EP1334309A1 - Verfahren und vorrichtung zur brennstoffversorgung eines vormischbrenners - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur brennstoffversorgung eines vormischbrenners

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EP1334309A1
EP1334309A1 EP01970078A EP01970078A EP1334309A1 EP 1334309 A1 EP1334309 A1 EP 1334309A1 EP 01970078 A EP01970078 A EP 01970078A EP 01970078 A EP01970078 A EP 01970078A EP 1334309 A1 EP1334309 A1 EP 1334309A1
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EP
European Patent Office
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premix
burner
gas
area
premix gas
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EP01970078A
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English (en)
French (fr)
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EP1334309B1 (de
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Adnan Eroglu
Peter Stuber
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General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
Alstom Schweiz AG
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Publication date
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Publication of EP1334309A1 publication Critical patent/EP1334309A1/de
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D17/00—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel
    • 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
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • F23C7/002—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion
    • 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
    • F23R3/286—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply having fuel-air premixing devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/07002—Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for supplying fuel to a premix burner, which has at least one burner shell, which at least partially delimits an axially extending premix burner chamber, for operating a gas turbine, with a premix gas supply directed into the premix burner chamber via the burner shell, the premix gas mixed with combustion air and downstream, ignited outside the premix burner.
  • Premix burners of the type mentioned above are well known for the operation of gas turbine plants and have different premix burner geometries.
  • EP 0 321 809 B1 describes a conical premix burner consisting of a plurality of burner shells, a so-called double-cone burner, the burner shells of which are composed in such a way that tangential air inlet slots for the combustion air are formed along the burner axis.
  • Outlet openings for the premix gas are provided on the inflow edges of the burner shells formed in this way and are arranged distributed in the direction of the burner axis.
  • premix gas is fed into the interior of the premix burner via corresponding outlet openings which are arranged along the axially running air inlet slots, where the premix gas is mixed with combustion air and brought to ignition downstream of the combustion chamber.
  • Piloting stages are usually used to start the combustion process and to reach the medium load range of the gas turbine.
  • pilot gas is fed into the interior of the premix burner via a burner lance in the middle of the premix burner axis and mixes with combustion air and is ignited.
  • the pilot gas supply switched off and the premix gas supply started up.
  • such a switchover takes place when the gas turbine is shut down, in which the premix gas supply is switched off and the pilot gas supply is switched on.
  • high combustion oscillations occur within the burner system, which are associated with strong pressure fluctuations, which in turn has an immediate and disruptive effect on the load behavior of the gas turbine, which is consequently subjected to large load vibrations.
  • premix burners With the currently known premix burners, it is almost impossible to use the premix burner with different types of fuel, for example liquid or gaseous fuel to operate, especially since the burner lance, which is generally arranged centrally in the burner axis, for supplying pilot gas, which, as mentioned above, is required for starting up the gas turbine and for the lower load range, is arranged in close proximity to the central liquid fuel nozzle , Unintended ignition interactions between the two fuel outlets cannot be excluded.
  • fuel for example liquid or gaseous fuel
  • the invention is based on the object of developing a method and a device for supplying fuel to a premix burner in accordance with the preamble of claim 1 and claim 8 in such a way that the disadvantages mentioned above with respect to the prior art are to be avoided.
  • it is necessary to take measures on the premix burner so that an optimized adaptation of the premix burner behavior in the entire load range of the gas turbine is possible. In particular, this should be done without great technical and structural effort and should be possible with only low costs.
  • the idea on which the invention is based is the axially staged supply of premix gas along the flanks of the burner shells, in that the burner shells are subdivided into at least two regions arranged axially one behind the other, each of which is supplied via separate premix gas feed lines.
  • the areas separated from one another along the burner shells are arranged axially one behind the other in the flow direction of the premix burner, whereby it has been recognized according to the invention that more than 60% of the total premix gas supply should take place via the upstream first area for starting the gas turbine, and that for the further raising of the load Gas turbine up to full load wise or continuous redistribution of the premix gas supply to the areas adjacent downstream after the first area takes place.
  • premix gas supply along the burner shells of the premix burner and in particular the gradual supply of the individual areas with premix gas make it possible to completely dispense with the supply of pilot gas, even in the case of start-up and in the lower load areas of the gas turbine.
  • An embodiment designed according to the invention for the targeted inflow control of premix gas for the burner shells of the premix burner divided into different areas is referred to the description below with reference to the figures.
  • An essential aspect of the method according to the invention and of the device described in detail below is the separate, metered premix gas supply to the individual regions arranged axially one behind the other along the burner trays through which the premix gas is injected into the interior of the premix burner.
  • FIG. 1 shows a schematic cross-sectional representation through a conical premix burner
  • FIG. 2 shows a diagram of the mode of operation of the one shown in FIG.
