EP2160543A1 - Brenner und verfahren zum betreiben eines brenners - Google Patents

Brenner und verfahren zum betreiben eines brenners

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Publication number
EP2160543A1
EP2160543A1 EP08701562A EP08701562A EP2160543A1 EP 2160543 A1 EP2160543 A1 EP 2160543A1 EP 08701562 A EP08701562 A EP 08701562A EP 08701562 A EP08701562 A EP 08701562A EP 2160543 A1 EP2160543 A1 EP 2160543A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
burner
fuel
sectors
supplied
sector
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08701562A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Eberhard Deuker
Anil Gulati
Andreas Heilos
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
Publication of EP2160543A1 publication Critical patent/EP2160543A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current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
    • F23R3/34—Feeding into different combustion zones
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a method of operating a burner, a burner, and a gas turbine having reduced CO and NO x emissions.
  • thermoacoustic instability can occur throughout the entire operating range, which can jeopardize safe operation of the combustion system.
  • thermoacoustic instability is often referred to as "humming" and can occur in particular in today's conventional premix burners.
  • the burners of a gas turbine below a critical temperature limit, where the flame is unstable or the CO emissions are too high to be switched off. If necessary, other burner stages must be operated, usually diffusion burners, which then generate high NO x emissions. It is an object of the present invention to provide an advantageous method for operating a burner. Further objects of the invention are to provide an advantageous burner and an advantageous gas turbine.
  • the inventive method relates to a burner comprising a burner outlet opening with at least two sectors, wherein each sector is associated with at least one fuel nozzle. Fuel is supplied separately to the fuel nozzles of different sectors.
  • This method of operating a burner is particularly suitable for operating a gas turbine combustor.
  • the separate fuel supply to the fuel nozzles of different sectors of the burner outlet opening can be controlled for example by means of valves.
  • the fuel nozzles of different sectors of the burner outlet opening fuel in an adjustable ratio between 0: 100 and 100: 0, in particular between 0: 100 and 35:65, are supplied.
  • the burner is arranged in a combustion chamber.
  • the combustion chamber has a central axis.
  • the burner also has a radial direction and a tangential direction relative to the center axis of the combustion chamber.
  • the radial direction of the burner is characterized in that it intersects the central axis of the combustion chamber.
  • the tangential direction of the burner is perpendicular to the radial direction of the burner and extends tangentially to an imaginary circle placed around the central axis of the combustion chamber. It has been found to be advantageous if the fuel nozzles associated with a sector located along the tangential direction of the burner are supplied with less fuel than the fuel nozzles associated with a sector located along the radial direction of the burner.
  • the fuel nozzles which are assigned to a sector, which is arranged along the tangential direction of the burner, 20% of the total amount of fuel supplied to the burner are supplied.
  • the fuel nozzles associated with a sector located along the radial direction of the burner are in this case supplied with 80% of the total amount of fuel supplied to the burner.
  • hotter and colder zones are deliberately generated in the combustion chamber in part-load operation.
  • the hotter zones can in particular also be placed where otherwise the greatest quenching effect would be expected.
  • the colder zones can be placed where the longest time is available for burnout, so that despite colder temperatures, no additional or only slightly more carbon monoxide is produced. In total, the total CO emissions produced are thus reduced while the total amount of fuel remains constant, and thus also while the power remains the same.
  • Fuel supply of the sectors also use to positively influence the thermoacoustic behavior positively.
  • the aim is generally to achieve a homogeneous temperature distribution, since this means the lowest component load and the lowest NO x emissions.
  • all sectors are supplied with fuel again uniformly.
  • the burner according to the invention comprises a burner outlet opening with at least two sectors, wherein each sector is assigned at least one fuel nozzle.
  • the burner according to the invention is characterized in that there are at least two separate fuel feed lines leading to the fuel nozzles of different sectors and a device for setting the fuel mass flow flowing through the respective fuel feed line. Each fuel supply thus supplies the fuel nozzles of other sectors with fuel.
  • the burner outlet opening may in particular have a circular cross-sectional area.
  • the fuel nozzles of the burner according to the invention can then be arranged, for example, annularly with respect to the center of the burner outlet opening.
  • each opposite fuel nozzles can be assigned to the same fuel supply line.
  • the various sectors can form cutouts from the circular area of the burner outlet opening with angles between 70 ° and 110 °. For example, if four equally sized cutouts are present, they each have an angle of 90 °.
  • the fuel nozzles of mutually opposite cutouts can then in particular also be assigned to the same fuel feed line.
  • the device for adjusting the fuel flowing through the respective fuel feed line can be controllable valves arranged in the respective fuel feed line.
  • the inventive method can be carried out, so that the advantages described with reference to the inventive method can be achieved.
  • the gas turbine according to the invention comprises at least one burner according to the invention.
  • the present invention enables compliance with given emission limits over a wide operating range.
  • a thermoacoustically stable operation of the burner over a wide operating range is possible or, with a constant operating range, an operation with reduced NO x emissions.
  • the invention therefore causes an overall extension of the operating range of a burner.
  • the invention provides extended control options for operating a burner by creating an additional degree of freedom in the fuel distribution.
  • the fuel portion of the additional operating stage can be used as a control variable in a closed loop for controlling the thermoacoustic behavior or the emissions.
  • Fig. 1 shows schematically a gas turbine in a longitudinal partial section.
  • Fig. 2 shows schematically a combustion chamber of a gas turbine in a perspective view.
  • Fig. 3 shows schematically a section through a part of an annular combustion chamber.
  • Fig. 4 shows the CO emissions and NO x emissions of a burner according to the invention at various
  • Fig. 5 shows the CO emissions and NO x emissions of an alternative burner according to the invention at different stages of operation.
  • Fig. 6 shows the CO emissions as a function of the flame temperature for different burners.
  • FIG. 1 shows by way of example a gas turbine 100 in a longitudinal partial section.
  • the gas turbine 100 has inside a rotatably mounted about a rotation axis 102 rotor 103 with a shaft, which is also referred to as a turbine runner.
  • an intake housing 104 a compressor 105, for example, a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
  • a compressor 105 for example, a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
  • the annular combustion chamber 110 communicates with an annular annular hot gas channel 111, for example.
  • annular annular hot gas channel 111 for example.
  • turbine stages 112 connected in series form the turbine 108.
