EP1730448A1 - Mehrfachbrenneranordnung zum betrieb einer brennkammer sowie verfahren zum betreiben der mehrfachbrenneranordnung - Google Patents

Mehrfachbrenneranordnung zum betrieb einer brennkammer sowie verfahren zum betreiben der mehrfachbrenneranordnung

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EP1730448A1
EP1730448A1 EP05729789A EP05729789A EP1730448A1 EP 1730448 A1 EP1730448 A1 EP 1730448A1 EP 05729789 A EP05729789 A EP 05729789A EP 05729789 A EP05729789 A EP 05729789A EP 1730448 A1 EP1730448 A1 EP 1730448A1
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EP
European Patent Office
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fuel
burner
premix
burners
line
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EP05729789A
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English (en)
French (fr)
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EP1730448B1 (de
Inventor
Peter Flohr
Christian Jörg Motz
Majed Toqan
Martin Zajadatz
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Ansaldo Energia IP UK Ltd
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Alstom Technology AG
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    • 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
    • F23K—FEEDING FUEL TO COMBUSTION APPARATUS
    • F23K5/00—Feeding or distributing other fuel to combustion apparatus
    • F23K5/02—Liquid fuel
    • F23K5/06—Liquid fuel from a central source to a plurality of burners
    • 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
    • F23R3/346—Feeding into different combustion zones for staged combustion

Definitions

  • the invention relates to a multiple burner arrangement with a plurality of individual burners designed as premix burners, which are used to fire a combustion chamber for a heat engine, preferably for a gas turbine system, and each have a swirl chamber, into which combustion air and fuel are fed to form a swirl flow, wherein the swirl flow downstream of the premix burner forms a spatially largely stable return flow zone within the combustion chamber, in which a burner flame forms after the fuel-air mixture is ignited.
  • a method for operating such a multiple burner arrangement is also described.
  • annular combustion chamber arrangement can be found, for example, in EP 597 138 B1, which provides a large number of annularly arranged premix burners, as can be found, for example, in EP 387 532 A1 and are each designed as double-cone burners, which provide a swirl space which is enclosed on the radial side by two hollow conical partial bodies , whose respective central axes are offset from one another, so that adjacent walls of two partial cone bodies include tangential slots for the combustion air in their longitudinal extent.
  • Liquid fuel can be fed into the swirl chamber, which widens conically in the axial direction, via a fuel nozzle arranged largely centrally within the swirl chamber.
  • the premix burner can be supplied with gaseous fuel via gas inflow openings distributed along the tangential slots within the wall of both partial cone bodies.
  • gas inflow openings distributed along the tangential slots within the wall of both partial cone bodies.
  • a mixture is already formed with the combustion supply air in zones of the inlet slots, a fuel concentration which is as homogeneous as possible over the entire cross section of the swirl chamber being formed along the swirl flow which propagates axially within the swirl chamber.
  • a defined dome-shaped backflow zone is created at the burner outlet, at the tip of which the ignition takes place, forming a spatially stable burner flame within the zone.
  • the fuel supply for each individual premix burner is generally carried out via a so-called pilot stage when the gas turbine is started up and at low load ranges, which, depending on the design of the premix burner, acts as a central burner lance, as described, for example, in DE 19652 899 A1 is described, or is designed as a pilot gas supply provided directly at the burner outlet in the flow direction in front of the combustion chamber.
  • fuel is added directly to the flow zone required for flame stabilization, which, however, burns in an extremely unfavorable mixing ratio under almost stoichiometric conditions for pollutant emissions.
  • Such then-acoustic vibrations also preferably occur in premix operation, i.e. in the middle and upper load range, by which the flame stability forming within the combustion chamber is severely impaired.
  • DE 101 08 560 A1 proposes the symmetry previously used in the fuel supply of all to specifically break open the premix burner provided in the multiple burner arrangement in order to effectively reduce the occurrence of combustion chamber pulsations.
  • At least one premix burner is operated in such a way that the at least one premix burner has a spatial mixture profile within the fuel-air mixture that differs from all other premix burners provided in the multiple burner arrangement.
  • the at least one premix burner provides a fuel feed for the gaseous fuel that differs from all other premix burners along the partial cone shells radially delimiting the conical swirl space.
  • the invention is based on the object of developing a multiple burner arrangement with a plurality of individual burners designed as premix burners, in particular for operating a gas turbine system, in such a way that the operation of a large number of individual premix burners is as flexible or variable as possible depending on the respective load state and the parameters influencing the combustion process, as mentioned above, can be optimized.
  • it is important to create a way of regulating which optimizes the operation of a multiple burner arrangement with regard to pollutant emissions and significantly reduces the pulsations caused by the combustion in the entire load range.
  • the solution to the problem on which the invention is based is specified in claim 1.
  • the subject of claim 8 is a method for operating a multiple burner arrangement, such as is suitable for the operation of an annular combustion chamber, for example.
  • the multiple burner arrangement according to the invention is based on the targeted use of premix burner systems which can be operated in stages and which have means for internally graduated fuel injection into the swirl chamber for the premix operation.
  • each individual premix burner provided in the multiple burner arrangement is supplied with fuel, preferably so-called gaseous fuel, via at least two separate fuel lines, a so-called first and a second fuel line, through which the fuel is fed into the swirl chamber to further develop the swirl flow.
  • the respective first fuel line of each premix burner is connected to a first ring line, via which the respective first fuel lines of all premix burners within the multiple burner arrangement are supplied with fuel.
