EP2260238B1

EP2260238B1 - Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners

Info

Publication number: EP2260238B1
Application number: EP09717497.3A
Authority: EP
Inventors: Richard Carroni; Alexander Ni
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2008-03-07
Filing date: 2009-02-12
Publication date: 2015-12-23
Anticipated expiration: 2029-02-12
Also published as: EP2260238A1; WO2009109448A1; JP5449205B2; US20110056205A1; JP2011515641A

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verbrennungstechnik. Sie betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners 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 DE-A1-4417538 , EP-A2-0694740 , EP-A2-1207350 ). 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 eingedüst 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 °C 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 Brennstoffs 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 verringern.
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 Einschnürung 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. 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 Übergangskanäle nachgeschalteten Durchflussquerschnitt des Mischrohres vorzusehen. Eine solche Ausgestaltung geht aus EP-0 704 657 A1 hervor.
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.
Das erfindungsgemässe Verfahren 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 Brenneranordnung 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 Vormischbrenner 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 Vormischbrenners, 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-Vormischbetrieb mit Erdgas und Öl geeignet ist, vorausgesetzt, 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 hinteren 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.
Das Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners gemäss der Erfindung ist besonders geeignet zur Heissgaserzeugung 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

Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners mit einem oder mehreren Brennstoffen, wobei der Vormischbrenner im wesentlichen aus einem Drallerzeuger besteht oder kopfseitig mit einem 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 Vormischbrenners resp. Drallerzeugers mindestens ein Mischrohr wirkt, welches in eine Brennkammer mündet und stromab des zum Vormischbrenner (11) gehörenden Drallerzeugers (11a) eine querschnittsbedingte Einschnürung (18) aufweist, und wobei die Mündung des Mischrohres in die Brennkammer (14) durch einen Querschnittssprung gegeben ist, der die Verbrennungsfront der Brennkammer mit einer Rückströmzone bildet, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich dieser Einschnürung (18) Mittel (19, 22) zur Eindüsung eines hochreaktiven Brennstoffes (19) angeordnet sind, durch die ein H₂-reicher Brennstoff eingedüst wird.
Verfahren 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.
Verfahren nach Anspruch 2, 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).
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Mischrohrabschnitt (17b) einen konstanten Querschnitt aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Querschnitt des zweiten Mischrohrabschnitts (21 b) bis zur Brennkammer (14) hin leicht konisch erweitert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindüsung des hochreaktiven Brennstoffes im Bereich der Einschnürung (18) durch dort angeordnete Düsen (22) erfolgt, und dass die Düsen eine zugehörige Brennstoffzuführung (19) umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass flüssiger Brennstoff über eine zentrale Brennstoffdüse (5) und/oder gasförmiger Brennstoff (13) an den tangentialen Lufteintrittsschlitzen des jeweiligen Drallerzeugers eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Übergangsbereich zwischen Drallerzeuger (11 a) und Mischrohr (13, 17, 21) Übergangskanäle vorgesehen sind, mittels der eine im Drallerzeuger gebildete Verbrennungsluftströmung in den stromab der Übergangskanäle nachgeschalteten Durchflussquerschnitt des Mischrohres (13, 17, 21) überführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Betrieb in einer mit mindestens einer Brennkammer betreibbaren Gasturbinenanlage.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 8 zum Betrieb in einer sequentiell befeuerten Gasturbinenanlage.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 8 zum Betrieb in einer Kombianlage.