  • Each turbine stage 112 is formed of two blade rings. As seen in the flow direction of a working medium 113 follows in the hot gas duct 111 of a guide blade row 115, a row 125 formed of rotor blades 120.
  • the guide vanes 130 are fastened to an inner housing 138 of a stator 143, whereas the moving blades 120 of a row 125 are attached to the rotor 103 by means of a turbine disk 133, for example.
  • air 105 is sucked in and compressed by the compressor 105 through the intake housing 104.
  • the compressed air provided at the turbine-side end of the compressor 105 is guided to the burners 107 and mixed there with a fuel.
  • the mixture is then burned to form the working fluid 113 in the combustion chamber 110.
  • the working medium 113 flows along the hot gas channel 111 past the guide vanes 130 and the rotor blades 120.
  • the working medium 113 expands in a pulse-transmitting manner so that the rotor blades 120 drive the rotor 103 and drive the machine coupled to it.
  • the components exposed to the hot working medium 113 are subject to thermal loads during operation of the gas turbine 100.
  • the guide vanes 130 and rotor blades 120 of the first turbine stage 112, viewed in the flow direction of the working medium 113, are subjected to the highest thermal load in addition to the heat shield elements 106 lining the annular combustion chamber 110. To withstand the prevailing temperatures, they can be cooled by means of a coolant.
  • FIG. 2 shows the combustion chamber 110 of the gas turbine.
  • the combustion chamber 110 is designed, for example, as a so-called annular combustion chamber, in which a multiplicity of burners 107 arranged in the circumferential direction about a rotation axis 102 open into a common combustion chamber space, which Create flames.
  • the combustion chamber 110 is configured in its entirety as an annular structure, which is positioned around the axis of rotation 102 around.
  • the combustion chamber 110 is designed for a comparatively high temperature of the working medium M of about 1000 ° C. to 1600 ° C.
  • the combustion chamber wall 153 is provided on its side facing the working medium M with an inner lining formed of heat shield elements 155.
  • FIG. 3 shows a section through part of an inventive annular combustion chamber 1 with an end wall 21, an outer wall 2 and an inner wall 3. Both the outer wall 2 and the inner wall 3 are cooled. As a result, there is the danger that so-called quench effects occur during operation of the combustion chamber.
  • the burner 107 are arranged in the end wall 21 of the annular combustion chamber 1.
  • FIG. 3 shows the burner outlet 4 or the burner outlet opening of one of these burners 107 in plan view.
  • Burner exit 4 has a circular cross-sectional area.
  • the hot gas flow direction 5 extends perpendicularly out of the image plane in the example shown here.
  • the burner 107 shown in FIG. 3 is a premix burner in which, prior to combustion, the fuel was twisted with air to form a fuel-air mixture with the aid of a swirl generator.
  • the direction of the swirl generated thereby is indicated by arrows 10 in FIG.
  • the burner 107 according to the invention shown in FIG. 3 comprises four sectors 8a, 8b and 9a, 9b. These sectors represent sections of the cross-sectional area of the burner outlet 4, each section making up a quarter of the cross-sectional area.
  • the sectors 8a and 8b and 9a and 9b respectively face each other. In the example shown in FIG. 3, the opposing sectors 9 a and 9 b are arranged along the radial direction 6.
  • the sectors 9a and 9b are thus located in the vicinity of the outer wall 2 and the inner wall 3, respectively.
  • the two sectors 8a and 8b are arranged along the tangential direction 7. Both the two sectors 8a and 8b and the two sectors 9a and 9b each represent a quarter circle.
  • the angle ⁇ , i denotes the proportion of the cross-sectional area of the burner exit 4, which is swept by one of the two areas assigned to the sector 8.
  • the angle ⁇ , 2 indicates the proportion of the cross-sectional area of the burner outlet 4, which is swept by one of the two subregions associated with the sector 9.
  • angles ⁇ , i and ⁇ , 2 can also have any other values, for example 360 ° / n, if n sectors of equal size are to be present.
  • the sectors can also form different sized sections of the cross-sectional area of the burner outlet opening.
  • ⁇ i ⁇ ⁇ , 2 • It is advantageous if the angles are between 70 ° and 110 °.
  • the burner 107 whose burner outlet 4 is shown in FIG. 3, comprises a number of fuel nozzles. These are not shown in FIG.
  • the fuel nozzles are preferably arranged annularly with respect to the center of the burner outlet opening 4, wherein each sector 8a, 8b, 9a, 9b is associated with at least one fuel nozzle.
  • the burner 107 has two separate fuel supply lines, one of which supplies fuel to the fuel nozzles of the sectors 8a and 8b, while the other supplies fuel to the fuel nozzles of the sectors 9a and 9b.
  • Each fuel supply line is equipped with a device for adjusting the fuel flowing through the respective fuel supply line. This device is preferably a controllable valve.
  • an optimum fuel ratio between the sectors 8a and 8b on the one hand and the sectors 9a and 9b on the other hand can be set, which causes the greatest possible reduction of the quench effect.
  • a uniform supply of the sectors 8a, 8b and 9a, 9b with fuel is sought. This corresponds to a 50:50 split of the fuel for sectors 8a and 8b on the one hand and sectors 9a and 9b on the other for sectors of equal size.
  • the total amount of fuel supplied is reduced compared to full load operation, which, as mentioned above, can lead to higher emissions and reduced thermoacoustic stability.
  • a slight shift of the ratio in the distribution of the fuel to the sectors 8a, 8b and 9a, 9b can already positively influence the thermoacoustic stability of the burner 107 during partial load operation as well as the emissions.
  • burners 107 of the annular combustion chamber 1 can be designed according to the invention, that is to say comprise a plurality of sectors with separate fuel feed lines.
  • 4 shows the carbon monoxide emissions and the nitrogen oxide emissions as a function of the ratio of the fuel supply to the individual sectors of Figure 3.
  • the burner 107 under investigation has a burner outlet 4 with a circular cross-sectional area which is subdivided into four sectors 8a, 8b, 9a, 9b, as already described in connection with FIG.
  • the sectors 8 a and 8 b are designated by A and arranged along the tangential direction 7.
  • the sectors 9 a and 9 b are labeled B and arranged along the radial direction 6.
  • the sector boundaries 20 are arranged with respect to the radial direction 6 as in FIG.