  • a second ring line is also provided, which is connected to the second fuel line of each individual premix burner provided in the multiple burner arrangement.
  • a control unit influencing the fuel supply for example a throttle valve, is provided in at least one of the fuel lines.
  • the burner concept according to the invention with controllable fuel throttling at least in the case of specifically selected premix burners within a multiple burner arrangement, can be implemented both in premix burners with a burner lance or with an external pilot feed.
  • the burner lances are connected to the first fuel line, which are fed with fuel from a common ring line.
  • the multiple burner arrangement is operated in such a way that significantly more than half of the gaseous fuel is fed to the premix burners via the respective second fuel line via the fuel outlet openings, which extend along the air inlet slots.
  • the burner concept according to the invention enables additional control units along the fuel lines branching off a ring line only in a selected group of those provided in the multiple burner arrangement
  • premix burners a targeted breakdown of the symmetry in the temperature distribution along the flame forming within the combustion chamber, whereby a decisive influence on the reduction of the thermoacoustic vibrations forming within the combustion chamber can be exerted.
  • control units provided in the fuel lines which are preferably designed as throttle valves, allow active regulation or control as a function of parameters influencing the combustion process, such as, for example, the moisture content in the combustion air which varies depending on the load range of the gas turbine arrangement, the ambient temperature, and change in the Fuel composition and aging of gas turbine components.
  • FIG. 2 ac representation of alternative fuel lines for supplying fuel to a premix burner, 3a, b arrangement of two ring lines for firing a two-stage premix burner arrangement and FIG. 4 annular arrangement diagram for premix burners for firing an annular combustion chamber.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section and a front view of a premix burner 1 with a stepped fuel supply, oriented in the flow direction S
  • a burner lance 6 is provided, at least partially projecting through the center of the swirl chamber 3, which likewise has fuel outlet openings through which fuel can be fed into the swirl chamber 3.
  • the fuel feed via lance stage 6 is preferably carried out when starting up the gas turbine system and in the lower load range. On the other hand, if the gas turbine is in the middle or upper load range, the fuel is fed in primarily via the fuel supply openings 5 extending along the partial cone shells.
  • FIG. 2a schematically shows the fuel supply on an individual premix burner in the manner of an embodiment shown in FIG. 1.
  • a first fuel line 7 is connected to the lance stage 6, whereas a second fuel line 8 is connected to the fuel inlet openings 5, which extend along the air inlet slots 4 within the partial cone shells 2.
  • premix burner variant shown above it is also possible to have a graduated design according to the illustration in FIG. 2b To supply premix burners along two axially offset fuel feed areas 9, 10 separately via the fuel lines 7, 8 with fuel.
  • FIG. 2c A further variant of the fuel feed is shown in FIG. 2c, in which a first fuel stage takes place via an external pilot stage 11, which is provided after the burner outlet and upstream of the combustion chamber BK.
  • the second burner stage corresponds to the fuel feed openings 5 distributed along the partial cone shells 2 along the air inlet slots 4 in the illustration shown in FIG. 2b.
  • a circuit diagram for the fuel supply for the individual fuel lines 7, 8 can be seen schematically from FIG. 3, by means of which premix burners (not shown) are supplied with fuel in the manner shown in FIG.
  • the fuel lines 7 of all premix burners are connected to a first ring line 12 and the fuel lines 8 are correspondingly connected to a second ring line 13.
  • at least one control device 14 is used, with which a selectively adjustable fuel distribution can be made via the respective ring lines 12, 13 can.
  • additional control units 15, preferably controllable throttle valves, are provided, by means of which a targeted throttling of the fuel supply is possible via the first fuel line 7 in the example, which is preferably connected to the burner lance.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a multiple burner arrangement for firing an annular combustion chamber.
  • 18 premix burners are arranged evenly distributed on an annular surface, of which those premix burners are operated without restriction with a black dot, the others, each marked with a circle, are throttled, for example operated with a throttled lance stage. Since, as shown above, the degree of fuel throttling can be set variably and ultimately for each individual, premix burner operated in a throttled manner, different irregular temperature profiles running along the circumference of the combustion chamber can be set, which are able to decisively influence the combustion process.
  • the combustion process can be optimized directly in the operation of the gas turbine by a controlled influence on specific premix burners which can be operated throttled in the multiple burner arrangement.
  • the 18 premix burners arranged in FIG. 4 for firing an annular combustion chamber are designed with an internal burner fuel stage with one lance and one burner stage. While both of the burner stages are completely open at 12 of the burners, the lance stages are completely closed at the remaining 6 burners.
  • this burner arrangement allows an operating range that is acceptable in terms of pollutant emissions if 10 - 50% of the total fuel supplied to the burners is introduced through the lance stage. In this way it is possible to include the azimuthal burner group of the lean burner group set the burners 1, 4, 7, 10, 13, 16 in a range of 16 - 30% based on the total amount of fuel introduced.
  • the burner concept according to the invention can not only be successfully used for ring combustion chambers, but also for burner arrangements which provide individual burners distributed uniformly or unevenly over a surface, for example for firing a pot combustion chamber. It is thus possible, by appropriately positioning throttled premix burners, in addition to the variant already described for the azimuthal burner grouping, to also set any radial temperature profiles. Variants are also conceivable in which burner arrangements are arranged axially one behind the other, for example in the case of axially stepped combustion chambers.

