EP1105678A1 - Verfahren zum betrieb eines hybridbrenners - Google Patents

Verfahren zum betrieb eines hybridbrenners

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EP1105678A1
EP1105678A1 EP99952350A EP99952350A EP1105678A1 EP 1105678 A1 EP1105678 A1 EP 1105678A1 EP 99952350 A EP99952350 A EP 99952350A EP 99952350 A EP99952350 A EP 99952350A EP 1105678 A1 EP1105678 A1 EP 1105678A1
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premix
burner
fuel
air supply
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Carsten Tiemann
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Siemens AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23D17/002—Burners for combustion conjointly or alternatively 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
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23D2206/10—Turbines
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2900/00—Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
    • F23D2900/00014—Pilot burners specially adapted for ignition of main burners in furnaces or gas turbines

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a hybrid burner, which has a premix burner and a pilot burner.
  • the premix burner has a premix air supply duct and at least one premix fuel supply duct which opens into the premix air supply duct.
  • the pilot burner has an air supply duct and a fuel supply duct for liquid and / or gaseous fuel.
  • a hybrid burner is known from EP 0 580 683 B1.
  • the hybrid burner has a pilot burner system which is surrounded concentrically by a premix burner.
  • the pilot burner system has a central oil supply with an inner gas supply channel arranged around it.
  • the gas supply duct is surrounded by a concentrically arranged inner air supply duct.
  • the pilot burner system is in turn surrounded by a feed channel system for various fuels, this feed channel system having a first gas feed channel and a second gas feed channel and an oil feed channel.
  • An outer air supply duct surrounds the supply duct system of the fuels, the ducts of this supply duct system each opening into the outer air supply duct.
  • the outer air supply duct and the supply duct system of the fuels form the premix burner of the hybrid burner.
  • the hybrid burner can be operated in various operating modes, air being fed to combustion via the outer and inner air supply ducts and fuel being fed via one or more of the ducts used for the fuel supply.
  • a first diffusion mode of operation is known, whereby combustion takes place via the first gas supply channel of the pilot burner coal gas, via the second gas supply channel of the premix burner also coal gas and via the two air supply channels. air duct is supplied.
  • fuel and air are supplied via the first gas supply channel as in the first diffusion mode and, moreover, water vapor.
  • fuel and air are supplied via the oil supply channel, as in the first diffusion mode, and in addition, water.
  • the object of the invention is to provide a method for operating a hybrid burner with a NO x reduction.
  • the object is achieved by a method according to the preamble of claim 1, in which air is supplied to a combustion via the air supply duct and via the premix air supply duct, oil via the fuel supply duct and water via the premix fuel supply duct.
  • the invention is based on the knowledge that when the hybrid burner is operated in the second or third diffusion operating mode according to EP 0 580 683 B1, the ignition of so-called combustion chamber vibrations can be favored if the amount of water vapor supplied per unit of time has a water vapor limit value or the amount of water supplied per unit of time exceeds a water limit.
  • Combustion chamber vibrations are understood to mean standing pressure vibrations which form in the combustion chamber during operation of the hybrid burner.
  • the combustion chamber vibrations can lead to a high mechanical load on the parts of the gas turbine forming the combustion chamber.
  • the invention is based on the further finding that the water limit value and the water vapor limit value depend on the channel through which the hybrid burner supplies the water.
  • the water is supplied in liquid and / or vapor form via the premixed fuel.
  • the water limit value or the water vapor limit value can be here than with a hybrid burner that is operated after the first or second diffusion operation according to EP 0 580 683 B1.
  • the water supplied is used to reduce NO x during combustion of the fuel and air supplied.
  • the higher the amount of water supplied per unit of time the higher the NO x reduction rate.
  • the amount of water that can be supplied per unit of time is much higher than in a method according to the prior art, and consequently the NO x emission is also reduced.
  • the performance of the hybrid burner can be higher with the same NO x emission, because because a larger amount of water can be supplied, the amount of fuel and air combustible per unit of time can be correspondingly larger.
  • the object directed to the method is alternatively achieved by a method according to the preamble of patent claim 2, in which air is supplied via the air supply duct and via the premix air supply duct, fuel gas exclusively via the fuel supply duct and water via the premix fuel supply duct.
  • Water in the liquid state is preferably supplied via a premix fuel supply channel which is designed to supply oil.
