EP1507119A1 - Brenner und Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine - Google Patents

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EP1507119A1
EP1507119A1 EP03018408A EP03018408A EP1507119A1 EP 1507119 A1 EP1507119 A1 EP 1507119A1 EP 03018408 A EP03018408 A EP 03018408A EP 03018408 A EP03018408 A EP 03018408A EP 1507119 A1 EP1507119 A1 EP 1507119A1
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EP
European Patent Office
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fuel
burner
inlet
inlet devices
gas turbine
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03018408A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Malte Dr. Blomeyer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Priority to US10/568,120 priority patent/US7654090B2/en
Priority to ES04763360.7T priority patent/ES2551440T3/es
Priority to PCT/EP2004/008115 priority patent/WO2005019733A1/de
Priority to JP2006522924A priority patent/JP4430074B2/ja
Priority to CNB2004800282182A priority patent/CN100545517C/zh
Priority to EP04763360.7A priority patent/EP1654496B1/de
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/62—Mixing devices; Mixing tubes
    • 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
    • F23R3/286—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
    • F23D—BURNERS
    • F23D2900/00—Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
    • F23D2900/00008—Burner assemblies with diffusion and premix modes, i.e. dual mode burners
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F23D2900/14—Special features of gas burners
    • F23D2900/14004—Special features of gas burners with radially extending gas distribution spokes

Definitions

  • the invention relates to a burner with an annular Premix channel, radially distributed in the fuel introduced is.
  • the invention also relates to a method of operation a gas turbine with a burner having an annular Premix channel has.
  • the swirl vanes of the disclosed Swirl lattices are hollow, with openings at the Surface of the swirl blades in the radial direction with Swirl blades extend. These openings become fuel embedded in the premix channel, previously the hollow Swirl blades was supplied. This will be on the radial height of the premix channel uniform inlet of Fuel in the flowing through the premixing combustion air reached. At the same time, through the inlet of the Fuel from all swirl blades also a uniform Distribution of fuel in the circumferential direction of the premix channel reached. This has a high homogeneity of then in the combustion zone flowing combustion air-fuel mixture According. Such homogeneity is desirable for low nitrogen oxide emissions, since the formation of nitric oxide exponditiell grows with the flame temperature.
  • the object of the invention is to specify a burner with an annular premixing channel, which can be adjusted with regard to its combustion stability as a function of the prevailing operating conditions.
  • Another object of the invention is the disclosure of a method for operating a gas turbine, in which a burner is adjusted depending on the operating state of the gas turbine so that the highest possible flame stability and lowest possible pollutant emissions result.
  • the task directed to a burner is according to the invention solved by a directed along an axis burner with an annular Vormischkanal, in the fuel radially distributed is introduced, wherein the radial distribution of the fuel during operation of the burner adjustable is.
  • the radial distribution of the fuel is the distribution of the fuel along a line perpendicular to the axis of Burner.
  • the invention is proposed for the first time, the to make the radial distribution of the fuel adjustable, so that it reacts to different operating conditions can. So far, only static fuel distributions by means of the geometry and inlet positions of fuel and combustion air realized.
  • the invention works In contrast, from the knowledge that pollutant emissions and combustion stabilities at various operating conditions of the burner favorably by a changed radial Distribution of the fuel can be influenced.
  • To the Example is usually sought in a full load operation, that fuel is as homogeneous as possible in the combustion air is distributed to keep nitrogen oxide emissions low.
  • Such combustion vibrations occur at Flame instabilities, the pressure fluctuations in a combustion chamber entail, in which the burner opens.
  • By Reverse reflection from the combustion chamber walls of these pressure fluctuations in the flame area or in the mixing area of Fuel and combustion air can be in-phase Overlay a positive feedback of flame instability and pressure fluctuations occur, creating a stable Combustion vibration can be built. This leads to high sound emissions and vibrations in the combustion system, the damage may result.
  • a change in the Distribution profile of the fuel inlet can be this positive Interrupt feedback and thus the combustion oscillation suppress.
  • the opening cross sections lose weight.
  • the inlet devices of the first part and of the second part alternately along the circumference of the premixing channel arranged.
  • the inlet devices of the first and the second part are so alternately next to each other arranged around the circumference.
  • the inlet devices of the first follow Part and the second part in the axial direction of the premixing channel each other.
  • fuel from the intake devices of the first Partly embedded in the premix channel and in the flow direction subsequently, fuel from the inlet devices of the second part.
  • This can in particular both from the inlet devices of the first part as well as the inlet devices of the second part with the circumference of the premix channel evenly distributed fuel can be let in.
  • the overlay of the fuel inlet from the two Divide yields the desired radial distribution for the entire Fuel inlet.
  • a first and a second around the axis the burner fuel supply line provided, wherein a pressure difference of the fuel pressure in the two Fuel supply lines to each other depending on the operating condition of the burner is adjustable. More preferred is the first Part of the inlet device with the first fuel supply line and the second part of the inlet device with the second Fuel supply connected.
  • the fuel inlet the first part and the second part of the inlet devices independently of each other as desired.
  • the necessary for the desired distribution Pressure in the first and second fuel supply set.
  • there are thus different Amounts of fuel that exceed the first or the second inlet device are inserted, so that the entire fuel inlet of the desired distribution accordingly is set.
  • the inlet devices are radially in the premixing channel protruding tubes, inside which the fuel is supplied. These tubes then become out of the inlet openings the fuel is admitted into the premixing channel.
  • the inlet devices are radially in the Premix channel protruding swirl vanes, in the interior of the Fuel is supplied.
  • the inlet openings on the surface of the swirl vanes preferably in near a blade leading edge, arranged.
