EP1614963A1 - Premix Combustion System and Method - Google Patents

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Publication number
EP1614963A1
EP1614963A1 EP20040016247 EP04016247A EP1614963A1 EP 1614963 A1 EP1614963 A1 EP 1614963A1 EP 20040016247 EP20040016247 EP 20040016247 EP 04016247 A EP04016247 A EP 04016247A EP 1614963 A1 EP1614963 A1 EP 1614963A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel
mixture
air
mixing
premix
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP20040016247
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Andreas Heilos
Bernd Dr. Prade
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP20040016247 priority Critical patent/EP1614963A1/en
Publication of EP1614963A1 publication Critical patent/EP1614963A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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 
    • F23C9/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber
    • F23C9/06—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber for completing combustion
    • 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 
    • F23C2202/00—Fluegas recirculation
    • F23C2202/10—Premixing fluegas with fuel and combustion air

Definitions

  • the invention relates to a method for combustion of a fuel for the operation of a gas turbine, in which the fuel is premixed with air in a premix to a fuel-air mixture and in the context of combustion, the fuel-air mixture is converted into a hot gas ,
  • the invention also relates to a premix combustion system having a pre-mixing chamber and a combustion chamber.
  • a gas turbine is an engine that converts the heat energy of a hot gas into mechanical energy.
  • Gas turbines are used in the art as drive units, for example for the production of electric power.
  • Under a gas turbine plant is generally understood not only the gas turbine itself, but an aggregate of various components. These include, among others, the components connected in series, compressor, combustion chamber, turbine and generator.
  • the compressed air flows behind the compressor to a combustion chamber, which with several burners, the air by combustion of a fuel, for. B. in the form of a fuel gas or in the form of fuel oil, in modern machines to a temperature of about 1400 ° C, heated.
  • a fuel gas for. B. in the form of natural gas or synthesis gas (main components CO, H 2 and possibly secondary components, such as N 2 , CO 2 , water vapor).
  • the hot gas usually flows from the combustion chamber into the gas turbine and is relaxed there by driving a rotor.
  • the axially exiting exhaust gases from the gas turbine pass through an exhaust duct into a waste heat boiler or directly in a fireplace.
  • driving machines eg. As a generator, the difference is the output from the gas turbine power minus the power supplied to the compressor available.
  • the aim of an embodiment of a gas turbine is, in addition to the highest possible efficiency, a low nitrogen oxide emission with respect to the exhaust gases that are produced during the combustion of the fuel (NO x emission).
  • Burning is known according to the principle of the diffusion flame.
  • a particularly homogeneous combustion is achieved because the flame front of the diffusion flame substantially, depending on the progress of a mixture of a fuel with air to a fuel-air mixture adjusted such that it preferably in the range of a near-stoichiometric composition of a fuel-air -Gemisches burns.
  • This leads to peak temperatures in a diffusion flame which is typical for combustion with diffusion flames.
  • a peak temperature can be well over 1800 ° C, possibly up to 2400 ° C.
  • This peak temperature is achieved in diffusion flames because the flame front automatically adjusts itself where the most favorable combustion conditions corresponding to the stoichiometry of the fuel-air mixture are present.
  • the flame front typically stabilizes in diffusion flames at the positions where the fuel-air mixture reaches near-stoichiometric level due to the highest reactivity present at near-stoichiometric mixture.
  • diffusion flames burn very stably in the reaction zone due to the maximum reactivity which can be achieved by the fuel, but on the other hand diffusion flames also cause a high nitrogen oxide emission.
  • the nitrogen oxide emission increases exponentially with the flame temperature.
  • temperatures below 1600 ° C are technologically meaningful. All overlying temperatures, especially local peak temperatures, such. B. particularly pronounced in a diffusion flame, only increase the component load and NO x emission.
  • the aim of a design of a combustion system and a method for combustion of a fuel for the operation of a gas turbine is thus to adjust a turbine temperature with respect to the thermodynamic and material-related requirements of the gas turbine plant while avoiding peak temperatures.
  • premix combustion For nitrogen oxide-poor combustion of hydrocarbons, the principle of premix combustion has been successfully used in gas turbines for many years.
  • the aim of the pre-mixed combustion is to provide a need-based mixing of fuel with air to a fuel-air mixture as part of a premix.
  • a lean premix a fuel-air mixture with excess air (ie with an air ratio greater than one). That is, in terms of a stoichiometric ratio for the computationally complete oxidizing reaction of the fuel to oxidation products CO 2 and H 2 O is a lean premix a fuel-air mixture is provided in which the air is more than stoichiometric, that is stoichiometrically less fuel can be oxidized by the oxygen contained in the air. Since air is admixed beyond a stoichiometric mixed state in the lean premix, additional ballast air is present, which must be co-heated in a combustion. The achievable combustion temperature depends on the amount of excess air or the air ratio.
  • a lean premix flame Compared to a superstoichiometric diffusion flame, a lean premix flame has the advantage of avoiding the peak temperature occurring in superstoichiometric diffusion flames. In contrast, the lean premix combustion inherently has a lower flame stability compared to flame extinction since the reactivity is limited to the level given in the lean premix.
  • No. 6,358,040 describes an apparatus in which a stepped mixture takes place.
  • the mixture produced after the first mixing stage is defined partially converted to a catalyst to ensure stabilization of a homogeneous reaction without aerodynamic stabilization after a second mixing stage.
  • This type of premix thus already provides for a partial catalytic conversion of the rich fuel-air mixture, so that a catalytic reactor can be operated protected against overheating under rich mixture conditions.
  • lean premix combustion is again achieved for complete burnout to a hot gas.
  • the invention begins, whose task is to provide a method and apparatus for combustion of a fuel for the operation of a gas turbine, in which ignition of a fuel-air mixture is safely avoided and wherein a particularly low nitrogen oxide emission in the Combustion is achieved.
  • this object is achieved by an aforementioned method in which according to the invention in the premix, a reaction of a fuel-air mixture is avoided and the premix is gradual, being produced as part of a first mixture, a rich fuel-air mixture and mixing the rich fuel-air mixture with air as part of a second mixture.
  • the invention is based on the consideration that usually provided in technical Vormischverbrennungssystemeen mixing path is limited, so that neither critical auto-ignition times are exceeded nor a flashback of the flames can be done.
  • the invention is based on the finding that an extension of the mixing path or the mixing time can be achieved without increasing the risks mentioned above, if the mixing process is graded so that in a first mixing stage, a still fuel-rich mixture is produced, not due to its composition or only a little at risk of ignition.
  • This mixing process to the rich mixture is then not subject to a limitation of the technical mixing way for the reasons mentioned above. A corresponding limitation may only be necessary for the second mixing stage.
  • the invention is further based on the consideration that previously known Vormischverbrenn Heidelberg, as far as they provide a gradual mixture, already imply a deliberate or an unwanted implementation or ignition of a fuel-air mixture.
  • US Pat. No. 6,358,040 proposes to pre-ignite the rich fuel-air mixture produced in a first mixing stage as part of a stepped premix.
  • the possible bandwidth of the mixture composition in this first mixing stage is limited such that, as a result of the catalytically initiated reaction, the maximum temperatures of the materials used are not exceeded.
  • the possible bandwidth of the mixture in the first mixing stage is further limited than required in the direction of smaller amounts of admixed air, whereby the potential for achieving the most homogeneous possible mixing at the end of the second mixing stage is limited contrary to the objective.
  • the finding of the present invention is that in the premix, a reaction of a fuel-air mixture is avoided. Furthermore, the gradation of the premix avoids the risk of autoignition and / or kickback until sufficient mixing of the fuel with the air to form a fuel / air mixture has taken place and has led to a very good, homogeneous and substoichiometric fat fuel-air mixture. Such a rich fuel-air mixture can therefore be generated safely and homogeneously in a first mixture, ie in a mixing stage. As part of a second mixture, the rich fuel-air mixture is mixed with the remaining combustion air. The ratio of the proportions to be mixed in comparison to a usual complete mixing of the fuel in a mixing stage in the total air is much more balanced. As a result of the comparatively safe and good mixture, a large nitrogen oxide reduction potential is achieved in comparison with advanced methods of a conventional type, for example US Pat. No. 6,358,040, which is limited in principle only by the physical limit of perfect premix combustion.
  • a first fraction of an air stream is mixed with a total fuel stream or with a first fraction of a fuel stream.
  • the first fraction of the air flow is so small that an air ratio less than one, so a stoichiometric, rich fuel-air mixture is provided.
  • a second fraction of an air stream is expediently mixed with the rich fuel-air mixture.
  • the air ratio of the rich fuel-air mixture can be adjusted particularly well. In particular, this makes possible a sufficiently long mixing of fuel with air without the risk of auto-ignition of the fuel-air mixture within the premix.
  • the second fraction of the air flow and the rich fuel-air mixture is supplied via a formed by a plurality of alternating currents flow cross-section of the second mixture. That is, the second fraction of the airflow is split into a plurality of streams.
  • the rich fuel-air mixture is divided into a plurality of streams. With an alternating arrangement over the flow cross section of the air streams on the one hand and the rich fuel-air mixture streams on the other hand, thus the second mixture is introduced.
  • the currents are thus arranged alternately, wherein preferably an air flow of a fuel-air mixture stream is adjacent and different currents are thus arranged alternately over the cross section.
  • a limited residence time of the second fraction of the air flow with the rich fuel-air mixture is set in the second mixture, preferably regulated. This can improve the fuel-air mixture in the premix.
  • the fuel-air mixture is converted to a hot gas after completion of the second mixture in the context of combustion.
  • further mixtures could follow the example of the second mixture. It has been found in the present case that, in particular in the context of the refinements explained above, a particularly even with the second mixture homogeneous and good stoichiometric fat burning fuel-air mixture can be achieved.
  • the conditions for the stability of the combustion after the second mixing stage can be improved by a pretreatment of the air and / or the fuel.
  • the air is lifted regulated to a first temperature level.
  • the reactivity of the fuel-air mixture after the second mixture is controlled so increased that a stable combustion is achieved.
  • the temperature should remain below the permissible temperature for the materials used.
  • it should be so low that the reactivity in the second mixture safely avoids a flashback. This can be compensated for by limiting the residence time in the second mixture. The lower the residence time is set in the second mixing stage, the lower the risk of flashback.
  • an increase in the temperature can be achieved in different ways depending on the design of the method.
  • a part of the hot gas can be recycled as exhaust gas flow to the premix.
  • the exhaust gas stream may be mixed with a second fraction of an air stream.
  • the exhaust gas stream is mixed before the actual premix with the second fraction of the air flow.
  • a second fraction of a fuel stream it has also proved to be advantageous for a second fraction of a fuel stream to be mixed with a second fraction of an air stream.
  • the combustion of the fuel stream is provided before the actual premix, ie a pilot combustion, which in turn may be advantageously carried out as Vormischverbrennung.
  • Both the exhaust gas recirculation and a pilot combustion of a second fraction of a fuel stream can advantageously be carried out individually or in combination before an actual premixing with the air stream, so that the air is controlled to a first temperature level for premixing.
  • the object is achieved by a premix combustion system of the type mentioned for combustion of a fuel for the operation of a gas turbine.
  • the premix space is provided for premixing the fuel with air to a fuel-air mixture.
  • the combustion chamber is provided for combustion of the fuel-air mixture to a hot gas.
  • the premixing chamber in the premix combustion system, has a multi-stage design, with a first mixing stage and a second mixing stage.
  • this is advantageous in order to avoid an undesired ignition of the fuel-air mixture within the mixing chambers of the mixing stages with nevertheless a large mixing time.
  • the first mixing stage serves to produce a rich fuel-air mixture.
  • the second mixing stage serves to mix the rich fuel-air mixture with air.
  • premix combustion system is used in particular for carrying out the method explained above.
  • advantages explained with regard to the method can also be realized in particular in the premix combustion system.
  • a central design feature of a premix burner in a further development relates in particular to Realization of the best possible spatial and temporal mixture and thus optimization of the nitrogen oxide lowering potential.
  • the first mixing stage is provided with a mixing zone providing a mixing length of between 30 cm and 50 cm, preferably about 40 cm.
  • a particularly good mixture of the rich fuel-air mixture can be achieved as part of a premix.
  • the second mixing stage is provided with a mixing nozzle assembly having a flow area formed by a plurality of parallel channels.
  • the plurality of channels serves in particular for receiving a plurality of alternating currents according to a development of the method explained above.
  • the second mixing stage has a nozzle plate which is arranged between the mixing nozzle arrangement and a second mixing zone.
  • the second mixing stage is also provided with a mixing zone which is available with a mixing length in the range of 10 cm to 30 cm, preferably about 20 cm.
  • a mixing length in the range of 10 cm to 30 cm, preferably about 20 cm.
  • the Vormischverbrennungssystem can be provided with a number of additional design measures.
  • an exhaust gas recirculation emanating from the combustion chamber is provided in order to recirculate part of the hot gas as exhaust gas flow to the premix.
  • the premix combustion system has a pilot space.
  • the exhaust gas recirculation discharges into the pilot space. In this way, namely, an exhaust gas stream can be mixed with a second fraction of an air stream.
  • the pilot space has a pilot burner. This piloting is particularly suitable for realizing a stable premix combustion after the second mixing stage.
  • a swirl generator can be provided between the second mixing stage and the combustion chamber for this purpose.
  • the twisting of a burner flame leads to the induction of an internal remindströmzone to an aerodynamic stabilization of the flame. In particular, blowing away the flame from the burner is avoided.
  • baffle plate between the second mixing stage and the combustion chamber. This causes a separation vortices on the edge and behind the baffle plate and a corresponding negative pressure situation behind the baffle plate, which in turn leads to a retention the flame and thus an aerodynamic stabilization of the flame leads.
  • the invention also leads to a gas turbine plant with a premix combustion system as explained above.
  • the premix combustion system 10 has a pre-mixing space 1, which in the present case has a multi-stage design.
  • the multi-stage premixing chamber 1 has a first mixing stage 3 and a second mixing stage 5.
  • the premixing space serves to premix fuel B with air L to form a fuel-air mixture BL.
  • a rich fuel-air mixture BL is generated in the present preferred embodiment.
  • the second mixing stage 5 is under a second mixture, the rich fuel-air mixture BL mixed with air L.
  • a first fraction M_L1 with a first fraction of a fuel flow M_B1 is provided for the first mixture in the first mixing stage 3.
  • the mixture takes place in particular in a first mixing zone 7 of the first mixing stage 3 over a mixing length of about 40 cm.
  • At the end of the mixing zone 7 is thus achieved a particularly high degree of mixedness for the fuel-air mixture BL in terms of homogeneity.
  • the presently cylindrical premix combustion system 10 has a cylindrically designed premixing chamber 1 with a ring-cylindrical first mixing stage 3 and a correspondingly cylindrical mixing stage 5.
  • air L is mixed with the rich fuel-air mixture BL.
  • the particularly preferred embodiment of a premix combustion system 10 having a premix space 1 provides the air L thereto via a pilot space 9.
  • the pilot space 9 has a pilot burner 11, via which the air L is supplied as a second fraction of an air flow M_L2.
  • a second fraction of a fuel flow M_B2 is converted in the pilot burner 11 together with a second fraction of an air flow M_L2.
  • an exhaust gas recirculation system 15 branching off from a combustion chamber 13 discharges into the pilot chamber 9 and supplies the pilot chamber 9 with hot gas H from the combustion chamber 13.
  • the plurality of channels 19A carries a plurality of alternating flows.
  • the channels 19A carry a stream of the rich fuel-air mixture BL from the first mixing stage 3.
  • the intermediate channels 19B carry a stream of exhaust A, fuel B and air L, which are supplied from the pilot space 9.
  • the output-side outlets of the channels 19A, 19B lead the now alternately adjacent streams of the rich fuel-air mixture BL on the one hand and the air L, the fuel B and the exhaust A on the other hand to a nozzle plate 21, with an already good mixture of the rich fuel-air mixture BL and the air L (with fuel B and exhaust gas A) of a second mixing zone 23 of the second mixing stage 5 is supplied as part of an injection 25.
  • the injection takes place at an already elevated temperature level T 2 .
  • the air is namely raised in the pilot chamber 9 to the first temperature level T 1 , by supplying hot gas in the form of exhaust gas A via the exhaust gas recirculation 15.
  • a pilot burner 11 is provided for implementing a second fuel flow M_B2 with a second fraction of an air flow M_L2.
  • the spatial mixture is achieved, inter alia, by the mixing nozzle arrangement 17 explained above.
  • a particularly good temporal mixture is established.
  • a second mixing zone 23 of the second mixing stage 5 is selected so that a sufficient residence time t of to be burnt mixture G is achieved.
  • the residence time t in the second mixing stage 5 is limited such that self-ignition of the mixture G to be combusted is still avoided in the second mixing stage 5. This applies analogously to the temperature level with temperature T 2 of the mixture G in the second mixing stage 5.
  • both a mixing length of a first mixing zone 7 and a mixing length of a second mixing zone 23 can be chosen to be much greater than in conventional premixing spaces the case would be.
  • the mixing length of a mixing zone 23 of a second mixing stage 5 in the present embodiment is less than about 20 cm.
  • the mixture G to be combusted has a sufficient mixture, so that it can be supplied to the combustion chamber 13 via a swirl generator 27.
  • a swirl generator 27 serves to stabilize the flame F.
  • a higher pressure level is generated due to the swirl in the outer region of the flame F.
  • the lower pressure level prevailing in the interior of the flame prevents the flame F from being blown away from the burner.
  • FIG. 2 shows a preferred module 20 of a mixing nozzle arrangement 17, which is explained in more detail in FIG.
  • the module 20 forms part of a flow cross-section 29 and carries a plurality of alternating streams 18A and 18B which are guided in a respective channel 19A and 19B.
  • a channel 19A carries a rich fuel-air mixture BL in a flow 18A.
  • a channel 19B carries portions of a pilot space 9, the mixture of air L, fuel B and exhaust gas A.
  • the module 20, with its channels 19A, 19B, is a non-catalytic module designed solely for advantageous mixing and does not provide any catalytic activity.
  • the module 20 has a hexagonal shape 31.
  • the module 20 is particularly preferably designed for execution with a tube bundle for the alternating distribution of air and rich mixture.
  • a method which provides, as part of a premix, to premix the fuel B with air L to form a fuel-air mixture BL and during combustion to convert the fuel-air mixture BL to a hot gas H.
  • a conversion of a fuel-air mixture BL is avoided within the mixing stages and the premixing takes place stepwise, wherein in a first mixture, a rich fuel-air mixture BL is generated and in a second mixture rich fuel-air mixture BL with air L, in particular to a lean mixture, is mixed.
  • a premix combustion system 10 for combusting a fuel B for the operation of a gas turbine provides a premixing chamber 1 and a combustion chamber 13 in which, according to the proposed concept, the premixing chamber 1 is designed in multiple stages, with a first mixing stage 3 and a second mixing stage 5.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)