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Abstract

Mehrfachbrenneranordnung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen mit einer Vielzahl von als Vormischbrenner ausgebildeten Einzelbrennern, die zur Befeuerung einer Brennkammer einer Wärmekraftmaschine dienen und jeweils einen Drallraum aufweisen, in den Verbrennungszuluft sowie Brennstoff unter Ausbildung einer Drallströmung einbringbar sind, wobei die Drallströmung stromab zum Vormischbrenner innerhalb der Brennkammer eine Rückströmzone bildet in der sich eine Brennerflamme ausbildet. Die Vormischbrenner über wenigstens eine erste und eine zweite Brennstoffleitung (7, 8) mit Brennstoff versorgbar, durch die Brennstoff zur Ausbildung der Drallströmung in den Drallraum einspeisbar ist, die jeweils erste Brennstoffleitung (7) eines jeden Vormischbrenners sind mit einer ersten Ringleitung und die zweite Brennstoffleitung (8) eines jeden Vormischbrenners sind mit einer zweiten Ringleitung verbunden, und wenigstens bei einer ersten Gruppe von Vormischbrennern in wenigstens einer der Brennstoffleitungen (7, 8) eine die Brennstoffzuführung beeinflussende Regeleinheit ist vorgesehen.

Description

Mehrfachbrenneranordnung zum Betrieb einer Brennkammer sowie Verfahren zum Betreiben der Mehrfachbrenneranordnung
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Mehrfachbrenneranordnung mit einer Vielzahl von als Vormischbrennem ausgebildeten Einzelbrennem, die zur Befeuerung einer Brennkammer für eine Wärmekraftmaschine, vorzugsweise für eine Gasturbinenanlage, dienen und jeweils einen Drallraum aufweisen, in den Verbrennungszuluft sowie Brennstoff unter Ausbildung einer Drallströmung eingespeist werden, wobei die Drallströmung stromab zum Vormischbrenner innerhalb der Brennkammer eine sich räumlich weitgehend stabil ausbildende Rückströmzone bildet, in der sich nach Zünden des Brennstoff-Luft-Gemisches eine Brennerflamme ausbildet. Ebenso wird ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Mehrfachbrenneranordnung beschrieben.
Stand der Technik
Mehrfachbrenneranordnungen haben sich nicht zuletzt aus Gründen ökologischer Gesichtspunkte durchgesetzt, da die Stickoxydbildung in den Abgasen aufgrund niedriger Flammentemperatur bei großem Luftüberschuss klein gehalten werden kann. In diesem Zusammenhang haben sich insbesondere so genannte Ringbrennkammern etablieren können, die zum Zwecke des Antriebes von Gasturbinenanlagen eingesetzt werden und eine Vielzahl einzelner Vormischbrenner in zirkulärer Anordnung um die rotierenden Komponenten einer Gasturbine vorsieht, deren Heißgase über einen ringförmig ausgebildeten Strömungskanal unmittelbar der nachgeordneten Turbinenstufe zugeführt werden.
Eine derartige Ringbrennkammeranordnung ist beispielsweise aus der EP 597 138 B1 zu entnehmen, die eine Vielzahl ringförmig angeordneter Vormischbrenner vorsieht, wie sie beispielsweise der EP 387 532 A1 entnehmbar sind und jeweils als Doppelkegelbrenner ausgebildet sind, die einen aus zwei hohlen kegelförmigen Teilkörpern radialseitig umschlossenen Drallraum vorsehen, deren jeweilige Mittelachsen gegeneinander versetzt angeordnet sind, so dass benachbarte Wandungen zweier Teilkegelkörper in deren Längserstreckung tangentiale Schlitze für die Verbrennungsluft einschließen. Über eine weitgehend mittig innerhalb des Drallraumes angeordnete Brennstoffdüse kann Flüssigbrennstoff in den axialwärts sich konisch erweiternden Drallraum eingespeist werden. Ebenso kann der Vormischbrenner über längs der tangentialen Schlitze innerhalb der Wandung beider Teilkegelkörper verteilte Gaseinströmöffnungen mit gasförmigem Brennstoff versorgt werden. So bildet sich bereits eine Gemischbildung mit der Verbrennungszuluft in Zonen der Eintrittsschlitze aus, wobei sich längs der sich axialwärts innerhalb des Drallraums ausbreitenden Drallströmung eine möglichst homogene Brennstoffkonzentration über den gesamten Querschnitt des Drallraumes ausbildet. Es entsteht am Brenneraustritt eine definierte kalottenförmige Rückströmzone, an deren Spitze die Zündung erfolgt unter Ausbildung einer sich innerhalb der Zone räumlich stabilen Brennerflamme.