  • FIG. 3 shows a schematic plan for the course of supply lines for supplying the premix burner with premix gas
  • FIG. 4 embodiment of a control valve.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a longitudinal section through a conical premix burner.
  • the premix burner has cone-shaped burner shells 1, 2, along which outlet openings 3 are provided in the axial direction to the burner longitudinal axis A, through which premix gas can be fed into the interior of the premix burner.
  • the burner shells 1, 2 are divided into two differently separated areas, stage S1, stage S2, which are supplied with premix gas from different premix gas supply lines 4, 5.
  • supply air is fed into the interior of the premix burner through air inlet slots (not shown in FIG. 1), which mixes with the premix gas 6 to form a fuel / air mixture.
  • a liquid fuel atomization direction 7 can be provided in the center of the premix burner, which permits mixed operation or a switchover from gaseous fuel to liquid fuel.
  • Liquid fuel is supplied with the aid of an atomizing nozzle known per se, which Generating atomizing cloud within the premix burner.
  • the spreading liquid fuel cloud is surrounded by a protective air jacket.
  • each area of the burner bowl is supplied with a premix gas supply which is arranged upstream within the premix burner.
  • this is the area of stage 1, which is operated for starting up and for operating the premix burner in the low load range with more than 60% of the total premix gas supply.
  • FIG. 2 shows an overview diagram from which the percentage distribution of the premix gas distribution between area S1 and area S2 can be seen.
  • the fields shown in black correspond to the proportion of the premix gas exiting through area 1, the lighter fields in each case the proportion of premix gas which enters the interior of the burner via area S2 of the premix burner.
  • the lion's share (ie more than 90%) of the total premix gas supply flows through area 1 into the interior of the premix burner during ignition.
  • the proportion of premix gases escaping over range 2 increases slightly.
  • both areas S1 and S2 are supplied with roughly equal amounts of premix gas.
  • a main control valve 9 is provided in a common feed line 8 via which premix gas is fed to the premix burner.
  • the direct inflow of premix gas to the area S1 of the premix burner can be controlled via the main control valve 9.
  • a crossing point 10 is provided in the feed line between the main control valve 9 and the outlet area S1 of the premix burner, at which part of the premix gas is discharged into a feed branch 11.
  • a further control unit in the form of a spring-loaded pressure relief valve 12 is provided in the feed branch 11 and is described in more detail below with reference to FIG. 4.
  • a bypass line 13, the flow cross section of which is small enough or in which a corresponding throttle element 14 is provided, ensures that when the control valve 12 is closed, a small premix gas flow can be supplied to the region S2 of the premix burner.
  • the feed system for premix gas shown in FIG. 3 to the two areas S1 and S2 of the premix burner now has the following mode of operation.
  • the area S1 of the premix burner is supplied with premix gas.
  • the gas pressure within the supply lines supplying the area S1 with premix gas and also in the supply line 11 is not yet able to open the spring-loaded pressure relief valve. Only a small proportion of premix gas reaches the area S2 of the premix burner via the bypass line 13 and exits there into the interior of the premix burner. This corresponds to the state when the gas turbine is started up or when the premix burner is ignited.
  • the premix gas pressure prevailing in the feed line 11 rises, which is able to open the spring-loaded throttle valve 12 continuously, as a result of which an ever increasing proportion of the premix gas flowing through the main control valve 9 flows through the pressure relief valve 12 into the area S2. If the feed gas pressure continues to rise, the pressure relief valve 12 opens completely, whereby a large proportion of the premix gas can reach the area S2 of the premix burner.
  • the dimensions of the supply lines and the setting of the claims behavior of the pressure relief valve 13 make it possible to optimize the behavior of the premix burner with regard to emissions and vibration behavior. It is thus possible to realize a premix burner for operating a gas turbine over the entire load range without the need for a pilot gas supply and using only a single control valve, namely the pressure relief valve 12.
  • FIG. 4 Such a pressure relief valve is shown as an advantageous embodiment in FIG. 4.
  • the pressure relief valve 12 has a conically shaped piston 15, which rests in a gas-tight manner against a counter contour 17 by spring force 16. If the piston 15 is now pressurized by means of gas pressure (see arrow on the left-hand side of the throttle valve), the gas pressure acting on the piston 15 can press the spring 16 together against a stop 18. Here, a gap opens between the piston 15 and the counter contour 17, whereby gas can pass through the pressure relief valve to the right.
  • the gas pressure-dependent flow rate of the premix gas through the pressure relief valve 12 must be set individually.
  • the graduated premix gas supply to the premix burner means that it can be used within significantly greater limits than a premix burner designed in a single stage. With the aid of the embodiment shown in FIG. 3, only a single premix gas supply line is required.
  • the entire device is structurally simple and inexpensive to manufacture.