  • the sectors labeled A and B are associated with separate fuel supply lines.
  • the sectors A supplied fuel mass flow m A to the burner 107 in total supplied fuel mass flow which is the sum of the sectors A and B supplied fuel mass flows (in the ratio m A + m B ), in percent.
  • the curve 11 shows the CO emissions at a proportion of 15% oxygen in the fuel-air mixture used.
  • the CO emissions are plotted in arbitrary units.
  • the curve 11 shows that the CO emissions are the least when only the sectors B are supplied with fuel. Insofar as fuel is also supplied to sectors A, the CO emissions occurring increase continuously up to a maximum. The CO emissions reach their maximum when about 60% of the burner 107 supplied fuel mass flow is supplied to the sectors A.
  • the curve 12 shows the NO x emissions of the burner 107 at an oxygen content of 15% within the fuel-air mixture as a function of the distribution of the fuel to the sectors A and B.
  • the units for the NO x emissions are again chosen arbitrarily.
  • the curve 12 shows a trough-shaped course.
  • the nitrogen oxide emissions are thereafter minimal when the proportion of the fuel supplied to the sectors A is approximately between 30% and 60% of the total fuel supplied to the burner 107. Below 30% and above 60%, the nitrogen oxide emissions occurring increase continuously, with the maximum of the nitrogen oxide emissions being reached when fuel is supplied exclusively to the sectors A.
  • FIG. 5 shows the carbon monoxide emissions and the nitrogen oxide emissions as a function of the distribution of the fuel to the sectors A and B for an alternative arrangement of the sectors A and B.
  • FIG. 5 at the bottom left, the considered division of the sectors A and B in FIG Outlined with respect to the radial direction 6 and the tangential direction 7. It can be seen here that the boundaries 20 between the sectors A and B extend parallel to the radial direction 6 or parallel to the tangential direction 7. This corresponds to an angle ⁇ of 0 °. This means that the sectors A and B can be regarded as equivalent with respect to their distance from the outer wall 2 and the inner wall 3, respectively.
  • Figure 6 shows the dependence of the carbon monoxide emissions on the normalized flame temperature for a conventional burner, a burner according to the invention operated like a conventional burner, i. a burner according to the invention, which is operated with a fuel split ratio of 50:50 on the sectors A and B; a burner according to the invention with the sector arrangement described in connection with Figure 4; and a burner according to the invention with the sector arrangement described in connection with FIG.
  • the normalized flame temperature is plotted on the X-axis.
  • the CO emissions occurring at a proportion of 15% oxygen in the fuel-air mixture used are plotted in ppm (parts per million).
  • the curve 15 shows the dependence of the carbon monoxide emissions on the flame temperature for a burner according to the invention, in which the individual sectors are arranged as described in connection with FIGS. 3 and 4, wherein the fuel is supplied exclusively to the sectors B.
  • the curve 16 shows this dependence for a burner according to the invention, in which the individual sectors are arranged as described in connection with FIG. 5, the fuel being supplied exclusively to the sectors A.
  • the measuring points marked with triangles 19 in FIG. 6 correspond to the values measured for a burner according to the invention in which the fuel was distributed uniformly to the sectors A and B and fed to the burner.
  • the measurement points marked with checks 18 correspond to the carbon monoxide emissions that occur during operation of a conventional burner.
  • the conventional burner is a
  • the curves 15, 16, 17 are all characterized by the fact that the occurring carbon monoxide emissions continuously decrease with increasing flame temperature. However, at a certain flame temperature, the CO emission values of curve 15 are below the CO emission values of curve 16 and below the CO emission values of curve 17. The CO emission values of curve 16 are also below the CO emission values of curve 17 Accordingly, the operating mode of a burner according to the invention represented in curve 15 makes it possible to operate the burner at a lower flame temperature with simultaneously reduced carbon monoxide emissions in comparison to the burners or operating forms represented by curves 16 and 17.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brenners, der eine Brennerausgangsöffnung (4) mit mindestens zwei Sektoren (8a, 8b, 9a, 9b) umfasst, wobei jedem Sektor (8a, 8b, 9a, 9b) mindestens eine Brennstoff düse zugeordnet ist, offenbart. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass den Brennstoff düsen verschiedener Sektoren. (8a, 8b, 9a, ' 9b) separat Brennstoff, zugeführt wird. Weiterhin wird ein Brenner beschrieben, der mindestens zwei Sektoren (8a, 8b, 9a, 9b) umfasst, wobei jedem Sektor. (8a, 8b, 9a,.9b) mindestens eine Brennstoff düse zugeordnet ist. Der Brenner ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei separate Brennstoff Zuleitungen vorhanden sind, eine Vorrichtung zur Einstellung des durch die jeweilige Brennstoff Zuleitung fließenden Brennstoffmassenstroms vorhanden ist und die Brennstoff Zuleitungen die Brennstoff düsen verschiedener Sektoren (8a, 8b, 9a, 9b) mit Brennstoff versorgen. Zudem wird eine Gasturbine offenbart, welche mit mindestens einem erf indungsgemäßen Brenner ausgestattet.ist.

Description

Brenner und Verfahren zum Betreiben eines Brenners
Die folgende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brenners, einen Brenner und eine Gasturbine mit verringerten CO- und NOx-Emissionen .
Eine wesentliche Anforderung an moderne Brenner, insbesondere an Brenner, die im Rahmen einer Gasturbine zum Einsatz kommen, besteht darin, einen möglichst großen Leistungsbereich mit möglichst geringen Emissionen abzudecken. Bei den unerwünschten Emissionen handelt es sich insbesondere um Kohlen- monoxidemissionen (CO-Emissionen) und Stickoxidemissionen (NOx-Emissionen) . Grundsätzlich ist die Leistung eines Brenners nahezu proportional zu der Flammentemperatur und zu dem Luftmassenstrom. Ein Betrieb bei geringer Leistung bedeutet eine niedrige Flammentemperatur, wobei die CO- Emissionen deutlich ansteigen. Außerdem wird dabei die Flamme länger, was bei gekühlten Brennerkammerwänden zu Quench- Effekten führt, wodurch die CO-Emissionen ebenfalls steigen.