  • Water vapor is further preferably supplied via a premix fuel supply channel which is designed for supplying fuel gas.
  • Equivalent burner arrangements include understood such burner arrangements which have a premix burner and a pilot burner spatially separated from one another, the flames of which mutually influence one another during operation.
  • the figure shows a hybrid burner, which is shown schematically and not to scale.
  • a hybrid burner 20 is shown for a combustion chamber of a gas turbine, not shown.
  • the hybrid burner has a pilot burner 21 and a premix burner 22.
  • the pilot burner 21 comprises a fuel feed channel 1 for liquid or gaseous fuel, a gas fuel feed channel 2 for gaseous fuel and an air feed channel 3.
  • the premix burner 22 comprises a first premix fuel feed channel 8 and a second premix fuel feed channel 16, which are each designed to supply fuel gas Premixed air supply duct 4 and a third premixed fuel supply duct 12, which is designed to supply liquid fuel.
  • the gas fuel supply channel 2, the air supply channel 3, the first premix fuel supply channel 8, the second premix fuel supply channel 16, the premix air supply channel 4 and the third premix fuel supply channel 12 are each designed as an annular channel.
  • the fuel supply channel 1 is arranged centrally along a main axis 30. This is surrounded by the gas fuel supply channel 2, which in turn is surrounded by the air supply channel 3.
  • the air supply duct 3 has an opening 31 which forms the opening of the pilot burner.
  • the air supply duct 3 is surrounded in front of its mouth 31 by the third premix fuel supply duct 12.
  • the air supply Channel 3 is also surrounded by the first premixed fuel supply channel 8, which in turn is surrounded by the second premixed fuel supply channel 16.
  • the pilot burner 21 and the premixed fuel supply channels 8, 12 and 16 are surrounded by the outer air supply channel 4.
  • the third premixed fuel supply channel 12 opens into the outer one Air supply duct 4.
  • the first premix fuel supply duct 8 and the second premix fuel supply duct 16 open towards the mouth 31, viewed in front of the third premix fuel supply duct 12, into the premix air supply duct 4.
  • the hybrid burner 20 has an opening 23 with which it opens into a combustion chamber 24 of a gas turbine (not shown in more detail).
  • air is supplied to the combustion chamber 24 via the air supply duct 3 and via the premix air supply duct 4, oil via the fuel supply duct 1 and water via the third premix supply duct 12, where the oil and the air are combusted in the presence of the water.
  • water vapor is supplied via the second premixed fuel supply channel 8 instead of or simultaneously with a supply of water via the third premixed fuel supply channel 12.
  • the hybrid burner 20 can additionally be operated in a so-called gas diffusion mode, gaseous fuel being produced exclusively via the fuel supply duct 1 or the gas fuel supply duct 2, air via the air supply duct 3 or the premixed air supply duct 4 and water via the premixed air supply duct 8, 12 and / or 16.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Hybridbrenners (20). Der Hybridbrenner (20) weist einen Vormischbrenner (22) und einen Pilotbrenner (21) auf. Der Vormischbrenner (22) umfaßt einen Vormischluftzufuhrkanal (4), in den ein Vormischbrennstoffzufuhrkanal (8, 12, 16) mündet. Der Pilotbrenner (21) umfaßt einen Luftzufuhrkanal (3) und einen Brennstoffzufuhrkanal (1, 2) für flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoff. Beim Betrieb des Hybridbrenners (20) werden Luft über den Luftzufuhrkanal (3) und über den Vormischluftzufuhrkanal (4), Öl über den Brennstoffzufuhrkanal (1) und Wasser über den Vormischbrennstoffzufuhrkanal (8, 12, 16) zugeführt.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betrieb eines Hybridbrenners
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Hybridbrenners, der einen Vormischbrenner und einen Pilotbrenner aufweist. Der Vormischbrenner weist einen Vormischluftzufuhrkanal und zumindest einen Vormischbrennstoffzufuhrkanal auf, welcher in den Vormischluftzufuhrkanal mündet. Der Pi- lotbrenner weist einen Luftzufuhrkanal und einen Brennstoffzufuhrkanal für flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoff auf.
