EP2260238A1 - Brenneranordnung sowie anwendung einer solchen brenner-anordnung - Google Patents

Brenneranordnung sowie anwendung einer solchen brenner-anordnung

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EP2260238A1
EP2260238A1 EP09717497A EP09717497A EP2260238A1 EP 2260238 A1 EP2260238 A1 EP 2260238A1 EP 09717497 A EP09717497 A EP 09717497A EP 09717497 A EP09717497 A EP 09717497A EP 2260238 A1 EP2260238 A1 EP 2260238A1
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EP
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burner
section
fuel
swirl generator
cross
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Richard Carroni
Alexander Ni
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General Electric Technology GmbH
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Alstom Technology AG
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • F23C7/002—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion
    • 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
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    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/07002—Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/9901—Combustion process using hydrogen, hydrogen peroxide water or brown gas as fuel

Definitions

  • the present invention relates to the field of combustion technology. It relates to a burner assembly according to the preamble of claim 1.
  • burner arrangements For a long time burner arrangements have been known from the prior art, which according to FIG. 1 comprise a premix burner 11 in the form of a double-cone burner which produces an air / fuel mixture 12 and a subsequent mixing tube 13 opening into a combustion chamber 14 (EP-A).
  • These known burner arrangements 10, designated as AEV burners are designed for the combustion of natural gas and / or oil, but are not suitable for the combustion of highly reactive fuels, in particular fuels with a high hydrogen content, because it leads to a reignition (Flashback) can come from the combustion chamber in the interior of the premix burner.
  • Premix burner can be converted from a cylindrical shape into a conically tapered configuration to achieve the following:
  • the object is solved by the entirety of the features of claim 1.
  • Essential for the invention is a mixing tube which has a constriction, wherein at the height of the constriction means are provided for the injection of highly reactive, in particular H2-rich fuel. Based on the above conical shape of the mixing tube, in which the constriction is located at the exit of the tube, the constriction (as constriction) can be moved upstream. The highly reactive fuel is then injected directly at the bottleneck.
  • An embodiment of the invention is characterized in that the mixing tube tapers conically in a first mixing pipe section from the swirl generator to constriction, and that the mixing tube in a second mixing pipe section from the constriction to the combustion chamber in diameter significantly smaller than at the output of the swirl generator Case is ..
  • the second mixing pipe section starting at the constriction can have a constant diameter up to the combustion chamber.
  • the second mixing pipe section can also be slightly conical up to the combustion chamber.
  • the means for injecting highly reactive, in particular H2-rich, fuel in the region of the constriction comprise nozzles which take over a fuel feed.
  • premix burner As far as the design of the premix burner is concerned, it is readily possible to provide it without a transition section between the swirl generator and the mixing tube.
  • a premix burner is known from EP-A1-0 321 809. Accordingly, the disclosure of this document, and the following further developments of this burner technology, with regard to the construction of the swirl generator expressly forms an integral part of this application.
  • a further embodiment of the premix burner envisages providing transition channels for transferring a swirl flow formed in the swirl generator into the flow cross-section of the mixing tube downstream of these transition channels in a transition region between swirl generator and mixing tube. Such an embodiment is apparent from EP-O 704 657 A1, wherein the disclosure of this document also forms an integral part of this application.
  • a further embodiment of the premix burner provides to provide a cylindrical or quasi-cylindrical tube, which consists of partial shells, and in which the combustion air flow flows through tangentially arranged air inlet slots or channels in the interior.
  • the desired swirling of the combustion air stream to maximize the desired premix with at least one fuel injected at a suitable point is achieved by a conical or quasi-conically extending in the flow direction of the inner body. mitbewerkstelligt. Such an embodiment is apparent, for example, from EP-0 777 081 A1, the disclosure of this document forming an integral part of this application.
  • the burner assembly according to the invention is advantageously used to operate a gas turbine plant with at least one combustion chamber.
  • 1 is a highly schematic representation of a known burner arrangement of a premix burner with a swirl generator and a subsequent mixing tube;
  • FIG. 2 in a comparable to Fig. 1 representation of a burner assembly according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 3 in a comparable to Fig. 1 representation of a burner assembly according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 2 shows, in a representation comparable to FIG. 1, a burner arrangement according to a first exemplary embodiment of the invention.