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Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Brennstoffversorgung eines Vormischbrenners, der wenigstens eine, einen sich axial erstreckenden Vormischbrennerraum wenigstens teilweise begrenzende Brennerschale (1, 2) aufweist, zum Betrieb einer Gasturbine, mit einer, in den Vormischbrennerraum über die Brennerschale (1, 2) gerichteten Premixgaszuführung, wobei das Premixgas (6) mit Verbrennungszuluft vermischt wird und stromab, ausserhalb des Vormischbrenners entzündet wird. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Premixgaszuführung getrennt über wenigstens zwei räumlich axial getrennte Bereiche (S1, S2) entlang der Brennerschale (1, 2) durchgeführt wird, mit einem Bereich (S1), der stromauf, und wenigstens einem zweiten Bereich (S2), der stromab angeordnet ist, dass zum Anfahren der Gasturbine mehr als 60 % der gesamten Premixgaszuführung über den ersten Bereich (S1) erfolgt und dass für das weitere Hochfahren der Last der Gasturbine bis Vollast eine stufenweise oder kontinuierliche Umverteilung der Premixgaszuführung auf den zweiten Bereich (S2) erfolgt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Brennstoffversorgung eines Vormischbrenners
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Brennstoffversorgung eines Vormischbrenners, der wenigstens eine, einen sich axial erstreckenden Vormischbrennerraum wenigstens teilweise begrenzende Brennerschale aufweist, zum Betrieb einer Gasturbine, mit einer, in den Vormischbrennerraum über die Brennerschale gerichteten Premixgaszufuhrung, wobei das Premixgas mit Verbrennungszuluft vermischt und stromab, außerhalb des Vormischbrenners entzündet wird.
Stand der Technik
Vormischbrenner der vorstehend genannten Gattung sind zum Betrieb von Gasturbinenanlagen hinlänglich bekannt und weisen unterschiedliche Vormischbrennergeo- metrien auf. So ist in der EP 0 321 809 B1 ein aus mehreren Brennerschalen bestehender kegelförmiger Vormischbrenner, ein sogenannter Doppelkegelbrenner beschrieben, dessen Brennerschalen derart zusammengesetzt sind, dass entlang der Brennerachse tangentiale Lufteintrittsschlitze für die Verbrennungszuluft gebildet werden. An den hierdurch gebildeten Einströmkanten der Brennerschalen sind Aus- trittsöffnungen für das Premixgas vorgesehen, die in Richtung der Brennerachse verteilt angeordnet sind. Die Eindüsung des Premixgases durch die Austrittsöffnungen entlang der Einströmkanten der Brennerschalen führt aufgrund der Brennerschalengeometrie in Verbindung mit der Brennungszuluft zu einer drallförmigen Durchmischung des Premixgases sowie der Verbrennungszuluft. Eine andere Vormischbrennergeometrie ist in der WO 93/17279 gezeigt, bei der der Vormischbrenner mit einem zusätzlich konischen Innenkörper ausgebildet ist. Auch in diesem Fall wird das Premixgas über entsprechende Austrittsöffnungen, die entlang der axial verlaufenden Lufteintrittsschlitze angeordnet sind, in das Innere des Vormischbrenners eingespeist, wo das Premixgas mit Verbrennungszuluft durchmischt und stromab innerhalb der Brennkammer zur Zündung gebracht wird.
Nun ist es möglich, durch geeignete Wahl der Anordnung, Größe, Anzahl der Aus- trittsöffnungen sowie deren gegenseitiger Abstand hinsichtlich der Qualität der Verbrennung Optimierungen vorzunehmen. So können insbesondere die Emissionswerte, das Auslöschverhalten der sich in der Brennkammer ausbildenden Flamme, das Flammenrückströmverhalten sowie die Flammenstabilität durch geeignete Wahl der vorstehend genannten Parameter entscheidend beeinflusst werden.
Die vorstehend beschriebenen Optimierungsmöglichkeiten stoßen jedoch schnell auf Grenzen, sofern man Maßnahmen ergreifen möchte um das Brennerverhalten nicht nur bei einer fest vorgegebenen Brennergeometrie sowie bei einem idealen Verbrennungszustand zu optimieren. So ist es nahezu unmöglich mit einer konstruktiv vorgegebenen Anordnung von Austrittsöffnungen entlang bestimmter Bereiche der Brennerschalen das Verbrennungsverhalten bei unterschiedlichen Last- und Umgebungsbedingungen auf einem nahezu gleichbleibend optimalen Niveau zu halten. Es hat sich herausgestellt, dass sich eine optimierte Anordnung von Austrittsöffnungen für die Premixgaszufuhrung innerhalb des Vormischbrenners, der für den Einsatz eines bestimmten Maschinentyps optimal ausgelegt worden ist, beispielsweise für den Einsatz an einer Ringbrennkammer, nur schlecht oder überhaupt für den Einsatz eines anderen Maschinentyp, beispielsweise für den Einsatz in einer Silo- Brennkammer, verewenden lässt.