Ein Hybridbrenner ist bekannt aus der EP 0 580 683 Bl. Der Hybridbrenner weist ein Pilotbrennersystem auf, das konzentrisch von einem Vormischbrenner umgeben ist. Das Pilotbrennersystem weist eine zentrale Ölzuführung mit einem um diese herum angeordneten inneren Gaszufuhrkanal auf. Der Gaszufuhrkanal ist umgeben von einem konzentrisch angeordneten inneren Luftzufuhrkanal. Das Pilotbrennersystem ist wiederum umgeben von einem Zufuhrkanalsystem für verschiedene Brennstoffe, wobei dieses Zufuhrkanalsystem einen ersten Gaszufuhrkanal und einen zweiten Gaszufuhrkanal und einen Ölzufuhrkanal aufweist. Ein äußerer Luftzufuhrkanal umgibt das Zufuhrkanalsy- stem der Brennstoffe, wobei die Kanäle dieses Zufuhrkanalsystems jeweils in den äußeren Luftzufuhrkanal münden. Der äußere Luftzufuhrkanal und das Zufuhrkanalsystem der Brennstoffe bilden den Vormischbrenner des Hybridbrenners.
Der Hybridbrenner ist in verschiedenen Betriebsarten betreibbar, wobei über den äußeren und den inneren Luftzufuhrkanal Luft und über einen oder mehrere der der BrennstoffZuführung dienende Kanäle Brennstoff einer Verbrennung zugeführt werden. Dabei ist eine erste Diffusionsbetriebsart bekannt, wo- bei der Verbrennung über den ersten Gaszufuhrkanal des Pilotbrenners Kohlegas, über den zweiten Gaszufuhrkanal des Vor- mischbrenners ebenfalls Kohlegas und über die beiden Luftzu- fuhrkanäle Luft zugeführt wird. Bei einer zweiten Diffusionsbetriebsart werden Brennstoff und Luft wie bei der ersten Diffusionsbetriebsart und darüber hinaus Wasserdampf über den ersten Gaszufuhrkanal zugeführt. Bei einer dritten Diffusi- onsbetriebsart werden Brennstoff und Luft wie bei der ersten Diffusionsbetriebsart und darüber hinaus Wasser über den Öl- zufuhrkanal zugeführt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb eines Hybridbrenners mit einer NOx-Reduktion anzugeben.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, durch ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, bei dem Luft über den Luftzufuhrkanal und über den Vormischluftzufuhrkanal, Öl über den Brennstoffzufuhrkanal und Wasser über den Vormisch- brennstoffzufuhrkanal einer Verbrennung zugeführt werden.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß beim Betrieb des Hybridbrenners in der zweiten oder dritten Diffusionsbe- triebsart nach der EP 0 580 683 Bl die Anfachung von sogenannten Brennkammerschwingungen begünstigt sein kann, wenn die pro Zeiteinheit zugeführte Menge an Wasserdampf einen Wasserdampfgrenzwert, bzw. die pro Zeiteinheit zugeführte Menge an Wasser einen Wassergrenzwert überschreitet. Unter Brennkammerschwingungen sind sich beim Betrieb des Hybridbrenners in der Brennkammer ausbildende, stehende Druckschwingungen zu verstehen. Die Brennkammerschwingungen können zu einer hohen mechanischen Belastung der die Brennkammer bildenden Teile der Gasturbine führen. Die Erfindung geht von der weiteren Erkenntnis aus, daß der Wassergrenzwert und der Wasserdampfgrenzwert davon abhängen, über welchen Kanal des Hybridbrenners das Wasser zugeführt wird.
Bei einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen Hybridbrenner wird das Wasser flüssig und/oder dampfförmig über den Vormischbrennstoff anal zugeführt. Dadurch kann der Wassergrenzwert, bzw. der Wasserdampfgrenzwert sehr viel hö- her sein, als bei einem Hybridbrenner, der nach dem ersten oder zweiten Diffusionsbetrieb nach der EP 0 580 683 Bl betrieben wird. Das zugeführte Wasser dient der NOx-Reduktion während einer Verbrennung vom zugeführten Brennstoff und Luft. Je höher die pro Zeiteinheit zugeführte Menge an Wasser ist, um so höher ist die NOx-Reduktionsrate. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist im Vergleich zu einem Verfahren nach dem Stand der Technik die pro Zeiteinheit zuführbare Wassermenge sehr viel höher und folglich ist auch die NOx- Emission verringert. Des weiteren kann bei gleicher NOx-Emis- sion die Leistung des Hybridbrenners höher sein, denn weil eine größere Wassermenge zuführbar ist, kann die pro Zeiteinheit verbrennbare Menge an Brennstoff und Luft entsprechend größer sein.
