EP2397764A1 - Turbine burner - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Turbinenbrenner gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a turbine burner according to the preamble of
Verglichen mit den klassischen Gasturbinenbrennstoffen Erdgas und Erdöl, die überwiegend aus Kohlenwasserstoffverbindungen bestehen, sind die brennbaren Bestandteile der Synthesegase im Wesentlichen CO und H2. Abhängig vom Vergasungsverfahren und Gesamtanlagenkonzept ist der Heizwert des Synthesegases etwa 5 bis 10mal kleiner verglichen mit dem Heizwert von Erdgas. Hauptbestandteile neben CO und H2 sind inerte Anteile wie Stickstoff und/oder Wasserdampf und gegebenenfalls noch Kohlendioxid. Bedingt durch den kleinen Heizwert müssen demzufolge hohe Volumenströme an Brenngas durch den Brenner der Brennkammer zugeführt werden. Dies hat zur Folge, dass für die Verbrennung von niederkalorischen Brennstoffen - wie z.B. Synthesegas eine oder mehrere gesonderte Brennstoffpassagen zur Verfügung gestellt werden müssen. Wegen der im Vergleich zu konventionellen Brennstoffen wie Erdgas und Öl hohen Reaktivität (hohe Flammengeschwindigkeit, großer Zündbereich) von Synthesegasen besteht ein deutlich höheres Risiko bezüglich Flammenrückschlages, das heißt einer Brennerschädigung. Aus diesem Grunde erfolgt die Verbrennung von Synthesegasen in industriellen Gasturbinen zurzeit noch ausschließlich im Diffusionsbetrieb. Die damit verbundenen lokalen hohen Verbrennungstemperaturen führen zu hohen Stickoxid-Emissionen, welche wiederum durch eine zusätzliche Verdünnung durch Inertstoffe wie N2 oder Wasserdampf abgesenkt werden. Der damit verbundene zusätzliche Anstieg des Brennstoffmassenstromes stellt wiederum besondere Anforderungen an das Verbrennungssystem und die vorgelagerten Hilfssysteme.Compared with the traditional gas turbine fuels natural gas and petroleum, which mainly consist of hydrocarbon compounds, the combustible components of the synthesis gases are essentially CO and H2. Depending on the gasification process and overall plant concept, the calorific value of the synthesis gas is about 5 to 10 times smaller compared to the calorific value of natural gas. Main constituents in addition to CO and H2 are inert fractions such as nitrogen and / or water vapor and possibly also carbon dioxide. Due to the low calorific value consequently high volume flows of fuel gas must be supplied through the burner of the combustion chamber. As a result, for the combustion of low calorific fuels - e.g. Synthesis gas one or more separate fuel passages must be made available. Because of the high reactivity (high flame velocity, large ignition range) of synthesis gases compared to conventional fuels such as natural gas and oil, there is a significantly higher risk of flashback, ie damage to the burner. For this reason, the combustion of synthesis gases in industrial gas turbines is currently still exclusively in the diffusion mode. The associated local high combustion temperatures lead to high nitrogen oxide emissions, which in turn are lowered by an additional dilution by inert materials such as N2 or water vapor. The associated additional increase in the fuel mass flow in turn places special demands on the combustion system and the upstream auxiliary systems.
Das Synthesegas wird im Brenner des Stands der Technik - wie in der
Der Düsenring der
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung einen verbesserten Brenner mit einer verbesserten Brennstoffdüse anzugeben, welche eine verbesserte Durchmischung zur Folge hat und die obigen Nacheile vermeidet.It is therefore an object of the invention to provide an improved burner with an improved fuel nozzle, which results in improved mixing and avoids the above hot spots.