Bei einer Gasturbine kann es zudem im gesamten Betriebsbe- reich zu einer thermoakustischen Instabilität kommen, was einen sicheren Betrieb der Verbrennungsanlage gefährden kann. Eine derartige thermoakustische Instabilität wird häufig auch als „Brummen" bezeichnet und kann insbesondere bei den heute üblichen Vormischbrennern auftreten.
In der Regel müssen die Brenner einer Gasturbine unterhalb einer kritischen Temperaturgrenze, bei der die Flamme instabil wird oder die CO-Emissionen zu hoch werden, abgeschaltet werden. Es müssen gegebenenfalls andere Brennerstufen betrie- ben werden, in der Regel Diffusionsbrenner, die dann aber hohe NOx-Emissionen erzeugen. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vorteilhaftes Verfahren zum Betreiben eines Brenners zur Verfügung zu stellen. Weitere Aufgaben der Erfindung bestehen darin, einen vorteilhaften Brenner und eine vorteilhafte Gasturbine zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren nach Anspruch 1, einen Brenner nach Anspruch 6 und eine Gasturbine nach Anspruch 14 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beinhalten wei- tere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich auf einen Brenner, der eine Brennerausgangsöffnung mit mindestens zwei Sektoren umfasst, wobei jedem Sektor mindestens eine Brennstoff- düse zugeordnet ist. Den Brennstoffdüsen verschiedener Sektoren wird separat Brennstoff zugeführt. Dieses Verfahren zum Betreiben eines Brenners ist insbesondere für das Betreiben eines Gasturbinenbrenners geeignet. Die separate Brennstoff- zufuhr zu den Brennstoffdüsen verschiedener Sektoren der Brennerausgangsöffnung kann beispielsweise mit Hilfe von Ventilen gesteuert werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann im Teillast-Betrieb des Brenners eine Verringerung der CO- und/oder NOx-Emissio- nen erreicht werden. Beispielsweise kann den Brennstoffdüsen verschiedener Sektoren der Brennerausgangsöffnung Brennstoff in einem einstellbaren Verhältnis zwischen 0:100 und 100:0, insbesondere zwischen 0:100 und 35:65, zugeführt werden.
Üblicherweise ist der Brenner in einer Brennkammer angeordnet. Dabei weist die Brennkammer eine Mittelachse auf. Der Brenner weist zudem auf die Mittelachse der Brennkammer bezogen eine Radialrichtung und eine Tangentialrichtung auf. Die Radialrichtung des Brenners zeichnet sich hierbei dadurch aus, dass sie die Mittelachse der Brennkammer schneidet. Die Tangentialrichtung des Brenners steht senkrecht auf der Radialrichtung des Brenners und verläuft tangential zu einem um die Mittelachse der Brennkammer gelegten gedanklichen Kreis. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn den Brennstoffdüsen, die einem Sektor zugeordnet sind, der entlang der Tangentialrichtung des Brenners angeordnet ist, weniger Brennstoff zugeführt wird als den Brennstoffdüsen, die einem Sektor zugeordnet sind, der entlang der Radialrichtung des Brenners angeordnet ist. Beispielsweise kann den Brennstoff- düsen, die einem Sektor zugeordnet sind, der entlang der Tangentialrichtung des Brenners angeordnet ist, 20% der dem Brenner insgesamt zugeführten Brennstoffmenge zugeführt wer- den. Den Brennstoffdüsen, die einem Sektor zugeordnet sind, der entlang der Radialrichtung des Brenners angeordnet ist, wird in diesem Fall 80% der dem Brenner insgesamt zugeführten Brennstoffmenge zugeführt.
Durch die separate Ansteuerung der Brennstoffzufuhr zu einzelnen Sektoren des Brenners, beispielsweise mit getrennt regelbaren Ventilen, werden im Teillast-Betrieb bewusst heißere und kältere Zonen in der Brennkammer erzeugt. In den heißeren Zonen entsteht weniger Kohlenmonoxid. Die heißeren Zonen können insbesondere auch dahin gelegt werden, wo sonst der größte Quench-Effekt zu erwarten wäre. Die kälteren Zonen können dorthin gelegt werden, wo die längste Zeit für den Ausbrand zur Verfügung steht, so dass hier trotz kälterer Temperatur kein zusätzliches oder nur unwesentlich mehr Koh- lenmonoxid entsteht. In der Summe werden so bei gleich bleibender Gesamtbrennstoffmenge und damit auch bei gleich bleibender Leistung die insgesamt erzeugten CO-Emissionen verringert .
Im Grenzfall können einzelne Sektoren auch ganz abgeschaltet werden, wodurch in diesen Sektoren kein Kohlenmonoxid entstehen kann, da kein Brennstoff vorhanden ist. Währenddessen sind die anderen Sektoren so heiß, dass sie kaum Kohlenmonoxid produzieren. Allerdings wird es auch in diesen Fall immer eine Übergangsschicht zwischen einer heißen und einer kalten Zone geben, in der CO-Emissionen auftreten. Durch das bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens veränderte Temperaturfeld und die gleichzeitig veränderte Zeit, die der Brennstoff vom Düsenaustritt bis zur Flammenfront benötigt, wird zudem das thermoakustische Verhalten der verwen- deten Brennkammer beeinflusst. Man kann daher die separate
Brennstoffversorgung der Sektoren auch dazu benutzen, gezielt das thermoakustische Verhalten positiv zu beeinflussen.
Im Volllast-Betrieb wird in der Regel eine homogene Tempera- turverteilung angestrebt, da dies die geringste Bauteilbelastung und die geringsten NOx-Emissionen bedeutet. Hier werden also bevorzugt alle Sektoren wieder gleichmäßig mit Brennstoff versorgt.
Der erfindungsgemäße Brenner umfasst eine Brennerausgangsöffnung mit mindestens zwei Sektoren, wobei jedem Sektor mindestens eine Brennstoffdüse zugeordnet ist. Der erfindungsgemäße Brenner zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens zwei separate, zu den Brennstoffdüsen unterschiedlicher Sektoren füh- rende BrennstoffZuleitungen und eine Vorrichtung zur Einstellung des durch die jeweilige BrennstoffZuleitung fließenden Brennstoffmassenstroms vorhanden sind. Jede BrennstoffZuleitung versorgt also die Brennstoffdüsen anderer Sektoren mit Brennstoff .