Auch treten im Laufe des Einsatzes eines Brenners schleichende Brennersystemveränderungen auf, die durch Ermüdungserscheinungen hervorgerufen werden und beispielsweise zu einer Erhöhung von Lekage-Luftströmungen führen. Durch die fest vorgegebene Anordnung der Premixgasdurchtrittsöffnungen, die selbst keine oder nur vernachlässigbare Alterungserscheinungen unterworfen sind, können die alterungsbedingten Veränderungen jeodch nicht kompensiert werden, wodurch eine Verschlechterung des Verbrennungsprozesses mit zunehmender Laufzeit des Brenners unausweichbar ist.
Bestehende Premixgaszuführsysteme werden in der Regel für den mittleren und hohen Lastbereich von Gasturbinen hinsichtlich niedriger Emissionswerte und gedämpftem Auftreten von Verbrennungsoszillationen optimiert. Um den Verbren- nungsprozess zu starten sowie den mittleren Lastbereich der Gasturbine zu erreichen, werden üblicherweise Pilotierungsstufen eingesetzt. Üblicherweise wird mittig zur Vormischbrennerachse über eine Brennerlanze Pilotgas in das Innere des Vormischbrenners eingespeist, das sich mit Verbrennungszuluft mischt und zur Zündung gebracht wird. Erst nach Erreichen eines bestimmten Lastbereiches wird die Pilotgaszuführung ausgeschaltet und die Premixgaszufuhr in Betrieb genommen werden. In gleicherweise erfolgt eine derartige Umschaltung beim Herunterfahren der Gasturbine, bei der die Premixgaszufuhr abgeschaltet und die Pilotgaszuführung eingeschaltet wird. Bei den Umschaltprozessen treten jedoch hohe Verbrennungsoszillationen innerhalb des Brennersystems auf, die mit starken Druckschwankungen verbunden sind, die wiederum eine unmittelbare und störende Auswirkung auf das Lastverhalten der Gasturbine nach sich zieht, die in Folge dessen großen Lastschwingungen unterworfen wird.
Wird ein Gaszuführungssystem sowohl beim Hoch- als auch beim Herunterfahren der Gasturbine abgeschaltet, so ist es erforderlich, die abgeschalteten Gaszufuhrleitungen mit Inert-Gas zu reinigen, um Rückzündungen in die Zuführleitung hinein auszuschließen um deren Beschädigungen zu vermeiden. Die zur Reinigung der- Gaszuleitung benötigte Menge an Inert-Gasen nimmt ein beträchtliches Ausmaß an und führt nicht zuletzt auch zu hohen Betriebskosten derartiger Brennersystemen.
Schließlich ist es mit den derzeit bekannten Vormischbrennern nahezu unmöglich, den Vormischbrenner mit unterschiedlichen Brennstoffsorten, wie beispielsweise flüssig- oder gasförmigem Brennstoff, zu betreiben, zumal die in der Regel mittig in der Brennerachse angeordnete Brennerlanze zur Zuführung von Pilotgas, das wie vorstehend erwähnt zum Hochfahren der Gasturbine sowie für den unteren Lastbereich erforderlich ist, in unmittelbarer räumlicher Nähe zur zentralen Flüssigbrennstoffdüse angeordnet ist. Ungewollte Zündwechselwirkungen zwischen beiden Brennstoffauslässen können nicht ausgeschlossen werden.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Brennstoffversorgung eines Vormischbrenners gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 8 derart weiter zu bilden, dass die vorstehend zum Stand der Technik angeführten Nachteile vermieden werden sollen. Insbesondere gilt es Maßnahmen am Vormischbrenner zu treffen, so dass eine optimierte Anpassung des Vormischbrennerverhaltens im gesamten Lastbereich der Gasturbine möglich wird. Dies soll insbesondere ohne großen technischen und konstruktiven Aufwand erfolgen und mit nur geringen Kosten realisierbar sein.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 bzw. 8 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung, insbesondere unter Bezugnahme auf die Figuren zu entnehmen.
Die der Erfindung zugrunde liegenden Idee ist die axiale gestufte Zuführung von Premixgas entlang der Flanken der Brennerschalen, indem die Brennerschalen in wenigstens zwei axial hintereinander angeordnete Bereiche unterteilt sind, die jeweils über getrennt voneinander geführte Premixgaszuleitungen versorgt werden. Die voneinander getrennten Bereiche entlang der Brennerschalen sind in Durchströmungsrichtung des Vormischbrenners axial hintereinander angeordnet, wobei erfindungsgemäß erkannt worden ist, dass zum Anfahren der Gasturbine mehr als 60 % der gesamten Premixgaszufuhrung über den stromauf ersten Bereich erfolgen soll und das für das weitere Hochfahren der Last der Gasturbine bis Volllast eine stufen- weise oder kontinuierliche Umverteilung der Premixgaszufuhrung auf die stromab nach dem ersten Bereich angrenzende Bereiche erfolgt.