Abstract

The method for burning fuel for driving gas turbines comprises a premixing stage, in which fuel (B) is mixed with air (l), and a burning stage in which the mixture (BL) is converted to hot gas (H). In order to minimize conversion of the mixture during the premixing stage: (A) fuel is first mixed with air to produce a rich mixture; and (B) this mixture is then mixed with more air. INDEPENDENT CLAIM is included for: (A) a premixing combustion system for use in the method; and (B) gas turbines fitted with the system.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennung eines Brennstoffs für den Betrieb einer Gasturbine, bei dem im Rahmen einer Vormischung der Brennstoff mit Luft zu einem Brennstoff-Luft-Gemisch vorgemischt wird und im Rahmen einer Verbrennung das Brennstoff-Luft-Gemisch zu einem Heißgas umgesetzt wird. Die Erfindung betrifft ebenso ein Vormischverbrennungssystem mit einem Vormischraum und einem Brennraum.The invention relates to a method for combustion of a fuel for the operation of a gas turbine, in which the fuel is premixed with air in a premix to a fuel-air mixture and in the context of combustion, the fuel-air mixture is converted into a hot gas , The invention also relates to a premix combustion system having a pre-mixing chamber and a combustion chamber.

Eine Gasturbine ist eine Kraftmaschine, welche die Wärmeenergie eines heißen Gases in mechanische Energie umsetzt. Gasturbinen werden in der Technik als Antriebsaggregate, beispielsweise zur Erzeugung von elektrischem Strom, eingesetzt. Unter einer Gasturbinenanlage versteht man im Allgemeinen nicht nur die Gasturbine selbst, sondern ein Aggregat aus verschiedenen Bestandteilen. Dazu gehören unter anderem die hintereinander geschalteten Bestandteile Verdichter, Brennraum, Turbine und Generator.A gas turbine is an engine that converts the heat energy of a hot gas into mechanical energy. Gas turbines are used in the art as drive units, for example for the production of electric power. Under a gas turbine plant is generally understood not only the gas turbine itself, but an aggregate of various components. These include, among others, the components connected in series, compressor, combustion chamber, turbine and generator.

Zunächst wird in einem Verdichter angesaugte Luft komprimiert. Die auf diese Weise komprimierte Luft strömt hinter dem Verdichter einem Brennraum zu, der mit mehreren Brennern die Luft durch Verbrennung eines Brennstoffs, z. B. in Form eines Brenngases oder in Form von Heizöl, bei modernen Maschinen auf eine Temperatur von über 1400 °C, erhitzt. Vorliegend betrifft die Erfindung insbesondere solche Gasturbinen, bei denen ein Brenngas verwendet wird, z. B. in Form von Erdgas oder Synthesegas (Hauptanteile CO, H2 und ggf. Nebenanteile, wie N2, CO2, Wasserdampf).First, air sucked in a compressor is compressed. The compressed air in this way flows behind the compressor to a combustion chamber, which with several burners, the air by combustion of a fuel, for. B. in the form of a fuel gas or in the form of fuel oil, in modern machines to a temperature of about 1400 ° C, heated. In the present case, the invention relates in particular to those gas turbines in which a fuel gas is used, for. B. in the form of natural gas or synthesis gas (main components CO, H 2 and possibly secondary components, such as N 2 , CO 2 , water vapor).

