EP1712837A1 - Brenneranordnung und Verfahren zu ihrem Betrieb - Google Patents

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EP1712837A1
EP1712837A1 EP05008209A EP05008209A EP1712837A1 EP 1712837 A1 EP1712837 A1 EP 1712837A1 EP 05008209 A EP05008209 A EP 05008209A EP 05008209 A EP05008209 A EP 05008209A EP 1712837 A1 EP1712837 A1 EP 1712837A1
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EP
European Patent Office
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fuel supply
diffusion
flame
fuel
premix
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05008209A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Dr. Böttcher
Peter Dietrich
Marcus Fischer
Uwe Gruschka
Jörg Gutsche
Peter Möllenbeck
Maria Robel
Erich Ruther
Wolfgang Schulze
Holger Dr. Streb
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Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D17/00—Burners for combustion simultaneously or alternately of gaseous or liquid or pulverulent fuel
    • F23D17/002—Burners for combustion simultaneously or alternately of gaseous or liquid or pulverulent fuel gaseous or liquid fuel
    • 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
    • F23R3/34—Feeding into different combustion zones
    • F23R3/343—Pilot flames, i.e. fuel nozzles or injectors using only a very small proportion of the total fuel to insure continuous combustion
    • 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
    • F23R3/36—Supply of different fuels

