EP0849532A2 - Verfahren zum Betrieb eines Brenners - Google Patents

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EP0849532A2
EP0849532A2 EP97810891A EP97810891A EP0849532A2 EP 0849532 A2 EP0849532 A2 EP 0849532A2 EP 97810891 A EP97810891 A EP 97810891A EP 97810891 A EP97810891 A EP 97810891A EP 0849532 A2 EP0849532 A2 EP 0849532A2
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EP
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burner
gas
fuel
auxiliary gas
auxiliary
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EP0849532A3 (de
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Franz Joos
Marcel Stalder
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ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/10—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour
    • F23D11/22—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour the gaseous medium being vaporised fuel, e.g. for a soldering lamp, or other gaseous fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/10—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour
    • F23D11/101—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour medium and fuel meeting before the burner outlet
    • F23D11/102—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour medium and fuel meeting before the burner outlet in an internal mixing chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2206/00—Burners for specific applications
    • F23D2206/10—Turbines

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a burner, according to the Preamble of claim 1.
  • the nozzle can also be used with a so-called Ignition level can be provided. It is a second Atomizer, which is designed for correspondingly small throughputs and therefore at Partial load ensures a sufficiently fine atomization of the liquid fuel.
  • a second Atomizer which is designed for correspondingly small throughputs and therefore at Partial load ensures a sufficiently fine atomization of the liquid fuel.
  • This nozzle with their two fuel supply lines and with two radially one above the other Fuel channels, which act on depending on the required fuel mass flow , but requires a relatively large amount of space. They are also components used are naturally filigree, which makes the nozzle more susceptible to failure.
  • pp. 142-144 and Fig. 4.50 is an atomizer for liquid fuels known, in which an auxiliary gas upstream of the injection opening is introduced into the liquid flow.
  • a gas pipe is arranged which ends upstream of the injection opening and is provided with a plurality of outlet openings for the auxiliary gas.
  • the injection of the auxiliary gas in the liquid flow takes place at low speed and with only slightly higher pressure than the liquid flow.
  • This in the auxiliary gas emerging from the liquid forms gas bubbles, due to their influence relatively thin scraps of liquid and bands appear in the liquid flow. Because such Liquid flows with a smaller diameter easier to a fine Spray can be dissolved, this will atomize the liquid Improved fuel.
  • With the injection of the auxiliary gas into the liquid fuel pipe the total volume flow to be atomized is increased so that sufficient atomization even with partial load using a full jet atomizer of the fuel is available.
  • the invention tries to avoid all of these disadvantages. You have the task is based on a simple and suitable method for all operating conditions To create operation of a burner.
  • this is achieved in that in a method according to the preamble of claim 1, the auxiliary gas only in the ignition and at Partial load of the burner fed and the supply interrupted at high load ranges becomes.
  • the atomizer nozzle which is known per se, can now be used both on ignition and Low load conditions as well as under high load conditions and of course at Full load can be optimally adjusted. In this way the respective range of applications such an atomizer nozzle or one equipped with it Brenners significantly expanded. Your use with one with different combustion air pressures, such as. in a gas turbine, operated combustion chamber is only made possible by this.
  • the premixing of the liquid in the burner can Low-emission combustion can be achieved with the auxiliary gas.
  • An additional advantage results when using the method in axially mounted Combustion chambers where the burners are at different geodetic heights are arranged.
  • the supply of the auxiliary gas can, in particular, otherwise uneven distribution of the liquid fuel that occurs during ignition significantly reduced, thus increasing the functional reliability of the combustion chamber will.
  • auxiliary gas from a pressure vessel or Auxiliary compressor is supplied to the burner. According to the specific conditions of use the burner is therefore a suitable source for the auxiliary gas given.
  • Compressed air is particularly advantageously supplied as auxiliary gas. This is done at Requires either compressed ambient air or compressed air from the already filled pressure vessel before igniting the burner.
  • the stake of ambient air as auxiliary gas is particularly cheap because it is constantly is available.
  • the invention can also be used with inert gases, e.g. Nitrogen, with ignition gases (e.g. propane) or with fuel gases (e.g. natural gas) will be realized.
  • inert gases e.g. Nitrogen
  • ignition gases e.g. propane
  • fuel gases e.g. natural gas
  • a plurality of burners 1 are arranged in the gas turbine system, not shown, which are operated with a liquid fuel 2, more precisely with fuel oil. Naturally other suitable fuels can also be used.