Das Heißgas strömt in der Regel von der Brennkammer in die Gasturbine ein und wird dort unter Antrieb eines Rotors entspannt. Die axial austretenden Abgase aus der Gasturbine gelangen über einen Abgaskanal in einen Abhitzekessel oder direkt in einen Kamin. Zum Antrieb von Maschinen, z. B. eines Generators, steht die Differenz aus der von der Gasturbine abgegebene Leistung abzüglich der dem Verdichter zugeführten Leistung zur Verfügung.The hot gas usually flows from the combustion chamber into the gas turbine and is relaxed there by driving a rotor. The axially exiting exhaust gases from the gas turbine pass through an exhaust duct into a waste heat boiler or directly in a fireplace. For driving machines, eg. As a generator, the difference is the output from the gas turbine power minus the power supplied to the compressor available.

Ziel einer Ausgestaltung einer Gasturbine ist neben einem möglichst hohen Wirkungsgrad eine niedrige Stickoxidemission hinsichtlich der Abgase, die bei der Verbrennung des Brennstoffs entstehen (NOx-Emission).The aim of an embodiment of a gas turbine is, in addition to the highest possible efficiency, a low nitrogen oxide emission with respect to the exhaust gases that are produced during the combustion of the fuel (NO x emission).

Bekannt ist die Verbrennung nach dem Prinzip der Diffusionsflamme. Bei einer Diffusionsflamme wird eine besonders homogene Verbrennung erreicht, weil sich die Flammenfront der Diffusionsflamme im Wesentlichen, je nach Fortschritt einer Mischung eines Brennstoffs mit Luft zu einem Brennstoff-Luft-Gemisch derart einstellt, dass sie bevorzugt im Bereich einer nahestöchiometrischen Zusammensetzung eines Brennstoff-Luft-Gemisches brennt. Dies führt zu Spitzentemperaturen in einer Diffusionsflamme, die für eine Verbrennung mit Diffusionsflammen typisch ist. Eine Spitzentemperatur kann beispielsweise weit über 1800 °C liegen, ggf. bis zu 2400 °C betragen. Diese Spitzentemperatur wird in Diffusionsflammen deshalb erreicht, weil sich die Flammenfront selbständig dort einstellt, wo die günstigsten Verbrennungsbedingungen entsprechend der Stöchiometrie des Brennstoff-Luft-Gemisches vorliegen. Die Flammenfront stabilisiert sich in Diffusionsflammen typischerweise an den Positionen an denen das Brennstoff-Luft-Gemisch nahestöchiometrisches Niveau erreicht aufgrund der bei nahestöchiometrischer Mischung vorliegenden höchsten Reaktivität. Dies hat zwar den Vorteil, dass Diffusionsflammen aufgrund der brennstoffabhängig maximal erreichbaren Reaktivität in der Reaktionszone sehr stabil brennen, aber andererseits verursachen Diffusionsflammen auch eine hohe Stickoxidemission. Die Stickoxidemission steigt exponentiell mit der Flammentemperatur. Hinzu kommt, dass in einer Gasturbinenanlage werkstoffbedingt und infolge des Aufwandes zur Kühlung heißgasführender Bauteile insbesondere im Bereich der Turbine lediglich Temperaturen unterhalb von 1600 °C technologisch sinnvoll sind. Alle darüber liegenden Temperaturen, insbesondere lokale Spitzentemperaturen, wie z. B. besonders ausgeprägt in einer Diffusionsflamme, erhöhen nur die Bauteilbelastung und NOx-Emission.Burning is known according to the principle of the diffusion flame. In a diffusion flame, a particularly homogeneous combustion is achieved because the flame front of the diffusion flame substantially, depending on the progress of a mixture of a fuel with air to a fuel-air mixture adjusted such that it preferably in the range of a near-stoichiometric composition of a fuel-air -Gemisches burns. This leads to peak temperatures in a diffusion flame, which is typical for combustion with diffusion flames. For example, a peak temperature can be well over 1800 ° C, possibly up to 2400 ° C. This peak temperature is achieved in diffusion flames because the flame front automatically adjusts itself where the most favorable combustion conditions corresponding to the stoichiometry of the fuel-air mixture are present. The flame front typically stabilizes in diffusion flames at the positions where the fuel-air mixture reaches near-stoichiometric level due to the highest reactivity present at near-stoichiometric mixture. Although this has the advantage that diffusion flames burn very stably in the reaction zone due to the maximum reactivity which can be achieved by the fuel, but on the other hand diffusion flames also cause a high nitrogen oxide emission. The nitrogen oxide emission increases exponentially with the flame temperature. In addition, in a gas turbine plant due to the material and due to the cost of cooling hot gas components, especially in the field of Turbine only temperatures below 1600 ° C are technologically meaningful. All overlying temperatures, especially local peak temperatures, such. B. particularly pronounced in a diffusion flame, only increase the component load and NO x emission.

Ziel einer Auslegung eines Verbrennungssystems und eines Verfahrens zur Verbrennung eines Brennstoffs für den Betrieb einer Gasturbine ist es also, eine Turbinentemperatur hinsichtlich der thermodynamischen und werkstoffbedingten Erfordernisse der Gasturbinenanlage einzustellen und dabei Spitzentemperaturen zu vermeiden.The aim of a design of a combustion system and a method for combustion of a fuel for the operation of a gas turbine is thus to adjust a turbine temperature with respect to the thermodynamic and material-related requirements of the gas turbine plant while avoiding peak temperatures.

Zur stickoxidarmen Verbrennung von Kohlenwasserstoffen wird in Gasturbinen seit Jahren erfolgreich das Prinzip der Vormischverbrennung angewandt. Ziel der Vormischverbrennung ist es, im Rahmen einer Vormischung eine bedarfsgerechte Vermischung von Brennstoff mit Luft zu einem Brennstoff-Luft-Gemisch zur Verfügung zu stellen.For nitrogen oxide-poor combustion of hydrocarbons, the principle of premix combustion has been successfully used in gas turbines for many years. The aim of the pre-mixed combustion is to provide a need-based mixing of fuel with air to a fuel-air mixture as part of a premix.

Man unterscheidet dabei eine magere Vormischung von einer fetten Vormischung.A distinction is made between a lean premix of a fatty premix.

Unter einer mageren Vormischung wird ein Brennstoff-Luft-Gemisch mit Luftüberschuss verstanden (d. h. mit einer Luftzahl größer als eins). Das heißt, hinsichtlich eines stöchiometrischen Verhältnisses für die rechnerisch vollständige oxidierende Umsetzung des Brennstoffs zu Oxidationsprodukten CO2 und H2O wird bei einer mageren Vormischung ein Brennstoff-Luft-Gemisch zur Verfügung gestellt, bei dem die Luft überstöchiometrisch vorliegt, also stöchiometrisch weniger Brennstoff vorliegt als von dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff oxidiert werden kann. Da bei der mageren Vormischung Luft über einen stöchiometrischen Mischzustand hinaus zugemischt wird, liegt zusätzliche Ballastluft vor, die bei einer Verbrennung mitaufgeheizt werden muss. Die erreichbare Verbrennungstemperatur hängt dabei von der Menge der Überschussluft bzw. der Luftzahl ab. Im Vergleich zu einer überstöchiometrischen Diffusionsflamme hat eine magere Vormischflamme den Vorteil der Vermeidung der in überstöchiometrischen Diffusionsflammen auftretenden Spitzentemperatur. Demgegenüber weist die magere Vormischverbrennung prinzipbedingt eine niedrigere Stabilität der Flamme gegenüber einem Flammenverlöschen auf, da die Reaktivität auf das bei der mageren Vormischung gegebene Niveau begrenzt ist.By a lean premix is meant a fuel-air mixture with excess air (ie with an air ratio greater than one). That is, in terms of a stoichiometric ratio for the computationally complete oxidizing reaction of the fuel to oxidation products CO 2 and H 2 O is a lean premix a fuel-air mixture is provided in which the air is more than stoichiometric, that is stoichiometrically less fuel can be oxidized by the oxygen contained in the air. Since air is admixed beyond a stoichiometric mixed state in the lean premix, additional ballast air is present, which must be co-heated in a combustion. The achievable combustion temperature depends on the amount of excess air or the air ratio. Compared to a superstoichiometric diffusion flame, a lean premix flame has the advantage of avoiding the peak temperature occurring in superstoichiometric diffusion flames. In contrast, the lean premix combustion inherently has a lower flame stability compared to flame extinction since the reactivity is limited to the level given in the lean premix.

Demgegenüber ist bei einer fetten Vormischverbrennung vorgesehen, dass der Brennstoffanteil über einem stöchiometrischen Anteil liegt, d. h. die Luftzahl eines Brennstoff-Luft-Gemisches unterhalb von eins liegt. Sowohl bei einer mageren als auch bei einer fetten Vormischverbrennung besteht allgemein das Problem, dass ein Brennstoff-Luft-Gemisch bereits bei einem Vormischvorgang, also bei der Vormischung, also bereits in einem Vormischraum, in Abhängigkeit der Gemischzusammensetzung zu einer ungewollten Umsetzung und/oder Zündung neigt. Dies sollte möglichst vermieden werden, da dies die eigentliche Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemisches zu einem Heißgas benachteiligt und eine optimale Vormischung des Brennstoffs mit Luft verhindert.In contrast, it is provided in a rich premix combustion, that the fuel content is above a stoichiometric proportion, d. H. the air ratio of a fuel-air mixture is below one. In the case of both lean and rich premix combustion, there is generally the problem that a fuel-air mixture already undergoes a premixing operation, ie premixing, ie already in a premixing chamber, depending on the mixture composition to an unwanted conversion and / or ignition inclines. This should be avoided as much as possible, since this disadvantages the actual combustion of the fuel-air mixture to a hot gas and prevents optimum premixing of the fuel with air.

In der US 6,358,040 wird eine Apparatur beschrieben, in der eine gestufte Mischung erfolgt. Hierbei wird das nach der ersten Mischstufe erzeugte Gemisch an einem Katalysator definiert teilumgesetzt, um eine Stabilisierung einer homogenen Reaktion ohne aerodynamische Stabilisierung nach einer zweiten Mischstufe zu gewährleisten. Diese Art der Vormischung sieht also bereits eine teilweise katalytische Umsetzung des fetten Brennstoff-Luft-Gemisches vor, damit ein katalytischer Reaktor bei fetten Gemischbedingungen vor Überhitzung geschützt betrieben werden kann. Letztendlich wird in einer nachfolgenden Mischung wiederum eine magere Vormischverbrennung für den vollständigen Ausbrand zu einem Heißgas erzielt.No. 6,358,040 describes an apparatus in which a stepped mixture takes place. Here, the mixture produced after the first mixing stage is defined partially converted to a catalyst to ensure stabilization of a homogeneous reaction without aerodynamic stabilization after a second mixing stage. This type of premix thus already provides for a partial catalytic conversion of the rich fuel-air mixture, so that a catalytic reactor can be operated protected against overheating under rich mixture conditions. Finally, in a subsequent mixture, lean premix combustion is again achieved for complete burnout to a hot gas.

Wünschenswert wäre es unter Vermeidung der oben genannten Gefahren eine möglichst gute, insbesondere homogene Vormischung von Luft und Brennstoff mit dem Ziel einer möglichst geringen Stickoxidemission zu erreichen, ohne eine aufwendige katalytische Teilumsetzung nach der ersten Mischstufe zu mischen.It would be desirable, while avoiding the above-mentioned dangers, to achieve the best possible, in particular homogeneous, premixing of air and fuel with the aim of the lowest possible nitrogen oxide emission, without mixing an expensive catalytic partial conversion after the first mixing stage.