Diese Aufgabe wird durch die Angabe eines Turbinenbrenners nach Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.This object is achieved by the specification of a turbine burner according to
Die Erfindung bewirkt, dass sich bei gleicher Drallstärke ein niedrigerer Druckverlust einstellt, im Vergleich zu dem Düsenring der Düse des Stands der Technik. Zudem bewirken die Schaufeln, dass bei gleichem Gesamtdruckverlust ein größerer Anteil des Druckverlusts an den Brennstoffdüsenaustritt gelegt wird, was eine höhere akustische Stabilität in der Verbrennungszone bewirkt als bei der Düse des Stands der Technik.The invention causes a lower pressure drop to occur with the same swirl intensity compared to the nozzle ring of the prior art nozzle. In addition, the vanes cause a greater portion of the pressure loss to be applied to the fuel nozzle outlet for the same total pressure loss, resulting in higher acoustic stability in the combustion zone than in the prior art nozzle.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegendenFurther features, characteristics and advantages of the present invention will become apparent from the following description of embodiments with reference to the accompanying
- Die
Figur 1 - zeigt einen solchen erfindungsgemäßen Turbinenbrenner.
- Die
Figur 2 - zeigt eine erfindungsgemäße Brennstoffdüse.
- The figure 1
- shows such a turbine burner according to the invention.
- The figure 2
- shows a fuel nozzle according to the invention.
Der Turbinenbrenner nach
Der Brenner umfasst weiter eine Primärzuführeinheit, welche eine Primärmischröhre 11 und eine Brennstoffdüse 1 mit einer in die Verbrennungszone weisenden Öffnung dem Brennstoffdüsenaustritt 4 zur Zuführung eines Primärbrennstoffes aufweist, wobei die Brennstoffdüse 1 sowie die Primärmischröhre 11 konzentrisch um die Sekundärzuführeinheit angeordnet ist. Dabei haben die Primärmischröhre 11 und die Brennstoffdüse 1 eine Fluidflussverbindung. Durch die Primärmischröhre 11 und die Brennstoffdüse 1 wird der Verbrennungszone 10 Synthesegas zugeführt.The burner further comprises a primary supply unit having a
Um die Primärzuführeinheit ist zumindest teilweise ein Ringkanal 40 angeordnet, der mehrere auf dem Umfang angeordnete Swirler 45 mit oder ohne Brennstoffdüsen aufweist. Durch diesen Ringkanal 40 wird Verdichterluft L " geströmt, in das mittels den Swirlern 45 Brennstoff eingedüst werden kann. Das daraus entstehende Verdichterluft L " - Brennstoffgemisch oder die Luft L " wird ebenfalls verdrallt in die Verbrennungszone 10 eingebracht.Arranged at least partially around the primary supply unit is an
Die Brennstoffdüse 1 weist eine ringförmige Wand 9 auf, welche in axialer Richtung radial von der Sekundärzuführeinheit beabstandet ist, so dass durch die ringförmige Wand 9 und Sekundärzuführeinheit eine Spalthöhe h ausgebildet wird. Dabei weist die Brennstoffdüse 1 eine zur Sekundärzufuhreinheit gerichtete Innenwand 50 auf, wobei die Innenwand 50 ringförmig angeordnete Schaufeln 12 aufweist (
Die Brennstoffdüse 1 ist stromab zumindest teilweise konisch ausgebildet.The
Die Schaufeln 12 haben auf der stromaufwärtigen Seite eine Schaufelanströmkante 51 und gegenüberliegend eine Schaufelhinterkante 60. Dabei weist die Schaufelanströmkante 51 einen axialen Abstand s zu dem Brennstoffdüseneinlass 20 auf. Das Verhältnis von Abstand s und Spalthöhe h ist dabei größer als 1 und kleiner als 4. Durch diese Begrenzung des Abstandes s zu den Schaufel 12 in axialer Richtung wird die Ausbildung einer nennenswerten Grenzschicht verhindert.The