  • Each burner 1 consists of an outer air tube 3 and a coaxial inside the air tube 3 arranged atomizer nozzle 4, both in one Combustion chamber 5 of the gas turbine system open out.
  • the atomizer nozzle 4 has a Liquid fuel tube 6 with an interior 7, a fuel feed line 8 and one circular injection opening 9.
  • a gas pipe 11 connected to a feed line 10 is arranged, which several Has outlet openings 12 in the interior 7.
  • the interior 7 is in the direction the injection opening 9 tapers, i.e. with a guide piece 13 for that Fuel oil 2 trained.
  • the feed line 10 has a control valve 14 with which the Gas pipe 1 can be opened or blocked.
  • each burner 1 When operating the gas turbine system, each burner 1 is switched over the corresponding one Fuel supply line 8 supplied with fuel oil 2.
  • the fuel oil 2 comes first in the interior 7 of the liquid fuel tube 6, where it through the Fuel pressure is further promoted in the direction of the injection opening 9.
  • Gas turbine system is arranged via the feed line 10 and in the gas pipe 11 Outlet openings 12 serving as auxiliary gas 15, compressed air into the Interior 7 located fuel oil 2 initiated.
  • This injection takes place with less Speed and with an insignificant compared to the fuel oil 2 higher pressure of about 0.1 to 3.0 bar.
  • the air serving as auxiliary gas 15 becomes the compressor section, not shown removed from the gas turbine system pre-compressed and, if necessary, also via one brought auxiliary compressor, not shown, to the required pressure.
  • the air 15 can also be supplied from a pressure vessel.
  • the fuel throughput of the Brenner 1 constantly.
  • the fuel pressure increases in line with the fuel throughput in the burner 1 and in the atomizing nozzle 4. If the atomization is sufficient required fuel pressure is reached, the air supply is through Closing the control valve 14 interrupted. With the control valve closed 14, i.e. at high fuel pressure, the fuel oil 2 is by means of the circular Injection opening 9 distributed to a fine, suitable for combustion spray.
  • auxiliary gases such as inert gases (nitrogen) or ignition gases (propane) or fuel gases (Natural gas) can be used.

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Abstract

Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches und für alle Betriebszustände geeignetes Verfahren zum Betrieb eines Brenners zu schaffen. Erfindungsgemäss wird das dadurch erreicht, dass bei der Zündung und bei Teillast des Brenners (1) stromauf der Einspritzöffnung (9) ein Hilfsgas (15) in den flüssigen Brennstoff (2) eingeführt, die Zufuhr des Hilfsgases (15) bei hohen Lastbereichen des Brenners (1) jedoch unterbrochen wird. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Brenners, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Zur Zerstäubung von flüssigen Brennstoffen werden unter anderem sogenannte Vollstrahlzerstäuber eingesetzt. Bei einer solchen Düse wird der flüssige Brennstoff aus einer Vorkammer durch eine kreisförmige Einspritzöffnung bestimmter Führungslänge unter hohem Druck ausgestossen. Der sich ergebende Brennstoffstrahl zerfällt in mehr oder weniger ruhender Umgebung zu einem feinen Spray. Um einen zur Verbrennung ausreichend feinen Spray zu erzeugen ist jedoch ein relativ hoher Brennstoffdruck erforderlich, wie er nur bei Vollast einer Gasturbinenanlage anliegt. Demgegenüber wird beispielsweise beim Zünden einer Brennkammer oder beim Hochfahren nach dem Zünden aufgrund des niedrigen Brennstoffdurchsatzes nur ein geringer Brennstoffdruck benötigt. Weil jedoch bei Teillast der Gasturbinenanlage die Zerstäubung des flüssigen Brennstoffs mittels eines Vollstrahlzerstäubers naturgemäss zu relativ grossen Tropfen führt, sind die herkömmlichen Vollstrahlzerstäuber für den Teillastbetrieb einer Gasturbinenanlage nicht geeignet.