Definitions

  • the invention relates to a burner arrangement for producing a flame in a combustion chamber, in particular in a gas turbine combustion chamber, with a premix fuel supply for feeding the flame in a premixing operation of the burner arrangement, a diffusion fuel supply for feeding the flame, in particular during the starting process and up to a power of approx 40% in a diffusion operation of the burner assembly and a pilot fuel supply for supplying a flame stabilizing pilot fuel.
  • a diffusion operation of a burner is meant a mode in which the fuel is injected directly into the flame without first being mixed with air. In premixing, however, the fuel is previously mixed with air before it is injected into the flame as an air-fuel mixture.
  • a pilot burner of the burner assembly serves, in particular in premixing operation, to stabilize the flame.
  • the fuel content supplied via the pilot fuel supply generally corresponds to only about 5% to 10% of the total fuel supply of the burner arrangement.
  • the pilot burner is also used to ignite the flame.
  • Such a burner arrangement is for example in DE 197 57 617 A1 described.
  • the burner assembly is designed for operation in a gas turbine plant and is rotationally symmetrical with respect to a central axis.
  • a liquid feed In the center of the burner is a liquid feed, via which a liquid fuel can be injected into the combustion chamber.
  • Concentric around the central liquid feed are a diffusion gas supply and a pilot gas supply and around these in turn a premix gas supply is arranged concentrically.
  • the pilot gas supply is designed as a long hole in the wall of the diffusion gas supply and opens into a tubular extension of the wall.
  • the first object is achieved by a burner assembly according to claim 1, the second object by a method according to claim 5.
  • the dependent claims contain advantageous embodiments of the invention.
  • a burner assembly according to the invention for fueling a flame in a combustion chamber, in particular in a gas turbine combustor, with fuel comprises a premix fuel supply having at least one premix fuel supply channel for feeding the flame in a premix operation of the burner assembly, a diffusion fuel supply having at least one diffusion fuel supply channel for supplying the flame in a diffusion operation of the burner assembly and a pilot fuel supply with at least one pilot fuel supply channel for supplying a flame-stabilizing pilot fuel.
  • the diffusion operation of the burner arrangement takes place in particular when starting the gas turbine plant and at a gas turbine power up to about 40%.
  • the diffusion fuel supply and the pilot fuel supply comprise the same fuel supply channel (s).
  • the premix fuel supply channel and / or the fuel supply channel can in this case in particular be designed as gas supply channels for supplying a gaseous fuel, for example natural gas.
  • a gas turbine plant is approached with the burner in the diffusion mode. At about 40% of the gas turbine power is switched from the diffusion mode to the premix mode. From this moment on, the fuel supply channel previously used to supply the diffusion fuel may be used to supply the pilot fuel.
  • the burner By providing a common fuel supply line for the pilot fuel supply and the diffusion fuel supply, the burner can be structurally simplified in comparison to the prior art, so that can be dispensed with a large number of design details. The manufacturing cost of the burner can be reduced.
  • the pilot fuel supply and the diffusion fuel supply are realized in the form of a single fuel supply system, i. They not only have at least one common fuel supply channel, but also use other components of the fuel supply system, such as fuel nozzles, in common.
  • This embodiment is distinguished from a burner according to the prior art by a particularly extensive structural simplicity. In particular, compared to the prior art, a complete fuel supply system can be completely eliminated.
  • the premix fuel supply channel is at least partially annularly arranged around the fuel supply channel.
  • Fig. 1 shows a burner assembly according to the prior art in a schematic sectional view.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a burner arrangement according to the invention in a schematic sectional view.
  • the burner assembly according to the prior art shown in Figure 1 is constructed around a central axis A largely rotationally symmetrical. It comprises a centrally arranged liquid fuel supply 1, sometimes called a lance, around which a diffusion gas supply is arranged, which has a liquid fuel supply 1 concentrically surrounding annular channel 3 as a diffusion gas supply channel.
  • the annular channel 3 is in turn surrounded concentrically by a central air supply channel 5.
  • a premix gas supply passage 7 is concentrically arranged around the central air supply passage 5.
  • an outer air supply channel 9 is arranged.
  • nozzle tubes 11 are arranged with the premixed gas supply channel 7, which are provided with outlet nozzles 13 through which the premix gas is injected into the outer air supply channel 9.
  • mixing of the premixed gas with the supplied air occurs before the mixture of combustion, i. the flame in the combustion chamber 20, is supplied.
  • the diffusion gas is injected into the combustion chamber 20 via diffusion gas nozzles 2 without first being mixed with air.
  • pilot gas supply channels in the form of elongated holes 4 in the outer wall of the annular channel 3 are arranged.
  • tube 6 which project in the direction of the combustion chamber 20 via the wall of the annular channel 3 and the combustion chamber 20 are open.
  • FIG. 2 shows an embodiment of the burner assembly according to the invention in a schematic sectional view.
  • the burner assembly according to the invention is largely similar to the burner assembly of the prior art, with the difference that the used in the art as a feed channel for supplying the diffusion fuel annular channel is closed and remains unused.
  • the diffusion gas is introduced into the combustion chamber 20 instead of via the annular channel 3 via the long bores 4 and the tubes 6 in the diffusion mode of the burner.
  • a plurality of elongated holes 4 are arranged with adjoining tube 6 evenly around the central liquid fuel supply 1 around.
  • the central air supply passage 5, the premix gas supply passage 7, the outer air supply passage 9, and the nozzle tubes 11 are the same as those in the prior art. Reference is therefore made to the description of the burner arrangement shown in FIG. 1 with regard to these elements.
  • the burner arrangement according to the invention can be operated both in the premix mode and in the diffusion mode.
  • a switching of the burner assembly from the diffusion mode into the premixing mode is generally carried out when, after starting the gas turbine plant, a certain gas turbine power, for example 40% of the maximum power, has been reached.
  • the flame-stabilizing pilot gas is then supplied via the long bores 4 and the tubes 6.

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

Abstract

Eine Brenneranordnung zum Speisen einer Flamme in einer Brennkammer (20), insbesondere einer Gasturbinenbrennkammer, mit Brennstoff umfasst
- eine Vormischbrennstoffzufuhr mit einem Vormischbrennstoff-Zufuhrkanal (7) zum Speisen der Flamme in einem Vormischbetrieb der Brenneranordnung,
- eine Diffusionsbrennstoffzufuhr mit wenigstens einem Diffusionsbrennstoff-Zufuhrkanal zum Speisen der Flamme in einem Diffusionsbetrieb der Brenneranordnung und
- eine Pilotbrennstoffzufuhr mit wenigstens einem Pilotbrennstoff-Zufuhrkanal zum Zuführen eines die Flamme stabilisierenden Pilotbrennstoffes.
Die Diffusionsbrennstoffzufuhr und die Pilotbrennstoffzufuhr umfassen denselben Brennstoffzufuhrkanal bzw. dieselben Brennstoffzufuhrkanäle (4).