Zur Maximierung des akzeptablen, verfügbaren Druckverlustes in der Düse 1 wird der Brennstoffdüseneinlass 20 mit einer größeren Spalthöhe h ausgeführt. Dadurch erfolgt die maximale Ausnutzung des akzeptablen Druckverlustes und die Vermeidung von parasitären Druckverlusten am Brennstoffdüsenaustritt 4. Es stellt sich somit eine stabile Verbrennung ein.To maximize the acceptable, available pressure loss in the
Der Brennstoffdüseneinlass 20 ist zudem abgerundet, wobei die Abrundung einen Brennstoffdüseneinlassradius Re aufweist. Die Abrundung weist dabei von einem Brennstoffdüseninneren weg. Das Verhältnis von Brennstoffdüseneinlassradius Re und der Spalthöhe h ist dabei größer als 0.2 und kleiner als 0.8. Dadurch erfolgt bis zur Schaufelanströmkante 51 eine gleichmäßige Strömungsbeschleunigung, welche eine Minimierung der Einlaufdruckverluste und an den Schaufeln 12 ein gleichmäßiges Strömungsprofil bewirkt. Alternativ kann dies auch durch eine gerade Düse 1 mit einem geraden Brennstoffdüseneintritt 20 mit einem Winkel <75° bewirkt werden (nicht dargestellt). Die Schaufelanströmkante 51 weist dabei den oben erwähnten stromaufwärtigen relativen axialen Abstand von etwa 1<s (Abstand)/h(Spalthöhe)<4 zum Brennstoffdüseneintritt 20 auf.The
Im Gegensatz zu bestehenden Lösungen ist die Düse 1 also derart ausgeführt, dass durch Reduzierung der Spalthöhe h am Brennstoffdüseneintritt 20 die Axialgeschwindigkeit bereits vor den Schaufeln 12 erhöht wird und eine gleichmäßige Beschleunigung des Gases bis zum Austritt aus der Düse 1 erfolgt. Dabei beträgt die Spalthöhe h am Brennstoffdüsenaustritt 4 zwischen 0.1<h (Spalthöhe)/Ra<0.2, wobei Ra den äußeren Brennstoffdüsenradius Ra darstellt, damit eine Mach-Zahl im Bereich 0.4<Ma<0.8 eingehalten wird, was eine bessere akustische Entkopplung des Brennstoffsystems von Brennkammerdruckschwingungen bewirkt. Zusätzlich ist mit der höheren Mach-Zahl eine Vergrößerung der Mischenergie verbunden. Durch die kleinere Spalthöhe h als bei den Düsen des Stands der Technik am Düsenaustritt 4 werden zudem Mischungswege minimiert.In contrast to existing solutions, the
Die Schaufeln 12 weisen zusätzlich einen Schaufelanstellwinkel auf (
Das Brennstoff-Luftgemisch, welches durch das Axialgitter 22 durchströmt, weist zudem eine tangentiale Strömungsrichtung 100 (Drall) auf. Auch in der Brennstoffdüse 1 wird dem Synthesegasstrom durch einen Anstellwinkel der Schaufeln 12 eine tangentiale Strömungsrichtung 110 aufgeprägt. Der Schaufelanstellwinkel kann nun so angeordnet werden, dass die tangentiale Strömungsrichtungen 100 und 110 nun eine gegensinnige Drehrichtung aufweisen. Dazu müssen die Schaufeln 12 und das Axialgitter 22 eine gegensinnige Anordnung aufweisen. Dies bewirkt eine erhebliche Steigerung der Mischungsintensität wegen der vergrößerten Schergeschwindigkeiten in den Kontaktzonen der Strömungen 100 und 110. Aufgrund des Gegendralls liegt nämlich die Relativgeschwindigkeiten zwischen den Luft-Brennstoffgemisch und Synthesegas deutlich über der Relativgeschwindigkeiten einer gleichsinnigen Anordnung, was wiederum die deutlich höhere Durchmischung beider Ströme zur Folge hat. Dies wirkt sich wiederum positiv auf die NOx Emissionen aus. Auch die Luft, welches durch die Ringpassage 40 strömt weist einen Drall 120 auf. Diese ist bevorzugt gleichgerichtet zum Drallstrom 100.The fuel-air mixture, which flows through the