An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbrennung eines Brennstoffs für den Betrieb einer Gasturbine anzugeben, bei dem eine Zündung eines Brennstoff-Luft-Gemisches sicher vermieden ist und wobei eine besonders niedrige Stickoxidemission in der Verbrennung erreicht wird.At this point, the invention begins, whose task is to provide a method and apparatus for combustion of a fuel for the operation of a gas turbine, in which ignition of a fuel-air mixture is safely avoided and wherein a particularly low nitrogen oxide emission in the Combustion is achieved.

Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe durch ein eingangs genanntes Verfahren gelöst, bei dem erfindungsgemäß bei der Vormischung eine Umsetzung eines Brennstoff-Luft-Gemisches vermieden wird und die Vormischung stufenweise erfolgt, wobei im Rahmen einer ersten Mischung ein fettes Brennstoff-Luft-Gemisch erzeugt wird und im Rahmen einer zweiten Mischung das fette Brennstoff-Luft-Gemisch mit Luft vermischt wird.With regard to the method, this object is achieved by an aforementioned method in which according to the invention in the premix, a reaction of a fuel-air mixture is avoided and the premix is gradual, being produced as part of a first mixture, a rich fuel-air mixture and mixing the rich fuel-air mixture with air as part of a second mixture.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass üblicherweise der in technischen Vormischverbrennungssystemen vorgesehene Mischweg begrenzt ist, so dass weder kritische Selbstzündzeiten überschritten werden noch ein Rückschlagen der Flammen erfolgen kann.The invention is based on the consideration that usually provided in technical Vormischverbrennungssystemeen mixing path is limited, so that neither critical auto-ignition times are exceeded nor a flashback of the flames can be done.

Das Prinzip der Vormischverbrennung ist bezüglich der NOx-Emission aber am effektivsten, wenn die Mischung am Ende des Mischweges möglichst perfekt, also insbesondere homogen ist, weil dann die durch lokale Gemischtheitsunterschiede bedingten restlichen lokalen Temperaturspitzen bestmöglich unterdrückt werden. Bei einer Begrenzung des Mischweges wegen der oben genannten Gründe (Selbstzündgefahr, Rückschlaggefahr) wird das Erreichen einer möglichst perfekten Mischung aber zunehmend schwieriger.However, the principle of premix combustion is most effective with respect to NO x emission when the mixture at the end of the mixing path is as perfect as possible, that is to say in particular homogeneous, because then the residual local temperature peaks caused by local differences in mixture are optimally suppressed. However, limiting the mixing path due to the above reasons (risk of self-ignition, risk of kickback) makes achieving a mixture that is as perfect as possible more and more difficult.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Verlängerung des Mischweges bzw. der Mischzeit ohne Erhöhung der oben genannten Risiken erreicht werden kann, wenn der Mischvorgang so gestuft wird, dass in einer ersten Mischstufe ein noch brennstoffreiches Gemisch erzeugt wird, das infolge seiner Zusammensetzung nicht oder nur wenig zündgefährdet ist. Dieser Mischvorgang zum fetten Gemisch unterliegt dann nämlich eben nicht einer Beschränkung des technischen Mischweges aus den oben genannten Gründen. Eine entsprechende Begrenzung kann allenfalls erst für die zweite Mischstufe erforderlich werden.The invention is based on the finding that an extension of the mixing path or the mixing time can be achieved without increasing the risks mentioned above, if the mixing process is graded so that in a first mixing stage, a still fuel-rich mixture is produced, not due to its composition or only a little at risk of ignition. This mixing process to the rich mixture is then not subject to a limitation of the technical mixing way for the reasons mentioned above. A corresponding limitation may only be necessary for the second mixing stage.

Die Erfindung geht dabei weiter von der Überlegung aus, dass bisher bekannte Vormischverbrennungen, soweit sie überhaupt eine stufenweise Mischung vorsehen, bereits eine gewollte oder eine ungewollte Umsetzung oder Zündung eines Brennstoff-Luft-Gemisches implizieren. Die US 6,358,040 sieht vor, im Rahmen einer gestuften Vormischung bereits das in einer ersten Mischstufe erzeugte fette Brennstoff-Luft-Gemisch vorzuzünden. Hierbei wird die mögliche Bandbreite der Gemischzusammensetzung in dieser ersten Mischstufe derart begrenzt, dass infolge der katalytisch initiierten Reaktion die Maximaltemperaturen der verwendeten Werkstoffe nicht überschritten wird. Damit wird die mögliche Bandbreite der Mischung in der ersten Mischstufe weiter als erforderlich in Richtung kleinerer zugemischter Luftmengen beschränkt, wodurch das Potential zur Erreichung einer möglichst homogenen Vermischung am Ende der zweiten Mischstufe entgegen der Zielsetzung begrenzt wird.The invention is further based on the consideration that previously known Vormischverbrennungen, as far as they provide a gradual mixture, already imply a deliberate or an unwanted implementation or ignition of a fuel-air mixture. US Pat. No. 6,358,040 proposes to pre-ignite the rich fuel-air mixture produced in a first mixing stage as part of a stepped premix. In this case, the possible bandwidth of the mixture composition in this first mixing stage is limited such that, as a result of the catalytically initiated reaction, the maximum temperatures of the materials used are not exceeded. Thus, the possible bandwidth of the mixture in the first mixing stage is further limited than required in the direction of smaller amounts of admixed air, whereby the potential for achieving the most homogeneous possible mixing at the end of the second mixing stage is limited contrary to the objective.

Dagegen liegt die Erkenntnis der vorliegenden Erfindung darin, dass bei der Vormischung eine Umsetzung eines Brennstoff-Luft-Gemisches vermieden wird. Des Weiteren wird durch die Stufung der Vormischung eine Selbstzündungs- und/oder Rückschlaggefahr solange vermieden, bis eine ausreichende Vermischung des Brennstoffs mit der Luft zu einem Brennstoff-Luft-Gemisch stattgefunden hat und zu einem sehr guten, homogenen und unterstöchiometrisch fetten Brennstoff-Luft-Gemisch geführt hat. Ein solches fettes Brennstoff-Luft-Gemisch kann also in einer ersten Mischung, d. h. in einer Mischstufe, sicher und homogen erzeugt werden. Im Rahmen einer zweiten Mischung wird das fette Brennstoff-Luft-Gemisch mit der restlichen Verbrennungsluft vermischt. Das Verhältnis der zu mischenden Anteile im Vergleich zu einer üblichen vollständigen Einmischung des Brennstoffs in einer Mischstufe in die Gesamtluft ist dabei sehr viel ausgewogener. Infolge der vergleichsweise sicheren und guten Mischung wird auch ein im Vergleich zu fortschrittlichen Verfahren konventioneller Art, beispielsweise der US 6,358,040, großes Stickoxidsenkungspotential erreicht, das prinzipiell nur durch die physikalische Grenze der perfekten Vormischverbrennung begrenzt ist.In contrast, the finding of the present invention is that in the premix, a reaction of a fuel-air mixture is avoided. Furthermore, the gradation of the premix avoids the risk of autoignition and / or kickback until sufficient mixing of the fuel with the air to form a fuel / air mixture has taken place and has led to a very good, homogeneous and substoichiometric fat fuel-air mixture. Such a rich fuel-air mixture can therefore be generated safely and homogeneously in a first mixture, ie in a mixing stage. As part of a second mixture, the rich fuel-air mixture is mixed with the remaining combustion air. The ratio of the proportions to be mixed in comparison to a usual complete mixing of the fuel in a mixing stage in the total air is much more balanced. As a result of the comparatively safe and good mixture, a large nitrogen oxide reduction potential is achieved in comparison with advanced methods of a conventional type, for example US Pat. No. 6,358,040, which is limited in principle only by the physical limit of perfect premix combustion.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung hinsichtlich des Verfahrens sind den Verfahrensunteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, eine Vormischung im Rahmen obiger Aufgabe auszugestalten.Advantageous developments of the invention with regard to the method can be found in the dependent method claims and specify in particular advantageous ways to design a premix in the context of the above task.

Vorzugsweise wird in der ersten Mischung ein erster Bruchteil eines Luftstroms mit einem gesamten Brennstoffstrom oder mit einem ersten Bruchteil eines Brennstoffstroms vermischt. Der erste Bruchteil des Luftstroms ist dabei so gering, dass eine Luftzahl kleiner als eins, also ein unterstöchiometrisches, fettes Brennstoff-Luft-Gemisch zur Verfügung gestellt wird.Preferably, in the first mixture, a first fraction of an air stream is mixed with a total fuel stream or with a first fraction of a fuel stream. The first fraction of the air flow is so small that an air ratio less than one, so a stoichiometric, rich fuel-air mixture is provided.

Des Weiteren wird in der zweiten Mischung zweckmäßigerweise ein zweiter Bruchteil eines Luftstroms mit dem fetten Brennstoff-Luft-Gemisch vermischt. Vorteilhafterweise kann also durch die Aufteilung eines Luftstroms in einen ersten und einen zweiten Bruchteil die Luftzahl des fetten Brennstoff-Luft-Gemisches besonders gut eingestellt werden. Insbesondere wird dadurch eine ausreichend lange Vermischung von Brennstoff mit Luft ohne die Gefahr einer Selbstzündung des Brennstoff-Luft-Gemisches im Rahmen der Vormischung möglich.Furthermore, in the second mixture, a second fraction of an air stream is expediently mixed with the rich fuel-air mixture. Advantageously, therefore, by dividing an air flow into a first and a second fraction, the air ratio of the rich fuel-air mixture can be adjusted particularly well. In particular, this makes possible a sufficiently long mixing of fuel with air without the risk of auto-ignition of the fuel-air mixture within the premix.

Gemäß einer besonders zu bevorzugenden Weiterbildung des Verfahrens wird der zweite Bruchteil des Luftstroms und das fette Brennstoff-Luft-Gemisch über einen durch eine Vielzahl von alternierenden Strömen gebildeten Strömungsquerschnitt der zweiten Mischung zugeführt. Das heißt, der zweite Bruchteil des Luftstroms wird in eine Vielzahl von Strömen aufgeteilt. Das fette Brennstoff-Luft-Gemisch wird in eine Vielzahl von Strömen aufgeteilt. Mit einer über den Strömungsquerschnitt alternierenden Anordnung der Luftströme einerseits und der fetten Brennstoff-Luft-Gemisch-Ströme andererseits wird somit die zweite Mischung eingeleitet. Die Ströme sind also alternierend angeordnet, wobei vorzugsweise ein Luftstrom von einem Brennstoff-Luft-Gemisch-Strom benachbart ist und unterschiedliche Ströme über den Querschnitt somit abwechselnd angeordnet sind. Dies hat den Vorteil, dass am Ende der zweiten Mischung, also am Ende einer zweiten Mischstufe, ein besonders homogenes Brennstoff-Luft-Gemisch zur Verfügung steht. Des Weiteren ist die Selbstzündungsgefahr beim Einleiten der zweiten Mischung durch die alternierende Führung der Ströme stark herabgesetzt.According to a particularly preferred development of the method, the second fraction of the air flow and the rich fuel-air mixture is supplied via a formed by a plurality of alternating currents flow cross-section of the second mixture. That is, the second fraction of the airflow is split into a plurality of streams. The rich fuel-air mixture is divided into a plurality of streams. With an alternating arrangement over the flow cross section of the air streams on the one hand and the rich fuel-air mixture streams on the other hand, thus the second mixture is introduced. The currents are thus arranged alternately, wherein preferably an air flow of a fuel-air mixture stream is adjacent and different currents are thus arranged alternately over the cross section. This has the advantage that at the end of the second mixture, ie at the end of a second mixing stage, a particularly homogeneous fuel-air mixture is available. Furthermore, the risk of self-ignition when introducing the second mixture by the alternating leadership of the currents is greatly reduced.

