EP1649218B1 - Procede de reduction des emissions de nox d'un systeme de bruleurs comprenant plusieurs bruleurs et systeme de bruleurs permettant de mettre en oeuvre ce procede - Google Patents

Procede de reduction des emissions de nox d'un systeme de bruleurs comprenant plusieurs bruleurs et systeme de bruleurs permettant de mettre en oeuvre ce procede Download PDF

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EP1649218B1
EP1649218B1 EP04766213.5A EP04766213A EP1649218B1 EP 1649218 B1 EP1649218 B1 EP 1649218B1 EP 04766213 A EP04766213 A EP 04766213A EP 1649218 B1 EP1649218 B1 EP 1649218B1
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burner
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Douglas Pennell
Christian Steinbach
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    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/02—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
    • F23N5/08—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements
    • F23N5/082—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N1/00—Regulating fuel supply
    • F23N1/002—Regulating fuel supply using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2235/00—Valves, nozzles or pumps
    • F23N2235/12—Fuel valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2241/00—Applications
    • F23N2241/20—Gas turbines

Definitions

  • the present invention relates to the field of combustion technology. It relates to a method for reducing the NOx emissions according to the preamble of claim 1 and a burner assembly for carrying out the method.
  • the object is solved by the entirety of the features of claims 1 and 13.
  • the essence of the invention is to measure directly or indirectly, the flame temperatures of the individual burner or burner groups and then at those burners or burner groups whose flame temperatures are above a predetermined value, the supply of fuel to throttle permanently to the design and manufacturing technology related deviations to balance this burner. This process can be carried out one or more times and then leads to a permanent homogenization of the flame temperatures and, consequently, to a reduction of the NOx emissions caused by the inhomogeneities.
  • a preferred embodiment of the inventive method is characterized in that the individual burner or burner groups are each supplied via a fuel supply with fuel, and that the throttling of the fuel supply is carried out by means disposed in the fuel supply throttle body.
  • One possibility for measuring the flame temperatures consists in that the measurement of the flame temperatures is made directly on the flames, wherein the measurement of the flame temperatures takes place in particular by optical means.
  • One way to measure the flame temperatures is that the measurement of the flame temperatures takes place indirectly, in particular the flames are generated in a combustion chamber, and the Measurement of the flame temperatures, the temperatures of selected parts or areas of the combustion chamber are measured, or the hot gases generated by the burners in the flames are sent through a utilization device, in particular a gas turbine, and for measuring the flame temperatures of the burner or burner groups, the temperatures at the output of the Usage device to be measured.
  • the indirect measurement of the flame temperature can be realized and carried out much easier metrologically.
  • an adjustable throttle body is used, which can be either an adjustable valve, an adjustable throttle screw or a replaceable aperture with a predetermined aperture.
  • a preferred embodiment of the burner assembly according to the invention is characterized in that the first means comprise a plurality of sensors which are connected to a measuring unit, wherein the sensors are designed either for direct measurement of the flame temperature, preferably by optical means.
  • the sensors are configured to measure the temperature of components
  • the burners are housed in one or more combustors, and the sensors are distributed in or on the combustor (s).
  • a utilization device for the hot gases in particular in the form of a gas turbine, arranged, the sensors for measuring the temperature of hot gases are formed, and the sensors are arranged at the output of the utilization device.
  • One of the purposes of the present invention is to identify the hottest burners by directly or indirectly measuring the flame temperature or the differences in flame temperature on gas turbines having multiple burners or groups of burners. This measurement can be done in a number of ways (e.g., by measuring the temperature after the turbine, by measuring the material temperature of combustor parts, by direct optical measurement of the flame temperature).
  • the flame temperatures are homogenized by throttling the fuel supply to the burners at too high a flame temperature.
  • This throttling can be done by means of adjustable valves, adjustable throttle screws or fixed throttle elements (for example diaphragms).