Die Brennerausgangsöffnung kann insbesondere eine kreisförmige Querschnittsfläche aufweisen. Die Brennstoffdüsen des erfindungsgemäßen Brenners können dann beispielsweise ringförmig in Bezug auf den Mittelpunkt der Brennerausgangsöff- nung angeordnet sein. Zudem können jeweils einander gegenüberliegenden Brennstoffdüsen derselben BrennstoffZuleitung zugeordnet sein. Weiterhin können die verschiedenen Sektoren Ausschnitte aus der Kreisfläche der Brennerausgangsöffnung mit Winkeln zwischen 70° und 110° bilden. Wenn beispielsweise vier gleich große Ausschnitte vorhanden sind, weisen diese jeweils einen Winkel von 90° auf. Die Brennstoffdüsen von einander gegenüberliegenden Ausschnitten können dann insbesondere auch derselben BrennstoffZuleitung zugeordnet sein. Grundsätzlich kann es sich bei der Vorrichtung zur Einstellung des durch die jeweilige BrennstoffZuleitung fließenden Brennstoffes um in der jeweiligen BrennstoffZuleitung ange- ordnete regelbare Ventile handeln.
Mit dem erfindungsgemäßen Brenner lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren ausführen, so dass die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen Vorteile erzielt wer- den können.
Die erfindungsgemäße Gasturbine umfasst mindestens einen erfindungsgemäßen Brenner.
Insgesamt ermöglicht die vorliegende Erfindung die Einhaltung vorgegebener Emissionsgrenzen über einen großen Betriebsbereich. Zudem ist ein thermoakustisch stabiler Betrieb des Brenners über einen großen Betriebsbereich möglich oder, bei gleich bleibendem Betriebsbereich, ein Betrieb mit verringer- ten NOx-Emissionen . Die Erfindung bewirkt daher insgesamt eine Erweiterung des Betriebsbereiches eines Brenners. Darüber hinaus eröffnet die Erfindung erweiterte Regelungsmöglichkeiten zum Betrieb eines Brenners, indem in der Brennstoffaufteilung ein zusätzlicher Freiheitsgrad geschaffen wird. So kann zum Beispiel bei gleich bleibender Gesamtbrennstoffmenge der Brennstoffanteil der zusätzlichen Betriebsstufe als Stellgröße in einem geschlossenen Regelkreis zur Regelung des thermoakustischen Verhaltens oder der Emissionen verwendet werden.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Gasturbine in einem Längsteilschnitt . Fig. 2 zeigt schematisch eine Brennkammer einer Gasturbine in perspektivischer Ansicht.
Fig. 3 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Teil einer Ringbrennkammer.
Fig. 4 zeigt die CO-Emissionen und die NOx-Emissionen eines erfindungsgemäßen Brenners bei verschiedenen
Betriebsstufen .
Fig. 5 zeigt die CO-Emissionen und die NOx-Emissionen eines alternativen erfindungsgemäßen Brenners bei verschiedenen Betriebsstufen.
Fig. 6 zeigt die CO-Emissionen in Abhängigkeit von der Flammentemperatur für verschiedene Brenner.
Die Figur 1 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt .
Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird.
Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine beispielsweise torusartige Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.
Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108.
Jede Turbinenstufe 112 ist aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.
Die Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind.
An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) .
Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 be- reitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 geführt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.
Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer 110 auskleidenden Hitzeschildelementen 106 am meisten thermisch belastet. Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden.
Die Figur 2 zeigt die Brennkammer 110 der Gasturbine. Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Um- fangsrichtung um eine Rotationsachse 102 herum angeordneten Brennern 107 in einen gemeinsamen Brennkammerraum münden, die Flammen erzeugen. Dazu ist die Brennkammer 110 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Rotationsachse 102 herum positioniert ist.
Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer 110 für eine vergleichsweise hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa 10000C bis 16000C ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebsparametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermög- liehen, ist die Brennkammerwand 153 auf ihrer dem Arbeitsmedium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 155 gebildeten Innenauskleidung versehen.
Die Figur 3 zeigt einen Schnitt durch einen Teil einer erfin- dungsgemäßen Ringbrennkammer 1 mit einer Stirnwand 21, einer äußeren Wand 2 und einer inneren Wand 3. Sowohl die äußere Wand 2 als auch die innere Wand 3 sind gekühlt. Dadurch besteht die Gefahr, dass beim Betrieb der Brennkammer so genannte Quench-Effekte auftreten. In der Stirnwand 21 der Ringbrennkammer 1 sind die Brenner 107 angeordnet. In der
Figur 3 ist der Brennerausgang 4 bzw. die Brennerausgangsöffnung eines dieser Brenner 107 in der Draufsicht gezeigt. Der Brennerausgang 4 hat eine kreisförmige Querschnittsfläche. Die Heißgasströmungsrichtung 5 verläuft in dem hier gezeigten Beispiel senkrecht aus der Bildebene heraus.
Bei dem in der Figur 3 gezeigten Brenner 107 handelt es sich um einen Vormischbrenner, bei dem vor der Verbrennung der Brennstoff mit Luft zu einem Brennstoff-Luft-Gemisch mit Hilfe eines Drallerzeugers verdrallt wurde. Die Richtung des dabei erzeugten Dralls ist in der Figur 3 durch Pfeile 10 gekennzeichnet. Der in der Figur 3 gezeigte erfindungsgemäße Brenner 107 umfasst vier Sektoren 8a, 8b und 9a, 9b. Diese Sektoren stellen Ausschnitte der Querschnittsfläche des Bren- nerausganges 4 dar, wobei jeder Ausschnitt ein Viertel der Querschnittsfläche ausmacht. Die Sektoren 8a und 8b bzw. 9a und 9b liegen jeweils einander gegenüber. In dem in der Figur 3 gezeigten Beispiel sind die einander gegenüberliegenden Sektoren 9a und 9b entlang der radialen Richtung 6 angeordnet. Die Sektoren 9a und 9b befinden sich also in der Nähe der äußeren Wand 2 beziehungsweise der inne- ren Wand 3. Die beiden Sektoren 8a und 8b sind entlang der tangentialen Richtung 7 angeordnet. Sowohl die beiden Sektoren 8a und 8b als auch die beiden Sektoren 9a und 9b stellen jeweils einen Viertelkreis dar.