In der zweiten Mischung ist insbesondere eine begrenzte Verweilzeit des zweiten Bruchteils des Luftstroms mit dem fetten Brennstoff-Luft-Gemisch eingestellt, vorzugsweise geregelt eingestellt. Dies kann das Brennstoff-Luft-Gemisch im Rahmen der Vormischung verbessern.In particular, a limited residence time of the second fraction of the air flow with the rich fuel-air mixture is set in the second mixture, preferably regulated. This can improve the fuel-air mixture in the premix.

Vorzugsweise wird in der zweiten Mischung zu einem zu verbrennenden Brennstoff-Luft-Gemisch gemischt. In diesem Fall wird das Brennstoff-Luft-Gemisch nach Abschluss der zweiten Mischung im Rahmen einer Verbrennung zu einem Heißgas umgesetzt. Theoretisch könnten weitere Mischungen nach dem Vorbild der zweiten Mischung erfolgen. Es hat sich vorliegend gezeigt, dass insbesondere im Rahmen der oben erläuterten Weiterbildungen bereits mit der zweiten Mischung ein besonders homogenes und gutes unterstöchiometrisches fettes zu verbrennendes Brennstoff-Luft-Gemisch erreicht werden kann.Preferably, in the second mixture is mixed to a fuel-air mixture to be combusted. In this case, the fuel-air mixture is converted to a hot gas after completion of the second mixture in the context of combustion. Theoretically, further mixtures could follow the example of the second mixture. It has been found in the present case that, in particular in the context of the refinements explained above, a particularly even with the second mixture homogeneous and good stoichiometric fat burning fuel-air mixture can be achieved.

Zweckmäßigerweise lassen sich die Bedingungen für die Stabilität der Verbrennung nach der zweiten Mischstufe durch eine Vorbehandlung der Luft und/oder des Brennstoffs verbessern. Dazu erweist es sich insbesondere als vorteilhaft, dass die Luft geregelt auf ein erstes Temperaturniveau gehoben wird. Hierdurch wird vor allem auch die Reaktivität des Brennstoff-Luft-Gemisches nach der zweiten Mischung geregelt derart angehoben, dass eine stabile Verbrennung erreicht wird. Die Temperatur sollte dabei unterhalb der für die verwendeten Werkstoffe zulässigen Temperatur bleiben. Zudem sollte sie so gering sein, dass die Reaktivität in der zweiten Mischung einen Flammenrückschlag sicher vermeidet. Dies kann dadurch ausgeglichen werden, dass die Verweilzeit in der zweiten Mischung begrenzt wird. Je geringer die Verweilzeit in der zweiten Mischstufe eingestellt wird, desto geringer ist die Gefahr eines Flammenrückschlags.Conveniently, the conditions for the stability of the combustion after the second mixing stage can be improved by a pretreatment of the air and / or the fuel. For this purpose, it proves to be particularly advantageous that the air is lifted regulated to a first temperature level. As a result, above all, the reactivity of the fuel-air mixture after the second mixture is controlled so increased that a stable combustion is achieved. The temperature should remain below the permissible temperature for the materials used. In addition, it should be so low that the reactivity in the second mixture safely avoids a flashback. This can be compensated for by limiting the residence time in the second mixture. The lower the residence time is set in the second mixing stage, the lower the risk of flashback.

Zweckmäßigerweise lässt sich eine Anhebung der Temperatur auf unterschiedliche Art und Weise je nach Auslegung des Verfahrens erreichen.Appropriately, an increase in the temperature can be achieved in different ways depending on the design of the method.

Vorteilhaft kann ein Teil des Heißgases als Abgasstrom zur Vormischung rückgeführt werden. Insbesondere kann der Abgasstrom mit einem zweiten Bruchteil eines Luftstroms vermischt werden. Dadurch werden aufwändigere Maßnahmen bei der Vormischung vermieden, wenn gemäß dieser Weiterbildung der Abgasstrom bereits vor der eigentlichen Vormischung mit dem zweiten Bruchteil des Luftstroms vermischt wird.Advantageously, a part of the hot gas can be recycled as exhaust gas flow to the premix. In particular, the exhaust gas stream may be mixed with a second fraction of an air stream. As a result, more costly measures are avoided in the premix, according to this development, the exhaust gas stream is mixed before the actual premix with the second fraction of the air flow.

Alternativ oder zusätzlich hat es sich auch als vorteilhaft erwiesen, dass ein zweiter Bruchteil eines Brennstoffstroms mit einem zweiten Bruchteil eines Luftstroms vermischt wird. Dazu wird insbesondere die Verbrennung des Brennstoffstroms vor der eigentlichen Vormischung vorgesehen, also eine Pilotverbrennung, die wiederum vorteilhaft als Vormischverbrennung ausgeführt sein kann.Alternatively or additionally, it has also proved to be advantageous for a second fraction of a fuel stream to be mixed with a second fraction of an air stream. For this purpose, in particular the combustion of the fuel stream is provided before the actual premix, ie a pilot combustion, which in turn may be advantageously carried out as Vormischverbrennung.

Sowohl die Abgasrückführung als auch eine Pilotverbrennung eines zweiten Bruchteils eines Brennstoffstroms lassen sich einzeln oder in Kombination vorteilhaft vor einer eigentlichen Vormischung mit dem Luftstrom durchführen, so dass zur Vormischung die Luft geregelt auf ein erstes Temperaturniveau gehoben wird.Both the exhaust gas recirculation and a pilot combustion of a second fraction of a fuel stream can advantageously be carried out individually or in combination before an actual premixing with the air stream, so that the air is controlled to a first temperature level for premixing.

Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe gelöst durch ein Vormischverbrennungssystem der eingangs genannten Art zur Verbrennung eines Brennstoffs für den Betrieb einer Gasturbine. Der Vormischraum ist dabei zur Vormischung des Brennstoffs mit Luft zu einem Brennstoff-Luft-Gemisch vorgesehen. Der Brennraum ist dabei zur Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemisches zu einem Heißgas vorgesehen.With regard to the device, the object is achieved by a premix combustion system of the type mentioned for combustion of a fuel for the operation of a gas turbine. The premix space is provided for premixing the fuel with air to a fuel-air mixture. The combustion chamber is provided for combustion of the fuel-air mixture to a hot gas.

Erfindungsgemäß ist bei dem Vormischverbrennungssystem der Vormischraum, zur Vermeidung einer Zündung des Brennstoff-Luft-Gemisches im Vormischraum, mehrstufig ausgeführt, mit einer ersten Mischstufe und einer zweiten Mischstufe. Insbesondere zur Vermeidung einer unerwünschten Zündung des Brennstoff-Luft-Gemisches innerhalb der Mischräume der Mischstufen bei dennoch großer Mischzeit ist dies vorteilhaft.According to the invention, in the premix combustion system, the premixing chamber, to avoid ignition of the fuel-air mixture in the premixing chamber, has a multi-stage design, with a first mixing stage and a second mixing stage. In particular, this is advantageous in order to avoid an undesired ignition of the fuel-air mixture within the mixing chambers of the mixing stages with nevertheless a large mixing time.

Die erste Mischstufe dient dabei der Erzeugung eines fetten Brennstoff-Luft-Gemisches. Die zweite Mischstufe dient dabei zur Vermischung des fetten Brennstoff-Luft-Gemisches mit Luft.The first mixing stage serves to produce a rich fuel-air mixture. The second mixing stage serves to mix the rich fuel-air mixture with air.

Das erläuterte Vormischverbrennungssystem dient insbesondere zur Durchführung des oben erläuterten Verfahrens. Die hinsichtlich des Verfahrens erläuterten Vorteile lassen sich insbesondere auch bei dem Vormischverbrennungssystem realisieren. Ein zentrales Auslegungsmerkmal eines Vormischbrenners im Rahmen einer Weiterbildung betrifft insbesondere die Realisierung einer möglichst guten räumlichen und zeitlichen Gemischtheit und damit eine Optimierung des Stickoxidsenkungspotentials. Im Rahmen der Weiterbildung des Vormischverbrennungssystems lässt sich auch eine ausreichende Stabilisierung einer Flamme erreichen und eine Begrenzung der Verweilzeit des fetten Brennstoff-Luft-Gemisches in einer ersten und insbesondere in einer zweiten Mischstufe, was zu einer sicheren Vermeidung eines Flammenrückschlags beiträgt.The described premix combustion system is used in particular for carrying out the method explained above. The advantages explained with regard to the method can also be realized in particular in the premix combustion system. A central design feature of a premix burner in a further development relates in particular to Realization of the best possible spatial and temporal mixture and thus optimization of the nitrogen oxide lowering potential. Within the scope of the development of the premix combustion system, it is also possible to achieve a sufficient stabilization of a flame and a limitation of the residence time of the rich fuel-air mixture in a first and in particular in a second mixing stage, which contributes to a reliable prevention of flashback.

Vorzugsweise wird bei dem Vormischverbrennungssystem die erste Mischstufe mit einer Mischzone versehen, die eine Mischlänge zwischen 30 cm und 50 cm, vorzugsweise bei etwa 40 cm, zur Verfügung stellt. Dadurch kann eine besonders gute Gemischtheit des fetten Brennstoff-Luft-Gemisches im Rahmen einer Vormischung erreicht werden.Preferably, in the premix combustion system, the first mixing stage is provided with a mixing zone providing a mixing length of between 30 cm and 50 cm, preferably about 40 cm. As a result, a particularly good mixture of the rich fuel-air mixture can be achieved as part of a premix.

Vorzugsweise ist die zweite Mischstufe mit einer Mischdüsenanordnung versehen, die einen Strömungsquerschnitt aufweist, der durch eine Vielzahl von parallelen Kanälen gebildet ist. Die Vielzahl von Kanälen dient dabei insbesondere zur Aufnahme einer Vielzahl von alternierenden Strömen gemäß einer Weiterbildung des oben erläuterten Verfahrens.Preferably, the second mixing stage is provided with a mixing nozzle assembly having a flow area formed by a plurality of parallel channels. The plurality of channels serves in particular for receiving a plurality of alternating currents according to a development of the method explained above.