  • the process of flame temperature measurement and throttling of the burners with too high a flame temperature can be repeated until the desired homogeneity is reached.
  • Fig. 1 is shown in a schematic representation of a burner assembly according to a preferred embodiment of the invention with a direct measurement of the flame temperatures.
  • the burners B1, .., Bn are designed, for example, as double-cone burners, as used inter alia in the EP-A2-0 807 787 shown and described.
  • the individual burners B1,..., Bn are each connected via fuel supply lines 19 to a common fuel supply 11.
  • the burners B1, .., Bn are usually arranged on one or more concentric circular rings. They can also be grouped into groups that are fueled and operated together.
  • Each burner B1, .., Bn produced in operation by combustion of the supplied liquid and / or gaseous fuel by means of compressed combustion air, a flame F1, .., Fn, the hot gases then in a subsequent utilization device (turbine, steam generator, etc. ) are used in energy technology. Due to manufacturing and installation tolerances of burners and combustion chamber now have the flames F1, .., Fn of the various burner B1, .., Bn partially deviating flame temperatures, so that individual burners are present whose flame temperatures exceed a predetermined value. Although the mean value of the flame temperatures is within a tolerable range, the elevated temperatures of individual flames result in increased NOx emission. In the embodiment of Fig.
  • the 1 is now a plurality of sensors S1, .., Sn provided that measure the temperatures of the individual flames F1, .., Fn directly by optical means (eg spectral measurement).
  • the sensors S1, .., Sn are connected to a measuring unit 12, in which the flame temperature measurements are evaluated and displayed.
  • a measuring unit 12 in which the flame temperature measurements are evaluated and displayed.
  • a permanent correction can be made in these burners, which leads to a reduction in the flame temperature of the corrected burner.
  • This correction requires no complex control and regulating devices, but can be made with relatively simple and functionally reliable means.
  • Fig. 1 are arranged in the fuel supply lines 19 to the burners B1, .., Bn throttle bodies D1, .., Dn, which allow a simple throttling or throttling the fuel supply to the respective burner.
  • a throttle body Dn is shown as a throttle member Dn, which has a diaphragm opening 18 with a cross section which is smaller than the cross section of the unthrottled fuel supply line 19.
  • a burner with a too high flame temperature is identified during the measurement of the flame temperatures, its fuel supply is initially throttled by a specific amount by means of the associated throttle element Dn. If the measurement is repeated later and the flame temperature is still too high, the throttling is increased by one more step. This sequence can be repeated until the flame temperatures of all burners B1,... Bn lie within a narrow tolerance range and are thus homogenized. The gradual permanent throttling ensures that no control vibrations can occur and the operation remains stable at all times.
  • the use of simple throttle bodies keeps the costs low, and leads to an easy adjustability and a high reliability.
  • Fig. 2 shows a second embodiment of a burner assembly according to the invention.
  • the burners B1,..., Bn of the burner arrangement 10 are shown here with the combustion chamber 13.
  • the flames F1, .., Fn of the burner B1, .., Bn lead at different flame temperatures to different heating of components (walls, etc.) in the combustion chamber 13. They can therefore be measured indirectly, in which the temperature of certain components or areas the combustion chamber 13 by sensors S1 ', .., Sn' mounted there (Thermocouples, resistance thermometer or the like.) Is measured.
  • sensors S1 ', .., Sn' are also connected to a measuring unit 12, so that the burners or burner groups to be throttled are identifiably displayed there.
  • the throttle bodies themselves are in Fig. 2 for the sake of simplicity not shown.
  • FIG. 3 another embodiment of the invention is shown.
  • the combustion chamber 13 with the burners B1, .., Bn is then the input side of a utilization device, in this case a gas turbine 14, arranged.
  • the hot gas generated by the burners B1,..., Bn flows through the turbine 14 under operating power and exits at the outlet of the turbine 14.
  • There is a temperature distribution in the hot gas flow which is characteristic of the flame temperatures of the burner B1, .., Bn. If now this temperature distribution is measured by means of sensors S1 ", .., Sn", it is possible to deduce the flame temperatures of the individual burners B1,..., Bn. Accordingly, a burner with too high a flame temperature can be identified.
  • the sensors S1 ", .., Sn" are also connected to a measuring unit 12.
  • the throttle bodies for the fuel supply are not shown, but are analogous to Fig. 1 installed in the fuel supply lines.