Durch die axiale Unterteilung der Premixgaszufuhrung entlang der Brennerschalen des Vormischbrenners und insbesondere der stufenweise Versorgung der einzelnen Bereiche mit Premixgas ist es möglich, vollständig auf die Zufuhr von Pilotgas zu verzichten, selbst im Falle des Anfahrens sowie in unteren Lastbereichen der Gasturbine.
Durch den Verzicht auf eine Pilotgasstufe sind eine Reihe von Vorteilen verbunden, die sich nicht zuletzt durch den Wegfall der durch die Umschaltung von Pilotgas zu Premixgaszufuhr verbundenen Brennkammeroszillationen ergeben. Mit der erfindungsgemäßen Betriebsweise eines Vormischbrenners ist es erstmals möglich, eine Gasturbine vom Anfahren bis zur Volllast ohne eine Pilotgasstufe zu betreiben. Das kontinuierliche bzw. stufenhafte Zuschalten einzelner Bereiche, über die Premixgas in das Innere des Vormischbrenners gelangen, erfolgt mit Hilfe in den einzelnen Zuleitungen vorgesehenen Steuer- bzw. Regeleinheiten, die im einfachsten Fall als regelbare Drosselventile ausgebildet sind.
Durch den vorteilhaften Verzicht auf eine Pilotgaszufuhr ist es insbesondere möglich, durch eine zentrale, in den Brennermund hineinragende Einspritzdüse, Flüssigbrennstoff zu zerstäuben, der seinerseits in geeigneter Weise mit einem schlauchförmig ausgebildeten Verbrennungsluftstrom umgeben ist.
Eine erfindungsgemäß ausgebildete Ausführungsform zur gezielten Zuflussregelung von Premixgas für die in unterschiedliche Bereiche unterteilte Brennerschalen des Vormischbrenners wird auf die nachstehende Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren verwiesen. Wesentliche Gesichtspunkte des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der nachstehend im Einzelnen beschriebenen Vorrichtung ist die getrennte, dosierte Premixgaszufuhrung zu den einzelnen, axial hintereinander angeordneten Bereichen entlang der Brenner- schalen, durch die das Premixgas in das Innere des Vormischbrenners einge- düst wird.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 schematische Querschnittsdarstellung durch einen kegelförmig ausgebildeten Vormischbrenner,
Figur 2 Diagrammdarstellung zur Betriebsweise der in Figur 1 dargestellten
Ausführungsform,
Figur 3 schematisierter Plan zum Verlauf von Zufuhrleitungen zur Versorgung des Vormischbrenners mit Premixgas,
Figur 4 Ausführungsbeispiel eines Regelventils.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
In Figur 1 ist eine schematisierte Darstellung eines Längsschnittes durch einen kegelförmig ausgebildeten Vormischbrenner dargestellt. Der Vormischbrenner weist kegelförmig ausgebildete Brennerschalen 1 , 2 auf, entlang derer in Axialrichtung zur Brennerlängsachse A Austrittsöffnungen 3 vorgesehen sind, durch die Premixgas in das Innere des Vormischbrenners eingespeist werden kann. Die Brennerschalen 1 , 2 sind in zwei unterschiedlich getrennte Bereiche Stufe S1 , Stufe S2 unterteilt, die von unterschiedlichen Premixgaszuleitungen 4, 5 mit Premixgas versorgt werden. Gleichsam tangential in Richtung der Kegelform wird durch nicht in der Figur 1 dargestellte Lufteintrittsschlitze Zuluft in das Innere des Vormischbrenners geführt, die sich mit dem Premixgas 6 zu einem Brennstoffluftgemisch vermengt.
Optional kann im Zentrum des Vormischbrenners eine Flüssigbrennstoffzerstäu- bungsrichtung 7 vorgesehen sein, die einen Mischbetrieb bzw. ein Umschalten von gasförmigem Brennstoff zu Flüssigbrennstoff erlaubt. Die Zufuhr von Flüssigbrennstoff erfolgt mit Hilfe einer an sich bekannten Zerstäubungsdüse, die eine sich ke- gelförmig ausbreitende Zerstäubungswolke innerhalb des Vormischbrenners erzeugt. Zum Schutz gegenüber der Premixaustrittsöffnungen 3 sowie zu Zwecken der Formstabilisierung wird die sich ausbreitende Flüssigbrennstoffwolke von einem Schutzluftmantel umgeben.