Die Brennstoffdüse 1 kann in Strömungsrichtung gesehen nach den Schaufeln 12 noch Löcher 130 aufweisen. Durch diese kann die Luft des Ringkanals 40 eintreten, wenn der Brenner nicht im Synthesegasbetrieb ist. Somit ist eine Betreibung des Brenners auch ohne Synthesegas möglich, wenn Brennstoff über den Pilotbrenner oder aber Brennstoff über die Ergaspassage 35 zugeführt wird. Damit kann im Betrieb ohne Synthesegas kein Heißgas, welches im Verbrennungszone 10 vorhanden ist, über die Düse 1 zurückströmen. Die Löcher 130 können dabei in Strömungsrichtung mit einer Einlaufschale (7) ausgebildet sein, welche in den Kanal 40 hineinragt. Somit kann, im Betrieb ohne Synthesegas, die Luft L " gezielter durch die Löcher 130 in die Düse 1 geströmt werden, um somit das Heißgas noch gezielter daran zu hindern, dass Heißgas aus der Verbrennungszone 10 in die Düse 1 zurückströmt.The
Die
Im Gegensatz zu der Düse 1 des Brenners im Stand der Technik kann der Volumenstrom des Synthesegases, der durch den erfindungsgemäßen Brenner der Verbrennungszone 10 zugeführt werden muss, bei gleichen NOx Emissionen verringert werden. Daraus ergibt sich der Vorteil eines geringeren Bauraums der Primärzuführeinheit bzw. der Zufuhrsysteme zur Primärzuführeinheit. Die bessere akustische Stabilität lässt einen erweiterten Betriebsbereich des erfindungsgemäßen Brenners hinsichtlich Last und Brennstoffqualität zu.In contrast to the
Claims (14)
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Sekundärzuführeinheit und der ringförmigen Wand (9) ein Fluidkanal ausgebildet wird, und in dem Fluidkanal Schaufeln (12) angeordnet sind.A turbine burner having a secondary supply unit for supplying a secondary fuel or air and for discharging the fuel or air from an opening (6) into a combustion zone (10), and a primary supply unit having a primary mixer tube (11) and a fuel nozzle (1) with one in the Combustion zone facing fuel nozzle exit (4) for supplying a primary fuel, wherein the fuel nozzle (1) and the primary mixing tube (11) is arranged concentrically around the Sekundärzuführeinheit, wherein the primary mixing tube (11) and the fuel nozzle (1) having a fluid flow connection, wherein the fuel nozzle (1) has an annular wall (9) radially spaced axially from the secondary supply unit such that a gap height (h) is formed by the annular wall (9) and secondary supply unit, the annular wall (9) of the fuel nozzle (1) one to the secondary feed unit geric has inner wall (50),
characterized in that between the secondary feed unit and the annular wall (9), a fluid channel is formed, and in the fluid channel blades (12) are arranged.
dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (12) ringförmig über den Umfang der Innenwand (50) angeordnet sind.Turbine burner according to claim 1,
characterized in that the blades (12) are annular over the circumference of the inner wall (50).
die Sekundärzuführeinheit eine zur Brennstoffdüse (1) gerichtete Außenwand aufweist, wobei die Außenwand der Sekundärzufuhreinheit Schaufeln (12) aufweist, wobei die Schaufeln (12) ringförmig über den gesamten Umfang der Außenwand angeordnet sind.Turbine burner according to claim 1 or 2,
the secondary feed unit has an outer wall facing the fuel nozzle (1), the outer wall of the secondary feed unit having blades (12), the blades (12) being arranged annular over the entire circumference of the outer wall.
dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüse (1) in Strömungsrichtung zumindest teilweise konisch ausgebildet ist.Turbine burner according to one of the preceding claims,
characterized in that the fuel nozzle (1) is at least partially conical in the flow direction.
dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüse (1) in Strömungsrichtung nach den Schaufeln (12) gesehen eine kontinuierliche Reduktion der Spalthöhe (h) aufweist.Turbine burner according to claim 4,
characterized in that the fuel nozzle (1) seen in the flow direction after the blades (12) has a continuous reduction of the gap height (h).