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Brenneranordnung zum Erzeugen einer Flamme in einer Brennkammer, insbesondere in einer Gasturbinenbrennkammer, mit einer Vormischbrennstoffzufuhr zum Speisen der Flamme in einem Vormischbetrieb der Brenneranordnung, einer Diffusionsbrennstoffzufuhr zum Speisen der Flamme insbesondere während des Anfahrvorganges und bis zu einer Leistung von ca. 40% in einem Diffusionsbetrieb der Brenneranordnung und einer Pilotbrennstoffzufuhr zum Zuführen eines die Flamme stabilisierenden Pilotbrennstoffes.
  • Unter einem Diffusionsbetrieb eines Brenners ist eine Betriebsart zu verstehen, in welcher der Brennstoff direkt in die Flamme eingedüst wird, ohne vorher mit Luft vermischt zu werden. Im Vormischbetrieb wird der Brennstoff dagegen zuvor mit Luft vermischt, bevor er als Luft-Brennstoff-Gemisch in die Flamme eingedüst wird. Ein Pilotbrenner der Brenneranordnung dient insbesondere im Vormischbetrieb dazu, die Flamme zu stabilisieren. Der über die Pilotbrennstoffzufuhr zugeführte Brennstoffanteil entspricht in der Regel lediglich ca. 5% bis 10% der Gesamtbrennstoffzufuhr der Brenneranordnung. Außer zum Stabilisieren der Flamme kommt der Pilotbrenner auch zum Zünden der Flamme zur Anwendung.
  • Eine derartige Brenneranordnung ist beispielsweise in DE 197 57 617 A1 beschrieben. Die Brenneranordnung ist für den Betrieb in einer Gasturbinenanlage ausgebildet und ist bezüglich einer zentralen Achse rotationssymmetrisch aufgebaut. Im Zentrum des Brenners befindet sich eine Flüssigbennstoffzufuhr, über die ein Flüssiger Brennstoff in die Brennkammer eingedüst werden kann. Um die zentrale Flüssigbennstoffzufuhr herum sind konzentrisch eine Diffusionsgaszufuhr und eine Pilotgaszufuhr und um diese wiederum konzentrisch eine Vormischgaszufuhr angeordnet. Die Pilotgaszufuhr ist als Langbohrung in der Wand der Diffusionsgaszufuhr ausgeführt und mündet in eine rohrförmige Verlängerung der Wand.
  • Gegenüber diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine vorteilhafte Brenneranordnung zum Speisen einer Flamme in einer Brennkammer, insbesondere in einer Gasturbinenbrennkammer, zur Verfügung zu stellen. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brenneranordnung zur Verfügung zu stellen.
  • Die erste Aufgabe wird durch eine Brenneranordnung nach Anspruch 1 gelöst, die zweite Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 5. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
  • Eine erfindungsgemäße Brenneranordnung zum Speisen einer Flamme in einer Brennkammer, insbesondere in einer Gasturbinenbrennkammer, mit Brennstoff umfasst eine Vormischbrennstoffzufuhr mit wenigstens einem Vormischbrennstoff-Zufuhrkanal zum Speisen der Flamme in einem Vormischbetrieb der Brenneranordnung, eine Diffusionsbrennstoffzufuhr mit wenigstens einem Diffusionsbrennstoff-Zufuhrkanal zum Speisen der Flamme in einem Diffusionsbetrieb der Brenneranordnung und eine Pilotbrennstoffzufuhr mit wenigstens einem Pilotbrennstoff-Zufuhrkanal zum Zuführen eines die Flamme stabilisierenden Pilotbrennstoffes. Der Diffusionsbetrieb der Brenneranordnung erfolgt insbesondere beim Anfahren der Gasturbinenanlage und bei einer Gasturbinenleistung bis etwa 40%.
  • Im erfindungsgemäßen Brenner umfassen die Diffusionsbrennstoffzufuhr und die Pilotbrennstoffzufuhr denselben Brennstoffzufuhrkanal bzw. dieselben Brennstoffzufuhrkanäle. Der Vormisch-Brennstoffzufuhrkanal und/oder der Brennstoffzufuhrkanal können hierbei insbesondere als Gaszufuhrkanäle zum Zuführen eines gasförmigen Brennstoffes, beispielsweise Erdgas, ausgebildet sein.
  • Üblicherweise wird beispielsweise eine Gasturbinenanlage mit dem Brenner im Diffusionsbetrieb angefahren. Bei etwa 40% der Gasturbinenleistung wird vom Diffusionsbetrieb in den Vormischbetrieb umgeschaltet. Von diesem Moment an kann der zuvor zum Zuführen des Diffusionsbrennstoffes genutzte Brennstoffzufuhrkanal zum Zuführen des Pilotbrennstoffes Verwendung finden.
  • Durch das Vorsehen einer gemeinsamen Brennstoffzufuhrleitung für die Pilotbrennstoffzufuhr und die Diffusionsbrennstoffzufuhr kann der Brenner im Vergleich zum Stand der Technik konstruktiv vereinfacht werden, so dass auf eine große Anzahl konstruktiver Details verzichtet werden kann. Die Herstellungskosten des Brenners können dadurch verringert werden.