Zum Anfahren der Gasturbine, das heißt zum Zünden des Vormischbrenners wird nicht wie bei dem Stand der Technik üblich eine Pedotierung vorgenommen, sondern in dem Ausführungsbeispiel dargestellten zweistufigen Vormischbrennereinheit wird jeder Bereich der Brennerschale mit einer Premixgaszufuhr versorgt, der stromauf innerhalb des Vormischbrenners angeordnet ist. Im Ausführungsbeispiel ist dies der Bereich Stufe 1 , der zum Anfahren sowie zum Betreiben des Vormischbrenners im niedrigen Lastbereich mit mehr als 60 % der gesamten Premixgaszufuhrung betrieben wird.
Aus Figur 2 geht ein Übersichtsdiagramm hervor, aus dem die prozentuale Verteilung der Premixgasaufteilung zwischen Bereich S1 und Bereich S2 zu entnehmen. Die schwarz eingetragenen Felder entsprechen dem Anteil der über den Bereich 1 austretenden Premixgas, die helleren Felder jeweils den Premixgasanteil, der über den Bereich S2 des Vormischbrenners in das Innere des Brenners gelangt. Wie vorstehend bereits erwähnt, fließt bei der Zündung (Egnition) der Löwenanteil (d. h. mehr als 90 %) der gesamten Premixgaszufuhrung über den Bereich 1 in das Innere des Vormischbrenners. Im unteren Lastbereich (Idle) nimmt der Anteil der über den Bereich 2 austretenden Premix-Gases leicht zu. Im Falle des Halblastzustandes werden beide Bereiche S1 und S2 zu etwa gleichen Teilen mit Premixgas versorgt. Im Volllastbetrieb tritt über den Bereich S2 etwas mehr Premixgas in das Innere des Vormischbrenners als über den Bereich 1. Die in Figur 2 dargestellte Premixgaszu- teilung auf die Bereiche S1 und S2 erfolgt mittels einer Regeleinheit, die stufenweise bzw. kontinuierlich das Aufteilungsverhältnis der Premixgaszuteilung auf die Bereiche S1 und S2 vornehmen kann. Im einfachsten Fall sind dies gekoppelte Drosselventile, die jeweils in den einzelnen Zufuhrleitungen 4 und 5 vorgesehen sind. Eine weitere Möglichkeit der kontrollierten Premixgaszufuhrung auf die getrennten Bereiche des Vormischbrenners ist aus der schematischen Darstellung gemäß Figur 3 zu entnehmen. Wieder handelt es sich im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 um einen kegelförmigen Vormischbrenner, der über zwei Bereiche S1 und S2 verfügt, über die getrennt Premixgas in das Innere des Vormischbrenners eintritt. In einer gemeinsamen Zufuhrleitung 8 über die Premixgas dem Vormischbrenner zugeführt wird, ist ein Hauptregelventil 9 vorgesehen. Über das Hauptregelventil 9 kann der direkte Zufluss von Premixgas zum Bereich S1 des Vormischbrenners geregelt werden. In der Zuleitung zwischen dem Hauptregelventil 9 und dem Austrittsbereich S1 des Vormischbrenners ist ein Kreuzungspunkt 10 vorgesehen, an dem ein Teil des Premix-Gases in einen Zuführast 11 abgeleitet wird. Im Zuleitungsast 11 ist eine weitere Regeleinheit in Form eines federkraftbeaufschlagten Überdruckventils 12 vorgesehen, das im Weiteren näher unter Bezugnahme auf Figur 4 beschrieben wird. Eine Beipassleitung 13, deren Strömungsquerschnitt klein genug oder in der ein entsprechende Drosselelement 14 vorgesehen ist, sorgt dafür, dass bei geschlossenem Regelventil 12 ein geringer Premixgasfluss zum Bereich S2 des Vormischbrenners zugeführt werden kann.
Das in Figur 3 dargestellte Zuführungssystem für Premixgas auf die beiden Bereiche S1 und S2 des Vormischbrenners weist nun folgende Funktionsweise auf. Nach Öffnen des Hauptregelventils 9 wird der Bereich S1 des Vormischbrenners mit Premixgas versorgt. Der Gasdruck innerhalb der den Bereich S1 mit Premixgas versorgenden Zuleitungen sowie auch in der Zuleitung 11 vermag das federkraftbeaufschlagte Überdruckventil noch nicht zu Öffnen. Nur ein geringer Anteil von Premixgas gelangt über die Beipassleitung 13 zum Bereich S2 des Vormischbrenners und tritt dort in das Innere des Vormischbrenners aus. Dies entspricht dem Zustand beim Anfahren der Gasturbine bzw. beim Zünden des Vormischbrenners. Nach der Anfahrphase steigt der in der Zuleitung 11 vorherrschende Premixgasdruck, der das federkraftbeaufschlagte Drosselventil 12 kontinuierlich zu Öffnen vermag, wodurch ein immer größer werdender Anteil des durch das Hauptregelventil 9 hindurchströmenden Premix-Gases durch das Überdruckventil 12 hindurch in den Bereich S2 strömt. Steigt der Zuleitungsgasdruck weiter an, so öffnet sich das Überdruckventil 12 vollständig, wodurch ein großer Anteil des Premix-Gases in den Bereich S2 des Vormischbrenners gelangen kann. Durch die Dimensionierung der Zuleitungen sowie das Einstellen des Anspruchsverhaltens des Überdruckventils 13 ist es möglich, das Verhalten des Vormischbrenners hinsichtlich Emission und Schwingungsverhalten zu optimieren. So ist es möglich, ohne die Notwendigkeit einer Pilotgaszuführung und unter Verwendung nur eines einzigen Regelventils, nämlich dem Überdruckventil 12 einen Vormischbrenner zum Betrieb einer Gasturbine über den gesamten Lastbereich zu realisieren.