  • the burner assembly 16 comprises a premix burner 11, the shape of which results from the abovementioned document EP-A1-0 321 809.
  • the air flowing in tangentially into the interior of the premix burner 11 is enriched with a fuel, and the swirling motion forming there forms a mixture 12.
  • Downstream of the premix burner 11 is a mixing tube 17, which is subdivided into two (in this example approximately the same length) mixing tube sections 17a and 17b. Between the two mixing pipe sections 17a, 17b is a Constriction 18 formed.
  • the mixing tube 17 tapers conically or quasi-conically.
  • the mixing tube 17 is significantly smaller in diameter than at the beginning (entrance) of the first mixing pipe section 17a, wherein it has a constant or quasikonstanten diameter downstream of said constriction 18.
  • the cylindrical mixing tube portion 17b downstream of the constriction 18 with its significantly reduced diameter is characterized by high air velocities, which prevent flashback.
  • This section also represents at the same time the mixing section, which allows a good air / fuel mixture at the outlet of the burner assembly 17.
  • An additional important feature of this burner assembly 17 is the utilization of the Venturi effect.
  • a further advantage of the invention is that the premix burner is still suitable for the lean standard premixing operation with natural gas and oil, provided that care is taken that the fuel does not accumulate on the walls of the convergent first mixing pipe portion 17a.
  • the burner assembly 16 according to FIG. 2 enables operation with 3 fuels ("tri-fuel operation").
  • the lower mixing pipe section 21 b is not cylindrical, but slightly conically or quasi-conically widening towards the combustion chamber 14. Such a geometry reduces the tendency of the fuel to accumulate in the immediate vicinity of the walls of the mixing section (21b), thus increasing the resistance to flashback.
  • Benefits also arise when an improvement of the radial distribution of the fuel due to the divergent streamlines is sought.
  • Burner arrangements according to the invention are particularly suitable for generating hot gas in gas turbine plants, in which fuels with a high hydrogen content are burned.

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Abstract

Eine Brenneranordnung (10, 16, 20) umfasst einen drallerzeugenden Vormischbrenner (11) zum Bereitstellen einer mit einem ersten Brennstoff erzeugten Luft/Brennstoff-Mischung sowie ein an den Vormischbrenner (11) stromabwärts anschliessendes Mischrohr (13, 17, 21 ), welches in eine Brennkammer (14) mündet. Bei einer solchen Brenneranordnung wird ein sicherer Betrieb mit hoch reaktiven, insbesondere H2 reichen Brennstoff dadurch erreicht, dass das Mischrohr stromabwärts vom Ausgang des Drallerzeugers (11a) eine Einschnürung (18) aufweist, und dass auf der Höhe der Einschnürung (18) Mittel (19, 22) zur Eindü- sung des hochreaktiven, insbesondere H2 reichen Brennstoffes angeordnet sind.

Description

BRENNERANORDNUNG SOWIE ANWENDUNG EINER SOLCHEN BRENNERANORDNUNG
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verbrennungstechnik. Sie betrifft eine Brenneranordnung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind seit Längerem Brenneranordnungen bekannt, die gemäss Fig. 1 entlang einer Brennerachse 15 einen eine Luft/Brennstoff-Mischung 12 erzeugenden Vormischbrenner 11 in Form eines Doppelkegelbrenners und ein nachfolgendes, in eine Brennkammer 14 mündendes Mischrohr 13 umfassen (EP- A2-0 704 657, EP-A1 -0 913 630, US-A-6,045,351 , WO-A1 -2006/069861 ). Diese bekannten, als AEV-Brenner bezeichneten Brenneranordnungen 10 sind für die Verbrennung von Erdgas und/oder Öl ausgelegt, sind jedoch nicht für die Verbrennung von hoch-reaktiven Brennstoffen, insbesondere von Brennstoffen mit hohem H2-Anteil, geeignet, weil es zu einer Rückzündung (Flammenrückschlag) von der Brennkammer in das Innere des Vormischbrenners kommen kann. Es wurden daher bereits Modifikationen vorgeschlagen, bei denen der ganze H2- reiche Brennstoff durch Löcher in den Schalen des Vormischbrenners 11 einge- düst wird. Hierdurch ist es möglich hohe Wasserstoffkonzentrationen zu verbrennen. Andererseits ist dafür jedoch ein hohes Mass an Verdünnung notwendig. Darüber hinaus trat eine Rückzündung auf, sobald die Lufttemperatur auf über 460 0C anstieg, was die sichere Verbrennung von H2-reichen Brennstoffen bei Gasturbinen ausschliesst, wobei dies jede Gasturbine betrifft, seien die Gasturbinen mit einer Brennkammer oder mit sequentieller Verbrennung ausgestattet. Es ist aber auch eine axial abgestufte Eindüsung des Brennstoffs denkbar, wobei ein Teil des Brennstoffes über die den Vormischbrenner bildenden Teilkörper eingespritzt und der Rest in das Mischrohr eingedüst wird.
