EP0276696B1 - Hybridbrenner für Vormischbetrieb mit Gas und/oder Öl, insbesondere für Gasturbinenanlagen - Google Patents

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

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EP0276696B1
EP0276696B1 EP88100461A EP88100461A EP0276696B1 EP 0276696 B1 EP0276696 B1 EP 0276696B1 EP 88100461 A EP88100461 A EP 88100461A EP 88100461 A EP88100461 A EP 88100461A EP 0276696 B1 EP0276696 B1 EP 0276696B1
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EP
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burner
oil
gas
main
burner system
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EP0276696A2 (de
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Helmut Dipl.-Math. Maghon
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Siemens AG
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    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
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    • F23C7/002—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion
    • F23C7/004—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion using vanes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D17/00—Burners for combustion simultaneously or alternately of gaseous or liquid or pulverulent fuel
    • F23D17/002—Burners for combustion simultaneously or alternately of gaseous or liquid or pulverulent fuel gaseous or liquid fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L7/00—Supplying non-combustible liquids or gases, other than air, to the fire, e.g. oxygen, steam
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F23R3/04—Air inlet arrangements
    • F23R3/10—Air inlet arrangements for primary air
    • F23R3/12—Air inlet arrangements for primary air inducing a vortex
    • F23R3/14—Air inlet arrangements for primary air inducing a vortex by using swirl vanes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • 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 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 fed with oil instead of gas, but because of the completely different volume flows, the nozzles would have to be dimensioned in a completely different way. 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 dusting, since the flow velocity of the air is relatively low in this area.
  • 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.
  • a burner for operation with gas and / or 01 consisting of a central pilot burner system which can be operated with gas and / or oil as a diffusion burner or separate premix burner, with the possibility of additionally feeding in inert substances; further consisting of a main burner system surrounding the pilot burner system with an air supply ring channel system and a swirl blading located therein with a plurality of blades, for premix operation with gas, which can be admixed to the main air flow from a plurality of gas nozzles, with additional inlet nozzles for oil in the main burner system Swirl blading area are available, 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 the dependent claims and are explained in more detail with reference to the drawing.
  • the feeding of inert substances for example steam, water or nitrogen
  • 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 01 in any combination. Natural gas and heating oil are generally used as fuels.
  • the pilot burner system consists of an inner oil supply duct 1 and an inner gas supply duct 2 arranged concentrically around this. This in turn is surrounded by a concentrically arranged inner air (or inert material) supply duct 3.
  • a or in this duct 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 bores through the wall to the outer air supply ring channel system 4, which end in the area of the swirl blades 7. These bores 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 intermediate 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 NOx emissions.
  • 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.

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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.
  • 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 Zefstäubung 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 ein Brenner für Betrieb mit Gas und/oder 01 vorgeschlagen, bestehend aus einem zentralen Pilotbrennersystem, welches mit Gas und/oder Öl als Diffusionsbrenner oder gesonderter Vormischbrenner betreibbar ist, wobei zusätzlich die Möglichkeit einer Einspeisung von Inertstoffen vorhanden sein kann; ferner bestehend aus einem das Pilotbrennersystem umgebenden Hauptbrennersystem mit einem Luft-Zufuhr-Ringkanalsystem und einer darin befindlichen Drallbeschaufelung mit einer Mehrzahl von Schaufeln, für Vormischbetrieb mit Gas, welches aus einer Vielzahl von Gasdüsen dem Hauptluftstrom beimischbar ist, wobei zusätzlich im Hauptbrennersystem Einlaßdüsen für Öl im Bereich der Drallbeschaufelung vorhanden sind, die eine Vormischung des Hauptluftstromes mit Öl ermöglichen. Günstige Anordnungen der Einlaßdüsen und Ausführungsmöglichkeiten des zugehörigen Ölversorgungssystems sind in den abhängigen Ansprüchen 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 Erfindung 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 gleichen Brennstoff, nämlich Gas und 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 01 in beliebiger Kombination geeignet. Als Brennstoffe finden im allgemeinen Erdgas und Heizöl Verwendung. Das Pilotbrennersystem besteht aus einem inneren ÖI-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 ÖlZufuhrkanal 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 ÖI-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 ÖI-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 ÖI-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 ÖI-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 (7)

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 betreibbar ist, wobei zusätzlich die Möglichkeit einer Einspeisung von Inertstoffen (I) vorhanden sein kann; ferner bestehend aus einem das Pilotbrennersystem (1, 2, 3, 5, 6) umgebenden Hauptbrennersystem (4, 7) mit einem Luft-Zufuhr-Ringkanalsystem (4) und einer darin befindlichen Drallbeschaufelung (7) mit einer Mehrzahl von Schaufeln, für Vormischbetrieb mit Gas (GH), welches aus einer Vielzahl von Gasdüsen (11) dem Hauptluftstrom (LH) beimischbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich im Hauptbrennersystem (4, 7) Einlaßdüsen (14) für Öl (OH) im Bereich der Drallbeschaufelung (7) vorhanden sind, die eine Vormischung des Hauptluftstromes (LH) mit Öl (OH) ermöglichen.
2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßdüsen (14) im Bereich der höchsten Strömungsgeschwindigkeit zwischen den Schaufeln angeordnet sind.
3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßdüsen (14) etwa senkrecht zur Richtung des Hauptluftstromes (LH) gerichtet sind.
4. Brenner nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Zwischenraum zwischen den Schaufeln der Drallbeschaufelung (7) mindestens eine Einlaßdüse (14) angeordnet ist.
5. Brenner nach 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 beaufschlagbar ist.
6. Brenner nach Anspruch 5, 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 Systeme.
7. Brenner nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkanal (13) mit dem Wandbereich der Drallbeschaufelung (7) überlappt, wobei die Einlaßdüsen (14) als Bohrungen, ggf. mit düsenförmigen Schraubeneinsätzen, ausgelegt sind.
EP88100461A 1987-01-26 1988-01-14 Hybridbrenner für Vormischbetrieb mit Gas und/oder Öl, insbesondere für Gasturbinenanlagen Expired - Lifetime EP0276696B1 (de)

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EP0276696A3 EP0276696A3 (en) 1989-04-05
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