from EP-A-0193 838 is also suitable for the proposed arrangement and does not impair it.
  • the main burner system consists of an outer air supply ring duct system 4, which is arranged concentrically to the pilot burner system and slants towards it.
  • This air supply ring duct system 4 is also provided with a swirl blading 7. Upstream of the swirl blading there are gas nozzle tubes 10 with a plurality of gas nozzles 11 in the flow cross section of the main air flow L H. These are fed from a gas ring channel 9, which has a main gas supply line 8.
  • the burner additionally has a further oil ring channel 13, which is fed from a main oil supply line 12.
  • This oil ring channel 13 is concentric with the pilot burner system 1, 2, 3, 5, 6, in the area in which it collides with the main burner system 4, 7.
  • a free space which is present there in previous designs can accommodate the oil ring channel 13. It can be formed by a single additional partition.
  • the oil ring channel 13 has holes through the wall to the outer air supply ring channel system 4, which end in the area of the swirl blades 7. These holes are provided with nozzles which generate an oil spray 15 which is directed approximately perpendicular to the main air flow L H.
  • the main air flow L H causes a fine atomization of the injected oil.
  • At least one inlet nozzle 14 is preferably arranged in each space between the blades of the swirl blades 7.
  • the oil supply can be regulated via the oil pressure in the oil ring channel 13.
  • the burner according to the invention enables flexible adaptation to the type of fuel available in each case while minimizing the NO x emission.
  • the burner can work as a premix burner both when operating with gas and when operating with oil and, if necessary, in combinations of both modes of operation, the stability of the flame being ensured by a pilot burner system.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner für Betrieb mit Gas (G) und/oder Öl (O), bestehend aus einem zentralen Pilotbrennersystem (1, 2, 3, 5, 6) und einem dieses System umgebenden ringförmigen Hauptbrennersystem (4, 7) für Vormischbetrieb mit Gas (GH), welches aus einer Vielzahl von Düsen (11) dem Hauptluftstrom (LH) beimischbar ist. Der erfindungsgemäße Brenner weist zusätzlich im Hauptbrennersystem (4, 7) Einlaßdüsen (14) für Öl (OH) auf, die eine Vormischung des Hauptluftstromes (LH) mit Öl (OH) ermöglichen. Die Einlaßdüsen (14) liegen vorzugsweise im Bereich der Drallbeschaufelung (7), wo die höchste Strömungsgeschwindigkeit herrscht. Gespeist werden die Einlaßdüsen (14) aus einem Öl-Ringkanal (13), welcher mit einer Haupt-Ölzuleitung (12) in Verbindung steht. Die vorliegende Erfindung ermöglicht einen Vormischbetrieb bei der Versorgung sowohl mit Gas als auch mit Öl, wodurch die NOx- Emission minimiert werden kann.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Solche Brenner, ihre Anwendungs- und Einbaumöglichkeiten sind aus der EP-A-­0193 838 bekannt. In dieser Schrift ist auch der Aufbau einer solchen Brenneranordnung im einzelnen beschrieben, worauf hier ausdrücklich Bezug genommen wird, so daß die Beschreibung im folgenden auf die neuen, erfindungs­wesentlichen Einzelheiten beschränkt werden kann.
  • Der nach dem Stand der Technik bekannte Brenner eignet sich ebenfalls für einen Betrieb mit Gas und/oder Öl, jedoch können nicht beide Alternativen im Vormischbetrieb durchgeführt werden. Für den Fall, daß ein Brenner nach dem Stand der Technik mit Öl betrieben werden soll, ar­beitet die bekannte Anordnung als Diffusionsbrenner, was Nachteile beim Schadstoffausstoß mit sich bringt. Die bekannte Brenneranordnung weist im Bereich des Hauptluftstromes eine Mehrzahl von Düsenrohren auf, durch welche Gas dem Luftstrom beigemischt wird. Grund­sätzlich könnte ein solches Zumischsystem statt mit Gas auch mit Öl gespeist werden, jedoch müßte wegen der völlig unterschiedlichen Volumenströme eine ganz andere Dimensionierung der Düsen vorgenommen werden. Daher eig­net sich ein einmal installiertes System nur entweder für einen Vormischbetrieb mit Gas oder mit Öl. Hinzu kommt, daß der für Gas günstige Einspeisungsort vor der Drallbeschaufelung für die Einspeisung von Öl und dessen feine Zerstäubung nicht besonders geeignet ist, da in diesem Bereich die Strömungsgeschwindigkeit der Luft relativ gering ist.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher eine Wei­terbildung der bekannten Brenneranordnung für einen Be­trieb mit Gas und/oder Öl ohne Änderung der Einbauten. Ggf. soll auch die gleichzeitige Verwendung von Gas und Öl als Brennstoff möglich sein. Ziel ist in jedem Falle die Verringerung des Schadstoffausstoßes, insbesondere der NOx-Emission.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß dem Hauptanspruch vorgeschlagen, daß zusätzlich im Hauptbrennersystem Einlaßdüsen für Öl vorhanden sein sollen, die eine Vor­mischung des Hauptluftstromes mit Öl ermöglichen. Günstige Anordnungen der Einlaßdüsen und Ausführungs­möglichkeiten des zugehörigen Ölversorgungssystems sind in den Ansprüchen 2 bis 9 enthalten und werden anhand der Zeichnung näher erläutert.