Es ist auch vorgeschlagen worden, H2-reiche Brennstoffe in einem Übergangsabschnitt, der zur Überführung einer stromauf gebildeten Strömung dient, zwischen Drallerzeuger und Mischrohr einzudüsen. Neuere Untersuchungen haben ergeben, dass die Sicherheit erhöht werden kann, wenn der grösste Anteil des Brenn- Stoffs stromabwärts dieses Übergangsabschnitts, d.h. über innerhalb des Mischrohres, eingedüst wird. Die experimentellen Daten und nachfolgenden Überlegungen zur Ausgestaltung der Brenneranordnung weisen darauf hin, dass sehr hohe Brennstoff-Einspritzgeschwindigkeiten notwendig sind, um sicherzustellen, dass der Brennstoff nicht an den Wänden des Mischrohres haften bleibt bzw. sich dort eindiffundieren kann. Die Einbringung insbesondere eines hochreaktiven Brennstoffes in unmittelbarer Nähe der inneren Wände des Mischrohres muss auf alle Fälle vermieden werden, insbesondere wenn es sich um Brennstoffe mit einem hohen Anteil an H2 handelt, weil sonst der Flammenrückschlag geradezu begünstigt wird. Interne Untersuchungen legen den Schluss nahe, dass das Mischrohr eines
Vormischbrenners von einer zylindrischen Gestalt in eine sich konisch verjüngende Konfiguration überführt werden kann, um Folgendes zu erreichen:
• Eine Erhöhung der Brennergeschwindigkeit stromaufwärts der zentralen Rückströmzone am Brennerausgang, um die Wahrscheinlichkeit eines
Flammenrückschlags zu verringern.
• Eine Verringerung der Stärke der zentralen Rückströmzone am Brennerausgang, um die Wahrscheinlichkeit eines Rückschlags der Flamme zu ver- ringern. • Eine Verschiebung der zentralen Rückströmzone weiter stromabwärts, um die Wahrscheinlichkeit eines Rückschlags der Flamme zu verringern.
• Eine Verhinderung der Ausbreitung von Stosswellen, die von Druck- und Massen-Störungen bei der Einbringung der Verbrennungsluft und/oder der
Brennstoffe in den Vormischbrenner herrühren, und so die Wahrscheinlichkeit eines Rückschlages der Flamme verringern.
Diese Massnahmen sind vor allem für den Betrieb mit einem üblichen gasförmigen Brennstoff geeignet. Hinsichtlich H2-reicher Brennstoffe bestehen dagegen die Bedenken, dass im Falle einer stromaufwärts der Düsenengstelle einsetzenden Zündung die Flammenfront fest innerhalb des Vormischbrenners verankert würde, wobei die Verbrennungsluftströmung dann nicht mehr in der Lage wäre, diese Flammenfront rasch stromabwärts ausserhalb des Vormischbrenners zu verlagern
Es ist in einem anderen Zusammenhang aus der WO-A1 -2004/071637 bekannt geworden, zum Mischen zweier Medien, insbesondere Luft und einen Brennstoff, eine Mischvorrichtung zu verwenden, die in Strömungsrichtung nacheinander einen konvergierenden Abschnitt, eine Engstelle und einen divergierenden Abschnitt aufweist, wobei stromauf des konvergierenden Abschnitts ein Wirbelerzeuger angeordnet ist und das zweite Medium (Brennstoff) in dem konvergierenden Abschnitt selbst oder davor eingedüst wird.