Die auf das Verfahren gerichtete Aufgabe wird alternativ gelöst, durch ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2, bei dem Luft über den Luftzufuhrkanal und über den Vormischluftzufuhrkanal, Brenngas ausschließlich über den Brennstoffzufuhrkanal und Wasser über den Vormischbrennstoff- zufuhrkanal zugeführt wird.
Auch bei diesem Verfahren ist die Zuführung einer größeren Menge an Wasser möglich, ohne daß es zu einer maßgeblichen Anregung von Brennkammerschwingungen kommt. Dadurch kann die NOx-Emission bei gleicher Leistung des Hybridbrenners vermindert werden. Ebenso kann bei gleicher NOx-Emission die Leistung des Hybridbrenners erhöht werden.
Vorzugsweise wird Wasser im flüssigen Zustand über einen Vormischbrennstoffzufuhrkanal zugeführt, der zur Zuführung von Öl ausgelegt ist. Weiter bevorzugt wird Wasserdampf über ein Vormischbrennstoffzufuhrkanal zugeführt, der zur Zuführung von Brenngas ausgelegt ist. Dadurch ist das Verfahren auf vorhandene und bereits im Betrieb einer Gasturbine eingesetzte Hybridbrenner oder äquivalente Brenneranordnungen anwendbar. Unter äquivalenten Brenneranordnungen werden beispiels- weise solche Brenneranordnungen verstanden, die räumlich voneinander getrennt einen Vormischbrenner und einen Pilotbrenner aufweisen, wobei sich deren Flammen im Betrieb gegenseitig beeinflussen.
Die Verfahren sind anhand des in der einzigen Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Die Figur zeigt einen schematisch und nicht maßstäblich dar- gestellten Hybridbrenner.
In der Figur ist ein Hybridbrenner 20 für eine nicht näher dargestellte Brennkammer einer Gasturbine dargestellt. Der Hybridbrenner weist einen Pilotbrenner 21 und einen Vormisch- brenner 22 auf. Der Pilotbrenner 21 umfaßt einen Brennstoffzufuhrkanal 1 für flüssigen oder gasförmigen Brennstoff, einen Gasbrennstoffzufuhrkanal 2 für gasförmigen Brennstoff und einen Luftzufuhrkanal 3. Der Vormischbrenner 22 umfaßt einen ersten Vormischbrennstoffzufuhrkanal 8 und einen zweiten Vor- mischbrennstoffzufuhrkanal 16, die jeweils zur Zuführung von Brenngas ausgeführt sind, einen Vormischluftzufuhrkanal 4 und einen dritten Vormischbrennstoffzufuhrkanal 12, der zur Zuführung von flüssigem Brennstoff ausgeführt ist. Der Gasbrennstoffzufuhrkanal 2, der Luftzufuhrkanal 3, der erste Vormischbrennstoffzufuhrkanal 8, der zweite Vormischbrennstoffzufuhrkanal 16, der Vormischluftzufuhrkanal 4 und der dritte Vormischbrennstoffzufuhrkanal 12 sind jeweils als Ringkanal ausgebildet.
Entlang einer Hauptachse 30 ist der Brennstoffzufuhrkanal 1 zentral angeordnet. Dieser ist umgeben von dem Gasbrennstoff- zufuhrkanal 2, der wiederum von dem Luftzufuhrkanal 3 umgeben ist. Der Luftzufuhrkanal 3 weist eine Mündung 31 auf, die die Mündung des Pilotbrenners bildet.
Der Luftzufuhrkanal 3 ist vor seiner Mündung 31 umgeben von dem dritten Vormischbrennstoffzufuhrkanal 12. Der Luftzufuhr- kanal 3 ist weiterhin umgeben von dem ersten Vormischbrennstoffzufuhrkanal 8, der wiederum umgeben ist von dem zweiten Vormischbrennstoffzufuhrkanal 16. Der Pilotbrenner 21 und die Vormischbrennstoffzufuhrkanäle 8, 12 und 16 sind umgeben von dem äußeren Luftzufuhrkanal 4. Der dritte Vormischbrennstoff- zufuhrkanal 12 mündet in den äußeren Luftzufuhrkanal 4. Der erste Vormischbrennstoffzufuhrkanal 8 und der zweite Vormischbrennstoffzufuhrkanal 16 münden in Richtung zur Mündung 31 betrachtet vor dem dritten Vormischbrennstoffzufuhrkanal 12 in den Vormischluftzufuhrkanal 4.