  • Es sei darauf hingewiesen, daß sämtliche nach dem Stand der Technik bekannten Betriebsverfahren einer solchen Brenneranordnung auch für die erfindungsgemäße Ausfüh­rung geeignet sind, wobei zusätzlich durch die Erfin­duch auch noch ein Vormischbetrieb mit Öl möglich wird. Da auch beim Vormischbetrieb mit Öl zur Stabilisierung der Flamme im allgemeinen die Unterstützung eines Pilot­brennersystems nötig ist, kommen auch für dieses System wiederum alle bekannten Ausführungsformen und Betriebs­varianten in Frage. Besonders vorteilhaft wird es im allgemeinen sein, sowohl Hauptbrenner wie Pilotbrenner mit dem gleich Brennstoff, nämlich Gas oder Öl, zu be­treiben, zwingend notwendig ist dies jedoch keineswegs.
  • In unterschiedlichen Lastbereichen kann zusätzlich die Einspeisung von Inertstoffen, beispielsweise Dampf, Wasser oder Stickstoff, die NOx-Emission in bekannter Weise sen­ken. Auch diese Maßnahmen sind für die erfindungsgemäße Anordnung anwendbar und geeignet.
  • Im folgenden wird anhand der Zeichnung, einem stark schematisierten Längsschnitt durch einen erfindungs­gemäßen Brenner, das Wesen der Erfindung näher erläutert. Zum Verständnis sind unwesentliche Einzelheiten, die im Stand der Technik bereits ausführlich erläutert wurden, weggelassen bzw. vereinfacht.
  • Der erfindungsgemäße Brenner, der ggf. in Verbindung mit mehreren gleichartigen Brennern beispielsweise in der Brennkammer einer Gasturbinenanlage eingesetzt werden kann, besteht aus einem inneren Teil, dem Pilotbrenner­system und einem konzentrisch dazu liegenden äußeren Teil, dem Hauptbrennersystem. Beide Systeme sind für einen Be­trieb mit Gas und/oder Öl in beliebiger Kombination ge­eignet. Als Brennstoffe finden im allgemeinen Erdgas und Heizöl Verwendung. Das Pilotbrennersystem besteht aus einem inneren Öl-Zufuhrkanal 1 und einem konzentrisch um diesen herum angeordneten inneren Gas-Zufuhrkanal 2. Dieser wiederum ist umgeben von einem konzentrisch ange­ordneten inneren Luft- (bzw. Inertstoff-) Zufuhrkanal 3. In oder an diesem Kanal kann ein geeignetes Zündsystem angeordnet sein, für welches viele Ausführungsmöglich­keiten bekannt sind und auf dessen Darstellung hier verzichtet wurde. Der innere Öl-Zufuhrkanal 1 weist an seinem Ende eine Öldüse 5 auf, der innere Luft-Zufuhrkanal 3 weist in seinem Endbereich eine Drallbeschaufelung 6 auf.
  • Das Pilotbrennersystem 1, 2, 3, 5, 6 kann in an sich be­kannter Weise mit Öl oder Gas betrieben werden. Auch die aus der EP-A-0193 838 bekannte Ausführung des Pilotbren­nersystems als separater Vormischbrenner eignet sich für die vorgeschlagene Anordnung und beeinträchtigt diese nicht.
  • Das Hauptbrennersystem besteht aus einem konzentrisch zum Pilotbrennersystem angeordneten und schräg auf dieses zulaufenden äußeren Luft-Zufuhr-Ringkanalsystem 4. Auch dieses Luft-Zufuhr-Ringkanalsystem 4 ist mit einer Drallbeschaufelung 7 versehen. Stromaufwärts der Drall­beschaufelung befinden sich Gasdüsenrohre 10 mit einer Mehrzahl von Gasdüsen 11 im Strömungsquerschnitt des Hauptluftstromes LH. Diese werden aus einem Gasringkanal 9 gespeist, welcher eine Haupt-Gas-Zuführungsleitung 8 aufweist.