Darstellung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Brenneranordnung anzugeben, welche einen sicheren mageren Vormischbetrieb mit hoch-reaktiven, insbesondere H2 enthaltenden Brennstoffen ermöglicht. Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Wesentlich für die Erfindung ist ein Mischrohr, das eine Einschnürung aufweist, wobei auf der Höhe der Einschnürung Mittel zur Eindüsung von hoch-reaktivem, insbesondere H2-reichen Brennstoff vorgesehen sind. Ausgehend von der o.g. konischen Form des Mischrohres, bei der die Engstelle am Ausgang des Rohres angeordnet ist, kann die Engstelle (als Einschnürung) stromaufwärts verschoben werden. Der hoch-reaktive Brennstoff wird dann direkt an der Engstelle eingedüst.
Eine Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sich das Mischrohr in einem ersten Mischrohrabschnitt vom Drallerzeuger zur Einschnürung hin konisch verjüngt, und dass das Mischrohr dann in einem zweiten Mischrohrabschnitt von der Einschnürung zur Brennkammer hin im Durchmesser deutlich kleiner als dies am Ausgang des Drallerzeugers der Fall ist..
Der zweite Mischrohrabschnitt, beginnend bei der Einschnürung kann dabei einen konstanten Durchmesser bis zur Brennkammer aufweisen. Der zweite Mischrohrabschnitt kann sich aber auch bis zur Brennkammer leicht konisch erweitern.
Es hat sich dabei für die sichere Verbrennung als günstig erwiesen, wenn die Ein- schnürung in einem mittleren Bereich des Mischrohres angeordnet ist.
Gemäss einer anderen Ausgestaltung umfassen die Mittel zur Eindüsung von hoch-reaktivem, insbesondere H2-reichen Brennstoff im Bereich der Einschnürung angeordnete Düsen, welche eine Brennstoffzuführung übernehmen.
Was die Gestaltung des Vormischbrenners betrifft, ist es ohne weiteres möglich, diesen ohne Übergangsabschnitt zwischen Drallerzeuger und Mischrohr vorzusehen. Ein solcher Vormischbrenner geht aus EP-A1 -0 321 809 hervor. Entsprechend bildet der Offenbarungsgehalt aus dieser Druckschrift, und die folgenden weiteren Entwicklungen dieser Brenner-Technologie, bezüglich der Bauweise des Drallerzeugers ausdrücklich einen integrierenden Bestandteil dieser Anmeldung. Eine weitere Ausgestaltung des Vormischbrenners sieht vor, in einem Übergangsbereich zwischen Drallerzeuger und Mischrohr Übergangskanäle zur Überführung einer im Drallerzeuger gebildeten Drallströmung in den stromab dieser Über- gangskanäle nachgeschalteten Durchflussquerschnitt des Mischrohres vorzusehen. Eine solche Ausgestaltung geht aus EP-O 704 657 A1 hervor, wobei die Offenbarung aus dieser Druckschrift ebenfalls einen integrierenden Bestandteil dieser Anmeldung bildet.
Eine weitere Ausgestaltung des Vormischbrenners sieht vor, ein zylindrisches oder quasi-zylindrisches Rohr vorzusehen, welches aus Teilschalen besteht, und in welches der Verbrennungsluftstromes über tangential angeordnete Lufteintrittsschlitze oder Kanäle in den Innenraum strömt. Die erwünschte Drallbildung des Verbrennungsluftstromes zur Maximierung der angestrebten Vormischung mit mindestens einem an passender Stelle eingedüsten Brennstoff wird durch einen in Strömungsrichtung konisch oder quasi-konisch verlaufenden Innenkörper erreicht resp. mitbewerkstelligt. Eine solche Ausgestaltung geht beispielsweise aus EP- 0 777 081 A1 hervor, wobei die Offenbarung aus dieser Druckschrift einen integrierenden Bestandteil dieser Anmeldung bildet.