Um dennoch feine Tropfen zu erzielen, kann die Düse zusätzlich mit einer sogenannten Zündstufe versehen werden. Dabei handelt es sich um einen zweiten Zerstäuber, der für entsprechend kleine Durchsätze ausgelegt ist und daher bei Teillast eine ausreichend feine Zerstäubung des Flüssigbrennstoffs gewährleistet. Eine solche Lösung ist aus dem Lehrbuch "Atomization and sprays", von A. Lefebvre, West Lafayette, Indiana 1989, S. 120, Fig. 4.21 bekannt. Diese Düse mit ihren beiden Brennstoffzuleitungen und mit zwei radial übereinander liegenden Brennstoffkanälen, welche je nach benötigtem Brennstoffmassenstrom beaufschlagt werden, benötigt jedoch einen relativ grossen Bauraum. Zudem sind die verwendeten Bauteile naturgemäss filigran, wodurch die Düse störanfälliger wird. Die Verwendung von mehr als zwei Zerstäubern in einer Düse führt zu einer Verstärkung der genannten Nachteile. Ausserdem ist eine entsprechende Anzahl von Brennstoffzuleitungen mit diversen Regelventilen erforderlich, wodurch nicht nur der konstruktive Aufwand sondern auch die Kosten steigen. Beim Umschalten auf den jeweils benötigten Zerstäuber treten Unstetigkeiten im Brennstoffstrom auf, die zum Verlöschen des Brenners führen können.
Aus der gleichen Quelle, jedoch S. 142 -144 und Fig. 4.50 ist ein Zerstäuber für flüssige Brennstoffe bekannt, bei dem stromauf der Einspritzöffnung ein Hilfsgas in den Flüssigkeitsstrom eingebracht wird. Dazu ist im Inneren des Flüssigbrennstoffrohres ein Gasrohr angeordnet, welches stromauf der Einspritzöffnung endet und mit mehreren Austrittsöffnungen für das Hilfsgas versehen ist. Die Eindüsung des Hilfsgases in den Flüssigkeitsstrom erfolgt mit geringer Geschwindigkeit und mit gegenüber dem Flüssigkeitsstrom nur unwesentlich höherem Druck. Das in die Flüssigkeit austretende Hilfsgas bildet Gasblasen, durch deren Einfluss relativ dünne Flüssigkeitsfetzen und -bänder im Flüssigkeitsstrom entstehen. Weil solche Flüssigkeitsströme mit geringerem Durchmesser leichter zu einem feinen Spray aufgelöst werden können, wird auf diese Weise die Zerstäubung des flüssigen Brennstoffs verbessert. Mit dem Eindüsen des Hilfsgases in das Flüssigbrennstoffrohr wird der zu zerstäubende Gesamtvolumenstrom erhöht, so dass mittels eines Vollstrahlzerstäubers auch bei Teillast eine ausreichende Zerstäubung des Brennstoffs erreichbar ist.
Der Nachteil eines solchen Zerstäubers ist jedoch, dass er nicht bei Vollast der Gasturbinenanlage, d.h. bei hohem Brennstoffdruck eingesetzt werden kann. Um bei diesem Betriebszustand das Eindüsen des Hilfsgases in den Flüssigbrennstoff und damit die Funktionsfähigkeit des Zerstäubers zu gewährleisten, muss das Hilfsgas hoch verdichtet werden. Dies ist jedoch sehr aufwendig und nicht ohne externe Energiezufuhr möglich. Daher haben derartige Zerstäuber bisher kaum Verbreitung gefunden.
Darstellung der Erfindung
Die Erfindung versucht, alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und für alle Betriebszustände geeignetes Verfahren zum Betrieb eines Brenners zu schaffen.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass bei einem Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1, das Hilfsgas nur bei der Zündung sowie bei Teillast des Brenners zugeführt und die Zufuhr bei hohen Lastbereichen unterbrochen wird.
Damit kann die an sich bekannte Zerstäuberdüse nunmehr sowohl an Zünd- und Niedriglastbedingungen als auch unter hohen Lastbedingungen und natürlich bei Vollast optimal angepasst werden. Auf diese Weise wird das jeweilige Anwendungsspektrum einer solchen Zerstäuberdüse bzw. eines mit ihr ausgestatteten Brenners wesentlich erweitert. Ihr Einsatz bei einer mit unterschiedlichen Verbrennungsluftdrücken, wie z.B. bei einer Gasturbine, betriebenen Brennkammer wird dadurch erst ermöglicht.
Allgemein kann durch die im Brenner erfolgende Vormischung des flüssigen Brennstoffs mit dem Hilfsgas eine emissionsärmere Verbrennung erzielt werden. Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich beim Einsatz des Verfahrens in axial gelagerten Brennkammern, bei denen die Brenner in unterschiedlichen geodätischen Höhen angeordnet sind. Durch die Zufuhr des Hilfsgases kann die ansonsten insbesondere beim Zünden auftretende, ungleichmässige Verteilung des Flüssigbrennstoffs deutlich verringert und damit die Funktionssicherheit der Brennkammer erhöht werden.