Der Hybridbrenner 20 weist eine Mündung 23 auf, mit der er in eine nicht näher dargestellte Brennkammer 24 einer Gasturbine mündet .
Bei einem Diffusionsbetrieb des Hybridbrenners wird Luft jeweils über den Luftzufuhrkanal 3 und über den Vormischluftzufuhrkanal 4, Öl über den Brennstoffzufuhrkanal 1 und Wasser über den dritten Vormischzufuhrkanal 12 in die Brennkammer 24 zugeführt, wo das Öl und die Luft unter Anwesenheit des Wassers verbrannt werden. Bei einem weiteren Diffusionsbetrieb wird anstatt oder gleichzeitig mit einer Zuführung von Wasser über den dritten Vormischbrennstoffzufuhrkanal 12 Wasserdampf über den zweiten Vormischbrennstoffzufuhrkanal 8 zugeführt.
Der Hybridbrenner 20 ist zusätzlich in einem sogenannten Gasdiffusionsbetrieb betreibbar, wobei gasförmiger Brennstoff ausschließlich über den Brennstoffzufuhrkanal 1 oder den Gasbrennstoffzufuhrkanal 2, Luft über den Luftzufuhrkanal 3 oder den Vormischluftzufuhrkanal 4 und Wasser über den Vormischluftzufuhrkanal 8, 12 und/oder 16 erfolgt.
Beim Gasdif usionsbetrieb erfolgt dabei die Zuführung von Wasserdampf über den zweiten Vormischzufuhrkanal 8 und/oder die Zuführung von Wasser über den dritten Vormischzufuhrkanal 12. All diesen Betriebsverfahren ist gemeinsam, daß eine Verbrennung von Brennstoff und Luft unter Anwesenheit einer großen Menge an Wasser durchgeführt werden kann, ohne daß es zu einer Anfachung von VerbrennungsSchwingungen kommt. Somit ist die Menge der bei der Verbrennung gebildeten Stickoxide erheblich verringerbar. Die Betriebsverfahren sind einfach bei bestehenden Hybridbrennern anwendbar.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb eines Hybridbrenners (20), der einen Vormischbrenner (22) und einen Pilotbrenner (21) aufweist, wobei der Vormischbrenner (22) einen Vormischluftzufuhrkanal (4) und einen Vormischbrennstoffzufuhrkanal (12) aufweist, welcher in den Vormischluftzufuhrkanal (4) mündet, und wobei der Pilotbrenner (21) einen Luftzufuhrkanal (3) und einen Brennstoffzufuhrkanal (1,2) für flüssigen und/oder gasförmi- gen Brennstoff aufweist, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t , daß Luft über den Luftzufuhrkanal (3) und über den Vormischluftzufuhrkanal (4), Öl über den Brennstoff- zufuhrkanal (1) und Wasser über den Vormischbrennstoffzufuhrkanal (12) zugeführt werden.
2. Verfahren zum Betrieb eines Hybridbrenners (20), der einen Vormischbrenner (22) und einen Pilotbrenner (21) aufweist, wobei der Vormischbrenner (22) einen Vormischluftzufuhrkanal
(4) und einen Vormischbrennstoffzufuhrkanal (8,16) aufweist, der in den Vormischluftkanal (4) mündet und wobei der Pilotbrenner (21) einen Luftzufuhrkanal (3) und einen Brennstoffzufuhrkanal (1,2) für flüssigen .und/oder gasförmigen Brennstoff aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c hn e t , daß Luft über den Luftzufuhrkanal (3) und über den Vormischluftzufuhrkanal (4), Brenngas ausschließlich über den Brennstoffzufuhrkanal (1,2) und Wasser über den Vormischbrennstoffzufuhrkanal (8,12,16) zugeführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Vormischbrennstoffzufuhrkanal (12) zur Zuführung von Öl ausgelegt ist und über diesen das Wasser in flüssigem Zustand zugeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Vormischbrennstoffzufuhrkanal (8,16) zur Zuführung von Brenngas ausgelegt ist und über diesen das Wasser in Form von Wasser- dampf zugeführt wird.
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