Die erfindungsgemässe Brenneranordnung wird mit Vorteil zum Betrieb einer Gasturbinenanlage mit mindestens einer Brennkammer eingesetzt.
Im folgenden wird anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht wesentlichen Merkmale sind fortgelassen. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der verschiedenen Medien ist mit Pfeilen angegeben, Die Ausführungsbeispiele dienen der Illustration der Erfindung und sollen nicht in einschränkender Weise bei der Interpretation des Schutzgegenstandes, wie er aufgrund der Ansprüche definiert ist, hinzugezogen werden.
Kurze Erläuterung der Figuren
Es zeigt:
Fig. 1 in stark schematisierter Darstellung eine an sich bekannte Bren- neranordnung eines Vormischbrenners mit einem Drallerzeuger und einem nachfolgenden Mischrohr;
Fig. 2 in einer zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellung eine Brenneranordnung gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
Fig. 3 in einer zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellung eine Brenneranordnung gemäss einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
In Fig. 2 ist in einer zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellung eine Brenneranordnung gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben. Die Brenneranordnung 16 umfasst einen Vormischbrenner 11 , dessen Form aus der obengenannten Druckschrift EP-A1 -0 321 809 hervorgeht. Die tangential in das innere des Vormischbrenners 11 einströmende Luft wird mit einem Brennstoff angereichert, und die sich dort bildende Drallbewegung entsteht ein Gemisch 12. . An den Vormischbrenner 11 schliesst sich stromabwärts ein Mischrohr 17 an, das in zwei (in diesem Beispiel annähernd gleich lange) Mischrohrabschnitte 17a und 17b unterteilt ist. Zwischen den beiden Mischrohrabschnitten 17a, 17b ist eine Einschnürung 18 ausgebildet. Im ersten Mischrohrabschnitt 17a vom Vormisch- brenner 11 zur Einschnürung 18 hin verjüngt sich das Mischrohr 17 konisch oder quasi-konisch. Im zweiten Mischrohrabschnitt 17b von der Einschnürung 18 zur Brennkammer 14 hin ist das Mischrohr 17 im Durchmesser deutlich kleiner als dies am Anfang (Eingang) des ersten Mischrohrabschnitts 17a der Fall ist, wobei es stromab der genannten Einschnürung 18 einen konstanten oder quasikonstanten Durchmesser aufweist. Mit dieser Konfiguration lassen sich alle eingangs aufgezählten Vorteile eines durchgehenden konischen Mischrohres erreichen, nämlich:
• Eine Erhöhung der Brennergeschwindigkeit stromaufwärts der zentralen Rückströmzone, welche sich im Bereich des Ausgangs des Vormischbren- ners, also am Anfang der Brennkammer 14, bildet, womit der Strömungsdynamik eines Flammenrückschlages in das Innere des Vormischbrenners entgegen gewirkt wird.
• Eine Verringerung der Stärke der zentralen Rückströmzone am Brennerausgang, womit der Strömungsdynamik eines Flammenrückschlages in das Innere des Vormischbrenners entgegen gewirkt wird.
• Eine Verschiebung der zentralen Rückströmzone weiter stromabwärts des Vormischbrenners, womit der Strömungsdynamik eines Flammenrückschlages in das Innere des Vormischbrenners entgegengewirkt wird.
• Massnahmen zur Verhinderung der Entstehung und Ausbreitung von Pulsationen, die von Störungen bei der Zuführung der Verbrennungsluft und/oder Eindüsung des Brennstoffes entstehen, womit ebenfalls gegen einem Flammenrückschlages in das innere des Vormischbrenners entgegen gewirkt wird. Gleichzeitig erlaubt diese Konfiguration (der stromaufwärts verschobenen Einschnürung) eine sichere (d.h. mit stark reduzierter Rückschlagwahrscheinlichkeit verbundene) magere Vormisch-Verbrennung von hoch-reaktiven Brennstoffen. Die Eindüsung des hoch-reaktiven Brennstoffs erfolgt über Brennstoffzuführungen 19 und Düsen 22 direkt oder in der Nähe der Einschnürung 18 (siehe die Pfeile), wo die Luftgeschwindigkeiten der Verbrennungsluft am grössten sind.