Es ist besonders zweckmässig, wenn das Hilfsgas auch bei Unterbrechung der Versorgung des Brenners mit flüssigem Brennstoff weiterhin zugeführt wird. Auf diese Weise kann die Zerstäuberdüse zusätzlich gespült und damit ihrem Verkoken vorgebeugt werden.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Hilfsgas aus einem Druckbehälter oder einem Hilfsverdichter zum Brenner geliefert wird. Entsprechend den konkreten Einsatzbedingungen des Brenners ist damit jeweils eine geeignete Quelle für das Hilfsgas gegeben.
Besonders vorteilhaft wird verdichtete Luft als Hilfsgas zugeführt. Dazu wird bei Bedarf entweder Umgebungsluft verdichtet oder komprimierte Luft aus dem bereits vor dem Zünden des Brenners gefüllten Druckbehälter verwendet. Der Einsatz von Umgebungsluft als Hilfsgas ist deshalb besonders günstig, weil sie ständig zur Verfügung steht.
Je nach Verfügbarkeit kann die Erfindung auch mit inerten Gasen, wie z.B. Stickstoff, mit Zündgasen (z.B. Propan) oder mit Brenngasen (beispielsweise Erdgas) realisiert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines in einer Gasturbinenanlage angeordneten Brenners für flüssige Brennstoffe dargestellt. Die einzige Figur zeigt einen Teillängsschnitt durch den mit einer Zerstäuberdüse ausgestatteten Brenner.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind von der Anlage beispielsweise der Verdichter und die Gasturbine. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.
Weg zur Ausführung der Erfindung
In der nicht dargestellten Gasturbinenanlage sind mehrere Brenner 1 angeordnet, die mit einem flüssiger Brennstoff 2, genauer mit Brennöl betrieben werden. Natürlich können auch andere geeignete Brennstoffe Verwendung finden.
Jeder Brenner 1 besteht aus einem äusseren Luftrohr 3 und einer koaxial im Inneren des Luftrohres 3 angeordneten Zerstäuberdüse 4, welche beide in eine Brennkammer 5 der Gasturbinenanlage münden. Die Zerstäuberdüse 4 weist ein Flüssigbrennstoffrohr 6 mit einem Innenraum 7, eine Brennstoffzuleitung 8 und eine kreisförmige Einspritzöffnung 9 auf. Im Innenraum 7 der Zerstäuberdüse 4 ist ein mit einer Zuleitung 10 verbundenes Gasrohr 11 angeordnet, welches mehrere Austrittsöffnungen 12 in den Innenraum 7 aufweist. Der Innenraum 7 ist in Richtung der Einspritzöffnung 9 verjüngt, d.h. mit einem Führungsstück 13 für das Brennöl 2 ausgebildet. Die Zuleitung 10 besitzt ein Steuerventil 14, mit dem das Gasrohr 1 geöffnet oder versperrt werden kann.
Beim Betrieb der Gasturbinenanlage wird jeder Brenner 1 über die entsprechende Brennstoffzuleitung 8 mit Brennöl 2 versorgt. Dabei gelangt das Brennöl 2 zunächst in den Innenraum 7 des Flüssigbrennstoffrohres 6, wo es durch den Brennstoffdruck in Richtung der Einspritzöffnung 9 weitergefördert wird. Sowohl während dem Zündvorgang als auch beim Teillastbetrieb der Brenner 1 bzw. der Gasturbinenanlage wird über die Zuleitung 10 und die im Gasrohr 11 angeordneten Austrittsöffnungen 12 als Hilfsgas 15 dienende, verdichtete Luft in das sich im Innenraum 7 befindliche Brennöl 2 eingeleitet. Diese Eindüsung erfolgt mit geringer Geschwindigkeit und mit einem gegenüber dem Brennöl 2 nur unwesentlich höheren Druck von zirka 0,1 bis 3,0 bar. Durch die zusätzliche Luft 15 wird der Volumenstrom und damit der Brennstoffdruck erhöht, so dass sowohl bereits beim Zündvorgang als auch beim Teillastbetrieb der Brenner 1 eine verbesserte Zerstäubung des Brennöls 2 erzielt werden kann. Zudem bildet das in das flüssige Brennöl 2 eintretende Hilfsgas 15 Luftblasen aus, durch deren Einfluss das Brennöl 2 in die Form von dünnen Flüssigbrennstoff-Fetzen und -bändern gequetscht wird. Weil somit die einzelnen Teile des Brennöls 2 einen relativ geringen Ausgangsdurchmesser aufweisen, kann beim Eindüsen des Brennöls 2 durch die Einspritzöffnung 9 eine besonders feine Zerstäubung erreicht werden.