  • the swirl blades thus fulfill a dual function by the impart necessary swirl for combustion stabilization and also at the same time as an inlet device for the fuel act.
  • the first part of the inlet devices is off radially protruding into the premix tube and the second tube Part of the inlet devices from radially into the premixing channel protruding swirl vanes formed. It can be both the first Part and the second part of the inlet devices upstream arranged from the other part in the premix channel be.
  • the tubes are upstream of the swirl vanes arranged, resulting in a higher mixing of Fuel and combustion air when passing through the vortex grid leads. With increased security against a flashback but it may be cheaper, the tubes downstream to arrange the swirl vanes.
  • the burner is a gas turbine burner, in particular for a stationary gas turbine with a power greater than 50 MW.
  • a gas turbine has a compressor on, the air is highly compressed and fed to the burner.
  • the burner opens into a gas turbine combustor, in the the burner flame is included. That in the combustion chamber generated hot exhaust gas then flows into a turbine part, in the turbine blades are flowed around by the hot gas.
  • large stationary gas turbines are demanding in terms of low pollutant emissions and in terms of low tendency to form combustion oscillations posed.
  • the burner has a central, from Vormischkanal enclosed diffusion burner on.
  • the object directed to a method according to the invention solved by specifying a method for operating a gas turbine with a burner for burning a fuel in air, which burner is an annular Vormischkanal in which the fuel in a radial distribution is initiated, the radial distribution depending on the operating state of the gas turbine is set.
  • a radial distribution is set so that an area a local maximum in the radial distribution of the fuel concentration forms in the fuel-air mixture.
  • FIG. 1 shows a gas turbine 1.
  • the gas turbine 1 has a common turbine shaft 8 arranged a compressor 3 and a turbine part 7. Between compressor 3 and turbine part 7, an annular combustion chamber 5 is connected.
  • an annular combustion chamber 5 In the Annular combustion chamber 5 open around the circumference distributed a number of premix burners 9.
  • Premix burners 9 become air 11 supplied from the compressor 3 highly compressed.
  • Fuel 13 Air 11 and Fuel 13 are mixed and via the premix burner. 9 introduced into the combustion chamber 5, where it is a hot gas 15th to be burned.
  • FIG. 2 shows a premix burner 9. This is along an axis 10 directed.
  • the premix burner 9 has a annular Vormischkanal 21.
  • the premix channel 21 surrounds a central diffusion burner 23.
  • the premix channel 21 has an annular central surface 22, which in cross section forms an angle to the burner axis 10.
  • the premix channel 21 has a radially outer outer surface 18th and a radially inner inner surface 20.
  • an annular swirl lattice 25 which consists of individual Swirl vanes 26 is constructed.
  • fuel inlet tube 27 in the premix channel 21 are hollow and have inlet openings 29 on.
  • Air 11 passed through the premixing channel 21 In the burner of the prior art in Figure 2 is Air 11 passed through the premixing channel 21.
  • the air 11 flows past the fuel inlet tube 27.
  • the fuel inlet tube 27, fuel 13 is supplied to the interior, which from the inlet openings 29 into the air 11th exit.
  • the air 11 is above the swirl blades 26 in Twist lattice 25 gives a twist, which is a combustion stabilization serves.
  • the swirl vanes 26 are designed to that they also fuel 13 can be fed.
  • About not inlet openings on the surface of the Swirl blade 26 is also fuel 13 in the air 11th embedded in the premix channel 21.
  • Fuel 13 and air 11 are mixed in Vormischkanal 21 to a fuel-air mixture 28, which emerges from the premix burner 9 and burned there in a combustion zone.
  • premix combustion At a lean premix combustion, i. with relatively little fuel 13 in the air 11, such premix combustion tends to instabilities at the flame, i. it comes to fluctuations or even to extinguish the flame.
  • This combustion often becomes the central diffusion burner 21 used, which also air 11 and fuel 13 are supplied. These are, however, essentially first mixed in the combustion zone, with a is chosen fatter mixture. With the flame of the diffusion burner 23, premix combustion can be stabilized.
  • the premix burner 9 shown in FIG. 2 becomes fuel 13 in a fixed, static distribution in the premix channel 21 initiated.
  • Figure 3 shows a section of a longitudinal section through a premixing channel according to the prior art. It is a Section through a swirl blade 26 of the swirl lattice 25 shown. From an annular, radially inward, i. in the area the inner surface 20 of the Vormischkanals 21 is an annular Fuel supply line 41 is arranged. From this annular Fuel supply line 41 becomes fuel 13 the swirl vanes 26 supplied. The swirl vanes 26 are all the same Arrangement and the same opening cross-section at their inlet openings 29 on.
  • FIG. 4 shows in a section of a longitudinal section through the premixing channel 21 a comparison with Figure 3 changed arrangement, which becomes clear together with Figure 5.
  • FIG. 4 and FIG. 5 each show a section through two adjacent ones Swirl vanes 26, i.
  • FIG. 4 shows a first swirl blade 26 and Figure 5 an adjacent swirl blade 26th
  • the opening cross sections change the inlet openings 29, and indeed the opening cross sections in the direction of the inner surface 20th of premix channel 21, i. not in the direction of here illustrated axis 10, larger.
  • the opening cross sections the inlet openings 29 of the illustrated in Figure 5 Twist bucket 26 smaller in the same direction.
  • Inlet openings 29 are each followed by a swirl blade 26 with inlet openings 29, whose opening cross-sections downsize in the direction of the axis 10.
  • the swirl blades 26 of FIG. 4 form a first part 31 of inlet devices for the admission of fuel 13 in the Vormischkanal 21.
  • the swirl vanes 26 of Figure 5 form a second part 33 of inlet devices to the inlet of fuel 13 in the premixing channel 21.