In Bezug auf eine in der Figur 3 nicht gezeigten Längsachse durch die Ringbrennkammer 1 ist eine senkrecht auf dieser Längsachse stehende und die Längsachse schneidende radiale Richtung 6 vorhanden, die durch den Mittelpunkt des Brennkammerausganges 4 verläuft. Senkrecht zu dieser radialen Rich- tung 6 verläuft durch den Mittelpunkt des Brennkammerausgangs 4 eine tangentiale Richtung 7.
In der Figur 3 sind die Sektoren 8a, 8b und 9a, 9b des Brenners 107 so angeordnet, dass eine der Grenzen 20 zwischen den Sektoren 8a, 8b und 9a, 9b gegenüber der radialen Richtung 6 um einen Winkel ß=45° um den Mittelpunkt des Brennerausganges 4 gedreht angeordnet sind. Zudem sind die Sektoren 8 und 9 dabei um die Winkel αi=α,2=90o gegeneinander verdreht angeordnet. Dabei kennzeichnet der Winkel α,i den Anteil der Quer- schnittsfläche des Brennerausganges 4, der von einem der beiden dem Sektor 8 zugeordneten Teilbereiche überstrichen wird. Der Winkel α,2 kennzeichnet den Anteil der Querschnittsfläche des Brennerausganges 4, der von einem der beiden dem Sektor 9 zugeordneten Teilbereiche überstrichen wird. Alternativ zu dem in der Figur 3 gezeigten Beispiel können die Winkel α,i und α,2 auch beliebige andere Werte haben, beispielsweise 360°/n, wenn n gleich große Sektoren vorhanden sein sollen. Die Sektoren können jedoch auch unterschiedlich große Ausschnitte der Querschnittsfläche der Brennerausgangsöffnung bilden. In diesem Fall wäre αi≠α,2 • Es ist vorteilhaft, wenn die Winkel zwischen 70° und 110° liegen. Der Brenner 107, dessen Brennerausgang 4 in der Figur 3 gezeigt ist, umfasst eine Anzahl von Brennstoffdüsen . Diese sind in der Figur 3 nicht eingezeichnet. Die Brennstoffdüsen sind vorzugsweise ringförmig in Bezug auf den Mittelpunkt der Brennerausgangsöffnung 4 angeordnet, wobei jedem Sektor 8a, 8b, 9a, 9b wenigstens eine Brennstoffdüse zugeordnet ist. Weiterhin weist der Brenner 107 zwei separate BrennstoffZuleitungen auf, von denen eine die Brennstoffdüsen der Sektoren 8a und 8b mit Brennstoff versorgt, während die andere die Brennstoffdüsen der Sektoren 9a und 9b mit Brennstoff versorgt. Jede BrennstoffZuleitung ist mit einer Vorrichtung zur Einstellung des durch die jeweilige BrennstoffZuleitung fließenden Brennstoffes ausgestattet. Bei dieser Vorrichtung handelt es sich vorzugsweise um ein regelbares Ventil.
Für jede Leistung kann ein optimales Brennstoffverhältnis zwischen den Sektoren 8a und 8b einerseits und den Sektoren 9a und 9b andererseits eingestellt werden, welches eine größtmögliche Reduzierung des Quench-Effektes bewirkt. Im Volllastbetrieb wird eine gleichmäßige Versorgung der Sektoren 8a, 8b und 9a, 9b mit Brennstoff angestrebt. Dies entspricht bei gleich großen Sektoren einer Aufteilung des Brennstoffes im Verhältnis von 50:50 auf die Sektoren 8a und 8b einerseits und den Sektoren 9a und 9b andererseits.
Im Teillastbetrieb ist die Gesamtmenge an zugeführtem Brennstoff im Vergleich zum Volllastbetrieb reduziert, was wie eingangs erwähnt, zu höheren Emissionen und verringerter thermoakustischer Stabilität führen kann. Eine leichte Ver- Schiebung des Verhältnisses in der Aufteilung des Brennstoffes auf die Sektoren 8a, 8b und 9a, 9b kann die thermoakusti- sche Stabilität des Brenners 107 im Teillastbetrieb sowie die Emissionen bereits positiv beeinflussen.
Grundsätzlich können mehrere oder alle Brenner 107 der Ringbrennkammer 1 erfindungsgemäß ausgebildet sein, also mehrere Sektoren mit separaten BrennstoffZuleitungen umfassen. Die Figur 4 zeigt die Kohlenmonoxidemissionen und die Stickoxidemissionen in Abhängigkeit von dem Verhältnis der Brennstoffzufuhr zu den einzelnen Sektoren aus Figur 3. In der Mitte der Figur 4 ist zunächst die Anordnung der Sektoren des untersuchten Brenners 107 in Bezug auf die radiale Richtung 6 skizziert. Der untersuchte Brenner 107 hat einen Brennerausgang 4 mit einer kreisförmigen Querschnittsfläche, der in vier Sektoren 8a, 8b, 9a, 9b unterteilt ist, wie bereits im Zusammenhang mit der Figur 3 beschrieben worden ist. Die Sek- toren 8a und 8b sind mit A bezeichnet und entlang der tangentialen Richtung 7 angeordnet. Die Sektoren 9a und 9b sind mit B gekennzeichnet und entlang der radialen Richtung 6 angeordnet. Die Sektorengrenzen 20 sind in Bezug auf die radiale Richtung 6 wie in der Figur 3 angeordnet. Den mit A und B ge- kennzeichneten Sektoren sind getrennte Brennstoffzufuhrlei- tungen zugeordnet.