Ein derartiges Überdruckventil ist als vorteilhafte Ausführungsform in Figur 4 dargestellt. Das Überdruckventil 12 weist einen konisch ausgebildeten Kolben 15 auf, der durch eine Feder 16 federkraftbeaufschlagt gasdicht einer Gegenkontur 17 aufliegt. Wird nun der Kolben 15 mittels Gasdruck (siehe hierzu Pfeil auf der linken Seite des Drosselventils) druckbeaufschlagt, so vermag der auf den Kolben 15 einwirkende Gasdruck die Feder 16 gegen einen Anschlag 18 zusammen zu drücken. Hierbei öffnet sich ein Spalte zwischen dem Kolben 15 und der Gegenkontur 17, wodurch Gas durch das Überdruckventil nach rechts hindurchtreten kann. Je nach Wahl der Federkraft des Federelementes 16 sowie der Dimensionierung der Kolbengröße ist die gasdruckabhängige Durchflussrate vom Premixgas durch das Überdruckventil 12 individuell einzustellen. Mit Hilfe geeigneter Dimensionierung des Überdruckventils 12 sowie der an der Premixgasversorgung beteiligten Zufuhrleitungen 11 und 14 ist es möglich, den Verbrennungsvorgang in an sich bekannter Weise zu optimieren. Auch mit dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist es möglich, eine gezielte Premixgaszuteilung auf die Stufen S1 und S2 der Brennerschalen des Vormischbrenners gemäß der Diagrammdarstellung in Figur 2 zu erhalten.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie Vorrichtung zur Brennstoffversorgung eines Vormischbrenners sind eine Reihe von Nachteilen verbunden: Durch die abgestufte Premixgaszufuhrung in den Vormischbrenner kann dieser im signifikant größeren Bereichsgrenzen eingesetzt werden als nur einstufig ausgelegte Vormischbrenner. Mit Hilfe der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform ist lediglich eine einzige Pre- mixgaszuleitung erforderlich.
Durch die Verwendung eines als Überdruckventil ausgebildeten Regeleinheit ist zum Betreiben des Vormischbrenners lediglich eine einzige Regeleinheit erforderlich.
Die Nachrüstung des erfindungsgemäßen Verfahrens an bereits bestehende Vor- mischbrennersysteme ist einfach durchführbar zumal die Verwendung von zwei und mehr getrennter Premixgaszuleitungssysteme nicht erforderlich ist.
Durch die gezielte Zufuhr eines Minimumanteils von Premixgas in den zweiten Bereich des Vormischbrenners über die Beipassleitung ist es nicht erforderlich diese Zufuhrleitung mit Erdgas zu reinigen. Versuche zeigten, dass das erfindungsgemäße System nur geringe Pulsationen im Anfahrverhalten hervorrufen. Mit der individuellen Premixgaszuteilung auf die unterschiedlichen Bereiche des Vormischbrenners ist es möglich, auch bei auftretenden Alterungserscheinungen entsprechend Optimierungen vorzunehmen.
Aufgrund des möglichen Verzichtes einer Pilotgaszuführung können jegliche Pulsationen, die beim Umschalten zwischen Pilotgas- zu Premixgaszufuhr auftreten, vermieden werden.
Die gesamte Vorrichtung ist konstruktiv einfach und kostengünstig herstellbar.