Beim Betrieb einer derartigen Gasturbinenanlage wird in der Regel beim Anfahren der Gasturbine sowie bei niedrigen Lastbereichen die Brennstoffzufuhr für jeden einzelnen Vormischbrenner über eine so genannte Pilotstufe durchgeführt, die je nach Ausbildung des Vormischbrenners als eine zentrale Brennerlanze, wie sie beispielsweise in der DE 19652 899 A1 beschrieben ist, oder als eine unmittelbar am Brenneraustritt in Strömungsrichtung vor der Brennkammer vorgesehene Pilotgaszuführung ausgebildet ist. In beiden Fällen wird Brennstoff direkt in die zur Flammenstabilisierung erforderliche Strömungszone zugegeben, der jedoch für den Schadstoffausstoß in einem äußerst ungünstigen Mischungsverhältnis unter nahezu stoichiometrischen Bedingungen verbrennt. Aufgrund der im so genannten Pilotbetrieb hohen Emissionswerten hinsichtlich N02, CO und NOχ ist es daher insbesondere im mittleren und oberen Lastbereich der Gasturbinenanlage erforderlich, die Brennstoffzufuhr über die jeweilige Pilotstufe zu drosseln und die Brennstoffversorgung im Rahmen der so genannten Vormischstufe, d.h. der Einspeisung gasförmigen Brennstoffs längs der Lufteintrittsschlitze durch die Wandung der Teilkegelschalen vorzunehmen. Nach einem vollständigen Abschalten der Pilotbrennstoffzufuhr ist es erforderlich, brennbare Rückstände aus den Pilotzuleitungen zu entfernen, um Flammenrückschläge in die Pilotstufe zu vermeiden. Hierfür sind technisch aufwendige Spülverfahren erforderlich. Zudem sind die Umschaltvorgänge vom Pilot- zum Vormischbetrieb oder umgekehrt nicht wünschenswert, da hierdurch brennerinterne Pulsationen angeregt werden, die je nach Ausprägung die am Verbrennungsvorgang beteiligten Anlagenkomponenten mechanisch stark belasten.
Derartige thenmoakustische Schwingungen treten darüber hinaus bevorzugt auch im Vormischbetrieb, d.h. im mittleren und oberen Lastbereich auf, durch die die innerhalb der Brennkammer ausbildende Flammenstabilität stark beeinträchtigt wird.
Normalerweise werden bei mit Ringbrennkammern befeuerten Gasturbinen sämtliche Vormischbrenner während des Vormischbetriebes in gleicher Weise mit gasförmigem Brennstoff versorgt. Es zeigt sich allerdings, dass sich bei unterschiedlichen Lastbedingungen der Gasturbinenanlage Betriebsbereiche ausbilden, in denen starke Brennkammerpulsationen, ein schlechter Ausbrand und damit verbundene hohe Kohlenoxidwerte sowie hohe Werte ungesättigter Kohlenwasserstoffe auftreten und in denen ein schlechtes Querzündverhalten der einzelnen Vormischbrenner zu beobachten ist.
Um diesen Problemen entgegenzutreten, wird in der DE 101 08 560 A1 vorgeschlagen, die bisher angewandte Symmetrie in der Brennstoffversorgung aller in der Mehrfachbrenneranordnung vorgesehenen Vormischbrenner gezielt aufzubrechen, um wirksam das Auftreten von Brennkammerpulsationen zu reduzieren. Hierbei wird wenigstens ein Vormischbrenner derart betrieben, dass der wenigstens eine Vormischbrenner ein von allen anderen in der Mehrfachbrenneranordnung vorgesehenen Vormischbrennern abweichendes räumliches Mischungsprofil innerhalb des Brennstoff-Luft-Gemisches aufweist. Hierbei sieht der wenigstens eine Vormischbrenner eine konstruktiv von allen anderen Vormischbrennern abweichende Brennstoffeinspeisung für den gasförmigen Brennstoff längs der den kegelförmigen Drallraum radial eingrenzenden Teilkegelschalen vor. Zwar trägt diese Maßnahme zur Dämpfung von sich üblicher weise in resonanter Form ausbildenden zirkulär in einer Ringbrennkammer umlaufenden Pulsationen im oberen Lastbereich der Gasturbinenanlage bei, doch sind der weiteren Einflussnahme auf das Brennerverhalten hinsichtlich des Betriebes der Gasturbinenanlage bei unterschiedlichen Lastzuständen sowie unter Berücksichtigung anderer, die Verbrennungsprozesse innerhalb der jeweiligen Vormischbrenner beeinflussenden Parameter, wie beispielsweise stark variierende Feuchteanteile in der Verbrennungszuluft bei Leistungssteigerung der Gasturbine, Umgebungstemperatur, Änderung der Brennstoffzusammensetzung sowie auch Alterungserscheinungen der gesamten Gasturbinenanlage Grenzen gesetzt. Überdies ermöglicht der vorstehend beschriebene Vorschlag keine nachträgliche Retrofitierbarkeit an bereits bestehenden Gasturbinenanlagen, so dass die bekannte Maßnahme ausschließlich bei neu anzuschaffenden Gasturbinenanlagen realisierbar ist.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mehrfachbrenneranordnung mit einer Vielzahl von als Vormischbrennern ausgebildeten Einzelbrennem, insbesondere zum Betrieb einer Gasturbinenanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 derart weiterzubilden, dass der Betrieb von einer Vielzahl einzelner Vormischbrenner möglichst flexibel bzw. variabel in Abhängigkeit des jeweiligen Lastzustandes sowie der den Verbrennungsprozess beeinflussenden Parameter, wie vorstehend erwähnt, optimiert werden kann. Insbesondere gilt es, eine Regelungsmöglichkeit zu schaffen, die den Betrieb einer Mehrfachbrenneranordnung hinsichtlich des Schadstoffausstoßes optimiert sowie die durch die Verbrennung verursachten Pulsationen im gesamten Lastbereich deutlich reduziert.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruches 8 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Mehrfachbrenneranordnung, wie sie beispielsweise für den Betrieb einer Ringbrennkammer geeignet ist.