  • FIGS. 6 and 7 show, like the inlet devices 31, 33 are supplied with the fuel 13.
  • the first part 31 the inlet device is made of an annular fuel supply line 43 supplied between the diffusion burner 23 and the premixing channel 21 is arranged.
  • the second Part 33 is a second, independent annular Fuel supply line 45 supplied with fuel 13.
  • the second annular fuel supply line 45 is the first fuel supply line 43 arranged immediately adjacent.
  • the radial distribution of the fuel 13 then changed be when a combustion vibration in the combustion chamber. 5 occurs that exceeds a certain threshold amplitude.
  • Such combustion vibrations may be due to flame instabilities and a feedback of pressure fluctuations and form dense fluctuations in the fuel-air mixture.
  • this feedback mechanism can be interrupted and suppress the combustion vibrations thereby become.
  • Figure 8 shows again in a section of a cross section through the Vormischkanal 21, the changing arrangement the first part 31 of inlet devices and the second one Part 33 of inlet devices each formed as Swirl vanes 26 in the swirl lattice 25.
  • FIG. 9 shows another possible configuration of the arrangement the first part 31 and the second part 33 of the inlet devices.
  • a section through a longitudinal section through the premix channel 21 points in the flow direction of the Air 11 arranged one behind the other, the first part 31 and the second part 33 of the inlet devices.
  • the first part 31 This is made up of tubes, which are in the Vormischkanal 21 protrude.
  • the second part 33 is made of swirl blades 26 educated.
  • the opening cross sections of the inlet openings 29 turn in opposite directions, i. towards the Increase axis 10 or toward the inner surface 20 the inlet openings 29 of the first part 31 of the inlet devices, while the opening cross sections of the inlet openings 29 of the second part 33 of the inlet device zoom out in the direction of the axis 10.
  • This axial Graduation of the first part 31 and the second part 33 of the Inlet devices may also fuel 13 in the circumferential direction be introduced very evenly in Vormischkanal 21.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brenner (9) mit einem ringförmigen Vormischkanal (21), in den Brennstoff (13) radial verteilt einleitbar ist. Die radiale Verteilung von Brennstoff (13) ist dabei während des Betriebes des Brenners (9) dadurch einstellbar, dass einem ersten und einem zweiten Teil (31;33) von Einlassvorrichtungen mit sich in radialer Richtung gegenläufig veränderten Öffnungsquerschnittes von Einlassöffnungen (29) voneinander unabhängig Brennstoff (13) über Brennstoffzuleitungen (41,43,45) zuführbar ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine, bei dem die radiale Verteilung von Brennstoff in einem Vormischkanal (21) eines Brenners (9) eingestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner mit einem ringförmigen Vormischkanal, in den Brennstoff radial verteilt einleitbar ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine mit einem Brenner, der einen ringförmigen Vormischkanal aufweist.
Bei einem Brenner werden Verbrennungsluft und Brennstoff zusammengeführt, vermischt, gezündet und in einer Flamme verbrannt. Es ist dabei in der Regel von großer Bedeutung, dass Schadstoffemissionen wie Kohlenmonoxid oder Stickoxid dabei gering gehalten werden. Die Möglichkeit einer stickoxidarmen Verbrennung besteht insbesondere durch eine sogenannte Vormischverbrennung, bei der Brennstoff und Verbrennungsluft zunächst möglichst homogen gemischt werden, bevor sie der Verbrennungszone zugeführt werden. Ein solcher Vormischbrenner ist in der WO 02/095293 A1 offenbart. Dieser Brenner zeigt einen ringförmigen Vormischkanal, der einen zentralen Diffusionsbrenner umgibt. Im Vormischkanal sind deutlich stromaufwärts von der Verbrennungszone Drallschaufeln in einem über den ganzen Querschnitt des Vormischkanals verlaufenden Drallgitter angeordnet. Ein solches Drallgitter dient der Flammenstabilisierung. Die Drallschaufeln des offenbarten Drallgitters sind hohl ausgebildet, wobei Öffnungen an der Oberfläche der Drallschaufeln sich in radialer Richtung mit Drallschaufeln erstrecken. Aus diesen Öffnungen wird Brennstoff in den Vormischkanal eingelassen, der zuvor den hohlen Drallschaufeln zugeführt wurde. Hierdurch wird ein über die radiale Höhe des Vormischkanals gleichmäßiger Einlass von Brennstoff in die durch den Vormischkanal strömende Verbrennungsluft erreicht. Gleichzeitig wird durch den Einlass des Brennstoffes aus allen Drallschaufeln auch eine gleichmäßige Verteilung von Brennstoff in Umfangsrichtung des Vormischkanals erreicht. Dies hat eine hohe Homogenität des dann in die Verbrennungszone strömenden Verbrennungsluft-Brennstoffgemisches zufolge. Eine solche Homogenität ist wünschenswert für niedrige Stickoxidemissionen, da die Bildung von Stickoxid exponditiell mit der Flammentemperatur wächst. Bei einem homogenen Gemisch werden lokale Spitzentemperaturen vermieden, da die Energiefreisetzung sich gleichmäßig im Gemisch verteilt. Damit wird die Stickoxidbildung verringert. Bei der Vormischverbrennung wird zudem vergleichsweise wenig Brennstoff in Verbrennungsluft verbrannt. Diese sogenannte magere Vormischverbrennung neigt allerdings zu Verbrennungsinstabilitäten, d. h. die Flamme schwankt in ihrer Energiefreisetzung oder kann sogar verlöschen. Zur Stabilisierung dieser Vormischverbrennung dient der zentrale Diffusionsbrenner, bei dem Brennstoff und Verbrennungsluft in der Flamme vermischt werden. Um eine weitere Stabilisierung der Flammenstabilität der Vormischflamme zu erreichen ist vorgeschlagen, vom radial äußeren Rand des ringförmigen Vormischkanals strömungsblockierende Elemente vorzusehen, die an einigen lokalen Stellen die Strömung der Verbrennungsluft verzögern. Dies hat in diesen Zonen eine Anreicherung des Verbrennungsluft-Brennstoffgemisches mit Brennstoff zur Folge und führt damit zu lokalen, heißen Strähnen in der Verbrennungszone, die die Vormischverbrennung stabilisieren. Auf sich betriebsabhängig ändernde Bedingungen kann dieses statische Konzept allerdings nicht eingehen.
Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Brenners mit einem ringförmigen Vormischkanal, der hinsichtlich seiner Verbrennungsstabilität abhängig von den herrschenden Betriebsbedingungen eingestellt werden kann.
Weitere Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Verfahrens zum Betrieb einer Gasturbine, bei der ein Brenner abhängig vom Betriebszustand der Gasturbine so eingestellt wird, dass sich eine möglichst hohe Flammenstabilität und möglichst niedrige Schadstoffemissionen ergeben.
Die auf einen Brenner gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen entlang einer Achse gerichteten Brenner mit einem ringförmigen Vormischkanal, in den Brennstoff radial verteilt einleitbar ist, wobei die radiale Verteilung des Brennstoffes während des Betriebes des Brenners einstellbar ist.
Die radiale Verteilung des Brennstoffes ist die Verteilung des Brennstoffes entlang einer Linie senkrecht zur Achse des Brenners. Mit der Erfindung wird erstmals vorgeschlagen, die radiale Verteilung des Brennstoffes einstellbar zu gestalten, so dass auf verschiedene Betriebsbedingungen reagiert werden kann. Bisher wurden lediglich statische Brennstoffverteilungen mittels der Geometrie und Einlasspositionen von Brennstoff und Verbrennungsluft verwirklicht. Die Erfindung geht demgegenüber von der Erkenntnis aus, dass Schadstoffemissionen und Verbrennungsstabilitäten bei verschiedenen Betriebsbedingungen des Brenners günstig durch eine geänderte radiale Verteilung des Brennstoffes beeinflusst werden können. Zum Beispiel wird bei einem Volllastbetrieb in der Regel angestrebt, dass Brennstoff möglichst homogen in der Verbrennungsluft verteilt wird um Stickoxidemissionen gering zu halten. Dies erfordert eine radiale Verteilung von Brennstoff beim Einlass, die radial außerhalb höher ist als innerhalb, im ringförmigen Vormischkanal radial außerhalb ein größerer Luftmassenstrom zu versorgen ist als radial innerhalb. Um also eine gleichmäßige Brennstoffkonzentration über den Vormischkanalquerschnitt zu erhalten, muss der Brennstoffeinlass radial außerhalb höher sein als radial innerhalb. Demgegenüber kann im Teillastbetrieb eine lokale Anreicherung des Brennstoffluftgemisches mit Brennstoff in vergleichsweise kalten Zonen die Kohlenmonoxidemissionen reduzieren. Daher ist bei einem Teillastbetrieb eine radiale Verteilung des Brennstoffes beim Einlass günstig, bei der radial innen mehr Brennstoff eingelassen wird als radial außen. Weiterhin nimmt das radiale Verbrennungsprofil Einfluss auf Verbrennungsschwingungen. Solche Verbrennungsschwingungen entstehen bei Flammeninstabilitäten, die Druckschwankungen in einer Brennkammer zur Folge haben, in die der Brenner mündet. Durch Rückreflektion von den Brennkammerwänden dieser Druckschwankungen in den Flammenbereich bzw. in den Mischbereich von Brennstoff und Verbrennungsluft kann bei phasenrichtiger Überlagerung eine positive Rückkopplung von Flammeninstabilität und Druckschwankungen entstehen, wodurch eine stabile Verbrennungsschwingung aufgebaut werden kann. Diese führt zu hohen Schallemissionen und Schwingungen im Verbrennungssystem, die Schäden zur Folge haben können. Eine Änderung im Verteilungsprofil des Brennstoffeinlasses kann diese positive Rückkopplung unterbrechen und damit die Verbrennungsschwingung unterdrücken.
Vorzugsweise sind bei dem Brenner über den Umfang des Vormischkanals verteilt Einlassvorrichtungen vorgesehen, für einen an der jeweiligen Umfangsposition liegenden radialen Einlass von Brennstoff mittels in radialer Richtung angeordneter Einlassöffnungen mit einem jeweiligen Öffnungsquerschnitt, wobei bei einem ersten Teil der Einlassvorrichtungen die Öffnungsquerschnitte in Richtung zur Achse zunehmen und bei einem zweiten Teil der Einlassvorrichtungen die Öffnungsquerschnitte abnehmen. Durch eine solche Konfiguration ist es möglich, je nach Einlass von Brennstoff einerseits aus dem ersten Teil der Einlassvorrichtungen und andererseits aus dem zweiten Teil der Einlassvorrichtungen durch die gegenläufige Änderung der Öffnungsquerschnitte eine gewünschte radiale Verteilung des Brennstoffeinlasses einzustellen.
Bevorzugt sind die Einlassvorrichtungen des ersten Teils und des zweiten Teils abwechselnd entlang des Umfangs des Vormischkanals angeordnet. Die Einlassvorrichtungen des ersten und des zweiten Teils sind also wechselnd nebeneinander über den Umfang verteilt angeordnet.