Im Rahmen dieser Weiterbildung hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, dass die zweite Mischstufe eine Düsenplatte aufweist, die zwischen der Mischdüsenanordnung und einer zweiten Mischzone angeordnet ist. Auf diese Weise lässt sich vorzugsweise das fette Brennstoff-Luft-Gemisch in einen zweiten Bruchteil eines Luftstroms eindüsen. Vorteilhaft ist auch die zweite Mischstufe mit einer Mischzone versehen, die mit einer Mischlänge im Bereich von 10 cm bis 30 cm, vorzugsweise bei etwa 20 cm, zur Verfügung steht. Insbesondere wird mit zunehmender Länge der Mischzone eine zunehmende Mischgüte des Brennstoff-Luft-Gemisches, insbesondere eines zu verbrennenden Brennstoff-Luft-Gemisches, durch eine räumliche und zeitliche Verbesserung der Gemischtheit erreicht.In the context of this development, it has proven particularly expedient that the second mixing stage has a nozzle plate which is arranged between the mixing nozzle arrangement and a second mixing zone. In this way, preferably the rich fuel-air mixture can be injected into a second fraction of an air flow. Advantageously, the second mixing stage is also provided with a mixing zone which is available with a mixing length in the range of 10 cm to 30 cm, preferably about 20 cm. In particular, with increasing length of the mixing zone, an increasing mixing quality of the fuel-air mixture, in particular of a fuel-air mixture to be combusted, is achieved by a spatial and temporal improvement of the mixture.

Um zur Vormischung die Luft geregelt auf ein erstes Temperaturniveau zu heben, kann das Vormischverbrennungssystem mit einer Reihe von zusätzlichen konstruktiven Maßnahmen versehen sein.In order to raise the premix air controlled to a first temperature level, the Vormischverbrennungssystem can be provided with a number of additional design measures.

Insbesondere ist eine vom Brennraum ausgehende Abgasrückführung vorgesehen, um einen Teil des Heißgases als Abgasstrom zur Vormischung rückzuführen.In particular, an exhaust gas recirculation emanating from the combustion chamber is provided in order to recirculate part of the hot gas as exhaust gas flow to the premix.

Vorzugsweise weist das Vormischverbrennungssystem einen Pilotraum auf. Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung des Vormischverbrennungssystems mündet die Abgasrückführung in den Pilotraum. Auf diese Weise lässt sich nämlich ein Abgasstrom mit einem zweiten Bruchteil eines Luftstroms vermischen.Preferably, the premix combustion system has a pilot space. According to a particularly preferred development of the premix combustion system, the exhaust gas recirculation discharges into the pilot space. In this way, namely, an exhaust gas stream can be mixed with a second fraction of an air stream.

Alternativ zur Abgasrückführung oder zusätzlich hat es sich als zweckmäßig erwiesen, dass der Pilotraum einen Pilotbrenner aufweist. Diese Pilotierung eignet sich insbesondere zur Realisierung einer stabilen Vormischverbrennung nach der zweiten Mischstufe.As an alternative to exhaust gas recirculation or in addition, it has proved to be expedient that the pilot space has a pilot burner. This piloting is particularly suitable for realizing a stable premix combustion after the second mixing stage.

Darüber hinaus lassen sich auch aerodynamische Maßnahmen zur Stabilisierung einer Vormischverbrennung treffen. Zweckmäßigerweise kann dazu ein Drallerzeuger zwischen der zweiten Mischstufe und dem Brennraum vorgesehen sein. Die Verdrallung einer Brennerflamme führt dabei über die Induzierung einer inneren Rückströmzone zu einer aerodynamischen Stabilisierung der Flamme. Insbesondere wird ein Wegblasen der Flamme vom Brenner vermieden.In addition, aerodynamic measures can be taken to stabilize a premix combustion. Conveniently, a swirl generator can be provided between the second mixing stage and the combustion chamber for this purpose. The twisting of a burner flame leads to the induction of an internal Rückströmzone to an aerodynamic stabilization of the flame. In particular, blowing away the flame from the burner is avoided.

Je nach Anwendung kann es auch vorteilhaft sein, eine Stauscheibe zwischen der zweiten Mischstufe und dem Brennraum vorzusehen. Dies bewirkt einen Ablösewirbel am Rand und hinter der Stauscheibe und eine entsprechende Unterdrucksituation hinter der Stauscheibe, was wiederum zu einer Rückhaltung der Flamme und damit einer aerodynamischen Stabilisierung der Flamme führt.Depending on the application, it may also be advantageous to provide a baffle plate between the second mixing stage and the combustion chamber. This causes a separation vortices on the edge and behind the baffle plate and a corresponding negative pressure situation behind the baffle plate, which in turn leads to a retention the flame and thus an aerodynamic stabilization of the flame leads.

Die Erfindung führt auch auf eine Gasturbinenanlage mit einem oben erläuterten Vormischverbrennungssystem.The invention also leads to a gas turbine plant with a premix combustion system as explained above.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht maßgeblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verweisen. Im Einzelnen zeigt die Zeichnung in:

FIG 1
eine besonders bevorzugte Ausführungsform eines Vormischverbrennungssystems zur Durchführung eines Verfahrens zur Verbrennung eines Brennstoffs für den Betrieb einer Gasturbine;
FIG 2
eine besonders bevorzugte Ausführungsform eines Moduls zum modularen Aufbau einer Mischdüsenanordnung bei einer Brennkammer eines Vormischverbrennungssystems der FIG 1.
Embodiments of the invention are described below with reference to the drawing. This is not intended to represent the embodiments significantly, but the drawing, where appropriate for explanation, executed in a schematized and / or slightly distorted form. With regard to additions to the teachings immediately apparent from the drawing, reference will be made to the relevant prior art. In detail, the drawing shows in:
FIG. 1
a particularly preferred embodiment of a premix combustion system for carrying out a method for combustion of a fuel for the operation of a gas turbine;
FIG. 2
a particularly preferred embodiment of a module for the modular construction of a mixing nozzle arrangement in a combustion chamber of a premix combustion system of FIG. 1

FIG 1 zeigt in schematisch vereinfachter Darstellung ein Vormischverbrennungssystem 10 zur Verbrennung eines Brennstoffs B für den Betrieb einer nicht näher dargestellten Gasturbine. Das Vormischverbrennungssystem 10 weist einen Vormischraum 1 auf, der vorliegend mehrstufig ausgeführt ist. Der mehrstufige Vormischraum 1 weist eine erste Mischstufe 3 und eine zweite Mischstufe 5 auf. Der Vormischraum dient dabei der Vormischung von Brennstoff B mit Luft L zu einem Brennstoff-Luft-Gemisch BL. Bei der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform wird insbesondere in der ersten Mischstufe 3 im Rahmen der ersten Mischung ein fettes Brennstoff-Luft-Gemisch BL erzeugt. In der zweiten Mischstufe 5 wird im Rahmen einer zweiten Mischung das fette Brennstoff-Luft-Gemisch BL mit Luft L vermischt.1 shows in a schematically simplified representation of a premix combustion system 10 for the combustion of a fuel B for the operation of a gas turbine, not shown. The premix combustion system 10 has a pre-mixing space 1, which in the present case has a multi-stage design. The multi-stage premixing chamber 1 has a first mixing stage 3 and a second mixing stage 5. The premixing space serves to premix fuel B with air L to form a fuel-air mixture BL. In the present preferred embodiment, in particular in the first mixing stage 3 in the context of the first mixture, a rich fuel-air mixture BL is generated. In the second mixing stage 5 is under a second mixture, the rich fuel-air mixture BL mixed with air L.

Gemäß der hier gezeigten besonders bevorzugten Ausführungsform eines Vormischverbrennungssystems 10 ist für die erste Mischung in der ersten Mischstufe 3 ein erster Bruchteil M_L1 mit einem ersten Bruchteil eines Brennstoffstroms M_B1 vorgesehen. Die Mischung erfolgt insbesondere in einer ersten Mischzone 7 der ersten Mischstufe 3 über eine Mischlänge von ca. 40 cm. Am Ende der Mischzone 7 wird damit ein besonders hoher Grad an Gemischtheit für das Brennstoff-Luft-Gemisch BL hinsichtlich Homogenität erreicht. Das vorliegend zylindrisch ausgeführte Vormischverbrennungssystem 10 hat einen zylindrisch ausgeführten Vormischraum 1 mit einer ringzylindrisch ausgeführten ersten Mischstufe 3 und einer entsprechend zylindrisch ausgeführten Mischstufe 5.According to the particularly preferred embodiment of a premix combustion system 10 shown here, a first fraction M_L1 with a first fraction of a fuel flow M_B1 is provided for the first mixture in the first mixing stage 3. The mixture takes place in particular in a first mixing zone 7 of the first mixing stage 3 over a mixing length of about 40 cm. At the end of the mixing zone 7 is thus achieved a particularly high degree of mixedness for the fuel-air mixture BL in terms of homogeneity. The presently cylindrical premix combustion system 10 has a cylindrically designed premixing chamber 1 with a ring-cylindrical first mixing stage 3 and a correspondingly cylindrical mixing stage 5.

In der zweiten Mischstufe 5 wird im Rahmen einer zweiten Mischung wiederum Luft L mit dem fetten Brennstoff-Luft-Gemisch BL vermischt. Die besonders bevorzugte Ausführungsform eines Vormischverbrennungssystems 10 mit einem Vormischraum 1 stellt die Luft L dazu über einen Pilotraum 9 zur Verfügung.In the second mixing stage 5, in the course of a second mixing, in turn, air L is mixed with the rich fuel-air mixture BL. The particularly preferred embodiment of a premix combustion system 10 having a premix space 1 provides the air L thereto via a pilot space 9.

Der Pilotraum 9 weist einen Pilotbrenner 11 auf, über den die Luft L als zweiter Bruchteil eines Luftstroms M_L2 zugeführt wird. Insbesondere wird in dem Pilotbrenner 11 zusammen mit einem zweiten Bruchteil eines Luftstroms M_L2 ein zweiter Bruchteil eines Brennstoffstroms M_B2 umgesetzt. Des Weiteren mündet eine aus einem Brennraum 13 abzweigende Abgasrückführung 15 in den Pilotraum 9 und führt dem Pilotraum 9 Heißgas H aus dem Brennraum 13 zu.The pilot space 9 has a pilot burner 11, via which the air L is supplied as a second fraction of an air flow M_L2. In particular, a second fraction of a fuel flow M_B2 is converted in the pilot burner 11 together with a second fraction of an air flow M_L2. Furthermore, an exhaust gas recirculation system 15 branching off from a combustion chamber 13 discharges into the pilot chamber 9 and supplies the pilot chamber 9 with hot gas H from the combustion chamber 13.

In der zweiten Mischung wird also von dem Pilotbrenner 11 noch nicht umgesetzte Luft L und Brennstoff B sowie Heißgas H in Form von Abgas A mit dem fetten Brennstoff-Luft-Gemisch BL vermischt. Dies erfolgt vorliegend im Rahmen einer in der zweiten Mischstufe 5 angeordneten Mischdüsenanordnung 17.In the second mixture, therefore, unconverted air L and fuel B and hot gas H in the form of exhaust gas A are mixed with the rich fuel-air mixture BL by the pilot burner 11. In the present case, this takes place within the scope of a mixing nozzle arrangement 17 arranged in the second mixing stage 5.