Die als Hilfsgas 15 dienende Luft wird dem nicht dargestellten Verdichterabschnitt der Gasturbinenanlage vorverdichtet entnommen und bei Bedarf über einen ebenfalls nicht dargestellten Hilfsverdichter auf den erforderlichen Druck gebracht. Natürlich kann die Luft 15 auch aus einem Druckbehälter zugeführt werden.
Mit zunehmender Last der Gasturbinenanlage nimmt der Brennstoffdurchsatz des Brenners 1 ständig zu. Analog zum Brennstoffdurchsatz steigt der Brennstoffdruck im Brenner 1 und in der Zerstäuberdüse 4. Wenn der zu einer ausreichenden Zerstäubung erforderliche Brennstoffdruck erreicht ist, wird die Luftzufuhr durch Schliessen des Steuerventils 14 unterbrochen. Bei geschlossenem Steuerventil 14, d.h. bei hohem Brennstoffdruck, wird das Brennöl 2 mittels der kreisförmigen Einspritzöffnung 9 zu einem feinen, für die Verbrennung geeigneten Spray verteilt.
Auch während einer Unterbrechung der Versorgung des Brenners 1 mit flüssigem Brennstoff 2, z. B. beim zeitweiligen Einsatz des Brenners 1 als Zünd-, Pilot- oder als Stufenbrenner einer gestuften Brennkammer, oder beim Abschalten der Gasturbinenanlage wird dem Brenner 1 weiterhin Luft 15 zugeführt. Auf diese Weise wird eine Spülung der Zerstäuberdüse 4 gewährleistet und damit deren Verkoken vorgebeugt.
Natürlich können alternativ zur verwendeten Luft 15 auch noch andere Hilfsgase, wie beispielsweise inerte Gase (Stickstoff) oder Zündgase (Propan) oder Brenngase (Erdgas) eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste
1
Brenner
2
flüssiger Brennstoff, Brennöl
3
Luftrohr, äusseres
4
Zerstäuberdüse
5
Brennkammer
6
Flüssigbrennstoffrohr
7
Innenraum
8
Brennstoffzuleitung
9
Einspritzöffnung, kreisförmig
10
Zuleitung
11
Gasrohr
12
Austrittsöffnung
13
Führungsstück
14
Steuerventil
15
Hilfsgas, Luft

Claims (9)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Brenners (1), bei dem mit einem aktuellen Brennstoffdruck in eine Zerstäuberdüse (4) des Brenners (1) einströmender flüssiger Brennstoff (2) durch eine Einspritzöffnung (9) ausgestossen, zuvor jedoch ein Hilfsgas (15) mit einem nur geringfügig höheren Druck als der Brennstoffdruck in den flüssigen Brennstoff (2) eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfsgas (15) bei der Zündung und bei Teillast des Brenners (1) zugeführt, die Zufuhr bei hohen Lastbereichen des Brenners (1) jedoch unterbrochen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfsgas (15) auch bei Unterbrechung der Versorgung des Brenners (1) mit flüssigem Brennstoff (2) weiterhin zugeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfsgas (15) aus einem Druckbehälter oder einem Hilfsverdichter zum Brenner (1) geliefert wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass verdichtete Luft als Hilfsgas (15) zugeführt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass während der Zündung und/oder dem Teillastbetrieb des Brenners (1) Umgebungsluft (15) verdichtet und zum Brenner (1) geliefert wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass komprimierte Luft (15) aus einem vor dem Zünden des Brenners (1) befüllten Druckbehälter zum Brenner (1) geliefert wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Hilfsgas (15) ein inertes Gas, vorzugsweise Stickstoff, zum Brenner (1) geliefert wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Hilfsgas (15) ein Zündgas, vorzugsweise Propan zum Brenner (1) geliefert wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Hilfsgas (15) ein Brenngas, vorzugsweise Erdgas, verwendet wird.
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DE19653059A DE19653059A1 (de) 1996-12-19 1996-12-19 Verfahren zum Betrieb eines Brenners
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