Bevorzugtermassen folgen die Einlassvorrichtungen des ersten Teils und des zweiten Teils in axialer Richtung des Vormischkanals aufeinander. In dieser Konfiguration wird also z. B. zunächst Brennstoff aus den Einlassvorrichtungen des ersten Teils in den Vormischkanal eingelassen und in Strömungsrichtung nachfolgend sodann Brennstoff aus den Einlassvorrichtungen des zweiten Teils. Hierdurch kann insbesondere sowohl aus den Einlassvorrichtungen des ersten Teils als auch den Einlassvorrichtungen des zweiten Teils mit dem Umfang des Vormischkanals gleichmäßig verteilt Brennstoff eingelassen werden. Die Überlagerung des Brennstoffeinlasses aus den beiden Teilen ergibt die gewünschte radiale Verteilung für den gesamten Brennstoffeinlass.
Bevorzugtermassen ist eine erste und eine zweite um die Achse des Brenners laufende Brennstoffzuleitung vorgesehen, wobei ein Druckunterschied des Brennstoffdruckes in den beiden Brennstoffzuleitungen zueinander abhängig vom Betriebszustand des Brenners einstellbar ist. Weiter bevorzugt ist der erste Teil der Einlassvorrichtung mit der ersten Brennstoffzuleitung und der zweite Teil der Einlassvorrichtung mit der zweiten Brennstoffzuleitung verbunden. Durch diese Konfiguration ist es in einfacher Weise möglich, den Brennstoffeinlass aus dem ersten Teil und aus dem zweiten Teil der Einlassvorrichtungen voneinander unabhängig wie gewünscht einzustellen. Hierzu wird jeweils der für die gewünschte Verteilung nötige Druck in der ersten bzw. zweiten Brennstoffzuleitung eingestellt. Je nach Druckunterschied gibt es somit unterschiedliche Mengen an Brennstoff, die über die erste bzw. die zweite Einlassvorrichtung eingelassen werden, so dass der gesamte Brennstoffeinlass der gewünschten Verteilung entsprechend eingestellt wird.
Vorzugsweise sind die Einlassvorrichtungen radial in den Vormischkanal ragende Röhrchen, in deren Inneres der Brennstoff zugeführt wird. Aus diesen Röhrchen wird sodann aus den Einlassöffnungen der Brennstoff in den Vormischkanal eingelassen.
Bevorzugtermassen sind die Einlassvorrichtungen radial in den Vormischkanal ragende Drallschaufeln, in deren Inneres der Brennstoff zugeführt wird. In diesem Fall sind die Einlassöffnungen auf der Oberfläche der Drallschaufeln, bevorzugt in der Nähe einer Schaufelvorderkante, angeordnet. Die Drallschaufeln erfüllen somit eine Doppelfunktion, indem sie den für die Verbrennungsstabilisierung notwendigen Drall erteilen und zudem gleichzeitig als Einlassvorrichtung für den Brennstoff fungieren.
Bevorzugt ist der erste Teil der Einlassvorrichtungen aus radial in den Vormischkanal ragende Röhrchen und der zweite Teil der Einlassvorrichtungen aus radial in den Vormischkanal ragende Drallschaufeln gebildet. Dabei kann sowohl der erste Teil als auch der zweite Teil der Einlassvorrichtungen stromaufwärts vom jeweils anderen Teil im Vormischkanal angeordnet sein. Günstigerweise sind die Röhrchen stromauf der Drallschaufeln angeordnet, was zu einer höheren Durchmischung von Brennstoff und Verbrennungsluft beim Durchlaufen des Drallgitters führt. Bei erhöhter Sicherheit gegen einen Flammenrückschlag kann es aber günstiger sein, die Röhrchen stromab der Drallschaufeln anzuordnen.
Bevorzugtermassen ist der Brenner ein Gasturbinenbrenner, insbesondere für eine stationäre Gasturbine mit einer Leistung größer als 50 MW. Eine Gasturbine weist einen Verdichter auf, der Luft hochverdichtet und dem Brenner zugeführt wird. Der Brenner mündet in einer Gasturbinenbrennkammer, in der die Brennerflamme eingeschlossen ist. Das in der Brennkammer erzeugte heiße Abgas strömt sodann in einen Turbinenteil, in dem Turbinenschaufeln vom Heißgas umströmt werden. Auf einer Turbinenwelle angeordnete Laufschaufeln versetzen, angetrieben vom Heißgas, die Turbinenwelle in Rotation. Gerade bei großen stationären Gasturbinen werden strenge Anforderungen hinsichtlich niedriger Schadstoffemissionen und hinsichtlich niedriger Neigung zur Ausbildung von Verbrennungsschwingungen gestellt.
Bevorzugt weist der Brenner einen zentralen, vom Vormischkanal umschlossenen Diffusionsbrenner auf.
Die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Angabe eines Verfahrens zum Betrieb einer Gasturbine mit einem Brenner zur Verbrennung eines Brennstoffes in Luft, welcher Brenner einen ringförmigen Vormischkanal aufweist, in den der Brennstoff in einer radialen Verteilung eingeleitet wird, wobei die radiale Verteilung abhängig von dem Betriebszustand der Gasturbine eingestellt wird.
Die Vorteile dieses Verfahrens ergeben sich entsprechend den obigen Ausführungen zu den Vorteilen des Brenners.
Vorzugsweise wird bei einem Teillastbetrieb der Gasturbine eine radiale Verteilung so eingestellt, dass sich ein Bereich eines lokalen Maximums in der radialen Verteilung der Brennstoffkonzentration im Brennstoff-Luftgemisch bildet.
Bevorzugtermassen wird bei einem Volllastbetrieb der Gasturbine ein radiale Verteilung so eingestellt, dass sich eine homogene Gemischkonzentration von Brennstoff und Luft ergibt.