  • Vorzugsweise sind die Pilotbrennstoffzufuhr und die Diffusionsbrennstoffzufuhr in Form eines einzigen Brennstoffzufuhrsystems realisiert, d.h. sie weisen nicht nur wenigstens einen gemeinsamen Brennstoffzufuhrkanal auf, sondern nutzen auch andere Komponenten des Brennstoffzufuhrsystems, bspw. Brennstoffdüsen, gemeinsam. Diese Ausgestaltung zeichnet sich gegenüber einem Brenner nach Stand der Technik durch eine besonders weitgehende konstruktive Einfachheit aus. Insbesondere kann gegenüber dem Stand der Technik eine komplettes Brennstoffzufuhrsystem vollständig entfallen.
  • In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brenneranordnung ist der Vormischbrennstoff-Zufuhrkanal wenigstens abschnittsweise ringförmig um den Brennstoffzufuhrkanal herum angeordnet. Dadurch kann eine symmetrische Brennstoffzufuhr in die Flamme realisiert werden.
  • Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
  • Fig. 1 zeigt eine Brenneranordnung nach Stand der Technik in einer schematischen Schnittansicht.
  • Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Brenneranordnung in einer schematischen Schnittansicht.
  • Bevor die erfindungsgemäße Brenneranordnung mit Bezug auf Figuren 2 näher erläutert wird, wird kurz der Aufbau einer Brenneranordnung nach Stand der Technik mit Bezug auf Figur 1 beschrieben.
  • Die in Figur 1 dargestellte Brenneranordnung nach Stand der Technik ist um eine zentrale Achse A herum weitgehend rotationssymmetrisch aufgebaut. Sie umfasst eine zentral angeordnete Flüssigbrennstoffzufuhr 1, gelegentlich auf Lanze genannt, um die herum eine Diffusionsgaszufuhr angeordnet ist, welche einen die Flüssigbrennstoffzufuhr 1 konzentrisch umgebenden Ringkanal 3 als Diffusionsgas-Zufuhrkanal aufweist. Der Ringkanal 3 ist wiederum konzentrisch von einem zentralen Luftzufuhrkanal 5 umgeben. Weiterhin ist ein Vormischgas-Zufuhrkanal 7 um den zentralen Luftzufuhrkanal 5 herum konzentrisch angeordnet. Schließlich ist um den Vormischgas-Zufuhrkanal 7 herum ein äußerer Luftzufuhrkanal 9 angeordnet.
  • Im Luftzufuhrkanal 9 sind mit dem Vormischgas-Zufuhrkanal 7 strömungstechnisch verbundene Düsenrohre 11 angeordnet, die mit Austrittsdüsen 13 versehen sind, über die das Vormischgas in den äußeren Luftzufuhrkanal 9 eingedüst wird. Im Luftzufuhrkanal 9 erfolgt eine Vermischung des Vormischgases mit der zugeführten Luft, bevor das Gemisch der Verbrennung, d.h. der Flamme in der Brennkammer 20, zugeführt wird.
  • Das Diffusionsgas wird im Unterschied zum Vormischgas über Diffusionsgasdüsen 2 in die Brennkammer 20 eingedüst, ohne zuvor mit Luft vermischt zu werden.
  • In der Brenneranordnung nach Stand der Technik sind Pilotgas-Zufuhrkanäle in Form von Langbohrungen 4 in der äußeren Wand des Ringkanals 3 angeordnet. An die Langbohrungen 4 schließen sich Röhrchen 6 an, die in Richtung auf die Brennkammer 20 über die Wand des Ringkanals 3 vorstehen und zur Brennkammer 20 hin offen sind.
  • Figur 2 zeigt eine Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Brenneranordnung in einer schematischen Schnittansicht. Die erfindungsgemäße Brenneranordnung gleicht weitgehend der Brenneranordnung nach Stand der Technik, mit dem Unterschied, dass der im Stand der Technik als Zufuhrkanal zum Zuführen des Diffusionsbrennstoffes genutzte Ringkanal verschlossen ist und ungenutzt bleibt. Das Diffusionsgas wird im Diffusionsbetrieb des Brenners statt über den Ringkanal 3 über die Langbohrungen 4 und die Röhrchen 6 in die Brennkammer 20 eingebracht. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind mehrere Langbohrungen 4 mit sich daran anschließenden Röhrchen 6 gleichmäßig um die zentrale Flüssigbrennstoffzufuhr 1 herum angeordnet.
  • Der zentrale Luftzufuhrkanal 5, der Vormischgas-Zufuhrkanal 7, der äußere Luftzufuhrkanal 9 und die Düsenrohre 11 entsprechen denen im Stand der Technik. Es wird bezüglich dieser Elemente daher auf die Beschreibung der in Fig. 1 dargestellten Brenneranordnung verwiesen.
  • Die erfindungsgemäße Brenneranordnung ist wie die mit Bezug auf Fig. 1 beschriebene Brenneranordnung sowohl im Vormischmodus als auch im Diffusionsmodus zu betreiben. Ein Umschalten der Brenneranordnung vom Diffusionsmodus in den Vormischmodus erfolgt in der Regel, wenn nach dem Starten der Gasturbinenanlage eine bestimmte Gasturbinenleistung, bspw. 40% der maximalen Leistung, erreicht ist.
  • Solange sich die Brenneranordnung im Diffusionsbetrieb befindet, wird über die Langbohrungen 4 und die Röhrchen 6 Diffusionsgas in die Brennkammer 20 eingebracht. Nach dem Umschalten der Brenneranordnung in den Vormischmodus wird über die Langbohrungen 4 und die Röhrchen 6 dann das die Flamme stabilisierende Pilotgases zugeführt.