Diese weist einen durch eine Vielzahl von parallelen Kanälen 19A, 19B gebildeten Strömungsquerschnitt 29 auf, der anhand von FIG 2 näher erläutert wird. Die Vielzahl von Kanälen 19A trägt eine Vielzahl von alternierenden Strömungen. Die Kanäle 19A tragen einen Strom des fetten Brennstoff-Luft-Gemisches BL aus der ersten Mischstufe 3. Die dazwischen liegenden Kanäle 19B tragen einen Strom aus Abgas A, Brennstoff B und Luft L, die aus dem Pilotraum 9 zugeführt werden. Die ausgangsseitigen Auslässe der Kanäle 19A, 19B führen die nunmehr alternierend nebeneinander liegenden Ströme des fetten Brennstoff-Luft-Gemisches BL einerseits und der Luft L, des Brennstoffs B und des Abgases A andererseits einer Düsenplatte 21 zu, mit der ein bereits gutes Gemisch aus dem fetten Brennstoff-Luft-Gemisch BL und der Luft L (mit Brennstoff B und Abgas A) einer zweiten Mischzone 23 der zweiten Mischstufe 5 im Rahmen einer Eindüsung 25 zugeführt wird.This has a flow cross-section 29 formed by a plurality of parallel channels 19A, 19B, which will be explained in more detail with reference to FIG 2. The plurality of channels 19A carries a plurality of alternating flows. The channels 19A carry a stream of the rich fuel-air mixture BL from the first mixing stage 3. The intermediate channels 19B carry a stream of exhaust A, fuel B and air L, which are supplied from the pilot space 9. The output-side outlets of the channels 19A, 19B lead the now alternately adjacent streams of the rich fuel-air mixture BL on the one hand and the air L, the fuel B and the exhaust A on the other hand to a nozzle plate 21, with an already good mixture of the rich fuel-air mixture BL and the air L (with fuel B and exhaust gas A) of a second mixing zone 23 of the second mixing stage 5 is supplied as part of an injection 25.

Gemäß der hier gezeigten bevorzugten Ausbildungsform erfolgt die Eindüsung auf einem bereits gehobenen Temperaturniveau T2. Zur Vormischung wird die Luft nämlich im Pilotraum 9 auf das erste Temperaturniveau T1 angehoben, indem zum einen Heißgas in Form von Abgas A über die Abgasrückführung 15 zugeführt wird. Zum Anderen ist ein Pilotbrenner 11 zur Umsetzung eines zweiten Brennstoffstroms M_B2 mit einem zweiten Bruchteil eines Luftstroms M_L2 vorgesehen.According to the preferred embodiment shown here, the injection takes place at an already elevated temperature level T 2 . For premixing, the air is namely raised in the pilot chamber 9 to the first temperature level T 1 , by supplying hot gas in the form of exhaust gas A via the exhaust gas recirculation 15. On the other hand, a pilot burner 11 is provided for implementing a second fuel flow M_B2 with a second fraction of an air flow M_L2.

Dies führt auch in der Mischzone 23 bereits zu einer vorteilhaften Anhebung des Temperaturniveaus auf die Temperatur T2. Damit wird eine stabile Verbrennung des zu verbrennenden Gemisches G erreicht.This leads to an advantageous increase in the temperature level to the temperature T 2 even in the mixing zone 23. This achieves stable combustion of the mixture G to be combusted.

Die räumliche Gemischtheit wird unter anderem durch die oben erläuterte Mischdüsenanordnung 17 erreicht. Darüber hinaus stellt sich bei der bevorzugten Ausführungsform eines Vormischraums 1 auch eine besonders gute zeitliche Gemischtheit ein. Dazu wird eine zweite Mischzone 23 der zweiten Mischstufe 5 so gewählt, dass eine ausreichende Verweilzeit t des zu verbrennenden Gemisches G erreicht wird. Andererseits ist die Verweilzeit t in der zweiten Mischstufe 5 derart begrenzt, dass eine Selbstzündung des zu verbrennenden Gemisches G noch in der zweiten Mischstufe 5 vermieden wird. Analog gilt dies für das Temperaturniveau mit Temperatur T2 des Gemisches G in der zweiten Mischstufe 5.The spatial mixture is achieved, inter alia, by the mixing nozzle arrangement 17 explained above. Moreover, in the preferred embodiment of a premixing chamber 1, a particularly good temporal mixture is established. For this purpose, a second mixing zone 23 of the second mixing stage 5 is selected so that a sufficient residence time t of to be burnt mixture G is achieved. On the other hand, the residence time t in the second mixing stage 5 is limited such that self-ignition of the mixture G to be combusted is still avoided in the second mixing stage 5. This applies analogously to the temperature level with temperature T 2 of the mixture G in the second mixing stage 5.

Durch die oben erläuterte gestufte Ausführung des Vormischraums 1 mit einer ersten Mischstufe 3 und einer zweiten Mischstufe 5 wird erreicht, dass sowohl eine Mischlänge einer ersten Mischzone 7 als auch eine Mischlänge einer zweiten Mischzone 23 sehr viel größer gewählt werden kann, als dies bei üblichen Vormischräumen der Fall wäre. Insbesondere beträgt die Mischlänge einer Mischzone 23 einer zweiten Mischstufe 5 bei der vorliegenden Ausführungsform weniger als ca. 20 cm.By means of the above-explained stepped embodiment of the premixing space 1 with a first mixing stage 3 and a second mixing stage 5, it is achieved that both a mixing length of a first mixing zone 7 and a mixing length of a second mixing zone 23 can be chosen to be much greater than in conventional premixing spaces the case would be. In particular, the mixing length of a mixing zone 23 of a second mixing stage 5 in the present embodiment is less than about 20 cm.

Am Ende der Mischzone 23 hat das zu verbrennende Gemisch G eine ausreichende Gemischtheit, so dass es über einen Drallerzeuger 27 dem Brennraum 13 zugeführt werden kann. Insbesondere liegt am Ende der zweiten Mischung ein mageres Gemisch vor. Dabei wird das Gemisch G in einer Flamme F zu einem Heißgas H im Brennraum 13 umgesetzt. Der Drallerzeuger 27 dient dabei der Stabilisierung der Flamme F. Dabei wird ein höheres Druckniveau infolge des Dralls im Außenbereich der Flamme F erzeugt. Das im inneren Bereich der Flamme herrschende niedrigere Druckniveau verhindert, dass die Flamme F vom Brenner weggeblasen wird.At the end of the mixing zone 23, the mixture G to be combusted has a sufficient mixture, so that it can be supplied to the combustion chamber 13 via a swirl generator 27. In particular, there is a lean mixture at the end of the second mixture. In this case, the mixture G is converted in a flame F to a hot gas H in the combustion chamber 13. The swirl generator 27 serves to stabilize the flame F. In this case, a higher pressure level is generated due to the swirl in the outer region of the flame F. The lower pressure level prevailing in the interior of the flame prevents the flame F from being blown away from the burner.

In der FIG 2 ist ein bevorzugtes Modul 20 einer in FIG 1 näher erläuterten Mischdüsenanordnung 17 gezeigt. Das Modul 20 stellt einen Teil eines Strömungsquerschnitts 29 dar und trägt eine Vielzahl von alternierenden Strömen 18A und 18B, die in einem entsprechenden Kanal 19A und 19B geführt werden. Wie in Zusammenhang mit FIG 1 erläutert, trägt dabei ein Kanal 19A ein fettes Brennstoff-Luft-Gemisch BL in einer Strömung 18A. Ein Kanal 19B trägt Anteile von aus einem Pilotraum 9 geführten Gemisch aus Luft L, Brennstoff B und Abgas A. Das Modul 20 ist mit seinen Kanälen 19A, 19B ein nicht-katalytisches Modul, dass lediglich hinsichtlich einer vorteilhaften Mischung ausgelegt ist und keinerlei katalytische Tätigkeit zur Verfügung stellt.FIG. 2 shows a preferred module 20 of a mixing nozzle arrangement 17, which is explained in more detail in FIG. The module 20 forms part of a flow cross-section 29 and carries a plurality of alternating streams 18A and 18B which are guided in a respective channel 19A and 19B. As explained in connection with FIG. 1, a channel 19A carries a rich fuel-air mixture BL in a flow 18A. A channel 19B carries portions of a pilot space 9, the mixture of air L, fuel B and exhaust gas A. The module 20, with its channels 19A, 19B, is a non-catalytic module designed solely for advantageous mixing and does not provide any catalytic activity.

Vorliegend weist das Modul 20 eine sechseckige Form 31 auf. In der sechseckigen Form 31 ist das Modul 20 besonders bevorzugt zur Ausführung mit einem Rohrbündel zur alternierenden Verteilung von Luft und fettem Gemisch ausgelegt.In the present case, the module 20 has a hexagonal shape 31. In the hexagonal shape 31, the module 20 is particularly preferably designed for execution with a tube bundle for the alternating distribution of air and rich mixture.

Um bei einer Verbrennung eins Brennstoffs B für den Betrieb einer Gasturbine eine möglichst niedrige Stickoxidemission zu erreichen wird ein Verfahren verbessert, das vorsieht, im Rahmen einer Vormischung den Brennstoff B mit Luft L zu einem Brennstoff-Luft-Gemisch BL vorzumischen und im Rahmen einer Verbrennung das Brennstoff-Luft-Gemisch BL zu einem Heißgas H umzusetzen. Gemäß dem vorgeschlagenen Konzept wird bei der Vormischung eine Umsetzung eines Brennstoff-Luft-Gemisches BL innerhalb der Mischstufen vermieden und die Vormischung erfolgt stufenweise, wobei im Rahmen einer ersten Mischung ein fettes Brennstoff-Luft-Gemisch BL erzeugt wird und im Rahmen einer zweiten Mischung das fette Brennstoff-Luft-Gemisch BL mit Luft L, insbesondere zu einem mageren Gemisch, vermischt wird.In order to achieve the lowest possible nitrogen oxide emission in the case of combustion of a fuel B for the operation of a gas turbine, a method is provided which provides, as part of a premix, to premix the fuel B with air L to form a fuel-air mixture BL and during combustion to convert the fuel-air mixture BL to a hot gas H. According to the proposed concept, in the premix, a conversion of a fuel-air mixture BL is avoided within the mixing stages and the premixing takes place stepwise, wherein in a first mixture, a rich fuel-air mixture BL is generated and in a second mixture rich fuel-air mixture BL with air L, in particular to a lean mixture, is mixed.

Ein Vormischverbrennungssystem 10 zur Verbrennung eines Brennstoffs B für den Betrieb einer Gasturbine sieht einen Vormischraum 1 und einen Brennraum 13 vor, bei dem gemäß dem vorgeschlagenen Konzept der Vormischraum 1 mehrstufig, mit einer ersten Mischstufe 3 und einer zweiten Mischstufe 5, ausgelegt ist.A premix combustion system 10 for combusting a fuel B for the operation of a gas turbine provides a premixing chamber 1 and a combustion chamber 13 in which, according to the proposed concept, the premixing chamber 1 is designed in multiple stages, with a first mixing stage 3 and a second mixing stage 5.