Auf der X-Achse der in der Figur 4 gezeigten Grafik ist der den Sektoren A zugeführte Brennstoffmassenstrom mA im Ver- hältnis zu dem dem Brenner 107 insgesamt zugeführten Brennstoffmassenstrom, also der Summe der den Sektoren A und B zugeführten Brennstoffmassenströme (mA + mB) , in Prozent aufgetragen. In Abhängigkeit davon zeigt die Kurve 11 die CO-Emis- sionen bei einem Anteil von 15% Sauerstoff in dem verwendeten Brennstoff-Luft-Gemisch . Die CO-Emissionen sind dabei in willkürlichen Einheiten aufgetragen. Die Kurve 11 zeigt, dass die CO-Emissionen am geringsten sind, wenn lediglich die Sektoren B mit Brennstoff versorgt werden. Soweit den Sektoren A ebenfalls Brennstoff zugeführt wird, steigen die auftretenden CO-Emissionen kontinuierlich bis zu einem Maximum an. Die CO- Emissionen erreichen ihr Maximum, wenn etwa 60% des dem Brenner 107 zugeführten Brennstoffmassenstromes den Sektoren A zugeführt wird. Wird den Sektoren A mehr als 60% des gesamten dem Brenner 107 zugeführten Brennstoffmassenstromes zuge- führt, so sinken die entstehenden CO-Emissionen zwar wieder leicht ab, jedoch sinken sie nicht unter den bei einer gleichmäßigen Brennstoffmassenstromverteilung auf die Sektoren A und B erzielten Wert. Die Kurve 12 zeigt die NOx-Emissionen des Brenners 107 bei einem Sauerstoffgehalt von 15% innerhalb des Brennstoff-Luft- Gemisches in Abhängigkeit von der Aufteilung des Brennstoffes auf die Sektoren A und B. Die Einheiten für die NOx-Emissio- nen sind wiederum willkürlich gewählt. Die Kurve 12 zeigt einen wannenförmigen Verlauf. Die Stickoxidemissionen sind danach minimal, wenn der Anteil des den Sektoren A zugeführten Brennstoffes etwa zwischen 30% und 60% des gesamten dem Brenner 107 zugeführten Brennstoffes liegt. Unterhalb von 30% und oberhalb von 60% steigen die auftretenden Stickoxidemissionen kontinuierlich an, wobei das Maximum der Stickoxidemissionen dann erreicht wird, wenn ausschließlich den Sektoren A Brennstoff zugeführt wird.
Wenn sowohl die Kohlenmonoxid- also auch die Stickoxidemissionen minimiert werden sollen, so ergibt sich aus den Kurven 11 und 12 in der Figur 4, dass der Anteil des den Sektoren A zugeführten Brennstoffes etwas zwischen 15% und 30% des ge- samten dem Brenner 107 zugeführten Brennstoffes betragen sollte .
Die Figur 5 zeigt die Kohlenmonoxidemissionen und die Stickoxidemissionen in Abhängigkeit von der Verteilung des Brenn- Stoffes auf die Sektoren A und B für eine alternative Anordnung der Sektoren A und B. In der Figur 5 ist links unten die betrachtete Aufteilung der Sektoren A und B in Bezug auf die radiale Richtung 6 und die tangentiale Richtung 7 skizziert. Man sieht hier, dass die Grenzen 20 zwischen den Sektoren A und B parallel zur radialen Richtung 6 beziehungsweise parallel zur der tangentialen Richtung 7 verlaufen. Dies entspricht einem Winkel ß von 0°. Das bedeutet, dass die Sektoren A beziehungsweise B in Bezug auf ihren Abstand zur äußeren Wand 2 beziehungsweise zur inneren Wand 3 als gleichwer- tig angesehen werden können.
Auf der X-Achse der in der Figur 5 gezeigten Grafik ist wiederum der Anteil des den Sektoren A zugeführten Brennstoff- massenstromes mA im Verhältnis zu dem dem Brenner 107 insgesamt zugeführten Brennstoffmassenstrom (mA + mB) in Prozent aufgetragen. In Abhängigkeit davon sind in der Kurve 13 die entstehenden CO-Emissionen und in der Kurve 14 die entstehen- den NOx-Emissionen jeweils bei einem Sauerstoffanteil von 15% in dem verwendeten Brennstoff-Luft-Gemisch in willkürlichen Einheiten dargestellt. Man sieht anhand der Kurve 13, dass die Kohlenmonoxidemissionen am geringsten sind, wenn der gesamte Brennstoff dem Sektor A zugeführt wird. Allerdings er- reichen in diesem Fall die Stickoxidemissionen ihr Maximum, wie aus der Kurve 14 ersichtlich ist. Insgesamt zeigen die Kurven 13, 14, dass auch die in der Figur 5 skizzierte Anordnung der Sektoren A und B eine Abhängigkeit der auftretenden Kohlenmonoxid- und Stickoxidemissionen von der Aufteilung des Brennstoffes auf die verschiedenen Sektoren A und B besteht und dass durch geeignete Verteilung des Brennstoffmassenstromes auf die Sektoren A und B auf die Emissionen Einfluss genommen werden kann.
Die Figur 6 zeigt die Abhängigkeit der Kohlenmonoxidemissionen von der normierten Flammentemperatur für einen konventionellen Brenner, einen wie einen konventionellen Brenner betriebenen erfindungsgemäßen Brenner, d.h. einen erfindungsgemäßen Brenner, der mit einem Brennstoffaufteilungsverhältnis von 50:50 auf die Sektoren A und B betrieben wird; einen erfindungsgemäßen Brenner mit der im Zusammenhang mit der Figur 4 beschriebenen Sektorenanordnung; sowie einen erfindungsgemäßen Brenner mit der im Zusammenhang mit der Figur 5 beschriebenen Sektorenanordnung. Auf der X-Achse ist die nor- mierte Flammentemperatur aufgetragen. Auf der Y-Achse sind die dabei auftretenden CO-Emissionen bei einem Anteil von 15 % Sauerstoff in dem verwendeten Brennstoff-Luft-Gemisch in ppm (parts per million) aufgetragen.
Die Kurve 15 zeigt die Abhängigkeit der Kohlenmonoxidemissionen von der Flammentemperatur für einen erfindungsgemäßen Brenner, bei dem die einzelnen Sektoren so wie im Zusammenhang mit den Figuren 3 und 4 beschrieben angeordnet sind, wobei der Brennstoff ausschließlich den Sektoren B zugeführt wird. Die Kurve 16 zeigt diese Abhängigkeit für einen erfindungsgemäßen Brenner, bei dem die einzelnen Sektoren wie im Zusammenhang mit der Figur 5 beschrieben angeordnet sind, wobei der Brennstoff ausschließlich den Sektoren A zugeführt wird.