Bevorzugtermassen wird beim Auftreten einer Verbrennungsschwingung mit einer Amplitude, die einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, die radiale Verteilung geändert.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen teilweise schematisch und nicht maßstäblich:
Figur 1
eine Gasturbine
Figur 2
einen Vormischbrenner nach dem Stand der Technik,
Figur 3
einen Längsschnitt durch einen Vormischkanal eines Vormischbrenners nach dem Stand der Technik,
Figur 4, 5
einen Ausschnitt eines Längsschnittes durch einen Vormischkanal,
Figur 6, 7
einen Längsschnitt durch einen Vormischkanal,
Figur 8
einen Ausschnitt eines Querschnittes durch einen Vormischkanal,
Figur 9
einen Ausschnitt eines Längsschnittes durch einen Vormischkanal.
Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.
Figur 1 zeigt eine Gasturbine 1. Die Gasturbine 1 weist auf einer gemeinsamen Turbinenwelle 8 angeordnet einen Verdichter 3 und ein Turbinenteil 7 auf. Zwischen Verdichter 3 und Turbinenteil 7 ist eine Ringbrennkammer 5 geschaltet. In die Ringbrennkammer 5 münden um den Umfang verteilt eine Anzahl von Vormischbrennern 9. Den Vormischbrennern 9 wird Luft 11 aus dem Verdichter 3 hochverdichtet zugeführt. Weiterhin wird dem Vormischbrenner 9 Brennstoff 13 zugeführt. Luft 11 und Brennstoff 13 werden vermischt und über die Vormischbrenner 9 in die Brennkammer 5 eingeleitet, wo sie zu einem Heißgas 15 verbrannt werden.
Figur 2 zeigt einen Vormischbrenner 9. Dieser ist entlang einer Achse 10 gerichtet. Der Vormischbrenner 9 weist einen ringförmigen Vormischkanal 21 auf. Der Vormischkanal 21 umgibt einen zentralen Diffusionsbrenner 23. Der Vormischkanal 21 weist eine ringförmige Mittelfläche 22 auf, die im Querschnitt einen Winkel zur Brennerachse 10 bildet. Der Vormischkanal 21 weist eine radial außenliegende Außenfläche 18 und eine radial innenliegende Innenfläche 20 auf. In radialer Richtung über den ganzen Querschnitt des Vormischkanals 21, d.h. senkrecht zur Vormischkanalmittelfläche 22 erstreckt sich ein ringförmiges Drallgitter 25, welches aus einzelnen Drallschaufeln 26 aufgebaut ist. Weiterhin ragen in radialer Richtung ausgehend vom Diffusionsbrenner 23 Brennstoffeinlassröhrchen 27 in den Vormischkanal 21. Die Brennstoffeinlassröhrchen 27 sind hohl ausgebildet und weisen Einlassöffnungen 29 auf.
Bei dem Brenner nach dem Stand der Technik in Figur 2 wird Luft 11 durch den Vormischkanal 21 geleitet. Die Luft 11 strömt an den Brennstoffeinlassröhrchen 27 vorbei. Den Brennstoffeinlassröhrchen 27 wird Brennstoff 13 ins Innere zugeführt, welcher aus den Einlassöffnungen 29 in die Luft 11 austritt. Der Luft 11 wird über die Drallschaufeln 26 im Drallgitter 25 ein Drall erteilt, welcher einer Verbrennungsstabilisierung dient. Die Drallschaufeln 26 sind so ausgebildet, dass auch ihnen Brennstoff 13 zuführbar ist. Über nicht näher dargestellte Einlassöffnungen an der Oberfläche der Drallschaufel 26 wird ebenfalls Brennstoff 13 in die Luft 11 im Vormischkanal 21 eingelassen. Brennstoff 13 und Luft 11 werden im Vormischkanal 21 vermischt zu einem Brennstoff-Luftgemisch 28, welches aus dem Vormischbrenner 9 austritt und dort in einer Verbrennungszone verbrannt wird. Bei einer mageren Vormischverbrennung, d.h. bei relativ wenig Brennstoff 13 in der Luft 11 neigt eine solche Vormischverbrennung zu Instabilitäten bei der Flamme, d.h. es kommt zu Fluktuationen oder gar zu einem Verlöschen der Flamme. Zur Stabilisierung dieser Verbrennung wird häufig der zentrale Diffusionsbrenner 21 eingesetzt, dem ebenfalls Luft 11 und Brennstoff 13 zugeführt werden. Diese werden allerdings im wesentlichen erst in der Verbrennungszone miteinander gemischt, wobei ein fetteres Gemisch gewählt wird. Mit der Flamme des Diffusionsbrenners 23 kann die Vormischverbrennung stabilisiert werden. Bei dem in Figur 2 gezeigten Vormischbrenner 9 wird Brennstoff 13 in einer festen, statischen Verteilung in den Vormischkanal 21 eingeleitetet.
Figur 3 zeigt einen Ausschnitt eines Längsschnittes durch einen Vormischkanal nach dem Stand der Technik. Es ist ein Schnitt durch eine Drallschaufel 26 des Drallgitters 25 gezeigt. Aus einem ringförmigen, radial innen, d.h. im Bereich der Innenfläche 20 des Vormischkanals 21 ist eine ringförmige Brennstoffzuleitung 41 angeordnet. Aus dieser ringförmigen Brennstoffzuleitung 41 wird Brennstoff 13 den Drallschaufeln 26 zugeführt. Die Drallschaufeln 26 weisen alle die gleiche Anordnung und den gleichen Öffnungsquerschnitt bei ihren Einlassöffnungen 29 auf.