  • Erfindungsgemäß weist der Brenner zusätzlich einen wei­teren Öl-Ringkanal 13 auf, welcher aus einer Haupt-Öl-­Zuleitung 12 gespeist wird. Dieser Öl-Ringkanal 13 liegt konzentrisch zum Pilotbrennersystem 1, 2, 3, 5, 6, und zwar in dem Bereich, in dem dieses mit dem Hauptbrenner­system 4, 7 zusammenstößt. Ein dort bei bisherigen Kon­struktionen ohnehin vorhandener Freiraum kann den Öl-­Ringkanal 13 aufnehmen. Er kann durch eine einzige zu­sätzliche Trennwand gebildet werden. Der Öl-Ringkanal 13 weist Bohrungen durch die Wand zum äußeren Luft-Zufuhr-Ring­kanalsystem 4 auf, welche im Bereich der Drallbeschaufelung 7 enden. Diese Bohrungen sind mit Düsen versehen, welche einen Öl-Sprühstrahl 15 erzeugen, der ungefähr senkrecht zum Hauptluftstrom LH gerichtet ist. Bei Anordnung der Düsen im Bereich der höchsten Strömungsgeschwindigkeit, d. h. im Bereich des geringstens Querschnittes der Drall­beschaufelung, bewirkt der Hauptluftstrom LH eine feine Zerstäubung des eingespritzten Öls. Vorzugsweise ist in jedem Zwischenraum zwischen den Schaufeln der Drallbe­schaufelung 7 mindestens eine Einlaßdüse 14 angeordnet. Über den Öldruck im Öl-Ringkanal 13 kann die Ölzufuhr geregelt werden.
  • Der erfindungsgemäße Brenner ermöglicht eine flexible Anpassung an die jeweils zur Verfügung stehende Brenn­stoffart bei gleichzeitiger Minimierung der NOx-Emission. Sowohl bei Betrieb mit Gas, wie auch bei Betrieb mit Öl und ggf. bei Kombinationen beider Betriebsweisen kann der Brenner als Vormischbrenner arbeiten, wobei die Stabilität der Flamme durch ein Pilotbrennersystem gewährleistet wird.

Claims (9)

1. Brenner für Betrieb mit Gas (G) und/oder Öl (O), bestehend aus einem zentralen Pilotbrennersystem (1, 2, 3, 5, 6), welches mit Gas und/oder Öl als Diffusionsbrenner oder gesonderter Vormischbrenner betrieben werden kann, wobei zusätzlich die Möglichkeit einer Einspeisung von Inertstoffen (I) vorhanden sein kann; ferner bestehend aus einem das Pilotbrennersystem (1, 2, 3, 5, 6) umge­benden ringförmigen Hauptbrennersystem (4, 7) für Vormisch­betrieb mit Gas (GH), welches aus einer Vielzahl von Düsen (11) dem Hauptluftstrom (LH)beimischbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zusätz­lich im Hauptbrennersystem (4, 7) Einlaßdüsen (14) für Öl (OH) vorhanden sind, die eine Vormischung des Hauptluftstromes (LH) mit Öl (OH) ermöglichen.
2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Einlaßdüsen (14) für Öl (OH) im Bereich der Drallbeschaufelung (7) des Hauptbrennersystems (4) angeordnet sind.
3. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Einlaßdüsen (14) im Bereich der höchsten Strömungsgeschwindigkeit zwischen der Drallbe­schaufelung (7) angeordnet sind.
4. Brenner nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßdüsen (14) für Öl (OH) so gerichtet und dimensioniert sind, daß im Normallastbereich des Brenners eine möglichst feine Zer­stäubung und gleichmäßige Verteilung im Hauptluftstrom (LH) erfolgt.
5. Brenner nach Anspruch 4, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Einlaßdüsen (14) etwa senkrecht zur Richtung des Hauptluftstromes (LH) gerichtet sind.
6. Brenner nach einem der vorherigen Ansprüche, da­durch gekennzeichnet, daß in jedem Zwischenraum zwischen den Schaufeln der Drallbeschaufelung (7) mindestens eine Einlaßdüse (14) angeordnet ist.
7. Brenner anch einem der vorherigen Ansprüche, da­durch gekennzeichnet, daß die Ein­laßdüsen (14) mit einem Ringkanal (13) in Verbindung stehen, der das Pilotbrennersystem (1, 2, 3, 5, 6) etwa konzentrisch umgibt und durch eine Haupt-Ölzuleitung (12) mit Öl (OH) beaufschlagbar ist.
8. Brenner nach Anspruch 7, dadurch ge­kennzeichnet, daß der Ringkanal (13) zwischen dem Pilotbrennersystem (1, 2, 3, 5, 6) und dem Hauptbrenner­system (4, 7) angeordnet ist, vorzugsweise im Bereich des Zusammenstoßens dieser System.
9. Brenner nach Anspruch 7 oder 8, dadurch ge­kennzeichnet, daß der Ringkanal (13) mit dem Wandbereich der Drallbeschaufelung überlappt, wobei die Einlaßdüsen (14) als Bohrungen, ggf. mit düsenförmi­gen Schraubeinsätzen, ausgelegt sind.
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