Claims (20)

  1. Procédé pour la réduction des émissions de NOx d'un agencement de brûleurs (10) comprenant plusieurs brûleurs (B1, .., Bn), en particulier dans une turbine à gaz, lesquels brûleurs (B1, .., Bn) fonctionnent en parallèle et brûlent le combustible acheminé dans chaque cas au moyen d'air comburant en formant une flamme (F1, .., Fn), caractérisé en ce qu'à un instant prédéfini, les températures de flamme de brûleurs individuels (B1, .., Bn) ou de groupes de brûleurs ou des différences entre les températures de flamme de brûleurs individuels (B1, .., Bn) ou de groupes de brûleurs sont mesurées directement ou indirectement, et en ce que pour les brûleurs ou les groupes de brûleurs dont la température de flamme dépasse une valeur de température de flamme prédéfinie, l'alimentation en combustible est étranglée de manière sélective au moyen d'un organe d'étranglement réglable en vue de l'homogénéisation des températures de flamme des brûleurs (B1, .., Bn) de manière permanente sans dispositifs de commande et de régulation.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les étapes de mesure de la température de flamme et d'étranglement subséquent de l'alimentation en combustible de brûleurs individuels ou de groupes de brûleurs sont répétées une ou plusieurs fois jusqu'à ce qu'un degré prédéfini d'homogénéité des températures de flamme soit atteint.
  3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les brûleurs individuels (B1, .., Bn) ou les groupes de brûleurs sont dans chaque cas alimentés en combustible par le biais d'une conduite d'amenée de combustible (19) et en ce que l'étranglement de l'alimentation en combustible est effectué au moyen d'un organe d'étranglement (D1, .., Dn) disposé dans la conduite d'amenée de combustible (19).
  4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la mesure des températures de flamme est effectuée directement au niveau des flammes (F1, .., Fn).
  5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la mesure des températures de flamme s'effectue par voie optique.
  6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la mesure des températures de flamme s'effectue par voie indirecte.
  7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que les flammes (F1, .., Fn) sont produites dans une chambre de combustion (13) et en ce que, pour la mesure des températures de flamme, les températures de parties ou de régions sélectionnées de la chambre de combustion (13) sont mesurées.
  8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que les gaz chauds produits par les brûleurs (B1, .., Bn) dans les flammes (F1, .., Fn) sont envoyés à travers un dispositif d'utilisation, notamment une turbine à gaz (14), et en ce que pour la mesure des températures de flamme des brûleurs (B1, .., Bn) ou des groupes de brûleurs, les températures à la sortie du dispositif d'utilisation sont mesurées.
  9. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'un organe d'étranglement réglable (D1, .., Dn) est utilisé.
  10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'on utilise en tant qu'organe d'étranglement réglable (D1, .., Dn) une soupape réglable (15).
  11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'on utilise en tant qu'organe d'étranglement réglable (D1, .., Dn) une vis d'étranglement réglable (16).
  12. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'on utilise en tant qu'organe d'étranglement réglable (D1, .., Dn) un diaphragme remplaçable (17) avec une ouverture de diaphragme prédéfinie (18).
  13. Agencement de brûleurs (10) pour mettre en oeuvre le procédé selon la revendication 1, lequel agencement comprend une pluralité de brûleurs (B1, .., Bn) qui peuvent fonctionner en parallèle et qui sont raccordés individuellement ou par groupes par le biais d'une conduite d'amenée de combustible (19) à une alimentation en combustible (11), caractérisé en ce que des premiers moyens (S1, .., Sn ; S1', .., Sn' ; S1", .., Sn" ; 12) pour la mesure des températures de flamme des brûleurs individuels (B1, .., Bn) ou des groupes de brûleurs sont prévus, et en ce que dans les conduites d'amenée de combustible (19) sont disposés des deuxièmes moyens (D1, .., Dn ; 15, .., 18) pour l'étranglement réglable de manière permanente de l'alimentation en combustible sans dispositifs de commande et de régulation.
  14. Agencement de brûleurs selon la revendication 13, caractérisé en ce que les premiers moyens comprennent une pluralité de capteurs (S1, .., Sn ; S1', .., Sn' ; S1", .., Sn") qui sont raccordés à une unité de mesure (12).
  15. Agencement de brûleurs selon la revendication 14, caractérisé en ce que les capteurs (S1, .., Sn) sont réalisés pour la mesure directe de la température de flamme, de préférence par voie optique.
  16. Agencement de brûleurs selon la revendication 14, caractérisé en ce que les capteurs (S1', .., Sn') sont réalisés pour la mesure de la température de composants, en ce que les brûleurs (B1, .., Bn) sont montés dans une ou plusieurs chambres de combustion (13) et en ce que les capteurs (S1', .., Sn') sont disposés de manière répartie dans ou au niveau de la ou des chambres de combustion (13).
  17. Agencement de brûleurs selon la revendication 14, caractérisé en ce que derrière l'agencement de brûleurs (10) est disposé un dispositif d'utilisation pour les gaz chauds, en particulier sous la forme d'une turbine à gaz (14), en ce que les capteurs (S1", .., Sn") sont réalisés pour la mesure de la température de gaz chauds, et en ce que les capteurs sont disposés à la sortie du dispositif d'utilisation (14).
  18. Agencement de brûleurs selon l'une quelconque des revendications 13 à 17, caractérisé en ce que les deuxièmes moyens comprennent des organes d'étranglement réglables (D1, .., Dn) pour l'étranglement de l'alimentation en combustible.
  19. Agencement de brûleurs selon la revendication 18, caractérisé en ce que les organes d'étranglement (D1, .., Dn) comprennent une soupape réglable (15) ou une vis d'étranglement réglable (16).
  20. Agencement de brûleurs selon la revendication 18, caractérisé en ce que les organes d'étranglement (D1, .., Dn) comprennent un diaphragme remplaçable (17) avec une ouverture de diaphragme (18) prédéfinie fixement.
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