Claims (5)

  1. Brenneranordnung zum Speisen einer Flamme in einer Brennkammer (20), insbesondere einer Gasturbinenbrennkammer, mit Brennstoff mit
    - einer Vormischbrennstoffzufuhr mit einem Vormischbrennstoff-Zufuhrkanal (7) zum Speisen der Flamme in einem Vormischbetrieb der Brenneranordnung,
    - einer Diffusionsbrennstoffzufuhr mit wenigstens einem Diffusionsbrennstoff-Zufuhrkanal zum Speisen der Flamme in einem Diffusionsbetrieb der Brenneranordnung und
    - einer Pilotbrennstoffzufuhr mit wenigstens einem Pilotbrennstoff-Zufuhrkanal zum Zuführen eines die Flamme stabilisierenden Pilotbrennstoffes,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Diffusionsbrennstoffzufuhr und die Pilotbrennstoffzufuhr denselben Brennstoffzufuhrkanal bzw. dieselben Brennstoffzufuhrkanäle (4) umfassen.
  2. Brenneranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsbrennstoffzufuhr und die Pilotbrennstoffzufuhr durch ein einziges Brennstoffzufuhrsystem realisiert sind.
  3. Brenneranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vormischbrennstoff-Zufuhrkanal (7) den Brennstoffzufuhrkanal (4) wenigstens abschnittsweise ringförmig umgibt.
  4. Brenneranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vormischbrennstoff-Zufuhrkanal (7) und/oder der Brennstoffzufuhrkanal (4) als Gaszufuhrkanäle ausgebildet ist bzw. sind.
  5. Verfahren zum Betreiben einer Brenneranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Umschalten von einem Diffusionsbetrieb der Brenneranordnung in einen Vormischbetrieb der Brenneranordnung stattfindet und der Brennstoffkanal (4) im Diffusionsbetrieb zum Zuführen des Diffusionsbrennstoffes und im Vormischbetrieb zum Zuführen eines die Flamme der Brenneranordnung stabilisierenden Pilotbrennstoffes Verwendung findet.
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