Die erfindungsgemäße Mehrfachbrenneranordnung hebt auf den gezielten Einsatz von gestuft betreibbaren Vormischbrennersystemen ab, die über Mittel für eine intern gestufte Brennstoffeindüsung in den Drallraum für den Vormischbetrieb verfügen. Hierzu wird jeder einzelne in der Mehrfachbrenneranordnung vorgesehene Vormischbrenner über wenigstens zwei getrennte Brennstoffleitungen, eine so genannte erste und eine zweite Brennstoffleitung mit Brennstoff, vorzugsweise gasförmigen Brennstoff, versorgt, durch die der Brennstoff zur weiteren Ausbildung der Drallströmung in den Drallraum eingespeist wird. Die jeweils erste Brennstoffleitung eines jeden Vormischbrenners ist mit einer ersten Ringleitung verbunden, über die die jeweils ersten Brennstoffleitungen sämtlicher Vormischbrenner innerhalb der Mehrfachbrenneranordnung mit Brennstoff versorgt werden. Femer ist eine zweite Ringleitung vorgesehen, die mit jeweils der zweiten Brennstoffleitung jedes einzelnen, in der Mehrfachbrenneranordnung vorgesehenen Vormischbrenners verbunden ist. Wesentlich ist nun, dass bei einer ersten Gruppe von Vormischbrennern, deren Anzahl vorzugsweise kleiner als die Hälfte der in der Mehrfachbrenneranordnung vorgesehenen Gesamtzahl gewählt ist, in wenigstens einer der Brennstoffleitungen eine die Brennstoffzuführung beeinflussende Regeleinheit, beispielsweise ein Drosselventil, vorgesehen ist. Durch eine geregelte Drosselung der Brennstoffversorgung bezüglich einer ausgewählten Gruppe von Vormischbrennern ist es einerseits möglich ein gezielt asymmetrisches Temperaturprofil längs einer annularen Vormischbrenneranordnung bspw. im Rahmen einer Ringbrennkammeranordnung zu schaffen und somit auf wirksame Weise den brennerbedingten thermoakustischen Schwingungen entgegen zu wirken, zum anderen gestattet die regelbare Brennstoffdrosselung eine individuelle Abstimmung des Brennerverhaltens auf grundsätzlich alle den Verbrennungsprozess beeinflussenden Parameter.
Das erfindungsgemäße Brennerkonzept mit einer regelbaren Brennstoffdrosselung zumindest bei gezielt ausgewählten Vormischbrennern innerhalb einer Mehrfachbrenneranordnung kann sowohl bei Vormischbrennern mit Brennerlanze oder auch mit externer Pilotzuführung realisiert werden.
Beim Einsatz von Vormischbrennern mit einer den Drallraum wenigstens teilweise mittig durchsetzenden Brennerlanze wird im Anfahrbetrieb bzw. unterem Lastbereich der Gasturbine ein Großteil des vorzugsweise gasförmigen Brennstoffes über die Brennerlanze in den Drallraum eingespeist. Hierzu sind jeweils die Brennerlanzen mit der jeweils ersten Brennstoffleitung verbunden, die von jeweils einer gemeinsamen Ringleitung mit Brennstoff gespeist werden. Im mittleren und oberen Lastbereich wird hingegen die Mehrfachbrenneranordnung derart betrieben, dass deutlich mehr als die Hälfte des gasförmigen Brennstoffes über die jeweils zweite Brennstoffleitung den Vormischbrennern über die Brennstoffaustrittöffnungen zugeführt wird, die sich längs der Lufteintrittsschlitze erstrecken. Dies wird durch Zuschalten der Brennstoffversorgung über die zweite Ringleitung ermöglicht, von der die jeweils zweiten Brennstoffleitungen der einzelnen Vormischbrenner gespeist werden, wobei je nach Bedarf die Brennstoffeinspeisung über die erste Ringleitung gedrosselt wird. Dies hat den Vorteil, dass unabhängig vom Betriebspunkt der Gasturbinenanlage stets ein ideales Luft-Brennstoff-Gemisch erzeugt werden kann, in dem die einzelnen Brennstoffstufen in Abhängigkeit des Lastbereiches der Gasturbinenanlage unterschiedlich mit Brennstoff versorgt werden und auf diese Weise ein Optimum des Verbrennungsverhaltens hinsichtlich Schadstoffemissionen und Pulsationsverhalten zu erzielen, wodurch der Betriebsbereich der Gasturbine wesentlich erweitert werden kann.
In gleicher Weise, mit der eine Brennstoffstufung über eine den Drallraum mittig wenigstens teilweise durchragende Brennerlanze realisiert wird, ist es auch möglich, eine Brennstoffstufung längs der Brennerlufteintrittsschlitze vorzunehmen. Auch ist es denkbar, eine Brennstoffstufung über eine extern geführte Pilotstufe zu realisieren, die am Brenneraustritt stromauf zur Brennkammer vorgesehen ist.