Figur 4 zeigt in einem Ausschnitt eines Längsschnittes durch den Vormischkanal 21 eine gegenüber Figur 3 geänderte Anordnung, die zusammen mit Figur 5 deutlich wird. Figur 4 und Figur 5 zeigen jeweils einen Schnitt durch zwei benachbarte Drallschaufeln 26, d.h. Figur 4 zeigt eine erste Drallschaufel 26 und Figur 5 eine dazu benachbarte Drallschaufel 26. Bei der Drallschaufel 26 der Figur 4 ändern sich die Öffnungsquerschnitte der Einlassöffnungen 29, und zwar werden die Öffnungsquerschnitte in Richtung auf die Innenfläche 20 des Vormischkanals 21, d.h. in Richtung auf die hier nicht dargestellte Achse 10, größer. Demgegenüber werden die Öffnungsquerschnitte der Einlassöffnungen 29 der in Figur 5 dargestellten Drallschaufel 26 in der gleichen Richtung kleiner. Für jeweils zwei zueinander benachbarte Drallschaufeln 26 des Drallgitters 25 ändern sich somit die Öffnungsquerschnitte der Einlassöffnungen 29 in gegenläufiger Richtung, d.h. auf eine Schaufel 26 wird sich in Richtung auf die Achse 10 vergrößernden Einlassöffnungen 29 folgt jeweils eine Drallschaufel 26 mit Einlassöffnungen 29, deren Öffnungsquerschnitte sich in Richtung auf die Achse 10 verkleinern. Die Drallschaufeln 26 der Figur 4 bilden dabei einen ersten Teil 31 von Einlassvorrichtungen für den Einlass von Brennstoff 13 in den Vormischkanal 21. Die Drallschaufeln 26 der Figur 5 bilden einen zweiten Teil 33 von Einlassvorrichtungen zum Einlass von Brennstoff 13 in den Vormischkanal 21.
Die Figuren 6 und 7 zeigen wie die Einlassvorrichtungen 31, 33 mit dem Brennstoff 13 versorgt werden. Der erste Teil 31 der Einlassvorrichtungen wird aus einer ringförmigen Brennstoffzuleitung 43 versorgt, die zwischen dem Diffusionsbrenner 23 und dem Vormischkanal 21 angeordnet ist. Der zweite Teil 33 wird von einer zweiten, unabhängigen ringförmigen Brennstoffzuleitung 45 mit Brennstoff 13 versorgt. Die zweite ringförmige Brennstoffzuleitung 45 ist zur ersten Brennstoffzuleitung 43 unmittelbar benachbart angeordnet.
Mit der so eingeführten Konfiguration ist es nun erstmalig möglich, während des Betriebs des Brenners die radiale Verteilung von Brennstoff im Vormischkanal 21 zu ändern. Dies geschieht durch eine sich ändernde Brennstoffzugabe zu den Einlassvorrichtungen 31, 33 mittels der Brennstoffzuleitungen 43, 45. Durch die gegenläufige Änderung der Öffnungsquerschnitte in den Einlassvorrichtungen 31, 33 kann nahezu jede beliebige gewünschte radiale Verteilung von Brennstoff 13 im Vormischkanal 21 eingestellt werden. Beispielsweise kann in einem Teillastbetrieb dem ersten Teil 31 der Einlassvorrichtungen mehr Brennstoff 13 zugeführt werden, was aufgrund der sich in Richtung auf die Achse 10 vergrößernden Öffnungsquerschnitte der Einlassöffnung 29 zu einer Anreicherung von Brennstoff in Richtung auf die Innenfläche 20 des Vormischkanals 21 führt. Hierdurch kann mittels der lokalen Anfettung günstig auf eine verringerte Kohlenmonoxidentwicklung eingewirkt werden. Demgegenüber kann z. B. in einem Volllastbetrieb dem zweiten Teil der Einlassvorrichtungen mehr Brennstoff zugeführt werden, was zu einer homogeneren Verteilung von Brennstoff 13 im Vormischkanal 21 führt. Die sich in Richtung auf die Außenfläche 18 des Vormischkanals 21 erweiternden Einlassöffnungen 29 tragen gehören Massenstrom von Luft 11 im radial außenliegenden Teil in Richtung auf die Außenfläche 18 im Vormischkanal 21 dabei Rechnung, so dass durch diese sich vergrößernde Öffnungsquerschnitte eine radiale Verteilung von Brennstoff 13 im Vormischkanal 21 eingestellt wird, die eine möglichst homogene Mischung von Brennstoff 13 und Luft 11 zur Folge hat. Weiterhin könnte etwa auch die radiale Verteilung des Brennstoffs 13 dann geändert werden, wenn eine Verbrennungsschwingung in der Brennkammer 5 auftritt, die eine bestimmte Grenzamplitude überschreitet. Solche Verbrennungsschwingungen können sich durch Flammeninstabilitäten und eine Rückkopplung von Druckschwankungen und dichte Fluktuationen im Brennstoff-Luftgemisch bilden. Durch eine Änderung der radialen Verteilung des Brennstoffs 13 in der Luft 11 kann dieser Rückkopplungsmechanismus unterbrochen und die Verbrennungsschwingungen hierdurch unterdrückt werden.
Figur 8 zeigt noch einmal in einem Ausschnitt eines Querschnittes durch den Vormischkanal 21 die wechselnde Anordnung des ersten Teils 31 von Einlassvorrichtungen und des zweiten Teils 33 von Einlassvorrichtungen jeweils ausgebildet als Drallschaufeln 26 im Drallgitter 25. Man erkennt die gegenläufige Änderung des Öffnungsquerschnittes der Einlassöffnungen 29 in radialer Richtung.