Der zylindrische Mischrohrabschnitt 17b stromabwärts der Einschnürung 18 mit seinem deutlich verkleinerten Durchmesser ist durch hohe Luftgeschwindigkeiten charakterisiert, die einen Flammenrückschlag verhindern. Dieser Abschnitt stellt auch gleichzeitig die Mischstrecke dar, die eine gute Luft/Brennstoff-Mischung am Ausgang der Brenneranordnung 17 ermöglicht. Eine zusätzlich wichtige Eigenschaft dieser Brennanordnung 17 ist die Ausnutzung des Venturi-Effekts. Der niedrigere statische Druck an der Einschnürung 18, d.h. an der Stelle, wo der Brennstoff eingedüst wird, bedeutet, dass es möglich ist, eine ausreichende
Brennstoffeindüsung und -durchdringung mit relativ geringen Brennstoffdrücken zu erreichen, wodurch der Einsatz mit einer kostspieligen Brennstoffkompression wesentlich verringert wird.
Aufgrund der höheren Sicherheit wird eine geringere Verdünnung des Brennstoffs mit N2 und/oder H2O benötigt.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin, dass der Vormischbrenner unverändert für den mageren Standard-Vormischbetheb mit Erdgas und Öl geeignet ist, vor- ausgesetzt, dass darauf geachtet wird, dass der Brennstoff sich nicht an den Wänden des konvergierenden ersten Mischrohrabschnitts 17a ansammelt. Mit anderen Worten, die Brenneranordnung 16 gemäss Fig. 2 ermöglicht einen Betrieb mit 3 Brennstoffen („tri-fuel Operation").
Es kann aber auch vorteilhaft sein, gemäss Fig. 3 bei einer Brenneranordnung 20 mit dem Mischrohr 21 und den beiden Mischrohrabschnitten 21 a und 21 b den hin- teren Mischrohrabschnitt 21 b nicht zylindrisch, sondern sich zur Brennkammer 14 hin leicht konisch oder quasi-konisch erweiternd auszubilden. Eine solche Geometrie verringert die Neigung des Brennstoffs, sich in unmittelbarer Nähe der Wände des Mischabschnitts (21 b) anzusammeln und erhöht so den Widerstand gegen einen Flammenrückschlag.
Es ist auch vorteilhaft die Druckdifferenz im Vormischbrenner zu reduzieren, insbesondere hinsichtlich der hohen Geschwindigkeiten entlang der Gesamtlänge des Mischrohres
Vorteile ergeben sich auch, wenn eine Verbesserung der Radialverteilung des Brennstoffes aufgrund der auseinander laufenden Stromlinien angestrebt wird.
Brenneranordnungen gemäss der Erfindung sind besonders geeignet zur Heiss- gaserzeugung in Gasturbinenanlagen, in denen Brennstoffe mit hohem H2-Anteil verbrannt werden.
Bezugszeichenliste
10,16,20 Brenneranordnung
11 Vormischbrenner (Doppelkegel)
11 a Drallerzeuger
12 Luft/Brennstoff-Mischung (bzw. Luft)
13 Mischrohr
14 Brennkammer
15 Brennerachse
17 Mischrohr
17a,b Mischrohrabschnitt
18 Einschnürung
19 Brennstoffzuführung
21 Mischrohr
21 a,b Mischrohrabschnitt
22 Düse

Claims

Patentansprüche
1. Brenneranordnung für den Betrieb eines Vormischbrenners mit einem oder mehreren Brennstoffen, wobei der Vormischbrenner im wesentlichen aus einem Drallerzeuger besteht oder kopfseitig mit einen Drallerzeuger ausgerüstet ist, wobei der Vormischbrenner Mittel zur Einspeisung eines Brennstoffes sowie Mittel zur Einbringung eines Verbrennungsluftstromes mindestens in den Drallerzeuger aufweist, wobei stromab des Vormischbren- ners resp. Drallerzeugers mindestens ein Mischrohr wirkt, welches in eine
Brennkammer mündet, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischrohr (17, 21 ) stromab des zum Vormischbrenner (11 ) gehörenden Drallerzeugers (11 a) eine querschnittsbedingte Einschnürung (18) aufweist, und dass im Bereich dieser Einschnürung (18) Mittel (19, 22) zur Eindüsung eines hoch- reaktiven Brennstoffes (19) angeordnet sind.
2. Brenneranordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der hochreaktive Brennstoff ein H2 reicher Brennstoff ist.
3. Brenneranordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich der Querschnitt des Mischrohres (17, 21 ) in einem ersten Mischrohrabschnitt (17a, 21a) vom Ausgang des Vormischbrenners (11 ) bis zu der Einschnürung (18) hin konisch verjüngt.
4. Brenneranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischrohr (17, 21 ) in einem zweiten Mischrohrabschnitt (17b, 21 b) von der Einschnürung (18) zur Brennkammer (14) hin im Querschnitt deutlich kleiner ist als der Querschnitt am Ausgang des Vormischbrenners (11 ) im ersten Mischrohrabschnitt (17a, 21 a).
5. Brenneranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Mischrohrabschnitt (17b) einen konstanten Querschnitt aufweist.
6. Brenneranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Querschnitt des zweiten Mischrohrabschnitts (21 b) bis zur Brennkammer (14) hin leicht konisch erweitert.
7. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Eindüsung des hochreaktiven Brennstoffes im Bereich der Einschnürung (18) durch dort angeordnete Düsen (22) erfolgt, und dass die Düsen eine zugehörige Brennstoffzuführung (19) umfassen.
8. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Vormischbrenner (11 ) im wesentlichen aus einem Drall- erzeuger (11a) besteht, welcher aus mindestens zwei hohlen in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten sich zu einem Körper ergänzenden Teilkegelschalen besteht, dass der Querschnitt des durch die hohlen Teilkegelschalen gebildeten Innenraumes in Strömungsrichtung zunimmt, dass die jeweiligen Längssymmetrieachsen dieser Teilkegelschalen versetzt zuein- ander verlaufen, dergestalt, dass die benachbarten Wandungen der Teilkegelschalen in deren Längserstreckung tangentiale Lufteintrittsschlitze oder Kanäle für die Einströmung eines Verbrennungsluftstromes in den von den Teilkegelschalen gebildeten Innenraum bilden.
9. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 -7, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger (11 a) aus mindestens zwei hohlen in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten sich zu einem Körper ergänzenden Teilschalen besteht, dass der Querschnitt des von den hohlen Teilschalen gebildeten Innenraum in Strömungsrichtung zylindrisch oder quasi-zylindrisch verläuft, dass die jeweiligen Längssymmetrieachsen dieser Teilschalen versetzt zueinander verlaufen, dergestalt, dass die benachbarten Wandungen der Teilschalen in deren Längserstreckung tangentiale Lufteintrittsschlitze oder Kanäle für die Einströmung einer Verbrennungsluft in den von den Teilschalen gebildeten Innenraum bilden, und dass der Innenraum einen Innenkörper aufweist, dessen Querschnitt in Strömungsrichtung kegelig oder quasi-kegelig abnimmt.
10. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 -9, dadurch gekennzeichnet, dass flüssiger Brennstoff über eine zentrale Brennstoffdüse (5) und/oder gasförmiger Brennstoff (13) an den tangentialen Lufteintrittsschlitzen des jeweiligen Drallerzeugers einbringbar ist.
11. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 -10, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Übergangsbereich zwischen Drallerzeuger (11 a) und Mischrohr (13, 17, 21 ) Übergangskanäle zur Überführung einer im Drallerzeuger gebildeten Verbrennungsluftströmung in den stromab der Übergangskanäle nachgeschalteten Durchflussquerschnitt des Mischrohres (13, 17, 21 ) aufweist.
12. Anwendung der Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in einer mit mindestens einer Brennkammer betreibbare Gasturbinenanlage.
13. Anwendung der Brennanordnung nach einem der Ansprüche 1 -12 in einer sequentiell befeuerten Gasturbinenanlage.
14. Anwendung der Brennanordnung nach einem der Ansprüche 1 -13 in einer Kombianlage.
EP09717497.3A 2008-03-07 2009-02-12 Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners Not-in-force EP2260238B1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

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