Claims (23)

Verfahren zur Verbrennung eines Brennstoffs (B) für den Betrieb einer Gasturbine, bei dem: im Rahmen einer Vormischung der Brennstoff (B) mit Luft (L) zu einem Brennstoff-Luft-Gemisch (BL) vorgemischt wird, und im Rahmen einer Verbrennung das Brennstoff-Luft-Gemisch (BL) zu einem Heißgas (H) umgesetzt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei der Vormischung eine Umsetzung eines Brennstoff-Luft-Gemisches (BL) vermieden wird und die Vormischung stufenweise erfolgt, wobei
im Rahmen einer ersten Mischung ein fettes Brennstoff-Luft-Gemisch (BL) erzeugt wird, und
im Rahmen einer zweiten Mischung das fette Brennstoff-Luft-Gemisch (BL) mit Luft (L) vermischt wird.Method for burning a fuel (B) for the operation of a gas turbine, in which: as part of a premix, the fuel (B) with air (L) is premixed to a fuel-air mixture (BL), and in the context of a combustion, the fuel-air mixture (BL) is converted to a hot gas (H),
characterized in that
in the premix, a reaction of a fuel-air mixture (BL) is avoided and the premix is carried out stepwise, wherein
in the context of a first mixture, a rich fuel-air mixture (BL) is generated, and
in the context of a second mixture, the rich fuel-air mixture (BL) is mixed with air (L). Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
in der ersten Mischung ein erster Bruchteil eines Luftstroms (M_L1) mit einem gesamten oder einem ersten Bruchteil eines Brennstoffstroms (M_B1) vermischt wird.Method according to claim 1,
characterized in that
in the first mixture, a first fraction of an air stream (M_L1) is mixed with a whole or a first fraction of a fuel stream (M_B1). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
in der zweiten Mischung ein zweiter Bruchteil eines Luftstroms (M_L2) mit dem fetten Brennstoff-Luft-Gemisch (BL) vermischt wird.Method according to claim 1 or 2,
characterized in that
in the second mixture a second fraction of an air stream (M_L2) is mixed with the rich fuel-air mixture (BL). Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
in der zweiten Mischung zu einem zu verbrennende Brennstoff-Luft-Gemisch (G) gemischt wird.Method according to claim 3,
characterized in that
is mixed in the second mixture to a fuel-air mixture (G) to be combusted. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite Bruchteil des Luftstroms (M_L2) und das fette Brennstoff-Luft-Gemisch (BL) über einen durch eine Vielzahl von alternierenden Strömen (19A, 19B) gebildeten Strömungsquerschnitt (29) der zweiten Mischung zugeführt wird.Method according to claim 3 or 4,
characterized in that
the second fraction of the air stream (M_L2) and the rich fuel-air mixture (BL) are supplied to the second mixture via a flow cross-section (29) formed by a plurality of alternating streams (19A, 19B). Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
in der zweiten Mischung eine begrenzte Verweilzeit (t) des zweiten Bruchteils des Luftstroms (M_L2) mit dem fetten Brennstoff-Luft-Gemisch (BL) eingestellt wird.Method according to one of claims 3 to 5,
characterized in that
in the second mixture, a limited residence time (t) of the second fraction of the air flow (M_L2) with the rich fuel-air mixture (BL) is set. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Vormischung die Luft (L) geregelt auf ein erstes Temperaturniveau (T1) gehoben wird.Method according to one of claims 1 to 6,
characterized in that
for premixing, the air (L) is controlled to a first temperature level (T 1 ) is raised. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Teil des Heißgases (H) als Abgas (A) zur Vormischung rückgeführt wird.Method according to claim 7,
characterized in that
a portion of the hot gas (H) as exhaust gas (A) is recycled to the premix. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Strom von Abgas mit einem zweiten Bruchteil eines Luftstroms (M_L2) vermischt wird.Method according to claim 8,
characterized in that
a stream of exhaust gas is mixed with a second fraction of an air stream (M_L2). Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein zweiter Bruchteil eines Brennstoffstroms mit einem zweiten Bruchteil eines Luftstroms vermischt wird.Method according to one of claims 7 to 9,
characterized in that
a second fraction of a fuel stream is mixed with a second fraction of an air stream. Vormischverbrennungssystem (10) zur Verbrennung eines Brennstoffs (B) für den Betrieb einer Gasturbine,
mit einem Vormischraum (1) und
einem Brennraum (13),
dadurch gekennzeichnet, dass
Vormischraum (1) zur Vermeidung einer Zündung des Brennstoff-Luft-Gemisches (BL) im Vormischraum mehrstufig ausgeführt ist, mit
einer ersten Mischstufe (3) und
einer zweiten Mischstufe (5).Premix combustion system (10) for combusting a fuel (B) for operation of a gas turbine,
with a pre-mixing chamber (1) and
a combustion chamber (13),
characterized in that
Premixing (1) to avoid ignition of the fuel-air mixture (BL) in the pre-mixing chamber is made multi-stage, with
a first mixing stage (3) and
a second mixing stage (5). Vormischverbrennungssystem (10) nach Anspruch 11
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste Mischstufe (3) eine erste Mischzone (7) mit einer Mischlänge im Bereich von 30 cm bis 50 cm zur Verfügung stellt.Premix combustion system (10) according to claim 11
characterized in that
the first mixing stage (3) provides a first mixing zone (7) with a mixing length in the range of 30 cm to 50 cm. Vormischverbrennungssystem (10) nach Anspruch 11 oder 12
dadurch gekennzeichnet, dass
die zweite Mischstufe (5) eine Mischdüsenanordnung (17) mit einem durch eine Vielzahl von parallelen Kanälen (19A, 19B) gebildeten Strömungsquerschnitt (29) aufweist.Premix combustion system (10) according to claim 11 or 12
characterized in that
the second mixing stage (5) has a mixing nozzle arrangement (17) with a flow cross-section (29) formed by a multiplicity of parallel channels (19A, 19B). Vormischverbrennungssystem (10) nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zweite Mischstufe (5) eine Düsenplatte (21) zwischen der Mischdüsenanordnung (17) und einer zweiten Mischzone (23) aufweist.Premix combustion system (10) according to claim 13,
characterized in that
the second mixing stage (5) has a nozzle plate (21) between the mixing nozzle arrangement (17) and a second mixing zone (23). Vormischverbrennungssystem (10) nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Mischdüsenanordnung (17) mit einer Anzahl von Modulen (20) aufgebaut ist.Premix combustion system (10) according to claim 13,
characterized in that
the mixing nozzle assembly (17) is constructed with a number of modules (20). Vormischverbrennungssystem (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zweite Mischstufe (5) eine zweite Mischzone (23) mit einer Mischlänge im Bereich von 10 cm bis 30 cm zur Verfügung stellt.Premix combustion system (10) according to any one of claims 11 to 15,
characterized in that
the second mixing stage (5) provides a second mixing zone (23) with a mixing length in the range of 10 cm to 30 cm. Vormischverbrennungssystem (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 16,
gekennzeichnet durch
eine vom Brennraum (13) ausgehende Abgasrückführung (15).Premix combustion system (10) according to any one of claims 11 to 16,
marked by
one from the combustion chamber (13) outgoing exhaust gas recirculation (15). Vormischverbrennungssystem (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 17,
gekennzeichnet durch
einen Pilotraum (9).Premix combustion system (10) according to any one of claims 11 to 17,
marked by
a pilot room (9). Vormischverbrennungssystem (10) nach Anspruch 17 und 18,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Abgasrückführung (15) in den Pilotraum (9) mündet.Premix combustion system (10) according to claims 17 and 18,
characterized in that
the exhaust gas recirculation (15) opens into the pilot chamber (9). Vormischverbrennungssystem (10) nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Pilotraum (9) einen Pilotbrenner (11) aufweist.Premix combustion system (10) according to claim 18,
characterized in that
the pilot space (9) has a pilot burner (11). Vormischverbrennungssystem (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 20,
gekennzeichnet durch
einen Drallerzeuger (27) zwischen der zweiten Mischstufe (5) und dem Brennraum (13).Premix combustion system (10) according to any one of claims 11 to 20,
marked by
a swirl generator (27) between the second mixing stage (5) and the combustion chamber (13). Vormischverbrennungssystem (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 21,
gekennzeichnet durch
eine Stauscheibe zwischen der zweiten Mischstufe (5) und dem Brennraum (13).Premix combustion system (10) according to any one of claims 11 to 21,
marked by
a baffle plate between the second mixing stage (5) and the combustion chamber (13). Gasturbinenanlage mit einem Vormischverbrennungssystem (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 22.Gas turbine plant with a premix combustion system (10) according to one of claims 11 to 22.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014133406A1 (en) * 2013-02-28 2014-09-04 General Electric Company System and method for a turbine combustor

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0059490A1 (en) * 1981-03-04 1982-09-08 BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie. Annular combustion chamber with an annular burner for gas turbines
EP0276096A1 (en) 1987-01-21 1988-07-27 Mobil Oil Corporation An olefin metathesis process
EP0276696A2 (en) * 1987-01-26 1988-08-03 Siemens Aktiengesellschaft Hybrid burner for premix operation with gas and/or oil, particularly for gas turbine plants
EP0719983A1 (en) * 1994-12-27 1996-07-03 ABB Management AG Method and device for feeding gaseous fuel in a premix burner
EP0916894A1 (en) * 1997-11-13 1999-05-19 Abb Research Ltd. Burner for operating a heat generator
EP1174662A1 (en) * 2000-07-21 2002-01-23 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Apparatus to reduce the vibrations of a turbine combustor
US6358040B1 (en) 2000-03-17 2002-03-19 Precision Combustion, Inc. Method and apparatus for a fuel-rich catalytic reactor
EP1217297A1 (en) 2000-12-22 2002-06-26 ALSTOM Power N.V. Burner with increased flame stability
EP1255080A1 (en) * 2001-04-30 2002-11-06 ALSTOM (Switzerland) Ltd Catalytic burner
EP1279898A2 (en) 2001-07-26 2003-01-29 ALSTOM (Switzerland) Ltd Premix burner with high flame stability
WO2004020905A1 (en) * 2002-08-30 2004-03-11 Alstom Technology Ltd Method and device for combusting a fuel-oxidising agent mixture

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0059490A1 (en) * 1981-03-04 1982-09-08 BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie. Annular combustion chamber with an annular burner for gas turbines
EP0276096A1 (en) 1987-01-21 1988-07-27 Mobil Oil Corporation An olefin metathesis process
EP0276696A2 (en) * 1987-01-26 1988-08-03 Siemens Aktiengesellschaft Hybrid burner for premix operation with gas and/or oil, particularly for gas turbine plants
EP0719983A1 (en) * 1994-12-27 1996-07-03 ABB Management AG Method and device for feeding gaseous fuel in a premix burner
EP0916894A1 (en) * 1997-11-13 1999-05-19 Abb Research Ltd. Burner for operating a heat generator
US6358040B1 (en) 2000-03-17 2002-03-19 Precision Combustion, Inc. Method and apparatus for a fuel-rich catalytic reactor
EP1174662A1 (en) * 2000-07-21 2002-01-23 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Apparatus to reduce the vibrations of a turbine combustor
EP1217297A1 (en) 2000-12-22 2002-06-26 ALSTOM Power N.V. Burner with increased flame stability
EP1255080A1 (en) * 2001-04-30 2002-11-06 ALSTOM (Switzerland) Ltd Catalytic burner
EP1279898A2 (en) 2001-07-26 2003-01-29 ALSTOM (Switzerland) Ltd Premix burner with high flame stability
WO2004020905A1 (en) * 2002-08-30 2004-03-11 Alstom Technology Ltd Method and device for combusting a fuel-oxidising agent mixture

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014133406A1 (en) * 2013-02-28 2014-09-04 General Electric Company System and method for a turbine combustor
RU2637609C2 (en) * 2013-02-28 2017-12-05 Эксонмобил Апстрим Рисерч Компани System and method for turbine combustion chamber
US10221762B2 (en) 2013-02-28 2019-03-05 General Electric Company System and method for a turbine combustor

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