Unabhängig von der jeweiligen Ausbildungsform der eingesetzten Vormischbrenner sowie des vom Lastzustand einstellbaren Brennstoffversorgungsverhältnisses zwischen den Ringleitungen und den daran angeschlossenen ersten und zweiten Brennstoffleitungen ermöglicht das erfindungsgemäße Brennerkonzept durch Vorsehen zusätzlicher Regeleinheiten längs der von einer Ringleitung abzweigenden Brennstoffleitungen nur bei einer ausgewählten Gruppe von in der Mehrfachbrenneranordnung vorgesehenen Vormischbrennern eine gezielte Aufbrechung der Symmetrie in der Temperaturverteilung längs der sich innerhalb der Brennkammer ausbildenden Flamme, wodurch ein entscheidender Einfluss auf die Reduzierung der sich innerhalb der Brennkammer ausbildenden thermoakustischen Schwingungen genommen werden kann. Ebenso erlauben die in den Brennstoffleitungen vorgesehenen Regeleinheiten, die vorzugsweise als Drosselventile ausgebildet sind, eine aktive Regelung bzw. Steuerung in Abhängigkeit von den Verbrennungsvorgang beeinflussenden Parametern, wie beispielsweise der in Abhängigkeit vom Lastbereich der Gasturbinenanordnung variierende Feuchteanteil in der Verbrennungszuluft, die Umgebungstemperatur, Änderung der Brennstoffzusammensetzung sowie auch Alterung von Gasturbinenkomponenten.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Schematisierte Darstellung eines gestuften Vormischbrenners,
Fig. 2 a-c Darstellung alternativer Brennstoffleitungen zur Brennstoffversorgung eines Vormischbrenners, Fig. 3a, b Anordnung zweier Ringleitungen zur Befeuerung einer zweifach gestuften Vormischbrenneranordnung und Fig. 4 annulares Anordnungsschema für Vormischbrenner zur Befeuerung einer Ringbrennkammer.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt sowie eine gegen die Strömungsrichtung S orientierte Vorderansicht eines Vormischbrenners 1 mit gestufter Brennstoffzuführung. Der kegelförmig ausgebildete Vormischbrenner 1 schließt mit seinen in Fig. 1 dargestellten stark schematisierten Teilkegelschalen 2 einen kegelförmig ausgebildeten Drallraum 3 ein. Die Teilkegelschalen 2 schließen aufgrund ihrer gegenseitig überlappenden Zusammenstellung jeweils Lufteintrittsschlitze 4 ein, längs der Brennstoffzuführungsöffnungen 5 verteilt angeordnet sind, durch die gasförmiger Brennstoff in den Drallraum 3 zur Ausbildung einer Drallströmung eingespeist wird.
Mittig den Drallraum 3 wenigstens teilweise durchragend ist eine Brennerlanze 6 vorgesehen, die ebenso Brennstoffaustrittsöffnungen aufweist, durch die Brennstoff in den Drallraum 3 einspeisbar ist. Die Brennstoffeinspeisung über die Lanzenstufe 6 erfolgt vorzugsweise beim Anfahren der Gasturbinenanlage sowie im unteren Lastbereich. Befindet sich die Gasturbine hingegen im mittleren oder oberen Lastbereich, so erfolgt die Brennstoffeinspeisung vornehmlich über die sich längs der Teilkegelschalen erstreckenden Brennstoffzuführungsöffnungen 5.
Figur 2a zeigt schematisiert die Brennstoffversorgung an einem einzelnen Vormischbrenner nach Art einer in Figur 1 dargestellten Ausführungsform. Eine erste Brennstoffleitung 7 ist mit der Lanzenstufe 6 verbunden, wohingegen eine zweite Brennstoffleitung 8 mit den Brennstoffeintrittsöffnungen 5 verbunden ist, die sich längs der Lufteintrittsschlitze 4 innerhalb der Teilkegelschalen 2 erstrecken.
Alternativ zu der vorstehend dargestellten Vormischbrennervariante ist es ebenso möglich einen gemäß Bilddarstellung in Figur 2b gestuft ausgebildeten Vormischbrenner längs zweier axial versetzter Brennstoffeinspeisungsbereiche 9, 10 gesondert über die Brennstoffleitungen 7, 8 mit Brennstoff zu versorgen.
Eine weitere Variante der Brennstoffeinspeisung ist in Figur 2c dargestellt, bei der eine erste Brennstoffstufe über eine externe Pilotstufe 11 erfolgt, die im Anschluss an den Brenneraustritt und stromauf zur Brennkammer BK vorgesehen ist. Die zweite Brennerstufe entspricht der in Bilddarstellung gemäß Figur 2b längs der Lufteintrittsschlitze 4 verteilten Brennstoffeinspeisungsöffnungen 5 längs der Teilkegelschalen 2.
Aus Figur 3 ist schematisiert ein Leitungsplan zur Brennstoffversorgung für die einzelnen Brennstoffleitungen 7, 8 zu entnehmen, durch die nicht dargestellten Vormischbrenner in der in Figur 2 angegebenen Weise mit Brennstoff versorgt werden. Hierbei sind die Brennstoffleitungen 7 aller Vormischbrenner mit einer ersten Ringleitung 12 und die Brennstoffleitungen 8 entsprechend mit einer zweiten Ringleitung 13 verbunden. Zur Einstellung eines gewünschten Brennstoff- Versorgungsverhältnisses zwischen den Ringleitungen 12, 13 und somit auch zwischen den mit den Ringleitungen 12, 13 verbundenen Brennstoffleitungen 7, 8 dient wenigstens eine Regeleinrichtung 14, mit der eine gezielt einstellbare Brennstoffaufteilung über die jeweiligen Ringleitungen 12, 13 vorgenommen werden kann. Ferner sind in einer bestimmten Anzahl von Brennstoffleitungen 7, hier vier, zusätzliche Regeleinheiten 15, vorzugsweise regelbare Drosselventile, vorgesehen, durch die eine gezielte Drosslung der Brennstoffzufuhr über die im Beispiel jeweils erste Brennstoffleitung 7, die vorzugsweise mit der Brennerlanze verbunden ist, möglich ist.
In dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel werden vier von zehn in ringförmiger Anordnung vorgesehene Vormischbrenner (nicht dargestellt) durch entsprechende Drosselung der Regeleinheiten 14 über die jeweiligen Brennstoffleitungen 7 gedrosselt mit Brennstoff versorgt, wodurch die betreffenden Vormischbrenner eine Verbrennungstemperatur aufweisen, die sich von der Verbrennungstemperatur aller übrigen, in der ringförmigen Anordnung vorgesehenen ungedrosselten Vormischbrennern unterscheidet. Wie eingangs erläutert, führt dies zu einer Asymmetrie in der Temperaturverteilung längs der annularen Vormischbrenneranordnung, wodurch wirksam der Ausbildung thermoakustischer Schwingungen innerhalb der Brennkammer entgegen gewirkt werden kann. Aufgrund der Regelbarkeit der als Drosselventile ausgebildeten Regeleinheiten 15 ist es möglich den Verbrennungsprozess unter Berücksichtigung unterschiedlichster, den Verbrennungsprozess beeinflussenden Parametern zu optimieren.
In Figur 4 ist eine schematisierte Darstellung einer Mehrfachbrenneranordnung zur Befeuerung einer Ringbrennkammer dargestellt. Gleich verteilt auf einer Ringfläche sind 18 Vormischbrenner angeordnet, von denen jene Vormischbrenner mit einem schwarzen Punkt ungedrosselt betrieben werden, die übrigen, jeweils mit einem Kreis markiert werden gedrosselt, bspw. mit einer gedrosselten Lanzenstufe betrieben. Da wie vorstehend aufgezeigt, der Grad der Brennstoffdrosselung variabel eingestellt werden kann und dies letztlich für jeden einzelnen, gedrosselt betriebenen Vormischbrenner, können unterschiedliche unregelmäßige längs des Brennkammerumfanges verlaufende Temperaturprofile eingestellt werden, die den Verbrennungsvorgang entscheidend zu beeinflussen vermögen. Durch eine geregelte Einflussnahme auf gezielte in der Mehrfachbrenneranordnung gedrosselt betreibbare Vormischbrenner kann der Verbrennungsvorgang direkt im Betrieb der Gasturbine optimiert werden.
So sei angenommen, dass die in Figur 4 zur Befeuerung einer Ringbrennkammer angeordneten 18 Vormischbrenner mit einer brennerinternen Brennstoffstufung mit einer Lanzen- und einer Brennerstufe ausgelegt seien. Während bei 12 der Brenner beide Brennerstufen komplett geöffnet sind, sind bei den übrigen 6 verbleibenden Brennern die Lanzenstufen jeweils vollständig geschlossen. Grundsätzlich erlaubt diese Brenneranordnung einen in Bezug auf die Schadstoffemissionen akzeptablen Betriebsbereich falls 10 - 50 % des den Brennern gesamtheitlich zugeführten Brennstoffes jeweils durch die Lanzenstufe eingebracht wird. Auf diese Weise ist es möglich die azimuthale Brennergruppierung der mageren Brennergruppe, umfassend die Brenner 1, 4, 7, 10, 13, 16 in einem Bereich von 16 - 30 % bezogen auf den insgesamt eingebrachten Brennstoff einzustellen.
Das erfindungsgemäße Brennerkonzept lässt sich nicht nur für Ringbrennkammem erfolgreich anwenden, sondern auch für Brenneranordnungen, die flächig gleich- oder ungleichmäßig verteilte Einzelbrenner vorsehen, bspw. zur Befeuerung einer Topfbrennkammer. So ist es möglich durch entsprechende Positionierung gedrosselter Vormischbrenner neben der bereits beschriebenen Variante zur azimuthalen Brennergruppierung auch beliebig radial verlaufende Temperaturprofile einzustellen. Auch sind Varianten denkbar, in denen Brenneranordnungen axial hintereinander angeordnet werden, wie bspw. bei axial gestuften Brennkammern.
Bezugszeichenliste
Vormischbrenner Teilkegelschale Drallraum Lufteintrittsschlitz Brennstofföffnungen Lanze, Lanzenstufe, 8 Brennstoffleitung, 10 Brennstoffeinspeisungsbereich1 Externe Pilotstufe2, 13 Erste, zweite Ringleitung Regeleinrichtung5 Regeleinheit

Claims

Patentansprüche
1. Mehrfachbrenneranordnung mit einer Vielzahl von als Vormischbrenner (1 ) ausgebildeten Einzelbrennern, die zur Befeuerung einer Brennkammer einer Wärmekraftmaschine dienen und jeweils einen Drallraum (3) aufweisen, in den Verbrennungszuluft sowie Brennstoff unter Ausbildung einer Drallströmung einbringbar sind, wobei die Drallströmung stromab zum Vormischbrenner (1) innerhalb der Brennkammer eine Rückströmzone bildet in der sich eine Brennerflamme ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Vormischbrenner (1) über wenigstens eine erste und eine zweite Brennstoff leitung (7, 8) mit Brennstoff versorgbar sind, durch die Brennstoff zur Ausbildung der Drallströmung in den Drallraum (3) einspeisbar ist, dass die jeweils erste Brennstoffleitung (7) eines jeden Vormischbrenners mit einer ersten Ringleitung (12) und die zweite Brennstoffleitung (8) eines jeden Vormischbrenners mit einer zweiten Ringleitung (13) verbunden sind, und dass wenigstens bei einer ersten Gruppe von Vormischbrennern in wenigstens einer der Brennstoffleitungen (7, 8) eine die Brennstoffzuführung beeinflussende Regeleinheit (15) vorgesehen ist.
2. Mehrfachbrenneranordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit (15) ein Drosselventil oder eine Blendenscheibe ist.
3. Mehrfachbrenneranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vormischbrenner (1) jeweils einen teilkegelartig ausgebildeten Drallraum (3) aufweisen, der von wenigstens zwei sich gegenseitig teilweise überlappenden, jeweils tangentiale Lufteintrittschlitze (4) miteinander einschließende Teilkegelschalen (2) radial begrenzt ist, dass die in den Drallraum (3) gerichtete Brennstoffeinspeisung über wenigstens zwei getrennte, jeweils mit einer Brennstoffleitung (7, 8) verbundene Brennstoffeinspeisungsbereiche erfolgt, die axialwärts zum teilkegelartig ausgebildeten Drallraum (3) getrennt oder axialwärts teilweise überlappend angeordnet sind und jeweils mit einer Brennstoffleitung (7, 8) verbunden sind.
4. Mehrfachbrenneranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass axialwärts in den Drallraum (3) mittig wenigstens teilweise hineinragend eine Brennlanze (6) vorgesehen ist, dass ein erster Brennstoffeinspeisungsbereich längs der Brennerlanze (6) und ein zweiter Brennstoffeinspeisungsbereich längs der Teilkegelschalen (2), vorzugsweise im Bereich der Lufteintrittschlitze (4) vorgesehen sind.
5. Mehrfachbrenneranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Brennstoffeinspeisungsbereich (9) längs der Teilkegelschalen (2), vorzugsweise im Bereich der Lufteintrittschlitze (4), und ein zweiter Brennstoffeinspeisungsbereich (10) axialwärts an den ersten Brennstoffeinspeisungsbereich (9) längs der Teilkegelschalen (2) angrenzend vorgesehen sind.
6. Mehrfachbrenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Vormischbrenner der ersten Gruppe kleiner ist als Hälfte der Gesamtanzahl der Vielzahl an Vormischbrenner.
7. Mehrfachbrenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl an Vormischbrenner (1) in Form einer Ringanordnung zur Befeuerung einer Ringbrennkammer oder in Form einer Kreisflächenanordnung zur Befeuerung einer Topfbrennkammer angeordnet ist.
8. Mehrfachbrenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der ersten und/oder zweiten Ringleitung (12, 13) jeweils eine Regeleinrichtung (14) vorgesehen ist.
9. Verfahren zum Betreiben einer Mehrfachbrenneranordnung mit einer Vielzahl von Einzelbrennem, die zur Befeuerung einer Brennkammer einer Wärmekraftmaschine dienen und als Vormischbrenner (1) ausgebildet sind, die jeweils einen Drallraum (3) aufweisen, in den Verbrennungszuluft sowie Brennstoff unter Ausbildung einer Drallströmung eingebracht wird, wobei die Drallströmung stromab zum Vormischbrenner (1 ) innerhalb der Brennkammer eine Rückströmzone bildet in der sich eine Brennerflamme ausbildet, wobei die Vormischbrenner (1) in wenigstens zwei Gruppen unterteilt werden, die jeweils mit unterschiedlichen Brennstoffmengen versorgt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Vormischbrenner über wenigstens eine erste und eine zweite Brennstoffleitung (7, 8) mit Brennstoff versorgt werden, durch die
Brennstoff jeweils zur Ausbildung der Drallströmung in den Drallraum (3) eingespeist wird, wobei die jeweils erste Brennstoffleitung (7) eines jeden Vormischbrenners über eine erste
Ringleitung (12) und die zweite Brennstoffleitung (8) eines jeden Vormischbrenners über eine zweite Ringleitung (13) mit Brennstoff versorgt werden, und dass wenigstens bei einer ersten Gruppe von Vormischbrennern längs wenigstens einer der Brennstoffleitungen die Brennstoffzuführung gedrosselt erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselung der Brennstoffzuführung geregelt oder gesteuert durchgeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung oder Steuerung der Brennstoffdrosselung in Abhängigkeit des Lastzustandes der Wärmekraftmaschine, unter Zugrundelegung der Reduzierung von sich innerhalb der Brennkammer ausbildenden Pulsationen, einer Reduzierung bei der Verbrennung entstehenden Schadstoffemissionswerten, und/oder in Abhängigkeit der Brennstoffzusammensetzung, der Umgebungstemperatur und/oder der Umgebungsfeuchte durchgeführt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffeinspeisung über wenigstens zwei axial getrennte Brennstoffeinspeisungsbereiche längs des Drallraums (3) eines jeden Vormischbrenners erfolgt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Brennstoffeinspeisung über eine mittig innerhalb des Drallraums (3) vorgesehene Brennerlanze (6) und eine zweite Brennstoffeinspeisung längs den Drallraum (3) radial begrenzende Teilkegelschalen (2) durchgeführt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste und zweite Brennstoffeinspeisung längs den Drallraum (3) radial begrenzenden Teil kegelschalen (2) durchgeführt wird.
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