Die in der Figur 6 mit Dreiecken 19 gekennzeichneten Messpunkte entsprechen den Werten, die für einen erfindungsgemä- ßen Brenner gemessen wurden, bei dem der Brennstoff gleichmäßig auf die Sektoren A und B verteilt dem Brenner zugeführt wurde. Die mit Karos 18 gekennzeichneten Messpunkte entsprechen den Kohlenmonoxidemissionen, die beim Betrieb eines konventionellen Brenners auftreten. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich bei dem konventionellen Brenner um einen
Brenner ohne die beschriebenen Sektoren. Sowohl die beim Betrieb des konventionellen Brenners als auch die bei gleichmäßiger Brennstoffzufuhr zu den einzelnen Sektoren eines erfindungsgemäßen Brenners gemessenen Kohlenmonoxidemissionen wer- den gut durch die Kurve 17 wieder gegeben.
Die Kurven 15, 16, 17 zeichnen sich alle drei dadurch aus, dass die auftretenden Kohlenmonoxidemissionen bei steigender Flammentemperatur kontinuierlich abnehmen. Allerdings liegen die CO-Emissionswerte der Kurve 15 bei einer bestimmten Flammentemperatur unterhalb der CO-Emissionswerte der Kurve 16 und unterhalb der CO-Emissionswerte der Kurve 17. Die CO- Emissionswerte der Kurve 16 liegen auch unterhalb der CO- Emissionswerte der Kurve 17. Die in der Kurve 15 repräsen- tierte Betriebsform eines erfindungsgemäßen Brenners ermöglicht demnach den Betrieb des Brenners bei einer geringeren Flammentemperatur bei gleichzeitig verringerter Kohlenmonoxidemissionen im Vergleich zu den durch die Kurven 16 und 17 repräsentierten Brennern beziehungsweise Betriebsformen.
Insgesamt stellt daher die im Zusammenhang mit den Figuren 3 und 4 beschriebene Anordnung der Sektoren A und B in einem erfindungsgemäßen Brenner 107 eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung dar, wobei vorteilhafterweise im Teillastbetrieb wenigstens 70% des gesamten dem Brenner 107 zugeführten Brennstoffes den Sektoren B zugeführt wird. Bei dieser bevorzugten Ausgestaltung werden Quench-Effekte verringert und ein stabiler Betrieb des Brenners 107 bei einer relativ geringen Flammentemperatur ermöglicht. Gleichzeitig wird trotz dieser niedrigen Flammentemperatur kein zusätzliches oder nur unwesentlich mehr Kohlenmonoxid im Vergleich zum Volllastbetrieb produziert. Falls gleichzeitig die Stickoxidemissionen und die Kohlenmonoxidemissionen minimiert werden sollen, ist es vorteilhaft, wenn den Sektoren B zwischen 70% und 80% des dem Brenner 107 zugeführten Brennstoffes zuzuführen. In der Summe werden so bei gleich bleibender Gesamtbrennstoffmenge und damit bei gleich bleibender Leistung die Kohlenmonoxidemissio- nen verringert.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Brenners (107), der eine Brennerausgangsöffnung (4) mit mindestens zwei Sektoren (8a, 8b, 9a, 9b) umfasst, wobei jedem Sektor (8a, 8b, 9a, 9b) mindestens eine Brennstoffdüse zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass den Brennstoffdüsen verschiedener Sektoren (8a, 8b, 9a, 9b) separat Brennstoff zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass den Brennstoffdüsen verschiedenerer Sektoren (8a, 8b, 9a,
9b) Brennstoff in einem Verhältnis zwischen 0:100 und 100:0 zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass den Brennstoffdüsen verschiedenerer Sektoren (8, 9) Brennstoff in einem Verhältnis zwischen 0:100 und 35:65 zugeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner in einer Brennkammer (1) angeordnet ist, die eine Mittelachse aufweist, und der Brenner auf die Mittelachse der Brennkammer (1) bezogen eine Radialrichtung (6) und eine Tangentialrichtung (7) aufweist, und den Brennstoffdüsen, die einem Sektor (8a, 8b) zugeordnet sind, der entlang der Tangentialrichtung (7) des Brenners angeordnet ist, weniger Brennstoff zugeführt wird als den Brennstoffdüsen, die einem Sektor (9a, 9b) zugeordnet sind, der entlang der Radialrichtung (6) des Brenners angeordnet ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass den Brennstoffdüsen, die einem Sektor (8a, 8b) zugeordnet sind, der entlang der Tangentialrichtung des Brenners ange- ordnet ist, 20% der dem Brenner insgesamt zugeführten
Brennstoffmenge zugeführt wird und den Brennstoffdüsen, die einem Sektor (9a, 9b) zugeordnet sind, der entlang der Radialrichtung (6) des Brenners angeordnet ist, 80% der dem Brenner insgesamt zugeführten Brennstoffmenge zugeführt wird.
6. Brenner (107), der eine Brennerausgangsöffnung (4) mit mindestens zwei Sektoren (8a, 8b, 9a, 9b) umfasst, wobei jedem Sektor (8a, 8b, 9a, 9b) mindestens eine Brennstoffdüse zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei separate, zu den Brennstoffdüsen unterschiedlicher Sektoren (8a, 8b, 9a, 9b) führende Brennstoff- Zuleitungen vorhanden sind und eine Vorrichtung zur Einstellung des durch die jeweilige BrennstoffZuleitung fließenden Brennstoffmassenstroms vorhanden ist.
7. Brenner (107) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerausgangsöffnung (4) eine kreisförmige Querschnittsfläche aufweist.
8. Brenner (107) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüsen ringförmig in Bezug auf den Mittelpunkt der Brennerausgangsöffnung (4) angeordnet sind.
9. Brenner (107) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils einander gegenüberliegende Brennstoffdüsen derselben BrennstoffZuleitung zugeordnet sind.
10. Brenner (107) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen Sektoren (8a, 8b, 9a, 9b) Kreisausschnitte mit Winkeln zwischen 70° und 110° darstellen.
11. Brenner (107) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen Sektoren (8a, 8b, 9a, 9b) Kreisausschnitte mit einem Winkel von 90° darstellen.
12. Brenner (107) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüsen von einander gegenüberliegenden Kreisausschnitten derselben BrennstoffZuleitung zugeordnet sind.
13. Brenner (107) nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Vorrichtung zur Einstellung des durch die jeweilige BrennstoffZuleitung fließenden Brennstoffes um in der jeweiligen BrennstoffZuleitung angeordnete regelbare Ventile handelt.
14. Gasturbine, welche mindestens einen Brenner nach einem der Ansprüche 6 bis 13 umfasst.
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