Figur 9 zeigt eine weitere mögliche Konfiguration der Anordnung des ersten Teils 31 und des zweiten Teils 33 der Einlassvorrichtungen. Ein Ausschnitt durch einen Längsschnitt durch den Vormischkanal 21 zeigt in Strömungsrichtung der Luft 11 hintereinander angeordnet den ersten Teil 31 und den zweiten Teil 33 der Einlassvorrichtungen. Der erste Teil 31 ist hierbei aus Röhrchen gebildet, die in den Vormischkanal 21 hineinragen. Der zweite Teil 33 ist aus Drallschaufeln 26 gebildet. Die Öffnungsquerschnitte der Einlassöffnungen 29 ändern sich wiederum gegenläufig, d.h. in Richtung auf die Achse 10 oder in Richtung auf die Innenfläche 20 vergrößern sich die Einlassöffnungen 29 des ersten Teils 31 der Einlassvorrichtungen, während sich die Öffnungsquerschnitte der Einlassöffnungen 29 des zweiten Teils 33 der Einlassvorrichtung in Richtung auf die Achse 10 verkleinern. Durch diese axiale Staffelung des ersten Teils 31 und des zweiten Teils 33 der Einlassvorrichtungen kann Brennstoff 13 auch in Umfangsrichtung sehr gleichmäßig im Vormischkanal 21 eingeleitet werden.

Claims (15)

  1. Entlang einer Achse (10) gerichteter Brenner (9) mit einem ringförmigen Vormischkanal (21), in den Brennstoff (13) radial verteilt einleitbar ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die radiale Verteilung des Brennstoffes (13) während des Betriebes des Brenners (9) einstellbar ist.
  2. Brenner (9) nach Anspruch 1,
    bei dem über den Umfang des Vormischkanals (21) verteilt Einlassvorrichtungen (31,33) vorgesehen sind, für einen an der jeweiligen Umfangsposition liegenden radialen Einlass von Brennstoff (13) mittels in radialer Richtung angeordneter Einlassöffnungen (29) mit einem jeweiligen Öffnungsquerschnitt, wobei bei einem ersten Teil (31) der Einlassvorrichtungen die Öffnungsquerschnitte in Richtung zur Achse (10) zunehmen und bei einem zweiten Teil (33) der Einlassvorrichtungen die Öffnungsquerschnitte abnehmen.
  3. Brenner (9) nach Anspruch 2,
    bei dem die Einlassvorrichtungen des ersten Teils (31) und des zweiten Teils (33) abwechselnd entlang des Umfangs des Vormischkanals (21) angeordnet sind.
  4. Brenner (9) nach Anspruch 2,
    bei dem die Einlassvorrichtungen des ersten Teils (31) und des zweiten Teils (33) in axialer Richtung des Vormischkanals (21) aufeinander folgen.
  5. Brenner (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    mit einer ersten (43) und einer zweiten (45) um die Achse (10) verlaufenden Brennstoffzuleitung, wobei ein Druckunterschied des Brennstoffdruckes in den beiden Brennstoffzuleitungen (43,45) zueinander abhängig vom Betriebszustand des Brenners (9) einstellbar ist.
  6. Brenner (9) nach Anspruch 5 und einem der Ansprüche 2 bis 4,
    bei dem der erste Teil (31) der Einlassvorrichtungen mit der ersten Brennstoffzuleitung (43) und der zweite Teil (33) der Einlassvorrichtungen mit der zweiten Brennstoffzuleitung (45) verbunden ist.
  7. Brenner (9) nach einem der Ansprüche 2 bis 6,
    bei der die Einlassvorrichtungen (31,33) radial in den Vormischkanal (21) ragende Röhrchen sind, in deren Inneres der Brennstoff (13) zugeführt wird.
  8. Brenner (9) nach einem der Ansprüche 2 bis 6,
    bei der die Einlassvorrichtungen (31,33) radial in den Vormischkanal (21) ragende Drallschaufeln (26) sind, in deren Inneres der Brennstoff (13) zugeführt wird.
  9. Brenner (9) nach Anspruch 4,
    bei der der erste Teil (31) der Einlassvorrichtungen aus radial in den Vormischkanal (21) ragenden Röhrchen und der zweite Teil (33) der Einlassvorrichtungen aus radial in den Vormischkanal (21) ragenden Drallschaufeln (26) gebildet ist.
  10. Brenner (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ausgebildet als Gasturbinenbrenner, insbesondere für eine stationäre Gasturbine (1) mit einer Leistung größer als 50 MW.
  11. Brenner (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem zentralen, vom Vormischkanal (21) umschlossenen Diffusionsbrenner (23).
  12. Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine (1) mit einem Brenner (9) zur Verbrennung eines Brennstoffes (13) in Luft (11), welcher Brenner (9) einen ringförmigen Vormischkanal (21) aufweist, in den der Brennstoff (13) in einer radialen Verteilung eingeleitet wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die radiale Verteilung abhängig von einem Betriebszustand der Gasturbine (1) eingestellt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 10,
    bei dem bei einem Teillastbetrieb der Gasturbine (1) eine radiale Verteilung so eingestellt wird, dass sich ein Bereich eines lokalen Maximums in der radialen Verteilung der Brennstoffkonzentration im Brennstoff-Luftgemisch (28) bildet.
  14. Verfahren nach Anspruch 10,
    bei dem bei einem Volllastbetrieb der Gasturbine (1) eine radiale Verteilung so eingestellt wird, dass sich eine homogene Gemischkonzentration von Brennstoff (13) und Luft (11) ergibt.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14,
    bei dem beim Auftreten einer Verbrennungsschwingung mit einer Amplitude, die einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, die radiale Verteilung geändert wird.
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