dadurch gekennzeichnet, dass die die Schaufeln (12) auf ihrer stromaufwärtigen Seite eine Schaufelanströmkante (51) aufweisen und die Brennstoffdüse (1) einen Brennstoffdüseneinlass (20) aufweist und die Schaufeln (12) einen axialen Abstand (s) zu diesem Brennstoffdüseneinlass (20) aufweisen, wobei das Verhältnis des Abstands (s) und der Spalthöhe (h) größer als 1 und kleiner als 4 ist.Turbine burner according to one of the preceding claims,
characterized in that the blades (12) have a blade inflow edge (51) on their upstream side and the fuel nozzle (1) has a fuel nozzle inlet (20) and the blades (12) have an axial distance (s) to that fuel nozzle inlet (20). wherein the ratio of the distance (s) and the gap height (h) is greater than 1 and less than 4.
dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffdüseneinlass (20) abgerundet ist, wobei die Abrundung einen Brennstoffdüseneinlassradius (Re) aufweist, wobei die Abrundung von einem Brennstoffdüseninneren weg weist.Turbine burner according to one of the preceding claims,
characterized in that the fuel nozzle inlet (20) is rounded, the rounding having a fuel nozzle inlet radius (Re), the rounding facing away from a fuel nozzle interior.
dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Brennstoffdüseneinlassradius (Re) und die Spalthöhe (h) größer aus 0.2 und kleiner als 0.8 ist.Turbine burner according to claim 7,
characterized in that the ratio of the fuel nozzle inlet radius (Re) and the gap height (h) is greater than 0.2 and less than 0.8.
dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüse (1) einen äußeren Brennstoffdüsenradius (Ra) aufweist.Turbine burner according to one of the preceding claims,
characterized in that the fuel nozzle (1) has an outer fuel nozzle radius (Ra).
dadurch gekennzeichnet, dass am Brennstoffdüseneintritt (20) das Verhältnis der Spalthöhe (h) und des Brennstoffdüsenradius (Ra) größer als 0.2 und kleiner als 0.3 ist.Turbine burner according to claim 9,
characterized in that at the fuel nozzle inlet (20) the ratio of the gap height (h) and the fuel nozzle radius (Ra) is greater than 0.2 and less than 0.3.
dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärzufuhreinheit einen Radius (Ri) aufweist und am Brennstoffdüsenaustritt (4) das Verhältnis von dem Radius (Ri) zu den äußeren Brennstoffdüsenradius (Ra) der Brennstoffdüse (1) größer als 0.6 und kleiner als 0.8 ist.Turbine burner according to claim 9 or 10,
characterized in that the secondary supply unit has a radius (Ri) and at the fuel nozzle outlet (4) the ratio of the radius (Ri) to the outer fuel nozzle radius (Ra) of the fuel nozzle (1) is greater than 0.6 and less than 0.8.
dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüse (1) Löcher (130) aufweist, welche in Strömungsrichtung gesehen den Schaufeln (12) nachgeordnet sind und welche über den gesamten Umfang der Wand (9) der Brennstoffdüse (1) angeordnet sind.Turbine burner according to one of the preceding claims,
characterized in that the fuel nozzle (1) has holes (130) which, viewed in the flow direction, are arranged downstream of the blades (12) and which are arranged over the entire circumference of the wall (9) of the fuel nozzle (1).
dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher (130) eine Einlaufschale (7) aufweisen.Turbine burner according to claim 12,
characterized in that the holes (130) have an inlet shell (7).
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest teilweise um die Primärzuführeinheit ein Ringkanal (40) angeordnet ist, der mehrere auf dem Umfang angeordnete Swirler (45) mit Brennstoffdüsen aufweist.Turbine burner according to one of the preceding claims,
characterized in that at least partially around the Primärzuführeinheit an annular channel (40) is arranged, which has a plurality of circumferentially arranged Swirler (45) with fuel nozzles.
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