Bezugszeichenliste
1 , 2 Brennerschalen
3 Premixgasaustrittsöffnungen
4, 5 Zuleitungen
6 Premixgas
7 Flüssigbrennstoffzerstäubungseinrichtung
8 Zufuhrleitung
9 Hauptregeleinheit
10 Kreuzungspunkt
11 Abzweigungsleitung
12 Überdruckventil
13 Bypassleitung
14 Drosselelement
15 Kolben
16 Feder
17 Gegenkontur
18 Anschlag
S1 , S2 Bereiche 1 2 für den gestufteb Premixgasaustritt

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Brennstoffversorgung eines Vormischbrenners, der wenigstens eine, einen sich axial erstreckenden Vormischbrennerraum wenigstens teilweise begrenzende Brennerschale (1 , 2) aufweist, zum Betrieb einer Gasturbine, mit einer, in den Vormischbrennerraum über die Brennerschale (1 , 2) gerichteten Premixgaszufuhrung (3), wobei das Premixgas (6) mit Verbrennungszuluft vermischt wird und stromab, außerhalb des Vormischbrenners entzündet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Premixgaszufuhrung getrennt über wenigstens zwei räumlich axial getrennte Bereiche (S1 , S2) entlang der Brennerschale (1 , 2) durchgeführt wird, mit einem Bereich (S1), der stromauf und wenigstens einem zweiten Bereich (S2), der stromab angeordnet ist, dass zum Anfahren der Gasturbine mehr als 60 % der gesamten Premixgaszufuhrung über den ersten Bereich (S1) erfolgt und dass für das weitere Hochfahren der Last der Gasturbine bis Vollast eine stufenweise oder kontinuierliche Umverteilung der Premixgaszufuhrung auf den zweiten Bereich (S2) erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung des Premixgases zum ersten (S1) und zweiten Bereich (S2) unabhängig voneinander erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass unter Vollastbedingungen wenigstens 50 % des dem Vormischbrenner zugeführten gesamten Premixgases über den zweiten Bereich (S2) bzw. den stromab liegenden Bereichen zugeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Vormischbrenner kegelförmig ausgebildet ist und wenigstens zwei Brennerschalen (1 , 2) aufweist, die gegenseitig derart angeordnet sind, dass sie jeweils zwei Lufteintrittsschlitze eingrenzen, durch die die Verbrennungsluft in den kegelförmig sich erweiternden Vormischbrennerraum eintritt, dass der erste Bereich (S1 ) der Brennerschalen (1 , 2), über den wenigstens ein Teil des Premixgases in den Vormischbrennerraum eingespeist wird, im Bereich des engsten Kegelquerschnittes angeordnet ist und sich in den, sich im Querschnitt erweiternden Bereich des Vormischbrenners erstreckt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die axial voneinander getrennten Bereiche zur Premixgaszufuhr über getrennte Zuleitungen mit Premixgas versorgt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Premixgaszufuhr zu den einzelnen Bereichen unabhängig voneinander erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Premixgaszufuhr zu den einzelnen Bereichen mit einer einzigen Regeleinheit (12) durchgeführt wird.
8. Vorrichtung zur Brennstoffversorgung eines Vormischbrenners, der wenigstens eine, einen sich axial erstreckenden Vormischbrennerraum wenigstens teilweise begrenzende Brennerschale (1 , 2) aufweist, zum Betrieb einer Gasturbine, mit einer, in den Vormischbrennerraum über die Brennerschale (1 , 2) gerichteten Premixgaszufuhrung, wobei das Premixgas (6) mit Verbrennungszuluft innerhalb des Vormischbrenners vermischt und stromab, außerhalb des Vormischbrenners entzündet wird, dadurch gekennzeichnet, dass axial entlang der Brennerschale (1 , 2) wenigstens zwei räumlich getrennte Bereiche (S1 , S2) vorgesehen sind, über die Premixgas (6) in den Vormischbrennerraum einspeisbar ist und die mittels getrennter Premixgas- zuführleitungen (4, 5) verbunden sind, und dass eine Regel- oder Steuereinheit (12) vorgesehen ist, die mit den Premixgaszu- führleitungen (4, 5) verbunden ist und in Abhängigkeit des Lastbereiches der Gasturbine eine Verteilung der Premixgaszufuhr auf die einzelnen Bereiche vornimmt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Bereich (S1) in der Brennerschale (1 , 2) vorgesehen ist, der im Vormischbrenner stromauf angeordnet ist, und dass wenigstens ein zweiter Bereich (S2) angeordnet ist, der zum ersten Bereich (S1) stromab im Vormischbrenner angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (S1) mit einer Premixgaszuführ- leitung verbunden ist, in der ein Drosselventil (9) vorgesehen ist, dass zwischen dem Drosselventil (9) und dem ersten Bereich (S1) ein Kreuzungspunkt (10) vorgesehen ist, von dem ab eine Zuführleitung (11) zum zweiten Bereich (S2) führt, und dass zwischen dem Kreuzungspunkt (10) und dem zweiten Bereich (S2) die Regeloder Steuereinheit (12) vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Regel- oder Steuereinheit ein federkraftbeaufschlagtes Überdruckventil ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kreuzungspunkt (10) und dem zweiten Bereich (S2) eine Bypassleitung (13) vorgesehen ist, die für eine Mindestversorgung des zweiten Bereiches (S2) mit Premixgas (6) sorgt, sofern der erste Bereich (S1) mit Premixgas (6) versorgt wird.
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